長期以來，高濃度氨氮一般出現(xiàn)在工業(yè)廢水中，處理這部分廢水大多采用物化和生化方法相結(jié)合的工藝或者完全物化工藝。但是，隨著人們消費結(jié)構(gòu)的變化，生活污水的高氨氮已經(jīng)成為一個不容忽視的問題，解決這一問題對于防止水體富營養(yǎng)化和解決水體環(huán)境污染問題具有重要意義。生活污水中氨氮的變化范圍一般在20～150mg/L，通常把氨氮濃度在80mg/L以上的生活污水稱為高氨氮生活污水。本試驗所研究的高氨氮生活污水濃度范圍在80～150mg/L。 

  對高氨氮生活污水的處理研究可適用的范圍為：城市生活污水、小城鎮(zhèn)污水、高校生活污水、小區(qū)生活污水以及工業(yè)廢水。

  外目前對于應(yīng)用CASS工藝處理高氨氮生活污水的研究還處于起步階段，處理效果也不理想，脫氮率較低。研究如何將CASS工藝用于高氨氮生活污水的處理，充分發(fā)揮CASS工藝脫氮除磷效果好、耐沖擊負荷能力強、防止污泥膨脹、建設(shè)費用低和管理方便等優(yōu)點，對于促進CASS工藝的發(fā)展和改善水體環(huán)境具有現(xiàn)實意義。

  1.試驗裝置和試驗方法

  1.1 試驗裝置

  試驗采用的CASS反應(yīng)器

  反應(yīng)器尺寸大小：L×B×H＝1000mm×320mm×450mm，分為缺氧區(qū)和好

  氧區(qū)兩個部分，其中缺氧區(qū)長度為200mm，好氧區(qū)為800mm。潷水部分采用絲杠套筒式潷水器，受PLC控制器控制。

  1.2 試驗條件

  試驗原水取自某高校學(xué)生公寓樓前化糞池上清液。生活污水由廁所、廚房排水，洗浴水和其它污水組成，其中，廁所污水和廚房排水是生活污水的主要來源。污水中的NH3-N濃度高，濃度在90～120mg/L，占進水總氮的92％左右，COD濃度在400～900 mg/L。

  試驗周期運行時間設(shè)定為4h，各階段時間分配一般為：曝氣120min，沉淀90min，排水20min，閑置10min。試驗采用均勻曝氣方式，每個周期的曝氣量保持不變，以曝氣期末端DO作為控制目標，試驗過程中末端DO一般控制為2.5mg/L。CASS工藝采用變?nèi)莘e運行，高水位和低水位的MLSS相差較大，系統(tǒng)內(nèi)的MLSS始終處于一個變化狀態(tài)。一般平均MLSS控制在4000～4500 mg/L。

  2.試驗結(jié)果和討論

  2.1 污泥負荷對脫氮的影響

  試驗分別采用HRT為12h和16h；周期運行時間為4h，各階段時間分配為：曝氣120min，沉淀90min，排水20min，閑置10min；以曝氣期末端DO控制在2.5～3.0mg/L。回流比采用150％。

  圖1表明，試驗中污泥有機負荷對各種物質(zhì)的去除均有重要影響。當(dāng)污泥有機負荷低于0.25kgCOD/(kgMLSS·d)時，硝化率在96％以上，COD去除率為88％左右，而脫氮率在50～70％之間。當(dāng)污泥有機負荷在0.18～0.25 kgCOD/(kgMLSS·d)時脫氮效果好，脫氮率在60～70％；當(dāng)污泥有機負荷高于0.28kgCOD/(kgMLSS·d) 時，COD去除率降低到80％以下，硝化率在50～80％，脫氮率在39～60％。

  圖2表明，NH3-N負荷對硝化的影響較大，當(dāng)NH3-N負荷低于0.045kg NH3-N/(kgMLSS·d)時，硝化率達到96％以上，而當(dāng)NH3-N負荷高于0.045kg NH3-N/(kgMLSS·d)時，硝化率明顯下降，僅達到50～80％。NH3-N負荷對反硝化的影響不明顯。

