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李經理
13505181093
dvhb@163.com
西安高新區錦業路錦業時代A3-307室本文描述了固定膜污水處理系統的歷史發展。從1860年的過濾柱開始，各種固定膜處理技術相繼問世。本文主要介紹不同固定膜處理技術的發展，包括滴濾池、間歇濾池、接觸床、以及生物轉盤，其目的是介紹在水處理領域內固定膜污水處理技術何以逐級進步。隨著時代更迭，技術的浪潮不斷向前奔涌，我們也期待看到更多新技術的問世，同時，我們也不應忘記技術最初的本質與發展歷史。（注：本文不包括流化床系統，它屬于半懸浮半固定生長系統）
通過以下文章的介紹，相信讀者會對固定膜污水廠處理工藝有一個全面深入的了解。
KY-MBR再生水處理設備工藝流程與傳統技術比較圖1
KY-MBR再生水處理設備工藝流程與傳統技術比較圖2
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1850-1875
正如狄更斯在1859年經典故事中的描述，“這是最好的時代，這是最壞的時代。”這個文學形象尖銳地描繪了十九世紀中葉，看似為世人帶來祝福的工業革命，實際上在面對大規模傳染病時卻是這般無力。
霍亂，僅僅是爆發于不列顛群島內四種致命疾病的其中之一，這個恐怖的疾病傳播整整蔓延了十年之久。毫無疑問，這些傳染性疾病的爆發與當時糟糕的環境衛生條件有著直接的聯系。
然而，當時的細菌學剛剛進入起步階段，只能為糞便污染和疾病傳播之間的潛在關系提供一些模糊的線索。對于污水處理等概念，完全還屬于天方夜譚。但是啟蒙已經逐漸誕生，接下來，1858年《The NuisanceRemoval Act》立法頒布，專門用以控制污水排放。不過，控制重點迅速轉向疾病，流行病學John Snow博士的同年紀念刊物中如是說。
英格蘭短期內組織開展了一系列皇家委員研討會，負責有關污水處理問題的研究。他們初步發現，就當前發展水平而言，化學沉淀、過濾和灌溉都是最先進的技術，而過濾和灌溉對于土地修復都具有一定的作用。還有一些聽起來比較奇特的方法，比如其中的一種稱之為ABC工藝，采用的過濾材料是由明礬、血液和粘土混合而成。
然而，那時還沒有一種能和生物處理搭上邊的有效處理機制。1865年，AlecanderMueller博士發現污水通過一個長滿活性微生物的濾柱之后，可以得到凈化，而這一觀點，給了當時的科學界很大啟示。
Mueller博士，這位柏林的杰出化學家，幾年之后提出了生物凈化工藝專利。毫無疑問，無論是Mueller博士的專利還是他提出的這個理念，在當時都引起了人們的廣泛關注。
1868年，英國皇家委員會成員之一，Edward Frankland爵士，開始對污水處理的濾料性能展開詳細研究，從粗礫石到泥炭土。他每天兩次給填滿濾料的過濾柱里通入污水，濾料的過濾性能一直維持了四個多月。雖然當時對過濾處理的理解還僅僅歸功于物化作用，但是由此建立起來的間歇過濾理念已經誕生。
基于這些結果，皇家委員會開始非常重視利用間歇過濾。1871年，J. Bailey-Denton在威爾士建立了第一個全規模應用設施，這個設施的成功，以及接下來其他幾個成功的案例，引得幾位工程師開始實踐Frankland的理念。
不幸的是，這些工程師常常會忽視一些關鍵因素的差異，比如土壤滲透性、間歇時間，這就使得試驗故障頻頻發生。歷經多個失敗案例后，人們對間歇過濾理念的興趣已經蕩然無存。
KY-MBR再生水處理設備膜組件結構圖 KY-MBR再生水處理設備膜組件外觀圖
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1875-1900
在Mueller成功十年之后，一些研究人員開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成功培養了亞硝化細菌。但是，這些先驅者們仍然不確定這些細菌的工作原理，也無法由此大規模開展有效的工程應用。
到現在為止，歐洲一直主宰著污水處理技術的發展。在美國，人們對污染控制的關注促成了馬薩諸塞州勞倫斯實驗站的建立。
