معاملات تصميم عملية CASS: مرجع هندسي 2026

ما هي عملية CASS وكيف تختلف عن مفاعل SBR التقليدي؟

نظام الحمأة المنشطة الدوري (CASS) هو متغير قائم على الوقت من مفاعل الدفعة المتسلسلة (SBR) يضيف محدداً بيولوجياً في أعلى خزان التهوية الرئيسي، مكرراً تسلسل التعبئة والتهوية والترسيب والسحب داخل خزان واحد. يستخدم أكثر من 400 محطة معالجة صرف صحي بلدية صغيرة ومتوسطة الحجم في شمال الصين هذا التكوين، بشكل أساسي لأنه يجمع بين مرونة التكوين والبساطة التشغيلية وانخفاض تكاليف البناء والصيانة وإزالة النيتروجين والفوسفور المتزامنة (Zhang et al., 2021, MDPI Processes Vol. 9 No. 3, p. 527).

المحدد هو العنصر الذي يميز CASS عن مفاعل SBR تقليدي. في محطة جانغجياكو الكاملة الحجم — بقدرة 20,000 m³/day محلية، مقاطعة خبي — يبلغ حجم منطقة إزالة النيتروجين اللاهوائية المسبقة 4.3 m × 17.6 m × 5.6 m بحجم فعال 423.8 m³، مخلوطة بواسطة جهازي تحريك غاطسين على زوايا متقابلة (Zhang et al., 2021). الوظيفة الرئيسية للمحدد هي السيطرة على الانتفاخ الخيطي: بتعريض الحمأة المنشطة المعادة لتدرج ركيزة عالي في ظروف لاهوائية، تتفوق الكائنات المكونة للتجمعات على الخيوط للحصول على COD القابل للتحلل البيولوجي السريع، مما يحسن القابلية للترسيب في مرحلة الترسيب اللاحقة. هذه هي الآلية التي تجعل جدول المعاملات أدناه — خاصة MLSS وSVI — تتصرف بشكل متوقع على الحجم الكامل.

معاملات تصميم عملية CASS — جدول المرجع الرئيسي

معاملات تصميم CASS الموحدة لمياه الصرف الصحي البلدية ذات القوة المحلية: دورة 6 h مقسمة إلى 90 min تعبئة، 180–240 min تفاعل، 30–60 min ترسيب، و30–60 min سحب، مع HRT من 20–30 h، SRT من 15–25 d، MLSS من 3,000–5,000 mg/L، وDO هوائي من 2.0–3.0 mg/L. يتم تثبيت كل صف أدناه إما على محطة جانغجياكو الكاملة الحجم (20,000 m³/day، خبي) أو مفاعل حجم المختبر المشغل في 20 °C مع مياه صرف صحي محلية اصطناعية منخفضة مصدر الكربون.

المعامل	نطاق التصميم النموذجي	مصدر الارتساء
إجمالي وقت الدورة	4–6 h (6 h نموذجي)	جانغجياكو كاملة الحجم، 6 h (Zhang et al., 2021)
وقت التعبئة	1.0–1.5 h (90 min نموذجي)	جانغجياكو، 90 min (Zhang et al., 2021)
وقت التفاعل (التهوية)	3.0–4.0 h	مختبر CASS، 180–240 min مرحلة التهوية (Sun et al., 2015, Bioresour. Technol.)
وقت الترسيب	0.5–1.0 h	ممارسة تصميم CASS
وقت السحب	0.5–1.0 h	ممارسة تصميم CASS
HRT	20–30 h	مشتقة من حجم خزان CASS و4–6 دورات/يوم
SRT (عمر الحمأة)	15–25 d	معايرة ASM1، جانغجياكو 2018–2019 (Zhang et al., 2021)
MLSS	3,000–5,000 mg/L	مفاعل المختبر ~3,000 mg/L (Sun et al., 2015); كاملة الحجم 3,000–5,000 mg/L (Zhang et al., 2021)
DO في مرحلة التفاعل الهوائي	2.0–3.0 mg/L	متوسط مختبر DO 1.02, 2.60, 2.87, 3.44 mg/L عبر أربع أنظمة تهوية (Sun et al., 2015)

ملاحظة: الوحدات في الرأس واضحة لأن HRT يُبلغ عنها بالساعات (h) وSRT بالأيام (d) — وهذا مصدر متكرر لسوء قراءة الأوراق الفنية. تنطبق القيم أعلاه على مياه الصرف الصحي ذات القوة المحلية؛ التعديلات C/N الصناعية يتم تغطيتها لاحقاً.

