基于CASS工藝處理工業(yè)廢水文獻綜述

(國藥集團重慶醫(yī)藥設計院有限公司 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基礎上發(fā)展起來的又一種改進的SBR工藝。MervynC.goronszy 教授于 1969 年從連續(xù)進水間歇運行的氧化溝工藝著手從事可變容積活性污泥法的研究和開發(fā)。1978年利用活性污泥基質積累再生原理，根據基質去除和污泥負荷的試驗結果以及污泥活性組成和污泥呼吸之間的關系，將生物選擇器和序批式活性污泥法結合成功開發(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、投資及運行費用低、耐沖擊負荷和脫氮除磷能力強、運行管理方便、可分期建設、不易產生污泥膨脹等優(yōu)點，因此CASS工藝已廣泛的應用于各種廢水的處理，是近年來國際公認的處理生活污水及工業(yè)廢水的先進工藝。

(一)CASS組成及運行過程

CASS反應池一般由3個區(qū)域組成：生物選擇區(qū)、兼氧區(qū)和主反應區(qū)。生物選擇區(qū)為一個相對獨立的區(qū)域，兼氧區(qū)和主反應區(qū)用擋板隔開，但水流相通。在此反應器中活性污泥法的過程按進水曝氣、沉淀、潷水、閑置四個階段不斷重復，將生物反應過程和泥水分離過程結合在一個池子中進行。圖1為CASS工藝的基本循環(huán)過程，其具體運行過程依次為：

圖1 CASS 工藝基本循環(huán)過程示意圖

(1)進水-曝氣階段：一邊進水、一邊曝氣。主反應區(qū)的污泥不斷地回流至選擇區(qū)，一般回流比約為進水量的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氧的需求，并確保污泥與有機物充分混合，使有機污染物被氧化分解。同時，污水中的氨氮通過硝化反應轉化為硝態(tài)氮。

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

(3)潷水階段：沉淀結束，在程序控制下潷水器開始運行，自上而下逐漸排出上清夜，排水結束后潷水器自動復位。潷水期間，進水不進入本池，而是被引入到其它 CASS 反應池中。污泥回流照常進行，由于污泥回流是從池底取泥，故不會影響出水水質。

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

(二)CASS工藝的主要技術特征

1.連續(xù)進水，間斷排水

傳統SBR工藝為間斷進水，間斷排水，而實際污水排放大都是連續(xù)或半連續(xù)的，CASS工藝可連續(xù)進水，克服了SBR工藝的不足，比較適合實際排水的特點，拓寬了SBR工藝的應用領域。雖然CASS工藝設計時均考慮為連續(xù)進水，但在實際運行中即使有間斷進水，也不影響處理系統的運行。

2.運行上的時序性

CASS 反應池通常按曝氣、沉淀、排水和閑置四個階段根據時間依次進行。

3.運行過程的非穩(wěn)態(tài)性

每個工作周期內排水開始時 CASS 池內液位最高，排水結束時，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、排放標準及生物降解的難易程度等有關。反應池內混合液體積和基質濃度均是變化的，基質降解是非穩(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，反應池中溶解氧是周期性變化的，氧濃度梯度大、轉移效率高，這對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。實踐證實對同樣的曝氣設備而言，CASS 工藝與傳統活性污泥法相比有較高的氧利用率。

5.同步硝化反硝化

根據測定，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行，而較高濃度梯度的NO3-N 離子可進入絮體內部。運行時通過控制曝氣強度和主反應池中溶解氧含量(DO 在2～3mg/L左右)，使反應池內混合液處于好氧狀態(tài)，微生物絮體內部處于缺氧狀態(tài)，溶解氧難以進入絮體內，而較高濃度的硝酸鹽可進入絮體內部，從而有效地進行反硝化反應，這樣在主反應池中能同時發(fā)生有機污染物的降解以及同步硝化反硝化反應。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

