Od prvog svjetskog postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda—pogled na razvoj tehnologije za pročišćavanje otpadnih voda!

Predgovor: Ljudski razvoj je kontinuirani proces poboljšanja. Uzmimo za primjer pročišćavanje otpadnih voda. Prvi uređaj za pročišćavanje otpadnih voda izgrađen je nakon što smo svjedočili štetnosti i zdravstvenim rizicima neselektivnog ispuštanja otpadnih voda, što je dovelo do njegovog kontinuiranog razvoja. Povijest pročišćavanja urbanih otpadnih voda može se pratiti sve do starog Rima. U to je vrijeme okoliš imao veliki kapacitet, a sposobnost samo-pročišćavanja vodenih tijela mogla je zadovoljiti ljudske potrebe za vodom; ljudi su samo trebali razmisliti o odvodnji. Kasnije, s ubrzanjem urbanizacije, kućna kanalizacija širila je zarazne bolesti prenoseći bakterije. Iz zdravstvenih razloga, ljudi su počeli pročišćavati ispuštenu kućnu kanalizaciju. Rane metode obrade koristile su vapno, stipsu itd. za taloženje ili prašak za izbjeljivanje za dezinfekciju. Do kasne dinastije Ming moja je zemlja već imala uređaje za pročišćavanje otpadnih voda. Godine 1762. Britanija je počela koristiti vapno i metalne soli za pročišćavanje gradske kanalizacije. Danas ćemo uglavnom popularizirati ekološka znanja s dva aspekta: štetnost onečišćenja okoliša i razvoj uređaja za pročišćavanje otpadnih voda!

Prvo pogledajmo neke dobro-poznate štetne događaje onečišćenja okoliša. Između 1930-ih i 1960-ih osam velikih incidenata onečišćenja okoliša šokiralo je svijet: smog u dolini Meuse u Belgiji, smog u Donori u Sjedinjenim Državama, smog u Londonu, fotokemijski smog u Los Angelesu u Sjedinjenim Državama, Minamata bolest u Japanu, Toyama Itai-itai bolest u Japanu, Yokkaichi astma u Japanu i Japan incident s uljem rižinih mekinja. Ovih osam velikih incidenata onečišćenja okoliša odnosi se na osam značajnih i šokantnih događaja uzrokovanih onečišćenjem okoliša diljem svijeta.

Incident smoga u dolini Meuse (Belgija): Od 1. do 5. prosinca 1930. velike količine smoga koje je ispuštalo 13 tvornica u industrijskom području doline Meuse u Belgiji ispunile su zrak, uzrokujući da tisuće ljudi u industrijskom području dožive bol u prsima, kašalj, suzenje, upalu grla i poteškoće s disanjem. Više od 60 ljudi umrlo je u tjedan dana, a stradalo je i mnogo stoke. Ovo je najraniji zabilježeni incident onečišćenja zraka u 20. stoljeću.

Incident smoga u Donori (Sjedinjene Države): Od 26. do 31. listopada 1948., grad Donora, Pennsylvania, iskusio je uporni smog. Ovo je područje bilo koncentracija tvornica sumporne kiseline, čeličana i talionica cinka. Smog ispušten iz tih tvornica bio je zarobljen u dolini, uzrokujući da 6000 ljudi iznenada iskusi nelagodu kao što su bol u očima, upaljeno grlo, curenje iz nosa, glavobolja i stezanje u prsima; Njih 20 je brzo umrlo. Ovaj događaj smoga uglavnom je uzrokovan otrovnim i štetnim tvarima kao što su sumporni dioksid i metalne čestice koje se lijepe na suspendirane čestice. Ljudi su u kratkom vremenu udisali velike količine ovih štetnih plinova, što je dovelo do velike katastrofe.

Događaj smoga u Londonu (5.-8. prosinca 1952.): Visok tlak i gusta magla prekrile su London, bez vjetra nekoliko dana. To se dogodilo tijekom vrhunca zimske sezone grijanja, kada su se dim od ugljena, prašina i vlaga nakupljali u atmosferi, zbog čega su mnogi stanovnici grada imali poteškoće s disanjem i iritaciju očiju. U samo četiri dana umrlo je više od 4000 ljudi. U sljedeća dva mjeseca umrlo je još 8.000 ljudi. Bio je to najveći događaj urbanog smoga izazvan izgaranjem ugljena u 20. stoljeću.

