2 段階の AO プロセスと 3 段階の AO プロセスの比較:{0}: エンジニアリング 視点
現在、中国の下水処理施設（WWTP）の大部分は、下水処理に活性汚泥ベースのプロセスを採用しています。{0}}これらのうち、ほぼ半数が無酸素-酸素(AO)プロセスを利用しています。 AO法は安定稼働や低コストなどのメリットがあります。ただし、その全窒素 (TN) 除去効率は通常 60% ～ 80% であり、内部リサイクル率によって制限されます。窒素除去に対する国家要件がますます厳しくなっているため、従来の一段階 AO プロセスでは、TN 処理の需要を満たすことが困難になることがよくあります。{8}}このようにして、多段階の AO プロセスが登場しました。{10} 2 つ以上の AO ステージを直列に接続することにより、前の好気ステージで生成された硝酸塩が、後続の無酸素ステージでの脱窒のための基質となります。これにより、全体的な TN 除去を強化しながら内部リサイクル率を下げるという目標が達成されます。ただし、ステージが過剰になると、操作が複雑になる可能性もあります。したがって、現在中国で最も一般的に適用されている構成は、2 段階と 3 段階の AO プロセスです。-この論文は、同様のプロジェクトにおける技術ルートの選択の参考を提供することを目的として、ケーススタディとして中国南部の下水処理場を使用した 2 段階と 3 段階の AO プロセスの比較分析を示しています。-
1 プロジェクト概要
中国南部の下水処理場は総面積 8 ヘクタールをカバーしています。当初の設計容量は 90,000 m3/d で、排水水質は「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 A 基準と広東省の「水質汚染物質の排出制限」(DB 44/26-2001) の両方を満たす必要がありました (以下、 「準クラスV」）。工場はフル稼働で稼働していた。関連する計画によれば、拡張が必要でした。将来の排水基準は、現状を踏まえ、TN 10 mg/L 以下という長期要件を考慮する必要がありました。今回の拡張工事における土木工事規模は、敷地の実情を総合的に考慮し、70,000m3/日と設定しました。このプラントは短期的には 50,000 m3/日で稼働し、長期的には 70,000 m3/日の規模に達し、プラントの総処理能力は 160,000 m3/日になります。設計上の流入水および流出水の水質を以下に示します。表1.
敷地の制約のため、拡張の予備計画では、「多段 AO + ペリフェラル-インペリフェラル-アウト長方形沈殿槽 + 高-効率沈殿槽 + ファイバー プレート-および-フレーム フィルター」のプロセス ルートが採用されました。すべての主要ユニットの土木構造は 70,000 m3/日の規模で建設され、設備は 50,000 m3/日の容量で設置されました。生物タンクでは、近い将来、多段階の AO プロセスが採用される予定です。-長期的には、懸濁担体を追加すると、ハイブリッド バイオフィルム活性汚泥プロセスが作成され、40% の容量拡張の需要に対応できるようになります。{17}この設計では、水理条件は 70,000 m3/d スケールで考慮され、生物学的処理は 50,000 m3/d スケールで設計されました。このプロジェクトは多段階の AO プロセスを採用することを目的としていたため、2 段階の AO と 3 段階の AO との比較が実施されました。-
2 2 段階の AO プロセスと 3 段階の AO プロセスの比較--
2.1 処理の流れ
多段階 AO プロセスの中心原理は、前の好気段階で生成された硝酸塩を後続の無酸素段階での脱窒に利用し、それによって内部リサイクル率を低減することです。理論的には、ステージ数が多いほど TN 除去が向上しますが、制御はより複雑になります。エンジニアリングの実践では、2 段階の AO と 3 段階の AO が主流です。{3}そのプロセス フローを次の図に示します。図1。 2 段階の AO の場合、通常、内部リサイクルは最初の AO 段階内で設計されます。- 3 段階の AO では、通常、内部リサイクルは使用されません。- 2 段階 AO プロセスを使用する北京の下水処理場には、清河 (400,000 m3/日)、小紅門 (500,000 m3/日)、高安屯 (400,000 m3/日)、定府庄 (200,000 m3/日)、淮坊 (600,000 m3/日) などがあります。