Purification du biogaz par l’utilisation d’un système microalgue-bactérien dans des étangs semi-industriels à haute teneur en algues
Summary
La pollution de l’air a un impact sur la qualité de vie de tous les organismes. Nous décrivons ici l’utilisation de la biotechnologie des microalgues pour le traitement du biogaz (élimination simultanée du dioxyde de carbone et du sulfure d’hydrogène) et la production de biométhane par le biais de bassins d’algues semi-industriels ouverts à haut débit et l’analyse ultérieure de l’efficacité du traitement, du pH, de l’oxygène dissous et de la croissance des microalgues.
Abstract
Ces dernières années, un certain nombre de technologies ont vu le jour pour purifier le biogaz en biométhane. Cette épuration implique une réduction de la concentration de gaz polluants tels que le dioxyde de carbone et le sulfure d’hydrogène afin d’augmenter la teneur en méthane. Dans cette étude, nous avons utilisé une technologie de culture de microalgues pour traiter et purifier le biogaz produit à partir de déchets organiques de l’industrie porcine afin d’obtenir du biométhane prêt à l’emploi. Pour la culture et l’épuration, deux photobioréacteurs à bassin ouvert de 22,2m3 couplés à un système de colonne d’absorption-désorption ont été mis en place à San Juan de los Lagos, au Mexique. Plusieurs rapports liquide/biogaz de recirculation (L/G) ont été testés pour obtenir les meilleures efficacités d’élimination ; d’autres paramètres, tels que le pH, l’oxygène dissous (OD), la température et la croissance de la biomasse, ont été mesurés. Les L/G les plus efficaces étaient de 1,6 et 2,5, ce qui a permis d’obtenir un effluent de biogaz traité avec une composition de 6,8 % vol et 6,6 % vol en CO2, respectivement, et des efficacités d’élimination pour H2S allant jusqu’à 98,9 %, ainsi que le maintien de valeurs de contamination en O2 inférieures à 2 % vol. Nous avons constaté que le pH détermine grandement l’élimination du CO2 , plus que le L/G, pendant la culture en raison de sa participation au processus photosynthétique des microalgues et de sa capacité à faire varier le pH lorsqu’il est solubilisé en raison de sa nature acide. L’oxygène dissous et la température ont oscillé comme prévu à partir des cycles naturels lumière-obscurité de la photosynthèse et de l’heure de la journée, respectivement. La croissance de la biomasse a varié en fonction de l’alimentation en CO2 et en nutriments ainsi que de la récolte dans le réacteur ; Cependant, la tendance est demeurée propice à la croissance.
Introduction
Ces dernières années, plusieurs technologies ont vu le jour pour purifier le biogaz en biométhane, favorisant ainsi son utilisation en tant que combustible non fossile, atténuant ainsi les émissions de méthane non désaérosables1. La pollution de l’air est un problème qui touche la majeure partie de la population mondiale, en particulier dans les zones urbanisées ; En fin de compte, environ 92 % de la population mondiale respire de l’air pollué2. En Amérique latine, les taux de pollution de l’air sont principalement générés par l’utilisation de carburants, alors qu’en 2014, 48 % de la pollution de l’air était provoquée par le secteur de la production d’électricité et de chaleur3.
Au cours de la dernière décennie, de plus en plus d’études sur la relation entre les polluants dans l’air et l’augmentation des taux de mortalité ont été proposées, arguant qu’il existe une forte corrélation entre les deux ensembles de données, en particulier dans les populations d’enfants.
Afin d’éviter la poursuite de la pollution de l’air, plusieurs stratégies ont été proposées ; L’une d’entre elles est l’utilisation de sources d’énergie renouvelables, notamment les éoliennes et les cellules photovoltaïques, qui diminuent les émissions deCO2 dans l’atmosphère 4,5. Une autre source d’énergie renouvelable provient du biogaz, un sous-produit de la digestion anaérobie de la matière organique, produit avec un digestat organique liquide6. Ce gaz est composé d’un mélange de gaz, dont les proportions dépendent de la source de matière organique utilisée pour la méthanisation (boues d’épuration, fumier de bovin, ou biodéchets agro-industriels). Généralement, ces proportions sont 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), hydrocarbures (0-200 mg/m3) et siloxanes (0-41 mg/m3)7,8,9, où la communauté scientifique s’intéresse au méthane car il s’agit du composant énergétique renouvelable du mélange.