Incident Minamata bolesti u Japanu: Počevši od 1949., Japan Nitrogen Fertilizer Company, smještena u gradu Minamata, prefektura Kumamoto, Japan, počela je proizvoditi vinil klorid i vinil acetat. Budući da se u proizvodnom procesu koristio katalizator-koji sadrži živu (Hg), velike količine žive ispuštene su u zaljev Minamata zajedno s tvorničkom neobrađenom otpadnom vodom. Godine 1954. u zaljevu Minamata počela se pojavljivati ​​čudna bolest nepoznatog uzroka, nazvana "Minamata bolest". Bolest je zahvatila mačke i ljude, sa simptomima koji uključuju nesiguran hod, grčeve, deformitete šaka i stopala, neurološke poremećaje, savijanje tijela i glasne krikove, što je na kraju dovelo do smrti. Nakon gotovo deset godina analize, znanstvenici su potvrdili da je živa u otpadnim vodama tvornice uzrok "Minamata bolesti". Mikroorganizmi u vodi apsorbiraju živu i u tijelu je pretvaraju u metil živu (CH3)Hg. Ova tvar preko riba i račića ulazi u tijelo ljudi i životinja, oštećujući mozak i druge dijelove tijela, uzrokujući atrofiju mozga, poremećaj sustava ravnoteže malog mozga i druge štetne učinke; izuzetno je otrovan. U Japanu su stotine tisuća ljudi konzumirale ribu i škampe kontaminirane metil-živom iz zaljeva Minamata.

...i tako dalje, nećemo ih sve ovdje nabrajati!

Danas pogledajmo postrojenje za pročišćavanje otpadnih voda koje je starije od procesa aktivnog mulja, s poviješću dugom 139 godina: Postrojenje za pročišćavanje otpadnih voda Blackburn Meadows, izgrađeno 1886. u Sheffieldu, dugo-industrijskom gradu u Engleskoj. Postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda imaju povijest dužu od 100 godina.

Kao što vjerojatno znate, postupak s aktivnim muljem izumljen je u Britaniji početkom 20. stoljeća, a Edward Ardern i William Lockett smatraju se njegovim izumiteljima, još od 1914. Međutim, pročišćavanje otpadnih voda u Britaniji zapravo je počelo oko 50 godina ranije od procesa s aktivnim muljem: s industrijskim razvojem, stanovništvo Britanije počelo je brzo rasti, a Engleska je postala jedna od zemalja s najvećim onečišćenjem vode. Stalni sanitarni problemi u britanskim gradovima naveli su poznatog znanstvenika Michaela Faradaya da osobno istraži stanje rijeke Temze.

Pandemija kolere 1832. odnijela je više od 400 života u Sheffieldu. Nakon toga, iako je lokalna vlast izgradila kanalizacijski sustav, poduzeća su nastavila ispuštati otpadnu vodu i otpad izravno u glavnu rijeku (rijeku Don), pretvarajući vodu u crnu i smrdljivu-. S obzirom na to, Sheffield je 1886. godine izgradio svoje prvo postrojenje za pročišćavanje otpadnih voda.

Početna biljka bila je prilično jednostavna. Dizajniran za obradu 40.000 kubičnih metara dnevno, radio je samo danju. Otpadne vode pročišćavale su se vapnom, a dobiveni mulj korišten je kao gnojivo za obližnje farme. Unatoč tome, za svoje vrijeme ova je biljka bila značajan napredak, privlačeći posjete kolega i gradskih dužnosnika iz drugih dijelova Engleske.

Nakon dovršetka 1886. godine, postrojenje je renovirano 1910. Prethodno je Gradsko vijeće Sheffielda zamislilo izgradnju cjevovoda za ispuštanje otpadne vode izravno u Sjeverno more, ali je kasnije usvojilo inovativnu metodu-prozračivanja za razgradnju zagađivača u otpadnoj vodi. Ovu su tehnologiju nazvali "krevetima bakterija". Pošteno je reći da su Sheffielderi učinili nešto uistinu veliko za čovječanstvo-da su otpadnu vodu jednostavno ispuštali izravno u more, to bi danas mogla biti standardna praksa. Sheffielderi su postavili potpuno novo mjerilo drugim vladama i vodnim tijelima-upotrebu bioloških metoda za pročišćavanje otpadnih voda. Obratite pažnju na vremensku traku-koju su 1910. zamislili korištenjem bakterija za pročišćavanje otpadnih voda, dok se-takozvani proces s aktivnim muljem pojavio tek 1914.

Metoda biofilma

Sredinom-18. stoljeća u Europi je započela industrijska revolucija, pri čemu je uklanjanje organske tvari iz urbanih otpadnih voda postalo ključni fokus. Godine 1881. francuski su znanstvenici izumili prvi bioreaktor i prvo anaerobno biološko jezero za pročišćavanje-Jezerce Moris-označavajući početak biološkog pročišćavanja otpadnih voda. Godine 1893. prvi biološki filtar pušten je u uporabu u Walesu u Engleskoj i brzo se proširio Europom i Sjevernom Amerikom. Tehnološki napredak potaknuo je razvoj standarda. Godine 1912. Kraljevsko povjerenstvo za upravljanje otpadnim vodama u Ujedinjenom Kraljevstvu predložilo je korištenje BPK5 za procjenu stupnja onečišćenja vode.

Proces s aktivnim muljem

Godine 1914. Arden i Lokett objavili su rad o procesu aktivnog mulja na Instituciji kemijskih inženjera (ICC) u Velikoj Britaniji, a iste godine uspostavili su prvo pilot postrojenje za pročišćavanje otpadnih voda s aktivnim muljem u svijetu u Manchesteru u Engleskoj. Dvije godine kasnije službeno je postavljeno prvo postrojenje za pročišćavanje otpadnih voda s aktivnim muljem u Sjedinjenim Državama. Rođenje procesa s aktivnim muljem postavilo je temelje za tehnologiju pročišćavanja urbanih otpadnih voda za sljedećih 100 godina.

