污水培養(yǎng)微藻光生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及到一種污水培養(yǎng)微藻光生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。具體步驟為：在小球藻自養(yǎng)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)與異養(yǎng)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上建立起小球藻混養(yǎng)生長(zhǎng)模型，并在此基礎(chǔ)上得出有機(jī)物降解的動(dòng)力學(xué)模型；建立一個(gè)基于歐拉-歐拉兩流體體系的光生物反應(yīng)器流場(chǎng)和小球藻生化反應(yīng)相耦合的氣液兩相二維瞬態(tài)CFD模型，對(duì)氣液兩相氣升式平板光生物反應(yīng)器內(nèi)小球藻降解有機(jī)底物間歇過(guò)程動(dòng)態(tài)行為特征進(jìn)行模擬研究；最后通過(guò)小球藻濃度和有機(jī)底物濃度隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)曲線對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。從而建立起能夠預(yù)測(cè)光生物反應(yīng)器內(nèi)小球藻生長(zhǎng)情況和有機(jī)物降解情況的模型，為反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定重要理論基礎(chǔ)。
【專利說(shuō)明】污水培養(yǎng)微藻光生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境工程【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種污水培養(yǎng)微藻光生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化碳等溫室氣體的過(guò)量排放所導(dǎo)致的全球氣候變暖問(wèn)題，正在對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生日益明顯的影響。減少溫室氣體排放、控制氣候變化已經(jīng)逐漸引起了國(guó)際社會(huì)的重視。城鎮(zhèn)生活污水處理是一個(gè)非常重要的二氧化碳排放源，而利用污水培養(yǎng)微藻，不僅能夠減少大氣中的二氧化碳的排放，還能夠提取很多高價(jià)值的化合物。所以開發(fā)一種用于污水培養(yǎng)微藻的高效光生物反應(yīng)器具有十分重要的意義。
[0003]光生物反應(yīng)器是指能用于光合微生物及具有光合能力的組織或細(xì)胞培養(yǎng)的一類裝置光生物反應(yīng)器。通常可分為兩大類:開放式和封閉式。對(duì)于光生物反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，反應(yīng)器內(nèi)部的混合是影響微藻細(xì)胞生長(zhǎng)的重要因素。反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)雖對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)有很大的影響，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)不能反映光生物反應(yīng)器中的光照和混合狀況，不直接影響藻細(xì)胞生長(zhǎng)；直接影響藻細(xì)胞生長(zhǎng)的參數(shù)是能表征光生物反應(yīng)器內(nèi)部混合狀況的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)，特別是光照方向混合的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)。因此，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部流態(tài)進(jìn)行模擬，獲取不同結(jié)構(gòu)或不同運(yùn)行條件下氣升反應(yīng)器內(nèi)詳細(xì)的流場(chǎng)信息，進(jìn)而優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制參數(shù)，對(duì)新型反應(yīng)器的研發(fā)及提高反應(yīng)器的運(yùn)行效率將具有十分重要的意義。
[0004]但傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法往往受到測(cè)量精度和模型尺寸等因素的限制，很難進(jìn)行微觀的、瞬時(shí)的流場(chǎng)分析。而計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法與實(shí)驗(yàn)相比，具有信息完整、速度快、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，因此它有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和研究意義，尤其是對(duì)無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)的反應(yīng)器研發(fā)有著不可替代的作用。所以，利用CFD手段對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行研究是一種很好的選擇，也越來(lái)越受到科研人員的青睞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種污水培養(yǎng)微藻光生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為反應(yīng)器的優(yōu)化放大提供模型支持，進(jìn)而為開發(fā)出高效的光生物反應(yīng)器奠定技術(shù)基礎(chǔ)，從而有利于對(duì)污水處理廠CO2的排放從源頭進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)CO2減排。
[0006]本發(fā)明提出的污水培養(yǎng)微藻光生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法包括:建立一個(gè)基于歐拉-歐拉兩流體體系的光生物反應(yīng)器流場(chǎng)和小球藻生化反應(yīng)相耦合的氣液兩相二維瞬態(tài)CFD模型，對(duì)氣液兩相氣升式平板光生物反應(yīng)器內(nèi)小球藻降解有機(jī)底物間歇過(guò)程動(dòng)態(tài)行為特征進(jìn)行模擬研究。最后通過(guò)小球藻濃度和有機(jī)底物濃度隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)曲線對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。從而建立起能夠預(yù)測(cè)光生物反應(yīng)器內(nèi)小球藻生長(zhǎng)情況和有機(jī)物降解情況的模型，為反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定重要理論基礎(chǔ)。具體步驟如下:
1、小球藻混養(yǎng)生長(zhǎng)的本征動(dòng)力學(xué)模型的建立首先利用Logistic模型對(duì)小球藻在自養(yǎng)條件下進(jìn)行光合作用生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，然后利用Monod方程對(duì)小球藻在無(wú)光照異養(yǎng)條件下的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，最后在小球藻自養(yǎng)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)與異養(yǎng)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上建立起小球藻在混養(yǎng)條件下生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步得出有機(jī)物降解的動(dòng)力學(xué)模型；
小球藻混養(yǎng)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型方程為:
【權(quán)利要求】
1.一種污水培養(yǎng)微藻光生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括小球藻混養(yǎng)生長(zhǎng)的本征動(dòng)力學(xué)模型的建立；光生物反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)研究及流動(dòng)-小球藻生化反應(yīng)耦合CFD模型的建立及驗(yàn)證；具體步驟如下: (1)、小球藻混養(yǎng)生長(zhǎng)的本征動(dòng)力學(xué)模型的建立 首先利用Logistic模型對(duì)小球藻在自養(yǎng)條件下進(jìn)行光合作用生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，然后利用Monod方程對(duì)小球藻在無(wú)光照異養(yǎng)條件下的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，最后在小球藻自養(yǎng)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)與異養(yǎng)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上建立起小球藻在混養(yǎng)條件下生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步得出有機(jī)物降解的動(dòng)力學(xué)模型； 小球藻混養(yǎng)條件下生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)模型方程為:
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103942358SQ201410081714
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】張冰, 周雪飛, 楊海真 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)