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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)领域的最新进展。整个研讨会由著名的咨询公司Black & Veatch公司全球技术实践领袖James Barnard博士主讲。本期微信我们将和大家分享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，并因此开创了著名的BNR工艺技术。Barnard博士最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首席高级研究员，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博士又开发了最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博士最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最重要的创新之一。
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，可以实现更优质的出水。
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。
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优质肥料。
最让他兴奋的是，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。
BIONUTRE工艺，简称BNR工艺，生物脱氮除磷的技术。 BNR工艺的核心设计理念是：缺氧曝气。在缺氧曝气区，既存在氧化污水中的有机物反应，同时也发生着硝化/反硝化和短程反硝化反应。缺氧曝气是所有BNR工艺的关键，具体工艺形式有ORBAL 氧化沟、VLR立环反应器 、VertiCel反应器等。
ORBAL氧化沟工艺 一、典型的ORBAL氧化沟工艺 ORBAL氧化沟是一种很有特色的氧化沟工艺，该工艺非常适用于污水常规二级生物处理，在去除污水中的碳源污染的同时，还能进行生物脱氮与生物除磷。 ORBAL氧化沟是由若干同心沟道组成的多沟道氧化沟系统，沟道平面呈圆形或椭圆形，具有完全混合式及推流式反应池系统的特征，耐冲击负荷能力强，易于适应多种进水情况和出水要求的变化，具有很强的灵活性。ORBAL氧化沟与标准单沟道氧化沟相比，需氧量可节省20%~35%，从而大大降低了能耗，节约了运行成本。该工艺操作控制简单，维护管理方便，通常情况下只需定期为曝气机轴承添加润滑油即可。 典型的ORBAL氧化沟有三个同心沟道。三个沟道由于进水负荷和供氧量的不同，溶解氧浓度形成明显的梯度分布：外沟溶解氧一般接近于0mg/L，中沟溶解氧平均为1mg/L，内沟溶解氧平均为2mg/L，从而在三个沟道内形成了恒定的曝气缺氧区和好氧区，为生物硝化和反硝化提供了条件，达到生物脱氮的目的。发生在外沟道的“同时硝化/反硝化”和“短程反硝化”作用更加强了系统的脱氮功能。另外由于外沟道内溶解氧浓度为0mg/L，在C/N比适宜的情况下，硝酸盐很快被反硝化成氮气，同时微生物在此条件下过度释放磷之后在好氧状态下再对磷进行过量吸收，达到同时脱氮和除磷的效果。ORBAL氧化沟如果设置内循环系统，脱氮率可达95%或以上。 ORBAL氧化沟经过几十年不断的工艺发展和设备改良，现在全世界已有上千座城市污水处理厂和工业废水处理厂采用此工艺及相关设备，运转良好，效果显著。 二、合建式ORBAL氧化沟工艺 合建式ORBAL氧化沟是将二沉池与氧化沟合建，将二沉池建于氧化沟中心，形成一个大的同心圆结构。这种形式，既可以节省占地，同时又减少了土建与管道的工程量，减少水头损失，节省了投资与运行经费。 ORBAL氧化沟作为较优化的工艺之一，可以在城市污水处理工程中推广应用，尤其适用于中小规模的污水处理厂。目前，全国已有数百余座城市污水处理厂采用了ORBAL氧化沟工艺，这些污水处理厂的成功运行，已经验证了上述大部分优点。 为缓解部分地区用地紧张的局面，可灵活选用合建式ORBAL氧化沟结构。在重庆市南川等地的污水处理厂采用了合建式ORBAL氧化沟工艺，现已投入运行几年，处理效果良好。 三、转碟曝气机 ORBAL工艺的关键设备为转碟曝气机。转碟曝气机由电机减速机驱动水平轴带动转碟旋转，在转碟旋转时起到充氧和推动水流水平流动的双重功能，可防止污泥沉淀，达到很好的处理效果。曝气转碟的充氧性能及动力特性可通过增减转碟数量，改变浸没水深，或调节转速来进行调整。转碟曝气机的混合效率是其他任何曝气设备无法相比的。该设备的高混合效率，保证了在大多数全负荷条件下生物过程性能最优。此设备不仅适用于ORBAL工艺，同时也适用于其他沟型的氧化沟工艺。 我公司的转碟曝气机具有以下优点： ■世界领先的技术 由ORBAL氧化沟工艺及转碟曝气机设备的创始公司原Siemens Water Technologies LLC.（USFilter Envirex公司）授权国美（天津）水技术工程有限公司在中国独家制造，按照技术授权方的技术及品质标准和生产工艺进行生产，具有美国产品同等的质量。 碟片注塑模具由技术授权方提供，全部采用技术授权方指定的原装进口的原料，产品返销美国及世界其他地区。 ■精心筛选的碟片原材料 碟片采用高强度聚苯乙烯，具有较高的强度及抗冲击性能，耐腐蚀，寿命≥20年；聚苯乙烯碟片重量轻，比重≤1，大大低于国内同类产品的重量，明显改善水平轴及轴承的受力情况，降低了水平轴的挠度，提高了轴承的使用寿命。 VLR立环生物反应工艺
