Maailman ensimmäisestä jätevedenpuhdistamosta – katsaus jätevedenkäsittelytekniikan kehitykseen!

Esipuhe: Ihmisen kehitys on jatkuva parannusprosessi. Otetaan esimerkiksi jätevesien käsittely. Ensimmäinen jätevedenpuhdistamo rakennettiin umpimähkäisen jäteveden poiston haittojen ja terveysriskien jälkeen, mikä johti sen jatkuvaan kehittämiseen. Yhdyskuntajätevesien käsittelyn historia voidaan jäljittää muinaiseen Roomaan. Tuohon aikaan ympäristöllä oli suuri kapasiteetti, ja vesistöjen itsepuhdistuskyky pystyi tyydyttämään ihmisten vedentarpeet. ihmisten tarvitsi vain harkita viemäröintiä. Myöhemmin, kaupungistumisen kiihtyessä, kotitalousjätevesi levitti tartuntatauteja välittämällä bakteereja. Terveyssyistä ihmiset alkoivat käsitellä jätevesiä. Varhaisissa käsittelymenetelmissä sedimentointiin käytettiin kalkkia, alunaa jne. tai desinfiointiin valkaisujauhetta. Ming-dynastian myöhässä maassani oli jo jätevedenpuhdistuslaitteita. Vuonna 1762 Iso-Britannia alkoi käyttää kalkki- ja metallisuoloja kaupunkien jäteveden käsittelyyn. Tänään popularisoidaan pääasiassa ympäristötietoa kahdesta näkökulmasta: ympäristön saastumisen haitoista ja jätevedenpuhdistamojen kehittämisestä!

Katsotaanpa ensin joitakin hyvin tunnettuja{0}}ympäristön saastumisen haitallisia tapahtumia. 1930-1960-luvulla kahdeksan suurta ympäristösaastetapahtumaa järkytti maailmaa: Maasin laakson savusumutapahtuma Belgiassa, Donoran savusumutapaus Yhdysvalloissa, Lontoon savusumutapahtuma, Los Angelesin fotokemiallinen savusumutapahtuma Yhdysvalloissa, Minamata-taudin tapaus Japanissa, Toyama Itkaitain tauti ja Japaniitai{4} Japani ja Japanin riisileseöljytapaus. Nämä kahdeksan suurta ympäristön saastumistapausta viittaavat kahdeksaan merkittävään ja järkyttävään ympäristön saastumisen aiheuttamaan tapahtumaan maailmanlaajuisesti.

Maaslaakson savusumutapahtuma (Belgia): 1.–5. joulukuuta 1930 Belgian Maaslaakson teollisuusalueen 13 tehtaan levittämät suuret määrät savusumua täyttivät ilman aiheuttaen tuhansille teollisuusalueen ihmisille rintakipua, yskää, vuotamista, kurkkukipua ja hengitysvaikeuksia. Yli 60 ihmistä kuoli viikon sisällä, ja myös monet karjat menehtyivät. Tämä on 1900-luvun varhaisin havaittu ilmansaastetapahtuma.

Donoran savusumutapahtuma (Yhdysvallat): 26.–31. lokakuuta 1948 Donoran kaupungissa Pennsylvaniassa esiintyi jatkuvaa savusumua. Tämä alue oli rikkihappotehtaiden, terästehtaiden ja sinkkisulattojen keskittymä. Näistä tehtaista vapautuva savusumu jäi loukkuun laaksoon, mikä aiheutti 6 000 ihmistä yhtäkkiä epämukavuutta, kuten silmäkipua, kurkkukipua, nenän vuotamista, päänsärkyä ja puristavaa tunnetta rinnassa. 20 heistä kuoli nopeasti. Tämän savusumun aiheuttivat pääasiassa myrkylliset ja haitalliset aineet, kuten rikkidioksidi ja metallihiukkaset, jotka tarttuivat suspendoituneisiin hiukkasiin. Ihmiset hengittivät suuria määriä näitä haitallisia kaasuja lyhyessä ajassa, mikä johti suureen katastrofiin.

