Instalacje do sekwestracji CO2 z reaktorem glonowym – przykładowe rozwiązania, koszty budowy i eksploatacji

21 listopada 2021 r.

Prof. dr hab. inż. Mirosław Krzemieniewski

Do globalnego ocieplenia i niekorzystnych zjawisk pogodowych w znaczącym stopniu przyczynia się antropogeniczna emisja dwutlenku węgla. Nadwyżka CO₂, która nie ulega zbilansowaniu gromadzi się w atmosferze powodując wzrost temperatury powietrza. Obecnie emituje się do atmosfery około 40 miliardów ton CO2, a w sposób naturalny pochłaniane jest około 5 miliardów ton CO₂. Z tego powodu wiele krajów przyjęło w swoich planach gospodarczych wieloletnie programy, w których zakłada się znaczące obniżenie emisji CO₂ do atmosfery. Aby temu sprostać poszukuje się nowych technik do usuwania CO₂ ze spalin i gazów odlotowych pochodzących z różnych sektorów przemysłu. Takim alternatywnym rozwiązaniem jest biologiczna sekwestracja przez mikroglony w fotobioreaktorach.

Technologia, w której produktem jest biomasa organiczna, zawierająca duże ilości związków biogennych, powinna znaleźć szerokie wsparcie w ramach nowego programu jakim jest Zielony Ład przedstawiony 11 grudnia 2019 roku przez Komisję Unii Europejskiej. Określono w nim ambitny plan działania, który dotyczy:

• lepszego wykorzystania zasobów dzięki przejściu na czystą gospodarkę o obiegu zamkniętym,
• przeciwdziałania utraty bioróżnorodności biologicznej, zmniejszenia poziomu zanieczyszczeń.

Dąży się jednocześnie do takich rozwiązań, które pozwalają zmniejszyć nakłady energetyczne zarówno w procesach produkcyjnych jak i w trakcie obniżania wielkości emisji zanieczyszczeń wprowadzanych do wody, gleby i do atmosfery.

Ten cel można osiągnąć przy pomocy nowego typu biologicznego reaktora, w którym obniża się ilość CO₂ emitowanego do atmosfery po procesie spalania biogazu, gazu ziemnego jak również węgla. Jednocześnie w tym urządzeniu występuje zjawisko obniżenia koncentracji zanieczyszczeń w ściekach, co powinno wzbudzić zainteresowanie w zakładach przemysłowych, które muszą oczyszczać ścieki

