Μετατροπή παραγόμενου βιοαέριου σε βιομεθάνιο με χρήση αναερόβιας ιλύος και σιδήρου μηδενικού σθένους

Abstract

Σκοπός της παρούσης μελέτης ήταν ο καθαρισμός και η αναβάθμιση του βιοαερίου προς παραγωγή καθαρού βιομεθανίου, κάνοντας χρήση σκόνης μεταλλικού σιδήρου μηδενικού σθένους (Zero Valent Iron - ZVI) και αναερόβιας κοκκώδους ιλύος (Granular Sludge - GS), και έχοντας το διοξείδιο του άνθρακα, ως μόνη πηγή άνθρακα. Η αναερόβια χώνεψη αποτελεί από τις πλέων διαδεδομένες μεθόδους στον τομέα της περιβαλλοντικής βιοτεχνολογίας. Πρόκειται για μια βιολογική διεργασία τεσσάρων βασικών σταδίων, μέσα στα οποία οι διάφορες μικροβιακές ομάδες συνεργάζονται μεταξύ του, με αποτέλεσμα να επιτευχθεί η παραγωγή του βιοαερίου. Το βιοαέριο είναι ένα αέριο μείγμα που αποτελείται κυρίως από CH4 και CO2 και σε μικρότερα ποσοστά από N2, H2S κ.α.. Από τα αέρια αυτά το μόνο που έχει ενεργειακή αξία είναι το CH4 και συνεπώς είναι επιθυμητή η μετατροπή του βιοαερίου σε όσο το δυνατό μεγαλύτερα ποσοστά καθαρού μεθανίου. Στην συγκεκριμένη μελέτη πραγματοποιήθηκαν 2 κύριες πειραματικές μέθοδοι οι οποίες χωρίζονταν από 2 μέρη η κάθε μία. Η πρώτη μέθοδος αφορούσε την μελέτη των μεταβολικών οδών και η δεύτερη την αναβάθμιση του βιοαερίου σε βιομεθάνιο. Για την διεξαγωγή των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκαν διάφορες συγκεντρώσεις ZVI και GS. Για βιομέσο ακολουθήθηκε το πρωτόκολλο της αναερόβιας χώνεψης και έγινε χρήση Angelidaki media με επιπλέον προσθήκη 20g/L Sodium Bicarbonate για να υπάρχει ισχυρό buffer του pH. Τέλος οι καλλιέργειες ρυθμίστηκαν σε ένα εύρος pH 6.5-7.5 και τοποθετήθηκαν σε ελεγχόμενες συνθήκες με θερμοκρασία 33.3 oC και ανάδευση 100 rpm. Τo πρώτο πείραμα εμφάνισε αρχικά, αρκετά προβλήματα κυρίως λόγω υψηλών συγκεντρώσεων οξυγόνου και αζώτου. Αν και επαναλήφθηκε χωρίς να παρουσιαστούν ιδιαίτερα προβλήματα, δεν ήταν δυνατό να εξαχθούν σημαντικά αποτελέσματα. Οι ακόλουθες πειραματικές διαδικασίες αφορούσαν εξολοκλήρου την αναβάθμιση εργαστηριακά παραγόμενου βιοαερίου σε βιομεθάνιο. Στο πρώτο μέρος των πειραμάτων αυτών έγινε έλεγχος της βέλτιστης συγκέντρωσης σιδήρου για την καλύτερη μετατροπή του βιοαερίου και βρέθηκε πως η συγκέντρωση με την καλύτερη μετατροπή ήταν τα 75g/L ZVI. Στην συνέχεια έγινε έλεγχος μετατροπής εργαστηριακά παραγόμενου βιοαερίου, από απόβλητα καφέ. Το βιοαέριο που παραγόταν από τον βιοαντιδραστήρα είχε μέγιστη συγκέντρωση μεθανίου 46.1%. Το αέριο αυτό εισαγόταν σε αντιδραστήρες που περιείχαν 75g/L ZVI και γινόταν έλεγχος της μετατροπής. Οι αντιδραστήρες χρειάστηκαν ένα διάστημα 13 περίπου ημερών μέχρι να καταναλώσουν το 7 υδρογόνο από τον σίδηρο και να οδηγήσουν στην παραγωγή μεθανίου. Αφού έγινε πλήρης κατανάλωση του υδρογόνου, οι αντιδραστήρες παρουσίαζαν μέγιστη μετατροπή από την 2η κιόλας μέρα μετά την εισαγωγή του βιοαερίου από τον βιοαντοδραστήρα, χωρίς να μεταβάλλεται ιδιαίτερα το pH. Τα επίπεδα μετατροπής ήταν της τάξεως του 94-96% CH4. Τέλος παρατηρήθηκε ότι με συστηματική ρύθμιση του pH η μετατροπή είναι πιο γρήγορη.