Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Biogasrensning ved brug af et mikroalgebakterielt system i semiindustrielle algedamme med høj hastighed

Published: March 22, 2024 doi: 10.3791/65968
Automatic Translation
1, 2, 1, 1
1Instituto de Ingeniería, Ciudad Universitaria, Universidad Nacional Autónoma de México, 2Granos y Servicios Integrales

Summary

Luftforurening påvirker livskvaliteten for alle organismer. Her beskriver vi brugen af mikroalgebioteknologi til behandling af biogas (samtidig fjernelse af kuldioxid og hydrogensulfid) og produktion af biometan gennem semiindustrielle åbne algedamme med høj hastighed og efterfølgende analyse af behandlingseffektivitet, pH, opløst ilt og mikroalgevækst.

Abstract

I de senere år er der opstået en række teknologier til at rense biogas til biometan. Denne rensning indebærer en reduktion i koncentrationen af forurenende gasser som kuldioxid og hydrogensulfid for at øge indholdet af metan. I denne undersøgelse brugte vi en mikroalgedyrkningsteknologi til at behandle og rense biogas produceret af organisk affald fra svineindustrien for at opnå brugsklar biometan. Til dyrkning og rensning blev der oprettet to 22,2 m3 åbne damfotobioreaktorer kombineret med et absorptionsdesorptionssøjlesystem i San Juan de los Lagos, Mexico. Flere recirkulationsvæske/biogas-forhold (L/G) blev testet for at opnå den højeste fjernelseseffektivitet; andre parametre, såsom pH, opløst ilt (DO), temperatur og biomassevækst, blev målt. De mest effektive L / G'er var 1,6 og 2,5, hvilket resulterede i et behandlet biogasspildevand med en sammensætning på henholdsvis 6,8% vol og 6,6% vol i CO2 og fjernelseseffektivitet for H2S op til 98,9% samt opretholdelse afO2 forureningsværdier på mindre end 2% vol. Vi fandt ud af, at pH i høj grad bestemmer CO2 -fjernelse, mere end L / G, under dyrkning på grund af dets deltagelse i den fotosyntetiske proces af mikroalger og dets evne til at variere pH, når det opløses på grund af dets sure natur. DO, og temperaturen svingede som forventet fra henholdsvis de lys-mørke naturlige cyklusser af fotosyntese og tidspunktet på dagen. Biomassevæksten varierede med CO2 og næringsstoftilførsel samt reaktorhøst; Tendensen var dog fortsat klar til vækst.

Introduction

I de senere år er der opstået flere teknologier til rensning af biogas til biomethan, hvilket fremmer dets anvendelse som ikke-fossilt brændstof og dermed mindsker uoprettelige metanemissioner1. Luftforurening er et problem, der påvirker størstedelen af verdens befolkning, især i urbaniserede områder; I sidste ende indånder omkring 92% af verdens befolkning forurenet luft2. I Latinamerika er luftforureningen hovedsagelig skabt af brugen af brændstoffer, hvor 48% af luftforureningen i 2014 blev forårsaget af el- og varmeproduktionssektoren3.

I det sidste årti er flere og flere undersøgelser af forholdet mellem forurenende stoffer i luften og stigningen i dødeligheden blevet foreslået, idet man hævder, at der er en stærk sammenhæng mellem begge datasæt, især hos børnepopulationer.

Som en måde at undgå fortsat luftforurening er der foreslået flere strategier; En af disse er brugen af vedvarende energikilder, herunder vindmøller og solceller, som mindsker CO2 -frigivelsen til atmosfæren 4,5. En anden vedvarende energikilde kommer fra biogas, et biprodukt af anaerob nedbrydning af organisk materiale, produceret sammen med et flydende organisk fermentat6. Denne gas består af en blanding af gasser, og deres proportioner afhænger af kilden til organisk materiale, der anvendes til anaerob nedbrydning (spildevandsslam, kvæggødning eller agroindustrielt bioaffald). Generelt er disse andeleCH4 (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), carbonhydrider (0-200 mg / m3) og siloxaner (0-41 mg / m3) 7,8,9, hvor det videnskabelige samfund er interesseret i metangass, da dette er den vedvarende energiske komponent i blandingen.

Imidlertid kan biogas ikke simpelthen brændes som opnået, fordi biprodukterne fra reaktionen kan være skadelige og forurenende; Dette øger behovet for at behandle og rense blandingen for at øge procentdelen af metan og reducere resten, hvilket i det væsentlige omdanner den til biomethan10. Denne proces er også kendt som opgradering. Selvom der i øjeblikket er kommercielle teknologier til denne behandling, har disse teknologier flere økonomiske og miljømæssige ulemper 11,12,13. For eksempel udgør systemer med aktivt kul og vandvask (ACF-WS), trykvandsvask (PWS), gasgennemtrængning (GPHR) og tryksvingadsorption (PSA) nogle økonomiske eller andre ulemper ved miljøpåvirkning. Et levedygtigt alternativ (figur 1) er brugen af biologiske systemer såsom dem, der kombinerer mikroalger og bakterier dyrket i fotobioreaktorer; Nogle fordele inkluderer enkelheden i design og drift, de lave driftsomkostninger og dets miljøvenlige drift og biprodukter 10,13,14. Når biogas renses til biometan, kan sidstnævnte bruges som erstatning for naturgas, og fermentatet kan implementeres som en kilde til næringsstoffer for at understøtte mikroalgevækst i systemet10.

En metode, der i vid udstrækning anvendes i denne opgraderingsprocedure, er væksten af mikroalger i åbne raceway-fotoreaktorer kombineret med en absorptionssøjle på grund af de lavere driftsomkostninger og den minimale investeringskapital, der er nødvendig6. Den mest anvendte type racewayreaktor til denne anvendelse er højhastighedsalgedammen (HRAP), som er en lavvandet raceway-dam, hvor cirkulationen af algebouillon sker via et padlehjul med lav effekt14. Disse reaktorer har brug for store områder til deres installation og er meget modtagelige for forurening, hvis de anvendes under udendørs forhold; i biogasrensningsprocesser anbefales det at anvende alkaliske forhold (pH > 9,5) og anvendelse af algearter, der trives i højere pH-niveauer for at forbedre fjernelsen af CO2 og H2S og samtidig undgå forurening15,16.

Denne forskning havde til formål at bestemme biogasbehandlingseffektiviteten og den endelige produktion af biomethan ved hjælp af HRAP-fotobioreaktorer kombineret med et absorptionsdesorptionssøjlesystem og et mikroalgekonsortium.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Opsætning af system

BEMÆRK: Et rør- og instrumenteringsdiagram (P&ID) for systemet beskrevet i denne protokol er vist i figur 2.

