CASS工艺设计处理高氨氮污水的脱氮设计.docx

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CASS工艺设计处理高氨氮污水的脱氮设计

CASS工艺处理高氨氮污水的脱氮设计

摘要：

CASS工艺开展至今，已在城市污水和工业废水处理领域逐步得到应用。

但是，CASS工艺设计方法的研究却开展缓慢，目前还处于经历阶段，研究如何改良CASS工艺设计方法,将其用于高氨氮污水的处理，充分发挥CASS工艺脱氮除磷效果好、耐冲击负荷能力强、防止污泥膨胀、建立费用低和管理方便等优点，对于促进CASS工艺的开展和改善水体环境具有现实意义。

关键词：

CASS工艺高氨氮污水脱氮设计

CASS工艺开展至今，已在城市污水和工业废水处理领域逐步得到应用。

但是，CASS工艺设计方法的研究却开展缓慢，目前还处于经历阶段，究其原因有两点：

一是专业技术人员比拟侧重于主要设备〔如滗水器〕和自控系统的研究开发，而忽略了对CASS工艺设计方法的研究；二是CASS工艺乃至所有的间歇式活性污泥工艺的反响过程都比拟复杂，其局部生物作用机理至今仍在研究之中。

高氨氮污水对于环境的危害日益引起人们的重视，国外目前对于应用CASS工艺处理高氨氮污水的研究还处于起步阶段，处理效果也不理想，脱氮率较低。

研究如何改良CASS工艺设计方法,将其用于高氨氮污水的处理，充分发挥CASS工艺脱氮除磷效果好、耐冲击负荷能力强、防止污泥膨胀、建立费用低和管理方便等优点，对于促进CASS工艺的开展和改善水体环境具有现实意义。

1.现行的CASS工艺设计方法

1.1活性污泥工艺设计计算方法

活性污泥工艺的设计计算方法有三种：

污泥负荷法、泥龄法和数学模型法。

三种方法各有其特点，分述如下：

1、污泥负荷法

污泥负荷法是目前国外最流行的活性污泥设计方法，几十年来，污泥负荷法设计了成千上万座污水处理厂，充分说明其正确性和适用性。

污泥负荷法也有其弊端，主要表现为：

一是污泥负荷法设计参数的选择主要依靠设计者的经历，这对于经历较少的设计者来讲相当困难；二是对脱氮要求未加考虑，影响了设计的准确性和可靠性。

2、泥龄法　

泥龄法是经历和理论相结合的设计计算方法，比污泥负荷法更加准确可靠；泥龄法可以根据泥龄的选择，实现工艺的硝化和反硝化功能；同时，泥龄参数的选择围比污泥负荷法窄，设计者选择起来难度较小。

泥龄法的设计参数大多是根据国外污水试验得出的，需结合我国的城市生活污水水质加以修正，这是其目前应用的困难所在。

3、数学模型法

1986年，原国际水污染与控制协会IAWPRC提出了活性污泥1号数学模型，其后十几年里，随着数学模型的完善，越来越多的活性污泥系统开场采用它进展工程设计和优化。

　　数学模型在理论上是比拟完美的，但具体应用那么存在不少问题，主要是由于污水处理的复杂性和多样性，模型中所包含的大量工艺参数需要根据具体的水质进展调整和确定，这需要大量的工程积累，即使简化了的数学模型，应用也相当困难。

到目前为止，数学模型在国外尚未成为普遍采用的设计方法，而在我国还停留在研究阶段。

1.2目前CASS工艺设计计算方法

CASS工艺属于活性污泥法畴，但由于其运行方式独特，与传统活性污泥法又有很大的差异。

在同一周期，池的污水体积、污染物的浓度、DO和MLSS时刻都在发生变化，是一种非稳态的反响过程。

目前CASS工艺设计采用污泥负荷法，该方法不考虑反响池基质浓度、MLSS和DO含量在时间上的变化，只考虑进出水有机物的浓度差，并忽略同一反响周期沉淀、滗水和闲置阶段的生物降解作用，采用与传统活性污泥法根本一样的计算公式。

CASS工艺采用污泥负荷法进展设计时，除反响池容积计算与传统活性污泥法不同，其它如反响池DO和剩余污泥排放量等计算方法与传统活性污泥工艺一样，因此，本节着重介绍CASS工艺反响池容积的计算方法。

