!
School of Natural Sciences
Degree project in Biology!
!
!
!
Impact!of!Using!Macroalgae!from!the!
Baltic!Sea!in!Biogas!Production:!
A!Review!with!Special!Emphasis!!
on!Heavy!Metals!
Kristofer Bergström Subject: Biology
Level: Master of Science, Second level
K
RISTOFERB
ERGSTRÖM 2012Impact of Using Macroalgae from the Baltic Sea in Biogas Production:
A Review with Special Emphasis on Heavy Metals
Degree project for Master of Science in Biology
Second level, 45 ECTS
Impact'of'Using'Macroalgae'from'the'Baltic'Sea'in'Biogas'Production:' A'Review'with'Special'Emphasis'on'Heavy'Metals'
Kristofer)Bergström,)Linnæus)University.)) Biology)programme,)240/300)ECTS)
Degree)project)for)Master)in)Science,)Second)level,)45)ECTS) Supervised)by)Professor)Catherine)Legrand,)Linnæus)University.) Examiner)Associated)Professor)Mark)Dopson,)Linnæus)University.) )
Summary'
)
A) consequence) of) eutrophication) in) the) Baltic) Sea) is) growth) of) algae) that) accumulates) in) the) coastal)areas)and)beaches.)Dense)algal)mats)may)cause)anoxia)or)hypoxia)and)greatly)reduce)the) recreational)value)of)the)area.)Algae)also)functions)as)hyper)accumulators)of)heavy)metals)and) their) metal) levels) may) become) toxic) to) higher) trophic) levels.) The) project) Wetlands,) Algae) and) Biogas)(WAB))aims)at)removing)algal)beach)cast)for)commercial)use)in)biogas)production)and) further) use) of) the) fermentation) residues) as) fertilizer.) Collection) of) algae) would) remove) both) nutrients) and) heavy) metals) from) the) Baltic) Sea) but) leave) us) with) large) amounts) of) algae) containing)heavy)metals.)A)concern)for)the)biogas)production)based)on)these)Baltic)algae)is)the) effects) from) the) heavy) metals,) during) fermentation,) in) the) residues) and) the) use) of) them) as) fertilizer.)A)literature)review)shows)that)the)levels)of)heavy)metals)should)not)inhibit)the)biogas) production) but) during) the) fermentation) there) is) a) loss) of) (48%)) biological) material) and) the) metals) are) concentrated) in) the) residues.) Samples) of) algae) from) Trelleborg) (SE)) show) higher) concentrations)of)cadmium)(Cd))than)algae)from)Poland)(PL).)The)Swedish)residues)border)or) surpass)the)legislative)amount)of)heavy)metals)that)are)allowed)to)be)applied)to)arable)land)in) Sweden.) This) is) both) due) to) the) higher) concentrations) of) heavy) metals) and) the) differences) between) European) and) Swedish) legislation.) To) use) the) residues) as) fertilizer) detoxification) is) required,)mainly)for)Cd)in)Sweden.)There)are)effective)methods,)chemicals)and)ion)exchangers) (70W80%),)for)removing)heavy)metals)from)organic)leachate.)But)these)methods)lack)testing)on)a) large)scale,)the)costs)and)the)environmental)aspect)of)these)methods)on)tons)of)algae)per)year) are) unknown.) CoWfermentation) with) a) suitable) substrate) would) dilute) the) heavy) metal) concentration)and)could)reduce)possible)problems)such)as)hydrogen)sulfide)accumulation)in)the) biogas.)Another)possible)pathway)for)dealing)with)the)heavy)metal)rich)residues)is)as)fertilizer) for)nonWfood)crops)such)as)the)biofuel)species)willow)(Salix).)Willow)is)a)fast)growing)tree)that)is) a)known)accumulator)of)heavy)metals)and)can)be)used)as)a)remediation)for)contaminated)soil.) Based)on)the)metal)concentrations)and)respective)legislation,)estimations)of)20)000)ha)of)willow) for)Trelleborg)and)400)ha)for)Sopot)beach)(PL))is)needed)to)process)harvested)algae.))
) ) ) ) ) ) ) )
Swedish'Summary'
En) konsekvens) av) övergödningen) i) Östersjön) är) tillväxten) av) alger) som) sedan) ansamlas) i) kust) områden)och)på)stränderna.)Tjocka)ansamlingar)av)alger)kan)orsaka)anoxia)eller)hypoxia)samt) att)de)minskar)rekreationsvärdet)för)området.)Alger)fungerar)också)som)hyper)ackumulatorer) av) tunga) metaller) och) dessa) nivåer) kan) bli) toxiska) för) högre) trofinivåer.) Projektet) Våtmarker,) Alger) och) Biogas) (WAB)) har) som) mål) att) samla) in) upp) spolade) alger) och) använda) dessa) som) substrat) i) kommersiell) biogas) produktion) samt) att) nyttja) rötresten) som) gödsel.) Insamling) av) alger)skulle)både)föra)bort)näringsämnen)och)tunga)metaller)från)Östersjön)och)detta)skulle)ge) oss)stora)volymer)alger)rika)på)tunga)metaller)som)vi)måste)göra)något)med.)Ett)orosmoment)for) biogas)produktion)av)dessa)alger)är)effekterna)från)tung)metallerna,)under)rötning,)i)rötresten) och) vid) användning) av) rötresten) som) gödsel.) En) litteratur) studie) visar) att) nivåerna) av) tunga) metaller) inte) skulle) inverka) på) rötningens) effektivitet) men) vid) rötningen) förloras) biologiskt) material)(48)%))och)metallerna)koncentreras)i)rötresten.)Alg)prover)från)Trelleborg)(SE))visar) på)högre)koncentrationer)av)kadmium)(Cd))än)alger)från)Polen)(PL).)Svenska)rötrester)gränsar) till) eller) överstiger) de) lagstadgade) nivåer) som) är) tillåtna) att) applicera) på) jordbruksmark) i) Sverige.)Detta)är)både)genom)de)högre)nivåerna)av)Cd)samt)genom)skillnader)mellan)svensk)och) europeisk)lag.)För)att)använda)rötresten)som)gödsel)krävs)rening)av)i)huvudsak)Cd)i)Sverige.)Det) finns) effektiva) metoder,) kemikalier) och) jonbytare) (70W80) %),) för) att) rena) rötresten) från) tunga) metaller.) Dock) så) är) dessa) metoder) oprövade) på) stor) skala) samt) att) ekonomiska) och) miljö) konsekvenser)av)dessa)metoder)på)tonvis)av)alger)per)år)är)okända.)Samrötning)med)ett)annat) lämpligt)substrat)skulle)späda)ut)koncentrationen)av)tunga)metaller)samt)minska)risken)för)väte) sulfids)bildning)i)biogasen.)Ytterligare)en)möjlighet)för)att)använda)de)metall)rika)algerna)är)att) använda)dem)som)gödning)för)ej)mat)producerande)gröda)så)som)energiskogen)pil)(Salix).)Pil)är) en)snabbväxande)gröda)som)är)känd)för)att)ackumulera)metaller)och)kan)därmed)användas)för) att)rena)kontaminerade)marker.)Baserat)på)respektive)metall)koncentration)och)lagar)så)skulle) Trelleborg)uppskattningsvis)behöva)20)000)ha)pil)plantage)och)Sopot)(PL))400)ha)för)att)rena) aktuella)alg)mängder.))
)
Acknowledgements'
The)South)Baltic)Programme)and)the)European)Union)trough)the)project)Wetlands,)Algae)and) Biogas)(WAB),)2010W2012,)and)Linnœus)University)(School)of)Natural)Sciences)and)the)Faculty) of)Natural)Sciences)and)Technology),)funded)this)study.))
