CAST反应器试验毕业论文

第1章 第1章 前前 言言 1.1 课题研究的背景课题研究的背景 近几年来，随着经济的发展和生活水平的提高，大量有机物、 氮和磷等营养物大量进入水体，使得富营养化问题日趋严重。因此 在满足 COD 去除效果的前提下， 加强废水处理中的脱氮除磷功能的 试验和理论研究当今水污染控制技术研究的主要发展方向。其中生 物脱氮除磷是公认的经济、高效和实用的的水处理技术。目前广泛 应用的工艺包括两大类型的活性污泥法。一是连续运行系统，如 A/A/O，Phoredex，UCT 工艺等；另一类是间歇运行，或称之为序 批式运行的 SBR 系统。 循环活性污泥法 CAST 工艺是一种新颖独特 的 SBR 处理工艺。 它通过前置生物选择器、 动态混合、 变强度曝气、 顺序形成缺氧好氧缺氧厌氧的生物反应环境，混合液回流， 以及增设填料供微生物附着生长等技术措施，实现了高效去除 COD、脱氮除磷的作用，并具有适应大幅度的负荷变化、不需要预 处理等特点。还能有效地解决工业废水中常见的毒性和抑制性物质 的影响、难生物降解有机物比例高和营养比例不均衡等问题给废水 生物处理带来的困难。因而，城市污水和工业有机废水都具有较好 的适应性。 近年来，随着自动监测和集中控制技术的飞速发展，特别是在 逻辑可编程控制技术的日臻完善的今天， CAST 工艺在欧洲国家 得到了广泛的应用。 目前， 国外已有工业化 CAST 工艺的应用实例， 全世界共有300余座各种规模的CAST污水处理厂正在运行或建设 之中， 如澳大利亚的 Geelong 污水处理厂 （10 万 m3/d） ， Black Rock 污水处理厂（21 万 m3/d）和美国的 Tullahoma 污水处理厂（4.7 万 m3/d） ，Cleveland 污水处理厂（8 万 m3/d）等。 目前国内已有 CAST 工艺用于啤酒废水处处理的报道，但国内 尚无对 CAST 工艺进行系统研究的结果见诸报道。国外文献对 CAST 工艺研究和实际应用的报道只是提供了 CAST 工艺的性能和 技术特点，并未说明其主要的工艺控制参数和具体的运行要求。国 外文献对 CAST 工艺的研究和实际应用的报道， 仅限于 CAST 的工 艺性能和技术特点的讨论， 并未说明其主要的工艺控制参数和具体 的运行要求。为了深入了解和掌握 CAST 技术，使之能够实际应用 在城市污水和工业废水处理中，有必要对此工艺进行深入的研究。 1.2 试验研究的目的试验研究的目的 本试验主要是从生物脱氮除磷的基础上对 CAST 反应器进行了 改进。在试验中，主要通过运行工况和进水水质的改变，对改进后 的 CAST 反应器进行初步试验研究，以积累大量的试验运行数据和 实际处理效果，并进一步探讨这一工艺的技术可行性、处理效果稳 定性及硝化区和生物选择器的的水力停留时间、主反应区泥龄、进 水投配比和运行周期等因素对反应器脱氮除磷和有机物的去除效率 的影响。同时进行硝化区的硝化动力学、生物选择器的释磷动力学 的研究，在此基础上，建立并验证硝化区的硝化数学模型和生物选 择器的数学释磷模型，以便取得适用的工艺设计和运行控制参数。 第2章 第2章 废水生物处理的理论基础废水生物处理的理论基础 2.1 COD 的降解动力学的降解动力学 以 COD 为指标对废水水质进行描述， 可以采用一种模糊、 整体 概念，而不必去关心废水中具体有机物的种类和性质，从总体上反 映废水排入受纳水体中所产生耗氧影响，给分析和测定带来了很大 方便。 在本实验中，进水采用人工配水，COD 主要通过向河水中加入 可溶性淀粉产生， 因此可认为 CODBOD5，因此可用 Monod 模式 来描述微生物的比增长速率与基质浓度的关系式： =maxS/（Ks+S） （I-I） 式中：微生物的比增长速率，d-1； max微生物的最大比增长速率，d-1； Ks饱和常数 ，mg/L； S底物浓度，mg/L 微生物的比增长速率与底物的比降解速率成一级反应，即 =Kv （I-II） 因此有： V=VmaxS/（Ks+S） （I-III） 式中： V底物比降解速率， Vmax底物最大比降解速率， 废水处理中，Monod 模式中常表示为 1/Xds/dt=K0S/(Ks+S) （I-IV） 式中 K0为混合种群的底物降解速率，与单一种群 Vmax有所不 同，但更能涵盖反应过程中的底物，这也是用 COD 表示更适宜的 原因。 此外在废水处理中还常用的模式有埃肯费尔德模式、劳仑斯 麦卡蒂模式、麦金尼模式等，具体可参考有关书籍。 2.2 生物脱氮原理生物脱氮原理 污水生物处理过程中氮的转化包括氨化、同化、硝化和反硝化 作用。 氨化：将有机氮（主要以蛋白质和氨基酸形式）在生物处理稳 定化过程中氧化为氨氮； 硝 化 作 用 ： 在 有 氧 情 况 下 通 过 化 能 异 养 菌 亚 硝 酸 菌 (Nitrosomonas)和硝酸菌(Nitrobactor)将氨氮转化为硝态氮（NO3-、 NO2-）的过程。