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　　摘要：CAST工藝系統(tǒng)的一個(gè)重要特性是在工藝過程中不設(shè)缺氧混合階段的條件下，高效地進(jìn)行硝化和反硝化，從而達(dá)到深度去除氮的目的。在一個(gè)周期內(nèi)，硝化和反硝化在曝氣階段同時(shí)進(jìn)行。運(yùn)行時(shí)控制供氧強(qiáng)度以及曝氣池中溶解氧濃度，使絮體的外周能保證有一個(gè)好氧環(huán)境進(jìn)行硝化，由于溶解氧濃度得到控制，氧在污泥絮體內(nèi)部的滲透?jìng)鬟f作用受到限制，而較高的硝酸鹽濃度(梯度)則能較好地滲透到絮體的內(nèi)部，因此在絮體內(nèi)部能有效地進(jìn)行反硝化過程。實(shí)際監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)也證明了其同步硝化和反硝化功能。

　　關(guān)鍵詞：循環(huán)式,活性污泥法,生物選擇器,生物除磷

　　循環(huán)式活性污泥法(CyclicActivatedSludgeTechnology，簡稱CAST)是由美國Goronszy教授開發(fā)出來的，該工藝的核心為間歇式反應(yīng)器，在此反應(yīng)器中按曝氣與不曝氣交替運(yùn)行，將生物反應(yīng)過程與泥水分離過程集中在一個(gè)池子中完成，屬于SBR工藝的一種變型。

　　該工藝投資和運(yùn)行費(fèi)用低、處理性能高，尤其是優(yōu)異的脫氮除磷效果，已廣泛應(yīng)用于城市污水和各種工業(yè)廢水的處理中。

　　一、工作原理

　　CAST主要由以下幾部分組成：選擇區(qū)、主反應(yīng)區(qū)、撇水設(shè)備、污泥回流和剩余污泥排放設(shè)備、控制系統(tǒng)。如下圖所示：

　　1-生物選擇器；2-預(yù)反應(yīng)區(qū)；3-主反應(yīng)區(qū)

　　圖1循環(huán)活性污泥技術(shù)

　　回流污泥泵將主反應(yīng)區(qū)的活性污泥回流到選擇器中。在選擇器中，基質(zhì)濃度梯度較大，污泥負(fù)荷較高，可有效避免污泥膨脹，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。另外，通過間歇曝氣方式，可使活性污泥周期性地經(jīng)歷好氧和厭氧階段，生物選擇器的設(shè)置可以有效的防止污泥的膨脹，抑制絲狀菌的繁殖，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　在循環(huán)式活性污泥法中，通過設(shè)置選擇器可以允許以任意進(jìn)水速率進(jìn)水而不會(huì)產(chǎn)生污泥膨脹，因此，循環(huán)式活性污泥法系統(tǒng)無需設(shè)置獨(dú)立的厭氧攪拌階段、缺氧攪拌階段以及進(jìn)水貯水池等，從而可以大大簡化工藝過程，節(jié)省工程投資（無需攪拌裝置）和能耗。循環(huán)式活性污泥法系統(tǒng)較之傳統(tǒng)序批式SBR法其工藝設(shè)置和操作得到很大程度的簡化，為在大中型污水處理廠的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。

　　在曝氣階段主要完成生物降解過程，在非曝氣階段雖然也有部分生物作用，但主要是完成泥水分離過程。因此，循環(huán)式活性污泥法系統(tǒng)無需設(shè)置二沉池，可以省去傳統(tǒng)活性污泥法中曝氣池和二沉池之間的連接管道。完成泥水分離后，利用撇水堰排出每一操作循環(huán)中的處理出水。根據(jù)活性污泥實(shí)際增殖情況，在每一處理循環(huán)的最后階段（撇水階段）自動(dòng)排出剩余污泥。

　　CAST工藝每一操作循環(huán)由下列四個(gè)階段組成：

　　進(jìn)水

　　曝氣

　　沉淀

　　撇水

　　閑置(視具體運(yùn)行條件而定)

