活性炭がBODとTSSを除去するしくみ
活性炭は、充填された炭素床内で同時に作用する 2 つの異なる、しかし相補的なメカニズムを通じて BOD と TSS を低減します。
- BOD 除去 - 吸着。 BOD の原因となる溶解有機化合物 (フミン酸、タンパク質、炭水化物、脂肪酸、残留有機化学物質) は、物理吸着によってカーボンの細孔構造内に捕捉されます。これらの分子はミクロ細孔およびメソ細孔ネットワーク内に拡散し、ファンデルワールス力によってそこに保持されます。吸着の原動力は、バルク液体と炭素表面の間の濃度勾配です。有機分子が炭素上の活性部位に結合すると、液相からさらに拡散します。二次排水では、有機組成および炭素線量または空床接触時間 (EBCT) に応じて、GAC 床全体で 60 ～ 90% の BOD 削減が一般的です。
- TSS 除去 - 物理濾過。 排水中の浮遊物質の大きさは 1 ～ 100 μm です。水が粒状炭素床を通過する際、これらの粒子は、機械的ひずみ（20 μmを超える大きな粒子の場合）および表面接触捕捉（粒子の表面近くの流れ線をたどる小さな粒子の場合）によって、炭素粒子間の隙間に捕捉されます。 70 ～ 95% の TSS 除去は、適切に設計された GAC フィルターで容易に達成できますが、範囲の上限は床の深さと濾過速度に依存します。
運用上の重要な考慮事項は、時間の経過とともに捕捉された TSS が層内に蓄積し、水頭損失が増加し、最終的には蓄積した固体を炭素層から洗い流すために逆洗が必要になることです。三次処理用に適切に設計された GAC システムには、BOD 除去のための炭素の吸着機能を維持しながら水力能力を維持するために、定期的な逆洗サイクル (通常は 24 ～ 72 時間ごと、固形物の負荷に応じて) が組み込まれています。
BOD/TSS 除去に推奨される活性炭の種類
都市廃水および産業廃水の三次処理の場合、活性炭の選択は研磨システムの構成と対象となる廃水の質によって異なります。
粒状活性炭 (GAC) — 連続システムに推奨
固定床ダウンフローまたはアップフローカラム内の GAC は、三次 BOD/TSS 研磨の標準構成です。カーボンは、単一のユニット操作で溶解有機物の吸着と浮遊固体の深層ろ過の両方を行います。ヤシ殻ベースの GAC は、逆洗サイクル中の摩耗に耐える高い硬度 (97% 以上) と、処理排水への金属イオンの浸出を最小限に抑える自然な低灰分 (5% 以下) の点で好まれます。一般的なメッシュ サイズは 8×30 または 12×40 で、濾過効率と水力容量のバランスがとれています。石炭ベースの GAC は、TSS 負荷が中程度で逆洗頻度が管理可能な大規模プラントにとって、より経済的な代替品です。
粉末活性炭 (PAC) — バッチまたは季節研磨用
BOD 研磨が定期的にのみ必要な場合 (季節的な負荷変動など)、または既存のインフラストラクチャが GAC カラムに対応できない場合、PAC は最終清澄器または接触タンクに直接注入できます。 PAC の投与量は 10 ～ 100 mg/L が一般的ですが、可溶性 BOD 画分が高い廃水にはさらに高い投与量が必要です。ただし、PAC はそれ自体では TSS 除去を提供しないため、下流の清澄または濾過ステップと組み合わせる必要があります。
廃水研磨GACの代表仕様
BOD・TSS除去サービスで使用する粒状活性炭の推奨仕様を以下の表にまとめます。
| パラメータ | ココナッツシェルGAC | 石炭ベースのGAC |
|---|---|---|
| ヨウ素価 (mg/g) | ≥ 1,000 | ≥ 900 |
| メッシュサイズ | 8×30または12×40 | 8×30または8×40 |
| 有効サイズ (mm) | 0.55～0.80 | 0.55～0.95 |
| 均一係数 | ≤ 1.9 | ≤ 2.1 |
| 硬度 (%) | ≥ 97 | ≥ 93 |
| 灰分含有量 (%) | ≤ 5 | ≤ 12 |
| かさ密度 (kg/m3) | 450–530 | 520–620 |
