Användning av alger för att minska utsläpp av CO2 och närsalter – en översikt

Användning av alger i en fotobioreaktor utgör en effektiv och hållbar metodik för en kombinerad CO2-reduktion/fixering från gasutsläpp och närsaltavskiljning från avloppsfraktioner. Metodiken är dock beroende av optimering av en rad olika nyckelparametrar, som behöver inringas och vars synergi återstår att utforska.

Av: Bengt Andersson

Utvecklingen av teknik för minskning av koldioxidutsläpp har varit snabb de senaste 20 åren eftersom koldioxid står för det näst största bidraget till den globala uppvärmningen. Användning av alger i en fotobioreaktor (algal photobioreactor, PBR) för en kombinerad CO₂-reduktion/fixering från gasutsläpp och närsaltavskiljning från avloppsfraktioner erbjuder en rad fördelar över alternativa metoder för CO₂-minskning. Metodiken i sig är hållbar och effektiv och bildad algmassa kan återanvändas i form av biobränsle, djurfoder eller andra högvärdiga produkter som proteiner och fettsyror med ett bra marknadsvärde. Teknologin är okomplicerad och processen tål belastningsförändringar och är fullt skalbar.

Refererad studie utgör en genomgång av senare litteratur. Det ojämförligt största antalet litteraturreferenser belyser användning av alger för minskning av näringsämnen som fosfat, nitrat och ammonium. Studier finns sedan 1970-talet, som indikerar att PBR är ett ekonomiskt och hållbart alternativ för att minska eutrofieringen. Applikation av PBR för CO₂-reduktion/fixering är ett relativt nytt område, som på allvar började publiceras först i slutet av 1990-talet. Intresset för en kombinerad avskiljning av CO₂ och närsalter har varit begränsat men antalet litteraturreferenser har ökat kraftigt sedan 2007. Det finns även ett stort antal referenser som fokuserat på produktion av biobränsle och andra högvärdiga produkter men detta ämnesområde ligger utanför denna översikt.

Sammanfattning av litteraturgenomgången

Många av de publicerade studierna har utförts i liten skala i enkla laboratoriereaktorer med en volym av några 100 ml, med egenheten att endast en liten del av CO₂ avskilts. Fixering av CO₂ är beroende av masstransporten av CO₂ från gasfas till vätskefas och av CO₂-upptaget av algerna. Dessa faktorer är en funktion av ett stort antal variabler, som inte alltid har beaktats eller funnits med i individuella experimentella studier. Studier, där massbalanser har upprättats, visar att den största delen av CO₂-upptaget upptas av algceller och att CO₂-upptaget generellt bestäms av produktionen av biomassa i stökiometriskt förhållande. Studier i större skala har också visat att en CO₂-fixering av mellan 80 och 90 % kan uppnås.

PBR-teknologi erbjuder en utmärkt möjlighet för en kombinerad närsaltavskiljning från avloppsfraktioner och koldioxidavskiljning/fixering från gasutsläpp. Olika reaktorteknologier har utvecklats både i form av öppna och slutna system med olika uppbyggnad och med en generell trend till ökad prestanda vid en ökad komplexitet i design.

Med en genomsnittlig tillväxthastighet för algmassan av omkring 0,5 g/l/d och en halt biomassa normalt lägre än 1 g/l erfordras en uppehållstid av drygt 4 timmar för en fullständig CO₂-fixering av ett gasflöde med 10 % CO₂. En hydraulisk uppehållstid av mellan 2 och 5 dygn erfordras för att uppnå en närsaltavskiljning av 80 % i en högbelastad PBR.

Den kombinerade processen för CO₂-fixering och närsaltavskiljning bygger på att belastningen av koldioxid och närsalter från två olika procesströmmar, som båda innehåller både kol och närsalter, kan balanseras för att säkerställa biologin i systemet. En optimering av processen baserat på CO₂-avskiljning och tillväxt av biomassa behöver inte överensstämma med en optimering av närsaltavskiljningen. En minskad uppehållstid har t.ex. visat att CO₂-fixeringen ökar medan avskiljningen av närsalter minskar.

Det föreligger en tydlig påverkan av artbildningen av alger på systemets prestanda, vilket avspeglas i en stor variation i uppnått resultat för CO₂-fixering och närsaltavskiljning. Många studier har baserats på alger av Chlorella-släktet på grund av en hög tillväxthastighet (upp till 1,2 g/l/d under optimala förhållanden) och dess förmåga att assimilera CO₂ vid ganska höga koncentrationer (upp till 100 %). Bestämning av tillväxthastighet för en rad olika algsläkten har utförts i laboratorieskala med uppmuntrande resultat för identifierade algarter men uppföljningar genom studier i pilot- och demonstrationsskala saknas.

Processen i sig drivs av ljus, vars intensitet även påverkar effektiviteten och där en tredubbling av ljusintensiteten gav en 70 – 90 % -ig ökning av tillväxthastigheten och 35 – 45 % -ig ökning av CO₂-upptaget. Den kvantitativa påverkan av ljusintensiteten är emellertid starkt beroende av algsläkte samt pH och temperatur.

Det finns synergistiska nyckelsamband mellan flera parametrar för processutformning och driftparametrar (principiellt algfamilj, C: N: P belastning och balans, uppehållstid för CO₂ och vätska, ljusintensitet och -kvalitet, temperatur och reaktorutformning), som utgör en stor utmaning vid styrning och kontroll av processen och som återstår att undersökas. Systemets komplexitet innebär att utnyttjande av statistisk försöksplanering erfordras, där alla nyckelparametrar kan inringas och deras synergier kan värderas för optimering av systemet.

En jämförelse av närsaltreduktionen i en PBR och i en konventionell process för biologisk närsaltavskiljning (BNR) visar att uppehållstiden är väsentligt längre, att hastigheten är upp till 15 gånger lägre och avskiljningsgraden mer varierande samt att bassängdjupet är mindre  och halten biomassa är lägre, vilket kräver ett större arealbehov för PBR. Å andra sidan erfordrar PBR väsentligt mindre energi, tar upp och fixerar koldioxid och skapar en produkt av algmassa som kan utnyttjas för återvinning i form av högvärdiga produkter, som kan uppväga den lägre prestandan.

 Slutsatser

Litteraturgenomgången visade

Källa: S. Judd, L.J.P. van den Broeke, M. Shurair, Y. Kuti, H. Znad. Algal remediation of CO₂ and nutrient discharges: A review. Water Research 87 (2015) pp 356 – 366.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.