摘要
化石燃料的使用导致能源衰竭及大量温室气体的产生，在温室气体产生的总温室效应中，CO2的贡献率约为一半。因此，实现能源和环境的和谐发展成为许多研究学者关注的焦点。本文利用微藻生物膜培养的方法实现生物固定CO2和生物质能源的生产。在生物膜培养的基础上，对光生物反应器内微藻生物膜生长特性、固碳特性以及反应器固碳性能的强化进行了研究。具体工作如下： （1）采用具有改性表面的泡沫镍作为固定微藻细胞的载体，构建泡沫金属填充床光生物反应器，并对反应器内微藻细胞的附着、生物膜生长特性和固碳特性进行了分析。其中，微藻生物膜的生长可分为初始粘附阶段、增殖生长阶段和成熟稳定阶段，而泡沫金属填充床减少了活细胞的流失且有助于降低气液传质时液膜的阻力，促进了微藻生物膜的累积。适当增加气体流量，有利于提高CO2从气泡到微藻细胞的传质速率。微藻生物膜成熟之后，实验获得最大CO2生物固定率、CO2去除效率和蛋白质浓度分别为4549.9μmol m-3h-1、47.39％和0.892g L-1。 （2）考虑气液传质阻力和微藻生物膜的初始吸附特性，采用附加不锈钢网凹槽的气液分离膜作为气体传输和微藻细胞附着载体，构建气液分离膜光生物反应器，展开对反应器内微藻细胞的附着、生物膜生长特性和固碳特性的研究。与鼓泡供气方式相比，在气液分离膜光生物反应器中的CO2更易被微藻利用，同时附加的不锈钢网槽为微藻细胞提供额外的附着点，使微藻生物膜在相对稳定的环境下生长。结果获得最大生物量、CO2去除效率和蛋白含量分别为31.44g m-2、25.53%和10.46g m-2。微藻生物膜成熟后，获得最大CO2去除效率为65.05%。 （3）在气液分离膜光生物反应器基础上，采用光纤为光传递载体，研究了侧光纤对气液分离膜光生物反应器固碳特性的影响。在适当的高光强下，由于光纤缩短了光的传输距离，促进了微藻生物膜的生长代谢，实现对气液分离膜光生物反应器固碳性能的强化，获得最大生物产量、CO2去除效率和氮去除效率分别为37.32g m-2、42.24％和49.58％。另外，在气液分离膜光生物反应器基础上，研究了以中空纤维膜作为气体传输载体的反应器内生物膜生长过程和微藻固碳性能。气体以无泡形式进入液体，减小了气液传质阻力，与直接供气方式相比微藻生物量和蛋白含量分别提高了116％和22％。气体流量的增大，使气体更易扩散溶解至培养基中，实现了对气液分离膜光生物反应器内生物膜的生长和固碳性能的强化，获得最大生物量和氮去除效率分别为33.33g m-2和54.67％。 本文对光生物反应器内微藻生物膜生长特性及固碳性能的研究，对进一步实现提升封闭式光生物反应器的固碳性能和微藻细胞固定化具有指导意义。
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