CASS工艺处理城市生活污水气水比控制的应用实例
发布时间：2011-08-15 08:39:59更新时间：2023-07-11 17:08:04
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CASS工艺处理城市生活污水气水比控制的应用实例
黄海洋
摘要：介绍了在广东惠州市某污水处理厂利用CASS工艺运行原理和方式处理城市生活污水中最佳气水比确定。
关键词：CASS、生活污水、气水比
CASS工艺运行参数气水比的控制，应根据实际进出水水质和污水处理要求，通过科学管理，在污水处理条件和环境变化时，充分利用各种手段进行调整，使生化系统高效、稳定、低能耗运行，达到节能降耗与经济有效的双重目的。
CASS工艺运行参数气水比的控制，必须理论结合实际，在任何一个污水处理厂，其各种条件和环境是不断变化的，只根据前人的经验和理论并不能完全满足现实情况的要求，因而在充分掌握理论的前提下，气水比应在不断总结运行经验基础上确定。
1、项目简介
1.1 项目概述
惠州市第四污水处理位于厂惠州市惠城区水口街道办事处骆屋马蹄湖。2005年12月开工，2007年12月建成，2008年9月试运行，占地面积3.6万平方米，设计处理能力30000m3/天，实际处理能力28000 m3/天。项目主要处理水口镇区、水口开发区范围内生活污水及企业排放的部分废水。其中生活污水占80%，工业废水占20%。处理后的尾水于大湖溪汇入新开河，最终汇入东江。
1.2 工艺简介
广东省惠州市第四污水处理厂采用序批式活性污泥法CASS工艺，CASS（cyclic activated sludge system）是在SBR的基础上发展起来的，即在SBR池内进水端增加了一个生物选择器，实现了连续进水(沉淀期、排水期仍连续进水)，间歇排水。设置生物选择器的主要目的是利用基质推动力选择性的培养菌胶团细菌而限制丝状菌的增长，通过选择器对微生物进行选择性培养以防止污泥膨胀的发生，其容积约占整个池子的10%。
工艺流程如图1-1：
1.3 进出水水质
根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918），东江水属III类功能水域，污水处理厂处理出水执行一级B标准。其进出水水质如表所示：
表-1 实际进出水水质
2、工艺参数气水比的理论计算
2.1 气水比控制
2.1.1 需氧量
需氧量Ro是单位时间内曝气池活性污泥微生物代谢所需的氧量称为需氧量(KgO2/h)。微生物需氧量Ro由以下四个部分组成：一是微生物利用好氧菌氧化分解生活污水中的有机物消耗的溶解氧，用Sr表示；二是微生物自身代谢（自身的内源呼吸）消耗的溶解氧,用Vr表示；三是硝化细菌利用水中的溶解氧将氨氮转化为硝酸根消耗的溶解氧，用Nr表示；四是反硝化细菌将硝酸根和亚硝酸根还原为N2时释放的氧，需氧量应减去这部分的产氧量，用Mr表示。因此，需氧量Ro可表示为：
Ro=Sr+Vr+Nr-Mr
（1）由于完全生化需氧量BODu与5天生化需氧量BOD5之间的关系是BODu=1.47BOD5，因此去除有机物需氧量为：
Sr=1.47Q(S0-S)
式中，S0、S进出水BOD5，kg/m3;Q为污水处理量,m3/d。
所以，惠州市第四污水处理厂去除有机物的实际需氧量为：
Sr=1.47Q(S0-S)
=1.47*28000(0.053-0.012)
=1687.56kgO2/d
（2）细胞分子式可表示为C5H7O2N，其自身代谢的分子方程式可表示为：
C5H7O2N+5O2+H+=5CO2+2H2O+NH4+
从上式可看出，Vr为1.42VSS，VSS一般可取为0.7MLSS，惠州市第四污水处理厂VSS/MLSS=0.72，MLSS取3500mg/l，因此Vr=1.43*0.72*MLSS。
所以，惠州市第四污水处理厂内源呼吸所需的实际需氧量为：
Vr=1.43*0.72*MLSS
=1.43*0.72*3.5
=3.61kgO2/d