CASS 工藝與傳統的活性污泥法相比優(yōu)點主要可歸納如下：

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

(2)運轉費用省。由于曝氣是周期性的，池內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，氧濃度梯度大，傳遞效率高，節(jié)能效果顯著，運轉費用可節(jié)省10% ～25%。

(3)能很好地緩沖進水水量與水質的波動。不僅能有效去除污水中有機碳源污染物，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)進水的波動可用改變曝氣時間的簡單方法即可予以緩沖。管理簡單，運行可靠，不易發(fā)生污泥膨脹，一般污泥指數不超過50 ～70mg/L。

二、CASS工藝的應用性研究

(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的細菌，如糞大腸桿菌、葡萄球菌、細菌螺旋體菌、沙門氏菌等，同時廢水的有機含量也很高。

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，處理后廢水達到肉類加工業(yè)水污染排放標準(GB13457-92)中畜類屠宰加工的一級標準的排放要求。該污水處理工程總投資248.1萬元，運行費用為0.58元·m3，而國內同類工程的一次性投資一般為1 200～1 500元·m3，運行費用為0.6～0.9 元·m3。說明該工程的一次性投資和運行費用均比國內同類項目要低。而且其整個工藝運行效果穩(wěn)定可靠，操作簡單，有很高的推廣價值。

易兆青等[3]采用ABR /CASS法處理屠宰廢水，處理效果穩(wěn)定，經當地環(huán)保部門檢測，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出水水質可達到《肉類加工工業(yè)水污染排放標準》(GB 13457—1992)一級標準。每年減少COD排放量2500 t，環(huán)境效益十分顯著。經計算后，直接處理成本為0.53元 / m3，經濟效益可觀。在實際運行中，由于企業(yè)受生產旺季和淡季的影響，水質、水量變化較大，需根據實際情況靈活調整 CASS反應池運行周期，使出水BOD5、氨氮穩(wěn)定。

(二)CASS工藝處理啤酒生產廢水

啤酒生產廢水主要源于制麥芽、前后發(fā)酵、釀造、灌裝等生產工序。廢水中主要污染物有糖類、淀粉 、蛋白質、醇類等有機物，屬中等濃度的食品工業(yè)廢水，進入水體要消耗大量溶解氧，對水體環(huán)境造成嚴重危害，必須經處理達標后才能外排。

強紹杰等[4]的工程實例中介紹了采用CASS工藝處理啤酒廢水，該工程正常運行以8h為周期，其中進水、曝氣、回流時間為6h，進水、沉淀時間為1h，潷水、排泥時間為1h。工程調試后，連續(xù)運行時間約半年，其出水CODCr濃度可控制在60-120mg/L范圍內，BOD5約在30-60mg/L，pH6.7-8.7以內，運行結果表明，在設計范圍內，出水能完全達到要求的排放標準。在本工程調試期間,由于進水高濃度的沖擊,曾出現過污泥膨脹現象,估計可能有兩個原因：(1)污泥回流比小，原設計污泥回流比為20～ 30%；(2)限制性曝氣區(qū)體積偏小，原預選擇區(qū)占總體積的5% 左右。調試后期，更換了大流量的污泥回流泵，增大污泥回流比，降低預選擇區(qū)曝氣強度，即將部分預反應區(qū)設置成預選擇區(qū)。經過改造后，未發(fā)生過污泥膨脹現象。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CODCr在800 ～1500mg/L范圍內，處理出水能達到或優(yōu)于地方排放標準。合理選取設計參數，能使CASS工藝達到穩(wěn)定的運行效果。

