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                關于CASS工藝的詳解

                CASS工藝全稱為循環式活性污泥法,其前身是ICEAS工藝,兩者均是由美國的Goronszy教授開發而成的,并分別在美國和加拿大取得專利(CASS)。CASS池為一間歇式反應器,在此反應器中活性污泥法過程按曝氣和非曝氣階段不斷重復,將生物反應過程和泥水分離過程結合在一個池子中進行。因此,它是SBR工藝及ICEAS工藝的一種更新變型。隨著計算機的日益普及,CASS工藝由于其投資小、運行費用低、處理效率高,尤其是優異的脫氮除磷功能而越來越得到重視。該工藝已廣泛應用于城市污水和各種工業廢水的處理。
                 
                一、CASS工藝的原理
                 
                CASS工藝是將序批式活性污泥法(SBR)的反應池沿長度方向分為兩部分,前部為生物選擇區也稱預反應區,后部為主反應區。在主反應區后部安裝了可升降的潷水裝置,實現了連續進水間歇排水的周期循環運行,集曝氣沉淀、排水于一體。CASS工藝是一個厭氧/缺氧/好氧交替運行的過程,具有一定脫氮除磷效果,廢水以推流方式運行,而各反應區則以完全混合的形式運行以實現同步硝化一反硝化和生物除磷。
                 
                CASS的工藝各個單元的作用
                 
                生物選擇區
                 
                生物選擇區設置在反應器的進水處,是一容積較小的污水污泥接觸區(容積約為反應器總容積的10%)。進入反應器的污水和從主反應區內回流的活性污泥(回流量約為日平均流量的20%)在此相互混合接觸。生物選擇器是按照活性污泥種群組成動力學的規律而設置的,創造合適的微生物生長條件并選擇出絮凝性細菌。在生物選擇區內,通過主反應區污泥的回流并與進水混合,不僅充分利用了活性污泥的快速吸附作用而且加速對溶解性底物的去除并對難降解有機物起到良好的水解作用,同時可使污泥中的磷在厭氧條件下得到有效的釋放。生物選擇器還可有效地抑制絲狀菌的大量繁殖,克服污泥膨脹,提高系統的穩定性。在生物選擇器中,污泥回流液中存在的少量硝酸鹽氮(約為2mg/L)可得到反硝化,反硝化量可達整個系統反硝化量的20%左右。選擇器可定容運行,亦可變容運行,多池系統中的進水配水池也可用作選擇器。
                 
                兼氧區
                 
                不僅具有輔助厭氧或兼氧條件下運行的生物選擇區對進水水質水量變化的緩沖作用,同時還具有促進磷的進一步釋放和強化氮的反硝化作用。
                 
                主反應區
                 
                則是最終去除有機底物的主要場所。運行過程中,通常將主反應區的曝氣強度以及曝氣池中溶解氧強度加以控制,以使反應區內主體溶液中處于好氧狀態,保證污泥絮體的外部有一個好氧環境進行硝化;活性污泥結構內部則基本處于缺氧狀態,溶解氧向污泥絮體內的傳遞受到限制,而較高的硝酸鹽濃度(梯度)則能較好地滲透到絮體內部,有效地進行反硝化,從而使主反應區中同時發生有機污染物的降解以及同步硝化和反硝化作用。
                 
                二、CASS工藝流程
                 
                對于一般城市污水,CASS工藝并不需要很高程度的預處理,只需設置粗格柵、細格柵和沉砂池,無需初沉池和二沉池,也不需要龐大的污泥回流系統(只在CASS反應器內部有約20%的污泥回流)國內常見的CASS工藝流程如圖1所示。
                 
                CASS工藝運行過程包括充水-曝氣、沉淀、潷水、閑置四個階段組成,具體運行過程為:
                 
                1、充水-曝氣階段
                 
                邊進水邊曝氣,同時將主反應區的污泥回流至生物選擇區,一般回流比為20%。在此階段,曝氣系統向反應池內供氧,一方面滿足好氧微生物對氧的需要,另一方面有利于活性污泥與有機物的充分混合與接觸,從而有利于有機污染物被微生物氧化分解。同時,污水中的氨氮通過微生物的硝化作用轉變為硝態氮。
                 
                2、沉淀階段
                 
                停止曝氣,微生物繼續利用水中剩余的溶解氧進行氧化分解。隨著反應池內溶解氧的進一步降低,微生物由好氧狀態向缺氧狀態轉變,并發生一定的反硝化作用。與此同時,活性污泥在幾乎靜止的條件下進行沉淀分離,活性污泥沉至池底,下一個周期繼續發揮作用,處理后的水位于污泥層上部,靜置沉淀使泥水分離。
                 
