工艺技术_工艺在城市污水厂处理效能的研究论文

硕士学位论文硕士学位论文 CASS 工艺在城市污水厂处理效能的研究 STUDY ON TREATMENT EFFICIENCY OF CASS PROCESS IN URBAN WASTEWATER TREATMENT PLANT 张 锋 张 锋 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2012 年年 7 月月 国内图书分类号：TU992.3 学校代码：10213 国际图书分类号：628.3 密级：公开 工工程硕士程硕士学学位论文位论文 CASS 工艺在城市污水厂处理效能的研究 硕 士 研 究 生 ： 张 锋 导 师 ： 李玉华教授 副导师 ： 史炎高级工程师 申请学位 ： 工程硕士 学科 ： 建筑与土木工程 所 在 单 位 ： 市政环境工程学院 答 辩 日 期 ： 2012 年 7 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 Classified Index: TU992.3 U.D.C: 628.3 Study on Treatment Efficiency of CASS Process in Urban Wastewater Treatment Plant STUDY ON TREATMENT EFFICIENCY OF CASS PROCESS IN URBAN WASTEWATER TREATMENT PLANT Candidate： Zhang Feng Supervisor： Prof. Li Yuhua Vice Supervisor： Shi Yan Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Architecture and Civil Engineering Affiliation： School of Muni. wastewater treatment; influence factors; removal of nitrogen and phosphorus 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - IV - 目录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪 论 1 1.1 课题背景及研究的目的和意义 . 1 1.1.1 课题背景 . 1 1.1.2 课题来源 . 2 1.1.3 课题研究的目的及意义 2 1.2 国内外与课题相关研究领域的研究进展及成果 3 1.2.1 CASS 工艺发展历史 . 3 1.2.2 CASS 工艺在国外的应用现状 . 4 1.2.3 CASS 工艺在国内的应用现状 . 5 1.2.4 CASS 工作原理 . 7 1.2.5 CASS 工艺的运行过程 . 8 1.2.6 CASS 工艺的优点 . 9 1.2.7 CASS 工艺的缺点 . 11 1.3 课题研究内容 12 第 2 章 污水厂概况及试验材料与方法 13 2.1 污水厂概况 13 2.1.1 规划年限 . 13 2.1.2 工程规模及厂址 13 2.1.3 重要意义 . 14 2.2 工艺流程及主要构筑物 . 14 2.2.1 污水处理工艺流程 14 2.2.2 主要构筑物及其设计参数 15 2.2.3 主要设备及其参数 15 2.2.4 CASS 池的设计参数 . 16 2.2.5 试验测试项目及测试方法 17 第 3 章 污水处理厂的调试运行 18 3.1 设计出水水质 18 3.2 实际进水水质情况 . 18 3.3 污泥的培养与驯化 . 19 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - V - 3.3.1 污泥培养驯化方案的确定 19 3.3.2 活性污泥的培养驯化 19 3.4 污水厂的工艺调试 . 20 3.4.1 COD 和 SS 去除率低的原因分析及解决措施 20 3.4.2 脱氮效率低的原因分析及解决措施 . 22 3.4.3 其余水质指标的去除情况 24 3.5 本章小结 25 第 4 章 CASS 工艺影响因素分析 . 27 4.1 曝气时间对 CASS 工艺处理效果的影响 27 4.1.1 试验控制参数 27 4.1.2 曝气时间对 COD 去除效果的影响 . 27 4.1.3 曝气时间对氨氮去除效果的影响 . 28 4.1.4 曝气时间对总氮去除效果的影响 . 29 4.1.5 曝气时间对总磷去除效果的影响 . 30 4.2 污泥回流比对 CASS 工艺处理效果的影响 31 4.2.1 试验控制参数 31 4.2.2 污泥回流比对 COD 去除效果的影响 . 31 4.2.3 污泥回流比对氨氮去除效果的影响 . 32 4.2.4 污泥回流比对总氮去除效果的影响 . 33 4.2.5 污泥回流比对总磷去除效果的影响 . 34 4.3 碳氮比对 CASS 工艺处理效果的影响 35 4.3.1 试验控制参数 35 4.3.2 碳氮比对 COD 去除效果的影响 35 4.3.3 碳氮比对氨氮去除效果的影响 . 36 4.3.4 碳氮比对总氮去除效果的影响 . 37 4.3.5 碳氮比对总磷去除效果的影响 . 38 4.4 充水比对 CASS 工艺处理效果的影响 39 4.4.1 试验控制参数 39 4.4.2 充水比对 COD 去除效果的影响 39 4.4.3 充水比对氨氮去除效果的影响 . 