隨著污水排放標準的不斷提高，國家嚴格限制水體中氮、磷營養元素的排入，使得污水處理廠必須具備脫氮除磷能力。同步脫氮除磷工藝以生物法為主，應用較多的主要有A2/O(anaerobic/anoxia/oxic)、UCT(university of cape town)、氧化溝、SBR(sequencing batch reactor)及其改良工藝等。這些工藝雖能實現較好的脫氮除磷效果，但在實現出水氮、磷穩定達標上仍面臨一些問題，比如污水中碳源不足，硝化菌和聚磷菌二者泥齡沖突，除磷菌和反硝化菌對碳源的競爭。為解決這些問題，一些新技術、新工藝得到開發，其中反硝化除磷技術是近年來國內研究的熱點。

　　反硝化聚磷菌(denitrifying phosphate accumulating organisms，DNPAOs)兼具反硝化脫氮和聚磷的功能，廣泛存在于厭氧好氧交替的環境中，如在A/O(anaerobic/oxic)、A2/O、SBR、UCT、BCFs(biologisch-chemische-fosfaat-stikstof-verwijdering)等工藝中均可發現此類菌的存在。DNPAOs屬于兼性厭氧菌，相較于聚磷菌(phosphate accumulating organisms，PAOs)，能夠以NO3−-N、NO2−-N作為最終電子受體，在超量吸磷的同時進行反硝化脫氮。自20世紀90年代起，DNPAOs因其“一碳兩用”的特點，在雙污泥系統中被證實能夠節約50%的碳源利用、30%的需氧量和降低50%污泥產出[5-6]。

　　缺氧條件下的反硝化除磷現象已成為同步脫氮除磷工藝的研究熱點，有關的研究多集中于SBR、A2N、Dephanox、UCT、BCFs及A2/O改良工藝，這些典型工藝可分為單污泥系統和雙污泥系統。其中，Dephanox工藝與A2N-SBR工藝均依據反硝化聚磷菌的特點而設計，屬于雙污泥系統，工藝流程以A2N-SBR工藝為例：生活污水首先進入厭氧/缺氧-SBR進行碳源吸收和生物釋磷，然后靜沉排水，含氨氮上清液進入硝化-SBR完成硝化反應，含硝氮出水再回流至厭氧/缺氧-SBR進行缺氧反硝化除磷。其他工藝則為單污泥系統：改良UCT工藝及BCFs工藝則是在厭氧池與缺氧池之間增設一個缺氧池，避免了回流污泥中硝氮對生物釋磷的抑制，同時創造了有利于反硝化聚磷菌生長的條件，使反硝化除磷作用在脫氮除磷中扮演重要角色;A2/O改良工藝中，以馮元平等自行設計的A3/O-MBR工藝為例，此工藝與改良UCT工藝和BCFs有相通之處，在厭氧池與缺氧池之間增設缺氧池，并與MBR組成復合工藝，運行結果顯示，反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例達到95.47%，成為該系統實現良好脫氮除磷效能的關鍵。

　　以上工藝為反硝化聚磷菌的生長提供了適宜的條件，較好地利用了反硝化除磷作用的優點，但在實現的過程中不可避免地也存在一些問題。雙污泥系統處理工藝可能存在幾個問題：1)靜沉污泥中氨氮無法得到去除，可能導致出水氨氮較高;2)以厭氧-缺氧模式運行一定時間后，污泥除磷能力降幅明顯甚至逐漸消失，而脫氮能力受影響不太，可推測，該現象很可能與反硝化菌的競爭有關;3)反硝化除磷對N/P比有一定的要求，但實際污水中的N、P含量變化較大。目前已有研究對前2個問題進行優化，通過引入后置好氧段來加強對氨氮的去除，這同時有利于反硝化聚磷菌數量的維持，但多數反硝化除磷工藝仍面臨著工藝復雜的問題。

　　循環式活性污泥系統(cyclic activated sludge system，CASS)具有良好的脫氮除磷以及去除有機物的能力，具有占地小、工藝簡單等優點，在實際工程中有諸多應用，但目前有關CASS工藝采用反硝化聚磷菌同步脫氮除磷的研究比較少。馬娟等考察了多種因素對CAST除磷能力的影響，張智謀等研究了CAST在不同運行模式下的除磷能力，兩者的研究主要聚焦于生物除磷，后者雖能富集一定比例的反硝化聚磷菌，但脫氮效果一般。可見，有必要對CASS工藝中的反硝化除磷性能進行研究。

