牛奕娜，于 明，武 晨，李 论，李昌春，王洪芹

（北京北华中清环境工程技术有限公司，北京 100070）

CAST工分段进水强化脱氮工艺特性研究

牛奕娜，于 明，武 晨，李 论，李昌春，王洪芹

（北京北华中清环境工程技术有限公司，北京 100070）

CAST分段进水强化脱氮工艺技术采用优化运行时序、调整充水比等方法，在污废水处理中利用原水中的有机物作为反硝化碳源，具有较好的脱氮性能，在节省外加碳源投加量的基础上，不仅保持了传统CAST工艺的优点，强化了脱氮效果，并且在系统启动时间、抗冲击能力、污泥负荷承担能力和节能降耗方面也均优于水厂传统的CAST系统，值得大范围推广应用。

强化脱氮；CAST工艺；分段进水

1 技术背景

1.1 CAST分段进水强化脱氮工艺技术介绍

氮、磷过量排放引起的水体富营养化是当前国家有关部门和公众最为关注的环境问题之一。而控制水体富营养化、防止水体污染的最根本途径就是对污染源进行治理，控制污染物的排放量，使污水处理厂出水中的氮、磷含量达到排放标准。污水排放标准日趋严格是目前世界各国普遍的发展趋势，以控制富营养化为目的的氮、磷脱除已成为解决污水治理排放的奋斗目标。

污水中的磷可借助于化学或生物方法去除，而氮则几乎只能通过生物学方法去除。传统的生物脱氮处理采用两段法，即氨氮在好氧条件下被氧化成硝酸盐，而后硝酸盐在缺氧条件下被还原为氮气。因此，一般需要两个反应器来进行两种不同的工艺过程。

CAST（循环式活性污泥法，Cyc1ic Activated S1udge Techno1ogy）是SBR（间歇式活性污泥法，Sequencing Batch Reactor）的一种变形，在SBR的基础上增设一个生物选择器，以期取得抑制丝状菌污泥膨胀发生和良好脱氮除磷效果，其因具有投资及运行费用低、操作简单灵活及选择器能防止污泥膨胀和在主反应区内可进行同步硝化反硝化等特点，在众多污水处理工艺中脱颖而出。同时，随着近年来计算机及各种软件的发展，CAST工艺备受设计者青睐，许多污水处理厂纷纷采用。然而，传统的CAST工艺由于缺少缺氧搅拌阶段，其脱氮性能受到限制，固定时间的控制方式亦不能适应进水水量和水质的变化，造成污染物的去除效率不稳定，出水水质得不到保证。因此，结合CAST工艺运行灵活的特点，研究一种新的运行方式以提高脱氮效率成了解决这一问题的当务之急。

CAST分段进水强化脱氮工艺系统是国内外近年来新开发的城市污水处理生物脱氮工艺。该工艺对传统CAST工艺采用调整并优化运行时序、调整充水比等方法，充分利用原水中的有机物作为反硝化碳源，在节省外加碳源投加量的基础上，不仅保持了传统CAST工艺的优点，还能达到强化脱氮的目的。与传统的CAST工艺相比，强化CAST分段进水工艺具有明显优点：充分利用了原污水中的有机碳源，负荷均衡，同时科学合理地分配每一阶段硝化、反硝化的时间；一定程度缩小了供氧速率与耗氧速率之间的差距，有利于降低能耗，又能够充分发挥活性污泥微生物的降解功能；提高了反应器对水质水量冲击负荷的适应能力。

1.2 试验地点及方法

CAST分段进水强化脱氮工艺试验系统建立于衡水地区某污水处理厂，试验成功后，完成了对该污水处理厂的升级改造。

衡水某污水处理厂（以下简称水厂）采用CAST工艺对城区内居民生活污水和部分工业废水进行处理，现日处理污水能力为25,000m3，满负荷运转率在80%以上，出水水质按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB189180-2002）一级B排放标准执行。工艺流程图如图1。

