隨著我國城鎮化進程的加快，餐廚垃圾作為城市生活垃圾的重要組成部分，正在以接近10%的年增長速率增加。餐廚垃圾厭氧發酵處理過程會產生大量的餐廚垃圾發酵廢水，該類廢水具有溫度高（50~60℃）、有機物濃度高（COD>6000mg/L）、氨氮濃度高（>2000mg/L）、色度高、可生化性差、水質成分復雜等特點，處理難度較大，對水環境構成嚴重威脅。
現有餐廚垃圾發酵廢水處理工藝主要有格柵調節池-水解酸化-A/O-超濾、格柵-調節池-混凝-UASB-接觸氧化-生物沸石吸附-MBR-Fenton氧化、格柵-調節池-混凝-A/O-反滲透膜等預處理-生物-膜組合工藝。餐廚垃圾發酵廢水中的高濃度氨氮會對微生物活性產生抑制，導致生物處理效能降低，成為高效生物處理的瓶頸。有研究發現，生物處理系統可通過氨適應性馴化來提高微生物對高濃度氨氮的耐受能力，但相關研究主要集中在固體廢物處理方面，對耐受高氨氮的廢水生物系統的構建及效能提升研究鮮見報道。另外，餐廚垃圾發酵廢水中含有腐殖酸、富里酸等難降解有機物，主要通過膜處理或高級氧化工藝單元來去除，由于廢水中的高油脂、鹽類極容易導致膜組件堵塞，故存在投資及處理成本高、運行管理復雜等問題。研發中、小型餐廚垃圾發酵廢水非膜法處理工藝成為該廢水高效低成本處理的關鍵。
鑒于此，筆者以經過預處理的餐廚垃圾發酵廢水為處理對象，以滿足《污水綜合排放標準》（GB8978—1996）三級排放標準為處理目標，研發厭氧好氧-混凝組合處理技術，重點探究耐高氨氮厭氧生物處理系統的構建，并利用16SrRNA高通量測序技術分析該厭氧生物系統中微生物菌群的演替規律；同時，在課題組前期研究的基礎上，進一步考察厭氧-好氧-混凝組合系統對餐廚垃圾發酵廢水的處理效能，并利用三維熒光光譜分析手段探究組合工藝對有機物的降解規律，以期為餐廚垃圾發酵廢水的高效低成本處理提供技術參考。
1、試驗材料與方法
1.1 試驗裝置
厭氧反應器ASBR的有效容積為400mL，密閉蓋頂設有集氣孔與進出水孔，反應器置于恒溫培養箱中維持溫度在（50±1）℃。好氧反應器SBBR的有效容積為400mL，內設天然纖維填料，掛膜密度為50%，反應器亦置于恒溫培養箱中維持溫度在（50±1）℃，在反應器底部設置曝氣砂頭。
1.2 試驗用水水質
試驗用餐廚垃圾發酵廢水取自重慶市某餐廚垃圾發酵工程中經格柵、調節池預處理后的生物池進水，具體水質如下：COD為（6979.68±458.35）mg/L，BOD5為（2235.04±112.62）mg/L，BOD5/COD為0.32，溫度為（50±1）℃，pH為7.78±0.21。啟動ASBR時進水氨氮為（1950.1±88.6）mg/L，運行組合工藝時進水氨氮為（3600±100）mg/L。
1.3 試驗方法
1.3.1 生物系統的構建及效能研究
①耐高氨氮的厭氧ASBR系統構建
ASBR系統接種城鎮污水廠的脫水污泥（MLSS·110·www.cnww1985.com余艦波，等：高溫高氨氮餐廚垃圾發酵廢水組合處理技術研究第40卷第19期為10g/L），在水溫為（50±1）℃、有機負荷（以COD計）為1.0kg/（m3·d）、氮初始負荷為0.13kg/（m3·d）的條件下運行反應器，運行模式為：瞬時進水→厭氧反應3d→瞬時出水。此后，通過5個階段逐步提升氨氮濃度，階段Ⅰ~Ⅴ的進水氨氮濃度分別為（1000±70）、1200~1800、1800~3000、3000~4200、4200~3600mg/L。試驗期間測定進出水COD、NH4+-N濃度，并對ASBR系統構建前后的污泥樣品進行16SrRNA高通量測序分析，探究微生物菌群結構的變化情況。②好氧SBBR系統構建在溫度為（50±1）℃條件下，接種城鎮污水廠的脫水污泥（MLSS為10g/L），采用平行試驗，利用在線溶解氧儀控制好氧SBBR反應器的DO濃度分別為（4±0.5）、（5±0.5）、（6±0.5）mg/L，考察DO濃度對好氧SBBR系統構建的影響。反應器運行模式為：瞬時進水→好氧反應24h→瞬時出水。
1.3.2 厭氧-好氧-混凝組合工藝處理效能研究
在溫度為（50±1）℃、ASBR的有機負荷（以COD計）為1.0kg/（m3·d）、SBBR的DO濃度為6mg/L、混凝系統投加200mg/L混凝劑FeCl3的條件下運行厭氧（ASBR）-好氧（SBBR）-混凝組合工藝，測定進出水水質，考察組合工藝的處理效能；同時測定各工藝單元進出水的三維熒光光譜，分析有機物的降解規律。
