摘要： BCFS工藝是在帕斯韋爾氧化溝(Pasveersloot)與UCT工藝及原理的基礎上開發的生物除磷脫氮新工藝，它由5個功能相對專一的反應器組成，通過控制反應器之間的3個循環來優化各反應器內細菌的生存環境，具有污泥產率低、除磷脫氮效率高(均大于90%)等特點，其出水總氮＜5mg/L，正磷酸鹽含量幾乎為零。
關鍵詞： BCFS工藝 除磷 脫氮 循環系統
1 BCFS工藝
BCFS(Biologisch—Chemische—Fosfaat—Stikstof Verwijdering)工藝是由荷蘭DELFT科技大學的Mark教授在Pasveersloot和UCT工藝及原理的基礎上開發的，它充分利用DPB(反硝化除磷菌)的缺氧反硝化除磷作用以實現磷的完全去除和氮的最佳去除，對于城市污水在處理過程中無需添加化學藥劑。
最近，荷蘭BDG咨詢公司在此基礎上開發了BCFS的新型反應器。該反應器由5個同軸圓環組成，依次構成功能相對專一的5個獨立反應器。這些同軸圓環使水流具有活塞流與完全混合流的優點，采用預制混凝土建造這種一體化構筑物減少了工程投資，同時使污水廠的布置簡潔，節約了工程投資及建設用地。
1.1 工藝流程
BCFS工藝將每一種屬不同功能的細菌用空間分隔開來，并通過不同的循環系統來控制其生長環境。BCFS工藝流程如圖1所示。
由圖1可見，BCFS工藝由5個功能相對專一的獨立反應器(厭氧池、選擇池、缺氧池、缺氧/好氧池、好氧池)及3路循環系統構成，各循環的作用如表1所示。
表1 BCFS中各循環的主要作用
循環代碼
主要作用
控制點
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
BCFS工藝的主要特點可歸納如下：
①對氮、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。
③控制簡單，通過氧化還原電位與溶解氧可有效地實現過程穩定，尤其利于對負荷的控制。 ④與常規污水廠相比，其污泥產量減少了10%，從而進一步減少了污泥的處理費用。
⑤利用DPB實現生物除磷(測定結果表明，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)值相對低的情況下仍能保持良好的運行狀態，同時使除磷所需的化學藥劑量大大減少。
⑥使用生物除磷器獲得富含磷的污泥，使磷的循環利用成為可能。
⑦與Pasveer氧化溝的污泥負荷相同。
2 功能分析
2.1 與氧化溝工藝的比較
Pasveer氧化溝設有二沉池，該系統的SVI值通常為100mL/g，污泥濃度為4kg/m3。按照每人口當量需0.25m3的氧化溝體積，Pasveer氧化溝的污泥脫氮負荷為0.01g/(kgMLSS·d)(這也是BCFS工藝的計算基礎)；若處理工藝中有初沉池，則污泥負荷取0.015 kg/(kgMLSS·d)。
在荷蘭設有二沉池的普通氧化溝，其SVI值冬季時約為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工藝的總容積比普通氧化溝減少了20%。
普通氧化溝通過外加化學藥品除磷，這使得污泥中至少10%是化學藥品，可見與普通氧化溝相比，BCFS反應器的總容積僅為氧化溝容積的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進水及從缺氧池回流的缺氧混合液(其中NO3-N＜0.1mg/L，即控制進入厭氧池的硝酸鹽氮濃度足夠低)來維持，這樣污水中的揮發性脂肪酸(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的選擇器具有相同的污泥負荷，區別在于前者是嚴格厭氧的，且污水中所有的揮發性脂肪酸都被用于生物除磷。BCFS工藝中除磷菌的數量比常規工藝多，能承受更大的負荷峰值，例如下雨時的負荷峰值是平常的2倍，而BOD負荷只有平常的1/2，BCFS工藝中的除磷細菌能夠將峰值BOD貯存，當BOD不足時即時釋放。在實際工程中發現，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峰值BOD的貯存、對后續處理工藝的有效控制以及設置STP(除磷器)三種方法相結合，實現了對磷的超量去除：
a.在厭氧池中磷的分離和初沉池中無機污泥的沉淀；
b.從二沉池污泥中釋放出來的磷形成磷酸鹽化合物；
c.通過投加FeCl3，在消化池中對磷酸的再次去除。
這種結合使得在最小化學藥劑用量的情況下，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藥劑的污染，從而使BCFS系統中微生物的活性不受化學污泥的影響。
為了提高脫氮效果，BCFS工藝的設計泥齡很長(一般為50d)，這給除磷帶來麻煩。BCFS用化學法來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，故在厭氧池后端設置了一個除磷器進行化學除磷。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進行化學除磷，處理后的污泥不再回流到污水處理構筑物，因此消除了加入化學除磷劑后對污泥活性的影響。因為厭氧池的厭氧條件在某些情況(如長時間的降雨等)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惡化，這時可通過提高除磷器的流量以提高出水水質。這一過程可通過設在出水口的在線磷酸鹽監測儀實現控制，十分簡單并且能穩定運行。