　　上述各個(gè)階段組成一個(gè)循環(huán)，并不斷重復(fù)。循環(huán)開始時(shí)，開始充水，池子中的水位由某一最低水位開始上升，經(jīng)過一定時(shí)間的曝氣和混合后，停止曝氣，以使活性污泥進(jìn)行絮凝并在一個(gè)靜止的環(huán)境中沉淀，在完成沉淀階段后，由一個(gè)移動(dòng)式撇水堰排出已處理的上清液，使水位下降至池子所設(shè)定的最低水位。完成上述操作階段后，系統(tǒng)進(jìn)入下一循環(huán)過程，重復(fù)以上操作。

　　CAST的成功運(yùn)行可將廢水中的含碳有機(jī)物和包括氮、磷的污染物去除，出水總氮濃度小于5mg/L。

　　（1)生物選擇器設(shè)在池子首部，不設(shè)機(jī)械攪拌裝置，反應(yīng)條件在缺氧和厭氧之間變化。生物選擇區(qū)有三個(gè)功能：a．絮體結(jié)構(gòu)內(nèi)底物的物理團(tuán)聚與動(dòng)力學(xué)和代謝選擇同步進(jìn)行；b．選擇器被隔開，保證初始高絮體負(fù)荷，以及酶快速去除溶解底物；c.通過選擇器的設(shè)計(jì)，還可以創(chuàng)造一個(gè)有利于磷釋放的環(huán)境，這樣促進(jìn)聚磷菌的生長。生物選擇區(qū)的設(shè)置嚴(yán)格遵循活性污泥種群組成動(dòng)力學(xué)的有關(guān)規(guī)律，創(chuàng)造合適的微生物生長條件，從而選擇出絮凝性細(xì)菌。活性污泥的絮體負(fù)荷S0/X0(即底物濃度和活性微生物濃度的比值)對(duì)系統(tǒng)中活性污泥的種群組成有較大的影響，較高的污泥絮體負(fù)荷有助于絮凝性細(xì)菌的生長和繁殖。CAST工藝中活性污泥不斷地在生物選擇器中經(jīng)歷高絮體負(fù)荷階段，這樣有利于絮凝性細(xì)菌的生長，提高污泥活性，并通過酶反應(yīng)快速去除廢水中的溶解性易降解底物，從而抑制了絲狀細(xì)菌的生長和繁殖，避免了污泥膨脹的發(fā)生。同時(shí)當(dāng)生物選擇器處于缺氧環(huán)境時(shí)，回流污泥存在的少量硝酸鹽氮可得到反硝化，反硝化量可達(dá)整個(gè)系統(tǒng)硝化量的20%。當(dāng)選擇器處于厭氧環(huán)境時(shí)，磷得以有效地釋放，為生物除磷做準(zhǔn)備。

　　（2)預(yù)反應(yīng)區(qū)為水力緩沖區(qū)，大小與高峰流量有關(guān)，若在非曝氣階段，不進(jìn)水可將其省去。

　　（3)主反應(yīng)區(qū)在可變?nèi)莘e完全混合反應(yīng)條件下運(yùn)行，完成含碳有機(jī)物和包括氮、磷的污染物的去除。運(yùn)行時(shí)通過控制溶解氧的濃度使其從0緩慢上升到2.5mg/L來保證硝化、反硝化以及磷吸收的同步進(jìn)行。

　　a．硝化反硝化。同步反硝化意味著在不專門為硝酸鹽的去除設(shè)混合裝置或正常缺氧混合程序的條件下，硝化與反硝化同時(shí)在同一反應(yīng)器發(fā)生。通常認(rèn)為在系統(tǒng)中，氮去除機(jī)制與在微生物絮體內(nèi)由于受擴(kuò)散限制引起的溶解氧(DO))的濃度梯度有關(guān)，這樣硝化菌存在于高溶解氧區(qū)，相反反硝化菌在溶解氧降低區(qū)下活性十足。CAST工藝運(yùn)行中控制供氧強(qiáng)度以及混合液溶解氧的濃度使其從0逐漸上升到2.5mg/L左右，這樣使活性污泥絮體的外周保持一個(gè)好氧環(huán)境進(jìn)行硝化，由于氧在活性污泥絮體內(nèi)的傳遞受到限制，而具有較高濃度梯度的硝酸鹽則能較好地滲透到絮體內(nèi)部有效地進(jìn)行反硝化。另外，該工藝曝氣與非曝氣交替進(jìn)行，從而使泥水混合液通過主反應(yīng)區(qū)，順序經(jīng)過缺氧-好氧-厭氧環(huán)境，尤其在非曝氣階段0.5h-1.0h內(nèi)污泥層以胞內(nèi)在生物選擇高負(fù)荷下儲(chǔ)存或吸收的碳為碳源，進(jìn)行反硝化，在污泥沉淀過程中也有一定的反硝化作用。

