CASS工艺改进及对城镇污水含氮污染物的去除

含氮污染物的去除一直是污水处理领域的难题。传统的周期循环式活性污泥法（CASS）处理工艺在污水处理厂中广泛应用，但其普遍存在对总氮处理效果不佳的问题。分别通过增加硝化液回流、添加聚氨酯海绵填料2种方式，对传统周期循环式活性污泥法处理工艺进行改进，研究了循环周期、曝气时间、排水比和内硝化液回流比等运参数对CASS改进工艺中总氮强化去除效果的影响，并通过高通量测序分析不同工艺中微生物群落的差异。

研究结果表明，改进工艺的最佳操作参数：循环周期为8 h、曝气时间为4 h、排水比为50%、硝化液回流比为35%。

与传统CASS工艺相比，CASS回流工艺（RCASS）和CASS复合生物膜工艺（IFAS-CASS）对TN的去除率分别增加10%~15%和15%~37%，出水TN质量浓度分别低至14.8、4.65 mg/L。

在最优运行条件下，2种CASS改进工艺能够发挥最佳的处理作用，强化TN的去除。IFAS-CASS工艺内的Actinobacteria（放线菌门）和Proteobacteria（变形菌门）丰度较高，因此IFAS-CASS工艺可以更好地强化去除含氮污染物。

分别通过增加硝化液回流、添加聚氨酯海绵填料2种方式，对传统周期循环式活性污泥法处理工艺进行改进，研究了循环周期、曝气时间、排水比和内硝化液回流比等运参数对CASS改进工艺中总氮强化去除效果的影响，并通过高通量测序分析不同工艺中微生物群落的差异。

研究结果表明，改进工艺的最佳操作参数：循环周期为8 h、曝气时间为4 h、排水比为50%、硝化液回流比为35%。与传统CASS工艺相比，CASS回流工艺（RCASS）和CASS复合生物膜工艺（IFAS-CASS）在最优运行条件下均有强化CASS去除总氮的能力，对TN的去除率分别增加10%~15%和15%~37%。

IFAS-CASS中添加填料，减弱了COD的降解能力，却更有利于总氮的去除。当循环周期为24 h、进水TN为50 mg/L时，CASS的出水TN为20.8 mg/L，而RCASS和IFAS-CASS出水TN分别低至14.8、4.65 mg/L。

各工艺的处理效果均随循环周期的延长而增加；曝气时间对COD的去除效果影响较小，曝气时间增加会增加出水中的TN。较小的排水比更利于改进工艺对COD和TN的去除。回流比增加可促进RACSS对COD和TN的去除，回流比为50%时出水COD和TN分别为23.8、14.8 mg/L。

传统的周期循环式活性污泥法（CASS）处理工艺在污水处理厂中广泛应用，然而，城镇污水普遍存在碳源不足的问题，导致CASS工艺难以实现高效脱氮。笔者通过增加硝化液回流、添加聚氨酯海绵填料和优化工艺控制参数对传统周期循环式活性污泥法处理工艺进行改进，开发出了高效的生物脱氮系统。

在CASS中添加硝化液回流和生物填料开发了CASS回流工艺（RCASS）与CASS复合生物膜工艺（IFAS-CASS），比较了CASS、RCASS、IFAS-CASS工艺的处理效果，分析了2种CASS改进工艺的强化作用，研究并确定了RCASS和IFAS-CASS的最优运行参数，并对3种工艺的微生物群落结构进行了分析。

循环周期对强化去除污染物的影响

3种工艺对TN和氨氮的去除率由大到小依次为IFAS-CASS＞RCASS＞CASS。出水总氮和氨氮均随循环周期的延长而降低，其中IFAS-CASS降幅最明显。循环周期从6 h增加到24 h时，IFAS-CASS出水TN下降了73.7%，低至4.65 mg/L，而CASS只降低了16.7%。IFAS-CASS在8 h时出水TN就能达到城镇污水处理一级A标准要求，而RCASS需要24 h。循环周期为6 h、8 h时，IFAS-CASS出水氨氮平均分别为2.89、1.22 mg/L；循环周期为24 h时，RCASS和IFAS-CASS出水中的氨氮几乎一致，结果表明对于氨氮的处理，采用IFAS-CASS工艺可以明显缩短处理周期。

图1 不同循环周期下3种工艺对NH3-N（a）和TN（b）的处理效果

曝气时间对强化去除污染物的影响

不同曝气时间下IFAS-CASS对TN的去除效果都好于RCASS：曝气时间为4、5、6 h时，RCASS中的出水TN平均分别为16.0、17.9、18.3 mg/L，而IFAS-CASS的出水TN平均分别低至13.6、14.2、14.8 mg/L。对于IFAS-CASS，曝气时间为4 h时的TN去除效果优于其他曝气条件，这是因为曝气时间为4 h时，反应器内发生反硝化作用的缺氧环境存在时间相对较长。RCASS有类似情况，当曝气时间延长至5、6 h时，出水TN升高，原因在于进入沉淀阶段系统内没有充足碳源支撑反硝化作用的进行。

排水比对强化去除污染物的影响

不同排水比下，IFAS-CASS对TN的处理效果均优于RCASS。排水比为30%、50%、90%时，IFAS-CASS出水TN平均低于15 mg/L，均能满足一级A标准要求，而RCASS尚不能达标。在2种CASS改进工艺中，出水TN均随排水比的减小而降低，并随排水比的改变在小范围内变化。

图2 曝气时间和排水比下2种改进工艺对TN的处理效果

回流比对污染物强化去除的影响

硝化液回流比为20%、35%、50%时，出水TN平均为16.5、15.5、14.8 mg/L，平均去除率分别为68.12%、70.23%、72.09%。随着硝化液回流比的增加，RCASS对TN的去除能力逐渐增加。回流比为50%时，出水中的TN低于一级A标准规定的15 mg/L。反应器内回流比例较高时，更多的硝化液回流至缺氧区并得以去除，反硝化作用加强，TN的处理效果提升。

微生物群落特征变化

4种样品共有菌门24个，不同样品在门水平上的优势物种可能相同，但相对丰度存在明显差异。IFAS-CASS中的Actinobacteria（放线菌门）和Proteobacteria（变形菌门）丰度要高于CASS和RCASS，因此IFAS-CASS可以更好地强化去除含氮污染物。在4种样品中均检测到Nitrospirae（硝化螺旋菌门），其中的Nitrospira（硝化螺旋菌属）是常见的硝化细菌，其在脱氮过程中扮演重要角色，是污水处理过程中不可或缺的微生物。

图3 不同反应器的细菌门分类水平群落结构