余剰活性汚泥の好気性消化のための超音波処理

高出力の超音波処理は、好気性消化の前または最中に余剰活性汚泥（WAS）を解体します。音響キャビテーションが汚泥フロックを破壊し、細胞外高分子物質を破壊して、微生物細胞を開裂させます。これにより、それまで保護されていた有機物が好気性消化槽で分解されやすくなります。
好気性プロセスの目的は、バイオガス生産量の増加ではありません。メタン生成量の増加は、嫌気性消化に関係します。好気性消化槽で評価すべき性能指標は、揮発性固形物の分解、酸素消費量、消化時間、残留乾燥固形物、脱水性、および総運転コストです。

Hielscherの産業用超音波処理装置は、ポンプで送液するWASラインまたは消化槽の再循環ループに組み込めます。超音波フローセル反応器は、定められた汚泥流に処理を集中させ、出力、流量、固形物濃度、圧力、温度によるプロセス監視を可能にします。その結果、既存の好気性消化槽を交換することなく、超音波による汚泥解体を追加できるコンパクトな設備改修が実現します。

余剰活性汚泥の消化が難しい理由

余剰活性汚泥は、活性汚泥法による排水処理プロセスから除去される余剰の生物性固形物です。微生物、細胞外高分子物質（EPS）、捕捉された有機物、および不活性固形物を含みます。
二次沈殿池では、沈降した活性汚泥が二つの流れに分けられます。

• 返送活性汚泥（RAS）は、必要なバイオマス濃度を維持するために曝気槽へ戻されます。
• 余剰活性汚泥（WAS）は、水処理プロセスから除去され、濃縮、安定化、消化、または脱水に送られます。

WASには、微生物細胞由来の物質が高い割合で含まれています。その生分解性有機物の多くは、細胞壁に囲まれているか、緻密な汚泥フロック内部に結合しています。この物理的な保護が、自然な細胞溶解と加水分解を遅らせます。
好気性消化では、新たな栄養源がほとんど得られない状態で酸素が供給されます。微生物は内生呼吸に入り、貯蔵物質、死滅細胞、およびその他の生分解性汚泥成分を消費します。目的は、汚泥を安定化し、臭気の発生可能性を低減し、脱水して処分する必要がある揮発性固形物の量を減らすことです。
消化速度は、基質へのアクセスによって制限されることがよくあります。消化槽に活性のある微生物が存在し、十分な滞留時間が確保されていても、損傷していない細胞や高密度のフロック内部にある有機物には、依然としてアクセスしにくい場合があります。

未処理のフロックと超音波処理した汚泥の比較：超音波処理はフロックを大幅に減少させます。
研究および画像：©Chu et al. 2001

超音波キャビテーションによってWASを好気性消化しやすくする仕組み

Hielscherの産業用超音波処理装置は20kHzで動作し、液体やスラリーの流れの中で強力な音響キャビテーションを発生させます。キャビテーション気泡は汚泥内部で形成され、成長して崩壊します。その崩壊により、フロック、EPS、微生物細胞に直接作用する強力な局所せん断力が生じます。
超音波処理はWASに三つの重要な変化をもたらします。

フロックの解体

キャビテーションは汚泥の凝集体を破壊し、それまで細胞外高分子物質（EPS）に覆われていた表面を露出させます。処理後の汚泥には、より小さな粒子が含まれ、アクセス可能な表面積が増加します。

EPSの破壊と細胞破砕

超音波を利用した解体は、強固な汚泥フロックを破壊し、閉じ込められていた有機物を放出することで、都市下水由来の余剰活性汚泥の好気性生分解性を高めます。超音波キャビテーションは細胞膜と細胞壁を破壊します。タンパク質、炭水化物、およびその他の細胞内化合物が液相へ移行します。

生物利用性の向上

好気性微生物は、損傷していない微生物細胞や緻密なフロックよりも、可溶性で微細に分割された有機物を容易に消費できます。そのため、超音波処理は生物学的酸化工程の前に、溶解と加水分解の作用の一部を機械的に行います。
超音波処理は下水汚泥の厚い保護マトリックスに作用し、微生物による消化を大幅に速め、効率を高めます。これは一般に、可溶性化学的酸素要求量（SCOD）の増加として観察されます。

消化槽の再循環または側流処理

汚泥の一部を制御された割合で消化槽または汚泥ラインからポンプで取り出し、超音波処理装置を通過させてプロセスへ戻します。この構成は、既存の供給ラインの変更が難しい場合や、汚泥の選択された一部のみを処理すべき場合に有用です。

いずれの配置も、ポンプ、超音波フローセル、遮断弁、保守用バイパス、圧力・温度測定、サンプリングポイント、およびプロセス制御を備えたコンパクトなスキッドとして設置できます。既存の消化槽容器は変更せずに使用します。
このため、超音波処理は既存の排水処理施設の設備改修に特に適しています。超音波スキッドは、ポンプで送液するラインに設置して独立して運転でき、点検や保守の際にはバイパスできます。

高出力超音波で好気性汚泥の解体を改善しましょう！

Hielscherの産業用超音波処理装置は、既存のWAS処理ラインに高出力超音波を組み込むための、コンパクトで規模拡張が可能な方法を提供します。インラインフローセル処理は、汚泥流に超音波エネルギーを集中させ、再現性のある処理量制御を支援し、信頼性の高い24/7の高負荷運転に対応するよう設計できます。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscherの超音波処理装置は、最高水準の品質と設計基準で広く知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業施設へ円滑に組み込めます。Hielscherの超音波処理装置は、過酷な条件や厳しい環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置に特に重点を置いています。当然ながら、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

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