От първата в света пречиствателна станция за отпадъчни води — поглед върху развитието на технологията за пречистване на отпадъчни води!

Предговор: Човешкото развитие е непрекъснат процес на усъвършенстване. Вземете например пречистване на отпадъчни води. Първата пречиствателна станция за отпадъчни води беше построена след като стана свидетел на вредите и рисковете за здравето от безразборното заустване на отпадъчни води, което доведе до нейното непрекъснато развитие. Историята на пречистването на градските отпадъчни води може да бъде проследена до древен Рим. По това време околната среда имаше голям капацитет и капацитетът за само-пречистване на водните тела можеше да задоволи човешките нужди от вода; хората трябваше само да помислят за дренаж. По-късно, с ускоряването на урбанизацията, битовите отпадъчни води разпространяват инфекциозни заболявания чрез предаване на бактерии. По здравословни причини хората започнаха да пречистват битовите отпадъчни води. Ранните методи за третиране са използвали вар, стипца и др. за утаяване или избелващ прах за дезинфекция. До края на династията Мин моята страна вече имаше устройства за пречистване на отпадъчни води. През 1762 г. Великобритания започва да използва вар и метални соли за пречистване на градските отпадни води. Днес основно ще популяризираме знанията за околната среда от два аспекта: вредата от замърсяването на околната среда и развитието на пречиствателни станции за отпадъчни води!

Нека първо да разгледаме някои добре-известни вредни събития на замърсяване на околната среда. Между 30-те и 60-те години на миналия век осем големи инцидента със замърсяване на околната среда шокираха света: инцидентът със смог в долината на Маас в Белгия, инцидентът със смог в Донора в Съединените щати, инцидентът със смог в Лондон, инцидентът с фотохимичен смог в Лос Анджелис в Съединените щати, инцидентът с болестта Минамата в Япония, инцидентът с болестта Тояма Итай-итай в Япония, инцидентът с астма в Йокаичи в Япония и Япония инцидент с масло от оризови трици. Тези осем големи инцидента със замърсяване на околната среда се отнасят до осем значими и шокиращи събития, причинени от замърсяване на околната среда в световен мащаб.

Инцидентът със смог в долината на Маас (Белгия): От 1 до 5 декември 1930 г. големи количества смог, изхвърлен от 13 фабрики в индустриалната зона на долината Маас в Белгия, изпълниха въздуха, причинявайки на хиляди хора в индустриалната зона болка в гърдите, кашлица, сълзене, болки в гърлото и затруднено дишане. Повече от 60 души загинаха в рамките на седмица, загинаха и много добитък. Това е най-ранният регистриран инцидент със замърсяване на въздуха през 20 век.

Инцидентът със смог в Донора (САЩ): От 26 до 31 октомври 1948 г. град Донора, Пенсилвания, преживя постоянен смог. Тази област беше концентрация на заводи за сярна киселина, стоманодобивни мелници и заводи за топене на цинк. Смогът, отделян от тези фабрики, беше хванат в долината, причинявайки внезапно дискомфорт на 6000 души като болка в очите, възпалено гърло, хрема, главоболие и стягане в гърдите; 20 от тях загинаха бързо. Този смог е причинен главно от токсични и вредни вещества като серен диоксид и метални частици, полепнали по суспендираните прахови частици. Хората са вдишали големи количества от тези вредни газове за кратък период, което е довело до голяма катастрофа.

Събитието със смог в Лондон (5-8 декември 1952 г.): Високо налягане и гъста мъгла покриха Лондон, без вятър няколко дни. Това се случи по време на пиковия зимен отоплителен сезон, когато въглищен дим, прах и влага се натрупаха в атмосферата, причинявайки на много жители на града затруднения в дишането и дразнене на очите. Повече от 4000 души загинаха само за четири дни. През следващите два месеца загинаха още 8000 души. Това беше най-голямото градско смогово събитие, причинено от изгарянето на въглища през 20 век.

