应用历史 l 从挑战霍乱到颗粒污泥一一荷兰主流污水处理140年

导语：在19世纪，尝试了各种污水处理方法后，出现了“生物体”自然净化污水这一想法。1913年，两位英国化学家在实验室通过给废水曝气一段时间，试图在废水中产生细小絮状物。过程中氧气分子气泡推动了这一过程，絮状细菌（或“活性污泥”）下沉至池体底部，而上部是净化后的废水。这种活性污泥技术很快在世界范围内广泛流行，成为污水净化处理的关键。1938年，美国回顾了此前25年的历史描述到：“这一惊人的增长，在污水处理史上是史无前例的，其必须归因于活性污泥法与现代生活的节奏和科学相契合。现代城市污水处理厂必须无异味、占地小、并易于调控。”

1831-1832年冬季天气温和，春天并不温暖，但总体健康状况良好。然而在1832年6月24日，霍乱灾害就像晴天霹雳一样席卷荷兰海边的村庄，波及斯海弗宁恩（Scheveningen），但它是如何到达那里的呢？这是一个没人能解释的难题。最初，这种致命疾病只流行于印度恒河三角洲流域。然而，自1817年开始，“亚洲霍乱”开始逐渐蔓延至全球。1830年祸及欧洲，在到达斯海弗宁恩之后最终席卷了整个荷兰，导致死亡人数迅速增加。疾病以惊人速度迅速蔓延，造成了极大恐慌。早晨那些身体健康的人到了晚上可能就变得非常虚弱。同样可怕的是，这种疾病可能突然出现在任何地方，无需人与人相互接触。这引起了广泛慌乱，开始到处流传发病原因和治疗理论。

霍乱于1817-1831年10月期间在世界范围内的传播。（来源：Leiden大学图书馆）

19世纪末Hamburg有轨电车上的霍乱。（来源：私人收藏）

伦敦John Snow医生根据“霍乱地图”（城市死亡率分布图）率先提出了一种理论，声称 “细菌”是霍乱的罪魁祸首，其可以通过被污染水体进行传播。然而也存在认为有毒烟雾是导致霍乱和其他疾病的观点。直至19世纪末，才确定细菌（霍乱弧菌）为病原体。

01

工程师建设卫生设施（HYGIENE BY ENGINEERS）

统计学（一门新学科）表明卫生问题与高死亡率、发病率之间存在联系。医生（卫生学家）主张对受到污染和过度拥挤的的工业城市进行大规模清理，并提出了解决技术方案。供应清洁水系统与废物、粪便单独处理措施在解决卫生问题方面发挥了关键作用。包括“管道、转输体、泵、蒸汽泵站、除尘车、堆肥、桶和过滤设备”。工程师们亲临现场，他们在接受了健康教育后，提出构建新的公共卫生基础设施。荷兰最引人注目的是，所有城镇都选择采用自己独特的方式。

1901年，Amsterdam在Sprenkel运河附近建立了给水系统（现归地方政府）——通过沿海的沙丘取水。（资料来源：Amsterdam城市档案馆）

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Johan Van Hasselt和Amsterdam的Duinwater公司

在Johan van Hasselt和Jacobus de Koning创立工程公司后不久，Van Hasselt还成为荷兰首家给水厂Amsterdamse DuinwaterMaatschappij总工程师。这家公司从首都附近的海岸沙丘取水。他于1888年开始第二个工作，其初衷是“使自己能够与公司建立更密切的关系”。然而Van Hasselt很快发现，他不得不把所有时间都投入到这项工作中。在1893年，他离开了该工程公司——这完全违背了他的意愿。

从1905年的一份项目清单可以看出，他在自来水厂工作预期的商业影响并不乐观，该清单仅包含121项中的7项给水工程和饮用水输送工程任务。除饮用水项目外，J. van Hasselt和De Koning从1894年起也开始编制了污水处理报告和执行计划。在当时的西方国家，下水道排放的粪便已成为市政当局和工程公司之间的“大生意”。

