阶段时间对CMICAO工艺低温运行特性的影响

朱光灿，雷晓芬，许 卓，吕锡武

（1.东南大学 能源与环境学院，南京210096；2.东南大学 无锡太湖水环境工程研究中心，江苏 无锡214135；3.中蓝连海设计研究院，江苏 连云港222004）

多点交替进水阶式A2／O工艺（Commutative multi－influent cascade A2／O，CMICAO）是东南大学借鉴UNITANK与A2／O工艺的优点，基于传统的生物硝化反硝化脱氮、好氧吸磷、厌氧释磷原理，应用同步硝化反硝化、反硝化除磷等氮磷去除技术，研发的新型生活污水活性污泥脱氮除磷工艺［1－2］。该工艺在常温下的除磷率和脱氮率分别达到90%和74%以上［1］，但实际进水水质波动较大，在低温下未实现高效脱氮除磷。

pH、ORP（Oxidation－Reduction Potential）、DO（Dissolved Oxygen）以 及 OUR（Oxygen Uptake Rate）等控制参数通常用于营养物的生物去除过程［3］。通过监测这些控制参数，可以确定硝化和反硝化过程的终点［4－9］。Wang等［10］报道 ORP、pH 及DO的变化与营养污染物中的动力学变化有极好的相关性，因此可采用实时控制技术根据进水水质和反应进程进行自动调整，实现工艺的优化运行。

CMICAO工艺的各反应池从阶段1至阶段6执行不同功能［1］，氮磷去除效果受阶段运行时间变化的影响较大，笔者研究低温下阶段运行时间的优化设置，探讨各阶段各反应池水质变化与pH、ORP、DO等状态参数的相关性，寻找各阶段反应始末对应的环境变量特征点，提出适合本工艺的优化控制策略，实现有效脱氮除磷。

1 实验材料与方法

1.1 实验用水与装置

试验用水取自常州市清潭污水处理厂进水集水井，COD、TN、氨氮和TP浓度分别为163.2～382.7、34.0～57.9、25.2～42.1和2.6～4.8mg／L。

试验装置如图1，5个反应池容积均为47L。装置运行由PLC控制，分上下2个对称的半周期，分别由阶段1至3和阶段4至6组成［1］。

图1 试验装置示意图

1.2 实验方法

实验条件：水温8～10℃，水力停留时间16h，泥龄13d，气水比24，污泥浓度2 680～3 560mg／L，污泥回流比30%。采用所设置的阶段运行时间（见表1），研究其对污染物去除率的影响，以及水质参数变化与状态参数变化的相关关系。每次调整实验方案，待系统运行稳定后，每隔30min取各池混合液，用0.45μm滤膜过滤后测定TN、氨氮、NO3－－N和TP，分析水质随阶段1运行时间的变化，并记录各池DO、ORP、pH的变化。

表1 阶段运行时间设置方案 h

1.3 分析方法

分 析 项 目 有 COD、BOD5、TN、TP、氨 氮、NO3－－N、NO2－－N、MLSS，采用国家标准分析法测定［11］；DO 采用便携式溶氧仪（DO－24P，DKKTOA Co.，Japan）测定，ORP、pH 采用便携式pH、ORP测量仪（HM－21P，DKK－TOA Co.，Japan）测定。

2 结果与分析

2.1 阶段1和阶段4运行时间优化

1＃池在阶段1进水、缺氧反硝化。如图2（a）所示，由于初始DO浓度高，发生硝化作用，氨氮上升较慢。当DO降到0.5mg／L以下，氨氮上升趋势快于TN，且NO3－－N浓度急剧下降，反硝化作用明显，并产生碱度，硝态氮被还原为氮气，pH曲线缓慢上升；反硝化结束时，NO3－－N与pH变化趋于平稳，同时ORP明显跌落。由1＃池阶段1运行曲线可知，1＃池完成反硝化功能适宜的运行时间为150～180min。

2＃池在阶段1进水、厌氧释磷。如图2（b）所示，2＃池进入阶段1后，DO始终为0，ORP下降并保持在－100mV以下，释磷过程中ATP在有关酶的催化下水解生成ADP，放出H3PO4和能量。阶段末TP浓度稳定在6mg／L左右，释磷结束，ORP曲线下降趋缓。由2＃池阶段1运行曲线可知，2＃池完成释磷功能较为适宜的运行时间为120～150min。

