冬季の中国南西部の下水処理施設の準 IV 改修における MBBR の窒素除去性能に関する研究{0}

冬季の中国南西部の下水処理施設の準 IV 改修工事における MBBR の窒素除去性能に関する研究{0}

中国南西部は広大で、気候や地質条件に大きな違いがあります。廃水の水質の発生源が広範囲に及ぶため、水質の大きな変動が生じます。この地域は南部に位置しますが、全体的に標高が高く、地形が高いため、冬の寒い時期には排水温度が10度を下回ることもあります。この地域は山と深い谷、丘陵と平野が入り組んだ複雑な地形、昼夜の気温差が大きく、一日の排水温度の変動も明らかです。複雑な流入特性と冬期の過度に低い水温により、この地域の下水処理プラントの設計と運営にはより高い要件が課されます。家庭用廃水処理施設のアップグレードと再建を背景として、南西部のプラントのアップグレードに適切な処理プロセスを選択して、低温期に安定したコンプライアンスを確保することがさらに重要です。-

移動床バイオフィルム リアクター (MBBR) プロセスは、固定領域に浮遊担体を追加することにより、機能性細菌の濃縮を改善し、低温耐性を強化します。-下水処理プラントの改修プロジェクトで広く使用されています。現在、中国におけるMBBRプロセスの適用規模は2.5×10⁷ m3・d⁻¹を超えており、MBBRは新しく改訂された「屋外排水設計基準」(GB 50014-2021)に「広く使用されており、安全で信頼できるプロセス」として含まれています。このプロセスの広範な適用により、迅速な追跡調査も促進されました。- MBBR プロセスに関する研究ホットスポットは、主にプロセス設計分析、実験室メカニズム研究、エンジニアリング効果追跡に焦点を当てています。関連する結論には主に、MBBR による生化学効率の向上、バイオフィルムによる耐衝撃性の向上と低温耐性の向上、MBBR による機能的細菌の濃縮の強化、バイオフィルムによる SND による窒素除去の強化などが含まれます。-たとえば、Huang Qing et al. MBBRプロセスによる更新後、下水処理場の耐衝撃性が大幅に向上し、流入水のBODおよびTNの長期超過下でも排水が安定して基準を満たせることがわかりました。劉強ら。 MBBR プロセスにより、低温でのプラントの処理能力が大幅に向上し、排水が 9 ～ 11 度の低温で安定して設計基準を満たすことができることがわかりました。 Luan Zhixiang 他MBBR プロセスを使用して北部の下水処理プラントをアップグレードした後、好気性 MBBR ゾーンにより浮遊キャリアの SND を通じて TN の 20.12% を除去できることを発見しました。ハン・ウェンジエら。彼らは、冬の低温下で長江デルタ地域のハイブリッドMBBRプロセスを備えた5つの都市廃水処理施設を比較し、懸濁担体の添加によりシステム内の硝化細菌バイオマスが大幅に増加し、懸濁担体により硝化細菌の86.12%～95.36%が濃縮されることが判明した。ただし、既存の研究には依然として一定の限界があります。たとえば、多くの研究では MBBR 設計と運用パフォーマンスが分離されており、同じプロジェクトの設計とパフォーマンスの比較検証が不足しています。 MBBR の耐衝撃性に関しては、「定性的ではあるが定量的ではない」結論のみが得られており、最大許容荷重の定量的な推論はありません。 SND現象については、「測定はできるが制御はできない」というだけで、設計されたマクロ実験による窒素除去源の直接的な検証や、工学的制御の観点からの合理的な操作の示唆が欠けている。

既存の研究の限界に基づいて、この研究では、MBBR プロセスの設計原理とロジックを説明するために、中国南西部の CASS 廃水処理プラントのアップグレードを例に挙げています。最も不利な冬の条件下での実際のシステム性能と組み合わせて、MBBR 設計の合理性が分析されました。このシステムの処理可能性は、生物タンクに沿った水質の変化と高基質の実験室テストを通じて定量的に分析されました。-好気性バイオフィルムを使用した脱窒実験室試験は、ハイブリッド MBBR システムにおける SND 現象の原因を直接検証するために設計されました。 MBBR システムの SND 効果に対するエンジニアリング操作パラメータの影響が研究され、データ フィッティングと組み合わせて、SND の最適化操作の提案が提案されました。汚泥とバイオフィルム間の微生物群集分布の違いを細菌組成の観点から解析し、好気性脱窒菌の種類と相対存在量からSNDの微視的影響因子を解析した。この研究が、他の同様の下水処理プラントの MBBR プロセス設計の参考になり、MBBR プラントの安定した運転のための基礎データを提供し、MBBR システムにおける SND の効率的なパフォーマンスのための運用上の提案を提供できることが期待されます。

