光生物反應(yīng)器加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

倪紅軍，馮汛，佘徳琴，李亞，張?chǎng)╂?，胡雨婷，石?。贤ù髮W(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 609；南通科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通 609；南通大學(xué)生命工程學(xué)院，江蘇 南通 609；南通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南通 609）

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應(yīng)用技術(shù)

光生物反應(yīng)器加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

倪紅軍1，馮汛1，佘徳琴2，李亞2，張?chǎng)╂?，胡雨婷4，石健4
（1南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2南通科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通 226019；3南通大學(xué)生命工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；4南通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南通 226019）

摘要：針對(duì)微藻在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)溫度要求較高，需要保持在適宜的溫度范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)了以Siemens S7-200 PLC組成微藻光生物反應(yīng)器的控制系統(tǒng)。該光生物反應(yīng)器加熱系統(tǒng)利用溫度傳感器采集藻液中溫度信號(hào)，將信號(hào)輸入到PLC中。PLC對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，輸出信號(hào)控制加熱棒工作，實(shí)現(xiàn)了藻液冬季溫度的自動(dòng)恒溫控制。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)表明，該加熱系統(tǒng)在藻液溫度設(shè)定值為30℃時(shí)，溫度超調(diào)不超過(guò)1.5℃，超調(diào)量小于7.5%，靜差小于±0.5℃，具有控制精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。光生物反應(yīng)器采用該加熱系統(tǒng)后，藻液的光密度由0.29增長(zhǎng)到1.28，污水中的COD的去除率達(dá)到79.3%，TN的去除率達(dá)到65.07%，TP的去除率達(dá)到83.03%，因此該光生物反應(yīng)器加熱系統(tǒng)可以用于微藻的培養(yǎng)，并且微藻在光生物反應(yīng)器內(nèi)對(duì)污水的處理效果較好，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器；微藻；溫度；污水

當(dāng)今世界面臨著能源危機(jī)與環(huán)境污染的雙重壓力，國(guó)內(nèi)外的研究者都希望能開(kāi)發(fā)出新型可再生能源。利用微藻來(lái)提取生物柴油，已經(jīng)受到人們的廣泛關(guān)注[1]。微藻在生長(zhǎng)過(guò)程中能消耗污水的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，固定空氣中的CO2，在體內(nèi)合成生物油脂，因此可以降低污水中氮磷等物質(zhì)的含量[2]，同時(shí)進(jìn)行生物固碳[3]。因此利用廢水養(yǎng)殖微藻，既能保護(hù)環(huán)境又能獲得能源，能夠變廢為寶，實(shí)現(xiàn)資源的合理化利用，解決當(dāng)今社會(huì)面臨的能源短缺與環(huán)境污染問(wèn)題[4]。

藻細(xì)胞內(nèi)部酶的催化活性受到溫度的影響，從而影響到微藻的生長(zhǎng)、繁殖。當(dāng)溫度適宜時(shí)，微藻的生長(zhǎng)速率將得到加快，如小球藻在25℃左右時(shí)，繁殖速度較快[5]。而我國(guó)大部分地區(qū)冬季溫度普遍較低，非常不利于微藻的生長(zhǎng)。若微藻光生物反應(yīng)器在工業(yè)化生產(chǎn)中不能對(duì)藻液的溫度進(jìn)行有效控制，微藻產(chǎn)業(yè)將難以發(fā)展。

在冬季時(shí)，傳統(tǒng)的光生物反應(yīng)器加熱系統(tǒng)使用開(kāi)關(guān)（on-off）控制，該控制方法具有程序簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、溫度上升到設(shè)定值的時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著溫度超調(diào)量大、溫度值波動(dòng)大、控制精度差的問(wèn)題。為了取得較好的溫度控制效果，本系統(tǒng)采用Pt100傳感器精確采集藻液溫度，該傳感器精度高，特別適用于高精度、低溫的測(cè)量環(huán)境。本系統(tǒng)采用PID控制算法，使藻液溫度均勻上升，并且能保持在恒定的適宜溫度，因此本次設(shè)計(jì)光生物反應(yīng)器加熱系統(tǒng)從硬件和軟件兩個(gè)方面保證了控制精度。

1 光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)