　　本研究以實際生活污水作為處理對象，采用CASS反應器創造出適宜反硝化聚磷菌生長的條件，并且對運行參數進行優化，總結出一套運行模式以實現較好的脫氮除磷性能，為CASS反硝化除磷工藝的應用提供支持。

　　1 材料與方法

　　1.1 實驗裝置

　　實驗裝置如圖1所示，CASS反應器采用有機玻璃制作，反應器總容積17.60 L，有效容積12.00 L，排水比1：3，左側為生物選擇區，右側為主反應區，兩者容積比為1:6.5。其中，溶解氧(DO)是影響CASS反應器脫氮除磷能力的關鍵因素，微孔曝氣頭設在主反應區末端，以減輕曝氣對生物選擇區厭氧環境的影響。厭氧階段和缺氧階段采用攪拌器進行緩慢攪拌，以保證污泥處于均勻懸浮狀態。

　　圖1 CASS工藝示意圖

　　1.2 測試方法

　　實驗中所有水樣經定性濾紙過濾后進行測試，依據文獻中的方法測定COD、氨氮、總氮(TN)、總磷(TP)、磷酸鹽、硝酸鹽和污泥濃度(MLSS)。COD采用重鉻酸鉀消解法;氨氮采用納氏試劑分光光度法;TP和磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法;硝酸鹽采用紫外分光光度法;MLSS采用濾紙稱重法;pH由STARTER 2100/3C型pH計測定，DO由HANNA HI 9146型便攜式溶解氧儀測定。

　　1.3 運行參數

　　實驗所用污泥接種自北京市環境保護科學研究院MBR水處理裝置，實驗用水為院內實際生活污水，COD、氨氮、硝酸鹽、TN、TP濃度分別為162.80~211.80、51.66~91.72、0.26~9.92、65.56~117.81、4.80~9.69 mg·L−1。C/N比參照A2/O、SBR等工藝對同步脫氮除磷的要求，通過向生活污水中添加乙酸鈉調節進水C/N為5左右。

　　反應器運行模式如表1所示，每周期進、出水量為4 L，由時間控制器自動控制各階段的啟動與關閉。混合液回流比為進水流量的20%，且不間斷回流。通過溫控器維持溫度為25 ℃，SRT控制在15 d左右，穩定運行期間MLSS為4 500~6 000 mg·L−1。主反應區內DO控制在2~3 mg·L−1左右，生物選擇區內DO為0.07~0.10 mg·L−1。

　　表1 CASS反應器運行方式

　　實驗首先以階段I方式運行44 d，此階段主要用以探究CASS反應器在A/O/A/O運行模式下富集聚磷菌以及處理實際生活污水中氮、磷的能力。CASS工藝通常按進水-曝氣-沉淀-排水4個階段周期性運行，周期時間為4 h時，曝氣時間設置為2 h。有些污水廠為應對TN(以氨氮為主)沖擊負荷(TN為100 mg·L−1左右)，采用6 h運行模式，曝氣時間延長為4 h。本實驗進水為高氨氮生活污水(51.66~91.72 mg·L−1)，且采用間歇曝氣，故參數調節以曝氣時間為主。階段II周期時間為6 h，保證較長的好氧停留時間以應對進水中的TN負荷。當達到一定的脫氮除磷能力后，反應器采用階段II運行模式運行，至第66 天，反應器取得較好的脫氮除磷效果，并實現穩定運行。

　　1.4 反硝化聚磷菌占聚磷菌比例的實驗

　　該實驗的原理是以缺氧吸磷速率與好氧吸磷速率的比值作為DNPAOs占PAOs的比例，實驗方法參照WACHTMEISTER等的設計。實驗具體步驟：從穩定運行的CASS反應器中取出一定量污泥，去除雜質后加入乙酸鈉溶液使COD濃度為300 mg·L−1左右，進行2 h的厭氧釋磷反應。厭氧反應完成后用生理鹽水清洗污泥2遍，均分為2份：一份加入KH2PO4溶液和KNO3溶液，使總磷濃度和硝酸根濃度分別為15 mg·L−1和30 mg·L−1左右，進行缺氧吸磷反應;另一份加入KH2PO4溶液，使總磷濃度為15 mg·L−1左右，進行好氧吸磷反應，控制DO濃度為2~3 mg·L−1。

