關(guān)于污水處理廠CASS工藝相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的探討

孫國(guó)帥，殷世忠

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

引言

CASS工藝是SBR工藝的一種，除了保留了SBR工藝原有的流程簡(jiǎn)單、出水水質(zhì)好、土建和設(shè)備投資低、耐水量水質(zhì)負(fù)荷沖擊、運(yùn)行靈活等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)選擇區(qū)的設(shè)置，提高了容積利用率，有效控制了污泥膨脹的產(chǎn)生，并且強(qiáng)化了生化池的反硝化效果，提高了總氮去除效率[1]。自上世紀(jì)90年代以來(lái)，CASS工藝在中小型城市污水處理廠及工業(yè)污水含量較高的區(qū)域均有較為廣泛應(yīng)用。

CASS工藝與其他活性污泥法污水處理工藝的主要區(qū)別在于生化池后不需要再另外設(shè)置二沉池，而且生化池出水后直接進(jìn)入深度處理單元或直接通過(guò)消毒后出水，一般處理流程如圖1所示。

1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討

1.1 選擇區(qū)的設(shè)置

CASS生化池通常將空間分成兩至三個(gè)區(qū)域，僅用于脫氮時(shí)，生化池設(shè)置兩個(gè)反應(yīng)區(qū)，分別為缺氧生物選擇區(qū)和好氧區(qū)；當(dāng)用于同步除磷脫氮時(shí)，水池可以分為厭氧生物選擇區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)，其中的生物選擇區(qū)和主反應(yīng)區(qū)分別如圖2和圖3所示。

圖2 CASS池剖面示意圖（脫氮）

圖3 CASS池剖面示意圖（脫氮除磷）

厭氧或缺氧生物選擇區(qū)的設(shè)置保證了活性污泥在進(jìn)水階段能夠一直處于吸附狀態(tài)，從有利于反應(yīng)池中絮凝性細(xì)菌的生長(zhǎng)，提高了污泥的活性，使活性污泥能夠快速降解廢水中的易降解物質(zhì)，從而有效地抑制了污泥膨脹的產(chǎn)生；同時(shí)，在沉淀階段，生物選擇區(qū)不會(huì)對(duì)主反應(yīng)區(qū)的污泥沉降產(chǎn)生水力干擾，主反應(yīng)區(qū)一的沉淀過(guò)程始終處于靜止環(huán)境中，因而沉淀效果更好。

當(dāng)CASS池僅用于脫氮時(shí)，缺氧區(qū)內(nèi)的溶解氧小于0.5 mg/L，缺氧區(qū)進(jìn)行反硝化反應(yīng)能夠去除TN，好氧區(qū)進(jìn)行生物氧化和硝化反應(yīng)，去除BOD、COD和NH3-H，同時(shí)好氧區(qū)混合液回流至缺氧區(qū)，其工藝流程見(jiàn)圖4。

圖4 CASS工藝流程示意圖（脫氮）

當(dāng)CASS池進(jìn)行同步脫氮除磷時(shí)，厭氧選擇區(qū)的溶解氧為0，嗜磷菌釋放出磷；當(dāng)缺氧區(qū)內(nèi)溶解氧含量小于0.5 mg/L時(shí)，可以進(jìn)行反硝化反應(yīng)去除TN；好氧區(qū)進(jìn)行生物氧化和硝化反應(yīng)，去除BOD、COD和NH3-H，同時(shí)好氧區(qū)混合液回流至厭氧生物選擇區(qū)，具體工藝流程見(jiàn)圖5。

圖5 CASS工藝流程示意圖（脫氮除磷）

生物選擇區(qū)的設(shè)置通常有兩種形式，一種設(shè)計(jì)為一個(gè)選擇區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)主反應(yīng)區(qū)，也有設(shè)計(jì)為一個(gè)選擇區(qū)對(duì)應(yīng)2～4個(gè)主反應(yīng)區(qū)。例如：廣州開(kāi)發(fā)區(qū)東區(qū)水質(zhì)凈化廠一期工程設(shè)計(jì)規(guī)模為2.5萬(wàn)m3/d，處理工藝為CASS工藝，設(shè)置了2組生化池，每組設(shè)置2個(gè)水池，每組水池共用一個(gè)選擇區(qū)；東區(qū)水質(zhì)凈化廠三期工程的設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬(wàn)m3/d，處理工藝為CASS工藝，共設(shè)置了2組反應(yīng)池，每組設(shè)有4個(gè)水池，每組水池共用一個(gè)選擇區(qū)。

生物選擇區(qū)在設(shè)計(jì)中除了要保持基質(zhì)濃度梯度外，還應(yīng)該使實(shí)際溶解氧盡可能地接近零值，反應(yīng)器的水力停留時(shí)間取值僅可能保證反硝化反應(yīng)的完成，通常缺氧生物選擇區(qū)的有效容積宜占總有效容積的20%，厭氧生物選擇區(qū)占總有效容積的5%～10%。

