膜分離活性汚泥法（MBR）と液中限外濾過法の機能と使用方法の違い。どのような状況で何を使うべきでしょうか？
MBR は曝気槽または二次沈殿槽に設置され、流入水には大量の活性汚泥が含まれます。浸漬限外濾過は圧力限外濾過に関連し、膜タンクに設置され、より広い範囲の流入水要件とより強力な汚染防止能力を必要とします。一般的に、生化学的方法の後に限外濾過濾過を直接使用し、それ以上の処理を行わない場合は、MBR が使用されます。さらに処理が必要な場合 (主に COD を除去するため)、最終段階で浸漬限外濾過が使用されます。
利点: MBRプロセスはシンプルで、投資額は少なく、水中限外濾過は動作流量が大きく、回収率が高く、水質が良好です。
デメリット: MBR は動作流量が低く、同じ量の水を生成するためにより多くの膜が必要になります。浸漬限外濾過プロセスは複雑で、複数の周辺サポート機器が必要です。
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MBRプロセス
下水処理や水資源の再利用の分野において、膜分離活性汚泥法と膜分離技術を組み合わせた新しい水処理技術として、MBR（膜分離活性汚泥法とも呼ばれる）が知られています。
簡単な紹介
下水処理と水資源の再利用の分野において、MBR（膜分離活性汚泥法）は膜分離技術と活性汚泥法を組み合わせた新しい水処理技術です。膜には反応膜、イオン交換膜、透過膜など、分離メカニズムによって分類されるさまざまなタイプがあります。膜の特性によって、天然膜（バイオフィルム）と合成膜（有機膜と無機膜）があります。膜の構造タイプによって、平板型、チューブ型、スパイラル型、中空糸型があります。
プロセス構成
膜分離バイオリアクターは、主に膜分離コンポーネントとバイオリアクターで構成されています。一般的に言及される膜分離バイオリアクターは、実際には3種類のリアクターの総称です：①曝気膜分離バイオリアクター（AMBR）、②抽出膜分離バイオリアクター（EMBR）、③固液分離膜分離バイオリアクター（SLSMBR）。
通気膜
曝気膜バイオリアクターは、1988年にCote Pらによって初めて報告され、プレートまたは中空糸モジュールで通気性のある高密度膜（シリコンゴム膜など）または微多孔膜（疎水性ポリマー膜など）を使用すると、ガス分圧を泡立ち点以下に維持しながらバイオリアクターへの気泡のない曝気を実現できることが報告されました。このプロセスの特徴は、接触時間と酸素移動効率を向上させることです。これは曝気プロセスの制御に役立ち、従来の曝気における気泡サイズと滞留時間などの要因の影響を受けません。図[1]に示すように。
抽出膜
抽出膜バイオリアクターは、EMBR（抽出膜バイオリアクター）とも呼ばれます。酸性度が高い、または生物に有毒な物質が存在するため、一部の産業廃水は微生物と直接接触させて処理すべきではありません。廃水中に揮発性有毒物質が存在する場合、従来の好気性生物学的処理プロセスを使用すると、汚染物質が曝気気流で蒸発しやすく、ガス剥離が発生します。これにより、処理効果が不安定になるだけでなく、大気汚染も引き起こします。これらの技術的課題に対処するために、英国の学者リビングストンはEMBを研究および開発しました。廃水と活性汚泥は膜によって分離され、廃水は膜の内側を流れ、特定の特殊な細菌を含む活性汚泥は膜の外側を流れます。廃水は微生物と直接接触せず、有機汚染物質は選択的に膜を通過し、反対側の微生物によって分解されます。抽出膜の両側にあるバイオリアクターユニットと廃水循環ユニットは独立しているため、各ユニットの水流は互いにほとんど影響しません。バイオリアクター内の栄養素と微生物の生息環境は廃水の水質の影響を受けず、安定した水処理効率が得られます。HRTやSRTなどのシステムの運転条件を最適な範囲内で制御し、最大の汚染物質分解率を維持できます。
固液分離膜
