（环境工程专业论文）cass工艺除磷特性研究.pdf

摘要 舢i | f i | | l i i f i 川删| l i | 船 y 2 0 8 3 9 0 4 c a s s 工艺流程简单，运行管理方便，耐冲击负荷能力强，处理效果好，尤 其在除磷脱氮方面有较强的优势。但是由于缺少完善科学的理论依据，工程设计 大多依靠经验数据。 为本课题在试验室条件下，对c a - s s 处理生活污水的除磷规律进行研究，总 结运行中的理论数据，以期为实际应用提供理论数据和参考。 本课题选择模拟生活污水作为研究对象，重点考察c a s s 工艺对模拟生活污 水中磷的去除效果及规律。通过正交试验及其结果分析，比较分析了几个操作参 数对系统除磷效果的影响，并总结出最佳的运行条件；在最佳运行条件下，通过 改变进水的水质，研究不同负荷下c a s s 工艺除磷效果的变化规律；同时，对某 两个连续的特定周期内c a s s 工艺各主要单元的除磷特性进行了跟踪监测，总结 出各主要单元内水质的变化规律。 正交试验结果表明，曝气比、回流比、s r t 和m l s s 四个操作参数对c a s s 工艺除磷效果有显著影响。这四个因素对试验的影响次序依次为曝气比 m l s s s r t 回流比。最终确定的最佳运行条件为：曝气时间比5 0 、污泥回 流比2 0 、s r t l o d 、主反应区m l s s 2 0 0 0 m g l 。 在上述最佳运行条件下的试验表明： l 进水r i p 负荷对c a s s 工艺的除磷效果有明显的影响。固定进水c o d 和 t n 浓度的单因素试验结果表明，c a s s 工艺除磷效果存在着明显的最佳进水t p 负荷范围： 2 生物选择区t p 浓度与系统除磷率之间无显著相关性，而厌氧释磷倍数则 可以很好地反映出除磷率的变化规律。因此，可以将生物选择区的厌氧释磷倍数 作为c a s s 工艺除磷的一个控制参数； 3 在碳源充足的情况下，较低的c o d 进水负荷下能获得很好的除磷效果； 在高进水c o d 负荷条件下，p i a 0 s 在与g a o s 的竞争中无法取得主导地位，可 能是导致系统除磷效果降低的原因。 4c a s s 工艺生物选择区和主反应区内的水质变化规律在各个周期内保持 着很好的一致性。曝气的开启与停止是影响c a s s 主反应区的主要因素，其中主 反应区内的d o 和t p 浓度变化较大，c o d 浓度变化很小；生物选择区内的d o 和c o d 变化较明显，1 1 p 浓度略有变化，污泥回流是影响生物选择区的主要因素。 根据以上试验结果，可以看出，c a s s 工艺对生活污水中磷的去除有很好的 效果，在最佳操作参数条件下，c a s s 工艺对磷的去除率可以达到7 9 以上，出 水中磷浓度 m l s s s r t s l u d g e c i r c 吼f l u e n c er a t i o t h eb e s to p e r a t i o np a r 锄e t c r sc o n c l u d e di sa e r a t i o n 船t i o0 5 0 ， s l u d g ec i r c 啪n u e n c er a t i o0 2 0 ，s r t1o da l l dm l s s2 0 0 0 l l l g l t h e e x p e r i m e n tm l d e rt h eb e s to p e r a t i o nc o n d i t i o n ss h o w ： lt h ei n n u e n tt pl o a dh a sa i le v i d e n c ei m p a c to nt l l eb p ro f m ec a s s ，a n d m e r ei sae v i d e n c et pi n f l u e n tl o a d 啪g ef o rm eb e s tb p r 2t h et pc o n c e i l t r a t i o no fs e l c c tt 孤1 l 【t l a sn 0e v i d 饥c er e l a t i o nw i 廿lm eb p r p e r f o 咖柚c e ，b u tt h ep r e l e 勰em u l t i p l ec a nr e n e c tm ev a r i e t ) rm l e sp c r f c c t l y s o l e p - r e l e 弱em u n i p l ec 锄b et 1 1 e0 p 酬i o n 伽t o ro f 纰c a s s 3h 1t h ec o 础t i o no f m ee n o u 曲c 砷o ns o w c e ，t h el o wi i l n u e n tc o dl o a dc 龃 a t t a i nah i 曲b p re 虢c t b mt h eh i 曲i n n u e n tc o dl o a dc 孤n o ta 钍a i l la 唧e c t e m u e