تنقية الغاز الحيوي من خلال استخدام نظام الطحالب الدقيقة البكتيرية في أحواض الطحالب شبه الصناعية عالية المعدل
Summary
يؤثر تلوث الهواء على نوعية حياة جميع الكائنات الحية. هنا ، نصف استخدام التكنولوجيا الحيوية للطحالب الدقيقة لمعالجة الغاز الحيوي (الإزالة المتزامنة لثاني أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين) وإنتاج الميثان الحيوي من خلال أحواض الطحالب المفتوحة عالية المعدل شبه الصناعية والتحليل اللاحق لكفاءة المعالجة ، ودرجة الحموضة ، والأكسجين المذاب ، ونمو الطحالب الدقيقة.
Abstract
في السنوات الأخيرة ، ظهر عدد من التقنيات لتنقية الغاز الحيوي إلى الميثان الحيوي. يستلزم هذا التنقية انخفاضا في تركيز الغازات الملوثة مثل ثاني أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين لزيادة محتوى الميثان. في هذه الدراسة ، استخدمنا تقنية زراعة الطحالب الدقيقة لمعالجة وتنقية الغاز الحيوي المنتج من النفايات العضوية من صناعة الخنازير للحصول على الميثان الحيوي الجاهز للاستخدام. للزراعة والتنقية ، تم إنشاء مفاعلين بيولوجيين ضوئيين مفتوحين بمساحة 22.2 م3 مقترنين بنظام عمود امتصاص وامتصاص في سان خوان دي لوس لاغوس ، المكسيك. تم اختبار العديد من نسب سائل إعادة التدوير / الغاز الحيوي (L / G) للحصول على أعلى كفاءة في الإزالة. تم قياس المعلمات الأخرى ، مثل درجة الحموضة والأكسجين المذاب (DO) ودرجة الحرارة ونمو الكتلة الحيوية. كانت L/Gs الأكثر كفاءة هي 1.6 و 2.5 ، مما أدى إلى تدفق الغاز الحيوي المعالج بتركيبة 6.8٪ حجم و 6.6٪ حجم في ثاني أكسيدالكربون ، على التوالي ، وكفاءة إزالة H2S تصل إلى 98.9٪ ، بالإضافة إلى الحفاظ على قيم تلوث O2 أقل من 2٪ حجم. وجدنا أن الرقم الهيدروجيني يحدد بشكل كبير إزالة CO2 ، أكثر من L / G ، أثناء الزراعة بسبب مشاركته في عملية التمثيل الضوئي للطحالب الدقيقة وقدرته على تغيير درجة الحموضة عند إذابته بسبب طبيعته الحمضية. تذبذب درجة الحرارة كما هو متوقع من الدورات الطبيعية الفاتحة المظلمة لعملية التمثيل الضوئي والوقت من اليوم ، على التوالي. وتباين نمو الكتلة الحيوية مع ثاني أكسيد الكربون2 وتغذية المغذيات وكذلك حصاد المفاعلات. ومع ذلك، ظل الاتجاه مهيأ للنمو.
Introduction
في السنوات الأخيرة ، ظهرت العديد من التقنيات لتنقية الغاز الحيوي إلى الميثان الحيوي ، وتعزيز استخدامه كوقود غير أحفوري ، وبالتالي التخفيف من انبعاثات الميثان غير القابلة للتحسان1. تلوث الهواء مشكلة تؤثر على معظم سكان العالم ، لا سيما في المناطق الحضرية. في نهاية المطاف ، يتنفس حوالي 92٪ من سكان العالم هواء ملوثا2. في أمريكا اللاتينية ، يتم إنشاء معدلات تلوث الهواء في الغالب عن طريق استخدام الوقود ، حيث في عام 2014 ، تم جلب 48٪ من تلوث الهواء من قبل قطاع إنتاج الكهرباء والحرارة3.
في العقد الماضي ، تم اقتراح المزيد والمزيد من الدراسات حول العلاقة بين الملوثات في الهواء والزيادة في معدلات الوفيات ، بحجة أن هناك علاقة قوية بين مجموعتي البيانات ، لا سيما في مجموعات الأطفال.
وكطريقة لتجنب استمرار تلوث الهواء، اقترحت عدة استراتيجيات؛ أحد هذه العوامل هو استخدام مصادر الطاقة المتجددة ، بما في ذلك توربينات الرياح والخلايا الكهروضوئية ، والتي تقلل من إطلاق CO2 في الغلاف الجوي 4,5. مصدر آخر للطاقة المتجددة يأتي من الغاز الحيوي ، وهو منتج ثانوي للهضم اللاهوائي للمواد العضوية ، يتم إنتاجه جنبا إلى جنب مع الهضم العضوي السائل6. يتكون هذا الغاز من خليط من الغازات ، وتعتمد نسبها على مصدر المادة العضوية المستخدمة في الهضم اللاهوائي (حمأة الصرف الصحي أو روث الماشية أو النفايات الحيوية الصناعية الزراعية). بشكل عام ، هذه النسب هي CH4 (53٪ -70٪ vol) ، CO2 (30٪ -47٪ vol) ، N2 (0٪ -3٪ vol) ، H2O (5٪ -10٪ vol) ، O2 (0٪ -1٪ vol) ، H2S (0-10000 ppmv) ، NH3 (0-100 ppmv) ، الهيدروكربونات (0-200 mg / m3) و siloxanes (0-41 mg / m3) 7,8,9 ، حيث يهتم المجتمع العلمي بغاز الميثان لأن هذا هو المكون النشط المتجدد للخليط.
