一種微藻多層塔式脫硝固碳裝置及其培養方法與流程
2024-04-03 13:43:05
本發明涉及微藻的養殖，特別是涉及一種微藻多層塔式脫硝固碳裝置及其培養方法。
背景技術：
我國作為能源消耗大國，隨著經濟社會的快速發展，近幾年煙氣的排放量也持續增加。煙氣是氣體和煙塵的混合物，成分複雜，主要包括SO2、NOx、CO2、O2等，其中氮氧化物中有95％是NO。煙氣一方面會加劇溫室效應、形成霧霾，破壞生態自然環境，另一方面，又會引發人體的呼吸系統疾病，造成不可逆轉的危害，嚴重的甚至可導致死亡。因此，煙氣的過量排放制約了經濟社會的可持續發展，嚴重威脅了城市居民的身體健康，控制煙氣排放已經刻不容緩。
目前，控制NOx的主要方法是選擇性催化還原法SCR、非選擇性催化還原法SNCR等，雖然技術成熟，效率較高，但易造成氨、尿素洩漏，二次汙染以及設備昂貴，成本高等問題。傳統的CO2固定技術有物理法、化學法、生物法等，生物固定CO2技術是地球上最主要的固碳方式，也符合自然界循環的規律，大多數綠色植物非常利於響應遠高於當前大氣水平的CO2溶度。然而，生物轉化固定由於土地等因素限制，通過大面積種植綠色植物來固碳並不現實。
微藻是一類具有高效固碳能力的光合自養生物，具有生長增殖速度快、生物產量高、環境適應性強、易於培養等優點，能夠以CO2為碳源，經光合作用，將CO2轉化為生物質(如澱粉、纖維素等)，其所需能源直接來自太陽光能，被譽為「活的化工廠」。並且某些藻類能夠產生高價值的代謝產物，例如β‐胡蘿蔔素、DHA等，還可以提煉生物柴油，擁有很高的工業潛力和商業價值。如今，微藻生物技術已經廣泛地應用在工業、食品、藥品、化妝品等各個領域，未來的前景依舊廣闊。
通過微藻去除煙氣中NOx和CO2的方法，即微藻脫硝固碳，是近幾年來興起的一種淨化煙氣、節能減排的新選擇，是一種極有潛力的去除CO2和NOx的方法。現在有很多技術涉及利用養殖微藻來吸收煙氣中的NOx和CO2，實現煙氣的資源化利用，如中國專利CN 102061261A、CN 104450525 A等所述。然而，直接通入煙氣養殖微藻，由於NO極低的水溶性，導致難以吸收，脫硝效率低。其次，在微藻細胞自養生長中，雖然鹼液吸收CO2後形成無機碳離子能夠供給藻類代謝利用，但是很多微藻，比如螺旋藻、小球藻等更偏向於直接通過擴散作用吸收CO2分子作為碳源，因此傳統的曝氣方式並不是微藻細胞固碳的最佳選擇，這勢必導致較低的生物固碳率，從而影響煙氣的CO2脫除。而且傳統的光生物反應器隨著培養時間的增加，外界光的透射率由於藻細胞體積的增大和數量的增多而銳減，導致只有培養液表層的藻細胞能夠正常自養生長，較深層的藻細胞由於無光透射而無法生長存活，導致藻細胞生物量降低，進而影響裝置的脫硝固碳效率。
技術實現要素：
本發明的第一目的在於提供一種微藻多層塔式脫硝固碳裝置。
本發明的第二目的在於提供一種微藻培養方法。
所述微藻多層塔式脫硝固碳裝置設有煙氣鋼瓶、轉子流量計、臭氧發生器、空氣泵、氣體反應器、蠕動泵、反應塔、液體入口、氣體入口、液體出口、氣體出口、增壓泵、空氣罩、溢流管和塔板；
所述煙氣鋼瓶的出口經轉子流量計接氣體反應器的煙氣進口，臭氧發生器與空氣泵連接，臭氧發生器接氣體反應器的臭氧進口，氣體反應器的出口接反應塔的氣體入口，反應塔的底層培養液出口經蠕動泵接反應塔的液體入口，反應塔的底部設有液體出口和氣體出口，氣體出口接增壓泵的進口，增壓泵的出口接煙氣鋼瓶，塔板設在反應塔內，除最下層塔板外，每層塔板均設有溢流管，溢流管外設有空氣罩，避免每層上浮的藻細胞隨培養液經溢流管流動，每層塔板之間通過溢流管連接形成一個營養液循環體系。
