JP2005288417A - 生物ろ過装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特別な曝気装置などを用いずに生物ろ過装置におけるＤＯを調整する。
【解決手段】生物ろ過装置１４には、着水井１２から被処理水を自然落下により供給する。一方、生物ろ過装置１４内の水位を処理水排出配管に設けた流量調整弁２６の開度を調整することによって調整する。このように、生物ろ過装置１４内の水位を調整することで被処理水供給における落差を調整して被処理水に対する酸素供給量を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被処理水を、ろ材を充填したろ層に下降流で通過させ、前記ろ材に付着した生物により処理する生物ろ過装置に関し、特に、鉄、マンガン及びアンモニア性窒素を含む地下水等の浄化に好適な生物ろ過装置に関する。

従来より、浄水処理、工業用水処理、下水処理、排水処理などにおいて、微生物の働きを利用して、被処理水中の汚染物質を除去する生物処理法が利用されている。この生物処理法は、有機物やアンモニア性窒素の処理などに広く利用されているが、鉄、マンガンなどの除去にも利用されている。

例えば、地下水や河川水中の鉄、マンガン、アンモニア性窒素の除去に生物ろ過が利用される。緩速砂ろ過池も、このような生物ろ過の一つであるが、ろ過速度が４〜５ｍ／日と遅い。このため、砂以外のろ材を用い、ろ過速度７０〜３６０ｍ／日程度とより効率的な生物ろ過装置が提案されている（非特許文献１、２参照）。

この生物ろ過装置におけるろ材には、ポリエステル繊維、セラミックペレット、アンスラサイトなどがあり、下降流式でろ過を行っている。

ここで、生物ろ過装置において、効果的な処理を行うためには、生物ろ過装置におけるＤＯを制御することが必要であり、例えば、処理水ＤＯが目標値となるように、空気供給量を制御するフィードバック制御が用いられる（特許文献１、２参照）。

「鉄バクテリアを利用した自然ろ過方式による地下水処理」森藤他（神鋼パンテツク）第５４回全国水道研究発表会講演集 ｐｐ．３０６〜３０７ ２００３年５月 「セミナー資料 鉄バクテリア法など高効率生物処理（浄水処理）」２００３年１１月８日 環境技術研究協会 特開２００３−２８５０９２号公報 特開平１１−０９０４８０号公報

ここで、上水処理の対象として深井戸水があるが、この深井戸水では、鉄、マンガン、アンモニア性窒素などが処理対象となる場合が多い。そして、深井戸水中にはＤＯがほとんど含まれていないため、生物ろ過装置により処理する場合には、曝気などにより被処理水に酸素を供給し、被処理水のＤＯを除去対象物質の酸化に十分な濃度にする必要がある。ところが、ＤＯが過剰であると、被処理水中のイオン状シリカがコロイダルシリカとなって鉄と結合してしまったり、優先種となっている鉄細菌の種類によっては鉄除去性能が低下したりする。このため、鉄を除去対象とする場合には、被処理水のＤＯを４．０〜８．０ｍｇ／Ｌとなるように制御する必要がある。一方、アンモニアやマンガンを除去する場合、それらの濃度にもよるが被処理水のＤＯを８．０ｍｇ／Ｌ以上とする必要がある。

しかし、被処理水のＤＯをこのような高い濃度に制御すると、前述のように鉄の除去が阻害されてしまうという問題が生じる。

そこで、鉄、マンガン、アンモニアを同時に除去するためには、曝気装置や空気溶解装
置などによる空気供給量を処理水ＤＯなどに基づいて、精密に管理する必要であった。すなわち、ブロアや、曝気装置など被処理水に対する酸素供給量を制御できる装置を用い、これらによる酸素供給量を管理することが必要であった。

本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、曝気装置などの特別な装置を設けることなく、被処理水に対する酸素供給量を制御することができる生物ろ過装置を提供することにある。

本発明は、被処理水を、ろ材を充填したろ層に下降流で通過させ、前記ろ材に付着した生物により処理する生物ろ過装置において、前記生物ろ過装置内の水面に被処理水を上方より落下させ、被処理水に大気中の酸素を供給しながら被処理水を前記生物ろ過装置に供給する被処理水供給手段と、この被処理水供給手段による前記被処理水の落下位置と、前記水面の距離を調整することで被処理水への酸素供給量を調整する酸素供給量調整手段と、を有することを特徴とする。

