BCFS—生物除磷新工艺

操家顺¹，杨雪冬²，Mark Van Loosdrecht
(1.河海大学水文水资源环境学院，江苏南京210098；2.International Institute for Infrastructural, Hydraulic and　Environ-mental Engineering, Holland;3.Faculty of Applied Sciences, Delft University of Technology,Holland)

　　摘　要：BCFS工艺是在帕斯韦尔氧化沟(Pasveersloot)与UCT工艺及原理的基础上开发的生物除磷脱氮新工艺，它由5个功能相对专一的反应器组成，通过控制反应器之间的3个循环来优化各反应器内细菌的生存环境，具有污泥产率低、除磷脱氮效率高(均大于90%)等特点，其出水总氮＜5mg/L，正磷酸盐含量几乎为零。?
　　关键词：BCFS工艺；除磷；脱氮；循环系统?
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：B
　　文章编号：1000-4602(2002)03-0023-04

1　BCFS工艺

　　BCFS(Biologisch—Chemische—Fosfaat—Stikstof Verwijdering)工艺是由荷兰DELFT科技大学的Mark教授在Pasveersloot和UCT工艺及原理的基础上开发的，它充分利用DPB(反硝化除磷菌)的缺氧反硝化除磷作用以实现磷的完全去除和氮的最佳去除，对于城市污水在处理过程中无需添加化学药剂。?
　　最近，荷兰BDG咨询公司在此基础上开发了BCFS的新型反应器。该反应器由5个同轴圆环组成，依次构成功能相对专一的5个独立反应器。这些同轴圆环使水流具有活塞流与完全混合流的优点，采用预制混凝土建造这种一体化构筑物减少了工程投资，同时使污水厂的布置简洁，节约了工程投资及建设用地。?
1.1 工艺流程
　　BCFS工艺将每一种属不同功能的细菌用空间分隔开来，并通过不同的循环系统来控制其生长环境。?
　　BCFS工艺流程如图1所示。?
　　由图1可见，BCFS工艺由5个功能相对专一的独立反应器(厌氧池、选择池、缺氧池、缺氧/好氧池、好氧池)及3路循环系统构成，各循环的作用如表1所示。

表1　BCFS中各循环的主要作用 循环代码 主要作用 控制点 氧化还原电位控制范围(mV) A 提供污泥释磷条件(即硝酸盐氮＜0.1mg/L) 厌氧池 -450～-300 B 提供硝化混合液 缺氧池 -150～0 C 反硝化脱氮 缺氧/好氧池 -100～50(或0)

1.2 特点
　　 BCFS工艺的主要特点可归纳如下：?
　　①对氮、磷的去除率高，可使出水中总氮＜5mg/L，正磷酸盐含量几乎为零。
　　②SVI值低(80～120mL/g)且稳定(夏季为80mL/g，冬季为100mL/g，最大值为120m L/g)，从而可有效地减少曝气池及二沉池的容积。
　　③控制简单，通过氧化还原电位与溶解氧可有效地实现过程稳定，尤其利于对负荷的控制。?
　　④与常规污水厂相比，其污泥产量减少了10%，从而进一步减少了污泥的处理费用。?
　　⑤利用DPB实现生物除磷(测定结果表明，约50%的磷是由DPB去除的)，使碳源(COD)能被有效地利用，从而使该工艺在COD/(N+P)值相对低的情况下仍能保持良好的运行状态，同时使除磷所需的化学药剂量大大减少。?
　　⑥使用生物除磷器获得富含磷的污泥，使磷的循环利用成为可能。?
　　⑦与Pasveer氧化沟的污泥负荷相同。?

