一种基于双膜耦合的光伏驱动型生物反应器及其工作方法

本发明涉及微藻培养与废水处理，是一种基于双膜耦合的光伏驱动型生物反应器。

背景技术：

1、微藻是一类光合自养微生物，具有生长速率快、光合固碳效率高（可达陆生植物的10-50倍）、环境适应性强等优点，被广泛应用于二氧化碳生物捕集、废水处理及高价值生物质生产等领域。在生长过程中，微藻通过光反应与暗反应两个阶段将光能转化为化学能，高效固定co2并同步吸收废水中的氮、磷等营养物质，实现废水处理与生物质积累的协同效应。同时，微藻具有独特的代谢可塑性，能够将固定的碳导向多种高值产物合成途径，生成富含蛋白质、多不饱和脂肪酸（如epa、dha）、色素等高价值生物质，其藻体可进一步加工为生物柴油、蛋白饲料或生物肥料等。

2、然而，微藻的高效生长高度依赖于光照、温度、营养盐等环境条件，自然水体培养难以满足其稳定、高密度生长的要求。光生物反应器作为能够精确调控培养环境的人工装置，是实现微藻高密度培养的关键技术平台，如中国专利文献刊载的申请公布号cn108359580a，申请公布日2018年8月3日，发明名称为“一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器”。但该类光生物反应器在实际应用中面临着三大核心痛点：一是光能利用效率低，由于微藻细胞对光的吸收、散射及相互遮挡，光强在藻液中呈指数衰减，导致反应器内光分布不均，远离光源区域的藻细胞光照不足，生长受限。二是运行能耗高，传统封闭式光生物反应器多依赖人工光源和动力设备维持运行，能耗巨大，采用传统供电方式时，反应器自身的碳足迹甚至可能超过微藻的固碳量，碳减排价值被显著抵消。三是结构设计局限致混合不均匀，传统光生物反应器多为单一腔体结构，易产生低流速死区，造成藻细胞沉降、co2供应不足、o2排出困难，导致传质效率低下，藻细胞生长受限。为此，有待对现有的光生物反应器进行改进。

技术实现思路

1、为克服上述不足，本发明的目的是向本领域提供一种基于双膜耦合的光伏驱动型生物反应器，使其解决现有光生物反应器光合利用效率低、运行能耗高、混合不均匀的技术问题。其目的是通过如下技术方案实现的。

2、一种基于双膜耦合的光伏驱动型生物反应器，其结构要点在于该生物反应器包括光伏供能单元、反应器主体单元和光学调控单元；所述光伏供能单元包括太阳能光伏板及其配套电气设备；所述反应器主体单元包括循环水泵、气泵及内外双柱透明结构的外反应柱和内反应柱，外反应柱为敞开式的柱形反应器，内反应柱位于外反应柱内部，内反应柱顶部开口，底部通过调节阀门与外反应柱内底部相通，所述循环水泵、气泵由所述光伏供能单元驱动，循环水泵通过抽水管与内反应柱顶部相连通，气泵的出口经软管与曝气石相连，并置于外反应柱底部；所述光学调控单元包括贴附于外反应柱外壁的转光膜和铺设于外反应柱底部及周围的反光膜。通过上述结构，光伏板将太阳能转化为电能，驱动循环水泵和气泵运行，实现“光-电-动”能量转换，使装置完全脱离电网运行，实现节能减排；内外双柱结构的设计，配合循环水泵、气泵和调节阀门的共同作用，反应器内形成持续稳定的内循环流动，当培养藻液时，藻液分布均匀，无培养低流速“死区”形成，有利于微藻光吸收和稳定生长；采用转光膜和反光膜搭配使用，实现光质优化，进一步提高微藻的光能利用效率，促进微藻光合作用，加快生长。

3、所述外反应柱和内反应柱均为圆柱形，所述调节阀门的开口方向为沿内反应柱底部圆周的切线方向水平设置。通过该结构，内反应柱中的藻液通过底部调节阀门切向流入外反应柱内，促使藻液围绕圆周流动，提高澡液搅拌及循环的效果。

