下水処理場の曝気システムの省エネルギー・低炭素化に関する検討
2020年末までに、中国には自治体レベル以上の下水処理場（WWTP）が4,326か所あり、年間655億9,000万立方メートルの廃水を処理し、年間電力消費量は337億7,000万kWhで、国の総電力消費量の0.45%を占めていた。 2020年の処理水1立方メートル当たりの電力消費量原単位は、「都市下水処理場の汚染物質の排出基準」（GB 18918-2002）のグレードA基準以上を実施している下水処理場では0.405kWh/m3、グレードA未満の基準を実施している下水処理場では0.375kWh/m3でした。これらの数値は先進国の平均を大幅に上回っています。中国の下水処理場における流入汚染物質の平均濃度は先進国のそれの 50% 未満ですが、除去される汚染物質あたりの電力消費量の単位は少なくとも 100% 高いです。したがって、中国の下水処理場には、エネルギー節約と炭素削減の大きな可能性が依然として残されています。
下水処理場からの炭素排出には、直接排出と間接排出が含まれます。 「廃水処理プラントの低炭素運転評価に関する技術仕様」(T/CAEPI 49-2022) によると、直接炭素排出は主に化石燃料の燃焼による CH₄、N₂O、CO₂ で構成されています。間接排出には、購入した電力、熱、化学物質に関連する排出が含まれます。気候変動に関する政府間パネル (IPCC) の定義に従って、廃水処理における生物学的分解プロセスから排出される CO₂ は炭素排出量計算に含まれません。下水処理場におけるさまざまな炭素排出要素の中で、電力消費が最も大きな割合を占めています。 Jiang Fuhaiらは、10の下水処理場のサンプルに基づいて、炭素排出量に対する電力消費の寄与割合が31%から64%の範囲であることを発見した。 Hu Xiangらは巣湖流域の22の下水処理場を分析し、電力消費による炭素排出が61.55%から73.56%を占めていると報告した。流入水の濃度が低くなり、排水基準が高くなるほど、直接的な炭素排出、特に電力消費からの排出の割合が高くなります。曝気システムは下水処理場の総電力の 50% 以上を消費します。曝気システムの運用効率は、窒素とリンの除去に直接影響します。過剰な曝気は、廃水中の内因性炭素源の不必要な消費につながり、生物学的窒素およびリン除去の効率を低下させ、その結果、外部炭素源およびリン除去化学物質の投与量が増加し、その結果、化学物質の消費による炭素排出量が増加します。したがって、下水処理場の低炭素化には曝気装置の省エネルギー化が鍵となり、曝気装置の省エネルギー技術の研究の意義は極めて高い。
1. 中国の下水処理場の曝気システムにおけるエネルギー消費量が多い理由
1.1 実際の流入負荷は設計負荷より低い
低い流入負荷には、低い流量と低い汚染物質濃度の両方が含まれます。これは過剰なエアレーションの主な原因です。 -過剰な曝気は電力消費量を増加させるだけでなく、廃水中の内因性炭素源を過度に枯渇させ、嫌気性および無酸素性タンク内の溶存酸素濃度を上昇させ、窒素とリンの除去を阻害します。これには、炭素源とリン除去化学物質の投与量を増やす必要があり、それに伴う炭素排出量が増加します。
1.1.1 低流量
通常、下水処理場建設後の最初の数年間は、都市開発や下水道網建設の遅れにより、流入水量が設計容量に達しないことがよくあります。さらに、合流式下水道地域や、雨水と下水の混合が激しい地域では、乾燥した天候での流量が湿潤天候での流量よりも大幅に減少するため、大きな流量変動が発生します。-これには、通気量のより正確な調整と制御が必要です。そうしないと、低流量期間中の過剰エアレーションが一般的となり、炭素、窒素、リンの除去効率に影響を及ぼし、電力と化学物質の消費量が増加します。図1乾季と雨季の間の長沙市の下水処理量の変化を示しています。雨季の処理量は乾季より 30%～40% 増加します。-季節による処理量の変動には、より正確な曝気システム制御が必要です。
1.1.2 低い流入濃度
