工艺技术_污水处理工艺的应用研究论文

工程硕士学位论文 CAST 污水处理工艺的应用研究 廖 钧 北京工业大学 2007 年 4 月 分类号 X703.1 单位代码：10005 学 号：G200405005 密 级： 公开 北京工业大学工程硕士学位论文北京工业大学工程硕士学位论文 题题 目目 CAST 污水处理工艺的应用研究污水处理工艺的应用研究 英文题目英文题目 RESEARCH ON APPLICATION OF CYCLIC ACTIVATED SLUDGE TECHNOLOGY PROCESS IN SEWAGE TREATMENT 研究生姓名： 廖 钧 工程领域： 环境工程 研究方向： 污水生物处理 导师姓名： 彭永臻 职称： 教授（博导） 廖文贵 教授 论文报告提交日期 2007 年 4 月 学位授予日期 授予单位名称和地址 北京工业大学 北京市朝阳区平乐园 100 号 摘 要 I 摘 要 鉴于 “十一五” 期间我国将大力兴建城市污水处理厂， 特别是中小型污水处理厂， 使新增城市污水处理能力达到 5000 万 m3/d。为此有必要对脱氮除磷效果优良、投资 和运行费用省、 占地少、 管理相对简便并获得广泛应用的 CAST 工艺进行调研和总结， 找出其在设计和运行中存在的问题和改进的对策，以利进一步推广。本文就是根据上 述思路和我的设计、运行经验及有关成果写成。 1. 简要介绍了 SBR 技术及其特点和它的各种改进型工艺。并着重介绍了 CAST 工艺及其发展沿革；综述了 CAST 工艺的基本原理及其关键问题；概括了 它的特点、优势和适用范围以及其在国内外应用现状等。 2. 列举了 CAST 工艺在应用中存在的问题，并在总结设计、建设、运营经验 教训的基础上，提出各种改进措施。 3. 用较大篇幅对目前国内CAST工艺主要设计计算方法进行了详细的分析和 论证，指出这些方法各自的特点、有益的内容和存在的问题。在此基础上，本 文提出并推荐一种实用的设计计算方法。 4. 详细介绍了推荐的设计计算方法的步骤、要点和具体方法及内容。并制定 出供设计采用的各种表格，以方便设计时直接选用，免除了繁琐的计算过程。 5. 对推荐方法中引用的 ATV-A131E 标准中所推荐的C、 Yt、 OVc 等计算式 进行了推导和论证，找出其来龙去脉，使其具有理论依据和公认的共同标准。 6. 在“推荐方法”与其他方法的比较中，列举了“推荐方法”的各种优点， 特别是依据硝化和反硝化所需之泥龄及相应的污泥总产率系数来导出的污泥负 荷具有理论依据和公认的共同标准，克服了其他方法的主观任意性。在与“沉 降因素法”比较中，指出其在诸多方面夸大了 CAST 工艺在沉降过程中的难度； 反复论证了 CAST 反应池在满足固液分离功能方面的优势，其沉降功能不是设 计计算方法的制约因素。 本 “推荐方法” 还在多项实际工程的应用中证明其处理效果优异： 值得注意的是， 所有出水的 SS 均在 10mg/L 左右，证明了按本“推荐方法”设计的 CAST 反应池也能 很好地满足固液分离的功能。 关键词 SBR 技术；CAST 工艺；活性污泥法；脱氮除磷；设计计算方法 北京工业大学工程硕士学位论文 II Abstract III Abstract In the period of the “11th Five-Year Plan“, China will vigorously construct urban sewage treatment plants, particularly small and medium ones, so as to increase the new urban sewage treatment capacity to 50 million m / d. For this reason it is necessary to research and review the CAST, which has a good effect of nitrogen and phosphorus removal, low costs of investment and running, small ground coverage, relatively simple management and widely applications, so that we can identify the existing problems in its design and operation, and find out an improvement plan to facilitate the further promotion. This paper is written based on the above ideas, my experience in design and operating and other related findings. 