Z první čistírny odpadních vod na světě – pohled na vývoj technologie čištění odpadních vod!

Předmluva: Lidský rozvoj je neustálý proces zlepšování. Vezměte si například čištění odpadních vod. První čistírna odpadních vod byla postavena poté, co byla svědkem škod a zdravotních rizik nevybíravého vypouštění odpadních vod, což vedlo k jejímu neustálému rozvoji. Historie čištění městských odpadních vod sahá až do starověkého Říma. V té době mělo prostředí velkou kapacitu a samočisticí schopnost vodních útvarů dokázala pokrýt lidské potřeby vody; lidé museli uvažovat pouze o odvodnění. Později, s akcelerací urbanizace, domovní odpadní vody šířily infekční choroby přenosem bakterií. Lidé začali ze zdravotních důvodů čistit vypouštěné domovní odpadní vody. Rané léčebné metody používaly k sedimentaci vápno, kamenec atd. nebo k dezinfekci bělicí prášek. Na konci dynastie Ming už moje země měla zařízení na čištění odpadních vod. V roce 1762 začala Británie používat vápno a kovové soli k čištění městských odpadních vod. Dnes budeme především popularizovat environmentální znalosti ze dvou aspektů: škodlivost znečištění životního prostředí a rozvoj čistíren odpadních vod!

Nejprve se podívejme na některé-známé škodlivé události znečištění životního prostředí. Mezi 30. a 60. léty 20. století šokovalo svět osm velkých incidentů znečištění životního prostředí: smogový incident v údolí Meuse v Belgii, smogový incident Donora ve Spojených státech, londýnský smogový incident, fotochemický smogový incident v Los Angeles ve Spojených státech, incident s nemocí Minamata v Japonsku, incident Toyama Itai-Japonsko a japonská nemoc Yokka brani, astma Yokka v Japonsku, astma Yokka brani v USA incident. Těchto osm hlavních incidentů znečištění životního prostředí odkazuje na osm významných a šokujících událostí způsobených znečištěním životního prostředí po celém světě.

Smogový incident v údolí Meuse (Belgie): Od 1. do 5. prosince 1930 zaplnilo vzduch velké množství smogu vypouštěného 13 továrnami v průmyslové oblasti v údolí Meuse v Belgii, což způsobilo tisícům lidí v průmyslové oblasti bolest na hrudi, kašel, slzení, bolest v krku a potíže s dýcháním. Během týdne zemřelo více než 60 lidí a zahynulo také mnoho hospodářských zvířat. Jde o nejstarší zaznamenaný případ znečištění ovzduší ve 20. století.

Smogový incident Donory (Spojené státy americké): Od 26. do 31. října 1948 město Donora v Pensylvánii zažívalo přetrvávající smog. V této oblasti byly soustředěny závody na kyselinu sírovou, ocelárny a zinkové tavírny. Smog vypouštěný z těchto továren byl uvězněn v údolí, což způsobilo, že 6 000 lidí náhle pocítilo nepohodlí, jako je bolest očí, bolest v krku, rýma, bolest hlavy a tlak na hrudi; 20 z nich rychle zemřelo. Tato smogová událost byla způsobena především toxickými a škodlivými látkami, jako je oxid siřičitý a kovové částice ulpívající na suspendovaných částicích. Lidé během krátké doby vdechli velké množství těchto škodlivých plynů, což vedlo k velké katastrofě.

Londýnská smogová událost (5.–8. prosince 1952): Londýn zahalil vysoký tlak a hustá mlha, několik dní bezvětří. K tomu došlo během vrcholné zimní topné sezóny, kdy se v atmosféře nahromadil uhelný kouř, prach a vlhkost, což způsobilo mnoha obyvatelům města dýchací potíže a podráždění očí. Za pouhé čtyři dny zemřelo více než 4000 lidí. V následujících dvou měsících zemřelo dalších 8000 lidí. Jednalo se o největší městský smog způsobený spalováním uhlí ve 20. století.