(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，據不完全統計，我國印染廢水排放量約為每天300～400 萬噸。廢水中的有機組分大多以芳烴及雜環(huán)化合物為母體，并帶有顯色基團(如—N = N、—N = O)及極性基團(如—SO3Na、—OH、—NH2)；廢水中還含有較多的原料和副產品(如鹵化物、硝基物、苯胺、酚類等)，以及無機鹽(如 NaCl、Na2SO4、Na2S 等)。因此，印染廢水具有“四高一低”的特點：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，會對環(huán)境造成嚴重污染，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。其出水水質經環(huán)境監(jiān)測部分監(jiān)測得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。工程運行結果表明，處理后出水水質優(yōu)于《紡織染整工業(yè)水污染物排放標準》(GB 4287—1992)一級標準，85%的處理出水可回用于生產中的漂洗工序。工程運行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)造了顯著的經濟效益和環(huán)境效益。

陳中健等[6]應用CASS工藝處理印染廢水的工程實例中，該項目處理規(guī)模為2000 m3/d，處理后90%的廢水可回用。其中CASS池實際運行周期是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CASS 工藝處理后，可達到排放標準，此時運行成本為0.623元/m3，若達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個工作日計算，工程可節(jié)約水費108.8萬元/a。項目建成后減少排污量59.4萬m3/a，CODCr713 t/a，BOD 5 214 t/a，其經濟效益與環(huán)境效益顯著。由于印染廢水水質水量變化較大，因此水質的均化對于本工程至關重要，在工程成本控制范圍內，可盡可能擴大調節(jié)池的容積以便更好的使水質得到均化。

(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污水之一，以藥物產品不同、生產工藝不同而差異較大，其特點是組成復雜，有機污染物種類多、濃度高、CODCr值和BOD5值高且波動性大，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，產品的種類變化較大，造成了廢水水質、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企業(yè)排放的廢水主要來自頭孢母核原料(7-ACA)提取、結晶、頭孢合成、合成結晶等。在運行過程中容易出現生化系統污泥濃度低及IC塔酸化問題，主要原因是有時該企業(yè)進水中的氨氮含量與有機物含量失衡，COD及NH3-N濃度過高，需要投加合適的磷等營養(yǎng)物質及調節(jié)pH值，保證微生物正常生長的需要。該工程于2012年3月投產至今，各項出水指標均達到《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)的二級排放標準。

王現麗[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。在廢水流量低于設計值時，CASS 系統可以調節(jié)液位計的設定值，使用反應池的部分容積，或調節(jié)反應時間，從而避免了不必要的電耗。CASS凈化過程通過自動控制，勞動強度低，處理費用大大降低。其CASS池出水水質COD可達73 mg/L，BOD5達15 mg/L，SS為40 mg/L，色度降至40倍。出水水質穩(wěn)定并達到污水綜合排放標準(GB 8978-1996)一級標準的要求。

(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。其危害主要是使水體富營養(yǎng)化，以致引起水生動物和魚類死亡，促使水底沉積的有機物產生臭味，惡化水質，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，原廢水水質為：COD為5000 mg/L，BOD5為1500 mg/L，SS、NH3-N、動植物油質量濃度分別為1000、280、1200mg/L。廢水設計處理規(guī)模為420 m3/d。在調試運行中，CASS池中發(fā)現活性污泥顏色變深，通過對CASS反應池取樣分析，發(fā)現CASS初始階段溶解氧質量濃度過低，大約0.5 mg/L，缺氧環(huán)境導致活性污泥顏色變深，同時出水中COD由90 mg/L增大到270 mg/L左右。通過增大曝氣量，提高溶解氧質量濃度到3 mg/L以上，出水水質不斷提高。最終該廢水處理工藝經調試運行，出水水質穩(wěn)定，達到了設計的排放標準。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計中，CASS池運行周期為8小時，最終出水COD為57mg/L，BOD5為16 mg/L，NH3-N為7 mg/L，pH為7.5，達到《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)一級標準。

三、結語

綜上所述，CASS工藝適用范圍廣泛；相對于傳統活性污泥處理法建設費用低、運轉費用省、處理流程短、占地面積少；能很好地緩沖進水水量與水質的波動，處理效果穩(wěn)定，管理簡單，運行可靠，不易發(fā)生污泥膨脹，出水水質好。是一種值得大力推廣的污水處理工藝。