反应过程方程式如下： 亚硝化反应：NH+4+O2+ HCO3-NO2-+H2O+H2CO3+亚硝酸菌 硝化反应：NO2-+ NH+4 + H2CO3+ HCO3-+O2NO3-+H2O+硝酸菌 总反应：NH+4 +O2+ HCO3-NO3-+H2O+ H2CO3+微生物细胞 自养型硝化菌的增殖与底物去除的动力学也可以用 Monod 方 程表示： =maxS/（Ks+S） （I-V） 式中：微生物的比增长速率，d-1； max微生物的最大比增长速率，d-1； Ks饱和常数 ，mg/L； S底物浓度，mg/L 硝化过程中主要影响因素为： （1） 温度：过低则会对硝酸菌产生抑制作用；过高，蛋白质变 性，降低活性； （2） 溶解氧：一般建议 DO 大于 2mg/l； （3） PH： 每氧化 1g 氨氮需耗 7.14g （CaCO3计） ， 硝化菌对 PH 变化十分敏感，当 PH 在 7.07.8 和 7.78.1 时活性最 强； （4） 有毒物质； （5） C/N 比：影响生物硝化速率和过程的重要因素。 本实验中硝化反应主要发生在主反应区进水的一个半小时内和 前置在生物选择区的硝化区。 反硝化作用：硝态氮被微生物作为最终电子受体，通过生物异 化还原转化为气态 N2逸出， 或通过生物同化还原转化为氨氮进入生 物合成过程。反硝化过程中，反硝化细菌需要有机碳源（如甲醇） 作电子供体，利用 NO3-中的氧进行缺氧呼吸，其反应过程可表示如 下： NO3-+CH3OH+H2CO3N2+H2O+HCO3-+微生物细胞 NO2-+CH3OH+H2CO3N2+H2O+HCO3-+微生物细胞 大多数研究者认为，当反硝化过程中有充足的有机碳源存在时，同 时 NO3-的浓度高于 0.1mg/L 时，反硝化速率与 NO3-的浓度无关，而 只与反硝化菌的数量有关；反硝化菌增长速率与和硝酸盐浓度的关 系可如下表示： =maxS/（Ks+S） （I-VI） 式中：反硝化菌的比增长速率，d-1； max反硝化菌的最大比增长速率，d-1； Ks相对于 NO3-N 的饱和常数 ，mg/L； SNO3-N 浓度，mg/L 影响反硝化过程的环境因素有： （1）温度：其对反硝化速率的影响与反硝化设备的类型（微 生物悬浮生长型和附着生长型）及硝酸盐负荷有关； （2）PH 值：最适宜 PH 值为 7.07.5，当 PH 值低于 6，高于 8 时，反硝化反应受到强烈抑制。反硝化过程中，每还原 1g NO3- N 产生 3.5g 碱度（以 CaCO3计） ，补偿在硝化过程中消耗的一部分 碱度，有助于保持 PH 值在所需范围内，但本实验中为了保证有充 足碱度，进水 PH 值保证在 8.0 以上。 （3）溶解氧：一般认为，在活性污泥系统中，保持在 0.5mg/l 以下，才能使反硝化反应正常进行。 （4）碳源有机物：反硝化过程中存在三种不同反应速率：第一 阶段，利用 VFA 和醇类等易被降解的厌氧发酵产物作为碳源,反应 速率较快为 50mg NO3-/L.h；第二阶段，易被降解的碳源已在第一阶 段被消耗因而只能利用颗粒状和复杂的有机物作为其碳源，反应速 率较第一阶段慢，为 16 mg NO3-/L.h；第三阶段，由于外碳源耗尽， 只能通过内源呼吸作用进行反硝化反应，反应速率最慢为 5.4 mg NO3-/L.h。 （5）C/N 比：一般认为，BOD5/TKN 大于 46 时，可以认为 碳源充足。 （6）有毒物质： 本实验中硝化和反硝化主要发生在生物选择区和主反应区，在 生物选择区，主要通过周期运行开始阶段一个半小时的污泥回流， 使主反应区回流的污水中硝态氮得以脱氮，在随后回流水过程中， 前置硝化区的高浓度硝态氮水进入生物选择区，发生脱氮作用；而 主反应区则通过控制曝气强度来造成好氧缺氧状态，发生硝化和 反硝化，以脱氮（具体运行方式见下节实验装置部分） 。 同化作用：在生物处理过程中，污水中的一部分氮（氨氮或有 机氮）被同化为微生物细胞的组成部分。按细胞干重算，微生物细 胞中氮的含量约为 12.5%。虽然微生物的内源呼吸和溶菌作用会使 一部分细胞中的氮有以有机氮和氨氮的形式回到污水中，但仍存在 于微生物细胞和内源呼吸残留物中的氮可以在二沉池中以剩余活性 污泥的形式得以从污水中去除。由生物同化作用所去除的（氨）氮 量为： N合成=0.125XB，H （I-VII） 式中:N合成同化作用所去除的氮量，kgN/d 或 mg/L 进水， XB，H活性生物固体产量， kgVSS/d 或 mgVSS/L 进水。 而在传统的活性污泥系统中，细菌化学实验式；C60H87O23N12P 因而由劳仑斯麦卡蒂模式可推得 BOD5：N：P=（1+Kd ） /0.023Yt：5.3:1。 废水中的氮一般以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等四 种形态存在。在本实验中进水自配，采用河水，加入各种营养物， 其中元素 N 主要以 NH3N 的形式存在， 因此在本实验中脱氮主要 以同化、硝化和反硝化为主。 2.3 生物除磷原理生物除磷原理 对废水生物除磷过程中的除磷机理曾有两种不同机理： 一是生 物诱导化学沉淀作用，一是生物过量聚磷作用，现一般多赞成后者。 生物过量聚磷作用解释为：处于厌氧好氧交替变化的生物处 理工艺中，聚磷菌在厌氧条件下其生长受到抑制，因而为了其生长 便释放出其细胞中的聚磷酸盐（以溶解性的磷酸盐形式释放到溶液 中）同时产生其利用废水中溶解性有机质所需的能量，合成 PHB （PolyHydroxybutyrate） 。