大蒜(Allium sativum L.)是百合科葱属植物,也是常见的药食同源植物。我国是目前世界上最大的大蒜种植国和出口国,大蒜产量占全球总产量的70%以上,并占据60%以上的国际市场份额[1]。相关数据显示,2016—2021年我国大蒜种植面积和产量分别保持在66.7万hm2和2 000万t以上;2015—2021年我国大蒜年出口量为200万t左右,出口金额超过20亿美元,东南亚各国是我国大蒜主要的出口地。在国内,山东、河南、江苏是主要的大蒜种植省份,产量占全国总产量的80%,其中规模较大的大蒜种植区达70多个[2-3]。目前,我国大蒜出口以保鲜大蒜和初级加工产品为主,如蒜片、腌渍大蒜等,而深加工产品数量较少[2]。在初级加工产品中,蒜片是最主要的品种。
大蒜(片)加工废水是指大蒜在浸泡、切片、冲洗、脱水、烘干等加工过程中产生的含有大蒜素及其降解产物的废水。据估算,每生产1 t脱水蒜片至少会产生20 t的废水[4-6]。根据我国每年生产蒜片32～35万t推算[7],每年产生的蒜片加工废水将超过640万t。该废水不仅具有强烈的刺激性气味,还具有较强的杀菌效果,给生物法处理带来挑战。蒜片加工企业通常需要付费将废水交给第三方进行处理,这给企业生产带来了额外成本。目前有不少学者对大蒜废水的生物法处理工艺进行了研究,但这些研究成果离实际应用还有一定的距离。
本文围绕大蒜加工废水处理的相关研究展开综述,包括大蒜加工废水主要成分和特点、大蒜素抑菌机理、大蒜加工废水的处理工艺、大蒜加工废水对生物处理法中微生物群落的影响等,以期为本领域的研究提供借鉴。
杀菌作用强烈是大蒜加工废水的突出特点。研究表明,2.5%～3%(体积分数)的大蒜废水就有显著的杀菌特性,并且在4～70 ℃均可保持杀菌活性[8]。其次,蒜片加工通常在2～3个月内集中进行,在大蒜价格高的月份或年份甚至会停止加工,这导致大蒜加工废水产生的季节性很强,给其生物法处理带来了困难。此外,大蒜加工废水呈中性偏酸(5.7～7.0)、有机物浓度较高[化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)7 400～9 500 mg/L],且含有一定量的氮(氨氮65～160 mg/L)和磷[9-10]。
大蒜中含有多种活性成分,包括含硫化合物、蛋白质、多糖、多酚类等[11-12]。在蒜片加工过程中,这些物质会进入废水中。据估算,每年从大蒜加工废水中流失的大蒜素、大蒜蛋白、大蒜多糖分别约120 t、2.4万t和3万t[13]。含硫化合物是大蒜具有杀菌能力的主要物质,包括大蒜素等硫代亚磺酸酯类化合物以及它们的反应产物(主要为烯丙基硫醚类化合物以及阿霍烯等)[11]。吴洋等[14]从蒜片加工废水中鉴别出54种化合物,其中挥发性含硫化合物20种,是废水的主要成分。需要指出的是,大蒜加工废水的杀菌性是由一系列含硫化合物造成的,在建立预处理方法时,不能仅关注大蒜素这一种物质,大蒜中其他物质也具有重要的生理功能,但在杀菌性方面的研究极少。
在医学领域,学者对大蒜素的抑菌、抗癌等机理进行了深入的研究[4-5]。大蒜素及其衍生物对细菌、真菌、病毒和寄生虫均具有明显的抑制和杀灭作用[15]。蒲川等[15]报道,大蒜素及大蒜提取物对19种细菌及12种真菌具有杀菌作用,它们主要分布于厚壁菌门、变形菌门、拟杆菌门和放线菌门。在厌氧消化过程中,这些微生物也往往是优势菌群[16]。这在一定程度上解释了采用生物法处理大蒜加工废水时难度较大的原因。大蒜素及大蒜提取物对微生物抑制机制的研究较为深入,主要包括对菌体巯基酶的竞争性抑制、对微生物菌体结构的侵入和破坏、增加菌体细胞膜通透性、破坏生物被膜、抑制微生物蛋白质、DNA及RNA的合成等[15, 17]。
生物处理法是目前各种可降解有机废水的主要处理工艺之一,主要涉及预处理、污泥驯化、生物处理、深度处理等工序。
采用生物法处理具有抑制性的废水时,建立高效的预处理方法十分必要。研究者通常采用以下方式:(a)将抑制物从废水中去除,如絮凝、混凝、萃取、膜分离等;(b)将抑制物转化为抑制性较弱或没有抑制性的物质,如高级氧化、微生物降解等[18]。
2.1.1 混凝
