废水工程这门具有艺术性的科学刚刚历经了百年发展，在此期间，应用技术无疑在促进疾病控制和环境保护领域取得显著进展。固定膜处理系统扮演着整个历程中的重要角色，尤其是因为这项技术代表了原始的生物机制。比如滴滤池、间歇性滤池和接触床都隶属于固定膜生物处理系统。固定膜生物处理系统主载了污水处理技术几十年。虽然一度被悬浮生长处理系统抢了风头，但毫无疑问的是，现如今它又再次走入公众的视野。
鉴于相关历史的重要性，以及固定膜生物处理系统未来的发展趋势，本文将探究固定膜技术背后的“家谱”，力争根据已有的文献资源，做到考据充分，内容翔实，以促进相关领域文献的进一步完善和细化。
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1850-1875
正如狄更斯在1859年经典故事中的描述，“这是最好的时代，这是最坏的时代。”这个文学形象尖锐地描绘了十九世纪中叶，看似为世人带来祝福的工业革命，实际上在面对大规模传染病时却是这般无力。
霍乱，仅仅是爆发于不列颠群岛内四种致命疾病的其中之一，这个恐怖的疾病传播整整蔓延了十年之久。毫无疑问，这些传染性疾病的爆发与当时糟糕的环境卫生条件有着直接的联系。
然而，当时的细菌学刚刚进入起步阶段，只能为粪便污染和疾病传播之间的潜在关系提供一些模糊的线索。对于污水处理等概念，完全还属于天方夜谭。但是启蒙已经逐渐诞生，接下来，1858年《The NuisanceRemoval Act》立法颁布，专门用以控制污水排放。不过，控制重点迅速转向疾病，流行病学John Snow博士的同年纪念刊物中如是说。
英格兰短期内组织开展了一系列皇家委员研讨会，负责有关污水处理问题的研究。他们初步发现，就当前发展水平而言，化学沉淀、过滤和灌溉都是最先进的技术，而过滤和灌溉对于土地修复都具有一定的作用。还有一些听起来比较奇特的方法，比如其中的一种称之为ABC工艺，采用的过滤材料是由明矾、血液和粘土混合而成。
然而，那时还没有一种能和生物处理搭上边的有效处理机制。1865年，AlecanderMueller博士发现污水通过一个长满活性微生物的滤柱之后，可以得到净化，而这一观点，给了当时的科学界很大启示。
Mueller博士，这位柏林的杰出化学家，几年之后提出了生物净化工艺专利。毫无疑问，无论是Mueller博士的专利还是他提出的这个理念，在当时都引起了人们的广泛关注。
1868年，英国皇家委员会成员之一，Edward Frankland爵士，开始对污水处理的滤料性能展开详细研究，从粗砾石到泥炭土。他每天两次给填满滤料的过滤柱里通入污水，滤料的过滤性能一直维持了四个多月。虽然当时对过滤处理的理解还仅仅归功于物化作用，但是由此建立起来的间歇过滤理念已经诞生。
基于这些结果，皇家委员会开始非常重视利用间歇过滤。1871年，J. Bailey-Denton在威尔士建立了第一个全规模应用设施，这个设施的成功，以及接下来其他几个成功的案例，引得几位工程师开始实践Frankland的理念。
不幸的是，这些工程师常常会忽视一些关键因素的差异，比如土壤渗透性、间歇时间，这就使得试验故障频频发生。历经多个失败案例后，人们对间歇过滤理念的兴趣已经荡然无存。
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1875-1900
在Mueller成功十年之后，一些研究人员开始探索可作用于污水净化的微生物。1877年，Schloesing和Müntz首次证明土壤具有硝化作用。
五年后，Warrington证实了只有不断接种新鲜的泥土才能保持土壤的硝化能力。而在1890年，Winogradsky成功培养了亚硝化细菌。但是，这些先驱者们仍然不确定这些细菌的工作原理，也无法由此大规模开展有效的工程应用。
到现在为止，欧洲一直主宰着污水处理技术的发展。在美国，人们对污染控制的关注促成了马萨诸塞州劳伦斯实验站的建立。
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劳伦斯试验站由Hiram F. Mills和Sedwick教授主管，Mills是一位杰出的水文学家， Sedwick教授则毕业于麻省理工学院。
