1. 引言
滇池是云南省面积最大的高原湖泊，有着“高原明珠”之称。1999年国务院就批准实施了《昆明市城市总体规划》，用于切实保护和改善滇池的生态环境，《云南省滇池保护条例》也于2013年1月1日起正式开始施行，然而滇池的富营养化问题始终是滇池面临的最重要问题。根据2012年监测数据表明，草海和外海(滇池分为草海和外海)水质类别均为劣五类，草海综合营养状态指数为69.8，外海综合营养状态指数为68.4，营养状态均为中度富营养。
我国的污水排放标准越来越严格，采用脱氮除磷工艺的城镇污水处理厂有95%都无法达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》中的一级A标准，即使城镇污水处理厂出水达到了一级A的标准，也与地表水四类标准有着较大的差距，当总磷浓度超过0.1 mg/L (如果磷是限制因素)或总氮浓度超过0.3 mg/L (如果氮是限制因素)时，水体就可能出现富营养化 [1] [2] ，进而引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶氧量下降，鱼类及其它生物大量死亡。因此尽可能的降低进入水体中的氮、磷浓度是缓解水体富营养化十分有效和必要的措施之一，其中磷可以通过混凝沉淀等物理化学方法去除 [3] - [5] ，而要想通过物理方法去除污水中的氮素只能通过反渗透膜法 [6] ，然而极高的处理成本使得这种物理去除氮素的方法并不具有可行性，而经济可行的方法只有通过生物法去除。目前针对实际污水高效脱氮特别低碳氮比污水的研究取得了巨大的进展，主要技术有短程硝化–反硝化脱氮 [7] 、同步硝化反硝化脱氮 [8] [9] 、厌氧氨氧化(ANAMMOX)脱氮 [10] [11] 等，然而这些技术研究基本还处在实验室小试或者中试阶段 [12] ，距离实际应用还很远，所以在原有传统生物脱氮处理工艺基础上研究高效生物脱氮的策略与方法，是我国污水处理厂升级改造面临的迫切问题。
ICEAS全称为间歇式循环延时曝气活性污泥法，是SBR工艺中最具代表性的变种工艺之一，1976年美国建成世界上第一座ICEAS工艺污水处理厂，随后在日本、美国、加拿大、澳大利亚等地得到广发应用 [13] 。我国第一座ICEAS工艺污水处理厂昆明市第三水质净化厂于1994年建成，处理规模为15万吨/天，2007年8月昆明市第三水质净化厂二期建成，设计处理能力6万吨/天，至此处理能力达到21万吨/天，本文围绕昆明第三水质净化厂运行现状开展高效脱氮的策略的研究，为污水处理厂的高效脱氮升级改造提供理论支持。
2. ICEAS工艺特征
图1为ICEAS反应池构造简图。反应池分为预反应区和主反应区。预反应区具有缓冲连续进水和生物选择的功能：污水从预反应区以很低的流速(一般为3~5 cm/s)通过隔墙底部的过水孔进入主反应区，缓冲了进水对主反应区内泥水分离效果的影响；污水进入预反应区中与污泥接触，形成较高的污泥负荷，此时菌胶团细菌为优势菌，从而有效抑制丝状菌的生长进而防止污泥发生丝状膨胀 [14] 。
ICEAS反应池内不存在严格的厌氧环境，聚磷菌是一类特殊的兼性细菌，在厌氧条件下，聚磷菌可以利用体内储存的能量，将外部的易生物降解有机碳源吸收进体内，储存碳源及能源，同时消耗体内的ATP，将磷酸根释放到水体内；在好氧条件下，聚磷菌利用在厌氧阶段储存的碳源或能源进行新陈代谢，通过吸收外界磷酸根合成能源。在厌氧阶段吸收的碳源越多，在好氧阶段氧化分解产生的能量越多，从外界吸收的磷越多。所以ICEAS工艺的除磷功能特别弱，仅通过生物二级处理很难使磷达到较高的去除率，但磷可以通过深度处理系统添加化学药剂(PAM和PAC)经过混凝、沉淀去除，总之，磷的去除对污水处理厂来说并非难事。
ICEAS反应池通过缺氧时段和好氧时段的交替运行具有脱氮的功能。以昆明第三水质净化厂为例，其运行模式为连续进水、间歇排水两段A/O式运行模式，每天运行5周期，每周期4.8小时，具体运行模式为：第一次搅拌36 min、第一次曝气56 min、第二次搅拌20 min、第二次曝气56 min、沉淀50 min、滗水70 min，如图2。
通过以上运行模式，ICEAS反应池可实现进水中总氮的去除，然而在城镇污水厂实际运行中发现出水总氮难以达到一级A标准，以昆明第三水质净化厂为例，主要有以下几个因素限制了总氮的去除。
1) 进水碳氮比较低，反硝化阶段碳源不足。进水碳氮比较低是我国城镇污水处理厂面临的共同问题，进水碳氮比(COD/TN)为5左右，进水COD范围为250~350 mg/L，其中溶解性COD的浓度只有100 mg/L左右，污水进入ICEAS反应池后COD浓度由于稀释作用进一步降低，第一次搅拌阶段和第二次搅拌阶段的缺氧反硝化反应由于碳源的缺失经行的并不充分；
