王 莎，張 華，程海翔

（1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350108；3.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 衢州 324000；4.衢州學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 衢州 324000）

0 引言

能源短缺和環(huán)境污染長期制約著生態(tài)健康和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。藻類作為自然界光合作用的主體，能合成油脂和碳水化合物，可吸收畜禽養(yǎng)殖廢水等水體中的COD、氮、磷、重金屬成分，在太陽能固定以及碳循環(huán)中起到非常重要的作用，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的重要的生物質(zhì)資源[1]。

相較于懸浮培養(yǎng)，生物膜方式的藻類養(yǎng)殖能提升微藻的去污能力、固碳力和光利用效率，同時(shí)也能節(jié)約能耗和水資源。但現(xiàn)有生物膜系統(tǒng)存在室外培養(yǎng)不可控因素多、適應(yīng)性差的問題。首先，生物膜光傳遞效率容易受限，導(dǎo)致底層生物膜接收光照和養(yǎng)分不足，不利于生物量積累[2]。Xu研發(fā)的毛細(xì)管驅(qū)動(dòng)光生物反應(yīng)器，生物膜和培養(yǎng)基相對分離，超細(xì)滌綸纖維載體結(jié)構(gòu)改善了營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸方式，降低了能耗。該系統(tǒng)采用人工照明和smBG11培養(yǎng)基，額外增加了能耗和成本，總光合效率也僅為3.3%～4.8%[3]。Ye的異養(yǎng)輔助光自養(yǎng)生物膜培養(yǎng)系統(tǒng)提升了營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸效率，透光能力比普通光生物反應(yīng)器提高64%，但平板式系統(tǒng)占地面積大，額外添加碳、氮源增加了成本[4]。以上兩項(xiàng)報(bào)道均是基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，對自然光照下生物膜生長和代謝，光照、營養(yǎng)物質(zhì)傳輸利用機(jī)制研究還未深入開展。此外，從環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的角度看，利用自然光作為直接光源可降低培養(yǎng)成本，對系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要的意義。但由于晝夜交替，以及緯度、季節(jié)、天氣等原因，光能供給具有不確定性和不可連續(xù)性。以處于低緯度（30°N～30°S）的福建省為例，2010-2018年平均日照時(shí)數(shù)為1 625.4 h，冬季平均有效光照時(shí)數(shù)僅301.2 h，屬于光輻射可利用但較貧乏區(qū)[5]。對大多數(shù)微藻而言，最佳光暗周期在12∶12～16∶8[6]。因此，依賴自然光可能會(huì)受到光能強(qiáng)度或光照時(shí)數(shù)不足的影響。

為探索室外自然光照時(shí)數(shù)不足條件下微藻生物膜的生長情況，改善生物膜光和營養(yǎng)物質(zhì)傳輸效率，設(shè)計(jì)封閉式旋轉(zhuǎn)盤生物膜系統(tǒng)，研究不同培養(yǎng)體積和補(bǔ)光時(shí)間對生物膜積累、代謝產(chǎn)物、營養(yǎng)物去除以及固碳率的影響。試圖通過優(yōu)化策略提高生物膜產(chǎn)率、生物燃料生產(chǎn)和廢水凈化效果，降低能耗和成本，探討室外環(huán)境中大規(guī)模獲取微藻生物質(zhì)的可行性。

1 材料與方法

1.1 藻種與培養(yǎng)基

藻種：衣藻（Chlamydomonas sp.JSC4），來自于中國臺(tái)灣中山大學(xué)海洋生物研究所藻種庫。育種方法及初始培養(yǎng)條件同文獻(xiàn)[7]。

培養(yǎng)基：試驗(yàn)采用預(yù)處理過的厭氧出水的養(yǎng)殖廢水作為培養(yǎng)基。養(yǎng)殖廢水由福州市上街鎮(zhèn)溪源宮養(yǎng)豬場提供，經(jīng)浸泡、紗布過濾（主要是去除固體懸浮物）并用蒸餾水稀釋后備用。由于初始pH值較低，試驗(yàn)前采用1 mol/L NaOH溶液將pH調(diào)至7.5。為了保證廢水成分一致，同一批次試驗(yàn)用水樣在-20℃速凍保存。預(yù)處理后污水的基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 預(yù)處理后的養(yǎng)豬場廢水理化性質(zhì)Table 1 Compositions of swine wastewater

