CASS工藝處理城市住宅小區污水及中水回用探討

黃正文,余 波,周更明

(1.成都大學城鄉建設學院,四川成都 610106;2.四川大學建筑與環境學院,四川成都 610065; 3.南充市環境工程評估中心,四川南充 637000;4.四川長城環境科學研究院,四川成都 610106)

0 引 言

隨著社會經濟的發展,城市生活污水排放量呈持續增長趨勢.目前,大部分城市污水處理廠的規模在10萬t/d以下,污水處理的工藝繁多,且各有利弊,選擇何種工藝對城市污水進行處理,是城市建設項目的業主、設計單位和主管政府部門較難解決但又必須解決的問題[1].因此,城市污水工藝及其選擇等方面的研究受到了廣泛重視.

在國外的城市污水處理工藝的相關研究方面,上世紀80年代中期,Modell[2,3]提出了一種能夠徹底破壞有機物結構的新型氧化技術——超臨界水氧化技術(SCWO技術).1972年,Fujishima等[4]發現光照下的TiO2單晶電極能分解水,此發現推進了有機物和無機物光氧化還原反應的研究.1894年,Fenton[5]在實驗中將芬頓試劑應用于蘋果酸的氧化,研究表明,在一定酸度下,Fe(OH)3以膠體形態存在,具有凝聚、吸附性能,可除去廢水中部分懸浮物和雜質. 1975年,Prengle[6]等發現了O3/UV系統可顯著加快廢水中有機物的降解速率.1986年,G laze[7]等研究了芳香烴、鹵素等有機物的O3/UV氧化過程,探討了臭氧與紫外光之間的協同作用機理,研究表明,采用臭氧氧化法處理有機廢水,反應速度快,無二次污染.

在國內,易賽莉[8]對我國城市污水處理工藝現狀進行了分析和總結,提出了可持續發展城市污水處理技術的選擇原則.鄭召宏等[9]介紹了目前國內采用的城市污水處理工藝,并對各種工藝的特點做了分析和比較.張艷[10]通過對各種污水處理工藝特點的對比,闡述了從處理效果、投資、占地面積和適用范圍等方面對污水處理工藝的選擇.熊平[11]對各種污水處理新技術進行了介紹,并對各種新技術的工藝特點進行了分析評價.丁巖[12]評述了城市污水處理工藝的定義、流程、實際處理效果及其優點與缺點,并對4種主要城市污水處理工藝的投資方案作了經濟指標的分析.劉興平[13]介紹了目前運用較多和正在開發、研究的城市污水一級、二級、三級處理工藝流程,討論了這些工藝的發展狀況和趨勢,介紹了一些適用于我國城市污水處理的新工藝.此外,牟全君[1]通過對10萬t/d以下城市污水處理工藝進行排序和優選,并給出城市污水處理廠建設及運營的主要技術經濟指標,供城市污水處理廠建設的相關方參考.

綜上,上述研究所提出的污水處理工藝絕大多數是適合大城市的污水處理廠,在選擇污水處理工藝的技術方案上也基本沒有提到住宅小區等小范圍內的污水處理的工藝選擇.本文擬從城市住宅小區的角度來研究其污水處理工藝,根據城市住宅小區污水的特點,污水處理設計原則及常用流程,重點介紹了周期循環活性污泥(CASS)工藝處理城市住宅小區污水及回用的設計參數與應用情況.

1 城市住宅小區污水概述

城市住宅小區為具有一種功能或多種功能的相對獨立的區域,其排水系統通常不在城市市政管網覆蓋范圍之內.而根據環保標準,其必須設置獨立的污水處理設施,這也是本文所指的城市住宅小區污水處理系統.住宅小區污水處理系統的處理能力目前并無統一的限定,例如,前蘇聯曾建議單個構筑物的污水處理能力不宜超過1 400 m3/d,美國則把污水處理能力限定在3 785 m3/d的范圍內,根據我國情況,建議把污水處理量在4 000 m3/d以下的處理設施定義為住宅小區污水處理系統.

城市住宅小區污水不同于城市污水,屬于生活污水范疇,其水質水量特征可概括為:水質水量變化較大,污染物濃度偏低,污水可生化性好,處理難度相對較小.

城市住宅小區污水的處理工藝因污水排入的水體功能不同而異,常用處理方法有:化糞池、一級處理(初次沉淀池)、生物二級處理及二級處理后再經過濾消毒回用等.由于小區污水量較小,在污水處理工藝設計時盡應可能選用無污泥或少污泥的處理工藝,以防止因污泥處理不善造成二次污染.

