Summary

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

Published: March 22, 2024
doi:

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.

Protocol

1. Opsætning af system BEMÆRK: Et rør- og instrumenteringsdiagram (P&ID) for systemet beskrevet i denne protokol er vist i figur 2. Opsætning af reaktorForbered jorden ved at udjævne og komprimere den for at forbedre reaktorstabiliteten. 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). Placer to HRA…

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 produktivitetFor at bestemme de betingelser, der fremmer den højesteH2S- og CO2 fjernelse og dermed den højeste koncentration af metan,…

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; De…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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

  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. , (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. . Manuel de culture artisanale de spiruline Available from: 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. . 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)
  30. . 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)
  31. . 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)
  32. . 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)
  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. , (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).

Play Video

Cite This Article
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).

View Video