階段時間對CMICAO工藝低溫運行特性的影響

摘 要：研究了低溫下多點交替進水階式A2/O（CMICAO）工藝階段運行時間對污染物去除率的影響，探討了DO、ORP以及pH狀態參數與污染物去除率之間的關系。結果表明，水溫8～10 ℃，泥齡13 d，水力停留時間16 h，污泥濃度2 680～3 560 mg/L，污泥回流比30%，階段1至6的運行時間為3、2.5、2、3、2.5、2 h時，工藝出水TN、氨氮、NO3--N和TP濃度的平均值分別為10.1、11、74和08 mg/L。硝化反應結束時，pH由下降轉為上升，ORP上升趨于平緩，DO上升趨緩；反硝化結束時，ORP曲線明顯跌落，pH由上升趨于平緩并略有下降；釋磷結束后ORP曲線由下降趨于平緩。降低前好氧池DO濃度，有助于同步硝化反硝化作用的發生，從而提高脫氮效率，節省能耗。

關鍵詞：多點交替進水階式A2/O （CMICAO）工藝；硝化；反硝化；污水處理

中圖分類號：X703.1 文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2013）02011806

多點交替進水階式A2/O工藝（Commutative multiinfluent cascade A2/O，CMICAO）是東南大學借鑒UNITANK與A2/O工藝的優點，基于傳統的生物硝化反硝化脫氮、好氧吸磷、厭氧釋磷原理，應用同步硝化反硝化、反硝化除磷等氮磷去除技術，研發的新型生活污水活性污泥脫氮除磷工藝[12]。該工藝在常溫下的除磷率和脫氮率分別達到90%和74%以上[1]，但實際進水水質波動較大，在低溫下未實現高效脫氮除磷。

朱光燦，等：階段時間對CMICAO工藝低溫運行特性的影響

pH、ORP（OxidationReduction Potential）、DO（Dissolved Oxygen）以及OUR（Oxygen Uptake Rate）等控制參數通常用于營養物的生物去除過程[3]。通過監測這些控制參數，可以確定硝化和反硝化過程的終點[49]。Wang等[10]報道ORP、pH及DO的變化與營養污染物中的動力學變化有極好的相關性，因此可采用實時控制技術根據進水水質和反應進程進行自動調整，實現工藝的優化運行。

CMICAO工藝的各反應池從階段1至階段6執行不同功能[1]，氮磷去除效果受階段運行時間變化的影響較大，筆者研究低溫下階段運行時間的優化設置，探討各階段各反應池水質變化與pH、ORP、DO等狀態參數的相關性，尋找各階段反應始末對應的環境變量特征點，提出適合本工藝的優化控制策略，實現有效脫氮除磷。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗用水與裝置

試驗用水取自常州市清潭污水處理廠進水集水井，COD、TN、氨氮和TP濃度分別為163.2～382.7、34.0～57.9、25.2～42.1和2.6～4.8 mg/L。

試驗裝置如圖1，5個反應池容積均為47 L。裝置運行由PLC控制，分上下2個對稱的半周期，分別由階段1至3和階段4至6組成[1]。

1.2 實驗方法

實驗條件：水溫8～10℃，水力停留時間16 h，泥齡13 d，氣水比24，污泥濃度2 680～3 560 mg/L，污泥回流比30%。采用所設置的階段運行時間（見表1），研究其對污染物去除率的影響，以及水質參數變化與狀態參數變化的相關關系。每次調整實驗方案，待系統運行穩定后，每隔30 min取各池混合液，用0.45 μm濾膜過濾后測定TN、氨氮、NO3--N和TP，分析水質隨階段1運行時間的變化，并記錄各池DO、ORP、pH的變化。

1.3 分析方法

分析項目有COD、BOD5、TN、TP、氨氮、NO3--N、NO2--N、MLSS，采用國家標準分析法測定[11]；DO 采用便攜式溶氧儀（DO24P， DKKTOA Co.， Japan）測定，ORP、pH采用便攜式pH、ORP測量儀（HM21P， DKKTOA Co.， Japan）測定。

2 結果與分析

2.1 階段1和階段4運行時間優化

1#池在階段1進水、缺氧反硝化。如圖2（a）所示，由于初始DO濃度高，發生硝化作用，氨氮上升較慢。當DO降到0.5 mg/L以下，氨氮上升趨勢快于TN，且NO3--N濃度急劇下降，反硝化作用明顯，并產生堿度，硝態氮被還原為氮氣，pH曲線緩慢上升；反硝化結束時，NO3--N與pH變化趨于平穩，同時ORP明顯跌落。由1#池階段1運行曲線可知，1#池完成反硝化功能適宜的運行時間為150～180 min。

