Pròleg: El desenvolupament humà és un procés continu de millora. Prenguem, per exemple, el tractament d'aigües residuals. La primera depuradora es va construir després de presenciar els danys i els riscos per a la salut de l'abocament indiscriminat d'aigües residuals, que van portar al seu desenvolupament continu. La història del tractament d'aigües residuals urbanes es remunta a l'antiga Roma. En aquell moment, el medi ambient tenia una gran capacitat i la capacitat d'auto-depuració de les masses d'aigua podia cobrir les necessitats humanes d'aigua; la gent només necessitava tenir en compte el drenatge. Més tard, amb l'acceleració de la urbanització, les aigües residuals domèstiques van estendre malalties infeccioses mitjançant la transmissió de bacteris. Per motius de salut, els humans van començar a tractar les aigües residuals domèstiques abocades. Els primers mètodes de tractament utilitzaven calç, alum, etc., per a la sedimentació, o blanqueig en pols per a la desinfecció. A finals de la dinastia Ming, el meu país ja tenia dispositius de purificació d'aigües residuals. El 1762, Gran Bretanya va començar a utilitzar calç i sals metàl·liques per tractar les aigües residuals urbanes. Avui, principalment, popularitzarem el coneixement ambiental des de dos aspectes: el dany de la contaminació ambiental i el desenvolupament de depuradores d'aigües residuals!
01 Esdeveniments nocius de contaminació ambiental
Vegem primer alguns-esdeveniments nocius de contaminació ambiental ben coneguts. Entre els anys 1930 i 1960, vuit incidents importants de contaminació ambiental van impactar el món: l'incident de smog de la vall del Mosa a Bèlgica, l'incident de smog de Donora als Estats Units, l'incident de smog de Londres, l'incident de smog fotoquímic de Los Angeles als Estats Units, l'incident de la malaltia de Minamata al Japó, l'incident de Toyama Itai Itaikka al Japó i l'incident de Toyama Itaika Yokka al Japó. l'incident de l'oli de segó d'arròs japonès. Aquests vuit incidents importants de contaminació ambiental fan referència a vuit esdeveniments significatius i impactants causats per la contaminació ambiental a tot el món.
Incident de smog de la vall del Mosa (Bèlgica): de l'1 al 5 de desembre de 1930, grans quantitats de smog emesa per 13 fàbriques de la zona industrial de la vall del Mosa de Bèlgica van omplir l'aire, provocant que milers de persones a la zona industrial experimentessin dolor al pit, tos, llagrimeig, mal de coll i dificultat per respirar. Més de 60 persones van morir en una setmana, i també va morir molts bestiar. Aquest és el primer incident de contaminació atmosfèric registrat del segle XX.
L'incident del smog de Donora (Estats Units): del 26 al 31 d'octubre de 1948, la ciutat de Donora, Pennsilvània, va experimentar un smog persistent. Aquesta zona era una concentració de plantes d'àcid sulfúric, fàbriques d'acer i foses de zinc. El smog emès d'aquestes fàbriques va quedar atrapat a la vall, provocant que 6.000 persones experimentessin de sobte molèsties com ara dolor d'ulls, mal de coll, secreció nasal, mal de cap i opressió al pit; 20 d'ells van morir ràpidament. Aquest esdeveniment de smog va ser causat principalment per substàncies tòxiques i nocives com el diòxid de sofre i les partícules metàl·liques adherides a les partícules en suspensió. La gent va inhalar grans quantitats d'aquests gasos nocius en un curt període de temps, la qual cosa va provocar un gran desastre.
El London Smog Event (del 5 al 8 de desembre de 1952): l'alta pressió i la densa boira van cobrir Londres, sense vent durant diversos dies. Això va passar durant la temporada màxima de calefacció a l'hivern, quan el fum del carbó, la pols i la humitat es van acumular a l'atmosfera, cosa que va provocar que molts habitants de la ciutat experimentessin dificultats respiratòries i irritació ocular. Més de 4.000 persones van morir en només quatre dies. En els dos mesos següents, van morir 8.000 persones més. Aquest va ser el major esdeveniment de smog urbà causat per la combustió del carbó al segle XX.
