MBBRのプロセス操作と応用に関する研究の進捗状況 低温でのシステム
概要
移動床バイオフィルム反応器 (MBBR) プロセスは、現在広く使用されているバイオフィルム廃水処理技術の 1 つです。従来の活性汚泥プロセスと比較して、MBBR には効果的な排水品質、衝撃荷重に対する強い耐性、汚泥の返送や逆洗の必要がないなどの利点があります。冬の低温期、特に北部地域や南西部の高原では、気温は簡単に 5 度を下回り、水温は 15 度を下回ることがあります。気温が低いと、MBBR システムの化学的酸素要求量 (COD)、アンモニア性窒素、全窒素などの排水指標が遵守されなくなる可能性があります。-バイオフィルムの窒素除去には好気性硝化と無酸素性脱窒が含まれ、温度はこれらのプロセスに影響を与える重要な要素の 1 つです。温度が低下するにつれて、活性汚泥システム内のバクテリアの硝化率は徐々に低下し、温度が 8 度を下回ると硝化能力が大幅に低下します。この記事では、低温条件下での MBBR プロセスの操作について、微生物群集、キャリア強化技術、プロセスの組み合わせと操作などの側面から体系的に詳しく説明し、さらなる研究と応用のための参考資料を提供します。{11}}
1. 低温MBBRシステムにおける微生物群集に関する研究-
現在、下水処理プラントの中核プロセスは生物処理です。冬場の低温 (15 度以下) はバイオリアクター内の硝化バクテリアの活動を阻害し、硝化プロセスに影響を与え、システムの窒素除去能力を制限します。。硝化細菌は独立栄養性で世代周期が長く、温度変化に敏感であり、最適な増殖温度範囲は 20 ～ 35 度です。
1.1 微生物の活動
MBBR リアクター内のバイオフィルムは担体表面に付着して成長し、長い世代サイクルで微生物の増殖をサポートし、それによってシステム内の硝化細菌の含有量が増加します。活性汚泥プロセスと比較して、MBBR は低温で強力な硝化性能を示すため、低温廃水処理に広く使用されています。-低温は、この反応器の硝化性能に影響を与える重要な環境要因の 1 つです。温度の低下は細胞膜の流動性と酵素触媒作用の低下、物質輸送と代謝速度の低下をもたらし、それによって核酸の二次構造の安定性に影響を与え、DNA複製、mRNA転写、翻訳を阻害します。温度が細胞質の凝固点を下回ると、細胞内に氷の結晶が形成され、深刻な構造的損傷が引き起こされます。 Qiu Tianらによる研究。それを示した10度におけるMBBRバイオフィルムのアンモニア酸化活性と亜硝酸酸化活性は、20度における活性のそれぞれ55%と56%であった。。鄭志佳ら。活性汚泥の硝化率を試験しました。下水処理場を夏（20度）と冬（8度）で観察したところ、8度のアンモニア態窒素硝化率は20度の48.5％であった。。生化学タンクの硝化能力に対する低温の影響には 2 つの側面が含まれます。第 1 に、低温は硝化細菌群集の活動に影響を与え、第 2 に、低温が長時間続くと活性汚泥中の硝化細菌の数が減少します。
1.2 微生物コミュニティの競争
硝化細菌は独立栄養性であるため、他の微生物群集は硝化プロセスに大きな影響を与え、硝化細菌と強く競合します。ハウリングら。 MBBR プロセス実験を行ったところ、4 度では MBBR には一定の硝化能があるが、系内での従属栄養微生物の過剰な増殖により硝化率がある程度低下することが示されました。シャオ・シュハイら。は、硝化細菌と従属栄養細菌の間の競合により、単段階 MBBR の窒素除去効果が理想的ではないことを示しました。ハン・ウェンジエら。彼らは、MBBRハイブリッドプロセスを使用した下水処理プラントにおける低温期の微生物群集の変化と生物学的分布パターンを研究し、浮遊担体バイオフィルム中の微生物種の数が、同じシステムからの活性汚泥中の微生物種の数よりも少なく、種の分布が不均一であることを発見した。-懸濁担体の添加によりシステム内の微生物の多様性が強化されましたが、流入モードと操作モードは微生物群集の組成に対して一定の選択性を持ちました。ウー・ハンら。異なる充填剤タイプを備えた 3 つの連続バッチ MBBR 反応器を使用した家庭廃水処理のシミュレーション。温度を徐々に下げ（25、20、15、10、6、5度）、バイオフィルムを培養して低温廃水に順応させることにより、3つの反応器内で異なる微生物が優勢であることが判明した。-ハイスループットシーケンスの結果は、5℃では有機物を分解する微生物が3つのリアクターすべてで優勢であることを示しました。 1 つのリアクターは好冷性硝化細菌の順化と濃縮に成功しましたが、他の 2 つのリアクターには窒素除去に不利な窒素固定細菌が豊富に含まれていました。-
