一种光生物反应式智能杀菌纤维模块组装方法及装置应用

技术领域

本发明属于资源环境技术领域，特别是涉及一种光生物反应式智能杀菌纤维模块组装方法及装置应用。

背景技术

随着近年社会经济的长足发展，人们对环境的重视程度逐渐上升，特别是对化石燃料过度消耗所带来的一系列环境问题的担忧，迫使人们急于寻求一种新的环境友好型的替代能源。生物能源作为一种新的绿色碳中和能源正日益得到重视。微藻属于第三代生物质，在各个方面比粮食、木材更环保、更高效。因此，微藻相关的培养和能源收集的技术得到了更加广泛的研究。目前，微藻培养的方式主要有开放式和封闭式两种，其中封闭式的主要是采用光生物反应器的方式培养微藻，但反应器内部的气液传质效果较差，且微藻受到的光照不均匀，内部藻液温度变化大，这些都不利于微藻的生长。反应器常为长方体样式，在用于建筑外墙时，不能根据需要拼装成不同的样式，且反应器中存在大面积的死区。同时，人们对于良好的室内空气环境的要求也难以得到满足。

人类70％以上的时间生活在室内，微生物是室内环境污染源之一。空气中微生物种类很多，如球菌、芽孢杆菌、霉菌等。通常，抵抗力较弱的病原微生物被空气稀释、在日光照射和干燥条件下很容易死亡。然而，室内空气中，经常可以找到机会致病菌，在特定环境条件下造成人类疾病，如结核杆菌、白喉杆菌、流感病毒等。研究发现，这些病原微生物可附着在灰尘上散布在空气中，通过室内门窗进入室内，感染室内活动的人群。现有的能去除空气中致病菌的装置，大部分采用化学杀菌的方法，且化学药品需要定时更换。

因此，发明一种基于藻光生物反应装置的组装方法及应用，耦合空气可致病的生物气溶胶捕集及市政水处理与微藻生产；结合抑菌纤维膜技术，改善空气质量，既促进室内外空气生物安全性的提高，又满足节能降碳及人体健康的需要，经济可行，具有广阔的应用前景。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种光生物反应式智能杀菌纤维模块组装方法及装置应用，通过前玻璃板和中间玻璃板上的扰流体能够改变内部液体的流动状态，提高反应器内部的气液传质效果，促进空气中生物气溶胶的去除和光生物反应器的效率，同时内部覆盖的纤维膜片既能起到自清洁的作用，也能选择性杀灭致病菌。本发明提出的趋光性的转动装置，具有提高藻繁殖速率的效果。杀菌模块可以去除生物气溶胶，释放有益物质，改善空气质量，减少室内致病菌的量，提高安全性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种光生物反应式智能杀菌纤维模块组装方法及装置应用，包括多层玻璃板和纤维膜片组成的中空结构，其特征在于：所述玻璃结构由后玻璃板、中间玻璃板和前玻璃板组成，所述后玻璃板和中间玻璃板之间形成密闭隔热层，所述中间玻璃板和前玻璃板之间为藻菌共培区，且所述藻菌共培区玻璃底部设置有进水口、出水口和推流装置，所述多层玻璃结构由外框架所包围固定，且所述外框架上左右对称分布有承插式传动结构，所述传动结构与外部光控模块连接，所述外框架右侧设置有出水管孔、进水管孔和推流装置进线孔。

进一步，所述玻璃板上，朝向藻菌共培区的一侧均设置有扰流体，改变结构内藻液流动状态，提高气液装置效率，且能使微藻接受光照更加均匀。

进一步，所述扰流体为半球型，但不仅限于半球形，且其在玻璃板上呈交错排列。

进一步，所述中间玻璃板和前玻璃板中均添加有长效荧光物质，由Al

进一步，所述中间玻璃板和前玻璃板上，朝向藻菌共培区的一侧都覆盖有纤维膜片，既能起到自清洁的作用，又能选择性杀灭致病菌。

进一步，所述纤维膜片是高分子聚合物和改良的趋光微生物(如藻类)制成，膜面具有微米级无序纳米结构，同时具有磁性，膜孔径不大于1mm，厚度介于0.001-10毫米之间。水与纤维膜片的接触角大于150°，且纤维膜片可以进行更换。

