MBBR が中国の大手下水処理場をどのように変革したか: 10 年間のケーススタディ

リチュン河下水処理場における MBBR プロセスの 10 年間の運用実績の分析

廃水処理の分野では、能力の拡張とアップグレードが常に話題になっています。下水処理プラントのアップグレードでは、新しいプロセスには高い処理効率だけでなく、優れた耐衝撃性と現場での改修の実現可能性も求められます。-したがって、移動床バイオフィルム リアクター (MBBR) プロセスは良い選択です。このプロセスでは、浮遊担体をその場で生物学的タンクに追加してバイオフィルムを強化し、汚染物質の除去を強化します。-処理負荷が高く、衝撃に強い、設置面積が小さいなどの利点があります。 2008 年に無錫楽村下水処理場でのクラス A アップグレードに MBBR プロセスの使用が成功して以来、中国における MBBR プロセスを使用した下水処理能力は 3,500 万 m3/日を超え、アップグレード、容量拡張、アップグレード + 容量拡張、高基準排水、微量汚染水処理、点源汚染処理などの分野に広く適用されています。-

リクンヘ下水処理場は、下水処理場としては比較的早期に更新が行われ、2010 年に初めて MBBR プロセスを採用した更新を行い、2015 年に MBBR プロセスによる能力拡張を実施しました。本稿では、リクン河下水処理場における 10 年以上にわたる MBBR プロセスの運用実績を基に、他の下水処理場の新設、改修、拡張の参考となる運用実績や関連設備の課題などを紹介します。

1 リクンヘ下水処理場の概要

立群河下水処理場は、青島市石北区立群河下流の南岸に位置しています。 2020 年末までに、総処理能力は 250,000 m3/d に達しました。設計流入水と流出水の水質を以下に示します。表1.

この工場は建設以来、3 つのアップグレード/生産能力拡張プロジェクトを完了しました。これらはすべて、敷地を拡張することなく工場内の現場で実施されました。{0}工場内の設備は 3 つのフェーズに分かれています。フェーズ I とフェーズ II の合計処理能力は 170,000 m3/日で、2015 年の拡張後、処理能力は 205,000 m3/日に達しました。フェーズ III は、2015 年に元の場所に取り壊されて改修され、処理能力が 45,000 m3/日で新設されました。

The technical route for upgrading and the technical route for upgrading the biological tank of Licunhe Wastewater Treatment Plant: In 2010, the plant underwent its first upgrading, requiring effluent ammonia nitrogen, TP, SS, COD, and BOD₅ to be upgraded from the Class II standard of the "Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant" (GB 18918-2002) to the Class A standard. Due to land constraints, only in-situ upgrading technology could be selected. At that time, there was little experience to draw on. Ultimately, the MBBR process was selected for the biological section to enhance nitrogen removal, and an advanced treatment system was added to meet the requirements for SS and TP removal. The core goal of this upgrading was to control ammonia nitrogen, so suspended carriers were added in part of the aerobic zone. The effective specific surface area of the suspended carriers was >450 m²/m³, and the filling ratios for Phase I and II were 40% and 48%, respectively. Using MBBR for upgrading was simple, easy, convenient, reliable, and the effect was stable. In 2015, the plant underwent its second renovation. The treatment capacity was increased from 170,000 m³/d to 250,000 m³/d. At the same time, all core indicators including TN were required to meet the Class A standard, and through optimized operation control, further meet the quasi-Class IV surface water standard. Considering the smooth connection with the existing process and the smoothness of the upgrading, as well as the comprehensive investment and operating costs, the MBBR technical route was ultimately continued. The core goal of this upgrading was to control ammonia nitrogen and TN while increasing the treatment capacity. On one hand, to address TN compliance, the biological section was upgraded from the traditional A²/O process to the Bardenpho process. By adding a post-anoxic zone, the limitation of the recirculation ratio on TN removal was overcome, ensuring stable effluent TN compliance. On the other hand, to address the ammonia nitrogen issue, Phase I and II supplemented the aerobic MBBR zone with suspended carriers having an effective specific surface area >800 m²/m³. Phase III was a new project, adding suspended carriers with an effective specific surface area >800 m2/m3、充填率 48%。 2020 年、工場の排水は準クラス IV 地表水基準を満たすことが要求され、排水はリクンヘ川の生態系補給水として使用されました。{4}生物部門は 2 回目の改修時にすでに準クラス IV 地表水基準を満たすことを十分に検討していたため、この改修では生物タンクは変更されませんでした。高度処理部門に「空気浮遊選鉱＋オゾン高度酸化」を追加するだけで、安定した排水品質コンプライアンスを確保できます。

