【污泥处理】百年工艺背后的故事-活性污泥法前世今生

本帖最后由 小小西子 于 2014-7-7 14:59 编辑

提起活性污泥，环保界很多人都不会感到陌生，但是要追问起这项工艺背后经历的历史故事，恐怕很多学习污水处理专业的学生，都很少能将活性污泥工艺的发展历程说出个子丑寅卯来，甚至不少从事专业工作很多年的工程师，也对此知之甚少。因此，本文回顾了活性污泥的诞生过程，这期间可谓充满了曲折与艰辛，甚至不乏传奇色彩，令人叹为观止。

早期的污水曝气研究

从18世纪60年代开始，欧洲兴起了工业革命，这一影响人类社会生产关系的变革一直持续到19世纪末，工业革命带来的直接受利即促使了城市化迅速发展，当时英国城市人口已达到全国人口50％以上。在这一巨大的社会变革中，出现了许多新的社会问题，很凸显的一个问题就是：城市化的发展导致大量的污水无法得到有效的处理。这一问题一直持续到20世纪20年代中期，才出现了转机。

当时的英国，成为了水污染问题最为严重的国家，城市发展不断产生的卫生问题以及工业对清洁水源的要求，促使英国在19世纪后半期形成了一系列环境治理机构，这其中就包括在1865年成立的河流污染皇家委员会。河流污染皇家委员会的成立促成了河流污染控制法的问世，这是1876年的事情。但是，在法规的明文背后，英国却并没有找到合适的技术来防止河流的进一步污染。因此，从这一点来说，1898年成立的污水处理皇家委员会可被视为污水处理技术发展的里程碑。该委员会成立后组织的一系列活动，使人们更深刻地理解了影响水体的水质因素。污水处理皇家委员会最为知名的一个贡献，就是在1908年提出的BOD测试，著名的“30:20（SS:30mg/L、BOD:20 mg/L）+完全硝化”出水标准在1912年得以被采纳，在当时，这一标准被视为污水处理工艺发展的巨大挑战。

在这样的时代背景下，欧洲的科学家积极地寻找各种提高污水处理效率的办法，当时很多研究者的一个直觉是好氧情况下可以避免污水散发的难闻恶臭，因此，一些研究者开始尝试向污水中鼓入空气。安格斯•史密斯博士在1882年所做的试验，通常被视为早期这方面研究的代表，他指出在任何情况下，对于污水曝气都会使腐败延迟，而且在曝气的情况下更容易形成硝酸盐氮。

美国马萨诸塞州的劳伦斯试验站在当时是污水处理领域非常著名的研究机构，研究方向是验证各种不同的污水处理方法。其在1891~1898年期间，研究的内容之一也是对城市污水曝气，英国人洛可克在1892年也对污水进行了类似的曝气研究，但这些研究都是采用生物滤池曝气，而不是污水在池子内直接曝气。早期的研究者认为，氧的存在会使污水中的物质得到良好的氧化，但是与曝气方面投入的大量研究相比，污水处理效率的提高却收效甚微。

吉尔伯特•福勒是英国曼彻斯特大学的教授，也是曼彻斯特河道部门的咨询化学家，该所大学当时以微生物的工业应用而闻名于世。他在1897年进行的污水曝气试验中，产生了清澈的出水，同时也产生了快速沉淀的颗粒物。但是，福勒认为这些沉淀物是试验的失败之处，他认为污水的净化应该是污染物变为溶解状态或变为气态。

活性污泥概念的初步形成

1911年，劳伦斯试验站的首席化学家克拉克正在研究生活污水对水体生物的影响，他将鱼放在池内，开始加入污水，看看鱼能忍受多少容量的污水。他发现，随着注入的污水越来越多，为了让鱼还能在其中生存，就需要在池内鼓入足够的空气。试验过程中他还发现，随着污水的加多，在池内出现了一些沉淀物。而当停止曝气后，他发现将这些沉淀物排出池子，水就能变得很清澈，于是他就想：“在曝气方面也应该可以做一些类似的研究”。随后他立即放弃了对鱼的生物研究，转而开始对池中的污水进行曝气实验，几个星期后，他已经能够将污水进行充分的净化。

1912年，曼彻斯特大学的福勒教授来到了劳伦斯试验站，这一次他是应邀去解决纽约港的污染问题。在这次旅行中，福勒有幸目睹了克拉克和盖奇正在进行的试验，克拉克和盖奇在劳伦斯试验站比较了两种处理方法，一种是让污水在接种有绿藻的瓶子中曝气，检验在有绿藻的情况下曝气的有效性，目的是作为生物滤池的一种预处理手段；另外一种方法是让污水在密实的板岩中曝气，污水在板岩中曝气的概念归因于狄布丁，狄布丁在1884年就尝试过，但并不成功。

