2.5 生物反应池（CASS反应池）d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e.png

2.5.1 CASS反应池的介绍

CASS是周期性循环活性污泥法的简称，是间歇式活性污泥法的一种变革，并保留了其它间歇式活性污泥法的优点，是近年来国际公认的生活污水及工业污水处理的先进工艺。

CASS工艺的核心为CASS池，其基本结构是：在SBR的基础上，反应池沿池长方向设计为两部分，前部为生物选择区也称预反应区，后部为主反应区，其主反应区后部安装了可升降的自动撇水装置。整个工艺的曝气、沉淀、排水等过程在同一池子周期循环运行，省去了常规活性污泥法中的二沉池和污泥回流系统，同时可连续进水，间断排水。

CASS工艺与传统活性污泥法的相比，具有以下优点：

● 建设费用低。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%。工艺流程简单，污水厂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%；

● 运转费用省。由于曝气是周期性的，池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%；

● 有机物去除率高。出水水质好，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；

● 管理简单，运行可靠，不易发生污泥膨胀。污水处理厂设备种类和数量较少，控制系统简单，运行安全可靠；

● 污泥产量低，性质稳定。

2.5.2 CASS反应池的设计计算

图2-4 CASS工艺原理图

（1）基本设计参数

考虑格栅和沉砂池可去除部分有机物及SS，取COD,BOD5,NH3-N,TP去除率为20%，SS去除率为35%。

此时进水水质：

COD=380mg/L×（1-20%）=304mg/L

BOD5=150mg/L×（1-20%）=120mg/L

NH3-N=45mg/L×（1-20%）=36mg/L

TP=8mg/L×（1-20%）=6.4mg/L

SS=440mg/L×（1-35%）=286mg/L

处理规模：Q=14400m3/d,总变化系数1.53

混合液悬浮固体浓度（MLSS）：Nw=3200mg/L

反应池有效水深H一般取3-5m,本水厂设计选用4.0m

排水比：λ=d5a96d3abc4e087d9edb48905e3b630f.png =7896785cb4e05a7bd22fd4d6330bdc75.png=0.4

(2)BOD-污泥负荷（或称BOD-SS负荷率）（Ns）

Ns=4b189cb0556a10563a9d6683a8563b11.png

Ns——BOD-污泥负荷（或称BOD-SS负荷率）,kgBOD5/(kgMLSS·d)；

K2——有机基质降解速率常数，L/(mg·d),生活污水K2取值围为0.0168-0.0281，本水厂取值0.0244；

η——有机基质降解率，%；

η=4eb614cdb39268457fa63198c7e90dbe.png

f——混合液中挥发性悬浮固体与总悬浮固体浓度的比值，一般在生活污水中，f值为0.7-0.8,本水厂设计选用0.75。

代入数值，得

η=4a7fbb1ce909f7d5ab6808115e6f609f.png91.7%，之后把本数值代入得Ns=4b189cb0556a10563a9d6683a8563b11.png=0.2 kgBOD5/(kgMLSS·d)

（3）曝气时间TA

93c6b6853e2b2a8fbf25895996f70261.png

式中 TA—曝气时间，h

S0—进水平均BOD5，㎎/L

m—排水比 1/m = 1/2.5

Nw—混合液悬浮固体浓度（MLSS）：X＝3200mg/L

(4) 沉淀时间TS

活性污泥界面的沉降速度与MLSS浓度、水温的关系，可以用下式进行计算。

Vmax = 7.4×104×t×XO -1.7 (MLSS≤3000)

Vmax = 4.6×104×XO-1.26(MLSS≥3000)