) )
Contact information
SE-391 82 Kalmar +46 480 446200 Info.nv@lnu.se Lnu.se
www.lnu.se/eemis
TABLE'OF'CONTENT'
1.'Introduction' ' ' ' ' 4'
2.'General'considerations' ' ' ' 5'
2.1 Heavy)metals)in)the)sea)and)in)algae) ) ) 5)
2.2 Disposal)of)algal)beach)casts) ) ) ) 6)
2.3 Biogas:)a)biological)process)to)convert)biomass)into)energy) 7)
3.'Algal'beach'cast'in'the'Baltic'Sea' ' ' ' 8'
3.1 Substrate)availability)in)the)South)Baltic)region) ) 8) 3.2 Nutrient)and)heavy)metal)content)in)algae) ) ) 11)
4.'Storage' ' ' ' ' ' 15'
5.'Biogas'production'efficiency' ' ' ' 16'
6.'Metals'in'fermentation'residues' ' ' ' 18'
7.'The'“cadmium'issue”:'detoxification'pathways' ' 20' 8.'Direct'use'of'fermentation'residues'as'fertilizer'for'willow'(Salix)' 22' 8.1 Heavy)metal)accumulation)by)Salix& & & 22) 8.2 Compartmentalization)of)metals)in)Salix& & & 26)
8.3 Suitable)clones)and)yield) ) ) ) 27)
8.4 Combustion)ashes)) ) ) ) 30)
9.'Future'perspective' ' ' ' ' 30'
10.'References' ' ' ' ' 31'
) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )
1.'Introduction'
Eutrophication)with)increasing)depositions)of)nitrogen)and)phosphorus)in)the)Baltic)Sea)has)led) to)increased)growth)of)algae)(Larsson)et)al.,)1985;)Schneider)and)Pohl,)1996;)Kononen)et)al.,) 2001;)Conley)et)al.)2002).)The)algae)are)deposited)in)massive)amounts)along)the)coastline)by) waves)and)currents)that)rip)them)free)from)the)bottom)and)transport)them)to)shore)(Picture)1).))
)
Picture)1.)Shore)line)in)Trelleborg,)south)Sweden,)with)dense)algal)mats)in)the)water)and)deposited)the) beach.)
)
Amounts)as)high)as)5)tonnes/m2/year)of)algae)has)been)recorded)in)Öland)in)Sweden)(Malm)et) al.)2004).)Along)the)coast)the)deposited)algae)make)beaches)and)bays)inaccessible)for)recreation.) Dense)algal)mats)might)also)cause)anoxia)or)hypoxia)with)following)increases)in)mortality) (Raffaelli)2000,)Salovius)and)Bonsdorff,)2004).))
)
One)approach)to)these)problems)would)be)to)harvest)the)algal)biomass)in)coastal)areas,)but)that) raises)the)problem)of)further)action)with)the)algae.)Harvesting)would)restore)the)recreational) value)and)reduce)the)nutrient)load)in)the)sea)(Malm)et)al.)2004).)Collection)of)algae)would)also) act)as)a)form)of)phytoremediation)(phytoextraction))of)heavy)metals)from)the)sea)even)though) the)algae)are)not)intentionally)planted)for)that)purpose)as)the)term)phytoremediation)suggests.) The)rationale)of)the)WAB)project)is)that)the)cleaning)of)the)beaches)leads)also)to)the)production) of)economic)products:)raw)algal)biomass)that)can)be)exported)to)biogas)production)
(fermentation).)The)aim)of)this)review)is)to)investigate)the)impact)of)using)algae)in)biogas) production)with)focus)on)heavy)metals)(Box)1)Cadmium)(Cd))information))from)the)areas)of) Trelleborg)(SE))and)Sopot)(PL).)Following)the)process)from)the)collection)to)how)to)dispose)of) the)residues)(Figure)1))will)underpin)recommendations)ensuring)that)public)health)and)the) environment)are)protected.)
) Figure'1.)Biogas)productions)process)chain)from)algal)substrate.)
)
2.'General'consideration'
2.1.'Heavy'metals'in'the'sea'and'in'algae'
Heavy)metals)occur)naturally)in)the)environment)and)many)of)them)are)essential)nutrients)for) organisms,)but)in)high)concentrations)they)may)become)toxic.)Metals)such)as)copper)(Cu))and) zinc)(Zn))are)essential)to)life,)whereas)others)such)as)cadmium)(Cd),)lead)(Pb))and)mercury)(Hg)) not)are)known)to)perform)any)useful)biochemical)function)(Allan)1997).)Heavy)metals)are) usually)present)at)low)concentrations)in)oceanic)surface)waters)and)arrive)there)by)atmospheric) transport)and)upwelling)(Schneider)and)Pohl,)1996).)Higher)levels)occur)in)coastal)waters) because)of)river)and)land)runoff)(Schneider)and)Pohl,)1996).)Close)to)urban)areas,)pollution)is) associated)with)sewage)outlets)(Wickfors)and)Ukeles,)1982,)Rebhun)and)Amotz,)1984),)but) levels)are)also)elevated)near)extensive)areas)of)industry)(CottéWKrief)et)al.)2000,)BuWOlayan)et)al.) 2001,)Esser)and)Volpe)2002).)Heavy)metals)in)the)water)and)sediments)are)accumulated)and) incorporated)in)algal)plant)structures)(McHardy)and)George,)1985;)Sobhan)and)Sternberg,)1999;) Melin,)2001;)Davidsson,)2007;)Greger)et)al.)2007;)Mustafic)et)al.)2009).)Both)the)green)algae) Cladophora&glomerata)(“grönslick”))and)the)brown)Fucus&vesiculosus)(“blåstång”))are)known) hyperaccumulators)of)organic)pollutants,)heavy)metals)and)nutrients)(Phillips)1979;)Hansson) Box'1:'Cadmium'in'the'Baltic'Sea'
'
Cadmium)is)one)of)the)most)investigated)nonWessential)heavy)metals)and)it)had)an)annual)input)of)140) ton,)estimated)during)the)80´s)for)the)Baltic)Sea.)Studies)in)the)western)Baltic)Sea)shows)mean)
concentrations)of)204)pmol/dm3)(1991W1993))dissolved)Cd)at)coastal)stations)compared)to)half)the) concentration)in)open)sea)surface.)Data)indicate)that)dissolved)Cd)follows)a)nutrient)like)cycle,)high) concentrations)in)winter)and)spring)and)lower)values)in)summer)and)autumn.)Several)studies)show) measurements)indicating)that)dissolved)Cd)in)the)surface)water)is)decreasing)in)concentration)after)the) 80´s.)At)the)same)time)it)is)reported)that)the)sedimentation)of)Cd)in)the)Baltic)proper)has)enhanced) tenfold)since)preWindustrial)times)with)the)highest)values)on)the)sediment)surface.)It)has)been)proposed) that)the)decreasing)dissolved)Cd)in)surface)waters)are)due)to)eutrophication)that)increases)the)uptake) and)sedimentation)with)the)result)of)reduced)levels)of)Cd)in)the)water.)When)looking)at)relationships) between)algal)uptake)of)Cd)and)salinity)research)shows)that)decreasing)salinity)increases)the)uptake)of) Cd.)
Further)reading:)
Möhlenberg)and)Jensen,)1980;)Kremling)and)Petersen,)1984;)HELCOM,)1987;)Söderlund)et)al.,)1988;) Brügmann)et)al.)1991/92;)Schultz)Tokos)et)al.)1993;)Borg)and)Jonsson,)1996;)Schneider)and)Pohl,)1996.)
