下水処理施設における細孔散気装置の汚れの特性評価と通気性能の回復-
都市下水処理場 (WWTP) の活性汚泥プロセスにおける重要なステップとして、酸素供給のための曝気は、微生物の基本的な生命活動を維持するのに十分な酸素を供給するだけでなく、汚泥を浮遊状態に保ち、汚染物質の吸着と除去を促進します。曝気は下水処理場で最もエネルギーを消費する単位でもあり、工場の総エネルギー消費量の 45% ～ 75% を占めます。-したがって、曝気システムの性能は下水処理場の処理効率と運営コストに直接影響します。曝気装置は曝気システムの重要なコンポーネントであり、ファインバブル曝気装置は酸素移動効率 (OTE) が高いため都市下水処理場で最も一般的に使用されています。しかし、長期間の運転中、汚染物質はエアレーターの表面や細孔内に必然的に蓄積します。排水の品質を確保するには、ブロワーからの追加の空気供給が必要となり、エネルギー消費量の増加につながります。さらに、汚染は細孔の詰まりを悪化させ、エアレーターの材質を変化させます。曝気装置コンポーネントの圧力損失 (動的湿潤圧力、DWP) は、長時間の運転により増加し、ブロワーの出口空気圧力を上昇させ、さらなるエネルギーの浪費を引き起こします。
微細気泡エアレーターの表面および細孔内部に蓄積する汚染物質には、生物的、有機的、および無機的な汚れが含まれます。有機ファウリングは、有機物の吸着と沈殿、および微生物の分泌物の堆積によって発生します。無機汚れは通常、金属酸化物などの多価カチオンによって形成される化学的沈殿物から構成されます。物理的洗浄によって除去できるかどうかに基づいて、汚染物質は物理的に可逆的な汚れまたは物理的に不可逆的な汚れとして分類できます。物理的に可逆的な汚れは、これらの汚染物質がエアレーターの表面に緩く付着しているため、機械的スクラブなどの単純な物理的方法で除去できます。物理的に不可逆的な汚れは物理的洗浄では除去できないため、より徹底的な化学的洗浄が必要です。物理的不可逆性ファウリングのうち、化学洗浄で除去できる汚染物質を化学的可逆性ファウリングと呼び、化学洗浄でも除去できない汚染物質を回復不可能なファウリングと呼びます。
現在、国内で使用されているファインバブルエアレーターには、エチレンプロピレンジエンモノマー（EPDM）などの従来のゴム材料と、高密度ポリエチレン（HDPE）などの新しい材料が含まれています。- HDPE エアレーターのガス分配層は、内側の空気供給パイプを溶融ポリマーでコーティングすることによって形成され、孔径は約 (4.0 ± 0.5) mm です。 HDPE は、優れた化学的、機械的、耐衝撃性の特性と長い耐用年数を備えています。しかし、その細孔サイズは一貫しておらず、不均一に分布しているため、汚染物質が堆積しやすくなっています。 EPDM 材料は柔軟性が高く、機械的切削によって空孔が形成されています。 EPDM エアレーターは単位面積あたりの細孔の数が多く、より小さな気泡 (最小 0.5 mm) を生成します。ゴム膜の親水性も気泡の形成に有利です。しかし、微生物は可塑剤を基材として利用し、EPDM 表面に付着して増殖する傾向があります。同時に、可塑剤の消費によりエアレーターの材料が硬化し、最終的には疲労損傷や耐用年数の短縮につながります。したがって、これら 2 つの材料上の汚染物質の蓄積パターンと、その結果として生じる酸素移動効率と圧力損失の変化を調査する必要があります。
この研究では、同様のプロセス条件を備えた 2 つの地方自治体の下水処理場で、長年の稼働後に交換されたファインバブルエアレーターを研究対象として取り上げました。エアレーター上の汚染物質は層ごとに抽出および特性評価され、その主成分が特定されました。これに基づいて、ファインバブルエアレーションシステムの長期最適化と安定稼働のための基礎データと技術参考資料を提供することを目的として、エアレーターの酸素移動効率を回復するための洗浄方法の有効性が評価されました。-
1 材料と方法
1.1 下水処理場の紹介
どちらの下水処理場も上海にあり、嫌気性-無酸素性-酸素性（AAO）プロセスを中心的な処理として使用しています。下水処理場 A は、渦沈殿槽 + 従来の AAO + 高効率繊維フィルター + UV 消毒プロセスを採用しています。下水処理場 B は、曝気沈殿槽 + 従来の AAO + 高効率沈殿槽 + UV 消毒プロセスを使用しています。-両プラントとも「都市下水処理施設の汚染物質の排出基準」（GB 18918-2002）のグレード A 基準を安定して満たしています。具体的な設計と動作パラメータを以下に示します。表1.