  1. Opsætning af reaktor
    1. Forbered jorden ved at udjævne og komprimere den for at forbedre reaktorstabiliteten.
    2. På et åbent felt skal du grave to aflange huller og 3 m fra enden, grave yderligere et 3 m2 og 1 m dybt hul (kendt som en beluftningsbrønd).
    3. Placer to HRAP'er (figur 3) inden for rummet på geomembrandækkede metalstøtter. Hver reaktor skal have en driftskapacitet på 22, 2 m3.
    4. Placer en luftpumpe pr. reaktor på 1728,42 watt (2,35 hk) tæt på det punkt i HRAP'erne, hvor beluftningsbrøndene blev gravet.
    5. Fastgør et padlehjul (bevæget af en 1103,24 watt [1,5 hk] elektrisk motor) på tværs af reaktoren for at fremme kontakt mellem biomasse og medier.
  2. Opsætning af gasbehandling (figur 4)
    1. Byg desorptionssøjlen med et 6" polyvinylchloridrør (PVC), hvor indløbsstrømmen kommer ind 2 m fra den overdækkede top, og udløbsstrømmen strømmer fra bunden (figur 2).
    2. Opsæt absorptionstanken (Vt: 2,55 m3), hvor gasstrømmen (ikke-behandlet biogas) bobles fra bunden gennem 11 diffusorrør og kommer fra den anaerobe rådnetank gennem en 4" PVC-rørledning, der passerer gennem en biogasblæser, et 1" rotameter og en prøveudtagningsport, mens væsken kommer fra medierecirkulationen efter desorptionskolonnen i bunden af tanken. Væskeudløbet er placeret på siden af tanken. Det transporterer det CO2 -berigede medie til niveaukontrolsøjlen, og gassen kommer ud af udløbet øverst på tanken, som er forbundet med en 1 "PVC-rørledning for at lede opnået biomethan til en brænder til dens kontinuerlige forbrænding (figur 2).
    3. Tilslut absorptionstanken til desorptionskolonnen gennem et 4" PVC-rør, der passerer gennem en prøveudtagningsport mellem begge operationer (figur 2).
    4. Byg niveaukontrolsøjlen med et 6" PVC-rør, hvor indløbet er placeret i bunden. Den har to udløb (styret med sommerfuglventiler) afhængigt af systemets behov; den første er placeret i en højde på 2,5 m og den anden 3 m fra jorden (figur 2).
    5. Tilslut HRAP-fotobioreaktorerne gennem en 2" PVC-rørledning til 6" desorptionssøjlen, der passerer gennem en recirkulationscentrifugalpumpe (1103,24 watt [1,5 hk]) og et 1" rotameter (figur 2).
    6. Tilslut niveaukontrolsøjlen gennem et 4 "PVC-rør til et skema 40 PVC-rør, der passerer gennem en prøveudtagningsport. Tilslut det derefter til en del af fleksible PVC-rør, efterfulgt af et andet skema 40 PVC-rør og endelig et 4 "PVC-rør, der åbner til HRAP-fotobioreaktorerne (figur 2).
    7. Desorptionssøjlens bypass indstilles med 2" PVC-rørledning, og den forbindes til hovedrøret før prøveudtagningsporten (figur 2).

2. Funktionstest af systemet

  1. Recirkulationscentrifugalpumpe (1103,24 watt [1,5 hk])
    1. For at bestemme pumpens maksimale strømningshastighed skal du prime interiøret i mindst 10 minutter for at undgå luftsugning og starte det ved 230 V og 1 fase.
    2. Test recirkulationsflowet ved at lade det strømme gennem 1" rotameteret.
  2. Biogas boblende system
    1. For at bestemme den kraft, der kræves for at boble mindst en luftsøjle svarende til 200 mbar, skal du teste mindst 3 blæsere med forskellig effekt (485,52 watt [0,66 hk], 1838,74 watt [2,5 hk] og 3309,74 watt [4,5 hk]) ved at boble luft ind i absorptionstanken.
    2. Kontroller visuelt størrelsen og fordelingen nået af luftboblerne inde i tanken. Under de her beskrevne driftsforhold er boblernes forventede gennemsnitlige diameter 3 mm.

3. Inokulation og vækst under indendørs forhold

  1. Overfør en ren stamme af Arthrospira maxima fra agarplader til 15 ml vandig mineralmedium17 (NaHCO3 [10 g / L], Na3PO4 · 12H2O [0,033 g / L], NaNO3 [0,185 g / L], MgSO4 · 7H2O [0,014 g / L], FeSO4 · 7H2O [0,0008 g / L], NaCl [0,4 g / L]).
  2. Kulturen skaleres op til 500 ml kolber med uskadeligt Jourdan-vandigt medium ved hjælp af 100 % kolbevolumen, og lad den vokse i 12 timers lys/12 timers mørke fotoperioder ved hjælp af lysdiodelamper (LED) med overflademonteret enhed (SMD) 2835, der giver koldt lys ved 2000 lm og under kontinuerlig blanding ved luftboblende (0,3 l/min eller 0,6 vvm). (trin varer omkring 1 måned).
  3. Fortsæt opskaleringsprocessen ved at tilføje 20 % af den forrige diskenhed til den nye diskenhed, indtil 50 L er nået.
  4. Tilpas kulturen til naturlige lysforhold og Jourdan-kulturmedier i et drivhus i 50 L gennemsigtige sække (trin varer ca. 2 måneder).
  5. Fortsæt skalering under disse forhold op til 5 m3 HRAP fotobioreaktorer (trin varer omkring 2 måneder).

