Desde la primera planta de tratamiento de aguas residuales del mundo: ¡una mirada al desarrollo de la tecnología de tratamiento de aguas residuales!

Prefacio: El desarrollo humano es un proceso continuo de mejora. Tomemos como ejemplo el tratamiento de aguas residuales. La primera planta de tratamiento de aguas residuales se construyó después de comprobar los daños y riesgos para la salud que supone el vertido indiscriminado de aguas residuales, lo que llevó a su continuo desarrollo. La historia del tratamiento de aguas residuales urbanas se remonta a la antigua Roma. En ese momento, el medio ambiente tenía una gran capacidad y la capacidad de autopurificación de los cuerpos de agua podía satisfacer las necesidades humanas de agua; la gente sólo necesitaba considerar el drenaje. Posteriormente, con la aceleración de la urbanización, las aguas residuales domésticas propagaron enfermedades infecciosas mediante la transmisión de bacterias. Por razones de salud, los seres humanos comenzaron a tratar las aguas residuales domésticas. Los primeros métodos de tratamiento utilizaban cal, alumbre, etc., para la sedimentación, o polvo blanqueador para la desinfección. A finales de la dinastía Ming, mi país ya contaba con dispositivos de purificación de aguas residuales. En 1762, Gran Bretaña comenzó a utilizar cal y sales metálicas para tratar las aguas residuales urbanas. Hoy, popularizaremos principalmente el conocimiento ambiental desde dos aspectos: ¡el daño de la contaminación ambiental y el desarrollo de plantas de tratamiento de aguas residuales!

Veamos primero algunos-eventos dañinos de contaminación ambiental bien conocidos. Entre los años 1930 y 1960, ocho incidentes importantes de contaminación ambiental conmocionaron al mundo: el incidente del smog del Valle del Mosa en Bélgica, el incidente del smog de Donora en los Estados Unidos, el incidente del smog de Londres, el incidente del smog fotoquímico de Los Ángeles en los Estados Unidos, el incidente de la enfermedad de Minamata en Japón, el incidente de la enfermedad de Toyama Itai-itai en Japón, el incidente del asma de Yokkaichi en Japón y el aceite de salvado de arroz japonés. incidente. Estos ocho incidentes importantes de contaminación ambiental se refieren a ocho eventos importantes e impactantes causados ​​por la contaminación ambiental en todo el mundo.

El incidente del smog del valle del Mosa (Bélgica): del 1 al 5 de diciembre de 1930, grandes cantidades de smog emitido por 13 fábricas en la zona industrial del valle del Mosa en Bélgica llenaron el aire, lo que provocó que miles de personas en la zona industrial experimentaran dolor en el pecho, tos, lagrimeo, dolor de garganta y dificultad para respirar. Más de 60 personas murieron en una semana y también pereció mucho ganado. Este es el incidente de contaminación del aire más antiguo registrado en el siglo XX.

El incidente del smog de Donora (Estados Unidos): Del 26 al 31 de octubre de 1948, la ciudad de Donora, Pensilvania, experimentó un smog persistente. Esta zona era una concentración de plantas de ácido sulfúrico, acerías y fundiciones de zinc. El smog emitido por estas fábricas quedó atrapado en el valle, lo que provocó que 6.000 personas sintieran repentinamente molestias como dolor de ojos, dolor de garganta, secreción nasal, dolor de cabeza y opresión en el pecho; 20 de ellos murieron rápidamente. Este evento de smog fue causado principalmente por sustancias tóxicas y nocivas como dióxido de azufre y partículas metálicas adheridas a partículas suspendidas. Las personas inhalaron grandes cantidades de estos gases nocivos en un corto período, lo que provocó un gran desastre.

El evento de smog de Londres (5-8 de diciembre de 1952): La alta presión y la densa niebla cubrieron Londres, sin viento durante varios días. Esto ocurrió durante la temporada alta de calefacción en invierno, cuando el humo del carbón, el polvo y la humedad se acumularon en la atmósfera, lo que provocó que muchos residentes de la ciudad experimentaran dificultades respiratorias e irritación ocular. Más de 4.000 personas murieron en sólo cuatro días. En los dos meses siguientes murieron otras 8.000 personas. Este fue el mayor episodio de smog urbano causado por la combustión de carbón en el siglo XX.

