好気性造粒

下水処理場における廃水の生物学的処理は、従来型の活性汚泥システムを用いて行われることが多い。これらのシステムは、一般的に汚泥の沈降性が低いため、処理およびバイオマス分離ユニットに広い表面積を必要とする。好気性顆粒は、フロックと微生物を球状で強固なコンパクト構造に自己固定できるタイプの汚泥である。好気性顆粒汚泥の利点は、優れた沈降性、高いバイオマス保持率、栄養素の同時除去、および毒性に対する耐性である。最近の研究では、好気性顆粒汚泥処理は、栄養素や毒性物質を含む高濃度廃水を処理する潜在的に優れた方法である可能性があることが示されている。

好気性粒状汚泥は通常、SBR（シーケンシングバッチリアクター）で培養され、高濃度廃水、有毒廃水、生活排水の処理に成功裏に適用されています。COD除去のための従来の好気性粒状プロセスと比較して、現在の研究は、高塩分濃度や高温条件などの圧力条件下での、特にCOD、リン、窒素などの栄養素の同時除去に重点を置いています。

近年、沈降性を向上させるための新技術が開発されてきた。好気性粒状汚泥技術の利用はその一つである。

好気性粒状汚泥技術の支持者は、「近い将来、産業および都市下水処理における現在の活性汚泥法に代わる革新的な技術として重要な役割を果たすだろう」^{[ 1 ]}、また「活性汚泥プラントで容易に確立し、収益的に利用できる」と主張している。^{[ 2 ]}しかし、2011年には「大規模な応用としてはまだ確立されておらず、都市下水処理における本格的な応用例は限られており、公表されていない」と特徴づけられた。^{[ 3 ]}

以下の定義は、比較的沈降特性が良好な単純なフロックと好気性顆粒を区別するものであり、ミュンヘンで開催された第1回IWAワークショップ好気性顆粒汚泥（2004年）での議論から生まれたものです。 ^{[ 2 ]}

好気性粒状活性汚泥を構成する顆粒は、微生物由来の凝集体であり、流体力学的せん断力が低下しても凝集せず、活性汚泥フロックよりも著しく速く沈降するものと理解されるべきである。

粒状汚泥バイオマスは、シーケンシングバッチリアクター（SBR）で担体材料を使用せずに生成されます。これらのシステムは、その生成に必要な要件のほとんどを満たしています。

栄養豊富・栄養不足体制：栄養豊富期間と栄養不足期間を作り出すために、短い栄養摂取期間を選択する必要があります（Beun et al. 1999 ^{[ 5 ]}）。これらの期間は、それぞれ液体培地中の有機物の存在または不在によって特徴付けられます。この栄養摂取戦略により、顆粒を形成するのに適した微生物の選択が達成されます。バルク液体中の基質濃度が高い場合、顆粒形成微生物は有機物をポリ-β-ヒドロキシ酪酸の形で蓄積し、栄養不足期間に消費することができるため、糸状微生物よりも有利になります。嫌気性栄養摂取を適用すると、この要因が強化され、短い沈降時間と高い流体力学的力の重要性が最小限になります。

沈降時間が短い：微生物群集に対するこの水力学的選択圧により、凝集性バイオマスが洗い流される一方で、粒状バイオマスは反応器内に保持される。（Qin et al. 2004 ^{[ 6 ]}）

流体力学的せん断力：証拠によれば、高いせん断力の適用は好気性顆粒の形成と顆粒の物理的完全性を促進する。 カラムSBRでは、表面上昇気流速度が1.2 cm/sを超える閾値せん断力値を超えた場合にのみ好気性顆粒が形成されることがわかっており、高い流体力学的せん断力では、より規則的で丸く、よりコンパクトな好気性顆粒が発達した（Tay et al., 2001 ^{[ 7 ]}）。

^{粒状活性汚泥は、ハイブリッド活性汚泥（HYBACS）プロセス[ 8 ]}を用いたフローリアクターでも生成されます。このプロセスは、懸濁成長リアクターの上流に、滞留時間の短い付着成長リアクターを備えています。SMARTユニットとして知られる最初のリアクター内の付着細菌は、一定の高CODにさらされ、細菌の周囲のEPS層で高濃度の加水分解酵素の発現が誘発されます。加速された加水分解により、溶解性で容易に分解されるCODが放出され、粒状活性汚泥の形成が促進されます。

好気性顆粒の形態でのバイオマスの開発は、廃水からの有機物、窒素化合物、リン化合物の除去への応用を目的として研究されている 。好気性SBRにおける好気性顆粒は、従来の活性汚泥法と比較して、以下のようないくつかの利点がある。

