CN113913277B - 一种螺旋分布微藻固碳反应系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种螺旋分布微藻固碳反应系统及使用方法，包括反应器，反应器包括水源进水口、排气口、导流板、上清液溢流口、反应器出水口、透气膜及保护盖板；所述水源进水口延伸至反应器外部，导流板上端与水源进水口连接，导流板下端与反应器出水口连接，导流板的导流通道中布置有光合反应光源、CO2分配器及CO2喷嘴；所述导流板材料为有藻生物膜，藻生物膜包括基底和设置在基底上的藻类；所述透气膜和保护盖板设置在所述反应器顶部，透气膜上设置有排气口，上清液溢流口一端设置在排气口下方，另一端通过管道延伸至反应器外部。本发明系统提高光照有效接触时间，分区测量控制反应条件等措施，强化了微藻光生物反应器，提高了微藻生产效率。
Description
技术领域
本发明属于微藻类固碳技术领域，本发明的目的在于提供一种螺旋分布微藻固碳反应系统及使用方法。
背景技术
近几十年来，全球变暖问题是众多地球环境问题中最受关注的，二氧化碳(CO2)减排成为全球关注的焦点问题。化学固碳技术是利用吸附材料直接吸附固定或通过添加碱性中和试剂以碳酸盐或碳酸氢盐的形式固定CO2，该方法相对安全且具有永久性，但具有试剂用量大和固碳成本高等缺点。因此，从长远来看生物固碳法是一种经济可行且环境友好的减排技术。微藻固碳作为一种生物固碳技术，是少数具有产业化发展潜力的碳中性技术之一。相对于常规化学捕集法，微藻固碳具有以下优势：1)环境友好性强，不产生二次污染；2)可光合自养，补偿能耗低；3)捕集与利用环节集成，可直接转化为生物质燃料；4)活体繁殖，生产成本低。光合自养过程，即微藻借助叶绿素、利用太阳光作为能量来源、同时捕集CO2，并最终通过光合作用将化学能转化成生物能的能质转化过程，存在“生产效率低”的问题，反应系统庞大，生产总成本过高，阻碍了微藻固碳的规模化发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种螺旋分布微藻固碳反应系统及使用方法。本反应系统通过优化光合反应条件，提高光照有效接触时间，合理分配CO2浓度，自清洁光和反应光源系统，分区测量控制反应条件等措施，强化了微藻光生物反应器，提高了微藻生产效率，同等生产规模下有效缩小了反应系统，大大降低了生产总成本。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种螺旋分布微藻固碳反应系统，包括反应器，反应器包括水源进水口、排气口、导流板、上清液溢流口、反应器出水口、透气膜及保护盖板；
所述水源进水口延伸至反应器外部，导流板上端与水源进水口连接，导流板下端与反应器出水口连接，导流板的导流通道中布置有光合反应光源、CO2分配器及CO2喷嘴；所述导流板材料为有藻生物膜，藻生物膜包括基底和设置在基底上的藻类；
所述透气膜和保护盖板设置在所述反应器顶部，透气膜上设置有排气口，上清液溢流口一端设置在排气口下方，另一端通过管道延伸至反应器外部。
作为本发明的进一步改进，所述导流板呈螺旋状分布。
作为本发明的进一步改进，所述水源进水口沿反应器切圆方向设置。
4.根据权利要求1所述的一种螺旋分布微藻固碳反应系统，其特征在于：所述基底为尼龙或者帆布。