固液分離膜バイオリアクターは、水処理の分野で最も広く研究されているタイプの膜バイオリアクターです。これは、膜分離プロセスを使用して、従来の活性汚泥プロセスの二次沈殿槽に代わる水処理技術です。従来の廃水生物処理技術では、二次沈殿槽で重力によって汚泥水分離が完了し、その分離効率は活性汚泥の沈降性能に依存します。沈降性能が優れているほど、汚泥水分離効率が高くなります。汚泥の沈降性は曝気槽の操作条件に依存し、汚泥の沈降性を改善するには曝気槽の操作条件を厳密に制御する必要があり、この方法の適用範囲が制限されます。二次沈殿槽での固液分離の要件により、曝気槽内の汚泥は一般に約1.5〜3.5 mg / Lの高濃度を維持できず、生化学反応速度が制限されます。
水力学的滞留時間（HRT）と汚泥年齢（SRT）は相互に依存しており、容積負荷の増加と汚泥負荷の減少はしばしば矛盾を生じます。また、システムは運転中に大量の残留汚泥を生成し、その処分コストは下水処理場の運転コストの25％から40％を占めます。従来の活性汚泥処理システムでは、汚泥が膨張しやすく、その結果、排水中に浮遊物質が発生し、水質が悪化します。
上記の問題に対応するため、MBRは膜分離技術と伝統的な生物処理技術を組み合わせ、汚泥滞留時間と水力滞留時間の分離を実現し、固液分離効率を大幅に向上させます。さらに、曝気槽内の活性汚泥濃度の上昇と汚泥中の特定の細菌（特に優勢な細菌群）の出現により、生化学反応速度が向上します。同時に、F/M比を低下させて余剰汚泥の発生量を減らす（ゼロにさえする）ことにより、伝統的な活性汚泥プロセスに存在する多くの顕著な問題が基本的に解決されました。
活性汚泥を除去し、外圧下で膜を通して濾過します。この形式の膜分離活性汚泥法は、混合液循環システムを必要とせず、水の吸引に依存しているため、エネルギー消費が比較的少なくなります。独立したタイプよりも多くのスペースを占め、コンパクトであり、近年、水処理の分野で特に注目されています。ただし、膜の透過率は一般に比較的低いため、膜が汚れやすく、汚れた後の洗浄や交換が困難です。
複合膜バイオリアクターも形式的には統合型膜バイオリアクターに属しますが、違いは、複合膜バイオリアクターを形成するためにバイオリアクター内部に充填剤が追加され、リアクターの特定の特性が変化する点です。
プロセス特性
多くの従来の生物学的水処理プロセスと比較して、MBR には次の主な特徴があります。
1、高品質で安定した排水水質
膜の効率的な分離効果により、分離効率は従来の沈殿槽よりもはるかに優れています。処理された排水は非常に透明で、浮遊物質と濁度はゼロに近く、細菌とウイルスが大幅に除去され、排水品質は建設部が発行した生活雑水品質基準（CJ25.1-89）よりも優れています。非飲用都市雑水として直接再利用できます。
同時に、膜分離はバイオリアクター内の微生物を完全に遮断し、システムは微生物の高濃度を維持できるようにします。これにより、反応装置による汚染物質の全体的な除去効率が向上するだけでなく、良好な排水品質も保証されます。同時に、リアクターは入口負荷（水質と水量）のさまざまな変化に対する適応性が良好で、衝撃負荷に強く、高品質の排水品質を安定して得ることができます。
2、余剰汚泥の発生が少ない
このプロセスは、高容量負荷と低汚泥負荷で動作し、残留汚泥の生成量が少ない（理論的には汚泥排出ゼロ）ため、汚泥処理コストが削減されます。
3、設置場所を選ばない省スペース設計
バイオリアクターは、高濃度の微生物バイオマスを維持でき、処理装置の容積負荷が高く、設置面積が大きいため、大幅なコスト削減につながります。このプロセスはシンプルで、構造がコンパクトで、占有面積が小さく、設置場所の制限がなく、あらゆる場面に適しています。地上型、半地下型、地下型にすることができます。
4、アンモニア性窒素や分解しにくい有機物を除去できる
バイオリアクター内の微生物を完全に遮断することで、硝化細菌などの増殖が遅い微生物の保持と成長を促進し、システムの硝化効率を向上させます。同時に、システム内の一部の難分解性有機化合物の水力学的保持時間を延長することができ、難分解性有機化合物の分解効率を向上させるのに役立ちます。
5、操作と管理が便利で、自動制御が簡単に実現できます。
このプロセスは、水力滞留時間（HRT）と汚泥滞留時間（SRT）の完全な分離を実現し、運転制御の柔軟性と安定性を高めます。これは、廃水処理に簡単に実装でき、マイコン自動制御を実現できる新しい技術であり、運転管理がより便利になります。
6、伝統的な職人技から簡単に変換
