JP2004237219A

JP2004237219A - 生物膜ろ過装置及び処理方法

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Publication number: JP2004237219A
Application number: JP2003029511A
Authority: JP
Inventors: Koji Fuchigami; 浩司淵上; Takeshi Tsuji; 猛志辻; Shinichi Endo; 伸一遠藤; Kei Baba; 圭馬場
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-06
Also published as: JP4403704B2

Abstract

【課題】安価且つ高速に脱窒処理を行うと共に、ろ過によるＣＯＤ除去処理をも実施することの可能な生物膜ろ過型の処理装置および処理方法を提供する。
【解決手段】この処理装置は、被処理水及び／又は汚泥中に含まれる懸濁性物質を濾材で捕捉して有機酸発酵処理をおこない、溶解性有機物質を形成する有機酸発酵処理層７と、被処理水を導入し有機酸発酵処理層で生成された溶解性有機物を有機炭素源として、担体に付着された脱窒菌により脱窒処理をおこなう脱窒処理層８と、脱窒後の被処理水中の懸濁物質を濾材により捕捉除去する懸濁物質捕捉層９とを具備している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素化合物および懸濁性物質を含有する排水を生物膜ろ過法によって脱窒処理およびろ過処理する装置及びその方法に関し、下水や浸出水、し尿あるいは各種工場廃水等の処理に有効に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒素化合物を含有する排水を脱窒処理する方法としては浮遊生物法あるいは生物膜ろ過法が用いられている。これらの脱窒処理においては、水素供与体として通常は有機物が必要となる。この有機物としては被処理水中に存在する物を可能な限り用いるため、循環硝化脱窒法等の方法が採用される。しかし、硝化液を前段の脱窒反応部へ返送する方式（例えば特許文献１）では窒素除去率の上限が循環率に制約されるため、高除去率を得るためには循環の動力費がかさむという欠点があった。また、硝化液の循環を行わずにメタノール等の有機物を外部から供給する方式もあるが（例えば特許文献２）、この場合には薬剤コストがかさむという問題点があった。
【０００３】
また、閉鎖性水域の水質規制に対応して高度処理を行う場合、窒素処理に加えてＣＯＤ処理が必要になることも多いが、従来は両者を同時に行う処理装置は無く、例えば浮遊生物法による脱窒処理の後に砂ろ過法によるろ過処理（ＣＯＤ除去）を実施するというように装置構成が複雑となり、処理装置設置に広大な敷地を要するという問題があった。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３４７２９１号公報、（請求項１、
【００１０】以降、第１図）
【０００５】
【特許文献２】
特開平１１−９０４８５号公報、（請求項１、
【０００９】以降、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、安価且つ高速に脱窒処理を行うと共に、ろ過によるＣＯＤ除去処理をも実施することの可能な生物膜ろ過型の処理装置および処理方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１、５の発明は、被処理水及び／又は汚泥中に含まれる懸濁物質を濾材で捕捉して有機酸発酵処理をおこない溶解性生成物を生成する有機酸発酵処理層と、被処理水を導入し有機酸発酵処理層で生成された溶解性有機物を有機炭素源として、担体に付着された脱窒菌により脱窒処理をおこなう脱窒処理層と、脱窒後の被処理水中の懸濁物質を濾材により捕捉除去する懸濁物質捕捉層とを具備した生物膜ろ過装置及びその方法である。この構成では、単一の生物膜ろ過装置で被処理水や汚泥中に含まれる懸濁物質を可溶化してこれを脱窒反応向けの有機炭素源として供給して、脱窒処理およびろ過処理を行うため、単純な装置構成で窒素およびＣＯＤの処理が効率的に行われる。
