JP2005313081A - 水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 既存処理施設の増設を必要とせず、最終沈殿池の負荷を高めることなく、負荷水量の増加に対応できるる水処理装置を提供する。具体的には、活性汚泥や担体が最終沈殿池に流出することを防止して、処理時間の短縮や処理の安定を図る。また、既存設備を拡張することなく、必要に応じて、ＢＯＤ除去、窒素除去およびリン除去を可能とする。
【解決手段】 生物反応槽（２）は、好気槽（５）、無酸素槽＋好気槽、嫌気槽＋無酸素槽＋好気槽から選択され、無酸素槽および好気槽（５）では担体（１６）を用い、好気槽（２）の末端部から、無酸素槽または好気槽（２）の先端部へ担体混合液を返送する返送管（１０）を設け、返送管（１０）には気体分散器（１４）で気体を均等に返送管に送気するようにし、生物反応槽（２）の末端部に、パンチングプレート（１７）を設け、かつ、初沈汚泥を嫌気槽に導入するようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、下水、産業廃水、し尿などの排水の処理に関し、特に、活性汚泥を保持する担体を利用した水処理装置に関する。

従来より、水処理においては、活性汚泥法が広く用いられているが、高い活性汚泥濃度が保持できないため、処理時間が長く、負荷変動に対する処理の安定性に問題があった。また、閉鎖性水域における富栄養化現象の原因となる窒素およびリンなどの栄養塩類を除去することが求められていた。

一方、わが国の下水処理施設においては、すでに増設のスペースがなく、また、増設のための土地の取得が困難な状況にあり、既存の施設を利用してより高度な水処理を可能とすることが要求されている。

これに対して、微生物や活性汚泥を保持しうる担体素材の性能向上に伴い、これらの担体を利用した水処理装置が開発されている。

たとえば、特許第３２８５２５２号公報や特開２００２−２６３６８７号公報において、微生物固定化担体を内在する好気槽と無酸素槽とを有する硝化脱窒法による有機性汚水の生物処理による水処理装置が開示されている。

かかる水処理装置においては、微生物固定化担体は好気槽にのみ保持されるが、微生物固定化担体が被処理水とともに好気槽を流下し、好気槽末端部の担体濃度が高くなり、槽内に担体の濃度分布が生ずるという問題がある。また、微生物固定化担体を好気槽内に保持するために好気槽流出側に担体分離スクリーンを設ける必要がある。好気槽からの流出水は硝化液として無酸素槽に移送されるが、従来の微生物固定化担体は好気性処理においてのみ使用でき、無酸素槽における脱窒には適さないことから、無酸素槽には移送できなかった。

この問題に対して、特許第３２８５２５２号公報に記載された発明では、好気槽末端部の気液混合移送手段からの返送ラインに担体分離器を設けて、途中で固液を分離し、微生物固定化担体を好気槽先端に返送し、好気槽流出液を無酸素槽に移送している。この移送に対しては、エアリフトポンプなどが使用されるが、処理水の流下速度やスクリーン構造を原因として、気液混合移送手段の下流側にある担体分離スクリーンに微生物固定化担体が接触して、摩耗したり、その他の夾雑物とともにスクリーンを閉塞して、スクリーン前後の水位差により、担体分離スクリーン上方から活性汚泥混合液が流出したり、担体分離スクリーンの変形を生じることとなる。

特開２００２−２６３６８７号公報に記載された発明では、硝化液の移送をスクリーンの下流側で行い、スクリーンの前後に水位センサーを設けることで、消化液の循環量を調整して、スクリーンからの活性汚泥液の越流や担体の流出を防止している。しかし、この場合には、担体の分布を調整するためには、別途、担体の返送手段を設ける必要があった。

さらに、微生物固定化担体の活性を維持するために好気槽内部に設備されている散気装置の改修を行う際には、好気槽を休止して、内部を空にする必要があり、これに対して、特許第３２８５２５２号公報に記載された発明では、並列に配置された複数系列の別の系の装置に微生物固定化担体を移送する手段を設けて対処しており、硝化液や微生物固定化担体の移送ラインが複雑なものとなっている。

一方、既存の設備を利用して、嫌気性処理、無酸素処理および好気性処理を１つの反応槽で行う嫌気・無酸素・好気法による水処理装置が開発されている。かかる水処理装置は、第１固液分離手段（最初沈殿池）、反応槽、第２固液分離手段（最終沈殿池）からなり、反応槽は、嫌気槽、無酸素槽および好気槽に３分割された構成となっている。

まず、流入排水は、最初沈殿池で固液分離され、その分離液が嫌気槽に導入され、嫌気槽では、最終沈殿池から返送汚泥管を通じて返送された返送汚泥と、前記分離液が接触される。この際、返送汚泥に含まれるリン蓄積菌が、流入排水中の溶解性ＢＯＤ（主に揮発性有機酸）を取り込むと同時に、菌体内に蓄積していたリンを放出する。

次に、嫌気槽の流出水は無酸素槽に導入され、無酸素槽では、好気槽で酸化された酸化態窒素を含む混合液が循環され、無酸素状態で前記流出水および混合液が接触される。これにより、汚泥中に含まれる脱窒細菌が流入排水中のＢＯＤを利用して脱窒を行い、酸化態窒素は窒素ガスとして除去される。

さらに、無酸素槽の流出水は好気槽に導入され、好気状態下で流入排水中のＢＯＤは酸化分解されるとともに、汚泥中に含まれる硝化細菌によりアンモニア態窒素や有機態窒素が硝化され、リンはリン蓄積菌により過剰に再摂取され、液相中から除去される。

好気槽の流出水は最終沈殿池に導入され、処理水と汚泥とに固液分離され、処理水は消毒後に放流され、汚泥は返送汚泥管を通じて嫌気槽に一部返送される。また、汚泥の一部は余剰汚泥として汚泥処理工程で処理されるか、いったん最初沈殿池に移送し、初沈汚泥とともに汚泥処理工程で処理される。