このプロセスには、シンプルな設備、低い運転およびメンテナンスコスト、衝撃荷重に対する強い耐性、他のプロセスとの高い互換性などの利点があり、より高い排水基準を満たすための将来のアップグレードが容易になります。理論的には、3 段階の AO を連続して使用すると、内部リサイクル装置の必要性がなくなり、炭素源のより合理的な割り当てが可能になり、投資コストと運用コストを削減できます。このプロセスは主に、炭素源が十分にあり、窒素除去の要求が高いシナリオに適用されます。典型的な例としては、雲南省の曲京下水処理場 (80,000 m3/日)、天津の寧河区都市下水処理場 (90,000 m3/日)、天津の張桂庄下水処理場 (200,000 m3/日)、北京の大翔湖干拓工場 (80,000 m3/日) などがあります。
2.2 プロセスの比較
この場所には将来のアップグレードに利用できる追加の土地がないこと、およびいくつかの新しい地元プロジェクトが既に 10 mg/L 以下の廃水 TN 基準を実施していることを考慮して、プロセスの比較では、将来さらに厳しい廃水要件が課される可能性に対応するために、生物タンクの廃水 TN を 10 mg/L 以下とみなしました。他の指標は設計排水の水質に準拠していました。レイアウトに基づくと、50,000 m3/日の短期規模では、生物タンクの最大水力滞留時間（HRT）は 18 時間でした。{4}}プロジェクトの実際の状況、BioWin シミュレーションの結果、懸垂キャリアとの結合の利便性を組み合わせて、2 段階の AO プロセスと 3 段階の AO プロセスの比較が実施されました。-
2.2.1 BioWin シミュレーション
最初の HRT は 18 時間に設定され、徐々に短縮されました。流出液の TN 要件を達成する最小 HRT は 14 時間でした。 2 段階の AO では、流入分布点は嫌気ゾーン、第 1 段階の無酸素ゾーン、- 段階、および第 2 段階の無酸素ゾーンでした。-。 3 段階の AO では、影響ポイントは無酸素ゾーン、第 2 段階の無酸素ゾーン、- 段階、および第 3 段階の無酸素ゾーンでした。-
① 影響力配分比率を固定した検討
両方の流入液分配比を4:3:3に設定し、シミュレーションでは3つのスキームを比較しました。2-段階AO（リサイクル率200%）、合計リサイクル率200%の3-段階AO（最初のAO段階内で100%リサイクル+ 100%が3番目の酸素ゾーンから最初の無酸素ゾーンまでリサイクル）、および3-ステージAOのリサイクル率100% (最初の AO ステージ内でのみリサイクル)。シミュレーション フローを以下に示します。図2.
表2HRT=14 時間における固定流入比率のシミュレーション結果を示します。
表 2 から、2 段階 AO と 3 段階 AO の両方で、生の流入水中の炭素源を利用して最初の無酸素ゾーンでの脱窒を最大化するために、最初の AO 段階で内部リサイクルを設定することが推奨されることがわかります。 3 - 段階の AO では、第 3 段階の終わりから最初の無酸素ゾーンまで内部リサイクルを設定すると、TN と TP の除去がわずかに改善されましたが、有機物の除去効率は低下しました。これは、リサイクルにより生物タンク内の全体的な流量が増加し、溶存酸素が無酸素ゾーンに運ばれ、無酸素環境に影響を与えたためと考えられます。さらに、各ゾーンの実際の HRT が短縮され、動作条件間の移行が加速され、効率の低下につながりました。 TN 濃度がそれほど高くない中国南部のこのプロジェクトのような流入水の特性の場合、2 段階 AO は排水要件を完全に満たすことができ、3 段階 AO に明確な利点はありません。- COD が高く、TN の影響が大きいシナリオでは、3 段階の AO がより適している可能性があります。-
② 流入水分配率の調整に関する検討
2 段階の AO と 3 段階の AO は両方とも、最初の AO 段階で 100% の内部リサイクル率を設定しました。{{1}研究は、複数地点の流入分布比 (1:0:0、3:7:0、2:4:4) について実施されました。{4}ここで、1:0:0 は、すべての流入物が最前部に入るという意味です。 3 つの - ステージ AO の 3:7:0 は、流入水が嫌気ゾーンと 2 番目の AO ステージにのみ分配されることを意味します。調整後の分配率のシミュレーション結果を以下に示します。表3.
