[发明专利]污水培养微藻光生物反应器的优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，具体涉及一种污水培养微藻光生物反应器的优化设计方法。

背景技术

二氧化碳等温室气体的过量排放所导致的全球气候变暖问题，正在对人类社会产生日益明显的影响。减少温室气体排放、控制气候变化已经逐渐引起了国际社会的重视。城镇生活污水处理是一个非常重要的二氧化碳排放源，而利用污水培养微藻，不仅能够减少大气中的二氧化碳的排放，还能够提取很多高价值的化合物。所以开发一种用于污水培养微藻的高效光生物反应器具有十分重要的意义。

光生物反应器是指能用于光合微生物及具有光合能力的组织或细胞培养的一类装置光生物反应器。通常可分为两大类：开放式和封闭式。对于光生物反应器来说,反应器内部的混合是影响微藻细胞生长的重要因素。反应器内部结构参数虽对藻细胞生长有很大的影响,但内部结构参数不能反映光生物反应器中的光照和混合状况，不直接影响藻细胞生长；直接影响藻细胞生长的参数是能表征光生物反应器内部混合状况的流体动力学参数，特别是光照方向混合的流体动力学参数。因此，对反应器内部流态进行模拟，获取不同结构或不同运行条件下气升反应器内详细的流场信息，进而优化其结构设计及运行控制参数，对新型反应器的研发及提高反应器的运行效率将具有十分重要的意义。 

但传统的实验方法往往受到测量精度和模型尺寸等因素的限制，很难进行微观的、瞬时的流场分析。而计算流体动力学（CFD）方法与实验相比，具有信息完整、速度快、费用低等优点，因此它有着巨大的应用价值和研究意义，尤其是对无法进行试验的反应器研发有着不可替代的作用。所以，利用CFD手段对反应器进行研究是一种很好的选择，也越来越受到科研人员的青睐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种污水培养微藻光生物反应器的优化设计方法，为反应器的优化放大提供模型支持，进而为开发出高效的光生物反应器奠定技术基础，从而有利于对污水处理厂CO₂的排放从源头进行控制，实现CO₂减排。

本发明提出的污水培养微藻光生物反应器的优化设计方法包括：建立一个基于欧拉-欧拉两流体体系的光生物反应器流场和小球藻生化反应相耦合的气液两相二维瞬态CFD模型，对气液两相气升式平板光生物反应器内小球藻降解有机底物间歇过程动态行为特征进行模拟研究。最后通过小球藻浓度和有机底物浓度随时间变化的实验曲线对模型模拟结果进行实验验证。从而建立起能够预测光生物反应器内小球藻生长情况和有机物降解情况的模型，为反应器结构参数和操作参数的优化设计奠定重要理论基础。具体步骤如下：

1、小球藻混养生长的本征动力学模型的建立

首先利用Logistic模型对小球藻在自养条件下进行光合作用生长的动力学进行研究，然后利用Monod方程对小球藻在无光照异养条件下的生长动力学进行研究，最后在小球藻自养生长动力学与异养生长动力学研究的基础上建立起小球藻在混养条件下生长的动力学模型，并在此基础上进一步得出有机物降解的动力学模型；

小球藻混养生长动力学模型方程为：

    （1）

小球藻混养生长条件下有机物降解动力学模型为：

                           （2）

2、光生物反应器实验研究及流动-小球藻生化反应耦合CFD模型的建立及验证

（1）模型假设

1）小球藻接种时的初始浓度在SE培养基中是均匀分布的；

2）反应器中混合液由气液两相组成，空气为气相，由于小球藻体积很小，SE培养基与悬浮于其中的小球藻视为液相； 

3）设定只有葡萄糖为小球藻生长的限制条件，其他营养物质认为足量；

4）液相SE培养基中各矿物盐的浓度很小，模型计算中取水的物性参数。

（2）流场计算模型方程

采用欧拉-欧拉两流体模型与粘性模型中的k-ε湍流模型进行模拟计算；

1）连续型方程

                            （3）

                             （4）

式中，和分别为气相和液相的体积分率；和分别为气相和液相密度；和分别为气相和液相速度。其中，和满足，认为气泡相为理想气体，遵守理想气体定律，其密度可由下式确定：

                     （5）

式中，为大气压下的气相密度；P₀为大气压；为反应器内自由液面高度；为气泡所在位置高度；

2） 动量方程