窒素やリンの大量放出は水域の富栄養化を引き起こす可能性があります。このため、中国では下水処理場の処理効果を評価する重要な評価指標としてアンモニア態窒素と全リンが用いられている。現在、下水処理は主に生物学的脱窒、下水中の窒素を好気性硝化と無酸素性脱窒により無害な窒素ガスに変換します。
全窒素とは、NO3-、NO2-、NH4+ などの無機窒素、アミノ酸、タンパク質、有機アミンなどの有機窒素を含む、可溶性粒子および懸濁粒子中の窒素含有量を指します。生物学的脱窒では、まず嫌気性環境でのアンモニア化により有機窒素をアンモニア態窒素に変換します。このプロセスは簡単に実行でき、ほとんどの治療施設で完了できます。その後、好気的環境下では、アンモニア性窒素が硝化反応を起こして硝酸性窒素に変換されます。最後に、無酸素環境では、硝酸態窒素は脱窒によってアンモニアガスに変換され、水から排出されます。
主な脱窒プロセスには次のものがあります。活性汚泥プロセス（A2O、オキシデーションディッチ、SBRなど）およびバイオフィルムプロセス（生物学的フィルター、生物学的接触酸化タンク、生物学的回転ディスクなど）は、廃水中の窒素に対して優れた除去効果がありますが、プロセスと操作の点で特定の制限と複雑さがあります。
A2O プロセス、つまり嫌気性、無酸素性、好気性の活性汚泥プロセスには、嫌気性、無酸素性、好気性の 3 つの異なる機能ゾーンを流れる廃水が含まれます。そこでは、さまざまな微生物群集が有機物、窒素 (N)、リン (P) を除去します。 A2O プロセスは、最も単純なリンと窒素の同時除去プロセスであり、総水力滞留時間が短いことが特徴です。嫌気性、無酸素性、好気性が交互に繰り返される条件下で、糸状細菌の増殖を抑制し、汚泥の増大を克服し、通常 100 未満の汚泥粘度 (SVI) を実現します。これにより、処理済み廃水と汚泥の分離が容易になります。嫌気性セクションと無酸素性セクションでは、操作中に穏やかな撹拌のみが必要なため、操作コストが低くなります。
利点:このプロセスは最も単純な窒素とリンの同時除去であり、総水圧滞留時間と総床面積が小さくなります。嫌気好気交互運転条件下では糸状菌が大量に増殖できず、汚泥の増量もありません。汚泥はリン濃度が高く、肥料効果が高い。操作中に化学薬品は必要なく、穏やかに撹拌するだけで済み、操作コストが低くなります。
短所:リンの除去効率をこれ以上向上させることは困難であり、汚泥の成長には一定の限界があり、改善するのは容易ではありません。窒素除去効率もさらに向上させるのは難しく、内部循環量が多すぎてはならず、そうしないと運転コストが増加します。沈殿槽内では一定濃度の溶存酸素を維持し、滞留時間を短縮し、循環する混合液が反応器を妨害しないように溶存濃度が高すぎないようにする必要があります。
連続循環反応器としても知られる酸化溝は、従来の活性汚泥プロセスを改良および発展させたものであり、特殊な形式の長時間曝気です。
その主な機能は酸素を供給することです。活性汚泥が懸濁状態にあることを確認し、廃水、空気、汚泥の完全な混合と接触を可能にします。また、水を一定の流速（0.25 m/s 以上）でタンクの長さに沿って循環させます。これは、酸化溝の浄化機能を維持するために重要です。酸化溝には、良好な排水品質、衝撃荷重に対する強い耐性、高いリンおよび窒素除去効率、容易なスラッジ安定化、低エネルギー消費、および自動制御の容易さなどの利点があります。
しかし、実際の操業においては、汚泥のバルキング、発泡、汚泥の浮遊、流量の不均一、汚泥の堆積などの問題が山積しています。
