CN111704990B - 管池结合式闪光生物反应器***及其微藻生长固碳方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物质能利用技术，旨在提供一种管池结合式闪光生物反应器***及其微藻生长固碳方法。该***包括用于培养微藻的跑道池反应器；在其上方平行布置若干根透光材质的水平横管，水平横管与跑道池反应器的长度方向相互垂直；相邻水平横管的端部之间以弯管相连，组成贯通的水平横管反应器；水平横管反应器的出口端通过管路依次连接跑道池反应器和CO2溶解器，后者出口端通过管路依次连接离心泵和水平横管反应器的入口端；在CO2溶解器中设置气体分布器，气体分布器通过管路连接至CO2气源。本发明能改善跑道池藻液表面的光区与暗区分布，显著强化微藻细胞流动的闪光效应，提高跑道池内部微藻细胞运动的闪光频率，有利于促进微藻光合作用生长固碳。
Description
技术领域
本发明关于生物质能利用技术，特别涉及一种管池结合式闪光生物反应器***及其微藻生长固碳方法。
背景技术
微藻由于生长速度很快、光能利用效率高，生物质具有较高经济价值，故已成为烟气CO2减排和新能源开发领域的前沿研究热点。充分利用微藻捕集燃煤电厂、煤化工厂、工业炉窑等排放烟气中CO2，在降低微藻生产原料成本同时，还能得到富含高价值活性成分的生物质。跑道池反应器作为微藻养殖产业最成功的商业化养殖模式，其设备工艺操作简单并且易于放大，因而在国内外得到了广泛应用。
太阳光线在藻液中的穿透距离十分有限，在跑道池底部的微藻细胞因远离藻液受光表面，故难以得到充足光能进行光合作用。然而当外界环境太阳光照过强时，跑道池藻液表面的微藻细胞因长时间暴露于强光中，使得被迫接收光能超过细胞光合***利用量，从而导致细胞光合作用效率下降。研究人员将光照强度低于一定阈值的反应器区域定义为暗区，反之为光区。研究发现微藻需要在反应器培养液中的光区与暗区之间不断快速变换才能获得更高的光能利用效率和细胞生长速度。故将每秒时间内微藻细胞在光区与暗区之间的变换运动次数称作闪光频率，并通过改良反应器内部结构、优化光区与暗区分布特性能有效提高微藻细胞运动的闪光频率。Yang等在跑道池内部设置了扰流挡板产生漩涡流场，以增强微藻运动的闪光频率提高生长速率，通过反应器结构优化促进气液混合传质使微藻生物质产量提高了22％。但是设置扰流挡板增加了流动阻力降低了藻液流动速度，故有必要开发新型反应器结构来提高闪光频率促进微藻生长固碳。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种管池结合式闪光生物反应器***及其微藻生长固碳方法。
为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种管池结合式闪光生物反应器***，包括用于培养微藻的跑道池反应器；其特征在于，在跑道池反应器上方平行布置若干根透光材质的水平横管，水平横管与跑道池反应器的长度方向相互垂直；相邻水平横管的端部之间以弯管相连，组成贯通的水平横管反应器；水平横管反应器的出口端通过管路依次连接跑道池反应器和CO2溶解器，CO2溶解器的出口端通过管路依次连接离心泵和水平横管反应器的入口端；在CO2溶解器中设置气体分布器，气体分布器通过管路连接至CO2气源。
本发明中，所述水平横管分为1～5层且沿垂直方向重叠布置，每层横管数量为10～1000列；在垂直方向上相邻两管的管壁间距为管径的1～5倍，在水平方向上相邻两管的管壁间距为管径的1～10倍。
本发明中，所述跑道池反应器的数量为3～10个；各跑道池反应器以长度方向相互平行的方式布置，且彼此首尾依次相连；每个跑道池反应器中均设置搅拌桨轮和膜片曝气器。
本发明中，所述搅拌桨轮是不锈钢材质的十字桨轮；膜片曝气器为橡胶材质产品，孔径0.8mm，孔隙率0.85；膜片曝气器通过管路连接CO2气源。
本发明中，所述水平横管的管径为5厘米，水平横管底部与跑道池底部之间的最小距离为2米。
本发明中，所述水平横管是透光率在80％以上的普通玻璃管、钢化玻璃管或高分子塑料管。
本发明进一步提供了利用前述管池结合式闪光生物反应器***实现微藻生长固碳的方法，包括以下步骤：
