CN113755325B - 基于N/S-CQDs内置光源的微藻培养与分离装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于N/S‑CQDs内置光源的微藻培养与分离装置，包括：柱形壳体、锥形壳体、回流装置和进料箱；柱形壳体镶嵌有机玻璃管，所述有机玻璃管内设置灯管，所述灯管至少一部分位于柱形壳体内，且灯管***安装盛装N/S‑CQDs溶液的套管；进料箱设在柱形壳体上部并与柱形壳体连通，柱形壳体下端连接上大下小的锥形壳体；柱形壳体和锥形壳体内壁设置从上到下连通的螺旋导流槽，用于藻水分离；回流装置连通进料箱和锥形壳体下的收缩口。优点：将N/S‑CQDs的光致发光效应和微藻培养技术耦合，克服了传统微藻光生物反应器光利用率低的缺陷，提高了生物量产率；实现了废弃秸秆资源化利用和温室气体减排的双重目的。

Description

基于N/S-CQDs内置光源的微藻培养与分离装置
技术领域
本发明涉及一种基于N/S-CQDs内置光源的微藻培养与分离装置，属于污水资源化处理技术领域。
背景技术
目前，将微藻应用于污水处理已经得到业内人士的广泛关注，用微藻处理污水不仅可以有效去除污水中的氮磷等营养物质，还可以通过收集回收氮磷等营养物质资源化后的微藻进行生物质能生产。微藻的生长和氮磷等营养物质的去除效率严重受光照的影响，其中光波长是光照的一个重要参数，对微藻的生长具有重要的调控作用，特定波长会影响微藻的生长和细胞生理指标。有研究表明，在蓝光和红光之间（500～600nm），微藻细胞生物量积累速率更高，因此微藻对普通光源的光利用不完全会导致微藻培养效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于N/S-CQDs内置光源的微藻培养与分离装置。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于N/S-CQDs内置光源的微藻培养与分离装置，包括：柱形壳体、锥形壳体、回流装置和进料箱；
其中，柱形壳体镶嵌有机玻璃管，所述机玻璃管内设置有灯管，所述灯管至少一部分位于柱形壳体内，且灯管***安装盛装N/S-CQDs溶液的套管；
进料箱设在柱形壳体上部并与柱形壳体连通，柱形壳体下端连接上大下小的锥形壳体；
柱形壳体和锥形壳体内壁设置从上到下连通的螺旋导流槽，用于使从进料箱导入的混合水流螺旋向下流动，进行藻水分离；
回流装置连通进料箱和锥形壳体的下端口。
进一步的，所述柱形壳体的进料口方向为沿柱形箱体切线的方向。
进一步的，所述螺旋导流槽为向下的凹陷螺纹.
进一步的，所述柱形壳体上部中间用一层底板封死，底板中央***溢流管。
进一步的，所述溢流管顶部设有滤网。
进一步的，所述柱形壳体镶嵌的有机玻璃管设置于柱形壳体的螺旋导流槽的间隙中，所述有机玻璃管内部设置一通电灯管。
进一步的，所述N/S-CQDs为利用水热法以天然生物质纤维素作为碳前体结合氮硫杂原子掺杂的光调控策略制备的CQDs。
进一步的，所述锥形壳体底部连接出料口，所述出料口设置出料感应阀，用于当出料口的藻溶液浓度达到设置值后自动开阀出料。
进一步的，所述回流装置包括回流泵和回流管，所述回流管出口连接进料箱，未达到所述设置值的藻溶液由回流泵控制通过回流管进入进料箱，再通过进料箱重新流入柱形壳体。
进一步的，所述进料箱设有进水口、进料口、进气管、回流进料口和回流出料口，所述进气管的出口位于柱形壳体的进料口，所述回流进料口与锥形壳体的下端收缩口通过回流装置连通，所述回流出料口与柱形壳体的进料口连通。
本发明所达到的有益效果：