1.4 測試項目與方法
COD、NH4+-N濃度分別采用重鉻酸鉀消解-紫外吸收法、納氏試劑分光光度法測定，DO濃度采用在線溶解氧儀測定。有機物的三維熒光光譜采用HitachiF-7000熒光光度計測定，參照Chen等的方法進行分析。
采集接種污泥及構建成功后的厭氧處理系統污泥樣品，送至上海美吉生物技術有限公司，采用IlluminaMiSeq平臺進行16SrRNA測序分析。
2、結果與討論
2.1 厭氧生物處理系統的構建
逐步提升ASBR系統的進水氨氮濃度，運行210d后，系統對COD的去除效果基本穩定，ASBR在不同階段的COD和氨氮濃度變化情況如圖1所示。可知，隨著進水氨氮濃度的階梯式提升，ASBR對COD的去除效果呈現先下降后上升的趨勢。在階段Ⅰ，由于進水中的高濃度氨氮在啟動初期對ASBR系統中微生物存在抑制作用，反應器對COD的平均去除率僅為22.65%；在階段Ⅱ，隨著進水氨氮濃度的提升，COD去除率甚至下降至15.02%；但在階段Ⅲ，隨著進水氨氮濃度的進一步提升，系統對氨氮的耐受能力逐漸增強，表現為COD去除率開始升高；運行至階段Ⅳ，當進水氨氮濃度升至3600mg/L時，COD平均去除率達到68.4%，此后當氨氮濃度繼續增至4200mg/L時，COD去除率開始下降，故在階段Ⅴ將進水氨氮濃度逐步降至3600mg/L。系統穩定運行期間，COD平均去除率穩定在69.5%左右。上述試驗結果表明，餐廚垃圾發酵廢水厭氧生物處理系統構建成功，可耐受的氨氮濃度閾值為3600mg/L。同時，厭氧生物處理系統在階段Ⅰ~Ⅳ對氨氮的平均去除率分別為6.95%、5.15%、3.31%、3.14%，去除率較低，氨氮主要通過生物合成及揮發被去除。
另外，對ASBR系統構建前后的生物樣品進行16SrRNA高通量測序分析，結果如圖2所示。可知，ASBR系統中的優勢細菌屬主要有Lysinibacillus（27.52%）、Coprothermobacter（16.75%）、Sporosarcina（10.88%）等，這些細菌均已被證實與蛋白質降解或者碳水化合物利用相關，這表明系統篩選出了可耐受高氨氮的水解酸化菌。另外，ASBR系統中的優勢產甲烷古菌由Methanosarcina（63.35%）演變為Methanothermobacter（73.22%）。有關研究表明，在低氨氮高濃度有機廢水的厭氧生物系統中，產甲烷古菌主要以嗜乙酸產甲烷菌Methanoseata或混合營養型古菌Methanosarcina為主，本研究中優勢古菌Methanothermobacter為嗜氫產甲烷古菌，是一種嗜熱、對高溫和高氨氮有更強耐受性的古菌，并且其與水解酸化菌協同作用，實現了在高氨氮環境下對有機物的高效去除。
2.2 DO濃度對好氧生物系統構建的影響
不同DO濃度下SBBR反應器中COD濃度的變化情況如圖3所示。
由圖3可知，DO濃度對SBBR反應器去除COD效能的影響顯著。當DO濃度分別為（4±0.5）、（5±0.5）、（6±0.5）mg/L時，SBBR系統對COD的平均去除率分別為54.08%、65.94%和69.08%。分析認為，在（50±1）℃高溫下，嗜熱菌的生存需要有較高的能量支撐，DO濃度越高，嗜熱菌的氧化還原電位就越高，獲得的能量越充足，故在DO濃度為（6±0.5）mg/L的條件下有機物去除效果更好。
2.3 厭氧-好氧-混凝組合工藝的處理效能
厭氧-好氧-混凝組合處理系統運行穩定后，在餐廚垃圾發酵廢水COD濃度為（6979.68±458.35）mg/L的條件下，ASBR、SBBR、混凝工藝單元出水COD濃度分別為（2708.33±394.96）、（828.89±94.06）、（424.32±23.76）mg/L，最終出水濃度滿足《污水綜合排放標準》（GB8978—1996）的三級標準要求。組合工藝對COD的總去除率為94.80%，其中ASBR、SBBR、混凝工藝單元在COD去除過程中的分擔率分別為61.20%、26.93%、6.67%。可以看出，厭氧生物處理工藝單元對COD的去除起主導作用；而混凝單元在投加FeCl3混凝劑后，對好氧SBBR出水中的COD削減率為48.85%。有研究表明，Fe3+可通過氧化還原反應氧化有機物，同時生成Fe（OH）3等膠體物質及4+、5+、7+和10+等大分子絡合物來吸附、凝聚去除水中的部分有機污染物。此外，厭氧、好氧、混凝各單元進水BOD5/COD值分別為0.32、0.25和0.12，廢水可生化性沿程逐漸降低，厭氧和好氧生物處理單元主要削減可生物降解的有機物，而混凝處理單元主要去除難降解有機物。
