摘要：CASS工藝 發(fā)展 至今，已在城市污水和 工業(yè) 廢水處理領(lǐng)域逐步得到 應(yīng)用 。但是，CASS工藝設(shè)計(jì) 方法 的 研究 卻發(fā)展緩慢， 目前 還處于經(jīng)驗(yàn)階段，研究如何改進(jìn)CASS工藝設(shè)計(jì)方法,將其用于高氨氮污水的處理，充分發(fā)揮CASS工藝脫氮除磷效果好、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、防止污泥膨脹、建設(shè)費(fèi)用低和管理方便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于促進(jìn)CASS工藝的發(fā)展和改善水體環(huán)境具有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：CASS工藝 高氨氮污水 脫氮 設(shè)計(jì)

CASS工藝發(fā)展至今，已在城市污水和工業(yè)廢水處理領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用。但是，CASS工藝設(shè)計(jì)方法的研究卻發(fā)展緩慢，目前還處于經(jīng)驗(yàn)階段，究其原因有兩點(diǎn)：一是專業(yè)技術(shù)人員比較側(cè)重于主要設(shè)備(如潷水器)和自控系統(tǒng)的研究開發(fā)，而忽略了對(duì)CASS工藝設(shè)計(jì)方法的研究;二是CASS工藝乃至所有的間歇式活性污泥工藝的反應(yīng)過(guò)程都比較復(fù)雜，其部分生物作用機(jī)理至今仍在研究之中。

高氨氮污水對(duì)于環(huán)境的危害日益引起人們的重視，國(guó)內(nèi)外目前對(duì)于應(yīng)用CASS工藝處理高氨氮污水的研究還處于起步階段，處理效果也不理想，脫氮率較低。研究如何改進(jìn)CASS工藝設(shè)計(jì)方法,將其用于高氨氮污水的處理，充分發(fā)揮CASS工藝脫氮除磷效果好、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、防止污泥膨脹、建設(shè)費(fèi)用低和管理方便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于促進(jìn)CASS工藝的發(fā)展和改善水體環(huán)境具有現(xiàn)實(shí)意義。

1.現(xiàn)行的CASS工藝設(shè)計(jì)方法

1.1 活性污泥工藝設(shè)計(jì) 計(jì)算 方法

活性污泥工藝的設(shè)計(jì)計(jì)算方法有三種：污泥負(fù)荷法、泥齡法和數(shù)學(xué)模型法。三種方法各有其特點(diǎn)，分述如下：

1、污泥負(fù)荷法

污泥負(fù)荷法是目前國(guó)內(nèi)外最流行的活性污泥設(shè)計(jì)方法，幾十年來(lái)，污泥負(fù)荷法設(shè)計(jì)了成千上萬(wàn)座污水處理廠，充分說(shuō)明其正確性和適用性。

污泥負(fù)荷法也有其弊端，主要表現(xiàn)為：一是污泥負(fù)荷法設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇主要依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)于經(jīng)驗(yàn)較少的設(shè)計(jì)者來(lái)講相當(dāng)困難;二是對(duì)脫氮要求未加考慮， 影響 了設(shè)計(jì)的精確性和可靠性。

2、泥齡法

泥齡法是經(jīng)驗(yàn)和 理論 相結(jié)合的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，比污泥負(fù)荷法更加精確可靠;泥齡法可以根據(jù)泥齡的選擇，實(shí)現(xiàn)工藝的硝化和反硝化功能;同時(shí)，泥齡參數(shù)的選擇范圍比污泥負(fù)荷法窄，設(shè)計(jì)者選擇起來(lái)難度較小。

泥齡法的設(shè)計(jì)參數(shù)大多是根據(jù)國(guó)外污水試驗(yàn)得出的，需結(jié)合我國(guó)的城市生活污水水質(zhì)加以修正，這是其目前應(yīng)用的困難所在。

