从世界上第一座污水处理厂—看污水处理工艺的发展历程！
今天带大家看一座比活性污泥法还老，并且有139年历史的污水厂，那就是 于1886年在英国老牌工业城市谢菲尔德建成的Blackburn Meadows污水厂，污水处理厂经历了100多年的发展史。
大家应该都知道，活性污泥法是上世纪初在英国发明的，而且Edward Ardern和William Lockett被认为是活性污泥法的发明人，时间是1914年。但其实英国污水处理的起步比活性污泥法还要早上约50年：当年随着工业发展，英国的人口开始迅速增长，英格兰也成为是水污染最严重的国家之一。英国的城镇反复出现卫生问题，致使著名科学家迈克·法拉第都要亲自调查泰晤士河现状。
1832年的霍乱大流行夺去了谢菲尔德400多个人的生命。在那以后，虽然当地政府已经修建了下水管网，但企业家们依旧图方便，把废水废弃物直接倾倒至当地的主要河流(River Don)，河水黑如墨，恶臭难闻。在这样的背景下，谢菲尔德在1886年修建了本市第一座污水处理厂。
起初的污水厂其实非常简单。设计处理规模为4万立方米/天，但实际上只在白天运行。污水用石灰来处理，产生污泥用作附近农场的肥料。无论如何，就当时而言，这污水厂已经是一个巨大的进步。所以那时候它还吸引了英国其他地方的同行和市政府官员来参观访问。
1886年建成后，污水厂在1910年进行了一次改造。此前，谢菲尔德市政厅一直构想着建条管将污水直接排入北海，但后来选用了一种创新的方法——往污水里曝气加氧，来分解污染物。他们当时管这技术叫细菌床(bacteria beds)。可以说，谢菲尔德人真为人类做了一件大好事——如果当时真把污水直排入海，可能就变成今天的标准操作了。谢菲尔德人为其他地方的政府和水务局制定了一个全新的基准——用生物的方法处理污水。大家请注意时间——他们在1910年就想到了用细菌处理污水，而所谓的活性污泥法是1914年才出世的。
03 污水处理工艺的持续发展
生物膜法
十八世纪中叶，欧洲工业革命开始，其中，城市生活污水中的有机物成为去除重点。1881年，法国科学家发明了第一座生物反应器，也是第一座厌氧生物处理池—moris池诞生，拉开了生物法处理污水的序幕。1893年，第一座生物滤池在英国Wales投入使用，并迅速在欧洲北美等国家推广。技术的发展，推动了标准的产生。1912年，英国皇家污水处理委员会提出以BOD5来评价水质的污染程度。
活性污泥法
1914年，Arden和Lokett在英国化学工学会上发表了一篇关于活性污泥法的论文，并于同年在英国曼彻斯特市开创了世界上第一座活性污泥法污水处理试验厂。两年后，美国正式建立了第一座活性污泥法污水处理厂。活性污泥法的诞生，奠定了未来100年间城市污水处理技术的基础。
活性污泥法诞生之初，采用的是充-排式工艺（类似SBR工艺），由于当时自动控制技术与设备条件相对落后，导致其操作繁琐，易于堵塞，与生物滤池相比并无明显优势。之后连续进水的推流式活性污泥法（如图1所示）出现后很快就将其取代，但由于推流式反应器中污泥耗氧速度沿池长是变化的，供氧速率难以与其配合，活性污泥法又面临局部供氧不足的难题。1936年提出的渐曝气活性污泥法和1942年提出的阶段曝气法，分别从曝气方式及进水方式上改善了供氧平衡。1950年，美国的麦金尼提出了完全混合式活性污泥法。该方法通过改变活性污泥微生物群的生存方式，使其适应曝气池中因基质浓度的梯度变化，有效解决了污泥膨胀的问题。
图1：传统活性污泥法工艺流程
随着在实际生产中的广泛应用和技术上的不断革新改进，20世纪40-60年代，活性污泥法逐渐取代了生物膜法，成为污水处理的主流工艺。
1921年，活性污泥法传播到中国，中国建设了第一座污水处理厂—上海北区污水处理厂。1926年及1927年又分别建设了上海东区及西区污水厂，当时3座水厂的日处理量共为3.55万吨。
脱氮原理：有机氮化合物在氨化菌的作用下，分解转化为氨态氮；氨态氮在硝化菌的作用下进一步分解转化，首先在亚硝化菌的作用下转化为亚硝酸氮，继之亚硝酸氮在硝化菌的作用下，转化为硝酸氮。在缺氧条件下，硝酸氮在反硝化菌的代谢作用下，通过两种途径转化:一是同化反硝化(合成)，最终形成有机氮化合物，成为菌体的一部分;二是异化反硝化(分解)，最终产物为气态氮。生物脱氮过程如图3所示。
除磷原理：在厌氧条件下(氧化还原电位ORP在-200至-300mV)，聚磷菌将其细胞内的有机态磷转化为无机态磷加以释放，并利用此过程中产生的能量吸收废水中的溶解性有机基质合成聚β—羟基丁酸盐(PHB)颗粒；而在好氧条件下，聚磷菌则将PHB降解以提供其从废水中吸磷所需要能量，从而完成聚磷的过程。如图4所示。
05 结语
当然，上面列举的几种污水处理工艺也仅仅是冰山一角，现在的污水处理方法已发展成一个庞大的体系。回顾整个历史过程，城市生活污水处理的足迹随着人类健康的需求、水环境质量的变化、污水的处理程度在一级级的加深，同时操作管理、资金占地等成本问题又推动了水处理工艺技术的不断进化，其操作、占地、程序步骤、能源资源的投入都在一点点地简化。人们对水质的需求越来越高，而处理过程却越来越趋于简便。
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作者简介：熊先生是个努力向前的95后，日常分享生活经历、感受，工作经验、环保小知识。从事环保工程设计与运行已有7年，也可兼职做污废水方案、图纸，欢迎大家的关注和骚扰！环保行业的从事者也可以一起学习和交流！然后共同成长和进步！
