都市下水処理場で一般的に使用されるプロセスの包括的な分析

都市廃水処理の中心的な目的は、COD、BOD₅、TN、TP などの汚染物質を廃水から除去して排出基準を満たすことです (「都市廃水処理プラントの汚染物質の排出基準」GB 18918-2002 年のクラス A 基準への主流の準拠)。現在の主流のプロセスは生物処理を中心とし、前処理ユニットと高度処理ユニットを組み合わせて、「前処理-コア処理-高度処理 - 汚泥処理」の完全なプロセスを形成しています。以下では、最も広く使用されている 6 つのプロセスを詳しく紹介し、その原理、主要なパラメーター、長所と短所、適用可能なシナリオを取り上げ、技術的な詳細とエンジニアリングの実現可能性も考慮します。

1. プロセス原理

活性汚泥を核として、好気的条件下で微生物が廃水中の有機汚染物質を吸着・分解し、汚泥水の分離により廃水の浄化を実現します。{0}コアプロセス：バースクリーン→沈砂槽→一次沈殿槽→曝気槽→二次沈殿槽→消毒排出。残った汚泥は濃縮、脱水して処分します。

2. 主要な設計パラメータ
* 油圧滞留時間 (HRT): 8 ～ 12 時間、曝気タンク内での HRT が 6 時間以上。
* スラッジ滞留時間 (SRT): 3 ～ 5 日 (窒素およびリンの除去機能なし、有機物の除去にのみ適用);
* 有機負荷 (F/M): 0.2-0.4kgBOD₅/(kgMLSS・d);
※曝気槽内のDO濃度：2～3mg/L、強制曝気または機械曝気を使用。

3. メリットとデメリット
* 利点: 成熟した技術、安定した操業、高い有機物処理効率 (BOD₅ 除去率 85%-90%)、比較的低い投資コスト。
※短所：窒素、リンの除去機能がないため、現行のクラスA基準を満たすことが困難。スラッジが大量に生成され、糸状のバルキングが発生しやすい。設置面積が大きく、エネルギー消費量が比較的多い。

4. 該当するシナリオ
* 排出基準が低い初期に建設された廃水処理プラント、または産業廃水の前処理装置として適しています。-現在、新しいプロジェクトで単独で使用されることはほとんどありませんが、主にプロセス改善のための基本モジュールとして使用されます。

1. プロセス原理
A²O (嫌気性-無酸素性-好気性) プロセスは、3 つのゾーンの相乗作用により窒素とリンの同時除去を実現します。リン-蓄積細菌は嫌気性ゾーンでリンを放出し、脱窒細菌は無酸素ゾーンで窒素を除去し、硝化細菌は硝化を行い、リン-蓄積細菌は好気性ゾーンでリンを吸収します。修正バージョン (プレ無酸素タンクの追加) は、脱窒とリン除去の間の炭素源競合問題を解決し、窒素とリンの除去効果を高めます。-中核工程：前処理→嫌気槽→前無酸素槽→無酸素槽→好気槽→二次沈殿槽→高度処理→排出。

2. 主要な設計パラメータ

合計 HRT: 10-12 時間、嫌気性:無酸素性:好気性 HRT 比=1:3:5;
スラッジ滞留時間 (SRT): 周囲温度で 10 ～ 12 日、低温で 15 日 (硝化とリンの除去要件のバランスを取るため)。
再循環率: 混合液再循環率 200%-300% (可変周波数調整可能)、汚泥再循環率 50%-80%;
DOコントロール：嫌気ゾーン0.2mg/L以下、無酸素ゾーン0.5mg/L以下、好気ゾーン2～3mg/L。

3. メリットとデメリット

利点: 優れた窒素およびリンの除去効率 (TN 除去率 70% ～ 80%、TP 除去率 80% ～ 90%) で、一貫してクラス A 基準を満たしています。成熟した技術、適度な運営コスト、水質変動の大きい都市廃水に適しています。
短所: 窒素除去とリン除去の間にパラメータの不一致が存在します (SRT、再循環率要件が矛盾します)。低炭素源の廃水には外部炭素源の追加が必要です。設置面積がわずかに大きくなります。

4. 該当するシナリオ

現在、都市下水処理プラントの新規建設、拡張、アップグレードに推奨されているプロセスであり、窒素とリンの排出を同時に制御する必要がある都市下水プロジェクトに特に適しています。少量の工場排水を含む複合排水にも対応可能です（生分解係数の調整が必要です）。

