高濃度大蒜加工廢水中含有大量有機物、氮、磷等污染物及懸浮物，此外還含有具有抗菌作用的大蒜素，采用常規(guī)處理工藝處理大蒜加工廢水很難使其達標排放。現(xiàn)有對大蒜廢水的處理方法如物理法、酶法、生物法、微電解法和膜分離法等普遍存在有機負荷低、工藝穩(wěn)定性差、運行費用高等缺點。而活性污泥法具有處理量大、成本低、效率高、無二次污染等特點，是處理大蒜加工廢水的理想工藝。UASB反應器有較高的耐沖擊負荷能力和較長的污泥停留時間，不僅可以有效降低污染物濃度，還可提高廢水的可生化性，目前已被廣泛應用于高濃度有機廢水的處理。SBR為厭氧與好氧交替進行，不僅具有高效的有機物去除能力，還具有同步脫氮除磷功能。采用UASB+SBR組合工藝處理高濃度大蒜加工廢水時，UASB作為預處理單元去除廢水中的有機物，可提高廢水的可生化性；SBR主要去除氮、磷，并可進一步去除有機物。

筆者研究了UASB—SBR耦合工藝對高濃度大蒜加工廢水的處理效果，探討了UASB和SBR的啟動方法，確定了UASB和SBR的最佳工藝參數(shù)及影響因子，并利用高通量測序技術分析了SBR污泥系統(tǒng)微生物多樣性和菌群結構，旨在為UASB—SBR耦合工藝處理高濃度大蒜加工廢水的應用奠定基礎。

1、材料和方法

1.1 試驗材料

UASB由有機玻璃制成，包括反應區(qū)、三相分離區(qū)。反應器分內(nèi)、外兩部分，內(nèi)徑約為80mm，外徑約為120mm。內(nèi)部為反應器反應區(qū)，夾層部分為水浴保溫層，反應器總高度為1500mm，其中反應區(qū)高1200mm，三相分離區(qū)高300mm，反應器有效容積為6.0L，反應區(qū)外側每隔200mm設有一個取樣口。反應器頂部設置安全瓶和集氣袋，氣體經(jīng)過三相分離區(qū)實現(xiàn)固、液、氣分離進入安全瓶，最后由集氣袋收集，產(chǎn)氣量通過排水法測量。通過夾層部分的水浴保溫層控制反應器溫度為（35±2）℃。

高負荷條件下啟動UASB。在進水COD濃度為9800mg/L、反應器內(nèi)溫度為（35±2）℃、污泥濃度為3000mg/L條件下，將UASB反應器HRT從20h增至50h（處理水量由0.3L/h降至0.12L/h），在每個HRT下反應器穩(wěn)定運行7d，考察出水COD情況。

在保持進水COD濃度為9800mg/L、反應器溫度為（35±2）℃、HRT為45h的前提下，將進水pH從6.0逐漸升高至8.0，考察進水pH對UASB反應器運行效果的影響，確定反應器運行最佳pH。UASB出水儲存在儲水箱中備用，待SBR反應器運行至進水階段再以瞬時進水的方式加入SBR反應器中。

SBR為無色有機玻璃柱，內(nèi)徑為220mm，高為1000mm，有效容積為14.4L，反應器頂部設有電動攪拌器、pH在線監(jiān)測儀和DO在線監(jiān)測儀，反應器底部設有連接空氣泵和氣體流量計的橡膠曝氣盤，通過夾層部分的水浴保溫層控制反應器溫度，沿反應器外側每隔100mm設有一個取樣口，用以調(diào)整HRT和取樣，同時反應器出水管接有電磁閥，以上所有設備均以時控開關控制。

采用接種培菌法和自然培菌法分別啟動SBR反應器，處理水量為0.125L/h。設置SBR的周期時長分別為8和12h，調(diào)節(jié)進水pH為7.0~7.5，保持進水COD為6000mg/L，污泥濃度為3200mg/L。SBR采用厭氧/好氧運行模式，微氧曝氣控制溶解氧濃度為2~3mg/L。設定周期運行參數(shù)：周期時長為8h，每周期進水10min、攪拌2h、曝氣5h、沉淀45min、排水5min；周期時長為12h，每周期進水10min、攪拌3h、曝氣8h、沉淀45min、排水5min。考察不同HRT下SBR反應器對COD的去除效果。

