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.
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.
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.
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…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |