高浓度大蒜加工废水中含有大量有机物、氮、磷等污染物及悬浮物，此外还含有具有抗菌作用的大蒜素，采用常规处理工艺处理大蒜加工废水很难使其达标排放。现有对大蒜废水的处理方法如物理法、酶法、生物法、微电解法和膜分离法等普遍存在有机负荷低、工艺稳定性差、运行费用高等缺点。而活性污泥法具有处理量大、成本低、效率高、无二次污染等特点，是处理大蒜加工废水的理想工艺。UASB反应器有较高的耐冲击负荷能力和较长的污泥停留时间，不仅可以有效降低污染物浓度，还可提高废水的可生化性，目前已被广泛应用于高浓度有机废水的处理。SBR为厌氧与好氧交替进行，不仅具有高效的有机物去除能力，还具有同步脱氮除磷功能。采用UASB+SBR组合工艺处理高浓度大蒜加工废水时，UASB作为预处理单元去除废水中的有机物，可提高废水的可生化性；SBR主要去除氮、磷，并可进一步去除有机物。

笔者研究了UASB—SBR耦合工艺对高浓度大蒜加工废水的处理效果，探讨了UASB和SBR的启动方法，确定了UASB和SBR的最佳工艺参数及影响因子，并利用高通量测序技术分析了SBR污泥系统微生物多样性和菌群结构，旨在为UASB—SBR耦合工艺处理高浓度大蒜加工废水的应用奠定基础。

1、材料和方法

1.1 试验材料

UASB由有机玻璃制成，包括反应区、三相分离区。反应器分内、外两部分，内径约为80mm，外径约为120mm。内部为反应器反应区，夹层部分为水浴保温层，反应器总高度为1500mm，其中反应区高1200mm，三相分离区高300mm，反应器有效容积为6.0L，反应区外侧每隔200mm设有一个取样口。反应器顶部设置安全瓶和集气袋，气体经过三相分离区实现固、液、气分离进入安全瓶，最后由集气袋收集，产气量通过排水法测量。通过夹层部分的水浴保温层控制反应器温度为（35±2）℃。

高负荷条件下启动UASB。在进水COD浓度为9800mg/L、反应器内温度为（35±2）℃、污泥浓度为3000mg/L条件下，将UASB反应器HRT从20h增至50h（处理水量由0.3L/h降至0.12L/h），在每个HRT下反应器稳定运行7d，考察出水COD情况。

在保持进水COD浓度为9800mg/L、反应器温度为（35±2）℃、HRT为45h的前提下，将进水pH从6.0逐渐升高至8.0，考察进水pH对UASB反应器运行效果的影响，确定反应器运行最佳pH。UASB出水储存在储水箱中备用，待SBR反应器运行至进水阶段再以瞬时进水的方式加入SBR反应器中。

SBR为无色有机玻璃柱，内径为220mm，高为1000mm，有效容积为14.4L，反应器顶部设有电动搅拌器、pH在线监测仪和DO在线监测仪，反应器底部设有连接空气泵和气体流量计的橡胶曝气盘，通过夹层部分的水浴保温层控制反应器温度，沿反应器外侧每隔100mm设有一个取样口，用以调整HRT和取样，同时反应器出水管接有电磁阀，以上所有设备均以时控开关控制。

采用接种培菌法和自然培菌法分别启动SBR反应器，处理水量为0.125L/h。设置SBR的周期时长分别为8和12h，调节进水pH为7.0~7.5，保持进水COD为6000mg/L，污泥浓度为3200mg/L。SBR采用厌氧/好氧运行模式，微氧曝气控制溶解氧浓度为2~3mg/L。设定周期运行参数：周期时长为8h，每周期进水10min、搅拌2h、曝气5h、沉淀45min、排水5min；周期时长为12h，每周期进水10min、搅拌3h、曝气8h、沉淀45min、排水5min。考察不同HRT下SBR反应器对COD的去除效果。

在进水COD为6000mg/L、周期时长为12h条件下，通过SBR夹层部分的水浴保温层控制反应器温度，将温度由10℃升高至30℃，考察温度对COD和NH3-N去除效果的影响。试验装置如图1所示。