此时表现为磷的释放，即磷酸盐由 微生物体内向废水的转移；当上述微生物继而进入好氧环境中后， 则它们的活力将得到充分的恢复， 分解 PHB 以提供充分利用基质的 能量，同时从废水中大量摄取溶解态的正磷酸盐，在聚磷菌细胞内 合成多聚磷酸盐，并加以积累。最后通过排放过量摄磷的活性污泥， 将磷除去。 影响因素： （1） 溶解氧：应严格控制在 0.2mg/l 以下； （2） 进水营养比控制： 进水中是否有足够的有机基质供聚磷菌 合成足够 PHB， 是关系到聚磷菌能否在厌氧压抑条件下顺利 生存的重要条件。研究表明，如要使出水中磷的含量控制在 1.0mg/l 以下，进水中 BOD5/TP 值至少要高于 15； （3） 硝酸盐含量：对除磷有影响，其含量应加以严格控制，理 由可见下小节； 泥龄控制：越短越好，排放泥越多，除磷越多。 2.4 脱氮和除磷关系脱氮和除磷关系 生物除磷主要通过聚磷菌在好氧情况下过量摄磷，在主反应区 通过剩余污泥的排放，使得水中的磷去除，因而泥龄越短越好；而 主反应区要发生硝化反应，必须选择大量硝化菌，而硝化菌泥龄必 须在五天之上才能达到相当数量，因而主反应区泥龄又必需越长越 好，二者之间存在矛盾。 在生物选择区，当存在 NO3-时，会抑制聚磷菌的摄磷和释磷能力 及 PHB 的合成能力。 这是因为气单胞杆菌具有将复杂高分子有机基 质转化为简单低分子脂肪酸类物质的能力，在除磷过程中存在着气 单胞菌发酵产酸聚磷之间的连锁关系。其中气单胞菌（属兼性 异养菌）是否能够充分发挥其以发酵中间产物为电子受体而进行的 发酵产酸能力， 是决定其它聚磷菌能否正常发挥其功能的重要因素。 因此生物选择区对 NO3-含量应进行严格控制， 当然对于 NO3-含量应 控制在什么水平，由于厌氧段中气单胞杆菌及其它聚磷菌的含量、 种类及其它运行参数（如 TKN/COD 或 TBOD/TP）存在差别，而有 不同。 第3章 第3章 CAST 工艺简介工艺简介 CAST（Cyclic Activated Sludge Technology）工艺是一种循环 式活性污泥法，是 SBR（Sequencing Batch Reactor）法的一种变型。 Mervyn C.goronszy 教授于 1969 年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和开发，1978 年，又利用活 性污泥基质积累再生原理，根据基质去除和污泥负荷的试验结果以 及污泥活性组成和污泥呼吸之间的关系，将生物选择器和序批式活 性污泥法结合开发成功了循环式活性污泥法，并于 1984 和 1989 年 在美国和加拿大取得了专利（CASS） 。 CAST 为一间歇式反应器， 特指设有一个分建和合建式生物选 择器的可变容积以序批的曝气非曝气方式运行的充放式间歇式 活性污泥处理工艺，在一个反应器中完成有机污染物的生物降解和 泥水分离的处理功能。整个系统以推流方式运行，而各反应区则以 完全混合的方式运行以实现同步碳化和硝化反硝化功能。本工艺 涵盖了诸多工艺如间歇排水延时曝气工艺 IDEA（Intermittently Decanted Extended Aeration ） ， 间 歇 排 水 曝 气 塘 工 艺 IDAL （Intermittently Decanted Aerated Lagoons） ，间歇式循环延时曝气活 性污泥法 ICEAS（Intermittently Cyclic Extended Aeration）等。 CAST 的运行方式：由充水曝气、充水泥水分离、上 清液滗除和充水闲置四个阶段组成。 标准处理模块为 4 个小时， 2 小时曝气，1 小时沉淀，1 小时滗水闲置。基本上连续进水，间歇 出水。 3.1 CAST 工艺的优点工艺的优点 1. 工艺流程非常简单，不设初沉池和二沉池，以及较大规模的回流 污泥泵站土建和设备投资低，运行操作自动化程度高。 2. 运行方式灵活多变，运行周期短，处理效果好，同时具有同步脱 氮除磷功能。因此处理出水水质，尤其是氮磷标准，优于传统活 性污泥法； 3. 主反应区具有完全混合系统的特点， 同时外加生物选择器选择絮 凝性细菌， 抑制丝状细菌的生长， 所以 CAST 工艺可以克服污泥 膨胀，同时可以耐冲击负荷，处理能力强； 4. 无污泥膨胀，沉淀过程在静止的环境中进行，工艺过程稳定； 5. 采用组合模块结构， 布局紧凑， 占地省， 分期建设和改扩建方便， 易实现自动化，人工费省。 6. 设备操作、维护简单，移动设备少。 总之，CAST 工艺的优点可归纳为：简单、可靠、灵活等优点。 3.2 CAST 工艺的缺点工艺的缺点 1. 容积利用率较低， 每周期接纳污水约站总有效容积的 30%， 使污 水的实际停留时间延长至 13.3 小时左右。 2. 在反应器中采用变强度曝气来实现同步硝化反硝化， 脱氮效率不 高。因此，在生物选择器和主反应区之间加了一个兼氧区，以提 高脱氮效率。 3. 污泥在生物选择器中释磷受到回流混合液中硝态氮浓度的影响 比较大，在传统的 CAST 工艺系统中难以提高脱氮除磷。 3.3 CAST 工艺改进设想工艺改进设想 这一改进主要从两方面进行。一是对硝化菌和反硝化菌进行生 物分相培养，设置独立膜法硝化区，培养出优势的硝化菌群，确保 硝化的稳定和很高的硝化速率；二是结合生物除磷理论，对 CAST 反应器结构上加以改进，强化生物选择器的除磷机能。