Przykłady zastosowania glonów

Algi pojawiły się na Ziemi ok. 1.5 biliona lat temu i były jednymi z pierwszych form życia zdolnych do fotosyntezy. Występują one we wszystkich strefach geograficznych. Żyją zarówno w wodach słodkich jak słonych, chłodnych i ciepłych. Spotykane są na terenach pustynnych, gdzie funkcjonują razem z sinicami, grzybami i bakteriami. Spełniają tam bardzo ważną rolę, ponieważ pobierają z otaczających skał SiO2, natomiast wydzielają kwasy organiczne. Efektem tych procesów jest wietrzenie skał i stworzenie dogodniejszych warunków życia dla innych organizmów. Ich systematyka ciągle wzbudza kontrowersje, lecz w tym artykule posługiwać się będziemy pojęciami mikroglony, makroglony. Oczywiście nie należą do nich sinice. Są organizmami odpornymi na długotrwałe susze czy wysokie temperatury gorących źródeł, a nawet znoszą wysokie zasolenie czy kwasowość środowiska. Dlatego mogą być bardzo przydatne w procesach oczyszczania ścieków, ale także w procesach usuwania CO2. Glony i sinice do życia i rozwoju potrzebują przede wszystkim wody, dwutlenku węgla, światła słonecznego oraz soli mineralnych. W dogodnych warunkach potrafią w bardzo szybkim tempie się namnażać, a co z tego wynika, wytwarzają ogromną ilość biomasy [Krzemieniewski, Dębowski i Zieliński 2009]. Dzięki właśnie tym zdolnościom glony znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach naszego życia, a biotechnologię opartą na wykorzystaniu glonów i sinic określa się jako niebieską biotechnologię [https://ec.europa.eu/maritimeaffairs/policy/biotechnology_pl].Wykorzystuje się je w produkcji żywności. Stanowią one najważniejszy, podstawowy element w łańcuchu pokarmowym organizmów. Ponieważ każde następne przejście z jednego ogniwa do następnego powoduje bardzo dużą stratę materii, więc w obliczu kryzysu klimatycznego warto w jak największym stopniu wykorzystać pierwsze ogniwo. Bardzo dobrze, że jest coraz więcej zwolenników konsumowania różnych gatunków glonów. Przykładem do naśladowania są kraje w Azji Wschodniej. Produkuje się z nich paszę dla zwierząt, jako suplementy diety, kosmetyki i barwniki. W wielu krajach na dużą skalę wytwarza się olej z glonów z przeznaczeniem jako paliwo do silników [Khan i in. 2009]. Jednak obecnie ten kierunek wykorzystania glonów wymaga weryfikacji, ponieważ najważniejszym zagadnieniem jest zmniejszenie emisji dwutlenku węgla. Produkcja biooleju z glonów powoduje duże nakłady energetyczne, a jednocześnie stosując ten nośnik energii w silnikach spalinowych wytwarzamy ponownie dwutlenek węgla. Należy podkreślić, że niekontrolowany rozwój glonów w środowisku naturalnym stwarza również wiele problemów. Na przykład masowy rozwój fitoplanktonu w wodach powierzchniowych pogarsza jakość wody i z punktu widzenia systemów zaopatrzenia w wodę niemożliwe jest spełnienie podstawowego celu w Planach Bezpieczeństwa Wody, jakim jest dostarczenie konsumentom wody o odpowiedniej jakości zdrowotnej [Kapuścińska 2017]. Są także przykłady pozytywnej roli glonów przy oczyszczaniu wody [Patent US. 4333263. 1982,]. Dotyczy to także oczyszczania ścieków.

W ubiegłym wieku bardzo popularnymi obiektami do oczyszczania ścieków były stawy, w których rozwijały się glony. Bardzo często stosowano je, jako urządzenie zabezpieczające odbiornik, do którego odprowadzano ścieki po mechanicznym lub po mechanicznobiologicznym oczyszczeniu [Oswald 1995]. Niestety wymagają one dużych powierzchni, a przy niewłaściwej eksploatacji stają się uciążliwe dla otaczającego środowiska. Obecnie produkcja glonów rozwija się w krajach, gdzie można im zapewnić odpowiednią temperaturę i nasłonecznienie, ponieważ hoduje się je głównie w płytkich zbiornikach, ale o dużych powierzchniach. W Europie instalacje do produkcji biopaliw z glonów znajdują się w Turcji,

Hiszpanii. Niestety w Polsce nie mamy zbyt dobrych warunków klimatycznych, aby stosować duże, otwarte reaktory i dlatego badania prowadzone są w kierunku zastosowania zamkniętych reaktorów.

Przykłady zastosowania glonów do oczyszczania ścieków mleczarskich

Bardzo oryginalna nowatorska technologia zastosowania biomasy glonowej do biodegradacji permeatu po ultrafiltracji serwatki została przedstawiona w pracy doktorskiej Sobieckiego [2010]. Autor wykazał, że można wykorzystać biomasę glonów do obniżenia koncentracji związków biogennych zawartych w permeacie serwatkowym. Podał również, że najwyższą efektywność usuwania związków węgla, azotu i fosforu można uzyskać przy natężeniu fali świetlnej 400 i 600 μmoli E/m²s i przy długości fali świetlnej 645 nm. Były to badania nowatorskie i powinny być rozwijane w wykorzystaniu nowej generacji bioreaktorów.

Powstałą biomasę można wykorzystać na przykład w przemyśle farmaceutycznym.

