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方法文章

利用微藻-细菌系统在半工业规模高效藻类池中进行沼气提纯

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DOI：

10.3791/65968

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2024年3月22日

 ,  ,  , 
1Instituto de Ingeniería, Ciudad Universitaria, Universidad Nacional Autónoma de México, 2Granos y Servicios Integrales

本文内容

摘要

空气污染影响着所有生物的生活质量。本文介绍了利用微藻生物技术处理沼气（同步去除二氧化碳和硫化氢）并生产生物甲烷的方法，通过半工业规模的开放式高效藻类池进行处理，并随后分析处理效率、pH、溶解氧以及微藻生长情况。

摘要

近年来，多种技术相继出现，用于将沼气提纯为生物甲烷。该提纯过程旨在降低二氧化碳和硫化氢等污染物气体的浓度，从而提高甲烷含量。本研究采用微藻培养技术，对来自养猪业有机废弃物产生的沼气进行处理与提纯，以获得可直接使用的生物甲烷。为实现培养与提纯，我们在墨西哥圣胡安德洛斯拉戈斯建立了两个22.2 m3的开放式池式光生物反应器，并耦合吸收-解吸柱系统。测试了多种液体循环/沼气比（L/G），以获得最高的去除效率；同时测定了pH、溶解氧（DO）、温度和生物量增长等其他参数。最高效的L/G值分别为1.6和2.5，所得处理后沼气中CO2体积浓度分别为6.8%和6.6%，H2S去除效率高达98.9%，同时保持O2污染水平低于2%vol。我们发现，在微藻培养过程中，pH对CO2去除的影响远大于L/G，这与其在微藻光合作用过程中的作用以及因其酸性性质溶于水后调节pH的能力有关。DO和温度的变化分别符合光合作用昼夜自然循环及一天中不同时段的预期规律。生物量增长受CO2供给、营养补给以及反应器采收的影响，但总体增长趋势保持良好。

引言

近年来，多种技术已出现，可用于将沼气提纯为生物甲烷，推动其作为非化石燃料的使用，从而减少不必要的甲烷排放1。空气污染是一个影响全球大部分人口的问题，尤其在城市化地区尤为严重；最终，全球约92%的人口呼吸着受污染的空气2。在拉丁美洲，空气污染主要由燃料使用造成，其中2014年电力和热能生产部门贡献了48%的空气污染3。

近十年来，关于空气中污染物与死亡率上升之间关系的研究越来越多，这些研究认为两组数据之间存在显著相关性，尤其在儿童群体中更为明显。

为避免空气污染持续加剧，人们已提出多种策略，其中之一是利用可再生能源，包括风力涡轮机和光伏电池，以减少二氧化碳（CO2）向大气中的排放4,5。另一种可再生能源来自沼气，它是有机物厌氧消化过程的副产物，同时产生一种液态有机消化残渣6。沼气由多种气体混合而成，其组分比例取决于用于厌氧消化的有机物来源（如污水污泥、牛粪或农业工业有机废弃物）。通常情况下，其组成为：CH4（53%–70% vol）、CO2（30%–47% vol）、N2（0%–3% vol）、H2O（5%–10% vol）、O2（0%–1% vol）、H2S（0–10,000 ppmv）、NH3（0–100 ppmv）、碳氢化合物（0–200 mg/m3）和硅氧烷（0–41 mg/m3）7,8,9。科学界尤其关注其中的甲烷气体，因为它是该混合物中具有可再生能量价值的主要组分。

然而，生物气不能直接燃烧使用，因为反应的副产物可能有害且具有污染性；因此需要对混合气体进行处理和纯化，以提高甲烷含量并减少其他成分，实质上将其转化为生物甲烷10。该过程也称为提纯。尽管目前已有用于此类处理的商业化技术，但这些技术存在若干经济和环境方面的缺点11,12,13。例如，活性炭与水洗系统（ACF-WS）、加压水洗（PWS）、气体渗透（GPHR）和变压吸附（PSA）等技术均存在一定的经济性问题或环境影响方面的不足。一种可行的替代方案（图1）是采用生物系统，例如在光生物反应器中共同培养微藻和细菌的系统；其优点包括结构设计和操作简单、运行成本低，以及环境友好型的操作过程和副产物10,13,14。当生物气被提纯为生物甲烷后，后者可作为天然气的替代品使用，而消化液则可作为营养源用于支持系统中微藻的生长10。

