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【摘 要】 论述了南京市仙林污水处理厂循环式活性污泥法(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。
【关键词】 循环式活性污泥法(CAST) ;生物选择器;硝化反硝化;生物除磷
【中图分类号】 TU721.5 【文献标识码】 B【文章编号】 1727-5123(2010)03-047-03
Working principle designing and calculating of CAST
【Abstract】 This paper explains the principle of Cyclic Activated Sludge Technology(CAST)and discusses the designing and
calculating memhodsabout this technology.This paper also introduced the formulae and the time distributing about design cycle.
【Key words】 Cyclic activated sludge technology;Biological selector;Nitrification/denitrification;Biological phosphorousremoval
南京仙林污水处理厂位于南京市栖霞街道戴家库村,一期处理规模按5万吨/天建设,厂内构筑物(除生化池外)和附属设施土建按10万吨/天规模设计施工。污水处理工艺采用循环式活性污泥法(CAST)工艺。一期主要收集仙林地区仙鹤片区污水一期规模5万m3/d,厂内构筑物和附属设施土建部分均按10万m3/d规模设计施工,生物池及配水井分两期建设,一期建设生物池和配水井各一座;设备按5万m3/d规模安装。处理工艺采用循环式活性污泥法(CAST)。
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。
1.1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],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,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。
1.2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]。
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]。
1.3.1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],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]。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。
1.3.2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。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。
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]。
2CAST工艺的设计计算
2.1CAST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×(Sa-Se)/(Ne×Nw×f) (1)
式中:V——CAST池容积,m3
Q——污水日流量,m3/d
Nw——混合液污泥(MLSS)浓度,3g/L～4g/L
Ne——BoD污泥负荷率,其中Ne=K2×Se×f,其中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=n1×(V1+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=Hl+H2+H3=(3～5)m(3)
H1=Q/(n1×n2×A)(4)
H3=H×Nw×SVI×10-3(5)
H2=H-(Hl+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
Nw——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]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监理工作控制要点及方法
本人总结了监理过程中比较容易被忽视的一些应注意的控制点:
工程所用的管材、管道附件、构(配)件和主要原材料等产品进入施工现场时必须进行进场验收并妥善保管。进场验收时应检查每批产品的订购合同、质量合格证书、性能检验报告、使用说明书、进口产品的商检报告及证件等,并按国家有关标准规定进行复检,验收合格后方可使用。监理工作过程中要严格控制雨、污水管道及各种工艺管道的标高、坡度,注意管道沟槽支护的方法,管沟及基坑深度超过3米要有安全专项施工方案,深度超过5米要打钢管桩等进行有效支护。阀门进场要进行强度及严密性试验,压力管道上的阀门,安装前应逐个进行启闭检验。管道与法兰接口两侧相邻的第一至第二个刚性接口或焊接接口,待法兰螺栓紧固后方可施工,否则容易导致法兰与管道连接不够严密。管道交叉处更要注意标高的控制按图施工,防止施工单位施工过程中出现标高问题而导致后面的管道无法施工。管道焊接方式应符合设计和焊接工艺评定的要求,管径>800mm时应采用双面焊。本人在监理过程中发现施工单位在管道开孔上普遍存在不知道或知道的很模糊,经常发现施工单位在施工过程中会在管道上开方形孔或焊缝位置处开孔,根据GB50268-2008给排水管道及施工验收规范要求:管道任何位置不得有十字形焊缝;不得在干管的纵向、环向焊缝处开孔;管道上任何位置不得开方孔;不得在短节上或管件上开孔;开孔处的加固补强应符合设计要求。本人工作总结出这些规范的要求应在焊接施工正式开始前就应该以技术交底的方式发一份监理工程师通知单提前告知施工单位,做到事前控制!钢管内、外防腐层遭受损伤或局部未做防腐层的部位,下管前应修补。
4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,高效的进行硝化反硝化,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。南京仙林污水处理厂的建成,将有效改善仙林新区水环境状况,进一步改善居民生活环境,促进经济社会和谐发展。
参考文献
1Novak L.DylqBmic mathematical modeling of Sequencing Batch Reactor with aerated and mixed fiing period[J].Wat Sci Ttwh,1997;35(1):105-112
2Goronszy 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
3Goronszy M C.The cyclic activated sludge system for resort areawastewater treatment[J].Wat Sci Tech,1995;32(9-10):105-114
4Gunnar Demoulin.Co-Current nitrifieation/denitrifieation andbiological P-removal in cyclic activated sludge plants by redox Controlledcyde operation[J].wat SciTtw~h,1997;35(1):215-224
5Goronszy M C.Aerated denitrifieation in full—scale activated sludge facilities[J].Wat Sci Tech.1997;35(10):103-11
【关键词】 循环式活性污泥法(CAST) ;生物选择器;硝化反硝化;生物除磷
【中图分类号】 TU721.5 【文献标识码】 B【文章编号】 1727-5123(2010)03-047-03
Working principle designing and calculating of CAST
【Abstract】 This paper explains the principle of Cyclic Activated Sludge Technology(CAST)and discusses the designing and
calculating memhodsabout this technology.This paper also introduced the formulae and the time distributing about design cycle.
