JP5889328B2 - 汚水に含まれた有機物質および窒素を処理するための方法と汚水処理装置 - Google Patents

Description

本開示は、新種類の膜バイオリアクターを使用することによって、有機物質および窒素を含む汚水を処理することに関する。具体的には、本開示は、高流束のファウリングのない膜モジュールに関する。本開示はまた、余剰汚泥発生を削減するために、嫌気性ゾーンにおいて硫酸還元が使用される方法にも関する。

図１に示される膜バイオリアクター（ＭＢＲ）は、一種の生物学的汚水処理プロセスである。汚水中の有機炭素を酸化するために、バクテリアおよび原生動物のプロセスからなる、活性汚泥、すなわち、汚泥とも呼ばれる生物塊の懸濁増殖を使用する様式で運転する。いうまでもなく、混合液から汚泥を分離するために沈殿プロセスを使用する代わりに、ＭＢＲプロセスでは、混合液から汚泥を分離するために、典型的に孔径が０．１μｍ〜１μｍの精密ろ過膜を利用する。膜の全域の透過流束は、１日につき、膜１ｍ^２あたり１ｍ^３未満に制限される。

膜が適切に機能していることを確実にするには、膜のバイオファウリングを防止するために、特別な作業を手配しなければならない。これらは、膜の十分な自己洗浄を提供するために空気と水の割合を２５超えに保つこと、３０分毎に１回という膜の頻繁な逆洗を行うこと、および１ヵ月または２ヵ月毎に膜の定期的な化学洗浄または槽外洗浄を行うことを含む。これらの特殊な作業は、エネルギー消費および運転コストの増加、ならびに有効運転期間の減少をもたらす。さらに、膜を保護するために、流入汚水は、曝気槽に入る前に、一次沈殿および１ｍｍの微粒子スクリーニングを通過しなければならない。

固形物滞留時間（ＳＲＴ）は、汚泥がシステム中に留まる平均時間であり、以下の式によって定義することができる。

水理学的滞留時間（ＨＲＴ：Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ Ｔｉｍｅ）は、場合によっては「水理学的滞留時間（Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ）」と呼ばれ、水がシステム中に留まる平均時間であり、以下の式によって定義できる。

ＭＢＲプロセスは通常、６時間を超える水理学的滞留時間（ＨＲＴ）で運転し、従来の活性汚泥プロセスに類似した溶解性化学的酸素要求量（ＣＯＤ）の除去率を有する。

近年、いくつかの汚泥発生最低抑制プロセスが開発されているが、これらのプロセスは、高コストになるか、またはより多くの空間が必要になるかのいずれかに至る。汚泥最低抑制のための最適の選択肢は、本質的に低い汚泥発生を有するプロセスを使用することである。ＣＯＤ変換の場合、低い汚泥発生は、加水分解およびメタン生成発酵を使用することによって、あるいは電子受容体として酸素または硝酸塩の代わりに硫酸塩を使用することによって、達成することができる。

酸素‐沈殿‐嫌気（ＯＳＡ）は、嫌気性ゾーンまたは槽を採用する汚水処理技法であり、汚泥回収ラインに嫌気性汚泥槽を追加することによって、汚泥発生を有効に削減するとともに、プロセス運転の安定性を向上することが可能である。図２に示されるＯＳＡプロセスでは、２つの生物反応槽および１つの沈殿槽が必要であり、より大きい敷地面積が必要である。ＯＳＡプロセスの水理学的滞留時間（ＨＲＴ）は通常、余剰汚泥の発生を削減し、有機物質を除去するために、４時間を超える。

膜強化一次処理（ＭＥＰＴ）は、膜バイオリアクター（ＭＢＲ）に類似する汚水処理プロセスであるが、一次沈殿を用いず、したがって、その性能は、一次沈殿およびＭＢＲプロセスを効率的に組み合わせる。

国際公開第２００８／１１５４４４（Ａ２）号パンフレット 中国特許出願公開第１０１８５７３０７（Ａ）号明細書 中国特許出願公開第１０１１６８４６１（Ａ）号明細書

汚水処理方法は、短い水理学的滞留時間（ＨＲＴ）で汚水に含まれる有機物質および窒素を処理するために使用され、余剰汚泥を最低に抑制し、高流束運転状態で「精密ろ過」膜モジュールを維持する。膜モジュールを有する曝気ゾーンが提供される。汚水流入水が受容され、曝気ゾーンで活性汚泥を用いて処理される。酸素超過は、曝気ゾーンへ供給される酸素の流率を制限することによって維持される。汚水流入水は、曝気ゾーンで活性汚泥と混合され、第１の混合液を形成する。第１の混合液は、２つの部分で処理される。第１の混合液の第１の部分は、膜を通してろ過され、処理水として透過液を形成する。第２の部分は、曝気ゾーンから嫌気性ゾーンへ送られ、第２の混合液を形成する。第２の混合液の等しい容量は、好気性ゾーンへ再循環される。

