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c a s s 工艺性能及其动力学研究 摘要 循环式活性污泥法工艺( c a s s ) 是近年来国际公认的处理废水的先 进工艺。国内也已开始对c a s s 工艺进行研究，并逐步在工业废水处理的 工程中开始应用。 本实验采用小型c a s s 反应器对某厂的难降解农药生产废水和某厂的 合成制药废水进行处理实验研究，重点研究了污泥回流比、进水历时、 c a s s 池各区比例、有机负荷等因素对c a s s 系统去除废水c o d 和氨氮效 果的影响。实验结果表明：两种废水的处理以回流比为5 0 的运行效果要 比回流比为1 0 0 和2 0 0 时运行的效果好，加大回流比并不能提高系统的 处理效果；进水历时的改变，c a s s 表现出良好的抗水力冲击负荷能力。 减小兼氧区体积后，农药废水的处理效率升高。农药废水污泥负荷从o 3 3 k g c o d ( k g m l s s d ) 增加到o 8 6 k g c o d ( k g m l s s d ) 系统运行稳定，c o d 去 除率达到8 9 ；制药废水污泥负荷从o 2 k g c o d ( k g m l s s d ) 增加到0 5 3 k g c o d ( k g m l s s d ) ，c o d 去除率保持在8 2 以上，在试验负荷范围内， c a s s 表现出一定的耐冲击负荷能力。 对实验c a s s 反应器的动力学模型进行了推导，得出在实验条件下 c a s s 处理农药废水的动力学模型为： f 、一f 、 = ! = ! = o o 0 0 2 x ( c , 一3 6 ) ， 处理制药废水的动力学模型为： f 、一f 、 兰兰= o 0 0 0 1 x ( c 一1 3 ) f 关键词： c a s s ：污泥回流比；进水历时；有机负荷 3 a b s t r a c t c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ( c a s s ) i so n ek i n do fn e wd e v e l o p e d b i o l o g i c a ls e w a g et r e a t m e n tn o w a d a y s c a s sh a sb e e nr e c e i v e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o ni ns e w a g ef r o mp l a n tt r e a t m e n tp r o c e s si nc h i n a w a s t ew a t e r so fp h a r m a c yf r o mp e s t i c i d ep l a n ta n dp h a r m a c yp l a n tw e r e t r e a t e dw i t ht h ec a s s t h er a t i oo fc i r c u m f l u e n c e ，t h ep e r i o do ff i l l i n gw a t e r , t h ep r o p o r t i o no ft h er e a c t o rp a r t s ，o r g a n i cl o a dt or e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d a n da m m o n i cn i t r o g e nh a sb e e ni n s p e c t e dd u r i n gt h ee x p e r i m e n t a t i o n t h e r e s u l ts h o w st h a t ：c a ssr u nw e l lw h e nt h er a t i oo fc i r c u m f l u e n c ew a s5 0 w h e nt h ep e r i o do ff i l l i n gw a t e rh a sb e e nc h a n g e d ，c a s ss h o w e dac a p a b i l i t y t oh y d r a u l i c sl o a d w h e np r o p o r t i o no fr e a c t o rp a r t sw a s1 ：1 ：10 ，t h ec o da n d a m m o n i cn i t r o g e nr e m o v a lr a t eo ft h ep e s t i c i d ew a s t ew a t e rw e r eb e t t e rt h a n t h eo t h e r ；t h ec o da n da m m o n i cn i t