間欠活性汚泥プロセス (略して SBR プロセス) の動作サイクルは、流入、反応、沈殿、流出、アイドルの 5 つの段階に分けられます。この統合プロセスは、そのシンプルさが特徴です。反応槽が1基のため、二次沈殿槽や返送汚泥等の設備が不要です。通常、平衡化タンクは必要なく、多くの場合、一次沈殿タンクは省略できます。
特徴：ほとんどの場合、均等化タンクをセットアップする必要はありません。 SVI 値が低く、沈降しやすく、一般にスラッジのバルキングが発生しません。動作モードを調整することにより、リンおよび窒素の除去反応が実行されます。自動化の度合いが高い。適切に行えば、継続的な治療よりも治療効果が高くなります。投資単位が比較的小さい。設置面積は大きいですが、処理される水の量は少ないです。
問題点:A2O プロセスとオキシデーション ディッチ プロセスはどちらも広いタンク領域を必要とするため、インフラストラクチャのコストが高くなります。汚泥の返送と沈殿のプロセスは複雑でエネルギーを大量に消費するため、通常の小規模な下水処理場での実施が困難であり、下水処理場の改修には適していません。 SBR プロセスでは、廃水の品質を確保するために高精度のデカンタが必要であり、廃水の流量を調整するために後続の均一化タンクが必要となるため、自動化に対する高い要求が課せられます。
生物学的フィルターは広い面積を必要とし、生物学的接触酸化タンク内の固定担体の構築と維持が困難です。どちらも目詰まりしやすく、下水処理プラントの長期安定稼働に大きな課題をもたらしています。一方、生物学的回転ディスクは処理する廃水の量が少ないため、処理能力が小さい廃水処理プラントにより適しています。
MBBRプロセス生物学的フィルターと生物学的流動床プロセスに基づいて開発されています。生物膜法と活性汚泥法の利点を同時に活用することで、生物膜法でよくあるパッキン詰まりや逆洗による高エネルギー消費の問題、活性汚泥法での汚泥損失の問題を克服し、生物処理効果をより効果的にします。
MBBR キャリアは、微生物の急速な付着と増殖を促進するさまざまな微量元素を組み込んだポリマー材料で作られています。これらは特別なプロセスを使用して改質および構築され、その結果、大きな比表面積、良好な親水性、高い生物活性、迅速なバイオフィルム形成、優れた処理効果、および長い耐用年数などの利点を備えた担体が得られます。
微生物は MBBR 担体に広範囲に付着することができ、その結果、汚泥濃度を一定に維持しながら生物学的処理システム内のバイオマスが大幅に増加します。これにより、システムの処理能力と効率がそれに応じて向上し、さまざまな水質による衝撃負荷に対する耐性が強化されます。 MBBR 担体に付着したバイオフィルムが一定の厚さに達すると、溶存酸素勾配が生じ、好気性タンク内の担体内に無酸素ゾーンが形成されます。これにより、脱窒菌は担体内で脱窒、すなわち硝化と脱窒を同時に行うことができる。これにより炭素源が効果的に節約され、炭素対窒素比が低くても優れた窒素除去能力が可能になります。
MBBR 担体の密度はすべて 1 未満であり、バイオフィルム形成後の密度は水の密度と同様になるため、水中に浮遊したままになります。実際の操作では、撹拌とエアレーションを組み合わせて水中の担体を流動させ、気液固体の三相流動を形成させます。これにより、気相、液体相、キャリア相間の接触が強化され、酸素利用効率が大幅に向上し、通気量とエネルギー消費が効果的に削減されます。
MBBRプロセスでは、特定の添加剤を添加し、既存の生物学的処理プロセスの上にキャリアスクリーンを設置するだけで済みます。大規模なインフラ建設を行わずに窒素除去能力の向上を実現し、投資コストを大幅に削減します。これは、下水処理プラントのアップグレードと改修における有望な開発の見通しを示しています。
