低 C/N 比廃水処理用 S-MBBR システムの汚染物質除去性能: COD、TN、NH₄⁺-N および TP 分析

低 C/N 比廃水処理用 S-MBBR システムにおける汚染物質除去性能の分析

導入

都市化と工業化の加速に伴い、主に家庭下水、食品加工、農業、循環冷却水から発生する、低 C/N 比（低炭素対窒素比）の廃水の排出が増加しています。{0}{1} C/N 比の低い廃水における全窒素 (TN) 除去効率の悪さに対処するため、近年、ショートカット硝化脱窒や同時硝化脱窒 (SND) が注目を集めています。-脱窒- SNDプロセスは比較的反応条件の制御が容易であり、炭素除去と窒素除去を同時に行うことができます。したがって、低C/N比排水の窒素除去処理に大きな利点を発揮します。シーケンスバッチ反応器 (SBR) は、溶存酸素濃度を制御することで窒素とリンの除去を促進します。移動床バイオフィルムリアクター(MBBR)と組み合わせてS-MBBRシステムを形成すると、担体上のバイオフィルムが好気性硝化細菌と無酸素性脱窒細菌に層状の増殖条件を提供し、SND微小環境を作り出すと同時にシステムの比表面積と微生物の安定性を高めます。 S-MBBRは、窒素とリンの除去効率、耐衝撃性、システムの安定性の点で従来のプロセスよりも優れていることが研究で示されています。

1 材料と方法

1.1 実験セットアップ。実験装置は主に流入タンク、送風機、撹拌装置、流出タンク、主反応器から構成されています。リアクターの有効容積は 1.8 L、1 サイクルあたりの処理容量は 1 L でした。リアクターには新型の生体親和性担体を約 25% の充填率で充填しました。反応器内の初期の混合液の揮発性懸濁物質（MLVSS）濃度は 3000 mg/L でした。

1.2 実験材料。親和性-修飾されたキャリア フィラーは、物理的混合とスクリュー押出技術によって調製されました。具体的な手順は次のとおりです。3% のゼロ価鉄、HDPE、および補助材料 (2% 天然ゼオライト、2% ポリクオタニウム -10、および 1% タルク粉末) を均一に混合しました。次に、混合物を SJ-20 単軸押出機を使用して溶融し、粒状ストリップ (直径約 5 mm、長さ 5 ～ 10 mm) に押し出しました。最後に、これらの固体粒子を SJ-30 単軸押出機を使用して押し出し、最終的なキャリアを製造しました。

1.3 動作条件。2 つの反応器をセットアップしました。1 つは担体あり (S- MBBR、R1 と指定)、もう 1 つは担体なし (SBR、R2 と指定) です。他のすべての条件は同じに保たれました。最初の段階はバイオフィルム付着の開始であり、3:3:2 の比率の SBR モードで操作されました。-操作サイクルには、流入、静置、曝気反応、無酸素撹拌、沈降、および流出段階（嫌気性 3 時間、曝気 3 時間、撹拌/沈降/流入/流出 2 時間）が含まれていました。 NaHCO3 を使用して流入水の pH を約 8 に調整しました。バイオフィルムの付着に成功した後、C/N 比を下げるためにアンモニア態窒素濃度を変更し、実験を開始しました。表1.

1.4 実験用水と接種された汚泥。バイオフィルムの開始に使用された合成廃水中の COD、NH4+-N、および全リン (TP) は、それぞれ C6H12O6、NH4Cl、および KH2PO4 によって提供されました。-。微量元素は、EDTA-2Na (18.76 g/L)、CoCl2・6H2O (0.3 g/L)、CuSO4・5H2O (0.32 g/L)、NiCl2・6H2O (0.24 g/L)、H3BO4 (0.018 g/L)、 ZnSO4・7H2O（0.54g/L）、MnCl2・4H2O（1.24g/L）、NaMoO4・2H2O（0.28g/L）、NaWO4・2H2O（0.1g/L）。合成廃水の組成は、Ｃ６Ｈ１２Ｏ６（０．４７ｇ／Ｌ）、ＮＨ４Ｃｌ（０．０９５ｇ／Ｌ）、ＫＨ２ＰＯ４（０．０２２ｇ／Ｌ）、ＮａＣｌ（０．１ｇ／Ｌ）、ＮａＨＣＯ３（０．１５ｇ／Ｌ）、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ（０．１５ｇ／Ｌ）であった。 g/L)、CaCl2 (0.05 g/L)、FeSO4・7H2O (0.02 g/L)、微量元素 (1 mL/L)。汚泥は大連市の下水処理場の二次沈殿槽から採取された。

