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....

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

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