光生物反应器加热系统的设计与应用

倪红军，冯汛，佘徳琴，李亚，张雯婕，胡雨婷，石健（南通大学机械工程学院，江苏 南通 609；南通科技职业学院，江苏 南通 609；南通大学生命工程学院，江苏 南通 609；南通大学化学化工学院，江苏 南通 609）



应用技术

光生物反应器加热系统的设计与应用

倪红军1，冯汛1，佘徳琴2，李亚2，张雯婕3，胡雨婷4，石健4
（1南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019；2南通科技职业学院，江苏 南通 226019；3南通大学生命工程学院，江苏 南通 226019；4南通大学化学化工学院，江苏 南通 226019）

摘要：针对微藻在生长过程中对温度要求较高，需要保持在适宜的温度范围内，设计了以Siemens S7-200 PLC组成微藻光生物反应器的控制系统。该光生物反应器加热系统利用温度传感器采集藻液中温度信号，将信号输入到PLC中。PLC对温度信号进行运算，输出信号控制加热棒工作，实现了藻液冬季温度的自动恒温控制。经过试验表明，该加热系统在藻液温度设定值为30℃时，温度超调不超过1.5℃，超调量小于7.5%，静差小于±0.5℃，具有控制精度高、稳定性好的优点。光生物反应器采用该加热系统后，藻液的光密度由0.29增长到1.28，污水中的COD的去除率达到79.3%，TN的去除率达到65.07%，TP的去除率达到83.03%，因此该光生物反应器加热系统可以用于微藻的培养，并且微藻在光生物反应器内对污水的处理效果较好，具有良好的应用前景。

关键词：可编程逻辑控制器；微藻；温度；污水

当今世界面临着能源危机与环境污染的双重压力，国内外的研究者都希望能开发出新型可再生能源。利用微藻来提取生物柴油，已经受到人们的广泛关注[1]。微藻在生长过程中能消耗污水的氮磷等营养物质，固定空气中的CO2，在体内合成生物油脂，因此可以降低污水中氮磷等物质的含量[2]，同时进行生物固碳[3]。因此利用废水养殖微藻，既能保护环境又能获得能源，能够变废为宝，实现资源的合理化利用，解决当今社会面临的能源短缺与环境污染问题[4]。

藻细胞内部酶的催化活性受到温度的影响，从而影响到微藻的生长、繁殖。当温度适宜时，微藻的生长速率将得到加快，如小球藻在25℃左右时，繁殖速度较快[5]。而我国大部分地区冬季温度普遍较低，非常不利于微藻的生长。若微藻光生物反应器在工业化生产中不能对藻液的温度进行有效控制，微藻产业将难以发展。

在冬季时，传统的光生物反应器加热系统使用开关（on-off）控制，该控制方法具有程序简单、响应速度快、温度上升到设定值的时间短的优点，但也存在着温度超调量大、温度值波动大、控制精度差的问题。为了取得较好的温度控制效果，本系统采用Pt100传感器精确采集藻液温度，该传感器精度高，特别适用于高精度、低温的测量环境。本系统采用PID控制算法，使藻液温度均匀上升，并且能保持在恒定的适宜温度，因此本次设计光生物反应器加热系统从硬件和软件两个方面保证了控制精度。

1 光生物反应器设计

1.1 光生物反应器硬件结构与原理

微藻光生物反应器的结构如图1所示[6-7]。微藻光生物反应器主要由储藻池、跑道池、水泵、软管等部件组成。污水和藻液混合倒入储藻池中，储藻池中的加热器保证冬季时藻液的温度也能够维持在适宜的温度。储藻池中的水泵将藻液抽入上方的三层立体式跑道池中。当藻液的水位超过泄水孔时，藻液从管道中流出，到达下一层，藻液通过三层跑道池后，最终回流到储藻池中。温度传感器探头安装在跑道池内部，用来检测跑道池中藻液的温度。日光灯给微藻提供充足的光照，因此微藻能够进行充分的光合作用，吸收污水中的营养物质，合成生物油脂。

当温度传感器检测到跑道池中温度过低时，加热器加热储藻池中的藻液，同时水泵将藻液抽入跑道池中，跑道池中冷藻液也流入下层加热。当经过一定时间的藻液循环之后，跑道池与储藻池中藻液可以保持温度一致或极小的温差。

