Environmental performance of the innovative, patented mixing system in an agricultural biogas plant based on lca approach

Fig. 1. Interior of the designed digester with a hybrid pump (as per the MEGA company) A. Cross-section of the digester. B. Hybrid pump installed in the digester.
E. Wrzesi´nska-Jędrusiak et al.

---

Journal of Cleaner Production 349 (2022) 131420
4
impact categories. Additionally, a CED-based energy efficiency analysis 
was carried out to show differences in the primary energy demand of the 
biogas plant by using both mixing systems. 
2.2. Biogas plant system description 
The analysed biogas plant is located on a pig farm (approximately 
300 LSU) in the Wielkopolska Province, in Poland. A monosubstrate 
biogas plant was constructed on the farm. The region and the repre-
sentative pig farm were selected due to the potential for livestock slurry 
in the region, and thus the potential for biogas production. The neigh-
bouring provinces of Wielkopolska (36,4%), Mazowieckie (11.2%), 
Ł´
odzkie (9.9%) and Kujawsko-Pomorskie (9.7%) had the largest share in 
the pig population (
Statistics Poland, 2022
). 
The biogas plant consists of a pig slurry storage tank with a volume of 
30 m
3 
into which slurry is delivered directly from channels located 
under the slatted floor of the pig house, and then it is fed into a 
fermentation tank with a total volume of 30 m
3
. The produced biogas is 
supplied to a biogas interim storage tank with a maximum active volume 
of 20 m
3
, and digestate is fed to a digestate tank with a volume of 100 
m
3
. The stored biogas is fed to a 19.2 kW
e 
cogeneration unit with an 
energy efficiency of 35%. The lifespan of the installation was considered 
20 years. The fermentation tank is equipped with an innovative mixing 
system comprising a hybrid pump designed under the Institute of 
Technology and Life Sciences patent No 232162, (
Myczko and Sawi´nski, 
2017
), which enables the substrate to be mixed by raising the liquid with 
raw biogas taken directly from above the surface of the fermenting 
biomass, with an option to spread it in the contents of the fermentation 
tank. In turn, the tank equipped with the patented pump comprises a 
diffuser located at the outlet of the suction pipe. 
The research was carried out during the biotechnological monitoring 
of an agricultural biogas plant fed with slurry. Process monitoring 
consisted of regular testing of the substrate samples taken from the 
digester and biogas samples. The results obtained were the basis for the 
optimal selection of the digester substrate load and the determination of 
technological parameters which guarantee stable and efficient biogas 
production at the highest level. The following values were determined in 
the substrate samples: pH, dry weight, dry organic matter and total 
Kjeldahl nitrogen. The composition of biogas was characterised using 
the biogas analyser type Biogas 5000 Geotechnical Instruments - in the 
measuring range: CH
4 
(0–100%), CO
2 
(0–100%), O
2 
(0–20%) and H
2
S 
(0–1000 ppm) (
Wrzesi´nska-Jędrusiak et al., 2020a,b
). Average slurry 
parameters fluctuate around 4% of dry matter content with a median of 
3.0% of dry matter and have some variability. The average content of 
organic dry matter, which is slightly less variable, is around 70–75% dry 
matter. With the low slurry parameters during process monitoring, with 
a short retention time of 9 days, it was possible to produce biogas 
containing as much as 70% methane. 
To achieve the integrated prevention and control of pollution that 
results in a high level of protection for the environment as a whole, a 
technology for biogas production in the digester using the hybrid pump 
described in patent No. 232162 was developed (
Myczko and Sawi´nski, 
2017
). The pump design enables it to operate in various liquid media 
such as homogeneous liquids and liquids with high solid content. The 
pump can be employed to pump, mix, circulate between the tanks, for 
example, to separate sludge. Depending on the process requirements, a 
pump of this design can operate as a mammoth pump, a geyser pump or 
a hybrid pump. The automatic control system can switch operations to a 
geyser mode or a hybrid system. The times of each operation mode can 
be adjusted as required. The fermentation tank and the built-in pump 
constitute an integral whole, cooperating with external components of 
the biogas plant. The mixing of an organic substrate is a key factor that 
improves the efficiency of the anaerobic fermentation process, allowing 
the biogas yield to be increased by 50% (
Karim et al., 2005
). The 
fermentation substrate is minimally mixed when its fresh portion is 
added. It is caused by thermal convection currents and the rising of 
biogas bubbles. This is passive mixing that cannot be conducted without 
active (mechanical) support for the fermenting pulp mixing process. The 
pump mixing comprises mixing the contents of tanks by using the 
fermentation liquid. The substrate is pumped into the digester using the 
pump system through adjustable nozzles that can inlet the liquid at a 
suitable angle adjustable both horizontally and vertically. 
2.3. System boundaries and functional unit 
The system boundaries covered the process of generating electricity 
from biogas from the slurry storage stage to the generation of electricity 
in the cogeneration unit, the so-called “gate-to-gate” range of the tested 
product (
Fig. 3
). The research did not include the slurry production stage 
as the environmental loads related to this stage were incorporated into 
another system - pig farming. Further, the research did not pertain to the 
construction, commissioning and disposal of the biogas plant. The 
analysis only applies to the operational stage of the plant. Due to the 
estimated negligible environmental impact, the research did not include 
any secondary processes, id est sampling for testing, recovery and 
recuperation of the deposit for desulphurisation, etc. This primarily re-
sults from the fact that for both types of mixing these processes are 
identical and their significance is marginal. The research did not take 
into account digestate management. The environmental impacts that 
relate to the application of digestate in fields can also be taken into 
consideration in the pig farming process, as avoided emissions due to the 
direct application of slurry in fields and the use of artificial fertilisers. 
For the CED and primary energy demand, calculations were conducted 
for the entire lifetime of the analysed product, including all naturally