活性污泥法的前40年(上) – 那些课本没说的人和事

从事污水处理的人都知道什么是活性污泥法。小编相信，在座各位都比小编更清楚活性污泥工艺的技术细节。但小编也敢打赌，现在的环境工程师里没几个真的了解活性污泥的历史。我们或多或少都听过Edward Ardern和William T. Lockett的名字，因为几乎全世界的教科书都说他俩是活性污泥法的发明人，打卡时间是1914年。但在小编看完多篇文献后，发现两位英国人更像是“被安排”到这个位置上的。

活性污泥法的荣誉绝不该只由Ardern和Lockett两人独享，犹如基因技术的发展并不是从1953年James Watson和Francis Crick发现DNA双螺旋结构后才从天而降。活性污泥法的传奇历史，本来就是一条没有开头、没有终点的时间线，其中有许多人的故事都值得被重新挖掘。

1983年，James Alleman和T. B. S. Prakasam联名在美国Water Environment Federation的期刊上发表过一篇文章，题目为《活性污泥70年历史的回顾》(Reflections on Seven Decades of Activated Sludge History)。

James Alleman当时还是普渡大学土木工程院的环境工程助理教授，如今是圣母大学(University of Notre Dame)的教授。T. B. S. Prakasam则在大芝加哥大都会水资源回收局(MWRD)研发实验室工作。

一听这文章名字，就知道它注定是一篇经典之作。的确，它已经成为业界考察活性污泥工艺发展史的重要文献。可惜中文媒体好像还没有相关报道，所以在本期专栏里，小编自告奋勇，试着用中文重新整理一下活性污泥法前期发展的历史，但和Alleman教授设的节点不同，我要讲的是在1954年前的事。

作者：瓦村农夫

活性污泥前40年的故事(上)

我们先从1914年之前的事情开始吧…

现代污水生物处理的起步阶段，或许可以从19世纪末和 20世纪初说起。

在那个时候污水处理还未必算是一门正经学科。当时欧洲的Mueller、Frankland、Bailey-Denton、Dibdin等人，以及美国麻省的劳伦斯实验站的 Mills、Hazen、Drown 和 Sedgwick都分别对污水的过滤处理做过研究和阐述，并因此衍生出间歇过滤器、接触床和滴滤池等处理设备。

请记住，1896年是污水生物处理史的重要一年。

那一年，一个叫Donald Cameron的英国城市测量师，给自己为英格兰Exeter市设计的化粪池注册了英国专利。自那之后，他就东奔西走，向许多采用了化粪池设计的人和污水处理设施征收版税(royalty)。化粪池工艺在当时其实挺受欢迎的，但专利问题大大降低了其市场占有率，市面上也开始出现了替代厌氧系统，包括著名的 Imhoff Tank及它的前身——“水解池”(又叫Travis 'Colloider' )。话说德国人Karl Imhoff也为他的设备申请了专利，但相关的版税要低得多。

当时更受欢迎的处理手段仍以物理化学方法为主，其中包括了基本稀释、沉淀、化学处理和电解处理（所谓的直接氧化工艺）系统。但总的来说，这些工艺技术的出水水质都不如人意。另外这些方法因为大多含有厌氧环境，因此会释放恶臭，仅从观感因素而言就引起了人们的反感。

在这样的背景之下，许多城市都觉得是时候推出一种新工艺，它的出水无臭无色，应该能容易让公众接受。它就是我们现在所知的“活性污泥法”。

“吹”出来的研究

在19世纪末，大家还没搞懂那些恶臭的来源，但科学家的直觉告诉他们，好氧条件可以改善和厌氧有关的臭气问题。因此，有人开始尝试实验，往污水罐里吹气。

据说污水的曝气研究最早可以追溯到苏格兰的Angus Smith 博士在 1882 年的工作。其他先驱包括欧洲的Dibdin 和 Dupre(1884)、Hartland和Kaye-Parry(1888)、美国的Drown(1891)以及 Mason 和 Hine(1891)等。当时他们认为“氧气的存在”为废水污染物的氧化反应提供所需的氧气。可惜当时的实验结果似乎也并不显著，而且这些文献都没有画工艺图，没办法去考证问题出在哪里。另外，从经济角度考虑，尽管确实能延迟腐烂反应(putrescence)的发生，但对处理效果而言，这种曝气方式显得得不偿失。

