MBBR はどのようにして同時に硝化と脱窒を達成するのか

伝統的な生物学的脱窒理論によれば、脱窒経路には一般に 2 つの段階が含まれます。 硝化 そして 脱窒 。硝化と脱窒の 2 つのプロセスは、2 つの隔離された反応器内で実行するか、同じ反応器内で無酸素環境と好気環境を時間的または空間的に交互に実行する必要があります。実際、初期の段階では、明らかな無酸素段階と嫌気段階のない一部の活性汚泥プロセスでは、同化されない窒素損失の現象が繰り返し観察されており、曝気システムでも窒素の消失が何度も観察されています。これらの処理システムでは、同じ処理条件、同じ処理空間で硝化反応と脱窒反応が起こることが多い。したがって、これらの現象は同時硝化・脱窒（SND）と呼ばれます。

一: MBBR の硝化と脱窒はどのようにして同時に行われるのですか?

1. 同時硝化脱窒の概念 生物学的脱窒（SND）

同期硝化脱窒技術 (SND) は、同じ反応器内で硝化、脱窒、炭素除去反応を同時に行うことです。硝化と脱窒は同時には起こらないという従来の考え方を打ち破り、特に好気的条件下では脱窒も起こり得るため、硝化と脱窒を同時に行うことが可能になります。

硝化はアルカリを消費し、脱窒はアルカリを生み出します。したがって、SND は、酸塩基の中和や外部炭素源を必要とせずに、反応器内の pH 値を効果的に安定に維持できます。硝酸性窒素濃度を低減することで、反応器容積の節約、反応時間の短縮、二次沈殿槽内の汚泥の浮遊を低減します。したがって、SND は生物学的脱窒の研究のホットスポットとなっています。 SND 生物学的脱窒の実現可能性に関しては、現在、さまざまな観点から 3 つの主要な見解があります。

マクロ環境の観点: この見解では、完全に均一な混合状態は存在せず、反応器内の不均一な DO 分布により好気性、無酸素性、および嫌気性の領域が形成される可能性があると考えられます。脱窒は、同じバイオリアクター内の無酸素/嫌気条件下で発生する可能性があります。 SNDはセクションの好気環境下で有機物除去とアンモニア態窒素硝化を組み合わせることで達成できます。

微小環境の観点: この見解では、微生物フロック内の無酸素微環境が SND の主な原因であると考えられます。つまり、酸素の拡散 (移動) 制限により、微生物フロック内に溶存酸素勾配が存在し、微小環境が形成されます。それは硝化と脱窒を同時に促進します。

生物学的観点: この見解では、特殊な微生物集団の存在が SND の主な原因であると考えられています。硝化細菌の中には、通常の硝化に加えて脱窒を行うことができるものもあります。オランダの学者は、好気性硝化と好気性脱窒の両方を実行できる汎栄養性硫黄球菌を単離しました。一部の細菌は互いに協力してアンモニアを窒素ガスに変換する連続反応を行うため、同じ反応器内で同じ条件下で生物学的脱窒を完了することができます。

現在、生物学的脱窒に関する多くの微生物学的研究と説明がありますが、それらは完全ではなく、SND 現象の理解はまだ開発と探索の途中です。微環境理論は一般に受け入れられています。溶存酸素勾配の存在により、微生物フロックまたはバイオフィルムの外表面の溶存酸素濃度は高く、主に好気性硝化細菌およびアンモニア細菌が多くなります。深部では酸素の移動が遮断され、外部の溶存酸素が大量に消費されるため、脱窒菌が優勢な無酸素帯が形成され、硝化と脱窒が同時に起こる可能性があります。この理論は、同じ反応器内で異なる菌株が共存する問題を説明しますが、有機炭素源の問題という欠陥もあります。有機炭素源は、従属栄養性脱窒のための電子供与体であると同時に、硝化プロセスの阻害剤でもあります。下水中の有機炭素源は好気層を通過すると、まず好気酸化により酸化されます。無酸素領域の脱窒菌は電子供与体を得ることができないため、脱窒速度が低下し、SND の脱窒効率に影響を与える可能性があります。したがって、硝化と脱窒を同時に行う機構にはさらなる改良の必要がある。

2. MBBR生物学的移動床の同期硝化・脱窒機構

MBBR 浮遊増殖活性汚泥法と付着増殖バイオフィルム法を組み合わせた新しいタイプの高効率リアクターです。基本的な設計原理は、水に近い比重を持つ懸濁フィラーを直接添加することであり、微生物の活性担体として水中に懸濁することができます。懸濁したフィラーは頻繁かつ複数回下水と接触する可能性があり、フィラーの表面にバイオフィルム（膜）が徐々に成長し、汚染物質、溶存酸素、バイオフィルムの物質移動効果が強化されます。つまり、MBBRは「移動バイオフィルム」と呼ばれます。 」。これまでの SND メカニズムの研究と微小環境および生物学的理論に基づいて、MBBR バイオフィルムにおける SND の考えられる反応様式は、バイオフィルムの好気層に分布する好気性アンモニア酸化細菌、亜硝酸酸化細菌および好気性脱窒細菌が協力するものであると考えられます。生物的無酸素層に嫌気性アンモニア酸化菌、独立栄養性亜硝酸菌、脱窒菌が分布し、最終的に脱窒の目的を達成します。