1.2 エアレーター汚染物質の抽出と特性評価
実験で使用されたファインバブルエアレーターは、プラント A から収集された管状 HDPE エアレーター (Ecopolemer、ウクライナ) とプラント B から収集された管状 EPDM エアレーター (EDI-FlexAir、米国) でした。両方の写真を次の図に示します。図1。古い HDPE チューブは 10 年間使用されており、寸法 D×L=120 mm×1000 mm、孔径 (4±0.50) mm で、2 ～ 5 mm の微細な気泡を生成できます。古い EPDM チューブは、寸法 D×L=91 mm×1003 mm で 3 年間使用されており、1.0 ～ 1.2 mm の微細な気泡を生成し、最小気泡直径は 0.5 mm でした。
古い HDPE および EPDM チューブを好気性タンクから取り出し、ラップフィルムの上に置き、脱イオン水ですすいだ。火炎滅菌ブレードを使用して機械的スクラブを実行し、エアレーターの表面に付着した汚染物質を削り取りました。{1}
酸素移動性能に対する汚れの影響をさらに研究するために、HDPE チューブに対して化学洗浄を実行しました。機械的にこすった後、HDPE チューブを 5% HCl 溶液と 5% NaClO 溶液にそれぞれ 24 時間浸漬しました。古いチューブ、機械的に洗浄したチューブ、および化学的に洗浄したチューブを 60 度のオーブン (モデル XMTS-6000) で 60 時間乾燥させました。次に、走査電子顕微鏡 (SEM、モデル JSM-7800F、日本)、エネルギー分散型 X 線分光法 (EDX、オックスフォード インスツルメンツ、英国)、および共焦点レーザー走査顕微鏡 (CLSM、モデル TCS SP8、ドイツ) を使用して、それらの表面を検査しました。 HCl 洗浄溶液を 0.45 μm の膜でろ過し、誘導結合プラズマ発光分光分析装置 (ICP、モデル ICPS-7510、日本) を使用して多価カチオン (Ca、Mg、Al、Fe イオンなどを含む) の定量分析を実行しました。 HCl と NaClO は EPDM 膜の変性と老化を引き起こす可能性があるため、EPDM チューブの化学洗浄は行われませんでした。 EPDM チューブを 5 cm × 5 cm の膜片に切断し、溶液中の多価カチオンの定量分析のために HCl に浸しました。
1.3 エアレーターの酸素移動性能の試験装置および試験方法
ファインバブルエアレーターの酸素移動性能は、「ファインバブルエアレーターの浄水酸素移動性能の測定」（CJ/T 475-2015）に従ってテストされました。テストのセットアップを次に示します。図2.
