Biogassrensing ved bruk av et mikroalgebakterielt system i semi-industrielle høyhastighets algedammer

Summary

Luftforurensning påvirker livskvaliteten til alle organismer. Her beskriver vi bruk av mikroalgebioteknologi for behandling av biogass (samtidig fjerning av karbondioksid og hydrogensulfid) og produksjon av biometan gjennom semi-industrielle åpne høyhastighets algedammer og påfølgende analyse av behandlingseffektivitet, pH, oppløst oksygen og mikroalgevekst.

Abstract

De siste årene har det dukket opp en rekke teknologier for å rense biogass til biometan. Denne rensingen innebærer en reduksjon i konsentrasjonen av forurensende gasser som karbondioksid og hydrogensulfid for å øke innholdet av metan. I denne studien brukte vi en mikroalgedyrkingsteknologi for å behandle og rense biogass produsert fra organisk avfall fra svineindustrien for å skaffe klar til bruk biometan. For dyrking og rensing ble to 22,2 m³ fotobioreaktorer med åpen dam kombinert med et absorpsjons-desorpsjonskolonnesystem satt opp i San Juan de los Lagos, Mexico. Flere resirkuleringsvæske/biogassforhold (L/G) ble testet for å oppnå høyest mulig fjerningseffektivitet. Andre parametere, som pH, oppløst oksygen (DO), temperatur og biomassevekst, ble målt. De mest effektive L/Gs var 1,6 og 2,5, noe som resulterte i et behandlet avløpsvann fra biogass med en sammensetning på henholdsvis 6,8 % vol og 6,6 % vol i CO₂ og fjerningseffektivitet for H₂S opptil 98,9 %, samt opprettholdelse av O 2-forurensningsverdier på mindre enn 2 % vol. Vi fant at pH i stor grad bestemmer CO₂ -fjerning, mer enn L / G, under dyrking på grunn av sin deltakelse i den fotosyntetiske prosessen av mikroalger og dens evne til å variere pH når den blir solubilisert på grunn av dens sure natur. DO, og temperaturen svingte som forventet fra henholdsvis lys-mørke naturlige sykluser av fotosyntese og tid på dagen. Biomasseveksten varierte med CO₂ og næringstilførsel samt reaktorhøsting; Trenden forble imidlertid primet for vekst.

Introduction

I de senere år har flere teknologier dukket opp for å rense biogass til biometan, fremme bruken som ikke-fossilt brensel, og dermed redusere undesairable metanutslipp¹. Luftforurensning er et problem som påvirker mesteparten av verdens befolkning, spesielt i urbaniserte områder; Til syvende og sist puster rundt 92% av verdens befolkning forurenset luft². I Latin-Amerika er luftforurensningsratene hovedsakelig skapt av bruk av drivstoff, hvor i 2014 48% av luftforurensningen ble forårsaket av elektrisitets- og varmeproduksjonssektoren³.

I det siste tiåret har flere og flere studier av forholdet mellom forurensende stoffer i luften og økningen i dødelighet blitt foreslått, og hevder at det er en sterk sammenheng mellom begge datasettene, spesielt i barnepopulasjoner.

Som en måte å unngå videreføring av luftforurensning er det foreslått flere strategier; En av disse er bruk av fornybare energikilder, inkludert vindturbiner og fotovoltaiske celler, som reduserer CO₂ -utslippet i atmosfæren ^4,5. En annen fornybar energikilde kommer fra biogass, et biprodukt av anaerob fordøyelse av organisk materiale, produsert sammen med et flytende organisk digestate⁶. Denne gassen består av en blanding av gasser, og deres proporsjoner avhenger av kilden til organisk materiale som brukes til anaerob fordøyelse (kloakkslam, storfegjødsel eller agroindustrielt bioavfall). Generelt er disse proporsjonene_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), hydrokarboner (0-200 mg/^m3) og siloksaner (0-41 mg/m³)^7,8,9, hvor det vitenskapelige samfunn er interessert i metangassen siden dette er den fornybare energiske komponenten i blandingen.

