CASS工艺设计方法

1.1计算BOD-污泥负荷（N s）

BOD-污泥负荷是CASS工艺的主要设计参数，其计算公式为：

（1）

式中：Ns——BOD-污泥负荷，kgBOD5/(kgMLSS·d)，生活污水取0.05～0.1

kgBOD5/(kgMLSS·d)，工业废水需参考相关资料或通过试验确定；

K2——有机基质降解速率常数，L/(mg·d)；

S e——混合液中残存的有机物浓度，mg/L；

η——有机质降解率，％；

?——混合液中挥发性悬浮固体浓度与总悬浮固体浓度的比值，一般在生活污水中，?＝0.75。

（2）

式中：MLVSS——混合液挥发性悬浮固体浓度，mg/L；

MLSS——混合液悬浮固体浓度，mg/L；

1.2 CASS池容积计算

CASS池容积采用BOD-污泥负荷进行计算，计算公式为：

（3）

式中：V——CASS池总有效容积，m3；

Q——污水日流量，m3/d；

S a、S e——进水有机物浓度和混合液中残存的有机物浓度，mg/L；

X——混合液污泥浓度（MLSS），mg/L；

Ns——BOD-污泥负荷，kgBOD5/(kgMLSS·d)；

?——混合液中挥发性悬浮固体浓度与总悬浮固体浓度的比值。

1.3 容积校核

CASS池的有效容积由变动容积和固定容积组成。变动容积（V1）指池内设计最高水位和滗水器排放最低水位之间的容积；固定容积由两部分组成，一部分是安全容积（V2），指滗水水位和泥面之间的容积，安全容积由防止滗水时污泥流失的最小安全距离决定；另一部分是污泥沉淀浓缩容积（V3），指沉淀时活性污泥最高泥面至池底之间的容积。

CASS池总的有效容积：

V＝n1×（V1＋V2＋V3）（4）

式中：V——CASS池总有效容积，m3；

V1——变动容积，m3；

V2——安全容积，m3；

V3——污泥沉淀浓缩容积，m3；

n1——CASS池个数。

设池内最高液位为H（一般取3～5m），H由三个部分组成：

H＝H1＋H2＋H3 （5）

式中：H1——池内设计最高水位和滗水器排放最低水位之间的高度，m；

H2——滗水水位和泥面之间的安全距离，一般取1.5～2.0m；

H3——滗水结束时泥面的高度，m；

其中：

（6）

式中：A——单个CASS池平面面积，m2；

n2——一日内循环周期数；

H3＝H×X×SVI×10－3 （7）

式中：X——最高液位时混合液污泥浓度，mg/L；

污泥负荷法计算的结果，若不能满足H2≥H－（H1＋H3），则必须减少BOD-污泥负荷，增大CASS池的有效容积，直到条件满足为止。

1.4 设计方法分析

从上述设计方法的描述中可以看出，现行的CASS工艺设计具有以下几个方面的特点：

1、设计方法简单，设计参数单一，在传统的以污泥负荷为主要设计参数的活性污泥设计法基础上，采用容积进行校核，以保证滗水过程中的污泥不流失。

2、设计只针对主反应区容积，而生物选择区容积则是按照主反应区容积的5％设计。

3、污泥负荷法设计重点针对有机物质的降解，对脱氮未加考虑，难以满足污水排放对于氮的要求，故此方法具有片面性，难以满足高氨氮污水处理后达标排放。

2 CASS工艺设计方法改进

2.1 主反应区容积设计

主反应区设计采用泥龄法，并用污泥负荷进行校核，其设计步骤如下：

1、计算硝化菌的最大比增长速率

当污水pH和DO都适合于硝化反应进行时，计算亚硝酸菌的比增长速率公式为：

（8）

式中：μN,max——硝化菌的最大比增长速率，d-1；

T——硝化温度，℃；

2、计算稳定运行状态下的硝化菌比增长速率

（9）

式中：μN——硝化菌的比增长速率，d-1；

N——硝化出水的NH3-N浓度，mg/L；

K N——饱和常数，设计中一般取1.0mg/L。

3、计算完成硝化反应所需的最小泥龄

（10）

式中：——最小泥龄，d；

μN——硝化菌的比增长速率，d－1。

4、计算泥龄设计值

本处采用Lawrence和McCarty在应用动力学理论进行生物处理过程设计时提出的安全系数（S F）概念，S F可以定义为：

S F＝/（11）

式中：——设计泥龄，d；

S F使生物硝化单元在pH值、溶解氧浓度不满足要求或者进水中含有对硝化有抑制作用的有毒有害物质时仍能保证达到设计所要求的处理效果。美国环保局建议一般取1.5～3.0。

