CASS工艺在处理低温生活污水中的应用研究

1 前言

　　低温污水处理是指在我国北纬40℃以北的广大地区，其冬季城市污水的水温一般在10℃以下（6-10℃，少数地区4-6℃）时进行的污水处理工程。由于寒冷地区排水温度低，输水管道散热量大，给污水处理带来很大困难。此外，温度对微生物的活性、种群组成、细胞的增殖、活性污泥的絮凝沉降性能、曝气池充氧效率以及水的粘度都有较大影响。因此，低温条件下，污水处理工艺及工程设计参数同常温条件下有很大区别。
　　低温对生物处理的影响，关系到寒冷地区城市污水和工业废水能否采用生物处理和采用什么样的生物处理工艺。因此，结合我国国情，探讨适合我国寒冷地区的污水处理工艺，对于缓解寒冷地区的环境污染，实现经济可持续发展具有重要意义。
　　周期循环活性污泥法（CASS工艺）不但具有投资省、占地面积少、工艺流程简单、操作管理方便、处理效果好等优点,而且,据国外资料介绍，CASS工艺对低温污水仍能保持很好的处理效果。因此，本文充分利用CASS工艺的优势，结合我国寒冷地区的实际情况，重点探讨了CASS工艺对低温环境的适应性，探讨适合低温环境条件下的工程设计参数和运行管理经验，为CASS工艺在我国寒冷地区的推广应用奠定基础。

2 试验装置及流程设计

　　为将国外先进技术引进消化，研究适合我国国情的污水处理工艺，并在我国寒冷地区推广应用，总装备部工程设计研究总院环保中心自1999年就开始在实验室进行了2年的系统研究，为工程应用提供了宝贵的工程设计参数和运行管理经验。

2.1　试验工艺流程

　　污水取自总装备部工程设计研究总院家属楼楼生活污水，用小型潜污泵直接从化粪池提升到储水箱。储水箱由PVC加工而成，容积180L，内设自动液位控制器。

2.2 试验装置

　　试验装置如图1所示，其中CASS装置自行设计，材质为有机玻璃，便于观察水流运动状态、曝气强度及活性污泥的絮凝情况。该装置尺寸为：L×B×H=930mm×312mm×410mm，容积118L。

2.3　装置自动控制系统介绍

　　整套实验装置采用PLC程序控制器集中控制。其中储水箱中的水位由液位控制计控制，低水位时，污水提升泵自动开启，向水箱注水，至水箱最高水位时，污水提升泵自动关闭，停止进水。
　　CASS工艺的特点是程序工作制，其整个工作周期均可由程序控制器完成，无须专人操作。此外，CASS工艺还可根据进、出水水质变化适当调整工作程序，保证出水效果。
　　完整的CASS工艺工作周期一般分为四个步骤，如表1所示：

表1 CASS工艺自动控制情况

工作周期
自动控制

曝气阶段

沉淀阶段

排水阶段

闲置阶段

空气压缩机

开启

关闭

关闭

关闭

滗水器

关闭

保持在CASS池最高水位上

关闭

保持在CASS池最高水位上

下降

可间歇下降

至最低水位

上升

连续上升至最高水位上

进水方式

连续

连续

连续

连续

2.3装置自动控制系统介绍

1、 COD_cr：重铬酸钾法；
2、 溶解氧（DO）：YSI—52溶解氧仪；
3、 BOD₅：稀释倍数法；
4、 pH：pH计或精密pH试纸；
5、 污泥沉降比（SV%）：用100 ml或1000 ml量筒测量；
6、 污泥生物相观察：光学显微镜；
7、 温度：YSI—52自带温度计；
8、 污泥干重、MLSS、SS：重量法测定；

3 试验结果与分析 　

3.1 污泥接种与培养　
　　 实验所用污泥取自首都机场废水净化站二沉池回流污泥，该污泥性能良好，镜检发现有大量活跃钟虫和少量线虫，污泥上清液清澈透明。将接种污泥投入CASS池并加入部分污水后闷曝24h，此后，逐步加大进水负荷按照CASS池自身运行方式—连续进水、间歇排水逐步培养驯化活性污泥，至生物相重新恢复正常、污泥性能稳定，处理效果良好，表明污泥培养成熟。

