关于CASS工艺在设计过程中值得优化问题的探讨

何志刚

（上海市政交通设计研究院，上海市200030）

1 概述

循环式活性污泥法CASS工艺（Cyclic Activated Sludge System），是SBR工艺的一种改进型，由Goronszy教授及其同事在SBR工艺和氧化沟技术的基础上开发出来的，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。由于该工艺可满足脱氮除磷的要求，而构筑物却相对较少，可节约用地，降低工程投资，同时该工艺具有运行管理方便、可分期建设等优点，因此近年来随着工业自动化控制水平的不断提高以及处理工艺自身的不断完善，CASS工艺在国内已得到一定程度的推广和应用。图1为CASS工艺示意图。

图1 CASS工艺示意图

CASS工艺虽然具有上述诸多优点，但是由于该工艺乃至所有间歇式活性污泥工艺的反应过程都比较复杂，其部分生物作用机理至今仍在研究之中，而现行的《室外排水设计规范》（以下简称《规范》）中也未专门针对该工艺提出相关设计参数及要求，因此在具体工程设计过程中，该工艺的经验参数较多，而且部分参数的取值范围跨度较大，不同设计人员的计算结果可能会有很大出入。故针对上述问题，本文将结合CASS工艺目前在国内的使用情况，对该工艺的适用条件、部分关键参数的取值及设计过程中值得注意和优化的问题进行总结，以期在类似工程中可结合各工程自身特点予以借鉴和应用。

2 CASS工艺适用条件及部分参数的选取

2.1 CASS工艺的适用条件

从目前国内已建的采用CASS工艺污水处理厂规模及其运行效果来看，该工艺比较适用于中小型污水处理规模的城市污水处理厂及制药、屠宰、啤酒等部分工业废水的处理，在大型污水处理厂应用的实例相对较少；另外，对有机物浓度较低的南方城市污水，采用CASS工艺目前还比较难以达到预期的处理效果。但根据相关实验资料表明，该工艺对寒冷地区（寒冷地区可概括为：我国北纬40°以北的城镇和农村，冬季排放的污水水温在13℃以下，一般在6～10℃，短时间为4～6℃地区）的冬季低温污水，仍能保持较好的处理效果。目前国内关于CASS工艺在低温条件下处理效果的报道还较少，但国外已有相关研究报道，如美国明尼苏达州草原市污水处理厂，日处理废水10000m3/d，出水水质：SS＜10mg/L，BOD5＜2～5mg/L，冬季进厂水温4℃～10℃，室外最冷气温达到-37℃，处理效果基本不变，曝气池未出现结冰现象；俄亥俄州托莱多污水处理厂冬季有结冰现象，但曝气后消失，不影响处理效果。

2.2 部分参数的选取

CASS工艺的设计计算涉及到几十个参数，受篇幅限制，本文仅对部分在《规范》中未作明确规定或取值有一定技巧的经验参数的选用，结合在实际工程中的应用情况作简要介绍。

（1）反应池个数

根据《规范》，SBR反应池个数不宜少于2个，在实际工程中，一般多取为4个。

（2）周期数及每周期运行时间

CASS工艺的每个周期可由进水、曝气、沉淀、滗水、闲置/排泥五个基本工序组成。为便于运营管理，目前国内外已建成CASS工艺反应池一天之内的周期数都采用正整数，最常用的周期数一般为每天4个、5个或6个，对应每周期时间即为6 h，4.8 h及4 h。如果出水仅要求去除含碳有机物，则泥龄较短，可取每周期4 h或4.8 h；但如果要求脱氮时，泥龄则相对较长，应取每周期为6 h。