安定性と柔軟性： SBRシステムは、衝撃や有害物質の負荷に耐える能力を備え、変動する状況にも適応できます。

エネルギー要件が低い：好気性粒状汚泥法は、高所での運転により曝気効率が高く、返送汚泥や硝酸塩のリサイクル流がなく、混合や推進も不要である。

設置面積の削減：好気性汚泥顆粒の高い沈降速度と最終沈殿槽の不在によりバイオマス濃度を高めることが可能となり、必要な設置面積が大幅に削減されます。

良好なバイオマス保持性：反応器内のバイオマス濃度を高めることができ、より高い基質負荷率での処理が可能となる。

顆粒内部に好気性ゾーンと嫌気性ゾーンが存在することで、同じシステム内で異なる生物学的プロセスを同時に実行できる（Beun et al. 1999 ^{[ 5 ]} ）。

投資と運用コストの削減：好気性粒状汚泥を使用する廃水処理プラントの運営コストは少なくとも20％削減でき、スペース要件は最大75％削減できます（de Kreuk et al., 2004 ^{[ 9 ]}）。

HYBACSプロセスはフロープロセスであるため、SBRシステムの複雑さを回避できるという利点があります。また、付属の成長リアクターを曝気槽の上流に設置することで、既存のフロー活性汚泥プロセスのアップグレードにも容易に適用できます。粒状活性汚泥プロセスへのアップグレードにより、既存の廃水処理プラントの処理能力を2倍にすることができます。^{[ 10 ]}

好気性顆粒を用いた研究のほとんどでは、合成廃水が使用されました。これらの研究は主に、さまざまな運転条件下での顆粒の形成、安定性、栄養塩除去効率、および有害化合物の除去への利用可能性の研究に焦点を当てていました。この技術の産業廃水処理への応用可能性が研究されており、その結果の一部を以下に示します。

• Arrojoら（2004）^{[ 11 ]}は、乳製品の分析のために研究所で生成された工業廃水（総COD ：1500～3000  mg/L、可溶性COD：300～1500  mg/L、総窒素：50～200  mg/L）を供給した2つの反応器を運転した。これらの著者らは、有機物と窒素の負荷率をそれぞれ最大7 g COD/(L·d)と0.7 g N/(L·d)まで適用し、80%の除去効率を得た。
• Schwarzenbeckら(2004) ^{[ 12 ] は}、粒子状有機物 含有量が高い(0.9 g TSS/L) 麦芽製造廃水を処理した。彼らは、平均直径が 25～50 μm 未満の粒子は 80% の効率で除去されたのに対し、50 μm より大きい粒子は40% の効率でしか除去されなかったことを発見した。これらの著者らは、好気性粒状汚泥が廃水から粒子状有機物を除去する能力は、バイオフィルムマトリックスへの組み込みと、顆粒の表面を覆う原生 動物群の代謝活動の両方によるものであることを観察した。
• Cassidy と Belia (2005) ^{[ 13 ]} は、食肉処理場の廃水 (総 COD: 7685  mg/L、可溶性 COD : 5163 mg/  L、TKN : 1057  mg/L、VSS: 1520  mg/L) を供給した顆粒リアクターを運転し、COD と P の除去効率を 98%、N と VSS の除去効率を 97% 以上としました。これらの高い除去率を得るために、彼らはリアクターをDO飽和レベル 40% で運転しました。これは、Beun ら (2001) が N 除去について予測した最適値です。また、DO 濃度が制限されている場合に顆粒の安定性を維持するのに役立つ嫌気性供給期間を設けました。
• Inizanら（2005）^{[ 14 ]} は製薬産業からの産業廃水を処理し、流入廃水中の懸濁物質が反応器で除去されないことを観察した。
• 常田ら（2006）^{[ 15 ]}は、金属精錬プロセスからの廃水（1.0～1.5 g NH ₄ ⁺ -N/L、最大22 g/Lの硫酸ナトリウム）を処理する際に、独立栄養顆粒を含むシステムで1.0  kg-N/m ³ ·dの窒素負荷率を95%の効率で除去した。
• Usmani et al. (2008) ^{[ 16 ] は}、高い表面空気速度、5～30分という比較的短い沈降時間、反応器の高さと直径の比が高いこと (H/D = 20)、および最適な有機負荷が、規則的でコンパクトな円形顆粒の培養を促進すると述べています。
• Figueroa et al. (2008),^[17] treated wastewater from a fish canning industry. Applied OLR were up to 1.72 kg COD/(m³·d) with fully organic matter depletion. Ammonia nitrogen was removed via nitrification-denitrification up to 40% when nitrogen loading rates were of 0.18 kg N/(m³·d). The formation of mature aerobic granules occurred after 75 days of operation with 3.4 mm of diameter, SVI of 30 mL/g VSS and density around 60 g VSS/L-granule
• Farooqi et al. (2008),^[18] Wastewaters from fossil fuel refining, pharmaceuticals, and pesticides are the main sources of phenolic compounds. Those with more complex structures are often more toxic than the simple phenol. This study was aimed at assessing the efficacy of granular sludge in UASB and SBR for the treatment of mixtures of phenolics compounds. The results indicates that anaerobic treatment by UASB and aerobic treatment by SBR can be successfully used for phenol/cresol mixture, representative of major substrates in chemical and petrochemical wastewater and the results shows proper acclimatization period is essential for the degradation of m – cresol and phenol. Moreover, SBR was found as a better alternative than UASB reactor as it is more efficient and higher concentration of m cresols can be successfully degraded.
• López-Palau et al. (2009),^[19] treated wastewater from a winery industry. The formation of granules was performed using a synthetic substrate and after 120 days of operation, synthetic media was replaced by real winery wastewater, with a COD loading of 6 kg COD/(m³·d).
• Dobbeleers "et al." (2017),^[20] treated wastewater from potato industry. Granulation was successful achieved and simultaneous nitrification/denitrification was possible by short cutting the nitrogen cycle.
• Caluwé "et al." (2017),^[21] Compared an aerobic feast/famine strategy and an anaerobic feast, aerobic famine strategy for the formation of aerobic granular sludge during the treatment of industrial petrochemical wastewater. Both strategies were successful.

