SBR工艺及改型.doc

SBR工艺及其改型一、传统的SBR工艺 （一）序批式活性污泥法(SBR)工艺的历史 1.序批式活性污泥法(SequencingBatchReactor，缩写为SBR)以其独特的优点，近年来在世界各地得到发展。人们对它的研究逐渐增多，在20世纪80年代，国外对其研究进入了工业化生产阶段。20世纪80年代末我国的一些科研单位及大专院校也对其展开了研究，并在实际工程中开始应用。 最初的活性污泥工艺采用间歇式，称之为Fill-and-draw(充排式)系统。1893年Wardle处理生活污水所采用的就是这种充排式工艺。1914年，Arden和Lackett首次提出活性污泥法这一概念时采用的也是这种系统。当时，他们使用容积为2L、3l的烧瓶进行试验研究，将原水与微生物絮体混合，然后进行曝气，停止曝气后混合液开始沉淀，最后排除上清液留下的污泥再开始新的处理过程。第一座生产规模的活性污泥法污水处理厂采用的依然是充排式的运行方式，并且证明可以达到很好的处理效果。 随着技术的发展，对SBR的生化动力学及其在工艺上的优越性有了更深的了解。20世纪50年代初，美国Hoover及其同事对SBR法处理制酪工业废水进行丁探索。20世纪70年代，美国印第安纳州Natre大学的Irvine教授对SBR和连续流活性污泥处理工艺作了系统的比较研究后，美国、澳大利亚、日本、原联邦德国等许多国家和地区都展开了对SBR法的研究和应用工作，使SBR法在世界范围得到越来越深入的研究和越来越广泛的应用。 随着人们对SBR研究的深入，新型的SBR工艺不断出现。世纪80年代初，出现了连续进水的SBR-ICEAS，后来Goranzy教授相继开发了CASS和CAST。20世纪80年代，SBR与其他工艺的结合上的研究也有了比较大的进步。20世纪90年代，比利时的SEGHERS公司以SBR的运行模式为蓝本，开发了UNITANK系统，把SBR的时间推流与连续系统的空间推流结合起来。 最初SBR工艺被连续式工艺取代的原因主要有两个：曝气头堵塞和操作过于复杂。近年来，机械曝气装置和新型曝气头的开发，使间歇运行曝气装置的堵塞问题已经得到解决；同时，各种可控阀门、定时器、监测器的可靠程度已经相当高，程控机、电子计算机，特别是微型电脑自动控制技术的发展以及溶解氧测定仪、ORP计、水位计等对过程控制比较经济而且精度高的水质检测仪表的应用，使得SBR工艺的运行可以完全实现自动化。困扰SBR发展的两个主要因素解决后，SBR工艺得到了越来越广泛的应用。 2.我国SBR工艺的发展 我国于20世纪80年代中期开始对SBR进行系统研究与应用。1985年虞寿枢等为上海市吴淞肉联厂设计并投产了我国第一座SBR废水处理设施；刘永凇等人也展开了对SBR特性的研究；在SBR的控制技术方面，哈尔滨建筑大学的彭永臻等人对SBR反应时间的计算机控制参数进行了研究；天津华北市政工程设计研究院在SBR的基础上开发出了一种称为DAT-IAT的新型SBR工艺。随着SBR在国内的广泛应用，国内SBR专用设备的研究也取得了长足的进步，开发出了一系列的滗水设备。国家环保总局还把SBR专用设备的产业化和系列化列为“八五”和“九五”科技攻关项目。目前，SBR工艺在我国工业废水处理领域应用比较广泛，已经建立的SBR工艺处理的污水包括：屠宰废水、苯胺废水、缫丝废水；含酚废水、啤酒废水、化工废水、淀粉废水等。北京、上海、广州、无锡、扬州、山西、福州、昆明等地已有多座SBR处理设施投入运行。可以看出，SBR是一种高效、经济、管理简便，适用于中、小水量污水处理的工艺，具有广阔的应用前景。 （二） SBR工艺的机理 1. SBR和连续流活性污泥(CFS)工艺的对比活性污泥法利用微生物去除有机物。首先需要微生物将有机物转化成二氧化碳和水以及微生物菌体，反应后需要将微生物保存下来，在适当时间通过排除剩余污泥从系统中除去新增的微生物。连续流工艺是从空间上进行这一过程的，污水首先进入反应池(曝气池)，然后进入沉淀池对混合液进行沉淀，与微生物分离后的上清液外排。而SBR则是通过在时间上的交替实现这一过程，它在流程上只设一个池子，将曝气池和二沉池的功能集中在该池子上，兼行水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离等功能。图1 SBR工艺与传统活性污泥法的比较表1 SBR与传统活性污泥法的比较参 数SBR反应器连续流活性污泥(CFS)工艺备 注概念在同一池中是时序在不同的池子中是顺序SBR时序可变，而CFS没有多大灵活性流量为间断(1CEAS等连续)连续排放周期连续SBR滗水时间很易改变，在一些情况下可满足特殊出水要求，而CFS不行有机负荷周期连续SBR在一个周期有调节有机负荷的可能性，而CFS没有多大灵活性曝气间断连续SBR可改变曝气强度和曝气时间，具有灵活性，CFS仅改变曝气损度混合液无回流，在反应器内通过沉淀池回流SBR不需二沉池和回流泵，CFS需上述设备沉淀池经典SBR，理想沉淀非理想沉淀，经常有短流和异重流很多CFS系统由于在二沉池非理想的沉淀条件而运行不佳流态理想推流完全混合流或相当推流SBR是理想推流，对污染物能迅速降解(较短的停留时间)，CFS需求较长的反应时间调节能力本质上有没有对每日流量和BOD变化的情况，SBR是理想的反应器；在上述条件下CFS可能失效适应性有一定能力有限运行人员可改变一个周期内曝气混合时间，CFS在上述方面没有适应性池容大于CFS，有部分体积用于沉淀一般小于SBR尽管SBR池容较大，但不需沉淀池和回流污泥泵，SBR更紧凑，总体积较少运行依靠PLC等，相对简单与SBR相同SBR反应器适合小型污水厂，CFS对于日变化大的小型污水处理厂无能为力设备机械设备少，运行简单机械设备多，运行复杂出水水质大多数情况好在大多数情况下很好满足BODNP去除适应性SBR有灵活性，通过调节运行方式可达到与SBR相比有限SBR在时间上的交替运行就是它的工作方式。SBR是按周期运行的，每个周期的循环过程包括进水、反应(曝气)、沉淀、排放和待机等五个工序。从某个进水期开始到下一个进水期开始之前的一段时间称为一个工作周期。图1和表1是对SBR和连续流活性污泥(CFS)工艺的对比。2. SBR工艺的工作过程SBR是传统活性污泥法的一种变形，它的反应机制以及污染物质的去除机制和传统活性污泥法基本相同，仅运行操作不一样。图2为SBR的基本操作运行模式。图2 SBR工艺的基本运行操作 在SBR的运行中，每个周期循环过程即进水、反应、沉淀、排放和待机都是可进行控制的。每个过程与特定的反应条件相联系(混合静止，好氧厌氧)，这些反应条件促进污水物理和化学特性有选择的改变，这些改变使出水得到了完全的处理。下面就各个阶段的特征和作用说明如下。 a进水期 指从向反应器开始进水至到达反应器最大容积时的一段时间。在此期间可分为三种情况：曝气(好氧反应)、搅拌(厌氧反应)及静置。在曝气的情况下有机物在进水过程中已经开始被大量氧化，在搅拌的情况下则抑制好氧反应。对应这三种方式就是非限制曝气、半限制曝气和限制曝气。运行时可根据不同微生物的生长特点、废水的特性和要达到的处理目标，采用非限制曝气、半限制曝气和限制曝气方式进水。通过控制进水阶段的环境，就实现了在反日应器不变的情况下完成多种处理功能。而连续流中由于各构筑物和日 水泵的大小规格已定，改变反应时间和反应条件是困难的。 b反应期 反应的目的是在反应器内最大水量的情况下完成进水期已开始的反应。根据反应的目的决定进行曝气或搅拌，即进行好氧反应或缺氧反应。在反应阶段通过改变反应条件，不仅可以达到有机物降解的目的，而且可以取得脱氮、除磷的效果。例如为达到脱氮的目的，通过好氧反应(曝气)进行氧化、硝化，然后通过厌氧反应(搅拌)而脱氮。有的为了沉淀工序效果好，在最后工序短时间内进行曝气，去除附着污泥上的氮气。 c沉淀期 沉淀的目的是固液分离，本工序相当于二沉池，停止曝气和搅拌，污泥絮体和上清液分离。由于在沉淀时反应器内是完全静止的，在SBR系统中这个过程比在CFS法中效率更高。沉淀过程一般是由时间控制的，沉淀时间在0.51.0h之间，甚至可能达到h，以便于下一个排水工序。污泥层要求保持在排水设备的下面，并且在排放完成之前不上升超过排水设备。随着测量仪器的发展，已经可自动监测污泥混液面，因此可根据污泥沉降性能而改变沉淀时间。可以预先在自动控制系统上设定一个值，一旦污泥界面计监测到的污泥界面高度达到该数值便可结束沉淀工序。 d排水期 排水的目的是从反应器中排除污泥的澄清液，一直恢复到循环开始时的最低水位，该水位离污泥层还要有一定助保护高度。反应器底部沉降下来的污泥大部分作为下一个周期的回流污泥，过剩的污泥可在排水阶段排除，也可在待机阶段排除。 SBR排水一般采用滗水器。滗水所用的时间由滗水能力来决定，一般不会影响下面的污泥层。现在也可在沉淀的同时就开始滗水，当然要控制好滗水速度以不影响沉淀为原则。这样就把沉淀和滗水两个阶段融合在一起。 e.待机期沉淀之后到下个周期开始的期间称为待机工序。根据需要可进行搅拌或曝气。在多池系统中，待机的目的是在转向另一个单元前为一个反应器提供时间以完成它的整个周期。待机不是一个必需的步骤，可以去掉。在待机期间根据工艺和处理目的，可以进行曝气、混合、去除剩余污泥。待机期的长短由原水流量决定。排除剩余污泥是SBR运行中另一个重要步骤，它并不作为五个基本过程之一，这是因为排放剩余污泥的时间不确定。与传统的连续式系统一样，排除剩余污泥的量和频率由运行要求决定。