組合工藝進出水的三維熒光光譜如圖4所示，熒光區域積分法（FRI）量化分析結果如圖5所示。由圖4可知，進水的三維熒光光譜在區域Ⅱ（酪氨酸類蛋白質）與區域Ⅳ（溶解性微生物代謝產物）處出現熒光峰，在區域Ⅲ（富里酸）和區域Ⅴ（腐殖酸）也有較高的熒光強度，表明餐廚垃圾發酵廢水中含有富里酸、腐殖酸等難生物降解有機物。課題組采用SPME-GC/MS檢測該廢水中的典型難降解有機物，檢出（-）-4-萜品醇、α-松油醇、4-甲基苯酚、桉葉油醇、2-丙基苯酚、吲哚等，主要為食用香精的組成部分。經厭氧、好氧、混凝單元處理后，溶解性有機物（DOM）的總熒光強度相對于進水被顯著削弱。其中，ASBR、SBBR、混凝各處理單元出水的DOM總熒光強度分別比進水降低了42.57%、66.59%和72.45%。
由圖5可知，經組合工藝處理后，各區域熒光強度也均顯著下降。其中，ASBR出水在區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的熒光強度相比進水分別下降了41.99%、52.14%、30.56%、53.03%、21.15%，表明ASBR對進水中色氨酸類蛋白質（區域Ⅰ）、酪氨酸類蛋白質（區域Ⅱ）和溶解性微生物代謝產物（區域Ⅳ）的降解效果較好，其中，區域Ⅳ（以可生物降解性較好的溶解性微生物代謝產物為主）的熒光強度降幅最大，區域Ⅴ（以可生物降解性較差的腐殖酸為主）的熒光強度降幅最小。經SBBR處理后，各區域的熒光強度進一步被削弱，出水在區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的熒光強度相比ASBR出水分別下降了22.38%、38.51%、42.15%、47.76%、46.59%，表明SBBR對溶解性微生物代謝產物（區域Ⅳ）的去除效果最好，對富里酸（區域Ⅲ）和腐殖酸（區域Ⅴ）等難降解物質也有較強的去除能力。再經混凝單元處理后，區域Ⅱ~Ⅴ的熒光強度相比SBBR出水分別下降了29.85%、29.23%、17.73%、31.49%，區域Ⅴ（以較難降解的腐殖酸為主）的熒光強度進一步被削弱，表明混凝處理單元對腐殖酸類難降解有機物的去除效果顯著。
此外，組合工藝的出水氨氮平均濃度為2254.93mg/L，總去除率為37.36%，其中厭氧、好氧、混凝單元對去除氨氮的分擔率分別為3.26%、33.54%、0.56%，好氧工藝單元主要通過在高溫下的曝氣吹脫去除一部分氨氮。
3、結論
①采用逐步提升氨氮濃度的方式，餐廚垃圾發酵廢水耐高氨氮厭氧生物處理系統構建成功，在溫度為（50±1）℃、有機負荷為1.0kg/（m3·d）、氨氮濃度為3600mg/L的條件下，對COD的去除率可達到69.5%。厭氧生物系統的優勢水解酸化細菌主要有Lysinibacillus、Coprothermobacter、Sporosarcina等，優勢產甲烷古菌主要為Methanothermobacter（嗜氫產甲烷古菌）。
②DO濃度對餐廚垃圾發酵廢水好氧生物處理系統的構建及運行效能影響顯著。當DO濃度分別為（4±0.5）、（5±0.5）和（6±0.5）mg/L時，系統對COD的去除率分別為54.08%、65.94%和69.08%，最佳DO濃度為（6±0.5）mg/L。
③厭氧-好氧-混凝組合工藝對餐廚垃圾發酵廢水中COD的總去除率可達到94.80%，出水濃度滿足《污水綜合排放標準》（GB8978—1996）的三級標準，厭氧、好氧、混凝處理單元對去除COD的分擔率分別為61.20%、26.93%、6.67%，各單元進水BOD5/COD分別為0.32、0.25、0.12，厭氧和好氧生物單元對可生物降解有機物的去除起主導作用，混凝單元則主要承擔對腐殖酸、富里酸等難降解有機物的去除作用。（來源：重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，中國市政工程中南設計研究總院有限公司，中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司）
