Od prve čistilne naprave na svetu – pogled na razvoj tehnologije za čiščenje odpadne vode!

Predgovor: Človekov razvoj je stalen proces izboljšav. Vzemimo za primer čiščenje odpadne vode. Prva čistilna naprava je bila zgrajena po tem, ko smo bili priča škodi in zdravstvenim tveganjem nediskriminatornega odvajanja odpadne vode, kar je privedlo do njenega nenehnega razvoja. Zgodovino čiščenja mestne odpadne vode lahko zasledimo vse do starega Rima. Takrat je imelo okolje veliko zmogljivost in sposobnost samo{4}}čiščenja vodnih teles je lahko zadovoljila človeške potrebe po vodi; ljudje so morali razmisliti le o drenaži. Kasneje, s pospešeno urbanizacijo, so gospodinjske odplake s prenosom bakterij širile nalezljive bolezni. Iz zdravstvenih razlogov so ljudje začeli čistiti odpadne gospodinjske odplake. Zgodnje metode obdelave so uporabljale apno, galun itd. za usedanje ali belilni prašek za razkuževanje. Do pozne dinastije Ming je moja država že imela naprave za čiščenje odpadne vode. Leta 1762 je Velika Britanija začela uporabljati apno in kovinske soli za čiščenje mestnih odplak. Danes bomo popularizirali predvsem okoljska znanja z dveh vidikov: škodljivosti onesnaževanja okolja in razvoja čistilnih naprav!

Najprej si poglejmo nekaj -znanih škodljivih dogodkov onesnaževanja okolja. Med letoma 1930 in 1960 je svet pretreslo osem večjih onesnaženj okolja: smog v dolini Meuse v Belgiji, smog Donora v Združenih državah Amerike, smog v Londonu, fotokemični smog v Los Angelesu v ZDA, bolezen Minamata na Japonskem, bolezen Toyama Itai-itai na Japonskem, astma Yokkaichi na Japonskem in japonska incident z oljem riževih otrobov. Teh osem večjih onesnaženj okolja se nanaša na osem pomembnih in šokantnih dogodkov, ki jih povzroči onesnaženje okolja po vsem svetu.

Incident smoga v dolini Meuse (Belgija): Od 1. do 5. decembra 1930 so velike količine smoga, ki ga je oddajalo 13 tovarn v industrijskem območju doline Meuse v Belgiji, napolnile zrak, zaradi česar je na tisoče ljudi v industrijskem območju občutilo bolečine v prsih, kašelj, solzenje, vneto grlo in težave z dihanjem. V enem tednu je poginilo več kot 60 ljudi, poginila je tudi številna živina. To je najzgodnejši zabeleženi incident onesnaženja zraka v 20. stoletju.

Incident smoga v Donori (Združene države): Od 26. do 31. oktobra 1948 je mesto Donora v Pensilvaniji trpelo zaradi smoga. Na tem območju so bile koncentracije obratov za proizvodnjo žveplove kisline, jeklarn in talilnic cinka. Smog, ki je izhajal iz teh tovarn, je bil ujet v dolini, kar je povzročilo, da je 6000 ljudi nenadoma občutilo nelagodje, kot so bolečine v očeh, vneto grlo, izcedek iz nosu, glavobol in tiščanje v prsih; 20 jih je hitro umrlo. Ta dogodek smoga so v glavnem povzročile strupene in škodljive snovi, kot so žveplov dioksid in kovinski delci, ki se držijo suspendiranih delcev. Ljudje so v kratkem času vdihnili velike količine teh škodljivih plinov, kar je povzročilo veliko katastrofo.

Dogodek zaradi smoga v Londonu (5.–8. december 1952): Visok pritisk in gosta megla sta prekrivala London, nekaj dni brez vetra. To se je zgodilo med vrhuncem zimske kurilne sezone, ko so se v ozračju kopičili premogov dim, prah in vlaga, zaradi česar so številni prebivalci mesta imeli težave z dihanjem in draženje oči. V samo štirih dneh je umrlo več kot 4000 ljudi. V naslednjih dveh mesecih je umrlo še 8000 ljudi. To je bil največji pojav smoga v mestih, ki ga je povzročilo izgorevanje premoga v 20. stoletju.