3、數(shù)學(xué)模型法

1986年，原國(guó)際水污染與控制協(xié)會(huì)IAWPRC提出了活性污泥1號(hào)數(shù)學(xué)模型，其后十幾年里，隨著數(shù)學(xué)模型的完善，越來(lái)越多的活性污泥系統(tǒng)開始采用它進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

數(shù)學(xué)模型在理論上是比較完美的，但具體應(yīng)用則存在不少 問題 ，主要是由于污水處理的復(fù)雜性和多樣性，模型中所包含的大量工藝參數(shù)需要根據(jù)具體的水質(zhì)進(jìn)行調(diào)整和確定，這需要大量的工程積累，即使簡(jiǎn)化了的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用也相當(dāng)困難。到目前為止，數(shù)學(xué)模型在國(guó)外尚未成為普遍采用的設(shè)計(jì)方法，而在我國(guó)還停留在研究階段。

1.2 目前CASS工藝設(shè)計(jì)計(jì)算方法

CASS工藝屬于活性污泥法范疇，但由于其運(yùn)行方式獨(dú)特，與傳統(tǒng)活性污泥法又有很大的差別。在同一周期內(nèi)，池內(nèi)的污水體積、污染物的濃度、DO和MLSS時(shí)刻都在發(fā)生變化，是一種非穩(wěn)態(tài)的反應(yīng)過(guò)程。

目前CASS工藝設(shè)計(jì)采用污泥負(fù)荷法，該方法不考慮反應(yīng)池內(nèi)基質(zhì)濃度、MLSS和DO含量在時(shí)間上的變化，只考慮進(jìn)出水有機(jī)物的濃度差，并忽略同一反應(yīng)周期內(nèi)沉淀、潷水和閑置階段的生物降解作用，采用與傳統(tǒng)活性污泥法基本相同的計(jì)算公式。

CASS工藝采用污泥負(fù)荷法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，除反應(yīng)池容積計(jì)算與傳統(tǒng)活性污泥法不同，其它如反應(yīng)池DO和剩余污泥排放量等計(jì)算方法與傳統(tǒng)活性污泥工藝相同，因此，本節(jié)著重介紹CASS工藝反應(yīng)池容積的計(jì)算方法。

1.2.1 計(jì)算BOD-污泥負(fù)荷(Ns)

BOD-污泥負(fù)荷是CASS工藝的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，其計(jì)算公式為：

(1)

式中： Ns——BOD-污泥負(fù)荷，kgBOD5/(kgMLSS·d)，生活污水取0.05～0.1

kgBOD5/(kgMLSS·d)，工業(yè)廢水需 參考 相關(guān)資料或通過(guò)試驗(yàn)確定;

K2——有機(jī)基質(zhì)降解速率常數(shù)，L/(mg·d);

Se——混合液中殘存的有機(jī)物濃度，mg/L;

η——有機(jī)質(zhì)降解率，%;

ƒ——混合液中揮發(fā)性懸浮固體濃度與總懸浮固體濃度的比值，一般在生活污水中，ƒ=0.75。

(2)

式中： MLVSS——混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度，mg/L;

MLSS——混合液懸浮固體濃度，mg/L;

1.2.2 CASS池容積計(jì)算

CASS池容積采用BOD-污泥負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

(3)

式中：V——CASS池總有效容積，m3;

Q——污水日流量，m3/d;

Sa、Se——進(jìn)水有機(jī)物濃度和混合液中殘存的有機(jī)物濃度，mg/L;

X——混合液污泥濃度(MLSS)，mg/L;

Ns——BOD-污泥負(fù)荷，kgBOD5/(kgMLSS·d);

ƒ——混合液中揮發(fā)性懸浮固體濃度與總懸浮固體濃度的比值。

1.2.3 容積校核

CASS池的有效容積由變動(dòng)容積和固定容積組成。變動(dòng)容積(V1)指池內(nèi)設(shè)計(jì)最高水位和潷水器排放最低水位之間的容積;固定容積由兩部分組成，一部分是安全容積(V2)，指潷水水位和泥面之間的容積，安全容積由防止?jié)畷r(shí)污泥流失的最小安全距離決定;另一部分是污泥沉淀濃縮容積(V3)，指沉淀時(shí)活性污泥最高泥面至池底之間的容積。