嫌気・無酸素・好気法による水処理装置では、リンの除去に関して、排水水質の変動により嫌気槽でのリン蓄積菌のリン放出が不安定となり、好気槽での十分なリン除去が得られないという課題があった。これに対して、本出願人等により開示された特開平１１−１５６３８７号公報では、最初沈殿池からの分離水を嫌気槽へ導入せず、最初沈殿池からの初沈汚泥を導入する汚泥調質槽で得られる揮発性有機酸（ＶＦＡ）を含んだ酸発酵液を導入し、最終沈殿池から導入された返送汚泥と接触させ、嫌気槽での流入排水の影響を取り除いている。

特開平１１−１５６３８７号公報に記載の水処理装置においては、反応槽容積の縮小化に対して、微生物固定化担体を利用して、微生物保持量を高めることで、流入排水中の有機物や窒素を安定かつ効率的に除去している。すなわち、硝化・脱窒に係る無酸素槽および好気槽の全ＭＬＳＳ濃度（これらの槽における活性汚泥全体の濃度）を、微生物固定化担体を利用しない場合に比べて、２倍以上保持して、汚泥滞留時間（ＳＲＴ）を十分に確保して、処理の効率化を図っている。

特許第３２８５２５２号公報

特開２００２−２６３６８７号公報

特開平１１−１５６３８７号公報

本発明は、既存の下水処理施設において、生物処理槽や最終沈殿池の拡張といった既存処理施設の増設を必要とすることなく、最終沈殿池の負荷を高めることなく、負荷水量の増加に対応でき、かつ、バルキングを防止しうる水処理装置を提供することを目的とする。

具体的には、活性汚泥や微生物を担持した担体が、最終沈殿池に流出することを防止して、最終沈殿池の負荷を高めず、かつ、余剰汚泥の発生を抑制し、さらには、処理時間の短縮や処理の安定を図ることができる水処理装置を提供する。

また、既存設備を拡張することなく、必要に応じて、ＢＯＤ除去、窒素除去およびリン除去を可能な設備を提供する。

本発明による水処理装置は、生物反応槽に返送管を設け、前記返送管は下流側に吸引口と、上流側に吐出口とを有し、かつ該吸引口と該吐出口の間に送気管を備えた水処理装置において、前記生物反応槽が担体を用いた好気槽であり、かつ担体分離器を備える。

前記生物反応槽が担体を用いた好気槽と、担体を用いた無酸素槽とからなり、かつ担体分離器を備えることが望ましい。

前記生物反応槽が担体を用いた好気槽と、担体を用いた無酸素槽と、嫌気槽とからなり、かつ担体分離器を備えることが望ましい。

前記生物反応槽に有機物添加管を備えたことが望ましい。

前記送気管の吐出口近傍に気体分散器を備えたことが望ましい。

本発明による水処理装置では、活性汚泥を高濃度にできるので、活性汚泥循環変法が必要とする反応槽の容量の半分となる。すなわち、活性汚泥循環変法と比較して半分の滞留時間でＢＯＤ、窒素の除去が可能となる。

活性汚泥を保持する担体は、反応槽内でのみ滞留するため、最終沈殿池の負荷を高めずに活性汚泥を高濃度とすることができ、最終沈殿池を拡張する必要がなく、既存の設備を利用できる。

担体の投入により、活性汚泥を反応槽内に高濃度に保持でき、ＳＳ負荷が低下するので、汚泥の沈降性を安定化することができる。

担体混合液の返送に、エアリフト循環を利用し、循環ポンプに係るコストを低減できる。

硝化において汚泥の管理が重要であるが、硝化菌を担体に保持できるため、維持管理が容易となり、汚泥滞留時間に関係なく、低い水温でも所定の滞留時間で高い窒素除去率を得られる。さらに、高水温時で窒素負荷が高くても、高い窒素除去率を得られる。そのため、高窒素負荷処理が可能となった。

嫌気槽と、担体を利用する無酸素槽と好気槽の組合せを、既存の標準活性汚泥法の設置面積と同程度の大きさで、脱窒と脱リンが同時に除去可能となり、生物反応槽の構造を変更することなく、既存の処理装置に適用でき、処理施設の省容量化、省スペース化が図れる。さらに、脱窒や脱リンに際して、メタノールや薬品の添加を不要としつつ、高い窒素とリンの除去率を得ることができる。

本発明の一態様では、返送管の中に送気管を設けないので、返送管の口径を小さくでき、設備コストを削減できる。また、吐出口を水中にすると、揚程を小さくできるので、揚水効率を向上させることが可能となり、運転コストを少なくできる。

図１は、本発明による水処理装置の第１態様を示すフローシート図である。なお、全図を通じて、同一または相当部分には同一符号を付して重複説明を省略する。また、担体（１６）は、説明のために一部を図示し、大部分の図示を、存在が分かる程度に省略した。また、全図を通じて、水などの流れを矢印で示した。

図１から明らかなように、第１態様では好気槽（５）のみからなる生物反応槽（２）から構成される。

最初沈殿池（第１固液分離手段）（１）には、沈殿池のほかに膜を利用した分離装置やろ材を利用したろ過装置を採用してもよい。最初沈殿池（１）で固液分離された分離液を、移送管（１３）で好気槽（５）に導入し、最初沈殿池（１）からの汚泥および最後沈殿液からの返送汚泥を管路で導入する。

最初沈殿池（１）の汚泥は、ローターマットを通じてし渣を除いた後に投入するとよい。投入される汚泥の濃度が設定濃度となるように、電動調節弁を制御して、最初沈殿池（１）の投入量を制御する。たとえば、２２０００ｍ³ ／日あたりで、最初沈殿池（１）からの初沈汚泥８０〜９０ｍ³ ／日を投入する。なお、最初沈殿池（１）の汚泥を投入しているが、最初沈殿池（１）からの汚泥を汚泥調質槽（図示せず）に導き、汚泥発酵物ないしは汚泥発酵後の上澄水など、易分解性有機物を投入してもよい。

