都市下水処理場の更新と再建のための MBBR+ACCA プロセスのケーススタディ
中国の好景気を背景に、工業化と都市化のペースが大幅に加速している。このプロセスには必然的に、産業廃水と家庭下水の排出量が前年比で増加し、水質汚染問題が悪化して、中国の持続可能な生態文明の建設に影響を及ぼします。水質汚染防止・管理行動計画の包括的な実施に伴い、全国の都市下水処理施設に対してより厳格な排出要件が課されています。一部の都市の地域基準は準クラス IV の水質に達しており、敏感な水域に排出される排水については、特定の個別指標が地表水のクラス III 基準に徐々に近づいています。-しかし、生物学的処理後の都市廃水中に残留する汚染物質は、主に生分解性が低い非生分解性有機化合物です。{7}従来の生物学的強化技術のみに依存するだけでは、ますます厳しくなる排出基準を満たすには不十分になってきています。
活性コークスは、水中の高分子汚染物質を吸着できる高度に発達したメソ多孔質システムを備えています。高い機械的強度、安定性、良好な吸着性能、比較的経済的なコストを備えているため、生分解が困難な産業廃水の処理に広く使用されています。近年、活性コークスを媒体として使用する濾過技術は、都市下水処理場の高度な処理にも一定の用途が見出され、最終的な汚染物質の除去において良好な結果を達成しています。河南省の下水処理施設の改修プロジェクトのエンジニアリング例を組み合わせて、著者は都市下水の処理を改修するために MBBR+ACCA (活性コークス循環吸着) プロセスを採用しました。排水 COD、NH₃-N、および TP 指標は GB 3838-2002 クラス III 水基準を満たしており、他の廃水処理プラントのアップグレード プロジェクトの参考になります。
1. 下水処理場の基本状況
この廃水処理プラントの総設計容量は 50,000 m3/日で、フェーズ I の設計容量は 18,000 m3/日、フェーズ II の設計容量は 32,000 m3/日で構成されます。主に都市部の生活排水と少量の産業排水を処理します。アップグレードは 2012 年に完了し、排水は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 1A 基準を満たしました。主なプロセスは多段AO+脱窒フィルター+高密度沈殿槽です。プロセスの流れを以下に示します。図1.
現在、下水処理施設はほぼフル稼働で稼働しています。現在の運用データに基づくと、プラントの適切なメンテナンスが行われていれば、排水の品質は GB 18918-2002 Grade 1A 基準で安定して維持できます。 COD、BOD₅、NH3-N、TN、TP の排水濃度は、それぞれ 21.77 ～ 42.34 mg/L、1.82 ～ 4.15 mg/L、0.13 ～ 1.67 mg/L、8.86 ～ 15.74 mg/L、および 0.19 ～ 0.42 mg/L の範囲です。
アップグレード前、プラントは次の問題に直面していました。1) 前処理セクションのスクリーンが老朽化して損傷したため、浮遊ゴミの一部が生物タンクに流入し、ポンプが詰まりやすくなり、その後の処理に影響を及ぼしました。 2) 冬の気温が低く、水質と水量が大きく変動する場合、TN 除去が不安定になる。 3) フェーズ I 生物タンクのタンク容量が不十分であり、無酸素ゾーンの分割が不当であるため、TN 除去効率が低く、その後の炭素源添加のための化学薬品の投与量が多くなります。 4) オリジナルの曝気システムでは、エネルギー消費量の多い時代遅れの伝統的な遠心送風機が使用されていました。 ５）脱窒フィルターの濾材の目詰まりが激しく、逆洗が不完全で安定運転が困難。 6) 高密度沈殿槽内の混合および撹拌装置の頻繁な故障。-。 7) 汚泥脱水用の既存の 2 台のベルト フィルター プレスが頻繁に故障し、脱水汚泥の含水率が高く、汚泥の量が多く、汚泥の処分費用が高い。 8) 前処理および汚泥処理システムの臭気制御設備が不足している。 9) データストレージ容量が限られており、ほとんどの遠隔操作機能が失われている旧式の中央制御システム。
2. 水質の設計
プラントからの長年の運転水質データを考慮し、90% の信頼水準で一定のマージンを含めて、設計影響水質が決定されました。受け入れ水域の環境品質要件に基づいて、アップグレードされた排水 COD、BOD₅、NH₃-N、および TP は GB 3838-2002 クラス III 水基準を満たさなければなりませんが、TN と SS は元の基準に準拠します。設計上の流入水と流出水の品質を以下に示します。表1.