典型的な膜バイオリアクターを示す模式図である。 典型的な活性汚泥−ＯＳＡプロセスを示す模式図である。 孔径が０．５μｍ、５μｍ、５５μｍおよび１００μｍである膜の臨界前／臨界流束における運転時の膜差圧（ＴＭＰ）データを示すグラフである。 公称孔径が０．５μｍ〜２２０μｍの膜の表面上に蓄積したバイオマスを示す図で、共焦点レーザ顕微鏡（ＣＬＳＭ）下で観察された。図４ａは０．５μｍの孔径のサンプルを示し、図４ｂは５μｍの孔径のサンプルを示し、図４ｃは５５μｍの孔径のサンプルを示し、図４ｄは１００μｍの孔径のサンプルを示し、図４ｅは１５０μｍ孔径のサンプルを示し、図４ｆは２２０μｍの孔径のサンプルを示す。 完全なＭＥＰＴ−ＯＳＡ反応槽を示す模式図である。 膜モジュールの一実施形態の側面を示す模式図である。 膜モジュールの構造詳細を示す図である。 曝気ゾーン（ＭＥＰＴ槽）の平面図であり、曝気気散装置、ならびに流入水および再循環の流入の分布を示す。 電子担体として硫黄を使用する、好気性ゾーンおよび嫌気性ゾーンの反応槽の機構を示す図である。

概要
本明細書に使用される場合、「曝気ゾーン」および「連続的に酸素超過を有する槽」という用語は、例えば、供給される酸素の速度が槽内の微生物によって消費される酸素の速度に等しいように、曝気の速度を制御することによって、維持される連続的酸素超過を有するゾーンを指す。

開示される技術は、固形物分離のための新種の膜（モジュール）を使用して、有機物質を含む汚水の処理方法を提供する。方法は、活性汚泥および１つ以上の膜モジュールを有する酸素超過曝気ゾーン内へ汚水流入水を導入することを含む。流入水は、曝気ゾーンで活性汚泥と混合され、混合液を形成する。処理済み処理水は、膜を通してろ過する真空ポンプの手段によって、反応槽から取り出される。

従来のＭＢＲプロセスでは、０．１μｍ〜１μｍ以下の孔径を有する精密ろ過または超精密ろ過膜が使用される。対照的に、本開示技術において使用される膜は、５μｍ〜１５０μｍの孔径を有し、「マクロろ過膜」と称されてもよい。これらの大きい孔径の膜は、個別のバクテリアが通過することを可能にする可能性があるが、大きい生物塊が膜を通過することを停止するために有効である。したがって、活性汚泥は曝気槽に保持することができる。マクロろ過膜の大きい孔径を用いて、膜のバイオファウリングを最低抑制することができ、膜差圧（ＴＭＰ）を低い値に保つことができ、非常に高い透過流束であっても膜のファウリングが発生しないことを意味する。

フィルタのバイオファウリングを回避し、曝気槽内の溶存酸素レベルを制御するために、このシステムには、粗気泡散気装置および微細気泡散気装置という２種類の気散装置が提供される。粗気泡散気装置は主に、膜のファウリングを回避するために、膜モジュールをフラッシングするために使用され、一方、微細気泡散気装置は主に、溶存酸素を提供するために使用される。

マクロろ過膜を構築するために使用された材料に応じて、適切な逆洗および膜の運転を促進するために、曝気槽内の膜を収容かつ固定するために、ハニカム膜モジュールを構築する必要があってもよい。

汚泥発生を最低に抑制するために、方法に嫌気性ゾーンを追加することができる。これは、混合液の一部を曝気ゾーンから無酸素の嫌気性ゾーンへ送ることによって実装される。加えて、方法は、嫌気性ゾーン内の混合液を曝気ゾーンへ再循環することを含む。曝気ゾーンに提供された膜モジュールは引き続き、処理済み処理水を形成するように、混合液から固形物を分離するために使用される。

方法はまた、汚泥発生を最低抑制するために、硫黄化合物を利用することもできる。硫酸塩、亜硫酸塩、チオ硫酸塩、硫化物、または元素硫黄を含む硫黄化合物を、システムに添加することができる。可能な硫黄源は、海水、海水トイレ洗浄による食塩汚水、あるいは酸性鉱山廃水または化石燃料発電所の脱硫ユニットからの処理水等の工業廃水からの硫酸塩であり得る。

曝気槽において、硫黄化合物は、硫酸塩に酸化される。硫酸塩の一部は、嫌気性ゾーンに入り、有機炭素の酸化のための電子受容体として作用し、二酸化炭素および硫化物を形成する。硫化物は、次いで、硫酸塩に変換するために、曝気槽に再循環される。硫酸塩の一部は、膜を通って透過性のあるシステムを離れる。