担体（１６）は、微生物を保持する。この担体（１６）は、主に一辺もしくは直径が５〜３０ｍｍの立体形状のポリウレタン製のものを用いるが、ポリエステルやポリプロピレンなど、生分解性がきわめて低く、耐食性、耐久性に優れていれば、材質は任意である。また、活性炭などの天然素材を用いてもよい。また、曝気や撹拌により槽内を流動し、微生物を保持できる機能を有するものであれば、形状や大きさは任意である。また、微生物の保持形態も、微生物を担体（１６）の表面や内部に付着固定させてもよく、あるいは、担体材料で微生物を包括固定してもよい。さらに、担体（１６）の材質は、無機性物質および有機性物質のいずれでも適用可能である。

好気槽（５）の末端部から先端部へ、好気槽（５）の混合液および担体（１６）を循環させる返送管（１０）が設けられる。返送管（１０）はエアリフト部（３１）と横引き部（３２）からなり、送気管と気体分散器（１４）が設けられる。返送管（１０）に混合液および担体（１６）を取り入れる吸込口（１５）は、槽下部に設けられる。返送管（１０）に、気体分散器（１４）としてエアの吹込のための孔（２５ｍｍ）を複数個設けて、空気溜まりを設けて、空気の吹込みを均一にする。孔の位置は、管の切り口が角でも、管の切り口が円でも、同一面の周囲に設ける。吐出量を大きくするためには、気体分散器（１４）は、できるだけ下部に設けることが望ましい。返送管（１０）の吸込口は、略４５°からそれよりも下向きに構成することが望ましい。なお、気体分散器（１４）の空気吹込み口の孔径は、移送量により変化する。

返送管（１０）エア抜きバルブは、水面より上に設ける。これは脈動を防ぐためであるが、エア抜きバルブを閉めることにより、強制的に脈動を発生させて、担体（１６）の汚泥を落とすことも可能である。

返送管（１０）の移送部分は、水中に設けても、水面より上に設けてもよい。形状は管路でもよいが、水面より上に設けた開水路としてテーパーを１／１００程度とすることもできる。担体（１６）を含む混合液を開水路で返送することで、水と担体（１６）の分離や蓄積を防止することができる。また、混合液や担体（１６）の循環量の確認も、開水路における流速の測定や水深の測定が簡単なので、容易となる。さらに、初期の担体投入時に開水路に投入することで、担体（１６）と水を急速になじませることで、馴養期間を短くすることが可能となる。

好気槽（５）の末端部には、担体（１６）と好気槽（５）からの流出液を分離する手段として、担体分離器（例えば、パンチングプレート）（１７）を用いる。主として孔径３〜２０ｍｍφで、開孔率はパンチングプレート（１７）の強度が保持できる最大として、加工を行うのがよい。なお、パンチングプレート（１７）の厚さは、１〜５ｍｍとするのが良い。

パンチングプレート（１７）は、好気槽（５）の末端において、垂直に設けるが、槽の形状などによっては傾斜があってもよい。一般には、処理水の流れる方向に直角に設けられるが、好気槽（５）の末端部において、コの字形状に好気槽（５）の末端部に設置したパンチングプレートを通過するようにしてもよい。

パンチングプレート（１７）の孔の大きさやピッチについては、担体（１６）の大きさなどの要因により決定される。ただし、好気槽（５）の担体（１６）がスムーズに流動するためには、パンチングプレート（１７）の開孔部を通過する流出液の通過速度を、通常は、０．３〜３ｃｍ／ｓｅｃとすることが好ましい。

好気槽末端の担体分離器（１７）として、バースクリーンや集水管を設けて担体分離を行いうるが、担体（１６）がバーに食い込むなどして、担体（１６）の摩耗が激しい。しかし、パンチングプレートは、内側に突起がなく、摩擦係数が低いことから、担体接触側が滑らかであり、担体（１６）の摩耗を防止することができる。なお、担体分離器（１７）は、これに限らず、担体（１６）の摩耗が少なく、分離可能なものであれば、いかなるものでもよい。

かかる担体分離器（１７）を設けることにより、担体（１６）の摩耗を防止し、かつ、夾雑物による閉塞により、担体分離器（１７）の前後での水頭差が生じるのを防止することができ、担体（１６）や活性汚泥を、最終沈殿池（９）に導くことがない。

さらに、担体分離器（１７）の上流側下部に、担体分離器に平行に曝気の帯ができるように洗浄用散気設備（１９）を設ける。これにより、担体分離器（１７）に沿って上向流が生じる。そこで、流水方向の流れで担体分離器（１７）に寄ってきた担体（１６）は、浮上しながら、担体分離器（１７）に付着した夾雑物やスカムを掻き取りながら移動することで、担体分離器（１７）前後の水頭差ができることを防止できる。なお、担体分離器（１７）近傍に消泡装置を設けてもよい。

好気槽（５）には、処理水の流れる方向と平行に、散気設備（８）が設けられる。散気設備（８）は、好気槽（５）内の処理水を曝気できるものであれば、任意である。散気設備（８）としては、微細気泡散気筒を用いることが推奨されるが、散気板などを用いることもできる。微細気泡散気筒を使用する場合、孔の開いたキャップを取り付け、担体（１６）が散気設備（８）内に入り込まないようにする。

散気設備（８）は、圧力損失が大きく、かつ、経日的に変化（増加）するので、底部固定の新しい散気設備を設けるだけでは、既設の散気設備との空気配分がうまくいかないことがある。そこで、図５に示すように、ヘッダー管の高さを調整できるように可動式とする。可動式とすることで、吊上げ可能となり、散気設備（８）の交換が容易となる。これにより、担体（１６）を抜いて、好気槽（５）を空にすることなく、散気設備（８）の交換が容易に行える。

