1 前言

　　低溫污水處理是指在我國北緯40℃以北的廣大地區，其冬季城市污水的水溫一般在10℃以下（6-10℃，少數地區4-6℃）時進行的污水處理工程。由于寒冷地區排水溫度低，輸水管道散熱量大，給污水處理帶來很大困難。此外，溫度對微生物的活性、種群組成、細胞的增殖、活性污泥的絮凝沉降性能、曝氣池充氧效率以及水的粘度都有較大影響。因此，低溫條件下，污水處理工藝及工程設計參數同常溫條件下有很大區別。
　　低溫對生物處理的影響，關系到寒冷地區城市污水和工業廢水能否采用生物處理和采用什么樣的生物處理工藝。因此，結合我國國情，探討適合我國寒冷地區的污水處理工藝，對于緩解寒冷地區的環境污染，實現經濟可持續發展具有重要意義。
　　周期循環活性污泥法（CASS工藝）不但具有投資省、占地面積少、工藝流程簡單、操作管理方便、處理效果好等優點,而且,據國外資料介紹，CASS工藝對低溫污水仍能保持很好的處理效果。因此，本文充分利用CASS工藝的優勢，結合我國寒冷地區的實際情況，重點探討了CASS工藝對低溫環境的適應性，探討適合低溫環境條件下的工程設計參數和運行管理經驗，為CASS工藝在我國寒冷地區的推廣應用奠定基礎。

2 試驗裝置及流程設計

　　為將國外先進技術引進消化，研究適合我國國情的污水處理工藝，并在我國寒冷地區推廣應用，總裝備部工程設計研究總院環保中心自1999年就開始在實驗室進行了2年的系統研究，為工程應用提供了寶貴的工程設計參數和運行管理經驗。

2.1　試驗工藝流程

　　污水取自總裝備部工程設計研究總院家屬樓樓生活污水，用小型潛污泵直接從化糞池提升到儲水箱。儲水箱由PVC加工而成，容積180L，內設自動液位控制器。

2.2 試驗裝置

　　試驗裝置如圖1所示，其中CASS裝置自行設計，材質為有機玻璃，便于觀察水流運動狀態、曝氣強度及活性污泥的絮凝情況。該裝置尺寸為：L×B×H=930mm×312mm×410mm，容積118L。

2.3　裝置自動控制系統介紹

　　整套實驗裝置采用PLC程序控制器集中控制。其中儲水箱中的水位由液位控制計控制，低水位時，污水提升泵自動開啟，向水箱注水，至水箱最高水位時，污水提升泵自動關閉，停止進水。
　　CASS工藝的特點是程序工作制，其整個工作周期均可由程序控制器完成，無須專人操作。此外，CASS工藝還可根據進、出水水質變化適當調整工作程序，保證出水效果。
　　完整的CASS工藝工作周期一般分為四個步驟，如表1所示：

表1 CASS工藝自動控制情況

工作周期
自動控制

曝氣階段

沉淀階段

排水階段

閑置階段

空氣壓縮機

開啟

關閉

關閉

關閉

潷水器

關閉

保持在CASS池最高水位上

關閉

保持在CASS池最高水位上

下降

可間歇下降

至最低水位

上升

連續上升至最高水位上

進水方式

連續

連續

連續

連續

2.3裝置自動控制系統介紹

1、 COD_cr：重鉻酸鉀法；
2、 溶解氧（DO）：YSI—52溶解氧儀；
3、 BOD₅：稀釋倍數法；
4、 pH：pH計或精密pH試紙；
5、 污泥沉降比（SV%）：用100 ml或1000 ml量筒測量；
6、 污泥生物相觀察：光學顯微鏡；
7、 溫度：YSI—52自帶溫度計；
8、 污泥干重、MLSS、SS：重量法測定；

3 試驗結果與分析 　

3.1 污泥接種與培養　
　　 實驗所用污泥取自首都機場廢水凈化站二沉池回流污泥，該污泥性能良好，鏡檢發現有大量活躍鐘蟲和少量線蟲，污泥上清液清澈透明。將接種污泥投入CASS池并加入部分污水后悶曝24h，此后，逐步加大進水負荷按照CASS池自身運行方式—連續進水、間歇排水逐步培養馴化活性污泥，至生物相重新恢復正常、污泥性能穩定，處理效果良好，表明污泥培養成熟。