r o g e nr e m o v a lr a t eo ft h ep h a r m a c yw a s t e w a t e rs t a b i l i z ea tr e a c t o rp a r tp r o p o r t i o nw a s1 ：2 ：10 w i t ho r g a n i cl o a d i n c r e a s i n gi nt h es c o p eo fe x p e r i m e n t ，t h ec a s sr u ns t e a d i l y f o l l o w i n gt h ea n a l y s e so f t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ，t h ek i n e t i cm o d e l so ft r e a t m e n t o f t h ep e s t i c i d ew a s t ew a t e ri s c i c |= 0 0 0 0 2 x ( c 。3 6 ) a n dt h ep h a r m a c yw a s t ew a t e r si s c l ce = o o o o l x ( c , - 1 3 ) k e yw o r d s ：c a s s ；t h er a t i oo fc i r c u m f l u e n c e ：t h ep e r i o do ff i l l i n gw a t e r ； o r g a n i cl o a d 4 插图目录 图1 1s b r 工艺流程图2 图1 2i c e a s 工艺示意图3 图1 3c a s s 工艺示意图。5 图2 1c a s s 实验工艺流程图1 2 图2 2 实验装置实物图1 2 图3 1 污泥驯化期污泥浓度和c o d 去除率变化( 农药废水) 1 7 图3 2 污泥驯化期污泥浓度和c o d 去除率变化( 制药废水) 1 7 图3 3 驯化期观察到的微生物图片。1 8 图3 4 不同回流比c o d 去除率变化( 农药废水) 。2 0 图3 5 不同回流比c o d 去除率变化( 制药废水) 2 l 图3 6 不同回流比氨氮去除率变化( 农药废水) 。2 2 图3 7 不同回流比氨氮去除率变化( 制药废水) 2 2 图3 8 不同进水历时c o d 去除率变化( 农药废水) 2 5 图3 9 不同进水历时c o d 去除率变化( 制药废水) 2 5 图3 1 0 不同进水历时氨氮去除率变化( 农药废水) 2 6 图3 1 l不同进水历时氨氮去除率变化( 制药废水) 2 7 图3 1 2 不同反应区比例c o d 去除率变化( 农药废水) 2 9 图3 1 3 不同反应区比例c o d 去除率变化( 制药废水) 2 9 图3 1 4 不同反应区比例氨氮去除率变化( 农药废水) 3 1 图3 1 5 不同反应区比例氨氮去除率变化( 制药废水) 3 l 图3 1 6c o d 、氨氮去除率和污泥负荷变化( 农药废水) 3 3 图3 1 7 农药废水c o d 浓度变化3 3 图3 18 制药废水c o d 浓度变化3 4 图3 1 9c o d 、氨氮去除率和污泥负荷变化( 制药废水) 。3 4 图3 2 0 氨氮去除率和氨氮负荷变化( 制药废水) 3 6 图3 2 1s v i 和c o d 去除率变化( 农药废水) 3 7 图3 2 2 显微镜观察到丝状菌图片3 7 图4 1c a s s 工艺模型推导图4 0 图4 2 图解法求动力学参数( 农药废水) 4 5 图4 3 图解法求动力学参数( 制药废水) 4 6 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金旦曼王 些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：禹王巾签字日期：口孑年月y 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂一有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅或借阅。本人授权金胆工些太堂可以将学位论文的全部 或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文； ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：焉三? 神 签字日期： 口罗年彳月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 2 翩摊：疋新1 、lf 签字日期： d 彦年衫月z 日 v 一 电话： 邮编： 致谢 时光飞逝，转眼到了毕业的季节。在合肥工业大学的学习也接近七年，在这 七年中得到了许多老师和同学的关心帮助，不仅学到了丰富的知识，而且获得了 许多人生感悟，使自己渐渐成长。