作为本发明的进一步改进，所述导流板中部布置所述光合反应光源；所述CO2分配器布置在导流板中部光合反应光源正下方，CO2喷嘴在CO2分配器正上方分布。
作为本发明的进一步改进，所述导流板上均匀布置有pH测量电极、CO2浓度测量电极，由中央控制器分区测量反应器内各部位pH值、CO2浓度。
作为本发明的进一步改进，所述CO2分配器沿管程均匀布置有多个喷射器，喷射器是由可调节孔径的节流孔组成。
作为本发明的进一步改进，所述光合反应光源包括缸体和挂膜材料，所述挂膜材料设置在缸体的内部。
一种螺旋分布微藻固碳反应系统的使用方法，包括以下步骤：
步骤一、微藻生物膜培养
水源从反应器进水口沿反应器切圆方向进入反应器，同时投加入微藻藻种；开启导流通道中部布置有光合反应光源，开启CO2分配器，往光合作用反应器中投入CO2，开始微藻光合作用培养，反应后的出水从反应器出水口回流至反应器进水口；
步骤二、微藻固碳反应系统光合作用固碳
水源从反应器进水口沿反应器切圆方向进入反应器；开启导流通道中部布置有光合反应光源，开启CO2分配器，往光合作用反应器中投入CO2，开始微藻光合作用固碳，反应后的出水从反应器出水口至板框压滤机回收利用；上清液从溢流口直接排放；
步骤三、CO2浓度调整
在反应器内导流板上均匀布置有pH测量电极、CO2浓度测量电极，由中央控制器分区测量反应器内各部位pH值、CO2浓度；
步骤四、上清液溢流控制
反应器顶部中间位置设有清液溢流排放管，在反应进行时，开启上清液溢流排放管阀门，测量悬浮藻培养液中悬浮藻的浓度。
进一步，步骤一和步骤二中，控制反应器内循环流速0.01m/s，控制光合作用反应器中投入CO2浓度，测量悬浮藻培养液中悬浮藻的浓度，光照强度>6000lux，温度保持25℃，当悬浮藻培养液中悬浮藻的浓度>2000mg/L；
步骤三中，当局部CO2浓度过高或者过低时，调整CO2分配器沿管程均匀布置有CO2喷射器阀门开度大小，当局部CO2浓度过高时，关小CO2喷射器阀门开度；当局部CO2浓度过低时，开大CO2喷射器阀门开度；
步骤四中，控制排除的上清液中悬浮藻的浓度＜20mg/L，当上清液中悬浮藻的浓度＞20mg/L时关小清液溢流排放管阀门开度，维持上清液符合排放要求。
本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
本发明提供了一种螺旋分布微藻固碳反应系统及使用方法，本反应系统通过优化光合反应条件，针对传统式跑道池透光性差，容易在培养池上方形成光区在下部形成暗区，从而使得光照分布不均匀的问题，拟改进微藻光生物反应器强化微藻固碳，提出螺旋式分布生物反应器，加强导流，强化微藻细胞运动传质，设计自清洁光合作用光源系统，提高微藻生长效果。提高光照有效接触时间，合理分配CO2浓度，自清洁光和反应光源系统，分区测量控制反应条件等措施，强化了微藻光生物反应器，提高了微藻生产效率，同等生产规模下有效缩小了反应系统，大大降低了生产总成本，为微藻固碳的规模化发展提供了有利保障。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。在附图中：
图1是本发明实施例提供的用于一种螺旋分布微藻固碳反应系统的主视图；
图2是本发明实施例提供的用于一种螺旋分布微藻固碳反应系统的俯视图；
其中，1、反应器进水口，2、排气口，3、导流板，4、光合反应光源，5、CO2分配器，6、上清液溢流口，7、反应器出水口，8、透气膜，9、保护盖板，10、CO2喷嘴.