1 材料と方法

1.1 プロジェクトの概要

中国南西部にある下水処理施設では、設計容量が 1×105 m3・d⁻¹ で、排水は「都市下水処理施設の汚染物質の排出基準」(GB 18918-2002) のクラス A 基準を満たす必要がありました。建設初期の土地利用制限のため、従来の二次沈殿槽を使用しない CASS プロセスが採用されました。しかし、操業中に冬の低温下での硝化不足、汚泥の沈降性の悪さ、処理効率の低下などの問題が発生しました。 2019 年に、このプラントは準クラス IV 規格にアップグレードされました。改修では、流入窒素濃度の増加と排水基準の改善の両方を考慮する必要がありました。再建前後の設計流入水質と流出水質を以下に示す。表1。流入水の NH₃-N と TN 負荷がそれぞれ 66.67% と 62.16% 増加したことに基づいて、流出炭素、窒素、リンなどを GB 18918-2002 のクラス A から「地表水の環境品質基準」(GB 3838-2002)のクラス IV にアップグレードする必要がありました。これは、硝化負荷と脱窒負荷をそれぞれ 127.27% と 94% 増加させることに相当します。このプロジェクトでは Bardenpho-MBBR プロセスを採用し、元の CASS タンクを生物タンクと沈殿タンクに改造しました。

再建後も窒素除去には活性汚泥が主な役割を果たし続けた。元の CASS タンクの脱窒滞留時間は 3.78 時間から 6.35 時間に延長され、活性汚泥の脱窒容積負荷は 0.140 から 0.189 kg・(m3・d)-1 に増加しました。活性汚泥の脱窒を強化するために、無酸素前ゾーンと無酸素後ゾーンをそれぞれ 4.23 時間と 2.12 時間設定しました。-ポスト無酸素ゾーンでは、原水中の炭素源が不十分であるという問題を解決するために、脱窒を強化するために外部炭素源の添加を使用しました。硝化の場合、元の CASS タンクの硝化保持時間は 7.55 時間から 4.23 時間に短縮されましたが、硝化負荷は 0.079 kg・(m3・d)-1 に大幅に増加する必要がありました。硝化効果を高めるために、好気性ゾーンに懸濁担体を添加して好気性 MBBR ゾーンを形成しました。使用したキャリアは、直径 (25±0.5) mm、厚さ (10±1) mm の SPR- III タイプでした。バイオフィルム付着後の密度は水に近く、有効比表面積は 800 m²・m⁻³ を超え、業界標準「水処理用高密度ポリエチレン懸濁担体」(CJ/T461-2014) を満たしました。懸濁された担体上のバイオフィルムは、付着後は濃い灰色に見えました (図1）。 MBBR ゾーンでは、水力せん断を提供するために有孔エアレーションのみを使用し、バイオフィルムの厚さを (208.82±37.57) μm に制御し、物質移動と酸素移動に良好な条件を提供しました。

1.2 生物槽内の窒素除去量の測定

再建後の冬の低い気温下での生物タンクの各機能ゾーンにおける窒素除去経路を理解するために、2020年12月15日から2020年12月22日まで生物タンク沿いの水質を毎日監視しました。この期間中、生物タンク内の水温は9.5〜10.2度でした。サンプルには、生物タンクの流入水、嫌気ゾーンの流出水、無酸素ゾーンの流出水、MBBR ゾーンの流出水、ポスト無酸素ゾーンの流出液、ポスト-好気ゾーンの流出液、および沈殿タンクの流出液が含まれていました。サンプルは 2 ～ 3 時間ごとに採取されました。採取後、サンプルは速やかに前処理されました。沈降後、上澄みを収集し、3 つのサンプルを等量混合して NH3-N、NO3-N、TN、COD を測定し、各機能ゾーンの汚染物質除去経路と硝化/脱窒負荷を検証しました。

1.3 MBBR システムの硝化能と浮遊担体の寄与率の決定

既存の MBBR システムの最大許容負荷を検証するために、硝化実験室試験が 2021 年 2 月 27 日と 28 日に実施されました。冬季に流入負荷が増加したときの MBBR システムの耐衝撃性をシミュレートするために、プラントの好気ゾーンから浮遊担体と活性汚泥が毎日収集されました。実験室テストでは、流路に沿った MBBR ゾーンの実際の流入水をシミュレートしました。沈降後の無酸素帯排水の上澄みを使用し、流入水として塩化アンモニウムと重炭酸ナトリウムを加えてNH3-Nとアルカリ度を補った。硝化試験装置を図に示します。図2。純粋なバイオフィルム、純粋な汚泥、ハイブリッド システムが順番にセットアップされました。-汚泥濃度と担体充填率は生物槽の実際の状態と一致していた。 MBBR システムの硝化能を十分に活用し、物質移動と酸素移動を強化するために、流入水の NH3-N 濃度は流路に沿って約 10 mg/L-1 から約 25 mg/L-1 に増加し、DO は流路に沿って 2 ～ 4 mg/L-1 から約 6 ～ 7 mg/L-1 に増加しました。試験中の水温は9.7～10.4度でした。システムの酸素化と担体の流動化を維持するために、エアレーションポンプとウェーブメーカーが使用されました。サンプルを 30 分ごとに採取し、前処理してアンモニア態窒素濃度の変化を測定しました。報告された方法によれば、ハイブリッド MBBR システムにおけるバイオフィルム負荷の計算方法は式 (1) および (2) に示されます。