(1)将微藻培养液接种于CO2溶解器，以***全部水体计算微藻培养液的接种质量比为5～10％；启动离心泵，使藻液进入上层的水平横管反应器中进行光合作用，然后再进入下层的跑道池反应器中继续生长固碳；
(2)将工业烟气CO2同时送入CO2溶解器中的气体分布器，以及跑道池反应器中的膜片曝气器，通过碳酸化反应形成NaHCO3以提高CO2利用效率；控制CO2流量，使其与***全部水体相比的通气速率为0.02～0.1vvm；
(3)藻液在水平横管反应器与跑道池反应器之间循环流动，入射光线在两个反应器中被藻液吸收利用；由于藻液在水平横管反应器中流动时会产生湍流和波浪，入射光线透过上层的水平横管反应器之后，在跑道池反应器的表面形成明暗相间的区域，从而形成闪光效应促进微藻细胞生长；***运行3-5天后，收获生物质。
本发明中，控制整个***的环境温度为10～38℃，水平横管反应器上表面入射光线的光照强度为5000-100000Lux。
本发明中，所述微藻培养液使用的微藻种类是微拟球藻、小球藻或螺旋藻。
本发明中，所述工业烟气CO2是指燃煤电厂排放烟气、煤化工厂尾气或工业炉窑排放烟气，其中的CO2体积浓度为10～99％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、管池结合式闪光生物反应器***明显改善了跑道池藻液表面的光区与暗区分布，显著强化了微藻细胞流动的闪光效应，使得跑道池内部微藻细胞运动的闪光频率提高了12.7％～34.2％，有利于促进微藻光合作用生长固碳。
2、由于管池结合式光反应器包括上层横管和下层跑道池的特殊结构，改善了反应器内部入射光量子的投射区域分布，避免了在反应器内部循环的微藻长时间曝光于过强光照下，有效缓解了强光对微藻细胞产生的光抑制效应。故反应器内部微藻的光***Ⅱ(PSⅡ)的光化学效率(Fv/Fm)提高了5.3％～12.1％，叶绿素a含量提高了11.6％～21.1％，叶绿素b含量提高了6.3％～11.2％，因而使微藻更高效地将光能转化ATP用于藻细胞色素的合成与生物质的积累。由于本反应器***对入射太阳光能采取了两级吸收模式，依次由上层水平横管和下层跑道池对入射光能进行吸收利用，故整体反应器***对土地资源和光能利用率高，使得微藻生长速率提高了21.5％～36.9％，单位占地面积的微藻生物质产量提高了24.8％～41.2％。
附图说明
图1为本发明管池结合式闪光生物反应器***的立体结构图。
图2为另一视角的***立体结构图。
图中的附图标记为：1搅拌桨轮；2跑道池反应器；3膜片曝气器；4CO2溶解器；5气体分布器；6离心泵；7回流管；8连接管；9水平横管反应器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
如图1所示，在跑道池反应器2的长度方向上方，水平横管分为1～5层且沿垂直方向重叠布置(即多层横管在竖直方向上逐层重叠布置构成一列，避免错乱布置导致各列横管在水平方向上的间隙被遮挡)，每层横管数量为10～1000列；在垂直方向上相邻两管的管壁间距为管径的1～5倍，在水平方向上相邻两管的管壁间距为管径的1～10倍。在水平横管长度方向的下方布置3～10个跑道池反应器2，各跑道池反应器2以长度方向相互平行的方式布置，且彼此首尾依次相连；每个跑道池反应器2中均设置搅拌桨轮1和膜片曝气器3。相邻水平横管的端部之间以弯管相连，组成贯通的水平横管反应器9。
故，管池结合式闪光生物反应器***由上层的水平横管反应器9与下层的跑道池反应器2结合而成，两者呈现十字交叉状。水平横管反应器9的出口端通过管路依次连接跑道池反应器2和CO2溶解器4，CO2溶解器4的出口端通过管路依次连接离心泵6和水平横管反应器9的入口端；在CO2溶解器4中设置气体分布器5，气体分布器5通过管路连接至CO2气源。
搅拌桨轮1可选不锈钢材质的十字桨轮；膜片曝气器3为橡胶材质产品，孔径0.8mm，孔隙率0.85；膜片曝气器3通过管路连接CO2气源。水平横管可选透光率在80％以上的普通玻璃管、钢化玻璃管或高分子塑料管。水平横管的管径可选5厘米，水平横管底部与跑道池底部之间的最小距离可选2米。
利用所述管池结合式闪光生物反应器***实现微藻生长固碳的方法，包括以下步骤：