1. It briefly introduces the SBR technology - its features and improvement process. And it highlights the CAST technology and its evolution; outlines its basic principles and key issues; summarizes its characteristics, advantages, application scope and current status at home and abroad, etc. 2. It lists the problems in the application of CAST, and put forward various improvement measures based on experience and lessons of its design, construction and operation. 3. It also dwells at length on the current domestic CAST main design and calculation methods, and gives detailed analysis and demonstration, shows the respective characteristics and useful contents and the existing problems of these methods. On this basis, this paper presents and recommends a practical design and calculation method. 4. It concludes in detail the steps, elements, specific methods and content of the recommended design and calculation method. And to facilitate the direct use in design, it presents various forms, which eliminate the cumbersome calculating process. 5. It also derives and demonstrates the C、Yt、OVc formulas cited in ATV-A131E standards, identifies its origin, thus making it a generally accepted theoretical basis and a common standard. 6. In the comparison of the “recommended method“ and other methods, it lists 北京工业大学工程硕士学位论文 IV various advantages of the “recommended method“. It particularly describes that the “recommended method“ derives sludge load on the basis of the needed SRT of nitrification and denitrification and the corresponding total sludge yield coefficients, which has theoretical basis and recognized common standards, in this way the “recommended method“ overcomes the subjective arbitrary of other alternatives. In the comparison with the “settlement factors method“, the paper points out that in many areas of CAST, the “recommended method” exaggerates difficulties in the settlement process; and it repeatedly demonstrates the advantage of the CAST reaction tank in meeting the solid-liquid separation requirement, and its settlement function is not a restriction in the design and calculation method. The “recommended method“ also proves to have excellent effect in a number of practical engineering applications. It is noteworthy that all the out-coming waters SS is 10 mg / L, which proves that CAST reaction tank