應(yīng)用歷史 l 從挑戰(zhàn)霍亂到顆粒污泥一一荷蘭主流污水處理140年
這是一個(gè)沒人能解釋的難題。
最初，這種致命疾病只流行于印度恒河三角洲流域。然而，自1817年開始，“亞洲霍亂”開始逐漸蔓延至全球。1830年禍及歐洲，在到達(dá)斯海弗寧恩之后最終席卷了整個(gè)荷蘭，導(dǎo)致死亡人數(shù)迅速增加。
疾病以驚人速度迅速蔓延，造成了極大恐慌。早晨那些身體健康的人到了晚上可能就變得非常虛弱。同樣可怕的是，這種疾病可能突然出現(xiàn)在任何地方，無需人與人相互接觸。這引起了廣泛慌亂，開始到處流傳發(fā)病原因和治療理論。
霍亂于1817-1831年10月期間在世界范圍內(nèi)的傳播。（來源：Leiden大學(xué)圖書館）
19世紀(jì)末Hamburg有軌電車上的霍亂。（來源：私人收藏）
倫敦John Snow醫(yī)生根據(jù)“霍亂地圖”（城市死亡率分布圖）率先提出了一種理論，聲稱 “細(xì)菌”是霍亂的罪魁禍?zhǔn)?，其可以通過被污染水體進(jìn)行傳播。然而也存在認(rèn)為有毒煙霧是導(dǎo)致霍亂和其他疾病的觀點(diǎn)。直至19世紀(jì)末，才確定細(xì)菌（霍亂弧菌）為病原體。01 工程師建設(shè)衛(wèi)生設(shè)施（HYGIENE BY ENGINEERS）
統(tǒng)計(jì)學(xué)（一門新學(xué)科）表明衛(wèi)生問題與高死亡率、發(fā)病率之間存在聯(lián)系。醫(yī)生（衛(wèi)生學(xué)家）主張對(duì)受到污染和過度擁擠的的工業(yè)城市進(jìn)行大規(guī)模清理，并提出了解決技術(shù)方案。供應(yīng)清潔水系統(tǒng)與廢物、糞便單獨(dú)處理措施在解決衛(wèi)生問題方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。包括“管道、轉(zhuǎn)輸體、泵、蒸汽泵站、除塵車、堆肥、桶和過濾設(shè)備”。工程師們親臨現(xiàn)場，他們在接受了健康教育后，提出構(gòu)建新的公共衛(wèi)生基礎(chǔ)設(shè)施。荷蘭最引人注目的是，所有城鎮(zhèn)都選擇采用自己獨(dú)特的方式。
1901年，Amsterdam在Sprenkel運(yùn)河附近建立了給水系統(tǒng)（現(xiàn)歸地方政府）——通過沿海的沙丘取水。（資料來源：Amsterdam城市檔案館）
02 Johan Van Hasselt和Amsterdam的Duinwater公司在Johan van Hasselt和Jacobus de Koning創(chuàng)立工程公司后不久，Van Hasselt還成為荷蘭首家給水廠Amsterdamse DuinwaterMaatschappij總工程師。這家公司從首都附近的海岸沙丘取水。他于1888年開始第二個(gè)工作，其初衷是“使自己能夠與公司建立更密切的關(guān)系”。然而Van Hasselt很快發(fā)現(xiàn)，他不得不把所有時(shí)間都投入到這項(xiàng)工作中。在1893年，他離開了該工程公司——這完全違背了他的意愿。
從 1905 年的一份項(xiàng)目清單可以看出，他在自來水廠工作預(yù)期的商業(yè)影響并不樂觀，該清單僅包含 121 項(xiàng)中的 7項(xiàng)給水工程和飲用水輸送工程任務(wù)。除飲用水項(xiàng)目外，J. van Hasselt和De Koning從1894年起也開始編制了污水處理報(bào)告和執(zhí)行計(jì)劃。在當(dāng)時(shí)的西方國家，下水道排放的糞便已成為市政當(dāng)局和工程公司之間的“大生意”。
于1911年左右修建的自Amsterdam至Zuiderzee的排水管道，其要求是將污水排放至盡可能遠(yuǎn)離城區(qū)的位置。（資料來源：Amsterdam城市檔案館）
03 Dwars、Heederik和Verhey的污水系統(tǒng)自1919年起，由Dwars、Heederik和Verhey共同創(chuàng)立和管理的技術(shù)咨詢公司（TAB）代表荷蘭市政協(xié)會(huì)（VNG）提供污水處理系統(tǒng)方面的咨詢服務(wù)。Bastiaan Verhey在英國考察期間學(xué)習(xí)到關(guān)鍵技術(shù)，但真正的專家和污水系統(tǒng)開發(fā)背后的關(guān)鍵人物是Adriaan Dwars。到1941年底，該公司向市政當(dāng)局提交了至少94份咨詢報(bào)告：這相當(dāng)于市政當(dāng)局執(zhí)行的所有TAB任務(wù)的四分之一。污水處理項(xiàng)目伴隨著涵洞、控制、監(jiān)測和溢流、排水管道計(jì)劃，以及安裝設(shè)計(jì)使泵站完全自動(dòng)運(yùn)行。無論是市政項(xiàng)目數(shù)量還是技術(shù)發(fā)展層面，這都是一項(xiàng)具有巨大增長潛力的宏大業(yè)務(wù)。也再次證明，細(xì)菌是所有這一切背后的驅(qū)動(dòng)力。但這一次，不是因?yàn)樗鼈冊斐闪宋廴荆撬麄儼l(fā)揮了真正的凈化作用。
