CASS工藝提高氨氮去除率的研究及應用

楊靜

（冀中能源股份有限公司 顯德汪礦，河北 邢臺 054100）

0 引 言

冀中能源股份有限公司顯德汪礦工業廣場污水處理廠于2009年6月開工建設，同年11月開始進水調試，2010年6月交付顯德汪礦運行。污水廠采用CASS工藝。設計日處理能力為6 000 m3，實際運行中常年保持在3 300 m3/d左右。污水來源為生活污水、洗浴廢水、生活科食堂廢水和醫院廢水，其中洗浴用水占60%，生活污水占33%，其余為食堂和醫院廢水。由于地勢所致，分別在礦區內和生活區內建有1#、2#污水集中池，進行一級提升。

1 顯德汪礦工業廣場污水處理廠工藝

顯德汪礦工業廣場污水處理廠的污水處理分為物理處理、生物處理和深度處理。1#、2#泵站水提升至最高點后，通過管道自流至污水廠區內，污水中的漂浮物和懸浮物被格柵去除后進入到調節池。調節池主要起調節水量和水質的作用。當池內水位滿足進水條件后開啟提升泵，使污水通過旋流除砂設備，利用離心力的作用將比重大的沙礫除去，完成物理處理。污水進入到生物選擇池內與回流污泥進行充分混合接觸，利用吸附原理迅速降低污水中的有機物含量，同時聚磷菌通過厭氧環境進行磷的有效釋放，之后污水進入到缺氧池，與回流的混合液接觸，進行脫氮，此時污水經底部涵洞進入到好氧池內，進行有機物的分解和磷的過飽和吸收，之后進行靜止沉淀，至此生物處理部分結束。

工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理廠工藝流程Fig.1 Sewage treament plant process flow

沉淀后的上清液通過潷水器進入到中間水池，由臥式離心泵將水抽到過濾罐內，通過石英砂過濾作用將污水中的細小懸浮物進一步去除，之后污水進入到消毒池，通過二氧化氯消毒后達標外排，完成深度處理。

該污水廠執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A標準。設計進出水水質指標見表1。

表1 設計進出水水質Table 1 Design water quality of influent and effluent

2 生物脫氮原理及影響因素

2.1 生物脫氮原理

CASS工藝屬于好氧生物處理法，對比傳統的活性污泥法其本質是去除原污水中的溶解性有機物，而氮、磷的去除只能依賴細菌細胞的形成。傳統的活性污泥法氮的去除率只有20%~40%。但根據氮元素在自然界中的循環現象，采取一定的運行措施后，可以將氮循環的作用運用在CASS反應系統內。

在未經處理的新鮮污水中，含氮化合物存在的主要形式有有機氮和氨態氮，主要以有機氮為主。有機氮在氨化菌的作用下分解轉化為氨態氮，這一過程稱之為“氨化反應”。氨態氮在硝化菌的作用下進一步分解氧化為硝酸氮，這一過程稱為硝化反應（式1）。在氨化反應和硝化反應中，起決定作用的是氨化菌、亞硝酸菌和硝酸菌。后兩者統稱為硝化菌，硝化菌是化能自養菌，其生理活動不需要有機性營養物質。

經過硝化反應后，污水中的氨轉化為了硝酸鹽，為將其排出系統，還必須經過反硝化菌的代謝反應，將硝酸氮和亞硝酸氮轉化為氣態氮釋放到大氣中（式2、式3）。反硝化菌是異氧兼性厭氧菌，需要以原污水中的有機物為碳源進行活動。

反應式如下：

由式1、2可計算出：完全硝化1 g NH4+-N，需堿度7.14 g（以CaCO3計），轉化1 g亞硝酸鹽氮為氮氣時，需要有機物（BOD5）為1.71 g；轉化1 g硝酸鹽氮為氮氣時，需要有機物（BOD5）為2.86 g。

