下水処理場における高度な窒素除去: 純粋なバイオフィルム MBBR プロセス設計とパフォーマンス分析 |ケーススタディ

高度な窒素除去のための純粋なバイオフィルム MBBR プロセスの工学設計とパフォーマンス

中国の生態文明建設の全面的な進展に伴い、下水処理場（下水処理場）の排出基準はますます厳しくなっている。 「都市廃水処理施設の汚染物質の排出基準」(GB 18918-2002) のグレード A 基準では、TN が 15 mg/L 以下であることが求められていますが、北京や山東省などの地域の基準では、TN が 10 mg/L 以下に明示的に設定されています。これらの高い基準は単なる水質制限を超えており、排水の安定性に対してより厳しい要求が課されています。したがって、処理プロセスの窒素除去能力を高めることが急務となっています。 1 つのアプローチは、脱窒を改善するために既存のプロセスにおける炭素源の投与量を増やすことですが、これは操業コストの上昇と炭素排出量の増加につながります。あるいは、脱窒細菌を効率的に濃縮するバイオフィルム法を多く採用する高度な窒素除去設備を追加すると、TN 除去を強化し、外部炭素源の必要性を減らし、炭素排出量を削減できます。移動床バイオフィルム反応器 (MBBR) は、強力な機能性細菌の濃縮、小さな設置面積、簡単な操作とメンテナンスという利点を備えており、下水処理場の建設、拡張、およびアップグレードに広く適用されています。準クラス IV の地表水質よりも優れた排出基準を安定して達成でき、下水処理場における高度な窒素除去に大きな可能性と利点を秘めています。この記事では、山東省の下水処理場をケーススタディとして取り上げ、高度な窒素除去に純粋なバイオフィルム MBBR プロセスを適用する設計理論的根拠と運用パフォーマンスを分析し、効率的な廃水脱窒のための技術的参考資料を提供することを目的としています。

1. プロジェクト概要

1.1 プロジェクトの紹介

山東省の下水処理場は 2 段階で建設されました。 BIOLAK プロセスを利用した第 1 段階は、2003 年 11 月に正式に稼働し、処理能力は 40,000 m3/日でした。 BIOLAK プロセスのレイアウトとアップグレードに利用可能な領域を以下に示します。図1。当初、排水の水質は GB 18918-2002 のグレード B 基準を満たしていました。 2020 年までに、炭素源注入の強化と高度な処理の追加により、排水の水質はグレード A 基準まで改善されました。 3 年間の稼働後の 2023 年までに、全体的な排水の水質は概ねグレード A 基準を満たすことができましたが、窒素除去に関して 2 つの大きな課題に直面しました。

高炭素源の投与量: TN 15 mg/L 以下の目標を達成するには、かなりの量の外部炭素源が必要でした。プロセスセクションに基づく計算では、C/N 比が 5.9 という高い値を示しましたが、プラントの第 2 フェーズの AAO プロセスでは、安定した TN 準拠を確保するために必要な C/N は 4.5 ～ 5.0 のみでした。大量の炭素源の添加は好気性硝化プロセスにも悪影響を及ぼし、好気性ゾーンでの酸素要求量が増加しました。

窒素除去の安定性が悪い: 硝化と脱窒は異なる要求条件下で同じタンク内で行われるため、流入水の変化に基づいて運転パラメータを頻繁に調整する必要がありました。 NH₃-N と TN の制御は矛盾しており、硝化と脱窒の安定したバランスを維持することが困難でした。システムの耐衝撃性は平均的であり、排水の安定性が劣っていました。

したがって、硝化と脱窒の間の矛盾を解決し、窒素除去の運用コストを削減し、廃液の安定性を向上させることを中心的な目的として、元の BIOLAK プロセスのアップグレードが必要でした。

1.2 アップグレードの課題

BIOLAK プロセスは性能向上のためのタンク内改造には適していないため、新しい高度な窒素除去ユニットを建設して処理を強化する計画でした。{0}元の BIOLAK プロセスは主に硝化に焦点を当て、脱窒を二次として行いましたが、新しいプロセスは脱窒に焦点を当てます。実際の改修ニーズを考慮すると、このプロジェクトは 2 つの大きな課題に直面しました。それは、新しいプロセスに利用できる土地が限られていることと、高い運用効率の要件です。

新しいプロセスに利用できる土地は限られている: 新しい建設は既存の工場敷地内で完了する必要があり、そこには基本的に保留地がありませんでした。建設は、BIOLAK タンクに隣接する緑地帯でのみ可能で、利用可能な面積は 400 平方メートルでした。これは、新しいプロジェクトの処理水単位あたりの設置面積が 0.01 m²/(m³・d) 以下でなければならないことを意味します。

高い運用効率の要件: これは単純なアップグレードではなく、生化学機能ゾーンのさらなる最適化でした。新しいユニットは、20 mg/L の窒素除去負荷に対応できると予想されていました。このプロセスは、限られた土地で完了する必要があるだけでなく、安定した脱窒性能を確保しながら、元の BIOLAK 脱窒と比較して炭素源の投与量を削減する必要がありました。したがって、窒素除去効率と炭素源利用効率の両方に高い要求が課されました。