在这一升级过程中广泛使用的方法是将微藻培养于开放式跑道式光生物反应器中，并结合吸收柱，因为这种方法运行成本较低，且所需投资资本最少6。该应用中最常用的跑道式反应器类型是高效藻类池（HRAP），它是一种浅层的跑道式池，藻液通过低功率桨轮实现循环14。这类反应器需要较大的安装面积，在户外条件下使用时极易受到污染；在沼气净化过程中，建议采用碱性条件（pH > 9.5），并选用在较高pH环境下生长良好的藻类物种，以增强对CO2和H2S的去除效果，同时避免污染15,16。

本研究旨在确定利用与吸收-解吸柱系统及微藻群落耦合的高效藻类光生物反应器（HRAP）处理沼气的效率及最终生物甲烷产量。

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方案

1. 系统设置

注意：本方案所述系统的管道与仪表图（P&ID）见图2。

  1. 反应器设置
    1. 通过平整和压实地面来准备场地，以提高反应器的稳定性。
    2. 在开阔场地挖掘两个长条形坑，在距末端3 m处再挖掘一个面积为3 m2、深1 m的坑（称为曝气井）。
    3. 将两个HRAPs（图3）放置在覆盖有土工膜的金属支架上。每个反应器的操作容量必须为22.2 m3。
    4. 在每个反应器旁放置一台功率为1728.42瓦（2.35马力）的空气泵，位置靠近HRAPs中已挖掘曝气井的一端。
    5. 在反应器横跨安装一个由1103.24瓦（1.5马力）电动机驱动的桨轮，以促进生物质与培养基质之间的接触。
  2. 气体处理系统设置（图4）
    1. 使用一根6"聚氯乙烯（PVC）管构建解吸柱，进气口位于顶部盖板下方2 m处，出气口从底部流出（图2）。
    2. 设置吸收罐（Vt：2.55 m3），未处理的沼气从底部通过11根扩散管鼓泡进入罐内，气体经由厌氧消化器通过一根4" PVC管道输送，途中经过沼气鼓风机、1"转子流量计和取样口；液体则来自解吸柱后的培养基循环，从罐底进入。液体出口位于罐体侧面，将富含CO2的培养基输送至液位控制柱；气体从罐顶出口排出，通过一根1" PVC管道将获得的生物甲烷导至燃烧器进行持续燃烧（图2）。
    3. 通过一根4" PVC管将吸收罐与解吸柱连接，并在两者之间设置一个取样口（图2）。
    4. 使用一根6" PVC管构建液位控制柱，其入口位于底部。该柱设有两个出口（由蝶阀控制），根据系统需求选择使用：第一个出口距地面2.5 m，第二个出口距地面3 m（图2）。
    5. 通过一根2" PVC管道将HRAP光生物反应器连接至6"解吸柱，途中经过一台循环离心泵（1103.24瓦，[1.5马力]）和一个1"转子流量计（图2）。
    6. 通过一根4" PVC管将液位控制柱连接至一段40级PVC管，途中经过一个取样口；随后连接一段柔性PVC软管，再接另一段40级PVC管，最后通过一根4" PVC管接入HRAP光生物反应器（图2）。
    7. 使用2" PVC管道设置解吸柱的旁路，并将其连接至取样口前的主管道（图2）。

2. 系统的功能测试

  1. 循环离心泵（1103.24 瓦 [1.5 马力]）
    1. 为确定泵的最大流量，需至少预充水 10 分钟，以避免吸入空气，并在 230 伏特和单相条件下启动。
    2. 通过使流体流经 1" 转子流量计来测试循环流量。
  2. 沼气鼓泡系统
    1. 为确定至少产生相当于 200 毫巴空气柱所需的力，需使用三种不同功率的鼓风机（485.52 瓦 [0.66 马力]、1838.74 瓦 [2.5 马力] 和 3309.74 瓦 [4.5 马力]）向吸收罐中鼓入空气进行测试。
    2. 目视验证罐内气泡的大小和分布情况。在本描述的操作条件下，预计气泡的平均直径为 3 毫米。