中国の都市下水処理場における実際の流入汚染物質濃度は、一般に設計値よりもはるかに低いです。下水処理場の設計では、流入水の水質は通常、完全な下水道ネットワークの中期から長期の予測に基づいています。--- 「屋外廃水工学の設計基準」（GB 50014-2021）によると、家庭廃水の 5 日間の生物化学的酸素要求量（BOD₅）は 40～60 g/(人・日) と計算され、一般的には 40 g/(人・日) となります。ほとんどの都市では一人当たりの廃水排出量が 200 ～ 350 L/(人・日) であるため、設計上の BOD₅ 濃度は通常 110 ～ 200 mg/L の範囲になります。統計によると、中国の下水処理場の 68% では実際の年間平均流入水 BOD₅ が 100 mg/L 未満であり、40% では年間平均が 50 mg/L 未満です。流入水の濃度と必要な曝気の観点から見ると、ほとんどの中国の下水処理場は、実際の空気需要が低いにもかかわらず、「小型カート用の特大モーター」の状況で設計された曝気システムを備えており、-大容量ブロワーで構成されています-。この構成では、エアレーションが過剰になり、エネルギー消費が増加しやすくなります。
1.2 曝気装置の数量の無理な構成
多くの下水処理場では、頻繁に発生する低負荷の運転条件を考慮していないため、曝気装置ユニットの数が不当に設定されています。{0}}たとえば、多くの中小規模の下水処理施設では通常、送風機室設計において送風機を「2 デューティ + 1 スタンバイ」（合計 3 つ）の設定で構成しており、これは設計フローと品質条件下で最適です。ただし、流入負荷が低い状況では、1 台のブロワーでも最小出力で動作させると、過剰曝気が発生し、電力消費量が増加する可能性があります。{7}}可変周波数ドライブ (VFD) やその他の空気供給量を減らす手段を設置することで過剰エアレーションを回避できますが、これらの手段により送風機の動作が高効率ゾーンから外れ、効率が低下し、エネルギーが浪費される可能性があります。-一般に流入水の濃度が低いことを考慮すると、低負荷期間中の空気需要規制のニーズを満たすために、個々のユニットの容量を減らしながら送風機の数を増やすなどの戦略を検討する必要があります。-これまで、予算が限られており、輸入された高性能送風機のコストが高かったため、ユニット構成の数が減っていました。-国内の高性能送風機技術の成熟とコスト削減により、現在、送風機構成を最適化して省エネと炭素削減を達成するのに有利な状況が整っています。
1.3 曝気装置の効率の低さ
一部の古い下水処理場は、当時の技術で建設されており、低効率、高エネルギー消費の曝気装置を使用しています。{0}{1}{1}{2}現在の技術およびエネルギー効率の基準によれば、ルーツ ブロワー、多段低速遠心ブロワー、ディスク エアレーター、ブラシ エアレーターなどの機器は低効率とみなされ、通常は効率が 40% ～ 65% であり、最新の高速遠心ブロワーよりも 15% ～ 40% 低いと考えられています。-さらに、嫌気性-無酸素性-酸素性（A₂/O）プロセスまたは無酸素酸素性（A/O）プロセスで微細気泡拡散曝気を使用する下水処理場では、散気装置の経年劣化や目詰まりにより酸素移動効率が低下し、抵抗が増加するため、ブロワーのエネルギー消費量が増加します。
1.4 生物水槽におけるミキサーの無理な構成
表面曝気装置を備えた酸化溝では、この装置は曝気と混合/押出の両方の機能を果たします。これは設計荷重条件下では合理的な設計です。ただし、低負荷条件下では、曝気を減らすか停止する必要がある場合がありますが、汚泥の沈降や固液の分離を防ぐために、十分な流速を維持する必要があり、曝気装置の継続運転が強制され、過剰曝気、栄養除去の低下、エネルギーの浪費が発生します。-低負荷時のエネルギー効率を高めるには、酸化溝に適切に構成された水中ミキサーを装備する必要があります。-
A₂/O および A/O プロセスでは、好気性タンクは通常、専用のミキサーを使用せず、微細な気泡ディフューザーで完全に覆われており、沈降を防ぐために十分な通気に頼っています。{0}低負荷では、過剰な曝気を避けるために曝気量を減らしたり、断続的な曝気を実施したりすると、汚泥が沈降しやすくなり、処理に影響を与える可能性があります。-低負荷でより効率的に動作させるには、A₂/O および A/O 好気性タンクに適切なミキサーの追加を検討する必要があります。
2. 下水処理場曝気システムにおける省エネと炭素削減のための技術的アプローチ
2.1 高効率エアレーション装置への置き換え-
ルーツ ブロワー、多段低速遠心ブロワー、ディスク エアレーター、ブラシ エアレーターなどの低効率機器を依然として使用している下水処理場、または著しく老朽化した非効率な機器を使用している下水処理場は、エネルギー節約と炭素削減の観点からエネルギー効率評価を実施し、適切な時期に新しい高効率モデルに置き換える必要があります。-現在、大型の下水処理場で使用される単段高速遠心ブロワー、磁気ベアリング ブロワー、エア ベアリング ブロワーなどの高速ブロワーは、通常 80% ～ 85% の効率を誇っています。-しかし、現在市場には小型{13}}高速-遠心ブロワー製品がありません。処理能力が 2,000 m3/日未満の下水処理場は依然としてルーツブロワーなどの効率の低い機器に依存しており、その効率は一般に 40% ～ 65% であり、改善の大きな可能性を示しています。したがって、より効率的な小規模曝気装置を開発することは、小規模下水処理場のエネルギー節約と炭素削減にとって有意義です。
