Aus der ersten Kläranlage der Welt – Ein Blick auf die Entwicklung der Abwasserbehandlungstechnologie!

Vorwort: Menschliche Entwicklung ist ein kontinuierlicher Verbesserungsprozess. Nehmen wir zum Beispiel die Abwasserbehandlung. Die erste Kläranlage wurde gebaut, nachdem man die Schäden und Gesundheitsrisiken einer wahllosen Abwassereinleitung erkannt hatte, was zu einer kontinuierlichen Weiterentwicklung führte. Die Geschichte der städtischen Abwasserbehandlung lässt sich bis ins antike Rom zurückverfolgen. Zu dieser Zeit verfügte die Umwelt über eine große Kapazität, und die Selbstreinigungsfähigkeit der Gewässer konnte den menschlichen Wasserbedarf decken; Man brauchte nur an die Entwässerung zu denken. Später, mit der Beschleunigung der Urbanisierung, verbreiteten häusliche Abwässer durch die Übertragung von Bakterien Infektionskrankheiten. Aus gesundheitlichen Gründen begann der Mensch, eingeleitetes häusliches Abwasser aufzubereiten. Frühe Behandlungsmethoden verwendeten Kalk, Alaun usw. zur Sedimentation oder Bleichpulver zur Desinfektion. In der späten Ming-Dynastie verfügte mein Land bereits über Abwasserreinigungsanlagen. Im Jahr 1762 begann Großbritannien, Kalk und Metallsalze zur Behandlung städtischer Abwässer zu verwenden. Heute werden wir Umweltwissen hauptsächlich aus zwei Aspekten bekannt machen: dem Schaden der Umweltverschmutzung und der Entwicklung von Kläranlagen!

Schauen wir uns zunächst einige bekannte schädliche Ereignisse der Umweltverschmutzung an. Zwischen den 1930er und 1960er Jahren schockierten acht große Umweltverschmutzungsvorfälle die Welt: der Smogvorfall im Maastal in Belgien, der Smogvorfall in Donora in den Vereinigten Staaten, der Smogvorfall in London, der Vorfall mit photochemischem Smog in Los Angeles in den Vereinigten Staaten, der Vorfall mit der Minamata-Krankheit in Japan, der Vorfall mit der Toyama Itai-itai-Krankheit in Japan, der Yokkaichi-Asthmavorfall in Japan und der Vorfall mit japanischem Reiskleieöl. Diese acht großen Umweltverschmutzungsvorfälle beziehen sich auf acht bedeutende und schockierende Ereignisse, die weltweit durch Umweltverschmutzung verursacht wurden.

Der Smogvorfall im Maastal (Belgien): Vom 1. bis 5. Dezember 1930 füllten große Mengen Smog, der von 13 Fabriken im belgischen Industriegebiet Maastal ausgestoßen wurde, die Luft und verursachten bei Tausenden von Menschen im Industriegebiet Brustschmerzen, Husten, Tränen, Halsschmerzen und Atembeschwerden. Innerhalb einer Woche starben mehr als 60 Menschen, auch viele Nutztiere kamen ums Leben. Dies ist der früheste aufgezeichnete Luftverschmutzungsvorfall des 20. Jahrhunderts.

Der Donora-Smog-Vorfall (USA): Vom 26. bis 31. Oktober 1948 herrschte in der Stadt Donora, Pennsylvania, anhaltender Smog. In diesem Gebiet befanden sich Schwefelsäurewerke, Stahlwerke und Zinkhütten. Der von diesen Fabriken ausgestoßene Smog blieb im Tal hängen und verursachte bei 6.000 Menschen plötzlich Beschwerden wie Augenschmerzen, Halsschmerzen, laufende Nase, Kopfschmerzen und Engegefühl in der Brust. 20 von ihnen starben schnell. Dieses Smog-Ereignis wurde hauptsächlich durch an Schwebstaub anhaftende giftige und schädliche Stoffe wie Schwefeldioxid und Metallpartikel verursacht. Die Menschen atmeten in kurzer Zeit große Mengen dieser schädlichen Gase ein, was zu einer großen Katastrophe führte.

