循環(huán)式活性污泥法(Cyclic Activated Sludge
     
Technology，簡稱CAST)是由美國Goronszy教授開發(fā)出來的，該工藝的核心為間歇式反應(yīng)器，在此反應(yīng)器中按曝氣與不曝氣交替運行，將生物反應(yīng)過程與泥水分離過程集中在一個池子中完成，屬于SBR工藝的一種變型。

該工藝投資和運行費用低、處理性能高，尤其是優(yōu)異的脫氮除磷效果，已廣泛應(yīng)用于城市污水和各種工業(yè)廢水的處理中。

1 工作原理

CAST反應(yīng)池分為生物選擇區(qū)、預(yù)反應(yīng)區(qū)和主反應(yīng)區(qū)，如圖1所示，運行時按進水-曝氣、沉淀、撇水、出水-閑置完成一個周期，CAST的成功運行可將廢水中的含碳有機物和包括氮、磷的污染物去除，出水總氮濃度小于5mg/L。

1-生物選擇器；2-預(yù)反應(yīng)區(qū)；3-主反應(yīng)區(qū)
 
1)生物選擇器設(shè)在池子首部，不設(shè)機械攪拌裝置，反應(yīng)條件在缺氧和厭氧之間變化。生物選擇區(qū)有三個功能：a．絮體結(jié)構(gòu)內(nèi)底物的物理團聚與動力學(xué)和代謝選擇同步進行；b．選擇器被隔開，保證初始高絮體負(fù)荷，以及酶快速去除溶解底物；c.通過選擇器的設(shè)計，還可以創(chuàng)造一個有利于磷釋放的環(huán)境，這樣促進聚磷菌的生長[1]。生物選擇區(qū)的設(shè)置嚴(yán)格遵循活性污泥種群組成動力學(xué)的有關(guān)規(guī)律，創(chuàng)造合適的微生物生長條件，從而選擇出絮凝性細(xì)菌。活性污泥的絮體負(fù)荷S0/X0(即底物濃度和活性微生物濃度的比值)對系統(tǒng)中活性污泥的種群組成有較大的影響，較高的污泥絮體負(fù)荷有助于絮凝性細(xì)菌的生長和繁殖。CAST工藝中活性污泥不斷地在生物選擇器中經(jīng)歷高絮體負(fù)荷階段，這樣有利于絮凝性細(xì)菌的生長，提高污泥活性，并通過酶反應(yīng)快速去除廢水中的溶解性易降解底物，從而抑制了絲狀細(xì)菌的生長和繁殖，避免了污泥膨脹的發(fā)生。同時當(dāng)生物選擇器處于缺氧環(huán)境時，回流污泥存在的少量硝酸鹽氮(約為N3-N=20mg/L)可得到反硝化，反硝化量可達整個系統(tǒng)硝化量的20%。當(dāng)選擇器處于厭氧環(huán)境時，磷得以有效地釋放，為生物除磷做準(zhǔn)備。

2)預(yù)反應(yīng)區(qū)為水力緩沖區(qū)，大小與高峰流量有關(guān)，若在非曝氣階段，不進水可將其省去。

3)主反應(yīng)區(qū)在可變?nèi)莘e完全混合反應(yīng)條件下運行，完成含碳有機物和包括氮、磷的污染物的去除。運行時通過控制溶解氧的濃度使其從0緩慢上升到2.5mg/L來保證硝化、反硝化以及磷吸收的同步進行。

a．硝化反硝化。同步反硝化意味著在不專門為硝酸鹽的去除設(shè)混合裝置或正常缺氧混合程序的條件下，硝化與反硝化同時在同一反應(yīng)器發(fā)生。通常認(rèn)為在系統(tǒng)中，氮去除機制與在微生物絮體內(nèi)由于受擴散限制引起的溶解氧(DO))的濃度梯度有關(guān)，這樣硝化菌存在于高溶解氧區(qū)或正氧化還原點位(OPR)，相反反硝化菌在溶解氧降低區(qū)或負(fù)氧化還原點位(OPR)下活性十足。CAST工藝運行中控制供氧強度以及混合液溶解氧的濃度使其從0逐漸上升到2.5mg/L左右，這樣使活性污泥絮體的外周保持一個好氧環(huán)境進行硝化，由于氧在活性污泥絮體內(nèi)的傳遞受到限制，而具有較高濃度梯度的硝酸鹽則能較好地滲透到絮體內(nèi)部有效地進行反硝化。另外，該工藝曝氣與非曝氣交替進行，從而使泥水混合液通過主反應(yīng)區(qū)，順序經(jīng)過缺氧-好氧-厭氧環(huán)境，尤其在非曝氣階段0.5h-1.0h內(nèi)污泥層以胞內(nèi)在生物選擇高負(fù)荷下儲存或吸收的碳為碳源，進行反硝化，在污泥沉淀過程中也有一定的反硝化作用。同時可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