n tb e c a u s eo ft h ec o m p e t i t i o n 锄盯eo fm e p a o sa g 咖s tg a o s 4t h ev a r i e t ym l e so ft h es e l e c tt a l l l 【a n d 黜b i ct a ：r l kk e e pc o h e r c n c ed l l r i i 培 e v e 巧c y c l e s t h ea e r a t i o ni sm em 勾o ri i l f l u e n c ef k t 0 娼o nt l l e r o b i ct a n k ，锄dm e v a r i e t ) r 砌g eo fd o a n dt pc o n c e 船a t i o ni sb i g g e rt h 孤c o d t h ev a d e t ) rm g eo f d oa n dc o dc o n c e i l 仃a t i o ni 1 1s e l e c tt a | 呔i sb i g g 盯t t 啪c o d ，a n dt l l es l u d g e c i i i c u m n u e n c ei st h em 萄o ri l 】血u e n c ef k t o ri i ls e l c c tt a i l ：k m m e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w 恤tt l l eb p ro fc i v i ls c w a g eu s i n gc a s sc a na t t a i n a9 0 0 de 虢c t ，m eb p r p e 晌锄a l l c er c a c h7 9 ，a n dt h ce m u 锄t1 pb e l o w1 5 n 虮 u n d e rt h eb e s to p e r a t i o nc o n d i t i o n s k e y w o r d 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 ；b i o l o 舀c a lp h o s p h o r u sr e n l o v a l ；c h a r a c t e 叔i c ； o n l l o g o m le x p e 血n c 】毗；c i v i is e w a g c 硕士学位论文 1 1 生物除磷的研究进展 1 1 1 生物除磷原理 第l 章绪论 自从s r i n a t l l 于1 9 5 9 年首次报道了活性污泥能摄取超出生物正常代谢所需要 的磷量之后，就一直存在除磷机理之争。比较有代表性的解释有两种：一是生物 诱导的化学沉淀作用，二是生物积磷作用。但第一种解释在理论上有矛盾的地方， 因此一般倾向于第二种解释，即认为污水中磷的去除是一种生物作用，并将这种 具有除磷能力细菌称为聚磷菌( p o l y p h o s p b a t e c u m u l a t i o no r g 疝s m s ，p a o s ) 。到 目前为止，生物除磷( b p r ) 机理尚未完全清楚，但好氧、厌氧交替的环境是生 物除磷的必要条件。简要生物除磷作用机理解释如图1 1 所示。 厌氧段 好氧段 污泥回流 图1 1 生物除磷机理示意图 f i g 1 1t h es k e t c ho f b p r ( 富磷) 剩余污泥 ( 1 ) 厌氧释磷。在厌氧段，发酵产酸菌( 主要是气单胞菌属，它也是一种 p a o s ) 通过发酵产酸作用将污水中溶解性大分子有机物降解转化为低分子发酵 产物( 如挥发性脂肪酸，v f a s ) ；好氧p a o s ( 一般认为主要包括不动杆菌属、假 单胞菌属和气单胞菌属等) 在受到压抑的厌氧环境中，能够分解其细胞内聚磷酸 盐同时产生三磷酸腺苷( a t p ) ，p 舳s 利用a r p 以主动运输的形式将污水中的低 第l 章绪论 分子发酵产物摄入细胞内，并以聚p 羟基丁酸盐( p 髓) 颗粒的形式储存，同时 将分解聚磷酸盐所产生的磷酸盐排出胞外【1 1 ，从而维持其在厌氧不利条件中生 存。该过程称为p a o s 的厌氧释磷过程。 ( 2 ) 好氧吸磷。在好氧段，好氧p a o s 活力得到恢复，p a o s 以氧为电子受 体，利用胞内的p h b 作为碳源及能源进行正常的好氧代谢，同时产生大量的a t p 。 产生的a t p 一部分用于p a o s 的增殖和维持其生命活动，另一部分则用于超量摄 取溶液中可溶性磷酸盐，并将其合成聚磷酸盐颗粒储存于细胞内f 2 1 。由于胞内 p 髓的好氧代谢提供了大量能量，p a o s 可吸收所有厌氧段的释磷及污水中的 磷酸盐，此时，富磷污泥中磷的含量可达干重的5 7 ，甚至高达l o 以上f 3 1 。 这一过程称为p a o s 的好氧吸磷过程。 ( 3 ) 通过排放好氧过程中产生的剩余( 富磷) 活性污泥，将磷从系统中去 除。