在一个SBR的运行过程中，剩余污泥排放通常在沉淀或闲置期间。SBR系统的一致特点是不需回流系统，这就减少了机械设备和有关控制系统。3. 经典SBR反应器的特性 （1）最早的SBR工艺采用单池处理、间歇来水，按照进水、反应、沉淀、滗水、闲置5种工序完成一池水的处理。由于SBR是间歇进水，且工序繁杂对操作人员的要求高，在非进水工序无法处置来水。为了解决SBR无法处理连续来水的问题，工程上采用了多池系统，使各个池子按进水顺次运行，进水在各个池子之间循环切换。但是，这样明显增加了SBR工艺操作的复杂性。 尽管经典的SBR存在着许多问题，但是它的优点也非常明显。它的间歇运行方式与许多行业废水产生的周期比较一致，可以充分发挥SBR的技术特点，因此在工业污水处理中应用非常广泛。在一些难降解废水的处理方面，经典SBR仍然经常被采用。由于SBR工艺占地小，平面布置紧凑，在小城镇污水处理方面成功应用SBR工艺的例子也非常多。（2）通过上述分析，排除一些不是SBR反应器所独有的优点，而经典SBB独有的优点汇总如表2： 表2 SBR的优点汇总优 点原 因沉淀性能好理想沉淀理论有机物去除效率高理想推流状态提高难降解废水的处理效率多样性的生态环境(出现厌氧、缺氧和好氧状态多种状态)抑制丝状菌膨胀选择性准则可以除磷脱氮，不需要新增反应器生态的多样性(出现厌氧、缺氧和好氧状态多种状态)不需二沉池和污泥回流，工艺简单结构本身特点 同时，经典的SBR反应器也有一些问题，比如： 对于单一SBR反应器的应用需要较大的调节池； 对于多个SBR反应器，进水和排水的阀门自动切换频繁； 无法解决大型污水处理项目连续进水、连续出水的处理要求；设备的闲置率较高； 污水提升的水头损失较大。 正是以上这一系列问题的存在导致了对于SBR反应器的不断改进和开发。 4. SBR工艺应用和认识上的误区 (1)初沉池的设置和污泥稳定性问题 SBB反应器虽然有如上所述的种种优点，但是在其使用过程中也存在着一定的缺点，对其认识也有一定的误区。例如：相当一部分研究者认为SBR工艺可以取消初沉池，SBR可以达到污泥消化的目的，从而可以简化污水处理厂的工艺流程，减少占地面积和降低污水处理厂的投资。事实上这并非仅是SBB反应器的特点，所有活性污泥工艺都可以达到以上两点要求。 实际上，取消初沉池是将初沉池应该去除的有机负荷增加到曝气池。其优点是曝气池可以完成降解初沉池应该去除的有机物的功能，体现在处理工艺上的特点是减少了处理的环节，导致构筑物减少，设备简单和管理方便等。显然，所有的活性污泥工艺只要调整负荷都可以达到这一目的。 人们愿意采用好氧污泥消化和取消初沉池的工艺是因为传统污泥厌氧消化工艺的投资高，并且污泥厌氧消化处理技术较复杂。在我国仅有的十几座污泥消化池中，能够正常运行的为数不多，有些池子根本就没有运行。特别是小型污水处理厂污泥消化工艺的经济性更差，所以人们转向采用好氧消化的工艺路线。同样，对于设立初沉池的污水处理厂必须要考虑污泥进一步稳定的问题，这在污水处理工艺中增加了一个处理环节，而目前国内机械设备如刮泥机、污泥泵等设备的可靠性和稳定性较差，这也是导致人们采用以上工艺的原因之一。 事实上将初沉池的负荷增加到曝气池，需要增加能耗；另外延时曝气对污泥是采用好氧稳定的方法，其能耗比中、高负荷活性污泥工艺要高4050左右。采用以上工艺能耗增加在5060以上。能耗增加固然带来了直接运行费的增加，同时还要增加间接投资。据资料报道，目前采用延时曝气，每万吨污水增加的脱硫费用和电厂投资接近污水处理单位投资的50。从可持续发展角度讲，在我国是不应该采用延时曝气的这种低负荷工艺的。 (2)正确认识SBR反应器的优缺点 SBR工艺把沉淀与反应集中在同一个反应池进行，从空间流程上来看减少了一个环节，工艺更加简单；厂区平面布置可以更加紧凑，占地面积也比较少；并且，SBR工艺的反应与沉淀在同一池中进行，沉淀污泥仍然保留在该反应器中，无需进行污泥回流，节省了运行费用。以上虽然是SBR反应器的优点，但是在一定条件下这也可能成为SBR工艺的缺点。 采用低负荷的SBR反应器的停留时间较长时，如果周期变换频繁，则沉淀和滗水的时间在整个周期中的比例就会增加，如果增加的时间大大超过了传统的曝气池-二沉池系统的停留时间，则整个系统就会不经济。比如ICEAS系统的典型的周期是4h(2h曝气+lh沉淀+1h滗水)，沉淀和滗水的时间占50，如有的系统采用的停留时间较长，这样沉淀和滗水的时间将超过传统的二沉池，其经济性的影响是显而易见的。另外，这一问题对于污泥龄和污泥稳定性等问题的影响在后面章节中有详细的讨论。 由于一个周期内沉淀和排水时间一定，因而增加周期数会造成实际反应时间缩短。通过计算比较可见(图3)，周期数越多，池容越大，投资越高。