1.2 试验用水与污泥来源

购买市场上新鲜大蒜，剥皮后用榨汁机榨汁备用，随后用自来水将榨好的大蒜汁稀释至所需浓度。为保证废水水质稳定及结果的准确性，试验所有用水均现用现配。具体水质：COD为60~9800mg/L，NH3-N为40~75mg/L，TN为60~95mg/L，TP为9~27mg/L，pH为5.6~6.5。试验污泥取自辽宁省抚顺市三宝屯污水处理厂二沉池。

1.3 检测项目及方法

COD、TP、NH3-N、TN分别采用快速密闭催化消解法、钼锑抗分光光度法、纳氏试剂分光光度法、碱性过硫酸钾紫外分光光度法测定，DO采用溶氧仪测定，pH采用酸度计测定。产气量通过排水法测定，MLSS采用滤纸称重法测定，SV30采用30min沉降法测定。DNA的提取、检测和高通量测序由诺禾致源科技股份有限公司完成。

2、结果与讨论

2.1 UASB启动与影响因素分析

2.1.1 UASB启动分析

高有机负荷条件下快速启动UASB反应器，COD进水浓度为9800mg/L。为了避免系统出现酸化现象，延长HRT，初步设定HRT为50h、温度为（35±2）℃。图2为UASB启动过程中COD的变化。可知，系统启动初期，COD去除率为8.67%。后续运行中，COD去除率逐渐下降，直至第10天，COD去除率下降至6.23%，这可能是由于大蒜加工废水具有高浓度的有机负荷，系统短时间内无法适应此冲击。随着UASB反应器的继续运行，微生物逐渐适应高浓度大蒜加工废水水质，代谢能力增强，对有机物的去除效果有所提高，COD去除率呈现波动式上升的趋势。在第56天COD去除率为45%，系统内可清晰见到粒径为2~3mm的颗粒污泥，产气效果明显，平均每隔2s就会出现粒径为2mm的气泡，平均产气量为1.6L/d，此时UASB反应器内污泥浓度为3000mg/L。进一步延长UASB的运行时间，COD去除率无明显变化，认定反应器在第56天时启动成功。张立国等人发现，UASB启动成功后，系统内MLVSS为9100mg/L，并指出UASB高效稳定的运行及成熟颗粒污泥的出现能够表明反应器启动成功。

2.1.2 HRT对UASB反应器的影响

在进水COD浓度为9800mg/L、反应器温度为（35±2）℃条件下，考察HRT对UASB反应器去除COD的影响，结果如图3所示。可知，当HRT为20h时，COD平均去除率仅为6.08%。这是因为HRT过低引起系统内挥发性脂肪酸（VFAs）的积累，从而对系统造成冲击，此外废水中仅部分有机物因与微生物接触而被降解，未被降解的有机物随出水排出，因此对COD的去除效果较差。班巧英等通过控制HRT考察了UASB反应器的性能，认为HRT过低会增加系统的有机负荷，提高产酸发酵菌群的活性，并生成大量VFAs，但产甲烷互营菌群增殖相对缓慢，导致系统酸化，影响了COD降解。随着HRT增加，COD去除率也逐渐升高，直至将HRT增加至45h，COD去除率趋于平稳，平均去除率达到44.16%。刘亚红在UASB对高浓度有机废水降解中发现，当HRT为48h时，COD去除率为89.3%，高于本试验结果。产生这种差别的原因可能是本试验的UASB采用了高负荷启动，进水COD浓度较高，且大蒜加工废水的特殊水质会抑制系统中污泥的活性。当HRT增加至50h时，COD去除率变化不明显，因此确定UASB反应器的最佳HRT为45h。

2.1.3 pH对UASB反应器的影响

在进水COD浓度为9800mg/L、反应器温度为（35±2）℃、HRT为45h的条件下，考察pH对UASB反应器去除COD的影响，结果如图4所示。可以看出，当进水pH为6.0时，UASB对COD的去除效果较低，仅为25.55%，出水较浑浊。随着进水pH的升高，COD去除率明显升高，当pH提升至7.5时，COD去除率达到44.15%，出水清澈。进一步提升pH至8.0时，对COD的去除效果明显变差。分析认为，pH过高或过低都会对细胞酶活性、膜表面电荷性质及通透性产生影响，抑制细菌的降解能力。张立国等人通过调节进水pH，考察了UASB的运行效能，发现pH过低会影响产甲烷互营菌群的活性，导致系统内出现丙酸和乙酸的累积，影响系统对COD的去除效果。而闫立龙等人在UASB处理猪场废水的研究中发现，当pH>7.5时，产甲烷菌活性受到抑制，COD去除率逐渐下降，与本试验的结果相似。可见，本试验中UASB系统的最佳进水pH为7.5。

