水污染是我國一個突出的環境問題，不僅威脅飲用水安全，也影響經濟可持續發展。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，對于降低水污染至關重要。活性污泥處理是目前常用的污水處理技術。作為活性污泥處理工藝的一種，循環式活性污泥法（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、不易產生污泥膨脹等優點，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、水質的變化，從而對污染物的去除效率不穩定，出水水質難以保證[5]；此外，在兼具生物脫氮功能的系統內，生物除磷只能在厭氧、缺氧、好氧環境下才可發生。因此，在CAST工藝在具體應用時需要進一步進行優化。在我國的北方地區，冬季氣溫較低。低溫會導致污泥中微生物數量減少、活性降低、對有機物質分解能力減弱，從而影響污水處理廠對污染物質尤其是含氮污染物質的去除效果。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工藝進行了優化，然后這些多為實驗室研究，很少涉及到實際規模的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模CAST工藝為對象，對其原有工藝進行優化，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的冬季應用提供一些參考經驗。

1 CAST工藝及其優化

1.1 原有工藝

該污水廠的共有4 座CAST反應池，單池規模為55m×25m×5m，實驗期間處理水量50 kt/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 工藝優化

在前期實驗的基礎上，于2012 年對其原有CAST工藝進行優化，具體如下：

（1）在主反應區引入獨立的攪拌。CAST池內設6 臺液下攪拌器（葉輪直徑為370 mm，電機功率為1.5 kW），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，單泵性能參數為：qV=170 m3/h，H=2.5 m，污泥回流時間1.5h，相對優化前延長0.5h。

1.3 水質及分析方法

該污水處理廠主要處理的是工業廢水，COD 為267.0～1 408 mg/L，pH 為6.70～7.00，SS、NH4+-N、TN、TP 的質量濃度分別為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 含量的監測采用WTW340i 多功能在線測定儀。

2 結果與討論

2.1 有機物的去除效果

CAST工藝優化前后的COD 去除效果見圖1。

從圖1 可以看出，優化前后進水的COD 差異不明顯（除12 月3 日外），出水中COD 在優化前后差異也不顯著，由此表明，CAST工藝優化對COD 的去除影響不明顯。優化前后的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工藝優化后，進水的COD 波動較大，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），表明優化后的CAST優化更加穩定。

2.2 NH4+-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。同時也發現，優化前，出水中NH4+-N的質量濃度為6.56～13.78 mg/L，平均9.48 mg/L，在31 d 的實驗期間，僅有3 d 達到GB 18918－2002 排放一級B 要求[11]。表明優化前的CAST工藝在冬季對NH4+-N去除效果不明顯。而在CAST工藝優化后，出水中NH4+-N的質量濃度為1.73～7.71 mg/L，平均4.86 mg/L，全部達到GB18918－2002 一級B 要求，去除率為79.78～95.30%，平均87.05%，相比優化前，提高了15.22個百分點。由此可見，優化后CAST工藝在冬季也能有效的去除NH4+-N，提高了出水水質，降低了溫度對水處理結果的影響。

與NH4+-N一樣，優化后的CAST也提高了TN的去除，見圖3。

從圖3 可以看出，TN 在CAST工藝優化前后進水中的平均質量濃度分別為57.09 和50.94 mg/L，而出水中的質量濃度則分別為26.12 和16.25 mg/L。可見未優化前，出水平均TN 含量沒有達到GB 18918－2002 排放一級B 要求，而優化后達標。從去除率來看，CAST工藝優化后TN 去除率為67.89%，比優化前（54.25%）提了13.65個百分點。盡管CAST工藝優化之后，并沒有極大的降低出水中的TN 及提高其去除率，然而和優化前相比，優化后來出水中的TN 含量達到了GB 18918－2002 排放一級B 要求，表明CAST工藝優化后在TN 的去除上仍取得重要成效，提高了出水水質。

由此可見，CAST工藝優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，氨進一步轉化為硝態氮，然后在缺氧條件下進行反硝化，硝態氮還原為氮氣溢出，從而達到去除氮的目的[12]。在傳統的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，由此能節省部分曝氣量，并且提高系統的TN去除率。此外，在CAST工藝優化過程中，延長了回流時間，可使原水中的碳源得到充分利用，系統反硝化作用得到加強，從而提高氮的去除。

2.3 TP 去除效果

CAST工藝優化前后的TP 去除效果見圖4。

從圖4 可以看出，優化前，進水TP 的質量濃度平均為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%）；優化后，進水TP 的質量濃度平均為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%）。對照GB 18918－2002 可以發現，優化前大部分（65%）未達一級B 標準，而優化后，除了31日外，全部達一級B 標準。優化后，TP 去除率也提高了16.03個百分點。因此，CAST工藝優化之后有效提高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]。根據反硝化除磷原理，聚磷菌在厭氧時利用體內多聚磷酸鹽（P-P）分解產能，攝取水中易降解有機物在體內形成聚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，提高了系統的反硝化性能，降低了回流液中的硝態氮的含量，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。具體參見http://www.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。

3 結論

在主反應區引入獨立的攪拌，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，提高了系統的反硝化性能，因此降低了回流液中的硝態氮的含量，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。