關(guān)于CASS工藝在設(shè)計(jì)過程中值得優(yōu)化問題的探討

何志剛

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院，上海市200030）

1 概述

循環(huán)式活性污泥法CASS工藝（Cyclic Activated Sludge System），是SBR工藝的一種改進(jìn)型，由Goronszy教授及其同事在SBR工藝和氧化溝技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，是近年來國際公認(rèn)的處理生活污水及工業(yè)廢水的先進(jìn)工藝。由于該工藝可滿足脫氮除磷的要求，而構(gòu)筑物卻相對較少，可節(jié)約用地，降低工程投資，同時(shí)該工藝具有運(yùn)行管理方便、可分期建設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來隨著工業(yè)自動(dòng)化控制水平的不斷提高以及處理工藝自身的不斷完善，CASS工藝在國內(nèi)已得到一定程度的推廣和應(yīng)用。圖1為CASS工藝示意圖。

圖1 CASS工藝示意圖

CASS工藝雖然具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于該工藝乃至所有間歇式活性污泥工藝的反應(yīng)過程都比較復(fù)雜，其部分生物作用機(jī)理至今仍在研究之中，而現(xiàn)行的《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）中也未專門針對該工藝提出相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)及要求，因此在具體工程設(shè)計(jì)過程中，該工藝的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)較多，而且部分參數(shù)的取值范圍跨度較大，不同設(shè)計(jì)人員的計(jì)算結(jié)果可能會(huì)有很大出入。故針對上述問題，本文將結(jié)合CASS工藝目前在國內(nèi)的使用情況，對該工藝的適用條件、部分關(guān)鍵參數(shù)的取值及設(shè)計(jì)過程中值得注意和優(yōu)化的問題進(jìn)行總結(jié)，以期在類似工程中可結(jié)合各工程自身特點(diǎn)予以借鑒和應(yīng)用。

2 CASS工藝適用條件及部分參數(shù)的選取

2.1 CASS工藝的適用條件

從目前國內(nèi)已建的采用CASS工藝污水處理廠規(guī)模及其運(yùn)行效果來看，該工藝比較適用于中小型污水處理規(guī)模的城市污水處理廠及制藥、屠宰、啤酒等部分工業(yè)廢水的處理，在大型污水處理廠應(yīng)用的實(shí)例相對較少；另外，對有機(jī)物濃度較低的南方城市污水，采用CASS工藝目前還比較難以達(dá)到預(yù)期的處理效果。但根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料表明，該工藝對寒冷地區(qū)（寒冷地區(qū)可概括為：我國北緯40°以北的城鎮(zhèn)和農(nóng)村，冬季排放的污水水溫在13℃以下，一般在6～10℃，短時(shí)間為4～6℃地區(qū)）的冬季低溫污水，仍能保持較好的處理效果。目前國內(nèi)關(guān)于CASS工藝在低溫條件下處理效果的報(bào)道還較少，但國外已有相關(guān)研究報(bào)道，如美國明尼蘇達(dá)州草原市污水處理廠，日處理廢水10000m3/d，出水水質(zhì)：SS＜10mg/L，BOD5＜2～5mg/L，冬季進(jìn)廠水溫4℃～10℃，室外最冷氣溫達(dá)到-37℃，處理效果基本不變，曝氣池未出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象；俄亥俄州托萊多污水處理廠冬季有結(jié)冰現(xiàn)象，但曝氣后消失，不影響處理效果。

2.2 部分參數(shù)的選取

CASS工藝的設(shè)計(jì)計(jì)算涉及到幾十個(gè)參數(shù)，受篇幅限制，本文僅對部分在《規(guī)范》中未作明確規(guī)定或取值有一定技巧的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的選用，結(jié)合在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況作簡要介紹。

（1）反應(yīng)池個(gè)數(shù)

