CASS工艺概述及原理

CASS工艺概述及原理CASS (Cyclic-Activated-Sludge-System)工艺是近年来国际公认的处理生活污水及工 业废水的先进工艺。其基本结构是：在序批式活性污泥法(SBR)的基础上，反应池沿池长 方向设计为两部分，前部为生物选择区也称预反应区，后部为主反应区，其主反应区后部安 装了可升降的自动撇水装置。整个工艺的曝气、沉淀、排水等过程在同一池子内周期循环运 行，省去了常规活性污泥法的二沉池和污泥回流系统；同时可连续进水，间断排水。该工艺最早在国外应用，为了更好地将其引进、消化，开发出适合我国国情的新型污水 处理新工艺，总装备部工程设计研究总院环保中心于1994年在实验室进行了整套系统的模 拟试验，分别探讨了 CASS工艺处理常温生活污水、低温生活污水、制药和化工等工业废水 的机理和特点以及水处理过程中脱氮除磷的效果，获得了宝贵的设计参数和对工艺运行的指 导性经验。我院将研究成果成功地应用于处理生活污水及不同种工业废水的工程实践中，取 得了良好的经济、社会和环境效益。我院开发的CASS工艺与ICEAS工艺相比，负荷可提高 1-2倍，节省占地和工程投资近30%。CASS工艺是将序批式活性污泥法(SBR)的反直池沿长度方向分为两部分，前部为生物选 择区也称预反应区，后部为主反应区+在主反应区后部安装了可升降的滗水装置，实现了连 续进水间歇排水的周期循环运行，集曝气沉淀、排水于一体。CASS工艺是一个好氧/缺氧/ 厌氧交替运行的过程，具有一定脱氮除磷效果，废水以推流方式运行，而各反应区则以完全 混合的形式运行以实现同步硝化一反硝化和生物除磷。对于一般城市污水，CASS工艺并不需要很高程度的预处理，只需设置粗格栅、细格栅 和沉砂池，无需初沉池和二沉池，也不需要庞大的污泥回流系统(只在CASS反应器内部有约 20%的污泥回流)国内常见的CASS工艺流程如图1所示：CASS法污水处理运行操作CASS工艺每个运行周期曝气期为120分钟，沉淀期50分钟，滗水期为70分钟，用活 性污泥处理污水，污水在曝气池停留一段时间后，污水中的有机物绝大多数被曝气池中的微 生物吸附，氧化分解成无机物。为了使曝气池保持高的反应速率，除需要氧气外，还必须使 曝气池内维持较高的活性污泥浓度。活性污泥法工艺最关键之处在于维持污泥的活性和凝聚 性（沉淀性能）。1工艺构筑物和主要设备 工艺构筑物有：（1）格栅槽内设机械格栅一台，全过程有PLC控制每二小时运行十五分钟。（2）集水池内设污水提升泵两台（上海熊猫集团生产）全过程有PLC控制，低液位停泵， 中液位启泵，高液位两台泵同时运行，每四个小时切换一次，集水池作为收集污水，调节污 水浓度所用。（3）沉砂池 去除污水中的固体污染物，如：砂，铄石，盐类和重金属等。（4）曝气池（CASS池）分二格，称前段和后段，内设五台自吸式潜水曝气机和一台漂浮 式滗水机，其全过程由PLC控制无需人工控制。（5）中间水池内设二台污水提升泵，提升至机械过滤器，进行中水回用，其余部分达标排 放。（6）中水池储存中水，用于浇花绿化等。内设二台中水泵，变频控制。一台过滤反冲泵用 于机械过滤器的反冲洗，手动控制。主要设备部分：1. 机械格栅一台用以去除悬浮杂质等，减少对集水池提升泵堵塞的机会。2. 集水池提升泵二台用以提升污水至沉砂池。3. 自吸式潜水曝气机五台提供氧源为活性污泥微生物提供繁殖所需的氧气。4. 中间提升泵二台提升中间池水至机械过滤器，进行混凝过滤。5. 滗水机一台经过活性污泥曝气池处理的水引至中间池用以达标排放和制造中水。6. 