Badania innych autorów dotyczyły możliwości oczyszczania ścieków mleczarskich zarówno ścieków surowych – przed biologicznym oczyszczaniem, po biologicznym oczyszczaniu jak i wstępnie podczyszczanych w reaktorach beztlenowych. Surowe ścieki mleczarskie użyto w hodowli mikroglonów Chlorella sp. [Dziosa i Makowska, 2017]. Autorki zastosowały Ścieki pochodziły z zakładu mleczarskiego z mycia linii technologicznej. Przeprowadzone badania potwierdziły, że możliwa jest hodowla mikroglonów Chlorella sp. z zastosowaniem nieoczyszczonych ścieków mleczarskich, jako podłoża hodowlanego. W czasie trwania eksperymentu uzyskano redukcję substancji biogennych w wysokości: azoty ogólnego o 70%, azotu amonowego o 92% a fosforu ogólnego o 55%. Autorzy innego eksperymentu przeprowadzonego w skali laboratoryjnej zastosowali w celach porównawczych różne substancje, jako pożywki. [Dębowski, Zieliński i Rokicka, 2016]. Porównano ze sobą takie pożywki jak: pożywka na bazie odczynników chemicznych, odciek z reaktora fermentacyjnego oczyszczającego ścieki mleczarskie, modelowe, surowe ścieki mleczarskie spreparowane na bazie mleka w proszku, surowe ścieki mleczarskie pochodzące ze zbiornika wyrównawczego, odciek z reaktora fermentacyjnego oczyszczającego ścieki mleczarskie poddany wstępnej pasteryzacji. Wykazano, że najlepszymi właściwościami pod kątem wykorzystania do produkcji biomasy glonów, charakteryzują się odcieki pochodzące z reaktora beztlenowego oczyszczającego ścieki mleczarskie. Zastosowanie tego rodzaju pożywki pozwoliło na uzyskanie koncentracji biomasy glonów na poziomie 3490 mg s.m./dm³, przy średniej szybkości przyrostu glonów wynoszącej 176 mg s.m./dm³. Średnia zawartość oleju w namnażanej biomasie glonów była bliska wartości 20%.

Bardzo oryginalny eksperyment przeprowadzono przy wykorzystaniu modelowych ścieków mleczarskich sporządzonych na bazie mleka w proszku [Dudek i in.2016]. Ścieki poddano procesowi biodegradacji w instalacji eksploatowanej w skali ułamkowo – technicznej. Oparta ona była na technologii zintegrowanego systemu osadu czynnego i oczyszczania hydrofitowego z wykorzystaniem pałki wodnej (Typha angustifolia). Ścieki, które trafiały do reaktora z glonami, były pozbawione bardzo dużej ilości substancji organicznej.

Przykłady zastosowania glonów do usuwania CO₂ z gazów

Emisja CO₂ do atmosfery jest bardzo ważnym problemem i obniżenie jej wymaga bardzo dobrych rozwiązań technicznych i technologicznych. Jednocześnie ogromny nacisk ludności przede wszystkim w Europie zmusza do szybkich, skutecznych działań. Należy zaznaczyć, że szukano metod zmniejszenia ilości dwutlenku w gazach emitowanych do atmosfery, w tym technologie wykorzystujące właściwości glonów i sinic. Liczne badania potwierdziły możliwość sekwestracji ditlenku węgla przez glony w reaktorach z glonami [Maliga, Składzień i Szymków 2010; Thomas, Mechery i Sytas 2016]. Jednak konwencjonalne metody polegające na wykorzystaniu zbiorników wodnych wymagają bardzo dużych powierzchni terenów, nawet wtedy, gdy zostaną włączone do układu technologicznego dodatkowe urządzenia w postaci fotobioreaktorów. Na przykład badania przeprowadzone w okresie 3 lat w elektrowni opalanej węglem brunatnym w Niemczech w miejscowości Bergheim-Niederaussem potwierdziły, że można uzyskać bardzo dużą sprawność usuwania dwutlenku węgla z gazów, ale jednocześnie podano, że zapotrzebowanie na teren zajęty przez eksperymentalne urządzenia z glonami wynosiło 0,5m² na 1,0 kg CO₂ usuwanego w ciągu roku Rwe’s algae project in BergheimNiederaussem. 2009 “Production of micro-algae using power plant flue gases to bind CO₂.” Nungambakkam High Road 41. W publikacji nie przedstawiono założeń dla obiektów w skali technicznej, ale przyjmując wartości z eksperymentu, przy rocznej emisji 27 mln ton CO₂, zbiorniki z glonami i sinicami zajęłyby powierzchnię wręcz niewyobrażalną bo w wysokości 1350 tys. ha. W podobnym układzie technologicznym przeprowadzono eksperyment w Australii w Malbourne, a oczyszczaniu poddano gazy spalinowe pochodzące z generatorów prądotwórczych zasilanych biogazem z oczyszczalni ścieków [Larsson i Lindblom 2011]. Autorzy badań wykazali, że oczyszczając gazy spalinowe z generatorów prądotwórczych emitujących w ciągu doby 96,4 t CO_2, otwarte zbiorniki z glonami zajmą powierzchnię 75 ha. Jednocześnie należy zaznaczyć, że warunki klimatyczne w Melbourne są bardzo dobre dla takich układów technologicznych. Występuje wyjątkowo dobre nasłonecznienie powierzchni zbiorników a także sprzyjają dobre warunki termiczne powietrza atmosferycznego. Podejmowano również próby zastosowania reaktorów rurowych, opisanych w naukowej literaturze pod nazwą Tubular Photobioreactors. Konstrukcje i prowadzone technologie posiadają zastrzeżenia patentowe na przykład DE 29706379,0; EP 0968273. Głównym elementem tych urządzeń są przezroczyste rury, najczęściej ułożone w poziomie, wewnątrz których znajdują się glony lub sinice zawieszone w roztworze pożywki. Do rur dozowany jest CO₂, natomiast zewnętrzne powierzchnie rur są oświetlane przede wszystkim naturalnym światłem słonecznym. Jednak nawet w niewielkich instalacjach należało zamontować rury o długości od kilkuset metrów do kilkuset kilometrów [Torzillo i Zittelli 2017].