3. 室内条件下的接种与生长

  1. 将纯种的 Arthrospira maxima 从琼脂平板转移至 15 mL 水基矿物培养基17（NaHCO3 [10 g/L]，Na3PO4·12H2O [0.033 g/L]，NaNO3 [0.185 g/L]，MgSO4·7H2O [0.014 g/L]，FeSO4·7H2O [0.0008 g/L]，NaCl [0.4 g/L]）中。
  2. 将培养物转移至装有无菌 Jourdan 水基培养基的 500 mL 三角瓶中，培养液体积占三角瓶总体积的 100%，在 12 小时光照/12 小时黑暗的光周期条件下培养，使用表面贴装器件（SMD）2835 型发光二极管（LED）灯提供冷白光（照度 2000 lm），并通过空气鼓泡持续搅拌（通气量 0.3 L/min 或 0.6 vvm）。（此步骤持续约 1 个月）。
  3. 通过将前一培养体积的 20% 接种至新的培养体系中，继续扩大培养规模，直至总体积达到 50 L。
  4. 在温室中，将培养物适应自然光照条件并转换为使用 Jourdan 培养基，在 50 L 透明袋中进行培养。（此步骤持续约 2 个月）。
  5. 在此条件下继续扩大培养规模，直至达到 5 m3 的高效藻类塘（HRAP）光生物反应器。（此步骤持续约 2 个月）。

4. 户外条件下系统的运行启动

  1. 将这5 m3 HRAP光生物反应器的全部体积加入位于室外的13 m3 HRAP光生物反应器中，并用Jourdan培养基补足剩余体积。通过桨轮以30 cm/s的速度开始混合，进行为期15天的批量培养，或直至达到0.7 g/L（此步骤持续约1个月）。
  2. 一旦生长达到0.7 g/L，将体积转移至正在运行的22.2 m3 HRAP中，用Jourdan培养基补足剩余体积，并将桨轮速度设定为30 cm/s。让生物量继续生长，直至达到0.7 g/L且pH值达到10；一旦满足这些条件，即可开始取样和采收（如有需要）。
  3. 从HRAP光生物反应器开始以可变流速向吸收罐进行液体循环，以提高生物量生产力。在2小时后以平均流速3.5 m3/h开始通入沼气，为培养体系提供无机碳。注意pH值，必须保持在9以上。
    注意：在将培养基通过吸收罐循环之前，需先启动 上述离心泵。
  4. 营养物添加：通过采收和总体氮平衡（假设稳态）每周监测营养状况，计算方法如下：
    MNaNO3 = (MBiomass × 0.10)/0.12 [g]
    其中：
    MNaNO3 = 硝酸钠质量 [g]
    MBiomass = 采收的生物量 [g]
    0.10：氮/生物量的质量产率16 [g/g]
    0.12：硝酸钠中氮的质量分数 [g/g]
  5. 根据氮平衡结果，重新配制Jourdan培养基，按比例添加Na3PO4·12H2O、MgSO4·7H2O和FeSO4·7H2O。不要额外添加碳酸氢钠或氯化钠。
    注意：在将营养物加入反应器之前，应先将其溶解于洁净水中。
  6. 监测水分蒸发情况，并根据需要每周补充。