汚泥滞留時間（ＳＲＴ）および水理学的滞留時間（ＨＲＴ）に応じて、アンモニア（汚水から発生）を硝化して硝酸塩に変換することは、曝気槽内で発生してもよい。形成された硝酸塩の一部は、大量の混合液に続いて、嫌気性ゾーンへ送られ、硝酸塩は、脱窒して窒素ガスに還元される。この構成において、脱窒および硫酸削減は、嫌気性ゾーンで発生し、有機炭素の二酸化炭素への酸化の５０％〜７０％が発生する。

嫌気性ゾーンへ送られる混合液内の高い溶存酸素レベルは、嫌気性ゾーンの性能に影響を与える場合がある。したがって、曝気槽内の溶存酸素は、約２ｍｇ／Ｌの低いレベルに保たれなければならない。

方法は、先行の汚水処理技術に比べて、より小さい設置面積、より高い栄養素除去効率、およびより低い膜ファウリング発生頻度を提供する。これは、香港およびシンガポール等、土地が不足した地域において非常に適している。

モデルプラントにおいて、この方法で使用された膜モジュールは、香港科技大学（ＨＫＵＳＴ）によって製作される。膜は、ＨＫＵＳＴが設計したハニカムモジュール上に収容され、その中で膜は２つの薄型耐食性ハニカムプレートの間に保持される。耐食性ハニカムプレートは、膜を支え、膜を平坦な形状に保ち、膜モジュールの高い効率を可能にし、逆洗の効率を高める。プレートおよび膜は、膜の精密な嵌合を可能にするように、スクリュー、ナット、およびガスケット等の締結具によって膜フレーム上に設置、固定される。この機器は、一体型ＨＫＵＳＴ膜モジュールを形成し、曝気ゾーン内に設置される。

方法のために膜孔径の許容範囲を特定するため、０．５μｍ〜２２０μｍの孔径を有する膜が、臨界流束の判定のため、ならびに顕微鏡下で膜表面上のバイオマス蓄積を観察するために試験された。

臨界流束は、ＭＢＲシステム内の膜の最大透過性および作業負荷を示すために重要なパラメータである。膜は、膜のファウリングを避けるために、臨界流束未満（すなわち、臨界前流束）で運転されなければならない。臨界流束が高ければ、より小さい膜が必要であることを意味する。膜間差圧（ＴＭＰ）は、運転流束が臨界流束より高い場合、相当増加する。臨界流束を判定するために、異なる流束下で運転された膜の安定状態のＴＭＰが測定される。図３は、膜の臨界前および臨界流束における運転時の膜間差圧（ＴＭＰ）データを示すグラフである。図３は、０．５μｍ、５μｍ、５５μｍおよび１００μｍの公称孔径を用いた臨界流束測定の結果を示す。臨界流束は、孔形が増加すると増加することを示し、５μｍより大きい孔径が許容可能で、５５μｍより高い孔径が最適であり、臨界流束は、約１６ｍ^３／ｍ^２日までである。これらは、個別の孔径が実質的に変動するため、公称孔径と見なされる。公称孔径は、製造元によって製造される孔径の概平均である。

図４ａ〜４ｆは、孔径が０．５μｍ〜２２０μｍの膜の表面上に蓄積した生物量を示す図で、共焦点レーザ顕微鏡（ＣＬＳＭ）下で観察された。図４ａ〜４ｆは、顕微鏡下で観察された、バイオマスが蓄積した膜を示す。図４ａは０．５μｍの孔径のサンプルを示し、図４ｂは５μｍの孔径のサンプルを示し、図４ｃは５５μｍの孔径のサンプルを示し、図４ｄは１００μｍの孔径のサンプルを示し、図４ｅは１５０μｍ孔径のサンプルを示し、図４ｆは２２０μｍの孔径のサンプルを示す。膜上に蓄積したバイオマスが厚くなればなるほど、透過水からバイオマスをろ過する際の膜の効率が高くなる。写真は、孔径が２２０μｍより大きい膜は、膜表面上に生物量を保持する上で非効率であることを示した。これは、孔径が２２０μｍより大きい場合に、処理水が非常に混濁するようになるという観察も裏付ける。これら２つの試験の結果に基づいて、許容可能な孔径は５μｍ〜１５０μｍであり、最適な孔径は５５μｍである。孔径は、公称値であり、所与の膜は、製造技法に応じて、多様な孔径を有する可能性が高い。公称孔径は、５μｍ〜１５０μｍ、または１０μｍ〜１００μｍの範囲にすることができる。単一の膜は、異なる径の孔を有することができ、記載の範囲内の孔を含み、または前述の範囲内の孔径のうち狭い範囲内の孔を有することができる。