　　b．磷的去除。生物除磷是依靠聚磷菌的作用實(shí)現(xiàn)的，生物選擇器不曝氣這樣反應(yīng)環(huán)境非常迅速地從缺氧環(huán)境轉(zhuǎn)化為厭氧環(huán)境，當(dāng)選擇器處于厭氧環(huán)境，聚磷菌依靠水解體內(nèi)的聚磷(Poly-P)水解釋放出正磷酸鹽，同時(shí)產(chǎn)生能量以吸收水中的溶解性有機(jī)底物，并將其在體內(nèi)合成為細(xì)胞學(xué)儲(chǔ)備物質(zhì)PHB；在主反應(yīng)區(qū)為好氧環(huán)境時(shí)，聚磷菌以游離氧為電子受體，將細(xì)胞儲(chǔ)備物質(zhì)氧化，并利用該反應(yīng)所產(chǎn)生的能量，過量地在污水中攝取磷酸鹽并合成為ATP，其中一部分轉(zhuǎn)化為聚磷貯存能量，為下一周期的厭氧釋磷做準(zhǔn)備。由于好氧段的吸磷量要遠(yuǎn)大于厭氧段的釋磷量，所以通過剩余污泥的排放可達(dá)到除磷目的。若要在生物除磷的基礎(chǔ)上進(jìn)一步強(qiáng)化除磷效果或達(dá)到完全除磷的目的，可加入鋁鹽或鐵鹽，

　　此外，在曝氣結(jié)束后，主反應(yīng)區(qū)進(jìn)行泥水分離，由于此階段無進(jìn)水水力干擾，在靜止環(huán)境中進(jìn)行，從而保證系統(tǒng)良好的分離效果。CAST整個(gè)工藝過程遵循生物的“積累一再生”原理，生物先在生物選擇器經(jīng)歷一個(gè)高負(fù)荷反應(yīng)階段，然后在主反應(yīng)區(qū)經(jīng)歷一個(gè)低負(fù)荷反應(yīng)階段，完成反應(yīng)過程如圖2所示，生物選擇其中較高的污泥絮體負(fù)荷，可以使廢水中存在的溶解性易降解有機(jī)物通過酶轉(zhuǎn)移機(jī)理予以快速地吸附和吸收進(jìn)行底物的積累，然后在污泥絮體負(fù)荷較低的主反應(yīng)區(qū)完成底物的降解，從而實(shí)現(xiàn)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選擇器中，進(jìn)行機(jī)質(zhì)的再次積累，這樣不斷地循環(huán)完成了生物的“積累—再生”，實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用表明，當(dāng)高于75%的易降解有機(jī)物質(zhì)通過酶轉(zhuǎn)移機(jī)理去除，則剩余可溶解COD小于100mg/L。

　　圖2底物的積累再生原理

　　二、工程應(yīng)用

　　遼河石化600m3/h污水處理廠應(yīng)用CAST作為生化段處理稠油污水效果明顯

　　采集數(shù)據(jù)如下：

　　COD去除率82%以上

　　氨氮的去除率在90%以上

　　三、結(jié)語

　　CAST工藝保持了典型的完全混合特性，具有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力；CAST設(shè)置生物選擇器，促進(jìn)絮凝型細(xì)菌的生長和繁殖，從而抑制了污泥膨脹的發(fā)生，高效地進(jìn)行硝化反硝化，脫氮除磷效果顯著。另外，CAST工藝流程簡單，采用矩形結(jié)構(gòu)，運(yùn)行時(shí)，不需要大量的污泥回流，自動(dòng)化程度高，所以建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用低。此外，對(duì)于某一給定規(guī)模的污水廠，設(shè)計(jì)時(shí)可采用模塊布置方法，根據(jù)污水廠規(guī)模，先確定其基本模塊，然后重復(fù)布置此模塊直至達(dá)到所要求的處理規(guī)模，對(duì)于大型污水廠，由于CAST模塊結(jié)構(gòu)布置方式節(jié)約占地面積，擴(kuò)建方便，已日益為人們所接受。

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