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一种固碳除氧光生物反应器及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于环境保护领域，涉及一种光生物反应器及其应用。该光生物反应器，包括光生物反应器主体(5)、供气装置(20)、溶液参数监测系统(30)和光照装置(14)，还包括曝气系统(40)，所述的曝气系统(40)包括增压泵(1)和曝气器(3)，所述的曝气器(3)位于反应器主体(5)的底部，与置于反应器主体(5)外部的增压泵(1)相连。本发明的光生物反应器的二氧化碳去除效率高，光生物反应器内藻液溶解氧积累少，藻体不易沉淀。

Description

一种固碳除氧光生物反应器及其应用
技术领域
本发明属于环境保护领域，涉及一种光生物反应器及其应用。
背景技术
近些年来，大气层中温室气体浓度不断升高导致全球暖化，带来各种环境问题。二氧化碳占温室气体排放的68％，是温室气体主要组成部分。大气中CO2浓度已从工业化前约280ppm增加到了2005年的379ppm。在未来的30-40年内，二氧化碳浓度将达到540ppm。工业废气中含有高浓度二氧化碳，是排放二氧化碳重点点源。利用微藻的光合作用吸收二氧化碳转化为生物质，并释放氧气。微藻生物质中，含有脂肪酸，蛋白质，维生素等物质，可以用来，生产动物饲料，食品添加剂，生物柴油等高附加值产品。
微培养微藻的光生物反应器有开放式和密闭式两种。常见的开放式光生物反应器主要有跑道池。开放式光生物反应器具有优点是构建简单、成本低廉及操作简便，但是开放式培养过程受光照、温度等自然环境影响较大，并且易被真菌、原生动物和其他藻种污染，同时水分蒸发严重，二氧化碳供给不足，这些因素都将导致藻细胞培养密度偏低、采收成本较高。密闭式光合生物反应器培养条件稳定，可无菌操作，容易进行高密度培养，已成微藻培养的发展方向。密闭式光生物反应器主要具有以下特点比表面积大；光能利用率高；生长参数容易控制，培养环境非常稳定；容易控制污染，能够实现无菌培养；产率较高；二氧化碳利用率较高；但是该类型反应器光合作用强度大并且密闭，导致溶解氧易积累。当藻液中溶解氧含量超过400％，在高光照强度下发生光氧化作用，会损伤藻细胞，抑制微藻光合作用合生长，光生物反应器去除二氧化碳效率降低。因此解决光生物反应器中溶解氧积累，是提高光生物反应器二氧化碳去除效果的关键。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种固碳除氧的光生物反应器及其应用。该反应器可以提高二氧化碳的去除效率和促进光生物反应器藻液内部的溶解氧解析。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种光生物反应器，包括光生物反应器主体、供气装置、溶液参数监测系统、和光照装置，还包括曝气系统，其中，所述的曝气系统包括增压泵和曝气器，所述的曝气器位于反应器主体的底部，与置于光生物反应器主体外部的增压泵相连。
所述的供气装置包括贮气瓶和气体流量计，所述的贮气瓶与气体流量计相连，贮气瓶输出的气体通过气体流量计控制气体流速。
所述的溶液参数监测系统包括二氧化碳电极、pH电极、溶解氧电极、信号转换器和计算机。所述的二氧化碳电、pH电极、溶解氧电极位于光生物反应器主体的顶部，并分别与信号转换器相连，采集溶液中溶解氧，溶解二氧化碳及pH电信号。所述的信号转换器通过串行接口与计算机相连，将电信号转换为数字型号，每隔一分钟记录溶液中参数变化。
所述的增压泵将光生物反应器上部藻液循环打入底部曝气器，藻液与二氧化碳气体在曝气器内部混合，可以达到二氧化碳传质，溶解氧解析，藻液均质混合的目的。
所述的光照装置为荧光灯管或LED灯板，照明装置为光生物生物反应器提供光照。
所述的曝气器通过管路与贮气瓶连接。
所述的增压泵的进水口与排液口相连，其出水口与光生物反应器主体底部的进液口连接。
所述的曝气器与进液口连接。
所述的光生物反应器顶部设有排气口，排放处理后的气体。
或所述的光生物反应器主体的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，呈圆筒状，高径比为6，其内径范围为0.12-0.18m，高为0.7-1.5m。
本发明利用微藻固定烟气中二氧化碳并脱除溶液中溶解氧的应用。
一种利用上述光生物反应器固碳除氧的应用，包括步骤：
(1)将藻液加入到光生物反应器主体中，打开贮气瓶，向反应器主体通气，打开光照装置，对藻液进行光照；同时打开溶液参数监测系统监控固碳除氧过程中的参数；
(2)打开增压泵，藻液在增压泵的循环下，不断打入曝气器，藻液与二氧化碳气体在曝气器内部混合，进行曝气，达到二氧化碳传质，溶解氧解析，藻液均质混合的目的；曝气完毕后，剩余气体通过排气口排放。所述的步骤(2)的光生物反应器的温度为25-30℃。
所述的贮气瓶中二氧化碳浓度为5-15％，其余为氮气。