ＭＥＰＴプラントの構成
図５は、向上した汚水処理システムを示す模式図である。流入水供給導管５０１、曝気ゾーンまたは槽（ＭＥＰＴ槽）５０２、膜モジュール出口管５０７を備える膜モジュール５０３、曝気から嫌気接続管５０９、酸素‐沈殿‐嫌気（ＯＳＡ）槽５１５が示される。ＯＳＡ槽５１５は、嫌気性ゾーンを確立する。

図５を参照すると、構成は、有機物質および窒素を含む汚水を処理するための完全な混合システムを採用する。汚水は、システムに入る前に、最初に３ｍｍの砂粒除去およびスクリーニングを通過しなければならないが、懸濁固体物除去の必要はない。汚水は次いで、導管５０１を通って連続して酸素が超過しているＭＥＰＴ槽５０２内へ送られる。

曝気ゾーンの酸素超過は、酸素供給の速度が槽内の微生物による酸素消費の速度と等しいようになる。これによって、槽の全域で溶存酸素濃度は約２ｍｇ／Ｌとなる。

曝気装置または曝気装置および機械的攪拌装置の組み合わせは、典型的に、酸素を提供し、混合された液体と固体を懸濁状態に保つ。曝気槽内の曝気装置または攪拌装置によって補充される酸素を使用して、従属栄養生物は、有機炭素を二酸化炭素に酸化し、独立栄養生物は、アンモニアを硝酸塩に、ならびにＯＳＡ槽５１５から再循環された混合液内に含まれる、硫化水素を硫酸塩に酸化する。ＭＥＰＴ槽５０２内の水理学的滞留時間は、典型的に、１．５〜２時間であるが、これに限定されない。ＭＥＰＴ槽５０２内の混合液の懸濁固体は、約３０００ｍｇ／Ｌであるが、これに限定されない。

図６は、膜モジュール５０３の一実施形態の側面図を示す模式図である。出口５０７および耐食性ハニカムプレート６０５（１つ図示）を備えるモジュール５０３が示される。ハニカムプレート６０５は、孔径が１０ｍｍのハニカム開口部６０６を有する。開口部６０６の孔径は、ハニカムプレート６０５の構造的完全性の要件に応じて、かつモジュール５０３内の膜（図７の７１７）を支えるために選択される。１つ以上の膜モジュール５０３がＭＥＰＴ槽５０２に設置され、透過水は、処理水としてモジュール５０３内の膜フィルタを通過し、一方、生物固体は、膜フィルタによって分離され、ＭＥＰＴ槽５０２内に残される。膜モジュール５０３は、微生物に酸素を供給するためだけでなく、膜のファウリングを避けるために膜を研磨するためにも相当量の気泡を必要とする。

ＭＥＰＴ槽５０２からの混合液の一部は、次いで、接続管５０９を通ってＯＳＡ槽５１５へ流れる。ＯＳＡ槽５１５内では、ＭＥＰＴ槽５０２からの混合液中に含まれた硝酸塩および硫酸塩は、電子受容体として作用し、有機炭素を二酸化炭素に酸化することによって、窒素ガスおよび硫化物に還元する。硝酸塩の一部はまた、独立栄養脱窒を通して硫化物を酸化するために電子受容体として作用してもよい。ＯＳＡ槽５１５内の混合液の同じ量が、次いで、ＭＥＰＴ槽５０２に再循環される。ＯＳＡ槽５１５の水理学的滞留時間は、典型的に、１．５〜２時間であるが、これに限定されない。ＯＳＡ槽５１５内の混合液の懸濁固体濃度は、約３０００ｍｇ／Ｌであるが、これに限定されない。

メンブレン強化一次処理（ＭＥＰＴ）反応槽
膜バイオリアクター（ＭＢＲ）システムは、汚水を処理するために、バクテリア（活性汚泥と呼ばれる）が関与する生物学的処理を膜分離と組み合わせる。汚水は、砂粒除去、スクリーニング、および一次沈殿を通過した後、活性汚泥で充填され、酸素を供給し、膜を研磨するための気散装置が装備された曝気槽に入る。処理済みの処理水は、透過の形式で膜を通過することによって、汚泥から分離される。ＭＢＲは典型的に、曝気槽内に浸漬された平坦シート状または中空のファイバ膜モジュールを採用する。

汚水処理システムのＭＥＰＴ槽５０２は、一次沈殿のないＭＢＲに類似する。ＭＥＰＴにおいて使用される膜は、５５μｍの公称孔径を有し、マクロろ過膜と呼ばれる。汚水は、スクリーニングを通過した後、供給ポンプおよび管を通して曝気槽に入る。膜を通して透過水を引き出すために、膜モジュールに真空を印加することによって、反応槽から処理水を取り出す。粗気泡は、使用中、粗気泡が膜表面を越えて移動するように供給され、液流と混入または混合され、膜表面を研磨する。粗気泡は、膜表面からファウリング物質を除去するように機能する。