结合 CAST 工艺提出的生物处理理论，从设备结构上加以改进。设备结构改进： 前置生物接触氧化区，采用生物膜法，泥龄长，有利于筛选硝化菌， 加强硝化作用；在进水阶段后将主反应区水回流至该区，进行硝化， 因而可以减少主反应区所要硝化比例，降低泥龄，解决与除磷需泥 龄短的问题；改善污泥的沉降性能；提高充水比，进而提高容积利 用率。 运行方式变化： （1）污泥回流：由于所用恒流泵 HL-4 长时间运 行会出现机械故障，且硅胶管损坏严重，所以只好在进水期回流； （2）在进水期后，回流主反应区水至接触氧化区， （3）回流期间， 利用全自动豪华性家用增压泵15WZX0.8-10吸取主反应区水将生物 选择区泥冲出。 设备结构缺点：接触氧化区未设排泥装置，以至脱落生物膜阻塞底 部进水。 3.4 传统传统 CAST 工艺的比较工艺的比较 传统 CASS 由选择区、厌氧区和主反应区组成。运行方式由现有 资料来看有两种：一是进水阶段时间明显，在曝气反应阶段时间内 进水；二是进水、沉淀期间均可进水，直至水位达到最高设计水位 止；其运行过程为冲水曝气、充水泥水分离、上清夜滗除、充水闲 置。在整个过程中，污泥回流一直在运行，回流量约为日平均流量 的 20%。 缺点： （1）容积利用率底，每周期接纳废水约占总有效容积的 30%，使污水的实际停留时间延长至 13.3 小时左右； （2）同步硝化和反硝化效率不高，因此，有人在生物选择 区和主反应区之间加了一个兼氧区，以提高脱氮效率； （3） 污泥在生物选择区中释磷受到回流混合液中硝态氮浓 度的影响比较大，在传统的 CAST 工艺中难以提高除磷效率（为了 提高除磷效率采用了同步沉淀除磷的方法） 。 平面图 立面图 曝气头 21 进水 43 清 回 流 液 出水 上 第4章 试验装置和方法第4章 试验装置和方法 4.1 试验装置试验装置 根据 CAST 工艺污水厂的运行示意图，即 CAST 反应器是前置 生物选择器的完全混合池体，本试验做了进一步的改进，做出了实 验所用的反应器，即在 CAST 反应器之前加一接触氧化区，后端加 一设有一定坡度的沉淀区以便污泥回流进入 CAST 反应器。过水装 置为薄壁堰。反应器材料为有机玻璃，总有效容积为 52.5L，其中 CAST 主反应区容积为 30L， 沉淀区容积 11.5L， 接触氧化区容积 5L， 生物选择去容积 6L，反应器示意图如图 21 所示 ： 反应器内水的流态为：进水和主反应区的污泥混合液从生物选 1-接触氧化区 2-生物选择器 3-主反应区 4-沉淀区 择器中进入，依次流经主反应区，沉淀区；上清液经出水堰回流经 过接触氧化区，再进入生物选择器。上清液回流时停止进水，同时 停止回流污泥混合液，剩余污泥从主反应区直接排出。 对反应器做了适当的改进是基于这样的考虑: 前置接触氧化池, 控制在连续的适当的好氧条件下运行, 可以在降解有机物的同时进 行严格的硝化反应, 选择出大量的硝化细菌, 并为反硝化反应提供 大量的底物. 当回流开始时, 氧化区的水进入主反应区. 后端的沉 淀区为了更有利于在厌氧时进行清液的回流. 污泥和清液的回流使用蠕动泵(计量泵), 型号为RDB-11,最大流 量为 200ml/min。 进水使用 HL-4 恒流泵，一小时回流量为 18 升。 搅拌器型号为 7312-I 型电动搅拌机,放在适当的位置和高度,以 利于调节混合液回流到主反应区。 曝气器为普通金鱼用气泵,风量可调, 曝气砂头为柱体。 填料为半软性纤维质,共两组离反应器地底部约 10cm。 为 防 生 物 选 择 器 积 泥 ， 采 用 全 自 动 豪 华 性 家 用 增 压 泵 15WZX0.8-10 吸取主反应区水将生物选择区泥冲出 4.2 传统传统 CASS 和改进比较和改进比较 4.2.1 传统传统 CASS 传统 CASS 由选择区、厌氧区和主反应区组成。运行方式由 现有资料来看有两种：一是进水阶段时间明显，在曝气反应阶段时 间内进水；二是进水、沉淀期间均可进水，直至水位达到最高设计 水位止；其运行过程为冲水曝气、充水泥水分离、上清夜滗除、 充水闲置。在整个过程中，污泥回流一直在运行，回流量约为日平 均流量的 20%。 缺点： （1）容积利用率低，每周期接纳废水约占总有效容积的 30%， 使污水的实际停留时间延长至 13.3 小时左右； （2）同步硝化和反硝化效率不高，因此，有人在生物选择区和 主反应区之间加了一个兼氧区，以提高脱氮效率； （3）污泥在生物选择区中释磷受到回流混合液中硝态氮浓度的 影响比较大，在传统的 CAST 工艺中难以提高除磷效率（为了提高 除磷效率采用了同步沉淀除磷的方法） 。 4.2.2 CAST 改进改进 在本实验中，对 CASS 进行了改进，改进依据如下： 一是根据微生物生理学，采用生物分相培养，从脱氮除磷机理 的角度加以改进； 二是根据对间歇活性污泥法脱氮除磷工艺的研究， 结合 CAST 工艺提出的生物处理理论，从设备结构上加以改进。 设备结构改进：前置生物接触氧化区，采用生物膜法，泥龄长， 有利于筛选硝化菌，加强硝化作用；在进水阶段后将主反应区水回 流至该区，进行硝化，因而可以减少主反应区所要硝化比例，降低 泥龄，解决与除磷需泥龄短的问题；改善污泥的沉降性能；提高充 水比，进而提高容积利用率。 