活性污泥的前40年(下) ? 那些困在專利漩渦的時(shí)光

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(yàn)室研究一舉轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)上千方規(guī)模的工程應(yīng)用，這是相當(dāng)了不起的成就。

用現(xiàn)在00后的話說(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(shì)頭看似迅猛，實(shí)際上是等到1950年代才算是進(jìn)入廣泛應(yīng)用的時(shí)期。

為什么會(huì)這樣呢？

拋開兩次世界大戰(zhàn)的影響不談，在James Alleman教授看來(lái)，原因也很簡(jiǎn)單，就是被專利訴訟問(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(xiàn)，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(bào)告前頭的專利

說(shuō)起活性污泥的專利，大家可能都以為Ardern和Lockett是最早的申請(qǐng)人，但實(shí)際并不如此。一家叫Jones & Attwood的公司才是最早申請(qǐng)相關(guān)專利的組織。他們?cè)贏rdern和Lockett做報(bào)告之前，就已經(jīng)成功為活性污泥工藝申請(qǐng)了4項(xiàng)專利，還涵蓋了英國(guó)和美國(guó)兩地。

這些專利主要涉及“對(duì)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(xiàng)專利的概況：

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

但第729號(hào)專利文件其實(shí)是闡明了該工藝的基本核心內(nèi)容，還提到了污泥回流的設(shè)計(jì)，而且這項(xiàng)專利提供的反應(yīng)器的設(shè)計(jì)圖和1980年代許多公司推銷的閉環(huán)設(shè)計(jì)驚人相似。

不可否認(rèn)的是，當(dāng)時(shí)活性污泥法之所以能快速實(shí)現(xiàn)這么多工程應(yīng)用，真的有賴于Jones & Attwood公司做的很多前期工作。Worcester和Stamford等多個(gè)污水廠都是Jones & Attwood公司自掏腰包承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)建起來(lái)的，不然沒辦法用事實(shí)展現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)異性。這里還有一個(gè)值得一提的冷知識(shí)點(diǎn)，就是Jones & Attwood公司和Worcester簽的單是要根據(jù)出水水質(zhì)來(lái)考核績(jī)效的，這也再次反映Jones & Attwood公司的遠(yuǎn)見和膽識(shí)。

話說(shuō)Jones & Attwood并不是應(yīng)活性污泥法工藝臨時(shí)注冊(cè)的公司，它的起源可以追溯到1836年，從1876年起專注為市政污水市場(chǎng)設(shè)計(jì)和供應(yīng)水頭設(shè)備和系統(tǒng)。其實(shí)它現(xiàn)在還活著，只是經(jīng)過(guò)幾次收購(gòu)之后，不再是行業(yè)最亮的星。我們以后有機(jī)會(huì)專門寫一篇關(guān)于Jones & Attwood公司的故事。

在美國(guó)，一個(gè)叫Leslie Frank的公共衛(wèi)生官員在1915年也獲得了活性污泥工藝的專利，專利編號(hào)為#1139024，內(nèi)容和Jones&Attwood提交的材料基本相同。這個(gè)讓活性污泥法的專利問(wèn)題變得更加復(fù)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(cuò)了，錯(cuò)寫成“activated slude”(不知道這個(gè)錯(cuò)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(qǐng)了專利。除此之外，勞倫斯實(shí)驗(yàn)站的Clark也對(duì)?勒自稱的“活性污泥法創(chuàng)始人”的地位提出了異議。拋開這些說(shuō)不清、道不明的法律和專利問(wèn)題，活性污泥法有今天，其實(shí)還真的給美國(guó)工程界的工程師們說(shuō)聲真誠(chéng)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(guó)的城市和工程師們，要對(duì)專利侵權(quán)問(wèn)題保持謹(jǐn)慎態(tài)度。當(dāng)美國(guó)工程師去為自己的創(chuàng)新工藝申請(qǐng)專利的時(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(guó)專利的程序。但隨著越來(lái)越多活性污泥法的污水廠的落成投產(chǎn)，美國(guó)業(yè)內(nèi)對(duì)專利問(wèn)題及糾紛的擔(dān)憂似乎有所減少。