如此厌氧、好氧、排泥周期循环，在发酵产酸菌和p a o s 的协同作用下， 就可连续不断地达到污水除磷的效果。 可见在厌氧段，p a o s 是利用分解上一周期好氧段储存于细胞内聚磷酸盐来 获得能量，将污水中的懒吸收并穿越细胞膜合成p 髓作为好氧段碳源的 储存、同时又将分解得到的磷酸盐逆向穿越细胞膜释到胞外；在好氧段，p a o s 又通过氧化细胞内p 髓所获得的能量供其自身增殖，并将超量摄取的溶解性磷 酸盐转化成聚磷酸盐储存于胞内。由于p a o s 在好氧条件下氧化p h b 产生御：p 远大于在厌氧条件下分解聚磷产生的彻 p ，所以p a o s 在好氧增殖同时也获得了 超量吸磷的动力【1 1 。p 耶的合成与降解，作为一种能量的储存和释放过程，在 p i a o s 的吸磷释磷过程中起着十分重要的作用，即p a o s 对p h b 的合成能力的大 小将直接影响其吸磷能力的高低。 p ! a o s 在厌氧好氧交替的系统中之所以能够达到良好的除磷效果，还需要强 调以下两点重要作用： ( 1 ) 发酵产酸菌的重要作用 p a o s 厌氧摄取眦的过程，是在发酵产酸菌和p a o s 的协同作用下完 成的。因为p a o s 一般只能利用低分子脂肪酸0 锰，不能直接利用和分解大分子 有机基质，而一般污水中懒成分又十分有限，这就要依靠发酵产酸菌的作 用将大分子有机物降解为小分子的a s ，否则p a o s 就无法合成大量的p h b ， 进而影响整个除磷系统的除磷效果。 硕士学位论文 ( 2 ) 厌氧好氧交替系统对p a o s 的“生物选择器 作用 由于p a o s 在厌氧条件下能够将其细胞内储存的聚磷分解，以提供能量摄取 污水中的，合成并储存p 曲，这一过程使其他微生物可利用的基质大为减 少；在好氧阶段，污水中可供其他微生物利用的基质已经很少，而p a o s 却能利 用其胞内的p h b 作为碳源及能源进行正常的好氧代谢增殖，并进行高能超量吸 磷，这使得活性污泥中其他微生物因得不到足够的有机物和磷酸盐而无法正常生 长。因此厌氧好氧交替的系统如同p a o s 的“生物选择器 ，使它在与其他微生 物的竞争成为优势菌种。 1 1 2 生物除磷的影响因素 1 1 2 1 进水水质与碳源 根据生物除磷原理，在厌氧压抑环境下，p a o s 将水中的低分子发酵产物运 送至胞内以p h b 的形式储存，而将体内的聚磷酸盐分解成磷酸盐释放出去；而在 好氧阶段，p a o s 超量吸磷的能量都来自于体内p 邱的好氧代谢。在厌氧好氧 交替运行的条件下为p a o s 提供了竞争优势，p a o s 能在这种短暂性的厌氧条件下 优先于非聚磷菌吸收低分子基质( 低分子发酵产物) 并快速同化和储存这些发酵 产物。一般来说，低分子脂肪酸认s 最容易被p ! a o s 吸收，据b 锄a r d f 4 】报道，每 去除1 m g 磷需要7 9 m g 、儇舾。此外，羧酸( c a r b o x y l i c i d s ) 、糖类( s u g a r s ) 、氨 基酸( a m i i l oa c i d s ) 等都能够被p a o s 利用【5 1 。研究表明，短链的v 】认已经被发 现是聚磷的主要基质【6 1 。因此，在生物除磷工艺中，进水中a 的含量及其在 厌氧段中通过其他有机基质转变而来的a 含量能否满足p l a o s 合成足够的p h b 所需的量，是影响聚磷菌释磷及吸磷效果的一个不可忽视的控制要点【7 l 。 污水中低分子发酵产物一般都比较少，其主要来源都是污水中的有机组分在 发酵产酸菌的作用下经过发酵而产生，因此进水中有机组分( 碳源) 的可生物降 解性对生物除磷工艺将十分重要。乙酸和丙酸是废水中最主要的短链脂肪酸，据 调查，加拿大和澳大利亚的4 个大型污水处理厂中，乙酸和丙酸分别占进水总有 机酸的4 9 一7 l 和2 4 一3 3 。普遍研究认为，乙酸和丙酸为碳源时将会获得较 好的除磷效果，而以乳酸、丁二酸、苹果酸等为碳源则无法获得较好的生物除磷 效果【引。有试验表明，在对葡萄糖进行预发酵的除磷系统中，添加含有2 5 个碳 3 第l 章绪论 链的眺可以获得很好的除磷效果嗍。 对于一个运行稳定、效果良好的生物除磷系统而言，保持进水水质的相对稳 定是至关重要的。生物除磷系统对进水水质的微小波动会十分敏感，如暴雨带来 的进水c o d 浓度降低等会导致出水磷浓度的上升，而且在水质波动消失后数周出 水磷浓度都难以恢复【9 】。进水c o d 浓度低于或者高于一个最佳值都会降低系统的 除磷效率，目前普遍认为，如果希望获得出水磷浓度低于1 o m g l ，则需要进入 系统厌氧区的废水b o d 5 ：t p 2 0 ：l ( 或者c o d ：t p 4 0 ：1 ) 【1 0 1 ，如果c o d ：t p 8 o 后，磷的释放将会减少( 2 6 1 。 i 1 2 5 磷负荷 目前有关生物除磷的研究大都集中在低负荷含磷废水上，仅有少部分对磷浓 度超过2 0 m g l 的废水进行研究。磷负荷过低过限制p a o s 在与g a o s 的竞争中成为 优势菌种，即在磷负荷低的废水中，g a o s 易于成为优势菌种，在磷负荷高的废 水中，p a o s 易于成为优势菌种【2 7 1 。