勞倫斯試驗站由Hiram F. Mills和Sedwick教授主管，Mills是一位杰出的水文學家， Sedwick教授則畢業于麻省理工學院。
沿著Allen Hazen的研究方向，勞倫斯實驗室在1887年開展了一系列的過濾實驗，類似于Frankland當年從事的間歇過濾實驗。
然而，當時的過濾反應器個頭都比較大，每單位占地1/200英畝。雖然他們的結果與Frankland的相似，但在1890年勞倫斯實驗室在首次提出污水處理中微生物活動的重要性，這是一個歷史轉折點。事實上，他們的研究結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程中發揮了重要的作用。
鑒于勞倫斯實驗站的成功，生物處理技術方向迅速擴展。1890年，Donald Cameron申請到了化糞池專利權，這一事件引發巨大爭議，使得大多數城市更加急于找到適合自己的污水處理方案。此時，在新英格蘭地區，幾個全規模間歇過濾系統開始工作，其中大部分成功運行了幾十年。
然而在歐洲，污水工程師們還在猶豫接受間歇過濾的概念，可能是因為之前重復Franklandera試驗時，那段經歷揮之不去的陰影，又或許是因為他們發現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提高過濾速率，如焦炭粉、礫石、燒粘土等。Scott-Moncrief開始了第一次這樣的測試，他使用直徑為1英寸的焦炭對污水進行連續過濾。
1893年，J. Corbett嘗試采用串聯過濾器，以及連續進水的方式。而在同一年，F. Wallis Stoddart研究發現采用粗介質過濾器可以得到連續的優質出水水質。但是，這兩位研究人員的思想存在紛爭，Corbett認為是勞倫斯試驗站的研究結果給他提供了動力和方向。Stoddart堅持認為是Frankland的試驗給了他靈感，不管誰對誰錯，滴濾池的理念顯然已經浮出水面。
同時期的歐洲還有一個理念正在形成，就是接觸床。沿著勞倫斯的實驗，W. Santo Crimp和W.J. Dibdin于1891年決定進行一項試驗，給一個裝滿粗濾料的過濾床內連續通入8小時污水，在接下來16小時內觀察出水狀況。
試驗結果表明，出水水質非常好，但是濾料的堵塞卻非常嚴重。在接下來的試驗中，Dibdin嘗試采用雙接觸的方法，即采用兩個過濾床，后一個過濾器內填充的濾料粒徑小于前者。該試驗的成功迅速擴展為幾座全規模應用，工藝流程都采用了前后兩個過濾床的形式。而在他們的第五次報告中，皇家委員會對接觸床的安裝和運行都提供了廣泛的技術支持。
在接下來的幾年內，人們對過濾器和接觸床展開了大量研究。比如如何保證間歇過濾器的負荷均勻，Waring和Lowcock在1892年設計了一個簡單的裝置，該裝置底層覆蓋細砂礫層，以促進配水均勻，但是，這種設計會阻礙曝氣效果。所以，Waring還為此設計了一個強制性曝氣生物濾池系統，并申請了專利。
Stoddart研發了一種應對配水均勻問題的設計，他設計了一套具有對稱排水口的波紋型金屬平板布水器，試驗結果看似不錯，但實際上這些平板的位置需要非常繁瑣的調整。Corbett最初采用設有溝槽的木質水槽，又改為各種固定式噴頭。1896年，Carfield提出了在間歇式過濾器內設置固定布水器的理念，虹吸作用可以保證間歇過濾時不會發生濾料局部淹水。
1889年，首次提出旋轉布水器的理念，其后Corbett一直對旋轉布水器進行工藝細化，直到1894年，Whittaker和Bryant發明了脈沖式旋轉布水器。這種布水器不僅產生脈沖、間歇式布水、同時還可以對進水保溫。然而，他們的模型多采用穿孔管布水方式，容易堵塞。之后，Mather和Platt發明了旋轉木槽布水器，解決了堵塞問題。
珂沅環保MBR污水處理技術與傳統工藝占地面積對比圖
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1900-1925
基于Hazen、Stoddart、Corbett和Dibdin在過去四分之一個世紀對經典技術進步所做出的貢獻，未來25年有可能成為實際應用和完善的時代。已經較成熟的生物處理系統包括間歇性過濾、滴濾池和接觸床。在污水曝氣基礎實驗逐漸興起之時，懸浮生長系統的理念還沒有誕生。