1.2 試劑與儀器

試劑：所用試劑均為分析純，西隴化工股份有限公司生產(chǎn)。

儀器設(shè)備：UVmini-1240紫外可見分光光度計(jì)（島津制作所）；5B-3B（A）型多參數(shù)水質(zhì)分析儀（連華科技）；FD-1000型冷凍干燥機(jī)（上海愛朗）；Li-190SA型日射強(qiáng)度計(jì) （美國Li-COR）；MOT500-CO2-IR型二氧化碳檢測器（美國德康）；Minibeadbeater-16破碎儀（美國Biospec）；Vario EL III型元素分析儀（德國ELEMENTAR）；TGL-16gR高速冷凍離心機(jī)（上海安亭）；6890N-5975B氣相色譜-質(zhì)譜儀（美國Agilent）等。

1.3 生物膜系統(tǒng)

微藻生物膜系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由6組培養(yǎng)單元、CO2反應(yīng)器、驅(qū)動(dòng)模塊、光源等組成。每個(gè)培養(yǎng)單元包括儲(chǔ)液槽、旋轉(zhuǎn)盤及復(fù)合載體等。儲(chǔ)液槽（0.5 m×0.05 m×0.5 m）選用透光性好的亞克力板材料（PMMA），內(nèi)部儲(chǔ)存培養(yǎng)液。旋轉(zhuǎn)盤（半徑0.25 m）垂直放置，轉(zhuǎn)盤骨架鏤空設(shè)計(jì)，重量輕。復(fù)合載體上接種濃藻液，載體為廉價(jià)的、親水性好的棉麻帆布，布置在轉(zhuǎn)盤骨架外。旋轉(zhuǎn)盤下部浸入培養(yǎng)液中，空間向上延伸，提高了生物膜實(shí)際生長面積，旋轉(zhuǎn)過程中微藻均勻地接受光照。CO2（5%，10 mL/min）從儲(chǔ)液槽頂部通入，為增加CO2吸收，保持載體濕潤，系統(tǒng)要保證密封性。驅(qū)動(dòng)模塊由電機(jī)、減速和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。光源有自然光源和可調(diào)節(jié)的LED光源。生物膜平面和光源平面垂直布置，可提高自然光受光率，且對高光強(qiáng)有較好的稀釋作用，控制培養(yǎng)單元溫度上升過快。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤以15 r/min勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。由于液體表面張力，營養(yǎng)液沿帆布經(jīng)緯線被源源不斷輸送到載體上，旋轉(zhuǎn)至一定的高度后，載體上的營養(yǎng)液在重力作用下逐漸擴(kuò)散到未被浸潤的區(qū)域，微藻逐漸吸附在載體表面形成生物膜。

圖1 封閉式旋轉(zhuǎn)盤生物膜反應(yīng)器架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of microalgae biofilm reactor

轉(zhuǎn)盤浸沒比μ和光稀釋率Rl可分別按下面的公式計(jì)算。

式中：Am為浸沒于液體中的載體面積；Aw為轉(zhuǎn)盤面積；Ac為旋轉(zhuǎn)盤曝光面積；Al為儲(chǔ)液槽占地面積；n1為每個(gè)培養(yǎng)單元載體個(gè)數(shù)；r為旋轉(zhuǎn)盤半徑；L2為儲(chǔ)液槽占地面長度；W2為儲(chǔ)液槽占地面寬度。

1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)基地位于福建省福州地區(qū)大學(xué)城（119.28°E，26.08°N），時(shí)間為2020年12月。試驗(yàn)分兩步開展。

步驟一：生物膜系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)優(yōu)化（A組），確定最佳培養(yǎng)液體積。為了減少不必要因素的影響，試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)基礎(chǔ)條件：光照為LED光，有效光照為100～150μmol/（m2·s），光暗周期為16∶8，溫度為（26±2）℃，初始培養(yǎng)液pH為7.5±0.5，接種量為15 g/m2（干重），培養(yǎng)時(shí)間8 d。每隔12 h（8：00與20：00）加入40～80 mL的蒸餾水至對應(yīng)的刻度線處，以補(bǔ)償試驗(yàn)過程中培養(yǎng)液損耗。