由于沉淀和滗水时间最短为2.0h，则一般SBR工艺中的最短周期为4h(如ICEAS工艺一般采用此数值)。可见这种工艺的实际容积利用率低，其经济性也是值得讨论的问题。图3 周期数对于SBR反应器池容的影响(假设HRT二24h，沉淀和滗水时间为2.0h) 5. 不同类型SBR的特点 SBR在使用的过程中经不断改进，发展出了多种新型的SBR。大部分新型SBR仍然拥有SBR的主要特点，并且还有自己独特的优势，但有些经典SBR的显著特点在新型SBR中就很难发现。不同类型SBR的特点总结如表3。从表3可以看出，经典SBR工艺的优点对不同种类的新型SDR而言其应用状况是不一样的，绝大多数经典SBR的优点在一定程度上被弱化；同时，由于改进的SBR吸取了活性污泥工艺的特点，出现了与活性污泥工艺相互融合的趋势。如出现了连续进水、连续出水和带回流污泥的SBR反应器以及UNITANK这种融合氧化沟、SBR和活性污泥工艺的新型综合性工艺，所以对于不同类型的SBR，反应器的优点是不同的。特别是在进行工艺选择和设计计算时，更要注意不同类型SBR的不同特点。表3 不同类型SBR的特点 特点经典SBRICEASCASSUNKTANU沉淀性能好，处于理想沉淀状态是不是不是不是抑制污泥膨胀(选择性准则)强弱(通过选择池改善)弱(通过预反应段改善)弱处理难降解废水效率高(生态多样性)强弱弱(通过预反应段改善)非常弱除磷脱氮效果(厌氧、缺氧和好氧等)N、PNN、P由于处于理想推流状态，有机物去除率高是不是不是不是不需二沉池和污泥回流，工艺简单是是需要回流是连续进水不是是是是连续出水不是不是不是是注：UNITANK的布置比较紧凑，但是流程比其他类型的SBR要复杂 SBR工艺的改进型工艺介绍 传统的SBR工艺形式在工程应用上存在一定的局限性。首先是在进水流量较大的情况下，对反应系统需要进行调节，但这会相应增大投资；而对出水水质有特殊要求，如脱氮、除磷等工艺，则需对SBR工艺进行适当的改进。因而，SBR工艺在设计和运行中，根据不同的水质条件、使用场合和出水要求，有了许多新的变化和发展，形成了各种新的形式，以下介绍几种主要的SBR最新形式。 二、ICEAS工艺 1. ICEAS工艺的形式ICEAS(Intermittent Cyclic Extended Aeration System)工艺是间歇循环延时曝气活性污泥法的简称。1968年，澳大利亚新南威尔士大学与美国ABJ公司合作开发了“采用间歇反应器体系的连续进水，周期排水，延时曝气好氧活性污泥法”即ICEAS工艺。1976年建成了世界上第一座ICEAS工艺污水处理厂。随后，在日本、加拿大、美国和澳大利亚等地得到了广泛的推广应用，并已建成投产了300多座ICEAS工艺的污水处理厂。1986年，美国环保局正式承认ICEAS工艺为革新代用技术(I/A)。1987年，澳大利亚昆士兰大学联合美国、南非等地的专家对该工艺进行了改进，使之具有脱氮除磷的良好效果，并使废水达到三级处理的要求。ICEAS工艺是20世纪80年代初在澳大利亚发展起来的，1988年，澳大利亚的BHP公司买下全部ABJ公司，在计算机技术的支持下，使该工艺进一步得到了发展和推广，成为目前计算机控制系统非常先进的废水生物脱氮除磷工艺。我国最早采用该工艺的是上海市中药制药三厂，于1991年底投产运行。其测试效果为：BOD5去除率99.199.4，COD去除率95.9%97.0，NH3-N去除率75.178.4(未按除磷脱氮方式运行)。这种工艺一般采用由两个矩形池为一组的SBR反应器，每个池子分为预反应区和主反应区两部分(见图4)。预反应区一般处于厌氧或缺氧状态，主反应区是曝气反应的主体，体积占反应器总池容的590%。 图4 ICEAS的循环操作过程） ICEAS与传统的SBR相比，最大的特点是：在反应器的进水端增加了一个预反应区，运行方式为连续进水(沉淀期和排水期仍持进水)，间歇排水，没有明显的反应阶段和闲置阶段，如图3-9-3所示。ICEAS反应池的这种系统在处理市政污水和工业废水时比传统的SBR系统费用更低、管理更方便。但是由于进水贯穿于整个运行周期的各个阶段，在沉淀期时，进水在主反应区底部造成水力紊动而影响泥水分离时间，因而进水量受到了一定限制。 ICEAS工艺对污水预处理要求不高，只需设格栅和沉砂池。经预处理的污水连续不断地进入反应池前部的预反应区，在该区内污水中的大部分可溶性BOD被活性污泥微生物吸附，并一并从主、预反应区隔墙下部的孔眼以低速进入主反应区。在主反应区内按照“曝气、闲置、沉淀、滗水”程序周期运行，使污水在反复的“好氧厌氧”中完成去碳、脱氮，和在“好氧厌氧”的反复中完成除磷。各过程的历时和相应设备的运行均按事先编好的程序由计算机自动控制。ICEAS反应池的构造简图如图5所示。