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編者按：提起活性污泥，環(huán)保界很多人都不會(huì)感到陌生，但是要追問(wèn)起這項(xiàng)工藝背后經(jīng)歷的歷史故事，恐怕很多學(xué)習(xí)污水處理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，都很少能將活性污泥工藝的發(fā)展歷程說(shuō)出個(gè)子丑寅卯來(lái)，甚至不少?gòu)氖聦?zhuān)業(yè)工作很多年的工程師，也對(duì)此知之甚少。因此，本文回顧了活性污泥的誕生過(guò)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(jì)60年代開(kāi)始，歐洲興起了工業(yè)革命，這一影響人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)關(guān)系的變革一直持續(xù)到19世紀(jì)末，工業(yè)革命帶來(lái)的直接受利即促使了城市化迅速發(fā)展，當(dāng)時(shí)英國(guó)城市人口已達(dá)到全國(guó)人口50％以上。在這一巨大的社會(huì)變革中，出現(xiàn)了許多新的社會(huì)問(wèn)題，很凸顯的一個(gè)問(wèn)題就是：城市化的發(fā)展導(dǎo)致大量的污水無(wú)法得到有效的處理。這一問(wèn)題一直持續(xù)到20世紀(jì)20年代中期，才出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。

當(dāng)時(shí)的英國(guó)，成為了水污染問(wèn)題最為嚴(yán)重的國(guó)家，城市發(fā)展不斷產(chǎn)生的衛(wèi)生問(wèn)題以及工業(yè)對(duì)清潔水源的要求，促使英國(guó)在19世紀(jì)后半期形成了一系列環(huán)境治理機(jī)構(gòu)，這其中就包括在1865年成立的河流污染皇家委員會(huì)。河流污染皇家委員會(huì)的成立促成了河流污染控制法的問(wèn)世，這是1876年的事情。但是，在法規(guī)的明文背后，英國(guó)卻并沒(méi)有找到合適的技術(shù)來(lái)防止河流的進(jìn)一步污染。因此，從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，1898年成立的污水處理皇家委員會(huì)可被視為污水處理技術(shù)發(fā)展的里程碑。該委員會(huì)成立后組織的一系列活動(dòng)，使人們更深刻地理解了影響水體的水質(zhì)因素。污水處理皇家委員會(huì)最為知名的一個(gè)貢獻(xiàn)，就是在1908年提出的BOD測(cè)試，著名的“30:20（SS:30mg/L、BOD:20 mg/L）+完全硝化”出水標(biāo)準(zhǔn)在1912年得以被采納，在當(dāng)時(shí)，這一標(biāo)準(zhǔn)被視為污水處理工藝發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。

在這樣的時(shí)代背景下，歐洲的科學(xué)家積極地尋找各種提高污水處理效率的辦法，當(dāng)時(shí)很多研究者的一個(gè)直覺(jué)是好氧情況下可以避免污水散發(fā)的難聞惡臭，因此，一些研究者開(kāi)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(yàn)，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(duì)于污水曝氣都會(huì)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(guó)馬薩諸塞州的勞倫斯試驗(yàn)站在當(dāng)時(shí)是污水處理領(lǐng)域非常著名的研究機(jī)構(gòu)，研究方向是驗(yàn)證各種不同的污水處理方法。其在1891~1898年期間，研究的內(nèi)容之一也是對(duì)城市污水曝氣，英國(guó)人洛可克在1892年也對(duì)污水進(jìn)行了類(lèi)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(nèi)直接曝氣。早期的研究者認(rèn)為，氧的存在會(huì)使污水中的物質(zhì)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(guó)曼徹斯特大學(xué)的教授，也是曼徹斯特河道部門(mén)的咨詢化學(xué)家，該所大學(xué)當(dāng)時(shí)以微生物的工業(yè)應(yīng)用而聞名于世。他在1897年進(jìn)行的污水曝氣試驗(yàn)中，產(chǎn)生了清澈的出水，同時(shí)也產(chǎn)生了快速沉淀的顆粒物。但是，福勒認(rèn)為這些沉淀物是試驗(yàn)的失敗之處，他認(rèn)為污水的凈化應(yīng)該是污染物變?yōu)槿芙鉅顟B(tài)或變?yōu)闅鈶B(tài)。

活性污泥概念的初步形成

1911年，勞倫斯試驗(yàn)站的首席化學(xué)家克拉克正在研究生活污水對(duì)水體生物的影響，他將魚(yú)放在池內(nèi)，開(kāi)始加入污水，看看魚(yú)能忍受多少容量的污水。他發(fā)現(xiàn)，隨著注入的污水越來(lái)越多，為了讓魚(yú)還能在其中生存，就需要在池內(nèi)鼓入足夠的空氣。試驗(yàn)過(guò)程中他還發(fā)現(xiàn)，隨著污水的加多，在池內(nèi)出現(xiàn)了一些沉淀物。而當(dāng)停止曝氣后，他發(fā)現(xiàn)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(yīng)該可以做一些類(lèi)似的研究”。隨后他立即放棄了對(duì)魚(yú)的生物研究，轉(zhuǎn)而開(kāi)始對(duì)池中的污水進(jìn)行曝氣實(shí)驗(yàn)，幾個(gè)星期后，他已經(jīng)能夠?qū)⑽鬯�進(jìn)行充分的凈化。

1912年，曼徹斯特大學(xué)的福勒教授來(lái)到了勞倫斯試驗(yàn)站，這一次他是應(yīng)邀去解決紐約港的污染問(wèn)題。在這次旅行中，福勒有幸目睹了克拉克和蓋奇正在進(jìn)行的試驗(yàn)，克拉克和蓋奇在勞倫斯試驗(yàn)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(yàn)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(yù)處理手段；另外一種方法是讓污水在密實(shí)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(guò)，但并不成功。