1983;)Söderlund)et)al.)1988;)Salt)et)al.)1995a;)Felix)1997,)Felix)et)al.1999).)Also)the)presence)of) antifouling)paint)flakes)might)be)a)source)of)heavy)metals)(copper,)Turner)et)al.)2009).)The)use) of)biocide)antifouling)paints)has)been)banned)in)the)Baltic)Sea)since)1998)(Directive)98/8/EC)) but)paint)remains)on)boats)and)harbors.)Concerning)biocidal)pollutants)and)heavy)metals)there) are)national)variations)in)legislation)(Tables)1,)2))that)may)lead)to)different)risk)assessments.) )
Table'1.)Regulations)of)heavy)metals)in)sewage)sludge)used)as)fertilizer)in)agriculture)in)Sweden,)Poland) and)EU.)Metal)concentration)in)mg/kg)TS)(EU)directive,)1986;)MOSZNiL,)1999;)SEPA,)2010).))
)
Metal'' Legislation'
Sweden' Legislation'
Poland' '
Legislation'EU'' 2002' Sweden' (proposal)''
2010' Sweden' (proposal)''
Cd)) 2)) 10) 20W40) 1.7)) 1.3))
Cu) 600)) 500) 1000W1750) 600)) 600))
Zn)) 800)) 2500) 2500W4000) 800)) 800))
Pb) 100)) 500) 750W1200) 100)) 100))
Cr) 100)) W) W) 100)) 100))
Hg) 2.5)) W) 16W25) 1.8)) 1))
Ni)) 50)) 100) 300W400) 50)) 50))
Ag)) W)) W) W) 15)) 8))
Sn)) W)) W) W) 35)) W))
) )
Table'2.)Regulation)of)Swedish)and)EU)application)of)sludge)to)arable)land)in)g/ha/year)and)maximum) soil)concentrations)before)sludge)application)(EU)directive,)1986;)SEPA,)2010).)SEPA)is)planning)to)further) reduce)the)application)to)arable)land)for)Cd)to)0.45)in)2020)and)to)0.35)in)2025.))
)
'
Application'of'sludge'to'arable' land'(g/ha/year)'
Soil'concentrations'when' using'sludge'(mg/kg'TS)'
EU'legislation'
Adoption)year) 1995) 2000) 2010) 1995) 2010) )
Pb) 100) 25) 25) 40) 40) 50W300)
Cd) 1.75) 0.75) 0.55) 0.4) 0.4) 1W3)
Cu) 600) 300) 300) 40) 40) 50W140)
Cr) 100) 40) 40) 60) 60) W)
Hg) 2.5) 1.5) 0.8) 0.3) 0.3) 1W1.5)
Ni) 50) 25) 25) 30) 30) 30W75)
Ag) W) W) 6) W) W) W)
Zn) 800) 600) 600) 100) 100)(150)) 150W300)
'
2.2.'Disposal'of'algal'beach'casts'
Possible)pathways)for)collected)algae)could)be)disposal)at)waste)disposal)sites,)combustion,)as) fertilizer)in)agriculture)or)as)substrate)for)biogas)production.)Nowadays)the)option)with)waste) disposal)sites)is)closed)due)to)environmental)laws)forbidding)deposition)of)organic)material)to) prevent)leaching)to)groundwater)(Charlier)et)al.)1993,)EU)Waste)Framework)Directive)1993W 2006).)Combustion)of)the)algal)biomass)would)be)a)simple)way)to)dispose)massive)amounts)and) still)gain)some)energy)in)the)process.)But)the)algae)would)need)to)be)stored)for)drying)before) and)the)residual)ashes)would)be)of)considerable)volumes)that)need)further)care.)Utilization)of)
the)algae)in)agriculture)as)fertilizers)requires)composting)as)pretreatment)to)make)the)nutrients) more)accessible.)Further)utilization)would)also)be)restricted)because)of)the)algal)content)of) heavy)metals,)mainly)cadmium)(McHardy)and)George,)1985;)Sobhan)and)Sternberg,)1999;)Melin,) 2001;)Davidsson,)2007;)Greger)et)al.)2007;)Mustafic)et)al.)2009).)Application)of)heavy)metal)rich) fertilizers)in)agriculture)is)regulated)(Tables)1,)2))because)they)accumulate)in)soil)and)are) considered)an)environmental)and)human)hazard)in)high)concentrations.)Cd)is)toxic)for)animals) and)humans)at)relatively)low)concentrations)and)easily)accumulated)in)plants)where)it)stays) bioavailable)during)a)long)timeframe)(Box)1,)Malgerd)et)al.)1998).)The)Swedish)legislation)is) specifically)concerned)about)the)Cd)and)further)limitations)below)EC)levels)are)planned)(Table) 1).))
)
If)comparing)using)the)algae)for)biogas)production)(Figure)2))with)combustion)or)composting) the)main)advantage)is)utilization)of)more)of)the)algal)potential)in)the)process)of)gaining)the) renewable)energy)rich)biogas)(Hansson,)1983;)Briand)and)Morand,)1997;)Davidsson,)2007;) Nkema)and)Murto,)2010).)Use)of)algae)as)substrate)for)biogas)production)is)suitable)because)it) contains)easily)hydrolysable)sugars)and)has)low)lignin)content)that)makes)it)easily)converted)to) methane)(Stewart,)1979;)Ventura)and)Castañon,)1998;)Horn)et)al.)2000).))
2.3.'Biogas:'a'biological'process'to'convert'biomass'into'energy'
Biogas)production)is)achieved)by)degradation)of)organic)matter)in)an)anaerobe)environment)by) bacteria)were)the)end)products)are)methane)and)carbon)dioxide)(Fig.)2).)
) Figure'2.)Biological)decomposition)of)algal)substrates)by)different)bacterial)groups)in)
fermentation)reactors.)
The)process)requires)three)groups)of)bacteria,)first)hydrolytic)and)fermentative)bacteria,)
secondly)acetogenic)bacteria)and)finally)methanogenic)bacteria)(Leschine,)1995).)The)first)group) hydrolyzes)polymers)and)ferments)the)resulting)monosaccharide)to)carboxylic)acids)and)
alcohols.)Secondly,)acetogenic)bacteria)convert)acids/alcohol)to)acetate)and)finally)
methanogenic)bacteria)converts)acetate)to)methane)and)carbon)dioxide)(Figure)2;)VergaraW Fernández)et)al.)2008).)There)are)considerable)variations)in)the)technical)process)of)biogas) production)depending)on)the)substrate)quality.)Factors)that)vary)are)water)content,)
temperature,)mechanical)mixing,)substrate)addition)and)stage)separation.)The)most)common) process)is)a)wet)(TS<10%),)mesophilic)fermentation)(350C)),)with)total)mixing)and)semiW
continuously)substrate)addition)(once)a)hour/day/week).)This)is)also)the)recommended)process) for)fermentation)of)algae)(Briand)and)Morand,)1997;)Ascue)and)Nordberg,)1998;)Davidsson,) 2007).)The)fermentation)can)either)be)performed)in)a)one)stage)or)a)two)stage)(physically) separated))system.)A)two)stage)process)offers)advantages)in)mixing)of)different)substrates) (mixing)leachates)instead)of)substrates),)reduced)mechanical)sand)wear)and)possibilities)for) easier)pretreatment)before)fermentation.)The)energy)rich)methane)gas)can)be)used)to)produce) heat,)electricity)and)car)fuel.)If)effective)purification)was)applied)the)still)energy)rich)algal) residues)could)be)used)as)a)biofertilizer)in)agriculture)without)restrictions.)However,)utilizing) the)residues)without)cleansing)would)invoke)restrictions)for)their)use)since)the)residuals)might) be)rich)in)heavy)metals)and)may)therefore)be)unsuitable)as)a)biofertilizer)for)foodWcrops.)In)the) case)of)no)detoxification,)application)of)the)residues)to)a)nonfoodWcrop)that)might)act)as)a) phytoremediator)and)extract)the)pollutants)is)a)more)feasible)cause)of)action.)Willow)(Salix)) plantations)could)suit)this)purpose)and)would)at)the)same)time)as)cleaning)the)residuals)utilize) the)nutrients)for)growth)(Eriksson)and)Ledin,)1995;)Dickinson,)1997;)Felix)et)al.)1997;)Eriksson) and)Ledin,)1999;)Felix)et)al.)1999).)The)willow)biomass)could)further)be)harvested)and)
combusted)where)it)would)yield)energy)and)the)ashes)with)pollutants)could)be)treated.) Traditional)methods)for)remediation)of)metal)contaminated)substrates)are)soil)washing,) excavation)and)pump)and)treatment)systems)for)water)(Glass,)2000).)Compared)to)these,)
phytoextraction)by)willow)plantations)offers)a)less)disruptive)option)for)the)soil,)more)economic,) with)energy)gain)at)combustion)of)Salix)and)a)more)esthetic)nature)(Salt)et)al.)1995b,)1998;) PilonWSmits)and)Pilon,)2002).)
