MBBRにおける窒素とマンガンの同時除去に対するpHの影響
MBBR パフォーマンスに対する pH の影響
pH は、微生物の活性と生化学反応速度に直接影響を与えるため、移動床バイオフィルム リアクター (MBBR) の効率において重要な役割を果たします。重要な環境要因として、pH 変動は以下に影響を与えます。
- バイオフィルムコミュニティ構造- pH の変化により、硝化/脱窒細菌とマンガン酸化微生物の優勢が変化します。-
- 酵素活性- 最適な pH 範囲は、亜硝酸オキシドレダクターゼ (pH 7～8) とマンガンオキシダーゼ (pH 6～7) のパフォーマンスを左右します。
- 酸化還元反応速度論- pH は、Mn2+/Mn4+ 変態と窒素転換経路の間の平衡を決定します。
- 降水ポテンシャル - Higher pH (>8) 酸性条件下 (pH) で、Mn2+ の酸化とリン酸塩の沈殿を促進します。<6) may inhibit these processes.
このシステムは、特定の微生物集団が幅広い pH 範囲 (5 ～ 9) にわたって機能を維持するという優れた適応性を示していますが、さまざまな汚染物質に対する最適な除去効率は特定の pH レベルで発生します。
異なる pH 条件下での MBBR の性能
中国の大学によって行われた最近の研究では、さまざまな pH 条件 (pH 5-9) および流入 Mn2+ 濃度 10 mg/L-1 の条件下での移動床バイオフィルム リアクター (MBBR) システムの性能が調査されました。運用フェーズ IV 中の NH4⁺-N、TN、TP、COD、Mn2+、NO2⁻-N、および NO3⁻-N の流入水および流出水の濃度を以下に要約します。
(1)NH₄⁺-N 除去効率
The MBBR demonstrated consistently high NH₄⁺-N removal across all pH levels, with average efficiencies of 96.22% (pH 5), 98.89% (pH 6), 98.70% (pH 7), 98.65% (pH 8), and 96.69% (pH 9). These results indicate robust nitrification performance (>pH の変化に関係なく効率 96%)。除去効率は最初に pH 5 から 6 (98.89% でピーク) に増加し、その後より高い pH レベルで徐々に減少しましたが、NH4+-N 除去に対する pH の全体的な影響は最小限でした。これは、バイオフィルム内の硝化細菌が pH 変動に強い適応力を持っていることを示唆しています。
(2)TN除去効率
全窒素除去は顕著な pH 依存性を示しました。
- pH5:40.13%
- pH6:42.66%
- pH7:49.20%
- pH8:52.74%
- pH9:69.79%(ピークパフォーマンス)
pH 5 から 9 への 29.66% の改善は、アルカリ条件下での脱窒微生物の活性の強化を強調しています。
(3)COD除去効率
COD 除去はベル型曲線に従いました。-
- 最適な中性pH: pH 7 で 94.27%
- 極端な場合の減少:
- pH 5: 90.85%
- pH 9: 53.81%
The sharp drop at pH>7 は、アルカリ環境における従属栄養細菌の阻害を示唆しています。
(4)Mn2⁺除去効率
Mn²⁺ の除去は中性付近の pH で最も効率的でした。-
- pH6: 95.74% (Mn²⁺→MnOx 酸化に最適)
- pH5/9: <60% efficiency
これは、マンガンを酸化する微生物の活動の傾向と相関しています。{0}
(5)TP除去効率
リンの除去は pH に応じて直線的に向上しました。
- pH 5: 20.70% → pH 9:51.76%
最も低い流出液 TP (pH 9 で 2.80 mg/L) は、アルカリ性優先の PAO 活性を示しています。-
(6)NO₃⁻-N & NO₂⁻-N ダイナミクス
- pH 9 での NO₃⁻-N の最小化: 5.89 mg/L (対 pH 5 で . 11.63 mg/L)
- 全相にわたって安定した NO₂⁻-N 蓄積 (0.16 ～ 0.19 mg/L)
これにより、アルカリ性 pH での相乗的な硝化-脱窒が確認されます。
結論
この研究では、流入水の Mn2+ 濃度 10 mg・L-1 の条件下で、pH レベルの変化が廃水処理における MBBR の性能に及ぼす影響をさらに調査しました。結果は、流入水の pH が 9 に増加すると、NH4⁺-N、TN、および TP の平均除去効率が達成されることを示しました。96.69%、69.79%、51.76%、 それぞれ。フェーズ I (pH 5) と比較して、TN および TP の除去効率は大幅に増加しました。29.66%と31.06%、 それぞれ。
主な調査結果
1. pH 9 で最適なパフォーマンス
- 最高のN&P除去率：MBBRが最高のパフォーマンスを発揮脱窒とリンの除去アルカリ性条件（pH 9）下での機能を備え、NO₃⁻-N の生成が最小限に抑えられ、-ほぼ完全な NH₄⁺-N 変換が行われます。
- 微生物活動の強化:有効総表面積 (ETSA)バイオフィルムの量は pH (7 ～ 9) に比例して増加し、pH 9 でピークに達し、アルカリ条件下で優れた代謝活性を示しました。これはおそらく、豊富な遊離水酸化物イオン (OH⁻) によるものと考えられます。同時硝化-脱窒（SND）効率.
2. Mn²⁺の除去メカニズム
- 細胞外吸着優勢: すべてのフェーズ (I-V) にわたって、Mn2⁺ の 75% を除去バイオフィルム微生物による細胞外吸着によって達成されました。
3. 微生物群集の動態
- アルカリ性-好ましい脱窒剤: Comamonas や Hyphomicrobium などの主要な脱窒属は、より高い pH レベルで相対存在量の増加を示し、アルカリ環境への適応を裏付けています。
- Comamonas aquatica LNL3 は、NH₄⁺-N → NO₂⁻-N と NH₄⁺-N → N₂ の両方を変換する、並外れた代謝多様性を示しました。
- pH 9 での生物多様性の強化: 固有の運用分類単位 (OTU) が2 (pH 5) ～ 13 (pH 9)、アルカリ性条件下で微生物がより豊富になることを反映しています。
4. 機能的な意味
- 相乗的な栄養素の除去：アルカリ性のpH（9）が活性を促進します。ポリリン酸-蓄積微生物（PAO）そして脱窒菌(例: アシネトバクター)、N-P の同時除去を最適化します。
- プロセスの安定性: The MBBR maintained robust Mn²⁺ adsorption (>75%)、pH の変化に関係なく、システムの回復力が強調されます。
実際的な意味
- 推奨動作 pH: 8.5 ～ 9.0Mn²⁺-修正 MBBR システムでの TN/TP 除去を最大限に実現します。
- 微生物管理: コマモナスまたはハイフォミクロビウム株によるバイオオーグメンテーションは、アルカリ反応器内の脱窒をさらに強化する可能性があります。