滴濾池在1901年首次引入美國，截止到1910年，在美國中西部和東部的一些城市累計已有大約10座滴濾池。巴爾的摩市的一座占地31英畝的滴濾池系統直到75年之后還在運行。
這些早期的美國滴濾池一直采用固定噴頭布水器，并且持續了數十年。當代污水處理設計手冊通常都有幾頁專門講解噴頭的設計和安裝。旋轉式噴頭在美國只有非常少量的試驗應用，而歐洲滴濾池的設計比較青睞使用旋轉式噴頭。
隨著滴濾池應用的出現，間歇過濾的熱度開始消退。勞倫斯實驗站繼續開展針對這兩種濾池的對比研究，他們發現采用粗粒濾料可以顯著減小濾池的占地面積，是因為粗粒濾料的負荷比較高。1916年，Tatham等學者開始研究生物過濾的數學模型。
至于接觸床的設計，有幾個全規模應用案例的一些記載。盡管一些大型工程都建在美國，但實際上接觸床并沒有激起歐洲地域之外的興趣。而且，濾料積水后產生的厭氧環境也會降低最終的出水水質，這些麻煩問題讓應用者望而卻步。
1904年，Dibdin發現了好氧生物膜的優越性，他決定研發一種石板床技術。并用厚板巖代替了粗粒濾料，厚板巖均勻平鋪成層狀。經過十二個月的實驗室研究后，Dibdin進展順利，1905年他成功的展示了一個基于此的工程應用。但是在皇家委員會的第五次報告，他們認為這種方法只是應用了初級沉淀的原理。
在美國，Dibdin的石板床技術迅速引起了人們的關注。1905年，人們在新澤西州的Plainfield開展了實驗測試。據歷史記載，應用石板床技術比較重要的試驗是在勞倫斯實驗室進行的。在對比了石板床技術（固定膜系統）和懸浮藻類污水處理技術（懸浮生長系統）之后，研究人員在1913年報道了試驗結果，后者可以實現更高的處理效率。
此后不久，英國維多利亞大學的一名化學專業教授，Gilbert John Fowler，參觀了勞倫斯實驗室。一回到英國，他的學生Edward Ardern和William Lockett便開始了對懸浮生長系統的研究。1914年，這兩個學生發表了第一篇關于活性污泥工藝的文章，這種工藝與之前固定膜工藝的區別是采用了懸浮生物作為微生物主體。當談到他的學生們時，Fowler非常認可Edward Ardern和William Lockett所做的貢獻和靈感，他認為指勞倫斯試驗站就是“污水處理的麥加圣地”。
類似于Dibdin的石板床技術，William Owen Travis博士還在尋求如何進一步提高接觸床的性能。Travis博士是英國漢普頓區當地健康管委會的一名官員，他很熟悉接觸床易堵塞的問題。
1904年，Travis博士為此想出了解決辦法，稱為特拉維斯水解/膠體池（Hydrolytic or Colloider Tank），基本構造類似于多級化糞池。依次分為沉砂區，水解區和出水區，后兩個區域中設置擋板或平行陣列板，設置這些擋板是為了吸附隨后的降解細顆粒物。
基于特拉維斯工藝的水廠只有一座，在英格蘭諾維奇，1909年建成。還有一座未建成的特拉維斯工藝水廠，設計師Wattenberg死后被中斷了施工。他的繼任者Karl Imhoff，隨后說服董事會將工藝改為他的個人設計，也就是之后的英霍夫池（Imhoff Tank）。
KY-MBR再生水處理設備 MBR膜反應器運行中 加工中的污水處理設備 現場安裝ＭＢＲ平板膜
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1925-1950
在接下來的25年，人們對滴濾池進行了優化設計。包括設計負荷的技術標準，結構構造和系統運行的開發和應用。幾家公司在結構設計、提高水流容量等方面，做了很多工作，其中包括：Lakeside Engineering（好氧-過濾器），Dorr/Link-Belt Comp.（生物過濾器）和Infilco（快速過濾器）。在大多數實際工程案例中，都已經不再使用固定噴頭而改為旋轉布水系統。
滴濾池的普及當然可以歸因于相對簡單的操作和較高的性價比能力。此時，活性污泥工藝仍然屬于研發階段，一個主要問題是活性污泥工藝的曝氣需要大量耗能。并且，法律問題也困擾著活性污泥工藝，幾個掌握活性污泥工藝的主要城市提起了專利侵權訴訟，這導致許多城市就此放棄了懸浮生長系統工藝，而改為保守的多的滴濾池工藝。
