活性污泥的前40年(下) – 那些困在专利漩涡的时光

回头来看，活性污泥法可以在短短几年间，从非常前期的实验室研究一举转变为多个上千方规模的工程应用，这是相当了不起的成就。

用现在00后的话说，活性污泥就是在一夜间变成废水处理界中“最靓的仔”。然而，尽管活性污泥法在初期的发展势头看似迅猛，实际上是等到1950年代才算是进入广泛应用的时期。

为什么会这样呢？

抛开两次世界大战的影响不谈，在James Alleman教授看来，原因也很简单，就是被专利诉讼问题耽误了。

如今污水工程界的人只歌颂Ardern和Lockett两人的贡献，但很少人提及活性污泥法工艺在商业领域遭受的“挫折”。在《活性污泥的前40年》下集里，我们来看看商业世界的"阴暗面"如何拖了活性污泥法发展的后腿。

跑在报告前头的专利

说起活性污泥的专利，大家可能都以为Ardern和Lockett是最早的申请人，但实际并不如此。一家叫Jones & Attwood的公司才是最早申请相关专利的组织。他们在Ardern和Lockett做报告之前，就已经成功为活性污泥工艺申请了4项专利，还涵盖了英国和美国两地。

这些专利主要涉及“对污水及其他非干净水的处理装置的改进”(Improvements in Apparatus for the Purification of Sewage or other Impure Waters)。我们来看看四项专利的概况：

各位有没有发现，这四个专利都没有出现“活性污泥”的字眼。

但第729号专利文件其实是阐明了该工艺的基本核心内容，还提到了污泥回流的设计，而且这项专利提供的反应器的设计图和1980年代许多公司推销的闭环设计惊人相似。

不可否认的是，当时活性污泥法之所以能快速实现这么多工程应用，真的有赖于Jones & Attwood公司做的很多前期工作。Worcester和Stamford等多个污水厂都是Jones & Attwood公司自掏腰包承担风险建起来的，不然没办法用事实展现系统的优异性。这里还有一个值得一提的冷知识点，就是Jones & Attwood公司和Worcester签的单是要根据出水水质来考核绩效的，这也再次反映Jones & Attwood公司的远见和胆识。

话说Jones & Attwood并不是应活性污泥法工艺临时注册的公司，它的起源可以追溯到1836年，从1876年起专注为市政污水市场设计和供应水头设备和系统。其实它现在还活着，只是经过几次收购之后，不再是行业最亮的星。我们以后有机会专门写一篇关于Jones & Attwood公司的故事。

在美国，一个叫Leslie Frank的公共卫生官员在1915年也获得了活性污泥工艺的专利，专利编号为#1139024，内容和Jones&Attwood提交的材料基本相同。这个让活性污泥法的专利问题变得更加复杂了。更搞笑的是，这个Frank语文水平可能也不咋滴，他居然把活性污泥的英文也拼错了，错写成“activated slude”(不知道这个错误是什么时候改回来的)。

所以在1915年，已经有两个不同的公司或人给活性污泥法申请了专利。除此之外，劳伦斯实验站的Clark也对褔勒自称的“活性污泥法创始人”的地位提出了异议。抛开这些说不清、道不明的法律和专利问题，活性污泥法有今天，其实还真的给美国工程界的工程师们说声真诚的谢谢。

1914 年底，Jones and Attwood已经通过私下关系提醒过美国的城市和工程师们，要对专利侵权问题保持谨慎态度。当美国工程师去为自己的创新工艺申请专利的时候(例如1923年Hurd在印第安纳波利斯首推的螺旋流曝气模式)，都被Jones and Attwood迅速驳回了，理由是都违反了所谓的英国专利的程序。但随着越来越多活性污泥法的污水厂的落成投产，美国业内对专利问题及纠纷的担忧似乎有所减少。

但这好光景并没有维持多久。1920年代末，一家叫Activated Sludge的公司对芝加哥市提出诉讼。Activated Sludge, Ltd.,是Jones and Attwood在美国的授权代理商。接着，该公司相继对密尔沃基、克利夫兰、印第安纳波利斯等城市提出诉讼。

裁决结果一般要花上数年时间。在那几年里，因为这些法律纠纷，卫生工程行业也不由重新认真审视活性污泥工艺的近期的使用前景。到了1933 年，威斯康星地区法官Ferdinand A. Geiger 裁定密尔沃基市侵犯了Activated Sludge持有的专利。密尔沃基市提交了上诉，但在 1934 年 10 月，最高法院决定拒绝翻案。