在進水COD為6000mg/L、周期時長為12h條件下，通過SBR夾層部分的水浴保溫層控制反應器溫度，將溫度由10℃升高至30℃，考察溫度對COD和NH3-N去除效果的影響。試驗裝置如圖1所示。

1.2 試驗用水與污泥來源

購買市場上新鮮大蒜，剝皮后用榨汁機榨汁備用，隨后用自來水將榨好的大蒜汁稀釋至所需濃度。為保證廢水水質(zhì)穩(wěn)定及結果的準確性，試驗所有用水均現(xiàn)用現(xiàn)配。具體水質(zhì)：COD為60~9800mg/L，NH3-N為40~75mg/L，TN為60~95mg/L，TP為9~27mg/L，pH為5.6~6.5。試驗污泥取自遼寧省撫順市三寶屯污水處理廠二沉池。

1.3 檢測項目及方法

COD、TP、NH3-N、TN分別采用快速密閉催化消解法、鉬銻抗分光光度法、納氏試劑分光光度法、堿性過硫酸鉀紫外分光光度法測定，DO采用溶氧儀測定，pH采用酸度計測定。產(chǎn)氣量通過排水法測定，MLSS采用濾紙稱重法測定，SV30采用30min沉降法測定。DNA的提取、檢測和高通量測序由諾禾致源科技股份有限公司完成。

2、結果與討論

2.1 UASB啟動與影響因素分析

2.1.1 UASB啟動分析

高有機負荷條件下快速啟動UASB反應器，COD進水濃度為9800mg/L。為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，延長HRT，初步設定HRT為50h、溫度為（35±2）℃。圖2為UASB啟動過程中COD的變化。可知，系統(tǒng)啟動初期，COD去除率為8.67%。后續(xù)運行中，COD去除率逐漸下降，直至第10天，COD去除率下降至6.23%，這可能是由于大蒜加工廢水具有高濃度的有機負荷，系統(tǒng)短時間內(nèi)無法適應此沖擊。隨著UASB反應器的繼續(xù)運行，微生物逐漸適應高濃度大蒜加工廢水水質(zhì)，代謝能力增強，對有機物的去除效果有所提高，COD去除率呈現(xiàn)波動式上升的趨勢。在第56天COD去除率為45%，系統(tǒng)內(nèi)可清晰見到粒徑為2~3mm的顆粒污泥，產(chǎn)氣效果明顯，平均每隔2s就會出現(xiàn)粒徑為2mm的氣泡，平均產(chǎn)氣量為1.6L/d，此時UASB反應器內(nèi)污泥濃度為3000mg/L。進一步延長UASB的運行時間，COD去除率無明顯變化，認定反應器在第56天時啟動成功。張立國等人發(fā)現(xiàn)，UASB啟動成功后，系統(tǒng)內(nèi)MLVSS為9100mg/L，并指出UASB高效穩(wěn)定的運行及成熟顆粒污泥的出現(xiàn)能夠表明反應器啟動成功。

2.1.2 HRT對UASB反應器的影響

在進水COD濃度為9800mg/L、反應器溫度為（35±2）℃條件下，考察HRT對UASB反應器去除COD的影響，結果如圖3所示。可知，當HRT為20h時，COD平均去除率僅為6.08%。這是因為HRT過低引起系統(tǒng)內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）的積累，從而對系統(tǒng)造成沖擊，此外廢水中僅部分有機物因與微生物接觸而被降解，未被降解的有機物隨出水排出，因此對COD的去除效果較差。班巧英等通過控制HRT考察了UASB反應器的性能，認為HRT過低會增加系統(tǒng)的有機負荷，提高產(chǎn)酸發(fā)酵菌群的活性，并生成大量VFAs，但產(chǎn)甲烷互營菌群增殖相對緩慢，導致系統(tǒng)酸化，影響了COD降解。隨著HRT增加，COD去除率也逐漸升高，直至將HRT增加至45h，COD去除率趨于平穩(wěn)，平均去除率達到44.16%。劉亞紅在UASB對高濃度有機廢水降解中發(fā)現(xiàn)，當HRT為48h時，COD去除率為89.3%，高于本試驗結果。產(chǎn)生這種差別的原因可能是本試驗的UASB采用了高負荷啟動，進水COD濃度較高，且大蒜加工廢水的特殊水質(zhì)會抑制系統(tǒng)中污泥的活性。當HRT增加至50h時，COD去除率變化不明顯，因此確定UASB反應器的最佳HRT為45h。

