CMICAO工艺是一种新型的化工工艺，本文主要研究不同时间段CMICAO工艺所呈现的不同特性，以期对现代工业生产起到一定推动作用。
《化工技术经济》1983年创刊，为“化工系统信息成果一等奖”刊物。其办刊宗旨是：评述国内外化工、石油化工、石油天然气等领域的发展战略，国内外各行业现状及发展趋势;报道国内外化工、石化产品技术进展;预测国内外化工产品及技术的市场需求情况和未来走势;探讨建设项目的技术经济方法，评价建设项目不同工艺技术路线的优劣、投资与效益分析;传播管理现代化的最新理念;推荐不同时期发展项目热点。
研究了低温下多点交替进水阶式A2/O(CMICAO)工艺阶段运行时间对污染物去除率的影响，探讨了DO、ORP以及pH状态参数与污染物去除率之间的关系。结果表明，水温8～10 ℃，泥龄13 d，水力停留时间16 h，污泥浓度2 680～3 560 mg/L，污泥回流比30%，阶段1至6的运行时间为3、2.5、2、3、2.5、2 h时，工艺出水TN、氨氮、NO3--N和TP浓度的平均值分别为10.1、11、74和08 mg/L。硝化反应结束时，pH由下降转为上升，ORP上升趋于平缓，DO上升趋缓;反硝化结束时，ORP曲线明显跌落，pH由上升趋于平缓并略有下降;释磷结束后ORP曲线由下降趋于平缓。降低前好氧池DO浓度，有助于同步硝化反硝化作用的发生，从而提高脱氮效率，节省能耗。
pH、 ORP(OxidationReduction Potential)、DO(Dissolved Oxygen)以及OUR(Oxygen Uptake Rate)等控制参数通常用于营养物的生物去除过程[3]。通过监测这些控制参数，可以确定硝化和反硝化过程的终点[49]。Wang等[10]报道 ORP、pH及DO的变化与营养污染物中的动力学变化有极好的相关性，因此可采用实时控制技术根据进水水质和反应进程进行自动调整，实现工艺的优化运行。
CMICAO工艺的各反应池从阶段1至阶段6执行不同功能[1]，氮磷去除效果受阶段运行时间变化的影响较大，笔者研究低温下阶段运行时间的优化设置，探讨各阶段各反应池水质变化与pH、ORP、DO等状态参数的相关性，寻找各阶段反应始末对应的环境变量特征点，提出适合本工艺的优化控制策略，实现有效脱氮除磷。
1 实验材料与方法
1.1 实验用水与装置
试验用水取自常州市清潭污水处理厂进水集水井，COD、TN、氨氮和TP浓度分别为163.2～382.7、34.0～57.9、25.2～42.1和2.6～4.8 mg/L。
试验装置如图1，5个反应池容积均为47 L。装置运行由PLC控制，分上下2个对称的半周期，分别由阶段1至3和阶段4至6组成[1]。
1.2 实验方法
实验条件：水温8～10℃，水力停留时间16 h，泥龄13 d，气水比24，污泥浓度2 680～3 560 mg/L，污泥回流比30%。采用所设置的阶段运行时间(见表1)，研究其对污染物去除率的影响，以及水质参数变化与状态参数变化的相关关系。每次调整实验方案，待系统运行稳定后，每隔30 min取各池混合液，用0.45 μm滤膜过滤后测定TN、氨氮、NO3--N和TP，分析水质随阶段1运行时间的变化，并记录各池DO、ORP、pH的变化。
1.3 分析方法
分析项目有COD、BOD5、TN、TP、氨氮、NO3--N、NO2--N、MLSS，采用国家标准分析法测定[11];DO 采用便携式溶氧仪(DO24P， DKKTOA Co.， Japan)测定，ORP、pH采用便携式pH、ORP测量仪(HM21P， DKKTOA Co.， Japan)测定。
2 结果与分析
2.1 阶段1和阶段4运行时间优化
1#池在阶段1进水、缺氧反硝化。如图2(a)所示，由于初始DO浓度高，发生硝化作用，氨氮上升较慢。当DO降到0.5 mg/L以下，氨氮上升趋势快于TN，且NO3--N浓度急剧下降，反硝化作用明显，并产生碱度，硝态氮被还原为氮气，pH曲线缓慢上升;反硝化结束时，NO3--N与pH变化趋于平稳，同时ORP明显跌落。由1#池阶段1运行曲线可知，1#池完成反硝化功能适宜的运行时间为150～180 min。