2.2 SBR启动及影响因素分析

2.2.1 SBR启动分析

分别采用接种培菌法和自然培菌法启动SBR反应器，考察两种方法对大蒜加工废水的降解效果，结果如图5所示。系统初始进水COD浓度为59.62mg/L，此时接种培菌、自然培菌系统对COD的平均去除率分别为70.58%和65.32%。在运行前7d，进水COD浓度每天递增20mg/L，第8~14天，两个SBR系统平均进水COD浓度为151.38mg/L，该阶段两个SBR系统对COD的平均去除率分别升高至95.95%和86.37%。从第15天起，继续提高进水COD浓度，尽管进水浓度波动较大，但两个SBR系统的COD去除率均较稳定，直至进水COD浓度升高至5000mg/L时，自然培菌法SBR的COD去除率出现下降，且去除效果随进水COD浓度的增加开始持续下降。其原因一方面是由于大蒜加工废水浓度的增加导致大蒜素增加，从而抑制了微生物活性；另一方面，自然培菌系统无污泥基质，致使微生物易流失，处理效率降低。而当进水COD浓度为5000mg/L时，接种培菌SBR系统对COD的去除效果依然比较理想，COD去除率为94.74%。当进水COD提升至6000mg/L时，接种培菌SBR系统对COD的去除率开始出现下降，这可能是由于此时进水高有机负荷已经超过微生物新陈代谢需求，达到微生物降解能力的阈值。此外，由于高浓度大蒜加工废水中大蒜素浓度逐渐升高，杀菌作用逐渐增强，致使微生物生命活动受到严重威胁。

由于后续SBR系统的进水为UASB出水，其平均COD浓度为5442.02mg/L，而自然培菌法启动SBR系统的COD阈值为5000mg/L，接种培菌法为6000mg/L，认定接种培菌法优于自然培菌法，此时SBR污泥浓度为3200mg/L，污泥龄为15d。因此本试验采用接种培菌法启动反应器。

2.2.2 周期时间对SBR系统的影响

当进水COD浓度为6000mg/L时，分析周期时间对SBR系统的影响。结果表明，在周期时间为8h的条件下，SBR系统运行18d以后，出水COD浓度为1127.26mg/L，去除率为81.76%。当周期时间为12h时，系统运行18d后，出水COD浓度为267.59mg/L，去除率达到95.72%。由此可见，与周期时间为8h相比，周期时间为12h具有更好的COD去除效果。其主要原因是，较长时间的曝气能够促进好氧菌的增殖代谢，而废水中的有机物主要依靠好氧菌降解。杜龑等人提出，曝气时间的延长使系统内氧传质效率得以提高，微生物活性增强，有机物被微生物充分消耗降解。而傅源等人在SBR处理大蒜废水的试验中发现，当曝气时间超过7h时，继续增加曝气时间对COD的去除影响不显著。这与本试验的结果有所不同，这是由于本试验的进水COD浓度较高，为保证系统内溶解氧充足，不影响微生物代谢，确定SBR系统的曝气时间为8h，最佳运行周期时间为12h。

2.2.3 温度对SBR系统的影响

在进水COD浓度为6000mg/L、周期时间为12h条件下，考察两个月内系统温度对COD和NH3-N去除效果的影响。结果表明，当温度为10℃时，COD去除率为34.28%，NH3-N去除率为40.58%；当温度升至25℃时，COD、NH3-N去除率分别达到了96%、95.27%。傅源等人发现，当温度为25℃时，SBR系统对大蒜加工废水中COD的去除率达到94.33%，与本试验的结果类似。而随着温度的持续升高，系统对污染物的去除率却呈下降趋势。在生化反应中，温度过低会抑制微生物活性，而温度过高则微生物的成分（如蛋白质、核酸）将会受到损害。因此，在一定范围内提高温度会加快细胞内的生化反应，有利于COD的去除。

