CASS工艺提高氨氮去除率的应用

随着我国城镇化进程加快和环保标准日益严格，污水处理厂对氨氮去除效率的要求不断提高。周期循环活性污泥法（CASS）作为SBR工艺的改良技术，因其结构紧凑（省去二沉池）、运行灵活（可调周期）和高效脱氮（同步硝化反硝化）等特点，在城镇污水处理领域获得广泛应用。然而，传统CASS工艺在处理高氨氮废水时仍存在去除率波动大（40-70%）、抗冲击负荷弱等问题。本文结合工程实例，系统分析提高CASS工艺氨氮去除率的关键技术措施，为污水处理厂优化运行提供参考。

CASS工艺脱氮原理与瓶颈

生物脱氮机制

CASS工艺通过空间分区（生物选择区-缺氧区-好氧区）和时间序列（曝气-沉淀-滗水）的双重控制，实现全程脱氮。在好氧阶段，硝化菌群（如Nitrospira）将氨氮转化为硝酸盐，此时溶解氧（DO）需维持在2mg/L以上；在缺氧阶段，反硝化菌利用有机物将硝酸盐还原为氮气，此过程DO应低于0.5mg/L。冀中能源污水处理厂数据显示，优化后的CASS工艺可使氨氮去除率从40%提升至90%以上。

技术瓶颈分析

碳源不足：城镇污水BOD5/TN通常低于4，反硝化所需碳源匮乏。某污水处理厂进水BOD5/TN=3.2时，总氮去除率仅55%。

污泥龄矛盾：硝化菌世代周期长（3-5天），而除磷要求短污泥龄（5-10天），常规CASS难以兼顾。

DO控制精度低：好氧区DO>2mg/L会抑制反硝化，<1.5mg/L则限制硝化。河北某厂监测显示DO波动±0.8mg/L会导致氨氮去除率下降15%。

提高氨氮去除率的关键技术

工艺参数优化

运行周期调整：将传统4h周期（进水1h+曝气1h+沉淀1h+滗水1h）改为8h周期（曝气延长至5h），可使硝化更充分。中铁生态环境设计院研究表明，曝气时间从3h增至5h，氨氮去除率提升22%。

污泥回流强化：污泥回流比从20%提高至50%，同时增设35%的硝化液回流，可促进反硝化。实践表明，该措施使TN去除率增加10-15%。

温度补偿策略：当水温低于15℃时，延长污泥龄至25天并增加曝气量20%。某北方污水厂冬季采用此方法，氨氮去除率稳定在80%以上。

反应器结构改进

生物填料添加：在好氧区投加聚氨酯海绵填料（比表面积>800m²/m³），可富集硝化菌群。IFAS-CASS工艺使放线菌门丰度提高3倍，氨氮去除率达98%。

多级串联设计：对氨氮>200mg/L的废水，采用两级CASS串联运行。第一级侧重硝化（HRT=12h），第二级强化反硝化。某化工厂应用后，出水氨氮从210mg/L降至15mg/L。

智能控制技术

DO精准调控：基于在线氨氮监测动态调节曝气强度，使好氧区DO稳定在1.8-2.2mg/L。采用模糊PID控制算法后，某厂曝气能耗降低18%。

碳源投加优化：当进水BOD5/TN<3时，按每去除1mgTN投加2.8mg甲醇的比例补充碳源。成都某污水厂由此将TN去除率从60%提升至75%。

工程应用案例

案例1：显德汪矿污水处理厂

该厂处理洗浴废水（占60%）和生活污水，原工艺氨氮去除率仅65%。通过三项改进：

预曝气措施：在进水前对滞留水曝气30分钟，提前生成硝酸盐；

污泥回流提升：回流比从23%增至51%；

混合液回流：增设72%的内回流。

改造后出水氨氮稳定在0.5-1.0mg/L，且抗冲击负荷能力增强，进水氨氮从15mg/L突增至34mg/L时仍能达标。

案例2：合成氨废水处理

河北某化工厂处理氨氮200mg/L的高浓度废水，创新采用：

三级分区：生物选择区（21m³）+缺氧区（106m³）+好氧区（620m³）；

参数优化：污泥浓度4000mg/L，DO梯度控制（好氧区4mg/L→缺氧区0.5mg/L）；

菌种强化：接种硝化螺旋菌（Nitrospira）占比提升至12%。

最终出水氨氮<70mg/L，且通过DCS系统实现全自动控制。

未来发展方向

新型填料开发：ZIF-8型MOFs材料对氨氮吸附容量达450mg/g，较传统填料提高3倍，预计2026年投入工程应用。

微生物组学应用：通过宏基因组测序定向筛选耐低温硝化菌（如Nitrosomonas cryotolerans），解决北方地区冬季处理效率低的问题。

光伏-电解耦合：利用太阳能驱动生物电化学系统（BES），同步实现氨氮去除与能源回收。实验室数据显示，每去除1kg氨氮可发电0.8kWh。

结论

提高CASS工艺氨氮去除率需采取综合优化策略：对于常规城镇污水，重点优化运行参数（延长曝气至5h、提高污泥回流比至50%）；处理高氨氮工业废水时，应采用结构改良（添加填料、多级串联）与智能控制（DO精准调控）相结合的方式。未来随着新材料与微生物技术的发展，CASS工艺在保证出水氨氮<1mg/L的前提下，有望实现能耗降低30%的目标，为污水处理的提质增效提供关键技术支撑。