2.1.3 pH對UASB反應器的影響

在進水COD濃度為9800mg/L、反應器溫度為（35±2）℃、HRT為45h的條件下，考察pH對UASB反應器去除COD的影響，結果如圖4所示。可以看出，當進水pH為6.0時，UASB對COD的去除效果較低，僅為25.55%，出水較渾濁。隨著進水pH的升高，COD去除率明顯升高，當pH提升至7.5時，COD去除率達到44.15%，出水清澈。進一步提升pH至8.0時，對COD的去除效果明顯變差。分析認為，pH過高或過低都會對細胞酶活性、膜表面電荷性質(zhì)及通透性產(chǎn)生影響，抑制細菌的降解能力。張立國等人通過調(diào)節(jié)進水pH，考察了UASB的運行效能，發(fā)現(xiàn)pH過低會影響產(chǎn)甲烷互營菌群的活性，導致系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)丙酸和乙酸的累積，影響系統(tǒng)對COD的去除效果。而閆立龍等人在UASB處理豬場廢水的研究中發(fā)現(xiàn)，當pH>7.5時，產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制，COD去除率逐漸下降，與本試驗的結果相似。可見，本試驗中UASB系統(tǒng)的最佳進水pH為7.5。

2.2 SBR啟動及影響因素分析

2.2.1 SBR啟動分析

分別采用接種培菌法和自然培菌法啟動SBR反應器，考察兩種方法對大蒜加工廢水的降解效果，結果如圖5所示。系統(tǒng)初始進水COD濃度為59.62mg/L，此時接種培菌、自然培菌系統(tǒng)對COD的平均去除率分別為70.58%和65.32%。在運行前7d，進水COD濃度每天遞增20mg/L，第8~14天，兩個SBR系統(tǒng)平均進水COD濃度為151.38mg/L，該階段兩個SBR系統(tǒng)對COD的平均去除率分別升高至95.95%和86.37%。從第15天起，繼續(xù)提高進水COD濃度，盡管進水濃度波動較大，但兩個SBR系統(tǒng)的COD去除率均較穩(wěn)定，直至進水COD濃度升高至5000mg/L時，自然培菌法SBR的COD去除率出現(xiàn)下降，且去除效果隨進水COD濃度的增加開始持續(xù)下降。其原因一方面是由于大蒜加工廢水濃度的增加導致大蒜素增加，從而抑制了微生物活性；另一方面，自然培菌系統(tǒng)無污泥基質(zhì)，致使微生物易流失，處理效率降低。而當進水COD濃度為5000mg/L時，接種培菌SBR系統(tǒng)對COD的去除效果依然比較理想，COD去除率為94.74%。當進水COD提升至6000mg/L時，接種培菌SBR系統(tǒng)對COD的去除率開始出現(xiàn)下降，這可能是由于此時進水高有機負荷已經(jīng)超過微生物新陳代謝需求，達到微生物降解能力的閾值。此外，由于高濃度大蒜加工廢水中大蒜素濃度逐漸升高，殺菌作用逐漸增強，致使微生物生命活動受到嚴重威脅。

由于后續(xù)SBR系統(tǒng)的進水為UASB出水，其平均COD濃度為5442.02mg/L，而自然培菌法啟動SBR系統(tǒng)的COD閾值為5000mg/L，接種培菌法為6000mg/L，認定接種培菌法優(yōu)于自然培菌法，此時SBR污泥濃度為3200mg/L，污泥齡為15d。因此本試驗采用接種培菌法啟動反應器。