3＃池在阶段1的功能是好氧硝化及去除有机物。如图2（c）所示，在起始60min内TN下降，氨氮也快速下降，发生同步硝化反硝化过程［12－14］。之后由于2＃池进水流入3＃池，TN逐渐回升。但120min后2＃池TN、氨氮浓度仍不断提高，而3＃池氮的3项指标基本保持稳定，说明阶段1后期进入的氮基本是通过同步硝化反硝化作用去除的。100min左右NO3－－N曲线上升趋缓，TP曲线下降趋缓，硝化和吸磷结束，pH曲线由下降转为逐渐上升，同时ORP和DO由上升趋于平稳。若以3＃池完成硝化和吸磷为标准，阶段1的运行时间为90～120min。

4＃池在阶段1功能是进一步缺氧反硝化。DO为0.5mg／L左右时，4＃池硝化作用很弱，故4＃池TN和氨氮浓度的同时降低主要是由于3＃池推流进水的稀释作用，而非同步硝化反硝化作用。由于3＃池推流进水中NO3－－N 浓度后期稳定在6mg／L以上，且回流污泥带入大量NO3－－N，而4＃池中NO3－－N浓度变化很小，故4＃池中存在较强的反硝化作用。4＃池ORP在阶段一持续稳定下降，缺氧条件较好。

图2 1～4＃池在阶段1污染物浓度和状态参数变化

综合考虑阶段1各池功能，并附加30min左右的保护时间应对水质变化，在试验水质条件下，阶段1、阶段4较为适宜的阶段运行时间为3h。

2.2 阶段2和阶段5运行时间优化

1＃池在阶段2的功能为进水、厌氧释磷。如图3（a），DO保持为0，厌氧环境好，120min TP曲线上升趋缓，基本完成释磷，ORP曲线由下降转为平缓，可作为释磷完成的标志。若以1＃池释磷结束为功能完成标志，阶段2的时间应为120～150min。

2＃池在阶段2的功能为好氧硝化、去除有机物。在120min前氨氮和TN浓度均迅速下降，如图3（b），且2＃池中无TN积累，说明DO较高时仍可去除部分TN。故本工艺发生的同步硝化反硝化作用一方面可能是由于DO浓度低，导致污泥絮体内产生DO梯度，形成好氧－缺氧微环境，在絮体外缘进行好氧硝化反应，同时在絮体内部进行缺氧反硝化反应［15－16］，另一方面也可能存在好氧反硝化菌［17］。120min NO3－－N 上升趋缓，硝化基本完成。由于硝化作用时氨氮被氧化，并消耗碱度和DO，故硝化结束时，ORP和DO曲线由上升趋于平缓，pH也由下降转为缓慢上升。从2＃池完成硝化的功能来看，阶段2的阶段时间应在120min以上。

3＃池在阶段2的功能是进水、缺氧反硝化。如图3（c）所示，由于上一阶段3＃池好氧，阶段2初期池中DO较高，在起始30min氨氮上升较慢，NO3－－N浓度基本没有降低，故发生硝化作用。随着DO下降，硝化现象减弱，反硝化逐渐增强，大量NO3－－N被还原为氮气，并产生碱度。120min后NO3－－N浓度基本不变，反硝化完成，ORP曲线明显跌落，pH曲线开始下降。若以3＃池完成反硝化为阶段结束标志，则阶段2时间应在120min以上。

4＃池在阶段2的功能是厌氧释磷。由于有机物浓度很低，故释磷现象不明显。但在前90min，氨氮和TN浓度均下降，而NO3－－N浓度无明显上升，故存在同步硝化反硝化。当DO降至0，TN和氨氮浓度开始因3＃池推流进水而缓慢回升。150min TP上升趋缓，释磷结束，ORP和pH下降趋缓。若以4＃池完成释磷为标志，则阶段2时间应在150min左右。