1.3 好冷性微生物の順応
低温優勢微生物群集の順応および強化強化技術-これは、低温条件下で MBBR の動作効率と安定性を向上させる効果的な方法です。-段階的な誘導と最適化された培養を通じて、微生物群集の強い耐性を利用して、低温の影響を軽減し、長期安定性の可能性を提供する優勢集団がスクリーニングおよび適用されます。-王丹ら。冬季の低温条件下では、耐寒性微生物群集を含む活性汚泥を添加すると、活性汚泥バイオフィルム共生ハイブリッド バイオリアクターを実現できます。{{6}デラトラら。システムを 1 度で脱炭素すると、硝化活性バイオマスが増加し、バイオフィルムが厚くなり、低温操作中の生細胞数が効果的に増加し、システムの硝化性能が向上することを発見しました。-さらに、NO、N2H4、NH2OH などは、嫌気性アンモニウム酸化 (anammox) プロセスを刺激し、NO2 によるアナモックス細菌の阻害を軽減する重要な中間体です。 Zekker らは、MBBR システムで高濃度廃水 (アンモニア態窒素濃度 740 mg/L) を処理した研究で、NO の添加によりアナモックス プロセスが大幅に加速され、システム動作中にアンモニア酸化細菌の量が比例して増加することを発見しました。
2. MBBRの低温におけるキャリア増強技術の研究
懸濁 MBBR フィラーの選択は、この廃水処理プロセスの中核技術の 1 つであり、プロセスの効率とエンジニアリング コストに影響を与える重要な要素です。一般的に使用されるフィラーの種類には、ハニカム フィラー、半軟質フィラー、複合フィラーなどが含まれます。-実際のアプリケーションでは、フィラーの詰まり、凝集、経年劣化などの問題が発生する可能性があります。低温条件下では、MBBR フィラー上のバイオフィルムの形成が遅くなり、装置の起動時間が長くなる可能性があり、通常のプロセス操作が妨げられ、その結果、耐衝撃性が低下し、期待される処理効果が得られなくなります。工業的に使用されている MBBR 懸濁担体はサイズや形状が異なり、高密度ポリエチレン (HDPE)、ポリエチレン (PE)、ポリプロピレン (PP) などの高分子ポリマーから溶融押出や造粒などの方法で作られています。このプロセスの大規模な工学的応用により、商用航空会社の種類は徐々に増加してきました。-担体の設計と処理は水質と微生物の増殖特性に合わせて調整できるため、目標を絞った最適化と改善が可能になり、低温条件下で MBBR バイオフィルム システムを強化できます。{10}}実際の応用では、キャリアの修飾は主に比表面積、親水性、生体親和性、磁性などの改善に焦点を当て、キャリアの物質移動、バイオフィルム形成、廃水処理性能を強化します。{12}}
2.1 磁気負荷
現在の研究では、磁場を使用して MBBR の低温での廃水処理能力を最適化することが検討されています。特定の強度の磁場は、生物学的処理プロセスにおける汚染物質の除去を強化できます。。弱い磁場の下では、磁力、ローレンツ力、磁性コロイド効果の助けによる磁気凝集と吸着によって、有機汚染物質が磁気生物学的担体の表面に濃縮されます。-適切な強度範囲内で、磁場は微生物の酸素利用を改善し、微生物の成長代謝と酵素活性を強化し、細胞膜の透過性を高めることができます。ジン・シュアンイーら。は、磁性キャリア[ポリエチレン、ネオジム鉄ホウ素磁性粉末(Nd₂Fe₁₄B)、ポリクオタニウム-10(PQAS-10)など]と市販のキャリアをMBBR反応器に添加した場合の比較効果を研究しました。その結果、低温条件下では、磁性担体がバイオフィルムの硝化活性を大幅に改善し、細胞外高分子物質（EPS）の分泌を促進し、バイオフィルムの形態と構造を維持および改善することが示されました。磁性担体はより多くの硝化細菌属を濃縮し、市販の担体と比較してアンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌の相対存在量がそれぞれ 1.82 倍と 1.05 倍増加し、2 つのユニークな硝化細菌属を順応させて濃縮しました。
