CASS工艺处理高氨氮生活污水试验研究
摘要：长期以来，高浓度氨氮一般出现在废水中，处理这部分废水大多采用物化和生化方法相结合的工艺或者完全物化工艺。但是，随着人们消费结构的变化，生活污水的高氨氮已经成为一个不容忽视的问题，解决这一问题对于防止水体富营养化和解决水体环境污染问题具有重要意义。
关键词：CASS工艺 高氨氮生活污水 试验 研究
长期以来，高浓度氨氮一般出现在工业中，处理这部分大多采用物化和生化方法相结合的工艺或者完全物化工艺。但是，随着人们消费结构的变化，生活污水的高氨氮已经成为一个不容忽视的问题，解决这一问题对于防止水体富营养化和解决水体环境污染问题具有重要意义。生活污水中氨氮的变化范围一般在20～150mg/L，通常把氨氮浓度在80mg/L以上的生活污水称为高氨氮生活污水。本试验所研究的高氨氮生活污水浓度范围在80～150mg/L。
对高氨氮生活污水的处理研究可适用的范围为：城市生活污水、小城镇污水、高校生活污水、小区生活污水以及工业。
国内外目前对于应用CASS工艺处理高氨氮生活污水的研究还处于起步阶段，处理效果也不理想，脱氮率较低。研究如何将CASS工艺用于高氨氮生活污水的处理，充分发挥CASS工艺脱氮除磷效果好、耐冲击负荷能力强、防止污泥膨胀、建设费用低和管理方便等优点，对于促进CASS工艺的和改善水体环境具有现实意义。
1.试验装置和试验方法
1.1 试验装置
试验采用的CASS反应器如图1所示：
图1 CASS工艺反应器结构示意图
反应器尺寸大小：L×B×H＝1000mm×320mm×450mm，分为缺氧区和好
氧区两个部分，其中缺氧区长度为200mm，好氧区为800mm。滗水部分采用丝杠套筒式滗水器，受PLC控制器控制。
1.2 试验条件
试验原水取自某高校学生公寓楼前化粪池上清液。生活污水由厕所、厨房排水，洗浴水和其它污水组成，其中，厕所污水和厨房排水是生活污水的主要来源。污水中的NH3-N浓度高，浓度在90～120mg/L，占进水总氮的92％左右，COD浓度在400～900 mg/L。
试验周期运行时间设定为4h，各阶段时间分配一般为：120min，沉淀90min，排水20min，闲置10min。试验采用均匀方式，每个周期的量保持不变，以期末端DO作为控制目标，试验过程中末端DO一般控制为2.5mg/L。CASS工艺采用变容积运行，最高水位和最低水位的MLSS相差较大，系统内的MLSS始终处于一个变化状态。一般平均MLSS控制在4000～4500 mg/L。
2.试验结果和讨论
2.1 污泥负荷对脱氮的影响
试验分别采用HRT为12h和16h；周期运行时间为4h，各阶段时间分配为：120min，沉淀90min，排水20min，闲置10min；以期末端DO控制在2.5～3.0mg/L。回流比采用150％。
污泥有机负荷对各种物质去除率的影响如图1所示，NH3-N负荷对硝化和脱氮的影响如图2所示。
图1 有机负荷对各种物质去除率的影响图
图1表明，试验中污泥有机负荷对各种物质的去除均有重要影响。当污泥有机负荷低于0.25kgCOD/(kgMLSS·d)时，硝化率在96％以上，COD去除率为88％左右，而脱氮率在50～70％之间。当污泥有机负荷在0.18～0.25 kgCOD/(kgMLSS·d)时脱氮效果最好，脱氮率在60～70％；当污泥有机负荷高于0.28kgCOD/(kgMLSS·d) 时，COD去除率降低到80％以下，硝化率在50～80％，脱氮率在39～60％。
图2 NH3-N负荷对硝化和脱氮的影响图
图2表明，NH3-N负荷对硝化的影响较大，当NH3-N负荷低于0.045kg NH3-N/(kgMLSS·d)时，硝化率达到96％以上，而当NH3-N负荷高于0.045kg NH3-N/(kgMLSS·d)时，硝化率明显下降，仅达到50～80％。NH3-N负荷对反硝化的影响不明显。
2.2 回流比对脱氮的影响分别采用50％、100％、150％、200％、250％五种回流比进行对比试验。HRT为16h；周期运行时间为4h，各阶段时间分配为：120min，沉淀90min，排水20min，闲置10min；期末端DO控制在2.5～3.0mg/L。
回流比试验数据如表1所示, 回流比对脱氮效果的影响曲线如图3所示：
表1 回流比试验数据表