designed based on the “recommended method“ can primely perform the solid-liquid separation function. Keywords: SBR technology; CAST; Activated sludge method; Nitrogen and phosphorus removal; Design and calculation Method 目 录 I 目 录 目 录 摘 要.I ABSTRACT.III 第 1 章 绪论1 1.1 引 言.1 1.2 SBR 技术简介2 1.3 CAST 工艺的发展历史及其基本原理5 1.3.1 CAST 工艺及其发展历史.5 1.3.2 CAST 工艺的基本原理及其关键问题.8 1.4 CAST 工艺的特点、优势和适用范围 11 1.5 CAST 工艺的应用现状12 1.5.1 在国外的应用现状.12 1.5.2 在国内应用的现状.14 1.6 研究的目的与任务16 第 2 章 CAST 工艺在应用中存在的问题和改进措施.- 17 - 2.1 在设计参数取值方面- 17 - 2.1.1 设计流量的取值及峰值流量的对策- 17 - 2.1.2 充水比和周期数- 17 - 2.1.3 曝气和非曝气时间- 18 - 2.1.4 BOD5污泥负荷- 19 - 2.1.5 污泥总产率系数- 19 - 2.1.6 污泥指数（SVI）和沉淀性能问题- 20 - 2.1.7 需氧量转换系数- 20 - 2.2 在设计计算方面.- 21 - 2.2.1 目前国内存在多种设计计算方法- 21 - 2.2.2 上述方法存在的问题- 22 - 2.3 在设备选型等方面.- 22 - 北京工业大学工程硕士学位论文 II 2.3.1 细格栅的选型与除浮渣问题- 22 - 2.3.2 排泥方式- 22 - 2.3.3 曝气系统方面- 23 - 2.3.4 培养细菌试运行问题- 24 - 2.4 在自控方式方面.- 24 - 2.5 本章小结.- 24 - 第 3 章 CAST 工艺设计计算方法的研究.- 26 - 3.1 对目前国内 CAST 工艺主要设计计算方法的分析 - 26 - 3.1.1“指南方法”的特点及问题.- 26 - 3.1.2“新规范方法”的特点及问题.- 27 - 3.1.3“沉降因素法”的特点和问题.- 28 - 3.2“推荐方法”的要点和步骤- 31 - 3.3“推荐方法”简介- 31 - 3.3.1 根据进水水质选定曝气和非曝气时间以及其它周期性参数- 31 - 3.3.2 根据处理目标按 ATV 标准的方法计算泥龄- 31 - 3.3.3 按 ATV 标准推荐式计算污泥总产率系数.- 34 - 3.3.4 确定脱氮除磷所需的污泥负荷- 36 - 3.3.5 计算充水比和安全容积.- 37 - 3.3.6 计算反应池容积和相关尺寸- 38 - 3.3.7 按 ATV 标准的推荐式计算供气量- 39 - 3.3.8 计算剩余污泥量- 43 - 3.4“推荐方法”与其它方法的比较- 43 - 3.4.1“推荐方法”与“指南方法” 、 “新规范方法”的比较.- 43 - 3.4.2“推荐方法”与“沉降因素法”的比较.- 44 - 3.5 本章小节.- 56 - 第 4 章 推荐方法在实际工程中的应用- 58 - 4.1“推荐方法”在实际工程中应用概况- 58 - 4.2 大连市老虎滩污水处理厂及其应用分析- 59 - 目 录 III 4.3 泰州市第一污水处理厂及其应用分析.- 69 - 4.4 本章小结.- 76 - 结论与建议- 78 - 参考文献81 攻读学位期间发表的学术论文及主持的项目85 致 谢86 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪论 1.1 引 言 随着经济的迅速发展和人口的急剧膨胀，世界上许多国家和地区相继出现了水资 源匮乏现象。联合国第二次人类居住区大会称：“到 2010 年，世界城市将面临十分 严重的缺水问题，并且将成为 21 世纪城市里最容易引起争端的问题。”与此同时， 污水排放量日益增加，全世界每年约有 4200 多亿立方米的污水排入江河湖海，对水 体造成严重污染， 使水资源危机雪上加霜。 我国是世界上人均占有水资源较少的国家， 仅相当于世界平均水平的 1/4，且水资源时空分布极不均匀。目前在我国 660 多个城 市中已有约 400 多个城市缺水，110 多个城市严重缺水。与此同时，污水排放量却日 益增加。2005 年约有 524.5 亿立方米的污水排入水体，比上年增加 8.7%，而污水处理 率仅 50，致使水系受到严重污染。目前我国七大水系流经城市河段的 741 个重点监 测断面中，仅有 30%满足国家地面水类水质标准，其余的均受到不同程度的污 染。几乎有 70%水资源已经污染而无法饮用，为此加强水环境的保护和治理具有重大 意义。 温家宝总理在 2006 年 4 月召开的第六次全国环境保护大会上强调，一定要充分 认识中国环境形势的严峻性和复杂性，充分认识加强环境保护工作的重要性和紧迫 性，把环境保护摆在更加重要的战略位置。 “国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要”提出“十一五”期间，化学需氧 量排放总量减少 10%作为约束性指标。为此，全国城市污水处理率要从 2005 年的约 51.99%提高到 2010 年的 70%， 新增城市污水处理能力 5000 万立方米/日， 以削减 COD 排放量 350 万吨。 国务院关于落实科学发展观，加强环境保护决定提出七项重点任务和八项重 点环保工程中，都把加强水污染治理和建设城市污水处理工程放到了重要的位置。 根据上述重要文件和重要讲话的精神，“十一五”期间，我国将大力兴建城市污水处 理厂，特别是中小型城市污水处理厂。为此有必要对脱氮除磷效果优异、投资和运行 费用省、占地少、管理相对简便并被广泛采用的 CAST 工艺进行调研和总结，总结出 该工艺在工程设计和运行方面出现的问题和改进措施，以利于该工艺进一步完善和推 广，满足“十一五”期间大力兴建城市污水处理厂的需要。 北京工业大学工程硕士学位论文 2 1.2 SBR 技术简介 SBR (Sequencing Batch Reactor)是序批式反应器的简称，它集曝气、沉淀于一池， 在单一反应池内利用活性污泥完成污水的生物处理和固液分离，而不需另设二沉池及 大量污泥回流。SBR 是污水活性污泥生化处理系统的先驱，早在 1914 年 Arden 和 Locket 首次提出活性污泥法的概念时采用的操作方法就是间歇式的，然而直到近些年 随着自控技术的飞速发展，大量新设备被研制出来，特别是计算机自动控制系统的发 展从根本上解决了系统运作时机电时序控制问题，因此 SBR 技术才得以完全更新， 并被美国环境保护署(US EPA)推荐为一项低投资、低操作成本及维修费用，高效益的 环境新技术。据 EPA 调查，在污水流量一定时，选择 SBR 要比传统的活性污泥处理 节省许多，而在大多数情况下，SBR 的投资额又低于氧化沟工艺，这一点已被大量的 工程实例所证实。 在该系统中，反应池在一定时间间隔内充满污水，以间歇处理方式运行，处理后 混合液静止沉淀一段预定的时间后，从池中排除上清液。典型的 SBR 系统分为：充 水、反应、沉淀、排水与闲置 5 个阶段，其运行方式如图 1-1 所示。 反应器工作状态 处理水 剩余污泥 充水 反应 沉淀 排水 闲置 充水阶段 反应阶段沉淀阶段排水阶段闲置阶段 时 序 图图 1-1 SBR 运行模式图运行模式图 第 1 章 绪 论 3 根据污水流入曝气池和曝气开始的时间，SBR 法可分成非限制曝气、半限制曝气 和限制曝气三种。非限制曝气是污水流入曝气池起就开始曝气，半限制曝气是当污水 流入曝气池一段时间后再开始曝气，限制曝气是待污水全部流入曝气池后才开始曝 气。 在 SBR 处理系统中，可采用单池式和多池式。这主要根据处理水量的大小而定。 单池式，即仅有一个 SBR 反应池，就整个工艺系统而言，其进水是间歇式的。多池 式，即整个系统存在 2 个或多个 SBR 反应池，其进水可在各个反应池间交替进行， 就整个工艺系统而言，其进水是连续式的。 SBR 工艺有如下特点： （1） ） 工艺流程简单，占地少：SBR 工艺无初沉池，也没用专门设置的二沉池 及污泥回流系统，而且也无需混合液内回流，布置紧凑，占地少，可节省用地 30以上，节省投资 20以上，同时还可以降低能耗； （2） ） 出水水质好：SBR 工艺在时间上为理想的推流式反应过程，反应推动力 大，降解速度快，处理效率高；另外，SBR 工艺为理想的静止沉淀，固液分离效 果好，因此出水水质优于传统的活性污泥法； （3） ） 运行方式灵活，除磷脱氮效果好：SBR 工艺进水时可曝气，或不曝气而 仅进行搅拌；反应阶段也可曝气、搅拌，或两者交替进行，为除磷脱氮创造厌氧、 缺氧、好氧的有利环境，满足了除磷脱氮的要求； （4） ） 运行稳定：SBR 工艺在时间上为理想的推流式反应过程，浓度梯度大且 缺氧、好氧交替进行，有利抑制丝状菌的增殖，因此 SBR 工艺是防止污泥膨胀 的好工艺；此外，SBR 工艺为间歇非稳态反应，且无初沉池，SVI 值较低，污泥 沉降性较好，因此运行稳定可靠； （5） ） 耐冲击负荷：SBR 反应池在空间上仍属典型的完全混合式，污水逐渐进 入反应池，逐渐反应；且进水一般只占反应池容积的 1/31/5，有很大的稀释均 化作用，能处理有毒或高浓度有机废水，具有很强的抗冲击负荷能力； （6） ） 可控性好：尽管 SBR 工艺控制较复杂，但易于实现自动控制，能根据进 水水质和水量情况，灵活改变反应时间（包括好氧、缺氧、厌氧）和泥龄的长短， 北京工业大学工程硕士学位论文 4 使出水达标排放； 尽管 SBR 法还存在设备闲置率较高，污水提升水头较大的不足，但 SBR 法具有 投资省、占地少、动力消耗低、流程简单、运行管理灵活、自动化程度高、剩余污泥 少等诸多优点，尤其适合中小规模的污水处理厂。因此近年来被广泛地应用于各种污 水处理工程，也积累了大量的实践经验，工艺越来越成熟，处理规模也越来越大，目 前国内最大处理水量已达到了每天 15 万吨的处理规模。 