（3）硝化细菌在有氧条件下转化NH4+的分子方程式可表示为：
NH4++1.83O2+1.98HCO3-=0.02C5H7O2N+1.041H2O+0.98NO3-+1.88H2CO3
从上式可看出，每转化1单位的NH4+消耗的溶解氧为4.57个单位，因此Nr=4.57Q(N0-N)
式中，Q为污水处理量,m3/d，N0、N为进出水NH4+的含量,kg/m3。
所以，惠州市第四污水处理厂，硝化过程所需的实际需氧量为：
Nr=4.57*Q(N0-N)
=4.57*28000*(0.020-0.0039)
=2060.16kgO2/d
（4）反硝化细菌将硝酸根和亚硝酸根还原为N2时的反硝化过程可表示为：
NO3-+5H+（电子供体）=0.5N2+2H2O+OH-
NO2-+3H+（电子供体）=0.5N2+H2O+OH-
从上式可以看出，还原1个单位的NO3-释放的氧当量为5*（16/2）/14=2.86个单位。结合硝化反应与反硝化反应分子方程式，可以得出
Mr=2.86*0.98Q(N0-N)
式中，Q为污水处理量,m3/d，N0、N为进出水NH4+的含量，kg/m3。
所以，惠州市第四污水处理厂，硝化过程所需的实际需氧量为：
Mr=2.86*0.98Q(N0-N)
=2.86*0.98*28000*(0.020-0.0039)
=1263.50kgO2/d
（5）综上所述，需氧量Ro为：
Ro=Sr+Vr+Nr-Mr
= 1.47Q(S0-S)+1.43*0.72*MLSS+4.57Q(N0-N)-2.86*0.98Q(N0-N)
因而惠州市第四污水厂实际需氧量为：
Ro=Sr+Vr+Nr-Mr
= 1687.56+3.61+2060.16-1263.50
=2437.83kgO2/d
同时，按出水富氧余量2mg/l计算，则需安全富氧余量为： 0.002kg/m3*28000m3/d=5.6kgO2/d
所以，惠州市第四污水厂总需氧量为:
2437.8kgO2/d+5.6kgO2/d=2443.4kgO2/d
2.1.2 需气量
需气量指单位时间内需供给曝气池的空气量，用Po表示。
惠州市第四污水处理厂曝气装置采用HDQ-3-L膜片盘式微孔曝气器（曝气盘），其氧利用率为7.5%。在一个标准大气压下，空气含氧率为20.94%，空气密度为1.221kg/m3因此，需气量可表示为：
Po=(Ro/20.94%)/7.5%=(2443.4/0.2094)/0.075=155581kg/d
即为，155581/1.221=127421m3/d，此时气水比为127421m3/d：28000m3/m3/dd=4.6：1。
2.1.3 气水比
通过需氧量与需气量计算及污水进出水水质变化，可得知惠州市第四污水厂实际气水比应控制在4～5：1之间。
2.2 不同气水比下的有机污染物去除率
2.2.1 各控制参数的确定
为了能更好的反映在不同气水比下有机污染物的去除率，固定以下控制参数：
污泥浓度MLSS=3500mg/l
BOD污泥负荷Ns=QS/VX=28000*53/19200*3500=0.022kgBOD(kgMLSS.d)
pH=6.8～7.5
2.2.2 不同气水比下COD、NH3+-N的去除效果
（1）试验方法
在保证其它条件不发生根本改变的前提下，同时对惠州市第四污水厂两台百事德BK8024型三叶罗茨鼓风机频率进行了调整，每调整一次运行三天，两台鼓风机频率分阶段调整如下：
36Hz、38Hz、40Hz、42Hz、44Hz、46Hz、48Hz
经鼓风机风量流量计测量后，其对应的风机风量为：
103265.28m3/d、109002.24m3/d、114739.20m3/d、120476.16m3/d、126231.12m3/d、137687.04m3/d
对应的气水比分别为：
3.7:1、3.9:1、4：1、4.3:1、4.5：1、4.7：1、5：1
（2）采样方法
每调整一次的第三天采24小时混合样
（3）试验结果