| 回流比％ | 进水COD mg/L | 出水COD mg/L | COD去除率％ | 进水总氮mg/L | 进水NH3-Nmg/L | 出水NH3-Nmg/L | NH3-N去除率％ | 出水NO3-Nmg/L | 脱氮率％ |
| 50 | 485.56 | 34.44 | 92.91 | 105.75 | 97.29 | 2.49 | 97.44 | 61.21 | 39.76 |
| 100 | 518.33 | 65.45 | 87.37 | 118.15 | 108.72 | 0.58 | 99.49 | 57.79 | 50.60 |
| 150 | 528.26 | 61.90 | 88.28 | 127.07 | 116.91 | 2.73 | 97.68 | 44.73 | 62.65 |
| 200 | 479.49 | 57.97 | 87.91 | 121.20 | 111.54 | 0.73 | 99.36 | 54.47 | 54.46 |
| 250 | 483.15 | 35.39 | 92.68 | 113.91 | 104.80 | 0.82 | 99.24 | 55.83 | 50.29 |
图3 不同回流比对脱氮影响图
图3表明，当生活污水试验的回流比从50％到250％以每次50％的速度递增时，系统的脱氮率呈现出先增大后减小的趋势，当回流比增大到150％时，系统的脱氮率达到最大，其数值为62.65％，NH3-N保持97％以上的去除率， COD去除率也达到88％以上。
2.3 时间和溶解氧对脱氮的影响
改变量以控制末端DO，并改变时间，具体组合工况见表2，
表2 试验工况数据表
| 工况 | 量(m3/h) | 时间(min) | 沉淀时间(min) |
| 1 | 0.8 | 120 | 90 |
| 2 | 0.9 | 120 | 90 |
| 3 | 0.8 | 150 | 60 |
| 4 | 0.7 | 150 | 60 |
| 5 | 0.6 | 150 | 60 |
试验采用 HRT为16h，回流比为150％。
相应的各工况一个周期内DO变化曲线如图4所示。
图4 各工况一个周期内DO变化曲线
图4表明，当量和时间发生变化时，各工况一个周期内DO的变化并不相同，但是各个工况都表现出由小到大的一个变化过程。
五种工况的出水水质情况如表3所示。
表3 五种工况试验结果数据表
| 工况 | 进水COD(mg/L) | 出水COD(mg/L) | COD去除率(％) | 总氮(mg/L) | 进水NH3-N(mg/L) | 出水NH3-N(mg/L) | NH3-N去除率(％) | 出水NO3-N(mg/L) | 脱氮率(％) |
| 1 | 565.50 | 47.78 | 91.55 | 132.51 | 121.91 | 20.55 | 83.14 | 36.26 | 57.13 |
| 2 | 553.37 | 41.10 | 92.57 | 151.36 | 139.25 | 9.61 | 93.10 | 48.71 | 61.47 |
| 3 | 635.06 | 44.88 | 92.93 | 136.88 | 125.93 | 0 | 100.00 | 46.64 | 65.93 |
| 4 | 687.21 | 66.50 | 90.32 | 116.02 | 106.74 | 15.89 | 85.11 | 30.00 | 60.45 |
| 5 | 542.07 | 44.94 | 91.71 | 105.64 | 97.19 | 18.33 | 81.14 | 35.38 | 49.16 |
相应的COD去除率、NH3-N去除率和脱氮率比较如图5所示。
图5 五种工况试验结果比较图
图5表明，五种工况下，DO和时间的改变对NH3-N去除率影响最大，NH3-N去除效果好的工况脱氮效果也相应较好，硝化最好的工况3脱氮效果最好，脱氮率达到了65.93％，而硝化率最低的工况5脱氮率则最低，为49.16％；DO和时间对COD去除率的影响则很小，各种工况下COD的去除率都达到了90.32％以上，
