CASS工艺提标改造A²O+MBR工程设计

摘要：针对陕西省咸阳市东郊污水处理厂满负荷运行，污水管网溢流，尾水排放不能适应新的环保标准，亟需进行提标改造。鉴于厂区内用地紧张，充分利用现有设施，将一期原CASS池重新分配，改造为A2O+MBR膜工艺，新建或改造配套附属设施，增加臭氧催化氧化深度处理工艺，保证出水水质稳定达标。工程完成后，原CASS工艺续批式进水模式改造实现污水连续进水，处理水量提升至12万m3/d，出水水质提升至COD≤30mg/L、NH3-N≤1.5mg/L、TN≤15mg/L、TP≤0.3mg/L，满足《陕西省黄河流域污水综合排放标准》（DB61/224-2018）A标准。

关键词：CASS升级改造；A²O-MBR

Designof A2O-MBR Processfor CASS Pool Expansion and Reconstruction

Abstract: In view of the fact that the sewage treatment plant in a city in Shaanxi Province is operating at full capacity, the sewage pipe network overflows, and the tailwater discharge cannot meet the new environmental protection standards, it is urgent to Conduct bid Upgradingand transformation. In view of the shortage of land in the plant area, make full use of the existing facilities, redistribute the original CASS tank in Phase I, transform it into A2O-MBR process, build or transform supporting auxiliary facilities, and add ozone catalytic oxidation advanced treatment process to ensure that the effluent quality is stable and up to standard. After the completion of the project, realize continuous sewage inflowand the sewage treatment capacity will be increased to 120,000 m3/d. The effluent quality was implementd in accordance withthe Discharge standard A of the Integrated Wastewater Discharge Standard of the Yellow River Basin in Shaanxi Province.

Key words：CASS；Upgradingand Transformation；A2O-MBR

陕西省咸阳市东郊污水处理厂共两期工程，设计总处理水量20万m3/d，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。现根据相关文件要求，现有城镇污水处理厂排放标准执行《陕西省黄河流域污水综合排放标准》A标准。咸阳市冬季污水量较大，污水处理厂满负荷运行的情况下，污水管网存在溢流现象。因此，需要对东郊污水处理厂拟进行提标改造，并对污水厂一二期进行提标扩建。其中二期仅对A²O中生化池曝气系统进行改造，故本文主要介绍一期工程改造设计。

1.项目概况

咸阳市东郊污水处理厂是咸阳市委、市政府确定的城市基础设施建重点项目，是全省采用BOT形式投资建成的第一个现代化城市污水处理厂。东郊污水处理厂总设计规模日处理城市生活污水20万吨，地面积102亩，该项目采用一次规划，两期实施的原则，由中国光大水务旗下光大水务（咸阳）有限公司投资建设，本次提标改造工程的设备总包为江苏通用环境工程有限公司，建安总包为陕西建工安装集团有限公司。

该项目一期工程于2003年开始建设，采用CASS污水处理工艺，处理后水质达到GB18918-2002一级B标准，2006年10月正式投入商业运营，2015年5月完成了提标改造，处理后水质达到GB18918-2002一级A标准。

咸阳东郊污水处理厂改造前一期工艺流程图

二期工程于2013年开始建设，采用改良A²O工艺+纤维滤池工艺，2014年12月正式投入商业运营；两期工程总投资3亿元，处理后水质达到GB18918-2002一级A标准。

咸阳东郊污水处理厂二期工艺流程图

经过处理的排放水，其中3万吨/日排入电厂作为冷却水使用，3万吨/日的排放水经深度处理后，作为咸阳湖补充水源排入咸阳湖，剩余排入渭河。本次工程主要对一二期进行提标改造。

原一期工程采用CASS工艺，经粗细格栅及平流沉砂池预处理后的污水自流入CASS反应池的各个操作单元中进行生化处理。CASS反应池反应过程结束后，污水通过纤维滤池后沉淀，上清液经滗水器排入紫外消毒渠。生化过程中需要的氧气由设于CASS反应池管廊内的离心鼓风机供给。CASS反应池产生的剩余污泥和澄清池产生的污泥由排泥泵排入污泥贮存池，由螺杆泵送入一体化的污泥浓缩机及压滤机进行压滤脱水。

