關于CASS工藝在設計過程中值得優化問題的探討

何志剛

（上海市政交通設計研究院，上海市200030）

1 概述

循環式活性污泥法CASS工藝（Cyclic Activated Sludge System），是SBR工藝的一種改進型，由Goronszy教授及其同事在SBR工藝和氧化溝技術的基礎上開發出來的，是近年來國際公認的處理生活污水及工業廢水的先進工藝。由于該工藝可滿足脫氮除磷的要求，而構筑物卻相對較少，可節約用地，降低工程投資，同時該工藝具有運行管理方便、可分期建設等優點，因此近年來隨著工業自動化控制水平的不斷提高以及處理工藝自身的不斷完善，CASS工藝在國內已得到一定程度的推廣和應用。圖1為CASS工藝示意圖。

圖1 CASS工藝示意圖

CASS工藝雖然具有上述諸多優點，但是由于該工藝乃至所有間歇式活性污泥工藝的反應過程都比較復雜，其部分生物作用機理至今仍在研究之中，而現行的《室外排水設計規范》（以下簡稱《規范》）中也未專門針對該工藝提出相關設計參數及要求，因此在具體工程設計過程中，該工藝的經驗參數較多，而且部分參數的取值范圍跨度較大，不同設計人員的計算結果可能會有很大出入。故針對上述問題，本文將結合CASS工藝目前在國內的使用情況，對該工藝的適用條件、部分關鍵參數的取值及設計過程中值得注意和優化的問題進行總結，以期在類似工程中可結合各工程自身特點予以借鑒和應用。

2 CASS工藝適用條件及部分參數的選取

2.1 CASS工藝的適用條件

從目前國內已建的采用CASS工藝污水處理廠規模及其運行效果來看，該工藝比較適用于中小型污水處理規模的城市污水處理廠及制藥、屠宰、啤酒等部分工業廢水的處理，在大型污水處理廠應用的實例相對較少；另外，對有機物濃度較低的南方城市污水，采用CASS工藝目前還比較難以達到預期的處理效果。但根據相關實驗資料表明，該工藝對寒冷地區（寒冷地區可概括為：我國北緯40°以北的城鎮和農村，冬季排放的污水水溫在13℃以下，一般在6～10℃，短時間為4～6℃地區）的冬季低溫污水，仍能保持較好的處理效果。目前國內關于CASS工藝在低溫條件下處理效果的報道還較少，但國外已有相關研究報道，如美國明尼蘇達州草原市污水處理廠，日處理廢水10000m3/d，出水水質：SS＜10mg/L，BOD5＜2～5mg/L，冬季進廠水溫4℃～10℃，室外最冷氣溫達到-37℃，處理效果基本不變，曝氣池未出現結冰現象；俄亥俄州托萊多污水處理廠冬季有結冰現象，但曝氣后消失，不影響處理效果。

2.2 部分參數的選取

CASS工藝的設計計算涉及到幾十個參數，受篇幅限制，本文僅對部分在《規范》中未作明確規定或取值有一定技巧的經驗參數的選用，結合在實際工程中的應用情況作簡要介紹。

（1）反應池個數

根據《規范》，SBR反應池個數不宜少于2個，在實際工程中，一般多取為4個。

（2）周期數及每周期運行時間

CASS工藝的每個周期可由進水、曝氣、沉淀、潷水、閑置/排泥五個基本工序組成。為便于運營管理，目前國內外已建成CASS工藝反應池一天之內的周期數都采用正整數，最常用的周期數一般為每天4個、5個或6個，對應每周期時間即為6 h，4.8 h及4 h。如果出水僅要求去除含碳有機物，則泥齡較短，可取每周期4 h或4.8 h；但如果要求脫氮時，泥齡則相對較長，應取每周期為6 h。