表 3 から、分配率は排水水質にわずかな影響を与えることがわかります。一般的な傾向として、後段に分配される流入水の割合が増加するにつれて、流出水のTN、NH₃-N、およびTPの濃度が上昇し、曝気需要も徐々に増加します。流入液比が 3:7:0 の場合、3- 段階 AO は 2- 段階 AO よりも若干優れた TN 除去と、空気-対-水比がわずかに低かった。ただし、実際の動作では、この違いは一般に無視できる程度です。さらに、後の段階への流入水の割合を増やすと、脱窒における炭素源の利用には有益ですが、NH₃-N、有機物、TP の投入により生化学反応への負荷が必然的に増加します。したがって、複数の流入地点の構成を維持し、運用中に実際の水質に基づいて段階的に調整することをお勧めします。-注目に値するのは、流入水比2:4:4では、3段階AOが2段階AOよりも優れたTN除去を示したにもかかわらず、後の段階への流入水が増加するにつれて、流出液NH₃-Nが上昇傾向を示し、その時点でNH₃-Nが流出基準を満たせなくなることである。
③ 二期-および三期-AOの治療実績
3 つの - ステージ AO 構成は、HRT=14 時間、各ステージの等しい体積比 (1:1:1)、最初の AO ステージで設定された 100% の内部リサイクル、および 100% リサイクルとリサイクル閉鎖の 2 つの条件下で 4:3:3 の流入比でシミュレーションされました。 2 段階の AO 構成は、HRT=14 時間、100% 内部リサイクル セット、流入比 4:3:3 でシミュレーションされました。結果は、2 段階の AO が 6.29 mg/L の最適な流出液 TN を達成することを示しました。前部で 100% 内部リサイクルを行う 3 段階の AO は、次に優れた 7.51 mg/L を達成しました。内部リサイクルを行わない 3 段階の AO は 8.52 mg/L とさらに悪かった。 3 つのシナリオはすべて、排水検証要件 (TN 10 mg/L 以下) を満たすことができました。
表42 段階の AO と 3 段階の AO の設計パラメータの比較を示します。{0}{1}どちらのプロセスでも、流出液 TN 要件を達成するために必要な HRT は 18 時間未満であることがわかります。 2 つのプロセスの主な違いは次のとおりです。
ａ．理論的には、3 段階の AO には上限が高くなります。-つまり、適切に運用すれば、投資コストと運用コストの両方を低く抑えることができます。 2 段階の AO では、機器の品目と段階が少なく、その結果、機器のコストが削減され、運用管理の難易度が低くなります。
b.この特定のプロジェクトについては長期を考慮し、タンク容積が 18 時間の HRT に合わせて設計されているため、2 段階 AO を採用しても 3 段階 AO を採用しても、民間投資は同じになります。- 3 段階の AO の設備コストは高くなります。-したがって、投資の観点からは、2 段階の AO を採用する方が経済的です。
c.運営費について3 段階の AO では、100% 混合酒リサイクルのエネルギーコストが不要となり、約 0.002 CNY/m3 を節約できます。 3 段階の AO で無酸素状態と酸素状態が交互に繰り返されるため、実際の運転では炭素源利用効率が低下する可能性があることを考慮すると、実際の運転コストの差はさらに小さくなる可能性があります。
2.2.2 長期にわたる航空会社の停止シナリオの分析-
このプロジェクト特有の要件により、生物タンクは長期的な容量拡張計画の実現可能性と利便性、つまり浮遊担体の追加による影響を考慮する必要がありました。{0}
MBBR プロセスの中核は、懸濁担体を添加することによって反応器内のバイオマスを増加させることです。これらは、好気性、無酸素性、嫌気性のタンクに追加できます。ただし、キャリアの流動化を考慮すると、キャリアを嫌気性タンクまたは無酸素性タンクに追加すると、混合動力の要件が大幅に増加します。したがって、好気性タンクへの追加が優先的に推奨されます。嫌気性/無酸素性ゾーンの容積は、好気性ゾーンから分割することによって補うことができ、好気性容積の不足は追加の担体によって補われます。つまり、好気性容積の不足分は、浮遊担体の表面積の増加によって負担され、汚濁負荷換算に基づいて計算され、必要な担体量が決定され、一定の充填率を制御して追加容積が得られます。
