はじめに

活性汚泥工程では、生物学的分解により廃水中の有機物を二酸化炭素とバイオマスに変換します。これには、効率的な溶存酸素（DO）の供給が必要です。従来の曝気方法では、エネルギーを大量に消費するにも関わらず、中程度の酸素供給効率しか達成できません。この研究では、ナノバブルを使用することの潜在的な利点を調査しています。ナノバブルは、ユニークな特性を備える安定した気泡であり、水溶液中で長時間存在し、高い物質移動効率を可能にします。

廃水処理における従来の曝気は、エネルギー集約的でコストが高く、エネルギー消費のかなりの部分が活性汚泥工程の曝気に当てられます。ナノバブル（NB）は従来のマイクロバブルよりも直径が小さいため、接触表面積が増加し、溶存酸素濃度がより速く上昇します。ナノバブルは、酸素の物質移動効率を改善し、潜在的にバイオマス生産を向上させ、活性汚泥反応器における汚泥生産を削減する可能性を示しています。この記事では、ナノバブル純水中の溶存酸素濃度、ガス伝達係数、およびNBサイズ分布に対するNB曝気の影響に関する実験結果を示します。これは、NB曝気が酸素移動の効率を大幅に向上させ、廃水処理過程に潜在的な利点を提供できることを示唆していますが、活性汚泥処理への影響を完全に理解するためには更なる研究が必要です。

この研究では、活性汚泥の物理化学的特性と微生物群集に対するNB曝気の効果についても検証しています。これは実験室規模の反応器におけるNB曝気の予備的評価を提供し、本格的な廃水処理プラントへの導入の可能性への道を開くものです。

材料と方法

この研究で研究者達は、acniti microStar ナノバブル発生器 (Model-FS302AC-SW1、300W) を含む実験室規模の反応器を使用し、地元の自治体排水処理場から収集した活性汚泥を使用して実験を実施しました。彼らは、廃水処理効率に関連するさまざまな変数に対するナノバブル（NB）曝気と従来のファインバブル（CB）曝気の影響を比較しました。

結果と考察

結果は、NB曝気はCB曝気と比較して水中の溶存酸素（DO）レベルの大幅な増加につながることを示しました。曝気開始後2分間で、NB曝気水のDOレベルはCB曝気水よりも6倍の速さで上昇しました。NBは酸素を継続的に供給し、より効率的な酸素利用をもたらし、活性汚泥中の好気性微生物の代謝速度を高める可能性があります。

この研究では、時間の経過に伴うNBのサイズ分布と濃度も分析されました。溶液中で生成されたNBは、曝気時間とともに平均サイズの縮小と濃度の増加を示しました。このNBの急速な生成は、実験で観察された溶存酸素レベルの急速な上昇に寄与しました。さらに研究者らは、活性汚泥の特性と微生物群集に対するNB曝気の影響を評価しました。その結果、NB曝気により、可溶性化学酸素要求量（sCOD）、全固形分（TS）、汚泥体積指数（SVI）などの活性汚泥の特性が変化することが示されました。活性汚泥に関連する微生物群集もNB曝気の影響を受け、微生物組成の変化と形態学的変化が示されました。

全体として、この研究は、ナノバブルによる曝気により、廃水処理過程における酸素移動に対して、よりエネルギー効率が高く効果的なアプローチを提供できる可能性があることを示唆しています。NBの使用は、活性汚泥反応器内の処理効率を向上させ、エネルギー消費を削減し、微生物の活動を強化する可能性があります。一方、NB曝気は活性汚泥の物理化学的特性や微生物群集を変化させる可能性がありますが、汚泥の品質と処理効率に対する長期的な影響を理解するには更なる研究が必要です。

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