步驟二：自然光照條件下的補(bǔ)光策略研究（B組）。首先，連續(xù)監(jiān)測每天（6：00-17：00）室外自然

圖2為不同培養(yǎng)體積時(shí)微藻生物膜的生長及氮磷吸收情況。光照強(qiáng)度，評(píng)價(jià)有效光照強(qiáng)度及光強(qiáng)分布。然后，根據(jù)A組試驗(yàn)得到的最佳培養(yǎng)體積1.5 L，設(shè)計(jì)3種補(bǔ)光策略（補(bǔ)光時(shí)間0，7 h和12 h）的對比試驗(yàn)，補(bǔ)光方式設(shè)計(jì)見圖1。由于冬季環(huán)境氣溫較低，試驗(yàn)在專門的透光性好的陽光房內(nèi)進(jìn)行，以保證溫度環(huán)境為26～30℃。初始培養(yǎng)液pH、接種量、培養(yǎng)天數(shù)、培養(yǎng)液補(bǔ)償?shù)然A(chǔ)條件與A組試驗(yàn)相同。每天監(jiān)測TN濃度的變化，在TN消耗近90%時(shí)收獲微藻。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2，各組試驗(yàn)中每個(gè)參數(shù)做兩個(gè)平行樣。

圖2 不同培養(yǎng)體積時(shí)微藻生物膜的生長及氮磷吸收Fig.2 Biofilm productivity and adhesion、TN/TP removal under different volumes

表2 培養(yǎng)液體積與補(bǔ)光時(shí)間試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Medium volume and illumination time experiment

1.5 測量與計(jì)算方法

1.5.1 微藻生物質(zhì)量、產(chǎn)油量

微藻的收獲方法及生物質(zhì)干重、產(chǎn)油量的測量參照文獻(xiàn)[7]的方法進(jìn)行。

1.5.2 藻體中蛋白質(zhì)、碳水化合物含量和固碳率

測定微藻蛋白質(zhì)、碳水化合物、固碳率時(shí)，先將微藻生物質(zhì)冷凍干燥，獲得藻粉。藻粉蛋白質(zhì)、碳水化合物含量采用文獻(xiàn)[7]的方法測定。藻粉碳含量采用元素分析儀測量。固碳率的計(jì)算式為

式中：CFR為固碳率；Cc為干細(xì)胞碳含量；MCO2為CO2的分子質(zhì)量；MC為碳的分子質(zhì)量；ABP為微藻生物質(zhì)產(chǎn)率。

1.5.3廢水培養(yǎng)基中TN，TP的測定

TN，TP的測定分別按照《水質(zhì)總氮的測定-堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（GB 11894-1989）、《水質(zhì)總磷的測定-鉬酸銨分光光度法》（GB 11893-1989）進(jìn)行。

1.5.4 有效光照強(qiáng)度、光強(qiáng)分布與光合效率

有效光照強(qiáng)度是指到達(dá)生物膜表面附近的光照強(qiáng)度，測量時(shí)用光強(qiáng)計(jì)在生物膜表面上2 cm處沿旋轉(zhuǎn)盤一周4個(gè)位置分別讀取數(shù)據(jù)，取平均值。為表征光強(qiáng)的波動(dòng)變化情況，用變異系數(shù)Cv衡量，其計(jì)算式為

式中：Eb為生物膜熱量；Ec為培養(yǎng)基有機(jī)碳量；Es為培養(yǎng)單元接受太陽光總能量；Ea為接受LED光源總能量；Is，Ia分別為波長介于400～700 nm的太陽光強(qiáng)輻照度、LED光源光強(qiáng)輻照度；Esl，Eal分別為太陽光與LED光單位輻照度所含的能量；Asl，Aal分別為兩種光照下的生物膜受光面積；t1，t2為光照時(shí)間；ηv為400～700 nm波長的光占總太陽光的比例；κ為COD熱值；NCOD為廢水COD濃度；V為培養(yǎng)基體積；Wnet為生物質(zhì)總干重；LC為生物膜油脂含量；為簡化起見，假設(shè)生物質(zhì)只有油脂和碳水化合物兩部分組成，則Elipid為油脂熱值；Ecarbon為碳水化合物熱值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同培養(yǎng)液體積下微藻生物膜的生長及廢水氮磷去除