3.1 CODcr去除效果分析
3.1.1 試驗條件

　　氣溫：-4～12℃；水溫：5～9℃；
　　水力停留時間：HRT=10.8h，16h，20h；
　　周期運行時間：T=215∽296 min（分曝氣、沉淀、撇水、閑置四個階段）；
　　進水流量：Q=160∽87ml/min；
　　周期處理水量：Q₁=34.4∽20.8L；
　　周期排水比：1/3∽1/4；
　　根據試驗效果，按水力停留時間（HRT）的不同實驗劃分為三個階段（即HRT=108h，16h，20h），其中HRT=20h階段中曝氣時間又分為180 min和240 min。

3.1.2 試驗效果與分析

CODcr試驗效果見表2（摘錄）。

HRT

h

溫度

℃

進水CODcr

mg/L

出水CODcr

mg/L

SV

%

SVI

MLSS g/L

污泥CODcr負荷

kgCOD/kgMLSS.d

去除率

%

10.8

-2～11

823

221

62

3.932

158

1.06

73

-1～10

809

137

80

2.487

321

1.10

83

-1～12

982

225

60

3.534

170

0.946

77

-2～10

832

143

56

4.091

136

0.645

83

16.0

-3～5

609

91

49

3.768

130

0.344

85

-3～7

970

90

51

3.695

140

0.559

91

0～8

898

113

58

4.085

141

0.473

87

0～10

928

95

59

3.843

153

0.516

90

20.0

1～5

798

115

55

3.56

154

0.340

86

-4～13

585

96

62

3.706

167

0.340

84

-1～13

813

83

68

4.557

149

0.275

90

5～12

1071

91

71

3.962

179

0.393

92

　　由上表可以看出：當HRT=10.8h時，進出水CODcr波動較大，進水CODcr為620～1218 mg/L，出水122～211 mg/L，去除率在74%～89%之間，出水效果不理想，波動較大。相對應的MLSS=2.487～5.678g/L,變化較大,污泥負荷=0.688～1.10kgCOD/(kgMLSS.d),也比較高。
　　 當HRT=16.0h時，該階段進水波動較小, 進水CODcr為610～930 mg/L，出水CODcr為90～115 mg/L，去除率達85%～91%，出水水質比較穩定。此階段污泥負荷N_s在0.24～0.39kgCODcr/(kgMLSS.d)之間，比第一階段有所降低，污泥濃度也趨于穩定, MLSS為2.985～4.13g/L。
　　 由上表可以看出：通過對不同水力停留時間的對比實驗，發現水力停留時間HRT=16h和20h處理效果差別不大，這說明在一定污泥負荷范圍內，延長水力停留時間對提高去除效果意義不明顯，反而使投入產出比降低。
　　 本實驗水力停留時間HRT=16h，污泥濃度MLSS=3000～4500 mg/L，污泥負荷0.2～0.3kgCOD/kgMLSS.d , 運行效果和經濟性比較好。

3.2 BOD₅去除效果分析

表3 BOD₅去除效果及BOD₅/ CODcr的變化

溫度(℃)

進水（mg/L）

出水（mg/L）

BOD₅去

除率(%)

BOD₅/ CODcr

CODcr

BOD₅

CODcr

BOD₅

進水

出水

-1～3

813

217

83

13.6

94

0.26

0.16

4～14

760

341

152

9.4

97

0.45

0.06

7～21

862

329

116

15

95

0.38

0.13

　　通過BOD₅實驗分析：雖然進水的可生化性不是很好，這與傳統的生活污水具有良好的可生化性（BOD₅/CODcr=0.5左右）有一定差別，其原因是化糞池污水中大便成分含量較高,外觀成乳黃色，有機物濃度比一般小區或城市污水高2倍以上。理論和實踐證明，糞便污水的可生化性并不理想。另外，實驗出水BOD₅已小于15 mg/L，表明出水水質中能夠生物降解的物質絕大部分已去除，CODcr進一步降低的空間十分有限。所以，即使再延長曝氣時間或水力停留時間，出水CODcr不會有顯著降低。