式中 Vmax—活性污泥界面的初始沉降速度。

t—水温，℃

X0—沉降开始时MLSS的浓度，X0＝Nw=3200mg/L，

则

Vmax = 4.6×104×3200 -1.26 = 1.76 m/s

沉淀时间TS用下式计算

02521d52da516a44101dc80882550827.png 取TS=1.5h

式中 TS—沉淀时间，h

H—反应池水深，m

a06c34952043eb8035c521bac955bdcc.png—安全高度，取1.2m

（5） 排水时间TD及闲置时间Tf

根据城市污水处理厂运行经验，本水厂设置排水时间TD取为0.5h,闲置时间取为0.1h。

运行周期T= TA +TS+TD+Tf=4h

每日运行周期数n=21ee0ae5a0ca0ff5441acde76c92ce15.png=6

(6) CASS池容积 5206560a306a2e085a437fd258eb57ce.png

CASS池容积采用容积负荷计算法确定，并用排水体积进行复核。 （ⅰ）采用容积负荷法计算：

dfe42ab0ae85855cd897ade41f79d98a.png

式中：

Q—城市污水设计水量，m3/d ；Q=14400m3/d；

Nw—混合液MLSS污泥浓度（kg/m3），本设计取3.2 kg/m3；

Ne—BOD5污泥负荷(kg BOD5/kg MLSS·d)，本设计取0.2kgBOD5/kgMLSS·d；

Sa—进水BOD5浓度（kg/ L），本设计Sa = 120 mg/L；

Se—出水BOD5浓度（kg/ L），本设计Se = 10 mg/L；

f—混合液中挥发性悬浮固体浓度与总悬浮固体浓度的比值，本设计取0.75；

则：

382698fb8c8543e60201e01eea96fa96.png

本水厂设计CASS池四座，每座容积Vi=c7fb8c1cf79385c5d29eea2935e0a85d.png=825 m3

（ⅱ）排水体积法进行复核

单池容积为 b224b2f674fbc3f82591963c3de7ea38.png（m3）

反应池总容积 df476678f320b1822b4fc9adfb0146c9.png（m3）

式中 ce1f472365dd3efbb26fa0fb96c350c9.png—单池容积，m3

n—周期数；

m—排水比 1/m = 1/2.5

N—池数；

f09564c9ca56850d4cd6b3319e541aee.png—平均日流量，m3/d

由于排水体积法计算所得单池容积大于容积负荷法计算所得，因此单池容积应按最大容积值计，否则将不满足水量运行要求，则单池容积Vi=1500 m3，反应池总容积V=6000 m3。

（7）CASS池的容积负荷

CASS池工艺是连续进水，间断排水，池有效容积由变动容积（V1）和固定容积组成，变动容积是指池设计最高水位至滗水器最低水位之间高度（H1）决定的容积，固定容积由两部分组成，一是活性污泥最高泥面至池底之间高度（H3）决定的容积（V3），另一部分是撇水水位和泥面之间的容积，它是防止撇水时污泥流失的最小安全距离（H2）决定的容积（V2）。CASS池总有效容积V（m3）：V＝n1×（V1＋V2＋V3）

（ⅰ）池设计最高水位至滗水机排放最低水位之间的高度，H1（m）；

a563db58c9ff75d39a9a62e9979e1412.png

式中：N—一日循环周期数，N=6；

d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e.png H——池最高液位H（m）,本设计H=4.0m。

则 38cd79e3a4a9899a81862626ee255eb2.png

（ⅱ）滗水结束时泥面高度，H3（m）

已知撇水水位和泥面之间的安全距离，H2=a06c34952043eb8035c521bac955bdcc.png=1.2m；

H3=H-(Hl+H2)=4-1.6-1.2=1.2m

(ⅲ) SVI—污泥体积指数,(ml/g)

SVI=ddcc16783859a13afc6397201a0af1db.png

代入数值，则 SVI=9720cd85768b151d89b425c6c7ca0deb.png(ml/g)， 此数值反映出活性污泥的凝聚、沉降性能良好。

（8）CASS池外形尺寸

（ⅰ）b4e9cbc8b47976dc02689b1403f9d326.png 式中：B—池宽，m，B:H=1—2，取B=8m，8/4=2，满足要求；

L=f5b183707808c406c72c39db22b191fc.png，取L=47m.L/B=47/8=5.8, L:B=4—6,满足要求。

（ⅱ）CASS池总高，H0（m）

取池体超高0.5m，则H0=H＋0.5＝4.5m

（ⅲ）微生物选择区L1，（m）

CASS池中间设1道隔墙，将池体分隔成微生物选择区（预反应区）和主反应区两部分。靠进水端为生物选择区，其容积为CASS池总容积的10%左右，另一部分为主反应区。选择器的类别不同，对选择器的容积要求也不同。