于1911年左右修建的自Amsterdam至Zuiderzee的排水管道，其要求是将污水排放至尽可能远离城区的位置。（资料来源：Amsterdam城市档案馆）

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Dwars、Heederik和Verhey的污水系统

自1919年起，由Dwars、Heederik和Verhey共同创立和管理的技术咨询公司（TAB）代表荷兰市政协会（VNG）提供污水处理系统方面的咨询服务。Bastiaan Verhey在英国考察期间学习到关键技术，但真正的专家和污水系统开发背后的关键人物是Adriaan Dwars。到1941年底，该公司向市政当局提交了至少94份咨询报告：这相当于市政当局执行的所有TAB任务的四分之一。污水处理项目伴随着涵洞、控制、监测和溢流、排水管道计划，以及安装设计使泵站完全自动运行。无论是市政项目数量还是技术发展层面，这都是一项具有巨大增长潜力的宏大业务。也再次证明，细菌是所有这一切背后的驱动力。但这一次，不是因为它们造成了污染，而是他们发挥了真正的净化作用。

1919-1933年，A.W.C.Dwars作为Dwars，Groothoff &Verhey的联合创始人，负责公司的污水处理项目。（资料来源：Royal HaskoningDHV公司档案）

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细菌凝聚为絮状物（BACTERIA BECOME FLOCS）

在19世纪，尝试了各种污水处理方法后，出现了“生物体”自然净化污水这一想法。1913年，两位英国化学家在实验室通过给废水曝气一段时间，试图在废水中产生细小絮状物。过程中氧气分子气泡推动了这一过程，絮状细菌（或“活性污泥”）下沉至池体底部，而上部是净化后的废水。

这种活性污泥技术很快在世界范围内广泛流行，成为污水净化处理的关键。1938年，美国回顾了此前25年的历史描述到：“这一惊人的增长，在污水处理史上是史无前例的，其必须归因于活性污泥法与现代生活的节奏和科学相契合。现代城市污水处理厂必须无异味、占地小、并易于调控。”

位于Heiloo的污水处理厂，配有污水泵站、曝气池、末端分离池、污泥干化场、沉淀池和储存池。1937年，失业工人第一次被召集铺设10 000米污水管道。（资料来源：Royal HaskoningDHV公司档案馆）

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PASVEER氧化沟

20世纪初，荷兰建造的管道和泵站设施基本保证了所有污水转移转输问题。大城市的污水几乎没有直接排放到自然水体（如排入当地的运河），它们会通过数公里长的排水管道接入大海或主要河流。而城镇之外的生活和工业污水最终排放到水沟中。但随着时间的推移，这种工业污染导致环境变得越来越脏，越来越臭。

但污水处理厂成本很高。出于这个原因，1954年农业工程师Aale Pasveer（1909-2001）设计了一套简单且价格低廉的解决方案：氧化沟。整个处理过程仍基于活性污泥原理，在一条布置紧凑的渠体中完成。搅拌曝气设备启动时，污水流动，并产生曝气，将活性污泥与污水混合；搅拌器停止时，污泥就沉到了底部，几天后污水被净化而可排出。

Pasveer氧化沟的解决方案意味着初沉池、污泥消化和二沉池——直到现在都是必要的元素——变得毫无必要。他的发明为较小的城市提供了污水处理解决思路，使其能够以更低的成本实现污水净化。小型污水处理厂得以在各地迅速建设。DHV还开发出了一系列的Pasveer氧化沟。

Aale Pasveer正在TNO实验室工作。他在voor gezondheidstechniek研究所（卫生技术研究所）的水、土壤和空气部门工作。（资料来源：TNO）

1954年Pasveer氧化沟处理污水。左侧是旋转搅拌设备，其末端是控制间。（资料来源：Royal Haskoning DHV公司档案）

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DHV发明卡罗塞氧化沟（CARROUSEL）

然而，成本低的Pasveer氧化沟有一个缺陷，其设计水深较浅，导致大规模污水净化需占用大量的额外空间。DHV工程师R.J. Klein提出了解决方案。他最初的研究规模很小，“第一次实验是在一个洗碗槽中进行，在洗碗槽纵向放置一个隔板，由一个由玩具马达驱动的表面曝气机分隔为两部分。”经过一系列实验后，他对Pasveer氧化沟进行改进，称之为Carrousel®。

