中低温での窒素除去のための多段式 A/O-MBBR システムに関する-規模のパイロット研究-
概要
近年、中国は水環境管理において大きな成果をあげているが、依然として水資源不足、水環境汚染、水生態環境破壊などの課題を抱えている。水資源の保護、水質汚染の防止、水生態系の回復の観点から、廃水処理の効率と有効性の改善を継続的に推進することは、水資源利用率の向上、水環境の質の改善、国民生活の質の向上、生態環境の構築の加速、そしてきれいな水をめぐる戦いの勝利にとって非常に重要です。現在、既存の国の「都市下水処理場の汚染物質排出基準」(GB18918-2002)に基づいて、地方自治体は都市下水処理場の排水水質に対する新しい要件を次々と提案しており、特に有機物、アンモニア性窒素、全窒素などの指標に対する要求が厳しくなっています。活性汚泥法に代表される従来の水処理技術は、低温での生物学的硝化が制限されるなどのボトルネックに直面しています。多くの研究により、活性汚泥プロセスの硝化性能は低温条件下で大幅に低下し、深刻な汚泥の増量や生物学的スカムなどの問題が伴うことが示されています。-したがって、排水処理分野においては、低温ボトルネックを打破し、安定的かつ効率的に生物学的窒素除去を実現することが喫緊の課題となっている。移動床バイオフィルム リアクター (MBBR) 技術は、世界中の何百もの廃水処理プラントに適用されています。リアクター内でのバイオフィルムの付着成長状態とその継続的な再生能力により、バイオマスが高いだけでなく、高い活性も維持されます。北欧諸国での適用実績からも、活性汚泥法と比較して低温適応性が強いことが示されています。
このため、中国の都市廃水の特性を対象としたこの研究では、MBBR と生物学的窒素除去のための多段階無酸素/酸素 (A/O) プロセスの利点を利用して、3 段階の-A/O-MBBR パイロット-スケール システム。中低温条件下でのシステムの有機物、アンモニア態窒素、全無機窒素の除去能力が調査されました。-静的実験条件下でのバイオフィルムの硝化能力と形態学的変化が分析され、低温条件下で都市下水からの安定的かつ効率的な窒素除去の達成と、多段 A/O- MBBR システムの構築と制御に技術的サポートが提供されました。-
1. 材料と方法
1.1 パイロット-規模のシステムの実験セットアップと動作モード
構築された 3 段階の A/O-MBBR パイロット-スケール システムのプロセス フローを以下に示します。図1。パイロット-システムは、無酸素/酸素（A/O）の 3 段階で構成され、合計 10 の反応ゾーンに分割されています。最初の-ステージA/O-MBBR サブシステムは、無酸素反応ゾーン (A1、A2) と好気反応ゾーン (O3、O4) で構成されます。第 2 段階-A/O-MBBR サブシステムは、無酸素反応ゾーン (A5、A6) と好気反応ゾーン (O7、O8) で構成されます。第三段階-A/O-MBBR サブシステムは、無酸素反応ゾーン (A9) と好気反応ゾーン (O10) で構成されます。有効量は、前述の各反応ゾーンは 1.4 m3 (1m * 1m * 1.4m) で、有効水深は 1.4 m です。. 比表面積 500 m2/m3 の浮遊バイオフィルム担体 (媒体) を各反応ゾーンセグメントに追加し、すべての担体充填率を 35% にしました。。無酸素反応ゾーンでは機械混合を使用して担体の流動性を維持し、一方、有孔パイプエアレーションを好気反応ゾーンで使用して、担体の流動性を制御しました。溶存酸素濃度 3～9 mg/L.
パイロット規模のシステムの実際の流入速度は、反応ゾーン A1 と O5 に設定された入口点と 1:1 の流入比を備えた 2 点流入分布を使用して、(23.6 + 5.4) m3/日でした。-パイロット-スケール システムには 2 セットの硝化液再循環 (O4 から A1 へ、および O8 から A5 へ) があり、再循環率は 100% ～ 200% (各ステージの流入速度に基づく) でした。脱窒後の適切な処理を確保するために、A9 反応ゾーンに外部炭素源として 50-90 mg/L の酢酸ナトリウム (COD として計算) を追加しました。実験研究全体は 2 つのフェーズに分けられました。フェーズ I- 常温 (18-29 度)。フェーズ II - 中〜低温 (10〜16 度)。
1.2 試験水
パイロット テストは、青島市の都市下水処理施設の現場で実施されました。{0}試験水は、このプラントの一次沈殿槽の排水から採取され、浮遊選鉱による強化された前処理の後、パイロットシステムに導入されました。強化浮遊選鉱前処理後の水質状態を以下に示します。表1.
