1914年4月3日
大自然的启示——活性污泥污水处理
人生了病往往可以自愈，大自然经历灾变，如火山爆发、地震、飓风或林火的袭击之后，在没有人类的恣意搅扰时，也可以自愈。海啸过后海水自会变蓝，大火之后山林自会重新覆盖，污浊的河水也自会变清，这一切“自愈能力”的背后，都有一个共同的机制——生态系统。大自然的生态系统是经千百万年形成的，自然界万物皆处于相互依存的共生体系之中。然而，在人类强大的作用之下，绝对未受搅扰的生态系统已经极为罕见了。
生态系统的“自愈”出自于千万年来形成的“自然调节”的能力。俗话说“水流百步自会清”，河湖污水清澈的机制就来源于水流的生态系统。在这个系统中，清淤的主角是谁？你可能根本想象不到，它这就是水下的污泥。在自然界，流水和污泥处于共生关系。由于自然万物彼此共生，大自然没有废物，水下污泥就是一个明显的例证。
欧洲工业革命之后，工业迅速发展，城市人口也随之扩大，当时英国50%以上的人口涌向了城市，随着工业发展与人口聚集，一系列环境问题也随之而来，英国成为了世界上水污染最严重的国家。在巨大的压力之下，英国采取了一系列环境治理措施。1865年成立了河流治理皇家委员会，1876年制定了河流污染控制法，特别是在1898年，又成立了污水处理皇家委员会。此后，一系列污水治理的研究课题迅速开展起来。
1912年，英国曼彻斯特大学的科学家吉尔伯特·富勒（Gilbert Fowler）应邀解决美国纽约港的水污染问题，他来到污水处理皇家委员会所属的劳伦斯试验站。在试验中，他注意到两个现象：一是把含有绿藻的污泥放入污水中可以加速污水变清；另一个现象是，往污水中充入空气或氧气，也能增强污水去污的能力，这就是后来所谓的“曝气法”。
富勒这两个关键的发现引起他的两位年轻助手爱德华·阿登（Edward Ardern）和威廉·洛克特（William T. Lockett）的注意。他们想仔细地考察在污水处理中曝气和污泥的作用。1913年，这两位年轻人开始了小型试验。他们先把2.27升的污水放入玻璃瓶中，为了排除绿藻的影响，他们把瓶子外面用棕色纸包裹起来，然后边向瓶内充气边搅拌，直到污水中的氨氮物质完全转化为硝酸盐氮为止，也就是完成了所谓的“硝化过程”。他们发现，完成这一化学过程耗时6个星期。花费如此长的时间，显然不具备实用价值。接着，他们又开始第二个非常关键的试验，他们没有把污泥清除出去，只是把清水倒出来，再续入新的污水，继续边曝气边搅拌，结果发现，完成完全硝化只需要3个星期。他们再把清水倒出去，留下污泥加入污水，结果发现，随着污泥加多，完全硝化的时间也变得更短，直到最后，只需24小时即可使污水完全充分处理。
阿登和洛克特的试验回答了一个重要的问题，即在自然条件下，为什么河湖之水能自行保持清澈。为了查明污泥清污作用的真相，他们做了广泛的调查，从不同的河湖之中取来当地的水与河泥，研究水与淤泥的成分，并进行了清污过程的曝气实验，结果有更重要的发现：首先，在不同的河道中，水和淤泥的成分都有所不同，在天生的淤泥之中，富含大量的微生物，这些微生物与河水配套，形成长期稳定的关系，这就是现在所称的生态系统；水与淤泥长期形成共生关系，淤泥清淤的秘密就在其中，淤泥中的微生物依靠水生植物和河水中的有机物生长繁殖，就保持了河水清澈。阿登和洛克特在试验中还证明，在污泥清污中曝气，会使淤泥的清污能力更加活跃，曝气下的污泥胜过活性炭的过滤能力。
1914年4月3日，英国化学工业学会会议在曼彻斯特大饭店召开，这次大会的主要议题是城市污水处理，有200多名科学家和工程师参加。阿登当众宣读了他们的论文“无须过滤装置的污水氧化试验”，这篇论文引起了热烈的反响。后来，又经过加工整理和补充以后，阿登和洛克特又以《活性污泥污水处理法》为题，联名把论文发表在化学工业协会的一本会刊上。这篇论文首次提出了“活性污泥”概念，并系统地介绍了“活性污泥法”。这是一种利用充满了生物体的污泥加上充气技术进行污水处理的方法。阿登和洛克特所创造的活性污泥处理污水法具有划时代的意义，它很快得到广泛的应用，并成为以后迅速发展的各种生物污水处理技术的核心。