40 4.4.4 充水比对总氮去除效果的影响 . 41 4.4.5 充水比对总磷去除效果的影响 . 41 4.5 温度对 CASS 工艺处理效果的影响 42 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - VI - 4.5.1 试验控制参数 42 4.5.2 温度对 COD 去除效果的影响 43 4.5.3 温度对氨氮去除效果的影响 . 43 4.5.4 温度对总氮去除效果的影响 . 44 4.5.5 温度对总磷去除效果的影响 . 45 4.6 本章小结 46 第 5 章 污水厂 CASS 工艺改进的建议 47 5.1 两段法 47 5.1.1 理论基础 . 47 5.1.2 改进方案的优点 47 5.1.3 改进方案可能存在的弊端 48 5.2 反硝化除磷技术 48 5.2.1 理论基础 . 48 5.2.2 改进方案的优点 49 5.3 本章小结 49 结 论 50 参考文献 52 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 56 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 57 致谢 . 58 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 1.1.1 课题背景 （1）东北地区 H 市污水处理情况 东北地区 H 市被松花江分为江南和江北地区，排水区域也大体分为江南和江 北两大部分。在江南部分，共有四个主要的排水区域，HG 区域即是其中之一。目 前，H 市拥有市政排水泵站 21 座，机排能力达到 113m3/s，2003 年末全市污水排 放量 95.26 万 m3/d。 H 市目前已交付使用并良好运行的污水处理厂共有两家，分别为 W 和 T 污水 厂。W 污水处理厂一、二期工程已建成通水，处理规模为 16.25 万 m3/d，三期工 程正在规划建设，处理规模为 16.25 万 m3/d；T 污水处理厂已于 2005 年 8 月完成， 处理沿江截流系统收集的污水，设计规模为 32.5 万 m3/d。 （2）HG 排水区排污现状 HG 排水区沿岸工业密集，种类繁多，从而造成排出的污废水水质情况较为复 杂。东段经橡胶厂宿区边缘，电影机厂、制药总厂北侧到 HL 桥进入 HG 排水区主 流。其主要污水来源是冷冻机厂、医院、仪表厂、制药总厂、电影机厂、橡胶厂 等。西段接纳的污废水主要来源于机械、电子和轻工类的各类工业废水。东、西 两段在 HL 桥处汇合， 主要接纳化工、 印染等类型的工业废水及部分城市生活污水。 （4）HG 排水区存在的主要问题 东段从起点到 HG 排水区主流，均属河漫滩的自然河床。无雨时，河沟为宽 度 1m3m，水深 0.5m0.8m 的污水沟；在雨水径流时，沟水上涨，可淹没部分农 田，雨水过后，沟内剩几十公分深的污水，洪水对附近居民无重大灾害。在 1980 年前后，因污水量减少且间断排放，冬季时污水结冻为污冰，污冰冻结层加厚， 造成河道阻塞，对橡胶厂家属宿舍构成了水害，近年来由于污水向沟内排放量又 有所增加，冬季河道阻塞情况稍有缓解，但随着污水排量的增加，又加深了对两 岸环境的污染，目前该河道几乎已没有稀释容量和自净容量可言。 西段从起点到汇合处之前，在暴雨期，经常造成水灾，污染两岸。HG 排水区 市区段，两岸居民较多，水体长期污染，视觉感观恶劣，沟内终年散发恶臭，给 居民正常生活造成严重困扰，威胁人民身体健康。而在旱季期间，由于该区域降 雨量的不断减小，水体的自净能力也随之出现一定程度的下降，由此造成渗透和 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 2 - 蒸发作用显著，从而引起地下水水质和周围环境质量的下降。 汇入 HG 排水区的居民污水和城市废水未经任何处理，直接排入松花江，对 松花江水体造成严重污染，导致水体功能下降。同时由于该河道入江口位于城市 的上游，因此该河道的污染将直接影响松花江 H 市区段的水质情况。 （5）污水厂建设的必要性 松花江 H 市区段每年接纳的未经任何处理的污水量超过了 2 亿立方米。 另外， 由上游河段接纳的污水也会持续对下游河段的水质条件造成影响。 因此， 松花江 H 市区段多呈 IIIIV 类水体，并呈现出不断恶化的趋势。水体中含有污染物质多达 276 种，其中 H 市排放的有 176 种，大量城市污水的排入，造成松花江 H 市区段 的水体严重污染。自 1998 年以来，H 市又持续五年干旱，2001 年最高水位仅为 114.95m，相应流量为 2450m3/s，2002 年 5 月 28 日水位降为历史最低点，达到 110.96m，相应流量仅为 229m3/s，致使水污染的浓度成倍增加，水体状况更加恶 劣，已经达到非治理不可的程度。 HG 排水区是 H 市松花江段上游的主要污染源， 该区域污水的治理对于松花江 整治工作具有重要意义。 HG 排水区位于 H 市主城区内， 地理位置较为敏感， 因此， QL 污水处理厂工程的建设对于改善沿线两岸环境，维护居民身体健康，维持社会 稳定，促进经济发展都具有十分重要的意义。作为 HG 排水区治理工作子项之一 的该城市污水处理厂， 将收集 HG 排水区郊区段污水和 HG 排水区市区段工业企业 及居民排放的污废水进行处理，在满足综合治理要求的前提下，将达标的处理水 排入松花江。