Van 's werelds eerste afvalwaterzuiveringsinstallatie: een blik op de ontwikkeling van afvalwaterzuiveringstechnologie!

Voorwoord: Menselijke ontwikkeling is een continu proces van verbetering. Neem bijvoorbeeld de afvalwaterzuivering. De eerste afvalwaterzuiveringsinstallatie werd gebouwd na getuige te zijn geweest van de schade en gezondheidsrisico's van willekeurige lozing van afvalwater, wat leidde tot de voortdurende ontwikkeling ervan. De geschiedenis van de behandeling van stedelijk afvalwater gaat terug tot het oude Rome. In die tijd beschikte het milieu over een grote capaciteit en kon het zelfzuiveringsvermogen van waterlichamen voldoen aan de menselijke waterbehoeften; mensen hoefden alleen maar aan drainage te denken. Later, met de versnelling van de verstedelijking, verspreidde het huishoudelijk rioolwater infectieziekten door bacteriën over te brengen. Om gezondheidsredenen begon men geloosd huishoudelijk afvalwater te zuiveren. Bij vroege behandelingsmethoden werd kalk, aluin enz. gebruikt voor sedimentatie, of bleekpoeder voor desinfectie. Tegen het einde van de Ming-dynastie beschikte mijn land al over apparatuur voor de zuivering van afvalwater. In 1762 begon Groot-Brittannië kalk- en metaalzouten te gebruiken om stedelijk rioolwater te behandelen. Vandaag zullen we milieukennis vooral populariseren vanuit twee aspecten: de schade van milieuvervuiling en de ontwikkeling van afvalwaterzuiveringsinstallaties!

Laten we eerst eens kijken naar enkele bekende- schadelijke gebeurtenissen op het gebied van milieuvervuiling. Tussen de jaren dertig en zestig hebben acht grote milieuvervuilingsincidenten de wereld geschokt: het smogincident in de Maasvallei in België, het Donora-smogincident in de Verenigde Staten, het Londense smogincident, het fotochemische smogincident in Los Angeles in de Verenigde Staten, het Minamata-ziekte-incident in Japan, het Toyama Itai-itai-ziekte-incident in Japan, het Yokkaichi-astma-incident in Japan en het Japanse rijstzemelenolie-incident. Deze acht grote incidenten op het gebied van milieuvervuiling verwijzen naar acht belangrijke en schokkende gebeurtenissen die wereldwijd worden veroorzaakt door milieuvervuiling.

Het smogincident in de Maasvallei (België): Van 1 tot 5 december 1930 vulden grote hoeveelheden smog uitgestoten door 13 fabrieken in het industriële gebied van de Maasvallei in België de lucht, waardoor duizenden mensen in het industriële gebied last kregen van pijn op de borst, hoesten, tranen, keelpijn en moeite met ademhalen. Binnen een week stierven ruim zestig mensen en ook veel vee kwam om. Dit is het eerste geregistreerde luchtverontreinigingsincident van de 20e eeuw.

Het Donora-smogincident (Verenigde Staten): Van 26 tot 31 oktober 1948 had de stad Donora, Pennsylvania, te maken met aanhoudende smog. Dit gebied was een concentratie van zwavelzuurfabrieken, staalfabrieken en zinksmelters. De smog die door deze fabrieken werd uitgestoten, bleef vastzitten in de vallei, waardoor 6.000 mensen plotseling last kregen van ongemakken zoals oogpijn, keelpijn, loopneus, hoofdpijn en benauwdheid op de borst; Twintig van hen stierven snel. Deze smoggebeurtenis werd voornamelijk veroorzaakt door giftige en schadelijke stoffen zoals zwaveldioxide en metaaldeeltjes die zich aan zwevend stof hechtten. Mensen inhaleerden in korte tijd grote hoeveelheden van deze schadelijke gassen, wat tot een grote ramp leidde.