由圖2（a）可知，當(dāng)培養(yǎng)液體積從1 L增加至2.5 L時(shí)，生物膜產(chǎn)率先上升后下降，培養(yǎng)液為1.5 L時(shí)獲得最大的生物膜產(chǎn)率為（50.48±0.28）g/（m2·d）。生物膜固定率從（89.65±1.77）%降至（79.38±1.66）%。圖2（b）顯示TN，TP的去除率均先增加和減少，培養(yǎng)體積為1.5 L時(shí)達(dá)到最大的TN和TP去除率/量，分別為（93.01±0.57）%，（7.71±0.03）g/（m2·d）和（98.56±0.29）%，（1.52±0.01）g/（m2·d）。

2.2 不同培養(yǎng)液體積下微藻生物膜組分合成及固碳率

圖3為不同培養(yǎng)體積時(shí)微藻生物膜各組分含量及CO2固定率。

圖3 不同培養(yǎng)體積微藻生物膜組分含量及CO2固定率Fig.3 Biomass composition content and CO2 fixation under different volumes

從圖3（a）可知，隨著培養(yǎng)液體積的增加，蛋白質(zhì)含量從（29.8±2.0）%增加到（42.63±2.0）%，碳水化合物和油脂分別從（51.68±4.60）%，（8.78±0.03）%減少到（38±5.09）%，（5.09±0.86）%，且相同培養(yǎng)體積下碳水化合物含量均要高于油脂含量。在培養(yǎng)液體積為1.5 L時(shí)達(dá)到各組成成分的最大產(chǎn)率，分別為（16.41±0.09），（23.38±1.83），（4.27±0.08）g/（m2·d）。圖3（b）顯示，CO2固定率隨培養(yǎng)液體積增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，1.5 L時(shí)達(dá)到了最大的固定率91.31 g/（m2·d）。

2.3 不同補(bǔ)光時(shí)間條件下微藻生物膜生長及廢水氮磷去除

圖4為不同補(bǔ)光時(shí)長下微藻生物膜生長、氮磷吸收及pH變化。

圖4 不同補(bǔ)光時(shí)長微藻生物膜生長、氮磷吸收及pH變化Fig.4 Biofilm productivity and adhesion、TN/TP removal and pH tendency under different illumination

由圖4（b）可知，步驟二培養(yǎng)到第3天時(shí)，不同補(bǔ)光時(shí)間組廢水TN，TP去除率均已超過90%，此時(shí)采收生物膜。生物膜生長情況如圖4（a），隨著補(bǔ)光時(shí)間的增加，懸浮部分和生物膜部分的生物質(zhì)產(chǎn)率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在補(bǔ)光時(shí)長為7 h（光暗周期為16∶8）時(shí)，生物膜部分和懸浮部分的生物質(zhì)產(chǎn)率均達(dá)到最大值，分別為（69.77±1.17），（9.4±0.20）g/（m2·d）。隨著補(bǔ)光時(shí)間的延長，TN，TP去除率/量也呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，且補(bǔ)光7 h達(dá)到最大的去除率/量，分別為（98.85±0.80）%，（11.86±0.10）g/（m2·d）和（98.35±0.14）%，（2.17±0.01）g/（m2·d）。由圖4（c）可以看出，隨培養(yǎng)天數(shù)增加，不同補(bǔ)光策略的培養(yǎng)液pH上升速率不同，即補(bǔ)光7 h＞補(bǔ)光12 h＞補(bǔ)光0 h。補(bǔ)光0，12 h在第3天pH開始下降。

2.4 不同補(bǔ)光時(shí)間條件下微藻生物膜組分合成及固碳率

圖5為不同補(bǔ)光時(shí)長下微藻生物膜各組分含量及CO2固定率。

圖5 不同補(bǔ)光時(shí)長微藻生物膜組分含量及CO2固定率Fig.5 Biomass composition content and CO2 fixation under different illumination

