關于污水處理廠CASS工藝相關設計要點的探討

孫國帥，殷世忠

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

引言

CASS工藝是SBR工藝的一種，除了保留了SBR工藝原有的流程簡單、出水水質好、土建和設備投資低、耐水量水質負荷沖擊、運行靈活等優點，通過選擇區的設置，提高了容積利用率，有效控制了污泥膨脹的產生，并且強化了生化池的反硝化效果，提高了總氮去除效率[1]。自上世紀90年代以來，CASS工藝在中小型城市污水處理廠及工業污水含量較高的區域均有較為廣泛應用。

CASS工藝與其他活性污泥法污水處理工藝的主要區別在于生化池后不需要再另外設置二沉池，而且生化池出水后直接進入深度處理單元或直接通過消毒后出水，一般處理流程如圖1所示。

1 設計要點探討

1.1 選擇區的設置

CASS生化池通常將空間分成兩至三個區域，僅用于脫氮時，生化池設置兩個反應區，分別為缺氧生物選擇區和好氧區；當用于同步除磷脫氮時，水池可以分為厭氧生物選擇區、缺氧區和好氧區，其中的生物選擇區和主反應區分別如圖2和圖3所示。

圖2 CASS池剖面示意圖（脫氮）

圖3 CASS池剖面示意圖（脫氮除磷）

厭氧或缺氧生物選擇區的設置保證了活性污泥在進水階段能夠一直處于吸附狀態，從有利于反應池中絮凝性細菌的生長，提高了污泥的活性，使活性污泥能夠快速降解廢水中的易降解物質，從而有效地抑制了污泥膨脹的產生；同時，在沉淀階段，生物選擇區不會對主反應區的污泥沉降產生水力干擾，主反應區一的沉淀過程始終處于靜止環境中，因而沉淀效果更好。

當CASS池僅用于脫氮時，缺氧區內的溶解氧小于0.5 mg/L，缺氧區進行反硝化反應能夠去除TN，好氧區進行生物氧化和硝化反應，去除BOD、COD和NH3-H，同時好氧區混合液回流至缺氧區，其工藝流程見圖4。

圖4 CASS工藝流程示意圖（脫氮）

當CASS池進行同步脫氮除磷時，厭氧選擇區的溶解氧為0，嗜磷菌釋放出磷；當缺氧區內溶解氧含量小于0.5 mg/L時，可以進行反硝化反應去除TN；好氧區進行生物氧化和硝化反應，去除BOD、COD和NH3-H，同時好氧區混合液回流至厭氧生物選擇區，具體工藝流程見圖5。

圖5 CASS工藝流程示意圖（脫氮除磷）

生物選擇區的設置通常有兩種形式，一種設計為一個選擇區對應一個主反應區，也有設計為一個選擇區對應2～4個主反應區。例如：廣州開發區東區水質凈化廠一期工程設計規模為2.5萬m3/d，處理工藝為CASS工藝，設置了2組生化池，每組設置2個水池，每組水池共用一個選擇區；東區水質凈化廠三期工程的設計規模為10萬m3/d，處理工藝為CASS工藝，共設置了2組反應池，每組設有4個水池，每組水池共用一個選擇區。

生物選擇區在設計中除了要保持基質濃度梯度外，還應該使實際溶解氧盡可能地接近零值，反應器的水力停留時間取值僅可能保證反硝化反應的完成，通常缺氧生物選擇區的有效容積宜占總有效容積的20%，厭氧生物選擇區占總有效容積的5%～10%。

1.2 有效水深

CASS工藝水池常見的水深為4.0～6.0 m，通過對多家CASS及其他序批式處理工藝污水廠[2-4]進行調研可知，絕大多數CASS或序批式工藝污水廠的水深都不超過6.0 m，其中廣東省內的多家CASS工藝污水廠，僅有廣州開發區東區廠的二期工程和番禺區大石污水廠的一期工程設計水深達到了7.0 m，具體如表1所示。

表1 廣東部分CASS工藝污水廠設計水深統計表

由此可知，CASS池的水深增加可在一定程度上提高土地的利用率，并增加單位用地的污水處理規模，但是在水深增加時，工作人員還應重視以下幾點：①有效的水深增加，可以使水池的有效容積增加、使單位面積的出水量增加，因而會提高水池沉淀過程中的表面負荷，導致污泥和SS的沉降壓力增加②CASS池設計充水比通常為0.2～0.5，水池水深增加后會增加潷水高度，因而對潷水設備的穩定性提出了更高的要求。③CASS池水深的增加勢必會增加曝氣壓力，因而會增加噸水處理的電耗。

1.3 污泥濃度

活性污泥是CASS池內降解和去除各類污染物質的主體作用物質，通常CASS工藝設計污泥濃度范圍為1 500～5 000 mg/L，最新《室外排水設計標準》（GB 50014-2021）中設計的污泥濃度宜取2 500～4 500 mg/L，而在實際運營中，水廠可將污泥濃度維持到更高水平，如6 000～7 000 mg/L。一般而言，適當地增加污泥濃度可以提高污水處理廠的處理能力，但是污泥濃度的提高也會增加CASS池沉淀階段的表面負荷，因而增加污泥和SS的沉降風險。但是污泥濃度也不宜過低，過低的污泥濃度會導致工藝容積利用率過低，進而不利于水廠的集約化設計，而且在運營過程中容易產生大量泡沫，因而增加了運營風險。因此，在設計過程中設計人員最好根據污水的特性，通過實驗確定最佳的污泥濃度。