随着 SBR 工艺技术的不断发展和在工程应用的增多， SBR 工艺也逐步得到了实践 的检验，并在此基础上得到了很大的发展，形成了 SBR 系列改进型工艺，其分类和 特点如下1： （1） ） 传统式 SBR 工艺：它的所有操作都是间歇的，周期性的。它的脱氮除磷 效果不够稳定，如要求脱氮除磷，需做一些改进，仅适用于小型污水处理厂； （2） ） ICEAS 工艺（Intermittent Cyclic Extented Aeration System）：即间歇式 循环延时曝气活性污泥法。它采用隔墙将反应池分为两部分，前面是预反应区， 后面是主反应区；连续进水，间歇曝气、沉淀、排水、排泥。它可以脱氮除磷， 但效果不够理想。可用于较大型的污水处理厂； （3） ） IDEA 工艺（Intermittently Decanted Extended Aeration）：即间歇排水延 时曝气工艺。它由多座反应池组合，预混合池集中设置与反应池分开，并从反应 池向预混合池回流污泥，以利抑止污泥膨胀。该工艺脱氮除磷效果一般，适用于 对脱氮除磷要求不高的中小型污水处理厂； （4） ） DAT-IAT 工艺：即连续曝气和间歇曝气相结合的工艺，反应池由中部的 隔墙分为两部分，前半部分的 DAT 连续进水曝气，后半部分的 IAT 间歇曝气、 沉淀、排水、排泥。它的脱氮除磷效果一般，需进一步处理才能获得较好的脱氮 除磷效果，可用于较大型的污水处理厂； （5） ） CASS 工艺：即循环式活性污泥法。该工艺将反应池分为生物选择区、 预反应区（缺氧区）和主反应区三部分。除排水期外，在曝气期、沉淀期。闲置 期均进水。主反应区的污泥以进水量的 20回流到选择区；它对抑制污泥膨胀 和除磷都很有利。适用于对脱氮除磷要求较高的污水处理厂； 第 1 章 绪 论 5 （6） ） CAST 工艺：也称循环活性污泥工艺。它类似 CASS 工艺，所不同之处 是在非曝气期（沉淀和排水期）不进水，可省去预反应区，仅保留生物选择区和 主反应区，以确保沉淀、排水期为静置沉淀，排出水不会有短流。因此，出水水 质好，能保证较高的脱氮除磷效果，适用于对脱氮除磷要求较高的中小型污水处 理厂； （7） ） 三沟式氧化沟：该工艺为 SBR 工艺与氧化沟工艺相结合。中沟常曝气， 两侧的边沟轮流进行曝气、沉淀和排水，三条沟的污泥浓度差别较大，常用机械 曝气，脱氮效果尚可，但除磷效果不佳。适用于结构简易的污水处理厂； （8） ） UNITANK 工艺：将三沟式氧化沟改为三池，机械曝气改为鼓风曝气， 池深可大大加大，出水改为固定堰，占地较少，但除磷效果不佳。可用于土地紧 张的较大型污水处理厂。 1.3 CAST 工艺的发展历史及其基本原理 1.3.1 CAST 工艺及其发展历史 CAST 工艺（Cyclic Activated Sludge Technology）是一种循环式活性污泥法，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。CAST 工艺是一种“充 水和排水”活性污泥法系统，废水按一定的周期和阶段得到处理，是 SBR 工艺的一 种改进型。CAST 工艺在七十年代开始得到研究和应用234，随着电子计算机的日益 普及,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处理。 CAST 工艺将可变容积活性污泥法过程和生物选择器原理进行有机的结合，覆盖 包容了各种描述此类工艺所采用的如简称为 IDEA 的间歇排水延时曝气工艺 （Intermittently Decanted Extended Aeration） ； IDAL间歇排水曝气塘工艺 （Intermittently Decanted Aerated Lagoons）；ICEAS 间歇式循环延时曝气活性污泥法（Intermittently Cyclic Extended Aeration System）；CASS 或 CASP 或 CAST 的循环式活性污泥法 （Cyclic Activated Sludge System；Cyclic Activated Sludge Process；Cyclic Activated 北京工业大学工程硕士学位论文 6 Sludge Technology）。 1969 年 Goronszy 教授从连续进水间歇运行的氧化沟工艺着手从事可变容积活性 污泥法的研究开发工作，并于 1975 年将连续进水间歇运行的工艺方法应用于鼓风曝 气的矩形池子，1978 年又利用活性污泥基质积累再生理论、根据基质去除与污泥负荷 的实验结果以及污泥活性组成和污泥呼吸速率之间的关系，将生物选择器与序批式活 性污泥法工艺加以有机的结合，开发成功循环式活性污泥法。于 1984 年和 1989 年分 别在美国和加拿大取得循环式活性污泥法工艺的专利（CASS）。CASS 工艺的前身为 ICEAS 工艺，也由 Goronszy 教授开发而成。CAST 工艺是在沉淀阶段无进水411,故 可保证沉淀过程在静止的环境中进行；在操作循环的曝气阶段（同时进水）完成生物 降解过程；在非曝气阶段完成泥水分离功能；排水装置系移动式滗水堰，籍此可将每 一循环操作中所处理的废水经沉淀阶段后排出系统。图 1-2 表示单池或多池 CAST 系 统的各个循环操作过程，可看出生物选择器和主反应区之间的相互联系。 