某污水廠CAST工藝原理及工程介紹

1、某污水廠CAST工藝除磷脫氮原理及工程介紹 摘要:分析闡述了CAST 工藝的原理及運(yùn)行方式，以及該工藝在蘇州高新白蕩污水處理廠應(yīng)用的情況。介紹了該廠水質(zhì)、水量、工藝流程、池型和主要單元的設(shè)置和工藝參數(shù),并總結(jié)了該工藝的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞: CAST; 工藝原理；運(yùn)行方式; 工藝參數(shù)污水處理廠一期工程日處理污水4萬m3 ，經(jīng)工藝方案比較和論證,采用循環(huán)式活性污泥法即CAST工藝。該處理廠于2006 年底建成投運(yùn)。1 CAST 工藝介紹CAST工藝將生物反應(yīng)池分為兩個(gè)區(qū)域，第一區(qū)容積較小作為生物選擇器，第二區(qū)為主反應(yīng)區(qū)。第一區(qū)和第二區(qū)在水力上是相通的，用泵將主反應(yīng)區(qū)的活性污泥回流到選擇

2、器中。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、磷的污染物有效去除。生物選擇器設(shè)在池子首部，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，保證初始高絮體負(fù)荷，以及酶快速去除溶解底物；c、通過選擇器的設(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。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條件，從而選擇出絮凝性細(xì)菌?；钚晕勰嗟男躞w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

3、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，提高污泥活性，并通過酶反應(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可得到反硝化，反硝化量可達(dá)整個(gè)系統(tǒng)硝化量的20%。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。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

4、吸收的同步進(jìn)行。(1) 同步硝化/反硝化。同步反硝化意味著在不專門為硝酸鹽的去除設(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。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。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)

5、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主反應(yīng)區(qū)，順序經(jīng)過缺氧-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

6、應(yīng)所產(chǎn)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(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，所以通過剩余污泥的排放可達(dá)到除磷目的。CAST工藝是活性污泥不斷地經(jīng)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。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)過程，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

7、解有機(jī)物通過酶轉(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”。 2 運(yùn)行方式CAST 工藝是一種循環(huán)式活性污泥法，整個(gè)工藝為一間歇式反應(yīng)器，在此反應(yīng)器中，活性污泥法過程按曝氣和非曝氣階段重復(fù)，將生物反應(yīng)過程和泥水分離過程結(jié)合在一個(gè)池子中進(jìn)行，其運(yùn)行模式與傳統(tǒng)SBR法類似，有進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀和出水及必要的閑置等五個(gè)階段組成。從進(jìn)水至出水結(jié)束作為一個(gè)周期，每一過程均按所需的設(shè)定時(shí)間進(jìn)行切換操作。(1) 進(jìn)水段：CAST 進(jìn)水首

8、先在生物選擇區(qū)中與源自上一周期沉淀段的污泥混合，大量的來水在該段內(nèi)形成較大的基質(zhì)濃差梯度，通過滲透酶使來水中的BOD 在高濃度污泥條件下很快地被利用，形成良好的缺氧/ 厭氧環(huán)境。通過調(diào)節(jié)進(jìn)水段的反應(yīng)模式(進(jìn)水時(shí)間、進(jìn)水量、缺氧/ 厭氧反應(yīng)時(shí)間) 進(jìn)行有效的生物脫氮、除磷。充水之后，在反應(yīng)時(shí)段中進(jìn)行曝氣。微生物反復(fù)在缺氧/ 好氧的環(huán)境下，有效地抑制了好氧性絲狀菌的生長，避免了污泥膨脹。(2) 曝氣段：進(jìn)水段的污水在足夠的曝氣條件下進(jìn)行充分的好氧除碳和生物硝化。(3) 沉淀段：不進(jìn)水、不曝氣、不回流，使污水混合液獲得一個(gè)靜止的絮凝沉淀環(huán)境。(4) 撇水段：不進(jìn)水、不曝氣、不回流，通過浮動(dòng)撇水器將上