1.3 検出指標と検出方法
1.3.1 従来の指標
SCOD、NH₄⁺-N、NO₂⁻-N、NO₃⁻-N、SS、MLSS、MLVSS などの従来の指標は、「上下水のモニタリングと分析方法」の標準方法を使用して測定されました。溶存酸素、温度、pH、ORP を測定しました。ポータブル溶存酸素計（HACH HQ40d）。バイオフィルムの厚さは、倒立蛍光顕微鏡（オリンパス、IX71）.
1.3.2 硝化静的実験
システムの動作中、静的反応条件下でのバイオフィルムの硝化能力を測定するために、好気ゾーンからのキャリアを定期的にサンプリングしました。各好気性反応ゾーンからの担体を、パイロットシステムと同じ３５％の充填率で５Ｌ反応器に入れた。試験水は、質量濃度 20-25 mg/L (N として計算) の人工的に構成された NH4Cl 溶液でした。実験中、溶存酸素を 7 ～ 11 mg/L に制御しながら、担体の流動性を維持するために小型エア ポンプを使用して曝気しました。試験期間は２時間で、サンプリング間隔は３０分で、ＮＨ4+−Ｎ濃度の変化を測定して、静的反応条件下でのバイオフィルムの硝化能力を計算した。
2. 結果と分析
2.1 3 段階 A/O-MBBR パイロット システムの運用パフォーマンス
3 段階の A/O{0}{1}MBBR パイロット システムの運用パフォーマンスを次の表に示します。図2。常温段階（フェーズ I）では、反応温度 18-29 度、処理流量（23.6+5.4）m3/d、炭素源投与量 50 mg/L（COD として計算、以下同じ）で、第 3- 段階 A/O-MBBR サブシステムの無酸素ゾーン、システムの流入物 SCOD、 NH4+-N、TIN 濃度はそれぞれ (160±31)、(35.0±7.2)、(35.8±7.0) mg/L、処理排水濃度はそれぞれ (27±8)、(0.6±0.5)、(2.7±2.2) mg/L であった。平均除去率は 83.1%、98.3%、92.5% に達します。中低温段階（フェーズ II）では、反応温度 10-16 度、同じ処理流量（23.6+5.4）m3/d、およびシステムの流入 SCOD である第 3 段階 A/O-MBBR サブシステムの無酸素ゾーンでの炭素源投与量 50-90 mg/L を使用します。 NH4+-N および TIN 濃度はそれぞれ (147±30)、(38.3±2.1)、および (39.6±2.3) mg/L であり、排水濃度はそれぞれ (26±6)、(0.4±0.6)、および (6.8±3.6) mg/L でした。平均除去率は 82.3%、99.0%、82.8% に達します。さらに、炭素源投与量が 50 mg/L であったシステム操作の 56-62 日目の間に、A9 反応ゾーンに顕著な NO₂⁻-N の蓄積が現れました。しかしながら、炭素源の投与量を９０ｍｇ／Ｌまで徐々に増加させた後、Ａ９反応ゾーンにおけるＮＯ2-Ｎの蓄積は徐々に消失し、流出液のＴＩＮ濃度は妥当なレベルまで減少した。
2.2 反応温度の違いによる各好気反応ゾーンのバイオフィルム硝化能の変化
3 段階 A/O-MBBR システムの硝化能力の変化を全体的な観点から評価するために、異なる反応温度下での各好気反応ゾーンにおける NH₄⁺-N 硝化寄与率とバイオフィルムの硝化能力を分析しました。その結果を以下に示します。図3と4、 それぞれ。
図 4 異なる反応温度における第 1 段階と第 2 段階の A/O- MBBR サブシステムの好気ゾーンにおける硝化除去負荷とフィッティング曲線
