廃水消化プロセス: 嫌気性消化がどのようにして汚泥を安定化し、バイオガスを生成するか

廃水消化装置は、メタンが豊富なバイオガスを生成しながら、生分解性固形物をより安定したバイオソリッドの流れに変換します。都市下水処理プラントでは、揮発性固体、臭気、病原菌レベル、最終処理が必要な汚泥の量を減らすために、一次固体と二次固体を分離した後に嫌気性消化が一般的に使用されます。

ただし、信頼性の高い消化は、酸素のないタンクに汚泥を入れることよりもはるかに重要です。温度、水力保持時間、有機物の負荷、混合、アルカリ度、飼料の一貫性はすべて、最終的にメタンを生成する微生物の集団に影響を与えます。

廃水処理のオペレーターや設計者にとって、消化槽の能力を評価したり、不安定な運転のトラブルシューティングを行ったり、バイオガス回収や再生可能な天然ガスの生産を検討したりする際には、これらの関係を理解することが不可欠です。

廃水消化プロセスの仕組み: 4 段階の分解と汚泥の安定化の目標

嫌気性消化は、いくつかの微生物グループが連続的に作用することによって実行される生物学的変換プロセスです。このプロセスは通常 4 つの段階で説明されます。

1. 加水分解

タンパク質、炭水化物、脂肪などの大きな有機分子は、多くの嫌気性微生物によって直接利用することができません。加水分解中、細胞外酵素はそれらをアミノ酸、糖、脂肪酸などの小さな可溶性化合物に分解します。

汚泥にゆっくり生分解性の粒子状物質が含まれている場合、加水分解が律速段階となる可能性があります。

2. 酸発生

酸生成細菌は、可溶性化合物を揮発性脂肪酸 (VFA)、アルコール、水素、二酸化炭素、アンモニア、その他の中間体に変換します。

この段階は比較的早く起こります。酸の生成が、下流のメタン生成集団が中間体を消費できる速度よりも速くなると、VFA が蓄積し、消化槽の pH が低下する可能性があります。

3. 酢酸生成

アセト生成生物は、高級 VFA とアルコールを主に酢酸塩、水素、二酸化炭素に変換します。これらの化合物は、メタン生成微生物の主な基質になります。

4. メタン生成

メタン生成古細菌は、酢酸と水素/二酸化炭素をメタンに変換します。多くの酸生成生物よりも成長が遅く、温度、pH、有毒化合物、負荷の突然の変化に対してより敏感です。

したがって、全体的な目的は単に「分解」ではありません。適切に操作された蒸解釜は、4 つの生物学的段階すべてのバランスを維持し、中間体の酸を蓄積させずに揮発性固体を安定化させます。

EPAは、嫌気性消化により廃水固形物が安定化し、臭気や病原菌が減少し、揮発性固形分の一部がバイオガスに変換されると指摘しています。

米国のバイオソリッド管理については、 揮発性固形分を 38% 削減 これは、ベクトル引力の低減を実証するために 40 CFR 503.33 で指定された 1 つの方法であるため、重要なベンチマークでもあります。

蒸解装置のタイプ、構成、およびコア動作パラメータ

廃水消化装置は、汚泥の特性、固形分濃度、敷地面積、負荷率、および必要なエネルギー回収に応じて選択されます。

完全混合嫌気性消化槽

連続的に撹拌されるタンク型反応器、または CSTR 、これは都市下水汚泥の最もよく知られた構成の 1 つです。

混合により固体は懸濁状態に保たれ、熱と入ってくる飼料が分散され、局所的な酸や温度勾配が減少します。安定した動作温度を維持するために、加熱システムが一般的に使用されます。

中温性都市汚泥の消化の場合、約 35°C (95°F) 広く使われています。 EPA のガイダンスは歴史的に、完全に混合された高速蒸解釜内で 35°C で約 15 日間の滞留時間を、実質的な揮発性固体の削減を達成できる条件と関連付けています。

実際の設計 HRT は通常より長いため、汚泥の特性、固形物負荷、温度、冗長性、および処理目的に基づく必要があります。

UASB リアクター

アン 上昇流嫌気性汚泥ブランケット（UASB） リアクターの動作が異なります。廃水は、粒状または綿状のバイオマスを含む高密度の嫌気性汚泥ブランケットを通って上向きに流れます。

