CASS工藝處理高氨氮污水的脫氮設(shè)計
摘要：CASS工藝 發(fā)展 至今，已在城市污水和 工業(yè) 廢水處理領(lǐng)域逐步得到 應(yīng)用 。但是，CASS工藝設(shè)計 方法 的 研究 卻發(fā)展緩慢， 目前 還處于經(jīng)驗階段，研究如何改進CASS工藝設(shè)計方法,將其用于高氨氮污水的處理，充分發(fā)揮CASS工藝脫氮除磷效果好、耐沖擊負荷能力強、防止污泥膨脹、建設(shè)費用低和管理方便等優(yōu)點，對于促進CASS工藝的發(fā)展和改善水體環(huán)境具有現(xiàn)實意義。
關(guān)鍵詞：CASS工藝 高氨氮污水 脫氮 設(shè)計
CASS工藝發(fā)展至今，已在城市污水和工業(yè)廢水處理領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用。但是，CASS工藝設(shè)計方法的研究卻發(fā)展緩慢，目前還處于經(jīng)驗階段，究其原因有兩點：一是專業(yè)技術(shù)人員比較側(cè)重于主要設(shè)備(如潷水器)和自控系統(tǒng)的研究開發(fā)，而忽略了對CASS工藝設(shè)計方法的研究;二是CASS工藝乃至所有的間歇式活性污泥工藝的反應(yīng)過程都比較復(fù)雜，其部分生物作用機理至今仍在研究之中。
高氨氮污水對于環(huán)境的危害日益引起人們的重視，國內(nèi)外目前對于應(yīng)用CASS工藝處理高氨氮污水的研究還處于起步階段，處理效果也不理想，脫氮率較低。研究如何改進CASS工藝設(shè)計方法,將其用于高氨氮污水的處理，充分發(fā)揮CASS工藝脫氮除磷效果好、耐沖擊負荷能力強、防止污泥膨脹、建設(shè)費用低和管理方便等優(yōu)點，對于促進CASS工藝的發(fā)展和改善水體環(huán)境具有現(xiàn)實意義。
1.現(xiàn)行的CASS工藝設(shè)計方法
1.1 活性污泥工藝設(shè)計 計算 方法
活性污泥工藝的設(shè)計計算方法有三種：污泥負荷法、泥齡法和數(shù)學(xué)模型法。三種方法各有其特點，分述如下：
1、污泥負荷法
污泥負荷法是目前國內(nèi)外最流行的活性污泥設(shè)計方法，幾十年來，污泥負荷法設(shè)計了成千上萬座污水處理廠，充分說明其正確性和適用性。
污泥負荷法也有其弊端，主要表現(xiàn)為：一是污泥負荷法設(shè)計參數(shù)的選擇主要依靠設(shè)計者的經(jīng)驗，這對于經(jīng)驗較少的設(shè)計者來講相當(dāng)困難;二是對脫氮要求未加考慮， 影響 了設(shè)計的精確性和可靠性。
2、泥齡法
泥齡法是經(jīng)驗和 理論 相結(jié)合的設(shè)計計算方法，比污泥負荷法更加精確可靠;泥齡法可以根據(jù)泥齡的選擇，實現(xiàn)工藝的硝化和反硝化功能;同時，泥齡參數(shù)的選擇范圍比污泥負荷法窄，設(shè)計者選擇起來難度較小。
泥齡法的設(shè)計參數(shù)大多是根據(jù)國外污水試驗得出的，需結(jié)合我國的城市生活污水水質(zhì)加以修正，這是其目前應(yīng)用的困難所在。
3、數(shù)學(xué)模型法
1986年，原國際水污染與控制協(xié)會IAWPRC提出了活性污泥1號數(shù)學(xué)模型，其后十幾年里，隨著數(shù)學(xué)模型的完善，越來越多的活性污泥系統(tǒng)開始采用它進行工程設(shè)計和優(yōu)化。
數(shù)學(xué)模型在理論上是比較完美的，但具體應(yīng)用則存在不少 問題 ，主要是由于污水處理的復(fù)雜性和多樣性，模型中所包含的大量工藝參數(shù)需要根據(jù)具體的水質(zhì)進行調(diào)整和確定，這需要大量的工程積累，即使簡化了的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用也相當(dāng)困難。到目前為止，數(shù)學(xué)模型在國外尚未成為普遍采用的設(shè)計方法，而在我國還停留在研究階段。
