CAST-循环式活性污泥法

循环式活性污泥法 Cyclic Activated Sludge Technology 简称 CAST 是由美国 Goronszy 教授开发出来的 该工艺的核心为间歇式反应器 在此反应器中按曝气与不曝气 交替运行 将生物反应过程与泥水分离过程集中在一个池子中完成 属于 SBR 工艺的一种 变型 该工艺投资和运行费用低 处理性能高 尤其是优异的脱氮除磷效果 已广泛应 用于城市污水和各种工业废水的处理中 1 1 工作原理工作原理 CAST 反应池分为生物选择区 预反应区和主反应区 如图 1 所示 运行时按进水 曝气 沉淀 撇水 进水 闲置完成一个周期 CAST 的成功运行可将废水中的含碳有机物 和包括氮 磷的污染物去除 出水总氮浓度小于 5mg L 1 生物选择器 2 预反应区 3 主反应区 图 1 循环活性污泥技术 1 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 1 生物选择区的设置严格 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 从而选择出絮凝 性细菌 活性污泥的絮体负荷 S0 X0 即底物浓度和活性微生物浓度的比值 对系统中活性污 泥的种群组成有较大的影响 较高的污泥絮体负荷有助于絮凝性细菌的生长和繁殖 CAST 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 约为 N3 N 20mg L 可得到反硝化 反硝化量可达整个系统硝化量 的 20 2 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 2 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 1 3 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 0 缓慢上升到 2 5mg L 来保证硝化 反硝化以及磷吸收的同步进行 3 a 硝化反硝化 同步反硝化意味着在不专门为硝酸盐的去除设混合装置或正常缺 氧混合程序的条件下 硝化与反硝化同时在同一反应器发生 4 通常认为在系统中 氮去 除机制与在微生物絮体内由于受扩散限制引起的溶解氧 DO 的浓度梯度有关 这样硝化菌 存在于高溶解氧区或正氧化还原点位 OPR 相反反硝化菌在溶解氧降低区或负氧化还原点 位 OPR 下活性十足 5 CAST 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 5mg 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 厌氧环境 尤其在非曝气阶段 0 5h 1 0h 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 b 磷的去除 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 Poly 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 PHB 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 ATP 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 若要 在生物除磷的基础上进一步强化除磷效果或达到完全除磷的目的 可加入铝盐或铁盐 根 据所去除磷浓度的大小 化学污泥在池子中的浓度约在 1 7g L 2 0g L 左右 化学污泥可 以进一步提高沉淀污泥的压缩能力 CAST 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 Gorony 等人的研究 当微生物内吸附大量 降解物质 而且处在氧化还原点位为 100mV 150mV 的交替变化中时 系统可具有良好的 生物除磷功能 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 从而保证系统良好的分离效果 CAST 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 完成反应过程如图 2 所示 生物选择其中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 再生 实验和实际应用表明 当高于 75 的易降解有机物质通过酶转 移机理去除 则剩余可溶解 COD 小于 100mg L 5 图 2 底物的积累再生原理 2 2 CASTCAST 工艺的设计计算工艺的设计计算 2 12 1 CASTCAST 池容积池容积 CAST 池容积采用容积负荷计算法确定 并用排水体积进行复核 1 负荷计算法 V Q Sa Se Ne Nw f 1 式中 V CAST 池容积 m3 Q 污水日流量 m3 d Nw 混合液污泥 MLSS 浓度 3g L 4g L Ne B0D 污泥负荷率 其中 Ne K2 Se f K2取值见表 1 f 混合液中挥发性悬浮固体浓度与总悬浮固体浓度的比值 