El incidente de la enfermedad de Minamata en Japón: A partir de 1949, la Compañía Japonesa de Fertilizantes Nitrogenados, ubicada en la ciudad de Minamata, Prefectura de Kumamoto, Japón, comenzó a fabricar cloruro de vinilo y acetato de vinilo. Debido a que el proceso de fabricación utilizó un catalizador que-contenía mercurio (Hg), se descargaron grandes cantidades de mercurio en la bahía de Minamata junto con las aguas residuales sin tratar de la fábrica. En 1954, una extraña enfermedad de causa desconocida, llamada "enfermedad de Minamata", comenzó a aparecer en la bahía de Minamata. La enfermedad afectaba a gatos y humanos, con síntomas que incluían marcha inestable, convulsiones, deformidades de manos y pies, trastornos neurológicos, arqueamiento del cuerpo y gritos fuertes, que eventualmente provocaban la muerte. Después de casi diez años de análisis, los científicos confirmaron que el mercurio en las aguas residuales de la fábrica era la causa de la "enfermedad de Minamata". El mercurio es absorbido por microorganismos en el agua y convertido en metilmercurio (CH3)Hg en el cuerpo. Esta sustancia ingresa al cuerpo de humanos y animales a través de peces y camarones, dañando el cerebro y otras partes del cuerpo, causando atrofia cerebral, alteración del sistema de equilibrio del cerebelo y otros efectos nocivos; es extremadamente tóxico. En Japón, cientos de miles de personas han consumido pescado y camarones contaminados con metilmercurio procedente de la bahía de Minamata.

...y así sucesivamente, ¡no los enumeraremos todos aquí!

Hoy, veamos una planta de tratamiento de aguas residuales más antigua que el proceso de lodos activados, con una historia de 139 años: la planta de tratamiento de aguas residuales de Blackburn Meadows, construida en 1886 en Sheffield, una-ciudad industrial establecida desde hace mucho tiempo en Inglaterra. Las plantas de tratamiento de aguas residuales tienen una historia de más de 100 años.

Como probablemente sepa, el proceso de lodos activados se inventó en Gran Bretaña a principios del siglo XX, y Edward Ardern y William Lockett son considerados sus inventores, ya que se remontan a 1914. Sin embargo, el tratamiento de aguas residuales en Gran Bretaña en realidad comenzó unos 50 años antes que el proceso de lodos activados: con el desarrollo industrial, la población de Gran Bretaña comenzó a crecer rápidamente e Inglaterra se convirtió en uno de los países con la contaminación del agua más grave. Los recurrentes problemas de saneamiento en las localidades británicas llevaron al reconocido científico Michael Faraday a investigar personalmente el estado del río Támesis.

La pandemia de cólera de 1832 se cobró más de 400 vidas en Sheffield. Posteriormente, aunque el gobierno local había construido un sistema de alcantarillado, las empresas continuaron arrojando aguas residuales y desechos directamente al río principal (el río Don), volviéndolo negro y con mal-mal olor. En este contexto, Sheffield construyó su primera planta de tratamiento de aguas residuales en 1886.

La planta inicial era bastante sencilla. Diseñado para tratar 40.000 metros cúbicos por día, sólo funcionaba durante el día. Las aguas residuales se trataron con cal y el lodo resultante se utilizó como fertilizante para las granjas cercanas. Sin embargo, para su época, esta planta supuso un avance significativo, ya que atrajo visitas de homólogos y funcionarios municipales de otras partes de Inglaterra.

Después de su finalización en 1886, la planta fue renovada en 1910. Anteriormente, el Ayuntamiento de Sheffield había previsto construir una tubería para descargar las aguas residuales directamente al Mar del Norte, pero luego adoptó un método innovador-de aireación para descomponer los contaminantes en las aguas residuales. Llamaron a esta tecnología "lechos de bacterias". Es justo decir que los habitantes de Sheffield hicieron algo realmente grandioso para la humanidad.-Si simplemente hubieran arrojado aguas residuales directamente al mar, podría ser una práctica estándar hoy en día. Los Sheffielders establecieron un punto de referencia completamente nuevo para otros gobiernos y autoridades del agua-el uso de métodos biológicos para tratar las aguas residuales. Tenga en cuenta la línea de tiempo:-concibieron el uso de bacterias para tratar las aguas residuales en 1910, mientras que el llamado-proceso de lodos activados surgió recién en 1914.

Método de biopelícula

A mediados-siglo XVIII, comenzó la Revolución Industrial en Europa, y la eliminación de la materia orgánica de las aguas residuales urbanas se convirtió en un objetivo clave. En 1881, los científicos franceses inventaron el primer biorreactor y el primer estanque de tratamiento biológico anaeróbico-el estanque Moris, lo que marcó el comienzo del tratamiento biológico de aguas residuales. En 1893, el primer filtro biológico se puso en uso en Gales, Inglaterra, y rápidamente se extendió a Europa y América del Norte. Los avances tecnológicos estimularon el desarrollo de estándares. En 1912, la Comisión Real de Gestión de Aguas Residuales del Reino Unido propuso utilizar DBO5 para evaluar el grado de contaminación del agua.

Proceso de lodos activados

En 1914, Arden y Lokett publicaron un artículo sobre el proceso de lodos activados en la Institución de Ingenieros Químicos (ICC) del Reino Unido y, ese mismo año, establecieron la primera planta piloto de tratamiento de aguas residuales de lodos activados del mundo en Manchester, Inglaterra. Dos años más tarde, se estableció oficialmente en Estados Unidos la primera planta de tratamiento de aguas residuales de lodos activados. El nacimiento del proceso de lodos activados sentó las bases de la tecnología de tratamiento de aguas residuales urbanas para los próximos 100 años.

