基于CASS工艺处理工业废水文献综述

2020-03-03

福建质量管理 2020年3期

(国药集团重庆医药设计院有限公司重庆 400042)

一、CASS工艺概述

循环式活性污泥工艺[1](Cyclic Activated Sludge System)，简称CASS，它是在ICEAS基础上发展起来的又一种改进的SBR工艺。MervynC.goronszy 教授于 1969 年从连续进水间歇运行的氧化沟工艺着手从事可变容积活性污泥法的研究和开发。1978年利用活性污泥基质积累再生原理，根据基质去除和污泥负荷的试验结果以及污泥活性组成和污泥呼吸之间的关系，将生物选择器和序批式活性污泥法结合成功开发了循环式活性污泥法，并于1984和1989年在美国和加拿大取得了专利。由于该工艺具有工艺流程简单、处理效果稳定、占地面积小、投资及运行费用低、耐冲击负荷和脱氮除磷能力强、运行管理方便、可分期建设、不易产生污泥膨胀等优点，因此CASS工艺已广泛的应用于各种废水的处理，是近年来国际公认的处理生活污水及工业废水的先进工艺。

(一)CASS组成及运行过程

CASS反应池一般由3个区域组成：生物选择区、兼氧区和主反应区。生物选择区为一个相对独立的区域，兼氧区和主反应区用挡板隔开，但水流相通。在此反应器中活性污泥法的过程按进水曝气、沉淀、滗水、闲置四个阶段不断重复，将生物反应过程和泥水分离过程结合在一个池子中进行。图1为CASS工艺的基本循环过程，其具体运行过程依次为：

图1 CASS 工艺基本循环过程示意图

(1)进水-曝气阶段：一边进水、一边曝气。主反应区的污泥不断地回流至选择区，一般回流比约为进水量的20%。污泥回流是为了提高厌氧区的污泥浓度。曝气能确保好氧微生物对氧的需求，并确保污泥与有机物充分混合，使有机污染物被氧化分解。同时，污水中的氨氮通过硝化反应转化为硝态氮。

(2)进水-沉淀阶段：活性污泥在近乎静止的条件下絮凝并进行泥水沉淀分离，上清液位于污泥层上部，活性污泥沉至池底。在此阶段进水和污泥回流不停止，主反应区微生物逐步由好氧向缺氧状态转变，缺氧情况下会发生一定程度的反硝化反应。

(3)滗水阶段：沉淀结束，在程序控制下滗水器开始运行，自上而下逐渐排出上清夜，排水结束后滗水器自动复位。滗水期间，进水不进入本池，而是被引入到其它 CASS 反应池中。污泥回流照常进行，由于污泥回流是从池底取泥，故不会影响出水水质。

(4)进水-闲置阶段：滗水器逐渐上升复位，以防止污泥流失。若在此阶段进行适量的曝气，则有利于恢复污泥的活性。此阶段污泥回流正常工作。

(二)CASS工艺的主要技术特征

1.连续进水，间断排水

传统SBR工艺为间断进水，间断排水，而实际污水排放大都是连续或半连续的，CASS工艺可连续进水，克服了SBR工艺的不足，比较适合实际排水的特点，拓宽了SBR工艺的应用领域。虽然CASS工艺设计时均考虑为连续进水，但在实际运行中即使有间断进水，也不影响处理系统的运行。

2.运行上的时序性

CASS 反应池通常按曝气、沉淀、排水和闲置四个阶段根据时间依次进行。

3.运行过程的非稳态性

每个工作周期内排水开始时 CASS 池内液位最高，排水结束时，液位最低，液位的变化幅度取决于排水比，而排水比与处理废水的浓度、排放标准及生物降解的难易程度等有关。反应池内混合液体积和基质浓度均是变化的，基质降解是非稳态的。

4.溶解氧周期性变化，浓度梯度高

CASS 在反应阶段是曝气的，微生物处于好氧状态，在沉淀和排水阶段不曝气，微生物处于缺氧甚至厌氧状态。因此，反应池中溶解氧是周期性变化的，氧浓度梯度大、转移效率高，这对于提高脱氮除磷效率、防止污泥膨胀及节约能耗都是有利的。实践证实对同样的曝气设备而言，CASS 工艺与传统活性污泥法相比有较高的氧利用率。

5.同步硝化反硝化

根据测定，因微生物絮体中自养菌和异养菌分布不均匀，NH3-N的硝化(氧化)在微生物絮体外面进行，而较高浓度梯度的NO3-N 离子可进入絮体内部。运行时通过控制曝气强度和主反应池中溶解氧含量(DO 在2～3mg/L左右)，使反应池内混合液处于好氧状态，微生物絮体内部处于缺氧状态，溶解氧难以进入絮体内，而较高浓度的硝酸盐可进入絮体内部，从而有效地进行反硝化反应，这样在主反应池中能同时发生有机污染物的降解以及同步硝化反硝化反应。污泥中存在的少量硝态氮(NO3-N约为1～2mg/L)也可通过回流到选择区中而得到反硝化。