进一步，所述推流装置可替换为曝气装置，气体可从室内获取，对室内空气进行处理后不断向室内输入富氧空气。

进一步，所述传动结构是承插式，包括承插凹槽、承插凸起、阻挡盘、弹簧和传动轴。承插凹槽与承插凸起可紧密贴合，阻挡盘用于使整个结构固定在建筑主体框架中，弹簧的功能在于使承插凹槽与承插凸起分离，便于反应器的更换。

进一步，所述的传动轴的转动由外部光控模块控制，其能根据光照的方向实时调整光生物反应器的倾斜角度。

进一步，所述的前玻璃板上设置有排气孔，且其能与杀菌模块通过按压的方式固定。

进一步，所述杀菌模块由杀菌模块上盖、透气网、杀菌模块下盖和杀菌模块底座组成，杀菌模块上盖和杀菌模块下盖可紧密贴合，其内部放置具有杀菌、吸附、释放负氧离子功能的材料。

本发明的有益效果：

1、本发明实现了资源环境技术应用领域的创新，通过微藻光生物反应器为核心，辅助以杀菌模块和光控模块，使装置具有去除空气中生物气溶胶和跟随光源转动及光效功能增强的效果。杀菌模块同样具备除臭和向空气中释放有益物质的功能，能改善室内的环境。微藻光合反应能够产生氧气，实现了及时向室内补充富氧空气。

2、本装置可以维持长时间的工作，且能固定空气中的CO

3、本发明设计的光生物反应式智能杀菌装置，不仅可以用于建筑外围护结构，如幕墙，而且也可以用作窗户。当用作建筑幕墙时，可以降低建筑的热负荷，起到隔热的作用，且对建筑具有一定的装饰作用。提供了一种绿色经济可行的建筑外墙替代材料。

附图说明

图1是装置用于微藻培养的流程图；

图2是本发明的光生物反应式智能杀菌装置整体结构示意图；

图3是光生物反应式智能杀菌装置玻璃板的侧视图和正视图；

图4是安装于排气孔上的杀菌模块的构造示意图；

图5是承插式传动结构的示意图；

图6是反应器底部管线细节示意图；

图7是玻璃上扰流体的另一种形状及纤维膜片的微观示意图；

图8是利用装置培养微藻的方法流程图。

图中：1、外框架，2、后玻璃板，3、密闭隔热层，4、中间玻璃板，5、前玻璃板，6、藻菌共培区，7、排气孔，8、杀菌模块，9、承插式传动结构，10、推流装置进线孔，11、出水管孔，12、进水管孔，13、出水口，14、进水口，15、推流装置，16、光控模块，17、扰流体，18、杀菌模块上盖，19、透气网，20、杀菌模块下盖，21、杀菌模块底座，22、外框架部分截取，23、承插凹槽，24、承插凸起，25、阻挡盘，26、弹簧，27、传动轴，28、纤维膜片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1，装置用于微藻培养时，需要从储存容器①中，将含有营养物质的废水和微藻的混合液通入光生物反应式智能杀菌装置③中，在光控模块②的作用下可以调节光生物反应式智能杀菌装置③的转动，实现光的最大利用。当微藻的量达到一定的标准时，将反应器中的液体通入微藻分离装置④中，将微藻从中分离出来。分离出来的微藻再通过萃取等过程完成微藻中油脂、胡萝卜素等产物的提取⑤。