                3、潷水階段
                 
                沉淀階段完成后,置于反應池末端的潷水器開始工作,自上而下逐層排出上清液,排水結束后潷水器自動復位。潷水期間,污泥回流系統照常工作,其目的是提高缺氧區的污泥濃度,隨污泥回流至該區內的污泥中的硝態氮進一步進行反硝化,并進行磷的釋放。
                 
                4、閑置階段
                 
                閑置階段的時間一般比較短,主要保證潷水器在此階段內上升至原始位置,防止污泥流失。實際潷水時間往往比設計時間短,其剩余時間用于反應器內污泥的閑置以及恢復污泥的吸附能力。
                 
                三、CASS工藝的優點
                 
                1、工藝流程簡單,占地面積小,投資較低
                 
                CASS的核心構筑物為反應池,沒有二沉池及污泥回流設備,一般情況下不設調節池及初沉池。因此。污水處理設施布置緊湊、占地省、投資低。
                 
                2、生化反應推動力大
                 
                在完全混合式連續流曝氣池中的底物濃度等于二沉池出水底物濃度,底物流入曝氣池的速率即為底物降解速率。根據生化動力反應學原理,由于曝氣池中的底物濃度很低,其生化反應推動力也很小,反應速率和有機物去除效率都比較低;在理想的推流式曝氣池中,污水與回流污泥形成的混合流從池首端進入,成推流狀態沿曝氣池流動,至池末端流出。作為生化反應推動力的底物濃度,從進水的最高濃度逐漸降解至出水時的最低濃度,整個反應過程底物濃度沒被稀釋,盡可能地保持了較大推動力。此間在曝氣池的各斷面上只有橫向混合,不存在縱向的返混。
                 
                CASS工藝從污染物的降解過程來看,當污水以相對較低的水量連續進入CASS池時即被混合液稀釋,因此,從空間上看CASS工藝屬變體積的完全混合式活性污泥法范疇;而從CASS工藝開始曝氣到排水結束整個周期來看,基質濃度由高到低,濃度梯度從高到低,基質利用速率由大到小,因此,CASS工藝屬理想的時間順序上的推流式反應器,生化反應推動力較大。
                 
                3、沉淀效果好
                 
                CASS工藝在沉淀階段幾乎整個反應池均起沉淀作用,沉淀階段的表面負荷比普通二次沉淀池小得多,雖有進水的干擾,但其影響很小,沉淀效果較好。實踐證明,當冬季溫度較低,污泥沉降性能差時,或在處理一些特種工業廢水污泥凝聚性能差時,均不會影響CASS工藝的正常運行。實驗和工程中曾遇到SV高達96%的情況,只要將沉淀階段的時間稍作延長,系統運行不受影響。
                 
                4、運行靈活,抗沖擊能力強
                 
                CASS工藝在設計時已考慮流量變化的因素,能確保污水在系統內停留預定的處理時間后經沉淀排放,特別是CASS工藝可以通過調節運行周期來適應進水量和水質的變化。當進水濃度較高時,也可通過延長曝氣時間實現達標排放,達到抗沖擊負荷的目的。在暴雨時。可經受平常平均流量6倍的高峰流量沖擊,而不需要獨立的調節池。多年運行資料表明。在流量沖擊和有機負荷沖擊超過設計值2~3倍時,處理效果仍然令人滿意。而傳統處理工藝雖然已設有輔助的流量平衡調節設施,但還很可能因水力負荷變化導致活性污泥流失,嚴重影響排水質量。當強化脫氮除磷功能時,CASS工藝可通過調整工作周期及控制反應池的溶解氧水平,提高脫氮除磷的效果。所以,通過運行方式的調整,可以達到不同的處理水質。
                 
                5、不易發生污泥膨脹
                 
                污泥膨脹是活性污泥法運行過程中常遇到的問題,由于污泥沉降性能差,污泥與水無法在二沉池進行有效分離,造成污泥流失,使出水水質變差,嚴重時使污水處理廠無法運行,而控制并消除污泥膨脹需要一定時間,具有滯后性。因此,選擇不易發生污泥膨脹的污水處理工藝是污水處理廠設計中必須考慮的問題。由于絲狀茵的比表面積比茵膠團大,因此,有利于攝取低濃度底物,但一般絲狀茵的比增殖速率比非絲狀茵小,在高底物濃度下茵膠團和絲狀茵都以較大速率降解物與增殖,但由于膠團細菌比增殖速率較大,其增殖量也較大,從而較絲狀茵占優勢。而CASS反應池中存在著較大的濃度遞度,而且處于缺氧、好氧交替變化之中,這樣的環境條件可選擇性地培養出茵膠團細菌,使其成為曝氣池中的優勢茵屬,有效地抑制絲狀茵的生長和繁殖,克服污泥膨脹,從而提高系統的運行穩定性。
                 