1.2 有效水深

CASS工藝水池常見(jiàn)的水深為4.0～6.0 m，通過(guò)對(duì)多家CASS及其他序批式處理工藝污水廠[2-4]進(jìn)行調(diào)研可知，絕大多數(shù)CASS或序批式工藝污水廠的水深都不超過(guò)6.0 m，其中廣東省內(nèi)的多家CASS工藝污水廠，僅有廣州開(kāi)發(fā)區(qū)東區(qū)廠的二期工程和番禺區(qū)大石污水廠的一期工程設(shè)計(jì)水深達(dá)到了7.0 m，具體如表1所示。

表1 廣東部分CASS工藝污水廠設(shè)計(jì)水深統(tǒng)計(jì)表

由此可知，CASS池的水深增加可在一定程度上提高土地的利用率，并增加單位用地的污水處理規(guī)模，但是在水深增加時(shí)，工作人員還應(yīng)重視以下幾點(diǎn)：①有效的水深增加，可以使水池的有效容積增加、使單位面積的出水量增加，因而會(huì)提高水池沉淀過(guò)程中的表面負(fù)荷，導(dǎo)致污泥和SS的沉降壓力增加②CASS池設(shè)計(jì)充水比通常為0.2～0.5，水池水深增加后會(huì)增加潷水高度，因而對(duì)潷水設(shè)備的穩(wěn)定性提出了更高的要求。③CASS池水深的增加勢(shì)必會(huì)增加曝氣壓力，因而會(huì)增加噸水處理的電耗。

1.3 污泥濃度

活性污泥是CASS池內(nèi)降解和去除各類污染物質(zhì)的主體作用物質(zhì)，通常CASS工藝設(shè)計(jì)污泥濃度范圍為1 500～5 000 mg/L，最新《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014-2021）中設(shè)計(jì)的污泥濃度宜取2 500～4 500 mg/L，而在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，水廠可將污泥濃度維持到更高水平，如6 000～7 000 mg/L。一般而言，適當(dāng)?shù)卦黾游勰酀舛瓤梢蕴岣呶鬯幚韽S的處理能力，但是污泥濃度的提高也會(huì)增加CASS池沉淀階段的表面負(fù)荷，因而增加污泥和SS的沉降風(fēng)險(xiǎn)。但是污泥濃度也不宜過(guò)低，過(guò)低的污泥濃度會(huì)導(dǎo)致工藝容積利用率過(guò)低，進(jìn)而不利于水廠的集約化設(shè)計(jì)，而且在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中容易產(chǎn)生大量泡沫，因而增加了運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員最好根據(jù)污水的特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最佳的污泥濃度。

1.4 水力停留時(shí)間

水力停留時(shí)間是表征CASS池池容大小的關(guān)鍵參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，污染物質(zhì)的去除率會(huì)隨著水力停留時(shí)間的增加而提高。但是水力停留時(shí)間越長(zhǎng)意味著土建投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的增加，因此需要選擇合適的水力停留時(shí)間。有研究表明[5]，COD、NH3-N的去除率會(huì)隨著水力停留時(shí)間的增加而增加，但TN的去除率則是先增加后減小。其中COD在18 h停留時(shí)間的去除率高于16 h的去除率，當(dāng)停留時(shí)間繼續(xù)增加，COD的去除率增加不明顯；NH3-N在停留時(shí)間為18 h時(shí)的去除率遠(yuǎn)大于14 h和16 h的去除率，停留時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，NH3-N的去除率增加不明顯；TN在18 h停留時(shí)間下去除率遠(yuǎn)大于14 h和16 h的去除率，當(dāng)停留時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，TN的去除率反而有所下降，這可能是由于停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在BOD/TN比較低情況下，反硝化階段所需的碳源不足，使硝態(tài)氮反硝化不充分導(dǎo)致的。

另有實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，當(dāng)BOD/TN較高時(shí)，適當(dāng)?shù)靥岣咄Ａ魰r(shí)間反而有利于TN去除率的提高。如表2所示，當(dāng)BOD/TN處于較高水平時(shí)，在其他進(jìn)水水質(zhì)相近的情況下，蘿崗水質(zhì)凈化廠二期工程在更高停留時(shí)間下TN的去除率明顯高過(guò)一期工程。這表明當(dāng)污水可生化性較好，BOD/TN較高時(shí)，適當(dāng)提高污水的水力停留時(shí)間有利于TN的去除。