福勒认为这次造访使他的思路豁然开朗，甚至将劳伦斯试验站称为“污水净化的圣地”。

在去劳伦斯试验站之前，福勒当时正和一位名叫曼福特的年轻细菌学家合作，曼福特除了与福勒合作之外，他还是魏兹曼的助手，魏兹曼是曼彻斯特大学的犹太裔化学家、政治家，后来在1949年成为以色列第一任总统。魏兹曼与福勒密切合作，他们负责指导曼福特和格拉迪斯•克里菲（后改名格拉迪斯•曼福特）两位助理研究员的工作，这两位后来结为夫妻。

曼福特当时调查了曼彻斯特附近一个煤矿的排水，发现在一种细菌的作用下，铁会在水里沉淀。曼福特收集了这些细菌，开始培养，并命名为“M7”菌，他发现在存在有铁盐、空气和有机氮（例如蛋白胨、肉）的情况下，这种细菌可以形成铁的沉淀。

回到曼彻斯特后，福勒问起了曼福特有关M7菌的事情，“M7的事情怎么样了？如果它可以与蛋白胨形成沉淀，那与污水也应该会形成沉淀”。虽然他对于早年的污水曝气试验很失望，但此时他显然已经意识到了悬浮固体的重要性。于是他们开始研究用M7菌的培养基，鼓入空气，并加入铁盐和污水。他们发现用这种细菌可以使污水获得澄清透明，并可在生物滤池内迅速进一步氧化处理，甚至可以直接排向河道。虽然需要投加铁盐，但是与化学处理方法相比，投加的量要小的多。福勒这样总结当时的研究：“使用了自然界中的一种特殊微生物处理污水”，M7菌的方法似乎印证了狄布丁的预言，狄布丁曾经预言污水处理的未来应该是采用一种合适的微生物与污水进行曝气。卫生部门对福勒的提法倍加赞赏，称之为“迷人的想法、独创的想法”，但同时也对其能否将实验室的研究成果转化为实际工程深表怀疑。实际上M7工艺从来没在实际中得到应用。一部分的原因是它明显的工业特点，另外在每批次的处理过程中都要投加这种细菌和铁盐，没有实用价值。尽管如此，M7工艺试验中所用到的装置对后来活性污泥的发明事实上也起到了作用。

在福勒与曼福特研究M7工艺的同时，福勒也在尝试让他的助手爱德华•阿登和威廉•洛克特重复一下他在劳伦斯试验室看到的试验。阿登是英国曼彻斯特戴维汉姆实验室的化学工程师，自1899年他就在那里工作。洛克特是福勒的同事，是化学工业学会的初级会员，受雇于曼彻斯特河道部门，在戴维汉姆实验室进行研究工作。福勒从1904起就对戴维汉姆实验室的研究进行指导。

1913年，阿登和洛克特开始对曼彻斯特的污水进行小试曝气：将玻璃瓶里装上2.27升的污水，为了防止藻类的生长，瓶子用棕色的纸包起来，将一根管子弯成90度插入瓶内进行曝气，同时实现充分的搅拌，最后直到氨氮转变为硝酸盐氮（硝化过程），但这一过程需要耗时6个星期，如此长的时间显然不具实用价值。但他们下一步的研究非常关键，阿登和洛克特没有将瓶内的污泥排出去，而是把污泥留存下来，将上清液排出，然后又加入新的污水，开始曝气，这次硝化过程耗时3个星期，他们又将上清液排出，瓶内积累的污泥更多，然后再次加入新的污水曝气重复上述过程，硝化的时间进一步缩短，直到最后在24小时内即可让污水得到充分的处理。

阿登和洛克特通过这次实验，认为污水处理技术革命的曙光就在眼前，洛克特在一份手稿中这样写到：“目前试验的结果预示着它可能会对污水处理产生颠覆性的影响”。1914年4月3日，阿登在在曼彻斯特大酒店举行的化学工业学会上介绍了他们的研究工作，他事先邀请了各地的污水处理工作者，约有200多名科学家和工程师参会，这些人没有失望。《无需滤池的污水氧化试验1》一文首次在卫生领域内提出“活性污泥”的概念，与会者一致认为活性污泥的发明具有划时代的意义。