また、前記酸素供給量調整手段は、前記生物ろ過装置内の水面の位置を上下することで酸素供給量を調整することが好適である。

また、前記酸素供給量調整手段は、前記ろ層を通過した処理水の生物ろ過装置からの流出量を調整する流量調整弁を有し、この流量調整弁の開度の調整により、前記水面の位置を調整することが好適である。

また、前記ろ層通過後の処理水の溶存酸素濃度を測定する測定手段を有し、この測定手段の測定結果に従って、前記酸素供給量調整手段を制御することが好適である。

本発明によれば、前記被処理水の落下位置と、生物ろ過装置の水面の距離を調整することで酸素供給量を調整する。これによって、曝気装置など特別の装置を設けることなく、被処理水に対する酸素供給量を制御することができる。従って、鉄と、マンガンの両方を含む被処理水など酸素供給量の制御が重要な処理を曝気装置など特別な装置を設けることなく効果的に行うことができる。

また、処理水の溶存酸素濃度に従って、落下距離を制御することで好適な酸素供給量制御を達成することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

本実施形態に係る生物ろ過装置では、深井戸水中のアンモニア、鉄およびマンガンを除去あるいは酸化する。この生物ろ過装置は、ろ層を構成するろ材を微生物担体として利用し、被処理水を下降流にてろ層に接触させる。そして、被処理水への酸素供給手段としてカスケード方式（被処理水供給流路と水面が縁切り状態となっており、被処理水が水面に落下して供給される）を採用し、生物ろ過処理水ＤＯに基づいて、装置内の水位を調整することで、酸素供給量を調整する。

図１は、実施形態に係る生物ろ過装置の構成を示す図である。井戸ポンプ１０によってくみ上げられた井水（深井戸水）は、着水井１２に貯留される。この着水井１２内の被処理水は、生物ろ過装置１４に供給される。ここで、着水井１２内の井水（被処理水）は、生物ろ過装置１４内の水面に対し落下するようにして供給される。その際、被処理水中に大気中の酸素が供給される。従って、この着水井１２から生物ろ過装置１４への被処理水の供給は、カスケード方式の酸素供給手段として機能する。

生物ろ過装置１４は、その内部にろ層１６を有しており、その下部の処理水室１８からろ層１６を通過した処理水が排出される。また、ろ層１６の上方には、逆洗時にろ層１６を構成するろ材が流出するのを防止する網２０が配置されている。さらに、生物ろ過装置１４内のろ層１６上方の水位を計測する水位計２２が配置されている。なお、ろ層１６を構成するろ材としては、プラスチック製のパイプ状円筒ろ材であって、直径４ｍｍ、高さ４ｍｍ、厚み０．５ｍｍ程度のものが好適である。

生物ろ過装置１４の処理水室１８は処理水槽２４に接続されるが、この接続配管には、流量調整弁２６が配置されており、この流量調整弁２６の開度を調整することで、生物ろ過装置１４からの処理水排水量が調整でき、これによって生物ろ過装置１４内の水位を調整することができる。

また、処理水槽２４には、処理水の溶存酸素濃度（ＤＯ）を計測するＤＯメータ２８が配置されている。そして、このＤＯメータ２８の計測値は、制御部３０に供給される。この制御部３０には、水位計２２からの計測値も供給されており、制御部３０は、流量調整弁２６の開度を調整して、生物ろ過装置１４内の水位を調整することで、カスケード式の酸素供給量を制御し、これによって処理水ＤＯが所定値になるように調整する。

処理水槽２４内の処理水は、次に混合槽３２に導入され、ここで無機凝集剤であるポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）と、酸化剤である塩素剤が混合される。そして、ＰＡＣおよび塩素が混合された処理水が急速ろ過池３４に供給される。ここで、ＰＡＣは、生物ろ過装置１４の処理水中に残留する鉄やマンガンを凝集するためのものであり、凝集フロックが急速ろ過池３４においてろ過除去される。また、塩素は、マンガンを酸化するためのもので、酸化されたマンガンが急速ろ過池３４において除去される。なお、急速ろ過池３４において、ろ材にマンガン酸化細菌を付着させ、マンガンを処理する場合には、混合槽３２における塩素注入は行わない。なお、塩素としては、通常次亜塩素酸ナトリウムが利用される。なお、急速ろ過池３４のろ材としては、ケイ砂やアンスラサイトなどが好適である。

