生物脱氮除磷之父亲自讲解BNR技术的新进展

【中国环保在线 技术前沿】用天然的微生物方法实现污水的脱氮除磷，这就是BNR技术创新的灵感。目前，BNR技术在实际应用中也获得了可喜进展，未来该技术或有望改变磷回收现状，扭转磷供应衰减危机。
James Barnard博士是2007年美国Clarke水奖和2011年新加坡李光耀水奖的获得者。自从20世纪70年代就开始从事污水处理的研究，Barnard博士一直参与全球各地再生水厂的设计顾问工作，在探索BNR的道路上始终没有停止前进的步伐。其研发的营养物去除工艺在世界很多污水厂得到了应用，被誉为生物法脱氮除磷之父。
“随着人们对污水处理生化原理理解的加深，我们完全可以设计出可靠的系统实现高标准出水：通过生物脱氮使出水TN达到小于3mg/L的标准，生物除磷可以达到出水正磷酸盐小于0.1mg/L，与化学除磷结合则可以低至0.01mg/L。”--- James Barnard
尽管已经年过八旬，Barnard博士目前依然精力充沛地工作着，他的身影经常能在各大水处理国际大会上看到。2017年6月，总部位于美国丹佛的水研究基金会(Water Research Foundation)(随后在2017年10月宣布与美国水环境研究基金WERF合并)主办了一个区域研讨会，总结了污水处理生物营养物去除(BNR)领域的新进展。整个研讨会由的咨询公司Black & Veatch公司全球技术实践James Barnard博士主讲。本期我们将和大家分享Barnard博士原汁原味的报告视频。
生物脱氮除磷之父
在上世纪70年代，Barnard博士构想用天然的微生物方法实现污水的脱氮除磷，以解决当时南非和干旱的纳米比亚的水质问题，并因此开创了的BNR工艺技术。Barnard博士初只是想当个结构工程师，但由于参与了约翰内斯堡附近的一个污水厂项目，这位生于南非的年轻人决定全身心地投入到污水处理事业中。
在20世纪中期BNR面世之前，污水处理厂已经能成功运用生物方法去除有机污染物、氨氮、悬浮固体和病原体。但氮磷等营养物仍然只能使用化学品去除，但这会导致富营养化等问题，对水体生态造成不利影响。在美国德州大学奥斯丁分校和田纳西州的Vanderbilt University修得环境工程和水资源的硕士和博士学位后，Barnard博士回到他的家乡南非。因为水华爆发，供水短缺和水质不佳已经是当地严重的问题。传统的化学处理方法成本高昂且产生大量仍需后续处理的污泥。作为比勒陀利亚国家水研究所的研究员，Barnard博士开始考虑如何利用微生物的生物学方法脱氮除磷。
到1972年，他已经开发出了一种四段式脱氮工艺，去除率高达92%，而且不用添加化学品。然后在接下来的短短三个月内，他又说服约翰内斯堡政府将他的新脱氮工艺应用于新建的Goudkoppies污水厂的设计中。 两年后的1974年，Barnard博士又开发了早的强化生物除磷工艺(EBPR)。
通过不断的研究和验证，包括小规模实验和大规模的全尺寸项目，Barnard博士终发明了能同步脱氮除磷的工艺，也就是为人所熟知的BNR工艺。 在过去的40年里，他将BNR技术不断调整改良，以适应世界各地不同的气候、环境限制和基建条件。这使得BNR工艺得到全球性推广普及，案例遍布美国、欧洲、加拿大、澳大利亚、新西兰、中国、巴西等世界各地的数千座污水处理厂。BNR被广泛认为是近代污水处理重要的创新之一。
其实早在2006年美国国际水处理技术展览会(WEFTEC)上，Barnard博士就发表过一篇题为《Biological nutrient removal: Where we have been, where we are going ?》的综述论文。在之后的十几年里，污水处理行业取得了日新月异的发展，包括了厌氧颗粒污泥技术在全球的普及，以及包括厌氧氨氧化、好氧颗粒污泥等新工艺的面世。Barnard博士这次在丹佛研讨会上的BNR综述报告也将这些“新事物”纳入在内，他的演讲不仅是一次对BNR知识精华的提炼总结，也涵盖了厌氧氨氧化、好氧颗粒污泥以及新兴污染物的生物处理等新技术。
活性污泥
Barnard博士综述了活性污泥和BNR的理论基础，包括了HRT、SRT、硝化和反硝化等概念。
生物除磷
Barnard博士描述了化学除磷的缺点，继而引出生物除磷的概念，并介绍生物除磷策略的历史演变。他还提到因为Tetrasphaera属菌也摄取磷，因此在更深的厌氧条件下除磷效果可以得到强化。污水收集系统里的发酵程度各不相同，视乎具体地区的气候。许多污水处理厂已经尝试了厂内就地发酵的策略。
MBR膜生物反应器
MBR膜生物反应器在BNR领域的应用是污水处理界近些年的重要创新。MBR将膜技术整合到活性污泥工艺中，可以实现更的出水。
磷回收
磷是有限的资源，对其进行回收非常重要。Barnard博士举例提到了加拿大Ostara公司通过WASSTRIP以及鸟粪石沉淀技术(?点击链接查看相关往期推送)等方法可以实现完整的磷回收。
颗粒活性污泥
正常的活性污泥工艺操作会形成“蓬松”的絮状物。颗粒活性污泥工艺则形成颗粒状絮凝物，其沉降性能更好，并可以增强除磷效率。
厌氧氨氧化
Anammox菌可将氨氮和亚硝酸氮结合转化为氮气。这个工艺过程节省了能源，而且占地面积更小。
新兴污染物的生物处理
污水中常见的许多致癌物、个人护理品和药物等可以通过生物方法得到处理。SRT是这些化合物降解的关键操作参数。
BNR的未来
Barnard博士在接受WERF美国水环境研究基金的时采访曾经说过，随着人们对污水处理生化原理理解的加深，我们完全可以设计出可靠的系统实现高标准出水：通过生物脱氮使出水TN达到小于3mg/L的标准，生物除磷可以达到出水正磷酸盐小于0.1mg/L，与化学除磷结合则可以低至0.01mg/L。
在固有的占地更小、效率更高的优点基础上，Barnard博士认为膜辅助的BNR污水厂还将从大量膜性能优化研究中获益。因为膜的固液分离性能优异。
Barnard博士将磷比作“生命的电池”。世界磷储量的有限性使得磷肥价格一涨再涨，对此他表示了担忧。他认为BNR工艺有助于扭转磷供应衰减危机，因为磷回收是BNR工艺的副产品，在生物工艺中吸收的磷和镁可以通过鸟粪石的形式转化成肥料。
让他兴奋的是，随着我们对微生物世界认识的加深以及新微生物的发现(例如anammox菌)，我们能够更好地利用自然来改善我们居住的环境。
原标题：生物脱氮除磷之父James Barnard亲自讲解BNR技术的新进展