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所指的上、下、左、右。
本实施例提供一种螺旋分布微藻固碳反应系统，参阅图1，包括反应器，反应器包括水源进水口1、排气口2、导流板3、上清液溢流口6、反应器出水口7、透气膜8及保护盖板9；
所述水源进水口1延伸至反应器外部，导流板3上端与水源进水口1连接，导流板3下端与反应器出水口7连接，导流板3的导流通道中布置有光合反应光源4、CO2分配器5及CO2喷嘴10；所述导流板3材料为有藻生物膜，藻生物膜包括基底和设置在基底上的藻类；
所述透气膜8和保护盖板9设置在所述反应器顶部，透气膜8上设置有排气口2，上清液溢流口6一端设置在排气口2下方，另一端通过管道延伸至反应器外部。
水源从进水口1沿反应器切圆方向进入反应器，在反应器内沿水流进入方向布置有导流板3，导流板呈螺旋状分布，一直延伸至反应器出口7，导流板3以藻生物膜构成，藻生物膜包括基底和藻类，所述藻类生长在基底表面上，在导流通道中部布置有光合反应光源4，伴随导流板螺旋分布，一直延伸至反应器底部出口，促进藻类光合作用；在光合反应光源下方布置有CO2分配器5，伴随光合反应光源分布，光合反应后脱落的藻类沿水流螺旋下沉至反应器出水口7，然后经压滤机过滤回收，上清液经过上清液溢流口6排放，光合反应后生成的O2及部分尾气经过透气膜8溢出至反应器顶部，经排气口2排出，反应器顶部设置有保护盖板9。
工作原理：
微藻是专性光合作用自养微生物，其光合作用何呼吸作用的强度大大超过同等重量的大型高等植物的代谢总量。碳、氮、磷、钾、钙、镁、硫等元素都是微藻生长的主要营养元素，其中碳是最主要也是最重要的营养元素。微藻从溶于水中的无机碳中获取碳源，然后通过光合作用利用水中的氮、磷、钾、钙、镁、硫其他等营养物质，合成自身细胞物质并释放出O2，以维持藻类的生长繁殖，如此循环往复，实现固碳。
本反应系统通过优化光合反应条件，针对传统式跑道池透光性差，容易在培养池上方形成光区在下部形成暗区，从而使得光照分布不均匀的问题，拟改进微藻光生物反应器强化微藻固碳，提出螺旋式分布生物反应器，加强导流，强化微藻细胞运动传质，设计自清洁光合作用光源系统，提高微藻生长效果。提高光照有效接触时间，合理分配CO2浓度，自清洁光和反应光源系统，分区测量控制反应条件等措施，强化了微藻光生物反应器，提高了微藻生产效率，同等生产规模下有效缩小了反应系统，大大降低了生产总成本，为微藻固碳的规模化发展提供了有利保障。
具体地，水源从反应器切圆方向进入反应器，反应器内沿水流进入方向布置有导流板，导流板螺旋状分布，一直延伸至反应器底部出口，加强导流；以藻生物膜作为导流板进行导流，藻生物膜包括基底和藻类，所述藻类生长在基底表面上；以藻生物膜作为导流板进行导流，藻生物膜包括基底和藻类，所述藻类生长在基底表面上；所述基底为尼龙或者帆布；
CO2分配器布置在导流板中部光合反应光源正下方，伴随光合反应光源螺旋分布；CO2分配器布置在导流板中部光合反应光源正下方，并且CO2喷嘴在CO2分配器正上方分布，随时对光合反应光源进行冲刷清洗。同时由于此处CO2浓度最高，pH值最低，不利于微藻及其他微生物的生长，避免微藻及其他微生物的生长吸附在光合反应光源上影响光传导，从而避免了光效率的下降，具有自清洁作用；
在反应器内导流板上均匀布置有pH测量电极、CO2浓度测量电极，由中央控制器分区测量反应器内各部位pH值、CO2浓度；
CO2分配器沿管程均匀布置有CO2喷射器，喷射器是由可调节孔径的节流孔组成，可根据CO2浓度测试结果灵活调整CO2流量；
反应器顶部中间位置设有清液溢流排放管，底部设置有浓液出水口，浓水流出后进入压滤机，将浓液中的藻类回收利用。反应器内部最上部设置有透气膜，维持反应器内部液体微正压，光合反应生成的氧气以及部分反应尾气可以排除系统。