Lontoon Smog-tapahtuma (5.-8. joulukuuta 1952): Korkea paine ja tiheä sumu peittivät Lontoon ilman tuulta useisiin päiviin. Tämä tapahtui talven huippulämmityskauden aikana, jolloin ilmaan kerääntyi kivihiilen savua, pölyä ja kosteutta, mikä aiheutti monille kaupunkilaisille hengitysvaikeuksia ja silmien ärsytystä. Yli 4000 ihmistä kuoli vain neljässä päivässä. Kahden seuraavan kuukauden aikana kuoli vielä 8 000 ihmistä. Tämä oli suurin hiilenpolton aiheuttama kaupunkisumutapahtuma 1900-luvulla.

Minamata-taudin tapaus Japanissa: Vuodesta 1949 alkaen Japanin typpilannoiteyhtiö, joka sijaitsee Minamata Townissa, Kumamoton prefektuurissa, Japanissa, aloitti vinyylikloridin ja vinyyliasetaatin valmistuksen. Koska valmistusprosessissa käytettiin elohopeaa-sisältävää (Hg) katalyyttiä, Minamata Bayhin päästettiin suuria määriä elohopeaa yhdessä tehtaan käsittelemättömän jäteveden kanssa. Vuonna 1954 Minamata Bayssa alkoi ilmaantua outo, tuntemattomasta syystä johtuva sairaus, nimeltään "Minamata-tauti". Tauti vaikutti kissoihin ja ihmisiin, ja sen oireita olivat epävakaa kävely, kouristukset, käsien ja jalkojen epämuodostumat, neurologiset häiriöt, kehon kaareutuminen ja kovaääninen itku, jotka lopulta johtavat kuolemaan. Lähes kymmenen vuoden analyysin jälkeen tutkijat vahvistivat, että tehtaan jäteveden elohopea oli "Minamata-taudin" syy. Mikro-organismit imevät elohopeaa vedessä ja muuttuvat elohopeaksi (CH3)Hg kehossa. Tämä aine pääsee ihmisten ja eläinten elimistöön kalojen ja katkarapujen kautta, vahingoittaen aivoja ja muita kehon osia, aiheuttaen aivojen surkastumista, pikkuaivojen tasapainojärjestelmän häiriöitä ja muita haitallisia vaikutuksia; se on erittäin myrkyllistä. Japanissa sadat tuhannet ihmiset ovat syöneet Minamata Bayn metyylielohopealla saastuneita kaloja ja katkarapuja.

...ja niin edelleen, emme luettele niitä kaikkia tässä!

Katsotaanpa tänään aktiivilieteprosessia vanhempaa jätevedenpuhdistamoa, jolla on 139 vuoden historia: Blackburn Meadowsin jätevedenpuhdistamo, joka rakennettiin vuonna 1886 Sheffieldiin, pitkään -vakiintuneeseen teollisuuskaupunkiin Englannissa. Jätevedenpuhdistamoilla on yli 100 vuoden historia.

Kuten luultavasti tiedät, aktiivilieteprosessi keksittiin Isossa-Britanniassa 1900-luvun alussa, ja sen keksijiksi katsotaan Edward Ardern ja William Lockett, jotka ovat peräisin vuodesta 1914. Jätevesien käsittely Britanniassa alkoi kuitenkin itse asiassa noin 50 vuotta aikaisemmin kuin aktiivilieteprosessi: teollisen kehityksen myötä Ison-Britannian väkiluku alkoi kasvaa nopeimmin vesistöistä. Ison-Britannian kaupungeissa toistuvat sanitaatio-ongelmat saivat kuuluisan tiedemiehen Michael Faradayn tutkimaan henkilökohtaisesti Thames-joen tilaa.

Vuoden 1832 kolerapandemia vaati yli 400 ihmishenkeä Sheffieldissä. Myöhemmin, vaikka paikallishallinto oli rakentanut viemärijärjestelmän, yritykset jatkoivat jäteveden ja jätteiden laskemista suoraan pääjokeen (Don-jokeen), mikä muutti veden mustaksi ja haisee pahalle. Tätä taustaa vasten Sheffield rakensi ensimmäisen jätevedenpuhdistamonsa vuonna 1886.