图1 衡水地区某污水处理厂改造前工艺流程图

2 工艺流程和试验系统

2.1 工艺流程

该污水处理厂的原有工艺是传统CAST工艺，计划改造采取的是CAST分段进水强化脱氮工艺。目前该污水处理厂的CAST系统运行周期为4h，分别为进水1h（同时曝气）、曝气1h、静沉1h、滗水1h。如果下述中试实验系统效果可行，该水厂将升级改造为CAST分段进水强化脱氮工艺，系统运行周期调整为6h，分别为进水搅拌1h、曝气3h、静沉0.5h、进水滗水1.5h。

CAST分段进水强化脱氮工艺将进水分为两段，一段是在滗水时序时进水，另一段是在搅拌时序时进水，在连续运行的CAST分段进水强化脱氮工艺中，分段进水也具有连续性。

2.2 试验装置

CAST分段进水强化脱氮工艺试验系统（如图2所示）分为三个部分：预处理单元、调节池、主体反应池。主体反应池体积为5m3，调节池体积为0.8m3，调节池生物选择器与主体反应器实际有效体积比约为1︰10。选择器与主反应器内均设有搅拌器，整个系统由PLC自动系统控制。试验正常运行条件为：进水流量为700L/d，SRT（污泥龄）为12d，反应器MLSS质量浓度为4000mg/L，污泥回流比为20%，好氧阶段曝气量设定为30m3/h。

图2 CAST分段进水强化脱氮工艺试验系统示意图

3 结果与分析

3.1 试验参数

试验期间，将实验系统和该水厂未改造的CAST工艺进行对比，试验系统的进水平均pH值为7.40，出水平均pH值为6.69，pH值稳定正常。该试验系统的污泥浓度在4000mg/L左右，平均值为4040mg/L，平均挥发性污泥浓度为2427mg/L。一般传统的CAST工艺污泥浓度在4500～7000mg/L之间，而CAST分段进水强化脱氮工艺试验系统的污泥浓度明显低于水厂运行的CAST平均值，而CAST分段进水强化脱氮工艺试验系统污泥负荷远高于水厂运行的CAST平均值。

3.2 COD出水处理效果对比

试验系统出水COD浓度平均值低于水厂运行的CAST系统出水8.7%，COD去除率稍微高于水厂运行的CAST系统平均值。需处理的进水水质相同，进水COD浓度见图3，出水COD浓度对比见图4，COD去除率对比见图5。

CAST分段进水强化脱氮试验系统出水COD浓度平均值为33.08mg/L，平均去除率为89.9%。

水厂传统CAST系统出水COD浓度平均值为36.22mg/L，平均去除率为81.16%。CAST分段进水强化脱氮试验系统出水COD浓度平均值低于水厂传统CAST系统出水8.7%，试验系统COD去除率稍微高于传统CAST系统平均值。

图3 进水COD浓度

图4 出水COD浓度对比

图5 COD去除率对比

3.3 CAST分段进水强化脱氮工艺试验系统强化了脱氮性能

（1）CAST分段进水强化脱氮工艺试验系统整体出水氨氮浓度明显低于水厂传统CAST系统出水

试验系统初期启动较快，出水氨氮浓度稍微优于水厂CAST系统出水。

在试验系统试验中期，运行稳定，出水氨氮浓度明显优于水厂CAST系统同期，抗冲击能力也好于水厂CAST系统。水厂CAST系统出水氨氮浓度因进水氨氮浓度问题波动较大，而CAST分段进水强化脱氮工艺试验系统的出水氨氮浓度无波动或者波动较小（见图6中圆圈内阶段）。

图6 出水氨氮浓度对比

整个试验运行阶段，水厂CAST系统出水氨氮为36.71mg/L，CAST强化脱氮试验系统出水氨氮平均值为19.57mg/L，试验系统出水氨氮浓度低于水厂传统CAST系统46.69%（见图7）。

图7 氨氮去除率对比

整个试验运行阶段，水厂CAST系统的氨氮平均去除率为45.26%，CAST分段进水强化脱氮工艺试验系统氨氮平均去除率为73.82%，试验系统氨氮去除率高于CAST系统28.56%（见图8）。

