某污水厂CAST工艺原理及工程介绍

1某污水厂CAST工艺除磷脱氮原理及工程介绍摘要:分析阐述了CAST工艺的原理及运行方式，以及该工艺在苏州高新白荡污水处理厂应用的情况。介绍了该厂水质、水量、工艺流程、池型和主要单元的设置和工艺参数,并总结了该工艺的优点及应用中的注意事项。关键词:CAST;工艺原理；运行方式;工艺参数污水处理厂一期工程日处理污水4万m3，经工艺方案比较和论证,采用循环式活性污泥法即CAST工艺。该处理厂于2006年底建成投运。1CAST工艺介绍CAST工艺将生物反应池分为两个区域，第一区容积较小作为生物选择器，第二区为主反应区。第一区和第二区在水力上是相通的，用泵将主反应区的活性污泥回流到选择器中。运行时按进水-曝气、沉淀、撇水、进水-闲置完成一个周期，CAST的成功运行可将废水中的含碳有机物和包括氮、磷的污染物有效去除。生物选择器设在池子首部，反应条件在缺氧和厌氧之间变化。生物选择区有三个功能：a、絮体结构内底物的物理团聚与动力学和代谢选择同步进行；b、选择器被隔开，保证初始高絮体负荷，以及酶快速去除溶解底物；c、通过选择器的设计，还可以创造一个有利于磷释放的环境，这样促进聚磷菌的生长。生物选择区的设置严格遵循活性污泥种群组成动力学的有关规律，创造合适的微生物生长条件，从而选择出絮凝性细菌。活性污泥的絮体负荷S0/X0(即底物浓度和活性微生物浓度的比值)对系统中活性污泥的种群组成有较大的影响，较高的污泥絮体负荷有助于絮凝性细菌的生长和繁殖。CAST工艺中活性污泥不断地在生物选择器中经历高絮体负荷阶段，这样有利于絮凝性细菌的生长，提高污泥活性，并通过酶反应快速去除废水中的溶解性易降解底物，从而抑制了丝状细菌的生长和繁殖，避免了污泥膨胀的发生。同时当生物选择器处于缺氧环境时，回流污泥存在的少量硝酸盐氮可得到反硝化，反硝化量可达整个系统硝化量的20%。当选择器处于厌氧环境时，磷得以有效地释放，为生物除磷做准备。2主反应区在可变容积完全混合反应条件下运行，完成含碳有机物和包括氮、磷的污染物的去除。运行时通过控制溶解氧的浓度使其从0缓慢上升到2.5mg/L来保证硝化、反硝化以及磷吸收的同步进行。(1)同步硝化/反硝化。同步反硝化意味着在不专门为硝酸盐的去除设混合装置或正常缺氧混合程序的条件下，硝化与反硝化同时在同一反应器发生。通常认为在系统中，氮去除机制与在微生物絮体内由于受扩散限制引起的溶解氧(DO))的浓度梯度有关，这样硝化菌存在于高溶解氧区或正氧化还原点位(OPR)，相反反硝化菌在溶解氧降低区或负氧化还原点位(OPR)下活性十足。CAST工艺运行中控制供氧强度以及混合液溶解氧的浓度使其从0逐渐上升到2.5mg/L左右，这样使活性污泥絮体的外周保持一个好氧环境进行硝化，由于氧在活性污泥絮体内的传递受到限制，而具有较高浓度梯度的硝酸盐则能较好地渗透到絮体内部有效地进行反硝化。另外，该工艺曝气与非曝气交替进行，从而使泥水混合液通过主反应区，顺序经过缺氧-好氧-厌氧环境，尤其在非曝气阶段0.5h-1.0h内污泥层以胞内在生物选择高负荷下储存或吸收的碳为碳源，进行反硝化，在污泥沉淀过程中也有一定的反硝化作用。(2)磷的去除。生物除磷是依靠聚磷菌的作用实现的，生物选择器不曝气这样反应环境非常迅速地从缺氧环境转化为厌氧环境，当选择器处于厌氧环境，聚磷菌依靠水解体内的聚磷(Poly-P)水解释放出正磷酸盐，同时产生能量以吸收水中的溶解性有机底物，并将其在体内合成为细胞学储备物质PHB；在主反应区为好氧环境时，聚磷菌以游离氧为电子受体，将细胞储备物质氧化，并利用该反应所产生的能量，过量地在污水中摄取磷酸盐并合成为ATP，其中一部分转化为聚磷贮存能量，为下一周期的厌氧释磷做准备。由于好氧段的吸磷量要远大于厌氧段的释磷量，所以通过剩余污泥的排放可达到除磷目的。CAST工艺是活性污泥不断地经过耗氧和厌氧的循环，这将有利于聚磷菌在系统中的生长和积累。