黄光协同光催化材料调控微生物反硝化的方法及其应用与流程

本发明属于污水生物处理，具体涉及一种黄光协同光催化材料调控微生物反硝化的方法及其应用。

背景技术：

1、氮、磷营养素的过度排放诱发的水体富营养化是当前全球性水污染问题。近年来，随着大中型城市污水处理厂的大规模建设和升级改造，我国污水处理能力显著提升。然而，水体富营养化的问题尚未得到有效解决。城镇生活污水排放量逐年增加，已超过工业废水，是氮、磷的主要来源。因此城市污水处理非常关键。

2、目前国内外城市污水脱氮技术均采用生物法，其在处理效率和经济性等方面具有不可替代的优势。现有的较新型的生物脱氮技术包括：同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等，在市政废水、工业废水处理中都得到了应用。但由于氮代谢功能微生物多样，包括氨氧化菌、硝酸盐氧化菌、反硝化菌、厌氧氨氧化菌等，导致氮元素的生物转化难以调控，新型脱氮工艺效果易受水质波动影响，特别是反硝化过程中亚硝酸盐氮的积累，进一步产生的游离亚硝胺对菌群具有毒性，从而影响废水处理工艺的稳定性。因此，亟需一种能高效调控微生物氮代谢、减少亚硝酸盐积累的方法。

3、目前使用光催化剂是其中一种节能环保、易于操作的反硝化调控技术。如co/c3n4-c光催化剂在加入反硝化菌体系中，在光照下，可作为人工诱导剂，促使全程反硝化加速。然而，光催化剂等一系列光敏材料在生物脱氮领域都有一定程度的限制。大多数微生物都会在太阳光照射下产生氧化应激，部分光敏性微生物如厌氧氨氧化细菌在太阳光照射下，脱氮效率更会大大降低。在光照下，大量活性自由基产生，从而导致细胞受损、代谢降低，进而会影响脱氮的效率，亚硝酸盐积累。因此，现需要一种可持续、环境友好的方法破除生物光抑制效应，拓宽光催化剂等光敏材料的应用前景。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中微生物反硝化在太阳光照射下存在生物光抑制效应，脱氮效率低，亚硝酸盐积累的缺陷，从而提供一种黄光协同光催化材料调控微生物反硝化的方法及其应用。

2、本发明提供一种黄光协同光催化材料调控微生物反硝化的方法，包括以下步骤：

3、1)获得反硝化的菌液；

4、2)将步骤1)中的菌液与培养液、碳源、氮源以及光催化材料混合形成反应溶液，在光照厌氧环境下搅拌，进行反硝化反应；所述光照为采用黄光进行照射。

5、可选的，反硝化反应在透明玻璃质或石英质反应器加盖密封进行，并且反应器盖具有营造缺氧、厌氧环境的进出口，并可实现缺氧环境营造与长期取样检测；

6、可选的，反应器盖选用具橡胶垫片盖；

7、可选的，缺氧、厌氧环境用惰性气体通过注射器进行曝气2-15分钟。

8、优选的，步骤2)中所述黄光的波长为570-600nm；

9、和/或，所述光照的光强为1.5-2.5mw cm-2；

10、和/或，所述光照的光源为led灯。

11、可选的，光波长通过采用不同的led灯作为光源调控；

12、可选的，光强通过灯带长度控制；进一步可选的，为保证光场均匀，内壁的灯带灯珠布对称分布；

13、可选的，将反应的反应器置于光控平台，通过锡纸对光控平台进行遮光处理以避免外界光照的干扰，在光控平台内壁设置led灯带，为平台中间的反应器提供环绕型光场。

14、可选的，led灯带的设计：灯珠嵌于灯带上，灯珠表面无覆盖，灯珠间距20-100mm，灯带宽度5-15mm，额定电压4-6v，额定功率3-5w/m，最终形成空间光场光照的光强为1.5-2.5mw cm-2。

15、优选的，步骤2)中所述光催化材料选自石墨相氮化碳、石墨相氮化碳复合催化材料中的至少一种；

16、优选的，所述光催化材料为石墨相氮化碳。

17、优选的，所述石墨相氮化碳由三聚氰胺在氮气气氛下进行焙烧、冷却得到；所述焙烧的温度为500-550℃，焙烧时间为200-300min；

18、可选的，所述焙烧的升温速率为4.5-5.5℃/min；

19、可选的，所述冷却为自然冷却至室温。

20、可选的，所述冷却步骤后还包括粉碎。

21、可选的，所述焙烧次数为两次，第一次焙烧并冷却后再进行第二焙烧和冷却的步骤。

22、可选的，所述第一次焙烧并冷却和/或所述第二焙烧和冷却后还包括粉碎的步骤。

23、优选的，步骤1)中反硝化的菌液的获取步骤为：将活性污泥进行活化扩增、离心、重悬洗涤、再重悬制得。

24、活性污泥是微生物群体及它们所依附的有机物质和无机物质的总称，其来源可以是市政污水处理厂、工业污水处理厂，本发明适用于所有活性污泥，只要是常规的污水处理厂处理得到活性污泥均可达到本发明的效果。