立村河下水処理場は、継続的なアップグレードのために MBBR プロセスを採用しました。技術的なルートは異なっていましたが、核心は同じでした。浮遊担体を好気ゾーンに追加し、浮遊担体の利点を利用して独立栄養細菌を効率的に濃縮し、硝化プロセスを強化しました。同時に、充填率を高めるか、より大きな有効比表面積を持つ懸濁担体を使用することにより、好気ゾーンの懸濁担体の総有効表面積を増やし、体積負荷を増やして好気ゾーンの体積を節約し、体積の再配分を通じて節約された好気体積を無酸素前ゾーンまたは無酸素後ゾーンに再割り当てし、TN 除去を強化します。-

工場の更新マイルストーンに従って、2010 年から 2020 年までの操業は 4 つの段階に分けられました。各ステージの動作パフォーマンスは次のとおりです。表2。表 2 から、各段階の排水は排出基準を満たしていることがわかります。

2 MBBR プロセスの運用パフォーマンス

MBBRプロセスの中核機能は硝化と脱窒であり、脱窒は硝化を前提としています。都市下水処理場では、硝化反応が低温や衝撃荷重、有機物などの影響を受けやすく、排水水質が変動するため、実際の管理においては、排水のアンモニア態窒素基準を満たすことが重要となります。

2.1 硝化操業の安定性

4 つの運転段階におけるアンモニア性窒素の遵守率を以下に示します。図1.

It can be seen from Figure 1 that in Stage I, based on the Class II effluent standard of the plant, the actual compliance rate of the Class A standard (ammonia nitrogen ≤5 mg/L) was 93.72%, and stable Class A standard operation could not be achieved. After the MBBR process renovation, the compliance rate of the Class A standard (ammonia nitrogen ≤5 mg/L) in Stage II increased to 99.18%. 0.82% of the ammonia nitrogen data were >5 mg/L ですが、それでも 8 mg/L 未満です。分析によると、これは主に低温での動作によるものでした。-さらなる改善により、ステージIIIのクラスA基準（アンモニア態窒素5mg/L以下）の適合率は100％に達し、「地表水の環境基準」（GB 3838-2002）のクラスIV基準（アンモニア態窒素1.5mg/L以下）の適合率は93.99％に達した。ステージ IV までに、流出アンモニア態窒素は (0.44±0.28) mg/L となり、クラス IV 地表水基準（アンモニア態窒素 1.5 mg/L 以下）の適合率は 100% に達しました。また、図1から、ステージIからステージIVにかけて、曲線の変曲点が徐々に後方に移動し、アンモニア態窒素の最大値が徐々に減少していることがわかり、システムの流出アンモニア態窒素がより安定し、衝撃荷重耐性がより強くなっていることがわかります。