Das Londoner Smog-Ereignis (5.-8. Dezember 1952): Hoher Druck und dichter Nebel bedeckten London, mehrere Tage lang herrschte kein Wind. Dies geschah während der Hauptheizsaison im Winter, als sich Kohlerauch, Staub und Feuchtigkeit in der Atmosphäre ansammelten, was bei vielen Stadtbewohnern zu Atembeschwerden und Augenreizungen führte. In nur vier Tagen starben mehr als 4.000 Menschen. In den folgenden zwei Monaten starben weitere 8.000 Menschen. Dies war das größte städtische Smogereignis, das durch die Verbrennung von Kohle im 20. Jahrhundert verursacht wurde.

Der Vorfall der Minamata-Krankheit in Japan: Ab 1949 begann die Japan Nitrogen Fertilizer Company mit Sitz in der Stadt Minamata in der japanischen Präfektur Kumamoto mit der Herstellung von Vinylchlorid und Vinylacetat. Da im Herstellungsprozess ein quecksilberhaltiger (Hg) Katalysator verwendet wurde, wurden große Mengen Quecksilber zusammen mit dem unbehandelten Abwasser der Fabrik in die Minamata Bay eingeleitet. Im Jahr 1954 begann in der Minamata-Bucht eine seltsame Krankheit unbekannter Ursache namens „Minamata-Krankheit“ aufzutreten. Die Krankheit betraf Katzen und Menschen mit Symptomen wie Gangunsicherheit, Krämpfen, Deformationen der Hände und Füße, neurologischen Störungen, Wölbungen des Körpers und lauten Schreien, die schließlich zum Tod führten. Nach fast zehnjähriger Analyse bestätigten Wissenschaftler, dass das Quecksilber im Abwasser der Fabrik die Ursache der „Minamata-Krankheit“ war. Quecksilber wird von Mikroorganismen im Wasser aufgenommen und im Körper in Methylquecksilber (CH3)Hg umgewandelt. Diese Substanz gelangt über Fische und Garnelen in den Körper von Menschen und Tieren, schädigt das Gehirn und andere Körperteile und führt zu Hirnatrophie, Störungen des Gleichgewichtssystems des Kleinhirns und anderen schädlichen Auswirkungen; es ist extrem giftig. In Japan haben Hunderttausende Menschen mit Methylquecksilber aus der Minamata-Bucht kontaminierten Fisch und Garnelen verzehrt.

...und so weiter, wir werden sie hier nicht alle auflisten!

Schauen wir uns heute eine Abwasseraufbereitungsanlage an, die älter als das Belebtschlammverfahren ist und eine 139-jährige Geschichte hat: die Abwasseraufbereitungsanlage Blackburn Meadows, die 1886 in Sheffield, einer alteingesessenen Industriestadt in England, erbaut wurde. Kläranlagen haben eine über 100-jährige Geschichte.

Wie Sie wahrscheinlich wissen, wurde das Belebtschlammverfahren zu Beginn des 20. Jahrhunderts in Großbritannien erfunden. Als Erfinder gelten Edward Ardern und William Lockett, die auf das Jahr 1914 zurückgehen. Allerdings begann die Abwasserbehandlung in Großbritannien tatsächlich etwa 50 Jahre früher als das Belebtschlammverfahren: Mit der industriellen Entwicklung begann die Bevölkerung Großbritanniens schnell zu wachsen, und England wurde zu einem der Länder mit der stärksten Wasserverschmutzung. Wiederkehrende Sanitärprobleme in britischen Städten veranlassten den renommierten Wissenschaftler Michael Faraday, den Zustand der Themse persönlich zu untersuchen.

Die Cholera-Pandemie von 1832 forderte in Sheffield über 400 Todesopfer. Obwohl die lokale Regierung ein Abwassersystem errichtet hatte, leiteten die Unternehmen danach weiterhin Abwasser und Abfälle direkt in den Hauptfluss (Fluss Don) ein, wodurch das Wasser schwarz wurde und einen üblen Geruch bekam. Vor diesem Hintergrund baute Sheffield 1886 seine erste Kläranlage.

