龐維海，李惠平，張 琨，王 曦，謝 麗

（1.同濟大學(xué)長江水環(huán)境教育部重點實驗室，上海200092；2.同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092；3.廣東粵海水務(wù)股份有限公司，深圳518021；4.同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海200092）

目前我國城鎮(zhèn)生活污水普遍存在碳氮比（C/N）較低的問題，由此使得污水處理難以實現(xiàn)高效脫氮除磷［1］。對于低C/N污水處理的主要應(yīng)對方法有：①投加外加碳源提高C/N［2］。②采用污泥厭氧發(fā)酵及水解酸化等技術(shù)實現(xiàn)碳源富集分離并作為補充碳源［3］。③改變處理工藝運行時序，優(yōu)化碳源配置［4］。其中方法①和②雖能有效提高污水碳源濃度，但是也額外增加了污水廠建設(shè)與運營投資成本［5-6］。而方法③是通過優(yōu)化工藝控制參數(shù)，將污水中碳源優(yōu)化分配至不同處理階段，充分利用原污水中碳源，兼具經(jīng)濟性與高效性。

周期循環(huán)式活性污泥法（cyclic activated sludge system，CASS）是一種以傳統(tǒng)SBR工藝為基礎(chǔ)的變形工藝，此工藝集好氧曝氣、厭氧反應(yīng)、沉淀和排水于一體，在控制時序上具有靈活多變、易于調(diào)控的優(yōu)點。因此通過方法③對該工藝的控制參數(shù)進行優(yōu)化，以充分利用原污水碳源、提高反硝化脫氮效果。針對間歇式反應(yīng)器的優(yōu)化參數(shù)主要有排水比、曝氣時間和分段進水方式。適當增大CASS工藝排水比，可減緩反應(yīng)器前一周期對后一周期進水的稀釋作用，從而相對增加反應(yīng)器內(nèi)碳源濃度；縮短曝氣時間則可增加反硝化反應(yīng)時長；分時段進水方式與A2O工藝通過原水碳源分流的方式類似，充分利用原有碳源進行反硝化脫氮［7］。王加蒙等［8］采用SBR工藝對平均C/N為2.9的生活污水進行處理發(fā)現(xiàn)，適當增加排水比可增加下一周期反應(yīng)器內(nèi)的碳源濃度，從而提高脫氮效果。郭建華等［9］探究了采用多段進水方式下SBR工藝深度脫氮效果，證明了分時段進水可有效提升脫氮效果，但對不同C/N的污水適用的進水方式也不相同。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)，通過控制曝氣系統(tǒng)實現(xiàn)短時曝氣，或是采用厭氧-限氧的方式也可顯著提升脫氮效果［10-11］。上述相關(guān)研究所處理的污水C/N值主要集中在2～5范圍內(nèi)，但我國南方某些城市生活污水C/N低于2，針對此類低C/N比生活污水，更需要充分利用碳源來提升脫氮效果。因此本研究通過改變排水比例、曝氣時長和分時段進水的方式，探究了CASS工藝對廣東省某污水廠C/N小于2的生活污水的優(yōu)化處理方式，以期提高低碳源污水的脫氮效果。

1 實驗部分

1.1 原水水質(zhì)

實驗進水取自廣東省某城鎮(zhèn)污水廠進水井，具體指標及平均值如表1所示。污水廠所在地區(qū)為合流制管網(wǎng)系統(tǒng)，水樣數(shù)量為93份，涵蓋早中晚各時段，原污水COD、NH4+?N和TN平均質(zhì)量濃度分別為79.4 mg·L-1、23.5 mg·L-1和45.7 mg·L-1。一般認為當生物化學(xué)需氧量（BOD）與總氮（TN）比值＞2.86才能實現(xiàn)硝酸鹽的反硝化作用，而當污水BOD/TN＞4時碳源充足［12-13］。表1中污水化學(xué)需氧量（COD）與總氮（TN）比值和BOD/TN值分別僅為1.8和0.6，此值遠低于我國常規(guī)城鎮(zhèn)污水處理廠C/N，碳源不足會嚴重影響污水脫氮效果［14］。