ここで、N2はハイブリッドシステムにおけるバイオフィルムの硝化体積負荷、kg・(m3・d)-1です。 N1 は MBBR ハイブリッドシステムの全体的な硝化容積負荷、kg・(m3・d)-1 です。 N3 は活性汚泥の硝化体積負荷 kg・(m3・d)-1 です。 η は懸濁担体の硝化寄与率 (%) です。

1.4 MBBRシステムにおけるSNDの検証と最適化制御解析

MBBR システムにおける同時硝化と脱窒 (SND) 現象について、SND 効果の原因を直接検証するために、純粋な MBBR バイオフィルムを使用した脱窒実験室試験が 2021 年 2 月 28 日に実施されました。好気ゾーンから浮遊キャリアが収集されました。担体充填率は生物槽の実際の状態と一致していた。試験用の流入水は、プラントの流入水原水に硝酸カリウムを添加して調製した。サンプルを 20 分ごとに採取し、前処理して硝酸態窒素濃度を測定しました。

2020年12月1日から2021年2月28日まで、冬の間、再建後のMBBRゾーンの水質と運用パラメータが毎日追跡されました。サンプルには、無酸素ゾーンの流出水と MBBR ゾーンの流出水が含まれていました。サンプルは 2 ～ 3 時間ごとに採取されました。採取後、サンプルは速やかに前処理されました。沈降後、上澄みを収集し、3 つのサンプルを等量混合して、TN、NH3-N、NO3-N、および COD を測定しました。同時に、好気性MBBRゾーンのDOレベルを測定しました。測定データは主成分分析 (PCA) に供され、好気性ゾーンにおける SND 効果に影響を与える主な応答パラメーターを検証しました。最適な制御パラメーターはフィッティング分析を通じて決定され、SND のスケールアップ制御の基礎を提供しました。-

1.5 下水処理場における微生物のハイスループットシーケンス-

微生物の多様性、優勢な種、機能的細菌の濃縮効率の観点から MBBR システムの汚泥相とバイオフィルム相の違いを分析し、SND の発生源を顕微鏡で検証するため、2021 年 2 月 28 日に、16S rDNA アンプリコンのハイスループット シーケンスのために、MBBR システムからの活性汚泥と浮遊担体を 1 セットの並行サンプルとともに収集しました。-この時点で、システムは冬の間ずっと経験しており、微生物群集の組成は低温条件下での実際の状況をよりよく反映している可能性があります。-ハイスループットの測定と分析の具体的な方法については、以前に報告された文献を参照してください。

1.6 従来の水質測定方法

この研究に関係するすべての水質パラメータは、標準的な方法を使用して測定されました。 CODは国家標準法により測定した。 NH₃-N はネスラー試薬分光光度法によって測定されました。 NO3-N は紫外分光光度法によって測定されました。 TN は、アルカリ過硫酸カリウム消化-UV 分光光度法によって測定されました。 TP はモリブデン酸アンモニウム分光光度法によって測定されました。 DO と水温は携帯型溶存酸素計を使用して測定しました。

2 結果と考察

2.1 再建前後の低温条件下での全体的な処理効果

まず、冬の低温下でのシステム全体の改築前後（2018-12-01～2019-02-28、2020-12-01～2021-02-28）の処理効果を比較しました。再建前後の冬期の水温は基本的に9～13度に保たれていた。再建前の冬期流量は (9.12±0.58)×104 m3・d⁻¹ であったが、再建後は (9.42±0.44)×104 m㎥・d⁻¹ に増加した。に示すように、図3(a)-(d)、再構築後、流入水の平均 COD と BOD₅ 負荷は再構築前と比較してそれぞれ 16.82% と 26.97% 増加しましたが、流出水はそれぞれ (20.04±2.38) と (4.47±0.84) mg・L⁻¹ に減少しました。再構築後、平均流入水 TP 負荷は再構築前と比較して 23.40% 増加しましたが、流出水 TP は依然として (0.26±0.02) mg・L⁻¹ と低い可能性があります。再建後、流入水SS負荷量は以前よりわずかに減少しましたが、流出水SSは以前と比較して17.51％以上減少し、（3.44±1.17）mg・L⁻¹、最大値はわずか4.75mg・L⁻¹でした。