【０００８】
請求項２の発明は、対象となる被処理水を有機酸発酵処理層とともに脱窒処理層にも分割して流入させる生物膜ろ過装置及び方法である。この構成では、被処理水を脱窒処理層にも分割して流入させるために、高濃度の汚泥を保持する有機酸発酵処理層の通水抵抗を小さな値に抑制できると共に、有機酸発酵処理層で生成した有機炭素源などの溶解性有機物を用いて脱窒処理を行なうことができる。
【０００９】
なお、対象となる被処理水の性状によっては、被処理水をすべて有機酸発酵処理層に流入するようにし、脱窒処理層に被処理水の一部を直接導入しない場合もある。また、被処理水の性状等によっては、懸濁物質捕捉層に被処理水の一部を直接導入する導入手段を設けることも可能である。要は、被処理水や汚泥等により有機酸発酵処理層において溶解性有機物を生成し、生成された溶解性有機物を有機炭素源として用いて、被処理水の脱窒処理をおこなうことが可能な構成であれば、どのようなものでもよい。
【００１０】
請求項３の発明は、有機炭素源として初沈汚泥、余剰汚泥、混合汚泥、消化汚泥を流入させる。流入は間欠的でもよくあるいは連続的でもよい。このことにより、有機酸発酵処理層における捕捉汚泥量を任意に上昇させることが可能となり、脱窒処理層に供給される溶解性有機物濃度を所望の値に制御することが容易となる。
【００１１】
請求項４、５，６、８の発明は、対象となる被処理水の溶解性有機炭素濃度（Ｃ）および硝酸態・亜硝酸態窒素濃度（Ｎ）を測定し、その測定値を基にＣ／Ｎが一定範囲（好ましくは６〜１０の範囲）となるように分割流入させる被処理水の流量比、有機酸発酵処理層に流入させる汚泥の量あるいは必要により薬剤（溶解性有機物）の注入量を制御する生物膜ろ過方法である。この方法では、有機物濃度と窒素濃度の比を最適範囲に制御することによって、脱窒処理速度を高い値に保持しつつ、脱窒処理層から流出する有機物濃度を低い値に抑制することを可能とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関わる生物膜法による脱窒およびろ過処理方法および装置の実施形態を図に基づいて説明する。
【００１３】
（実施形態１）
図１は、本発明に関わる生物膜法による脱窒およびろ過処理方法および装置の一実施形態を示したものである。この装置は筒状をなし、被処理水が導入する下部から順に有機酸発酵処理層７、脱窒処理層８、懸濁物質捕捉層９を形成している。有機酸発酵処理層７と脱窒処理層８との間には第１被処理水流入管１、第１逆洗水流入管３、第１空洗管５が配設され、有機酸発酵処理層７の下部には、第２被処理水流入管２、第２逆洗水流入管４、第２空洗管６が配設され、懸濁物質捕捉層９の上部には処理水流出管１０が配設されている。なお、符号１１，１１はそれぞれろ層支持部、１２はろ材流出防止網である。
【００１４】
ここでいう被処理水とは、下水や浸出水、し尿、工場排水、さらにはこれらが生物処理や、沈殿等の簡易な固液分離処理を受けたもの等であり、特定の水に限定されるものではない。
【００１５】
このように構成された生物膜ろ過装置において、被処理水は、大部分は第１被処理水流入管１を通じて脱窒処理層８に導入されて脱窒処理、脱窒処理層８に続いて懸濁物質捕捉層９を通過する際にろ過処理され、清澄な処理水となって処理水流出管１０から流出する。また、被処理水の一部は第２被処理水流入管２を通じて有機酸発酵処理層７に流入し、被処理水中の懸濁物質が有機酸発酵処理層７に捕捉された後、第１被処理水流入管１を通じて導入された被処理水と共に脱窒処理およびろ過処理される。
【００１６】
