在可變容積和充水和排水(SBR法)系統中進(jìn)行生物脫氦(硝化和反硝化)已有多年歷史，大量運行結果表明：同SBR一樣，CAST工藝具有卓越的硝反硝化能力，隨著(zhù)除氦要求的不斷提高，CAST工藝將得到日益廣泛的應用。其原理為通過(guò)每一循環(huán)的四個(gè)階段人為地造成厭氧、缺氧、好氧的生物環(huán)境。不僅能去除一般有機物和懸浮固體，而且還能去除營(yíng)養物質(zhì)氦和磷，處理效果取決于泥齡、供氧情況和一個(gè)循環(huán)中曝氣和非曝氣時(shí)段的比例。
CAST系統中硝反硝化過(guò)程不需要單獨設置一個(gè)缺氧運行階段以進(jìn)行反硝化。生物除磷效果達到80~90%左右，如需進(jìn)一步提高除磷效果，可采用加大循環(huán)周期，加大非曝氣時(shí)間占整個(gè)循環(huán)時(shí)間的比例。
CAST反應池分為生物選擇區、預反應區和主反應區，如圖1所示，運行時(shí)按進(jìn)水-曝氣、沉淀、撇水、進(jìn)水-閑置完成一個(gè)周期，CAST的成功運行可將廢水中的含碳有機物和包括氮、磷的污染物去除，出水總氮濃度小于5mg/L。圖1循環(huán)活性污泥技術(shù)
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1)生物選擇器設在池子首部，不設機械攪拌裝置，反應條件在缺氧和厭氧之間變化。生物選擇區有三個(gè)功能：a．絮體結構內底物的物理團聚與動(dòng)力學(xué)和代謝選擇同步進(jìn)行；b．選擇器被隔開(kāi)，保證初始高絮體負荷，以及酶快速去除溶解底物；c.通過(guò)選擇器的設計，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(cháng)。生物選擇區的設置嚴格遵循活性污泥種群組成動(dòng)力學(xué)的有關(guān)規律，創(chuàng )造合適的微生物生長(cháng)條件，從而選擇出絮凝性細菌�；钚晕勰嗟男躞w負荷S0/X0(即底物濃度和活性微生物濃度的比值)對系統中活性污泥的種群組成有較大的影響，較高的污泥絮體負荷有助于絮凝性細菌的生長(cháng)和繁殖。CAST工藝中活性污泥不斷地在生物選擇器中經(jīng)歷高絮體負荷階段，這樣有利于絮凝性細菌的生長(cháng)，提高污泥活性，并通過(guò)酶反應快速去除廢水中的溶解性易降解底物，從而抑制了絲狀細菌的生長(cháng)和繁殖，避免了污泥膨脹的發(fā)生。同時(shí)當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，反硝化量可達整個(gè)系統硝化量的20%。當選擇器處于厭氧環(huán)境時(shí)，磷得以有效地釋放，為生物除磷做準備。
2)預反應區為水力緩沖區，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。
3)主反應區在可變容積完全混合反應條件下運行，完成含碳有機物和包括氮、磷的污染物的去除。運行時(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。
a．硝化反硝化。同步反硝化意味著(zhù)在不專(zhuān)門(mén)為硝酸鹽的去除設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)在同一反應器發(fā)生。通常認為在系統中，氮去除機制與在微生物絮體內由于受擴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或正氧化還原點(diǎn)位(OPR)，相反反硝化菌在溶解氧降低區或負氧化還原點(diǎn)位(OPR)下活性十足。CAST工藝運行中控制供氧強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)主反應區，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內污泥層以胞內在生物選擇高負荷下儲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)現的，生物選擇器不曝氣這樣反應環(huán)境非常迅速地從缺氧環(huán)境轉化為厭氧環(huán)境，當選擇器處于厭氧環(huán)境，聚磷菌依靠水解體內的聚磷(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底物，并將其在體內合成為細胞學(xué)儲備物質(zhì)PHB；在主反應區為好氧環(huán)境時(shí)，聚磷菌以游離氧為電子受體，將細胞儲備物質(zhì)氧化，并利用該反應所產(chǎn)生的能量，過(guò)量地在污水中攝取磷酸鹽并合成為ATP，其中一部分轉化為聚磷貯存能量，為下一周期的厭氧釋磷做準備。由于好氧段的吸磷量要遠大于厭氧段的釋磷量，所以通過(guò)剩余污泥的排放可達到除磷目的。若要在生物除磷的基礎上進(jìn)一步強化除磷效果或達到完全除磷的目的，可加入鋁鹽或鐵鹽，根據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中的生長(cháng)和積累。根據Gorony等人的研究，當微生物內吸附大量降解物質(zhì)，而且處在氧化還原點(diǎn)位為+100mV～-150mV的交替變化中時(shí)，系統可具有良好的生物除磷功能。
此外，在曝氣結束后，主反應區進(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，從而保證系統良好的分離效果。CAST整個(gè)工藝過(guò)程遵循生物的“積累-再生”原理，生物先在生物選擇器經(jīng)歷一個(gè)高負荷反應階段，然后在主反應區經(jīng)歷一個(gè)低負荷反應階段，完成反應過(guò)程如圖2所示，生物選擇其中較高的污泥絮體負荷，可以使廢水中存在的溶解性易降解有機物通過(guò)酶轉移機理予以快速地吸附和吸收進(jìn)行底物的積累，然后在污泥絮體負荷較低的主反應區完成底物的降解，從而實(shí)現了活性污泥的再生。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)驗和實(shí)際應用表明，當高于75%的易降解有機物質(zhì)通過(guò)酶轉移機理去除，則剩余可溶解COD小于100mg/L。
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