如图2，用于微藻培养的装置其主要包括外框架1、后玻璃板2、密闭隔热层3、中间玻璃板4、前玻璃板5、藻菌共培区6、排气孔7、杀菌模块8、承插式传动结构9、推流装置进线孔10、出水管孔11、进水管孔12、出水口13、进水口14、推流装置15和光控模块16。玻璃结构的光生物反应器由不锈钢外框架1包围固定，外框架1与光生物反应器之间留有管线通过的空间，框架左右两侧对称设置有承插式传动结构9，且都由光控模块16所控制。光控模块16能感应光照的方向，输出信号控制主传动轴的转动，进而带动传动结构9的转动，实现装置整体的转动。装置设置有排气孔7的区域用于微藻的培养，区域底部设置有进水口14、出水口13和推流装置15，进水管、出水管以及推流装置电线可以经外框架1与光生物反应器之间空间通过出水管孔11、进水管孔和推流装置进线孔10伸出。推流装置15的功率不宜过大，以保证内部藻液充分流动为宜。如图2,中间玻璃板4上有半球形扰流体17，同时玻璃板上还均匀分布有杀菌疏水纤维膜片28。图3为前玻璃板5上的半球形扰流体17示意图，同时中间玻璃板4上一样也同时具备杀菌疏水纤维膜片28。

图4是安装于排气孔上的杀菌模块8的构造示意图，杀菌模块8通过杀菌模块底座21与光生物反应器相连，模块由杀菌模块下盖20、杀菌模块上盖18和透气网19组成。反应器内部的气体通过透气网19，经模块内部放置的能释放负氧离子和杀菌除臭的纤维后进入空气中。内部的杀菌纤维根据残余效力，应适时进行更换。

如图5，所示是承插式传动结构9的局部示意图，位于外框架上的铆接部分上有承插凹槽23，承插凸起24可与承插凹槽23紧密结合，阻挡盘25可设置于主体框架内，防止铆接结构掉落。弹簧26放置于结构内部，当需要将整个光生物反应器取下时，按压承插凸起24进而压缩弹簧26，可使承插凹槽23与承插凸起24分离，达到取下整个装置的目的。中间玻璃板4、前玻璃板5的纤维膜片28中添加有光致发光的荧光藻物质，吸收储存太阳光能，保持其发光时间。此种方式不需要额外增加能源可以解决藻类夜间的培育的问题。装置经组装后可以安装于建筑外墙或用作于室内窗户，用于建筑外墙时如不需要，可以不加入杀菌模块8。用于室内时可以将推流装置15更换为曝气装置。

实施例二

如图2所示装置，可以将其用作室内窗户。通过承插式传动结构9将其固定在墙上，既可以通过手动控制窗户的旋转，又可以通过光控模块16控制窗户的旋转，充分利用光照，提高微藻的生长速率。当用于室内时，微藻生长的主要营养来源于污泥与雨水以1：2比例混合的混合液，先将污泥与雨水在调节池中以1:2的比例混合后，同含有小球藻(根据需要可以选择栅藻或其他藻种)的培养液一同经进水管孔12由进水口14进入藻菌共培区6培养，进水量应控制在排气孔7以下10厘米处。推流装置15改为曝气装置，藻液中微藻对气体进行初步的处理，初步处理的气体已经去除大部分的致病菌，再经过杀菌模块8就能去除空气中的绝大部分细菌，且能释放负氧离子去除臭味。通过排气孔7进入室内的空气在改善室内环境提高生物安全性方面性能卓越。

经两周时间的持续曝气培养后，将培养区微藻混合液通过出水口13排出，应控制出水量为总水量的50％，然后再次经进水口14以1:1的比例混合通入污泥与雨水的混合液，后续的进水污泥与雨水的比例都保持在1:1。因未完全排水，装置中仍有含量较为充足的小球藻，因此后续不再需要与小球藻培养液混合通入藻菌共培区6。

