Semi-Industrial High Rate Algal Ponds에서 Microalgae-Bacterial System을 사용하여 바이오 가스 정화
Summary
대기 오염은 모든 유기체의 삶의 질에 영향을 미칩니다. 여기에서는 바이오가스 처리(이산화탄소와 황화수소의 동시 제거)를 위한 미세조류 생명공학의 사용과 준공업용 개방형 고속 조류 연못을 통한 바이오메탄 생산 및 처리 효율, pH, 용존 산소 및 미세조류 성장에 대한 후속 분석에 대해 설명합니다.
Abstract
최근 몇 년 동안 바이오 가스를 바이오 메탄으로 정제하는 많은 기술이 등장했습니다. 이 정화는 이산화탄소 및 황화수소와 같은 오염 가스의 농도를 감소시켜 메탄의 함량을 증가시키는 것을 수반합니다. 이 연구에서는 미세조류 재배 기술을 사용하여 돼지 산업의 유기 폐기물에서 생성된 바이오가스를 처리하고 정제하여 즉시 사용할 수 있는 바이오메탄을 얻었습니다. 배양 및 정제를 위해 흡수-탈착 컬럼 시스템과 결합된 2개의 22.2m3 개방형 연못 광생물반응기를 멕시코 San Juan de los Lagos에 설치했습니다. 가장 높은 제거 효율을 얻기 위해 여러 재순환 액체/바이오가스 비율(L/G)을 테스트했습니다. pH, 용존 산소(DO), 온도 및 바이오매스 성장과 같은 다른 매개변수를 측정했습니다. 가장 효율적인 L/Gs는 1.6 및 2.5였으며, 그 결과CO2 에서 각각 6.8%vol 및 6.6%vol 조성으로 처리된 바이오가스 폐수가 생성되었으며H2S에 대한 제거 효율은 최대 98.9%일 뿐만 아니라O2 오염 값은 2%vol 미만으로 유지되었습니다. 우리는 pH가 미세조류의 광합성 과정에 참여하고 산성 특성으로 인해 용해될 때 pH를 변화시킬 수 있는 능력 때문에 재배 중에 L/G보다CO2 제거를 크게 결정한다는 것을 발견했습니다. DO와 온도는 각각 광합성의 밝고 어두운 자연 주기와 하루 중 시간에서 예상대로 진동했습니다. 바이오매스 성장은 CO2 및 영양분 공급과 반응기 수확에 따라 다양했습니다. 그러나 이러한 추세는 여전히 성장할 준비가 되어 있었습니다.
Introduction
최근 몇 년 동안 바이오 가스를 바이오 메탄으로 정제하여 비 화석 연료로 사용을 촉진하여 제거 할 수없는 메탄 배출을 완화하는 여러 기술이 등장했습니다1. 대기 오염은 특히 도시화 된 지역에서 세계 인구의 대부분에게 영향을 미치는 문제입니다. 궁극적으로 전 세계 인구의 약 92%가 오염된 공기를 마시고 있습니다2. 라틴아메리카에서 대기오염률은 대부분 연료의 사용으로 인해 발생하며, 2014년에는 대기오염의 48%가 전기 및 열 생산 부문에서 발생했다3.
지난 10년 동안 대기 중 오염 물질과 사망률 증가 사이의 관계에 대한 연구가 점점 더 많이 제안되어 특히 어린이 인구에서 두 데이터 세트 사이에 강한 상관 관계가 있다고 주장합니다.
대기 오염의 지속을 피하는 방법으로 몇 가지 전략이 제안되었습니다. 그 중 하나는 풍력 터빈 및 광전지를 포함한 재생 가능 에너지 원의 사용으로, 대기 중으로의 CO2 방출을 감소시킵니다 4,5. 또 다른 재생 가능 에너지원은 액체 유기 소화액과 함께 생산되는 유기물의 혐기성 소화의 부산물인 바이오가스에서 나온다6. 이 가스는 가스 혼합물로 구성되며 그 비율은 혐기성 소화에 사용되는 유기물 공급원(하수 슬러지, 가축 분뇨 또는 농업 산업 바이오 폐기물)에 따라 다릅니다. 일반적으로 이러한 비율은 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), 탄화수소 (0-200 mg / m3) 및 실록산 (0-41 mg / m3) 7,8,9이며, 과학계는 메탄 가스가 혼합물의 재생 가능한 에너지 성분이기 때문에 메탄 가스에 관심이 있습니다.