The London Smog Event (5-8 december 1952): Hoge druk en dichte mist bedekten Londen, zonder wind gedurende meerdere dagen. Dit gebeurde tijdens het piekseizoen in de winter, toen kolenrook, stof en vocht zich ophoopten in de atmosfeer, waardoor veel stadsbewoners ademhalingsmoeilijkheden en oogirritatie kregen. In slechts vier dagen tijd stierven ruim 4.000 mensen. In de daaropvolgende twee maanden stierven nog eens 8.000 mensen. Dit was de grootste stedelijke smoggebeurtenis veroorzaakt door steenkoolverbranding in de 20e eeuw.

Het Minamata-ziekte-incident in Japan: Vanaf 1949 begon de Japan Nitrogen Fertilizer Company, gevestigd in Minamata Town, Kumamoto Prefecture, Japan, met de productie van vinylchloride en vinylacetaat. Omdat bij het productieproces gebruik werd gemaakt van een kwik--houdende (Hg)-katalysator, werden grote hoeveelheden kwik samen met het onbehandelde afvalwater van de fabriek in Minamata Bay geloosd. In 1954 begon een vreemde ziekte met onbekende oorzaak, de "Minamata-ziekte", te verschijnen in Minamata Bay. De ziekte trof katten en mensen, met symptomen zoals onvaste gang, stuiptrekkingen, misvormingen van handen en voeten, neurologische aandoeningen, kromming van het lichaam en luide kreten, die uiteindelijk tot de dood leidden. Na bijna tien jaar analyse bevestigden wetenschappers dat het kwik in het afvalwater van de fabriek de oorzaak was van de ‘Minamata-ziekte’. Kwik wordt door micro-organismen in het water opgenomen en in het lichaam omgezet in methylkwik (CH3)Hg. Deze stof komt via vissen en garnalen in de lichamen van mensen en dieren terecht en beschadigt de hersenen en andere delen van het lichaam, veroorzaakt hersenatrofie, verstoring van het evenwichtssysteem van de kleine hersenen en andere schadelijke effecten; het is uiterst giftig. In Japan hebben honderdduizenden mensen vis en garnalen geconsumeerd die besmet waren met methylkwik uit de Minamata-baai.

...enzovoorts, we zullen ze hier niet allemaal opsommen!

Laten we vandaag eens kijken naar een afvalwaterzuiveringsinstallatie die ouder is dan het actiefslibproces, met een geschiedenis van 139 jaar: de Blackburn Meadows Wastewater Treatment Plant, gebouwd in 1886 in Sheffield, een al lang bestaande industriële stad in Engeland. Afvalwaterzuiveringsinstallaties hebben een geschiedenis van meer dan 100 jaar.

Zoals u waarschijnlijk weet, werd het actiefslibproces in het begin van de 20e eeuw in Groot-Brittannië uitgevonden, en Edward Ardern en William Lockett worden beschouwd als de uitvinders ervan, daterend uit 1914. De afvalwaterzuivering in Groot-Brittannië begon echter ongeveer 50 jaar eerder dan het actiefslibproces: door de industriële ontwikkeling begon de Britse bevolking snel te groeien en werd Engeland een van de landen met de ernstigste watervervuiling. Terugkerende sanitaire problemen in Britse steden waren voor de bekende wetenschapper Michael Faraday aanleiding om persoonlijk de toestand van de Theems te onderzoeken.

De cholerapandemie van 1832 eiste in Sheffield meer dan 400 levens. Hoewel de lokale overheid een rioleringssysteem had aangelegd, bleven bedrijven daarna afvalwater en afval rechtstreeks in de hoofdrivier (de Don) dumpen, waardoor het water zwart en stinkend- werd. Tegen deze achtergrond bouwde Sheffield in 1886 zijn eerste rioolwaterzuiveringsinstallatie.