Incident bolezni Minamata na Japonskem: od leta 1949 je Japan Nitrogen Fertilizer Company s sedežem v mestu Minamata v prefekturi Kumamoto na Japonskem začela proizvajati vinil klorid in vinil acetat. Ker je proizvodni proces uporabljal katalizator,-ki vsebuje živo srebro (Hg), so bile velike količine živega srebra izpuščene v zaliv Minamata skupaj z neprečiščeno odpadno vodo tovarne. Leta 1954 se je v zalivu Minamata začela pojavljati čudna bolezen neznanega vzroka, imenovana "bolezen Minamata". Bolezen je prizadela mačke in ljudi s simptomi, kot so nestabilna hoja, konvulzije, deformacije rok in nog, nevrološke motnje, upogibanje telesa in glasni joki, ki so sčasoma privedli do smrti. Po skoraj desetih letih analize so znanstveniki potrdili, da je živo srebro v tovarniški odpadni vodi vzrok za "bolezen Minamata". Živo srebro absorbirajo mikroorganizmi v vodi in ga v telesu pretvorijo v metil živo srebro (CH3)Hg. Ta snov pride v telo ljudi in živali preko rib in kozic, poškoduje možgane in druge dele telesa, povzroča atrofijo možganov, motnje ravnotežnega sistema malih možganov in druge škodljive učinke; je izjemno strupen. Na Japonskem je več sto tisoč ljudi zaužilo ribe in kozice, onesnažene z metil živim srebrom iz zaliva Minamata.

...in tako naprej, tukaj ne bomo naštevali vseh!

Danes si oglejmo čistilno napravo, ki je starejša od postopka aktivnega blata in ima 139-letno zgodovino: čistilno napravo Blackburn Meadows, zgrajeno leta 1886 v Sheffieldu, dolgo-uveljavljenem industrijskem mestu v Angliji. Čistilne naprave imajo več kot 100-letno zgodovino.

Kot verjetno veste, so postopek z aktivnim blatom izumili v Veliki Britaniji v zgodnjem 20. stoletju, za njegova izumitelja pa veljata Edward Ardern in William Lockett, ki sega v leto 1914. Vendar se je čiščenje odpadne vode v Veliki Britaniji dejansko začelo približno 50 let prej kot postopek z aktivnim blatom: z industrijskim razvojem je prebivalstvo Britanije začelo hitro naraščati in Anglija je postala ena izmed držav z najhujšim onesnaženjem vode. Zaradi ponavljajočih se sanitarnih težav v britanskih mestih je priznani znanstvenik Michael Faraday osebno raziskal stanje reke Temze.

Pandemija kolere leta 1832 je v Sheffieldu zahtevala več kot 400 življenj. Čeprav je lokalna vlada zgradila kanalizacijski sistem, so podjetja nato še naprej odlagala odpadno vodo in odpadke neposredno v glavno reko (reko Don), zaradi česar je voda postala črna in smrdljiva. Glede na to je Sheffield leta 1886 zgradil svojo prvo čistilno napravo.

Začetna naprava je bila precej preprosta. Zasnovan za obdelavo 40.000 kubičnih metrov na dan, je deloval le podnevi. Odpadno vodo so očistili z apnom, nastalo blato pa uporabili kot gnojilo za bližnje kmetije. Kljub temu je bil ta obrat za svoj čas pomemben napredek, saj je pritegnil obiske kolegov in mestnih uradnikov iz drugih delov Anglije.

Po dokončanju leta 1886 je bila elektrarna leta 1910 prenovljena. Pred tem je mestni svet Sheffielda predvidel izgradnjo cevovoda za odvajanje odpadne vode neposredno v Severno morje, vendar je pozneje sprejel inovativno metodo-prezračevanja za razgradnjo onesnaževal v odpadni vodi. To tehnologijo so poimenovali "bakterijske postelje". Pošteno je reči, da so Sheffielderji naredili nekaj resnično velikega za človeštvo-če bi odpadno vodo preprosto zlili naravnost v morje, bi to danes morda postala običajna praksa. Zakonca Sheffielder sta drugim vladam in vodnim organom postavila povsem novo merilo-uporabo bioloških metod za čiščenje odpadne vode. Upoštevajte časovnico,-ki so si zamislili uporabo bakterij za čiščenje odpadne vode leta 1910, medtem ko se je tako-postopek z aktivnim blatom pojavil šele leta 1914.

Metoda biofilma

Sredi-18. stoletja se je v Evropi začela industrijska revolucija, pri čemer je odstranjevanje organskih snovi iz mestne odpadne vode postalo ključni poudarek. Leta 1881 so francoski znanstveniki izumili prvi bioreaktor in prvi anaerobni biološki čistilni bazen-Moris Pond, kar je pomenilo začetek biološkega čiščenja odpadne vode. Leta 1893 so v Walesu v Angliji začeli uporabljati prvi biološki filter, ki se je hitro razširil v Evropo in Severno Ameriko. Tehnološki napredek je spodbudil razvoj standardov. Leta 1912 je Kraljeva komisija za ravnanje z odpadno vodo v Združenem kraljestvu predlagala uporabo BPK5 za oceno stopnje onesnaženosti vode.

Postopek z aktivnim blatom

Leta 1914 sta Arden in Lokett objavila članek o procesu aktivnega blata na Institution of Chemical Engineers (ICC) v Združenem kraljestvu, istega leta pa sta v Manchestru v Angliji postavila prvo pilotno čistilno napravo za čiščenje odpadne vode z aktivnim blatom na svetu. Dve leti pozneje je bila v ZDA uradno postavljena prva čistilna naprava za odpadne vode z aktivnim blatom. Rojstvo postopka aktivnega blata je postavilo temelje za tehnologijo čiščenja komunalne odpadne vode za naslednjih 100 let.