导流板中部布置有光合反应光源，伴随导流板螺旋分布，一直延伸至反应器底部出口；CO2分配器布置在导流板中部光合反应光源正下方，伴随光合反应光源螺旋分布。CO2分配器布置在导流板中部光合反应光源正下方，并且CO2喷嘴在CO2分配器正上方分布，随时对光合反应光源进行冲刷清洗。同时由于此处CO2浓度最高，pH值最低，不利于微藻及其他微生物的生长，避免微藻及其他微生物的生长吸附在光合反应光源上影响光传导，从而避免了光效率的下降，具有自清洁作用。
围绕CO2气泡在微藻培养液中停留时间较短而造成CO2利用率低，CO2气泡会大量散逸这一问题，在反应器内部最上部设置有透气膜，维持反应器内部液体微正压，有效延长CO2气体停留时间，同时光合反应生成的氧气以及部分反应尾气可以排除系统。
本反应系统通过优化光合反应条件，针对传统式跑道池透光性差，容易在培养池上方形成光区在下部形成暗区，从而使得光照分布不均匀的问题，拟改进微藻光生物反应器强化微藻固碳，提出螺旋式分布生物反应器，加强导流，强化微藻细胞运动传质，设计自清洁光合作用光源系统，提高微藻生长效果。提高光照有效接触时间，合理分配CO2浓度，自清洁光和反应光源系统，分区测量控制反应条件等措施，强化了微藻光生物反应器，提高了微藻生产效率，同等生产规模下有效缩小了反应系统，大大降低了生产总成本，为微藻固碳的规模化发展提供了有利保障。
本发明一种螺旋分布微藻固碳反应系统的使用方法，具体包括以下步骤：
步骤一、微藻生物膜培养
水源从反应器进水口1沿反应器切圆方向进入反应器，同时投加入微藻藻种；
进一步的，所述生物接触光合作用反应器包括缸体和挂膜材料，所述挂膜材料设置在缸体的内部，水源从反应器切圆方向进入反应器，反应器内沿水流进入方向布置有导流板，导流板螺旋状分布，一直延伸至反应器底部出口；以藻生物膜作为导流板进行导流，藻生物膜包括基底和藻类，所述藻类生长在基底表面上；
进一步的，开启导流通道中部布置有光合反应光源4，开启CO2分配器5，往光合作用反应器中投入CO2，开始微藻光合作用培养，反应后的出水从反应器出水口7回流至反应器进水口1。控制反应器内循环流速0.01m/s，控制光合作用反应器中投入CO2浓度，测量悬浮藻培养液中悬浮藻的浓度，光照强度>6000lux，温度保持25℃，当悬浮藻培养液中悬浮藻的浓度>2000mg/L，微藻生物膜培养结束，得到藻生物膜；
步骤二、微藻固碳反应系统光合作用固碳
水源从反应器进水口1沿反应器切圆方向进入反应器；
进一步的，所述生物接触光合作用反应器包括缸体和挂膜材料，所述挂膜材料设置在缸体的内部，水源从反应器切圆方向进入反应器，反应器内沿水流进入方向布置有导流板，导流板螺旋状分布，一直延伸至反应器底部出口；以藻生物膜作为导流板进行导流，藻生物膜包括基底和藻类，所述藻类生长在基底表面上；
进一步的，开启导流通道中部布置有光合反应光源4，开启CO2分配器5，往光合作用反应器中投入CO2，开始微藻光合作用固碳，反应后的出水从反应器出水口7至板框压滤机回收利用。上清液从溢流口6直接排放，控制反应器内循环流速0.01m/s，控制光合作用反应器中投入CO2浓度，测量悬浮藻培养液中悬浮藻的浓度，光照强度>6000lux，温度保持25℃，控制悬浮藻培养液中悬浮藻的浓度>2000mg/L，使CO2在反应器内合成为微藻，从而实现固碳反应。
步骤三、CO2浓度调整
在反应器内导流板上均匀布置有pH测量电极、CO2浓度测量电极，由中央控制器分区测量反应器内各部位pH值、CO2浓度；当局部CO2浓度过高或者过低时，调整CO2分配器沿管程均匀布置有CO2喷射器阀门开度大小，当局部CO2浓度过高时，关小CO2喷射器阀门开度；当局部CO2浓度过低时，开大CO2喷射器阀门开度。
步骤四、上清液溢流控制
反应器顶部中间位置设有清液溢流排放管，在反应进行时，开启上清液溢流排放管阀门，测量悬浮藻培养液中悬浮藻的浓度，控制排除的上清液中悬浮藻的浓度＜20mg/L，当上清液中悬浮藻的浓度＞20mg/L时关小清液溢流排放管阀门开度，维持上清液符合排放要求。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
Claims (8)