Natomiast całkowicie odmienną w stosunku do znanych rozwiązań konstrukcyjnych jest fotobioreaktor do biosekwestracji CO₂ z unieruchomioną biomasą glonów lub sinic zastrzeżony w Polsce, w Unii Europejskiej oraz w kilku innych krajach [Krzemieniewski M, Zieliński M, Dębowski M 2019 Patent nr 229374 Fotobioreaktor do biosekwestracji C0₂ z unieruchomioną biomasą glonów lub sinic

Wynalazek, dzięki swojej konstrukcji, zakłada uzyskanie bardzo wysokiej koncentracji biomasy glonów czy sinic poprzez jej unieruchomienie w kapsułkach. Rozwiązanie według wynalazku pozwala na skuteczne usuwanie dwutlenku węgla z gazów o wysokim stężeniu CO₂, przy jednoczesnej, mniejszej kubaturze obiektów. Badania zakończono na etapie badań w skali laboratoryjnej. Koncepcję bioreaktora przedstawiono w formie graficznej [Rys. 1].

Rysunek 1. Schemat reaktora z granulowanymi glonami

Urządzenie charakteryzuje się tym, że glony lub sinice są unieruchomione w kapsułkach i mają średnice od 5mm do 40mm. Leżą swobodnie na perforowanym ruszcie i otoczone są atmosferą gazową. Są okresowo nawilżane i spłukiwane. Jednocześnie każda kapsuła jest od wewnątrz naświetlana. Od źródła światła prowadzi osobny, pojedynczy przewód świetlny zakończony w środku kapsułki.

Urządzeniem, w którym w układzie technologicznym występuje jednocześnie proces biologicznego oczyszczania ścieków przy udziale głównie bakterii tlenowych oraz proces hodowli glonów jest reaktor algaewheel [Patent US. 0230040 A1 2009]. Wykorzystano w nim symbiozę pomiędzy glonami i bakteriami zawartymi w ściekach. Takie konsorcjum bakterii i glonów funkcjonuje, ponieważ organizmy dostarczają sobie niezbędne źródła energii. Bakterie w procesie oddychania wytwarzają CO2, który jest konsumowany, jako substrat w procesie fotosyntezy u glonów. Glony z kolei dostarczają tlen, niezbędny bakteriom do biodegradacji substancji organicznych. Tlen wyprodukowany przez glony w procesie fotosyntezy zmniejsza koszty mechanicznego napowietrzania ścieków. Należy podkreślić, że pierwowzorem konstrukcyjnym dla tego rozwiązania były biologiczne złoża tarczowe, które były także stosowane w Polsce. Jednak największą popularnością cieszyły się w USA.