所述反應塔可採用高透光性的玻璃材質、塑料材質等。反應塔可採用板式反應塔。
所述微藻是指能夠在鹼性環境下生長的藻類，包括螺旋藻、柵藻、小球藻、扁藻等。
所述塔板之間通過溢流管進行氣液傳遞。
空氣或純氧經臭氧發生器產生的臭氧與氮氧化物(NO)發生反應，生成易溶於水的NO2、NO3等高價氮氧化物經鹼液或鹼性藻液吸收，形成硝酸鹽和亞硝酸鹽供藻細胞代謝吸收，在多層光反應塔中含有硝酸鹽(含有一量的亞硝酸鹽)藻營養液經泵將最下層塔板的藻液抽到最上層；塔板設在反應塔內，每層塔板(除最下面一層)均有一個溢流管，塔板之間通過溢流管連接形成一個營養液循環體系。
所述微藻培養方法，採用所述微藻多層塔式脫硝固碳裝置，具體包括以下步驟：
1)分別在反應塔的每層塔板上倒入微藻培養液，使液面稍微低於溢流管的高度；
2)蠕動泵把反應塔的最下層的培養液滴加到最上層，最上層培養液的液面高過溢流管後，培養液就會由溢流管流入第二層，依次循環，可實現培養液的循環流動；
3)經氣體反應器出來的煙氣由反應塔最上層的氣體入口進入到反應塔中，氣體從第一層的培養液溢出後，第一層培養液上方的氣壓逐漸增大，最終，經溢流管被壓入第二層培養液，依次循環，煙氣中的二氧化碳和氮氧化物(主要是NO2)被微藻培養液吸收。
在步驟3)中，所述煙氣是指除塵脫硫後的煙氣，煙氣中CO2含量為3％～15％，NOx含量為50～500ppm。
本發明將「微藻養殖」和「脫硝固碳」結合，使NOx能夠被裝置高效的脫除吸收，又能使CO2氣體以分子的形式被微藻細胞代謝利用，和傳統的光反應器相比，還能顯著提高微藻生物量，使「微藻養殖」和「脫硝固碳」兩個過程能夠穩定高效運行。
附圖說明
圖1為本發明所述微藻多層塔式脫硝固碳裝置實施例的流程示意圖。
圖2為本發明所述微藻多層塔式脫硝固碳裝置實施例的多層塔板結構示意圖。
圖3為本發明實施例1的微藻生長情況。
具體實施方式
以下實施例將結合附圖對本發明作進一步的說明。
參見圖1和2，所述微藻多層塔式脫硝固碳裝置設有煙氣鋼瓶1、轉子流量計2、臭氧發生器3、空氣泵4、氣體反應器5、蠕動泵6、反應塔7、液體入口8、氣體入口9、液體出口10、氣體出口11、增壓泵12、空氣罩13、溢流管14和塔板15。
所述煙氣鋼瓶1的出口經轉子流量計2接氣體反應器5的煙氣進口，臭氧發生器3與空氣泵4連接，臭氧發生器3接氣體反應器5的臭氧進口，氣體反應器5的出口接反應塔7的氣體入口9，反應塔7的底層培養液出口經蠕動泵6接反應塔7的液體入口8，反應塔7的底部設有液體出口10和氣體出口11，氣體出口11接增壓泵12的進口，增壓泵12的出口接煙氣鋼瓶1，塔板15設在反應塔7內，除最下層塔板15外，每層塔板15均設有溢流管14，溢流管14外設有空氣罩13，每層塔板15之間通過溢流管14連接形成一個營養液循環體系。
所述反應塔7可採用高透光性的玻璃材質、塑料材質等。
空氣或純氧經臭氧發生器產生的臭氧與氮氧化物(NO)發生反應，生成易溶於水的NO2、NO3等高價氮氧化物經鹼液或鹼性藻液吸收，形成硝酸鹽和亞硝酸鹽供藻細胞代謝吸收，在多層光反應塔中含有硝酸鹽(含有一量的亞硝酸鹽)藻營養液經泵將最下層塔板的藻液抽到最上層；塔板設在反應塔內，每層塔板(除最下面一層)均有一個溢流管，塔板之間通過溢流管連接形成一個營養液循環體系。
所述微藻培養方法，採用所述微藻多層塔式脫硝固碳裝置，具體包括以下步驟：
1)分別在反應塔的每層塔板上倒入微藻培養液，使液面稍微低於溢流管的高度；