                6、適用范圍廣,適合分期建設
                 
                CASS工藝可應用于大型、中型及小型污水處理工程,比SBR工藝適用范圍更廣泛;連續進水的設計和運行方式,一方面便于與前處理構筑物相匹配,另一方面控制系統比SBR工藝更簡單。對大型污水處理廠而言,CASS反應池設計成多池模塊組合式,單池可獨立運行。當處理水量小于設計值時,可以在反應池的低水位運行或投入部分反應池運行等多種靈活操作方式;由于CASS系統的主要核心構筑物是CASS反應池,如果處理水量增加,超過設計水量不能滿足處理要求時,可同樣復制CASS反應池,因此CASS法污水處理廠的建設可隨企業的發展而發展,它的階段建造和擴建較傳統活性污泥法簡單得多。
                 
                7、剩余污泥量小,性質穩定
                 
                傳統活性污泥法的泥齡僅2~7天,而CASS法泥齡為25~30天,所以污泥穩定性好,脫水性能佳,產生的剩余污泥少。去除1.0kgBOD產生0.2~0.3kg剩余污泥,僅為傳統法的60%左右。由于污泥在CASS反應池中已得到一定程度的消化,所以剩余污泥的耗氧速率只有10mgO2/gMISS·h以下,一般不需要再經穩定化處理,可直接脫水。而傳統法剩余污泥不穩定,沉降性差,耗氧速率大于20mgO2/gMLSS·h,必須經穩定化后才能處置。
                 
                四、CASS工藝的缺點
                 
                從上面的敘述可以看出,CASS工藝具有許多優點,然而任何一個工藝都不是十全十美的,CASS工藝也必然存在一些問題。CASS工藝為單一污泥懸浮生長系統,利用同一反應器中的混合微生物種群完成有機物氧化、硝化、反硝化和除磷。多種處理功能的相互影響在實際應用中限制了其處理效能,也給控制提出了非常嚴格的要求,工程中難以實現工藝的穩定、高效的運行。總結起來,CASS工藝主要存在以下幾個方面的問題。
                 
                運行中存在問題
                 
                1、微生物種群之間的復雜關系有待研究
                 
                CASS系統的微生物種群結構與常規活性污泥法不同,菌群主要由硝化菌、反硝化菌、聚磷菌和異氧型好氧菌組成。目前對非穩態CASS系統中微生物種群之間的復雜的生存競爭和生態平衡關系尚不甚了解,CASS工藝理論只是從工藝過程進行一些分析探討,而理清微生物種群之間的關系對CASS工藝的優化運行是大有好處的,因此仍需加強對這方面的理論研究工作。
                 
                2、生物脫氮效率難以提高
                 
                一方面硝化反應難以進行完全。硝化細菌是一種化能自養菌,有機物降解由異養細菌完成。當兩種細菌混合培養時,由于存在對底物和DO的競爭,硝化菌的生長將受到限制,難以成為優勢種群,硝化反應被抑制。此外,固定的曝氣時間也可能會使得硝化不徹底。另一方面就是反硝化反應不徹底。CASS工藝有約20%的硝態氮通過回流污泥進行反硝化,其余的硝態氮則通過同步硝化反硝化和沉淀、閑置期污泥的反硝化實現,其效果不理想也是眾所周知的。在沉淀、閑置期中,由于污泥與廢水不能良好的進行混合,廢水中部分硝態氮不能與反硝化細菌接觸,故不能被還原。此外,在這一時期,由于有機物己充分降解,反硝化所需的碳源不足,也限制了反硝化效率的進一步提高。這兩方面的原因使得CASS工藝脫氮效率難以提高。
                 
                3、除磷效率難以提高
                 
                污泥在生物選擇器中的釋磷過程受到回流混合液中硝態氮濃度的影響比較大,在CASS工藝系統中難以繼續提高除磷效率。
                 
                4、控制方式較為單一
                 
                目前在實際應用中的CASS工藝基本上都是以時序控制為主的,其缺點是顯而易見的,因為污水的水質不是一成不變的,因此采用固定不變的反應時間必然不是最佳選擇。
                 
                五、CASS工藝的主要技術特征
                 
                1、連續進水,間斷排水
                 
                傳統SBR工藝為間斷進水,間斷排水,而實際污水排放大都是連續或半連續的,CASS工藝可連續進水,克服了SBR工藝的不足,比較適合實際排水的特點,拓寬了SBR工藝的應用領域。雖然CABS工藝設計時均考慮為連續進水,但在實際運行中即使有間斷進水,也不影響處理系統的運行。
                 