から図33 つの-ステージ A/O-MBBR システム内では、2 点の流入により、最初の-ステージ A/O-MBBR サブシステムの O3 および O4 反応ゾーンと、2 番目の-ステージ A/O-MBBR サブシステムの O7 および O8 反応ゾーンがシステムの主な硝化負荷を担っていることがわかります。通常の温度条件と中低温の条件の両方で、-これら 2 つのサブシステムの NH4⁺-N 硝化寄与率は、それぞれ 43.1%、49.6%、33.8%、54.0% でした。。これは、中低温条件下では、第 2 段階のサブシステムの NH₄⁺-N 硝化寄与率が、第 1 段階のサブシステムよりも 20.2% 高いことを示しています。-
から図4(a)および(c)常温での O3 および O7 好気性反応ゾーンのバイオフィルムの場合、それらは硝化機能と組み合わせた有機物分解のための 3 段階の A/O- MBBR システムの主要な反応ゾーンであることがわかります。担体表面積当たりのSCOD除去負荷（略称「SCOD除去負荷」、CODとして計算）が2.0g/(m2・d)未満であり、担体表面積当たりの硝化負荷（略称「硝化負荷」、Nとして計算）が1.6g/(m2・d)未満の場合における、担体表面積当たりの硝化除去負荷（略称「硝化除去負荷」、Nとして計算）と、硝化負荷は、それぞれ 0.83 と 0.84 の傾きを持つ一次線形反応に従いました。-硝化負荷が 1.6-6.0 g/(m²・d) に増加すると、硝化除去負荷と硝化負荷の関係はゼロ次反応に従い、対応する平均硝化除去負荷はそれぞれ 1.31 および 1.34 g/(m²・d) でした。-。 SCOD除去負荷が2.0-4.0g/(m²・d)、硝化負荷が1.6-6.0g/(m²・d)の場合、硝化除去負荷と硝化負荷の間のゼロ次反応関係は変化しないものの、対応する平均硝化除去負荷はそれぞれ0.95および0.97g/(m²・d)に減少した。中低温下での O3 および O7 好気性反応ゾーンのバイオフィルムでは、SCOD 除去負荷が 2.0 g/(m2・d) 未満、硝化負荷が 1.1 g/(m2・d) 未満の場合、硝化除去負荷対硝化負荷の直線勾配はそれぞれ 0.71 および 0.81 に減少しました。硝化負荷が 1.1 ～ 6.0 g/(m²・d) に増加すると、対応する平均硝化除去負荷はそれぞれ 0.78 および 0.94 g/(m²・d) に減少し、常温条件と比較して 40.4% および 19.4% の減少に相当します。 SCOD 除去負荷が 2.0 ～ 4.0 g/(m²・d) に増加すると、対応する平均硝化除去負荷はそれぞれ 0.66 および 0.91 g/(m²・d) に減少し、常温条件と比較して 30.5% および 6.2% の減少に相当します。 O3 反応ゾーンにおけるバイオフィルムの硝化能力は、HEM らの研究結果と一致していました。対応する条件下で。しかし、中低温条件下では、O3 反応ゾーンのバイオフィルムと比較して、O7 反応ゾーンのバイオフィルムがより強い硝化能力を示したことは注目に値します。
から図4(b)および(d)から、常温における O4 および O8 好気性反応ゾーンのバイオフィルムの場合、それらは主に補助的な硝化機能を担う 3 段階の A/O- MBBR システムの反応ゾーンであることがわかります。 SCOD 除去負荷が 1.0 g/(m²・d) 未満、硝化負荷が 1.3 g/(m²・d) 未満の場合、硝化除去負荷と硝化負荷の関係は、それぞれ 0.86 と 0.88 の傾きを持つ一次線形反応に従いました。-硝化負荷が 1.3-3.0 g/(m²・d) に増加すると、硝化除去負荷と硝化負荷の関係はゼロ次反応に従い、対応する平均硝化除去負荷はそれぞれ 1.11 および 1.13 g/(m²・d) でした。中低温条件下では、SCOD 除去負荷が 1.0 g/(m2・d) 未満、硝化負荷が 1.0 g/(m2・d) 未満の場合、硝化除去負荷と硝化負荷の直線傾きはそれぞれ 0.72 と 0.84 に減少しました。硝化負荷が 1.0 ～ 3.0 g/(m2・d) に増加すると、対応する平均硝化除去負荷はそれぞれ 0.72 および 0.86 g/(m2・d) であり、常温条件と比較して 35.1% および 23.9% の減少に相当します。