Biogass kan imidlertid ikke bare brennes som oppnådd fordi biproduktene av reaksjonen kan være skadelige og forurensende; Dette øker behovet for å behandle og rense blandingen for å øke prosentandelen metan og redusere resten, i hovedsak konvertere den til biometan¹⁰. Denne prosessen er også kjent som oppgradering. Selv om det for tiden er kommersielle teknologier for denne behandlingen, har disse teknologiene flere økonomiske og miljømessige ulemper 11,12,13. For eksempel presenterer systemer med aktivert karbon- og vannvask (ACF-WS), trykkvannsvasking (PWS), gasspermeasjon (GPHR) og trykksvingadsorpsjon (PSA) noen økonomiske eller andre ulemper med miljøpåvirkning. Et levedyktig alternativ (figur 1) er bruk av biologiske systemer som de som kombinerer mikroalger og bakterier dyrket i fotobioreaktorer; Noen fordeler inkluderer enkelheten i design og drift, de lave driftskostnadene, og dens miljøvennlige drift og biprodukter 10,13,14. Når biogass renses til biometan, kan sistnevnte brukes som erstatning for naturgass, og digestatet kan implementeres som en kilde til næringsstoffer for å støtte mikroalgevekst i systemet¹⁰.

En metode som er mye brukt i denne oppgraderingsprosedyren, er veksten av mikroalger i fotoreaktorer på åpne løpsbaner kombinert med en absorpsjonskolonne på grunn av lavere driftskostnader og den minimale investeringskapitalen som trengs⁶. Den mest brukte typen raceway-reaktor for denne applikasjonen er høyhastighets algedammen (HRAP), som er en grunne racerbanedam hvor sirkulasjonen av algebuljongen skjer via et laveffekts padlehjul¹⁴. Disse reaktorene trenger store områder for installasjon og er svært utsatt for forurensning hvis de brukes i utendørsforhold; I biogassrensingsprosesser anbefales det å bruke alkaliske forhold (pH > 9,5) og bruk av algearter som trives i høyere pH-nivåer for å forbedre fjerningen av CO₂ og H₂S samtidig som forurensning unngås^15,16.

Denne forskningen hadde som mål å bestemme effektiviteten av biogassbehandling og sluttproduksjon av biometan ved hjelp av HRAP-fotobioreaktorer kombinert med et absorpsjons-desorpsjonskolonnesystem og et mikroalgekonsortium.

Protocol

1. Systemoppsett MERK: Et rør- og instrumenteringsdiagram (P&ID) for systemet beskrevet i denne protokollen er vist i figur 2. Reaktor oppsettForbered bakken ved å utjevne og komprimere den for å forbedre reaktorens stabilitet. På et åpent felt, grave to langstrakte hull og 3 m fra enden, videre grave et 3 m2 og 1 m dypt hull (kjent som en luftingsbrønn). Plasser to HRAP-er (<strong class="x…

Representative Results

Etter protokollen ble systemet bygget, testet og inokulert. Forholdene ble målt og lagret, og prøvene ble tatt og analysert. Protokollen ble gjennomført et år, fra oktober 2019 og varte til oktober 2020. Det er viktig å nevne at herfra vil HRAP-ene bli referert til som RT3 og RT4. Biometan produktivitetFor å bestemme forholdene som fremmer høyest H2S og CO2 -fjerning og følgelig den høyeste konsentrasjonen av metan, ble flere resirkuleringsv?…

Discussion

Gjennom årene har denne algeteknologien blitt testet og brukt som et alternativ til de harde og dyre fysisk-kjemiske teknikkene for å rense biogass. Spesielt er Arthrospirata-slekten mye brukt til dette spesifikke formålet, sammen med Chlorella. Det er imidlertid få metoder som er laget i semi-industriell skala, noe som gir verdi til denne prosedyren.

Det er avgjørende å opprettholde lavere_{O2-konsentrasjoner} ved å bruke riktig L / G-forhold; Dette avhenger i…

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