CASS工藝改進(jìn)及對城鎮(zhèn)污水含氮污染物的去除

鄭麗麗，劉 闖，王 倩，李肖燕，馬莉萍，梁文艷

（1.北京中鐵生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)院有限公司，北京 102600；2.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600；3.北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

城鎮(zhèn)污水中TN的去除是污水治理的重難點(diǎn)，污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高也要求污水處理廠提升對含氮污染物的處理能力。傳統(tǒng)的周期循環(huán)式活性污泥法（CASS）工藝因占地面積小、運(yùn)行成本低且可自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)而廣泛用于城鎮(zhèn)污水處理〔1〕。然而，城鎮(zhèn)污水普遍存在碳源不足的問題，導(dǎo)致CASS工藝難以實(shí)現(xiàn)高效脫氮〔2〕。隨著出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，有必要開發(fā)高效的生物脫氮系統(tǒng)。

改變傳統(tǒng)工藝的運(yùn)行方式，優(yōu)化工藝控制參數(shù)，提高CASS工藝的脫氮能力等方法引起研究人員的關(guān)注。CASS反應(yīng)器可根據(jù)污水水質(zhì)的要求，改變進(jìn)水、曝氣、沉淀等階段的時(shí)間，迅速實(shí)現(xiàn)好氧、缺氧、厭氧條件之間的轉(zhuǎn)換，提高污染物的去除效率〔3〕。對于同一種序批式污水處理工藝，不同循環(huán)周期下的脫氮效果也有較大差異〔4〕。曝氣時(shí)間是污水處理工藝運(yùn)行中的最主要影響因素之一，曝氣量會(huì)影響氨氮的去除和反硝化處理效果。王加蒙等〔5〕采用序批式活性污泥（SBR）工藝處理生活污水，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，進(jìn)而提高脫氮效果。排水比和回流比也是影響CASS工藝處理效果的重要因素，排水比過大會(huì)對工藝內(nèi)部系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊，回流比例偏小影響反硝化作用，而排水比太小或回流比例過大會(huì)增加工藝運(yùn)行成本〔6〕。

硝化液回流可將污水中的碳源優(yōu)化分配至不同處理階段，增強(qiáng)反硝化能力，強(qiáng)化脫氮去除能力。此外，由活性污泥法和生物膜法構(gòu)成的生物膜與活性污泥復(fù)合工藝也可提高系統(tǒng)的脫氮能力〔7〕。趙亮等〔8〕在CASS池內(nèi)投加PVA懸浮填料，研究結(jié)果表明，添加填料后CASS工藝的氨氮去除能力明顯提升。李濟(jì)源等〔9〕在傳統(tǒng)CASS工藝中添加一種人工合成填料處理酒精廢水，當(dāng)填料填充比為30%、循環(huán)周期為6 h時(shí)，對氨氮的去除率高達(dá)96.51%，TN去除率也達(dá)到88.81%，顯著高于傳統(tǒng)CASS工藝。Sen YANG等〔10〕發(fā)現(xiàn)，固定生物膜活性污泥系統(tǒng)（IFAS）-SBR組合工藝對TN的去除效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)SBR工藝。

筆者在CASS中添加硝化液回流和生物填料開發(fā)了CASS回流工藝（RCASS）與CASS復(fù)合生物膜工藝（IFAS-CASS），比較了CASS、RCASS、IFAS-CASS工藝的處理效果，分析了2種CASS改進(jìn)工藝的強(qiáng)化作用，研究并確定了RCASS和IFAS-CASS的最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)，并對3種工藝的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用水采用人工配水模擬生活污水，COD、TP、NH4+-N、TN分別約為350、4、40、50 mg/L，組成為C6H12O6（333.3 mg/L）、KH2PO4（17.5 mg/L）、NH4Cl（152.8 mg/L）、NaNO3（61.2 mg/L），適當(dāng)添加部分微量元素。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，尺寸為40 cm×20 cm×30 cm，主體為有機(jī)玻璃材質(zhì)，有效容積14 L。生物選擇區(qū)、預(yù)反應(yīng)區(qū)和主反應(yīng)區(qū)的容積比為2∶3∶15，生物選擇區(qū)設(shè)有攪拌裝置。RCASS工藝中增加了硝化液回流管道。IFAS-CASS工藝中關(guān)閉硝化液回流，添加1/3體積的聚氨酯（PU）海綿填料，填料尺寸為10 mm×10 mm×10 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

