近年来，在国家“加快镇域经济发展，提升县域实力”战略实施的背景下，城镇经济得到了快速的发展。基础设施齐全，配套功能完善等便利条件引来大批工业企业入驻，形成初具规模的城镇工业园区。但是受城镇居民日用水量变化和污水处理厂配套管网设施建设滞后等原因的影响，部分城镇生活污水量存在较大波动，服务于此的城镇污水处理厂不得不受纳处理高比例工业废水且运行负荷较低^〔1〕，给污水厂的稳定运行带来很大的挑战。同时由于我国城镇污水处理厂通常以活性污泥法为主体工艺^〔2〕，而工业废水又存在成分复杂、波动性大、可生化性差、有毒有害物质多等特点，如未得到有效预处理则极易使活性污泥受到冲击，导致生物处理工艺无法正常运行，污水处理厂出水达不到排放标准。笔者以某城镇污水厂为例，当应对城镇污水厂处于低负荷运行下高比例工业废水持续冲击所带来的诸多问题时，通过分析污水厂运行状况及存在问题，基于改良CASS的工艺特点采取一系列措施形成污水厂能够稳定运行的技术方案，解决了出水水质超标排放问题。

洛阳市某城镇污水厂工程总投资为4 150万元，占地面积7 268 m²，受纳污水范围为所在镇区村庄生活污水和镇内工业园区排放废水，设计处理规模为3 000 m³/d。受设计进水水质水量条件和建设用地面积较小等原因的影响，该污水厂生物处理单元选择为自动化程度高、操作灵活、抗冲击负荷强的改良CASS工艺。在设计时对传统CASS工艺进行了优化改良，即在生物选择池和主反应区之间增加了缺氧区，利用内回流泵回流强化反硝化脱氮效果和促进磷的释放。同时增加生物选择池容积并设置为相对独立的区域，其容积约占改良CASS池总容积的7.6%，可以有效防止污泥膨胀和缓冲水质。改良CASS池的总有效容积为3 900 m³，分两格，其中生物选择区、缺氧区和主反应区（好氧区）的容积比约为1∶4∶8，设计污泥负荷（以BOD₅/MLSS计）为0.15 kg/（kg·d），污泥质量浓度为3 500 mg/L，污泥龄为20 d。该污水厂整体工艺流程如图 1所示，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A标准。

该污水厂服务区域内的镇工业园区集中分布有机械加工、装备制造、精密铸造及耐火材料等工业支柱体系产业，这些企业的排水以生活污水为主，园区内工业用水主要为循环冷却水，工业废水排放量很小，因此在设计时工业废水进水设计占比为48%，但近年来随着镇内工业园区企业的不断入驻，到2019年当地环保部门统计数据显示，污水厂实际受纳的工业废水占比约为70%。与此同时，受园区企业产品生产周期的不同和配套排水管网收水率等原因的影响，污水厂一直处于低负荷运行状态且进水量波动性较大，日进水量在353.67~928.5 m³/d之间浮动，实际日平均处理规模为700 m³/d，与设计处理规模相比，运行负荷率仅为23.3%。

基于水量的不均匀性和水质的复杂性，工业企业和城镇的混合废水常常会给污水厂的工艺操作带来很大麻烦，使得污水处理设施难以维持正常运行，该城镇污水厂实际进出水水质与设计进出水水质如表 1所示。

从表 1可以看出，污水厂的实际进水水质属于低有机负荷、高氮磷进水，其中进水指标COD、BOD均低于设计进水水质，B/C仅为0.23，可生化性较差。而进水指标NH₃-N、TN则远高于设计进水水质，其中TN指标为设计进水指标的2.35倍，氮类指标中74.89%为NH₃-N，其他无机氮和有机氮占比较小。并且由于镇工业园区机械加工、装备制造这类企业较多，进水TP指标均值严重超出设计负荷。该污水厂受高比例工业废水持续冲击期间，日进水量随时间变化有明显异常，检查进水口监控数据时发现镇工业园区内部分企业可能存在偷排偷放问题，其具体表现为午夜时分瞬时进水水量达到高峰值。

从实际运行效果来看，该污水厂改良CASS工艺生物脱氮除磷能力严重不足，无法满足设计出水水质要求，污泥镜检观察生物相显示活性污泥中的原生动物大量死亡且无盾纤虫存在，因此初步推断废水中有毒物质较多导致污泥出现中毒现象，污泥活性严重受损。

