Очистка биогаза с помощью системы микроводорослей-бактерий в полупромышленных водорослевых прудах с высокой скоростью
Summary
Загрязнение воздуха влияет на качество жизни всех организмов. В данной статье мы опишем применение биотехнологии микроводорослей для обработки биогаза (одновременное удаление углекислого газа и сероводорода) и получения биометана через полупромышленные открытые водорослевые пруды с высокой скоростью и последующий анализ эффективности очистки, рН, растворенного кислорода и роста микроводорослей.
Abstract
В последние годы появился ряд технологий по очистке биогаза в биометан. Эта очистка влечет за собой снижение концентрации загрязняющих газов, таких как углекислый газ и сероводород, для увеличения содержания метана. В данном исследовании мы использовали технологию культивирования микроводорослей для обработки и очистки биогаза, полученного из органических отходов свиноводства, с получением готового к использованию биометана. Для культивирования и очистки в Сан-Хуан-де-лос-Лагос (Мексика) были установлены два фотобиореактора с открытым прудом объемом 22,2м3 в сочетании с системой абсорбционно-десорбционных колонн. Было испытано несколько соотношений рециркуляционной жидкости/биогаза (L/G) для получения максимальной эффективности удаления; другие параметры, такие как pH, растворенный кислород (РК), температура и рост биомассы, были измерены. Наиболее эффективными L/G были 1,6 и 2,5, что привело к получению очищенных биогазовых стоков с составом 6,8% об. и 6,6% об. поСО2 соответственно и эффективности удаленияH2Sдо 98,9%, а также поддержанию значений загрязненияO2 менее 2% об. Мы обнаружили, что рН в значительной степени определяет удалениеСО2 , в большей степени, чем L/G, во время культивирования из-за его участия в процессе фотосинтеза микроводорослей и его способности изменять рН при солюбилизации из-за его кислой природы. DO, и температура колебались, как и ожидалось, от светлых и темных природных циклов фотосинтеза и времени суток соответственно. Рост биомассы варьировался в зависимости отСО2 и питательных веществ, а также от сбора в реакторе; Тем не менее, тенденция к росту сохраняется.
Introduction
В последние годы появилось несколько технологий очистки биогаза до биометана, способствующих его использованию в качестве неископаемого топлива, что позволяет тем самымснизить выбросы метана, не поддающиеся восстановлению1. Загрязнение воздуха является проблемой, затрагивающей большую часть населения мира, особенно в урбанизированных районах; В конечном счете, около 92% населения мира дышит загрязненнымвоздухом2. В Латинской Америке уровень загрязнения воздуха в основном обусловлен использованием топлива, при этом в 2014 году 48% загрязнения воздуха быловызвано сектором производства электроэнергии и тепла3.
В последнее десятилетие было предложено все больше и больше исследований взаимосвязи между загрязняющими веществами в воздухе и повышением уровня смертности, утверждая, что существует сильная корреляция между обоими наборами данных, особенно среди детского населения.
В качестве способа избежать дальнейшего загрязнения воздуха было предложено несколько стратегий; одним из них является использование возобновляемых источников энергии, в том числе ветряных турбин и фотоэлектрических элементов, которые уменьшают выбросСО2 в атмосферу 4,5. Другим возобновляемым источником энергии является биогаз, побочный продукт анаэробного сбраживания органического вещества, образующийся вместе с жидким органическим дигестатом6. Этот газ состоит из смеси газов, а их пропорции зависят от источника органического вещества, используемого для анаэробного сбраживания (осадок сточных вод, навоз крупного рогатого скота или агропромышленные биоотходы). Как правило, этоCH4 (53%-70% об.),CO2 (30%-47% об.),N2 (0%-3% об.),H2O(5%-10% об.),O2 (0%-1% об.),H2S (0-10 000 ppmv), NH3 (0-100 ppmv), углеводороды (0-200 мг/м3) и силоксаны (0-41 мг/м3)7,8,9, где научное сообщество заинтересовано в газе метане, поскольку он является возобновляемым энергетическим компонентом смеси.
