さまざまな材質の MBBR パッキンを使用した、微量汚染された河川水および合流下水からのアンモニア性窒素の除去-
移動床バイオフィルム リアクター (MBBR) は、活性汚泥プロセスと従来のバイオフィルム プロセスの利点を組み合わせたもので、現代の生物的下水処理における革新的かつ革命的な技術となっています。これまでの数多くの研究で、MBBR プロセスが都市下水の窒素除去圧力を効果的に軽減できることが示されています。 MBBR プロセスにおけるバイオキャリア パッキングは、バイオ フィルムをリアクター全体に輸送し、バイオ フィルム、酸素、反応基質間の接触を促進し、分解反応の効率を向上させることができます。独特の安定性と密度特性により、幅広い用途が期待できます。
現在、ほとんどの MBBR バイオキャリア パッキングは主にポリエチレン (PE)、ポリプロピレン (PP)、ポリウレタン (PU)、多孔質ポリウレタン (PPC) などの材料で作られています。{0}中でも、PE-ベースのMBBRパッキンは、廃水中のクロマ、CODCr、アンモニア態窒素、全窒素、全有機炭素および揮発性フェノールに対して優れた除去効果を持っています。 PP パッキンは主に、MBBR-AO 複合プロセスや MBBR-MBR 複合プロセスなどの複合 MBBR プロセスで使用されます。 PUおよびPPCパッキンは気孔率が高く、微生物の付着面積が大きいため、微生物が迅速かつ安定的に増殖し、廃水中の有機汚染物質や各種栄養素を効果的に除去します。 PE パッキンと PPC パッキンは、現在広く使用されている 2 つのタイプです。 PE パッキンはより優れた性能で広く使用されていますが、PPC パッキンは親水性が強く、比表面積が大きいため、微生物が付着しやすくなっています。どちらのタイプのパッキンにも独自の長所と短所があり、どちらも優れた機械的強度と低コストを備えています。しかし、MBBR-AO 結合プロセスにおける微量汚染された河川水と雨水が混合した下水からのアンモニア態窒素除去効果についての報告はほとんどありません。{9}この論文では、MBBR-AO 結合プロセスにさまざまな種類の MBBR バイオ-キャリアパッキン（PE および PPC 材料）を追加することが、微量汚染された河川水および雨水-下水からのアンモニア態窒素除去効率に及ぼす影響を調査します。同時に、さまざまな MBBR バイオ-キャリア充填材のバイオフィルム形成速度と耐用年数を分析し、下水処理の MBBR プロセスにおけるさまざまな MBBR バイオ-キャリア充填材の具体的な選択方法を改善することを目的としています。
1. 下水処理プロセス
1. 1 プロセス フローとバイオ キャリアの梱包詳細-
この研究で使用された下水処理装置は、MBBR-AO 結合プロセスを採用した自社設計の生物学的流動床反応器です。{0}主なプロセスフローを図 1(a) に示します。具体的な機器には、グリル、リフトポンプ、MBBR バイオ-キャリアパッキン、統合された高効率の生物学的窒素除去タンク、-高効率の沈殿タンク、曝気システムなどが含まれます。反応器の流入流量は 50 m3/d (約 2 m3/h)、有効水力滞留時間は 5 です。反応器の有効容積は約 10 m3 です。
下水処理装置の MBBR バイオ-キャリアパッキンは、PE- ベースのパッキンと PPC ゲルキャリアパッキンです。 PE- ベースのパッキンは、サイズ Φ25 mm×10 mm、19 個の穴、および五角形のチャネルを持つ環状放射の形状をしており、比表面積は約 500 m2/m3 です [図 1(b)]。 PPC ゲル担体の充填物は、Φ10 mm×10 mm×10 mm のサイズと約 5,000 m2/m3 の比表面積を持つ立方体です [図 1(c)]。
1.2 下水の水質
