Από την πρώτη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων στον κόσμο—Μια ματιά στην ανάπτυξη της τεχνολογίας επεξεργασίας λυμάτων!

Πρόλογος: Η ανθρώπινη ανάπτυξη είναι μια συνεχής διαδικασία βελτίωσης. Πάρτε για παράδειγμα την επεξεργασία λυμάτων. Η πρώτη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων κατασκευάστηκε αφού είδαμε τους κινδύνους βλάβης και υγείας από την αδιάκριτη απόρριψη λυμάτων, οδηγώντας στη συνεχή ανάπτυξή της. Η ιστορία της επεξεργασίας αστικών λυμάτων μπορεί να αναχθεί στην αρχαία Ρώμη. Εκείνη την εποχή, το περιβάλλον είχε μεγάλη χωρητικότητα και η ικανότητα αυτοκαθαρισμού των υδάτινων σωμάτων μπορούσε να καλύψει τις ανθρώπινες ανάγκες σε νερό. οι άνθρωποι έπρεπε μόνο να εξετάσουν την αποχέτευση. Αργότερα, με την επιτάχυνση της αστικοποίησης, τα οικιακά λύματα μεταδίδουν μολυσματικές ασθένειες μεταδίδοντας βακτήρια. Για λόγους υγείας, οι άνθρωποι άρχισαν να επεξεργάζονται τα απορριπτόμενα οικιακά λύματα. Οι πρώιμες μέθοδοι επεξεργασίας χρησιμοποιούσαν ασβέστη, στυπτηρία κ.λπ., για καθίζηση, ή σκόνη λεύκανσης για απολύμανση. Μέχρι την ύστερη δυναστεία των Μινγκ, η χώρα μου διέθετε ήδη συσκευές καθαρισμού λυμάτων. Το 1762, η Βρετανία άρχισε να χρησιμοποιεί ασβέστη και άλατα μετάλλων για την επεξεργασία των αστικών λυμάτων. Σήμερα, θα εκλαϊκεύσουμε κυρίως την περιβαλλοντική γνώση από δύο πτυχές: τη βλάβη της περιβαλλοντικής ρύπανσης και την ανάπτυξη μονάδων επεξεργασίας λυμάτων!

Ας δούμε πρώτα μερικά γνωστά-επιβλαβή συμβάντα περιβαλλοντικής ρύπανσης. Μεταξύ της δεκαετίας του 1930 και του 1960, οκτώ σημαντικά περιστατικά περιβαλλοντικής ρύπανσης συγκλόνισαν τον κόσμο: το περιστατικό αιθαλομίχλης στην κοιλάδα Meuse στο Βέλγιο, το περιστατικό αιθαλομίχλης Donora στις Ηνωμένες Πολιτείες, το περιστατικό αιθαλομίχλης στο Λονδίνο, το περιστατικό φωτοχημικής αιθαλομίχλης στο Λος Άντζελες στις Ηνωμένες Πολιτείες, το περιστατικό της νόσου Minamata} στην Ιαπωνία, το περιστατικό της νόσου Minamata Περιστατικό άσθματος Yokkaichi στην Ιαπωνία και περιστατικό ιαπωνικού ελαίου από πίτουρο ρυζιού. Αυτά τα οκτώ μεγάλα περιστατικά περιβαλλοντικής ρύπανσης αναφέρονται σε οκτώ σημαντικά και συγκλονιστικά γεγονότα που προκαλούνται από την περιβαλλοντική ρύπανση παγκοσμίως.

Το περιστατικό αιθαλομίχλης Meuse Valley (Βέλγιο): Από την 1η έως τις 5 Δεκεμβρίου 1930, μεγάλες ποσότητες αιθαλομίχλης που εκπέμπονται από 13 εργοστάσια στη βιομηχανική περιοχή Meuse Valley του Βελγίου γέμισαν τον αέρα, προκαλώντας χιλιάδες ανθρώπους στη βιομηχανική περιοχή να εμφανίσουν πόνο στο στήθος, βήχα, δακρύρροια, δυσκολία στην αναπνοή. Περισσότεροι από 60 άνθρωποι πέθαναν μέσα σε μια εβδομάδα και πολλά ζώα χάθηκαν επίσης. Αυτό είναι το παλαιότερο καταγεγραμμένο περιστατικό ατμοσφαιρικής ρύπανσης του 20ου αιώνα.

