JP2006218371A

JP2006218371A - 排水処理装置および方法

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Publication number: JP2006218371A
Application number: JP2005032859A
Authority: JP
Inventors: Akira Era; 彰恵良
Original assignee: Organo Corp; Japan Organo Co Ltd
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2005-02-09
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2025-02-09
Also published as: JP4544583B2

Abstract

【課題】微生物を保持した担体を用いて排水を浄化処理するに際し、望ましい処理を効率よく行うことができるようにする。
【解決手段】微生物を保持した担体を用い、担体を貯留する反応槽と、反応槽の内部に垂直に設置され上下が開口したドラフトチューブと、該ドラフトチューブ内に下向流を形成し、ドラフトチューブと反応槽内壁面との間に上向流を形成するインペラ装置と、該インペラ装置による前記上向流に伴って上昇する担体が存在する領域を実質的にドラフトチューブの上端以下に抑えるインペラ装置出力に調整する出力調整手段とを有することを特徴とする排水処理装置、および排水処理方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、排水処理装置および方法に関し、とくに、微生物を保持した担体を用いて排水を浄化処理する場合の担体の流動状態を改善し、処理特性を向上する技術に関するものである。

微生物を保持した担体を用いて、例えば嫌気性条件下で排水を浄化する排水処理としては、硝酸または亜硝酸を含有する排水の脱窒処理や、有機性排水のメタン発酵処理などが挙げられる。従来の技術として、特許文献１には、垂直な管の下端部を横に曲げたドラフトチューブを回転させ、遠心力によって、ドラフトチューブの上部から下部への水流を形成させる手段が提案されている。また、特許文献２には、攪拌翼で槽内を攪拌する一方で、担体の浮上を防止するための多孔板を槽上部水面下に設置する手段が提案されている。さらに、特許文献３には、攪拌翼（インペラ装置）を用いて、槽内に垂直に配置されたドラフトチューブ内に下向流、ドラフトチューブと槽内壁面との間に上向流を形成させる手段が提案されている。
特許2798007号公報特開2000-254682号公報特開2000-288568号公報

上記のような微生物を保持した担体を用いた排水処理装置においては、担体は、微生物の付着・保持によって見かけ比重が増加するために底部への堆積が起こりやすくなる一方で、脱窒処理では窒素ガスが、メタン発酵処理ではメタンガスが、担体内部で発生し見かけの比重が低下するため液面への浮上・滞留の懸念もある。すなわち、担体の見かけ比重の変化が大きく、実質的に予測不可能であると言える。

このような担体の見かけ比重の変化に対し担体を流動させる手段に求められる機能としては、次のようなものが挙げられる。
（１）被処理排水と微生物を保持した担体と接触機会を極力増大させて良好な処理を行うために、槽底部への堆積と、液面への浮上の両方を解消できる流動手段が求められる。
（２）流動にかかるエネルギーが小さいことが求められる。
（３）担体内部で発生したガスを担体から分離するためには、物理的にせん断力をかけることが有効であるが、過度のせん断力を加えると担体の磨耗が早くなるので、過度のせん断力がかからないようにすることが求められる。
（４）さらに、液面へのの浮上を防止するために、液面における流速を高めると、液面からの酸素の溶解速度が増し、例えば液中の嫌気条件が保てなくなって、処理効率が大幅に低下することがあるので、このような状態にならないようにすることが求められる。

前記特許文献１に関しては、上記（１）、（３）については有効な手段であるが、下端部を横に曲げた大きなドラフトチューブを回転させ、遠心力によって水流を形成させるという特性上、必要なエネルギーが大きくなり、上記（２）には適合しない。前記特許文献２に関しては、特に上記（４）について有効な手段であるが、多孔板の設置が煩雑であり、また、多孔板近傍の流速が得づらく、浮上した担体による多孔板の目詰まりが大いに懸念される。前記特許文献３に関しては、上記（１）、（２）については有効な手段であるが、液中に均一に担体を分散させるということに主眼を置いており、上記（３）、（４）については全く考慮されていない。

そこで本発明の課題は、上記したような機能を全て満足可能な流動手段を提供し、望ましい処理を効率よく行うことができるようにした排水処理装置および方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る排水処理装置は、微生物を保持した担体を用いて排水を浄化処理する排水処理装置であって、
前記担体を貯留する反応槽と、
該反応槽の内部に垂直に設置され上下が開口したドラフトチューブと、
該ドラフトチューブ内に下向流を形成し、ドラフトチューブと反応槽内壁面との間に上向流を形成するインペラ装置と、
該インペラ装置による前記上向流に伴って上昇する前記担体が存在する領域を実質的にドラフトチューブの上端以下に抑えるインペラ装置出力に調整する出力調整手段と、
を有することを特徴とするものからなる。

