CAST的工作原理與設計計算

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簡介： 詳細論述了循環(huán)式活性污泥法(CAST)的工作原理，對該工藝的設計計算作了探討，提出了設計方法，并提供了有關計算公式和操作時間分配。
關鍵字：循環(huán)式活性污泥法(CAST) 生物選擇器 硝化反硝化 生物除磷

循環(huán)式活性污泥法(Cyclic Activated Sludge Technology，簡稱CAST)是由美國Goronszy教授開發(fā)出來的，該工藝的核心為間歇式反應器，在此反應器中按曝氣與不曝氣交替運行，將生物反應過程與泥水分離過程集中在一個池子中完成，屬于SBR工藝的一種變型。

　　該工藝投資和運行費用低、處理性能高，尤其是優(yōu)異的脫氮除磷效果，已廣泛應用于城市污水和各種工業(yè)廢水的處理中。

　　1 工作原理

　　CAST反應池分為生物選擇區(qū)、預反應區(qū)和主反應區(qū)，如圖1所示，運行時按進水-曝氣、沉淀、撇水、進水-閑置完成一個周期，CAST的成功運行可將廢水中的含碳有機物和包括氮、磷的污染物去除，出水總氮濃度小于5mg/L。

　　1-生物選擇器；2-預反應區(qū)；3-主反應區(qū)

　　圖1循環(huán)活性污泥技術

　　1)生物選擇器設在池子首部，不設機械攪拌裝置，反應條件在缺氧和厭氧之間變化。生物選擇區(qū)有三個功能：a．絮體結構內底物的物理團聚與動力學和代謝選擇同步進行；b．選擇器被隔開，保證初始高絮體負荷，以及酶快速去除溶解底物；c.通過選擇器的設計，還可以創(chuàng)造一個有利于磷釋放的環(huán)境，這樣促進聚磷菌的生長^[1]。生物選擇區(qū)的設置嚴格遵循活性污泥種群組成動力學的有關規(guī)律，創(chuàng)造合適的微生物生長條件，從而選擇出絮凝性細菌。活性污泥的絮體負荷S₀/X₀(即底物濃度和活性微生物濃度的比值)對系統(tǒng)中活性污泥的種群組成有較大的影響，較高的污泥絮體負荷有助于絮凝性細菌的生長和繁殖。CAST工藝中活性污泥不斷地在生物選擇器中經歷高絮體負荷階段，這樣有利于絮凝性細菌的生長，提高污泥活性，并通過酶反應快速去除廢水中的溶解性易降解底物，從而抑制了絲狀細菌的生長和繁殖，避免了污泥膨脹的發(fā)生。同時當生物選擇器處于缺氧環(huán)境時，回流污泥存在的少量硝酸鹽氮(約為N₃-N=20mg/L)可得到反硝化，反硝化量可達整個系統(tǒng)硝化量的20%^[2]。當選擇器處于厭氧環(huán)境時，磷得以有效地釋放，為生物除磷做準備。

　　2)預反應區(qū)為水力緩沖區(qū)，大小與高峰流量有關，若在非曝氣階段，不進水可將其省去^[1]。

　　3)主反應區(qū)在可變容積完全混合反應條件下運行，完成含碳有機物和包括氮、磷的污染物的去除。運行時通過控制溶解氧的濃度使其從0緩慢上升到2.5mg/L來保證硝化、反硝化以及磷吸收的同步進行^[3]。

　　a．硝化反硝化。同步反硝化意味著在不專門為硝酸鹽的去除設混合裝置或正常缺氧混合程序的條件下，硝化與反硝化同時在同一反應器發(fā)生^[4]。通常認為在系統(tǒng)中，氮去除機制與在微生物絮體內由于受擴散限制引起的溶解氧(DO))的濃度梯度有關，這樣硝化菌存在于高溶解氧區(qū)或正氧化還原點位(OPR)，相反反硝化菌在溶解氧降低區(qū)或負氧化還原點位(OPR)下活性十足^[5]。CAST工藝運行中控制供氧強度以及混合液溶解氧的濃度使其從0逐漸上升到2.5mg/L左右，這樣使活性污泥絮體的外周保持一個好氧環(huán)境進行硝化，由于氧在活性污泥絮體內的傳遞受到限制，而具有較高濃度梯度的硝酸鹽則能較好地滲透到絮體內部有效地進行反硝化。另外，該工藝曝氣與非曝氣交替進行，從而使泥水混合液通過主反應區(qū)，順序經過缺氧-好氧-厭氧環(huán)境，尤其在非曝氣階段0.5h-1.0h內污泥層以胞內在生物選擇高負荷下儲存或吸收的碳為碳源，進行反硝化，在污泥沉淀過程中也有一定的反硝化作用。

