炭鉱生活排水処理における改良 AAO プロセスの適用
炭鉱の生活排水は主に社員食堂、寮、事務所、洗濯室、浴室から発生しており、浴室排水が総量の55％以上を占めています。浴槽水の吐出量が比較的集中しているため、流量変動が大きくなります。浴排水は、有機物濃度が低く、浮遊物質 (SS) が多いという特徴があり、一般的な家庭下水とは大きく異なります。他の廃水流との千鳥状の排出パターンが、水質の大幅な変動に寄与しています。
中国の炭鉱のほとんどは遠隔地にあり、汚泥の輸送コストが高額です。したがって、汚泥収率の低い処理プロセスを選択する必要があります。鉱山が開発され、スタッフの数が増加するにつれて、廃水の流量は当初の設計容量を超えることが多く、同じ設置面積内での水質と水量の変化に強い適応性を備えたプロセスが必要になります。排出ゼロで処理排水を完全に再利用することが求められるますます厳格化する環境政策の下で、プロセスは高品質で安定した排水品質を提供する必要があります。
現在、都市廃水処理では AAO (嫌気性-無酸素性-) プロセスが好まれています。この記事では、炭鉱生活排水に対する改良型 AAO プロセス (AAO + 懸濁担体プロセス) の適用効果を、その独特の特性に基づいて分析します。
1. 修正された AAO プロセス
AAO プロセスは、窒素とリンを同時に除去するための最も単純なフロー構成です。糸状細菌は、嫌気性、無酸素性、好気性が交互に繰り返される条件下では広範囲に増殖できず、汚泥のバルキングを防ぎます。化学薬品の添加は必要なく、嫌気性タンクと無酸素性タンクで穏やかに混合するだけで済むため、運転コストが低くなります。汚泥はリン含有量が高く、肥料価値が高い。
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >200%、この内部リサイクルはかなりのエネルギーを消費します。二次清澄装置に入る流出液は、嫌気性条件とリンの放出を防ぐために一定の溶存酸素 (DO) レベルを維持する必要がありますが、リサイクルされた混合液による無酸素タンク内の脱窒の妨げを避けるために高すぎてはなりません。
修正 AAO プロセス (AAO + キャリア停止プロセス) は、これらの欠点を効果的に軽減します。生物タンク内の微生物量を増加させ、容積負荷を強化し、水圧滞留時間（HRT）と汚泥滞留時間（SRT）の完全な分離を達成し、水圧および有機衝撃負荷に対する回復力を強化し、炭素源が低い場合でも良好な排水品質を実現し、生成する汚泥の量を減らし、より安定させます（下流の汚泥処理能力の要件を軽減します）。排水は、「都市リサイクル水の再利用-都市雑水の水質基準」（GB/T 18920-2020）および石炭洗浄のための「石炭準備エンジニアリングの設計基準」（GB 50359-2016）の水質基準を満たすことができます。ホウ・フェンら。は、地下廃水処理施設に AAO+懸濁キャリアプロセスを適用し、「都市廃水処理施設の汚染物質の排出基準」(GB 18918-2002)に基づくグレード 1A 基準を達成し、主要指標 (COD、BOD5、NH3-N、TP) は「地表水の環境品質基準」(GB 3838-2002)に基づくクラス IV 基準に達しました。ハオ・ルイガンら。炭鉱生活排水プラントの増設に「A/Oバイオ接触酸化＋穴あき渦流凝集＋傾斜管沈降＋活性砂ろ過」を採用し、グレード1A以上の排水水質を実現しました。ヤン・ジユら。また、既存の炭鉱の生活排水処理を改修するためにバイオフィルムプロセスを使用して良好な結果を達成しました。改良型 AAO プロセスにより、最小限の変更で既存のプラントの生産能力が向上し、排水の品質が向上します。
このプロセスでは、無酸素タンクと好気タンクに懸濁担体を添加し、活性汚泥プロセスと生物膜プロセスの利点を組み合わせます。それは、高い体積負荷、大きなバイオマス、高い処理効率、水質および水量の変化に対する強い適応性、強化されたプロセス安定性、および優れた栄養素除去を特徴とします。高度に特殊化された活性バイオフィルムを形成し、リアクター容積あたりの効率と安定性が向上し、リアクターの小型化が可能になります。脱落したバイオフィルム汚泥にはより多くの原生動物/後生動物が含まれており、密度が高く、粒子サイズが大きいため、沈降性が良く、固液分離が容易になります。-完全な SRT-HRT 分離を可能にし、汚泥のバルキングを排除し、可溶性有機物が豊富な廃水に適しています。
2.1 ケーススタディ
子昌市から約 16 km 離れた延安市の炭鉱には、設計容量 1200 m3/日の生活排水処理プラントがあります。プロセスは次のとおりです。「スクリーン + 平衡化タンク + 担体を懸濁した AAO + 高度な処理 (凝集-沈殿-ろ過) + 消毒」。汚泥は「重力濃縮＋スクリュープレス脱水」により処理されます。流出水は、石炭洗浄水に関する *GB/T 18920-2020* および GB 50359-2016 のより厳しい制限を満たしています。処理水は鉱山緑地や選炭工場の補給水として再利用されます。設計上の流入水/流出水の品質は次のとおりです表1。プロセスの流れを以下に示します。図1.
