[0001] 本实用新型涉及CO2生物转化利用技术，特别涉及一种三层交错式变孔径剪切曝气器及微藻养殖系统。

[0002] 由于化石燃料排放大量CO2造成严重的温室效应环境问题，将烟气CO2减排转化利用对于节能环保和低碳经济具有重要意义。微藻具有生长快和含油高等独特优点，转化太阳能为生物质能的量子效率高达2-10％(而陆生植物的量子效率都小于1％)，每天生物质增长可达1-3倍，是生物法转化利用CO2的有效方法。煤化工厂尾气、电厂排放烟气、工业炉窑烟气等经过分离提纯得到纯度为99.9％的食品级CO2可以用来养殖微藻。跑道池光合反应器是目前工程应用最广泛的微藻养殖设备，但是食品级高纯度CO2利用效率低，不仅增加了微藻生产成本，而且限制了微藻生物质产量。

[0003] 传统利用CO2方法是通过置于跑道池中的曝气器，持续通入CO2气泡以供给微藻合成自身有机物。研究人员提出一些特殊扰流结构或改进曝气结构以优化跑道池反应器，从而增强流体扰动效果提高气液混合传质效率。但是，仍然有大量CO2气体无法被微藻快速吸收从而逃逸出跑道池反应器，这些逃逸CO2气体不仅造成环境危害而且增加了微藻生产成本。Mokashi等人证实了HCO3-可以代替无机碳源供给微藻，以更好地合成自身所需有机物。从CO2气体转化而来的HCO3-理论上可以被微藻细胞完全吸收，故可以通过前期碳化反应向培养液补充碳源，此种方法能显著提高CO2利用效率和经济效益。Song等人提出了一种氨吸收工艺将CO2转化为NH4HCO3溶液，然后供给微藻生长利用HCO3-合成生物质。然而常规曝气器生成CO2气泡尺寸大，碳化反应生成HCO3-转化效率低，曝气器需要布置数量很多导致设备成本高。面对一个微藻企业占地面积达成百上千亩的跑道池反应器，难以解决高效低成本补充碳源问题。
实用新型内容

[0004] 本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种三层交错式变孔径剪切曝气器及微藻养殖系统。

[0005] 为解决上述技术问题，本实用新型的解决方案是：

[0006] 提供一种三层交错式变孔径剪切曝气器，包括一端开口另一端封闭的圆管状主体；所述圆管状主体在径向方向上具有三层结构，由内向外依次为轴向矩形编织网剪切曝气层、径向矩形编织网剪切曝气层和金属粉末烧结圆孔剪切曝气层；或者，由内向外依次为径向矩形编织网剪切曝气层、轴向矩形编织网剪切曝气层和金属粉末烧结圆孔剪切曝气层；

[0007] 所述轴向矩形编织网剪切曝气层和径向矩形编织网剪切曝气层中，矩形网孔的长宽比为3～5∶1，面积等效为直径150μm的圆孔；该两层结构的矩形网孔的长边相互垂直，且交错布置；在金属粉末烧结圆孔剪切曝气层上，圆孔直径等效为10～100μm；各相邻两层结构之间的间距为30～60μm。

[0008] 作为一种改进，所述轴向矩形编织网剪切曝气层和径向矩形编织网剪切曝气层均由金属不锈钢丝编织制成；所述金属粉末烧结圆孔剪切曝气层是由金属钛粉末烧结制成。

[0009] 作为一种改进，所述圆管状主体的长度为0.8～1.5m，最内层结构的直径为50mm。

[0010] 本实用新型中进一步提供了利用前述三层交错式变孔径剪切曝气器构建而成的微藻养殖系统，包括CO2供给系统、补碳系统、微藻养殖及收获系统、循环回水系统；所述补碳系统包括一个卧式槽罐，通过其顶部入口和底部出口与循环回水系统的循环回水管道相连；所述三层交错式变孔径剪切曝气器水平安装在卧式槽罐中，曝气器的开口端通过管路连接至CO2供给系统，构成补碳系统。

