全康環(huán)保:回頭來(lái)看，活性污泥法可以在短短幾年間，從非常前期的實(shí)驗室研究一舉轉變?yōu)槎鄠€(gè)上千方規模的工程應用，這是相當了不起的成就。

用現在00后的話(huà)說(shuō)，活性污泥就是在一夜間變成廢水處理界中“最靚的仔”。然而，盡管活性污泥法在初期的發(fā)展勢頭看似迅猛，實(shí)際上是等到1950年代才算是進(jìn)入廣泛應用的時(shí)期。

為什么會(huì )這樣呢？

拋開(kāi)兩次世界大戰的影響不談，在James Alleman教授看來(lái)，原因也很簡(jiǎn)單，就是被專(zhuān)利訴訟問(wèn)題耽誤了。

如今污水工程界的人只歌頌Ardern和Lockett兩人的貢獻，但很少人提及活性污泥法工藝在商業(yè)領(lǐng)域遭受的“挫折”。在《活性污泥的前40年》下集里，我們來(lái)看看商業(yè)世界的"陰暗面"如何拖了活性污泥法發(fā)展的后腿。

跑在報告前頭的專(zhuān)利

說(shuō)起活性污泥的專(zhuān)利，大家可能都以為Ardern和Lockett是最早的申請人，但實(shí)際并不如此。一家叫Jones & Attwood的公司才是最早申請相關(guān)專(zhuān)利的組織。他們在A(yíng)rdern和Lockett做報告之前，就已經(jīng)成功為活性污泥工藝申請了4項專(zhuān)利，還涵蓋了英國和美國兩地。

這些專(zhuān)利主要涉及“對污水及其他非干凈水的處理裝置的改進(jìn)”(Improvements in Apparatus for the Purification of Sewage or other Impure Waters)。我們來(lái)看看四項專(zhuān)利的概況：

各位有沒(méi)有發(fā)現，這四個(gè)專(zhuān)利都沒(méi)有出現“活性污泥”的字眼。

但第729號專(zhuān)利文件其實(shí)是闡明了該工藝的基本核心內容，還提到了污泥回流的設計，而且這項專(zhuān)利提供的反應器的設計圖和1980年代許多公司推銷(xiāo)的閉環(huán)設計驚人相似。

不可否認的是，當時(shí)活性污泥法之所以能快速實(shí)現這么多工程應用，真的有賴(lài)于Jones & Attwood公司做的很多前期工作。Worcester和Stamford等多個(gè)污水廠(chǎng)都是Jones & Attwood公司自掏腰包承擔風(fēng)險建起來(lái)的，不然沒(méi)辦法用事實(shí)展現系統的優(yōu)異性。這里還有一個(gè)值得一提的冷知識點(diǎn)，就是Jones & Attwood公司和Worcester簽的單是要根據出水水質(zhì)來(lái)考核績(jì)效的，這也再次反映Jones & Attwood公司的遠見(jiàn)和膽識。

話(huà)說(shuō)Jones & Attwood并不是應活性污泥法工藝臨時(shí)注冊的公司，它的起源可以追溯到1836年，從1876年起專(zhuān)注為市政污水市場(chǎng)設計和供應水頭設備和系統。其實(shí)它現在還活著(zhù)，只是經(jīng)過(guò)幾次收購之后，不再是行業(yè)最亮的星。我們以后有機會(huì )專(zhuān)門(mén)寫(xiě)一篇關(guān)于Jones & Attwood公司的故事。

在美國，一個(gè)叫Leslie Frank的公共衛生官員在1915年也獲得了活性污泥工藝的專(zhuān)利，專(zhuān)利編號為#1139024，內容和Jones&Attwood提交的材料基本相同。這個(gè)讓活性污泥法的專(zhuān)利問(wèn)題變得更加復雜了。更搞笑的是，這個(gè)Frank語(yǔ)文水平可能也不咋滴，他居然把活性污泥的英文也拼錯了，錯寫(xiě)成“activated slude”(不知道這個(gè)錯誤是什么時(shí)候改回來(lái)的)。

所以在1915年，已經(jīng)有兩個(gè)不同的公司或人給活性污泥法申請了專(zhuān)利。除此之外，勞倫斯實(shí)驗站的Clark也對?勒自稱(chēng)的“活性污泥法創(chuàng )始人”的地位提出了異議。拋開(kāi)這些說(shuō)不清、道不明的法律和專(zhuān)利問(wèn)題，活性污泥法有今天，其實(shí)還真的給美國工程界的工程師們說(shuō)聲真誠的謝謝。