在反硝化過程中，硝酸氮通過反硝化菌的代謝會產生同化反硝化和異化反硝化2種轉化途徑，最終的產物分別是菌體的組成部分和排入大氣的氣態氮。

2.2 生物脫氮過程的影響因素

2.2.1 水 溫

硝化反應的適宜水溫為20~30℃，＜15℃，硝化速度下降，＜5℃，硝化反應完全停止。反硝化反應事宜水溫為20~40℃，＜15℃，反硝化速度下降。

2.2.2 溶解氧

硝化反應器內溶解氧濃度宜保持在2.0 mg/以上，而且反硝化反應宜將溶解氧控制在0.5 mg/L以下。

2.2.3 pH值

亞硝酸菌在pH值為7.0~7.8時，活性最好，而硝酸菌則為7.7~8.1。反硝化反應pH值控制在7.0~7.5之間，由于硝化反應需要消耗堿度，而反硝化可以恢復一部分堿度，有利于將系統的pH值穩定在所需范圍內。

2.2.4 污泥齡

硝化過程的污泥齡一般為硝化菌最小世代時間的2倍以上，因此生物脫氮過程污泥齡一般控制在12~25 d。當冬季水溫＜10℃時，應適當提高污泥齡。

3 污水廠出現氨氮去除率低現象的原因分析及應對之策

3.1 產生的現象及原因分析

某年5月下旬，污水處理廠出水明渠處水體顏色發黃，并因水躍現象造成泡沫堆積，且泡沫發黏，不易破散，同時泡沫上有褐色懸浮物堆積，感官不好。

污水處理廠5月進出水氨氮數據如圖2所示。

圖2 污水處理廠5月進出水氨氮數據Fig.2 Data of ammonia nitrogen in the inlet and outlet water of the sewage treatment plant in May

由圖2可得，此時的污水氨氮去除率偏低。在運行中還發現，當水量充足時，如超過3 200 m3，進水氨氮數值基本維持在15 mg/L左右，而當進水量突然降低至2 000 m3時，氨氮數值會猛增至34 mg/L，對活性污泥造成了大的沖擊負荷，為氨氮的去除增加了困難。其他運行指標基本維持在正常水平。

3.2 應對之策

根據生物脫氮的去除原理，污水中的氮需要經過硝化和反硝化才能去除。硝化反應需要的條件是好氧及低有機物含量，而反硝化則需要低溶解氧和充足的碳源才能進行。根據此原理，將原始的運行方式，即進水、曝氣、沉淀、潷水4個階段，各階段1 h，共4 h 1周期，更改為新運行方式，即當進水氨氮偏高時，對處于待機狀態的好氧池低水位混合液進行預曝氣，時間控制在半小時左右（待機狀態的殘留液為上周期處理過的水，有機物含量低），使其生成足夠的硝酸鹽后，再將調節池內污水提升進入生物選擇池及缺氧池內，進水過程僅開啟攪拌器但不進行曝氣，以維持低溶解氧狀態，新進的污水富含有機物，滿足反硝化的條件，使氨氮轉化為氮氣形式溢出，進水結束后進入曝氣階段，繼續開啟污泥回流泵和混合液回流泵，污泥回流比由原狀態的23%提高至51%，混合液回流比控制在72%，曝氣1 h后進行沉淀、潷水，此種運行方式大大提高了脫氮效率。

污水處理廠6月進出水氨氮數據如圖3所示。

圖3 6月進出水氨氮數據Fig.3 Water inlet and outlet ammonia nitrogen date in June

由圖3可得，采用該運行方式后，即使氨氮進水負荷波動較大，出水氨氮依然可以保持在0.5~1.0 mg/L。

4 結 語

經過幾個月的運行及監測發現，該運行方式能夠保證氨氮去除率，使出水氨氮一直保持在0.5 mg/L左右。結合污水廠的運行，應該注意以下幾點。

（1）該方法需要及時監測進水氨氮數值，當該數值上升到25 mg/L時，立即采用上述運行方式，即可保證該周期水質達標。

（2）當進水氨氮數值處于正常水平時（15 mg/L左右），為降低污水處理廠的運行成本，可采用原運行方式降低電耗。

（3）污水處理中生物脫氮和除磷是相互影響的，為提高脫氮效率，預曝氣后回流的混合液勢必會將溶解氧帶入到選擇池中，從而影響除磷效果。為達到同步脫氮除磷的目的，污水處理廠的運行方式必須依據水質特點，對工藝流程及各項參數進行適當調整。