生物/化學(BC)法處理城市污水研究
高負荷活性污泥法的污泥負荷和容積負荷比常規活性污泥法高得多，泥齡很短，曝氣時間也短。在高負荷活性污泥法中，由于微生物處于對數增長期，增殖速度較慢的絲狀菌難以在系統內存留，從而有效控制了污泥膨脹。高負荷活性污泥法能夠顯著節省投資和運行費，但迄今未得到廣泛應用，其原因主要在于高負荷運行條件下活性污泥的生物絮凝作用不足，出水含有較多的游離菌體和其他懸浮物，使得BOD5和其他指標皆去除不充分，難以達到二級處理的排放要求。
在生物處理技術發展的同時，污水化學處理技術也在不斷發展，其主要特點是投資省、運行穩定、操作靈活、除磷效果好，但不能去除溶解性有機污染物，出水水質也難以達到二級處理的排放要求，運行費用往往偏高。
當代污水處理技術的最重要發展趨勢就是生物處理與化學處理的結合，二者相互補充，顯然是最合理的工藝流程。BC法正是這種生物處理(高負荷活性污泥)與化學處理(絮凝和除磷)相結合的城市污水處理技術。
“八五”期間在蛇口污水廠進行了大規模生產性試驗，主要包括高負荷試驗和同步削減試驗。高負荷試驗的目的是考查BC法在高負荷條件下的性能，同步削減試驗則是為了考查蛇口污水廠利用BC法擴容改造的可能性。在高負荷試驗中，曝氣池關小到原來的1/4，污水廠其余設施不變；在同步削減試驗中則將初沉池、曝氣池和二沉池皆關小到原來的一半，其余不變。試驗期間污水廠照常運行，只是在曝氣池前或曝氣池后增添了投加三氯化鐵的設施。
蛇口污水廠設計流量為2×104 m3/d，采用普通活性污泥法工藝，鼓風微孔曝氣，生產性試驗流程略。
1 機理分析
城市污水中所含污染物是由不同粒徑大小的非溶解性組分和溶解性組分構成的。不同粒徑的污染物組分具有不同的性質，適用不同的去除機理。因此，污水的可處理性能強烈依賴于污染物顆粒的粒徑分布特性，處理過程的各種機理(如沉淀、傳輸、吸附、擴散和生化等)，皆受到污染物粒徑的直接影響。
如果依次用沉淀、離心和過濾的方法，可將污水中的污染物分離為可沉組分、膠體組分、超膠體組分和溶解組分，這些組分的粒徑、在總污染物中所占比例、成分和耗氧速率見表1。
表1 城市污水中有機污染物的粒徑與組分
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由表1可見，溶解組分、膠體組分與超膠體組分、可沉組分相比，耗氧速率明顯高得多，說明易于生化降解，特別是溶解組分的耗氧速率最高，大約是超膠體組分和可沉組分的4～5倍。
各種污水處理單元技術的有效性受到污染物粒徑分布的強烈影響，同時，處理技術又會改變粒徑分布。沉淀能有效去除＞50 μm的污染物，過濾能有效去除粒徑＞30 μm的污染物，化學絮凝適用于0.1～10 μm污染物的凝聚，活性污泥適用于處理＜10 μm的污染物。
由于大分子和較大有機顆粒被分解酶降解的過程主要是在細菌表面進行，所以該過程與粒徑直接相關。在好氧生物處理中，＞0.1 μm的顆粒基本未被降解；在厭氧生物處理中，＜1 μm的顆粒可被降解，＞100 μm的顆粒基本未被降解。
許多研究者認為，城市污水中60%以上的污染物是非溶解性的，只有30%左右的污染物是溶解性的。正如Culp指出，生物處理方法能在1 h或更短的時間內去除污水中的全部溶解性BOD。Ericsson指出，非溶解性有機污染物在好氧生物處理過程中幾乎未發生變化，在厭氧生物處理過程中也只有膠體部分被處理，其他部分仍未發生變化。
值得注意的是，溶解性有機污染物被微生物吸收(生物合成)的速度較快，而這些物質在微生物體內的氧化分解則相當慢。對于污水處理而言，其目的是取得凈化的出水，因此，只需要生物合成，并不需要徹底氧化分解。另一方面，保持微生物良好的生物絮凝能力則需要較長的曝氣時間，但聚集非溶解性污染物可以利用化學絮凝，并不一定單獨依靠生物絮凝。正如Culp指出，產生可沉淀絮體所需的生物絮凝作用不能在短時間內完成，然而化學絮凝能使固體迅速轉化為可沉淀狀態。
傳統生物處理重在氧化分解，BC法重在分離。Culp曾對生物化學聯合處理流程進行分析，認為該流程能夠顯著提高去除有機物和磷的能力；化學絮凝劑不僅不會損害活性污泥的處理功效，而且提高了沉降性能，使運行更加穩定，污泥更易脫水；藥劑費用可以被縮短曝氣時間節約的費用補償；產泥量與傳統活性污泥法相差不大。
2 生產性試驗
2.1 高負荷試驗
2.1.1 運行參數
高負荷試驗的運行參數見表2。
表2高負荷試驗的運行參數
