CAST工艺因具有脱氮除磷功能、占地面积小、抗冲击负荷能力强等诸多优势在我国得到广泛应用^[1]。但是一些中小城镇不但生活污水量较少, 且采用雨污合流制市政管网, 造成污水处理厂进水碳源浓度和碳氮比均较低, 给CAST系统的生物脱氮带来很大困难^[2]。这些因素造成部分小城镇市政污水处理厂虽然进水总氮浓度不高, 但出水总氮仍然无法达标的情况出现^[3]。另外, 由于低碳源污水和过度曝气导致部分小型污水处理厂CAST系统污泥浓度过低、长期出水水质不稳定, 急需采用适当措施以保证出水稳定达标^[4]。

　　 通过在CAST池主反应区前段安装固定式填料, 形成一种泥膜共存的复合型CAST改进工艺, 并该新型工艺成功已应用于污水处理厂的实际改造项目中, 取得了良好的运行效果。复合型CAST工艺是活性污泥法和生物膜法的有机结合, 具有防止污泥流失、提高容积负荷、抗冲击能力强等优势。由于安装了适当配比的生物载体, 有效地促进了同步硝化反硝化反应的发生, 显著提高了现有CAST工艺处理低碳源污水时的脱氮能力, 为现有CAST系统的升级改造提供了一条经济有效的新途径^[5,6]。

　　 本文采用复合型CAST改进工艺装置和低碳源实际市政污水进行中试 (处理规模60 m³/d) , 分别考察运行周期、污泥回流比、曝气强度3个关键因素对该系统去除有机质、氮和磷效率的影响, 确定了复合型CAST工艺处理低碳源污水的最佳运行参数, 为该新型工艺的工程应用及高效运行提供技术支持。

　　 试验为中试规模, 处理量为60m³/d, 中试反应装置器安装在大庆市某污水处理厂区预处理间内, 中试反应装置包括生物选择区、预反应区和主反应区, 预反应区和主反应区都设有搅拌器, 预反应区和主反应区的底部均匀布置了曝气盘, 主反应区前段设置了固定式悬挂填料, 污泥回流从主反应区回流至生物选择区, 主反应区在不同滗水高度处设置了3个自动蝶阀, 设定程序使得不同滗水高度时开启对应的蝶阀, 作用相当于滗水器, 中试反应装置采用钢板焊制, 管道由PVC-U管连接, 应用电控系统自动控制中试反应装置的运行, 反应装置可实现24h自动运行。中试装置如图1所示。

　　 试验用水为实际低碳源污水, 取自于大庆市某污水处理厂的沉砂池出水, 具体水质参数见表1。接种污泥来自附近某牛奶厂污水处理站污泥暂存池中的污泥, 该处理站采用UASB-曝气生物滤池工艺, 暂存池中的污泥是二沉池排出剩余污泥, 该污泥活性良好, 污泥接种后经过一段时间的培养驯化, 污泥性能稳定, 出水稳定达标。

　　 COD:快速消解法;SS:重量法;NH₃-N:纳氏试剂分光光度法;TN:过硫酸钾氧化—分光光度法;TP:钼锑抗分光光度法;DO:YSI DO200便携式溶解氧仪。

　　 复合式CAST系统出水水质稳定后, 分别按照表2中A、B和C 3种工况各运行10d, 反应器出水中各污染物浓度如图2所示。

　　 随着曝气时间逐渐延长, 有利于有机物降解和生物硝化过程, 因此出水COD和NH₃-N浓度在A、B、C 3种运行周期条件下逐渐降低。A工况条件下出水氨氮浓度较高, 而B、C工况条件下出水氨氮浓度差异不大, 说明1.5h的曝气周期能够满足复合式CAST系统生物硝化过程的基本要求^[7]。C工况条件下出水总氮浓度明显高于B工况, 说明在进水阶段进行曝气可能会抑制反硝化过程, 从而影响该系统总氮去除效果。因为A工况沉淀时间较长, 所以其出水SS浓度明显低于B、C工况。此外, 复合式CAST系统出水总磷浓度在3种工况下差别不大。

　　 3种工况下各污染物平均出水浓度如图2b所示。尽管A工况条件下反应装置出水SS平均浓度较低, 但出水COD浓度较高。C工况条件下出水COD、NH₃-N和TP浓度较B工况低, 但出水TN和SS浓度高于较B工况;B工况条件下各项污染物的出水浓度均能稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级A标准, B工况较C工况还可以节省部分曝气耗能, 故确定B工况为最佳运行周期。

　　 污泥回流不但能够有效抑制丝状菌生长, 均衡主反应区、生物选择区和预反应区污泥浓度, 而且还可以促进厌氧反硝化和聚磷菌释磷, 因此污泥回流比对CAST工艺脱氮除磷效果影响显著。复合型CAST工艺采用前面确定的最佳运行周期 (进水1h、曝气1.5h、沉淀1h、滗水0.5h) , 进水阶段分别以0、10%、20%和30%4个回流比进行污泥回流, 并在每个污泥回流比条件下稳定运行10d, 考察各污染物去除情况 (见图3) 。4种污泥回流比条件下, 复合型CAST系统对COD平均去除率分别为64.6%、66.7%、8.8%、65.68%, 对SS平均去除率分别为90.52%、91.69%、89.61%、90.65%。结果表明, 此污泥回流比对该系统去除COD和SS的效果无显著影响, 见图3。