在即将离开合肥工业大学之际，我要对所有给 过我关心、帮助的老师和同学表示感谢。 首先我要感谢我的导师周元祥老师。周老师对本课题的选择、构思、实验方 案的确定、实验的完成、论文修改及成稿都倾注了大量的心血和汗水。三年来， 周老师对我在生活、学习上给予了关心和帮助。周老师严谨的治学态度、深厚的 专业知识、对科研问题敏锐的洞察能力、对学生的真诚札待使我终身受益，是我 人生路上学习的榜样。 在实验过程中得到了本科生赵洁和施培超的大量帮助，实验中一部分功劳属 于他们，再次对他们表示感谢。感谢我们组黄少武、陈康、王赞在三年学习中给 予的帮助。感谢石秀旺，王婉贞、宋静、张立凯等师弟师妹在实验过程中给予的 帮助。 在这里我要特别感谢我的父亲母亲，是他们一直在生活和精神上给予了我最 大最无私的关心和支持。 1 绪论 当前，我国的环境形势十分严峻，生态环境已进入大范围生态退化和 复合性环境污染的新阶段。能源、资源利用率低，污染物排放强度高，全 国范围内主要污染物排放已超过环境承载能力。污染与破坏已从陆地蔓延 到近海，从地表延伸到地下，从单一污染发展到复合污染。工业结构性污 染呈现不同空间尺度的梯度性转移和变化；在一些重要经济区域和流域形 成了点、线、面源污染共存，生活、生产污染叠加，各种新旧污染物交织。 随着我国工业化进度的加快，发展日益蓬勃，随之带来的环境污染问题也 逐渐加剧，尤其水污染问题更加突出。 在国家环境保护“十一五科技发展规划指出，水污染防治的具体目 标是完善国家水环境保护战略、政策与标准，研发一批科技含量高、应用 前景广、具有核心竞争力的流域水污染控制与修复关键技术，研制开发城 市污水处理厂污泥处置与资源化利用关键技术及成套设备，构建高效经济 的城市污水处理与综合利用技术模式。难降解有毒害工业废水的治理也被 确立为中国今后重点开展的研究课题u 1 。 工业企业的污染仍然是目前我国水污染的主要来源。不少老企业污染 严重，生产设备老化，工艺技术落后，无力治理，产生的废水未经处理就 直接外排；高消耗、高污染的小企业仍然大量存在。不少企业有法不依， 违法排污现象相当普遍。工业废水因具有种类多、成分复杂、c o d ( 化学需 氧量) 浓度高、可生化性差、有毒害、带有颜色或异味等特点，若未能进行 有效的治理，必将对环境造成十分严重的污染与破坏，开展这类工业废水 的综合治理己成为当代环境化工亟待解决的重大问题之一。 目前，在治理这类工业废水过程中，主要有物理法、化学法、物理化 学法( 简称物化法) 、生物法及其相互之间的组合技术等。生物氧化技术则 因具有处理效率高、极少产生二次污染、出水水质好、运行与操作管理方 便且费用较低等优点，而在当今工业废水处理技术中占主导地位。 1 1 序批式活性污泥法及其发展 废水处理按批量模式运行( o p e r a t e di nb a t c hm o d e ) 的概念最早于1 9 1 4 年见于报道北1 ，直到19 7 9 年，才由美国诺罗丹大学的i r v i n e 教授阳1 等提出 s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ，序批式反应器) 的名称，并尝试在实际工程 中加以应用。s b r 工艺是通过在时间上的交替来实现传统活性污泥法的整 个运行过程，它在流程上只有一个基本单元，将调节池、曝气池和二沉池 的功能集于一池，进行水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离等。 经典s b r 反应器的运行过程为：进水_ 曝气_ 沉淀叶滗水_ 待机。 口固日日日 进水 曝气沉淀捧水闲置 图1 1s b r 工艺流程图 f i g 1 1f l o ws c h e m a t i cc h a r to fs b r s b r 在时间上的不可逆性，不存在返混现象，所以属于理想推流式反 应器h 1 。经典的s b r 反应器在沉淀过程中没有进水的扰动，属于理想沉淀 状态。s b r 反应器对有机物去除效果较好，而对难降解有机物降解效果好是 因其在生态环境上具有多样性，运行时可以形成厌氧、缺氧和好氧等多种 生态条件，从而有利于有机物的降解嘲嘲 7 】伯】。 在连续进水时，由于s b r 为间歇式处理系统，单一s b r 反应器就需 要较大的调节池，而对于多个s b r 反应器，其进水和排水的阀门切换较为 频繁，s b r 反应器也无法达到大型污水处理项目连续进水、出水的要求， 制约了s b r 的广泛应用。近年来，随着各种传感器、微处理器、自动执行 系统的投入应用和新型不堵塞曝气器、新型浮动式出水堰( 滗水器) 的开发， 人们对s b r 技术研究的不断深入，处理设施的小规模分散化发展以及氮、 磷排放标准日益提高，使得能适应这种发展趋势的s b r 技术得到前所未有 的发展，成为世界各国竟相开发的热门工艺。s b r 技术能在同一反应器中 灵活地实现多种工艺条件的组合，为日益增多的难降解有机废水的处理提 供了极大的方便。