用于污水处理和微藻培养的太阳能内光源光生物反应器运行机理与应用研究

有内光源的光生物反应器可大大提高受光面积与体积比，进而可大幅度加快微藻增殖速度。目前，有商业应用价值的培养微藻的光生物反应器大多只有外光源，少数有人工内光源。本项目旨在对一种以太阳能为内光源，可同时用于有机污水处理和微藻培养的光生物反应器的运行机理和它的应用进行研究。重点从理论和实验上探索"太阳能内光源模块"对太阳光的传递规律，研究其与生物反应器其它部件的最佳匹配关系。对聚光系统和出光端导光管内部的传光机理和侧壁出光的空间光强分布进行计算机模拟和实验测试，从而找出最有利于微藻增殖的结构参数，最后用太阳能内光源光生物反应器进行污水处理与微藻培养的综合实验研究。我国西部地区盛产木薯、蔗糖和桑蚕，畜牧家禽养殖业也很发达，每年有大量有机污水排放。光生物反应器以有机污水为有效营养源，通过太阳能光合作用，培养微藻生物，不仅治理了污水，还获得高经济价值的微藻产品。本项目的研究成果将具有很好的应用前景。

水体中的各种微藻通过光合作用吸收二氧化碳和水中的有机物，如污水中的有机氮磷等，然后迅速繁殖，放出氧气，它们既能提供人类所需的各种营养物质，还可起固碳和排污的作用。为了提高太阳光利用率，人们提出了各种强化光能利用的封闭式培养微藻的反应器。该类反应器效果虽好，但成本高，商业化前景不佳。开放式跑道池（可视为结构最简的反应器）成本较低，是目前大规模商业应用的首选，但没有光能捕获强化过程，光能利用率较低。本项目对一种低成本光能强化技术应用于跑道池培养系统进行研究，探索其能够促进光能利用的强化和藻液流动强化的运行机理，以期达到为高产培养系统的设计提供理论指导的目的。主要有三个研究内容：一是太阳能内光源；二是通过流场分析，研究反应器内流体流动规律，通过优化结构，改善流场，促进藻液循环和藻层混合，使更多的藻细胞有更多的时间进入光亮区；三是光谱对微藻生长的影响。对太阳能内光源进行了详细的研究，发现原先采用的系统在其它导光领域更有应用前景，而替代它的是一种结构更简单的导光槽。通过研究，找到了一种合理的导光导流技术和气流配置相结合方法，用导光槽既解决浅层内部光照问题也解决了循环和混合的问题。通过综合考虑各种影响性价比的因素后选择了三角形剖面的导光槽，其与尖顶下方供气装置相结合，导光槽背面正好充当导流槽。这种方案既改善了光照又改善循环和混合。流场模拟已经显示了这种方法较好的循环和混合较果。用该方法进行了极大螺旋藻的培养实验，微藻产量增加了近20%。我们进行了红外光源对微藻培养的干预实验，选择三种红外光源，两个850nm和940nm的红外二极管阵列板，另一个是波长范围为2-25μm的远红外光源进行实验。结果发现：在其它条件相同时，用波长范围为2-25μm的远红外光对藻种照射处理后，对螺旋藻后期的生长具有最大的促进作用，多次实验表明，培养实验最后一天的藻浓度比对照组高出3倍以上。而另两种光源对应效果不明显。用其中效果最好的波长范围为2-25μm的远红外光源对藻种作不同时长（2，4，6，7，8，9，10，12小时）的照射处理，结果表明，进行8小时照射，获得最好的效果。可能的物理和生物原因是，远红外辐射与细胞结构之间具有共振效应。当用远红外辐射处理极大螺旋藻时，藻体细胞吸收远红外产生共振，活化了蛋白质等生物大分子进而促进细胞体内线粒体新陈代谢速度加快。最佳照射波长和具体的活化机制有待进一步研究