專利名稱：污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)-異養(yǎng)耦合光生物反應器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于污水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自 養(yǎng)-異養(yǎng)耦合光生物反應器。
背景技術(shù)：
大氣中二氧化碳(CO2)濃度從工業(yè)化前的270ppm到目前的380ppm，CO2減排成了 全球關(guān)注的焦點問題，我國政府也高度重視，各行各業(yè)都在努力探索CO2減排新技術(shù)。污水 處理過程中CO2如何減量排放面臨重大挑戰(zhàn)。微藻類與藍細菌(藍藻)能通過利用光子能量進行光合作用將水以及二氧化碳轉(zhuǎn) 化為有機化合物，并具有從環(huán)境中吸收礦物質(zhì)營養(yǎng)素及一些有機物用來進行生長和繁殖的 能力。因此，可將其用于廢水營養(yǎng)素物質(zhì)吸收或者用于廢氣中的二氧化碳生物固定，其繁殖 產(chǎn)生的藻類生物質(zhì)可作為原料用于生物燃料(例如，生物柴油、乙醇或者甲烷)、動物飼料 添加劑、有機肥料等。盡管在技術(shù)上，微藻可用于多種用途，但經(jīng)濟可行是決定因素。因此， 微藻的培養(yǎng)技術(shù)、分離技術(shù)以及后續(xù)的資源化利用技術(shù)都會極大地影響微藻資源化利用及 經(jīng)濟上的可行性。其中，利用有機廢水進行微藻的高密度培養(yǎng)是實現(xiàn)污水資源化利用、污水 處理碳減排及微藻低成本培養(yǎng)和利用的關(guān)鍵，而構(gòu)建適合于微藻生長并具有高光能利用率 及高固碳率的高效光生物反應器(微藻培養(yǎng)反應器)則是實現(xiàn)微藻高密度培養(yǎng)、污水資源 化利用及污水處理碳減排的關(guān)鍵技術(shù)，并對微藻產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本有十分重要的影響。1. 1開放式光生物反應器在微藻培養(yǎng)中應用最多、技術(shù)上最成熟的是開放式光生物反應器，包括水平式及 傾斜式光生物反應器兩種基本類型(AE Richmond&Soeder，1986)。其最突出的優(yōu)點就是構(gòu) 建簡單、成本低廉及操作簡便。最典型、最常用的開放池培養(yǎng)系統(tǒng)是Oswald以(1969)設(shè)計 的跑道池反應器，藻液通過槳輪或者旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動進行混合、循環(huán)流動以提高藻體光能利 用率，目前已經(jīng)放大到我國臺灣省的18萬m2 (生產(chǎn)小球藻)和墨西哥城生產(chǎn)螺旋藻的20萬 m2等地方。自開放式培養(yǎng)系統(tǒng)開發(fā)以來，其總體結(jié)構(gòu)至今仍無太大的變化。由于開放式光 生物反應器存在缺乏溫度、光照控制，混合不充分以及培養(yǎng)液易受空氣傳播的微生物以及 灰塵的污染等問題，致使培養(yǎng)條件不穩(wěn)定，光合效率及固碳效率較低，總體生產(chǎn)力低下(微 藻濃度一般僅為0. 1-0. 5g/L左右)，適用面窄(只適用于螺旋藻、小球藻及鹽藻等少數(shù)微藻 培養(yǎng))。廣大學者普遍認為開放式培養(yǎng)系統(tǒng)的技術(shù)已發(fā)展到了極限，如何滿足微藻生物技術(shù) 迅速發(fā)展的需求，研發(fā)新型光生物反應器成為廣大學者長期努力的目標。1. 2封閉式光生物反應器開放通道的缺點推動了封閉系統(tǒng)的發(fā)展，解決微藻 高密度培養(yǎng)的根本出路在于研 發(fā)高效的封閉式光生物反應器，即由透明管或者容器制成的光生物反應器(A Richmond, 1990 ;Tredici，2004)。1950年，Cook研制出第一臺垂直管狀光生物反應器。目前，封閉式 光生物反應器種類和形式多種多樣，主要有管式、板式和傳統(tǒng)罐式等三種類型光生物反應器.1. 2. 1管式光生物反應器管式光生物反應器一般采用直徑較小的透明硬質(zhì)材料(玻璃或者塑料)彎曲成不 同形狀并連接起來形成的，有水平放置的蛇型管式反應器、雙層排列管式反應器、多支路并 行流管式反應器、a型管式反應器、圓形螺旋盤繞管式反應器等。