1.2 目前CASS工藝設(shè)計計算方法
CASS工藝屬于活性污泥法范疇，但由于其運行方式獨特，與傳統(tǒng)活性污泥法又有很大的差別。在同一周期內(nèi)，池內(nèi)的污水體積、污染物的濃度、DO和MLSS時刻都在發(fā)生變化，是一種非穩(wěn)態(tài)的反應(yīng)過程。
目前CASS工藝設(shè)計采用污泥負荷法，該方法不考慮反應(yīng)池內(nèi)基質(zhì)濃度、MLSS和DO含量在時間上的變化，只考慮進出水有機物的濃度差，并忽略同一反應(yīng)周期內(nèi)沉淀、潷水和閑置階段的生物降解作用，采用與傳統(tǒng)活性污泥法基本相同的計算公式。
CASS工藝采用污泥負荷法進行設(shè)計時，除反應(yīng)池容積計算與傳統(tǒng)活性污泥法不同，其它如反應(yīng)池DO和剩余污泥排放量等計算方法與傳統(tǒng)活性污泥工藝相同，因此，本節(jié)著重介紹CASS工藝反應(yīng)池容積的計算方法。
1.2.1 計算BOD-污泥負荷(Ns)
BOD-污泥負荷是CASS工藝的主要設(shè)計參數(shù)，其計算公式為：
(1)
式中： Ns——BOD-污泥負荷，kgBOD5/(kgMLSS·d)，生活污水取0.05～0.1
kgBOD5/(kgMLSS·d)，工業(yè)廢水需 參考 相關(guān)資料或通過試驗確定;
K2——有機基質(zhì)降解速率常數(shù)，L/(mg·d);
Se——混合液中殘存的有機物濃度，mg/L;
η——有機質(zhì)降解率，%;
ƒ——混合液中揮發(fā)性懸浮固體濃度與總懸浮固體濃度的比值，一般在生活污水中，ƒ=0.75。
(2)
式中： MLVSS——混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度，mg/L;
MLSS——混合液懸浮固體濃度，mg/L;
1.2.2 CASS池容積計算
CASS池容積采用BOD-污泥負荷進行計算，計算公式為：
(3)
式中：V——CASS池總有效容積，m3;
Q——污水日流量，m3/d;
Sa、Se——進水有機物濃度和混合液中殘存的有機物濃度，mg/L;
X——混合液污泥濃度(MLSS)，mg/L;
Ns——BOD-污泥負荷，kgBOD5/(kgMLSS·d);
ƒ——混合液中揮發(fā)性懸浮固體濃度與總懸浮固體濃度的比值。
1.2.3 容積校核
CASS池的有效容積由變動容積和固定容積組成。變動容積(V1)指池內(nèi)設(shè)計最高水位和潷水器排放最低水位之間的容積;固定容積由兩部分組成，一部分是安全容積(V2)，指潷水水位和泥面之間的容積，安全容積由防止?jié)畷r污泥流失的最小安全距離決定;另一部分是污泥沉淀濃縮容積(V3)，指沉淀時活性污泥最高泥面至池底之間的容積。
CASS池總的有效容積：
V=n1×(V1+V2+V3) (4)
式中：V——CASS池總有效容積，m3;
V1——變動容積，m3;
V2——安全容積，m3;
V3——污泥沉淀濃縮容積，m3;
n1——CASS池個數(shù)。
設(shè)池內(nèi)最高液位為H(一般取3～5m)，H由三個部分組成：
H=H1+H2+H3 (5)
式中：H1——池內(nèi)設(shè)計最高水位和潷水器排放最低水位之間的高度，m;
H2——潷水水位和泥面之間的安全距離，一般取1.5～2.0m;
H3——潷水結(jié)束時泥面的高度，m;
其中：
(6)
式中： A——單個CASS池平面面積，m2;
n2——一日內(nèi)循環(huán)周期數(shù);
H3=H×X×SVI×10-3 (7)
式中：X——最高液位時混合液污泥濃度，mg/L;
污泥負荷法計算的結(jié)果，若不能滿足H2≥H-(H1+H3)，則必須減少BOD-污泥負荷，增大CASS池的有效容積，直到條件滿足為止。
1.2.4 設(shè)計方法 分析
從上述設(shè)計方法的描述中可以看出，現(xiàn)行的CASS工藝設(shè)計具有以下幾個方面的特點：
