[發明專利]污水處理碳減排氣升環流微藻自養-異養耦合光生物反應器

有效

• 申請號: 200910247564.4
• 申請日: 2009-12-30
• 公開（公告）號: CN101838606A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發明（設計）人: 張亞雷;周雪飛;蘇鴻洋;陳瀟;張純敏;李金鵬
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C12M1/00
• 分類號: C12M1/00;C12M1/12;C12M1/04;C12M1/02
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

技術領域

本發明屬于污水處理技術領域，具體涉及一種污水處理碳減排氣升環流微藻自養-異養耦合光生物反應器。

背景技術

大氣中二氧化碳(CO₂)濃度從工業化前的270ppm到目前的380ppm，CO₂減排成了全球關注的焦點問題，我國政府也高度重視，各行各業都在努力探索CO₂減排新技術。污水處理過程中CO₂如何減量排放面臨重大挑戰。

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化為有機化合物，并具有從環境中吸收礦物質營養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素物質吸收或者用于廢氣中的二氧化碳生物固定，其繁殖產生的藻類生物質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。盡管在技術上，微藻可用于多種用途，但經濟可行是決定因素。因此，微藻的培養技術、分離技術以及后續的資源化利用技術都會極大地影響微藻資源化利用及經濟上的可行性。其中，利用有機廢水進行微藻的高密度培養是實現污水資源化利用、污水處理碳減排及微藻低成本培養和利用的關鍵，而構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(微藻培養反應器)則是實現微藻高密度培養、污水資源化利用及污水處理碳減排的關鍵技術，并對微藻產品質量和生產成本有十分重要的影響。

1.1開放式光生物反應器

在微藻培養中應用最多、技術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)。其最突出的優點就是構建簡單、成本低廉及操作簡便。最典型、最常用的開放池培養系統是Oswald以(1969)設計的跑道池反應器，藻液通過槳輪或者旋轉臂的轉動進行混合、循環流動以提高藻體光能利用率，目前已經放大到我國臺灣省的18萬m²(生產小球藻)和墨西哥城生產螺旋藻的20萬m²等地方。自開放式培養系統開發以來，其總體結構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，致使培養條件不穩定，光合效率及固碳效率較低，總體生產力低下(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微藻培養)。廣大學者普遍認為開放式培養系統的技術已發展到了極限，如何滿足微藻生物技術迅速發展的需求，研發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的發展，解決微藻高密度培養的根本出路在于研發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域，于此加入CO₂以及營養素，并除去回流液的氧氣，該區域分別與管道兩端連接，通過泵或者空氣提升器使得培養液在導管與管道之間循環(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生極大的抑制。②當采用機械泵來循環藻液時，剪切力大，易導致嚴重的細胞損傷(Gudin&Chaumont，1991)。大型化后混合更是不均勻，傳質效率較差；③在又小又長的直管中極易形成推流流態，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