中水泵二台供给中水回用，用以绿化用水，变频控制。7. 反冲洗泵一台为过滤器反冲洗提供水源。手动控制。&加药装置一台包含计量泵一台，搅拌机一台。提供混凝剂输送至过滤器前段。9. 消毒装置一台，化学法合成制备二氧化氯输送至过滤器后段，对过滤出水进行消毒。10. 机械过滤器二台一用一备，内设石英砂滤料，对中间水池出水进行混凝过滤，以消除 更多的悬浮杂质等，制造中水。主要设备操作运行要点1. 机械格栅全过程由PLC控制，无须人工控制，每天必须清除栅渣，冲洗栅齿，机械格栅 减速机必须每一十五天保养一次，适时添加润滑油和润滑脂，保持传动部件的灵活性。2. 集水池提升泵全过程由PLC控制，低液位停泵，中液位启泵，高液位同时开启两台泵。 每日观察提升泵的运行情况，如有堵塞和异常声响，一定要及时检修和清理，配备自藕装置 可供及时检修和保养，检修前应先切断提升泵的电源，然后再进行。3. 曝气机 全过程由PLC控制，每个周期运行120分钟。每日观察曝气机的运行情况，如有 异常声响或堵塞也一定要及时解决。4. 滗水机 全过程由PLC控制，每个周期运行70分钟。每日观察滗水机（采用泵吸式）的 运行情况，如有异常声响或堵塞也一定要及时解决。5加药装置操作步骤： 配置好混凝剂，稀释至所需浓度。取聚合绿化铝4-5 kg投入加药装置内加自来水稀释。 启动搅拌机，搅拌均匀混合。 调节计量泵，启动计量泵，输送至过滤器前段，对过滤进水加入混凝剂，进行混凝过滤。6.消毒装置原料工业氯酸钠，纯度为99%；工业盐酸，纯度为31%。操作步骤：1. 打开自来水进水阀。2. 配备好氯酸纳溶液，溶液浓度为33%。3. 打开吸盐酸真空阀，把盐酸吸入盐酸箱内。4. 调节好盐酸计量泵和氯酸钠计量泵，同时启动盐酸计量泵和氯酸钠计量泵。5. 打开出二氧化氯阀门，切记一定要打开。6. 操作结束后，应先关掉盐酸计量泵和氯酸钠计量泵，等待数分钟后，再关掉出二氧化氯 阀，最后关掉自来水阀，这样避免在反应箱内积存更多的反应溶液。7. 切掉总电源。&机械过滤器中间池出水仍含有颗粒杂质等其它污染物，要进一步出除，必须使用混凝过 滤工艺（微絮凝过滤）。滤料是由大小不同的砂粒组成起筛滤，沉淀，接触和吸附作用。1必须经常反冲洗，坚持每个班反冲洗1-2次，否则积聚在滤料上的杂质会结成泥球，阻塞 砂层，并进而使出水水质恶化。2. 如果数天或更长时间不用，应把过滤器反冲洗并放空过滤器中的水，否则过滤器中由于长 时间不用产生厌氧膜导致反冲洗洗不干净。操作步骤：1打开进水阀，关闭反冲进水阀。2打开出水阀，关闭反冲出水阀。3打开中间池提升泵。4启动加药装置，对过滤进水进行加药混凝。5. 启动消毒装置，对过滤出水进行消毒。反冲洗操作步骤：1打开反冲进水阀，关闭过滤进水阀。2打开反冲出水阀，关闭过滤出水阀3打开中水池反冲提升泵。活性污泥处理曝气池是由微生物组成的活性污泥与污水中有机污染物物质充分混合接触，并进而降解 吸收并分解的场所，它是活性污泥工艺的核心。曝气系统的作用是向曝气池供给微生物增长 及分解有机物所必须的氧气，并起混合搅拌作用，使活性污泥与有机物充分接触。在曝气池 内，悬浮的大量肉眼可观察到的絮状污泥颗粒这就叫做活性污泥絮体。随着有机污染物被分 解，曝气池每天都净增一部分活性污泥，这部分叫做剩余活性污泥。用污泥泵直接排出系统 之外-一污泥池。1活性污泥系统的工艺控制活性污泥系统在实际运行中，污水的水质及水量在不断的变化，环境条件也在不断的变 化，这就需要按照活性污泥中的微生物的代谢规律进行调节控制，使系统处在最佳运行状态， 发挥最大的效益，进一步提高出水水质。