在大西洋的另一端，美国的研究似乎更加成功，这包括了著名的劳伦斯实验站对人工曝气滤池的研究成果。如今看来，很明显，这是因为那些固定生物膜单元的氧气传质效率更高 ，而早期的曝气池都没有污泥回流单元。

到了1890年代，学界开始注意到悬浮沉淀剂可以提高生物处理的效果。例如Mather和Platt在1893 年的实验显示，在曝气池底部的沉淀杂质提高了处理效果。Walter Adeney在1905年给英国污水处理皇家委员会提交的报告也进一步印证了这个观点，因为他发现那些收集的腐殖质能提高处理效果。

这里要提到一个人的名字。在小编看来，他才是活性污泥法发展史上隐藏的最关键人物。他叫Gilbert Fowler。早在1897年他就已经开始进行废水的曝气实验，而且他不仅得到澄清出水，甚至还看到有能快速沉淀的颗粒物。十分遗憾的是，Fowler当时认为这种强化沉淀是个失败的结果，因为他自以为，觉得最佳处理效果是让污水中的所有杂质都要得到溶解或气化。

事后诸葛来看，Fowler不仅让活性污泥法的出世推迟了20年，他甚至让好氧颗粒污泥的诞生推迟了100年。更甚的是，Fowler干的“错事”远不止此，我们在下集再聊。

“用生物能源的力量为人类服务。”Gilbert J. Fowler的照片。在和曼城就活性污泥专利问题产生争议之后，褔勒宜居印度。他去了印度科学研究所，并在那里继续污水处理的研究，包括氮循环、污泥处理和微生物的工业用途等。图源：Frontispiece/地点：1924年于班加罗尔的Phoenix Printing House

吹了30多年的气，生物腐殖质或者粘稠物对曝气处理的重要性已经得到了业界的广泛认同。在工程应用上，美国人有了重大突破：

首先在纽约，Black 和Phelps已经通过实验发现更大的生物膜比表面积的作用，所以他们摒弃了当时流行的粗糙石质载体，转而使用间隙更近的木板条，并在布鲁克林污水试验站进行大规模试验。本质上，这是一个曝气版的厌氧水解池(Travis 'Colloider')，因为后者也是用木条。

1886 vs 2011

建于1886年的劳伦斯实验站和2011年翻新后的对比 | 图源：ASCE+Wikipedia

接着在麻省的劳伦斯市(1912年)，Clark和Gage 也在实验室做过类似研究。他们分别用藻类悬浮物和木板载体收集的生物质进行接种，然后对比两者曝气处理的效率。这里要提及英国的分析化学家William Dibdin(1850-1925) ，因为板床设计理念应该要归功于他。早在1884 年他就做过简单曝气的尝试，但失败了。在先后试过间歇滤池、接触床和串联接触床等方式后，他又回到了板岩床接触器器这种将曝气与生物处理结合的方法。

“重磅炸弹”般的发现

这时候，那个叫Gilbert Fowler的人又登场了。

由于工作原因，他被邀请去美国参与纽约港污染事件的审查工作。在这次旅程中，褔勒有机会亲眼看到Clark 和Gage 在劳伦斯实验站的实验。

这次偶然的拜访，绝对是世界污水处理史的一个重要拐点。在小编看来，褔勒虽然在此前和此后(剧透了)都做了不少“错事”，但在这一刻，他算是在正确的时间出现在正确的地点。在回忆活性污泥法的往事时，褔勒称这次参观访问促进了他对活性污泥法的构想，他也因此将劳伦斯实验站称作“污水处理的麦加圣地”( Mecca of sewage purification)。

尽管褔勒此前的曝气实验不算顺利，但在美国的见闻让他很快就想到了去培养悬浮生物质。回到曼彻斯特后，他开始相关的实验，污水在接种了铁盐和所谓的M7菌种后，放入一个悬浮生长系统进行曝气。这次褔勒成功了——1913年，福勒和E Moore Mumford在一个叫《Surveyor》的期刊上发表了题为《The Bacterial Clarification of Sewage》的文章。

在这个系统里，有一个“吹气罐”(blowing tank)和一个沉淀池(clarifier)，大家是不是觉得已经很像经典的活性污泥的构型？小编写到这里都为褔勒叹一声气，他的学术造诣似乎总是差那么一点天份？没有设计污泥回流系统，他是如何保持曝气池的生物质浓度的呢？他给的答案是不断地给曝气池投菌。