ここで、有機酸発酵処理層７は、第２被処理水流入管２から供給される被処理水中の懸濁成分をトラップし、有機酸発酵処理層７内に保持することによって嫌気的に酸発酵させることを目的としており、生成した溶解性有機物（主に有機酸）は脱窒処理層８における生物的脱窒反応における水素供与体として利用される。有機酸発酵処理層７における固形分（ＭＬＳＳ）濃度は５，０００〜５０，０００ｍｇ／Ｌの範囲が高濃度の有機酸生成のために好適である。高濃度の汚泥を保持するため、有機酸発酵処理層７は砂利、不織布、φ６ｍｍ以上のろ材等の汚泥捕捉容量の大きな充填材によって通常構成される。また、第２被処理水流入管２を通じて有機酸発酵処理層７を通る割合は、過小な場合には有機酸発酵処理層７に十分な量の懸濁性物質が供給されず、また生成した有機酸等の脱窒処理層８への移送が不十分になり、過大な場合には細くされた汚泥が脱窒処理層８へ流出する、あるいは通水抵抗が過大になるといった現象が生じるため、被処理水総量の１〜２０％の範囲が適当である。また、有機酸発酵処理層７の厚さは３０〜１５０ｃｍの範囲が好適である。
【００１７】
次に、脱窒処理層８においては被処理水中の硝酸性窒素および亜硝酸性窒素が生物学的に還元され、窒素ガスとして除去される際に、有機酸発酵処理層７から供給される溶解性有機物および被処理水中のＢＯＤ成分が水素供与体として作用する。この脱窒処理を効率的に行うため、脱窒処理層８には生物量ができるだけ多く、対象水との接触面積ができるだけ大きくすることが必要になる。このため、径数ｍｍのろ材により脱窒処理層８を構成することが好適である。本実施形態では、径４ｍｍの発泡ポリプロピレン担体を充填材として適用した。本担体は表面が粗面加工してあるため、微生物が付着しやすい構造となっている。無論、本担体のみならず、セラミック製の担体やアンスラサイト、さらにはひも状ろ材等も用いることができる。また、脱窒処理層８の厚さは５０〜１５０ｃｍの範囲が好適である。
【００１８】
また、脱窒処理を効率的に行うためには溶解性有機物濃度を制御することも重要である。経験的に、脱窒処理に必要な溶解性有機物量は、ＢＯＤとして酸化態窒素量の３〜４倍であるが、その比を高く取ることによって、脱窒反応を飛躍的に加速することが可能である。比の値としては、脱窒速度の上昇度合いおよび溶解性有機物濃度を高めるための汚泥捕捉容量あるいは薬剤注入量とを勘案して決定されるが、６以上とすると通常の２倍以上の脱窒速度結果が得られるので好適である。ただし、１０を越えると、残存する有機物の処理や有機酸発酵層における所要汚泥捕捉容量が過大となることから、上限は１０とするのが好ましい。本発明は、その溶解性有機炭素源として汚泥を嫌気的に発酵した結果生成する有機酸を用いることを主眼としているが、該有機酸のみでは不足する場合には、メタノールやエタノール等の薬剤を脱窒処理層流入前に注入しても良好な結果が得られる。
【００１９】
懸濁物質捕捉層９では被処理水中の懸濁性物質および脱窒処理層の充填材から剥離する生物汚泥を捕捉・固液分離することによって、処理水ＣＯＤ濃度を低減させる。このため、径０．５〜４ｍｍ程度のろ材により充填層を構成することが好適である。本実施形態では、径２ｍｍの発泡ポリプロピレン担体を充填材として適用した。本担体のみならず、砂やセラミック製の担体やアンスラサイト等のろ材を用いることもできるのはもちろんである。また、懸濁物質捕捉層９の厚さは５０〜１５０ｃｍの範囲が好適である。なお、対象とする被処理水に塩化第二鉄や硫酸バンド等の凝集剤を注入した場合には被処理水中の溶解性リンが不溶化し、懸濁物質捕捉層９において除去することも可能である。
【００２０】
本装置の通水速度は、被処理水および処理水の水質や、ろ層構成、さらには敷地面積等の条件によっても変化するが、上述した有機物濃度と窒素濃度の比を高く保つ場合には短い接触時間で脱窒処理が可能である。したがって、脱窒処理層８および懸濁物質捕捉層９の通水速度は、５０〜３００ｍ／日の範囲が好適である。
【００２１】
なお、脱窒処理層８および懸濁物質捕捉層９の通水抵抗が過大になった場合には洗浄を行う。通常は第１逆洗水流入管３から導入される逆洗水および第１空洗管６から導入される逆洗用空気の双方の作用によって洗浄され、洗浄排水は処理水流出管１０を通じて排出される。また、有機酸発酵処理層７の通水抵抗が過大になった場合には、一旦第１被処理水流入管１から上部の水を排出した後、第２逆洗水流入管４から導入される逆洗水および第２空洗管６から導入される逆洗用空気の双方の作用によって洗浄され、洗浄排水は第１被処理水流入管１から排出される。
【００２２】
（実施形態２）