再建後のこのプロジェクトの目玉は、窒素除去能力の強化でした。再構築後、平均流入水NH₃-NおよびTN負荷量は再構築前と比較してそれぞれ21.56%および19.79%増加したが、流出水はそれぞれ(0.94±0.22)および(8.59±0.64)mg・L⁻¹に減少した。最大流出物 NH3-N はわずか 1.33 mg・L-1 であり、最大 TN はわずか 9.7 mg・L-1 でした。窒素除去については、再構築後も活性汚泥が中核的な役割を果たしているため、無酸素滞留時間の大幅な延長に基づき、システムの実際の冬期脱窒容積負荷は再構築前後であまり変化しなかった。硝化については、再構成後、懸濁担体を添加してハイブリッド MBBR システムを形成し、NH₃-N 除去を強化することで硝化効果を高めました。好気性滞留時間の大幅な短縮に基づいて、実際の冬の硝化負荷は、再構築後は 0.081 kg・(m3・d)⁻¹ に増加し、再構築前と比較して 124.69% 増加しました。このプロジェクトにおける MBBR プロセスの適用により、硝化性能の大幅な向上が達成されました。

2.2 システム窒素除去性能、可能性、および浮遊キャリアの役割の分析

再構築後の生物学的セクションの各機能ゾーンの窒素除去効果をさらに決定するために、生物学的タンクに沿った水質を追跡し、再構築後の各機能ゾーンの窒素除去経路を、各機能セクションの平均水質パラメーターを通じて分析しました。に示すように、図4、測定期間中、生物タンクの平均流入水TN、NH3-N、COD濃度はそれぞれ43.59、38.50、278.00 mg・L⁻¹であり、流出水TN、NH3-N、CODは7.53、0.51、24.46に減少した。それぞれmg・L⁻¹。 TN 除去については、流入水と流出水の TN 濃度から計算されたシステム TN 除去率は 78.95±6.01% で、除去は主に前無酸素ゾーンで発生し、窒素除去量は 27.51 mg・L-1 でした。脱窒負荷と寄与率はそれぞれ0.149kg・(m3・d)-1と79.16%±2.24%であった。 COD 濃度の変化と組み合わせると、前無酸素ゾーンでの脱窒に消費された COD/TN は 5.22±0.21 でした。-。ポスト-無酸素ゾーンでは脱窒に外部酢酸ナトリウムを使用し、窒素除去量と負荷はそれぞれ4.35 mg・L-1と0.024 kg・(m3・d)-1でした。脱窒に消費される計算された COD/TN は 4.66±0.57 でした。酢酸ナトリウムは低分子有機酸塩であるため微生物が利用しやすく、原水中の複雑な有機炭素源よりも脱窒効率が高い。再構築後、流入水は良好な生分解性を有しており、脱窒要件は基本的に前無酸素ゾーンを通じてのみ満たすことができ、それにより、無酸素後脱窒に対する圧力と外部炭素源の量が減少しました。- NH₃-N 除去の場合、実際の運転中の MBBR ゾーンの DO は 2〜4 mg・L⁻¹ で、流入および流出の NH3-N 濃度から計算されたシステムの NH3-N 除去率は 98.67%±3.14%でした。

実際の下水処理施設の運転では、降雨や融雪などの自然要因、企業の増加や一時的な業務異常などの産業要因、休日や特別なイベントなどの社会要因によって、影響による品質ショックが発生することがよくあります。生物処理システムの耐衝撃性の向上は、プラントを安全かつ安定的に稼働させる鍵となっています。システムの最大許容負荷を検証するために、高基質および高 DO での硝化実験室テストが実施されました。同時に、ハイブリッド MBBR システムにおける浮遊担体の実際の役割を検証するために、3 つのグループの実験 (ハイブリッド、純粋なバイオフィルム、および純粋な汚泥) が 2 回設定されました。-試験中の各システムの NH₃-N の変化を以下に示します。図5。流入水のNH₃-Nが25 mg・L⁻¹の場合、ハイブリッドおよび純粋な-バイオフィルムシステムでは、それぞれ2.5時間と3.0時間でNH₃-Nが1.5 mg・L⁻¹未満に減少しましたが、純粋な-スラッジシステムでは、試験期間全体を通してNH₃-Nの減少がはるかに遅かったです。純粋な-スラッジ、純粋な-バイオフィルム、およびハイブリッドシステムの計算された平均硝化体積負荷は、それぞれ0.072、0.215、および0.286 kg・(m3・d)-¹でした。式(1)によれば、活性汚泥の存在下で、MBBRシステム内の懸濁担体の体積負荷は0.214kg・(m3・d)-1であり、これは純粋な-バイオフィルムグループの測定負荷と有意な差はなかった。同様の担体充填率を有するハイブリッド MBBR プロセスを使用する他のプラントと比較して、このプロジェクトにおける懸濁担体の最大硝化負荷も比較的高いレベルにありました。これは、高流入負荷条件下で懸濁担体の物質移動のさらなる強化と機能性細菌の活性の増加に関連している可能性があります。さらに、活性汚泥の組み合わせにより、高基質および高DO条件下での最大硝化体積負荷は0.286 kg・(m3・d)⁻¹に達し、設計負荷(0.275 kg・(m㎥・d)⁻¹)を満たし、設計期待を満たしています。