上記の分析から、中低温では、各反応ゾーンにおける硝化除去負荷とバイオフィルムの硝化負荷との関係の変曲点が常温に比べて早く発生することがわかります。{0}この現象はSAFWATの研究結果と比較的一致しています。全体として、システムの各好気ゾーンにおけるバイオフィルムの硝化能力は中低温下では低下傾向を示しましたが、-第 2 段階 A/O-MBBR サブシステムの O7 反応ゾーンのバイオフィルムの硝化能力は、O3 反応ゾーンと比較して 20.5% ～ 37.9% 増加し、O8 反応ゾーンのバイオフィルムの硝化能力は、O4 反応ゾーンと比較して約 19.4% 増加しました。。これは、3 段階 A/O-MBBR システムにおける第 2 段階反応ゾーンの設定が、システム全体の硝化能力の向上に有益であることを示しています。-
2.3 反応温度の違いによる各無酸素反応ゾーンのバイオフィルム脱窒能力の変化
3 段階 A/O- MBBR システムの脱窒能力の変化を全体的な観点から評価するために、この研究では、異なる反応温度下で各無酸素反応ゾーンのバイオフィルムの脱窒能力を分析しました。その結果を以下に示します。図5.
図 5 異なる反応温度における 3 段 A/O- MBBR システムの各無酸素ゾーンにおける脱窒除去負荷
から図 5(a) および (c)A1 および A5 の酸素欠乏反応ゾーンの場合、基質として原水炭素源を使用する 3 段階の A/O- MBBR システムの主要な脱窒ゾーンであることがわかります。通常および中低温条件の両方において、対応する無酸素脱窒炭素-対-窒素比（ΔCBSCOD / CNOx--N）が 5.0 より大きく、担体表面積あたりの脱窒負荷（「脱窒負荷」と略称、NOx--N として計算）が未満の場合。 0.95 g/(m²・d)、担体表面積当たりの脱窒除去負荷(「脱窒除去負荷」と略記、NOx--Nとして計算)と脱窒負荷との関係は、それぞれ0.87、0.88および0.82、0.84の傾きを有する一次線形反応に従いました。脱窒負荷が 0.95 g/(m²・d) を超えて増加すると、脱窒除去負荷と脱窒負荷の関係はゼロ次反応に従い、対応する平均脱窒除去負荷はそれぞれ 0.82、0.82 g/(m²・d) と 0.78、0.77 g/(m²・d) でした。 ΔCBSCOD / CNOx--N が減少するにつれて、脱窒除去負荷と脱硝負荷の関係の変曲点は前方に移動し、低負荷条件下での直線の傾きは下降傾向を示し、同時に高負荷条件下での平均脱窒除去負荷も下降傾向を示した。これらの結果は、原水炭素源を使用した A1 および A5 反応ゾーンのバイオフィルム脱窒では、炭素対窒素比が脱窒機能を決定する主な要因であり、試験水質条件下では、A1 および A5 の酸素欠乏反応ゾーンの理想的な炭素対窒素比は 5 より大きくなければならないことを示しています。
図5(b)および(d)よりA2 と A6 の酸素欠乏反応ゾーンでは、A1 と A5 の酸素欠乏反応ゾーンが原廃水中の炭素源と再循環流によって運ばれる硝酸塩の大部分を除去して消費したため、A2 と A6 の酸素欠乏反応ゾーンは長期にわたる基質欠乏-の低負荷状態であることがわかります。-したがって、通常および中低温条件下では、ΔCBSCOD / CNOx--Nが1.0〜2.0であり、脱窒負荷が0.50 g/(m²・d)未満の場合、脱窒負荷に対する脱窒除去負荷の直線勾配はそれぞれ0.51、0.40および0.47、0.37にすぎません。さらに,脱窒負荷が0.50〜1.50g/(m2・d)に増加したとき,対応する平均脱窒除去負荷はそれぞれ0.25,0.20および0.20,0.17g/(m2・d)にすぎなかった。しかし、この研究における静的実験の結果は、十分な炭素源と硝酸塩基質の条件下では、A2およびA6の酸素欠乏反応ゾーンにおけるバイオフィルムの脱窒除去負荷がそれぞれ(0.66±0.14)および(0.68±0.11)g/(m2・d)に達する可能性があることを示した。この結果は、A2 および A6 の酸素欠乏反応ゾーンのバイオフィルムが実際には比較的強力な脱窒能力を持っていることを反映していますが、このパイロット システムでは炭素源と硝酸塩基質が欠如しているため、脱窒能力は制限されています。