また、ケイ砂やアンスラサイトに、酸化マンガン被膜を施したいわゆるマンガン砂ろ材を用いることも好適である。

急速ろ過池３４の処理水は、消毒剤としての塩素が添加された後、貯槽３６に一旦貯留された後配水される。

なお、処理水槽２４からの処理水は、生物ろ過装置１４の処理水室１８に逆洗ポンプ３８によって供給できるようになっており、逆洗ポンプ３８を駆動することによってろ層１６を逆洗する。このとき、逆洗排水（洗浄排水）は、ろ層１６の上方から排出する。また処理水室１８には洗浄用のブロア４０からの空気も供給できるようになっており、逆洗時に空気洗浄も合わせて行うことができる。

次に、本実施形態における生物ろ過装置１４における処理について、実施例を用いて詳細に説明する。

例えば、緩速ろ過池のように通水速度４〜５ｍ／ｄ程度の場合、風や藻類により水面あるいは水中で酸素が十分に供給されてしまう。従って、本実施形態のように、酸素供給量を適切なものに制御するためには、通水速度を緩速ろ過池などに比べ速くする必要がある。具体的には、通水速度をＬＶ４０ｍ／ｄ以上とする必要がある。

そして、本実施形態では、カスケード式の酸素供給量の調整方法として、生物ろ過装置１４の処理水の流路に流量調整弁２６を設け、処理水ＤＯの値と水位計の値によりその開度を調整して、生物ろ過装置１４内の水位を調整するようにした。例えば、水位調整→ＤＯ確認→水位微調整という制御を行うことで、ろ層１６周辺の被処理水ＤＯを適切なものに制御することができる。

＜実施例１＞
具体的に構成例である実施例１について、以下に説明する。直径φ２５０ｍｍ×高さＨ４，０００ｍｍの生物ろ過装置１４を用いて処理実験を行った。生物ろ過装置１４には、直径φ４．０ｍｍ×長さＬ４．０ｍｍ、厚み０．５ｍｍ、比重１．２５の円筒形ポリプロピレン製ろ材を高さとして１，２００ｍｍ充填した。

原水（被処理水）として、鉄３．０ｍｇ／Ｌ、マンガン０．４５ｍｇ／Ｌ、アンモニア性窒素０．５ｍｇ／Ｌを含んでいる深井戸水を用いた。原水の水温は２０℃前後で安定しており、溶存酸素濃度ＤＯは０．０ｍｇ／Ｌである。原水の水質が安定しているため、着水井１２から生物ろ過装置１４内水面までの落差１，０００ｍｍのときで生物ろ過処理水のＤＯは１．５〜２．５ｍｇ／Ｌとなることが確認された。

鉄、マンガン、アンモニア性窒素の酸化に必要な酸素量は、以下の式から算出される。
［鉄］
４Ｆｅ（ＨＣＯ₃）₂＋Ｏ₂＋６Ｈ₂Ｏ
→ ４Ｆｅ（ＯＨ）₃↓＋４Ｈ₂ＣＯ₃＋４ＣＯ₂↑＋５８ｋｃａｌ
Ｆｅ：Ｏ＝４×５６：１６×２＝１：０．１４
［マンガン］
４Ｍｎ（ＨＣＯ₃）₂＋Ｏ₂＋６Ｈ₂Ｏ
→ ４Ｍｎ（ＯＨ）₃↓＋４Ｈ₂ＣＯ₃＋４ＣＯ₂↑＋７６ｋｃａｌ
Ｍｎ：Ｏ＝４×５５：１６×２＝１：０．１５
［アンモニア性窒素］
ＮＨ₄ ⁺＋２Ｏ₂ → ＮＯ₃−＋Ｈ₂Ｏ＋２Ｈ⁺
Ｎ：Ｏ＝１４：１６×４＝１：４．５７