この研究では、下水処理装置を使用して、微量汚染された河川水と雨水合流下水という 2 種類の水域を処理しました。-微量汚染された河川水は、浙江省の汚染レベルが低い地域の都市河川からのもので、アンモニア態窒素濃度は比較的低く、平均質量濃度は 5 mg/L でした。雨水-の合流下水は、浙江省の下水処理場の 2 か所の下水ポンプ場 (ポンプ場 1 とポンプ場 2) の流入源であり、アンモニア態窒素濃度は 3 ～ 20 mg/L の範囲で比較的高かった。これは、降雨期間中に、空気中の一部の窒素酸化物が雨水と反応して硝酸または硝酸塩を形成し、アンモニア酸化細菌の繁殖を促進するためです。その結果、下水中のアンモニア性窒素含有量が比較的高くなります。{12}}一方、両方の水域の pH 値は 7 から 9 の間に維持されました。
1.3 下水処理装置の動作パラメータ
1.2.1 初期のバイオフィルム形成プロセス
下水処理システムは、バイオフィルム形成のためのパッキンをバッチで追加することによって開始されました。反応器内の充填物の実際の流動効果に従って、追加された充填物の最終体積分率は 20% であると決定されました。立ち上げ過程ではシステム内の懸濁汚泥は返送されず、下水処理時の汚泥返送率は1:8であった。
1.2.2 デバイス動作パラメータの制御
下水処理装置は室温（20度）で作動しました。装置下部の曝気装置は、下水処理時の曝気量を制御するために使用されました。一方、装置の流入流量は 2 m3/h に制御され、下水処理中のその他のパラメーターは基本的に一定のままでした。ポンプ場 1 とポンプ場 2 からの雨水-と下水の組み合わせ、および微量汚染された河川水-が流入水サンプルとして選択されました。
2. 結果と考察
2.1 材質の異なるMBBRパッキンのバイオフィルム形成速度
下水処理装置の起動段階では、流入水の水質は安定していました。-充填物をバッチで添加した後、充填物は通常のバイオフィルムの形成と成熟を起こしました。
同じ操作条件下で、異なる材料を使用したバイオキャリア充填材のバイオフィルム形成速度は、その固有の特性により大きく異なります。{0} PE- ベースの充填物のバイオフィルム形成速度は比較的遅く、密閉通気培養にはグルコースなどの化学物質の添加が必要でした。 MBBR-AO 結合プロセスにおける PE および PPC 充填物の動作を観察することにより、PE 充填物の添加から約 5 日後に、薄い黄褐色のバイオフィルムが担体の表面に出現することがわかりました。-約 1 週間の連続運転後、担体表面に多数のゾウリムシ、エピスチリス、ワムシ、少量のツリガネムシが出現しました。これはバイオフィルムが基本的に成熟しており、この時点でシステムの起動が完了したことを示しています。-これに対し、PPC パッキンのバイオフィルム形成速度は速く、基本的に 3 日程度でバイオフィルムが成熟し、パッキン内部に汚泥を吸着させることができました。バイオフィルムの形成は、アンモニア酸化細菌の活性を向上させるのに役立ちます。- PE パッキンと比較して、PPC パッキンの比表面積が大きいため、バイオフィルムの形成と微生物の固定化が促進されます。異なる種類の下水を処理する同じ材質の PE パッキンの場合、パッキンのバイオフィルム形成効果にも大きな違いが見られました。図 2(a) から、微量汚染された河川水中の PE パッキンの表面に薄い薄茶色のバイオフィルムが存在していることがわかります。-。しかし、図 2(b) は、雨水合流式下水中の PE パッキンの表面のバイオフィルム層が断片化していることを示しています。これは、微小汚染された河川水中での PE パッキンのバイオフィルム形成効果が、雨水合流式下水中のものよりも著しく優れていることを示しています。-図 2(c) と図 2(d) から、微量汚染された河川水-と雨水合流下水-における PPC パッキンのバイオフィルム形成効果の差は有意ではなかったことがわかります。
2. 2 さまざまな材質のバイオキャリアパッキンのアンモニア窒素除去能力-
アンモニア態窒素含有量は、ポンプ場からの下水の実際の処理効果を評価するための重要な指標です。したがって、アンモニア態窒素除去能力は、MBBR-AO 結合プロセスにおけるバイオキャリア充填タイプの選択において、実用的な重要な指針となります。-