このプロセスは、従来の下水処理プロセスの深層処理装置として機能することができ、都市の二次下水処理場からの排水の深層処理（それによって都市下水の大規模な再利用を実現する）などの分野で幅広い応用の見通しがあります。
膜バイオリアクターにも欠点がいくつかあります。主に以下の点で現れます。
膜のコストが高いため、従来の廃水処理プロセスと比較して、膜バイオリアクターのインフラ投資が高くなります。
膜汚れが起こりやすく、操作・管理に不便をきたします。
高いエネルギー消費：まず、MBR汚泥水分離プロセスでは、一定の膜駆動圧力を維持する必要があります。次に、MBRタンク内のMLSS濃度は非常に高いです。十分な酸素移動率を維持するには、曝気強度を高める必要があります。膜フラックスを高め、膜ファウリングを減らすには、流量を増やして膜表面をフラッシュする必要があり、その結果、従来の生物学的処理プロセスと比較して、MBRのエネルギー消費が高くなります。
フィルム処理
膜は、液相、固相、さらには気相など、さまざまな材料から作ることができます。現在使用されている分離膜の大部分は固相膜です。孔径の違いにより、精密濾過膜、限外濾過膜、ナノ濾過膜、逆浸透膜に分けられます。材料の違いにより、無機膜と有機膜に分けられます。無機膜は主に精密濾過グレードの膜です。膜は均質または不均質であり、帯電または電気的に中性です。廃水処理で広く使用されている膜は、主に有機ポリマー材料から作られた固体非対称膜です。
膜の分類基準と分類：
1、MBR膜材料
1. 高分子有機フィルム材料：ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン、芳香族ポリアミド、フッ素ポリマーなど。
有機膜は、コストが比較的低く、安価で、製造プロセスが成熟しており、孔のサイズや形状が多様で、広く使用されていますが、動作中に汚染されやすく、強度が低く、耐用年数が短いという欠点があります。
2. 無機膜：金属、金属酸化物、セラミック、多孔質ガラス、ゼオライト、無機ポリマー材料などの無機材料で作られた半透膜である固体膜の一種です。
現在、MBR に使用されている無機膜は主にセラミック膜であり、pH = 0-14、圧力 P < 10MPa、温度 < 350 ℃ の環境で使用できるという利点があります。透過流束が高く、エネルギー消費が比較的低いため、高濃度の工業廃水の処理において非常に競争力があります。欠点は、コストが高く、アルカリ耐性があり、弾性が低く、フィルムの加工と準備が難しいことです。
2、MBR膜の孔径
MBR 技術で一般的に使用される膜は、精密濾過膜 (MF) と限外濾過膜 (UF) であり、そのほとんどは、固液分離型膜反応器に十分な 0.1 ～ 0.4 μm の孔径を備えています。
精密濾過膜に一般的に使用されるポリマー材料には、ポリカーボネート、セルロースエステル、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエーテルイミド、ポリプロピレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドなどがあります。
限外濾過用の一般的なポリマー材料には、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、ポリアクリロニトリル (PAN)、ポリフッ化ビニリデン、セルロースエステル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルアミドなどがあります。
3、MBR膜モジュール
工業生産と設置を容易にし、膜効率を向上させ、単位体積あたりの膜面積を最大化するために、膜は通常、何らかの形で基本単位装置に組み立てられ、一定の駆動力の下で、混合液体中の各成分の分離が完了します。このタイプのデバイスは、膜モジュールと呼ばれます。
業界で一般的に使用されている膜コンポーネントの形式は 5 つあります。
プレート＆フレームモジュール、スパイラル巻きモジュール、チューブラーモジュール、中空繊維モジュール、キャピラリーモジュール。最初の 2 つはフラットフィルムを使用し、後の 3 つはチューブラーフィルムを使用します。円形チューブ膜の直径 > 10 mm、キャピラリータイプ -0.5 ～ 10.0 mm、中空繊維タイプ <0.5 mm>。