此外，在曝气结束后，主反应区进行泥水分离，由于此阶段无进水水力干扰，在静止环境中进行，从而保证系统良好的分离效果。CAST整个工艺过程遵循生物的“积累一再生”原理，生物先在生物选择器经历一个高负荷反应阶段，然后在主反应区经历一个低负荷反应阶段，完成反应过程，生物选择其中较高的污泥絮体负荷，可以使废水中存在的溶解性易降解有机物通过酶转移机理予以快速地吸附和吸收进3行底物的积累，然后在污泥絮体负荷较低的主反应区完成底物的降解，从而实现了活性污泥的再生。再生的污泥又以一定的比例回流至生物选择器中，进行机制的再次积累，这样不断地循环完成了生物的“积累—再生”。2运行方式CAST工艺是一种循环式活性污泥法，整个工艺为一间歇式反应器，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，其运行模式与传统SBR法类似，有进水、反应、沉淀和出水及必要的闲置等五个阶段组成。从进水至出水结束作为一个周期，每一过程均按所需的设定时间进行切换操作。(1)进水段：CAST进水首先在生物选择区中与源自上一周期沉淀段的污泥混合，大量的来水在该段内形成较大的基质浓差梯度，通过渗透酶使来水中的BOD在高浓度污泥条件下很快地被利用，形成良好的缺氧/厌氧环境。通过调节进水段的反应模式(进水时间、进水量、缺氧/厌氧反应时间)进行有效的生物脱氮、除磷。充水之后，在反应时段中进行曝气。微生物反复在缺氧/好氧的环境下，有效地抑制了好氧性丝状菌的生长，避免了污泥膨胀。(2)曝气段：进水段的污水在足够的曝气条件下进行充分的好氧除碳和生物硝化。(3)沉淀段：不进水、不曝气、不回流，使污水混合液获得一个静止的絮凝沉淀环境。(4)撇水段：不进水、不曝气、不回流，通过浮动撇水器将上清液排出，当液面降至最低控制水位时，排水停止。重复上一周期过程，如此周而复始。(5)闲置段：进水、不曝气、不回流，视具体运行情况而定，可作为整个CAST运行系统调节。CAST系统一般至少设2个池子,以使整个系统能接纳连续的进水，在设有4个CAST池子的系统中，通过选择各个池子的循环过程可以产生连续的进出水。3白荡污水处理厂一期工程简介3.1处理规模及进出水水质4白荡污水处理厂一期工程设计处理城市污水量4万m3/d。进水水质的主要指标为：COD≤350mg/L,BOD5≤150mg/L,SS≤200mg/L,NH3-N≤35mg/L,TN≤50mg/L，TP≤4.0mg/L；出水水质要求为：COD≤60mg/L,BOD5≤20mg/L,SS≤20mg/L,NH3-N≤15mg/L,TP≤1.5mg/L。3.2处理工艺流程白荡污水处理厂工艺流程见图1。进水→→→→→→→出水↓剩余污泥外运处置←←图1浒东污水处理厂工艺流程图原污水进入粗格栅间，在此拦截污水中漂浮物，由污水泵提升经细格栅进一步去除水中杂质，进入沉砂池去除砂粒,然后进入CAST池,经曝气、沉淀分离，澄清液排入水体。剩余污泥经污泥泵送至储泥池，经机械浓缩脱水处理后泥饼外运。3.3主要处理单元工艺参数3.3.1粗格栅站及进水泵池设置粗格栅的目的是去除污水中较大的悬浮物和漂浮物，以保证后续处理装置的正常运行。格栅前后设置闸门以便检修，格栅通过螺旋输送压榨机排入栅渣箱。粗格栅采用钢丝绳式格栅，宽度1.8米，栅条间距15mm，格栅倾角75度。泵池内选用4台潜水泵，其中一台采用变频控制，辅以水泵自动调节可以最大限度的解决进水量不足和波动问题。设备系统由PLC根据液位差或设定的时间间隔自动控制，亦可现场控制。3.3.2细格栅站设置细格栅的目的是进一步去除污水中较小的悬浮物和漂浮物，以保证后续处理装置的正常运行。格栅前后设置闸门以便检修，格栅通过螺旋输送压榨机排入栅粗格栅进水泵房细格栅沉砂池生物池污泥储池污泥浓缩脱水机房5渣箱。细格栅选用转鼓式格栅，格栅直径1.8米，栅条间距3mm，格栅倾角35度。设备系统由PLC根据液位差或设定的时间间隔自动控制，亦可现场控制。