CASS工藝在處理低溫生活污水中的應(yīng)用研究

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簡介： 本文以CASS工藝為研究對(duì)象，通過不同的水力停留時(shí)間，重點(diǎn)探討CASS工藝處理低溫生活污水（4—8℃）的可行性，及低溫環(huán)境下的最佳工程設(shè)計(jì)參數(shù)，為CASS工藝在我國寒冷地區(qū)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也為低溫條件下污水處理廠的運(yùn)行管理提供幫助。
關(guān)鍵字：CASS工藝 低溫污水 水力停留時(shí)間 污泥負(fù)荷

1 前言

低溫污水處理是指在我國北緯40℃以北的廣大地區(qū)，其冬季城市污水的水溫一般在10℃以下（6-10℃，少數(shù)地區(qū)4-6℃）時(shí)進(jìn)行的污水處理工程。由于寒冷地區(qū)排水溫度低，輸水管道散熱量大，給污水處理帶來很大困難。此外，溫度對(duì)微生物的活性、種群組成、細(xì)胞的增殖、活性污泥的絮凝沉降性能、曝氣池充氧效率以及水的粘度都有較大影響。因此，低溫條件下，污水處理工藝及工程設(shè)計(jì)參數(shù)同常溫條件下有很大區(qū)別。

低溫對(duì)生物處理的影響，關(guān)系到寒冷地區(qū)城市污水和工業(yè)廢水能否采用生物處理和采用什么樣的生物處理工藝。因此，結(jié)合我國國情，探討適合我國寒冷地區(qū)的污水處理工藝，對(duì)于緩解寒冷地區(qū)的環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

周期循環(huán)活性污泥法（CASS工藝）不但具有投資省、占地面積少、工藝流程簡單、操作管理方便、處理效果好等優(yōu)點(diǎn),而且,據(jù)國外資料介紹，CASS工藝對(duì)低溫污水仍能保持很好的處理效果。因此，本文充分利用CASS工藝的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合我國寒冷地區(qū)的實(shí)際情況，重點(diǎn)探討了CASS工藝對(duì)低溫環(huán)境的適應(yīng)性，探討適合低溫環(huán)境條件下的工程設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，為CASS工藝在我國寒冷地區(qū)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)裝置及流程設(shè)計(jì)

為將國外先進(jìn)技術(shù)引進(jìn)消化，研究適合我國國情的污水處理工藝，并在我國寒冷地區(qū)推廣應(yīng)用，總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院環(huán)保中心自1999年就開始在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了2年的系統(tǒng)研究，為工程應(yīng)用提供了寶貴的工程設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)。

2.1試驗(yàn)工藝流程

污水取自總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院家屬樓樓生活污水，用小型潛污泵直接從化糞池提升到儲(chǔ)水箱。儲(chǔ)水箱由PVC加工而成，容積180L，內(nèi)設(shè)自動(dòng)液位控制器。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，其中CASS裝置自行設(shè)計(jì)，材質(zhì)為有機(jī)玻璃，便于觀察水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、曝氣強(qiáng)度及活性污泥的絮凝情況。該裝置尺寸為：L×B×H=930mm×312mm×410mm，容積118L。

圖2-1  CASS工藝處理低溫生活污水實(shí)驗(yàn)裝置

2.3裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)介紹

整套實(shí)驗(yàn)裝置采用PLC程序控制器集中控制。其中儲(chǔ)水箱中的水位由液位控制計(jì)控制，低水位時(shí)，污水提升泵自動(dòng)開啟，向水箱注水，至水箱最高水位時(shí)，污水提升泵自動(dòng)關(guān)閉，停止進(jìn)水。

CASS工藝的特點(diǎn)是程序工作制，其整個(gè)工作周期均可由程序控制器完成，無須專人操作。此外，CASS工藝還可根據(jù)進(jìn)、出水水質(zhì)變化適當(dāng)調(diào)整工作程序，保證出水效果。

完整的CASS工藝工作周期一般分為四個(gè)步驟，如表1所示：

表1  CASS工藝自動(dòng)控制情況

2.3裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)介紹

1、COD_cr：重鉻酸鉀法；

2、溶解氧（DO）：YSI—52溶解氧儀；

3、BOD₅：稀釋倍數(shù)法；

4、pH：pH計(jì)或精密pH試紙；

5、污泥沉降比（SV%）：用100 ml或1000 ml量筒測(cè)量；

6、污泥生物相觀察：光學(xué)顯微鏡；

7、溫度：YSI—52自帶溫度計(jì)；

8、污泥干重、MLSS、SS：重量法測(cè)定；

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 污泥接種與培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)所用污泥取自首都機(jī)場(chǎng)廢水凈化站二沉池回流污泥，該污泥性能良好，鏡檢發(fā)現(xiàn)有大量活躍鐘蟲和少量線蟲，污泥上清液清澈透明。將接種污泥投入CASS池并加入部分污水后悶曝24h，此后，逐步加大進(jìn)水負(fù)荷按照CASS池自身運(yùn)行方式—連續(xù)進(jìn)水、間歇排水逐步培養(yǎng)馴化活性污泥，至生物相重新恢復(fù)正常、污泥性能穩(wěn)定，處理效果良好，表明污泥培養(yǎng)成熟。