第 1 章 绪 论 7 I生物选择器；II主反应区 图 图 1-2 CAST 系统的循环操作过程系统的循环操作过程 滗水器 最低水位 回流污泥 空气 1.进水曝气阶段开始 进水 滗水器 最低水位 3.开始沉淀 I 滗水器 最高水位 空气 2. 曝气阶段结束 I 进水 回流污泥 滗水器 最高水位 4. 沉淀结束，开始滗水 滗水器 最高水位 5. 滗水结束，闲置和排泥 I I I I I 北京工业大学工程硕士学位论文 8 1.3.2 CAST 工艺的基本原理及其关键问题 与传统意义的 SBR 反应器不同21213，CAST 工艺在进水阶段中不设单纯的充水 过程或缺氧进水混合过程，另外一个重要特性在于反应器的进水处设置一生物选择 器，它是一容积较小的污水污泥接触区，进入反应器的污水和从主反应区内回流的活 性污泥（回流量约为日平均流量的 20）在此相互混合接触。生物选择器的设置严格 遵循活性污泥种群组成动力学的有关规律，创造合适的微生物生长条件并选择出絮凝 性细菌，其机理和作用在七十和八十年代分别由 Chudoba 和 Wanner 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细菌的大量繁殖， 抑制污泥膨胀，提高系统的稳定性。CAST 工艺中的池子构造和操作方式可允许在一 个循环中同时完成硝化和反硝化过程。在设计生物选择器时，必须确保在高污泥絮体 负荷条件下有利磷释放的环境；能保证通过酶促反应机理快速去除废水中的溶解性物 质 （累积在微生物体内） ； 在污泥回流液中存在的少量硝酸盐氮 （约为 NO3-N=2mg/L） 可得到反硝化；反硝化量可达整个系统反硝化容量的 20左右；泥水混合液通过主反 应区， 顺序经过缺氧好氧缺氧厌氧环境； 活性污泥在此过程中得到再生。 图 1-3 及图 1-4 所示为位于 Rottnest Island（澳大利亚）的某一 CAST 污水处理厂在进水曝气 阶段氨氮浓度、硝酸盐氮浓度以及溶解氧浓度的典型变化曲线。 图 1-3 进水曝气阶段氨氮、硝酸盐氮及溶解氧浓度的典型变化曲线 第 1 章 绪 论 9 图 1-4 进水曝气阶段溶解氧浓度的典型变化曲线 从这些数据可求得，好氧阶段总氮的去除速率在 3.6mg/gMLSSh 左右（2528 ）；另外，曝气阶段结束后约 0.51.0h 内污泥层即逐渐呈缺氧、厌氧过渡状态， 在污泥絮体内部也可进行反硝化；在非曝气阶段的后期，系统主要呈厌氧状态；为实 现磷的吸收过程（生物除磷）以及防止在连续低溶解氧状态下可能诱发丝状细菌的过 度繁殖，需要将活性污泥不断交替通过好氧和厌氧（即曝气和非曝气阶段）。 如上述可知，CAST 工艺过程相当复杂，设计时需要慎重考虑以下关键问题： 1 生物动态选择 随着生物营养去除工艺（BNR）被引入污水处理领域，长泥龄、底物水解、基 质贮存、缺氧、厌氧、好氧环境交替以及同时硝化反硝化过程中低溶解氧浓度等因素 又不同程度地引起了污泥膨胀问题 5678 。CAST 工艺在反应池前端设置以厌氧为 主的生物选择器，在绝对厌氧的条件下，挥发性脂肪酸（VFAs）等简单底物大部分 被微生物吸收贮存。这些微生物主要有两大类，分别为聚磷菌（PAOs）和聚糖原菌 （GAOs），均属絮凝菌。它们在相似的生存环境下都能将底物转化为聚羟基丁酸 （PHB）贮存起来。但是，它们的吸收转化底物的能量来源却是不同的，PAOs 是通 过聚磷酸盐的水解而获得的能量，而 GAOs 则是通过糖原的分解获取的能量。因而， 微生物代谢途经的多样性使得厌氧选择器具有很高的有机物去除能力。 到目前为止，虽然 PAOs 和 GAOs 种类繁多，但尚未发现有丝状菌也具有这样 北京工业大学工程硕士学位论文 10 的代谢特性。于是厌氧选择器中易生物降解的底物（RBCOD）被 PAOs 和 GAOs 吸 收贮存几乎殆尽，当进入好氧反应器（主反应区）后，由于 PAOs 和 GAOs 吸收贮存 大量有机物，处于竞争的绝对优势，其它细菌，如丝状细菌就逐渐因缺乏底物而在竞 争中处于劣势，这样就抑止了丝状菌的生长繁殖。目前已有报道证实，厌氧选择器能 够预防和控制包括由微丝菌等引起的大多数污泥膨胀的发生。 2 生物除磷 CAST 工艺在主反应池前端所设置的厌氧选择器平均水力停留时间为 11.5h， 主 反应区约 20的活性污泥回流至选择区，由于絮体负荷高，活性污泥不断地经过厌氧 和好氧（厌氧选择区和主反应区）的循环，这将有利于聚磷菌（PAOs）在系统中的 生长和积累，因此，具有生物除磷的功能27。生物除磷的效果取决于进水中易生物降 解底物的含量。PAOs 能将该底物转化为 PHB 贮存起来，并将细胞内聚磷水解成磷酸 盐释放到水溶液中， 而进入到主反应区， PAOs 又将贮存的 PHB 降解并贪婪地吸收磷， 形成富磷污泥，通过剩余污泥排放实现污水中磷的去除。使系统具有良好的生物除磷 功能。 3 硝化反硝化 CAST 系统的一个重要特性是在工艺过程中不设缺氧混合反应池的条件下，高效 地进行硝化反硝化2910，从而达到深度脱氮的目的。硝化和反硝化是在主反应区的 曝气阶段同时进行的，运行时控制供氧强度以及曝气池中溶解氧浓度，使絮体的外围 保证有一个好氧环境进行硝化；由于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）则能较好地促进硝酸盐渗透到絮体内部，从而有效地进行 反硝化过程。