在半工业化高速率藻类池塘中使用微藻细菌系统进行沼气净化

摘要

空气污染影响所有生物的生活质量。在这里，我们描述了微藻生物技术用于处理沼气（同时去除二氧化碳和硫化氢）和通过半工业开放式高速率藻池生产生物甲烷，以及随后分析处理效率、pH 值、溶解氧和微藻生长。

摘要

近年来，出现了许多将沼气净化为生物甲烷的技术。这种净化需要降低二氧化碳和硫化氢等污染气体的浓度，以增加甲烷的含量。在这项研究中，我们使用微藻培养技术来处理和净化养猪业有机废物产生的沼气，以获得即用型生物甲烷。为了进行栽培和纯化，在墨西哥拉各斯的圣胡安德洛斯建立了两个22.2 m³ 的开放式池塘光生物反应器，并配有吸收-解吸塔系统。测试了几种再循环液体/沼气比 （L/G），以获得最高的去除效率;测量了其他参数，例如pH值，溶解氧（DO），温度和生物量增长。最有效的L/Gs为1.6和2.5，处理后的沼气出水在CO₂中的成分分别为6.8%vol和6.6%vol，H₂S的去除效率高达98.9%，O₂ 污染值保持在2%vol以下。我们发现，在培养过程中，pH 值在很大程度上决定了 CO₂ 的去除，比 L/G 更重要，因为它参与了微藻的光合作用过程，并且由于其酸性而在溶解时能够改变 pH 值。DO和温度分别从光合作用的明暗自然周期和一天中的时间中振荡。生物量的生长随CO₂ 和养分喂养以及反应器收获而变化;然而，这一趋势仍然为增长做好了准备。

引言

近年来，出现了几种技术将沼气提纯为生物甲烷，促进其作为非化石燃料的使用，从而减少不可排放的甲烷^排放1。空气污染是一个影响世界大多数人口的问题，特别是在城市化地区;最终，世界上大约 92% 的人口呼吸着受污染的空气².在拉丁美洲，空气污染率主要是由燃料的使用造成的，2014 年，48% 的空气污染是由电力和热力生产部门造成的³.

在过去的十年中，越来越多的关于空气中污染物与死亡率上升之间关系的研究被提出，认为这两个数据集之间存在很强的相关性，特别是在儿童群体中。

为了避免空气污染的持续存在，已经提出了几种策略;其中之一是使用可再生能源，包括风力涡轮机和光伏电池，这减少了释放到大气中的二氧化碳^4,5。另一种可再生能源来自沼气，沼气是有机物厌氧消化的副产品，与液态有机沼渣^{一起产生6}。这种气体由气体混合物组成，其比例取决于用于厌氧消化的有机物来源（污水污泥、牛粪或农工生物废物）。通常，这些比例是 CH₄ （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）、碳氢化合物 （0-200 mg/m³） 和硅氧烷 （0-41 mg/m³）^7,8,9，科学界对甲烷气体感兴趣，因为这是混合物的可再生能量成分。

然而，沼气不能简单地燃烧，因为反应的副产物可能是有害的和污染的;这就需要对混合物进行处理和净化，以增加甲烷的百分比并减少其余部分，从根本上将其转化为生物甲烷¹⁰。此过程也称为升级。尽管目前有用于这种处理的商业技术，但这些技术在经济和环境方面存在一些缺点11,12,13。例如，活性炭和水洗涤 （ACF-WS）、压力水洗 （PWS）、气体渗透 （GPHR） 和变压吸附 （PSA） 的系统在环境影响方面存在一些经济或其他缺点。一个可行的替代方案（图1）是使用生物系统，例如将微藻和光生物反应器中生长的细菌结合在一起的系统;一些优点包括设计和操作的简单性、低运行成本以及其环保的操作和副产品10,13,14。当沼气被提纯为生物甲烷时，后者可以用作天然气的替代品，并且沼渣可以作为营养物质的来源来支持系统中微藻^的生长10。

由于较低的运营成本和所需的最少投资资本，因此在该升级程序中广泛使用的一种方法是在开放式滚道光反应器中与吸收塔结合微藻的生长⁶.该应用最常用的滚道反应器类型是高速藻类池（HRAP），它是一个浅水道池，藻类汤的循环通过低功率桨轮¹⁴发生。这些反应堆需要大面积的安装，如果在室外条件下使用，非常容易受到污染;在沼气净化过程中，建议使用碱性条件（pH > 9.5）和在较高pH值下茁壮成长的藻类物种，以增强CO₂和H₂S的去除，同时避免污染^15,16。