4. Operationel start af systemet under udendørs forhold

  1. Tilføj det fulde volumen af disse 5 m3 HRAP fotobioreaktorer til HRAPs fotobioreaktorer på 13 m3 placeret udendørs og fyld resten af volumenet med Jourdan kulturmedium. Start med at blande gennem et skovlhjul med en hastighed på 30 cm/s, dyrk i batchtilstand i 15 dage, eller indtil det når 0,7 g/l (trin, der varer ca. 1 måned).
  2. Når væksten når 0,7 g/l, overføres lydstyrken til driftsenheden på 22,2 m3 HRAP, resten fyldes med Jourdan-medier, og hjulet indstilles til en hastighed på 30 cm/s. Lad biomassen vokse, indtil den når 0,7 g / L og en pH-værdi på 10; Når disse betingelser er opfyldt, skal du begynde prøveudtagning og høst, hvis det er nødvendigt.
  3. Start væskerecirkulationen fra HRAP-fotobioreaktoren til absorptionstanken ved variabelt flow for at øge biomasseproduktiviteten. Begynd biogasbobler ved et gennemsnitligt flow på 3,5 m3/t efter 2 timer for at give uorganisk kulstof til kulturen. Vær opmærksom på pH, da den skal forblive over 9.
    BEMÆRK: Før mediet recirkuleres gennem absorptionstanken, grundes centrifugalpumpen beskrevet ovenfor.
  4. Tilsætningen af næringsstoffer: Overvåg næringsstofforholdene ugentligt gennem høsten, og den samlede kvælstofbalance under forudsætning af steady state beregnet som vist:
    MNaNO3 = (Mbiomasse x 0,10)/0,12 [g]
    Hvor:
    MNaNO3 = natriumnitratmasse [g]
    MBiomasse = Høstet biomasse [g]
    1.10: Masseudbytte af kvælstof/biomasse16 [g/g]
    1.12: Massefraktion af nitrogen i natriumnitrat [g/g]
  5. Med nitrogenbalanceresultaterne omformuleres Jourdan-mediet for at tilføje den proportionale mængde afNa3PO4·12H2O, MgSO4·7H2O, og FeSO4·7H2O. Tilsæt ikke mere natriumbicarbonat eller natriumchlorid.
    BEMÆRK: Opløs næringsstofferne i rent vand, før du tilsætter dem til reaktorerne.
  6. Overvåg vandfordampning og tilsæt ugentligt, hvis det er nødvendigt.

5. Prøveudtagning og analyse

  1. Biogas
    1. Der udtages prøver af biogassen fra prøveudtagningsåbningen før absorptionstanken og fra prøveudtagningsudløbet efter tanken ved at tilslutte en 10 L polyvinylfluoridpose til udløbet med et fleksibelt rør med passende diameter. Anbring hver enkelt i separate polyvinylfluoridposer.
    2. Kalibrer den bærbare gasanalysator ved at indstille tryktransduktoren til nul og vente på stabilisering. Gør dette ved at trykke på Start, derefter Næste og tilslutte et klart rør og et gult rør som anvist af analysatoren. Tryk på Næste og til sidst Gasaflæsninger.
    3. Hver prøve i polyvinylfluoridposerne forbindes med analysatoren, tryk på Næste , ogCH4-, CO2-,O2 - ogH2S-koncentrationerne måles i % vol fra begge punkter i systemet.
    4. Bestem det volumetriske recirkulationsvæske/biogasforhold (L/G) ved at dividere væskerecirkulationsflowet med biogasproduktionsstrømmen. Beregn den tilsvarende gasstrøm (m3 / h), der præsenterer den højeste effektivitet af CO2 og H2S fjernelse.
  2. Online måling af systemforhold (pH, opløst ilt, temperatur)
    1. Kalibrer alle sensorer i henhold til producentens specifikationer.
    2. Anbring en pH-sensor, en sensor til opløst ilt (DO) og en temperatursensor i væsken i hver HRAP.
      BEMÆRK: For mærke og specifikationer for hver af sensorerne, gennemgå filen Materialetabel.
    3. Tilslut pH- og DO-sensorerne til en dataindsamlingsenhed, der består af en 1,4 GHz 64-bit quad-core-processor tilsluttet en bærbar skærm, der gemmer et foruddefineret Python-program skrevet i integreret udviklings- og læringsmiljø (IDLE) 2.7.
      1. Åbn programmet gennem skærmen, og angiv tidsintervallerne for at gemme hvert datapunkt (i dette tilfælde hvert 2. minut).
      2. Opret et regneark, hvor programmet automatisk gemmer de data, det indsamler.
      3. Klik på knappen, der læser ON, hvilket angiver, at den er klar til at begynde at gemme data.
      4. For at stoppe dataindsamlingen skal du klikke på knappen, der læser OFF.
      5. For at downloade oplysningerne skal du indsætte en Universal Serial Bus (USB) og importere regnearket.
    4. Tilslut temperatursensoren til en termooptager for at gemme de data, der er registreret under eksperimenterne.
  3. Korte sonderende test
    1. Bestem den mest effektive L / G
      1. Reguler det indgående biogasflow for at vælge den L/G-værdi, der skal testes (0,5, 1, 1,5, 1,6, 2, 2,5, 3,3, 3,4).
      2. pH og indløbs- og udløbskoncentrationerne for hver gas (CH4, CO2, H2S, O2, N2) måles ved starten og hvert 15. minut i en time (60 min) ved hjælp af de instrumenter, der er beskrevet tidligere.
      3. Bestem den mest effektive L / G ved at sammenligne udløbsværdierne, og vælg den, der er mest praktisk i henhold til eksperimentets behov.
    2. Forholdet mellem L/G, pH og CO2
      1. Vælg mindst to L/G'er for at sammenligne.
      2. For hver L/G måles pH og indsugnings- og udløbskoncentrationerne af CO2 og af H2S, O2 og N2 som kontrol ved starten, hvert 15. minut i 60 minutter og derefter hver time i i alt 5 timer ved hjælp af de instrumenter, der er beskrevet tidligere.
      3. Beregn CO2 -fjernelsesprocenterne ved hjælp af ligningen:
        %CO2 fjernelse = ((CO2ind - CO2ud)/(CO2in)) x 100
      4. Graf resultaterne og sammenlign opførsel af pH og CO2 for hver af de L / G'er, der testes.
  4. Kalibreringskurve til korrelering af biomassevægt pr. liter kultur versus absorbans ved 750 nm18
    1. Udtag prøver af algekulturen for at forsøge at få en absorbans på 1,0. Hvis kulturen har en absorbans på under 1,0, ekstraheres vand ved filtrering (0,45 μm filter) fra en kulturprøve. Hvis absorbansen er større end 1, kan den reduceres ved tilsætning af et frisk dyrkningsmedium.
    2. Forbered fem algecellesuspensioner ved hjælp af prøven og tilsæt frisk dyrkningsmedium i volumen / volumen (V / V) procent: 100%, 80%, 60%, 40% og 20%.
    3. Absorbansen ved 750 nm af de fem opløsninger måles og registreres med et spektrofotometer med plastkuvetter, hvor det friske dyrkningsmedium er blindprøven.
    4. Biomassevægten pr. liter kultur af hver suspension bestemmes ved at filtrere 10 ml gennem et tidligere vejet 0,45 μm filter og tørre prøven i en silicaekssikkator i 24 timer og senere 48 timer for at sikre en konstant vægt. Gentag dette trin for hver af de fem løsninger.
      BEMÆRK: En højere temperatur (over 60 °C) anbefales ikke til tørring på grund af tabet af visse nøgleforbindelser, der kan fordampe og ændre prøvens vægt.
    5. Når vægten er bekræftet, beregnes biomassekoncentrationen i reaktoren med ligningen:
      Biomassekoncentration = (biomassevægt - filtervægt) x 1000/filtreret volumen [g/l]
    6. Der foretages en lineær regression af biomassevægtdataene i gram pr. liter kultur som funktion af absorbansen målt ved 750 nm ved hjælp af et regneark eller anden software. Den lineære regressionskoefficient skal være større end 0, 95; Ellers er kurven ikke nyttig, og protokollen skal gentages.
      BEMÆRK: Det beskrives som biomassevægt og ikke så tørvægt som de fleste metoder, fordi den anvendte tørringsmetode ikke tillader fuld fjernelse af vand i prøven, hvilket efterlader et vandindhold på mindre end 5%19.
  5. Biomasse vækst
    1. Overvåg reaktorerne hver dag. Tag en 1 L prøve fra halvvejs mellem padlehjulet og dets tilbagevenden fra hver kultur og bring den til laboratoriet.
    2. Kontroller kolonivækst og renhed af kulturen under mikroskopet.
    3. Absorbansen ved 750 nm af prøverne måles og registreres med et spektrofotometer, hvor det friske dyrkningsmedium er blindprøven.
    4. Sammenlign med kalibreringskurven for at opnå den estimerede biomassevægt i gram pr. Liter.
    5. Optag væksten af hver raceway-reaktor.
  6. Biomasseproduktion - høst
    1. Overvåg reaktorerne hver dag. Hvis biomassevæksten stiger til over 0,7 g/l under prøvetagningen, er høst nødvendig.
    2. Skift mellem begge HRAP'er, anbring et polyesternet oven på en sektion i den ene ende af reaktoren, og placer en ende af et fleksibelt PVC-rør inden for væskestrømmen, så den anden ende dræner væsken oven på masken.
    3. Der drænes mellem 4500 L og 7500 L (afhængigt af reaktorens biomassemætning) på masken, idet der opretholdes en kontinuerlig strøm tilbage til den tilsvarende HRAP. Biomassen vil blive tilbageholdt på masken.
    4. For at høste skal du fjerne masken fra toppen af reaktoren og placere den på en anden overflade for at skrabe biomassen af og placere den i en tragt.
    5. Skub biomassen gennem tragten for at skabe aflange former oven på et rent og tørt net; Sæt maskerne i et varmt, overdækket rum (34-36 °C) i 48-72 timer.
    6. Når den er tør, fjernes biomassen fra masken og vejes. Beregn koncentrationen af høstet biomasse i g/L med disse ligninger:
      Volumen af drænet væske = Pumpens strømningshastighed x Dræntid [L]
      Biomassehøstet koncentration = biomassevægt af høstet biomasse/volumen drænet væske [g/l]

