【污水處理】CAST處理工藝機理
在可變?nèi)莘e和充水和排水(SBR法)系統(tǒng)中進行生物脫氦(硝化和反硝化)已有多年歷史，大量運行結(jié)果表明：同SBR一樣，CAST工藝具有卓越的硝反硝化能力，隨著除氦要求的不斷提高，CAST工藝將得到日益廣泛的應(yīng)用。其原理為通過每一循環(huán)的四個階段人為地造成厭氧、缺氧、好氧的生物環(huán)境。不僅能去除一般有機物和懸浮固體，而且還能去除營養(yǎng)物質(zhì)氦和磷，處理效果取決于泥齡、供氧情況和一個循環(huán)中曝氣和非曝氣時段的比例。
CAST系統(tǒng)中硝反硝化過程不需要單獨設(shè)置一個缺氧運行階段以進行反硝化。生物除磷效果達到80~90%左右，如需進一步提高除磷效果，可采用加大循環(huán)周期，加大非曝氣時間占整個循環(huán)時間的比例。
CAST反應(yīng)池分為生物選擇區(qū)、預(yù)反應(yīng)區(qū)和主反應(yīng)區(qū)，如圖1所示，運行時按進水-曝氣、沉淀、撇水、進水-閑置完成一個周期，CAST的成功運行可將廢水中的含碳有機物和包括氮、磷的污染物去除，出水總氮濃度小于5mg/L。圖1循環(huán)活性污泥技術(shù)
1)生物選擇器設(shè)在池子首部，不設(shè)機械攪拌裝置，反應(yīng)條件在缺氧和厭氧之間變化。生物選擇區(qū)有三個功能：a．絮體結(jié)構(gòu)內(nèi)底物的物理團聚與動力學(xué)和代謝選擇同步進行；b．選擇器被隔開，保證初始高絮體負荷，以及酶快速去除溶解底物；c.通過選擇器的設(shè)計，還可以創(chuàng)造一個有利于磷釋放的環(huán)境，這樣促進聚磷菌的生長。生物選擇區(qū)的設(shè)置嚴(yán)格遵循活性污泥種群組成動力學(xué)的有關(guān)規(guī)律，創(chuàng)造合適的微生物生長條件，從而選擇出絮凝性細菌?；钚晕勰嗟男躞w負荷S0/X0(即底物濃度和活性微生物濃度的比值)對系統(tǒng)中活性污泥的種群組成有較大的影響，較高的污泥絮體負荷有助于絮凝性細菌的生長和繁殖。CAST工藝中活性污泥不斷地在生物選擇器中經(jīng)歷高絮體負荷階段，這樣有利于絮凝性細菌的生長，提高污泥活性，并通過酶反應(yīng)快速去除廢水中的溶解性易降解底物，從而抑制了絲狀細菌的生長和繁殖，避免了污泥膨脹的發(fā)生。同時當(dāng)生物選擇器處于缺氧環(huán)境時，回流污泥存在的少量硝酸鹽氮(約為N3-N=20mg/L)可得到反硝化，反硝化量可達整個系統(tǒng)硝化量的20%。當(dāng)選擇器處于厭氧環(huán)境時，磷得以有效地釋放，為生物除磷做準(zhǔn)備。
2)預(yù)反應(yīng)區(qū)為水力緩沖區(qū)，大小與高峰流量有關(guān)，若在非曝氣階段，不進水可將其省去。
3)主反應(yīng)區(qū)在可變?nèi)莘e完全混合反應(yīng)條件下運行，完成含碳有機物和包括氮、磷的污染物的去除。運行時通過控制溶解氧的濃度使其從0緩慢上升到2.5mg/L來保證硝化、反硝化以及磷吸收的同步進行。
