基于CASS工藝處理工業(yè)廢水文獻(xiàn)綜述

(國藥集團(tuán)重慶醫(yī)藥設(shè)計(jì)院有限公司 重慶 400042)

一、CASS工藝概述

循環(huán)式活性污泥工藝[1](Cyclic Activated Sludge System)，簡稱CASS，它是在ICEAS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的又一種改進(jìn)的SBR工藝。MervynC.goronszy 教授于 1969 年從連續(xù)進(jìn)水間歇運(yùn)行的氧化溝工藝著手從事可變?nèi)莘e活性污泥法的研究和開發(fā)。1978年利用活性污泥基質(zhì)積累再生原理，根據(jù)基質(zhì)去除和污泥負(fù)荷的試驗(yàn)結(jié)果以及污泥活性組成和污泥呼吸之間的關(guān)系，將生物選擇器和序批式活性污泥法結(jié)合成功開發(fā)了循環(huán)式活性污泥法，并于1984和1989年在美國和加拿大取得了專利。由于該工藝具有工藝流程簡單、處理效果穩(wěn)定、占地面積小、投資及運(yùn)行費(fèi)用低、耐沖擊負(fù)荷和脫氮除磷能力強(qiáng)、運(yùn)行管理方便、可分期建設(shè)、不易產(chǎn)生污泥膨脹等優(yōu)點(diǎn)，因此CASS工藝已廣泛的應(yīng)用于各種廢水的處理，是近年來國際公認(rèn)的處理生活污水及工業(yè)廢水的先進(jìn)工藝。

(一)CASS組成及運(yùn)行過程

CASS反應(yīng)池一般由3個(gè)區(qū)域組成：生物選擇區(qū)、兼氧區(qū)和主反應(yīng)區(qū)。生物選擇區(qū)為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域，兼氧區(qū)和主反應(yīng)區(qū)用擋板隔開，但水流相通。在此反應(yīng)器中活性污泥法的過程按進(jìn)水曝氣、沉淀、潷水、閑置四個(gè)階段不斷重復(fù)，將生物反應(yīng)過程和泥水分離過程結(jié)合在一個(gè)池子中進(jìn)行。圖1為CASS工藝的基本循環(huán)過程，其具體運(yùn)行過程依次為：

圖1 CASS 工藝基本循環(huán)過程示意圖

(1)進(jìn)水-曝氣階段：一邊進(jìn)水、一邊曝氣。主反應(yīng)區(qū)的污泥不斷地回流至選擇區(qū)，一般回流比約為進(jìn)水量的20%。污泥回流是為了提高厭氧區(qū)的污泥濃度。曝氣能確保好氧微生物對(duì)氧的需求，并確保污泥與有機(jī)物充分混合，使有機(jī)污染物被氧化分解。同時(shí)，污水中的氨氮通過硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。

(2)進(jìn)水-沉淀階段：活性污泥在近乎靜止的條件下絮凝并進(jìn)行泥水沉淀分離，上清液位于污泥層上部，活性污泥沉至池底。在此階段進(jìn)水和污泥回流不停止，主反應(yīng)區(qū)微生物逐步由好氧向缺氧狀態(tài)轉(zhuǎn)變，缺氧情況下會(huì)發(fā)生一定程度的反硝化反應(yīng)。

(3)潷水階段：沉淀結(jié)束，在程序控制下潷水器開始運(yùn)行，自上而下逐漸排出上清夜，排水結(jié)束后潷水器自動(dòng)復(fù)位。潷水期間，進(jìn)水不進(jìn)入本池，而是被引入到其它 CASS 反應(yīng)池中。污泥回流照常進(jìn)行，由于污泥回流是從池底取泥，故不會(huì)影響出水水質(zhì)。

(4)進(jìn)水-閑置階段：潷水器逐漸上升復(fù)位，以防止污泥流失。若在此階段進(jìn)行適量的曝氣，則有利于恢復(fù)污泥的活性。此階段污泥回流正常工作。