このシステムにおいて、微生物活性を支援するために、さらなる曝気源を槽内部に提供することができる。この種の源は、微細泡によって提供される。特定のマクロろ過膜と共に、有機物質の分解および膜洗浄の両方のために曝気を組み合わせて使用することで、１６ｍ^３／ｍ^２日までの非常に高い流束下で、ＴＭＰにおける相当な上昇とともに一定のろ過流量を可能にすることが示された。したがって、膜モジュールは、膜の全域で２〜１６ｍ^３／ｍ^２日の流束を確立するために使用される。

ＭＥＰＴプロセスは、生活排水または工業廃水の効率的な処理を提供し、硝化を加えた二次処理に類似する処理水を提供するために使用することができる。この種の浸漬型膜プロセスは、曝気槽内に浸水した膜モジュールを使用する。浸漬型膜によって、ＭＥＰＴプロセスが、一次処理、生物学的処理、および汚泥の物理的分離を１つの段階に組み合わせることが可能になるので、膜バイオリアクターは、小型、効率的、経済的、および多用途である。

膜モジュール
このシステムで使用された膜モジュール５０３はＨＫＵＳＴで製作された。図６を参照すると、膜モジュールの種類は、長さ対幅対厚さが７：４．３：０．２５の平坦なシートである。耐食性ハニカムプレート６０５は、膜モジュール５０３表面上に対称的に固定され、孔６０６の直径は１０ｍｍで、中心の間の間隔は２０ｍｍである。膜モジュール５０３からの処理水のための出口５０７は、膜モジュール５０３の上部に設置される。

図７は、膜モジュール５０３の構造を示す図である。それぞれ、２つの薄型耐食性ハニカムプレート６０５ａ、６０５ｂを用いて保持される、２つの膜７１７、および２つのプレート６０５ａと６０５ｂとの間に保持される、膜７１７にプレート６０５ａ、６０５ｂを固定するために使用された、ナットやボルト締結具等の締結具７３１、７３２が示される。使用された膜７１７は、不織布の平坦なシート状膜であり、公称孔径は５μｍ〜１５０μｍの範囲、最適な孔径は５５μｍである。この範囲の孔径全ては、このＭＥＰＴプロセスで使用することができる。

薄型耐食性ハニカムプレート６０５ａ、６０５ｂは、膜の形状が運転中に変化せず、それによって、高レベルの安定性で膜モジュール５０３を維持するように、膜７１７を保持するために使用される。ＭＥＰＴシステムにおいて、透過流束は、従来の膜バイオリアクターよりも１０倍を超えて大きく、逆洗流束は、透過流束よりもさらに大きい。したがって、膜７１７は、膜７１７の形状の変化を避けるために、膜モジュール５０３内のハニカムプレート６０５ａ、６０５ｂによってしっかり固定位置に保持されなければならない。このシステムで使用された薄型耐食性ハニカムプレート６０５ａ、６０５ｂは、１ｍｍの厚さで、気泡フラッシングの効率性を提供し、膜表面上のバイオケーキの成長を制御することができる。ボルトおよびナット７３１、７３２は、前側から逆側（またはこの逆）に膜モジュール５０３全体を通して設置される。各ボルト間の距離は５０ｍｍで、膜７１７が膜モジュール５０３内部に密閉して嵌合される。

膜バイオリアクターシステムは、効果的かつ効率的な膜洗浄方法を利用する。一般的に使用される物理的洗浄方法として、処理水を使用する逆洗、および混合液中の粗気泡を使用する研磨が挙げられる。以下の例では、化学または槽外洗浄は必要ない。１％の処理水を使用する逆洗は１日２回実施され、１分間の逆洗後、膜間差圧（ＴＭＰ）は典型的に０．０９バール未満である。

曝気ゾーン
図８は、曝気ゾーン（ＭＥＰＴ槽５０２）の平面模式図であり、曝気気散装置、ならびに流入水および再循環の流入の分布を示し、曝気気散装置、ならびに流入水および再循環の流入の分布を示す。ＭＥＰＴ槽５０２、膜モジュール５０３、曝気孔８０８、気散装置８０９、流入水のための孔８１３、再循環された混合液のための孔８１５、および弁８２１〜８２５を示す。粗気泡を生成するための５ｍｍの直径を有する曝気孔８０８は、ＭＥＰＴ槽５０２の底部上に設計され、膜モジュール５０３の研磨を効率的に実施することができる、膜モジュール５０３の両側に位置付けられる。気散装置８０９は、槽内に対称的に溶存酸素を提供するように、ＭＥＰＴ槽５０２内に均等に設置される。流入水およびＯＳＡ槽５１５から再循環された混合液は、所望の水理学滞留時間（ＨＲＴ）を保証するために、槽の底部からＭＥＰＴ層５０２内へ流れる。直径８ｍｍを有する孔８１３は、流入水のために使用され、一方、直径１０ｍｍを有する孔８１５は、再循環された混合液のために使用される。ＭＥＰＴ槽５０２の外側に設置された弁８２１〜８２５は、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）パネルによって制御される。