1.2.1计算BOD-污泥负荷〔Ns〕

BOD-污泥负荷是CASS工艺的主要设计参数，其计算公式为：

〔1〕

式中：

Ns—BOD-污泥负荷，kgBOD5/（kgMLSS·d），生活污水取0.05～0.1　　kgBOD5/（kgMLSS·d），工业废水需参考相关资料或通过试验确定；

K2—有机基质降解速率常数，L/（mg·d）；

Se—混合液中残存的有机物浓度，mg/L；

η—有机质降解率，%；

ƒ—混合液中挥发性悬浮固体浓度与总悬浮固体浓度的比值，一般在生活污水中，ƒ＝0.75。

〔2〕

式中：

MLVSS—混合液挥发性悬浮固体浓度，mg/L；

MLSS—混合液悬浮固体浓度，mg/L；

1.2.2CASS池容积计算

CASS池容积采用BOD-污泥负荷进展计算，计算公式为：

〔3〕

式中：

V—CASS池总有效容积，m3；

Q—污水日流量，m3/d；

Sa、Se—进水有机物浓度和混合液中残存的有机物浓度，mg/L；

X—混合液污泥浓度〔MLSS〕，mg/L；

Ns—BOD-污泥负荷，kgBOD5/（kgMLSS·d）；

ƒ—混合液中挥发性悬浮固体浓度与总悬浮固体浓度的比值。

1.2.3容积校核

CASS池的有效容积由变动容积和固定容积组成。

变动容积〔V1〕指池设计最高水位和滗水器排放最低水位之间的容积；固定容积由两局部组成，一局部是平安容积〔V2〕，指滗水水位和泥面之间的容积，平安容积由防止滗水时污泥流失的最小平安距离决定；另一局部是污泥沉淀浓缩容积〔V3〕，指沉淀时活性污泥最高泥面至池底之间的容积。

CASS池总的有效容积：

V＝n1×〔V1＋V2＋V3〕〔4〕

式中：

V—CASS池总有效容积，m3；

V1—变动容积，m3；

V2—平安容积，m3；

V3—污泥沉淀浓缩容积，m3；

n1—CASS池个数。

设池最高液位为H〔一般取3～5m〕，H由三个局部组成：

H＝H1＋H2＋H3〔5〕

式中：

H1—池设计最高水位和滗水器排放最低水位之间的高度，m；

H2—滗水水位和泥面之间的平安距离，一般取1.5～2.0m；

H3—滗水完毕时泥面的高度，m；

其中：

〔6〕

式中：

A——单个CASS池平面面积，m2；

n2—一日循环周期数；

H3＝H×X×SVI×10－3〔7〕

式中：

X——最高液位时混合液污泥浓度，mg/L；

污泥负荷法计算的结果，假设不能满足H2≥H－〔H1＋H3〕，那么必须减少BOD-污泥负荷，增大CASS池的有效容积，直到条件满足为止。

1.2.4设计方法分析

从上述设计方法的描述中可以看出，现行的CASS工艺设计具有以下几个方面的特点：

1、设计方法简单，设计参数单一，在传统的以污泥负荷为主要设计参数的活性污泥设计法根底上，采用容积进展校核，以保证滗水过程中的污泥不流失。

2、设计只针对主反响区容积，而生物选择区容积那么是按照主反响区容积的5％设计。

3、污泥负荷法设计重点针对有机物质的降解，对脱氮未加考虑，难以满足污水排放对于氮的要求，故此方法具有片面性，难以满足高氨氮污水处理后达标排放。

2、CASS工艺设计方法改良

CASS工艺目前广泛应用的设计方法是污泥负荷法，污泥负荷法立足于有机物的去除，对系统脱氮效果那么未加考虑，而对于高氨氮污水，脱氮效果的考虑更为重要，因此需结合目前已有的CASS工艺设计方法，参加脱氮工艺设计，对传统的CASS工艺设计方法进展改良。