运行方式变化： （1）污泥回流：由于所用恒流泵 HL-4 长时间 运行会出现机械故障，且硅胶管损坏严重，所以只好在进水期回流； （2）在进水期后，回流主反应区水至接触氧化区； （3）回流期间， 利用全自动豪华性家用增压泵15WZX0.8-10吸取主反应区水将生物 选择区泥冲出。 设备结构缺点：接触氧化区未设排泥装置，以至脱落生物膜阻 塞底部进水。 4.3 污水及污泥污水及污泥 进水采用人工配水，COD：N：P 近似为 100：5：1。 COD 300600 NH3-N 4585 TP 310 启动试验前先对污泥进行培养和驯化. 取苏州城西污水厂二沉 池回流污泥混合液(浓度约为 7000-8000mgMLSS/l)适量加入到主反 应器, 并投加配水稀释至 MLSS 浓度为 3000-4000mg/l.。 4.4 试验的启动试验的启动 启动试验包括启动反应器和开始测定两个阶段。启动反应器包 括主反应区和接触氧化区两部分的启动：主反应区即将污泥与进水 的混合液按 CAST 工艺运行要求开始曝气；接触氧化区主要是向已 装填料的部分加入进水，同时连续曝气，促成良好的生物膜的形成， 形成生物膜后再投加足量的污水，以提高硝化能力，选择出良好的 硝化细菌。 试验以四小时为一个周期，每天共六个周期。从 8：00 到 20： 00 之间的三个周期正常运行和测量，20：00 到第二天 8：00 间的三 个周期正常运行但不测量。 开始测定分析项目是试验重要的一环。至反应器运行稳定后即 对常规的分析项目进行测定，并做试验记录。 4.5 2.5 试验的历时和控制条件试验的历时和控制条件 本试验从 4 月 10 日培养污泥启动反应器开始， 至 6 月 7 日停止 测定分析项目，历时一个多月共 58 天。其中培养污泥从 4 月 10 日 始至 5 月 8 日止。其间换泥多次: 第一次：4 月 10 日取新区污水厂氧化沟沉淀污泥 1 桶; 第二次：4 月 17 日取新区污水厂浓缩池沉淀污泥 1 桶; 由于新区污水厂采用氧化沟工艺，污泥中无机杂质较多，且污 泥在污泥浓缩池经过了很长一段时间的厌氧过程，污泥活性不高。 因此改取城西污水厂二沉池回流污泥。 第三次：4 月 25 日取城西污水厂二沉池回流污泥 1 桶;由于污 泥量减少，分别于 5 月 4 日及 5 月 6 日再次取泥两次。 污泥按泥龄 10 天，培养 30 天左右，经观察，出水及污泥的沉 降性能已稳定，即开始常规的测定。 试验过程共进行了 3 次工况的改变，包括改变曝气时间、改变 回流清液的量及生物选择区的停留时间。对工况的改变是为寻求适 合我国城市污水的较好的 CAST 工艺运行工况，包括负荷、 时序等， 以利于为实际工作提供有益的指导。 根据资料介绍CAST工艺的运行周期为4h， 其中进水和曝气2h， 沉淀 1h，滗水 1h。 本试验的工况设置如下： (1)主反应区换水比 66.7%，运行时序为边进水边曝气（60min） 缺氧搅拌回流上清夜（60min）沉淀排水闲置（120min） ，上 清液回流量为 300ml/min； （2）主反应区换水比 66.7%，运行时序为边进水边曝气（90min） 缺氧搅拌回流上清夜（60min）沉淀排水闲置（90min） ，上 清液回流量为 300ml/min； （3）主反应区换水比 66.7%，运行时序为边进水边曝气（90min） 缺氧搅拌回流上清夜（60min）沉淀排水闲置（90min） ，上 清液回流量为 300ml/min， 生物选择区停留时间为上述两种工况的四 分之一。 控制反应器处于相对较好的条件下运行，即控制合适的溶解 氧、温度、PH 值等外部环境因素。时处夏季，温度 20左右，虽 然反应在 30左右有最佳速率， 但也未采用恒温措施来保持 30左 右。PH 每天测定并做记录。溶解氧由溶氧仪测定，调节可调风量的 曝气器，使主反应区控制在 2-2.5mg/l，接触区 3.5-4.0mg/l，以利于 反应的进行。回流至生物选择器污泥除了应有良好的活性以外，还 要对其流量进行控制，以便能在选择器中形成严格的缺氧和厌氧条 件，促进污泥释磷。 4.6 测定项目和方法测定项目和方法 本实验的重点是研究 CAST 反应区对 COD 降解以及脱氮除磷 的能力。分析项目主要包括 COD、TN、TP、PO-4、NH3-N、硝态氮、 VFA 等，另外还包括记录工况的 SVI、PH、温度、清夜的回流量等。 选用的分析测定方法简述如下： 所取水样为正常运行周期的进水和出水水样，根据实际情况每 周期进水水样均测，出水水样分别取 12：00，16：00，20：00 共三 次。