従来の脱窒プロセスでは、NH4+ が NO2- に酸化され、さらに NO3- に酸化されます。活性物質は亜硝酸酸化細菌と硝化細菌であり、総称して硝化細菌として知られています。次の結論が導き出されます。亜硝酸塩の酸化は硝化よりも多くのエネルギーを生成するため、反応速度が速くなります。亜硝酸塩の酸化は大量の H+ を生成し、システムの pH を低下させますが、硝化はシステムの pH に影響を与えません。亜硝酸酸化と硝化の好気的比率は 3:1 です。亜硝酸酸化細菌と硝化細菌はほぼ同様の生理学的特徴を持っていますが、亜硝酸酸化細菌は寿命が短く、増殖が速いため、衝撃負荷や悪環境条件によりよく適応できます。
硝化菌が阻害されるとNO2-が蓄積します。明らかに、従来の硝化-脱窒窒素除去プロセスでは、脱窒細菌の作用により、硝酸塩または亜硝酸塩のいずれかから脱窒が始まります。しかし、NO2- から NO3- への変換、そして NO3- から NO2- への変換を繰り返すと、より多くの溶存酸素と有機炭素源が消費されます。実際のプロセスにおいて、この変換プロセスを制御して、NH4+ のすべてまたは大部分が NO3- ではなく NO2- に変換され、NO2- から直接脱窒が起こる場合、このプロセスはショートカット硝化-脱窒と呼ばれます。環境担当者のたゆまぬ努力により、多くの原子炉で近道的な硝化・脱窒が達成されています。
従来の脱窒プロセスと比較して、ショートカット硝化脱窒は以下の利点を示します。
問題点:ショートカット硝化脱窒 (SCD) プロセスは現在研究段階にあり、実際の工学的応用は限られています。 SCD 段階では温度や pH などの要素を制御することが難しいため、安定した SCD プロセスを実現し、その用途を拡大するには、より高度なオンライン検出技術とファジィ制御技術が必要です。
嫌気性アンモニア酸化は、嫌気性アンモニア酸化細菌が亜硝酸塩を電子受容体として使用し、嫌気条件下でアンモニア性窒素を窒素ガスに酸化する生物学的反応プロセスです。この反応は通常、外部条件（pH、温度、溶存酸素など）に関して比較的厳しい要件を必要としますが、酸素や有機物の関与を必要としないため、その研究とプロセス開発は持続可能な開発の重要性を持っています。
嫌気性アンモニア態窒素処理には通常、廃水中のアンモニア態窒素の一部を亜硝酸塩に変換する前処理のショートカット硝化プロセスが含まれます。コークス工場からの廃水や埋め立て浸出水の処理に応用して成功した例がすでにあります。
嫌気性アンモニウム酸化は、窒素ガスを生成する微生物反応です。これにはいくつかの利点があります。アンモニアが脱窒の際に電子供与体として直接作用するため、外因性有機物が除去され、運転コストが節約され、二次汚染が防止されます。酸素が効果的に利用され、酸素供給エネルギー消費量が削減されます。また、一部のアンモニアは硝化を経ずに嫌気性アンモニウム酸化に直接関与するため、酸の生成が減少し、アルカリの生成がゼロになるため、中和に必要な化学試薬の量が減少し、運転コストが削減され、二次汚染が軽減されます。
浮遊物質（SS）、化学的酸素要求量（COD）、BODを除去し、硝化、脱窒、リン除去、AOX（有害物質）を行う処理です。生物酸化と懸濁物質遮断を一体化し、後段の沈殿槽（二次沈殿槽）が不要なことが特徴です。体積負荷と油圧負荷が大きく、油圧保持時間が短く、必要なインフラ投資が少なく、良好な排水品質を生成し、運転エネルギー消費が低く、運転コストを節約します。
BAFは、バイオフィルム技術の利点を備えているだけでなく、特殊な濾材と適切なガス分布設計を使用することにより、空間濾過において効果的な役割を果たす第3世代のバイオフィルムリアクターです。
技術的特徴:
