水污染是我国一个突出的环境问题，不仅威胁饮用水安全，也影响经济可持续发展。水污染一个重要来源是污水处理厂排放不达标的水，因此提高污水厂水处理效果，保证出水水质，对于降低水污染至关重要。活性污泥处理是目前常用的污水处理技术。作为活性污泥处理工艺的一种，循环式活性污泥法（CAST工艺），由于能同时去除有机物、脱氮和除磷的功能，相对于其他同步脱氮除磷工艺具有流程简单、运行周期短、运行方式灵活多变、不易产生污泥膨胀等优点，而且投资及运行费用低，因而已广泛应用于我国的污水处理
然而，传统的CAST工艺存在一些不足，如缺少缺氧搅拌，使得脱氮效果不明显[4]；与此同时，由于采用固定时间长度的控制方式，不能适应进水水量、水质的变化，从而对污染物的去除效率不稳定，出水水质难以保证[5]；此外，在兼具生物脱氮功能的系统内，生物除磷只能在厌氧、缺氧、好氧环境下才可发生。因此，在CAST工艺在具体应用时需要进一步进行优化。在我国的北方地区，冬季气温较低。低温会导致污泥中微生物数量减少、活性降低、对有机物质分解能力减弱，从而影响污水处理厂对污染物质尤其是含氮污染物质的去除效果。因此，冬季污水处理厂的运行始终是水处理中的一个难题。尽管有一些研究针对冬季的CAST工艺进行了优化，然后这些多为实验室研究，很少涉及到实际规模的CAST工艺，因此，也需要进一步研究。
本研究以北京某污水处理厂实际规模CAST工艺为对象，对其原有工艺进行优化，研究其在冬季（12月份）的水处理效果，以期为CAST工艺在我国北方地区的冬季应用提供一些参考经验。
1 CAST工艺及其优化
1.1 原有工艺
该污水厂的共有4 座CAST反应池，单池规模为55m×25m×5m，实验期间处理水量50 kt/d。CAST工艺的1个运行周期包括4个阶段，进水、曝气、沉淀、排水及闲置。采用4h 周期的运行模式，即每周期进水1h，非限制性曝气（边进水边曝气）1h，沉淀1h，排水闲置1h，共4h，每天6个周期。污泥回流体积比为20%，回流时间1h。
1.2 工艺优化
在前期实验的基础上，于2012 年对其原有CAST工艺进行优化，具体如下：
（1）在主反应区引入独立的搅拌。CAST池内设6 台液下搅拌器（叶轮直径为370 mm，电机功率为1.5 kW），其中进水混合段1 台，厌氧段3 台，好氧段2 台，以保证泥水的混合。
（2）改变曝气时间。进水时间1h，0～0.5h 边进水边搅拌，0.5h 后开始曝气，曝气时间持续1.5h，沉淀1h，排水闲置1h，即相对先前的工艺，其启曝时间延后0.5h，曝气长度缩短0.5h。
（3）改变运行方式。CAST反应池以曝气- 非曝气方式交替运行，使活性污泥处于好氧- 缺氧- 厌氧的周期性变化之中。与此同时，采用分段进水时，将进水集中在缺氧段。
（4）延长回流时间。设2 台潜水污泥回流泵，单泵性能参数为：qV=170 m3/h，H=2.5 m，污泥回流时间1.5h，相对优化前延长0.5h。
1.3 水质及分析方法
该污水处理厂主要处理的是工业废水，COD 为267.0～1 408 mg/L，pH 为6.70～7.00，SS、NH4+-N、TN、TP 的质量浓度分别为90～1 330、29.60～41.00、39.80～71.30、3.38～14.00 mg/L。
水质分析测试主要是按照文献[9]中的标准方法进行：COD 用重铬酸钾法，NH4+-N含量用纳氏试剂分光光度法，TN 含量用碱性过硫酸钾- 消解紫外分光光度法，TP 含量用钼酸铵分光光度法，SS 含量用称量法，pH 和DO 含量的监测采用WTW340i 多功能在线测定仪。
2 结果与讨论
2.1 有机物的去除效果
CAST工艺优化前后的COD 去除效果见图1。
从图1 可以看出，优化前后进水的COD 差异不明显（除12 月3 日外），出水中COD 在优化前后差异也不显著，由此表明，CAST工艺优化对COD 的去除影响不明显。优化前后的COD 平均去除率分别为90.81%和92.72%，在大部分的时间没有明显的差异，这表明优化前后CAST工艺对有机物的去除均达到较高的水平。从图1 也可以看出，CAST工艺优化后，进水的COD 波动较大，变幅为267～1 408mg/L，平均为439.3 mg/L，但出水COD 均维持在较低的水平（13.2～54.6 mg/L，平均29.55 mg/L），表明优化后的CAST优化更加稳定。
2.2 NH4+-N和TN 去除效果
相关研究表明，温度在对冬季NH4+-N的去除产生重要影响[10]。本研究水厂的CAST工艺在夏季对NH4+-N的去除率达到90%以上，冬季NH4+-N进出水含量及去除效果见图2。
从图2 可以看出，NH4+-N的去除率在60.69%～79.25%，平均为71.83%，去除率明显下降。同时也发现，优化前，出水中NH4+-N的质量浓度为6.56～13.78 mg/L，平均9.48 mg/L，在31 d 的实验期间，仅有3 d 达到GB 18918－2002 排放一级B 要求[11]。表明优化前的CAST工艺在冬季对NH4+-N去除效果不明显。而在CAST工艺优化后，出水中NH4+-N的质量浓度为1.73～7.71 mg/L，平均4.86 mg/L，全部达到GB18918－2002 一级B 要求，去除率为79.78～95.30%，平均87.05%，相比优化前，提高了15.22个百分点。由此可见，优化后CAST工艺在冬季也能有效的去除NH4+-N，提高了出水水质，降低了温度对水处理结果的影响。