L1＝10﹪L=10%6392228661363e75c352077a2cfe66d7.png47=4.7m

（ⅳ）反应池液位控制

排水结束时最低水位7c1f09182aa357a7cf99383c1e4239b5.png（m）

基准水位h2为4.0m；超高0.5m；保护水深a06c34952043eb8035c521bac955bdcc.png = 1.2m。

污泥层高度ee097ae4164fcfb3ee0d2f736d682e07.png（m）

则：撇水水位和泥面之间的安全距离，H2=hs=1.2m

图2-5 CASS外形尺寸图

(9) 连通孔口尺寸

隔墙底部设连通孔，连通两区水流，因单格宽8m，根据设计规要求，此时连通孔的数量取为3。

（ⅰ）连通孔面积A1

A1按下式进行计算：

ef5e73687431f3e5622fece28e49bbaa.png

式中： U—孔口流速，取U=70m/h

将各数值代入，计算得：

ac502711a2f756464863b5c162a56a41.png

（ⅱ）孔口尺寸设计

孔口沿墙均布，孔口宽度取0.7m，孔高为0.86/0.8=1.2m。

为：0.7m×1.2m

(10) 复核出水溶解性BOD5

处理水中非溶解性BOD5的值：

DOD5=7.1bXaCe

Ce——处理水中悬浮固体浓度10mg/L

Xa——活性微生物在处理水中的所占比例取0.4

b——微生物自身氧化速率

普通负荷：0.4

高负荷：0.8

延时曝气系统：0.1

本设计取0.4

DOD5=7.16392228661363e75c352077a2cfe66d7.png0.075×0.4×10=2.13mg/L

故水中溶解性DOD5要求小于10－2.13=7.87 mg/L

而该设计出水溶解性DOD5：

Se’=26afed6519122b912028b65d8288aecd.png

=64f1d9a7a3408bdf43bde3aaedc058f6.png

=4.38 mg/L

设计结果满足设计要求。

(11)计算剩余污泥量

理论分析，知温度较低时，产生生物污泥量较多。本设计最冷时是冬季平均最冷温度是0.2℃。

0.2℃时活性污泥自身氧化系数：

Kd（0.2）=Kd（20）8dca62fbe97a97bbe1eb2c4384553835.pngd41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e.png

=0.06×1.04（0.2－20）

=0.028

剩余生物污泥量：△XV=YQf3e05e2a0e3fe401f8d1138f458d1142.png－Kd（0.2）Vi4f8aedc9f092f05763e55089d2d83bb1.pngf42ea0e2289560ccbf14b913e348b38a2.pngnN

=0.6×14400×ca96e17170bca3a67ad70eccd45782f1.png－0.028×1500×f4d2eceff81353f5b9945dd2f95175d3.png ×0.75×964ec87f44e1420dd4938393acd69cde.png×6×4

=817.52kg/d

剩余非生物污泥量：

△XS =Q（1-fbf）×76fd849ec19f57c829d0d4bc43daf7ef.png

=14400×（1-0.7×0.75）×b8f65adcedb6b07f96d59590350bce82.png

=1887.84kg/d

公式中，fb——进水VSS中可生化部分比例，取fb =0.7；

C0——设计进水SS，m3/d；

Ce——设计出水SS，m3/d；

剩余污泥总量：

X=△XV+△XS=817.52+1887.84=2705kg/d

剩余污泥浓度NR：

NR=06332316144638d9e0940d7a909a60aa.png

剩余污泥含水率按99.3%计算，湿污泥量为810c9d058583af274dd396c094ad1d3a.png

（12）复核污泥龄

99e3dd87c899d6574824d5c8295b0efc.png=8c5a5cbdf19c19a77a4f2f4ba9ff92f8.png

式中：99e3dd87c899d6574824d5c8295b0efc.png——污泥龄

Y——污泥产率系数，一般为 0.4～0.8取0.5

Kd——衰减系数，一般为0.04～0.075 取0.07

代入数值，99e3dd87c899d6574824d5c8295b0efc.png=8c5a5cbdf19c19a77a4f2f4ba9ff92f8.png

=8a02965f1198d6b1db22633bd31be304.png

=33d

硝化所需最小污泥龄：

87cfa2b40c4afd0e8cfa948219906c26.png=（1/573f9d720a7e46f38887dbe93041c9a1.png×1.103（15-T）×fs