Alkuperäinen kasvi oli melko yksinkertainen. Se on suunniteltu käsittelemään 40 000 kuutiometriä päivässä, ja se toimi vain päiväsaikaan. Jätevedet käsiteltiin kalkilla ja syntynyt liete käytettiin lähitilojen lannoitteeksi. Siitä huolimatta tämä tehdas oli aikansa aikana merkittävä edistysaskel, ja se houkutteli vierailijoita muilta Englannin osilta kollegoita ja kaupungin virkamiehiä.

Valmistuttuaan vuonna 1886 laitos kunnostettiin vuonna 1910. Aiemmin Sheffieldin kaupunginvaltuusto suunnitteli rakentavansa putken jäteveden laskemiseksi suoraan Pohjanmereen, mutta myöhemmin se otti käyttöön innovatiivisen menetelmän-ilmastuksen hajottaakseen epäpuhtauksia jätevedessä. He kutsuivat tätä tekniikkaa "bakteeripeteiksi". On reilua sanoa, että Sheffielderit tekivät jotain todella suurta ihmiskunnalle-jos he olisivat vain laskeneet jätevedet suoraan mereen, se voisi olla nykypäivän käytäntö. Sheffielders asetti muille hallituksille ja vesiviranomaisille täysin uuden mittapuun{7}}biologisten menetelmien käytölle jäteveden käsittelyssä. Huomaa aikajana-, jonka he ajattelivat käyttää bakteereja jäteveden käsittelyyn vuonna 1910, kun taas niin{11}}ns. aktiivilieteprosessi otettiin käyttöön vasta vuonna 1914.

Biofilmimenetelmä

Teollinen vallankumous alkoi Euroopassa 1700-luvun puolivälissä, ja orgaanisen aineksen poistamisesta kaupunkien jätevesistä tuli keskeinen painopiste. Vuonna 1881 ranskalaiset tiedemiehet keksivät ensimmäisen bioreaktorin ja ensimmäisen anaerobisen biologisen käsittelylammen-Moris-lammen, mikä merkitsi biologisen jätevedenkäsittelyn alkua. Vuonna 1893 ensimmäinen biologinen suodatin otettiin käyttöön Walesissa, Englannissa, ja se levisi nopeasti Eurooppaan ja Pohjois-Amerikkaan. Teknologinen kehitys vauhditti standardien kehittämistä. Vuonna 1912 Yhdistyneen kuningaskunnan kuninkaallinen jätevesien käsittelykomissio ehdotti BOD5:n käyttöä veden saastumisasteen arvioimiseen.

Aktiivilieteprosessi

Vuonna 1914 Arden ja Lokett julkaisivat paperin aktiivilieteprosessista Institution of Chemical Engineersissa (ICC) Isossa-Britanniassa, ja samana vuonna he perustivat maailman ensimmäisen pilottiaktiivilietteen jätevedenpuhdistamon Manchesteriin, Englantiin. Kaksi vuotta myöhemmin ensimmäinen aktiivilietteen jätevedenpuhdistamo perustettiin virallisesti Yhdysvaltoihin. Aktiivilieteprosessin synty loi pohjan yhdyskuntajätevesien käsittelyteknologialle seuraaville 100 vuodelle.

Aktiivilieteprosessissa käytettiin alkuvaiheessaan täyttö-ja-tyhjennysprosessia (samanlainen kuin SBR-prosessi). Tuolloin suhteellisen takapajuisen automaattisen ohjaustekniikan ja laitteiden vuoksi sen toiminta oli hankalaa ja altis tukkeutumiselle, mikä ei tarjonnut merkittäviä etuja biologisiin suodattimiin verrattuna. Myöhemmin jatkuvasti virtaava tulppa-virtausaktiivilieteprosessi korvasi sen nopeasti. Koska lietteen hapenkulutus tulppa{6}}virtausreaktorissa kuitenkin vaihtelee säiliön pituuden mukaan, hapen syöttönopeutta on vaikea sovittaa yhteen, ja aktiivilieteprosessi kohtaa paikallisen riittämättömän hapensyötön ongelman. Vuonna 1936 ehdotettu asteittain ilmastettu aktiivilieteprosessi ja vuonna 1942 ehdotettu vaiheittainen ilmastusprosessi paransivat hapen syöttötasapainoa käsittelemällä vastaavasti ilmastus- ja sisäänvirtausmenetelmiä. Vuonna 1950 yhdysvaltalainen McKinney ehdotti täysin sekoitettua aktiivilieteprosessia. Tämä menetelmä ratkaisi tehokkaasti lietteen täytön aiheuttaman ongelman muuttamalla aktiivilietteen mikrobiyhteisön eloonjäämistilaa, jolloin se pystyi sopeutumaan substraattipitoisuuden gradienttimuutoksiin ilmastussäiliössä.