3. バージョンアップのコンセプトとプロセスフロー
3.1 アップグレードの概念
設計排水品質に従って、このアップグレードでは COD、BOD₅、NH₃-N、TP についてより高い要件が設定されています。プラントの現在のプロセス、水質特性、既存の問題を考慮すると、安定した TN 除去を確保しながら COD、NH₃-N、TP の除去を強化することに重点が置かれています。さらに、既存のプラント内の利用可能なスペースが限られているため、COD、NH₃-N、TN、TPの効果的な除去を目指して、設備の更新、プロセスの強化、改修を通じて既存の構造の可能性を最大限に活用する必要があります。したがって、オリジナルの多段 AO タンクを利用し、懸濁担体を追加してハイブリッド バイオフィルム活性汚泥 MBBR プロセスを形成することで、処理の安定性と衝撃負荷耐性を効果的に向上させることができます。-担体上のバイオフィルムの長い汚泥年齢は、硝化剤の成長と高い硝化剤濃度の維持に適しており、システムの硝化能力を大幅に高めます。担体内部の緻密なバイオフィルムは汚泥の寿命が長く、硝化細菌と脱窒細菌が大量に生息しているため、同時硝化-脱窒（SND）が可能になり、TN 除去が強化されます。したがって、MBBR プロセスはこのプラントのアップグレードに最適です。-
同様のアップグレード プロジェクトの経験に基づいて、COD および TP の安定したコンプライアンスを確保するには、MBBR と組み合わせた既存のプロセスに追加の安全対策処理施設が依然として必要です。活性コークスは多孔質体であるため、活性炭に比べて優れた吸着性能を示し、COD、SS、TP、色素などを効果的に除去します。また、生物活性コークスは、付着微生物を利用して有機物を分解することができ、汚染物質を吸着しながら吸着サイトの再生が可能です。この動的平衡メカニズムにより、システムの持続的で安定した動作が可能になります。活性コークス循環吸着 (ACCA) プロセスは、活性コークスを媒体として使用し、ろ過と吸着を統合します。圧縮空気を使用してフィルター媒体を持ち上げて洗浄します。逆流ゾーニングと均一な流量設計により、活性コークスと廃水の完全な接触が確保され、究極の水質改善が達成され、安定した廃水コンプライアンスが保証されます。
工場の老朽化した故障した設備は、技術的に進歩したエネルギー効率の高い設備に置き換えられ、運営コストが削減されます。{0}具体的には、前処理スクリーンは内部供給型の微細スクリーンに置き換えられ、毛髪や繊維を捕捉し、MBBR キャリア保持スクリーンの目詰まりを防ぎます。
3.2 処理の流れ
アップグレードされたプロセス フローを以下に示します。図2。揚程の要件を満たすために、新しいリフト ポンプ ステーションが追加されました。新しく構築された V- タイプのフィルターは、その後の活性コークス吸着の前処理装置として機能し、ACCA システムの安定性を確保します。原水は、窒素除去を強化するためにハイブリッド MBBR 生物学的タンクに入る前に、スクリーンとグリットチャンバーを通過して浮遊物、毛髪、微粒子が除去されます。混合液は次に固体分離のための二次清澄装置に入ります。上澄みは新しいポンプ ステーションを介して脱窒フィルターと高密度沈殿タンクに送られます。-その後、排水は新しいポンプステーションによって V{8}} 型フィルターと 2 つの - 段活性コークス吸着タンクに送られ、高度な処理が行われ、COD、TP、SS、色などがさらに除去されます。最終排水は排出前に消毒されます。
4. 主要な治療ユニットの設計パラメータ
4.1 生物タンク
既存のフェーズ I 生物タンクは、タンク容積が比較的小さいものの構造が健全である 2 つのグループに分けられます。したがって、今回のアップグレードでは、水頭要件を満たしながら、タンク壁を 0.5 m 高くしました。改修後の総有効容積は 10,800 m3 で、総 HRT は 14.4 時間、無酸素ゾーン HRT は 6.4 時間となり、無酸素滞留時間が増加して TN 除去が向上しました。既存のフェーズ II 生物タンクの有効容積は 19,600 m3、総 HRT は 14.7 時間、無酸素ゾーン HRT は 6.8 時間です。このプロジェクトには、フェーズ I と II の両方の生物タンクの曝気システムと一部の老朽化した水中ミキサーを交換し、懸濁担体と保持スクリーンを追加することが含まれていました。キャリアはポリウレタンまたはその他の高性能複合材料で作られており、仕様の立方体が 24 mm、比表面積が 4,000 m2/m3、充填率が 20% です。-生物処理システムの AOR は 853.92 kg O2/h、空気供給量は 310.36 Nm3/min です。