由此可见，该项目具有显著的社会效益、经济效益和环境效益。 1.1.2 课题来源 东北地区 H 市 QL 污水处理厂在 2010 年通过首次调试后，进入了正常运行状 态。在接下来的运行过程中，由于上游制药企业所排放的污水中含有抗生素类及 部分难降解物质，造成了原水水质条件的急剧恶化，污水可生化性大大降低，使 得 CASS 池中微生物出现了大量死亡，活性污泥受到严重冲击，出水水质严重恶 化。为此，水厂需要针对现有水质条件重新进行调试工作，使得出水达到设计标 准，本课题即为达到上述目的而开展的一系列研究工作。 1.1.3 课题研究的目的及意义 为促进 CASS 工艺的研究进展，使其应用得以推广，尤其是在城市生活污水 处理方面的应用，本课题基于 H 市 QL 污水处理厂的实际工程，寻求解决水厂出 水不达标的问题的有效措施，通过进行一系列的试验研究，对 CASS 工艺的工作 性能进行全面的考察，对不同运行参数引起的不同影响进行细致的分析和研究， 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 3 - 旨在重点研究 CASS 工艺在脱氮、除磷等方面的工作性能，并为污水处理厂接下 来的正常运行积累一些较为成熟的运行数据，为相关地区类似污水处理厂实际的 生产运行工作提供理论支持和可靠的技术参数。 1.2 国内外与课题相关研究领域的研究进展及成果 1.2.1 CASS 工艺发展历史 CASS（Cyclic Activated Sludge System）工艺是在间歇式活性污泥法 （Sequencing Batch Reactor， 简称 SBR） 的基础上， 经演变而来的新型水处理工艺。 间歇式活性污泥法在上世纪六十年代由 Irvine 教授发明， 在国内又被译为序批式活 性污泥法7。 SBR 工艺起源于上世纪，是在传统活性污泥法的基础上经过改造产生的。上 世纪初期，充放式活性污泥技术被开发出来，但由于当时科学技术与经济发展水 平等诸多因素的限制，该方法并未得到普及和推广8，反而日渐淡出水处理人士的 视野。上世纪七十年代，美国教授 R.L.Irvine 及其研究团队结合大量的学术研究成 果与实际工程经验，提出了间歇式活性污泥工艺的相关理论，并将其称为 SBR 工 艺9。此后十年间，此新型工艺开始被广泛应用于污废水的处理中，并取得良好的 效果。 SBR 法的整个处理流程包括以下五个阶段：进水、反应、静沉、滗水、闲置。 首先按照预定的设计时间向 SBR 反应器进水，然后在反应阶段对污水进行充分的 曝气以提供足够的溶解氧浓度，使得活性污泥微生物在好氧环境中对污水中的有 机物等进行代谢、处理10。之后经过一定时间的静置沉淀，泥水得以有效分离， 上清液在下一阶段中由滗水器排出 SBR 反应器。滗水后的反应器经过一定时间的 闲置阶段，重新进水，再次进行上述曝气、静沉和滗水的过程，如此循环往复。 在最原始的 SBR 法中， 上述五个阶段均在同一个 SBR 反应器中按照时间先后的顺 序依次完成的，即上述所有步骤均为间歇的。 由于上游工矿企业的生产废水和城镇居民生活污水的排除是连续的，也就意 味着污水厂的进水也必须是连续的，而这种间歇性的水处理工艺根本无法很好地 适应连续流入的污水。很明显，为了能够很好地解决上述问题，只需要将原来的 单个池子增加为两个甚至更多个池子（根据来水的分配情况来决定池子的数量） ， 然后让各个反应池按顺序轮流进水即可。这便由传统的 SBR 法演变出了一种新型 的水处理工艺ICEAS 工艺（Intermittent Cyclic Extended Aeration System）11。 但由于 ICEAS 工艺本身无法避免的设备利用率低、曝气池容积利用率低等缺点，人 们又在此工艺的基础上经过进一步的升级改造，成功开发出了另外一种改进型的 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 4 - 水处理工艺DAT-IAT（Demand Aeration Tank-Intermittent Aeration Tank） 。 上述两种 SBR 的变形工艺， 虽然都在一定程度上提升了原始的 SBR 法的处理 性能，但是由于反应过程中缺氧或厌氧环境的缺失，使得磷的释放与反硝化过程 受到了限制，污水中总氮与总磷的去除效果自然也无法得到大幅度的提高。为了 使得工艺具有更高效率的生物脱氮除磷能力，需要解决的问题就是在反应器运行 过程中，通过运行周期的合理控制，来人为地创造出适合活性污泥微生物进行充 分释磷与反硝化过程的缺氧或厌氧环境，从而使得同步硝化反硝化的功能得到强 化，以顺利达到高效率生物脱氮除磷的目的。CASS 工艺就是在这样的历史背景下 应运而生的。 CASS 工艺与传统 SBR 法最大的不同之处主要体现在 CASS 反应池前端部分 增设了生物选择器，此外还增加了污泥的内回流系统，并针对生物脱氮除磷效果 不佳的问题对反应池的运行周期及操作方式进行了一定程度的改进。正是这些改 进，才使得 CASS 工艺的运行机理与传统 SBR 法区分开来，而污水的处理效果也 较传统 SBR 法出现了一定程度的提升12-16。 1.2.2 CASS 工艺在国外的应用现状 CASS 工艺自面世以来， 由于其在城市生活污水和工业废水处理方面展现出来 的诸多优点，已经在国外，尤其许多欧美国家，得到了广泛的应用，具体应用情 况详见表 1.1。