图1 微藻光生物反应器的硬件结构

1.2 光生物反应器加热系统设计

加热系统组成如图2所示。

图2 加热系统组成

加热系统由可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）、人机交互界面、温度传感器、加热器等部件组成。PLC为整个加热系统的控制核心，温度传感器将温度信号采集后输入模拟量采集模块，温度信号经过模拟量输入模块转换成PLC可识别的数字量信号。PLC将该信号与预设的温度值进行对比，再根据控制算法对两者间的误差进行计算，驱动加热器工作，实现温度的闭环控制，以达到恒温控制的目的。

1.2.1 硬件设计

PLC为SIEMENS公司的S7-200，其主要功能为：①对采集到的温度信号进行数据处理；②控制加热器工作。

温度传感器为Pt100铂热电阻。铂热电阻物理、化学性能稳定，复现性好[8]。温度变送器将 Pt100测得到温度信号转换成 4～20mA电流信号输出。该套组合的精度较高，可以达到0.1%FS，并且温度变送器支持PC端在线监控，并且可以通过USB接口直接设置温度量程。

模拟量输入模块 EM235可以将温度变送器输出的模拟量信号转换成PLC的CPU可以识别的数字量信号[9]。

固态继电器根据PLC输出的24V电压控制信号，驱动220V的加热棒工作。

人机交互界面主要包括监控界面和参数修改界面。触摸屏的监控界面主要显示微藻光生物反应器的实际温度与设定温度，使操作员实时了解当前温度。参数修改界面主要用于修改控制参数以适应不同的藻种。

1.2.2 软件设计

温度控制技术有定值快关温控法及PID控温法等[10]。由于PID控制技术具有稳定性好、结构简单、鲁棒性好等优势，因此选用PID控温法[11]。

在微藻光生物反应器中采用的是储藻池加热的方式，温度传感器传来实际温度与PLC中的设定值比较，根据偏差的大小，通过PID进行计算后给出信号。执行机构将该信号转换成占空比，控制周期内的加热时间，从而达到控制温度的目的。

温度传感器利用公式(1)将测得温度信号转换成数字量。

式中，T为实时温度，℃；AIW0为Pt100采集的温度信号。

将数字量值转化成常用的摄氏温度值，方便人员直接读取数值。

调用PID指令，对温度信号进行PID运算。PID由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成，其数学表达式为式(2)。

式中，Kc为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数[12]。根据以往的经验，微藻光生物反应器加热系统的PID设定比例增益为4，积分时间为12min，采样时间为3s，微分时间为0min；过程变量范围为 0～1000，输出类型为数字量，占空比为6s。

2 材料与方法

为了更好地测试微藻光生物反应器加热系统应用效果，对该温控系统进行测试。测试条件为：在冬季室温（最低–1℃，最高12℃左右）条件下向微藻光生物反应器中加入 5L藻液（小球藻，从南通大学周边河流中筛选培育所得）与5L废水（COD约为900mg/L）。

向光生物反应器最下层的污水池中接种小球藻，日光照射强度光暗周期为16h/8h。实验光生物反应器温度设定在30℃，对照组光生物反应器不加以控制。

采用分光光度计检测藻液的光密度可以简单、便捷的反映微藻的生长状况[13]。分光光度计的波长通常采用 500nm、560nm、680nm和 730nm 等[14]。藻液在培养的第0天、2天、4天、6天、7天、8天取样，取4.5mL左右的藻液加入石英比色皿中，进行 OD（optical density）波长扫描，波长为680nm，获得藻液的OD值。

化学需氧量COD（chemical oxygen demand）是反映水质被有机物污染的程度的一个重要指标[15]。重络酸钾法是国家规定用于废水COD测定的方法[16]。在强酸性条件下，向水样中加入过量的重络酸钾溶液氧化水中的还原性物质，以银盐为催化剂，沸腾回流后，以试亚铁灵为指示剂，通过硫酸亚铁铵滴定水样中未被还原的重络酸钾，根据消耗的硫酸亚铁铵的量来推算水样的 COD浓度。水样COD浓度（mg/L）计算公式如式(3)所示。

式中，V0为滴定空白样时硫酸亚铁铵溶液用量，mL；V1为滴定水样时硫酸亚铁铵溶液用量，mL；V为滴定水样的体积，mL；C为硫酸亚铁铵溶液浓度，mol/L。

采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法检测水中的总氮TN（total nitrogen）[17]。在60℃以上的水样中，过硫酸钾分解产生的硫酸氢钾和原子态氧。原子态氧在120～124℃时，使水样中的氮化合物转化成硝酸盐。用紫外光分光光度计在 220nm和275nm波长处测溶液的吸光度，可以计算水样的总氮含量。