1、設(shè)計方法簡單，設(shè)計參數(shù)單一，在傳統(tǒng)的以污泥負荷為主要設(shè)計參數(shù)的活性污泥設(shè)計法基礎(chǔ)上，采用容積進行校核，以保證潷水過程中的污泥不流失。
2、設(shè)計只針對主反應(yīng)區(qū)容積，而生物選擇區(qū)容積則是按照主反應(yīng)區(qū)容積的5%設(shè)計。
3、污泥負荷法設(shè)計重點針對有機物質(zhì)的降解，對脫氮未加考慮，難以滿足污水排放對于氮的要求，故此方法具有片面性，難以滿足高氨氮污水處理后達標排放。
2 CASS工藝設(shè)計 方法 改進
CASS工藝 目前 廣泛 應(yīng)用 的設(shè)計方法是污泥負荷法，污泥負荷法立足于有機物的去除，對系統(tǒng)脫氮效果則未加考慮，而對于高氨氮污水，脫氮效果的考慮更為重要，因此需結(jié)合目前已有的CASS工藝設(shè)計方法，加入脫氮工藝設(shè)計，對傳統(tǒng)的CASS工藝設(shè)計方法進行改進。。
2.1 CASS工藝設(shè)計方法改進的思路
高氨氮的污水脫氮設(shè)計的改進思路如下：
1、設(shè)計采用靜態(tài)法。設(shè)計方法不追蹤CASS反應(yīng)池內(nèi)基質(zhì)和活性污泥濃度在時間上的變化過程，而是著重于在某一進水水質(zhì)條件下經(jīng)系統(tǒng)處理后能達到的最終處理效果。對于同步硝化反硝化，由于其機理還處在進一步 研究 階段，在設(shè)計中不加考慮。對于沉淀和潷水階段的生物反應(yīng)，其作用并不明顯，因此在設(shè)計中對這兩個階段的生物反應(yīng)不加考慮。
2、將主反應(yīng)區(qū)和預(yù)反應(yīng)區(qū)分開設(shè)計，主反應(yīng)區(qū)主要功能為有機物降解和硝化，而預(yù)反應(yīng)區(qū)的功能主要為生物選擇和反硝化脫氮。
3、主反應(yīng)區(qū)采用泥齡法設(shè)計，而將污泥負荷作為導(dǎo)出參數(shù)，結(jié)合試驗研究的結(jié)論，通過污泥負荷對設(shè)計結(jié)果進行校核。
4、反應(yīng)池的尺寸通過進水量和污泥沉降性能確定。
2.2 主反應(yīng)區(qū)容積設(shè)計
主反應(yīng)區(qū)設(shè)計采用泥齡法，并用污泥負荷進行校核，其設(shè)計步驟如下：
1、 計算 硝化菌的最大比增長速率
當(dāng)污水pH和DO都適合于硝化反應(yīng)進行時，計算亞硝酸菌的比增長速率公式為：
(8)
式中：μN,max——硝化菌的最大比增長速率，d-1;
T——硝化溫度，℃;
2、計算穩(wěn)定運行狀態(tài)下的硝化菌比增長速率
(9)
式中：μN——硝化菌的比增長速率，d-1;
N——硝化出水的NH3-N濃度，mg/L;
KN——飽和常數(shù)，設(shè)計中一般取1.0mg/L。
3、計算完成硝化反應(yīng)所需的最小泥齡
(10)
式中：——最小泥齡，d;
μN——硝化菌的比增長速率，d-1。
4、計算泥齡設(shè)計值
本處采用Lawrence和McCarty在應(yīng)用動力學(xué) 理論 進行生物處理過程設(shè)計時提出的安全系數(shù)(SF)概念，SF可以定義為：
SF=/(11)
式中：——設(shè)計泥齡，d;
SF使生物硝化單元在pH值、溶解氧濃度不滿足要求或者進水中含有對硝化有抑制作用的有毒有害物質(zhì)時仍能保證達到設(shè)計所要求的處理效果。美國環(huán)保局建議一般取1.5～3.0。
5、計算以VSS為基礎(chǔ)的含碳有機物(COD)的去除速率
活性異養(yǎng)菌生物固體濃度X1可用下式計算：
(12)
式中：X1——活性異養(yǎng)菌生物固體濃度，mg/L;
YH——異養(yǎng)菌產(chǎn)率系數(shù)，gVSS/gCOD或gVSS/gBOD;
bH——異養(yǎng)菌內(nèi)源代謝分解系數(shù)，d-1;
S0——進水有機物濃度，mgCOD/L或mgBOD/L;
