引言：廢水工程這門(mén)具有藝術(shù)性的科學(xué)剛剛歷經(jīng)了百年發(fā)展，在此期間，應(yīng)用技術(shù)無(wú)疑在促進(jìn)疾病控制和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展。固定膜處理系統(tǒng)扮演著整個(gè)歷程中的重要角色，尤其是因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)代表了原始的生物機(jī)制。比如滴濾池、間歇性濾池和接觸床都隸屬于固定膜生物處理系統(tǒng)。固定膜生物處理系統(tǒng)主載了污水處理技術(shù)幾十年。雖然一度被懸浮生長(zhǎng)處理系統(tǒng)搶了風(fēng)頭，但毫無(wú)疑問(wèn)的是，現(xiàn)如今它又再次走入公眾的視野。

鑒于相關(guān)歷史的重要性，以及固定膜生物處理系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，本文將探究固定膜技術(shù)背后的“家譜”，力爭(zhēng)根據(jù)已有的文獻(xiàn)資源，做到考據(jù)充分，內(nèi)容翔實(shí)，以促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)的進(jìn)一步完善和細(xì)化。

1、1850-1875

正如狄更斯在1859年經(jīng)典故事中的描述，“這是最好的時(shí)代，這是最壞的時(shí)代。”這個(gè)文學(xué)形象尖銳地描繪了十九世紀(jì)中葉，看似為世人帶來(lái)祝福的工業(yè)革命，實(shí)際上在面對(duì)大規(guī)模傳染病時(shí)卻是這般無(wú)力。

霍亂，僅僅是爆發(fā)于不列顛群島內(nèi)四種致命疾病的其中之一，這個(gè)恐怖的疾病傳播整整蔓延了十年之久。毫無(wú)疑問(wèn)，這些傳染性疾病的爆發(fā)與當(dāng)時(shí)糟糕的環(huán)境衛(wèi)生條件有著直接的聯(lián)系。

然而，當(dāng)時(shí)的細(xì)菌學(xué)剛剛進(jìn)入起步階段，只能為糞便污染和疾病傳播之間的潛在關(guān)系提供一些模糊的線(xiàn)索。對(duì)于污水處理等概念，完全還屬于天方夜譚。但是啟蒙已經(jīng)逐漸誕生，接下來(lái)，1858年《The NuisanceRemoval Act》立法頒布，專(zhuān)門(mén)用以控制污水排放。不過(guò)，控制重點(diǎn)迅速轉(zhuǎn)向疾病，流行病學(xué)John Snow博士的同年紀(jì)念刊物中如是說(shuō)。

英格蘭短期內(nèi)組織開(kāi)展了一系列皇家委員研討會(huì)，負(fù)責(zé)有關(guān)污水處理問(wèn)題的研究。他們初步發(fā)現(xiàn)，就當(dāng)前發(fā)展水平而言，化學(xué)沉淀、過(guò)濾和灌溉都是最先進(jìn)的技術(shù)，而過(guò)濾和灌溉對(duì)于土地修復(fù)都具有一定的作用。還有一些聽(tīng)起來(lái)比較奇特的方法，比如其中的一種稱(chēng)之為ABC工藝，采用的過(guò)濾材料是由明礬、血液和粘土混合而成。

然而，那時(shí)還沒(méi)有一種能和生物處理搭上邊的有效處理機(jī)制。1865年，AlecanderMueller博士發(fā)現(xiàn)污水通過(guò)一個(gè)長(zhǎng)滿(mǎn)活性微生物的濾柱之后，可以得到凈化，而這一觀點(diǎn)，給了當(dāng)時(shí)的科學(xué)界很大啟示。

Mueller博士，這位柏林的杰出化學(xué)家，幾年之后提出了生物凈化工藝專(zhuān)利。毫無(wú)疑問(wèn)，無(wú)論是Mueller博士的專(zhuān)利還是他提出的這個(gè)理念，在當(dāng)時(shí)都引起了人們的廣泛關(guān)注。

1868年，英國(guó)皇家委員會(huì)成員之一，Edward Frankland爵士，開(kāi)始對(duì)污水處理的濾料性能展開(kāi)詳細(xì)研究，從粗礫石到泥炭土。他每天兩次給填滿(mǎn)濾料的過(guò)濾柱里通入污水，濾料的過(guò)濾性能一直維持了四個(gè)多月。雖然當(dāng)時(shí)對(duì)過(guò)濾處理的理解還僅僅歸功于物化作用，但是由此建立起來(lái)的間歇過(guò)濾理念已經(jīng)誕生。

基于這些結(jié)果，皇家委員會(huì)開(kāi)始非常重視利用間歇過(guò)濾。1871年，J. Bailey-Denton在威爾士建立了第一個(gè)全規(guī)模應(yīng)用設(shè)施，這個(gè)設(shè)施的成功，以及接下來(lái)其他幾個(gè)成功的案例，引得幾位工程師開(kāi)始實(shí)踐Frankland的理念。

不幸的是，這些工程師常常會(huì)忽視一些關(guān)鍵因素的差異，比如土壤滲透性、間歇時(shí)間，這就使得試驗(yàn)故障頻頻發(fā)生。歷經(jīng)多個(gè)失敗案例后，人們對(duì)間歇過(guò)濾理念的興趣已經(jīng)蕩然無(wú)存。

