活性污泥法的前40年(上) – 那些課本沒說的人和事
從事污水處理的人都知道什么是活性污泥法。小編相信，在座各位都比小編更清楚活性污泥工藝的技術(shù)細(xì)節(jié)。但小編也敢打賭，現(xiàn)在的環(huán)境工程師里沒幾個(gè)真的了解活性污泥的歷史。我們或多或少都聽過Edward Ardern和William T. Lockett的名字，因?yàn)閹缀跞澜绲慕炭茣颊f他倆是活性污泥法的發(fā)明人，打卡時(shí)間是1914年。但在小編看完多篇文獻(xiàn)后，發(fā)現(xiàn)兩位英國人更像是“被安排”到這個(gè)位置上的。
活性污泥法的榮譽(yù)絕不該只由Ardern和Lockett兩人獨(dú)享，猶如基因技術(shù)的發(fā)展并不是從1953年James Watson和Francis Crick發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)后才從天而降。活性污泥法的傳奇歷史，本來就是一條沒有開頭、沒有終點(diǎn)的時(shí)間線，其中有許多人的故事都值得被重新挖掘。
1983年，James Alleman和T. B. S. Prakasam聯(lián)名在美國Water Environment Federation的期刊上發(fā)表過一篇文章，題目為《活性污泥70年歷史的回顧》(Reflections on Seven Decades of Activated Sludge History)。
James Alleman當(dāng)時(shí)還是普渡大學(xué)土木工程院的環(huán)境工程助理教授，如今是圣母大學(xué)(University of Notre Dame)的教授。T. B. S. Prakasam則在大芝加哥大都會水資源回收局(MWRD)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室工作。
一聽這文章名字，就知道它注定是一篇經(jīng)典之作。的確，它已經(jīng)成為業(yè)界考察活性污泥工藝發(fā)展史的重要文獻(xiàn)。可惜中文媒體好像還沒有相關(guān)報(bào)道，所以在本期專欄里，小編自告奮勇，試著用中文重新整理一下活性污泥法前期發(fā)展的歷史，但和Alleman教授設(shè)的節(jié)點(diǎn)不同，我要講的是在1954年前的事。
作者：瓦村農(nóng)夫
活性污泥前40年的故事(上)
我們先從1914年之前的事情開始吧…
現(xiàn)代污水生物處理的起步階段，或許可以從19世紀(jì)末和 20世紀(jì)初說起。
在那個(gè)時(shí)候污水處理還未必算是一門正經(jīng)學(xué)科。當(dāng)時(shí)歐洲的Mueller、Frankland、Bailey-Denton、Dibdin等人，以及美國麻省的勞倫斯實(shí)驗(yàn)站的 Mills、Hazen、Drown 和 Sedgwick都分別對污水的過濾處理做過研究和闡述，并因此衍生出間歇過濾器、接觸床和滴濾池等處理設(shè)備。
請記住，1896年是污水生物處理史的重要一年。
那一年，一個(gè)叫Donald Cameron的英國城市測量師，給自己為英格蘭Exeter市設(shè)計(jì)的化糞池注冊了英國專利。自那之后，他就東奔西走，向許多采用了化糞池設(shè)計(jì)的人和污水處理設(shè)施征收版稅(royalty)。化糞池工藝在當(dāng)時(shí)其實(shí)挺受歡迎的，但專利問題大大降低了其市場占有率，市面上也開始出現(xiàn)了替代厭氧系統(tǒng)，包括著名的 Imhoff Tank及它的前身——“水解池”(又叫Travis 'Colloider' )。話說德國人Karl Imhoff也為他的設(shè)備申請了專利，但相關(guān)的版稅要低得多。
當(dāng)時(shí)更受歡迎的處理手段仍以物理化學(xué)方法為主，其中包括了基本稀釋、沉淀、化學(xué)處理和電解處理（所謂的直接氧化工藝）系統(tǒng)。但總的來說，這些工藝技術(shù)的出水水質(zhì)都不如人意。另外這些方法因?yàn)榇蠖嗪袇捬醐h(huán)境，因此會釋放惡臭，僅從觀感因素而言就引起了人們的反感。
在這樣的背景之下，許多城市都覺得是時(shí)候推出一種新工藝，它的出水無臭無色，應(yīng)該能容易讓公眾接受。它就是我們現(xiàn)在所知的“活性污泥法”。
“吹”出來的研究