原CASS反应池采用钢砼结构，一期建设12个，东、西侧各6个，对称结构。每个单元分为生物选择区和主反应区，单个结构尺寸为L×B×H=57m×18m×6m，反应池有效水深为5.5m，总有效容积为67716m3。其中生物选择区有效容积为10692m3，主反应区有效容积为57024m3。由于自控缺失，CASS的运行为手动控制，运行周期4小时，期间对溶解氧无调节控制，抗冲击负荷能力较弱。受CASS工艺自身特点限制，出水脱氮及除磷效果也难以达到更高标准[1-2]。原CASS工艺设计处理水量10万m3/d，但实际超过8万m3/d，出水总氮就会超标。基于不增加征地及不停产改造的考虑，提出CASS池容重新分配改造，分批改造为A²O-MBR系统，并新建配套膜设备间。改造后一期工程峰值处理水量达12万m3/d。

改造后一期（10万吨）A²O+MBR

原设计进、出水具体指标：

表1 改造前进、出水水质

Tab.1Influent and effluentquality beforeupgrading

图1 改造前CASS池平面布置（西侧）

Fig.1 Layout plan of CASS tank beforeupgrading（west side）

2.提标改造工程设计

2.1.设计进、出水水质

表2 提标改造设计进、出水水质

Tab.2Design influent and effluentquality of upgrading project

2.2.改造工艺

综合考虑污水厂现状，目前污水厂没有预留用地，场地非常紧张，而且实际进水水质比原设计水质高，出水标准提高等多方面因素，本工程一期选择抗冲击负荷能力较强、占地面积小的A²O+MBR工艺[3]，采用原CASS池容重新分配改造，不增加征地。

图2 提标改造工艺流程图

Fig.2 Flow chart of upgrading process

污水经预处理超细格栅后进入厌氧池，厌氧发酵菌在厌氧环境下将污水中可生物降解的大分子有机物转化为分子量较低的中间发酵产物，聚磷菌进行磷的释放，为在好氧段进行磷的超量吸收实现生物除磷创造条件。反硝化菌利用污水中的有机物作碳源，将回流混合液中带入的大量NO3-N还原为N2释放至空气，达到脱氮的目的并使BOD5浓度有所下降。

污水在好氧池中有机物被微生物生化降解，浓度继续下降；氨氮被硝化成NO3-N。同时聚磷菌进行磷的超量吸收，在排除剩余污泥的过程中被除去，完成生物除磷[4]。所以，A²O工艺可以同时完成有机物的去除、除磷和脱氮等功能。好氧池进行有机物的氧化和氨氮的硝化，缺氧池则完成脱氮功能，厌氧池和好氧池联合完成除磷功能。溶解氧的控制是MBR同步消化和反硝化的关键，为保证脱氮效果，在好氧池后设后缺氧区2h，正常情况下按好氧区运行，当进水总氮较高的时候按缺氧进行运行[5]。

污水进入MBR后进行固液分离，通过MBR膜对污泥混合液中生物相的有效截留，可以提升A²O工艺段生物相浓度，减小生化处理污泥负荷，MBR池的微生物浓度高，是传统方法的2~3倍，可达8000~10000mg/L，容积负荷高，对水质水量的变化适应力强，耐冲击负荷强。

2.3.现有泵房及格栅改造（一期、二期共用）

现有提升水泵5台，流量Q=2100m 3/h，扬程 H=16m，功率N=125kw，5台全开最大提升能力为25万m3/d，可以达到设计规模22万m3/d，但这样一来没有备用水泵，现有泵房也不具备条件增加水泵或更换大功率水泵，改造工程增加2台同型号水泵作为冷备。

现有粗格栅5台，格栅后未设闸门，若1台格栅检修，整个污水处理厂需要停产，改造工程在现有格栅后增设闸门，实现格栅检修不停产，保障污水处理量。

2.4.新建超细格栅

为去除水中丝状物、毛发等缠绕性污染物，防止堵塞MBR膜系统，保障MBR膜的正常运行，改造工程新增3组（2用1备）超细格栅，过滤精度1mm，单台渠宽1.6m，渠深2.3m，功率1.5Kw，过水能力12万m3/d。配套冲洗水泵Q=36m3/h，H=94m，N=30kW，2台（1用1备）；配套无轴螺旋输送机及螺旋压榨机1套，B=320mm，L=11m，N=2.2kW。

2.5.原CASS池改造

图3 改造后A²O-MBR平面布置（西侧）

Fig.3 Layout plan of A²O-MBR after upgrading（west side）

对原CASS池重新分配，改造成A²O生化池及MBR膜池，改造工程拆除部分隔墙，新增部分导流墙，将CASS池重新划分，增加配水渠、回流渠设计，实现连续进水。增加离线清洗池设计，实现MBR膜组件离线清洗功能。

