操家順¹，楊雪冬²，Mark Van Loosdrecht
(1.河海大學(xué)水文水資源環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210098；2.International Institute for Infrastructural, Hydraulic and　Environ-mental Engineering, Holland;3.Faculty of Applied Sciences, Delft University of Technology,Holland)

　　摘　要：BCFS工藝是在帕斯韋爾氧化溝(Pasveersloot)與UCT工藝及原理的基礎(chǔ)上開發(fā)的生物除磷脫氮新工藝，它由5個(gè)功能相對(duì)專一的反應(yīng)器組成，通過(guò)控制反應(yīng)器之間的3個(gè)循環(huán)來(lái)優(yōu)化各反應(yīng)器內(nèi)細(xì)菌的生存環(huán)境，具有污泥產(chǎn)率低、除磷脫氮效率高(均大于90%)等特點(diǎn)，其出水總氮＜5mg/L，正磷酸鹽含量幾乎為零。?
　　關(guān)鍵詞：BCFS工藝；除磷；脫氮；循環(huán)系統(tǒng)?
　　中圖分類號(hào)：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)03-0023-04

1　BCFS工藝

　　BCFS(Biologisch—Chemische—Fosfaat—Stikstof Verwijdering)工藝是由荷蘭DELFT科技大學(xué)的Mark教授在Pasveersloot和UCT工藝及原理的基礎(chǔ)上開發(fā)的，它充分利用DPB(反硝化除磷菌)的缺氧反硝化除磷作用以實(shí)現(xiàn)磷的完全去除和氮的最佳去除，對(duì)于城市污水在處理過(guò)程中無(wú)需添加化學(xué)藥劑。?
　　最近，荷蘭BDG咨詢公司在此基礎(chǔ)上開發(fā)了BCFS的新型反應(yīng)器。該反應(yīng)器由5個(gè)同軸圓環(huán)組成，依次構(gòu)成功能相對(duì)專一的5個(gè)獨(dú)立反應(yīng)器。這些同軸圓環(huán)使水流具有活塞流與完全混合流的優(yōu)點(diǎn)，采用預(yù)制混凝土建造這種一體化構(gòu)筑物減少了工程投資，同時(shí)使污水廠的布置簡(jiǎn)潔，節(jié)約了工程投資及建設(shè)用地。?
1.1 工藝流程
　　BCFS工藝將每一種屬不同功能的細(xì)菌用空間分隔開來(lái)，并通過(guò)不同的循環(huán)系統(tǒng)來(lái)控制其生長(zhǎng)環(huán)境。?
　　BCFS工藝流程如圖1所示。?
　　由圖1可見，BCFS工藝由5個(gè)功能相對(duì)專一的獨(dú)立反應(yīng)器(厭氧池、選擇池、缺氧池、缺氧/好氧池、好氧池)及3路循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，各循環(huán)的作用如表1所示。

表1　BCFS中各循環(huán)的主要作用 循環(huán)代碼 主要作用 控制點(diǎn) 氧化還原電位控制范圍(mV) A 提供污泥釋磷條件(即硝酸鹽氮＜0.1mg/L) 厭氧池 -450～-300 B 提供硝化混合液 缺氧池 -150～0 C 反硝化脫氮 缺氧/好氧池 -100～50(或0)

1.2 特點(diǎn)
　　 BCFS工藝的主要特點(diǎn)可歸納如下：?
　?、賹?duì)氮、磷的去除率高，可使出水中總氮＜5mg/L，正磷酸鹽含量幾乎為零。
　　②SVI值低(80～120mL/g)且穩(wěn)定(夏季為80mL/g，冬季為100mL/g，最大值為120m L/g)，從而可有效地減少曝氣池及二沉池的容積。
　?、劭刂坪?jiǎn)單，通過(guò)氧化還原電位與溶解氧可有效地實(shí)現(xiàn)過(guò)程穩(wěn)定，尤其利于對(duì)負(fù)荷的控制。?
　　④與常規(guī)污水廠相比，其污泥產(chǎn)量減少了10%，從而進(jìn)一步減少了污泥的處理費(fèi)用。?
　　⑤利用DPB實(shí)現(xiàn)生物除磷(測(cè)定結(jié)果表明，約50%的磷是由DPB去除的)，使碳源(COD)能被有效地利用，從而使該工藝在COD/(N+P)值相對(duì)低的情況下仍能保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)使除磷所需的化學(xué)藥劑量大大減少。?
　?、奘褂蒙锍灼鳙@得富含磷的污泥，使磷的循環(huán)利用成為可能。?
　?、吲cPasveer氧化溝的污泥負(fù)荷相同。?