2.2.4 菌群结构分析

试验对SBR处理废水过程中污水厂种泥（H1）和SBR驯化第60天的污泥（H2）、自然培菌法驯化成熟污泥（H3）菌群结构进行了高通量测序，OTUs稀疏性曲线如图6所示。可知，随着序列数的增加，稀疏性曲线逐渐趋于平缓，说明扩增序列能够真实反映样品的菌群结构。

门水平上，3个样品的微生物组成和结构类似。H1代表的污泥中，Proteobacteria所占比例最高（见图7），达到了45.98%，其次为Bacteroidetes、CandidatusSaccharibacteria和Planctomycetes，这4个菌门的相对丰度达到了84.31%。H2中，Proteobacteria所占比例仍然最高，达到了45.26%，其次为CandidatusSaccharibacteria、Bacteroidetes、Planctomycetes，以上4个菌门的相对丰度之和达到了88.93%。H3中，Proteobacteria所占比例最高，达到52.81%，其次为Bacteroidetes、Actinobacteria、Firmicutes，这4个菌门的相对丰度达到了96.14%。可见，Proteobacteria始终作为优势菌种存在于SBR反应器内。Li等人提出，Proteobacteria在反硝化及有机物降解中具有重要作用，因此始终作为优势菌门存在于SBR反应器内。而随着反应器中微生物的不断驯化，Bacteroidetes和Actinobacteria成为优势菌种。He等人研究SBR反应器中微生物群落结构时发现，Bacteroidetes为活性污泥中的常见菌门，其具有良好的有机物降解能力和脱氮性能。Actinobacteria绝大多数为异养好氧型细菌，能分解纤维素、角蛋白等复杂有机物，而大蒜加工废水中含有高浓度的COD和NH3-N，为Bacteroidetes和Actinobacteria的生长提供了适宜条件。

纲水平上，3个样品的主要菌纲有一定的差异（见图8）。H1代表的污泥中，以Alphaproteobacteria（30.05%）、Sphingobacteriia（9.19%）、Planctomycetia（8.48%）和Gammaproteobacteria（5.44%）为主要菌纲。H2的菌纲主要包括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具有良好的脱氮除磷性能，因此其始终作为优势菌纲存在于反应器内；而Actinobacteria、Flavobacteriia具有异养硝化特性，对反应器的脱氮能力具有促进作用。

属水平上，3个样品的差异较大（见图9），H1中优势菌属主要包括：Defluviicoccus（18.56%）、Saccharibacteria_genera_incertae_sedis（9.76%）、Kofleria（3.53%）、Aquisphaera（3.01%）。

H2中的优势菌属主要包括：Saccharibacteria_genera_incertae_sedis（24.05%）、Defluviicoccus（20.97%）、Aquisphaera（4.02%）、Aridibacter（2.28%）。H3中的优势菌属主要包括：Bauldia（12.82%）、Cellulomonas（8.75%）、Sphingopyxis（8.32%）、Flavobacterium（7.93%）。Cellulomonas具有良好的纤维素降解能力，Sphingopyxis能够分泌胞外多糖，在磷的积累和稳定颗粒结构方面具有重要作用。Flavobacterium不仅具有反硝化能力，同时也是指示颗粒污泥成熟与否的重要指标之一。正是由于以上细菌在系统内发挥着各自功能，因而本系统在处理过程中具有良好的去除有机物及脱氮除磷能力。

2.3 UASB—SBR处理高浓度大蒜加工废水效果

2.3.1 对COD和TP的去除效果

图10为UASB—SBR工艺对COD的去除效果。可知，耦合工艺平均进水COD浓度为9616.80mg/L，经UASB处理后平均出水COD浓度为5331.74mg/L，平均去除率为44.55%。高浓度大蒜加工废水经UASB厌氧处理后COD浓度显著降低，废水中难降解有机物被UASB转化为易降解有机物，废水可生化性提升，为后续SBR系统做出了贡献。SBR系统平均出水COD浓度为96.86mg/L，平均去除率为98.18%，SBR具有高效的COD去除能力，在大蒜加工废水COD去除中起到主要作用。这是由于SBR是厌氧、好氧交替运行，反应器内溶解氧浓度呈周期性改变，氧浓度梯度大、转移效率高，使有机物去除率显著提升，而Bacteroidetes对有机物有高效的降解能力，其作为优势菌种存在于活性污泥中，为大蒜加工废水中高浓度有机物的去除做出了突出贡献。耦合工艺对大蒜加工废水COD的去除率为99%，满足《污水综合排放标准》（GB8978—1996）一级排放标准要求。