Το περιστατικό αιθαλομίχλης Donora (Ηνωμένες Πολιτείες): Από τις 26 έως τις 31 Οκτωβρίου 1948, η πόλη Donora της Πενσυλβάνια παρουσίασε επίμονη αιθαλομίχλη. Αυτή η περιοχή ήταν μια συγκέντρωση εργοστασίων θειικού οξέος, χαλυβουργείων και μεταλλουργείων ψευδαργύρου. Η αιθαλομίχλη που εκπέμπεται από αυτά τα εργοστάσια παγιδεύτηκε στην κοιλάδα, προκαλώντας ξαφνικά 6.000 άτομα να βιώσουν δυσφορία όπως πόνο στα μάτια, πονόλαιμο, καταρροή, πονοκέφαλο και σφίξιμο στο στήθος. 20 από αυτούς πέθαναν γρήγορα. Αυτό το φαινόμενο αιθαλομίχλης προκλήθηκε κυρίως από τοξικές και επιβλαβείς ουσίες όπως το διοξείδιο του θείου και τα μεταλλικά σωματίδια που προσκολλώνται σε αιωρούμενα σωματίδια. Οι άνθρωποι εισέπνευσαν μεγάλες ποσότητες από αυτά τα επιβλαβή αέρια σε σύντομο χρονικό διάστημα, οδηγώντας σε μια μεγάλη καταστροφή.

The London Smog Event (5-8 Δεκεμβρίου 1952): Η υψηλή πίεση και η πυκνή ομίχλη κάλυψαν το Λονδίνο, χωρίς άνεμο για αρκετές ημέρες. Αυτό συνέβη κατά τη διάρκεια της αιχμής χειμερινής περιόδου θέρμανσης, όταν καπνός άνθρακα, σκόνη και υγρασία συσσωρεύτηκαν στην ατμόσφαιρα, προκαλώντας πολλούς κατοίκους της πόλης να αντιμετωπίσουν δυσκολίες στην αναπνοή και ερεθισμό των ματιών. Περισσότεροι από 4.000 άνθρωποι πέθαναν μέσα σε μόλις τέσσερις ημέρες. Τους επόμενους δύο μήνες, άλλοι 8.000 άνθρωποι πέθαναν. Αυτό ήταν το μεγαλύτερο φαινόμενο αστικής αιθαλομίχλης που προκλήθηκε από την καύση άνθρακα τον 20ο αιώνα.

Το περιστατικό της νόσου Minamata στην Ιαπωνία: Ξεκινώντας το 1949, η Japan Nitrogen Fertilizer Company, που βρίσκεται στην πόλη Minamata, στην επαρχία Kumamoto, στην Ιαπωνία, άρχισε να κατασκευάζει χλωριούχο βινύλιο και οξικό βινύλιο. Επειδή η διαδικασία παραγωγής χρησιμοποιούσε έναν καταλύτη-που περιείχε υδράργυρο (Hg), μεγάλες ποσότητες υδραργύρου απορρίφθηκαν στον κόλπο Minamata μαζί με τα ακατέργαστα λύματα του εργοστασίου. Το 1954, μια περίεργη ασθένεια άγνωστης αιτίας, που ονομάζεται «ασθένεια Minamata», άρχισε να εμφανίζεται στον κόλπο Minamata. Η ασθένεια έπληξε γάτες και ανθρώπους, με συμπτώματα όπως ασταθές βάδισμα, σπασμούς, παραμορφώσεις χεριών και ποδιών, νευρολογικές διαταραχές, αψίδα του σώματος και δυνατά κλάματα, που τελικά οδηγούν σε θάνατο. Μετά από σχεδόν δέκα χρόνια ανάλυσης, οι επιστήμονες επιβεβαίωσαν ότι ο υδράργυρος στα λύματα του εργοστασίου ήταν η αιτία της «ασθένειας Minamata». Ο υδράργυρος απορροφάται από τους μικροοργανισμούς του νερού και μετατρέπεται σε μεθυλυδράργυρο (CH3)Hg στο σώμα. Αυτή η ουσία εισέρχεται στο σώμα των ανθρώπων και των ζώων μέσω ψαριών και γαρίδων, καταστρέφοντας τον εγκέφαλο και άλλα μέρη του σώματος, προκαλώντας εγκεφαλική ατροφία, διαταραχή του συστήματος ισορροπίας της παρεγκεφαλίδας και άλλες επιβλαβείς επιπτώσεις. είναι εξαιρετικά τοξικό. Στην Ιαπωνία, εκατοντάδες χιλιάδες άνθρωποι έχουν καταναλώσει ψάρια και γαρίδες μολυσμένες με μεθυλυδράργυρο από τον κόλπο Minamata.