  2.2 回流比對脫氮的影響

  分別采用50％、100％、150％、200％、250％五種回流比進行對比試驗。HRT為16h；周期運行時間為4h，各階段時間分配為：曝氣120min，沉淀90min，排水20min，閑置10min；曝氣期末端DO控制在2.5～3.0mg/L。

  回流比試驗數(shù)據(jù)如表1所示,  回流比對脫氮效果的影響曲線如圖3所示：

      表1  回流比試驗數(shù)據(jù)表

回流比％	進水COD mg/L	出水COD mg/L	COD去除率％	進水總氮mg/L	進水NH3-Nmg/L	出水NH3-Nmg/L	NH3-N去除率％	出水NO3-Nmg/L	脫氮率％
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

    圖3表明，當(dāng)生活污水試驗的回流比從50％到250％以每次50％的速度遞增時，系統(tǒng)的脫氮率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)回流比增大到150％時，系統(tǒng)的脫氮率達到大，其數(shù)值為62.65％，NH3-N保持97％以上的去除率， COD去除率也達到88％以上。

  2.3 曝氣時間和溶解氧對脫氮的影響

  改變曝氣量以控制末端DO，并改變曝氣時間，具體組合工況見表2， 

  表2   試驗工況數(shù)據(jù)表

工況	曝氣量(m3/h)	曝氣時間(min)	沉淀時間(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

  試驗采用 HRT為16h，回流比為150％。

  圖4表明，當(dāng)曝氣量和曝氣時間發(fā)生變化時，各工況一個周期內(nèi)DO的變化并不相同，但是各個工況都表現(xiàn)出由小到大的一個變化過程。

  五種工況的出水水質(zhì)情況如表3所示。

  表3  五種工況試驗結(jié)果數(shù)據(jù)表

工況	進水COD(mg/L)	出水COD(mg/L)	COD去除率(％)	總氮(mg/L)	進水NH3-N(mg/L)	出水NH3-N(mg/L)	NH3-N去除率(％)	出水NO3-N(mg/L)	脫氮率(％)
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

  圖5表明，五種工況下，DO和曝氣時間的改變對NH3-N去除率影響大，NH3-N去除效果好的工況脫氮效果也相應(yīng)較好，硝化好的工況3脫氮效果好，脫氮率達到了65.93％，而硝化率低的工況5脫氮率則低，為49.16％；DO和曝氣時間對COD去除率的影響則很小，各種工況下COD的去除率都達到了90.32％以上，

  從上述分析可知，DO的控制對脫氮效果的影響較大。要取得好的脫氮效果，先要將硝化進行得比較徹底，而DO對于硝化反應(yīng)有著重要的影響。試驗表明，適合于脫氮的DO濃度反映在兩個方面：一是曝氣階段的低DO濃度必須達到一定水平，根據(jù)試驗，這個低DO濃度水平是1.40 mg/L；二是曝氣期末端DO水平也要達到一個較高值，這個值的選擇范圍要寬一些，根據(jù)試驗結(jié)果， 2.5～3.5 mg/L的控制范圍比較合理。

  曝氣時間對脫氮的影響也是存在的，試驗表明，要取得較好的脫氮效果，縮短曝氣時間就必然需要增大曝氣量，即便如此，試驗中的工況2和工況3的脫氮效果還是有差異，若工藝曝氣時間采用定時控制，在選擇合適的曝氣量下，應(yīng)盡量選擇較長的曝氣時間。

  2.4 CASS工藝曝氣時間控制研究

  關(guān)于DO和曝氣時間對系統(tǒng)脫氮影響的研究表明，曝氣時間可以根據(jù)污水處理的需要進行靈活的選擇，但是如何選擇合理的曝氣時間是下面試驗需要討論的問題。

  對曝氣時間控制目的有三個：一是實現(xiàn)計算機自動控制；二是在保證出水水質(zhì)前提下盡可能節(jié)省運行費用；三是避免曝氣量不足或反應(yīng)時間過長而引起的污泥膨脹。