根據(jù)《規(guī)范》，SBR反應(yīng)池個(gè)數(shù)不宜少于2個(gè)，在實(shí)際工程中，一般多取為4個(gè)。

（2）周期數(shù)及每周期運(yùn)行時(shí)間

CASS工藝的每個(gè)周期可由進(jìn)水、曝氣、沉淀、潷水、閑置/排泥五個(gè)基本工序組成。為便于運(yùn)營管理，目前國內(nèi)外已建成CASS工藝反應(yīng)池一天之內(nèi)的周期數(shù)都采用正整數(shù)，最常用的周期數(shù)一般為每天4個(gè)、5個(gè)或6個(gè)，對應(yīng)每周期時(shí)間即為6 h，4.8 h及4 h。如果出水僅要求去除含碳有機(jī)物，則泥齡較短，可取每周期4 h或4.8 h；但如果要求脫氮時(shí)，泥齡則相對較長，應(yīng)取每周期為6 h。

（3）每個(gè)工序運(yùn)行時(shí)間的確定

從理論上說，每個(gè)工序運(yùn)行時(shí)間的確定應(yīng)滿足規(guī)范要求，同時(shí)可維持系統(tǒng)的安全、正常運(yùn)行即可，但由于CASS工藝是由數(shù)個(gè)反應(yīng)池的數(shù)個(gè)周期組合而成全廠的連續(xù)運(yùn)行，因此每個(gè)工序運(yùn)行時(shí)間的確定除須滿足上述基本要求以外，如何將進(jìn)水連續(xù)分配到每個(gè)反應(yīng)池以及如何保證鼓風(fēng)機(jī)能連續(xù)運(yùn)行等問題也是確定每個(gè)工序運(yùn)行時(shí)間的重要因素。下面本文以一組共n=4個(gè)CASS反應(yīng)池，運(yùn)行周期為t=6 h的某CASS工藝污水處理廠為例，討論一下各工序運(yùn)行時(shí)間的確定問題：

a.進(jìn)水時(shí)間tF

該參數(shù)的確定相對比較簡單，采用tF=t/n的公式，可算出本例中tF=1.5 h即可保證將進(jìn)水連續(xù)分配到每個(gè)反應(yīng)池。

b.曝氣時(shí)間tQ

該參數(shù)的計(jì)算可分為兩種情況，一種情況是在進(jìn)水的同時(shí)進(jìn)行曝氣（可稱為“非限制進(jìn)水曝氣”），則曝氣時(shí)間等于反應(yīng)時(shí)間tR，即tQ=tR=24 mS0/1 000LSX，公式中各參數(shù)取值可根據(jù)《規(guī)范》相應(yīng)進(jìn)行選??；第二種情況為進(jìn)水時(shí)不進(jìn)行曝氣（可稱為“限制進(jìn)水曝氣”），則曝氣時(shí)間可由公式tQ=tR-tF計(jì)算得出。

上述兩種情況中，曝氣時(shí)間的確定均與反應(yīng)時(shí)間有關(guān)，而反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算公式tR=24 mS0/1 000LSX中的各參數(shù)，《規(guī)范》中僅規(guī)定了取值范圍，即根據(jù)不同的取值可得出不同的反應(yīng)時(shí)間及曝氣時(shí)間，但在實(shí)際工程中，為避免鼓風(fēng)機(jī)頻繁啟閉并盡量減小其設(shè)計(jì)規(guī)模，鼓風(fēng)機(jī)應(yīng)保持連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)反應(yīng)池的個(gè)數(shù)與每周期曝氣時(shí)間的乘積是每周期時(shí)間整數(shù)倍的時(shí)候，正好能保證鼓風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行。例如上述某污水處理廠，反應(yīng)池個(gè)數(shù)為4個(gè)，運(yùn)行周期為6 h，進(jìn)水時(shí)間為1.5 h，則當(dāng)采用非限制進(jìn)水曝氣時(shí)，曝氣時(shí)間可取為3 h；而如采用限制進(jìn)水曝氣，則曝氣時(shí)間可取為1.5 h。均能滿足鼓風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行的要求。