图5 ICEAS反应器构造简图 我国昆明市第三污水处理厂采用了ICEAS工艺，设计规模为旱季平均10104m3d，旱季高峰20104m3d，雨季高峰30104m3/d，总投资1.3亿元左右。工艺流程如图6所示，其主要技术参数如下。 ICEAS池： 44325m，共14座并联运行 污泥负荷(F/M)： 0.06kgBOD5(kgMLSSd) MLSS： 46002980mg/L水力停留时间： 13.7h工艺部分占地面积： 3.6公顷(54亩)相当于每日每m3水规模占地0.24m2图6 ICEAS工艺流程框图图 污水通过渠道或管道连续进入预反应区，进水渠道或管道上不设阀门，可以减少操作的复杂程度。预反应区一般是不分格的，所以进水是连续不断地流入主反应区。ICEAS是连续进水工艺，不但在反应阶段进水，也可以在沉淀和滗水阶段进水。ICEAS的排水也是通过安装在反应器出水端的滗水器完成的。ICEAS的运行I序由曝气气、沉淀、滗水组成，运行周期比较短，一般为46h，进水曝气时间为整个运行周期的一半。 ICEAS系统的优点是采用连续进水，可以减少运行操作的复杂性。我国昆明的第三污水处理厂采用的就是ICEAS工艺，处理水量5万m3d，反应器分为4组共计28个池子，每组池子的处理水量为1万m3d左右。 ICEAS工艺取得上述优点或进展的同时也付出了一些代价，由于工艺的改革而丧失了部分优点，但保留了反映SBR反应器本质的一条优点，即结构特征上的优越性，同时增加了连续进水和容易放大的优点。与经典SBR的对比见表4。表4 经典SBR与ICEAS工艺的对比经典SBR反应器的优点ICEAS反应器的情况备 注沉淀性能好(理想沉淀理论)连续进水存在扰动，属于平流沉淀两者不同有机物去除效率高(理想推流)连续进水，为非理想推流状态两者不同提高难降解废水的处理效率(生态多样化)厌氧区时间较短，效果有限两者不同抑制丝状菌膨胀通过增加选择池控制污泥膨胀(与活性污泥工艺相同)两者不同可以除磷脱氮，不需要新增反应器除磷脱氮实施有一定难度两者同；不需二沉池和污泥回流，工艺简单不需二沉池和污泥回流，工艺简单两者相同间断进水，控制复杂连续进水，控制简单新增特点难于应用于大型污水处理厂容易应用于大型污水处理厂新增特点 2. ICEAS工艺与经典SBR工艺的对比 沉淀特性不同 ICEAS的沉淀状态与经典SBR的沉淀完全不同，经典SBR属于理想沉淀，而ICEAS的沉淀要受到进水扰动，破坏了其成为理论沉淀的条件。为了减少进水带来的扰动，ICEAS反应池一般设计成长方形，长宽比保持一定的比例，进水、出水分别放在两端，近似于平流沉淀池。对于1万m3d污水，一般的标准设计池宽为10m，如果池长过长水平流速会过大，并且污泥容易流向池子的出水端，所以长宽比一般在(24)：1。这也使得ICEAS工艺的单池无法进一步扩大，这可能是昆明第三污水处理厂分组过多，处理水量仅为15万m3d而分成28个池子的原因。 理想推流性能和污泥膨胀的控制 由于连续进水，ICEAS部分丧失经典SBR理想推流的优点，也同时丧失高去除率和对难降解物质去除的特点。由于流态趋于完全混合，这样就不能控制污泥膨胀的发生，所以需设置选择区，选择区可以是缺氧或兼氧状态。 连续进水便于较大型污水处理厂 ICEAS采用连续进水，不用进水阀门之间切换，控制简单，从而可以应用于较大型污水处理厂。ICEAS工艺的运行周期比较短 每个周期一般为46h，优点是两个池子交替运行，不同时曝气和排水，所需要的曝气设备、管道及排水管渠都可以按单池所需要的一半配置。但是，ICEAS工艺曝气时间和非曝气时间为1：1，设备利用率和容积利用率都低。三、CASS 工艺 1. CASS工艺形式CASS(Cyclic Activated Sludge System)工艺全称为循环式活性污泥法。也被称为CAST(Cyclic Activated Sludge Technology)工艺或CASP(Lyclic Actlvale Sludge Process)工艺。CAST方法在20世纪70年代开始得到研究和应用。CASS工艺的前身是ICEAS工艺，CASS工艺是Goronszy教授在ICEAS工艺的基础上开发出来的，是SBR工艺的一种新的形式。CASS的整个工艺为一间歇式反应器，在此反应器中活性污泥法过程按曝气和非曝气阶段不断重复，将生物反应过程和泥水分离过程结合在一个池子中进行。因此，它是SBR工艺及ICEAS工艺的一种更新变型。与ICEAS相比，CASS的预反应区容积较小，并成为没汁更加优化合理的生物选择器，该工艺将主反应区中部分剩余污泥回流至该选择器中，在运作方式上沉淀阶段不进水，使排水的稳定性得到保障。通常CASS一般分为二个反应区(见图7)：一区为生物选择器，二区为缺氧区，二区为好氧区，各区容积之比一般为1：5：30。