CAST的工作原理與設(shè)計(jì)計(jì)算

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簡(jiǎn)介： 詳細(xì)論述了循環(huán)式活性污泥法(CAST)的工作原理，對(duì)該工藝的設(shè)計(jì)計(jì)算作了探討，提出了設(shè)計(jì)方法，并提供了有關(guān)計(jì)算公式和操作時(shí)間分配。
關(guān)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(jiǎn)稱(chēng)CAST)是由美國(guó)Goronszy教授開(kāi)發(fā)出來(lái)的，該工藝的核心為間歇式反應(yīng)器，在此反應(yīng)器中按曝氣與不曝氣交替運(yùn)行，將生物反應(yīng)過(guò)程與泥水分離過(guò)程集中在一個(gè)池子中完成，屬于SBR工藝的一種變型。

　　該工藝投資和運(yùn)行費(fèi)用低、處理性能高，尤其是優(yōu)異的脫氮除磷效果，已廣泛應(yīng)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(yīng)池分為生物選擇區(qū)、預(yù)反應(yīng)區(qū)和主反應(yīng)區(qū)，如圖1所示，運(yùn)行時(shí)按進(jìn)水-曝氣、沉淀、撇水、進(jìn)水-閑置完成一個(gè)周期，CAST的成功運(yùn)行可將廢水中的含碳有機(jī)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(yù)反應(yīng)區(qū)；3-主反應(yīng)區(qū)

　　圖1循環(huán)活性污泥技術(shù)

　　1)生物選擇器設(shè)在池子首部，不設(shè)機(jī)械攪拌裝置，反應(yīng)條件在缺氧和厭氧之間變化。生物選擇區(qū)有三個(gè)功能：a．絮體結(jié)構(gòu)內(nèi)底物的物理團(tuán)聚與動(dòng)力學(xué)和代謝選擇同步進(jìn)行；b．選擇器被隔開(kāi)，保證初始高絮體負(fù)荷，以及酶快速去除溶解底物；c.通過(guò)選擇器的設(shè)計(jì)，還可以創(chuàng)造一個(gè)有利于磷釋放的環(huán)境，這樣促進(jìn)聚磷菌的生長(zhǎng)^[1]。生物選擇區(qū)的設(shè)置嚴(yán)格遵循活性污泥種群組成動(dòng)力學(xué)的有關(guān)規(guī)律，創(chuàng)造合適的微生物生長(zhǎng)條件，從而選擇出絮凝性細(xì)菌?；钚?label class="lb" onclick="g('污泥');">污泥的絮體負(fù)荷S₀/X₀(即底物濃度和活性微生物濃度的比值)對(duì)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(fù)荷有助于絮凝性細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖。CAST工藝中活性污泥不斷地在生物選擇器中經(jīng)歷高絮體負(fù)荷階段，這樣有利于絮凝性細(xì)菌的生長(zhǎng)，提高污泥活性，并通過(guò)酶反應(yīng)快速去除廢水中的溶解性易降解底物，從而抑制了絲狀細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖，避免了污泥膨脹的發(fā)生。同時(shí)當(dāng)生物選擇器處于缺氧環(huán)境時(shí)，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(dá)整個(gè)系統(tǒng)硝化量的20%^[2]。當(dāng)選擇器處于厭氧環(huán)境時(shí)，磷得以有效地釋放，為生物除磷做準(zhǔn)備。