UASB システムは、比較的短い水力滞留時間で動作しながら高濃度の活性バイオマスを保持できるため、比較的高強度の産業廃水にとって特に魅力的です。

これらは一般に、高濃度の懸濁物質を含む濃厚な都市汚泥よりも、可溶性または容易に生分解性の廃水に適しています。

屋根付き嫌気性ラグーン

屋根付きラグーンは、温暖な気候や特定の農業排水または工業排水に対して、より複雑性の低いオプションを提供します。柔軟なカバーが生成されたバイオガスを捕捉し、ラグーンが消化量を提供します。

これらは通常、加熱混合蒸解釜よりも多くの土地を必要とし、プロセス制御が少なくなります。

構成に関係なく、いくつかのパラメータのバランスを保つ必要があります。

これらの数値は、ユニバーサル デザイン仕様ではなく、運用の開始点として扱われる必要があります。

例えば、HRT を考慮せずに OLR を増加させると、より多くの生分解性物質が同じ反応器容積に入るということになります。酸生成生物は急速に反応する可能性がありますが、メタン生成菌は同じ速度で活性を高めることができません。

同様に、良好な混合では不十分な加熱を補うことはできず、高アルカリ度では深刻な有機過負荷を永久に補うことはできません。

安定した消化は、 複合生物学的環境 1 つのパラメーターを単独で最適化するわけではありません。

バイオガスの生産、メタン収量の向上、再生可能な天然ガスへのアップグレード

アンaerobic digestion produces biogas containing primarily methane and carbon dioxide together with water vapor, hydrogen sulfide, and trace contaminants.

EPA は、嫌気性システムからの生のバイオガスを一般に約 45 ～ 65% メタン ただし、実際の組成は原料と操作に大きく依存します。

下水処理場では、このガスは次のようなものになる可能性があります。

• 消化釜または建物の熱のためにボイラーで燃やされる。
• 熱電併給システムで使用されます。
• 発電に使用されます。
• 浄化され、再生可能な天然ガスにアップグレードされます。

共消化によるメタン生成量の増加

都市汚泥だけでは、既存の消化槽の潜在的なエネルギーを常に最大化できるわけではありません。

食品加工残渣、食品廃棄物、脂肪、油、グリースなどの適切な高エネルギー有機廃棄物を追加すると、生分解性炭素負荷が増加し、その結果バイオガス生産量が増加します。

EPA は、共蒸解を、そうでなければ収量が低い原料からのガス生成を増加できる方法として特定しています。ある報告書では、食品加工廃棄物と脂肪、油、グリースを受け入れる米国の下水施設がバイオガス生産量を約 2 倍に増やしたと述べています。

これは、最大の飼料添加が望ましいという意味ではありません。入荷する基材は次の点について評価する必要があります。

• COD および揮発性固体の濃度。
• 脂肪と長鎖脂肪酸。
• 窒素含有量;
• 硫黄;
• 潜在的な有毒化合物。
• 受信および保管容量。
• 蒸解釜のOLRと混合能力。

消化ガスからRNGへ

生の消化ガスは通常、天然ガスパイプラインへの直接注入には適していません。

一般的なアップグレードには、次のようないくつかの処理段階が含まれます。

硫化水素の除去: 鉄ベースの媒体、活性炭、生物学的脱硫、またはその他の技術により、腐食性 H2S が除去されます。

湿気の除去: 冷却、結露、乾燥、または吸着により水蒸気が減少します。

CO2 分離: 膜分離、圧力スイング吸着、水洗浄、または化学吸収により、メタン濃度が増加する可能性があります。

微量汚染物質の管理: 廃水源と最終ガスの仕様によっては、シロキサンと VOC も除去する必要がある場合があります。

EPA の報告によると、アップグレードされた RNG には通常少なくとも 90% のメタンが含まれており、パイプライン注入された RNG は通常約 90% に達します。 96 ～ 98% メタン 、受信事業者のガス品質仕様の対象となります。

米国のプロジェクトの場合、地方自治体の廃水処理消化槽からのバイオガスから生成される適格な再生可能 CNG または LNG は、連邦再生可能燃料基準内の承認された経路に該当する可能性もあります。

一般的なプロセスのトラブルシューティング: 発泡、阻害、pH/アルカリ度の変化

事業者はメタン生産が崩壊する前に傾向に対応する必要がある。

発泡

発泡 may result from filamentous organisms in the incoming sludge, rapid gas release, inadequate mixing, sudden loading changes, high concentrations of fats or proteins, or poor solids withdrawal.