采用钼酸铵分光光度计法检测总磷 TP（total phosphorus）的含量[18]。使用过硫酸钾使水样消解，使其所含磷氧化成正磷酸盐。在酸性条件下，水样中的正磷酸盐与钼酸铵反应，生成的磷钼杂多酸被抗血酸还原后生产蓝色络合物，在 700mm波长下测吸光度，求得总磷的含量。

3 应用效果与分析

3.1 温度测试

在人机界面中设置了温度的实时曲线，图3为藻液的实时温度值。

图3 藻液实时温度

由S7-200组成的微藻光生物反应器的加热系统在实际应用中能够实现较好的温度控制效果，能够将温度的波动值控制在允许的误差范围之内，当室温为10℃时，藻液的温度设置为30℃，温度超调不超过 1.5℃，超调量小于 7.5%，静差小于±0.5℃。

3.2 微藻生长状况

微藻的生长状况如图4所示。由实验组可知，小球藻在废水中前4天有较快的生长速度，第5～6天生长速度开始减缓，第7～8天微藻的生长缓慢，第9～10天微藻的生长趋于停止。微藻光生物反应器由于采用了加热系统，微藻的生长状态呈指数型增长，藻液的光密度由最初的0.29增长到 1.28。采用温度控制之后，藻液的浓度得到了大幅度的提升，大量的藻浆可以用于萃取生物柴油。

由对照组可知，微藻在前4天生长缓慢，从第5天开始，微藻出现了死亡。取30mL藻液进行离心（4000r/min，8min），此时可以发现收获的藻浆较少，在藻浆表面出现了较多的枯黄的死亡微藻。微藻由于受到本地气温较低的影响，生长缓慢甚至停止，并且有并且出现大量死亡的现象。

图4 微藻光密度变化

图5 水中COD变化

3.3 微藻对COD的去除

水样中的COD变化如图5所示。在实验组中藻液保持在适宜的温度，前6天由于微藻处于饥饿状态，水样中的COD降低幅度较大。第8天时，由于部分微藻开始死亡，导致水中的COD浓度略微上升。到了第10天，水样的COD浓度由最初的 950mg/L降为 197mg/L，COD去除率达到79.26%。

在对照组中，微藻处于自然条件下，由于受到气温低的影响，微藻的代谢活动较慢甚至停止，因此不能很好地吸收水中的污染物。

3.4 微藻对总氮、总磷的去除

在污水处理厂的废水处理中，氮磷都是难以去除的污染物，即使大型污水厂在脱氮除磷方面也存在着运行费用高、去除效果不理想的特点。而氮磷正是微藻在生长过程中必不可少的影响物质，因此利用微藻脱氮除磷比常规的氮磷处理方法更具优势。

图6 水中TN变化

水样中的总氮变化如图6所示。当光生物反应器采用加热系统后，微藻在前4天对总氮的处理效果较为明显，去除率达到53.96%。在第4～6天污水中总氮的浓度略有上升，在第10天，污水中总氮的浓度达到22mg/L，去除率达到65.07%。

在对照组中，微藻受到气温的影响，生长缓慢对水中的总氮去除率较低，去除效果不明显。

水样中的总磷变化如图7所示。当光生物反应器采用加热系统后，污水中的总磷浓度总体呈下降的趋势。污水中的总磷浓度由最初的1.12mg/L下降到了0.19mg/L，去除率达到83.03%，去除效果优异。

在对照组中，污水的总磷浓度变化不大，微藻处理效果不佳。

图7 水中TP变化

4 结 论

微藻光生物反应器加热系统采用PLC中的PID指令，使温度控制精度更高；温度传感器实时采集温度数据，输出信号稳定、精确；采用触摸屏可以使操作人员更直观地察看藻液温度的变化，可以对参数进行修正。

在光生物反应器采用加热系统之后，微藻生长状况良好，藻液的吸光度有了大幅的提升，由最初的0.29增长到1.28。同时污水的COD浓度降低了79.26%，微藻脱氮除磷的效果也较为优异，污水中的总氮总磷去除率分别达到65.07%和83.03%，水质净化效果明显。

参考文献

[1] DAROCH M，GENG S，WANG G.Recent advances in liquid biofuel production from algal feedstocks[J].Applied Energy，2013，102：1371-1381.

[2] DEMIRBAS A，DEMIRBAS M F.Importance of algae oil as a source of biodiesel[J].Energy Conversion & Management，2011，52（1）：163-170.