Zalecane były, jako najlepsze urządzenie do oczyszczania wody z hodowli ryb [Timmons i Ebeling 2010].

Koncepcja konstrukcyjna i technologiczna reaktora do symultanicznej sekwestracji CO₂ i biodegradacji zanieczyszczeń

Autorskie proponowane rozwiązanie w zakresie podstawowych elementów konstrukcyjnych i technologicznych reaktora oparte zostało na założeniu, że praca reaktora powinna zapewnić przede wszystkim wysoką skuteczność usuwania CO₂ z gazów dopływających do reaktora. Jednocześnie nakłady energetyczne niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania reaktora nie mogą być większe od zysków z eksploatacji reaktora. W urządzeniu należy zapewnić prawidłowy rozwój glonom i sinicom przytwierdzonym do powierzchni wypełnienia, szczególnie pod kątem dostarczania odpowiedniej ilości energii świetnej. Przyjęto również, że powinien to być reaktor wielosekcyjny. Pierwsza konstrukcja reaktora, miała wypełnienie w postaci płaskich dysków o średnicy 200mm, wykonanych z przezroczystego plastiku. Dyski ułożono jeden nad drugim w obudowie w postaci plastikowej przezroczystej rury. W każdym dysku znajdował się otwór z króćcem przelewowym o wysokości 5mm. W ten sposób każda półka zawiera warstwę wody z glonami, Pomiędzy pólkami była wolna przestrzeń w wysokości 5mm. Od góry reaktor miał zadaszenie wyposażone w króciec wylotu powietrza i w króciec dozowania pożywki. Natomiast dno zakończono w postaci stożka o wysokości 200mm wykonanego z blachy stalowej. Zamontowano w nim dwa króćce, jeden połączony z pompką recyrkulacyjną pożywki. Drugim króćcem dopływał gaz, który poddawano oczyszczaniu. Dozowany był pompką membranową W ten sposób powietrze atmosferyczne lub jego mieszanina z dwutlenkiem węgla płynęło od dołu do góry, a pożywka w przeciwległym kierunku. Wokół obudowy po jego zewnętrznej stronie umieszczono diody LED tak, aby światło wnikało głównie do wolnych przestrzeni pomiędzy półkami. Zainstalowano diody LED emitujące światło czerwone o całkowitej mocy 20 W Fot.1.

Fot. 1. Reaktor glonowy z poziomymi dyskami

Badania prowadzono w warunkach laboratoryjnych w okresie 24 miesięcy. Dozowano gaz jako mieszaninę gazu, składającego się z powietrza atmosferycznego i CO₂ oraz czystego CO₂. Udział CO₂ w objętości gazu wynosił średnio 4%, 14%, 40% i 100% ale jednocześnie proporcjonalnie do podanych wartości zmniejszano ilości dozowanego gazu. I tak przy udziale CO₂ 4% dozowano 0,279Nm³/d gazu, a przy udziale 100% zmniejszono ilości gazu do 0,011 Nm³/d. Każdy etap rozpoczynał się od wpracowania reaktora i trwał on do momentu, kiedy stwierdzono, że proces stał się stabilny pod kątem usuwania CO₂. W badaniach wykorzystano biomasę glonów i sinic słodkowodnych i słonowodnych z własnych hodowli. Pożywki przygotowywano według receptury CCAP [www.ccap.ac.uk]. W badaniach wykazano, że efekty zmniejszania ilości CO2 w gazach odpływających z reaktora były do siebie zbliżone. Udział CO2 w objętości gazu oczyszczonego wahał się od 1% do 8%. Ponadto stwierdzono, że większe ilości CO2 usuwano im mniejsze ilości gazu dopływało do reaktora i jednocześnie udział CO2 w objętości gazu był większy.

Wyniki badań stanowiły wytyczne do zaprojektowania i wybudowania nowego reaktora.

Jego głównym elementem technicznym i technologicznym były pionowo ustawione płytki jako wypełnienie, na powierzchni których rozwijała się biomasa glonów i sinic (Fot. 2). Odstęp pomiędzy płytkami wynosił 7mm. Nad górnymi krawędziami każdego wypełnienia znajdowała się perforowana płytka, która pozwalała równomiernie rozprowadzić pożywkę na każdą płytkę.