3.1 CODcr去除效果分析

3.1.1  試驗(yàn)條件

氣溫：-4～12℃；水溫：5～9℃；

水力停留時(shí)間：HRT=10.8h，16h，20h；

周期運(yùn)行時(shí)間：T=215∽296 min（分曝氣、沉淀、撇水、閑置四個(gè)階段）；

進(jìn)水流量：Q=160∽87ml/min；

周期處理水量：Q₁=34.4∽20.8L；

周期排水比：1/3∽1/4；

根據(jù)試驗(yàn)效果，按水力停留時(shí)間（HRT）的不同實(shí)驗(yàn)劃分為三個(gè)階段（即HRT=108h，16h，20h），其中HRT=20h階段中曝氣時(shí)間又分為180 min和240 min。

3.1.2 試驗(yàn)效果與分析

CODcr試驗(yàn)效果見表2（摘錄）。

HRTh溫度℃進(jìn)水CODCRMg/L出水CODcrmg/LSV%SVIMLSS g/L污泥CODcr負(fù)荷kgCOD/kgMLSS.d去除率%10.8-2～11823221623.9321581.0673-1～10809137802.4873211.1083-1～12982225603.5341700.94677-2～10832143564.0911360.6458316.0-3～560991493.7681300.34485-3～797090513.6951400.559910～8898113584.0851410.473870～1092895593.8431530.5169020.01～5798115553.561540.34086-4～1358596623.7061670.34084-1～1381383684.5571490.275905～12107191713.9621790.39392

由上表可以看出：當(dāng)HRT=10.8h時(shí)，進(jìn)出水CODcr波動(dòng)較大，進(jìn)水CODcr為620～1218 mg/L，出水122～211 mg/L，去除率在74%～89%之間，出水效果不理想，波動(dòng)較大。相對(duì)應(yīng)的MLSS=2.487～5.678g/L,變化較大,污泥負(fù)荷=0.688～1.10kgCOD/(kgMLSS.d),也比較高。

當(dāng)HRT=16.0h時(shí)，該階段進(jìn)水波動(dòng)較小, 進(jìn)水CODcr為610～930 mg/L，出水CODcr為90～115 mg/L，去除率達(dá)85%～91%，出水水質(zhì)比較穩(wěn)定。此階段污泥負(fù)荷N_s在0.24～0.39kgCODcr/(kgMLSS.d)之間，比第一階段有所降低，污泥濃度也趨于穩(wěn)定, MLSS為2.985～4.13g/L。

由上表可以看出：通過對(duì)不同水力停留時(shí)間的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水力停留時(shí)間HRT=16h和20h處理效果差別不大，這說明在一定污泥負(fù)荷范圍內(nèi)，延長水力停留時(shí)間對(duì)提高去除效果意義不明顯，反而使投入產(chǎn)出比降低。

本實(shí)驗(yàn)水力停留時(shí)間HRT=16h，污泥濃度MLSS=3000～4500 mg/L，污泥負(fù)荷0.2～0.3kgCOD/kgMLSS.d , 運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)性比較好。

3.2 BOD₅去除效果分析

表3  BOD₅去除效果及BOD₅/ CODcr的變化

溫度(℃)進(jìn)水（mg/L）出水（mg/L）BOD₅去除率(%)BOD₅/ CODcrCODcrBOD₅CODcrBOD₅進(jìn)水出水-1～38132178313.6940.260.164～147603411529.4970.450.067～2186232911615950.380.13

通過BOD₅實(shí)驗(yàn)分析：雖然進(jìn)水的可生化性不是很好，這與傳統(tǒng)的生活污水具有良好的可生化性（BOD₅/CODcr=0.5左右）有一定差別，其原因是化糞池污水中大便成分含量較高,外觀成乳黃色，有機(jī)物濃度比一般小區(qū)或城市污水高2倍以上。理論和實(shí)踐證明，糞便污水的可生化性并不理想。另外，實(shí)驗(yàn)出水BOD₅已小于15 mg/L，表明出水水質(zhì)中能夠生物降解的物質(zhì)絕大部分已去除，CODcr進(jìn)一步降低的空間十分有限。所以，即使再延長曝氣時(shí)間或水力停留時(shí)間，出水CODcr不會(huì)有顯著降低。