但這好光景并沒有維持多久。1920年代末，一家叫Activated Sludge的公司對(duì)芝加哥市提出訴訟。Activated Sludge, Ltd.,是Jones and Attwood在美國(guó)的授權(quán)代理商。接著，該公司相繼對(duì)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(jié)果一般要花上數(shù)年時(shí)間。在那幾年里，因?yàn)檫@些法律糾紛，衛(wèi)生工程行業(yè)也不由重新認(rèn)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(qū)法官Ferdinand A. Geiger 裁定密爾沃基市侵犯了Activated Sludge持有的專利。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。在他看來(lái)，這位叫Geiger法官可能不是因?yàn)榉杉?xì)節(jié)，而更多因?yàn)榭床粦T密爾沃基代表律師的口沒遮攔才做出這個(gè)裁決的。當(dāng)然，現(xiàn)在對(duì)所有的猜測(cè)都無(wú)從考證。但這個(gè)裁決結(jié)果卻影響深遠(yuǎn)，它立刻在全美掀起波瀾――許多工廠都立刻關(guān)閉來(lái)避免罰款，包括了位于德州San Marcos的污水廠，它是美國(guó)首個(gè)活性污泥法污水廠。當(dāng)然也有一些廠接受以人均0.25美元的價(jià)格支付授權(quán)費(fèi)。

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

顯然，在這次專利糾紛中，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(dāng)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，沒想到原來(lái)早在1926年就上市了，而在1934年的年銷售額就高達(dá)300萬(wàn)美元。芝加哥可能更后悔一些，因?yàn)槠鋵?shí)Activated Sludge, Ltd公司曾提出過(guò)90000美元的庭外和解費(fèi)，但它拒絕了，最終耗費(fèi)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(qǐng)專利的呢？

簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，那是因?yàn)镚ilbert Fowler（嗯，又是他）將他的申請(qǐng)權(quán)移交給了Jones and Attwood。

那?勒為什么有這樣的權(quán)利？密歇根大學(xué)的Glen Daigger教授在《Activated Sludge - 100 Years and Counting》一書中也討論過(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，就是專利是在Ardern和Lockett公開報(bào)告之前就已經(jīng)獲批的了。拿到專利權(quán)后，他們就系統(tǒng)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(zhēng)論

1915-1935年被認(rèn)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(zhēng)論得熱火朝天：

第一是關(guān)于曝氣系統(tǒng)的選擇――應(yīng)該選用機(jī)械還是擴(kuò)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，也許從曝氣研究開始的第一天就沒停過(guò)了。即使是最早期的研究人員都意識(shí)到能耗性能是選擇曝氣方法的判斷依據(jù)。有些人認(rèn)為所有的氧氣傳遞都在液體表面進(jìn)行，所以機(jī)械曝氣是最好的選擇。持此觀點(diǎn)的學(xué)者包括了Buswell、Peck、Kessener 和 Ribbius。但也有另一撥人認(rèn)為擴(kuò)散曝氣才是理想系統(tǒng)，其中的代表包括Fowler 和 Chaterjee、Roe、Nordell 和 Keefer。但直到1936年，才有人將兩方觀點(diǎn)拿出來(lái)探討，Ridenour 和Henderson在1936-1937年間發(fā)了三篇文章，對(duì)兩種曝氣模式進(jìn)行了徹底的對(duì)比。他們的結(jié)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(jī)械曝氣好像在同等能耗下提供更多的氣體輸送，當(dāng)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(rèn)為，污水膠體和絮凝體基質(zhì)之間的電荷差導(dǎo)致了靜電相吸，從而形成沉淀。沿著類似的思路，Theriault認(rèn)為活性污泥法是一種生物沸石機(jī)制(不好意思，小編沒空去考證生物沸石是什么)。更多的學(xué)者認(rèn)為，含鐵化合物在氧化過(guò)程中起主導(dǎo)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(xì)化，說(shuō)鐵充當(dāng)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(rèn)為酶活性是主要機(jī)理(包括Harris、Woolridge和Standfast、Mohlman等)。也有人(Cramer)認(rèn)為原生動(dòng)物的代謝是基本介質(zhì)。Eisenberg還認(rèn)為原生動(dòng)物就是活性污泥的重要組分。Ardern也認(rèn)為原生動(dòng)物是評(píng)判污泥質(zhì)量好壞的指標(biāo)，而且它能改善出水澄清度。但Buswell對(duì)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(yàn)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(dá)他對(duì)活性污泥的“一無(wú)所知”。