Wypełnienia znajdowały się w czterech pojemnikach (Fot. 3).

Fot. 2. Reaktor glonowy 4-sekcyjny

Fot. 3. Wypełnienie pokryte warstwą glonów

Wypełnienia oświetlane były dwiema świetlówkami, które emitowały światło białe o barwie 6500K. Moc obu świetlówek wynosiła 36W. Gaz dostarczany były pompką membranową i wprowadzany był do ostatniego dolnego pojemnika z wypełnieniem, a odpływał z ostatniego górnego pojemnika z wypełnieniem. Pożywką były ścieki miejskie. Do badań pobierano ścieki z następujących miejsc: odpływające z osadnika wstępnego, po biologicznym oczyszczeniu z osadnika wtórnego oraz odcieki z procesu odwadniania osadów przefermentowanych. Stanowisko badawcze zamontowane było w miejskiej oczyszczalni ścieków, a następnie w miejskiej ciepłowni. W oczyszczalni ścieków oczyszczano gazy spalinowe z generatora prądotwórczego zasilanego biogazem z ZKF oczyszczalni ścieków. Natomiast w miejskiej ciepłowni pobierano gazy spalinowe z kanału odprowadzającego gazy po spalenie węgla kamiennego. Odcinek przewodu doprowadzającego gazy spalinowe w ciepłowni do stanowiska badawczego był długi i w ten sposób obniżono temperaturę gazów. Na podkreślenie zasługuje fakt, że w gazach spalinowych odprowadzanych z generatora prądotwórczego nie zmieniała się zawartość CO₂. W ciągu trzech miesięcy trwania eksperymentu pobrane próbki gazów spalinowych w swojej objętości zawierały 14% CO2.

Parametrem, którego wartości zmieniano w czasie badań, była ilość dozowanych gazów spalinowych. Stwierdzono, że każdy wzrost ilości dozowanych gazów spalinowych powodował wzrost ilości CO₂ w odpływie. Udział objętościowy CO₂ w gazach odprowadzanych z reaktora wynosił 0,5-1,0% podczas przepływu gazu 0,093 Nm³/d, natomiast w czasie przepływu w wysokości 0,650 Nm³/d udział objętościowy CO₂ w gazach odprowadzanych z reaktora wynosił 5,5-7,0%. W miejskiej ciepłowni pożywką były odcieki po filtracji osadów przefermentowanych i były sukcesywnie dowożone z miejskiej oczyszczalni ścieków. Zauważono, że tworzy się konsorcjum błony składającej si e z glonów, sinic i bakterii. Przyrosty biomasy były bardzo duże. Efekty oczyszczania gazów spalinowych były zbliżone do wartości jakie osiągnięto w czasie oczyszczania gazów z agregatu prądotwórczego.

Na podstawie przeprowadzonych badań przy użyciu wymienionych reaktorów oraz badań dodatkowych mających na celu sprawdzenie sposobu dostarczania światła na powierzchnię wypełnień stworzono koncepcję reaktora działającego w skali technicznej. Jest to bioreaktor, który ma obudowę w kształcie prostopadłościanu, a wewnątrz podzielony jest na sekcje przegrodami. W każdej sekcji znajduje się wypełnienie w postaci zawieszonych pionowo elastycznych taśm geosyntetycznych na których rozwijają się glony lub sinice. Nad wypełnieniem pod zadaszeniem obudowy umieszczone są zraszacze pożywki. Na dwóch przeciwległych bokach obudowy zamontowane są urządzenia do naświetlania w postaci odblaskowych płyt z diodami LED i światłowodami wprowadzającymi światło słoneczne. W obudowie urządzenia znajduje się wlot gazów spalinowych, a po przeciwległej stronie znajduje się wylot gazów oczyszczonych. Natomiast w podłodze obudowy urządzenia znajdują się kanały, które połączone są ze zbiornikiem z pożywką i z pompą zespoloną ze zintegrowanym urządzeniem do usuwania nadmiernej biomasy glonowej .

