BBR 工藝原理及特點(diǎn)簡析

陳茂榮

（福州城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州 350001）

1 現(xiàn)代污水處理技術(shù)概況

現(xiàn)代污水處理技術(shù)，根據(jù)作用機(jī)理可分為物理處理、化學(xué)處理及生物處理3 類。經(jīng)過近幾十年的實(shí)踐，生物處理法在城市污水處理技術(shù)中取得顯著效果，但傳統(tǒng)生物脫氮除磷技術(shù)受條件限制，其處理效果存在一定局限性，故在眾多學(xué)者的探索中，高效、低耗、高質(zhì)量的新型處理工藝不斷涌出。近年來，一種以芽孢桿菌為優(yōu)勢菌的生物反應(yīng)器污水處理工藝（簡稱BBR工藝），因具有高效脫氮除磷效果，已在多個(gè)市政污水處理廠成功應(yīng)用[1-3]。

2 BBR 工藝簡介

BBR 工藝是以芽孢桿菌為優(yōu)勢菌的生物反應(yīng)器污水處理工藝，是由活性污泥法及生物轉(zhuǎn)盤工藝演變而成的一種污水處理工藝。該工藝結(jié)合了附著型生物處理（生物膜）和懸浮型生物（活性污泥）處理技術(shù)，引入優(yōu)勢培養(yǎng)的芽孢桿菌菌屬，配套投加營養(yǎng)液為芽孢桿菌的繁殖和優(yōu)勢化培養(yǎng)提供了微量元素，保證BBR工藝系統(tǒng)內(nèi)芽孢桿菌接種后無需反復(fù)投加補(bǔ)充，有效地解決了脫氮、除磷以及消除惡臭等諸多污水處理的難題。BBR 污水處理工藝的核心技術(shù)是BBR 生物處理裝置、芽孢桿菌、營養(yǎng)液；該污水處理系統(tǒng)主要由混合配水池、BBR 立體網(wǎng)狀旋轉(zhuǎn)接觸體裝置、BBR 限氧曝氣池及沉淀池組合而成。其具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 BBR 工藝流程

3 BBR 工藝原理

3.1 脫氮原理

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝中，氮的去除是通過硝化與反硝化兩個(gè)獨(dú)立的過程實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)理論認(rèn)為，進(jìn)行硝化與反硝化的細(xì)菌種類和所需環(huán)境條件都不同，所以很難設(shè)想能在同一反應(yīng)器中同時(shí)實(shí)現(xiàn)硝化與反硝化兩個(gè)過程。BBR 工藝對氮的去除雖基于傳統(tǒng)脫氮原理，但又不同于傳統(tǒng)工藝，其脫氮原理主要有以下幾部分：

3.1.1 BBR 設(shè)備中的同步硝化反硝化

同步硝化反硝化是指在低氧（0.5 mg/L～1.0 mg/L）條件下，一個(gè)反應(yīng)器同時(shí)存在硝化作用和反硝化作用，實(shí)現(xiàn)一步污水脫氮。從物理學(xué)角度認(rèn)為，產(chǎn)生該現(xiàn)象是由于在微生物絮體（生物膜）中形成了溶解氧梯度。在微生物絮體外表面溶解氧較高，微生物菌群以好氧菌、硝化菌為主；深入絮體內(nèi)部，由于氧傳遞受限，以及有機(jī)物氧化、硝化作用的消耗，形成缺氧區(qū)，反硝化菌占優(yōu)勢；正是由于絮體（生物膜）內(nèi)部存在缺氧環(huán)境，促使同步硝化反硝化現(xiàn)象的發(fā)生。

BBR 網(wǎng)狀旋轉(zhuǎn)接觸體轉(zhuǎn)盤40%浸沒在水中，轉(zhuǎn)速2.5 r/min～5 r/min，使生物轉(zhuǎn)盤掛膜交替在空氣中與水中形成了水上、水下的好氧區(qū)與缺氧區(qū)，同時(shí)也形成了生物膜的膜里膜外的好氧區(qū)與缺氧區(qū)環(huán)境，即系統(tǒng)中形成了水上水下及膜里膜外兩級(jí)AO。由于生物掛膜載量大，可在較短的停留時(shí)間下，在BBR 設(shè)備中的兩級(jí)AO 內(nèi)完成同步硝化反硝化，此反應(yīng)類似于厭氧氨氧化。