除磷器設置在厭氧池的后端，為了得到比較穩定的水力條件，該工藝將厭氧池分割并設置了兩塊擋板，在兩塊擋板間形成一個類似沉淀池的水力流場，有利于泥水分離。②選擇池(器)
選擇器對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。在這種環境下，絲狀菌生長非常緩慢，回流污泥能夠吸附污水中幾乎所有剩余的COD(僅需10min，因而選擇器可相對小些)，通過選擇器后水中COD的濃度與系統出水COD的濃度幾乎相等。反硝化除磷菌在選擇池中也同樣發揮作用，這一過程是缺氧池反應過程的延續。
③缺氧池
缺氧池有兩個功能：首先是反硝化以獲得不含硝酸鹽的污泥進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除磷。
缺氧反硝化除磷是在Holten污水處理廠的工業試驗中發現的，進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，即利用反硝化菌來達到真正的生物除磷的目的，同時也減少了對碳源的更高要求。
④缺氧/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，缺氧條件可通過好氧池回流的混合液來維持。與通常的氧化溝相比，該池處于持續的缺氧狀態，這意味著硝化與反硝化一直同時發生，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部分的去除速率達到最大，其主要優點是：
a.在不影響反硝化與除磷的情況下可使污泥的無機化速率達到最大；
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量最小；
d.適當充氧可使負荷穩定在最低值；
e.通過氧化還原電位和溶解氧實現自動控制。
⑤好氧池：同常規的處理工藝，其主要功能是去除COD、BOD及氨氮的硝化。
3 應用前景
BCFS工藝在荷蘭的應用已有10例，目前正在規劃處理規模相當于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計及運行情況。
表2 3座采用BCFS工藝污水廠的設計和運行參數
項目
Holton
Genemuiden
Dalfsen
設計參數
BOD負荷［gBOD/(人口當量·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
總容積(m3)
3500
8350
8000
回流量(m3/d)
4400
5200
4200
運行參數
污泥負荷［gCOD/(kgSS· d)］
134
125
72
污泥產量［gSS/(人口當量·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
93
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指和磷協同作用的陽離子與磷的化學計量數。
Holton污水處理廠原由兩組平行的曝氣間歇活性污泥池組成，經過改造后增加了新的BCFS反應池，并將原有曝氣池分為厭氧和兼氧兩部分，同時加大了厭氧反應池體積(約占總體積的10%)。Mark教授等(1997)在對其原有運行工藝調研的基礎上進行改造，使污水處理廠的氮、磷去除更加穩定，其污泥的SVI值更低且穩定，也不需要投加FeCl3(即無需外加化學藥品)。
在我國對環保要求越來越嚴、標準越來越高的情況下，特別是在控磷地區如太湖流域及滇池采用BCFS工藝將會有很大的應用前景，主要是：
①該工藝處理效果好，出水水質優良(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養化的營養物(氮、磷)的排放；
②由于該工藝無需初沉池，在相同的處理效果下BCFS工藝的投資最小、運行費用較低； ③由于采用同軸圓形結構池型，可有效地節省占地；
④可實現自動控制，并且簡單易行、投資較低，克服了以前引進國外技術的同時還需花費大量外匯購買其大量自控設備的弊端；
⑤工藝布置簡潔、美觀。
此外，從荷蘭已工業化生產的污水廠看，BCFS工藝對于現有氧化溝工藝的改造有很好的適應性。
受某市污水處理廠的委托，筆者與荷蘭專家根據我國城市污水的特點及現行的排放標準進行了設計計算，結果如表3所示。
由此可見，采用BCFS工藝反應器的體積比現有A2/O工藝的大，但比氧化溝工藝的小一些。
表3 某城市污水廠的設計參數
項目
數值
設計規模(104m3/d)
30
設計水質
COD(mg/L)
350/100
BOD(mg/L)
200/20
氨氮(mg/L)
45/20
TP(mg/L)
5/0.5
BCFS池
總容積(m3)
18000
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設計水質欄的“/”表示“進水/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、總氮排放標準》(DB32/191—1998)中的一級標準；③出水PO43－－P濃度＜0.1mg/L；④BCFS池 采用同軸圓形結構。
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