一种微藻多层塔式脱硝固碳装置及其培养方法与流程

本发明涉及微藻的养殖，特别是涉及一种微藻多层塔式脱硝固碳装置及其培养方法。

背景技术：

我国作为能源消耗大国，随着经济社会的快速发展，近几年烟气的排放量也持续增加。烟气是气体和烟尘的混合物，成分复杂，主要包括SO₂、NO_x、CO₂、O₂等，其中氮氧化物中有95％是NO。烟气一方面会加剧温室效应、形成雾霾，破坏生态自然环境，另一方面，又会引发人体的呼吸系统疾病，造成不可逆转的危害，严重的甚至可导致死亡。因此，烟气的过量排放制约了经济社会的可持续发展，严重威胁了城市居民的身体健康，控制烟气排放已经刻不容缓。

目前，控制NO_x的主要方法是选择性催化还原法SCR、非选择性催化还原法SNCR等，虽然技术成熟，效率较高，但易造成氨、尿素泄漏，二次污染以及设备昂贵，成本高等问题。传统的CO₂固定技术有物理法、化学法、生物法等，生物固定CO₂技术是地球上最主要的固碳方式，也符合自然界循环的规律，大多数绿色植物非常利于响应远高于当前大气水平的CO₂溶度。然而，生物转化固定由于土地等因素限制，通过大面积种植绿色植物来固碳并不现实。

微藻是一类具有高效固碳能力的光合自养生物，具有生长增殖速度快、生物产量高、环境适应性强、易于培养等优点，能够以CO₂为碳源，经光合作用，将CO₂转化为生物质(如淀粉、纤维素等)，其所需能源直接来自太阳光能，被誉为“活的化工厂”。并且某些藻类能够产生高价值的代谢产物，例如β‐胡萝卜素、DHA等，还可以提炼生物柴油，拥有很高的工业潜力和商业价值。如今，微藻生物技术已经广泛地应用在工业、食品、药品、化妆品等各个领域，未来的前景依旧广阔。

通过微藻去除烟气中NO_x和CO₂的方法，即微藻脱硝固碳，是近几年来兴起的一种净化烟气、节能减排的新选择，是一种极有潜力的去除CO₂和NO_x的方法。现在有很多技术涉及利用养殖微藻来吸收烟气中的NO_x和CO₂，实现烟气的资源化利用，如中国专利CN 102061261A、CN 104450525 A等所述。然而，直接通入烟气养殖微藻，由于NO极低的水溶性，导致难以吸收，脱硝效率低。其次，在微藻细胞自养生长中，虽然碱液吸收CO₂后形成无机碳离子能够供给藻类代谢利用，但是很多微藻，比如螺旋藻、小球藻等更偏向于直接通过扩散作用吸收CO₂分子作为碳源，因此传统的曝气方式并不是微藻细胞固碳的最佳选择，这势必导致较低的生物固碳率，从而影响烟气的CO₂脱除。而且传统的光生物反应器随着培养时间的增加，外界光的透射率由于藻细胞体积的增大和数量的增多而锐减，导致只有培养液表层的藻细胞能够正常自养生长，较深层的藻细胞由于无光透射而无法生长存活，导致藻细胞生物量降低，进而影响装置的脱硝固碳效率。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种微藻多层塔式脱硝固碳装置。

本发明的第二目的在于提供一种微藻培养方法。

所述微藻多层塔式脱硝固碳装置设有烟气钢瓶、转子流量计、臭氧发生器、空气泵、气体反应器、蠕动泵、反应塔、液体入口、气体入口、液体出口、气体出口、增压泵、空气罩、溢流管和塔板；

所述烟气钢瓶的出口经转子流量计接气体反应器的烟气进口，臭氧发生器与空气泵连接，臭氧发生器接气体反应器的臭氧进口，气体反应器的出口接反应塔的气体入口，反应塔的底层培养液出口经蠕动泵接反应塔的液体入口，反应塔的底部设有液体出口和气体出口，气体出口接增压泵的进口，增压泵的出口接烟气钢瓶，塔板设在反应塔内，除最下层塔板外，每层塔板均设有溢流管，溢流管外设有空气罩，避免每层上浮的藻细胞随培养液经溢流管流动，每层塔板之间通过溢流管连接形成一个营养液循环体系。