管狀光生物反應器通常帶 一個氣體交換區(qū)域，于此加入CO2以及營養(yǎng)素，并除去回流液的氧氣，該區(qū)域分別與管道兩 端連接，通過泵或者空氣提升器使得培養(yǎng)液在導管與管道之間循環(huán)(Pirt et al. ,1983 ；A Richmond，Boussiba，Vonshak，&Kopel，1993)。已有的大部分管道光生物反應器存在以下問題①氣體交換困難，在管道中碳源 補充和氧的釋放不能及時進行，大多數(shù)管道式反應器的溶氧水平超過200%，對光合作用和 細胞生長產(chǎn)生極大的抑制。②當采用機械泵來循環(huán)藻液時，剪切力大，易導致嚴重的細胞損 傷(Gudin&Chaum0nt，1991)。大型化后混合更是不均勻，傳質(zhì)效率較差；③在又小又長的直 管中極易形成推流流態(tài)，在斷面上形成良好的混合較困難，由于微藻對光的遮蔽作用，光程 有限，造成反應器內(nèi)的微藻不能充分接收光子，反應器光效率不高；④微藻一旦在管道內(nèi)部 附著生長，清洗麻煩；⑤管狀光生物反應器投資費用及維護成本極高。以上不足限制了其廣 泛應用。1. 2. 2板式光生物反應器板式光生物反應器第一次被描述于Samson以及Leduy (1985年)的文章中，目前 主要有人工光源的板箱式光生物反應器、水平放置的板式光生物反應器、垂直嵌槽板式光 生物反應器、多層平行排列板式光生物反應器、傾斜鼓泡板式光生物反應器等。與管狀系統(tǒng) 相比平板類型的設(shè)計具有以下優(yōu)點①光照比表面積大，設(shè)計中沒有相關(guān)的“黑暗區(qū)域”，提 高了光合作用的生產(chǎn)力；②一般采用通風手段促進培養(yǎng)物的混合以及湍流，氣升式循環(huán)動 力消耗小，對細胞的剪切力及傷害小，混合和傳熱、傳質(zhì)效率良好；③氧氣釋放相對及時，可 大為降低分子態(tài)氧對微藻生長的抑制；④反應器的清洗和維護相對簡單。因此，以平板式反 應器作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢。板箱式反應器結(jié)構(gòu)雖然簡單，但存在反應器放大困難及其他一些不足，主要有① 光源供應及利用效率問題。光照是限制光生物反應器放大和影響微藻高密度培養(yǎng)的最關(guān)鍵 因素之一。當利用外部自然光源時，大部分專利都沒有考慮如何有效地加強藻液在光照方 向的混合，加上表層微藻對光的遮蔽作用，限制了光的利用率和光合作用，進而導致反應器 規(guī)模較小。因此，已有專利多以利用內(nèi)部光源為主以擴大反應器規(guī)模，這增加了運轉(zhuǎn)成本， 比如箱式光生物反應器(美國專利.US005104803A, 1992-01-14)、內(nèi)光源箱式光生物反應 器(美國專利.US2003/0059932A1，2003-03-27)。另一些學者(如 Jorg Degen、李元廣等) 雖通過內(nèi)部添加各種擋板或者導流板達到強化光照方向的混合效果，但這也使得反應器內(nèi) 部加工與清洗變得困難。因此，如何結(jié)合藻液濃度、光強分布、混合方式等因素優(yōu)化反應器 的結(jié)構(gòu)和組成以提高光能(特別是自然光源)利用效率成為設(shè)計光生物反應器的核心；② 供氣問題。由于認為高濃度CO2對微藻有害，現(xiàn)有的技術(shù)基本上以空氣稀釋CO2到一定濃度 后通過供氣裝置進入光生物反應器，同時滿足CO2在藻液中的混合、傳質(zhì)及藻液提升作用， 這帶來困難當供氣裝置采用細孔徑強化CO2傳質(zhì)時，亦強化了氧氣的傳質(zhì)，并使得能耗增 力口。相反，大孔徑的曝氣裝置將使得CO2的吸收和利用率有限。
由于現(xiàn)有的板式反應器放大困難，最大的反應器單元體積不到300L，對于較大規(guī) 模的培養(yǎng)系統(tǒng)都是通過增加反應器單元來實現(xiàn)的，這大大地增加了制造成本。過多的依賴 內(nèi)部光源也大大地增加了運行成本。因此，平板反應器更多時候是處于試驗階段，而沒有被 應用于藻類的工業(yè)化培養(yǎng)。1.2. 3 發(fā)酵罐利用傳統(tǒng)發(fā)酵罐進行微藻異養(yǎng)培養(yǎng)，不受光的限制，生長速度快，單位體積產(chǎn)率 高，生物量大大提高，采用流加等比較成熟的工業(yè)發(fā)酵技術(shù)可望實現(xiàn)高密度培養(yǎng)，便于反應 器放大及自動化控制等優(yōu)勢，但目前僅限于少數(shù)幾種微藻的培養(yǎng)。