　　2 結果與分析

　　2.1 CASS反應器對COD的去除

　　進水中COD由原生活污水碳源和外加碳源(乙酸鈉)構成，由于原生活污水COD濃度較低(平均濃度為181.12 mg·L−1)，而氨氮濃度較高(平均濃度為83.00 mg·L−1)，C/N比通常低于3，添加碳源以維持C/N比為5，有利于保證CASS工藝較好的脫氮除磷效果。CASS工藝對COD的去除效果見圖2。由于采用實際生活污水，進水COD濃度波動較大，為248.00~525.00 mg·L−1，平均濃度為362.72 mg·L−1，但階段 I和階段 II的出水COD均比較穩定，平均濃度分別為30.41、33.08 mg·L−1。該CASS反應器在2種運行模式下均可取得較高的COD去除率，且具有較強的有機負荷抗沖擊能力，這也是CASS工藝得以廣泛應用的優勢所在。

　　圖2 階段I、階段II COD濃度及其去除率隨時間的變化

　　此外，CASS反應器以A/O/A/O方式運行，在時間序列和空間序列上創造了厭氧、缺氧、好氧交替的環境，既保證了聚磷菌對厭氧、好氧環境的需要，也保證階段I和階段II 2種運行模式對COD的去除率達到90%以上，基本實現出水達到城市污水排放標準(GB 18918-2002)一級A標準(COD低于50 mg·L−1)。具體聯系污水寶或參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。

　　2.2 CASS反應器對氨氮的去除

　　CASS反應器對氨氮的去除情況如圖3所示。進水氨氮濃度較高，平均濃度達到83.00 mg·L−1。階段I氨氮的去除很不穩定，去除率在18.89%~96.32%之間上下波動，平均去除率為57.72%;至階段II，氨氮的去除率逐漸趨于穩定，維持在81.14%~99.07%之間，平均去除率為95.15%。研究證明，氨氮的去除主要依靠硝化菌的硝化作用，氨氮的去除效果與曝氣時間也密切相關。在階段I，由于周期時間較短(4 h)，曝氣時間為1 h，難以實現對高濃度氨氮的去除。在階段 II，周期時間為6 h，在保證DO為2~3 mg·L−1前提下，曝氣時間延長到3 h，達到一般CASS工藝的要求。結果顯示，采用階段II運行模式之后，氨氮的去除率降幅明顯，階段II能夠實現高氨氮生活污水中氨氮的穩定去除，出水濃度基本可達到城市污水排放標準(GB 18918-2002)一級A標準(氨氮低于5 mg·L−1)。

　　圖3 階段I、階段II氨氮濃度及其去除率隨時間的變化

　　2.3 CASS反應器對TN的去除

　　原生活污水中TN濃度為65.56~118.61 mg·L−1，平均值為85.30 mg·L−1，成分主要以氨氮為主。硝氮濃度較低(0~9.92 mg·L−1)，平均濃度2.15 mg.L−1，不會對聚磷菌的釋磷作用產生明顯影響。TN去除情況如圖4所示。階段I去除率變化幅度較大(1.76%~76.89%)，平均值為40.14%，其原因可歸結為曝氣量的變化和進水TN濃度的變化所致。至階段II，反應器穩定控制參數，污泥濃度穩定在4 500~6 000 mg·L−1，TN去除率逐漸趨于穩定，最高去除率95.48%，最低去除率57.83%，平均去除率82.17%，穩定運行期平均出水濃度為11.58 mg·L−1，基本達到城市污水排放標準(GB 18918-2002)一級A標準(TN低于15 mg·L−1)[21]。

　　2.4 CASS反應器對總磷的去除

　　圖5是總磷濃度的變化情況，進水濃度為4.80~9.69 mg·L−1，平均值7.02 mg·L−1。階段I污泥濃度較低，濃度為3 372~3 715 mg·L−1，為提高污泥濃度，初始23 d不進行排泥，出水總磷濃度變化幅度較大，為0.20~14.88 mg·L−1，平均濃度為4.96 mg·L−1，表現出一定的除磷能力。該階段共運行44 d，運行數據表明系統在A/O/A/O運行模式下得以迅速富集一定比例的聚磷菌。階段II穩定運行條件，正常排泥，維持污泥濃度為4 500~6 000 mg·L−1，15 d后總磷濃度趨于穩定，出水濃度為0~0.55 mg·L−1，出水總磷平均值為0.07 mg·L−1。