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Efter protokollen blev systemet bygget, testet og podet. Forholdene blev målt og opbevaret, og prøverne blev taget og analyseret. Protokollen blev udført et år, startende i oktober 2019 og varede indtil oktober 2020. Det er vigtigt at nævne, at HRAP'erne herfra fremover vil blive omtalt som RT3 og RT4.

Biometan produktivitet
For at bestemme de betingelser, der fremmer den højesteH2S- og CO2 fjernelse og dermed den højeste koncentration af metan, blev der forsøgt flere recirkulationsvæske/biogasforhold (L / G) i et interval fra 0,5 til 3,4. Disse resultater blev opnået for forsøg med en varighed på mindst 60 min (1 time) kontinuerlig biogasboblende i perioden mellem den 25. september og den 28. september. Under disse tests fikserede mikroalgerne CO2, og bakterierne oxiderede H2S, koncentrerede methan (CH4) og rensede i det væsentlige gasblandingen.

I betragtning af hele systemets gennemsnitlige CO2 elimineringskapacitet (HRAP volumen + tankvolumen = 24,75 m3) og en stabil biomassekoncentration på 0,8 g / l blev der estimeret en specifik fikseringshastighed, hvilket resulterede i 65 mgCO2 / gbiomasse h, hvilket er lavere end den maksimale teoretiske rapporterede (300 mgCO2 / gbiomasse h). Dette betyder, at biogasrensningsprocessen baseret på mikroalgebakterier er egnet til at blive forbedret.

Generelt havde biogasrensning øget effektiviteten i højere L / G-værdier og opretholdt fjernelseseffektiviteten på eller over 98% for H2S og mindre end 7,5% vol indholdsværdier for CO2 (figur 5, figur 6 og figur 7). Imidlertid var O2-biometanforurening på grund af fotosyntetisk produktion af denne gas meget højere ved højere L / G-værdier, hvilket kan være et potentielt problem til kommerciel brug, daO2-koncentrationer ved lov skal forblive ret lave for at reducere risikoen for eksplosion 20. En anden grund er knyttet til at undgå at mindske dens brændværdi vedO2-fortynding. I stedet kan det hævdes, at L/Gs 1,6 og 2,5 repræsenterer de mest effektive resultater samlet set med CO2 koncentrationer mellem 6,6% vol og 6,8% vol, CH4 ved 87% vol og O2 ved mindre end 1,5% vol, samt præsenterer H2S fjernelseseffektivitet på over 98,5% (figur 5, figur 6, og figur 7). En sammenligning mellem opnåede procentdele og hvad der accepteres ved lov, findes i tabel 1.

Det er interessant at bemærke, at recirkulationsvæske/biogasforholdet på 2 har en højere CO2 -koncentration (7,4% vol), selvom værdien ligger mellem de mest effektive L / G'er; dette kunne tilskrives det faktum, at det blev testet i RT3 i stedet for RT4. I dette tilfælde var betingelserne mindre gunstige for fjernelse af CO2 , muligvis på grund af en lavere biomassekoncentration. Samlet set kom den gennemsnitlige biomethan, der blev produceret under disse forhold, op på 20,68 m3/dag med en gennemsnitlig strømningshastighed på 4,14 m3/t.