綜上所述，不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的微藻培養(yǎng)要么是采用光生物反應器進行增長緩慢的 光自養(yǎng)培養(yǎng)，要么是采用發(fā)酵罐進行利用有機物異養(yǎng)培養(yǎng)。而通過在光生物反應器內(nèi)進 行合適比例的光、暗區(qū)設(shè)計和不同碳源的分配，則可在一個反應器內(nèi)實現(xiàn)微藻光自養(yǎng)過 程_異養(yǎng)過程耦合，從而較好地發(fā)揮自養(yǎng)和異養(yǎng)兩種培養(yǎng)方式的長處，利于光生物反應器 的放大和實現(xiàn)微藻高密度低成本培養(yǎng)，并可實現(xiàn)有機廢水資源化利用及污水處理碳減排的 目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明結(jié)合了現(xiàn)有光生物反應器及傳統(tǒng)發(fā)酵罐技術(shù)特點，根據(jù)微藻光自養(yǎng)-異養(yǎng) 固碳反應特點設(shè)計合適光暗區(qū)比例、不同碳源分配及分子氧的分布，從優(yōu)化氣(CO2)-液傳 質(zhì)及提高微藻光能、碳源利用效率等角度出發(fā)，提供一種光比表面積大、光能利用率高、固 碳效率高、藻液混合及循環(huán)狀況好的污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)-異養(yǎng)耦合光生物 反應器。本發(fā)明提出的一種污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)-異養(yǎng)耦合光生物反應器， 反應器整體外形為長梯體形，包括微藻異養(yǎng)區(qū)2、氣液分離室3、微藻光自養(yǎng)區(qū)4、底部回流 區(qū)12及出液區(qū)9 ；其中微藻異養(yǎng)區(qū)2為長方體結(jié)構(gòu)，包括進料管1、空氣擴散裝置13、藻液提升區(qū)14及熱 交換管29，進料管1位于微藻異養(yǎng)區(qū)2的側(cè)面中下部，空氣擴散裝置13位于微藻異養(yǎng)區(qū)2 底部，空氣擴散裝置13連接空氣進氣管及流量控制閥7，藻液提升區(qū)14位于微藻異養(yǎng)區(qū)2 中上部，熱交換管29位于藻液提升區(qū)14中部位置；微藻異養(yǎng)區(qū)2頂部與氣液分離室3連 接，底部與底部回流區(qū)12連接；氣液分離室3為左右對稱的方形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)設(shè)有分配溢流堰16、出液溢流堰17、排 氣管6及取樣觀察孔18，分配溢流堰16對稱分布于左右兩側(cè)，出液溢流堰17垂直布置于 分配溢流堰16 —側(cè)，且高度高于分配溢流堰16，出液溢流堰17另一側(cè)為出液區(qū)9，出流區(qū) 9底部設(shè)有出液管5，出液區(qū)9頂部連接排氣管6，取樣觀察孔18設(shè)于氣液分離室3頂部；微藻光自養(yǎng)區(qū)4呈傾斜四方體，包括向光板11、背光板25、光反應區(qū)31和CO2供 氣裝置15，向光板11位于微藻光自養(yǎng)區(qū)4兩側(cè)外部，分別與水平面成傾斜角度安裝，上端與 氣液分離室3連 接，下端與底部回流區(qū)12連接；背光板25位于微藻光自養(yǎng)區(qū)4兩側(cè)內(nèi)部， 向光板11及背光板25之間的區(qū)域為光反應區(qū)31 ；CO2供氣裝置15鑲嵌于背光板25中部 位置，CO2供氣裝置15 —側(cè)連接CO2進氣管及流量控制閥8 ；微藻光自養(yǎng)區(qū)4與微藻異養(yǎng)區(qū) 2之間設(shè)有分配溢流堰16。