Однако биогаз нельзя просто сжигать в том виде, в котором он получен, потому что побочные продукты реакции могут быть вредными и загрязняющими; Это приводит к необходимости обработки и очистки смеси для увеличения процентного содержания метана и уменьшения оставшегося, по сути, превращая его в биометан10. Этот процесс также известен как обновление. Несмотря на то, что в настоящее время существуют коммерческие технологии такой обработки, эти технологии имеют ряд экономических и экологических недостатков 11,12,13. Например, системы с промывкой активированным углем и водой (ACF-WS), промывкой водой под давлением (PWS), газопроницаемостью (GPHR) и короткоцикловой адсорбцией (PSA) имеют некоторые экономические или другие недостатки воздействия на окружающую среду. Жизнеспособной альтернативой (рис. 1) является использование биологических систем, таких как те, которые объединяют микроводоросли и бактерии, выращенные в фотобиореакторах; К некоторым преимуществам относятся простота конструкции и эксплуатации, низкие эксплуатационные расходы, а также экологичность операций и побочных продуктов 10,13,14. Когда биогаз очищается до биометана, последний может быть использован в качестве заменителя природного газа, а дигестат может быть использован в качестве источника питательных веществ для поддержки роста микроводорослей в системе10.
Методом, широко используемым в этой процедуре модернизации, является выращивание микроводорослей в фотореакторах с открытыми дорожками качения в сочетании с абсорбционной колонной из-за более низких эксплуатационных расходов и минимальноготребуемого инвестиционного капитала6. Наиболее часто используемым типом реактора качения для этого применения является водорослевый пруд с высокой скоростью (HRAP), который представляет собой неглубокий пруд с дорожкой качения, в котором циркуляция водорослевого бульона происходит через маломощное лопастное колесо14. Эти реакторы требуют больших площадей для их установки и очень восприимчивы к загрязнению при использовании в наружных условиях; в процессах очистки биогаза рекомендуется использовать щелочные условия (рН > 9,5) и использовать виды водорослей, которые процветают при более высоких уровнях рН, чтобы улучшить удалениеCO2 иH2S, избегая при этом загрязнения15,16.
Данное исследование было направлено на определение эффективности очистки биогаза и конечного производства биометана с использованием фотобиореакторов HRAP в сочетании с системой абсорбционно-десорбционных колонн и консорциумом микроводорослей.
Protocol
Representative Results
Discussion
На протяжении многих лет эта технология водорослей тестировалась и использовалась в качестве альтернативы жестким и дорогостоящим физико-химическим методам очистки биогаза. В частности, для этой цели широко используется род Arthrospira наряду с Chlorella. Тем не менее, существует нес?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим проект DGAPA UNAM номер IT100423 за частичное финансирование. Мы также благодарим компании PROAN и GSI за то, что они позволили нам поделиться техническим опытом по их установкам по модернизации фотосинтетического биогаза. Мы высоко ценим техническую поддержку Педро Пастора Эрнандеса Герреро, Карлоса Мартина Сигалы, Хуана Франсиско Диаса Маркеса, Маргариты Элизабет Сиснерос Ортис, Роберто Сотеро Брионес Мендеса и Даниэля де лос Кобоса Васконселоса. Часть этих исследований была проведена в Лаборатории инженерной экологии IIUNAM с сертификатом ISO 9001:2015.
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 |
References
- Muñoz, R., Meier, L., Diaz, I., Jeison, D. A review on the state-of-the-art of physical/chemical and biological technologies for biogas upgrading. Rev Environ Sci Biotechnol. 14, 727-759 (2015).
- Karimi, B., Shokrinezhad, B. Air pollution and mortality among infant and children under five years: A systematic review and meta-analysis. Atmospheric Pollut Res. 11 (6), 61-70 (2020).
