周期循環(huán)式活性污泥法工藝優(yōu)化提升低碳氮比城鎮(zhèn)污水脫氮效能研究

龐維海，李惠平，張 琨，王 曦，謝 麗

（1.同濟(jì)大學(xué)長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.同濟(jì)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(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

目前我國(guó)城鎮(zhèn)生活污水普遍存在碳氮比（C/N）較低的問(wèn)題，由此使得污水處理難以實(shí)現(xiàn)高效脫氮除磷［1］。對(duì)于低C/N污水處理的主要應(yīng)對(duì)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(shí)現(xiàn)碳源富集分離并作為補(bǔ)充碳源［3］。③改變處理工藝運(yùn)行時(shí)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(yùn)營(yíng)投資成本［5-6］。而方法③是通過(guò)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(jì)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(shí)序上具有靈活多變、易于調(diào)控的優(yōu)點(diǎn)。因此通過(guò)方法③對(duì)該工藝的控制參數(shù)進(jìn)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(duì)間歇式反應(yīng)器的優(yōu)化參數(shù)主要有排水比、曝氣時(shí)間和分段進(jìn)水方式。適當(dāng)增大CASS工藝排水比，可減緩反應(yīng)器前一周期對(duì)后一周期進(jìn)水的稀釋作用，從而相對(duì)增加反應(yīng)器內(nèi)碳源濃度；縮短曝氣時(shí)間則可增加反硝化反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)；分時(shí)段進(jìn)水方式與A2O工藝通過(guò)原水碳源分流的方式類似，充分利用原有碳源進(jìn)行反硝化脫氮［7］。王加蒙等［8］采用SBR工藝對(duì)平均C/N為2.9的生活污水進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)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(jìn)水方式下SBR工藝深度脫氮效果，證明了分時(shí)段進(jìn)水可有效提升脫氮效果，但對(duì)不同C/N的污水適用的進(jìn)水方式也不相同。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制曝氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)短時(shí)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(guó)南方某些城市生活污水C/N低于2，針對(duì)此類低C/N比生活污水，更需要充分利用碳源來(lái)提升脫氮效果。因此本研究通過(guò)改變排水比例、曝氣時(shí)長(zhǎng)和分時(shí)段進(jìn)水的方式，探究了CASS工藝對(duì)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(shí)驗(yàn)部分

1.1 原水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)進(jìn)水取自廣東省某城鎮(zhèn)污水廠進(jìn)水井，具體指標(biāo)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(shí)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(rèn)為當(dāng)生物化學(xué)需氧量（BOD）與總氮（TN）比值＞2.86才能實(shí)現(xiàn)硝酸鹽的反硝化作用，而當(dāng)污水BOD/TN＞4時(shí)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(yuǎn)低于我國(guó)常規(guī)城鎮(zhèn)污水處理廠C/N，碳源不足會(huì)嚴(yán)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(shí)驗(yàn)裝置與分析方法

本實(shí)驗(yàn)中，CASS工藝中試裝置處理規(guī)模為40t·d-1。CASS工藝的實(shí)驗(yàn)運(yùn)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(duì)脫氮效果影響；其次，分別將周期內(nèi)的曝氣時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為60min、90min和120min，研究曝氣時(shí)間的影響；最后，研究分時(shí)段進(jìn)水運(yùn)行模式對(duì)脫氮效果的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)行一定時(shí)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(cè)定進(jìn)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(duì)脫氮效果影響