好気槽（５）では、散気設備（８）により曝気し、好気性処理を行うことで、ＢＯＤの酸化分解、硝化細菌による窒素成分の硝化が行われる。担体（１６）は、槽容積あたり５〜５０％程度を投入する。担体（１６）の投入により、好気槽（５）での活性汚泥の保持濃度が向上するので、ＢＯＤの除去効率が向上する。さらに、担体（１６）の内部が無酸素状態となっていることから、担体（１６）の好気槽脱窒により窒素の除去も可能となる。このことで、担体（１６）を含む混合液を、好気槽（５）から無酸素槽（後述する）に循環運転することにより、担体（１６）を投入しない場合の１０〜３０％増の窒素除去が可能となる。すなわち、同じ窒素除去量を得るのに循環量を減らすことができ、動力費を削減できる。また、担体（１６）を投入した好気槽（５）のみの運転でも、担体（１６）を投入しない場合の２５％程度の窒素の除去が見込める。例えば、窒素除去の５０％の内、余剰汚泥として２５％、好気槽脱窒で２５％、除去できることになる。また、前述の構成により、好気槽（５）での担体（１６）の分布に偏りが生じることはなく、さらに、担体（１６）の摩耗を最小限に抑えた水処理が可能となる。さらに、担体（１６）は、反応槽内のみで滞留するので、最終沈殿池（９）の負荷を高めることなく、活性汚泥を高濃度とすることができる。これにより、余剰汚泥の発生量を、標準活性汚泥法と同程度に抑えることが可能となり、最終沈殿池（９）の拡張が不要となる。

図２は、本発明の水処理装置の第２態様を示す。第２態様における生物反応槽（２）は、無酸素槽（４）および好気槽（５）から構成される。

この態様では、無酸素槽（４）と好気槽（５）は、仕切により分離されている。仕切の上部より無酸素槽（４）の処理水が、好気槽（５）に流入する。このことで、無酸素槽（４）の状態と好気槽（５）の状態を分けることが可能となる。

無酸素槽（４）には、無酸素撹拌状態を生じさせるための撹拌機（７）が設置される。無酸素槽（４）における撹拌機（７）の羽根の枚数は、撹拌回転数を抑える必要があるため、４枚以上とするが、３〜１０ｒｐｍ程度で運転できて、無酸素槽（４）内に流れを生じて、担体（１６）が流動する状態にできるなら、枚数に制限はない。撹拌機（７）の上部には、発泡を抑制するための羽根を取り付けてもよい。また、担体（１６）の摩耗や損傷を防止するため、羽根の形状は角を丸くしたものが好ましい。担体（１６）の摩耗や酸素の溶け込みを防止するために、撹拌機（７）は３〜１５ｒｐｍで運転可能なものが必要である。

第２態様においては、最初沈殿池（１）からの分離液は、移送管（１３）を通じて無酸素槽（４）に導入される。また、最初沈殿池（１）からの初沈汚泥は、汚泥用スクリーン（１１）（例えばローターマット）を通して移送管（１３）を通じて無酸素槽（４）に導入される。また、好気槽（５）の混合液は、担体（１６）とともに返送管（１０）により無酸素槽（４）に循環される。その他の構成は、第１態様と同様である。

無酸素槽（４）では、最初沈殿池（１）からの分離液が流入するとともに、好気槽（５）からの担体（１６）を含んだ硝化液が、返送管（１０）により循環しており、無酸素槽（４）内での撹拌機（７）による無酸素撹拌状態下で、活性汚泥中に含まれる脱窒細菌が、排水および初沈汚泥の有機物（ＢＯＤ）を利用して、循環してくる酸素態窒素を脱窒し、窒素ガスとして除去する。

無酸素槽（４）では、酸化還元電位ＯＲＰによる制御運転が望ましい。この場合、ＯＲＰセンサー（図示せず）を設置し、測定値に基づいて投入汚泥量、分離液量、循環水量を制御することにより、無酸素槽（４）内を無酸素状態に保持することが可能となる。無酸素槽（４）では、概ね０〜−３００ｍＶの酸化還元電位ＯＲＰで運転することが好ましい。

脱窒処理された担体（１６）を含んだ混合液は、好気槽（５）に導入され、前述した好気性処理が施される。第２態様では、無酸素槽（４）と好気槽（５）に担体（１６）を添加することにより、硝化速度と脱窒速度の両方の向上を図れる高窒素負荷運転が可能となる。特に、硝化菌が担体（１６）に固定されているため、成長速度の遅い硝化菌の汚泥滞留時間の管理が容易となる。その他、反応槽内での担体（１６）の偏りを生ずることなく、また、担体（１６）の摩耗を抑制できる点は、第１態様と同様である。

図３は、本発明の水処理装置の第３態様を示す。第３態様における生物反応槽（２）は、嫌気槽（３）、無酸素槽（４）および好気槽（５）から構成される。その他の構成は、第１態様および第２態様と同様である。

この態様では、嫌気槽（３）と無酸素槽（４）の間、および無酸素槽（４）と好気槽（５）との間は、仕切により分離されている。嫌気槽（３）と無酸素槽（４）の間の仕切の上部に開口部を設ける。当該開口部を上部に設けるのは、スカムを流すことと、角落としを入れてレベルを調整することで、水没して担体（１６）が流量の変動により無酸素槽（４）から嫌気槽（３）に逆流することを防止するためである。また、無酸素槽（４）の処理水は、仕切上部より好気槽（５）へと流入することで、無酸素の状態と好気の状態を分けることが可能となる。