Resultaterne kan variere afhængigt af vækstbetingelserne, typen af biogas (syntetisk eller reel) og algerne; for eksempel brugte Serejo et al.21 to syntetiske biogasblandinger, der simulerede en gasblanding udelukkende CO2 og N2 for at sammenligne med en almindelig biogas fremstillet af 70 % vol CH4, 29,5 % vol CO2 og 0,5 % vol H2S og rensede den gennem et 180 L HRAP-absorptionssøjlesystem, der dyrkede Chlorella vulgaris. I denne artikel tester Serejo også forskellige L/G-forhold, der spænder fra 0,5 til 67, i et mindre, men lignende system ved lavere pH-værdier og kunstig belysning. Fuld fjernelse af H2S og en gennemsnitlig fjernelsesprocent på 80% i de bedste forhold (over 15) blev opnået. Disse fjernelseseffektivitetsgevinster steg lineært med forholdet; Imidlertid steg iltforureningen også, hvilket kunne give problemer i den samlede kvalitet af den resulterende biomethan. Stigningen i vores effektivitet til fjernelse af CO2 var ikke lineær; Ikke desto mindre kan en bedre CO2 eliminering ses med større forhold. Forklaringen er multikausal og involverer pH, næringsstofforhold i kulturen og biomassevækst samt biogasbobler.

L/G-forholdets indvirkning på biogasopgraderingssystemets ydeevne blev evalueret uden gentagelser. Det var berettiget, da analyserne blev udført i en døgnperiode fra kl. 10.00 til 13.00 (det ville fremkalde stabil solbestråling og udetemperatur); derfor inducerede det næsten optimale vækstbetingelser for fotosyntetiske mikroorganismer, så kunne pH antages at være den mest indflydelsesrige parameter på CO2 absorption22 , hvor der også blev rapporteret meget lidt standardafvigelse lavere end 2% for analyserne, der vurderede effekten af L / G-forhold på CO2 absorptionsfjernelseseffektiviteten.

Reaktorerne dyrkes på ydersiden, hvilket betyder, at selvom podningen var en ren kultur af Arthrospira maxima-alger, er sandsynligheden for forurening med andre organismer, der kan overleve under de barske pH-forhold i kulturen, høj. Dette er tilfældet for svovloxiderende bakterier23,24. Denne forurening viser sig imidlertid at være gavnlig for forsøgets endelige formål, da disse bakterier hjælper med at fjerneH2Sfra biogassen, hvilket i det væsentlige tager ansvaret for denne opgave og hjælper med kvaliteten af den resulterende biomethan.

Under de miljømæssige og ioniske styrkeforhold, der hersker under systemdriften, blev den opløsteH2Soxideret til polysulfider og thiosulfat ved oxic-abiotiske reaktioner, hvor den efter nogle dage skulle oxideres fuldstændigt til sulfat25. H2S-fjernelsen ved udfældning med kationer i det vandige næringsmedium er ubetydelig på grund af den utilstrækkelige mængde kationer, der tilføres systemet, sammenlignet medH2S-belastningshastigheden(når Cations/H2S-molforhold, der er meget lavere end 2). Fraværet af bundfald blev bekræftet af vores visuelle inspektion under udførelsen af biogasopgraderingsprocessen. Den biologiske sulfidoxidation blev ikke verificeret i øjeblikket, da systemet er åbent for miljøet.

Systembetingelser
Variationer i opløst ilt (DO) og pH blev målt under både lyse og mørke forhold. I løbet af dagen (lysforhold) steg DO på grund af mikroalgernes fotosyntetiske produktion af ilt, mens den om natten (mørke forhold) faldt både på grund af manglende fotosyntese og på grund af heterotrofisk metabolisme, som udnytter åndedræt (figur 8).

Niveauerne af pH varierede også med tilstedeværelsen af CO2 i væsken (figur 8), stigende i værdi, når mindre CO2 blev opløst og faldende, når mindre CO2 blev fjernet; Især er der mindre toppe omkring de tidspunkter, hvor der ikke blev leveret mere CO2 , hvilket vil blive diskuteret senere. I løbet af formiddagen nåede pH sit højdepunkt omkring kl. 11:00 og de laveste værdier omkring kl. 18:00, hvilket også er i overensstemmelse med algernes fotosyntetiske aktivitet. Det er vigtigt at gøre opmærksom på det store fald omkring dag 2; den korte sonderende test med L / G på 1,64 blev udført den 29. september og leverede kontinuerlig biogas med ca. 24 timer (omkring dag 1), og det fremkaldte en massiv destabilisering i systemet, hvilket krævede tilførsel af urinstof for at hjælpe med nitrogengenvindingen. Den anden korte eksplorative test med 1,58 blev udført den 5. oktober (omkring dag 7), men ved bedre systemforhold (biogasforsyning i dagslysperioden), hvorfor pH-værdien kun afveg lidt fra de normale toppe i to dage, før den vendte tilbage til normal adfærd.

De mindre toppe i pH i figur 8 kan tilskrives en periode med selvregulering af algerne til miljøet, mens de skiftede fra fotosyntese til respiration.

Med henvisning til de korte sonderende tests for at relatere pH og L / G med CO2 -fjernelsesprocenter (figur 9) testede vi to forhold, 1,64 og 1,58, som tidligere nævnt. Disse er begge gennemsnit fra de registrerede L / G'er under eksperimenterne. To forskellige adfærd kan bemærkes, hvor fjernelsesprocenten og pH i et forhold på 1,58 var bemærkelsesværdigt mindre stabile og meget lavere end dem, der blev registreret for forholdet 1,64.

Dette understøttes i biogasopgraderingen udført af Bahr et al.15 ved hjælp af et HRAP-søjlesystem med en art Arthrospira maxima-alger . Bahr vurderede effektiviteten af fjernelse af CO2 ved forskellige pH-forhold og medievæskestrømningshastigheder samt fjernelse afH2S og O2 forurening på flere syntetiske gassammensætninger, der spænder fra simpelthen CO2-N 2 til biogassammensætninger med varierende H2S koncentrationer (op til 0,5% vol). De konkluderede, at ved højere pH-værdier (interval 9-10) og højere kulturmedievæskestrømningshastighed (80 ml / min) var CO2 -fjernelsesprocenterne tæt på 100%, men led højere O2 -forurening, mens ved højere pH-værdier (spænder 9-10) og lavere kulturmedievæskestrømningshastighed (20 ml / min) forblev CO2 -fjernelsesprocenterne tæt på 100%, og meget mindre O2 -forurening blev observeret. De rapporterede også fuld H2S fjernelse under disse forhold.

Tilsvarende kan DO-svingning (figur 8) tilskrives algernes fotosyntetiske aktivitet, da DO i løbet af dagen steg på grund af mikroalgernes fotosyntetiske produktion af ilt, mens den om natten faldt både på grund af manglende fotosyntese og på grund af heterotrofisk metabolisme, som udnytter åndedræt.