CASS池總的有效容積：

V=n1×(V1+V2+V3) (4)

式中：V——CASS池總有效容積，m3;

V1——變動(dòng)容積，m3;

V2——安全容積，m3;

V3——污泥沉淀濃縮容積，m3;

n1——CASS池個(gè)數(shù)。

設(shè)池內(nèi)最高液位為H(一般取3～5m)，H由三個(gè)部分組成：

H=H1+H2+H3 (5)

式中：H1——池內(nèi)設(shè)計(jì)最高水位和潷水器排放最低水位之間的高度，m;

H2——潷水水位和泥面之間的安全距離，一般取1.5～2.0m;

H3——潷水結(jié)束時(shí)泥面的高度，m;

其中：

(6)

式中： A——單個(gè)CASS池平面面積，m2;

n2——一日內(nèi)循環(huán)周期數(shù);

H3=H×X×SVI×10-3 (7)

式中：X——最高液位時(shí)混合液污泥濃度，mg/L;

污泥負(fù)荷法計(jì)算的結(jié)果，若不能滿足H2≥H-(H1+H3)，則必須減少BOD-污泥負(fù)荷，增大CASS池的有效容積，直到條件滿足為止。

1.2.4 設(shè)計(jì)方法 分析

從上述設(shè)計(jì)方法的描述中可以看出，現(xiàn)行的CASS工藝設(shè)計(jì)具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

1、設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)參數(shù)單一，在傳統(tǒng)的以污泥負(fù)荷為主要設(shè)計(jì)參數(shù)的活性污泥設(shè)計(jì)法基礎(chǔ)上，采用容積進(jìn)行校核，以保證潷水過(guò)程中的污泥不流失。

2、設(shè)計(jì)只針對(duì)主反應(yīng)區(qū)容積，而生物選擇區(qū)容積則是按照主反應(yīng)區(qū)容積的5%設(shè)計(jì)。

3、污泥負(fù)荷法設(shè)計(jì)重點(diǎn)針對(duì)有機(jī)物質(zhì)的降解，對(duì)脫氮未加考慮，難以滿足污水排放對(duì)于氮的要求，故此方法具有片面性，難以滿足高氨氮污水處理后達(dá)標(biāo)排放。

2 CASS工藝設(shè)計(jì) 方法 改進(jìn)

CASS工藝 目前 廣泛 應(yīng)用 的設(shè)計(jì)方法是污泥負(fù)荷法，污泥負(fù)荷法立足于有機(jī)物的去除，對(duì)系統(tǒng)脫氮效果則未加考慮，而對(duì)于高氨氮污水，脫氮效果的考慮更為重要，因此需結(jié)合目前已有的CASS工藝設(shè)計(jì)方法，加入脫氮工藝設(shè)計(jì)，對(duì)傳統(tǒng)的CASS工藝設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)。。

2.1 CASS工藝設(shè)計(jì)方法改進(jìn)的思路

高氨氮的污水脫氮設(shè)計(jì)的改進(jìn)思路如下：

1、設(shè)計(jì)采用靜態(tài)法。設(shè)計(jì)方法不追蹤C(jī)ASS反應(yīng)池內(nèi)基質(zhì)和活性污泥濃度在時(shí)間上的變化過(guò)程，而是著重于在某一進(jìn)水水質(zhì)條件下經(jīng)系統(tǒng)處理后能達(dá)到的最終處理效果。對(duì)于同步硝化反硝化，由于其機(jī)理還處在進(jìn)一步 研究 階段，在設(shè)計(jì)中不加考慮。對(duì)于沉淀和潷水階段的生物反應(yīng)，其作用并不明顯，因此在設(shè)計(jì)中對(duì)這兩個(gè)階段的生物反應(yīng)不加考慮。