(1)将微藻培养液接种于CO2溶解器，以***全部水体计算微藻培养液的接种质量比为5～10％；启动离心泵，使藻液进入上层的水平横管反应器中进行光合作用，然后再进入下层的跑道池反应器中继续生长固碳；
(2)将工业烟气CO2同时送入CO2溶解器中的气体分布器，以及跑道池反应器中的膜片曝气器，通过碳酸化反应形成NaHCO3以提高CO2利用效率；控制CO2流量，使其与***全部水体相比的通气速率为0.02～0.1vvm；
(3)藻液在水平横管反应器与跑道池反应器之间循环流动，入射光线在两个反应器中被藻液吸收利用；由于藻液在水平横管反应器中流动时会产生湍流和波浪，入射光线透过上层的水平横管反应器之后，在跑道池反应器的表面形成明暗相间的区域，从而形成闪光效应促进微藻细胞生长；***运行3-5天后，收获生物质。
微藻培养液使用的微藻种类可选微拟球藻、小球藻或螺旋藻。工业烟气CO2可选燃煤电厂排放烟气、煤化工厂尾气或工业炉窑排放烟气，其中的CO2体积浓度为10～99％。控制整个***的环境温度为10～38℃，水平横管反应器上表面入射光线的光照强度为5000-100000Lux。
实施例1
管池结合式闪光生物反应器***由上层水平横管与下层跑道池结合而成，并且水平横管与跑道池呈现十字交叉状。在跑道池长度方向的上方布置10列水平横管，在水平横管长度方向的下方布置3个跑道池。水平横管底部与跑道池底部之间的距离为2米。上层水平横管采用垂直堆叠形成多层横管结构，其管径均为5厘米，材质均为透光管材(即透光率在80％以上的高分子管材)。水平横管总层数为1层，在水平方向上相邻两管的管壁间距为管径的10倍。上层水平横管反应器设备包括CO2溶解器、多组水平横管和藻液循环***，其中不锈钢材料制成的CO2溶解器为气液混合装置，其内部气体分布器通过管路连接至CO2气源，该装置是将藻液接种到水平横管的入口；藻液循环***包括离心泵和连接管路，它将水平横管与CO2溶解器密封连接，用于驱动藻液在水平横管与CO2溶解器中的循环流动。下层跑道池反应器设备包括跑道池、搅拌桨轮和气体补给***，其中搅拌桨轮为不锈钢材质的十字桨轮；气体补给***为橡胶材质膜片曝气器与其连接管路，其曝气器孔径为0.8mm，孔隙率为0.85。当入射太阳光垂直照射反应器***时，光线依次被上层水平横管和下层跑道池吸收利用，同时在跑道池表面的藻液流动方向上形成明暗相间的区域，从而形成跑道池内微藻细胞流动时的闪光效应促进微藻细胞生长。
利用管池结合式闪光生物反应器***实现微藻生长固碳的方法，包括以下步骤：将微藻培养液(藻种为微拟球藻)接种于管池结合式闪光生物反应器***的CO2溶解器中，微藻培养液与整个管池结合式反应器中水体的接种质量比为5％。微藻培养液通入CO2溶解器后开启离心泵，将藻液泵入上层多组水平横管式反应器中进行光合作用生长，然后再送入下层跑道池中进行光合作用生长。将工业烟气CO2(来源于燃煤电厂排放烟气，CO2体积浓度为10％)通过CO2溶解器内部的气体分布器送入上层水平横管，同时将工业烟气CO2通过膜片曝气器送入跑道池，控制工业烟气CO2流量与整个管池结合式反应器中水体相比的通气速率为0.02vvm。入射太阳光的光照强度为5000Lux，环境温度为10℃。藻液在上层水平横管与下层跑道池之间循环流动，同时进行光合作用生长3天后收获生物质。
与传统单纯的跑道池反应器相比(上方没有装设水平横管)，采用管池结合式闪光生物反应器***使微藻细胞运动的闪光频率提高了12.7％，光***Ⅱ(PSⅡ)的光化学效率(Fv/Fm)提高了5.3％，藻细胞叶绿素a和叶绿素b含量分别提高了11.6％和6.3％，微藻生长速率提高了21.5％，使单位占地面积的微藻生物质产量提高了24.8％。
实施例2