因此，在难降解有机废水的处理中，出现了多种新型工 艺与反应工序的组合9 1 加3 m 别。 8 0 年代初出现了连续进水的i c e a s 工艺，随之g o r a n z y 教授开发了 c a s s 和c a s tt 艺，9 0 年代初比利时的s e g h e r s 公司又开发了 u n i t a n k 系统，把经典s b r 的时间推流与连续系统的空间推流结合了起 来。 i c e a s u 3 1 ( i n t e r m i t t e n tc y c l i ce x t e n d e da e r a t i o ns y s t e m ) 工艺是间歇循 环延时曝气系统的简称，该工艺是由澳大利亚新南威尔士大学与美国a b j 公司合作开发的，其基本单元是两个矩形池为一组的反应器。每个池子分 为预反应区和主反应区两部分，预反应区一般处于缺氧状态，主反应区是曝 气反应的主体。i c e a s 的优点是采用连续进水系统，减少了运行操作的复 2 杂性，故适用于较大规模的污水处理。自1 9 7 6 年i c e a s 首次在澳大利亚 得到应用并被逐步推广以后，运行结果证实由于在i c e a s 反应池前端设置 了预反应区能有效地快速吸附可溶b o d ，发挥了生物选择器的作用。进一 步研究证明具生物选择器的i c e a s 反应器不但能有效抑制了丝状菌的繁 殖生长，解决了活性污泥法污泥膨胀难题外还能在反消化和脱磷中利用己 吸附的碳源而无需额外添加，强化了生物脱氮除磷功能，由此大力推动了 i c e a s 工艺在全世界范围内的推广和应用。至今在世界范围内建成4 0 0 余 个污水处理厂。中国有4 0 余个工程项目建成，并两次被国家环保总局评 为最佳实用技术。 进气一 进水q l 生物选择区2 主反应区 图1 2i c e a s 工艺示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cc h a r to fi c e a s 为了克服间歇排水的缺点，比利时史格斯清水公司开发的专利 u n i t a n k 工艺n 铂集中了s b r 和三沟式氧化沟的优点，一体化设计，做到 了连续进水、连续出水，并且污泥可自动回流。u n i t a n k 的通用形式是 采用三个池子的标准系统，这三个池子通过共壁上的开孔实现水力连接， 无需用泵输送，每个池中都装有曝气系统( 可以是表曝也可以是鼓风曝气) ， 同时外面的两个池子都装有溢流堰用于排水，既可以用作反应区也可以用 作沉淀池。每个池子都可以进水，剩余污泥也是从边缘两个作沉淀池的池 子排出。与传统活性污泥法一样，u n i t a n k 系统n 司是连续运行的，但是其 单个池子是按一定周期运行的。通常脱碳工艺其运行方式有二个池在曝气 阶段，如左池和中池曝气，左池进水后通过连通管通过中池后进人右侧池。 此时右池类似沉淀池处于沉淀阶段，澄清水由出水堰溢流排出反应器。当 经过一段时间后改为从右侧进水，左侧排水，如此周而复始。对需脱氮除 磷工艺，除处于沉淀状态的侧池外，另二池都可进水：各池中都设置液下 搅拌器。通过时序安排可调整反应器内好氧及缺氧状态的时间比而达到处 理目的。 自9 0 年代以来已有近2 0 0 个处理项目采用此工艺，已投人运行的最 大规模的污水厂为澳门函仔污水处理厂，日处理平均流量7 万吨， 亚洲 银行贷款项目上海石洞口污水处理厂( 平均处理量4 0 万吨天) 已采用此工 艺引。 d a t - i a t 1 帕( d e m a n da e r a t i o nt a n k i n t e r m i t t e n ta e r a t i o nt a n k ) 反应器 由导流墙分隔成二个等容积的独立反应器，即前级连续曝气反应器( d a t ) ， 后级间歇曝气反应器( i a t ) 。d a t 类似传统工艺曝气池连续曝气，污水连续 进人d a t 后再进人i a t 。i a t 为连续进水间歇操作反应器，操作时序分为 反应、沉淀、灌水和闲置阶段。为保证d a t 内m l s s 稳定的浓度，设污 泥回流装置，i a t 中混合液由回流泵泵人d a t 中。典型工艺设计中d a t 和a i t 中m l s s 分别为4 9 l 和5 9 l ，则由m l s s 质量平衡计算可得回流 比r 需3 0 0 。为控制二反应池中稳定的污泥浓度，需在反应器内设置 m l s s 传感器，并由计算机控制回流泵运行。 由于d a t 类似传统全混曝气池，操作中可能会引起污泥膨胀，若膨胀 污泥进人i a t 池后将直接影响出水水质；另外因增加了污泥浓度监控使操 作较为复杂。d a t i a t 工艺已在澳大利亚等国应用，天津经济技术开发 区污水处理厂n 5 1 ( 日处理污1 0 万m 3 ) 为我国首个大型d a t i a t 工程项 日，已投人运行。 此外，还有一些其他类型的s b r 工艺，如m s b r 1 力n 耵、a s b r - i 艺憎捌、 水解一好氧循环s b r 工艺、序批式生物膜反应器( s b b r ) 船”等。 