Wymiarując urządzenie przyjęto, że objętość CO₂ w gazach odprowadzanych z bioreaktora jest o 80% mniejsza w stosunku do gazów odprowadzanych z generatorów prądotwórczych. Jednostkowa objętość reaktora w stosunku do ilości wprowadzanych gazów spalinowych w ciągu doby wynosi 0,06 m³ obj. reaktora / m³ gazu. Energia świetlna dostarczana jest diodami led o jednostkowej zainstalowanej mocy w stosunku do objętości reaktora 0,2 kW/ m³ obj. reaktora. Przyjęto również, że zatrzymany w reaktorze CO2 zostanie wbudowany w biomasę glonową, a powstałą biomasę glonową wykorzysta się do dodatkowej produkcji biogazu, który zostanie skierowany do generatorów prądotwórczych. Zaproponowany układ technologiczny będzie generował dodatkowe ilości biogazu, a po spaleniu w generatorach powstaną również dodatkowe ilości CO2, z którego należy wytworzyć dodatkową biomasę glonową. Większe ilości wytworzonego biogazu powodują, że jednostkowa objętość reaktora w stosunku do ilości wprowadzanych gazów spalinowych w ciągu doby musi ulec zwiększeniu z 0,06 m³ obj. reaktora / m³ gazu do 0,08 m³ obj. reaktora / m³ gazu. Opierając się na dotychczas przeprowadzonych eksperymentach przyjęto w założeniach, że temperatura wewnątrz reaktora nie powinna przekraczać 35^°C. Należy przyjąć, że w przyszłości wykorzysta się inne glony, które dobrze rozwijają się w wyższych temperaturach nawet w 55^°C. Wtedy problem obniżania

temperatury gazów spalinowych będzie łatwiejszy do rozwiązania. W przykładzie wymiarowania reaktora wykazano, że jeżeli ilość biogazu powstająca w komorze fermentacyjnej wynosi 1000m³/d, to objętość reaktora po uwzględnieniu dodatkowych ilości biogazu wyniesie 80m³. Natomiast moc zainstalowanych diod LED 16 kW. Należy podkreślić, że istotnym elementem w proponowanym reaktorze jest dostarczanie odpowiedniej ilości pożywki w postaci ścieków. Im większa są ilości dozowanych ścieków, tym sprawniejszy będzie proces usuwania dwutlenku węgla. Nowe porcje dopływających ścieków przyczynią się do obniżenia zawartości tlenu wytwarzanego przez glony. Jest to ważne szczególnie w ostatnich sekcjach reaktora kiedy w oczyszczanym gazie ilości dwutlenku węgla są małe, natomiast znacząco zwiększy się koncentracja tlenu. Przyjęto, że reaktor powinien być zasilany nową porcją ścieków w ilości 0,5m³/ 1m³ biogazu. Obniżenie zanieczyszczeń w dozowanych ściekach w dużym stopniu zależy od ilości wprowadzanych ścieków, od koncentracji zanieczyszczeń. Dla tak podanej proporcji pomiędzy dozowanymi ściekami a ilością biogazu można uzyskać obniżenie związków węgla w wysokości 40%, fosforu w wysokości 55%, a związków azotu 60%.

Podsumowanie

W związku z wysokim poziomem emisji CO₂ na świecie, poszukiwane są efektywne metody redukcji szkodliwych gazów wydzielanych w wyniku działalności człowieka. Jeden ze sposobów zakłada wykorzystanie glonów, które w procesie fotosyntezy przy udziale światła przekształcają dwutlenek węgla w związki organiczne. Według tej zasady skonstruowano fotobioreaktor do przemysłowej biosekwestracji1 dwutlenku węgla (ditlenku węgla) z unieruchomioną biomasą glonów lub sinic. Urządzenie może być stosowane w obiektach przemysłowych poprzez doprowadzenie do niego gazów bogatych w dwutlenek węgla. Jednocześnie przyjęto, że pożywką dla glonów i sinic mogą być różne ścieki, szczególnie te, które zawierają duże ilości dostępnych związków biogennych. Jest to fotobioreaktor zamknięty pozwalający w pełni kontrolować hodowlę glonów lub sinic. Regulacji podlega stężenie światła, czas naświetlania, temperatura, wartość odczynu, czystość hodowli oraz czas życia wybranego szczepu glonów. W przeprowadzonych eksperymentach korzystano z glonów z własnej hodowli, którą pozyskiwano z powierzchni obudowy innych reaktorów, które rozwijały się w środowisku mającym temperaturę około 30⁰C. Oznacza to, że w przyszłości kiedy zastosuje się szczepy glonów i sinic tolerujących wyższe temperatury dopływającego gazu, będą mogły dopływać gazy o temperaturze sięgającej 55⁰C. Powinno się w ten sposób zmniejszyć koszty eksploatacyjne oraz powinno uzyskać się wyższe sprawności procesu sekwestracji dwutlenku węgla. Należy jednoznacznie podkreślić inne korzyści jak odzyskanie związków biogennych ze ścieków, obniżenie koncentracji zanieczyszczeń w ściekach i ich dodatkowe natlenienie tlenem dostarczanym przez glony.