警告サインには次のようなものがあります。

• 泡の深さを増す。
• 不安定なガスの流れ。
• 圧力の上昇。
• ガス配管に入る固体。
• 飼料または汚泥の特性の変化。

是正措置には、負荷の削減、混合分布の改善、問題のある原料の管理、汚泥の回収の調整、持続性泡の機械的な制御などが含まれます。

VFAの蓄積とpHの低下

有機負荷が突然増加すると、メタン生成生物が反応する前に酸の生成が増加することがよくあります。

VFA が蓄積し始め、アルカリ度が消費され、最終的には pH が低下します。

ただし、 pH だけでは遅い指標です なぜなら、重炭酸緩衝剤は進行中の不安定性を隠すことができるからです。

したがって、オペレーターは通常、全アルカリまたは重炭酸塩アルカリ度とともに VFA を追跡します。着実に増加している VFAとアルカリ度の比率 通常、単独の読書よりも重要です。実際の運用ルールとして、約 0.3 未満の値は一般に快適なバッファリングを示しますが、約 0.4 ～ 0.5 以上に向かう持続的な動きは調査を開始する必要があります。サイト固有の過去の傾向は、普遍的な警報点よりも常に優先されるべきです。

考えられる応答は次のとおりです。

• 高強度の送りを減らすか一時的に停止する。
• 正当な場合にはアルカリ度を高める。
• 温度変動を修正する。
• 混合性能をチェックする。
• 有効保持時間を増加させる。
• 阻害性の廃棄物を特定します。

アンモニアと硫化物の抑制

タンパク質が豊富な原料はアンモニアを放出し、硫黄を含む廃棄物は硫化水素を生成する可能性があります。

アンモニアの有毒画分は pH と温度に強く依存するため、ある施設で正常に動作する総アンモニア濃度でも、異なる条件下では阻害を引き起こす可能性があります。

硫化物は生物学的問題と操作上の両方の問題を引き起こします。これは、溶解した硫化物が微生物を阻害する可能性がある一方で、ガス状の H2S が深刻な腐食と安全性の懸念を引き起こすためです。

トレンド メタンパーセンテージ、CO2、H2S、VFA、アルカリ度、pH、ガス生成と飼料負荷を組み合わせたもの ガス量のみに依存するよりもはるかに強力な早期警告システムを提供します。

消化物の処理、栄養素の回収、エネルギーとコストのバランス

アンaerobic digestion does not eliminate sludge. It converts biodegradable organic material while leaving a stabilized digestate containing water, residual solids, nitrogen, phosphorus and inorganic material.

消化後、廃水プラントでは通常、遠心分離機、ベルト フィルター プレス、スクリュー プレス、またはその他の脱水装置を使用して、輸送量を削減します。

液体の濃縮液または濾液は、通常、大量のアンモニアと可溶性リンを廃水処理プロセスに戻します。大規模な施設では、このような側流の栄養負荷により、別個の窒素処理またはリン回収が正当化される可能性があります。

ますます重要になっている選択肢の 1 つは、パイプ、ポンプ、脱水装置内で制御されないストルバイトの沈殿を許容するのではなく、使用可能なリン酸塩製品としてリンを回収することです。

バイオソリッドの性質もプロセス設計時に考慮する必要があります。

米国EPA規則に基づき、 クラス A とクラス B は主に病原体削減要件を指します。 、そしてそれらは土地申請のために異なる管理要件を伴います。クラス B バイオソリッドには検出可能な病原体が依然として含まれている可能性があるため、設置場所の制限が必要ですが、クラス A バイオソリッドはより厳しい病原体削減要件を満たしています。

アンaerobic digestion by itself should therefore not automatically be described as producing “Class A biosolids.” The complete treatment train and applicable Part 503 criteria determine the final classification.