图8 CAST系统进水氨氮浓度

图8中的浅色曲线反映的是进水超标时增加的夜间取样点的数据，证明8月1日后夜间偷排严重。CAST强化脱氮试验进水氨氮严重超标，图8中的深色曲线显示白天平均进水氨氮浓度为70.84mg/L。在8月1日至8月20日期间，氨氮浓度进水波动较大阶段，浅色曲线显示夜间平均进水氨氮浓度值为115.51mg/L，远远高于水厂设计进水氨氮浓度值，而水厂设计进水氨氮浓度要求不高于30mg/L。由图6深色圆圈标记的范围分析可知，水厂CAST系统在进水波动较大时的出水氨氮浓度为36.71mg/L，平均去除率为45.26%。CAST强化脱氮试验系统出水氨氮浓度平均值为19.57mg/L，平均去除率为73.82%，去除率远高于水厂CAST系统出水。由CAST强化脱氮系统出水氨氮浓度低于水厂CAST系统46.69%，去除率高于水厂CAST系统28.56%，可见，该试验系统的抗冲击能力较高。

（2）CAST分段进水强化脱氮试验系统运行初期出水氨氮浓度略低于水厂CAST系统同期

试验系统预启动花费一周时间，比起水厂CAST系统初期启动较快。试验系统运行初期，出水氨氮浓度较低，稍稍低于水厂CAST系统同期，由于刚刚启动，系统并没有成熟稳定，试验系统出水氨氮浓度并没有体现出较大优势（见图9、图10）。

图9 系统启动初期出水氨氮浓度对比

图10 系统启动初期氨氮去除率对比

（3）CAST分段进水强化脱氮工艺试验系统运行中期出水氨氮浓度明显低于水厂CAST系统

试验系统在试验中期运行逐步成熟，进入稳定运行期后，试验系统出水氨氮浓度远低于水厂CAST系统同期出水。试验系统运行中期，水厂出水氨氮浓度平均值为40.94 mg/L，平均去除率为32.67%。试验系统出水氨氮浓度平均值为13.09mg/L，平均去除率为79.70%。试验系统出水氨氮浓度平均值低于水厂系统68.03%，平均去除率高于水厂47.03%（见图11、图12）。

图11 系统运行中期出水氨氮浓度对比

图12 系统运行中期氨氮去除率对比

试验系统稳定运行中期，出水氨氮平均值低于水厂68.03%，试验系统出水氨氮浓度平均去除率高于水厂47.03%。

3.4 增加进水量对脱氮效果的影响

CAST分段进水强化脱氮工艺试验系统运行后期，增加进水水量，提高污泥负荷，进水量从1.5m3逐步提高至1.8m3。进水量在1.5～1.8m3逐步升高的过程中，出水氨氮浓度也在逐步升高，在进水量达到1.8m3稳定运行的时候，试验系统出水氨氮浓度已基本与水厂出水氨氮浓度持平。所以试验系统进水量增加的极限约为20%，若进水量的增加超过20%，该试验系统就不能正常运行了。如图13、图14所示，数据1的进水量为1.5m3，数据2、3的进水量为1.6m3，数据为4、5的进水量为1.7m3，数据6～11的进水量为1.8m3。

进水量增加不超过20%，试验系统出水氨氮浓度低于未增加进水的水厂CAST系统出水。

3.5 减少曝气时间对脱氮效果的影响

CAST分段进水强化脱氮工艺试验系统运行后期，减少曝气时间，做节能降耗试验。

图13 试验系统增加进水量与未增加进水量的水厂CAST系统出水氨氮浓度对比

图14 试验系统增加进水量与未增加进水量的水厂CAST系统出水氨氮去除率对比

曝气时间分两次更改，每次减少曝气时间0.5h，从3h曝气时间减少至2h。曝气时间减少0.5h后，每周期曝气时间从3h降至2.5h后，CAST分段进水强化脱氮工艺系统的出水氨氮浓度明显低于水厂同期出水，曝气时间继续减少0.5h，降至2h后，CAST分段进水强化脱氮工艺系统的出水氨氮浓度基本与水厂持平，所以减少曝气时间的极限应该是30%左右（见图15、图16）。