2.2 表面曝気から微細気泡拡散曝気への変換-
適切な水深を考慮すると、-微細気泡の拡散エアレーションは表面エアレーションよりもエネルギー効率が高くなります。-酸化溝を表面から微細な気泡の拡散エアレーションに変換すると、-優れた省エネ効果が得られます。-実施された改修プロジェクトにより、このような変換は大幅なエネルギー節約を達成するだけでなく、生物学的栄養素の除去効率も向上します。 Chen Chao 氏の研究では、1 つの下水処理場を転換した後、総電力消費量が 24.7% 減少し、アンモニア態窒素、COD、全リンの除去率がそれぞれ 30.39%、5.39%、2.09% 増加したと指摘しています。謝吉慈ら。同様の変換後、生物学的栄養素の除去効率が大幅に向上し、0.09 ～ 0.12 kWh/m3 のエネルギー節約が報告されました。ファインバブルエアレーションでは、酸素移動効率は水深と直線的に正の相関関係があります。特定の臨界深度以下では、その効率は表面曝気よりも低くなる可能性があります。一般に、酸化溝を微細気泡拡散曝気に変えるには、水深が 4 m を超える適切な条件と考えられます。-。
3. 下水処理場曝気システムにおける省エネと炭素削減のための技術的アプローチ
3.1 高効率エアレーション装置への置き換え-
ルーツ ブロワー、多段低速遠心ブロワー、ディスク エアレーター、ブラシ エアレーターなどの低効率機器を依然として使用している下水処理場、または著しく老朽化した非効率な機器を使用している下水処理場は、エネルギー節約と炭素削減の観点からエネルギー効率評価を実施し、適切な時期に新しい高効率モデルに置き換える必要があります。-現在、大型の下水処理場で使用される単段高速遠心ブロワー、磁気ベアリング ブロワー、エア ベアリング ブロワーなどの高速ブロワーは、通常 80% ～ 85% の効率を誇っています。-しかし、現在市場には小型{13}}高速-遠心ブロワー製品がありません。処理能力が 2,000 m3/日未満の下水処理場は依然としてルーツブロワーなどの効率の低い機器に依存しており、その効率は一般に 40% ～ 65% であり、改善の大きな可能性を示しています。したがって、より効率的な小規模曝気装置を開発することは、小規模下水処理場のエネルギー節約と炭素削減にとって有意義です。
3.2 表面曝気から微細気泡拡散曝気への変換-
適切な水深を考慮すると、-微細気泡の拡散エアレーションは表面エアレーションよりもエネルギー効率が高くなります。-酸化溝を表面から微細な気泡の拡散エアレーションに変換すると、-優れた省エネ効果が得られます。-実施された改修プロジェクトにより、このような変換は大幅なエネルギー節約を達成するだけでなく、生物学的栄養素の除去効率も向上します。 Chen Chao 氏の研究では、1 つの下水処理場を転換した後、総電力消費量が 24.7% 減少し、アンモニア態窒素、COD、全リンの除去率がそれぞれ 30.39%、5.39%、2.09% 増加したと指摘しています。謝吉慈ら。同様の変換後、生物学的栄養素の除去効率が大幅に向上し、0.09 ～ 0.12 kWh/m3 のエネルギー節約が報告されました。ファインバブルエアレーションでは、酸素移動効率は水深と直線的に正の相関関係があります。特定の臨界深度以下では、その効率は表面曝気よりも低くなる可能性があります。一般に、酸化溝を微細気泡拡散曝気に変えるには、水深が 4 m を超える適切な条件と考えられます。-。
3.3 間欠曝気技術
流入水の濃度が低い下水処理場の場合、連続流断続エアレーションは、過剰エアレーションによって引き起こされる栄養分の除去不良と高エネルギー消費の問題に効果的に対処します。{0}{1}これには、曝気システムが曝気オン/オフのサイクルで動作する間、連続的な流入水と流出水の流れが含まれます。 1986 年の ARAKI らの酸化溝内の窒素除去のための間欠曝気に関する研究に続き、多くの学者が実験研究を行ってきました。ホウ・ホンシュンら。 -は、酸化溝での連続流断続曝気を使用して、100,000 m3/日の下水処理場で本格的な試験を実施しました。その結果、総窒素除去量が 20% 増加、総リン除去量が 49% 増加し、プラントの総エネルギー消費量が 21% 削減されました。 