本发明以N/S-CQDs和微藻为主体，具有提高微藻光源利用率的培养方法，通过秸秆基CQDs制备技术与微藻培养技术的协同作用，在有效利用废弃秸秆制备N/S-CQDs的同时，将灯管结合N/S-CQDs作为微藻培养光源实现对污水中碳氮磷等营养物质的同步回收。本发明将N/S-CQDs的光致发光效应和微藻培养技术耦合，一方面克服了普通微藻培养装置光源利用效率低下的缺陷，另一方面也通过利用废弃秸秆制备N/S-CQDs作为光源和CO2作为反应气体，达到了废弃秸秆回收、减少电能消耗和回收温室气体的目的。最后，通过回收利用碳氮磷等营养物质培养的微藻可用于获取生物质能。整体上可以实现“低能耗、高功效”的污水处理目的。
附图说明
图1为本发明实施例结构示意图；
图中附图标记的含义：图中，1.柱形壳体，2.有机玻璃管，3.锥形壳体，4.回流装置，5.进料箱，6.外涡流，7.内涡流，11.螺旋导流槽，12.溢流管，13.底板，14.溢流口，15.滤网，16.电源箱，21.导线，22.灯管，23.制备好的N/S-CQDs，31.收缩口，32.出料感应阀，41.回流泵，51.进料口，52.进水口，53.进气管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于N/S-CQDs内置光源的微藻高效培养与分离装置，集污水净化、微藻培养和藻水分离于一体，实现污水碳氮磷资源化回收和生物质能生产。其中柱形壳体内壁镶嵌有机玻璃管，该有机玻璃管内设置通电灯管，并盛装制备好的N/S-CQDs，利用N/S-CQDs的光致发光效应，将转化的光作为微藻培养的内置光源；所述灯管利用导线21连接在电源箱16内；其中锥形壳体用于收缩水流，使混合水流形成内旋涡流和外旋涡流，实现藻水分离。
具体结构包括：柱形壳体1、锥形壳体3、回流装置4和进料箱5；
其中，柱形壳体1作为培养箱镶嵌有机玻璃管2，所述机玻璃管2内设置有灯管22，所述灯管22至少一部分位于柱形壳体1内，灯管22内盛装制备好的N/S-CQDs23；
进料箱5设在柱形壳体1上部并与柱形壳体1连通，柱形壳体1下端连接上大下小的锥形壳体3，锥形壳体3的上端直径与柱形壳体1直径一致，锥形壳体3与柱形壳体1下端密封连接；
柱形壳体1和锥形壳体3内壁设置从上到下连通的螺旋导流槽11，用于使从进料箱5导入的混合水（料和水或者回收的藻溶液）流螺旋向下流动，进行藻水分离；
回流装置4连通进料箱5和锥形壳体3的下端收缩口32。
为保证混合液体进入柱形壳体能螺旋向下流动，所述柱形壳体1的进料口方向为沿柱形箱体切线的方向。
为保证进入柱形壳体的混合液体达到螺旋向下的理想效果，所述螺旋导流槽11为向下的凹陷螺纹，实现导流。
为保证内涡流实现溢流效果，所述柱形壳体1上部中间用一层底板13封死，底板13中央***溢流管12。
为了保证微藻从底部锥形出口流出，优化藻水分离效果，所述溢流管12顶部设有滤网15。
为了不影响螺旋导流槽，所述柱形壳体1镶嵌的有机玻璃管2设置于柱形壳体1的螺旋导流槽11的间隙中，所述有机玻璃管2内部设置一通电灯管22，且灯管***安装盛装N/S-CQDs溶液的套管。
所述N/S-CQDs（氮/硫双掺杂碳量子点）为利用水热法以天然生物质纤维素作为碳前体结合氮硫杂原子掺杂的光调控策略制备的CQDs。以水稻秸秆为前驱体利用水热法制备的N/S-CQDs，尺寸均匀，稳定性高，在光至发光的荧光光谱中，发射波长最大值在628nm，最佳激发为510nm。利用该CQDs结合灯管作为微藻培养的光源恰好能提高微藻细胞生物量的积累，能更高效的培养微藻和污水净化。而且利用水稻秸秆制备该种N/S-CQDs结合灯管作为光源培养微藻，可以提高电能的使用效率和有效解决秸秆回收问题，助力碳达峰碳中和目标的实现。
所述锥形壳体1底部连接出料口，所述出料口设置出料感应阀32，用于当出料口的藻溶液浓度达到设置值后自动开阀出料。
所述回流装置4包括回流泵41和回流管，所述回流管出口连接进料箱5，未达到所述设置值的藻溶液由回流泵控制通过回流管进入进料箱5，再通过进料箱5重新流入柱形壳体1。