En sus primeras etapas, el proceso de lodos activados utilizaba un proceso de llenado-y-drenaje (similar al proceso SBR). Debido a la tecnología y los equipos de control automático relativamente atrasados ​​en ese momento, su operación era engorrosa y propensa a obstruirse, y no ofrecía ventajas significativas en comparación con los filtros biológicos. Más tarde, el proceso de lodos activados por flujo continuo -lo reemplazó rápidamente. Sin embargo, debido a que la tasa de consumo de oxígeno del lodo en el reactor de flujo tapón varía a lo largo del tanque, la tasa de suministro de oxígeno es difícil de igualar y el proceso de lodo activado enfrenta el problema de un suministro insuficiente de oxígeno localizado. El proceso de lodos activados de aireación gradual, propuesto en 1936, y el proceso de aireación por etapas, propuesto en 1942, mejoraron el equilibrio del suministro de oxígeno al abordar los métodos de aireación y afluente, respectivamente. En 1950, McKinney de Estados Unidos propuso el proceso de lodos activados completamente mezclados. Este método resolvió eficazmente el problema de la acumulación de lodos al alterar el modo de supervivencia de la comunidad microbiana del lodo activado, permitiéndole adaptarse a los cambios de gradiente en la concentración de sustrato dentro del tanque de aireación.

Con su amplia aplicación en la producción real y su continua innovación tecnológica, el proceso de lodos activados reemplazó gradualmente al proceso de biopelícula y se convirtió en la principal tecnología de tratamiento de aguas residuales desde los años 1940 hasta los años 1960.

En 1921, el proceso de lodos activados se extendió a China, y China construyó su primera planta de tratamiento de aguas residuales-la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales del Distrito Norte de Shanghai. En 1926 y 1927, se construyeron respectivamente las plantas de tratamiento de aguas residuales del distrito este y del distrito oeste de Shanghai, con una capacidad de tratamiento diaria combinada de 35.500 toneladas en ese momento.

En la década de 1950, la eutrofización de las masas de agua se convirtió en un problema importante, lo que hizo que la eliminación de nitrógeno y fósforo se convirtiera en otra demanda importante en el tratamiento de aguas residuales. En consecuencia, se desarrollaron una serie de procesos de eliminación de nitrógeno y fósforo basados ​​en el proceso de lodos activados, como son los procesos más comunes A/O y A2/O.

Principio de eliminación de nitrógeno: los compuestos orgánicos de nitrógeno se descomponen en nitrógeno amoniacal mediante bacterias amonificadoras. El nitrógeno amoniacal se descompone y transforma aún más mediante bacterias nitrificantes, primero en nitrógeno nitrito mediante bacterias oxidantes de nitrito-y luego en nitrógeno nitrato mediante bacterias nitrificantes. En condiciones anóxicas, el nitrógeno nitrato se transforma a través de dos vías mediante bacterias desnitrificantes: asimilación-desnitrificación (síntesis), formando finalmente compuestos de nitrógeno orgánico que pasan a formar parte de la célula bacteriana; y disimilación-desnitrificación (descomposición), con nitrógeno gaseoso como producto final.

Principio de eliminación de fósforo: en condiciones anaeróbicas (potencial de oxidación-reducción ORP entre -200 y -300 mV), las bacterias que acumulan polifosfato-convierten el fósforo orgánico dentro de sus células en fósforo inorgánico, lo liberan y utilizan la energía generada en este proceso para absorber la matriz orgánica disuelta en las aguas residuales para sintetizar partículas de poli(-hidroxibutirato) (PHB). En condiciones aeróbicas, las bacterias que acumulan polifosfatos degradan el PHB para proporcionar la energía necesaria para la absorción de fósforo de las aguas residuales, completando así el proceso de acumulación de polifosfato.

Por supuesto, los procesos de tratamiento de aguas residuales enumerados anteriormente son sólo la punta del iceberg. Los métodos de tratamiento de aguas residuales se han convertido ahora en un vasto sistema. Mirando hacia atrás en toda la historia, el progreso del tratamiento de aguas residuales urbanas ha aumentado con las crecientes demandas para la salud humana, los cambios en la calidad del agua y la creciente sofisticación del tratamiento de aguas residuales. Al mismo tiempo, la gestión operativa, el capital y los costos de la tierra han impulsado la evolución continua de las tecnologías de tratamiento de agua, simplificando gradualmente las operaciones, el uso de la tierra, los procedimientos y los insumos de recursos energéticos. Las demandas de la gente por la calidad del agua están aumentando, mientras que los procesos de tratamiento se están simplificando cada vez más.