(二)CASS工藝的主要技術(shù)特征

1.連續(xù)進(jìn)水，間斷排水

傳統(tǒng)SBR工藝為間斷進(jìn)水，間斷排水，而實(shí)際污水排放大都是連續(xù)或半連續(xù)的，CASS工藝可連續(xù)進(jìn)水，克服了SBR工藝的不足，比較適合實(shí)際排水的特點(diǎn)，拓寬了SBR工藝的應(yīng)用領(lǐng)域。雖然CASS工藝設(shè)計(jì)時(shí)均考慮為連續(xù)進(jìn)水，但在實(shí)際運(yùn)行中即使有間斷進(jìn)水，也不影響處理系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.運(yùn)行上的時(shí)序性

CASS 反應(yīng)池通常按曝氣、沉淀、排水和閑置四個(gè)階段根據(jù)時(shí)間依次進(jìn)行。

3.運(yùn)行過程的非穩(wěn)態(tài)性

每個(gè)工作周期內(nèi)排水開始時(shí) CASS 池內(nèi)液位最高，排水結(jié)束時(shí)，液位最低，液位的變化幅度取決于排水比，而排水比與處理廢水的濃度、排放標(biāo)準(zhǔn)及生物降解的難易程度等有關(guān)。反應(yīng)池內(nèi)混合液體積和基質(zhì)濃度均是變化的，基質(zhì)降解是非穩(wěn)態(tài)的。

4.溶解氧周期性變化，濃度梯度高

CASS 在反應(yīng)階段是曝氣的，微生物處于好氧狀態(tài)，在沉淀和排水階段不曝氣，微生物處于缺氧甚至厭氧狀態(tài)。因此，反應(yīng)池中溶解氧是周期性變化的，氧濃度梯度大、轉(zhuǎn)移效率高，這對(duì)于提高脫氮除磷效率、防止污泥膨脹及節(jié)約能耗都是有利的。實(shí)踐證實(shí)對(duì)同樣的曝氣設(shè)備而言，CASS 工藝與傳統(tǒng)活性污泥法相比有較高的氧利用率。

5.同步硝化反硝化

根據(jù)測(cè)定，因微生物絮體中自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌分布不均勻，NH3-N的硝化(氧化)在微生物絮體外面進(jìn)行，而較高濃度梯度的NO3-N 離子可進(jìn)入絮體內(nèi)部。運(yùn)行時(shí)通過控制曝氣強(qiáng)度和主反應(yīng)池中溶解氧含量(DO 在2～3mg/L左右)，使反應(yīng)池內(nèi)混合液處于好氧狀態(tài)，微生物絮體內(nèi)部處于缺氧狀態(tài)，溶解氧難以進(jìn)入絮體內(nèi)，而較高濃度的硝酸鹽可進(jìn)入絮體內(nèi)部，從而有效地進(jìn)行反硝化反應(yīng)，這樣在主反應(yīng)池中能同時(shí)發(fā)生有機(jī)污染物的降解以及同步硝化反硝化反應(yīng)。污泥中存在的少量硝態(tài)氮(NO3-N約為1～2mg/L)也可通過回流到選擇區(qū)中而得到反硝化。

(三)CASS工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

CASS 工藝與傳統(tǒng)的活性污泥法相比優(yōu)點(diǎn)主要可歸納如下：

(1)建設(shè)費(fèi)用低。省去了初次沉淀池、二次沉淀池及污泥回流設(shè)備，建設(shè)費(fèi)用可節(jié)省20% ～30%。工藝流程簡潔，污水廠主要構(gòu)筑物為集水池、沉砂池。CASS 曝氣池、污泥池，布局緊湊，占地面積可減少35%。

(2)運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用省。由于曝氣是周期性的，池內(nèi)溶解氧的濃度也是變化的，沉淀階段和排水階段溶解氧降低，重新開始曝氣時(shí)，氧濃度梯度大，傳遞效率高，節(jié)能效果顯著，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用可節(jié)省10% ～25%。

(3)能很好地緩沖進(jìn)水水量與水質(zhì)的波動(dòng)。不僅能有效去除污水中有機(jī)碳源污染物，而且具有良好的脫氮、除磷功能，排出的剩余污泥穩(wěn)定化程度較高。

(4)進(jìn)水的波動(dòng)可用改變曝氣時(shí)間的簡單方法即可予以緩沖。管理簡單，運(yùn)行可靠，不易發(fā)生污泥膨脹，一般污泥指數(shù)不超過50 ～70mg/L。

