Очистка биогаза с помощью системы микроводорослей-бактерий в полупромышленных водорослевых прудах с высокой скоростью

В последние годы появилось несколько технологий очистки биогаза до биометана, способствующих его использованию в качестве неископаемого топлива, что позволяет тем самым^{снизить выбросы} метана, не поддающиеся восстановлению1. Загрязнение воздуха является проблемой, затрагивающей большую часть населения мира, особенно в урбанизированных районах; В конечном счете, около 92% населения мира дышит загрязненным^{воздухом2}. В Латинской Америке уровень загрязнения воздуха в основном обусловлен использованием топлива, при этом в 2014 году 48% загрязнения воздуха было^{вызвано сектором} производства электроэнергии и тепла3.

В последнее десятилетие было предложено все больше и больше исследований взаимосвязи между загрязняющими веществами в воздухе и повышением уровня смертности, утверждая, что существует сильная корреляция между обоими наборами данных, особенно среди детского населения.

В качестве способа избежать дальнейшего загрязнения воздуха было предложено несколько стратегий; одним из них является использование возобновляемых источников энергии, в том числе ветряных турбин и фотоэлектрических элементов, которые уменьшают выброс_СО2 в атмосферу ^4,5. Другим возобновляемым источником энергии является биогаз, побочный продукт анаэробного сбраживания органического вещества, образующийся вместе с жидким органическим дигестатом⁶. Этот газ состоит из смеси газов, а их пропорции зависят от источника органического вещества, используемого для анаэробного сбраживания (осадок сточных вод, навоз крупного рогатого скота или агропромышленные биоотходы). Как правило, это_CH4 (53%-70% об.),_CO2 (30%-47% об.),_N2 (0%-3% об.),_H2O(5%-10% об.),_O2 (0%-1% об.),_H2S (0-10 000 ppmv), NH₃ (0-100 ppmv), углеводороды (0-200 мг/^м3) и силоксаны (0-41 мг/^м3)^7,8,9, где научное сообщество заинтересовано в газе метане, поскольку он является возобновляемым энергетическим компонентом смеси.

Однако биогаз нельзя просто сжигать в том виде, в котором он получен, потому что побочные продукты реакции могут быть вредными и загрязняющими; Это приводит к необходимости обработки и очистки смеси для увеличения процентного содержания метана и уменьшения оставшегося, по сути, превращая его в биометан¹⁰. Этот процесс также известен как обновление. Несмотря на то, что в настоящее время существуют коммерческие технологии такой обработки, эти технологии имеют ряд экономических и экологических недостатков 11,12,13. Например, системы с промывкой активированным углем и водой (ACF-WS), промывкой водой под давлением (PWS), газопроницаемостью (GPHR) и короткоцикловой адсорбцией (PSA) имеют некоторые экономические или другие недостатки воздействия на окружающую среду. Жизнеспособной альтернативой (рис. 1) является использование биологических систем, таких как те, которые объединяют микроводоросли и бактерии, выращенные в фотобиореакторах; К некоторым преимуществам относятся простота конструкции и эксплуатации, низкие эксплуатационные расходы, а также экологичность операций и побочных продуктов 10,13,14. Когда биогаз очищается до биометана, последний может быть использован в качестве заменителя природного газа, а дигестат может быть использован в качестве источника питательных веществ для поддержки роста микроводорослей в системе¹⁰.

Методом, широко используемым в этой процедуре модернизации, является выращивание микроводорослей в фотореакторах с открытыми дорожками качения в сочетании с абсорбционной колонной из-за более низких эксплуатационных расходов и минимального^{требуемого} инвестиционного капитала6. Наиболее часто используемым типом реактора качения для этого применения является водорослевый пруд с высокой скоростью (HRAP), который представляет собой неглубокий пруд с дорожкой качения, в котором циркуляция водорослевого бульона происходит через маломощное лопастное колесо¹⁴. Эти реакторы требуют больших площадей для их установки и очень восприимчивы к загрязнению при использовании в наружных условиях; в процессах очистки биогаза рекомендуется использовать щелочные условия (рН > 9,5) и использовать виды водорослей, которые процветают при более высоких уровнях рН, чтобы улучшить удаление_CO2 и_H2S, избегая при этом загрязнения^15,16.

Данное исследование было направлено на определение эффективности очистки биогаза и конечного производства биометана с использованием фотобиореакторов HRAP в сочетании с системой абсорбционно-десорбционных колонн и консорциумом микроводорослей.