87cfa2b40c4afd0e8cfa948219906c26.png——硝化所需最小污泥龄d-1；

a1155692e3f69913320174f980c7eaf1.png——硝化细菌的增长速率d-1：T=0.2摄氏度时，取为0.35；

fs——安全系数：为保证出水氨氮小与5mg/L 取2.3～3.0；取2.3；

T——污水温度：取冬季最不利温度0.2摄氏度。

87cfa2b40c4afd0e8cfa948219906c26.png=（1/573f9d720a7e46f38887dbe93041c9a1.png×1.103（15-T）×fs

=(1/0.35)×1.103（15-0.2）×2.3

=28d

经校核，污泥龄满足硝化要求。

（13）需氧量

设计需氧量包括氧化有机物需氧量，污泥自身需氧量、氨氮硝化需氧量及出水带走的氧量。设计需氧量考虑最不利情况，按夏季时高水温计算设计需氧量。

（ⅰ） 氧化有机物需氧量，污泥自身需氧量O1以每去除1㎏BOD需要0.48㎏Oa的经验法计算。

44eef2c1c2c90e5136fc64f9a80ff6f9.png

8383a36ec63c65962179c2a7142c44ee.png

= 3448(㎏O2/d)

式中 Oa —需氧量，㎏O2/d；

cf336c1f2f9df65a47c32173a23d6d64.png—活性污泥微生物每代1㎏BOD需氧量，一般生活污水取为0.42㎏～0.53㎏，本设计取0.48㎏；

2765802181072b3aa2be59dae8c72b0d.png—1㎏活性污泥每天自身氧化所需要的氧量，一般生活污水取为0.11㎏～0.188㎏，本设计取0.12㎏。

（ⅱ）氨氮硝化需氧量Ob按下式计算；

f0cebba98e5ece954203b5269a561fa5.png

=4.57×[14400×（36-5）×10-3-0.12×40016d98c864e8faaff87fd5b42738c6.png]

= 1801(㎏O2/d)

式中 4.57—氨氮的氧当量系数；

Nk—进水总凯氏氮浓度，g/L；

Nke—出水总凯氏氮浓度，g/L；

a0af439aad35673246b5b5a553bd99bc.png—系统每天排出的剩余污泥量，㎏/d；

总需氧量

4856a915333a7870cd3e454ebbd9aae1.png㎏/d=218.7㎏/h

（14）标准需氧量

标准需氧量计算公式：

SOR=5ccd28f75e8c946e65362cef2c8b300e.png

Csb（T）=Cs（T）（04aaa9cd9d7f109cf16433e60b6df5f9.png+c24d3dfe0f1cabaf3726548794a4b046.png）

Ot=b660362ee7201560b3f23335116a7a51.png

1af91fb19f8f622aa9ec8998986a6bf9.png=f499d7a755da68b76ef139312251b04f.png

式中SOR——水温20℃，气压1.103×105pa时，转移到曝气池混合液的总氧量，㎏/h；

AOR——在实际条件下，转移到曝气池混合液的总氧量，㎏/h；

Cs（20）——20℃时氧在清水中饱和溶解度，取Ca（20）=9.17mg/L；

ab410a966ac148e9b78c65c6cdf301fd.png——杂质影响修正系数，取值围ab410a966ac148e9b78c65c6cdf301fd.png=0.78～0.99，本例选用ab410a966ac148e9b78c65c6cdf301fd.png=0.90；

dc5233cb1d950ecad15b1e9b2514f665.png——含盐量修正系数，本例取dc5233cb1d950ecad15b1e9b2514f665.png=0.95；