向CASS反應(yīng)裝置加入3 L污水處理廠好氧活性污泥（MLSS為1 350 mg/L），以20 mL/min的流速泵入模擬污水，在溶解氧為2～4 mg/L、排水比為100%的條件下啟動(dòng)。運(yùn)行20 d后出水水質(zhì)穩(wěn)定，反應(yīng)裝置啟動(dòng)完成。CASS的循環(huán)周期為24 h，進(jìn)水階段為6 h。

RCASS工藝的啟動(dòng)中，硝化液回流比為20%；IFAS-CASS工藝啟動(dòng)中，硝化液不回流，在裝置主反應(yīng)區(qū)添加聚氨酯海綿填料，填料與主反應(yīng)區(qū)的體積比為1∶3。IFAS-CASS循環(huán)周期為12 h，進(jìn)水階段設(shè)計(jì)時(shí)間為4 h，污水流量為35 mL/min，其他啟動(dòng)條件與CASS工藝一致。當(dāng)出水濃度趨于穩(wěn)定時(shí)，可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)裝置啟動(dòng)成功。研究循環(huán)周期、曝氣時(shí)間、硝化液回流比對RCASS工藝運(yùn)行效能的影響；研究循環(huán)周期、曝氣時(shí)間、排水時(shí)間對IFAS-CASS工藝處理效果的影響；測定反應(yīng)器活性污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)。在每個(gè)周期的進(jìn)水階段和排水階段取樣，測定COD和TN。

1.3 分析方法

COD用快速催化消解法（HJ/T 399—2007）測定，TN用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894—1989）測定，NH4+-N用水楊酸分光光度法（GB 7479—1987）測定，DO用便攜式溶解氧儀測定。微生物群落組成采用MiSeq高通量測序技術(shù)進(jìn)行研究：分別取活性污泥樣品和聚氨酯海綿填料水洗液于50 mL離心管中，離心速度5 000 r/min，離心時(shí)間15 min，將底部活性污泥置于冰箱-20℃冷凍層保存，污泥樣本送至上海美吉生物有限公司進(jìn)行測序。

2 結(jié)果與討論

2.1 循環(huán)周期對強(qiáng)化去除污染物的影響

分別設(shè)置循環(huán)周期為6、8、12、24 h（見圖2），研究不同循環(huán)周期條件下3種工藝對污染物的去除效果，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程3種工藝的污泥質(zhì)量濃度分別達(dá)到2 800、2 900、3 100 mg/L，結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同循環(huán)周期的一周期內(nèi)運(yùn)行過程Fig.2 Operation process of one cycle in different cycle periods

由圖3（a）可知，實(shí)際運(yùn)行時(shí)3種工藝DO均在2.5～3.2 mg/L波動(dòng)，充足的溶解氧為好氧微生物提供了好氧環(huán)境，保證硝化作用的順利進(jìn)行。由圖3（b）可以看出，COD去除率由高到低依次為RCASS>CASS>IFAS-CASS。3種工藝對COD的去除率隨循環(huán)周期的增加而增大，循環(huán)周期為24 h時(shí)，平均去除率均高于90%。

圖3 不同循環(huán)周期下3種工藝的DO變化（a）和COD處理效果（b）Fig.3 DO changes（a）and COD treatment effects（b）of three processes under different cycle periods