嫌気槽（３）には、嫌気撹拌状態を生じさせるための撹拌機（６）が設置される。撹拌機（６）は、酸素の溶け込みを防止する運転が可能な攪拌機であればよい。

第３態様においては、最初沈殿池（１）からの分離液、および汚泥用スクリーンを通じた最初沈殿池（１）からの初沈汚泥は、それぞれ移送管（１３）を通じて、嫌気槽（３）および／または無酸素槽（４）に導入される。また、好気槽（５）の混合液は、担体（１６）とともに返送管（１０）により無酸素槽（４）に循環される。その他の構成は、第１態様および第２態様と同様である。

最初沈殿池（１）からの初沈汚泥を、移送管（１３）を通じて、嫌気槽（３）や無酸素槽（４）に投入して、有機物として使用する。これにより、嫌気槽（３）において、最初沈澱池からの分離液や初沈汚泥よりの有機物は、リン蓄積菌のリン放出に利用される。また、無酸素槽（４）では、脱窒菌がこの有機物を利用して脱窒を行う。これにより、嫌気工程におけるリン放出や、無酸素工程における脱窒に対する有機物不足を、酸発酵槽を別途設けることなく、既存設備における初沈汚泥を利用することで、安価に解消できる。

嫌気槽（３）では、最初沈殿池（１）からの分離液が流入するとともに、汚泥用スクリーンを通じた最初沈殿池（１）からの初沈汚泥が導入される。ここで、リン蓄積菌は、撹拌機（６）による嫌気撹拌状態下で、初沈汚泥や分離液の有機物を、菌体内に貯蔵したポリリン酸を加水分解して得られるエネルギーで、菌体内に取り込む。すなわち、菌体内に蓄積していたリンを確実に放出する。さら好気・嫌気状態の繰り返し条件下では、好気条件下で、リン酸を細胞内に過剰に取り込み、ポリリン酸の形で細胞内に貯蔵する。また、この嫌気槽（３）では、糸状性細菌を不活性化できるので、沈降性のよい浮遊性汚泥が得られる。これにより、バルキングを防止することができる。

嫌気槽（３）においても、酸化還元電位ＯＲＰによる制御運転が望ましい。この場合、ＯＲＰセンサー（図示せず）を設置し、測定値に基づいて導入汚泥量、分離液量を制御することにより、槽内を嫌気状態に保持することが可能となる。嫌気槽（３）においては、概ね、−２００〜−５００ｍＶの酸化還元電位ＯＲＰで運転することが好ましい。

嫌気処理された混合液は、無酸素槽（４）に導入され、前述した脱窒処理が行われ、さらに脱窒処理された混合液は好気槽（５）に導入され、前述した好気性処理が施される。

第３態様では、無酸素槽（４）と好気槽（５）に、担体（１６）を添加することにより、硝化速度と脱窒速度の両方の向上を図れる高窒素負荷運転が可能となる。特に、硝化菌が担体（１６）に固定されているため、成長速度の遅い硝化菌の汚泥滞留時間の管理が容易となる。その他、反応槽内での担体（１６）の偏りを生ずることなく、また、担体（１６）の摩耗を抑制できる点は、第１態様と同様である。

さらに、別途施設を設ける必要なく、処理水量の増加のみならず、脱窒のためのメタノールや脱リンのための薬品の添加を必要とせずに、窒素やリンの効率的な除去が可能となる。また、既存設備を利用して、負荷処理水の増加に対応したＢＯＤ、ＳＳの除去と同時に、窒素とリンの除去も可能となり、用地に制約があり、かつ、リン除去が必要な閉鎖性水域に放流する処理場において有用である。

［実施例１］
図１に示したように、生物反応槽（２）が好気槽（５）からなる水処理装置を用いて、有機物と窒素除去に適用した。

既存の処理施設の好気槽の下流側末端部に、担体分離器（パンチングプレート）（１７）を設けた。さらに、気体分散器（１４）と送気管（１２）とを備えた返送管（１０）を設けた。

担体分離器（パンチングプレート）（１７）は、厚さが２ｍｍであり、孔径８ｍｍφで、開孔率は４０％であった。開孔部を通過する通過速度は、１．４ｃｍ／ｓｅｃで行った。

図５に示したように、散気装置（８）のヘッダー管は、ニージョイント（２０）で結合された２本のライザー管（２１）に接続され、上部のリフトディフューザ本体（２２）に接続され、さらにブロワー（図示せず）に接続される。ブロワーからの空気は、これらのライザー管（２１）等を通じて散気装置のヘッダー管８に送られる。リフトディフューザ本体（２２）およびニージョイント（２０）の２カ所には、ヒンジが設けられており、リフトディフューザ本体（２２）およびニージョイント（２０）を回転させながら引っ張ることで、ヘッダー管を吊り上げることが可能である。

図４、７に示すように、気体分散器（１４）を備えた返送管（１０）は、担体（１６）が流れるに十分な管径にした。返送管エアリフト部（３１）は、図４に示すように、吸込口（１５）と気体分散器（１４）とからなる。返送管エアリフト部（３１）は、担体分離器（パンチングプレート）（１７）の上流側に設置した。槽下部に設けられる担体（１６）および混合液の吸込口（１５）は、円錐形状で、吸込口（１５）が水平に対して４５°とした。かかる吸込口（１５）は、返送管の垂直管路に接続される。垂直管路の底部側に気体分散器（１４）を設けた。垂直管路は、水面上でエルボにより接続され、返送管（１０）は、好気槽（５）の末端から先端部へ伸長し、エルボに接続された吐出口（２５）を設けた。また、前記担体分離器（パンチングプレート）（１７）の上流側下部に洗浄用散気設備（１９）を設けた。なお、吸込口（１５）は図１、２、３に示すようにスクリーンの上流側で、返送管横引き部（３２）に接続することもできる。吸込口（１５）の形状は円錐形状に限らず、吸い込みが容易であればよい。

担体（１６）として、１５×１２×１２ｍｍの大きさのポリウレタン製のスポンジを用いた。担体（１６）の投入率は、槽容積比で２０％であり、担体混合液の返送率は、除去率によって変化させた。