图7 CASS反应器的工艺构造生物选择器在循环式活性污泥法工艺中设有生物选择器，生物选择器是设置在CASS前端的小容积区(容积约为反应器总容积的10)，水力停留时间为0.51h，通常在厌氧或兼氧条件下运行。生物选择器的设置是利用活性污泥种群组成动力学的规律，创造合适的絮凝性细菌生长的环境。生物选择器的机理和作用在20世纪70年代和80年代分别由Chudoba和Wanne进行了深入的研究。大量研究结果表明，设计合理的生物选择器可有效地抑制丝状菌的大量繁殖，克服污泥膨胀，提高系统的稳定性。所以选择器的最基本功能是防止产生污泥膨胀。 此外，选择器中还可发生比较显著的反硝化作用(回流污泥混合液中通常含有硝态氮)，其所去除的氮可占总去除率的20左右。 兼氧区 CASS反应器中硝化和反硝化过程在曝气阶段同时进行。运行时控制供氧强度以及曝气池中溶解氧浓度，使絮凝体的外周能保证有一个好氧环境进行硝化；同时，由于溶解氧浓度得到控制，氧在污泥絮体内部的渗透传递作用受到限制，而较高的硝酸盐浓度(梯度)则能较好地渗透到絮体的内部，因此在絮体内部能有效地进行反硝化过程。通过污泥回流，将部分硝酸盐氮带人生物选择器和兼氧区中，因此在其中也有部分反硝化功能。另外，在曝气停止后的非曝气阶段中，沉淀污泥床中也存在一定的反硝化作用。 在完全混合反应区之前兼氧区是在厌氧或兼氧条件下运行的，对进水水质水量的变化有缓冲作用，同时还具有促进磷的进一步释放和强化反硝化的作用。其对大分子物质发生水解的作用，对于难降解物质的去除、提高有机物的去除率有一定的促进效果。因为生物除磷的效果很大程度上取决于进水中所含有的易降解基质的含量，在兼氧区中活性污泥通过水解酶分解大量易降解的溶解性基质为挥发酸，这些易降解物质可用于后续的生物除磷过程，对整个系统的生物除磷功能起着非常重要的作用。系统中通过曝气和非曝气阶段使活性污泥不断地经过好氧和厌氧的循环，这些反应条件将有利于聚磷细菌在系统中的生长和累积，因此系统具有生物除磷的功能。根据Goronszy等人的研究，当微生物体内吸附和吸收大量易降解物质而且处在氧化还原电位为+100-150mV的交替变化的环境中时，系统具有良好的生物除磷功能。 好氧区 主反应区则是最终去除有机底物的主场所。运行过程中，通常将主反应区的曝气强度加以控制，以使反应区内主体溶液处于好氧状态，而活性污泥结构内部则基本处于缺氧状态，溶解氧向污泥絮体内的传递受到限制，而硝态氮由污泥内向主体溶液的传递不受限制，从而使主反应区中同时发生有机污染物的降解以及同步硝化和反硝化作用。该区主要完成降解有机物和硝化反硝化过程。 污泥回流排除剩余污泥系统 由于CASS反应器设置了三个反应区，所以污泥无法自动回到第一、二反应区。在池子的末端设有潜水泵，污泥通过此潜水泵不断地从主曝气区抽送至选择器中(污泥回流量约为进水流量的20左右)，所设置的剩余污泥泵在沉淀阶段结束后将工艺过程中产生的剩余污泥排出系统，剩余污泥的浓度一般为10gL左右。主反应区污泥回流到选择区与进水混合，可以充分利用活性污泥的快速吸附作用，加速对溶解性底物的去除并对难降解有机物起到良好的水解作用，同时可使污泥中的磷在厌氧条件下得到有效的释放。 滗水器和运行阶段 CASS与ICEAS一样也是连续进水工艺，运行工序也由曝气、沉淀、滗水组成。CASS一般也采用多个池子为一组(一般为2个)。循环开始时，由于充水，池子中的水位由某一最低水位开始上升，经过一定时间的曝气和混合后停止曝气，以使活性污泥在一个静止的环境中沉淀。在完成沉淀阶段后，由一个移动式撇水堰排出已处理的上清液，使水位下降至池子所设定的最低水位，然后再重复上述过程。为保持池子中有一个合适的污泥浓度，需要根据产生的污泥量排出相应的剩余污泥。排除剩余污泥一般在沉淀阶段结束后进行，排出的污泥浓度可达10gL左右。CASS的运行工序见图8。图8 CASS工艺流程图 CASS是一种具有脱氮除磷功能的循环间歇处理工艺。CASS生物选择器和预反应区的设置和污泥回流的措施，保证了活性污泥不断地在选择器中经历一个高絮体负荷阶段，从而有利于系统中絮凝性细菌的生长；可以提高污泥活性，使其快速地去除废水中溶解性易降解基质，进一步有效地抑制丝状菌的生长和繁殖；同时沉淀阶段不进水，保证了污泥沉降无水力干扰在静止环境中进行，可以进一步保证系统有良好的分离效果。 传统活性污泥法在设有生物除磷系统时，如污泥在二沉池停留时间过长，则可能出现磷在二沉池污泥区的再释放，从而使出水中总磷浓度上升，而在循环式活性污泥系统中污泥处于厌氧状态的时间可得到有效的控制，故无此现象。在循环式活性污泥系统中，废水中的硝酸盐在选择区和预反应区得到两次去除，所以对硝酸盐生物除磷的影响极微。在不增加其他处理单元的条件下，4h循环周期的系统中其生物除磷的效果在8090左右。 