1.4 水力停留時間

水力停留時間是表征CASS池池容大小的關鍵參數。一般來說，污染物質的去除率會隨著水力停留時間的增加而提高。但是水力停留時間越長意味著土建投資和運營費用的增加，因此需要選擇合適的水力停留時間。有研究表明[5]，COD、NH3-N的去除率會隨著水力停留時間的增加而增加，但TN的去除率則是先增加后減小。其中COD在18 h停留時間的去除率高于16 h的去除率，當停留時間繼續增加，COD的去除率增加不明顯；NH3-N在停留時間為18 h時的去除率遠大于14 h和16 h的去除率，停留時間繼續增加時，NH3-N的去除率增加不明顯；TN在18 h停留時間下去除率遠大于14 h和16 h的去除率，當停留時間繼續增加時，TN的去除率反而有所下降，這可能是由于停留時間過長，在BOD/TN比較低情況下，反硝化階段所需的碳源不足，使硝態氮反硝化不充分導致的。

另有實際運行數據表明，當BOD/TN較高時，適當地提高停留時間反而有利于TN去除率的提高。如表2所示，當BOD/TN處于較高水平時，在其他進水水質相近的情況下，蘿崗水質凈化廠二期工程在更高停留時間下TN的去除率明顯高過一期工程。這表明當污水可生化性較好，BOD/TN較高時，適當提高污水的水力停留時間有利于TN的去除。

表2 蘿崗水質凈化廠TN去除率對比表

當然，水力停留時間的選擇通常還要根據污水處理的目標來確定。當僅需要去除BOD時，最小水力停留時間為8 h；當需要同時去除BOD和NH3-H時，水力停留時間宜大于10 h；當需要去除BOD、NH3-H，并以TN為去除目標時，水力停留時間宜大于15 h；當需要去除BOD、NH3-H并同步脫氮除磷時，水力停留時間宜大于20 h。由此可見，隨著污水處理標準的提高，CASS池的最小水力停留時間也應相應地增加。

1.5 運行方式

目前投入運行的CASS工藝污水處理廠的運行結果，對于一般城市污水在沒有特殊工程措施的條件下，出水水質主要取決于污泥泥齡、供氧情況和一個循環中曝氣階段和非曝氣階段的比例。運行結果表明[6]，對于同時硝化/反硝化系統，CASS系統的最佳循環周期可為3 h、4 h 及6 h。

每個池子中的循環操作均由中央控制系統自動控制，需要時也可以進行人工操作。進水、曝氣、沉淀、出水（撇水）等階段構成了一個循環，在完成此4個階段后，整個周期再自動重新開始。最常見的運行周期為每日運行6個周期，每周期運行4 h，其中進水和反應需要2 h，沉淀1 h，潷水1 h。在每個周期的運行過程中，主要控制對象包括潷水器的控制、鼓風機的控制、回流污泥和剩余污泥的控制。

1.5.1 潷水器的控制

使用移動式潷水器，潷水裝置的下降速度使出水量保持不變，潷水器裝置使撇水過程進入潷水器的進水呈層流狀態。潷水器的初始狀態位于水面以上，當得到控制命令后進入運行狀態，并將上清液排出。當潷水器達到預定的最低水位后，便返回到初始狀態。

1.5.2 鼓風機的控制

由于在CASS系統中同時進行硝化/反硝化過程，不適當的曝氣將使整個過程受到影響。因此可以通過溶解氧水平的變化控制池子的曝氣量。在曝氣開始時，所控制的溶解氧值很低，一般為0.5 mg/L。在曝氣結束前，將溶解氧數值提高到2～3 mg/L，整個控制過程由中央控制系統進行。

1.5.3 回流污泥和剩余污泥的控制

用回流污泥泵將一定量活性污泥從主曝氣區回流至池首的選擇器中。當處于自動控制狀態時，在曝氣、沉淀、閑置階段進行污泥回流，撇水階段停止污泥回流。當處于手動運行狀態時，整個循環過程都在進行污泥回流。

2 結論

（1）本文對CASS工藝的概況做了簡要介紹，重點探討了選擇段的設置、污泥濃度、設計水深、停留時間、運行周期等相關要點，分析了CASS工藝在設計過程中的注意事項，為后續CASS工藝污水廠的新建和改造項目提供參考。

（2）隨著污水處理排放要求的不斷增加，生態環境基礎設施建設水平也在不斷提高，如今城市污水廠普遍面臨著提標改造的問題，其中TN出水標準的提高往往是新建廠或改建廠關注的重點，特別是對于部分大中城市，污水處理廠往往位于市區，土地緊張，使在原有用地條件下進行擴容或提標改造的難度增加。所以，通過適當挖掘CASS工藝設計參數的潛力，應對不斷提高的污水處理要求是非常必要的。