計算に基づくと、2 段階の AO プロセスを採用し、長期的にすべての浮遊担体を最初の段階の好気ゾーンに追加する場合、必要な MBBR 担体表面積は 2,597,708 平方メートルとなり、費用は 1,299 万元になります。{0}その他の関連固定設備コスト (MBBR 流動化システム、専用ミキサー、スクリーニング システム、インテリジェント制御システムを含む) は 615 万元になります。 3 段階の AO プロセスを採用する場合、ゾーンがより分散されるため、MBBR ゾーンを 2 つのセクション（第 1 段階の好気性ゾーンと第 2 段階の好気性ゾーン）に分割する必要があります。-その結果、対応する MBBR 固定機器を設置するためのコスト (通信事業者自体を除く) は 777 万元にわずかに増加しますが、通信事業者のコストは変わりません。これは、3 段階の AO を採用すると、将来の改修投資が 162 万元増加し、改修の複雑さも増大することを意味します。さらに、スクリーニング システムは、キャリアの追加後に最も問題が発生しやすい領域です。 3 段階の AO により、画面の追加セクションが追加され、操作の難易度が高まります。
上記の比較から、3 段階の AO では過度のパーティショニングが行われ、各パーティションのボリュームが同様であるため、改造の難易度は 2 段階の AO よりも高くなります。-建設、運用の複雑さ、スクリーニング機器の追加などにより、2 段階の AO よりも多額の投資がかかります。-したがって、2- 段階の AO を採用すると、将来のサスペンドされたキャリアとの結合がより容易になります。
2.3 比較結果
上記の分析に基づいて、2 段階および 3 段階の AO プロセスはいずれも 10 mg/L 以下の排水 TN の目標を達成できます。{0}{1}このプロジェクトの境界条件では、-限られたスペース、-短期的なタンク容量を最大化する必要性、-懸架輸送船を追加する長期計画-}の 2 つの-段階の AO が、短期的な投資と設備の管理 / メンテナンスの利便性の点で有利です。-また、吊り下げられたキャリアとの将来の改修に対する高い互換性も提供するため、全体的な投資が削減され、改修や運用の困難さが軽減されます。したがって、総合的な検討の結果、この設計には 2 段階の AO プロセスが推奨されました。-
3 運用実績
このプロジェクトの総投資額は3億457万2100元、建設費は2億4360万1900元で、建設単価は34億8003元/m3となる。処理コストは 1.95 CNY/m3、運営コストは 1.20 CNY/m3 です。
このプロジェクトの場合、生物タンクの合計 HRT は 18 時間（内訳：嫌気ゾーン 2 時間、第一段階無酸素ゾーン 3.5 時間、第一段階好気ゾーン 7.5 時間、脱気ゾーン 0.5 時間、第二段階無酸素ゾーン 2.5 時間、第二段階好気ゾーン 2 時間）です。有効水深は8.6メートル。調整可能な断面取水口が実装されており、必要に応じて流入分配率を20%単位で調整できます。実際の運用では、生物槽内の混合液浮遊物質（MLSS）濃度は3,500～4,000mg/L、汚泥回収率は40～100％、混合液内部リサイクル率は100～200％となっています。実際の流入水と流出水の水質を以下に示します。表5これは基本的にシミュレーション結果と一致しています。
4 結論
中国南部の下水処理場をケーススタディとして使用し、BioWin シミュレーションを利用して、2 段階と 3 段階の AO プロセス間の技術的および経済的な比較が実施されました。{0}{0}{1}{1} 2 段階 AO は、機器アイテムと段階が少なく、機器コストが低く、運用管理の難易度が低いため、流入 TN がそれほど高くない中国南部の条件により適しています。 3 段階の AO では、第 3 段階の終わりから最初の無酸素ゾーンまで内部リサイクルを設定すると、TN 除去効率に悪影響があり、運用管理の困難さが増し、投資コストが増加しました。この設計は、50,000 m3/日および TN 10 mg/L 以下の短期処理要件を同時に満たしています。また、懸濁担体と組み合わせることで 70,000 m3/日の長期規模を達成できます。-実際の運用結果は BioWin シミュレーション結果とほぼ一致しており、平均流出水 TN は 6.86 mg/L であり、設計要件を満たしています。