水处理工艺CAST

CAST工艺是循环式活性污泥法的简称。整个工艺在一个反应器中完成，工艺按“进水—出水”、“曝气—非曝气”顺序进行，属于序批式活性污泥工艺，是SBR工艺的一种改进型。它在SBR工艺基础上增加了生物选择器和污泥回流装置，并对时序做了调整，从而大大提高了SBR工艺的可靠性及处理效率。CAST工艺在工程实际中已得到大量的应用。编辑本段工艺机理CAST整个工艺在一个反应器中完成有机污染物的生物降解和泥水分离过程。反应器分为三个区，即生物选择区、兼氧区和主反应区。生物选择区在厌氧和兼氧条件下运行，是污水与回流污泥接触区，充分利用活性污泥的快速吸附作用而加速对溶解性底物的去除，并对难降解有机物起到酸化水解作用，同时可使污泥中过量吸收的磷在厌氧条件下得到有效释放。兼氧区主要是通过再生污泥的吸附作用去除有机物，同时促进磷的进一步释放和强化氮的硝化/反硝化，并通过曝气和闲置还可以恢复污泥活性。编辑本段工艺特点1处理效果好，出水水质稳定；2通过程序控制可达到良好的脱氮除磷的目的；3污泥沉降性能好，稳定化程度高；4能很好缓冲进水水质、水量的波动；5工艺简单，基建投资较低；6采用组合式模块结构设计，方便分期建设和扩建工程；7自动化程度高，运行管理较复杂，要求较高的设备维护水平；8设备闲置率高，维修工作量大。CAST工艺的评述CAST工艺是近年来在传统SBR工艺上发起来的一种新型工艺，它是利用不同微生物在不同负荷条件下生长速率差异和污水生物除磷脱氮机理，将生物选择器与传统SBR反应器相结合的产物。这种工艺综合了推流式活性污泥法的初始反应条件（具有基质浓度梯度和较高的絮体负荷）和完全活性污泥法的优点（较强的耐冲击负荷能力），无论对城市污水还是工业废水都是一种有效的方法，有效地防止污泥膨胀。另外如果选择器的厌氧的方式运行，则具有生物除磷作用。有资料介绍：由于CAST工艺引入了厌氧选择器，使该系统具有很强的除磷脱氮能力。实际这种说法不完全正确。因为就脱氮而言，CAST系统与传统的SBR没有太多的不同，静止沉淀时的反硝化作用和同时硝化反硝化作用在脱氮过程中起主要的作用。而除磷方面，仅20-30%的回流比，则无法保证选择区内的污泥浓度，举例而言，若反应池内的污泥浓度为6g/L（一般没这么高），回流比为20%时，选择的污泥浓度仅为1g/L。这样低的污泥浓度是很难保证良好的除磷效果的。况且回流是在进水同时进行，这时处在曝气阶段，回流的混合液含有大量的溶解氧和硝态氧，也不利除磷。第三，生物除磷是通过排除富集磷的污泥来实现的，而系统长泥龄低负荷的运行，产泥率很低，同样无法保证良好的除磷效果。实际上，很多实际工程设计中，CAST工艺往往都辅以化学除磷，以保证处理达标。所以，许多资料所介绍的CAST工艺良好的除磷脱氮能力有必要进行进一步的探讨和研究。综上所述，对于小型污水处理厂，传统SBR工艺和CAST工艺是小型污水处理厂的首选工艺。这两种工艺比较而言，CAST工艺有一定的生物除磷效果，而且在进水污染物浓度很低的情况下，CAST工艺可有效的防止污泥膨胀。而传统的SBR工艺则因没有内回流而使处理更为简化。在可变容积和充水和排水(SBR法)系统中进行生物脱氦(硝化和反硝化)已有多年历史，大量运行结果表明：同SBR一样，CAST工艺具有卓越的硝反硝化能力，随着除氦要求的不断提高，CAST工艺将得到日益广泛的应用。其原理为通过每一循环的四个阶段人为地造成厌氧、缺氧、好氧的生物环境。不仅能去除一般有机物和悬浮固体，而且还能去除营养物质氦和磷，处理效果取决于泥龄、供氧情况和一个循环中曝气和非曝气时段的比例。CAST系统中硝反硝化过程不需要单独设置一个缺氧运行阶段以进行反硝化。生物除磷效果达到80~90%左右，如需进一步提高除磷效果，可采用加大循环周期，加大非曝气时间占整个循环时间的比例。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。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。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%。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。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。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。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。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。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-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。