2　功能分析

2.1 与氧化沟工艺的比较
　　 Pasveer氧化沟设有二沉池，该系统的SVI值通常为100mL/g，污泥浓度为4kg/m³。按照每人口当量需0.25m³的氧化沟体积，Pasveer氧化沟的污泥脱氮负荷为0.01g/(kgMLSS·d)(这也是BCFS工艺的计算基础)；若处理工艺中有初沉池，则污泥负荷取0.015 kg/(kgMLSS·d)。?
　　在荷兰设有二沉池的普通氧化沟，其SVI值冬季时约为150mL/g，最大污泥浓度为4kg/m³，而BCFS工艺的SVI值为120mL/g(VI值降低意味着污泥浓度上升，即为5kg/m³)，从而使BCFS工艺的总容积比普通氧化沟减少了20%。?
　　普通氧化沟通过外加化学药品除磷，这使得污泥中至少10%是化学药品，可见与普通氧化沟相比，BCFS反应器的总容积仅为氧化沟容积的70%左右。?
　　此外，BCFS工艺中磷的去除与曝气池分离，使生物污泥免受化学药剂污染，有利于富磷污泥 的利用。BCFS工艺要求的二沉池深度较小，为高浓度污泥预留了足够空间。?
2.2　各组成单元功能分析
　　 ①厌氧池?
　　厌氧池的厌氧条件通过进水及从缺氧池回流的缺氧混合液(其中NO₃-N＜0.1mg/L，即控制进入厌氧池的硝酸盐氮浓度足够低)来维持，这样污水中的挥发性脂肪酸(VFA)就只被用于生物除磷。?
　　回流的混合液污泥浓度与好氧部分相同，因此厌氧池的污泥浓度是最终浓度的1/2～3/4，即为2.5～4kg/m³。
　　BCFS工艺的厌氧部分和传统的选择器具有相同的污泥负荷，区别在于前者是严格厌氧的，且污水中所有的挥发性脂肪酸都被用于生物除磷。BCFS工艺中除磷菌的数量比常规工艺多，能承受更大的负荷峰值，例如下雨时的负荷峰值是平常的2倍，而BOD负荷只有平常的1/2，BCFS工艺中的除磷细菌能够将峰值BOD贮存，当BOD不足时即时释放。在实际工程中发现，不管是否下雨，采用BCFS工艺的出水中总磷含量几乎是相同的，这是由于该工艺将除磷菌对峰值BOD的贮存、对后续处理工艺的有效控制以及设置STP(除磷器)三种方法相结合，实现了对磷的超量去除：?
　　a.在厌氧池中磷的分离和初沉池中无机污泥的沉淀；?
　　b.从二沉池污泥中释放出来的磷形成磷酸盐化合物；?
　　c.通过投加FeCl₃，在消化池中对磷酸的再次去除。?
　　这种结合使得在最小化学药剂用量的情况下，出水中正磷酸盐含量为零。污泥中磷酸盐的去除发生在污泥流程中，这表明污泥流程中的生物污泥可免受化学药剂的污染，从而使BCFS系统中微生物的活性不受化学污泥的影响。?
　　为了提高脱氮效果，BCFS工艺的设计泥龄很长(一般为50d)，这给除磷带来麻烦。BCFS用化学法来去除未被生物除去的磷酸盐，这是由于在厌氧池出水端磷酸盐含量最高，故在厌氧池后端设置了一个除磷器进行化学除磷。与一般的在线除磷不同，该除磷器是用泵将污泥送至污泥 浓缩池后加入FeCl₃进行化学除磷，处理后的污泥不再回流到污水处理构筑物，因此消除了加入化学除磷剂后对污泥活性的影响。因为厌氧池的厌氧条件在某些情况(如长时间的降雨等)下有可能受到破坏，影响释磷菌的释磷和PHB的合成而造成出水水质恶化，这时可通过提高除磷器的流量以提高出水水质。这一过程可通过设在出水口的在线磷酸盐监测仪实现控制，十分简单并且能稳定运行。?
　　除磷器设置在厌氧池的后端，为了得到比较稳定的水力条件，该工艺将厌氧池分割并设置了两块挡板，在两块挡板间形成一个类似沉淀池的水力流场，有利于泥水分离。?
　　②选择池(器)?
　　选择器对于阻止污泥膨胀是必要的。在选择器中氧浓度为零，二沉池回流污泥中的微量硝酸盐能很快地被去除。在这种环境下，丝状菌生长非常缓慢，回流污泥能够吸附污水中几乎 所有剩余的COD(仅需10min，因而选择器可相对小些)，通过选择器后水中COD的浓度与系统出水COD的浓度几乎相等。反硝化除磷菌在选择池中也同样发挥作用，这一过程是缺氧池反应过程的延续。?
　　③缺氧池?
　　缺氧池有两个功能：首先是反硝化以获得不含硝酸盐的污泥进而提高厌氧池的释磷效率，其次是利用好氧池中的硝酸盐来除磷。
　　缺氧反硝化除磷是在Holten污水处理厂的工业试验中发现的，进一步的理论研究表明，在STP生物污泥中含有1/2以上的除磷菌，而在这些除磷菌中有1/2以上是反硝化除磷菌，即利用反硝化菌来达到真正的生物除磷的目的，同时也减少了对碳源的更高要求。?
　　④缺氧/好氧池?
　　缺氧/好氧池的主要功能是脱氮，正常情况下该池可不充氧，缺氧条件可通过好氧池回流的混合液来维持。与通常的氧化沟相比，该池处于持续的缺氧状态，这意味着硝化与反硝化一直同时发生，而且不受供氧量的制约。BCFS工艺将缺氧/好氧池、好氧池分开可使每个部分的去除速率达到最大，其主要优点是：?
　　a.在不影响反硝化与除磷的情况下可使污泥的无机化速率达到最大；?
　　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产量最小；?
　　d.适当充氧可使负荷稳定在最低值；?
　　e.通过氧化还原电位和溶解氧实现自动控制。?
　　⑤好氧池?
　　同常规的处理工艺，其主要功能是去除COD、BOD及氨氮的硝化。?