Temperaturen i HRAP-fotobioreaktoren (RT4) varierede på grund af tidspunktet på dagen og efterårsvejret og toppede de fleste dage mellem 23 °C og 28 °C omkring kl. 17.00 og ramte de laveste værdier mellem 11 °C og 15 °C omkring kl. 6.00 (figur 10). Temperaturen ved absorptionstankens indløb og udløb blev lejlighedsvis målt, hvilket resulterede i en gennemsnitstemperatur på henholdsvis 30,1 °C og 32,5 °C. Derfor skal vandindholdet (damp) efter behandlingen være lidt højere (13,5%) end før biogasbehandling, idet det antages, at fugt i biogas i begge tilfælde opnåede mætning. Det anbefales stærkt at installere en biogastørrer for optimal styring og videre anvendelse af renset biogas.

Den gennemsnitlige L / G, der var beregnet til perioden mellem den 28. september og den 10. oktober, var 1,6, da de korte tests antydede, at dette forhold ville give bedre resultater; Det var imidlertid ikke muligt at opretholde det om natten på grund af overdreven forsuring af mikroalgekulturen forårsaget af en dårlig pH-bufferkapacitet i de vandige kulturmedier. Derfor blev biogas kun i dagtimerne ført til absorptionstanken, hvorved L/G-værdierne blev justeret til omkring 1,5.

Biomasse produktivitet
Vaccinationen på RT3 blev udført den 20. maj 2020 og på RT4 den 27. maj 2020; tiden mellem testene (september) og podningen tjente til at stabilisere kulturen og løse operationelle problemer, der opstod, såsom plager og funktionsfejl i systemet, i betragtning af den globale COVID-pandemi.

Biomassevæksten blev målt på to måder: prøvetagning og høst. I denne artikel henviser prøveudtagning til koncentrationen af biomasse på et givet tidspunkt i reaktoren, mens høst henviser til biomassens produktionseffektivitet, dvs. den mængde biomasse, der blev genvundet under processen for at undgå væksthæmning. Testen blev udført fra den 29. september til den 9. oktober med et gennemsnit L / G på 1,5, selvom et forhold på 1,6 blev foretrukket; Årsagen til, at det resulterede lavere, skyldtes forholdet 1,15, der blev registreret omkring dag 11.

Prøveudtagning (figur 11) blev udført regelmæssigt fra dag 1 til dag 11 (fra den 29. september til den 9. oktober), hvor væksttendensen i begge reaktorer var meget ens: den startede med en højere koncentration, ramte den laveste værdi for eksperimentet på dag 4 og 5, støt bedring i RT4 og med en vis variation i RT3, endelig falder igen. Den samme adfærd ses i Harvesting, som derefter antyder, at en begivenhed (sandsynligvis en ekstern faktor) påvirkede væksten af begge kulturer samtidigt.

Høsten (figur 12) blev udført halvregelmæssigt, skiftevis en høst for RT3 og den næste høst for RT4. Skalaen skal dog overvejes; I både prøveudtagning og høst er variationen mellem tallene meget lav, hvilket indikerer, at den hændelse, der påvirkede begge reaktorer, ikke var kritisk. Den røde stiplede linje i figur 8 angiver den periode, hvor reaktorerne ikke blev høstet; Dette skyldtes to faktorer: Der var et par dage i weekenden, hvor reaktorerne desværre ikke var tilgængelige for prøveudtagning eller høst (hvilket også kan bekræftes i figur 11), og metoden kræver høst af den reaktor, der har den højeste koncentration. I komplekset var der fire reaktorer, hvoraf kun to (RT3 og RT4) deltog i denne undersøgelse, hvilket gjorde dagene efter weekenden, dage, hvor de to andre reaktorer (RT1 og RT2) blev høstet af holdet og resulterede i ingen høstdata fra RT3 og RT4. Høstdataene var ca. 50 % mindre end prøvetagningsdataene. Dette kan skyldes, at metodens effektivitet er lavere.

Variationen mellem værdier hver dag var lille (figur 11), hvilket hentyder til en modstandsdygtig kultur, der giver mulighed for ændringer i systemforhold og forbliver stabil. Arthrospira maxima vokser fortrinsvis i stærkt kulsyreholdige medier ved høj pH og er meget følsom over forNH3-hæmning 15, hvilket er i overensstemmelse med resultaterne vist i figur 8. Den kalibrering, der blev udført i august 2020, er vist i figur 13.

Gennemgang efter produktion og biprodukter
For at gennemgå denne gas' potentiale til at reducere skadelige emissioner til miljøet blev der udført en fuldstændig rapport fra et eksternt firma, hvor resultaterne fastslog, at biometanen produceret med denne teknologi reducerede de samlede direkte CO2 -emissioner med 84% sammenlignet med at bruge den urensede biogas direkte fra den anaerobe rådnetank. Derudover var den samlede varmekapacitet, som biometanen var i stand til at levere, 23.000 kJ højere end varmekapaciteten i den rå biogas, når den blev taget gennem en livscyklusanalyse af elektricitet genereret af både den rå biogas og den rensede biometan.

Endelig er et biprodukt af denne rensningsproces de høstede mikroalger, som, når de er tørre, har et utal af anvendelser i andre industrier, hvilket kan tilføje mere værdi til metoden og gøre processen omkostningseffektiv26. For eksempel blev der udført en undersøgelse på basilikumafgrøder for at evaluere parametre som antal blade, skyde frisk og tør vægt og bladfrisk vægt ved anvendelse af tørret Scenedesmus-biomasse versus en almindelig uorganisk gødning; De fandt sammenlignelige resultater i disse kriterier i både biomasse og gødning27. Lignende resultater blev fundet i en anden undersøgelse, hvor de sammenlignede væksten af fire kommercielle afgrødeplanter, mens de brugte forskellige koncentrationer af en gødning fremstillet af algebiomasse suspenderet i vand; Selv ved lave koncentrationer (20%) af gødningen nåede afgrøderne maksimal vækst, sammenligneligt med kemisk gødning28.

