CAST的工作原理与设计计算

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简介： 详细论述了循环式活性污泥法(CAST)的工作原理，对该工艺的设计计算作了探讨，提出了设计方法，并提供了有关计算公式和操作时间分配。
关键字：循环式活性污泥法(CAST) 生物选择器 硝化反硝化 生物除磷

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 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 CAST工艺的设计计算

　　2.1 CAST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×(S_a－S_e)/(N_e×N_w×f)                                        (1)

　　式中：V—CAST池容积，m³；

　　Q—污水日流量，m³/d；

　　N_w—混合液污泥(MLSS)浓度，3g/L～4g/L；

　　N_e—B0D污泥负荷率，其中N_e=K₂×S_e×f/η，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

　　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=n_l×(V_l+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=H_l+H₂+H₃=(3～5)m                                             (3)

　　H₁=Q/(n₁×n₂×A)                                                     (4)

　　H₃=H×N_w×SVI×10^-3                                                                                                (5)

　　H₂=H-(H_l+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；

　　N_w——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。

　　2.2 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。

　　2.3 循环时间分配及DO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 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：

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　　[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

　　Abstrac：This paper explains the principle of Cyclic Activated Sludge Technology(CAST)and discusses the designing and calculating memhods

　　about this technology．This pape r also introduced the formulae‘and the time distributing about design cycle．

　　Key words：cyclic activated sludge technology，biological selector，nitrification／denitrification，biological phosphorous removal

　　收稿日期：2005-03-14

　　作者简介：白生云(1979-)，男，太原理工大学在读硕士研究生，山西太原030024

　　李亚新(1941-)，男，博导，教授，太原理工大学，山西太原030024