廃水処理は、公衆衛生と環境保護の両方の観点から不可欠です。多くの場合、それは必要な負担であり、封じ込められていない未処理の下水の悪影響を防ぐために必要な資源の流出であると見なされています。確立された従来の廃水処理技術では、1 立方メートルの廃水を処理するのに約 0.5 kWh の電力が必要であるため、最も厄介な資源流出はエネルギーです。
また、使用されるエネルギー集約型のプロセスと、二酸化炭素やメタンなどの温室効果ガスの直接排出の両方に関連する廃水処理の二酸化炭素排出量も、ますます懸念されています。しかし、廃水はそれが保持する再生可能な資源についてますます認識されており、処理に必要なエネルギー量を削減するだけでなく、バイオガスの形でエネルギーを回収する機会も存在します.
これらの利点を提供できる 1 つの処理プロセスは、嫌気性安定池です。ラグーンとも呼ばれる嫌気性安定池は、嫌気性微生物の集中によって発生する可能性のある自然修復プロセスを模倣しています。池は廃水中の固形物を池の底に沈降させ、そこで微生物がそれを水やメタンなどの単純な化合物に分解し、少量の二酸化炭素や二酸化硫黄を含みます.嫌気性池から排出される水は、さらに処理を行う必要がありますが、化学的および生化学的酸素要求量などの汚染対策の約 40 ～ 60% が除去され、後の処理プロセスでの汚染物質の負担が軽減されます。
システムの単純さは開発途上国では魅力的ですが、伝統的に多くの土地を必要とし、大気に開放したままにしておくと二酸化硫黄の生成により悪臭を放つ可能性があるため、先進国では見落とされがちです。 .プロセスを強化するために設計を改善できれば、必要な土地が少なくなり、池のカバーがより実用的になり、メタンが豊富なバイオガスを捕捉できるようになり、臭いがなくなり、再生可能なエネルギー源が提供されます.
この可能性により、ジャーナル Ecological Engineering に掲載された「家庭廃水からメタンを回収するための段階的嫌気性池の開発」という研究を実施することになりました。従来の嫌気性池は、長さが幅の 3 倍の長方形です。私たちの意図は、より多くのバイオガスを生成できるように微生物活動を強化しながら、外部エネルギーをほとんどまたはまったく必要としないという池の利点を保持する方法で池の物理的設計を変更する方法を調査することでした。池 (所定の処理フローの場合) を減らすことができます。私たちが使用したアプローチは、さまざまなスタイルのバッフル (流れをさまざまな方向にそらす標準的な池構造内の壁) を調査することでした。私たちの仮説は、これらの流れパターンの変化が、微生物を含むより重い汚泥粒子と、ほとんどの汚染物質を含む廃水との間の異なる程度の混合を促進するというものでした.
池の高さ全体をブロックし、流れが通過するために池の交互の側面に隙間を残す水平バッフル。垂直バッフルは、池の幅全体に広がりますが、池の底部と上部に交互に隙間があるため、流れはそれらの上と下にそらされます.研究は、2 つの異なる設計がどのように機能するかを正確に示すために、24 時間年中無休で稼働している実際の家庭廃水で実施されました。さらに、バッフルが流れのパターンにどのように影響するかをより明確に理解するために、3 次元の数値流体力学 (CFD) を使用して設計の流れ様式をモデル化しました。
結果は、水平バッフルがメタン生成プロセス (加水分解) の初期段階の実行に優れていることを示しました。これは、固体粒子が容易に沈降し、その後、より小さな可溶性副生成物 (脂肪酸とアセテート) に分解できるためです。しかし、スラッジが池の底に沈んでいくにつれて、これらの副産物は液体の流れに失われ、メタン生成プロセスはほとんど不完全なままになりました.垂直バッフルでは、固形物の除去と加水分解はそれほど効率的ではありませんでしたが、廃液に見られる可溶性副産物は少なく、生成されたものがバイオガス生成 (メタン生成) への最終ステップを完了することができたことを示しています。また、CFD の結果は、バッフルを使用することで、流入が池を直接通過して流出するのを防ぐことも示しました。これは短絡と呼ばれる現象です。これは、廃水が池で過ごす時間を短縮し、生分解プロセスを完了する時間がないことを意味します。バッフルを使用して流れをそらすことは、流れが池内でより多く再循環されることを意味し、処理の機会が増えます.
水平バッフルはバイオガス生成の初期段階で非常に効果的であり、垂直バッフルは後期段階でより効果的であることが判明したため、2 つのシステムを並列に接続するための研究を進めました。意図は、水平バッフルが加水分解による可溶性副産物の生成を促進し、これらの副産物が垂直バッフル段階でバイオガスにさらに分解される 2 段階プロセスを作成することでした。段階的な嫌気性池の最初の操作は、バイオガスの生産と全体的な処理および水力性能の点で有望な結果を見出しました。プロセスの強度の限界を見つけるための負荷率の変更を含む、段階的嫌気性池のより包括的な研究が現在完了しており、結果はまもなく公開される予定です。段階的な嫌気性池がパイロット試験のように大規模に実行できる場合、先進国では、小規模な廃水処理施設でのパフォーマンスとコストの問題を解決する機会が得られる可能性があります。また、再生可能エネルギーを提供して、施設内の他のユニットに電力を供給するのに役立ちます。
