关于污水处理厂CASS工艺相关设计要点的探讨

孙国帅，殷世忠

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663）

引言

CASS工艺是SBR工艺的一种，除了保留了SBR工艺原有的流程简单、出水水质好、土建和设备投资低、耐水量水质负荷冲击、运行灵活等优点，通过选择区的设置，提高了容积利用率，有效控制了污泥膨胀的产生，并且强化了生化池的反硝化效果，提高了总氮去除效率[1]。自上世纪90年代以来，CASS工艺在中小型城市污水处理厂及工业污水含量较高的区域均有较为广泛应用。

CASS工艺与其他活性污泥法污水处理工艺的主要区别在于生化池后不需要再另外设置二沉池，而且生化池出水后直接进入深度处理单元或直接通过消毒后出水，一般处理流程如图1所示。

1 设计要点探讨

1.1 选择区的设置

CASS生化池通常将空间分成两至三个区域，仅用于脱氮时，生化池设置两个反应区，分别为缺氧生物选择区和好氧区；当用于同步除磷脱氮时，水池可以分为厌氧生物选择区、缺氧区和好氧区，其中的生物选择区和主反应区分别如图2和图3所示。

图2 CASS池剖面示意图（脱氮）

图3 CASS池剖面示意图（脱氮除磷）

厌氧或缺氧生物选择区的设置保证了活性污泥在进水阶段能够一直处于吸附状态，从有利于反应池中絮凝性细菌的生长，提高了污泥的活性，使活性污泥能够快速降解废水中的易降解物质，从而有效地抑制了污泥膨胀的产生；同时，在沉淀阶段，生物选择区不会对主反应区的污泥沉降产生水力干扰，主反应区一的沉淀过程始终处于静止环境中，因而沉淀效果更好。

当CASS池仅用于脱氮时，缺氧区内的溶解氧小于0.5 mg/L，缺氧区进行反硝化反应能够去除TN，好氧区进行生物氧化和硝化反应，去除BOD、COD和NH3-H，同时好氧区混合液回流至缺氧区，其工艺流程见图4。

图4 CASS工艺流程示意图（脱氮）

当CASS池进行同步脱氮除磷时，厌氧选择区的溶解氧为0，嗜磷菌释放出磷；当缺氧区内溶解氧含量小于0.5 mg/L时，可以进行反硝化反应去除TN；好氧区进行生物氧化和硝化反应，去除BOD、COD和NH3-H，同时好氧区混合液回流至厌氧生物选择区，具体工艺流程见图5。

图5 CASS工艺流程示意图（脱氮除磷）

生物选择区的设置通常有两种形式，一种设计为一个选择区对应一个主反应区，也有设计为一个选择区对应2～4个主反应区。例如：广州开发区东区水质净化厂一期工程设计规模为2.5万m3/d，处理工艺为CASS工艺，设置了2组生化池，每组设置2个水池，每组水池共用一个选择区；东区水质净化厂三期工程的设计规模为10万m3/d，处理工艺为CASS工艺，共设置了2组反应池，每组设有4个水池，每组水池共用一个选择区。

生物选择区在设计中除了要保持基质浓度梯度外，还应该使实际溶解氧尽可能地接近零值，反应器的水力停留时间取值仅可能保证反硝化反应的完成，通常缺氧生物选择区的有效容积宜占总有效容积的20%，厌氧生物选择区占总有效容积的5%～10%。

1.2 有效水深

CASS工艺水池常见的水深为4.0～6.0 m，通过对多家CASS及其他序批式处理工艺污水厂[2-4]进行调研可知，绝大多数CASS或序批式工艺污水厂的水深都不超过6.0 m，其中广东省内的多家CASS工艺污水厂，仅有广州开发区东区厂的二期工程和番禺区大石污水厂的一期工程设计水深达到了7.0 m，具体如表1所示。

表1 广东部分CASS工艺污水厂设计水深统计表

由此可知，CASS池的水深增加可在一定程度上提高土地的利用率，并增加单位用地的污水处理规模，但是在水深增加时，工作人员还应重视以下几点：①有效的水深增加，可以使水池的有效容积增加、使单位面积的出水量增加，因而会提高水池沉淀过程中的表面负荷，导致污泥和SS的沉降压力增加②CASS池设计充水比通常为0.2～0.5，水池水深增加后会增加滗水高度，因而对滗水设备的稳定性提出了更高的要求。③CASS池水深的增加势必会增加曝气压力，因而会增加吨水处理的电耗。

1.3 污泥浓度

活性污泥是CASS池内降解和去除各类污染物质的主体作用物质，通常CASS工艺设计污泥浓度范围为1 500～5 000 mg/L，最新《室外排水设计标准》（GB 50014-2021）中设计的污泥浓度宜取2 500～4 500 mg/L，而在实际运营中，水厂可将污泥浓度维持到更高水平，如6 000～7 000 mg/L。一般而言，适当地增加污泥浓度可以提高污水处理厂的处理能力，但是污泥浓度的提高也会增加CASS池沉淀阶段的表面负荷，因而增加污泥和SS的沉降风险。但是污泥浓度也不宜过低，过低的污泥浓度会导致工艺容积利用率过低，进而不利于水厂的集约化设计，而且在运营过程中容易产生大量泡沫，因而增加了运营风险。因此，在设计过程中设计人员最好根据污水的特性，通过实验确定最佳的污泥浓度。