表: 各種膜コンポーネントの特性
MBR プロセスで一般的に使用される膜モジュールの形式には、プレートフレーム型、円管型、中空糸型などがあります。プレートとフレーム型:
これは、MBR 技術で使用される最も初期の膜モジュール形式の 1 つであり、外観は通常のプレートとフレームのフィルター プレスに似ています。利点は、製造と組み立てが簡単で、操作が便利で、メンテナンス、清掃、交換が簡単であることです。欠点は、シーリングが複雑で、圧力損失が高く、充填密度が低いことです。
丸管タイプ:
膜と膜支持体で構成され、内圧式と外圧式の2つの動作モードがあります。実際には、内圧式がよく使用され、入口水はパイプの内側から流入し、透過水はパイプの外側から流出します。膜の直径は6〜24mmです。円管膜の利点は、供給液が乱流を制御でき、詰まりにくく、洗浄しやすく、圧力損失が低いことです。欠点は、充填密度が低いことです。
中空糸タイプ:
外径は一般に40〜250μm、内径は25〜42μmです。利点は、圧縮強度が高く、変形に強いことです。MBRでは、コンポーネントを圧力容器を必要とせずにリアクターに直接配置することが多く、浸漬型膜バイオリアクターを形成します。一般的には、外圧膜コンポーネントです。利点は次のとおりです。高い充填密度。比較的低コスト。長寿命、安定した物理的および化学的性質と低い透過性を備えたナイロン中空糸膜を使用できます。膜は耐圧性が良く、支持材料を必要としません。欠点は、詰まりに敏感で、汚染と濃度分極が膜の分離性能に大きな影響を与えることです。
MBR 膜モジュール設計の一般的な要件:
膜に十分な機械的サポートを提供し、スムーズな流路を確保し、死角や水が滞留する領域を排除します。
エネルギー消費量が少なく、濃度分極を最小限に抑え、分離効率を向上させ、膜汚染を軽減します。
可能な限り最高の梱包密度、簡単な取り付け、清掃、交換。
O 十分な機械的強度、化学的安定性、熱的安定性を備えています。
膜コンポーネントの選択では、コスト、充填密度、アプリケーションシナリオ、システムプロセス、膜の汚れと洗浄、耐用年数などを総合的に考慮する必要があります。
応用分野
1990年代中期から後半にかけて、膜分離活性汚泥法は海外で実用化段階に入った。カナダのゼノン社は世界で初めて限外濾過管型膜分離活性汚泥法を発売し、都市下水処理に適用した。同社はエネルギー消費を節約するため、浸漬中空糸膜モジュールも開発している。同社が開発した膜分離活性汚泥法は、米国、ドイツ、フランス、エジプトなど10カ所以上で適用されており、その規模は380m3/dから7600m3/dに及ぶ。三菱レイヨンも世界的に有名な浸漬中空糸膜の供給元であり、長年にわたりMBRの適用経験を積んできた。同社は日本やその他の国で複数の実際のMBRプロジェクトを構築している。日本のクボタ株式会社も膜分離活性汚泥法の実用化において競争力のある企業であり、高流量、耐汚染性、簡単なプロセスなどの特徴を持つプレート膜を生産している。国内でも一部の研究者や企業がMBRの実用化に取り組んでいる。
現在、膜バイオリアクターは以下の分野で応用されています。
1、都市下水処理と建築用水の再利用
MBR技術を採用した最初の廃水処理場は、1967年にアメリカのDorr Oliver社によって建設され、14m3/日の廃水を処理しました。1977年には、日本の高層ビルで下水再利用システムが実用化されました。1980年には、日本は処理能力がそれぞれ10m3/日と50m3/日の2つのMBR処理場を建設しました。1990年代初頭には、最大処理能力が500m3/日のそのような工場が日本に39か所稼働しており、100を超える高層ビルでMBRを使用して廃水を処理して中間水路で再利用していました。1997年には、ウェセックスが英国ポーロックに世界最大のMBRシステムを設置し、1日の処理能力は2000m3でした。1999年、ウェセックス社はドーセット州スワネージに13,000 m3/日のMBRプラントも建設しました。