循環(huán)周期對RCASS工藝的影響最大，循環(huán)周期為6、8、12、24 h時(shí)，COD平均去除率分別為92.25%、92.3%、94.35%、94.56%，且在12、24 h時(shí)，出水COD低于20 mg/L，優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)要求。由于有機(jī)物可通過硝化液的回流而被更好地降解利用，因此在所有循環(huán)周期中RCASS出水COD均低于CASS出水〔11〕。但對于IFAS-CASS工藝，出水中的COD均高于CASS工藝，說明添加填料后對COD的降解能力有所減弱。這是因?yàn)镻U內(nèi)部易形成厭氧區(qū)，當(dāng)水力停留時(shí)間較短時(shí)，COD不能作為碳源被充分利用。此外，1/3的填料填充比對中小型CASS裝置而言比例較大，導(dǎo)致填料在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)程度不高〔10〕，影響了氧的傳遞和利用〔12〕，進(jìn)而影響COD的進(jìn)一步降解。

3種工藝對TN和氨氮的去除率由大到小依次為IFAS-CASS>RCASS>CASS（見圖4）。出水總氮和氨氮均隨循環(huán)周期的延長而降低，其中IFAS-CASS降幅最明顯。循環(huán)周期從6 h增加到24 h時(shí)，IFAS-CASS出水TN下降了73.7%，低至4.65 mg/L，而CASS只降低了16.7%。8 h時(shí)IFAS-CASS出水TN就能達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理一級A標(biāo)準(zhǔn)要求，而RCASS需要24 h。循環(huán)周期為6、8 h時(shí)，IFAS-CASS出水氨氮平均分別為2.89、1.22 mg/L；循環(huán)周期為24 h時(shí)，RCASS和IFAS-CASS出水中的氨氮幾乎一致，結(jié)果表明對于氨氮的處理，采用IFASCASS工藝可以明顯縮短處理周期。

圖4 不同循環(huán)周期下3種工藝對TN（a）和NH3-N（b）的處理效果Fig.4 TN（a）and NH3-N（b）treatment effects of three processes under different cycle periods

IFAS-CASS內(nèi)填料的孔隙結(jié)構(gòu)為功能微生物的生長提供了所需的微氧環(huán)境〔13〕，創(chuàng)造了同步硝化反硝化的條件〔14〕，可強(qiáng)化TN和氨氮的去除。在懸浮污泥與填料微生物的共同作用下，IFAS-CASS對總氮的去除效果更顯著。實(shí)驗(yàn)中IFAS-CASS出水氨氮始終維持在較低水平，說明添加聚氨酯海綿填料后，系統(tǒng)內(nèi)世代生長周期較長的硝化細(xì)菌含量有所增加。循環(huán)周期延長后，功能微生物與污水中污染物的接觸時(shí)間也有所增加，而CASS與RCASS中沒有大量剩余碳源支撐反硝化反應(yīng)進(jìn)行，因此其總氮去除效果隨循環(huán)周期的增幅較小。而IFAS-CASS的反硝化作用發(fā)生在整個(gè)周期內(nèi)，即使沒有充足的碳源，IFAS-CASS內(nèi)填料中的自養(yǎng)反硝化菌也能進(jìn)行脫氮，自養(yǎng)反硝化菌〔15〕和厭氧氨氧化細(xì)菌〔10〕強(qiáng)化了脫氮效果。此外，循環(huán)周期延長使IFAS-CASS的傳質(zhì)效率大幅提高，系統(tǒng)內(nèi)反硝化細(xì)菌對污染物的降解發(fā)揮了更大作用。

2.2 曝氣時(shí)間對強(qiáng)化去除污染物的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇循環(huán)周期為8 h，考察曝氣時(shí)間分別為4、5、6 h時(shí)2種 改進(jìn)CASS工藝的處理效果，其運(yùn)行過程如圖5所示，對COD和TN的去除效果見圖6。

圖5 不同曝氣時(shí)間下的運(yùn)行過程Fig.5 Operation process with different aeration time

如圖6（a）所示，RCASS對COD的去除效果高于IFAS-CASS，硝化液回流大大提高了對COD的處理效能。2種CASS改進(jìn)工藝均有一定抗沖擊負(fù)荷能力，在研究的曝氣時(shí)間下對COD去除效果均較好，RCASS的COD去除率高達(dá)95%，IFAS-CASS的去除率達(dá)到90%左右，且出水COD<50 mg/L，能夠滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)要求。在改進(jìn)的CASS反應(yīng)器中，較少的曝氣時(shí)間就能保證COD的去除。