  目前CASS工藝對曝氣時間的控制有兩種方法，即定時控制和實時控制。

  定時控制是將曝氣時間設(shè)定為某一固定值。實時控制是采用現(xiàn)代監(jiān)測儀器對反應(yīng)時間進行控制。一種是通過在線COD或BOD儀監(jiān)測污水，一旦達到出水要求即停止曝氣，這是理想的控制方式，但是對監(jiān)測儀器的要求較高；另一種是通過ORP、DO、pH儀來控制曝氣時間，由于曝氣期內(nèi)CASS池的COD、NH3-N和NO3-N等物質(zhì)濃度的變化與ORP、DO和pH等值之間存在著一定的相關(guān)性，這種相關(guān)性可有效地指導(dǎo)工程曝氣時間的控制。實時控制是目前研究和應(yīng)用為廣泛的方法，但是對于不同的水質(zhì)，曝氣過程中的參數(shù)變化規(guī)律是不同的，需要作具體的分析。

  試驗研究了DO與NH3-N、NO3-N和COD濃度變化的相關(guān)性，試驗數(shù)據(jù)來自于2.3試驗的工況3，試驗結(jié)果如下：

  1、一個周期內(nèi)NH3-N與DO變化關(guān)系

  一個周期內(nèi)NH3-N與DO變化關(guān)系如圖6所示。

  圖6表明，NH3-N濃度與DO在曝氣階段具有較好的相關(guān)性。在前15min內(nèi)，NH3-N濃度明顯升高，而DO則急劇下降，隨后NH3-N濃度進入一個大幅下降的過程，而DO則進入了一個緩慢上升的過程，到第100min時，NH3-N濃度下降到幾乎為零，而DO則進入了一個急速增長階段，一直持續(xù)到曝氣期末DO達到3.59mg/L。

  2、一個周期內(nèi)NO3-N與DO變化關(guān)系

  一個周期內(nèi)NO3-N與DO變化關(guān)系如圖7所示。

  圖7表明，NO3-N濃度與DO在曝氣階段具有一定的相關(guān)性。在前20min內(nèi)，NO3-N濃度和DO均是急劇下降，隨后二者均進入一個緩慢上升的過程，到第100min時，NO3-N 濃度進入一個穩(wěn)定階段，一直持續(xù)到曝氣期末。

  試驗結(jié)果表明，DO與NH3-N和NO3-N的濃度變化具有一定的相關(guān)性。

  本試驗研究的主要問題在于處理過程中曝氣時間的控制，從2.3的五種工況的比較中可以看出，各工況大的區(qū)別在于硝化反應(yīng)的進行的程度，因此，硝化進行得徹底，脫氮率就相應(yīng)提高，故可以利用NH3-N和DO之間的相關(guān)性對曝氣時間進行控制。

  3. 結(jié)論

  1、污泥有機負荷控制在0.18～0.25kgCOD/(kgMLSS· d)左右，其反硝化效率較高，脫氮率可以達到60～70％。而當(dāng)污泥有機負荷高于0.28 kgCOD/(kgMLSS·d)時，COD的降解和含氮物質(zhì)的硝化都開始受到很大影響，出水中COD和NH3-N的濃度都偏高，出水水質(zhì)變壞。

  當(dāng)NH3-N負荷低于0.045kg NH3-N/(kgMLSS·d)時，硝化進行得比較徹底，硝化率達到96％以上。反之，則硝化效果急劇下降，硝化率明顯下降，僅達到50～80％, 但NH3-N負荷對反硝化效果影響不明顯。

  2、當(dāng)回流比從50％增加到250％時，系統(tǒng)脫氮率先增后減，在回流比為150％時達到大值。

  3、DO對于硝化效果有著重要的影響。要取得較好的硝化效果，一是主反應(yīng)區(qū)低的DO要達到1.40 mg/L以上；二是曝氣期末端DO控制在 2.5～3.5 mg/L范圍。

  4、曝氣時間對脫氮效果也存在影響，要取得較好的脫氮效果，縮短曝氣時間就需要增大曝氣量，對于采用時間作為控制參數(shù)的CASS工藝，在選擇合適的曝氣量、滿足沉淀和潷水要求的前提下，應(yīng)盡量選擇較長的曝氣時間。

5、實時控制優(yōu)于定時控制，CASS工藝在處理高氨氮生活污水時采用DO與NH3-N的相關(guān)性作為控制曝氣時間的依據(jù)比較合理，這種控制方式可實現(xiàn)計算機自動控制，在保證出水水質(zhì)前提下盡可能節(jié)省運行費用。