2.2.2 周期時間對SBR系統(tǒng)的影響

當進水COD濃度為6000mg/L時，分析周期時間對SBR系統(tǒng)的影響。結果表明，在周期時間為8h的條件下，SBR系統(tǒng)運行18d以后，出水COD濃度為1127.26mg/L，去除率為81.76%。當周期時間為12h時，系統(tǒng)運行18d后，出水COD濃度為267.59mg/L，去除率達到95.72%。由此可見，與周期時間為8h相比，周期時間為12h具有更好的COD去除效果。其主要原因是，較長時間的曝氣能夠促進好氧菌的增殖代謝，而廢水中的有機物主要依靠好氧菌降解。杜龑等人提出，曝氣時間的延長使系統(tǒng)內(nèi)氧傳質(zhì)效率得以提高，微生物活性增強，有機物被微生物充分消耗降解。而傅源等人在SBR處理大蒜廢水的試驗中發(fā)現(xiàn)，當曝氣時間超過7h時，繼續(xù)增加曝氣時間對COD的去除影響不顯著。這與本試驗的結果有所不同，這是由于本試驗的進水COD濃度較高，為保證系統(tǒng)內(nèi)溶解氧充足，不影響微生物代謝，確定SBR系統(tǒng)的曝氣時間為8h，最佳運行周期時間為12h。

2.2.3 溫度對SBR系統(tǒng)的影響

在進水COD濃度為6000mg/L、周期時間為12h條件下，考察兩個月內(nèi)系統(tǒng)溫度對COD和NH3-N去除效果的影響。結果表明，當溫度為10℃時，COD去除率為34.28%，NH3-N去除率為40.58%；當溫度升至25℃時，COD、NH3-N去除率分別達到了96%、95.27%。傅源等人發(fā)現(xiàn)，當溫度為25℃時，SBR系統(tǒng)對大蒜加工廢水中COD的去除率達到94.33%，與本試驗的結果類似。而隨著溫度的持續(xù)升高，系統(tǒng)對污染物的去除率卻呈下降趨勢。在生化反應中，溫度過低會抑制微生物活性，而溫度過高則微生物的成分（如蛋白質(zhì)、核酸）將會受到損害。因此，在一定范圍內(nèi)提高溫度會加快細胞內(nèi)的生化反應，有利于COD的去除。

2.2.4 菌群結構分析

試驗對SBR處理廢水過程中污水廠種泥（H1）和SBR馴化第60天的污泥（H2）、自然培菌法馴化成熟污泥（H3）菌群結構進行了高通量測序，OTUs稀疏性曲線如圖6所示。可知，隨著序列數(shù)的增加，稀疏性曲線逐漸趨于平緩，說明擴增序列能夠真實反映樣品的菌群結構。

門水平上，3個樣品的微生物組成和結構類似。H1代表的污泥中，Proteobacteria所占比例最高（見圖7），達到了45.98%，其次為Bacteroidetes、CandidatusSaccharibacteria和Planctomycetes，這4個菌門的相對豐度達到了84.31%。H2中，Proteobacteria所占比例仍然最高，達到了45.26%，其次為CandidatusSaccharibacteria、Bacteroidetes、Planctomycetes，以上4個菌門的相對豐度之和達到了88.93%。H3中，Proteobacteria所占比例最高，達到52.81%，其次為Bacteroidetes、Actinobacteria、Firmicutes，這4個菌門的相對豐度達到了96.14%。可見，Proteobacteria始終作為優(yōu)勢菌種存在于SBR反應器內(nèi)。Li等人提出，Proteobacteria在反硝化及有機物降解中具有重要作用，因此始終作為優(yōu)勢菌門存在于SBR反應器內(nèi)。而隨著反應器中微生物的不斷馴化，Bacteroidetes和Actinobacteria成為優(yōu)勢菌種。He等人研究SBR反應器中微生物群落結構時發(fā)現(xiàn)，Bacteroidetes為活性污泥中的常見菌門，其具有良好的有機物降解能力和脫氮性能。Actinobacteria絕大多數(shù)為異養(yǎng)好氧型細菌，能分解纖維素、角蛋白等復雜有機物，而大蒜加工廢水中含有高濃度的COD和NH3-N，為Bacteroidetes和Actinobacteria的生長提供了適宜條件。