　　磷的去除受泥齡的影響最大，有必要保證穩定的排泥并且保持較高的污泥濃度(4 500~6 000 mg·L−1)。此外，嚴格控制曝氣量的大小(DO 2~3 mg·L−1)，避免過度曝氣對生物除磷的影響[23];CASS反應器生物選擇區的設置有效地加強了脫氮，一定程度上減輕了硝態氮對釋磷作用的影響。階段 II能夠實現穩定的除磷性能，也與主反應區中非曝氣段的設置有關，非曝氣段有利于聚磷菌的富集。

　　圖4 階段I、階段II TN濃度及其去除率隨時間的變化

圖5 階段I、階段II TP濃度及其去除率隨時間的變化

　　2.5 反硝化聚磷菌的比例及硝酸鹽與磷酸鹽去除關系的測定

　　污泥的釋磷/吸磷實驗在實驗室溫度22 ℃下進行。由圖6可知，缺氧吸磷反應和好氧吸磷反應主要發生在前90 min，前30 min缺氧速率和好氧速率比較接近，可能與溶液中DO有關;之后好氧聚磷占據優勢，好氧吸磷速率與缺氧吸磷速率拉開差距。好氧吸磷污泥與缺氧吸磷污泥的污泥濃度分別為3 500 mg·L−1和3 400 mg·L−1，計算前90 min的好氧吸磷速率和缺氧吸磷速率分別為2.25 mg⋅ (g⋅h)−1(以MLSS計)和1.80 mg· (g·h)−1(以MLSS計)，得出反硝化聚磷菌占聚磷菌的比例為80.00%。該富集比例與張智謀等報道的CAST中81.10%、77.10%和79.70%以及李慧等采用SBR得出的80.68%相當，高于A2N2雙污泥系統中67.81%。結果表明，該CASS工藝可實現一定比例反硝化聚磷菌的富集，且操作簡單，相比A2N-SBR、A2/O等改良工藝具有一定的優勢。

　　通過進行多組釋磷/缺氧吸磷實驗，得出磷酸鹽的吸收量與硝酸鹽的去除量之間的關系(見圖7)。對圖7中數據進行線性擬合分析，得出磷酸鹽吸收量是硝酸鹽去除量的1.139 8倍，R2=0.964 2。考慮到溶液中可能存在的DO和COD對缺氧反硝化吸磷的影響，可推知硝酸鹽的去除量與磷酸鹽的吸收量呈線性關系。該結果與楊文婷等研究得到的結果(磷酸鹽吸收量是硝酸鹽去除量的1.213 8倍，R2=0.982 8)相當。此外，該結果同時也表明CASS在階段 II穩定運行期間的污泥具有良好的反硝化除磷能力，可維持一定比例的反硝化聚磷菌。

　　圖6 好氧吸磷、缺氧吸磷實驗中TP濃度隨時間的變化

圖7 硝酸鹽去除量與磷酸鹽吸收量之間的關系

　　3 結論

　　1)實驗采用CASS工藝，以實際生活污水作為處理對象，在A/O/A/O運行模式的基礎上調節運行參數，創造出適宜反硝化聚磷菌生長的條件，實現了較好的脫氮除磷效果，穩定運行近2個月，出水COD、TP、TN、氨氮去除率平均值分別為90.47%、99.09%、84.71%、95.02%，基本達到城市污水排放標準(GB 18918-2002)一級A標準。

　　2)在實現CASS反應器穩定運行的同時，反硝化聚磷菌得到一定程度的富集，經測試，DNPAOs占全部聚磷菌的比例為80.00%，且穩定運行階段的污泥對硝酸鹽和磷酸鹽的去除呈較好的線性關系。

　　3)曝氣量、污泥濃度是影響CASS工藝運行的重要影響因素，較低的曝氣量、較高的污泥濃度有利于實現較好的同步脫氮除磷。在富集DNPAOs方面，A/O/A/O模式中好氧段的參與可有效控制反硝化菌的生長，有利于維持較高的DNPAOs比例，避免常規SBR工藝A/A模式運行下除磷能力的減弱。(來源：環境工程學報 作者：劉康)