本研究旨在使用 HRAP 光生物反应器结合吸收-解吸塔系统和微藻联盟确定沼气处理效率和生物甲烷的最终生产。

研究方案

1. 系统设置

注意: 本协议中描述的系统的管道和仪表图 （P&ID） 如 图 2 所示。

1. 反应器设置
   1. 通过平整和压实地面来准备地面，以提高反应堆的稳定性。
   2. 在空旷的场地上，从末端挖两个细长的孔和 3 m 处，进一步挖一个 3 m² 和 1 m 深的孔（称为曝气井）。
   3. 在土工膜覆盖的金属支架上放置两个HRAP（图3）。每个反应堆的运行能力必须为 22.2 m³。
   4. 在每个反应堆放置一个 1728.42 瓦（2.35 马力）的气泵，靠近挖掘曝气井的 HRAP 点。
   5. 在反应器上固定一个桨轮（由1103.24瓦[1.5马力]电动机移动），以促进生物质和介质之间的接触。
2. 气体处理装置（图4）
   1. 用 6 英寸聚氯乙烯 （PVC） 管构建解吸柱，其中入口电流从覆盖的顶部进入 2 m，出口电流从底部流出（图 2）。
   2. 设置吸收池（V_t:2.55 m³），其中气体入口（未经处理的沼气）电流从底部通过 11 个扩散管鼓泡，并通过 4 英寸的 PVC 管道来自厌氧消化器，穿过沼气机、1 英寸转子表和采样口，而液体来自罐底部解吸柱后的介质再循环。液体出口位于储罐的侧面。它将富含 CO₂ 的介质输送到液位控制塔，气体从储罐顶部的出口排出，该出口与 1" PVC 管道相连，将获得的生物甲烷传导到燃烧器进行连续燃烧（图 2）。
   3. 通过 4" PVC 管将吸收罐连接到解吸塔，在两个操作之间通过采样口（图 2）。
   4. 用 6 英寸 PVC 管构建液位控制柱，入口位于底部。它有两个出口（由蝶阀控制），具体取决于系统的需要;第一个位于 2.5 m 的高度，第二个位于距地面 3 m 处（图 2）。
   5. 通过2英寸PVC管道将HRAP光生物反应器连接到6英寸解吸塔，通过再循环离心泵（1103.24瓦[1.5马力]）和1英寸转子计（图2）。
   6. 通过 4" PVC 管将液位控制柱连接到附表 40 PVC 管，通过采样端口。接下来，将其连接到柔性 PVC 管的一部分，然后是另一个 schedule 40 PVC 管，最后是一根 4" PVC 管，该管通向 HRAP 光生物反应器（图 2）。
   7. 用 2" PVC 管道设置解吸柱的旁路，并将其连接到采样口前的主管（图 2）。

2. 系统功能测试

1. 再循环离心泵（1103.24 瓦 [1.5 hp]）
   1. 要确定泵的最大流速，请在内部灌注至少 10 分钟以避免吸入空气，并以 230 V 和 1 相启动。
   2. 通过让再循环流量流过 1 英寸转子流量计来测试再循环流量。
2. 沼气冒泡系统
   1. 要确定鼓泡至少相当于 200 mbar 的气柱所需的力，请测试至少 3 台不同功率的鼓风机（485.52 瓦 [0.66 马力]、1838.74 瓦 [2.5 马力] 和 3309.74 瓦 [4.5 马力]），方法是将空气鼓泡到吸收罐中。
   2. 目视验证罐内气泡达到的大小和分布。在此描述的操作条件下，气泡的预测平均直径为 3 mm。

3.室内条件下的接种和生长

1. 将纯的 Arthrospira maxima 菌株从琼脂平板转移到15mL水性矿物培养基¹⁷ （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. 使用100%的烧瓶体积，使用无害的Jourdan水性培养基将培养物放大至500mL烧瓶，并使用带有表面贴装装置（SMD）2835的发光二极管（LED）灯在12小时光照/ 12小时暗光周期中生长，在2000 lm下提供冷光，并通过空气鼓泡（0.3 L / min或0.6 vvm）连续混合。（步骤持续约 1 个月）。
3. 继续放大过程，将先前体积的 20% 添加到新体积中，直到达到 50 L。
4. 在温室中，在50 L透明袋中（步骤持续约2个月），使培养物适应自然光操作条件和Jourdan培养基。
5. 在这些条件下继续缩放至5 m³ HRAP光生物反应器（步骤持续约2个月）。