DHV的专利设计取得了巨大的成功，尤其是促成1971年荷兰地表水污染法生效，迫使工业和地方政府必须开展污水处理。健康不再是水处理的唯一目的，生态系统也需要健康的未来。

1968年在Oosterwolde建设了第一座Carrousel氧化沟，至1993年，全世界又建成了650个Carrousel氧化沟。为了保持其作为工程咨询公司的独立，其他各方出售产品需向DHV支付专利费。

Dick Theunissen站在Carrousel钢制模型旁边（长5米，宽1.2米，深0.4米）。在1971年，位于Amersfoort新总部的衣帽室和绘图室之间保留了一个特殊区域，用于建模研究。（资料来源：Royal Haskoning DHV公司档案馆）

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净化颗粒（THE PURIFYING GRANULE）

当DHV仍在积极开发和设计新一代的Carrousel系统时，环境生物技术学家Mark van Loosdrecht（1959年出生）在他的实验室里得到了惊人的发现。在90年代中期，他与来自代尔夫特理工大学的研究团队一起，设计了一套在废水处理过程中让不同类型的细菌不再以絮状物的形式（缓慢地）絮凝，而是（更快速）以颗粒形式共存的工艺；该过程不需要任何额外辅助。更重要的是，这些颗粒本身形成了一种新型材料：生物塑料。并且这种工艺需更少的能源。

左侧是絮状污泥，右侧是颗粒状污泥。二者成分相似却展现出完全不同的结构。在颗粒污泥中，细菌被一种新物质凝聚：胶状生物聚合物（“生物塑料”）。（资料来源：Winkler et al., "Microbial diversitydifferences", Appl Microbiol Biotechnol 97 (2013), 7447–7458）

在活性污泥法被发现近80年后，Van Loosdrecht的发明标志着污水处理的又一次突破。他寻求与商业界的合作，以进一步利用颗粒污泥的净化能力，开发出市场化产品。在走过一些弯路后，他最终与DHV公司污水技术领域的专家Helle van der Roest相遇。1999年，DHV公司和代尔夫特理工大学正式建立了合作关系。

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NEREDA的发展

1996-2002年，分别进行了一系列小规模的生活和工业废水试验。2005年，第一个基于“Nereda®技术”稳定运行的工业废水处理系统投产使用。技巧是在受折旧周期影响而更替缓慢的市场保持发展速度。由DHV、STOWA（水管理应用研究基金会）、代尔夫特理工大学和六个水资源管理局之间的巧妙合作，证明该方案是可行的。2007年，他们建立了为期10年的公私合作关系。而获准加入合作的水务部门打算在2010年左右更换其现有处理系统。这有助于建立必要的实验研究环境、加速实验技术的工程化应用。Epe污水处理厂于2012年投入运营，由Vallei en Veluwe水务局管理，是荷兰第一家完整Nereda工艺系统的生活污水处理厂。

污水处理分为三个阶段：在颗粒污泥工艺中，所有的净化过程都在一个单独的反应器进行，该反应池定期填充和排空。整个过程需要三个小时。（资料来源：Royal HaskoningDHV公司档案馆）

2009年，南非Gansbaai展示了第一座Nereda生活污水处理厂。（资料来源：Royal Haskoning DHV公司档案馆）

09

可持续创新

对Nereda来说，这一时刻意味着需求量大幅上升的开始。与传统系统相比，该工艺更便宜、更高效、更节能，且所需占地也少得多。前者为水务部门节省开销，而后者则为负责土地规划的部门创造价值。此外，该技术还适用于现有污水处理厂升级。目前，全世界19个国家有超过41个Nereda工艺已在运行。Mark van Loosdrecht教授因对污水处理技术的贡献与创新、发展Nereda技术而获得了许多著名的科学奖项。Royal Haskoning DHV的水资源专家站在科学和前辈的肩膀上巧妙地应用了这项“十年突破性技术”。与Van Hasselt和Dwars的时代不同，工程师、生物技术学家和软件开发人员现在共同致力于提供清洁水，他们正在以一种比以往任何时候都更安全、更环境友好和更可持续的方式进行这项工作。