本發(fā)明中，所述CO2供氣裝置15采用平板超濾膜供CO2氣體，CO2供氣裝置15為盒 式結(jié)構(gòu)，按粗不銹鋼網(wǎng)22、平板超濾膜23、粗不銹鋼網(wǎng)22、固定框板21依次疊加的順序組裝 制成膜組件，通過螺絲釘及粘合劑將該膜組件固定于長方形空盒24上。本發(fā)明中，所述CO2供氣裝置15亦可采用中空纖維超濾膜28或者管式微孔曝氣 器替代平板超濾膜。當供氣膜組件為簾式膜時，中空纖維膜28材料可以為聚偏氟乙烯、聚 乙烯、聚丙烯、聚醚砜等已知外壓中空纖維膜。中空纖維膜28 —澆鑄端為開孔澆鑄端26，另 一端為封孔澆鑄端27，澆鑄樹脂采用環(huán)氧樹脂進行封端澆鑄，再使用硅橡膠或聚氨酯等柔 性樹脂對中空纖維膜28根部進行二次澆注，開孔的一端連接CO2氣管及控制閥8。本發(fā)明中，所述微藻異養(yǎng)區(qū)2和微藻光自養(yǎng)區(qū)4的有效容積之比為1 1-1 3。本發(fā)明中，所述放空管10位于底部回流區(qū)12，用于排空藻液的作用。本發(fā)明中，出液區(qū)9為藻液出口區(qū)，與氣液分離室3相連，從氣液分離室3溢流過 來的藻液從出液區(qū)9的出液管5排出。本發(fā)明中，所述空氣擴散裝置13采和穿孔管或曝氣器。本發(fā)明中，所述取樣觀察孔18上方設(shè)有封板20，封板20通過螺釘固定于氣液分離 室3頂部。本發(fā)明中，所述熱交換管9采用蛇形熱交換管。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在1)發(fā)揮微藻光自養(yǎng)-異養(yǎng)固碳反應特點，研發(fā)同時能適用于有機污水處理與CO2 生物固定的光生物反應器，適用于污水處理碳減排。微藻異養(yǎng)區(qū)無需透光材料，利用微藻異 養(yǎng)不需光而可高效利用有機碳的特點促進微藻生長，并消耗光自養(yǎng)階段產(chǎn)生的氧氣，降低 溶解氧對光自養(yǎng)階段的抑制作用，由于不受光的限制，有利于反應器的放大。在光自養(yǎng)階段 通過光反應可彌補異養(yǎng)生長的缺陷，并高效吸收光能、利用co2。2)反應器根據(jù)光生物反應器內(nèi)氣液傳質(zhì)、環(huán)流反應器及光生物反應特點，創(chuàng)新地 采取"CO2供應系統(tǒng)與氣體提升系統(tǒng)分開”的形式，與現(xiàn)有的氣提(升)環(huán)流反應器將CO2與 空氣混合后即要考慮CO2供應及傳質(zhì)又要考慮提升的做法全然不同。具有如下好處①無 需CO2和空氣混合裝置；②可以根據(jù)光反應過程對CO2的需求獨立供應CO2,并可避免空氣 對CO2的吹脫；③采用平板超濾膜(或中空纖維膜)等技術(shù)進行供氣，強化了 CO2傳質(zhì)和吸 收；④空氣只起到推動藻液流動和攪拌的作用，不考慮傳質(zhì)作用，無需采用微細氣泡曝氣技 術(shù)，因此，可以減小阻力損失，動力損耗可以減小。方便改變空氣流量以控制藻液在反應器 內(nèi)的平均循環(huán)時間和流體流動速度，加強了對藻液混合效果的控制，提高了光照利用效率。3)C02分布在接受光源的光自養(yǎng)區(qū)，布氣方向與入射光線平行，即與水流垂直， 強化了藻液在局部斷面上形成在光照射方向上混合，提高了光的利用率，有利于反應器放 大；4)反應器采取一端進液、一端出液，橫斷面為對稱氣升環(huán)流的梯形結(jié)構(gòu)，整體為長 方體形，可實現(xiàn)局部完全混合、整體推流的流態(tài)，從而既保證了混合和傳質(zhì)效果，又提高了 反應效率。5)本發(fā)明加強了氧氣的釋放，降低了分子氧對光生物反應過程的抑制。6)通過向空中延伸來盡可能增加反應 器的光反應區(qū)的光照比表面積，充分利用太 陽光能。設(shè)計的幾何形狀可根據(jù)采光面積的需求來放大和采取不同斷面形式。
7)內(nèi)部構(gòu)件少，易于加工制作，運行維護簡便，加工和運行成本低。8)在反應器內(nèi)無機械裝置，消除了機械攪拌對微藻的剪切破壞作用，大大地增強 了藻體的活力，并有利于后續(xù)的固液分離。


圖1為污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)-異養(yǎng)耦合光生物反應器的主視圖。圖2為污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)-異養(yǎng)耦合光生物反應器的左視圖。圖3為污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)-異養(yǎng)耦合光生物反應器的俯視圖。圖4為平板超濾膜組件制成的CO2供氣裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為內(nèi)置簾式膜CO2供氣裝置的污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)-異養(yǎng)耦合 光生物反應器的主視圖。