3.'Algal'beach'cast'in'the'Baltic'Sea'
3.1.'Substrate'availability'in'the'South'Baltic'region'
Algae)are)deposited)along)coastlines)by)wind,)waves)and)currents.)For)the)feasibility)of)a)project) like)WAB)it)is)important)to)know)the)amounts)of)algae)that)may)be)available.)However,)since) algal)deposition)on)beaches)is)part)of)a)dynamic)system)accessible)amounts)are)difficult)to) estimate.))
What)is)known)for)certain)for)Trelleborg)is)that)during)2004)to)2006)algae)was)collected)in) amounts)of)714)ton,)700)ton)and)455)ton)TS)(Total)solids,)conversion)from)m3)to)ton)TS)is)0.35) ton)TS/m3)according)to)Johnson)and)Ohlson,)2010))from)the)beaches)in)Trelleborg)(Davidson)et) al.)2007).)Based)on)this,)an)estimation)of)3500)ton)TS)of)collectable)algae)per)year)along)the)30) km)coast)of)Trelleborg)was)calculated)(Davidsson,)2007).)These)estimates)correspond)to)120)kg) TS)m2/year.)During)a)two)weeks)inventory)along)the)coast)line)of)Trelleborg,)10)500)ton)algae) (350)kg/m2/year))was)estimated)to)be)present)on)the)beaches)and)if)looking)to)a)full)year)and) including)collection)of)free)algae)in)shallow)water)substantially)more)should)be)accessible)for)
biogas)production)(Gröhndahl,)2010).)Estimations)of)harvestable)algal)from)the)water)proposed) that)8)kg)and)0.7W150)kg)TS/m3/year)could)be)collected)from)Trelleborg)and)Puck)Bay)(Poland),) respectively)(Kotwicki)et)al.)2005).)Beach)deposition)in)Puck)Bay)(PL))measured)17W150)kg)TS) m2/year)(Kotwicki)et)al.)2005).)Taking)into)account)higher)production)in)river)plumes)than)the) open)sea,)primary)production)for)the)whole)Baltic)Sea)is)calculated)to)be)62*106)ton)Carbon)yrW1) (Wasmund)et)al.)2001).)If)this)production)was)transferred)into)macro)algae)production,)the) Baltic)Sea)would)produce)2.73*108)ton)Ts)/)yr,)based)on)average)carbon)content)of)data)from) Figure)4.)This)gives)an)idea)of)how)much)that)might)be)available)in)the)whole)Baltic)Sea.)) )
Table'3.)Potential)harvestable)algae)along)the)coast)of)Trelleborg)(SE),)Sopot)beach)(PL))and)the)whole) Polish)coast)line.)Based)on)references)cited)in)the)text)assuming)an)harvestable)area)of)1)m2)beach)and)5) m3)water)per)meter)coast.)Length)of)sandy)coast)in)Poland)from)Doddy,)2009.))
)
! Trelleborg((Se)( Sopot((PL)( Poland(
Beach!(kg!TS/m2/year)! 350! 17!7!150! 17!7!150!
Water!(kg!TS/m3/year)! 8! 0.7!7!3.2! 0.7!7!3.2!
Sandy!coast!line!(km)! 30! 4.5! 370!
Collectable!amount!(ton/year)! 11700! 927747! 7585!7!61420!
)
Both)beach)and)water)collection)could)interfere)with)each)other)to)some)extent)and)bring)a) reduction)of)collectable)algal)substrate)from)each)location,)as)collected)algae)from)the)water)will) not)be)deposited)on)the)beach)and)vice)versa.)Fermentation)of)algal)material)shows)yields)of) biogas)ranging)from)0.08)to)0.35)L)methane)/g)Volatile)Solides)(VS))(Table)4,)Hansson,)1983;) Nicolini)and)Viglia,)1985;)Briand)and)Morand,)1997;)Linné)et)al.)2003;)Davidsson)et)al.)2008;) Mustafic)et)al.)2009;)Nkemka)and)Murto,)2010).)An)assumption)of)average)production)at)0.2)L) methane)/g)VS)and)10000)tons)TS)of)algae)(Table)3))would)reach)an)annual)energy)production)of) 13.7)GWh)(Davidsson)et)al.)2008).)That)corresponds)to)powering)500)standard)households) (150m2)consuming)27)100)kWh/y))with)power)for)electronic)devices,)hot)water)and)heating) during)one)year)(Energimyndigheten))or)if)converted)to)car)fuel)for)1700W2000)private)cars)per) year.)
) ) ) )
Table'4.)Measured)methane)production)(L)methane/g)Volatile)Substance))from)algal)material)during) fermentation.)
)
L(CH4/g(VS( Substrate( Source(
0.0870.11! Sea!lettuce! Briand!and!Morand,!1997.!
0.12! Mixed!sample! Nkemka!and!Murto,!2010.!
0.17! Sea!lettuce!! Nicolini!and!Viglia,!1985.!
0.1370.22! Mixed!sample!from!Trelleborg! Mustafic!et!al.!2009!
0.1670.25! Mixed!sample! Linné!et!al.!2003.!
0.1970.22! Mixed!sample!from!Trelleborg! Davidsson!et!al.!2008.!
0.2570.35!
!
Sea!Lettuce!(Ulva),!Green!Filamentous!Algae!
(Cladophora)!and!Green!Hair!Algae(Chaetomorpha)!
Hansson,!1983.!
! )
Of)equally)high)importance)as)the)amounts)of)collectable)algae)is)also)when)they)are)deposited) on)the)beaches.)Beach)cast)of)algae)is)subjected)to)high)variation)between)years)and)months) depending)on)wind)directions)and)waves)but)two)different)annual)peaks)are)visible)at)the)three) locations)(Figure)3))despite)that)the)three)studies)varied)in)location,)protection)and)year)
(Engkvist)et)al.)2001;)Kotwicki)et)al.)2005;)Kersen)and)Martin,)2007).)These)two)periods)seem)to) be)the)most)likely)periods)for)high)beach)deposition)of)algae)but)also)local)and)annual)variation) has)to)be)taken)into)account)when)harvesting.)Variation)is)shown)by)Engkvist)et)al.)2001)that) reported)high)deposition)in)NovWDec)the)year)before)the)data)presented)in)Figure)3.))
) )
)
Figure'3.)Seasonal)deposition)of)macroalgae)on)land)at)three)locations)along)the)Baltic)coast;)Sopot) (Poland),)Öland)(Sweden))and)Kassari)Bay)(Estonia).)Data)from)Engkvist)et)al.)2001,)Kotowicki)et)al.)2005) and)Kersen)and)Martin,)2007.))