4、所述外反应柱的直径为内反应柱的直径的3-5倍，内反应柱的高度为外反应柱高度的80-90%，外反应柱的液位高度为内反应柱装满藻液时高度的30-50%，外反应柱的直径为250-500 mm，外反应柱高度为50-1500 cm，内反应柱的高度为外反应柱高度的80-95%，内反应柱中装满藻液，外反应柱中藻液液位高度为内反应柱高度的30-50%。通过该结构，使生物反应器内微藻在内反应柱和外反应柱之间分布合理，有利于内反应柱与外反应柱之间的循环流通。

5、所述内反应柱底部的调节阀门为若干个沿内反应柱底部周向均布设置的智能阀门，智能阀门与所述光伏供能单元形成控制联动；当光伏供能单元驱动所述循环水泵、气泵工作时，同时驱动所述智能阀门打开；当光伏供能单元的供电低于设定值且无法驱动所述循环水泵、气泵工作时，驱动所述智能阀门关闭。通过该结构，实现调节阀门的自动开关，使用较为方便。

6、所述循环水泵的泵量为可调，且所述智能阀门的开度随循环水泵的泵速形成自适应调节，当光伏供能单元驱动所述循环水泵工作时，保持所述内反应柱沿所述智能阀门回流至外反应柱的流量与所述循环水泵的泵液流量一致，即所述外反应柱内的液位高度始终保持在设定液位。通过该结构，实现智能阀门的智能控制开度流速，生物反应器内循环控制更为精准可靠，适配不同水质特征与微藻种类需求。

7、所述转光膜用于将太阳光中不被生物反应器利用的光转换为被生物反应器利用的光；所述反光膜用于将透过反应器主体单元的光线及照射至外反应柱周面的光线反射至反应器主体单元中。通过该结构，有效提高该生物反应器的光利用率。

8、所述转光膜用于将太阳光中的微藻无法吸收的紫外光和绿光转换为微藻高效吸收利用的红光和蓝光。通过该结构，有利于促进微藻的光合作用，提高微藻产量。

9、该生物反应器用于微藻培养、废水处理及固碳减排。该生物反应器的用途较为广泛。

10、该生物反应器适用于培养的微藻包括三角褐指藻、螺旋藻、小球藻、紫球藻、衣藻、裸藻、雨生红球藻、扁藻。

11、该基于双膜耦合的光伏驱动型生物反应器的工作方法为：所述反应器主体单元内培养微藻，且初始状态下，内反应柱内装满藻液，外反应柱为底部装填藻液；所述太阳能光伏板将太阳光能转化为电能，驱动循环水泵和气泵运行；循环水泵将藻液从外反应柱底部抽送至内反应柱顶部，藻液在重力作用下经内反应柱底部的调节阀门回流至外反应柱内，调节阀门的开度设置为所述内反应柱沿所述调节阀门回流至外反应柱的流量与所述循环水泵的泵液流量一致，回流时射流冲击外反应柱内底部，带动周围藻液向上涌动形成上升流，到达液面后自然下降，在整个反应器主体单元内构建立体循环流场；所述气泵向外反应柱内底部通入含co2气体，为微藻光合作用提供碳源并辅助搅拌；所述转光膜用于将太阳光中的紫外光和绿光转换为红光和蓝光，所述反光膜用于将透过藻液的光线及外反应柱底部周面的光线反射回反应器主体单元中，转光膜和反光膜协同调控光环境，提升微藻光能利用效率。

12、本发明具有结构紧凑、低外界能耗、操作方便、处理效率高、运行成本低等优点，对于分布式微藻养殖、废水处理及生态农业园区等场景具有良好的推广应用前景。

1.一种基于双膜耦合的光伏驱动型生物反应器，其特征在于该生物反应器包括光伏供能单元、反应器主体单元和光学调控单元；所述光伏供能单元包括太阳能光伏板（1）及其配套电气设备；所述反应器主体单元包括循环水泵（5）、气泵（6）及内外双柱透明结构的外反应柱（2）和内反应柱（3），外反应柱为敞开式的柱形反应器，内反应柱位于外反应柱内部，内反应柱顶部开口，底部通过调节阀门（4）与外反应柱内底部相通，所述循环水泵、气泵由所述光伏供能单元驱动，循环水泵通过抽水管（7）与内反应柱顶部相连通，气泵的出口经软管（8）与曝气石（9）相连，并置于外反应柱底部；所述光学调控单元包括贴附于外反应柱外壁的转光膜（10）和铺设于外反应柱底部及周围的反光膜（11）。