管池结合式闪光生物反应器***由上层水平横管与下层跑道池结合而成，并且水平横管与跑道池呈现十字交叉状。在跑道池长度方向的上方布置300列水平横管，在水平横管长度方向的下方布置6个跑道池。水平横管底部与跑道池底部之间的距离为2米。上层水平横管采用垂直堆叠形成多层横管结构，其管径均为5厘米，材质均为透光管材(即透光率在80％以上的普通玻璃)。水平横管总层数为2层，在垂直方向上相邻两管的管壁间距为管径的1倍，在水平方向上相邻两管的管壁间距为管径的6倍。上层水平横管反应器设备包括CO2溶解器、多组水平横管和藻液循环***，其中不锈钢材料制成的CO2溶解器为气液混合装置，其内部气体分布器通过管路连接至CO2气源，该装置是将藻液接种到水平横管的入口；藻液循环***包括离心泵和连接管路，它将水平横管与CO2溶解器密封连接，用于驱动藻液在水平横管与CO2溶解器中的循环流动。下层跑道池反应器设备包括跑道池、搅拌桨轮和气体补给***，其中搅拌桨轮为不锈钢材质的十字桨轮；气体补给***为橡胶材质膜片曝气器与其连接管路，其曝气器孔径为0.8mm，孔隙率为0.85。当入射太阳光垂直照射反应器***时，光线依次被上层水平横管和下层跑道池吸收利用，同时在跑道池表面的藻液流动方向上形成明暗相间的区域，从而形成跑道池内微藻细胞流动时的闪光效应促进微藻细胞生长。
利用管池结合式闪光生物反应器***实现微藻生长固碳的方法，包括以下步骤：将微藻培养液(藻种为小球藻)接种于管池结合式闪光生物反应器***的CO2溶解器中，微藻培养液与整个管池结合式反应器中水体的接种质量比为7％。微藻培养液通入CO2溶解器后开启离心泵，将藻液泵入上层多组水平横管式反应器中进行光合作用生长，然后再送入下层跑道池中进行光合作用生长。将工业烟气CO2(来源于工业炉窑排放烟气，CO2体积浓度为30％)通过CO2溶解器内部的气体分布器送入上层水平横管，同时将工业烟气CO2通过膜片曝气器送入跑道池，控制工业烟气CO2流量与整个管池结合式反应器中水体相比的通气速率为0.04vvm。入射太阳光的光照强度为30000Lux，环境温度为25℃。藻液在上层水平横管与下层跑道池之间循环流动，同时进行光合作用生长4天后收获生物质。
与传统单纯的跑道池反应器相比(上方没有装设水平横管)，采用管池结合式闪光生物反应器***使微藻细胞运动的闪光频率提高了23.9％，光***Ⅱ(PSⅡ)的光化学效率(Fv/Fm)提高了8.6％，藻细胞叶绿素a和叶绿素b含量分别提高了14.3％和8.9％，微藻生长速率提高了29.2％，使单位占地面积的微藻生物质产量提高了32.7％。
实施例3
管池结合式闪光生物反应器***由上层水平横管与下层跑道池结合而成，并且水平横管与跑道池呈现十字交叉状。在跑道池长度方向的上方布置1000列水平横管，在水平横管长度方向的下方布置10个跑道池。水平横管底部与跑道池底部之间的距离为2米。上层水平横管采用垂直堆叠形成多层横管结构，其管径均为5厘米，材质均为透光管材(即透光率在80％以上的钢化玻璃)。水平横管总层数为5层，在垂直方向上相邻两管的管壁间距为管径的5倍，在水平方向上相邻两管的管壁间距为管径的1倍。上层水平横管反应器设备包括CO2溶解器、多组水平横管和藻液循环***，其中不锈钢材料制成的CO2溶解器为气液混合装置，其内部气体分布器通过管路连接至CO2气源，该装置是将藻液接种到水平横管的入口；藻液循环***包括离心泵和连接管路，它将水平横管与CO2溶解器密封连接，用于驱动藻液在水平横管与CO2溶解器中的循环流动。下层跑道池反应器设备包括跑道池、搅拌桨轮和气体补给***，其中搅拌桨轮为不锈钢材质的十字桨轮；气体补给***为橡胶材质膜片曝气器与其连接管路，其曝气器孔径为0.8mm，孔隙率为0.85。当入射太阳光垂直照射反应器***时，光线依次被上层水平横管和下层跑道池吸收利用，同时在跑道池表面的藻液流动方向上形成明暗相间的区域，从而形成跑道池内微藻细胞流动时的闪光效应促进微藻细胞生长。
利用管池结合式闪光生物反应器***实现微藻生长固碳的方法，包括以下步骤：将微藻培养液(藻种为螺旋藻)接种于管池结合式闪光生物反应器***的CO2溶解器中，微藻培养液与整个管池结合式反应器中水体的接种质量比为10％。微藻培养液通入CO2溶解器后开启离心泵，将藻液泵入上层多组水平横管式反应器中进行光合作用生长，然后再送入下层跑道池中进行光合作用生长。将工业烟气CO2(来源于煤化工厂排放烟气，CO2体积浓度为99％)通过CO2溶解器内部的气体分布器送入上层水平横管，同时将工业烟气CO2通过膜片曝气器送入跑道池，控制工业烟气CO2流量与整个管池结合式反应器中水体相比的通气速率为0.1vvm。入射太阳光的光照强度为100000Lux，环境温度为38℃。藻液在上层水平横管与下层跑道池之间循环流动，同时进行光合作用生长5天后收获生物质。