1.一种螺旋分布微藻固碳反应系统，其特征在于，包括反应器，反应器包括水源进水口(1)、排气口(2)、导流板(3)、上清液溢流口(6)、反应器出水口(7)、透气膜(8)及保护盖板(9)；
所述水源进水口(1)延伸至反应器外部，导流板(3)上端与水源进水口(1)连接，导流板(3)下端与反应器出水口(7)连接，导流板(3)的导流通道中布置有光合反应光源(4)、CO2分配器(5)及CO2喷嘴(10)；所述导流板(3)材料为有藻生物膜，藻生物膜包括基底和设置在基底上的藻类；
所述透气膜(8)和保护盖板(9)设置在所述反应器顶部，透气膜(8)上设置有排气口(2)，上清液溢流口(6)一端设置在排气口(2)下方，另一端通过管道延伸至反应器外部；
所述的一种螺旋分布微藻固碳反应系统，其特征在于，所述导流板(3)呈螺旋状分布；
所述导流板(3)中部布置所述光合反应光源(4)；所述CO2分配器(5)布置在导流板(3)中部光合反应光源(4)正下方，CO2喷嘴在CO2分配器正上方分布。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋分布微藻固碳反应系统，其特征在于：所述水源进水口(1)沿反应器切圆方向设置。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋分布微藻固碳反应系统，其特征在于：所述基底为尼龙或者帆布。
4.根据权利要求1所述的一种螺旋分布微藻固碳反应系统，其特征在于：所述导流板(3)上均匀布置有pH测量电极、CO2浓度测量电极，由中央控制器分区测量反应器内各部位pH值、CO2浓度。
5.根据权利要求1所述的一种螺旋分布微藻固碳反应系统，其特征在于：所述CO2分配器沿管程均匀布置有多个喷射器，喷射器是由可调节孔径的节流孔组成。
6.根据权利要求1所述的一种螺旋分布微藻固碳反应系统，其特征在于：所述光合反应光源(4)包括缸体和挂膜材料，所述挂膜材料设置在缸体的内部。
7.权利要求5所述的一种螺旋分布微藻固碳反应系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、微藻生物膜培养
水源从水源进水口(1)沿反应器切圆方向进入反应器，同时投加入微藻藻种；开启导流通道中部布置有光合反应光源(4)，开启CO2分配器(5)，往光合作用反应器中投入CO2，开始微藻光合作用培养，反应后的出水从反应器出水口(7)回流至水源进水口(1)；
步骤二、微藻固碳反应系统光合作用固碳
水源从水源进水口(1)沿反应器切圆方向进入反应器；开启导流通道中部布置有光合反应光源(4)，开启CO2分配器(5)，往光合作用反应器中投入CO2，开始微藻光合作用固碳，反应后的出水从反应器出水口(7)至板框压滤机回收利用；上清液从溢流口(6)直接排放；
步骤三、CO2浓度调整
在反应器内导流板上均匀布置有pH测量电极、CO2浓度测量电极，由中央控制器分区测量反应器内各部位pH值、CO2浓度；
步骤四、上清液溢流控制
反应器顶部中间位置设有上清液溢流排放管，在反应进行时，开启上清液溢流排放管阀门，测量悬浮藻培养液中悬浮藻的浓度。
8.根据权利要求7所述的一种螺旋分布微藻固碳反应系统的使用方法，其特征在于，
步骤一和步骤二中，控制反应器内循环流速0.01m/s，控制光合作用反应器中投入CO2浓度，测量悬浮藻培养液中悬浮藻的浓度，光照强度>6000lux，温度保持25℃，控制悬浮藻培养液中悬浮藻的浓度>2000mg/L；
步骤三中，当局部CO2浓度过高或者过低时，调整CO2分配器沿管程均匀布置有CO2喷射器阀门开度大小，当局部CO2浓度过高时，关小CO2喷射器阀门开度；当局部CO2浓度过低时，开大CO2喷射器阀门开度；
步骤四中，控制排除的上清液中悬浮藻的浓度＜20mg/L，当上清液中悬浮藻的浓度＞20mg/L时关小上清液溢流排放管阀门开度，维持上清液符合排放要求。
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