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余剰汚泥ゼロ(汚泥減量)化のメカニズム Mechanism to Eliminate Excess Sludge

排水処理等における余剰汚泥の削減方法は汚泥減量型活性汚泥法として様々な方法が研究され、実用化されています。
KABによる余剰汚泥ゼロ化・大幅な減容は、KABが汚泥の基質化を強力に促進し、分解効率を高めることで実現します。
排水処理の実態に合わせた複合菌をオーダーメイドすることで、確実に効果を発揮します。

 

■ KABの役割

 

 ①汚泥基質化の促進

 ②既存の微生物の生態系の活性化(食物連鎖や代謝の活性化)

 ③KABを構成する微生物の高い分解力

 ④固液分離力の向上


 KABは、曝気槽等への継続的な添加(図1)によって、既存自然菌と共存し、汚泥分解の阻害要因となるペプチドグリカンを溶解(基質化)(図2)し、曝気槽の既存微生物の食物連鎖や代謝を活性化(図3)させることにより基礎的な分解力を向上させます。同時に、KABを構成する微生物独自の働きによって分解力を更に向上(図4)させます。

 また、KABは固液分離を促進し、汚泥密度を高めることにより、バルキング現象の発生を抑制します。

 活性汚泥の状態が健全で、設備が適切に運転されている状況下では、沈殿槽の汚泥界面を上昇させることもありません。

 沈殿槽で分離沈降した汚泥は引き抜きを行わず、適切な量を曝気槽に返送します。(余剰汚泥として廃棄しません)。

 KABの効果を最大化するには、排水処理設備の運転管理が最適化されていることも重要な要素になります。

 JFSは、KABの活用に併せ、設備の運転管理に関するコンサルティングも行わせていただくことにより、効果の最大化を図っています。

 KABを使用し、汚泥の発生と分解の均衡を図った結果、曝気槽のMLSS・MLVSSは通常1.3倍~2倍程度まで高まります。

 (高濃度運転管理を行っている場合はMLSS・MLVSSが下がる場合があります。一方、2倍以上になる場合もあります。)


 KABは微生物の構成と添加量の調整によって、排水処理設備で処理する排水の性質や処理量等にバランスさせ、汚泥発生と分解のバランスを最適化することにより、余剰汚泥の発生をゼロまたは大幅に減容します。

KAB添加イメージ

図1 KAB添加のイメージ

図2 微生物細胞レベルから見た汚泥基質化法の分類.jpg

図2ー1 基質化汚泥の分解・消化過程のモデル1

KAB
KAB
KAB

図2ー2 汚泥基質化のイメージ

活性汚泥における食物連鎖.png
活性汚泥微生物による代謝.png

図3 活性汚泥微生物の食物連鎖

図4 活性汚泥微生物による代謝

■余剰汚泥ゼロ化(汚泥減量化)モデル

 

1.汚泥発生のマスバランス

 排水中の有機物(その量はBODで示す)は曝気槽などの反応槽内の微生物に摂取され、生命維持のエネルギーとして消費されるとともに、

細胞合成(微生物の増殖)に利用される。これを一般式で示すと、汚泥増殖量ΔXまたは増殖率ΔX/Xは、下記の式(1)または式(2)で示される。

  ΔX = aSr – bX  (1)
  ΔX/X = aSr/X – b  (2)

 
   ΔX: 汚泥増殖量 [kg-MLSS/日]
   a: 除去BODの汚泥転換率 [-]

   Sr: 除去BOD [kg-MLSS/日]
   b: 内生呼吸による自己分解率 [/日]

   X: 反応槽内の微生物量 [kg-MLSS]
   ΔX/X: 汚泥増殖率

 同類の微生物でも負荷量S(容積負荷Γ)と微生物量X(微生物濃度MLSS)または汚泥負荷S/X(Γ/MLSS)によって、ΔX/Xが大きく異なる。余剰汚泥ゼロ化(汚泥減量化)技術において、ΓやMLSSの設定は汚水浄化システムの設計や操作の重要な因子となる。
 表1は、好気性微生物を用いた各種活性汚泥法の操作条件。これらの活性汚泥法に余剰汚泥ゼロ化(汚泥減量化)技術を導入すると,設計条件や操作因子がどのように変化するか定量的にモデル化する。​