2. プロセスの比較と選択

BIOLAK プロセスによる処理後の流出液 TN は主に硝酸態窒素から構成されます。現在、成熟した高度な窒素除去プロセスは主にバイオフィルム法を利用しており、微生物が付着した状態で担体表面に効率的に濃縮されることを特徴としており、従来の活性汚泥法に比べて機能性細菌の濃縮効率が大幅に高くなります。バイオフィルム プロセスは、次に示すように、キャリアの流動化に基づいて固定床タイプと移動床タイプにさらに分類できます。-図2。典型的な固定床バイオフィルム プロセスである脱窒フィルターでは、微生物増殖担体として固定粒状濾材が使用されます。{0}外部炭素源を追加することで、バイオフィルムの脱窒と培地の濾過を利用して、NO₃ の同時除去を実現します。^--N、SS、その他の汚染物質。安定した処理水質、二次浄化装置が不要、コンパクトなレイアウトなどの利点があり、二次排水からのTN除去を強化する高度な処理装置として下水処理場の更新に広く使用されています。ただし、運用上の焦点は高度な脱窒効率に対する C/N の影響にある必要があります。屏塘下水処理場の第 1 期アップグレード プロジェクトでも、同様に 40,000 m3/d の処理能力があり、高度な処理プロセスとして脱窒フィルターと高効率の溶存空気浮遊選鉱 (DAF) を使用して、廃水 TN を準クラス IV 地表水基準まで上昇させました。これにより、設置面積約 0.045 m2/(m3·d) が達成され、土地を節約し、効率的な処理が可能になりました。 C/N は 18.34 に達します。廃水TNの新しい地域基準を満たすために、成都No{11}}水再生プラントは、アップグレードプロセスとして高密度沈殿タンクと脱窒深層フィルターを採用し、C/N 5.7を達成し、高基準の下で高度な処理を実現しました。海寧市の定橋下水処理場は、銭塘江流域に求められるグレードA排水基準を満たしていなかった。ガオ・フェイヤら高度な TN 処理に脱窒深床フィルターを使用し、SS と TP を同時に除去し、廃水の品質を準クラス IV 基準に近づけました。しかし、C/N が 15.68 と高く、窒素除去コストが高くなります。さらに、フィルタプロセスでは、通常は空気水洗浄を使用した定期的な逆洗が必要ですが、これは動作の安定性に影響を与える可能性があります。

脱窒フィルターの不安定性のため、硫黄ベースの独立栄養性脱窒（SAD）を脱窒フィルターに適用する研究が注目を集めています。{0} SAD は、嫌気性または無酸素条件下で元素硫黄または硫黄化合物を電子供与体として利用して NO3 を削減します。^--N から N₂ まで。脱窒効率が良く、有機炭素源が不要、運転コストが低く、汚泥の発生量が少ないなどの利点があります。宋清源らは、二次排水に対する SAD フィルターの窒素除去効果を研究しました。パイロット条件を最適化した後、硝酸塩除去率は 95% 以上で安定しましたが、培地消費率は年間 20% に達し、流出硫酸塩濃度の増加と pH の低下を伴いました。 SADによる二次汚染のリスクを回避するために、Li Tianxinらは、硫黄と石灰石の粉末の混合物をペレット化して調製された培地。一定の割合の石灰石を濾床に添加すると、生成された酸性度が中和され、CaSO4 沈殿物が生成され、流出液の硫酸塩濃度が低下し、酸の生成と高硫酸塩レベルの問題に効果的に対処できました。しかし、石灰石はシステム内の電子供与媒体用のスペースを占め、高度な脱窒能力を弱め、流出水の硬度を高め、運用コストを上昇させました。 SAD テクノロジーに関する現在の研究は主に実験室およびパイロット規模であり、参照できるエンジニアリングの経験は不十分です。産業規模での推進の前に、さらなる応用研究が必要です。-

MBBR は流動床バイオフィルム プロセスの代表的なものであり、近年大きな注目を集めている新しい廃水処理技術です。{0}水に近い密度の懸濁担体を使用して微生物を特異的に濃縮し、バイオフィルムを形成して高度な窒素除去を実現します。流動床バイオフィルム プロセスでは、媒体の詰まりや逆洗の問題も回避できます。現在、高度な下水処理場脱窒用の純粋なバイオフィルム MBBR は海外で 20 年以上の成功した運用経験があり、中国ではますます幅広い用途が見られています。鄭志佳ら。高度な脱窒のために 2 段階の純粋なバイオフィルム MBBR プロセスを使用しました。- C/N=4.0 では、システムの流出硝酸性窒素は (1.87 ± 1.07) mg/L で安定し、平均 TN 除去率は 93.3% でした。ある都市の開発区下水処理場では、脱窒を強化するための三次高度処理として新しい MBBR バイオタンクを建設しました。-純粋なバイオフィルム MBBR の無酸素セクションにおける TN 除去負荷は 1.1 g/(m²・d) であり、システムの脱窒の信頼性が向上しました。 Gao Yanbo らは、元のプラントの能力を高めることを目指して、新しい 2 段階の AO 純粋バイオフィルム MBBR バイオタンクを構築しました。-、高い脱窒効率で 5 mg/L 未満の安定した流出水 TN を達成しました。したがって、純粋なバイオフィルム MBBR プロセスは、高い炭素源利用効率、高い処理負荷、小さな設置面積などの利点を組み合わせて、下水処理場における高度な窒素除去に大きな可能性を示しています。ただし、装置に対する要求も高く、安定したプロセス操作をサポートする信頼性の高い装置が必要です。一般的な高度な窒素除去プロセスの比較を以下に示します。表1.