- Koengkan, M., Fuinhas, J. A., Silva, N. Exploring the capacity of renewable energy consumption to reduce outdoor air pollution death rate in Latin America and the Caribbean region. Environ Sci Pollut Res. 28, 1656-1674 (2021).
- Alvarez-Herranz, A., Balsalobre-Lorente, D., Shahbaz, M., Cantos, J. M. Energy innovation and renewable energy consumption in the correction of air pollution levels. Energy Policy. 105, 386-397 (2017).
- Razmjoo, A., et al. A technical analysis investigating energy sustainability utilizing reliable renewable energy sources to reduce CO2 emissions in a high potential area. Renew Energy. 164, 46-57 (2021).
- Franco-Morgado, M., Tabaco-Angoa, T., Ramírez-García, M. A., González-Sánchez, A. Strategies for decreasing the O2 content in the upgraded biogas purified via microalgae-based technology. J Environ Manage. 279, 111813 (2021).
- Bailón, L., Hinge, J. . Report: Biogas and Bio-Syngas Upgrading. , (2012).
- Persson, M., Jonsson, O., Wellinger, A. Biogas Upgrading to Vehicle Fuel Standards and Grid Injection. Brochure of IEA Task 37. Energy from Biogas and Landfill Gas. , (2006).
- Soreanu, G., Béland, M., Falletta, P. Approaches concerning siloxane removal from biogas — a review. Canadian Biosystems Engineering. 53, 8.1-8.18 (2011).
- Toro-Huertas, E. I., Franco-Morgado, M., de los Cobos Vasconcelos, D., González-Sánchez, A. Photorespiration in an outdoor alkaline open-photobioreactor used for biogas upgrading. Sci Total Environ. 667, 613-621 (2019).
- Cozma, P., Wukovits, W., Mămăligă, I., Friedl, A., Gavrilescu, M. Modeling and simulation of high pressure water scrubbing technology applied for biogas upgrading. Clean Technol Environ Policy. 17, 373-391 (2015).
- Sheets, J. P., Shah, A. Techno-economic comparison of biogas cleaning for grid injection, compressed natural gas, and biogas-to-methanol conversion technologies: Techno-economic analysis of existing and emerging biogas upgrading technologies. Biofuels Bioprod Biorefining. 12, 412-425 (2018).
- Toledo-Cervantes, A., Estrada, J. M., Lebrero, R., Muñoz, R. A comparative analysis of biogas upgrading technologies: Photosynthetic vs physical/chemical processes. Algal Res. 25, 237-243 (2017).
- Marín, D., et al. Anaerobic digestion of food waste coupled with biogas upgrading in an outdoors algal-bacterial photobioreactor at pilot scale. Fuel. 324, 124554 (2022).
- Bahr, M., Díaz, I., Dominguez, A., González Sánchez, A., Muñoz, R. Microalgal-biotechnology as a platform for an integral biogas upgrading and nutrient removal from anaerobic effluents. Environ Sci Technol. 48 (1), 573-581 (2014).
- Franco-Morgado, M., Alcántara, C., Noyola, A., Muñoz, R., González-Sánchez, A. A study of photosynthetic biogas upgrading based on a high rate algal pond under alkaline conditions: Influence of the illumination regime. Sci Total Environ. 592, 419-425 (2017).
- . Manuel de culture artisanale de spiruline Available from: https://www.scribd.com/document/513003475/Manuel-de-Culture-Artisanale-de-Spiruline (2006)
- Lu, L., Yang, G., Zhu, B., Pan, K. A comparative study on three quantitating methods of microalgal biomass. Indian J Geo-Mar Sci. 46, 2265-2272 (2017).
- Sukarni, S. Thermogravimetric analysis of the combustion of marine microalgae Spirulina platensis and its blend with synthetic waste. Heliyon. 6 (9), e04902 (2020).