（3）每个工序运行时间的确定

从理论上说，每个工序运行时间的确定应满足规范要求，同时可维持系统的安全、正常运行即可，但由于CASS工艺是由数个反应池的数个周期组合而成全厂的连续运行，因此每个工序运行时间的确定除须满足上述基本要求以外，如何将进水连续分配到每个反应池以及如何保证鼓风机能连续运行等问题也是确定每个工序运行时间的重要因素。下面本文以一组共n=4个CASS反应池，运行周期为t=6 h的某CASS工艺污水处理厂为例，讨论一下各工序运行时间的确定问题：

a.进水时间tF

该参数的确定相对比较简单，采用tF=t/n的公式，可算出本例中tF=1.5 h即可保证将进水连续分配到每个反应池。

b.曝气时间tQ

该参数的计算可分为两种情况，一种情况是在进水的同时进行曝气（可称为“非限制进水曝气”），则曝气时间等于反应时间tR，即tQ=tR=24 mS0/1 000LSX，公式中各参数取值可根据《规范》相应进行选取；第二种情况为进水时不进行曝气（可称为“限制进水曝气”），则曝气时间可由公式tQ=tR-tF计算得出。

上述两种情况中，曝气时间的确定均与反应时间有关，而反应时间的计算公式tR=24 mS0/1 000LSX中的各参数，《规范》中仅规定了取值范围，即根据不同的取值可得出不同的反应时间及曝气时间，但在实际工程中，为避免鼓风机频繁启闭并尽量减小其设计规模，鼓风机应保持连续运行。当反应池的个数与每周期曝气时间的乘积是每周期时间整数倍的时候，正好能保证鼓风机连续运行。例如上述某污水处理厂，反应池个数为4个，运行周期为6 h，进水时间为1.5 h，则当采用非限制进水曝气时，曝气时间可取为3 h；而如采用限制进水曝气，则曝气时间可取为1.5 h。均能满足鼓风机连续运行的要求。

至于是否限制进水曝气的问题，目前尚无统一规定，也就是说采用限制或者非限制进水曝气在理论上说都是可行的。但由于非限制进水曝气方式的曝气时间一般相对较长，即在总风量一定的情况下，单位时间的风量相对较少，故可能在反应初期，由于池内有机物浓度较高，而溶解氧浓度却处于低值的情况下，可能影响有机物的降解速率，但上述过程持续时间相对较短，随着新鲜污水的不断注入及好氧反应的进行，有机物浓度将会逐渐降低，至供氧速率开始大于耗氧速率，池内开始出现溶解氧，在此阶段，相对较长的曝气时间有利于氧气的吸收和利用。另由于CASS工艺设置了生物选择器，能够抑制好氧丝状菌的生长，可有效防止由于曝气时间相对较长而带来的污泥膨胀问题，因此目前国内已建的CASS工艺污水处理厂，多采用非限制进水曝气方式。

c.沉淀时间

该参数可根据《规范》要求取为1 h。

d.滗水时间

该参数《规范》仅建议其取值范围为1～1.5 h。在实际工程中，为将每个池的间歇排水组合成全厂的连续排水，减小尾水排放管的管径，该时间可取与进水时间相一致。

e.闲置时间

闲置阶段的时间一般较短，《规范》中对该参数未作明确规定，本文建议可结合其他工序时间的安排，适当考虑一定的闲置时间（0～0.5 h），一方面可根据污水厂进、出水水量及水质情况，将该部分预留时间灵活安排至其他工序；另一方面在条件允许的情况下，可安排在该阶段进行曝气，则有利于恢复污泥的活性。

（4）反应池容积计算

反应池有效容积可按照《规范》要求进行计算，但也可以从物料平衡的角度进行推算如下：

设某CASS工艺污水厂的设计流量为Q，设置一组y个反应池，每池每天的周期数为n，则每池每周期的进水量q1=Q/(y·n)；另设每个反应池的面积为S，总水深为h，有效水深为Δh，充水比m=Δh/h，则每池每周期的排水量q2=S·Δh，因此根据q1=q2不难推算出CASS池总容积V=Q/(n·m)，而当式中n=4，m=0.25时，可得出V=Q的推论。