2#池在階段1進水、厭氧釋磷。如圖2（b）所示，2#池進入階段1后，DO始終為0，ORP下降并保持在-100 mV以下，釋磷過程中ATP在有關酶的催化下水解生成ADP，放出H3PO4和能量。階段末TP濃度穩定在6 mg/L左右，釋磷結束，ORP曲線下降趨緩。由2#池階段1運行曲線可知，2#池完成釋磷功能較為適宜的運行時間為120～150 min。

3#池在階段1的功能是好氧硝化及去除有機物。如圖2（c）所示，在起始60 min內TN下降，氨氮也快速下降，發生同步硝化反硝化過程[1214]。之后由于2#池進水流入3#池，TN逐漸回升。但120 min后2#池TN、氨氮濃度仍不斷提高，而3#池氮的3項指標基本保持穩定，說明階段1后期進入的氮基本是通過同步硝化反硝化作用去除的。100 min左右NO3--N曲線上升趨緩，TP曲線下降趨緩，硝化和吸磷結束，pH曲線由下降轉為逐漸上升，同時ORP和DO由上升趨于平穩。若以3#池完成硝化和吸磷為標準，階段1的運行時間為90～120 min。

4#池在階段1功能是進一步缺氧反硝化。DO為0.5 mg/L左右時，4#池硝化作用很弱，故4#池TN和氨氮濃度的同時降低主要是由于3#池推流進水的稀釋作用，而非同步硝化反硝化作用。由于3#池推流進水中NO3--N 濃度后期穩定在6 mg/L以上，且回流污泥帶入大量NO3--N，而4#池中NO3--N 濃度變化很小，故4#池中存在較強的反硝化作用。4#池ORP在階段一持續穩定下降，缺氧條件較好。

綜合考慮階段1各池功能，并附加30 min左右的保護時間應對水質變化，在試驗水質條件下，階段1、階段4較為適宜的階段運行時間為3 h。

2.2 階段2和階段5運行時間優化

1#池在階段2的功能為進水、厭氧釋磷。如圖3（a），DO保持為0，厭氧環境好，120 min TP曲線上升趨緩，基本完成釋磷，ORP曲線由下降轉為平緩，可作為釋磷完成的標志。若以1#池釋磷結束為功能完成標志，階段2的時間應為120～150 min。

2#池在階段2的功能為好氧硝化、去除有機物。在120 min前氨氮和TN濃度均迅速下降，如圖3（b），且2#池中無TN積累，說明DO較高時仍可去除部分TN。故本工藝發生的同步硝化反硝化作用一方面可能是由于DO濃度低，導致污泥絮體內產生DO梯度，形成好氧缺氧微環境，在絮體外緣進行好氧硝化反應，同時在絮體內部進行缺氧反硝化反應[1516]，另一方面也可能存在好氧反硝化菌[17]。120 min NO3--N上升趨緩，硝化基本完成。由于硝化作用時氨氮被氧化，并消耗堿度和DO，故硝化結束時，ORP和DO曲線由上升趨于平緩，pH也由下降轉為緩慢上升。從2#池完成硝化的功能來看，階段2的階段時間應在120 min以上。

3#池在階段2的功能是進水、缺氧反硝化。如圖3（c）所示，由于上一階段3#池好氧，階段2初期池中DO較高，在起始30 min氨氮上升較慢，NO3--N濃度基本沒有降低，故發生硝化作用。隨著DO下降，硝化現象減弱，反硝化逐漸增強，大量NO3--N被還原為氮氣，并產生堿度。120 min后NO3--N濃度基本不變，反硝化完成，ORP曲線明顯跌落，pH曲線開始下降。若以3#池完成反硝化為階段結束標志，則階段2時間應在120 min以上。

4#池在階段2的功能是厭氧釋磷。由于有機物濃度很低，故釋磷現象不明顯。但在前90 min，氨氮和TN濃度均下降，而NO3--N濃度無明顯上升，故存在同步硝化反硝化。當DO降至0，TN和氨氮濃度開始因3#池推流進水而緩慢回升。150 min TP上升趨緩，釋磷結束，ORP和pH下降趨緩。若以4#池完成釋磷為標志，則階段2時間應在150 min左右。

