從世界上第一座污水處理廠—看污水處理工藝的發展歷程！
今天帶大家看一座比活性污泥法還老，并且有139年歷史的污水廠，那就是 于1886年在英國老牌工業城市謝菲爾德建成的Blackburn Meadows污水廠，污水處理廠經歷了100多年的發展史。
大家應該都知道，活性污泥法是上世紀初在英國發明的，而且Edward Ardern和William Lockett被認為是活性污泥法的發明人，時間是1914年。但其實英國污水處理的起步比活性污泥法還要早上約50年：當年隨著工業發展，英國的人口開始迅速增長，英格蘭也成為是水污染最嚴重的國家之一。英國的城鎮反復出現衛生問題，致使著名科學家邁克·法拉第都要親自調查泰晤士河現狀。
1832年的霍亂大流行奪去了謝菲爾德400多個人的生命。在那以后，雖然當地政府已經修建了下水管網，但企業家們依舊圖方便，把廢水廢棄物直接傾倒至當地的主要河流(River Don)，河水黑如墨，惡臭難聞。在這樣的背景下，謝菲爾德在1886年修建了本市第一座污水處理廠。
起初的污水廠其實非常簡單。設計處理規模為4萬立方米/天，但實際上只在白天運行。污水用石灰來處理，產生污泥用作附近農場的肥料。無論如何，就當時而言，這污水廠已經是一個巨大的進步。所以那時候它還吸引了英國其他地方的同行和市政府官員來參觀訪問。
1886年建成后，污水廠在1910年進行了一次改造。此前，謝菲爾德市政廳一直構想著建條管將污水直接排入北海，但后來選用了一種創新的方法——往污水里曝氣加氧，來分解污染物。他們當時管這技術叫細菌床(bacteria beds)。可以說，謝菲爾德人真為人類做了一件大好事——如果當時真把污水直排入海，可能就變成今天的標準操作了。謝菲爾德人為其他地方的政府和水務局制定了一個全新的基準——用生物的方法處理污水。大家請注意時間——他們在1910年就想到了用細菌處理污水，而所謂的活性污泥法是1914年才出世的。
03 污水處理工藝的持續發展
生物膜法
十八世紀中葉，歐洲工業革命開始，其中，城市生活污水中的有機物成為去除重點。1881年，法國科學家發明了第一座生物反應器，也是第一座厭氧生物處理池—moris池誕生，拉開了生物法處理污水的序幕。1893年，第一座生物濾池在英國Wales投入使用，并迅速在歐洲北美等國家推廣。技術的發展，推動了標準的產生。1912年，英國皇家污水處理委員會提出以BOD5來評價水質的污染程度。
活性污泥法
1914年，Arden和Lokett在英國化學工學會上發表了一篇關于活性污泥法的論文，并于同年在英國曼徹斯特市開創了世界上第一座活性污泥法污水處理試驗廠。兩年后，美國正式建立了第一座活性污泥法污水處理廠。活性污泥法的誕生，奠定了未來100年間城市污水處理技術的基礎。
活性污泥法誕生之初，采用的是充-排式工藝（類似SBR工藝），由于當時自動控制技術與設備條件相對落后，導致其操作繁瑣，易于堵塞，與生物濾池相比并無明顯優勢。之后連續進水的推流式活性污泥法（如圖1所示）出現后很快就將其取代，但由于推流式反應器中污泥耗氧速度沿池長是變化的，供氧速率難以與其配合，活性污泥法又面臨局部供氧不足的難題。1936年提出的漸曝氣活性污泥法和1942年提出的階段曝氣法，分別從曝氣方式及進水方式上改善了供氧平衡。1950年，美國的麥金尼提出了完全混合式活性污泥法。該方法通過改變活性污泥微生物群的生存方式，使其適應曝氣池中因基質濃度的梯度變化，有效解決了污泥膨脹的問題。
圖1：傳統活性污泥法工藝流程
隨著在實際生產中的廣泛應用和技術上的不斷革新改進，20世紀40-60年代，活性污泥法逐漸取代了生物膜法，成為污水處理的主流工藝。
1921年，活性污泥法傳播到中國，中國建設了第一座污水處理廠—上海北區污水處理廠。1926年及1927年又分別建設了上海東區及西區污水廠，當時3座水廠的日處理量共為3.55萬噸。
脫氮原理：有機氮化合物在氨化菌的作用下，分解轉化為氨態氮；氨態氮在硝化菌的作用下進一步分解轉化，首先在亞硝化菌的作用下轉化為亞硝酸氮，繼之亞硝酸氮在硝化菌的作用下，轉化為硝酸氮。在缺氧條件下，硝酸氮在反硝化菌的代謝作用下，通過兩種途徑轉化:一是同化反硝化(合成)，最終形成有機氮化合物，成為菌體的一部分;二是異化反硝化(分解)，最終產物為氣態氮。生物脫氮過程如圖3所示。
除磷原理：在厭氧條件下(氧化還原電位ORP在-200至-300mV)，聚磷菌將其細胞內的有機態磷轉化為無機態磷加以釋放，并利用此過程中產生的能量吸收廢水中的溶解性有機基質合成聚β—羥基丁酸鹽(PHB)顆粒；而在好氧條件下，聚磷菌則將PHB降解以提供其從廢水中吸磷所需要能量，從而完成聚磷的過程。如圖4所示。
05 結語
當然，上面列舉的幾種污水處理工藝也僅僅是冰山一角，現在的污水處理方法已發展成一個龐大的體系。回顧整個歷史過程，城市生活污水處理的足跡隨著人類健康的需求、水環境質量的變化、污水的處理程度在一級級的加深，同時操作管理、資金占地等成本問題又推動了水處理工藝技術的不斷進化，其操作、占地、程序步驟、能源資源的投入都在一點點地簡化。人們對水質的需求越來越高，而處理過程卻越來越趨于簡便。
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作者簡介：熊先生是個努力向前的95后，日常分享生活經歷、感受，工作經驗、環保小知識。從事環保工程設計與運行已有7年，也可兼職做污廢水方案、圖紙，歡迎大家的關注和騷擾！環保行業的從事者也可以一起學習和交流！然后共同成長和進步！