从上述分析可知，DO的控制对脱氮效果的影响较大。要取得好的脱氮效果，首先要将硝化进行得比较彻底，而DO对于硝化反应有着重要的影响。试验表明，适合于脱氮的DO浓度反映在两个方面：一是阶段的最低DO浓度必须达到一定水平，根据试验，这个最低DO浓度水平是1.40 mg/L；二是期末端DO水平也要达到一个较高值，这个值的选择范围要宽一些，根据试验结果， 2.5～3.5 mg/L的控制范围比较合理。
时间对脱氮的影响也是存在的，试验表明，要取得较好的脱氮效果，缩短时间就必然需要增大量，即便如此，试验中的工况2和工况3的脱氮效果还是有差异，若工艺时间采用定时控制，在选择合适的量下，应尽量选择较长的时间。
2.4 CASS工艺时间控制研究
关于DO和时间对系统脱氮影响的研究表明，时间可以根据污水处理的需要进行灵活的选择，但是如何选择最合理的时间是下面试验需要讨论的问题。
对时间控制目的有三个：一是实现机自动控制；二是在保证出水水质前提下尽可能节省运行费用；三是避免量不足或反应时间过长而引起的污泥膨胀。
目前CASS工艺对时间的控制有两种方法，即定时控制和实时控制。
定时控制是将时间设定为某一固定值。实时控制是采用监测仪器对反应时间进行控制。一种是通过在线COD或BOD仪监测污水，一旦达到出水要求即停止，这是最理想的控制方式，但是对监测仪器的要求较高；另一种是通过ORP、DO、pH仪来控制时间，由于期内CASS池的COD、NH3-N和NO3-N等物质浓度的变化与ORP、DO和pH等值之间存在着一定的相关性，这种相关性可有效地指导工程时间的控制。实时控制是目前研究和应用最为广泛的方法，但是对于不同的水质，过程中的参数变化是不同的，需要作具体的分析。
试验研究了DO与NH3-N、NO3-N和COD浓度变化的相关性，试验数据来自于2.3试验的工况3，试验结果如下：
1、一个周期内NH3-N与DO变化关系
一个周期内NH3-N与DO变化关系如图6所示。
图6 周期内NH3-N与DO变化关系图
图6表明，NH3-N浓度与DO在阶段具有较好的相关性。在前15min内，NH3-N浓度明显升高，而DO则急剧下降，随后NH3-N浓度进入一个大幅下降的过程，而DO则进入了一个缓慢上升的过程，到第100min时，NH3-N浓度下降到几乎为零，而DO则进入了一个急速增长阶段，一直持续到期末DO达到3.59mg/L。
2、一个周期内NO3-N与DO变化关系
一个周期内NO3-N与DO变化关系如图7所示。
图7 周期内NO3-N与DO变化关系图
图7表明，NO3-N浓度与DO在阶段具有一定的相关性。在前20min内，NO3-N浓度和DO均是急剧下降，随后二者均进入一个缓慢上升的过程，到第100min时，NO3-N 浓度进入一个稳定阶段，一直持续到期末。
试验结果表明，DO与NH3-N和NO3-N的浓度变化具有一定的相关性。
本试验研究的主要问题在于处理过程中时间的控制，从2.3的五种工况的比较中可以看出，各工况最大的区别在于硝化反应的进行的程度，因此，硝化进行得彻底，脱氮率就相应提高，故可以利用NH3-N和DO之间的相关性对时间进行控制。
3. 结论
1、污泥有机负荷控制在0.18～0.25kgCOD/(kgMLSS· d)左右，其反硝化效率较高，脱氮率可以达到60～70％。而当污泥有机负荷高于0.28 kgCOD/(kgMLSS·d)时，COD的降解和含氮物质的硝化都开始受到很大影响，出水中COD和NH3-N的浓度都偏高，出水水质变坏。
当NH3-N负荷低于0.045kg NH3-N/(kgMLSS·d)时，硝化进行得比较彻底，硝化率达到96％以上。反之，则硝化效果急剧下降，硝化率明显下降，仅达到50～80％, 但NH3-N负荷对反硝化效果影响不明显。
2、当回流比从50％增加到250％时，系统脱氮率先增后减，在回流比为150％时达到最大值。
3、DO对于硝化效果有着重要的影响。要取得较好的硝化效果，一是主反应区最低的DO要达到1.40 mg/L以上；二是期末端DO控制在 2.5～3.5 mg/L范围。
4、时间对脱氮效果也存在影响，要取得较好的脱氮效果，缩短时间就需要增大量，对于采用时间作为控制参数的CASS工艺，在选择合适的量、满足沉淀和滗水要求的前提下，应尽量选择较长的时间。
5、实时控制优于定时控制，CASS工艺在处理高氨氮生活污水时采用DO与NH3-N的相关性作为控制时间的依据比较合理，这种控制方式可实现计算机自动控制，在保证出水水质前提下尽可能节省运行费用。