...και ούτω καθεξής, δεν θα τα αναφέρουμε όλα εδώ!

Σήμερα, ας δούμε μια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων παλαιότερη από τη διαδικασία της ενεργοποιημένης λάσπης, με ιστορία 139 ετών: τη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων Blackburn Meadows, που χτίστηκε το 1886 στο Σέφιλντ, μια βιομηχανική πόλη που εδραιώθηκε από καιρό στην Αγγλία. Οι μονάδες επεξεργασίας λυμάτων έχουν ιστορία άνω των 100 ετών.

Όπως πιθανότατα γνωρίζετε, η διαδικασία της ενεργοποιημένης ιλύος επινοήθηκε στη Βρετανία στις αρχές του 20ου αιώνα και οι Edward Ardern και William Lockett θεωρούνται οι εφευρέτες της, που χρονολογούνται από το 1914. Ωστόσο, η επεξεργασία των λυμάτων στη Βρετανία ξεκίνησε στην πραγματικότητα περίπου 50 χρόνια νωρίτερα από τη διαδικασία της ενεργοποιημένης λάσπης: με τη βιομηχανική ανάπτυξη, η Αγγλία άρχισε να αυξάνεται ο πληθυσμός της Αγγλίας. ρύπανσης. Τα επαναλαμβανόμενα προβλήματα υγιεινής στις βρετανικές πόλεις οδήγησαν τον διάσημο επιστήμονα Michael Faraday να ερευνήσει προσωπικά την κατάσταση του ποταμού Τάμεση.

Η πανδημία χολέρας του 1832 στοίχισε πάνω από 400 ζωές στο Σέφιλντ. Στη συνέχεια, αν και η τοπική κυβέρνηση είχε κατασκευάσει ένα αποχετευτικό δίκτυο, οι επιχειρήσεις συνέχισαν να απορρίπτουν λύματα και απόβλητα απευθείας στον κύριο ποταμό (ποταμός Ντον), κάνοντας το νερό μαύρο και μυρίζοντας-. Σε αυτό το σκηνικό, το Σέφιλντ έχτισε την πρώτη του μονάδα επεξεργασίας λυμάτων το 1886.

Το αρχικό εργοστάσιο ήταν αρκετά απλό. Σχεδιασμένο για επεξεργασία 40.000 κυβικών μέτρων την ημέρα, λειτουργούσε μόνο κατά τη διάρκεια της ημέρας. Τα λύματα υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με ασβέστη και η προκύπτουσα λάσπη χρησιμοποιήθηκε ως λίπασμα για τα κοντινά αγροκτήματα. Ωστόσο, για την εποχή του, αυτό το εργοστάσιο ήταν μια σημαντική πρόοδος, προσελκύοντας επισκέψεις από ομολόγους και αξιωματούχους της πόλης από άλλα μέρη της Αγγλίας.

Μετά την ολοκλήρωσή του το 1886, το εργοστάσιο ανακαινίστηκε το 1910. Προηγουμένως, το Δημοτικό Συμβούλιο του Σέφιλντ είχε οραματιστεί την κατασκευή ενός αγωγού για την απόρριψη των λυμάτων απευθείας στη Βόρεια Θάλασσα, αλλά αργότερα υιοθέτησε μια καινοτόμο μέθοδο-αερισμού για την αποσύνθεση των ρύπων στα λύματα. Ονόμασαν αυτή την τεχνολογία «κρεβάτια βακτηρίων». Είναι δίκαιο να πούμε ότι οι Σέφιλντερ έκαναν κάτι πραγματικά σπουδαίο για την ανθρωπότητα-αν είχαν απλώς ρίξει τα λύματα απευθείας στη θάλασσα, αυτό θα μπορούσε να είναι συνήθης πρακτική σήμερα. Οι Sheffielders έθεσαν ένα εντελώς νέο σημείο αναφοράς για άλλες κυβερνήσεις και αρχές ύδρευσης-τη χρήση βιολογικών μεθόδων για την επεξεργασία των λυμάτων. Σημειώστε το χρονοδιάγραμμα-που σχεδίασαν τη χρήση βακτηρίων για την επεξεργασία των λυμάτων το 1910, ενώ η λεγόμενη διαδικασία ενεργού λάσπης εμφανίστηκε μόλις το 1914.

