準クラス IV 規格への廃水処理プラントのアップグレードにおける BIOLAK プロセスの適用-
21 世紀初頭に中国に導入された BIOLAK プロセスは、その構造が単純で投資コストが低いため、都市廃水処理に広く応用されるようになりました。近年、排出基準の厳格化と自動化の増加により、既存の BIOLAK プラントのほとんどがアップグレードに直面しています。窒素とリンの除去を向上させるために、懸濁キャリアの追加、タンクの改修、機能ゾーンの再定義などの機能強化が実施されています。新設プラントでは主に A²/O プロセスとオキシデーションディッチプロセスが採用されていますが、特に厳しい排出基準の下での BIOLAK の実際のパフォーマンスに関する報告はほとんどありません。 BIOLAK プロセスは、スイング エアレーション チェーンを利用して一時的な無酸素ゾーンと好気ゾーンを作成し、基本的に多段階の A/O プロセスとして機能します。-運用の最適化により、排水の水質は準-クラスIV地表水基準を安定的に満たすことができます。
1 プロジェクトの背景
河北省の下水処理プラントでは、コア技術として BIOLAK プロセスを使用しています。流入量は 18,000 ～ 22,000 m3/日、平均 19,000 m3/日で、主に都市部の家庭下水と少量の農業加工廃水を処理します。設計された流入水と流出水の品質を以下に示します。表1。当初の排出基準は、*「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 基準でした。脱窒と脱リンを強化するための嫌気ゾーンの分割を含むアップグレードを経て、プラントは現在、*「大慶川流域の水質汚染物質排出基準」(DB13/2795-2018)* の主要管理区域制限に準拠しています。全窒素を除く他のすべての指標は、*「地表水の環境品質基準」(GB 3838-2002)* で指定されたクラス IV 基準を満たしています。プロセスの流れを以下に示します。図1.
工場では消毒に次亜塩素酸ナトリウムを使用しております。スラッジは、セメント窯での共処理のために輸送される前に、高圧プレートおよびフレームろ過によって水分含有量が 60% 未満になるまで脱水されます。-
汚染物質除去に対する各処理ユニットの寄与は、文献から参照された特定の方法を使用して物質収支に基づいて計算されました。
2 運用管理の最適化対策
排水の安定性を高め、エネルギーとコストの節約を達成するために、運転中に複数の最適化措置が導入されました。
2.1 強化された溶存酸素 (DO) 制御
既存の BIOLAK 改修プロジェクトでは、多段階 A/O バリアントとしてゾーニングが弱く、脱窒効率が低いことがよく指摘されています。{0}このプロジェクトでは、流出アンモニア態窒素の遵守を確保しながら、曝気ゾーン終了時の最大 DO を従来の DO 管理要件よりも低い 0.5 ～ 1.0 mg/L に維持しました。
2.2 プロセスデータ監視の増加
DO 制御と外部炭素源投与をガイドするために、嫌気ゾーンの終わりと BIOLAK タンクで硝酸性窒素とアンモニア性窒素を監視し、最適な制御範囲を決定しました。運転中、嫌気ゾーンの端の硝酸態窒素が低下した場合には、外部炭素源の投与を減らすか停止しました。<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 内部排水管理目標の設定
安定したコンプライアンスを確保するために、内部管理目標は、各汚染物質の管理の難しさに基づいて、排出制限の 30% ～ 80% に設定されました。これらの内部制限を超えると、直ちにプロセスパラメータの調整が開始され、流出濃度が許容範囲に戻りました。 COD、アンモニア態窒素、全窒素、全リンの年間内部管理目標は、それぞれ15mg/L、0.5mg/L、12mg/L、0.12mg/Lでした。
2.4 適切な汚泥濃度の維持
汚泥の廃棄量は、流量、負荷、季節に基づいて調整されました。汚泥滞留時間 (SRT) は 15 ～ 25 日に維持され、混合液懸濁物質 (MLSS) 濃度は 2,500 ～ 4,500 mg/L に維持されました。具体的には、夏から秋にかけて MLSS を 2,500 ～ 3,500 mg/L、汚泥負荷量 0.06 kgCOD/(kgMLSS·d) 程度、冬から春にかけて MLSS を 3,500 ～ 4,500 mg/L、汚泥負荷量 0.04 kgCOD/(kgMLSS·d) 程度に管理した。