所述的步骤(1)中藻液为绿球藻的藻液，处于对数生长期，藻液密度为0.5-1.5g/L。
所述的光照强度为70-280μmol/m2/s。
所述的步骤(1)中气体流速为30-120mL/min，气体流速通过气体流量计(8)控制，光照强度为70-280μmol/m2/s，光照时间为12-24h/d。
所述的增压泵(1)的扬程为5-12m，流量3-6m3。
所述的步骤(1)中，打开溶液参数监测系统30是打开信号转换器12和计算机13，通过二氧化碳电极9，pH电极10，溶解氧电极11监测溶液中溶解二氧化碳，pH，溶解氧。
本发明培养微藻固定含有高浓度二氧化碳气体，所公开的固碳除氧光生物反应器具有以下效果和优点。
(1)光生物反应器底部安装曝气器，外部增压泵将光生物反应器上部藻液循环打入底部曝气器，藻液与二氧化碳气体在曝气器内部混合，同时达到二氧化碳传质，溶解氧解析，和溶液均质混合的效果。
(2)藻液经过增压泵循环经过曝气器，气液传质效果好，光生物反应器中溶解氧在维持在较低浓度，避免溶解氧积累，发生光氧化作用。二氧化碳去除率高，适合处理烟气中二氧化碳。
附图说明
图1为本发明实施例的实验装置图。
20供气装置，30溶液参数监测系统，40曝气系统；
1增压泵，2进液口，3曝气器，4排液口，5光生物反应器主体，6排气口，7贮气瓶，8气体流量计，9二氧化碳电极，10pH电极，11溶解氧电极，12信号转换器，13计算机；14光照装置。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种光生物反应器，包括光生物反应器主体5、供气装置20、溶液参数监测系统30、曝气系统40和光照装置14，其中，曝气系统40包括增压泵1和曝气器3，曝气器3位于反应器主体5的底部，与置于反应器主体5外部的增压泵1相连。
供气装置20包括贮气瓶7和气体流量计8，贮气瓶7与气体流量计9相连，贮气瓶7输出的气体通过气体流量计9控制气体流速。
溶液参数监测系统30包括二氧化碳电极9、pH电极10、溶解氧电极11、信号转换器12和计算机13。二氧化碳电极9、pH电极10、溶解氧电极11位于光生物反应器主体5的顶部，并分别与信号转换器12相连，采集溶液中溶解氧，溶解二氧化碳及pH电信号。信号转换器12通过串行接口与计算机13相连，将电信号转换为数字型号，每隔一分钟记录溶液中参数变化。
增压泵1将光生物反应器上部藻液循环打入底部曝气器，藻液与二氧化碳气体在曝气器内部混合，可以达到二氧化碳传质，溶解氧解析，藻液均质混合的目的。
光照装置14为荧光灯管或LED灯板，光照强度范围在70-280μmol/m2/s，照明装置14为光生物生物反应器提供光照。
曝气器3通过管路与贮气瓶7连接。
增压泵1的进水口与排液口4相连，其出水口与光生物反应器主体5底部的进液口2连接。
曝气器3与进液口2连接。
光生物反应器顶部密封，设有排气口6，排放处理后的气体。
光生物反应器主体5由采用聚甲基丙烯酸甲酯材料加工制成，圆筒状，高径比为6，其内径范围为0.12-0.18m，高为0.7-1.5m。
实施例1
(1)用对数生长期的绿球藻作为实验藻种，将密度为1.0g/L的藻液加入到光生物反应器主体5中；打开贮气瓶7，供气装置中气体组分为二氧化碳10％，氮气90％，气体流速为30mL/min；打开光照装置14，对藻液进行光照，光照强度为140μmol/m2/s；同时打开溶液参数监测系统30监控固碳除氧过程中的参数；
(2)打开增压泵1，流量为4m3/h，扬程为8m，藻液在增压泵的循环下，不断打入曝气器3，藻液与二氧化碳气体在曝气器内部混合，可以达到二氧化碳传质，溶解氧解析，藻液均质混合的目的；其中，光生物反应器主体5中藻液温度为25-30℃；在光生物反应器光照期间持续曝气；曝气完毕后，剩余气体通过排气口6排放。
反应器运行时，在线监测装置监测藻液中的参数变化，排气口采集气体样品。测得二氧化碳去除率为87％，藻液中溶解氧为73％。
实施例2
(1)将密度为1.5g/L的藻液加入到光生物反应器主体5中；打开贮气瓶7，供气装置中气体组分为二氧化碳5％，氮气95％，气体流速为100mL/min；打开光照装置14，对藻液进行光照，光照强度为260μmol/m2/s；同时打开溶液参数监测系统30监控固碳除氧过程中的参数；
(2)打开增压泵1，流量为4m3/h，扬程为8m，藻液在增压泵的循环下，不断打入曝气器3，藻液与二氧化碳气体在曝气器内部混合，可以达到二氧化碳传质，溶解氧解析，藻液均质混合的目的；其中，光生物反应器主体5中藻液温度为25-30℃；在光生物反应器光照期间持续曝气；曝气完毕后，剩余气体通过排气口6排放。
反应器运行时，在线监测装置监测藻液中的参数变化，排气口采集气体样品。测得二氧化碳去除率为60％，藻液中溶解氧为53％。
实施例3
(1)将密度为1.0g/L的藻液加入到光生物反应器主体5中；打开贮气瓶7，供气装置中气体组分为二氧化碳15％，氮气85％，气体流速为40mL/min；打开光照装置14，对藻液进行光照，光照强度为200μmol/m2/s；同时打开溶液参数监测系统30监控固碳除氧过程中的参数；