[0011] 作为一种改进，所述CO2供给系统包括经管路依次连接的CO2存储罐、CO2流量计、干燥器、止回阀和球阀。

[0012] 利用前述微藻养殖系统实现循环回水养殖微藻的方法，包括：

[0013] (1)向收获生物质后的微藻液体循环回水中添加或补充营养盐Na2CO3，由水泵送入卧式槽罐中；

[0014] (2)利用三层交错式变孔径剪切曝气器的交错式变孔径结构，对来自CO2供给系统的CO2气体进行剪切，最终形成直径为0.7～2.5mm的微米级气泡；CO2微米级气泡与循环回水在卧式槽罐中进行混合，通过碳酸化反应形成NaHCO3；将碳酸化反应后的循环回水送入跑道池光合反应器用于养殖微藻；

[0015] CO2气体可选从煤化工厂尾气、电厂排放烟气或工业炉窑烟气中分离提纯得到的，CO2纯度为99.9％；保持卧式槽罐内部的压力为0.2～0.4MPa。控制跑道池光合反应器中的环境光照强度为4000～100000lux，环境温度为18～38℃，pH为8～12。

[0016] (3)根据跑道池光合反应器中的藻液的pH值，调整CO2气体流量或控制营养盐Na2CO3的添加量，以调节循环回水中生成的NaHCO3浓度，从而促进微藻光合作用生长固碳。控制Na2CO3的添加量，使进入卧式槽罐之前的循环回水中Na2CO3浓度为8～14g/L。跑道池光合反应器中使用的微藻种类可选钝顶螺旋藻、极大螺旋藻或盐泽螺旋藻。

[0017] 原理描述：

[0018] 本实用新型中曝气器主要采用三层结构。内部两层矩形编织曝气层是利用矩形边棱对气泡进行切割，通过矩形边棱在不同方向对气泡施加剪切力，可以快速将气泡分割成更小体积；内部两层矩形的编织方向分为轴向矩形和径向矩形(内层矩形和中层矩形的编织方向可以调换)，两个内层之间的矩形在安装时要保证长边方向相互垂直以提供相互垂直的切割力，使得气泡在生成过程中受到不同角度的快速切割。最外层的圆孔曝气层可以进一步减小气泡生成直径，并且使得气泡生成尺寸及空间分布更加均匀。相比于纯粹使用三层圆孔的曝气器而言，本实用新型显著提高了曝气速率并且减小了气泡生成直径。

[0019] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

[0020] 1、将本实用新型所述三层交错式变孔径剪切曝气器置于卧式槽罐中，产生CO2微气泡与循环回水中Na2CO3进行碳酸化反应形成NaHCO3，提供给微藻生长所需碳源能有效提高CO2利用效率降低微藻生产成本。与工业上广泛使用的传统橡胶条多孔曝气器相比，本金属曝气器设备的使用寿命延长了6～8倍，并且使气泡生成直径降低了69.3％～78.9％达到0.7～2.5mm，气泡生成时间降低了48.6％～54.5％达到4.9～5.9s，CO2气泡与液体混合时间减少了43％～55％，气液传质效率提高了45％～62％，从而使CO2碳酸化反应形成NaHCO3的转化效率提高到82.3％～91.6％。

[0021] 2、利用本曝气器产生的CO2微气泡进行碳酸化反应生成NaHCO3后的循环回水，通过管道送入跑道池光合反应器用于养殖微藻。与跑道池中安装传统橡胶条多孔曝气器进行直接CO2曝气的养藻系统相比，本系统微藻细胞内光合作用的实际光化学效率提高了1.9～2.8倍，生物质产量提高了45～80％，CO2气体转化到藻粉生物质的利用效率提高了3.9～
5.8倍。
附图说明

[0022] 图1为本实用新型中三层交错式变孔径剪切曝气器的立体结构图。

[0023] 图中的附图标记为：1-1轴向矩形编织网剪切曝气层；1-2径向矩形编织网剪切曝气层；1-3金属粉末烧结圆孔剪切曝气层。

[0024] 图2为利用曝气器循环回水养殖微藻系统示意图。

[0025] 图中的附图标记为：1 CO2存储罐；2 CO2流量计；3干燥器；4止回阀；5球阀；6三层交错式变孔径剪切曝气器；7卧式槽罐；8压力表；9排污口；10循环回水池；11跑道池光合反应器；12微藻生物质采收设备；13废液池；14水泵；15液体流量计。