Aktiivilieteprosessi syrjäytti asteittain biofilmiprosessin laajan sovelluksensa varsinaisessa tuotannossa ja jatkuvan teknologisen innovaation myötä, ja siitä tuli valtavirran jätevedenkäsittelytekniikka 1940-luvulta 1960-luvulle.

Vuonna 1921 aktiivilieteprosessi levisi Kiinaan, ja Kiina rakensi ensimmäisen jätevedenkäsittelylaitoksensa-Shanghain pohjoisen alueen jätevedenpuhdistamon. Vuonna 1926 ja 1927 rakennettiin Shanghain itäisen alueen ja 1927 läntisen alueen jätevedenpuhdistamot, joiden yhteenlaskettu päivittäinen käsittelykapasiteetti oli 35 500 tonnia.

1950-luvulla vesistöjen rehevöitymisestä tuli merkittävä ongelma, mikä teki typen ja fosforin poistamisesta toisen suuren vaatimuksen jätevesien käsittelyssä. Tästä johtuen kehitettiin sarja aktiivilieteprosessiin perustuvia typen ja fosforin poistoprosesseja, kuten yleisimmät A/O- ja A2/O-prosessit.

Typenpoistoperiaate: Orgaaniset typpiyhdisteet hajoavat ammoniakkitypeksi ammonifikaatiobakteerien avulla. Nitrifioivat bakteerit hajottavat ja muuttavat ammoniakkityppeä edelleen ensin nitriittitypeksi nitriitti-hapettavien bakteerien toimesta ja sitten nitraattitypeksi nitrifioivat bakteerit. Hapottomissa olosuhteissa nitraattityppi muuttuu kahdella tavalla denitrifioivat bakteerit: assimilaatio-denitrifikaatio (synteesi), jolloin lopulta muodostuu orgaanisia typpiyhdisteitä, joista tulee osa bakteerisolua; ja dissimilaatio-denitrifikaatio (hajoaminen), jolloin lopputuotteena on kaasumainen typpi.

Fosforinpoistoperiaate: Anaerobisissa olosuhteissa (hapetus-vähennyspotentiaalin ORP välillä -200 ja -300 mV) polyfosfaattia-kerääntyvät bakteerit muuttavat soluissaan olevan orgaanisen fosforin epäorgaaniseksi fosforiksi ja vapauttavat prosessissa syntyvää jäteenergiaa. syntetisoida poly(-hydroksibutyraatti) (PHB) hiukkasia. Aerobisissa olosuhteissa polyfosfaattia keräävät bakteerit hajottavat PHB:tä saadakseen energiaa, joka tarvitaan fosforin imeytymiseen jätevedestä, mikä saattaa loppuun polyfosfaatin kertymisprosessin.

Tietenkin edellä luetellut jätevedenkäsittelyprosessit ovat vain jäävuoren huippu. Jätevedenkäsittelymenetelmistä on nyt kehittynyt laaja järjestelmä. Koko historiaa taaksepäin katsottuna yhdyskuntajätevesien käsittelyn edistyminen on lisääntynyt ihmisten terveyden kasvavien vaatimusten, veden laadun muutosten ja jätevesien käsittelyn kehittymisen myötä. Samaan aikaan toiminnan hallinta, pääoma- ja maakustannukset ovat johtaneet vedenkäsittelyteknologioiden jatkuvaan kehitykseen, mikä yksinkertaistaa vähitellen toimintaa, maankäyttöä, menettelytapoja ja energiaresurssien panoksia. Ihmisten vaatimukset veden laadulle kasvavat, kun taas käsittelyprosessit virtaviivaistuvat.