探讨CAST工艺运行优化与控制

严俊泉

(扬州市洁源排水有限公司，江苏 扬州 225004)

CAST工艺作为污水二级处理工艺，具有工艺流程简单、土建和设备投资少(无初沉池和二沉池以及规模较大的回流污泥泵站);运行灵活，能很好地缓冲进水水质、水量的波动;无污泥膨胀，沉淀过程在静止环境中进行，无漂泥现象，工艺过程稳定;自动化程度高，人员费用低等优点。已在欧美国家得到广泛应用，目前国内主要将其用于需脱氮除磷的城市污水及制药、啤酒、印染和化工等行业废水的处理［1］。与其他工艺相比，CAST工艺对过程控制的各项参数、自动化控制的稳定性和准确性有更高的要求，而目前污水厂大多采用依赖于经验数据的恒定参数控制模式，已无法适应进水水质、水量的时刻变化和满足更严格的污水排放标准［2］。

鉴于此，笔者结合扬州汤汪污水处理厂的实际运行情况，通过整理分析运行数据，应用活性污泥模型ASM2D模拟得出适用于该污水厂的最佳调控参数，以期进一步提高CAST工艺的运行效率和处理效果，从而实现节能减排的目标。

1 试验部分

1.1 污水处理厂概况

汤汪污水处理厂属于淮河流域水污染防治工程和南水北调东线治污工程之一，设计总规模为18×104m3/d，分两期实施，一期规模为10×104m3/d，二期规模为8×104m3/d0处理对象为由合流管网收集的扬州老城区、瘦西湖风景区及周边区域内的污水，依次经粗格栅、进水泵房、细格栅、曝气沉砂池、CAST生物池处理后排入京杭大运河，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918－2002)的一级B标准。作为重点治污工程，该厂要求进一步提高出水水质，响应国家节能减排政策。笔者的研究对象为该厂的一期工艺，目前实际处理量平均为6×104m3/d。

1.2 进水水质

汤汪污水厂的进水 COD、BOD5、SS、NH3－N、TN 和 TP分别为 310、151、180、24.4、36.1 和 4.34mg/L，进水碳源充足，B/C值(0.49)、BOD5/TN值(4.2)和BOD5/TP值(34.8)均较高，可生化性较好。

1.3 运行工况

一期工艺设有厌氧选择区和8个完全混合式CAST池，分为4个控制模块，每2个池组成一个模块并列启动，由于现阶段进水量不足，仅运行了3个模块。模块I:进水/曝气—曝气—沉淀—滗水;模块II:沉淀—滗水—进水/曝气—曝气;模块III:滗水—进水/曝气—曝气—沉淀;模块IV:曝气—沉淀—滗水—进水/曝气。设计运行周期为4h、四阶段各为1h;实际运行周期为5.5h，四阶段依次运行 110、83.3、76.7、60minQ进水/曝气阶段DO控制在1.8－2.0mg/L，曝气阶段DO控制在2～2.5mg/L，污泥回流比为22%，污泥龄为18d0

1.4 试验方法

以GPS－X为软件平台，采用ASM2D模型对污水处理厂的运行情况进行模拟。ASM2D模型不仅包括含碳有机物的去除过程，还描述了通过硝化和反硝化作用对含氮物质的去除过程，以及厌氧水解和发酵、生物除磷、化学沉淀、PAOs的反硝化等反应过程［3］。汤汪污水处理厂的核心工艺为CAST生物池，其实质为活性污泥法，因此该模型的建立以活性注污泥模型为主，不包括格栅、沉砂池及消毒等设施。模型建立后，必须利用该厂的原始数据进行校正。

1.5 分析项目与方法

COD:重铬酸钾法;B0D5:稀释与接种法;TN:过硫酸钾氧化一紫外分光光度法;NH3－N:纳氏试剂分光光度法;TP:钼酸铵分光光度法;SS:重量法。对于活性污泥降解污染物的基本参数，包括耗氧速率、硝化速率、反硝化速率、磷的释放及吸收速率等均采用活性污泥测定仪(美国生化公司专利分析工具)测定，其由一个电脑操控的控制箱和反应器组成，可定量描述污水处理厂的运行状况并校正污泥模型［4］。

2 结果与讨论

2.1 污泥活性分析

采用活性污泥测定仪对CAST工艺中的污泥活性进行了分析，在低温(15℃)下污泥混合液的硝化速率为1.15mgNH3－N/(L·h)，耗氧速率为5.25～9.6mg02/(L·h)，反硝化速率为2.9mgN/(L·h)，与其他污水厂相比，污泥活性偏低。这主要是因为监测时段受到大量工业废水的冲击，使进水中含有部分毒性或惰性污染物，抑制了污泥的活性。故在优化运行控制过程中，需对进水污染物进行实时监测，并采用前馈控制预警冲击负荷对核心CAST工艺的影响，以及时计算、调整最佳工艺参数，确保污水厂稳定高效运行。

2.2 设计方案预测

在使用ASM2D模型校正成功的基础上，进行了36种设计方案预测。分别在12和20℃两种典型水温下，针对CAST工艺的不同曝气时间(包含曝气及微曝气阶段，60～120min)进行模拟调整，筛选了几种优化方案进行讨论，其中生物池的MLSS设置为4g/L。