b．磷的去除。生物除磷是依靠聚磷菌的作用實現(xiàn)的，生物選擇器不曝氣這樣反應(yīng)環(huán)境非常迅速地從缺氧環(huán)境轉(zhuǎn)化為厭氧環(huán)境，當(dāng)選擇器處于厭氧環(huán)境，聚磷菌依靠水解體內(nèi)的聚磷(Poly-P)水解釋放出正磷酸鹽，同時產(chǎn)生能量以吸收水中的溶解性有機底物，并將其在體內(nèi)合成為細(xì)胞學(xué)儲備物質(zhì)PHB；在主反應(yīng)區(qū)為好氧環(huán)境時，聚磷菌以游離氧為電子受體，將細(xì)胞儲備物質(zhì)氧化，并利用該反應(yīng)所產(chǎn)生的能量，過量地在污水中攝取磷酸鹽并合成為ATP，其中一部分轉(zhuǎn)化為聚磷貯存能量，為下一周期的厭氧釋磷做準(zhǔn)備。由于好氧段的吸磷量要遠大于厭氧段的釋磷量，所以通過剩余污泥的排放可達到除磷目的。若要在生物除磷的基礎(chǔ)上進一步強化除磷效果或達到完全除磷的目的，可加入鋁鹽或鐵鹽，根據(jù)所去除磷濃度的大小，化學(xué)污泥在池子中的濃度約在1.7g/L～2.0g/L左右，化學(xué)污泥可以進一步提高沉淀污泥的壓縮能力。CAST工藝是活性污泥不斷地經(jīng)過耗氧和厭氧的循環(huán)，這將有利于聚磷菌在系統(tǒng)中的生長和積累。根據(jù)Gorony等人的研究，當(dāng)微生物內(nèi)吸附大量降解物質(zhì)，而且處在氧化還原點位為+100mV～-150mV的交替變化中時，系統(tǒng)可具有良好的生物除磷功能。

此外，在曝氣結(jié)束后，主反應(yīng)區(qū)進行泥水分離，由于此階段無進水水力干擾，在靜止環(huán)境中進行，從而保證系統(tǒng)良好的分離效果。CAST整個工藝過程遵循生物的“積累一再生”原理，生物先在生物選擇器經(jīng)歷一個高負(fù)荷反應(yīng)階段，然后在主反應(yīng)區(qū)經(jīng)歷一個低負(fù)荷反應(yīng)階段，完成反應(yīng)過程如圖2所示，生物選擇其中較高的污泥絮體負(fù)荷，可以使廢水中存在的溶解性易降解有機物通過酶轉(zhuǎn)移機理予以快速地吸附和吸收進行底物的積累，然后在污泥絮體負(fù)荷較低的主反應(yīng)區(qū)完成底物的降解，從而實現(xiàn)了活性污泥的再生。再生的污泥又以一定的比例回流至生物選擇器中，進行機制的再次積累，這樣不斷地循環(huán)完成了生物的“積累—再生”，實驗和實際應(yīng)用表明，當(dāng)高于75%的易降解有機物質(zhì)通過酶轉(zhuǎn)移機理去除，則剩余可溶解COD小于100mg/L。

2 CAST工藝的設(shè)計計算

2.1 CAST池容積

CAST池容積采用容積負(fù)荷計算法確定，并用排水體積進行復(fù)核。

1)負(fù)荷計算法。
V=Q×(Sa－Se)/(Ne×Nw×f)                                    
式中：V—CAST池容積，m3；
Q—污水日流量，m3/d；
Nw—混合液污泥(MLSS)濃度，3g/L～4g/L；
Ne—B0D污泥負(fù)荷率，其中Ne=K2×Se×f/η，K2取值見表1；
f—混合液中揮發(fā)性懸浮固體濃度與總懸浮固體濃度的比值，即f=MLSS/MLVSS，0.7～0.8.
表1生活污水及部分的K2工業(yè)廢水值
序號名稱K2值           
1生活污水0.0168～0.O281          
2合成橡膠廢水O.O672          
3化學(xué)廢水O.00144           
4脂肪精致廢水0.036
5石油化工廢水O.0o672