5、计算以VSS为基础的含碳有机物（COD）的去除速率

活性异养菌生物固体浓度X1可用下式计算：

（12）

式中：X1——活性异养菌生物固体浓度，mg/L；

Y H——异养菌产率系数，gVSS/gCOD或gVSS/gBOD；

b H——异养菌内源代谢分解系数，d－1；

S0——进水有机物浓度，mgCOD/L或mgBOD/L；

S1——出水有机物浓度，mgCOD/L或mgBOD/L；

——设计泥龄，d；

t——水力停留时间，d；

活性生物固体表观产率系数，Y H,NET

将含碳有机物的去除速率定义为：

（13）

则可以得到下式：

1/＝Y H,NET·q H （14）

曝气池混合液VSS由三部分组成：活性生物固体、微生物内源代谢分解残留物和吸附在活性污泥上面不能为微生物所分解的进水有机物，VSS浓度可以表示为：

（15）

式中：X——VSS浓度，mg/L；

△S——基质浓度变化，mgCOD/L或mgBOD/L；

Y H——以VSS为基础的产率系数，gVSS/gCOD或gVSS/gBOD；

b——以VSS为基础的活性污泥分解系数，d-1；

以VSS为基础的（浓度为X）的有机物去除速率可以表示为：

1/＝Y H,NET·q OBS（16）

6、计算生化反应器水力停留时间t

（17）

7、主反应区容积：

V N＝Q t （18）

式中：V N——主反应区容积，m3；

Q——进水流量，m3/d；

8、有机负荷校核

有机负荷F/M：

（19）

式中：?——MLVSS/MLSS，一般取0.7。

根据相关试验结论，若F/M不在0.18～0.25 kgCOD/(kgMLSS·d)，则需改变泥龄，进行重新设计。

10、氨氮负荷校核

氨氮负荷SNR：

（20）

式中：N——主反应区产生NO3-N总量TKN，mg/L。

根据相关试验结论，若SNR＞0.045 kg NH3-N/(kgMLSS·d)，则需增大泥龄，进行重新设计。

2.2 预反应区容积设计

预反应区的功能设计为反硝化，其设计步骤如下：

1、计算反硝化速率S DNR

反硝化速率可以根据试验结果或文献报道值确定，也可以按下面的方法计算：

温度20℃时：S DNR ( 2 0) ＝0.3F/M＋0.029（21）

温度T℃时：S DNR (T)＝S DNR (2 0)·θ( T- 2 0 ) (θ为温度系数，一般取1.05) （22）

2、缺氧池的MLVSS总量为：

L A＝QN D/ S DNR (T) （23）

式中：N D——反硝化去除的NO3-N，kgN/d。

3、缺氧池的容积：

V AN=1000L A/X? （24）

4、缺氧池的水力停留时间：

t A＝V AN/Q （25）

5、系统的总泥龄：

（26）

2.3 反应器尺寸的确定

CASS反应器尺寸的确定主要是确定反应器的高度和面积，以满足泥水分离和滗水的需要。由于预反应区始终处于反应状态，不存在泥水分离的问题，且预反应区底部通过导流孔与主反应区相连，其水面高度与主反应区平齐，因此计算出主反应区的设计高度也同时计算出了预反应区的水面高度。所以反应区尺寸的确定主要是主反应区尺寸的确定。

CASS池的泥水分离和SBR相同，生物处理和泥水分离结合在CASS池主反应区中进行，在曝气等生物处理过程结束后，系统即进入沉淀分离过程。在沉淀过程初期，曝气结束后的残余混合能量可用于生物絮凝过程，至池子趋于平静正式开始沉淀一般持续10min左右，沉淀过程从沉淀开始后一直延续至滗水阶段结束，沉淀时间为沉淀阶段和滗水阶段的时间总和。

污泥泥面的位置则主要取决于污泥的沉降速度，污泥沉速主要与污泥浓度、SVI等因素有关，在CASS系统中，污泥的沉降速度v S可简单地用下式计算：

v S＝650/(X T×SVI) （27）

式中：v S——污泥沉速(m/h)；

X T——在最高水位时浓度(kg/m3)，为安全计，采用主反应区中设计值X，一般取3000～4200 mg/L；

SVI——污泥沉降指数(mL /g)。

为避免在滗水过程中将活性污泥带出系统，需要在滗水水位和污泥泥面之间保持一最小的安全距离H S。为保持滗水水位和污泥泥面之间的最小安全距离，污泥经沉淀和滗水阶段后，其污泥沉降距离应≥ΔH+H S，期间所经历的实际沉淀时间为(t s＋t d－10/60)h，故可得下式：

v S×(t s＋t d－10/60)＝ΔH+H S （28）

式中：ΔH——最高水位和最低水位之间的高度差，也称滗水高度(m)，ΔH一般不超过池子总高的40%，与滗水装置的构造有关，一般其值最大在2.0～2.2m左右；

t s——沉淀时间；

t d——滗水时间。

联立式（6.47）和(6.48)即可得：

（29）

式中：ΔV——周期进水体积(m3)；

A——池子面积(m2)；

H T——最高水位(m)；

式中沉淀时间t s、滗水时间t d可预先设定，根据水质条件和设计经验可选择一定的SVI值，安全高度H S一般在0.6～0.9m左右。ΔV由进水量决定，这样式(29)中只有池子高度H T和面积A未定。根据边界条件用试算法即可求得式(29)中的池子高度和面积。

高度H T和面积A的确定方法为：先假定某一池子高度H T，用式(29)求得面积A，从而可求得滗水高度ΔH，如滗水高度超过允许的范围，则重新设定池子高度，重复上述过程。

在求得H T和池子面积A后，即可求得最低水位H B：

H B＝H T－△H＝H T－ΔV/A（30）

最高水位时的MLSS浓度X T已知，最低水位时的MLSS浓度则可相应求得：

X B＝X T×H T/H B（31）

最低水位时的设计MLSS浓度一般应不大于6.0kg/m3。

2.4 剩余污泥计算

每日从系统中排出的VSS重量为L：

L＝X? (V AN＋V N) / θ （32）

式中：L——每日从系统中排出的VSS重量，kg/d。

2.5 需氧量计算

1、BOD的去除量：

O1＝Q (S0－S1)/1000（33）

2、氨氮的氧化量：

O2＝QN/1000 （34）

3、生物硝化系统，含碳有机物氧化需氧量与泥龄和水温有关系，每去除1kgBOD需氧1.0～1.3kg，一般取1.1，则碳氧化和硝化需氧量为：

O3＝1.1O1＋O2（35）

4、每还原1kg NO3-N需2.9kgBOD，由于利用水中的BOD作为碳源反硝化减氧需要量为：

O4＝2.9 N D Q/1000（36）

实际需氧量：

O= O3－O4（37）