以上の構成の生物反応槽（２）を有する水処理装置を、１年間にわたり連続運転を行った。処理対象は都市下水であった。

その結果、活性汚泥を、生物反応槽内に高濃度に保持できたことから、ＳＳ負荷が低下し、汚泥の沈降性が安定した。そのため、浮遊性汚泥濃度は１０００〜２０００ｍｇ／Ｌであったが、担体（１６）に保持された活性汚泥を含めた全活性汚泥濃度は、３０００〜４５００ｍｇ／Ｌであった。

好気槽（５）に担体（１６）を添加したことにより、好気槽（５）での活性汚泥の保持濃度が向上し、ＢＯＤの除去率が向上し、９５％以上の除去率であった。さらに、担体（１６）による好気槽脱窒が可能となり、窒素は、平均して３０〜５０％の除去率が得られた。

また、担体混合液の返送に、エアリフト循環を利用したため、循環ポンプにかかるコストが低減された。また、好気槽（５）での担体（１６）の分布に偏りはなく、さらに担体（１６）が担体分離器（パンチングプレート）（１７）に詰まることなく、担体（１６）の摩耗も１％以下であった。

吸込口（１５）の近傍で、担体分離器（パンチングプレート）（１７）の上流側下部に設けた洗浄用散気設備（１９）により、担体（１６）やゴミが、パンチングプレートに詰まることがなく、そのため、担体（１６）は、生物反応槽内にのみ滞留し、担体分離器（パンチングプレート）（１７）をオーバーフローすることがなかった。さらに、活性汚泥が担体（１６）内に保持されることから、最終沈殿池（９）の負荷を高めることがないため、既存の最終沈殿池（９）による処理で問題は生じなかった。さらに、余剰汚泥発生量も、従来の標準活性汚泥方と同程度であった。

［実施例２］
図２に示したように、既存の処理施設に対して、生物反応槽（２）を無酸素槽（４）と好気槽（５）に仕切り、無酸素槽（４）に、撹拌機（７）を設けた以外は、担体（１６）およびその投入率も含めて、実施例１と同様の構成とした水処理装置を設置した。

返送管（１０）により、担体（１６）と混合液は、好気槽（５）の末端から無酸素槽（４）の先端に返送される。担体（１６）と処理水は、オーバーフローによって無酸素槽（４）から好気槽（５）へ移動することができる。

以上の構成の生物反応槽（２）を有する水処理装置を、１年間にわたり連続運転を行った。処理対象は都市下水であった。窒素負荷は０．２ｋｇ／ｍ³・日であった。

その結果、活性汚泥を生物反応槽内に高濃度に保持でき、また担体が偏ることなく運転でき。それらのことから、ＳＳ負荷が低下し、汚泥の沈降性が安定した。そのため、浮遊性汚泥濃度は１０００〜２０００ｍｇ／Ｌであったが、担体（１６）に保持された活性汚泥を含めた全活性汚泥濃度は、３０００〜４５００ｍｇ／Ｌであった。

無酸素槽（４）に返送された混合液中の酸化態窒素は、流入水中の有機物や汚泥に付着した有機物を水素供与体として、担体（１６）や浮遊汚泥中の脱窒細菌により還元され、窒素ガスとして処理された。なお、無酸素槽（４）は、−１５０ｍＶの酸化還元電位ＯＲＰとした。

硝化において、汚泥の管理は重要であるが、硝化菌を担体（１６）に保持できるので、従来の活性汚泥循環変法では、窒素除去率を７０％以上とするためには、１６時間の滞留時間を要していたのに対して、１２℃の水温でも滞留時間８時間で７０％以上の窒素除去率を得ることができ、汚泥の滞留時間に留意する必要がなくなった。

また、水温２５℃で汚泥滞留時間が４〜５日の場合、浮遊汚泥の硝酸菌数は、２．４×１０²ＭＰＮ／ｍＬ、担体付着汚泥は９．０×１０²ＭＰＮ／ｍＬとなっており、担体（１６）上では、１５〜２０日の汚泥滞留時間が保たれていた。

また、水温２０℃で、浮遊性汚泥濃度が２０００ｍｇ／Ｌ、窒素負荷が０．２６ｋｇ／ｍ³・日においても、７０％以上の窒素除去率が得られた。また、ＢＯＤの除去率も９５％以上であった。

このようにして、連続運転を行ったが、無酸素槽（４）と好気槽（５）で、担体（１６）の分布には偏りはなく、また、担体（１６）の摩耗も１％以下であった。さらに、最終沈殿池（９）への担体（１６）や活性汚泥の流出も抑制された。

また、無酸素槽（４）と好気槽（５）のいずれにも、担体（１６）を添加することにより、硝化速度と脱窒速度の両方の向上を目的とした高窒素負荷運転が可能となった。さらに、硝化菌が担体（１６）に固定されているので、成長速度の遅い硝化菌の汚泥滞留時間の管理が容易となった。

［実施例３］
図３に示したように、既存の処理施設に対して、生物反応槽（２）を嫌気槽（３）、無酸素槽（４）と好気槽（５）に仕切り、嫌気槽（３）および無酸素槽（４）に、撹拌機（６）、（７）をそれぞれ設けた以外は、担体（１６）およびその投入率も含めて、実施例１と同様の構成とした水処理装置を設置した。

返送管（１０）により、担体（１６）と混合液は、好気槽（５）の末端から無酸素槽（４）の先端に返送される。処理水は、オーバーフローによって嫌気槽（３）から無酸素槽（４）に流入し、さらに、担体（１６）と処理水は、オーバーフローによって無酸素槽（４）から好気槽（５）へ移動する。