对p a o s 的选择与竞争条件来说，系统内p 厂r 0 c 的比值十分重要。当进水中p 厂r o c 值较低时，p a o s 的生长受到抑制；反之，当 进水中p ，r o c 值较高时，p a o s 的生长则在与g a o s 的竞争中获得优势。b o n d 等人 发现，当进水磷浓度长期维持在低水平时，污水的除磷效果将会变差，g a o s 将 会是剩余污泥中的优势菌种【2 引。 f i l a n u r o 等人【2 9 】使用半工业的p h 0 s t r i p 除磷脱氮中试系统处理市政和养猪场 混合污水( 磷浓度高至1 0 0 l i i l g l ) ，获得了很高的氮、磷去除效果。当进水磷浓 度高至7 0 m g l 时，磷的去除率可以高达9 0 以上。但是，系统对超负荷废水的耐 6 硕士学位论文 受期不会超过1 0 天，之后系统的除磷效率会迅速降低至零【3 0 1 。 1 1 3 生物除磷工艺 根据生物除磷理论，拥有生物除磷功能的工艺必须要有厌氧和好氧环境，以 及由厌氧到好氧的污泥循环。在此理论基础上，涌现出一大批生物除磷工艺，如 加法等。在实际应用中，除磷往往需要结合脱氮，为此，在厌氧、好氧的基础 上增加了缺氧、由好氧到缺氧的混合液回流，由之便产生了很多的具有同步脱氮 除磷能力的工艺，如a 2 o 工艺、b 棚e n p h 0 工艺等。 根据厌氧、好氧环境是否独立，生物除磷工艺可以分为多池生物除磷工艺和 单池除磷工艺。多池除磷工艺主要是上述提及的a 2 ，o 工艺、b a r d e n p h 0 工艺等。 多池除磷功能设有独立的厌氧池和好氧池，如果需要还可以增设缺氧池，各池之 间互无干扰，除磷脱氮效果好。但是，多池除磷工艺需要有好氧池到厌氧池的污 泥回流，如需脱氮还要有好氧池到缺氧池的混和液回流，这就增加了工艺的复杂 程度，提高了日常运行和维护的难度。 单池除磷工艺主要是指s b r 系列工艺。它是在同一个池子内通过间歇曝气 在不同时段内形成厌氧、缺氧和好氧环境，从而达到除磷脱氮的功能。相比于多 池除磷工艺，单池除磷工艺占地面积小，无污泥回流和混和液回流，操作维护方 便。但是，由于厌氧、缺氧和好氧在一个池体内完成，使得释磷、吸磷、硝化和 反硝化等过程彼此之间干扰严重，除磷脱氮效果不如多池工艺。 c a s s 工艺是在s b r 系列工艺基础上发展起来的一种具有除磷脱氮功能的 新工艺，它综合了多池除磷工艺和单池除磷工艺的优点，并结合了生物选择器原 理，在主反应区内进行间歇曝气，而在主反应区之前设置体积相对很小的生物选 择区，增加由主反应区到生物选择区的污泥回流：同时，根据是否需要脱氮，可 以增设体积相对也很小的缺氧区，增加混和液回流。生物选择区和缺氧区独立于 主反应区，彼此间干扰小，具有多池除磷工艺脱氮除磷效果好的优点；同时又拥 有s b r 系列工艺占地面积小，操作维护简单的特点。 7 第l 章绪论 1 2c a s s 工艺研究进展 1 2 1c a s s 工艺原理 1 9 6 9 年，g o r o i l s z y 教授从连续进水间歇运行的氧化沟工艺入手，从事可变 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试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。 图1 2 为一两池c a s s 反应器的示意图。 i i 褥 反j i i i i r 进水。，- i l 出 1 i 耳 r i i i i i 反 池i ：生物选择区池i i ：缺氧区池川：主反应区 图1 2 两池c a s s 反应器示意图 f i g 1 2 n l es k e t c ho f l w o - c a s sr e a t o r 生物选择器设在池子首部，不设机械搅拌装置，反应条件在缺氧和厌氧之间 变化。生物选择区有三个功能：a 絮体结构内底物的物理团聚与动力学和代谢 选择同步进行；b 选择器被隔开，保证初始高絮体负荷，以及酶快速去除溶解 底物：c 通过选择器的设计，还可以创造一个有利于磷释放的环境，这样促进 聚磷菌的生长【3 2 1 。c a s s 工艺中活性污泥不断地在生物选择器中经历高絮体负 荷阶段，这样有利于絮凝性细菌的生长，提高污泥活性，并通过酶反应快速去除 废水中的溶解性易降解底物，从而抑制了丝状细菌的生长和繁殖，避免了污泥膨 胀的发生。同时当生物选择器处于缺氧环境时，回流污泥存在的少量硝酸盐氮可 窖 硕士学位论文 得到反硝化，反硝化量可达整个系统硝化量的2 0 f 3 3 】。当选择器处于厌氧环境 时，磷得以有效地释放，为生物除磷做准备。 预反应区为水力缓冲区，大小与高峰流量有关，若在非曝气阶段，不进水可 将其省去【3 4 】。 主反应区在可变容积完全混合反应条件下运行，完成含碳有机物和包括氮、 磷的污染物的去除。运行时通过控制溶解氧的浓度使其从o 缓慢上升到2 5m l 来保证硝化、反硝化以及磷吸收的同步进行【3 5 1 。 c a s s 工艺运行单个周期可以分为四个阶段：闲置阶段、曝气阶段、排水阶 段和沉淀阶段。