二、CASS工藝的應(yīng)用性研究

(一)CASS工藝處理屠宰廢水

屠宰廢水水量有明顯的季節(jié)性差異和日時(shí)段差異，為非連續(xù)性排放，且廢水固體懸浮物含量高(廢水中含有大量的血污、油脂、豬毛、肉屑、內(nèi)臟雜物、未消化的飼料及糞便等污物)，還可能含有多種和人體健康有關(guān)的細(xì)菌，如糞大腸桿菌、葡萄球菌、細(xì)菌螺旋體菌、沙門氏菌等，同時(shí)廢水的有機(jī)含量也很高。

崔芳，袁博[2]采用UASB-射流曝氣CASS工藝處理屠宰廢水，經(jīng)處理后出水COD濃度為80mg /L，BOD5為30 mg/L，NH3-N為15 mg/L，處理后廢水達(dá)到肉類加工業(yè)水污染排放標(biāo)準(zhǔn)(GB13457-92)中畜類屠宰加工的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的排放要求。該污水處理工程總投資248.1萬元，運(yùn)行費(fèi)用為0.58元·m3，而國內(nèi)同類工程的一次性投資一般為1 200～1 500元·m3，運(yùn)行費(fèi)用為0.6～0.9 元·m3。說明該工程的一次性投資和運(yùn)行費(fèi)用均比國內(nèi)同類項(xiàng)目要低。而且其整個(gè)工藝運(yùn)行效果穩(wěn)定可靠，操作簡單，有很高的推廣價(jià)值。

易兆青等[3]采用ABR /CASS法處理屠宰廢水，處理效果穩(wěn)定，經(jīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門檢測(cè)，廢水處理站排放口平均COD濃度為40 mg /L,BOD5為20 mg/L，NH3-N為10mg /L出水水質(zhì)可達(dá)到《肉類加工工業(yè)水污染排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13457—1992)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。每年減少COD排放量2500 t，環(huán)境效益十分顯著。經(jīng)計(jì)算后，直接處理成本為0.53元 / m3，經(jīng)濟(jì)效益可觀。在實(shí)際運(yùn)行中，由于企業(yè)受生產(chǎn)旺季和淡季的影響，水質(zhì)、水量變化較大，需根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整 CASS反應(yīng)池運(yùn)行周期，使出水BOD5、氨氮穩(wěn)定。

(二)CASS工藝處理啤酒生產(chǎn)廢水

啤酒生產(chǎn)廢水主要源于制麥芽、前后發(fā)酵、釀造、灌裝等生產(chǎn)工序。廢水中主要污染物有糖類、淀粉 、蛋白質(zhì)、醇類等有機(jī)物，屬中等濃度的食品工業(yè)廢水，進(jìn)入水體要消耗大量溶解氧，對(duì)水體環(huán)境造成嚴(yán)重危害，必須經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后才能外排。

強(qiáng)紹杰等[4]的工程實(shí)例中介紹了采用CASS工藝處理啤酒廢水，該工程正常運(yùn)行以8h為周期，其中進(jìn)水、曝氣、回流時(shí)間為6h，進(jìn)水、沉淀時(shí)間為1h，潷水、排泥時(shí)間為1h。工程調(diào)試后，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間約半年，其出水CODCr濃度可控制在60-120mg/L范圍內(nèi)，BOD5約在30-60mg/L，pH6.7-8.7以內(nèi)，運(yùn)行結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，出水能完全達(dá)到要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。在本工程調(diào)試期間,由于進(jìn)水高濃度的沖擊,曾出現(xiàn)過污泥膨脹現(xiàn)象,估計(jì)可能有兩個(gè)原因：(1)污泥回流比小，原設(shè)計(jì)污泥回流比為20～ 30%；(2)限制性曝氣區(qū)體積偏小，原預(yù)選擇區(qū)占總體積的5% 左右。調(diào)試后期，更換了大流量的污泥回流泵，增大污泥回流比，降低預(yù)選擇區(qū)曝氣強(qiáng)度，即將部分預(yù)反應(yīng)區(qū)設(shè)置成預(yù)選擇區(qū)。經(jīng)過改造后，未發(fā)生過污泥膨脹現(xiàn)象。該啤酒廢水處理工程表明：CASS 處理工藝能有效地處理啤酒廢水，當(dāng)CODCr在800 ～1500mg/L范圍內(nèi)，處理出水能達(dá)到或優(yōu)于地方排放標(biāo)準(zhǔn)。合理選取設(shè)計(jì)參數(shù)，能使CASS工藝達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)行效果。