1914 年底，Jones and Attwood已經(jīng)通過(guò)私下關(guān)系提醒過(guò)美國的城市和工程師們，要對專(zhuān)利侵權問(wèn)題保持謹慎態(tài)度。當美國工程師去為自己的創(chuàng )新工藝申請專(zhuān)利的時(shí)候(例如1923年Hurd在印第安納波利斯首推的螺旋流曝氣模式)，都被Jones and Attwood迅速駁回了，理由是都違反了所謂的英國專(zhuān)利的程序。但隨著(zhù)越來(lái)越多活性污泥法的污水廠(chǎng)的落成投產(chǎn)，美國業(yè)內對專(zhuān)利問(wèn)題及糾紛的擔憂(yōu)似乎有所減少。

但這好光景并沒(méi)有維持多久。1920年代末，一家叫Activated Sludge的公司對芝加哥市提出訴訟。Activated Sludge, Ltd.,是Jones and Attwood在美國的授權代理商。接著(zhù)，該公司相繼對密爾沃基、克利夫蘭、印第安納波利斯等城市提出訴訟。

裁決結果一般要花上數年時(shí)間。在那幾年里，因為這些法律糾紛，衛生工程行業(yè)也不由重新認真審視活性污泥工藝的近期的使用前景。到了1933 年，威斯康星地區法官Ferdinand A. Geiger 裁定密爾沃基市侵犯了Activated Sludge持有的專(zhuān)利。密爾沃基市提交了上訴，但在 1934 年 10 月，最高法院決定拒絕翻案。

普渡大學(xué)的Don Evans Bloodgood教授(已逝)曾于1935年在威斯康星大學(xué)獲得土木工程師的學(xué)位證書(shū)。在他看來(lái)，這位叫Geiger法官可能不是因為法律細節，而更多因為看不慣密爾沃基代表律師的口沒(méi)遮攔才做出這個(gè)裁決的。當然，現在對所有的猜測都無(wú)從考證。但這個(gè)裁決結果卻影響深遠，它立刻在全美掀起波瀾――許多工廠(chǎng)都立刻關(guān)閉來(lái)避免罰款，包括了位于德州San Marcos的污水廠(chǎng)，它是美國首個(gè)活性污泥法污水廠(chǎng)。當然也有一些廠(chǎng)接受以人均0.25美元的價(jià)格支付授權費。

1939年的Engineering News Record的統計顯示，美國在1938年有203座活性污泥工藝廠(chǎng)，其中有150座向Activated Sludge Ltd公司支付了授權使用費。但許多計劃建活性污泥法新廠(chǎng)的城市，大多選用了替代工藝(例如滴濾池)，或者推遲安裝計劃，等到專(zhuān)利過(guò)期為止(首都華盛頓就是其中的代表)。

顯然，在這次專(zhuān)利糾紛中，密爾沃基和芝加哥兩個(gè)城市遭受的損失最大。它們都被罰款近100萬(wàn)美元。這相當于今天的1600萬(wàn)美元！在密爾沃基一案中，被告的罰金來(lái)自自他們從Milorganite得到的收益。Milorganite時(shí)至今日依然有售，沒(méi)想到原來(lái)早在1926年就上市了，而在1934年的年銷(xiāo)售額就高達300萬(wàn)美元。芝加哥可能更后悔一些，因為其實(shí)Activated Sludge, Ltd公司曾提出過(guò)90000美元的庭外和解費，但它拒絕了，最終耗費了這么多年的時(shí)間、精力和賠償。

讀到這里，大家可能會(huì )有一個(gè)疑問(wèn)：為何不是Ardern和Lockett去申請專(zhuān)利的呢？

簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，那是因為Gilbert Fowler（嗯，又是他）將他的申請權移交給了Jones and Attwood。

那?勒為什么有這樣的權利？密歇根大學(xué)的Glen Daigger教授在《Activated Sludge - 100 Years and Counting》一書(shū)中也討論過(guò)這個(gè)問(wèn)題，說(shuō)這“至今還是個(gè)謎(...somewhat cloaked in mystery)”。不過(guò)有一點(diǎn)是可以確定的，就是專(zhuān)利是在A(yíng)rdern和Lockett公開(kāi)報告之前就已經(jīng)獲批的了。拿到專(zhuān)利權后，他們就系統性地向采用這個(gè)工藝的人和單位追討賠款。