Инцидентът с болестта Минамата в Япония: От 1949 г. Японската компания за азотни торове, разположена в град Минамата, префектура Кумамото, Япония, започва да произвежда винилхлорид и винилацетат. Тъй като производственият процес използва живак-съдържащ (Hg) катализатор, големи количества живак бяха изхвърлени в залива Минамата заедно с непречистените отпадъчни води на фабриката. През 1954 г. в залива Минамата започва да се появява странна болест с неизвестна причина, наречена "болест на Минамата". Болестта засяга котки и хора със симптоми, включващи нестабилна походка, конвулсии, деформации на ръцете и краката, неврологични разстройства, извиване на тялото и силни викове, водещи в крайна сметка до смърт. След близо десет години анализ учените потвърдиха, че живакът в отпадъчните води на завода е причината за „болестта на Минамата“. Живакът се абсорбира от микроорганизмите във водата и се превръща в метилживак (CH3)Hg в тялото. Това вещество навлиза в телата на хора и животни чрез риба и скариди, увреждайки мозъка и други части на тялото, причинявайки мозъчна атрофия, нарушаване на системата за баланс на малкия мозък и други вредни ефекти; той е изключително токсичен. В Япония стотици хиляди хора са консумирали риба и скариди, замърсени с метилживак от залива Минамата.

...и така нататък, няма да ги изброяваме всички тук!

Днес нека разгледаме пречиствателна станция за отпадъчни води, по-стара от процеса на активна утайка, с история от 139 години: пречиствателната станция за отпадъчни води Blackburn Meadows, построена през 1886 г. в Шефилд, отдавна-утвърден индустриален град в Англия. Пречиствателните станции за отпадни води имат над 100-годишна история.

Както вероятно знаете, процесът на активна утайка е изобретен във Великобритания в началото на 20-ти век и Едуард Ардърн и Уилям Локет се считат за негови изобретатели, датиращи от 1914 г. Въпреки това, пречистването на отпадъчни води във Великобритания всъщност започва около 50 години по-рано от процеса на активна утайка: с индустриалното развитие населението на Великобритания започва да расте бързо и Англия става една от страните с най-тежко замърсяване на водата. Повтарящите се санитарни проблеми в британските градове накараха известния учен Майкъл Фарадей лично да проучи състоянието на река Темза.

Пандемията от холера от 1832 г. взе над 400 живота в Шефилд. След това, въпреки че местното правителство беше изградило канализационна система, предприятията продължиха да изхвърлят отпадъчни води и отпадъци директно в главната река (река Дон), превръщайки водата в черна и неприятна-миришеща. На този фон Шефилд построява първата си пречиствателна станция през 1886 г.

Първоначалното растение беше доста просто. Проектиран да обработва 40 000 кубически метра на ден, той работи само през деня. Отпадъчните води се пречистват с вар, а получената утайка се използва като тор за близките ферми. Независимо от това, за времето си това растение беше значителен напредък, привличайки посещения от колеги и градски служители от други части на Англия.

След завършването си през 1886 г. заводът претърпява обновяване през 1910 г. Преди това градският съвет на Шефилд е предвиждал изграждането на тръбопровод за изхвърляне на отпадъчни води директно в Северно море, но по-късно е приел иновативен метод-аерация за разграждане на замърсителите в отпадъчните води. Те нарекоха тази технология „бактериални легла“. Справедливо е да се каже, че семейство Шефилд са направили нещо наистина велико за човечеството-ако просто бяха изхвърлили отпадъчни води директно в морето, това можеше да е стандартна практика днес. Семейство Шефийлдър поставя напълно нов стандарт за други правителства и водни органи-използването на биологични методи за пречистване на отпадъчни води. Обърнете внимание на графика-, който те са замислили за използване на бактерии за пречистване на отпадъчни води през 1910 г., докато така-процесът на активна утайка се появява едва през 1914 г.

Метод на биофилма

В средата-18-ти век започва индустриалната революция в Европа, като отстраняването на органични вещества от градските отпадъчни води се превръща в основен фокус. През 1881 г. френски учени изобретяват първия биореактор и първото анаеробно езеро за биологично третиране-Moris Pond, отбелязвайки началото на биологичното третиране на отпадъчни води. През 1893 г. първият биологичен филтър е пуснат в употреба в Уелс, Англия, и бързо се разпространява в Европа и Северна Америка. Технологичният напредък стимулира разработването на стандарти. През 1912 г. Кралската комисия по управление на отпадъчните води в Обединеното кралство предлага използването на БПК5 за оценка на степента на замърсяване на водата.

Процес на активирана утайка

През 1914 г. Ардън и Локет публикуват статия за процеса на активна утайка в Института на инженерите по химия (ICC) в Обединеното кралство и през същата година създават първата в света пилотна инсталация за пречистване на отпадъчни води с активна утайка в Манчестър, Англия. Две години по-късно първата пречиствателна станция за отпадъчни води с активна утайка е официално създадена в САЩ. Раждането на процеса на активна утайка постави основите на технологията за пречистване на градски отпадъчни води за следващите 100 години.