2#池在阶段1进水、厌氧释磷。如图2(b)所示，2#池进入阶段1后，DO始终为0，ORP下降并保持在-100 mV以下，释磷过程中ATP在有关酶的催化下水解生成ADP，放出H3PO4和能量。阶段末TP浓度稳定在6 mg/L左右，释磷结束，ORP曲线下降趋缓。由2#池阶段1运行曲线可知，2#池完成释磷功能较为适宜的运行时间为120～150 min。
3#池在阶段1的功能是好氧硝化及去除有机物。如图2(c)所示，在起始60 min内TN下降，氨氮也快速下降，发生同步硝化反硝化过程[1214]。之后由于2#池进水流入3#池，TN逐渐回升。但120 min后2#池TN、氨氮浓度仍不断提高，而3#池氮的3项指标基本保持稳定，说明阶段1后期进入的氮基本是通过同步硝化反硝化作用去除的。100 min左右NO3--N曲线上升趋缓，TP曲线下降趋缓，硝化和吸磷结束，pH曲线由下降转为逐渐上升，同时ORP和DO由上升趋于平稳。若以3#池完成硝化和吸磷为标准，阶段1的运行时间为90～120 min。
4#池在阶段1功能是进一步缺氧反硝化。DO为0.5 mg/L左右时，4#池硝化作用很弱，故4#池TN和氨氮浓度的同时降低主要是由于3#池推流进水的稀释作用，而非同步硝化反硝化作用。由于3#池推流进水中NO3--N 浓度后期稳定在6 mg/L以上，且回流污泥带入大量NO3--N，而4#池中NO3--N 浓度变化很小，故4#池中存在较强的反硝化作用。4#池ORP在阶段一持续稳定下降，缺氧条件较好。 综合考虑阶段1各池功能，并附加30 min左右的保护时间应对水质变化，在试验水质条件下，阶段1、阶段4较为适宜的阶段运行时间为3 h。
2.2 阶段2和阶段5运行时间优化
1#池在阶段2的功能为进水、厌氧释磷。如图3(a)，DO保持为0，厌氧环境好，120 min TP曲线上升趋缓，基本完成释磷，ORP曲线由下降转为平缓，可作为释磷完成的标志。若以1#池释磷结束为功能完成标志，阶段2的时间应为120～150 min。
2#池在阶段2的功能为好氧硝化、去除有机物。在120 min前氨氮和TN浓度均迅速下降，如图3(b)，且2#池中无TN积累，说明DO较高时仍可去除部分TN。故本工艺发生的同步硝化反硝化作用一方面可能是由于DO浓度低，导致污泥絮体内产生DO梯度，形成好氧缺氧微环境，在絮体外缘进行好氧硝化反应，同时在絮体内部进行缺氧反硝化反应[1516]，另一方面也可能存在好氧反硝化菌[17]。120 min NO3--N上升趋缓，硝化基本完成。由于硝化作用时氨氮被氧化，并消耗碱度和DO，故硝化结束时，ORP和DO曲线由上升趋于平缓，pH也由下降转为缓慢上升。从2#池完成硝化的功能来看，阶段2的阶段时间应在120 min以上。
3#池在阶段2的功能是进水、缺氧反硝化。如图3(c)所示，由于上一阶段3#池好氧，阶段2初期池中DO较高，在起始30 min氨氮上升较慢，NO3--N浓度基本没有降低，故发生硝化作用。随着DO下降，硝化现象减弱，反硝化逐渐增强，大量NO3--N被还原为氮气，并产生碱度。120 min后NO3--N浓度基本不变，反硝化完成，ORP曲线明显跌落，pH曲线开始下降。若以3#池完成反硝化为阶段结束标志，则阶段2时间应在120 min以上。
4#池在阶段2的功能是厌氧释磷。由于有机物浓度很低，故释磷现象不明显。但在前90 min，氨氮和TN浓度均下降，而NO3--N浓度无明显上升，故存在同步硝化反硝化。当DO降至0，TN和氨氮浓度开始因3#池推流进水而缓慢回升。 150 min TP上升趋缓，释磷结束，ORP和pH下降趋缓。若以4#池完成释磷为标志，则阶段2时间应在150 min左右。
综合考虑阶段2各池功能的要求，并附加30 min左右的保护时间应对水质变化，在试验水质条件下，阶段2、阶段5较为合适的阶段时间为2.5 h。
2.3 阶段3和阶段6运行时间优化
阶段3为过渡阶段，主要作用是使各池顺利转换到下半周期，并使1#池达到出水前池的状态和水质要求，为向阶段4转换做准备。