同步硝化反硝化[見式（1）]：

3.1.2 芽孢桿菌異化作用脫氮（分解代謝）

傳統(tǒng)的反硝化過程，即反硝化菌在缺氧環(huán)境下將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氮?dú)獾倪^程，而BBR 工藝在優(yōu)勢芽孢桿菌作用下，可在生化池中發(fā)生短程硝化反硝化。

此反應(yīng)過程為異養(yǎng)反硝化，短程硝化反硝化和傳統(tǒng)反硝化同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)水溫在12 ℃以上時(shí)以芽孢桿菌和傳統(tǒng)脫氮菌協(xié)同完成脫氮；而水溫低于12 ℃時(shí)則以芽孢桿菌為主，確保脫氮效果。因此BBR 工藝在低溫條件下亦有較好的脫氮效果。

3.1.3 芽孢桿菌同化作用脫氮（合成代謝）

氮源因硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成硝酸鹽化合物時(shí)很多微生物以亞硝酸鹽離子（）為氮源使用，但硝酸鹽無論在微生物中，或是作為厭氧呼吸的最終電子受體，都需經(jīng)還原后方可被使用。

3.2 除磷原理

傳統(tǒng)生物除磷是在厭氧條件下，聚磷菌體內(nèi)ATP進(jìn)行水解，釋放H3PO4和能量形成ADP；在好氧條件下，聚磷菌有氧呼吸，不斷地放出能量，在酶的催化作用下利用能量，通過主動(dòng)運(yùn)輸從外部攝取H3PO4，其中一部分與ADP 結(jié)合形成ATP，另一部分合成聚磷酸鹽（PHB）儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，實(shí)現(xiàn)過量吸磷；但當(dāng)聚磷菌進(jìn)入內(nèi)源呼吸階段會(huì)將已吸收的磷重新釋放，影響除磷效果[4]。

BBR 工藝系統(tǒng)以芽孢桿菌為優(yōu)勢菌種，其類屬革蘭氏陽性菌（大量的芽孢桿菌混合菌Bacillus spp.），細(xì)胞壁較厚而均勻，化學(xué)成分較單一，主要為肽聚糖和磷壁酸。磷壁酸是革蘭氏陽性菌（G+）細(xì)胞壁特殊組分，主要成分為甘油磷酸或核糖醇磷酸，可儲(chǔ)存大量磷元素，用于芽孢桿菌自身合成代謝。而傳統(tǒng)活性污泥中細(xì)菌多為革蘭氏陰性菌，如硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、聚磷菌等，細(xì)胞壁較薄，有多層構(gòu)造，其化學(xué)成分包含肽聚糖、一定含量的脂類、蛋白質(zhì)等成分，不含磷壁酸，合成代謝過程基本不利用磷元素。因此革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌含磷量高出很多，在微生物的合成反應(yīng)中，磷酸鹽以磷壁酸的形式進(jìn)入芽孢桿菌的細(xì)胞壁中，最后通過剩余污泥的排放從系統(tǒng)中脫磷，具有更高效的除磷效果。

BBR 工藝系統(tǒng)內(nèi)芽孢桿菌在二沉池中基本無有機(jī)物和溶解氧的條件下部分休眠，休眠過程中分泌大量EPS 黏性物質(zhì)，改善污泥絮凝性的同時(shí)吸附水體中磷酸鹽，泥水分離過程能夠額外去除一部分磷。

BBR 工藝系統(tǒng)內(nèi)芽孢桿菌為復(fù)合菌種，含有巨大芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌等菌屬，其中巨大芽孢桿菌是有機(jī)磷的分解菌，將水體中有機(jī)磷充分分解為磷酸鹽，使其在好氧條件下被吸收。