整个过程中持续进水，在排水阶段排水通过滗水器控制排水，生 物选择区和预反应区搅拌持续进行，污泥回流在闲置阶段和排水、沉淀阶段持续 进行，曝气阶段污泥回流不进行。 c a s s 工艺运行中控制供氧强度以及混合液溶解氧的浓度使其从0 逐渐上 升到2 5m l 左右，这样使活性污泥絮体的外周保持一个好氧环境进行硝化， 由于氧在活性污泥絮体内的传递受到限制，而具有较高浓度梯度的硝酸盐则能较 好地渗透到絮体内部有效地进行反硝化。另外，该工艺曝气与非曝气交替进行， 从而使泥水混合液通过主反应区，顺序经过缺氧好氧一厌氧环境，尤其在非曝 气阶段o 5h 1 oh 内污泥层以胞内在生物选择高负荷下储存或吸收的碳为碳 源，进行反硝化，在污泥沉淀过程中也有一定的反硝化作用。 生物除磷是依靠聚磷菌的作用实现的，生物选择器不曝气这样反应环境非常 迅速地从缺氧环境转化为厌氧环境，当选择器处于厌氧环境，聚磷菌依靠水解体 内的聚磷( p o l y - p ) 水解释放出正磷酸盐，同时产生能量以吸收水中的溶解性有机 底物，并将其在体内合成为细胞学储备物质p 册；在主反应区为好氧环境时， 聚磷菌以游离氧为电子受体，将细胞储备物质氧化，并利用该反应所产生的能量， 过量地在污水中摄取磷酸盐并合成为a t p ，其中一部分转化为聚磷贮存能量，为 下一周期的厌氧释磷做准备。由于好氧段的吸磷量要远大于厌氧段的释磷量，所 以通过剩余污泥的排放可达到除磷目的。c a s s 工艺是活性污泥不断地经过耗氧 和厌氧的循环，这将有利于聚磷菌在系统中的生长和积累。根据g 0 r o n z y 等人 的研究，当微生物内吸附大量降解物质，而且处在氧化还原电位为+ l o om v 1 5 0m v 的交替变化中时，系统可具有良好的生物除磷功能1 3 3 1 。此外，在曝气结 束后，主反应区进行泥水分离，由于此阶段无进水水力干扰，在静止环境中进行， 9 第l 章绪论 从而保证系统良好的分离效果。 c a s s 整个工艺过程遵循生物的“积累一再生 原理，生物先在生物选择器 经历一个高负荷反应阶段，然后在主反应区经历一个低负荷反应阶段。生物选择 器较高的污泥絮体负荷，可以使废水中存在的溶解性易降解有机物通过酶转移机 理予以快速地吸附和吸收进行底物的积累，然后在污泥絮体负荷较低的主反应区 完成底物的降解，从而实现了活性污泥的再生。再生的污泥又以一定的比例回流 至生物选择器中，进行机制的再次积累，这样不断地循环完成了生物的“积累一 再生 ，试验和实际应用表明，当高于7 5 的易降解有机物质通过酶转移机理去 除，则剩余可溶解c o d 小于1 0 0m g ，l 3 5 1 。 1 2 2c a s s 工艺的特点与应用 1 2 2 1c a s s 工艺的主要技术特征 1 ) 连续进水，间断排水 传统s b r 工艺为间断进水，间断排水，而实际污水排放大都是连续或半连 续的，c a s s 工艺可连续进水，克服了s b r 工艺的不足，比较适合实际排水的 特点，拓宽了s b r 工艺的应用领域。虽然c a s s 工艺设计时均考虑为连续进水， 但在实际运行中即使有间断进水，也不影响处理系统的运行。 2 ) 运行上的时序性 c a s s 反应池通常按曝气、沉淀、排水和闲置四个阶段根据时间依次进行。 3 ) 运行过程的非稳态性 每个工作周期内排水开始时c a s s 池内液位最高，排水结束时，液位最低， 液位的变化幅度取决于排水比，而排水比与处理废水的浓度、排放标准及生物降 解的难易程度等有关。反应池内混合液体积和基质浓度均是变化的，基质降解是 非稳态的。 4 ) 溶解氧周期性变化，浓度梯度高 c a s s 在反应阶段是曝气的，微生物处于好氧状态，在沉淀和排水阶段不曝 气，微生物处于缺氧甚至厌氧状态。因此，反应池中溶解氧是周期性变化的，氧 浓度梯度大、转移效率高，这对于提高脱氮除磷效率、防止污泥膨胀及节约能耗 l o 硕士学位论文 都是有利的。实践证实对同样的曝气设备而言，c a s s 工艺与传统活性污泥法相 比有较高的氧利用率。 1 2 2 2c a s s 工艺的主要优点 1 ) 工艺流程简单，占地面积小，投资较低 c a s s 的核心构筑物为反应池，没有二沉池及污泥回流设备，一般情况下不 设调节池及初沉池。因此，污水处理设施布置紧凑、占地省、投资低。 2 ) 生化反应推动力大 在完全混合式连续流曝气池中的底物浓度等于二沉池出水底物浓度，底物流 入曝气池的速率即为底物降解速率。根据生化动力反应学原理，由于曝气池中的 底物浓度很低，其生化反应推动力也很小，反应速率和有机物去除效率都比较低； 在理想的推流式曝气池中，污水与回流污泥形成的混合流从池首端进入，成推流 状态沿曝气池流动，至池末端流出。作为生化反应推动力的底物浓度，从进水的 最高浓度逐渐降解至出水时的最低浓度，整个反应过程底物浓度没被稀释，尽可 能地保持了较大推动力。此间在曝气池的各断面上只有横向混合，不存在纵向的 返混。 c a s s 工艺从污染物的降解过程来看，当污水以相对较低的水量连续进入 c a s s 池时即被混合液稀释，因此，从空间上看c a s s 工艺属变体积的完全混合 式活性污泥法范畴；而从c a s s 工艺开始曝气到排水结束整个周期来看，基质浓 度由高到低，浓度梯度从高到低，基质利用速率由大到小，因此，c a s s 工艺属 理想的时间顺序上的推流式反应器，生化反应推动力较大。 