(1) 有机负荷指的是单位重量的活性污泥，在单位时间内要保证一定的处理效果所承受的有机污染物 (B0D5)即F/M的值。F/M较大时，由于食料充足，活性污泥中的微生物增长速率较快，有 机污染物被出除的速率也较快，但此时活性污泥的沉降性较差，反之F/M较小时，由于食料 不足，微生物增长速率较慢或不增长或减少，此时有机物被去除的速率也非常慢，但活性污 泥的沉降性往往较好。一般F/M的值为0.20.5 kg BOD5/ (kg MLVSS?D)计算公式如下：F/M= 24小时处理水量X进水的BOD5曝气池活性污泥浓度X曝气池有效容积(2) 剩余污泥排放量和污泥龄污泥龄是指活性污泥在整个系统内的平均停留时间一般用SRT表示也是指微生物在活 性污泥系统内的停留时间。控制污泥龄是选择活性污泥系统中微生物种类的一种方法。如果 某种微生物的世代期比活性污泥系统长，则该类微生物在繁殖出下一代微生物之前，就被以 剩余活性污泥的方式排走，该类微生物就永远不会在系统内繁殖起来。反之如果某种微生物 的世代期比活性污泥系统的泥龄短，则该种微生物在被以剩余活性污泥的形式排走之前，可 繁殖出下一代，因此该种微生物就能在活性污泥系统内存活下来，并得以繁殖，用于处理污 水。SRT直接决定着活性污泥系统中微生物的年龄大小，一般年轻的活性污泥，分解代谢有 机污染物的能力强，但凝聚沉降性差，年长的活性污泥分解代谢能力差，但凝聚性较好。用 SRT控制排泥，被认为是一种最可靠，最准确的排泥方法，选择合适的泥龄（SRT）作为控 制排泥的目标。一般处理效率要求高，出水水质要求高SRT应控制大一些，温度较高时，SRT 可小一些。分解有机污染物的决大多数微生物的世代期都小于3天。将NH3-N硝化成N03N的硝化杆菌的世代期为5天。每天巡视内容： 色正常的活性污泥一般呈黄褐色或棕褐色，外观似棉絮状。 沉降性 上清液清澈透明，说明系统运行正常，污泥性状良好。上层液观察到漂浮着一层细小的针状絮体，出水尚清主要是由于系统的污泥负荷F/M 太低，污泥老化，使污泥絮体沉降速度太快，来不及将悬浮在混合液中的微絮体捕集沉淀下 去，调整F/M的值（适当添加营养尿素和磷肥）加大剩余污泥的排放次数，每次少排。 上层液浑浊，主要由于F/M太高，微生物分解不彻底，导致出水SS偏高，最主要的方法降 低系统负荷。主要方法：取1000 ML量筒盛放曝气池中的新鲜活性污泥混合液，静置510分钟，观察在静置条 件下污泥的沉降速率和污泥外观性状，絮状结构，泥水界面是否分明，上清夜是否清澈透明 等现象，依靠这些调整工艺控制。 曝气池观察 泡沫量较少泡沫外观呈新鲜的乳白色,则表明系统运行正常。负荷过高， 泡沫量增多，洗涤剂过多或污泥龄过短也会使泡沫增多。泡沫的色泽呈茶色或灰色等其它颜 色则表明污泥龄太长或污泥解絮或洗涤剂增多。2活性污泥性状异常及其分析序号异常现象症状分析及诊断解决对策1曝气池有臭味曝气池供氧不足，DO值（溶解氧）偏低出水氨氮有时较咼加大曝气量2污泥发黑曝气池DO过低，有机物厌氧分解H2S与F作用生成FS加大曝气量3细小污泥漂浮污泥缺之营养进水氨氮过咼，C/N不合适水温超过40投加营养按BOD5： NP=100： 5：1测定进水氨氮，稀释进水4上清液浑浊出水水质差F/M （污泥有机负何）过咼有机物 氧化不彻底污泥浓度不够减少进水量培养成熟的活性污泥（引进新活性污泥投入曝气池）5曝气池表面出现浮渣进水洗涤剂含量过高或丝状菌过量牛长清除浮渣增加系统剩余污泥的排放6污泥未成熟，絮 粒瘦小，出水浑 浊，水质差污水中营养不平衡或不足PH值不 适投加营养按BOD5： NP=100： 