（3）每個工序運行時間的確定

從理論上說，每個工序運行時間的確定應滿足規范要求，同時可維持系統的安全、正常運行即可，但由于CASS工藝是由數個反應池的數個周期組合而成全廠的連續運行，因此每個工序運行時間的確定除須滿足上述基本要求以外，如何將進水連續分配到每個反應池以及如何保證鼓風機能連續運行等問題也是確定每個工序運行時間的重要因素。下面本文以一組共n=4個CASS反應池，運行周期為t=6 h的某CASS工藝污水處理廠為例，討論一下各工序運行時間的確定問題：

a.進水時間tF

該參數的確定相對比較簡單，采用tF=t/n的公式，可算出本例中tF=1.5 h即可保證將進水連續分配到每個反應池。

b.曝氣時間tQ

該參數的計算可分為兩種情況，一種情況是在進水的同時進行曝氣（可稱為“非限制進水曝氣”），則曝氣時間等于反應時間tR，即tQ=tR=24 mS0/1 000LSX，公式中各參數取值可根據《規范》相應進行選取；第二種情況為進水時不進行曝氣（可稱為“限制進水曝氣”），則曝氣時間可由公式tQ=tR-tF計算得出。

上述兩種情況中，曝氣時間的確定均與反應時間有關，而反應時間的計算公式tR=24 mS0/1 000LSX中的各參數，《規范》中僅規定了取值范圍，即根據不同的取值可得出不同的反應時間及曝氣時間，但在實際工程中，為避免鼓風機頻繁啟閉并盡量減小其設計規模，鼓風機應保持連續運行。當反應池的個數與每周期曝氣時間的乘積是每周期時間整數倍的時候，正好能保證鼓風機連續運行。例如上述某污水處理廠，反應池個數為4個，運行周期為6 h，進水時間為1.5 h，則當采用非限制進水曝氣時，曝氣時間可取為3 h；而如采用限制進水曝氣，則曝氣時間可取為1.5 h。均能滿足鼓風機連續運行的要求。

至于是否限制進水曝氣的問題，目前尚無統一規定，也就是說采用限制或者非限制進水曝氣在理論上說都是可行的。但由于非限制進水曝氣方式的曝氣時間一般相對較長，即在總風量一定的情況下，單位時間的風量相對較少，故可能在反應初期，由于池內有機物濃度較高，而溶解氧濃度卻處于低值的情況下，可能影響有機物的降解速率，但上述過程持續時間相對較短，隨著新鮮污水的不斷注入及好氧反應的進行，有機物濃度將會逐漸降低，至供氧速率開始大于耗氧速率，池內開始出現溶解氧，在此階段，相對較長的曝氣時間有利于氧氣的吸收和利用。另由于CASS工藝設置了生物選擇器，能夠抑制好氧絲狀菌的生長，可有效防止由于曝氣時間相對較長而帶來的污泥膨脹問題，因此目前國內已建的CASS工藝污水處理廠，多采用非限制進水曝氣方式。

c.沉淀時間

該參數可根據《規范》要求取為1 h。

d.潷水時間

該參數《規范》僅建議其取值范圍為1～1.5 h。在實際工程中，為將每個池的間歇排水組合成全廠的連續排水，減小尾水排放管的管徑，該時間可取與進水時間相一致。

e.閑置時間

閑置階段的時間一般較短，《規范》中對該參數未作明確規定，本文建議可結合其他工序時間的安排，適當考慮一定的閑置時間（0～0.5 h），一方面可根據污水廠進、出水水量及水質情況，將該部分預留時間靈活安排至其他工序；另一方面在條件允許的情況下，可安排在該階段進行曝氣，則有利于恢復污泥的活性。

（4）反應池容積計算

反應池有效容積可按照《規范》要求進行計算，但也可以從物料平衡的角度進行推算如下：

設某CASS工藝污水廠的設計流量為Q，設置一組y個反應池，每池每天的周期數為n，則每池每周期的進水量q1=Q/(y·n)；另設每個反應池的面積為S，總水深為h，有效水深為Δh，充水比m=Δh/h，則每池每周期的排水量q2=S·Δh，因此根據q1=q2不難推算出CASS池總容積V=Q/(n·m)，而當式中n=4，m=0.25時，可得出V=Q的推論。