3 ) 沉淀效果好 c a s s 工艺在沉淀阶段几乎整个反应池均起沉淀作用，沉淀阶段的表面负荷 比普通二次沉淀池小得多，虽有进水的干扰，但其影响很小，沉淀效果较好。实 践证明，当冬季温度较低，污泥沉降性能差时，或在处理一些特种工业废水污泥 凝聚性能差时，均不会影响c a s s 工艺的正常运行。试验和工程中曾遇到s v 3 0 高达9 6 的情况，只要将沉淀阶段的时间稍作延长，系统运行不受影响。 4 ) 运行灵活，抗冲击能力强，可实现不同的处理目标 c a s s 工艺在设计时已考虑流量变化的因素，能确保污水在系统内停留预定 第l 章绪论 的处理时间后经沉淀排放，特别是c a s s 工艺可以通过调节运行周期来适应进水 量和水质的变比。当进水浓度较高时，也可通过延长曝气时间实现达标排放，达 到抗冲击负荷的目的。在暴雨时，可经受平常平均流量6 信的高峰流量冲击，而 不需要独立的调节地。多年运行资料表明，在流量冲击和有机负荷冲击超过设计 值2 3 倍时，处理效果仍然令人满意。而传统处理工艺虽然已设有辅助的流量 平衡调节设施，但还很可能因水力负荷变化导致活性污泥流失，严重影响排水质 量。 当强化脱氮除磷功能时，c a s s 工艺可通过调整工作周期及控制反应池的溶 解氧水平，提高脱氮除磷的效果。所以，通过运行方式的调整，可以达到不同的 处理水质。 5 ) 不易发生污泥膨胀 污泥膨胀是活性污泥法运行过程中常遇到的问题，由于污泥沉降性能差，污 泥与水无法在二沉池进行有效分离，造成污泥流失，使出水水质变差，严重时使 污水处理厂无法运行，而控制并消除污泥膨胀需要一定时间，具有滞后性。因此， 选择不易发生污泥膨胀的污水处理工艺是污水处理厂设计中必须考虑的问题。 由于丝状菌的比表面积比菌胶团大，因此，有利于摄取低浓度底物，但一般 丝状菌的比增殖速率比非丝状菌小，在高底物浓度下菌胶团和丝状菌都以较大速 率降解底物与增殖，但由于胶团细菌比增殖速率较大，其增殖量也较大，从而较 丝状菌占优势。而c a s s 反应池中存在着较大的浓度梯度，而且处于缺氧、好氧 交替变化之中，这样的环境条件可选择性地培养出菌胶团细菌，使其成为曝气池 中的优势菌属，有效地抑制丝状菌的生长和繁殖，克服污泥膨胀，从而提高系统 的运行稳定性。 6 ) 适用范围广，适合分期建设 c a s s 工艺可应用于大型、中型及小型污水处理工程，比s b r 工艺适用范 围更广泛；连续进水的设计和运行方式，一方面便于与前处理构筑物相匹配，另 一方面控制系统比s b r 工艺更简单。 对大型污水处理厂而言，c a s s 反应池设计成多池模块组合式，单池可独立 运行。当处理水量小于设计值时，可以在反应地的低水位运行或投入部分反应池 运行等多种灵活操作方式；由于c a s s 系统的主要核心构筑物是c a s s 反应池， 如果处理水量增加，超过设计水量不能满足处理要求时，可同样复制c a s s 反应 1 2 硕士学位论文 池，因此c a s s 法污水处理厂的建设可随企业的发展而发展，它的阶段建造和扩 建较传统活性污泥法简单得多。 7 ) 剩余污泥量小，性质稳定 传统活性污泥法的泥龄仅2 7 天，而c a s s 法泥龄可以达到2 5 3 0 天，所 以污泥稳定性好，脱水性能佳，产生的剩余污泥少。去除1 0 k g b o d 产生o 2 0 3 k 剩余污泥，仅为传统法的6 0 左右。由于污泥在c a s s 反应池中已得到一 定程度的消化，所以剩余污泥的耗氧速率只有1 0 m 9 0 2 gm l s s h 以下，一般不 需要再经稳定化处理，可直接脱水。而传统法剩余污泥不稳定，沉降性差，耗氧 速率大于2 0 m 9 0 2 倌m l s s h ，必须经稳定化后才能处置。 1 2 2 3c a s s 的经济性 实践证明，c a s s 工艺日处理水量小则几百立方米，大则几十万立方米，只 要设计合理，与其它方法相比具有一定的经济优势。它比传统活性污泥法节省投 资2 0 3 0 ，节省土地3 0 以上。当需采用多种工艺串联使用时，如在c a s s 工艺后有其它处理工艺时，通常要增加中间水池和提升设备，将影响整体的经济 优势，此时，要进行详细的技术经济比较，以确定采用c a s s 工艺还是其它好氧 处理工艺。 由于c a s s 工艺的曝气是间断的，利于氧的转移，曝气时间还可根据水质、 水量变化灵活调整，均为降低运行成本创造了条件。总体而言，c a s s 工艺的运 行费用比传统活性污泥法稍低。 1 2 2 4c a s s 工艺的应用现状 1 ) c a s s 在城市污水处理上的应用 c a s s 优异的除磷脱氮功能很适合处理氮磷含量较高的城市废水，所以在这 方面的应用广泛。一般而言，在早流流量下采用4 h 的循环周期即可以达到最佳处 理效果。迄今为止，c a s s 已经成功应用于日处理从5 0 0 人口当量( 1 2 0 m 3 d ) 至 4 0 0 0 0 0 0 人口当量( 2 1 0 0 0 0 m 3 d ) 规模的污水处理厂【3 6 1 。 