2. 3 プロセスの短期操作中の微量汚染された河川水に対する PE および PPC パッキンのアンモニア性窒素除去効果-
図 3 に示すように、PE および PPC 充填物を使用した MBBR-AO 結合プロセスの平均流入アンモニア窒素質量濃度は、それぞれ 3.69 mg/L および 3.39 mg/L でした。一方、実際の流入水のアンモニア態窒素濃度は降雨により大きく変動した。 PEパッキンを使用したプロセスでは、微量汚染された河川水のアンモニア態窒素の平均除去量と平均除去率はそれぞれ3.12mg/Lと84.55%であり、PPCパッキンを使用したプロセス（2.56mg/Lと75.52%）よりも高かった。これは、MBBR-AO 結合プロセスに PE パッキンを追加すると、短期間（12 日以内）で微量汚染された河川水からのアンモニア態窒素の除去がより促進されることを示しています。-
2.4 プロセスの短期運転中の混合雨水-下水に対する PE および PPC パッキンのアンモニア性窒素除去効果-
図4に示すように、PEパッキンを使用したMBBR-AO結合プロセスの短期間(18-日)の運転中、ポンプ場1[図4(a)]およびポンプ場2[図4(b)]からの雨水合流下水の平均流入アンモニア態窒素質量濃度は、7.24 mg/Lおよび9.35 mg/Lでした。それぞれmg/L。 MBBR-AO 結合プロセスを使用して、ポンプ場 1 とポンプ場 2 からの雨水-を合わせた下水を短期間（18- 日）処理する際に PE パッキンを追加すると、排水中のアンモニア態窒素濃度が大幅に減少しました。アンモニア態窒素の平均除去量は6.93mg/L、7.9mg/Lで、平均除去率はそれぞれ95.71%、84.49%でした。ポンプ場 1 からの雨水合流下水の短期 (18- 日) 処理中、アンモニア態窒素除去率は 90% 以上を維持し、9 日目にはほぼ 100% に達しました。処理された下水は付着微生物の増殖を促進する可能性があり、それによってアンモニア性窒素の除去が促進されます。一方、ポンプ場2からの雨水・下水混合水の短期(18日間)処理中、アンモニア態窒素除去率はほぼ90%前後に留まり、MBBR-AO連成プロセスにおけるPEパッキンの添加が、短期(18日間)で雨水・下水混合水中のアンモニア性窒素に対して強い除去効果があることを示した。
図 5 に示すように、PPC パッキンを使用した MBBR-AO 結合プロセスでは、ポンプ場 1 [図 5(a)] およびポンプ場 2 [図 5(b)] からの雨水-下水の流入アンモニア態窒素質量濃度は、それぞれ 3 ～ 20 mg/L および 3 ～ 22 mg/L の範囲であり、大きな変動がありました。これは、降雨により空気中の窒素酸化物が下水システムに流入し、流入するアンモニア態窒素濃度が大きく変動したためと考えられます。ポンプ場 1 とポンプ場 2 からの雨水-を合わせた下水の平均流入アンモニア態窒素質量濃度は、それぞれ 14.76 mg/L と 13.26 mg/L でした。 PPC 充填剤を使用した MBBR-AO 結合プロセスによる短期処理 (24 日間) の後、排水中のアンモニア態窒素濃度は大幅に減少し、平均質量濃度はわずか 5.32 mg/L と 6.42 mg/L でした。アンモニア態窒素の平均除去量は９．４４ｍｇ／Ｌ、６．８４ｍｇ／Ｌ、平均除去率はそれぞれ６３．９６％、５１．５８％であった。これは、PPC パッキンが雨水合流下水からのアンモニア性窒素の除去に一定の効果があることを示しています。{30}雨水合流下水中のアンモニア態窒素濃度が高いのは、他の複雑な成分が下水中に導入され、それによって PPC パッキンによるアンモニア態窒素の分解が抑制されたためである可能性があります。 PE パッキンと比較して、PPC パッキンは細孔が小さく、気孔率が高くなります。雨水合流下水中の不純物や浮遊粒子は、PPC パッキンの細孔を閉塞し、パッキン内で凝集を引き起こし、アンモニア態窒素の除去効率を低下させる可能性があります。一方、以前の研究では、1 mm 未満のバイオフィルムがパッキン内部の細孔閉塞を引き起こす可能性があることが判明しています。バイオフィルムはパッキンの内部閉塞を促進する可能性がありますが、主な要因ではありません。