针对该城镇污水厂日进水水量波动性大，工业废水比例高，有毒物质较多的特点，为了减少或控制进水水量或水质的异常变化现象，提供足够的缓冲空间平衡有机负荷，给予适合的pH控制和防止高浓度的毒性物质进入改良CASS池，决定将闲置的一组改良CASS池中的生物选择区和缺氧区联合作为临时进水调节池，利用生物选择区和缺氧区中的潜水搅拌器充当外动力将旋流沉砂池处的进水进行充分混合，起到均匀水质水量的作用。

改良CASS池中原污泥质量浓度约为2 800 mg/L，污泥活性较低，生物硝化效果严重不足。检测污泥沉降比时发现活性污泥絮凝性变差，沉降过程中发现有大量悬浮细小颗粒，上清液呈混浊状态。考虑到进水B/C较低，不利于自然培菌，因此采用投加污泥的方式来更换失活污泥，提高污泥浓度。接种污泥取自临近污水厂的脱水污泥（含水率为80%），接种前将脱水污泥稀释于烧杯中并制成玻片进行显微镜观察，统计得污泥中菌胶团数量占比超过5%，因此该脱水污泥作为合格的污泥进行接种。采用机械投加的方式将接种污泥均匀投放至改良CASS工艺的好氧区内，总投泥量为10 t。投泥结束后开始闷曝48 h，曝气期间控制好氧区溶解氧约3 mg/L，打开污泥和混合液回流。闷曝结束后按照工艺运行周期并控制适量进水进行污泥驯化培养。由于接种污泥中无机物质较多，曝气时好氧区表面容易产生大量浮渣聚集影响接种培菌，所以采用结网捕捞的方式进行人工去除。污泥培养两周后，镜检结果显示有大口钟虫等原生动物出现且菌胶团紧实不松散，污泥质量浓度稳定在3 200 mg/L左右，标志着污泥驯化成功。

粉末活性炭强化活性污泥（PACT）是一种将活性炭吸附和生物氧化相结合的污水处理方法，得益于粉末活性炭巨大的比表面积，污水中难降解的亲水性有机物被吸附在活性炭上为微生物的代谢创造良好的环境，加快有机物的降解过程^〔3〕。相关研究表明，PACT与SBR联合处理低B/C（0.22）且高氮磷废水时与传统SBR工艺相比更能有效去除污水中的TN、TP以及COD等，还能极大改善活性污泥的沉降性能^〔4〕。而且PACT法对于有机化工废水中的有毒物质、色度和表面活性剂等难降解有机物也有较为理想的去除效果^〔5〕。由于镇工业园区内多为机械加工类企业，这些企业在生产过程中排放的废水里含有如铬、镍、锌等重金属离子及氰化物，它们都具有毒性，会给生物处理设施带来巨大冲击。另外，这类企业所排放的机械加工废水多为乳化废水，内含油类物质以及表面活性剂等难降解大分子有机物质，再加上该污水厂进水中工业废水比例超70%，经改良CASS工艺处理后出水中的COD想要达到出水水质是比较困难的。因此，采用低浓度活性炭强化活性污泥去除污水中的COD，同时吸附进水中的有毒有害物质，促进生物脱氮除磷效果。活性炭投加方式为人工湿法投加，即先将粉末活性炭放入一定容积的水桶中，再取临时调节池中的污水倒入水桶搅拌混匀。将总量为200 kg的粉末活性炭制成炭浆分批次投入改良CASS工艺中的生物选择区中，使得反应池内的活性炭质量浓度达到100 mg/L。

该污水厂进水NH₃-N质量浓度均值为79.73 mg/L，水质呈弱酸性。监测出水pH指标时发现改良CASS工艺运行一个周期后，pH能降至6.5以下，碱度不足导致硝化反应受到严重抑制。假设改良CASS工艺能够高效运行使得NH₃-N出水水质达标，则硝化过程中需要消耗的碱度约为533.57 mg/L（以CaCO₃计），而反硝化可以补充约50%硝化过程所消耗的碱度。当生物处理工艺补充碱度时，一般采用50~100 mg/L作为系统出水的剩余碱度，张肖静等^〔6〕的研究也表明了当处理污水中的碱度小于50 mg/L时，硝化反应停止，因此需保证该污水厂出水碱度不低于50 mg/L。根据进水碱度260 mg/L（均值）等数据计算得到碱源投加量后，按照改良CASS工艺运行周期每天向好氧区进水口分批次投入Na₂CO₃约42.1 kg，同时控制好氧区pH在7.5左右。

