活性污泥法工藝背后的故事

提起活性污泥，環保界很多人都不會感到陌生，但是要追問起這項工藝背后經歷的歷史故事，恐怕很多學習污水處理專業的學生，都很少能將活性污泥工藝的發展歷程說出個子丑寅卯來，甚至不少從事專業工作很多年的工程師，也對此知之甚少。因此，本文回顧了活性污泥的誕生過程，這期間可謂充滿了曲折與艱辛，甚至不乏傳奇色彩，令人嘆為觀止。

早期的污水曝氣研究

從18世紀60年代開始，歐洲興起了工業革命，這一影響人類社會生產關系的變革一直持續到19世紀末，工業革命帶來的直接受利即促使了城市化迅速發展，當時英國城市人口已達到全國人口的50%以上。在這一巨大的社會變革中，出現了許多新的社會問題，很凸顯的一個問題就是：城市化的發展導致大量的污水無法得到有效的處理。這一問題一直持續到20世紀20年代中期，才出現了轉機。

當時的英國，成了水污染問題最為嚴重的國家，城市發展不斷產生的衛生問題以及工業對清潔水源的要求，促使英國在19世紀后半期形成了一系列環境治理機構，這其中就包括在1865年成立的河流污染皇家委員會。河流污染皇家委員會的成立促成了河流污染控制法的問世，這是1876年的事情。但是，在法規的明文背后，英國卻并沒有找到合適的技術來防止河流的進一步污染。因此，從這一點來說，1898年成立的污水處理皇家委員會可被視為污水處理技術發展的里程碑。該委員會成立后組織的一系列活動，使人們更深刻地理解了影響水體的水質因素。污水處理皇家委員會最為知名的一個貢獻，就是在1908年提出的BOD測試，著名的“30：20（SS：30mg/L、BOD：20 mg/L）+完全硝化”出水標準在1912年得以被采納，在當時，這一標準被視為污水處理工藝發展的巨大挑戰。

在這樣的時代背景下，歐洲的科學家積極地尋找各種提高污水處理效率的辦法，當時很多研究者的一個直覺是好氧處理可以避免污水散發的難聞惡臭，因此，一些研究者開始嘗試向污水中鼓入空氣。安格斯·史密斯博士在1882年所做的試驗，通常被視為早期這方面研究的代表，他指出在任何情況下，對于污水曝氣都會使腐敗延遲，而且在曝氣的情況下更容易形成硝酸鹽氮。

美國馬薩諸塞州的勞倫斯試驗站在當時是污水處理領域非常著名的研究機構，研究方向是驗證各種不同的污水處理方法。其在1891～1898年期間，研究的內容之一也是對城市污水曝氣，英國人洛可克在1892年也對污水進行了類似的曝氣研究，但這些研究都是采用生物濾池曝氣，而不是污水在池子內直接曝氣。早期的研究者認為，氧的存在會使污水中的物質得到良好的氧化，但是與曝氣方面投入的大量研究相比，污水處理效率的提高卻收效甚微。

吉爾伯特·福勒是英國曼徹斯特大學的教授，也是曼徹斯特河道部門的咨詢化學家，該所大學當時以微生物的工業應用而聞名于世。他在1897年進行的污水曝氣試驗中，產生了清澈的出水，同時也產生了快速沉淀的顆粒物。但是，福勒認為這些沉淀物是試驗的失敗之處，他認為污水的凈化應該是污染物變為溶解狀態或變為氣態。

活性污泥概念的初步形成

1911年，勞倫斯試驗站的首席化學家克拉克正在研究生活污水對水體生物的影響，他將魚放在池內，開始加入污水，看看魚能忍受多少容量的污水。他發現，隨著注入的污水越來越多，為了讓魚還能在其中生存，就需要在池內鼓入足夠的空氣。試驗過程中他還發現，隨著污水的增多，池內出現了一些沉淀物。而當停止曝氣后，他發現將這些沉淀物排出池子，水就能變得很清澈，于是他就想：“在曝氣方面也應該可以做一些類似的研究”。隨后他立即放棄了對魚的生物研究，轉而開始對池中的污水進行曝氣實驗，幾個星期后，他已經能夠將污水進行充分的凈化。

1912年，曼徹斯特大學的福勒教授來到了勞倫斯試驗站，這一次他是應邀去解決紐約港的污染問題。在這次旅行中，福勒有幸目睹了克拉克和蓋奇正在進行的試驗，克拉克和蓋奇在勞倫斯試驗站比較了兩種處理方法，一種是讓污水在接種有綠藻的瓶子中曝氣，檢驗在有綠藻的情況下曝氣的有效性，目的是作為生物濾池的一種預處理手段；另外一種方法是讓污水在密實的板巖中曝氣，污水在板巖中曝氣的概念歸因于狄布丁，狄布丁在1884年就嘗試過，但并不成功。