すなわち、従来技術、とくに前記特許文献３に記載の技術は、担体を槽内に均一に分散させることを主眼に置いたものであるが、担体が常時液面近傍まで流動するため、液面からの酸素溶解の影響を受けやすい、担体がインペラ装置を通過する頻度が高く、磨耗しやすい、という欠点があった。

これに対し本発明では、担体の大部分を槽の中間位置（ドラフトチューブの上端より下）まで流動、展開させる（つまり、槽内全域にわたって均一に分散、流動させない）ようにインペラ装置の出力を調整、設定するものである。すなわち、担体の大部分について、槽の液面近傍までは流動しない状態に保たれ、かつ、槽底部に堆積しない状態に保たれる。換言すれば、担体の大部分が、ドラフトチューブと反応槽内壁面との間の所定領域（ドラフトチューブの上端以下に抑えられた領域）内に存在することになり、その領域内で流動して被処理水と接触することになる。したがって、微生物を保持した担体と被処理排水との接触機会が保たれつつ、液面からの酸素溶解の影響を受けにくい状態に保たれ、極めて効率の良い処理が可能となる。そして、気泡を抱いた一部の担体のみ（見掛け比重の低下した担体のみ）が槽上部まで上昇し（浮上し）、ドラフトチューブの上端から吸い込まれ、インペラ装置通過時のせん断力によって脱泡される。つまり、脱泡することが望まれる一部の担体のみがドラフトチューブの上端から吸い込まれてインペラ装置通過時のせん断力によって効率よく脱泡される。したがって、担体全量からみれば、担体がインペラ装置を通過する頻度が高くなりすぎることが防止され、担体の磨耗が抑えられる。

さらに、処理水は通常、槽の上部から取り出され、処理水取り出し部には担体がそのまま排出されてしまうことを防止するために担体分離スクリーンが設けられるが、担体の存在領域を上述の如く実質的にドラフトチューブの上端以下に抑えることにより、担体分離スクリーン近傍での担体の存在率を下げることができ、担体によるスクリーンの目詰まりを低減することもできる。

このような本発明に係る排水処理装置は、好気性、嫌気性のいずれの条件での処理にも適用できるが、とくに、嫌気性条件下での排水の浄化処理に好適なものである。

上記調整すべきインペラ装置出力としては、予め試験によって求めておき、その結果に基づいて調整することができる。あるいは、上記担体の存在領域の実質的な上端を検知可能な手段（例えば、界面計など）を設けておき、該検知手段の信号に基づいて上記出力調整手段を調整するようにすることもできる。この検知手段の信号に基づく場合の方が、被処理水の性状の変化や、各種条件の変化に対して、より対応しやすい。上記調整すべきインペラ装置出力を予め試験によって求める方法としては、例えば、採水器（例えば、（株）テックジャム製の各種市販採水器、上から紐を操作して採水器の蓋の開閉ができるタイプが好ましい）を、反応槽上部から投入して水中に沈め、上記担体の存在率を測定（例えば、観測）し、槽内各所（水深方向も水平方向も）の担体の存在率を確認しながら、採水器のインペラ装置のインバータの出力を調整し、ドラフトチューブの上端位置での担体の存在率が０％ないしごく僅かであり、かつ、槽の中間位置までは担体が十分に存在し流動できるような条件の出力を探す。このような出力を予め求めそれを基準値として把握あるいは設定しておけば、実際のインペラ装置出力調整時には、再度試験を行うことなく、上記基準値に基づいて精度よく所望の出力に調整することが可能になる。

上記インペラ装置の作動の仕方としては、連続的な作動、間欠的な作動のいずれも可能である。間欠作動の場合にあっても、作動周期や各作動時間が適切に設定されることにより、前記特定の領域で担体が沈みもせず浮上もせずに該特定領域内を単に流動するだけの状態を現出可能である。

また、上記インペラ装置の出力調整とは別に、上記担体からの脱泡のための上記インペラ装置の強制間欠運転を行うことも可能である。つまり、脱泡を目的に、比較的大きな出力状態でインペラ装置を定期的に作動させ、担体の大部分について、常時気泡を抱いていない状態に保ち、処理効率の向上をはかるのである。