沒有停滯的工藝優(yōu)化

無(wú)論有什么法律糾紛或者學(xué)術(shù)討論，人們對(duì)活性污泥工藝的優(yōu)化工作其實(shí)一直都沒有停歇過(guò)。他們的優(yōu)化工作焦點(diǎn)主要落在節(jié)能曝氣能耗上。Jones and Attwood在這方面也做了很多工作，例如他們?cè)?916年就設(shè)計(jì)了一種間歇曝氣的工藝，并注冊(cè)了專利。他們主要采用了一種創(chuàng)新的機(jī)械閥組件，與恒定送氣相比，這種方法可以調(diào)節(jié)開關(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(shè)計(jì)理念用在單池硝化-反硝化的系統(tǒng)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。但當(dāng)時(shí)大家更多將這種附著生長(zhǎng)模式視作是懸浮生長(zhǎng)的強(qiáng)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(tǒng)用更多的木板條來(lái)為生物膜生長(zhǎng)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(xù)。

1939年到1945年，世界大國(guó)都忙著第二次世界大戰(zhàn)，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?yàn)楹蛙婈?duì)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(nèi)的波紋石棉-混凝土板。在 1940 年代它曾因在美國(guó)軍事污水廠中被廣泛使用而紅極一時(shí)，但該工藝在第二次世界大戰(zhàn)期間逐漸消失，一個(gè)可能的原因是戰(zhàn)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，英美許多污水廠的出水都已經(jīng)達(dá)到所謂的30：20標(biāo)準(zhǔn)了。這個(gè)所謂的30：20標(biāo)準(zhǔn)指出水的SS低于30mg/L，BOD低于20mg/L，這是當(dāng)時(shí)的英國(guó)皇家委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)，也算是當(dāng)時(shí)世界的最高出水要求了。另一方面，因?yàn)樵谟?guó)很多污水廠在好氧段的停留時(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(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)(<10mg/L)。

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

活性污泥工藝污水廠的常見問(wèn)題

1 污泥膨脹

2 泡沫問(wèn)題

3 硝化反應(yīng)不穩(wěn)定

4 缺少曝氣器單位功率的氧化能力的準(zhǔn)確信息

5 尚不知道進(jìn)水水質(zhì)(負(fù)荷和溫度)對(duì)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(dāng)時(shí)在荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織(TNO)工作的荷蘭人Aale Pasveer博士開發(fā)了一種基于間歇曝氣的氧化溝系統(tǒng)。

小編是在2006年上大學(xué)的。當(dāng)時(shí)第一聽到“氧化溝”工藝的時(shí)候，覺得這名字土爆了，一聽就是過(guò)時(shí)的東西（請(qǐng)?jiān)從暧谉o(wú)知的我，誰(shuí)年輕的時(shí)候不曾追求“新”事物呢？）。

現(xiàn)在看完相關(guān)資料，才知道氧化溝的厲害（由于篇幅關(guān)系，小編改天再專門給氧化溝寫篇它的傳記）?？偟膩?lái)說(shuō)，氧化溝最大的意義在于大大降低了當(dāng)時(shí)的運(yùn)行成本，據(jù)稱是當(dāng)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)建污水廠了。污水處理不再是大城市的專屬！這對(duì)改善環(huán)境而言，簡(jiǎn)直是功德無(wú)量。

有趣的是，在1948年，著名的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(tǒng)批評(píng)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(yáng)不畏權(quán)威、追求真理的勵(lì)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，從氧化溝開始，荷蘭人似乎開始取代英美的科學(xué)家，開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這么詳細(xì)有什么用？能幫我更好地完成分(zhuan)內(nèi)(geng)工(duo)作(qian)嗎？

這是個(gè)好問(wèn)題，但對(duì)小編而言，算是超綱了，沒法回答。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，借網(wǎng)友的話說(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(zhǎng)vs附著生長(zhǎng)、連續(xù)式vs間歇式、厭氧vs好氧之間反復(fù)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(xì)品。

延伸閱讀：

活性污泥法的前40年(上) ? 那些課本沒說(shuō)的人和事