2.1CASS工艺设计方法改良的思路

高氨氮的污水脱氮设计的改良思路如下：

1、设计采用静态法。

设计方法不追踪CASS反响池基质和活性污泥浓度在时间上的变化过程，而是着重于在某一进水水质条件下经系统处理后能到达的最终处理效果。

对于同步硝化反硝化，由于其机理还处在进一步研究阶段，在设计中不加考虑。

对于沉淀和滗水阶段的生物反响，其作用并不明显，因此在设计中对这两个阶段的生物反响不加考虑。

2、将主反响区和预反响区分开设计，主反响区主要功能为有机物降解和硝化，而预反响区的功能主要为生物选择和反硝化脱氮。

3、主反响区采用泥龄法设计，而将污泥负荷作为导出参数，结合试验研究的结论，通过污泥负荷对设计结果进展校核。

4、反响池的尺寸通过进水量和污泥沉降性能确定。

2.2主反响区容积设计

主反响区设计采用泥龄法，并用污泥负荷进展校核，其设计步骤如下：

1、计算硝化菌的最大比增长速率

当污水pH和DO都适合于硝化反响进展时，计算亚硝酸菌的比增长速率公式为：

〔8〕

式中：

μN,max——硝化菌的最大比增长速率，d-1；

T——硝化温度，℃；

2、计算稳定运行状态下的硝化菌比增长速率

〔9〕

式中：

μN——硝化菌的比增长速率，d-1；

N——硝化出水的NH3-N浓度，mg/L；

KN——饱和常数，设计中一般取1.0mg/L。

3、计算完成硝化反响所需的最小泥龄

〔10〕

式中：

——最小泥龄，d；

μN——硝化菌的比增长速率，d－1。

4、计算泥龄设计值

本处采用Lawrence和McCarty在应用动力学理论进展生物处理过程设计时提出的平安系数〔SF〕概念，SF可以定义为：

SF＝/〔11〕

式中：

——设计泥龄，d；

SF使生物硝化单元在pH值、溶解氧浓度不满足要求或者进水中含有对硝化有抑制作用的有毒有害物质时仍能保证到达设计所要求的处理效果。

美国环保局建议一般取1.5～3.0。

5、计算以VSS为根底的含碳有机物〔COD〕的去除速率

活性异养菌生物固体浓度X1可用下式计算：

〔12〕

式中：

X1——活性异养菌生物固体浓度，mg/L；

YH——异养菌产率系数，gVSS/gCOD或gVSS/gBOD；

bH——异养菌源代分解系数，d－1；

S0——进水有机物浓度，mgCOD/L或mgBOD/L；

S1——出水有机物浓度，mgCOD/L或mgBOD/L；

——设计泥龄，d；

t——水力停留时间，d；

活性生物固体表观产率系数，YH,NET

将含碳有机物的去除速率定义为：

〔13〕

那么可以得到下式：

　　1/＝YH,NET·qH〔14〕

曝气池混合液VSS由三局部组成：

活性生物固体、微生物源代分解残留物和吸附在活性污泥上面不能为微生物所分解的进水有机物，VSS浓度可以表示为：

〔15〕

式中：

X——VSS浓度，mg/L；

△S——基质浓度变化，mgCOD/L或mgBOD/L；

YH——以VSS为根底的产率系数，gVSS/gCOD或gVSS/gBOD；

b——以VSS为根底的活性污泥分解系数，d-1；

以VSS为根底的〔浓度为X〕的有机物去除速率可以表示为：

　　1/＝YH,NET·qOBS〔16〕

6、计算生化反响器水力停留时间t

〔17〕

7、主反响区容积：

　　VN＝Qt〔18〕

式中：

VN——主反响区容积，m3；

Q——进水流量，m3/d；

8、有机负荷校核

有机负荷F/M：

〔19〕　　

式中：

ƒ——MLVSS/MLSS，一般取0.7。

根据相关试验结论，假设F/M不在0.18～0.25kgCOD/（kgMLSS·d），那么需改变泥龄，进展重新设计。

10、氨氮负荷校核

氨氮负荷SNR：

〔20〕　　

式中：

N——主反响区产生NO3-N总量TKN，mg/L。

根据相关试验结论，假设SNR＞0.045kgNH3-N/（kgMLSS·d），那么需增大泥龄，进展重新设计。

2.3预反响区容积设计

预反响区的功能设计为反硝化，其设计步骤如下：

1、计算反硝化速率SDNR

反硝化速率可以根据试验结果或文献报道值确定，也可以按下面的方法计算：

温度20℃时：

SDNR（20）＝0.3F/M＋0.029〔21〕　

温度T℃时：

SDNR（T）＝SDNR（20）·θ（T-20）（θ为温度系数，一般取1.05）〔22〕　　

2、缺氧池的MLVSS总量为：

LA＝QND/SDNR（T）〔23〕　　

式中：

ND—反硝化去除的NO3-N，kgN/d。

3、缺氧池的容积：

VAN=1000LA/Xƒ〔24〕

4、缺氧池的水力停留时间：

tA＝VAN/Q〔25〕

5、系统的总泥龄：

〔26〕

2.4反响器尺寸确实定

CASS反响器尺寸确实定主要是确定反响器的高度和面积，以满足泥水别离和滗水的需要。

由于预反响区始终处于反响状态，不存在泥水别离的问题，且预反响区底部通过导流孔与主反响区相连，其水面高度与主反响区平齐，因此计算出主反响区的设计高度也同时计算出了预反响区的水面高度。