3.1 CODcr去除效果分析
3.1.1 试验条件

　　气温：-4～12℃；水温：5～9℃；
　　水力停留时间：HRT=10.8h，16h，20h；
　　周期运行时间：T=215∽296 min（分曝气、沉淀、撇水、闲置四个阶段）；
　　进水流量：Q=160∽87ml/min；
　　周期处理水量：Q₁=34.4∽20.8L；
　　周期排水比：1/3∽1/4；
　　根据试验效果，按水力停留时间（HRT）的不同实验划分为三个阶段（即HRT=108h，16h，20h），其中HRT=20h阶段中曝气时间又分为180 min和240 min。

3.1.2 试验效果与分析

CODcr试验效果见表2（摘录）。

HRT

h

温度

℃

进水CODcr

mg/L

出水CODcr

mg/L

SV

%

SVI

MLSS g/L

污泥CODcr负荷

kgCOD/kgMLSS.d

去除率

%

10.8

-2～11

823

221

62

3.932

158

1.06

73

-1～10

809

137

80

2.487

321

1.10

83

-1～12

982

225

60

3.534

170

0.946

77

-2～10

832

143

56

4.091

136

0.645

83

16.0

-3～5

609

91

49

3.768

130

0.344

85

-3～7

970

90

51

3.695

140

0.559

91

0～8

898

113

58

4.085

141

0.473

87

0～10

928

95

59

3.843

153

0.516

90

20.0

1～5

798

115

55

3.56

154

0.340

86

-4～13

585

96

62

3.706

167

0.340

84

-1～13

813

83

68

4.557

149

0.275

90

5～12

1071

91

71

3.962

179

0.393

92

　　由上表可以看出：当HRT=10.8h时，进出水CODcr波动较大，进水CODcr为620～1218 mg/L，出水122～211 mg/L，去除率在74%～89%之间，出水效果不理想，波动较大。相对应的MLSS=2.487～5.678g/L,变化较大,污泥负荷=0.688～1.10kgCOD/(kgMLSS.d),也比较高。
　　 当HRT=16.0h时，该阶段进水波动较小, 进水CODcr为610～930 mg/L，出水CODcr为90～115 mg/L，去除率达85%～91%，出水水质比较稳定。此阶段污泥负荷N_s在0.24～0.39kgCODcr/(kgMLSS.d)之间，比第一阶段有所降低，污泥浓度也趋于稳定, MLSS为2.985～4.13g/L。
　　 由上表可以看出：通过对不同水力停留时间的对比实验，发现水力停留时间HRT=16h和20h处理效果差别不大，这说明在一定污泥负荷范围内，延长水力停留时间对提高去除效果意义不明显，反而使投入产出比降低。
　　 本实验水力停留时间HRT=16h，污泥浓度MLSS=3000～4500 mg/L，污泥负荷0.2～0.3kgCOD/kgMLSS.d , 运行效果和经济性比较好。

3.2 BOD₅去除效果分析

表3 BOD₅去除效果及BOD₅/ CODcr的变化

温度(℃)

进水（mg/L）

出水（mg/L）

BOD₅去

除率(%)

BOD₅/ CODcr

CODcr

BOD₅

CODcr

BOD₅

进水

出水

-1～3

813

217

83

13.6

94

0.26

0.16

4～14

760

341

152

9.4

97

0.45

0.06

7～21

862

329

116

15

95

0.38

0.13

　　通过BOD₅实验分析：虽然进水的可生化性不是很好，这与传统的生活污水具有良好的可生化性（BOD₅/CODcr=0.5左右）有一定差别，其原因是化粪池污水中大便成分含量较高,外观成乳黄色，有机物浓度比一般小区或城市污水高2倍以上。理论和实践证明，粪便污水的可生化性并不理想。另外，实验出水BOD₅已小于15 mg/L，表明出水水质中能够生物降解的物质绝大部分已去除，CODcr进一步降低的空间十分有限。所以，即使再延长曝气时间或水力停留时间，出水CODcr不会有显著降低。

