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交替式生物反应池(UNITANK)作为一种结构紧凑、运行灵活的活性污泥工艺,在我国城市污水处理中得到了较广泛的应用[1-2]。然而,由于结构上的不足,UNITANK在运行过程中普遍存在污泥分布不均、低负荷释磷不充分、池体容积布局不合理等问题[3-4]。为了解决这些问题,张发根等[4]提出了双流态UNITANK,即将UNITANK工艺中的1个边池改成2个以上,且交替向中间池提供污泥,他们同时利用ASM2D模型和实验验证了双流态UNITANK工艺的可行性,但这种工艺的运行周期调控相对更为复杂。因此,改良型UNITANK工艺应运而生。改良型UNITANK是在UNITANK的基础上增设了单独的厌氧池和缺氧池,同时增加了内回流点,以强化工艺的脱氮除磷效果。目前国内对改良型UNITANK工艺的研究报道较少。朱海敏等[5]、夏海波等[6]比较了改良型UNITANK工艺与UNITANK工艺的实际运行效果,结果均表明,改良型UNITANK工艺可以获得更高、更稳定的脱氮除磷能力。朱海敏等[5]提出,在处理水量持续超设计负荷15%的情况下,改良型UNITANK出水水质仍可以稳定达到一级A排放标准,且产泥量远低于UNITANK工艺。但是,目前有关改良型UNITANK工艺的报道均未对工艺特性进行探讨。
目前,工艺特性研究普遍基于实验方法开展。然而,受进水、环境条件变化、采样代表性等多因素影响,实验研究面临着局限性,无法全面表征污水处理厂复杂工艺面临的实际问题。污水生物处理系统的数学模拟是利用数学模型类比复杂的生化反应,以寻求其中的过程规律。大量研究[7-8]表明,数学模型可以成功应用于污水处理系统的优化,并指导污水处理系统的运行调控。宋纯金等[9]、董姗燕等[10]、张发根等[4]分别采用数学模拟方法对UNITANK工艺特性进行了模拟分析,证明采用模型研究复杂的交替式工艺的可行性和可靠性,为工艺特性研究提供了新工具。此外,我国城市污水处理厂普遍采用季节性调控策略,大部分污水厂的运行实践表明[11-13],夏季出水水质稳定达标;而冬季,由于水温降低影响微生物的活性,导致系统的生物脱氮除磷能力下降,容易出现出水水质浓度波动大、超标等问题。因此,冬季的运行调控一直是城市污水处理厂运行过程中的难点。本研究以苏州某城市污水处理厂改良型UNITANK工艺为研究对象,针对污水厂冬季普遍存在的运行稳定性差等问题,采用模型分析了改良型UNITANK工艺的周期性运行特征,同时利用高通量测序技术分析了微生物群落组成,旨在为实际污水厂改良型UNITANK工艺冬季运行提供参考。
改良型UNITANK工艺冬季运行特性及微生物群落分析
Operation characteristics and microbial community of modified UNITANK process in winter
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摘要: 针对苏州某城市污水处理厂改良型UNITANK工艺冬季出水水质波动大的问题,采用模型分析了改良型UNITANK工艺的周期性运行特征,通过Illumina MiSeq高通量测序对改良型UNITANK工艺冬季活性污泥的微生物种群结构进行了分析。结果表明,冬季改良型UNITANK工艺缺氧池反硝化充分,边池的均匀曝气导致边池前端和中段硝化不充分,周期性出水氨氮、溶解性磷酸盐的质量浓度逐渐升高。微生物种群结构分析结果表明:冬季微生物多样性较高,独特的工艺运行方式会对生物多样性产生影响;Saprospiraceae、Nitrosomonas、Nitrospira作为冬季活性污泥中的优势菌属,保证了改良型UNITANK工艺内生物脱氮除磷功能的发挥。
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关键词:
- 改良型UNITANK工艺 /
- 冬季 /
- 模型 /
- 群落结构 /
- 运行特征
Abstract: To solve the problem of large fluctuation of effluent quality from modified UNITANK process in a Suzhou municipal sewage treatment plant in winter, periodical operation characteristics of the modified UNITANK was analyzed by the model. The high-throughput sequencing of Illumina MiSeq was used to analyze the microbial community structure of activated sludge in the modified UNITANK in winter. The results showed denitrification was sufficient in the anoxic zone, uniform aeration in the edge tank led to inadequate nitrification in the front and middle of the edge tank, ammonia and soluble phosphate in the periodic effluent gradually increased. The analysis of microbial community structure indicated that the microbial diversity was higher than other seasons, which was related to the unique process operation mode. Saprospiraceae, Nitrosomonas and Nitrospira were the dominant bacteria in the activated sludge in winter, which ensured the performance on the biological removal of nitrogen and phosphorus in the modified UNITANK process.-
Key words:
- modified UNITANK process /
- winter /
- model /
- community structure /
- operating characteristic
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表 1 苏州某城市污水处理厂改良型UNITANK工艺冬季进出水水质
Table 1. Influent and effluent quality of modified UNITANK process in a Suzhou sewage treatment plant in winter
水样 COD/
(mg·L−1)氨氮/
(mg·L−1)TN/
(mg·L−1)TP/
(mg·L−1)SS/
(mg·L−1)进水 399.2±109.5 29.0±4.4 41.3±6.5 4.3±1.0 163.0±48.0 出水 44.8±14.0 6.0±3.5 10.6±3.1 0.7±0.6 15.1±8.8 表 2 苏州某城市污水处理厂改良型UNITANK工艺进水有机物组分
Table 2. Influent organic matter composition of a modified UNITANK process in a Suzhou sewage treatment plant
数值 溶解性不可生物
降解COD/(g·g−1)易生物降解
COD/(g·g−1)发酵产物/
(g·g−1)可发酵的易生物
降解COD/(g·g−1)颗粒性不可生物
降解COD/(g·g−1)颗粒性易生物
降解COD/(g·g−1)校准值 0.05 0.35 0.15 0.85 0.20 0.40 BioWIN推荐值 0.05 0.16 0.15 — 0.13 — 表 3 改良型UNITANK工艺物种多样性指数及其比较
Table 3. Species diversity indices of the modified UNITANK process and their comparison
样品 Sobs Shannon Simpson ACE Chao 覆盖率/% M1 2 027 5.936 0.008 2 566 2 606 98.9 M2 2 106 5.964 0.007 2 687 2 681 98.9 M3 2 017 5.909 0.008 2 632 2 716 98.6 -
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