Figure 1. Schematic diagram of the ICEAS process
图1. ICEAS反应池构造简图
Figure 2. ICEAS process flow diagram of Kunming third sewage treatment plant
图2. 昆明第三水质净化厂运行示意图
2) 两段A/O式运行模式没有发挥其应有作用。ICEAS反应池反硝化主要发生在第一次搅拌阶段，经过第一次曝气阶段好氧曝气后有机碳源COD浓度降到40 mg/L左右，在第二次搅拌阶段缺氧搅拌时水中的碳源严重不足，致使其反硝化功能基本丧失；
3) 连续进水方式使得进水中的碳源没有被高效利用。第一次曝气阶段和第二次曝气阶段好氧曝气时依然在进水，此时进水中的有机碳源仅仅通过好氧曝气方式去除，即原水中约40%的碳源在曝气阶段被氧化降解，而并没有用作反硝化碳源，这种连续进水的方式不仅使进水中的碳源利用率较低，同时还增加曝气阶段系统的有机物负荷，造成了不必要的能源浪费。
为解决以上存在的ICEAS工艺总氮去除率不高的问题，对其展开SBR工艺小试装置实验研究，重点研究高效脱氮策略，将连续进水模式改为间歇进水模式，同时将两段搅拌方式合为一段，并且增加A/O比，最终确定最佳运行模式，为污水处理厂的高效脱氮升级改造提供理论支持。
3. 实验材料和方法
3.1. 小试污泥和污水
SBR小试用水取自昆明第三水质净化厂一期(老厂)一级配水渠道，其水质特征为COD (42.5~181.9) mg/L，BOD5 (20.3~92.4) mg/L，
-N (25.6~38.6) mg/L，NO3-N (0~0.52) mg/L，TN (27.4~39.6) mg/L，COD/TN (1.3~5.7)。该生活污水平均COD/TN为2.9，碳氮比较低；SBR小试所用污泥直接取自昆明第三水质净化厂ICEAS池。
3.2. SBR小试装置
实验所用SBR小试试验装置由有机玻璃制成，圆柱形，高36 cm，直径20 cm，总有效容积12 L，如图3所示，进水通过蠕动泵控制，根据需要由加热棒来调节温度，采用机械搅拌，装置底部用粘砂块作为微孔曝气头，由空气泵进行曝气。反应装置内设有DO、pH和ORP探头，可以实时监测反应过程中的DO、pH和ORP值及其变化规律。
3.3. 检验分析项目
试验检测项目及方法见表1所示，测样前水样都经过滤纸过滤。
3.4. 实验方案
SBR小试实验装置分为A、B两组，且在相同的污泥浓度(5000 mg/L左右)和进水条件下同时运行。
A组模拟目前昆明第三水质净化厂一期的运行模式，具体如图2所示，进水方式为连续进水，每天运行5个周期，每周期4.8小时；
B组模拟间歇进水运行模式，具体如图4所示，进水方式为间歇进水(沉淀、滗水、搅拌阶段进水而曝气阶段不进水)，每天运行5个周期，每周期4.8小时，具体运行周期分为二个阶段，具体如表2所示。
4. 结果与讨论
4.1. COD去除效果分析
SBR小试A、B两组运行模式的进水条件相同，进水的COD浓度范围为92.5~187.1 mg/L，平均浓度为142.7 mg/L。
A组连续进水运行模式的出水COD平均浓度为24.8 mg/L，COD的平均去除率为82.7%。如图5所示；
1. 蠕动泵；2. 电磁阀；3. 排水口；4. 取样口；5. 气泵；6. 空气转子流量计；7. 曝气头；8. 搅拌器；9. 温控仪；10PH/OXi (WTW, 340i)；11. PH传感器；12. DO传感器；13. 加热棒；14. 温度传感器；15. ORP传感器
Figure 3. Schematic diagram of SBR process
图3. SBR小试试验装置图
(a) (b)
Figure 4. (a) The first phase; (b) The second phase
图4. (a) B组阶段一运行模式；(b) B组阶段二运行模式
Figure 5. COD removal performance of group A
图5. A组COD去除情况
Table 1. Analysis of items and methods
表1. 检测项目与分析方法
Table 2. The operating mode of stage two of group B
表2. B组二阶段具体运行模式