1.4 水力停留时间

水力停留时间是表征CASS池池容大小的关键参数。一般来说，污染物质的去除率会随着水力停留时间的增加而提高。但是水力停留时间越长意味着土建投资和运营费用的增加，因此需要选择合适的水力停留时间。有研究表明[5]，COD、NH3-N的去除率会随着水力停留时间的增加而增加，但TN的去除率则是先增加后减小。其中COD在18 h停留时间的去除率高于16 h的去除率，当停留时间继续增加，COD的去除率增加不明显；NH3-N在停留时间为18 h时的去除率远大于14 h和16 h的去除率，停留时间继续增加时，NH3-N的去除率增加不明显；TN在18 h停留时间下去除率远大于14 h和16 h的去除率，当停留时间继续增加时，TN的去除率反而有所下降，这可能是由于停留时间过长，在BOD/TN比较低情况下，反硝化阶段所需的碳源不足，使硝态氮反硝化不充分导致的。

另有实际运行数据表明，当BOD/TN较高时，适当地提高停留时间反而有利于TN去除率的提高。如表2所示，当BOD/TN处于较高水平时，在其他进水水质相近的情况下，萝岗水质净化厂二期工程在更高停留时间下TN的去除率明显高过一期工程。这表明当污水可生化性较好，BOD/TN较高时，适当提高污水的水力停留时间有利于TN的去除。

表2 萝岗水质净化厂TN去除率对比表

当然，水力停留时间的选择通常还要根据污水处理的目标来确定。当仅需要去除BOD时，最小水力停留时间为8 h；当需要同时去除BOD和NH3-H时，水力停留时间宜大于10 h；当需要去除BOD、NH3-H，并以TN为去除目标时，水力停留时间宜大于15 h；当需要去除BOD、NH3-H并同步脱氮除磷时，水力停留时间宜大于20 h。由此可见，随着污水处理标准的提高，CASS池的最小水力停留时间也应相应地增加。

1.5 运行方式

目前投入运行的CASS工艺污水处理厂的运行结果，对于一般城市污水在没有特殊工程措施的条件下，出水水质主要取决于污泥泥龄、供氧情况和一个循环中曝气阶段和非曝气阶段的比例。运行结果表明[6]，对于同时硝化/反硝化系统，CASS系统的最佳循环周期可为3 h、4 h 及6 h。

每个池子中的循环操作均由中央控制系统自动控制，需要时也可以进行人工操作。进水、曝气、沉淀、出水（撇水）等阶段构成了一个循环，在完成此4个阶段后，整个周期再自动重新开始。最常见的运行周期为每日运行6个周期，每周期运行4 h，其中进水和反应需要2 h，沉淀1 h，滗水1 h。在每个周期的运行过程中，主要控制对象包括滗水器的控制、鼓风机的控制、回流污泥和剩余污泥的控制。

1.5.1 滗水器的控制

使用移动式滗水器，滗水装置的下降速度使出水量保持不变，滗水器装置使撇水过程进入滗水器的进水呈层流状态。滗水器的初始状态位于水面以上，当得到控制命令后进入运行状态，并将上清液排出。当滗水器达到预定的最低水位后，便返回到初始状态。

1.5.2 鼓风机的控制

由于在CASS系统中同时进行硝化/反硝化过程，不适当的曝气将使整个过程受到影响。因此可以通过溶解氧水平的变化控制池子的曝气量。在曝气开始时，所控制的溶解氧值很低，一般为0.5 mg/L。在曝气结束前，将溶解氧数值提高到2～3 mg/L，整个控制过程由中央控制系统进行。

1.5.3 回流污泥和剩余污泥的控制

用回流污泥泵将一定量活性污泥从主曝气区回流至池首的选择器中。当处于自动控制状态时，在曝气、沉淀、闲置阶段进行污泥回流，撇水阶段停止污泥回流。当处于手动运行状态时，整个循环过程都在进行污泥回流。

2 结论

（1）本文对CASS工艺的概况做了简要介绍，重点探讨了选择段的设置、污泥浓度、设计水深、停留时间、运行周期等相关要点，分析了CASS工艺在设计过程中的注意事项，为后续CASS工艺污水厂的新建和改造项目提供参考。

（2）随着污水处理排放要求的不断增加，生态环境基础设施建设水平也在不断提高，如今城市污水厂普遍面临着提标改造的问题，其中TN出水标准的提高往往是新建厂或改建厂关注的重点，特别是对于部分大中城市，污水处理厂往往位于市区，土地紧张，使在原有用地条件下进行扩容或提标改造的难度增加。所以，通过适当挖掘CASS工艺设计参数的潜力，应对不断提高的污水处理要求是非常必要的。