これより、上述の原水に必要なＤＯは、鉄３．０ｍｇ／Ｌ×０．１４＝０．４２ｍｇ／Ｌ＋マンガン０．４５ｍｇ／Ｌ×０．１５＝０．０７ｍｇ／Ｌ＋アンモニア０．５ｍｇ／Ｌ×（１８／１４）×４．５７＝２．９４ｍｇ／Ｌとなり、合計で３．４ｍｇ／Ｌ以上となる。

従って、生物ろ過装置１４の流入水ＤＯは、最低でも３．４ｍｇ／Ｌ以上必要であり、更に、運転管理上は生物ろ過処理水においてＤＯが検出されることが必要となる。

一方、ＤＯが高いと鉄が十分に除去されないことが明らかとなっているが、今回の原水では生物ろ過処理水ＤＯが４．５ｍｇ／Ｌとそれ程高くない場合でも処理水鉄濃度は０．４ｍｇ／Ｌと水道水質基準値０．３ｍｇ／Ｌを超えていた。よって、制御上の安全率を考慮すると、生物ろ過処理水ＤＯは１．０〜３．５ｍｇ／Ｌとすることが望ましい。

本実施例では、通水速度は１５０、２２５、３００ｍ／ｄの３種類とした。そして、生物ろ過処理水ＤＯ計の値が１．５〜３．５ｍｇ／Ｌとなるように、着水井１２から生物ろ過装置１４の入り口側の液面までの落差を流量調整弁２６により調節した。

具体的には、水位計２２により測定される落差を１，０００〜１，５００ｍｍとなるように、ＬＷＬからＨＷＬまでの高さを５００ｍｍとし、流量調整弁２６により、水位をこの範囲に維持した。そして、この落差の範囲において、ＤＯメータ２８の計測値が１．５〜３．５ｍｇ／Ｌとなるように流量調整弁２６を調整する。

生物ろ過装置１４の運転工程は、通水、逆洗、通水となっている。これら工程に沿って本実施形態に係る生物ろ過装置１４の運転について、説明する。

［通水工程］
逆洗後は、ろ過抵抗が初期状態に戻っているので流量調整弁２６を絞って、ここでの抵抗により生物ろ過装置１４内の水位を高くし、流入水の落差を１，５００ｍｍにする。この時の生物ろ過処理水ＤＯが１．５〜３．５ｍｇ／Ｌであればそのままとし、ＤＯが３．５ｍｇ／Ｌを超えている場合は、落差が大きすぎるので流量調整弁２６を少し閉じて落差を小さくする。ＤＯが設定範囲１．５〜３．５ｍｇ／Ｌとなったらその状態でろ過を継続する。

ここで、落差１，０００ｍｍ以上であれば、生物ろ過処理水ＤＯは１．５ｍｇ／Ｌ未満とならないことを確認している。そこで、生物ろ過処理水ＤＯが１．５ｍｇ／Ｌ未満となった場合には、何らかの異常があると考えられるので運転を停止する。

ろ過の進行に伴いろ材に懸濁物質が捕捉されてろ過抵抗が増し、生物ろ過装置１４内の水位が上昇するため落差は減少する。水位計２２により得られる落差が１，２００ｍｍ程度となったら流量調整弁２６を少しずつ開いてろ過抵抗を減らし、落差を１，４００ｍｍ程度とする。さらに、ろ過の進行に伴い落差が減少するので、流量調整弁２６を開いていく。

［逆洗工程］
最終的に流量調整弁２６を全開としても落差が１，０００ｍｍ以下となった場合は通水を停止し、ブロア４０からの空気による空気洗浄、および逆洗ポンプ３８からの逆洗水による水逆洗によって、ろ層１６を再生する。

［処理結果］
このように、生物ろ過処理水ＤＯを１．５〜３．５ｍｇ／Ｌとした場合の生物ろ過処理水のＤＯ、鉄濃度、マンガン濃度、アンモニア性窒素濃度を、生物ろ過処理水ＤＯ４．０ｍｇ／Ｌ以上、具体的には６．０ｍｇ／Ｌとしたときのデータと合わせて図２に示す。なお、この生物ろ過処理水ＤＯ６．０ｍｇ／Ｌという値は、着水井１２にて噴水方式でＤＯ供給を行った場合のものである。