Incident nemoci Minamata v Japonsku: Počínaje rokem 1949 začala společnost Japan Nitrogen Fertilizer Company se sídlem ve městě Minamata v prefektuře Kumamoto v Japonsku vyrábět vinylchlorid a vinylacetát. Vzhledem k tomu, že výrobní proces používal katalyzátor- obsahující rtuť (Hg), bylo velké množství rtuti vypouštěno do zálivu Minamata spolu s neupravenou odpadní vodou továrny. V roce 1954 se v zálivu Minamata začala objevovat podivná nemoc neznámé příčiny, nazývaná „Minamatská nemoc“. Onemocnění postihlo kočky a lidi a projevovalo se příznaky včetně nestabilní chůze, křečí, deformací rukou a nohou, neurologických poruch, vyklenutí těla a hlasitého křiku, které nakonec vedly ke smrti. Po téměř deseti letech analýz vědci potvrdili, že rtuť v odpadních vodách továrny byla příčinou „nemoci Minamata“. Rtuť je absorbována mikroorganismy ve vodě a v těle se přeměňuje na methylrtuť (CH3)Hg. Tato látka se dostává do těl lidí a zvířat prostřednictvím ryb a krevet, poškozuje mozek a další části těla, způsobuje atrofii mozku, narušení rovnovážného systému mozečku a další škodlivé účinky; je extrémně toxický. V Japonsku statisíce lidí konzumovaly ryby a krevety kontaminované methylrtutí ze zálivu Minamata.

...a tak dále, nebudeme je zde všechny vypisovat!

Dnes se podíváme na čistírnu odpadních vod starší než proces aktivovaného kalu s historií 139 let: Blackburn Meadows Wastewater Treatment Plant, postavená v roce 1886 v Sheffieldu, dlouho-zavedeném průmyslovém městě v Anglii. Čistírny odpadních vod mají více než 100letou historii.

Jak asi víte, proces aktivovaného kalu byl vynalezen v Británii na počátku 20. století a za jeho vynálezce jsou považováni Edward Ardern a William Lockett, kteří se datují do roku 1914. Čištění odpadních vod v Británii však ve skutečnosti začalo asi o 50 let dříve než proces aktivovaného kalu: s průmyslovým rozvojem začala britská populace rychle růst a Anglie se stala jednou ze zemí s nejzávažnějším znečištěním vody. Opakující se problémy s hygienou v britských městech vedly renomovaného vědce Michaela Faradaye k osobnímu prozkoumání stavu řeky Temže.

Pandemie cholery v roce 1832 si v Sheffieldu vyžádala přes 400 obětí. Poté, ačkoli místní vláda vybudovala kanalizační systém, podniky nadále vypouštěly odpadní vodu a odpad přímo do hlavní řeky (řeka Don), čímž voda zčernala a páchla-. V této souvislosti postavil Sheffield v roce 1886 svou první čističku odpadních vod.

Počáteční závod byl docela jednoduchý. Byl navržen pro ošetření 40 000 metrů krychlových za den a fungoval pouze ve dne. Odpadní voda byla čištěna vápnem a vzniklý kal se používal jako hnojivo pro okolní farmy. Nicméně na svou dobu byla tato rostlina významným pokrokem a přitahovala návštěvy protějšků a městských úředníků z jiných částí Anglie.

Po svém dokončení v roce 1886 prošla továrna v roce 1910 renovací. Dříve si Sheffieldská městská rada představovala vybudování potrubí pro vypouštění odpadních vod přímo do Severního moře, ale později přijala inovativní metodu-provzdušňování k rozkladu znečišťujících látek v odpadních vodách. Tuto technologii nazvali „bakteriální lůžka“. Je spravedlivé říci, že Sheffielders udělali pro lidstvo něco skutečně velkého,-kdyby jednoduše vypustili odpadní vodu přímo do moře, dnes by to mohla být běžná praxe. Sheffielders nastavili zcela nové měřítko pro ostatní vlády a vodohospodářské úřady-používání biologických metod k čištění odpadních vod. Všimněte si časové osy-, kterou pojali s použitím bakterií k čištění odpadních vod v roce 1910, zatímco{11}}takzvaný proces aktivovaného kalu se objevil až v roce 1914.

Metoda biofilmu

V polovině-18. století začala v Evropě průmyslová revoluce, kdy se odstraňování organické hmoty z městských odpadních vod stalo klíčovým tématem. V roce 1881 francouzští vědci vynalezli první bioreaktor a první rybník na anaerobní biologické čištění-Pond Moris – což znamenalo začátek biologického čištění odpadních vod. V roce 1893 byl první biologický filtr uveden do provozu ve Walesu v Anglii a rychle se rozšířil do Evropy a Severní Ameriky. Technologický pokrok urychlil vývoj standardů. V roce 1912 Královská komise pro nakládání s odpadními vodami ve Spojeném království navrhla použití BSK5 k posouzení stupně znečištění vody.

Proces aktivovaného kalu

V roce 1914 Arden a Lokett publikovali článek o procesu aktivovaného kalu v Institution of Chemical Engineers (ICC) ve Velké Británii a ve stejném roce založili první pilotní čistírnu odpadních vod s aktivovaným kalem na světě v Manchesteru v Anglii. O dva roky později byla v USA oficiálně založena první čistírna odpadních vod s aktivovaným kalem. Zrod procesu aktivovaného kalu položil základ pro technologii čištění městských odpadních vod na dalších 100 let.