S1——出水有機物濃度，mgCOD/L或mgBOD/L;
——設(shè)計泥齡，d;
t——水力停留時間，d;
活性生物固體表觀產(chǎn)率系數(shù)，YH,NET
將含碳有機物的去除速率定義為：
(13)
則可以得到下式：
1/=YH,NET·qH (14)
曝氣池混合液VSS由三部分組成：活性生物固體、微生物內(nèi)源代謝分解殘留物和吸附在活性污泥上面不能為微生物所分解的進水有機物，VSS濃度可以表示為：
(15)
式中：X——VSS濃度，mg/L;
△S——基質(zhì)濃度變化，mgCOD/L或mgBOD/L;
YH——以VSS為基礎(chǔ)的產(chǎn)率系數(shù)，gVSS/gCOD或gVSS/gBOD;
b——以VSS為基礎(chǔ)的活性污泥分解系數(shù)，d-1;
以VSS為基礎(chǔ)的(濃度為X)的有機物去除速率可以表示為：
1/=YH,NET·qOBS (16)
6、計算生化反應(yīng)器水力停留時間t
(17)
7、主反應(yīng)區(qū)容積：
VN=Q t (18)
式中：VN——主反應(yīng)區(qū)容積，m3;
Q——進水流量，m3/d;
8、有機負荷校核
有機負荷F/M：
(19)
式中：ƒ——MLVSS/MLSS，一般取0.7。
根據(jù)相關(guān)試驗結(jié)論，若F/M不在0.18～0.25 kgCOD/(kgMLSS·d)，則需改變泥齡，進行重新設(shè)計。
10、氨氮負荷校核
氨氮負荷SNR：
(20)
式中：N——主反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生NO3-N總量TKN，mg/L。
根據(jù)相關(guān)試驗結(jié)論，若SNR>0.045 kg NH3-N/(kgMLSS·d)，則需增大泥齡，進行重新設(shè)計。
2.3 預(yù)反應(yīng)區(qū)容積設(shè)計
預(yù)反應(yīng)區(qū)的功能設(shè)計為反硝化，其設(shè)計步驟如下：
1、計算反硝化速率SDNR
反硝化速率可以根據(jù)試驗結(jié)果或 文獻 報道值確定，也可以按下面的方法計算：
溫度20℃時：SDNR ( 2 0) =0.3F/M+0.029(21)
溫度T℃時： SDNR (T)= SDNR (2 0) ·θ( T- 2 0 ) (θ為溫度系數(shù)，一般取1.05) (22)
2、缺氧池的MLVSS總量為：
LA=QND/ SDNR (T) (23)
式中：ND——反硝化去除的NO3-N，kgN/d。
3、缺氧池的容積：
VAN=1000LA/Xƒ (24)
4、缺氧池的水力停留時間：
tA=VAN/Q (25)
5、系統(tǒng)的總泥齡：
(26)
2.4 反應(yīng)器尺寸的確定
CASS反應(yīng)器尺寸的確定主要是確定反應(yīng)器的高度和面積，以滿足泥水分離和潷水的需要。由于預(yù)反應(yīng)區(qū)始終處于反應(yīng)狀態(tài)，不存在泥水分離的 問題 ，且預(yù)反應(yīng)區(qū)底部通過導(dǎo)流孔與主反應(yīng)區(qū)相連，其水面高度與主反應(yīng)區(qū)平齊，因此計算出主反應(yīng)區(qū)的設(shè)計高度也同時計算出了預(yù)反應(yīng)區(qū)的水面高度。所以反應(yīng)區(qū)尺寸的確定主要是主反應(yīng)區(qū)尺寸的確定。
CASS池的泥水分離和SBR相同，生物處理和泥水分離結(jié)合在CASS池主反應(yīng)區(qū)中進行，在曝氣等生物處理過程結(jié)束后，系統(tǒng)即進入沉淀分離過程。在沉淀過程初期，曝氣結(jié)束后的殘余混合能量可用于生物絮凝過程，至池子趨于平靜正式開始沉淀一般持續(xù)10min左右，沉淀過程從沉淀開始后一直延續(xù)至潷水階段結(jié)束，沉淀時間為沉淀階段和潷水階段的時間總和。