混凝是废水预处理常采用的手段,主要是为了去除废水中的胶体物质和悬浮物,但也可以将部分抑制物一起去除,并降低后续工艺的有机负荷。聚合AlCl3、聚丙烯酰胺等常见的絮凝剂均可以用于大蒜废水的混凝处理。采用这种方法时,通常要求废水pH为中性,絮凝剂使用量在30 mg/L以下[19]。李伟[20]发现,絮凝时加入茶多酚可以有效去除大蒜加工废水中的大蒜素,但并未阐明相关机制。因此,茶多酚去除大蒜素的机制还需要进一步研究。
2.1.2 萃取
提取大蒜废水中活性物质(大蒜素、多糖、蛋白质等)并进行高值化利用是一个重要的研究方向。王加祥[13]优化了石油醚动态吸附废水中大蒜素的工艺参数(溶剂比、截留次数、流速)并获得了43.7%的萃取率。李宁阳等[21]以植物油抽提溶剂为提取剂,优化了大蒜素动态提取工艺,并获得了87.45%的提取率。由此可见,对废水中的大蒜素进行提取是可行的。用于大蒜素提取的溶剂很多,包括石油醚、正己烷、正丁醇、植物油、乙酸乙酯、苯甲醚、正辛烷、二氯甲烷、CO2等[21-22]。在实际应用中,需要结合对大蒜素的后续利用来进行溶剂的选择。
2.1.3 强酸处理
大蒜素在弱酸(pH 6.5)条件下相对稳定,但在强酸(pH<4)条件下,大蒜素会不断地产生铳盐并析出硫[23]。此外,其他有机硫化合物在强酸条件下也不稳定,会逐渐转化为白色的絮状物而被去除,去除率高达80%～90%[23]。采用该方法进行预处理时,应考虑加酸带来的成本,以及对后续工艺的影响。由于该方法的pH值较低,后续可以考虑联合Fenton法来对废水进一步处理。
2.1.4 高温处理
大蒜素化学性质活泼,加热条件下会发生消除反应,引起二硫键断裂等,进而发生分解反应,生成一系列含硫化合物[23]。也有报道称,大蒜素加热时可生成链式或杂环类化合物,如阿霍烯和乙烯基二硫杂苯等[15]。利用大蒜素高温降解产物溶解度降低、易挥发的特点,可以实现对大蒜素的去除。据报道,pH 6.5和 30 ℃时,经过48 h静置,废水中有机硫的去除率可以达到26.5%[23]。随着温度继续升高以及时间延长,废水中有机硫化合物的去除率可继续升高。当大蒜素被加热至80 ℃以上时,维持数分钟就可以使其失去杀菌性[17]。但目前为止,还没有单独利用高温处理来降低大蒜加工废水抑制性的报道。
处理具有抑制性的废水时,污泥驯化是必要的。污泥来源和驯化方式对生物法处理废水的效果均具有显著影响。污泥来源通常包括污水处理厂或沼气工程的污泥[10, 24]、自然水体底部污泥[24]以及污水本身等[10, 24];根据是否有外来种泥接入,可以将驯化方法分为接种培菌法与自然培菌法[24]。
傅源等[24]利用序批式反应器(sequencing batch reactor,SBR)系统分别对3种来源的污泥进行了驯化,结果表明,污水处理厂曝气池、化肥厂二沉池的污泥经驯化后均可用于大蒜废水处理,且性能无显著差异,而河底污泥在驯化过程中生物量提升缓慢,不适合采用。温度(15、25、35 ℃)对污泥驯化具有显著影响,最佳驯化温度为25 ℃;水温为15 ℃时,污泥沉降性能变差并出现污泥膨胀现象。采用自然培菌法时,经过3周培养,仍未获得足够数量的污泥[24]。李微等[10]在SBR系统中比较了接种培菌法与自然培菌法的差异,结果表明二者在总氮、总磷去除方面差异较小,在驯化时间(分别为7、24 d)、COD去除方面差异较大。接种培菌法处理大蒜废水时,出水可达国家二级排放标准要求,而自然培菌法无法达到要求。此外,在接种培菌法中,污泥由棕黑色逐渐变为黄褐色;而在自然培菌法中,沉积物经历了白色-绿色-黄褐色的变化过程,且沉降性较好。
综上,处理大蒜加工废水时对污泥进行驯化是必要的,与天然水体的污泥相比,取自污水处理系统的污泥更适合用于处理大蒜加工废水[25]。尽管对大蒜加工废水进行富集培养也可以获得一定量的微生物,但根据目前报道,该方法尚不适合用于大蒜加工废水处理[24]。
采用生物法处理污水的研究一直很活跃,新型反应器和组合工艺不断涌现。在大蒜废水处理领域,研究人员尝试了用不同的组合工艺来处理废水,并取得了较好的结果。