由圖5（a）可知，蛋白含量在補(bǔ)光7 h時(shí)達(dá)到最高，為（42.81±2）%；碳水化合物含量隨補(bǔ)光時(shí)間的增加，從（34.43±0.95）%增加到（46.3±3.68）%，且在同一補(bǔ)光時(shí)間下，碳水化合物的含量都要高于油脂；脂質(zhì)的含量在補(bǔ)光為0 h的條件下達(dá)到最大值，為（15.17±0.60）%。且蛋白質(zhì)產(chǎn)率、碳水化合物產(chǎn)率及油脂產(chǎn)率均在補(bǔ)光7 h時(shí)達(dá)到最大，分別為（29.87±0.50），（27.48±1.24），（3.46±0.14）g/（m2·d）。由圖5（b）可知，隨著補(bǔ)光時(shí)間的增加，CO2的固定率先增大后減小，在補(bǔ)光7 h時(shí)CO2固定率均達(dá)到最大值（130.12±2.19）g/（m2·d）。

2.5 自然光強(qiáng)分布、有效光照時(shí)數(shù)及補(bǔ)光策略下的光合效率

圖6為自然光強(qiáng)分布情況、補(bǔ)光策略下的光合效率。

圖6 自然光強(qiáng)分布情況、補(bǔ)光策略下的光合效率Fig.6 Distribution of sunlight and biofilm photosynthetic efficiency under different illumination

圖6（a）的陰影部分表示福州地區(qū)冬季12月白天（7：00-16：00）任意時(shí)刻光照強(qiáng)度波動(dòng)范圍。可以看出，7：00以前及16：00之后，光照強(qiáng)度極低，且變異系數(shù)較大[式（5）]，說明光強(qiáng)極不穩(wěn)定。最高光強(qiáng)主要集中在11：00-13：00，最高值可達(dá)1 098.2μmol/（m2·s），最低值為883.5μmol/（m2·s）。綜合來看，有效光照在7：00-16：00。圖6（b）顯示補(bǔ)光試驗(yàn)對生物膜光合效率的影響，由式（6）～（8）計(jì)算得，補(bǔ)光0 h時(shí)光合效率最低，補(bǔ)光12 h次之，補(bǔ)光7 h最高，可達(dá)11.8%。

3 討論

3.1 培養(yǎng)體積對生物膜的生長、氮磷吸收、組分合成及固碳的影響

生物膜細(xì)胞密度高，光和營養(yǎng)物質(zhì)能夠更有效地穿透生物膜，因此參與光合作用的細(xì)胞個(gè)數(shù)多。Huang發(fā)現(xiàn)在一定光照下微藻生物膜內(nèi)能接受有效光照的細(xì)胞占比超過40%，而對應(yīng)懸浮培養(yǎng)僅為2.5%[9]。氮和磷作為生物膜生長重要的營養(yǎng)素，其吸收速率受到細(xì)胞機(jī)能、TN和TP的影響[10]。本研究中，總體上看，廢水TN，TP的去除率與微藻生物質(zhì)的產(chǎn)率呈正相關(guān)。3種培養(yǎng)液中氮含量是不斷增加的。由式（1）可知，培養(yǎng)液為1 L時(shí)旋轉(zhuǎn)盤浸沒面積比最小，營養(yǎng)物質(zhì)傳遞速率較慢，所以生物膜產(chǎn)率最低，但生物膜固定率最高。由于流體粘性，粘附在旋轉(zhuǎn)盤上的生物膜會(huì)受到一個(gè)沿旋轉(zhuǎn)方向相反的粘附力，即剪切作用，其強(qiáng)弱與旋轉(zhuǎn)盤的浸沒比成正比，隨著培養(yǎng)體積增加，生物膜固定率持續(xù)減小，這是因?yàn)檩d體浸沒比越大，轉(zhuǎn)盤與培養(yǎng)基之間的剪切作用也越大，使藻體落入培養(yǎng)基，這也是2.0 L時(shí)比1.5 L時(shí)生物膜產(chǎn)率低、懸浮部分產(chǎn)率高的主要原因。