在19世紀(jì)末，大家還沒搞懂那些惡臭的來源，但科學(xué)家的直覺告訴他們，好氧條件可以改善和厭氧有關(guān)的臭氣問題。因此，有人開始嘗試實(shí)驗(yàn)，往污水罐里吹氣。
據(jù)說污水的曝氣研究最早可以追溯到蘇格蘭的Angus Smith 博士在 1882 年的工作。其他先驅(qū)包括歐洲的Dibdin 和 Dupre(1884)、Hartland和Kaye-Parry(1888)、美國的Drown(1891)以及 Mason 和 Hine(1891)等。當(dāng)時(shí)他們認(rèn)為“氧氣的存在”為廢水污染物的氧化反應(yīng)提供所需的氧氣。可惜當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果似乎也并不顯著，而且這些文獻(xiàn)都沒有畫工藝圖，沒辦法去考證問題出在哪里。另外，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，盡管確實(shí)能延遲腐爛反應(yīng)(putrescence)的發(fā)生，但對處理效果而言，這種曝氣方式顯得得不償失。
在大西洋的另一端，美國的研究似乎更加成功，這包括了著名的勞倫斯實(shí)驗(yàn)站對人工曝氣濾池的研究成果。如今看來，很明顯，這是因?yàn)槟切┕潭ㄉ锬卧难鯕鈧髻|(zhì)效率更高 ，而早期的曝氣池都沒有污泥回流單元。
到了1890年代，學(xué)界開始注意到懸浮沉淀劑可以提高生物處理的效果。例如Mather和Platt在1893 年的實(shí)驗(yàn)顯示，在曝氣池底部的沉淀雜質(zhì)提高了處理效果。Walter Adeney在1905年給英國污水處理皇家委員會提交的報(bào)告也進(jìn)一步印證了這個(gè)觀點(diǎn)，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)那些收集的腐殖質(zhì)能提高處理效果。
這里要提到一個(gè)人的名字。在小編看來，他才是活性污泥法發(fā)展史上隱藏的最關(guān)鍵人物。他叫Gilbert Fowler。早在1897年他就已經(jīng)開始進(jìn)行廢水的曝氣實(shí)驗(yàn)，而且他不僅得到澄清出水，甚至還看到有能快速沉淀的顆粒物。十分遺憾的是，F(xiàn)owler當(dāng)時(shí)認(rèn)為這種強(qiáng)化沉淀是個(gè)失敗的結(jié)果，因?yàn)樗砸詾椋X得最佳處理效果是讓污水中的所有雜質(zhì)都要得到溶解或氣化。
事后諸葛來看，F(xiàn)owler不僅讓活性污泥法的出世推遲了20年，他甚至讓好氧顆粒污泥的誕生推遲了100年。更甚的是，F(xiàn)owler干的“錯(cuò)事”遠(yuǎn)不止此，我們在下集再聊。
“用生物能源的力量為人類服務(wù)。”Gilbert J. Fowler的照片。在和曼城就活性污泥專利問題產(chǎn)生爭議之后，褔?yán)找司佑《取Ｋチ擞《瓤茖W(xué)研究所，并在那里繼續(xù)污水處理的研究，包括氮循環(huán)、污泥處理和微生物的工業(yè)用途等。圖源：Frontispiece/地點(diǎn)：1924年于班加羅爾的Phoenix Printing House
吹了30多年的氣，生物腐殖質(zhì)或者粘稠物對曝氣處理的重要性已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)同。在工程應(yīng)用上，美國人有了重大突破：
首先在紐約，Black 和Phelps已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)更大的生物膜比表面積的作用，所以他們摒棄了當(dāng)時(shí)流行的粗糙石質(zhì)載體，轉(zhuǎn)而使用間隙更近的木板條，并在布魯克林污水試驗(yàn)站進(jìn)行大規(guī)模試驗(yàn)。本質(zhì)上，這是一個(gè)曝氣版的厭氧水解池(Travis 'Colloider')，因?yàn)楹笳咭彩怯媚緱l。
1886 vs 2011
建于1886年的勞倫斯實(shí)驗(yàn)站和2011年翻新后的對比 | 圖源：ASCE+Wikipedia
接著在麻省的勞倫斯市(1912年)，Clark和Gage 也在實(shí)驗(yàn)室做過類似研究。他們分別用藻類懸浮物和木板載體收集的生物質(zhì)進(jìn)行接種，然后對比兩者曝氣處理的效率。這里要提及英國的分析化學(xué)家William Dibdin(1850-1925) ，因?yàn)榘宕苍O(shè)計(jì)理念應(yīng)該要?dú)w功于他。早在1884 年他就做過簡單曝氣的嘗試，但失敗了。在先后試過間歇濾池、接觸床和串聯(lián)接觸床等方式后，他又回到了板巖床接觸器器這種將曝氣與生物處理結(jié)合的方法。