2 住宅小區污水處理設計原則及流程選擇

2.1 設計原則

在綜合分析相關文獻的基礎上,我們提出城市住宅小區污水處理設計原則如下:

(1)一般來說,不同住宅小區對出水的要求差異較大,因此,在確定污水處理設計原則時應根據我國《地面環境質量標準》(G B3838-88)和《污水綜合排放標準》(G B8978-96)的有關規定和當地環保部門的要求來確定,以確保出水水質.

(2)污水處理設施的設計和建設必須結合住宅小區的整體規劃和建筑特點,即外觀設計上應與住宅小區建筑環境相協調,以求美觀.

(3)污水處理設施位置應盡可能位于住宅小區的下風向,并與其他建筑物有一定的距離,以減少對環境的影響.

(4)污水處理設施在高程布置上應盡量采用立體布局,可充分利用地下空間.同時,在平面布置上應緊湊,以節省用地.

(5)污水處理構筑物對水力負荷和有機物負荷的適應范圍應較大,以確保污水處理設施有較強的經受沖擊負荷的能力.

(6)污水處理設施應設備化、定型化、模塊化.且施工安裝方便,運行簡易,設備性能穩定,適合分期建設.

(7)污水處理設施污水處理程度高,污泥產量少,并盡可能采用節能處理技術.

2.2 流程選擇

根據城市住宅小區污水處理的原則,在其工藝流程選擇上應選擇處理效果穩定、產泥少、節能的處理方法.住宅小區污水處理設施中的各類建筑物一般均建有化糞池,所以化糞池應與污水處理工藝相結合.常用的工藝流程有:

①污水→格柵→調節池→提升泵→接觸氧化池→沉淀池 →出水.

②污水→格柵→調節池→提升泵→曝氣池→沉淀池→污泥回流→出水.

③污水→格柵→調節池→提升泵→SBR池或CASS池→出水.

④污水→格柵→調節池→提升泵→混凝沉淀(加藥)→過濾→出水(物化方法).

⑤污水→格柵→調節池→提升泵→接觸氧化池→混凝過濾(加藥)→出水.

同時,建議日處理能力1 000 m3以上的污水處理設施宜采用地上式.在水量不大,場地十分緊張時可考慮用埋地設備.

3 CASS工藝處理住宅小區污水

3.1 工藝原理

CASS(Cyclic Activated Sludge System)是在SBR的基礎上發展起來的一種污水處理工藝,即在SBR池內進水端增加了一個生物選擇器,實現了連續進水(沉淀期、排水期仍連續進水),間歇排水.設置生物選擇器的主要目的是使污水處理流程中選擇出絮凝性細菌,其容積約占整個池子的10%.生物選擇器的工藝過程遵循活性污泥的基質積累與再生理論,使活性污泥在選擇器中經歷一個高負荷的吸附階段(基質積累),隨后在主反應區經歷一個較低負荷的基質降解階段,以完成整個基質降解的全過程和污泥再生.

污泥膨脹的直接原因是絲狀菌的過量繁殖.由于絲狀菌比菌膠團的比表面積大,因此有利于攝取低濃度底物.在高底物濃度下菌膠團和絲狀菌都以較大速率降解底物與增殖,且膠團細菌比增殖速率較大,其增殖量也較大,從而較絲狀菌占優勢,這樣利用基質作為推動力選擇性地培養膠團細菌,可使其成為曝氣池中的優勢菌.因此,在CASS池進水端增加一個設計合理的生物選擇器,可以有效地抑制絲狀菌的生長和繁殖,克服污泥膨脹,提高污水處理系統的運行穩定性.CASS污水處理工藝對污染物質降解是一個時間上的推流過程,集反應、沉淀、排水于一體,同時,也是一個好氧—缺氧—厭氧交替運行的過程,因此具有一定脫氮除磷效果.

3.2 CASS工藝特點

與傳統活性污泥工藝相比,CASS污水處理工藝具有以下優點:

(1)建設費用低.該污水處理工藝省去了初次沉淀池、二次沉淀池及污泥回流設備,建設費用可節省20%～30%.同時,其污水處理工藝流程簡潔,污水處理設施的主要構筑物為集水池、沉砂池、CASS曝氣池、污泥池,布局緊湊,占地面積可減少35%.

(2)運轉費用省.由于該污水處理工藝曝氣是周期性的,池內溶解氧的濃度也是變化的,沉淀階段和排水階段溶解氧降低,重新開始曝氣時,氧濃度梯度大,傳遞效率高,節能效果顯著,運轉費用可節省10%～25%.

(3)有機物去除率高,出水水質好.該污水處理工藝不僅能有效去除污水中有機碳源污染物,而且具有良好的脫氮、除磷功能.