至于是否限制進(jìn)水曝氣的問題，目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，也就是說采用限制或者非限制進(jìn)水曝氣在理論上說都是可行的。但由于非限制進(jìn)水曝氣方式的曝氣時(shí)間一般相對較長，即在總風(fēng)量一定的情況下，單位時(shí)間的風(fēng)量相對較少，故可能在反應(yīng)初期，由于池內(nèi)有機(jī)物濃度較高，而溶解氧濃度卻處于低值的情況下，可能影響有機(jī)物的降解速率，但上述過程持續(xù)時(shí)間相對較短，隨著新鮮污水的不斷注入及好氧反應(yīng)的進(jìn)行，有機(jī)物濃度將會(huì)逐漸降低，至供氧速率開始大于耗氧速率，池內(nèi)開始出現(xiàn)溶解氧，在此階段，相對較長的曝氣時(shí)間有利于氧氣的吸收和利用。另由于CASS工藝設(shè)置了生物選擇器，能夠抑制好氧絲狀菌的生長，可有效防止由于曝氣時(shí)間相對較長而帶來的污泥膨脹問題，因此目前國內(nèi)已建的CASS工藝污水處理廠，多采用非限制進(jìn)水曝氣方式。

c.沉淀時(shí)間

該參數(shù)可根據(jù)《規(guī)范》要求取為1 h。

d.潷水時(shí)間

該參數(shù)《規(guī)范》僅建議其取值范圍為1～1.5 h。在實(shí)際工程中，為將每個(gè)池的間歇排水組合成全廠的連續(xù)排水，減小尾水排放管的管徑，該時(shí)間可取與進(jìn)水時(shí)間相一致。

e.閑置時(shí)間

閑置階段的時(shí)間一般較短，《規(guī)范》中對該參數(shù)未作明確規(guī)定，本文建議可結(jié)合其他工序時(shí)間的安排，適當(dāng)考慮一定的閑置時(shí)間（0～0.5 h），一方面可根據(jù)污水廠進(jìn)、出水水量及水質(zhì)情況，將該部分預(yù)留時(shí)間靈活安排至其他工序；另一方面在條件允許的情況下，可安排在該階段進(jìn)行曝氣，則有利于恢復(fù)污泥的活性。

（4）反應(yīng)池容積計(jì)算

反應(yīng)池有效容積可按照《規(guī)范》要求進(jìn)行計(jì)算，但也可以從物料平衡的角度進(jìn)行推算如下：

設(shè)某CASS工藝污水廠的設(shè)計(jì)流量為Q，設(shè)置一組y個(gè)反應(yīng)池，每池每天的周期數(shù)為n，則每池每周期的進(jìn)水量q1=Q/(y·n)；另設(shè)每個(gè)反應(yīng)池的面積為S，總水深為h，有效水深為Δh，充水比m=Δh/h，則每池每周期的排水量q2=S·Δh，因此根據(jù)q1=q2不難推算出CASS池總?cè)莘eV=Q/(n·m)，而當(dāng)式中n=4，m=0.25時(shí)，可得出V=Q的推論。

上述CASS池容積的計(jì)算公式只是從物料平衡角度進(jìn)行的推算，而實(shí)際情況可能并非是如此簡單的幾何關(guān)系，因此CASS池的容積仍應(yīng)按照《規(guī)范》要求代入各相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后確定，而本文中所推導(dǎo)出的計(jì)算公式及推論可用于核算池容積計(jì)算是否大致正確，或可以在基礎(chǔ)資料或參數(shù)不齊全時(shí)，用于匡算CASS池的總?cè)莘e之用。

3 關(guān)于CASS工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 關(guān)于CASS工藝的設(shè)計(jì)流量及池水深的確定

根據(jù)規(guī)范，由于CASS工藝進(jìn)水時(shí)可均衡水量變化，故反應(yīng)池的容積可按照平均日污水量進(jìn)行計(jì)算。但由于高峰流量的大小及出現(xiàn)和持續(xù)的時(shí)間具有一定的不確定性，因此如何在進(jìn)水時(shí)均衡水量變化問題就顯得比較復(fù)雜，《規(guī)范》對該問題也未作明確解釋和要求。如果僅按照《規(guī)范》要求的平均日污水量計(jì)算CASS池容積，則當(dāng)最不利情況出現(xiàn)時(shí)，即1個(gè)或2個(gè)CASS池某個(gè)周期的大部分進(jìn)水時(shí)間內(nèi)接近高峰流量時(shí)，則根據(jù)相應(yīng)總變化系數(shù)（1.3～1.4），從理論上計(jì)算，CASS池的進(jìn)水量將大于設(shè)計(jì)水量的30%～40%，屆時(shí)為保證運(yùn)營的安全，須溢流部分未處理污水或調(diào)整部分CASS池的運(yùn)行參數(shù)，如此將給污水廠日常運(yùn)營管理帶來不便，并可能影響出水水質(zhì)的穩(wěn)定。

