Purificação de Biogás através do Uso de um Sistema Microalga-Bacteriano em Lagoas Semi-Industriais de Algas de Alta Taxa
Summary
A poluição do ar impacta a qualidade de vida de todos os organismos. Aqui, descrevemos o uso da biotecnologia de microalgas para o tratamento de biogás (remoção simultânea de dióxido de carbono e sulfeto de hidrogênio) e a produção de biometano através de lagoas de algas semi-industriais abertas de alta taxa e subsequente análise da eficiência do tratamento, pH, oxigênio dissolvido e crescimento de microalgas.
Abstract
Nos últimos anos, várias tecnologias surgiram para purificar o biogás em biometano. Esta purificação implica uma redução na concentração de gases poluentes como dióxido de carbono e sulfeto de hidrogénio para aumentar o teor de metano. Neste estudo, utilizou-se uma tecnologia de cultivo de microalgas para tratar e purificar o biogás produzido a partir de resíduos orgânicos da suinocultura para obtenção de biometano pronto para uso. Para cultivo e purificação, dois fotobiorreatores de lagoa aberta de 22,2m3 acoplados a um sistema de coluna de absorção-dessorção foram instalados em San Juan de los Lagos, México. Várias relações líquido/biogás de recirculação (L/G) foram testadas para obter as maiores eficiências de remoção; outros parâmetros, como pH, oxigênio dissolvido (OD), temperatura e crescimento da biomassa, foram medidos. Os L/Gs mais eficientes foram 1,6 e 2,5, resultando em um efluente de biogás tratado com composição de 6,8%vol e 6,6%vol em CO2, respectivamente, e eficiências de remoção para H2S de até 98,9%, além de manter valores de contaminação por O2 inferiores a 2% vol. Verificamos que o pH determina grandemente a remoção de CO2 , mais do que L/G, durante o cultivo, devido à sua participação no processo fotossintético de microalgas e sua capacidade de variar o pH quando solubilizado devido à sua natureza ácida. OD e temperatura oscilaram como esperado a partir dos ciclos naturais claro-escuro da fotossíntese e da hora do dia, respectivamente. O crescimento da biomassa variou com a alimentação com CO2 e nutrientes, bem como com a colheita em reator; no entanto, a tendência manteve-se preparada para o crescimento.
Introduction
Nos últimos anos, várias tecnologias têm surgido para purificar o biogás em biometano, promovendo seu uso como combustível não fóssil, mitigando, assim, as emissões indesizáveis de metano1. A poluição do ar é um problema que afeta a maior parte da população mundial, particularmente em áreas urbanizadas; Em última análise, cerca de 92% da população mundial respira ar poluído2. Na América Latina, os índices de poluição do ar são gerados principalmente pelo uso de combustíveis, sendo que, em 2014, 48% da poluição do ar foi provocada pelo setor de produção de eletricidade e calor3.
Na última década, mais e mais estudos sobre a relação entre poluentes no ar e o aumento das taxas de mortalidade têm sido propostos, argumentando que há uma forte correlação entre ambos os conjuntos de dados, particularmente em populações infantis.
Como forma de evitar a continuação da poluição atmosférica, várias estratégias têm sido propostas; uma delas é o uso de fontes renováveis de energia, incluindo turbinas eólicas e células fotovoltaicas, que diminuem a liberação de CO2 na atmosfera 4,5. Outra fonte de energia renovável provém do biogás, subproduto da digestão anaeróbia da matéria orgânica, produzida juntamente com um digestato orgânico líquido6. Esse gás é composto por uma mistura de gases e suas proporções dependem da fonte de matéria orgânica utilizada para digestão anaeróbia (lodo de esgoto, esterco bovino ou biorresíduos agroindustriais). Geralmente, essas proporções são 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), hidrocarbonetos (0-200 mg/m3) e siloxanos (0-41 mg/m3)7,8,9, onde a comunidade científica está interessada no gás metano por ser este o componente energético renovável da mistura.
No entanto, o biogás não pode ser simplesmente queimado como obtido porque os subprodutos da reação podem ser nocivos e contaminantes; Isso aumenta a necessidade de tratar e purificar a mistura para aumentar a porcentagem de metano e diminuir o restante, essencialmente convertendo-o em biometano10. Esse processo também é conhecido como atualização. Embora atualmente existam tecnologias comerciais para esse tratamento, essas tecnologias apresentam diversos inconvenientes econômicos e ambientais 11,12,13. Por exemplo, sistemas com lavagem de carvão ativado e água (ACF-WS), lavagem sob pressão de água (PWS), permeação de gás (GPHR) e adsorção por oscilação de pressão (PSA) apresentam algumas desvantagens econômicas ou outras de impacto ambiental. Uma alternativa viável (Figura 1) é o uso de sistemas biológicos como os que combinam microalgas e bactérias cultivadas em fotobiorreatores; Algumas vantagens incluem a simplicidade de projeto e operação, o baixo custo operacional e suas operações e subprodutos ecologicamente corretos 10,13,14. Quando o biogás é purificado em biometano, este pode ser utilizado como substituto do gás natural, e o digerido pode ser implementado como fonte de nutrientes para apoiar o crescimento de microalgas no sistema10.
Um método amplamente utilizado neste procedimento de atualização é o crescimento de microalgas em fotorreatores de pista aberta acoplado a uma coluna de absorção, devido aos menores custos de operação e ao mínimo capital de investimento necessário6. O tipo de reator de pista de corrida mais utilizado para esta aplicação é o lago de algas de alta taxa (HRAP), que é um lago de pista raso onde a circulação do caldo de algas ocorre através de uma roda de remo de baixa potência14. Esses reatores necessitam de grandes áreas para sua instalação e são muito suscetíveis à contaminação se utilizados em condições externas; em processos de purificação de biogás, recomenda-se o uso de condições alcalinas (pH > 9,5) e o uso de espécies de algas que prosperam em níveis mais elevados de pH para aumentar a remoção de CO2 e H2S, evitando contaminação15,16.
Este trabalho teve como objetivo determinar a eficiência do tratamento de biogás e a produção final de biometano utilizando fotobiorreatores HRAP acoplados a um sistema de coluna de absorção-dessorção e um consórcio de microalgas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ao longo dos anos, esta tecnologia de algas tem sido testada e usada como uma alternativa às técnicas físico-químicas ásperas e caras para purificar o biogás. Particularmente, o gênero Arthrospira é amplamente utilizado para este fim específico, juntamente com Chlorella. Existem poucas metodologias, no entanto, que são feitas em escala semi-industrial, o que agrega valor a esse procedimento.
É fundamental manter concentrações mais baixas de O2 usando a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos ao projeto número IT100423 da DGAPA UNAM pelo financiamento parcial. Agradecemos também ao PROAN e ao GSI por nos permitirem compartilhar experiências técnicas sobre a modernização completa de suas instalações completas de biogás fotossintético. O apoio técnico de Pedro Pastor Hernández Guerrero, Carlos Martin Sigala, Juan Francisco Díaz Márquez, Margarita Elizabeth Cisneros Ortiz, Roberto Sotero Briones Méndez e Daniel de los Cobos Vasconcelos é muito apreciado. Parte desta pesquisa foi realizada no Laboratório de Engenharia Ambiental do IIUNAM com certificação 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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