Cependant, le biogaz ne peut pas être simplement brûlé tel qu’il est obtenu, car les sous-produits de la réaction peuvent être nocifs et contaminants ; Cela soulève la nécessité de traiter et de purifier le mélange pour augmenter le pourcentage de méthane et diminuer le reste, le convertissant essentiellement en biométhane10. Ce processus est également connu sous le nom de mise à niveau. Même si, à l’heure actuelle, il existe des technologies commerciales pour ce traitement, ces technologies présentent plusieurs inconvénients économiques et environnementaux 11,12,13. Par exemple, les systèmes avec lavage au charbon actif et à l’eau (ACF-WS), lavage à l’eau sous pression (PWS), perméation au gaz (GPHR) et adsorption modulée en pression (PSA) présentent certains inconvénients économiques ou autres en termes d’impact environnemental. Une alternative viable (Figure 1) est l’utilisation de systèmes biologiques tels que ceux qui combinent des microalgues et des bactéries cultivées dans des photobioréacteurs ; Parmi les avantages, citons la simplicité de conception et d’utilisation, les faibles coûts d’exploitation et les opérations et sous-produits respectueux de l’environnement 10,13,14. Lorsque le biogaz est purifié en biométhane, ce dernier peut être utilisé comme substitut du gaz naturel, et le digestat peut être mis en œuvre comme source de nutriments pour soutenir la croissance des microalgues dans le système10.
Une méthode largement utilisée dans cette procédure de valorisation est la croissance de microalgues dans des photoréacteurs à circuit ouvert couplée à une colonne d’absorption en raison des coûts d’exploitation inférieurs et du capital d’investissement minimal nécessaire6. Le type de réacteur à couloir le plus utilisé pour cette application est le bassin d’algues à haut débit (HRAP), qui est un bassin de chemin de roulement peu profond où la circulation du bouillon d’algues se fait par l’intermédiaire d’une roue à aubes de faible puissance14. Ces réacteurs ont besoin de grandes surfaces pour leur installation et sont très sensibles à la contamination s’ils sont utilisés dans des conditions extérieures ; dans les procédés de purification du biogaz, il est conseillé d’utiliser des conditions alcalines (pH > 9,5) et d’utiliser des espèces d’algues qui se développent à des niveaux de pH plus élevés pour améliorer l’élimination du CO2 et du H2S tout en évitant la contamination15,16.
Cette recherche visait à déterminer l’efficacité du traitement du biogaz et la production finale de biométhane à l’aide de photobioréacteurs HRAP couplés à un système de colonne d’absorption-désorption et à un consortium de microalgues.
Protocol
Representative Results
Discussion
Au fil des ans, cette technologie algale a été testée et utilisée comme alternative aux techniques physico-chimiques difficiles et coûteuses pour purifier le biogaz. En particulier, le genre Arthrospira est largement utilisé à cette fin spécifique, avec Chlorella. Cependant, il existe peu de méthodologies à l’échelle semi-industrielle, ce qui ajoute de la valeur à cette procédure.
Il est essentiel de maintenir des concentrationsd’O2 plus faibles en…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions la DGAPA du projet UNAM numéro IT100423 pour le financement partiel. Nous remercions également PROAN et GSI de nous avoir permis de partager nos expériences techniques sur leurs installations complètes de valorisation du biogaz photosynthétique. Le soutien technique de Pedro Pastor Hernández Guerrero, Carlos Martin Sigala, Juan Francisco Díaz Márquez, Margarita Elizabeth Cisneros Ortiz, Roberto Sotero Briones Méndez et Daniel de los Cobos Vasconcelos est très apprécié. Une partie de cette recherche a été réalisée au laboratoire d’ingénierie environnementale de l’IIUNAM avec un certificat 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 |
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