CASS工艺处理城市住宅小区污水及中水回用探讨

黄正文,余 波,周更明

(1.成都大学城乡建设学院,四川成都 610106;2.四川大学建筑与环境学院,四川成都 610065; 3.南充市环境工程评估中心,四川南充 637000;4.四川长城环境科学研究院,四川成都 610106)

0 引 言

随着社会经济的发展,城市生活污水排放量呈持续增长趋势.目前,大部分城市污水处理厂的规模在10万t/d以下,污水处理的工艺繁多,且各有利弊,选择何种工艺对城市污水进行处理,是城市建设项目的业主、设计单位和主管政府部门较难解决但又必须解决的问题[1].因此,城市污水工艺及其选择等方面的研究受到了广泛重视.

在国外的城市污水处理工艺的相关研究方面,上世纪80年代中期,Modell[2,3]提出了一种能够彻底破坏有机物结构的新型氧化技术——超临界水氧化技术(SCWO技术).1972年,Fujishima等[4]发现光照下的TiO2单晶电极能分解水,此发现推进了有机物和无机物光氧化还原反应的研究.1894年,Fenton[5]在实验中将芬顿试剂应用于苹果酸的氧化,研究表明,在一定酸度下,Fe(OH)3以胶体形态存在,具有凝聚、吸附性能,可除去废水中部分悬浮物和杂质. 1975年,Prengle[6]等发现了O3/UV系统可显著加快废水中有机物的降解速率.1986年,G laze[7]等研究了芳香烃、卤素等有机物的O3/UV氧化过程,探讨了臭氧与紫外光之间的协同作用机理,研究表明,采用臭氧氧化法处理有机废水,反应速度快,无二次污染.

在国内,易赛莉[8]对我国城市污水处理工艺现状进行了分析和总结,提出了可持续发展城市污水处理技术的选择原则.郑召宏等[9]介绍了目前国内采用的城市污水处理工艺,并对各种工艺的特点做了分析和比较.张艳[10]通过对各种污水处理工艺特点的对比,阐述了从处理效果、投资、占地面积和适用范围等方面对污水处理工艺的选择.熊平[11]对各种污水处理新技术进行了介绍,并对各种新技术的工艺特点进行了分析评价.丁岩[12]评述了城市污水处理工艺的定义、流程、实际处理效果及其优点与缺点,并对4种主要城市污水处理工艺的投资方案作了经济指标的分析.刘兴平[13]介绍了目前运用较多和正在开发、研究的城市污水一级、二级、三级处理工艺流程,讨论了这些工艺的发展状况和趋势,介绍了一些适用于我国城市污水处理的新工艺.此外,牟全君[1]通过对10万t/d以下城市污水处理工艺进行排序和优选,并给出城市污水处理厂建设及运营的主要技术经济指标,供城市污水处理厂建设的相关方参考.

综上,上述研究所提出的污水处理工艺绝大多数是适合大城市的污水处理厂,在选择污水处理工艺的技术方案上也基本没有提到住宅小区等小范围内的污水处理的工艺选择.本文拟从城市住宅小区的角度来研究其污水处理工艺,根据城市住宅小区污水的特点,污水处理设计原则及常用流程,重点介绍了周期循环活性污泥(CASS)工艺处理城市住宅小区污水及回用的设计参数与应用情况.

1 城市住宅小区污水概述

城市住宅小区为具有一种功能或多种功能的相对独立的区域,其排水系统通常不在城市市政管网覆盖范围之内.而根据环保标准,其必须设置独立的污水处理设施,这也是本文所指的城市住宅小区污水处理系统.住宅小区污水处理系统的处理能力目前并无统一的限定,例如,前苏联曾建议单个构筑物的污水处理能力不宜超过1 400 m3/d,美国则把污水处理能力限定在3 785 m3/d的范围内,根据我国情况,建议把污水处理量在4 000 m3/d以下的处理设施定义为住宅小区污水处理系统.

城市住宅小区污水不同于城市污水,属于生活污水范畴,其水质水量特征可概括为:水质水量变化较大,污染物浓度偏低,污水可生化性好,处理难度相对较小.

城市住宅小区污水的处理工艺因污水排入的水体功能不同而异,常用处理方法有:化粪池、一级处理(初次沉淀池)、生物二级处理及二级处理后再经过滤消毒回用等.由于小区污水量较小,在污水处理工艺设计时尽应可能选用无污泥或少污泥的处理工艺,以防止因污泥处理不善造成二次污染.