2.5 高度治療装置の動作調整
冬の低温は凝集と沈降に影響を与えました。 V- タイプのフィルターを時期尚早に逆洗すると、流出液の浮遊物質や COD が増加する可能性があります。このため、冬期運転では凝集性能に応じて逆洗回数を増やすとともに、凝集沈殿槽からの汚泥排出を強化し、放流浮遊物質濃度を低減させた。
3 治療実績
年間流入水 COD は 109 ～ 248 mg/L の範囲で、平均は 176 mg/L でした。排水 COD は 9.5 ～ 20.1 mg/L の範囲で、平均は 12.1 mg/L でした。排水 COD が内部管理目標 (15 mg/L) を超えた場合、浮遊物質を減らすためにフィルターの逆洗頻度を増やしました。凝集効率を高めるために、凝集-沈殿槽を高密度{11}}または磁気凝固-沈殿槽にアップグレードすることをお勧めします。
年間流入アンモニア態窒素は 17.8 ～ 54.9 mg/L の範囲で、平均は 31.9 mg/L でした。流出アンモニア態窒素は 0.12 ～ 1.30 mg/L の範囲で、平均は 0.5 mg/L でした。内部管理目標を超えた場合には、最適化策に基づきエアレーションを調整しました。排水水質は、年間を通じて *DB13/2795-2018* の主要管理領域制限を安定して満たしました。
流入炭素源濃度が低いため、エネルギーとコストの節約を目指して、窒素とリンの除去を強化するプロセス条件の最適化に焦点が当てられました。
3.1 DO 制御の最適化と全窒素除去
年間流入水の全窒素 (TN) は 20.3 ～ 55.6 mg/L の範囲でした。図2）、平均42.1 mg/L。流出液 TN は 2.5 ～ 14.2 mg/L の範囲で、平均 8.8 mg/L で、内部管理目標 (12 mg/L) 内でした。平均TN除去率は79.1%でした。汚泥リサイクル率 90%（内部混合液リサイクルなし）では、理論上の脱窒効率は 47.4% であり、嫌気セレクターを超えた他のプロセスゾーンでも脱窒が起こっていることがわかります。典型的なサイクルにおける治療トレインに沿った窒素の変化を以下に示します。図3.
典型的なサイクルでは、流入水の TN は 42.0 mg/L で、アンモニアと硝酸態窒素の合計は 35.2 mg/L でした。嫌気性セレクターの後、TN は 16.7 mg/L となり、マスバランスによる除去率は 43.5% となり、理論値と一致しました。 BIOLAK タンクは 24.0% の TN 除去に貢献しました。流出液 TN は二次沈殿タンクでさらに減少し、さらに 11.3% の除去に貢献しました。これは主に、内因性炭素源による脱窒を可能にする長い水圧滞留時間 (8.6 時間) によるものです。-他のユニットは 1.9% の除去に貢献しました。最終流出物 TN は 8.1 mg/L で、総除去率は 80.7% でした。
運用経験から、BIOLAK プロセスにおける TN 除去には DO 制御が重要であることがわかります。従来のプロセスでは、DO は通常、DO が断面全体にわたって比較的均一であるチャネル構造内の好気性ゾーンの端で測定されます。しかし、BIOLAK タンクでは、曝気ゾーンの端の幅は 70 メートル近くあり、DO は斜面の端から中央に向かって増加し、その差は 0.5 ～ 1.0 mg/L です。したがって、DO プローブの位置には細心の注意が必要です。
BIOLAK 曝気ゾーン終了時の最大 DO を厳密に制御することで、脱窒に必要な無酸素環境を効果的に確保しました。内因性炭素源を利用した同時硝化と脱窒 (SND) が達成され、効果的な TN 除去が実現しました。
3.2 全リン除去と運用の最適化
年間流入水の総リン (TP) は 1.47 ～ 4.80 mg/L の範囲でした（参照図4)、平均2.99 mg/L。流出液の TP は 0.04 ～ 0.17 mg/L の範囲でした。リン除去剤の投与量は、内部対照目標 (0.12 mg/L) に基づいて調整されました。排水の平均TP濃度は0.07mg/Lで安定的に排出基準を満たし、平均TP除去率は98.3％でした。
典型的なサイクルにおける治療トレインに沿ったリン酸塩の変化を以下に示します。図5.
