Biogasreinigung durch den Einsatz eines Mikroalgen-Bakterien-Systems in semi-industriellen Hochstrom-Algenteichen

Summary

Luftverschmutzung wirkt sich auf die Lebensqualität aller Organismen aus. Hier beschreiben wir den Einsatz der Mikroalgen-Biotechnologie zur Aufbereitung von Biogas (gleichzeitige Entfernung von Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff) und die Produktion von Biomethan durch semi-industrielle offene Hochraten-Algenteiche und die anschließende Analyse der Aufbereitungseffizienz, des pH-Werts, des gelösten Sauerstoffs und des Mikroalgenwachstums.

Abstract

In den letzten Jahren sind eine Reihe von Technologien entstanden, um Biogas zu Biomethan zu reinigen. Diese Reinigung beinhaltet eine Verringerung der Konzentration von umweltschädlichen Gasen wie Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff, um den Methangehalt zu erhöhen. In dieser Studie haben wir eine Mikroalgenkultivierungstechnologie verwendet, um Biogas, das aus organischen Abfällen aus der Schweineindustrie hergestellt wird, zu behandeln und zu reinigen, um gebrauchsfertiges Biomethan zu erhalten. Für die Kultivierung und Reinigung wurden zwei 22,2^m3 große Open-Pond-Photobioreaktoren gekoppelt mit einem Absorptions-Desorptions-Kolonnensystem in San Juan de los Lagos, Mexiko, errichtet. Es wurden mehrere Rezirkulations-Flüssigkeits-/Biogas-Verhältnisse (L/G) getestet, um die höchsten Abscheidewirkungsgrade zu erzielen. andere Parameter wie pH-Wert, gelöster Sauerstoff (DO), Temperatur und Biomassewachstum wurden gemessen. Die effizientesten L/G-Werte waren 1,6 und 2,5, was zu einem behandelten Biogasablauf mit einer Zusammensetzung von 6,8 Vol.-% bzw. 6,6 Vol.-% in_CO2 und einer Abscheideeffizienz für_H2Svon bis zu 98,9 % sowie zur Aufrechterhaltung von_{O2-Kontaminationswerten} von weniger als 2 Vol.-% führte. Wir fanden heraus, dass der pH-Wert die CO_{2 –} Entfernung während der Kultivierung stärker bestimmt als L/G, da er am Photosyntheseprozess von Mikroalgen beteiligt ist und aufgrund seiner sauren Natur den pH-Wert bei der Lösung variieren kann. DO, und die Temperatur oszillierte, wie erwartet aus den natürlichen Hell-Dunkel-Zyklen der Photosynthese bzw. der Tageszeit. Das Wachstum der Biomasse variierte mit der CO_{2 –} und Nährstoffzufuhr sowie der Reaktorernte; Der Trend blieb jedoch auf Wachstum ausgerichtet.

Introduction

In den letzten Jahren sind mehrere Technologien entstanden, um Biogas zu Biomethan zu reinigen, seine Verwendung als nicht-fossiler Brennstoff zu fördern und so die unvermeidbaren Methanemissionen zu verringern¹. Luftverschmutzung ist ein Problem, das den größten Teil der Weltbevölkerung betrifft, insbesondere in städtischen Gebieten. Schließlich atmen rund 92 % der Weltbevölkerung verschmutzte Luft^{ein 2}. In Lateinamerika werden die Luftverschmutzungsraten hauptsächlich durch die Verwendung von Brennstoffen verursacht, wobei im Jahr 2014 48 % der Luftverschmutzung durch den Sektor der Strom- und Wärmeerzeugung verursacht wurden³.

In den letzten zehn Jahren wurden immer mehr Studien über den Zusammenhang zwischen Schadstoffen in der Luft und dem Anstieg der Sterblichkeitsraten vorgeschlagen, wobei argumentiert wurde, dass es eine starke Korrelation zwischen beiden Datensätzen gibt, insbesondere bei Kindern.