[0026] 下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型。

[0027] 如图1所示，三层交错式变孔径剪切曝气器是由三个剪切曝气层组成的圆管状结构(设备外部长度为0.8～1.5m，最内层结构的直径为50mm)，各相邻两层结构之间的间距为30～60μm。CO2气体由内到外依次通过等效圆周直径为150μm的轴向矩形编织网剪切曝气层
1-1(采用金属不锈钢丝编织制成)，等效圆周直径为150μm的径向矩形编织网剪切曝气层1-
2(采用金属不锈钢丝编织制成)和圆孔直径等效为10～100μm的金属粉末烧结圆孔剪切曝气层1-3(采用金属钛粉末烧结制成)。CO2气体经过曝气器的三层交错式变孔径结构剪切，最终形成直径为0.7～2.5mm的微米级气泡。轴向矩形编织网剪切曝气层和径向矩形编织网剪切曝气层中，矩形网孔的长宽比为3～5∶1，该两层结构的矩形网孔的长边相互垂直，且交错布置。

[0028] 如图2所示，整个微藻养殖系统包括CO2供给系统、补碳系统、微藻养殖及收获系统、循环回水系统。(1)CO2供给系统由CO2存储罐1提供纯度为99.9％的高纯度CO2气体(来源于煤化工厂尾气、电厂排放烟气、工业炉窑烟气中CO2通过分离提纯得到)，依次通过CO2流量计2、干燥器3、止回阀4、球阀5进入安装在卧式槽罐内部的曝气器中。(2)补碳系统包括一个卧式槽罐7，通过其顶部入口和底部出口与循环回水系统的循环回水管道相连；三层交错式变孔径剪切曝气器6水平安装在卧式槽罐7中，后者内部的运行压力为0.2～0.4MPa，配置有压力表8和排污口9。曝气器产生的CO2微气泡与补充添加了营养盐Na2CO3(控制添加量使进入卧式槽罐7之前的循环回水中Na2CO3浓度为8～14g/L)的循环回水混合。(3)与曝气器产生的CO2微气泡进行碳酸化反应生成NaHCO3后的循环回水通过管道送入循环回水池10暂存，或直接送入跑道池光合反应器11用于养殖微藻(藻种为钝顶螺旋藻、极大螺旋藻或盐泽螺旋藻)。(4)控制跑道池光合反应器11的环境光照强度为4000～100000lux，环境温度为18～38℃，其内部溶液pH为8～12。根据跑道池光合反应器中的藻液pH值，调整通入曝气器的CO2气体流量或控制营养盐Na2CO3的添加量以调节循环回水中生成的NaHCO3浓度，从而促进微藻光合作用生长固碳。微藻经过3-5天生长后送入微藻生物质采收设备12进行收获作业。(5)收获生物质后的循环回水送入废液池13，加工处理并补充添加营养盐Na2CO3后的循环回水经过水泵14和液体流量计15，送入补碳系统的卧式槽罐7进行重复利用。

[0029] 实施例1

[0030] 三层交错式变孔径剪切曝气器是由三个剪切曝气层组成的圆管状结构(设备外部长度为1.5m，最内层结构的直径为50mm)。每两个曝气层之间的距离均为60μm。CO2气体由内到外依次通过矩形网孔面积等效直径为150μm圆孔的轴向矩形(长宽比为5：1)编织网剪切曝气层(采用金属不锈钢丝编织制成)，矩形网孔面积等效直径为150μm圆孔的径向矩形(长宽比为5：1)编织网剪切曝气层(采用金属不锈钢丝编织制成)和圆孔直径等效为50μm的金属粉末烧结圆孔剪切曝气层(采用金属钛粉末烧结制成)；CO2气体经过曝气器的三层交错式变孔径结构剪切，最终形成直径为0.7mm的微米级气泡。