酸素‐沈殿‐嫌気（ＯＳＡ）槽
汚水処理システムの嫌気性槽（ＯＳＡ槽）１１５は、汚泥最低抑制反応槽である。酸素または硝酸塩を使用する従属栄養酸化反応は、嫌気性メタン生成反応の収率係数０．１ｇＶＳＳ／ｇＣＯＤよりもはるかに高い、汚泥収率係数０．４ｇＶＳＳ／ｇＣＯＤを有するので、嫌気性メタン生成反応を促進するために、曝気槽から嫌気性槽へ混合液または汚泥を移すことによって、全体的な汚泥発生を削減することができる。しかしながら、メタン生成反応の反応率が従属栄養酸化よりもはるかに低いので、そのような反応には、汚泥最低抑制を効率的に有効にするために、非常に長いＨＲＴおよびＳＲＴが必要である。ＭＢＲプロセスは、従来の活性汚泥プロセスよりも高い汚泥濃度で運転することができるため、ＯＳＡプロセスは、二次沈殿を適用することなく、ＭＢＲプロセスに追加することができる。

一方、曝気槽内の硝酸塩の一部も嫌気性ゾーンに入るので、嫌気性ゾーンで従属栄養脱窒が発生する。しかしながら、この反応は高い汚泥収率要因を有するので、ＯＳＡ反応槽の汚泥最低抑制効果が削減されてしまう。

香港の下水は、５００ｍｇＳＯ_４ ^２−／Ｌの硫酸塩または１６７ｍｇＳ／Ｌおよび４００ｍｇ／ＬのＣＯＤを含み、十分な硫酸還元の潜在性を示す。硫酸還元反応は、低い汚泥収率の０．２ｇＶＳＳ／ｇで還元された硫酸塩も有するので、硫黄循環を使用して汚泥最低抑制の機会を提供する。その上、硫酸塩還元バクテリア（ＳＲＢ）は、メタン生成バクテリアよりも高い特定の成長率および低いモノー（Ｍｏｎｏｄ）の飽和定数を有するので、有機物質の分解のためにメタン生成バクテリアよりも優れている可能性があり、ＯＳＡ用途に適している。さらに、硫化物による独立栄養脱窒もまた非常に低い汚泥収率を有し、硫酸塩を用いた汚泥最低抑制は、硝酸塩レベルによって影響されない。

硫酸塩の硫化物への還元は、強酸から弱酸への変化であり、ｐＨの上昇を招く。密閉された嫌気性環境において、硫酸塩の還元から生成される硫化物は、ｐＨが上昇すると、水に溶ける傾向があり、それによって、十分な量の溶解硫化物を生成し、独立栄養硫化物酸化を通して、酸素によって硫酸塩に酸化される、曝気槽へ再循環されることを可能にする。このプロセスは低い汚泥収率要因も有するので、システムの汚泥発生率は、この硫酸塩−硫化物−硫酸塩循環によって最低に抑制される。

図９は、硫黄が関与する好気性ゾーン（ＭＥＰＴ槽５０２）および嫌気性ゾーン（ＯＳＡ槽５１５）内の反応の機構を示す図である。「従属栄養硫黄還元」９１３として記載される炭素循環、「独立栄養脱窒」９１４として記載される硫黄循環、「独立栄養硝化」９１５として記載される窒素循環、および「独立栄養硫化物酸化」９１６として記載される別の硫黄循環の表現が示される。プロセスは、炭素、窒素、硫黄の３つの元素が関与する反応となる。ＭＥＰＴ槽５０２で消費されない有機炭素の部分、細菌量の形式の有機炭素、独立硝化９１５を通じてＭＥＰＴ槽５０２内のアンモニアを酸化することから発生する硝酸塩、および汚水から発生する硫酸塩は、ＯＳＡ槽５１５内へ送り込まれる。これらは、３つの元素の主な発生源である。

ＯＳＡ槽５１５で、有機炭素は、硫酸塩還元を達成するために電子を提供し、二酸化炭素に酸化され、一方、硫酸塩は、従属栄養硫酸塩還元９１３を通じて、硫酸塩還元バクテリアによって、硫化物に還元される。硝酸塩は、硫化物を硫酸塩に酸化する独立栄養脱窒９１４、または有機炭素を二酸化炭素に酸化する従属栄養脱窒という、２つの競合する反応を通じて窒素ガスに還元される。