綱水平上，3個樣品的主要菌綱有一定的差異（見圖8）。H1代表的污泥中，以Alphaproteobacteria（30.05%）、Sphingobacteriia（9.19%）、Planctomycetia（8.48%）和Gammaproteobacteria（5.44%）為主要菌綱。H2的菌綱主要包括Alphaproteobacteria（35.69%）、Planctomycetia（7.42%）、Betaproteobacteria（4.5%）、Cytophagia（4.19%）。H3主要包括Alphaproteobacteria（47.57%）、Actinobacteria（18.04%）、Flavobacteriia（8.6%）、Cytophagia（6.89%）。Alphaproteobacteria具有良好的脫氮除磷性能，因此其始終作為優(yōu)勢菌綱存在于反應器內(nèi)；而Actinobacteria、Flavobacteriia具有異養(yǎng)硝化特性，對反應器的脫氮能力具有促進作用。

屬水平上，3個樣品的差異較大（見圖9），H1中優(yōu)勢菌屬主要包括：Defluviicoccus（18.56%）、Saccharibacteria_genera_incertae_sedis（9.76%）、Kofleria（3.53%）、Aquisphaera（3.01%）。

H2中的優(yōu)勢菌屬主要包括：Saccharibacteria_genera_incertae_sedis（24.05%）、Defluviicoccus（20.97%）、Aquisphaera（4.02%）、Aridibacter（2.28%）。H3中的優(yōu)勢菌屬主要包括：Bauldia（12.82%）、Cellulomonas（8.75%）、Sphingopyxis（8.32%）、Flavobacterium（7.93%）。Cellulomonas具有良好的纖維素降解能力，Sphingopyxis能夠分泌胞外多糖，在磷的積累和穩(wěn)定顆粒結構方面具有重要作用。Flavobacterium不僅具有反硝化能力，同時也是指示顆粒污泥成熟與否的重要指標之一。正是由于以上細菌在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)揮著各自功能，因而本系統(tǒng)在處理過程中具有良好的去除有機物及脫氮除磷能力。

2.3 UASB—SBR處理高濃度大蒜加工廢水效果

2.3.1 對COD和TP的去除效果

圖10為UASB—SBR工藝對COD的去除效果。可知，耦合工藝平均進水COD濃度為9616.80mg/L，經(jīng)UASB處理后平均出水COD濃度為5331.74mg/L，平均去除率為44.55%。高濃度大蒜加工廢水經(jīng)UASB厭氧處理后COD濃度顯著降低，廢水中難降解有機物被UASB轉化為易降解有機物，廢水可生化性提升，為后續(xù)SBR系統(tǒng)做出了貢獻。SBR系統(tǒng)平均出水COD濃度為96.86mg/L，平均去除率為98.18%，SBR具有高效的COD去除能力，在大蒜加工廢水COD去除中起到主要作用。這是由于SBR是厭氧、好氧交替運行，反應器內(nèi)溶解氧濃度呈周期性改變，氧濃度梯度大、轉移效率高，使有機物去除率顯著提升，而Bacteroidetes對有機物有高效的降解能力，其作為優(yōu)勢菌種存在于活性污泥中，為大蒜加工廢水中高濃度有機物的去除做出了突出貢獻。耦合工藝對大蒜加工廢水COD的去除率為99%，滿足《污水綜合排放標準》（GB8978—1996）一級排放標準要求。