澳大利亚的q u a k e r s h i l l 污水处理厂为目前世界上最大的c a s s 工艺的污水处 理厂，它设有5 个长1 3 1 m ，宽7 6 m 的c a s t 池子，每个c a s t 池子的处理能力为l o 第l 章绪论 万人口当量，运行结果表明( 5 0 累计频率) ，出水b o d 5 5 1 0 m g l ，s s 5m g l ， n h 3 n 郢5m g l ，n 嵝1 0m g l ，t p 郢8m g l ，污泥容积指数s v i 保持在5 3m g l 左右【3 7 1 。 美国密歇根的d u n d e e 污水处理厂设有2 个长2 2 6 m ，宽1 4 9 m 的c a s t 池子， 最大处理流量1 3 0 从，设计最低水位容积为1 0 1 4 m 3 ，充水比0 3l ，最低水位的水 力停留时间1 7 2 h 【3 引。经过一年的试验研究( 7 2 2 ) ，可得到平均出水t n 质量浓 度为5m g l ，t p 为0 5m g l ，去除率分别可达到8 0 和9 0 ，s v i 保持在5 0m g l 左右。其中当b o d 肿为1 2 2 0 时，可得到最高的n 、p 去除率。冬天温度过低时 容易产生污泥膨胀，此时可将污泥停留时间由2 5 d 缩短为1 0 d ，即可有效防止。 德国p o t s d 锄污水处理厂设有2 个直径为5 2 5 m 的圆形池子组成4 个半圆的 c a s t 反应池，生物选择区设置在1 4 圆周部分，平均处理量2 1 0 8 2 m 3 d ，最大设计 流量2 4 9 0 m 。1 5 时，通过稳定的同步硝化和反硝化反应，n 的去除率可达9 2 ， 硝化速率为1 1 9 体g h ) ，好氧反硝化速率可达o 8 5 9 他g ”，当，c o d 为2 0 m g 僧 时，可得到出水1 p 为o 3 8 m g l 【3 9 】。 北京航天城污水处理厂应用c a s t 法处理废水，设计处理能力7 2 0 0 m 3 d ，已 建成一期工程3 6 0 0 m 3 d ，进水c o d 为7 0 8 0 m g l ，出水c o d 为2 0 m g i ，l ，s v i 为8 0 1 0 0 m l 隽；扬州丁家套污水处理厂的设计处理能力为1 0 5 m 3 d ，进水水质b o d 5 为 1 6 0 m l ，c o d c r 为3 5 0 m g l ，s s 为1 6 0 m g l ，t n 为3 5 m g l ，t p 为3 m g l ，经c a s t 处理后，出水b o d 5 3 0 m g l ，c o d c r 1 0 0 m g l ，s s g o m g l ，t n s l o m g l ， t p 5 l m g l ，均优于国家标准。 李桂新【4 0 】采用c a s s 工艺处理泰山国际学校的食堂污水、卫生间污水和洗浴 污水，处理水量4 0 5 m 3 d ，当进水c o d 为1 5 旺3 0 0 m g l ，b o d 为8 0 _ _ 2 1 0 m g l ， s s 为1 0 0 2 2 0 i l l g l 时，出水c o d 冬5 0 m g l ，b o d s l o m g l ，s s s l o m g l ，完全符 合回用要求。 2 ) c a s s 在工业废水处理上的应用 不同部门的工业废水水质差别很大，大多数工业废水中含有大量难降解或毒 性很大的物质，c a s s 独特的工艺过程可以最大程度地适应工业废水水质和水量 的波动以及有毒物质的冲击，因此也是处理工业废水的有效经济的方法。 h e s e b r o u 曲p o n d 公司的香料废水中含有大量难降解的有机物质，微生物在 其中几乎不能存活，g 0 r 0 璐z y 向其中加入高浓度的乙醇复合底物，大大改善了底 1 4 硕士学位论文 物的降解性能，取得了良好的处理效果，出水c o d 由2 3 0 0 0 m g l 降低到 3 0 0 m l 【4 1 1 。设计处理能力3 8 0 0 0 i d ，在前处理中需要加入n 、p 等营养物质，使 出水n h 3 - n 和t p 质量浓度达到2 m g l ，以弥补n 和p 的不足；还要周期性的加入苛 性碱以调节整个系统在中性的环境下运行。 在处理啤酒废水的研究中，徐立根等人采用6 h 循环( 4 h 曝气，l h 沉淀，l h 滗 水闲置) ，处理进水c o d 为2 0 0 0 m g l ，b o d 为1 0 0 0 m g l 的啤酒废水，出水c o d 和b o d 分别为 1 5 0 m g l 和 6 0 m g l ，去除率分别达到9 0 和9 2 5 ，直接运行费 用0 4 5 元t 【4 2 1 。强绍杰应用8 h 循环( 6 h 曝气，1 h 沉淀，1 h 滗水闲置) ，进水c o d c r 在8 0 0 1 5 0 0 m g l 范围内处理出水都可达到或优于地方标准( 1 5 0 l i l g l ) 【4 3 1 。 