毎年 12 月、1 月、2 月はプラントの低温運転期間です。{0}この期間の 4 つの段階における流出アンモニア性窒素の分布は次のとおりです。図2。図2から、ステージIからステージIVにかけて、流出アンモニア態窒素の濃度分布が徐々に高基準に収束し、耐低温性がますます強くなっていることがわかります。活性汚泥管理段階（ステージI）では、低温耐性が弱く、流出アンモニア態窒素濃度が大きく変動した。懸濁キャリアの添加により、ステージ II の流出アンモニア態窒素の変動が弱まり、システムの低温耐性が強化されました。- 2回目の改修により、浮遊担体の総有効表面積が増加し、流出アンモニア態窒素は安定して5mg/L以下となり、システムのクラスA適合率は100%に達しました。懸濁担体上のバイオフィルムが徐々に成熟するにつれて、ステージ IV までにシステムの処理能力と低温耐性がさらに強化され、流出アンモニア態窒素は安定してクラス IV の地表水基準を満たしました。内モンゴルの廃水処理施設では、冬の低温条件（6～8度）でMBBRプロセスを使用し、平均流出アンモニア態窒素は1.5mg/L、アンモニア態窒素除去率は94.2%であり、良好な耐低温性を示した。-。天津の下水処理プラントでは、MBBR プロセスをアップグレードに使用しました。 2〜6度の低温条件下では、懸濁担体上のバイオフィルムの硝化率は活性汚泥の10倍であり、低温でも安定したアンモニア態窒素のコンプライアンスを確保した。リクン河廃水処理場の 4 つのステージ全体が低温で動作するため、吊り下げられたキャリアを追加することでシステムの低温耐性が強化され、年間を通じて安定した排水コンプライアンスが確保されました。-

冬季の低温の問題に加えて、システムは水質と水量のショックにも頻繁に遭遇します（を参照）図3）、安定した排水コンプライアンスに大きな課題をもたらします。立群河下水処理場の流入水量は、「夏に多く、冬に少ない」という典型的なパターンを示しています。夏は主に雨季の洪水期と合流式下水道の影響を受け、総流入量は定期的に設計容量を超えます。図3(a)から、2013年5月から2015年12月まで、プラントへの実際の流入流量は継続的に設計値を上回り、超過率は100%に近い状態が長期間続いていることがわかります。この段階では、流出アンモニア態窒素は (1.3±0.3) mg/L、平均除去率は 96.4% で、システムの硝化効果は安定していました。図 3 (b) から、2017 年 1 月から 2020 年 12 月まで、流入水の水質には、主に有機汚染物質に反映される深刻な超過現象があったことがわかります。 BOD5 の超過率は 29.17% に達し、その結果流入水 TN の超過率は 31.25% に達しました。実際の流入アンモニア態窒素・TN<0.5, resulting in a large ammonification load of organic nitrogen and a large nitrification load of ammonia nitrogen, bringing great challenges to the stable compliance of the plant. Through optimized operation control, measures such as increasing the system dissolved oxygen were adopted to ensure that the effluent ammonia nitrogen was (0.8±0.6) mg/L, achieving stable compliance discharge.

活性汚泥プロセスの運転中、流入する有機物衝撃の直接的な影響により、システムの硝化能力が弱まり、回復時間が長くなります。 MBBRプロセスでは、硝化に関与する微生物は主に浮遊担体上のバイオフィルムに豊富に存在するため、活性汚泥制御による硝化への悪影響が効果的に低減され、硝化細菌の損失が防止され、安定したアンモニア態窒素コンプライアンスが確保されます。黄清ら。らは、有機的衝撃の前後で懸濁担体の硝化率は影響を受けなかったが、活性汚泥の硝化率は衝撃後に44%減少したことを発見した。 MBBRプロセスは水質および水量のショックに強いことがわかります。

2.2 改修前後のTN除去効果の比較

2010年から2020年までのプラントのTN処理効果を以下に示します。図4。図 4 から、2015 年以前の排水 TN は (19.62±4.63) mg/L で、​​TN 除去率は 67.6% であったことがわかります。ステージ III の TN コンプライアンス要件と高流入 TN の問題に直面し、Bardenpho プロセスを使用して元の A²/O 量を再分割し、高 TN 除去という目標を達成しました。{7}}ステージ III では、排水 TN は (7.75±2.60) mg/L まで低下し、準-クラス IV 地表水排水に完全に達しました。したがって、2020 年に準クラス IV 地表水基準に合わせてアップグレードする際、生物タンクは改造されませんでした。- TN 制御における Bardenpho プロセスの優れた利点により、廃水処理プラントの排水基準がますます厳しくなっているため、Bardenpho プロセスはますます広く使用されるようになってきています。たとえば、バルデンフォプロセスを使用する浙江省の下水処理プラントでは、平均排水TNが8.43 mg/Lで、「都市下水処理プラントの主要な水質汚染物質の排出基準」(DB33/2169-2018)を安定して満たしています。 Bardenpho プロセスを使用する天津市の下水処理施設では、平均排水 TN が 6.82 mg/L で、​​「都市下水処理施設の汚染物質の排出基準」(DB12/599-2015) のクラス A 基準を安定的に満たしていました。