a．硝化反硝化。同步反硝化意味著在不專門為硝酸鹽的去除設(shè)混合裝置或正常缺氧混合程序的條件下，硝化與反硝化同時在同一反應(yīng)器發(fā)生。通常認(rèn)為在系統(tǒng)中，氮去除機制與在微生物絮體內(nèi)由于受擴散限制引起的溶解氧(DO))的濃度梯度有關(guān)，這樣硝化菌存在于高溶解氧區(qū)或正氧化還原點位(OPR)，相反反硝化菌在溶解氧降低區(qū)或負氧化還原點位(OPR)下活性十足。CAST工藝運行中控制供氧強度以及混合液溶解氧的濃度使其從0逐漸上升到2.5mg/L左右，這樣使活性污泥絮體的外周保持一個好氧環(huán)境進行硝化，由于氧在活性污泥絮體內(nèi)的傳遞受到限制，而具有較高濃度梯度的硝酸鹽則能較好地滲透到絮體內(nèi)部有效地進行反硝化。另外，該工藝曝氣與非曝氣交替進行，從而使泥水混合液通過主反應(yīng)區(qū)，順序經(jīng)過缺氧-好氧-厭氧環(huán)境，尤其在非曝氣階段0.5h-1.0h內(nèi)污泥層以胞內(nèi)在生物選擇高負荷下儲存或吸收的碳為碳源，進行反硝化，在污泥沉淀過程中也有一定的反硝化作用。
b．磷的去除。生物除磷是依靠聚磷菌的作用實現(xiàn)的，生物選擇器不曝氣這樣反應(yīng)環(huán)境非常迅速地從缺氧環(huán)境轉(zhuǎn)化為厭氧環(huán)境，當(dāng)選擇器處于厭氧環(huán)境，聚磷菌依靠水解體內(nèi)的聚磷(Poly-P)水解釋放出正磷酸鹽，同時產(chǎn)生能量以吸收水中的溶解性有機底物，并將其在體內(nèi)合成為細胞學(xué)儲備物質(zhì)PHB；在主反應(yīng)區(qū)為好氧環(huán)境時，聚磷菌以游離氧為電子受體，將細胞儲備物質(zhì)氧化，并利用該反應(yīng)所產(chǎn)生的能量，過量地在污水中攝取磷酸鹽并合成為ATP，其中一部分轉(zhuǎn)化為聚磷貯存能量，為下一周期的厭氧釋磷做準(zhǔn)備。由于好氧段的吸磷量要遠大于厭氧段的釋磷量，所以通過剩余污泥的排放可達到除磷目的。若要在生物除磷的基礎(chǔ)上進一步強化除磷效果或達到完全除磷的目的，可加入鋁鹽或鐵鹽，根據(jù)所去除磷濃度的大小，化學(xué)污泥在池子中的濃度約在1.7g/L～2.0g/L左右，化學(xué)污泥可以進一步提高沉淀污泥的壓縮能力。CAST工藝是活性污泥不斷地經(jīng)過耗氧和厭氧的循環(huán)，這將有利于聚磷菌在系統(tǒng)中的生長和積累。根據(jù)Gorony等人的研究，當(dāng)微生物內(nèi)吸附大量降解物質(zhì)，而且處在氧化還原點位為+100mV～-150mV的交替變化中時，系統(tǒng)可具有良好的生物除磷功能。
此外，在曝氣結(jié)束后，主反應(yīng)區(qū)進行泥水分離，由于此階段無進水水力干擾，在靜止環(huán)境中進行，從而保證系統(tǒng)良好的分離效果。CAST整個工藝過程遵循生物的“積累-再生”原理，生物先在生物選擇器經(jīng)歷一個高負荷反應(yīng)階段，然后在主反應(yīng)區(qū)經(jīng)歷一個低負荷反應(yīng)階段，完成反應(yīng)過程如圖2所示，生物選擇其中較高的污泥絮體負荷，可以使廢水中存在的溶解性易降解有機物通過酶轉(zhuǎn)移機理予以快速地吸附和吸收進行底物的積累，然后在污泥絮體負荷較低的主反應(yīng)區(qū)完成底物的降解，從而實現(xiàn)了活性污泥的再生。再生的污泥又以一定的比例回流至生物選擇器中，進行機制的再次積累，這樣不斷地循環(huán)完成了生物的“積累-再生”，實驗和實際應(yīng)用表明，當(dāng)高于75%的易降解有機物質(zhì)通過酶轉(zhuǎn)移機理去除，則剩余可溶解COD小于100mg/L。
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