表1 各種活性汚泥の操作条件.jpg

表1 各種活性汚泥の操作条件

 
2.基質化汚泥の分解・消化過程のモデル化
 
 (1) 活性汚泥を構成する細菌類の細胞構造
   活性汚泥の大部分は細菌類が集まったものである。細菌類の細胞は、その外側が細胞壁で包まれている。この細胞壁はペプチドグリカンと
  呼ばれる多糖の鎖がペプチドの短い鎖によって架橋された複雑な三次元立体構造になっている。グラム陽性菌の細胞壁は、鎖状構造が多いも
  ので40層も重なった三次元的な繊維層を形成し、通常の生物機能による代謝分解は困難かまたはその分解には長い日数を必要とする。


 (2) 基質化汚泥の分解・消化過程のモデル化
   図2-1に示した基質化汚泥の分解・消化過程を速度論的にモデル化して理解することは、余剰汚泥ゼロ化(汚泥減量化)技術の設計およ
  び運転管理において極めて重要である(図5)。
   細胞殺傷は、さらに3つ細分類される。1) 基質化処理により細胞が即死t2するものと(即死型)、2) 細胞損傷を受けた後、しばらくして
  細胞死に至るものである(遅死型);τ1(t1~t2)。細胞死が起こると、その細胞は、曝気槽内の微生物群の酵素により溶菌(細胞壁の一部
  が溶解し、細胞質が漏出すること)される;τ2(t2~t3)。3) 細胞死が明確でなく、細胞壁が損傷を受けた後、浸透圧による細胞壁の破裂
  による細胞質の漏出が起こることもある。溶菌や細胞破裂により漏出した細胞質成分は比較的短時間で分解・消化されるものと思われる;τ3
  (t3~t4)。しかし、難生分解性の細胞壁成分は活性汚泥中に混在して、ゆっくりと時間をかけて分解・消化されるもと思われる;τ4(t3~
  t5)。
   細胞破砕では、細胞壁が破壊されるので、t3から分解・消化が始まる。
   細胞低分子化では、細胞成分は全て低分子されているので、易生分解性となり、その分解・消化過程は短時間(<τ3 )で完了する。
   なお、上記したτ1~τ5についは、厳密に観察や測定できるものではなく、そのような課程を経て基質化(殺傷、破砕や低分子化)された汚
​  泥(微生物群)が曝気槽内で分解・消化されるというモデルであることに留意。

 

図3 基質化汚泥の分解・消化過程のモデル.jpg

図5 基質化汚泥の分解・消化過程のモデル2

 
3.汚泥減量型活性汚泥法のモデル化
 図6に示すように、負荷量(基質)S、汚泥総量X、汚泥増殖量ΔX、汚泥滞留日数SRTで運転する従来型活性汚泥法を想定した場合、基質Sは全て微生物に摂取されるもとし、その内、細胞合成への割合をα(同化率)および生体エネルギー生産への割合をβ(異化率)とする。
 次に、増殖量ΔXの全量を基質化して曝気槽へ返送する余剰汚泥ゼロ(汚泥減量)型活性汚泥法を想定した場合、返送された基質化汚泥は完全に消化され,系外へ汚泥は全く排出されないものとする。ただし、SRT = X/ΔXは従来型と同じ日数とし、これを減量型(Ⅰ)と略称する。


  ΔX = aS – bX  (3)
  ΔX/β = a S/β – b X/β  (4)
  α + β= 1  (5)

 
   α: 基質の同化率 β: 基質の異化率

 表2に示すように、培養1日目の増殖量ΔX はαSとなる。2日目にΔXを基質化して返送すると、負荷は(1 + α)Sとなる。以後、これを繰り返すと一定値となり、(1 + α + α2 +・・・)S = S/(1-α) = S/βとなる。同様にして、平衡状態に達したときの曝気槽内の汚泥総量はX/βとなり、増殖式(4)が得られる。
 増殖式(4)から、従来型から減量型(Ⅰ)へ移行したときの各操作条件は、従来型の各操作条件に1/βを乗じたものとなる。このような条件では、曝気槽内のMLSSは1/β倍(β< 1)に増加し、沈殿槽の能力を超えてしまうことがある。減量型のMLSSを従来型と同じ濃度に維持するためには、どのように運転したらよいかを次に示す。なお,これを減量型(Ⅱ)と略称する。


  (1 + bατ)ΔX/β= a S/β – bX  (6)
  τ(= STR) = X/ΔX  (7)
  τ’(= SRT’) = τ/ (1 + bατ)  (8)