インペラ装置の出力調整を精度よく行うためには、例えば、インペラ装置の回転数変更用インバータが設けられていることが好ましい。

本発明に係る排水処理方法は、微生物を保持した担体を用いて排水を浄化処理する排水処理方法であって、前記担体を反応槽内に貯留するとともに、該反応槽内に上下が開口したドラフトチューブを垂直に設置し、インペラ装置により、ドラフトチューブ内に下向流を形成するとともに、ドラフトチューブと反応槽内壁面との間に上向流を形成し、かつ、該インペラ装置による前記上向流に伴って上昇する前記担体が存在する領域を実質的にドラフトチューブの上端以下に抑えるべく、インペラ装置出力を調整することを特徴とする方法からなる。

この排水処理方法も、好気性、嫌気性のいずれの条件での処理にも適用できるが、とくに、嫌気性条件下での排水の浄化処理に好適なものである。

また、調整すべきインペラ装置出力は予め試験によって求めることができる。あるいは、上記担体の存在領域の実質的な上端を検知し、該検知結果に基づいてインペラ装置出力を調整するようにしてもよい。

インペラ装置は連続的に作動させることも可能であるし、間欠的に作動させることも可能である。

また、インペラ装置の出力調整とは別に、担体からの脱泡のためにインペラ装置の強制間欠運転を行うこともできる。

インペラ装置の出力調整は、インペラ装置の回転数変更用インバータにより行うようにすれば、高精度で出力調整できる。

本発明に係る排水処理装置および方法によれば、微生物を保持した担体を反応槽内全域にわたって均一に流動させるのではなく、ドラフトチューブと反応槽内壁面との間の所定の特定領域内に存在させ、その特定領域内で適当に流動可能な状態に維持するようにしたので、前述したインペラ装置に対する要求特性（１）〜（４）の全てを同時に満足させることが可能になり、とくに、担体の磨耗の抑制、液面部からの酸素溶解の抑制を達成しつつ、効率のよい望ましい処理を行うことができる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、本発明における担体の流動状態を、従来方法による担体の流動状態と比較しながら説明する。

図１は、本発明の一実施態様に係る排水処理装置１と、該装置１の運転中の担体の流動状態を示している。図２は、従来の排水処理装置１１と、該装置１１の運転中の担体の流動状態を示している。図１、図２において、２、１２は反応槽を示しており、反応槽２、１２内には微生物を保持した担体３、１３が貯留されている。反応槽２、１２内に被処理水４、１４が導入され、処理後の処理水は担体分離スクリーン５、１５を通して排出される。反応槽２、１２内には、垂直に設置され上下が開口したドラフトチューブ６、１６が設けられており、ドラフトチューブ６、１６内には、該ドラフトチューブ６、１６内に下向流を形成し、ドラフトチューブ６、１６と反応槽２、１２の内壁面との間に上向流を形成するインペラ装置７、１７が設けられている。

従来の装置、例えば前述の特許文献３に記載の装置では、図２に示すように担体１３を反応槽１２内全域にわたって均一に分散、流動させることを目的としていたので、インペラ装置１７は、本発明に比べ比較的高い出力で運転され、それによって担体１３が、反応槽１２内全域にわたって流動、循環されるようになっていた。したがって、前述の如く、流動に大きなエネルギーを要し、インペラ装置１７と担体１３との接触機会が多く、せん断力により担体１３の磨耗が進み、かつ、担体１３が常時液面あるいはその近傍を通過するように循環されるので液面からの酸素の溶解速度が増して、とくに嫌気性条件下での処理の場合に液中の嫌気性条件が保てなくなり、処理効率が低下する。

これに対し本発明に係る排水処理装置１では、インペラ装置７の作動によって生じる上向流に伴って上昇する担体３が存在する領域が、実質的にドラフトチューブ６の上端以下に抑えられるよう、インペラ装置出力が調整されるので、図１に示すように、担体３の大部分は、槽２の液面近傍までは流動しない状態に保たれ、かつ、槽２の底部にも堆積しない状態に保たれる。担体３の大部分は、ドラフトチューブ６と反応槽２の内壁面との間の所定領域（つまり、ドラフトチューブ６の上端以下に抑えられた領域）内に存在することになり、その領域内で流動して被処理水と接触する。したがって、微生物を保持した担体と被処理排水との十分に高い接触機会が保たれつつ、液面からの酸素溶解の影響を受けにくい状態に保たれ、極めて効率の良い処理が可能となる。