Um ein Fortbestehen der Luftverschmutzung zu vermeiden, wurden mehrere Strategien vorgeschlagen. Eine davon ist die Nutzung erneuerbarer Energiequellen, einschließlich Windkraftanlagen und Photovoltaikzellen, die die Freisetzung von CO₂ in die Atmosphäre verringern ^4,5. Eine weitere erneuerbare Energiequelle ist Biogas, ein Nebenprodukt der anaeroben Vergärung organischer Stoffe, das zusammen mit einem flüssigen organischen Gärrest entsteht⁶. Dieses Gas besteht aus einem Gemisch von Gasen, deren Anteile von der Quelle der organischen Substanz abhängen, die für die anaerobe Vergärung verwendet wird (Klärschlamm, Rindermist oder agroindustrielle Bioabfälle). Im Allgemeinen sind diese Anteile 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), Kohlenwasserstoffe (0-200 mg/m³) und Siloxane (0-41 mg/m³)^7,8,9, wobei die wissenschaftliche Gemeinschaft an dem Methangas interessiert ist, da es die erneuerbare Energiekomponente des Gemisches ist.

Biogas kann jedoch nicht einfach so verbrannt werden, wie es gewonnen wird, da die Nebenprodukte der Reaktion schädlich und verunreinigend sein können. Dies erhöht die Notwendigkeit, das Gemisch zu behandeln und zu reinigen, um den Methananteil zu erhöhen und den Rest zu verringern, wodurch es im Wesentlichen in Biomethan umgewandelt wird¹⁰. Dieser Vorgang wird auch als Upgrade bezeichnet. Auch wenn es derzeit kommerzielle Technologien für diese Behandlung gibt, haben diese Technologien mehrere wirtschaftliche und ökologische Nachteile 11,12,13. Zum Beispiel weisen Systeme mit Aktivkohle- und Wasserwäsche (ACF-WS), Druckwasserwäsche (PWS), Gaspermeation (GPHR) und Druckwechseladsorption (PSA) einige wirtschaftliche oder andere Nachteile der Umweltauswirkungen auf. Eine praktikable Alternative (Abbildung 1) ist der Einsatz biologischer Systeme, wie sie Mikroalgen und in Photobioreaktoren gezüchtete Bakterien kombinieren. Zu den Vorteilen gehören die Einfachheit des Designs und der Bedienung, die niedrigen Betriebskosten sowie der umweltfreundliche Betrieb und die Nebenprodukte 10,13,14. Wenn Biogas zu Biomethan gereinigt wird, kann letzteres als Ersatz für Erdgas verwendet werden, und die Gärreste können als Nährstoffquelle eingesetzt werden, um das Wachstum von Mikroalgen im System zu unterstützen¹⁰.

Eine Methode, die bei diesem Aufbereitungsverfahren weit verbreitet ist, ist das Wachstum von Mikroalgen in offenen Laufbahn-Photoreaktoren in Verbindung mit einer Absorptionssäule aufgrund der geringeren Betriebskosten und^{des minimalen} Investitionskapitals 6. Der am häufigsten verwendete Typ von Raceway-Reaktor für diese Anwendung ist der High-Rate Alg Pond (HRAP), bei dem es sich um einen flachen Laufbahnteich handelt, in dem die Zirkulation der Algenbrühe über ein Schaufelrad mit geringer Leistung¹⁴ erfolgt. Diese Reaktoren benötigen große Flächen für ihre Installation und sind sehr anfällig für Kontaminationen, wenn sie unter Außenbedingungen eingesetzt werden. Bei Biogasreinigungsprozessen wird empfohlen, alkalische Bedingungen (pH > 9,5) und die Verwendung von Algenarten zu verwenden, die bei höheren pH-Werten gedeihen, um die Entfernung von CO₂ und H₂S zu verbessern und gleichzeitig eine Kontamination zu vermeiden^15,16.

Diese Forschung zielte darauf ab, die Effizienz der Biogasaufbereitung und die Endproduktion von Biomethan unter Verwendung von HRAP-Photobioreaktoren in Verbindung mit einem Absorptions-Desorptions-Säulensystem und einem Mikroalgenkonsortium zu bestimmen.