L'incident de la malaltia de Minamata al Japó: a partir de 1949, la Japan Nitrogen Fertilizer Company, ubicada a la ciutat de Minamata, prefectura de Kumamoto, Japó, va començar a fabricar clorur de vinil i acetat de vinil. Com que el procés de fabricació utilitzava un catalitzador que contenia mercuri-(Hg), es van abocar grans quantitats de mercuri a la badia de Minamata juntament amb les aigües residuals no tractades de la fàbrica. L'any 1954, una estranya malaltia de causa desconeguda, anomenada "malaltia de Minamata", va començar a aparèixer a la badia de Minamata. La malaltia va afectar gats i humans, amb símptomes com la marxa inestable, convulsions, deformitats de les mans i els peus, trastorns neurològics, arqueig del cos i crits forts, que finalment van provocar la mort. Després de gairebé deu anys d'anàlisi, els científics van confirmar que el mercuri de les aigües residuals de la fàbrica era la causa de la "malaltia de Minamata". El mercuri és absorbit pels microorganismes de l'aigua i convertit en metilmercuri (CH3)Hg al cos. Aquesta substància entra als cossos dels humans i dels animals a través dels peixos i les gambes, danyant el cervell i altres parts del cos, provocant atròfia cerebral, interrupció del sistema d'equilibri del cerebel i altres efectes nocius; és extremadament tòxic. Al Japó, centenars de milers de persones han consumit peix i gambes contaminats amb metilmercuri de la badia de Minamata.
...i així successivament, no els enumerarem tots aquí!
02 L'origen de la Primera Estació Depuradora
Mirem avui una planta de tractament d'aigües residuals més antiga que el procés de fangs activats, amb una història de 139 anys: la planta de tractament d'aigües residuals de Blackburn Meadows, construïda el 1886 a Sheffield, una ciutat industrial-consolidada a Anglaterra. Les depuradores d'aigües residuals tenen una història de més de 100 anys.
Com probablement sabreu, el procés de fangs activats es va inventar a Gran Bretanya a principis del segle XX, i Edward Ardern i William Lockett es consideren els seus inventors, que es remunten a 1914. No obstant això, el tractament d'aigües residuals a Gran Bretanya va començar en realitat uns 50 anys abans que el procés de fangs activats: amb el desenvolupament industrial, la població britànica va començar a créixer ràpidament i Anglaterra va començar a créixer ràpidament. Els problemes recurrents de sanejament a les ciutats britàniques van fer que el reconegut científic Michael Faraday investigués personalment l'estat del riu Tàmesi.
La pandèmia de còlera de 1832 va cobrar més de 400 vides a Sheffield. Després, tot i que el govern local havia construït un sistema de clavegueram, les empreses van continuar abocant aigües residuals i residus directament al riu principal (riu Don), fent que l'aigua fos negra i feia olor-fétida. En aquest context, Sheffield va construir la seva primera planta de tractament d'aigües residuals el 1886.
La planta inicial era bastant senzilla. Dissenyat per tractar 40.000 metres cúbics diaris, només funcionava durant el dia. Les aigües residuals es tractaven amb calç, i els fangs resultants s'utilitzaven com a adob per a les granges properes. No obstant això, per a la seva època, aquesta planta va suposar un avenç important, atraient visites d'homòlegs i funcionaris de la ciutat d'altres parts d'Anglaterra.
Després de la seva finalització el 1886, la planta va patir una renovació el 1910. Anteriorment, l'Ajuntament de Sheffield havia previst construir una canonada per abocar les aigües residuals directament al mar del Nord, però més tard va adoptar un mètode innovador d'-aireació per descompondre els contaminants de les aigües residuals. Van anomenar aquesta tecnologia "llits de bacteris". És just dir que els Sheffielders van fer una cosa realment fantàstica per a la humanitat-si simplement haguessin abocat aigües residuals directament al mar, podria ser una pràctica habitual avui dia. Els Sheffielders van establir un punt de referència completament nou per a altres governs i autoritats de l'aigua-l'ús de mètodes biològics per tractar les aigües residuals. Tingueu en compte la cronologia-que van concebre utilitzar bacteris per tractar aigües residuals l'any 1910, mentre que l'anomenat procés de fangs activats-només va sorgir el 1914.
03 Desenvolupament continu dels processos de tractament d'aigües residuals
Mètode Biofilm
A mitjans del-segle XVIII, va començar la Revolució Industrial a Europa, amb l'eliminació de matèria orgànica de les aigües residuals urbanes esdevenint un focus clau. L'any 1881, els científics francesos van inventar el primer bioreactor i el primer estany de tractament biològic anaeròbic-l'estany de Moris, que va marcar l'inici del tractament biològic d'aigües residuals. El 1893, el primer filtre biològic es va posar en funcionament a Gal·les, Anglaterra, i es va estendre ràpidament a Europa i Amèrica del Nord. Els avenços tecnològics van estimular el desenvolupament dels estàndards. El 1912, la Royal Commission in Wastewater Management del Regne Unit va proposar utilitzar BOD5 per avaluar el grau de contaminació de l'aigua.
Procés de fangs activats
El 1914, Arden i Lokett van publicar un article sobre el procés de fangs activats a la Institution of Chemical Engineers (ICC) del Regne Unit i, el mateix any, van establir la primera planta pilot de tractament d'aigües residuals de fangs activats del món a Manchester, Anglaterra. Dos anys més tard, es va establir oficialment la primera planta de tractament d'aigües residuals de fangs activats als Estats Units. El naixement del procés de fangs actius va establir les bases de la tecnologia de tractament d'aigües residuals urbanes durant els propers 100 anys.