MBBR-AO 結合プロセスの短期運転中、雨水-合流下水の PE パッキンの平均アンモニア態窒素除去率（ポンプ場 1 では 95.71%、ポンプ場 2 では 84.49%）は、微量汚染された河川水（-）の平均アンモニア態窒素除去率（84.55%）よりわずかに高かった。対照的に、雨水合流下水の PPC パッキンの平均アンモニア態窒素除去率 (ポンプ場 1 では 63.96%、ポンプ場 2 では 51.58%) は、微量汚染された河川水の場合 (75.52%) よりわずかに低かった。- PE パッキンの場合、微量汚染された河川水と比較して、雨水-合流下水中の溶存酸素濃度が低いため、窒素除去のための PE パッキン上の微生物の硝化と脱窒が同時に起こりやすくなります。- PPC パッキンのバイオフィルム形成中に、スラッジがパッキンの内部に吸着され、溶存酸素濃度が増加します。これは内部微生物の硝化と脱窒を同時に促進しません。その結果、雨水-下水と微小汚染された河川水-の両方でアンモニア性窒素の除去率が低下します。
要約すると、PE パッキンを追加すると、短期的には MBBR-AO 結合プロセスによる雨水-合流下水中のアンモニア性窒素の分解が促進されます。
プロセスの長期運転中の混合雨水-下水に対する PE および PPC パッキンのアンモニア性窒素除去効果-
図6に示すように、PEパッキンを使用したMBBR-AO結合プロセスの長期(96-日)運転中、ポンプ場1[図6(a)]およびポンプ場2[図6(b)]からの雨水合流下水の流入アンモニア態窒素質量濃度は、2〜25 mg/Lおよび3〜25 mg/Lの範囲でした。それぞれ35 mg/Lで変動が大きい。平均流入アンモニア窒素質量濃度は、それぞれ 10.20 mg/L および 8.93 mg/L でした。 MBBR-AO結合プロセスによる処理後、排水中の平均アンモニア態窒素質量濃度は2.93 mg/Lおよび2.67 mg/Lに減少し、平均除去量は7.27 mg/Lおよび6.26 mg/L、平均除去率はそれぞれ71.27%および70.10%でした。 MBBR-AO 結合プロセスの長期 (96- 日) 運転中に PE パッキンを追加することによる、ポンプ場 1 とポンプ場 2 からの雨水-を合わせた下水中のアンモニア性窒素の分解には大きな差はなく、アンモニア性窒素の除去率は約 74% に維持されました。これは、MBBR-AO 結合プロセスに PE パッキンを追加すると、長期 (96- 日) の運転中に雨水合流下水中のアンモニア性窒素に対して良好な除去効果があることを示しています。- MBBR-AO と PE パッキンを組み合わせたプロセスを後期段階 (84 ～ 96 日) で運転した場合、流入水がポンプ場 1 またはポンプ場 2 からの雨水と下水の混合物であるかどうかに関係なく、流出アンモニア態窒素濃度は大幅に増加し、アンモニア態窒素除去率はプロセス運転の初期段階のほぼ 90% の除去率よりも大幅に低くなりました。これは、長期使用によりPEパッキン自体が傷つき、劣化し、パッキンの表面粗さが変化し、使用強度やアンモニア態窒素除去能力が低下するためです。