图15 减少曝气时间出水氨氮浓度对比

图16 减少曝气时间氨氮去除率对比

在进水较稳定的情况下，CAST分段进水强化脱氮工艺系统曝气时间可减少30%。

4 试验结论

4.1 CAST分段进水强化脱氮工艺试验系统出水优于同等参数水厂CAST系统

（1）CAST分段进水强化脱氮工艺系统出水COD浓度低于同等参数水厂CAST系统

试验系统由于采取分段进水，提高了COD的利用率，提高了厌氧阶段COD去除量，所以试验系统出水COD浓度低于水厂传统CAST系统出水。

（2）CAST分段进水强化脱氮工艺系统出水氨氮浓度远低于同等参数水厂CAST系统

系统运行阶段，进水氨氮浓度严重超标，白天平均进水氨氮浓度为70.84mg/L。进水波动较大阶段，晚上平均进水氨氮浓度为115.51mg/L。远远高于设计进水氨氮浓度不高于30mg/L的标准。

水厂出水氨氮浓度为36.71mg/L，平均去除率为45.26%，试验系统出水氨氮浓度平均值为19.57mg/L，平均去除率为73.82%，远低于水厂CAST系统出水氨氮浓度。试验系统出水氨氮浓度低于水厂CAST系统46.69%，去除率高于水厂CAST系统28.56%。

稳定运行阶段，水厂出水氨氮浓度平均值为40.94mg/L，平均去除率为32.67%，试验系统出水氨氮浓度平均值为13.09mg/L，平均去除率为79.70%。试验系统出水氨氮浓度平均值低于水厂传统CAST系统68.03%，平均去除率高于水厂传统CAST系统47.03%。

在CAST分段进水强化脱氮工艺试验系统污泥负荷增加不超过20%，或者曝气时间减少不超过30%的时候，出水氨氮浓度均低于同参数水厂CAST系统出水。

4.2 CAST分段进水强化脱氮工艺系统启动快、抗冲击能力、污泥负荷承担能力优于水厂CAST系统

（1）CAST分段进水强化脱氮工艺系统启动较快

CAST分段进水强化脱氮工艺系统前期启动较快，系统启动初期出水氨氮浓度略优于水厂出水。系统启动初期出水pH值稳定，污泥活性较好。

（2）CAST分段进水强化脱氮工艺系统抗冲击能力优于水厂CAST系统

CAST分段进水强化脱氮工艺系统试验运行期间，进水氨氮浓度偏高，而且波动较大，试验系统出水氨氮浓度受进水波动影响小于水厂出水，与水厂波动较大相比，试验系统出水氨氮浓度无波动或者波动较小。所以CAST分段进水强化脱氮工艺系统抗冲击能力优于水厂传统CAST系统。

（3）CAST分段进水强化脱氮工艺系统污泥负荷承担能力高于水厂CAST系统

系统运行后期，增加进水水量，提高污泥负荷，进水量从1.5m3逐步提高至1.8m3。进水量在1.5～1.8m3逐步升高的过程中，CAST分段进水强化脱氮工艺系统出水氨氮浓度逐步升高，

在进水量达到1.8m3稳定运行的时候，试验系统出水氨氮浓度已经基本和水厂持平。

进水量增加不超过20%，CAST分段进水强化脱氮工艺系统出水氨氮浓度低于水厂CAST系统出水。

4.3 CAST分段进水强化脱氮工艺系统节能空间较大

系统运行后期，做节能降耗试验，CAST分段进水强化脱氮工艺系统相对于同等参数水厂CAST系统最多可减少曝气时间30%。能降低30%的曝气能耗。

曝气时间分两次更改，每次减少曝气时间0.5h，从3h曝气时间减少至2h。

曝气时间减少0.5h后，每周期曝气时间从3h降至2.5h后，CAST分段进水强化脱氮工艺系统出水氨氮浓度明显优于水厂CAST系统同期出水，继续减少0.5h，曝气时间降至2h后，出水氨氮浓度基本与CAST系统持平，最多可以减少曝气时间30%左右。

