目前,由氮、磷等元素引起的水体富营养化现象日趋严峻,脱氮除磷工艺及技术是国内外污水处理领域研究的重点和难点。循环式活性污泥法(Cyclic Activated Sludge Technology,简称CAST工艺)因其流程简单、运行灵活等特点成为国内外要求脱氮除磷的污水处理厂首选工艺,然而,实际的运行结果表明,CAST工艺处理城市污水,尤其是低碳氮比(COD/TN﹤8)生活污水,其脱氮除磷效果并不理想。短程生物脱氮技术因可降低污水处理能耗、提高反应效率及减少污泥产量的特点受到众多研究者青睐,而短程硝化难以维持又是制约其应用的主要问题。同时反硝化除磷是目前广受关注的污水处理新技术之一,反硝化聚磷系统将脱氮和除磷两个过程合二为一,与传统生物除磷相比,反硝化除磷工艺能够实现氮磷同时去除及实现“一碳两用”,不但节约了碳源、曝气量,同时减少了剩余污泥产量。如能实现CAST工艺与短程脱氮技术以及反硝化除磷技术的耦合,这将对污水处理厂的实际运营与管理具有重大意义。本研究以实际生活污水(平均COD/TN为3.9)为处理对象,采用运行稳定的改良型的CAST工艺,利用季节变化产生的温度梯度并控制适宜的曝气量以在CAST反应器内实现短程生物脱氮,同时研究进水总氮对系统短程硝化稳定性的影响。此外,以生活污水和模拟废水组成的混合废水以及模拟废水为处理对象,采用运行稳定的CAST工艺,分别在缺氧和好氧段向系统内投加一定浓度梯度的亚硝酸盐,对污泥进行驯化,考察不同诱导模式对改良型CAST工艺脱氮除磷性能以及驯化前后污泥缺氧吸磷能力的影响,并通过投加不同类型电子受体(NO3-、NO2-、O2)的吸磷小试,对比考察亚硝酸盐的投加对污泥吸磷方式的影响。利用季节变化产生的温度梯度辅以降低曝气量以启动短程硝化将为实际污水处理厂CAST工艺强化脱氮并实现节能降耗提供新的思路。研究结果表明:控制曝气量为0.5 m3/h、温度为28±0.5℃,污泥龄为15d,成功地在改良型CAST反应器内快速实现短程硝化;继续降低曝气量至0.4 m3/h,短程硝化稳定维持128个周期,在此阶段系统内亚硝态氮累积率均值为73.4%,最高可达86.1%,总氮去除率为69.4%,较全程硝化阶段脱氮效率提高了21.2%,系统污泥沉降性能良好。研究还发现,降低进水总氮浓度会导致亚硝态氮累积率下降甚至破坏短程硝化,然而,短程硝化一旦破坏,即使再次提高进水总氮至原浓度并结合调节温度和曝气量为短程硝化最有利条件,系统的短程生物脱氮性能在长期内仍不能得以恢复。对利用温度梯度实现短程硝化CAST系统的除磷性能研究发现,不投加外碳源条件下,系统对磷的去除率均低于12.0%,而一旦提高进水碳源浓度100 mg/L,系统磷的去除率均值可升至44.8%,比未投加外碳源的去除率提高32.8%,说明碳源不足引起系统除磷性能低下的主要原因,提高温度并不能改善除磷性能。对CAST反应器中的污泥进行驯化以实现亚硝酸盐反硝化除磷,即在缺氧段投加一定浓度梯度亚硝酸盐,同时通过好氧和缺氧吸磷小试考察驯化前后系统吸磷能力的变化,主要得出以下结论:(1)亚硝酸盐的投加对氨氧化菌(AOB)的增殖与产能代谢活动影响甚微,并且NO2-的投加对系统脱氮性能影响较小,系统仍然具有较好的脱氮能力;(2)缺氧阶段向系统内投加NO2-并对污泥进行长期驯化有利于筛选具有以NO3-和NO2-为电子受体的反硝化聚磷菌,但NO2-的投加对系统的好氧吸磷产生抑制作用;(3)NO2-的抑制作用致使部分微生物被杀灭,细胞增殖量低于排泥量,从而导致污泥浓度降低,继而引发系统除磷性能恶化以及出水COD不达标。好氧阶段向系统内长期投加一定浓度梯度的亚硝酸盐(5、10、15、20 mg/L),试验结果表明,各个工况下,系统对NH4+和COD均能很好的去除,说明本研究采用的NO2-的浓度梯度对氨氧化菌(AOB)的增殖与产能代谢活动影响甚微。CAST工艺好氧阶段投加5、10、15 mg/L NO2--N时,系统只在各工况投加初期脱氮除磷性能均有下降,经过一段时间的驯化后逐渐恢复且系统具有良好的脱氮除磷性能,当好氧阶段投加20 mg/L NO2--N时,系统的脱氮除磷性能发生恶化,并且没有恢复的迹象,说明此投加量为该系统内好氧吸磷抑制作用的临界值,说明可能是NO2-的存在抑制PAOs的呼吸作用。研究发现,好氧阶段向CAST系统内投加5、10 mg/L NO2--N后,污泥的释磷和吸磷能力不仅未受到抑制,释磷量和比吸磷速率高于投加前,此外,投加5、10 mg/L NO2--N后稳定阶段的总氮去除率均高于未投加条件下,亚硝酸盐在好氧阶段有损失,说明好氧条件下NO2-同样能作为电子受体被聚磷菌利用。投加15 mg/L NO2--N后,污泥的厌氧释磷量开始减少,同时系统内PAOs缺氧吸磷受到抑制。投加20 mg/L NO2--N后,厌氧释磷量持续减少,PAOs好氧吸磷能力也受到一定的抑制作用。吸磷小试研究表明,好氧阶段投加NO2-并长期驯化,污泥以NO2-为电子受体的反硝化吸磷能力不断提高。研究还发现,CAST工艺运行初期,乙酸钠作为单一碳源容易引起污泥膨胀。好氧阶段投加NO2-,抑制丝状菌的生长,污泥SVI下降,污泥沉降性能提高,但NO2-的存在致使部分微生物被杀灭或细胞增殖量低于排泥量,导致污泥浓度降低。好氧驯化后,向缺氧阶段长期投加一定浓度梯度的亚硝酸盐(20、10、5 mg/L),结果表明,好氧驯化后缺氧阶段投加NO2-,各工况初期系统脱氮除磷效果均会变差,且随着投加浓度递减,恢复的时间越长,但最终CAST工艺都能重新具备良好的脱氮除磷性能,说明好氧驯化后缺氧投加NO2-系统抗冲击能力增强。此外,系统内污泥具备很好的缺氧吸磷性能,对各工况下稳定运行阶段缺氧吸磷量与亚硝投加量比值的曲线拟合发现,随着亚硝酸盐投加量递减,缺氧吸磷量与亚硝酸盐投加量的比值呈现先升高后降低的趋势,说明污泥利用亚硝酸盐的效率先增加后减少。对各工况下稳定阶段典型周期好氧前60分钟比吸磷速率曲线拟合发现,随着亚硝酸盐投加量递减,好氧比吸磷速率逐渐升高,说明亚硝酸盐的投加抑制了聚磷菌的好氧吸磷。同样,NO3-型比吸磷速率和NO2-型比吸磷速率拟合曲线趋势大致相同,均为先增后减,说明污泥缺氧吸磷能力先升后降,但NO3-型比吸磷速率标准偏差范围大于NO2-型,说明亚硝酸盐投加量递减对PAOs利用NO3-进行反硝化吸磷的能力影响大于利用NO2-的能力。