利用微藻-细菌系统在半工业规模高效藻类池中进行沼气提纯

摘要

空气污染影响着所有生物的生活质量。本文介绍了利用微藻生物技术处理沼气（同步去除二氧化碳和硫化氢）并生产生物甲烷的方法，通过半工业规模的开放式高效藻类池进行处理，并随后分析处理效率、pH、溶解氧以及微藻生长情况。

摘要

近年来，多种技术相继出现，用于将沼气提纯为生物甲烷。该提纯过程旨在降低二氧化碳和硫化氢等污染物气体的浓度，从而提高甲烷含量。本研究采用微藻培养技术，对来自养猪业有机废弃物产生的沼气进行处理与提纯，以获得可直接使用的生物甲烷。为实现培养与提纯，我们在墨西哥圣胡安德洛斯拉戈斯建立了两个22.2 m³的开放式池式光生物反应器，并耦合吸收-解吸柱系统。测试了多种液体循环/沼气比（L/G），以获得最高的去除效率；同时测定了pH、溶解氧（DO）、温度和生物量增长等其他参数。最高效的L/G值分别为1.6和2.5，所得处理后沼气中CO₂体积浓度分别为6.8%和6.6%，H₂S去除效率高达98.9%，同时保持O₂污染水平低于2%vol。我们发现，在微藻培养过程中，pH对CO₂去除的影响远大于L/G，这与其在微藻光合作用过程中的作用以及因其酸性性质溶于水后调节pH的能力有关。DO和温度的变化分别符合光合作用昼夜自然循环及一天中不同时段的预期规律。生物量增长受CO₂供给、营养补给以及反应器采收的影响，但总体增长趋势保持良好。

引言

近年来，多种技术已出现，可用于将沼气提纯为生物甲烷，推动其作为非化石燃料的使用，从而减少不必要的甲烷排放¹。空气污染是一个影响全球大部分人口的问题，尤其在城市化地区尤为严重；最终，全球约92%的人口呼吸着受污染的空气²。在拉丁美洲，空气污染主要由燃料使用造成，其中2014年电力和热能生产部门贡献了48%的空气污染³。

近十年来，关于空气中污染物与死亡率上升之间关系的研究越来越多，这些研究认为两组数据之间存在显著相关性，尤其在儿童群体中更为明显。

为避免空气污染持续加剧，人们已提出多种策略，其中之一是利用可再生能源，包括风力涡轮机和光伏电池，以减少二氧化碳（CO₂）向大气中的排放^4,5。另一种可再生能源来自沼气，它是有机物厌氧消化过程的副产物，同时产生一种液态有机消化残渣⁶。沼气由多种气体混合而成，其组分比例取决于用于厌氧消化的有机物来源（如污水污泥、牛粪或农业工业有机废弃物）。通常情况下，其组成为：CH₄（53%–70% vol）、CO₂（30%–47....

方案

1. 系统设置

注意：本方案所述系统的管道与仪表图（P&ID）见图2。

1. 反应器设置
   1. 通过平整和压实地面来准备场地，以提高反应器的稳定性。
   2. 在开阔场地挖掘两个长条形坑，在距末端3 m处再挖掘一个面积为3 m²、深1 m的坑（称为曝气井）。
   3. 将两个HRAPs（图3）放置在覆盖有土工膜的金属支架上。每个反应器的操作容量必须为22.2 m³。
   4. 在每个反应器旁放置一台功率为1728.42瓦（2.35马力）的空气泵，位置靠近HRAPs中已挖掘曝气井的一端。
   5. 在反应器横跨安装一个由1103.24瓦（1.5马力）电动机驱动的桨轮，以促进生物质与培养基质之间的接触。
2. 气体处理系统设置（图4）
   1. 使用一根6"聚氯乙烯（PVC）管构建解吸柱，进气口位于顶部盖板下方2 m处，出气口从底部流出（图2）。
   2. 设置吸收罐（V_t：2.5....