3.3 懸浮物（SS）去除效果分析

　　一般情況下，傳統活性污泥法處理污水的效果隨溫度的降低而變差，出水質量差的一個重要原因就是二沉池污泥沉降性能不好。從物理現象上看，活性污泥比較細碎，不易形成大塊絮凝體，沉淀后的上清液仍有細小的懸浮顆粒隨出水帶走；從水質特點上分析，低溫環境下，水的粘滯性增高，固體顆粒沉降阻力增大，降低了泥水分離效果。
　　但從CASS工藝處理低溫的整個實驗過程來看，廢水SS的去除率一直都很高，進水SS通常在100 mg/L以上，出水SS通常保持在10 mg/L左右，并且去除效果比較穩定。這從另一方面反映了CASS工藝獨特的運行方式，使得曝氣結束后的沉淀階段整個池子面積均用于在近乎靜止的環境中進行泥水分離，故其固體通量很低，泥水分離效果良好。

4 CASS工藝需氧量分析　

　　通過連續監測一個工作周期內的溶解氧（DO）發現，CASS池中DO周期性變化非常明顯，經歷一個好氧—缺氧—厭氧過程，氧濃度梯度大，氧轉移效率高，這對生物脫N除P以及防止污泥膨脹都十分有利。
　　 下圖1給出了在低溫條件下DO的變化規律。

由上圖1可以明顯看出：曝氣結束，沉淀開始后15分鐘內，DO從4.15mg/L迅速下降到0.28 mg/L，曝氣重新開始前下降幅度趨于平緩，這就給生物反硝化細菌創造了良好的條件，使NO^-₃-N轉化為NO^-₂^—N進而轉化為N₂。這同時也提出了一個問題—低溫及中溫和高溫條件下應設置不同的沉淀時間。因為，夏天由于生物反硝化速率高，釋放出來的N₂易使污泥上浮，如果沉淀時間設置過長，就會造成污泥上浮隨水流失。

4 結論

4.1 低溫對CASS工藝處理生活污水的影響
　　通過實驗觀察和分析：低溫對CASS工藝處理效果有一定影響，在其它條件相同情況下，與常溫條件相比，CODcr去除率約降低5%，這也反映出CASS工藝對溫度具有較好的適應能力，與國外文獻的介紹是一致的。但低溫造成活性污泥沉降性能降低，SV和SVI普遍高于常溫條件，可通過提高污泥濃度、降低污泥負荷和適當延長沉淀時間，解決給生產運行帶來的困難。

4.2 推薦的工藝參數
通過對不同水力停留時間的對比實驗，發現水力停留時間HRT=16h和20h處理效果差別不大，這說明在一定污泥負荷范圍內，延長水力停留時間對提高去除效果意義不明顯，反而使投入產出比降低。本實驗水力停留時間HRT=16h，污泥濃度MLSS=3000～4500 mg/L，污泥負荷0.2～0.3kgCOD/kgMLSS.d , 運行效果和經濟性比較好。

4.3 通過實驗觀察和理論分析可知：
　　CASS工藝污泥特性如SV、SVI和MLSS等受溫度變化影響較大，而污泥特性的變化直接影響到沉淀時間、排水比和污泥齡等參數的確定，因此，CASS工藝的運行要制定與溫度變化相適應的操作管理參數。

參考文獻：
1、 穆瑞林，“寒冷地區城市污水處理工程設計”，《現代廢水處理實用技術》（1997）；
2、 張自杰等，《環境工程手冊水污染防治卷》，高等教育出版社；
3、 “寒冷地區污水活性污泥法處理設計規范”，（報批稿）《中國工程建設標準化協會批準》；
4、 柏景芳編譯，“美國CASS法城市廢水處理技術”，《國外環境科學技術》，（1）（1995）。

注：⑴ CASS工藝榮獲2000年全軍科技進步二等獎。
　　⑵ CASS工藝榮獲2001年全國發明博覽會銀獎。

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