He Quan らは、2{24}} 時間オン/2- 時間オフのサイクルを使用した 40,000 m3/日の下水処理場の酸化溝の試験で、冬の低温条件下で、連続曝気と比較して断続曝気により曝気エネルギーが 42% 節約され、総窒素除去が 9.6% 増加し、総リン除去が 6.9% 増加することを発見しました。- Zheng Wanlin らは、3 時間オン/3 時間オフのサイクルを使用した 40,000 m3/日の下水処理場 A₂/O プロセス試験で、電力消費量を 18.3% 節約しながら、安定した基準に準拠した排水品質を維持しました。現在のところ、連続流間欠曝気の本格的な応用はまだ限られており、いくつかの技術的課題が残っています。
ファインバブルエアレーションを使用する A₂/O プロセスでは、断続エアレーションの広範な適用を制限する 2 つの要因があります。{0}まず、高速遠心ブロワーは起動時に高-デシベルの鋭い騒音を発生します。断続的な動作のための頻繁なサイクリングは騒音公害を引き起こします。第 2 に、磁気/エア ベアリング ブロワーの起動-サイクルが頻繁に行われると、非接触ベアリングが繰り返しハウジングに接触し、ベアリングの損傷、故障率の増加、寿命の低下につながりやすくなります。{6}}
酸化溝または A₂/O プロセスに断続的な曝気を適用する場合、非曝気期間中の十分な混合速度を確保する必要があり、スラッジの沈降を防ぐために追加のミキサーが必要になる可能性があります。{0}アンモニア態窒素濃度は非曝気中に急速に上昇する可能性があり、瞬間的に超過する危険があります。-したがって、瞬間的なアンモニア態窒素の超過を回避しながら、エネルギー節約と汚染物質の除去をより良く改善するために、曝気サイクルを科学的に設定および調整するには、さらなる研究が必要です。
下水処理場は、アンモニア態窒素が瞬間的に超過する可能性があることを懸念しており、断続的曝気の広範な適用に対する大きな障壁となっている。 2022 年 1 月、生態環境省は GB 18918-2002 の修正草案に関する諮問を発行し、主に単一測定の最大許容限度を追加することを提案しました。これらの提案された 1 回の測定限界は、元の 1 日平均限界よりも大幅に高くなりますが、1 日平均は変化しません。たとえば、グレード A 標準の場合、1 日平均が 5 mg/L (12 度未満で 8 mg/L) 未満のままであれば、1 回の測定で 10 mg/L (12 度未満で 15 mg/L) 未満であれば許容されます。この修正案が施行されれば、断続的なエアレーションによる瞬間的な超過に関する規制上の懸念に対処するのに役立ち、オキシデーションディッチプロセスへの適用が容易になる可能性がある。
3.4 精密エアレーション技術
下水処理場の流量と流入水の濃度は 1 日を通してであっても大幅に変動し、空気需要が変動します。手動の経験に基づいた調整のみに依存すると、正確な制御が難しくなり、排水品質の安定性が損なわれる可能性があります。-ビッグデータと人工知能の進歩により、正確なエアレーションの概念が登場しました。一部の下水処理場では精密曝気技術が適用されており、曝気システムでは通常 10% ～ 20% のエネルギー節約が達成されています。正確なエアレーションと他のプロセス変更を組み合わせると、より良い結果が得られます。朱傑ら。多段階 A/O プロセスの下水処理場に正確な曝気改修を実装し、曝気システムで 49.8% のエネルギー節約を達成しました。正確かつインテリジェントなエアレーションは、エネルギー節約と炭素削減の重要な将来の方向性を表します。これらのシステムのデータ取得と分析のリアルタイム機能と精度には、現在の制限があります。-送風機とバルブをリアルタイムで正確に制御し、空気を正確に分配するには、さらなる技術的進歩が必要です。-
4. 結論
下水処理場における二酸化炭素削減の鍵となるのは、曝気システムのエネルギー節約です。中国の下水処理場曝気システムにおけるエネルギー消費量が多い主な理由は、流入負荷が低いため、過剰曝気、電力の無駄、電力と化学物質の両方からの炭素排出量の増加につながりやすいためです。-その他の理由としては、機器の老朽化や効率の低さ、曝気および混合機器の不合理な構成などが挙げられます。{3}省エネと炭素削減を達成する効果的な手段には、低効率のエアレーション装置を高効率のエアレーション装置に置き換える、-表面を微細な気泡拡散エアレーションに変換する、連続流断続エアレーションや精密エアレーションなどの技術を適用するなどがあります。-