本發(fā)明涉及微藻的養(yǎng)殖，特別是涉及一種微藻多層塔式脫硝固碳裝置及其培養(yǎng)方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)作為能源消耗大國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，近幾年煙氣的排放量也持續(xù)增加。煙氣是氣體和煙塵的混合物，成分復(fù)雜，主要包括SO₂、NO_x、CO₂、O₂等，其中氮氧化物中有95％是NO。煙氣一方面會(huì)加劇溫室效應(yīng)、形成霧霾，破壞生態(tài)自然環(huán)境，另一方面，又會(huì)引發(fā)人體的呼吸系統(tǒng)疾病，造成不可逆轉(zhuǎn)的危害，嚴(yán)重的甚至可導(dǎo)致死亡。因此，煙氣的過(guò)量排放制約了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，嚴(yán)重威脅了城市居民的身體健康，控制煙氣排放已經(jīng)刻不容緩。

目前，控制NO_x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(shù)成熟，效率較高，但易造成氨、尿素泄漏，二次污染以及設(shè)備昂貴，成本高等問(wèn)題。傳統(tǒng)的CO₂固定技術(shù)有物理法、化學(xué)法、生物法等，生物固定CO₂技術(shù)是地球上最主要的固碳方式，也符合自然界循環(huán)的規(guī)律，大多數(shù)綠色植物非常利于響應(yīng)遠(yuǎn)高于當(dāng)前大氣水平的CO₂溶度。然而，生物轉(zhuǎn)化固定由于土地等因素限制，通過(guò)大面積種植綠色植物來(lái)固碳并不現(xiàn)實(shí)。

微藻是一類(lèi)具有高效固碳能力的光合自養(yǎng)生物，具有生長(zhǎng)增殖速度快、生物產(chǎn)量高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易于培養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠以CO₂為碳源，經(jīng)光合作用，將CO₂轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)(如淀粉、纖維素等)，其所需能源直接來(lái)自太陽(yáng)光能，被譽(yù)為“活的化工廠”。并且某些藻類(lèi)能夠產(chǎn)生高價(jià)值的代謝產(chǎn)物，例如β‐胡蘿卜素、DHA等，還可以提煉生物柴油，擁有很高的工業(yè)潛力和商業(yè)價(jià)值。如今，微藻生物技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、食品、藥品、化妝品等各個(gè)領(lǐng)域，未來(lái)的前景依舊廣闊。

通過(guò)微藻去除煙氣中NO_x和CO₂的方法，即微藻脫硝固碳，是近幾年來(lái)興起的一種凈化煙氣、節(jié)能減排的新選擇，是一種極有潛力的去除CO₂和NO_x的方法。現(xiàn)在有很多技術(shù)涉及利用養(yǎng)殖微藻來(lái)吸收煙氣中的NO_x和CO₂，實(shí)現(xiàn)煙氣的資源化利用，如中國(guó)專(zhuān)利CN 102061261A、CN 104450525 A等所述。然而，直接通入煙氣養(yǎng)殖微藻，由于NO極低的水溶性，導(dǎo)致難以吸收，脫硝效率低。其次，在微藻細(xì)胞自養(yǎng)生長(zhǎng)中，雖然堿液吸收CO₂后形成無(wú)機(jī)碳離子能夠供給藻類(lèi)代謝利用，但是很多微藻，比如螺旋藻、小球藻等更偏向于直接通過(guò)擴(kuò)散作用吸收CO₂分子作為碳源，因此傳統(tǒng)的曝氣方式并不是微藻細(xì)胞固碳的最佳選擇，這勢(shì)必導(dǎo)致較低的生物固碳率，從而影響煙氣的CO₂脫除。而且傳統(tǒng)的光生物反應(yīng)器隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，外界光的透射率由于藻細(xì)胞體積的增大和數(shù)量的增多而銳減，導(dǎo)致只有培養(yǎng)液表層的藻細(xì)胞能夠正常自養(yǎng)生長(zhǎng)，較深層的藻細(xì)胞由于無(wú)光透射而無(wú)法生長(zhǎng)存活，導(dǎo)致藻細(xì)胞生物量降低，進(jìn)而影響裝置的脫硝固碳效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一目的在于提供一種微藻多層塔式脫硝固碳裝置。

本發(fā)明的第二目的在于提供一種微藻培養(yǎng)方法。

所述微藻多層塔式脫硝固碳裝置設(shè)有煙氣鋼瓶、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、臭氧發(fā)生器、空氣泵、氣體反應(yīng)器、蠕動(dòng)泵、反應(yīng)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(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)接氣體反應(yīng)器的煙氣進(jìn)口，臭氧發(fā)生器與空氣泵連接，臭氧發(fā)生器接氣體反應(yīng)器的臭氧進(jìn)口，氣體反應(yīng)器的出口接反應(yīng)塔的氣體入口，反應(yīng)塔的底層培養(yǎng)液出口經(jīng)蠕動(dòng)泵接反應(yīng)塔的液體入口，反應(yīng)塔的底部設(shè)有液體出口和氣體出口，氣體出口接增壓泵的進(jìn)口，增壓泵的出口接煙氣鋼瓶，塔板設(shè)在反應(yīng)塔內(nèi)，除最下層塔板外，每層塔板均設(shè)有溢流管，溢流管外設(shè)有空氣罩，避免每層上浮的藻細(xì)胞隨培養(yǎng)液經(jīng)溢流管流動(dòng)，每層塔板之間通過(guò)溢流管連接形成一個(gè)營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)體系。