“重磅炸彈”般的發(fā)現(xiàn)
這時(shí)候，那個(gè)叫Gilbert Fowler的人又登場了。
由于工作原因，他被邀請去美國參與紐約港污染事件的審查工作。在這次旅程中，褔?yán)沼袡C(jī)會親眼看到Clark 和Gage 在勞倫斯實(shí)驗(yàn)站的實(shí)驗(yàn)。
這次偶然的拜訪，絕對是世界污水處理史的一個(gè)重要拐點(diǎn)。在小編看來，褔?yán)针m然在此前和此后(劇透了)都做了不少“錯(cuò)事”，但在這一刻，他算是在正確的時(shí)間出現(xiàn)在正確的地點(diǎn)。在回憶活性污泥法的往事時(shí)，褔?yán)辗Q這次參觀訪問促進(jìn)了他對活性污泥法的構(gòu)想，他也因此將勞倫斯實(shí)驗(yàn)站稱作“污水處理的麥加圣地”( Mecca of sewage purification)。
盡管褔?yán)沾饲暗钠貧鈱?shí)驗(yàn)不算順利，但在美國的見聞讓他很快就想到了去培養(yǎng)懸浮生物質(zhì)。回到曼徹斯特后，他開始相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，污水在接種了鐵鹽和所謂的M7菌種后，放入一個(gè)懸浮生長系統(tǒng)進(jìn)行曝氣。這次褔?yán)粘晒α恕?913年，福勒和E Moore Mumford在一個(gè)叫《Surveyor》的期刊上發(fā)表了題為《The Bacterial Clarification of Sewage》的文章。
在這個(gè)系統(tǒng)里，有一個(gè)“吹氣罐”(blowing tank)和一個(gè)沉淀池(clarifier)，大家是不是覺得已經(jīng)很像經(jīng)典的活性污泥的構(gòu)型？小編寫到這里都為褔?yán)諊@一聲氣，他的學(xué)術(shù)造詣似乎總是差那么一點(diǎn)天份？沒有設(shè)計(jì)污泥回流系統(tǒng)，他是如何保持曝氣池的生物質(zhì)濃度的呢？他給的答案是不斷地給曝氣池投菌。
這也不能怪褔?yán)找粋€(gè)人，畢竟曝氣實(shí)驗(yàn)從Smith博士的所謂史上首次實(shí)驗(yàn)計(jì)起，直到1913年，已經(jīng)有32年了。這30年里，居然也沒有其他人想到生物質(zhì)循環(huán)的重要性。不過這也就給 Edward Ardern和William T. Lockett兩人書寫自己歷史的機(jī)會。
1914年4月3日，是世界污水處理史特別重要的一天。
英國化工協(xié)會(Society of Chemical Industry)的一個(gè)會議在曼徹斯特的大酒店舉行，Edward Ardern和William T. Lockett做一個(gè)題為《Experiments on the Oxidation of Sewage Without the Aid of Filters》的報(bào)告。隨后這份報(bào)告刊于同年5月的《Journal of the Society of Chemical Industry》上。
他們在報(bào)告里分享了一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，就是反應(yīng)池的腐殖質(zhì)固體不應(yīng)該被丟掉，相反應(yīng)該保留下來。他們在文中提出一個(gè)新的工藝?yán)砟睿闶且环N曝氣序批式反應(yīng)器。當(dāng)時(shí)他們把這種反應(yīng)器類型稱之為fill-and-draw。Fill and draw，顧名思義，就是倒一批水，處理好后，抽出來。雖然沒有回流系統(tǒng)，但這個(gè)設(shè)計(jì)能夠?qū)⒊恋淼奈勰啾Ａ粼诜磻?yīng)器底部。
在實(shí)驗(yàn)室里，他們將污水裝在玻璃瓶里進(jìn)行曝氣，瓶外用紙包著，防止光照導(dǎo)致藻類生長。當(dāng)時(shí)他們使用可降解有機(jī)物的去除率和完全硝化的程度可以評判凈化速率。他們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過幾個(gè)處理周期后，系統(tǒng)的處理效率開始提升。他們最終將凈化時(shí)間降到24小時(shí)以內(nèi)！這大大提高了工藝的經(jīng)濟(jì)可行性。