2)容積確定。CAST池內(nèi)有效容積由變動容積(V1)和固定容積組成，變動容積是指池內(nèi)設(shè)計最高水位至潷水機排放最低水位的容積。固定容積由兩部分組成：一部分是活性污泥，最高泥面至池底之間的容積(V3)；另一部分為撇水水位和泥面之間的容積，它是由防止撇水和污泥流失的最小安全距離決定的容積(V2)。
      　V=nl×(Vl+V2+V3)                                            
式中：V—CAST池總有效容積，m3；
n1——CAST池子個數(shù)；
V1——變動容積，m3；
V2——安全容積，m3；
V3——污泥沉淀濃縮容積，m3。
一般地，池內(nèi)最高液位H按下式計算：
H=Hl+H2+H3=(3～5)m                                           
          H1=Q/(n1×n2×A)                                              
H3=H×Nw×SVI×10-3                                         
          H2=H-(Hl+H3)                                                
式中：H1——池內(nèi)設(shè)計最高水位至潷水機排放最低水位之間的高度，m；
A——單個CAST池平面面積，m2；
n2——日內(nèi)循環(huán)周期數(shù)；
H3——潷水結(jié)束時泥面高度，m；
Nw——最高液位時混合液污泥濃度，kg/m3；
H2——撇水水位和泥面之間的安全距離，m。
負(fù)荷計算法算出的結(jié)果，如不能滿足(6)的條件，則必須減少污泥負(fù)荷，增大CAST池的有效容積，直至滿足(6)的條件。

2.2 選擇器容積

CAST池中間設(shè)一道隔墻，將池體分隔微生物選擇區(qū)和主反應(yīng)區(qū)兩部分。靠進水端為全物選擇區(qū)，其容積為CAST池總?cè)莘e的20%左右，另一部分為主反應(yīng)區(qū)。選擇器的類別不同，對選擇器的容積要求也不同。一般來講，對于好氧生物選擇器，其混合液接觸時間T為15min～30min，對缺氧和厭氧生物選擇器一般取30min～60min。因此其容積為：
      V=(Qi+Qr)×T                                                       
式中：Qi，Qr——進水、回流污泥流量，m3/h。
注：生活污水回流量為旱季流量的20%，一般以主反應(yīng)區(qū)的污泥24h全部循環(huán)一次來確定污泥回流量。生物選擇器的大小和污泥回流比，可根據(jù)實驗和實際情況找出最佳條件。

2.3 循環(huán)時間分配及DO控制

典型的操作循環(huán)設(shè)計為4h，其中2h用于進水和曝氣，2h用于沉淀和撇水，這一循環(huán)操作廣泛用于單池和多池處理系統(tǒng)中；為使池子中溶解氧濃度與工藝要求相一致，最大程度地減少曝氣強度，可采用探頭測定曝氣階段中溶解氧濃度作為調(diào)節(jié)曝氣強度和排除剩余污泥的控制參數(shù)。

3 結(jié)語

CAST工藝保持了典型的完全混合特性，具有較強的耐沖擊負(fù)荷能力；CAST設(shè)置生物選擇器，促進絮凝型細(xì)菌的生長和繁殖，從而抑制了污泥膨脹的發(fā)生，高效地進行硝化反硝化，脫氮除磷效果顯著。另外，CAST工藝流程簡單，采用矩形結(jié)構(gòu)，運行時，不需要大量的污泥回流，自動化程度高，所以建設(shè)和運行費用低。此外，對于某一給定規(guī)模的污水廠，設(shè)計時可采用模塊布置方法，根據(jù)污水廠規(guī)模，先確定其基本模塊，然后重復(fù)布置此模塊直至達到所要求的處理規(guī)模，對于大型污水廠，由于CAST模塊結(jié)構(gòu)布置方式節(jié)約占地面積，擴建方便，已日益為人們所接受。來源：谷騰水網(wǎng)