流入リン酸塩は 2.70 mg/L、戻り汚泥リン酸塩は 0.58 mg/L で、嫌気性セレクターに入る理論上のリン酸塩は 1.70 mg/L でした。ポリリン酸蓄積生物(PAO)による嫌気性リン放出後、リン酸濃度は 3.2 mg/L に達しました。リン酸塩濃度比（嫌気ゾーンの最大値／流入水）は 1.9 であり、顕著な放出が示されました。主な理由は、低DO条件下での効果的な脱窒により、嫌気ゾーンに戻される汚泥中の硝酸塩濃度が低くなり、良好な嫌気環境（ORPは通常-200 mV未満）を維持し、リンの放出を促進することでした。
BIOLAK 曝気ゾーンの後、実質的なリンの取り込みが発生し、最終的なリン酸塩濃度は 0.3 mg/L に減少し、88.9% の生物学的リン除去効率を達成しました。沈殿安定槽後のリン酸塩濃度は 0.64 mg/L まで増加しました。分析によると、これは沈殿タンク内の長時間の HRT と BIOLAK タンク内の厳密に制御された DO が原因で、沈殿タンク内に嫌気状態が生じ、二次的なリンの放出が引き起こされたことが示唆されています。凝固ユニットに化学物質を投与した後、流出リン酸塩は 0.06 mg/L まで減少しました。したがって、経済的コストと運用の複雑さを考慮すると、生物学的リン除去効率をある程度犠牲にして脱窒を強化することが、同様のプラントにとって実行可能な最適化戦略となります。
4 運営コスト
直接的な運営コストには、電気代、化学薬品、汚泥処理費が含まれます。年次統計に基づくと、特定の電力消費量は 0.66 kWh/m3 でした。電気料金が 0.65 CNY/kWh (ピーク料金とオフピーク料金の合成に基づく) の場合、電気料金は 0.429 CNY/m3 でした。-この使用量は、「都市下水処理場の運転品質評価基準」によれば高めとなっており、これは主に曝気装置の酸素利用効率が若干低いためである。酢酸ナトリウム、リン除去剤、PAM、次亜塩素酸ナトリウム、脱水化学薬品などの化学薬品コストは、合計 0.151 CNY/m3 でした。具体的な使用方法と費用は次のとおりです。表2.
汚泥は主に生物源と化学源（凝集タンク）から発生します。高圧プレートおよびフレーム濾過は、コンディショニング剤として石灰と塩化第二鉄とともに使用されます。-石灰の添加量は乾燥汚泥重量の約 25% です。脱水ケーキの水分含有量は60％です。一日の脱水汚泥の生産量は約 9 トンで、乾燥汚泥の比収率は約 0.15% です。汚泥の輸送コストは 250 CNY/トン、結果として汚泥処分コストは約 0.118 CNY/m3 となります。したがって、直接生産コストの合計は 0.698 CNY/m3 となります。
5 結論
① BIOLAK プロセスを使用して都市廃水を処理する河北省の廃水処理プラントは、*DB13/2795-2018* (準クラス IV 地表水基準) の主要管理区域制限を安定して満たす排水水質で 1 年間継続的に稼働しました。
② 多段階 A/O プロセスの変形として、BIOLAK 曝気ゾーン終了時の最大 DO を 0.5～1.0 mg/L に制御すると、TN 除去率は BIOLAK ゾーンで 24.0%、沈殿タンクで 11.3% となりました。これにより、硝化-脱窒と内因性炭素源脱窒が同時に達成され、顕著な窒素除去能力が実証されました。
③ BIOLAK プロセスの直接運用コストは 0.698 CNY/m3 でした。プロセスデータのモニタリングや合理的な内部管理目標の設定などの運用の最適化対策は、同様の廃水処理プラントにおいて運用を最適化し、エネルギー/コストの節約を達成するための参考資料となります。