Literatura:

1. Dębowski M., Zieliński M., Rokicka M., Produkcja Biomasy Mikroglonów na Bazie

Ścieków Pochodzących Z Przemysłu Mleczarskiego. Inżynieria Ekologiczna Ecological Engineering Vol. 47, May 2016, p. 54 –59 DOI: 10.12912/23920629/62847.

2. Dudek M., Dębowski M., Zieliński M., Nowicka A., Możliwość Wykorzystania Ścieków

Do Produkcji Biomasy Glonów Platymonas Subcordiformis. Inżynieria Ekologiczna Ecological Engineering Vol. 48, June 2016, p. 45–51.

3. Dziosa K., Makowska M., Zastosowanie Surowych Ścieków Mleczarskich Jako Pożywki Do Hodowli Mikroalg Chlorella SP. Inżynieria Ekologiczna Ecological Engineering Vol. 18, Iss. 5, Oct. 2017, p. 5–9.
4. https://ec.europa.eu/maritimeaffairs/policy/biotechnology_pl
5. Kapuścińska E. 2017. “Wpływ warunków koagulacji na cechy morfologiczne agregatów organizmów fitoplanktonowych.” Rozprawa doktorska. Politechnika Częstochowska.
6. Khan S.A., Rashmi, Hussain M.Z., Prasad. S. Banerjee U.C. 2009. „Prospects of biodiesel production from microalgae in India.” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13, 2361-2372
7. Krzemieniewski M., Dębowski M., Zieliński M. „Glony jako alternatywa dla lądowych roślin energetycznych.” Czysta energia, Olsztyn 2009, tom 9.
8. Krzemieniewski M., Zieliński M., Dębowski M., 2019, Patent nr 229374 Fotobioreaktor do biosekwestracji C02 z unieruchomioną biomasą glonów lub sinic
9. Larsson M., Lindblom J. 2011. “Algal flue gas sequestration and wastewater treatment: an industrial experiment.”. Praca naukowa, Sztokholm. Szwecja.
10. Maliga M., Składzień J., Szymków J. 2010. „Sekwestracja ditlenku węgla przez mikroalgi.”. Inżynieria i Aparatura Chemiczna 49,4, 46-47.
11. Michael B. Timmons, James M. Ebeling 2010 Recirculating Aquaculture, 3^rd.
12. Oswald W.J. 1995. Ponds in the twenty-first century. Water Science and Technology, 31, 1–8.
13. Patent US. 1982/ 4333263. 1982. “Algal Turf Scrubber.
14. Patent US. 2009/0230040 A1. “Algaewheel Patent US
15. Rwe’s algae project in Bergheim-Niederaussem. 2019, “Production of micro-algae using power plant flue gases to bind CO₂.” Nungambakkam High Road 41.
16. Sobiecki Sz., "Wpływ parametrów fali świetlnej na biodegradację permeatu serwatkowego przez Chlorella pyrenoidosa" – praca doktorska UWM 2010.
17. Thomas D.M., Mechery J., Sytas V.P. 2016. “Carbon dioxide capture strategies from flue gas using microalgae”. Environmental Science and Pollution Research, 23, 16926-16940.
18. Torzillo G., Zittelli. G.Ch. 2017. “Tubular Photobioreactors.”. Microalgae-Based Biofuels and Bioproducts 187-212.
19. ccap.ac.uk