無獨(dú)有偶，這兩個(gè)人的導(dǎo)師，正是褔?yán)毡救恕Ｓ盟麄z來解釋“青出于藍(lán)”再生動不過了。褔?yán)找矊ψ约簝蓚€(gè)學(xué)生的科研成果大加贊賞，并稱這是一個(gè)“bombshell”般的發(fā)現(xiàn)。
另外，小編在Ardern和Lockett的故事里也有一點(diǎn)額外的個(gè)人體會：會干活很重要，但會寫也很重要，因?yàn)檫@能讓你干的活讓更多的人知道，并成為你的傳世遺產(chǎn)。
應(yīng)用進(jìn)展
Ardern和Lockett在1914-1915年間，一口氣發(fā)了題為《Experiments on the Oxidation of Sewage without the Aid of Filters》I、II和III 的papers，小編就擅自稱它們做活性污泥的經(jīng)典三部曲吧。
在這三篇papers里，他們對很多工藝細(xì)節(jié)都進(jìn)行了考察，包括能耗、污泥處理、硝化菌對溫度和pH的敏感度，連續(xù)進(jìn)水和序批式運(yùn)行的對比，工業(yè)廢水的影響、曝氣的方法和程度，以及根據(jù)目標(biāo)污水對活性污泥進(jìn)行馴化調(diào)節(jié)的需要。遺憾的是他們當(dāng)時(shí)并沒有完全理解其中的原理，他們只看到在這樣的反應(yīng)器里，經(jīng)過幾次進(jìn)水-曝氣-靜置-排水的過程后，那些污泥像是被激活(activated)了那樣。所以在1914年那篇paper中，他們用雙引號提出了“activated sludge”這個(gè)詞。無論如此。這在當(dāng)時(shí)已經(jīng)是一個(gè)讓人震驚的大發(fā)現(xiàn)。
也許更重要的是，Ardern 和 Lockett 演講的觀眾立即認(rèn)識到了這一發(fā)現(xiàn)的巨大價(jià)值。
值得一提的是，在1914年的另一個(gè)學(xué)術(shù)會議上，Ardern和Lockett做了第二篇paper的報(bào)告。在會上，Melling聲稱他在英格蘭的Salford就已經(jīng)成功搭建了一個(gè)活性污泥工藝系統(tǒng)，規(guī)模達(dá)到302立方米/天。而在大西洋另一端的紐約，Black和Phelps也在大規(guī)模的測試中取得了成功。這意味著其實(shí)在1914年前，世界各地都已相繼獲得活性污泥工藝的經(jīng)驗(yàn)知識。
從1914年開始，英美兩國都相繼有了活性污泥的大規(guī)模工程應(yīng)用。James Alleman教授對此進(jìn)行了整理。英國的代表案例如下：
活性污泥工藝在美國的發(fā)展速度也相當(dāng)驚人。
1914 年 8 月，伊利諾伊大學(xué)的Edward Bartow教授就去曼徹斯特訪問了福勒的團(tuán)隊(duì)。回到美國之后，他按照福勒的思路開始了自己的小試和中試實(shí)驗(yàn)。在短短幾個(gè)月內(nèi)， 其他美國學(xué)者相繼開展類似的研究。兩年之后，美國開始有自己的大規(guī)模工程應(yīng)用了，而且規(guī)模遠(yuǎn)超英國：
James Alleman教授對英美兩國當(dāng)時(shí)的工藝細(xì)節(jié)選擇進(jìn)行了對比，他發(fā)現(xiàn)英國的曝氣池停留時(shí)間更長(8-12小時(shí))，而且有多個(gè)廠選擇了機(jī)械曝氣。在英國，對回流污泥進(jìn)行分段再曝氣也很常見，因?yàn)樗麄冇X得這能重新激活這些生物質(zhì)。美國人則覺得這一步?jīng)]必要，因?yàn)樗麄冇X得英國人設(shè)計(jì)的好氧池的停留時(shí)間夠長的了——美國的好氧池時(shí)間一般只在3-6小時(shí)，而且?guī)缀醵际菙U(kuò)散曝氣。第三點(diǎn)區(qū)別則是此前提到的，美國的廠處理規(guī)模遠(yuǎn)超英國——1917年單廠日處理量突破五位數(shù)(休斯頓)，到了1927年則突破了50萬/天(芝加哥)。這些數(shù)字也顯示了活性污泥法進(jìn)入了爆發(fā)增長期。
這是否意味著活性污泥法有著光明的未來呢？我們下集再聊。
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