Protocol

1. Aufbau des Systems HINWEIS: Ein Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagramm (P&ID) des in diesem Protokoll beschriebenen Systems ist in Abbildung 2 dargestellt. Aufbau des ReaktorsBereiten Sie den Boden vor, indem Sie ihn nivellieren und verdichten, um die Stabilität des Reaktors zu verbessern. Auf offenem Feld zwei Langlöcher graben und 3 m vom Ende entfernt ein3 m 2 und 1 m tiefes Loch graben (bekannt…

Representative Results

Dem Protokoll folgend, wurde das System gebaut, getestet und geimpft. Die Bedingungen wurden gemessen und gespeichert, die Proben entnommen und analysiert. Das Protokoll wurde ein Jahr lang durchgeführt, von Oktober 2019 bis Oktober 2020. Es ist wichtig zu erwähnen, dass die HRAPs von nun an als RT3 und RT4 bezeichnet werden. Biomethan-ProduktivitätUm die Bedingungen zu bestimmen, die die höchsteH2S- und CO2-Entfernung und damit die höchste Metha…

Discussion

Im Laufe der Jahre wurde diese Algentechnologie getestet und als Alternative zu den harten und teuren physikalisch-chemischen Techniken zur Reinigung von Biogas eingesetzt. Insbesondere die Gattung Arthrospira wird zusammen mit Chlorella häufig für diesen speziellen Zweck verwendet. Es gibt jedoch nur wenige Methoden, die in halbindustriellem Maßstab hergestellt werden, was diesem Verfahren einen Mehrwert verleiht.

Es ist wichtig, niedrigere_{O2-Konzentrationen} au…

Materials

1" rotameter	CICLOTEC	N/A
1" rotameter	GPI	A10-LMA100IA1
Absorption tank	EFISA	Made under previous design
Air blower (2.35 HP)	Elmo Rietschle	2BH11007AH01
Biogas blower (2 HP)	Elmo Rietschle	2BH11007AH01
Biogas composition measure	Geotech	BIOGAS 5000
Data-acquisition device	LabJack Co.	U3-LV
Diffuser tubes	Aero-Tube	C3060AR
DO sensor	Applisens	Z10023525
Dodecahydrated trisodium phosphate	Quimica PIMA	N/A	Fertilizer grade (greenhouse and experior use)
Dodecahydrated trisodium phosphate	Fermont	35963	Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Durapore membrane (45 µm)	MerckMillipore	HVLP04700
Electric motor 1.5 HP	Weg	00158ET3ERS56C
Ferrous sulfate heptahydrate	Agroquimica Samet	N/A	Fertilizer grade (greenhouse and experior use)
Ferrous sulfate heptahydrate	Fermont	63593	Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Geomembrane	GEOSINCERE	N/A
Magnesium sulfate heptahydrate	Tepeyac	N/A	Fertilizer grade (greenhouse and experior use)
Magnesium sulfate heptahydrate	Fermont	63623	Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Paddle wheel	GSI	Made under previous design
pH sensor	Van London pHoenix	715-772-0041
Portable screen	Rasspberry	Pi 3 B+
Recirculation centrifugal pump (1.5 HP)	Aquapak	ALY 15
Sodium bicarbonate	Industria del alcali	N/A	Fertilizer grade (greenhouse and experior use)
Sodium bicarbonate	Fermont	12903	Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Sodium chloride	Sal Colima	N/A	Fertilizer grade (greenhouse and experior use)
Sodium chloride	Fermont	24912	Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Sodium nitrate	Vitraquim	N/A	Fertilizer grade (greenhouse and experior use)
Sodium nitrate	Fermont	41903	Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Storing program (pH, DO)	Python Software Foundation	Python IDLE 2.7
Tedlar bags	SKC Inc.	232-25
Temperature recorder	T&D	TR-52i
UV-Vis Spectrophotometer	ThermoFisher Scientific instrument	GENESYS 10S
Vacuum pump	EVAR	EV-40