福勒認(rèn)為這次造訪使他的思路豁然開(kāi)朗，甚至將勞倫斯試驗(yàn)站稱為“污水凈化的圣地”。

在去勞倫斯試驗(yàn)站之前，福勒當(dāng)時(shí)正和一位名叫曼福特的年輕細(xì)菌學(xué)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(xué)的猶太裔化學(xué)家、政治家，后來(lái)在1949年成為以色列第一任總統(tǒng)。魏茲曼與福勒密切合作，他們負(fù)責(zé)指導(dǎo)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(lái)結(jié)為夫妻。

曼福特當(dāng)時(shí)調(diào)查了曼徹斯特附近一個(gè)煤礦的排水，發(fā)現(xiàn)在一種細(xì)菌的作用下，鐵會(huì)在水里沉淀。曼福特收集了這些細(xì)菌，開(kāi)始培養(yǎng)，并命名為“M7”菌，他發(fā)現(xiàn)在存在有鐵鹽、空氣和有機(jī)氮（例如蛋白胨、肉）的情況下，這種細(xì)菌可以形成鐵的沉淀。

回到曼徹斯特后，福勒問(wèn)起了曼福特有關(guān)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(yīng)該會(huì)形成沉淀”。雖然他對(duì)于早年的污水曝氣試驗(yàn)很失望，但此時(shí)他顯然已經(jīng)意識(shí)到了懸浮固體的重要性。于是他們開(kāi)始研究用M7菌的培養(yǎng)基，鼓入空氣，并加入鐵鹽和污水。他們發(fā)現(xiàn)用這種細(xì)菌可以使污水獲得澄清透明，并可在生物濾池內(nèi)迅速進(jìn)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(xué)處理方法相比，投加的量要小的多。福勒這樣總結(jié)當(dāng)時(shí)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(yù)言，狄布丁曾經(jīng)預(yù)言污水處理的未來(lái)應(yīng)該是采用一種合適的微生物與污水進(jìn)行曝氣。衛(wèi)生部門(mén)對(duì)福勒的提法倍加贊賞，稱之為“迷人的想法、獨(dú)創(chuàng)的想法”，但同時(shí)也對(duì)其能否將實(shí)驗(yàn)室的研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程深表懷疑。實(shí)際上M7工藝從來(lái)沒(méi)在實(shí)際中得到應(yīng)用。一部分的原因是它明顯的工業(yè)特點(diǎn)，另外在每批次的處理過(guò)程中都要投加這種細(xì)菌和鐵鹽，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。盡管如此，M7工藝試驗(yàn)中所用到的裝置對(duì)后來(lái)活性污泥的發(fā)明事實(shí)上也起到了作用。

在福勒與曼福特研究M7工藝的同時(shí)，福勒也在嘗試讓他的助手愛(ài)德華•阿登和威廉•洛克特重復(fù)一下他在勞倫斯試驗(yàn)室看到的試驗(yàn)。阿登是英國(guó)曼徹斯特戴維漢姆實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)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(xué)工業(yè)學(xué)會(huì)的初級(jí)會(huì)員，受雇于曼徹斯特河道部門(mén)，在戴維漢姆實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究工作。福勒從1904起就對(duì)戴維漢姆實(shí)驗(yàn)室的研究進(jìn)行指導(dǎo)。

1913年，阿登和洛克特開(kāi)始對(duì)曼徹斯特的污水進(jìn)行小試曝氣：將玻璃瓶里裝上2.27升的污水，為了防止藻類(lèi)的生長(zhǎng)，瓶子用棕色的紙包起來(lái)，將一根管子彎成90度插入瓶?jī)?nèi)進(jìn)行曝氣，同時(shí)實(shí)現(xiàn)充分的攪拌，最后直到氨氮轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}氮（硝化過(guò)程），但這一過(guò)程需要耗時(shí)6個(gè)星期，如此長(zhǎng)的時(shí)間顯然不具實(shí)用價(jià)值。但他們下一步的研究非常關(guān)鍵，阿登和洛克特沒(méi)有將瓶?jī)?nèi)的污泥排出去，而是把污泥留存下來(lái)，將上清液排出，然后又加入新的污水，開(kāi)始曝氣，這次硝化過(guò)程耗時(shí)3個(gè)星期，他們又將上清液排出，瓶?jī)?nèi)積累的污泥更多，然后再次加入新的污水曝氣重復(fù)上述過(guò)程，硝化的時(shí)間進(jìn)一步縮短，直到最后在24小時(shí)內(nèi)即可讓污水得到充分的處理。

阿登和洛克特通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為污水處理技術(shù)革命的曙光就在眼前，洛克特在一份手稿中這樣寫(xiě)到：“目前試驗(yàn)的結(jié)果預(yù)示著它可能會(huì)對(duì)污水處理產(chǎn)生顛覆性的影響”。1914年4月3日，阿登在在曼徹斯特大酒店舉行的化學(xué)工業(yè)學(xué)會(huì)上介紹了他們的研究工作，他事先邀請(qǐng)了各地的污水處理工作者，約有200多名科學(xué)家和工程師參會(huì)，這些人沒(méi)有失望�！稛o(wú)需濾池的污水氧化試驗(yàn)1》一文首次在衛(wèi)生領(lǐng)域內(nèi)提出“活性污泥”的概念，與會(huì)者一致認(rèn)為活性污泥的發(fā)明具有劃時(shí)代的意義。