1.5 分析方法。日常的な指標は、汚染物質除去能力分析、膜汚れ分析、ガス発生分析など、「上下水検査の標準方法」（第 4 版）および国家基準に指定されている標準方法に従って測定されました。具体的には: NH4+-N はサリチル酸試薬分光光度法によって測定されました。モリブデン酸アンモニウム分光光度法による TP。 NO₃--N サリチル酸-濃硫酸試薬分光光度法による。 NO₂⁻-N、N-(1-ナフチル)エチレンジアミン分光光度法による。 TN はすべての窒素形態の濃度の合計でした。 COD は急速消化法によって測定されました。汚泥濃度（MLSS、MLVSSを含む）は重量法により測定した。

2 結果と分析

2.1 COD除去性能

反応器に入る有機物は、嫌気性、好気性（曝気）、無酸素撹拌、沈降、流出液などの段階を経て除去されました。図1は、さまざまな運転段階での反応器の COD 除去性能を示しています。ステージ I はバイオフィルム付着段階であり、ステージ II、III、IV は C/N/P 比がそれぞれ 100:8:1、64:8:1、32:6:1 に低下するステージでした。各段階における R1 の平均除去率は、それぞれ 95.57%、96.25%、92.70%、94.18% でした。各段階における R2 の平均除去率は、それぞれ 94.71%、96.19%、92.54%、および 94.68% でした。このプロセスは優れた有機物除去性能を備えており、比較的安定した排水条件下で GB 18918-2002 規格の要件 (COD 濃度 < 50 mg/L) を満たしていることがわかります。システムは低い C/N 比で動作したため、炭素源が効率的な代謝を促進する制限基質となりました。 R1 と R2 の間で COD 除去に有意な差はなく、修飾担体が COD 除去にほとんど影響を及ぼさないことが示されました。

2.2 NH₄⁺-N および TN 除去性能

TN 除去プロセスには、硝化と脱窒という 2 つの主要なステップが含まれます。好気性プロセスとしての硝化は、アンモニア態窒素を硝酸塩に変換するのに十分な好気性微生物に依存します。図2と3図は、それぞれ反応器の NH4⁺-N および TN 除去性能を示しています。 NH4+-N と TN は主に好気性曝気段階と無酸素静的段階で除去されました。ステージ I はバイオフィルム付着段階であり、ステージ II、III、IV は C/N/P 比がそれぞれ 100:8:1、64:8:1、32:6:1 に低下するステージでした。 R1 の平均 NH4+-N 除去率は、それぞれ 92.53%、95.83%、99.70%、および 98.31% でした。 R2 の平均 NH4+-N 除去率は、それぞれ 84.34%、91.82%、99.70%、および 97.52% でした。 R1 の平均 TN 除去率は、それぞれ 89.53%、87.21%、82.44%、83.20% でした。 R2 の平均 TN 除去率は、それぞれ 78.3%、78.89%、73.26%、76.66% でした。 R2 と比較して、R1 の平均 NH4⁺-N 除去率はそれぞれ 9.7%、4.36%、0%、0.82% 増加しました。平均TN除去率はそれぞれ14.35%、10.55%、12.54%、8.3%増加しました。 R1 システムは、すべての段階、特にシステム操作の初期段階で窒素除去において R2 を上回り、後の段階ではその差が徐々に安定していることがわかります。

段階 I では、流入水の NH4+-N 濃度は低く、炭素源は脱窒要件を基本的に満たすのに比較的十分であったため、流出水の TN 濃度は低かった。接種された微生物はまだ適応段階にあり、システム内の機能的な微生物群集が完全に確立されていないため、NH4⁺-N 除去が不安定になりましたが、後に徐々に安定しました。この段階では、2 つの反応器 (R1 と R2) 間に有意な差は観察されませんでした。ステージ II に入ると、流入水の NH₄⁺-N 濃度が突然増加しましたが、曝気条件が同時に調整されなかったため、システム、特に NH₄⁺-N と TN の除去に大きな変動が生じました。約 6 日間の運転後、2 基の反応器は徐々に安定性を回復しました。アンモニア態窒素の負荷が高いと硝化細菌の急速な増殖が促進され、それによって硝化プロセスの効率が向上したと推測されます。システムの運転を続けると、反応器内の硝化-脱窒システムが徐々に確立されて安定し、TN 濃度の変動が減少しました。修飾キャリアの存在により、R1 システムはより低い残留 TN を実現し、キャリアによってリアクターの TN 除去率が向上し、衝撃荷重に対するシステムの適応性も向上しました。 49 日目、PO4 除去を改善するために、曝気強度を上げ、より完全な硝化プロセスを促進しました。しかし、硝化により生成する硝酸塩の増加により、脱窒のための炭素源の需要が増大する一方で、この段階では流入炭素源が相対的に不足しており、その結果、流出水TNがある程度増加しました。段階 III では、COD がさらに減少し、反応器内の脱窒に利用できる炭素源がさらに不足し、TN の除去がさらに制限され、流出液の TN 濃度の全体的なレベルが増加しました。それにもかかわらず、R1 システムは依然として R2 よりも優れた TN 除去性能を維持しており、キャリアの強化効果を実証しています。ステージ IV では、アンモニア態窒素濃度がさらに増加し​​ました。前段階の経験に基づいて、曝気量をわずかに増やし、曝気時間を4時間に延長し、硝化細菌の活動を促進し、硝化プロセスをより完全にし、NH₄⁺-Nの除去効率をさらに向上させました。しかし、炭素源欠乏という課題に直面して、脱窒プロセスは制限され、後の段階で TN 濃度がわずかに増加しました。全体として、R1 反応器は依然として R2 よりも優れており、より強力な TN 除去能力を示しました。これは、長期運転後、R1 で形成された安定したバイオフィルム構造と相乗的な好気性無酸素環境が、同時硝化と脱窒 (SND) プロセスに良好な空間と条件を提供したことを示しています。-張克芳ら。同社はSBRプロセスを採用し低C/N比排水を処理し、1基の反応器内で有機物の酸化、硝化、脱窒を実現し、TN除去率は80％を超えた。これらの結果は、単一段階の生物学的脱窒が完全に実現可能であることを効果的に示しています。-