) ) ) ) ) ) )
0) 1) 2) 3) 4) 5)
J) F) M) A) M) J) J) A) S) O) N) D)
Relative'Biomass'unit'
Month'
Sopot)(PL)) Öland)(Swe)) Kassari)Bay) (Est))
3.2.'Nutrient'and'heavy'metal'content'in'algae'
As)previously)discussed)in)the)introduction,)the)amounts)of)nutrients)and)contaminating)heavy) metals)is)essential)to)know)for)further)use)of)the)collected)algae.)Both)of)these)may)limit)the) biogas)process)and)the)further)use)of)the)fermentation)residues.)There)are)numerous)studies) investigating)the)algal)content)of)heavy)metals)and)some)of)nutrients)in)the)Baltic)Sea.)Nutrient) data)are)presented)in)Figure)4,)heavy)metals)in)Fig.)5aWf,)data)sources)in)reference)Table)5)and) study)location)on)map)in)Picture)3.))
Box'2:'Species'composition'in'the'beach'cast'
Collections)of)algae)from)Trelleborg)in)February)and)June)were)dominated)by)the)filamentous)red)algae) Polysiphonia&fucoides)though)the)February)samples)showed)indications)of)belonging)to)the)previous) growth)season.)Species)analyses)from)March)were)dominated)by)last)growth)seasons)Furcellaria&
lumbricalis)with)a)minor)contribution)from)Polysiphonia&fucoides.)Trelleborg)samples)from)the)end)of) April)showed)dominance)by)freshly)grown)the)Brown)algae)Ectocarpus&siliculosus)with)significant) presence)of)the)red)algae)Ceramium&tenuicorne.)Studies)from)the)east)coast)of)Öland)shows)clear)(85%)) dominance)by)red)algae,)P.&fucoides,&R.&confervoides&and&F.&lumbricalis.)The)Swedish)studies)indicated) dominance)by)red)algae)during)the)majority)of)the)year.)Species)composition)from)Sopot)beach)(Poland)) reports)dominance)by)green)algae)from)the)species)Cladophora&spp.,)Enteromorpha&spp.)and)Pilayella&
littoralis&and)then)red)algae)from)the)Ceramium)family.)Dominating)algal)species)are)illustrated)in) Picture)2.)
Polysiphonia fucoides Furcellaria
lumbricalis Ceramium tenuicorne
Cladophora glomerata Enteromorpha Ectocarpus siliculosus intestinalis
High%
accumulation of%Cd%and%Cu
High%
accumulation of%Cd
Hyperaccumulate Pb,%Zn and%Cd
Photo:%Per%Wahlén
Photo:%Per%Wahlén
Photo:%Per%Wahlén
Photo:%Per%Wahlén
Utilized for%Cd%
purification,%high%
growth and%
accumulation.
Highly sensitive%
to%Cu%and%Zn.
Accumulates Cu%
and%PB%.
Phot:%Metsähallitus
Photo:%Akirapeters
High%tolerance to%
Cu,%Zn and%Co.
) Picture'2.)Most)common)red)(1W3))and)green)(4W6))macroalgae)in)the)South)Baltic)Sea)and)some)species)specific) heavy)metal)associations.))
)
Further)reading:)Davidsson,)2007;)Greger)et)al.)2007;)Filipkowska)et)al.)2008;)Mustafic)et)al.)2009.)
) ) '
Figure'4.)Algal)tissue)concentrations)of)nitrogen)(N),)potassium)(K),)phosphorus)(P),)left)diagram,)and) carbon)(C),)right)diagram,)in)algae.)Data)sources,)sampled)species)and)season)are)presented)in)Table)5)and) geographical)location)in)Picture)3.))
) )
The)macronutrient)content)in)algae)shows)large)variation)(Figure)4))that)could)be)due)to)many) reasons;)local)variation)in)nutrient)availability,)species)composition)and)sampling)season)among) others.)Trelleborg)data)(source)1W5))are)quite)consistent)with)average)values)(P=)2.1,)K=)13,)N=) 28)and)C=300)g/kg)TS))that)forms)a)ration)of)13:1:6:143)for)N:P:K:C.)
)
Considering)the)reported)values)of)heavy)metal)concentrations)presented)in)Fig.)5aWf)there)is) especially)one)study)(Table)5;)ref.)7;)Söderlund)et)al.)1988))value)that)deviates)considerably)in) terms)of)Cd)(Fig.)5a))and)Zn)(Fig.)5c))from)the)rest.)The)Cd)value)is)about)three)times)as)high)as) the)second)highest)value)and)the)Zn)is)about)twice)as)high.)The)study)is)performed)more)than) two)decades)ago)on)solely)F.&vesiculosus)and)in)close)proximity)of)Stockholm,)Sweden’s)largest) city.)This)study)may)give)misleading)data)because)of)increased)pollution)by)a)large)urban)area) and)that)our)handling)of)heavy)metals)has)improved)during)the)last)20)years.)Additionally,)data) from)single)species)samples)may)be)misleading)in)terms)of)metal)concentrations)when)applied)to) the)species)rich)algal)beach)cast.)Further)the)reported)lead)concentration)(Table)5;)ref.)9))in)Fig.) 5d)on)F.&vesiculosus)is)almost)four)times)as)high)as)the)second)highest)value.)Since)1979)a)lot)of) progress)in)the)use,)treatment)and)detoxification)of)lead)has)taken)place)that)may)make)this)data) misleading)in)terms)of)this)study.)Based)on)the)discussion)above)these)three)data)points)are) excluded)from)further)analyses.)If)forming)averages)based)on)Fig)5aWf)into)location)blocks)using) all)data)(source)1W16),)Trelleborg)data)(source)1W5))and)Gulf)of)Gdansk)data)(source)10,)13)and) 14))from)table)5,)Figure)6aWb)is)created)which)allows)further)analyses.))
) ) )
0) 5) 10) 15) 20) 25) 30) 35) 40) 45) 50)
1) 2) 3) 4) 5) 13) 14) 16a) 16b)
Concentration'(g/kg'TS)'
Source'
Macronutrients'
N) P) K)
0) 50) 100) 150) 200) 250) 300) 350) 400)
1) 2) 3) 5) 16a) 16b)
Concentration'(g/kg'TS)'
Source'
Carbon'
Table'5.)Studies)were)macroalgae)were)collected)in)the)Baltic)Sea)during)different)seasons.)) )
Nr' Source' Species' Season'
1) Davidsson)et)al.)2008) Mixed)sample) June/November) 2) Davidsson)et)al.)2008) Mixed)sample) June/November) 3) Mustafic)et)al.)2009.) Mixed)sample) February/May)
4) Linné)et)al.)2003.) Mixed)sample) June/July)
5) Davidson,)2007.) Mixed)sample) June)
6) Greger)et)al.)2007.) Mixed)sample) September)
7) Söderlund)et)al.)1988.) Fucus&vesiculosus& June)
8) Hansson,)2005.) F.&vesiculosus& August/September) 9) Phillips,)1979.) F.&vesiculosus& W)
10) Filipkowska)et)al.2008.) Mixed)sample) June/August) 11) Schneider)and)Pohl,)1996.) Mixed)sample) W)
12) Ostapczuk)et)al.)1997.) F.&vesiculosus& W)
13) Zbikowski)et)al.)2006) Enteromorpha&spp.& May/October) 14) Zbikowski)et)al.)2007) Cladophora&spp.& May/October) 15) Aulio,)1983.) Cladophora&glomerata& W)
16a) Boman,)2000.) Filamentous)algae) W)
16b) Boman,)2000.) F.&vesiculosus) W)
) )
) '
Picture'3.)Sampling)locations)for)the)studies)listed)in)table)5)(1W16b).) )
)
16)
) )
) Figure'5a]f.)Range)of)different)heavy)metal)concentrations)(mg/kg)TS))in)algae.)Data)sources,)sampled) species)and)season)are)presented)in)Table)5)and)geographical)location)in)Picture)3.))