1914年10月11日，阿登与洛克特的这项技术取得了专利；1915年5月11日，这项技术又取得了美国专利。这项技术很快在全球推广，它给世界带来了重要的影响。就在阿登与洛克特发表论文的当年，曼彻斯特建成了活性污泥处理试验厂。两年以后，美国马萨诸塞州伍斯特正式建成世界首座持续运行的大型活性污泥污水处理厂。“一战”结束后，这一技术又经过大幅改进，先后在丹麦、德国和加拿大迅速实施，到了20世纪30年代，活性污水处理技术在世界生物净水技术中迅速地推广开来，由此开创了城市污水处理技术的先河。
从本质上说，活性污泥污水处理法是从大自然的启示中研发出来的。在自然状态下，污水和生物物质通常混合在一起成为混合水。经过一段时间的沉积后，水下形成烂泥。渐渐地，在水生植物、各种微生物逐渐形成并综合相互作用后，形成水下污泥，这是由沉淀物形成的原生污泥。随着污泥逐渐加厚、堆积和发酵，加上水生植物、细菌、各种微生物的共同营造，渐渐形成具有清污活力的活性污泥。活性污泥中的微生物、植物与各种细菌依靠污水中的有机物为生，与此同时污水也得以澄清。在自然环境下，污水与水下污泥相互间达到平衡状态，形成一种稳定的共生关系。
活性污泥处理污水实际上是一种生物、物理和化学过程。健康的生物活泥是一种棕黄色的污泥，其中含有大量的以污水作为营养物的微生物，即原生动植物，主要成分有阿米巴变形虫、螺旋体虫、周生鞭毛菌、钟虫、轮虫类和大量分泌黏液的丝状菌，如浮游类的球衣类细菌等。根据所处理的不同类型污水，活性污泥的成分也彼此不同。无论什么样的活性污泥，都有丰富的微生物生存在其中。
典型的活性污泥法设施由曝气池、沉淀池、污泥回流系统和剩余污泥排放系统等四部分组成，工程图和程序图分别如图1和图2所示。先把污水和活性污泥注入到曝气池中形成混合液，同时用空气压缩机把压缩空气注入到混合液中，通过搅拌加大污水含氧量，使污泥与污水充分地混合接触，以加大活性污泥的作用效能。此时，污水中的有机污染物被活性污泥颗粒吸附，在微生物的作用下，污染物有机分子受到细菌酶的作用，分解为有机小分子，在氧气充足的条件下，污泥中的微生物把这些有机小分子吸收，经氧化分解生成二氧化碳和水，微生物吸收食物的养分而增殖繁衍，活性污泥的活力得以增殖。与此同时，污水中的有机污染物经过降解得以去除而净化，污水和活性污泥彼此共生，相得益彰。这就是活性污泥法在曝气池的作用流程。
图1
图2
为进一步净化，沉淀池的作用也不可忽视。从曝气池流出的净化混合液再度进入沉淀池。在沉淀池中，悬浮的活性污泥和其他的固体物质沉积下来，经过澄清的水从这里排出，沉淀下来的污泥从沉淀池底部排出，大部分回流到曝气池，再度进行净化处理，还有一小部分沉积在最底部的有机污染物混在剩余污泥中从这里排出。
从以上过程可以看出，活性污泥法的原理很简单，是微生物“吃掉”了污水中的有机物，在污水澄清的同时，活性污泥中的微生物也因为得到了养分而生长繁殖。这一过程从本质上与自然界水体自净化的过程极其相似，只是这个净化的过程经人工装置而加速和强化。
活性污泥法原理简单，但建成一个持续运行的工程体系并非易事，环保是要付出代价的。自20世纪60年代以来，随着经济发展，电子工业的迅速扩张，造成污水水体营养化问题更加凸显，污水中所含的污染物成分也趋于复杂，它们包括：氧化碳质类、氧化氮质类、铵类和氮磷合成物等，脱氮和除磷成为污水处理的一个急待解决的难题。在1969年，美国水文科学家弗莱德里克·巴茨（Friedrich Barth）提出了“三段法除氮磷”技术，然而实施了脱氮除磷工艺之后，新的矛盾又暴露出来。原来，脱氮所需要的硝化菌需要长泥龄，而除磷所使用的聚磷微生物则需要短泥龄，在工业污水中，氮与磷污染物往往同时出现，为了解决这一矛盾，在20世纪70年代中期，德国的博特·博恩科（Botho Bohnke）教授又开发出了AB工艺，分别使用长短不同泥龄的污泥，将脱氮与除磷工艺分两段进行。以后，随着人类对健康改进的需求，以及城市污水水质的变化，污水处理技术也在一步步地发展，其中所蕴含的技术含量也不断提升，如用活性泥清理啤酒废水，用于制药业的有机污水处理，用于去除污水中的氨氮及亚硝酸盐的方法等。
回顾人类在城市污水处理的发展足迹，这一切进展都是建立在最初的活性污泥污水法的基础之上。污水除污已成为环境和资源保护的重要一环，成为环境工作者的关注重点。污水除污的基本原理来源于大自然的启示，这件事也更使我们明白了一个道理，世间万物皆处于系统之中，包括污泥在内，每一个物种都有其自身存在的价值，因而每一个物种都是独一无二的，是值得珍惜的。
关键词：水下污泥，活性污泥，sewage sludge，activated sludge
图2：（略）