法律以外的爭論

1915-1935年被認為是活性污泥法深陷法律糾紛的20年，但其實(shí)在此期間，業(yè)界還在為兩件事情爭論得熱火朝天：

第一是關(guān)于曝氣系統的選擇――應該選用機械還是擴散曝氣模式呢？

第二個(gè)討論是關(guān)于工藝的定性――這是物理化學(xué)原理還是生物原理呢？

關(guān)于曝氣模式的選擇問(wèn)題，也許從曝氣研究開(kāi)始的第一天就沒(méi)停過(guò)了。即使是最早期的研究人員都意識到能耗性能是選擇曝氣方法的判斷依據。有些人認為所有的氧氣傳遞都在液體表面進(jìn)行，所以機械曝氣是最好的選擇。持此觀(guān)點(diǎn)的學(xué)者包括了Buswell、Peck、Kessener 和 Ribbius。但也有另一撥人認為擴散曝氣才是理想系統，其中的代表包括Fowler 和 Chaterjee、Roe、Nordell 和 Keefer。但直到1936年，才有人將兩方觀(guān)點(diǎn)拿出來(lái)探討，Ridenour 和Henderson在1936-1937年間發(fā)了三篇文章，對兩種曝氣模式進(jìn)行了徹底的對比。他們的結論是，每種選擇都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。不過(guò)他們也暗示，機械曝氣好像在同等能耗下提供更多的氣體輸送，當然他們也列出了特定的場(chǎng)景要求。

第二個(gè)討論也很有趣，活性污泥究竟算是物理化學(xué)還是生物工藝呢？

Baly認為，污水膠體和絮凝體基質(zhì)之間的電荷差導致了靜電相吸，從而形成沉淀。沿著(zhù)類(lèi)似的思路，Theriault認為活性污泥法是一種生物沸石機制(不好意思，小編沒(méi)空去考證生物沸石是什么)。更多的學(xué)者認為，含鐵化合物在氧化過(guò)程中起主導作用。這個(gè)理論可能是受到Gilbert Fowler和E. Moore Mumford 最初做的 M-7菌的研究的影響。后來(lái)有人進(jìn)行細化，說(shuō)鐵充當氧的載體，并促進(jìn)隨后的氧化。

支持活性污泥法是生物工藝的那些人最初認為酶活性是主要機理(包括Harris、Woolridge和Standfast、Mohlman等)。也有人(Cramer)認為原生動(dòng)物的代謝是基本介質(zhì)。Eisenberg還認為原生動(dòng)物就是活性污泥的重要組分。Ardern也認為原生動(dòng)物是評判污泥質(zhì)量好壞的指標，而且它能改善出水澄清度。但Buswell對活性污泥做的比喻最形象簡(jiǎn)潔，他將這些生物質(zhì)比作“饑餓的豬”。有趣的是，到了1920 年，Buswell和Long的研究基本上已經(jīng)驗證了活性污泥背后的生物學(xué)原理。但支持酶活性一說(shuō)的Mohlman 在1930 年的社論卻還仍然表達他對活性污泥的“一無(wú)所知”。

沒(méi)有停滯的工藝優(yōu)化

無(wú)論有什么法律糾紛或者學(xué)術(shù)討論，人們對活性污泥工藝的優(yōu)化工作其實(shí)一直都沒(méi)有停歇過(guò)。他們的優(yōu)化工作焦點(diǎn)主要落在節能曝氣能耗上。Jones and Attwood在這方面也做了很多工作，例如他們在1916年就設計了一種間歇曝氣的工藝，并注冊了專(zhuān)利。他們主要采用了一種創(chuàng )新的機械閥組件，與恒定送氣相比，這種方法可以調節開(kāi)關(guān)來(lái)決定曝氣的循環(huán)周期，顯然能減少總的曝氣量。

James Alleman教授說(shuō)，在1980年代，有人將Jones and Attwood這種設計理念用在單池硝化-反硝化的系統里。除了間歇曝氣，他也有介紹了1936 年的錐形曝氣、1942 年的階梯曝氣和 1943 年的改良曝氣等優(yōu)化曝氣技術(shù)。

另一方面，生物膜模式的研究也一直在進(jìn)行著(zhù)。但當時(shí)大家更多將這種附著(zhù)生長(cháng)模式視作是懸浮生長(cháng)的強化輔助力。比較出名的工藝包括了浸入式的接觸曝氣器(submerged contact aerators)或者空氣濾池(aero-filters)。這些曝氣系統用更多的木板條來(lái)為生物膜生長(cháng)提供接觸表面。Imhoff 和 Clark 是這方面的研究的主要代表，而且基本是 Black 和 Phelps之前在紐約的研究的延續。

1939年到1945年，世界大國都忙著(zhù)第二次世界大戰，這又耽誤了污水生物處理工藝的發(fā)展。但在此期間，也有一些工藝因為和軍隊的關(guān)系而有過(guò)短暫的輝煌，其中包括了基于浸入式接觸曝氣的Hays工藝。它最初由Clyde Hays在1930-1938 年間研發(fā)使用，這個(gè)工藝使用了垂直堆疊在曝氣池內的波紋石棉-混凝土板。在 1940 年代它曾因在美國軍事污水廠(chǎng)中被廣泛使用而紅極一時(shí)，但該工藝在第二次世界大戰期間逐漸消失，一個(gè)可能的原因是戰時(shí)物資短缺，他們用平板作為替代生物膜載體，但平板很容易崩塌。