5. 取样与分析

  1. 沼气
    1. 使用适当直径的软管将一个10 L的聚氟乙烯袋连接至吸收罐前和罐后的取样口，分别采集两处的沼气样品，并将每个样品各自置于独立的聚氟乙烯袋中。
    2. 通过将压力传感器归零并等待其稳定，对便携式气体分析仪进行校准。操作时先按下 开始，再按下 下一步，并按照分析仪的提示连接透明管和黄色管。然后再次按下 下一步，最后点击 气体读数。
    3. 将每个装在聚氟乙烯袋中的样品连接至分析仪，按下 下一步，测量系统两个位置处的CH4、CO2、O2和H2S浓度（以%vol表示）。
    4. 通过将液体循环流量除以沼气产生流量，计算液/气循环体积比（L/G）。计算对应的气体流量（m3/h），以确定CO2和H2S去除效率最高的操作条件。
  2. 系统运行参数的在线监测（pH、溶解氧、温度）
    1. 根据制造商的说明对所有传感器进行校准。
    2. 将pH传感器、溶解氧（DO）传感器和温度传感器分别置于每个高程循环藻池（HRAP）的液体中。
      注：各传感器的品牌与规格请参见材料清单文件。
    3. 将pH和DO传感器连接至数据采集装置，该装置由一个1.4 GHz 64位四核处理器与便携式显示屏组成，其中存储有在集成开发与学习环境（IDLE）2.7中编写的预设Python程序。
      1. 通过显示屏打开程序，并设定数据采集的时间间隔（本实验中为每2分钟采集一次）。
      2. 创建一个电子表格，用于自动存储程序采集的数据。
      3. 点击标有 开启 的按钮，表示系统已准备就绪，开始存储数据。
      4. 如需停止数据采集，点击标有 关闭 的按钮。
      5. 为下载数据，插入一个通用串行总线（USB）设备并导出电子表格。
    4. 将温度传感器连接至温度记录仪，以存储实验期间记录的数据。
  3. 初步探索性试验
    1. 确定最高效的L/G值
      1. 调节进入的沼气流量，选择待测试的L/G值（0.5、1、1.5、1.6、2、2.5、3.3、3.4）。
      2. 在试验开始时及之后每15分钟，持续1小时（60分钟），使用前述仪器测量pH值以及各气体（CH4、CO2、H2S、O2、N2）的进、出口浓度。
      3. 通过比较各L/G值下的出口浓度，确定最高效的L/G值，并根据实验需求选择最合适的操作参数。
    2. L/G值、pH与CO2之间的关系
      1. 至少选择两个不同的L/G值进行对比。
      2. 对每个L/G值，在开始时以及之后每15分钟持续60分钟，再每小时一次，共5小时，使用前述仪器测量pH值以及CO2的进、出口浓度，并同时测量H2S、O2和N2浓度作为对照。
      3. 使用以下公式计算CO2去除率：
        %CO2去除率 = ((CO2进 - CO2出)/(CO2进)) × 100
      4. 绘制结果图表，比较不同L/G值下pH和CO2的变化趋势。
  4. 建立生物量干重（g/L）与750 nm处吸光度之间的校准曲线18
    1. 取藻类培养液样品，尽量使其吸光度接近1.0。若培养液吸光度低于1.0，可通过过滤（0.45 µm滤膜）去除部分水分；若吸光度高于1.0，则可通过添加新鲜培养基稀释以降低吸光度。
    2. 使用上述样品制备五种藻细胞悬浮液，分别按体积比（V/V）加入新鲜培养基，配制成100%、80%、60%、40%和20%的稀释系列。
    3. 使用塑料比色皿，在分光光度计上测定五种溶液在750 nm处的吸光度，以新鲜培养基作为空白对照。
    4. 通过过滤10 mL样品至已知重量的0.45 µm滤膜上，将滤膜在硅胶干燥器中干燥24小时，随后再干燥48小时以确保恒重，从而测定每种悬浮液的每升培养液生物量干重。对五种溶液重复此步骤。
      注：不建议使用高于60 °C的温度进行干燥，以免某些关键组分挥发，导致样品重量变化。
    5. 确认恒重后，使用以下公式计算反应器内的生物量浓度：
      ​生物量浓度 = (生物量重量 - 滤膜重量) × 1000 / 过滤体积 [g/L]
    6. 使用电子表格或其他软件，以750 nm处测得的吸光度为自变量，以生物量干重（g/L）为因变量进行线性回归分析。线性回归系数应大于0.95；否则，该曲线无效，需重复实验。
      注：此处使用“生物量重量”而非“干重”，因为所用干燥方法无法完全去除样品中的水分，仍保留低于5%的含水量19。
  5. 生物量生长监测
    1. 每天监测反应器状态。从每个培养池的桨轮与其回流之间的中点处采集1 L样品，并送至实验室。
    2. 在显微镜下检查藻类群体的生长状态和培养纯度。
    3. 使用分光光度计测定样品在750 nm处的吸光度，以新鲜培养基为空白对照。
    4. 将测得的吸光度与校准曲线对比，估算每升培养液中的生物量重量（g/L）。
    5. 记录每个跑道池反应器的生长情况。
  6. 生物量生产与收获
    1. 每天监测反应器。若取样时生物量浓度超过0.7 g/L，则需进行收获。
    2. 交替对两个HRAP进行操作，在反应器一端的某段上方放置一层聚酯筛网，并将一根柔性PVC管的一端置于液体流动路径中，使另一端将液体引流至筛网上方。
    3. 根据反应器中生物量的饱和程度，将4500 L至7500 L的液体引流至筛网上，同时保持液体持续回流至对应的HRAP。生物量将被截留在筛网上。
    4. 收获时，将筛网从反应器上方取下，转移至另一平面上，刮下生物量并将其转移至漏斗中。
    5. 将生物量通过漏斗挤出，形成条状物，置于洁净干燥的筛网上，并将筛网放置于温暖密闭的房间（34–36 °C）中干燥48–72小时。
    6. 干燥完成后，从筛网上取下生物量并称重。使用以下公式计算收获的生物量浓度（g/L）：
      排出液体体积 = 泵流速 × 排水时间 [L]
      收获生物量浓度 = 收获生物量重量 / 排出液体体积 [g/L]

