活性污泥的前40年(下) ? 那些困在專利漩渦的時光
全康環(huán)保:回頭來看，活性污泥法可以在短短幾年間，從非常前期的實驗室研究一舉轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€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，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，實際上是等到1950年代才算是進入廣泛應(yīng)用的時期。
為什么會這樣呢？
拋開兩次世界大戰(zhàn)的影響不談，在James Alleman教授看來，原因也很簡單，就是被專利訴訟問題耽誤了。
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。
跑在報告前頭的專利
說起活性污泥的專利，大家可能都以為Ardern和Lockett是最早的申請人，但實際并不如此。一家叫Jones & Attwood的公司才是最早申請相關(guān)專利的組織。他們在Ardern和Lockett做報告之前，就已經(jīng)成功為活性污泥工藝申請了4項專利，還涵蓋了英國和美國兩地。
這些專利主要涉及“對污水及其他非干凈水的處理裝置的改進”(Improvements in Apparatus for the Purification of Sewage or other Impure Waters)。我們來看看四項專利的概況：
各位有沒有發(fā)現(xiàn)，這四個專利都沒有出現(xiàn)“活性污泥”的字眼。
但第729號專利文件其實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，而且這項專利提供的反應(yīng)器的設(shè)計圖和1980年代許多公司推銷的閉環(huán)設(shè)計驚人相似。
不可否認的是，當(dāng)時活性污泥法之所以能快速實現(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等多個污水廠都是Jones & Attwood公司自掏腰包承擔(dān)風(fēng)險建起來的，不然沒辦法用事實展現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)異性。這里還有一個值得一提的冷知識點，就是Jones & Attwood公司和Worcester簽的單是要根據(jù)出水水質(zhì)來考核績效的，這也再次反映Jones & Attwood公司的遠見和膽識。
話說Jones & Attwood并不是應(yīng)活性污泥法工藝臨時注冊的公司，它的起源可以追溯到1836年，從1876年起專注為市政污水市場設(shè)計和供應(yīng)水頭設(shè)備和系統(tǒng)。其實它現(xiàn)在還活著，只是經(jīng)過幾次收購之后，不再是行業(yè)最亮的星。我們以后有機會專門寫一篇關(guān)于Jones & Attwood公司的故事。
在美國，一個叫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，專利編號為#1139024，內(nèi)容和Jones&Attwood提交的材料基本相同。這個讓活性污泥法的專利問題變得更加復(fù)雜了。更搞笑的是，這個Frank語文水平可能也不咋滴，他居然把活性污泥的英文也拼錯了，錯寫成“activated slude”(不知道這個錯誤是什么時候改回來的)。
所以在1915年，已經(jīng)有兩個不同的公司或人給活性污泥法申請了專利。除此之外，勞倫斯實驗站的Clark也對?勒自稱的“活性污泥法創(chuàng)始人”的地位提出了異議。拋開這些說不清、道不明的法律和專利問題，活性污泥法有今天，其實還真的給美國工程界的工程師們說聲真誠的謝謝。
1914 年底，Jones and Attwood已經(jīng)通過私下關(guān)系提醒過美國的城市和工程師們，要對專利侵權(quán)問題保持謹(jǐn)慎態(tài)度。當(dāng)美國工程師去為自己的創(chuàng)新工藝申請專利的時候(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利的程序。但隨著越來越多活性污泥法的污水廠的落成投產(chǎn)，美國業(yè)內(nèi)對專利問題及糾紛的擔(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的公司對芝加哥市提出訴訟。Activated Sludge, Ltd.,是Jones and Attwood在美國的授權(quán)代理商。接著，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(jié)果一般要花上數(shù)年時間。在那幾年里，因為這些法律糾紛，衛(wèi)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(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，這位叫Geiger法官可能不是因為法律細節(jié)，而更多因為看不慣密爾沃基代表律師的口沒遮攔才做出這個裁決的。當(dāng)然，現(xiàn)在對所有的猜測都無從考證。但這個裁決結(jié)果卻影響深遠，它立刻在全美掀起波瀾――許多工廠都立刻關(guān)閉來避免罰款，包括了位于德州San Marcos的污水廠，它是美國首個活性污泥法污水廠。當(dāng)然也有一些廠接受以人均0.25美元的價格支付授權(quán)費。
1939年的Engineering News Record的統(tǒng)計顯示，美國在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。但許多計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)，或者推遲安裝計劃，等到專利過期為止(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城市遭受的損失最大。它們都被罰款近100萬美元。這相當(dāng)于今天的1600萬美元！在密爾沃基一案中，被告的罰金來自自他們從Milorganite得到的收益。Milorganite時至今日依然有售，沒想到原來早在1926年就上市了，而在1934年的年銷售額就高達300萬美元。芝加哥可能更后悔一些，因為其實Activated Sludge, Ltd公司曾提出過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間、精力和賠償。
讀到這里，大家可能會有一個疑問：為何不是Ardern和Lockett去申請專利的呢？
簡單點說，那是因為Gilbert Fowler（嗯，又是他）將他的申請權(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》一書中也討論過這個問題，說這“至今還是個謎(...somewhat cloaked in mystery)”。不過有一點是可以確定的，就是專利是在Ardern和Lockett公開報告之前就已經(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(tǒng)的選擇――應(yīng)該選用機械還是擴散曝氣模式呢？