改造后A²O生化池有厌氧、缺氧、好氧及后缺氧区组成，好氧区混合液浓度8.0g/l，缺氧区混合液浓度6-7.0g/l，厌氧区混合液浓度3-3.5g/l，污泥负荷0.1kgBOD5/kgMLSS·d，生化池设计水深5-5.20m；厌氧停留时间1.30h，缺氧停留时间2.7h，好氧停留时间4.8h，后缺氧区停留时间1.7h，生物处理总停留时间10.5hr；缺氧池回流厌氧池回流比100%~200%，好氧池回流缺氧池回流比300%，膜池回流好氧池回流比400%。

生化池曝气鼓风机利用原有的生化鼓风机，单台供气量220Nm3/min（现有4台，3用1备），气水比7.9：1，出口风压63Kpa。

一期改造工程东、西两侧共20个膜池，单个膜池尺寸6.30m×15.086m×4.0m，有效水深3.2米，膜池中的MLSS浓度8000~10000mg/l。单组膜池可安装膜件数7个，含预留1个空位，最大运行膜面积252,560m2，平均产水通量：19.8L/m2.h。

为防止MBR配水渠、回流渠及膜池底部积泥，池底布置穿孔曝气管进行曝气，形成搅流。

2.6.新建MBR膜设备间

东西两侧各新建一座MBR膜设备间，配套独立的MBR产水系统、抽真空系统、反洗系统、排泥系统，东西两侧可独立运行。膜曝气系统、加药及清洗系统东西两侧共用，集中布置于西侧MBR膜设备间。

(1)产水系统

采用负压抽吸产水，通过产水泵的抽吸作用产生负压从膜丝中抽出滤液，经产水管汇总后，去往后续深度处理单元。每个膜池设置1台产水泵，共计20台，另冷备2台，单台产水泵Q=300m3/h，H=15m，N=18.5kW，变频控制。

(2)抽真空系统

由于产水是负压系统，伴随着产水的抽出，空气会在管道中积累，从而影响膜的通量，为了确保滤液中气体的消除，在产水系统的最高点设置管道抽真空系统，排出产水气体。每个膜池设置1套抽真空系统，采用真空发生器的形式，最大真空抽气量35NL/s @0-kPa，最大真空度：95-kPa。

(3)反洗系统

伴随着清水的抽出，混合液污泥浓度的浓缩，污泥逐渐在膜丝表面聚积，从而造成膜丝表面阻力的增加。本工程东、西两侧分别设置1套反洗系统，利用产水进行反向冲洗，清水从膜丝内侧进入，反向冲洗膜丝外表面，把聚集的污染物去除。每套反洗系统配置3台反洗泵，2用1备，单台反洗泵Q=379 m3/h，H=10m，N=15kW，变频控制，可同时对两个系列进行反洗，反洗通量30 L/m2.h。

(4)排泥系统

A²O生化段产生的剩余污泥在MBR膜池中浓缩累积，本工程膜池底部设计排泥溜槽及积泥坑，通过排泥泵将剩余污泥从系统中排出，去往下一处理单元。本工程东、两侧分别设置独立排泥系统，每套排泥系统配置3台排泥泵，2用1备，单台排泥泵Q=54m3/h，H=10m，N=4kW，10个膜池轮流排泥。

(5)膜曝气系统

通过鼓风机对MBR膜组件进行吹扫，气泡冲刷擦洗膜丝表面，有效减少膜丝污染问题。本工程设置5台磁悬浮鼓风机，单台风机Q=176-220Nm3/min，P=40kPa，N=190kW，变频控制，5台风机串联，曝气主管分两路分别去东、西两侧MBR系统，中间1台风机作为备用风机，两端设有切断阀，可独立控制东、西两侧曝气风量。

另外，本工程MBR膜曝气系统配套水冲洗装置，可实现膜组件曝气结构件的冲洗清淤，加强膜吹扫效果，有效预防和缓解膜丝污染。

(6)加药及清洗系统

A²O+MBR加药系统包括三部分，①碳源加药系统，为生物反应提供碳源；②铁盐加药系统，采用化学除磷作为辅助手段；③MBR化学清洗加药系统，又包括柠檬酸加药清洗和次氯酸钠加药清洗，通过清洗泵将药剂打入膜丝内侧，反向清洗去除膜丝表面污染物，化学清洗通量6.0 L/m2.h。

2.7.新建臭氧催化氧化

根据污水处理厂历史运行情况来看，本工程COD有超标风险，通过A²O+MBR工艺改造后，预计出水COD稳定在35mg/L以下，超标量不多，增加臭氧催化氧化深度处理，保障出水稳定达标。考虑厂区用地紧张，臭氧催化氧化设备间采用半地下式钢筋混凝土结构，尺寸L×B×H＝46.0×27.0×10.5m，设计处理规模11万m³/d，剩余1万m3/d从系统超越，与经过深度处理的污水混合后达到排放标准。设计停留时间1h，臭氧投加量：15mg/L，COD去除量：10mg/L。