然而，還有幾個與固定膜技術類似的技術方向值得研究。比如，Hays工藝，在1930年至1940年期間是滴濾池的競爭對手。Hays工藝是1930年來自德克薩斯州的化學家Clifford Hays的發明，這個工藝采用大石棉混凝土板垂直堆疊，這種設計方法類似于Dibdin石板床（但是垂直排列，而不是水平）或Travis colloider系統。截止到1942年，在美國已經有63個這樣的水廠，其中大多坐落于軍事設施區。
另一個例子是NidusRack工藝。由A.M.Buswell于1929年開發，該工藝是以通過提高表面積來增加膠體顆粒間的吸引，其根本還是TravisColloider原理。
沿著Weigand和Poujoulat的研究路線，一些人開始基于rotatingsupport media進行獨立研究。 1929年，J.Doman報道了一個使用鍍鋅鋼板做成旋轉布水器的接觸過濾器，示意圖酷似現代RBC的設計。
中水回用工程鼓風機房間 ＭＢＲ工藝與傳統工藝對比圖 運行中的中水回用工程 MBR膜組件剖面圖
中水回用設備處理流程圖 MBR膜生物反應器 高山深處的KY-MBR再生水設備 運行中的MBR膜生物反應器
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1950-至今
Mohlman在一個污水處理期刊發表過一篇報道，講的是“滴濾池的復興”，主要介紹該技術在二十世紀中期的發展和應用情況。盡管該技術在可靠性和經濟性中都具有優勢，但這篇社論也承認，“滴濾池幾乎快被打入冷宮”。
事實上，在之后的幾年，滴濾池的確被活性污泥工藝大大超越。Mohlman還參考了同時期其他科學家研發的相關技術，但是從本質上說，他堅定的認為固定膜處理系統是一個非常值得期待繼續快速發展的技術方向。
此后不久，一種用于固定膜處理系統的塑料濾料逐漸發展起來，這些合成的濾料在很多方面都超過了天然濾料，比如接觸面積，空隙率分數，堆積密度，和施工靈活性等。塑料填料的研究和開發主要在1950年初，在美國和歐洲都有不同程度的應用。
而關鍵性的發展，來自Popel和Hartman進一步研發了發泡聚苯乙烯濾料，自此打開了商業應用的大門。
到1957年，西德已經開始成規模制造發泡聚苯乙烯濾料，并在一些污水處理廠中進行試用。第一個商業安裝投產在1960年，并在此后不久就引爆了整個歐洲的興趣。
在1960年代初，Allis Chalmers公司的研究部門開始研究生物轉盤。在1965年夏天，直徑為三英尺的金屬圓盤在威斯康星州密爾沃基市的瓊斯島污水處理廠進行了試用。這些設備還可以提高曝氣過程中的氧氣傳輸速率。
為了驗證試驗效果并進一步開展研發，實驗室采用直徑為三英尺的鋁盤對乳制品廠廢水進行曝氣試驗。經過歐洲的試驗，AllisChalmers公司在美國鋪開了相應的生產和銷售分布市場，在1968年獲得許可協議，商品名稱定為生物轉盤（Bio-Disc），并開始在市場上銷售。1969年，在美國的一個小奶酪廠進行了首次商業安裝投產。
1970年，AllisChalmers公司將其生物轉盤技術出售給Autotrol公司。那個時候，聚苯乙烯轉盤仍然無法與活性污泥法競爭，主要是由于聚苯乙烯轉盤的生產成本較高。然而，在1972年，Autotrol公司宣布他們研發了一種由聚乙烯波紋片打造的全新形式的轉盤。
常規轉盤是由0.5英寸厚的發泡聚苯乙烯片材組成，新的形式使用1/16英寸厚的聚乙烯薄膜，以保證兩片薄膜之間具有1.2英寸的空間。
而在同時期的1950年初，西方德國研究人員開始研發塑料生物轉盤（RBC），陶氏化學公司的美國調查人員也開展了實驗與生產。陶氏化學公司的生產性試驗使用了各種不同的工業污水，試驗效果非常好。
今后的重點是DowpacHCS，它的成本效益更高、運營更具靈活性。這種形式的設計可以使污水通過溝槽均勻分布在轉盤表面，將污水與微生物的接觸面積最大化，從而最大化實現污水處理效率。
KY-MBR一體化膜生物反應器中水回用工程照片 KY-MBR一體化膜生物反應器中水回用工程照片
KY-MBR一體化膜生物反應器中水回用工程照片 KY-MBR一體化膜生物反應器中水回用工程照片
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