De eerste installatie was vrij eenvoudig. Ontworpen om 40.000 kubieke meter per dag te behandelen, werkte het alleen overdag. Afvalwater werd behandeld met kalk en het resulterende slib werd gebruikt als meststof voor nabijgelegen boerderijen. Niettemin was deze fabriek voor die tijd een aanzienlijke vooruitgang en trok ze bezoeken van collega's en stadsfunctionarissen uit andere delen van Engeland.

Na de voltooiing in 1886 onderging de fabriek een renovatie in 1910. Eerder had de gemeenteraad van Sheffield de aanleg van een pijpleiding voor ogen om afvalwater rechtstreeks in de Noordzee te lozen, maar adopteerde later een innovatieve methode-beluchting om verontreinigende stoffen in het afvalwater af te breken. Ze noemden deze technologie 'bacteriënbedden'. Het is eerlijk om te zeggen dat de Sheffielders iets geweldigs hebben gedaan voor de mensheid-als ze afvalwater gewoon rechtstreeks in zee hadden gedumpt, zou dit tegenwoordig de standaardpraktijk kunnen zijn. De Sheffielders hebben een compleet nieuwe maatstaf gezet voor andere overheden en waterautoriteiten-het gebruik van biologische methoden om afvalwater te behandelen. Kijk eens naar de tijdlijn-ze bedachten in 1910 het gebruik van bacteriën om afvalwater te zuiveren, terwijl het-zogenaamde actief-slibproces pas in 1914 opdook.

Biofilm-methode

Halverwege-18e eeuw begon de industriële revolutie in Europa, waarbij de verwijdering van organisch materiaal uit stedelijk afvalwater een belangrijk aandachtspunt werd. In 1881 vonden Franse wetenschappers de eerste bioreactor uit, en de eerste anaërobe biologische zuiveringsvijver-de Moris-vijver, die het begin markeerde van de biologische afvalwaterzuivering. In 1893 werd het eerste biologische filter in gebruik genomen in Wales, Engeland, en verspreidde het zich snel naar Europa en Noord-Amerika. Technologische vooruitgang stimuleerde de ontwikkeling van normen. In 1912 stelde de Royal Commission into Wastewater Management in Groot-Brittannië voor om BZV5 te gebruiken om de mate van watervervuiling te beoordelen.

Actief slibproces

In 1914 publiceerden Arden en Lokett een artikel over het actiefslibproces bij de Institution of Chemical Engineers (ICC) in Groot-Brittannië, en in hetzelfde jaar richtten ze 's werelds eerste pilot-afvalwaterzuiveringsinstallatie voor actief slib op in Manchester, Engeland. Twee jaar later werd in de Verenigde Staten de eerste afvalwaterzuiveringsinstallatie voor actief slib officieel geopend. De geboorte van het actiefslibproces legde de basis voor de technologie voor de behandeling van stedelijk afvalwater voor de komende 100 jaar.

In de beginfase maakte het actiefslibproces gebruik van een vul-en-afvoerproces (vergelijkbaar met het SBR-proces). Vanwege de destijds relatief achtergebleven automatische besturingstechnologie en -apparatuur was de werking ervan omslachtig en vatbaar voor verstopping, wat geen significante voordelen bood vergeleken met biologische filters. Later werd dit snel vervangen door het continu stromende plug-stroom-geactiveerde slibproces. Omdat het zuurstofverbruik van het slib in de plug{6}}stroomreactor echter varieert over de lengte van de tank, is de zuurstoftoevoersnelheid moeilijk te evenaren, en wordt het actiefslibproces geconfronteerd met het probleem van plaatselijk onvoldoende zuurstoftoevoer. Het geleidelijk beluchte actiefslibproces, voorgesteld in 1936, en het gefaseerde beluchtingsproces, voorgesteld in 1942, verbeterden de zuurstoftoevoerbalans door respectievelijk beluchtings- en influentmethoden aan te pakken. In 1950 stelde McKinney uit de Verenigde Staten het volledig gemengde actiefslibproces voor. Deze methode loste effectief het probleem van het ophopen van slib op door de overlevingsmodus van de microbiële gemeenschap van actief slib te veranderen, waardoor deze zich kon aanpassen aan gradiëntveranderingen in de substraatconcentratie in de beluchtingstank.

