水污染是我國一個(gè)突出的環(huán)境問題，不僅威脅飲用水安全，也影響經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。水污染一個(gè)重要來源是污水處理廠排放不達(dá)標(biāo)的水，因此提高污水廠水處理效果，保證出水水質(zhì)，對(duì)于降低水污染至關(guān)重要�；钚晕勰嗵幚硎悄壳俺Ｓ玫奈鬯�處理技術(shù)。作為活性污泥處理工藝的一種，循環(huán)式活性污泥法（CAST工藝），由于能同時(shí)去除有機(jī)物、脫氮和除磷的功能，相對(duì)于其他同步脫氮除磷工藝具有流程簡單、運(yùn)行周期短、運(yùn)行方式靈活多變、不易產(chǎn)生污泥膨脹等優(yōu)點(diǎn)，而且投資及運(yùn)行費(fèi)用低，因而已廣泛應(yīng)用于我國的污水處理

然而，傳統(tǒng)的CAST工藝存在一些不足，如缺少缺氧攪拌，使得脫氮效果不明顯[4]；與此同時(shí)，由于采用固定時(shí)間長度的控制方式，不能適應(yīng)進(jìn)水水量、水質(zhì)的變化，從而對(duì)污染物的去除效率不穩(wěn)定，出水水質(zhì)難以保證[5]；此外，在兼具生物脫氮功能的系統(tǒng)內(nèi)，生物除磷只能在厭氧、缺氧、好氧環(huán)境下才可發(fā)生。因此，在CAST工藝在具體應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。在我國的北方地區(qū)，冬季氣溫較低。低溫會(huì)導(dǎo)致污泥中微生物數(shù)量減少、活性降低、對(duì)有機(jī)物質(zhì)分解能力減弱，從而影響污水處理廠對(duì)污染物質(zhì)尤其是含氮污染物質(zhì)的去除效果。因此，冬季污水處理廠的運(yùn)行始終是水處理中的一個(gè)難題。盡管有一些研究針對(duì)冬季的CAST工藝進(jìn)行了優(yōu)化，然后這些多為實(shí)驗(yàn)室研究，很少涉及到實(shí)際規(guī)模的CAST工藝，因此，也需要進(jìn)一步研究。

本研究以北京某污水處理廠實(shí)際規(guī)模CAST工藝為對(duì)象，對(duì)其原有工藝進(jìn)行優(yōu)化，研究其在冬季（12月份）的水處理效果，以期為CAST工藝在我國北方地區(qū)的冬季應(yīng)用提供一些參考經(jīng)驗(yàn)。

1 CAST工藝及其優(yōu)化

1.1 原有工藝

該污水廠的共有4 座CAST反應(yīng)池，單池規(guī)模為55m×25m×5m，實(shí)驗(yàn)期間處理水量50 kt/d。CAST工藝的1個(gè)運(yùn)行周期包括4個(gè)階段，進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水及閑置。采用4h 周期的運(yùn)行模式，即每周期進(jìn)水1h，非限制性曝氣（邊進(jìn)水邊曝氣）1h，沉淀1h，排水閑置1h，共4h，每天6個(gè)周期。污泥回流體積比為20%，回流時(shí)間1h。

1.2 工藝優(yōu)化

在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，于2012 年對(duì)其原有CAST工藝進(jìn)行優(yōu)化，具體如下：

（1）在主反應(yīng)區(qū)引入獨(dú)立的攪拌。CAST池內(nèi)設(shè)6 臺(tái)液下攪拌器（葉輪直徑為370 mm，電機(jī)功率為1.5 kW），其中進(jìn)水混合段1 臺(tái)，厭氧段3 臺(tái)，好氧段2 臺(tái)，以保證泥水的混合。

（2）改變曝氣時(shí)間。進(jìn)水時(shí)間1h，0～0.5h 邊進(jìn)水邊攪拌，0.5h 后開始曝氣，曝氣時(shí)間持續(xù)1.5h，沉淀1h，排水閑置1h，即相對(duì)先前的工藝，其啟曝時(shí)間延后0.5h，曝氣長度縮短0.5h。

（3）改變運(yùn)行方式。CAST反應(yīng)池以曝氣- 非曝氣方式交替運(yùn)行，使活性污泥處于好氧- 缺氧- 厭氧的周期性變化之中。與此同時(shí)，采用分段進(jìn)水時(shí)，將進(jìn)水集中在缺氧段。

（4）延長回流時(shí)間。設(shè)2 臺(tái)潛水污泥回流泵，單泵性能參數(shù)為：qV=170 m3/h，H=2.5 m，污泥回流時(shí)間1.5h，相對(duì)優(yōu)化前延長0.5h。

1.3 水質(zhì)及分析方法

該污水處理廠主要處理的是工業(yè)廢水，COD 為267.0～1 408 mg/L，pH 為6.70～7.00，SS、NH4+-N、TN、TP 的質(zhì)量濃度分別為90～1 330、29.60～41.00、39.80～71.30、3.38～14.00 mg/L。