この装置は、1.2 m × 0.3 m × 1.4 m のステンレス鋼構造で、両側に有機ガラスの観察窓が付いています。曝気装置は金属支持体を使用して中央底部に固定され、水没深さは 1.0 m でした。マルチパラメータ水質分析装置 (Hach HQ30D、米国) を使用して、溶存酸素 (DO) 濃度をリアルタイムで監視しました。-無水亜硫酸ナトリウムを脱酸素剤として使用し、塩化コバルトを触媒として使用した。圧力計の測定値は、エアレーターの動的湿潤圧力 (DWP、kPa) を表しました。測定結果は温度、塩分、DOについて補正されました。評価指標としては規格化酸素移動効率（ＳＯＴＥ、％）を用いた。
ブロワーのエネルギー消費量は、給気流量と出口空気圧力の両方に関係し、それぞれエアレーターの SOTE と DWP の影響を受けます。そこで、SOTE と DWP の複合効果を表す曝気エネルギー消費指数 J (kPa・h/g) を曝気装置の性能評価に使用しました。これは、輸送される酸素の単位質量当たりにエアレーターが克服しなければならない圧力損失として定義されます。 J は、次の式に示すように、DWP/SOTE と空気流量 (AFR) の間の線形回帰フィットの傾きから計算されます。
どこ：
空軍は空気流量、m3/h、
ρ空気は空気密度で、20 度で 1.29 × 103 g/m3 として計算されます。
yO2空気中の酸素含有量であり、0.23 g O₂/g 空気として計算されます。
2 結果と分析
2.1 新しい、古い、および洗浄されたエアレーターの酸素移動性能
図3は、さまざまな空気流量におけるエアレーターの SOTE と DWP を示しています。
図 3(a) と (b) から、新しい HDPE チューブと新しい EPDM チューブの SOTE 値はそれぞれ (7.36±0.53)% と (9.68±1.84)% でした。 EPDM チューブは、より大きな比表面積を持つより小さな気泡を生成し、気液接触面積と滞留時間が増加するため、SOTE が高くなります。{6}両方のエアレーターの SOTE は、AFR が増加すると減少しました。これは、AFR が増加すると気泡数と初速度が増加し、より多くの気泡衝突とより大きな気泡の形成が発生し、気相から液相への酸素の移動が妨げられるためです。 EPDM チューブの SOTE は、HDPE チューブと比較して、AFR の増加に伴ってより顕著な減少傾向を示しました。これは、HDPE エアレーターの細孔は硬く、AFR によって変化しないのに対し、EPDM エアレーターの細孔は柔軟性があり、AFR が増加するとより広く開き、より大きな気泡を形成し、SOTE がさらに減少するためです。
長期運転後、HDPE チューブの SOTE は (5.39±0.62)% に低下し、26.7% 減少しました。これは主に汚染物質の蓄積により細孔が詰まり、気泡生成に有効な細孔の数が減少したことが原因です。機械的スクラブにより、HDPE チューブの SOTE は (5.59±0.66)% まで増加しましたが、回復率は有意ではありませんでした。これは、おそらく HDPE チューブ上の汚染物質が表面に付着しているだけでなく細孔の内部にも堆積しており、機械的スクラブによる除去が困難であるためと考えられます。ジャンら。 NaClO が HDPE チューブから汚染物質を効果的に除去し、通気性能を回復できることを発見しました。 NaClO 洗浄後、HDPE チューブの SOTE は (6.14±0.63)% まで回復しました。これは新しいチューブのレベルの 83.4% ですが、まだ完全に回復することはできません。これは、長時間の運転により汚染物質がしっかりと付着し、細孔構造が変化し、空気の流れが妨げられ、気泡の合体が増加し、気泡の比表面積と滞留時間が減少し、酸素の移動が妨げられるためです。同時に、汚れにより空気の分配が不均一になり、全体のパフォーマンスが低下します。