                2、運行上的時序性
                 
                CASS反應池通常按曝氣、沉淀、排水和閑置四個階段根據時間依次進行。
                 
                3、運行過程的非穩態性
                 
                每個工作周期內排水開始時CANS池內液位最高,排水結束時,液位最低,液位的變化幅度取決于排水比,而排水比與處理廢水的濃度、排放標準及生物降解的難易度等有關。反應池內混合液體積和基質濃度均是變化的,基質降解是非穩態的。
                 
                4、溶解氧周期性變化,濃度梯度高
                 
                CASS在反應階段是曝氣的,微生物處于好氧狀態,在沉淀和排水階段不曝氣,微生物處于缺氧甚至厭氧狀態。因此。反應池中溶解氧是周期性變化的,氧濃度梯度大、較多效率高,這對于提高脫氮除磷效率、防止污泥膨脹及節約能耗都是有利的。實踐證實對同樣的曝氣設備而言。CASS工藝與傳統活性污泥法相比有較高的氧利用率。
                 
                六、CASS工藝與其他工藝比較
                 
                1、CASS與SBR的比較
                 
                CASS反應池由預反應區和主反應區組成,預反應區控制在缺氧狀態,因此,對難降解有機物的去除效果提高;CASS進水過程連續,因此進水管道上無電磁閥控制元件,單個池子可獨立運行,而SBR或CAST進水過程是間歇的,應用中一般要2個或2個以上池子交替使用,控制系統復雜程度增加。CASS每個周期的排水量一般不超過池內總水量的1/3,而SBR則為1/2-3/4,CASS抗沖擊能力較好。CASS比CAST系統簡單,但脫氮除磷效果不如后者。
                 
                CASS池分預反應區和主反應區。在預反應區內,微生物能通過酶的快速轉移機理迅速吸附污水中大部分可溶性有機物,經歷一個高負荷的基質快速積累過程,這對進水水質、水量、PH和有毒有害物質起到較好的緩沖作用,同時對絲狀菌的生長起到抑制作用,可有效防止污泥膨脹;隨后在主反應區經歷一個較低負荷的基質降解過程。CASS工藝集反應、沉淀、排水、功能于一體,污染物的降解在時間上是一個推流過程,而微生物則處于好氧、缺氧、厭氧周期性變化之中,從而達到對污染物去除作用,同時還具有較好的脫氮、除磷功能。CASS生物處理法是周期循環活性污泥法的簡稱,最早產生于美國,90年代初引入中國,目前,由于該工藝的高效和經濟性,應用勢頭迅猛,受到環保部門及擁護的廣泛關注和一致好評。經過模擬試驗研究,已成功應用于生活污水、食品廢水、制藥廢水的治理,取得了良好的處理效果,為CASS法在我國的推廣應用奠定了良好的基礎。在反應器的前部設置了生物選擇區,后部設置了可升降的自動潷水裝置。其工作過程可分為曝氣、沉淀和排水三個階段,周期循環進行。污水連續進入預反應區,經過隔墻底部進入主反應區,在保證供氧的條件下,使有機物被池中的微生物降解。根據進水水質可對運行參數進行調整。
                 
                CASS法與SBR相比,CASS法的優點是:其反應池由預反應區和主反應區組成,因此,對難降解有機物的去除效果更好。進水過程是連續的,因此,進水管道上無需電磁閥等控制元件,單個池子可獨立運行;而SBR進水過程是間歇的,應用中一般要2個或2個以上池子交替使用。排水是由可升降的堰式潷水器完成的,隨水面逐漸下降,均勻將處理后的清水排出,最大限度降低了排水時水流對底部沉淀污泥的擾動。CASS法每個周期的排水量一般不超過池內總水量的1/3,而SBR則為3/4,所以,CASS法比SBR法的抗沖擊能力更好。
                 
                2、與傳統活性污泥法相比
                 
                1、建設費用低;省去了初次沉淀池、二次沉淀池及污泥回流設備,建設費用可節省10%~25%。以10萬噸的城市污水處理廠為例,傳統活性污泥法的總投資約1.5億,CASS法總投資約1.1億。
                 