توصيف المياه الداخلة: COD وBOD ونسبة C/N وكيف تحدد تحميل CASS

ستة معاملات تحكم الامتثال للتصريف لأي محطة CASS: TSS، COD، BOD₅، النيتروجين الكلي، الفوسفور الكلي، والمعادن الثقيلة (Alumichem, 2024). نسبة COD/TKN وتحميل BOD₅ هما القيمتان اللتان تؤثران بشكل مباشر على حجم المفاعل، لأنهما يحددان طلب التهوية وتدرج ركيزة المحدد والكربون المتاح لإزالة النيتروجين.

مياه الصرف الصحي المحلية منخفضة مصدر الكربون هي حالة تصميم CASS الشائعة، المعرّفة بـ COD ˂200 mg/L مع COD/N ˂4 (Sun et al., 2015). بالنسبة لهذا النطاق، تهبط نسبة الغذاء إلى الكائن الحي (F/M) عادة في نطاق 0.05–0.20 kg BOD/kg MLSS·d. يهيمن متغيران على معاملات الحركية التي تعاير حساب F/M: كسور COD الداخلة (S_S, S_I, X_S, X_I) ودرجة حرارة الماء (Zhang et al., 2021). المياه المنصرفة الصناعية عالية القوة (COD 500–5,000 mg/L) تقع خارج الجدول الرئيسي أعلاه وتحتاج دائماً إلى معادلة أو تحمض مسبق قبل خزان CASS؛ الحمل على المحدد ونسبة F/M كلاهما يتغير بمقدار رتبة من حيث الحجم، والدورة يجب أن تطول لمنع مرحلة التهوية من أن تصبح محدودة بالأكسجين.

تحجيم منطقة المحدد البيولوجي وإزالة النيتروجين المسبقة

يحتل المحدد قبل اللاهوائي في جانغجياكو 423.8 m³ من المفاعل البيولوجي، مع جهازي تحريك غاطسين على زوايا متقابلة للحفاظ على الظروف المختلطة (Zhang et al., 2021). HRT المحدد عادة 1–2 h مع نسبة الحمأة المنشطة المعادة (RAS) من 20–50% تغذي منطقة لاهوائية — تم تحجيمها لإعطاء اتصال F/M عالي في ظروف لاهوائية بحيث تتفوق الكائنات المكونة للتجمعات على الخيوط. محاكاة ديناميكا السوائل الحسابية لوضع الخلاط أصبحت الآن ممارسة قياسية في تصميم المحدد 2026؛ استخدم فريق جانغجياكو محاكاة ديناميكا السوائل الحسابية لتحسين تخطيط المحرك قبل إعادة التشغيل.

الشكل الهندسي للمحدد وحده لا يضمن TN ≤15 mg/L. لم تستطع محطة الإنتاج الكاملة الحجم تحقيق حد GB 18918–2002 Grade 1-A للنيتروجين الكلي TN بـ 15 mg/L في فصل الشتاء حتى يتم معايرة الاستراتيجية التشغيلية ومعاملات الحركية (Zhang et al., 2021). الآلية التي تعطي CASS مرونتها في النيتروجين هي النترجة وإزالة النيتروجين المتزامنة (SND) داخل التجمع: يسمح تدرج الأكسجين داخل كل تجمع للطبقة الخارجية بالنترجة بينما القلب الداخلي يزيل النيتروجين، وحجم محدد مناسب يضخم حصة إزالة النيتروجين. معامل الاضمحلال b_H الذي يتحكم في إزالة النيتروجين الذاتية مشتق من الجهاز التنفسي: b_H = K_d / [1 − Y_H(1 − f_p)] (Zhang et al., 2021)، لذلك أي تغيير في Y_H أو f_p يعيد معايرة سعة إزالة النيتروجين للمحدد.

