螺旋盤管式微藻光生物反應(yīng)器內(nèi)兩相流動及固碳特性研究.pdf

1、不可再生化石能源的過度使用，排放大量CO2等溫室氣體，導(dǎo)致溫室效應(yīng)的產(chǎn)生，直接威脅著人類所居住的生態(tài)環(huán)境。積極開發(fā)環(huán)境友好和符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展的CO2捕獲和處理技術(shù)，成為當(dāng)前節(jié)能減排工作的重要課題。在各種CO2捕獲和封存的方法中，生物固碳被認(rèn)為是最主要也是最安全有效和經(jīng)濟(jì)的固碳方式之一。它能實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境中的碳循環(huán)，有效地降低大氣中CO2的含量，是高效的CO2減排方式。微藻與陸生或水生植物相比，不僅具有極高的生長速率以及固定CO2的能力，還可以

2、利用廢水中的碳、氮、磷化物甚至微量重金屬，起到凈化廢水的作用。
　　 用于微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器中，螺旋管式微藻光生物反應(yīng)器具有受光面積大，條件易控制等優(yōu)點(diǎn)。目前已有的研究大多集中在反應(yīng)器性能提高、培養(yǎng)條件優(yōu)化等方面，而對微藻光生物反應(yīng)器中能質(zhì)傳遞的研究較少。螺旋管式微藻光生物反應(yīng)器中氣液兩相流動特性及微藻的生化代謝、固碳特性及其相互影響的研究更是未見報(bào)道，而開展這方面的研究對于解決微藻光生物反應(yīng)器內(nèi)傳輸限制性問題以及光能利用率

3、低、固碳效率低等問題，具有重要的理論和實(shí)踐意義。
　　 本文采用蛋白核小球藻(chlorella pyrenoidosa FACHB-9)為實(shí)驗(yàn)藻種，從光能和碳源的角度研究了CO2濃度、CO2流量、光照強(qiáng)度等參數(shù)對平板式微藻光生物反應(yīng)器內(nèi)微藻生長代謝、固碳能力以及光能利用情況的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種帶有CO2布?xì)庋b置的螺旋管式微藻光生物反應(yīng)器，實(shí)驗(yàn)研究并數(shù)值模擬了螺旋管式微藻光生物反應(yīng)器中氣液兩相流動形式與微藻生化特性

4、及固碳性能之間的相互關(guān)系。
　　 主要研究成果如下：
　　 ①實(shí)驗(yàn)獲得了蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)的光譜吸收特性及對碳源的吸收特性。結(jié)果顯示，CO2比Na2CO3更容易通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞并通過光合作用被蛋白核小球藻轉(zhuǎn)化為碳水化合物。實(shí)驗(yàn)表明同步量熱分析是一種簡單、快捷的測定藻細(xì)胞內(nèi)焓值及主要成分相對變化趨勢的有效手段。
　　 ②在平板式微藻光生物反應(yīng)器中，研究了不同CO2濃度、CO

5、2流量和光照強(qiáng)度下蛋白核小球藻的生長代謝特性及固碳性能，分析了蛋白核小球藻的生物量、CO2吸收效率、光合速率和光能利用效率等動力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明，CO2濃度和流量對蛋白核小球藻固碳特性的影響較大，而光照強(qiáng)度主要影響蛋白核小球藻對光量子的捕獲和吸收效率，在CO2體積濃度為10％，流量為50mL/min、光照強(qiáng)度為9 W/m2時(shí)蛋白核小球藻的生長代謝、固碳效率及光能利用效率最佳。
　　 ③設(shè)計(jì)并構(gòu)建了螺旋管式微藻光反應(yīng)器系

6、統(tǒng)，該系統(tǒng)具有光照面積大，進(jìn)氣濃度穩(wěn)定等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)研究了三種不同的CO2布?xì)庋b置及其布?xì)馓匦?。結(jié)果顯示，T形管布?xì)夥绞降哪芎淖畹?，適用范圍最廣。通過調(diào)節(jié)氣液兩相的進(jìn)口流量，可以方便有效地控制進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的氣泡大小及兩相流流動形態(tài)。
　　 ④實(shí)驗(yàn)研究了氣體流量對螺旋管式微藻光生物反應(yīng)器兩相流動特性及微藻生長固碳特性的影響，同時(shí)設(shè)計(jì)直管式微藻光生物反應(yīng)器進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著氣體流量的變化，螺旋管式微藻光生物反應(yīng)器中流

7、型從柱塞狀流逐漸變?yōu)殚g歇流，最后變化成彈狀流，而直管式微藻光生物反應(yīng)器中流型直接從柱塞流變?yōu)閺棤盍鳌ｋS著氣體流量的增加，兩種微藻光生物反應(yīng)器中微藻各項(xiàng)性能均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。在相同的條件下，螺旋管式微藻光生物反應(yīng)器中的藻產(chǎn)量比直管式微藻光生物反應(yīng)器提高3.88倍；對CO2吸收效率及光合速率也分別提高了28％、23％。
　　 ⑤實(shí)驗(yàn)研究了培養(yǎng)液流量對螺旋管式微藻光生物反應(yīng)器兩相流動特性及微藻生長固碳特性的影響，并與直管式微藻

8、光生物反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著培養(yǎng)液流量的變化，螺旋管式微藻光生物反應(yīng)器內(nèi)氣泡直徑逐漸減小，兩相流流型從彈狀流逐漸變?yōu)橹麪盍?，最后變?yōu)榕轄盍?。流型變化的顯著程度高于直管式微藻光生物反應(yīng)器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明，隨著液體流量增加，盡管氣液兩相間接觸面積增大，但是CO2氣體和微藻培養(yǎng)液在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間均縮短，造成兩種微藻光生物反應(yīng)器中微藻的各項(xiàng)性能均呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢。在相同的條件下，螺旋管式微藻光生物反應(yīng)器中的生物量明顯

9、高于直管式微藻光生物反應(yīng)器，最高時(shí)達(dá)2.31倍；CO2吸收效率和光合速率也分別比直管式光生物反應(yīng)器中的CO2吸收效率及光合速率提高了20％和28％。
　　 ⑥對螺旋管式光生物反應(yīng)器的數(shù)值模擬結(jié)果表明，在氣體進(jìn)口流量為800mL/min的條件下，螺旋管式微藻光生物反應(yīng)器內(nèi)能達(dá)到較好的CO2溶解和傳質(zhì)，繼續(xù)提高進(jìn)口氣體的流量不能明顯促進(jìn)CO2的進(jìn)一步溶解。因此，對于本文研究的螺旋管光生物反應(yīng)器，800mL/min為最佳的進(jìn)口氣體流量