- Kundu, S., Zanganeh, J., Moghtaderi, B. A review on understanding explosions from methane-air mixture. J Loss Prev Process Ind. 40, 507-523 (2016).
- Serejo, M. L., et al. Influence of biogas flow rate on biomass composition during the optimization of biogas upgrading in microalgal-bacterial processes. Environ Sci Technol. 49 (5), 3228-3236 (2015).
- Toledo-Cervantes, A., Madrid-Chirinos, C., Cantera, S., Lebrero, R., Muñoz, R. Influence of the gas-liquid flow configuration in the absorption column on photosynthetic biogas upgrading in algal-bacterial photobioreactors. Bioresour Technol. 225, 336-342 (2017).
- Posadas, E., et al. Minimization of biomethane oxygen concentration during biogas upgrading in algal-bacterial photobioreactors. Algal Res. 12, 221-229 (2015).
- González Sánchez, A., FloresMárquez, T. E., Revah, S., Morgan Sagastume, J. M. Enrichment and cultivation of a sulfide-oxidizing bacteria consortium for its deploying in full-scale biogas desulfurization. Biomass Bioenergy. 66, 460-464 (2014).
- González-Sánchez, A., Posten, C. Fate of H2S during the cultivation of Chlorella sp. deployed for biogas upgrading. J Environ Manage. 191, 252-257 (2017).
- Hussain, F., et al. Microalgae an ecofriendly and sustainable wastewater treatment option: Biomass application in biofuel and bio-fertilizer production. A review. Renew Sustain Energy Rev. 137, 137 (2021).
- lvarez-González, A., et al. Can microalgae grown in wastewater reduce the use of inorganic fertilizers. J Environ Manage. 323, 116224 (2022).
- Deepika, P., MubarakAli, D. Production and assessment of microalgal liquid fertilizer for the enhanced growth of four crop plants. Biocatal Agric Biotechnol. 28, 101701 (2020).
- . Perspectives for a european standard on biomethane: a Biogasmax proposal Available from: https://trimis.ec.europa.eu/sites/default/files/project/documents/20120601_135059_69928_d3_8_new_lmcu_bgx_eu_standard_14dec10_vf__077238500_0948_26012011.pdf (2010)
- . Biomethane – Oxygen Content Assessment Available from: https://www.gasnetworks.ie/docs/corporate/gas-regulation/Oxygen-concentration-report-17985-AI-RPT-001-Rev-5-Biomethane-review-Penspen.pdf (2018)
- . European biomethane standards for grid injection and vehicle fuel use Available from: https://www.biosurf.eu/wordpress/wp-content/uploads/2015/06/9.-Arthur_Wellinger.pdf (2017)
- . NORMA Oficial Mexicana NOM-001-SECRE-2010, Especificaciones del gas natural (cancela y sustituye a la NOM-001-SECRE-2003, Calidad del gas natural y la NOM-EM-002-SECRE-2009, Calidad del gas natural durante el periodo de emergencia severa) Available from: https://www.dof.gob.mx/normasOficiales/3997/sener/sener.html (2010)
- Sharifian, R., Wagterveld, R. M., Digdaya, I. A., Xiang, C., Vermaas, D. A. Electrochemical carbon dioxide capture to close the carbon cycle. Energy Environ Sci. 14, 781-814 (2021).
- Masojídek, J., Torzillo, G., Koblížek, M. Photosynthesis in Microalgae. Handbook of Microalgal Culture. , (2013).
- Rendal, C., Witt, J., Preuss, T. G., Ashauer, R. A framework for algae modeling in regulatory risk assessment. Environ Toxicol Chem. 42 (8), 1823-1838 (2023).
- Alami, A. H., Alasad, S., Ali, M., Alshamsi, M. Investigating algae for CO2 capture and accumulation and simultaneous production of biomass for biodiesel production. Sci Total Environ. 759, 143529 (2021).