廃水はスクリーン (ギャップ 5 mm、設置角度 75 度) を通過して均等化タンク (L×B×H=14.0 m×6.0 m×6.0 m、有効深さ 2.95 m、容積 247.8 m3、HRT 4.13 h) に流入し、GB 50810-2012 の要件を満たします。 2つのミキサーが沈殿を防ぎます。 3 つの水中ポンプ (2 つの稼働時間 +1 スタンバイ、Q=32.5 m3/h、H=17 m、N=4 kW) が生物タンクに水を汲み上げます。
生物学的システムは 2 つの平行した列で構成されています。列車ごとに:
- 嫌気性タンク: L×B×H=2.0 m×5.0 m×5.0 m、有効深さ 4.5 m、HRT 1.5 時間。
- 無酸素タンク: L×B×H=4.0 m×5.0 m×5.0 m、有効深さ 4.25 m、HRT 2.83 時間。
- 好気性タンク: L×B×H=15.0 m×5.0 m×5.0 m、有効深さ 4.0 m、HRT 10.0 時間。システム全体の HRT は 15.75 時間です。好気槽内には懸濁担体（充填率80％、比表面積600m2/m3）を設置しています。設計上の空気-対-水の比率は13.7:1です。 3 つのルーツブロワー (2 デューティ +1 スタンバイ、Q=6.84 m3/min、N=11 kW、P=44.1 kPa) が使用されます。汚泥リサイクル率100％、混合液リサイクル率200％です。
2 つの長方形の周縁-入口/出口二次清澄装置 (それぞれ L×B×H=5.0 m×5.0 m×3.5 m) の表面負荷率は 1.2 m3/(m²・h) で、HRT は 2.5 時間です。
統合された浄水器 (凝集、沈殿、ろ過を組み合わせたもの) により、SS とリンをさらに除去するための高度な処理が行われます。
汚泥処理は重力濃縮（Φ2.5m×5.0m炭素鋼槽）後、スクリュープレス脱水となります。ポリアクリルアミド (PAM) は、脱水前に 3.0 ～ 5.0 kg/t 乾燥固形分で添加されます。毎日の脱水汚泥ケーキは 150 kg 以下、含水率 80% 以下であり、サイト外に輸送されます。-
消毒には、透明なウェルの入口に設置された現場の ClO2 発生装置 (有効塩素投与量 120 g/h) を使用します。{0}透明なウェルの有効容積は 250 m3 で、接触時間は 4.2 時間です。
このプラントには、広範なオンライン監視 (流量計、残留塩素、pH、DO、COD、濁度、汚泥レベル/濃度) とポンプ、ブロワー、逆洗、化学物質の投与、混合用の自動制御システムが装備されており、インテリジェントな無人運転が保証されています。
2.2 パフォーマンス分析
このプラントは 2021 年に試運転を完了し、2 年以上稼働しています。実際の 2024 年の流入水/流出水の水質を以下に示します。表2.
