CAST處理工藝機理
在可變?nèi)莘e和充水和排水(SBR法)系統(tǒng)中進行生物脫氦(硝化和反硝化)已有多年歷史，大量運行結果表明：同SBR一樣，CAST工藝具有卓越的硝反硝化能力，隨著除氦要求的不斷提高，CAST工藝將得到日益廣泛的應用。其原理為通過每一循環(huán)的四個階段人為地造成厭氧、缺氧、好氧的生物環(huán)境。不僅能去除一般有機物和懸浮固體，而且還能去除營養(yǎng)物質(zhì)氦和磷，處理效果取決于泥齡、供氧情況和一個循環(huán)中曝氣和非曝氣時段的比例。
CAST系統(tǒng)中硝反硝化過程不需要單獨設置一個缺氧運行階段以進行反硝化。生物除磷效果達到80~90%左右，如需進一步提高除磷效果，可采用加大循環(huán)周期，加大非曝氣時間占整個循環(huán)時間的比例。
CAST反應池分為生物選擇區(qū)、預反應區(qū)和主反應區(qū)，如圖1所示，運行時按進水-曝氣、沉淀、撇水、進水-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。圖1循環(huán)活性污泥技術
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1)生物選擇器設在池子首部，不設機械攪拌裝置，反應條件在缺氧和厭氧之間變化。生物選擇區(qū)有三個功能：a．絮體結構內(nèi)底物的物理團聚與動力學和代謝選擇同步進行；b．選擇器被隔開，保證初始高絮體負荷，以及酶快速去除溶解底物；c.通過選擇器的設計，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。生物選擇區(qū)的設置嚴格遵循活性污泥種群組成動力學的有關規(guī)律，創(chuàng)造合適的微生物生長條件，從而選擇出絮凝性細菌。活性污泥的絮體負荷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，較高的污泥絮體負荷有助于絮凝性細菌的生長和繁殖。CAST工藝中活性污泥不斷地在生物選擇器中經(jīng)歷高絮體負荷階段，這樣有利于絮凝性細菌的生長，提高污泥活性，并通過酶反應快速去除廢水中的溶解性易降解底物，從而抑制了絲狀細菌的生長和繁殖，避免了污泥膨脹的發(fā)生。同時當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，為生物除磷做準備。
2)預反應區(qū)為水力緩沖區(qū)，大小與高峰流量有關，若在非曝氣階段，不進水可將其省去。
3)主反應區(qū)在可變?nèi)莘e完全混合反應條件下運行，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器發(fā)生。通常認為在系統(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，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。
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環(huán)境非常迅速地從缺氧環(huán)境轉化為厭氧環(huán)境，當選擇器處于厭氧環(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)合成為細胞學儲備物質(zhì)PHB；在主反應區(qū)為好氧環(huán)境時，聚磷菌以游離氧為電子受體，將細胞儲備物質(zhì)氧化，并利用該反應所產(chǎn)生的能量，過量地在污水中攝取磷酸鹽并合成為ATP，其中一部分轉化為聚磷貯存能量，為下一周期的厭氧釋磷做準備。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，化學污泥在池子中的濃度約在1.7g/L～2.0g/L左右，化學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，在曝氣結束后，主反應區(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-再生”原理，生物先在生物選擇器經(jīng)歷一個高負荷反應階段，然后在主反應區(qū)經(jīng)歷一個低負荷反應階段，完成反應過程如圖2所示，生物選擇其中較高的污泥絮體負荷，可以使廢水中存在的溶解性易降解有機物通過酶轉移機理予以快速地吸附和吸收進行底物的積累，然后在污泥絮體負荷較低的主反應區(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”，實驗和實際應用表明，當高于75%的易降解有機物質(zhì)通過酶轉移機理去除，則剩余可溶解COD小于100mg/L。
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