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

　　3)主反應(yīng)區(qū)在可變?nèi)莘e完全混合反應(yīng)條件下運(yùn)行，完成含碳有機(jī)物和包括氮、磷的污染物的去除。運(yùn)行時(shí)通過(guò)控制溶解氧的濃度使其從0緩慢上升到2.5mg/L來(lái)保證硝化、反硝化以及磷吸收的同步進(jìn)行^[3]。

　　a．硝化反硝化。同步反硝化意味著在不專(zhuān)門(mén)為硝酸鹽的去除設(shè)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(shí)在同一反應(yīng)器發(fā)生^[4]。通常認(rèn)為在系統(tǒng)中，氮去除機(jī)制與在微生物絮體內(nèi)由于受擴(kuò)散限制引起的溶解氧(DO))的濃度梯度有關(guān)，這樣硝化菌存在于高溶解氧區(qū)或正氧化還原點(diǎn)位(OPR)，相反反硝化菌在溶解氧降低區(qū)或負(fù)氧化還原點(diǎn)位(OPR)下活性十足^[5]。CAST工藝運(yùn)行中控制供氧強(qiáng)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(gè)好氧環(huán)境進(jìn)行硝化，由于氧在活性污泥絮體內(nèi)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(nèi)部有效地進(jìn)行反硝化。另外，該工藝曝氣與非曝氣交替進(jìn)行，從而使泥水混合液通過(guò)主反應(yīng)區(qū)，順序經(jīng)過(guò)缺氧-好氧-厭氧環(huán)境，尤其在非曝氣階段0.5h-1.0h內(nèi)污泥層以胞內(nèi)在生物選擇高負(fù)荷下儲(chǔ)存或吸收的碳為碳源，進(jìn)行反硝化，在污泥沉淀過(guò)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(shí)現(xiàn)的，生物選擇器不曝氣這樣反應(yīng)環(huán)境非常迅速地從缺氧環(huán)境轉(zhuǎn)化為厭氧環(huán)境，當(dāng)選擇器處于厭氧環(huán)境，聚磷菌依靠水解體內(nèi)的聚磷(Poly-P)水解釋放出正磷酸鹽，同時(shí)產(chǎn)生能量以吸收水中的溶解性有機(jī)底物，并將其在體內(nèi)合成為細(xì)胞學(xué)儲(chǔ)備物質(zhì)PHB；在主反應(yīng)區(qū)為好氧環(huán)境時(shí)，聚磷菌以游離氧為電子受體，將細(xì)胞儲(chǔ)備物質(zhì)氧化，并利用該反應(yīng)所產(chǎn)生的能量，過(guò)量地在污水中攝取磷酸鹽并合成為ATP，其中一部分轉(zhuǎn)化為聚磷貯存能量，為下一周期的厭氧釋磷做準(zhǔn)備。由于好氧段的吸磷量要遠(yuǎn)大于厭氧段的釋磷量，所以通過(guò)剩余污泥的排放可達(dá)到除磷目的。若要在生物除磷的基礎(chǔ)上進(jìn)一步強(qiáng)化除磷效果或達(dá)到完全除磷的目的，可加入鋁鹽或鐵鹽，根據(jù)所去除磷濃度的大小，化學(xué)污泥在池子中的濃度約在1.7g/L～2.0g/L左右，化學(xué)污泥可以進(jìn)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(jīng)過(guò)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(zhǎng)和積累。根據(jù)Gorony等人的研究，當(dāng)微生物內(nèi)吸附大量降解物質(zhì)，而且處在氧化還原點(diǎn)位為+100mV～-150mV的交替變化中時(shí)，系統(tǒng)可具有良好的生物除磷功能^[1]。

　　此外，在曝氣結(jié)束后，主反應(yīng)區(qū)進(jìn)行泥水分離，由于此階段無(wú)進(jìn)水水力干擾，在靜止環(huán)境中進(jìn)行，從而保證系統(tǒng)良好的分離效果。CAST整個(gè)工藝過(guò)程遵循生物的“積累一再生”原理，生物先在生物選擇器經(jīng)歷一個(gè)高負(fù)荷反應(yīng)階段，然后在主反應(yīng)區(qū)經(jīng)歷一個(gè)低負(fù)荷反應(yīng)階段，完成反應(yīng)過(guò)程如圖2所示，生物選擇其中較高的污泥絮體負(fù)荷，可以使廢水中存在的溶解性易降解有機(jī)物通過(guò)酶轉(zhuǎn)移機(jī)理予以快速地吸附和吸收進(jìn)行底物的積累，然后在污泥絮體負(fù)荷較低的主反應(yīng)區(qū)完成底物的降解，從而實(shí)現(xiàn)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(jìn)行機(jī)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(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用表明，當(dāng)高于75%的易降解有機(jī)物質(zhì)通過(guò)酶轉(zhuǎn)移機(jī)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(shè)計(jì)計(jì)算