孙剑辉等m 】采用c a s t 工艺处理玉米秆纤维浆粕中段混合废水，试验规模为 o 5 m 3 h 。当进水c o d 质量浓度为1 0 0 0 2 0 0 0 i i l g l 时，c o d 去除率可达8 3 ，b o d 5 的去除率可达9 0 ，出水中的主要污染指标c o d ，b o d 5 ，s s 和p h 均符合国家 g w p b 2 一1 9 9 9 制浆废水排放标准，而且在试验进行过程中，系统运行稳定，从 来没有发生过污泥膨胀。魏永等【4 5 】采用c a s s 工艺处理果汁加工废水，结果发现 该工艺能有效地处理果汁废水，在进水c o d 浓度在2 0 0 0 i i l g l 到6 0 0 0 i l l g l 的范围 内，出水能达到辽宁省沿海地区污水直接排入海域标准( d b2 l 一5 9 1 9 8 9 ) 中 一级标准。同时，使用c a s s 工艺与传统活性污泥法相比，占地面积减少 3 0 4 0 ，投资费用降低1 5 2 0 ，运行费用降低2 0 3 0 ，优越性十分明 显。 1 3 本课题的研究内容及意义 1 3 1 研究内容 本课题选择模拟生活污水作为研究对象，重点考察c a s s 工艺对模拟生活污 水中磷的去除效果及规律。通过正交试验及其结果分析，比较分析了几个操作参 数对系统除磷效果的影响，并总结出最佳的运行条件；在最佳运行条件下，通过 改变进水的水质，研究不同负荷下c a s s 工艺除磷效果的变化规律；同时，对某 两个连续的特定周期内c a s s 工艺各主要单元的除磷特性进行了跟踪监测，总结 出各主要单元内水质的变化规律。 1 5 第l 章绪论 1 3 2 课题意义 越来越多的实例表明，污水处理厂正在成为磷污染的主要来源。传统污水处 理工艺主要针对的是污水中的有机碳，对磷的关注度不高，因此出水中的磷浓度 较高。我国1 9 9 6 年1 0 月4 日批准、1 9 9 8 年1 月1 日实施的污水综合排放标 准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 中对污水处理厂磷的排放有严格的限制，规定磷酸盐( 以p 计) 排放浓度为一级标准低于o 5 m g l ，二级标准低于1 m g l 。2 0 0 2 年1 2 月2 4 日 发布、2 0 0 3 年7 月1 日实施的城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中规定，一级标准中的a 标准总磷( 以p 计) 的最高允许排放浓度为o 5 m 扎，b 标准为1 0 i i l g l ，二级标准为3 m g l ，三级标准为5 m g l 。可见新标准中对磷排 放的要求降低了，但这并不表明国家对此问题不重视了，主要是由于技术工艺等 方面的原因，许多污水处理厂很难达到原来较高的磷排放标准，这恰恰说明目前 生物除磷技术还不成熟。因此，建立一套完整的能够稳定高效除磷的技术已成为 生产中的迫切需要【4 们。 近几年来，有关生物除磷的理论研究进展不大，目前普遍接受的主要是p a o s 的厌氧释磷一好氧聚磷理论。建立在此理论之上的生物除磷工艺旨在创造厌氧一 好氧条件，培养具有吸磷功能的p a o s ，通过富磷污泥的排放达到除磷的目的。 由于p a o s 相比于其它菌种，对外界条件的变化更为敏感，使得生物除磷工艺无 法稳定持续的保证出水水质。为此，在基础理论和工艺条件无明显改进的前提下， 对现有生物除磷工艺进行详细的研究，充分了解系统受外界条件影响的变化规 律，筛选最合适的调控因子，将有助于在现有工艺基础上对工艺的除磷性能进行 合理调控，发挥出最佳的除磷性能。 c a s s 工艺是在s b r 基础上发展起来的一种新型的废水处理工艺，其流程 简单，运行管理方便，投资运行费用低，耐冲击负荷能力强，处理效果好，尤其 在除磷脱氮方面有较强的优势。但是由于缺少完善科学的理论依据，工程设计大 多依靠经验数据，目前仅在中小型城市污水处理厂和某些工业废水处理站上得到 应用。开展c a s s 工艺的理论研究，尤其是除磷脱氮方面的研究，将有助于累积 更多的理论数据，为c a s s 工艺的设计和操作提供更多的理论依据，从而有助于 c a s s 工艺更好的得到应用和推广。 1 6 硕士学位论文 1 3 3 课题创新点 1 目前，有关生物除磷方面的研究大部分停留在理论研究阶段，近年来，这 方面的进展基本不大，而很多现有污水处理厂处理工艺中，有关生物除磷参数调 控方面的研究还很薄弱，这是造成现有污水处理厂出水磷达标困难的主要原因。 在这种背景下，本课题将生物除磷的研究重点转移到为生物除磷的合理调控提供 理论参考上来，从而使得研究成果更具有实际意义； 2 拥有生物除磷功能的工艺很多，本课题选择具有应用前景的c a s s 进行研 究。目前，有关c a s s 在生物除磷方面的研究还很薄弱，本课题的研究成果将有 助于c a s s 在除磷领域的应用； 3 从生物除磷的理论出发，重点对影响c a s s 生物除磷效果的操作参数进行 研究，通过对操作参数的优化以达到最佳除磷效果；从为生物除磷的合理调控提 供理论依据出发，对c a s s 生物除磷受进水