以12℃的水温模拟预测汤汪污水处理厂在冬季运行状况。在DO较低(1mg/L)时，氨氮的硝化效果较差。预测方案结果显示，若要达到较好的硝化效果，曝气时间要延长至120min，此时出水氨氮和总氮浓度较曝气时间为60min时的可降低好31.8%和34.1%。当DO提高到2mg/L时，出水水质有所提高。其中，曝气时间为60min时对氨氮的去除率提高了18.2%;要想达到理想的硝化效果，则需将曝气时间增至120min，此时出水氨氮降为6mg/L。因此在低温条件下，通过提高生物反应池的溶解氧浓度来使出水氨氮达标的方案是可行的。继续将DO增至3mg/L时，出水氨氮可下降1～2mg/L，但降幅不大，且出水总氮浓度几乎无变化，而能耗却增加了14.3%左右。因此将DO控制在2mg/L较为理想。汤汪污水处理厂目前在DO为2mg/L的条件下运行，平均曝气时间为150min(含曝气和微曝气阶段)，虽然可确保出水氨氮达标，但同时也増大了曝气能耗。

在水温较高(20℃)的条件下，设定了两个 DO值(1和2mg/L)进行模拟。当DO为1mg/L时，曝气60min后，出水氨氮可降至5mg/L;在相同的曝气时间下，高温条件下比低温条件下对氨氮的去除率有显著提高，由此也说明了温度对硝化进程、硝化菌活性的重要影响;另外模拟结果显示，出水COD、BOD5、NH3－N和TN浓度均能满足GB18918—2002的一级A标准。若设定曝气吋间为100min，不仅可保证出水稳定达到排放标准，与该厂实际工况相比，每天的总曝气时间也可缩短80～280min、D0降低1mg/L，从而可节约28% ～36%的曝气能耗。当DO调整为2mg/L时，出水氨氮、总氮浓度可进一步降低，但与DO为1mg/L时的模拟结果相比，对氨氮的去除率增加不明显;而与实际工况相比，当设定曝气时间(含微曝气阶段)为60min时，模拟出水氨氮浓度略高于实际工况的，但也能够满足GB18918－2002的一级A标准，此时总曝气时间缩短，每天可以增加1～2个运行周期，可以应对进水高峰、水量明显增加的情况。

此外，在低水量、较高水温情况下，可适当降低DO浓度，因为DO过高会影响缺氧反硝化过程，并且过大的曝气强度会影响污泥颗粒的吸附和絮凝性能，使得出水ss增加。

2.3 优化方案总结

对比以上五种模拟方案可知，提高DO浓度和延长曝气时间可有效降低出水氨氮浓度。对汤汪污水处理厂来说，为进一步提局出水水质和运行稳定性，当水温较低时，提高氧的转移效率，在曝气过程中保持DO设定值;当水温较高时，则根据进水水质、水量情况以及模拟结果调整运行周期、DO浓度等参数，避免在保证出水达标排放的情况下浪费能源。同时，由于硝化能力的提高，将会产生更多的硝酸盐，这将会提高反硝化效率，进一步降低出水总氮浓度。

2.4 优化诊断成果的执行和实现

以上述CAST工艺诊断结果为基础，建立生物工艺智能优化控制系统(BIOS)，该系统的核心是活性污泥模型，配备专有的在线仪表与污水厂中央控制系统(SCADA)接口，将污水厂进、出水的实时水质数据输入该实时模型对CAST工艺的处理效果进行模拟，模拟结果反馈给SCADA，然后输出CAST工艺的各控制目标参数，包括DO、内回流比、外回流比及排泥量等。此方法解决了传统控制方式不适应水质、水量变化的问题以及在线仪表反馈滞后导致的延时性和误差问题，体现了智能自动化控制的特点，从而可保证出水水质稳定达标，而且实现了节省能耗、降低运行费用的目的。

3 结束语

(1)汤汪污水处理厂CAST工艺的污泥活性偏低，硝化速率为.l5mgNH3－N/(L·h)、耗氧速率为 5.25－9.6mg02/(L.h)、反硝化速率为2.9mgN/(L·h)，主要受监测时段高负荷工业废水的冲击，故需对污水厂进水进行实时监测并采用前馈控制，以及时调整最佳工艺参数来确保污水厂稳定高效运行。

(2)对于汤汪污水处理厂的CAST工艺，在低水温条件下，需确保曝气过程中DO值达到2mg/L，以弥补低温对微生物活性的不利影响;在较高水温条件下，根据进水水质、水量及模型模拟结果调整最佳运行周期、DO浓度等参数，以避免在保证出水达标排放的情况下浪费能源。

(3)以CAST工艺诊断结果为基础建立开发的生物工艺智能优化控制系统可使优化成果得以执行，从而解决了在工艺运行控制方面缺乏科学依据、明显滞后的问题，提高了CAST工艺的自动化控制技术水平及污水处理厂运行人员的管理水平。

［1］房安富，王旭，王文光.CAST工艺在大连老虎滩污水处理厂的应用［J］.中国给水排水，2007，23(4):61 －64.

［2］熊红权，李文彬.CASS工艺在国内的应用现状［J］.中国给水排水，2003，19(2):34 －35.

［3］郭亚萍，顾国维.ASM2d在污水处理中的研究与应用［J］.中国给水排水，2006，22(6):8 －10.

［4］李金国，焦建文，刘杰，等.扬州六圩污水厂的工艺改进及优化控制设计［J］.中国给水排水，2009，25(22):25 －30.