上述CASS池容积的计算公式只是从物料平衡角度进行的推算，而实际情况可能并非是如此简单的几何关系，因此CASS池的容积仍应按照《规范》要求代入各相关参数进行计算后确定，而本文中所推导出的计算公式及推论可用于核算池容积计算是否大致正确，或可以在基础资料或参数不齐全时，用于匡算CASS池的总容积之用。

3 关于CASS工艺的优化设计

3.1 关于CASS工艺的设计流量及池水深的确定

根据规范，由于CASS工艺进水时可均衡水量变化，故反应池的容积可按照平均日污水量进行计算。但由于高峰流量的大小及出现和持续的时间具有一定的不确定性，因此如何在进水时均衡水量变化问题就显得比较复杂，《规范》对该问题也未作明确解释和要求。如果仅按照《规范》要求的平均日污水量计算CASS池容积，则当最不利情况出现时，即1个或2个CASS池某个周期的大部分进水时间内接近高峰流量时，则根据相应总变化系数（1.3～1.4），从理论上计算，CASS池的进水量将大于设计水量的30%～40%，届时为保证运营的安全，须溢流部分未处理污水或调整部分CASS池的运行参数，如此将给污水厂日常运营管理带来不便，并可能影响出水水质的稳定。

鉴于上述问题，在具体工程设计计算过程中，CASS池的容积仍可按照《规范》要求的平均日水量进行计算，并可据此确定相应正常营运时池内的水位，但应复核在高峰流量时CASS池所能达到的最高水位，并根据该最高水位加上一定的安全超高（可取0.5 m左右）后所得高程，确定为CASS池的顶标高。另为保证鼓风曝气系统的正常运行，鼓风机的最高风压亦应按照最高水位时所对应的水压进行复核。

3.2 关于鼓风曝气系统的优化

根据规范，CASS工艺鼓风曝气系统所需要的风量，是按照平均日污水量进行计算的。但如果按此计算结果选取风机，则除了由于部分CASS池某些周期的进水量大于设计进水量而带来设计风量偏小以外，压力条件、气温及空气相对密度变化等因素均可能对供风量产生一定影响，故设计风量的选取应留有一定的余地，但如按最高日最高时的高峰污水流量作为依据计算风量，则不但会带来所选风机规模偏大的问题以外，还可能会引起一天中大部分时间小于等于平均流量进水时鼓风机的运行工况点距离运行高效区较远，从而带来运行效率降低的问题。因此鼓风机的设计风量可按照平均日污水量所对应的计算风量乘以一定的系数来进行确定（该系数应大于1，并小于总变化系数，一般可取为1.2左右），如此既考虑了一定的安全系数，又避免了风机规模偏大而带来的一系列问题。但如果高峰流量持续时间较长，则理论上可能会引起鼓风机设计风量略偏小的问题，如在实际运营过程中因此而影响出水水质的稳定，则可以通过适当调节充水比或进水时间的方式来解决该问题。

另外，对于非限制进水曝气形式，由于其进水的同时进行曝气，属于变水位曝气，而一组CASS池在同一时间各池内的水位基本是不一样的，因此若一台鼓风机同时对多个CASS池供气，则会由于池内水位不一致而引起风量分配不均的问题，所以对非限制进水曝气形式，应采用反应池与鼓风机一对一的供气方式。

3.3 其他值得优化的细节

（1）由于CASS工艺一般不设初沉池，因此CASS池内易流入较多杂物，故剩余污泥泵应选用不易堵塞的泵型。

（2）由于CASS工艺每池每天运行4～6个周期，其进水管路及鼓风曝气系统也需配合每天启闭4～6次，因此相应闸阀或阀门的使用频率较高，故上述设备应尽可能设置于便于检修的位置，同时在选购相关设备时应注意产品质量。

4 结语

CASS工艺不但处理设备少，占地面积省，而且其出水能够满足脱氮除磷的要求，同时该工艺具有运行效果稳定且耐冲击负荷等优点，因此随着我国对环境保护力度的加大以及CASS工艺自身反应机理研究的不断深入，相信该工艺将有着广阔的应用和发展前景。