2)蠕動泵把反應塔的最下層的培養液滴加到最上層，最上層培養液的液面高過溢流管後，培養液就會由溢流管流入第二層，依次循環，可實現培養液的循環流動；
3)經氣體反應器出來的煙氣由反應塔最上層的氣體入口進入到反應塔中，氣體從第一層的培養液溢出後，第一層培養液上方的氣壓逐漸增大，最終，經溢流管被壓入第二層培養液，依次循環，煙氣中的二氧化碳和氮氧化物(主要是NO2)被微藻培養液吸收。所述煙氣是指除塵脫硫後的煙氣，煙氣中CO2含量為3％～15％，NOx含量為50～500ppm。
以下給出微藻培養方法具體實施例。
實施例1
採用2層塔板，每層塔板加入200ml的不含碳源(NaHCO3)和氮源(NaNO3)的螺旋藻培養液，螺旋藻初始生物量為0.45g/L，初始pH＝9.33。煙氣進氣量為100ml/min，煙氣中NO濃度為500ppm，CO2含量為5％。臭氧發生器採用空氣源，空氣流量為100ml/min，產生的臭氧濃度為800ppm，臭氧與煙氣反應後通入反應塔吸收。每天檢測藻液的OD560值，其生長情況見圖3。連續培養10天後收穫，生物量可達3.82g/L，pH＝10.51，脫硝率69％，固碳率19％。
實施例2
採用3層塔板，每層塔板加入200ml的不含碳源(NaHCO3)和氮源(NaNO3)的螺旋藻培養液，螺旋藻初始生物量0.571g/L，初始pH＝9.12。煙氣進氣量為200ml/min，煙氣中NO濃度為500ppm，CO2含量為10％。臭氧發生器採用空氣源，空氣流量為200ml/min，產生的臭氧濃度為1000ppm，臭氧與煙氣反應後通入反應塔吸收。連續培養12天後收穫，螺旋藻生物量達4.14g/L，pH＝10.68，脫硝率75％，固碳率28％。
實施例3
採用3層塔板，每層塔板加入400ml的不含碳源(NaHCO3)和氮源(NaNO3)的螺旋藻培養液，螺旋藻初始生物量0.577g/L，初始pH＝9.40。煙氣進氣量為300ml/min，煙氣中NO濃度為300ppm，CO2含量為15％。臭氧發生器採用空氣源，空氣流量為300ml/min，產生的臭氧濃度為960ppm，臭氧與煙氣反應後通入反應塔吸收。連續培養14天後收穫，螺旋藻生物量達4.21g/L，pH＝10.45，脫硝率79％，固碳率21％。
實施例4
採用4層塔板，每層塔板加入500ml的不含碳源(NaHCO3)和氮源(NaNO3)的螺旋藻培養液，螺旋藻初始生物量0.769g/L，初始pH＝9.53。煙氣進氣量為500ml/min，煙氣中NO濃度為500ppm，CO2含量為5％。臭氧發生器採用空氣源，空氣流量為500ml/min，產生的臭氧濃度為900ppm，臭氧與煙氣反應後通入反應塔吸收。連續培養12天後收穫，螺旋藻生物量達5.33g/L，pH＝11.45，脫硝率85％，固碳率43％。
實施例5
採用4層塔板，每層塔板加入500ml的不含碳源(NaHCO3)和氮源(NaNO3)的螺旋藻培養液，螺旋藻初始生物量0.783g/L，初始pH＝9.51。煙氣進氣量為200ml/min，煙氣中NO濃度為500ppm，CO2含量為5％。臭氧發生器採用氧氣源(純度99％)，氧氣流量為50ml/min，產生的臭氧濃度為1350ppm，臭氧與煙氣反應後通入反應塔吸收。連續培養12天後收穫，螺旋藻生物量達5.83g/L，pH＝12.23，脫硝率91％，固碳率56％。
經臭氧氧化的煙氣中的氮氧化物氣體和二氧化碳經鹼吸收塔吸收後與一定的營養液混合後進入微藻光反應器，微藻在光反應器中培養到穩定期進行採收。