水質(zhì)分析測(cè)試主要是按照文獻(xiàn)[9]中的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行：COD 用重鉻酸鉀法，NH4+-N含量用納氏試劑分光光度法，TN 含量用堿性過硫酸鉀- 消解紫外分光光度法，TP 含量用鉬酸銨分光光度法，SS 含量用稱量法，pH 和DO 含量的監(jiān)測(cè)采用WTW340i 多功能在線測(cè)定儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)物的去除效果

CAST工藝優(yōu)化前后的COD 去除效果見圖1。

從圖1 可以看出，優(yōu)化前后進(jìn)水的COD 差異不明顯（除12 月3 日外），出水中COD 在優(yōu)化前后差異也不顯著，由此表明，CAST工藝優(yōu)化對(duì)COD 的去除影響不明顯。優(yōu)化前后的COD 平均去除率分別為90.81%和92.72%，在大部分的時(shí)間沒有明顯的差異，這表明優(yōu)化前后CAST工藝對(duì)有機(jī)物的去除均達(dá)到較高的水平。從圖1 也可以看出，CAST工藝優(yōu)化后，進(jìn)水的COD 波動(dòng)較大，變幅為267～1 408mg/L，平均為439.3 mg/L，但出水COD 均維持在較低的水平（13.2～54.6 mg/L，平均29.55 mg/L），表明優(yōu)化后的CAST優(yōu)化更加穩(wěn)定。

2.2 NH4+-N和TN 去除效果

相關(guān)研究表明，溫度在對(duì)冬季NH4+-N的去除產(chǎn)生重要影響[10]。本研究水廠的CAST工藝在夏季對(duì)NH4+-N的去除率達(dá)到90%以上，冬季NH4+-N進(jìn)出水含量及去除效果見圖2。

從圖2 可以看出，NH4+-N的去除率在60.69%～79.25%，平均為71.83%，去除率明顯下降。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前，出水中NH4+-N的質(zhì)量濃度為6.56～13.78 mg/L，平均9.48 mg/L，在31 d 的實(shí)驗(yàn)期間，僅有3 d 達(dá)到GB 18918－2002 排放一級(jí)B 要求[11]。表明優(yōu)化前的CAST工藝在冬季對(duì)NH4+-N去除效果不明顯。而在CAST工藝優(yōu)化后，出水中NH4+-N的質(zhì)量濃度為1.73～7.71 mg/L，平均4.86 mg/L，全部達(dá)到GB18918－2002 一級(jí)B 要求，去除率為79.78～95.30%，平均87.05%，相比優(yōu)化前，提高了15.22個(gè)百分點(diǎn)。由此可見，優(yōu)化后CAST工藝在冬季也能有效的去除NH4+-N，提高了出水水質(zhì)，降低了溫度對(duì)水處理結(jié)果的影響。

與NH4+-N一樣，優(yōu)化后的CAST也提高了TN的去除，見圖3。

從圖3 可以看出，TN 在CAST工藝優(yōu)化前后進(jìn)水中的平均質(zhì)量濃度分別為57.09 和50.94 mg/L，而出水中的質(zhì)量濃度則分別為26.12 和16.25 mg/L�？梢娢磧�(yōu)化前，出水平均TN 含量沒有達(dá)到GB 18918－2002 排放一級(jí)B 要求，而優(yōu)化后達(dá)標(biāo)。從去除率來看，CAST工藝優(yōu)化后TN 去除率為67.89%，比優(yōu)化前（54.25%）提了13.65個(gè)百分點(diǎn)。盡管CAST工藝優(yōu)化之后，并沒有極大的降低出水中的TN 及提高其去除率，然而和優(yōu)化前相比，優(yōu)化后來出水中的TN 含量達(dá)到了GB 18918－2002 排放一級(jí)B 要求，表明CAST工藝優(yōu)化后在TN 的去除上仍取得重要成效，提高了出水水質(zhì)。

由此可見，CAST工藝優(yōu)化后有效地去除了污水中的氮。通常，污水中氮的去除主要靠微生物脫氮作用，由硝化和反硝化2個(gè)生化過程完成，即廢水先在好氧條件下進(jìn)行硝化，使含氮有機(jī)物被細(xì)菌分解成氨，氨進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，然后在缺氧條件下進(jìn)行反硝化，硝態(tài)氮還原為氮?dú)庖绯�，從而達(dá)到去除氮的目的[12]。在傳統(tǒng)的CAST工藝中，冬季氮去除率低的一個(gè)重要原因是由于溫度低，微生物活性也低，進(jìn)而降低了反硝化速率[13]。通常的解決辦法是在低水溫時(shí)提高污泥含量從而增加微生物量，同時(shí)加大曝氣量，降低污泥負(fù)荷，減少排泥時(shí)間、控制曝氣池內(nèi)混合液污泥含量。