据统计，目前在加拿大、澳大利亚、美国、德国、日本等国家己有 300 多家污水处理厂采用了 CASS 工艺， 其中工业废水处理厂和城市生活污水处理 厂分别占到了 23%和 77%左右17,18。 表 1-1 CASS 工艺在国外水厂的应用情况19-21 序号 国家（地区） 处理规模 1 澳大利亚（Sydney） 120000 人口当量 2 澳大利亚（Geelong） 245000 人口当量 3 澳大利亚（Quaker Hill） 200000 人口当量 4 澳大利亚（Black Rock） 210000 人口当量 5 法国、奥地利 500000 人口当量 6 泰国（曼谷） 1000000 人口当量 7 德国（Potsdam） 90000 人口当量 9 美国（Portage Catawba） 15500 m3/d 10 加拿大（Bradford） 12166 m3/d 11 澳大利亚（Winmalee） 60000 m3/d 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 5 - 1.2.3 CASS 工艺在国内的应用现状 CASS 工艺不仅具有高效率的污水处理效果， 而且与其他传统生物处理工艺相 比较，不用设置二次沉淀池，节省占地面积的同时减少了基建投资，与其他传统 水处理工艺相比具有明显的经济优势。故自上世纪九十年代上海市某制药厂首次 采用 CASS 工艺进行制药废水的处理以来，其逐渐被广泛应用于我国的工业废水 与城镇生活污水的处理事业中，具体应用情况详见下表。 表 1-2 CASS 工艺在国内水厂的应用情况22,23 序号 地区 处理规模（m3/d） 1 遵义市污水处理厂 300000 2 清镇朱家河污水处理厂 250000 3 鲁抗集团千吨青霉素工程 210000 4 南充市污水处理厂 120000 5 佳木斯市污水处理厂 100000 6 扬州市污水处理厂 100000 7 阜阳市污水处理厂 100000 8 张家界杨家溪污水处理厂 80000 9 李家沱污水处理厂 80000 10 通辽市经济技术开发区污水处理厂 50000 11 重庆市大渡口污水处理厂 50000 12 宜宾南岸污水处理厂 50000 13 云南丽江污水处理厂 30000 14 北京经济开发区污水处理厂 20000 15 攀枝花小沙坝污水处理厂 20000 16 成都某城镇污水处理厂 20000 17 湖州市碧浪污水处理厂 10000 18 洛阳石化总厂 10000 19 北京航天城废水处理站 7200 20 大庆肇源皮革工业园区污水处理厂 5000 21 海拉尔市啤酒废水处理站 5000 22 大连海升果业污水处理厂 5000 自 CASS 工艺在国内得到广泛应用以来， 水处理科研及工程技术人员对 CASS 工艺的研究也越来越多。 生活污水处理方面，段果通过 CASS 工艺在云南某县城生活污水处理厂中的 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 6 - 实际应用发现，与传统活性污泥法相比，CASS 工艺具有明显的经济优势；李建平 在云南丽江污水处理厂的城市污水工程实例中发现 CASS 工艺对有机物的去除与 脱氮除磷的效果明显；吕臻在攀枝花市小沙坝污水厂对 CASS 工艺在中国西南地 区小型污水处理厂的工程化应用进行了研究，通过长达 10 个月的运行，发现总磷 的去除率在 50%80%之间，氨氮去除率最高可达 98.7%，体现出 CASS 工艺较强 的脱氮除磷能力，即使在冬季低温或进水水质波动较大的情况下，污水厂仍能取 得良好的出水效果，抗冲击负荷能力较强；李宏同样也对 CASS 工艺在中小城镇 污水处理厂的应用进行了研究，结果表明 CASS 工艺对 COD 和 BOD5的去除率分 别达到了 88%和 93.4%，氨氮和总氮的去除率分别为 92%和 72%，总磷去除率达 90%； 姜春晓在广州某港区污水处理站通过对 CASS 工艺污水处理案例的分析，进 一步验证了 CASS 工艺在生活污水处理方面可达到一级 A 排放标准，效益显著。 工业废水处理方面， 葛会超、 宋彬等在 CASS 工艺处理医院综合污水的应用 中发现 CASS 工艺不仅对此类废水具有较好的处理效果，而且还能很好的适应水 质的波动；徐步、熊集兵通过 CASS 工艺在徐州某医院的实际应用得出，COD、 BOD 和氨氮的去除率分别在 75%90%， 40%55%和 70%95%之间， 而且提出 了将厌氧区单独设置的构想以解决总磷不达标的问题；任永强、李建军在西安某 制药厂对 CASS 工艺在处理制药废水工程中的应用进行了研究，分析得出即使在 处理成分复杂、 降解难度大的制药废水中， CASS 工艺也能达到良好的效果； 李兵、 周忠华、李陈等通过对 CASS 工艺处理合成氨废水中的研究，发现 CASS 工艺不 仅能取得良好的有机物去除和脱氮效果，而且剩余污泥量少，还具有节省占地面 积和运行费用、抗冲击负荷强、自控效率高等优点，为中小型氮肥厂含氮废水的 处理提供了很好的参考案例；周刚在内蒙古呼伦贝尔盟海拉尔市通过对啤酒废水 处理的研究发现，即使在高寒地区，如果保温防冻设计合理，CASS 工艺仍可以取 得良好的处理效果，而且具有较强的抗冲击负荷能力，工艺的运行可靠稳定；何 健洪、孙召强和杨宏毅等分别对屠宰废水和垃圾渗滤液的处理进行了研究，同样 也得出了良好的处理效果。 近年来，CASS 工艺还经常与其他处理工艺被组合应用于工业废水处理中，主 要集中在医药废水、啤酒废水、屠宰废水和制革废水的处理领域。