                2、工藝流程短,占地面積少;污水廠主要構筑物為集水池、沉砂池、CASS曝氣池、污泥池,而沒有初次沉淀池、二次沉淀池,布局緊湊,占地面積可減少20%~35%。
                 
                3、運轉費用省;由于曝氣是周期性的,池內溶解氧的濃度也是變化的,沉淀階段和排水階段溶解氧降低,重新開始曝氣時,氧的濃度梯度大,傳遞效率高,節能效果顯著,運轉費用可節省10%~25%。
                 
                4、有機物去除率高,出水水質好;根據研究結果和工程應用情況,通過合理的設計和良好的管理,對城市污水,進水COD為400mg/L時,出水小于30mg/L以下。對可生物降解的工業廢水,即使進水COD高達3000mg/L,出水仍能達到50m g/L左右。對一般的生物處理工藝,很難達到這樣好的水質。所以,對CASS工藝,二級處理的投資,可達到三級處理的水質。
                 
                5、管理簡單,運行可靠;污水處理廠設備種類和數量較少,控制系統比較簡單,工藝本身決定了不發生污泥膨脹。
                 
                6、污泥產量低,污泥性質穩定。
                 
                7、具有脫氮除磷功能。
                 
                七、CASS工藝的設計
                 
                1、CASS反應器的主要設計參數
                 
                最大設計水深可達5m~6m,MLSS為3500mg/L~4000mg/L,充水比為30%左右,最大上清液潷除速率為30mm/min,固液分離時間60min,設計SVI為140mL/g,單循環時間(即1個運行周期)通常為4h(標準處理模塊)。處理城市污水時,CASS中生物選擇器、缺氧區和主反應區的容積比一般為1∶5∶30,具體可根據水質和“模塊”試驗加以確定。表列出了CASS工藝處理不同規模城市污水時的參考設計參數。
                 
                2、CASS設計中應注意的問題
                 
                1)水量平衡
                 
                工業廢水和生活污水的排放通常是不均勻的,如何充分發揮CASS反應池的作用,與選擇的設計流量關系很大,如果設計流量不合適,進水高峰時水位會超過上限,進水量小時反應池不能充分利用。當水量波動較大時,應考慮設置調節池。
                 
                2)控制方式的選擇
                 
                CASS工藝的日益廣泛應用,得益于自動化技術發展及在污水處理工程中的應用。CASS工藝的特點是程序工作制,可根據進水及出水水質變化來調整工作程序,保證出水效果。整套控制系統可采用現場可編程控制(PLC)與微機集中控制相結合,同時為了保證CASS工藝的正常運行,所有設備采用手動/自動兩種操作方式,后者便于手動調試和自控系統故障時使用,前者供日常工作使用。
                 
                3)曝氣方式的選擇
                 
                CASS工藝可選擇多種曝氣方式,但在選擇曝氣頭時要盡量采用不堵塞的曝氣形式,如穿孔管、水下曝氣機、傘式曝氣器、螺旋曝氣器等。采用微孔曝氣時應采用強度高的橡膠曝氣盤或管,當停止曝氣時,微孔閉合,曝氣時開啟,不易造成微孔堵塞。此外,由于CASS工藝自身的特點,選用水下曝氣機還可根據其運行周期和DO等情況適當開啟不同的臺數,達到在滿足廢水要求的前提下節約能耗的目的。
                 
                4)排水方式的選擇
                 
                CASS工藝的排水要求與SBR相同,目前,常用的設備為旋轉式撇水機,其優點是排水均勻、排水量可調節、對底部污泥干擾小,又能防止水面漂浮物隨水排出。CASS工藝沉淀結束需及時將上清液排出,排水時應盡可能均勻排出,不能擾動沉淀在池底的污泥層,同時,還應防止水面的漂浮物隨水流排出,影響出水水質。目前,常見的排水方式有固定式排水裝置如沿水池沒深度裝置出水管,從上到下依次開啟,優點是排水設備簡單、投資少,缺點是開啟閥門多、排水管中會積存部分污泥,造成初期出水水質差。浮動式排水裝置和旋轉式排水裝置雖然價格高,但排水均勻、排水量可調、對底部污泥干擾小,又能防止水面漂浮物隨出水排出,因此,這兩中排水裝置耳前應用較多,尤其旋轉式排水裝置,又稱潷水器,以操作靈活、運行穩定性高等優點受到設計人員和用戶的青睞。
                 
                5)需要注意的其它問題
                 
                ①冬季或低溫對CASS工藝的影響及控制;
                 
                ②排水比的確定;
                 
                ③雨季對池內水位的影響及控制;
                 
                ④排泥時機及泥齡控制;
                 
                ⑤預反應區的大小及反應池的長寬比:
                 
                ⑥間斷排水與后續處理構筑物的高程及水量匹配問題。
                 
                來源:環保工程師


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