التحكم في التهوية وإعدادات DO وتوزيع وقت الدورة

إعدادات DO في مفاعل CASS محددة حسب المرحلة: احتفظ بالمحدد قبل اللاهوائي تحت 0.3 mg/L للحفاظ على إزالة النيتروجين نشطة، شغّل مرحلة التفاعل الهوائي عند 2.0–3.0 mg/L، واترك الترسيب والسحب تنخفض تحت 0.5 mg/L بحيث تبقى بطانية الحمأة غير مضطربة. احتفظ مفاعل CASS في المختبر المغذى بمياه صرف صحي محلية اصطناعية منخفضة مصدر الكربون في 20 °C بمتوسط DO هوائي من 1.02, 2.60, 2.87 و3.44 mg/L عبر أربع حالات اختبار (Sun et al., 2015); الحل الوسط العملي 2026 بين تخفيف N₂O وكفاءة إزالة النيتروجين يقع في نطاق 2.0–3.0 mg/L.

مرحلة الدورة	المدة	إعداد DO	الوظيفة
التعبئة (المحدد قبل اللاهوائي)	90 min	˂0.3 mg/L	اتصال ركيزة المحدد، إزالة النيتروجين
التفاعل (الهوائي)	180–240 min	2.0–3.0 mg/L	أكسدة COD، النترجة
الترسيب	30–60 min	˂0.5 mg/L	فصل الحمأة، بدون خلط
السحب	30–60 min	˂0.5 mg/L	سحب المياه المعالجة الخارجة النظيفة
خمول	0–30 min	—	مخزن مؤقت لمزامنة القطارات المتوازية

التغذية المستمرة أثناء مرحلة التفاعل تقلل انبعاث N₂O بالنسبة للتغذية الدفعية، لأن المياه الداخلة المستمرة تخفف منافسة الإلكترون بين مختزلات إزالة النيتروجين أثناء فترات محدودة الأكسجين (Sun et al., 2015). يجب أن تسلم الدورة مياه معالجة خارجة تلبي GB 18918–2002 Grade 1-A: TN ≤15 mg/L، COD ≤50 mg/L، NH₃-N ≤5 mg/L (Zhang et al., 2021).

تصحيح درجة الحرارة لمعاملات CASS الحركية

درجة حرارة الماء هي المتغير الوحيد الأكثر تأثيراً لتصميم CASS لأن جميع معاملات حركية ASM1 تقريباً — Y_H, b_H, μ_H,max, k_h, K_S, K_O,H — تختلف معها (Zhang et al., 2021). معايرة النموذج عند 20 °C وتطبيق النتيجة على خزان 10 °C في فصل الشتاء سيقلل من حجم التهوية وSRT.

تم إجراء التنفس عند محطة جانغجياكو عند 10 °C و20 °C وأسفرت عن مجموعتين متميزتين من المعاملات السائدة. مجموعة الحساسية الصيفية عند 20 °C كانت k_h, μ_H,max, K_S, K_O,H, μ_A,max. مجموعة الحساسية الشتوية عند 10 °C كانت k_h, K_X, K_NH, K_S, b_A, μ_H,max. قيم معايرة مختلفة للمعامل الواحد بين الفصول دفعت استراتيجية الترقية (Zhang et al., 2021). بالنسبة لتصاميم 2026 في المناطق الباردة، يجب أن تكون 10 °C درجة حرارة تصميم الشتاء عند تحجيم سعة التهوية وSRT وHRT للمحدد. يتم تطبيق تصحيح من نوع Arrhenius مع معامل درجة حرارة θ على الاضمحلال الذاتي b_H؛ الأدب الهندسي عادة ما يستخدم θ ≈ 1.04–1.07 للاضمحلال غير المتجانس، والأسلوب نفسه يمتد إلى μ_H,max وk_h.