普渡大学的Don Evans Bloodgood教授(已逝)曾于1935年在威斯康星大学获得土木工程师的学位证书。在他看来，这位叫Geiger法官可能不是因为法律细节，而更多因为看不惯密尔沃基代表律师的口没遮拦才做出这个裁决的。当然，现在对所有的猜测都无从考证。但这个裁决结果却影响深远，它立刻在全美掀起波澜——许多工厂都立刻关闭来避免罚款，包括了位于德州San Marcos的污水厂，它是美国首个活性污泥法污水厂。当然也有一些厂接受以人均0.25美元的价格支付授权费。

1939年的Engineering News Record的统计显示，美国在1938年有203座活性污泥工艺厂，其中有150座向Activated Sludge Ltd公司支付了授权使用费。但许多计划建活性污泥法新厂的城市，大多选用了替代工艺(例如滴滤池)，或者推迟安装计划，等到专利过期为止(首都华盛顿就是其中的代表)。

显然，在这次专利纠纷中，密尔沃基和芝加哥两个城市遭受的损失最大。它们都被罚款近100万美元。这相当于今天的1600万美元！在密尔沃基一案中，被告的罚金来自自他们从Milorganite得到的收益。Milorganite时至今日依然有售，没想到原来早在1926年就上市了，而在1934年的年销售额就高达300万美元。芝加哥可能更后悔一些，因为其实Activated Sludge, Ltd公司曾提出过90000美元的庭外和解费，但它拒绝了，最终耗费了这么多年的时间、精力和赔偿。

读到这里，大家可能会有一个疑问：为何不是Ardern和Lockett去申请专利的呢？

简单点说，那是因为Gilbert Fowler（嗯，又是他）将他的申请权移交给了Jones and Attwood。

那褔勒为什么有这样的权利？密歇根大学的Glen Daigger教授在《Activated Sludge - 100 Years and Counting》一书中也讨论过这个问题，说这“至今还是个谜(...somewhat cloaked in mystery)”。不过有一点是可以确定的，就是专利是在Ardern和Lockett公开报告之前就已经获批的了。拿到专利权后，他们就系统性地向采用这个工艺的人和单位追讨赔款。

法律以外的争论

1915-1935年被认为是活性污泥法深陷法律纠纷的20年，但其实在此期间，业界还在为两件事情争论得热火朝天：

第一是关于曝气系统的选择——应该选用机械还是扩散曝气模式呢？

第二个讨论是关于工艺的定性——这是物理化学原理还是生物原理呢？

关于曝气模式的选择问题，也许从曝气研究开始的第一天就没停过了。即使是最早期的研究人员都意识到能耗性能是选择曝气方法的判断依据。有些人认为所有的氧气传递都在液体表面进行，所以机械曝气是最好的选择。持此观点的学者包括了Buswell、Peck、Kessener 和 Ribbius。但也有另一拨人认为扩散曝气才是理想系统，其中的代表包括Fowler 和 Chaterjee、Roe、Nordell 和 Keefer。但直到1936年，才有人将两方观点拿出来探讨，Ridenour 和Henderson在1936-1937年间发了三篇文章，对两种曝气模式进行了彻底的对比。他们的结论是，每种选择都有各自的优缺点。不过他们也暗示，机械曝气好像在同等能耗下提供更多的气体输送，当然他们也列出了特定的场景要求。

第二个讨论也很有趣，活性污泥究竟算是物理化学还是生物工艺呢？

Baly认为，污水胶体和絮凝体基质之间的电荷差导致了静电相吸，从而形成沉淀。沿着类似的思路，Theriault认为活性污泥法是一种生物沸石机制(不好意思，小编没空去考证生物沸石是什么)。更多的学者认为，含铁化合物在氧化过程中起主导作用。这个理论可能是受到Gilbert Fowler和E. Moore Mumford 最初做的 M-7菌的研究的影响。后来有人进行细化，说铁充当氧的载体，并促进随后的氧化。

支持活性污泥法是生物工艺的那些人最初认为酶活性是主要机理(包括Harris、Woolridge和Standfast、Mohlman等)。也有人(Cramer)认为原生动物的代谢是基本介质。Eisenberg还认为原生动物就是活性污泥的重要组分。Ardern也认为原生动物是评判污泥质量好坏的指标，而且它能改善出水澄清度。但Buswell对活性污泥做的比喻最形象简洁，他将这些生物质比作“饥饿的猪”。有趣的是，到了1920 年，Buswell和Long的研究基本上已经验证了活性污泥背后的生物学原理。但支持酶活性一说的Mohlman 在1930 年的社论却还仍然表达他对活性污泥的“一无所知”。

没有停滞的工艺优化

无论有什么法律纠纷或者学术讨论，人们对活性污泥工艺的优化工作其实一直都没有停歇过。他们的优化工作焦点主要落在节能曝气能耗上。Jones and Attwood在这方面也做了很多工作，例如他们在1916年就设计了一种间歇曝气的工艺，并注册了专利。他们主要采用了一种创新的机械阀组件，与恒定送气相比，这种方法可以调节开关来决定曝气的循环周期，显然能减少总的曝气量。