1919-1933年，A.W.C.Dwars作為Dwars，Groothoff &Verhey的聯(lián)合創(chuàng)始人，負(fù)責(zé)公司的污水處理項(xiàng)目。（資料來源：Royal HaskoningDHV公司檔案）
04 細(xì)菌凝聚為絮狀物（BACTERIA BECOME FLOCS）在19世紀(jì)，嘗試了各種污水處理方法后，出現(xiàn)了“生物體”自然凈化污水這一想法。1913年，兩位英國化學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室通過給廢水曝氣一段時(shí)間，試圖在廢水中產(chǎn)生細(xì)小絮狀物。過程中氧氣分子氣泡推動(dòng)了這一過程，絮狀細(xì)菌（或“活性污泥”）下沉至池體底部，而上部是凈化后的廢水。
這種活性污泥技術(shù)很快在世界范圍內(nèi)廣泛流行，成為污水凈化處理的關(guān)鍵。1938年，美國回顧了此前25年的歷史描述到：“這一驚人的增長，在污水處理史上是史無前例的，其必須歸因于活性污泥法與現(xiàn)代生活的節(jié)奏和科學(xué)相契合?，F(xiàn)代城市污水處理廠必須無異味、占地小、并易于調(diào)控?！?/span>
位于Heiloo的污水處理廠，配有污水泵站、曝氣池、末端分離池、污泥干化場、沉淀池和儲(chǔ)存池。1937年，失業(yè)工人第一次被召集鋪設(shè)10 000米污水管道。（資料來源：Royal HaskoningDHV公司檔案館）
05 PASVEER氧化溝20世紀(jì)初，荷蘭建造的管道和泵站設(shè)施基本保證了所有污水轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)輸問題。大城市的污水幾乎沒有直接排放到自然水體（如排入當(dāng)?shù)氐倪\(yùn)河），它們會(huì)通過數(shù)公里長的排水管道接入大?；蛑饕恿?。而城鎮(zhèn)之外的生活和工業(yè)污水最終排放到水溝中。但隨著時(shí)間的推移，這種工業(yè)污染導(dǎo)致環(huán)境變得越來越臟，越來越臭。
但污水處理廠成本很高。出于這個(gè)原因，1954年農(nóng)業(yè)工程師Aale Pasveer（1909-2001）設(shè)計(jì)了一套簡單且價(jià)格低廉的解決方案：氧化溝。整個(gè)處理過程仍基于活性污泥原理，在一條布置緊湊的渠體中完成。攪拌曝氣設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，污水流動(dòng)，并產(chǎn)生曝氣，將活性污泥與污水混合；攪拌器停止時(shí)，污泥就沉到了底部，幾天后污水被凈化而可排出。
Pasveer氧化溝的解決方案意味著初沉池、污泥消化和二沉池——直到現(xiàn)在都是必要的元素——變得毫無必要。他的發(fā)明為較小的城市提供了污水處理解決思路，使其能夠以更低的成本實(shí)現(xiàn)污水凈化。小型污水處理廠得以在各地迅速建設(shè)。DHV還開發(fā)出了一系列的Pasveer氧化溝。
Aale Pasveer正在TNO實(shí)驗(yàn)室工作。他在voor gezondheidstechniek研究所（衛(wèi)生技術(shù)研究所）的水、土壤和空氣部門工作。（資料來源：TNO）
1954年P(guān)asveer氧化溝處理污水。左側(cè)是旋轉(zhuǎn)攪拌設(shè)備，其末端是控制間。（資料來源：Royal Haskoning DHV 公司檔案）
06 DHV發(fā)明卡羅塞氧化溝（CARROUSEL）然而，成本低的Pasveer氧化溝有一個(gè)缺陷，其設(shè)計(jì)水深較淺，導(dǎo)致大規(guī)模污水凈化需占用大量的額外空間。DHV工程師R.J. Klein提出了解決方案。他最初的研究規(guī)模很小，“第一次實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)洗碗槽中進(jìn)行，在洗碗槽縱向放置一個(gè)隔板，由一個(gè)由玩具馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的表面曝氣機(jī)分隔為兩部分?！苯?jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)后，他對(duì)Pasveer氧化溝進(jìn)行改進(jìn)，稱之為Carrousel®。
DHV的專利設(shè)計(jì)取得了巨大的成功，尤其是促成1971年荷蘭地表水污染法生效，迫使工業(yè)和地方政府必須開展污水處理。健康不再是水處理的唯一目的，生態(tài)系統(tǒng)也需要健康的未來。
1968年在Oosterwolde建設(shè)了第一座Carrousel氧化溝，至1993年，全世界又建成了650個(gè)Carrousel氧化溝。為了保持其作為工程咨詢公司的獨(dú)立，其他各方出售產(chǎn)品需向DHV支付專利費(fèi)。
