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細節。但小編也敢打賭，現在的環境工程師里沒幾個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，因為幾乎全世界的教科書都說他倆是活性污泥法的發明人，打卡時間是1914年。但在小編看完多篇文獻后，發現兩位英國人更像是“被安排”到這個位置上的。
活性污泥法的榮譽絕不該只由Ardern和Lockett兩人獨享，猶如基因技術的發展并不是從1953年James Watson和Francis Crick發現DNA雙螺旋結構后才從天而降。活性污泥法的傳奇歷史，本來就是一條沒有開頭、沒有終點的時間線，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聯名在美國Water Environment Federation的期刊上發表過一篇文章，題目為《活性污泥70年歷史的回顧》(Reflections on Seven Decades of Activated Sludge History)。
James Alleman當時還是普渡大學土木工程院的環境工程助理教授，如今是圣母大學(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)研發實驗室工作。
一聽這文章名字，就知道它注定是一篇經典之作。的確，它已經成為業界考察活性污泥工藝發展史的重要文獻。可惜中文媒體好像還沒有相關報道，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展的歷史，但和Alleman教授設的節點不同，我要講的是在1954年前的事。
作者：瓦村農夫
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…
現代污水生物處理的起步階段，或許可以從19世紀末和 20世紀初說起。
在那個時候污水處理還未必算是一門正經學科。當時歐洲的Mueller、Frankland、Bailey-Denton、Dibdin等人，以及美國麻省的勞倫斯實驗站的 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備。
請記住，1896年是污水生物處理史的重要一年。
那一年，一個叫Donald Cameron的英國城市測量師，給自己為英格蘭Exeter市設計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計的人和污水處理設施征收版稅(royalty)。化糞池工藝在當時其實挺受歡迎的，但專利問題大大降低了其市場占有率，市面上也開始出現了替代厭氧系統，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也為他的設備申請了專利，但相關的版稅要低得多。
當時更受歡迎的處理手段仍以物理化學方法為主，其中包括了基本稀釋、沉淀、化學處理和電解處理（所謂的直接氧化工藝）系統。但總的來說，這些工藝技術的出水水質都不如人意。另外這些方法因為大多含有厭氧環境，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候推出一種新工藝，它的出水無臭無色，應該能容易讓公眾接受。它就是我們現在所知的“活性污泥法”。
“吹”出來的研究
在19世紀末，大家還沒搞懂那些惡臭的來源，但科學家的直覺告訴他們，好氧條件可以改善和厭氧有關的臭氣問題。因此，有人開始嘗試實驗，往污水罐里吹氣。
據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。當時他們認為“氧氣的存在”為廢水污染物的氧化反應提供所需的氧氣。可惜當時的實驗結果似乎也并不顯著，而且這些文獻都沒有畫工藝圖，沒辦法去考證問題出在哪里。另外，從經濟角度考慮，盡管確實能延遲腐爛反應(putrescence)的發生，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驗站對人工曝氣濾池的研究成果。如今看來，很明顯，這是因為那些固定生物膜單元的氧氣傳質效率更高 ，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 年的實驗顯示，在曝氣池底部的沉淀雜質提高了處理效果。Walter Adeney在1905年給英國污水處理皇家委員會提交的報告也進一步印證了這個觀點，因為他發現那些收集的腐殖質能提高處理效果。
這里要提到一個人的名字。在小編看來，他才是活性污泥法發展史上隱藏的最關鍵人物。他叫Gilbert Fowler。早在1897年他就已經開始進行廢水的曝氣實驗，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，Fowler當時認為這種強化沉淀是個失敗的結果，因為他自以為，覺得最佳處理效果是讓污水中的所有雜質都要得到溶解或氣化。
事后諸葛來看，Fowler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，Fowler干的“錯事”遠不止此，我們在下集再聊。
“用生物能源的力量為人類服務。”Gilbert J. Fowler的照片。在和曼城就活性污泥專利問題產生爭議之后，褔勒宜居印度。他去了印度科學研究所，并在那里繼續污水處理的研究，包括氮循環、污泥處理和微生物的工業用途等。圖源：Frontispiece/地點：1924年于班加羅爾的Phoenix Printing House
吹了30多年的氣，生物腐殖質或者粘稠物對曝氣處理的重要性已經得到了業界的廣泛認同。在工程應用上，美國人有了重大突破：
首先在紐約，Black 和Phelps已經通過實驗發現更大的生物膜比表面積的作用，所以他們摒棄了當時流行的粗糙石質載體，轉而使用間隙更近的木板條，并在布魯克林污水試驗站進行大規模試驗。本質上，這是一個曝氣版的厭氧水解池(Travis 'Colloider')，因為后者也是用木條。
1886 vs 2011