所述反應(yīng)塔可采用高透光性的玻璃材質(zhì)、塑料材質(zhì)等。反應(yīng)塔可采用板式反應(yīng)塔。

所述微藻是指能夠在堿性環(huán)境下生長(zhǎng)的藻類(lèi)，包括螺旋藻、柵藻、小球藻、扁藻等。

所述塔板之間通過(guò)溢流管進(jìn)行氣液傳遞。

空氣或純氧經(jīng)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧與氮氧化物(NO)發(fā)生反應(yīng)，生成易溶于水的NO₂、NO₃等高價(jià)氮氧化物經(jīng)堿液或堿性藻液吸收，形成硝酸鹽和亞硝酸鹽供藻細(xì)胞代謝吸收，在多層光反應(yīng)塔中含有硝酸鹽(含有一量的亞硝酸鹽)藻營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)泵將最下層塔板的藻液抽到最上層；塔板設(shè)在反應(yīng)塔內(nèi)，每層塔板(除最下面一層)均有一個(gè)溢流管，塔板之間通過(guò)溢流管連接形成一個(gè)營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)體系。

所述微藻培養(yǎng)方法，采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(yīng)塔的每層塔板上倒入微藻培養(yǎng)液，使液面稍微低于溢流管的高度；

2)蠕動(dòng)泵把反應(yīng)塔的最下層的培養(yǎng)液滴加到最上層，最上層培養(yǎng)液的液面高過(guò)溢流管后，培養(yǎng)液就會(huì)由溢流管流入第二層，依次循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)液的循環(huán)流動(dòng)；

3)經(jīng)氣體反應(yīng)器出來(lái)的煙氣由反應(yīng)塔最上層的氣體入口進(jìn)入到反應(yīng)塔中，氣體從第一層的培養(yǎng)液溢出后，第一層培養(yǎng)液上方的氣壓逐漸增大，最終，經(jīng)溢流管被壓入第二層培養(yǎng)液，依次循環(huán)，煙氣中的二氧化碳和氮氧化物(主要是NO₂)被微藻培養(yǎng)液吸收。

在步驟3)中，所述煙氣是指除塵脫硫后的煙氣，煙氣中CO₂含量為3％～15％，NO_x含量為50～500ppm。

本發(fā)明將“微藻養(yǎng)殖”和“脫硝固碳”結(jié)合，使NO_x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(xì)胞代謝利用，和傳統(tǒng)的光反應(yīng)器相比，還能顯著提高微藻生物量，使“微藻養(yǎng)殖”和“脫硝固碳”兩個(gè)過(guò)程能夠穩(wěn)定高效運(yùn)行。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述微藻多層塔式脫硝固碳裝置實(shí)施例的流程示意圖。

圖2為本發(fā)明所述微藻多層塔式脫硝固碳裝置實(shí)施例的多層塔板結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的微藻生長(zhǎng)情況。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1和2，所述微藻多層塔式脫硝固碳裝置設(shè)有煙氣鋼瓶1、轉(zhuǎn)子流量計(jì)2、臭氧發(fā)生器3、空氣泵4、氣體反應(yīng)器5、蠕動(dòng)泵6、反應(yīng)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(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)2接氣體反應(yīng)器5的煙氣進(jìn)口，臭氧發(fā)生器3與空氣泵4連接，臭氧發(fā)生器3接氣體反應(yīng)器5的臭氧進(jìn)口，氣體反應(yīng)器5的出口接反應(yīng)塔7的氣體入口9，反應(yīng)塔7的底層培養(yǎng)液出口經(jīng)蠕動(dòng)泵6接反應(yīng)塔7的液體入口8，反應(yīng)塔7的底部設(shè)有液體出口10和氣體出口11，氣體出口11接增壓泵12的進(jìn)口，增壓泵12的出口接煙氣鋼瓶1，塔板15設(shè)在反應(yīng)塔7內(nèi)，除最下層塔板15外，每層塔板15均設(shè)有溢流管14，溢流管14外設(shè)有空氣罩13，每層塔板15之間通過(guò)溢流管14連接形成一個(gè)營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)體系。

所述反應(yīng)塔7可采用高透光性的玻璃材質(zhì)、塑料材質(zhì)等。

空氣或純氧經(jīng)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧與氮氧化物(NO)發(fā)生反應(yīng)，生成易溶于水的NO₂、NO₃等高價(jià)氮氧化物經(jīng)堿液或堿性藻液吸收，形成硝酸鹽和亞硝酸鹽供藻細(xì)胞代謝吸收，在多層光反應(yīng)塔中含有硝酸鹽(含有一量的亞硝酸鹽)藻營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)泵將最下層塔板的藻液抽到最上層；塔板設(shè)在反應(yīng)塔內(nèi)，每層塔板(除最下面一層)均有一個(gè)溢流管，塔板之間通過(guò)溢流管連接形成一個(gè)營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)體系。