このプロジェクトで生物学的システムの最大許容負荷を定量的に分析するため、実験室試験で測定されたハイブリッドシステムの体積負荷に基づいて、流路に沿った流入水質データと組み合わせて、システムは安定した流出水NH3-Nコンプライアンスを確保しながら、1.23×105m3・d⁻¹（システム硝化負荷と水力滞留時間の間の正の線形関係を仮定して計算）の最大処理能力に耐えることができました。これは、このプロジェクトの実際の冬季処理能力と比較して 30.57% の増加であり、システムの水力滞留時間はさらに 3.43 時間に短縮されます。同様に、改築後の実際の処理能力に基づくと、生物タンクの許容流入水NH3-N濃度は55mg・L-¹と高く、このプロジェクトの実際の冬季流入水NH3-Nの平均値と比較して56.96%増加した。

本プロジェクトのハイブリッドMBBRシステムにおける浮遊担体の役割については、式(2)によれば、本プロジェクトにおける浮遊担体バイオフィルムの硝化寄与率は74.83%であった。低温条件下では、懸濁担体がハイブリッド MBBR システムの硝化の主要な要因となっていることがわかります。文献報告と組み合わせると、冬季の低温下では、活性汚泥系は緩い構造と高い比表面積によって制限され、放熱性能が良好で内部微生物の断熱性が低く、硝化性能の低下につながると分析されています。対照的に、懸濁担体上のバイオフィルムは、その緻密な構造と高い EPS 保護の恩恵を受けて、バイオフィルムの内層に良好な断熱性を提供し、したがって低温条件下で良好な硝化性能を保証します。-。さらに、このプロジェクトによる流れに沿った測定結果では、MBBR ゾーンで顕著な TN 除去現象が示されました。好気ゾーンに沿った NH₃-N 濃度の変化と再循環率を組み合わせると、計算された TN 除去量は (3.42±0.11) mg・L⁻¹、寄与率は 9.83%±0.67% となり、システム内に SND 効果が存在することが示されました。

2.3 SND効果の検証と影響要因の分析

現在、MBBR プロセスを適用するほとんどの廃水処理プラントでは、好気ゾーンでの窒素除去が観察され、一般に 3 ～ 8 mg/L-¹ の TN が除去されます。この現象の原因は主にバイオフィルムの SND 効果によるものと考えられます。つまり、溶存酸素の浸透能力が弱まると、バイオフィルムの内層に無酸素/低酸素層が形成され、脱窒細菌が豊富になる条件が提供され、SND窒素除去の基礎が築かれます。

好気性 SND の発生源をさらに確認するために、図に示すように、好気性バイオフィルムを使用した脱窒実験室試験が実施されました。図6。テスト期間全体を通じて、NO3-N の減少は比較的穏やかかつ均一で、システムは 120 分で 3.72 mg・L-1 の硝酸態窒素を除去しました。システムによって消費された平均 C/N は 3.43±0.05 でした。理論上、脱窒に必要なC/Nは2.86です。生物同化による消費や原水中の DO を考慮すると、必要な C/N は一般的に 4 以上に達します。しかし、本プロジェクトの浮遊担体による窒素除去に必要な C/N は、一般的な微生物脱窒に必要な C/N よりも低かったです。 MBBRゾーンの懸濁担体がSND窒素除去を発揮する際、主にバイオフィルムの老化や溶解により生成する内部炭素源を電子供与体として利用するため、一般に原水中の有機物（外部炭素源）の利用率は低いと推測されます。脱窒のための内部炭素源として老化したバイオフィルムを使用することは、MBBR プロセスのスラッジ生成が少ない可能性があることも示唆しています。試験期間全体をノードとして使用して、好気性バイオフィルムの計算された脱窒体積負荷は、(0.045±0.003) kg・(m3・d)-1 でした。好気ゾーンに添加された懸濁担体上のバイオフィルムには脱窒効果があり、バイオフィルム内で硝化と脱窒が同時に起こっている証拠が得られました。