在医药废水处 理领域，丁双根、杨东伟等利用“CASS+ClO2消毒”组合工艺处理了医院废水， 许新芳利用 “水解酸化+接触氧化+CASS” 组合工艺处理了生物制药废水， 王现丽、 张君等利用“UASB+CASS”组合工艺处理了制药废水，方勇、杨友强利用 “EGSB+CASS”组合工艺处理了制药废水，马立艳利用“厌氧水解+CASS”组合 工艺处理了抗生素废水，周健、张会展等利用“水解酸化+CASS”组合工艺处理 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 7 - 了红霉素废水，陈浩玺、姜伟等与侯爱东、王月娟等分别利用“微电解 +UASB+CASS”和“微电解+UBF+CASS”组合工艺处理了医药废水。此外，曹小 练与万田英等分别利用“UASB+CASS”的组合工艺对啤酒废水进行了处理，陈碧 美、苏蓉与崔芳、袁博分别采用“水解酸化+混凝气浮+CASS”和“UASB+射流曝 气 CASS”组合工艺对屠宰废水进行了有效处理，王科采用“水解酸化CASS” 的组合工艺在对制革废水的处理中也取得了良好的效果。 1.2.4 CASS 工作原理 CASS 池一般被划分为三个部分：生物选择器（厌氧段） 、预反应区（缺氧段） 和主反应区（好氧段） 。这三个功能区段的合理分配，确保了 CASS 工艺降解有机 污染物和脱氮除磷的作用能够得以有效发挥。 生物选择器一般设置在 CASS 的前端，大约占整个 CASS 池的 1/10，并保持 厌氧状态。活性污泥法处理污水，主要依靠的即是菌胶团细菌的代谢活动。为此， CASS 工艺考虑设置生物选择器， 在此区段创造出有利于菌胶团细菌生存和繁殖的 环境，并抑制丝状菌的过度繁殖，促进溶解性有机物的高效去除，同时污泥膨胀 的隐患得以消除，工艺运行的稳定性得到提高。 据研究发现，菌胶团细菌的比表面积相比丝状菌较小。所以当底物浓度较低 的时候，菌胶团细菌相对于丝状菌，生存和繁殖的能力较差，因此容易导致丝状 菌的过量繁殖，从而引发污泥膨胀；而当底物浓度较高时，虽然两者降解底物的 速率都较大，但相对于丝状菌，菌胶团细菌具有更高的比增值速度，因此能够大 量的增殖，以更快的速率迅速吸附和降解有机物，同时使得丝状菌的繁殖受到抑 制，很好地避免了污泥膨胀的发生。生物选择器正是人为地为菌胶团细菌的大量 生长和繁殖创造了这种推动力，从而使得菌胶团细菌成为污水处理过程中所需要 的优势菌种24-33。 由于此区域的厌氧环境， 主反应区内聚磷菌由于过量摄取H3PO4而合成的ATP 会在本区域内进行充分的水解， 从而释放出 H3PO4， 以促进聚磷菌在接下来主反应 区内的反应过程中具备更强的过量吸磷的能力，并最终以高磷污泥的形式随底泥 排出，实现生物除磷的目的。同样，随主反应区回流液进入该区域的部分硝酸盐 会通过反硝化细菌的代谢活动得到一定程度的去除。许多难降解的大分子有机物 也有可能通过细菌的代谢活动被转化为相对易降解的小分子物质，从而大大改善 污水的可生化性。 污水由生物选择器流出，进入预反应区。由于该区域为缺氧环境，反硝化作 用可以得到进一步的加强，也会出现部分聚磷菌的释磷现象，同时有机物也可以 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 8 - 得到部分的去除，进一步降低了主反应区的负荷。另外，该区域还能够起到对水 质、水量等变化的辅助缓冲作用34。 污水流经预反应区后进入到主反应区。顾名思义，该分区是 CASS 池中活性 污泥微生物进行污水处理最主要的部分，同时该区域的容积在整个 CASS 池中所 占的比例也最大。该区域内为好氧环境，但是为保证同步硝化反硝化的顺利实现， 需要在实际运行中对混合液中溶解氧的浓度，也即曝气强度进行合理的控制，使 得活性污泥絮体外围与内部能够分别形成好氧和缺氧的状态，以有助于硝化反应 和反硝化反应能够在同一反应器内进行。在曝气过程中，由于活性污泥外围溶解 氧浓度的较高，硝化反应得以在污泥絮体的外围进行。由于氧化作用、硝化反应 等代谢过程的消耗，溶解氧的浓度逐渐降低，这使得溶解氧向活性污泥絮体内部 传递的过程受到阻碍，絮体的内部得以形成了缺氧状态。相对于溶解氧，硝酸盐 则可较好地利用浓度梯度进入到污泥絮体的内部，从而使得反硝化作用能够顺利 进行，同步硝化反硝化的过程也得以在主反应区内实现35,36。另外，由于该区的 好氧环境，聚磷菌在此处可进行过量的吸磷，并最终以高磷污泥的形式随底泥排 出37-39，达到生物除磷的目的。 1.2.5 CASS 工艺的运行过程 CASS 工艺的运行过程如图 1-1 至 1-6 所示。 进水阶段：来水与从主反应区回流的污泥同时通过生物选择区进入 CASS 池。 这一阶段既可以配合搅拌或曝气同时进行，也可以只单独进水。 曝气阶段：为使主反应区具备良好的好氧环境，在此阶段开始给主反应区进 行曝气。曝气除了具有提高混合液中溶解氧浓度的作用之外，还可以使得主反应 区内的泥水混合更加充分，提高传质效率。 沉淀阶段：当曝气结束后，活性污泥微生物继续进行氧化分解。随混合液中 溶解氧浓度的进一步降低，主反应区内由好氧逐渐转为缺氧环境，反硝化脱氮过 程得到强化。同时，活性污泥通过静沉作用，污泥沉至池底，上清液被分离出来。 滗水阶段：当沉淀阶段结束后，滗水器根据设定的自控程序自动启动，将上 一步骤中分离出来的上清夜逐渐排出池外。滗水器的升降由计算机进行自动控制， 当到达池内最低水位时，滗水器停止下降，然后逐渐又回升至原来的位置。 