(4)管理簡單,運行可靠,不易發生污泥膨脹.采用該污水處理工藝污水處理設施的設備種類和數量較少,控制系統簡單,運行安全可靠.

(5)污泥產量低,性質穩定.

3.3 曝氣方式選擇

城市住宅小區對環境的要求比較高,因此污水處理設施建設時應充分考慮噪音擾民問題和污水廠操作人員的工作環境,采用水下曝氣機代替傳統的鼓風機曝氣可有效解決噪音污染.另外,由于CASS污水處理工藝獨特的運行方式,采用水下曝氣機可省去復雜的管路及閥門,安裝、維修方便,使用靈活,可根據進出水情況運轉不同的臺數,在保證效果的條件下,達到經濟運行的目的.

3.4 撇水方式選擇

撇水機是CASS污水處理工藝的關鍵組成部分,其性能是否穩定可靠直接影響到CASS污水處理工藝的正常運行.我們在基于CASS污水處理工藝基礎上,自主研制開發的撇水機屬絲杠旋轉式,自動撇水裝置主要組成部分包括:潷水器、可擾動的軟管、水位控制器、可伸縮推動桿和驅動電機等.其中潷水器為自動浮動式水堰,上部為堰口和防止浮渣進入出水的浮筒,下部出水管兼起支撐作用,部分浸沒在水中,通過可伸縮推動桿使方形堰口達到連續均勻地排出反應池中的上清液,具有升降平穩、排水均勻、自動控制、價格低廉等優點.

3.5 主要設計參數

CASS污水處理工藝設計參數:污泥負荷0.1～0.2 kg BOD5/(kgMLSS·d),污泥齡15～30 d.水力停留時間12 h,工作周期4 h,其中曝氣2.5 h,沉淀0.75 h,排水0.5～0.75 h.

4 CASS工藝的出水回用

通過工程試驗與應用表明,采用CASS污水處理工藝處理城市住宅小區污水,其出水水質穩定,優于一般傳統生物處理工藝,出水水質接近《生活雜用水水質標準》(CJ25.1-89)(見表1),且出水通過過濾和消毒處理后,可作為中水回用.

表1 生活雜用水水質標準

5 結 論

CASS污水處理工藝具有出水水質穩定、處理效果好、操作管理運行簡單的特點,實際運行中可以實現中央集中控制和現場手動自動控制.經過多個工程實際應用,該工藝的配套設備潷水器和水下射流曝氣機已經成熟,其出水經過濾和消毒處理后可以達到中水回用的標準,同時,還可根據實際需求,將其設計成地埋式或半地埋式,具有節省占地的優勢.在水資源日益緊缺的今天,將處理后的水回用于綠化、沖洗車輛和沖洗廁所,其應用前景十分廣泛.

[1]牟全君.我國10 t/d萬以下城市污水處理工藝[J].環境污染技術與設備,2006,7(3):96-100.

[2]Modell.Treatment for Oxidation of Organic Material in Supercritical Water,US,4,338,199[P].1982-07-06.

[3]Modell M.Processing Methods for the Oxidation of Organics in Supercritical Water,US,4,543,190[P].1985-09-24.

[4]Fujishma A,Honda K.Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode[J].Nature,1972,238(1):37-38.

[5]Fenton HJ H.Oxidation of Tartaric Acid in the Presence of Iron [J].Journal of the Chemical Society,Transactions,1894,65(1): 899-910.

[6]Prengle H W Jr,Mauk C E,Legan R W,et al.Hycrocarbon Processing[M].London:Elsevier Inc,1975.

[7]G laze W H,Kang J W.Chapin D H.The Chemistry of Water Treatment Processes Involving Ozone,Hydrogen Peroxide and Ultraviolet Radiation[J].Ozone(Science and Engineering),1987,9 (4):335-910.

[8]易賽莉,盧磊.城市污水處理可持續發展工藝選型和技改方法初探[J].環境科學與技術,2007,30(8):60-63.

[9]鄭召宏,徐瓊華.國內城市污水處理工藝綜述[J].海岸工程,2004,23(1):83-90.

[10]張艷.城市污水處理廠的工藝選擇[J].山西科技,2007, 27(3):133-135.

[11]熊平,梁宏,林海波.污水處理技術的研究進展[J].四川理工學院學報(自然科學版),2007,20(5):84-87.

[12]丁巖.城市污水處理工藝調研報告[J].環境保護,2005, 33(7),45-48.

[13]劉興平,郝曉美.城市污水處理工藝及其發展[J].水資源保護,2003,19(1):25-28.