)
Data)from)the)three)location)blocks;)all)data)(source)1W16),)Trelleborg)(source)1W5))and)Gulf)of) Gdansk)(source)10,)13)and)14),)was)normally)distributed)(Kolmogorov)Smirnov)test))regarding) metal)content.)Data)was)further)analyzed)with)an)ANOVA)and)Tukey)postWhoc)test.)Disregarding) Cd,)no)heavy)metal)differences)between)Trelleborg,)Gulf)of)Gdansk)and)all)data)were)detected) (p>0.05).)Cd)levels)between)Trelleborg)and)Gulf)of)Gdansk)showed)significantly)higher)values)in) Trelleborg)(p<)0.05).)Further)strengthening)the)data)set)from)Trelleborg)(ref)1W5)in)Table)5))are)
0) 2) 4) 6) 8) 10)
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10)11)12)13)14)
Concentration'(mg/kg'TS)'
Source'
Cadmium'(Cd)'
0)2) 4) 6) 8) 10) 12) 14) 16) 18)
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 15)10)12)13)14)
Concentration'(mg/kg'TS)'
Source'
Copper'(Cu)'
0) 50) 100) 150) 200) 250) 300) 350)
1) 2) 3) 4) 5) 7) 8) 15) 9) 10)12)13)14)
Concentration'(mg/kg'TS)'
Source'
Zinc'(Zn)'
0) 5) 10) 15) 20) 25)
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10)12)13)14)
Concentration'(mg/kg'TS)'
Source'
Lead'(Pb)'
0) 1) 2) 3) 4) 5) 6)
1) 2) 3) 4) 5) 7) 8) 10)
Concentration'(mg/kg'TS)'
Source'
Chromium'(Cr)'
0) 2) 4) 6) 8) 10) 12)
1) 2) 3) 4) 5) 6) 10) 12)
Concentration'(µg/kg'DW)'
Source'
Mercury'(Hg)'
5c' 5d'
5e' 5f'
5a' 5b'
that)the)studies)are)recent)and)performed)on)mixed)samples)spread)over)the)year,)except)winter) that)is)of)minor)interest)in)terms)of)algal)harvest.)Data)from)the)Gulf)of)Gdansk)(Ref.)10,13)and) 14)in)Table)5))are)more)insecure)because)it)is)based)on)only)three)studies)where)only)one)of) them)is)on)a)mixed)macro)algal)sample.)Nevertheless,)lower)concentrations)of)Cd)in)the)Gulf)of) Gdansk)compared)to)Trelleborg)(Figure)6a))may)have)a)major)impact)on)the)further)use)of)the) algal)residues)use)after)fermentation.)
)
) Figure'6a]b.)Heavy)metal)concentrations)(average)based)on)Fig.)5aWf)and)SD))from)different)geographical) zones,)all)data)(studies)1W16),)Trelleborg)(1W5))and)Gulf)of)Gdansk)(10,)13)and)14).)6a)shows)
concentrations)of)Cd,)Cu,)Pb,)Cr)and)Hg)while)6b)shows)concentration)for)Zn,)study)references)in)Table)5.)) )
'
4.'Storage'
After)collection)of)algae)along)the)coast)it)has)to)be)transported)to)the)digester)for)biogas) production.)Since)substrate)availability)is)a)fluctuating)process)that)may)involve)large)variation) over)the)collection)season)the)need)for)algal)storage)arises)(Figure)3).)Storage)could)be)utilized) to)even)out)the)fluctuations)in)substrate)availability)and)maintaining)an)efficient)biogas)
production)throughout)the)year)even)when)no)new)material)is)possible)to)collect.)The)minimal) time)that)has)been)suggested)for)algal)storage)in)Trelleborg)is)five)months)and)a)capacity)of)2500) ton)(Persson)et)al.)2009).)If)the)algal)material)were)not)properly)stored)losses)of)organic)
material)would)occur)through)aerobic)degradation)leading)to)reduced)biogas)potential.)Early) research)has)shown)that)aerobic)degradation)of)algae)leads)to)reductions)in)TS)but)also)
depletion)of)mannitol)(energy)rich)sugar)alcohol))and)alginic)acid)(polysaccharide))during)a)time) frame)of)80)days)(Black,)1955).)There)are)also)reports)of)release)of)tannins)from)brown)algae) during)degradation)and)high)tannic)concentrations)can)have)a)inhibitory)effect)on)methanogens)
0) 20) 40) 60) 80) 100) 120) 140)
Zn)
Concentration'(mg/kg'TS)'
Zinc' All)Data)
Trelleborg) Gulf)of)Gdansk)
Xa)
6b'
0) 2) 4) 6) 8) 10) 12) 14)
Cd) Cu) Pb) Cr) Hg)
Concentration'(mg/kg'TS)'
Heavy'metals'
All)Data) Trelleborg) Gulf)of)Gdansk)
<)0.05) 6a'
(Moen)et)al.)1997).)A)widespread)method)in)agriculture)for)preservation)of)the)nutritional)value) in)the)crop)is)ensilage.)The)principal)for)ensiling)is)anaerobic)growth)of)lactic)acid)bacterium) fermenting)sugars)to)lactic)acid)that)reduces)pH)and)inhibits)growth)of)other)decomposing) bacteria)(Slottner,)2011).)In)a)two)month)algal)ensilage)trial)with)and)without)externally)added) lactic)acid)showed)no)changes)in)terms)of)VS)content)between)ensilaged)and)fresh)algae)
(Mustafic)et)al.)2009).)Following)tests)of)the)ensiling)process)effects)on)the)substrates)biogas) potential)was)also)performed)with)no)significant)changes)(Mustafic)et)al.)2009).)Further)
anaerobic)ensiling)trials)during)102)days)in)both)laboratory)and)in)pilot)scale)showed)that)algae) supports)lactic)acid)bacteria)and)can)be)ensilaged)without)any)bacterial)or)nutrient)additions)to) a)small)change)in)chemical)composition)(Black,)1955).)The)study)also)points)towards)that)if) inorganic)nitrogen)is)present)during)ensiling)protein)production)occurred)at)the)expense)of) mannitol)but)without)inorganic)nitrogen)no)significant)changes)takes)place)(Black,)1955).)These) studies)indicate)that)storage)by)ensilage)without)addition)of)lactic)acid)could)facilitate)the) purposes)of)preserving)the)algae)before)fermentation.)However,)none)of)the)studies)had)a) duration)much)longer)than)three)months)and)a)minimal)storage)of)five)months)is)needed)(Black,) 1955;)Mustafic)et)al.)2009;)Persson)et)al.)2009).)
)
Ensilage)brings)a)reduced)pH)which)is)a)catalyst)for)hydrolysis,)splitting)of)complex)polymers) into)smaller)more)accessible)monomers)by)addition)of)water,)which)is)the)first)vital)step)in)the) biogas)production)(Gujer)and)Zehnder,)1983;)Lundén,)2003).)Hydrolysis)is)a)time)consuming) process)in)biogas)production)so)possibly)the)ensilage)process)low)pH)could)be)further)utilized) for)a)preWhydrolysis)to)reduce)the)time)in)the)digester.)This)would)though)increase)the)demands) of)handling)technique)during)ensilage;)some)biogas)would)be)produced)during)hydrolysis)that) ought)to)be)collected.)