5：1调整PH值，培养成熟的活性污泥（入曝气池）7表面积累一层解絮污泥污泥解絮，出水水质恶化或PH值异常停止进水，排泥后投加营养引 进新活性污泥8曝气池泡沫过多，呈白色进水中洗涤剂过多加消泡剂（机油或煤油）9曝气池泡沫不易破碎，发粘进水负荷过高，有机物分解不彻底降低负荷10曝气池泡沫呈茶色或灰色污泥老化，泥龄过长，解絮污泥附于泡沫上增加排泥量11污泥层（泥面）升高SVI值高，污泥沉降性差泥龄太长投入混凝剂（PAC）增加排泥量12污泥色泽转淡曝气池供氧过大，污泥负荷太低，进水营养不足，污泥自身氧化分解减少曝气量加大进水量投加营养（N，P）按 BOD5： N： P=100：5： 1CASS设计中应注意的问题1水量平衡工业废水和生活污水的排放通常是不均匀的，如何充分发挥CASS反应池的作用，与选 择的设计流量关系很大，如果设计流量不合适，进水高峰时水位会超过上限，进水量小时反 应池不能充分利用。当水量波动较大时，应考虑设置调节池。2控制方式的选择CASS工艺的日益广泛应用，得益于自动化技术发展及在污水处理工程中的应用。CASS 工艺的特点是程序工作制，可根据进水及出水水质变化来调整工作程序，保证出水效果。整 套控制系统可采用现场可编程控制（PLC）与微机集中控制相结合，同时为了保证CASS工 艺的正常运行，所有设备采用手动/自动两种操作方式，后者便于手动调试和自控系统故障 时使用，前者供日常工作使用。3曝气方式的选择CASS工艺可选择多种曝气方式，但在选择曝气头时要尽量采用不堵塞的曝气形式，如 穿孔管、水下曝气机、伞式曝气器、螺旋曝气器等。采用微孔曝气时应采用强度高的橡胶曝 气盘或管，当停止曝气时，微孔闭合，曝气时开启，不易造成微孔堵塞。此外，由于CASS 工艺自身的特点，选用水下曝气机还可根据其运行周期和DO等情况适当开启不同的台数， 达到在满足废水要求的前提下节约能耗的目的。4排水方式的选择CASS工艺的排水要求与SBR相同，目前，常用的设备为旋转式撇水机，其优点是排水 均匀、排水量可调节、对底部污泥干扰小，又能防止水面漂浮物随水排出。CASS工艺沉淀结束需及时将上清液排出，排水时应尽可能均匀排出，不能扰动沉淀在 池底的污泥层，同时，还应防止水面的漂浮物随水流排出，影响出水水质。目前，常见的排 水方式有固定式排水装置如沿水池不同深度设置出水管，从上到下依次开启，优点是排水设 备简单、投资少，缺点是开启阀门多、排水管中会积存部分污泥，造成初期出水水质差。浮 动式排水装置和旋转式排水装置虽然价格高，但排水均匀、排水量可调、对底部污泥干扰小， 又能防止水面漂浮物随出水排出，因此，这两种排水装置目前应用较多，尤其旋转式排水装 置，又称滗水器，以操作灵活、运行稳定性高等优点受到设计人员和用户的青睐。5需要注意的其它问题1、冬季或低温对CASS工艺的影响及控制2、排水比的确定3、雨季对池内水位的影响及控制4、排泥时机及泥龄控制5、预反应区的大小及反应池的长宽比6、间断排水与后续处理构筑物的高程及水量匹配问题。CASS工艺的主要优点1工艺流程简单，占地面积小，投资较低CASS的核心构筑物为反应池，没有二沉池及污泥回流设备，一般情况下不设调节池及 初沉池。因此，污水处理设施布置紧凑、占地省、投资低。2生化反应推动力大在完全混合式连续流曝气池中的底物浓度等于二沉池出水底物浓度，底物流入曝气池的 速率即为底物降解速率。根据生化动力反应学原理，由于曝气池中的底物浓度很低，其生化 反应推动力也很小，反应速率和有机物去除效率都比较低；在理想的推流式曝气池中，污水 与回流污泥形成的混合流从池首端进入，成推流状态沿曝气池流动，至池末端流出。