水污染是我國一個突出的環(huán)境問題，不僅威脅飲用水安全，也影響經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。水污染一個重要來源是污水處理廠排放不達標的水，因此提高污水廠水處理效果，保證出水水質(zhì)，對于降低水污染至關重要�；钚晕勰嗵幚硎悄壳俺Ｓ玫奈鬯幚砑夹g。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），由于能同時去除有機物、脫氮和除磷的功能，相對于其他同步脫氮除磷工藝具有流程簡單、運行周期短、運行方式靈活多變、不易產(chǎn)生污泥膨脹等優(yōu)點，而且投資及運行費用低，因而已廣泛應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，由于采用固定時間長度的控制方式，不能適應進水水量、水質(zhì)的變化，從而對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工藝在具體應用時需要進一步進行優(yōu)化。在我國的北方地區(qū)，冬季氣溫較低。低溫會導致污泥中微生物數(shù)量減少、活性降低、對有機物質(zhì)分解能力減弱，從而影響污水處理廠對污染物質(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行始終是水處理中的一個難題。盡管有一些研究針對冬季的CAST工藝進行了優(yōu)化，然后這些多為實驗室研究，很少涉及到實際規(guī)模的CAST工藝，因此，也需要進一步研究。  

本研究以北京某污水處理廠實際規(guī)模CAST工藝為對象，對其原有工藝進行優(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)的冬季應用提供一些參考經(jīng)驗。  

1CAST工藝及其優(yōu)化  

1.1原有工藝  

該污水廠的共有4座CAST反應池，單池規(guī)模為55m×25m×5m，實驗期間處理水量50kt/d。CAST工藝的1個運行周期包括4個階段，進水、曝氣、沉淀、排水及閑置。采用4h周期的運行模式，即每周期進水1h，非限制性曝氣（邊進水邊曝氣）1h，沉淀1h，排水閑置1h，共4h，每天6個周期。污泥回流體積比為20%，回流時間1h。  

1.2工藝優(yōu)化  

在前期實驗的基礎上，于2012年對其原有CAST工藝進行優(yōu)化，具體如下：  

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

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

（3）改變運行方式。CAST反應池以曝氣-非曝氣方式交替運行，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，采用分段進水時，將進水集中在缺氧段。  

（4）延長回流時間。設2臺潛水污泥回流泵，單泵性能參數(shù)為：qV=170m3/h，H=2.5m，污泥回流時間1.5h，相對優(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267.0～1408mg/L，pH為6.70～7.00，SS、NH4+-N、TN、TP的質(zhì)量濃度分別為90～1330、29.60～41.00、39.80～71.30、3.38～14.00mg/L。  

水質(zhì)分析測試主要是按照文獻[9]中的標準方法進行：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)測采用WTW340i多功能在線測定儀。  

2結(jié)果與討論  

2.1有機物的去除效果  

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%，在大部分的時間沒有明顯的差異，這表明優(yōu)化前后CAST工藝對有機物的去除均達到較高的水平。從圖1也可以看出，CAST工藝優(yōu)化后，進水的COD波動較大，變幅為267～1408mg/L，平均為439.3mg/L，但出水COD均維持在較低的水平（13.2～54.6mg/L，平均29.55mg/L），表明優(yōu)化后的CAST優(yōu)化更加穩(wěn)定。  

2.2NH4+-N和TN去除效果  

相關研究表明，溫度在對冬季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NH4+-N的去除率達到90%以上，冬季NH4+-N進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。同時也發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前，出水中NH4+-N的質(zhì)量濃度為6.56～13.78mg/L，平均9.48mg/L，在31d的實驗期間，僅有3d達到GB18918－2002排放一級B要求[11]。表明優(yōu)化前的CAST工藝在冬季對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1.73～7.71mg/L，平均4.86mg/L，全部達到GB18918－2002一級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個百分點。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)化前后進水中的平均質(zhì)量濃度分別為57.09和50.94mg/L，而出水中的質(zhì)量濃度則分別為26.12和16.25mg/L�？梢娢磧�(yōu)化前，出水平均TN含量沒有達到GB18918－2002排放一級B要求，而優(yōu)化后達標。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個百分點。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含量達到了GB18918－2002排放一級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個生化過程完成，即廢水先在好氧條件下進行硝化，使含氮有機物被細菌分解成氨，氨進一步轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，然后在缺氧條件下進行反硝化，硝態(tài)氮還原為氮氣溢出，從而達到去除氮的目的[12]。在傳統(tǒng)的CAST工藝中，冬季氮去除率低的一個重要原因是由于溫度低，微生物活性也低，進而降低了反硝化速率[13]。通常的解決辦法是在低水溫時提高污泥含量從而增加微生物量，同時加大曝氣量，降低污泥負荷，減少排泥時間、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，改變了CAST工藝運行方式，采用分段進水時，將進水集中在缺氧段，使原水中的有機物大多能夠被當作反硝化的碳源消耗掉，在好氧段僅降解少部分有機物，之后主要進行硝化反應，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，從而提高氮的去除。  

2.3TP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，進水TP的質(zhì)量濃度平均為6.48mg/L（4.62～8.50mg/L），出水為1.86mg/L（0.73～3.20mg/L），平均去除率為71.19%（變化在51.02%～84.20%）；優(yōu)化后，進水TP的質(zhì)量濃度平均為7.33mg/L（3.38～14mg/L），出水0.91mg/L（0.23～2.69mg/L），平均去除率87.22%（71.95%～95.34%）。對照GB18918－2002可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前大部分（65%）未達一級B標準，而優(yōu)化后，除了31日外，全部達一級B標準。優(yōu)化后，TP去除率也提高了16.03個百分點。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；在缺氧或好氧時利用所貯存的PHB產(chǎn)生能量以形成糖元、維持生存和細胞的生長繁殖，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。首先，CAST反應池以曝氣-非曝氣方式交替運行，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，縮短曝氣時間使有機負荷率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[16]。此外，采用分段進水時，屬于間歇進水方式。相對于連續(xù)進水，間歇式進水提供的厭氧停留時間更長，厭氧釋磷更徹底，TP去除率越高。由此可見除磷得到增強，降低了出水中的TP含量。

3結(jié)論  

在主反應區(qū)引入獨立的攪拌，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合成量也會增加，在隨后的好氧吸磷過程中，聚磷菌的吸磷能力就會增強，從而提高除磷。  

延長了回流時間，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，從面提高氮的去除。  

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

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

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