3.3 懸浮物（SS）去除效果分析

一般情況下，傳統(tǒng)活性污泥法處理污水的效果隨溫度的降低而變差，出水質(zhì)量差的一個(gè)重要原因就是二沉池污泥沉降性能不好。從物理現(xiàn)象上看，活性污泥比較細(xì)碎，不易形成大塊絮凝體，沉淀后的上清液仍有細(xì)小的懸浮顆粒隨出水帶走；從水質(zhì)特點(diǎn)上分析，低溫環(huán)境下，水的粘滯性增高，固體顆粒沉降阻力增大，降低了泥水分離效果。

但從CASS工藝處理低溫的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程來看，廢水SS的去除率一直都很高，進(jìn)水SS通常在100 mg/L以上，出水SS通常保持在10 mg/L左右，并且去除效果比較穩(wěn)定。這從另一方面反映了CASS工藝獨(dú)特的運(yùn)行方式，使得曝氣結(jié)束后的沉淀階段整個(gè)池子面積均用于在近乎靜止的環(huán)境中進(jìn)行泥水分離，故其固體通量很低，泥水分離效果良好。

4 CASS工藝需氧量分析

通過連續(xù)監(jiān)測(cè)一個(gè)工作周期內(nèi)的溶解氧（DO）發(fā)現(xiàn)，CASS池中DO周期性變化非常明顯，經(jīng)歷一個(gè)好氧—缺氧—厭氧過程，氧濃度梯度大，氧轉(zhuǎn)移效率高，這對(duì)生物脫N除P以及防止污泥膨脹都十分有利。

下圖1給出了在低溫條件下DO的變化規(guī)律。

由上圖1可以明顯看出：曝氣結(jié)束，沉淀開始后15分鐘內(nèi)，DO從4.15mg/L迅速下降到0.28 mg/L，曝氣重新開始前下降幅度趨于平緩，這就給生物反硝化細(xì)菌創(chuàng)造了良好的條件，使NO^-₃-N轉(zhuǎn)化為NO^-₂^—N進(jìn)而轉(zhuǎn)化為N₂。這同時(shí)也提出了一個(gè)問題—低溫及中溫和高溫條件下應(yīng)設(shè)置不同的沉淀時(shí)間。因?yàn)?，夏天由于生物反硝化速率高，釋放出來的N₂易使污泥上浮，如果沉淀時(shí)間設(shè)置過長，就會(huì)造成污泥上浮隨水流失。

4 結(jié)論

4.1 低溫對(duì)CASS工藝處理生活污水的影響

通過實(shí)驗(yàn)觀察和分析：低溫對(duì)CASS工藝處理效果有一定影響，在其它條件相同情況下，與常溫條件相比，CODcr去除率約降低5%，這也反映出CASS工藝對(duì)溫度具有較好的適應(yīng)能力，與國外文獻(xiàn)的介紹是一致的。但低溫造成活性污泥沉降性能降低，SV和SVI普遍高于常溫條件，可通過提高污泥濃度、降低污泥負(fù)荷和適當(dāng)延長沉淀時(shí)間，解決給生產(chǎn)運(yùn)行帶來的困難。

4.2 推薦的工藝參數(shù)

通過對(duì)不同水力停留時(shí)間的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水力停留時(shí)間HRT=16h和20h處理效果差別不大，這說明在一定污泥負(fù)荷范圍內(nèi)，延長水力停留時(shí)間對(duì)提高去除效果意義不明顯，反而使投入產(chǎn)出比降低。本實(shí)驗(yàn)水力停留時(shí)間HRT=16h，污泥濃度MLSS=3000～4500 mg/L，污泥負(fù)荷0.2～0.3kgCOD/kgMLSS.d , 運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)性比較好。

4.3 通過實(shí)驗(yàn)觀察和理論分析可知：

CASS工藝污泥特性如SV、SVI和MLSS等受溫度變化影響較大，而污泥特性的變化直接影響到沉淀時(shí)間、排水比和污泥齡等參數(shù)的確定，因此，CASS工藝的運(yùn)行要制定與溫度變化相適應(yīng)的操作管理參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

1、穆瑞林，“寒冷地區(qū)城市污水處理工程設(shè)計(jì)”，《現(xiàn)代廢水處理實(shí)用技術(shù)》（1997）；

2、張自杰等，《環(huán)境工程手冊(cè)水污染防治卷》，高等教育出版社；

3、“寒冷地區(qū)污水活性污泥法處理設(shè)計(jì)規(guī)范”，（報(bào)批稿）《中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)批準(zhǔn)》；

4、柏景芳編譯，“美國CASS法城市廢水處理技術(shù)”，《國外環(huán)境科學(xué)技術(shù)》，（1）（1995）。

注：⑴ CASS工藝榮獲2000年全軍科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

⑵ CASS工藝榮獲2001年全國發(fā)明博覽會(huì)銀獎(jiǎng)。

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