2　功能分析

2.1 與氧化溝工藝的比較
　　 Pasveer氧化溝設(shè)有二沉池，該系統(tǒng)的SVI值通常為100mL/g，污泥濃度為4kg/m³。按照每人口當(dāng)量需0.25m³的氧化溝體積，Pasveer氧化溝的污泥脫氮負(fù)荷為0.01g/(kgMLSS·d)(這也是BCFS工藝的計(jì)算基礎(chǔ))；若處理工藝中有初沉池，則污泥負(fù)荷取0.015 kg/(kgMLSS·d)。?
　　在荷蘭設(shè)有二沉池的普通氧化溝，其SVI值冬季時(shí)約為150mL/g，最大污泥濃度為4kg/m³，而BCFS工藝的SVI值為120mL/g(VI值降低意味著污泥濃度上升，即為5kg/m³)，從而使BCFS工藝的總?cè)莘e比普通氧化溝減少了20%。?
　　普通氧化溝通過(guò)外加化學(xué)藥品除磷，這使得污泥中至少10%是化學(xué)藥品，可見與普通氧化溝相比，BCFS反應(yīng)器的總?cè)莘e僅為氧化溝容積的70%左右。?
　　此外，BCFS工藝中磷的去除與曝氣池分離，使生物污泥免受化學(xué)藥劑污染，有利于富磷污泥 的利用。BCFS工藝要求的二沉池深度較小，為高濃度污泥預(yù)留了足夠空間。?
2.2　各組成單元功能分析
　　 ①厭氧池?
　　厭氧池的厭氧條件通過(guò)進(jìn)水及從缺氧池回流的缺氧混合液(其中NO₃-N＜0.1mg/L，即控制進(jìn)入?yún)捬醭氐南跛猁}氮濃度足夠低)來(lái)維持，這樣污水中的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)就只被用于生物除磷。?
　　回流的混合液污泥濃度與好氧部分相同，因此厭氧池的污泥濃度是最終濃度的1/2～3/4，即為2.5～4kg/m³。
　　BCFS工藝的厭氧部分和傳統(tǒng)的選擇器具有相同的污泥負(fù)荷，區(qū)別在于前者是嚴(yán)格厭氧的，且污水中所有的揮發(fā)性脂肪酸都被用于生物除磷。BCFS工藝中除磷菌的數(shù)量比常規(guī)工藝多，能承受更大的負(fù)荷峰值，例如下雨時(shí)的負(fù)荷峰值是平常的2倍，而BOD負(fù)荷只有平常的1/2，BCFS工藝中的除磷細(xì)菌能夠?qū)⒎逯礏OD貯存，當(dāng)BOD不足時(shí)即時(shí)釋放。在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)，不管是否下雨，采用BCFS工藝的出水中總磷含量幾乎是相同的，這是由于該工藝將除磷菌對(duì)峰值BOD的貯存、對(duì)后續(xù)處理工藝的有效控制以及設(shè)置STP(除磷器)三種方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磷的超量去除：?
　　a.在厭氧池中磷的分離和初沉池中無(wú)機(jī)污泥的沉淀；?
　　b.從二沉池污泥中釋放出來(lái)的磷形成磷酸鹽化合物；?
　　c.通過(guò)投加FeCl₃，在消化池中對(duì)磷酸的再次去除。?
　　這種結(jié)合使得在最小化學(xué)藥劑用量的情況下，出水中正磷酸鹽含量為零。污泥中磷酸鹽的去除發(fā)生在污泥流程中，這表明污泥流程中的生物污泥可免受化學(xué)藥劑的污染，從而使BCFS系統(tǒng)中微生物的活性不受化學(xué)污泥的影響。?
