Energy generation from waste gas : Partial denitrification of nitric oxide and nitrous oxide production using hollow-fiber membrane biofilm reactor

Abstract

Sanayileşme, gübre kullanımı ve ulaşım gibi çeşitli kaynaklardan yayılan azot oksit (NOx) emisyonları, çevre üzerinde ciddi olumsuz etkilere neden olmakta ve emisyon miktarlarındaki artışa mukabil daha sıkı kontrol edilmeleri gerekmektedir. Daha düşük emisyon limitleri artan maliyetler nedeniyle aynı anda atık gazdan katma değerli yan ürünler veya enerji yaratan uygun maliyetli uzaklaştırma stratejilerinin geliştirilmesini zaruri kılmaktadır. Bu çalışma, nitrit (NO2?) varlığında içi boş fiber membran biyofilm reaktörü (HFMBfR) ile gaz halindeki nitrik oksitin (NO) kontrol edilmesini ve kısmi denitrifikasyon işlemi sırasında ara ürün olarak oluşan azot oksit (N2O) emisyonlarının değerlendirilmesini amaçlamaktadır. Biriken N2O, enerji üretmek için bir oksidan olarak metan oksidasyonunda kullanılabilir. Çalışmanın ilk aşamasında, HFMBfR, nitrojen kaynağı olarak sadece NO gazı beslenerek çalıştırılmış ve en fazla %92'lik bir NO giderim verimi elde edilmiştir. İkinci aşamada sisteme hem NO hem de NO2? beslemesi yapılmış ve maksimum 386±31 ppm N2O üretimi ile eş zamanlı olarak %91 NO ve %99 NO2? azaltımı sağlanmıştır. Daha düşük karbon-azot (C/N) oranları ve daha yüksek NO2?-N yükleme oranı, N2O oluşumunu desteklediği görülmüştür. Ayrıca ortamda fosfat (PO?³?) konsantrasyonunun artırılması ile NO giderim veriminin ve N2O birikiminin arttığı görülmüştür. 16S rDNA metagenomik dizileme analizi, Alicycliphilus denitrificans ve Pseudomonas putida'nın baskın türler olduğunu ortaya çıkarmıştır. Çalışma, HFMBfR'nin hem NO2? hem de gaz NO'yu, aynı anda N2O üretecek şekilde başarıyla giderdiğini ve N2O üretiminin C/N oranı, NO2? ve PO?³? yüklemesi gibi sistem parametrelerini ayarlayarak amaca bağlı olarak kontrol edilebileceğini göstermiştir.Nitrogen oxide (NOx) emissions from various sources such as industrialization, fertilizer use and transportation cause serious adverse effects on the environment and need to be more tightly controlled in response to the increase in emissions. Lower emission limits require the development of cost-effective removal strategies that simultaneously generate value-added by-products or energy from the waste gas due to increased costs. This study aims to control gaseous nitric oxide (NO) by hollow-fiber membrane biofilm reactor (HFMBfR) in the presence of nitrite (NO2?) and evaluate nitrous oxide (N2O) emissions formed as an intermediate product during the partial denitrification process. Accumulated N2O can be utilized in methane oxidation as an oxidant to produce energy. In the first stage of the study, the HFMBfR was operated by feeding NO as the only nitrogen source. During this period, 92% NO removal efficiency was achieved. In the second stage, both NO and NO2? supplied to the system, and 91% NO and 99% NO2? reduction was achieved simultaneously with the maximum N2O generation of 386±31 ppm. Lower carbon to nitrogen (C/N) ratios and higher NO2?-N loading rate favored N2O generation. An improved NO removal rate and N2O accumulation were seen with the increased phosphate (PO?³?) in the medium. The 16S rDNA metagenomic sequencing analysis revealed that Alicycliphilus denitrificans and Pseudomonas putida were the dominant species. The study shows that an HFMBfR can be successfully used to eliminate both NO2? and gaseous NO and simultaneously generate N2O by adjusting the system parameters such as C/N ratio, NO2? and PO?³? loading depending on the intended goal.