　　 污泥回流比对系统氨氮的去除效果影响不大, 氨氮平均去除率均能达到90%以上。复合式CAST反应器总氮去除率随污泥回流比增大而增大, 4种污泥回流比对应的平均总氮去除率分别为32.77%、38.68%、53.13%和55.53% (见图4) 。这是因为污泥回流比愈高, 硝化液和微生物总量回流越多, 生物反硝化脱氮作用得到增强。污泥回流比30%与20%相比, 总氮去除率提高幅度不大, 出水总氮均可达到15mg/L以下。

　　 污泥回流比对复合型CAST系统TP的去除效率影响显著 (见图5) 。4种污泥回流比条件下, 该系统TP平均去除率分别为33.73%、61.19%、82.44%和89.56%。由此可见, TP、总氮平均去除率随污泥回流比增大而增大, 这是因为污泥回流为聚磷菌提供了厌氧环境, 而聚磷菌在缺氧释磷的同时, 摄取有机物储在体内形成PHD, 并在好氧条件下利用PHD产生能量过量吸磷^[4], 因此污泥回流有效的提高了该系统的除磷效果。

　　 由此可见, 尽管4个污泥回流比条件下复合式CAST系统对COD、SS和NH₃-N的去除效果无明显差异, 但污泥回流比越大, TP和TN的去除效果越好。污泥回流比20%条件下, 出水TP和TN均能达到GB 18918-2002一级A标准, 进一步提高污泥回流比TP和TN去除率提高幅度较小, 因此复合型CAST工艺处理该低碳源污水的最佳污泥回流比确定为20%。

　　 在前面所确定的最佳运行周期和污泥回流比条件下, 将复合型CAST反应器内溶解氧浓度分别控制在 (1±0.2) mg/L、 (2±0.2) mg/L、 (3±0.2) mg/L、 (4±0.2) mg/L和 (5±0.2) mg/L范围内并各稳定运行5天, 同步考察不同DO条件下复合式CAST系统对各污染物的去除情况, 结果见图6。该系统COD去除率随DO浓度的增加而升高, 在5个DO浓度条件下COD去除率分别为57.2%、65.8%、69%、72.5%和72.9%, 这是由于有机质的矿化过程主要通过微生物有氧代谢完成的。不过DO对系统SS去除率影响不大, 反应器SS平均去除率分别为90.9%、90.13%、91.59%、91.79%和87.64%。当DO≥5 mg/L时, 过度曝气造成活性污泥絮体松散, 增加了出水SS浓度。

　　 复合型CAST工艺是活性污泥法和生物膜法的有机结合, 其脱氮是由悬浮污泥中的微生物和生物膜上的微生物共同完成的。从图7可以看出溶解氧对氨氮的去除有显著影响。在5个DO范围内, 氨氮的平均去除率分别为41.11%、77.21%、93.19%、95.88%和97.29%。氨氮的去除率随溶解氧的增大而增大, 这表明溶解氧对硝化作用影响显著。复合式CAST系统总氮去除率分别为34.7%、56.0%、54.42%、53.02%和47.27%。溶解氧由1mg/L提高到2mg/L, 总氮的去除率提高了21.45%, 这主要是由于溶解氧的增加有助于硝化反应。当溶解氧由2mg/L提高至5mg/L, 系统总氮去除率却表现出不同程度的下降。这是因为溶解氧的增加使回流液中溶解氧增加, 破坏了反硝化作用的厌氧环境, 同时消耗生物反硝化所需碳源, 从而影响总氮去除效果。由此可知, 溶解氧是影响生物脱氮的关键因素, 溶解氧过低硝化作用受抑制, 溶解氧过高反硝化作用受抑制。

　　 在5种DO浓度的条件下, TP的平均去除率分别为64.74%、82.51%、82.94%、81.72%和80.75% (见图8) 。可以看出DO=1 mg/L时, TP去除率较低, 但是当DO≥2mg/L时, DO对TP的去除效果无显著影响, 说明此时DO不再是聚磷菌好氧吸磷过程的限制因素。当溶解氧控制在2~3mg/L, 复合型CAST系统出水COD、SS、TP、氨氮和总氮均能达到GB 18918-2002一级A标准。曝气阶段DO浓度过高不仅增加能耗、影响脱氮效果, 而且容易导致污泥解体。采用复合型CAST工艺处理低碳源污水式应严格控制系统DO水平。

　　 综合考虑污染物去除效果和节能降耗两个方面, 复合型CAST工艺处理低碳源污水的最佳运行工况为:进水1h、曝气1.5h、沉淀1h、滗水0.5h, 污泥回流比20%, DO浓度2~3 mg/L。该系统的脱氮除磷效能在此运行工况条件下得到有效发挥, 出水中各项污染物浓度均能稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级A标准。复合型CAST工艺能够有效解决低碳源污水的脱氮除磷问题, 为现有CAST工艺的升级改造提供了一种高效低成本的解决途径。