结果

按照方案，构建、测试并接种了系统。对条件进行了测量和记录，并采集和分析了样品。该方案执行了一年，从2019年10月开始，持续至2020年10月。需要说明的是，此后将把HRAP系统简称为RT3和RT4。

生物甲烷产率
为了确定促进最高H的条件₂S 和 CO₂ 去除率，从而实现甲烷的最高浓度，尝试了0.5至3.4范围内的多个液体/沼气循环比（L/G）。这些结果来自持续至少60分钟（1小时）连续沼气鼓泡的实验，在25至^th 9月28日^th 9月期间。在此测试过程中，微藻固定了CO_2, 且细菌氧化了 H₂S，浓缩甲烷（CH₄）并基本完成气体混合物的纯化。

考虑到整个系统（HRAP 体积 + 储罐体积 = 24.75 m³）的平均 CO₂ 去除能力以及稳定的生物量浓度（0.8 g/L），估算得到的比固.......

讨论

多年来，这种藻类技术已被测试并用作净化沼气的替代方法，以取代苛刻且昂贵的物理化学技术。特别是螺旋藻属（Arthrospira）和小球藻属（Chlorella）被广泛用于这一特定目的。然而，目前在半工业规模上开展的方法较少，因此本方案具有较高的应用价值。

保持较低的O₂浓度至关重要₂ 通过使用适当的液气比（L/G）来调节浓度；然而，这取决于该方案应用的地区。由于存在爆炸和管道腐蚀的风险，生物甲烷中的氧气含量受到严格管控。欧盟一些国家要求氧气含量低至1%vol^29,30,31甲烷的浓度则必须超过65%（体积分数）³¹在墨西哥，关于沼气和生物甲烷几乎没有任何专门监管，因其被视为等同于天然气，根据墨西哥标准³²，CH 的最低含量₄ .......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1" 转子流量计	CICLOTEC	N/A
1" 转子流量计	GPI	A10-LMA100IA1
吸收罐	EFISA	按先前设计制造
空气鼓风机（2.35 HP）	Elmo Rietschle	2BH11007AH01
沼气鼓风机（2 HP）	Elmo Rietschle	2BH11007AH01
沼气成分检测仪	Geotech	BIOGAS 5000
数据采集装置	LabJack Co.	U3-LV
曝气管	Aero-Tube	C3060AR
溶解氧传感器	Applisens	Z10023525
十二水合磷酸三钠	Quimica PIMA	N/A	肥料级（用于温室及室外）
十二水合磷酸三钠	Fermont	35963	分析纯（用于实验室内的培养）
Durapore 膜（45 µm）	MerckMillipore	HVLP04700
电动机 1.5 HP	Weg	00158ET3ERS56C
七水合硫酸亚铁	Agroquimica Samet	N/A	肥料级（用于温室及室外）
七水合硫酸亚铁	Fermont	63593	分析纯（用于实验室内的培养）
土工膜	GEOSINCERE	N/A
七水合硫酸镁	Tepeyac	N/A	肥料级（用于温室及室外）
七水合硫酸镁	Fermont	63623	分析纯（用于实验室内的培养）
桨轮	GSI	按先前设计制造
pH 传感器	Van London pHoenix	715-772-0041
便携式显示屏	Rasspberry	Pi 3 B+
循环离心泵（1.5 HP）	Aquapak	ALY 15
碳酸氢钠	Industria del alcali	N/A	肥料级（用于温室及室外）
碳酸氢钠	Fermont	12903	分析纯（用于实验室内的培养）
氯化钠	Sal Colima	N/A	肥料级（用于温室及室外）
氯化钠	Fermont	24912	分析纯（用于实验室内的培养）
硝酸钠	Vitraquim	N/A	肥料级（用于温室及室外）
硝酸钠	Fermont	41903	分析纯（用于实验室内的培养）
存储程序（pH、DO）	Python Software Foundation	Python IDLE 2.7
Tedlar 气袋	SKC Inc.	232-25
温度记录仪	T&D	TR-52i
紫外-可见分光光度计	ThermoFisher Scientific instrument	GENESYS 10S
真空泵	EVAR	EV-40