古い EPDM チューブの SOTE は (9.06±1.75)% に低下し、6.4% 減少しました。汚染物質の蓄積による細孔の詰まりに加え、生物学的汚れにより材料内の可塑剤が消費され、エアレーターが硬化し、細孔が変形します。変形した気孔は元の状態に戻らず、より大きな気泡が発生し、SOTEが低下します。機械的スクラブにより EPDM チューブの SOTE が (9.47±1.87)% に増加し、新品チューブのレベルにほぼ回復しました。これは、EPDM チューブ上の汚染物質が表面に緩く付着しており、機械的スクラブによってほとんど除去できることを示しています。
図 3(c) および (d) から、新しい EPDM チューブの DWP は (6.47±0.66) kPa であり、新しい HDPE チューブの DWP [(1.47±0.49) kPa] よりも大幅に高かった。これは、EPDM チューブの細孔径が HDPE チューブよりも小さいため、気泡を押し出す際の抵抗が大きくなるからです。長期間の動作後、古い HDPE チューブの DWP は (4.36±0.56) kPa に増加し、新しいチューブの 2.97 倍になりました。 DWP の増加は、細孔の詰まりの程度と材料の変化の両方に関連しています。機械的スクラブにより、HDPE チューブの DWP は新しいチューブの 2.25 倍に減少しました。 NaClO 洗浄により、圧力は (2.04±0.45) kPa にさらに減少し、新しいチューブの 1.39 倍になりました。これは、HDPE チューブ上のほとんどの汚染物質が細孔内に堆積しており、機械的なスクラブでは効果的に除去できず、性能を回復するには NaClO 洗浄が必要であることを再度示しています。古い EPDM チューブの DWP は、新しいチューブの 1.25 倍である (8.10 ± 0.94) kPa に増加しましたが、機械的スクラブ後は 1.10 倍に減少しました。
図4図は、エアレーターの AFR による DWP/SOTE (DWP' と表記) の変化を示しています。
線形回帰式を使用して DWP' 対 AFR を当てはめ、エネルギー消費パラメータ J を傾きから取得しました。新しい HDPE チューブと新しい EPDM チューブの J 値はそれぞれ 0.064 と 0.204 kPa・h/g で、移送される酸素の単位質量あたり、EPDM チューブはより大きな圧力損失を克服する必要があることを示しています。交換時、HDPE チューブと EPDM チューブの J 値はそれぞれ 0.251 と 0.274 kPa・h/g に増加しました。圧力損失の増加につながるエアレーターの汚れは、ブロワーの安全な動作に影響を与える可能性があります。機械的スクラブの後、HDPE および EPDM チューブの J 値はそれぞれ 0.184 および 0.237 kPa・h/g に減少しました。 J の変化は、曝気装置の汚染物質の定量分析に使用できます。古いチューブと機械的にスクラブされたチューブの間の J の差は、物理的に可逆的な汚れによって引き起こされます。機械的に洗浄されたチューブと新しいチューブの違いは、物理的に不可逆的な汚れによって引き起こされます。機械的に洗浄されたチューブと化学的に洗浄されたチューブとの違いは、化学的に可逆的な汚れによって引き起こされ、化学的に洗浄されたチューブと新しいチューブとの間の違いは、回復不可能な汚れによって引き起こされます。図 5 は、エアレータのエネルギー消費パラメータ J の変化を示しています。