図２は、本発明に関わる生物膜法による脱窒およびろ過処理方法および装置の別の実施形態を示したものである。同図において、図１と同様の部分については同じ符号を付してその説明を省略する。すなわち、１は第１被処理水流入管、２は第２被処理水流入管、３は第１逆洗水流入管、５は第１空洗管、７は有機酸発酵処理層、８は脱窒処理層、９は懸濁物質捕捉層、１０は処理水流出管ａ、１１はろ層支持部、１２はろ材流出防止網である。図２では図１の構成に加えてさらに、有機酸発酵処理層７の下部に汚泥供給管１３及び下部排水管１４を配設し、脱窒処理層８と懸濁物質捕捉層９との間に懸濁物質捕捉層曝気管１５を配設している。
【００２３】
本実施形態において、被処理水の大部分が第１被処理水流入管１を通じてろ過装置に導入され、脱窒処理層８に続いて懸濁物質捕捉層９を通過し、被処理水の一部が第２被処理水流入管２を通じて有機酸発酵処理層７に流入した後、第１被処理水流入管１を通じて導入された被処理水と共に脱窒処理およびろ過処理される。このことは実施形態１と同様である。本実施形態においては、被処理水中の懸濁性有機物濃度が低く、有機酸発酵処理層７において生成する有機酸の量が被処理水を脱窒処理するための所要量に比べて少ない場合に適用されることを意図している。本実施形態においては、不足する懸濁性有機物質を外部から汚泥の形態で汚泥供給管１３から供給することで補う。この汚泥は例えば初沈汚泥、余剰汚泥、混合汚泥、し渣、あるいは他の工程から発生するスラリー状廃棄物或いはこれらの混合物を用いることができる。汚泥供給に際しては、配管内の沈積を防ぐため、間欠的に汚泥捕捉層７に供給することが好ましい。また、この際は汚泥の脱窒処理層８への流出を防ぐため、逆洗水流出管３等の管から過剰量の汚泥を排出することが望ましい。また、本実施形態においては、有機酸発酵処理層７の通水抵抗が過大になった際には、通水を停止した後に下部排水管１４を開放して有機酸発酵処理層７内の水を一気に排出することによって洗浄する手法を採用している。この方式を用いることにより、殆ど動力を要さずに洗浄を行うことができる。
【００２４】
有機酸発酵処理層７において生成する高濃度の有機酸は、脱窒処理層８において脱窒処理に用いられるが、一部は未反応のまま懸濁物質捕捉層９へと流出する。これがそのまま処理水中に流出するとＣＯＤ増加等の面から見て好ましくない場合、曝気管１５から空気を供給して懸濁物質捕捉層９を曝気し、担体表面に生育する微生物の反応により有機酸を酸化分解することができる。この場合の曝気量は有機酸の酸化の所要量から決定されるが、上昇気泡の影響で懸濁物質捕捉層９の担体が流動、あるいは揺動してろ過効果が低下する可能性もあるため、懸濁物質捕捉層９に充填する担体の径や材質等に関してろ過効果が十分に発揮されるよう考慮する必要がある。
【００２５】
なお、実施形態１、２共に通水方向が上向流である場合を例示したが、装置の構成を上下逆として下向流で通水しても良好な結果が得られる。但し、この場合に懸濁物質捕捉層の下部から曝気した場合は、気泡が脱窒処理槽および有機酸発酵層に流入し、溶存酸素濃度が上昇して反応が阻害される可能性のあることに留意する必要がある。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
混合生汚泥の酸発酵液の遠心分離上澄液を用い、実験開始後のＢＯＤ／Ｎを三段階に設定して脱窒処理回分試験を行った。その結果を図３に示す。但し、処理条件は次の通りである。
【００２７】
［実施例１の処理方法］
対象水：下水二次処理水＋活性汚泥２０００ｍｇ／Ｌ（脱窒菌に馴致）に対して混合生汚泥の酸発酵液の遠心分離上澄液を添加し、溶解性ＢＯＤとＮの比を調整したもの
処理温度：２０℃
本実施例の結果によれば、ＮＯｘ −Ｎの減少速度は溶解性ＢＯＤとＮの比にほぼ比例する。すなわち、ＢＯＤ／Ｎ比を６（通常の２倍程度）以上にすれば、循環硝化脱窒法に代表される既存処理技術に対して２倍以上の脱窒速度を得ることが可能となる。このような処理条件下において、単一の装置で脱窒処理およびろ過処理を効率的に行うことができる。
【００２８】
［実施例２］
下水の二次処理水を図２に示した処理装置で処理した。その結果を表１に示す。但し、処理条件は次の通りである。
【００２９】