CAST分段进水强化脱氮工艺系统液位低于同参数CAST系统，曝气液位低，需要曝气压力小，可节省曝气能耗。

因为CAST分段进水强化脱氮工艺系统采取分段进水，进水曝气阶段，只完成一部分进水，还有一部分在沉淀滗水阶段进行，所以系统液位低于同参数CAST系统。系统曝气液位低，曝气压力需求小，可节省曝气能耗10%～20%。

CAST分段进水强化脱氮工艺系统由于采用分段进水，可充分利用原水中的有机碳源，不需额外投加碳源，可节省碳源投加开支。

综上所述，采用CAST分段进水强化脱氮工艺系统，曝气能耗可节省30%～50%，运营后不需要额外投加碳源等开支，自动化程度较高，无人工附加需求。所以采取CAST分段进水强化脱氮工艺系统运行成本最少可为同等传统CAST系统运行费用的一半。

5 结语及展望

5.1 CAST分段进水强化脱氮工艺系统强化脱氮能力、抗冲击能力好

CAST分段进水强化脱氮工艺系统采取分段进水工艺，分段进水强化脱氮工艺能充分利用原水中有机物作为反硝化碳源，在节省外加碳源投加量的基础上，不仅保持了传统CAST工艺的优点，还能达到强化脱氮的目的。

采用分段进水具有如下优点：有机底物沿池长均匀分布，负荷均衡，即在一定程度上缩小了供氧速率与耗氧速率之间的差距，有利于降低能耗，又能够充分发挥活性污泥微生物的降解功能；提高了反应器对水质水量冲击负荷的适应能力。

在脱氮除磷成为当前污水处理技术热点的时代，CAST分段进水强化脱氮工艺系统运行简单快捷，深度脱氮能力强，抗冲击负荷能力好，必将成为污水处理未来应用前景最为广泛的前沿技术之一。

5.2 CAST分段进水强化脱氮工艺系统应用广泛，可结合其它新技术

CAST分段进水强化脱氮工艺系统技术应用广泛，适用于CAST系统、SBR系统、A2O系统等很多的间歇性反应系统，可应用于方形池、圆形池等很多形状的曝气池。并且作为系统的其中一个技术环节，可与其它新技术相结合，例如：与MBBR技术、微生物增效技术、MBR平板膜/中空纤维膜技术，因此该技术应用前景十分广泛。

5.3 改造成本低廉，节能降耗空间大

CAST分段进水强化脱氮工艺系统改造成本十分低廉，不需要土建工程，只需要在原有设备基础上增加搅拌推流和隔水堰板，可节省大量的改造费用和土建费用。

CAST分段进水强化脱氮工艺系统液位低于同参数CAST系统，曝气液位低，需要曝气压力小，可节省曝气能耗。

CAST分段进水强化脱氮工艺系统由于采用分段进水，可充分利用原水中的有机碳源，不需额外投加碳源，可节省碳源投加开支。

CAST分段进水强化脱氮工艺系统由于采取分段进水，可充分利用原水中的有机碳源，强化脱氮能力较好，有机物去除效率较高，曝气利用率高，可减少曝气时间，节省曝气能耗。最多可减少曝气时间30%。

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Characteristic Research on Strengthening Denitrification Technology in CAST Subsection Water Inflow

NIU Meng-na, YU Ming, WU Chen, LI Lun, LI Chang-chun, WANG Hong-qin
(Beijing Beihua Zhongqing Environmental Engineering & Technology Co., Ltd, Beijing 100070, China)

The strengthening denitrification technology in CAST water inflow in subsection adopts the methods of optimizing operation hour order and others. By using the organism in the original water as denitrification carbon source in the wastewater treatment, it has the best denitrification capability. Based on the addition of carbon source and quantum, it maintains the merit of the traditional CAST technology and strengthens the effect of denitrification. It excels the traditional CAST system in the system start-up time, anti-impact power, load power of sludge, energy saving and consumption reduction. It is good for popularization and application at a great range.

strengthening denitrification; CAST technology; water inflow in subsection

X703

A

1006-5377（2014）10-0053-07