CASS工艺初探

CASS工艺初探CASS工艺全称为循环式活性污泥法，其前身是ICEAS工艺，两者均是由美国的Goronszy教授开发而成的，并分别在美国和加拿大取得专利（CASS）。CASS池为一间歇式反应器，在此反应器中活性污泥法过程按曝气和非曝气阶段不断重复，将生物反应过程和泥水分离过程结合在一个池子中进行。因此，它是SBR工艺及ICEAS工艺的一种更新变型。随着计算机的日益普及，CASS工艺由于其投资小、运行费用低、处理效率高，尤其是优异的脱氮除磷功能而越来越得到重视。该工艺已广泛应用于城市污水和各种工业废水的处理，目前全世界有400多座各种规模的CASS污水处理厂正在运行或建造中。（一）CASS工艺的组成和运行CASS工艺特指设有一个分建或合建式生物选择器的可变容积，以序批曝气-非曝气方式运行的充-放式间歇活性污泥处理工艺，在一个反应器中完成有机污染物的生物降解和泥水分离的处理功能。整个系统以推流方式运行，而各反应区则以完全混合的方式实现同步炭化和硝化-反硝化功能。1、CASS工艺的组成与传统的间歇反应器不同，每个CASS反应器至少由二个区域组成，即生物选择区和主反应区，但也可在主反应区前设置一兼氧区，如下图所示。反应器的工艺构造生物选择区设置在反应器的进水处，是一容积较小的污水污泥接触区（容积约为反应器总容积的10%）。进入反应器的污水和从主反应区内回流的活性污泥（回流量约为日平均流量的20%）在此相互混合接触。生物选择器是按照活性污泥种群组成动力学的规律而设置的，创造合适的微生物生长条件并选择出絮凝性细菌。在生物选择区内，通过主反应区污泥的回流并与进水混合，不仅充分利用了活性污泥的快速吸附作用而且加速对溶解性底物的去除并对难降解有机物起到良好的水解作用，同时可使污泥中的磷在厌氧条件下得到有效的释放。生物选择器还可有效地抑制丝状菌的大量繁殖，克服污泥膨胀，提高系统的稳定性。在生物选择器中，污泥回流液中存在的少量硝酸盐氮（约为2mg/L）可得到反硝化，反硝化量可达整个系统反硝化量的20%左右。选择器可定容运行，亦可变容运行，多池系统中的进水配水池也可用作选择器。兼氧区不仅具有辅助厌氧或兼氧条件下运行的生物选择区对进水水质水量变化的缓冲作用，同时还具有促进磷的进一步释放和强化氮的反硝化作用。主反应区则是最终去除有机底物的主要场所。运行过程中，通常将主反应区的曝气强度以及曝气池中溶解氧强度加以控制，以使反应区内主体溶液中处于好氧状态，保证污泥絮体的外部有一个好氧环境进行硝化；活性污泥结构内部则基本处于缺氧状态，溶解氧向污泥絮体内的传递受到限制，而较高的硝酸盐浓度（梯度）则能较好地渗透到絮体内部，有效地进行反硝化，从而使主反应区中同时发生有机污染物的降解以及同步硝化和反硝化作用。2、CASS工艺的运行CASS工艺以一定的时间序列运行，其运行过程包括进水-曝气、沉淀（泥水分离）、上清液滗除和进水-闲置等四个阶段并组成其运行的一个周期（如下图所示）。工艺的循环操作过程（1）进水，曝气阶段开始；（2）曝气阶段结束；（3）沉淀阶段开始；（4）沉淀阶段结束，撇水阶段开始；（5）撇水阶段及排泥结束；（6）进水、闲置阶段（视具体运行情况而定）与传统意义的SBR工艺不同，CASS工艺在进水阶段，不设单纯的充水过程或缺氧进水混合过程。CASS工艺在沉淀阶段无进水，保证了沉淀过程在静止的环境中进行，并使排水的稳定性得到保障；在操作循环的曝气阶段（同时进水）完成生物降解过程；在非曝气阶段完成泥水分离；排水装置是移动式自动滗水器，借此将每一循环操作中所处理的污水经沉淀后排出系统。一个运行周期结束后，重复上一周期的运行并由此循环不止。循环过程中，反应器内的水位随进水而由初始的设计最低水位逐渐上升到最高设计水位，因而是一个变容积的运行过程。下图所示为某一CASS污水厂在进水曝气阶段氨氮浓度、硝酸盐氮浓度及溶解氧浓度的典型变化曲线。进水曝气阶段氨氮、硝酸盐氮及溶解氧浓度典型变化曲线CASS反应器的主要设计参数有：最大设计水深可达5~6米，MLSS为3.5~4.0g/L，充水比（每一循环的进水量占整个池子有效容积的百分数）为30%左右，最大滗水速率为30mm/min，固液分离时间1h，设计SVI为140，单循环时间（即一个运行周期）通常为4h（标准处理模块）。处理城市污水时，CASS中生物选择器、缺氧区和主反应区的容积比一般为1：5：30，具体可根据水质和“模块”试验加以确定。