CAST工藝在城鎮污水處理廠中的應用分析

屈秀娟

摘 要：在城市建設發展過程中，污水問題成為影響城市發展速度的主要因素，因此需要對城鎮污水處理給予高度的重視，以更好地滿足城市環境發展需求。在城鎮污水處理廠中CAST工藝得到了廣泛應用，其是在SBR工藝的基礎上研發出來的一種新工藝，增設了污泥回流設施和選擇器，從而確保了城鎮污水處理的效果。本文將以神華準能集團有限責任公司污水處理廠（以下簡稱準能污水處理廠）為例，對CAST工藝的方法、基本流程和所取得的效果進行分析，以更好地提高城鎮污水處理廠的經濟效益。

關鍵詞：CAST工藝 城鎮污水處理廠 應用效果

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（c）-0071-03

CAST工藝是近些年來新研發出來的一種循環式活性污泥法，其是在SBR工藝的基礎上增加了污泥回流、生物選擇區，因此在城鎮污水處理廠中得到了廣泛應用。CAST工藝最主要的特點就是能夠將主反應區處理后得到的部分剩余污泥輸送回流至前端選擇器中，并且在不進水的條件下進行沉淀，從而確保主反應區排水的穩定性。同時，缺氧區的設置也可以有效地提高CAST工藝的脫氮除磷效果。

1 CAST工藝概述

1.1 CAST工藝概念

循環式活性污泥法簡稱為CAST工藝，其又可以被稱之為周期循環活性污泥工藝。CAST工藝基本上是在一個反應器中完成的，并根據曝氣/曝氣沉淀、出水等順序循環工作，并且每個池子交替間歇運行，是對SBR工藝的有效改造和完善。CAST工藝是在SBR工藝的基礎上增設了污泥回流設施和生物選擇器，同時對其時序進行了相應的調整，不僅提高了污水處理的可靠性，而且還提高了城鎮污水處理的效果。

1.2 CAST工藝工作原理

在一個反應器中CAST工藝可以完成有機污染物的泥水分離和生物降解過程。實際上，可以把CAST工藝劃分為四個階段，分別為進水-曝氣階段、沉淀階段、潷水階段、閑置階段。

（1）進水-曝氣階段。在CAST工藝中，進水和曝氣是同時進行的，其一般是從主反應區把污泥回流到預反應區中，該階段的回流比為30%。該階段需要曝氣系統持續曝氣，這樣不僅可以確保活性污泥與有機物充分混合，從而加快微生物對有機污染物的氧化分解，而且還能確保好氧微生物對氧的基本需求。

（2）沉淀階段。該階段需要停止曝氣操作，并借助池中殘留的溶解氧，微生物可以繼續對有機物進行氧化分解。當微生物活動一段時間后，池內溶解氧的含量將會逐漸減少，并從好氧狀態逐漸轉變成缺氧狀態，隨后就發生了硝化反應。同時，該階段整個池內一直保持靜止狀態，并且依靠重力作用完成泥水分離過程。

（3）潷水階段。沉淀階段結束之后，位于CAST池尾部的潷水器將會自動降下，并把上清液從上到下逐漸排出，當排水逐漸完成時潷水器將會自動上升至開始的位置。該階段完成污泥回流過程，從而使生物選擇區污泥的濃度明顯提升，促進硝化反應進行，同時該階段也完成了磷的釋放過程。

（4）閑置階段。其主要是為了使潷水器回到最初位置，避免曝氣階段污泥進入潷水器中，對水質的整體質量產生影響。同時，該階段也可以使污泥的吸附能力得到恢復。

1.3 CAST工藝的特點

CAST工藝最重要的特征是不設獨立的沉淀池及其刮泥系統，在CAST工藝中，活性污泥始終保持在一個池子中進行生物反應和泥水分離，因此，CAST系統能節約大量基建投資和運行費用。當由于進水流量和水質發生變化而影響污泥性質時（如絮凝效果等），可簡單地通過調節變化進水和曝氣循環過程，而使系統重新恢復正常狀態，開發CAST工藝的主要目標是盡可能降低設備投資，簡化工藝流程及其操作過程，提高系統的可靠性和運行的靈活性。