В ранните си етапи процесът на активна утайка използва процес на пълнене-и-източване (подобно на процеса SBR). Поради сравнително изостаналата технология и оборудване за автоматично управление по това време, работата му беше тромава и склонна към запушване, като не предлагаше значителни предимства в сравнение с биологичните филтри. По-късно непрекъснато течащият процес на активна утайка-поток бързо го замени. Въпреки това, тъй като степента на потребление на кислород от утайката в реактора с -проточен поток варира по дължината на резервоара, скоростта на подаване на кислород е трудно да се съпостави и процесът на активната утайка е изправен пред проблема с локализирано недостатъчно подаване на кислород. Процесът на постепенно аериране на активната утайка, предложен през 1936 г., и процесът на поетапно аериране, предложен през 1942 г., подобриха баланса на доставката на кислород, като се обърнаха съответно към методите на аериране и вливане. През 1950 г. McKinney от Съединените щати предлага напълно смесен процес с активна утайка. Този метод ефективно решава проблема с натрупването на утайки, като променя режима на оцеляване на микробната общност от активна утайка, позволявайки й да се адаптира към градиентни промени в концентрацията на субстрата в аерационния резервоар.

С широкото си приложение в действителното производство и непрекъснатите технологични иновации, процесът на активирана утайка постепенно заменя процеса на биофилм и се превръща в основна технология за пречистване на отпадъчни води от 40-те до 60-те години на миналия век.

През 1921 г. процесът на активна утайка се разпространява в Китай и Китай построява първата си пречиствателна станция за отпадъчни води-Станцията за пречистване на отпадъчни води в Северния район на Шанхай. През 1926 г. и 1927 г. са построени съответно пречиствателните станции за отпадъчни води в Източния район и Западния район на Шанхай с общ дневен капацитет за пречистване от 35 500 тона по това време.

През 50-те години на миналия век еутрофикацията на водните обекти се превръща във важен проблем, което прави отстраняването на азот и фосфор друго основно изискване при пречистването на отпадъчни води. Вследствие на това бяха разработени серия от процеси за отстраняване на азот и фосфор въз основа на процеса на активна утайка, като най-често срещаните процеси A/O и A2/O.

Принцип на отстраняване на азота: Органичните азотни съединения се разграждат до амонячен азот чрез амонифициране на бактерии. Амонячният азот допълнително се разлага и трансформира от нитрифициращи бактерии, първо в нитритен азот от нитрит-окисляващи бактерии и след това в нитратен азот от нитрифициращи бактерии. При аноксични условия нитратният азот се трансформира по два пътя от денитрифициращи бактерии: асимилация-денитрификация (синтез), в крайна сметка образувайки органични азотни съединения, които стават част от бактериалната клетка; и дисимилация-денитрификация (разлагане), с газообразен азот като краен продукт.

Принцип на отстраняване на фосфора: При анаеробни условия (окислителен-потенциал за редукция ORP между -200 и -300 mV), полифосфат-акумулиращите бактерии превръщат органичния фосфор в клетките си в неорганичен фосфор, освобождавайки го и използвайки енергията, генерирана в този процес, за да абсорбира разтворената органична матрица в отпадъчните води, за да синтезират поли(-хидроксибутират) (PHB) частици. При аеробни условия бактериите, натрупващи полифосфат, разграждат PHB, за да осигурят енергията, необходима за абсорбиране на фосфор от отпадъчните води, като по този начин завършват процеса на натрупване на полифосфат.

Разбира се, изброените по-горе процеси за пречистване на отпадъчни води са само върхът на айсберга. Методите за пречистване на отпадъчни води вече са се превърнали в огромна система. Поглеждайки назад към цялата история, прогресът на пречистването на градските отпадъчни води се е увеличил с нарастващите изисквания за човешкото здраве, промените в качеството на водата и нарастващата сложност на пречистването на отпадъчните води. Едновременно с това оперативното управление, капиталовите разходи и разходите за земя доведоха до непрекъснатото развитие на технологиите за пречистване на вода, постепенно опростявайки операциите, използването на земята, процедурите и вложените енергийни ресурси. Изискванията на хората към качеството на водата се увеличават, докато процесите на пречистване стават все по-рационализирани.