1#池在阶段4为出水前池，须在阶段3使水质指标和状态参数达到出水前池的要求。如图4(a)，
由于1#池在此阶段不进水，通过曝气，氨氮、TP浓度迅速下降，TN也明显下降，说明出现同步硝化反硝化作用。各污染物指标在90～120 min趋于平缓，TN、氨氮、NO3--N、TP浓度分别与5#池各污染物浓度十分相近，故可转换为出水前池。90 min后NO3--N曲线上升趋缓，硝化基本结束，pH由下降转为平缓上升;DO和ORP达到了作为出水前池的标准，因此阶段3的阶段时间应大于90 min。
2#池在阶段3功能为进水缺氧反硝化。由于上一阶段2#曝气和本阶段1#池好氧，且回流污泥带入高DO的混合液，使得前60 min 2#池硝化作用较明显，如图4(b)。当DO降到0.5 mg/L 时，NO3--N下降速度增大，120 min后反硝化基本结束，ORP曲线突然跌落。2#池在本阶段主要是为了向下半周期转变，仅需要达到缺氧状态，故阶段时间控制在90～120 min左右。
3#池在阶段3的功能为厌氧释磷。如图4(c)所示，2#池推流进水中TN和NO3--N浓度高于3#池，但3#池氮的各指标浓度变化不大，故3#池中存在反硝化现象。由于上一阶段为进水池，积累的有机物对释磷较有利，但因池内仍有残余DO，故TP在60 min后才明显上升，120 min后基本完成释磷，ORP曲线由稳定下降趋于平缓，pH曲线缓慢下降。3#池在本阶段主要是为了向下半周期转变，仅需要达到厌氧状态，故阶段时间控制在90 min以上。
4#池在阶段3功能为厌氧释磷。但由于本阶段仅从2#池进水，4#池所能获得的有机物极少，故反硝化、释磷的作用在本阶段中均没有体现。各状态参数也基本处于平稳状态，无较大波动。但可顺利向阶段4的厌氧进水转变。
综合考虑阶段3各池向阶段4状态转换的要求，并附加30 min左右的保护时间应对水质变化，在试验水质条件下，阶段3、阶段6较为合适的阶段时间为2 h。
2.4 5#池在阶段1～3的水质变化
5#池在阶段1～3是沉淀池前的最后一个反应池，功能为好氧吸磷及进一步降解有机物。由图5知，在阶段1运行时间为3 h时，TN、氨氮、NO3--N、TP浓度分别为10.2、1.7、7.6、0.7 mg/L;阶段2运行时间为2.5 h时，TN、氨氮、NO3--N、TP浓度分别为10.0、1.4、7.6、08 mg/L;阶段3运行时间为2 h时，TN、氨氮、NO3--N、TP浓度分别为101、11、7.4、0.8mg/L。在上半周期内，5#池出水水质稳定，并且池内ORP、DO分别保持在120 mV和6 mg/L以上，沉淀池在不搅动情况下基本不释磷，保障出水水质。
3 结 论
1)水温8～10℃，在水力停留时间16 h、泥龄13 d、气水比24、污泥浓度2 680～3 560 mg/L、污泥回流比30%时，阶段1至阶段6的适宜运行时间为3、2.5、2、3、2.5和2 h。进水COD浓度163.2～382.7 mg/L、TN浓度34.0～57.9 mg/L、氨氮浓度25.2～42.1 mg/L、TP浓度2.6～4.8 mg/L，出水TN、氨氮、NO3--N和TP浓度的分别为10.1、11、7.4和0.8 mg/L左右。 2)装置中各池反应过程与状态参数相关性较好。硝化反应需要消耗碱度以及DO，反应结束时，pH由下降转为上升，ORP上升趋于平缓，DO上升到阶段内的第2个平台期。反硝化产生碱度，反应结束时，pH由上升趋于平缓并略有下降，ORP曲线明显跌落。释磷作用一般在ORP低于-100 mV时出现，释磷结束时ORP曲线由下降趋于平缓。故可根据状态参数的变化对本工艺进行阶段运行时间的优化控制，以达到更高的脱氮除磷效率。
3)降低前好氧池DO浓度，有助于同步硝化反硝化作用的发生，提高脱氮效率，并节省曝气能耗以及减小反应池所需容积。
参考文献：
[1]窦月芹， 吕锡武，徐洪斌. 六箱一体式反应器水力流态及其脱氮除磷性能[J]. 水处理技术， 2007， 33(2)：6063.