上述CASS池容積的計算公式只是從物料平衡角度進行的推算，而實際情況可能并非是如此簡單的幾何關系，因此CASS池的容積仍應按照《規范》要求代入各相關參數進行計算后確定，而本文中所推導出的計算公式及推論可用于核算池容積計算是否大致正確，或可以在基礎資料或參數不齊全時，用于匡算CASS池的總容積之用。

3 關于CASS工藝的優化設計

3.1 關于CASS工藝的設計流量及池水深的確定

根據規范，由于CASS工藝進水時可均衡水量變化，故反應池的容積可按照平均日污水量進行計算。但由于高峰流量的大小及出現和持續的時間具有一定的不確定性，因此如何在進水時均衡水量變化問題就顯得比較復雜，《規范》對該問題也未作明確解釋和要求。如果僅按照《規范》要求的平均日污水量計算CASS池容積，則當最不利情況出現時，即1個或2個CASS池某個周期的大部分進水時間內接近高峰流量時，則根據相應總變化系數（1.3～1.4），從理論上計算，CASS池的進水量將大于設計水量的30%～40%，屆時為保證運營的安全，須溢流部分未處理污水或調整部分CASS池的運行參數，如此將給污水廠日常運營管理帶來不便，并可能影響出水水質的穩定。

鑒于上述問題，在具體工程設計計算過程中，CASS池的容積仍可按照《規范》要求的平均日水量進行計算，并可據此確定相應正常營運時池內的水位，但應復核在高峰流量時CASS池所能達到的最高水位，并根據該最高水位加上一定的安全超高（可取0.5 m左右）后所得高程，確定為CASS池的頂標高。另為保證鼓風曝氣系統的正常運行，鼓風機的最高風壓亦應按照最高水位時所對應的水壓進行復核。

3.2 關于鼓風曝氣系統的優化

根據規范，CASS工藝鼓風曝氣系統所需要的風量，是按照平均日污水量進行計算的。但如果按此計算結果選取風機，則除了由于部分CASS池某些周期的進水量大于設計進水量而帶來設計風量偏小以外，壓力條件、氣溫及空氣相對密度變化等因素均可能對供風量產生一定影響，故設計風量的選取應留有一定的余地，但如按最高日最高時的高峰污水流量作為依據計算風量，則不但會帶來所選風機規模偏大的問題以外，還可能會引起一天中大部分時間小于等于平均流量進水時鼓風機的運行工況點距離運行高效區較遠，從而帶來運行效率降低的問題。因此鼓風機的設計風量可按照平均日污水量所對應的計算風量乘以一定的系數來進行確定（該系數應大于1，并小于總變化系數，一般可取為1.2左右），如此既考慮了一定的安全系數，又避免了風機規模偏大而帶來的一系列問題。但如果高峰流量持續時間較長，則理論上可能會引起鼓風機設計風量略偏小的問題，如在實際運營過程中因此而影響出水水質的穩定，則可以通過適當調節充水比或進水時間的方式來解決該問題。

另外，對于非限制進水曝氣形式，由于其進水的同時進行曝氣，屬于變水位曝氣，而一組CASS池在同一時間各池內的水位基本是不一樣的，因此若一臺鼓風機同時對多個CASS池供氣，則會由于池內水位不一致而引起風量分配不均的問題，所以對非限制進水曝氣形式，應采用反應池與鼓風機一對一的供氣方式。

3.3 其他值得優化的細節

（1）由于CASS工藝一般不設初沉池，因此CASS池內易流入較多雜物，故剩余污泥泵應選用不易堵塞的泵型。

（2）由于CASS工藝每池每天運行4～6個周期，其進水管路及鼓風曝氣系統也需配合每天啟閉4～6次，因此相應閘閥或閥門的使用頻率較高，故上述設備應盡可能設置于便于檢修的位置，同時在選購相關設備時應注意產品質量。

4 結語

CASS工藝不但處理設備少，占地面積省，而且其出水能夠滿足脫氮除磷的要求，同時該工藝具有運行效果穩定且耐沖擊負荷等優點，因此隨著我國對環境保護力度的加大以及CASS工藝自身反應機理研究的不斷深入，相信該工藝將有著廣闊的應用和發展前景。