B组间歇进水运行模式阶段一的出水COD平均浓度为25.0 mg/L，COD的平均去除率应为81.7%；阶段二的出水COD平均浓度为13.9 mg/L，COD的平均去除率为83.9%。如图6所示。
由上可以看出，将连续进水模式改为间歇进水模式后，对COD的去除效果并没有产生负面的影响，其出水COD的平均浓度仍然小于50 mg/L，出水水质有机物指标可以稳定达到城镇污水排放一级A标准。
4.2. 氨氮去除效果的分析
SBR小试A、B两组运行模式进水氨氮的浓度范围为20.3~40.3 mg/L，氨氮平均浓度为31.0 mg/L。
A组连续进水运行模式的硝化效果较好，出水氨氮的平均浓度为0.5 mg/L，氨氮的平均去除率达到98.6% (如图7所示)。
B组间歇进水运行模式阶段一出水氨氮平均浓度为0.2 mg/L，氨氮的平均去除率为99.7%；阶段二的出水氨氮平均浓度为0.3 mg/L，氨氮的平均去除率为98.8% (如图8所示)。
通过分析，将连续进水模式改为间歇进水模式后，系统的硝化能力并没有减弱，间歇进水模式A/O比分别为1:2.5和1:2时，依然都能够实现很高的氨氮去除率，其出水氨氮的平均浓度均小于1.0 mg/L，出水水质氨氮指标都可以稳定达到城镇污水排放一级A标准。
4.3. 总氮去除效果的分析
SBR小试A、B两组运行模式进水总氮的浓度范围为31.8~41.9 mg/L，总氮平均浓度为31.8 mg/L，为消除不同除碳氮比对两种不同运行模式总氮去除率的影响，本实验严格控制碳氮比在4.5左右。
A组连续进水运行模式出水总氮的平均浓度为13.8 mg/L，总氮的平均去除率为56.1% (如图9所示)。
B组间歇进水运行模式阶段一A/O比为1:2.5时：出水总氮平均浓度为12.0 mg/L，总氮平均去除率为62.9%，此时A组连续进水运行模式出水总氮平均浓度为13.3 mg/L，总氮平均去除率为58.0%；
B组间歇进水运行模式阶段一A/O比为1:2时：出水总氮平均浓度为11.0 mg/L，氨氮的平均去除率为65.0%，此时A组连续进水运行模式出水总氮平均浓度为14.4 mg/L，总氮平均去除率为56.0%。
通过以上可以看出，在碳氮比为4.5左右时，间歇进水模式的总氮去除率始终高于连续进水模式。
间歇进水模式在A/O比为1:2.5时，总氮去除率比连续进水模式高4.9%；间歇进水模式在A/O比为1:2时，总氮去除率比连续进水模式高9%。
间歇进水模式A/O比为1:2时比A/O比1:2.5时的总氮去除率高2.1%。
Figure 6. COD removal performance of group B
图6. B组COD去除情况
Figure 7. 
-N removal performance of group A
图7. A组氨氮去除情况
Figure 8. 
-N removal performance of group B
图8. B组氨氮去除情况
Figure 9. TN removal performance of group A, B
图9. A、B两组总氮去除情况
5. 结论
SBR工艺起初是为去除碳源有机物开发的，后来随着处理要求的提高，增加了脱氮功能，ICEAS工艺虽然在传统SBR的基础上做出了改进，进水方式改为连续进水后简化了配水的设施，也省去了对配水的控制，从而使得ICEAS工艺可用于较大型的污水处理厂，然而其脱氮的功能并没有得到强化，为进一步提高ICEAS工艺污水处理厂的总氮去除率，还需要对其进行进一步的优化改进。
1) 连续进水方式不利于ICEAS工艺总氮的去除，改变进水模式，即搅拌前集中进水，系统内的微生物可最大程度的利用进水中的碳源进行反硝化，在提高系统反硝化效率的同时也为后继的曝气阶段减轻有机物负荷，适当降低能耗。曝气阶段停止进水，系统内留有大量的氨氮和少量的有机物。此时，硝化菌处于竞争优势，可快速利用水中溶解氧气对氨氮进行彻底的氧化降解，系统的硝化效果得到加强。将连续进水方式改为间歇进水方式后，总氮去除率平均可提高至少5%；
2) 适当提高ICEAS工艺的A/O比，将A/O比从1:2.5提高到1:2后，总氮去除率得到进一步的提高，但当进一步提高A/O比出水氨氮浓度有增加的趋势，所以最佳A/O比为1:2；
3) 连续进水模式改为间歇进水模式后，出水COD、氨氮浓度均可以稳定达到城镇污水排放一级A标准，而磷由于后期的深度处理，出水浓度也可以实现城镇污水排放一级A标准。
基金项目
“十二五”国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07302002-06)。
*通讯作者。