因为前玻璃板5与中间玻璃板4上都分布有纤维模片28，可以起到自清洁的作用。纤维膜片28的自清洁和灭菌性能，主要来源于其表面的纳米结构，水与表面接触时，因接触角大于150°而无法停留，且水在表面流动的过程中还能带走表面的杂物。反应器在更换时，应先完全通过出水口13排净装置中的微藻混合液，再将进出水管线和曝气管线从主体框架上分离，在按压承插凸起24与外框架1分离，外框架1两侧都是类似的操作方式。当两侧承插式传动结构9都分离后，就可顺利将装置从主体上分离。

杀菌模块8中的杀菌纤维可以根据实际的情况进行更换，模块整体也可进行更换。玻璃上的扰流体的形式也不限于图3和图7中的形式，其布置方式也不限于此。

实施例三

根据本发明的一个方面，提供了一种节能环保的能用于建筑外墙的光生物反应式智能杀菌纤维装置。如图2所示装置，反应器连接有光控模块16，控制反应器跟随光照调整转动角度。装置用于体育场幕墙时，可根据需要选择是否安装杀菌模块8。幕墙的整体框架呈蜂窝状，用于安装反应器模块。主体框架为中空的钢部件焊接而成，内部用于管线的放置。本发明反应器所使用的玻璃，可选用具有高透光性能的钢化玻璃，让微藻能接受更多的光照。本发明用于体育场幕墙，在夏季可以减少室内的光照强度，降低室内的温度。置于反应器底部的推流装置15可以换为曝气装置，安装杀菌模块8后，经杀菌模块8的空气可以增加室内的新风量。所述装置有隔热空气腔，冬季时也能起到保温的效果，维持室内的温度，且同时具有一定的隔音效果。

另外，所述反应器外框架1由不锈钢焊接而成，可以保护玻璃制反应器，同时能方便反应器安装于幕墙框架上。反应器在光控模块16的控制下具有趋光性，可以提高内部微藻的培养速率。当微藻的生物量达到一定的程度时，通过反应器底部的出水口13将内部的藻液排出部分，收获生物质。

实施例四

如图8所示，提供了利用本装置培养微藻的方法示例。

步骤S1，将市政污水与剩余污泥分别通过过滤装置去除水中的杂质,再对剩余污泥进行超声波破碎处理，所用的超声波破碎仪为美国sonics超声波破碎仪VCX500，功率为500W，处理样品的体积可以为150mL到数升；

步骤S2，将处理后的市政污水和剩余污泥以2:1的比例混合，并接种小球藻浓液，然后将混合液通入光生物反应器中。因实验设置的反应器大小限制，通入的处理后的市政污水为2L，剩余污泥为1L。采用自然光照，不需要额外增加照明设备；

步骤S3，采用10％二氧化碳曝气，初始通气效率为500mL/min，培养过程中逐步增大光生物反应器中的二氧化碳曝气量；

步骤S4，培养18天后，小球藻浓度达到2g/L左右，此时将光生物反应器中液体的50％排出，通过离心的方法处理小球藻混合液，收获小球藻生物质。排出液体的同时将处理后的市政污水与剩余污泥以1:1的比例通入光生物反应器中，补充排出的混合液，增加营养物质；

步骤S5，因小球藻上一阶段的驯化培养，此阶段小球藻已适应所处生长环境，对水体中的污染物去除效率上升，可在培养12天后排出50％的小球藻混合液，同时1:1加入处理后的市政污水和剩余污泥。此后，可将小球藻的培养周期控制在12天，获得最大的小球藻收获比例。

优选地，所述市政污水不含有毒、有害物质，保证小球藻正常生长。

优选地，所述剩余污泥为城镇污水处理厂近一周所排污泥。

优选地，所述小球藻培养在透光性良好，曝气充足的光生物反应器中。

优选地，所述曝气量可以根据所用藻种、培养条件适当调整曝气量的大小。

应可理解的是，本发明不将其应用限制到本文提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施例，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本文公开和限定的本发明延伸到文中或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本文所述的实施例说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。