廃水処理挙動、汚れ、経済コストに対する膜バイオリアクターの性能に対する有機負荷率の影響

Scientific Reports volume 13、記事番号: 15601 (2023) この記事を引用

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液中膜バイオリアクター (MBR) は都市廃水の処理や潜在資源の回収に広く使用されていますが、膜の操作パラメーターと膜汚れの制御には議論の余地がある問題が残っています。 この研究では、高バイオマス汚泥 (5.4 g/L ～ 16.1 g/L の範囲の MLSS (g/L)) での MBR による都市廃水の処理を、0.86 ～ 3.7 の範囲の有機負荷率 (OLR) で評価しました。 kg COD/m3d。 この研究では、膜貫通圧力と総汚れ抵抗性の間の相関関係が徹底的に調査されました。 調査結果によると、OLR が 0.86 ～ 3.7 kg COD/m3d と大きくなると COD、BOD、NH4-N の除去効率が低下し、OLR が 3.7 kg COD/m3d と大きくなると総耐汚染性 (Rt ）。 MBR システムを使用した経済的研究では、設計流量 20 m3/d の場合、処理済み廃水の使用による投資回収期間は 7.98 年であることが証明され、都市廃水の処理にこの MBR を使用することの経済的利点が確認されました。 一般に、MBR の効率性が直面する課題を理解することで、MBR のパフォーマンスが向上し、その結果、廃水再生の持続可能性が向上します。

エジプトにおける水不足の問題により、多くの学者がこの惨事が国民の生活と経済に及ぼす壊滅的な影響を遅らせるために代替解決策を検討するようになりました1,2。 処理済み廃水の使用は可能な解決策の 1 つです。 それにもかかわらず、産業から発生し前処理なしで下水道に排出される廃水の複雑さの増大や悪影響など、これには多くの問題があり、この状況が厳しい水政策をもたらしました。 従来の活性汚泥（CAS）法などの生物学的廃水処理法を使用すると、これらの課題の大部分に対処できます。 いずれにしても、これらのプロセスは、微生物や一部の有機汚染物質など、多くの汚染物質に対する選択性が低いという特徴があります 3,4。 CAS に関する多くの問題は、設置面積が小さく、排水の品質が高く、汚泥の生成が少ない代替処理アプローチであるメンブレン バイオリアクター (MBR) を使用して解決できます。 したがって、MBR は CAS プロセスよりも頻繁に使用されています。 MBRによる高品質な再生水の生成の主な要因は、膜ろ過により高分子物質、バクテリア、浮遊粒子がほぼ完全に保持されることです。 したがって、処理の最終段階として、CAS プロセスの二次沈降装置よりもはるかに効果的に固体と液体を分離します5。

ただし、膜濾過は、主に栄養素 (リンと窒素) を減少させる生物学的プロセスに比べて、リンと窒素の除去にはあまり役に立ちません。 実際、従来の MBR システムでは、集中的なエアレーションと固体保持時間が長くなるため、栄養素除去の効果が低下する可能性があります 6,7。 それでも、活性汚泥の処理中の膜ファウリングの問題により、MBR の開発は遅れています。 したがって、MBR ベースの住宅廃水処理システムに関する最近の研究は、膜の汚れを管理する方法に焦点を当てています8。 これらには、膜表面の改質、高クロスフロー速度の使用、化学条件または操作条件の最適化、および流体力学的洗浄が含まれます9,10。

ただし、膜の汚れのため、MBR の一般的な商業利用は制限されていることは言及する価値があります。 膜表面および細孔内部のファウリング現象により、長期的なフラックス安定性が低下し、膜の洗浄が必要となり、全体のコストが上昇します。 さらに、十分なフラックスを回収するのに洗浄が効果的でない場合は、メンブレンの交換も選択肢になります 11、12。 膜ファウリングの現象は複雑であるため、この分野に取り組む科学者にとってファウリングの挙動を予測することは依然として困難です13。 したがって、汚れによる運用によるメンテナンスコストの上昇は、MBR の最も重大な欠点の 1 つであり、MBR の広範な採用が制限されています 14。