耦合工艺平均进水TP浓度为24.09mg/L，UASB系统对TP的平均去除率为0.81%，可见UASB对TP几乎没有去除效果（见图11）。分析原因，UASB反应器内无稳定聚磷菌形成，对TP的去除主要通过微生物细胞的合成作用。经SBR反应器处理后，平均出水TP浓度为1.25mg/L，平均去除率为94.77%，对TP的去除率较高是由于厌氧、好氧交替运行条件有助于聚磷菌生长，好氧状态下聚磷菌过量吸磷并贮存在菌体内，最终随剩余污泥排出系统，在厌氧条件下聚磷菌将体内聚磷水解，以正磷酸盐的形式释放到污水中。耦合工艺对大蒜加工废水中TP的去除率为94.82%，满足《污水综合排放标准》（GB8978—1996）一级排放标准要求。

2.3.2 对NH3-N和TN的去除效果

图12为UASB—SBR工艺对NH3-N的去除效果。可知，平均进水NH3-N浓度为73.81mg/L，经UASB反应器处理后，平均出水NH3-N浓度为80.64mg/L，平均去除率为-9.23%，出水NH3-N浓度增加是因为UASB在厌氧状态下对NH3-N几乎没有降解能力，对NH3-N的去除主要依赖于微生物的同化作用，而且由于高浓度大蒜加工废水中蛋白质的分解和氨化作用，使NH3-N的出水浓度略高于进水浓度。经SBR反应器处理后，平均出水NH3-N浓度为3.66mg/L，去除率为95.44%，SBR系统具有良好的厌氧、好氧条件，NH3-N可在SBR好氧期被去除，而且在长期的驯化下，反应器中Flavobacterium成为优势菌属，该细菌具有较强的脱氮能力，对废水中NH3-N的去除起到主要作用。耦合工艺对NH3-N的去除率为87.07%，满足《污水综合排放标准》（GB8978—1996）一级排放标准要求。

当耦合工艺平均进水TN浓度为94.21mg/L时，经UASB处理后，平均出水TN浓度为91.02mg/L，平均去除率为3.38%（见图13）。厌氧条件下，UASB系统无法完成生物脱氮中的硝化过程，仅有一小部分氮随有机物降解，因此对TN的去除率较低。经SBR系统处理后，对TN的平均去除率为94.69%，SBR系统中好氧、厌氧交替进行，氨氮在好氧状态下被硝化菌转化为硝态氮，而在厌氧状态下，硝态氮被反硝化菌转化为氮气排出，因此SBR具有较高的TN去除能力。耦合工艺对大蒜加工废水TN的去除率为94.87%，满足《污水综合排放标准》（GB8978—1996）一级排放标准要求。

3、结论

①高负荷条件下可快速启动UASB反应器，在进水COD浓度为9800mg/L、温度为（35±2）℃条件下，UASB反应器最佳HRT为45h、最佳pH为7.5。

②接种培菌法可有效启动SBR，在进水COD浓度为6000mg/L条件下，SBR反应器最佳循环时间为12h（瞬时进水10min、搅拌3h、曝气8h、沉淀45min、排水5min），最佳温度为25℃。

③SBR中污泥具有丰富的生物多样性，但在不同运行阶段，污泥的菌群结构具有一定差异。在门水平上，Bacteroidetes、Proteobacteria占据主导地位；在纲水平上，Alphaproteobacteria、Actinobacteria、Flavobacteriia为优势菌纲；在属水平上，Bauldia、Cellulomonas、Sphingopyxis、Flavobacterium为系统内优势菌属。正是这些菌群的共同作用，才使得高浓度的大蒜废水得到高效降解。

④UASB—SBR工艺在最佳工况下对高浓度大蒜加工废水中COD、TP的平均去除率分别为99%、94.77%，对NH3-N、TN的平均去除率分别为95.44%、94.87%，出水水质满足《污水综合排放标准》（GB8978—1996）一级排放标准。