耦合工藝平均進水TP濃度為24.09mg/L，UASB系統(tǒng)對TP的平均去除率為0.81%，可見UASB對TP幾乎沒有去除效果（見圖11）。分析原因，UASB反應器內(nèi)無穩(wěn)定聚磷菌形成，對TP的去除主要通過微生物細胞的合成作用。經(jīng)SBR反應器處理后，平均出水TP濃度為1.25mg/L，平均去除率為94.77%，對TP的去除率較高是由于厭氧、好氧交替運行條件有助于聚磷菌生長，好氧狀態(tài)下聚磷菌過量吸磷并貯存在菌體內(nèi)，最終隨剩余污泥排出系統(tǒng)，在厭氧條件下聚磷菌將體內(nèi)聚磷水解，以正磷酸鹽的形式釋放到污水中。耦合工藝對大蒜加工廢水中TP的去除率為94.82%，滿足《污水綜合排放標準》（GB8978—1996）一級排放標準要求。

2.3.2 對NH3-N和TN的去除效果

圖12為UASB—SBR工藝對NH3-N的去除效果。可知，平均進水NH3-N濃度為73.81mg/L，經(jīng)UASB反應器處理后，平均出水NH3-N濃度為80.64mg/L，平均去除率為-9.23%，出水NH3-N濃度增加是因為UASB在厭氧狀態(tài)下對NH3-N幾乎沒有降解能力，對NH3-N的去除主要依賴于微生物的同化作用，而且由于高濃度大蒜加工廢水中蛋白質(zhì)的分解和氨化作用，使NH3-N的出水濃度略高于進水濃度。經(jīng)SBR反應器處理后，平均出水NH3-N濃度為3.66mg/L，去除率為95.44%，SBR系統(tǒng)具有良好的厭氧、好氧條件，NH3-N可在SBR好氧期被去除，而且在長期的馴化下，反應器中Flavobacterium成為優(yōu)勢菌屬，該細菌具有較強的脫氮能力，對廢水中NH3-N的去除起到主要作用。耦合工藝對NH3-N的去除率為87.07%，滿足《污水綜合排放標準》（GB8978—1996）一級排放標準要求。

當耦合工藝平均進水TN濃度為94.21mg/L時，經(jīng)UASB處理后，平均出水TN濃度為91.02mg/L，平均去除率為3.38%（見圖13）。厭氧條件下，UASB系統(tǒng)無法完成生物脫氮中的硝化過程，僅有一小部分氮隨有機物降解，因此對TN的去除率較低。經(jīng)SBR系統(tǒng)處理后，對TN的平均去除率為94.69%，SBR系統(tǒng)中好氧、厭氧交替進行，氨氮在好氧狀態(tài)下被硝化菌轉化為硝態(tài)氮，而在厭氧狀態(tài)下，硝態(tài)氮被反硝化菌轉化為氮氣排出，因此SBR具有較高的TN去除能力。耦合工藝對大蒜加工廢水TN的去除率為94.87%，滿足《污水綜合排放標準》（GB8978—1996）一級排放標準要求。

3、結論

①高負荷條件下可快速啟動UASB反應器，在進水COD濃度為9800mg/L、溫度為（35±2）℃條件下，UASB反應器最佳HRT為45h、最佳pH為7.5。

②接種培菌法可有效啟動SBR，在進水COD濃度為6000mg/L條件下，SBR反應器最佳循環(huán)時間為12h（瞬時進水10min、攪拌3h、曝氣8h、沉淀45min、排水5min），最佳溫度為25℃。

③SBR中污泥具有豐富的生物多樣性，但在不同運行階段，污泥的菌群結構具有一定差異。在門水平上，Bacteroidetes、Proteobacteria占據(jù)主導地位；在綱水平上，Alphaproteobacteria、Actinobacteria、Flavobacteriia為優(yōu)勢菌綱；在屬水平上，Bauldia、Cellulomonas、Sphingopyxis、Flavobacterium為系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)勢菌屬。正是這些菌群的共同作用，才使得高濃度的大蒜廢水得到高效降解。

④UASB—SBR工藝在最佳工況下對高濃度大蒜加工廢水中COD、TP的平均去除率分別為99%、94.77%，對NH3-N、TN的平均去除率分別為95.44%、94.87%，出水水質(zhì)滿足《污水綜合排放標準》（GB8978—1996）一級排放標準。