U svojim ranim fazama, postupak s aktivnim muljem koristio je postupak punjenja-i-pražnjenja (slično SBR procesu). Zbog relativno zaostale tehnologije automatske kontrole i opreme u to vrijeme, njegov rad je bio glomazan i sklon začepljenju, ne nudeći značajne prednosti u usporedbi s biološkim filtrima. Kasnije ga je brzo zamijenio kontinuirani plug{4}}protok aktivnog mulja. Međutim, budući da se stopa potrošnje kisika mulja u plug-reaktoru razlikuje duž duljine spremnika, stopu opskrbe kisikom je teško uskladiti, a proces aktivnog mulja suočava se s problemom lokalizirane nedovoljne opskrbe kisikom. Proces postupno prozračenog aktivnog mulja, predložen 1936., i postupni postupak prozračivanja, predložen 1942., poboljšali su ravnotežu opskrbe kisikom rješavanjem metoda prozračivanja i utjecaja. Godine 1950. McKinney iz Sjedinjenih Država predložio je postupak potpuno miješanog aktivnog mulja. Ova metoda učinkovito je riješila problem skupljanja mulja mijenjanjem načina preživljavanja mikrobne zajednice aktivnog mulja, dopuštajući joj da se prilagodi gradijentnim promjenama koncentracije supstrata unutar spremnika za prozračivanje.

Svojom širokom primjenom u stvarnoj proizvodnji i stalnim tehnološkim inovacijama, postupak s aktivnim muljem postupno je zamijenio proces s biofilmom i postao glavna tehnologija pročišćavanja otpadnih voda od 1940-ih do 1960-ih.

Godine 1921. proces aktivnog mulja proširio se u Kinu, a Kina je izgradila svoje prvo postrojenje za pročišćavanje otpadnih voda-Postrojenje za pročišćavanje otpadnih voda u sjevernom okrugu Šangaja. Godine 1926. i 1927. izgrađena su postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda Istočnog i Zapadnog okruga Šangaja, s ukupnim dnevnim kapacitetom pročišćavanja od 35 500 tona u to vrijeme.

Pedesetih godina prošlog stoljeća eutrofikacija vodenih tijela postala je istaknuti problem, čineći uklanjanje dušika i fosfora još jednim velikim zahtjevom u pročišćavanju otpadnih voda. Posljedično, razvijen je niz postupaka uklanjanja dušika i fosfora na temelju procesa s aktivnim muljem, kao što su najčešći A/O i A2/O procesi.

Princip uklanjanja dušika: Organski spojevi dušika razgrađuju se u amonijačni dušik pomoću bakterija koje amonificiraju. Dušik iz amonijaka dalje se razgrađuje i transformira pomoću nitrifikacijskih bakterija, najprije u nitritni dušik putem nitrit-oksidirajućih bakterija, a zatim u nitratni dušik pomoću nitrifikacijskih bakterija. Pod anoksičnim uvjetima, nitratni dušik transformira se kroz dva puta putem denitrifikacijskih bakterija: asimilacijom-denitrifikacijom (sintezom), na kraju stvarajući organske dušikove spojeve koji postaju dio bakterijske stanice; i disimilacija-denitrifikacija (razgradnja), s plinovitim dušikom kao konačnim proizvodom.

Princip uklanjanja fosfora: U anaerobnim uvjetima (oksidacijski-redukcijski potencijal ORP između -200 i -300 mV), polifosfat-akumulirajuće bakterije pretvaraju organski fosfor unutar svojih stanica u anorganski fosfor, oslobađajući ga i koristeći energiju stvorenu u ovom procesu za apsorpciju otopljenog organskog matriksa u otpadnoj vodi sintetiziraju čestice poli(-hidroksibutirata) (PHB). U aerobnim uvjetima, bakterije koje nakupljaju polifosfate razgrađuju PHB kako bi osigurale energiju potrebnu za apsorpciju fosfora iz otpadne vode, čime se dovršava proces nakupljanja polifosfata.

Naravno, gore navedeni procesi pročišćavanja otpadnih voda samo su vrh ledenog brijega. Metode pročišćavanja otpadnih voda sada su se razvile u ogroman sustav. Gledajući unatrag kroz cijelu povijest, napredak pročišćavanja urbanih otpadnih voda rastao je s rastućim zahtjevima za zdravlje ljudi, promjenama u kvaliteti vode i sve većom sofisticiranošću pročišćavanja otpadnih voda. Istodobno, operativno upravljanje, troškovi kapitala i zemljišta potaknuli su kontinuirani razvoj tehnologija za pročišćavanje vode, postupno pojednostavljujući operacije, korištenje zemljišta, postupke i unose energetskih resursa. Zahtjevi ljudi za kvalitetom vode su sve veći, dok se procesi pročišćavanja sve više pojednostavljuju.