第二個討論是關(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題，也許從曝氣研究開始的第一天就沒停過了。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(jù)。有些人認為所有的氧氣傳遞都在液體表面進行，所以機械曝氣是最好的選擇。持此觀點的學(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(tǒng)，其中的代表包括Fowler 和 Chaterjee、Roe、Nordell 和 Keefer。但直到1936年，才有人將兩方觀點拿出來探討，Ridenour 和Henderson在1936-1937年間發(fā)了三篇文章，對兩種曝氣模式進行了徹底的對比。他們的結(jié)論是，每種選擇都有各自的優(yōu)缺點。不過他們也暗示，機械曝氣好像在同等能耗下提供更多的氣體輸送，當(dāng)然他們也列出了特定的場景要求。
第二個討論也很有趣，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(dǎo)致了靜電相吸，從而形成沉淀。沿著類似的思路，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程中起主導(dǎo)作用。這個理論可能是受到Gilbert Fowler和E. Moore Mumford 最初做的 M-7菌的研究的影響。后來有人進行細化，說鐵充當(dāng)氧的載體，并促進隨后的氧化。
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)認為原生動物的代謝是基本介質(zhì)。Eisenberg還認為原生動物就是活性污泥的重要組分。Ardern也認為原生動物是評判污泥質(zhì)量好壞的指標(biāo)，而且它能改善出水澄清度。但Buswell對活性污泥做的比喻最形象簡潔，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。但支持酶活性一說的Mohlman 在1930 年的社論卻還仍然表達他對活性污泥的“一無所知”。
沒有停滯的工藝優(yōu)化
無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)化工作其實一直都沒有停歇過。他們的優(yōu)化工作焦點主要落在節(jié)能曝氣能耗上。Jones and Attwood在這方面也做了很多工作，例如他們在1916年就設(shè)計了一種間歇曝氣的工藝，并注冊了專利。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(diào)節(jié)開關(guān)來決定曝氣的循環(huán)周期，顯然能減少總的曝氣量。
James Alleman教授說，在1980年代，有人將Jones and Attwood這種設(shè)計理念用在單池硝化-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行著。但當(dāng)時大家更多將這種附著生長模式視作是懸浮生長的強化輔助力。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(tǒng)用更多的木板條來為生物膜生長提供接觸表面。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，也有一些工藝因為和軍隊的關(guān)系而有過短暫的輝煌，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 年代它曾因在美國軍事污水廠中被廣泛使用而紅極一時，但該工藝在第二次世界大戰(zhàn)期間逐漸消失，一個可能的原因是戰(zhàn)時物資短缺，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)達到所謂的30：20標(biāo)準(zhǔn)了。這個所謂的30：20標(biāo)準(zhǔn)指出水的SS低于30mg/L，BOD低于20mg/L，這是當(dāng)時的英國皇家委員會制定的標(biāo)準(zhǔn)，也算是當(dāng)時世界的最高出水要求了。另一方面，因為在英國很多污水廠在好氧段的停留時間都在10小時左右，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(<10mg/L)。
但在這個時候，有不少基于活性污泥法的污水廠面臨著5個問題的困擾：
活性污泥工藝污水廠的常見問題
1 污泥膨脹
2 泡沫問題
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，在后來的日子里，這些問題都得到了解決。
小編之所以把故事的時間線停在1954年，其中一個原因是這是活性污泥一詞面世的第40年；第二個原因是在這一年里，確實有一個新工藝橫空出世――當(dāng)時在荷蘭應(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)時第一聽到“氧化溝”工藝的時候，覺得這名字土爆了，一聽就是過時的東西（請原諒年幼無知的我，誰年輕的時候不曾追求“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）?？偟膩碚f，氧化溝最大的意義在于大大降低了當(dāng)時的運行成本，據(jù)稱是當(dāng)時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！這對改善環(huán)境而言，簡直是功德無量。
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)批評得一無是處。這么看來，Pasveer博士等人的故事可以拍成一部頌揚不畏權(quán)威、追求真理的勵志電影？誰又能想到，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)新拐點上，率先刻上自己的名字。
碎碎念
也許你會問：你把活性污泥法的歷史寫這么詳細有什么用？能幫我更好地完成分(zhuan)內(nèi)(geng)工(duo)作(qian)嗎？
這是個好問題，但對小編而言，算是超綱了，沒法回答。但小編這幾年下來讀了一些關(guān)于污水處理的歷史，逐漸有一個感覺，借網(wǎng)友的話說，就是“已有的事后必再有，已行的事后必再行，日光之下并無新事”。污水處理工藝的創(chuàng)新，似乎總在懸浮生長vs附著生長、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.”
小編只是個說故事的人，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) ? 那些課本沒說的人和事