另外，非曝气阶段沉淀污泥床也存在有一定的反硝化作用。通过污泥回 流，将部分硝酸盐氮带入设在池首的生物选择器中也有部分反硝化功能。 4 污泥沉降特性 CAST 系统一般以 4.0h 为一循环周期， 曝气与非曝气阶段各 2.0h， 在最大水深 6.0m 左右时池中的混合液污泥浓度为 3.54.0gMLSS/L，每一循环的进水量约占整个池子 有效容积的 20%30，最大滗水速率为 30mm/min。虽然固液分离时间一般为 1.0h， 但滗水时也同时进行着固液分离。由于不设初沉池，MLSS 中的组成有别于设初沉池 第 1 章 绪 论 11 的活性污泥系统25，因此，实际的污泥沉降指数（SVI）一般都低于 80mL/g。由于曝 气结束后的沉降阶段中整个池子面积均可用于泥水分离，故其固体通量和泥水分离效 果要优于传统活性污泥法。另外，CAST 系统在沉降阶段无进水干扰，在静止环境中 进行，可进一步保证有良好的分离效果。曝气阶段结束后混合液中残留的混合能量可 用于沉淀初期的絮凝作用，从而进一步强化了絮凝沉降的效果。 5 工艺控制方式 CAST 工艺中池子流态呈完全混合式，通过探头测定曝气阶段开始和结束时溶解 氧变化情况，从而可在生产装置上直接测得活性污泥的呼吸速率，作为调节曝气强度 和排除剩余污泥量的控制参数。这种控制方式使池子中的溶解氧浓度与工艺要求相一 致，最大程度地减少曝气所需要的能耗。溶解氧探头一般设在主曝气区滗水结束后的 水面以下。 1.4 CAST 工艺的特点、优势和适用范围 CAST 工艺与传统活性污泥法和传统的 SBR 工艺相比，具有不少特点和优势。使 其在国内外得到广泛应用。其主要特点和优势概括如下234： 1 与传统的活性污泥法相比，不设二沉池（一般也不设初沉池）和其配套的刮 泥系统，活性污泥始终保持在一个池子里完成生物反应和泥水分离过程，因此无 需设置如传统活性污泥法中的污泥回流装置（回流比一般为 100）和前置反硝化 系统中的内回流装置（内回流比一般可达 300左右）.CAST 系统中为生物选择器 设置的回流系统的回流比仅 20。因此可节省投资 20以上，节省用地面积 30 以上，并大大降低了运行费用。 2 与传统的 SBR 工艺相比，由于设置了生物选择器，能有效地防止污泥膨胀和 大大提高生物除磷效果。还能同时硝化反硝化，在不单独设置厌氧、缺氧反应阶 段和内回流系统就能取得较佳的除磷脱氮效果。 3 CAST 工艺在非曝气阶段不进水，污泥完全静止沉淀，且污泥指数低（SVI 80），可确保固液分离效果好，提高出水水质。 4 CAST 工艺对水质水量的变化适应性强。CAST 池为完全混合式间歇进水，且 北京工业大学工程硕士学位论文 12 进水量仅占反应池容积的 1/31/5，有很大的稀释作用，抗冲击负荷能力强。 5 CAST 系统流程简洁，容易实现自动控制，管理简单易行。 6 CAST 工艺运行稳定可靠，操作灵活，可根据水质、水量的变化调整运行周期 和曝气反应时间及泥龄的长短，确保出水达标排放。 7 在污水处理厂建成初期，进水流量一般比设计值要低。这时，CAST 系统可根 据水量的大小，使用一个或少量几个池子运行，可避免不必要的能量浪费。 CAST 工艺的优点较多，在国内外得到了广泛应用。虽然在设计规模上，国内国 外均有少数污水处理厂超过 20104m3/d，但大多数采用 CAST 工艺的污水处理厂仍 为中小型污水厂。原因是模块设计固然方便，但规模太大，给自控带来了复杂性和不 方便，且其经济上的优势也不再明显17。因此我们的工程实践以设计规模不超过 10 104m3/d 时采用 CAST 工艺较为有利。 1.5 CAST 工艺的应用现状 1.5.1 在国外的应用现状 迄今为止，循环周期为 4.0h 的 CAST 系统已成功地应用于日处理从 500 人口当 量（120m3/d）至 40 万人口当量（10104m3/d）规模的污水处理厂。对于大型污水处 理厂，CAST 系统大多采用模块结构的分组布置方式，由于其占地面积省，扩建方便， 已日益为人们所接受，并在实践中已经得到较多的应用。美国和澳大利亚等国的经验 对此业已证明。 表 1-1 为国外主要的 CAST 工艺处理城市污水的应用情况23111213。 其中，目前已经投入运行的最大的可变容积活性污泥法的污水厂为澳大利亚 Quakers Hill 污水处理厂。拟分期建设，全部建成后共有 5 组 CAST 池子。设计时采用模块布 置方法， 根据进水量情况目前已有 2 组池子投入运行， 每组池子长为 131m， 宽为 76m， 表面积 9956m2。每组池子进水端设生物选择器。池子中部的污泥回流泵将主反应器 的活性污泥回流至生物选择器内与污水混合接触，选择器的平均水力停留时间为 1.0h （包括回流量）。处理出水通过 5 个同步运行的滗水器排出系统，各滗水器的滗水速 率保持相等。 每一操作循环周期为 4.0h， 其中曝气时间为 2.0h， 沉淀滗水时间各 1.0h。 滗水速率为 13mm/min。每 1 组 CAST 池的处理能力为 10 万人口当量。