2.根据权利要求1所述的基于双膜耦合的光伏驱动型生物反应器，其特征在于所述外反应柱（2）和内反应柱（3）均为圆柱形，所述调节阀门（4）的开口方向为沿内反应柱底部圆周的切线方向水平设置。

3.根据权利要求1所述的基于双膜耦合的光伏驱动型生物反应器，其特征在于所述外反应柱（2）的直径为内反应柱（3）的直径的3-5倍，外反应柱的直径为250-500 mm，外反应柱高度为50-1500 cm，内反应柱的高度为外反应柱高度的80-95%，内反应柱中装满藻液，外反应柱中藻液液位高度为内反应柱高度的30-50%。

4.根据权利要求1所述的基于双膜耦合的光伏驱动型光生物反应器，其特征在于所述内反应柱底部的调节阀门（4）为若干个沿内反应柱底部周向均布设置的智能阀门，智能阀门与所述光伏供能单元形成控制联动；当光伏供能单元驱动所述循环水泵（5）、气泵（6）工作时，同时驱动所述智能阀门打开；当光伏供能单元的供电低于设定值且无法驱动所述循环水泵、气泵工作时，驱动所述智能阀门关闭。

5.根据权利要求4所述的基于双膜耦合的光伏驱动型生物反应器，其特征在于所述循环水泵（5）的泵量为可调，且所述智能阀门的开度随循环水泵的泵速形成自适应调节，当光伏供能单元驱动所述循环水泵工作时，保持所述内反应柱（3）沿所述智能阀门回流至外反应柱（2）的流量与所述循环水泵的泵液流量一致，即所述外反应柱内的液位高度始终保持在设定液位。

6.根据权利要求1所述的基于双膜耦合的光伏驱动型生物反应器，其特征在于所述转光膜（10）用于将太阳光中不被生物反应器利用的光转换为被生物反应器利用的光；所述反光膜（11）用于将透过反应器主体单元的光线及照射至外反应柱（2）周面的光线反射至反应器主体单元中。

7.根据权利要求6所述的基于双膜耦合的光伏驱动型生物反应器，其特征在于所述转光膜（10）用于将太阳光中的微藻无法吸收的紫外光和绿光转换为微藻高效吸收利用的红光和蓝光。

8.根据权利要求7所述的基于双膜耦合的光伏驱动型生物反应器，其特征在于该生物反应器适用于培养的微藻包括三角褐指藻、螺旋藻、小球藻、紫球藻、衣藻、裸藻、雨生红球藻、扁藻。

9.一种如权利要求1所述的基于双膜耦合的光伏驱动型生物反应器的工作方法，其特征在于所述反应器主体单元内培养微藻，且初始状态下，内反应柱（3）内装满藻液，外反应柱（2）为底部装填藻液；所述太阳能光伏板（1）将太阳光能转化为电能，驱动循环水泵（5）和气泵（6）运行；循环水泵将藻液从外反应柱底部抽送至内反应柱顶部，藻液在重力作用下经内反应柱底部的调节阀门（4）回流至外反应柱内，调节阀门的开度设置为所述内反应柱沿所述调节阀门回流至外反应柱的流量与所述循环水泵的泵液流量一致，回流时射流冲击外反应柱内底部，带动周围藻液向上涌动形成上升流，到达液面后自然下降，在整个反应器主体单元内构建立体循环流场；所述气泵向外反应柱内底部通入含co2气体，为微藻光合作用提供碳源并辅助搅拌；所述转光膜（10）用于将太阳光中的紫外光和绿光转换为被微藻细胞高效吸收和利用的红光和蓝光，所述反光膜（11）用于将透过藻液的光线及外反应柱底部周面的光线反射回反应器主体单元中，转光膜和反光膜协同调控光环境，提升微藻光能利用效率。