MBBRは、曝気槽内の曝気と水の流れを利用して担体を流動状態にし、懸濁活性汚泥と付着生物膜を形成し、巨視的・微視的観察だけでなく、付着相生物と懸濁相生物の両方の利点を最大限に発揮します。好気性環境と嫌気性環境だけでなく、独立栄養性硝化菌、従属栄養性脱窒菌、従属栄養性細菌の間のDOと炭素源の論争も解決します。したがって、MBBRは硝化と脱窒の2つのプロセスの速度論的バランスを達成でき、同時硝化と脱窒にとって非常に良好な条件を備えており、MBBR同時硝化、脱窒、脱窒を達成できます。

二． MBBRの同時硝化と脱窒に影響を与える要因

MBBRの硝化と脱窒を同時に実現する鍵となる技術は、MBBRにおける硝化と脱窒の反応速度論的バランスを制御し、独立栄養硝化菌と従属栄養細菌の間のDO論争、脱窒菌と従属栄養細菌の間の炭素源論争などを解決することである。主な制御要素は、炭素窒素比、溶存酸素濃度、温度、pH などです。

1. MBBR法におけるフィラーの影響

MBBR法の技術的鍵は、比重が水に近く、わずかな撹拌で水とともに容易に移動しやすい生物学的フィラーにあります。通常、充填材はポリエチレンプラスチックでできています。各キャリアの形状は直径 10mm、高さ 8mm の小さな円柱です。シリンダー内にはクロスサポートがあり、外壁には垂直フィンが突き出ています。充填剤の中空部分は全体積の 0.95 を占めます。つまり、水と充填剤で満たされた容器では、各充填剤中の水の体積は 95% になります。充填材の回転と容器の総体積を考慮して、充填材の充填率は担体が占める空間の割合として定義されます。最良の混合効果を達成するために、フィラーの最大充填率は 0.7 です。理論的には、充填剤の総比表面積は、単位体積あたりの生物学的担体の比表面積の数に従って定義され、一般的には 700m2/m3 です。バイオフィルムが担体内部で成長する場合、実際の有効比表面積は約 500m2/m3 になります。

このタイプの生物学的フィラーは、フィラー内部に微生物が付着・増殖しやすく、比較的安定したバイオフィルムを形成し、流動状態を形成しやすい。都市下水処理で最初沈殿池を使用しない場合や繊維質を多く含む製紙排水を処理する場合など、前処理要件が低い場合や下水中に繊維質が多く含まれる場合には、比表面積の小さい生物学的フィラーが適しています。領域とより大きなサイズが使用されます。前処理がしっかりしている場合や硝化に使用する場合には、比表面積の大きな生物充填剤が使用されます。

2. MBBR 法に対する溶存酸素 (DO) の影響

DO 濃度は同時硝化と脱窒に影響を与える主要な制限因子です 。 DO 濃度を制御することにより、バイオフィルムのさまざまな部分に好気ゾーンまたは無酸素ゾーンを形成することができ、硝化と脱窒を同時に達成するための物理的条件を得ることができます。

理論的には、DO 濃度が高すぎると、DO がバイオフィルムに浸透し、内部に無酸素ゾーンを形成することが困難になり、大量のアンモニア性窒素が酸化されて硝酸塩と亜硝酸塩になるため、流出水の TN は依然として非常に高くなります。逆に、DO 濃度が非常に低い場合、バイオフィルム内に大部分の嫌気性ゾーンが生じ、バイオフィルムの脱窒能力が強化されます (排水中の硝酸塩と亜硝酸塩の濃度は非常に低くなります)。しかし、DO の供給が不十分であるため、MBBR プロセスの硝化効果が低下し、排出液のアンモニア態窒素濃度が増加し、それによって排出液の TN が増加し、最終処理効果に影響を及ぼします。

研究を通じて、都市生活下水のMBBR処理に最適なDO値が最終的に得られました。DO濃度が2mg/Lを超えると、DOはMBBRの硝化効果にほとんど影響を与えず、アンモニア性窒素の除去率は97％に達します。 -99% であり、流出アンモニア態窒素は 1.0 mg/L 未満に維持できます。 DO 濃度が 1.0 mg/L 付近では、アンモニア態窒素の除去率は約 84% となり、流出アンモニア態窒素濃度は大幅に増加しています。また、曝気槽内の DO が高すぎないように注意してください。溶存酸素が高すぎると、有機汚染物質の分解が速すぎて微生物の栄養が不足し、活性汚泥が老化して構造が緩くなりやすくなります。また、DO が高すぎるとエネルギー消費量が多くなり、経済的にも不適当です。