［実施例２の処理方法］
有機酸発酵処理層；ろ層厚５０ｃｍ、φ１０〜６０ｍｍ砂利、生汚泥を１回／週の頻度で供給、被処理水が有機酸発酵処理層に分配される割合：全量の５％
脱窒処理層：ろ層厚１００ｃｍ、φ４ｍｍ発泡ポリプロピレン
懸濁物質捕捉層：ろ層厚１００ｃｍ、φ２ｍｍ発泡ポリプロピレン
脱窒処理層、懸濁物質捕捉層におけるろ過速度：２００ｍ／日
【表１】

【００３０】
【発明の効果】
本発明による処理装置は汚泥捕捉、脱窒およびろ過の３機能を有するろ層を有し、有機酸発酵処理層に被処理水を少流量で通水することによって、生物膜ろ過装置によって高効率に窒素除去およびＣＯＤ除去を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る生物膜ろ過装置の一実施形態を示す図。
【図２】本発明に係る生物膜ろ過装置の他の実施形態を示す図。
【図３】実施例１の脱窒処理回分試験結果を示す図。
【符号の説明】
１：第１被処理水流入管
２：第２被処理水流入管
３：第１逆洗水流入管
４：第２逆洗水流入管
５：第１空洗管
６：第２空洗管
７：有機酸発酵処理層
８：脱窒処理層
９：懸濁物質捕捉層
１０：処理水流出管
１１，１１：ろ層支持部
１２：ろ材流出防止網
１３：汚泥供給管
１４：下部排水管
１５：曝気管

Claims

被処理水及び／又は汚泥中の懸濁物質を濾材で捕捉して有機酸発酵処理をおこなって溶解性有機物を生成する有機酸発酵処理層と、
被処理水を導入し有機酸発酵処理層で生成された溶解性有機物を有機炭素源として、担体に付着された脱窒菌により脱窒処理をおこなう脱窒処理層と、
脱窒後の被処理水中の懸濁物質を濾材により捕捉除去する懸濁物質捕捉層と、
を具備したことを特徴とする生物膜ろ過装置。
脱窒処理層の入口側に、被処理水を直接導入する導入手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の生物膜ろ過装置。
溶解性有機物を生成するための汚泥は、初沈汚泥、余剰汚泥、及び消化汚泥の群から選択された一種又は二種以上であることを特徴とする請求項１に記載の生物膜ろ過装置。
被処理水の溶解性有機物濃度（Ｃ）及び硝酸態・亜硝酸態窒素濃度（Ｎ）を測定する手段と、この手段で測定された測定値に基づいて有機酸発酵処理層に導入する被処理水及び／又は汚泥の導入量と、脱窒処理層に導入する被処理水の導入量とを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の生物膜ろ過装置。
制御手段は、溶解性有機物濃度（Ｃ）／硝酸態・亜硝酸態窒素濃度（Ｎ）が６〜１０の範囲に入るように有機酸発酵処理層に導入する被処理水及び／又は汚泥の導入量と、脱窒処理層に導入する被処理水の導入量とを制御する請求項４に記載の生物膜ろ過装置。
被処理水及び／又は汚泥中の懸濁物質を濾材で捕捉して有機酸発酵処理をおこない、溶解性有機物を生成する有機酸発酵処理工程と、
被処理水を導入し、有機酸発酵処理層で生成された溶解性有機物を有機炭素源として、担体に付着された脱窒菌により脱窒処理をおこなう脱窒工程と、
脱窒後の被処理液中の懸濁物質を濾材により捕捉除去する懸濁物質捕捉工程と、
を具備したことを特徴とする生物膜ろ過方法。
被処理水及び／又は汚泥の懸濁物質を濾材で捕捉して有機酸発酵処理をおこない、溶解性有機物を生成する有機酸発酵処理工程と、
被処理水及び有機酸発酵処理層で生成された溶解性有機物を導入して、担体に付着された脱窒菌により脱窒処理をおこなう脱窒工程と、
脱窒後の被処理液中の懸濁物質を濾材により捕捉除去する懸濁物質捕捉工程と、
被処理水の溶解性有機物濃度（Ｃ）及び硝酸態・亜硝酸態窒素濃度（Ｎ）を測定する工程と、
この工程で測定された測定値に基づいて有機酸発酵処理層に導入する被処理水及び／又は汚泥の導入量と、脱窒処理層に導入する被処理水の導入量とを制御する制御工程と、
を具備したことを特徴とする生物膜ろ過方法。
制御工程は、溶解性有機物濃度（Ｃ）／硝酸態・亜硝酸態窒素濃度（Ｎ）が６〜１０の範囲に入るように有機酸発酵処理層に導入する被処理水及び／又は汚泥の導入量と、脱窒処理層に導入する被処理水の導入量とを制御する請求項７に記載の生物膜ろ過方法。