4. 系统在室外条件下的运行启动

1. 将这些 5 m³ HRAP 光生物反应器的全部体积添加到位于室外的 13 m³ 的 HRAP 光生物反应器中，并用 Jourdan 培养基填充体积的其余部分。以 30 cm/s 的速度开始通过桨轮混合，以分批模式培养 15 天或直到达到 0.7 g/L（步进持续约 1 个月）。
2. 一旦生长达到 0.7 g/L，将体积转移到运行的 22.2 m³ HRAP，用 Jourdan 培养基填充其余部分，并将桨轮设置为 30 cm/s 的速度。让生物质生长，直到达到 0.7 g/L，pH 值为 10;一旦满足这些条件，如果需要，开始取样和收获。
3. 以可变流量启动从HRAP光生物反应器到吸收罐的液体再循环，以提高生物质生产率。2小时后开始以平均流量3.5 m³ / h的沼气冒泡，为培养物提供无机碳。注意pH值，因为它必须保持在9以上。
   注意: 在通过吸收罐再循环介质之前，请启动上述离心泵。
4. 养分添加:每周通过收获监测养分状况，假设稳定状态，计算结果如下:
   M_NaNO3 = （M_生物量 x 0.10）/0.12 [g]
   哪里:
   M_NaNO3 = 硝酸钠质量 [g]
   M_生物量 = 收获的生物量 [g]
   1.10: 氮/生物量的质量产量¹⁶ [g/g]
   1.12: 硝酸钠中氮的质量分数 [g/g]
5. 根据氮平衡结果，重新配制 Jourdan 培养基以按比例添加 Na₃PO₄·12H₂O、MgSO₄·7H₂O 和 FeSO₄·7H₂O。不要添加更多的碳酸氢钠或氯化钠。
   注意:在将营养物质添加到反应器中之前，先将营养物质溶解在干净的水中。
6. 监测水分蒸发，必要时每周添加一次。