出水水样的测定经过过滤预处理，使用普通定性滤纸，原水水 样直接用于 COD、TN、TP 的测定，混浊时也需经混凝过滤预处理， 且 TN 和 TP 还需用离心机离心后再测定，详见各项目介绍： COD：重铬酸钾法，加热冷凝回流两小时； TN：紫外分光光度法，加入 1+9 的盐酸消除碳酸盐的影响，用 752 型紫外分光光度计分别于 220nm 和 275nm 处测定吸光度（A） ，测 定前水样经离心分离机在 2500r/min 离心 20min ，其标准曲线的回 归方程为 C=7.28890A-0.24196（r=0.949354） ； TP：钼锑抗分光光度法，水样经 5%（m/V）过硫酸钾溶液在医用手 提式高压消毒器中于 1.4kg/cm2压力条件下消解 30 分钟，加入 10% 抗坏血酸溶液和钼酸盐溶液，在 721 型分光光度计 700nm 处测定吸 光 度 （ A ） ， 其 标 准 曲 线 的 回 归 方 程 为 C=0.4256A-0.0384 （r=0.969354） ； NH3-N：纳氏试剂分光光度法，水样经硫酸锌溶液絮凝和加入硫酸 银 （去除氯离子） 过滤处理， 加入纳氏试剂在721型分光光度计420nm 处 测 定 吸 光 度 （ A ）， 其 标 准 曲 线 回 归 方 程 为 C=3.5278A+0.0931(r=0.9938); 硝态氮： 酚二磺酸光度法，经预处理后，加高锰酸钾将亚硝酸盐氧 化为硝酸盐，再取 50ml 蒸干，加入显色剂酚二磺酸，研磨稀释， 采用 721 型分光光度计 410nm 处测定吸光度（A） ，其标准曲线回归 方程为C=1.9644A-0.0329(r=0.997低浓度 时),C=5.0904A-0.1909(r=0.9886 高浓度时)。 SV：1000ml 混合液静置沉淀 30min。 第5章 试验结果第5章 试验结果 在历时近两个月的试验中，对 CAST 反应器的不同运行工况进 行试验测定，得到大量的 COD、氨氮、硝态氮、TN 和磷酸盐和正 磷酸盐的试验数据。为了直观清晰地进行数据分析，试验数据经过 分析筛选，剔除可疑数据后，将不同工况的运行参数、试验数据和 处理效果关系综合，以图表的形式表现出来。同时在附录中给出了 试验过程中对系统运行状态和处理效率有重大影响的各种因素，以 便全面分析试验数据，了解系统在实际运行中的可能影响因素。 5.1 系统启动系统启动 CAST 反应器的启动从 5 月 22 日到 5 月 28 日，历时一个周。 在此阶段，主反应区和硝化区污泥接种河西污水厂的脱水污泥，曝 气恢复污泥活性。但由于河西污水厂采用氧化沟工艺，污泥中的无 机成分含量较多，且压滤前污泥在污泥浓缩池经过长时间的厌氧环 境，表观呈颜色亮黑。因此污泥活性遭到了很大程度的破坏，污泥 活性恢复较慢。 反应器启动阶段，未进行水回流和污泥回流。在此期间只对主 反应区和硝化区的 COD、氨氮和硝态氮测定。总氮由于药品纯度不 够，得不出理想的标准曲线，未按期进行测定。 4月 22到 4月 28日 COD去 除 情 况 0 100 200 300 400 500 600 12345 88 90 92 94 96 进 水 出 水 去 除 率 5.1.1 COD 部分 在历时一周的污泥培养中， 主反应区前两天的 COD 去除率变化 不明显， 保持在 90%左右， （由于配水用的葡萄糖属快速可生物降解 的 COD，因此 COD 去除率虽高，并不能表明污泥活性已恢复，更 不能表明主反应区的污泥以好氧菌为主，即我们所需的活性污泥） 。 第三天去除率增长较快， 去除率曲线趋于平缓， 去除率保持在 94%。 COD 的去除率曲线表明污泥活性在 4 月 28 日已基本恢复，反应器 的启动工作已完成。 5.1.2 脱氮部分 图图 1.1 图图 1.2 4 月月 23 日到日到 4 月月 28 日氨氮去除率日氨氮去除率 0 5 0 1 0 0 系 列 15 3 . 1 65 0 . 3 44 8 . 13 2 . 3 43 4 . 23 5 . 6 系 列 21 7 . 2 11 6 . 4 79 . 8 22 0 . 6 72 1 . 3 72 3 . 1 系 列 36 7 . 6 2 6 6 7 . 2 8 2 7 9 . 5 8 4 3 6 . 0 8 5 3 7 . 5 1 5 3 5 . 1 1 2 123456 5月 15日 到 5月 20日 CO D去 除 情 况 0 200 400 60085 90 95 100 进 水 出 水 去 除 率 5 月 1 0 日 到 5 月 1 4 日 C O D 去 除 率 情 况 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 123456789 10 11 12 8 5 9 0 9 5 1 0 0 进 水 出 水 去 除 率 5.2 第一种工况第一种工况 此工况历时 18 天，从 5 月 8 日至 5 月 26 日。对反应器去除率， 有影响的事件： 接种城西厂污泥； 为避免葡萄糖效应， 改淀粉为 COD 源；因配水意外失误进水中氨氮高达 100mg/l。 5.2.1 COD 部分 在 5 月 10 日到 5 月 14 日期间，由于进水负荷的变化，COD 去除率波动较大。 图中可见， “COD 去除率随进水 COD 负荷的增大 而增大。 ”出水 COD 都低于 45mg/l，处理效果相对稳定。 图图 2 图图 3 5月 21日 到 5月 26日 COD去 除 情 况 0 200 400 600 1357911131517 80 85 90 95 进 水 出 水 去 除 率 5 月 20 日， 进水 COD 负荷较稳定， 去除率也较高且稳定。 5 月 18 日进水中氨氮水配水的失误， 陡然加了一倍。 高氨氮浓度的冲击， 历时两天，氨氮冲击对主反应区污泥产生了很大的毒害作用，从而 导致了后期运行的不稳定。 