所述反应塔可采用高透光性的玻璃材质、塑料材质等。反应塔可采用板式反应塔。

所述微藻是指能够在碱性环境下生长的藻类，包括螺旋藻、栅藻、小球藻、扁藻等。

所述塔板之间通过溢流管进行气液传递。

空气或纯氧经臭氧发生器产生的臭氧与氮氧化物(NO)发生反应，生成易溶于水的NO₂、NO₃等高价氮氧化物经碱液或碱性藻液吸收，形成硝酸盐和亚硝酸盐供藻细胞代谢吸收，在多层光反应塔中含有硝酸盐(含有一量的亚硝酸盐)藻营养液经泵将最下层塔板的藻液抽到最上层；塔板设在反应塔内，每层塔板(除最下面一层)均有一个溢流管，塔板之间通过溢流管连接形成一个营养液循环体系。

所述微藻培养方法，采用所述微藻多层塔式脱硝固碳装置，具体包括以下步骤：

1)分别在反应塔的每层塔板上倒入微藻培养液，使液面稍微低于溢流管的高度；

2)蠕动泵把反应塔的最下层的培养液滴加到最上层，最上层培养液的液面高过溢流管后，培养液就会由溢流管流入第二层，依次循环，可实现培养液的循环流动；

3)经气体反应器出来的烟气由反应塔最上层的气体入口进入到反应塔中，气体从第一层的培养液溢出后，第一层培养液上方的气压逐渐增大，最终，经溢流管被压入第二层培养液，依次循环，烟气中的二氧化碳和氮氧化物(主要是NO₂)被微藻培养液吸收。

在步骤3)中，所述烟气是指除尘脱硫后的烟气，烟气中CO₂含量为3％～15％，NO_x含量为50～500ppm。

本发明将“微藻养殖”和“脱硝固碳”结合，使NO_x能够被装置高效的脱除吸收，又能使CO₂气体以分子的形式被微藻细胞代谢利用，和传统的光反应器相比，还能显著提高微藻生物量，使“微藻养殖”和“脱硝固碳”两个过程能够稳定高效运行。

附图说明

图1为本发明所述微藻多层塔式脱硝固碳装置实施例的流程示意图。

图2为本发明所述微藻多层塔式脱硝固碳装置实施例的多层塔板结构示意图。

图3为本发明实施例1的微藻生长情况。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1和2，所述微藻多层塔式脱硝固碳装置设有烟气钢瓶1、转子流量计2、臭氧发生器3、空气泵4、气体反应器5、蠕动泵6、反应塔7、液体入口8、气体入口9、液体出口10、气体出口11、增压泵12、空气罩13、溢流管14和塔板15。

所述烟气钢瓶1的出口经转子流量计2接气体反应器5的烟气进口，臭氧发生器3与空气泵4连接，臭氧发生器3接气体反应器5的臭氧进口，气体反应器5的出口接反应塔7的气体入口9，反应塔7的底层培养液出口经蠕动泵6接反应塔7的液体入口8，反应塔7的底部设有液体出口10和气体出口11，气体出口11接增压泵12的进口，增压泵12的出口接烟气钢瓶1，塔板15设在反应塔7内，除最下层塔板15外，每层塔板15均设有溢流管14，溢流管14外设有空气罩13，每层塔板15之间通过溢流管14连接形成一个营养液循环体系。

所述反应塔7可采用高透光性的玻璃材质、塑料材质等。

空气或纯氧经臭氧发生器产生的臭氧与氮氧化物(NO)发生反应，生成易溶于水的NO₂、NO₃等高价氮氧化物经碱液或碱性藻液吸收，形成硝酸盐和亚硝酸盐供藻细胞代谢吸收，在多层光反应塔中含有硝酸盐(含有一量的亚硝酸盐)藻营养液经泵将最下层塔板的藻液抽到最上层；塔板设在反应塔内，每层塔板(除最下面一层)均有一个溢流管，塔板之间通过溢流管连接形成一个营养液循环体系。

所述微藻培养方法，采用所述微藻多层塔式脱硝固碳装置，具体包括以下步骤：

1)分别在反应塔的每层塔板上倒入微藻培养液，使液面稍微低于溢流管的高度；

2)蠕动泵把反应塔的最下层的培养液滴加到最上层，最上层培养液的液面高过溢流管后，培养液就会由溢流管流入第二层，依次循环，可实现培养液的循环流动；

3)经气体反应器出来的烟气由反应塔最上层的气体入口进入到反应塔中，气体从第一层的培养液溢出后，第一层培养液上方的气压逐渐增大，最终，经溢流管被压入第二层培养液，依次循环，烟气中的二氧化碳和氮氧化物(主要是NO₂)被微藻培养液吸收。所述烟气是指除尘脱硫后的烟气，烟气中CO₂含量为3％～15％，NO_x含量为50～500ppm。

以下给出微藻培养方法具体实施例。

实施例1

采用2层塔板，每层塔板加入200ml的不含碳源(NaHCO₃)和氮源(NaNO₃)的螺旋藻培养液，螺旋藻初始生物量为0.45g/L，初始pH＝9.33。烟气进气量为100ml/min，烟气中NO浓度为500ppm，CO₂含量为5％。臭氧发生器采用空气源，空气流量为100ml/min，产生的臭氧浓度为800ppm，臭氧与烟气反应后通入反应塔吸收。每天检测藻液的OD₅₆₀值，其生长情况见图3。连续培养10天后收获，生物量可达3.82g/L，pH＝10.51，脱硝率69％，固碳率19％。

实施例2

采用3层塔板，每层塔板加入200ml的不含碳源(NaHCO₃)和氮源(NaNO₃)的螺旋藻培养液，螺旋藻初始生物量0.571g/L，初始pH＝9.12。烟气进气量为200ml/min，烟气中NO浓度为500ppm，CO₂含量为10％。臭氧发生器采用空气源，空气流量为200ml/min，产生的臭氧浓度为1000ppm，臭氧与烟气反应后通入反应塔吸收。连续培养12天后收获，螺旋藻生物量达4.14g/L，pH＝10.68，脱硝率75％，固碳率28％。

实施例3

采用3层塔板，每层塔板加入400ml的不含碳源(NaHCO₃)和氮源(NaNO₃)的螺旋藻培养液，螺旋藻初始生物量0.577g/L，初始pH＝9.40。烟气进气量为300ml/min，烟气中NO浓度为300ppm，CO₂含量为15％。臭氧发生器采用空气源，空气流量为300ml/min，产生的臭氧浓度为960ppm，臭氧与烟气反应后通入反应塔吸收。连续培养14天后收获，螺旋藻生物量达4.21g/L，pH＝10.45，脱硝率79％，固碳率21％。

实施例4

采用4层塔板，每层塔板加入500ml的不含碳源(NaHCO₃)和氮源(NaNO₃)的螺旋藻培养液，螺旋藻初始生物量0.769g/L，初始pH＝9.53。烟气进气量为500ml/min，烟气中NO浓度为500ppm，CO₂含量为5％。臭氧发生器采用空气源，空气流量为500ml/min，产生的臭氧浓度为900ppm，臭氧与烟气反应后通入反应塔吸收。连续培养12天后收获，螺旋藻生物量达5.33g/L，pH＝11.45，脱硝率85％，固碳率43％。

实施例5

采用4层塔板，每层塔板加入500ml的不含碳源(NaHCO₃)和氮源(NaNO₃)的螺旋藻培养液，螺旋藻初始生物量0.783g/L，初始pH＝9.51。烟气进气量为200ml/min，烟气中NO浓度为500ppm，CO₂含量为5％。臭氧发生器采用氧气源(纯度99％)，氧气流量为50ml/min，产生的臭氧浓度为1350ppm，臭氧与烟气反应后通入反应塔吸收。连续培养12天后收获，螺旋藻生物量达5.83g/L，pH＝12.23，脱硝率91％，固碳率56％。

经臭氧氧化的烟气中的氮氧化物气体和二氧化碳经碱吸收塔吸收后与一定的营养液混合后进入微藻光反应器，微藻在光反应器中培养到稳定期进行采收。