En les seves primeres etapes, el procés de fangs activats utilitzava un procés d'ompliment-i-drenatge (similar al procés SBR). A causa de la tecnologia i l'equip de control automàtic relativament endarrerits de l'època, el seu funcionament era feixuc i propens a l'obstrucció, sense oferir avantatges significatius en comparació amb els filtres biològics. Més tard, el procés de fang activat-que fluïa contínuament el va substituir ràpidament. Tanmateix, com que la taxa de consum d'oxigen dels fangs al reactor de flux-de l'endoll varia al llarg de la longitud del dipòsit, la taxa de subministrament d'oxigen és difícil d'igualar i el procés de fangs activats s'enfronta al problema d'un subministrament insuficient d'oxigen localitzat. El procés de fangs activats airejats gradualment, proposat el 1936, i el procés d'aeració per etapes, proposat el 1942, van millorar l'equilibri de subministrament d'oxigen abordant els mètodes d'aeració i d'influent, respectivament. El 1950, McKinney dels Estats Units va proposar el procés de fangs activats completament barrejat. Aquest mètode va resoldre eficaçment el problema de l'acumulació de fangs alterant el mode de supervivència de la comunitat microbiana de fangs activats, cosa que li va permetre adaptar-se als canvis de gradient de concentració de substrat dins del dipòsit d'aireació.
Amb la seva aplicació generalitzada en la producció real i la innovació tecnològica contínua, el procés de fangs activats va substituir gradualment el procés de biofilm i es va convertir en la tecnologia principal de tractament d'aigües residuals des dels anys quaranta fins als anys seixanta.
El 1921, el procés de fangs activats es va estendre a la Xina i la Xina va construir la seva primera planta de tractament d'aigües residuals-la planta de tractament d'aigües residuals del districte nord de Xangai. El 1926 i el 1927, es van construir les plantes de tractament d'aigües residuals del districte est de Xangai i del districte oest, respectivament, amb una capacitat de tractament diària combinada de 35.500 tones en aquell moment.
04 Canvis tecnològics per satisfer les necessitats d'eliminació de nitrogen i fòsfor
A la dècada de 1950, l'eutrofització de les masses d'aigua es va convertir en un problema destacat, fent de l'eliminació de nitrogen i fòsfor una altra demanda important en el tractament d'aigües residuals. En conseqüència, es van desenvolupar una sèrie de processos d'eliminació de nitrogen i fòsfor basats en el procés de fangs actius, com els processos A/O i A2/O més habituals.
Principi d'eliminació de nitrogen: els compostos de nitrogen orgànic es descomponen en nitrogen d'amoníac mitjançant bacteris amonificadors. El nitrogen d'amoníac es descompone i es transforma encara més pels bacteris nitrificants, primer en nitrogen de nitrit per bacteris oxidants de nitrit-, i després en nitrogen de nitrat per bacteris nitrificants. En condicions anòxiques, el nitrogen nitrat es transforma per dues vies mitjançant els bacteris desnitrificants: assimilació-desnitrificació (síntesi), formant finalment compostos nitrogenats orgànics que passen a formar part de la cèl·lula bacteriana; i desnitrificació-dissimilació (descomposició), amb nitrogen gasós com a producte final.
Principi d'eliminació de fòsfor: en condicions anaeròbiques (ORP potencial d'oxidació-reducció entre -200 i -300 mV), els bacteris-acumulants de polifosfat-converteixen fòsfor orgànic dins de les seves cèl·lules en fòsfor inorgànic, alliberant-lo i utilitzant l'energia generada en aquest procés per absorbir-se en la matriu orgànica per absorbir-se en la matriu orgànica. partícules -hidroxibutirat) (PHB). En condicions aeròbiques, els bacteris acumuladors de polifosfat degraden el PHB per proporcionar l'energia necessària per a l'absorció de fòsfor de les aigües residuals, completant així el procés d'acumulació de polifosfats.
05 Conclusió
Per descomptat, els processos de tractament d'aigües residuals enumerats anteriorment són només la punta de l'iceberg. Els mètodes de tractament d'aigües residuals s'han convertit en un sistema vast. Mirant enrere a tota la història, el progrés del tractament d'aigües residuals urbanes ha augmentat amb les demandes creixents de salut humana, els canvis en la qualitat de l'aigua i la creixent sofisticació del tractament d'aigües residuals. Simultàniament, la gestió operativa, el capital i els costos del sòl han impulsat l'evolució contínua de les tecnologies de tractament d'aigua, simplificant gradualment les operacions, l'ús del sòl, els procediments i les aportacions de recursos energètics. Les demandes de la gent per a la qualitat de l'aigua augmenten, mentre que els processos de tractament s'agilitzen cada cop més.