赵大传等[9, 26]利用厌氧折流板反应器(anaerobic baffled reactor,ABR)-曝气生物滤池(biological aerated filter,BAF)组合工艺以及ABR-活性污泥-水生植物组合工艺对大蒜废水进行了处理。实验取得了较好的结果,ABR-BAF组合工艺中COD总去除率保持在98%以上,出水水质满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的一级标准[9]。在最佳条件下运行时,ABR可以提高废水的可生化性(BOD/COD由进水时的0.33～0.37增加到出水时的0.46～0.52)有利于后续好氧处理[9]。傅源等[25]利用SBR反应器对大蒜加工废水进行处理,出水可达到国家一级排放标准。其关键工艺参数包括进水时间、反应时间、沉淀时间、排水时间、闲置时间等。彭航等[27]以大蒜汁和乙酸钠混合物为底物(COD 4 000 mg/L),考察了UASB-ASP(up-flow anaerobic sludge bed-activated sludge process)系统对大蒜加工废水的处理性能。实验条件下,UASB和ASP的水力停留时间分别为6 h和2.6 h,系统对COD去除率超过98%,最终出水的COD为89 mg/L左右[27]。在该实验中,模拟废水中75%的COD由乙酸钠提供,乙酸钠的加入是否可以提高厌氧消化菌群对大蒜加工废水的适应性并不明确。
有学者借助宏基因组测序对生物法处理大蒜加工废水时系统中微生物群落组成和演化进行了分析,并对微生物群落产生大蒜素耐受性的机制进行了阐述。
污泥来源对驯化后系统中微生物群落组成具有决定性影响,不同学者鉴别出的优势微生物种类差异较大。根据已有报道,在处理大蒜加工废水时,系统中的优势菌门包括Proteobacteria[10, 28]、Euryarchaeota Bacteroidetes[10, 28]、Firmicutes[28]、Chloroflexi[28]、Candidatus Saccharibacteria[10]、Planctomycetes[10]和Actinobacteria[10];优势菌纲包括α-proteobacteria和Planctomycetia[10];优势菌属包括Acinetobacter[28]、Petrimona[28]、分枝杆菌属、气微菌属、卡泰拉孢囊菌属和魏斯氏菌属[28-29]。在没有外源污泥加入的情况下,对大蒜加工废水进行培养也可以获得一定数量的微生物,Proteobacteria、Bacteroidetes 和 Actinobacteria是优势菌门,α-proteobacteria、Actinobacteria和Flavobacteriia是优势菌纲[10]。这些微生物更多体现的是对大蒜素的抗性,而非对大蒜素的降解[10]。大蒜素存在时,不同微生物表现出的生长规律差异显著。从宏观上看,一些对大蒜素耐受性差的微生物会被“洗出”,导致系统中的微生物多样性下降[10, 28]。
PENG等[28]利用合成废水(大蒜素含量12.47 mg/L)成功培养出颗粒污泥,并对相关机制进行了阐述。胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)、N-酰基高丝氨酸内酯(N-acylhomoserine lactones,AHL)和细菌群落组成在颗粒污泥形成的过程中起着重要作用,并影响着污泥的物理化学特性。在最初阶段,大蒜素提供了强大的选择压力,促进了接种污泥中细菌群落的演替。细菌群落通过分泌AHL以调节细菌代谢活性,并产生了更多的EPS和胞外蛋白。EPS和胞外蛋白的产生促进了细菌的聚集,并保护颗粒污泥的形成过程免受大蒜素的影响。其中水力剪切力在成熟颗粒污泥的形成过程中起到了关键作用[28]。
筛选能够降解特定污染物或适合特定环境的微生物一直是厌氧消化领域的重要研究方向[30-31]。筛选能够降解大蒜素的微生物并将其用于大蒜废水处理也是一个思路,但相关研究很少。盛多红等[29]以Bushnell-Haas无机盐培养基为基础,通过添加微量元素及大蒜素,从大蒜废水蓄水池的沉积物中分离获得了一株大蒜素降解菌,它能够以大蒜素为唯一碳源进行生长(50～300 mg/L),并将大蒜素降解。经鉴定该菌为融合魏斯氏菌(Weissella confusa)。该菌可以在15～40 ℃内生长,最适生长温度和降解大蒜素的温度均为35 ℃,最适pH为中性左右[29]。添加葡萄糖不会影响该菌对大蒜素的分解。
除生物法外,目前报道的大蒜废水处理工艺还包括膜分离法、高级氧化法和电化学法等。