一、工艺概述 VLR生物反应工艺是由ORBAL氧化沟发展而来的，它与ORBAL氧化沟的不同之处在于氧化沟内的污水是在水平回路中循环流动的，而在VLR中污水则是在绕着水平分流隔板的竖向回路中循环流动的，VLR由一个混凝土或钢制的池子组成（依处理规模及场地限制等因素灵活选择材质及形式），池内设有一个水平隔板，隔板的宽度与池子等宽，长度比池子长度略短。第一个采用VLR工艺的处理厂于1986年建于Hohenwald, TN。目前已有几十个VLR系统已经建成并运行，处理水量从0.19万吨/天到45万吨/天。 VLR系统通常由不只一个VLR池组成，在这种情况下，多个VLR反应器模块一般以串联的形式运行。这样类似于ORBAL氧化沟工艺在池内形成了0-1-2的溶解氧梯度，大大提高了整个系统的传氧效率，节省系统能耗。 二、工艺特点 u 以奥贝尔(ORBAL)工艺为基础；鼓风曝气系统增强投氧的灵活性；池中水平隔板延长了气泡在水中的停留时间，使其可达传统曝气系统的三倍以上，大大增加传氧效率；利用矩形及较深池体（最深可达到8.5m），以节省土建费用及用地；规则外形易于实现模块化的工艺组合；设置雨水溢流槽，VLR系统能够承受高流量负荷而不致产生“跑泥现象”，增强了抗水质水量冲击负荷能力；提高了污泥的沉降性和稳定性；由于VLR系统的需氧量低于相同处理能力的传统方工艺，故VLR工艺与传统处理方法相比，可节省约20%的能耗。 VertiCel高效组合曝气工艺
一、工艺介绍 VertiCel系统是我公司引进的国外先进技术。此系统可用于新厂的设计，以及现有采用微孔曝气工艺的处理厂的升级改造。 在大多数的污水处理厂中，活性污泥曝气系统消耗的电能占处理厂总能耗的大部分。这样，为了降低处理厂的运行费用，提高曝气系统的效率是一个主要因素。通常只考虑曝气设备的效率，而忽视了系统的整个设计对曝气效率的影响。 VertiCel高效组合曝气工艺已被证实能够节省大量电能。这种系统的特点是反应池分阶段串联在一起，第一阶段反应池采用机械曝气，第二阶段反应池采用微孔曝气。与传统的微孔曝气相比，组合曝气能够大量节省能耗。 传统活性污泥设计只有一种曝气设备，通常对于设备和工艺均要确保单一气源的可靠性。在组合曝气设计中，需要有丰富的工艺工程经验将表曝和底曝这两种差异较大的曝气设备整合成一个兼容的系统。 二、工艺特点 1、曝气效率 根据不同情况的大量研究， 虽然机械曝气和微孔曝气两种设备在清水中的曝气效率差别很大，但当在混合液中考虑了α系数后，这两个效率将基本相当。 机械曝气对表面活性剂的反应与微孔曝气不同。表面活性剂帮助产生更小的水滴，提高氧传输的可利用表面积。这样，在活性污泥系统中采用机械曝气α系数实际上能高于1.0。在机械曝气的长推流池中进行的研究中发现，前端测得的α系数是1.2，出口处是≤1.0。与微孔曝气相反，机械曝气最好的氧转移效率是在工艺系统的前端。 2、溶解氧DO 另一个影响曝气设备氧转移效率的是设计中采用的DO值。最新的研究表明，将长推流池分隔成几段处理工序，当初始阶段的DO为0时，能够得到较好的工艺性能。这些研究指出，当曝气池从较低的DO转成较高的DO时，能够产生沉降性能较好的活性污泥。 分离的反应池（前一半的DO为0，后一半的DO较高）提高系统的氧转移效率。缺氧池中曝气设备的氧转移效率能提高20%或者更高。另外，建立了同时硝化反硝化的环境。DO为0的曝气池的反硝化率在没有内循环的条件下能达到80%。 3、曝气缺氧 定义：0 DO的曝气池或者在缺氧条件下运行的曝气池是曝气缺氧池。通常的非曝气缺氧池仅利用了总生物量的一小部分，通常是20%或者更低，而曝气缺氧池则至少利用总生物量的一半，并且有更多的工艺优势以及节省能量。 VLR是一种理想的曝气缺氧立式循环反应池。转碟曝气机提供氧传输以及混合搅拌。 4、组合曝气 在较大规模的污水厂，为进一步提高系统运行费用，将VLR和微孔曝气合并在一起作为一种新工艺形式。将机械曝气放在处理系统前端的依据是因为它们将有最高的α值。在0 DO条件下传递一半的总需氧量，这将进一步提高传氧效率，同时也通过反硝化获取氧气。在第二阶段采用微孔曝气是因为α值提高，第二阶段微孔曝气的曝气效率是它放在第一阶段（系统前半部分）时的两倍。 这种微孔曝气之前设置VLR立环生物反应器的高效组合曝气被称为VertiCel，该名称来源于作为前置曝气缺氧环状池的VLR(vertical)以及后接部分的微孔曝气单元（Cells）的组合。 VertiCel的节能特征总结如下： 微孔曝气用于系统的后半部分，优化了微孔曝气的α系数； 机械曝气用于系统的前半部分，优化了机械曝气的α系数； 系统的前半部分保持曝气缺氧条件，通过反硝化作用释放了相当多的氧气； 系统的前半部分在0 DO下进行氧气传输，有利于提高曝气设备的曝气效率。 |