圖6為內(nèi)置簾式膜CO2供氣裝置的污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)-異養(yǎng)耦合 光生物反應器的左視圖。圖7為簾式膜組件制成的CO2供氣裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為幾種不同氣升環(huán)流光生物反應器的微藻自養(yǎng)區(qū)和微藻異養(yǎng)區(qū)的形式。其 中(a)為微藻異養(yǎng)區(qū)具有內(nèi)環(huán)流的形式，(b)為三角形形式，(c)為直方形形式，(d)為無 內(nèi)部無效空間的形式。圖9為幾種污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)-異養(yǎng)耦合光生物反應器底部的不 同回流區(qū)與異養(yǎng)區(qū)連接樣式圖。其中(a)為幅型連接，(b)為直角型連接，(c)斜型連接。 圖中標號1為進料管，2為微藻異養(yǎng)區(qū)，3為氣液分離室，4為微藻光自養(yǎng)區(qū)，5為出液管，6 為排氣管，7為空氣進氣管及流量控制閥，8為CO2進氣管及流量控制閥，9為出液區(qū)，10為 放空管，11為向光板，12為底部回流區(qū)，13為空氣擴散裝置，14為藻液提升區(qū)，15為CO2供 氣裝置，16為分配溢流堰，17出液溢流堰，18為取樣觀察孔，19為螺絲釘，20為封板，21為 固定框板，22為不銹鋼網(wǎng)，23為平板超濾膜，24為長方形空盒，25為背光板，26為開孔澆鑄 端，27為封孔澆鑄端，28為中空纖維膜，29為蛇形熱交換管，30為檢修維護孔，31為光反應 區(qū)。
具體實施例方式具體說，本發(fā)明提供了一種污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)-異養(yǎng)耦合光生物 反應器，適用于有機污水的處理碳減排及高密度培養(yǎng)多種微藻。下面將結(jié)合附圖來進一步 說明本發(fā)明的污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)-異養(yǎng)耦合光生物反應器的結(jié)構(gòu)及運行 方式。實施例1 如圖1-圖3所示，本發(fā)明提出的污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)-異 養(yǎng)耦合光生物反應器整體外形為長梯形，包括進料管1、微藻異養(yǎng)區(qū)2、氣液分離室3、微藻 光自養(yǎng)區(qū)4、底部回流區(qū)12及出液區(qū)9。圖中反應器的箭頭表示藻液的流動方向。微藻異養(yǎng)區(qū)2為利用進水中的有機物進行微藻異養(yǎng)增長的主反應區(qū)，為長方體形 狀，其頂部與氣液分離室3相連，底部與底部回流區(qū)12連接，包括進料管1、空氣進氣管7、 空氣擴散裝置13、藻液提升區(qū)14及熱交換管29等，熱交換器29采用蛇形熱交換器。首先， 微藻培養(yǎng)營養(yǎng)液(或有機廢水)通過進料管1進入反應器的微藻異養(yǎng)區(qū)2側(cè)面中間下部，接種微藻從反應器頂部的取樣觀察孔18進入反應器內(nèi)，通過位于微藻異養(yǎng)區(qū)2底部空氣擴 散裝置13布入的空氣的提升作用促使藻液混合、上升并實現(xiàn)環(huán)流，所述空氣擴散裝置13可 以采用穿孔管或曝氣器等中任一種，為了減小氣體的阻力損失，應選用孔徑大的曝氣裝置。 為了確保較好供應使液體流動的動力并保證較好的藻液混合和提升效果，空氣擴散裝置13 宜在反應器的底部，并與空氣進氣管及流量控制閥7相連；藻液提升區(qū)14為微藻利用進料 (或有機廢水)中的有機物及營養(yǎng)物質(zhì)進行無光異養(yǎng)培養(yǎng)區(qū)，其外殼材料為不透光材料。微 藻利用異養(yǎng)過程可獲得高濃度微藻，并利用和消耗藻液中的D0，從而降低從頂部流入光生 物反應區(qū)的藻液DO濃度和pH值，降低了藻液高DO對光合作用的抑制作用。在此區(qū)還設(shè)有 蛇形熱交換管29，用于控制反應器的藻液溫度。由于空氣的提升作用，藻液從微藻異養(yǎng)區(qū)2 流向頂部氣液分離室3。