基于内置光纤/导光管反应器的微藻固碳减排研究

我国燃煤电厂每年排放CO_(2)超过57亿t,为保障双碳目标如期实现,必须大幅降低燃煤电厂的CO_(2)排放。微藻固碳通过高效的光合作用吸收CO_(2)转化为生物质,是极具潜力的燃煤电厂减碳技术,但目前微藻固碳性能严重受限于反应器内光传输。导光管可灵活调节反应器内光分布,而光纤可集中传输光线且光损耗低,因此提出光纤/导光管微藻光生物反应器,扩大藻液受光面积,增加藻细胞色素的光捕集,促进微藻光合固碳。利用光学仿真软件对光纤/导光管内传输的光线进行追踪,获得了光纤/导光管管壁的光强分布。在不同反应器、输入光能条件下进行微藻培养实验,获得了微藻生物量、固碳速率与叶绿素含量的变化趋势,分析了内置光纤/导光管对微藻固碳的影响规律。结果表明:平面末端的光纤射出光的光强在导光管侧30~140 mm内迅速下降,导光管发光范围集中。在导光管底部添加锥形反光件反射抵达管底的透射光、并设计阶梯型光纤使输入光由不同阶梯分级发出,可使微藻光生物反应器内光分布更加均匀,反应器内部远离光源区域的藻细胞可以有效接受光能进行光合固碳。当光能输入为3.3 W/L时,含两级阶梯结构光纤和锥形反光件的导光管管侧表面最低光强为47μmol/(m^(2)·s),平均光强达64μmol/(m^(2)·s),较无光纤仅顶部给光的导光管侧面平均光强提高了2.6倍。微藻在插入阶梯型光纤的光生物反应器(SF-PBR)培养7 d后生物量达到1.9 g/L,比在插入平面端光纤的光生物反应器(FF-PBR)中培养的生物量高46.2%,比仅顶部受光的光生物反应器(LG-PBR)中培养的生物量高111.1%。当提升光源输入至5.0 W/L,微藻培养7 d后的生物量高达2.8 g/L,培养期间保持高固碳速率(608.3 mg/(L·d)),比对照组LG-PBR的固碳速率提高1.9倍。