Μέθοδος Biofilm

Στα μέσα-18ου ​​αιώνα, ξεκίνησε η Βιομηχανική Επανάσταση στην Ευρώπη, με την αφαίρεση της οργανικής ύλης από τα αστικά λύματα να γίνεται βασικός στόχος. Το 1881, Γάλλοι επιστήμονες ανακάλυψαν τον πρώτο βιοαντιδραστήρα και την πρώτη λίμνη αναερόβιας βιολογικής επεξεργασίας-τη λίμνη Moris, που σηματοδοτεί την αρχή της βιολογικής επεξεργασίας λυμάτων. Το 1893, το πρώτο βιολογικό φίλτρο τέθηκε σε χρήση στην Ουαλία της Αγγλίας και γρήγορα εξαπλώθηκε στην Ευρώπη και τη Βόρεια Αμερική. Οι τεχνολογικές εξελίξεις ώθησαν την ανάπτυξη προτύπων. Το 1912, η ​​Βασιλική Επιτροπή για τη Διαχείριση Λυμάτων στο Ηνωμένο Βασίλειο πρότεινε τη χρήση BOD5 για την αξιολόγηση του βαθμού ρύπανσης των υδάτων.

Διαδικασία ενεργοποιημένης λάσπης

Το 1914, οι Arden και Lokett δημοσίευσαν μια εργασία σχετικά με τη διαδικασία της ενεργοποιημένης ιλύος στο Ινστιτούτο Χημικών Μηχανικών (ICC) στο Ηνωμένο Βασίλειο και την ίδια χρονιά ίδρυσαν την πρώτη πιλοτική μονάδα επεξεργασίας λυμάτων ενεργοποιημένης ιλύος στον κόσμο στο Μάντσεστερ της Αγγλίας. Δύο χρόνια αργότερα, η πρώτη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων ενεργοποιημένης ιλύος ιδρύθηκε επίσημα στις Ηνωμένες Πολιτείες. Η γέννηση της διαδικασίας της ενεργού ιλύος έθεσε τα θεμέλια για την τεχνολογία επεξεργασίας αστικών λυμάτων για τα επόμενα 100 χρόνια.

Στα αρχικά της στάδια, η διαδικασία ενεργού ιλύος χρησιμοποιούσε μια διαδικασία πλήρωσης-και-αποστράγγισης (παρόμοια με τη διαδικασία SBR). Λόγω της σχετικά καθυστερημένης τεχνολογίας και εξοπλισμού αυτόματου ελέγχου εκείνη την εποχή, η λειτουργία του ήταν επίπονη και επιρρεπής σε απόφραξη, χωρίς να προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τα βιολογικά φίλτρα. Αργότερα, η διαδικασία συνεχούς ροής βύσματος-ενεργοποιημένης λάσπης την αντικατέστησε γρήγορα. Ωστόσο, επειδή ο ρυθμός κατανάλωσης οξυγόνου της λάσπης στον αντιδραστήρα ροής βύσματος-διαφέρει κατά μήκος της δεξαμενής, ο ρυθμός παροχής οξυγόνου είναι δύσκολο να προσαρμοστεί και η διαδικασία ενεργοποιημένης λάσπης αντιμετωπίζει το πρόβλημα της εντοπισμένης ανεπαρκούς παροχής οξυγόνου. Η διαδικασία σταδιακής αερισμένης ενεργού ιλύος, που προτάθηκε το 1936, και η διαδικασία σταδιακού αερισμού, που προτάθηκε το 1942, βελτίωσαν την ισορροπία παροχής οξυγόνου αντιμετωπίζοντας μεθόδους αερισμού και εισροής, αντίστοιχα. Το 1950, ο McKinney των Ηνωμένων Πολιτειών πρότεινε την εντελώς ανάμεικτη διαδικασία ενεργού ιλύος. Αυτή η μέθοδος έλυσε αποτελεσματικά το πρόβλημα της διόγκωσης της ιλύος αλλάζοντας τον τρόπο επιβίωσης της μικροβιακής κοινότητας ενεργοποιημένης λάσπης, επιτρέποντάς της να προσαρμοστεί στις αλλαγές κλίσης στη συγκέντρωση του υποστρώματος μέσα στη δεξαμενή αερισμού.

Με την ευρεία εφαρμογή της στην πραγματική παραγωγή και τη συνεχή τεχνολογική καινοτομία, η διαδικασία ενεργού ιλύος αντικατέστησε σταδιακά τη διαδικασία βιοφίλμ και έγινε η κύρια τεχνολογία επεξεργασίας λυμάτων από τη δεκαετία του 1940 έως τη δεκαετία του 1960.

