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編者按：提起活性污泥，環(huán)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(jīng)歷的歷史故事，恐怕很多學(xué)習(xí)污水處理專業(yè)的學(xué)生，都很少能將活性污泥工藝的發(fā)展歷程說出個子丑寅卯來，甚至不少從事專業(yè)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(jì)60年代開始，歐洲興起了工業(yè)革命，這一影響人類社會生產(chǎn)關(guān)系的變革一直持續(xù)到19世紀(jì)末，工業(yè)革命帶來的直接受利即促使了城市化迅速發(fā)展，當(dāng)時英國城市人口已達(dá)到全國人口50％以上。在這一巨大的社會變革中，出現(xiàn)了許多新的社會問題，很凸顯的一個問題就是：城市化的發(fā)展導(dǎo)致大量的污水無法得到有效的處理。這一問題一直持續(xù)到20世紀(jì)20年代中期，才出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。

當(dāng)時的英國，成為了水污染問題最為嚴(yán)重的國家，城市發(fā)展不斷產(chǎn)生的衛(wèi)生問題以及工業(yè)對清潔水源的要求，促使英國在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。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(guī)的明文背后，英國卻并沒有找到合適的技術(shù)來防止河流的進(jìn)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(shù)發(fā)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(zhì)因素。污水處理皇家委員會最為知名的一個貢獻(xiàn)，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(biāo)準(zhǔn)在1912年得以被采納，在當(dāng)時，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)時很多研究者的一個直覺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(dāng)時是污水處理領(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)容之一也是對城市污水曝氣，英國人洛可克在1892年也對污水進(jìn)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(nèi)直接曝氣。早期的研究者認(rèn)為，氧的存在會使污水中的物質(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•福勒是英國曼徹斯特大學(xué)的教授，也是曼徹斯特河道部門的咨詢化學(xué)家，該所大學(xué)當(dāng)時以微生物的工業(yè)應(yīng)用而聞名于世。他在1897年進(jìn)行的污水曝氣試驗中，產(chǎn)生了清澈的出水，同時也產(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，勞倫斯試驗站的首席化學(xué)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(nèi)，開始加入污水，看看魚能忍受多少容量的污水。他發(fā)現(xiàn)，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(nèi)鼓入足夠的空氣。試驗過程中他還發(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)該可以做一些類似的研究”。隨后他立即放棄了對魚的生物研究，轉(zhuǎn)而開始對池中的污水進(jìn)行曝氣實驗，幾個星期后，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)的福勒教授來到了勞倫斯試驗站，這一次他是應(yīng)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(jìn)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(yù)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(rèn)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(dāng)時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，這兩位后來結(jié)為夫妻。

曼福特當(dāng)時調(diào)查了曼徹斯特附近一個煤礦的排水，發(fā)現(xiàn)在一種細(xì)菌的作用下，鐵會在水里沉淀。曼福特收集了這些細(xì)菌，開始培養(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(jīng)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(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)生部門對福勒的提法倍加贊賞，稱之為“迷人的想法、獨創(chuàng)的想法”，但同時也對其能否將實驗室的研究成果轉(zhuǎn)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(yīng)用。一部分的原因是它明顯的工業(yè)特點，另外在每批次的處理過程中都要投加這種細(xì)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(fā)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(fù)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(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(jìn)行研究工作。福勒從1904起就對戴維漢姆實驗室的研究進(jìn)行指導(dǎo)。

1913年，阿登和洛克特開始對曼徹斯特的污水進(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(nèi)進(jìn)行曝氣，同時實現(xiàn)充分的攪拌，最后直到氨氮轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}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(guān)鍵，阿登和洛克特沒有將瓶內(nèi)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(nèi)積累的污泥更多，然后再次加入新的污水曝氣重復(fù)上述過程，硝化的時間進(jìn)一步縮短，直到最后在24小時內(nèi)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(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到：“目前試驗的結(jié)果預(yù)示著它可能會對污水處理產(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(xué)家和工程師參會，這些人沒有失望�！稛o需濾池的污水氧化試驗1》一文首次在衛(wèi)生領(lǐng)域內(nèi)提出“活性污泥”的概念，與會者一致認(rèn)為活性污泥的發(fā)明具有劃時代的意義。