2. CASS反应器的主要设计参数表5 CASS工艺处理不同规模城市污水时的主要设计参鼓主要设计参数人口当量37500300000600000CASS池数单池面积/m2最小充水比最小停留时间/h最大设计流量/(m3/d)BOD5处理量/(kg/d)TKN处理量/(kg/d)TSS处理量/(kg/d)P处理量/(kg/d)循环次数/（次(d池)充水-曝气时间/h充水-沉淀时间/h滗水时间/h 2 772 0.33 9.1 18546 2255 382 3377 77 6 2 1 1 4 2552 O.19 16.8 85000 15000 3500 15000 900 6 2 l 1 8 2352 O.33 11.9 192000 37140 3518 30400 550 6 2 1 1 含有较多工业废水。CASS反应器的主要设计参数有：最大设计水深可达56m，MISS为35004000mgL，充水比为30左右，最大上清液滗除速率为30mmmin，固液分离时间60min，单循环时间（即1个运行周期）通常为4h（标准处理模块)。处理城市污水时，CASS中生物选择器、缺氧区和主反应区的容积比一般为l：5：30。具体设计参数见表5。3. CASS工艺与ICEAS工艺的对比CASS反应器除了ICEAS工艺本身具有的相应于传统SBR反应器的缺陷外，其一个更加显著的缺点是由于CASS工艺采用了分隔式的反应器构造，CASS在整个周期都需要进行污泥回流，以使反应器的前部也保持一定的污泥浓度。CASS增加了回流和兼氧区，回流需要有潜水泵，增加了投资和运行费用，使得SBR越来越像传统活性污泥法。与ICEAS工艺相比，CASS工艺有以下几个变化：增加了污泥回流系统；加大了预反应区的体积增加了兼氧区。 通过以上三个措施，CASS反应器强化了以下功能： 加速对溶解性底物的去除和对难降解有机物的水解作用； 加大兼氧区，强化污泥中的磷在厌氧条件下的有效释放； 选择器和兼氧区中还可发生比较显著的反硝化作用； 采用多池串联运行，使废水在反应器的流动呈现出整体推流而在不同区域内为完全混合的复杂流态，保证了处理效果； 改善污泥的沉降性能，防止污泥膨胀问题的发生。 可以认为CASS反应器解决了1CEAS工艺对于SBR优点部分的弱化问题，使得SBR工艺又获得了进一步的改善。 4. CASS工艺的沉淀和滗水问题 污水首先流人CASS反应器的选择区和兼氧反应区内，经初步处理后再进入主反应区。CASS反应器即使在沉淀、充水和滗水等阶段，污水也进入主反应区，因此在CASS反应池设计时，需要对池的几何尺寸及其内挡板位置和挡板开孔(将预反应器和主反应器连成一体的孔)的数量和池子的面积(长宽比)等因素精心设计。 当系统停止曝气后整个反应池成为一个较理想的平流沉淀池，未处理水经布水器进入预反应池后以低速流动。张志仁等人认为CASS反应池在沉淀阶段处于半静止状态，其控制的表面水力负荷为0.30.5m3(m2h)，固体表面负荷为1015kg(m2h)，水平流速为0.030.05mmin。事实上对于小型的CASS工艺采用延时曝气系统，由于反应器容积较大，所以上述指标是比较容易达到的。 例如：某项目处理水量为3500m3d，采用三个CASS反应池，每个池子的几何尺寸为深宽长=4.5m 6m18m，核算其水平流速为0.03mmin，表面负荷为0.45m3(m2h)。但对负荷较高、停留时间短的SBR，以上条件就不容易满足，如例中的设计负荷为0.1kgBOD5(m3d)，如果提高负荷1倍，则水平流速和表面负荷均增加1倍，显然就无法满足上述要求。 如果CASS工艺(或其他SBR工艺)达到上述设计指标，能否充分保证连续进水的CASS工艺对于沉淀效果和出水水质不产生重要影响，需要考虑如下几个原则。 水平流速不影响沉淀效果 这可以参考平流式初沉池和池的水平流速，同时也可以借鉴给水中混凝沉淀池的设计参数，具体参数见表6。表6沉淀池设计的有关速度参数项 目初沉池二沉池给水沉淀池平流速度/（mm/s）水力负荷m3(m2h)固体负荷kg(m2d)出水堰负荷/L(sm)51.O3.O1.O2.O150I.52.91025最高3010)0.10.6mm/(沉降) 水平流速不产生穿透 主反应区的设计需要对沉淀、排水阶段连续进入反应池的污水加以考虑，使其在主反应区内的扩散前沿在此期间未进入排水区内，不致因连续进水而使原污水短路，即要求：水平流速非曝气时间池长 注意以上和所涉及的流速，既要考虑进水流量 单池为进水流量(Q)的一半，同时也需要考虑滗水时的流量，一般按滗水时间1.0h计算，流量与滗水深度有关。 需要考虑滗水期间的滗水时间和穿透负荷，使得水平流速和上升流速均不产生穿透；滗水器的出水负荷(0)应满足： D=V滗水(TL)其中，V滗水为一次滗水的体积；T为滗水时间；L为滗水器的长度。 