3.3 悬浮物（SS）去除效果分析

　　一般情况下，传统活性污泥法处理污水的效果随温度的降低而变差，出水质量差的一个重要原因就是二沉池污泥沉降性能不好。从物理现象上看，活性污泥比较细碎，不易形成大块絮凝体，沉淀后的上清液仍有细小的悬浮颗粒随出水带走；从水质特点上分析，低温环境下，水的粘滞性增高，固体颗粒沉降阻力增大，降低了泥水分离效果。
　　但从CASS工艺处理低温的整个实验过程来看，废水SS的去除率一直都很高，进水SS通常在100 mg/L以上，出水SS通常保持在10 mg/L左右，并且去除效果比较稳定。这从另一方面反映了CASS工艺独特的运行方式，使得曝气结束后的沉淀阶段整个池子面积均用于在近乎静止的环境中进行泥水分离，故其固体通量很低，泥水分离效果良好。

4 CASS工艺需氧量分析　

　　通过连续监测一个工作周期内的溶解氧（DO）发现，CASS池中DO周期性变化非常明显，经历一个好氧—缺氧—厌氧过程，氧浓度梯度大，氧转移效率高，这对生物脱N除P以及防止污泥膨胀都十分有利。
　　 下图1给出了在低温条件下DO的变化规律。

由上图1可以明显看出：曝气结束，沉淀开始后15分钟内，DO从4.15mg/L迅速下降到0.28 mg/L，曝气重新开始前下降幅度趋于平缓，这就给生物反硝化细菌创造了良好的条件，使NO^-₃-N转化为NO^-₂^—N进而转化为N₂。这同时也提出了一个问题—低温及中温和高温条件下应设置不同的沉淀时间。因为，夏天由于生物反硝化速率高，释放出来的N₂易使污泥上浮，如果沉淀时间设置过长，就会造成污泥上浮随水流失。

4 结论

4.1 低温对CASS工艺处理生活污水的影响
　　通过实验观察和分析：低温对CASS工艺处理效果有一定影响，在其它条件相同情况下，与常温条件相比，CODcr去除率约降低5%，这也反映出CASS工艺对温度具有较好的适应能力，与国外文献的介绍是一致的。但低温造成活性污泥沉降性能降低，SV和SVI普遍高于常温条件，可通过提高污泥浓度、降低污泥负荷和适当延长沉淀时间，解决给生产运行带来的困难。

4.2 推荐的工艺参数
通过对不同水力停留时间的对比实验，发现水力停留时间HRT=16h和20h处理效果差别不大，这说明在一定污泥负荷范围内，延长水力停留时间对提高去除效果意义不明显，反而使投入产出比降低。本实验水力停留时间HRT=16h，污泥浓度MLSS=3000～4500 mg/L，污泥负荷0.2～0.3kgCOD/kgMLSS.d , 运行效果和经济性比较好。

4.3 通过实验观察和理论分析可知：
　　CASS工艺污泥特性如SV、SVI和MLSS等受温度变化影响较大，而污泥特性的变化直接影响到沉淀时间、排水比和污泥龄等参数的确定，因此，CASS工艺的运行要制定与温度变化相适应的操作管理参数。

参考文献：
1、 穆瑞林，“寒冷地区城市污水处理工程设计”，《现代废水处理实用技术》（1997）；
2、 张自杰等，《环境工程手册水污染防治卷》，高等教育出版社；
3、 “寒冷地区污水活性污泥法处理设计规范”，（报批稿）《中国工程建设标准化协会批准》；
4、 柏景芳编译，“美国CASS法城市废水处理技术”，《国外环境科学技术》，（1）（1995）。

注：⑴ CASS工艺荣获2000年全军科技进步二等奖。
　　⑵ CASS工艺荣获2001年全国发明博览会银奖。

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