合成產(chǎn)物方面，氮與蛋白質(zhì)合成緊密相關(guān)[11]。本研究中，隨著培養(yǎng)液體積的增加，蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)上升的趨勢。微藻光合碳的流向隨環(huán)境以及培養(yǎng)條件的變化而改變，其細(xì)胞組成往往有所不同[12]。在氮消耗殆盡的條件下，細(xì)胞調(diào)整碳、能量和還原劑的代謝途徑，轉(zhuǎn)移到合成不含氮的大分子（如脂質(zhì)、碳水化合物）上。培養(yǎng)體積越少，含氮量越少，油脂和碳水化合物含量越高。但是碳水化合物和油脂的合成之間存在著競爭。在環(huán)境壓力條件下，首先合成淀粉作為能量存儲(chǔ)形式，然后建立長期存儲(chǔ)機(jī)制，即合成油脂。由式（4）可知，固碳率與微藻細(xì)胞碳含量、生物膜產(chǎn)率成正比，培養(yǎng)液為1.5 L時(shí)達(dá)到了最高的生物膜產(chǎn)率、油脂產(chǎn)率和碳水化合物產(chǎn)率，即該培養(yǎng)體積下固碳率最高。由此可以得出，高的生物質(zhì)產(chǎn)率有利于CO2固定和生物能源生產(chǎn)。

3.2 補(bǔ)光時(shí)間對生物膜的生長、氮磷吸收、組分合成及固碳的影響

在微藻廢水處理中，光周期是重要的可控參數(shù)，對生物膜產(chǎn)率等有顯著影響[12]。若光照時(shí)長不足，光合作用將無法有效地進(jìn)行，出現(xiàn)微藻黃化現(xiàn)象，影響初始生長速率[6]。補(bǔ)光0 h（光周期為9∶15），生物質(zhì)產(chǎn)率最低。較短的光照時(shí)長相當(dāng)于一個(gè)壓力信號(hào)，會(huì)促使細(xì)胞停止分裂去轉(zhuǎn)換過量的葡萄糖來儲(chǔ)存脂質(zhì)[4]。這是因?yàn)樵诃h(huán)境壓力（如氮抑制或光限制）下，微藻中的碳將會(huì)被分配到能量豐富的化合物中，因此引起蛋白含量的降低和能量豐富產(chǎn)物含量的提高。繼續(xù)增加補(bǔ)光時(shí)間（補(bǔ)光7 h，光周期為16∶8）時(shí)，生物膜生長及代謝明顯改善，這也印證了文獻(xiàn)中關(guān)于理想光周期的報(bào)道[6]。當(dāng)光周期達(dá)到21∶3（補(bǔ)光12 h）時(shí)，生物質(zhì)產(chǎn)率出現(xiàn)了下降，這是因?yàn)檫^多的光照會(huì)產(chǎn)生活性氧基并引起光抑制現(xiàn)象[13]。

微藻生物膜對氮和磷的吸收也受到光強(qiáng)、pH等環(huán)境因素的影響。Sukacova發(fā)現(xiàn)，隨著光照周期增加，磷去除率和生物膜產(chǎn)量持續(xù)增加。24 h自然光照下（光周期為12∶12）生物膜對磷的去除率為36%～41%，而連續(xù)人工光照下（24∶0）磷的去除率高達(dá)（97±1）%[14]。另外，pH的變化一方面能反映生物膜生長快慢，也能間接表明生物膜對廢水成分的吸收情況。以磷的去除為例，研究發(fā)現(xiàn)，廢水環(huán)境中磷通常以沉淀和細(xì)胞吸附等方式被吸收，磷與Ca，Mg等金屬陽離子形成難溶的磷酸鹽而沉淀，這需在較高pH（8.5～9.5）條件下進(jìn)行。同時(shí)光周期內(nèi)磷的去除率高于暗周期，因?yàn)樵诎抵芷跁r(shí)僅有41%的磷酸鹽會(huì)被細(xì)胞吸收，約58%的磷酸鹽會(huì)再次溶解。本研究中補(bǔ)光7 h時(shí)生物膜生長率最高，pH上升較快，且所用廢水Ca，Mg含量較高，有利于污水中磷的沉淀和吸收。相應(yīng)的，補(bǔ)光12 h的磷吸收率次之，補(bǔ)光0 h時(shí)最低?？偟膩碚f，磷的去除率/量與pH升高速率正相關(guān)，合適的光周期能促進(jìn)生物膜的生長和代謝。