3 MBBR 専用機器とメンテナンス

3.1 停止中のキャリア

懸濁キャリアは、バイオフィルムを濃縮し、汚染物質の除去を達成するための中心的な装置です。立村下水処理場では、直径 (25±0.5) mm、高さ (10±1) mm の高密度ポリエチレン (HDPE) 製の SPR シリーズ平らな円筒形の吊り下げキャリアを使用しています。-この記事の執筆時点で、追加された懸濁担体の最初のバッチは 10 年以上稼働しており、安定した生化学的性能が保証されています。運用中の交換や補充は行っておりません。エンジニアリングの実践では、純粋な HDPE 懸垂キャリアを使用した最初の海外プロジェクトは 31 年間安定して稼働しており、中国の無錫楽村廃水処理場も 14 年間稼働し、良好な結果をもたらしています。吊り下げられたキャリアの長い耐用年数は、MBBR プロセスの安定したパフォーマンスに役立つだけでなく、その後の運用コストも回避します。 1 回の投資で、長期にわたる安定した運用を維持できます。-

立村河下水処理場における SPR シリーズの懸架キャリアには、SPR-Ⅰ、SPR-Ⅱ、SPR-Ⅲが含まれます。以下に示します。図5。コアパラメータである有効比表面積は徐々に増加します。懸濁担体を添加してから約 1 週間後、バイオフィルムが付着し、淡黄色に見えます。システムが作動するにつれて、バイオフィルムは徐々に成熟し、主に茶色になります。懸濁キャリアの色は主に流入水質、基質濃度、操作時間、添加ゾーンなどに関係します。黄色または黒色を示す報告もありますが、これはコア機能には影響しません。懸濁担体上のバイオフィルムは硝化細菌を濃縮する強力な能力を持っており、その濃度は活性汚泥の15倍以上である23％以上に達しており、懸濁担体による硝化促進の根本的な理由が微生物レベルで確認されています。 3種類の懸濁担体の有効比表面積は徐々に大きくなり、同じ充填率であれば単位体積あたりの処理能力がますます強くなります。これは、将来の MBBR プロセスのさらなる容量拡張とアップグレードの基礎でもあります。 MBBR プロセスの業界発展の方向性の 1 つは、より大きな有効比表面積を備えた懸濁キャリアを開発することですが、一方的な利益を防ぐために、空隙率や壁厚などの他のパラメータの影響にも注意を払う必要があります。-

3.2 画面

スクリーンは、懸濁キャリアの特定の濃縮と MBBR プロセスの安全な操作を確保するための鍵となります。立村下水処理場では、最初に厚さ 3 mm のステンレス鋼スクリーンを使用しました。 5年間の運用後、懸濁キャリアの漏れが発生しました。この問題は水中工事により適時に修復され、厚さ 5 mm のステンレス鋼スクリーンが使用されました。 3 年間の運用後、再びサスペンドキャリアのリークが発生しました。どちらの漏れも予想より寿命が大幅に短かったです。その理由は主に動作環境によるものと分析されました。流入水に含まれる無機の砂や砂利の含有量が高く、キャビテーション、電気化学的腐食、酸およびアルカリによる腐食の影響と相まって、スクリーンの摩耗が促進されました。この問題を根本的に解決するために、メーカーは摩​​耗の激しいステンレス鋼のスクリーンを非金属の耐摩耗性素材にアップグレードしました。-耐摩耗性の高い素材-。非金属耐摩耗性素材-の摩耗指数は、さまざまな種類のステンレス鋼の摩耗指数の約 1/12 ～ 1/6 です。摩耗指数が小さいほど、耐摩耗性は優れています。また、ステンレス鋼の電気化学的腐食によって引き起こされる摩耗の増大の問題も回避します。ステンレス鋼スクリーンと比較して、非金属耐摩耗性スクリーンは 30 年以上と寿命が長く、MBBR プロセスの安全な操作をより確実に保証できます。