表1 污水水質(zhì)參數(shù)Tab.1 Sewage water quality parameters

1.2 實驗裝置與分析方法

本實驗中，CASS工藝中試裝置處理規(guī)模為40t·d-1。CASS工藝的實驗運行方式有8種：首先，將排水比分別設(shè)置為30%、40%和50%，考察排水比對脫氮效果影響；其次，分別將周期內(nèi)的曝氣時長設(shè)置為60min、90min和120min，研究曝氣時間的影響；最后，研究分時段進水運行模式對脫氮效果的影響。實驗過程中每個工況穩(wěn)定運行一定時間后，采用DEK多參數(shù)水質(zhì)在線分析儀（江蘇匯環(huán)）連續(xù)測定進出水的COD、NH4+?N和TN，分析不同控制方式下CASS工藝的脫氮效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 排水比例對脫氮效果影響

如圖1控制時序所示，分別將CASS工藝排水比設(shè)置為30%、40%和50%，以對比不同排水比條件下CASS工藝對COD、NH4+-N和TN的去除效果。

圖1 不同排水比的CASS控制時序Fig.1 CASS control sequence of different drainage ratios

由圖2a可知，CASS工藝排水比分別設(shè)置為30%、40%和50%時，其出水的COD平均質(zhì)量濃度分別為29.3 mg·L-1、38.7 mg·L-1和23.9 mg·L-1。結(jié)果顯示，排水比變化對COD去除效果影響較小。污水中有機物在好氧階段被異氧菌氧化分解，或在缺氧階段作為反硝化碳源被利用，對于低碳源污水處理而言，COD的去除主要集中在好氧段異養(yǎng)菌的氧化分解。圖2-b為不同排水比下CASS工藝對NH4+?N的去除效果，當排水比分別為30%、40%和50%時，出水中NH4+?N平均質(zhì)量濃度分別為2.58 mg·L-1、1.01 mg·L-1和1.05 mg·L-1，由此可見，當曝氣量和曝氣時長滿足硝化反應(yīng)要求時，NH4+?N可以被徹底硝化，而排水比例變化對硝化作用影響甚微（圖2b）。從圖2c可知，TN去除效果受排水比影響較大，當排水比為30%、40%和50%時，產(chǎn)水中TN分別為17.8 mg·L-1、9.5 mg·L-1和6.6 mg·L-1，CASS工藝對TN平均去除率分別達到58.3%、78.8%和85.4%。由此可見，TN去除效果隨CASS工藝排水比的增加而增加。王加蒙等［8］也研究發(fā)現(xiàn)，適當提高SBR工藝排水比可提升TN去除效果。這是由于SBR和CASS這類間歇式反應(yīng)器在運行過程中，上一個周期未排出的水會與下一周期的進水混合后再進行處理，當上一周期排水比較大時，下一周期進水量也就會較大，此時剩余水的稀釋作用降低，反應(yīng)器內(nèi)污水C/N值相對較高。通過對工況1、2和3的前一個周期COD和TN去除率計算發(fā)現(xiàn)，當排水比分別為30%、40%和50%時，后一個周期C/N值分別為1.67、2.06和2.22。由此說明增加排水比例可提升進水C/N，從而達到優(yōu)化脫氮效果的目的。對于本研究而言，即使當排水比增加到50%時，NH4+?N去除效果仍未受到影響，因此排水比參數(shù)的確定受原水影響較大，為實現(xiàn)更好的脫氮效果，可考慮在保證COD和NH4+?N有效去除的前提下，繼續(xù)增大CASS工藝排水比，以進一步優(yōu)化提升CASS工藝深度脫氮效果。

圖2 不同排水比CASS去除效果Fig.2 CASS removal effect in different drainage ratio

2.2 曝氣時間對脫氮效果影響

好氧與厭氧反應(yīng)時間比是影響脫氮效果的關(guān)鍵參數(shù)。分別將曝氣時長調(diào)整為60min、90min和120min以控制好氧和厭氧時間比來提升脫氮效果，具體控制時序如圖3所示。