2.2 キャリアの変更
磁気負荷に加えて、ポリエチレンなどの従来の担体材料の親和性修飾も、フィラーバイオフィルム形成性能を強化する重要な方法です。スン・ボーら。新しいナノ懸濁フィラーを使用して、低温の家庭排水を処理しました。- 10 ～ 12 度では、ナノフィラーのバイオフィルム形成期間は 18 日未満で、他のフィラーよりも短く、システムの COD 除去率は約 75% で安定しており、優れた促進価値を示しています。任延強ら。は、親水性の高いポリマーアロイ材料で作られたハニカム懸濁フィラーを使用して、廃水処理プラントの一次沈殿槽からの排水を低温条件下で処理しました。-結果は、これらの懸濁フィラーが表面活性微生物の付着能力を効果的に改善し、MBBR プロセスの処理効果の向上に役立つことを示しました。-ハン・シャオユンら。活性汚泥から分離された効率的な耐寒性微生物群集を固定するための固定化担体として、発達した細孔構造を持つ軟質ポリウレタンフォームを使用しました。-この充填剤を反応器に添加した後、汚染物質の処理効果は大幅に向上し、低温条件下で COD 除去率が 82%、生物化学的酸素要求量 (BOD) 除去率が 92% に達しました。-。チェンら。 HN-AD 細菌を接種したポリビニル アルコール (PVA) ゲル フィラーを使用した MBBR プロセスを使用して、活性汚泥の代わりに家畜および家禽飼育廃水を処理しました。異なる炭素-対-窒素比（C/N）の下では、異なるキャリアの性能は大きく異なりました。 PVA ゲルの多孔質構造により細菌を保護し、より安定した性能を実現しました。微生物分析により、PVA ゲル担体を用いた MBBR プロセスが独立栄養細菌および HN-AD 細菌 (パラコッカスおよびアシネトバクター) の増殖に有利であることが示されました。
3. プロセスの組み合わせと 低温におけるMBBRの制御
このシステムには充填材表面でのバイオフィルム形成に関する独自の要件があり、プロセスの組み合わせと規制の重要性が強調されています。 MBBR での安定した硝化は、プロセスパラメータと比率を調整することで実現できます。より厳しい制約によって低温の影響を補償することは、比較的直接的で効果的な方法です。
3.1 エアレーション
MBBR プロセスは現在、主に好気性環境に適用されています。反応器内の曝気速度と方法は、システム内の溶存酸素 (DO) 含有量とバイオフィルム形成の特性に直接影響を及ぼし、それによって汚染物質の分解レベルに影響を与えます。 Chen Longらは、産業排水処理中にバッチエアレーションなどの手段を使用してバイオフィルム形成の困難に効果的に対処し、95.5%のCOD除去率と91%のアンモニア態窒素除去率を達成した。ペルソンら。生ごみと雑排水の混合排水をMBBRで10度の嫌気前処理後に処理し、間欠曝気により完全硝化を実現しました。ビアンら。 DO と総アンモニア態窒素濃度の比率を一定に制御すると、低温での排水効果が最適化されることを発見しました。制御比が0.17を超えない場合、硝化プロセスは6度で安定したままでした。
3.2 炭素-対-窒素比 (C/N)
硝化細菌と従属栄養細菌の間には明らかな競合が存在します。したがって、C/N 制御は、システム内の有機物と窒素分解のバランスに影響を与える重要なパラメーターになります。チェンら。 MBBR システムでは、C/N が 4 ～ 15 の場合、COD 除去率が 90% 以上になることが示されました。 C/Nが1になるとCOD除去率が大幅に低下しました。システムのアンモニア態窒素除去効率は最初に増加し、その後、C/N が低下するにつれて減少しました。チェンら。海洋養殖廃水を処理する A/O{10}}MBBR 反応器の性能に対する C/N の影響を調査しました。結果は、C/N が低下することを示しました。 は にとって有益な CODとアンモニア性窒素の除去効率の向上.