Figure 1
Figur 1: Visuel repræsentation af den biologiske proces, der sker i biogasrensning ved hjælp af mikroalger Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: P&ID-diagram for det system, der er beskrevet i protokollen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Fotografi af HRAP'er, der blev brugt under eksperimentering. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Absorptionsbeholder. (A) Fotografier af dyrkningsmedium og biogasindtag til absorptionstanken. (B) Forfra og bagfra af absorptionstanken. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Korte sonderende test i RT3 for at bestemme L/G-effektiviteten. Mørkegrøn svarer tilCH4, grøn svarer til CO2, lyserød svarer tilO2, og mørk pink svarer til N2. Gennemsnitlig pH 9,2435; Flydende indløb 60-100 l / min; Gasindtag 50-120 L/min. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: Korte sonderende test i RT4 for at bestemme L/G-effektiviteten. Mørkerosa svarer tilN2, lyserød svarer tilO2, mørkegrøn svarer til CO2, og lysegrøn svarer til CH4. Gennemsnitlig pH 9,95; Væskeindtag 116-118 l/min; Gasindtag 35-75 L/min. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: Sammenligning af alle fjernelsesprocenter for H2S i hver L/G under de korte undersøgelsestest. L / G'erne på 0,5, 1, 1,5 og 2 svarer til RT3 og 1,6, 2,5, 3,3 og 3,4 til RT4. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 8
Figur 8: pH- og DO-profil. pH-profil (mørkegrøn) og DO-profil (lysegrøn) for RT4 mellem den 28. september og den 10. oktober 2020. Flydende indløb 75-118 l / min; Gasindtag 57-75 L/min. Gennemsnitlige tilførselskoncentrationer for hver gas: CH4- 60% vol, H2S - 2400 ppmv, CO2- 34% vol, O2- 0,6% vol. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 9
Figur 9: Fjernelsesprocentprofiler for CO2 afhængigt af pH-niveauer og L / G. Grøn svarer til CO2 -fjernelsesprocenterne ved L / G-forholdene: 1,58 (mørkegrønne trekanter) og 1,64 (lysegrønne cirkler). Pink svarer til pH-værdierne ved L / G-forholdene: 1,58 (mørkerosa trekanter) og 1,64 (lyserøde cirkler). Flydende indløb 75-118 l / min; Gasindtag 57-75 L/min. Gennemsnitlige tilførselskoncentrationer for hver gas: CH4- 60% vol, H2S - 2400 ppmv, CO2- 34% vol, O2- 0,6% vol. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 10
Figur 10: Temperaturprofil for RT4 mellem den 28. september og den 10. oktober 2020. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 11
Figur 11: Prøvetagningsresultater for RT4 (lysegrønne firkanter) og RT3 (mørkegrønne cirkler) mellem den 28. september og den 10. oktober 2020. L/G-forholdene er angivet med pile. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 12
Figur 12: Høstresultater for RT4 (lysegrønne firkanter) og RT3 (mørkegrønne cirkler) mellem den 28. september og den 10. oktober 2020. L/G-forholdene er angivet med pile. I røde stiplede linjer vises den periode, hvor der ikke var nogen høst for nogen af reaktorerne. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 13
Figur 13: Kalibreringskurven udført i august 2020, der korrelerede koncentrationen af algekulturen i gram pr. liter med absorbansen ved 750 nm. Klik her for at se en større version af denne figur.

Komponent (% vol.) Opnået biogassammensætning Opgraderet biogassammensætning Kommerciel biomethan Sammensætning NOM-001-SECRE-2010
CH4 64,2 ± 0,8 85,1 ± 2,0 >84
CO2 33,8 ± 0,1 7.2 ± 1.2 <3
H2S (ppmv) 2539 ± 32 30,5 ± 4,2 <6
O2 0.3 ± 0.1 1.7 ± 0.5 <0.2

Tabel 1: Biogassens sammenlignende sammensætning

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Gennem årene er denne algeteknologi blevet testet og brugt som et alternativ til de barske og dyre fysisk-kemiske teknikker til rensning af biogas. Især Arthrospira-slægten anvendes i vid udstrækning til dette specifikke formål sammen med chlorella. Der er imidlertid få metoder, der er lavet i semiindustriel skala, hvilket tilføjer værdi til denne procedure.

Det er afgørende at opretholde lavereO2-koncentrationer ved at bruge det korrekte L / G-forhold; Dette afhænger dog af den region, hvor denne protokol vil blive anvendt. Iltindholdet er stærkt reguleret i biometan på grund af risiko for eksplosion og korrosion i rørledningerne. Nogle lande i Den Europæiske Union kræver, at indholdet skal være så lavt som 1% vol 29,30,31. Methan skal derimod have en koncentration på mere end 65% vol.31. I Mexico er der næsten ingen regulering vedrørende biogas og biomethan, for det betragtes som svarende til naturgas, hvor minimumsindholdet afCH4 i biomethan ifølge mexicanske standarder32 er 84% vol og et maksimaltO2-indhold på 0,20% vol er tilladt.

Derudover bestemmer pH i høj grad CO2 -fjernelse, mere end L / G, under dyrkning, hvorfor det er afgørende at opretholde korrekt kontrol med pH gennem hele metoden, især under biogasbobler. Det er vigtigt at forstå, at når CO2 er opløseligt i væsken, er der en kemisk ligevægt på spil, der direkte påvirker pH-niveauer. Ved de pH-niveauer, som disse kulturer svingede rundt (8,5-9,5), er bicarbonater den form, hvori dette molekyle er til stede, med en lille stigning i carbonater i den højere ende af pH-området33. I denne form er mikroalgerne også i stand til at metabolisere kulstoffet under fotosyntesens mørke reaktioner for at producere kulhydrater34. Tidspunktet for biogasbobler er også vigtigt, hvoraf det anbefales at opretholde boblen i dagtimerne. Ikke desto mindre påvirker L / G også CO2 -fjernelse og pH, som det kan ses i fig. 5. Fjernelsesprocenten og pH-værdien i forholdet 1,58 var mindre konsistente og meget lavere end dem, der blev registreret for forholdet 1,64. Denne adfærd kan tilskrives et højere indtag af gas i recirkulationsforholdet (mere gas giver et mindre forhold), hvilket sænkede pH hurtigere. Det kunne imidlertid også hævdes, at start-pH for 1,64 var højere, hvilket favoriserede den bufferede opførsel af CO2 -elimineringseffektivitet under denne test. L / G i denne protokol styres gennem mængden af biogas, der bobles; Andre protokoller varierer dog den recirkulerende væskehastighed, hvilket også er en mulighed. Desuden er det ikke muligt at boble biogas om natten på grund af forsuring af kulturen og algemetabolismen, da der ikke leveres kunstigt lys på dette tidspunkt.

Et andet fænomen, der introducerer variabilitet i resultaternes gyldighed, er den intermitterende luftboble, der bruges til at undgå biomassesedimentering i reaktorerne, hvilket forhindrer væksthæmning ved iltakkumulering. Dette kan dog ikke undgås, hvis denne metode anvendes. Et alternativ til luftbobler er at tilføje flere padlehjul for at forbedre bevægelsen langs reaktorens længde, hvilket kan være effektivt i andre eksperimenter. På den anden side de store arealer, der er nødvendige for installationen af reaktorerne, samt det betydelige forbrug af vand til at starte og vedligeholde systemet for at opnå en rimelig biometanproduktivitet.

