探討CAST工藝運行優化與控制

嚴俊泉

(揚州市潔源排水有限公司，江蘇 揚州 225004)

CAST工藝作為污水二級處理工藝，具有工藝流程簡單、土建和設備投資少(無初沉池和二沉池以及規模較大的回流污泥泵站);運行靈活，能很好地緩沖進水水質、水量的波動;無污泥膨脹，沉淀過程在靜止環境中進行，無漂泥現象，工藝過程穩定;自動化程度高，人員費用低等優點。已在歐美國家得到廣泛應用，目前國內主要將其用于需脫氮除磷的城市污水及制藥、啤酒、印染和化工等行業廢水的處理［1］。與其他工藝相比，CAST工藝對過程控制的各項參數、自動化控制的穩定性和準確性有更高的要求，而目前污水廠大多采用依賴于經驗數據的恒定參數控制模式，已無法適應進水水質、水量的時刻變化和滿足更嚴格的污水排放標準［2］。

鑒于此，筆者結合揚州湯汪污水處理廠的實際運行情況，通過整理分析運行數據，應用活性污泥模型ASM2D模擬得出適用于該污水廠的最佳調控參數，以期進一步提高CAST工藝的運行效率和處理效果，從而實現節能減排的目標。

1 試驗部分

1.1 污水處理廠概況

湯汪污水處理廠屬于淮河流域水污染防治工程和南水北調東線治污工程之一，設計總規模為18×104m3/d，分兩期實施，一期規模為10×104m3/d，二期規模為8×104m3/d0處理對象為由合流管網收集的揚州老城區、瘦西湖風景區及周邊區域內的污水，依次經粗格柵、進水泵房、細格柵、曝氣沉砂池、CAST生物池處理后排入京杭大運河，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918－2002)的一級B標準。作為重點治污工程，該廠要求進一步提高出水水質，響應國家節能減排政策。筆者的研究對象為該廠的一期工藝，目前實際處理量平均為6×104m3/d。

1.2 進水水質

湯汪污水廠的進水 COD、BOD5、SS、NH3－N、TN 和 TP分別為 310、151、180、24.4、36.1 和 4.34mg/L，進水碳源充足，B/C值(0.49)、BOD5/TN值(4.2)和BOD5/TP值(34.8)均較高，可生化性較好。

1.3 運行工況

一期工藝設有厭氧選擇區和8個完全混合式CAST池，分為4個控制模塊，每2個池組成一個模塊并列啟動，由于現階段進水量不足，僅運行了3個模塊。模塊I:進水/曝氣—曝氣—沉淀—潷水;模塊II:沉淀—潷水—進水/曝氣—曝氣;模塊III:潷水—進水/曝氣—曝氣—沉淀;模塊IV:曝氣—沉淀—潷水—進水/曝氣。設計運行周期為4h、四階段各為1h;實際運行周期為5.5h，四階段依次運行 110、83.3、76.7、60minQ進水/曝氣階段DO控制在1.8－2.0mg/L，曝氣階段DO控制在2～2.5mg/L，污泥回流比為22%，污泥齡為18d0

1.4 試驗方法

以GPS－X為軟件平臺，采用ASM2D模型對污水處理廠的運行情況進行模擬。ASM2D模型不僅包括含碳有機物的去除過程，還描述了通過硝化和反硝化作用對含氮物質的去除過程，以及厭氧水解和發酵、生物除磷、化學沉淀、PAOs的反硝化等反應過程［3］。湯汪污水處理廠的核心工藝為CAST生物池，其實質為活性污泥法，因此該模型的建立以活性注污泥模型為主，不包括格柵、沉砂池及消毒等設施。模型建立后，必須利用該廠的原始數據進行校正。

1.5 分析項目與方法

COD:重鉻酸鉀法;B0D5:稀釋與接種法;TN:過硫酸鉀氧化一紫外分光光度法;NH3－N:納氏試劑分光光度法;TP:鉬酸銨分光光度法;SS:重量法。對于活性污泥降解污染物的基本參數，包括耗氧速率、硝化速率、反硝化速率、磷的釋放及吸收速率等均采用活性污泥測定儀(美國生化公司專利分析工具)測定，其由一個電腦操控的控制箱和反應器組成，可定量描述污水處理廠的運行狀況并校正污泥模型［4］。

2 結果與討論

2.1 污泥活性分析

采用活性污泥測定儀對CAST工藝中的污泥活性進行了分析，在低溫(15℃)下污泥混合液的硝化速率為1.15mgNH3－N/(L·h)，耗氧速率為5.25～9.6mg02/(L·h)，反硝化速率為2.9mgN/(L·h)，與其他污水廠相比，污泥活性偏低。這主要是因為監測時段受到大量工業廢水的沖擊，使進水中含有部分毒性或惰性污染物，抑制了污泥的活性。故在優化運行控制過程中，需對進水污染物進行實時監測，并采用前饋控制預警沖擊負荷對核心CAST工藝的影響，以及時計算、調整最佳工藝參數，確保污水廠穩定高效運行。

2.2 設計方案預測

在使用ASM2D模型校正成功的基礎上，進行了36種設計方案預測。分別在12和20℃兩種典型水溫下，針對CAST工藝的不同曝氣時間(包含曝氣及微曝氣階段，60～120min)進行模擬調整，篩選了幾種優化方案進行討論，其中生物池的MLSS設置為4g/L。