綜合考慮階段2各池功能的要求，并附加30 min左右的保護時間應對水質變化，在試驗水質條件下，階段2、階段5較為合適的階段時間為2.5 h。

2.3 階段3和階段6運行時間優化

階段3為過渡階段，主要作用是使各池順利轉換到下半周期，并使1#池達到出水前池的狀態和水質要求，為向階段4轉換做準備。

1#池在階段4為出水前池，須在階段3使水質指標和狀態參數達到出水前池的要求。如圖4（a），

由于1#池在此階段不進水，通過曝氣，氨氮、TP濃度迅速下降，TN也明顯下降，說明出現同步硝化反硝化作用。各污染物指標在90～120 min趨于平緩，TN、氨氮、NO3--N、TP濃度分別與5#池各污染物濃度十分相近，故可轉換為出水前池。90 min后NO3--N曲線上升趨緩，硝化基本結束，pH由下降轉為平緩上升；DO和ORP達到了作為出水前池的標準，因此階段3的階段時間應大于90 min。

2#池在階段3功能為進水缺氧反硝化。由于上一階段2#曝氣和本階段1#池好氧，且回流污泥帶入高DO的混合液，使得前60 min 2#池硝化作用較明顯，如圖4（b）。當DO降到0.5 mg/L 時，NO3--N下降速度增大，120 min后反硝化基本結束，ORP曲線突然跌落。2#池在本階段主要是為了向下半周期轉變，僅需要達到缺氧狀態，故階段時間控制在90～120 min左右。

3#池在階段3的功能為厭氧釋磷。如圖4（c）所示，2#池推流進水中TN和NO3--N濃度高于3#池，但3#池氮的各指標濃度變化不大，故3#池中存在反硝化現象。由于上一階段為進水池，積累的有機物對釋磷較有利，但因池內仍有殘余DO，故TP在60 min后才明顯上升，120 min后基本完成釋磷，ORP曲線由穩定下降趨于平緩，pH曲線緩慢下降。3#池在本階段主要是為了向下半周期轉變，僅需要達到厭氧狀態，故階段時間控制在90 min以上。

4#池在階段3功能為厭氧釋磷。但由于本階段僅從2#池進水，4#池所能獲得的有機物極少，故反硝化、釋磷的作用在本階段中均沒有體現。各狀態參數也基本處于平穩狀態，無較大波動。但可順利向階段4的厭氧進水轉變。

綜合考慮階段3各池向階段4狀態轉換的要求，并附加30 min左右的保護時間應對水質變化，在試驗水質條件下，階段3、階段6較為合適的階段時間為2 h。

2.4 5#池在階段1～3的水質變化

5#池在階段1～3是沉淀池前的最后一個反應池，功能為好氧吸磷及進一步降解有機物。由圖5知，在階段1運行時間為3 h時，TN、氨氮、NO3--N、TP濃度分別為10.2、1.7、7.6、0.7 mg/L；階段2運行時間為2.5 h時，TN、氨氮、NO3--N、TP濃度分別為10.0、1.4、7.6、08 mg/L；階段3運行時間為2 h時，TN、氨氮、NO3--N、TP濃度分別為101、11、7.4、0.8mg/L。在上半周期內，5#池出水水質穩定，并且池內ORP、DO分別保持在120 mV和6 mg/L以上，沉淀池在不攪動情況下基本不釋磷，保障出水水質。

3 結 論

1）水溫8～10℃，在水力停留時間16 h、泥齡13 d、氣水比24、污泥濃度2 680～3 560 mg/L、污泥回流比30%時，階段1至階段6的適宜運行時間為3、2.5、2、3、2.5和2 h。進水COD濃度163.2～382.7 mg/L、TN濃度34.0～57.9 mg/L、氨氮濃度25.2～42.1 mg/L、TP濃度2.6～4.8 mg/L，出水TN、氨氮、NO3--N和TP濃度的分別為10.1、11、7.4和0.8 mg/L左右。

2）裝置中各池反應過程與狀態參數相關性較好。硝化反應需要消耗堿度以及DO，反應結束時，pH由下降轉為上升，ORP上升趨于平緩，DO上升到階段內的第2個平臺期。反硝化產生堿度，反應結束時，pH由上升趨于平緩并略有下降，ORP曲線明顯跌落。釋磷作用一般在ORP低于-100 mV時出現，釋磷結束時ORP曲線由下降趨于平緩。故可根據狀態參數的變化對本工藝進行階段運行時間的優化控制，以達到更高的脫氮除磷效率。

3）降低前好氧池DO濃度，有助于同步硝化反硝化作用的發生，提高脫氮效率，并節省曝氣能耗以及減小反應池所需容積。

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（編輯 胡英奎）