在生物脱氮除磷过程中，反硝化菌和聚磷菌的生长离不开充足的碳源，而高比例工业废水的进水中往往存在B/C低，难降解有机物较多等问题，这不仅让反硝化不能产生足够的碱度来弥补硝化过程的消耗，还使得聚磷菌增殖速度减慢无法达到除磷的目的。因此，污水处理厂往往通过投加碳源的方式提高脱氮除磷效果。一般来说，当缺氧区污水的C/N在4~6之间时可认为碳源充足，但根据实际进水水质数据可知，该污水厂C/N约为3.17，属于碳源不足情况。由于污水厂调试期间，出水TN数据上下波动较大，无法通过去除TN的差值来计算投加碳源，所以确定最低C/N=4来满足反硝化脱氮的基本需求。该污水厂外加碳源为乙酸钠（1 kg乙酸钠对应的COD为0.68 kg），通过控制流量泵向缺氧区内加入67.86 kg/d乙酸钠来满足生物脱氮除磷所需营养物。

由于调试前期污泥活性严重受损，该城镇污水厂好氧区DO随着曝气时间的增加处于上升趋势，出水DO值大于4 mg/L并且通过污泥回流导致缺氧区DO较高，为了降低缺氧区溶解氧浓度，一直将好氧区内的DO控制在1.5 mg/L左右。此外改良CASS工艺采用非限制性曝气，设计运行周期为进水曝气2 h，沉淀1 h，滗水1 h。但在实际运行过程中，由于受到高氮、磷负荷进水的影响，出水NH₃-N、TN、TP始终无法达标排放。通过对出水数据分析原因，氮磷指标未能达标可能是两点原因所造成：（1）水力停留时间太短造成缺氧区中的反硝化菌和聚磷菌不能充分利用碳源。（2）曝气时间过短和好氧区DO过低造成硝化过程所需溶解氧不够，氨氮氧化不完全。调整措施：由于该污水厂进水有机负荷较低，因此将改良CASS工艺运行周期改为限制性曝气，总运行周期为8 h。好氧区进水过程中不曝气，时长为2 h，以增加池内有机物浓度。同时延长曝气时长为4 h，控制好氧区DO为2~3 mg/L，并增加1台混合液回流泵使得混合液回流比由设计值200%改为300%，增强脱氮效果。沉淀1 h，滗水时间1 h。调整运行周期后，监测数据显示缺氧区DO稳定在0.5 mg/L以下。

该城镇污水厂在生物处理后设置机械混合反应池，加入混凝剂PAC与污水充分混合形成絮体，进入活性砂滤池后使TP、SS等指标得以进一步去除。在调试过程中，通过在改良CASS工艺后置的出水调节池出水口设置检测取样位点，对生物处理后的各项水质参数进行了日常监测。监测数据显示，改良CASS工艺系统运行稳定后，除TP外各项指标均已达标。改良CASS工艺出水口TP质量浓度变化为1.75~2.83 mg/L，取TP指标变化最大值按照化学除磷的反应公式计算PAC理论投加量，然后利用烧杯进行试投加以确定经济合适的投加量。质量分数为5%的PAC与配水按照1∶4的体积比加入进药装置，投加系数为3，调节阀门进药流量控制在0.018 m³/h。

该城镇污水厂自2019年5月调试完成后，改良CASS工艺运行稳定并且经过长时间运行各项出水指标均符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A标准。污水厂的实际运行效果见表 2。

改良CASS城镇污水厂面临高比例工业废水持续冲击时，复杂的水质变化极易使活性污泥中毒导致生化系统无法正常运行。鉴于此类情况，除了配合当地环保部门加强对工业企业所排放污染源的监控以确保进水水质符合设计进水标准外，还应增设调节池等预处理设施，调节水质水量，防止生化系统受到冲击。面对碳源不足且高氮磷负荷进水，根据进水水质参数和工艺特点，可通过投加粉末活性炭强化污泥活性，及时补充碱度和碳源以及优化工艺运行参数等手段使得污水厂处理系统整体能够稳定运行，出水水质达到设计排放标准。与此同时，此次改造调试也存在着不足，在改良CASS工艺基础上改造增设的调节池降低了该污水厂的处理规模，仅具有处理低运行负荷的特点。