3.3 ミキサー

ミキサーは懸濁キャリアの流動化動力源の一つです。リクンヘ廃水処理場の最初の改修中、プッシュフローミキサーが好気性 MBBR ゾーンに設置され、浮遊担体の流動化を促進し、良好なエンジニアリング流動化効果を達成しました。しかし、実際の運用では、懸垂キャリアとミキサーとの衝突や、羽根付近の懸垂キャリアの空間充填率の不均一により、ミキサーモーターの損傷や羽根の磨耗が発生しやすく、維持費や交換費が高額になってしまいました。したがって、MBBR プロセスでは、最初に好気ゾーンを脱混合する必要があり、懸濁キャリアの流動化は曝気によってのみ達成される必要があります。-無酸素ゾーンの場合、ミキサーのみが無酸素ゾーンの動力源となるため、MBBR専用のミキサーを開発する必要があります。たとえば、ミキサーのブレードの外縁の回転速度、形状、表面曲率、線速度を最適化し、必要に応じてシミュレーション手法を使用して設計と設置を最適化します。つまり、懸濁キャリアの低消費流動化とミキサーの長寿命を達成する必要があります。-

3.4 流動化タンクの構成

MBBR プロセスのタンク構成は、流入水システム、流出水システム、曝気システム、流動化システムを完全に表したものです。立村河下水処理場における 2 つの MBBR プロセス流動化タンク構成を図 6 に示します。2010 年に中国で大規模な MBBR 事例があったのは、無錫楽村下水処理場と済寧中山公共事業下水処理場のみでした。{3}}立村河下水処理場の最初の改修は、無錫楽村下水処理場のモデルに倣い、循環流タンク構成を採用しました。循環流タンクの構成は「酸化溝」に似ており、懸濁キャリアゾーンにプッシュフローミキサーが必要です。-懸濁されたキャリアは、エアレーションとミキサーの押し込みの組み合わせにより水平循環流を形成します。このタンク構成は、MBBR プロセスに初めて適用されて成功したタンク構成でもあります。マイクロ-混合タンク構成にはプッシュフローミキサーは必要ありません。-懸濁キャリアの流動化は、通気によってのみ達成されます。片側流入水と片側流出水により、タンク内の水の流速が減少し、適切な曝気配置により、浮遊担体はタンク内に垂直循環流を形成できます。上部は流出端から流入端に流れ、下部は流入端から流出端に流れます。操作の面では、どちらのタンク構成も懸濁キャリアの良好な流動化を達成でき、MBBR プロセスの効果を確実に発揮します。マイクロ混合タンク構成を適用する鍵となるのは、曝気パイプの配置と流入水の分布の均一性です。浮遊キャリアの非流動化や短絡を効果的に回避する必要があります。{19}必要に応じて、シミュレーション ソフトウェアを使用して油圧流動化をシミュレーションする必要があります。また、設計上、孔あきエアレーションとファインバブルエアレーションを別々の送風機で制御することも考えられ、相互の影響を軽減し、制御の簡素化を図ることができる。