沿着Allen Hazen的研究方向，劳伦斯实验室在1887年开展了一系列的过滤实验，类似于Frankland当年从事的间歇过滤实验。
然而，当时的过滤反应器个头都比较大，每单位占地1/200英亩。虽然他们的结果与Frankland的相似，但在1890年劳伦斯实验室在首次提出污水处理中微生物活动的重要性，这是一个历史转折点。事实上，他们的研究结果的确可以证明在好氧条件下，滤料上的微生物在污水处理过程中发挥了重要的作用。
鉴于劳伦斯实验站的成功，生物处理技术方向迅速扩展。1890年，Donald Cameron申请到了化粪池专利权，这一事件引发巨大争议，使得大多数城市更加急于找到适合自己的污水处理方案。此时，在新英格兰地区，几个全规模间歇过滤系统开始工作，其中大部分成功运行了几十年。
然而在欧洲，污水工程师们还在犹豫接受间歇过滤的概念，可能是因为之前重复Franklandera试验时，那段经历挥之不去的阴影，又或许是因为他们发现欧洲的土壤并不具有普适性。取而代之，他们选择使用较粗的滤料来提高过滤速率，如焦炭粉、砾石、烧粘土等。Scott-Moncrief开始了第一次这样的测试，他使用直径为1英寸的焦炭对污水进行连续过滤。
1893年，J. Corbett尝试采用串联过滤器，以及连续进水的方式。而在同一年，F. Wallis Stoddart研究发现采用粗介质过滤器可以得到连续的优质出水水质。但是，这两位研究人员的思想存在纷争，Corbett认为是劳伦斯试验站的研究结果给他提供了动力和方向。Stoddart坚持认为是Frankland的试验给了他灵感，不管谁对谁错，滴滤池的理念显然已经浮出水面。
同时期的欧洲还有一个理念正在形成，就是接触床。沿着劳伦斯的实验，W. Santo Crimp和W.J. Dibdin于1891年决定进行一项试验，给一个装满粗滤料的过滤床内连续通入8小时污水，在接下来16小时内观察出水状况。
试验结果表明，出水水质非常好，但是滤料的堵塞却非常严重。在接下来的试验中，Dibdin尝试采用双接触的方法，即采用两个过滤床，后一个过滤器内填充的滤料粒径小于前者。该试验的成功迅速扩展为几座全规模应用，工艺流程都采用了前后两个过滤床的形式。而在他们的第五次报告中，皇家委员会对接触床的安装和运行都提供了广泛的技术支持。
在接下来的几年内，人们对过滤器和接触床展开了大量研究。比如如何保证间歇过滤器的负荷均匀，Waring和Lowcock在1892年设计了一个简单的装置，该装置底层覆盖细砂砾层，以促进配水均匀，但是，这种设计会阻碍曝气效果。所以，Waring还为此设计了一个强制性曝气生物滤池系统，并申请了专利。
Stoddart研发了一种应对配水均匀问题的设计，他设计了一套具有对称排水口的波纹型金属平板布水器，试验结果看似不错，但实际上这些平板的位置需要非常繁琐的调整。Corbett最初采用设有沟槽的木质水槽，又改为各种固定式喷头。1896年，Carfield提出了在间歇式过滤器内设置固定布水器的理念，虹吸作用可以保证间歇过滤时不会发生滤料局部淹水。
1889年，首次提出旋转布水器的理念，其后Corbett一直对旋转布水器进行工艺细化，直到1894年，Whittaker和Bryant发明了脉冲式旋转布水器。这种布水器不仅产生脉冲、间歇式布水、同时还可以对进水保温。然而，他们的模型多采用穿孔管布水方式，容易堵塞。之后，Mather和Platt发明了旋转木槽布水器，解决了堵塞问题。
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1900-1925
基于Hazen、Stoddart、Corbett和Dibdin在过去四分之一个世纪对经典技术进步所做出的贡献，未来25年有可能成为实际应用和完善的时代。已经较成熟的生物处理系统包括间歇性过滤、滴滤池和接触床。在污水曝气基础实验逐渐兴起之时，悬浮生长系统的理念还没有诞生。
滴滤池在1901年首次引入美国，截止到1910年，在美国中西部和东部的一些城市累计已有大约10座滴滤池。巴尔的摩市的一座占地31英亩的滴滤池系统直到75年之后还在运行。