3.3 自然光照下微藻光合效率的提高及運(yùn)用生物膜系統(tǒng)除污固碳的可行性

研究者在培養(yǎng)耐高溫富油綠藻Desmodesmus sp.F51生物膜時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著生物膜厚度增加，須提高光照才能滿足生物膜的生長，且生物膜透光性越好，微藻生長越快，自養(yǎng)能力越強(qiáng)，脂質(zhì)等積聚越多[7]。Liu研究發(fā)現(xiàn)，在700μmol/（m2·s）高光強(qiáng)度且光稀釋率為10時(shí)，柵藻生物膜產(chǎn)率可提高至120 g/（m2·d），光合效率高達(dá)18%，室外培養(yǎng)時(shí)光合效率在10.8%～17.3%[12]。這表明生物膜具有較高的光耐受性和利用效率。本研究顯示，在最佳光暗周期比為16∶8和培養(yǎng)液體積為1.5 L時(shí)，自然光加LED補(bǔ)光7 h比純LED光照的生物膜產(chǎn)率、生物質(zhì)各組分總產(chǎn)率、固碳率分別提高38.2%，38.1%，44.7%。補(bǔ)光策略論證了理想光周期條件下生物膜對室外高光強(qiáng)的適應(yīng)性，一定程度的高光強(qiáng)能促進(jìn)微藻光合作用和生物能源生產(chǎn)。

封閉式旋轉(zhuǎn)盤生物膜系統(tǒng)在垂直空間上擴(kuò)大了微藻生物膜生長面積，一定程度上稀釋了太陽光照（光稀釋率Rl高達(dá)13.5）。盡管中午太陽光強(qiáng)值超過藻的光飽和點(diǎn)，但經(jīng)稀釋后到達(dá)生物膜表面的光強(qiáng)在211.06～262.35μmol/（m2·s），適合微藻生長，這也間接地提高了生物膜的光飽和點(diǎn)和光利用效率。CO2等碳源能促進(jìn)微藻生物量增加，且微藻對CO2的固定效果更好[15]。由式（1）～（3）可得該生物膜系統(tǒng)載體獲得較大曝光面積，CO2流通空間與生物膜接觸區(qū)域也越大，固碳量、光合效率較高。同時(shí)該系統(tǒng)充分利用自然光照和廢水資源，選用廉價(jià)的生物膜載體，降低了培養(yǎng)成本和能耗。

室外環(huán)境不穩(wěn)定因素多，例如光照時(shí)長、光照強(qiáng)度和溫度等難以控制。完全依靠自然光照實(shí)現(xiàn)12∶12～16∶8的理想光周期不太現(xiàn)實(shí)，尤其在年光輻射量不足的地區(qū)。人工補(bǔ)光又增加了額外的能耗投入。因此，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用時(shí)要具備系統(tǒng)思維，加大資源融合和技術(shù)集成力度?？梢灶A(yù)見，碳達(dá)峰、碳中和背景下微藻培養(yǎng)與減排降耗、太陽能、風(fēng)能等資源和學(xué)科交叉技術(shù)耦合發(fā)展是未來努力的方向。

4 結(jié)論

①室外環(huán)境下微藻生物膜系統(tǒng)可能會(huì)受到光照強(qiáng)度或時(shí)長不足的影響。本文設(shè)計(jì)了一款改進(jìn)的封閉式旋轉(zhuǎn)盤光生物反應(yīng)器，可有效提高營養(yǎng)物質(zhì)傳輸效率和對自然光環(huán)境的適應(yīng)性。

②在培養(yǎng)液體積為1.5 L，自然光照加補(bǔ)光7 h情況下，可獲得最大的生物膜產(chǎn)率、固碳率和碳水化合物產(chǎn)率，TN，TP去除率達(dá)到98%，光合作用效率高達(dá)11.80%。

③補(bǔ)光策略能初步改善室外環(huán)境光照不足，促進(jìn)生物膜生長、氮磷成分吸收、生物燃料生產(chǎn)以及CO2固定，達(dá)到綠色培養(yǎng)微藻和除污固碳的目的。