2、將主反應(yīng)區(qū)和預(yù)反應(yīng)區(qū)分開設(shè)計(jì)，主反應(yīng)區(qū)主要功能為有機(jī)物降解和硝化，而預(yù)反應(yīng)區(qū)的功能主要為生物選擇和反硝化脫氮。

3、主反應(yīng)區(qū)采用泥齡法設(shè)計(jì)，而將污泥負(fù)荷作為導(dǎo)出參數(shù)，結(jié)合試驗(yàn)研究的結(jié)論，通過(guò)污泥負(fù)荷對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行校核。

4、反應(yīng)池的尺寸通過(guò)進(jìn)水量和污泥沉降性能確定。

2.2 主反應(yīng)區(qū)容積設(shè)計(jì)

主反應(yīng)區(qū)設(shè)計(jì)采用泥齡法，并用污泥負(fù)荷進(jìn)行校核，其設(shè)計(jì)步驟如下：

1、 計(jì)算 硝化菌的最大比增長(zhǎng)速率

當(dāng)污水pH和DO都適合于硝化反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，計(jì)算亞硝酸菌的比增長(zhǎng)速率公式為：

(8)

式中：μN,max——硝化菌的最大比增長(zhǎng)速率，d-1;

T——硝化溫度，℃;

2、計(jì)算穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的硝化菌比增長(zhǎng)速率

(9)

式中：μN——硝化菌的比增長(zhǎng)速率，d-1;

N——硝化出水的NH3-N濃度，mg/L;

KN——飽和常數(shù)，設(shè)計(jì)中一般取1.0mg/L。

3、計(jì)算完成硝化反應(yīng)所需的最小泥齡

(10)

式中：——最小泥齡，d;

μN——硝化菌的比增長(zhǎng)速率，d-1。

4、計(jì)算泥齡設(shè)計(jì)值

本處采用Lawrence和McCarty在應(yīng)用動(dòng)力學(xué) 理論 進(jìn)行生物處理過(guò)程設(shè)計(jì)時(shí)提出的安全系數(shù)(SF)概念，SF可以定義為：

SF=/(11)

式中：——設(shè)計(jì)泥齡，d;

SF使生物硝化單元在pH值、溶解氧濃度不滿足要求或者進(jìn)水中含有對(duì)硝化有抑制作用的有毒有害物質(zhì)時(shí)仍能保證達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的處理效果。美國(guó)環(huán)保局建議一般取1.5～3.0。

5、計(jì)算以VSS為基礎(chǔ)的含碳有機(jī)物(COD)的去除速率

活性異養(yǎng)菌生物固體濃度X1可用下式計(jì)算：

(12)

式中：X1——活性異養(yǎng)菌生物固體濃度，mg/L;

YH——異養(yǎng)菌產(chǎn)率系數(shù)，gVSS/gCOD或gVSS/gBOD;

bH——異養(yǎng)菌內(nèi)源代謝分解系數(shù)，d-1;

S0——進(jìn)水有機(jī)物濃度，mgCOD/L或mgBOD/L;

S1——出水有機(jī)物濃度，mgCOD/L或mgBOD/L;

——設(shè)計(jì)泥齡，d;

t——水力停留時(shí)間，d;

活性生物固體表觀產(chǎn)率系數(shù)，YH,NET

將含碳有機(jī)物的去除速率定義為：

(13)

則可以得到下式：

1/=YH,NET·qH (14)

曝氣池混合液VSS由三部分組成：活性生物固體、微生物內(nèi)源代謝分解殘留物和吸附在活性污泥上面不能為微生物所分解的進(jìn)水有機(jī)物，VSS濃度可以表示為：

(15)

式中：X——VSS濃度，mg/L;

△S——基質(zhì)濃度變化，mgCOD/L或mgBOD/L;

YH——以VSS為基礎(chǔ)的產(chǎn)率系數(shù)，gVSS/gCOD或gVSS/gBOD;

b——以VSS為基礎(chǔ)的活性污泥分解系數(shù)，d-1;