(三)CASS工艺的优缺点

CASS 工艺与传统的活性污泥法相比优点主要可归纳如下：

(1)建设费用低。省去了初次沉淀池、二次沉淀池及污泥回流设备，建设费用可节省20% ～30%。工艺流程简洁，污水厂主要构筑物为集水池、沉砂池。CASS 曝气池、污泥池，布局紧凑，占地面积可减少35%。

(2)运转费用省。由于曝气是周期性的，池内溶解氧的浓度也是变化的，沉淀阶段和排水阶段溶解氧降低，重新开始曝气时，氧浓度梯度大，传递效率高，节能效果显著，运转费用可节省10% ～25%。

(3)能很好地缓冲进水水量与水质的波动。不仅能有效去除污水中有机碳源污染物，而且具有良好的脱氮、除磷功能，排出的剩余污泥稳定化程度较高。

(4)进水的波动可用改变曝气时间的简单方法即可予以缓冲。管理简单，运行可靠，不易发生污泥膨胀，一般污泥指数不超过50 ～70mg/L。

二、CASS工艺的应用性研究

(一)CASS工艺处理屠宰废水

屠宰废水水量有明显的季节性差异和日时段差异，为非连续性排放，且废水固体悬浮物含量高(废水中含有大量的血污、油脂、猪毛、肉屑、内脏杂物、未消化的饲料及粪便等污物)，还可能含有多种和人体健康有关的细菌，如粪大肠杆菌、葡萄球菌、细菌螺旋体菌、沙门氏菌等，同时废水的有机含量也很高。

崔芳，袁博[2]采用UASB-射流曝气CASS工艺处理屠宰废水，经处理后出水COD浓度为80mg /L，BOD5为30 mg/L，NH3-N为15 mg/L，处理后废水达到肉类加工业水污染排放标准(GB13457-92)中畜类屠宰加工的一级标准的排放要求。该污水处理工程总投资248.1万元，运行费用为0.58元·m3，而国内同类工程的一次性投资一般为1 200～1 500元·m3，运行费用为0.6～0.9 元·m3。说明该工程的一次性投资和运行费用均比国内同类项目要低。而且其整个工艺运行效果稳定可靠，操作简单，有很高的推广价值。

易兆青等[3]采用ABR /CASS法处理屠宰废水，处理效果稳定，经当地环保部门检测，废水处理站排放口平均COD浓度为40 mg /L,BOD5为20 mg/L，NH3-N为10mg /L出水水质可达到《肉类加工工业水污染排放标准》(GB 13457—1992)一级标准。每年减少COD排放量2500 t，环境效益十分显著。经计算后，直接处理成本为0.53元 / m3，经济效益可观。在实际运行中，由于企业受生产旺季和淡季的影响，水质、水量变化较大，需根据实际情况灵活调整 CASS反应池运行周期，使出水BOD5、氨氮稳定。

(二)CASS工艺处理啤酒生产废水

啤酒生产废水主要源于制麦芽、前后发酵、酿造、灌装等生产工序。废水中主要污染物有糖类、淀粉、蛋白质、醇类等有机物，属中等浓度的食品工业废水，进入水体要消耗大量溶解氧，对水体环境造成严重危害，必须经处理达标后才能外排。

强绍杰等[4]的工程实例中介绍了采用CASS工艺处理啤酒废水，该工程正常运行以8h为周期，其中进水、曝气、回流时间为6h，进水、沉淀时间为1h，滗水、排泥时间为1h。工程调试后，连续运行时间约半年，其出水CODCr浓度可控制在60-120mg/L范围内，BOD5约在30-60mg/L，pH6.7-8.7以内，运行结果表明，在设计范围内，出水能完全达到要求的排放标准。在本工程调试期间,由于进水高浓度的冲击,曾出现过污泥膨胀现象,估计可能有两个原因：(1)污泥回流比小，原设计污泥回流比为20～ 30%；(2)限制性曝气区体积偏小，原预选择区占总体积的5% 左右。调试后期，更换了大流量的污泥回流泵，增大污泥回流比，降低预选择区曝气强度，即将部分预反应区设置成预选择区。经过改造后，未发生过污泥膨胀现象。该啤酒废水处理工程表明：CASS 处理工艺能有效地处理啤酒废水，当CODCr在800 ～1500mg/L范围内，处理出水能达到或优于地方排放标准。合理选取设计参数，能使CASS工艺达到稳定的运行效果。

(三)CASS工艺处理印染废水

我国是纺织印染业的第一大国，而纺织印染业又是工业废水排放大户，据不完全统计，我国印染废水排放量约为每天300～400 万吨。废水中的有机组分大多以芳烃及杂环化合物为母体，并带有显色基团(如—N = N、—N = O)及极性基团(如—SO3Na、—OH、—NH2)；废水中还含有较多的原料和副产品(如卤化物、硝基物、苯胺、酚类等)，以及无机盐(如 NaCl、Na2SO4、Na2S 等)。因此，印染废水具有“四高一低”的特点：色度高、COD 高、盐度高、毒性高、BOD5/COD 值低。这种废水如果直接排放，会对环境造成严重污染，并可能通过食物链直接或间接影响人们的身体健康。