CAST工藝的特點主要可歸納為幾點：（1）池子總容積減少，土建工程費用降低；（2）能很好地緩沖進水水量和水質的波動，雨季無需設置調節池，進水的波動可用改變曝氣時間的簡單方法即可予以緩沖；（3）處理效果好，排出的剩余污泥穩定化程度較高；（4）無需調協二沉池和龐大的回流污泥泵站；（5）占地面積少；（6）無污泥膨脹，污泥指數不超過50～70mL/g；（7）自動化程度高，人工操作簡單，但管理運行較復雜，與之相關的設備質量要求較高，應有較高的設備維護水平及能力。

1.4 CAST工藝主要設備

1.4.1 生物選擇器

CAST工藝中主反應區前端設置生物選擇器，這樣廢水中溶解性有機物質就可以借助酶反應機理給予有效的去除。對于污泥回流液中的硝酸鹽能夠在選擇器中進行反硝化作用，并對活性污泥的絮體負荷進行了有效的調節，避免出現污泥膨脹，提高系統運行的穩定性。

1.4.2 主曝氣區

主曝氣區在CAST工藝中主要是曝氣供氧，并完成對有機質的有效降解，從而促進硝化、反硝化過程的順利進行。

1.4.3 污泥回流、剩余污泥排放系統

通常情況下，剩余污泥泵、回流污泥泵設置在CAST池的中段，借助回流污泥泵將主曝氣區靜沉時的污泥抽送至生物選擇器，沉淀階段結束后產生的剩余污泥排出至污泥脫水系統進行離心脫水。

1.4.4 潷水裝置

在CAST池的末端，配備了潷水器，可以通過電機驅動按照設定時間自動進行升降，從而使處理后的污水得到有效的排出。

2 CAST工藝的應用現狀

2.1 微生物間的復雜關系有待研究

與常規活性污泥法相比，在CAST工藝系統中微生物種群結構存在一定的差異性，菌群一般是由硝化菌、聚磷菌、反硝化菌和異養型好氧菌等構成。對非穩態CAST工藝而言，微生物種群間存在著相對比較復雜的生存競爭關系，需要對其進行深入研究和探析。

2.2 生物脫氮效率有待提升endprint

首先，硝化反應無法完全進行。實際上，消化細菌屬于化能自養菌，而大部分有機物的降解需要異養細菌才可以完成。如果把兩種細菌混合在一起進行培養，在一定程度上抑制了消化菌的生長，無法形成優勢種群，從而使消化反應無法順利進行。其次，反硝化反應不徹底。在城鎮污水處理廠中引入CAST工藝，其中有大概20%的硝態氮會在回流污泥過程中完成反硝化反應，無法達到理想的脫氮效果。

2.3 控制方式較為單一

在城鎮污水處理廠中，大多數的CAST工藝都是以時序控制為主，其控制方式具有明顯的劣勢。因為污水的水質是不斷變化的，依靠單一的控制方式無法達到比較理想的污水處理效果。

3 CAST工藝的優點

（1）工藝流程簡單，布置緊湊，運行靈活，處理效果好，可在不增加大量投資的條件下，實現深度除磷脫氮的目的。

（2）工程投資低。因無需初沉池及二沉池，混凝土用量和土建投資低。系統中無需設置龐大的刮泥機、大量攪拌機以及龐大的污泥回流和內回流泵，故系統機械設備投資低。

（3）工藝系統運行費用低。由于污泥回流比較低（通常為日平均流量的30%），無需攪拌設備，故節省大量能耗，另外通過實現深度反硝化可以回收氧量，故系統可最大程度地降低能耗和運行成本。

（4）抗沖擊負荷和適應能力強。系統通過選擇器可以自動抑制絲狀污泥和微生物的增殖，具有很高的工藝穩定性。系統具有抗有機和水力沖擊能力。通過調節各個階段循環時間即可適應實際進水負荷的變化，適應水質水量的變化能力強。CAST工藝的另外一個重要特點是所有的活性污泥在任何時間都處于一個反應池中，能保證有機物的降解、硝化等生物處理過程的正常進行。