膜分离技术是根据目标物大小来进行分离的一种技术,根据膜孔径的大小可以分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜等,该领域发展迅速且在多个行业均有应用。采用膜法对大蒜废水处理时,不能仅考虑达标排放,更应充分利用膜分离技术的优势,实现对大蒜废水中不同组分的分离和高值化利用。韩贵芝等[32]利用纳滤加反渗透的组合工艺对大蒜加工废水进行了处理,大蒜素和大蒜多糖的回收率分别为71.1%和98.3%,膜分离过程中的清液和经絮凝处理的浓缩液均可以达到排放标准。卢晓明等[6]利用膜分离技术对大蒜加工废水中的蛋白质进行了分离,并对其理化性质进行了研究。
高级氧化技术是借助光、电、催化剂等产生活性极强的自由基降解废水污染物的方法,主要包括Fenton法、光催化氧化法、电化学氧化法、臭氧氧化法、超声氧化法等[33]。
3.2.1 Fenton法
该方法被广泛应用于难降解有机物的氧化分解。其原理是酸性条件下H2O2与Fe2+反应产生氧化性极强的·OH自由基和HOO·自由基,这些自由基能够将大分子有机物降解为小分子物质甚至直接氧化分解为H2O和CO2。pH对该方法影响最大,其他影响因素还包括H2O2使用量、H2O2和Fe2+的摩尔比、反应时间、温度、H2O2添加方式等[23]。王恺[23]研究发现在最佳条件下,大蒜废水的COD去除率可达到62.5%。Fenton法处理废水的研究一直很活跃,学者提出了很多方法用于进一步提高Fenton法的效率,如氧化还原介质强化法、络合剂强化法、光催化强化法、电芬顿法、超声强化法等[34]。研究者可以尝试使用这些方法来处理大蒜加工废水。
3.2.2 光催化氧化法
光催化氧化是一种新型的清洁无污染的处理技术,可以将一系列难降解的有机污染物完全矿化为CO2和水[18]。金玉芹等[18]借助新型硫掺杂TiO2纳米材料考察了酸性条件下(pH 3)可见光催化对大蒜素降解的可行性,并借助GC-MS对大蒜素降解机理进行了探讨。结果表明该方法可以有效降解大蒜素。在降解初期,大蒜素被降解为二烯丙基硫醚、二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫醚、二烯丙基四硫醚等8种物质,随着降解时间延长,含量较高的二烯丙基硫醚化合物被降解成为小分子物质。尽管作者未进行抑菌性方面的实验,但是从光催化氧化法的原理分析,该方法是可以降低甚至消除大蒜废水的抑制。
3.2.3 电化学氧化法
电化学氧化法是利用阳极表面上放电产生的·OH来去除污染物的一种氧化方法[33]。李锋民等[35]采用电化学氧化和过硫酸盐氧化法联合处理大蒜废水并取得了良好效果。在特定条件下,COD的去除率可以达到68%,大蒜素含量低于检出限,废水可生化性得到显著提高。
微电解法是利用金属腐蚀原理形成原电池对废水进行处理的工艺,又称内电解法、铁屑过滤法等,最初设计用来处理印染废水等难处理废水[36]。该工艺对大蒜加工废水COD的去除率约为50%,但是,在去除大蒜加工废水刺激性气味及提高废水可生化性方面具有优势[36]。该工艺的关键参数包括曝气情况、废水pH值、反应时间、铁炭质量比、铁水质量比等[36]。实际应用中,该工艺可以和絮凝、生物处理等工艺进行组合。
综上,采用非生物方法对大蒜加工废水进行(预)处理是一个较好的选择。一方面,可以避免大蒜素及其降解产物对微生物的抑制性;另一方面,还可以实现对大蒜加工废水的高值化利用(膜法)。这个领域的研究一直比较活跃且卓有成效,在今后一段时间内将仍然是一个研究热点。
生物处理法处理大蒜废水在实验室阶段均取得了成功,但在实际应用中仍需改进。这主要是由于大蒜加工废水抑菌性强、排放季节性强引起的。非生物法处理工艺(如膜分离、高级氧化、微电解等)在大蒜加工废水的处理中呈现出独特优势。要想实现对该废水的完善处理,需要从以下4个方面进行:(1)加强预处理工艺研究。一方面,要充分回收大蒜加工废水中的大蒜素、多糖、蛋白质等物质;另一方面,要尽可能降低大蒜加工废水对微生物的抑制性。(2)研发适于大蒜加工废水处理的小型设备。大多数蒜片加工企业废水日排放量在20 t以内,再考虑到大蒜加工废水排放的季节性,研发相关的小型设备应该具有良好的市场潜力。(3)充分考虑各种处理工艺的优缺点,开发出适合大蒜加工废水的组合工艺。(4)筛选能够降解大蒜素的特定微生物或菌群,提高生物法处理大蒜加工废水的稳定性。
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