1. プロセス原理

このプロセスは膜分離技術と生物処理を組み合わせたもので、二次沈殿槽を膜モジュールに置き換えて汚泥水の効率的な分離を実現します。{0}コアフロー：前処理→生物槽（A²O、SBR等の構成も使用可能）→膜槽→消毒・排出。膜モジュールは微生物を保持し、生物タンク内の MLSS 濃度を高く維持し、硝化と有機物の除去を強化します。

2. 主要な設計パラメータ

MLSS 濃度: 6000 ～ 8000 mg/L (従来のプロセスより大幅に高い)。
汚泥滞留時間（SRT）: 20-30 日（強化された硝化、低温、低 C/N 廃水に適しています）;
膜流束: 10-20 L/(m²・h)、定期的な物理的/化学的洗浄が必要。
エネルギー消費量: 0.6-1.0 kWh/m3 (曝気および膜吸引エネルギー消費を含む)。

3. メリットとデメリット

利点: 優れた排水水質 (TN 8 mg/L 以下、TP 0.3 mg/L 以下)。-クラス IV 水質へのアップグレード要件を満たしています。設置面積は従来のプロセスのわずか 1/3 ～ 1/2 です。スラッジ損失のリスクがなく、高い操業安定性。
短所: 膜モジュールのコストが高い (総投資の 30% ～ 40% を占める)。複雑なメンテナンス（目詰まりしやすい）、高い運用コスト。従来の生物学的プロセスよりも高いエネルギー消費量。

4. 該当するシナリオ

土地資源が限られている都市中心部、厳しい排水基準を伴うアップグレードプロジェクト、または低温や低C/N比などの特殊な水質シナリオに適しています。分散型廃水処理 (住宅地、工業団地など) にも適用できます。

1. プロセス原理

リング状の溝反応器を利用して、廃水は回転ブラシまたは曝気ディスクを通って溝内を循環し、好気ゾーンと無酸素ゾーンが交互に生成され、有機物の分解と脱窒が行われます。一般的な構成には、カルーセル酸化溝、オーバル酸化溝、統合型酸化溝（二次沈殿槽を含む）などがあります。

2. 主要な設計パラメータ

合計 HRT: 15 ～ 25 時間 (長い油圧保持時間、衝撃荷重に対する強い耐性)。
スラッジ滞留時間 (SRT): 10 ～ 20 日 (窒素除去要件に適しています)。
有機負荷 (F/M): 0.05-0.15kgBOD₅/(kgMLSS・d);
溶存酸素: 溝内に徐々に分布します (好気ゾーンでは 2 ～ 3 mg/L、無酸素ゾーンでは 0.5 ～ 1 mg/L)。

3. メリットとデメリット

利点：衝撃荷重に対する耐性が非常に強く、水質や水量の変動が大きい廃水に適しています。運用と管理が簡単で、メンテナンスコストが低い。優れた窒素除去効果 (TN 除去率 70%-75%)。
短所：リン除去効果が弱い（補助的な化学的リン除去が必要）。設置面積が大きく、エネルギー消費量が多い。運用上の柔軟性が不十分です。

4. 該当するシナリオ
中小規模の町の下水処理施設（処理量 50,000～500,000 m3/d）、水質の変動が大きい複雑な廃水（少量の産業廃水を含む）、または運営および管理能力が限られたプロジェクトに適しています。{0}

1. プロセス原理

間欠反応器を採用し、同一タンク内で流入、曝気（好気）、沈降、排水排出、休止期間の5段階を完結します。有機物の分解、窒素およびリンの除去は、時間配分によって達成されます。修正バージョン（CAST、CASS プロセス）では、選択ゾーンと前反応ゾーンが追加され、汚泥の沈降性能とリンの除去効率が向上します。-

2. 主要な設計パラメータ:
1 操作サイクル: 4 ～ 6 時間 (2 ～ 3 時間の曝気と 1 ～ 1.5 時間の沈降を含む)。
汚泥滞留時間 (SRT): 10 ～ 15 日。
MLSS濃度: 3000-5000 mg/L;
排水比率: 1/3-1/2 (各排水はタンク容積の 1/2 を超えてはなりません)。