　　為了提高脫氮效果，BCFS工藝的設(shè)計(jì)泥齡很長(zhǎng)(一般為50d)，這給除磷帶來(lái)麻煩。BCFS用化學(xué)法來(lái)去除未被生物除去的磷酸鹽，這是由于在厭氧池出水端磷酸鹽含量最高，故在厭氧池后端設(shè)置了一個(gè)除磷器進(jìn)行化學(xué)除磷。與一般的在線除磷不同，該除磷器是用泵將污泥送至污泥 濃縮池后加入FeCl₃進(jìn)行化學(xué)除磷，處理后的污泥不再回流到污水處理構(gòu)筑物，因此消除了加入化學(xué)除磷劑后對(duì)污泥活性的影響。因?yàn)閰捬醭氐膮捬鯒l件在某些情況(如長(zhǎng)時(shí)間的降雨等)下有可能受到破壞，影響釋磷菌的釋磷和PHB的合成而造成出水水質(zhì)惡化，這時(shí)可通過(guò)提高除磷器的流量以提高出水水質(zhì)。這一過(guò)程可通過(guò)設(shè)在出水口的在線磷酸鹽監(jiān)測(cè)儀實(shí)現(xiàn)控制，十分簡(jiǎn)單并且能穩(wěn)定運(yùn)行。?
　　除磷器設(shè)置在厭氧池的后端，為了得到比較穩(wěn)定的水力條件，該工藝將厭氧池分割并設(shè)置了兩塊擋板，在兩塊擋板間形成一個(gè)類似沉淀池的水力流場(chǎng)，有利于泥水分離。?
　?、谶x擇池(器)?
　　選擇器對(duì)于阻止污泥膨脹是必要的。在選擇器中氧濃度為零，二沉池回流污泥中的微量硝酸鹽能很快地被去除。在這種環(huán)境下，絲狀菌生長(zhǎng)非常緩慢，回流污泥能夠吸附污水中幾乎 所有剩余的COD(僅需10min，因而選擇器可相對(duì)小些)，通過(guò)選擇器后水中COD的濃度與系統(tǒng)出水COD的濃度幾乎相等。反硝化除磷菌在選擇池中也同樣發(fā)揮作用，這一過(guò)程是缺氧池反應(yīng)過(guò)程的延續(xù)。?
　　③缺氧池?
　　缺氧池有兩個(gè)功能：首先是反硝化以獲得不含硝酸鹽的污泥進(jìn)而提高厭氧池的釋磷效率，其次是利用好氧池中的硝酸鹽來(lái)除磷。
　　缺氧反硝化除磷是在Holten污水處理廠的工業(yè)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，進(jìn)一步的理論研究表明，在STP生物污泥中含有1/2以上的除磷菌，而在這些除磷菌中有1/2以上是反硝化除磷菌，即利用反硝化菌來(lái)達(dá)到真正的生物除磷的目的，同時(shí)也減少了對(duì)碳源的更高要求。?
　?、苋毖?好氧池?
　　缺氧/好氧池的主要功能是脫氮，正常情況下該池可不充氧，缺氧條件可通過(guò)好氧池回流的混合液來(lái)維持。與通常的氧化溝相比，該池處于持續(xù)的缺氧狀態(tài)，這意味著硝化與反硝化一直同時(shí)發(fā)生，而且不受供氧量的制約。BCFS工藝將缺氧/好氧池、好氧池分開可使每個(gè)部分的去除速率達(dá)到最大，其主要優(yōu)點(diǎn)是：?
　　a.在不影響反硝化與除磷的情況下可使污泥的無(wú)機(jī)化速率達(dá)到最大；?
　　b.有利于控制SVI值；?
　　c.最大程度地利用反硝化除磷菌使污泥產(chǎn)量最??；?
　　d.適當(dāng)充氧可使負(fù)荷穩(wěn)定在最低值；?
　　e.通過(guò)氧化還原電位和溶解氧實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。?
　　⑤好氧池?
　　同常規(guī)的處理工藝，其主要功能是去除COD、BOD及氨氮的硝化。?