9、清液排出，當(dāng)液面降至最低控制水位時(shí)，排水停止。重復(fù)上一周期過程，如此周而復(fù)始。(5) 閑置段：進(jìn)水、不曝氣、不回流，視具體運(yùn)行情況而定，可作為整個(gè)CAST 運(yùn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)。CAST 系統(tǒng)一般至少設(shè)2 個(gè)池子,以使整個(gè)系統(tǒng)能接納連續(xù)的進(jìn)水，在設(shè)有4 個(gè)CAST 池子的系統(tǒng)中，通過選擇各個(gè)池子的循環(huán)過程可以產(chǎn)生連續(xù)的進(jìn)出水。3白蕩污水處理廠一期工程簡介3. 1 處理規(guī)模及進(jìn)出水水質(zhì)白蕩污水處理廠一期工程設(shè)計(jì)處理城市污水量4 萬m3/ d 。進(jìn)水水質(zhì)的主要指標(biāo)為：COD 350mg/ L , BOD5 150mg/ L , SS 200mg/ L , NH3 -N 35mg/ L , TN 50mg/

10、 L， TP 4.0mg/ L ；出水水質(zhì)要求為：COD60mg/ L , BOD5 20mg/ L , SS 20mg/ L , NH3 - N15mg/ L , TP 1.5mg/ L 。3. 2 處理工藝流程白蕩污水處理廠工藝流程見圖1 。進(jìn)水泵房細(xì)格柵沉砂池粗格柵生物池進(jìn)水 出水污泥濃縮脫水機(jī)房污泥儲(chǔ)池 剩余污泥 外運(yùn)處置 圖1 滸東污水處理廠工藝流程圖原污水進(jìn)入粗格柵間，在此攔截污水中漂浮物，由污水泵提升經(jīng)細(xì)格柵進(jìn)一步去除水中雜質(zhì)，進(jìn)入沉砂池去除砂粒,然后進(jìn)入CAST 池,經(jīng)曝氣、沉淀分離，澄清液排入水體。剩余污泥經(jīng)污泥泵送至儲(chǔ)泥池，經(jīng)機(jī)械濃縮脫水處理后泥餅外運(yùn)。3. 3 主要處理單

11、元工藝參數(shù)3.3.1粗格柵站及進(jìn)水泵池設(shè)置粗格柵的目的是去除污水中較大的懸浮物和漂浮物，以保證后續(xù)處理裝置的正常運(yùn)行。格柵前后設(shè)置閘門以便檢修，格柵通過螺旋輸送壓榨機(jī)排入柵渣箱。粗格柵采用鋼絲繩式格柵，寬度1.8米，柵條間距15mm，格柵傾角75度。泵池內(nèi)選用4臺(tái)潛水泵，其中一臺(tái)采用變頻控制，輔以水泵自動(dòng)調(diào)節(jié)可以最大限度的解決進(jìn)水量不足和波動(dòng)問題。設(shè)備系統(tǒng)由PLC根據(jù)液位差或設(shè)定的時(shí)間間隔自動(dòng)控制，亦可現(xiàn)場(chǎng)控制。3.3.2細(xì)格柵站設(shè)置細(xì)格柵的目的是進(jìn)一步去除污水中較小的懸浮物和漂浮物，以保證后續(xù)處理裝置的正常運(yùn)行。格柵前后設(shè)置閘門以便檢修，格柵通過螺旋輸送壓榨機(jī)排入柵渣箱。細(xì)格柵選用轉(zhuǎn)鼓式格柵

12、，格柵直徑1.8米，柵條間距3mm，格柵傾角35度。設(shè)備系統(tǒng)由PLC根據(jù)液位差或設(shè)定的時(shí)間間隔自動(dòng)控制，亦可現(xiàn)場(chǎng)控制。3.3.3旋流沉砂池采用旋流沉砂方式，去除污水中比重較大、粒徑大于0.2mm的無機(jī)砂粒，以減輕后續(xù)處理構(gòu)筑物和設(shè)備的磨損、堵塞，保證后續(xù)流程順利運(yùn)行。細(xì)格柵站裝備有立式旋流攪拌器、羅茨鼓風(fēng)機(jī)、砂水分離器等設(shè)備。3.3.4CAST 生物處理池CAST 生物處理池平均設(shè)計(jì)流量0.653m3/s ，分2組，單組分2池，2組生物池之間用走道板連接。每組設(shè)潛水?dāng)嚢杵?臺(tái)，單機(jī)功率3.0kw，內(nèi)回流泵2臺(tái)，單機(jī)流量235 m3/h，剩余污泥泵2臺(tái)，單機(jī)流量50 m3/h，旋轉(zhuǎn)式潷水器4臺(tái)，

