嫌気性膜バイオリアクター

嫌気性膜バイオリアクターまたはAnMBRは、廃水処理に利用される技術の名前です。これは、バイオマス保持のための膜ろ過技術です。AnMBRは、嫌気性環境で膜バイオリアクター（MBR）を使用して機能します。嫌気性細菌（中温菌または 好熱菌）と古細菌は、有機物を二酸化炭素（CO2）とメタン（CH4）に変換します。下水は膜でろ過および分離され、 排水と汚泥が分離されます。生成されたバイオガスは、後で燃焼して熱または電気を生成することができます。また、家庭用品質の再生可能天然ガスにアップグレード（精製）することもできます。メタン燃焼によって生成できるエネルギーは、プロセスを維持するために必要なエネルギーを超える可能性があるため、AnMBRは下水処理の持続可能な代替手段であると考えられています。^[1]

AnMBR 技術は、排水の基準の強化を遵守しながら、最大限の固液分離を保証するために 2 段階を経ます。まず、廃水は嫌気性バイオリアクターユニットに入り、ここで有機負荷が嫌気性プロセスを経てバイオガスに変換されます。その後、少量の固形物が残っている残りの液体が膜ユニットに入り、残りの小さな固形粒子を嫌気性処理された廃水から分離します。この廃水は、廃水とも呼ばれ、直接リサイクルすることも、逆浸透によってさらに処理することもできます。残りの固形粒子は、その後嫌気性バイオリアクターユニットに戻され、バイオガス生成プロセスを経ることができます。全体として、このプロセスは廃水中に含まれる有機負荷の 99% を除去し、純度 70% のバイオガスも生成します。^[2]

このプロセスの嫌気性側面、つまり酸素なしで行われるプロセスは、嫌気性微生物が廃水中の有機物を分解することによって行われます。分離のこの部分における不可欠なプロセスは加水分解であり、有機化合物をより単純な化合物に分解し、その後微生物細胞を通過させます。これは、有機物をバイオガスに変換する 4 段階のプロセスの最初のものです。^[要出典]

1. 加水分解: 具体的には、酵素加水分解は微生物からタンパク質を放出するために使用されます。これらのプロセスにより、脂質、タンパク質、多糖類などの分子量の大きい複雑な化合物が、次のような単純な化合物に分解されます。
   • 脂質 → 脂肪酸とグリセロール
   • タンパク質 → アミノ酸
   • 多糖類 → ブドウ糖、果糖、ガラクトース
2. 酸生成: 上記の加水分解産物を酸生成細菌を利用して次のように変換します。
   • 短鎖脂肪酸：乳酸、プロピオン酸、酪酸
   • エタノール
   • 水素ガス
   • 二酸化炭素
3. 酢酸生成: 嫌気性細菌は、酸生成の産物を次のように変換するために使用されます。
   • 酢酸
   • 水素ガス
   • 二酸化炭素
   • 小さな有機分子
4. メタン生成：最終段階では、メタン生成細菌が前述の中間生成物をバイオガス（メタンと二酸化炭素）に変換します。

このプロセスは、特定の温度範囲と pH で実行する必要があります。ほとんどの場合、プロセスの温度が 35 °C 未満になると嫌気性プロセスは遅くなります (中温および高温条件)。嫌気性プロセスの特徴はゆっくりと進行することであるため、有機物組成、栄養濃度、毒性物質の存在など、他の多くの要因がこのプロセスをさらに遅くする可能性があります。これらの要因はすべて、適切に分析されなければ、処理を完全に軌道から外す可能性があります。^[3]

膜処理は、湖、川、岩、その他の自然界に存在する天然物質であるバイオフィルムを利用します。^[4]バイオフィルムは、必要なバイオマス/有機物を目的の領域に付着させることによって利用されます。固体粒子は膜を透過するには大きすぎるため、純粋な液体のみが通過できます。これにより、高い保持率が可能になり、廃水の再利用が可能になります。^[3]

AnMBRの最初の変種は、1980年にDorr-Oliverによって開発されました^[3]。特に、有機負荷の高い廃水、特に酪農廃水を処理するために開発されました。膜のコストが高いため、この技術は大規模な商業規模では適用されず、実験室とパイロット規模の試験のみで行われました。^{[引用が必要]}

AnMBR には 3 つの主な構成があり、それぞれ膜ユニットの位置が異なります。これらのバリエーションには、コストと操作性の両面でそれぞれ長所と短所があります。^{[引用が必要]}