James Alleman教授说，在1980年代，有人将Jones and Attwood这种设计理念用在单池硝化-反硝化的系统里。除了间歇曝气，他也有介绍了1936 年的锥形曝气、1942 年的阶梯曝气和 1943 年的改良曝气等优化曝气技术。

另一方面，生物膜模式的研究也一直在进行着。但当时大家更多将这种附着生长模式视作是悬浮生长的强化辅助力。比较出名的工艺包括了浸入式的接触曝气器(submerged contact aerators)或者空气滤池(aero-filters)。这些曝气系统用更多的木板条来为生物膜生长提供接触表面。Imhoff 和 Clark 是这方面的研究的主要代表，而且基本是 Black 和 Phelps之前在纽约的研究的延续。

1939年到1945年，世界大国都忙着第二次世界大战，这又耽误了污水生物处理工艺的发展。但在此期间，也有一些工艺因为和军队的关系而有过短暂的辉煌，其中包括了基于浸入式接触曝气的Hays工艺。它最初由Clyde Hays在1930-1938 年间研发使用，这个工艺使用了垂直堆叠在曝气池内的波纹石棉-混凝土板。在 1940 年代它曾因在美国军事污水厂中被广泛使用而红极一时，但该工艺在第二次世界大战期间逐渐消失，一个可能的原因是战时物资短缺，他们用平板作为替代生物膜载体，但平板很容易崩塌。

到了1950年代中期，英美许多污水厂的出水都已经达到所谓的30：20标准了。这个所谓的30：20标准指出水的SS低于30mg/L，BOD低于20mg/L，这是当时的英国皇家委员会制定的标准，也算是当时世界的最高出水要求了。另一方面，因为在英国很多污水厂在好氧段的停留时间都在10小时左右，所以基本都能完成完全硝化，这也促成了出水氨氮标准的出台(<10mg/L)。

但在这个时候，有不少基于活性污泥法的污水厂面临着5个问题的困扰：

活性污泥工艺污水厂的常见问题

1 污泥膨胀

2 泡沫问题

3 硝化反应不稳定

4 缺少曝气器单位功率的氧化能力的准确信息

5 尚不知道进水水质(负荷和温度)对出水和污泥性质的影响（产量、氧气吸收率、沉降性和脱水性）

显然，在后来的日子里，这些问题都得到了解决。

小编之所以把故事的时间线停在1954年，其中一个原因是这是活性污泥一词面世的第40年；第二个原因是在这一年里，确实有一个新工艺横空出世——当时在荷兰应用科学研究组织(TNO)工作的荷兰人Aale Pasveer博士开发了一种基于间歇曝气的氧化沟系统。

小编是在2006年上大学的。当时第一听到“氧化沟”工艺的时候，觉得这名字土爆了，一听就是过时的东西（请原谅年幼无知的我，谁年轻的时候不曾追求“新”事物呢？）。

现在看完相关资料，才知道氧化沟的厉害（由于篇幅关系，小编改天再专门给氧化沟写篇它的传记）。总的来说，氧化沟最大的意义在于大大降低了当时的运行成本，据称是当时主流活性污泥法的一半而已。这也让许多小城市都有能(zi)力(jin)建污水厂了。污水处理不再是大城市的专属！这对改善环境而言，简直是功德无量。

有趣的是，在1948年，著名的Karl Imhoff发表了一篇文章，题为《The Continuous Flow Principle of Sewage Treatment》。他在里边几乎将间歇曝气/fill&draw循环系统批评得一无是处。这么看来，Pasveer博士等人的故事可以拍成一部颂扬不畏权威、追求真理的励志电影？谁又能想到，如今最新的好氧颗粒污泥工艺，也是基于fill&draw的理念的呢？

巧合的是，从氧化沟开始，荷兰人似乎开始取代英美的科学家，开始在一次又一次的污水工艺创新拐点上，率先刻上自己的名字。

碎碎念

也许你会问：你把活性污泥法的历史写这么详细有什么用？能帮我更好地完成分(zhuan)内(geng)工(duo)作(qian)吗？

这是个好问题，但对小编而言，算是超纲了，没法回答。但小编这几年下来读了一些关于污水处理的历史，逐渐有一个感觉，借网友的话说，就是“已有的事后必再有，已行的事后必再行，日光之下并无新事”。污水处理工艺的创新，似乎总在悬浮生长vs附着生长、连续式vs间歇式、厌氧vs好氧之间反复更替。

也正如James Alleman在他那篇《活性污泥70年历史的回顾》最后写道的那样：“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.”

小编只是个说故事的人，剩下的交给有心的读者细品。

延伸阅读：

活性污泥法的前40年(上) – 那些课本没说的人和事