圖6（b）中，不同曝氣時(shí)間下IFAS-CASS對TN的去除效果都好于RCASS：曝氣時(shí)間為4、5、6 h時(shí)，RCASS中的出水TN平均分別為16.0、17.9、18.3 mg/L，而IFASCASS的出水TN平均分別低至13.6、14.2、14.8 mg/L。對于IFAS-CASS，曝氣時(shí)間為4 h時(shí)的TN去除效果優(yōu)于其他曝氣條件，這是因?yàn)槠貧鈺r(shí)間為4 h時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生反硝化作用的缺氧環(huán)境存在時(shí)間相對較長。RCASS有類似情況，當(dāng)曝氣時(shí)間延長至5、6 h時(shí)，出水TN升高，原因在于進(jìn)入沉淀階段系統(tǒng)內(nèi)沒有充足碳源支撐反硝化作用的進(jìn)行。

圖6 不同曝氣時(shí)間下2種改進(jìn)工藝對COD（a）和TN（b）的處理效果Fig.6 Treatment effects of COD（a）and TN（b）in two improved processes with different aeration times

2.3 排水比對強(qiáng)化去除污染物的影響

在循環(huán)周期為8 h、曝氣時(shí)間為4 h的條件下，設(shè)定排水比分別為30%、50%、90%，考察2種改進(jìn)CASS強(qiáng)化去除污染物的效果，結(jié)果見圖7。

由圖7（a）可見，IFAS-CASS對COD的去除效果略低于RCASS，排水比為30%、50%、90%時(shí)，IFAS-CASS出水COD平均分別為26.4、28.4、30.0 mg/L，而RCASS出水COD均<25 mg/L。COD去除率隨排水比例的增加而下降，是因?yàn)榕潘容^小時(shí)，COD的去除得益于裝置中上一周期污水的稀釋作用；排水比較大時(shí)，裝置內(nèi)的污泥可能流出，從而影響出水水質(zhì)。

圖7不同排水比下2種改進(jìn)工藝對COD（a）和TN（b）的處理效果Fig.7 Treatment effect of COD（a）and TN（b）in two improved processes with different drainage ratios

圖7 （b）中，不同排水比下，IFAS-CASS對TN的處理效果均優(yōu)于RCASS。排水比為30%、50%、90%時(shí)，IFAS-CASS出水TN平均低于15 mg/L，均能滿足一級A標(biāo)準(zhǔn)要求，而RCASS尚不能達(dá)標(biāo)。在2種CASS改進(jìn)工藝中，出水TN均隨排水比的減小而降低，并隨排水比的改變在小范圍內(nèi)變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，排水比較小時(shí)污水在裝置內(nèi)的停留時(shí)間增加，污染物能與微生物充分接觸進(jìn)而被去除。

2.4 回流比對污染物強(qiáng)化去除的影響

在循環(huán)周期為8 h、曝氣時(shí)間為4 h的條件下，研究回流比為20%、35%、50%時(shí)RCASS對污染物強(qiáng)化去除的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硝化液回流比為20%、35%、50%時(shí)，出水COD平均為24.5、23.8、23.8 mg/L，COD平均去除率分別為92.48%、92.62%、92.59%?？梢钥闯稣{(diào)節(jié)硝化液回流比后RCASS工藝對COD的處理效果差異不大，出水COD均低于25 mg/L，滿足一級A標(biāo)準(zhǔn)要求?；亓鞅葹?0%時(shí)，COD處理效果相對較差，回流比越大COD的處理效果越好，說明提高硝化液回流比可增加COD去除量，但整體上COD的去除受回流比影響較小。

硝化液回流比為20%、35%、50%時(shí)，出水TN平均為16.5、15.5、14.8 mg/L，平均去除率分別為68.12%、70.23%、72.09%。隨著硝化液回流比的增加，RCASS對TN的去除能力逐漸增加。回流比為50%時(shí)，出水中的TN低于一級A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的15 mg/L。反應(yīng)器內(nèi)回流比例較高時(shí)，更多的硝化液回流至缺氧區(qū)相對豐等，反硝化作用加強(qiáng)，TN的處理效果提升。