（二）CASS工艺的特点CASS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新的废水处理工艺，与传统的活性污泥法和SBR工艺相比，CASS工艺具有以下几个方面的特征和优点：（1）在反应器入口处设一生物选择器，并进行污泥回流，保证了活性污泥不断地在选择器中经历了一个高絮体负荷（S0/X0）阶段，从而有利于系统中絮凝性细菌的生五CASS池的设计（1）CASS工艺设计参数污泥负荷0.05—0.5kgBOD5/kgMLSS.d;污泥浓度3.5—4.0kg/m3;池内最大水深3—5m;充水比30%—50%;排水比1/3左右;V生物选择器：V缺氧区：V主反应区=1：5：30（2）污水处理程度的计算假定：进入CASS池水BOD5浓度S0=200mg/L则出水中非溶解性BOD5值为Se=7.1bXaCe其中Ce—出水中悬浮固体（SS）浓度，mg/L，Ce=10mg/Lb—微生物自身氧化率，一般介于0.05—0.1之间。Xa—活性微生物在出水中所占的比例（高负荷活性污泥系统为0.8；延时曝气系统为0.1；一般负荷活性污泥系统为0.4）则S1=7.1*0.09*0.4*10=2.56mg/L因此，出水中溶解性BOD5值Se=10-2.56=7.44mg/L则BOD5的去除率η=（S0-Se）/S0*100%=96.3%（3）CASS池BOD—SS负荷率（Ns）的确定Ns=K2*Se*f/ηK2———基质降解速率常数，一般为0.0168—0.0281f=MLVSS/MLSS，一般为0.7—0.8则Ns=0.0258*7.44*0.75/0.963=0.15kgBOD5/kgMLSS.d（4）CASS池容积的确定法一：污泥负荷计算法V=Q（S0-Se）/（Ns*X*f）Q—设计流量Q=235.2L/S=20321.3m3/dX—混合液污泥浓度X=3500mg/LV=20321.3*（200-7.44）/（0.15*3500*0.75）=9938m3法二：容积负荷计算法假定：运行周期Tc=6h（曝气时间Ta=3.2h，沉淀时间Ts=1.5h）容积负荷Lv=0.5kg/m3.dSVI=126X=3500mg/LN=2个池子周期进水量Q0=20321.3/(2*4)=2540.2m3/周期反应池有效容积VV=n*Q0*C*Tc/（Lv*Ta）=4*2540.2*200*6/（0.5*1000*3.2）=7260.6m3反应池内最小水量Vmin=SVI*MLSS/106*V=126*3500*7260.6/106=3360.7m3校核周期进水量Q0〈（1-SVI*MLSS/106）*V=（1-126*3500/106）*7260.6=3886.5m3反应池有效容积应为最小水量和周期进水量之和V=3886.5+3360.7=7620.6m3，满足条件。法三：设每个系列的处理污水量为q，则在各个周期内进入各反应器的污水量为q/（Nn），各反应器容积可按V=m*q/（Nn）计算V=m*q/（Nn）其中：1/m—排水比，1/m=0.35n—周期数，n=4N—每一系列的反应器数量，N=2q—每一系列的污水处理量，q=20321.3m3/dV=20321.3/（0.35*2*4）=7257.6m3曝气时间TR=24*S0/（Ns*m*X）=24*200*0.35/（0.15*3500）=3.2h最大水深为H=5.0m,即h3=5.0m。Δq/V=（r-1）/m，r=336/235.2=1.43Δq/V=（1.43-1）*0.35=0.15单池校核容积V‘=（1+Δq/V）V=（1+0.15）*7257.6=8346.2m3V/V’=h2/h3,得h2=7257.6*5/8346.2=44m排水比1/m=（h2-h1）/h2，得h1=4.4-0.35*4.4=2.8mh1-hS=0.6m，得hS=2.2mhS=H1*SVI*10-6=2.2，得SVI=126mg/l超高H2=0.5m，H0=5.5mXmax=106/SVI=106/126=7937mg/L充水比VR=H1/（H1+H3）*100%=2.2/2.8*100%=79%单池总表面积A=8346.2/5=1669.2m2单池总体积V=1669.2*5.5=9180.6m3CASS池总体积V总=9180.6*2=18361.2m3周期的确定污泥沉降速度Vmax=4.6*104*x-12.6=1.58m/h沉淀时间Ts=（5.0*0.35+0.6）/1.58=1.5hTs+TR=3.2+1.5=4.7h每个池运行周期数为4次/天，每个周期6h。排水时间TD=6-3.2-1.5=1.3hV生物选择器：V缺氧区：V主反应区=1：5：30则生物选择器的容积V1=264m3缺氧区的容积V2=1274m3主反应区的容积V3=7642.6m3校核生物选择器的水力停留时间t=264*24*2/20321.3=0.62h，符合规定（生物选择器的水力停留时间一般为0.5—1.0h）CASS池长与宽之比L：B=5单池面积A=1669.2m2则L=92.7m，B=18m7单池的各部分尺寸总长L=92.7m总宽B=18m生物选择器长L1=2.7m缺氧部分长L2=12.9m好氧部分长L3=77.2mCASS池各部分尺寸如图：