1af91fb19f8f622aa9ec8998986a6bf9.png——气压修正系数；

Pa——所在地区大气压力，Pa；

T——设计污水温度，本设计考虑最不利水温，夏季T=27.3℃；

CSb（T）——设计水温条件下曝气池平均溶解氧饱和度mg/L；

Cs（T）——设计水温条件下氧在清水中饱和溶解度，水温27.3℃时，CS（27.3）=8.02；

Pb——空气扩散装置处的绝对压力，pa，Pb =P+9.8×103H；

P——大气压力，P=1.013×105；

H ——空气扩散装置淹没深度，取微孔曝气装置安装在距池底0.5m处，淹没深度3.5m；

Ot——气泡离开水面时，氧的百分比，%；

EA——空气扩散装置氧转移效率，本设计选用水下射流式扩散装置，氧转移效率EA按26%计算；

C——曝气池平均溶解氧浓度，取C=2mg/L。

工程所在地（地区）海拔高度110m，大气压力p为0.99×105pA,压力修正系数：

1af91fb19f8f622aa9ec8998986a6bf9.png=3c49ebc9d89c1d93cb64c49c256fab20.png

=f3ebb9d7662f8ece51cc27251da63222.png=0.90

Pb=P+9.8×103H

=1.013×105+9.8×103×3.5

=1.356×105（Pa）

Ot=5ba6da04e67a226409f10d2c0939ee4c.png×100%=16.4%

CSb（27.3）=Cs（27.3）（4ededf40b761a54d5b991a657de35bf9.png+c24d3dfe0f1cabaf3726548794a4b046.png）

=8.02×（a8a38b334a806f121437deb6d91338ac.png）

=8.40mg/L

标准需氧量SOR：

SOR=a482b71ee95e5c731ac5cb9e6e97b98e.png

=27da00ff28c14cefda7c81a9d70f0150.png

=316.3㎏/h

空气扩散装置的供气量，可通过下式确定：

G=eff6fa6d7900f25b780b2d20450dfea1.png=e6e443cf02a4453497462e1751c6b777.png=4055m3/h

（15）空气管系统设计

曝气系统管道布置方式为，相邻的两个廊道的隔墙上设两根干管，共四根干管，在每根干管上设5条配气竖管，全曝气池共设4×5=20条配气竖管。每根竖管的配气量为：

fd65eb44d24fe8ea54670d1a345fa128.png m3/h

曝气池平面面积为：

c6af0063253c5b5d10ec550c1be4dbfc.png

每个空气扩散器的服务面积按1.0 m3计，则所需空气扩散器的总数为：

f591f3e4a343c59533cfb57c6d504d5a.png个

为安全计，本设计采用1400个空气扩散器，每个竖管上安设的空气扩散器的数目为：

cdfc9e1ca309e0e115b59e5df62e0a76.png

每个空气扩散器的配气量为

7adb0fd868073ed373c70c0e8b5f2d81.png m3/h

图2-6 曝气系统管道布置图

空气管道的流速，一般规定为：干、支管为10~15m/s，通向空气扩散装置的竖管、小支管为4~5m/s。

根据对于管道流速的规定，确定本设计管道系统各管段管径为：1~2段DN50mm，2~3段DN75mm，3~4段DN100mm,4~5段DN150mm，5~6段DN200mm，6~7段DN300mm。

空气管道一般敷设在地面上，接入曝气池的管道，应高出池水面0.5m以免产生回水现象。

（16）污泥回流系统、剩余污泥系统排出系统设计

（ⅰ） 污泥回流系统

污泥回流比按50%设计，每天回流污泥量5cad91e792c494e91ea6133f60e43ee5.png

每周期回流污泥量9ed644c84d62e3abb9350dc3dd7da339.pngeca9f5aad605d6994fa5bb9b65b283f9.png，而每周期T=4h，本设计回流污泥进泥时间每周期取t=2h,回流污泥泵在运行过程中是间歇运行的。则单格CASS池进泥流量为844011fdd673491e46ebc92624504562.pngafbfca3248bfcdc9c29ff4558b8fe3c9.png，根据流量选用污泥回流泵型号：150QW150-15-15，出口直径150mm,重量360kg，每座CASS池设该种泵一台。出泥管管径取d=250mm。

（ⅱ） 剩余污泥排出系统

由上述计算知道，剩余污泥产生量Q=510.4e72b44c44866d2afb064b7ca49bf057c.png，每个周期单个池体产生的污泥量b8b10372cd12fa6606fdd4e00ddf8bc4.png，每个周期排泥时间利用周期后0.5h，则泵的流量为：42.6afbfca3248bfcdc9c29ff4558b8fe3c9.png。根据流量选用剩余污泥泵型号：50QW42-9-22，出口直径d=50mm，重量70kg，每座CASS池设该种泵一台。出泥管管径取150mm。

CASS池设计计算