Biogaszuivering door het gebruik van een microalgenbacterieel systeem in semi-industriële algenvijvers met hoge snelheid
Summary
Luchtverontreiniging heeft invloed op de kwaliteit van leven van alle organismen. Hier beschrijven we het gebruik van microalgenbiotechnologie voor de behandeling van biogas (gelijktijdige verwijdering van kooldioxide en waterstofsulfide) en de productie van biomethaan door middel van semi-industriële open algenvijvers met hoge snelheid en de daaropvolgende analyse van behandelingsefficiëntie, pH, opgeloste zuurstof en microalgengroei.
Abstract
In de afgelopen jaren zijn er een aantal technologieën ontstaan om biogas te zuiveren tot groen gas. Deze zuivering omvat een vermindering van de concentratie van vervuilende gassen zoals kooldioxide en waterstofsulfide om het methaangehalte te verhogen. In deze studie gebruikten we een microalgenkweektechnologie om biogas geproduceerd uit organisch afval van de varkensindustrie te behandelen en te zuiveren om kant-en-klaar biomethaan te verkrijgen. Voor de teelt en zuivering werden in San Juan de los Lagos, Mexico, twee fotobioreactoren van 22,2m3 met open vijver in combinatie met een absorptie-desorptiekolomsysteem opgesteld. Verschillende recirculatievloeistof/biogasverhoudingen (L/G) werden getest om de hoogste verwijderingsrendementen te verkrijgen; andere parameters, zoals pH, opgeloste zuurstof (DO), temperatuur en biomassagroei, werden gemeten. De meest efficiënte L/G’s waren 1,6 en 2,5, wat resulteerde in een behandeld biogaseffluent met een samenstelling van respectievelijk 6,8% vol en 6,6% vol in CO2, en verwijderingsrendementen voor H2S tot 98,9%, evenals het handhaven van O 2-verontreinigingswaarden van minder dan 2% vol. We ontdekten dat pH in grote mate bepalend is voor de verwijdering van CO2, meer dan L/G, tijdens de teelt vanwege de deelname aan het fotosyntheseproces van microalgen en het vermogen om de pH te variëren wanneer ze worden opgelost vanwege de zure aard. DO, en de temperatuur oscilleerden zoals verwacht op basis van respectievelijk de licht-donker natuurlijke cycli van fotosynthese en het tijdstip van de dag. De groei van biomassa varieerde met de toevoer van CO2 en nutriënten en met de oogst van reactoren; De trend bleef echter klaar voor groei.
Introduction
In de afgelopen jaren zijn er verschillende technologieën ontstaan om biogas te zuiveren tot biomethaan, waarbij het gebruik ervan als niet-fossiele brandstof wordt bevorderd en zo de uitstoot van onontluchtbaar methaan wordt verminderd1. Luchtvervuiling is een probleem dat het grootste deel van de wereldbevolking treft, vooral in verstedelijkte gebieden; Uiteindelijk ademt ongeveer 92% van de wereldbevolking vervuilde luchtin 2. In Latijns-Amerika worden de luchtverontreinigingspercentages voornamelijk veroorzaakt door het gebruik van brandstoffen, waarbij in 2014 48% van de luchtverontreiniging werd veroorzaakt door de elektriciteits- en warmteproductiesector3.
In het afgelopen decennium zijn er steeds meer studies voorgesteld over de relatie tussen verontreinigende stoffen in de lucht en de toename van sterftecijfers, met het argument dat er een sterke correlatie is tussen beide datasets, met name bij kinderen.
Om te voorkomen dat de luchtverontreiniging voortduurt, zijn verschillende strategieën voorgesteld; een daarvan is het gebruik van hernieuwbare energiebronnen, waaronder windturbines en fotovoltaïsche cellen, die de uitstoot van CO2 in de atmosfeer verminderen 4,5. Een andere hernieuwbare energiebron is biogas, een bijproduct van de anaërobe vergisting van organisch materiaal, geproduceerd samen met een vloeibaar organisch digestaat6. Dit gas bestaat uit een mengsel van gassen en hun verhoudingen zijn afhankelijk van de bron van organisch materiaal dat wordt gebruikt voor anaërobe vergisting (zuiveringsslib, rundveemest of agro-industrieel bioafval). Over het algemeen zijn deze verhoudingen 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), koolwaterstoffen (0-200 mg/m3) en siloxanen (0-41 mg/m3)7,8,9, waarbij de wetenschappelijke gemeenschap geïnteresseerd is in het methaangas omdat dit de hernieuwbare energetische component van het mengsel is.
