CAST工艺设计原理及优化运行

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cast工艺(循环式活性污泥法,Cyclic Activated Sludge Technology)是Goronszy教授在间歇式循环延时曝气活性污泥法基础上开发的一种新型污水处理技术,具有工艺流程简单、投资及运行费用低、占地面积小、耐冲击负荷和脱氮除磷能力强等特征[1]。目前,CAST工艺已广泛用于生活污水脱氮除磷及啤酒、屠宰、制药、印染和化工等行业的废水处理。

1工作原理

CAST的核心是间歇式反应器,分为生物选择区A、兼氧区B、主反应区C,在反应器内曝气与非曝气过程交替运行,将生物反应过程与泥水分离过程集中在一个池子中完成,一个完整的周期包括进水、曝气、沉淀、滗水闲置五个工序。在运行过程中,A、B两区通过吸附作用去除部分污染物,使C区进水相对稳定,C区的活性污泥回流至A区进行生物选择。在工程应用中,至少应设两座CAST池,以便系统能够连续进水[2]。

2工艺特征

2.1 设置生物选择区防止污泥膨胀

污泥膨胀的直接原因是丝状菌过量繁殖。根据J.Chudoba的动力学选择理论,高浓度条件下絮状菌对有机物的利用速率要高于丝状菌,在生物选择区,活性污泥内回流使该区基质浓度很高,有利于絮状菌快速繁殖成为优势菌种,同时抑制丝状菌生长,从而有效克服污泥膨胀[3]。此外,生物选择区内活性污泥的吸附作用可提高系统有机物去除率和氧利用率,进而加速反应进程。

2.2 同步硝化反硝化

CAST工艺不设缺氧反应区,利用氧传递过程中形成的DO浓度梯度实现高效的同步硝化反硝化。在活性污泥絮体外表面,DO值较高,好氧菌和硝化菌占优势;由于氧传递阻力和外层细菌对氧的消耗,絮体内部为缺氧环境,反硝化菌占优势,而具有较高浓度梯度的硝酸盐能够较好地渗透到絮体内部进行反硝化反应,实现生物脱氮。在水温较低时,为保证脱氮效果,需确保曝气过程中混合液DO值达到2mg/L以上,以弥补低温对微生物活性的不利影响[4]。

2.3 良好的生物除磷功能

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,有利于聚磷菌生长繁殖。生物选择区的厌氧环境可促进磷的释放,且聚磷菌在此过程中吸附和吸收大量易降解有机物质,为后续的好氧吸磷提供充足的养分。因此,在曝气阶段控制DO为2～3 mg/L,同时控制ORP在-150mV和+100mV之间,即可获得良好生物除磷效果。据报道,间歇进水方式较连续进水方式提供的厌氧停留时间更长,厌氧释磷更彻底,总磷去除率越高[5]。

2.4 抗冲击负荷能力强

CAST工艺可根据进水水量及水质调整工艺参数,提高系统抗冲击能力。如进水COD和氨氮较高,应延长曝气时间,实现达标排放和经济运行。对于城市污水,当进水COD为400mg/L、氨氮为60mg/L时,CAST运行周期各工序可设定为进水1.5h、曝气3h、沉淀1h、滗水0.5h,使出水COD≤50mg/L、氨氮≤10mg/L[6]。此外,生物选择区对污染物的生物吸附作用在很大程度上降低了进水水质波动对主反应区的影响。

2.5 工艺运行控制

CAST运行过程的控制一般通过可编程序控制器(PLC)实现,如设置集散式控制系统[7],主要根据进水量、DO、进水水质(COD、TN、TP等)、出水水质等的变化规律自动调整各部件的运行状况以达到最佳处理效果及高效运行的目标。

2.6 投资省

CAST工艺不设初沉池和二沉池,工艺流程简洁、设备种类和数量较少,管理简单,CAST池内主要设备为污泥内回流泵,其工程建设费用较传统活性污泥法节省20%～30%[8]。由于采用间歇曝气方式,混合液中氧利用率高,可降低污水处理成本。

3CAST工艺优化运行

工程实践证明:CAST工艺对有机物含量高、可生化性好的污水处理效果好,但处理我国南方城市典型的低碳高氮污水时,出水TN偏高[9]。通常采用人工外加碳源的方式提高污水碳氮比,以改善出水水质。在传统的4h周期运行模式下,TN去除率并不因原水碳氮比的增大而显著提高;而降低CAST池充水比可降低系统氮负荷,有利于提高对低碳氮比污水的总氮去除率[10]。但在实际应用中,充水比不宜过低,否则处理水量太少,反而会增加整个污水处理厂运行成本;同时,CAST池可能会因为长期低负荷运行发生污泥膨胀。综合考虑,CAST池充水比宜控制在16%～30%[11]。

另一方面,采用分段进水的交替运行模式也可大幅改善CAST处理低C/N污水的脱氮性能,即保持进水量不变,等量分段进水,且随着进水次数增加,TN去除率逐步提高。在此运行模式下,当进水COD为155～440mg/L、氨氮为57.98～82.40mg/L时,CAST出水COD≤40mg/L、氨氮≤0.5mg/L、TN≤2.0mg/L[12]。

总的来说,当水温较低时,提高混合液DO值和延长曝气时间可降低CAST出水TN浓度;当水温较高时,应根据进水水量及水质状况调整运行周期、曝气时间、充水比等参数,避免在保证出水达标排放的情况下浪费能源。同时,提高进水C/N和延长水力停留时间可改善CAST系统除磷效果,且TP去除率随进水C/N比的升高而升高,由此可见,进水碳源是影响CAST除磷性能的主要因素之一[13]。

4结语

CAST工艺是以生物反应动力学原理及合理的水力条件为基础而开发的一种流程简单污水处理工艺,随着计算机自控技术、生物技术和材料等科学的发展,CAST工艺由于其良好的碳氧化能力和脱氮除磷效率将在污水处理领域得到更广泛的应用。

参考文献

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[2] 白生云,李亚新.CASS的工作原理与设计计算[J].山西建筑,2005,31(13):1～2.

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[5] 陈航,刘惠成.惠阳污水厂CAST工艺总磷超标原因分析及应对措施[J].中国给水排水,2010,26(14):131～133.

[6] 李宏罡,张玲,张宝杰.运用调整CASS工艺运行周期策略处理不同水质污水的研究[J].环境科学与管理,2011,36(5):115～117.

[7] 王守中,张统.北京航天城污水处理厂CASS法工艺调试及运行[J].给水排水,1999,25(8):12.

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[10] 马娟,彭永臻,王淑莹,等.CAST工艺处理低C/N生活污水的强化脱氮性能[J].环境工程学报,2009,3(2):234～238.

[11] 文敏,刘苗苗.充水比对CASS工艺处理污染物效果影响的研究[J].工业用水与废水,2010,41(2):46～48.

[12] 马娟,彭永臻,王淑莹,等.CAST分段进水深度脱氮性能及在线控制[J].中南大学学报(自然科学版),2010,41(2):793～798.

[13] 王丽,彭永臻,马娟,等.碳氮比及HRT_S对交替缺氧/好氧CAST去除营养物的影响[J].环境科学,2010,31(10): 2370～2375.