(三)CASS工藝處理印染廢水

我國是紡織印染業(yè)的第一大國，而紡織印染業(yè)又是工業(yè)廢水排放大戶，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國印染廢水排放量約為每天300～400 萬噸。廢水中的有機(jī)組分大多以芳烴及雜環(huán)化合物為母體，并帶有顯色基團(tuán)(如—N = N、—N = O)及極性基團(tuán)(如—SO3Na、—OH、—NH2)；廢水中還含有較多的原料和副產(chǎn)品(如鹵化物、硝基物、苯胺、酚類等)，以及無機(jī)鹽(如 NaCl、Na2SO4、Na2S 等)。因此，印染廢水具有“四高一低”的特點(diǎn)：色度高、COD 高、鹽度高、毒性高、BOD5/COD 值低。這種廢水如果直接排放，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，并可能通過食物鏈直接或間接影響人們的身體健康。

邵利芬等[5]采用混凝沉淀/CASS /砂濾工藝處理漂染廢水，其中CASS池運(yùn)行周期為6 h，曝氣3.5 h、沉淀1.5 h、排水1 h。其出水水質(zhì)經(jīng)環(huán)境監(jiān)測(cè)部分監(jiān)測(cè)得COD平均出水濃度為26mg/L，BOD5平均出水濃度為10 mg/L，SS為8 mg/L，色度為19倍，pH平均為7.92。工程運(yùn)行結(jié)果表明，處理后出水水質(zhì)優(yōu)于《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4287—1992)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，85%的處理出水可回用于生產(chǎn)中的漂洗工序。工程運(yùn)行1年多來，處理效果穩(wěn)定，出水部分回用為企業(yè)節(jié)約了成本，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

陳中健等[6]應(yīng)用CASS工藝處理印染廢水的工程實(shí)例中，該項(xiàng)目處理規(guī)模為2000 m3/d，處理后90%的廢水可回用。其中CASS池實(shí)際運(yùn)行周期是14 h，其中曝氣11.5 h，沉淀1 h，排水1 h，閑置 0.5 h。其最終出水水質(zhì)CODCr濃度為40.5 mg/L，BOD5濃度為9.5 mg/L，SS為9 mg/L，色度為8倍。廢水經(jīng)CASS 工藝處理后，可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)運(yùn)行成本為0.623元/m3，若達(dá)到回用要求需要再增加成本0.168元/m3，按自來水2元/m3、每年按330個(gè)工作日計(jì)算，工程可節(jié)約水費(fèi)108.8萬元/a。項(xiàng)目建成后減少排污量59.4萬m3/a，CODCr713 t/a，BOD 5 214 t/a，其經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益顯著。由于印染廢水水質(zhì)水量變化較大，因此水質(zhì)的均化對(duì)于本工程至關(guān)重要，在工程成本控制范圍內(nèi)，可盡可能擴(kuò)大調(diào)節(jié)池的容積以便更好的使水質(zhì)得到均化。

(四)CASS工藝處理制藥廢水

制藥廢水通常屬于較難處理的高濃度有機(jī)污水之一，以藥物產(chǎn)品不同、生產(chǎn)工藝不同而差異較大，其特點(diǎn)是組成復(fù)雜，有機(jī)污染物種類多、濃度高、CODCr值和BOD5值高且波動(dòng)性大，廢水的BOD5/CODCr值差異較大，NH3-N濃度高，色度大毒性大，固體懸浮物SS濃度高。而且制藥廠通常是采用間歇生產(chǎn)，產(chǎn)品的種類變化較大，造成了廢水水質(zhì)、水量及污染物的種類變化較大。