から図5HDPE チューブの場合、物理的に可逆的な汚れが合計汚れの 35.8%、物理的に不可逆的な汚れが 64.2% を占めました。物理的に不可逆的な汚れのうち、化学的に可逆的な汚れと回復不可能な汚れがそれぞれ 42.8% と 21.4% を占めました。 EPDM チューブの場合、物理的に可逆的な汚れが 52.9%、物理的に不可逆的な汚れが 47.1% を占めました。回復不可能な汚れは最初は現れませんが、時間の経過とともに蓄積し、最終的にエアレーターの耐用年数を決定します。したがって、可逆的な汚れから不可逆的な汚れへの移行を遅らせ、回復不可能な汚れの蓄積を最小限に抑えるために、合理的な洗浄スケジュールを確立する必要があります。
2.2 新品、古い、洗浄されたエアレーターの SEM 観察
図6新しい、古い、および機械的にスクラブされたエアレーターの表面の SEM 画像を示しています。新しい HDPE チューブの多孔質構造ははっきりと見えますが、新しい EPDM チューブの表面は滑らかで、細孔がきれいにカットされています。-数年間の運転後、両方のエアレーターの表面形態が大幅に変化しました。不均一な棒状および塊状の汚染物質が表面を完全に覆い、細孔の周囲および内部に汚染物質が凝集して酸素の移動を妨げ、圧力損失を増加させました。機械的スクラブの後、EPDM チューブ表面のほとんどの汚染物質は除去されましたが、細孔は詰まったままでした。 HDPE チューブの場合、汚染物質の層の厚さは減少しましたが、細孔は依然として覆われていました。
2.3 新しい、古い、および洗浄されたエアレーターの無機汚れ分析
EDX を使用して、エアレーター表面の主な元素組成をさらに分析しました。結果を以下に示します。表2。 HDPE と EPDM の両方の表面で、炭素、酸素、鉄、シリコン、カルシウムが検出されました。 HDPE チューブにはマグネシウムも含まれていましたが、EPDM チューブにはアルミニウムが含まれていました。 HDPE チューブ上の無機汚染物質は二酸化ケイ素、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、リン酸鉄であり、EPDM チューブ上の無機汚染物質は二酸化ケイ素と酸化アルミニウムであったと推測されます。これらの無機沈殿物は、都市廃水および活性汚泥からの無機イオンの濃度が曝気装置の表面で飽和に達したときに形成されます。機械的スクラブの後、エアレーター表面の無機元素は古いチューブと比較してほとんど差を示さず、機械的スクラブでは無機汚染物質を効果的に除去できないことが示されました。キムら。 -長期間の運転の後、無機汚染物質は有機汚染物質で覆われ、表面や細孔の内部にしっかりと付着し、機械的なこすって除去するのが困難になることがわかりました。
HCl洗浄後、エアレーター表面の金属イオンは完全に除去されました。 HClは表面を覆う有機層の一部を腐食し、浸透して金属イオンと反応し、無機沈殿物を中和分解して除去します。エアレーターの浸漬に使用した HCl 洗浄液を ICP で分析し、無機汚染物質の含有量を計算しました。 HDPE チューブの Ca、Mg、Fe 含有量はそれぞれ 18.00、1.62、13.90 mg/cm2 でしたが、EPDM チューブの Ca、Al、Fe 含有量はそれぞれ 9.55、1.61、3.38 mg/cm2 でした。
2.4 新しい、古い、および洗浄されたエアレーターの有機汚れ分析
有機汚染物質の分布を定量的に調べるために、Image J ソフトウェアを使用して、CLSM 顕微鏡写真から総細胞、多糖類、およびタンパク質の生物体積と基質被覆率を計算し、平均を最終結果として取得しました (図7).