2.8.污泥深度脱水改造

由于污水处理厂场地紧张且厂区临近高铁桥，无法在新建脱水机房或增加高度，立足在原脱水机房内完成改造。该污泥深度脱水系统可将污水浓缩脱水至含水率75～85%左右，再加入少量石灰、铝铁盐等助剂，经过污泥混合搅拌系统充分搅拌，再通过特制的带式污泥深度脱水机将脱水污泥深度脱水至含水率60%以内。该一体化污泥深度脱水系统每天可生产含水率60%的污泥40-60吨。污泥经过深度脱水后污泥量约为110m3/d，考虑到后端污泥处置可能带来的周转不及时，在污水处理厂内设计污泥料仓1个，容积为150m3，用于污泥的周转临时贮存。具体设备一览表见下：

表3 污泥深度脱水系统主要设备一览表

Tab.3List of Main Equipment of Sludge Deep Dewatering System

3.扩容改造后运行结果

改造污水处理厂于2022年4月陆续完成改造进入运行调试阶段，运行以来出水水质稳定，实际进、出水水质见表4。

表4实际进、出水水质（2022年8月—2022年10月）

Tab.4Actual influent and effluentquality（2022/8—2022/10）

4.结语

本工程的实施充分利用现有CASS池池容，改造为A²O生化池和MBR膜池，在现有构筑物和用地范围基础上扩容改造，本项目具有一定的借鉴意义。改造污水处理厂自2022年4月试运行，2022年8月完成本次提标改造工程环保验收工作。目前咸阳东郊污水处理厂一二期运行稳定，解决了厂区处理能力不足污水溢流和水质不达标的问题。出水水质优于《陕西省黄河流域污水综合排放标准》（DB61/224-2018）A标准，满足城市发展的污水治理需求。

咸阳东郊污水处理厂自2006年运营至2021年底，一期累计处理污水约3.97亿吨，二期工程正式投入商业运营至2021年底，累计处理污水2.57亿吨，共计COD消减184677吨，BOD5消减104357吨，氨氮消减16609吨。

咸阳市东郊污水处理厂一二期工程的建成投运，大大削减了排入渭河的污染物数量，降低了渭河污染负荷。作为陕西省首家BOT模式的污水处理龙头企业，咸阳东郊污水处理厂一二期规模的建成对于渭河三年还清目标的顺利实现，构建绿色生态长廊，将渭河打造成为关中城市群的城中河，具有十分重要的意义，同时，也对进一步优化咸阳城市人居环境、投资环境、发展环境，提升城市品位和形象发挥了积极的促进作用。

参考文献：

[1]任明华. CAST工艺的性能和优化运行研究[D]. 上海: 同济大学,2007.

Ren Minghua. Study on Performance and Optimum Operation of CAST Process[D]. Shanghai: Tongji University, 2007.

[2]柳蒙蒙，陈彦霖，马晓龙，陈梅雪，魏源送. 西北地区某污水厂CASS工艺提质增效工程设计[J]. 中国给水排水，2022,38(2):64-68.

Liu Mengmeng, Chen Yanlin, Ma Xiaolong, Chen Meixue, Wei Yuansong. Process Design of a CASS Upgrading Project of a Wastewater Treatment Plant in Northwest China[J]. China Water ＆ Wastewater, 2022,38(2):64-68.

[3]曹相生，孙延芳，孟雪征. 浸没式MBR工艺的设计要点分析[J]. 中国给水排水,2016,32(8):33-36.

Cao Xiangsheng, Sun Yanfang, Meng Xuezheng. Key Design Considerations for Immersed Membrane Bioreactor[J]. China Water ＆ Wastewater, 2016,32(8): 33-36.

[4]蒋岚岚，张万里，胡邦. MBR工艺水质净化效果的季节变化特性调研[J]. 中国给水排水,2015,31(7):61-64.

Jiang Lanlan, Zhang Wanli, Hu Bang. Seasonal change characteristics of water purification effect of MBR process system［J］. China Water ＆ Wastewater, 2015,31(7):61-64.

[5]郑详，刘俊新. 影响MBR脱氮效率的因素研究. 环境科学学报,2005,25(10):1325-1329.

Zheng Xiang, Liu Junxin. Nitrogen removal in A/O and SND processes using MBR[J]. Acta Scientiae Circumstantiae. 2005,25(10):1325-1329.