该厂已投入运 第 1 章 绪 论 13 行 5 年，其运行结果见表 1-2，从中可以看出 CAST 池工艺具有非常高超的除磷脱氮 效果。国外还将 CASS 工艺与其他工艺在经济上进行比较。表 1-3 列出不同工艺处理 （规模为 6 万人口当量）城市污水时的费用等数据的比较 表 1-1 国外主要的国外主要的 CASS 工业处理城市污水的应用情况工业处理城市污水的应用情况 国名（地名）国名（地名） 处理规模处理规模 CASS 平面尺寸平面尺寸 美国 澳大利亚（悉尼） 澳大利亚（基隆） 英国、法国、德国、奥地利 加拿大（Bradford） 泰国（曼谷） 澳大利亚（Quakers Hill） 澳大利亚（黑岩） 美国（Portage Catawba） 澳大利亚（Winma Lee） 80000m3/d 120000/人口当量 245000/人口当量 600000/人口当量 12166m3/d 1000000/人口当量 200000/人口当量 210000m3/d 15500m3/d 60000m3/d 113m77m（5 座） 62.4m62.4m（6 座） 84m28m 72m23m（2 座） （在建） 131m76m（2 座） 120m60m（4 座） 28m112m（4 座） 表 1-2 Quakers Hill 污水处理厂设计及运行出水值比较污水处理厂设计及运行出水值比较 项目项目 设计值设计值 实际运行结果实际运行结果 出水指标 50累计频率 mg/L 90累计频率 mg/L 50累计频率 mg/L 90累计频率 mg/L BOD5 15 25 10 15 SS 15 30 5 9 NH4-N 1 2 0.5 1.1 TN 15 1 TP 1 0.8 SVI ml/g 150 53 北京工业大学工程硕士学位论文 14 表 1-3 不同工艺处理城市污水厂的费用比较（相对数据不同工艺处理城市污水厂的费用比较（相对数据/%）* 处理工艺类型 土建费 设备费 总投资 年运行费 占地面积 传统曝气活性污泥 深井曝气 生物曝气滤池 CASS（微孔曝气） 100 111 100 80 100 124 167 74 100 116 125 78 100 191 216 133 100 98 59 64 注：*假定： （1） 各工艺中所采用的沉淀池均为辐流式沉淀池； （2） 除 CASS 工艺外，其它工艺的出水 BOD5和 TSS 标准分别为 25mg/L 和 35mg/L； （3） 以传统曝气活性污泥法为参考对象。 1.5.2 在国内应用的现状 根据中国城市污水处理工艺现状调查与经济指标评价15报导，我国 80 年代 建成的市政污水处理厂主要采用传统活性污泥法及其改良工艺。 80 年代末 90 年代初， 随着除磷脱氮要求的提出， A/O 工艺、 A2/O 工艺逐渐应用于城市污水处理厂并逐渐成 为主流； 90 年代中期， 氧化沟工艺因其良好的脱氮效果， 不设初沉池甚至不设二沉池， 开始被推广；近些年来，SBR 及其改良工艺，因其占地省，能满足除磷脱氮要求，运 行控制高度的自动化而开始被广为采用。据报导，对已建成 10104 m3/d 以下城市污 水处理厂的实际运行状况的调研和统计16， 并对目前我国城市污水处理工艺运行现状 综合评价后指出，SBR 及其改进型工艺排在氧化沟、A/O 法、A2/O 法、传统活性污 泥法之前。在除磷脱氮要求较高，土地比较紧缺的中小型污水处理厂，CAST 工艺特 别受到欢迎，近年来被广泛采用。据不完全统计，CAST 工艺在国内应用实例14如表 1-4 所示。 第 1 章 绪 论 15 表 1-4 CAST 工艺在国内应用实例工艺在国内应用实例 序号 项目名称 处理规模（m3/d） 备 注 1 北京延庆污水处理厂 3104 通过验收，所在公司项目 2 江苏海门市污水处理厂 1104 通过验收，所在公司项目 3 浙江海宁市污水处理厂 10104(已建 5104) 通过验收，所在公司项目 4 云南宣威市污水处理厂 3104 通过验收，所在公司项目 5 江苏锡山市东亭污水处理厂 2104 通过验收，所在公司项目 6 陕西安康市江南污水处理厂 6104(已建 3104) 通过验收，所在公司项目 7 江苏泰州市第一（城南）污水厂 8104(已建 4104) 通过验收，所在公司项目 8 浙江桐庐市污水处理厂 2104 通过验收，所在公司项目 9 大连市老虎滩污水处理厂 8104 通过验收，所在公司项目 10 大连市凌水河污水处理厂 6104 正在建设，所在公司项目 11 （山东）昌邑市城北污水处理厂 6104(一期 3104) 正在建设，所在公司项目 12 湖北武穴市污水处理厂 4104(一期 2104) 正在建设，所在公司项目 13 陕西商洛市污水处理厂 6104(一期 3104) 正在建设，所在公司项目 14 北京市经济技术开发区污水处理厂2104 通过验收 15 湖州市碧浪污水处理厂 1104 通过验收 16 贵州遵义市污水处理厂 30104(已建 10104)通过验收 17 清镇朱家河污水处理厂 25104 正在建设 18 江苏扬州市污水处理厂 10104 正在建设 19 宜宾市南岸污水处理厂 5104 正在建设 20 攀枝花污水处理厂（炳昔岗分厂）2104 正在建设 21