闲置阶段：可以根据 CASS 工艺实际运行的周期恰当选择闲置阶段的时间长 短，当然也可以根据实际需要取消闲置阶段，滗水后直接进入下一周期的运行。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 9 - 进水 供气 污泥回流 滗水器 最低 水位 图1-1 进水-曝气阶段 进水 供气 污泥回流 滗水器 最高 水位 图1-2 曝气结束 滗水器 图1-3 开始沉淀 最高 水位 滗水器 图1-4 沉淀结束 最高 水位 滗水器 图1-5 滗水结束 最低 水位 滗水器 图1-6 闲置阶段 沉淀 污泥 最低 水位 进水（视运行情况） 1.2.6 CASS 工艺的优点 （1）污泥膨胀得到有效的遏制 据研究发现，菌胶团细菌的比表面积相比丝状菌较小。所以当底物浓度较低 的时候，菌胶团细菌相对丝状菌，生存和繁殖的能力较差，容易导致丝状菌的过 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 10 - 量繁殖，从而引发污泥膨胀；当底物浓度较高时，虽然两者降解底物的速率都较 大，但相比丝状菌，菌胶团细菌具有更高的比增值速度，因此能够大量增殖，以 更快的速率吸附和降解有机物，同时使得丝状菌的繁殖受到抑制，很好地避免了 污泥膨胀的发生。 （2）同步硝化反硝化深度脱氮 CASS 工艺为了实现深度脱氮，创造了良好的同步硝化反硝化的环境。在主反 应区内，由于活性污泥外围溶解氧浓度较高，硝化反应能够在污泥絮体的外围高 效进行。又由于氧化作用、硝化反应等代谢过程的不断消耗，溶解氧浓度逐渐降 低，使得溶解氧向活性污泥絮体内部传递的过程受到阻碍，絮体内部形成了缺氧 状态40。而相对于溶解氧，硝酸盐则可较好地利用浓度梯度进入到絮体内部，从 而使得反硝化作用能够顺利进行41。而且在后续的沉淀和闲置阶段，反硝化作用 继续存在。另外，在生物选择器中，由于该区的厌氧环境，从主反应区回流来的 硝酸盐通过反硝化细菌的代谢活动，也可以得到一定程度的去除。 （3）生物除磷功能加强 由于生物选择器的厌氧环境，从主反应区回流来的污水中，聚磷菌因过量摄 取 H3PO4而合成的 ATP 会在本区域内进行水解，从而释放出 H3PO4。当污水流至 好氧环境的主反应区后，聚磷菌又可以过量吸磷，并最终以高磷污泥的形式随底 泥排出，达到生物除磷的目的。 （4）灵活控制，抗冲击能力强 生物选择器的设置，不仅能够很好的抑制污泥膨胀现象的发生，同时还能起 到快速吸附的作用，从而有效降低了进水水质波动给 CASS 池后续处理造成的影 响。当进水波动情况较大，污泥活性等受到严重影响时，可以灵活调节 CASS 工 艺的运行周期（如延长曝气时间等）来适应水质、水量的变化，从而使得 CASS 工艺具有更强的适应能力。 （5）污泥的沉淀效果好 在沉淀过程中，即使存在连续进水干扰的影响，但由于整个 CASS 池均用来 沉淀，表面负荷与二次沉淀池相比较要小很多，因此污泥沉淀的效果较好。而且 通过实际运行发现，即使在低温或污水水质较差的条件下，污泥沉降性能不好时， 完全可以通过延长沉淀时间来消除对整个工艺运行过程的影响。 （6）剩余污泥少，且稳定性好 为保证良好的同步硝化反硝化作用， CASS 工艺中污泥龄相比普通活性污泥法 要长，一般为 1530 天，为此剩余污泥的产生量较少，大约只占传统处理方法产 生污泥量的 60%，而且污泥的稳定性也较好，直接脱水处置即可。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 11 - （7）经济优势显著 CASS 工艺中由于不用设置初沉池和二沉池，明显降低了基建费用，减少了占 地面积42。该工艺自动化控制的程度较高，操作和管理更为方便，人力资源需求 量小， 设备维修的费用也大大降低。 另外， CASS 工艺利用生物方法进行脱氮除磷， 节省了投加药剂所需的花费。 （8）应用范围更加广泛 CASS 工艺应用范围较 SBR 法更为广泛，不仅可用于大中小各类型污水处理 厂与工业废水处理站，而且也可以在北方等高寒地区应用43,44。另外，CASS 池可 单独运行，因此可以根据水厂的发展情况将 CASS 池进行分期建设，不仅节省了 初期投资，还能更好的适应城市的发展水平，推广价值更高。 1.2.7 CASS 工艺的缺点 （1） 总氮去除率难以提高45,46。 生化法脱氮主要依靠硝化和反硝化反应进行。 一般氨氮的去除率都能在 90%以上，这主要是通过调整曝气时间和充水比来促进 硝化反应实现的。而相比硝化反应，反硝化反应进行的程度往往是制约生物脱氮 效率低的重要原因。首先，由于聚磷菌在厌氧环境中的释磷会受到硝酸盐的抑制 作用，为此 CASS 工艺中污泥回流比应严格控制，这直接影响了生物选择器中反 硝化反应的进行程度。再次，在反硝化反应进行的主要场所主反应区中，由 于溶解氧浓度高、底物浓度低等因素，反硝化脱氮的效果较差。而试图降低溶解 氧的浓度，不仅影响硝化反应，还会干扰聚磷菌的摄磷过程。在后续的沉淀和闲 置阶段中，由于曝气、搅拌作用的消失，活性污泥微生物与污水的充分接触受到 限制，再加上碳氮比的下降，反硝化脱氮的效率大大降低。 （2）总磷去除率受到限制。硝酸盐浓度过高的抑制作用和较低的溶解氧浓度 等因素，使得总磷的去除受到限制47，从而也体现出 CASS 工艺在脱氮与除磷两 个功能上存在的自身矛盾。 （3）由于 CASS 工艺运行方式较为特殊，使得处理过程中很多设备相比传统 活性污泥法的利用率较低。 （4）设备质量不过关，操作及管理水平有待提高 CASS 工艺各项功能的有效发挥以及自控水平高、操作管理方便等特点的呈 现，均需要高质量的设备来支撑。而鉴于国内工业和科技水平的发展现状，工艺 中很多关键部件的设计仍存在很大的漏洞，因此在实际应用中可靠度较差，维修 频率较高。这不仅严重阻碍了自控水平的提高，甚至在个别时候会直接影响到污 水厂出水的水质。操作管理人员知识结构和专业水准的差距也是以 CASS 为主要 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 12 - 水处理工艺的水厂亟待解决的问题之一。 1.3 课题研究内容 本课题将主要针对以下内容进行研究： （1）针对该污水厂出水水质不达标的问题将重新进行活性污泥的培养驯化以 及工艺的调试工作，使得出水达标，水厂能够顺利通过验收； （2）通过改变曝气时间、污泥回流比、碳氮比、充水比和温度等因素进行正 交试验，探寻各项因素对 CASS 工艺的影响，为水厂的稳定运行提供可靠的理论 依据及数据支撑； （3）根据 CASS 工艺本身存在的缺陷，结合相关理论研究，对污水厂 CASS 工艺的改进提出合理的建议。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 13 - 第2章 污水厂概况及试验材料与方法 2.1 污水厂概况 2.1.1 规划年限 根据H 市 HG 治理工程 QL 污水厂可行性研究报告及发改委的关于 H 市 QL 污水治理工程可行性研究报告的批复 ，QL 污水处理厂近期规划年限为 2010，远期规划年限为 2030 年。 2.1.2 工程规模及厂址 （1）综合生活用水量预测 HG 汇水区市区段涉及七个街道办事处，包括流动人口在内 2003 年底人口总 数为 29.90 万人，2010 年人口为 34.60 万人；2030 年汇水区总人口为 67.80 万人。 根据 H 市目前用水量及用水规划， 预测 2010 年居民综合生活用水量为 235L/人d， 2030 年为 255L/人d， 则居民综合生活用水量 2010 年为 8.1 万 m3/d， 2030 年为 17.3 万 m3/d。 （2）工业用水量预测 依据“十五”规划、国民经济发展计划纲要，考虑 HG 排水区市区段的开发 特点，预测 20002010 年工业产值平均增长率为 4.2%，20102030 年增长率为 5.5%，据 H 市国民经济社会发展统计，HG 排水区市区段 2010 年工业生产值为 290.60 亿元，2030 年为 1070.85 亿元。 工业用水万元产值定额，根据“城市水资源规划报告”预测 2010 年为 16m3/ 万元，2030 年为 10m3/万元，则 2010 年工业用水量为 12.70m3/d，2030 年为 29.30m3/d。 （3）总排水量 由上面（1） （2）计算可知，HG 排水区市区段总水量 2010 年为 20.80 万 m3/d， 2030 年 46.10 万 m3/d。总排水量按用水量的 85%计算，2010 年排水量为 17.68 万 m3/d，2030 年达到 39.60 万 m3/d。 （4）工程规模 本着总体规划、分段实施、量力而行的原则，本工程分两期建设，一期工程 处理规模按 HG 排水区下游市区段 2010 年污水量确定，QL 污水厂处理规模为 15 万 m3/d，二期工程处理规模按 2030 年污水量确定，增加到 33 万 m3/d。 （5）厂址 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 14 - QL 污水处理厂建在城区东北角处，处于 HG 排水区市区段截留干管的末端。 该位置能使截流干管直接进入水厂前端，并且使得污水截流管线距离短，中途提 升次数少，可以提高设施运行安全性。规划厂区用地面积 11.93ha（未包括综合楼 占地） ，预留二期工程用地共 41.38ha。厂址地势平坦，自然地面标高在 116.10m 117.70m 左右，交通便利，便于施工。 2.1.3 重要意义 据调查，H 市现在日产污水量大约在 100 万吨左右。W 和 T 污水处理厂早已 在 2005 年以前先后投入运行，日处理污水量在 60 万吨左右。而在 H 市内河综合 整治之后，PF 和 QL 污水厂将分别达到每天 15 万吨的污水处理量，XY 污水厂也 将达到日处理 10 万吨污水的设计标准。这样一来，在上述三个新建水厂投入运行 之后，H 市届时将实现未处理污水零排放的历史性突破。由此可以看出，该污水 处理厂在 H 市污水处理事业中具有重要意义。 2.2 工艺流程及主要构筑物 2.2.1 污水处理工艺流程 该厂污水处理采用 CASS 工艺，具体处理流程如图 2-1 所示。 图 2-1 污水处理工艺流程 污水 粗格栅 旋流沉砂池 预沉池 细格栅 污水提升泵房 污水二次提升泵房 消毒接触池 CASS 反应池 松花江 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 15 - 2.2.2 主要构筑物及其设计参数 该污水厂中主要水处理构筑物及其设计参数详见下表。 