基于CAST工艺处理小城镇污水的运行模式优化研究

论文导读:：针对万盛污水处理厂在常温运行期间进水低污染物浓度、低C/N、运行能耗偏高等问题进行运行模式的优化研究。结果表明采用循环周期为4h的梯级非限制性曝气模式，即曝气/进水前1h控制DO<1mg/L，后1h控制DO=2~3mg/L，沉淀1h，滗水1h，可在保证COD和NH₃-N去除效果的同时，使TN去除效果比设计模式提高15%，同时通过相应的曝气系统调整，可使运行能耗降低25%。
论文关键词：CAST，运行模式，脱氮，节能

 

在我国城市污水厂通常与排水管网的铺设同期进行或按城市规划中远期进行建设，因此污水厂建成后所接纳的水量、水质会与设计值存在一定差异，而且这种差异往往在污水厂运行初期较为明显。同时小城镇污水厂具有进水水质水量随季节变化明显的特点。这都要求污水厂在运行中需要根据实际条件进行运行模式与参数的调整，以实现最佳的处理效能和能耗的节约。作为一种SBR的变型，CAST工艺不但继承了其耐冲击负荷强、运行方式灵活、能耗低等特点，而且进一步强化了抗污泥膨胀和脱氮除磷性能，使其成为了适合我国国情，特别是水质、水量变化较大的小城镇的污水处理技术^[1,2]。但CAST工艺在我国的研究尚处于发展完善阶段，虽然在国外的应用积累了较多经验，但其运行条件和客观环境与我国实际存在较大差别，难以直接借鉴^[3,4]。本文以重庆市万盛污水厂为研究对象，在常温较低污染物浓度、低C/N条件下进行了运行模式调控研究，在提升脱氮效果的同时大幅度的降低了运行能耗。

1 工程概况

1.1 工艺流程

万盛污水处理厂位于重庆市万盛区万东镇，占地约3ｈa，总设计处理能力为5×10⁴m³/d，服务人口约15万。一期工程处理能力2×10⁴m³/d于2007年3月建成投入使用，主体采用CAST工艺，生物脱氮，生物辅以化学除磷。工艺流程见图1。

图1 万盛污水厂工艺流程

Fig.1 Flow chart of treatment process of

Wansheng WWTP

CAST生化池按近期规模2×10⁴m³/d进行设计，分为两组４个池子，单池尺寸为30ｍ×18ｍ×6.8ｍ，有效水深为5.8m；生物选择区容积为282m³，主反应区容积为2850m³；最大滗水深度为1.6ｍ；充水比为0.2~0.2.8；SRT为18ｄ节能减排论文，HRT为14ｈ；设计循环周期为4h，其中进水/曝气2h、沉淀1h、滗水1h。

1.2 水质水量

表1为万盛污水厂的设计进出水水质。

表1 设计进出水水质

Tab.1 Design quality of influent and effluent

Mg.L^-1

由于污水厂收集区域内采用合流制排水体系且内无大型工矿企业，所以该厂进水水质、水量随季节变化明显。采集2007年12月至2008年11月的数据分析，夏季平均水量接近1.7×10⁴m³/d，比冬季平均水量高约60%。图2为进水水质的逐月变化曲线核心期刊。

图2 研究期间进水水质的逐月变化

Fig.2 Variation of influent quantity eachmonth during experimental period

可知冬、春季污染物浓度较高，夏、秋季污染物浓度较低；进水BOD₅/COD在0.4~0.7范围内波动，可生化性较好；BOD₅/TN绝大部分低于3.5，BOD₅/TN过低会直接影响系统的脱氮效果。

2 运行模式调控研究

2.1 运行模式安排

研究时间为2008年5~8月。根据万盛污水厂在常温运行期间进水低污染物浓度、低C/N，运行能耗较高等问题，选用了三种循环周期均为4h的运行模式进行研究。其中A模式为设计运行模式；B模式将曝气时间缩短为1.5h，在进水0.5h后开始曝气，属半限制性曝气方式；C模式将曝气分为两段，前1h微曝，控制DO在1mg/L以下，后1h正常曝气，因其DO值在两个阶段分别控制在不同梯度，将其称为梯级非限制性曝气方式。除运行模式不同外，其余运行条件基本相同，DO控制在2~3mg/L，MLSS为3.5~4.5 g/L，充水比0.24~0.28，污泥龄20~25d，水温23~28℃。