表2 蘿崗水質(zhì)凈化廠TN去除率對(duì)比表

當(dāng)然，水力停留時(shí)間的選擇通常還要根據(jù)污水處理的目標(biāo)來(lái)確定。當(dāng)僅需要去除BOD時(shí)，最小水力停留時(shí)間為8 h；當(dāng)需要同時(shí)去除BOD和NH3-H時(shí)，水力停留時(shí)間宜大于10 h；當(dāng)需要去除BOD、NH3-H，并以TN為去除目標(biāo)時(shí)，水力停留時(shí)間宜大于15 h；當(dāng)需要去除BOD、NH3-H并同步脫氮除磷時(shí)，水力停留時(shí)間宜大于20 h。由此可見(jiàn)，隨著污水處理標(biāo)準(zhǔn)的提高，CASS池的最小水力停留時(shí)間也應(yīng)相應(yīng)地增加。

1.5 運(yùn)行方式

目前投入運(yùn)行的CASS工藝污水處理廠的運(yùn)行結(jié)果，對(duì)于一般城市污水在沒(méi)有特殊工程措施的條件下，出水水質(zhì)主要取決于污泥泥齡、供氧情況和一個(gè)循環(huán)中曝氣階段和非曝氣階段的比例。運(yùn)行結(jié)果表明[6]，對(duì)于同時(shí)硝化/反硝化系統(tǒng)，CASS系統(tǒng)的最佳循環(huán)周期可為3 h、4 h 及6 h。

每個(gè)池子中的循環(huán)操作均由中央控制系統(tǒng)自動(dòng)控制，需要時(shí)也可以進(jìn)行人工操作。進(jìn)水、曝氣、沉淀、出水（撇水）等階段構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)，在完成此4個(gè)階段后，整個(gè)周期再自動(dòng)重新開(kāi)始。最常見(jiàn)的運(yùn)行周期為每日運(yùn)行6個(gè)周期，每周期運(yùn)行4 h，其中進(jìn)水和反應(yīng)需要2 h，沉淀1 h，潷水1 h。在每個(gè)周期的運(yùn)行過(guò)程中，主要控制對(duì)象包括潷水器的控制、鼓風(fēng)機(jī)的控制、回流污泥和剩余污泥的控制。

1.5.1 潷水器的控制

使用移動(dòng)式潷水器，潷水裝置的下降速度使出水量保持不變，潷水器裝置使撇水過(guò)程進(jìn)入潷水器的進(jìn)水呈層流狀態(tài)。潷水器的初始狀態(tài)位于水面以上，當(dāng)?shù)玫娇刂泼詈筮M(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，并將上清液排出。當(dāng)潷水器達(dá)到預(yù)定的最低水位后，便返回到初始狀態(tài)。

1.5.2 鼓風(fēng)機(jī)的控制

由于在CASS系統(tǒng)中同時(shí)進(jìn)行硝化/反硝化過(guò)程，不適當(dāng)?shù)钠貧鈱⑹拐麄€(gè)過(guò)程受到影響。因此可以通過(guò)溶解氧水平的變化控制池子的曝氣量。在曝氣開(kāi)始時(shí)，所控制的溶解氧值很低，一般為0.5 mg/L。在曝氣結(jié)束前，將溶解氧數(shù)值提高到2～3 mg/L，整個(gè)控制過(guò)程由中央控制系統(tǒng)進(jìn)行。

1.5.3 回流污泥和剩余污泥的控制

用回流污泥泵將一定量活性污泥從主曝氣區(qū)回流至池首的選擇器中。當(dāng)處于自動(dòng)控制狀態(tài)時(shí)，在曝氣、沉淀、閑置階段進(jìn)行污泥回流，撇水階段停止污泥回流。當(dāng)處于手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，整個(gè)循環(huán)過(guò)程都在進(jìn)行污泥回流。

2 結(jié)論

（1）本文對(duì)CASS工藝的概況做了簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)探討了選擇段的設(shè)置、污泥濃度、設(shè)計(jì)水深、停留時(shí)間、運(yùn)行周期等相關(guān)要點(diǎn)，分析了CASS工藝在設(shè)計(jì)過(guò)程中的注意事項(xiàng)，為后續(xù)CASS工藝污水廠的新建和改造項(xiàng)目提供參考。

（2）隨著污水處理排放要求的不斷增加，生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平也在不斷提高，如今城市污水廠普遍面臨著提標(biāo)改造的問(wèn)題，其中TN出水標(biāo)準(zhǔn)的提高往往是新建廠或改建廠關(guān)注的重點(diǎn)，特別是對(duì)于部分大中城市，污水處理廠往往位于市區(qū)，土地緊張，使在原有用地條件下進(jìn)行擴(kuò)容或提標(biāo)改造的難度增加。所以，通過(guò)適當(dāng)挖掘CASS工藝設(shè)計(jì)參數(shù)的潛力，應(yīng)對(duì)不斷提高的污水處理要求是非常必要的。