James Barnard博士是2007年美國Clarke水獎和2011年新加坡李光耀水獎的獲得者。自從20世紀70年代就開始從事污水處理的研究，Barnard博士一直參與全球各地再生水廠的設計顧問工作，在探索BNR的道路上始終沒有停止前進的步伐。其研發(fā)的營養(yǎng)物去除工藝在世界很多污水廠得到了應用，被譽為生物法脫氮除磷之父。
“隨著人們對污水處理生化原理理解的加深，我們完全可以設計出可靠的系統(tǒng)實現(xiàn)高標準出水：通過生物脫氮使出水TN達到小于3mg/L的標準，生物除磷可以達到出水正磷酸鹽小于0.1mg/L，與化學除磷結合則可以低至0.01mg/L?！?-- James Barnard
盡管已經(jīng)年過八旬，Barnard博士目前依然精力充沛地工作著，他的身影經(jīng)常能在各大水處理國際大會上看到。2017年6月，總部位于美國丹佛的水研究基金會(Water Research Foundation)(隨后在2017年10月宣布與美國水環(huán)境研究基金WERF合并)主辦了一個區(qū)域研討會，總結了污水處理生物營養(yǎng)物去除(BNR)領域的最新進展。整個研討會由著名的咨詢公司Black & Veatch公司全球技術實踐領袖James Barnard博士主講。本期微信我們將和大家分享Barnard博士原汁原味的報告視頻。
生物脫氮除磷之父
在上世紀70年代，Barnard博士構想用天然的微生物方法實現(xiàn)污水的脫氮除磷，以解決當時南非和干旱的納米比亞的水質問題，并因此開創(chuàng)了著名的BNR工藝技術。Barnard博士最初只是想當個結構工程師，但由于參與了約翰內斯堡附近的一個污水廠項目，這位生于南非的年輕人決定全身心地投入到污水處理事業(yè)中。
在20世紀中期BNR面世之前，污水處理廠已經(jīng)能成功運用生物方法去除有機污染物、氨氮、懸浮固體和病原體。但氮磷等營養(yǎng)物仍然只能使用化學品去除，但這會導致富營養(yǎng)化等問題，對水體生態(tài)造成不利影響。在美國德州大學奧斯丁分校和田納西州的Vanderbilt University修得環(huán)境工程和水資源的碩士和博士學位后，Barnard博士回到他的家鄉(xiāng)南非。因為水華爆發(fā)，供水短缺和水質不佳已經(jīng)是當?shù)貒乐氐膯栴}。傳統(tǒng)的化學處理方法成本高昂且產(chǎn)生大量仍需后續(xù)處理的污泥。作為比勒陀利亞國家水研究所的首席高級研究員，Barnard博士開始考慮如何利用微生物的生物學方法脫氮除磷。
到1972年，他已經(jīng)開發(fā)出了一種四段式脫氮工藝，去除率高達92%，而且不用添加化學品。然后在接下來的短短三個月內，他又說服約翰內斯堡政府將他的新脫氮工藝應用于新建的Goudkoppies污水廠的設計中。 兩年后的1974年，Barnard博士又開發(fā)了最早的強化生物除磷工藝(EBPR)。
通過不斷的研究和驗證，包括小規(guī)模實驗和大規(guī)模的全尺寸項目，Barnard博士最終發(fā)明了能同步脫氮除磷的工藝，也就是為人所熟知的BNR工藝。 在過去的40年里，他將BNR技術不斷調整改良，以適應世界各地不同的氣候、環(huán)境限制和基建條件。這使得BNR工藝得到全球性推廣普及，案例遍布美國、歐洲、加拿大、澳大利亞、新西蘭、中國、巴西等世界各地的數(shù)千座污水處理廠。BNR被廣泛認為是近代污水處理最重要的創(chuàng)新之一。
其實早在2006年美國國際水處理技術展覽會(WEFTEC)上，Barnard博士就發(fā)表過一篇題為《Biological nutrient removal: Where we have been, where we are going ?》的綜述論文。在之后的十幾年里，污水處理行業(yè)取得了日新月異的發(fā)展，包括了厭氧顆粒污泥技術在全球的普及，以及包括厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥等新工藝的面世。Barnard博士這次在丹佛研討會上的BNR綜述報告也將這些“新事物”納入在內，他的演講不僅是一次對BNR知識精華的提煉總結，也涵蓋了厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥以及新興污染物的生物處理等新技術。