　　2.1 CAST池容積

　　CAST池容積采用容積負(fù)荷計(jì)算法確定，并用排水體積進(jìn)行復(fù)核。

　　1)負(fù)荷計(jì)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(fù)荷率，其中N_e=K₂×S_e×f/η，K₂取值見(jiàn)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(nèi)有效容積由變動(dòng)容積(V₁)和固定容積組成，變動(dòng)容積是指池內(nèi)設(shè)計(jì)最高水位至潷水機(jī)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(gè)數(shù)；

　　V₁——變動(dòng)容積，m³；

　　V₂——安全容積，m³；

　　V₃——污泥沉淀濃縮容積，m³。

　　一般地，池內(nèi)最高液位H按下式計(jì)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(nèi)設(shè)計(jì)最高水位至潷水機(jī)排放最低水位之間的高度，m；

　　A——單個(gè)CAST池平面面積，m²；

　　n₂——日內(nèi)循環(huán)周期數(shù)；

　　H₃——潷水結(jié)束時(shí)泥面高度，m；

　　N_w——最高液位時(shí)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(fù)荷計(jì)算法算出的結(jié)果，如不能滿(mǎn)足(6)的條件，則必須減少污泥負(fù)荷，增大CAST池的有效容積，直至滿(mǎn)足(6)的條件。

　　2.2 選擇器容積

　　CAST池中間設(shè)一道隔墻，將池體分隔微生物選擇區(qū)和主反應(yīng)區(qū)兩部分?？窟M(jìn)水端為全物選擇區(qū)，其容積為CAST池總?cè)莘e的20%左右，另一部分為主反應(yīng)區(qū)。選擇器的類(lèi)別不同，對(duì)選擇器的容積要求也不同。一般來(lái)講，對(duì)于好氧生物選擇器，其混合液接觸時(shí)間T為15min～30min，對(duì)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(jìn)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(yīng)區(qū)的污泥24h全部循環(huán)一次來(lái)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(jù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際情況找出最佳條件。

　　2.3 循環(huán)時(shí)間分配及DO控制

　　典型的操作循環(huán)設(shè)計(jì)為4h，其中2h用于進(jìn)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(qiáng)度，可采用探頭測(cè)定曝氣階段中溶解氧濃度作為調(diào)節(jié)曝氣強(qiáng)度和排除剩余污泥的控制參數(shù)。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　CAST工藝保持了典型的完全混合特性，具有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力；CAST設(shè)置生物選擇器，促進(jìn)絮凝型細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖，從而抑制了污泥膨脹的發(fā)生，高效地進(jìn)行硝化反硝化，脫氮除磷效果顯著。另外，CAST工藝流程簡(jiǎn)單，采用矩形結(jié)構(gòu)，運(yùn)行時(shí)，不需要大量的污泥回流，自動(dòng)化程度高，所以建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用低。此外，對(duì)于某一給定規(guī)模的污水廠，設(shè)計(jì)時(shí)可采用模塊布置方法，根據(jù)污水廠規(guī)模，先確定其基本模塊，然后重復(fù)布置此模塊直至達(dá)到所要求的處理規(guī)模，對(duì)于大型污水廠，由于CAST模塊結(jié)構(gòu)布置方式節(jié)約占地面積，擴(kuò)建方便，已日益為人們所接受。

　　參考文獻(xiàn)：

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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‘a(chǎn)nd 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(jiǎn)介：白生云(1979-)，男，太原理工大學(xué)在讀碩士研究生，山西太原030024

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