在进水部位上，需要考虑污水经过沉人池底的污泥层并被吸附处理后才能进入主反应器，这样即使有一部分水在滗水阶段后期进人主反应池，也因经过污泥沉降层的阻挡而改变丁其运动方向。随着电子计算机的日益普及，CASS工艺由于其投资和运行费用低、处理性能高超，尤其是优异的脱氮除磷功能而越来越得到重视。该工艺已广泛应用于城市污水和各种工业废水的处理，目前全世界有300多座各种规模的CASS污水处理厂正在运行或建造中。四、IDEA工艺在CASS工艺的基础上，采用了连续进水，间歇曝气，周期排水运行方式的IDEA(间歇排水延时曝气（Ihterminttent Decanted Extended Aeration)工艺，如图9所示基本保持了CASS工艺的优点。与CASS相比， IDEA工艺将生物选择器改为与SBR主体构筑物分立的预混合池，部分剩余污泥回流入预混合池，且采用反应器中部进水。预混合池的设立可以使污水在高絮体负荷下有较长的停留时间，保证高絮凝性细菌的选择。图9 IDEA工艺流程图五、DAT-IAT工艺 DAT-IAT工艺的主体构筑物由两个串联的反应池组成，即需氧池(Demand Aeration Tank简称DAT池)和间歇曝气池(Intermittent Aeration Tank简称IAT池)组成，一般情况下DAT池连续进水、连续曝气，其出水进入IAT池，在此可完成曝气、沉淀、滗水和排出剩余污泥工序，是SBR法的又一种变型，其典型的工艺流程如图10所示。图10 DAT-IAT工艺流程图1DAT-IAT工艺的操作过程DAT-IAT工艺的反应机理及污染物的去除机理与传统活性污泥法、SBR基本相同，仅是构筑物的构成方式和运行操作不同，它是在一组反应池中，在时间上进行各种目的不同的操作。其具体操作工序如下。(1)进水工序 进水连续地进入DAT池，并经连续曝气(初步生化)后通过双层导流设施进入IAT池。 (2)反应工序 分两部分进行，首先是DAT池，在连续进水的同时连续曝气，曝气时间为每天20h左右(视水质、水量而定)，该池的作用机理与操作和传统的活性污泥曝气池基本相同。由于该池是连续进水，对整个反应系统起到了水力均衡作用。其次是经DAT池初步生化后的污水通过导流装置连续不断地进入IAT池，按工艺计算需进行一定时间的曝气或搅拌，以达到好氧反应的目的(去除BOD5、硝化)。有时为了达到更好的沉淀效果，在反应工序的最后阶段进行曝气，以去除附着在污泥上的氮气。排除剩余污泥的工作也可以在该工序进行。 (3)沉淀工序 沉淀工序只发生在IAT池，当IAT池停止曝气和搅拌后，活性污泥进行沉淀和上清液的分离。 (4)排水工序 只发生在IAT池，采用滗水器进行滗水。IAT池底部沉降的活性污泥，一部分做为该池下个处理周期的回流污泥使用，另一部分用污泥泵打回DAT池做为DAT池下个周期的活性污泥。剩余污泥引至污泥处理装置进行污泥处理。另外，反应池中还剩下一部分处理水，可起到循环和稀释作用。 (5)闲置工序 在IAT池沉淀之后到下个周期开始期间，可以根据污水性质设置闲置期，在该时段内可根据需要进行搅拌或曝气，以保持污泥活性。在以除磷为目的的装置中，剩余污泥的排放一般是在闲置工序之初和沉淀工序的最后进行。 2DAT-IAT工艺的特点 (1)工艺稳定性高 由于DAT池连续进水，连续曝气起到了水力均衡作用，提高了工艺处理的稳定性；DAT池和IAT池能够保持较长的污泥龄和很高的MLSS浓度，对有机负荷及毒物有较强的抗冲击能力；由于IAT池可任意调节状态，有利于去除难降解的有机物。 (2)处理构筑物少，工艺流程简单 DAT-IAT反应池集曝气、沉淀于一体，不仅可省去初沉池、二沉池和污泥回流装置，同时，由于运行过程中，污泥已得到好氧稳定，不需消化处理，只需浓缩脱水即可，又可省去了消化池。 (3)可脱氮除磷 通过调节IAT池的曝气和间歇时间，使污水在池中交替处于好氧、缺氧和厌氧状态，可以方便地实现脱氮除磷，是一种很好的生物脱氮除磷工艺。 (4)节省投资 DAT池与IAT池串联设置，可减少滗水器的安装数量；由于DAT池为连续进水，因此不需要顺序进水的闸阀及自控装置；由于DAT池为连续曝气减少了曝气强度，所需鼓风机的额定能力(风量)比普通SBR工艺少；串联布置的DAT池与DAT池之间采用共享墙，土建费用可节省；相应的反应池控制系统也简单。六、UNITANK工艺随着城市及工业污水的水质、水量的不断变化及环保法对处求的不断提高，而可利用的土地资源越来越少，这就要求污水系统不仅要有极大的灵活性，而且还需尽可能地节约用地。UNITANK工艺正是应这些方面的要求而开发出来的一种先进的污水处理工艺。比利时SEGHERS公司提