表 2-1 主要构筑物及其设计参数等 序号 构筑物名称 主要设计参数 数量 1 粗格栅间 18m 15m 14m 1 座 2 旋流沉砂池 4.87m 2.8m 4 座 3 污水提升泵房 21m 12m 15m 1 座 4 细格栅间 24m 12m 6m 1 座 5 预沉池 54m 24m 3.5m 2 格 6 CASS 池 48m 24m 6.35m 24 座 7 消毒接触池 36m 21.6m 3m 2 座 8 二次提升泵房 21m 12m 12.6m 1 座 9 鼓风机房 48m 12m 1 座 10 贮泥池 30m 11m 3.5m 1 座 11 污泥脱水间 24m 18m 1 座 12 生物除臭滤池 18m 12m 3.8m 1 座 2.2.3 主要设备及其参数 该污水处理厂中主要设备及其设计参数如表2-2 所示。 表 2-2 主要设备及其参数 序号 主要设备名称 设备主要参数 数量 1 回转式格栅除污机 18m 15m 14m 8 套 2 拦污栅 7.35m 1.0m，栅条间隙 50mm 4 套 3 粗格栅 7.5m 1.2m，栅条间隙 20mm 4 套 4 带式栅渣输送机 长 12m 和 10m，功率 2.2KW 2 台 5 螺旋输送压榨机 螺旋直径 320mm，功率 3.0KW 2 台 6 螺旋砂水分离器 功率 0.75KW 1 台 7 可调节堰门 3m1m，功率 1.5KW 5 台 8 转鼓式细格栅 直径 2m，高 2.4m，栅条间隙 3mm 4 台 9 雨水超越格栅 3m0.8m，栅条间隙 6mm 6 台 10 螺旋栅渣输送机 长 15m 1 台 11 潜水排泥泵 流量 52m3/h，扬程 10.0m，功率 3KW 4 台 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 16 - 表 2-2（续表） 序号 主要设备名称 设备主要参数 数量 12 潜水排污泵 流量 2500 m3/h，扬程 8.5m，功率 90KW 6 台 13 潜水排污泵 流量 2500 m3/h，扬程 10.6m，功率 110KW 6 台 14 污泥回流泵 流量 160m3/h，扬程 4.0m，功率 3.1KW 2 台 15 剩余污泥泵 流量 100m3/h，扬程 9.6m，功率 4.7 KW 2 台 16 加压冲洗水泵 流量 20m3/h，扬程 30m，功率 7.5KW 2 台 17 砂泵 流量 72m3/h，扬程 7.0m，功率 9.7KW 4 台 18 滗水器 滗水量 2100 m3/h，滗水最深 2.0m 1 台 19 鼓风机 风量 140 m3/min，风压 6.90m，功率 190 KW 8 台 20 搅拌机 功率 0.75KW 4 台 21 液下搅拌器 功率为 2.0KW 6 台 22 超声波液位计 - 3 个 2.2.4 CASS 池的设计参数 CASS 池的相关设计情况如下表所示。 表 2-3 CASS 池的主要设计参数 序号 名称 设计参数 1 平面尺寸 48m 24m/格 2 池深 6.35m 3 生物选择器容积 251m3 4 预反应区容积 896 m3 5 主反应区容积 5074 m3 6 设计最高水位 5.4m 7 设计最低水位 4.0m 8 MLSS 4000mg/L 9 污泥负荷 0.1kg BOD5/kg（MLSSd） 10 污泥龄 20d 11 周期 6h 12 单独进水时间 0.5h 13 进水&曝气时间 1h 14 单独曝气时间 2h 15 静置沉淀时间 1h 16 滗水时间 1h 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 17 - 2.2.5 试验测试项目及测试方法 研究过程中主要测试项目及其测试方法如下表所示： 表 2-4 主要测试项目及其测试方法 序号 测试项目 测试方法 1 水温、pH pH 测定仪 2 SV30 量筒静沉法 3 DO 便携式溶解氧测定仪 4 SS 烘干称重法 5 COD 重铬酸钾法 6 BOD 稀释接种法 7 总磷 钼锑抗分光光度法 8 氨氮 纳氏试剂分光光度法 9 总氮 过硫酸钾氧化+紫外分光光度法 10 MLSS 烘干称重法 11 MLVSS 550灼烧减重法 12 微生物 显微镜观察法 13 污泥性状检测 显微镜观察法 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 18 - 第3章 污水处理厂的调试运行 3.1 设计出水水质 QL 污水厂出水水质执行城镇污水处理厂污染物排放标准 （GB18918-2002） 中的一级 B 标准。具体各项水质指标要求及去除率情况如下表所示。 表 3-1 污水厂进出水各项水质指标要求及去除率（mg/L） 水质指标 进水设计值 出水要求 去除率（%） COD 350 60 82.86 BOD5 200 20 90 SS 250 20 92 氨氮 35 8（15） 77.14（57.14） 总氮 45 20 55.56 总磷 5 1 80 注：氨氮标准在夏季取 8mg/L，冬季则取 15mg/L 3.2 实际进水水质情况 该污水厂承接的污水包括城市生活污水及工业生产废水，其中工业废水占 1/3 左右。水厂在实际运行过程中，污水的水质情况是不断变化的，为了解污水厂实 际进水水质波动情况，对其进行了化验，结果如表 3.2 所示。 表 3-2 污水厂进水水质波动情况（mg/L） 水质指标 波动范围 平均值 COD 189713 491 BOD5 48273 150 SS 143785 707 氨氮 22.653.3 26.04 总氮 37.772.1 50.79 总磷 2.714.6 8.9 通过以上各水质指标测定结果的分析，发现该污水厂进水存在以下几个特点： （1）BOD5、COD 及 SS 的波动范围较大，给 CASS 工艺的抗冲击能力提出了 较