循環(huán)式活性污泥法CAST的工作原理與設計

循環(huán)式活性污泥法(Cyclic Activated Sludge Technology，簡(jiǎn)稱(chēng)CAST)是由美國Goronszy教授開(kāi)發(fā)出來(lái)的，該工藝的核心為間歇式反應器，在此反應器中按曝氣與不曝氣交替運行，將生物反應過(guò)程與泥水分離過(guò)程集中在一個(gè)池子中完成，屬于SBR工藝的一種變型。

該工藝投資和運行費用低、處理性能高，尤其是優(yōu)異的脫氮除磷效果，已廣泛應用于城市污水和各種工業(yè)廢水的處理中。

1 工作原理

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。

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[3]。

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[5]。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“積累一再生”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[5]。

2、 CAST工藝的設計計算

2.1 CAST池容積

CAST池容積采用容積負荷計算法確定，并用排水體積進(jìn)行復核。

1)負荷計算法。

V=Q×(Sa－Se)/(Ne×Nw×f)                                        (1)

式中：V—CAST池容積，m3；
Q—污水日流量，m3/d；
Nw—混合液污泥(MLSS)濃度，3g/L～4g/L；
Ne—B0D污泥負荷率，其中Ne=K2×Se×f/η，K2取值見(jiàn)表1；
f—混合液中揮發(fā)性懸浮固體濃度與總懸浮固體濃度的比值，即f=MLSS/MLVSS，0.7～0.8.

表1生活污水及部分的K2工業(yè)廢水值

2)容積確定。CAST池內有效容積由變動(dòng)容積(V1)和固定容積組成，變動(dòng)容積是指池內設計最高水位至潷水機排放最低水位的容積。固定容積由兩部分組成：一部分是活性污泥，最高泥面至池底之間的容積(V3)；另一部分為撇水水位和泥面之間的容積，它是由防止撇水和污泥流失的最小安全距離決定的容積(V2)。

V=nl×(Vl+V2+V3)                                              (2)

式中：V—CAST池總有效容積，m3；
　n1——CAST池子個(gè)數；
　V1——變動(dòng)容積，m3；
　V2——安全容積，m3；
　V3——污泥沉淀濃縮容積，m3。

一般地，池內最高液位H按下式計算：
H=Hl+H2+H3=(3～5)m                                             (3)
H1=Q/(n1×n2×A)                                               (4)
H3=H×Nw×SVI×10-3                                            (5)
　H2=H-(Hl+H3)                                                   (6)

式中：H1——池內設計最高水位至潷水機排放最低水位之間的高度，m；
　A——單個(gè)CAST池平面面積，m2；
　n2——日內循環(huán)周期數；
　H3——潷水結束時(shí)泥面高度，m；
　Nw——最高液位時(shí)混合液污泥濃度，kg/m3；
　H2——撇水水位和泥面之間的安全距離，m。

負荷計算法算出的結果，如不能滿(mǎn)足(6)的條件，則必須減少污泥負荷，增大CAST池的有效容積，直至滿(mǎn)足(6)的條件。

2.2 選擇器容積

CAST池中間設一道隔墻，將池體分隔微生物選擇區和主反應區兩部分�？窟M(jìn)水端為全物選擇區，其容積為CAST池總容積的20%左右，另一部分為主反應區。選擇器的類(lèi)別不同，對選擇器的容積要求也不同。一般來(lái)講，對于好氧生物選擇器，其混合液接觸時(shí)間T為15min～30min，對缺氧和厭氧生物選擇器一般取30min～60min。因此其容積為：

V=(Qi+Qr)×T                                                         (7)

式中：Qi，Qr——進(jìn)水、回流污泥流量，m3/h。

注：生活污水回流量為旱季流量的20%，一般以主反應區的污泥24h全部循環(huán)一次來(lái)確定污泥回流量[1]。生物選擇器的大小和污泥回流比，可根據實(shí)驗和實(shí)際情況找出最佳條件。

2.3 循環(huán)時(shí)間分配及DO控制

典型的操作循環(huán)設計為4h，其中2h用于進(jìn)水和曝氣，2h用于沉淀和撇水，這一循環(huán)操作廣泛用于單池和多池處理系統中；為使池子中溶解氧濃度與工藝要求相一致，最大程度地減少曝氣強度，可采用探頭測定曝氣階段中溶解氧濃度作為調節曝氣強度和排除剩余污泥的控制參數。

3 結語(yǔ)

CAST工藝保持了典型的完全混合特性，具有較強的耐沖擊負荷能力；CAST設置生物選擇器，促進(jìn)絮凝型細菌的生長(cháng)和繁殖，從而抑制了污泥膨脹的發(fā)生，高效地進(jìn)行硝化反硝化，脫氮除磷效果顯著(zhù)。另外，CAST工藝流程簡(jiǎn)單，采用矩形結構，運行時(shí)，不需要大量的污泥回流，自動(dòng)化程度高，所以建設和運行費用低。此外，對于某一給定規模的污水廠(chǎng)，設計時(shí)可采用模塊布置方法，根據污水廠(chǎng)規模，先確定其基本模塊，然后重復布置此模塊直至達到所要求的處理規模，對于大型污水廠(chǎng)，由于CAST模塊結構布置方式節約占地面積，擴建方便，應用日益廣泛。來(lái)源：中國城市污水處理網(wǎng)