3.5 運用と保守

MBBR プロセス制御の核心は、懸濁キャリアの流動化です。流動化は、浮遊担体上のバイオフィルムの物質移動と酸素移動の基礎であり、バイオフィルムが汚染物質除去能力を発揮するための鍵となります。懸濁されたキャリアを含むタンクのメンテナンスでは、キャリアを隣接するタンクまたは他の機能ゾーンに移送するために特別なポンプがよく使用されます。メンテナンスが完了すると、吊り下げられたキャリアはポンプで戻されます。タンクを空にする際は、スクリーン前後の液面差に注意し、順番に空にする必要があります。特殊な状況下で始動および停止する場合は、流入および再循環が開始される前に懸濁キャリアが流動化されるように、システムの始動時に最初に曝気を開始することに注意を払う必要があります。システムを停止するときは、最初に再循環と流入を停止し、最後に曝気を停止する必要があります。重要なのは、キャリアの流動性を確保し、スクリーンでの液面差を防ぐことです。現在、MBBR プロセス用の水中装置の開発と革新的な実践により、その耐用年数は大幅に向上し、プロセスはメンテナンスなしで長期にわたる安全な運転を実現できます。- MBBR プロセスには、前処理に関する厳密な要件はありません。リクン河下水処理場で前処理に使用されているファインスクリーンはバー間隔が5mmであり、不適切な前処理によるスクリーンの目詰まりは発生していません。

3.6 純粋なメディア MBBR の実現可能性-

立村下水処理場では、ハイブリッド汚泥バイオフィルム システムである現場埋め込みの形で MBBR プロセスの改修を採用しました。{0}{1}{1}活性汚泥の強化プロセスとして、懸濁担体上のバイオフィルムは、ハイブリッド システムにおいて豊富で高活性な微生物を濃縮する能力を持っていますが、その主な役割は、活性汚泥の不十分な処理能力を補うことです。 2015 年にはすでに、工場は純粋なメディア MBBR プロセスの実現可能性を検証し始めました。{7}}純粋な媒体 MBBR プロセスを使用して、二次沈殿タンクの流出物を処理して深部脱窒を行いました。その結果、低温条件下で脱窒負荷が0.45kg/(m3・d)に達し、良好な運転性能で排水TNを5mg/Lまで低減できることが示された。現在、純粋な媒体 MBBR プロセスを都市廃水処理に適用し、短い水力滞留時間で高い排出基準を達成する工学的な例があります。さらに、純粋媒体 MBBR プロセスは活性汚泥を濃縮しないため、二次沈殿タンクの必要性がなくなり、プロセスの流れが短縮されるだけでなく、汚泥のバルキングなどの問題も回避されます。運転制御が簡単で、廃水処理に新たな発想とプロセスの選択肢を提供します。これは、MBBR プロセスの将来の開発方向でもあります。

4 結論と推奨事項

青島の立村河下水処理場では、MBBR プロセスを使用して生物セクションの現場改修を 2 回実施し、現場のアップグレードと処理能力の拡大という目標を達成しました。{0}{1}排水基準は GB 18918-2002 のクラス II 基準から準クラス IV 地表水基準にアップグレードされ、処理能力は 170,000 m3/日から 250,000 m3/日に増加しました。 MBBRプロセスは10年間稼働しており、安定した処理性能を誇っています。流出アンモニア態窒素およびTNは、それぞれ(0.44±0.28) mg/Lおよび(7.75±2.60) mg/Lに達した。懸濁担体上のバイオフィルム内の硝化バクテリアの効率的な濃縮能力が MBBR の優れた硝化性能の基礎となっており、MBBR プロセスが低温、水質および水量の衝撃に対して優れた耐性を備えていることが保証されます。 MBBR プロセスの運用および保守管理の中核は、懸濁キャリアの流動化を制御することですが、これには信頼性の高い設計と機器のサポートが必要であり、プロセス製造業者に高い要求を課しています。

MBBR プロセスの開発の方向性は次のとおりです。 ① 単位体積あたりの処理能力を向上させ、設置面積をさらに削減するか、継続的なアップグレードと能力拡張を達成するために、より大きな有効比表面積を備えた浮遊担体を開発します。 ② プロセス操作の安全性を向上させるために、より耐摩耗性の高い-非金属耐摩耗性-耐摩耗性-素材のスクリーンを使用します。 ③ カスタマイズされたミキサーを開発して、ミキサーの耐用年数を延ばし、低消費量の流動化を実現します。- ④ 手作業に代わる自動流動監視システムを開発し、運用と保守を簡素化する。 ⑤ 廃水処理の多様なニーズに応えるため、処理申請書を充実させ、純粋バイオフィルム法を採用します。