1.1 光生物反應(yīng)器硬件結(jié)構(gòu)與原理

微藻光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示[6-7]。微藻光生物反應(yīng)器主要由儲(chǔ)藻池、跑道池、水泵、軟管等部件組成。污水和藻液混合倒入儲(chǔ)藻池中，儲(chǔ)藻池中的加熱器保證冬季時(shí)藻液的溫度也能夠維持在適宜的溫度。儲(chǔ)藻池中的水泵將藻液抽入上方的三層立體式跑道池中。當(dāng)藻液的水位超過(guò)泄水孔時(shí)，藻液從管道中流出，到達(dá)下一層，藻液通過(guò)三層跑道池后，最終回流到儲(chǔ)藻池中。溫度傳感器探頭安裝在跑道池內(nèi)部，用來(lái)檢測(cè)跑道池中藻液的溫度。日光燈給微藻提供充足的光照，因此微藻能夠進(jìn)行充分的光合作用，吸收污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，合成生物油脂。

當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到跑道池中溫度過(guò)低時(shí)，加熱器加熱儲(chǔ)藻池中的藻液，同時(shí)水泵將藻液抽入跑道池中，跑道池中冷藻液也流入下層加熱。當(dāng)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的藻液循環(huán)之后，跑道池與儲(chǔ)藻池中藻液可以保持溫度一致或極小的溫差。

圖1 微藻光生物反應(yīng)器的硬件結(jié)構(gòu)

1.2 光生物反應(yīng)器加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

加熱系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 加熱系統(tǒng)組成

加熱系統(tǒng)由可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）、人機(jī)交互界面、溫度傳感器、加熱器等部件組成。PLC為整個(gè)加熱系統(tǒng)的控制核心，溫度傳感器將溫度信號(hào)采集后輸入模擬量采集模塊，溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成PLC可識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)。PLC將該信號(hào)與預(yù)設(shè)的溫度值進(jìn)行對(duì)比，再根據(jù)控制算法對(duì)兩者間的誤差進(jìn)行計(jì)算，驅(qū)動(dòng)加熱器工作，實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制，以達(dá)到恒溫控制的目的。

1.2.1 硬件設(shè)計(jì)

PLC為SIEMENS公司的S7-200，其主要功能為：①對(duì)采集到的溫度信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；②控制加熱器工作。

溫度傳感器為Pt100鉑熱電阻。鉑熱電阻物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好[8]。溫度變送器將 Pt100測(cè)得到溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成 4～20mA電流信號(hào)輸出。該套組合的精度較高，可以達(dá)到0.1%FS，并且溫度變送器支持PC端在線監(jiān)控，并且可以通過(guò)USB接口直接設(shè)置溫度量程。

模擬量輸入模塊 EM235可以將溫度變送器輸出的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC的CPU可以識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)[9]。

固態(tài)繼電器根據(jù)PLC輸出的24V電壓控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)220V的加熱棒工作。

人機(jī)交互界面主要包括監(jiān)控界面和參數(shù)修改界面。觸摸屏的監(jiān)控界面主要顯示微藻光生物反應(yīng)器的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度，使操作員實(shí)時(shí)了解當(dāng)前溫度。參數(shù)修改界面主要用于修改控制參數(shù)以適應(yīng)不同的藻種。

1.2.2 軟件設(shè)計(jì)

溫度控制技術(shù)有定值快關(guān)溫控法及PID控溫法等[10]。由于PID控制技術(shù)具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好等優(yōu)勢(shì)，因此選用PID控溫法[11]。

在微藻光生物反應(yīng)器中采用的是儲(chǔ)藻池加熱的方式，溫度傳感器傳來(lái)實(shí)際溫度與PLC中的設(shè)定值比較，根據(jù)偏差的大小，通過(guò)PID進(jìn)行計(jì)算后給出信號(hào)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成占空比，控制周期內(nèi)的加熱時(shí)間，從而達(dá)到控制溫度的目的。

溫度傳感器利用公式(1)將測(cè)得溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

式中，T為實(shí)時(shí)溫度，℃；AIW0為Pt100采集的溫度信號(hào)。

將數(shù)字量值轉(zhuǎn)化成常用的攝氏溫度值，方便人員直接讀取數(shù)值。

調(diào)用PID指令，對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算。PID由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式(2)。

式中，Kc為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)[12]。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，微藻光生物反應(yīng)器加熱系統(tǒng)的PID設(shè)定比例增益為4，積分時(shí)間為12min，采樣時(shí)間為3s，微分時(shí)間為0min；過(guò)程變量范圍為 0～1000，輸出類型為數(shù)字量，占空比為6s。