作为生 化反应推动力的底物浓度，从进水的最高浓度逐渐降解至出水时的最低浓度，整个反应过程 底物浓度没被稀释，尽可能地保持了较大推动力。此间在曝气池的各断面上只有横向混合， 不存在纵向的返混。CASS工艺从污染物的降解过程来看，当污水以相对较低的水量连续进入CASS池时即被 混合液稀释，因此，从空间上看CASS工艺属变体积的完全混合式活性污泥法范畴;而从CASS 工艺开始曝气到排水结束整个周期来看，基质浓度由高到低，浓度梯度从高到低，基质利用 速率由大到小，因此，CASS工艺属理想的时间顺序上的推流式反应器，生化反应推动力较 大。3沉淀效果好CASS工艺在沉淀阶段几乎整个反应池均起沉淀作用，沉淀阶段的表面负荷比普通二次 沉淀池小得多，虽有进水的干扰，但其影响很小，沉淀效果较好。实践证明，当冬季温度较 低，污泥沉降性能差时，或在处理一些特种工业废水污泥凝聚性能差时，均不会影响CASS 工艺的正常运行。实验和工程中曾遇到SV30高达96%的情况，只要将沉淀阶段的时间稍作 延长，系统运行不受影响。4运行灵活，抗冲击能力强，可实现不同的处理目标CASS工艺在设计时已考虑流量变化的因素，能确保污水在系统内停留预定的处理时间 后经沉淀排放，特别是CASS工艺可以通过调节运行周期来适应进水量和水质的变比。当进 水浓度较高时，也可通过延长曝气时间实现达标排放，达到抗冲击负荷的目的。在暴雨时， 可经受平常平均流量6信的高峰流量冲击，而不需要独立的调节地。多年运行资料表明，在 流量冲击和有机负荷冲击超过设计值2 3信时，处理效果仍然令人满意。而传统处理工艺 虽然已设有辅助的流量平衡调节设施，但还很可能因水力负荷变化导致活性污泥流失，严重 影响排水质量。当强化脱氮除磷功能时，CASS工艺可通过调整工作周期及控制反应池的溶 解氧水平，提高脱氮除磷的效果。所以，通过运行方式的调整，可以达到不同的处理水质。 5不易发生污泥膨胀污泥膨胀是活性污泥法运行过程中常遇到的问题，由于污泥沉降性能差，污泥与水无法 在二沉池进行有效分离，造成污泥流失，使出水水质变差，严重时使污水处理厂无法运行， 而控制并消除污泥膨胀需要一定时间，具有滞后性。因此，选择不易发生污泥膨胀的污水处 理工艺是污水处理厂设计中必须考虑的问题。由于丝状菌的比表面积比菌胶团大，因此，有利于摄取低浓度底物，但一般丝状菌的比 增殖速率比非丝状菌小，在高底物浓度下菌胶团和丝状菌都以较大速率降解底物与增殖，但 由于胶团细菌比增殖速率较大，其增殖量也较大，从而较丝状菌占优势。而CASS反应池中 存在着较大的浓度梯度，而且处于缺氧、好氧交替变化之中，这样的环境条件可选择性地培 养出菌胶团细菌，使其成为曝气池中的优势菌属，有效地抑制丝状菌的生长和繁殖，克服污 泥膨胀，从而提高系统的运行稳定性。6适用范围广，适合分期建设CASS工艺可应用于大型、中型及小型污水处理工程，比SBR工艺适用范围更广泛；连 续进水的设计和运行方式，一方面便于与前处理构筑物相匹配，另一方面控制系统比SBR 工艺更简单。对大型污水处理厂而言，CASS反应池设计成多池模块组合式，单池可独立运行。当处 理水量小于设计值时，可以在反应地的低水位运行或投入部分反应池运行等多种灵活操作方 式；由于CASS系统的主要核心构筑物是CASS反应池，如果处理水量增加，超过设计水量不 能满足处理要求时，可同样复制CASS反应池，因此CASS法污水处理厂的建设可随企业的发 展而发展，它的阶段建造和扩建较传统活性污泥法简单得多。