本發(fā)明中，氣液分離室3分別與微藻光自養(yǎng)區(qū)4和微藻異養(yǎng)區(qū)2連接，設(shè)在光生物 反應器的頂部，為左右對稱的方形結(jié)構(gòu)，包括分配溢流堰16、出液溢流堰17、排氣管6及取 樣觀察孔18。其中，藻液在氣液分離室3進行氣體釋放，釋放的氣體經(jīng)頂部排氣管6排出， 排氣管6采取濾布封口以防止空氣中的污染物質(zhì)(主要是細菌和藻類等微生物)對藻液的 污染。經(jīng)氣體釋放后的藻液通過左右兩側(cè)的分配溢流堰16平均分配到兩側(cè)微藻光自養(yǎng)區(qū) 4并向下流動；出液溢流堰17高度高于左右兩側(cè)分配溢流堰16并與其垂直，當連續(xù)進水時 藻液從此溢流入出液區(qū)9，并由出液管5排出；取樣觀察孔18亦設(shè)于氣液分離室3頂部，用 于取樣、觀察及微藻接種等。本發(fā)明中，微藻光自養(yǎng)區(qū)4為藻液下降區(qū)，其為四塊板焊接而成的四方體，并與水 平面成傾斜角度設(shè)置，上端與氣液分離室3連接，下端與底部回流區(qū)12連接。微藻光自養(yǎng) 區(qū)4包括向光板11、背光板25、光反應區(qū)、CO2供氣裝置15及檢修維護孔30。其中，向光板 11為具有一定強度的、對光線透明的材料，可以選有機玻璃或聚合物材料；CO2供氣裝置15 采用平板超濾膜23供CO2氣體，其橫向鑲嵌于背光板中部位置，CO2氣體流向與液體流向垂 直，即與入射光線反向，因此，CO2供氣裝置15不僅可為微藻生長供應無機碳源并調(diào)節(jié)藻液 PH值，還可起到均勻布氣、強化氣液傳質(zhì)及加強光照方向的流體混合，提高了 CO2的利用率 和光能利用率；光反應區(qū)為微藻從異養(yǎng)轉(zhuǎn)化為光自養(yǎng)吸收利用CO2進行光合作用的區(qū)域，其 釋放氧氣的同時亦提高了藻液的PH值。隨后藻液經(jīng)底部回流區(qū)12回流至微藻異養(yǎng)區(qū)2，從 而形成氣升環(huán)流流動。在一個較佳的實施方案中，所述微藻光自養(yǎng)區(qū)4的容積宜大于微藻異養(yǎng)區(qū)2的容 積，例如，為光異養(yǎng)區(qū)2的容積1-3倍。同時，從圖8幾種不同氣升環(huán)流光生物反應器的自 養(yǎng)區(qū)和異養(yǎng)區(qū)的樣式圖及圖9幾種光生物反應器底部的不同回流區(qū)與異養(yǎng)區(qū)連接樣式圖， 其中，自養(yǎng)區(qū)和異養(yǎng)區(qū)的樣式可為梯形形式、三角形形式、直方形形式或無內(nèi)部無效空間的 形式，微藻異養(yǎng)區(qū)內(nèi)部亦可設(shè)為內(nèi)環(huán)流的形式；而光生物反應器底部的不同回流區(qū)與異養(yǎng) 區(qū)連接樣式圖可為幅型連接、直角型連接或斜型連接?？梢姳景l(fā)明提出的污水處理碳減排 氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)-異養(yǎng)耦合光生物反應器形狀不限于以上幾種。底部回流區(qū)12與微藻光自養(yǎng)區(qū)4及微藻異養(yǎng)區(qū)2連接，使光生物反應器成為環(huán)流 反應器，其中藻液流速控制為大于0. 3m/s。底部回流區(qū)12與微藻異養(yǎng)區(qū)2連接的方式可以 如圖9所示加工。如圖3所示，在回流區(qū)12底部還安裝有 放空管10，當進行反應器清洗或者反應器運行失敗時候，可以將反應器內(nèi)的液體從此處排放。如圖4所示，本發(fā)明的CO2供氣裝置15采用平板超濾膜23供CO2氣體，CO2供氣 裝置15為盒式結(jié)構(gòu)，按粗不銹鋼網(wǎng)22、平板超濾膜23、粗不銹鋼網(wǎng)22、固定框板21的順序 組裝制成膜組件，通過螺絲釘及粘合劑將膜組件固定在長方形空盒24上形成CO2供氣裝置 15，CO2供氣裝置15 —側(cè)連接CO2氣管及控制閥8。如圖5-6所示，本發(fā)明的CO2供氣裝置15亦可采用中空纖維超濾膜28或者管式微 孔曝氣器替代平板超濾膜。當供氣膜組件為簾式膜時，中空纖維膜28材料可以為聚偏氟乙 烯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚砜等已知外壓中空纖維膜。圖7顯示簾式膜組件制成的CO2供氣裝 置的結(jié)構(gòu)示意圖，簾式膜組件呈平面緊密排布，所包含的膜絲數(shù)約為40-80根。