Die ursprüngliche Anlage war recht einfach. Es war für die Behandlung von 40.000 Kubikmetern pro Tag ausgelegt und wurde nur tagsüber betrieben. Das Abwasser wurde mit Kalk behandelt und der entstehende Schlamm als Dünger für umliegende Bauernhöfe verwendet. Dennoch stellte dieses Werk für seine Zeit einen bedeutenden Fortschritt dar und zog Besuche von Amtskollegen und Stadtbeamten aus anderen Teilen Englands an.

Nach ihrer Fertigstellung im Jahr 1886 wurde die Anlage im Jahr 1910 einer Renovierung unterzogen. Zuvor hatte der Stadtrat von Sheffield den Bau einer Pipeline geplant, um das Abwasser direkt in die Nordsee einzuleiten, doch später übernahm er eine innovative Methode-Belüftung, um Schadstoffe im Abwasser zu zersetzen. Sie nannten diese Technologie „Bakterienbetten“. Man kann mit Recht sagen, dass die Sheffielders etwas wirklich Großartiges für die Menschheit getan haben.-Wenn sie Abwasser einfach direkt ins Meer gekippt hätten, wäre das heute vielleicht gängige Praxis. Die Sheffielders setzten einen völlig neuen Maßstab für andere Regierungen und Wasserbehörden-durch den Einsatz biologischer Methoden zur Abwasserbehandlung. Beachten Sie die Zeitleiste-im Jahr 1910 erdachten sie die Verwendung von Bakterien zur Abwasserbehandlung, während das sogenannte Belebtschlammverfahren erst 1914 aufkam.

Biofilm-Methode

Mitte des 18. Jahrhunderts begann in Europa die industrielle Revolution, bei der die Entfernung organischer Stoffe aus städtischen Abwässern zu einem Schwerpunkt wurde. Im Jahr 1881 erfanden französische Wissenschaftler den ersten Bioreaktor und den ersten anaeroben biologischen Klärteich -den Moris-Teich – und markierten damit den Beginn der biologischen Abwasserbehandlung. Im Jahr 1893 wurde der erste biologische Filter in Wales, England, eingesetzt und verbreitete sich schnell in Europa und Nordamerika. Der technologische Fortschritt hat die Entwicklung von Standards vorangetrieben. Im Jahr 1912 schlug die Royal Commission in Wastewater Management im Vereinigten Königreich vor, den BSB5 zur Bewertung des Grads der Wasserverschmutzung zu verwenden.

Belebtschlammverfahren

Im Jahr 1914 veröffentlichten Arden und Lokett an der Institution of Chemical Engineers (ICC) im Vereinigten Königreich einen Artikel über das Belebtschlammverfahren und errichteten im selben Jahr in Manchester, England, die weltweit erste Pilotanlage zur Belebtschlammkläranlage. Zwei Jahre später wurde in den USA offiziell die erste Belebtschlammkläranlage errichtet. Die Geburt des Belebtschlammverfahrens legte den Grundstein für die städtische Abwasserbehandlungstechnologie für die nächsten 100 Jahre.

In seinen frühen Stadien verwendete das Belebtschlammverfahren ein Füll-{0}}und-Verfahren (ähnlich dem SBR-Verfahren). Aufgrund der damals relativ veralteten automatischen Steuerungstechnik und -ausrüstung war die Bedienung umständlich und verstopfungsanfällig und bot keine wesentlichen Vorteile im Vergleich zu biologischen Filtern. Später wurde es schnell durch das kontinuierlich fließende Pfropfen-{4}}Strömungsbelebtschlammverfahren abgelöst. Da jedoch die Sauerstoffverbrauchsrate des Schlamms im Pfropfenströmungsreaktor über die Länge des Tanks variiert, ist es schwierig, die Sauerstoffzufuhrrate anzupassen, und beim Belebtschlammprozess besteht das Problem einer lokal unzureichenden Sauerstoffversorgung. Das 1936 vorgeschlagene schrittweise belüftete Belebtschlammverfahren und das 1942 vorgeschlagene stufenweise Belüftungsverfahren verbesserten das Gleichgewicht der Sauerstoffversorgung durch die Behandlung von Belüftungs- bzw. Zulaufmethoden. Im Jahr 1950 schlug McKinney aus den Vereinigten Staaten das vollständig gemischte Belebtschlammverfahren vor. Diese Methode löste effektiv das Problem der Schlammblähung, indem sie den Überlebensmodus der mikrobiellen Gemeinschaft des Belebtschlamms veränderte und es ihr ermöglichte, sich an Gradientenänderungen der Substratkonzentration im Belebungsbecken anzupassen.