分别考察气水比变化对COD、NH3+-N的影响试验，结果如表-2所示：
表-2 气水比变化对COD、NH3+-N去除的影响表
2.1 气水比控制
2.1.1 需氧量
需氧量Ro是单位时间内曝气池活性污泥微生物代谢所需的氧量称为需氧量(KgO2/h)。微生物需氧量Ro由以下四个部分组成：一是微生物利用好氧菌氧化分解生活污水中的有机物消耗的溶解氧，用Sr表示；二是微生物自身代谢（自身的内源呼吸）消耗的溶解氧,用Vr表示；三是硝化细菌利用水中的溶解氧将氨氮转化为硝酸根消耗的溶解氧，用Nr表示；四是反硝化细菌将硝酸根和亚硝酸根还原为N2时释放的氧，需氧量应减去这部分的产氧量，用Mr表示。因此，需氧量Ro可表示为：
Ro=Sr+Vr+Nr-Mr
（1）由于完全生化需氧量BODu与5天生化需氧量BOD5之间的关系是BODu=1.47BOD5，因此去除有机物需氧量为：
Sr=1.47Q(S0-S)
式中，S0、S进出水BOD5，kg/m3;Q为污水处理量,m3/d。
所以，惠州市第四污水处理厂去除有机物的实际需氧量为：
Sr=1.47Q(S0-S)
=1.47*28000(0.053-0.012)
=1687.56kgO2/d
（2）细胞分子式可表示为C5H7O2N，其自身代谢的分子方程式可表示为：
C5H7O2N+5O2+H+=5CO2+2H2O+NH4+
从上式可看出，Vr为1.42VSS，VSS一般可取为0.7MLSS，惠州市第四污水处理厂VSS/MLSS=0.72，MLSS取3500mg/l，因此Vr=1.43*0.72*MLSS。
所以，惠州市第四污水处理厂内源呼吸所需的实际需氧量为：
Vr=1.43*0.72*MLSS
=1.43*0.72*3.5
=3.61kgO2/d
（3）硝化细菌在有氧条件下转化NH4+的分子方程式可表示为：
NH4++1.83O2+1.98HCO3-=0.02C5H7O2N+1.041H2O+0.98NO3-+1.88H2CO3
从上式可看出，每转化1单位的NH4+消耗的溶解氧为4.57个单位，因此Nr=4.57Q(N0-N)
式中，Q为污水处理量,m3/d，N0、N为进出水NH4+的含量,kg/m3。
所以，惠州市第四污水处理厂，硝化过程所需的实际需氧量为：
Nr=4.57*Q(N0-N)
=4.57*28000*(0.020-0.0039)
=2060.16kgO2/d
（4）反硝化细菌将硝酸根和亚硝酸根还原为N2时的反硝化过程可表示为：
NO3-+5H+（电子供体）=0.5N2+2H2O+OH-
NO2-+3H+（电子供体）=0.5N2+H2O+OH-
从上式可以看出，还原1个单位的NO3-释放的氧当量为5*（16/2）/14=2.86个单位。结合硝化反应与反硝化反应分子方程式，可以得出
Mr=2.86*0.98Q(N0-N)
式中，Q为污水处理量,m3/d，N0、N为进出水NH4+的含量，kg/m3。
所以，惠州市第四污水处理厂，硝化过程所需的实际需氧量为：
Mr=2.86*0.98Q(N0-N)
=2.86*0.98*28000*(0.020-0.0039)
=1263.50kgO2/d
（5）综上所述，需氧量Ro为：
Ro=Sr+Vr+Nr-Mr
= 1.47Q(S0-S)+1.43*0.72*MLSS+4.57Q(N0-N)-2.86*0.98Q(N0-N)
因而惠州市第四污水厂实际需氧量为：
Ro=Sr+Vr+Nr-Mr
= 1687.56+3.61+2060.16-1263.50
=2437.83kgO2/d
同时，按出水富氧余量2mg/l计算，则需安全富氧余量为： 0.002kg/m3*28000m3/d=5.6kgO2/d
所以，惠州市第四污水厂总需氧量为:
2437.8kgO2/d+5.6kgO2/d=2443.4kgO2/d
2.1.2 需气量
需气量指单位时间内需供给曝气池的空气量，用Po表示。
惠州市第四污水处理厂曝气装置采用HDQ-3-L膜片盘式微孔曝气器（曝气盘），其氧利用率为7.5%。在一个标准大气压下，空气含氧率为20.94%，空气密度为1.221kg/m3因此，需气量可表示为：