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这些早期的美国滴滤池一直采用固定喷头布水器，并且持续了数十年。当代污水处理设计手册通常都有几页专门讲解喷头的设计和安装。旋转式喷头在美国只有非常少量的试验应用，而欧洲滴滤池的设计比较青睐使用旋转式喷头。
随着滴滤池应用的出现，间歇过滤的热度开始消退。劳伦斯实验站继续开展针对这两种滤池的对比研究，他们发现采用粗粒滤料可以显著减小滤池的占地面积，是因为粗粒滤料的负荷比较高。1916年，Tatham等学者开始研究生物过滤的数学模型。
至于接触床的设计，有几个全规模应用案例的一些记载。尽管一些大型工程都建在美国，但实际上接触床并没有激起欧洲地域之外的兴趣。而且，滤料积水后产生的厌氧环境也会降低最终的出水水质，这些麻烦问题让应用者望而却步。
1904年，Dibdin发现了好氧生物膜的优越性，他决定研发一种石板床技术。并用厚板岩代替了粗粒滤料，厚板岩均匀平铺成层状。经过十二个月的实验室研究后，Dibdin进展顺利，1905年他成功的展示了一个基于此的工程应用。但是在皇家委员会的第五次报告，他们认为这种方法只是应用了初级沉淀的原理。
在美国，Dibdin的石板床技术迅速引起了人们的关注。1905年，人们在新泽西州的Plainfield开展了实验测试。据历史记载，应用石板床技术比较重要的试验是在劳伦斯实验室进行的。在对比了石板床技术(固定膜系统)和悬浮藻类污水处理技术(悬浮生长系统)之后，研究人员在1913年报道了试验结果，后者可以实现更高的处理效率。
此后不久，英国维多利亚大学的一名化学专业教授，Gilbert John Fowler，参观了劳伦斯实验室。一回到英国，他的学生Edward Ardern和William Lockett便开始了对悬浮生长系统的研究。1914年，这两个学生发表了第一篇关于活性污泥工艺的文章，这种工艺与之前固定膜工艺的区别是采用了悬浮生物作为微生物主体。当谈到他的学生们时，Fowler非常认可Edward Ardern和William Lockett所做的贡献和灵感，他认为指劳伦斯试验站就是“污水处理的麦加圣地”。
类似于Dibdin的石板床技术，William Owen Travis博士还在寻求如何进一步提高接触床的性能。Travis博士是英国汉普顿区当地健康管委会的一名官员，他很熟悉接触床易堵塞的问题。
1904年，Travis博士为此想出了解决办法，称为特拉维斯水解/胶体池(Hydrolytic or Colloider Tank)，基本构造类似于多级化粪池。依次分为沉砂区，水解区和出水区，后两个区域中设置挡板或平行阵列板，设置这些挡板是为了吸附随后的降解细颗粒物。
基于特拉维斯工艺的水厂只有一座，在英格兰诺维奇，1909年建成。还有一座未建成的特拉维斯工艺水厂，设计师Wattenberg死后被中断了施工。他的继任者Karl Imhoff，随后说服董事会将工艺改为他的个人设计，也就是之后的英霍夫池(Imhoff Tank)。
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1925-1950
在接下来的25年，人们对滴滤池进行了优化设计。包括设计负荷的技术标准，结构构造和系统运行的开发和应用。几家公司在结构设计、提高水流容量等方面，做了很多工作，其中包括：Lakeside Engineering(好氧-过滤器)，Dorr/Link-Belt Comp.(生物过滤器)和Infilco(快速过滤器)。在大多数实际工程案例中，都已经不再使用固定喷头而改为旋转布水系统。
滴滤池的普及当然可以归因于相对简单的操作和较高的性价比能力。此时，活性污泥工艺仍然属于研发阶段，一个主要问题是活性污泥工艺的曝气需要大量耗能。并且，法律问题也困扰着活性污泥工艺，几个掌握活性污泥工艺的主要城市提起了专利侵权诉讼，这导致许多城市就此放弃了悬浮生长系统工艺，而改为保守的多的滴滤池工艺。