2 住宅小区污水处理设计原则及流程选择

2.1 设计原则

在综合分析相关文献的基础上,我们提出城市住宅小区污水处理设计原则如下:

(1)一般来说,不同住宅小区对出水的要求差异较大,因此,在确定污水处理设计原则时应根据我国《地面环境质量标准》(G B3838-88)和《污水综合排放标准》(G B8978-96)的有关规定和当地环保部门的要求来确定,以确保出水水质.

(2)污水处理设施的设计和建设必须结合住宅小区的整体规划和建筑特点,即外观设计上应与住宅小区建筑环境相协调,以求美观.

(3)污水处理设施位置应尽可能位于住宅小区的下风向,并与其他建筑物有一定的距离,以减少对环境的影响.

(4)污水处理设施在高程布置上应尽量采用立体布局,可充分利用地下空间.同时,在平面布置上应紧凑,以节省用地.

(5)污水处理构筑物对水力负荷和有机物负荷的适应范围应较大,以确保污水处理设施有较强的经受冲击负荷的能力.

(6)污水处理设施应设备化、定型化、模块化.且施工安装方便,运行简易,设备性能稳定,适合分期建设.

(7)污水处理设施污水处理程度高,污泥产量少,并尽可能采用节能处理技术.

2.2 流程选择

根据城市住宅小区污水处理的原则,在其工艺流程选择上应选择处理效果稳定、产泥少、节能的处理方法.住宅小区污水处理设施中的各类建筑物一般均建有化粪池,所以化粪池应与污水处理工艺相结合.常用的工艺流程有:

①污水→格栅→调节池→提升泵→接触氧化池→沉淀池 →出水.

②污水→格栅→调节池→提升泵→曝气池→沉淀池→污泥回流→出水.

③污水→格栅→调节池→提升泵→SBR池或CASS池→出水.

④污水→格栅→调节池→提升泵→混凝沉淀(加药)→过滤→出水(物化方法).

⑤污水→格栅→调节池→提升泵→接触氧化池→混凝过滤(加药)→出水.

同时,建议日处理能力1 000 m3以上的污水处理设施宜采用地上式.在水量不大,场地十分紧张时可考虑用埋地设备.

3 CASS工艺处理住宅小区污水

3.1 工艺原理

CASS(Cyclic Activated Sludge System)是在SBR的基础上发展起来的一种污水处理工艺,即在SBR池内进水端增加了一个生物选择器,实现了连续进水(沉淀期、排水期仍连续进水),间歇排水.设置生物选择器的主要目的是使污水处理流程中选择出絮凝性细菌,其容积约占整个池子的10%.生物选择器的工艺过程遵循活性污泥的基质积累与再生理论,使活性污泥在选择器中经历一个高负荷的吸附阶段(基质积累),随后在主反应区经历一个较低负荷的基质降解阶段,以完成整个基质降解的全过程和污泥再生.

污泥膨胀的直接原因是丝状菌的过量繁殖.由于丝状菌比菌胶团的比表面积大,因此有利于摄取低浓度底物.在高底物浓度下菌胶团和丝状菌都以较大速率降解底物与增殖,且胶团细菌比增殖速率较大,其增殖量也较大,从而较丝状菌占优势,这样利用基质作为推动力选择性地培养胶团细菌,可使其成为曝气池中的优势菌.因此,在CASS池进水端增加一个设计合理的生物选择器,可以有效地抑制丝状菌的生长和繁殖,克服污泥膨胀,提高污水处理系统的运行稳定性.CASS污水处理工艺对污染物质降解是一个时间上的推流过程,集反应、沉淀、排水于一体,同时,也是一个好氧—缺氧—厌氧交替运行的过程,因此具有一定脱氮除磷效果.

3.2 CASS工艺特点

与传统活性污泥工艺相比,CASS污水处理工艺具有以下优点:

(1)建设费用低.该污水处理工艺省去了初次沉淀池、二次沉淀池及污泥回流设备,建设费用可节省20%～30%.同时,其污水处理工艺流程简洁,污水处理设施的主要构筑物为集水池、沉砂池、CASS曝气池、污泥池,布局紧凑,占地面积可减少35%.

(2)运转费用省.由于该污水处理工艺曝气是周期性的,池内溶解氧的浓度也是变化的,沉淀阶段和排水阶段溶解氧降低,重新开始曝气时,氧浓度梯度大,传递效率高,节能效果显著,运转费用可节省10%～25%.

(3)有机物去除率高,出水水质好.该污水处理工艺不仅能有效去除污水中有机碳源污染物,而且具有良好的脱氮、除磷功能.

