利用高光强同步提高原位菌藻挂膜和氮磷去除效率的方法

本发明属于污水资源化处理工艺，涉及一种同步提高原位菌藻挂膜和氮磷去除效率的方法，具体涉及一种利用高光强同步提高原位菌藻挂膜和氮磷去除效率的方法。

背景技术：

1、菌藻共生系统利用功能微生物的互作实现营养物回收、增加系统碳汇并产生高附加值生物，是一种具有前景的污水资源化处理技术。基于目标污水富集的原位菌藻对污水复杂生境的适应性更强。絮状原位菌藻是目前广泛应用的主要形式，但其存在沉降性差、水力停留时间长、抗冲击符合负荷性能差等缺点。与之相比，向絮状原位菌藻中投入悬浮填料而形成的原位菌藻生物膜系统更具应用前景。

2、原位菌藻生物膜系统的快速启动是挑战其系统性能提升的技术问题之一。总的来说，生物膜的形成可以分为三个阶段：(i)定殖阶段，微生物细胞在流动液体的驱动下移动到载体表面，随后通过各种机制(如非共价分子间力)附着在载体上；(ii)积累阶段，在此期间，附着的细胞通过胞外聚合物(eps)团聚并进一步生长；以及(iii)成熟阶段，此时生物膜成熟稳定。由于eps(主要由胞外蛋白(pn)和胞外多糖(ps)组成)在物质表面的初始粘附以及随后的细胞团聚中的作用，已被广泛认为在生物膜发展中起重要作用。eps的分泌主要受水质和环境条件的影响，而光照是原位菌藻生物膜系统的重要环境因素，因此，有理由推测调控光照强度可以改变原位菌藻的eps分泌特性，从而影响其生物膜形成过程。

3、目前，关于光强对生物膜形成影响的研究得出的结论不一。如文献1指出在所研究的光强范围内(22–1011μmol/(m2·s))高光强下生物膜生物量最高(schultze larissak.p.,simon marie-victoria,li tong,et al.high light and carbon dioxideoptimize surface productivity in a twin-layer biofilm photobioreactor[j].algal research,2015,8:37-44)。而文献2发现生物膜的生物量随光强(约18–144μmol/(m2·s))增加先升高后下降(liao qiang,wang ye-jun,wang yong-zhong,etal.formation and hydrogen production of photosynthetic bacterial biofilmunder various illumination conditions[j].bioresoure technology,2010,101(14):5315-5324)。这可归因于微生物种类对光强的响应和适应情况各异，因此对于微生物群落复杂的原位菌藻系统而言，何种光强调控策略能够促进原位菌藻生物膜形成仍不明晰。此外，大多数研究采用固定填料(如纤维素酯膜、碳酸膜、聚氨酯海绵平板)(wang yi,jiangzeyi,lai zhijian,et al.the self-adaption capability of microalgal biofilmunder different light intensities:photosynthetic parameters andbiofilmmicrostructures[j].algal research,2021,58:102383；ye yangli,ma shiyan,peng hongyan,et al.insight into the comprehensive effect of carbon dioxide,light intensity and glucose on heterotrophic-assisted phototrophic microalgaebiofilm growth:amultifactorial kinetic model[j].journal of environmentalmanagement,2023,325:116582)，而含有移动填料的生物膜系统水力条件和光场分布更为复杂，因此上述研究的结论并不适用。更需要注意的是，如何实现氮磷的稳定高效去除是影响生物膜系统性能的关键因素。上述研究均未关注光强对氮磷去除的影响，而朱林等人所研究的光强范围(约0–94.75μmol/(m2·s))内菌藻生物膜的氨氮去除速率无显著变化(约0.4mg/l/d)，对磷去除的影响仍未报道(朱林,车轩,刘兴国,等人.光照强度对菌藻共生生物膜细菌群落结构的影响[j].农业工程学报,2020,36(11):241-247)。

技术实现思路

1、针对原位菌藻生物膜形成效率不高以及氮磷去除效率低的问题，本发明提供一种利用高光强同步提高原位菌藻挂膜和氮磷去除效率的方法。该方法利用高光强对原位菌藻进行照射，同步实现了生物膜的快速形成和氮磷的高效去除。

2、本发明的技术方案如下：

3、利用高光强同步提高原位菌藻挂膜和氮磷去除效率的方法，具体步骤如下：

4、在污水中通入悬浮原位菌藻和悬浮填料，置于光照强度≥180μmol/(m2·s)的高光强下照射，进行光合同化反应，使悬浮原位菌藻的总界面能降低，胞外聚合物过量分泌。

5、优选地，原位菌藻的获取方法为：将实际生活污水以1：10的体积比与灭菌的合成生活污水混合，以14：10的光：暗周期，光照周期的光强为54μmol/(m2·s)，在25±2℃下培养，获得原位菌藻。

6、优选地，合成生活污水的组成如下：naac(230.77mg/l)，nh4cl(114.64mg/l)，k2hpo4(21.95mg/l)，微量元素溶液(1ml/l)。微量元素溶液组成：1.5g/l fecl3·6h2o，0.38g/l mgso4·7h2o，0.01g/l cacl2，0.18g/l ki，0.15g/l h3bo3，0.15g/l cocl2·6h2o，0.12g/l mncl2·4h2o，0.12g/l znso4·7h2o，0.06g/l na2moo4·2h2o，0.03g/lcuso4·5h2o，10g/l edta。

7、优选地，合成生活污水在121℃下高温灭菌30min。

8、优选地，悬浮原位菌藻的生物质浓度为580～4080mg/l，总悬浮叶绿素浓度为4.92～92.89mg/l。

9、优选地，悬浮填料的填充率为30％(v/v)。

10、优选地，悬浮填料为工业高密度聚乙烯，直径25mm，高度10mm，密度0.96g/cm3。

11、优选地，高光强下的照射时间为14h。

12、优选地，所述的光合同化反应采用sbr工艺进行运行；所述的sbr工艺包括进水，

13、光照反应，沉淀和排水工序。

14、本发明方法将悬浮原位菌藻置于高光强下照射，使其总界面能降低了33.8％，且在任何悬浮原位菌藻和填料的分离距离上都未观察到能量壁垒，表明高光强极大增强了悬浮原位菌藻在填料上的附着，诱导了更快的微生物定殖即生物膜形成的初始阶段。在随后的生物量积累阶段，高光强下填料上的生物膜生物量平均提高了548％。本发明方法通过高光强照射形成的原位菌藻生物膜系统，氨氮和磷的平均去除速率分别提高了72.1％和90.3％。

15、综上，本发明利用特定强度范围的光，加速了生物膜的初始定殖，并促进了生物膜的生物量积累，同时提高了氮磷去除效率，大大减少反应成本，对于推进污水的低碳资源化处理具有十分重要的意义。