図 7(a) から、タンパク質と全細胞がそれぞれ HDPE と EPDM チューブ上の有機汚染物質の主成分であり、最大総体積は 7.66×105 μm3 と 7.02×105 μm3 に達しました。 EPDM チューブ上の細胞総体積は HDPE チューブ上のセルの 2.5 倍であり、他の材料と比較して古い EPDM エアレーターでは総 DNA 濃度が高いと報告した Garrido-Baserba らの発見と一致しています。ワンガーら。 EDMらは、微生物がEPDMチューブに付着する際、周囲の環境に十分な有機基質が不足している場合には、EPDM膜可塑剤を使用することにした。微生物は可塑剤を炭素源として利用し、増殖と繁殖を促進するため、EPDM 表面の生物学的汚れが強化されます。 EPDM チューブ上の多糖類とタンパク質の含有量は、HDPE チューブよりもはるかに低かった。これはおそらく、プラント A に比べてプラント B の汚泥年齢が高く、細胞外高分子物質 (EPS) 濃度が低かったためと考えられる。 EPS の主成分である微生物によって分泌されるタンパク質と多糖類は、プラント A の HDPE チューブ表面の有機汚染物質の重要な発生源となりました。
機械的洗浄後、HDPE チューブ上の総細胞、多糖類、タンパク質の量はそれぞれ 1.49×105、0.13×105、1.33×105 μm3 減少しました。 EPDM チューブでは、対応する減少量はそれぞれ 2.20×105、1.88×105、2.38×105 μm3 でした。これは、機械的なスクラブによって有機汚れをある程度軽減できることを示しています。
ただし、HDPE チューブの場合、多糖類とタンパク質の基板被覆面積は機械的スクラブ後に増加しました-、それぞれ 2.75% と 6.28% から 4.67% と 7.09% に増加しました [図 7(b)]。これは、細胞外高分子物質 (EPS) が高い粘度を持っているために起こります。その結果、機械的なスクラブは、タンパク質、多糖類、および無機汚染物質を HDPE チューブの表面全体にさらに広範囲に広げ、より広い範囲をカバーするという逆効果をもたらしました。これはおそらく、機械的スクラブが HDPE チューブの通気効率を大幅に回復できなかった理由を説明していると思われます。
NaClO 洗浄後、HDPE チューブ上の総細胞、多糖類、およびタンパク質はそれぞれ 2.34×105、3.42×105、および 4.53×105 μm3 減少し、機械的スクラブよりも大幅に高い除去効率を示しました。 NaClO は、有機汚染物質の官能基をケトン、アルデヒド、およびカルボン酸に酸化し、親化合物の親水性を高め、曝気装置への汚染物質の付着を軽減します。さらに、汚泥のフロックやコロイドは酸化剤によって微粒子や溶解有機物に分解されます。
3 結論
①新しい HDPE チューブと新しい EPDM チューブの SOTE 値は、それぞれ (7.36±0.53)% と (9.68±1.84)% でした。 EPDM チューブの SOTE は、HDPE チューブと比較して、AFR の増加に伴ってより顕著な減少傾向を示しました。これは、HDPE エアレーターの細孔は硬く、AFR によって変化しないのに対し、EPDM エアレーターの細孔は柔軟性があり、AFR が増加するとより広く開き、より大きな気泡を形成し、SOTE がさらに減少するためです。
②表面と細孔内部に汚染物質が蓄積したため、HDPE チューブの酸素移動効率は 26.7% 低下し、圧力損失は新しいチューブの 2.97 倍に増加しました。 HDPE チューブ上のほとんどの汚染物質は細孔内に堆積しているため、機械的なスクラブは効果的ではありませんでした。化学洗浄後、HDPE チューブの SOTE は新しいチューブのレベルの 83.4% に回復し、DWP は新しいチューブの 1.39 倍に減少し、大幅な性能の向上が示されました。しかし、汚染物質の堆積により、完全に元の状態に回復することはできませんでした。 HDPE チューブの場合、物理的に可逆的な汚れ、化学的に可逆的な汚れ、回復不可能な汚れがそれぞれ 35.8%、42.8%、21.4% を占めました。
③長期間の運転後、EPDM チューブの酸素移動効率は 6.4% 低下し、圧力損失は新しいチューブの 1.25 倍に増加しました。-機械的スクラブ後、EPDM チューブの通気性能は新品チューブのレベルにほぼ回復しました。これは、EPDM チューブ上の汚染物質が表面に緩く付着しており、機械的スクラブによって大部分を除去できることを示しています。 EPDM チューブの場合、物理的に可逆的な汚れが 52.9%、物理的に不可逆的な汚れが 47.1% を占めました。
④HDPE チューブではタンパク質が有機汚染物質の主成分でしたが、EPDM チューブでは全細胞が主成分でした。これは、微生物が EPDM 材料内の可塑剤を炭素源として利用し、その増殖と繁殖を促進し、それによって EPDM 材料のエアレーターへの生物学的汚れが激化するためです。