所以反响区尺寸确实定主要是主反响区尺寸确实定。

CASS池的泥水别离和SBR一样，生物处理和泥水别离结合在CASS池主反响区中进展，在曝气等生物处理过程完毕后，系统即进入沉淀别离过程。

在沉淀过程初期，曝气完毕后的剩余混合能量可用于生物絮凝过程，至池子趋于平静正式开场沉淀一般持续10min左右，沉淀过程从沉淀开场后一直延续至滗水阶段完毕，沉淀时间为沉淀阶段和滗水阶段的时间总和。

污泥泥面的位置那么主要取决于污泥的沉降速度，污泥沉速主要与污泥浓度、SVI等因素有关，在CASS系统中，污泥的沉降速度vS可简单地用下式计算：

vS＝650/（XT×SVI）〔27〕

式中：

vS—污泥沉速（m/h）；

XT—在最高水位时浓度（kg/m3），为平安计，采用主反响区中设计值X，一般取3000～4200mg/L；

SVI—污泥沉降指数（mL/g）。

为防止在滗水过程中将活性污泥带出系统，需要在滗水水位和污泥泥面之间保持一最小的平安距离HS。

为保持滗水水位和污泥泥面之间的最小平安距离，污泥经沉淀和滗水阶段后，其污泥沉降距离应≥ΔH+HS，期间所经历的实际沉淀时间为（ts+td-10/60）h，故可得下式：

vS×（ts+td－10/60）＝ΔH+HS〔28〕

式中：

ΔH—最高水位和最低水位之间的高度差，也称滗水高度（m），ΔH一般不超过池子总高的40%，与滗水装置的构造有关，一般其值最大在2.0～2.2m左右；

ts—沉淀时间；

td—滗水时间。

联立式〔6.47〕和（6.48）即可得：

〔29〕

式中：

ΔV—周期进水体积（m3）；

A—池子面积（m2）；

HT—最高水位（m）；

式中沉淀时间ts、滗水时间td可预先设定，根据水质条件和设计经历可选择一定的SVI值，平安高度HS一般在0.6～0.9m左右。

ΔV由进水量决定，这样式（29）中只有池子高度HT和面积A未定。

根据边界条件用试算法即可求得式（29）中的池子高度和面积。

高度HT和面积A确实定方法为：

先假定某一池子高度HT，用式（29）求得面积A，从而可求得滗水高度ΔH，如滗水高度超过允许的围，那么重新设定池子高度，重复上述过程。

在求得HT和池子面积A后，即可求得最低水位HB：

HB＝HT－△H＝HT－ΔV/A〔30〕

最高水位时的MLSS浓度XT，最低水位时的MLSS浓度那么可相应求得：

XB＝XT×HT/HB〔31〕

最低水位时的设计MLSS浓度一般应不大于6.0kg/m3。

2.5剩余污泥计算

每日从系统中排出的VSS重量为L：

L＝Xƒ（VAN＋VN）/θ〔32〕

式中：

L—每日从系统中排出的VSS重量，kg/d。

2.6需氧量计算

1、BOD的去除量：

O1＝Q（S0－S1）/1000〔33〕

2、氨氮的氧化量：

O2＝QN/1000〔34〕

3、生物硝化系统，含碳有机物氧化需氧量与泥龄和水温有关系，每去除1kgBOD需氧1.0～1.3kg，一般取1.1，那么碳氧化和硝化需氧量为：

O3＝1.1O1＋O2〔35〕

4、每复原1kgNO3-N需2.9kgBOD，由于利用水中的BOD作为碳源反硝化减氧需要量为：

O4＝2.9NDQ/1000〔36〕

实际需氧量：

　　O=O3－O4　〔37〕

参考文献

[1]统.间歇式活性污泥法污水处理技术及工程实例.：

化学工业,2002

[2]统.SBR及其变法污水处理与回用技术.：

化学工业,2003

[3]王凯军,贾立敏.城市污水生物处理新技术开发与应用.：

化学工业2001

[4]自杰,周帆.活性污泥生物学反响动力学.：

中国环境科学,1989

[5]汪慧贞,吴俊奇.活性污泥数学模型的开展和使用.中国给水排水,1999,15（5）

[6]朱明权,周冰莲.SBR工艺的设计.给水排水,1998,24（4）