Met zijn wijdverbreide toepassing in de feitelijke productie en voortdurende technologische innovatie verving het actiefslibproces geleidelijk het biofilmproces en werd het de reguliere afvalwaterzuiveringstechnologie van de jaren veertig tot de jaren zestig.

In 1921 verspreidde het actiefslibproces zich naar China, en China bouwde zijn eerste afvalwaterzuiveringsinstallatie-de afvalwaterzuiveringsinstallatie van het Shanghai North District. In 1926 en 1927 werden respectievelijk de Shanghai East District en West District afvalwaterzuiveringsinstallaties gebouwd, met een gecombineerde dagelijkse behandelingscapaciteit van 35.500 ton op dat moment.

In de jaren vijftig werd de eutrofiëring van waterlichamen een prominent probleem, waardoor de verwijdering van stikstof en fosfor een belangrijke vraag werd bij de afvalwaterzuivering. Daarom werd op basis van het actiefslibproces een reeks stikstof- en fosforverwijderingsprocessen ontwikkeld, zoals de meest voorkomende A/O- en A2/O-processen.

Principe van stikstofverwijdering: Organische stikstofverbindingen worden afgebroken tot ammoniakstikstof door bacteriën te vermenigvuldigen. Ammoniakstikstof wordt verder afgebroken en omgezet door nitrificerende bacteriën, eerst in nitrietstikstof door nitriet-oxiderende bacteriën, en vervolgens in nitraatstikstof door nitrificerende bacteriën. Onder anoxische omstandigheden wordt nitraatstikstof via twee routes getransformeerd door denitrificerende bacteriën: assimilatie-denitrificatie (synthese), waarbij uiteindelijk organische stikstofverbindingen worden gevormd die onderdeel worden van de bacteriële cel; en dissimilatie-denitrificatie (ontleding), met gasvormige stikstof als eindproduct.

Principe van fosforverwijdering: Onder anaërobe omstandigheden (oxidatie-reductiepotentieel ORP tussen -200 en -300 mV), zetten polyfosfaat-accumulerende bacteriën organisch fosfor in hun cellen om in anorganisch fosfor, waardoor het vrijkomt en de energie die in dit proces wordt gegenereerd, wordt gebruikt om opgeloste organische matrix in afvalwater te absorberen om poly(-hydroxybutyraat) (PHB)-deeltjes te synthetiseren. Onder aërobe omstandigheden breken polyfosfaataccumulerende bacteriën PHB af om de energie te leveren die nodig is voor fosforabsorptie uit afvalwater, waardoor het accumulatieproces van polyfosfaat wordt voltooid.

Uiteraard zijn de hierboven genoemde afvalwaterzuiveringsprocessen slechts het topje van de ijsberg. Afvalwaterzuiveringsmethoden hebben zich nu ontwikkeld tot een uitgebreid systeem. Terugkijkend op de hele geschiedenis is de vooruitgang op het gebied van de behandeling van stedelijk afvalwater toegenomen met de groeiende vraag naar de menselijke gezondheid, veranderingen in de waterkwaliteit en de toenemende verfijning van de afvalwaterzuivering. Tegelijkertijd hebben operationeel management, kapitaal- en grondkosten de voortdurende evolutie van waterbehandelingstechnologieën aangestuurd, waardoor de activiteiten, het landgebruik, de procedures en de input van energiebronnen geleidelijk zijn vereenvoudigd. De eisen van mensen aan de waterkwaliteit nemen toe, terwijl zuiveringsprocessen steeds gestroomlijnder worden.