胡家陽[7]采用絮凝沉淀/IC/水解酸化/CASS 法處理制藥廢水中，其廢水來源為某抗生素生產(chǎn)企業(yè)排放的廢水主要來自頭孢母核原料(7-ACA)提取、結(jié)晶、頭孢合成、合成結(jié)晶等。在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)生化系統(tǒng)污泥濃度低及IC塔酸化問題，主要原因是有時(shí)該企業(yè)進(jìn)水中的氨氮含量與有機(jī)物含量失衡，COD及NH3-N濃度過高，需要投加合適的磷等營養(yǎng)物質(zhì)及調(diào)節(jié)pH值，保證微生物正常生長的需要。該工程于2012年3月投產(chǎn)至今，各項(xiàng)出水指標(biāo)均達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)的二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

王現(xiàn)麗[8]等采用UASB+CASS工藝處理制藥廢水中，其廢水來源主要為中藥材淘洗廢水、中藥煎煮廢渣殘液及容器清洗廢水、鍋爐廢水、辦公生活廢水。其中對(duì)于好氧處理，采用CASS工藝，有效的抑制了污泥膨脹。在廢水流量低于設(shè)計(jì)值時(shí)，CASS 系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)液位計(jì)的設(shè)定值，使用反應(yīng)池的部分容積，或調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間，從而避免了不必要的電耗。CASS凈化過程通過自動(dòng)控制，勞動(dòng)強(qiáng)度低，處理費(fèi)用大大降低。其CASS池出水水質(zhì)COD可達(dá)73 mg/L，BOD5達(dá)15 mg/L，SS為40 mg/L，色度降至40倍。出水水質(zhì)穩(wěn)定并達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 8978-1996)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(五)CASS工藝處理食品加工廢水

由于食品種類繁多，原料來源廣泛，食品加工污水具有懸浮物、油脂含量高，易腐敗，重金屬離子含量高，COD和BOD數(shù)值大，水量變化幅度大，氮、磷化合物含量高，某些情況下水溫也較高等特點(diǎn)。其危害主要是使水體富營養(yǎng)化，以致引起水生動(dòng)物和魚類死亡，促使水底沉積的有機(jī)物產(chǎn)生臭味，惡化水質(zhì)，污染環(huán)境。

吳俊峰等[9]采用水解酸化-CASS-氧化工藝處理骨類食品加工廢水，原廢水水質(zhì)為：COD為5000 mg/L，BOD5為1500 mg/L，SS、NH3-N、動(dòng)植物油質(zhì)量濃度分別為1000、280、1200mg/L。廢水設(shè)計(jì)處理規(guī)模為420 m3/d。在調(diào)試運(yùn)行中，CASS池中發(fā)現(xiàn)活性污泥顏色變深，通過對(duì)CASS反應(yīng)池取樣分析，發(fā)現(xiàn)CASS初始階段溶解氧質(zhì)量濃度過低，大約0.5 mg/L，缺氧環(huán)境導(dǎo)致活性污泥顏色變深，同時(shí)出水中COD由90 mg/L增大到270 mg/L左右。通過增大曝氣量，提高溶解氧質(zhì)量濃度到3 mg/L以上，出水水質(zhì)不斷提高。最終該廢水處理工藝經(jīng)調(diào)試運(yùn)行，出水水質(zhì)穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)的排放標(biāo)準(zhǔn)。其最終出水COD為72mg/L，BOD5為17 mg/L，SS為33 mg/L，NH3-N為11 mg/L，動(dòng)植物油濃度為8 mg/L。

張克軍等[10]采用UASB/CASS工藝處理飲料廢水工程設(shè)計(jì)中，CASS池運(yùn)行周期為8小時(shí)，最終出水COD為57mg/L，BOD5為16 mg/L，NH3-N為7 mg/L，pH為7.5，達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

三、結(jié)語

綜上所述，CASS工藝適用范圍廣泛；相對(duì)于傳統(tǒng)活性污泥處理法建設(shè)費(fèi)用低、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用省、處理流程短、占地面積少；能很好地緩沖進(jìn)水水量與水質(zhì)的波動(dòng)，處理效果穩(wěn)定，管理簡單，運(yùn)行可靠，不易發(fā)生污泥膨脹，出水水質(zhì)好。是一種值得大力推廣的污水處理工藝。