然而，还有几个与固定膜技术类似的技术方向值得研究。比如，Hays工艺，在1930年至1940年期间是滴滤池的竞争对手。Hays工艺是1930年来自德克萨斯州的化学家Clifford Hays的发明，这个工艺采用大石棉混凝土板垂直堆叠，这种设计方法类似于Dibdin石板床(但是垂直排列，而不是水平)或Travis colloider系统。截止到1942年，在美国已经有63个这样的水厂，其中大多坐落于军事设施区。
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另一个例子是NidusRack工艺。由A.M.Buswell于1929年开发，该工艺是以通过提高表面积来增加胶体颗粒间的吸引，其根本还是TravisColloider原理。
沿着Weigand和Poujoulat的研究路线，一些人开始基于rotatingsupport media进行独立研究。 1929年，J.Doman报道了一个使用镀锌钢板做成旋转布水器的接触过滤器，示意图酷似现代RBC的设计。
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1950-至今
Mohlman在一个污水处理期刊发表过一篇报道，讲的是“滴滤池的复兴”，主要介绍该技术在二十世纪中期的发展和应用情况。尽管该技术在可靠性和经济性中都具有优势，但这篇社论也承认，“滴滤池几乎快被打入冷宫”。
事实上，在之后的几年，滴滤池的确被活性污泥工艺大大超越。Mohlman还参考了同时期其他科学家研发的相关技术，但是从本质上说，他坚定的认为固定膜处理系统是一个非常值得期待继续快速发展的技术方向。
此后不久，一种用于固定膜处理系统的塑料滤料逐渐发展起来，这些合成的滤料在很多方面都超过了天然滤料，比如接触面积，空隙率分数，堆积密度，和施工灵活性等。塑料填料的研究和开发主要在1950年初，在美国和欧洲都有不同程度的应用。
而关键性的发展，来自Popel和Hartman进一步研发了发泡聚苯乙烯滤料，自此打开了商业应用的大门。
到1957年，西德已经开始成规模制造发泡聚苯乙烯滤料，并在一些污水处理厂中进行试用。第一个商业安装投产在1960年，并在此后不久就引爆了整个欧洲的兴趣。
在1960年代初，Allis Chalmers公司的研究部门开始研究生物转盘。在1965年夏天，直径为三英尺的金属圆盘在威斯康星州密尔沃基市的琼斯岛污水处理厂进行了试用。这些设备还可以提高曝气过程中的氧气传输速率。
为了验证试验效果并进一步开展研发，实验室采用直径为三英尺的铝盘对乳制品厂废水进行曝气试验。经过欧洲的试验，AllisChalmers公司在美国铺开了相应的生产和销售分布市场，在1968年获得许可协议，商品名称定为生物转盘(Bio-Disc)，并开始在市场上销售。1969年，在美国的一个小奶酪厂进行了首次商业安装投产。
1970年，AllisChalmers公司将其生物转盘技术出售给Autotrol公司。那个时候，聚苯乙烯转盘仍然无法与活性污泥法竞争，主要是由于聚苯乙烯转盘的生产成本较高。然而，在1972年，Autotrol公司宣布他们研发了一种由聚乙烯波纹片打造的全新形式的转盘。
常规转盘是由0.5英寸厚的发泡聚苯乙烯片材组成，新的形式使用1/16英寸厚的聚乙烯薄膜，以保证两片薄膜之间具有1.2英寸的空间。
而在同时期的1950年初，西方德国研究人员开始研发塑料生物转盘(RBC)，陶氏化学公司的美国调查人员也开展了实验与生产。陶氏化学公司的生产性试验使用了各种不同的工业污水，试验效果非常好。
今后的重点是DowpacHCS，它的成本效益更高、运营更具灵活性。这种形式的设计可以使污水通过沟槽均匀分布在转盘表面，将污水与微生物的接触面积最大化，从而最大化实现污水处理效率。
总 结
本文描述了固定膜污水处理系统的历史发展。从1860年的过滤柱开始，各种固定膜处理技术相继问世。本文主要介绍不同固定膜处理技术的发展，包括滴滤池、间歇滤池、接触床、以及生物转盘，其目的是介绍在水处理领域内固定膜污水处理技术何以逐级进步。随着时代更迭，技术的浪潮不断向前奔涌，我们也期待看到更多新技术的问世，同时，我们也不应忘记技术最初的本质与发展历史。(注：本文不包括流化床系统，它属于半悬浮半固定生长系统)
作者：James E. Alleman
延伸阅读：
原标题：固定膜污水处理系统的发展历史