所述微藻培養(yǎng)方法，采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(yīng)塔的每層塔板上倒入微藻培養(yǎng)液，使液面稍微低于溢流管的高度；

2)蠕動(dòng)泵把反應(yīng)塔的最下層的培養(yǎng)液滴加到最上層，最上層培養(yǎng)液的液面高過(guò)溢流管后，培養(yǎng)液就會(huì)由溢流管流入第二層，依次循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)液的循環(huán)流動(dòng)；

3)經(jīng)氣體反應(yīng)器出來(lái)的煙氣由反應(yīng)塔最上層的氣體入口進(jìn)入到反應(yīng)塔中，氣體從第一層的培養(yǎng)液溢出后，第一層培養(yǎng)液上方的氣壓逐漸增大，最終，經(jīng)溢流管被壓入第二層培養(yǎng)液，依次循環(huán)，煙氣中的二氧化碳和氮氧化物(主要是NO₂)被微藻培養(yǎng)液吸收。所述煙氣是指除塵脫硫后的煙氣，煙氣中CO₂含量為3％～15％，NO_x含量為50～500ppm。

以下給出微藻培養(yǎng)方法具體實(shí)施例。

實(shí)施例1

采用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(yǎng)液，螺旋藻初始生物量為0.45g/L，初始pH＝9.33。煙氣進(jìn)氣量為100ml/min，煙氣中NO濃度為500ppm，CO₂含量為5％。臭氧發(fā)生器采用空氣源，空氣流量為100ml/min，產(chǎn)生的臭氧濃度為800ppm，臭氧與煙氣反應(yīng)后通入反應(yīng)塔吸收。每天檢測(cè)藻液的OD₅₆₀值，其生長(zhǎng)情況見(jiàn)圖3。連續(xù)培養(yǎng)10天后收獲，生物量可達(dá)3.82g/L，pH＝10.51，脫硝率69％，固碳率19％。

實(shí)施例2

采用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(yǎng)液，螺旋藻初始生物量0.571g/L，初始pH＝9.12。煙氣進(jìn)氣量為200ml/min，煙氣中NO濃度為500ppm，CO₂含量為10％。臭氧發(fā)生器采用空氣源，空氣流量為200ml/min，產(chǎn)生的臭氧濃度為1000ppm，臭氧與煙氣反應(yīng)后通入反應(yīng)塔吸收。連續(xù)培養(yǎng)12天后收獲，螺旋藻生物量達(dá)4.14g/L，pH＝10.68，脫硝率75％，固碳率28％。

實(shí)施例3

采用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(yǎng)液，螺旋藻初始生物量0.577g/L，初始pH＝9.40。煙氣進(jìn)氣量為300ml/min，煙氣中NO濃度為300ppm，CO₂含量為15％。臭氧發(fā)生器采用空氣源，空氣流量為300ml/min，產(chǎn)生的臭氧濃度為960ppm，臭氧與煙氣反應(yīng)后通入反應(yīng)塔吸收。連續(xù)培養(yǎng)14天后收獲，螺旋藻生物量達(dá)4.21g/L，pH＝10.45，脫硝率79％，固碳率21％。

實(shí)施例4

采用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(yǎng)液，螺旋藻初始生物量0.769g/L，初始pH＝9.53。煙氣進(jìn)氣量為500ml/min，煙氣中NO濃度為500ppm，CO₂含量為5％。臭氧發(fā)生器采用空氣源，空氣流量為500ml/min，產(chǎn)生的臭氧濃度為900ppm，臭氧與煙氣反應(yīng)后通入反應(yīng)塔吸收。連續(xù)培養(yǎng)12天后收獲，螺旋藻生物量達(dá)5.33g/L，pH＝11.45，脫硝率85％，固碳率43％。

實(shí)施例5

采用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(yǎng)液，螺旋藻初始生物量0.783g/L，初始pH＝9.51。煙氣進(jìn)氣量為200ml/min，煙氣中NO濃度為500ppm，CO₂含量為5％。臭氧發(fā)生器采用氧氣源(純度99％)，氧氣流量為50ml/min，產(chǎn)生的臭氧濃度為1350ppm，臭氧與煙氣反應(yīng)后通入反應(yīng)塔吸收。連續(xù)培養(yǎng)12天后收獲，螺旋藻生物量達(dá)5.83g/L，pH＝12.23，脫硝率91％，固碳率56％。

經(jīng)臭氧氧化的煙氣中的氮氧化物氣體和二氧化碳經(jīng)堿吸收塔吸收后與一定的營(yíng)養(yǎng)液混合后進(jìn)入微藻光反應(yīng)器，微藻在光反應(yīng)器中培養(yǎng)到穩(wěn)定期進(jìn)行采收。