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结果

按照方案，构建、测试并接种了系统。对条件进行了测量和记录，并采集和分析了样品。该方案执行了一年，从2019年10月开始，持续至2020年10月。需要说明的是，此后将把HRAP系统简称为RT3和RT4。

生物甲烷产率
为了确定促进最高H的条件2S 和 CO2 去除率，从而实现甲烷的最高浓度，尝试了0.5至3.4范围内的多个液体/沼气循环比（L/G）。这些结果来自持续至少60分钟（1小时）连续沼气鼓泡的实验，在25至th 9月28日th 9月期间。在此测试过程中，微藻固定了CO2, 且细菌氧化了 H2S，浓缩甲烷（CH4）并基本完成气体混合物的纯化。

考虑到整个系统（HRAP 体积 + 储罐体积 = 24.75 m3）的平均 CO2 去除能力以及稳定的生物量浓度（0.8 g/L），估算得到的比固...

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讨论

多年来，这种藻类技术已被测试并用作净化沼气的替代方法，以取代苛刻且昂贵的物理化学技术。特别是螺旋藻属（Arthrospira）和小球藻属（Chlorella）被广泛用于这一特定目的。然而，目前在半工业规模上开展的方法较少，因此本方案具有较高的应用价值。

保持较低的O₂浓度至关重要2 通过使用适当的液气比（L/G）来调节浓度；然而，这取决于该方案应用的地区。由于存在爆炸和管道腐蚀的风险，生物甲烷中的氧气含量受到严格管控。欧盟一些国家要求氧气含量低至1%vol29,30,31甲烷的浓度则必须超过65%（体积分数）31在墨西哥，关于沼气和生物甲烷几乎没有任何专门监管，因其被视为等同于天然气，根据墨西哥标准32，CH 的最低含量4 ...

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披露

利益冲突。作者声明不存在利益冲突。

致谢

感谢 DGAPA UNAM 项目编号 IT100423 提供的部分经费支持。同时感谢 PROAN 和 GSI 允许我们分享其光合生物气提纯整套装置的技术经验。我们非常感谢 Pedro Pastor Hernández Guerrero、Carlos Martin Sigala、Juan Francisco Díaz Márquez、Margarita Elizabeth Cisneros Ortiz、Roberto Sotero Briones Méndez 和 Daniel de los Cobos Vasconcelos 提供的技术支持。本研究的部分工作在具有 ISO 9001:2015 认证的墨西哥国立自治大学（IIUNAM）环境工程实验室完成。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1" 转子流量计CICLOTECN/A
1" 转子流量计GPIA10-LMA100IA1
吸收罐EFISA按先前设计制造
空气鼓风机（2.35 HP）Elmo Rietschle2BH11007AH01
沼气鼓风机（2 HP）Elmo Rietschle2BH11007AH01
沼气成分检测仪GeotechBIOGAS 5000
数据采集装置LabJack Co.U3-LV
曝气管Aero-TubeC3060AR
溶解氧传感器ApplisensZ10023525
十二水合磷酸三钠 Quimica PIMAN/A肥料级（用于温室及室外）
十二水合磷酸三钠 Fermont35963分析纯（用于实验室内的培养）
Durapore 膜（45 µm）MerckMilliporeHVLP04700 
电动机 1.5 HPWeg00158ET3ERS56C
七水合硫酸亚铁Agroquimica SametN/A肥料级（用于温室及室外）
七水合硫酸亚铁Fermont63593分析纯（用于实验室内的培养）
土工膜GEOSINCEREN/A
七水合硫酸镁TepeyacN/A肥料级（用于温室及室外）
七水合硫酸镁Fermont63623分析纯（用于实验室内的培养）
桨轮GSI按先前设计制造
pH 传感器Van London pHoenix715-772-0041
便携式显示屏RasspberryPi 3 B+
循环离心泵（1.5 HP）Aquapak ALY 15
碳酸氢钠Industria del alcaliN/A肥料级（用于温室及室外）
碳酸氢钠Fermont12903分析纯（用于实验室内的培养）
氯化钠Sal ColimaN/A肥料级（用于温室及室外）
氯化钠Fermont24912分析纯（用于实验室内的培养）
硝酸钠VitraquimN/A肥料级（用于温室及室外）
硝酸钠Fermont41903分析纯（用于实验室内的培养）
存储程序（pH、DO） Python Software Foundation Python IDLE 2.7
Tedlar 气袋SKC Inc.232-25
温度记录仪T&DTR-52i
紫外-可见分光光度计ThermoFisher Scientific instrumentGENESYS 10S 
真空泵EVAREV-40

参考文献

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