与NH4+-N一样，优化后的CAST也提高了TN的去除，见图3。
从图3 可以看出，TN 在CAST工艺优化前后进水中的平均质量浓度分别为57.09 和50.94 mg/L，而出水中的质量浓度则分别为26.12 和16.25 mg/L。可见未优化前，出水平均TN 含量没有达到GB 18918－2002 排放一级B 要求，而优化后达标。从去除率来看，CAST工艺优化后TN 去除率为67.89%，比优化前（54.25%）提了13.65个百分点。尽管CAST工艺优化之后，并没有极大的降低出水中的TN 及提高其去除率，然而和优化前相比，优化后来出水中的TN 含量达到了GB 18918－2002 排放一级B 要求，表明CAST工艺优化后在TN 的去除上仍取得重要成效，提高了出水水质。
由此可见，CAST工艺优化后有效地去除了污水中的氮。通常，污水中氮的去除主要靠微生物脱氮作用，由硝化和反硝化2个生化过程完成，即废水先在好氧条件下进行硝化，使含氮有机物被细菌分解成氨，氨进一步转化为硝态氮，然后在缺氧条件下进行反硝化，硝态氮还原为氮气溢出，从而达到去除氮的目的[12]。在传统的CAST工艺中，冬季氮去除率低的一个重要原因是由于温度低，微生物活性也低，进而降低了反硝化速率[13]。通常的解决办法是在低水温时提高污泥含量从而增加微生物量，同时加大曝气量，降低污泥负荷，减少排泥时间、控制曝气池内混合液污泥含量。
本研究中，在工艺中增加搅拌器，有效提高了污泥含量，即相当于增加了参与反硝化的微生物含量，因而提高了微生物活性，解决了CAST工艺脱氮受限问题，通过反硝化去除上一周期残留的硝态氮，使出水TN 含量降低。与此同时，改变了CAST工艺运行方式，采用分段进水时，将进水集中在缺氧段，使原水中的有机物大多能够被当作反硝化的碳源消耗掉，在好氧段仅降解少部分有机物，之后主要进行硝化反应，由此能节省部分曝气量，并且提高系统的TN去除率。此外，在CAST工艺优化过程中，延长了回流时间，可使原水中的碳源得到充分利用，系统反硝化作用得到加强，从而提高氮的去除。
2.3 TP 去除效果
CAST工艺优化前后的TP 去除效果见图4。
从图4 可以看出，优化前，进水TP 的质量浓度平均为6.48 mg/L（4.62～8.50 mg/L），出水为1.86mg/L（0.73～3.20 mg/L），平均去除率为71.19%（变化在51.02%～84.20%）；优化后，进水TP 的质量浓度平均为7.33 mg/L（3.38～14 mg/L），出水0.91 mg/L（0.23～2.69 mg/L），平均去除率87.22%（71.95%～95.34%）。对照GB 18918－2002 可以发现，优化前大部分（65%）未达一级B 标准，而优化后，除了31日外，全部达一级B 标准。优化后，TP 去除率也提高了16.03个百分点。因此，CAST工艺优化之后有效提高TP 的去除效果。
磷的去除主要是依靠聚磷菌在厌氧条件下放磷，在好氧条件下过度吸磷[14]。根据反硝化除磷原理，聚磷菌在厌氧时利用体内多聚磷酸盐（P-P）分解产能，摄取水中易降解有机物在体内形成聚β羟基丁酸盐（PHB），并释放磷；在缺氧或好氧时利用所贮存的PHB 产生能量以形成糖元、维持生存和细胞的生长繁殖，并过量吸磷。
本研究中，CAST工艺优化后显著提高了TP 的去除率，主要原因有以下几点。首先，CAST反应池以曝气- 非曝气方式交替运行，可以使活性污泥处于好氧- 缺氧- 厌氧的周期性变化之中，有利于聚磷菌生长繁殖；其次，缩短曝气时间使有机负荷率F/M增加，从而使污泥龄（SRT）缩短，较短的污泥龄有利于聚磷菌生长，促进磷的去除；再次，增加了缺氧搅拌阶段，提高了系统的反硝化性能，降低了回流液中的硝态氮的含量，减少了反硝化过程所需的有机碳源量，为聚磷菌在厌氧释磷过程中提供更多的碳源，厌氧释磷得到保障，PHB 合成量也会增加，在随后的好氧吸磷过程中，聚磷菌的吸磷能力得到增强[16]。此外，采用分段进水时，属于间歇进水方式。相对于连续进水，间歇式进水提供的厌氧停留时间更长，厌氧释磷更彻底，TP 去除率越高。由此可见除磷得到增强，降低了出水中的TP 含量。。
3 结论
在主反应区引入独立的搅拌，一方面，有效提高了参与反硝化的微生物含量，解决CAST工艺脱氮受限问题；另一方面，提高了系统的反硝化性能，因此降低了回流液中的硝态氮的含量，由此减少了反硝化过程所需的有机碳源量，为聚磷菌在厌氧释磷过程中提供更多的碳源，厌氧释磷得到保障，PHB 合成量也会增加，在随后的好氧吸磷过程中，聚磷菌的吸磷能力就会增强，从而提高除磷。
延长了回流时间，可使原水中的碳源得到充分利用，系统反硝化效果得到加强，从面提高氮的去除。
曝气长度缩短0.5h，使F/M 增加，进而缩短SRT，有利于聚磷菌生长，促进磷的去除。
采用分段进水时，既提高了系统的TN 去除率，又延长厌氧停留时间，厌氧释磷更彻底，TP 去除率越高。