以VSS為基礎(chǔ)的(濃度為X)的有機(jī)物去除速率可以表示為：

1/=YH,NET·qOBS (16)

6、計(jì)算生化反應(yīng)器水力停留時(shí)間t

(17)

7、主反應(yīng)區(qū)容積：

VN=Q t (18)

式中：VN——主反應(yīng)區(qū)容積，m3;

Q——進(jìn)水流量，m3/d;

8、有機(jī)負(fù)荷校核

有機(jī)負(fù)荷F/M：

(19)

式中：ƒ——MLVSS/MLSS，一般取0.7。

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論，若F/M不在0.18～0.25 kgCOD/(kgMLSS·d)，則需改變泥齡，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

10、氨氮負(fù)荷校核

氨氮負(fù)荷SNR：

(20)

式中：N——主反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生NO3-N總量TKN，mg/L。

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論，若SNR>0.045 kg NH3-N/(kgMLSS·d)，則需增大泥齡，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2.3 預(yù)反應(yīng)區(qū)容積設(shè)計(jì)

預(yù)反應(yīng)區(qū)的功能設(shè)計(jì)為反硝化，其設(shè)計(jì)步驟如下：

1、計(jì)算反硝化速率SDNR

反硝化速率可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果或 文獻(xiàn) 報(bào)道值確定，也可以按下面的方法計(jì)算：

溫度20℃時(shí)：SDNR ( 2 0) =0.3F/M+0.029(21)

溫度T℃時(shí)： SDNR (T)= SDNR (2 0) ·θ( T- 2 0 ) (θ為溫度系數(shù)，一般取1.05) (22)

2、缺氧池的MLVSS總量為：

LA=QND/ SDNR (T) (23)

式中：ND——反硝化去除的NO3-N，kgN/d。

3、缺氧池的容積：

VAN=1000LA/Xƒ (24)

4、缺氧池的水力停留時(shí)間：

tA=VAN/Q (25)

5、系統(tǒng)的總泥齡：

(26)

2.4 反應(yīng)器尺寸的確定

CASS反應(yīng)器尺寸的確定主要是確定反應(yīng)器的高度和面積，以滿足泥水分離和潷水的需要。由于預(yù)反應(yīng)區(qū)始終處于反應(yīng)狀態(tài)，不存在泥水分離的 問題 ，且預(yù)反應(yīng)區(qū)底部通過(guò)導(dǎo)流孔與主反應(yīng)區(qū)相連，其水面高度與主反應(yīng)區(qū)平齊，因此計(jì)算出主反應(yīng)區(qū)的設(shè)計(jì)高度也同時(shí)計(jì)算出了預(yù)反應(yīng)區(qū)的水面高度。所以反應(yīng)區(qū)尺寸的確定主要是主反應(yīng)區(qū)尺寸的確定。

CASS池的泥水分離和SBR相同，生物處理和泥水分離結(jié)合在CASS池主反應(yīng)區(qū)中進(jìn)行，在曝氣等生物處理過(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)即進(jìn)入沉淀分離過(guò)程。在沉淀過(guò)程初期，曝氣結(jié)束后的殘余混合能量可用于生物絮凝過(guò)程，至池子趨于平靜正式開始沉淀一般持續(xù)10min左右，沉淀過(guò)程從沉淀開始后一直延續(xù)至潷水階段結(jié)束，沉淀時(shí)間為沉淀階段和潷水階段的時(shí)間總和。

污泥泥面的位置則主要取決于污泥的沉降速度，污泥沉速主要與污泥濃度、SVI等因素有關(guān)，在CASS系統(tǒng)中，污泥的沉降速度vS可簡(jiǎn)單地用下式計(jì)算：

vS=650/(XT×SVI) (27)

式中：vS——污泥沉速(m/h);

XT——在最高水位時(shí)濃度(kg/m3)，為安全計(jì)，采用主反應(yīng)區(qū)中設(shè)計(jì)值 X，一般取3000～4200 mg/L;