4.2 リフトポンプ場と廃水タンク
新しいリフト ポンプ ステーションが建設され、高密度沈殿タンクからの廃液をさらに処理するために V- タイプのフィルターに排出します。排水タンクにはフィルターからの逆洗排水が貯留されます。衝撃負荷を避けるために、小型ポンプを使用して逆洗廃水をフェーズ II 生物タンクに均等に送り込みます。可変周波数駆動 (VFD) 制御を備えた 3 台の二次リフト ポンプ (2 負荷 + 1 スタンバイ、Q=1、300 m3/h、H=12 m、N=75 kW) が設置されました。逆洗廃水タンクには、沈殿を防止するために移送ポンプ 2 台（待機 1 台、Q=140 m3/h、H=7 m、N=5.5 kW）と水中ミキサー 1 台（N=2.2 kW）が装備されています。
4.3 V- タイプ フィルタ
新しい V- タイプのフィルターは、構造寸法 36.9 m (長さ) × 29.7 m (幅) × 8.0 m (高さ) で構築されました。均質な石英砂ろ材を使用しています。フィルターは 2 列に配置された 6 つのセルに分割されています。各セルの出口パイプには、一定の水位動作を制御するための電気調整弁が付いています。逆洗プロセスは PLC 経由で制御できます。設計濾過速度は 7.0 m/h、強制濾過速度は 8.4 m/h、単一セルの濾過面積は 49.4 m² です。逆洗水の強度は11 m3/(m2・h)、逆洗空気の強度は55 m3/(m2・h)、表面掃引強度は7 m3/(m2・h)です。逆洗時間は 10 分間です。逆洗サイクルは 24 時間 (調整可能) で、一度に 1 つのセルを洗浄します。珪砂メディアのサイズは 1-1.6 mm (k₈₀ < 1.3) です。現場鋳造モノリシックフィルタープレートが使用されます。
4.4 活性コークス吸着タンク
新しい活性コークス吸着タンクは、構造寸法 49.5 m (L) × 30.15 m (W) × 11.0 m (H) で建設されました。 2 段階の濾過構成を採用しており、各段階に 18 セル、合計 36 セルを備えています。-最大濾過速度は6.02 m3/(m2・h)、平均は4.63 m3/(m2・h)です。最初の-ステージの単一セル-の寸法は長さ×幅×高さ= 5.0 m × 5.0 m × 11.0 m、空床接触時間(EBCT)は1.4時間です。第 2 段 - 単セル - の寸法は長さ×幅×高さ=5.0 m × 5.0 m × 9.5 m、EBCT は 1.08 時間です。このシステムは粒径2～8mmの活性コークス2,000トンを使用し、移動式コークス洗浄機、配水器、入口/出口堰などを備えています。
4.5 活性コークスの製造
活性コークスを貯蔵し、吸着槽に供給するための活性コークス建屋を新設しました。構造寸法は33.5m（長さ）×13.0m（幅）×6.5m（高さ）です。主な付属設備には次のものが含まれます: 活性コークス脱水振動スクリーン 1 台、コークス供給ポンプ 3 台 (負荷 2 台 + 1 スタンバイ、Q=40 m3/h、H=25 m、N=7.5 kW)、濾液排出ポンプ 2 台 (負荷 1 台 + 1 スタンバイ、Q=120 m3/h、H=20 m、N=18.5) kW）、2 台のエアコンプレッサー（1 デューティ + 1 スタンバイ、Q=7.1 m3/min、N=37 kW）、およびエアレシーバータンク（V=2 m3、P=0.8 MPa）。
4.6 プレート-およびフレーム-脱水室
新しいプレートおよびフレーム脱水室が既存の汚泥脱水室の隣に建設されました。{0}{1}スペースの制限により、ベルト フィルター プレスのバックアップとして、プレート フィルター プレスとフレーム フィルター プレス (フィルター面積 300 m²) を 1 セット構成しました。-付帯設備には調整タンク（有効容積80m3）1基が含まれます。汚泥量は 6,150 kg DS/日、濃縮飼料汚泥の含水率は 97%、脱水ケーキの含水率は 60% です。主な付属設備には以下が含まれます: 給水ポンプ 2 台 (1 デューティ + 1 スタンバイ、Q=60 m3/h、H=120 m、N=7.5 kW)、2 つのプレス水ポンプ (1 デューティ + 1 スタンバイ、Q=12 m3/h、H=187 m、N=11 kW)、洗浄ポンプ 1 台 (Q=20) m3/h、H=70 m、N=7.5 kW）、ドージングポンプ 2 台（デューティ + 1 スタンバイ 1 台、Q=4 m3/h、H=60 m、N=3 kW）、エアコンプレッサー 1 台（Q=3.45 m3/min、N=22 kW）、エアレシーバータンク 1 セット(V=5 m3、P=1.0 MPa)、および PAM 調製ユニット 1 セット (Q=2 m3/h、N=1.5 kW)。