主要な設計と動作パラメータ
BOD および TSS 除去のための GAC システムのパフォーマンスは、特定の廃水特性および処理目標に適合させる必要があるいくつかの設計および操作変数によって決まります。
- 空ベッド接触時間 (EBCT)。 最も重要な設計パラメータ。 BOD 除去の場合、二次廃液の研磨では 15 ～ 40 分の EBCT が一般的です。 EBCT が長いほど、ゆっくり拡散する有機分子をより完全に吸着できますが、より大きな容器が必要になります。 TSS 除去は EBCT の影響を受けにくく、層の深さと濾過速度に大きく依存します。
- ろ過速度 (線形負荷速度)。 通常、5 ～ 15 m/h (2 ～ 6 gpm/ft)2) 重力流または加圧 GAC フィルター用。速度が高くなるとスループットは向上しますが、TSS 捕捉効率が低下し、水頭損失の発生が加速します。 TSS が優勢なアプリケーションの場合は、より低い速度 (5 ～ 8 m/h) が推奨されます。
- ベッドの深さ。 BOD/TSS を組み合わせて除去するには、最低 1.5 ～ 2 メートル。ベッドが深いほど、吸着のための接触時間が長くなり、逆洗が必要になるまでの固体保持能力が長くなります。実用的な最大深さは、単段ダウンフローカラムでは 3 ～ 4 メートルです。
- 逆洗の頻度と強度。 TSS を含む GAC ベッドの場合、24 ～ 72 時間ごとに逆洗するのが一般的です。床拡張率 30 ～ 50% (水上昇速度 8 ～ 15 m/h) で 10 ～ 15 分間逆洗し、その後、運転流量で簡単にすすぎます。逆洗水は、ベッドの再汚染を避けるために、処理された廃水または浄水である必要があります。
- カーボンの耐用年数。 三次 BOD/TSS サービスでは、GAC は通常、可溶性 BOD の吸着能力が枯渇し、炭素の交換または再活性化が必要になるまで 12 ～ 24 か月持続します。吸着能力がなくなった後も粒状カーボンがデプスフィルター材として機能し続けるため、TSSの除去は継続します。
統合処理スキームにおける BOD/TSS 除去
BOD/TSS 除去における活性炭の最も一般的な構成は、 三次研磨工程 二次生物学的処理後。この役割において、炭素床は 10 ～ 40 mg/L の入口 BOD および 10 ～ 60 mg/L の TSS を処理し、BOD および TSS が一貫して 10 mg/L 未満の排水を生成します (適切に設計されたシステムでは、多くの場合 5 mg/L 未満になります)。この品質は、敏感な受水水への放出、工業用冷却またはプロセス用途での再利用、または高度な水再生利用のための逆浸透膜への供給に適しています。
一部の構成では、粉末活性炭が生物学的処理ステップ (PACT プロセス) に直接添加され、そこで炭素が阻害性有機化合物を吸着し、バイオマスの沈降を促進します。このアプローチは生物学的段階自体での BOD 除去を改善できますが、TSS 制御のための最終研磨ステップの必要性を置き換えるものではありません。
結論
活性炭は廃水処理における BOD と TSS を削減する実証済みの実用的なソリューションであり、生物処理のパフォーマンスと規制排出要件の間のギャップを埋める信頼性の高い 3 次研磨ステップとして機能します。固定床カラム内の粒状活性炭は、単一ユニット操作で可溶性有機化合物の吸着と浮遊固体の深層ろ過を組み合わせて、最も厳しい BOD および TSS 排出制限を一貫して満たす廃液を供給します。 Zhulin Carbon は、廃水研磨用途向けに特別に配合されたヤシ殻ベースおよび石炭ベースの GAC グレードを供給しています。逆洗耐久性のための高い硬度、水圧性能のための適切なメッシュ サイズ、予測可能な有機吸着のための認定済みのヨウ素および糖蜜価を備えています。製品データシート、価格について、または処理プラントの特定の排水品質目標に最適な炭素の選択についてご相談については、以下のお問い合わせフォームからお問い合わせください。