ＭＥＰＴ槽５０２に再循環された混合液は、ＭＥＰＴ槽５０２内で、独立栄養硫化物酸化９１６を通じて、酸素によって、再び硫酸塩に酸化される、溶解硫化物を含む。有機炭素の一部もまた、ＭＥＰＴ槽５０２で、酸素によって二酸化炭素に酸化される。

このプロセスは、プロセスの３つの主要な微生物集団である、硫酸塩還元バクテリア、独立栄養脱窒、および独立栄養硝化の全てが低い増殖収率を有するため、余剰汚泥発生を実質的に削減させる。増殖収率は、バクテリア成長率に応じる。増殖収率が低ければ低いほど、消費される基質（例えば炭素）の単位あたりに生成される細菌量は少なくなる。したがって、低い増殖収率は、汚泥発生を最低抑制する上で、生物学的汚水プロセスにとって利点である。

ＭＥＰＴ−ＯＳＡ運転の例
一次沈殿を通過させず、１日あたり２．７ｍ^３のスクリーニングした食塩汚水の流入水を用いてＭＥＰＴ−ＯＳＡ反応槽を４ヵ月間にわたって運転した。使用された膜は、公称孔径が５５μｍの不織布膜である。膜モジュールの寸法は、０．７ｍ×０．４３ｍ×０．０２５ｍで、０．４２の多孔率を備える。曝気槽の寸法は０．３８ｍ×０．５４ｍ×０．９７ｍで、嫌気性槽の寸法は０．４ｍ×０．４ｍ×１．２５ｍである。システムの総容量は４００Ｌで、反応槽の各々はほぼ２００Ｌに等しい。総ＨＲＴは３．５時間で、ＳＲＴは３６日である。流入水は曝気槽に入った。曝気槽の混合液の一部は次いで、再循環率が流入水流入率に等しい嫌気性槽に入った。曝気槽内の空気対水の比率は、約２０〜２５（ｍ^３／ｍ^３）で、一方、嫌気性槽内の混合液は、４０〜６０ｒｐｍ／分で運転する機械的攪拌装置を用いて混合された。曝気槽および嫌気性槽両方の平均ＭＬＳＳは、３０００〜３５００ｍｇ／Ｌである。この例の透過流束は、１０．８〜１１ｍ^３／ｍ^２日に維持された。膜の逆洗は、１２時間毎に実施された。これらの運転状態の下で、濁度が１０ＮＴＵ未満、ＳＳが２０ｍｇ／Ｌ未満、ＣＯＤが５０ｍｇ／Ｌ未満、およびアンモニアが５ｍｇ／Ｌ未満の濁度の安定した処理水を達成することができた。運転期間全体で、ＴＭＰは、逆洗前が常時０．２バール未満であり、逆洗後は０．０９バールに減少したので、膜のファウリングは全く発生しなかった。膜の化学または槽外洗浄は全く実施されなかった。

結論
本明細書および請求項において使用された原料、反応状態等の数を表現する全ての数字は、例として与えられ、「約」という用語によって全ての事例で修飾されると理解されたい。したがって、その逆が示されない限り、本明細書および添付の請求項に記載の数的パラメータは、本開示によって取得されることが追求される所望の特性に応じて変動してもよい、近似値である。

発明の性質を説明するために本明細書に記載および図示された、詳細、材料、ステップおよび部品の配置における多数の追加の変更は、当業者によって、添付の請求項に明示される本発明の原則および範囲内において行われてもよいことが理解されるであろう。

Claims (15)