2、1875-1900

在Mueller成功十年之后，一些研究人員開(kāi)始探索可作用于污水凈化的微生物。1877年，Schloesing和Müntz首次證明土壤具有硝化作用。

五年后，Warrington證實(shí)了只有不斷接種新鮮的泥土才能保持土壤的硝化能力。而在1890年，Winogradsky成功培養(yǎng)了亞硝化細(xì)菌。但是，這些先驅(qū)者們?nèi)匀徊淮_定這些細(xì)菌的工作原理，也無(wú)法由此大規(guī)模開(kāi)展有效的工程應(yīng)用。

到現(xiàn)在為止，歐洲一直主宰著污水處理技術(shù)的發(fā)展。在美國(guó)，人們對(duì)污染控制的關(guān)注促成了馬薩諸塞州勞倫斯實(shí)驗(yàn)站的建立。

勞倫斯試驗(yàn)站由Hiram F. Mills和Sedwick教授主管，Mills是一位杰出的水文學(xué)家， Sedwick教授則畢業(yè)于麻省理工學(xué)院。

沿著Allen Hazen的研究方向，勞倫斯實(shí)驗(yàn)室在1887年開(kāi)展了一系列的過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，類(lèi)似于Frankland當(dāng)年從事的間歇過(guò)濾實(shí)驗(yàn)。

然而，當(dāng)時(shí)的過(guò)濾反應(yīng)器個(gè)頭都比較大，每單位占地1/200英畝。雖然他們的結(jié)果與Frankland的相似，但在1890年勞倫斯實(shí)驗(yàn)室在首次提出污水處理中微生物活動(dòng)的重要性，這是一個(gè)歷史轉(zhuǎn)折點(diǎn)。事實(shí)上，他們的研究結(jié)果的確可以證明在好氧條件下，濾料上的微生物在污水處理過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。

鑒于勞倫斯實(shí)驗(yàn)站的成功，生物處理技術(shù)方向迅速擴(kuò)展。1890年，Donald Cameron申請(qǐng)到了化糞池專(zhuān)利權(quán)，這一事件引發(fā)巨大爭(zhēng)議，使得大多數(shù)城市更加急于找到適合自己的污水處理方案。此時(shí)，在新英格蘭地區(qū)，幾個(gè)全規(guī)模間歇過(guò)濾系統(tǒng)開(kāi)始工作，其中大部分成功運(yùn)行了幾十年。

然而在歐洲，污水工程師們還在猶豫接受間歇過(guò)濾的概念，可能是因?yàn)橹爸貜?fù)Franklandera試驗(yàn)時(shí)，那段經(jīng)歷揮之不去的陰影，又或許是因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)歐洲的土壤并不具有普適性。取而代之，他們選擇使用較粗的濾料來(lái)提高過(guò)濾速率，如焦炭粉、礫石、燒粘土等。Scott-Moncrief開(kāi)始了第一次這樣的測(cè)試，他使用直徑為1英寸的焦炭對(duì)污水進(jìn)行連續(xù)過(guò)濾。

1893年，J. Corbett嘗試采用串聯(lián)過(guò)濾器，以及連續(xù)進(jìn)水的方式。而在同一年，F(xiàn). Wallis Stoddart研究發(fā)現(xiàn)采用粗介質(zhì)過(guò)濾器可以得到連續(xù)的優(yōu)質(zhì)出水水質(zhì)。但是，這兩位研究人員的思想存在紛爭(zhēng)，Corbett認(rèn)為是勞倫斯試驗(yàn)站的研究結(jié)果給他提供了動(dòng)力和方向。Stoddart堅(jiān)持認(rèn)為是Frankland的試驗(yàn)給了他靈感，不管誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)，滴濾池的理念顯然已經(jīng)浮出水面。

同時(shí)期的歐洲還有一個(gè)理念正在形成，就是接觸床。沿著勞倫斯的實(shí)驗(yàn)，W. Santo Crimp和W.J. Dibdin于1891年決定進(jìn)行一項(xiàng)試驗(yàn)，給一個(gè)裝滿(mǎn)粗濾料的過(guò)濾床內(nèi)連續(xù)通入8小時(shí)污水，在接下來(lái)16小時(shí)內(nèi)觀察出水狀況。

試驗(yàn)結(jié)果表明，出水水質(zhì)非常好，但是濾料的堵塞卻非常嚴(yán)重。在接下來(lái)的試驗(yàn)中，Dibdin嘗試采用雙接觸的方法，即采用兩個(gè)過(guò)濾床，后一個(gè)過(guò)濾器內(nèi)填充的濾料粒徑小于前者。該試驗(yàn)的成功迅速擴(kuò)展為幾座全規(guī)模應(yīng)用，工藝流程都采用了前后兩個(gè)過(guò)濾床的形式。而在他們的第五次報(bào)告中，皇家委員會(huì)對(duì)接觸床的安裝和運(yùn)行都提供了廣泛的技術(shù)支持。

編輯：王媛媛