図 7 は、PPC 充填物を使用した MBBR-AO 連結プロセスの長期運転中の流入アンモニア態窒素濃度、流出アンモニア態窒素濃度、アンモニア態窒素除去量、およびアンモニア態窒素除去速度の変化を示しています。-ポンプ場 1 [図 7(a)] およびポンプ場 2 [図 7(b)] からの雨水-下水の流入アンモニア態窒素質量濃度は 3 ～ 35 mg/L の範囲であり、平均流入水アンモニア態窒素質量濃度はそれぞれ 10.96 mg/L および 8.10 mg/L でした。 MBBR-AO 結合プロセスによる処理後、排水中の平均アンモニア態窒素質量濃度は 3.96 mg/L および 3.39 mg/L に減少し、平均除去量は 7.00 mg/L および 4.71 mg/L、平均除去率はそれぞれ 63.87% および 58.15% でした。 MBBR-AO 結合プロセスの長期運転中、PPC パッキンの追加により、ポンプ場 2 からの場合よりもポンプ場 1 からの雨水合流下水中のアンモニア態窒素に対する分解効果がわずかに向上しましたが、その差は有意ではありませんでした。-これは、MBBR-AO 結合プロセスに PPC パッキンを追加すると、長期運転中に雨水合流下水-中のアンモニア性窒素に一定の除去効果があることを示しています-。 MBBR-AO と PPC パッキンを組み合わせたプロセスのアンモニア態窒素除去率は、長期運転中のアンモニア態窒素除去率が短期運転中のアンモニア態窒素除去率よりも高かった。-これは、長期間の運転中に PPC パッキン内にスラッジが蓄積し、局所的な嫌気性または無酸素性の環境を形成し、硝化細菌の生命活動に適した生活環境を提供するためです。硝化バクテリアが急速に増殖し、局所的な反応速度が加速します。
要約すると、PE パッキンを追加すると、長期運転中の MBBR-AO 結合プロセスによる雨水-合流下水中のアンモニア性窒素の分解がより促進されます。-一方、PE パッキンは、MBBR-AO 結合プロセスの長期運転中に下水中のアンモニア態窒素を効果的に除去できるように、長期間使用した後は適時に交換または洗浄する必要があります。-
さまざまな材質のバイオキャリアパッキンの耐用年数-
PPC パッキンと比較して、PE パッキンは、MBBR-AO 結合プロセスによる微量汚染された河川水と雨水の混合下水の長期処理における耐用年数が長くなります。{0}{1}{2}図 8(a) に示すように、PPC パッキンは、MBBR-AO 結合プロセスによる下水処理プロセス中にスラグや損傷を経験します。一方、長期間の使用により、パッキン内部に老化と凝集が発生します[図8(b)および8(c)]。-。 PPCパッキンは汚泥の透過性が劣ります。スポンジ状のPPCパッキンは比表面積が大きいものの、内部の細孔にスラッジが吸着されやすく流出しにくい性質があります。 -パッキン内にスラッジが長期間蓄積すると、嫌気性または無酸素環境が形成される傾向があり、パッキンの色が茶色から黒色に徐々に変化します。これにより、長期運転中に PPC パッキンのスラグ、破損、老化、凝集などの問題が発生し、耐用年数が短くなります。-これは、雨水合流下水からアンモニア性窒素を除去する際の PPC パッキンの効果が低下する主な要因でもあります [図 5(a) および 5(b)]。対照的に、PE パッキンは、MBBR-AO 結合プロセスによる長期の下水処理中に基本的に上記の問題を起こさず、耐久性が高く、耐用年数が長くなりました。合理的な担体構成は、バイオフィルムに対する水流の影響を効果的に緩衝し、バイオフィルムが損傷を受けることなく安定して成長することを可能にする。
結論
この研究では、MBBR-AO 結合プロセスの下水処理プロセス中に PE バイオキャリアパッキンと PPC パッキンが追加されました。{0}微小汚染された河川水および雨水合流下水中のアンモニア性窒素の分解に対する充填材の影響、およびさまざまな材質を使用した充填材の微生物バイオフィルム形成速度と耐用年数が調査されました。- PPC パッキンと比較すると、PE パッキンはバイオフィルムの形成速度が遅くなりますが、耐用年数は長くなります。一方、MBBR-AO 結合プロセスによる微量汚染された河川水と雨水が混入した下水の長期的または短期的処理に使用される場合でも、-PE パッキンは、アンモニア態窒素に対して優れた分解効果を示します。-研究成果は、下水処理工程における梱包材の選定を技術的に支援します。