到了1950年代中期，英美許多污水廠(chǎng)的出水都已經(jīng)達到所謂的30：20標準了。這個(gè)所謂的30：20標準指出水的SS低于30mg/L，BOD低于20mg/L，這是當時(shí)的英國皇家委員會(huì )制定的標準，也算是當時(shí)世界的最高出水要求了。另一方面，因為在英國很多污水廠(chǎng)在好氧段的停留時(shí)間都在10小時(shí)左右，所以基本都能完成完全硝化，這也促成了出水氨氮標準的出臺(<10mg/L)。

但在這個(gè)時(shí)候，有不少基于活性污泥法的污水廠(chǎng)面臨著(zhù)5個(gè)問(wèn)題的困擾：

活性污泥工藝污水廠(chǎng)的常見(jiàn)問(wèn)題

1 污泥膨脹

2 泡沫問(wèn)題

3 硝化反應不穩定

4 缺少曝氣器單位功率的氧化能力的準確信息

5 尚不知道進(jìn)水水質(zhì)(負荷和溫度)對出水和污泥性質(zhì)的影響（產(chǎn)量、氧氣吸收率、沉降性和脫水性）

顯然，在后來(lái)的日子里，這些問(wèn)題都得到了解決。

小編之所以把故事的時(shí)間線(xiàn)停在1954年，其中一個(gè)原因是這是活性污泥一詞面世的第40年；第二個(gè)原因是在這一年里，確實(shí)有一個(gè)新工藝橫空出世――當時(shí)在荷蘭應用科學(xué)研究組織(TNO)工作的荷蘭人Aale Pasveer博士開(kāi)發(fā)了一種基于間歇曝氣的氧化溝系統。

小編是在2006年上大學(xué)的。當時(shí)第一聽(tīng)到“氧化溝”工藝的時(shí)候，覺(jué)得這名字土爆了，一聽(tīng)就是過(guò)時(shí)的東西（請原諒年幼無(wú)知的我，誰(shuí)年輕的時(shí)候不曾追求“新”事物呢？）。

現在看完相關(guān)資料，才知道氧化溝的厲害（由于篇幅關(guān)系，小編改天再專(zhuān)門(mén)給氧化溝寫(xiě)篇它的傳記）?？偟膩?lái)說(shuō)，氧化溝最大的意義在于大大降低了當時(shí)的運行成本，據稱(chēng)是當時(shí)主流活性污泥法的一半而已。這也讓許多小城市都有能(zi)力(jin)建污水廠(chǎng)了。污水處理不再是大城市的專(zhuān)屬！這對改善環(huán)境而言，簡(jiǎn)直是功德無(wú)量。

有趣的是，在1948年，著(zhù)名的Karl Imhoff發(fā)表了一篇文章，題為《The Continuous Flow Principle of Sewage Treatment》。他在里邊幾乎將間歇曝氣/fill&draw循環(huán)系統批評得一無(wú)是處。這么看來(lái)，Pasveer博士等人的故事可以拍成一部頌揚不畏權威、追求真理的勵志電影？誰(shuí)又能想到，如今最新的好氧顆粒污泥工藝，也是基于fill&draw的理念的呢？

巧合的是，從氧化溝開(kāi)始，荷蘭人似乎開(kāi)始取代英美的科學(xué)家，開(kāi)始在一次又一次的污水工藝創(chuàng )新拐點(diǎn)上，率先刻上自己的名字。

碎碎念

也許你會(huì )問(wèn)：你把活性污泥法的歷史寫(xiě)這么詳細有什么用？能幫我更好地完成分(zhuan)內(geng)工(duo)作(qian)嗎？

這是個(gè)好問(wèn)題，但對小編而言，算是超綱了，沒(méi)法回答。但小編這幾年下來(lái)讀了一些關(guān)于污水處理的歷史，逐漸有一個(gè)感覺(jué)，借網(wǎng)友的話(huà)說(shuō)，就是“已有的事后必再有，已行的事后必再行，日光之下并無(wú)新事”。污水處理工藝的創(chuàng )新，似乎總在懸浮生長(cháng)vs附著(zhù)生長(cháng)、連續式vs間歇式、厭氧vs好氧之間反復更替。

也正如James Alleman在他那篇《活性污泥70年歷史的回顧》最后寫(xiě)道的那樣：“Perhaps the most enlightening conclusion that might be drawn in consideration of recent events is the obvious reinforcement of the belief that history does repeat itself.”

小編只是個(gè)說(shuō)故事的人，剩下的交給有心的讀者細品。

延伸閱讀：

活性污泥法的前40年(上) ? 那些課本沒(méi)說(shuō)的人和事