如圖4a所示，當曝氣時長為60min、90min和120min時，出水的COD平均質(zhì)量濃度分別為26.9 mg·L-1、18.4 mg·L-1和31.9 mg·L-1，由此說明曝氣時長對COD去除效果影響不大。這主要是因為低碳源污水處理過程中CASS池內(nèi)微生物處于貧營養(yǎng)狀態(tài)，對有機物降解速度較快。對于NH4+?N去除效果如圖4b所示，當曝氣時長為60min、90min和120min時NH4+?N平均質(zhì)量濃度分別為5.2 mg·L-1、3.4 mg·L-1和11.8 mg·L-1。由此可見曝氣時長過大或者過小時都會影響NH4+?N去除效果，曝氣時間不足則硝化效果不徹底，曝氣時間過長則引起污泥絮體破碎，不利于沉淀，硝化菌流失。程誠等［15］通過響應(yīng)面法對CASS工藝的優(yōu)化研究發(fā)現(xiàn)，影響NH4+?N去除的因素按照順序大小依次為溶解氧濃度＞曝氣時長＞排水比＞缺氧攪拌時間。圖4c反映不同曝氣時長下CASS工藝對TN去除效果。結(jié)果表明，減少曝氣時長、即相應(yīng)增加缺氧反應(yīng)時間并未顯著提升脫氮效果，因此對于低C/N污水的脫氮而言，碳源缺乏是影響工藝深度脫氮效果的主要因素，為了進一步提供系統(tǒng)脫氮效果，應(yīng)首先保證碳源分配。

圖4 曝氣時間變化對污染物去除效果影響Fig.4 The aeration time on the removal effect of pollutants

2.3 進水模式對脫氮效果影響

采用分時段進水的方式，CASS工藝可靈活分配原水中的碳源，實現(xiàn)更好的脫氮效果。本實驗分別采用兩種不同進水和曝氣組合方式（“三段進水A”和“三段進水B”），研究CASS工藝脫氮效果，工藝控制時序如圖5所示。

圖5 不同進水模式的CASS控制時序Fig.5 CASS control sequence for different water inlet modes

如圖6a所示，當CASS工藝分別采用“三段進水A”和“三段進水B”模式運行時，產(chǎn)水平均COD質(zhì)量濃度分別為24.7 mg·L-1和27.4 mg·L-1，由此可見CASS工藝對COD去除效果幾乎不受分時段進水影響。但是當采用多段進水時，CASS工藝對NH4+?N去除效果受到影響，“三段進水A”和“三段進水B”運行模式下CASS產(chǎn)水的NH4+?N平均質(zhì)量濃度分別為13.4 mg·L-1和9.6 mg·L-（1圖6b），出水NH4+?N均不滿足一級A標準。這是因為分時段進水模式下，好氧與缺氧的交替反應(yīng)會抑制NH4+?N的硝化反應(yīng)，從而導(dǎo)致在缺氧段氮的形態(tài)仍然以NH4+?N為主［16］。分時段進水對于TN去除有一定提升效果（圖6c），“三段進水A”和“三段進水B”運行模式下的出水TN平均質(zhì)量濃度分別為15.8 mg·L-1和18.7 mg·L-1，TN去除效果也較差。分時段進水目的是采用好氧/缺氧的交替運行方式，實現(xiàn)同一周期內(nèi)不同時序的碳源優(yōu)化分配，當前一階段好氧曝氣使得水中的NH4+?N硝化為硝酸鹽氮后，再進入一部分原水至反應(yīng)器內(nèi)，利用新進入水中的碳源實現(xiàn)反硝化脫氮。而在本研究中，就TN去除的提升效果而言，分時段進水不如集中進水模式下增加排水比，這仍然是原污水C/N過低的緣故。黃子洪等［17］通過數(shù)學(xué)模型優(yōu)化的方式采用SBR工藝對C/N為4.8～5.5的污水進行處理，結(jié)果表明分時段進水SBR工藝對TN去除效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)SBR工藝，但實際去除效果低于理論去除效果。郭建華等［9］采用脈沖SBR工藝對C/N為3～9的城鎮(zhèn)污水進行深度脫氮處理，結(jié)果表明僅需投加少量碳源就可使出水TN＜2 mg·L-1。而本實驗中原水C/N僅為1.8，原水碳源嚴重不足，因此在分時段進水過程中，引入碳源的同時也增加了NH4+?N和TN，尤其是當采用三段進水B時，CASS工藝無法有效去除最后一段進水中引入的NH4+?N，從而導(dǎo)致出水NH4+?N濃度升高。因此對于C/N極低的污水處理，并非增加分時段進水次數(shù)越多，脫氮效果越好。

圖6 分時段進水對污染物去除效果影響Fig.6 The effect of segmented water intake on pollutant removal effect