(4)管理简单,运行可靠,不易发生污泥膨胀.采用该污水处理工艺污水处理设施的设备种类和数量较少,控制系统简单,运行安全可靠.

(5)污泥产量低,性质稳定.

3.3 曝气方式选择

城市住宅小区对环境的要求比较高,因此污水处理设施建设时应充分考虑噪音扰民问题和污水厂操作人员的工作环境,采用水下曝气机代替传统的鼓风机曝气可有效解决噪音污染.另外,由于CASS污水处理工艺独特的运行方式,采用水下曝气机可省去复杂的管路及阀门,安装、维修方便,使用灵活,可根据进出水情况运转不同的台数,在保证效果的条件下,达到经济运行的目的.

3.4 撇水方式选择

撇水机是CASS污水处理工艺的关键组成部分,其性能是否稳定可靠直接影响到CASS污水处理工艺的正常运行.我们在基于CASS污水处理工艺基础上,自主研制开发的撇水机属丝杠旋转式,自动撇水装置主要组成部分包括:滗水器、可扰动的软管、水位控制器、可伸缩推动杆和驱动电机等.其中滗水器为自动浮动式水堰,上部为堰口和防止浮渣进入出水的浮筒,下部出水管兼起支撑作用,部分浸没在水中,通过可伸缩推动杆使方形堰口达到连续均匀地排出反应池中的上清液,具有升降平稳、排水均匀、自动控制、价格低廉等优点.

3.5 主要设计参数

CASS污水处理工艺设计参数:污泥负荷0.1～0.2 kg BOD5/(kgMLSS·d),污泥龄15～30 d.水力停留时间12 h,工作周期4 h,其中曝气2.5 h,沉淀0.75 h,排水0.5～0.75 h.

4 CASS工艺的出水回用

通过工程试验与应用表明,采用CASS污水处理工艺处理城市住宅小区污水,其出水水质稳定,优于一般传统生物处理工艺,出水水质接近《生活杂用水水质标准》(CJ25.1-89)(见表1),且出水通过过滤和消毒处理后,可作为中水回用.

表1 生活杂用水水质标准

5 结 论

CASS污水处理工艺具有出水水质稳定、处理效果好、操作管理运行简单的特点,实际运行中可以实现中央集中控制和现场手动自动控制.经过多个工程实际应用,该工艺的配套设备滗水器和水下射流曝气机已经成熟,其出水经过滤和消毒处理后可以达到中水回用的标准,同时,还可根据实际需求,将其设计成地埋式或半地埋式,具有节省占地的优势.在水资源日益紧缺的今天,将处理后的水回用于绿化、冲洗车辆和冲洗厕所,其应用前景十分广泛.

[1]牟全君.我国10 t/d万以下城市污水处理工艺[J].环境污染技术与设备,2006,7(3):96-100.

[2]Modell.Treatment for Oxidation of Organic Material in Supercritical Water,US,4,338,199[P].1982-07-06.

[3]Modell M.Processing Methods for the Oxidation of Organics in Supercritical Water,US,4,543,190[P].1985-09-24.

[4]Fujishma A,Honda K.Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode[J].Nature,1972,238(1):37-38.

[5]Fenton HJ H.Oxidation of Tartaric Acid in the Presence of Iron [J].Journal of the Chemical Society,Transactions,1894,65(1): 899-910.

[6]Prengle H W Jr,Mauk C E,Legan R W,et al.Hycrocarbon Processing[M].London:Elsevier Inc,1975.

[7]G laze W H,Kang J W.Chapin D H.The Chemistry of Water Treatment Processes Involving Ozone,Hydrogen Peroxide and Ultraviolet Radiation[J].Ozone(Science and Engineering),1987,9 (4):335-910.

[8]易赛莉,卢磊.城市污水处理可持续发展工艺选型和技改方法初探[J].环境科学与技术,2007,30(8):60-63.

[9]郑召宏,徐琼华.国内城市污水处理工艺综述[J].海岸工程,2004,23(1):83-90.

[10]张艳.城市污水处理厂的工艺选择[J].山西科技,2007, 27(3):133-135.

[11]熊平,梁宏,林海波.污水处理技术的研究进展[J].四川理工学院学报(自然科学版),2007,20(5):84-87.

[12]丁岩.城市污水处理工艺调研报告[J].环境保护,2005, 33(7),45-48.

[13]刘兴平,郝晓美.城市污水处理工艺及其发展[J].水资源保护,2003,19(1):25-28.