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

圖1 不同排水比的CASS控制時(shí)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(shí)，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(duì)COD去除效果影響較小。污水中有機(jī)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(duì)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(duì)NH4+?N的去除效果，當(dāng)排水比分別為30%、40%和50%時(shí)，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(jiàn)，當(dāng)曝氣量和曝氣時(shí)長(zhǎng)滿足硝化反應(yīng)要求時(shí)，NH4+?N可以被徹底硝化，而排水比例變化對(duì)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(dāng)排水比為30%、40%和50%時(shí)，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(duì)TN平均去除率分別達(dá)到58.3%、78.8%和85.4%。由此可見(jiàn)，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(dāng)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(yùn)行過(guò)程中，上一個(gè)周期未排出的水會(huì)與下一周期的進(jìn)水混合后再進(jìn)行處理，當(dāng)上一周期排水比較大時(shí)，下一周期進(jìn)水量也就會(huì)較大，此時(shí)剩余水的稀釋作用降低，反應(yīng)器內(nèi)污水C/N值相對(duì)較高。通過(guò)對(duì)工況1、2和3的前一個(gè)周期COD和TN去除率計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)排水比分別為30%、40%和50%時(shí)，后一個(gè)周期C/N值分別為1.67、2.06和2.22。由此說(shuō)明增加排水比例可提升進(jìn)水C/N，從而達(dá)到優(yōu)化脫氮效果的目的。對(duì)于本研究而言，即使當(dāng)排水比增加到50%時(shí)，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(shí)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(jìn)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(shí)間對(duì)脫氮效果影響

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

如圖4a所示，當(dāng)曝氣時(shí)長(zhǎng)為60min、90min和120min時(shí)，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(shuō)明曝氣時(shí)長(zhǎng)對(duì)COD去除效果影響不大。這主要是因?yàn)榈吞荚次鬯幚磉^(guò)程中CASS池內(nèi)微生物處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，對(duì)有機(jī)物降解速度較快。對(duì)于NH4+?N去除效果如圖4b所示，當(dāng)曝氣時(shí)長(zhǎng)為60min、90min和120min時(shí)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(jiàn)曝氣時(shí)長(zhǎng)過(guò)大或者過(guò)小時(shí)都會(huì)影響NH4+?N去除效果，曝氣時(shí)間不足則硝化效果不徹底，曝氣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則引起污泥絮體破碎，不利于沉淀，硝化菌流失。程誠(chéng)等［15］通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)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(shí)長(zhǎng)＞排水比＞缺氧攪拌時(shí)間。圖4c反映不同曝氣時(shí)長(zhǎng)下CASS工藝對(duì)TN去除效果。結(jié)果表明，減少曝氣時(shí)長(zhǎng)、即相應(yīng)增加缺氧反應(yīng)時(shí)間并未顯著提升脫氮效果，因此對(duì)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(jìn)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(shí)間變化對(duì)污染物去除效果影響Fig.4 The aeration time on the removal effect of pollutants

2.3 進(jìn)水模式對(duì)脫氮效果影響

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

圖5 不同進(jìn)水模式的CASS控制時(shí)序Fig.5 CASS control sequence for different water inlet modes

如圖6a所示，當(dāng)CASS工藝分別采用“三段進(jìn)水A”和“三段進(jìn)水B”模式運(yùn)行時(shí)，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(jiàn)CASS工藝對(duì)COD去除效果幾乎不受分時(shí)段進(jìn)水影響。但是當(dāng)采用多段進(jìn)水時(shí)，CASS工藝對(duì)NH4+?N去除效果受到影響，“三段進(jìn)水A”和“三段進(jìn)水B”運(yùn)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(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)榉謺r(shí)段進(jìn)水模式下，好氧與缺氧的交替反應(yīng)會(huì)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(shí)段進(jìn)水對(duì)于TN去除有一定提升效果（圖6c），“三段進(jìn)水A”和“三段進(jìn)水B”運(yùn)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(shí)段進(jìn)水目的是采用好氧/缺氧的交替運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)同一周期內(nèi)不同時(shí)序的碳源優(yōu)化分配，當(dāng)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(jìn)入一部分原水至反應(yīng)器內(nèi)，利用新進(jìn)入水中的碳源實(shí)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(shí)段進(jìn)水不如集中進(jìn)水模式下增加排水比，這仍然是原污水C/N過(guò)低的緣故。黃子洪等［17］通過(guò)數(shù)學(xué)模型優(yōu)化的方式采用SBR工藝對(duì)C/N為4.8～5.5的污水進(jìn)行處理，結(jié)果表明分時(shí)段進(jìn)水SBR工藝對(duì)TN去除效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)SBR工藝，但實(shí)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(duì)C/N為3～9的城鎮(zhèn)污水進(jìn)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(shí)驗(yàn)中原水C/N僅為1.8，原水碳源嚴(yán)重不足，因此在分時(shí)段進(jìn)水過(guò)程中，引入碳源的同時(shí)也增加了NH4+?N和TN，尤其是當(dāng)采用三段進(jìn)水B時(shí)，CASS工藝無(wú)法有效去除最后一段進(jìn)水中引入的NH4+?N，從而導(dǎo)致出水NH4+?N濃度升高。因此對(duì)于C/N極低的污水處理，并非增加分時(shí)段進(jìn)水次數(shù)越多，脫氮效果越好。