3.3.3旋流沉砂池采用旋流沉砂方式，去除污水中比重较大、粒径大于0.2mm的无机砂粒，以减轻后续处理构筑物和设备的磨损、堵塞，保证后续流程顺利运行。细格栅站装备有立式旋流搅拌器、罗茨鼓风机、砂水分离器等设备。3.3.4CAST生物处理池CAST生物处理池平均设计流量0.653m3/s，分2组，单组分2池，2组生物池之间用走道板连接。每组设潜水搅拌器4台，单机功率3.0kw，内回流泵2台，单机流量235m3/h，剩余污泥泵2台，单机流量50m3/h，旋转式滗水器4台，滗水能力1300m3/h.台；单座生物池设微孔膜式曝气管792个，鼓风机采用先进的进口单级离心风机。3.3.5出水消毒池由消毒渠、回用水池和检测池组成，在消毒池内安装进口紫外线消毒装置，经过沉淀后的出水进入此渠，进口处设有手动渠道闸门，控制水深和流速以满足出水与紫外线的接触时间。3.3.6污泥储池污泥储池接纳来自生物池的剩余污泥，以便调整剩余污泥的排放与脱水机在工作时间上的偏差，为运行管理带来方便。污泥储池设潜水搅拌器一台。3.3.7污泥浓缩脱水机房为方便污泥处置，必须对污泥进行减量化处理，经脱水后污泥含水率可以降到80%以下。脱水机房选用带式浓缩脱水一体机2台，带宽约2.0米。进泥泵2台和絮凝剂制备系统一套。4结语CAST工艺具有独特的优点：(1)CAST工艺与传统活性污泥法相比较，最重要的特征是不设独立的初沉池和二沉池，活性污泥始终保持在一个池子中完成生物反应和泥水分离过程。因此无需设置如传统活性污泥法中污泥回流装置，降低前置反硝化系统中的内回流比，从而6可降低工程投资，同时设备种类少，维护管理简单，检修费用低，只设较少的污泥内回流，降低了日常运行电费。(2)根据进水水质及出水水质要求调整运行周期和时序，在曝气期内设置非曝气阶段(捕获选择器和厌氧区)，可形成厌氧、缺氧和好氧交替状态，实现除磷脱氮功能，运转灵活。(3)采用矩形池结构，生物池间共用隔墙，可节省土建费用和工程建设用地。(4)CAST工艺除具备SBR一般的特点外，还具备推流式特点，有基质浓度梯度和较高的污泥负荷可控制丝状菌造成的污泥膨胀，同时也具备完全混合法的特点———耐冲击负荷、适应水质变化。CAST工艺虽有许多优点,在选择该工艺时应该考虑以下问题：(1)CAST系统的微生物种群结构与常规活性污泥法不同，菌群主要由硝化菌、反硝化菌、聚磷菌和异氧型好氧菌组成。由于对非稳态CAST系统中微生物种群之间的复杂的生存竞争和生态平衡关系至今尚不甚了解，CAST工艺理论只是从工艺过程进行一些分析探讨，待今后研究工作中加以逐步明确。(2)与连续流污水处理工艺相比，设备的闲置率较高。设备数量较多,设备投资较高。采用撇水器出水、风量调节阀调节等，使得CAST系统的正常运行对设备要求较高。(3)处理水量较大时，应充分考虑该工艺的复杂性。由于工艺运行、结构受沉降缝和抗浮等因素的限制，生物处理池的体积每格不宜超过1万m3。当水量增加时，处理单元数也会增加，致使配水、出水、污泥回流和剩余污泥排放等设备随着单元数而增加，大大的提高了实际运行的复杂程度。从自动控制方面看，3万m3/d处理规模的污水厂氧化沟工艺的I/O数量只需1000点，而该工艺为3000点以上，随着处理单元数量增加，其控制量也将成倍增加。所以，该工艺在规模较大处理厂应用时，应全面进行考虑。综上所述,CAST工艺更适用于中小型污水处理厂,在一定的范围内,可以替代其它活性污泥法，有独特的优点，并具有较强的竞争力。[参考文献]7[1]邱慎初.循环式活性污泥法(CAST).国家城市给水排水工程技术研究中心.2001[2]沈耀良、王宝贞.废水生物处理新技术－理论与应用.中国环境科学出版社.1999[3]王凯军、宋英豪.SBR工艺的发展类型及其应用特性.《中国给水排水》2002年第7期[4]中国环境保护产业协会水污染治理委员会.序批式活性污泥法（SBR）技术规范.2004年