图 4 表明， 5 月 21 日-5 月 22 日反应器的 COD 去除率波动较大， 这说明系统已处于不稳定状态。其原因可从两方面考虑：一方面前 期氨氮冲击对微生物的毒害作用。另一方面，反应器排水将污泥排 走，使得主反应区的污泥浓度越来越低。 5.2.2 脱氮部分 污泥培养阶段，氨氮去除率最低在 16%左右，最高在 45%左 右，平均在 25%到 35%之间波动。污泥培养后期，去除率趋于稳定， 一般在 40%到 58%之间。 图图 4 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1234567891 01 11 21 3 氨 氮 去 除 率 （ 5 . 2 2 5 . 2 6 ) 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1234567891 01 1 5.2.3 除磷部分除磷部分 整个试验阶段 TP 曲线（图 7）和正磷酸盐曲线（图 8） 。磷酸 盐测定数值的可信度较差，如原水配比中磷酸盐浓度为 15mg/l，检 出值却仅有 5mg/l 左右。所以在以后的各工况中不再就磷酸盐进行 讨论。 另外要强调的一点，运行周期安排上，对生物除磷不利。首先运 图图 12 5 月月 8 日到日到 5 月月 17 日氨氮去除率日氨氮去除率 去除率 16.5 41.5 30.9 29.3 43.1 45.9 28.3 42.6 46.0 16.1 35.3 33.8 26.8 图图 13 去除率 41.4 38.5 40.6 39.5 60 56.9 55.6 40.8 44.7 58.8 56.8 进 出 水 正 磷 酸 盐 浓 度 及 去 除 率 0 1 2 3 4 5 6 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 正磷酸盐 0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 去除率 进 出 水 T P 及 去 除 率 0 2 4 6 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 TP 0 % 2 0 % 4 0 % 6 0 % 去除率 行中缺少污泥的闲置过程。 其次排泥时机选择在缺氧搅拌前几分钟， 此时排放的是泥水混合液，需做二沉处理，CAST 工艺的沉淀和废 水处理在一个池子中进行。由于经过了一个较长时间的缺氧搅拌， 水体已厌氧，聚磷菌极有可能释磷，使得出水中磷的含量增加。 图图 7 图图 8 5 月 2 7 日 到 6 月 1 日 C O D 去 除 情 况 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1234567891 0 8 0 8 5 9 0 9 5 1 0 0 进 水 出 水 去 除 率 5.3 第二种工况第二种工况 第二种工况从 5 月 27 到 6 月 1 日， 历时 5 天。 进水 COD 浓度调 整为 50mg/l。曝气时间延长半小时，缺氧搅拌后推，沉淀时间缩短 半小时。 5.3.1 COD 部分 进水 COD 浓度从 300mg/l 增长到 500mg/l，曝气延长 30 分钟。 COD 的去除率变化不大，可见改进的 CAST 反应器在 COD 去除方 面还有很大潜力。 5.3.2 氨氮硝化部分 泥龄不变，运行工况改变后，氨氮去除率未有较大变化。硝化 区回流开始硝态氮浓度与前期相比，变化不大。这也就是说，在改 进的 CAST 反应器中，在高的有机负荷条件下，主反应区污泥中的 自养硝化菌的比例很小。 图图 5 6月 2日 到 6月 7日 C O D 去 除 情 况 0 200 400 600 800 123456789 10 11 12 70 75 80 85 90 95 100 进 水 出 水 去 除 率 氨 氮 去 除 率 0 5 0 1 0 0 1234567891 0 5.4 第三种运行工况第三种运行工况 5.4.1 COD 部分 反应器运行正常，COD 去除率稳定 图图 14 5.276.1 去除率去除率 58.8 56.8 45.2 43.1 46.84 44.6 43.1 43.8 49.1 46.6 图图 6 氨 氮 去 除 率 0 2 0 4 0 6 0 123456789 5.4.2 氨氮硝化部分 运行工况稳定，氨氮去除率未有较大变化，氨氮保持在较高水 平，与前两种工况稳定状态下去除率相差不多。 5.5 三种工况氨氮去除率比较三种工况氨氮去除率比较 三种工况下，达到稳定后，去除率都差不多，在 40%到 60% 之间变化，改变曝气时间和厌氧停留时间对氨氮去除率无影响，主 反应区硝化作用不明显，去除氨氮可认为主要靠主反应区同化作用 和接触氧化区硝化作用。 进水氨氮和去除率、去除量关系 由于三种工况下，达到稳定后，去除率都差不多，可作为一种 情况考虑：分别取进水氨氮浓度相差较大数据进行分析。 