[0031] 整个微藻养殖系统包括CO2供给系统、补碳系统、微藻养殖及收获系统、循环回水系统。(1)CO2供给系统由CO2存储罐提供纯度为99.9％的高纯度CO2气体(来源于煤化工厂尾气中CO2通过分离提纯得到)，依次通过CO2流量计、干燥器、止回阀、球阀进入安装在卧式槽罐内部的曝气器中。(2)补碳系统包括三层交错式变孔径剪切曝气器、卧式槽罐、压力表、排污口。曝气器产生的CO2微气泡与补充添加了营养盐Na2CO3(控制浓度为14g/L)的循环回水混合，控制卧式槽罐内部压力保持0.4MPa进行碳酸化反应形成NaHCO3。(3)与曝气器产生的CO2微气泡进行碳酸化反应生成NaHCO3后的循环回水通过管道送入循环回水池暂存，或直接送入跑道池光合反应器用于养殖微藻(藻种为钝顶螺旋藻)。控制环境光照强度为50000lux，环境温度为32℃，溶液pH为10。根据跑道池光合反应器中的藻液pH值，调整通入曝气器的CO2气体流量或控制营养盐Na2CO3的添加量以调节循环回水中生成的NaHCO3浓度，从而促进微藻光合作用生长固碳。微藻经过5天生长后送入微藻生物质采收设备进行收获作业。(4)收获生物质后的循环回水送入废液池，加工处理并补充添加营养盐Na2CO3后的循环回水经过水泵和液体流量计，送入补碳系统的卧式槽罐进行重复利用。

[0032] 与工业上广泛使用的传统橡胶条多孔曝气器相比，本金属曝气器设备的使用寿命延长了8倍，并且使气泡生成直径降低了78.9％达到0.7mm，气泡生成时间降低了54.5％达到4.9s，CO2气泡与液体混合时间减少了55％，气液传质效率提高了62％，从而使CO2碳酸化反应形成NaHCO3的转化效率提高到91.6％。与跑道池中安装传统橡胶条多孔曝气器进行直接CO2曝气的养藻系统相比，本系统微藻细胞内光合作用的实际光化学效率提高了2.8倍，生物质产量提高了80％，CO2气体转化到藻粉生物质的利用效率提高了5.8倍。

[0033] 实施例2

[0034] 三层交错式变孔径剪切曝气器是由三个剪切曝气层组成的圆管状结构(设备外部长度为1.2m，最内层结构的直径为50mm)。每两个曝气层之间的距离均为45μm。CO2气体由内到外依次通过矩形网孔面积等效直径为150μm圆孔的径向矩形(长宽比为4：1)编织网剪切曝气层(采用金属不锈钢丝编织制成)，矩形网孔面积等效直径为150μm圆孔的轴向矩形(长宽比为4：1)编织网剪切曝气层(采用金属不锈钢丝编织制成)和圆孔直径等效为100μm的金属粉末烧结圆孔剪切曝气层(采用金属钛粉末烧结制成)。CO2气体经过曝气器的三层交错式变孔径结构剪切，最终形成直径为1.6mm的微米级气泡。

[0035] 整个微藻养殖系统包括CO2供给系统、补碳系统、微藻养殖及收获系统、循环回水系统。(1)CO2供给系统由CO2存储罐提供纯度为99.9％的高纯度CO2气体(来源于电厂排放烟气中CO2通过分离提纯得到)，依次通过CO2流量计、干燥器、止回阀、球阀进入安装在卧式槽罐内部的曝气器中。(2)补碳系统包括三层交错式变孔径剪切曝气器、卧式槽罐、压力表、排污口。曝气器产生的CO2微气泡与补充添加了营养盐Na2CO3(控制浓度为11g/L)的循环回水混合，控制卧式槽罐内部压力保持0.3MPa进行碳酸化反应形成NaHCO3。(3)与曝气器产生的CO2微气泡进行碳酸化反应生成NaHCO3后的循环回水通过管道送入循环回水池暂存，或直接送入跑道池光合反应器用于养殖微藻(藻种为极大螺旋藻)。控制环境光照强度为100000lux，环境温度为38℃，溶液pH为12。根据跑道池光合反应器中的藻液pH值，调整通入曝气器的CO2气体流量或控制营养盐Na2CO3的添加量以调节循环回水中生成的NaHCO3浓度，从而促进微藻光合作用生长固碳。微藻经过4天生长后送入微藻生物质采收设备进行收获作业。(4)收获生物质后的循环回水送入废液池，加工处理并补充添加营养盐Na2CO3后的循环回水经过水泵和液体流量计，送入补碳系统的卧式槽罐进行重复利用。