그러나 바이오 가스는 반응의 부산물이 유해하고 오염 될 수 있기 때문에 얻은 것처럼 단순히 연소 할 수 없습니다. 이로 인해 메탄의 비율을 높이고 나머지를 줄여 본질적으로 바이오 메탄10으로 전환하기 위해 혼합물을 처리하고 정제해야 할 필요성이 제기됩니다. 이 프로세스를 업그레이드라고도 합니다. 현재, 이 처리를 위한 상용 기술이 있지만, 이러한 기술들은 몇 가지 경제적 및 환경적 단점을 가지고 있다 11,12,13. 예를 들어, 활성탄 및 수세(ACF-WS), 고압수 세척(PWS), 가스 투과(GPHR) 및 압력 스윙 흡착(PSA)이 있는 시스템은 환경에 미치는 영향의 경제적 또는 기타 단점을 나타냅니다. 실행 가능한 대안(그림 1)은 광생물반응기에서 자란 미세조류와 박테리아를 결합하는 것과 같은 생물학적 시스템을 사용하는 것입니다. 몇 가지 장점으로는 설계 및 작동의 단순성, 낮은 운영 비용, 환경 친화적인 운영 및 부산물10,13,14가 있습니다. 바이오가스가 바이오메탄으로 정제될 때, 바이오메탄은 천연가스의 대용품으로서 사용될 수 있고, 소화물은 시스템(10)에서 미세조류의 성장을 지원하기 위한 영양소의 공급원으로서 구현될 수 있다.
이 업그레이드 절차에서 널리 사용되는 방법은 낮은 운영 비용과 필요한 최소 투자 자본으로 인해 흡수 컬럼과 결합된 개방형 레이스웨이 광반응기에서 미세조류의 성장입니다6. 이 응용을 위해 가장 많이 사용되는 궤도 반응기 유형은 저전력 패들 휠(14)을 통해 조류 국물의 순환이 발생하는 얕은 궤도 연못인 고속 조류 연못(HRAP)이다. 이러한 원자로는 설치를 위해 넓은 면적이 필요하며 실외 조건에서 사용할 경우 오염에 매우 취약합니다. 바이오 가스 정제 공정에서는 알칼리성 조건 (pH > 9.5)을 사용하고 오염을 피하면서 CO2 및 H2S의 제거를 향상시키기 위해 더 높은 pH 수준에서 번성하는 조류 종을 사용하는 것이 좋습니다15,16.
이 연구는 흡수-탈착 컬럼 시스템 및 미세조류 컨소시엄과 결합된 HRAP 광생물반응기를 사용하여 바이오가스 처리 효율 및 바이오메탄의 최종 생산을 결정하는 것을 목표로 했습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
수년에 걸쳐 이 조류 기술은 바이오가스를 정제하기 위한 가혹하고 값비싼 물리화학적 기술의 대안으로 테스트되고 사용되었습니다. 특히, Arthrospira 속은 클로렐라와 함께 이러한 특정 목적으로 널리 사용됩니다. 그러나 이 절차에 가치를 더하는 준산업 규모로 만들어진 방법론은 거의 없습니다.
적절한 L/G 비율을 사용하여 더 낮은O2 농도를 유지하는 것…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
부분 자금 지원에 대해 DGAPA UNAM 프로젝트 번호 IT100423에 감사드립니다. 또한 광합성 바이오가스 업그레이드 전체 설비에 대한 기술 경험을 공유할 수 있도록 해주신 PROAN과 GSI에 감사드립니다. Pedro Pastor Hernández Guerrero, Carlos Martin Sigala, Juan Francisco Díaz Márquez, Margarita Elizabeth Cisneros Ortiz, Roberto Sotero Briones Méndez 및 Daniel de los Cobos Vasconcelos의 기술 지원에 감사드립니다. 이 연구의 일부는 ISO 9001:2015 인증을 받은 IIUNAM 환경공학 연구소에서 수행되었습니다.
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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