包括的な比較に基づくと、SAD プロセスは炭素源の追加を必要としませんが、現在のアプリケーションはまだ成熟しておらず、二次汚染のリスクを伴うため、今回のアップグレードでは考慮されませんでした。脱窒フィルターは広く使用されていますが、設計流入水/流出水の TN が 15/12 mg/L であることが多く、比較的小さな TN 除去負荷を処理する下水処理場のアップグレードで主に使用されています。このプロジェクトでは長期にわたる高い TN 除去需要を満たす必要があるため、運用によりフィルタの逆洗サイクルが大幅に短縮され、運用の困難さと不安定性が増大します。{4}}純粋なバイオフィルム MBBR プロセスは、高い炭素利用効率、逆洗の必要がない、成熟した用途、二次汚染がないなどの利点を兼ね備えています。プロセスの課題と改修要件を考慮して、プロジェクトは最終的に、第 1 段階の高度な窒素除去ソリューションとして、C/N=4.5、計画投資回収期間 7.37 年で設計された、新しい純粋なバイオフィルム MBBR バイオ-タンク（以下、MBBR タンクと呼ぶ）の建設を選択しました。

3. 新築計画

3.1 処理の流れ

改修後の排水処理工程の流れを図に示します。図3。プラントからの流入水は、有機物やアンモニア態窒素などを除去するために BIOLAK バイオタンクに入る前に、細かいスクリーン、渦グリットチャンバー、一次沈殿タンクを通過します。その後、高度な TN 除去のためにポンプによって MBBR タンクに持ち上げられます。{1}} MBBR タンクは、流入水 TN が 35 mg/L、流出水 TN が 15 mg/L 以下になるように設計されています。 MBBR 排水は二次ポンプによってプラントの既存の高度な処理施設に送られ、固液分離と汚泥廃棄が行われます。-最終排水は、受け入れ先の川に放流する前に消毒されます。余剰汚泥は濃縮、脱水され、処分のために敷地外に輸送されます。{10}

3.2 新型MBBRタンク

MBBR タンクは AO プロセスを採用しており、モジュール式組み立て用のリップ タンクを使用して構築され、30 日で完成します。システムの合計油圧保持時間 (HRT) は 1.43 時間です。 SPR-III タイプの特殊な好気性および無酸素性懸濁担体がタンク内に追加され、好気性ゾーンの充填率は 60%、無酸素ゾーンでは 55% になります。担体は直径 25 mm、高さ 10 mm の偏円筒形で、有効比表面積は 800 m2/m3 以上です。無酸素ゾーンには、それぞれ N=5.5 kW の MBBR- 専用の可変-周波数ミキサー (SPR 化学動力タイプ) が 4 台装備されており、キャリアに均一かつ十分な流動化を提供します。バイオフィルムの成熟後、2 台のミキサーが定期的に稼働し、他の 2 台はホットスタンバイとして使用されます。好気ゾーンでは、エアレーションにスクリューブロワーを使用します。単一ブロワーの空気容量は 14.50 m3/min、圧力 90 kPa、N=22 kW です。好気ゾーン専用多孔パイプディフューザー（SPR型）を1台設置しています。必要な曝気量が少ないため、通常は既存のフェーズ I ブロワーを利用でき、新しいブロワーとフェーズ I ブロワーは相互バックアップとして機能します。厚さ12mm、設計耐用年数30年の新素材遮断スクリーン（SPR型）を有酸素ゾーンと無酸素ゾーンの両方に設置しています。

3.3 新しい支援施設

• 流入システム: BIOLAK バイオタンクからの流出液は、-MBBR タンクに汲み上げられます. 4 入口ポンプが設置されています (2 つの稼働、2 つの待機)、それぞれ Q=840 m3/h、H=65 kPa、N=30 kW。
• 炭素源注入システム: フェーズ I BIOLAK バイオタンクからの流出液には、利用が難しい COD のみが含まれています。- MBBRタンクの無酸素ゾーンでの高度な脱窒を確実にするために、酢酸ナトリウムが外部炭素源として使用されます. 4計量ポンプが設置されています（2つの稼働、2つのスタンバイ）。それぞれのポンプの出力はQ=300 L/h、H=200 kPa、N=0.37 kWです。