即 f MLSS MLVSS 0 7 0 8 表 1 生活污水及部分的 K2工业废水值 序号名称K2值 1 生活污水0 0168 0 O281 2 合成橡胶废水 O O672 3 化学废水 O 00144 4 脂肪精致废水 0 036 5 石油化工废水 O 0o672 2 容积确定 CAST 池内有效容积由变动容积 V1 和固定容积组成 变动容积是指 池内设计最高水位至滗水机排放最低水位的容积 固定容积由两部分组成 一部分是活性 污泥 最高泥面至池底之间的容积 V3 另一部分为撇水水位和泥面之间的容积 它是由 防止撇水和污泥流失的最小安全距离决定的容积 V2 V nl Vl V2 V3 2 式中 V CAST 池总有效容积 m3 n1 CAST 池子个数 V1 变动容积 m3 V2 安全容积 m3 V3 污泥沉淀浓缩容积 m3 一般地 池内最高液位 H 按下式计算 H Hl H2 H3 3 5 m 3 H1 Q n1 n2 A 4 H3 H Nw SVI 10 3 5 H2 H Hl H3 6 式中 H1 池内设计最高水位至滗水机排放最低水位之间的高度 m A 单个 CAST 池平面面积 m2 n2 日内循环周期数 H3 滗水结束时泥面高度 m Nw 最高液位时混合液污泥浓度 kg m3 H2 撇水水位和泥面之间的安全距离 m 负荷计算法算出的结果 如不能满足 6 的条件 则必须减少污泥负荷 增大 CAST 池的有效容积 直至满足 6 的条件 2 22 2 选择器容积选择器容积 CAST 池中间设一道隔墙 将池体分隔微生物选择区和主反应区两部分 靠进水端 为全物选择区 其容积为 CAST 池总容积的 20 左右 另一部分为主反应区 选择器的类别 不同 对选择器的容积要求也不同 一般来讲 对于好氧生物选择器 其混合液接触时间 T 为 15min 30min 对缺氧和厌氧生物选择器一般取 30min 60min 因此其容积为 V Qi Qr T 7 式中 Qi Qr 进水 回流污泥流量 m3 h 注 生活污水回流量为旱季流量的 20 一般以主反应区的污泥 24h 全部循环一次 来确定污泥回流量 1 生物选择器的大小和污泥回流比 可根据实验和实际情况找出最佳 条件 2 32 3 循环时间分配及循环时间分配及 DODO 控制控制 典型的操作循环设计为 4h 其中 2h 用于进水和曝气 2h 用于沉淀和撇水 这一 循环操作广泛用于单池和多池处理系统中 为使池子中溶解氧浓度与工艺要求相一致 最 大程度地减少曝气强度 可采用探头测定曝气阶段中溶解氧浓度作为调节曝气强度和排除 剩余污泥的控制参数 3 3 结语结语 CAST 工艺保持了典型的完全混合特性 具有较强的耐冲击负荷能力 CAST 设置生 物选择器 促进絮凝型细菌的生长和繁殖 从而抑制了污泥膨胀的发生 高效地进行硝化 反硝化 脱氮除磷效果显著 另外 CAST 工艺流程简单 采用矩形结构 运行时 不需要 大量的污泥回流 自动化程度高 所以建设和运行费用低 此外 对于某一给定规模的污 水厂 设计时可采用模块布置方法 根据污水厂规模 先确定其基本模块 然后重复布置 此模块直至达到所要求的处理规模 对于大型污水厂 由于 CAST 模块结构布置方式节约占 地面积 扩建方便 已日益为人们所接受 参考文献参考文献 1 Novak L DylqBmic mathematical modeling of Sequencing BatchReactor with aerated and mixed fi ing period J Wat Sci Ttwh 1997 35 1 105 112 2 Goronszy M C 朱明权 Wutschre K 循环式活性污泥法 CAST 的应用及发展 J 中国给水排水 1996 12 6 4 9 3 Goronszy M C The cyclic activated sludge system for resort area wastewater treatment J Wat Sci Tech 1995 32 9 10 105 114 4 Gunnar Demoulin Co Current nitrifieation denitrifieation and biological P removal in cyclic activated sludge plants by redox Controlled cyde operation J wat SciTtw h 1997 35 1 215 224 5 Goronszy M C Aerated denitrifieation in full scale activated sludge facilities J Wat Sci Tech 1997 35 10 103 110 Working principle designing and calculating of CAST BAI Sheng yun LI Ya xin AbstracAbstrac This paper explains the principle of Cyclic Activated Sludge Technology CAST and discusses the designing and calculatin