綜上，BBR 工藝較傳統(tǒng)工藝除磷效果更好，可減少深度處理中化學(xué)除磷藥劑的投加。

3.3 除臭原理

污水中的臭氣主要成分是由蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等經(jīng)微生物呼吸、發(fā)酵的產(chǎn)物和不完全產(chǎn)物，主要為硫化氫、甲硫醇、甲基硫醚、氨、胺類等。而BBR 工藝所采用的芽孢菌屬在污水中的氮、硫成分被氧化前攝取氨、氨鹽、硫化氫等物質(zhì)，進(jìn)入合成代謝過程；另外，芽孢桿菌分泌大量EPS 黏性物質(zhì)，具有強(qiáng)吸附能力，可將硫醇、胺等惡臭物質(zhì)吸收去除，整個(gè)工藝具有良好的除臭效果。

通過將BBR 系統(tǒng)產(chǎn)生的污泥含有芽孢桿菌，回流至預(yù)處理前端，與原水充分混合，當(dāng)原水中所帶臭氣與芽孢桿菌接觸時(shí)極短時(shí)間內(nèi)被吸收，不繼續(xù)往空氣中釋放臭氣；其次在生化池中，芽孢桿菌與水體及污泥處于完全混合狀態(tài)，生化處理過程中產(chǎn)生的臭氣與芽孢桿菌接觸時(shí)在極短時(shí)間內(nèi)即被吸收，從而達(dá)到除臭的效果，改善污水處理廠環(huán)境。因此BBR 工藝可以從源頭上對污水進(jìn)行高效除臭，無需另外設(shè)置除臭系統(tǒng)。

4 BBR 工藝特點(diǎn)

1）BBR 工藝的核心是使用芽孢桿菌屬作為系統(tǒng)的優(yōu)勢菌屬，芽孢桿菌脫氮除磷能力強(qiáng)；另外，芽孢桿菌生長環(huán)境也不像一般的專屬好氧菌和專屬厭氧菌那么嚴(yán)格，其在6 ℃～43 ℃水溫均具有高效的處理能力，故BBR 工藝整體耐沖擊能力強(qiáng)，且具有高效脫氮除磷效果。

2）BBR 工藝前端的BBR 裝置可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化反應(yīng)，在工藝前端即可去除大量的COD、BOD、氨氮，使進(jìn)入后端生化池的污染物量減少，所需的溶解氧也較低，約0.1 mg/L～1.0 mg/L 即可[4]；且BBR 工藝在脫氮過程中可發(fā)生短程硝化反硝化，縮短反應(yīng)時(shí)間，亦可減少供氧量，節(jié)省反硝化所需碳源。因此BBR 工藝極大地節(jié)省電費(fèi)和碳源投加量，并大大減少剩余污泥的產(chǎn)生量，特別適用于低C/N 的污水處理。

3）BBR 工藝含有的芽孢桿菌可大量分泌具有黏性的胞外聚合物EPS，使得BBR 工藝系統(tǒng)污泥具有更好的絮凝性和吸附性，能夠吸附水體中的細(xì)小懸浮物以及吸附水體中磷酸鹽，污泥沉降性好，可有效降低出水懸浮物及總磷。

4）芽孢桿菌屬除臭性能強(qiáng)，可有效降低H2S、NH3等有毒臭味氣體的揮發(fā)量，從源頭上消除臭味，故可取消傳統(tǒng)污水處理中除臭系統(tǒng)，減少基建費(fèi)用。

5）BBR 裝置作為芽孢桿菌的孵化器，通過投加少量營養(yǎng)液即可大量繁殖芽孢桿菌，使系統(tǒng)內(nèi)芽孢桿菌維持優(yōu)勢化的菌群數(shù)，菌種一次投加，后期運(yùn)營無需補(bǔ)充，運(yùn)營成本低。

5 結(jié)語

BBR 工藝作為一種新型的污水處理工藝，具有高效脫氮除磷效果、抗沖擊能力強(qiáng)、無臭味、剩余污泥少、出水穩(wěn)定等特點(diǎn)。同時(shí)，BBR 工藝曝氣量小，硝化液回流量少，碳源及除磷藥劑投加量少，整體較傳統(tǒng)生化處理工藝更節(jié)能。因此該工藝在污水處理中擁有廣闊的應(yīng)用前景。