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由表2可見，曝氣時間的平均值為1.6 h，比普通曝氣法的4～12 h短得多，僅為其40%～13%，也僅為該廠設計曝氣時間的約1/3。氣水比也比普通曝氣法的9～12小得多。投藥量比一般化學處理所需的40～200 mgFe/L小得多，僅為其12%～2%。試驗中曾在曝氣池前或后投藥，發現效果無明顯變化。回流比平均53%，處于普通曝氣法回流比的25%～50%的上限。泥齡平均1.5 d，比普通曝氣法的5～15 d短得多。
SVI與普通曝氣法在100 mL/g左右是接近的，說明污泥沉降性能良好。MLSS平均2.1 g/L，在普通曝氣法MLSS的1.5～3 g/L范圍內。MLVSS平均1.3 g/L，占MLSS的62%，與普通曝氣法接近而稍低，這是投加了化學絮凝劑的緣故。BOD5容積負荷處于普通曝氣法的0.4～0.9 kgBOD5/(m3·d)的上限。污泥負荷比普通曝氣法的0.2～0.4 kgBOD5/(kgMLVSS·d)高，是該廠設計污泥負荷0.3 kgBOD5/(kgMLVSS·d)的兩倍。
生產性試驗的回流比受到蛇口污水廠設備能力限制，并使得MLSS和MLVSS也受到限制。生產性試驗的BOD5去除容積負荷和污泥負荷受到進水濃度限制，試驗期間適逢雨季，進入曝氣池的初沉出水BOD5較低，使試驗的負荷受到限制。若不考慮濃度低于平均值的少部分數據，則容積負荷為1.0 kgBOD5/(kgMLVSS·d)，高于普通曝氣法；污泥負荷為0.7 kgBOD5/(kgMLVSS·d)，是普通曝氣法的近兩倍。
2.1.2 主要污染物去除效果
高負荷試驗期間的主要污染物去除效果見表3。
表3高負荷試驗的主要污染物去除效果
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由表3可見，BC法高負荷試驗期間的出水COD平均79 mg/L，BOD5平均15 mg/L，SS平均16 mg/L，說明出水水質良好，達到國家排放標準要求。
相對于進水的去除率，COD平均80%，BOD5平均91%，SS平均93%，達到城市污水二級處理要求。相對于初沉出水的去除率，COD平均61%，BOD5平均77%，SS平均84%，在普通曝氣法的范圍內。
試驗期間進水TP在1.6～4.7 mg/L之間，平均3.7 mg/L；出水TP在0.5～1.4 mg/L之間，平均0.9 mg/L，達到國家排放標準；TP去除率為76%，可見BC法具有普通曝氣法所沒有的除磷能力。試驗期間進水氨氮并不超標，出水氨氮更少，可見BC法與普通曝氣法一樣也具有去除氨氮的能力。
2.1.3 污泥產量
BC法高負荷試驗期間，根據實測數據(并考慮到試驗前后的MLSS變化)，平均排放剩余污泥800 kg/d，去除BOD5為831 kg/d。由此可以算出污泥產量為0.96 kgMLSS/kgBOD5，是普通曝氣法污泥產量0.4～0.6 kgMLSS/kgBOD5的2.4～1.6倍。似乎BC法污泥產量比普通曝氣法多得多，其實并非如此，增加的僅僅是剩余污泥，而量大得多的初沉污泥并未增加。
根據前述數據，BC法剩余污泥比普通曝氣法多465～299 kg/d。但是，當時排放初沉污泥1 963 kg/d，加上剩余污泥800 kg/d，總共2 763 kg/d，所以增加的剩余污泥僅占總污泥量的17%～11%，增加量并不明顯。BC法生產性試驗結束一年多以后，污水廠每天的排泥量一直與試驗期間相似，并未顯著減少，再次證實BC法當時增加的污泥量的確并不明顯。
2.2 同步削減試驗
2.2.1 運行參數同步削減試驗的運行參數見表4。
表4同步削減試驗的運行參數
由表4可見，曝氣時間仍比普通曝氣法短得多，也比該廠設計曝氣時間短。氣水比也仍比普通曝氣法小得多。投藥量基本同高負荷試驗，仍比一般化學處理小得多。回流比基本同高負荷試驗，仍處于普通曝氣法的上限。泥齡比普通曝氣法短得多。SVI平均86 mL/g，優于普通曝氣法，說明污泥沉降性能良好。MLSS平均1.6 mg/L，仍在普通曝氣法的范圍內。MLVSS平均1.0 g/L，占MLSS的63%，基本同高負荷試驗。BOD5容積負荷平均0.4 kgBOD5/(m3·d)，處于普通曝氣法的下限。BOD5污泥負荷平均0.4 kgBOD5/(kgMLVSS·d)，處于普通曝氣法的上限，仍高于該廠設計污泥負荷。同步削減試驗期間負荷受到限制，因為雨季而進水濃度低。
2.2.2 主要污染物去除效果
同步削減試驗期間的主要污染物去除效果見表5。
表5同步削減試驗的主要污染物去除效果