邵利芬等[5]采用混凝沉淀/CASS /砂滤工艺处理漂染废水，其中CASS池运行周期为6 h，曝气3.5 h、沉淀1.5 h、排水1 h。其出水水质经环境监测部分监测得COD平均出水浓度为26mg/L，BOD5平均出水浓度为10 mg/L，SS为8 mg/L，色度为19倍，pH平均为7.92。工程运行结果表明，处理后出水水质优于《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB 4287—1992)一级标准，85%的处理出水可回用于生产中的漂洗工序。工程运行1年多来，处理效果稳定，出水部分回用为企业节约了成本，创造了显著的经济效益和环境效益。

陈中健等[6]应用CASS工艺处理印染废水的工程实例中，该项目处理规模为2000 m3/d，处理后90%的废水可回用。其中CASS池实际运行周期是14 h，其中曝气11.5 h，沉淀1 h，排水1 h，闲置 0.5 h。其最终出水水质CODCr浓度为40.5 mg/L，BOD5浓度为9.5 mg/L，SS为9 mg/L，色度为8倍。废水经CASS 工艺处理后，可达到排放标准，此时运行成本为0.623元/m3，若达到回用要求需要再增加成本0.168元/m3，按自来水2元/m3、每年按330个工作日计算，工程可节约水费108.8万元/a。项目建成后减少排污量59.4万m3/a，CODCr713 t/a，BOD 5 214 t/a，其经济效益与环境效益显著。由于印染废水水质水量变化较大，因此水质的均化对于本工程至关重要，在工程成本控制范围内，可尽可能扩大调节池的容积以便更好的使水质得到均化。

(四)CASS工艺处理制药废水

制药废水通常属于较难处理的高浓度有机污水之一，以药物产品不同、生产工艺不同而差异较大，其特点是组成复杂，有机污染物种类多、浓度高、CODCr值和BOD5值高且波动性大，废水的BOD5/CODCr值差异较大，NH3-N浓度高，色度大毒性大，固体悬浮物SS浓度高。而且制药厂通常是采用间歇生产，产品的种类变化较大，造成了废水水质、水量及污染物的种类变化较大。

胡家阳[7]采用絮凝沉淀/IC/水解酸化/CASS 法处理制药废水中，其废水来源为某抗生素生产企业排放的废水主要来自头孢母核原料(7-ACA)提取、结晶、头孢合成、合成结晶等。在运行过程中容易出现生化系统污泥浓度低及IC塔酸化问题，主要原因是有时该企业进水中的氨氮含量与有机物含量失衡，COD及NH3-N浓度过高，需要投加合适的磷等营养物质及调节pH值，保证微生物正常生长的需要。该工程于2012年3月投产至今，各项出水指标均达到《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)的二级排放标准。

王现丽[8]等采用UASB+CASS工艺处理制药废水中，其废水来源主要为中药材淘洗废水、中药煎煮废渣残液及容器清洗废水、锅炉废水、办公生活废水。其中对于好氧处理，采用CASS工艺，有效的抑制了污泥膨胀。在废水流量低于设计值时，CASS 系统可以调节液位计的设定值，使用反应池的部分容积，或调节反应时间，从而避免了不必要的电耗。CASS净化过程通过自动控制，劳动强度低，处理费用大大降低。其CASS池出水水质COD可达73 mg/L，BOD5达15 mg/L，SS为40 mg/L，色度降至40倍。出水水质稳定并达到污水综合排放标准(GB 8978-1996)一级标准的要求。

(五)CASS工艺处理食品加工废水

由于食品种类繁多，原料来源广泛，食品加工污水具有悬浮物、油脂含量高，易腐败，重金属离子含量高，COD和BOD数值大，水量变化幅度大，氮、磷化合物含量高，某些情况下水温也较高等特点。其危害主要是使水体富营养化，以致引起水生动物和鱼类死亡，促使水底沉积的有机物产生臭味，恶化水质，污染环境。

吴俊峰等[9]采用水解酸化-CASS-氧化工艺处理骨类食品加工废水，原废水水质为：COD为5000 mg/L，BOD5为1500 mg/L，SS、NH3-N、动植物油质量浓度分别为1000、280、1200mg/L。废水设计处理规模为420 m3/d。在调试运行中，CASS池中发现活性污泥颜色变深，通过对CASS反应池取样分析，发现CASS初始阶段溶解氧质量浓度过低，大约0.5 mg/L，缺氧环境导致活性污泥颜色变深，同时出水中COD由90 mg/L增大到270 mg/L左右。通过增大曝气量，提高溶解氧质量浓度到3 mg/L以上，出水水质不断提高。最终该废水处理工艺经调试运行，出水水质稳定，达到了设计的排放标准。其最终出水COD为72mg/L，BOD5为17 mg/L，SS为33 mg/L，NH3-N为11 mg/L，动植物油浓度为8 mg/L。

张克军等[10]采用UASB/CASS工艺处理饮料废水工程设计中，CASS池运行周期为8小时，最终出水COD为57mg/L，BOD5为16 mg/L，NH3-N为7 mg/L，pH为7.5，达到《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)一级标准。