Biogas kan echter niet zomaar worden verbrand zoals het is verkregen, omdat de bijproducten van de reactie schadelijk en verontreinigend kunnen zijn; Dit verhoogt de noodzaak om het mengsel te behandelen en te zuiveren om het percentage methaan te verhogen en de rest te verlagen, waardoor het in wezen wordt omgezet in biomethaan10. Dit proces wordt ook wel upgraden genoemd. Hoewel er momenteel commerciële technologieën voor deze behandeling zijn, hebben deze technologieën verschillende economische en ecologische nadelen 11,12,13. Systemen met actieve kool en waterreiniging (ACF-WS), hogedrukreiniging (PWS), gaspermeatie (GPHR) en drukschommelingsadsorptie (PSA) hebben bijvoorbeeld enkele economische of andere nadelen van milieu-impact. Een levensvatbaar alternatief (figuur 1) is het gebruik van biologische systemen, zoals systemen die microalgen combineren met bacteriën die in fotobioreactoren worden gekweekt; Enkele voordelen zijn de eenvoud van ontwerp en bediening, de lage bedrijfskosten en de milieuvriendelijke werking en bijproducten 10,13,14. Wanneer biogas wordt gezuiverd tot biomethaan, kan dit laatste worden gebruikt als vervanging voor aardgas en kan het digestaat worden gebruikt als een bron van voedingsstoffen om de groei van microalgen in het systeem te ondersteunen10.
Een methode die veel wordt gebruikt bij deze opwaarderingsprocedure is de groei van microalgen in fotoreactoren met open toevoerkanalen in combinatie met een absorptiekolom vanwege de lagere bedrijfskosten en het minimale benodigde investeringskapitaal6. Het meest gebruikte type raceway-reactor voor deze toepassing is de high-rate algenvijver (HRAP), een ondiepe drijfkanaalvijver waar de circulatie van de algenbouillon plaatsvindt via een schoepenrad met laag vermogen14. Deze reactoren hebben grote oppervlakken nodig voor hun installatie en zijn zeer gevoelig voor besmetting bij gebruik in de buitenlucht; bij biogaszuiveringsprocessen wordt geadviseerd om alkalische omstandigheden (pH > 9,5) te gebruiken en algensoorten te gebruiken die gedijen bij hogere pH-waarden om de verwijdering van CO2 en H2S te verbeteren en verontreiniging te voorkomen15,16.
Dit onderzoek was gericht op het bepalen van de efficiëntie van de biogasbehandeling en de uiteindelijke productie van biomethaan met behulp van HRAP-fotobioreactoren in combinatie met een absorptie-desorptiekolomsysteem en een microalgenconsortium.
Protocol
Representative Results
Discussion
Door de jaren heen is deze algentechnologie getest en gebruikt als alternatief voor de harde en dure fysisch-chemische technieken om biogas te zuiveren. Met name het geslacht Arthrospira wordt veel gebruikt voor dit specifieke doel, samen met Chlorella. Er zijn echter maar weinig methodieken die op semi-industriële schaal worden gemaakt, wat waarde toevoegt aan deze procedure.
Het is van cruciaal belang om lagereO2-concentraties te handhaven door de juiste L/G-ver…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken DGAPA UNAM project nummer IT100423 voor de gedeeltelijke financiering. We danken ook PROAN en GSI voor het feit dat we technische ervaringen hebben kunnen delen over hun fotosynthetische biogasopwaardering van volledige installaties. De technische ondersteuning van Pedro Pastor Hernández Guerrero, Carlos Martin Sigala, Juan Francisco Díaz Márquez, Margarita Elizabeth Cisneros Ortiz, Roberto Sotero Briones Méndez en Daniel de los Cobos Vasconcelos wordt zeer gewaardeerd. Een deel van dit onderzoek is uitgevoerd bij IIUNAM Environmental Engineering Laboratory met een ISO 9001:2015 certificaat.
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).