污泥泥面的位置則主要取決于污泥的沉降速度，污泥沉速主要與污泥濃度、SVI等因素有關(guān)，在CASS系統(tǒng)中，污泥的沉降速度vS可簡單地用下式計算：
vS=650/(XT×SVI) (27)
式中：vS——污泥沉速(m/h);
XT——在最高水位時濃度(kg/m3)，為安全計，采用主反應(yīng)區(qū)中設(shè)計值 X，一般取3000～4200 mg/L;
SVI——污泥沉降指數(shù)(mL /g)。
為避免在潷水過程中將活性污泥帶出系統(tǒng)，需要在潷水水位和污泥泥面之間保持一最小的安全距離HS。為保持潷水水位和污泥泥面之間的最小安全距離，污泥經(jīng)沉淀和潷水階段后，其污泥沉降距離應(yīng)≥ΔH+HS，期間所經(jīng)歷的實際沉淀時間為(ts+td-10/60)h，故可得下式：
vS×(ts +td -10/60)=ΔH+HS (28)
式中：ΔH——最高水位和最低水位之間的高度差，也稱潷水高度(m)，ΔH一般不超過池子總高的40%，與潷水裝置的構(gòu)造有關(guān)，一般其值最大在2.0～2.2m左右;
ts——沉淀時間;
td——潷水時間。
聯(lián)立式(6.47)和(6.48)即可得：
(29)
式中：ΔV——周期進水體積(m3);
A——池子面積(m2);
HT——最高水位(m);
式中沉淀時間ts、潷水時間td可預(yù)先設(shè)定，根據(jù)水質(zhì)條件和設(shè)計經(jīng)驗可選擇一定的SVI值，安全高度HS一般在0.6～0.9m左右。ΔV由進水量決定，這樣式(29)中只有池子高度HT和面積A未定。根據(jù)邊界條件用試算法即可求得式(29)中的池子高度和面積。
高度HT和面積A的確定方法為：先假定某一池子高度HT，用式(29)求得面積A，從而可求得潷水高度ΔH，如潷水高度超過允許的范圍，則重新設(shè)定池子高度，重復(fù)上述過程。
在求得HT和池子面積A后，即可求得最低水位HB：
HB=HT-△H=HT-ΔV/A(30)
最高水位時的MLSS濃度XT已知，最低水位時的MLSS濃度則可相應(yīng)求得：
XB=XT×HT /HB(31)
最低水位時的設(shè)計MLSS濃度一般應(yīng)不大于6.0kg/m3。
2.5 剩余污泥計算
每日從系統(tǒng)中排出的VSS重量為L：
L=Xƒ (VAN+VN) / θ (32)
式中：L——每日從系統(tǒng)中排出的VSS重量，kg/d。
2.6 需氧量計算
1、BOD的去除量：
O1=Q (S0-S1)/1000(33)
2、氨氮的氧化量：
O2=QN/1000 (34)
3、生物硝化系統(tǒng)，含碳有機物氧化需氧量與泥齡和水溫有關(guān)系，每去除1kgBOD需氧1.0～1.3kg，一般取1.1，則碳氧化和硝化需氧量為：
O3=1.1O1+O2(35)
4、每還原1kg NO3-N需2.9kgBOD，由于利用水中的BOD作為碳源反硝化減氧需要量為：
O4=2.9 NDQ/1000(36)
實際需氧量：
O= O3-O4(37)
參考 文獻
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[2] 張統(tǒng). SBR及其變法污水處理與回用技術(shù). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003
[3] 王凱軍,賈立敏. 城市污水生物處理新技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社2001
[4] 張自杰,周帆. 活性污泥生物學(xué)反應(yīng)動力學(xué). 北京： 中國 環(huán)境 科學(xué) 出版社,1989
[5] 汪慧貞,吳俊奇. 活性污泥數(shù)學(xué)模型的 發(fā)展 和使用. 中國給水排水,1999,15(5)
[6] 朱明權(quán),周冰蓮. SBR工藝的設(shè)計. 給水排水,1998,24(4)
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