4.7 臭気制御システム
新しい生物濾過臭気制御システムが追加され、設計空気流量は 12,000 m3/h になりました。ガラス強化プラスチック（GRP）パイプは、前処理システムおよび汚泥処理システムからの臭気を収集して処理するために使用されます。前処理装置のシールにはステンレスフレームとPC耐久ボードを使用しています。
4.8 その他の設備の更新
- スクリューコンベアと洗浄水タンク、V=10 m3 および 2 つの洗浄水ポンプ (1 つのデューティ + 1 スタンバイ、Q=25 m3/h、H=70 m、N=11 kW) を備えた、口径 5 mm の内部供給式ファインスクリーン 2 つと交換されました。
- VFD 制御のより効率的な 4 つのエアサスペンションブロワーに置き換えられました (3 デューティ + 1 スタンバイ、Q=130 m3/min、P=63 kPa、N=150 kW)。
- 既存の脱窒フィルターの濾材をセラミック濾材（粒径3～5mm）1,800m3に置き換えました。
- 高密度沈殿タンク内の混合撹拌機 2 台 (速度 60-80 rpm、N=5.5 kW)、凝集撹拌機 4 台 (速度 10-20 rpm、N=2.2 kW)、およびチューブセトラー (260 m²) を交換しました。
- ベルトフィルタープレスを幅2mのベルトと適合するエアコンプレッサー1セットに交換しました。
- 元の中央制御室、更新された機器、計器、確立された集中制御を利用して、工場全体のデータ通信システムを確立し、中央制御室と変電所間のデータ通信と生産プロセス制御の自動化を実現しました。{0}
5. 運用実績と技術的な経済指標-
5.1 運用パフォーマンス
この更新プロジェクトの完了後、すべての治療装置は安定して稼働しています。 2023 年の流入水および流出水の水質モニタリングデータを以下に示します。表2.
示されているように、COD、NH3-N、TN、TP、SS の平均排水濃度は 11.2、0.18、8.47、0.15、2.63 mg/L で、平均除去率はそれぞれ 95.16%、99.45%、77.31%、94.75%、97.38% でした。流出物の COD、NH₃-N、および TP は、GB 3838-2002 クラス III 水基準を一貫して満たしていました。
アップグレードされたプロジェクトは 2 年近く稼働しています。結果は、MBBR+ACCA プロセスが安定かつ効率的で、高品質の廃水を生成し、衝撃荷重や低温条件に対する強い耐性を実証していることを示しています。-冬期の最低水温は9.4度で、水質変動が大きかったにもかかわらず、排水水質は安定しており、放流基準を満たしていました。アップグレードの前後で、炭素源の投与量は増加しませんでしたが、TN 除去は大幅に強化されました。これは、一方では、MBBR 担体に付着した硝化微生物が安定した好気環境で増殖し蓄積し、より完全な硝化が起こるためです。一方、改良型MBBRタンクや無酸素タンクでは硝酸塩がさらに除去されました。最終的な ACCA システムは安全装置として機能し、難分解性 COD、TP、SS などをさらに吸着除去し、排水の水質をより安定させます。さらに、プロジェクトの実施後は、この工場で高品質の再生水を生産することができ、将来の水再利用の基礎を築くことができます。-
5.2 技術-経済指標
このプロジェクトの総投資額は 86,937,600 人民元で、その内訳は建設設置費 74,438,500 人民元、その他の費用 7,593,500 人民元、予備費 4,101,600 人民元、初期運転資金 804,000 人民元でした。システムが安定して稼働した後、プラント全体の追加電気コストは 0.11 RMB/m3、活性コークスコストは 0.39 RMB/m3 となり、合計運転コストは約 0.50 RMB/m3 増加します。
6. 結論
- このプロジェクトでは、既存の下水処理場に設備の更新、プロセスの強化、改修を実施し、高度な処理を追加して、COD、NH₃-N、TN、TPの除去効率を向上させました。
- アップグレード後、メインの「MBBR+ACCA」プロセスを使用することで、排水 COD、NH₃-N、TP がグレード 1A から地表水クラス III 基準まで安定して向上し、TN 除去が大幅に向上しました。
- 実践によると、このプロセスは安定して効率的に動作し、負荷衝撃に強く、高品質の廃水を生成し、約 0.50 RMB/m3 の運用コストが追加されます。{0}これは、他の下水処理施設におけるプロジェクトのアップグレードや水再利用の取り組みの参考として役立ちます。