الفصل	درجة حرارة التصميم	معاملات الحركية السائدة
الصيف	20 °C	k_h, μ_H,max, K_S, K_O,H, μ_A,max
الشتاء	10 °C	k_h, K_X, K_NH, K_S, b_A, μ_H,max

تكييف معاملات تصميم CASS لمياه الصرف الصحي الصناعية

تعالج محطة جانغجياكو المرجعية 20,000 m³/day من مياه الصرف الصحي المحلية في COD ˂200 mg/L وCOD/N ˂4 (Zhang et al., 2021). تطبيقات CASS الصناعية تقع في غلاف مختلف: المياه الداخلة النموذجية هي COD 500–5,000 mg/L وCOD/N 5–20، والكسور القابلة للتحلل البيولوجي البطيئة تتطلب SRT أطول (25–40 d) ودورة أطول (8–12 h إجمالي). تم تكييف CASS مع تصريف الرمل، مياه الصرف الصحي من معالجة الأغذية، تصريف الكوك، وملخص لب الورق والورق، وتوثق المراجعة الدورية المنشطة 2024 الامتدادات الجارية لتكوينات الإنزيم والنمو المرتبط (Mosaferi et al., 2025, Sustainable Chemistry for the Environment Vol. 9, art. 100191).

معامل التصميم	CASS محلي	CASS صناعي
مياه COD الداخلة	˂200 mg/L	500–5,000 mg/L
نسبة COD/N	˂4 (منخفضة C/N)	5–20 (عالية C/N)
SRT	15–25 d	25–40 d
إجمالي وقت الدورة	4–6 h	8–12 h
المعالجة المسبقة	الترسيب الأولي	المعادلة + نظام التعويم بالهواء المذاب ZSQ للدهون والزيوت والزهم/الغرويات

ربط CASS مع نظام التعويم بالهواء المذاب ZSQ في المنبع يزيل الدهون والزيوت والزهم والمواد الغروية التي قد تحمل المحدد بخلاف ذلك وتزيد من TSS المياه المعالجة الخارجة. بالنسبة للمواقع حيث تكون جودة المياه المعالجة الخارجة المحسنة أمراً حاسماً — عادة تطبيقات إعادة الاستخدام أو حدود الفوسفور الكلي الضيقة — يمكن إضافة خطوة تحسين مثل نظام مفاعل الحيوي الغشائي MBR أو نظام الجرعات الكيميائية الآلي لترسيب الفوسفور الكيميائي في المصب.

CASS مقابل SBR مقابل AAO: متى تختار كل مفاعل

سؤال الشراء نادراً ما يكون "هل يجب أن أستخدم CASS" — إنه "نظراً لتدفقي والمياه الداخلة والمساحة والحدود التصريفية، أي عائلة مفاعل هي المناسبة للبدء بالحجم أولاً." إطار عمل 2026 لهذا الاجتماع أدناه؛ انظر أيضاً دليل مبدأ عملية AAO ومرجع معاملات تصميم خندق الأكسدة 2026 للعائلات المجاورة للمفاعلات، ودليل مخطط تدفق عملية IFAS 2026 للبدائل الهجينة الثابتة للفيلم.