5. 取样和分析

1. 沼气
   1. 通过用适当直径的软管将 10 L 聚氟乙烯袋连接到出口，从吸收罐前的采样出口和罐后的采样出口对沼气进行采样;将每个放在单独的聚氟乙烯袋中。
   2. 通过将压力传感器设置为零并等待稳定来校准便携式气体分析仪。为此，请先按 "开始"，然后按" 下一步"，然后按照分析仪的指示连接透明管和黄色管。按 "下一步 "，最后按 "气体读数"。
   3. 将聚氟乙烯袋中的每个样品连接到分析仪，按 下一步 并测量系统两个点的 CH₄、CO₂、O₂ 和 H₂S 浓度（以 %vol 表示）。
   4. 通过将液体再循环流量除以沼气生产流量来确定体积再循环液体/沼气比 （L/G）。计算相应的气体流量 （m³/h），以提供最高的 CO₂ 和 H₂S 去除效率。
2. 在线测量系统条件（pH值、溶解氧、温度）
   1. 根据制造商的规格校准所有传感器。
   2. 将pH传感器、溶解氧（DO）传感器和温度传感器放入每个HRAP的液体中。
      注意: 有关每个传感器的品牌和规格，请查看材料表文件。
   3. 将 pH 和 DO 传感器连接到数据采集设备，该设备由一个 1.4 GHz 64 位四核处理器组成，该处理器连接到便携式屏幕，该屏幕存储在集成开发和学习环境 （IDLE） 2.7 中编写的预制 Python 程序。
      1. 通过屏幕打开程序并指示存储每个数据点的时间间隔（在本例中为每 2 分钟一次）。
      2. 创建一个电子表格，程序将在其中自动存储它收集的数据。
      3. 单击读取 ON 的按钮，表示它已准备好开始存储数据。
      4. 要停止数据采集，请单击读取 OFF 的按钮。
      5. 要下载信息，请插入通用串行总线 （USB） 并导入电子表格。
   4. 将温度传感器连接到温度记录仪以存储实验期间记录的数据。
3. 简短的探索性测试
   1. 确定最有效的L/G
      1. 调节进入的沼气流量以选择要测试的 L/G 值（0.5、1、1.5、1.6、2、2.5、3.3、3.4）。
      2. 使用前面描述的仪器测量每种气体（CH₄、CO₂、H₂S、O₂、N₂）的 pH 值以及每种气体的入口和出口浓度，每 15 分钟测量一次（60 分钟）。
      3. 通过比较出口值确定最有效的L/G，并根据实验的需要选择最方便的L/G。
   2. L/G、pH 值和 CO_{之间的关系 2}
      1. 选择至少两个 L/G 进行比较。
      2. 对于每个L / G，在开始时测量CO₂的pH值以及H_{2S，O 2}和N₂的入口和出口浓度作为对照，每15分钟一次，持续60分钟，然后每小时测量一次，总共5小时，使用前面描述的仪器。
      3. 使用以下公式计算 CO₂ 去除百分比:
         CO2 去除率 = （（CO₂输入 - CO₂输出）/（CO₂输入）） x 100
      4. 绘制结果图表，并比较每个测试的 L/G 的 pH 值和 CO₂ 的行为。
4. 将每升培养物的生物量重量与750nm处吸光度相关联的校准曲线¹⁸
   1. 对藻类培养物进行采样，尝试获得 1.0 的吸光度。如果培养物的吸光度低于1.0，则通过过滤（0.45μm过滤器）从培养物样品中提取水。如果吸光度大于1，则可以通过添加新鲜培养基来降低吸光度。
   2. 使用样品制备五种藻类细胞悬浮液并加入新鲜培养基，体积/体积 （V/V） 百分比:100%、80%、60%、40% 和 20%。
   3. 使用塑料比色皿的分光光度计测量并记录五种溶液在750nm处的吸光度，其中新鲜培养基是空白的。
   4. 通过先前称量的0.45μm过滤器过滤10mL，并将样品在二氧化硅干燥器中干燥24小时，然后干燥48小时，以确保重量恒定，从而确定每种悬浮液的每升培养物的生物量重量。对五个解决方案中的每个解决方案重复此步骤。
      注意:不建议使用更高的温度（高于60°C）进行干燥，因为某些关键化合物会损失，这些化合物可能会挥发并改变样品的重量。
   5. 确认重量后，使用以下公式计算反应器内的生物质浓度:
      生物质浓度=（生物质重量-滤量重量）×1000/过滤体积[g/L]
   6. 使用电子表格或任何其他软件对生物质重量数据（克/升培养物）进行线性回归，作为在750nm处测量的吸光度的函数。线性回归系数应大于 0.95;否则，曲线没有用，应重复该协议。
      注意:它被描述为生物质重量，而不是像大多数方法那样干重，因为使用的干燥方法不允许完全去除样品中的水分，使含水量低于 5%¹⁹。
5. 生物质生长
   1. 每天监测反应堆。从桨轮与其从每种培养物返回之间的中间点取 1 L 样品，并将其带到实验室。
   2. 在显微镜下检查菌落生长和培养物的纯度。
   3. 用分光光度计测量并记录样品在750nm处的吸光度，其中新鲜培养基是空白的。
   4. 与校准曲线进行比较，以获得以克/升为单位的估计生物质重量。
   5. 记录每个滚道反应器的生长情况。
6. 生物质生产 - 收获
   1. 每天监测反应堆。如果取样期间生物量增长超过0.7 g/L，则需要收获。
   2. 在两个 HRAP 之间交替，将聚酯网放在反应器一端的部分顶部，并将柔性 PVC 管的一端置于液体流动中，以便另一端将液体排出网顶部。
   3. 将 4500 L 至 7500 L（取决于反应器的生物质饱和度）排放到网格上，保持连续流回相应的 HRAP。生物质将保留在网格上。
   4. 要收获，请从反应器顶部取下网状物并将其放在不同的表面上以刮掉生物质并将其放入漏斗中。
   5. 将生物质推过漏斗，在干净干燥的网眼顶部形成细长的形状;将网格置于温暖的有盖房间（34-36°C）中48-72小时。
   6. 干燥后，从网中取出生物质并称重。使用以下公式计算收获的生物量浓度（g/L）:
      排出液体量 = 泵流量 x 排油时间 [L]
      收获的生物量浓度=收获的生物量重量/排出液体体积[g/L]

结果

按照协议，该系统被构建、测试和接种。测量和储存条件，采集和分析样品。该协议执行了一年，从 2019 年 10 月开始，一直持续到 2020 年 10 月。值得一提的是，从这里开始，HRAP 将被称为 RT3 和 RT4。

生物甲烷生产力
为了确定促进最高 H₂S 和 CO₂ 去除以及因此达到最高甲烷浓度的条件，在 0.5 至 3.4 的范围内尝试了几种再循环液体/沼气比 （L/G）?...

讨论

多年来，这种藻类技术已经过测试，并被用作净化沼气的苛刻而昂贵的物理化学技术的替代品。特别是， 节肢螺旋 体属与 小球藻一起被广泛用于这一特定目的。然而，很少有半工业化规模的方法，这为这一过程增加了价值。

通过使用适当的 L/G 比来保持较低的 O₂ 浓度至关重要;但是，这取决于将应用此协议的区域。由于管道中存在爆炸和腐蚀的风险，?...

材料

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