2.5 微生物群落特征變化

為了解3種CASS工藝中微生物群落結(jié)構(gòu)，對IFAS-CASS填 料和污泥、CASS污泥和RCASS污 泥4個(gè)樣本進(jìn)行分析，見圖8。

圖8 不同反應(yīng)器的細(xì)菌門分類水平群落結(jié)構(gòu)Fig.8 Community structure of bacterial phylum classification levels in different reactors

由圖8可見，4種樣品共有24個(gè)菌門，主要包括Actinobacteria（放線菌門）、Proteobacteria（變形菌門）、Bacteroidetes（擬桿菌門）、Firmicutes（厚壁菌門）、Chloroflexi（綠彎菌門）、Acidobacteria（酸桿菌門）、Chlorobi（綠菌門）、Nitrospirae（硝化螺旋菌門）、Gemmatimonadetes（芽 單 胞 菌 門）、Parcubacteria、Planctomycetes（浮霉菌門）、Verrucomicrobia（疣微菌門），可以看出不同樣品在門水平上的優(yōu)勢物種可能相同，但相對豐度存在明顯差異〔16〕。Saccharibacteri菌門是目前細(xì)菌群落中最大的菌門，在污水中大量存在。Saccharibacteri在降解各種有機(jī)物，尤其是糖類化合物中起到重要作用〔17〕。RCASS工藝中Saccharibacteri含量最高，而在IFAS-CASS中其含量最低。在改進(jìn)的CASS中Proteobacteria（變形菌門）和Bacteroidetes（擬桿菌門）豐度增加，說明增加硝化液回流和填料對提高生物群落多樣性起到促進(jìn)作用，也促進(jìn)了有機(jī)物的降解。放線菌門可將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為N2O，促進(jìn)系統(tǒng)中氮的轉(zhuǎn)化與降解。變形菌門是細(xì)菌中最大的一門，營兼性厭氧及異養(yǎng)生活有利于水中氮的去除。IFAS-CASS中的Actinobacteria和Proteobacteria豐度要高于CASS和RCASS，因此IFAS-CASS可以更好地強(qiáng)化去除含氮污染物。

在4種樣品中均檢測到Nitrospirae（硝化螺旋菌門），其中的Nitrospira（硝化螺旋菌屬）是常見的硝化細(xì)菌，其在脫氮過程中扮演重要角色，是污水處理過程中不可或缺的微生物〔18〕。Planctmycetes（浮霉菌門）內(nèi)包含厭氧氨氧化細(xì)菌，其作用是促使氨氮與亞硝態(tài)氮發(fā)生反應(yīng)直接生成氮?dú)猓瑢⒌獜南到y(tǒng)內(nèi)去除。

3 結(jié)論

（1）RCASS和IFAS-CASS均 有 強(qiáng) 化CASS去 除總氮的能力。IFAS-CASS中添加填料，減弱了COD的降解能力，卻更有利于總氮的去除。當(dāng)循環(huán)周期為24 h、進(jìn) 水TN為50 mg/L時(shí)，CASS的 出 水TN為20.8 mg/L，而RCASS和IFAS-CASS出 水TN分 別 低至14.8、4.65 mg/L。

（2）各工藝的處理效果均隨循環(huán)周期的延長而增加；曝氣時(shí)間對COD的去除效果影響較小，曝氣時(shí)間增加會(huì)增加出水中的TN。較小的排水比更利于改進(jìn)工藝對COD和TN的去除?；亓鞅仍黾涌纱龠M(jìn)RCASS對COD和TN的去除，回流比為50%時(shí)出水COD和TN分別為23.8、14.8 mg/L。在最優(yōu)運(yùn)行條件下，CASS改進(jìn)工藝能夠發(fā)揮最佳處理作用，強(qiáng)化TN的去除。