المعيار	CASS	SBR تقليدي	AAO
نظام التدفق	دورة قائمة على الوقت + محدد	دورة قائمة على الوقت، بدون محدد	تدفق مستمر، إعادة دوران داخلية
نطاق التدفق النموذجي	1,000–50,000 m³/day	˂20,000 m³/day	10,000–500,000+ m³/day
المساحة	مدمجة، خزان واحد لكل قطار	مدمجة، خزان واحد لكل قطار	أكبر، مناطق متعددة
إزالة TN	≤15 mg/L يمكن تحقيقه مع محدد مناسب	≤15 mg/L يمكن تحقيقه، بدون ميزة محدد	≤10 mg/L يمكن تحقيقه مع ضبط إعادة الدوران الداخلي
إزالة TP	جزئية؛ غالباً ما تكون هناك حاجة لتحسين كيميائي	جزئية؛ غالباً ما تكون هناك حاجة لتحسين كيميائي	إزالة بيولوجية للفوسفور إلى ˂1 mg/L ممكنة
مهارة المشغل	معتدلة (قوابض قائمة على المؤقت)	معتدلة (قوابض قائمة على المؤقت)	أعلى (نسب إعادة الدوران، DO السيطرة عبر المناطق)
CAPEX	أقل (لا توجد منطقة محدد منفصلة)	أقل	أعلى (مناطق لاهوائية/لاهوائية/هوائية منفصلة)
الملاءمة الأفضل	محلي منخفض C/N، تدفقات صغيرة ومتوسطة، مساحة محدودة	تدفقات صناعية متغيرة القوة، مرونة الدفعة	تدفقات كبيرة، إزالة بيولوجية للفوسفور مطلوبة

مزايا CASS هي مرونة التكوين والبساطة التشغيلية وإزالة النيتروجين والفوسفور المتزامنة وانخفاض تكاليف البناء والصيانة (Zhang et al., 2021). عيوب CASS هي قابلية الحجم المحدودة بما يتجاوز ~50,000 m³/day بدون قطارات متوازية، والحساسية لقابلية ترسيب الحمأة، والاعتماد على التحسين الكيميائي لحدود TP الضيقة. اختر AAO عندما تكون إزالة الفوسفور البيولوجي مطلوبة عند تدفق كبير ويمكن للمشغل إدارة 200–400% RAS و100–300% إعادة دوران النترات.

أسئلة متكررة

ما هو وقت دورة CASS النموذجي وكيف يجب تقسيمه؟

دورة CASS النموذجية هي 6 ساعات، مقسمة إلى 90 دقيقة تعبئة، 180–240 دقيقة تفاعل (تهوية)، 30–60 دقيقة ترسيب، و30–60 دقيقة سحب (Zhang et al., 2021). يتم إضافة وقت الخمول حسب الحاجة للحفاظ على أربعة قطارات CASS متوازية في محاذاة التغذية المستمرة.

ما نطاق MLSS الطبيعي في مفاعل CASS؟

تعمل مفاعلات CASS عادة عند 3,000–5,000 mg/L MLSS. تم إجراء مفاعل المختبر في دراسة Sun et al. (2015) عند حوالي 3,000 mg/L تقريباً، وتعمل محطة جانغجياكو الكاملة الحجم في نطاق 3,000–5,000 mg/L (Zhang et al., 2021).

هل يمكن لـ CASS أن تحقق TN ≤15 mg/L في المناخات الباردة؟

نعم، لكن يجب تحجيم المحدد وSRT لظروف فصل الشتاء 10 °C وإعادة معايرة معاملات الحركية (k_h, K_X, K_NH, K_S, b_A, μ_H,max) موسمياً (Zhang et al., 2021). التصميم عند 20 °C والتشغيل عند 10 °C هو السبب الأكثر شيوعاً لعدم الامتثال TN في شمال الصين.

كيف تختلف التغذية المستمرة عن التغذية الدفعية في CASS؟

التغذية المستمرة أثناء مرحلة التفاعل تقلل انبعاث N₂O وتحسن إزالة TN لمياه صرف صحي محلية اصطناعية منخفضة C/N، لأن إمداد الكربون المستمر يخفف منافسة الإلكترون بين مختزلات إزالة النيتروجين أثناء فترات محدودة الأكسجين (Sun et al., 2015).

هل CASS مناسبة لمياه الصرف الصحي الصناعية؟

نعم، مع المعالجة المسبقة — عادة نظام DAF لإزالة الدهون والزيوت والزهم والغرويات — وSRT ممتد من 25–40 يوماً للتعامل مع COD القابل للتحلل البيولوجي البطيء. توثق مراجعة الحمأة المنشطة الدورية 2024 الامتدادات الجارية لتكوينات الإنزيم والنمو المرتبط للاستخدام الصناعي (Mosaferi et al., 2025).