Ve svých raných fázích proces aktivovaného kalu využíval proces plnění-a{1}}vypouštění (podobný procesu SBR). Vzhledem k tehdejší poměrně zaostalé technice a zařízení automatického řízení byl jeho provoz těžkopádný a náchylný k zanášení a nenabízel žádné výrazné výhody oproti biologickým filtrům. Později jej rychle nahradil kontinuálně tekoucí-proces aktivovaného kalu. Protože se však rychlost spotřeby kyslíku v kalu v reaktoru s pístovým-průtokem mění po délce nádrže, je obtížné přizpůsobit rychlost dodávky kyslíku a proces aktivovaného kalu čelí problému lokalizovaného nedostatečného přívodu kyslíku. Postupně provzdušňovaný proces aktivovaného kalu, navržený v roce 1936, a postupný provzdušňovací proces, navržený v roce 1942, zlepšily rovnováhu dodávky kyslíku řešením provzdušňovacích a přítokových metod. V roce 1950 navrhl McKinney ze Spojených států zcela smíšený proces aktivovaného kalu. Tato metoda účinně vyřešila problém hromadění kalu změnou režimu přežití mikrobiální komunity aktivovaného kalu, což jí umožňuje přizpůsobit se gradientovým změnám koncentrace substrátu v provzdušňovací nádrži.

Díky svému širokému uplatnění ve skutečné výrobě a neustálým technologickým inovacím proces aktivovaného kalu postupně nahradil proces biofilm a stal se hlavní proud technologií čištění odpadních vod od 40. do 60. let 20. století.

V roce 1921 se proces aktivovaného kalu rozšířil do Číny a Čína postavila svou první čistírnu odpadních vod-Shanghai North District Wastewater Treatment Plant. V letech 1926 a 1927 byly vybudovány čistírny odpadních vod v okrese Shanghai East a West District s kombinovanou denní kapacitou čištění 35 500 tun v té době.

V 50. letech 20. století se eutrofizace vodních útvarů stala prominentním problémem a odstranění dusíku a fosforu se stalo dalším hlavním požadavkem při čištění odpadních vod. V důsledku toho byla vyvinuta řada procesů odstraňování dusíku a fosforu založených na procesu aktivovaného kalu, jako jsou nejběžnější A/O a A2/O procesy.

Princip odstraňování dusíku: Organické sloučeniny dusíku jsou rozkládány na amoniakální dusík amonifikačními bakteriemi. Amoniakální dusík je dále rozkládán a přeměňován nitrifikačními bakteriemi, nejprve na dusitanový dusík dusitanovými-oxidujícími bakteriemi a poté na dusičnanový dusík nitrifikačními bakteriemi. Za anoxických podmínek je dusičnanový dusík denitrifikačními bakteriemi transformován dvěma cestami: asimilační-denitrifikace (syntéza), v konečném důsledku tvoří organické sloučeniny dusíku, které se stávají součástí bakteriální buňky; a disimilační-denitrifikace (rozklad), přičemž konečným produktem je plynný dusík.

Princip odstraňování fosforu: Za anaerobních podmínek (oxidačně-redukční potenciál ORP mezi -200 a -300 mV) bakterie akumulující polyfosfát- přeměňují organický fosfor ve svých buňkách na anorganický fosfor, uvolňují ho a využívají energii generovanou v tomto procesu k absorbování organické vody – hydroxybutyrátu k absorpci) (PHB) částice. Za aerobních podmínek bakterie akumulující polyfosfáty degradují PHB, aby poskytly energii potřebnou pro absorpci fosforu z odpadní vody, čímž dokončí proces akumulace polyfosfátů.

Výše uvedené procesy čištění odpadních vod jsou samozřejmě jen špičkou ledovce. Metody čištění odpadních vod se nyní vyvinuly do rozsáhlého systému. Když se podíváme zpět na celou historii, pokrok v čištění městských odpadních vod se zvýšil s rostoucími nároky na lidské zdraví, změnami v kvalitě vody a zvyšující se sofistikovaností čištění odpadních vod. Současně provozní řízení, kapitál a náklady na půdu vedly k neustálému vývoji technologií úpravy vody, postupně zjednodušují operace, využití půdy, postupy a vstupy energetických zdrojů. Nároky lidí na kvalitu vody se zvyšují, zatímco procesy úpravy se stále více zefektivňují.