13、潷水能力1300m3/ h.臺(tái)；單座生物池設(shè)微孔膜式曝氣管792個(gè)，鼓風(fēng)機(jī)采用先進(jìn)的進(jìn)口單級(jí)離心風(fēng)機(jī)。3.3.5出水消毒池由消毒渠、回用水池和檢測(cè)池組成，在消毒池內(nèi)安裝進(jìn)口紫外線消毒裝置，經(jīng)過沉淀后的出水進(jìn)入此渠，進(jìn)口處設(shè)有手動(dòng)渠道閘門，控制水深和流速以滿足出水與紫外線的接觸時(shí)間。3.3.6污泥儲(chǔ)池污泥儲(chǔ)池接納來自生物池的剩余污泥，以便調(diào)整剩余污泥的排放與脫水機(jī)在工作時(shí)間上的偏差，為運(yùn)行管理帶來方便。污泥儲(chǔ)池設(shè)潛水?dāng)嚢杵饕慌_(tái)。3.3.7污泥濃縮脫水機(jī)房為方便污泥處置，必須對(duì)污泥進(jìn)行減量化處理，經(jīng)脫水后污泥含水率可以降到80%以下。脫水機(jī)房選用帶式濃縮脫水一體機(jī)2臺(tái)，帶寬約2.0米。進(jìn)泥泵2臺(tái)和

14、絮凝劑制備系統(tǒng)一套。4 結(jié)語CAST 工藝具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1) CAST 工藝與傳統(tǒng)活性污泥法相比較，最重要的特征是不設(shè)獨(dú)立的初沉池和二沉池，活性污泥始終保持在一個(gè)池子中完成生物反應(yīng)和泥水分離過程。因此無需設(shè)置如傳統(tǒng)活性污泥法中污泥回流裝置，降低前置反硝化系統(tǒng)中的內(nèi)回流比，從而可降低工程投資，同時(shí)設(shè)備種類少，維護(hù)管理簡單，檢修費(fèi)用低，只設(shè)較少的污泥內(nèi)回流，降低了日常運(yùn)行電費(fèi)。(2) 根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)及出水水質(zhì)要求調(diào)整運(yùn)行周期和時(shí)序，在曝氣期內(nèi)設(shè)置非曝氣階段(捕獲選擇器和厭氧區(qū)) ，可形成厭氧、缺氧和好氧交替狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)除磷脫氮功能，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活。(3) 采用矩形池結(jié)構(gòu)，生物池間共用隔墻，可節(jié)省土建費(fèi)用

15、和工程建設(shè)用地。(4) CAST 工藝除具備SBR 一般的特點(diǎn)外，還具備推流式特點(diǎn)，有基質(zhì)濃度梯度和較高的污泥負(fù)荷可控制絲狀菌造成的污泥膨脹，同時(shí)也具備完全混合法的特點(diǎn)耐沖擊負(fù)荷、適應(yīng)水質(zhì)變化。CAST 工藝雖有許多優(yōu)點(diǎn),在選擇該工藝時(shí)應(yīng)該考慮以下問題：(1) CAST 系統(tǒng)的微生物種群結(jié)構(gòu)與常規(guī)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。由于對(duì)非穩(wěn)態(tài)CAST 系統(tǒng)中微生物種群之間的復(fù)雜的生存競(jìng)爭(zhēng)和生態(tài)平衡關(guān)系至今尚不甚了解，CAST 工藝?yán)碚撝皇菑墓に囘^程進(jìn)行一些分析探討，待今后研究工作中加以逐步明確。(2) 與連續(xù)流污水處理工藝相比，設(shè)備的閑置率較高。設(shè)備數(shù)量較多,設(shè)備投資較高。采用撇水器出水、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)等，使得CAST 系統(tǒng)的正常運(yùn)行對(duì)設(shè)備要求較高。(3) 處理水量較大時(shí)，應(yīng)充分考慮該工藝的復(fù)雜性。由于工藝運(yùn)行、結(jié)構(gòu)受沉降縫和抗浮等因素的限制，生物處理池的體積每格不宜超過1 萬m3 。當(dāng)水量增加時(shí)，處理單元數(shù)也會(huì)增加，致使配水、出水、污泥回流和剩余污泥排放等設(shè)備隨著單元數(shù)而增加，大大的提高了實(shí)際運(yùn)行的復(fù)雜程度。從自動(dòng)控制方面看，3萬m3/ d 處理規(guī)模的污水廠氧化溝工藝的I/ O 數(shù)量只需1000 點(diǎn)，而該工藝為3000 點(diǎn)以上，隨著處理單元數(shù)量增加，其控制量也將成倍增加。所以，該工藝在規(guī)