[3] 罗梦圆，杨俊红，巩启涛，等.普通小球藻固定模拟烟气中 CO2的实验研究[J].化工进展，2015，34（4）：1147.

[4] 陈智杰，姜泽毅，张欣欣，等.微藻培养光生物反应器内传递现象的研究进展[J].化工进展，2012，31（7）：1407-1413.

[5] 杨桂娟，栾忠奇，周笑辉.温度对小球藻生长量和溶氧量影响研究[J].农机化研究，2009，31（9）：157-158.

[6] 倪红军，冯汛，石健,等.一种微藻处理污水自动控制方法：104496123[P].2015-04-08.

[7] 石健，冯汛，倪红军,等.一种微藻处理污水自动控制装置：204400776[P].2015-06-17.

[8] 谭长森.基于PT100型铂热电阻的测温装置设计[J].工矿自动化，2012，38（3）：89-91.

[9] 赵峰.基于PLC热工量综合测控系统设计与实现[J].机械制造与自动化，2012，40（6）：194-197.

[10] 张文明.基于 PLC的温度控制系统的设计[J].安徽农业科学，2011，39（29）：18258-18261.

[11] YANG F，LIAO Z.Research on information fusion fault diagnosis system based on fuzzy neural network.[C]// 2008 IEEE Pacific-Asia Workshop on Computational Intelligence and Industrial Application.IEEE Computer Society，2008：164-167.

[12] 刘浩，袁昌明.S7-300PLC的电加热温度控制系统设计[J].中国计量学院学报，2012，1（1）：61-65.

[13] WANG Y J，JING H E，ZHUANG L I，et al.Determination of Chlorella pyrenoidosa biomass using optical density method[J].Journal of Northwest University，2012，42（1）：60-63.

[14] 梁芳，鸭乔，杜伟春,等.微藻光密度与细胞密度及生物质的关系[J].生态学报，2014，34（21）：6156-6163.

[15] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].北京：中国环境出版社，2013.

[16] 国家环境保护局.水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法：GB11914 —89[S].北京：中国标准出版社，1990.

[17] 国家环境保护局.水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法：GB 11894—89[S].北京：中国标准出版社，1990.

[18] 国家环境保护局.水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法：GB 11893—1989[S].北京：中国标准出版社，1990..

第一作者：倪红军（1965—），男，教授，硕士生导师，主要研究方向为新能源和新材料方向。E-mail 916008953@qq.com。联系人：石健，教授，硕士生导师，主要研究方向为环境工程/水污染控制。E-mail 601080590@qq.com。

中图分类号：TQ 056

文献标志码：A

文章编号：1000-6613（2016）07-2274-05

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.07.047

收稿日期：2015-12-11；修改稿日期：2016-03-09。

基金项目：国家自然基金（21177067）、江苏高校优势学科建设工程、江苏高校科研成果产业化推进工程项目（JHB2012-45）、江苏省青蓝工程计划及南通市应用研究计划（BK2014053）项目。

Design and application of photobioreactor heating system

NI Hongjun1，FENG Xun1，SHE Deqin2，LI Ya2，ZHANG Wenjie3，HU Yuting4，SHI Jian4
（1School of Mechanical Engineering，Nantong University，Nantong 226019，Jiangsu，China；2Nantong College of Science and Technology，Nantong 226019，Jiangsu，China；3School of Life Sciences，Nantong University，Nantong 226019，Jiangsu，China；4School of Chemistry and Chemical Engineering，Nantong University，Nantong 226019，Jiangsu，China）

Abstract：During growth process，microalgae is more demanding for temperature，and need to keep it in suitable ranges.The photobioreactor heating system based on Siemens S7-200 PLC was designed.The control system collects the temperature signal by temperature sensor，than put the signal into the PLC.PLC operates the signal，and output signal to control the operation of heating rods，achieved the microalgae automatic temperature control in winter.Results showed that the temperature overshoot does not exceed 1.5℃，the overshoot less than 7.5%，the static error less than ±0.5℃，when the temperature setting is 30℃.So the photobioreactor heating system has high control precision，good reliability.After application of the heating system，optical density of the microalgae increased from 0.29 to 1.28，COD removal rate reached 79.3%，TN removal rate reached 65.07%，TP removal rate reached 83.03%.Therefore，photobioreactor heating system can be used to cultivate the microalgae，and the microalgae can treat the waste water efficiently，so it has good application prospects.

Key words：programmable logic controller（PLC）；microalgae；temperature；waste water