投稿者: ケイト
Email:kate@aquasust.com
日付: 2024 年 12 月 4 日
1. MBRプロセスの概要
MBR（膜バイオリアクター）水処理に用いられる膜生物処理技術です。膜分離技術と排水生物処理技術を組み合わせたシステムです。これは、今日世界で最も先進的かつ効率的な廃水処理および資源回収技術の 1 つとして認識されています。
MBR技術は膜の分離機能を利用し、従来の活性汚泥処理の二次沈殿槽、砂ろ過器、消毒装置などを膜分離装置に置き換える技術です。精密濾過/限外濾過 (MF/UF) 膜を使用して、曝気槽からの流出水を直接濾過します。活性汚泥混合物中の浮遊固体は完全に保持され、反応器に再循環されます。その結果、汚泥年齢の延長、汚泥濃度の増加、汚泥負荷の低減が可能となります。これにより、汚染物質の微生物分解が促進され、廃水処理効率が大幅に向上し、廃水の水質が安定して信頼できるだけでなく、高品質の再生水基準も満たすことが保証されます。これは、2011 年に設定された新しい排出基準を満たすように中国の廃水処理プラントをアップグレードする場合や、産業廃水の再利用に特に適しています。
精密濾過/限外濾過 (MF/UF)膜には細孔サイズと分子量カットオフ範囲があります。一般に、限外濾過膜の孔径は 0.01 ～ 0.1 μm、分子量カットオフ (MWCO) の範囲は 5、000 ～ 500、{{ 9}} ダルトン。廃水処理に通常使用される精密濾過膜の公称 MWCO は、30000 から 800000 ダルトンの範囲です。
2. MBR膜の利点
MBR は、他のスタンドアロンの生物学的プロセスにはない大きな利点を提供します。
1.優れた安定した排水水質
これは固液分離効率の高さに表れます。排水の浮遊物質はほぼ常にゼロに近く維持でき、汚泥の分解や短期的な汚泥のバルキングなどの要因の影響を受けにくいです。
2.コンパクトなリアクター設計
高濃度の汚泥でも正常に動作できるため、反応器がよりコンパクトになり、スペースを節約しながら高い有機除去効率が得られます。二次沈殿槽システムが不要です。
3.好気性硝化菌の培養に有利
このシステムは、好気ゾーンの硝化能力を強化します。これは、アンモニア態窒素の除去効率が高く、長期間にわたって安定していることに反映されています。
4.油圧滞留時間とスラッジ滞留時間を完全分離
反応器の水力滞留時間 (HRT) と汚泥滞留時間 (SRT) を完全に分離することで、より柔軟な運転制御が可能になります。
5.高濃度微生物と強い耐衝撃性
反応器内の微生物濃度が高く、衝撃荷重に強い。汚泥の熟成期間が長い場合、膜分離により、廃水中の大きくて分解しにくい分子が生物学的に制限された反応器容積内で十分な滞留時間を確保できます。これにより、難分解性有機物の分解効率が大幅に向上します。反応器は、高体積負荷、低スラッジ負荷、および長いスラッジ年齢の下で動作するため、スラッジの排出を効果的に削減できます。
3. MBR膜の今後の開発動向
1.廃水処理におけるMBRテクノロジーの重要な役割
近年の経験によれば、MBR テクノロジーは成熟しており、設計と運用を成功させることが可能であることがわかっています。都市排水と産業排水の両方の処理に使用できます。したがって、MBR技術の発展と成熟が進むにつれて、経済効率が高く実用的な技術として世界中で広く応用されることが期待されています。
2.MBR適用の見通し
特に都市は廃水処理に狭い土地を必要とするため、MBR の主な用途は都市廃水処理である必要があります。高品質の排水は再利用したり、ナノ濾過や逆浸透の前処理として使用したりできますが、厳格な排出基準を満たす必要があります。
MBR 技術は、食品加工廃水、屠殺場廃水、埋め立て浸出水などの産業廃水の処理にも効果的です。埋め立て浸出水中の内分泌かく乱物質 (EDS) の優れた除去効率が実証されており、飲料水中の硝酸塩も除去できます (除去率は最大 98.5%)。
3.膜ファウリングの制御
膜ファウリングのメカニズム、特に生物学的ファウリングの研究についてはさらなる研究が必要です。より効果的で、制御可能で、最小化された膜 汚れの解決策を開発する必要があります。オンライン膜汚れ制御のためのコンピュータおよびセンサー技術の使用を十分に検討する必要があります。洗浄方法を改善する際には、安全な化学薬品の使用に特に注意を払う必要があります。