与传统单纯的跑道池反应器相比(上方没有装设水平横管)，采用管池结合式闪光生物反应器***使微藻细胞运动的闪光频率提高了34.2％，光***Ⅱ(PSⅡ)的光化学效率(Fv/Fm)提高了12.1％，藻细胞叶绿素a和叶绿素b含量分别提高了21.1％和11.2％，微藻生长速率提高了36.9％，使单位占地面积的微藻生物质产量提高了41.2％。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种管池结合式闪光生物反应器***，包括用于培养微藻的跑道池反应器；其特征在于，在跑道池反应器上方平行布置若干根透光材质的水平横管，水平横管与跑道池反应器的长度方向相互垂直；相邻水平横管的端部之间以弯管相连，组成贯通的水平横管反应器；水平横管反应器的出口端通过管路依次连接跑道池反应器和CO2溶解器，CO2溶解器的出口端通过管路依次连接离心泵和水平横管反应器的入口端；在CO2溶解器中设置气体分布器，气体分布器通过管路连接至CO2气源；
所述水平横管沿垂直方向重叠布置，至少为2层且不超过5层，每层横管数量为10~1000列；多层水平横管在竖直方向上逐层重叠布置构成一列，避免错乱布置导致各列横管在水平方向上的间隙被遮挡；在垂直方向上相邻两管的管壁间距为管径的1~5倍，在水平方向上相邻两管的管壁间距为管径的1~10倍。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述跑道池反应器的数量为3~10个；各跑道池反应器以长度方向相互平行的方式布置，且彼此首尾依次相连；每个跑道池反应器中均设置搅拌桨轮和膜片曝气器。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述搅拌桨轮是不锈钢材质的十字桨轮；膜片曝气器为橡胶材质产品，孔径0.8mm，孔隙率0.85；膜片曝气器通过管路连接CO2气源。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述水平横管的管径为5厘米，水平横管底部与跑道池底部之间的最小距离为2米。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述水平横管是透光率在80%以上的普通玻璃管、钢化玻璃管或高分子塑料管。
6.利用权利要求1所述管池结合式闪光生物反应器***实现微藻生长固碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将微藻培养液接种于CO2溶解器，以***全部水体计算微藻培养液的接种质量比为5~10%；启动离心泵，使藻液进入上层的水平横管反应器中进行光合作用，然后再进入下层的跑道池反应器中继续生长固碳；
（2）将工业烟气CO2同时送入CO2溶解器中的气体分布器，以及跑道池反应器中的膜片曝气器，通过碳酸化反应形成NaHCO3以提高CO2利用效率；控制CO2流量，使其与***全部水体相比的通气速率为0.02～0.1 vvm；
（3）藻液在水平横管反应器与跑道池反应器之间循环流动，入射光线在两个反应器中被藻液吸收利用；由于藻液在水平横管反应器中流动时会产生湍流和波浪，入射光线透过上层的水平横管反应器之后，在跑道池反应器的表面形成明暗相间的区域，从而形成闪光效应促进微藻细胞生长；***运行3-5天后，收获生物质。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，控制整个***的环境温度为10~38℃，水平横管反应器上表面入射光线的光照强度为5000-100000 Lux。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述微藻培养液使用的微藻种类是微拟球藻、小球藻或螺旋藻。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述工业烟气CO2是指燃煤电厂排放烟气、煤化工厂尾气或工业炉窑排放烟气，其中的CO2体积浓度为10~99%。
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