SND は、このプロジェクトにおける改良のための MBBR プロセスの適用後の有益な効果として、システムの TN 除去率をさらに改善し、脱窒のための外部炭素源への依存をある程度減少させました。好気性 SND 効果をさらに増幅するために、最適化された操作の観点から、MBBR ゾーンの SND 効果に対する流入水および流出水の水質および制御パラメーターの影響がさらに調査されました。流入硝酸態窒素 (NO₃-Ninf)、流出硝酸態窒素 (NO₃-Neff)、流入有機物 (CODinf)、流出有機物 (CODeff)、流入アンモニア態窒素 (NH₃-Ninf)、流出アンモニア態窒素などの制御パラメータの長期追跡を通じて-冬を通しての MBBR ゾーンの (NH3-Neff)、全窒素除去 (ΔTN)、および DO の主成分分析 (PCA) を使用して、これらのパラメーター間の相関関係を調査しました。結果は次のとおりです。図7。好気性ゾーンのΔTN は DO と比較的有意な負の相関を示しましたが、CODinf、CODeff、NO3-Ninf との相関は明らかではありませんでした。 DO が高すぎると、バイオフィルム内での物質移動がより徹底的になり、内部に無酸素ゾーンを形成することが困難になります。これは脱窒プロセスにとって好ましくなく、SND 効果を阻害します。さらに、MBBR ゾーンの CODinf と NO₃-Ninf は、懸濁キャリアの SND 効果に大きな影響を与えませんでした。一方では、これはバイオフィルムの SND プロセスが主に外部炭素源ではなく内部炭素源を使用することを再度証明します。一方、MBBRゾーンのSNDによって除去されるNO₃-Nは流入NO₃-Nからではなく、主に好気槽内の硝化によって生成されるNO₃-Nから生じることも示しています。 NO₃-Neff は、好気性ゾーンでは ΔTN と負の相関があります。好気ゾーンにおける硝化と SND の複合作用の結果として、一方では、DO が高いほど硝化が促進され、流出 NO3-Neff が増加します。一方、DO が高くなると、SND が低下し、窒素除去がより阻害され、さらに流出 NO3-Neff が増加します。

「測定可能かつ制御可能な」SND を実現し、プラント運転制御の指針を提供するために、手動制御可能な DO を独立変数として選択し、ΔTN を従属変数として線形回帰分析に使用しました。結果は次のとおりです。図8(a)。プラントのMBBRゾーンの実際のDOが2.06〜3.67 mg・L⁻¹の場合、SND効果が存在し、2.36〜4.10 mg・L⁻¹の窒素除去が行われ、ΔTNとDOは基本的にΔTN=6.0040 – 0.9579 DO (R²=0.9734)を満たしました。さらに、近似曲線を使用して、理論的には、DO が 6.27 mg・L-1 以下に制御されている場合、MBBR ゾーンが SND 窒素除去効果を発揮できることが計算されました。これは、Wang Xuejiang らの結論と一致しています。 MBBR システムの SND 効果に対する DO の影響を研究したところ、DO が 6.0 mg・L⁻¹ もの高さであっても TN 除去率が依然として 30% を超える可能性があることがわかりました。ただし、この値はフィッティングにより得られた理論値であり、実際の適用効果についてはその後の運用でさらに検討する必要があることに注意してください。さらに、DO の規制はシステムの硝化効果にも同時に影響を及ぼし、それによって NH3-N の除去効率にも影響を与えることを考慮する必要があります。そこで、DOを独立変数、ΔNH₃-Nを従属変数とした線形回帰分析の結果を図8(b)に示します。冬季の MBBR ゾーンの平均流入水 NH₃-N (10.47 mg・L⁻¹) と計画排水基準 (1.50 mg・L⁻¹) から、ΔNH₃-N は 8.97 mg・L⁻¹ 以上に管理すべきと計算される。線形回帰の結果と組み合わせると、DO は 2.47 mg・L⁻¹ 以上に制御される必要があります。要約すると、このプロジェクトの DO が 2.06 ～ 3.67 mg/L⁻¹ の場合、SND 効果が存在しました。しかし、曝気エネルギー消費量を削減しながら排出アンモニア態窒素基準を満たすという原則に基づいて、DO はシステムの SND 効果が最適となる 2.47 mg・L⁻¹ 付近に制御でき、3.64 mg・L⁻¹ の TN を除去できます。

バイオフィルムの SND 効果に対する運転パラメータの影響を検証し、一般的なパターンを得るために、MBBR プロセスを適用した 6 つの廃水処理プラントの異なる運転条件下での SND 効果を比較しました。結果は次のとおりです。表2。まず、各プラントの好気域のDOは2〜3 mg・L⁻¹にほぼ制御され、汚泥濃度は3.0〜4.0 g・L⁻¹であった。これらの条件下では、比較的明白な SND 効果が達成される可能性があります。このプロジェクトにおけるΔTNとDOのフィッティング結果によると、DOが6.27 mg・L⁻¹未満に制御されると、SND効果が発生する可能性があります。このプロジェクトでは、冬季に比較的厚いバイオフィルムが存在し、DO に対する耐性がより強かった。第二に、汚泥濃度が最も低いプラント B が最も優れた SND 効果を示しました。キャリア充填率が高い植物 A、D、および E では、より明らかな SND 効果があり、これらはすべて、ハイブリッド MBBR システムでは、SND 現象が主にバイオフィルムに由来することを示しています。