生物ろ過処理水ＤＯ、生物ろ過装置流入水ＤＯのいずれでも同様であるが、ＤＯの違いにより、鉄の除去性に大きな差があることが確認できた。すなわち、マンガンは、生物ろ過処理水ＤＯが、２．５ｍｇ／Ｌでも６．０ｍｇ／Ｌでも、かなりの除去率が達成でき、６．０ｍｇ／Ｌとした場合の方が処理水マンガン濃度は低くなる。一方、鉄は、生物ろ過処理水ＤＯを６．０ｍｇ／Ｌとした場合には、ほぼ０．５ｍｇ／Ｌであり、生物ろ過処理水ＤＯを２．５ｍｇ／Ｌとした場合の、ほぼ０．１２〜０．０７ｍｇ／Ｌ程度とは大きな差がある。

また、原水水質が変化した場合における生物ろ過処理水の水質について表１に示す。

このように、生物ろ過処理水ＤＯを２．５ｍｇ／Ｌあるいは２．１ｍｇ／Ｌに維持した場合には、鉄、マンガン、アンモニア性窒素のいずれも、低濃度となっている。一方、生物ろ過処理水ＤＯを６．０ｍｇ／Ｌや、５．８ｍｇ／ｌとした場合には、鉄の除去率がかなり悪くなっている。そして、本実施形態の処理によれば、鉄、マンガン、アンモニア性窒素、濁度、色度において、原水水質が変化しても生物ろ過処理水の水質は安定していることが確認された。

［その他］
なお、着水井１２において、被処理水の排出高さを変更可能にし、生物ろ過装置１４への流入時の落下距離を変更することも可能である。この場合、着水井１２に複数の高さの排出口を切り換え可能に設けることなどが好適である。また、生物ろ過装置の処理水排出管の立ち上がり部分の高さを変更することによっても、生物ろ過装置内の水位調整を行うことができる。さらに、生物ろ過装置において、酸素供給量を制御する場合には、他の処理対象であっても本実施形態の装置が好適に利用可能である。

以上のように、本実施形態に係る生物ろ過装置によれば、下降流式生物ろ過装置において、曝気装置や空気溶解装置を用いることなく処理水ＤＯを任意の値に調整することが可能となった。これにより、一つの生物ろ過装置によって、鉄、アンモニアおよびマンガンを同時に除去することが可能となった。

実施形態に係る生物ろ過装置を含むシステムの構成を示す図である。 処理水ＤＯの影響を示す特性図である。

符号の説明

１２ 着水井、１４ 生物ろ過装置、１６ ろ層、１８ 処理水室、２０ 網、２２ 水位計、２４ 処理水槽、２６ 流量調整弁、２８ ＤＯメータ、３０ 制御部、３２ 混合槽、３４ 急速ろ過池、３６ 貯槽、３８ 逆洗ポンプ、４０ ブロア。

Claims (4)

1. 被処理水を、ろ材を充填したろ層に下降流で通過させ、前記ろ材に付着した生物により処理する生物ろ過装置において、
   前記生物ろ過装置内の水面に被処理水を上方より落下させ、被処理水に大気中の酸素を供給しながら被処理水を前記生物ろ過装置に供給する被処理水供給手段と、
   この被処理水供給手段による前記被処理水の落下位置と、前記水面の距離を調整することで被処理水への酸素供給量を調整する酸素供給量調整手段と、
   を有することを特徴とする生物ろ過装置。
2. 請求項１に記載の生物ろ過装置において、
   前記酸素供給量調整手段は、前記生物ろ過装置内の水面の位置を上下することで酸素供給量を調整することを特徴とする生物ろ過装置。
3. 請求項２に記載の生物ろ過装置において、
   前記酸素供給量調整手段は、前記ろ層を通過した処理水の生物ろ過装置からの流出量を調整する流量調整弁を有し、この流量調整弁の開度の調整により、前記水面の位置を調整することを特徴とする生物ろ過装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の生物ろ過装置において、
   前記ろ層通過後の処理水の溶存酸素濃度を測定する測定手段を有し、
   この測定手段の測定結果に従って、前記酸素供給量調整手段を制御することを特徴とする生物ろ過装置。

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