このバリアントは、膜ユニットをメインリアクターユニットの外側に置きます。これがこのバリアントの名前の由来です。この構成では、廃水は嫌気性プロセスを通過します。このステップが完了すると、高圧下に置かれた残りの混合液が外部膜ユニットに流れ込みます。同じ圧力を維持しながら、クロスフローろ過を利用して、透過液と未透過液、つまり排出液と有機負荷をそれぞれ分離します。最終的に、この 2 つは膜ろ過システムの反対側に沈殿します。ここから、排出液が放出され、有機負荷はメインリアクターユニットに戻り、嫌気性プロセスを通過してさらにバイオガスが生成されます。^{[引用が必要]}

このバリエーションでは、膜ユニットがバイオリアクターユニットに直接統合されます。この構成は、生の流入液が最初に嫌気性プロセスを経るのではなく、膜ユニットに入るという点で他の 2 つの構成と異なります。膜ユニットでは、低い負圧によって保持液と透過液が分離されます。透過液 (別名流出液) はシステムから排出され、保持液は嫌気性プロセスを経てバイオガスになります。^{[引用が必要]}

この AnMBR の変種は、前の 2 つの変種を組み合わせたもので、膜ユニットは外部に残したまま、外部チャンバー内に沈められています。嫌気性プロセスが最初に行われ、その後、膜ユニットに入って濾過されます。ここで、流入水 (廃水) は外部の沈められたチャンバーにポンプで送られ、そこで透過水 (流出水) と残留水 (有機負荷) に濾過されます。この変種は、沈められた AnMBR と同様に、低負圧を利用して透過水と残留水を分離します。このプロセスの後、流出水はシステムから排出され、有機負荷はバイオリアクター ユニットに再循環してバイオガスになります。^{[引用が必要]}

AnMBR の 3 つのバリエーションには、工業用途での使用に影響する多くの要因があります。^{[引用が必要]}

コスト: 水中 AnMBR 型は、負圧要件が低いため、最もコスト効率に優れています。さらに、濾過プロセスに液体を外部チャンバーに送り込む必要がありません。水中 AnMBR のこれらの両方の特性により、エネルギー要件が低くなり、外部 AnMBR 型よりも運用コストが低くなります。^{[引用が必要]}

操作性: 操作性の点で最も有利なのは、外部 AnMBR/外部浸漬 AnMBR のバリエーションです。これらのバリエーションでは膜の汚れが少なく、そのため長期間にわたって機能します。さらに、2 つのユニットが分離されているため、浸漬 AnMBR と比較して洗浄がはるかに簡単です。^{[引用が必要]}

サイズ: AnMBR の全体的な主な利点の 1 つは、比較的コンパクトなサイズですが、水中型 AnMBR バリアントは 3 つの中で最もコンパクトで、すべての操作を 1 つのユニット内に収めています。^{[引用が必要]}

水中AnMBRは操作性に関して欠点を抱えているにもかかわらず、コストとサイズは企業にとって望ましい特性であり、その結果、業界では頻繁に使用されるバリアントとなっています。^[3]

この技術は、廃水を効果的に処理して再利用できるようにすることで、特に農業目的で干ばつの影響を軽減するために使用できます。^{[引用が必要]}

さらに、AnMBR は廃水中の有機負荷を適切に処理し、環境に放出されないようにします。この技術では、バイオガスに変換されるため、スラッジの発生も少なくなり、リサイクルの機会が増えます。^{[引用が必要]}

従来の膜分離活性汚泥法や好気性膜分離活性汚泥法と比較すると、AnMBRは排出される排水の品質が高く、バイオガス生成による汚泥量が少ないという点で優れています。^[5]

AnMBR技術は廃水処理に革命をもたらす多くの利点があるが、欠点がないわけではない。AnMBRは細菌の凝集による膜汚染を受けやすい。これは技術にとって非常に危険であり、濾過効率が大幅に低下し、エネルギー消費も増加し、プロセス全体のコストが上昇する。膜汚染により、技術の交換頻度も高くなり、これもコストがかかる。さらに、嫌気性細菌は廃水に入りやすく、リアクターユニット内での損失につながる。^[3]

AnMBRはまだ産業規模では適用されていませんが、この技術を製造し、現在の廃水処理技術の実行可能な代替手段として販売している企業がいくつかあります。AnMBRシステムを販売している2つの有名な企業は、AquatechとEvoquaです。現在、Aquatechは外部AnMBR構成を製造しており^[6]、Evoquaは水中AnMBR構成を製造しています。^[7]