3　應(yīng)用前景

　　BCFS工藝在荷蘭的應(yīng)用已有10例，目前正在規(guī)劃處理規(guī)模相當(dāng)于10×10⁴m³/d的Rotterdam污水處理廠。?
　　表2為3座采用BCFS工藝的城市污水廠的設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況。

表2　3座采用BCFS工藝污水廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù) 項(xiàng)目 Holton Genemuiden Dalfsen 設(shè)計(jì)參數(shù) BOD負(fù)荷［gBOD/(人口當(dāng)量·d)］ 54 40 35 厭氧池容積(m³) 350 850 900 選擇池容積(m³) 90 400 缺氧池容積(m³) 700 2200 缺氧/好氧池容積(m³) 790 3750 好氧池容積(m³) 1580 3750 4500 總?cè)莘e(m³) 3500 8350 8000 回流量(m³/d) 4400 5200 4200 運(yùn)行參數(shù) 污泥負(fù)荷［gCOD/(kgSS· d)］ 134 125 72 污泥產(chǎn)量［gSS/(人口當(dāng)量·d) 29 32 30 Me/P(mol/mol) 0.82 0.3 SVI(mL/g) 99±16 94±14 118±14 去除率(%) 94.2 91.0 93.0 COD 97.8 97.7 98.9 BOD 92.7 91.9 90.4 TN 94.9 93.5 92.4 TP 注：Me/P指和磷協(xié)同作用的陽(yáng)離子與磷的化學(xué)計(jì)量數(shù)。

　　Holton污水處理廠原由兩組平行的曝氣間歇活性污泥池組成，經(jīng)過(guò)改造后增加了新的BCFS反應(yīng)池，并將原有曝氣池分為厭氧和兼氧兩部分，同時(shí)加大了厭氧反應(yīng)池體積(約占總體積的10%)。Mark教授等(1997)在對(duì)其原有運(yùn)行工藝調(diào)研的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，使污水處理廠的氮、磷去除更加穩(wěn)定，其污泥的SVI值更低且穩(wěn)定，也不需要投加FeCl₃(即無(wú)需外加化學(xué)藥品)。?
　　在我國(guó)對(duì)環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)、標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高的情況下，特別是在控磷地區(qū)如太湖流域及滇池采用BCFS工藝將會(huì)有很大的應(yīng)用前景，主要是：?
　　①該工藝處理效果好，出水水質(zhì)優(yōu)良(總氮＜5mg/L，正磷酸鹽的含量接近零)，從而可有效地減少引起富營(yíng)養(yǎng)化的營(yíng)養(yǎng)物(氮、磷)的排放；
　?、谟捎谠摴に嚐o(wú)需初沉池，在相同的處理效果下BCFS工藝的投資最小、運(yùn)行費(fèi)用較低；?
　　③由于采用同軸圓形結(jié)構(gòu)池型，可有效地節(jié)省占地；?
　?、芸蓪?shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，并且簡(jiǎn)單易行、投資較低，克服了以前引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的同時(shí)還需花費(fèi)大量外匯購(gòu)買其大量自控設(shè)備的弊端；
　?、莨に嚥贾煤?jiǎn)潔、美觀。?
　　此外，從荷蘭已工業(yè)化生產(chǎn)的污水廠看，BCFS工藝對(duì)于現(xiàn)有氧化溝工藝的改造有很好的適應(yīng)性。?
受某市污水處理廠的委托，筆者與荷蘭專家根據(jù)我國(guó)城市污水的特點(diǎn)及現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)果如表3所示?？梢姡捎肂CFS工藝反應(yīng)器的體積比現(xiàn)有A²/O工藝的大，但比氧化溝工藝的小。?

表3　某城市污水廠的設(shè)計(jì)參數(shù) 項(xiàng)目 數(shù)值 設(shè)計(jì)規(guī)模(10⁴m³/d) 30 設(shè)計(jì)水質(zhì) COD(mg/L) 350/100 BOD(mg/L) 200/20 氨氮(mg/L) 45/20 TP(mg/L) 5/0.5 總?cè)莘e(m³) 18000 BCFS池 厭氧池(m³) 2160 選擇池(m³) 1440 缺氧池(m³) 缺氧/好氧池(m³) 好氧池(m³) 注：
①設(shè)計(jì)水質(zhì)欄的“/”表示“進(jìn)水/出水”；②氨 氮一欄中出水的20mg/L為總氮濃度，采用的《江蘇省太湖流域總磷、總氮排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB32/191—1998)中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；③出水PO₄^3--P濃度＜0.1mg/L；④BCFS池 采用同軸圓形結(jié)構(gòu)。

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　　收稿日期：2001-11-04