)
5.'Biogas'production'efficiency'
Biogas)production)is)performed)in)a)digester)where)the)substrate)is)anaerobically)fermented)by) microorganisms)to)the)end)products)of)methane)and)carbon)dioxide,)previously)described)in)the) introduction)(Figure)2).)Fermentation)of)algal)material)shows)varying)yields)of)biogas)ranging) from)0.08)to)0.35)L)methane)/g)VS)with)an)average)of)0.185)L)methane)/g)VS)(Table)4).)The) process)of)fermentation)does)not)affect)the)heavy)metals)since)the)bacteria)only)utilize)organic) material.)But)the)inverted)may)occur;)the)concentrations)of)heavy)metals)may)impact)the) process)of)fermentation)(Wong)and)Cheung,)1996;)Carlsson)and)Uldal,)2009).)What)the) microorganisms)need)during)fermentation)are)carbon,)nitrogen,)phosphorous,)vitamins)and) micronutrients)such)as)Ni,)Co,)Mg,)Ba,)Ca)and)Fe)(Jarvis,)1996).)Generally,)anaerobic)digestion)is) inhibited)by)high)concentrations)of)heavy)metals)if)they)are)bioavailable)(Wong)and)Cheung,)
1996).)Other)substances)that)may)reduce)the)biogas)production)are)ammonium,)sulfur,)and)salt) (Zehnder,)1988;)O´Flaherty)et)al.)1998).)During)the)initial)phase)of)the)fermentation)the)
methanogenes)are)more)sensitive)to)stress)so)this)is)the)most)likely)stage)for)effects)from)toxic) substances)(Cordina)et)al.)1998).))
)
Of)importance)for)fermentation)is)the)C/N)ratio)with)a)ratio)of)20)to)30:1)is)considered)optimal) (Hawkes,)1980;)Davidsson)et)al.)2008;)Carlsson)and)Uldal,)2009).)At)higher)ratios,)nitrogen)will) be)deficient)for)the)microbial)population)will)be)too)small)for)the)available)substrate)and)the) fermentation)will)need)a)longer)retention)time)(Igoni)et)al,)2008).)At)lower)ratios)the)carbon)will) be)the)deficient)nutrient)and)ammonium)accumulation)might)occur)that)can)be)toxic)to)the) microorganisms)and)further)reduce)methane)production.)At)C/N)ratios)below)15)or)above)30)the) fermentation)will)be)affected)by)the)aboveWmentioned)processes)(Wannholt,)1998;)Stroot)et)al.) 2001;)Fernandez)et)al.)2005).)Calculating)the)C/N)ratio)for)the)algae)from)Figure)4)gives)an) average)ratio)at)11)and)13.7)from)Davidsson)et)al.)2008,)which)is)too)low)and)there)will)be)a)risk) of)accumulation)of)ammonium)in)the)digester.)To)raise)the)C/N)ratio)in)the)digester,)coW
fermentation)with)other)substrates)with)higher)C/N)ratio)would)be)suitable)to)boost)the)algal) ratio.)In)fermentation)with)high)sulfur)concentrations)sulfateWreducing)bacteria)is)activated)and) starts)to)compete)with)the)methane)producing)bacteria)about)the)substrate)(Zehnder,)1988;) O´Flaherty)et)al.)1998).)SulfateWreducing)bacteria)produce)H2S)gas)that)mixes)with)the)biogas,) during)fermentation)with)31200)mg)sulfur)/kg)TS)no)biogas)reductions)was)visible)and)2)%)of) the)biogas)was)H2S)(Briand)and)Morand,)1997).)Sulfur)measurements)in)algae)are)scarce)in)the) literature)but)two)studies)from)Trelleborg)reports)of)values)similar)or)slightly)below)(average)30) 000)mg)sulfur/kg)TS))the)value)from)Briand)and)Morand,)1997)(Davidsson)et)al.)2008;)Mustafic) et)al.)2009).)This)indicates)that)most)likely)there)will)be)no)reductions)in)the)biogas)production) because)of)high)sulfur)concentrations)but)that)about)2)%)of)the)produced)gas)could)be)H2S.)The) sulfur)is)to)some)extent)not)bioavailable)because)of)bindings)to)metal)ions)and)this)may)reduce) the)H2S)production)in)some)degree.))
)
Comparing)reported)heavy)metal)concentrations)(Table)6))that)did)not)affect)biogas)production) during)fermentation)with)reported)heavy)metal)values)from)the)algae)(Figure)5aWf),)Cd,)Cu,)Zn) nor)Pb)should)not)affect)the)process.)Average)values)from)studies)reporting)on)Na)concentration) in)algae)forms)a)range)from)14000W27000)mg)Na/kg)TS)(Zbikowski)et)al.)2006)and)2007;)
Davidsson,)2007;)Davidsson)et)al.)2008;)Mustafic)et)al.)2009))suggesting)it)will)not)inhibit)biogas) production)(Table)6).)
) )
Table'6.)Concentrations)of)substances)tested)for)inhibition)of)biogas)production)during)fermentation.) )
Substance(
(
Concentration(
(mg/kg(TS)(
Effects(on(methane(
production(
Source(
(
Cd! 6.05! none! Nkema!and!Murto,!2010.!
Cd! 1112! none! Jain!et!al.!1991.!
Cd! 18700! 50!%!reduction! Hickey!et!al.!1989.!
Cu! 1498! none! Jain!et!al.!1991.!
Cu! 9180! 50!%!reduction! Hickey!et!al.!1989!
Zn! 481! none! Jain!et!al.!1991.!
Zn! 647! none! Nkema!and!Murto,!2010.!
Zn! 44200! 50!%!reduction! Hickey!et!al.!1989!
Pb! 558! none! Jain!et!al.!1991.!
Ni! 865! none! Jain!et!al.!1991.!
Co! 791! none! Jain!et!al.!1991.!
Na! 35200! none! Briand!and!Morand,!1997;!Melin,!2001!
Cl! 39000! none! Briand!and!Morand,!1997;!Melin,!2001!
NaCl! 60000! none! Davidsson!et!al.!2008.!
)
'
6.'Metals'in'fermentation'residues'
During)fermentation,)biomass)in)form)of)organic)matter)is)lost)and)thereby)the)concentrations)of) the)remaining)elements)increases,)e.g.)heavy)metals.)The)degree)of)organic)matter)reduction) depends)on)how)complete)the)fermentation)is,)what)and)how)clean)the)substrate)is,)more)sand) for)example)gives)a)higher)proportion)of)residuals)(Briand)and)Morand,)1997).)The)organic) matter)reduction)after)fermentation)has)been)investigated)in)some)studies,)mainly)on)Sea) Lettuce)(Ulva,)Table)7).)The)VS)(volatile)substance,)used)proxy)for)organic)matter)content)) reduction)ranges)from)45)%)to)86.7)%)with)an)average)of)60.7)%)over)the)studies)(Table)7).) To)reach)a)volume)of)the)residuals,)the)VS)reduction)has)to)be)transferred)into)reduction)in)TS) (total)solids).)The)organic)content)(VS))in)algae)varies)but)studies)have)reported)a)range)of)54W83)
%)of)TS)(Table)8).) ))
Table'7.)Loss)of)organic)material)(VS))in)algal)substrates)during)fermentation.) )
VS(reduction((%)( Species( Retention(time((Days)( Source(
45! Macrocystis3pyrifera!and!Durvillea3anartica! 32! Vergara7Fernández!et!al.!2008!
50755!
!
!
Sea!Lettuce!(Ulva),!Green!Filamentous!Algae!
(Cladophora)!and!Green!Hair!Algae!