2.2 采样与分析方法

工艺运行模式研究的进、出水水样为全天混合水样，每小时由自动取样机取样保存。进水取样点位于进水细格栅处，出水取样点为接触消毒池末端。污染物周期变化取样点位于CAST生化池中部固定位置，从0min开始，每30min取样一次。每天所取水样经预处理后置于0~4℃冰箱内保存，待当天取样完成后统一测定。分析测试按照国家环保部编写的《水和废水监测分析方法》一书中规定的标准方法进行。

2.3各模式污染物去除效果分析

2.3.1对COD去除效果

三种模式下的COD去除效果如图3所示。

图3 各运行模式下COD去除效果

Fig.3 COD removal performance of eachoperation modes

由此可以看出，尽管各模式下的进水COD浓度波动较大，出水却保持相对稳定，均低于30mg/L，这是由于CAST工艺具有完全混合反应器的特点，具有较强的抵抗有机物冲击负荷能力。然而三种运行模式下的COD平均去除率存在一定差别，分别为89.4%、83.0%和84.8%，分析认为COD的去除效果与曝气时间和曝气强度密切相关，随曝气时间和曝气强度的增加，COD去除效果提高。

2.3.2对NH₃-N去除效果

三种运行模式下的NH₃-N去除效果见图4。

图4 各运行模式下NH₃-N去除效果

Fig.4 NH₃-N removal performanceof each operation modes

三种模式下的NH₃-N平均去除率分别为89.7%，81.3%和83.2%。由此可见NH₃-N去除效果与好氧时间和强度密切相关，好氧时间越长，曝气强度越大（在一定合理范围内），NH₃-N去除率就越高。但三种模式的去除率相差不大，均能取得满意的硝化效果，分析原因如下：①试验期间水温均保持在20℃以上，处于适宜于硝化反应的温度范围，硝化菌活性高，处理效果好。②调控期间进水氨氮浓度相对较低，所以适当的降低曝气时间和曝气强度也能取得较好的硝化效果。③进水有机物浓度普遍较低节能减排论文，从而有利于降低系统的污泥负荷和污泥产率，延长系统的污泥龄，更利于世代期较长的硝化菌的生长。同时CAST工艺具有完全混合式反应器的特点，污水进入生化池很快被稀释、反应，使生化池内的有机物浓度始终处于较低水平，基本上不存在异养微生物与硝化菌的优势竞争问题，氨氮能够被硝化菌充分降解。

2.3.3对TN去除效果

三种运行模式下的TN去除效果见图5。

图5 各运行模式下TN去除效果

Fig.5 TN removal performance of eachoperation modes

可见运行模式对TN去除效果的影响十分明显。A、B模式的TN平均去除率相对较低，分别为39.8%和43.3%，主要原因是调控期间进水BOD₅/TN较低，普遍在3以下，虽然系统的硝化效果较好，但碳源不足成为了影响脱氮的限制性因素，从而影响了系统的最终脱氮效果。C模式TN平均去除效果明显优于A、B模式，达到54.9%，主要有以下原因：①C模式采用梯级非限制性曝气方式，将曝气过程分为两段，前一个小时为微曝阶段，DO保持在1mg/L以下。在此阶段，较低的DO有利在生化池内形成局部缺氧/厌氧的宏观环境和在菌胶团内部、外部形成缺氧/好氧的微观环境，强化了同时硝化反硝化作用，将上一周期滗水后残余的和本周期初期生成的硝态氮高效去除。②微曝时较低的DO也有利于减缓系统中碳源物质的好氧消耗速度，将进水中更多的碳源用于反硝化，部分缓解了反硝化的碳源不足问题。③后一个小时正常曝气阶段控制DO在2~3mg/L，可以保证系统硝化反应的正常进行，并使DO在沉淀阶段迅速降低，以便发生顺序式反硝化。图6为C模式下一个周期内的氮形态变化规律核心期刊。

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