Dou Y Q， Lyu X W， Xu H B. Water flowpattern and biological removal of nitrogen and phosphorus in integrative six tanks activated sludge reactor [J]. Technology of Water Treatment， 2007， 33(2)：6063.
[2]徐洪斌，耿颖，吕锡武，等.多点交替进水五箱一体化活性污泥法脱氮除磷研究[J]. 中国给水排水，2007，23(1)： 610.
Xu H B， Geng Y， Lyu X W， et al. Study on commutative multiinfluent activated sludge process with five tanks for nitrogen and phosphorus removal [J]. China Water & Wastewater， 2007， 23(1)： 610.
[3]Won S， Ra C. Biological nitrogen removal with a realtime control strategy using moving slope changes of pH (mV) and ORPtime profiles [J]. Water Research， 2011， 45：171178.
[4]Pilsson S S， Capdeville B， Mauret M， et al. Realtime control of nitrogen removal using three ORP bending points： signification， control strategy and results [J]. Water Science and Technology， 1996， 33： 275280.
[5]Tanwar P， Nandy T， Ukey P， et al. Correlating online monitoring parameters， pH， DO and ORP with nutrient removal in an intermittent cyclic process bioreactor system [J]. Bioresource Technology， 2008， 99：76307635.
[6]Ga C H， Ra C S. Realtime control of oxic phase using pH (mV)time profile in swine wastewater treatment [J]. Journal of Hazardous Materials， 2009， 172：6167.
[7]Gao D W， Peng Y Z， Li B K. Shortcut nitrificationdenitrification by realtime control strategies [J]. Bioresource Technology， 2009， 100： 22982300.
[8]Ra C S， Lo K V， Shin J S， et al. Biological nutrient removal with internal organic carbon source in piggery wastewater treatment [J]. Water Research， 2000， 34：965973.
[9]Libelli S M. Control of SBR switching by fuzzy pattern recognition [J]. Water Research， 2006， 40： 10951107.
[10]Wang Y， Peng Y， Stephenson T. Effect of influent nutrient ratio and hydraulic retention time (HRT) on simultaneous phosphorus and nitrogen removal in a twosludge sequencing batch reactor process [J]. Bioresource Technology， 2009，100：35063512.
[11]国家环境保护局. 水和废水监测分析方法[M]. 4版.北京：中国环境科学出版社， 2002.
[12]Yang S， Yang F L. Nitrogen removal via shortcut simultaneous nitrification and denitrification in an intermittently aerated moving bed membrane bioreactor [J]. Journal of Hazardous Materials， 2011， 195： 318323. [13]Rahimi Y， Torabian A， Mehrdadi N， et al. NOx monitoring of a simultaneous nitrifyingdenitrifying (SND) activated sludge plant at different oxidation reduction potentials [J]. Water Research， 2007， 41：397405.
[14]Hocaoglu S M， Insel G， Cokgor E U， et al. Effect of sludge age on simultaneous nitrification and denitrification in membrane bioreactor [J]. Bioresource Technology， 2011， 102： 66656672.
[15]Liu Y C， Shi H C， Xia L， et al. Study of operational conditions of simultaneous nitrification and denitrification in a Carrousel oxidation ditch for domestic wastewater treatment [J]. Bioresource Technology， 2010， 101： 901906.