　　b．磷的去除。生物除磷是依靠聚磷菌的作用實現的，生物選擇器不曝氣這樣反應環(huán)境非常迅速地從缺氧環(huán)境轉化為厭氧環(huán)境，當選擇器處于厭氧環(huán)境，聚磷菌依靠水解體內的聚磷(Poly-P)水解釋放出正磷酸鹽，同時產生能量以吸收水中的溶解性有機底物，并將其在體內合成為細胞學儲備物質PHB；在主反應區(qū)為好氧環(huán)境時，聚磷菌以游離氧為電子受體，將細胞儲備物質氧化，并利用該反應所產生的能量，過量地在污水中攝取磷酸鹽并合成為ATP，其中一部分轉化為聚磷貯存能量，為下一周期的厭氧釋磷做準備。由于好氧段的吸磷量要遠大于厭氧段的釋磷量，所以通過剩余污泥的排放可達到除磷目的。若要在生物除磷的基礎上進一步強化除磷效果或達到完全除磷的目的，可加入鋁鹽或鐵鹽，根據所去除磷濃度的大小，化學污泥在池子中的濃度約在1.7g/L～2.0g/L左右，化學污泥可以進一步提高沉淀污泥的壓縮能力。CAST工藝是活性污泥不斷地經過耗氧和厭氧的循環(huán)，這將有利于聚磷菌在系統(tǒng)中的生長和積累。根據Gorony等人的研究，當微生物內吸附大量降解物質，而且處在氧化還原點位為+100mV～-150mV的交替變化中時，系統(tǒng)可具有良好的生物除磷功能^[1]。

　　此外，在曝氣結束后，主反應區(qū)進行泥水分離，由于此階段無進水水力干擾，在靜止環(huán)境中進行，從而保證系統(tǒng)良好的分離效果。CAST整個工藝過程遵循生物的“積累一再生”原理，生物先在生物選擇器經歷一個高負荷反應階段，然后在主反應區(qū)經歷一個低負荷反應階段，完成反應過程如圖2所示，生物選擇其中較高的污泥絮體負荷，可以使廢水中存在的溶解性易降解有機物通過酶轉移機理予以快速地吸附和吸收進行底物的積累，然后在污泥絮體負荷較低的主反應區(qū)完成底物的降解，從而實現了活性污泥的再生。再生的污泥又以一定的比例回流至生物選擇器中，進行機制的再次積累，這樣不斷地循環(huán)完成了生物的“積累—再生”，實驗和實際應用表明，當高于75%的易降解有機物質通過酶轉移機理去除，則剩余可溶解COD小于100mg/L^[5]。

　　圖2底物的積累再生原理

　　2 CAST工藝的設計計算

　　2.1 CAST池容積

　　CAST池容積采用容積負荷計算法確定，并用排水體積進行復核。

　　1)負荷計算法。

　　V=Q×(S_a－S_e)/(N_e×N_w×f)                                        (1)

　　式中：V—CAST池容積，m³；

　　Q—污水日流量，m³/d；

　　N_w—混合液污泥(MLSS)濃度，3g/L～4g/L；

　　N_e—B0D污泥負荷率，其中N_e=K₂×S_e×f/η，K₂取值見表1；

　　f—混合液中揮發(fā)性懸浮固體濃度與總懸浮固體濃度的比值，即f=MLSS/MLVSS，0.7～0.8.