图图 15 6.26.7 去除率去除率 45.3 46.5 43.9 45.9 44.4 49.0 48.8 45.5 47.1 进水 出水 去除量 去除率 4月28日 35.6 23.1 12.5 35.11236 5月8日 42.6 35.57 7.03 16.50235 5月10日 50.96 29.8 21.16 41.52276 5月10日 48.25 33.32 14.93 30.94301 5月15日 60.37 32.57 27.8 46.04936 5月20 日 46.26 28.6 17.66 38.17553 6月1日 83.9 42.73 41.17 49.07032 6月1日 81.9 43.7 38.2 46.64225 由图可看出：进水、去除量、去除率曲线形状相似，表明进水 浓度越高，去除量、去除率越高，但出水浓度也高，因而其曲线形 状相反。 为保证出水中氨氮浓度不会太高， 进水浓度在 45 到 55mg/l 为宜，去除率既高，又保证出水质量。 5.6 三种工况下硝态氮的转化情况及比较三种工况下硝态氮的转化情况及比较 由于进水为人工配水，氮元素主要来自于氯化铵，所以进水中 硝态氮含量很少，一般均底于 0.3mg/l, 经过主反应区同步硝化和反 硝化、接触氧化区硝化、生物选择区反硝化后，出水中硝态氮的浓 度一般底于 0.2mg/l. 从回流开始，主反应区测定的硝态氮含量看（除去测定有问题 的数据） ， 一般浓度底于 0.35mg/l,这表明主反应区在硝化效率方面很 0 20 40 60 80 100 进 水出 水去 除 量去 除 率 4.285.85.105.155.206.16.15.10 低， 原因可能为： 一是曝气停留时间不够长， 但根据以往资料， CASS 曝气时间最长为两个小时，且本试验中，曝气一小时和一个半小时 这两种工况下回流开始浓度差别不大，因而可排除；二是可能泥量 太少，在换水比为 66.7%情况下，污泥量只占总容积 33.3%，而一 般 CASS 充水比为 30%，小了将近一倍，污泥量也相应减少一半， 使硝化菌实际数量少（由于采用了 10 天的泥龄，硝化菌比例不会太 少） ，且使实际曝气时间减少（如曝气 2 小时，充水比 0.3,则实际曝 气时间 6.7 小时） ，达到生物分相目的，但主反应区完全无硝化功能 会要求接触氧化区具有较强硝化效率，也是不当的。在试验中，温 度 20 度左右，PH 值调到 8.0 到 9.0 之间，曝气充足，因而不会成为 影响因素。 接触氧化区硝态氮浓度分析：第一工况下，可以看到明显的培 养过程：4 月 23 日到 5 月 16 日硝态氮浓度基本是由低到高，直至 稳定，其间有两次浓度高达 19.1 和 20.6mg/l，而之后再未达到，可 能测量有误，之后浓度一直稳定在 6.3 到 9.7mg/l,其中一般在 6.7 到 7.5mg/l 之间，出现频率最高；第二工况下，硝态氮浓度更趋稳定， 基本在 6.87 到 7.01 之间小范围变化，说明生物膜培养成熟、稳定， 运行也很稳定；第三工况下，由于设备结构问题，接触氧化区未设 排泥装置， 人工排泥， 导致生物膜脱落， 重新培养， 浓度又回至 3.07 到 3.16mg/l 之间。 进水中氨氮浓度对硝化区影响：由于设备设计方面的欠缺，回 流泵每小时回流 18L 水，而接触氧化区的容积为五升，回流后如不 考虑稀释、停留，认为原有水尽被排出，则只需 16.5 分钟，十八升 水中有 13 升水在接触氧化区有较短时间停留，未能充分进行硝化， 再加上原有水，则更短，只有五升水停留在接触氧化区，进行硝化， 直到下个周期，回流开始硝态氮水样取自主反应区，因而浓度低(浓 度低于 0.35mg/l),而回流结束硝态氮浓度也不高（正常时 6.0 到 7.6mg/l） 。 在本试验中， 未测定回流开始时接触氧化区的浓度是一大 失误，因为要考察进水中氨氮浓度对硝化区影响，需作上周期进水 氨氮和下周期测定的回流开始接触氧化区的硝态氮浓度关系，因为 上周期进水氨氮浓度与进入接触氧化区的氨氮浓度有关，进而影响 硝化速率，得到不同的最终硝态氮浓度。但由于接触氧化区回流开 始硝态氮的浓度和接触氧化区回流结束硝态氮的浓度有关系，在回 流量一样条件下，具有可比性。可作进水氨氮浓度与接触氧化区回 流结束硝态氮的浓度关系曲线，考察二者之间关系（见下图） ： 由图可看出，接触氧化区硝态氮浓度随进水氨氮浓度变化不 大， （6 月 1 日之后硝态氮浓度明显降低是由于生物膜脱落原因） ， 这表明接触氧化区硝化能力已到极限，而不能再有提高，氨氮浓度 5月15日 5月11日 5月18日 5月17日 5月27日 5月25日 5月29日 6月1日 6月2日 6月7日 6月6日 0 20 40 60 80 100 NH3-NNox-N 提高不能增加硝化速率，原因只可能如下：停留时间太短，再加上 生物膜硝化， 硝化速率还受 DO 和氨氮传质速率及反应器结构影响， 其中传质速率是关键因素，因而反应器尚需改进加大接触氧化区体 积，减小回流流量，从而增加停留时间；控制曝气强度或纯氧曝气， 加大氧传质速率。 5.7 氨氮去除率和氨氮去除率和 COD 关系关系 数据选择原则： （1） 每种工况均选择数据进行分析，所选择数据为稳定状态 下运行数据； （2） 根据氨氮不同去除率进行选择。 关系曲线如下图： 第一种工况： 备注：系列 1 为氨氮去除率，系列 2 为进水 COD 负荷。 由图可看出：主反应区主要发生同化作用去除氨氮，除 2 和 8 两点外（测定或其它偶然性产生） ，COD 与氨氮去除率呈正比。 第二种工况： 0