综合考虑阶段2各池功能的要求，并附加30min左右的保护时间应对水质变化，在试验水质条件下，阶段2、阶段5较为合适的阶段时间为2.5h。

2.3 阶段3和阶段6运行时间优化

阶段3为过渡阶段，主要作用是使各池顺利转换到下半周期，并使1＃池达到出水前池的状态和水质要求，为向阶段4转换做准备。

图3 1～3＃池在阶段2污染物浓度和状态参数变化

图4 1＃～3＃池在阶段3污染物浓度和状态参数变化

1＃池在阶段4为出水前池，须在阶段3使水质指标和状态参数达到出水前池的要求。如图4（a），由于1＃池在此阶段不进水，通过曝气，氨氮、TP浓度迅速下降，TN也明显下降，说明出现同步硝化反硝化作用。各污染物指标在90～120min趋于平缓，TN、氨氮、NO3－－N、TP浓度分别与5＃池各污染物浓度十分相近，故可转换为出水前池。90min后NO3－－N曲线上升趋缓，硝化基本结束，pH由下降转为平缓上升；DO和ORP达到了作为出水前池的标准，因此阶段3的阶段时间应大于90min。

2＃池在阶段3功能为进水缺氧反硝化。由于上一阶段2＃曝气和本阶段1＃池好氧，且回流污泥带入高DO的混合液，使得前60min 2＃池硝化作用较明显，如图4（b）。当DO降到0.5mg／L时，NO3－－N下降速度增大，120min后反硝化基本结束，ORP曲线突然跌落。2＃池在本阶段主要是为了向下半周期转变，仅需要达到缺氧状态，故阶段时间控制在90～120min左右。

3＃池在阶段3的功能为厌氧释磷。如图4（c）所示，2＃池推流进水中TN和NO3－－N浓度高于3＃池，但3＃池氮的各指标浓度变化不大，故3＃池中存在反硝化现象。由于上一阶段为进水池，积累的有机物对释磷较有利，但因池内仍有残余DO，故TP在60min后才明显上升，120min后基本完成释磷，ORP曲线由稳定下降趋于平缓，pH曲线缓慢下降。3＃池在本阶段主要是为了向下半周期转变，仅需要达到厌氧状态，故阶段时间控制在90min以上。

4＃池在阶段3功能为厌氧释磷。但由于本阶段仅从2＃池进水，4＃池所能获得的有机物极少，故反硝化、释磷的作用在本阶段中均没有体现。各状态参数也基本处于平稳状态，无较大波动。但可顺利向阶段4的厌氧进水转变。

综合考虑阶段3各池向阶段4状态转换的要求，并附加30min左右的保护时间应对水质变化，在试验水质条件下，阶段3、阶段6较为合适的阶段时间为2h。

2.4 5＃池在阶段1～3的水质变化

5＃池在阶段1～3是沉淀池前的最后一个反应池，功能为好氧吸磷及进一步降解有机物。由图5知，在阶段1运行时间为3h时，TN、氨氮、NO3－－N、TP浓度分别为10.2、1.7、7.6、0.7mg／L；阶段2运行时间为2.5h时，TN、氨氮、NO3－－N、TP浓度分别为10.0、1.4、7.6、0.8mg／L；阶段3运行时间为2h时，TN、氨氮、NO3－－N、TP浓度分别为10.1、1.1、7.4、0.8mg／L。在上半周期内，5＃池出水水质稳定，并且池内ORP、DO分别保持在120mV和6mg／L以上，沉淀池在不搅动情况下基本不释磷，保障出水水质。

图5 优化阶段1～3运行时间内5＃池污染物浓度变化

3 结 论

1）水温8～10℃，在水力停留时间16h、泥龄13d、气水比24、污泥浓度2 680～3 560mg／L、污泥回流比30%时，阶段1至阶段6的适宜运行时间为3、2.5、2、3、2.5和2h。进水 COD 浓度163.2～382.7mg／L、TN浓度34.0～57.9mg／L、氨氮浓度25.2～42.1mg／L、TP浓度2.6～4.8mg／L，出水TN、氨氮、NO3－－N和TP浓度的分别为10.1、1.1、7.4和0.8mg／L左右。

2）装置中各池反应过程与状态参数相关性较好。硝化反应需要消耗碱度以及DO，反应结束时，pH由下降转为上升，ORP上升趋于平缓，DO上升到阶段内的第2个平台期。反硝化产生碱度，反应结束时，pH由上升趋于平缓并略有下降，ORP曲线明显跌落。释磷作用一般在ORP低于－100mV时出现，释磷结束时ORP曲线由下降趋于平缓。故可根据状态参数的变化对本工艺进行阶段运行时间的优化控制，以达到更高的脱氮除磷效率。

3）降低前好氧池DO浓度，有助于同步硝化反硝化作用的发生，提高脱氮效率，并节省曝气能耗以及减小反应池所需容积。

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