3. メリットとデメリット

利点: 設置面積が小さい (別個の二次沈殿タンクが必要ない)。水質に基づいてサイクルパラメータを調整できる柔軟な運用。少量から中程度の水量に適しており、窒素とリンの同時除去が可能です。
短所: 自動制御に対する高い要件 (各ステージのタイミングの正確な制御が必要)。排水品質の安定性が不十分であり、運転パラメータの影響を受けやすい。機器の急速な磨耗（バルブやポンプの頻繁な起動{0}}停止）。

4. 該当するシナリオ
中小規模の都市下水処理施設（水量 100,000 m3/d 以下）、分散型下水処理プロジェクト（コミュニティや工業団地など）、または動作モードの柔軟な調整が必要な水質の大幅な変動があるシナリオに適しています。-

1. プロセス原理
すべての生物処理ステップ（COD分解、窒素除去、リン除去、汚泥安定化）を単一の生物タンクに統合します。ゾーン設計と高効率の曝気システムにより、窒素とリンの同時除去と汚泥の削減が達成されます。-主要なハイライトは、BioDopp エアレーション システム (大面積の微細泡エアレーション) で、酸素移動効率が高く、メンテナンスが簡単です。-

2. 主要な設計パラメータ
エネルギー消費量: 0.075 kWh/m3 (従来のプロセスよりも大幅に低く、大幅な省エネの利点を示しています)。-
MLSS濃度：8g/L（汚泥濃度が高く、処理効率が向上します）。
酸素移動効率: 5 kgO₂/kWh、酸素要求量 0.2-0.3 mg/L。
合計 HRT: 8 ～ 12 時間、日常的な都市廃水処理のニーズに適しています。

3. メリットとデメリット
利点: 優れた省エネ効果（エネルギー消費量は従来のプロセスのわずか 1/5-1/8）。-高度な統合、小さな設置面積。汚泥の生成が少なく、複雑な汚泥処理の必要がありません。エアレーションシステムのメンテナンスが簡単（ダウンタイムなしでオンラインで清掃可能）。短所: 技術的な敷居が高く、中核となる機器は輸入に依存しています。特定の水質に適しているため、高塩分および難分解性の廃水への適応性についてはさらなる検証が必要です。

4. 該当するシナリオ
新設の都市下水処理場（省エネ・消費量削減を追求）や工業団地下水処理プロジェクトに最適です。私の国のドイツ、チェコ共和国、上海、河北省での適用に成功しています。

都市下水処理プラントのプロセスを選択するには、水質特性、排出基準、水量、土地資源、運営コストという 5 つの重要な要素を総合的に考慮する必要があります。コアロジックは次のとおりです。

• 水質および排出基準: 窒素とリンを同時に除去してクラス A 基準を満たすには、改良型 A²O および MBR プロセスが推奨されます。クラス IV 近くの水質に改善するには、MBR プロセスが推奨されます。変動が大きい水質の場合は、オキシデーションディッチと修正 SBR プロセスが推奨されます。
• Water Volume: Large wastewater treatment plants (>500,000 m3/日) 改質 A2O およびオキシデーション ディッチ プロセスを優先します。中小規模の廃水処理施設（10,000～500,000 m3/日）では、A²O、改良型 SBR、または BioDopp プロセスを選択できます。分散型プロジェクト (<10,000 m³/d) prioritize SBR and MBR processes.
• 土地とコスト: 土地が不足している都市中心部では、MBR、SBR、および BioDopp プロセスが好まれます。予算が限られている場合は、改質 A2O およびオキシデーション ディッチ プロセスが推奨されます。長期的なエネルギー節約のために、BioDopp プロセスを検討できます。{0}
• 運用と管理: 運用と管理の能力が限られているプラ​​ントの場合は、酸化ディッチと改良型 A²O プロセス (運用が簡単) が推奨されます。より高いレベルの自動化を行う場合には、修正された MBR および SBR プロセスが適しています。

要約すると、改良型 A²O プロセスは、安定した窒素とリンの除去、適度なコスト、幅広い適応性という利点を備え、依然として都市下水処理プラントの主流の選択肢となっています。 MBR プロセスは、アップグレードおよびコンパクトなレイアウト要件に適しています。 BioDopp などの新しいプロセスは、省エネルギーと排出削減に新たな方向性を提供しており、その適用シナリオは将来的に徐々に拡大するでしょう。