James Barnard博士是2007年美國(guó)Clarke水獎(jiǎng)和2011年新加坡李光耀水獎(jiǎng)的獲得者。自從20世紀(jì)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(shè)計(jì)顧問工作，在探索BNR的道路上始終沒有停止前進(jìn)的步伐。其研發(fā)的營(yíng)養(yǎng)物去除工藝在世界很多污水廠得到了應(yīng)用，被譽(yù)為生物法脫氮除磷之父。

“隨著人們對(duì)污水處理生化原理理解的加深，我們完全可以設(shè)計(jì)出可靠的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)出水：通過生物脫氮使出水TN達(dá)到小于3mg/L的標(biāo)準(zhǔn)，生物除磷可以達(dá)到出水正磷酸鹽小于0.1mg/L，與化學(xué)除磷結(jié)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(guó)際大會(huì)上看到。2017年6月，總部位于美國(guó)丹佛的水研究基金會(huì)（Water Research Foundation）（隨后在2017年10月宣布與美國(guó)水環(huán)境研究基金WERF合并）主辦了一個(gè)區(qū)域研討會(huì)，總結(jié)了污水處理生物營(yíng)養(yǎng)物去除（BNR）領(lǐng)域的最新進(jìn)展。整個(gè)研討會(huì)由著名的咨詢公司Black & Veatch公司全球技術(shù)實(shí)踐領(lǐng)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(bào)告視頻。

在上世紀(jì)70年代，Barnard博士構(gòu)想用天然的微生物方法實(shí)現(xiàn)污水的脫氮除磷，以解決當(dāng)時(shí)南非和干旱的納米比亞的水質(zhì)問題，并因此開創(chuàng)了著名的BNR工藝技術(shù)。Barnard博士最初只是想當(dāng)個(gè)結(jié)構(gòu)工程師，但由于參與了約翰內(nèi)斯堡附近的一個(gè)污水廠項(xiàng)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(jì)中期BNR面世之前，污水處理廠已經(jīng)能成功運(yùn)用生物方法去除有機(jī)污染物、氨氮、懸浮固體和病原體。但氮磷等營(yíng)養(yǎng)物仍然只能使用化學(xué)品去除，但這會(huì)導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化等問題，對(duì)水體生態(tài)造成不利影響。在美國(guó)德州大學(xué)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(xué)位后，Barnard博士回到他的家鄉(xiāng)南非。因?yàn)樗�華爆發(fā)，供水短缺和水質(zhì)不佳已經(jīng)是當(dāng)?shù)貒?yán)重的問題。傳統(tǒng)的化學(xué)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(guó)家水研究所的首席高級(jí)研究員，Barnard博士開始考慮如何利用微生物的生物學(xué)方法脫氮除磷。

▲ 促使BNR工藝誕生的驅(qū)動(dòng)因素 

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(dá)92％，而且不用添加化學(xué)品。然后在接下來的短短三個(gè)月內(nèi)，他又說服約翰內(nèi)斯堡政府將他的新脫氮工藝應(yīng)用于新建的Goudkoppies污水廠的設(shè)計(jì)中。 兩年后的1974年，Barnard博士又開發(fā)了最早的強(qiáng)化生物除磷工藝（EBPR）。

通過不斷的研究和驗(yàn)證，包括小規(guī)模實(shí)驗(yàn)和大規(guī)模的全尺寸項(xiàng)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(shù)不斷調(diào)整改良，以適應(yīng)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(guó)、歐洲、加拿大、澳大利亞、新西蘭、中國(guó)、巴西等世界各地的數(shù)千座污水處理廠。BNR被廣泛認(rèn)為是近代污水處理最重要的創(chuàng)新之一。

其實(shí)早在2006年美國(guó)國(guó)際水處理技術(shù)展覽會(huì)(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(shù)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(huì)上的BNR綜述報(bào)告也將這些“新事物”納入在內(nèi)，他的演講不僅是一次對(duì)BNR知識(shí)精華的提煉總結(jié)，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(shù)。

活性污泥

Barnard博士綜述了活性污泥和BNR的理論基礎(chǔ)，包括了HRT、SRT、硝化和反硝化等概念。

▲ BNR工藝的可以有很多具體實(shí)現(xiàn)形式

生物除磷 

Barnard博士描述了化學(xué)除磷的缺點(diǎn)，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?yàn)門etrasphaera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(qiáng)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(nèi)就地發(fā)酵的策略。

MBR膜生物反應(yīng)器

MBR膜生物反應(yīng)器在BNR領(lǐng)域的應(yīng)用是污水處理界近些年的重要?jiǎng)?chuàng)新。MBR將膜技術(shù)整合到活性污泥工藝中，可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的出水。

磷回收

磷是有限的資源，對(duì)其進(jìn)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(shù)（☜ 點(diǎn)擊鏈接查看相關(guān)往期推送）等方法可以實(shí)現(xiàn)完整的磷回收。

▲ 通過鳥糞石沉淀技術(shù)回收磷 

顆�；钚晕勰�

正常的活性污泥工藝操作會(huì)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(qiáng)除磷效率。

厭氧氨氧化

Anammox菌可將氨氮和亞硝酸氮結(jié)合轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻＿@個(gè)工藝過程節(jié)省了能源，而且占地面積更小。

▲ 厭氧氨氧化工藝與傳統(tǒng)工藝對(duì)比截圖 

新興污染物的生物處理

污水中常見的許多致癌物、個(gè)人護(hù)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(guān)鍵操作參數(shù)。

Barnard博士在接受WERF美國(guó)水環(huán)境研究基金的時(shí)采訪曾經(jīng)說過，隨著人們對(duì)污水處理生化原理理解的加深，我們完全可以設(shè)計(jì)出可靠的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)出水：通過生物脫氮使出水TN達(dá)到小于3mg/L的標(biāo)準(zhǔn)，生物除磷可以達(dá)到出水正磷酸鹽小于0.1mg/L，與化學(xué)除磷結(jié)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(diǎn)基礎(chǔ)上，Barnard博士認(rèn)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?yàn)槟さ墓桃悍蛛x性能優(yōu)異。

Barnard博士將磷比作“生命的電池”。世界磷儲(chǔ)量的有限性使得磷肥價(jià)格一漲再漲，對(duì)此他表示了擔(dān)憂。他認(rèn)為BNR工藝有助于扭轉(zhuǎn)磷供應(yīng)衰減危機(jī)，因?yàn)榱谆厥帐荁NR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(zhuǎn)化成優(yōu)質(zhì)肥料。

最讓他興奮的是，隨著我們對(duì)微生物世界認(rèn)識(shí)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。

國(guó)際水協(xié)會(huì)（IWA）官網(wǎng) www.iwa-network.org