そして、気泡を抱いた一部の担体のみ（見掛け比重の低下した担体のみ）が槽上部まで上昇し（浮上し）、ドラフトチューブ６の上端から吸い込まれて循環され、インペラ装置７通過時のせん断力によって脱泡される。つまり、担体３の大部分は上記特定領域内でのみ流動され、脱泡することが望ましい一部の担体３のみがドラフトチューブ６の上端から吸い込まれてインペラ装置７通過時のせん断力によって効率よく脱泡される。したがって、担体全量からみれば、担体３がインペラ装置７を通過する頻度が高くなりすぎることはなく、担体３が過剰に磨耗することは確実に防止される。

本発明に係る排水処理装置および方法における担体としては、特に限定されるものではないが、セルロース、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタンなどからなる多孔質体や、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールなどからなるゲル状体などが挙げられる。細孔径が大きいほど、被処理水中の酸化態窒素および水素供与態が、担体内部まで拡散しやすく、担体内部でのガス発生が起こり易い（浮上しやすく、脱泡し難い）ので、多孔質体の孔径が小さい（数μｍ〜数十μｍ）ものが好ましい。

また、担体の形状も特に限定されるものではないが、０．５〜１０ｍｍ程度の球状またはキューブ状のものが好適である。さらに、図１に示したような流動状態を形成するために、担体の比重は少なくとも１．０より大であり、真比重として、１．１以上、あるいは見かけ比重として１．０１以上のものが好ましい。

反応槽に貯留される担体の充填率としては、５〜４０％程度とすればよい。反応槽の形状は、角型であっても円筒型であってもよく、特に限定されるものではない。槽底角部への堆積を防止するために、図１に示したように槽底角部にはテーパーが付けられていることが好ましく、とくに４５度以上のテーパーであることが好ましい。また、液面からの酸素溶解を極力抑制するために、槽上部に蓋が設置されていることが好ましい。

上記図１に示した本発明に係る排水処理装置１について、具体的な形態、とくに後述の実施例で用いた形態を、図３、図４に示す。反応槽２内には、上下が開口したドラフトチューブ６が垂直に設置される。ドラフトチューブ６の形状は、角型であっても円筒型であってもよく、特に限定されるものではないが、円筒型の方が、内部の下向流速が均一になりやすく、好ましい。液面への担体３の滞留を防止するために、ドラフトチューブ６の断面積は、インペラ装置７の吐出水量から、ドラフトチューブ６内平均下向流速が２０ｃｍ／ｓ以上となるように設定されることが好適である。

ドラフトチューブ６は、角槽であれば対角線上、円筒槽であれば、中心位置に設置されることが好ましい。ドラフトチューブ６の設置本数は必ずしも一槽に対して一本でなくてもよく、槽の形状に応じて複数設置してもよい。

液面からドラフトチューブ６の上端までの距離（液かぶり）が小さければ、液面流速が高くなり、酸素の溶け込みが大きくなる懸念がある。一方、液かぶりが大きければ、液面流速が小さくなり、浮上した担体を吸い込めなくなる懸念がある。液かぶりとしては３００〜１０００ｍｍ程度が好適である。また、ドラフトチューブ６の高さを調整できる構造としてもよい。

ドラフトチューブ６内に下向流を形成させるためにインペラ装置７が設けられている。インペラ装置７としては、水中投げ込み型のものとして、例えば、新明和工業（株）製水中エアレータ”ＳＪタイプ”のようなものが好適である。槽底部にこのような水中エアレータを、例えば図４に示すように水中攪拌機７ａとして設置し、その水中攪拌機７ａの吸い込み面に併せてドラフトチューブ６を接合すればよい。このようなタイプのインペラ装置７であれば、設置が容易で、槽底部への堆積を防止しやすいという利点がある。このインペラ装置７に配管を接続すれば、酸素供給も可能であるので、好気性反応と嫌気性反応を順次一槽で行なうことも可能である。但し、インペラ装置７は、図１に示したように、完全にドラフトチューブ６内に収容する構造としてもよい。例えば前述の特許文献３に記載されているような、槽上部のモータと回転軸とドラフトチューブ内のインペラ（攪拌翼）からなるような構成でもかまわない。

インペラ装置７のインペラと周囲壁面とのクリアランスは小さければ、担体を破断する恐れがあり、大きければせん断力が十分にかからずに脱泡され難い。したがって、このクリアランスは、担体３の長辺に対して、１．２倍以上、１０倍以下の範囲内であることが好ましい。