建于1886年的勞倫斯實驗站和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 也在實驗室做過類似研究。他們分別用藻類懸浮物和木板載體收集的生物質進行接種，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家William Dibdin(1850-1925) ，因為板床設計理念應該要歸功于他。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合的方法。
“重磅炸彈”般的發現
這時候，那個叫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，褔勒有機會親眼看到Clark 和Gage 在勞倫斯實驗站的實驗。
這次偶然的拜訪，絕對是世界污水處理史的一個重要拐點。在小編看來，褔勒雖然在此前和此后(劇透了)都做了不少“錯事”，但在這一刻，他算是在正確的時間出現在正確的地點。在回憶活性污泥法的往事時，褔勒稱這次參觀訪問促進了他對活性污泥法的構想，他也因此將勞倫斯實驗站稱作“污水處理的麥加圣地”( Mecca of sewage purification)。
盡管褔勒此前的曝氣實驗不算順利，但在美國的見聞讓他很快就想到了去培養懸浮生物質。回到曼徹斯特后，他開始相關的實驗，污水在接種了鐵鹽和所謂的M7菌種后，放入一個懸浮生長系統進行曝氣。這次褔勒成功了——1913年，福勒和E Moore Mumford在一個叫《Surveyor》的期刊上發表了題為《The Bacterial Clarification of Sewage》的文章。
在這個系統里，有一個“吹氣罐”(blowing tank)和一個沉淀池(clarifier)，大家是不是覺得已經很像經典的活性污泥的構型？小編寫到這里都為褔勒嘆一聲氣，他的學術造詣似乎總是差那么一點天份？沒有設計污泥回流系統，他是如何保持曝氣池的生物質濃度的呢？他給的答案是不斷地給曝氣池投菌。
這也不能怪褔勒一個人，畢竟曝氣實驗從Smith博士的所謂史上首次實驗計起，直到1913年，已經有32年了。這30年里，居然也沒有其他人想到生物質循環的重要性。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。
英國化工協會(Society of Chemical Industry)的一個會議在曼徹斯特的大酒店舉行，Edward Ardern和William T. Lockett做一個題為《Experiments on the Oxidation of Sewage Without the Aid of Filters》的報告。隨后這份報告刊于同年5月的《Journal of the Society of Chemical Industry》上。
他們在報告里分享了一個重大發現，就是反應池的腐殖質固體不應該被丟掉，相反應該保留下來。他們在文中提出一個新的工藝理念，算是一種曝氣序批式反應器。當時他們把這種反應器類型稱之為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，但這個設計能夠將沉淀的污泥保留在反應器底部。
在實驗室里，他們將污水裝在玻璃瓶里進行曝氣，瓶外用紙包著，防止光照導致藻類生長。當時他們使用可降解有機物的去除率和完全硝化的程度可以評判凈化速率。他們發現經過幾個處理周期后，系統的處理效率開始提升。他們最終將凈化時間降到24小時以內！這大大提高了工藝的經濟可行性。
無獨有偶，這兩個人的導師，正是褔勒本人。用他倆來解釋“青出于藍”再生動不過了。褔勒也對自己兩個學生的科研成果大加贊賞，并稱這是一個“bombshell”般的發現。
另外，小編在Ardern和Lockett的故事里也有一點額外的個人體會：會干活很重要，但會寫也很重要，因為這能讓你干的活讓更多的人知道，并成為你的傳世遺產。
應用進展
Ardern和Lockett在1914-1915年間，一口氣發了題為《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典三部曲吧。
在這三篇papers里，他們對很多工藝細節都進行了考察，包括能耗、污泥處理、硝化菌對溫度和pH的敏感度，連續進水和序批式運行的對比，工業廢水的影響、曝氣的方法和程度，以及根據目標污水對活性污泥進行馴化調節的需要。遺憾的是他們當時并沒有完全理解其中的原理，他們只看到在這樣的反應器里，經過幾次進水-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”這個詞。無論如此。這在當時已經是一個讓人震驚的大發現。
也許更重要的是，Ardern 和 Lockett 演講的觀眾立即認識到了這一發現的巨大價值。
值得一提的是，在1914年的另一個學術會議上，Ardern和Lockett做了第二篇paper的報告。在會上，Melling聲稱他在英格蘭的Salford就已經成功搭建了一個活性污泥工藝系統，規模達到302立方米/天。而在大西洋另一端的紐約，Black和Phelps也在大規模的測試中取得了成功。這意味著其實在1914年前，世界各地都已相繼獲得活性污泥工藝的經驗知識。
從1914年開始，英美兩國都相繼有了活性污泥的大規模工程應用。James Alleman教授對此進行了整理。英國的代表案例如下：
活性污泥工藝在美國的發展速度也相當驚人。
1914 年 8 月，伊利諾伊大學的Edward Bartow教授就去曼徹斯特訪問了福勒的團隊。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驗。在短短幾個月內， 其他美國學者相繼開展類似的研究。兩年之后，美國開始有自己的大規模工程應用了，而且規模遠超英國：
James Alleman教授對英美兩國當時的工藝細節選擇進行了對比，他發現英國的曝氣池停留時間更長(8-12小時)，而且有多個廠選擇了機械曝氣。在英國，對回流污泥進行分段再曝氣也很常見，因為他們覺得這能重新激活這些生物質。美國人則覺得這一步沒必要，因為他們覺得英國人設計的好氧池的停留時間夠長的了——美國的好氧池時間一般只在3-6小時，而且幾乎都是擴散曝氣。第三點區別則是此前提到的，美國的廠處理規模遠超英國——1917年單廠日處理量突破五位數(休斯頓)，到了1927年則突破了50萬/天(芝加哥)。這些數字也顯示了活性污泥法進入了爆發增長期。
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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