流入水の BOD5/N 比は 5.5 で、廃水の炭素-対-窒素（C/N）比が低いことを示しています。夏には降雨の浸透や習慣の変化によりさらに低下します。延安市の冬の極端な気温はマイナス21度に達することもあります。実際の排水品質は設計よりも良好で、除去率は COD 97.8%、BOD5 99.7%、SS 99.7%、NH3-N 93.5%、TP 87.10% に達し、绿化と石炭洗浄の基準を満たしています。
無酸素/好気性タンク内の活性バイオフィルムの質量は担体あたり 125 g/m² と高く、MLSS は 13 g/L に相当します-。これは従来の活性汚泥の 4 倍です。微生物は内因性呼吸期にあるため、1日あたりの汚泥発生量は従来の約1/3となり、沈降性も良くなり、汚泥処理装置の小型化が可能となります。
バイオ-接触酸化は汚泥をリサイクルしなくても実行できますが、Xiong Ren らの研究ではリサイクルを備えたシステムは COD、TN、NH3-N、SS のより高い除去率を達成し、汚泥収量が 29.6% 減少することを示しています。この設計には混合液のリサイクルが組み込まれており、流出水の品質に基づいた運用の柔軟性が備えられています。
工場（1200m3/日）の占有面積は1350.3m2、設備投資は2000万元、運営費は1.05元/m3です。
効果的な低温操作のために延長された SRT を必要とする従来の AAO と比較して、この改良されたプロセスは、担体で生物学的コミュニティを強化しながら、同時に栄養素を除去するという単純さを維持します。{0} SRT-HRT 分離により生物安定性が強化され、低 C/N および低温条件下でも信頼性の高い動作が保証されます。-汚泥のリサイクルをほとんどまたはまったく行わずに安定した排水を維持できるため、現場での汚泥の削減と汚泥処理コストの削減が可能になります。{6}}シンプルでかさばらないため、炭鉱の生活排水処理に非常に適しています。
3. AAOプロセスの最適化研究
修正 AAO プロセスは通常、「屋外廃水工学の設計基準」(GB 50014-2021) のパラメーターに従って設計されます。ただし、将来の設計と運用に最適な条件を特定するには、炭鉱廃水に特有の運用パラメータ (HRT、SRT、曝気、リサイクル率、MLSS) の最適化が必要です。
従来の AAO では、汚泥は好気タンクから嫌気タンクにリサイクルされ、生物学的リン除去を損なう可能性がある硝酸塩と高濃度の DO を運びます。ケープタウン大学 (UCT) のプロセスが考えられます。このプロセスでは、汚泥が無酸素タンクにリサイクルされ、硝化液が無酸素タンクにリサイクルされ、さらに無酸素タンクから嫌気タンクへのリサイクルが追加されて生物-P の除去が強化されます。
汚泥処理はプラントの運営コストの 50 ～ 60% を占めることがあります。 -現場での汚泥削減技術を採用する必要があります。改良型 AAO バイオタンクの高い MLSS は高い F/M 比をもたらし、そこで代謝の分離が起こり、汚泥の削減が促進され、汚泥の処理コストが削減されます。今後の焦点は、微量溶解による不可解な増殖、酸素沈降嫌気性（OSA）プロセス、炭鉱廃水処理における代謝の分離など、現場での還元技術を適用することにあるべきである。-
このプロセスは、炭鉱の既存の AAO プラントを改修するのに適しています。無酸素/好気性タンクに担体を追加すると、排水の品質が向上し、容量が増加し、システムの安定性が向上します。排水要件がより厳しいプラントの場合、二次浄化装置を MBR システムに置き換えることで水質をさらに向上させることができます。
4. 結論
- 改良型 AAO プロセスは、炭鉱の既存の AAO システムをアップグレードして、安定性を高め、生産能力を向上させ、またはより厳格な基準を満たすのに適しています。
- 炭鉱の生活排水を処理する場合、排水は道路散水/緑化に関する *GB/T 18920-2002* 基準と石炭洗浄水に関する GB 50359-2016 基準を同時に満たすことができ、水質と水量の変化に対する高い適応性を示しています。
- 沈降性が良く、分離が容易な安定した汚泥が得られるため、汚泥発生量が少なく、汚泥処理コストも削減できます。