（5）自動化程度高，管理簡便。整個工藝系統的操作完全自動化，維護費用及人員費用能降到最低。

4 工程實例分析

4.1 準能污水處理廠概況

準能污水處理廠坐落于內蒙古自治區準格爾旗薛家灣鎮，總占地面積77400余m2。隨著地方經濟的快速發展和準能集團生產規模的擴大，準能污水處理廠長期處于超負荷狀態，為了有效解決污水問題，該污水處理廠于2008年、2016年先后兩次進行了改擴建工程建設，均以CAST為主體工藝，處理規模40000m3/d，設計出水水質為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A標準，總投資1.8億元。

4.2 設計進出水水質

準能污水處理廠選擇了CAST工藝，處理能力達到了40000m3/d，總變化系數為1.41，二期污水處理規模得到了平均分布（分別為20000m3/d），總變化系數為1.49。根據準能污水處理廠的實際情況和運行參數，將冬季污水處理的水溫控制在13℃。該污水處理廠設計進出水水質如表1所示。

4.3 污水處理工藝流程

準能污水處理廠采用CAST工藝（循環式活性污泥法），總體工藝流程包括預處理段（粗格柵、細格柵、沉砂池）、生物處理段（CAST工藝）、深度處理段（高效沉淀池+D型濾池）、污泥處理段以及生物和化學相結合的除磷措施。

其工藝流程如圖1所示。

入網污水經各分支排水管網進行收集，然后匯流至準能污水處理廠，通過粗格柵機、細格柵機、超細格柵機、橋式吸砂機、砂水分離器去除進水中較大的漂浮物和粒徑較大的砂粒。篩選后的水流入CAST池中的生物選擇區，在該區污水原水會與池內的污泥進行接觸并混合回流污泥，既可防止污泥膨脹，又可使活性污泥中含有的過量的磷得到有效釋放，為后續主曝氣區超量生物吸磷創造條件。主曝氣區是污水處理的核心，采用管式曝氣系統，為活性污泥微生物提供氧量，主要完成硝化、反硝化過程，生物除磷、脫氮和去除有機污染物；通過生物處理之后的污水由集水池提升泵提升到高效沉淀池，其主要功能是化學除磷、脫氮，去除污水中污染物，然后進入D型濾池，進一步去除水中殘留的有機物、微小懸浮物，降低出水濁度，最后進入消毒池投加二氧化氯對其進行消毒處理，消毒后的中水回用于國華準格爾發電廠作為生產補充用水。CAST池所產生的剩余污泥通過剩余污泥泵將其運送至污泥脫水間進行離心脫水，脫水后的污泥運送到指定地點或直接進行污泥處置。

4.4 污水處理效果

準能污水處理廠根據設計進水水質、水量狀況，所選CAST工藝技術先進與成熟、處理效果好、運行安全可靠、高效節能、經濟合理，出水水質相對穩定，滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A標準，處理后的中水主要回用至國華準格爾發電廠，部分用于薛家灣地區園林綠化用水（此項目正在實施中）。近兩年該廠處理出水水質如表2所示。

準能污水處理廠不僅承擔著本公司職工生活區的污水處理任務，還承擔著薛家灣城鎮居民區、企事業單位、公建、公共生活服務設施等的生活污水處理任務，準能集團在自身發展的過程中，不斷加強與地方政府的合作，努力實現污染物減排和地區環境保護，為準格爾旗環保事業及黃河流域治理做出了重大貢獻，創造了良好的社會效益，同時實現中水復用，創造了經濟效益，使得環境效益、社會效益、經濟效益共贏。

5 結語

隨著社會經濟和城鎮化建設的快速發展，對于城鎮污水處理提出了較高的要求，使城鎮排水管網建設、污水處理設備以及水質指標等備受關注。為了更好地提高城鎮污水處理廠的處理效果，CAST工藝得到了廣泛應用，可以有效去除污水中的BOD、SS、COD、氨氮、總磷、總氮等污染物質，而且可以承受較大幅度的有機負荷和流量沖擊，與傳統活性污泥法相比，該工藝運行操作簡單、靈活，占地面積少，使用過程中所產生的活性污泥比較少，所得水質滿足國家的標準規范。

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