2 材料與方法

為了更好地測(cè)試微藻光生物反應(yīng)器加熱系統(tǒng)應(yīng)用效果，對(duì)該溫控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件為：在冬季室溫（最低–1℃，最高12℃左右）條件下向微藻光生物反應(yīng)器中加入 5L藻液（小球藻，從南通大學(xué)周邊河流中篩選培育所得）與5L廢水（COD約為900mg/L）。

向光生物反應(yīng)器最下層的污水池中接種小球藻，日光照射強(qiáng)度光暗周期為16h/8h。實(shí)驗(yàn)光生物反應(yīng)器溫度設(shè)定在30℃，對(duì)照組光生物反應(yīng)器不加以控制。

采用分光光度計(jì)檢測(cè)藻液的光密度可以簡(jiǎn)單、便捷的反映微藻的生長(zhǎng)狀況[13]。分光光度計(jì)的波長(zhǎng)通常采用 500nm、560nm、680nm和 730nm 等[14]。藻液在培養(yǎng)的第0天、2天、4天、6天、7天、8天取樣，取4.5mL左右的藻液加入石英比色皿中，進(jìn)行 OD（optical density）波長(zhǎng)掃描，波長(zhǎng)為680nm，獲得藻液的OD值。

化學(xué)需氧量COD（chemical oxygen demand）是反映水質(zhì)被有機(jī)物污染的程度的一個(gè)重要指標(biāo)[15]。重絡(luò)酸鉀法是國(guó)家規(guī)定用于廢水COD測(cè)定的方法[16]。在強(qiáng)酸性條件下，向水樣中加入過(guò)量的重絡(luò)酸鉀溶液氧化水中的還原性物質(zhì)，以銀鹽為催化劑，沸騰回流后，以試亞鐵靈為指示劑，通過(guò)硫酸亞鐵銨滴定水樣中未被還原的重絡(luò)酸鉀，根據(jù)消耗的硫酸亞鐵銨的量來(lái)推算水樣的 COD濃度。水樣COD濃度（mg/L）計(jì)算公式如式(3)所示。

式中，V0為滴定空白樣時(shí)硫酸亞鐵銨溶液用量，mL；V1為滴定水樣時(shí)硫酸亞鐵銨溶液用量，mL；V為滴定水樣的體積，mL；C為硫酸亞鐵銨溶液濃度，mol/L。

采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法檢測(cè)水中的總氮TN（total nitrogen）[17]。在60℃以上的水樣中，過(guò)硫酸鉀分解產(chǎn)生的硫酸氫鉀和原子態(tài)氧。原子態(tài)氧在120～124℃時(shí)，使水樣中的氮化合物轉(zhuǎn)化成硝酸鹽。用紫外光分光光度計(jì)在 220nm和275nm波長(zhǎng)處測(cè)溶液的吸光度，可以計(jì)算水樣的總氮含量。

采用鉬酸銨分光光度計(jì)法檢測(cè)總磷 TP（total phosphorus）的含量[18]。使用過(guò)硫酸鉀使水樣消解，使其所含磷氧化成正磷酸鹽。在酸性條件下，水樣中的正磷酸鹽與鉬酸銨反應(yīng)，生成的磷鉬雜多酸被抗血酸還原后生產(chǎn)藍(lán)色絡(luò)合物，在 700mm波長(zhǎng)下測(cè)吸光度，求得總磷的含量。

3 應(yīng)用效果與分析

3.1 溫度測(cè)試

在人機(jī)界面中設(shè)置了溫度的實(shí)時(shí)曲線，圖3為藻液的實(shí)時(shí)溫度值。

圖3 藻液實(shí)時(shí)溫度

由S7-200組成的微藻光生物反應(yīng)器的加熱系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)較好的溫度控制效果，能夠?qū)囟鹊牟▌?dòng)值控制在允許的誤差范圍之內(nèi)，當(dāng)室溫為10℃時(shí)，藻液的溫度設(shè)置為30℃，溫度超調(diào)不超過(guò) 1.5℃，超調(diào)量小于 7.5%，靜差小于±0.5℃。

3.2 微藻生長(zhǎng)狀況

微藻的生長(zhǎng)狀況如圖4所示。由實(shí)驗(yàn)組可知，小球藻在廢水中前4天有較快的生長(zhǎng)速度，第5～6天生長(zhǎng)速度開(kāi)始減緩，第7～8天微藻的生長(zhǎng)緩慢，第9～10天微藻的生長(zhǎng)趨于停止。微藻光生物反應(yīng)器由于采用了加熱系統(tǒng)，微藻的生長(zhǎng)狀態(tài)呈指數(shù)型增長(zhǎng)，藻液的光密度由最初的0.29增長(zhǎng)到 1.28。采用溫度控制之后，藻液的濃度得到了大幅度的提升，大量的藻漿可以用于萃取生物柴油。