4.排水の種類に応じた膜の構造と材質の選択
廃水の種類に応じて膜の構造や材質を適切に選択する必要があります。新しいエネルギー効率の高い高性能膜材料とモジュールアセンブリを採用する必要があります。好気性MBRシステムと嫌気性MBRシステムの統合を促進する必要があります。さらに、数学的モデルとコンピュータ技術を最大限に活用して、より良い排水品質を達成し、プロセスをより経済的かつ効率的にするために動作パラメータを最適化する必要があります。
4. MBR膜の動作原理
実際のエンジニアリング用途では、浸漬 MBR (膜バイオリアクター) プロセスがより一般的に使用されており、このタイプのシステムに関する業界の経験は比較的成熟しています。したがって、このタイプの MBR を分析の例として使用します。一般原則は次のとおりです。
原水はバイオリアクターに入り、高濃度混合活性汚泥により有機物が酸化分解されます。膜モジュールの下には曝気システムがあり、混合液中の微生物に十分な溶存酸素 (DO) を供給するだけでなく、完全な混合を促進します。気泡によって引き起こされる撹拌は、膜表面に形成される循環流とともに、膜表面に研磨および剪断効果をもたらし、非人工的条件下での膜表面への汚染物質の不可逆的な堆積を効果的に防止します。処理水は自吸式ポンプを通って引き込まれ、膜で分離され、液相は膜を通過してシステムから排出されます。
通常、MBR プロセスには、膜流束、透過係数、保持率、濃度分極など、いくつかの重要な操作パラメータがあります。
1.膜流束
膜流束 (J) は、単位時間当たりに膜の単位面積を通過する物質の量を指します。通常、[m3/(m2・s)] として SI 単位で表されるか、m/s に簡略化されます。実際の工学計算では、[L/(m²・h)] の単位を持つ LMH (リットル/平方メートル/時間) などの非 SI 単位が流束の測定によく使用されます。一般的な廃水処理要件を満たす典型的な MBR 膜の LMH は少なくとも 10 L/(m²・h) です。
膜流束に影響を与える要因には、物質移動の駆動力、膜抵抗、膜側の供給溶液の流れ状態 (境界層抵抗に相当)、膜汚れの程度などが含まれます。
2.透過係数
膜の透過係数 (Lp) は、単位圧力下で単位時間および単位面積あたりに膜を通過する物質の量を表します。それは、単位圧力条件下での膜流束として単純に表されます。透過係数は、膜の現在の性能を評価するための主要なパラメータの 1 つです。
3.定着率
膜分離プロセスでは、膜を通過する液体を透過液と呼び、膜に保持される液体を保持液と呼びます。保持率は、観察/報告された保持率 (Robs) および実際の/固有の保持率 (Ract) など、膜の分離性能を特徴付けるために使用されます。その定義は次のとおりです。
ここで、Cp と Cb はそれぞれ透過液と供給溶液の溶質濃度を表し、直接測定できます。しかし、膜表面には溶質が滞留・付着しているため、膜表面の溶質濃度（Cm）は供給溶液の平均濃度よりも高くなります。したがって、実際の定着率は次のようになります。
Cm の値は一般に直接測定できないため、計算モデルを使用して推定する必要があります。
4.濃度分極
実際の圧力駆動プロセスでは、時間の経過とともに膜流束が減少することが多く、溶質保持率も変化します。この現象の主な原因は、濃度分極と膜の汚れです。
濃度分極とは、圧力駆動条件下で、溶質が膜に保持される一方で、供給溶液中の溶媒が膜を自由に通過する現象を指します。溶媒の流れは溶質を膜表面に継続的に運び、膜上に溶質を蓄積させます。その結果、膜表面の溶質濃度（Cm）が徐々に増加し、膜表面から供給溶液への逆拡散を引き起こす濃度勾配が生じます。安定化期間の後、膜表面への供給溶液の流れが逆拡散と等しくなるとき、安定した濃度分極境界層が形成されます。完全保持の条件は次の式で表されます。
Cm/Cb の比を濃度分極率と呼びます。この比率が高いほど膜分離には不利になります。
膜束 (J) の方が測定が簡単ですが、k は境界層の厚さに対する拡散係数の比です。 k の値は膜表面の流れの状態に関連しており、物質移動の無次元数相関を使用して計算するか、実験的に決定できます。 k 値を決定する方法は、Zeman と Zydney (1996) による論文に記載されています。