1 2c a s s 工艺 c a s s ( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ) 工艺是循环式活性污泥法的缩 写，是由g o r o n s z y 教授陇3 在i c e a s 的基础上研究开发出来的一种改进型 s b r 工艺。c a s s 的整个工艺为一间歇式反应器，将生物反应过程和泥水 的分离过程结合在一个池子中完成。因此，它是s b r 工艺及i c e a s 工艺 的一种更新变型。1 9 8 6 年美国国家环保局正式宣布c a s s 工艺为革新代用 技术嘲。 c a s s 工艺作为s b r 处理技术的一个改进，不仅具备s b r 法工艺简单 可靠、运行方式灵活、自动化程度高的特点，而且具有明显的除磷脱氮功 能，这一功能的实现在于c a s s 池通过隔墙将反应区分为功能不同的几个 区域，因在各分格中溶解氧、污泥浓度和有机负荷不同，各池中的生物相 亦不同。同时在传统s b r 池前或池中设选择器及厌氧区，相当于厌氧、缺 氧、好氧阶段串联起来，提高了除磷脱氮效果心铂 衢】。 g o r o n s z y 教授于1 9 6 9 年，从连续进水间歇运行的氧化沟工艺入手从 4 事可变容积活性污泥法的研究和开发工作，并于1 9 7 5 年将连续进水间歇 运行的工艺方法应用于矩形鼓风曝气池，1 9 7 8 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s b r 工艺有机结合，成功地开发出 c a s s 工艺，1 9 8 4 年和1 9 8 9 年分别在美国和加拿大取得循环式活性污泥 法工艺( c a s s ) 的专利口4 】【冽。 c a s s 工艺是将变容积活性污泥法和生物选择器原理有机地结合起来， 设有一个分建或合建式生物选择器，以序批曝气一非曝气方式运行的充一 放式间歇活性污泥处理工艺，是在其它的循环活性污泥技术如间歇排水延 时曝气工艺i d e a ( i n t e r m i t t e n t l yd e c a n t e de x t e n d e da e r a t i o n ) 、间歇排水 曝气塘工艺i d a l 汹1 ( i n t e r m i t t e n t l yd e c a n t e da e r a t e dl a g o o n s ) 、间歇式循环 延时曝气活性污泥i c e a s 嘲圳( i n t e r m i t t e n t l yc y c l i ce x t e n d e da e r a t i o n s y s t e m ) 等的基础上发展起来的。 与其他工艺相比，c a s s 池的变容运行提高了系统对水量水质变化的 适应性和操作的灵活性；选择器的设置加强了微生物对磷的释放、 反硝 化、对有机物的吸附吸收等作用，增加了系统运行的稳定性；周期内反应 器以厌氧一缺氧一好氧一缺氧一厌氧的方式运行，有比较理想的脱氮除磷 效果2 6 3c 3 i 】。 1 2 1c a s s 工艺的基本原理 c a s s 工艺以序批曝气一非曝气方式运行的充一放式间隙活性污泥处 理反应器，它通常由生物选择区、兼氧区和主反应区三个区域组成( 图1 1 ) 。 进气一 进水q i i 一滗 ， ， ， 、 123 已j 己j口守守玎口口口 口口口口口口口口 污泥回流r q l 生物选择区2 兼氧区3 主反应区 图1 3c a s s 工艺示意图 f i g 1 3 s c h e m a t i cc h a r to fc a s s 高水位 低水位 口 生物选择区是设置在c a s s 前端的小容积区域，容积约为反应器总容 5 积的1 0 左右，水力停留时间一般为0 5 1 0 h ，通常在厌氧或兼氧条件下 运行m 1 。生物选择器是根据活性污泥反应动力学原理而设置的，进入反应 器的污水和从主反应器内回流的活性污泥在此混合接触，创造合适的微生 物生长条件并选择出适合所处理废水的絮凝性细菌，有效地抑制丝状菌的 大量繁殖，改善沉降性能，防止污泥膨胀旧】【州；还可通过酶反应机理快速 去除废水中的溶解性物质( 累积在微生物体内) 并对难降解的有机物起到 较好的水解作用；同时使污泥中的磷在厌氧条件下有效地释放。由于回流 污泥中存在少量硝态氮，生物选择器中还会发生反硝化作用啪】。依据生 物的积累一再生原理汹3 ，活性污泥在生物选择区中先经历一个高负荷 的反应阶段，将废水中的溶解性易降解有机物通过酶转移予以快速的吸附 和吸收，进行基质的积累；然后在主反应区中再经历一个低负荷的反应阶 段，完成基质降解，从而实现活性污泥的再生。 由于一般同步硝化反硝化只可达到5 0 的反硝化效果嗍，故c a s s 系 统为保证脱氮效果，仍需设置缺氧区。兼氧区能辅助生物选择区实施对进 水水质水量变化的缓冲作用，还能促进磷的进一步释放和强化反硝化作 用。另外，在缺氧区中活性污泥通过水解酶将大量易降解的溶解性基质分 解为挥发酸，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。 主反应区是去除有机污染物质的主要场所。通常控制氧化还原电位 o r p 在1 0 0 m v 1 5 0 m v ，溶解氧d o 在o 一2 5 m g l 心8 】1 ，保证活性污泥的外 部有一个好氧环境进行有机物好氧降解和硝化。适当控制充氧量，使主反 应区内溶液处于好氧状态，活性污泥内部基本处于缺氧状态，可以实现主 反应区同时发生硝化、反硝化作用和磷的吸收h m 1 。 c a s s 工艺运行过程包括充水一曝气、沉淀( 泥水分离) 、上清液滗除 和闲置4 个阶段，按一定的时间序列运行。具体运行过程为： ( 1 ) 充水一曝气阶段。边进水，边曝气，同时将主反应区的污泥回流 至生物选择器。此阶段，曝气系统向反应池内供氧，一方面满足好氧微生 物对氧的需要，另一方面使活性污泥与有机物的混合与接触，从而使有机 污染物被微生物氧化分解。同时，污水中的氨氮也通过微生物的硝化作用 转化为硝态氮。 ( 2 ) 沉淀阶段。停止曝气，静置沉淀使泥水分离。停止曝气后，微生 物继续利用水中剩余的溶解氧进行氧化分解，随着溶解氧含量的降低，好 氧状态逐渐向缺氧转化，并发生一定的反硝化作用。 ( 3 ) 表面滗水。沉淀阶段完成后，置于反应池末端的滗水器在程序控 制下开始工作，自上而下逐层排出上清液，排水结束后，滗水器将自动复 位。 6 ( 4 ) 闲置阶段。这段时间用于反应器内污泥的闲置以恢复污泥的吸附 能力，为下一周期的运行作准备。 1 2 2c a s s 工艺的研究和应用现状 循环活性污泥系统( c a s s ) 是一种将变容积活性污泥法和生物选择器 原理有机地结合起来，具有同步脱氮除磷的以序批曝气一非曝气方式运行 的充放式间歇活性污泥处理工艺。c a s s 工艺最早是美国川森维柔废水处 理公司研究成功并推广应用的废水处理新技术专利。在美国、加拿大、澳 大利亚等国2 7 0 多个污水处理厂应用，其中城镇污水处理厂2 0 0 多家，工业 废水处理厂7 0 多家。 目前已投入运行的澳大利亚q u a k e r sh i l l 污水厂旧1 处理能力为5 0 万人 口当量，其选择区运行分为曝气和不曝气两种方式，运行取得了较好的效 果，其出水b o d 1 0 m g l ，s s 5m g l ，n h 4 十- n 0 5m g l ，t n 1 0m g l ， t p 0 8m g l 。泰国曼谷建成处理规模为2 0 万m 3 d 的y a n n a w a 污水处理 厂h 羽，其设计独特，为世界上规模最大，多层结构( 四层) 的c a s s 污水 处理厂，经该厂的处理后的出水水质为好，b o d 2 0m g l ，s s _ 3 0m g l ， t k n _ 1 0m g l ，n h 4 + - n s 5m g l ，p s 2m g l 。g u n n a rd e m o u l i n 等h 町采用传 统活性污泥法和循环式活性污泥法同时操作对比试验，同样的负荷条件 下，在硝化程度上，同步硝化反硝化的稳定性和磷去除率方面，循环式均 优于传统的方法，硝化作用高出3 5 ；c a s s 工艺去磷率为8 8 ，传统的 为5 5 ，按照设计标准构建体积减少3 0 。m e r v y nc g o r o n s z y 等h 阳对 c a s s 系统硝化反硝化过程进行研究，结果表明在低于设计负荷下循环操 作运行可以获得较高的氮去除率。 国内也已开始对c a s s 工艺进行研究，并逐步在城市污水、制药、屠 宰、啤酒、印染和化工等行业废水处理的实际工程中得到应用。 田立江，李多松h 7 3 通过对可能导致污泥膨胀的各种原因进行分析，结 合实际运行参数进行对比，确定了污泥膨胀的控制方案，使污泥膨胀得到 了有效的控制。杨亚静，李亚新h 明和张胜华等n 盯对c a s s 工艺的理论与设 计计算进行阐述，补充和完善了工艺理论，为实践提供了指导。李琳琳油1 通过不断增加进水含盐量研究c a s s 系统的耐盐性进行了实验，试验表明： 当c l 的质量浓度 1 4 3 0 0 0 0 噻 噻吩胺废水 2 黑红色 9 甲醇、n a o h 及反应副产物 吩 磺 磺酰氯废水 2 5土黄色 9 醋酸、s 0 2 等 隆 生 磺酰胺废水1 5无色 8 胺盐及副产物 产 稀碱吸收液3 m 3 次吸收氯气、s 0 2 ( 不定时排) 废 水小计 6 1 0 2 4 实验仪器设备及测试方法 2 4 1 主要监测数据及测试方法 ( 1 ) c o d ：c o d 快速测定法 ( 2 ) 氨氮：钠氏试剂比色法 ( 3 ) p h - p h 计测定 ( 4 ) m l s s ：1 0 3 1 0 5 烘干重量法 ( 5 ) d o ：溶解氧测定仪 ( 6 ) 温度：温度计 1 4 2 4 2 实验仪器设备 表2 2 实验所用主要仪器表 t a b l e 2 2e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 1 5 实验结果分析与讨论 实验以两种难降解工业废水为研究对象，在实验期间改变运行工艺参 数，在追求高处理效果的同时考察工艺参数变化对系统运行效果的影响， 找到处理农药废水和制药废水各自适合的工艺参数，并寻求c a s s 工艺处 理难降解工业废水的潜在规律。 两种废水所含有机物浓度都很高、难降解，而且生物抑制性强，对于 这种废水的处理运行周期应适当延长，参考同类水的处理和考虑实验条 件，本次试验以一周期2 4 h 运行。c a s s 系统周期安排为：进水一曝气17 h ， 沉淀3 h ，排水1 h ，闲置3 h 。进水时开始污泥回流，静置沉淀时污泥回流 停止。排水比为3 0 。在运行过程依据具体实验处理效果逐步缩短反应时 间。实验期间先将c a s s 系统进水有机物浓度控制在常规好氧处理水平， 待处理效果稳定于一定水平后逐步加大进水有机物浓度，考察其耐受有机 负荷的能力和适应性。 反应器在设计时考虑到防止生物选择区和兼氧区水流的短路和池体 有效容积的充分利用，各隔室在底部和上部都设有孔与下一隔室连通，能 够实现隔室的底部进水上部出水或上部进水底部出水。生物选择区的运行 可以是定容积也可以是变容积，污泥驯化时考虑到污水对微生物的抑制作 用，使生物选择区具有一定的缓冲能力，减小对选择区内微生物的冲击负 荷，生物选择区以定容积方式运行。 3 1 反应器的启动 本实验于2 0 0 7 年4 月1 9 日开始正式启动系统，首先进行污泥的培养 和驯化。分别向两反应器中加入约5 l 的活性污泥( 取自王小郢污水处理 厂) ，用配制的营养液( c ：n - p = 1 0 0 ：5 ：1 ) 培养3 天，使其恢复活性。 反应器启动后，以2 4 小时为一个周期运行，进水分别用所取的农药废水、 制药废水和营养液按一定比例配制。生物选择区，兼氧区和主反应区的比 例为l ：2 ：1 0 ，在进水流量1 l h ，进水时间为3 5 h ，回流比为1 0 0 ，排 水比为3 0 的条件下运行，期间对每个周期进水和出水的c o d 和氨氮浓 度进行监测。处理农药废水c a s s 系统在运行第四天补充过污泥，系统运 行约二十五天时达到稳定，污泥浓度稳定在2 7 0 0 - - 2 9 0 0 m g l ，并且系统对 废水c o d 去除效率稳定在7 0 一8 0 之间，实验期间系统污泥浓度和c o d 去除率变化如图3 1 所示。处理制药废水c a s s 系统由于起始污泥量较少， 在运行第四天和第十天曾两次补充过污泥，系统运行二十天基本达到稳 定，污泥浓度稳定在3 0 0 0 m g l 左右，系统对废水c o d 去除效率稳定在 8 0 一9 0 之间，实验期间系统污泥浓度和c o d 去除率变化如图3 2 所示。 1 6 图上出现污泥浓度变化幅度较大是因为补充污泥所致。在开始对活性污泥 进行驯化时出现c o d 去除率较高的现象，其原因是进行污泥驯化前用营 养液进行培养，其c o d 含量较低，较高浓度试验废水加入后在池中被稀 释了，所以会出现起始效率较高的现象。系统在污泥量稳定的前提下，c o d 的去除效率呈稳步上升趋势，说明系统中微生物基本适应了实验废水环 境，可以进入下一阶段实验。 4 5 0 0 4 0 0 0 3 5 0 0 3 葛 e2 5 篓2 0 0 0 器1 5 0 0 1 0 0 0 5 o l3579l l1 31 51 71 92 l2 32 5 运行时间( d ) + 污泥浓度- - e - - c o d 去除率 图3 1 污泥驯化期污泥浓度和c o d 去除率变化( 农药废水) f i g 3 1v a r i a t i o no fm 儿s s c o dr e m o v a le f f i c i e n c ya ts e t u ps t a g e ( p e s t i c i d e ) 运行时间( ，d ) - - 4 1 - - m l s s - - c o d 去除宰 图3 2 污泥驯化期污泥浓度和c o d 去除率变化( 制药废水) f i g 3 2v a r i a t i o no fm l s s & c o dr e m o v a le f f i c i e n c ya ts e t u ps t a g e ( p h a r m a c y ) 在污泥的驯化过程中，沉降时观察到污泥絮体明显，污泥沉降性能良 好，泥水分离较好。实验用的接种驯化污泥为成熟的城市生活污水厂的污 泥，微生物种类多，数量很大。污泥驯化初期，加入实验配水后，镜检发 1 7 o o o o o o o o o o o o o o o 0 o o 0 o o o 5 o 5 o 5 o 5 o 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 1、aev螂袋骝浆 现处理农药废水的c a s s 池中，钟虫、线虫等微型后生动物已经观察不到， 处理制药废水的池中其数量减少很多，说明两种废水的毒性是很强的。 螺旋藻 栅藻属 鞭毛虫 星杆藻属类 衣藻属 图3 3驯化期观察到的微生物图片 f i g 3 3m i c r o o r g a n i s mp i c t u r e 1 8 轮虫 在驯化过程中，在处理农药废水c a s s 池观察到球菌，杆菌，螺旋藻， 鞭毛虫等微生物。鞭毛虫数量随系统运行逐渐增加，发展成为优势微生物。 在处理制药废水c a s s 池观察到球菌，杆菌，螺旋藻、丝状菌、栅藻等微 生物，到实验中后期出现了轮虫和线虫等微型后生动物，显微镜下观察到 的微生物如图3 3 所示。 3 2 污泥回流比对处理效果的影响 c a s s 系统在时间序列上以推流方式运行，而各个反应区则以完全混 合的方式运行，每个反应区内基质浓度不同，这样恰好符合了生物的吸附 一再生原理，c a s s 系统的污泥回流使活性污泥在生物选择区中先经历一 个高负荷的反应阶段，将废水中的溶解性易降解有机物通过酶转移予以快 速的吸附和吸收，进行基质的积累：然后在主反应区中再经历一个低负荷 的反应阶段，完成基质降解，从而实现活性污泥的再生。再生的污泥以一 定的比例回流至生物选择区，以进行基质的再次积累再生过程。 实验c a s s 反应器的生物选择区设计为厌氧生物选择器，它既能反硝 化脱氮和厌氧释磷，还能抑制丝状菌的生长。在选择器中，反硝化细菌利 用易降解有机物作为电子供体，硝态氮作为电子受体，获得迅速增殖，而大 多数丝状菌没有这个功能；聚磷菌( p a o ) 释放体内的聚磷作为能源，迅速 吸收水中的易降解有机物，特别是挥发性脂肪酸( v f a s ) ，丝状菌也没有这 个功能。因此，反硝化菌和聚磷菌在选择器中成为优势菌种而遏制了丝状 菌的生长。回流比不仅决定选择器中活性污泥的浓度，还决定了活性污泥 经历好氧一厌氧循环的频率。 实验反应区比例，生物选择区、兼氧区和主反应区的比例为1 ：2 ：1 0 ， 农药废水实验进水c o d 浓度在7 0 0 一9 0 0 m g l ，氨氮浓度在1 0 一3 5m g l ， 污泥浓度在2 7 0 0 2 9 0 0 m g l ；制药废水实验进水c o d 浓度在6 0 0 9 0 0 m g l ，氨氮浓度在2 0 一5 5m g l ，污泥浓度在3 0 0 0 m g l 左右。进水时间 为3 5 h ，排水比为3 0 ，通过改变污泥回流量，考察系统在回流比为5 0 、 l o o 和2 0 0 对c o d 和氨氮去除效果的影响。 、 3 2 1 污泥回流比对c o d 去除效率的影响 回流比对农药废水c o d 去除率的影响如图3 4 所示，由于刚开始进行实 验，参数的改变对系统的运行影响较大。考虑到进水浓度较高，生物毒性 强，为防止生物选择区内污泥出现生物中毒的发生而影响到系统的正常运 行，最先以回流比为10 0 实验，系统在连续运行一个星期后处理效率趋于 稳定，从起始的7 2 逐渐升高并稳定在8 5 左右。当回流比为2 0 0 时，系 统运行一直不稳定，c o d 去除效率波动较大，而且还呈现逐渐下降的趋势； 1 9 以回流比为2 0 0 运行一个星期后，改变回流比为5 0 ，参数的改变后处理 效果有波动，但系统运行5 天后c o d 去除率稳定在8 6 附近。 对于制药废水c o d 去除率的影响如图3 5 所示，系统经过6 天运行，三 个水平回流比下系统对c o d 的去除效率基本稳定，从图上可以看出，回流 比为5 0 时系统对c o d 去除效率高于其他两个水平，回流比为1 0 0 时又比 2 0 0 时好。 两种废水的处理结果都说明，加大回流比不能够提高c a s s 系统对 c o d 的去除效率。大回流比下运行的结果并没有小回流比好，表面上看大 回流比减小了选择区污泥负荷，增加了活性污泥经历好氧一厌氧循环的频 率，会对c o d 去除效果起促进作用，但实验结果并非如此。c a s s 系统污 泥回流的并不是以降低生物选择区的污泥负荷为目的，而是使活性污泥在 生物选择区中先经历一个高负荷的反应阶段，从而有利于絮凝性细菌的生 长，有效地抑制丝状菌的生长和繁殖，最终筛选和培养出适合所处理对象 的优势菌种。 l o o 9 0 x8 0 铬 嚣7 0 6 0 5 0 l23456789l o 运行时间( d ) - - - - r = 1 0 0 + r = 2 0 傩十r _ 5 嘣 图3 4 不同回流比c o d 去除率变化( 农药废水) f i g 3 4v a r i a t i o no fc o dr e m o v a le f f i c i e n c ya td i f f e r e n tr a t i oo fc i r c u m f l u e n c e ( p e s t i c i d e ) 另外，从吸附一再生理论呻1 看，活性污泥在生物选择区高负荷的环境 下，将废水中有机物快速的吸附和吸收，进行基质的积累；然后在主反应 区中再经历一个低负荷的反应完成基质降解，实现活性污泥的再生。这就 要求系统从生物选择区到主反应区要有一个适当的污泥负荷梯度来实现 污泥的吸