SVI——污泥沉降指數(shù)(mL /g)。

為避免在潷水過(guò)程中將活性污泥帶出系統(tǒng)，需要在潷水水位和污泥泥面之間保持一最小的安全距離HS。為保持潷水水位和污泥泥面之間的最小安全距離，污泥經(jīng)沉淀和潷水階段后，其污泥沉降距離應(yīng)≥ΔH+HS，期間所經(jīng)歷的實(shí)際沉淀時(shí)間為(ts+td-10/60)h，故可得下式：

vS×(ts +td -10/60)=ΔH+HS (28)

式中：ΔH——最高水位和最低水位之間的高度差，也稱潷水高度(m)，ΔH一般不超過(guò)池子總高的40%，與潷水裝置的構(gòu)造有關(guān)，一般其值最大在2.0～2.2m左右;

ts——沉淀時(shí)間;

td——潷水時(shí)間。

聯(lián)立式(6.47)和(6.48)即可得：

(29)

式中：ΔV——周期進(jìn)水體積(m3);

A——池子面積(m2);

HT——最高水位(m);

式中沉淀時(shí)間ts、潷水時(shí)間td可預(yù)先設(shè)定，根據(jù)水質(zhì)條件和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可選擇一定的SVI值，安全高度HS一般在0.6～0.9m左右。ΔV由進(jìn)水量決定，這樣式(29)中只有池子高度HT和面積A未定。根據(jù)邊界條件用試算法即可求得式(29)中的池子高度和面積。

高度HT和面積A的確定方法為：先假定某一池子高度HT，用式(29)求得面積A，從而可求得潷水高度ΔH，如潷水高度超過(guò)允許的范圍，則重新設(shè)定池子高度，重復(fù)上述過(guò)程。

在求得HT和池子面積A后，即可求得最低水位HB：

HB=HT-△H=HT-ΔV/A(30)

最高水位時(shí)的MLSS濃度XT已知，最低水位時(shí)的MLSS濃度則可相應(yīng)求得：

XB=XT×HT /HB(31)

最低水位時(shí)的設(shè)計(jì)MLSS濃度一般應(yīng)不大于6.0kg/m3。

2.5 剩余污泥計(jì)算

每日從系統(tǒng)中排出的VSS重量為L(zhǎng)：

L=Xƒ (VAN+VN) / θ (32)

式中：L——每日從系統(tǒng)中排出的VSS重量，kg/d。

2.6 需氧量計(jì)算

1、BOD的去除量：

O1=Q (S0-S1)/1000(33)

2、氨氮的氧化量：

O2=QN/1000 (34)

3、生物硝化系統(tǒng)，含碳有機(jī)物氧化需氧量與泥齡和水溫有關(guān)系，每去除1kgBOD需氧1.0～1.3kg，一般取1.1，則碳氧化和硝化需氧量為：

O3=1.1O1+O2(35)

4、每還原1kg NO3-N需2.9kgBOD，由于利用水中的BOD作為碳源反硝化減氧需要量為：

O4=2.9 NDQ/1000(36)

實(shí)際需氧量：

O= O3-O4(37)

參考 文獻(xiàn)

[1] 張統(tǒng). 間歇式活性污泥法污水處理技術(shù)及工程實(shí)例. 北京： 化學(xué) 工業(yè) 出版社,2002

[2] 張統(tǒng). SBR及其變法污水處理與回用技術(shù). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003

[3] 王凱軍,賈立敏. 城市污水生物處理新技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社2001

[4] 張自杰,周帆. 活性污泥生物學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué). 北京： 中國(guó) 環(huán)境 科學(xué) 出版社,1989

[5] 汪慧貞,吳俊奇. 活性污泥數(shù)學(xué)模型的 發(fā)展 和使用. 中國(guó)給水排水,1999,15(5)

[6] 朱明權(quán),周冰蓮. SBR工藝的設(shè)計(jì). 給水排水,1998,24(4)