(Chaetomorpha)!
27!
!
!
Hansson,!1983!
!
!
56.1! Sea!lettuce!(Ulva)! 50! Habig!and!Ryther,!1983!
58.6! Sea!lettuce!(Ulva)! 15! Briand!and!Morand,!1997!
62! Sea!lettuce!(Ulva)! 20! Brouard,!1983!
69! Sea!lettuce!(Ulva)! 30! Carpentier,!1986!
77.3786.7! Sea!lettuce!(Ulva)! 58! Habig!et!al.!1984.!
)
Table'8.)Total)and)volatile)solids)from)various)algal)substrates.)) )
TS((%)( VS((%/TS)( Species( Source(
8.4722.4! 79.5782.3! Mixed!sample!from!Trelleborg!(SWE)! Mustafic!et!al.!2009.!
9.7730.3! 54773! Mixed!sample!from!Trelleborg!(SWE)! Davidsson!et!al.!2008.!
8.8716.6! 55770! Mixed!sample!from!Trelleborg!(SWE)! Davidsson,!2007.!
21! ND! Mixed!sample!from!Trelleborg!(SWE)! Linné!et!al.!2003.!!
16! 65783! Sea!lettuce!(Ulva)! Briand!and!Morand,!1997.!!
16! 75! Green!algae! Ascue!and!Nordberg,!1998.!
ND! 66.1772.6!! Mixed!samples!of!beach7cast!compost! Greger!et!al.!2007!
) )
Calculating)from)the)reported)ranges)(Table)7)and)8))the)weight)reduction)of)the)algal)TS)would) range)between)24.3)and)72)%)after)fermentation.)This)range)is)received)by)taking)the)VS)
reduction)range)and)adding)the)range)of)percent)VS)per)TS.)A)fermentation)trial)with)Ulva&spp.) reported)reduction)of)TS)level)by)42.9)–)45.7)%)and)that)differences)in)TS)reduction)
corresponded)to)levels)of)sand)in)the)digester)(Briand)and)Morand,)1997).)An)additional)study) reported)TS)reductions)of)45)%)(VergaraWFernández)et)al.)2008).)If)comparing)the)measured) values)of)TS)reduction)(42,9W45,7)and)45%))from)above)mentioned)studies)with)the)range) calculated)(24,3W72))it)shows)that)the)measured)value)almost)exactly)matches)the)middle)(48)%)) of)the)range)interval.)If)applying)this)TS)reduction)(48%))to)the)previously)estimated)amounts)of) collectable)algae)at)the)coasts)(Table)3))to)calculate)the)volume)of)residues)after)fermentation.) This)would)give)residue)volumes)of)6084)ton)TS)for)Trelleborg,)3944W31938)ton)TS)for)Poland) and)48W388)ton)TS)for)Sopot)beach.)However,)the)algal)substrate)would)not)be)dry)after)the) fermentation)so)additional)weight)is)added)by)the)uptake)of)water.)This)weight)reduction)in)TS) also)affects)the)metal)concentrations.)Reductions)in)organic)material)would)increase)the)
concentration)of)metals)in)the)remaining)material.)If)this)concentration)increase)is)applied)to)the) previous)calculated)average)heavy)metal)concentrations)(Figure)6aWb))a)new)range)of)metal) concentrations)is)received)(Table)9).))
)
The)Swedish)Environmental)Protection)Agency)(SEPA,)Naturvårdsverket))regulates)the)content) of)what)may)be)used)as)a)fertilizer.)Algal)fermentation)residuals)fall)under)the)same)regulation) as)sewage)sludge)and)the)present)regulation)in)both)Sweden)and)Poland)is)presented)in)Table)1) together)with)proposed)regulation)for)the)future.)Comparison)of)the)heavy)metal)content)after) fermentation)(Table)9))with)the)regulation)of)heavy)metals)in)fertilizers)(Table)1))shows)that)all) elements)except)Cd)for)Trelleborg)is)well)below)the)limitation,)even)compared)with)the)proposal) for)2010.)The)Cd)concentration)for)both)all)data)and)Trelleborg)is)very)close)to)2)mg/kg)TS) which)at)the)moment)is)the)enforced)value)with)propositions)of)further)Swedish)reductions)in)
the)future.)This)high)value)together)with)the)insecurity)in)the)data,)possibly)higher)actual)value,) gives)that)the)residuals)Cd)concentration)in)Trelleborg)has)to)be)reduced)for)further)use)as)a) fertilizer)in)agriculture.)This)could)be)achieved)by)several)different)pathways,)removal)of)the)Cd) before,)during)or)after)the)biogas)process,)dilution)of)Cd)concentration)by)coWfermentation)with) other)substrate.)For)the)Gulf)of)Gdansk,)the)reported)and)calculated)value)of)Cd)in)residues) should)not)interfere)with)further)use)in)agriculture)according)to)the)Polish)regulation.)) )
Table'9.)Average)concentrations)of)heavy)metals)(mg/kg)TS))in)fermentation)residues)corrected)for) biomass)loss)after)fermentation)(48)%)TS).)Data)sources)Figure)6aWb,)Table)7)and)8.))
)
( All(Data( Trelleborg(area( Gulf(of(Gdansk(
Cd! 2.04! 1.99! 0,70!
Cu! 12.41! 12.89! 9.56!
Zn! 142.51! 138.71! 115.38!
Pb! 4.17! 4.95! 7.23!
Cr! 2.79! 3.54! 3.96!
Hg! 0,044! 0,064! 0,014!
) )
7.'The'“cadmium'issue”:'detoxification'pathways'
Since)the)Cd)concentration)in)the)fermentation)residues)for)at)least)the)Swedish)algae)will)likely) be)above)the)limit)for)use)as)fertilizer,)another)solution)than)direct)export)of)the)residue)as) fertilizer)has)to)be)applied.)These)could)be)removal,)dilution)or)as)fertilizer)for)nonWfood)crops) that)accumulate)the)Cd.))
)
In)a)study)with)a)two)stage)reactor,)algal)leachate)was)hydrolyzed)by)reWcirculating)distilled) water)over)the)substrate)and)18)%)of)the)Cd)was)dissolved)in)the)leachate)after)ten)days) (Nkemka)and)Murto,)2010).)The)leachate)was)then)centrifuged)to)remove)debris)before)being) applied)to)an)IDA)(iminodiacetic)acid))cryogel)(Plievaet)al.)2006))that)removed)79)%)Cd,)70)%) Ni,)59)%)Cu)and)41%)Zn)but)this)treatment)also)reduced)the)biogas)yield)by)15)%)(Nkemka)and) Murto,)2010).)Low)pH)increases)the)mobility)of)metals)and)a)higher)solubility)into)the)leachate) was)achieved)(Lehtomäki)and)Björnsson,)2006).)An)experiment)where)acid)extraction)
(phosphoric)acid)to)pH)2,)24h,)TS)3.8%,)aeration)and)stirring))was)applied,)77)%)of)the)Cd)was) dissolved)into)the)leachate)and)further)fermentation)of)the)solid)material)showed)a)25)%)in) reduction)biogas)yield)(Mustafic)et)al.)2009).)Similar)Cd)extraction)(75)%))was)reported)by)use) of)hydrochloric)acid)during)24h)(Davidsson)et)al.)2008).)Two)effective)methods)for)Cd)removal) have)also)been)reported,)adsorption)by)merit)(type)of)grinded)sand))and)ion)exchange)by) material)referred)to)as)ion)exchanger)II)(Davidsson)et)al.)2008).)Merit)removed)94.4)%)Cd)but) also)a)large)fraction)of)the)organic)material)while)ion)exchanger)II)removed)99.5)%)of)the)Cd)