由對(duì)照組可知，微藻在前4天生長(zhǎng)緩慢，從第5天開(kāi)始，微藻出現(xiàn)了死亡。取30mL藻液進(jìn)行離心（4000r/min，8min），此時(shí)可以發(fā)現(xiàn)收獲的藻漿較少，在藻漿表面出現(xiàn)了較多的枯黃的死亡微藻。微藻由于受到本地氣溫較低的影響，生長(zhǎng)緩慢甚至停止，并且有并且出現(xiàn)大量死亡的現(xiàn)象。

圖4 微藻光密度變化

圖5 水中COD變化

3.3 微藻對(duì)COD的去除

水樣中的COD變化如圖5所示。在實(shí)驗(yàn)組中藻液保持在適宜的溫度，前6天由于微藻處于饑餓狀態(tài)，水樣中的COD降低幅度較大。第8天時(shí)，由于部分微藻開(kāi)始死亡，導(dǎo)致水中的COD濃度略微上升。到了第10天，水樣的COD濃度由最初的 950mg/L降為 197mg/L，COD去除率達(dá)到79.26%。

在對(duì)照組中，微藻處于自然條件下，由于受到氣溫低的影響，微藻的代謝活動(dòng)較慢甚至停止，因此不能很好地吸收水中的污染物。

3.4 微藻對(duì)總氮、總磷的去除

在污水處理廠的廢水處理中，氮磷都是難以去除的污染物，即使大型污水廠在脫氮除磷方面也存在著運(yùn)行費(fèi)用高、去除效果不理想的特點(diǎn)。而氮磷正是微藻在生長(zhǎng)過(guò)程中必不可少的影響物質(zhì)，因此利用微藻脫氮除磷比常規(guī)的氮磷處理方法更具優(yōu)勢(shì)。

圖6 水中TN變化

水樣中的總氮變化如圖6所示。當(dāng)光生物反應(yīng)器采用加熱系統(tǒng)后，微藻在前4天對(duì)總氮的處理效果較為明顯，去除率達(dá)到53.96%。在第4～6天污水中總氮的濃度略有上升，在第10天，污水中總氮的濃度達(dá)到22mg/L，去除率達(dá)到65.07%。

在對(duì)照組中，微藻受到氣溫的影響，生長(zhǎng)緩慢對(duì)水中的總氮去除率較低，去除效果不明顯。

水樣中的總磷變化如圖7所示。當(dāng)光生物反應(yīng)器采用加熱系統(tǒng)后，污水中的總磷濃度總體呈下降的趨勢(shì)。污水中的總磷濃度由最初的1.12mg/L下降到了0.19mg/L，去除率達(dá)到83.03%，去除效果優(yōu)異。

在對(duì)照組中，污水的總磷濃度變化不大，微藻處理效果不佳。

圖7 水中TP變化

4 結(jié) 論

微藻光生物反應(yīng)器加熱系統(tǒng)采用PLC中的PID指令，使溫度控制精度更高；溫度傳感器實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，輸出信號(hào)穩(wěn)定、精確；采用觸摸屏可以使操作人員更直觀地察看藻液溫度的變化，可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正。

在光生物反應(yīng)器采用加熱系統(tǒng)之后，微藻生長(zhǎng)狀況良好，藻液的吸光度有了大幅的提升，由最初的0.29增長(zhǎng)到1.28。同時(shí)污水的COD濃度降低了79.26%，微藻脫氮除磷的效果也較為優(yōu)異，污水中的總氮總磷去除率分別達(dá)到65.07%和83.03%，水質(zhì)凈化效果明顯。

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第一作者：倪紅軍（1965—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾履茉春托虏牧戏较?。E-mail 916008953@qq.com。聯(lián)系人：石健，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境工程/水污染控制。E-mail 601080590@qq.com。

中圖分類號(hào)：TQ 056

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金（21177067）、江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程、江蘇高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進(jìn)工程項(xiàng)目（JHB2012-45）、江蘇省青藍(lán)工程計(jì)劃及南通市應(yīng)用研究計(jì)劃（BK2014053）項(xiàng)目。

Design and application of photobioreactor heating system

NI Hongjun1，F(xiàn)ENG 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