25、优选的，所述活化扩增的步骤中，活化温度为25-37℃、活化转速为80-250rpm、活化时间为24-27h；

26、和/或，所述离心步骤中离心力为5000-8000g，离心时间5-10min；

27、和/或，所述重悬洗涤步骤中重悬洗涤液采用pbs缓冲液；优选的，所述pbs缓冲液的浓度为0.01-0.1m；

28、和/或，所述重悬洗涤的次数为2-3次。

29、可选的，所述pbs缓冲液组成包括：8g·l-1nacl、0.2g·l-1kcl、1.44g·l-1na2hpo4，0.24g·l-1kh2po4。

30、优选的，步骤2)中所述反应溶液中初始细胞密度od600为0.1-0.4；

31、和/或，所述反应溶液中碳源的c浓度为100-1600mg/l；

32、和/或，所述反应溶液中氮源的n浓度为50-800mg/l；

33、和/或，所述碳源为乙酸钠；

34、和/或，所述氮源为硝酸钠；

35、和/或，所述碳源的c与所述氮源的n质量比为(1-2)：1；

36、和/或，所述反应溶液中光催化材料的添加量为10-150mg/l。

37、可选的，步骤2)中所述培养液组成包括：10.66mm nh4cl2、17.93mm kh2po4、32.76mm na2hpo4·12h2o，0.41mm mgso4·7h2o；

38、可选的，步骤2)中所述培养液组成还包括微量元素；

39、可选的，所述微量元素包括9.6mm na2·edta、9.0mm fecl3·6h2o、0.1mm mncl2·4h2o、1.0mm namoo4·2h2o、0.8mm cucl2·2h2o、2.5mm zncl2；

40、可选的，所述活化扩增的活化培养溶液包括氮源、碳源与扩增液；所述碳源中的c在活化培养溶液中的浓度为100-1600mg/l，氮源中的n在活化培养溶液中的浓度为50-800mg/l；所述扩增液组成与步骤2)中的培养液组成相同。

41、可选的，再重悬步骤中，采用重悬液进行重悬获得菌液，所述重悬液组成与步骤2)中的培养液组成相同。

42、优选的，步骤2)中所述搅拌的搅拌转速100-300rpm；

43、和/或，所述反硝化反应的反应温度为25-37℃。

44、可选的，反硝化反应溶液中no3-的氮含量去除率达到80％以上时，即可认为反硝化反应结束。

45、可选的，反硝化反应所在的光控平台底部为磁力搅拌器，以保证反应充分混合。

46、本发明提供一种上述所述的黄光协同光催化材料调控微生物反硝化的方法在污水处理中的应用。

47、本发明还提供一种黄光协同光催化材料调控微生物反硝化处理污水的方法，包括以下步骤：

48、1)获得反硝化的菌液；

49、2)将步骤1)中的菌液与所述污水以及光催化材料混合，在光照厌氧环境下搅拌，进行反硝化反应；所述光照为采用黄光进行照射。

50、本发明技术方案，具有如下优点：

51、1、本发明提供的黄光协同光催化材料调控微生物反硝化的方法，包括以下步骤：1)获得反硝化的菌液；2)将步骤1)中的菌液与培养液、碳源、氮源以及光催化材料混合形成反应溶液，在光照厌氧环境下搅拌，进行反硝化反应；所述光照为采用黄光进行照射。通过上述操作即可有效提升微生物的反硝化效率，实现的具体机理如下：生物代谢网络中，存在许多具有能够响应对特定光波长的基因元件，包括启动子、光敏蛋白等，这些元件所在的基因模块在黄光的照射下，代谢通量发生改变，在抗氧化能力、碳代谢、生物合成上增强，能很大程度促进反硝化、碳代谢以及生物合成，从而可能提升反硝化的效率。同时细胞内的铁含量升高，进一步增加反硝化还原酶的活性。本发明基于光催化材料诱导的微生物代谢适应以及反硝化菌波长依赖的光响应机制相配合作用，结合光催化技术与生物反硝化技术，在外加材料的刺激下，反硝化细菌发生轻微氧化应激，细胞内的新陈代谢提高，电子传递、能量供应和eps的分泌均提高。本发明通过采用黄光照射协同光催化材料有效破除了传统光催化强化反硝化过程的光抑制，提高微生物的活性，加速了全程反硝化，同时实现提升硝氮去除效率，避免残留硝酸盐污染，减少亚硝氮积累。

52、2、本发明提供的黄光协同光催化材料调控微生物反硝化的方法，步骤2)中所述黄光的波长为570-600nm；和/或，所述光照的光强为1.5-2.5mw cm-2；和/或，所述光照的光源为led灯。本发明通过对光照的波长进行特定波长选择，进一步提高破除微生物光催化光抑制效应的效果，提高硝氮的去除效率。led灯相对光强低，相对于氙灯与太阳光更加温和、降低了对细胞的氧化压力，长期稳定性更好。结合微生物细胞具有特异性光响应基因与蛋白，570-600nm光波段是太阳光谱范围中能提高微生物活性的波段。当适合波段的led光耦合具有适当带隙宽度的光催化半导体材料后，能更好地为微生物代谢提供电子，降低细胞的氧化压力，长期稳定。

53、3、本发明提供的黄光协同光催化材料调控微生物反硝化的方法，光催化材料可在光照条件下，产生光生电子、超氧自由基，从而促进有机污染物的降解，提升微生物的净化作用；通过活性污泥菌群对黄光的特殊响应机制，协同光催化材料，可实现亚硝氮积累的减少，从而减轻其对菌群微生物的毒害作用；本发明的方法简便，无需额外投加化学试剂或材料，不会产生二次污染，具有绿色、高效、经济的特点。

54、4、本发明提供的黄光协同光催化材料调控微生物反硝化处理污水的方法，包括以下步骤：1)获得反硝化的菌液；2)将步骤1)中的菌液与所述污水以及光催化材料混合，在光照厌氧环境下搅拌，进行反硝化反应；所述光照为采用黄光进行照射。本发明提供的污水处理方法，可有效提升污水中的反硝化效率，提高硝氮去除效率，避免残留硝酸盐污染，同时减少亚硝氮积累。