以12℃的水溫模擬預測湯汪污水處理廠在冬季運行狀況。在DO較低(1mg/L)時，氨氮的硝化效果較差。預測方案結果顯示，若要達到較好的硝化效果，曝氣時間要延長至120min，此時出水氨氮和總氮濃度較曝氣時間為60min時的可降低好31.8%和34.1%。當DO提高到2mg/L時，出水水質有所提高。其中，曝氣時間為60min時對氨氮的去除率提高了18.2%;要想達到理想的硝化效果，則需將曝氣時間增至120min，此時出水氨氮降為6mg/L。因此在低溫條件下，通過提高生物反應池的溶解氧濃度來使出水氨氮達標的方案是可行的。繼續將DO增至3mg/L時，出水氨氮可下降1～2mg/L，但降幅不大，且出水總氮濃度幾乎無變化，而能耗卻增加了14.3%左右。因此將DO控制在2mg/L較為理想。湯汪污水處理廠目前在DO為2mg/L的條件下運行，平均曝氣時間為150min(含曝氣和微曝氣階段)，雖然可確保出水氨氮達標，但同時也増大了曝氣能耗。

在水溫較高(20℃)的條件下，設定了兩個 DO值(1和2mg/L)進行模擬。當DO為1mg/L時，曝氣60min后，出水氨氮可降至5mg/L;在相同的曝氣時間下，高溫條件下比低溫條件下對氨氮的去除率有顯著提高，由此也說明了溫度對硝化進程、硝化菌活性的重要影響;另外模擬結果顯示，出水COD、BOD5、NH3－N和TN濃度均能滿足GB18918—2002的一級A標準。若設定曝氣吋間為100min，不僅可保證出水穩定達到排放標準，與該廠實際工況相比，每天的總曝氣時間也可縮短80～280min、D0降低1mg/L，從而可節約28% ～36%的曝氣能耗。當DO調整為2mg/L時，出水氨氮、總氮濃度可進一步降低，但與DO為1mg/L時的模擬結果相比，對氨氮的去除率增加不明顯;而與實際工況相比，當設定曝氣時間(含微曝氣階段)為60min時，模擬出水氨氮濃度略高于實際工況的，但也能夠滿足GB18918－2002的一級A標準，此時總曝氣時間縮短，每天可以增加1～2個運行周期，可以應對進水高峰、水量明顯增加的情況。

此外，在低水量、較高水溫情況下，可適當降低DO濃度，因為DO過高會影響缺氧反硝化過程，并且過大的曝氣強度會影響污泥顆粒的吸附和絮凝性能，使得出水ss增加。

2.3 優化方案總結

對比以上五種模擬方案可知，提高DO濃度和延長曝氣時間可有效降低出水氨氮濃度。對湯汪污水處理廠來說，為進一步提局出水水質和運行穩定性，當水溫較低時，提高氧的轉移效率，在曝氣過程中保持DO設定值;當水溫較高時，則根據進水水質、水量情況以及模擬結果調整運行周期、DO濃度等參數，避免在保證出水達標排放的情況下浪費能源。同時，由于硝化能力的提高，將會產生更多的硝酸鹽，這將會提高反硝化效率，進一步降低出水總氮濃度。

2.4 優化診斷成果的執行和實現

以上述CAST工藝診斷結果為基礎，建立生物工藝智能優化控制系統(BIOS)，該系統的核心是活性污泥模型，配備專有的在線儀表與污水廠中央控制系統(SCADA)接口，將污水廠進、出水的實時水質數據輸入該實時模型對CAST工藝的處理效果進行模擬，模擬結果反饋給SCADA，然后輸出CAST工藝的各控制目標參數，包括DO、內回流比、外回流比及排泥量等。此方法解決了傳統控制方式不適應水質、水量變化的問題以及在線儀表反饋滯后導致的延時性和誤差問題，體現了智能自動化控制的特點，從而可保證出水水質穩定達標，而且實現了節省能耗、降低運行費用的目的。

3 結束語

(1)湯汪污水處理廠CAST工藝的污泥活性偏低，硝化速率為.l5mgNH3－N/(L·h)、耗氧速率為 5.25－9.6mg02/(L.h)、反硝化速率為2.9mgN/(L·h)，主要受監測時段高負荷工業廢水的沖擊，故需對污水廠進水進行實時監測并采用前饋控制，以及時調整最佳工藝參數來確保污水廠穩定高效運行。

(2)對于湯汪污水處理廠的CAST工藝，在低水溫條件下，需確保曝氣過程中DO值達到2mg/L，以彌補低溫對微生物活性的不利影響;在較高水溫條件下，根據進水水質、水量及模型模擬結果調整最佳運行周期、DO濃度等參數，以避免在保證出水達標排放的情況下浪費能源。

(3)以CAST工藝診斷結果為基礎建立開發的生物工藝智能優化控制系統可使優化成果得以執行，從而解決了在工藝運行控制方面缺乏科學依據、明顯滯后的問題，提高了CAST工藝的自動化控制技術水平及污水處理廠運行人員的管理水平。

［1］房安富，王旭，王文光.CAST工藝在大連老虎灘污水處理廠的應用［J］.中國給水排水，2007，23(4):61 －64.

［2］熊紅權，李文彬.CASS工藝在國內的應用現狀［J］.中國給水排水，2003，19(2):34 －35.

［3］郭亞萍，顧國維.ASM2d在污水處理中的研究與應用［J］.中國給水排水，2006，22(6):8 －10.

［4］李金國，焦建文，劉杰，等.揚州六圩污水廠的工藝改進及優化控制設計［J］.中國給水排水，2009，25(22):25 －30.