鑒于上述問題，在具體工程設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，CASS池的容積仍可按照《規(guī)范》要求的平均日水量進(jìn)行計(jì)算，并可據(jù)此確定相應(yīng)正常營運(yùn)時(shí)池內(nèi)的水位，但應(yīng)復(fù)核在高峰流量時(shí)CASS池所能達(dá)到的最高水位，并根據(jù)該最高水位加上一定的安全超高（可取0.5 m左右）后所得高程，確定為CASS池的頂標(biāo)高。另為保證鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行，鼓風(fēng)機(jī)的最高風(fēng)壓亦應(yīng)按照最高水位時(shí)所對應(yīng)的水壓進(jìn)行復(fù)核。

3.2 關(guān)于鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的優(yōu)化

根據(jù)規(guī)范，CASS工藝鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)所需要的風(fēng)量，是按照平均日污水量進(jìn)行計(jì)算的。但如果按此計(jì)算結(jié)果選取風(fēng)機(jī)，則除了由于部分CASS池某些周期的進(jìn)水量大于設(shè)計(jì)進(jìn)水量而帶來設(shè)計(jì)風(fēng)量偏小以外，壓力條件、氣溫及空氣相對密度變化等因素均可能對供風(fēng)量產(chǎn)生一定影響，故設(shè)計(jì)風(fēng)量的選取應(yīng)留有一定的余地，但如按最高日最高時(shí)的高峰污水流量作為依據(jù)計(jì)算風(fēng)量，則不但會(huì)帶來所選風(fēng)機(jī)規(guī)模偏大的問題以外，還可能會(huì)引起一天中大部分時(shí)間小于等于平均流量進(jìn)水時(shí)鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)距離運(yùn)行高效區(qū)較遠(yuǎn)，從而帶來運(yùn)行效率降低的問題。因此鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)量可按照平均日污水量所對應(yīng)的計(jì)算風(fēng)量乘以一定的系數(shù)來進(jìn)行確定（該系數(shù)應(yīng)大于1，并小于總變化系數(shù)，一般可取為1.2左右），如此既考慮了一定的安全系數(shù)，又避免了風(fēng)機(jī)規(guī)模偏大而帶來的一系列問題。但如果高峰流量持續(xù)時(shí)間較長，則理論上可能會(huì)引起鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量略偏小的問題，如在實(shí)際運(yùn)營過程中因此而影響出水水質(zhì)的穩(wěn)定，則可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)充水比或進(jìn)水時(shí)間的方式來解決該問題。

另外，對于非限制進(jìn)水曝氣形式，由于其進(jìn)水的同時(shí)進(jìn)行曝氣，屬于變水位曝氣，而一組CASS池在同一時(shí)間各池內(nèi)的水位基本是不一樣的，因此若一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)同時(shí)對多個(gè)CASS池供氣，則會(huì)由于池內(nèi)水位不一致而引起風(fēng)量分配不均的問題，所以對非限制進(jìn)水曝氣形式，應(yīng)采用反應(yīng)池與鼓風(fēng)機(jī)一對一的供氣方式。

3.3 其他值得優(yōu)化的細(xì)節(jié)

（1）由于CASS工藝一般不設(shè)初沉池，因此CASS池內(nèi)易流入較多雜物，故剩余污泥泵應(yīng)選用不易堵塞的泵型。

（2）由于CASS工藝每池每天運(yùn)行4～6個(gè)周期，其進(jìn)水管路及鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)也需配合每天啟閉4～6次，因此相應(yīng)閘閥或閥門的使用頻率較高，故上述設(shè)備應(yīng)盡可能設(shè)置于便于檢修的位置，同時(shí)在選購相關(guān)設(shè)備時(shí)應(yīng)注意產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)語

CASS工藝不但處理設(shè)備少，占地面積省，而且其出水能夠滿足脫氮除磷的要求，同時(shí)該工藝具有運(yùn)行效果穩(wěn)定且耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，因此隨著我國對環(huán)境保護(hù)力度的加大以及CASS工藝自身反應(yīng)機(jī)理研究的不斷深入，相信該工藝將有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。