　　表1生活污水及部分的K₂工業(yè)廢水值

　　2)容積確定。CAST池內有效容積由變動容積(V₁)和固定容積組成，變動容積是指池內設計最高水位至潷水機排放最低水位的容積。固定容積由兩部分組成：一部分是活性污泥，最高泥面至池底之間的容積(V₃)；另一部分為撇水水位和泥面之間的容積，它是由防止撇水和污泥流失的最小安全距離決定的容積(V₂)。

　　V=n_l×(V_l+V₂+V₃)                                                    (2)

　　式中：V—CAST池總有效容積，m³；

　　n₁——CAST池子個數；

　　V₁——變動容積，m³；

　　V₂——安全容積，m³；

　　V₃——污泥沉淀濃縮容積，m³。

　　一般地，池內最高液位H按下式計算：

　　H=H_l+H₂+H₃=(3～5)m                                             (3)

　　H₁=Q/(n₁×n₂×A)                                                     (4)

　　H₃=H×N_w×SVI×10^-3                                                                                                (5)

　　H₂=H-(H_l+H₃)                                                         (6)

　　式中：H₁——池內設計最高水位至潷水機排放最低水位之間的高度，m；

　　A——單個CAST池平面面積，m²；

　　n₂——日內循環(huán)周期數；

　　H₃——潷水結束時泥面高度，m；

　　N_w——最高液位時混合液污泥濃度，kg/m³；

　　H₂——撇水水位和泥面之間的安全距離，m。

　　負荷計算法算出的結果，如不能滿足(6)的條件，則必須減少污泥負荷，增大CAST池的有效容積，直至滿足(6)的條件。

　　2.2 選擇器容積

　　CAST池中間設一道隔墻，將池體分隔微生物選擇區(qū)和主反應區(qū)兩部分。靠進水端為全物選擇區(qū)，其容積為CAST池總容積的20%左右，另一部分為主反應區(qū)。選擇器的類別不同，對選擇器的容積要求也不同。一般來講，對于好氧生物選擇器，其混合液接觸時間T為15min～30min，對缺氧和厭氧生物選擇器一般取30min～60min。因此其容積為：

　　V=(Qi+Qr)×T                                                         (7)

　　式中：Qi，Qr——進水、回流污泥流量，m³/h。

　　注：生活污水回流量為旱季流量的20%，一般以主反應區(qū)的污泥24h全部循環(huán)一次來確定污泥回流量[1]。生物選擇器的大小和污泥回流比，可根據實驗和實際情況找出最佳條件。

　　2.3 循環(huán)時間分配及DO控制

　　典型的操作循環(huán)設計為4h，其中2h用于進水和曝氣，2h用于沉淀和撇水，這一循環(huán)操作廣泛用于單池和多池處理系統(tǒng)中；為使池子中溶解氧濃度與工藝要求相一致，最大程度地減少曝氣強度，可采用探頭測定曝氣階段中溶解氧濃度作為調節(jié)曝氣強度和排除剩余污泥的控制參數。

　　3 結語

　　CAST工藝保持了典型的完全混合特性，具有較強的耐沖擊負荷能力；CAST設置生物選擇器，促進絮凝型細菌的生長和繁殖，從而抑制了污泥膨脹的發(fā)生，高效地進行硝化反硝化，脫氮除磷效果顯著。另外，CAST工藝流程簡單，采用矩形結構，運行時，不需要大量的污泥回流，自動化程度高，所以建設和運行費用低。此外，對于某一給定規(guī)模的污水廠，設計時可采用模塊布置方法，根據污水廠規(guī)模，先確定其基本模塊，然后重復布置此模塊直至達到所要求的處理規(guī)模，對于大型污水廠，由于CAST模塊結構布置方式節(jié)約占地面積，擴建方便，已日益為人們所接受。

　　參考文獻：

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　　Working principle designing and calculating of CAST

　　BAI Sheng-yun  LI Ya-xin

　　Abstrac：This paper explains the principle of Cyclic Activated Sludge Technology(CAST)and discusses the designing and calculating memhods

　　about this technology．This pape r also introduced the formulae‘and the time distributing about design cycle．

　　Key words：cyclic activated sludge technology，biological selector，nitrification／denitrification，biological phosphorous removal

　　收稿日期：2005-03-14

　　作者簡介：白生云(1979-)，男，太原理工大學在讀碩士研究生，山西太原030024

　　李亞新(1941-)，男，博導，教授，太原理工大學，山西太原030024