消化装置の起動

起動は段階的に行う必要があります。

実際のシーケンスには次のものが含まれます。

1. タンク、加熱、ガス配管、圧力解放および混合システムを検査します。
2. 適切な嫌気性種子スラッジを導入します。
3. 目標温度を徐々に確立します。
4. 有機負荷を減らして給餌を開始します。
5. pH、アルカリ度、VFA、ガス組成を監視します。
6. 負荷を増やすのは、メタンの生成とプロセスの化学的性質が安定した後でのみです。

新しい蒸解釜にすぐに設計容量をフルに投入すると、酸の生産量が発生中のメタン生成菌集団を上回ることが可能になります。

したがって、経済的な観点から見ると、最良の廃水消化装置は、必ずしも可能な限り最大限のバイオガスを生成する反応器ではありません。事業者は、加熱および混合エネルギー、固形物廃棄の節約、化学物質の消費、メンテナンス、バイオガスの利用、栄養副流処理、および潜在的な RNG または電力収入を 1 つの統合されたバランスとして比較する必要があります。

廃水消化システムの計画

消化装置の性能は、廃水と汚泥の正確な特性評価から始まります。

反応器、混合システム、ガス処理ユニット、または関連する廃水処理装置を選択する前に、予想される固体負荷、COD 特性、温度、硫黄および窒素含有量、HRT 要件、最終的なバイオソリッドルート、およびバイオガスの使用目的を定義します。

杭州ニーハオ環境技術有限公司 廃水処理製品を供給し、プロセス指向の機器選択により自治体および産業の処理プロジェクトをサポートします。

新しい廃水処理システムを計画している場合、または既存の生物学的プロセスをアップグレードする場合は、お問い合わせください。 ニーハオウォーター 流量、廃水の特性、処理目標、および既存のプロセス情報を使用します。私たちのチームは、廃水処理トレイン全体に適した処理構成とサポート機器の評価を支援します。

よくある質問

廃水処理における嫌気性消化の 4 つの段階は何ですか?

4 つの段階は、加水分解、酸生成、アセト生成、およびメタン生成です。複雑な有機物質は、最初に可溶性化合物に変換され、次に揮発性の酸とその他の中間体、次に酢酸塩と水素、最後にメタンと二酸化炭素に変換されます。

中温性嫌気性消化と好熱性嫌気性消化の違いは何ですか?

中温性消化は通常約 30 ～ 38 °C で動作し、都市汚泥消化装置では約 35 °C が広く使用されています。好熱性消化は通常、約 50 ～ 57°C で行われます。好熱性システムは、より迅速な生物学的反応とより大きな病原体減少を提供できますが、一般に温度変化やプロセスの外乱に対してより敏感です。

水力滞留時間と有機物の装填率は蒸解釜の性能にどのように影響しますか?

HRT は物質が反応器内にどれだけの時間留まるかを決定します。一方、OLR は 1 日あたり単位反応器容積あたりに適用される有機物質の量を表します。過剰な負荷と不十分な保持の組み合わせは、酸の生成がメタン生成変換能力を超えるため、VFA の蓄積を引き起こす可能性があります。

嫌気性消化槽での泡立ちの原因は何ですか?また、泡立ちはどのように制御できますか?

発泡 may be associated with filamentous organisms, high protein or fat loading, rapid gas production, poor mixing, feed variations, and accumulated scum. Control measures include identifying the source, correcting loading or mixing conditions, managing feedstocks, and removing accumulated foam or scum where necessary.

消化槽バイオガスはどのようにして再生可能な天然ガスにアップグレードされるのですか?

生のバイオガスは洗浄されて、水、硫化水素、二酸化炭素、シロキサンやVOCなどの汚染物質が除去されます。技術には、活性炭、鉄媒体、膜、圧力スイング吸着およびスクラビング システムが含まれる場合があります。パイプライン品質の RNG には通常、未処理の消化ガスよりもはるかに高いメタン濃度が必要です。

適切に運転された廃水消化装置の典型的な揮発性固体削減目標は何ですか?

多くの自治体の消化装置は、汚泥の生分解性とプロセス設計に応じて、約 40 ～ 60% の揮発性固体の破壊を目標としています。米国では、38% の揮発性固体削減が特に重要です。これは、40 CFR Part 503 に基づいて媒介物質の誘引削減を実証するための EPA オプションの 1 つであるためです。

廃水消化装置およびバイオガスシステムを操作する際には、どのような安全対策が必要ですか?

主な危険には、メタン火災および爆発の危険性、硫化水素の毒性、酸素欠乏雰囲気、加圧ガス、密閉空間、移動機器などがあります。施設は、適切なガス検知、換気、圧力および真空保護、火炎制御、電気的分類、密閉空間手順、緊急停止システム、およびサイト固有の操作手順を使用する必要があります。該当する OSHA、消防法、電気法、および地域の要件は、システムの設計および運用中に検討する必要があります。