[0036] 与工业上广泛使用的传统橡胶条多孔曝气器相比，本金属曝气器设备的使用寿命延长了7倍，并且使气泡生成直径降低了74.2％达到1.6mm，气泡生成时间降低了51.5％达到5.4s，CO2气泡与液体混合时间减少了49％，气液传质效率提高了54％，从而使CO2碳酸化反应形成NaHCO3的转化效率提高到86.9％。与跑道池中安装传统橡胶条多孔曝气器进行直接CO2曝气的养藻系统相比，本系统微藻细胞内光合作用的实际光化学效率提高了2.4倍，生物质产量提高了63％，CO2气体转化到藻粉生物质的利用效率提高了4.8倍。

[0037] 实施例3

[0038] 三层交错式变孔径剪切曝气器是由三个剪切曝气层组成的圆管状结构(设备外部长度为0.8m，最内层结构的直径为50mm)。每两个曝气层之间的距离均为30μm。CO2气体由内到外依次通过矩形网孔面积等效直径为150μm圆孔的轴向矩形(长宽比为3：1)编织网剪切曝气层(采用金属不锈钢丝编织制成)，矩形网孔面积等效直径为150μm圆孔的径向矩形(长宽比为3：1)编织网剪切曝气层(采用金属不锈钢丝编织制成)和圆孔直径等效为10μm的金属粉末烧结圆孔剪切曝气层(采用金属钛粉末烧结制成)；CO2气体经过曝气器的三层交错式变孔径结构剪切，最终形成直径为2.5mm的微米级气泡。

[0039] 整个微藻养殖系统包括CO2供给系统、补碳系统、微藻养殖及收获系统、循环回水系统。(1)CO2供给系统由CO2存储罐提供纯度为99.9％的高纯度CO2气体(来源于工业炉窑烟气中CO2通过分离提纯得到)，依次通过CO2流量计、干燥器、止回阀、球阀进入安装在卧式槽罐内部的曝气器中。(2)补碳系统包括三层交错式变孔径剪切曝气器、卧式槽罐、压力表、排污口。曝气器产生的CO2微气泡与补充添加了营养盐Na2CO3(控制浓度为8g/L)的循环回水混合，控制卧式槽罐内部压力保持0.2MPa进行碳酸化反应形成NaHCO3。(3)与曝气器产生的CO2微气泡进行碳酸化反应生成NaHCO3后的循环回水通过管道送入循环回水池暂存，或直接送入跑道池光合反应器用于养殖微藻(藻种为盐泽螺旋藻)。控制环境光照强度为4000lux，环境温度为18℃，溶液pH为8。根据跑道池光合反应器中的藻液pH值，调整通入曝气器的CO2气体流量或控制营养盐Na2CO3的添加量以调节循环回水中生成的NaHCO3浓度，从而促进微藻光合作用生长固碳。微藻经过3天生长后送入微藻生物质采收设备进行收获作业。(4)收获生物质后的循环回水送入废液池，加工处理并补充添加营养盐Na2CO3后的循环回水经过水泵和液体流量计，送入补碳系统的卧式槽罐进行重复利用。

[0040] 与工业上广泛使用的传统橡胶条多孔曝气器相比，本金属曝气器设备的使用寿命延长了6倍，并且使气泡生成直径降低了69.3％达到2.5mm，气泡生成时间降低了48.6％达到5.9s，CO2气泡与液体混合时间减少了43％，气液传质效率提高了45％，从而使CO2碳酸化反应形成NaHCO3的转化效率提高到82.3％。与跑道池中安装传统橡胶条多孔曝气器进行直接CO2曝气的养藻系统相比，本系统微藻细胞内光合作用的实际光化学效率提高了1.9倍，生物质产量提高了45％，CO2气体转化到藻粉生物质的利用效率提高了3.9倍。

[0041] 最后，需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。