7剩余污泥量小，性质稳定传统活性污泥法的泥龄仅2 7天，而CASS法泥龄为25-30天，所以污泥稳定性好，脱 水性能佳，产生的剩余污泥少。去除l.OkgBOD产生0.20.3kg剩余污泥，仅为传统法的 60%左右。由于污泥在CASS反应池中已得到一定程度的消化，所以剩余污泥的耗氧速率只 有10mgO2/gMLSS.h以下，一般不需要再经稳定化处理，可直接脱水。而传统法剩余污泥不 稳定，沉降性差，耗氧速率大于20mgO2/g MLSS.h，必须经稳定化后才能处置。CASS工艺运行及主要技术特征完整的CASS工艺可分为4个阶段，以一定的时间序列运行。1充水-曝气阶段边进水、边曝气，并将主反应区的污泥回流至预反应区（生物选择器）。在该阶段，曝气 系统向反应池内供氧，一方面满足好氧微生物对氧的需要，另一方面有利于活性污泥与有机 物的混合与接触，从而使有机污染物被微生物氧化分解。同时，污水中的氨氮也通过微生物 的硝化作用转化为硝态氮。2充水-沉淀阶段停止曝气，进行泥水分离，但不停止进水，且污泥回流也不停止。停止曝气后，微生物 继续利用水中剩余的溶解氧进行氧化分解，随着溶解氧含量的降低，好氧状态逐渐向缺氧转 化，并发生一定的反硝化作用。由于沉淀初期，前一阶段曝气所产生的搅拌作用使污泥发生 絮凝作用，随后以区域沉降的形式沉降，因此，即使在该阶段不停止进水，依然能获得良好 的沉淀效果。当混合液的污泥浓度为3500mg/L5000mg/L,沉淀后污泥浓度可达15000mg/L 左右。3滗水阶段沉淀阶段完成后，置于反应池末端的滗水器在程序控制下开始工作，自上而下逐层排出 上清液。排水结束后，滗水器将自动复位。排水过程中，反应池底部污泥层内由于较低的溶 解氧含量而发生反硝化作用。CASS反应器在滗水阶段需停止进水。若处理系统有两个或两 个以上CASS池，当一个CASS池处于滗水阶段时，可将原水引入其他CASS池；若处理系统 只存在一个CASS反应器时，原水可先流入反应器前的集水井中。为了提高污泥浓度，加强 反硝化及聚磷菌的过量释磷，污泥回流系统照常运行。4充水-闲置阶段闲置阶段的时间一般较短，主要保证滗水器在此阶段内上升到原始位置，防止污泥流失。 若在此阶段进行适量的曝气，则有利于恢复污泥的活性。正常的闲置期通常在滗水器恢复待 运行状态4min后开始。CASS工艺的运行就是上述4个阶段依次进行并不断循环重复的过程。典型的运行周期 为4h,其中曝气2h,沉淀lh,滗水lh。CASS工艺主要技术特征1连续进水，间断排水传统SBR工艺为间断进水，间断排水，而实际污水排放大都是连续或半连续的，CASS 工艺可连续进水，克服了 SBR工艺的不足，比较适合实际排水的特点，拓宽了 SBR工艺的应 用领域。虽然CASS工艺设计时均考虑为连续进水，但在实际运行中即使有间断进水，也不 影响处理系统的运行。2运行上的时序性CASS反应池通常按曝气、沉淀、排水和闲置四个阶段根据时间依次进行。3运行过程的非稳态性每个工作周期内排水开始时CASS池内液位最高，排水结束时，液位最低，液位的变化 幅度取决于排水比，而排水比与处理废水的浓度、排放标准及生物降解的难易程度等有关。 反应池内混合液体积和基质浓度均是变化的，基质降解是非稳态的。4溶解氧周期性变化，浓度梯度高CASS在反应阶段是曝气的，微生物处于好氧状态，在沉淀和排水阶段不曝气，微生物 处于缺氧甚至厌氧状态。因此，反应池中溶解氧是周期性变化的，氧浓度梯度大、转移效率 高，这对于提高脱氮除磷效率、防止污泥膨胀及节约能耗都是有利的。实践证实对同样的曝 气设备而言，CASS工艺与传统活性污泥法相比有较高的氧利用率。