(2)打开增压泵1，流量为4m3/h，扬程为8m，藻液在增压泵的循环下，不断打入曝气器3，藻液与二氧化碳气体在曝气器内部混合，可以达到二氧化碳传质，溶解氧解析，藻液均质混合的目的；其中，光生物反应器主体5中藻液温度为25-30℃；在光生物反应器光照期间持续曝气；曝气完毕后，剩余气体通过排气口6排放。
反应器运行时，在线监测装置监测藻液中的参数变化，排气口采集气体样品。测得二氧化碳去除率为66％，藻液中溶解氧为88％。
实施例4
(1)将密度为0.5g/L的藻液加入到光生物反应器主体5中；打开贮气瓶7，供气装置中气体组分为二氧化碳5％，氮气95％，气体流速为30mL/min；打开光照装置14，对藻液进行光照，光照强度为90μmol/m2/s；同时打开溶液参数监测系统30监控固碳除氧过程中的参数；
(2)打开增压泵1，流量为4m3/h，扬程为8m，藻液在增压泵的循环下，不断打入曝气器3，藻液与二氧化碳气体在曝气器内部混合，可以达到二氧化碳传质，溶解氧解析，藻液均质混合的目的；其中，光生物反应器主体5中藻液温度为25-30℃；在光生物反应器光照期间持续曝气；曝气完毕后，剩余气体通过排气口6排放。
反应器运行时，在线监测装置监测藻液中的参数变化，排气口采集气体样品。监测排气口气体组分变化，二氧化碳去除率为57％，藻液中溶解氧为65％。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光生物反应器，包括光生物反应器主体（5）、供气装置（20）、溶液参数监测系统（30）和光照装置（14），其特征在于：还包括曝气系统（40），所述的曝气系统（40）包括增压泵（1）和曝气器（3），所述的曝气器（3）位于光生物反应器主体（5）的底部，与置于光生物反应器主体（5）外部的增压泵（1）相连；所述的增压泵（1）的扬程为5-12m，流量3-6m3/h；
所述的曝气器（3）通过管路与贮气瓶（7）连接；
所述的增压泵（1）的进水口与排液口（4）相连，其出水口与光生物反应器主体（5）底部的进液口（2）连接；
所述的曝气器(3)与进液口（2）连接；
所述的光生物反应器顶部设有排气口（6）；
所述的光生物反应器主体（5）的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，呈圆筒状，高径比为6，其内径范围为0.12-0.18m,高为0.7-1.5m。
2.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于：所述的供气装置（20）包括贮气瓶（7）和气体流量计（8），所述的贮气瓶（7）与气体流量计（8）相连，贮气瓶（7）输出的气体通过气体流量计（8）控制气体流速。
3.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于：所述的溶液参数监测系统（30）包括二氧化碳电极（9）、pH电极（10）、溶解氧电极（11）、信号转换器（12）和计算机（13），所述的二氧化碳电极（9）、pH电极（10）、溶解氧电极（11）位于光生物反应器主体(5)的顶部，并分别与信号转换器（12）相连；所述的信号转换器（12）通过串行接口与计算机（13）相连。
4.根据权利要求1所述的光生物反应器，其特征在于：所述的光照装置（14）为荧光灯管或LED灯板。
5.一种权利要求1-4中任一所述的光生物反应器固定烟气中二氧化碳并脱除溶液中溶解氧的应用，其特征在于：包含以下步骤：
（1）将藻液加入到光生物反应器主体（5）中，打开贮气瓶（7），向反应器主体通气，打开光照装置（14），对藻液进行光照；同时打开溶液参数监测系统（30）监控固碳除氧过程中的参数；
（2）打开增压泵（1），藻液在增压泵的循环下，不断打入曝气器（3），藻液与二氧化碳气体在曝气器内部混合，进行曝气，曝气完毕后，剩余气体通过排气口（6）排放；所述的增压泵（1）的扬程为5-12m,流量3-6m3/h；
所述的步骤（2）的光生物反应器的温度为25-30℃；
所述的贮气瓶（7）中二氧化碳浓度为5-15%，其余为氮气；
所述的步骤（1）中藻液为绿球藻的藻液，处于对数生长期，藻液密度为0.5-1.5g/L；
所述的步骤（1）中气体流速为30-120mL/min，气体流速通过气体流量计（8）控制，光照强度为70-280μmol/m2/s，光照时间为12-24h/d。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：
所述的步骤（1）中，打开溶液参数监测系统（30）是打开信号转换器（12）和计算机（13），通过二氧化碳电极（9），pH电极（10），溶解氧电极（11）监测溶液中溶解二氧化碳，pH，溶解氧。
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