 
 前節の式(4)に式(5)を代入して変形すると、式(6)が得られる。ただし、式(6)中のτは、式(7)に示すように、従来型におけるSRTである。式(6)より、基質化に必要な汚泥量は、減量型(Ⅱ)では従来型の(1 + bατ) /β倍に増加する。一方、減量型(Ⅱ)の汚泥滞留日数SRT’は式(8)に示すように従来型SRTの1/ (1+ bατ)に短縮される。
 

図4 汚泥減量化システムのモデル化.jpg

図6 余剰汚泥ゼロ化(汚泥減量化)システムのモデル化

表2 パラメーターの計算.jpg

表2 パラメーターの計算

 
4.余剰汚泥ゼロ(汚泥減量)型活性汚泥法の操作因子
 表1に示した各種活性汚泥法について、従来型を減量型に変更したとき、その操作因子がどのように変わるか、具体的に計算した結果を表3に示す。また、操作因子の変化をグラフ化したものを図7~図9に示す。汚泥を基質化して曝気槽へ返送することにより、その負荷量および曝気量は、減量型(Ⅰ・Ⅱ)いずれも同化率αの増加とともに増加する。減量型(Ⅱ)の基質化汚泥量は、同化率α、汚泥滞留日数τ、自己分解係数bの増加とともに増加する。

 

表3 従来型および汚泥減量型の活性汚泥法の操作条件の比較.jpg

表3 従来型および汚泥減量型の活性汚泥法の操作条件の比較

図5 従来型に対する減量型(Ⅰ・Ⅱ)の負荷量・曝気量の増加率および.jpg

図7 従来型に対する減量型(Ⅰ・Ⅱ)の負荷量・曝気量の増加率および従来型余剰汚泥量に対する減量型(Ⅰ)の基質化汚泥量の倍率

図6 従来型余剰汚泥量に対する減量型(Ⅱ)の.jpg

図8 従来型余剰汚泥量に対する減量型(Ⅱ)の基質化汚泥量の倍率

図7 従来型と減量型(Ⅱ)の汚泥滞留日数の比較(b = 0.2 とした).jpg

図9 従来型と減量型(Ⅱ)の汚泥滞留日数の比較(b = 0.2 とした)

5.余剰汚泥ゼロ(汚泥減量)型活性汚泥法の設計・運転管理
 (1) 汚泥減量型の設計・操作の条件
   事例として、表4に長時間曝気法(低負荷)および標準活性汚泥法(高負荷)について、余剰汚泥ゼロ(汚泥減量)型のモデル化から予想
  される設計・操作の条件を示す。
   余剰汚泥ゼロ(汚泥減量)型を導入すると、SRTを変えない場合には、MLSSが増加する。また、MLSSを従来型と同じに維持すると、活
  性な微生物の滞留日数SRT’が短縮し、その機能および性状の悪化が予想される。高負荷でSRTの短い活性汚泥法に余剰汚泥ゼロ(汚泥減
​  量)型を導入すると、異化率βの値が小さいので、BOD負荷の増加率が高く、曝気量の増加率が高くなることが予想される。

 

表4 汚泥減量化型活性汚泥法の設計・運転の条件.jpg

表4 汚泥減量化型活性汚泥法の設計・運転の条件


 (2) 基質化法の類型と汚泥滞留日数との関係
   2.(2)で述べたように基質化汚泥の分解・消化過程のモデルにおいて,基質化法の類型によりその速度が大きく異なることを示した。
  また、余剰汚泥ゼロ(汚泥減量)型の導入によるMLSSの増加を抑えるために、基質化汚泥量を増量する減量型(Ⅱ)では、活性汚泥の滞留 
  日数SRT’が短くなることを示した(表3,表4)。SRT’が、図5に示す基質化汚泥の分解・消化総時間Στiより短いと,系内に未消化の難分
  解性固形物質(主として細胞壁成分)が蓄積して様々な障害を起こすことが予想される。SRT’はΣτiよりも十分長い日数に設定する必要があ
  る。特に、分解・消化に長い日数を必要とする細胞殺傷法や細胞破砕法に属する基質化法には注意を要する。また、基質化設備の運転を開始
  してから、難生分解性である細胞壁成分などを分解できる微生物群が十分に増殖するまで、数ヶ月の馴致期間が必要である。細胞低分子化法
​  は、分解・消化時間が短いので、SRT’を短く設定できる。