这也不能怪褔勒一个人，毕竟曝气实验从Smith博士的所谓史上首次实验计起，直到1913年，已经有32年了。这30年里，居然也没有其他人想到生物质循环的重要性。不过这也就给 Edward Ardern和William T. Lockett两人书写自己历史的机会。

1914年4月3日，是世界污水处理史特别重要的一天。

英国化工协会(Society of Chemical Industry)的一个会议在曼彻斯特的大酒店举行，Edward Ardern和William T. Lockett做一个题为《Experiments on the Oxidation of Sewage Without the Aid of Filters》的报告。随后这份报告刊于同年5月的《Journal of the Society of Chemical Industry》上。

他们在报告里分享了一个重大发现，就是反应池的腐殖质固体不应该被丢掉，相反应该保留下来。他们在文中提出一个新的工艺理念，算是一种曝气序批式反应器。当时他们把这种反应器类型称之为fill-and-draw。Fill and draw，顾名思义，就是倒一批水，处理好后，抽出来。虽然没有回流系统，但这个设计能够将沉淀的污泥保留在反应器底部。

在实验室里，他们将污水装在玻璃瓶里进行曝气，瓶外用纸包着，防止光照导致藻类生长。当时他们使用可降解有机物的去除率和完全硝化的程度可以评判净化速率。他们发现经过几个处理周期后，系统的处理效率开始提升。他们最终将净化时间降到24小时以内！这大大提高了工艺的经济可行性。

无独有偶，这两个人的导师，正是褔勒本人。用他俩来解释“青出于蓝”再生动不过了。褔勒也对自己两个学生的科研成果大加赞赏，并称这是一个“bombshell”般的发现。

另外，小编在Ardern和Lockett的故事里也有一点额外的个人体会：会干活很重要，但会写也很重要，因为这能让你干的活让更多的人知道，并成为你的传世遗产。

应用进展

Ardern和Lockett在1914-1915年间，一口气发了题为《Experiments on the Oxidation of Sewage without the Aid of Filters》I、II和III 的papers，小编就擅自称它们做活性污泥的经典三部曲吧。

在这三篇papers里，他们对很多工艺细节都进行了考察，包括能耗、污泥处理、硝化菌对温度和pH的敏感度，连续进水和序批式运行的对比，工业废水的影响、曝气的方法和程度，以及根据目标污水对活性污泥进行驯化调节的需要。遗憾的是他们当时并没有完全理解其中的原理，他们只看到在这样的反应器里，经过几次进水-曝气-静置-排水的过程后，那些污泥像是被激活(activated)了那样。所以在1914年那篇paper中，他们用双引号提出了“activated sludge”这个词。无论如此。这在当时已经是一个让人震惊的大发现。

也许更重要的是，Ardern 和 Lockett 演讲的观众立即认识到了这一发现的巨大价值。

值得一提的是，在1914年的另一个学术会议上，Ardern和Lockett做了第二篇paper的报告。在会上，Melling声称他在英格兰的Salford就已经成功搭建了一个活性污泥工艺系统，规模达到302立方米/天。而在大西洋另一端的纽约，Black和Phelps也在大规模的测试中取得了成功。这意味着其实在1914年前，世界各地都已相继获得活性污泥工艺的经验知识。

从1914年开始，英美两国都相继有了活性污泥的大规模工程应用。James Alleman教授对此进行了整理。英国的代表案例如下：

活性污泥工艺在美国的发展速度也相当惊人。

1914 年 8 月，伊利诺伊大学的Edward Bartow教授就去曼彻斯特访问了福勒的团队。回到美国之后，他按照福勒的思路开始了自己的小试和中试实验。在短短几个月内， 其他美国学者相继开展类似的研究。两年之后，美国开始有自己的大规模工程应用了，而且规模远超英国：

James Alleman教授对英美两国当时的工艺细节选择进行了对比，他发现英国的曝气池停留时间更长(8-12小时)，而且有多个厂选择了机械曝气。在英国，对回流污泥进行分段再曝气也很常见，因为他们觉得这能重新激活这些生物质。美国人则觉得这一步没必要，因为他们觉得英国人设计的好氧池的停留时间够长的了——美国的好氧池时间一般只在3-6小时，而且几乎都是扩散曝气。第三点区别则是此前提到的，美国的厂处理规模远超英国——1917年单厂日处理量突破五位数(休斯顿)，到了1927年则突破了50万/天(芝加哥)。这些数字也显示了活性污泥法进入了爆发增长期。

这是否意味着活性污泥法有着光明的未来呢？我们下集再聊。