以上の構成の生物反応槽（２）を有する水処理装置を、１年間にわたり連続運転を行った。処理対象は都市下水であった。

その結果、活性汚泥を生物反応槽内に高濃度に保持できたことから、ＳＳ負荷が低下し、汚泥の沈降性が安定した。そのため、浮遊性汚泥濃度は１０００〜２０００ｍｇ／Ｌであったが、担体（１６）に保持された活性汚泥を含めた全活性汚泥濃度は、３０００〜４５００ｍｇ／Ｌであった。なお、担体（１６）の汚泥保持量は、通常、５〜２０ｇ／Ｌの範囲である。

最初沈殿池（１）の流出水は、嫌気槽（３）に流入し、嫌気槽（３）で有機物の存在の下、嫌気状態で活性汚泥の微生物体内から正リン酸態リン（ＰＯ₄−Ｐ）を放出した後、好気槽（５）において、放出した以上の正リン酸態リンを、活性汚泥微生物体内に摂取し、汚泥が系外に排出される。なお、嫌気槽（３）は、−２５０ｍＶの酸化還元電位ＯＲＰとした。

また、無酸素槽（４）に返送された混合液中の酸化態窒素は、流入水中の有機物や汚泥に付着した有機物を水素供与体として、担体（１６）や浮遊汚泥中の脱窒細菌により還元され、窒素ガスとして処理された。

これにより、すでに設置されている標準活性汚泥法の設置面積と同程度の大きさで、窒素とリンの同時除去が可能となり、生物反応槽（２）の構造を大きく変更することなく、脱窒および脱リンを行える水処理装置を提供できる。

初沈流出水の水質は、平均で窒素３０ｍｇ−Ｎ／Ｌ、リン３．５ｍｇ−Ｐ／Ｌ、ＢＯＤ７ｍｇ／Ｌであったが、滞留時間８時間で、水温１４℃の場合、処理水の水質は、平均で窒素９ｍｇ−Ｎ／Ｌ、リン０．４ｍｇ−Ｐ／Ｌ、ＢＯＤ７ｍｇ／Ｌが得られ、脱窒のためのメタノールの添加やリン除去のための薬品の添加を必要とせずに、窒素７０％以上、リン８０％以上の除去率を得ることができた。

なお、通常、最初沈澱池からの分離液と初沈汚泥は、嫌気槽に流入するが、嫌気槽の酸化還元電位ＯＲＰが上昇するような場合（例えば、雨天時）には、無酸素槽に分離液や初沈汚泥を流入させるようにすることもあり、また、無酸素槽の酸化還元電位ＯＲＰが上昇したり、有機物源が不足するような場合には、初沈汚泥を無酸素槽に投入することもある。これらは、酸化還元電位ＯＲＰを測定することで、嫌気槽は概ね−２００〜−５００ｍＶ、無酸素槽は概ね０〜−３００ｍＶに保つことが推奨される。

このようにして、連続運転を行ったが、無酸素槽（４）と好気槽（５）で、担体（１６）の分布に偏りはなく、また、担体（１６）の摩耗も１％以下であった。さらに、最終沈殿池（９）への担体（１６）や活性汚泥の流出も抑制された。

吐出口
吐出口（２５）の設置位置は、水面の上下近傍でよい。吐出口（２５）が水面より出ている形状は図１、７、１１に示す。吐出口（２５）が水面下である形状は図３、６、８、１２に示す。吐出口（２５）が水面と同じである形状は図２に示す。さらに、吐出口の位置は図１２に示すように水位に追随しても、あるいは、固定しても、槽の形状や流入の形態などにより、どちらでもよい。吐出口（２５）の形状は、ラッパ状でも筒状でもスムーズに担体と活性汚泥の混合液が循環排出される形状なら、いずれでもよい。

複数の生物反応槽は処理の形態により、好気槽および無酸素槽の組み合わせでも、好気槽、無酸素槽および嫌気槽の組み合わせでも、好気槽が２槽、無酸素槽および嫌気槽の組み合わせでも、担体が用いられており、さらにその担体を移動する必要のある場合に、本発明は用いられる。

気体分散器
返送管（１０）の返送管エアリフト部（３１）に送気管（１２）から空気を供給して、エアリフト効果を得るが、図１３、図１４および図１５に示したように、返送管（１０）に均等に空気が供給されるように、返送管（１０）の周囲に孔（１４）を明け、その周りに空気溜まりができるようにした気体分散器（１４）を設けた。気体分散器（１４）の位置を、返送管（１０）の浸水深さのより深い位置に設けることで、送気量を減らすことができ、維持管理費用の削減となる。

ドラフトチューブ
図１６に示すように、嫌気槽内にドラフトチューブを設け、ドラフトチューブ内に流入水や返送汚泥を導くことで、汚泥の返送エネルギーを利用して攪拌のためのエネルギーを削減できる。返送汚泥をドラフトチューブに導入するのをドラフトチューブの上部に導いても良いが、構造によってはドラフトチューブの下部に導くことも良い。また、四角い嫌気槽に返送汚泥を導入する場合に隅に返送するようにし旋回流が起きるようにすることもエネルギー削減になる。また、無酸素槽にドラフトチューブを備え、返送管の吐出口をドラフトチューブの上部に設けることで、攪拌のためのエネルギーを削減できる。ドラフトチューブの形状は槽の形状に適したものを選ぶことができる。例えば、ドラフトチューブの外側に羽根を取り付け少しのエネルギーで自転できるようにすることや、ドラフトチューブの位置をチェーンで調整できるようにするなど挙げることができる。

有機物添加管
図６に示すように、生物反応槽（２）に有機物添加管を設けて、リン蓄積菌のリンの放出が十分できるように、有機物すなわち最初沈殿槽からの流入水や、最初沈殿槽からの引抜汚泥や、汚泥発酵槽からの有機酸や、酢酸ナトリウムなどの薬品を添加する構造とした。