要約すると、このプロジェクトでは、DO の制御による SND 効果の強化に加えて、システム汚泥を約 3.0 g・L⁻¹ まで段階的に削減することも試み、低汚泥濃度による生物膜厚さの培養と無酸素層の形成により良い条件を提供し、それによってさらなる SND 性能のための条件を提供することができます。

2.4 窒素-除去細菌群構成の分析

汚泥相とバイオフィルム相の間の種の豊富さと多様性の違いに関しては、2 回のアンプリコン配列決定の結果の小さな違いに基づいて、1 セットのデータが分析用に選択されました。に示すように、図9、チャオ指数、エース指数、シンプソン指数は微生物群集の豊かさと分布の均一性を特徴づけるのに対し、シャノン指数は微生物群集の多様性を表します。 Chao 指数と Ace 指数が高いほど OTU が豊富であることを示し、Simpson 指数が低いほど種分布の均一性が高いことを示し、Shannon 指数が高いほど群集の多様性が高いことを示します。その結果、種の豊富さと多様性の両方が活性汚泥よりもバイオフィルムの方が著しく高く、バイオフィルム内の種の分布も活性汚泥よりも均一であることが示されました。生物膜と活性汚泥の OTU の総数はそれぞれ 1,652 と 1,372 で、共有 OTU は 770 で、それぞれ生物膜と活性汚泥の総 OTU の 46.6% と 56.1% を占めました。バイオフィルムには 882 個の固有の OTU があり、全 OTU のほぼ 40% を占めました。バイオフィルムには、元の活性汚泥には存在しなかった微生物の一部が濃縮されていることがわかります。懸濁担体の添加により、システム内の微生物群集の豊富さと多様性が大幅に増加し、より複雑な微生物群集の構成により、MBBR システムの耐衝撃性の基礎も築かれました。

バイオフィルムと活性汚泥の間の優占種と機能的な細菌組成の違いをさらに理解し、バイオフィルム内のSND現象を顕微鏡で裏付けるために、属レベルでの微生物組成を分析しました。に示すように、図10、このプロジェクトの生物系における優勢な種には、norank_f_Caldilineaceae、norank_f_JG30-KF-CM45、Nitrospira、Pedomicrobium、SWB02 が含まれていました。その中で、norank_f_Caldilineaceae と norank_f_JG30-KF-CM45 は生物膜と活性汚泥の両方で濃縮されており、生物膜と活性汚泥中の相対存在量はそれぞれ 3.05、5.69%、7.06、3.08% でした。 norank_f_Caldilineaceae はほとんどが糸状細菌であり、一部の属には脱窒能があります。バイオフィルムは増殖のためにより多くの EPS を分泌できるため、それらはバイオフィルムに濃縮されました。一方で、活性汚泥中に PAO として濃縮することもでき、リンの除去を促進します。 norank_f_JG30-KF-CM45 は炭素と窒素の変換プロセスに参加し、有機物と窒素の除去を強化します。

文献報告によると、MBBR プロセスは、ニトロスピロタ菌、ニトロソモナス菌、ニトロランセア菌などの硝化細菌を低温で効率的に濃縮できることがわかっています。このプロジェクトの主要な硝化属は、完全な硝化能力を持つニトロスピラでした。バイオフィルムおよび活性汚泥中のその相対存在量は、それぞれ 4.73% および 0.39% でした。文献報告によると、冬の低温下で活性汚泥システムを使用する他のプラントにおける硝化細菌の相対存在量は、ほとんどが 1% 未満です。このプロジェクトでハイブリッド MBBR を再構築した後、活性汚泥中の硝化細菌の相対存在量は比較的低く、前述のように、低温条件下で MBBR システム内に硝化細菌が再分布している証拠が得られました。-このプロジェクトのバイオフィルム中のニトロスピラの相対存在量は、活性汚泥中のニトロスピラの相対存在量の 10 倍以上であり、システム内の硝化細菌の 92% 以上がバイオフィルム中に濃縮されていると計算されました。これは低温条件下での MBBR プロセスの利点であり、システムの安定した動作が保証されます。-