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由表5可見，同步削減試驗期間的出水COD平均80 mg/L，BOD5平均13 mg/L，SS平均17mg/L，基本同高負荷試驗，而且出水水質更好。
相對于進水的平均去除率以及相對于初沉出水的平均去除率，基本同高負荷試驗，仍達到普通曝氣法的處理水平和城市污水二級處理要求。
3 分析和討論
試驗證明，BC法具有曝氣時間短、投藥量少、處理效果好、活性污泥沉降性能好、泥齡短、具有除磷能力等優點，特別適用于我國南方低濃度城市污水。
試驗證明，BC法可以在回流比和污泥濃度皆不高的條件下運行，也可以采用普通沉淀池，并非必須采用高回流比、高污泥濃度和深沉淀池，這就使得BC法可以方便地用于普通活性污泥法污水處理廠的擴容改造。
BC法生產性試驗的持續時間較短，而且試驗期間進水濃度較低，負荷受到限制，有待更長期考察。
3.1 投藥的必要性
試驗中發現，在曝氣時間3.2 h條件下，污泥呈褐色，沉降性能良好，對投藥是否正常不太敏感；當曝氣時間縮短到1.6 h，污泥偏黑色，沉降性能與投藥關系密切，投藥正常則沉降性能良好，一旦投藥停止，則沉降性變差。這就說明，在曝氣時間較長時，活性污泥的生物絮凝作用較強，所以對化學絮凝不太依賴；若曝氣時間很短，活性污泥的生物絮凝作用已不足，故此時化學絮凝劑的投加必不可少。
3.2 鐵循環
三氯化鐵投入曝氣池后，Fe3+離子經過逐步水解，最后形成Fe(OH)3沉淀。由于曝氣池內處于富氧狀態，三價鐵不可能被還原為Fe2+離子。Fe(OH)3與活性污泥一起進入二沉池和污泥回流系統后，由于污泥處于缺氧狀態，Fe(OH)3可能被還原成Fe(OH)2，而Fe(OH)2的溶解度比Fe(OH)3大得多，所以將會有Fe2+離子出現。還原溶出的Fe2+離子可能隨回流污泥再次循環進入曝氣池，在好氧環境中又被氧化為Fe3+離子，這個過程相當于不投藥的化學絮凝，對處理效果有利。系統中的鐵隨剩余污泥排放而減少，BC法投加三氯化鐵補充了處理系統中鐵的減少部分。生產性試驗和以前的小試、中試觀察到的投藥點位置對出水效果影響不大的現象，其原因正是鐵循環。另一方面，還原溶出的Fe2+離子也可能隨二沉池出水排出，與空氣接觸后又被氧化，最終成為Fe(OH)3沉淀，使出水SS增高，對處理效果不利，而且也不利于鐵循環。一般說來，出水中Fe2+離子的出現與投藥量和污泥濃度有關。投藥量過大和污泥濃度過高有利于Fe2+離子生成，一旦未能在曝氣池中將其全部氧化，則出水中就會出現Fe2+離子；在適當的投藥量(5 mgFe/L左右)和污泥濃度(3 g/L左右)條件下未見出水中Fe2+離子出現。因此，過大的投藥量和過高的污泥濃度對BC法并非有利。
4 技術經濟分析
首先對國內活性污泥法城市污水處理廠的基建投資、占地面積、人員編制、運行成本等費用狀況進行調查，在此基礎上按照正規設計程序進行規模為(2、5、10)×104 m3/d的BC法和普通曝氣法污水廠的系列設計，并按照正規工程概算程序進行經費估算，然后對二者的費用狀況進行比較。
分析結果顯示，在現行價格體系條件下，BC法具有比普通曝氣法更優越的技術經濟性能。對于(2、5、10)×104 m3/d規模的城市污水處理廠，在處理效果相同(其實BC法由于除磷而更優)的條件下，BC法比普通曝氣法節約工程總投資16%、11%、11%，節約總成本15%、14%、10%，節約占地面積12%、17%、17%。地價越高，電價越高，藥價越低，規模越大，與普通曝氣法相比，BC法越經濟。
5 結論
BC法最顯著的特點是在流程中投加化學絮凝劑，其余則與普通活性污泥法類似。
① 試驗證明，BC法具有曝氣時間短、投藥量少、處理效果好、活性污泥沉降性能好、泥齡短、可除磷等優點，特別適用于我國南方低濃度城市污水。
② 試驗證明，BC法可以在回流比和污泥濃度皆不高的條件下運行，也可以采用普通沉淀池，這就使得BC法可以方便地用于普通活性污泥法污水處理廠的擴容改造。
③ 技術經濟分析結果顯示，在現行價格體系條件下，BC法具有比普通曝氣法更優越的技術經濟性能，而且地價越高，電價越高，藥價越低，規模越大，BC法就越經濟。
④ 系統中鐵循環可減少三氯化鐵投加量，過大的投藥量和過高的污泥濃度并非有利。BC法生產性試驗的持續時間較短，而且試驗期間進水濃度較低，負荷受到限制，有待進行更長期考察。
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