1. MBR を使用する理由
従来法（活性汚泥法）の欠点とトラブル：
従来の廃水処理は、主に活性汚泥（微生物と微生物が付着する有機物質および無機物質によって形成されるゼラチン状の塊）を利用して汚染物質を分解します。続いて、混合物は沈殿槽に送られ、そこで汚泥が自然に沈殿し、上部からはきれいな水が流れ出ます。この方法は何世紀にもわたって採用されてきましたが、依然としていくつかの課題に直面しています。
広い面積が必要: 泥をゆっくりと沈降させるには、大きな沈殿槽が必要です。
汚泥は「膨潤」しやすい性質があります。汚泥が適切に沈降しないと水と一緒に流れてしまい、排水の水質が悪くなる可能性があります。
過剰な余剰汚泥：大量の余剰汚泥が発生し、その処理費用は操業コストの25％以上を占めます。
反応タンク内の汚泥濃度は増やすことができず、1 リットルあたり 1.5 ～ 3.5 グラムに維持することしかできず、反応効率が制限されます。
MBR の登場により、前述の問題が解決されました。
MBRは二次沈殿槽を膜モジュールに置き換え、汚泥と水のより徹底した分離を実現します。微生物は膜によって遮断され、水が膜を通して排出される間、微生物はシステム内に留まることができます。
その結果、汚泥濃度を 1 リットルあたり 8 ～ 15 グラムまで高めることができ、これは従来の方法よりも 3 ～ 5 倍高くなります。
スラッジの増大の問題を心配する必要はもうありません。膜細孔径選別では、汚泥の凝集が緩んでいるか否か、また浮遊しているか否かに関わらず、全ての汚泥を膜が直接捕集します。汚泥がどんなに嵩高くても、沈降性が悪くても、膜の細孔を通過することができず、排水とともに失われることがないため、安定した排水水質が得られます。
排水の水質は優れており、懸濁物質はほぼゼロ、濁度は 1 NTU 未満です。
2. MBR の基本原則
MBRの構成
MBR は、バイオリアクターに膜モジュールを加えたものに相当します。バイオリアクターは細菌が働く場所であり、膜モジュールは泥水を分離するためのふるいとして機能します。
膜モジュールの位置による分類
浸漬型（一体型）：膜を直接生物槽に浸漬し、負圧吸引により水を抽出します。この方法の利点は、エネルギー消費が低く、設置面積が小さいことですが、欠点は膜流束が比較的低いことです。
外部（セパレート）型：膜を別に設置し、混合液をポンプで加圧して膜を通過させます。安定した動作と掃除のしやすさが利点ですが、エネルギー消費量は高くなります。
現在、浸漬型MBRは市場で広く使用されており、特に家庭下水の処理に適しています。
膜モジュールの形状による分類
中空糸タイプ: 充填密度が高く、設置面積が小さいですが、ワイヤーの断線や詰まりが発生しやすく、清掃が困難です。
フラット タイプ: 製造が簡単、メンテナンスが簡単、掃除が簡単ですが、充填密度は低くなります。
チューブタイプ：目詰まりしにくく、汚れに強く、掃除が簡単ですが、充填密度が最も低く、価格が高くなります。
MBR の「フィルタリング」はどのように機能しますか?
MBR の核心は膜濾過にあります。動作モードに応じて、膜ろ過は 2 つのタイプに分類できます。
定圧ろ過：一定の力でふるいを押すようなものです。最初はきれいな水が勢いよく流れますが、ふるいの表面にヘドロが詰まると流れが遅くなります。水の生成速度は時間の経過とともに継続的に減少します。
定流量ろ過：「一定の吐水量」を目指します。これを達成するために、膜が汚染されて抵抗が増加すると、システムは同じ水の出力を維持するために自動的に吸引力を増加させます（膜間圧力差が増加します）。同時に、定期的な曝気精練や逆洗浄により膜表面の汚染物質を吹き飛ばして洗い流し、膜が「呼吸」できるようにします。このアプローチにより、膜汚染を効果的に抑制し、洗浄サイクルを延長するだけでなく、高い水生成効率を維持し、システムを長期間安定して稼働させることができます。
微生物はどのようにして汚染物質を「食べる」のでしょうか？
MBRにおける生物学的処理は本質的に、好気的条件下で微生物によって有機物を分解するプロセスです。有機物を摂取した後、微生物は主に次の 2 つのことを行います。
同化作用: 有機物の一部が自分の体を構築するために使用され、微生物の数が増加します。
分解代謝：有機物の別の部分は、微生物が生命を維持するためのエネルギーを放出しながら、二酸化炭素や水などの安定した無害な物質に完全に分解されます。 （本質は活性汚泥に似ています）
3. MBRのメリットとデメリット
MBR の主な利点
排水の品質は優れています。MBR 排水中の浮遊物質はほぼゼロで、濁度は 1 NTU 未満であり、COD やアンモニア性窒素などの指標は従来のプロセスよりもはるかに優れています。トイレ洗浄、緑化、洗車、景観用水の補充などに直接再利用できます。
設置面積が小さい: 二次沈殿槽が不要なためプロセスが短く、地下タイプとして設計できるため、土地が限られた都市や住宅地に特に適しています。
過剰な汚泥の生成が少ない: MBR は長い汚泥熟成条件下でも運転できるため、汚泥が自動的に消化され、その結果、汚泥の生成量が従来の方法の 3 分の 1 から 2 分の 1 にとどまり、汚泥の処分コストが大幅に削減されます。{0}
衝撃荷重に対する強い耐性: 高濃度のスラッジが強力な緩衝能力を発揮するため、スラッジの膨張を心配する必要はありません。{0}}
高度な自動化: 油圧滞留時間とスラッジ年齢が完全に分離されているため、完全自動制御と便利な操作と管理を簡単に実現できます。
MBRの欠陥と課題
高額な投資: 膜コンポーネントのコストが高く、プロジェクト投資は従来の方法より 30% ～ 50% 高くなります。
高いエネルギー消費: 膜への曝気や吸引などのプロセスでは、大量の電力が消費されます。
膜の汚れ: 膜が詰まる可能性があるため、定期的な清掃が必要です。膜ファウリングは、初期ファウリング（数時間以内の吸着）、緩徐ファウリング（数週間以内のコロイド蓄積）、急速ファウリング（数日以内に膜内圧力降下が増加）の 3 段階に分かれており、さまざまなレベルの洗浄対策が必要です。
メンブレンの交換コストが高い: メンブレンの寿命は通常約 5 年で、期限が切れると交換する必要があり、長期運用には多大な費用がかかります。-
前処理の要件は厳しく、超微細グリル（1 ～ 2 ミリメートル）を取り付ける必要があります。そうしないと、髪の毛や繊維が膜の繊維に絡みつき、深刻な汚染や膜の損傷を引き起こす可能性があります。{0}同時に、油性物質に対しても非常に敏感です。