Mit seiner weit verbreiteten Anwendung in der tatsächlichen Produktion und kontinuierlichen technologischen Innovationen ersetzte das Belebtschlammverfahren nach und nach das Biofilmverfahren und wurde in den 1940er bis 1960er Jahren zur gängigen Abwasserbehandlungstechnologie.

Im Jahr 1921 verbreitete sich das Belebtschlammverfahren nach China und China baute seine erste Abwasseraufbereitungsanlage-die Shanghai North District Wastewater Treatment Plant. In den Jahren 1926 und 1927 wurden die Abwasseraufbereitungsanlagen Shanghai East District und West District gebaut, mit einer kombinierten täglichen Aufbereitungskapazität von damals 35.500 Tonnen.

In den 1950er Jahren wurde die Eutrophierung von Gewässern zu einem bedeutenden Problem, was die Entfernung von Stickstoff und Phosphor zu einem weiteren wichtigen Bedarf in der Abwasserbehandlung machte. Daraufhin wurde eine Reihe von Verfahren zur Stickstoff- und Phosphorentfernung auf Basis des Belebtschlammverfahrens entwickelt, darunter die gängigsten A/O- und A2/O-Verfahren.

Prinzip der Stickstoffentfernung: Organische Stickstoffverbindungen werden durch ammonisierende Bakterien in Ammoniakstickstoff zersetzt. Ammoniakstickstoff wird von nitrifizierenden Bakterien weiter zersetzt und umgewandelt, zunächst durch nitritoxidierende Bakterien in Nitritstickstoff und dann durch nitrifizierende Bakterien in Nitratstickstoff. Unter anoxischen Bedingungen wird Nitratstickstoff durch denitrifizierende Bakterien auf zwei Wegen umgewandelt: Assimilation-Denitrifikation (Synthese), wodurch letztendlich organische Stickstoffverbindungen gebildet werden, die Teil der Bakterienzelle werden; und Dissimilation-Denitrifikation (Zersetzung) mit gasförmigem Stickstoff als Endprodukt.

Prinzip der Phosphorentfernung: Unter anaeroben Bedingungen (Oxidations-Reduktionspotential ORP zwischen -200 und -300 mV) wandeln Polyphosphat-bakterien organischen Phosphor in ihren Zellen in anorganischen Phosphor um, setzen ihn frei und nutzen die dabei erzeugte Energie, um gelöste organische Matrix im Abwasser zu absorbieren und Poly(-hydroxybutyrat) (PHB)-Partikel zu synthetisieren. Unter aeroben Bedingungen bauen Polyphosphat-akkumulierende Bakterien PHB ab, um die für die Phosphorabsorption aus dem Abwasser erforderliche Energie bereitzustellen, wodurch der Polyphosphat-Akkumulationsprozess abgeschlossen wird.

Natürlich sind die oben aufgeführten Abwasserbehandlungsverfahren nur die Spitze des Eisbergs. Abwasserbehandlungsmethoden haben sich mittlerweile zu einem umfangreichen System entwickelt. Rückblickend auf die gesamte Geschichte ist zu erkennen, dass der Fortschritt der städtischen Abwasserbehandlung mit den wachsenden Anforderungen an die menschliche Gesundheit, den Veränderungen der Wasserqualität und der zunehmenden Komplexität der Abwasserbehandlung zugenommen hat. Gleichzeitig haben Betriebsmanagement, Kapital- und Grundstückskosten die kontinuierliche Weiterentwicklung der Wasseraufbereitungstechnologien vorangetrieben und Abläufe, Landnutzung, Verfahren und Energieressourceneinsatz schrittweise vereinfacht. Die Anforderungen der Menschen an die Wasserqualität steigen, während die Aufbereitungsprozesse immer effizienter werden.