3.3 油圧保持時間
油圧滞留時間 (HRT) は、反応システム内の活性汚泥負荷を決定します。 HRT が高すぎたり低すぎたりすると、MBBR システムの治療効率や建設/運用コストに影響を与える可能性があります。安定したシステム動作には、適切な HRT を選択することが重要です。ヴァンら。低温における農業の非点源汚染防止に MBBR を適用しました。-研究によると、5 度では HRT が低下するにつれて汚染物質の除去効率が大幅に低下し、確実に硝酸塩を窒素ガスに脱窒するための最小保持時間は 8 時間であることが示されました。王伝新ら。は、低温でのMBBRの同時硝化と脱窒の特性に焦点を当て、無酸素/好気性バイオフィルムシステムで家庭廃水を処理しました。結果は、システムが HRT を延長し、排水 COD とアンモニア態窒素濃度を基準を満たすように安定させることにより、季節的な気温低下にうまく適応したことを示しました。 Shitu は、MBBR バイオフィルムキャリアとして新しいスポンジフィラーを使用し、さまざまな HRT での水処理効果を研究しました。結果は、水処理効果が HRT 6 時間で最も優れていることを示しました。趙文斌ほかは、低温条件下での MBBR システムによる廃水中の汚染物質除去の最適な HRT は 24 時間であることを示しました。-ハン・レイら。らは、DE 酸化溝 + MBBR を組み合わせたプロセスで HRT を 15.4 時間から 11.0 時間に短縮したときの汚染物質の除去速度を研究しました。結果は、HRT が短縮されるにつれて、汚染物質の除去効率は徐々に低下しましたが、MBBR システムの強力な衝撃負荷耐性を反映して、排水水質は依然として水質目標要件を満たせることが示されました。
3.4 プロセスの組み合わせ
鄧瑞ら。都市廃水を処理するための 2 段階の A/O- MBBR プロセスを研究しました。低水温および低流入濃度の条件下で、この複合プロセスは、強力な衝撃荷重耐性と温度適応性、安定した運転、および便利な運転を実証し、廃水処理への良好な応用の見通しを示した。ルオスタリネンら。は、低温での嫌気性前処理後の酪農廃水に対する MBBR プロセスの処理効果を研究しました。結果は、このプロセスにより COD の 40% ～ 70%、窒素の 50% ～ 60% を除去でき、上向流嫌気性汚泥ブランケット (UASB) と MBBR の組み合わせにより COD の 92%、BOD の 99%、窒素の 65% ～ 70% を除去できることが示されました。ルー・チュンら。は、修正された Bardenpho-MBBR + 磁気負荷沈殿プロセスを使用して廃水処理プラントを改修しました。炭素源の注入ポイントを調整し、システム内に複数の流入点と複数の-点からの還流を導入することにより、外部から追加された炭素源の効率的な利用が達成され、8.7 度での硝化および脱窒効果が確保され、排出基準よりも優れた安定した排水品質が得られました。
結論
低温条件下では、MBBR システム内の微生物の活動が低下し、有機物を処理する従属栄養微生物とアンモニア態窒素を処理する独立栄養微生物との間で明らかな競合が発生します。-したがって、原水汚染物質の組成と排水指標の要件に基づいて、適切な C/N を十分に考慮する必要があります。排水の質を確保するための重要な指標として、低温優勢菌株の改善と順化、対象を絞った濃縮、保菌体上の優勢個体群の増加などの措置を導入する必要があります。{3}}
キャリア強化は、MBBR システムの低温耐性を改善し、プロセス劣化効率を高める重要な手段です。{0}具体的な対策としては、主に磁気負荷やキャリアの構造処理などが挙げられます。磁気負荷により、低温での硝化細菌の付着が強化され、EPS 分泌プロセスが強化され、細菌の活動が改善されます。担体の構造と表面特性を最適化することで、汚染物質の物質移動効率を加速し、微生物群集を固化して保護する能力を向上させ、より安定したシステム性能を維持できます。
MBBR プロセス自体は、特定の低温耐性特性を備えています。-しかし、廃水処理プラントの排水水質基準が継続的に改善されているため、低温条件下での作業条件の調整とMBBRのプロセスの組み合わせが、プロセスのブレークスルーのための重要な研究内容となっています。-さまざまな種類の廃水について、実際の状況に基づいて最適な作業条件を決定する必要があります。一方、合理的なプロセスの組み合わせにより、汚染物質に対する MBBR システムの耐衝撃性、温度適応性、およびシステムの安定性を効果的に強化できます。