【Key words】 Cyclic activated sludge technology;Biological selector;Nitrification/denitrification;Biological phosphorousremoval
南京仙林污水处理厂位于南京市栖霞街道戴家库村,一期处理规模按5万吨/天建设,厂内构筑物(除生化池外)和附属设施土建按10万吨/天规模设计施工。污水处理工艺采用循环式活性污泥法(CAST)工艺。一期主要收集仙林地区仙鹤片区污水一期规模5万m3/d,厂内构筑物和附属设施土建部分均按10万m3/d规模设计施工,生物池及配水井分两期建设,一期建设生物池和配水井各一座;设备按5万m3/d规模安装。处理工艺采用循环式活性污泥法(CAST)。
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。
1.1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],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,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。
1.2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]。
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]。
1.3.1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],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]。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。
1.3.2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。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。
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]。
2CAST工艺的设计计算
2.1CAST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×(Sa-Se)/(Ne×Nw×f) (1)
式中:V——CAST池容积,m3
Q——污水日流量,m3/d
Nw——混合液污泥(MLSS)浓度,3g/L～4g/L
Ne——BoD污泥负荷率,其中Ne=K2×Se×f,其中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=n1×(V1+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=Hl+H2+H3=(3～5)m(3)
H1=Q/(n1×n2×A)(4)
H3=H×Nw×SVI×10-3(5)
H2=H-(Hl+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
Nw——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]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监理工作控制要点及方法
本人总结了监理过程中比较容易被忽视的一些应注意的控制点:
工程所用的管材、管道附件、构(配)件和主要原材料等产品进入施工现场时必须进行进场验收并妥善保管。进场验收时应检查每批产品的订购合同、质量合格证书、性能检验报告、使用说明书、进口产品的商检报告及证件等,并按国家有关标准规定进行复检,验收合格后方可使用。监理工作过程中要严格控制雨、污水管道及各种工艺管道的标高、坡度,注意管道沟槽支护的方法,管沟及基坑深度超过3米要有安全专项施工方案,深度超过5米要打钢管桩等进行有效支护。阀门进场要进行强度及严密性试验,压力管道上的阀门,安装前应逐个进行启闭检验。管道与法兰接口两侧相邻的第一至第二个刚性接口或焊接接口,待法兰螺栓紧固后方可施工,否则容易导致法兰与管道连接不够严密。管道交叉处更要注意标高的控制按图施工,防止施工单位施工过程中出现标高问题而导致后面的管道无法施工。管道焊接方式应符合设计和焊接工艺评定的要求,管径>800mm时应采用双面焊。本人在监理过程中发现施工单位在管道开孔上普遍存在不知道或知道的很模糊,经常发现施工单位在施工过程中会在管道上开方形孔或焊缝位置处开孔,根据GB50268-2008给排水管道及施工验收规范要求:管道任何位置不得有十字形焊缝;不得在干管的纵向、环向焊缝处开孔;管道上任何位置不得开方孔;不得在短节上或管件上开孔;开孔处的加固补强应符合设计要求。本人工作总结出这些规范的要求应在焊接施工正式开始前就应该以技术交底的方式发一份监理工程师通知单提前告知施工单位,做到事前控制!钢管内、外防腐层遭受损伤或局部未做防腐层的部位,下管前应修补。
4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,高效的进行硝化反硝化,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。南京仙林污水处理厂的建成,将有效改善仙林新区水环境状况,进一步改善居民生活环境,促进经济社会和谐发展。
参考文献
1Novak L.DylqBmic mathematical modeling of Sequencing Batch Reactor with aerated and mixed fiing period[J].Wat Sci Ttwh,1997;35(1):105-112
2Goronszy 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
3Goronszy M C.The cyclic activated sludge system for resort areawastewater treatment[J].Wat Sci Tech,1995;32(9-10):105-114
4Gunnar Demoulin.Co-Current nitrifieation/denitrifieation andbiological P-removal in cyclic activated sludge plants by redox Controlledcyde operation[J].wat SciTtw~h,1997;35(1):215-224
5Goronszy M C.Aerated denitrifieation in full—scale activated sludge facilities[J].Wat Sci Tech.1997;35(10):103-11