圖6 分時(shí)段進(jìn)水對(duì)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(jì)算

污水處理過(guò)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(jī)物和氮相關(guān)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)采用國(guó)際水協(xié)（IWA）的推薦值；根據(jù)進(jìn)水和出水TN的差值計(jì)算反硝化TN量，反硝化COD利用系數(shù)采用2.86（gCOD/gTN），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2計(jì)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(jìn)水COD比例約為23.3%～47.7%，此部分COD屬于難降解有機(jī)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(jì)算可知，進(jìn)出水COD總量的差值無(wú)法滿足實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中反硝化所需COD量。付國(guó)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(guò)程為研究對(duì)象，經(jīng)碳源分配計(jì)算發(fā)現(xiàn)，此條件下原水中的碳源可同時(shí)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(wú)法滿足理論計(jì)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(dāng)排水比由30%增加至40%和50%時(shí)，CASS對(duì)TN平均去除率分別為58.9%、78.8%和85.6%，且當(dāng)排水比為50%時(shí)的COD和TN去除效果均較好，此時(shí)進(jìn)水C/N最低，但計(jì)算得到的反硝化碳源缺值也最大，達(dá)到2 546.8gCOD/d。這說(shuō)明在曝氣時(shí)間為120min、排水比為50%的工況運(yùn)行下，原水碳源分配作用較好，同時(shí)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(shí)間的限氧方式并不能節(jié)約碳源消耗，提升TN去除效果，當(dāng)曝氣時(shí)長(zhǎng)分別為60min、90min和120min時(shí)，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(guò)低，碳源可在較短時(shí)間內(nèi)被消耗，且好氧段結(jié)束后剩余的COD為難降解有機(jī)物，難以被反硝化細(xì)菌高效利用。因此對(duì)于本研究中的污水而言，調(diào)整曝氣時(shí)長(zhǎng)并不能有效提升脫氮效果。此外，由于短時(shí)曝氣運(yùn)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(shí)段進(jìn)水的方式對(duì)TN去除有一定提升效果，“三段進(jìn)水A”模式下的TN平均去除率達(dá)到61.2%，但提升效果不如改變排水比明顯?！叭芜M(jìn)水B”模式下運(yùn)行時(shí)，TN平均去除率僅為48%，出水TN平均質(zhì)量濃度達(dá)到18.7 mg·L-1，去除效果仍然較差。通過(guò)上述分析可知，對(duì)原水碳氮比較低的CASS工藝而言，無(wú)論是采用分段進(jìn)水，還是增加缺氧反應(yīng)時(shí)間，均不能有效提升其對(duì)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(shí)間以及進(jìn)水模式對(duì)低C/N污水脫氮效果的影響，實(shí)驗(yàn)主要結(jié)論如下：

（1）實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(guò)調(diào)整缺氧反應(yīng)時(shí)間或是采用分時(shí)段進(jìn)水的方式均無(wú)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(guò)碳源分配計(jì)算可知，即使原水中所含碳源無(wú)法滿足反硝化需求，但當(dāng)工藝控制參數(shù)及時(shí)序得到優(yōu)化時(shí)，CASS工藝可在不外加碳源的前提下發(fā)揮脫氮潛力。當(dāng)排水比為50%時(shí)，出水TN平均質(zhì)量濃度可以達(dá)到6.6 mg·L-1。

作者貢獻(xiàn)說(shuō)明：

龐維海：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和論文修改；

李惠平：實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和論文修改。