V svojih zgodnjih fazah je postopek z aktivnim blatom uporabljal postopek polnjenja-in-praznjenja (podobno postopku SBR). Zaradi razmeroma zaostale tehnologije avtomatskega krmiljenja in opreme v tistem času je bilo njegovo delovanje okorno in nagnjeno k zamašitvam ter ni nudilo bistvenih prednosti v primerjavi z biološkimi filtri. Pozneje ga je hitro zamenjal proces z aktivnim blatom z neprekinjenim pretokom plug-flow. Ker pa se stopnja porabe kisika v blatu v plug-tokovnem reaktorju spreminja po dolžini rezervoarja, je hitrost oskrbe s kisikom težko uskladiti in postopek z aktivnim blatom se sooča s problemom lokalne nezadostne oskrbe s kisikom. Postopek postopnega prezračevanja z aktivnim blatom, predlagan leta 1936, in postopek stopenjskega prezračevanja, predlagan leta 1942, sta izboljšala ravnovesje oskrbe s kisikom z obravnavo prezračevanja oziroma vplivnih metod. Leta 1950 je McKinney iz Združenih držav predlagal postopek popolnoma mešanega aktivnega blata. Ta metoda je učinkovito rešila problem zbiranja blata tako, da je spremenila način preživetja mikrobne skupnosti aktivnega blata, kar ji je omogočilo prilagajanje gradientnim spremembam koncentracije substrata v prezračevalni posodi.

S široko uporabo v dejanski proizvodnji in nenehnimi tehnološkimi inovacijami je postopek z aktivnim blatom postopoma nadomestil postopek z biofilmom in postal glavna tehnologija čiščenja odpadne vode od 1940 do 1960.

Leta 1921 se je postopek aktivnega blata razširil na Kitajsko in Kitajska je zgradila svojo prvo čistilno napravo za odpadne vode-Shanghai North District Wastewater Treatment Plant. Leta 1926 in 1927 sta bili zgrajeni čistilni napravi za odpadne vode Vzhodnega okrožja Šanghaja oziroma Zahodnega okrožja s skupno dnevno zmogljivostjo čiščenja 35.500 ton v tistem času.

V petdesetih letih 20. stoletja je evtrofikacija vodnih teles postala pomemben problem, zaradi česar je bila odstranitev dušika in fosforja še ena pomembna zahteva pri čiščenju odpadne vode. Posledično je bila razvita vrsta postopkov odstranjevanja dušika in fosforja, ki temeljijo na procesu aktivnega blata, kot sta najpogostejša postopka A/O in A2/O.

Načelo odstranjevanja dušika: Organske dušikove spojine se z amonifikacijskimi bakterijami razgradijo v dušik iz amoniaka. Amonijakov dušik nadalje razgradijo in pretvorijo nitrifikacijske bakterije, najprej v nitritni dušik z nitrit-oksidirajočimi bakterijami in nato v nitratni dušik z nitrifikacijskimi bakterijami. V anoksičnih pogojih se nitratni dušik z denitrifikacijskimi bakterijami preoblikuje po dveh poteh: asimilacija-denitrifikacija (sinteza), pri čemer na koncu nastanejo organske dušikove spojine, ki postanejo del bakterijske celice; in disimilacija-denitrifikacija (razgradnja), s plinastim dušikom kot končnim produktom.

Načelo odstranjevanja fosforja: V anaerobnih pogojih (oksidacijski-redukcijski potencial ORP med -200 in -300 mV) bakterije, ki kopičijo polifosfat-, pretvorijo organski fosfor v svojih celicah v anorganski fosfor, ga sprostijo in uporabijo energijo, ustvarjeno v tem procesu, za absorpcijo raztopljenega organskega matriksa v odpadni vodi v sintetizirajo delce poli(-hidroksibutirata) (PHB). V aerobnih pogojih bakterije, ki kopičijo polifosfate, razgradijo PHB, da zagotovijo energijo, potrebno za absorpcijo fosforja iz odpadne vode, in tako zaključijo proces kopičenja polifosfatov.

Seveda so zgoraj našteti postopki čiščenja odpadne vode le vrh ledene gore. Metode čiščenja odpadne vode so se zdaj razvile v obsežen sistem. Če pogledamo nazaj v celotno zgodovino, se je napredek čiščenja komunalne odpadne vode povečal z naraščajočimi zahtevami za zdravje ljudi, spremembami v kakovosti vode in vse večjo zahtevnostjo čiščenja odpadne vode. Hkrati so operativno upravljanje, stroški kapitala in zemljišča poganjali nenehen razvoj tehnologij za čiščenje vode, postopoma poenostavljajo operacije, rabo zemlje, postopke in vložke energetskih virov. Zahteve ljudi po kakovosti vode se povečujejo, postopki čiščenja pa postajajo vse bolj racionalizirani.