活性污泥
Barnard博士綜述了活性污泥和BNR的理論基礎，包括了HRT、SRT、硝化和反硝化等概念。
生物除磷
Barnard博士描述了化學除磷的缺點，繼而引出生物除磷的概念，并介紹生物除磷策略的歷史演變。他還提到因為Tetrasphaera屬菌也攝取磷，因此在更深的厭氧條件下除磷效果可以得到強化。污水收集系統(tǒng)里的發(fā)酵程度各不相同，視乎具體地區(qū)的氣候。許多污水處理廠已經(jīng)嘗試了廠內就地發(fā)酵的策略。
MBR膜生物反應器
MBR膜生物反應器在BNR領域的應用是污水處理界近些年的重要創(chuàng)新。MBR將膜技術整合到活性污泥工藝中，可以實現(xiàn)更優(yōu)質的出水。
磷回收
磷是有限的資源，對其進行回收非常重要。Barnard博士舉例提到了加拿大Ostara公司通過WASSTRIP以及鳥糞石沉淀技術(? 點擊鏈接查看相關往期推送)等方法可以實現(xiàn)完整的磷回收。
顆?；钚晕勰?/strong>
正常的活性污泥工藝操作會形成“蓬松”的絮狀物。顆?；钚晕勰喙に噭t形成顆粒狀絮凝物，其沉降性能更好，并可以增強除磷效率。
厭氧氨氧化
Anammox菌可將氨氮和亞硝酸氮結合轉化為氮氣。這個工藝過程節(jié)省了能源，而且占地面積更小。
新興污染物的生物處理
污水中常見的許多致癌物、個人護理品和藥物等可以通過生物方法得到處理。SRT是這些化合物降解的關鍵操作參數(shù)。
BNR的未來
Barnard博士在接受WERF美國水環(huán)境研究基金的時采訪曾經(jīng)說過，隨著人們對污水處理生化原理理解的加深，我們完全可以設計出可靠的系統(tǒng)實現(xiàn)高標準出水：通過生物脫氮使出水TN達到小于3mg/L的標準，生物除磷可以達到出水正磷酸鹽小于0.1mg/L，與化學除磷結合則可以低至0.01mg/L。
在固有的占地更小、效率更高的優(yōu)點基礎上，Barnard博士認為膜輔助的BNR污水廠還將從大量膜性能優(yōu)化研究中獲益。因為膜的固液分離性能優(yōu)異。
Barnard博士將磷比作“生命的電池”。世界磷儲量的有限性使得磷肥價格一漲再漲，對此他表示了擔憂。他認為BNR工藝有助于扭轉磷供應衰減危機，因為磷回收是BNR工藝的副產(chǎn)品，在生物工藝中吸收的磷和鎂可以通過鳥糞石的形式轉化成優(yōu)質肥料。
最讓他興奮的是，隨著我們對微生物世界認識的加深以及新微生物的發(fā)現(xiàn)(例如anammox菌)，我們能夠更好地利用自然來改善我們居住的環(huán)境。
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正常的活性污泥工藝操作會形成“蓬松”的絮狀物。顆粒活性污泥工藝則形成顆粒狀絮凝物，其沉降性能更好，并可以增強除磷效率。
厭氧氨氧化
Anammox菌可將氨氮和亞硝酸氮結合轉化為氮氣。這個工藝過程節(jié)省了能源，而且占地面積更小。
新興污染物的生物處理污水中常見的許多致癌物、個人護理品和藥物等可以通過生物方法得到處理。SRT是這些化合物降解的關鍵操作參數(shù)。
BNR的未來
Barnard博士在接受WERF美國水環(huán)境研究基金的時采訪曾經(jīng)說過，隨著人們對污水處理生化原理理解的加深，我們完全可以設計出可靠的系統(tǒng)實現(xiàn)高標準出水：通過生物脫氮使出水TN達到小于3mg/L的標準，生物除磷可以達到出水正磷酸鹽小于0.1mg/L，與化學除磷結合則可以低至0.01mg/L。
在固有的占地更小、效率更高的優(yōu)點基礎上，Barnard博士認為膜輔助的BNR污水廠還將從大量膜性能優(yōu)化研究中獲益。因為膜的固液分離性能優(yōu)異。
Barnard博士將磷比作“生命的電池”。世界磷儲量的有限性使得磷肥價格一漲再漲，對此他表示了擔憂。他認為BNR工藝有助于扭轉磷供應衰減危機，因為磷回收是BNR工藝的副產(chǎn)品，在生物工藝中吸收的磷和鎂可以通過鳥糞石的形式轉化成優(yōu)質肥料。
最讓他興奮的是，隨著我們對微生物世界認識的加深以及新微生物的發(fā)現(xiàn)(例如anammox菌)，我們能夠更好地利用自然來改善我們居住的環(huán)境。
來源:IWA國際水協(xié)會
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