本研究中，在工藝中增加攪拌器，有效提高了污泥含量，即相當(dāng)于增加了參與反硝化的微生物含量，因而提高了微生物活性，解決了CAST工藝脫氮受限問題，通過反硝化去除上一周期殘留的硝態(tài)氮，使出水TN 含量降低。與此同時(shí)，改變了CAST工藝運(yùn)行方式，采用分段進(jìn)水時(shí)，將進(jìn)水集中在缺氧段，使原水中的有機(jī)物大多能夠被當(dāng)作反硝化的碳源消耗掉，在好氧段僅降解少部分有機(jī)物，之后主要進(jìn)行硝化反應(yīng)，由此能節(jié)省部分曝氣量，并且提高系統(tǒng)的TN去除率。此外，在CAST工藝優(yōu)化過程中，延長了回流時(shí)間，可使原水中的碳源得到充分利用，系統(tǒng)反硝化作用得到加強(qiáng)，從而提高氮的去除。

2.3 TP 去除效果

CAST工藝優(yōu)化前后的TP 去除效果見圖4。

從圖4 可以看出，優(yōu)化前，進(jìn)水TP 的質(zhì)量濃度平均為6.48 mg/L（4.62～8.50 mg/L），出水為1.86mg/L（0.73～3.20 mg/L），平均去除率為71.19%（變化在51.02%～84.20%）；優(yōu)化后，進(jìn)水TP 的質(zhì)量濃度平均為7.33 mg/L（3.38～14 mg/L），出水0.91 mg/L（0.23～2.69 mg/L），平均去除率87.22%（71.95%～95.34%）。對(duì)照GB 18918－2002 可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前大部分（65%）未達(dá)一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)，而優(yōu)化后，除了31日外，全部達(dá)一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)化后，TP 去除率也提高了16.03個(gè)百分點(diǎn)。因此，CAST工藝優(yōu)化之后有效提高TP 的去除效果。

磷的去除主要是依靠聚磷菌在厭氧條件下放磷，在好氧條件下過度吸磷[14]。根據(jù)反硝化除磷原理，聚磷菌在厭氧時(shí)利用體內(nèi)多聚磷酸鹽（P-P）分解產(chǎn)能，攝取水中易降解有機(jī)物在體內(nèi)形成聚β羥基丁酸鹽（PHB），并釋放磷；在缺氧或好氧時(shí)利用所貯存的PHB 產(chǎn)生能量以形成糖元、維持生存和細(xì)胞的生長繁殖，并過量吸磷。

本研究中，CAST工藝優(yōu)化后顯著提高了TP 的去除率，主要原因有以下幾點(diǎn)。首先，CAST反應(yīng)池以曝氣- 非曝氣方式交替運(yùn)行，可以使活性污泥處于好氧- 缺氧- 厭氧的周期性變化之中，有利于聚磷菌生長繁殖；其次，縮短曝氣時(shí)間使有機(jī)負(fù)荷率F/M增加，從而使污泥齡（SRT）縮短，較短的污泥齡有利于聚磷菌生長，促進(jìn)磷的去除；再次，增加了缺氧攪拌階段，提高了系統(tǒng)的反硝化性能，降低了回流液中的硝態(tài)氮的含量，減少了反硝化過程所需的有機(jī)碳源量，為聚磷菌在厭氧釋磷過程中提供更多的碳源，厭氧釋磷得到保障，PHB 合成量也會(huì)增加，在隨后的好氧吸磷過程中，聚磷菌的吸磷能力得到增強(qiáng)[16]。此外，采用分段進(jìn)水時(shí)，屬于間歇進(jìn)水方式。相對(duì)于連續(xù)進(jìn)水，間歇式進(jìn)水提供的厭氧停留時(shí)間更長，厭氧釋磷更徹底，TP 去除率越高。由此可見除磷得到增強(qiáng)，降低了出水中的TP 含量。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3 結(jié)論

在主反應(yīng)區(qū)引入獨(dú)立的攪拌，一方面，有效提高了參與反硝化的微生物含量，解決CAST工藝脫氮受限問題；另一方面，提高了系統(tǒng)的反硝化性能，因此降低了回流液中的硝態(tài)氮的含量，由此減少了反硝化過程所需的有機(jī)碳源量，為聚磷菌在厭氧釋磷過程中提供更多的碳源，厭氧釋磷得到保障，PHB 合成量也會(huì)增加，在隨后的好氧吸磷過程中，聚磷菌的吸磷能力就會(huì)增強(qiáng)，從而提高除磷。

延長了回流時(shí)間，可使原水中的碳源得到充分利用，系統(tǒng)反硝化效果得到加強(qiáng)，從面提高氮的去除。

曝氣長度縮短0.5h，使F/M 增加，進(jìn)而縮短SRT，有利于聚磷菌生長，促進(jìn)磷的去除。

采用分段進(jìn)水時(shí)，既提高了系統(tǒng)的TN 去除率，又延長厭氧停留時(shí)間，厭氧釋磷更徹底，TP 去除率越高。