から図5(e)A9 酸素欠乏反応ゾーンでは、外部から添加された酢酸ナトリウムを脱窒炭素源として使用し、3{1}} 段階 A/O- MBBR システムの最初の 2 段階から流出するすべての硝酸塩の脱窒負荷を担っていることがわかります。通常および中低温条件の両方において、ΔCBSCOD / CNOx--N が 5 より大きく、脱窒負荷が 2.5 g/(m²・d) 未満の場合、脱窒除去負荷と脱窒負荷の関係は、それぞれ 0.93 と 0.94 の傾きを持つ一次線形反応に従いました。-。しかし、ΔCBSCOD / CNOx--N が減少するにつれて、脱窒除去負荷と脱窒負荷の関係の直線の傾きは下降傾向を示しました。この結果はまた、外部炭素源を使用する A9 反応ゾーンでのバイオフィルム脱窒の場合、炭素対窒素比も脱窒機能を決定する主な要因であり、必要な脱窒炭素対窒素比は 3 より大きいことを示しています。同時に、反応温度の変化が脱窒機能に及ぼす影響は比較的小さいです。
2.4 静的実験条件下での各好気反応ゾーンにおける硝化能力とバイオフィルムの形態的特徴
静的実験条件下での各好気性反応ゾーンにおけるバイオフィルムの硝化能力を以下に示します。図6。図6から、常温下では、O3、O4、O7、O8好気反応ゾーンにおけるバイオフィルムの硝化能は、それぞれ(1.37±0.21)、(1.23±0.15)、(1.40±0.20)、(1.25±0.13)g/(m2・d)であったことが分かる。中低温下では、対応する好気性反応ゾーンにおけるバイオフィルムの硝化能力は、それぞれ (1.07±0.01)、(1.00±0.04)、(1.08±0.09)、(1.03±0.05) g/(m²・d) であり、21.9%、18.7%、22.9%、および常温比17.6％。これらの静的実験結果は、パイロット システムでの測定値の傾向と一致しています。さらに、静的実験条件下で各好気ゾーンで測定されたバイオフィルムの硝化能力は、パイロットシステムでの実際の値よりも若干高いことが観察できます。分析では、これは静的実験中に単一のアンモニア態窒素基質を使用し、飽和に近い高溶存酸素条件を使用したため、より高いレベルのバイオフィルム硝化能力がもたらされたことが原因であると考えられています。常温下では、3つの-段階A/O-MBBRシステムのO3、O4、O7、およびO8反応ゾーンの実際の硝化能力は、静的実験での最大硝化能力のそれぞれ95.6%、90.6%、95.7%、および90.4%でした。中低温下では、O3、O4、O7、O8 反応ゾーンの実際の硝化能力はそれぞれ 72.9%、72.0%、87.0%、84.5% に減少しました。
さらなる分析により、常温下で、O3、O4、O7、およびO8好気性反応ゾーンにおけるバイオフィルムの比アンモニア酸化速度（単位質量MLVSSあたりの硝化速度、Nとして計算）は、（0.062±0.0095）、（0.059±0.0072）、（0.060±0.0086）、およびそれぞれ (0.060±0.0063) g/(g・d)。中低温下では、O3 および O4 好気性反応ゾーンにおけるバイオフィルムの比アンモニア酸化速度は、それぞれわずか (0.046±0.0004) および (0.041±0.0016) g/(g・d) であり、常温と比較して 25.8% および 30.5% 減少しました。対照的に、O7およびO8好気性反応ゾーンにおけるバイオフィルムの比アンモニア酸化速度は、それぞれ(0.062±0.0051)および(0.060±0.0029)g/(g・d)であった。常温条件と比較して、O8 反応ゾーンのバイオフィルムのアンモニア酸化能力は変化しませんでしたが、O7 好気性反応ゾーンのバイオフィルムのアンモニア酸化能力は 3.3% も増加しました。この結果は、中低温条件下では、パイロットシステムの第 2 段階反応ゾーンのバイオフィルムが優れた硝化能力を持ち、システム全体の硝化に対する第 2 段階サブシステムの寄与が合理的であることをよく示しています。-
