论文部分内容阅读
微藻减排利用烟气CO2具有速率快潜力大、环境适应性强、生物质价值高等优点,是国际科技前沿研究热点,将为我国碳中和战略目标提供一条绿色可持续的技术路线选择。传统跑道池存在气泡生成直径大、气液混合传质差、光衰减快抑制光合作用、微藻光暗循环频率低等问题,现有曝气器因结构和成本问题难以工程放大应用。本文研制了膜片式微孔曝气器产生微米级气泡延长CO2停留时间促进节旋藻光合固碳,揭示了曝气器结构参数和气泡聚并破碎动态变化对流场分布、混合传质、光衰减特征和细胞闪光频率的影响规律。采用计算流体动力学软件CFD（Computational Fluid Dynamics）耦合群体平衡模型（Population Balance Model,PBM）,揭示了安装膜片式微孔曝气器的跑道池内气泡聚并破碎动态变化对流场分布和混合传质的影响规律,调控优化了流场内气泡分布和微藻闪光效应。当曝气器倾斜角θ=11o时反应器内平均湍动能最高（128.31 cm2/s2）,而当θ＞11o时湍动能分布的不均匀性随气泡运动距离缩短而加剧。当气泡生成直径从0.4 mm增加到2.5mm时,反应器内藻液平均速度和湍动能先增后减,在1 mm时达到峰值分别为10.28 cm/s和70.15 cm2/s2;气泡开始出现聚并的高度随生成直径增加而降低,聚并范围变广。当初始气泡流速由0.0314 m/s增加到0.1257 m/s时,微藻闪光频率先增后减,在0.1005 m/s时闪光频率达到最大值0.47 Hz,反应器内气含率和湍流耗散率随着初始气速增加而增加。反应器流场结构优化后小球藻固碳生长速率提高了22%至0.71 g/L/d,光合放氧速率提升了13%到31.07 nmol/m L/min。采用CFD软件耦合离散坐标辐照模型（Discrete Ordinates Radiation Model）并嵌入自定义CO2传质和气泡散射模型求解光传输方程,剖析了微藻-CO2气泡-培养基体系中自然光衰减随微藻浓度和气泡特性变化规律,优化光能传递提升了光区占比。随着气泡生成直径由0.1 mm增加到1.6 mm时,光区长度占比由37.95%增加到42.64%,藻颗粒平均闪光周期T先减后增,在气泡直径为0.8 mm时达到最低值1.81 s。随着初始气含率由0.02增加到0.2时,藻细胞闪光频率f由0.55 Hz减小到0.29 Hz,光区时间占比φ由36.90%降低到18.40%。随着藻细胞浓度由0增加到0.4 g/L时,反应器内光区长度占比从81.13%降低到20.00%,光区长度及其占比下降的幅度随微藻浓度升高而变小,最终趋于平缓。当入射光强由50 W/m2增加到260 W/m2时,反应器内光区长度占比提升了104%达到47.02%,藻细胞闪光频率f先增后减,在200 W/m2时达到最大值0.63 Hz。研制了一种纤维膜片式微孔曝气器,CO2气体分散到纤维膜上数百万个微孔,产生微米级气泡降低了气泡生成直径,增加气液接触面积强化了跑道池内的气液混合传质。当曝气器支撑件的倾斜角θ从0°增加到45°时,气泡生成时间和生成直径先减小后增加,在22o时达到极小值分别为4 ms和0.45 mm;传质系数先增后减,在22o时最高为2.6 h-1。气泡生成直径和生成时间随膜片孔径（6-126μm）增大而增加,传质系数先增后减,当曝气孔径为28μm时传质系数最高达2.6 h-1。与传统曝气条相比,曝气器结构优化后的气泡生成时间和生成直径分别减少了50%和60%,气液混合时间减少了22%,传质系数增加了40%,在99%CO2条件下使节旋藻光化学效率增加了80%,固碳生物质产量增加了38.5%。将数值模拟和实验优化后的膜片式曝气器应用于内蒙古660 m2跑道池工程现场,采用煤化工尾气提纯成食品级CO2（≥99.9%浓度）与一定量空气CO2（约400 ppm浓度）配制成体积浓度为2.5-10%的CO2通入曝气器,强化CO2溶解扩散改善节旋藻细胞光合生长固碳特性。膜片式曝气器使跑道池中的微藻固碳生物质产量提高了15.5%,原初光化学反应的最大量子产率增加了9.78%。当曝气器CO2浓度由0.04%增加到10%时,微藻光反应中心活性ψ0逐渐增加,单位面积反应中心的电子传递能量（ET0/CSm）和活性反应中心数量均先增后降,在最佳CO2浓度7.5%时微藻单位截面的活性反应中心数量（RC/CSm）和光合电子传递推动力DFCS最大分别为628和2.72。适当提高CO2浓度可以促进CO2分子向胞内扩散,以节约跨膜转运消耗的能量有利于更多地用于光合固碳,但是过高CO2浓度会引起胞内环境酸化影响固碳关键酶和反应中心活性。