所述进料箱5设有进水口52、进料口51、进气管53、回流进料口和回流出料口，所述进气管53的出口位于柱形壳体1的进料口，所述回流进料口与锥形壳体3的收缩口32通过回流装置4连通，所述回流出料口与柱形壳体1的进料口连通。
本发明的具体实施过程包括：
如图1所示，先将所述有机玻璃管内填充配置好的N/S-CQDs，将污水和10%的藻种液分别从进水口和进料口经进料箱进入柱形锥体内，同时从进气管导入CO2。
将注入的藻种溶液和污水在进料箱中充分混合，利用通气管通入的CO2，使混合液体沿柱形锥体切线方向快速导入柱形锥体，并借助柱形锥体内壁导流槽使水流形成螺旋向下的外涡流6，在离心力的作用下密度较大的微藻溶液所受离心力越大，高浓度的微藻溶液从混合溶液中分离出沿内壁螺旋导流槽向下旋转进入锥形壳体出口；同时，经离心力分离完的污水处于回旋流中心，且锥形壳体出口大大缩小，导致旋流液体无法及时从底部锥形出口流出，而柱形壳体上部底板中央的溢流管由于旋转水流作用处于低压区，促使旋流中心液体形成向上沿内涡流7的旋转运动，并从溢流口14排出。进一步的，溢流管上部设置一滤网，保证微藻从底部锥形出口流出，优化藻水分离效果。
经锥形壳体底部出口排出的微藻溶液可经回流泵返回至进料箱，循环进入柱形锥体进行培养，直至分离的微藻溶液达到设置的浓度后，由锥形壳体底部的出料感应阀排出，用作生物质能生产。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于N/S-CQDs内置光源的微藻培养与分离装置，其特征在于，包括：柱形壳体、锥形壳体、回流装置和进料箱；
其中，柱形壳体镶嵌有机玻璃管，所述有机玻璃管内设置灯管，所述灯管至少一部分位于柱形壳体内，且灯管***安装盛装N/S-CQDs溶液的套管；
进料箱设在柱形壳体上部并与柱形壳体连通，柱形壳体下端连接上大下小的锥形壳体；
柱形壳体和锥形壳体内壁设置从上到下连通的螺旋导流槽，用于使从进料箱导入的混合水流螺旋向下流动，进行藻水分离；
回流装置连通进料箱和锥形壳体下的收缩口；
所述柱形壳体的进料口方向为沿柱形箱体切线的方向；
所述螺旋导流槽为向下的凹陷螺纹。
2.根据权利要求1所述的基于N/S-CQDs内置光源的微藻培养与分离装置，其特征在于，所述柱形壳体上部中间用一层底板封死，底板中央***溢流管。
3.根据权利要求2所述的基于N/S-CQDs内置光源的微藻培养与分离装置，其特征在于，所述溢流管顶部设有滤网。
4.根据权利要求1所述的基于N/S-CQDs内置光源的微藻培养与分离装置，其特征在于，所述柱形壳体镶嵌的有机玻璃管设置于柱形壳体的螺旋导流槽的间隙中，所述有机玻璃管内部设置一通电灯管。
5.根据权利要求1所述的基于N/S-CQDs内置光源的微藻培养与分离装置，其特征在于，所述N/S-CQDs为利用水热法以天然生物质纤维素作为碳前体结合氮硫杂原子掺杂的光调控策略制备的CQDs。
6.根据权利要求1所述的基于N/S-CQDs内置光源的微藻培养与分离装置，其特征在于，所述锥形壳体底部连接出料口，所述出料口设置出料感应阀，用于当出料口的藻溶液浓度达到设置值后自动开阀出料。
7.根据权利要求6所述的基于N/S-CQDs内置光源的微藻培养与分离装置，其特征在于，所述回流装置包括回流泵和回流管，所述回流管出口连接进料箱，未达到所述设置值的藻溶液由回流泵控制通过回流管进入进料箱，再通过进料箱重新流入柱形壳体。
8.根据权利要求1所述的基于N/S-CQDs内置光源的微藻培养与分离装置，其特征在于，所述进料箱设有进水口、进料口、进气管、回流进料口和回流出料口，所述进气管的出口位于柱形锥体的进料口，所述回流进料口与锥形壳体下的收缩口通过回流装置连通，所述回流出料口与柱形锥体的进料口连通。
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