Aerobic granulation technology for the application in wastewater treatment is widely developed at laboratory scales. The large-scale experience is growing rapidly and multiple institutions are making efforts to improve this technology:

• 1999年以来、Royal HaskoningDHV（旧DHV ​​Water）、デルフト工科大学（TUD）、STW（オランダ応用技術財団）、STOWA（オランダ応用水研究財団）は、好気性粒状汚泥技術（Nereda）の開発において緊密に協力してきました。2003年9月、オランダのエデ下水処理場で、安定した粒状化と生物学的栄養塩除去の実現に焦点を当てた最初の大規模パイロットプラント研究が実施されました。この研究が良好な結果を示したことを受け、関係者は6つのオランダ水管理局とともに、官民連携（PPP）である国家Nereda研究プログラム（NNOP）を設立し、複数の実規模ユニットの成熟、さらなるスケールアップ、および導入を進めることを決定しました。このPPPの一環として、2003年から2010年にかけて、複数の下水処理場で大規模なパイロット試験が実施されました。現在、3大陸で20以上のプラントが稼働中または建設中です。
• 好気性粒状汚泥をベースとしつつ、粒状物質の競合システムを採用した、容量^3.1m³のシーケンシングバッチ式バイオフィルター粒状リアクター（SBBGR）が、イタリアのIRSA（Istituto di Ricerca Sulle Acque）によって開発された。このプラントでは、イタリアの廃水処理場で下水処理に関する様々な研究が行われた。
• EcoEngineering Ltd.が開発したARGUS（好気性顆粒アップグレードシステム）技術は、実験室で調製した好気性顆粒をスターター培養物として、メインシステムに添加する前に利用することを基本としています。顆粒は、プロパゲーターと呼ばれる小型バイオリアクターで現場で培養され、メインバイオリアクターまたは発酵槽（消化槽）の容量のわずか2～3%を占めるだけです。このシステムは、ハンガリーの製薬会社に設置された容量2.7m³のパイロットプラントで使用されてい^ます。
• サンティアゴ・デ・コンポステーラ大学の環境工学・生物プロセス研究グループは現在、100リットルのパイロットプラント型反応器を稼働させている。

実現可能性調査では、好気性粒状汚泥技術が非常に有望であることが示されました (de Bruin et al., 2004. ^{[ 22 ]}総年間コストに基づくと、前処理付き GSBR (粒状汚泥シーケンスバッチリアクター) と後処理付き GSBR は、参照活性汚泥代替案 (6～16%) よりも魅力的であることが証明されています。感度分析では、GSBR 技術は土地価格の影響を受けにくく、雨水流量の影響を受けやすいことが示されています。許容容積負荷が高いため、GSBR バリアントのフットプリントは参照と比較して 25% にすぎません。ただし、一次処理のみの GSBR は、主に沈降しにくいバイオマスの洗い出しによって浮遊物質の排出基準を超えるため、現在の都市下水処理場の排出基準を満たすことができません。

好気性造粒技術は、すでに廃水処理に成功裏に適用されている。

• 2005年以来、RoyalHaskoningDHVは、5大陸にわたり、産業廃水と都市廃水の両方を処理するための100以上の本格的な好気性粒状汚泥技術システム（Nereda）を導入してきました。その一例として、オランダのSTP Epeは、処理能力59,000人/時、処理量1,500立方メートル/時で、オランダ初の本格的な都市型Neredaです。最新のNereda下水処理場（2012～2013年）の例としては、南アフリカのWemmershoek、オランダのDinxperlo、Vroomshoop、Garmerwoldeなどがあります。

• EcoEngineering社は、スロベニアのKrka dd Novo mesto、Lek dd Lendava、ハンガリーのGedeon Richter Rt. Dorogの3つの製薬工場で好気性造粒プロセスを導入しました。廃水処理施設は既に5年以上稼働しています。

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