强化CAST工艺脱氮除磷效能的试验研究

摘要

循环式活性污泥法（cyclic activated sludge technology，CAST）是SBR的一种变型工艺，因具有投资及运行费用低、运行简单灵活及其选择器能防止污泥膨胀和主反应区内可进行同步硝化反硝化等优点在众多污水处理工艺中脱颖而出。然而其在国内的应用却表明，该工艺的脱氮除磷效率并不理想。为了对该工艺的运行机理和脱氮除磷的强化进行深入地研究，采用容积为115升的CAST工艺试验装置，以生活污水为研究对象，对该工艺脱氮除磷的机理及其强化进行了研究，同时详细研究了该工艺反应过程中ORP、pH和DO的变化规律，据此进行对工艺运行方式的改造及优化。该研究为CAST工艺的运行和控制提供了有益的参考，并在生物脱氮除磷方面发现了一些新现象。
　　 首先研究了充水比、原水碳氮比（COD/TN）、运行方式对CAST工艺去除污染物效率的影响。结果表明，降低充水比对除磷影响不大，而有利于对低C/N生活污水总氮的去除。不同COD/TN比实验发现，较高的原水碳氮比有利于系统总氮（T/N）和总磷（TP）的去除。当原水平均COD/TN为3.6和4.3时，TN平均去除率分别为65.2％和74.1％，TP平均去除率分别为29.6％和69.5％；而当原水平均COD/TN为2.8时，TN和TP平均去除率仅为58.9％和12.9％。然而，提高COD/TN或降低充水比均会使系统发生污泥膨胀。
　　 传统CAST工艺运行模式由于缺少有效的缺氧搅拌阶段致使系统的脱氮效率难以提高；同时由于难以建立理想的厌氧环境，使得聚磷菌无法优势生长。因此，为了强化系统的反硝化性能，在工艺运行过程中增加了缺氧搅拌阶段，将周期时间延长为6h，进水时间由2h延长为4h，固定充水比为33％，采用连续进水交替一次缺氧/好氧（A/O）运行模式处理低碳氮比生活污水。研究发现，系统反硝化作用得到加强，TN去除率有所提高，平均去除率可达67.8％；但是对磷的去除效果影响不大，TP去除率为17.9％。
　　 对CAST运行模式进一步改进，固定充水比为25％，采用交替两次缺氧/好氧（A/O）运行模式，考察连续进水与分段进水运行工况下系统处理低碳氮比生活污水的脱氮效能。研究发现，在同样的污泥浓度和曝气量下，连续进水模式下系统的TN平均去除率为75.1％，而采用分段进水可将系统的TN平均去除率提高至81.5％，并且污泥沉降性能良好。此外，保证NH4+-N完全硝化，分段进水方式所需的曝气量仅为连续进水方式下的43％；保持处理水量不变并等量分段进水，脱氮效率随进水次数的增加逐步提高，但分段次数过多使操作变得复杂，对于普通城市污水，建议采用3次等量进水方式。
　　 采用交替三次缺氧/好氧运行模式，考察第一次缺氧时长对系统除磷性能的影响。结果表明，当进水水质相同时，第一次缺氧段时间越长，反应区内放磷越充分，系统的除磷性能越好。实验还发现，交替缺氧/好氧运行模式下容易富集反硝化聚磷菌，系统内有反硝化除磷现象。
　　 CAST工艺与SBR工艺在结构上最大的区别就是生物选择器的设置。目前国内外已有不少学者对CAST工艺运行性能做出了相关研究，但尚未见有关选择器容积大小对CAST工艺运行性能的影响。针对这一问题，对不同COD/TN比及选择器容积对CAST工艺去除营养物的性能做出了研究。以HRTs（选择器水力停留时间）来代表选择器容积的大小，两者成正比关系。结果表明：采用递减交替三次A/O运行方式时，进水COD/TN比及HRTs的变化对COD去除性能影响不明显，均能维持在82％以上；而对脱氮性能影响较大。当进水COD/TN比分别为2.6和3.5时，系统氨氮去除率均维持在98％以上，TN去除率则随HRTs的增大而升高；HRTS由1.8h增至5h时，2种碳氮比下的TN去除率分别由62.9％，72.1％升至76.2％，84.6％。当进水COD/IN比为4.4时，HRTs由1.8h增至5h导致系统硝化不完全，TN去除率由86.3％降至58.2％。研究还发现，提高COD/TN比和增大HRTs均能改善系统的除磷性能。本研究中交替A/O运行方式下，进水COD/TN比为4.4（远低于一般城市生活污水的8～10），HRTs为1.8h时，CAST工艺获得较好的脱氮除磷效果，TN及磷的去除率分别为86.3％和93.8％，出水达到我国城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）一级A要求。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 生物脱氮除磷技术研究现状

1.2.1 生物脱氮技术及其研究现状

1.2.2 生物除磷技术及其研究现状

1.2.1 脱氮和除磷的关系及矛盾

1.3 循环式活性污泥法研究现状

1.3.1 CAST工艺概述

1.3.2 CAST工艺工作原理

1.3.3 CAST工艺的特点

1.4 研究目的意义及内容

1.4.1 课题来源

1.4.2 研究目的和意义

1.4.3 主要研究内容

第2章 试验材料和方法

2.1 试验用水来源与水质

2.2 试验设备与方法

2.2.1 试验装置与仪器

2.2.2 检测项目及方法

2.3 试验的启动与运行控制

2.3.1 污泥的培养与驯化

2.3.2 试验的运行与控制

第3章 CAST工艺性能研究

3.1 前言

3.2 试验目的及方案

3.3 试验结果与分析

3.3.1 不同充水比下CAST工艺性能

3.3.2 不同进水C/N比下CAST工艺性能

3.3.3 传统模式一周期内各污染物的变化

3.3.4 交替缺氧/好氧运行方式下CAST工艺性能

3.4 本章小结

第4章 强化CAST工艺处理低C/N比生活污水脱氮效能的研究

4.1 前言

4.2 试验目的及方案

4.3 试验结果与分析

4.3.1 两种进水方式污染物去除情况和污泥沉降性能

4.3.2 两种进水方式一周期内脱氮情况的对比

4.3.3 分段进水方式一周期pH、DO、ORP及各污染物浓度变化

4.3.4 交替次数对分段进水运行系统去除污染物情况的影响

4.5 本章小结

第5章 强化CAST工艺除磷效能的研究

5.1 前言

5.2 试验目的及方案

5.3 试验结果与分析

5.3.1 平均分段及递减分段方式下系统的除磷效能

5.3.2 延时进水与延时曝气方式下系统的除磷效能

5.3.4 反硝化除磷小试验证

5.4 本章小结

第6章 C/N比及HRTs对改良CAST工艺的影响

6.1 前言

6.2 试验目的及方案

6.3 试验结果与分析

6.3.1 递减分段运行模式下系统有机物的去除情况

6.3.2 递减分段运行模式下系统脱氮情况

6.3.3 递减分段运行模式下系统除磷情况

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