バイオフィルムにおける SND 現象に関しても、懸濁担体は一部の脱窒菌に対して活性汚泥よりも強い濃縮能力を示しました。研究により、SWB02 とペドミクロビウムの両方が脱窒プロセスに関与することができ、SWB02 は汚泥のバルキングに優れた抑制効果を持つ C6- HSL を分泌できることが示されています。バイオフィルム中の SWB02 とペドミクロビウムの相対存在量はそれぞれ 3.68% と 3.78% であり、活性汚泥中の相対存在量 (0.21% と 0.22%) よりもはるかに高かった。さらに、ハイブリッドシステム全体における SWB02 とペドミクロビウムの割合は、両方とも 94.5% 以上であると計算されました。懸濁担体は好気ゾーンでのみ添加されましたが、成熟したバイオフィルムは一定の厚さを持っています。物質移動と酸素移動の制限により、無酸素/低酸素環境がバイオフィルムの内層に存在し、脱窒細菌が豊富になり、バイオフィルムに脱窒能力が与えられます。これは、バイオフィルムの硝化と脱窒を同時に行う能力の微生物学的基礎です。さらに、ハイフォミクロビウムは低温環境でも濃縮できることが分かりました。この属は、脱窒のために有毒で難治性の有機化合物を使用することができます。バイオフィルム中のその相対存在量は 1.80% であり、これも活性汚泥中のその相対存在量 (0.12%) よりもはるかに高かった。

他の植物のバイオフィルムにおける優勢な脱窒細菌 (DNB) とその相対的な存在量を比較した結果を以下に示します。表3。まず、好気性バイオフィルム中の脱窒菌の組成に関して、各プロジェクトの好気性バイオフィルムに富む脱窒菌の種類が一致していなかった。唯一繰り返し出現した属は Terrimonas と Hyphomicrobium でした。テリモナスも活性汚泥システムで一般的な脱窒細菌であり、ハイフォミクロビウムと同様にアントラセン化合物を分解することができ、一部は好気性脱窒細菌として分類されます。これら 2 つの細菌は、プラント F、H、およびこのプロジェクトに登場しました。 H 工場とこのプロジェクトは実際の操業中に頻繁に工場廃水の影響を受けており、工業用水の特有の水質がこれら 2 つの細菌群が濃縮された理由の 1 つである可能性があります。したがって、好気性バイオフィルム中の特定の脱窒属は SND の必要条件ではなく、異なるプロジェクト間の水質の違いが脱窒菌群の違いの主な理由である可能性があると推測できます。第二に、好気性バイオフィルム中の脱窒細菌の相対存在量に関して、植物F、Hおよび本プロジェクトを除く他のプロジェクトでは、好気性バイオフィルム中の脱窒細菌の相対存在量約8%を達成し、SND窒素除去量は2 mg・L⁻¹を超えました。工業用水の影響により、プラント H および本プロジェクトの好気性バイオフィルム中の脱窒菌の存在量は相対的に高かったものの、脱窒効率は特に優れたものではありませんでした。好気性生物膜の脱窒菌の種類の選択には流入水質の優先度が高く、工業用水の影響により好気性生物膜の脱窒効率が阻害されることがわかる。

要約すると、MBBR プロセスはシステム内の微生物群集の豊かさと多様性を大幅に増加させることができます。バイオフィルムの硝化属ニトロスピラの濃縮能力は活性汚泥の 10 倍以上であり、システムの硝化効果を大幅に高めます。 SWB02、ペドミクロビウム、ハイフォミクロビウムなどの脱窒属は好気性バイオフィルムに豊富に含まれており、SND 性能の顕微鏡的基盤を提供し、TN 除去を強化します。ただし、工業用水の影響により、SNDの脱窒効率はあまり高くありません。

3 結論

① 中国南西部の下水処理施設は、元の CASS タンクを Bardenpho-MBBR 生物タンクと沈殿タンクにアップグレードして、クラス A から準-クラス IV 基準へのアップグレードを達成しました。再建後は、9.3～13.1度の冬季水温下で、平均流入水NH₃-NおよびTN負荷量が再建前と比較して約20%増加したため、排水指標は安定して準-クラスIVの水質基準を満たしました。 MBBR システムの最大硝化負荷は 0.286 kg・(m3・d)⁻¹ に達し、設計の期待を満たしました。懸濁担体の硝化寄与率は74.83%であり、優位な位置を占めた。このシステムには、水質を 56.96%、流量を 30.57% 向上させる可能性がまだあります。

② MBBR ゾーンでは、懸濁キャリアが内部炭素源を利用して SND 効果を発揮し、窒素除去寄与率 9.83%±0.67% を達成します。 SND 効果を増幅するには、実際の操作では DO を 2.47 mg・L⁻¹ にできる限り制御する必要があります。SND は 3.64 mg・L⁻¹ の TN を除去できます。その後、バイオフィルムの SND 効果をさらに増幅する条件を提供するために、汚泥濃度を約 3.0 g・L-1 までさらに低下させる試みがなされる可能性があります。

③ MBBR プロセスにより、システム内の微生物群集の豊かさと多様性が大幅に増加しました。硝化属ニトロスピラのバイオフィルムの濃縮能力は活性汚泥の 10 倍以上であり、このプロジェクトで硝化を強化するための微生物学的基礎を提供しました。 SWB02、ペドミクロビウム、ハイフォミクロビウムなどの好気性バイオフィルムに豊富に含まれる脱窒属は、バイオフィルム内で SND 現象が発生するための微視的な基盤を築きました。