2.3 TP除去性能

廃水処理におけるリンの除去は、主にリン蓄積微生物（PAO）などの特定の微生物に依存しています。PAO は、好気条件下で可溶性リンを吸収し、嫌気条件下でリンを放出します。{0}図4リアクターのTP除去性能を示します。 TPは好気性曝気段階中に除去されました。ステージ I、II、および III の TP 濃度は変化せず、平均流入水濃度は 5.01 mg/L でした。ステージ IV では、平均流入水 TP 濃度は 10.30 mg/L でした。各段階の R1 の平均排水濃度はそれぞれ 0.27 mg/L、0.16 mg/L、0.13 mg/L、および 1.92 mg/L で、​​平均除去率はそれぞれ 94.73%、96.78%、97.54%、および 81.35%でした。 R2 の平均排水濃度はそれぞれ 0.39 mg/L、0.35 mg/L、0.33 mg/L、および 0.33 mg/L で、​​平均除去率はそれぞれ 92.19%、93.01%、93.61%、および 68.79%でした。 R2と比較して、R1の平均TP除去率は各ステージでそれぞれ2.75%、4.05%、4.20%、18.26%増加しました。

R1 システムでは、担体が微生物の付着のための表面を提供し、PAO の増殖と代謝を促進し、安定したバイオフィルムの形成を助け、微生物群集の活動を強化します。これにより、リアクターのリン除去能力が向上し、生物学的リン除去プロセスがより効率的になります。ステージ II では、硝化を促進するために NH4⁺-N 濃度を変更することにより、システムの酸素消費量が増加しました。したがって、49 日目に、リンの除去を促進するためにエアレーションを増加しました。ステージ III では、COD の減少により炭素源の欠乏が生じ、脱窒プロセスが妨げられるだけでなく、PAO の代謝活性にも影響を及ぼしました。ステージ IV では、反応器内の C/N 比が 8 から 5.3 に低下したため、システムが崩壊しました。炭素源をめぐる競争の激化により、嫌気段階でPAOに利用できる炭素源が減少し、PHA合成の減少につながり、その結果、好気条件下でのポリリン酸の加水分解とPHAの酸化に影響を及ぼし、最終的にPAOの増殖とリンの取り込み能力を阻害し、リン除去効率の低下をもたらしました。しかし、R1 の残留リンは R2 よりも依然として低く、キャリアの促進効果がまだ存在していることを示しています。

3 結論

構築した S- MBBR システムと SBR システムの間で比較実験を実施し、低 C/N 比排水条件下での窒素およびリンの除去性能を体系的に評価しました。結果は、S-MBBRシステムがCOD、NH4⁺-N、TN、TPの除去において従来のSBRシステムより優れていることを示しました。特に炭素源-欠乏条件下では、TNとNH₄⁺-Nの除去率の最大増加はそれぞれ14.35%と8.19%に達しました。さらに、S- MBBR システムは、さまざまな運転段階で負荷衝撃に対する強い耐性と排水の安定性を示しました。懸濁担体の導入により、システムの微小環境構造が効果的に最適化され、同時硝化と脱窒（SND）の発生が促進され、微生物の多様性と代謝活性が強化され、システム全体の処理能力が向上しました。研究結果は、S-MBBR技術が低C/N比の廃水処理に応用できる見込みがあり、既存の廃水処理プロセスの最適化とアップグレードに技術サポートを提供できることを示しています。