中空纖維膜 28 一澆鑄端為開孔澆鑄端26，另一端為封孔澆鑄端27，澆鑄樹脂采用環(huán)氧樹脂進行封端澆 鑄，再使用硅橡膠或聚氨酯等柔性樹脂對中空纖維膜28根部進行二次澆注，開孔的一端連 接CO2氣管及閥門8。澆鑄端固定在微藻光自養(yǎng)區(qū)4的兩側(cè)板中部，中空纖維膜絲28在微 藻光自養(yǎng)區(qū)4內(nèi)，靠近背光板25，澆鑄端間的膜絲有一定的松弛度，利于膜絲在使用時有適 當幅度的擺動，防止微藻的附著生長。出液管5可與分離系統(tǒng)連接，如與氣浮池連接，實現(xiàn)微藻濃縮，亦可與其他系統(tǒng)連 接。當反應器放大時，需通過鋼支架或其他方式穩(wěn)定和加固反應器，以防止隨著反應 器體積增加和水壓增大所引起的反應器壁面凸起變形等問題。微藻異養(yǎng)區(qū)2主體尺寸為300_X70_X260_ ；進料管1為DWO，距底部35_ ； 空氣進氣管7為DN10-15 ；空氣擴散裝置13長300mm，為DN15的穿孔管，開孔孔徑l_5mm， 孔距3-5mm，距底部17mm。氣液分離室3尺寸為300_X70_X40mm，分配溢流堰16長300mm，距反應器底部 260mm,出液溢流堰17長70mm，距離底部為280mm。出液區(qū)尺寸為70_X50_X70_，出液 管為Dm5。微藻光自養(yǎng)區(qū)4的向光板11為320mmX 300mm，背光板25為230mmX 300mm，二者間距為35mm，并與水平面傾斜角為60°。CO2供氣裝置15的尺寸為300_X30_X30mm，平板超濾膜23尺寸為 300mmX30mm。當采用簾式膜組件制成的CO2供氣裝置15時，每個膜組件膜絲數(shù)約為40-80 根，固定于DN15的管上。CO2供氣裝置15間距為65mm。底部回流區(qū)12的厚度為18mm，底板尺寸為314mmX300mm。放空管10為DN10。
權(quán)利要求
一種污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)-異養(yǎng)耦合光生物反應器，反應器整體外形為長梯體形，包括微藻異養(yǎng)區(qū)(2)、氣液分離室(3)、微藻光自養(yǎng)區(qū)(4)、底部回流區(qū)(12)及出液區(qū)(9)；其特征在于微藻異養(yǎng)區(qū)(2)為長方體結(jié)構(gòu)，包括進料管(1)、空氣擴散裝置(13)、藻液提升區(qū)(14)及熱交換管(29)，進料管(1)位于微藻異養(yǎng)區(qū)(2)的側(cè)面中下部，空氣擴散裝置(13)位于微藻異養(yǎng)區(qū)(2)底部，空氣擴散裝置(13)連接空氣進氣管及流量控制閥(7)，藻液提升區(qū)(14)位于微藻異養(yǎng)區(qū)(2)中上部，熱交換管(29)位于藻液提升區(qū)(14)中部位置；微藻異養(yǎng)區(qū)(2)頂部與氣液分離室(3)連接，底部與底部回流區(qū)(12)連接；氣液分離室(3)為左右對稱的方形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)設(shè)有分配溢流堰(16)、出液溢流堰(17)、排氣管(6)及取樣觀察孔(18)，出液溢流堰(17)垂直布置于配溢流堰(16)一側(cè)，且高度高于分配溢流堰(16)，出液溢流堰(17)另一側(cè)為出液區(qū)(9)，出流區(qū)(9)底部設(shè)有出液管(5)，出液區(qū)(9)頂部連接排氣管(6)，取樣觀察孔(18)設(shè)于氣液分離室(3)頂部；微藻光自養(yǎng)區(qū)(4)呈傾斜四方體，包括向光板(11)、背光板(25)、光反應區(qū)(31)和CO2供氣裝置(15)，向光板(11)位于微藻光自養(yǎng)區(qū)(4)兩側(cè)外部，分別與水平面成傾斜角度安裝，上端與氣液分離室(3)連接，下端與底部回流區(qū)(12)連接；背光板(25)位于微藻光自養(yǎng)區(qū)(4)兩側(cè)內(nèi)部，向光板(11)及背光板(25)之間的區(qū)域為光反應區(qū)(31)；CO2供氣裝置(15)鑲嵌于背光板(25)中部位置，CO2供氣裝置(15)一側(cè)連接CO2進氣管及流量控制閥(8)；微藻光自養(yǎng)區(qū)(4)與微藻異養(yǎng)區(qū)(2)之間設(shè)有分配溢流堰(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)_異養(yǎng)耦合光生物反應 