Το 1921, η διαδικασία της ενεργοποιημένης ιλύος εξαπλώθηκε στην Κίνα και η Κίνα έχτισε την πρώτη της μονάδα επεξεργασίας λυμάτων-τη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων της Βόρειας Περιφέρειας της Σαγκάης. Το 1926 και το 1927, οι Μονάδες Επεξεργασίας Λυμάτων της Ανατολικής Περιφέρειας της Σαγκάης και της Δυτικής Περιφέρειας κατασκευάστηκαν αντίστοιχα, με συνδυασμένη ημερήσια ικανότητα επεξεργασίας 35.500 τόνων εκείνη την εποχή.

Στη δεκαετία του 1950, ο ευτροφισμός των υδάτινων σωμάτων έγινε ένα σημαντικό πρόβλημα, καθιστώντας την απομάκρυνση του αζώτου και του φωσφόρου μια άλλη σημαντική ζήτηση στην επεξεργασία των λυμάτων. Κατά συνέπεια, αναπτύχθηκε μια σειρά διεργασιών αφαίρεσης αζώτου και φωσφόρου με βάση τη διαδικασία της ενεργοποιημένης λάσπης, όπως οι πιο κοινές διεργασίες A/O και A2/O.

Αρχή αφαίρεσης αζώτου: Οι οργανικές ενώσεις αζώτου αποσυντίθενται σε άζωτο αμμωνίας μέσω αμμωνοποίησης βακτηρίων. Το αμμωνιακό άζωτο αποσυντίθεται και μετασχηματίζεται περαιτέρω με νιτροποιητικά βακτήρια, πρώτα σε νιτρώδες άζωτο από νιτρώδη-οξειδωτικά βακτήρια και στη συνέχεια σε νιτρικό άζωτο με νιτροποιητικά βακτήρια. Υπό ανοξικές συνθήκες, το νιτρικό άζωτο μετασχηματίζεται μέσω δύο οδών απονιτροποιώντας τα βακτήρια: αφομοίωση-απονιτροποίηση (σύνθεση), σχηματίζοντας τελικά οργανικές ενώσεις αζώτου που γίνονται μέρος του βακτηριακού κυττάρου. και αφομοίωση-απονιτροποίηση (αποσύνθεση), με τελικό προϊόν το αέριο άζωτο.

Αρχή αφαίρεσης φωσφόρου: Κάτω από αναερόβιες συνθήκες (δυναμικό οξείδωσης-μείωσης ORP μεταξύ -200 και -300 mV), τα πολυφωσφορικά-συσσωρεύοντα βακτήρια μετατρέπουν τον οργανικό φώσφορο μέσα στα κύτταρά τους σε ανόργανο φώσφορο, απελευθερώνοντάς τον σε αυτή τη διαδικασία απορρόφησης και απορρόφησης ενέργειας από το οργανικό λύματα για τη σύνθεση σωματιδίων πολυ(-υδροξυβουτυρικού) (PHB). Υπό αερόβιες συνθήκες, τα βακτήρια που συσσωρεύουν πολυφωσφορικά αποικοδομούν το PHB για να παρέχουν την ενέργεια που απαιτείται για την απορρόφηση του φωσφόρου από τα λύματα, ολοκληρώνοντας έτσι τη διαδικασία συσσώρευσης πολυφωσφορικών.

Φυσικά, οι διαδικασίες επεξεργασίας λυμάτων που αναφέρονται παραπάνω είναι μόνο η κορυφή του παγόβουνου. Οι μέθοδοι επεξεργασίας λυμάτων έχουν πλέον εξελιχθεί σε ένα τεράστιο σύστημα. Κοιτάζοντας πίσω σε ολόκληρη την ιστορία, η πρόοδος της επεξεργασίας αστικών λυμάτων έχει αυξηθεί με τις αυξανόμενες απαιτήσεις για την ανθρώπινη υγεία, τις αλλαγές στην ποιότητα του νερού και την αυξανόμενη πολυπλοκότητα της επεξεργασίας των λυμάτων. Ταυτόχρονα, η λειτουργική διαχείριση, το κόστος κεφαλαίου και γης έχουν οδηγήσει στη συνεχή εξέλιξη των τεχνολογιών επεξεργασίας νερού, απλοποιώντας σταδιακά τις λειτουργίες, τη χρήση γης, τις διαδικασίες και τις εισροές ενεργειακών πόρων. Οι απαιτήσεις των ανθρώπων για ποιότητα νερού αυξάνονται, ενώ οι διαδικασίες επεξεργασίας γίνονται όλο και πιο εξορθολογισμένες.