第一段階と第二段階の A/O-MBBR サブシステムの各好気反応ゾーンにおけるバイオフィルム形態の観察結果を図に示します。図7。常温下では、O3、O4、O7、O8好気性反応ゾーンのバイオフィルムの厚さは、それぞれ(217.6±54.6)、(175.7±38.7)、(168.1±38.2)、(152.4±37.8)μmであった。中低温下では、O3 および O4 反応ゾーンのバイオフィルムの厚さはそれぞれ (289.4±59.9) および (285.3±61.9) μm であり、常温でのバイオフィルムの厚さと比較して 33.0% および 62.4% 増加しました。対照的に、O7 および O8 反応ゾーンのバイオフィルムの厚さはそれぞれ (173.1±40.2) および (178.3±31.2) μm であり、常温と比較して 3.0% および 17.0% しか増加しませんでした。いくつかの研究では、バイオフィルムが薄いほどアンモニア酸化能力が強いことが示されており、これはこの研究の実験結果と比較的一致しています。分析では、これはバイオフィルム内の硝化細菌がバイオフィルムの層状構造に垂直に分布しているという事実に起因すると考えられます。過剰なバイオフィルムの厚さは、基質物質移動効率と基質親和性の低下につながります。さらに、中低温条件下では、パイロットシステムの各好気ゾーンの溶存酸素濃度は、静的実験炉の溶存酸素濃度よりもはるかに低かった（3.0〜5.0 mg/Lの差）。特に、O3 および O4 反応ゾーンの厚いバイオフィルムの場合、バイオフィルム内の酸素物質移動能力の低下により、実際の硝化能力が低下しました (静的条件下で測定された最大硝化能力のわずか約 70%)。したがって、純粋なバイオフィルム MBBR の場合、せん断強度を強化することでバイオフィルムの更新を強化し、バイオフィルムの硝化能力を維持するためにバイオフィルムの厚さを合理的に制御する必要があります。
3. 結論
① 反応温度 10{1}}16 度（中低温）、処理流量（23.6±5.4）m3/d、炭素源投与量 50-90 mg/L（COD として計算）の条件下で、第 3- 段階 A/O-MBBR サブシステムの無酸素ゾーン、流出液 SCOD、 3 段階 A/O-MBBR パイロット システムの NH4+-N、および TIN 濃度は、それぞれ (26±6)、(0.4±0.6)、および (6.8±3.6) mg/L でした。平均除去率は 82.3%、99.0%、82.8% に達します.
② 中低温条件下では、第 1 段階と第 2 段階の A/O- MBBR サブシステム間の好気性反応ゾーンのバイオフィルムの違いにより、2 つのサブシステム間でバイオフィルムの硝化能力に差が形成されました。特に最初の-ステージA/O-MBBRサブシステムでは、バイオフィルムの厚さが増加したため、硝化能力が低下しました。バイオフィルムの硝化能力を維持するには、バイオフィルムの厚さを合理的に制御する必要があります。
③ 3 段 A/O-MBBR パイロット システムでは、反応温度の変化が脱窒機能に及ぼす影響は比較的小さかった。異なる反応温度下では、炭素源として原水を使用した場合の脱窒炭素-対-窒素の比は5より大きい必要があり、炭素源として外部から添加された酢酸ナトリウムを使用した場合の脱窒炭素-対-窒素の比は3より大きい必要があります。