好気性廃水活性汚泥の消化に対する超音波処理

高出力の超音波処理は、好気性消化の前またはその最中に、廃活性汚泥（WAS）を分解します。音響キャビテーションにより、汚泥フロックが破壊され、細胞外高分子物質が分解され、微生物細胞が破裂します。これにより、以前は保護されていた有機物が、好気性消化槽でより利用しやすくなります。
好気性プロセスにおいて、目的はバイオガスの生産量増加ではありません。メタン生成量の増加は、嫌気性消化に関連するものです。好気性消化槽において、重要な性能指標は、揮発性固形分の分解率、酸素消費量、消化時間、残留乾燥固形分、脱水性、および総運転コストです。

Hielscher社の産業用超音波処理装置は、ポンプ式WASラインや消化槽の再循環ループに組み込むことができます。 超音波フローセル反応器は、所定の汚泥流量に対して処理を集中させ、出力、流量、固形分濃度、圧力、および温度によってプロセスを監視することを可能にします。その結果、既存の好気性消化槽を交換することなく、超音波による汚泥分解機能を追加できるコンパクトな改造ソリューションが実現します。

なぜ廃活性汚泥の消化が困難なのか

廃活性汚泥とは、活性汚泥法による下水処理プロセスから除去された余剰生物固形物のことです。これには、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が含まれています。
二次沈殿槽では、沈殿した活性汚泥は2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、曝気槽に戻されます。
• 廃活性汚泥（WAS）は、液処理工程から取り除かれ、濃縮、安定化、消化、または脱水工程へと送られます。

WASには微生物の細胞成分が大量に含まれています。その生分解性有機物の多くは、細胞壁に包まれているか、あるいは緻密な汚泥フロック内に結合しています。この物理的な保護作用により、細胞の自然分解や加水分解が遅くなります。
好気性消化では、酸素が供給される一方で、新たな栄養源はほとんど供給されません。微生物は内呼吸状態に入り、蓄積された物質、死細胞、その他の生分解性汚泥成分を消費します。その目的は、汚泥を安定化させ、悪臭の発生を抑え、脱水・処分が必要な揮発性固形物の量を減らすことにあります。
消化速度は、多くの場合、基質へのアクセスによって制限されます。消化槽には活性のある微生物が存在し、十分な滞留時間も確保されている場合でも、無傷の細胞や緻密なフロック内に閉じ込められた有機物に到達することは依然として困難です。

未処理のフロックと超音波処理を施した汚泥の比較：超音波処理によりフロックが大幅に減少する。
研究および画像：©Chu et al. 2001

超音波キャビテーションが好気性消化においてWASをどのように活用するか

ヒエルシャー社の工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がスラッジ内で形成・成長し、崩壊します。この崩壊によって生じる強力な局所的なせん断力が、フロック、EPS、および微生物細胞に直接作用します。
超音波治療は、WASにおいて3つの重要な変化をもたらします：

フロックの崩壊

キャビテーションにより、汚泥の凝集塊が分解され、それまで細胞外高分子物質（EPS）に覆われていた表面が露出します。処理後の汚泥には、より微細な粒子が含まれ、利用可能な表面積も大きくなります。

EPSと細胞破砕

超音波を用いた分解処理は、頑固な汚泥フロックを分解し、閉じ込められていた有機物を放出させることで、都市廃棄物活性汚泥の好気性生分解性を高める。超音波キャビテーションにより、細胞膜や細胞壁が破壊される。その結果、タンパク質や炭水化物、その他の細胞内化合物が液相へと移行する。

生物学的利用能の向上

好気性微生物は、無傷の微生物細胞や緻密なフロックよりも、可溶性で微細な有機物をより容易に分解・消費することができます。したがって、超音波処理は、生物学的酸化工程に先立ち、溶解および加水分解作業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高速化・効率化します。これは通常、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サイドストリーム処理

消化槽または汚泥ラインから、所定の割合の汚泥をソニケーターに送り込み、処理工程に戻します。この構成は、既存の供給ラインの改造が困難な場合や、汚泥のうち特定の割合のみを処理すべき場合に有用です。

どちらの構成も、ポンプ、超音波流量セル、遮断弁、メンテナンス用バイパス、圧力・温度測定装置、サンプリングポイント、およびプロセス制御装置を備えたコンパクトなスキッドとして設置可能です。既存の消化槽は変更されません。
このため、超音波処理は既存の下水処理場の改修に特に適しています。超音波スキッドは送水管路に設置でき、独立して稼働させることができ、点検やメンテナンスの際にはバイパスすることも可能です。

高出力超音波で好気性汚泥の分解を促進！

Hielscher社の産業用超音波処理装置は、高出力の超音波を既存のWAS処理ラインに組み込むための、コンパクトで拡張性の高いソリューションを提供します。インライン式フローセル処理により、超音波エネルギーを汚泥流に集中的に照射でき、再現性の高い照射量の制御が可能であるほか、24時間365日の高負荷運転にも耐えうる信頼性の高い設計が可能です。

デザイン、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

Hielscher社の超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。頑丈で操作が簡単なため、産業設備にスムーズに組み込むことができます。過酷な条件や厳しい環境でも、Hielscherの超音波装置は容易に対応できます。

Hielscher Ultrasonics社は、ISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波振動子に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

文献・参考文献