福勒認為這次造訪使他的思路豁然開朗，甚至將勞倫斯試驗站稱為“污水凈化的圣地”。

在去勞倫斯試驗站之前，福勒當時正和一位名叫曼福特的年輕細菌學家合作，曼福特除了與福勒合作之外，他還是魏茲曼的助手，魏茲曼是曼徹斯特大學的猶太裔化學家、政治家，后來在1949年成為以色列第一任總統。魏茲曼與福勒密切合作，他們負責指導曼福特和格拉迪斯·克里菲（后改名格拉迪斯·曼福特）兩位助理研究員的工作，這兩位后來結為夫妻。

曼福特當時調查了曼徹斯特附近一個煤礦的排水，發現在一種細菌的作用下，鐵會在水里沉淀。曼福特收集了這些細菌，開始培養，并命名為“M7”菌，他發現在存在有鐵鹽、空氣和有機氮（例如蛋白胨、肉）的情況下，這種細菌可以形成鐵的沉淀。

回到曼徹斯特后，福勒問起了曼福特有關M7菌的事情，“M7的事情怎么樣了？如果它可以與蛋白胨形成沉淀，那與污水也應該會形成沉淀”。雖然他對于早年的污水曝氣試驗很失望，但此時他顯然已經意識到了懸浮固體的重要性。于是他們開始研究用M7菌的培養基，鼓入空氣，并加入鐵鹽和污水。他們發現用這種細菌可以使污水獲得澄清透明，并可在生物濾池內迅速進一步氧化處理，甚至可以直接排向河道。雖然需要投加鐵鹽，但是與化學處理方法相比，投加的量要小得多。福勒這樣總結當時的研究：“使用了自然界中的一種特殊微生物處理污水”，M7菌的方法似乎印證了狄布丁的預言，狄布丁曾經預言污水處理的未來應該是采用一種合適的微生物與污水進行曝氣。衛生部門對福勒的提法倍加贊賞，稱之為“迷人的想法、獨創的想法”，但同時也對其能否將實驗室的研究成果轉化為實際工程深表懷疑。實際上M7工藝從來沒在實際中得到應用。一部分的原因是它明顯的工業特點，另外在每批次的處理過程中都要投加這種細菌和鐵鹽，沒有實用價值。盡管如此，M7工藝試驗中所用到的裝置對后來活性污泥的發明事實上也起到了作用。

在福勒與曼福特研究M7工藝的同時，福勒也在嘗試讓他的助手愛德華·阿登和威廉·洛克特重復一下他在勞倫斯試驗室看到的試驗。阿登是英國曼徹斯特戴維漢姆實驗室的化學工程師，自1899年他就在那里工作。洛克特是福勒的同事，是化學工業學會的初級會員，受雇于曼徹斯特河道部門，在戴維漢姆實驗室進行研究工作。福勒從1904起就對戴維漢姆實驗室的研究進行指導。

1913年，阿登和洛克特開始對曼徹斯特的污水進行小試曝氣：將玻璃瓶里裝上2.27升的污水，為了防止藻類的生長，瓶子用棕色的紙包起來，將一根管子彎成90度插入瓶內進行曝氣，同時實現充分的攪拌，最后直到氨氮轉變為硝酸鹽氮（硝化過程），但這一過程需要耗時6個星期，如此長的時間顯然不具實用價值。但他們下一步的研究非常關鍵，阿登和洛克特沒有將瓶內的污泥排出去，而是把污泥留存下來，將上清液排出，然后又加入新的污水，開始曝氣，這次硝化過程耗時3個星期，他們又將上清液排出，瓶內積累的污泥更多，然后再次加入新的污水曝氣重復上述過程，硝化的時間進一步縮短，直到最后在24小時內即可讓污水得到充分的處理。

阿登和洛克特通過這次實驗，認為污水處理技術革命的曙光就在眼前，洛克特在一份手稿中這樣寫道：目前試驗的結果預示著它可能會對污水處理產生顛覆性的影響。1914年4月3日，阿登在曼徹斯特大酒店舉行的化學工業學會上介紹了他們的研究工作，他事先邀請了各地的污水處理工作者，約有200多名科學家和工程師參會，這些人沒有失望。《無須濾池的污水氧化試驗1》一文首次在衛生領域內提出“活性污泥”的概念，與會者一致認為活性污泥的發明具有劃時代的意義。

（來源：中宜環科環保產業研究）endprint