1998年5月、清華大学が実施した統合型膜分離活性汚泥法パイロットシステムが国家認証に合格しました。2000年初頭、清華大学は北京の海淀郷病院に実用的なMBRシステムを構築し、病院の廃水を処理しました。プロジェクトは2000年6月に完成して使用を開始し、現在は正常に稼働しています。2000年9月、天津大学の楊瀛燕教授と彼女の研究チームは、天津新技術産業パークの普辰ビルでMBR実証プロジェクトを完了しました。このシステムは1日あたり25トンの下水を処理し、そのすべてがトイレの水洗と緑地の散水に使用されます。このシステムは10平方メートルの面積をカバーし、下水1トンあたり0.7kW・hのエネルギーを消費します。
2、産業廃水処理
1990年代以降、MBRの処理対象は継続的に拡大されてきました。再生水の再利用や糞便廃水処理に加えて、MBRは食品産業廃水、水産加工廃水、養殖廃水、化粧品製造廃水、染料廃水、石油化学廃水の処理など、産業廃水処理でも広く注目されており、いずれも良好な処理効果を達成しています。 1990年代初頭、米国はオハイオ州にMBRシステムを建設し、ある自動車製造工場の産業廃水を処理しました。処理能力は151m3 /日で、システムの有機負荷は6.3kgCOD / m3・dに達しました。COD除去率は94％で、油脂の大部分が分解されました。オランダでは、脂肪抽出および加工工場が伝統的な酸化溝廃水処理技術を使用して生産廃水を処理しています。生産規模の拡大により、汚泥が膨張し、分離が困難になっています。最後に、沈殿槽の代わりにゼノン膜モジュールが使用され、運用効果が良好です。
3、ミクロ汚染された飲料水の浄化
農業における窒素肥料や殺虫剤の広範な使用に伴い、飲料水もさまざまな程度に汚染されています。リヨン・デ・ゾーは、1990年代半ばに生物学的脱窒、殺虫剤吸着、濁度除去の機能を備えたMBRプロセスを開発しました。1995年に、同社はフランスのドゥーシーに、飲料水400m3を毎日生産できる工場を建設しました。排水中の窒素濃度は0.1mg/L NO2未満、殺虫剤濃度は0.02μg/L未満です。
4、 糞便廃水処理
糞便廃水中の有機物含有量は高く、従来の脱窒処理法では高い汚泥濃度が必要で、固液分離が不安定で三次処理の有効性に影響を及ぼしていました。MBRの登場により、この問題は効果的に解決され、糞便廃水を希釈せずに直接処理することが可能になりました。
日本は、平膜装置と好気性高濃度活性汚泥バイオリアクターを組み合わせたNSシステムと呼ばれる糞尿処理技術を開発しました。 NSシステムは、1985年に埼玉県越後市に建設され、生産能力は10kL /日でした。 1989年には、長崎県と熊本県に新しい下水処理施設が建設されました。 NSシステムの平膜は、面積が約0.4m2の数十のグループと並列に設置され、自動的に開いてフラッシュできるフレームデバイスを作成します。 膜材料は、カットオフ分子量20000のポリスルホン限外ろ過膜です。 リアクター内の汚泥濃度は15000〜18000mg / Lの範囲に維持されます。 1994年までに、日本には4000万人以上の糞便廃水を処理するために使用される1200を超えるMBRシステムがありました。
5、埋立地/堆肥浸出水処理
埋立地/堆肥浸出液には高濃度の汚染物質が含まれており、その水質と量は気候や運転条件によって変化します。1994年以前は、複数の下水処理場でこの種の廃水の処理にMBR技術が使用されていました。MBRとRO技術を組み合わせることで、SS、有機物、窒素を除去できるだけでなく、塩分や重金属も効果的に除去できます。最近、米国のEnvirogen Corporationは埋立地浸出液処理用のMBRを開発し、ニュージャージー州に1日あたり400000ガロン（約1500m3/日）の処理能力を持つ装置を建設し、2000年末に稼働させました。このMBRは、浸出液中の炭化水素と塩素化合物を天然の混合バクテリアで分解するもので、処理される汚染物質の濃度は従来の廃水処理装置の50～100倍です。この処理効果を達成できた理由は、MBRが効率的な細菌を保持し、細菌濃度50000mg / Lを達成できるためです。現地パイロットテストでは、流入CODは数百から40000の範囲で、汚染物質の除去率は90％以上に達しました。
国内外におけるMBRの主な応用分野と割合：
汚水の種類の割合（％）
産業廃水 27 都市廃水 12
建設廃水 24 ゴミ 9
家庭下水 27