ومع ذلك ، لا يمكن حرق الغاز الحيوي ببساطة كما تم الحصول عليه لأن المنتجات الثانوية للتفاعل يمكن أن تكون ضارة وملوثة ؛ هذا يثير الحاجة إلى معالجة وتنقية الخليط لزيادة نسبة الميثان وتقليل الباقي ، وتحويله بشكل أساسي إلى الميثانالحيوي 10. تعرف هذه العملية أيضا باسم الترقية. على الرغم من وجود تقنيات تجارية حاليا لهذا العلاج ، إلا أن هذه التقنيات لها العديد من العيوب الاقتصادية والبيئية11،12،13. على سبيل المثال ، تمثل الأنظمة التي تحتوي على الكربون المنشط وغسل الماء (ACF-WS) ، وغسل الماء بالضغط (PWS) ، وتخلل الغاز (GPHR) ، وامتصاص تأرجح الضغط (PSA) بعض العيوب الاقتصادية أو غيرها من عيوب التأثير البيئي. البديل القابل للتطبيق (الشكل 1) هو استخدام النظم البيولوجية مثل تلك التي تجمع بين الطحالب الدقيقة والبكتيريا المزروعة في المفاعلات الحيوية الضوئية. تشمل بعض المزايا بساطة التصميم والتشغيل ، وتكاليف التشغيل المنخفضة ، وعملياتها الصديقة للبيئة ومنتجاتها الثانوية10،13،14. عندما يتم تنقية الغاز الحيوي إلى الميثان الحيوي ، يمكن استخدام الأخير كبديل للغاز الطبيعي ، ويمكن تنفيذ الهضم كمصدر للمغذيات لدعم نمو الطحالب الدقيقة في النظام10.
إحدى الطرق المستخدمة على نطاق واسع في إجراء الترقية هذا هي نمو الطحالب الدقيقة في المفاعلات الضوئية في المجاري المائية المفتوحة إلى جانب عمود الامتصاص بسبب انخفاض تكاليف التشغيل والحد الأدنى من رأس المال الاستثماري اللازم6. النوع الأكثر استخداما من مفاعلات المجاري المائية لهذا التطبيق هو بركة الطحالب عالية المعدل (HRAP) ، وهي بركة مجرى مائي ضحلة حيث يحدث دوران مرق الطحالب عبر عجلة مجداف منخفضة الطاقة14. وتحتاج هذه المفاعلات إلى مساحات كبيرة لتركيبها وهي شديدة التأثر بالتلوث إذا استخدمت في ظروف خارجية؛ في عمليات تنقية الغاز الحيوي ، ينصح باستخدام الظروف القلوية (درجة الحموضة > 9.5) واستخدام أنواع الطحالب التي تزدهر في مستويات الأس الهيدروجيني الأعلى لتعزيز إزالة CO2 و H2S مع تجنب التلوث15,16.
يهدف هذا البحث إلى تحديد كفاءة معالجة الغاز الحيوي والإنتاج النهائي للميثان الحيوي باستخدام المفاعلات الحيوية الضوئية HRAP إلى جانب نظام عمود الامتصاص والامتزاز واتحاد الطحالب الدقيقة.
Protocol
Representative Results
Discussion
على مر السنين ، تم اختبار تقنية الطحالب هذه واستخدامها كبديل للتقنيات الفيزيائية والكيميائية القاسية والمكلفة لتنقية الغاز الحيوي. على وجه الخصوص ، يستخدم جنس Arthrospira على نطاق واسع لهذا الغرض المحدد ، جنبا إلى جنب مع شلوريلا. ومع ذلك ، هناك عدد قليل من المنهجيات التي يتم إجراؤها ع…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر مشروع DGAPA UNAM رقم IT100423 على التمويل الجزئي. كما نشكر PROAN و GSI على السماح لنا بمشاركة الخبرات الفنية حول تركيبات الغاز الحيوي الضوئية التي تعمل على ترقية المنشآت الكاملة. إن الدعم الفني المقدم من بيدرو باستور هيرنانديز غيريرو وكارلوس مارتن سيغالا وخوان فرانسيسكو دياز ماركيز ومارغريتا إليزابيث سيسنيروس أورتيز وروبرتو سوتيرو بريونيس مينديز ودانيال دي لوس كوبوس فاسكونسيلوس هو موضع تقدير كبير. تم إجراء جزء من هذا البحث في مختبر IIUNAM للهندسة البيئية بشهادة ISO 9001: 2015.
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
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bailón, L., Hinge, J. . Report: Biogas and Bio-Syngas Upgrading. , (2012).
- 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).
- Soreanu, G., Béland, M., Falletta, P. Approaches concerning siloxane removal from biogas — a review. Canadian Biosystems Engineering. 53, 8.1-8.18 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- . Manuel de culture artisanale de spiruline Available from: https://www.scribd.com/document/513003475/Manuel-de-Culture-Artisanale-de-Spiruline (2006)
- 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).
- Sukarni, S. Thermogravimetric analysis of the combustion of marine microalgae Spirulina platensis and its blend with synthetic waste. Heliyon. 6 (9), e04902 (2020).
- Kundu, S., Zanganeh, J., Moghtaderi, B. A review on understanding explosions from methane-air mixture. J Loss Prev Process Ind. 40, 507-523 (2016).
- 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).
- 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).
- Posadas, E., et al. Minimization of biomethane oxygen concentration during biogas upgrading in algal-bacterial photobioreactors. Algal Res. 12, 221-229 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- lvarez-González, A., et al. Can microalgae grown in wastewater reduce the use of inorganic fertilizers. J Environ Manage. 323, 116224 (2022).
- 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).
- . 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)
- . 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)
- . 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)
- . 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)
- 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).
- Masojídek, J., Torzillo, G., Koblížek, M. Photosynthesis in Microalgae. Handbook of Microalgal Culture. , (2013).
- 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).
- 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).