Dick Theunissen站在Carrousel鋼制模型旁邊（長5米，寬1.2米，深0.4米）。在1971年，位于Amersfoort新總部的衣帽室和繪圖室之間保留了一個(gè)特殊區(qū)域，用于建模研究。（資料來源：Royal Haskoning DHV 公司檔案館）
07 凈化顆粒（THE PURIFYING GRANULE）當(dāng)DHV仍在積極開發(fā)和設(shè)計(jì)新一代的Carrousel系統(tǒng)時(shí)，環(huán)境生物技術(shù)學(xué)家Mark van Loosdrecht（1959年出生）在他的實(shí)驗(yàn)室里得到了驚人的發(fā)現(xiàn)。在90年代中期，他與來自代爾夫特理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)一起，設(shè)計(jì)了一套在廢水處理過程中讓不同類型的細(xì)菌不再以絮狀物的形式（緩慢地）絮凝，而是（更快速）以顆粒形式共存的工藝；該過程不需要任何額外輔助。更重要的是，這些顆粒本身形成了一種新型材料：生物塑料。并且這種工藝需更少的能源。
左側(cè)是絮狀污泥，右側(cè)是顆粒狀污泥。二者成分相似卻展現(xiàn)出完全不同的結(jié)構(gòu)。在顆粒污泥中，細(xì)菌被一種新物質(zhì)凝聚：膠狀生物聚合物（“生物塑料”）。（資料來源：Winkler et al., "Microbial diversitydifferences", Appl Microbiol Biotechnol 97 (2013), 7447–7458）
在活性污泥法被發(fā)現(xiàn)近80年后，Van Loosdrecht的發(fā)明標(biāo)志著污水處理的又一次突破。他尋求與商業(yè)界的合作，以進(jìn)一步利用顆粒污泥的凈化能力，開發(fā)出市場化產(chǎn)品。在走過一些彎路后，他最終與DHV公司污水技術(shù)領(lǐng)域的專家Helle van der Roest相遇。1999年，DHV公司和代爾夫特理工大學(xué)正式建立了合作關(guān)系。08 NEREDA的發(fā)展
1996-2002年，分別進(jìn)行了一系列小規(guī)模的生活和工業(yè)廢水試驗(yàn)。2005年，第一個(gè)基于“Nereda®技術(shù)”穩(wěn)定運(yùn)行的工業(yè)廢水處理系統(tǒng)投產(chǎn)使用。
技巧是在受折舊周期影響而更替緩慢的市場保持發(fā)展速度。由DHV、STOWA（水管理應(yīng)用研究基金會(huì)）、代爾夫特理工大學(xué)和六個(gè)水資源管理局之間的巧妙合作，證明該方案是可行的。2007年，他們建立了為期10年的公私合作關(guān)系。而獲準(zhǔn)加入合作的水務(wù)部門打算在2010年左右更換其現(xiàn)有處理系統(tǒng)。這有助于建立必要的實(shí)驗(yàn)研究環(huán)境、加速實(shí)驗(yàn)技術(shù)的工程化應(yīng)用。Epe污水處理廠于2012年投入運(yùn)營，由Vallei en Veluwe水務(wù)局管理，是荷蘭第一家完整Nereda工藝系統(tǒng)的生活污水處理廠。
污水處理分為三個(gè)階段：在顆粒污泥工藝中，所有的凈化過程都在一個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)器進(jìn)行，該反應(yīng)池定期填充和排空。整個(gè)過程需要三個(gè)小時(shí)。（資料來源：Royal HaskoningDHV公司檔案館）
2009年，南非Gansbaai展示了第一座Nereda生活污水處理廠。（資料來源：Royal Haskoning DHV公司檔案館）
09 可持續(xù)創(chuàng)新對(duì)Nereda來說，這一時(shí)刻意味著需求量大幅上升的開始。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，該工藝更便宜、更高效、更節(jié)能，且所需占地也少得多。前者為水務(wù)部門節(jié)省開銷，而后者則為負(fù)責(zé)土地規(guī)劃的部門創(chuàng)造價(jià)值。此外，該技術(shù)還適用于現(xiàn)有污水處理廠升級(jí)。目前，全世界19個(gè)國家有超過41個(gè)Nereda工藝已在運(yùn)行。
Mark van Loosdrecht教授因?qū)ξ鬯幚砑夹g(shù)的貢獻(xiàn)與創(chuàng)新、發(fā)展Nereda技術(shù)而獲得了許多著名的科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)。Royal Haskoning DHV的水資源專家站在科學(xué)和前輩的肩膀上巧妙地應(yīng)用了這項(xiàng)“十年突破性技術(shù)”。與Van Hasselt和Dwars的時(shí)代不同，工程師、生物技術(shù)學(xué)家和軟件開發(fā)人員現(xiàn)在共同致力于提供清潔水，他們正在以一種比以往任何時(shí)候都更安全、更環(huán)境友好和更可持續(xù)的方式進(jìn)行這項(xiàng)工作。