なお、無酸素槽の攪拌羽根は担体の摩耗を防止するように、羽根の角を落としてある。

担体分離器（１７）の形状としては、スクリーンとしてパンチングプレートを設ける以外に、図９および図１０に示すように、傾斜板（２７）の組み合わせによってもよい。また、傾斜板（２７）の組み合わせとパンチングプレートなどのスクリーンを複合的に用いることも良い。さらに、担体分離器の上流側で曝気をすることで担体分離器が常に目詰まりのない状態に保持することができる。

図８に示すように、無酸素槽と好気槽の流出側が近接している場合、返送管の横引きの部分は少なくて良く、返送管の設置に係る費用が削減でき、管路が短い分維持管理が容易となる。

［実施例４］
返送管の直径３５０ｍｍ、送気管の直径１５０ｍｍ、返送管に明ける孔の直径２５ｍｍ（個数８個）、気体分散器の直径５００ｍｍ、気体分散器の高さ２００ｍｍ、浸水深さは２４００ｍｍ、揚水量は３．０ｍ³／分、送気量４．５ｍ³／分で、図６に示す槽の組み合わせの本発明の水処理装置で、好気槽から無酸素槽に担体と活性汚泥の混合水を返送したところ、担体が下流側に滞留することなく良好な運転ができた。

［実施例５］
図２の装置を使って、晴天時は窒素除去を中心とした処理装置として稼働し、雨天時には３Ｑを１次処理する装置とできる。すなわち、晴天時には実施例２で示したように好気槽（５）で硝化とＢＯＤ除去を行い、無酸素槽（４）では脱窒が行われるが、雨天時には処理水量が増加するので好気槽（５）、無酸素槽（４）での滞留時間が短くなり、活性汚泥が流出するが、担体（１６）が投入してあることで懸濁物質の除去、すなわち１次処理槽としての機能が保持できる。さらに、晴天時には、冬季の低水温の場合にも、有機物除去対応の生物量の確保と、窒素除去対応の硝化細菌の確保ができる。

また、沈殿槽の後段にろ過槽を設けることで、ろ過槽への流入水のＳＳを５０ｍｇ／Ｌ以下にできる。また、沈降性の良い沈殿槽の汚泥を返送でき、沈降するのが難しい汚泥をろ過槽で処理する。さらに、沈殿槽やろ過槽の排泥にサイフォン管を用いた浮体式の排泥機を用いることで、水中に駆動部を用いず、浮体式にすることで水中も空間が大きくなるので傾斜板を用いて効率良く汚泥の沈殿が可能となる。

さらに、ろ過槽に凝集剤を添加することで、リンの除去も可能である。

［実施例６］
図８の装置を使って、生物反応槽（２）を無酸素槽（４）と好気槽（５）として処理を行った。なお、返送管（１０）は、好気槽（５）に吸引口（１５）を備え、無酸素槽（４）に吐出口（２５）を備えた。窒素除去は、良好な処理を行うことができた。

さらに、生物反応槽（２）として、無酸素槽（４）と好気槽（５）を設ける他に、嫌気槽を設けると、生物脱リンを行うことができた。

本発明の第１態様であり、好気槽のみからなる生物反応槽の水処理装置を示す概念フロー図である。 本発明の第２態様であり、無酸素槽および好気槽からなる生物反応槽の水処理装置を示す概念フロー図である。 本発明の第３態様であり、嫌気槽、無酸素槽および好気槽からなる生物反応槽の水処理装置を示す概念フロー図である。 返送管エアリフト部、洗浄用散気設備および担体分離器を示す概略図である。 散気装置の使用状態と吊上げ状態を示す概略図である。 本発明の第４態様であり、嫌気槽、無酸素槽および好気槽からなる生物反応槽の水処理装置を示す概念フロー図である。 本発明の第５態様であり、好気槽のみからなる生物反応槽の水処理装置を示す概念フロー図である。 本発明の第６態様であり、無酸素槽および好気槽からなる生物反応槽の水処理装置を示す概念フロー図である。 担体分離器の一実施例を示した概略図である。 担体分離器の一実施例を示した概略図である。 吐出口の一実施例を示した概略図である。 吐出口の一実施例を示した概略図である。 返送管エアリフト部の気体分散器を示した概略図である。 返送管エアリフト部の気体分散器を示した概略図である。 返送管エアリフト部の気体分散器を示した概略図である。 嫌気槽、無酸素槽および好気槽からなる生物反応槽の水処理装置の嫌気槽にドラフトチューブを設けた概念フロー図である。

符号の説明

１ 最初沈殿池
２ 生物反応槽
３ 嫌気槽
４ 無酸素槽
５ 好気槽
６、７ 撹拌機
８ 散気設備
９ 最終沈殿池
１０ 返送管
１１ 汚泥用スクリーン
１２ 送気管
１３ 移送管
１４ 気体分散器
１５ 吸込口
１６ 担体
１７、２６、２９ 担体分離器（パンチングプレート）
１９ 洗浄用散気設備
２０ ニージョイント
２１ ライザー管
２２ リフトディフューザ本体
２４ 有機物添加管
２５ 吐出口
２７ 傾斜板
２８ 通水路
３０ 浮き
３１ 返送管エアリフト部
３２ 返送管横引き部
３３ ドラフトチューブ

Claims (5)

1. 生物反応槽に返送管を設け、前記返送管は下流側に吸引口と、上流側に吐出口とを有し、かつ該吸引口と該吐出口の間に送気管を備えた水処理装置において、前記生物反応槽が担体を用いた好気槽であり、かつ担体分離器を備えることを特徴とする水処理装置。
2. 前記生物反応槽が担体を用いた好気槽と、担体を用いた無酸素槽とからなり、かつ担体分離器を備えることを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記生物反応槽が担体を用いた好気槽と、担体を用いた無酸素槽と、嫌気槽とからなり、かつ担体分離器を備えることを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
4. 前記生物反応槽に有機物添加管を備えたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の水処理装置。
5. 前記送気管の吐出口近傍に気体分散器を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の水処理装置。

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