Det er vigtigt at bemærke, at denne regelmæssige prøveudtagningsproces anvender kalibreringskurven for biomassevægt - absorbans (figur 9), hvor korrelationen mellem dataene er næsten 1 (0,9995); Selvom metoden måske ikke er baseret på en tidligere artikel om de samme alger, viser bestemmelseskoefficienten en stærk statistisk forbindelse, at denne metode er pålidelig. Desuden er det relevant at beskrive betydningen af både prøvetagning og høst i en metode som denne. Prøveudtagning muliggjorde korrekt vedligeholdelse af algekulturen, mens høsten tjente et tredobbelt formål: For det første undgik man væksthæmning på grund af overfyldning af kulturen, hvilket kunne forårsage iltakkumulering35; For det andet kan genvinding af algebiomasse føre til yderligere økonomiske muligheder; Og endelig gav det endnu en mulighed for at måle væksttendensen for kulturen.

Ikke desto mindre er bestemmelse af passende tidspunkter for høst (som i denne protokol er defineret af prøvetagningsresultaterne) også et kritisk skridt, fordi det sænker biomassen i reaktorerne. En lavere biomassekoncentration påvirker pH- og CO2 -fjernelse som en cyklus: ved ugunstige systemforhold (for eksempel ved lavere pH-værdier) sænkes biomassevæksten, hvilket igen sænker systemets kapacitet til at eliminere CO2, da der er mindre biomasse til at metabolisere det; mere opløst CO2 ville forsure kulturmediet og lukke cyklussen36. Mange andre faktorer bidrager til pH- og biomassevækst, som ikke bør overses i denne oversimplificering af årsagsvirkning; Kvælstoftilgængelighed kan være ekstremt vigtig for Arthrospira maxima-alger såvel som klimaforhold som temperatur og lysintensitet16,36, som ikke kan kontrolleres i et system som dette. Som et eksempel er tilsætningen af urinstof, som det ses i figur 4, et bevis på, at nitrogen sammen med højere pH-værdier kan regulere et algesystem.

Andre begrænsninger ved denne metode er relateret til høstproduktiviteten, som sammenlignet med prøveudtagning er ca. 50 % mindre effektiv, hvilket hindrer systemets økonomiske gennemførlighed og ville kræve forbedring af filtreringsteknikkerne. Resultaterne af høstvægten overvurderes med 6 % (målt bagefter efter standardtørvægtsmetoder), da tørringsforholdene i denne del af protokollen ikke resulterer i fuldstændig vandeliminering. Med hensyn til biomasse overvurderes prøvetagningsresultaterne (herunder kalibreringskurven) med mindst 5 % på grund af den ufuldstændige eliminering af vand i metode19. Da fejlen imidlertid er systematisk, anbefales det kun at fortsætte med en termogravimetrisk analyse for at verificere vandindholdet i kulturen for at overveje og foretage de analytiske korrektioner af resultaterne og kalibreringskurven.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Interessekonflikt. Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen interessekonflikt.

Acknowledgments

Vi takker DGAPA UNAM projekt nummer IT100423 for den delvise finansiering. Vi takker også PROAN og GSI for at give os mulighed for at dele tekniske erfaringer om deres fotosyntetiske biogasopgradering af fulde installationer. Den tekniske support fra Pedro Pastor Hernández Guerrero, Carlos Martin Sigala, Juan Francisco Díaz Márquez, Margarita Elizabeth Cisneros Ortiz, Roberto Sotero Briones Méndez og Daniel de los Cobos Vasconcelos er meget værdsat. En del af denne forskning blev udført på IIUNAM Environmental Engineering Laboratory med et ISO 9001: 2015-certifikat.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Bailón, L., Hinge, J. Report: Biogas and Bio-Syngas Upgrading. , Danish Technological Institute, Aarhus. (2012).
  8. 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).
  9. Soreanu, G., Béland, M., Falletta, P. Approaches concerning siloxane removal from biogas -- a review. Canadian Biosystems Engineering. 53, 8.1-8.18 (2011).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Jourdan, J. P. Manuel de culture artisanale de spiruline. , https://www.scribd.com/document/513003475/Manuel-de-Culture-Artisanale-de-Spiruline (2006).
  18. 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).
  19. Sukarni, S. Thermogravimetric analysis of the combustion of marine microalgae Spirulina platensis and its blend with synthetic waste. Heliyon. 6 (9), e04902 (2020).
  20. Kundu, S., Zanganeh, J., Moghtaderi, B. A review on understanding explosions from methane-air mixture. J Loss Prev Process Ind. 40, 507-523 (2016).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Posadas, E., et al. Minimization of biomethane oxygen concentration during biogas upgrading in algal-bacterial photobioreactors. Algal Res. 12, 221-229 (2015).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. lvarez-González, A., et al. Can microalgae grown in wastewater reduce the use of inorganic fertilizers. J Environ Manage. 323, 116224 (2022).
  28. 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).
  29. Huguen, P., Le Saux, G. Perspectives for a european standard on biomethane: a Biogasmax proposal. , 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).
  30. Gas Networks, Ireland. Biomethane - Oxygen Content Assessment. , https://www.gasnetworks.ie/docs/corporate/gas-regulation/Oxygen-concentration-report-17985-AI-RPT-001-Rev-5-Biomethane-review-Penspen.pdf (2018).
  31. Wellinger, A. European biomethane standards for grid injection and vehicle fuel use. , European Biogas Association. https://www.biosurf.eu/wordpress/wp-content/uploads/2015/06/9.-Arthur_Wellinger.pdf (2017).
  32. Diario Oficial de la Federación. 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). , https://www.dof.gob.mx/normasOficiales/3997/sener/sener.html (2010).
  33. 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).
  34. Masojídek, J., Torzillo, G., Koblížek, M. Photosynthesis in Microalgae. Handbook of Microalgal Culture. , John Wiley & Sons. (2013).
  35. 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).
  36. 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).

Tags

Miljøvidenskab udgave 205 væske/biogas-forhold L/G hydrogensulfid Arthrospira maxima fotosyntetisk absorption
Biogasrensning ved brug af et mikroalgebakterielt system i semiindustrielle algedamme med høj hastighed
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Vega Blanes, M.,… More

Vega Blanes, M., Pérez-Hermosillo, I. J., Ramírez Rueda, A., González Sánchez, A. Biogas Purification through the use of a Microalgae-Bacterial System in Semi-Industrial High Rate Algal Ponds. J. Vis. Exp. (205), e65968, doi:10.3791/65968 (2024).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter