一种膜曝气微藻生物膜培养装置及运行方法与流程

本发明属于微藻培养技术领域，具体涉及一种膜曝气微藻生物膜培养装置及运行方法。

背景技术：

由于生物能源的可再生性以及碳排放中性的特点，被认为是解决全球能源危机的最理想途径之一。生物柴油是以生物体油脂为原料，通过分解、酯化而得到的长链脂肪酸甲酯，是一种可以替代现有普通柴油使用的环保、可再生能源。生物柴油的原料来自植物油脂(大豆油、玉米油、菜籽油、棕榈油等)、动物油脂(各种动物脂肪)、微藻油脂以及废弃食用油如地沟油等。生物柴油相比于化石燃料的柴油除了具有可再生的特性以外，还具有一些其它的特点，如不含石蜡，闪点高，燃烧性能和效率较高，使用时更安全，氮和硫的含量较少，可减少硫氧化物和氮氧化物的排放等。

微藻作为一种理想的生物燃料原料，具有易于培养，生长条件简单，能利用废水中的营养素进行代谢生长，培养过程不占用耕地等优点。因此微藻的高效培养时目前生物质能源领域急需解决的关键问题之一。

目前，微藻培养方法主要以悬浮培养方法为主，如传统的跑道式培养系统、高效藻类塘以及各种封闭式光生物反应器等。在这些培养系统中微藻细胞呈个体悬浮生长状态，因而，所得的藻浓度较为有限，不利于后续藻液脱水、干化等操作。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种增加微藻对二氧化碳利用率，微藻浓度高，对微藻生物膜实现增产，利于后续藻液脱水、干化等操作的膜曝气微藻生物膜培养装置。

本发明的目的之二在于提供一种可实现微藻固定化培养的膜曝气微藻生物膜培养装置的运行方法。

本发明为实现目的一所采取的方案为：一种膜曝气微藻生物膜培养装置，包括光生物反应器，光生物反应器内设有膜组件，光生物反应器底部连接有曝气管和进水管，曝气管与鼓风机连接，进水管的进水口与进水泵连接，进水泵与进水箱连接，进水管进水口与进水泵出水口均设有阀门，两阀门之间的进水管还连接有循环泵，循环泵出水口连接有ph计，ph计与光生物反应器上部的出水口连接，可将含较高氮磷的生活废水或食品工业废水放入光生物反应器内对微藻进行培养，对水体中的氮磷去除率可达到92%以上，可大量培养微藻生物膜，培养的微藻生物膜厚度达到100-110μm，利用膜组件可实现微藻吸附在膜组件表面形成微藻生物膜，并且利于后续的藻液脱水、干化等操作，在微藻培养过程中可实时监控培养水质的ph值，并对光生物反应器内进行曝气，为微藻生物膜提供较佳的培养条件。

为优化上述技术方案，所采取的措施还包括：

优选的，膜组件为聚偏氟乙烯中空纤维，膜组件表面呈鱼鳞状结构，膜组件的膜孔径为0.1μm，膜表面面积为0.1㎡，聚偏氟乙烯简称pvdf，膜组件表面的鱼鳞状结构能有效保护膜孔不被微藻完全堵塞，保证较好的透光性，还可在曝气的时候增加生物膜膜孔间的气泡产生，增加微藻对二氧化碳的利用率，利于微藻对碳源的吸收，微藻生物膜的产量相比常规微藻培养方式产量得到11.4~13.8%的提升。

优选的，光生物反应器上部的出水口还连接有流量计，用于统计在光生物反应器内送入的培养液的流量，保证送入的培养液量适中避免过量，提高光生物反应器内的藻密度，节省培养液的使用成本。

优选的，曝气管上方设有分流器，分流器由集气管和分流体组成，集气管与曝气管相连接，分流体设置于集气管上方，分流体为椎体，内部均设分流孔，外部螺旋环绕有螺旋槽，分流器可收集曝气管正上方的气体经分流孔将气体细化形成比曝气管爆出的气体的气泡体积更小的气泡，达到切泡效果，气泡量大且曝气范围更广冲击力小，分流器外部的螺旋槽可使曝气管产生的气泡以螺旋状方式上升，使气泡对微藻的冲击力得到减小，利于微藻在光生物反应器内的微藻位置稳定，有效避免微藻在曝气过程中与吸附的膜组件分离，通过在曝气管上方设置分流器解决了现有技术中曝气强度过大导致微藻分布不均匀及曝气范围过于集中的问题。

优选的，分流孔出口端连接有活动网板，网板表面为反光面，在曝气过程中气体经过网板时可产生微小体积的气泡减缓气泡在水中上升的速度，避免大气泡的产生，延长了微藻与气泡中的二氧化碳的接触时间，结合膜组件进一步增加气泡的产生，大大提高二氧化碳的利用率，促进膜组件表面的微藻生长，在大量气泡经过网板的时候，网板会产生弯曲，弯曲后的网板的表面会扩大照射到分流器表面的光的折射范围，使部分光线在光生物反应器内时刻发生着变化，有利于提高微藻光合作用，促进微藻生物膜的生产。

优选的，集气管内交叉设置有扰流杆，扰流杆上均布有环形的绿松石片，石片与扰流杆的直径比为2-3:1，交叉设置的扰流杆可改变气流的运动状态，使原本垂直上升的气体出现交叉上升，并且设置环形绿松石片进一步提高扰流效果，使气体流线发生变化快速分散并到达分流孔底部，分气量均匀，实现曝气均匀，提高生物膜的生产速度及生产厚度，同时在绿松石片及扰流杆扰流时集气管内的气压产生变化空气中氮气、氧气、二氧化碳及稀有气体的组成比例，增加了空气中二氧化碳的所占比例，有益于提高微藻的光合作用及生物膜生产，通过公式，q为过集气管的总流量，为流量系数，ae为集气管孔面积，为气体流速，g为干扰物直径，pa为大气压强，p1为集气管内压强，优选了石片与扰流杆的直径比为2-3:1，来保证扰流所产生的气体流线发生变化快速分散并到达分流孔底部，分气量均匀，实现曝气均匀，提高生物膜的生产速度及生产厚度的效果。

优选的，鼓风机与曝气管之间设有压力表，监控曝气强度，防止过度曝气溶氧量过高，避免曝气量过大影响微藻培养及曝气能耗的浪费。

优选的，光生物反应器为圆柱形有机玻璃材质，可有效的将光传递到光生物反应器内保证微藻充分进行光合作用。

本发明为实现目的二所采取的技术方案为：在光生物反应器内置膜组件作为微藻附着材料，光生物反应器底部曝气，曝气强度为1.5l/min，利用自然光源或人工光源保证光生物反应器内微藻光合作用，微藻培养过程中将微藻培养液由光生物反应器顶部送入，利用循环泵将培养液底部排出，形成循环送料，利用膜组件使微藻细胞吸附在膜组件表面形成微藻生物膜，可实现微藻固定化培养，利于后续的藻液脱水及干化等操作，在培养过程中实现培养液循环送料，适用于对藻类无毒无害的污水处理，达到培养微藻生物膜的同时进行含氮磷的污水净化效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过膜组件表面的鱼鳞状结构能有效保护膜孔不被微藻完全堵塞，保证较好的透光性，还可在曝气的时候增加生物膜膜孔间的气泡产生，增加微藻对二氧化碳的利用率，利于微藻对碳源的吸收；在曝气管上方设置分流器解决了现有技术中曝气强度过大导致微藻分布不均匀及曝气范围过于集中的问题；大量培养微藻生物膜同时对水体中的氮磷去除，去除率达到92%以上，培养的微藻生物膜厚度达到100-110μm，实现微藻固定化培养，利于后续的藻液脱水、干化等操作。

附图说明

图1为本发明一种膜曝气微藻生物膜培养装置的示意图；

图2为本发明分流器与曝气管配合状态示意图；

图3为本发明分流器与曝气管配合状态下的剖视图；

图4为本发明的网板示意图；

图5为实施例5中实验组与对照组微藻培养生长对比数据表；

图6为实施例5中实验组与对照组在相同光照条件下的培养生长对比数据表；

图7为实施例5中实验组鱼腥藻生物膜在扫描电镜下断面结构图；

图8为实施例5中鱼腥藻生物膜在扫描电镜下放大1000倍观测到的表面结构图。

附图标记说明：1.进水箱；2.进水泵；3.鼓风机；4.压力表；5.循环泵；6.流量计；7.ph计；8.膜组件；9.出水口；10.光生物反应器；11.曝气管；12.分流器；12a.集气管；12b.分流体；12c.分流孔；12d.网板；12e.螺旋槽；12f.扰流杆。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

如图1所示，一种膜曝气微藻生物膜培养装置，包括光生物反应器10，光生物反应器10内设有膜组件8，光生物反应器10底部连接有曝气管11和进水管，曝气管11与鼓风机3连接，进水管的进水口与进水泵2连接，进水泵2与进水箱1连接，进水管进水口与进水泵2出水口均设有阀门，两阀门之间的进水管还连接有循环泵5，循环泵5出水口连接有ph计7，ph计7与光生物反应器10上部的出水口9连接，可将含较高氮磷的生活废水或食品工业废水放入光生物反应器10内对微藻进行培养，对水体中的氮磷去除率可达到92%以上，可大量培养微藻生物膜，培养的微藻生物膜厚度达到100-110μm，利用膜组件8可实现微藻吸附在膜组件8表面形成微藻生物膜，并且利于后续的藻液脱水、干化等操作，在微藻培养过程中可实时监控培养水质的ph值，并对光生物反应器10内进行曝气，为微藻生物膜提供较佳的培养条件。

鼓风机3与曝气管11之间设有压力表4，监控曝气强度，防止过度曝气溶氧量过高，避免曝气量过大影响微藻培养及曝气能耗的浪费。

光生物反应器10为圆柱形有机玻璃材质，可有效的将光传递到光生物反应器10内保证微藻充分进行光合作用。

实施例2：

如图2-3所示，本实施例在实施例1的基础上进一步优化为：膜组件8为聚偏氟乙烯中空纤维，膜组件8表面呈鱼鳞状结构，膜组件的膜孔径为0.1μm，膜表面面积为0.1㎡，聚偏氟乙烯简称pvdf，膜组件8表面的鱼鳞状结构能有效保护膜孔不被微藻完全堵塞，保证较好的透光性，还可在曝气的时候增加生物膜膜孔间的气泡产生，增加微藻对二氧化碳的利用率，利于微藻对碳源的吸收，微藻生物膜的产量相比常规微藻培养方式产量得到11.4~13.8%的提升。光生物反应器10上部的出水口9还连接有流量计6，用于统计在光生物反应器10内送入的培养液的流量，保证送入的培养液量适中避免过量，提高光生物反应器10内的藻密度，节省培养液的使用成本。曝气管11上方设有分流器12，分流器12由集气管12a和分流体12b组成，集气管12a与曝气管11相连接，分流体12b设置于集气管12b上方，分流体12b为椎体，内部均设分流孔12c，外部螺旋环绕有螺旋槽12e，分流器12可收集曝气管11正上方的气体经分流孔12c将气体细化形成比曝气管11爆出的气体的气泡体积更小的气泡，达到切泡效果，气泡量大且曝气范围更广冲击力小，分流器12外部的螺旋槽12e可使曝气管11产生的气泡以螺旋状方式上升，使气泡对微藻的冲击力得到减小，利于微藻在光生物反应器10内的微藻位置稳定，有效避免微藻在曝气过程中与吸附的膜组件分离，通过在曝气管11上方设置分流器12解决了现有技术中曝气强度过大导致微藻分布不均匀及曝气范围过于集中的问题。分流孔12c出口端连接有活动网板12d，网板12d表面为反光面，在曝气过程中气体经过网板12d时可产生微小体积的气泡减缓气泡在水中上升的速度，避免大气泡的产生，延长了微藻与气泡中的二氧化碳的接触时间，结合膜组件8进一步增加气泡的产生，大大提高二氧化碳的利用率，促进膜组件8表面的微藻生长，在大量气泡经过网板12d的时候，网板12d会产生弯曲，弯曲后的网板12d的表面会扩大照射到分流器12表面的光的折射范围，使部分光线在光生物反应器10内时刻发生着变化，有利于提高微藻光合作用，促进微藻生物膜的生产。

集气管12a内交叉设置有扰流杆12f，扰流杆12f上均布有环形的绿松石片，石片与扰流杆12f的直径比为2-3:1，交叉设置的扰流杆12f可改变气流的运动状态，使原本垂直上升的气体出现交叉上升，并且设置环形绿松石片进一步提高扰流效果，使气体流线发生变化快速分散并到达分流孔12c底部，分气量均匀，实现曝气均匀，提高生物膜的生产速度及生产厚度，同时在绿松石片及扰流杆12f扰流时集气管12a内的气压产生变化空气中氮气、氧气、二氧化碳及稀有气体的组成比例，增加了空气中二氧化碳的所占比例，有益于提高微藻的光合作用及生物膜生产，通过公式，q为过集气管的总流量，为流量系数，ae为集气管孔面积，为气体流速，g为干扰物直径，pa为大气压强，p1为集气管内压强，优选了石片与扰流杆12f的直径比为3:1，来保证扰流所产生的气体流线发生变化快速分散并到达分流孔12c底部，分气量均匀，实现曝气均匀，提高生物膜的生产速度及生产厚度的效果。

实施例3：

本发明在培养微藻生物膜过程中采用微藻培养液或含氮磷对微藻无毒无害的废水进行培养，优选采用微藻培养液进行微藻培养，其微藻培养液的制备方法为：按重量份计，取未施肥过的土壤30份置入反应釜中加入60蒸馏水，加热至100℃，50min，冷却，无菌条件下过滤，得土壤滤液，在此放入清洗后的反应釜中并加入70份蒸馏水、6份竹醋液、2份磷酸氢二钾、0.2份1，3-丙二醇加热至46℃搅拌30min，停止加热，静置1h，加入氟代烷基咪唑类化合物0.2份、d-炔丙基甘氨酸0.02份和l-炔丙基甘氨酸0.03份用磁力棒搅拌80min，搅拌速度30r/min，搅拌过程中通入b4h10，通气量为0.3l/h，搅拌完成后得微藻培养液，其中氟代烷基咪唑类化合物为1-（3，3，4，4，4-五氟取代丁基）-3-甲基咪唑三氟乙酸盐，氟代烷基咪唑类化合物中含有阳离子氟代烷基咪唑，通式为cnfzmim⁺，n=1-8，z=1-（2n+1），氟代烷基咪唑类化合物由上海成捷化学有限公司制定，制备的微藻培养液可有效提高微藻生物膜的产量，利于降低微藻生物膜培养成本，在微藻培养液制备过程中加入捕获二氧化碳能力强的离子物-氟代烷基咪唑类化合物，提高了微藻对二氧化碳的吸收能力，可有效减少二氧化碳供气量，并且通过特殊配比的d-炔丙基甘氨酸和l-炔丙基甘氨酸可增强氟代烷基咪唑类化合物中离子的对二氧化碳的捕获能力，进一步提高培养液对微藻自代谢率及二氧化碳的固定效率的效果，解决微藻生物累计缓慢的问题。

实施例4：

本发明的一种膜曝气微藻生物膜培养装置的运行方法为：在光生物反应器10内置膜组件8作为微藻附着材料，光生物反应器10底部曝气，曝气强度为1.5l/min，利用自然光源或人工光源保证光生物反应器10内微藻光合作用，微藻培养过程中将微藻培养液由光生物反应器10顶部送入，利用循环泵5将培养液底部排出，形成循环送料，利用膜组件8使微藻细胞吸附在膜组件8表面形成微藻生物膜，可实现微藻固定化培养，利于后续的藻液脱水及干化等操作，在培养过程中实现培养液循环送料，适用于对藻类无毒无害的污水处理，达到培养微藻生物膜的同时进行含氮磷的污水净化效果。

实施例5：

为评价本发明系统的效果，采取实验对比：本发明培养装置与传统柱式反应器进行悬浮培养进行对照实验。

选用普通鱼腥藻，购买于中国科学野生生物种质库，采用常规的gb11培养基对藻种进行预培养，将培养基放入300ml血清瓶中，0.15mpa条件下灭菌15min，冷却后，接种鱼腥藻细胞，放入光照培养箱，控制温度在26~27℃，光照强度120μmol/（㎡·s），预培养时间为5天，得鱼腥藻藻种。

本发明膜曝气微藻生物膜培养装置为（实验组）与传统柱式反应器（对照组）容量相同，两组中的微藻种放入量为：10g/㎡，在培养条件相同的情况下，进行10天的培养，情况如图5所示，随着培养时间的增加，实验组的生物质面积密度明显高于对照组，到第10天时实验组的生物质面积密度高于对照组生物质面积密度的37.4%。

在实验组与对照组内部及外部光照条件200μmol/（㎡·s）及其他条件相同的情况下，进行为期3天的测试，情况如图6所示，由于实验组内放置微藻培养液及曝气均匀，微藻对二氧化碳利用率高，由图6可见实验组的生物质面积密度明显高于对照组生物质面积密度。

实验组内的膜组件8表面的生物膜上大量附着鱼腥藻，挂膜效果好，鱼腥藻生物膜表面凹凸不平，比表面积大，藻细胞直接相互连接，形成了丰富的网状结构，经过扫描电镜的结果分析计算实验组的鱼腥藻生物膜厚度达到了100-110μm，实验组鱼腥藻生物膜在扫描电镜下断面结构图，如图7所示；鱼腥藻生物膜在扫描电镜下放大1000倍观测到的表面结构图如图8所示。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。