2.4 碳源分配計算

污水處理過程中碳源分配及去向主要包括：同化作用、異化作用、脫氮除磷以及出水，其中有機物和氮相關(guān)的化學(xué)計量系數(shù)采用國際水協(xié)（IWA）的推薦值；根據(jù)進水和出水TN的差值計算反硝化TN量，反硝化COD利用系數(shù)采用2.86（gCOD/gTN），計算結(jié)果見表2。

由表2計算結(jié)果可知，原水COD質(zhì)量濃度介于74.3～81.1 mg·L-1，出水COD質(zhì)量濃度介于18.4～38.6 mg·L-1，出水COD占進水COD比例約為23.3%～47.7%，此部分COD屬于難降解有機物。此外，由于原水C/N值較低，按照每去除1gTN所需2.86g可降解的COD計算可知，進出水COD總量的差值無法滿足實際運行過程中反硝化所需COD量。付國楷等［18］以COD、NH4+?N和TN分別為129.0、25.6和31.5 mg·L-（1C/N=4.3）生活污水處理過程為研究對象，經(jīng)碳源分配計算發(fā)現(xiàn)，此條件下原水中的碳源可同時滿足生化池微生物的同化作用、氧化作用以及脫氮和除磷碳源需求量。而本研究中原水C/N僅為1.8左右，原污水中的碳源無法滿足理論計算的反硝化碳源需求量。增加排水比可有效提升TN去除效果，當排水比由30%增加至40%和50%時，CASS對TN平均去除率分別為58.9%、78.8%和85.6%，且當排水比為50%時的COD和TN去除效果均較好，此時進水C/N最低，但計算得到的反硝化碳源缺值也最大，達到2 546.8gCOD/d。這說明在曝氣時間為120min、排水比為50%的工況運行下，原水碳源分配作用較好，同時兼顧硝化和反硝化作用，此工況下TN去除效果提升明顯。縮短曝氣時間的限氧方式并不能節(jié)約碳源消耗，提升TN去除效果，當曝氣時長分別為60min、90min和120min時，TN去除率分別為59.3%、59.8%和69.8%，碳源缺值分別為1 254.6、549.0和1 328.1gCOD。由于原水碳源濃度過低，碳源可在較短時間內(nèi)被消耗，且好氧段結(jié)束后剩余的COD為難降解有機物，難以被反硝化細菌高效利用。因此對于本研究中的污水而言，調(diào)整曝氣時長并不能有效提升脫氮效果。此外，由于短時曝氣運行下硝化效果較差，原水中NH4+?N未能充分硝化，這也是造成脫氮效果受到影響的原因之一。采用分時段進水的方式對TN去除有一定提升效果，“三段進水A”模式下的TN平均去除率達到61.2%，但提升效果不如改變排水比明顯?！叭芜M水B”模式下運行時，TN平均去除率僅為48%，出水TN平均質(zhì)量濃度達到18.7 mg·L-1，去除效果仍然較差。通過上述分析可知，對原水碳氮比較低的CASS工藝而言，無論是采用分段進水，還是增加缺氧反應(yīng)時間，均不能有效提升其對TN的去除效果，而增加排水比是最佳方式。

表2 不同工況模式下的碳源分配估算Tab.2 Estimation of carbon source allocation under different working conditions

3 結(jié)論

以CASS工藝為基礎(chǔ)，探討了排水比、曝氣時間以及進水模式對低C/N污水脫氮效果的影響，實驗主要結(jié)論如下：

（1）實驗進水平均COD為79.4 mg·L-1、TN為45.7 mg·L-1，C/N約為1.8，通過調(diào)整缺氧反應(yīng)時間或是采用分時段進水的方式均無法有效提高CASS工藝的脫氮效果，而增加排水比可優(yōu)化配置碳源，提升TN去除效果。

（2）通過碳源分配計算可知，即使原水中所含碳源無法滿足反硝化需求，但當工藝控制參數(shù)及時序得到優(yōu)化時，CASS工藝可在不外加碳源的前提下發(fā)揮脫氮潛力。當排水比為50%時，出水TN平均質(zhì)量濃度可以達到6.6 mg·L-1。

作者貢獻說明：

龐維海：實驗設(shè)計和論文修改；

李惠平：實驗操作和論文撰寫；

張琨：技術(shù)和材料支持。

王曦：技術(shù)和材料支持。

謝麗：實驗設(shè)計和論文修改。