器，其特征在于所述CO2供氣裝置(15)采用平板超濾膜供CO2氣體，CO2供氣裝置(15)為盒 式結(jié)構(gòu)，按粗不銹鋼網(wǎng)(22)、平板超濾膜(23)、粗不銹鋼網(wǎng)(22)、固定框板(21)依次疊加的 順序組裝制成膜組件，通過螺絲釘及粘合劑將該膜組件固定于長方形空盒(24)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)_異養(yǎng)耦合光生物反應 器，其特征在于所述CO2供氣裝置(15)采用中空纖維超濾膜(28)或者管式微孔曝氣器；當 供氣膜組件為簾式膜時，中空纖維膜(28)材料為聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚醚砜中 任一種，中空纖維膜(28) —澆鑄端為開孔澆鑄端(26)，另一端為封孔澆鑄端(27)，澆鑄樹 脂采用環(huán)氧樹脂進行封端澆鑄，再使用硅橡膠或聚氨酯等柔性樹脂對中空纖維膜(28)根 部進行二次澆注，開孔的一端連接CO2氣管及控制閥(8)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)_異養(yǎng)耦合光生物反應 器，其特征在于所述微藻異養(yǎng)區(qū)(2)和微藻光自養(yǎng)區(qū)(4)的有效容積之比為1:1-1: 3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)_異養(yǎng)耦合光生物反應 器，其特征在于所述放空管(10)位于底部回流區(qū)(12)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)_異養(yǎng)耦合光生物反應 器，其特征在于出液區(qū)(9)為藻液出口區(qū)，與氣液分離室(3)相連，從氣液分離室(3)溢流 過來的藻液從出液區(qū)(9)的出液管(5)排出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)_異養(yǎng)耦合光生物反應 器，其特征在于所述空氣擴散裝置(13)采和穿孔管或曝氣器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)_異養(yǎng)耦合光生物反應 器，其特征在于所述取樣觀察孔(18)上方設(shè)有封板(20)，封板(20)通過螺釘固定于氣液分離室3頂部。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)_異養(yǎng)耦合光生物反應 器，其特征在于所述熱交換管(9)采用蛇形熱交換管。
全文摘要
本發(fā)明屬于污水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種污水處理碳減排氣升環(huán)流微藻自養(yǎng)-異養(yǎng)耦合光生物反應器。包括進料管、微藻異養(yǎng)區(qū)、氣液分離室、微藻光自養(yǎng)區(qū)、底部回流區(qū)、放空管及出液區(qū)。本發(fā)明采取二氧化碳供應裝置與空氣提升裝置分開方式，通過平板超濾膜布氣提高了二氧化碳的傳質(zhì)和利用效率，空氣提升裝置只滿足藻液提升和環(huán)流流動要求；通過微藻光自養(yǎng)和異養(yǎng)的耦合，發(fā)揮微藻利用不同碳源的特點，有效解決了封閉管道光生物反應器氧氣釋放難的問題，降低了溶解氧的抑制作用；強化了光自養(yǎng)區(qū)藻液的橫向混合，降低細胞相互遮光帶來不利影響，從而既可充分利用自然太陽光降低培養(yǎng)成本，又顯著提高了光生物反應器的光照利用效率。本發(fā)明具有固碳效率高、微藻培養(yǎng)濃度高、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、反應器放大容易，加工簡單、操作方便、運行及維護成本低等優(yōu)點，適合污水處理碳減排及微藻大規(guī)模低成本的高效培養(yǎng)。
文檔編號C12M1/04GK101838606SQ20091024756
公開日2010年9月22日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者周雪飛, 張亞雷, 張純敏, 李金鵬, 蘇鴻洋, 陳瀟 申請人:同濟大學