Po=(Ro/20.94%)/7.5%=(2443.4/0.2094)/0.075=155581kg/d
即为，155581/1.221=127421m3/d，此时气水比为127421m3/d：28000m3/m3/dd=4.6：1。
2.1.3 气水比
通过需氧量与需气量计算及污水进出水水质变化，可得知惠州市第四污水厂实际气水比应控制在4～5：1之间。
2.2 不同气水比下的有机污染物去除率
2.2.1 各控制参数的确定
为了能更好的反映在不同气水比下有机污染物的去除率，固定以下控制参数：
污泥浓度MLSS=3500mg/l
BOD污泥负荷Ns=QS/VX=28000*53/19200*3500=0.022kgBOD(kgMLSS.d)
pH=6.8～7.5
2.2.2 不同气水比下COD、NH3+-N的去除效果
（1）试验方法
在保证其它条件不发生根本改变的前提下，同时对惠州市第四污水厂两台百事德BK8024型三叶罗茨鼓风机频率进行了调整，每调整一次运行三天，两台鼓风机频率分阶段调整如下：
36Hz、38Hz、40Hz、42Hz、44Hz、46Hz、48Hz
经鼓风机风量流量计测量后，其对应的风机风量为：
103265.28m3/d、109002.24m3/d、114739.20m3/d、120476.16m3/d、126231.12m3/d、137687.04m3/d
对应的气水比分别为：
3.7:1、3.9:1、4：1、4.3:1、4.5：1、4.7：1、5：1
（2）采样方法
每调整一次的第三天采24小时混合样
（3）试验结果
分别考察气水比变化对COD、NH3+-N的影响试验，结果如表-2所示：
表-2 气水比变化对COD、NH3+-N去除的影响表
从上表可看出，当气水比在4.5：1，也就是鼓风机频率在44Hz时，COD与NH3+-N的去除率最高，与气水比理论计算高度吻合。
3、结论
（1）气水比作为污水厂重要的运行控制参数之一，其确定须理论联系实际，在进出水不断变化的过程中，应找到在一定范围内最佳比值，这不但能实现运行的最优控制，同时也能实现污水厂的节能降耗，降低运行成本。
（2）在处理低浓度生活污水时，气水比控制不宜太高，应尽量控制在4～5：1之间，当然，其最佳值是在不断探索研究中确定的，每个污水厂在一定进水范围内都应有一个最佳气水比。
（3）气水比的控制与整个供气系统有着最为紧密的关联，运行时应做好供气系统各组件的维护保养工作。
参考文献
[1]方先金，SBR工艺特性及降解过程的研究。给水排水，2000，26（7）：18～21。
[2]朱贵秀、刘志隆，一般用途罗茨鼓风机第二部分：性能试验方法。中华人民共和国机械行业标准，JB/T8941.2-1999。
[3]张自杰，废水处理理论与设计。北京：中国建筑工业出版社，2003.07。
[4]李亚新，活性污泥法理论与技术。中国建筑工业出版社，2007.08
3、结论
（1）气水比作为污水厂重要的运行控制参数之一，其确定须理论联系实际，在进出水不断变化的过程中，应找到在一定范围内最佳比值，这不但能实现运行的最优控制，同时也能实现污水厂的节能降耗，降低运行成本。
（2）在处理低浓度生活污水时，气水比控制不宜太高，应尽量控制在4～5：1之间，当然，其最佳值是在不断探索研究中确定的，每个污水厂在一定进水范围内都应有一个最佳气水比。
（3）气水比的控制与整个供气系统有着最为紧密的关联，运行时应做好供气系统各组件的维护保养工作。
参考文献
[1]方先金，SBR工艺特性及降解过程的研究。给水排水，2000，26（7）：18～21。
[2]朱贵秀、刘志隆，一般用途罗茨鼓风机第二部分：性能试验方法。中华人民共和国机械行业标准，JB/T8941.2-1999。
[3]张自杰，废水处理理论与设计。北京：中国建筑工业出版社，2003.07。
[4]李亚新，活性污泥法理论与技术。中国建筑工业出版社，2007.08