3　应用前景

　　BCFS工艺在荷兰的应用已有10例，目前正在规划处理规模相当于10×10⁴m³/d的Rotterdam污水处理厂。?
　　表2为3座采用BCFS工艺的城市污水厂的设计及运行情况。

表2　3座采用BCFS工艺污水厂的设计和运行参数 项目 Holton Genemuiden Dalfsen 设计参数 BOD负荷［gBOD/(人口当量·d)］ 54 40 35 厌氧池容积(m³) 350 850 900 选择池容积(m³) 90 400 缺氧池容积(m³) 700 2200 缺氧/好氧池容积(m³) 790 3750 好氧池容积(m³) 1580 3750 4500 总容积(m³) 3500 8350 8000 回流量(m³/d) 4400 5200 4200 运行参数 污泥负荷［gCOD/(kgSS· d)］ 134 125 72 污泥产量［gSS/(人口当量·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指和磷协同作用的阳离子与磷的化学计量数。

　　Holton污水处理厂原由两组平行的曝气间歇活性污泥池组成，经过改造后增加了新的BCFS反应池，并将原有曝气池分为厌氧和兼氧两部分，同时加大了厌氧反应池体积(约占总体积的10%)。Mark教授等(1997)在对其原有运行工艺调研的基础上进行改造，使污水处理厂的氮、磷去除更加稳定，其污泥的SVI值更低且稳定，也不需要投加FeCl₃(即无需外加化学药品)。?
　　在我国对环保要求越来越严、标准越来越高的情况下，特别是在控磷地区如太湖流域及滇池采用BCFS工艺将会有很大的应用前景，主要是：?
　　①该工艺处理效果好，出水水质优良(总氮＜5mg/L，正磷酸盐的含量接近零)，从而可有效地减少引起富营养化的营养物(氮、磷)的排放；
　　②由于该工艺无需初沉池，在相同的处理效果下BCFS工艺的投资最小、运行费用较低；?
　　③由于采用同轴圆形结构池型，可有效地节省占地；?
　　④可实现自动控制，并且简单易行、投资较低，克服了以前引进国外技术的同时还需花费大量外汇购买其大量自控设备的弊端；
　　⑤工艺布置简洁、美观。?
　　此外，从荷兰已工业化生产的污水厂看，BCFS工艺对于现有氧化沟工艺的改造有很好的适应性。?
受某市污水处理厂的委托，笔者与荷兰专家根据我国城市污水的特点及现行的排放标准进行了设计计算，结果如表3所示。可见，采用BCFS工艺反应器的体积比现有A²/O工艺的大，但比氧化沟工艺的小。?

表3　某城市污水厂的设计参数 项目 数值 设计规模(10⁴m³/d) 30 设计水质 COD(mg/L) 350/100 BOD(mg/L) 200/20 氨氮(mg/L) 45/20 TP(mg/L) 5/0.5 总容积(m³) 18000 BCFS池 厌氧池(m³) 2160 选择池(m³) 1440 缺氧池(m³) 缺氧/好氧池(m³) 好氧池(m³) 注：
①设计水质栏的“/”表示“进水/出水”；②氨 氮一栏中出水的20mg/L为总氮浓度，采用的《江苏省太湖流域总磷、总氮排放标准》(DB32/191—1998)中的一级标准；③出水PO₄^3--P浓度＜0.1mg/L；④BCFS池 采用同轴圆形结构。

参考文献：

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　　［2］van Loosdrecht M C M,Kuba T,van Veldhuizen H M,et al.Environme ntal impacts of nutrient removal rocesses:case study［J］.J of Environ Eng,1997 ,38(1):33-40.
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　　［4］Xiaodi Hao,van Loosdrecht M C M,Sebastiaan C F Meijer,et al.Mo del—based evaluation of enitrifying removal in a two—sludge system［J］.J of Environ Eng,2001,42(2):112-118.
　　［5］郭劲松，黄天寅，龙腾锐.生物脱氮除磷工艺中的微生物及其相互关系［J］.环境污染治理技术与设备，2000，1(1)：8-15.
　　［6］沈耀良.废水生物脱氮除磷工艺设计和运行中需考虑的几个问题［J］.环境科学与技术，1996，(2)：36-40.

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　　收稿日期：2001-11-04