1. 高流束運転状態で維持する膜モジュールを備える曝気ゾーンにおいて、汚水に含まれた有機物質および窒素を処理するための方法であって、
   曝気装置を装備し、バクテリアおよび流入汚水の混合物を含んで混合液を形成する液で充填された曝気ゾーンを提供することと、
   曝気槽内に５μｍ〜１５０μｍの孔径を有する膜を備える膜モジュールを提供することと、
   前記曝気ゾーンへ汚水流入水を提供することと、
   前記曝気ゾーンに供給される酸素の速度を制御することによって、酸素超過を維持することと、
   前記曝気ゾーン内の前記混合液を、
   処理済みの処理水として透過水を形成するために前記膜を通して前記混合液の第１の部分をろ過し、ろ過されていない活性汚泥として残留部分を前記曝気ゾーン内に懸濁させたままに残すことと、
   前記混合液の第２の部分を前記曝気ゾーンから嫌気性ゾーンへ送ることと、
   前記曝気ゾーンからの前記混合液の前記第２の部分を前記嫌気性ゾーン内の前記液と混合することと、によって処理することと、
   前記嫌気性ゾーンからの混合液を前記曝気ゾーンへ送ることと
   を含み、
   前記高流束運転状態において前記膜の膜間差圧が０．２バール未満である、方法。
2. 前記曝気ゾーンにおいて、
   有機炭素の二酸化炭素への酸化を促進すること、
   硫化物の硫酸塩への酸化を促進すること、および／または
   独立栄養脱窒によるアンモニアの硝酸塩への酸化を促進すること、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記嫌気性ゾーンにおいて、
   有機炭素を二酸化炭素に酸化することによって、硫酸塩の硫化物への還元を促進すること、
   硝酸塩を窒素ガスに還元するために、硫化物を使用して独立栄養脱窒を促進すること、および／または
   硝酸塩を窒素ガスに還元するために、有機炭素を使用して従属栄養脱窒を促進すること、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 海水、塩分汚水、または硫酸塩、亜硫酸塩、チオ硫酸塩、硫化物、および元素硫黄からなる群から選択された硫黄の添加を通して、硫化物および硫酸塩を提供することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記膜として、不織布、プラスチック、ポリマー、ステンレス鋼、金属、セラミック、ガラス繊維、または薄膜合成物からなる群から選択された材料を含む構造を有する膜を使用することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記曝気ゾーンにおいて、その中に組み込まれたシート状の不織布材料膜を備え、その上に孔を備えて提供される２つの薄型耐食性プレートによって固定される、高流束膜モジュールを使用することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記膜の全域に２〜１６ｍ^３／ｍ^２日の流束を確立することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 汚水処理装置であって、
   汚水流入水を受容し、前記汚水流入水を活性汚泥と混合して第１の混合液を形成する、曝気ゾーンと、
   孔径が５μｍ〜１５０μｍの膜を使用する、曝気ゾーン内の膜モジュールと、
   前記曝気ゾーンに供給される酸素の速度を制御することによって、酸素超過を維持する曝気装置と、
   透過水を形成するために前記第１の混合液の第１の部分をろ過し、ろ過されていない活性汚泥として前記残留部分を残すことと、
   前記曝気ゾーンにおいて、前記ろ過されていない活性汚泥を前記活性汚泥と混合することと、
   前記第１の混合液のろ過されていない活性汚泥の第２の部分を前記曝気ゾーンから嫌気性ゾーンへ送ることと、
   前記第１の混合液のろ過されていない活性汚泥の前記第２の部分を、前記嫌気性ゾーンにおいて汚泥と混合して、第２の混合液を形成することと、
   前記第２の混合液の部分を前記曝気ゾーンへ再循環することと、によって前記第１の混合液を処理することが可能である、分割処理セクションと
   を備え、
   前記汚水処理装置の運転状態において前記膜の膜間差圧が０．２バール未満である、汚水処理装置。
9. 海水、塩分汚水、または硫酸塩、亜硫酸塩、チオ硫酸塩、硫化物、および元素硫黄からなる群から選択された硫黄の添加を通して、硫化物および硫酸塩を提供するための構成をさらに備える、請求項８に記載の装置。
10. 前記曝気ゾーンは、有機炭素の二酸化炭素への酸化、
    独立栄養硝化によるアンモニアの硝酸塩への酸化、および／または
    硫化物の硫酸塩への酸化、を促進するための構成を有する、請求項８に記載の装置。
11. 前記嫌気性ゾーンは、
    有機炭素の二酸化炭素への酸化による硫酸塩の硫化物への還元、
    硫酸塩を使用する独立栄養脱窒による硝酸塩の窒素ガスへの還元、および／または
    有機炭素を使用する従属栄養脱窒による硝酸塩の窒素ガスへの還元、を促進するための構成を有する、請求項８に記載の装置。
12. 汚水処理装置であって、
    汚水流入水を受容し、前記汚水流入水を活性汚泥と混合する、曝気ゾーンと、
    孔径が５μｍ〜１５０μｍの膜を使用する膜モジュールと、
    前記曝気ゾーンに供給される酸素の速度を制御することによって、酸素超過を維持する曝気装置と、
    前記処理済み処理水として透過水を形成するために、前記膜を通して前記混合液の一部を引き出すためのポンプと
    を備え、
    前記汚水処理装置の運転状態において前記膜の膜間差圧が０．２バール未満である、汚水処理装置。
13. 前記曝気装置は、高流束運転状態において前記膜モジュールのファウリングのない状態を維持するために、前記膜を扇動するために曝気気泡を使用する膜洗浄機能をさらに備える、請求項８または１２に記載の装置。
14. 前記膜モジュールとして、高流束でファウリングのない膜モジュールを備える、請求項８または１２に記載の装置。
15. 前記膜モジュールは、前記膜の全域で２〜１６ｍ^３／ｍ^２日の流束を確立する、請求項８または１２に記載の装置。

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