インペラ装置７の出力は出力調整手段によって調整可能であり、これによって、見かけ比重が変化する担体３の流動状況を本発明で目標とする流動状態、流動領域にコントロールすることが可能とある。インペラ装置７の出力調整手段としては特に限定されないが、例えば図３に示したように、インペラ装置７の駆動モータの回転数変更用のインバータ８を出力調整手段として設けておくと、容易にかつ精度よく出力を調整することが可能である。図１、図３に示したような流動状態となる出力は、担体３によって異なるものの、概ね２０〜６０Ｗ／ｍ³（槽容量に対して）程度である。

さらに、インペラ装置７の出力を、例えば一定のサイクルで変動させることも有効である。例えば、
通常時出力：３０Ｗ／ｍ³
強制攪拌時出力：６０Ｗ／ｍ³
サイクル：１１０分（通常時出力運転＋１０分、強制攪拌時出力運転）
とすることで、定期的に担体３からの脱泡を十分に行なうことができ、担体の流動状態を安定させることができる。

図３に示した装置を用いて、反応槽内での担体の流動状況と処理能力との関係について以下の通り検討した。
（脱窒試験条件）
・反応槽容量：角型水槽１ｍ³
・担体：ポリビニルアルコールゲル状担体
・担体充填率：１０％（かさ容量／槽容量）
・供試排水：NO₃-N 100mg-N/L、PO₄-P 1.0mg-P/L
・窒素容積負荷：水量を徐々に上げ、95％以上の除去率が得られる最大負荷を確認した。・攪拌機（インペラ装置）出力調整：インバータにより、攪拌機の出力を段階的に調整し、異なる２条件の流動状態で、担体の挙動および被処理水（原水）の処理性能を確認した。
・メタノール添加量：流入NO₃-N負荷の３倍量
・インバータにより、攪拌機の出力を調整し、本発明における流動状態（条件１）と、従来装置における流動条件（条件２）で、担体の挙動および処理性能を確認した。

〔結果〕
条件１：担体が水深の５〜６割程度（ドラフトチューブの上端以下）まで流動、展開する状態となった。このとき、最大許容負荷は1.2kg-N/ｍ³/ｄであり、浮上した担体の水面近傍への滞留は確認されなかった。
条件２：担体が槽全体に流動、展開する状態となった。このとき、最大許容負荷は1.0kg-N/ｍ³/ｄであった。

すなわち、条件１のように、担体を水深の中間部まで流動、展開させることが最も好適であることを見出した。条件２では、水面からの酸素の溶け込みによって処理性能が低下したものと考えられ、また、担体が常時攪拌羽のせん断力にさらされるため、磨耗が危惧される。条件１では、浮き上がった担体のみがドラフトチューブに吸い込まれ、せん断力が加えられ、担体全量に対する磨耗が抑えられつつ、適切に脱泡される。

本発明に係る排水処理装置および方法は、基本的に、微生物を保持した担体を用いるあらゆる排水の浄化処理に適用でき、とくに、嫌気性条件下での排水処理に好適なものである。

本発明の一実施態様に係る排水処理装置の概略縦断面図である。従来の排水処理装置の概略縦断面図である。図１の装置に関して、より具体的な構成の一例を示す縦断面図である。図３の装置の部分拡大縦断面図である。

符号の説明

１排水処理装置
２反応槽
３微生物を保持した担体
４被処理（原水）
５担体分離スクリーン
６ドラフトチューブ
７インペラ装置
７ａインペラ装置としての水中攪拌機
８インペラ装置の出力調整手段としてのインバータ

Claims

微生物を保持した担体を用いて排水を浄化処理する排水処理装置であって、
前記担体を貯留する反応槽と、
該反応槽の内部に垂直に設置され上下が開口したドラフトチューブと、
該ドラフトチューブ内に下向流を形成し、ドラフトチューブと反応槽内壁面との間に上向流を形成するインペラ装置と、
該インペラ装置による前記上向流に伴って上昇する前記担体が存在する領域を実質的にドラフトチューブの上端以下に抑えるインペラ装置出力に調整する出力調整手段と、
を有することを特徴とする排水処理装置。
嫌気性条件下で排水を浄化処理するものからなる、請求項１の排水処理装置。
調整すべきインペラ装置出力が予め試験によって求められている、請求項１または２の排水処理装置。
前記担体の存在領域の実質的な上端を検知可能な手段が設けられており、該検知手段の信号に基づいて前記出力調整手段が調整される、請求項１または２の排水処理装置。
前記インペラ装置が連続的に作動される、請求項１〜４のいずれかに記載の排水処理装置。
前記インペラ装置が間欠的に作動される、請求項１〜４のいずれかに記載の排水処理装置。
前記インペラ装置の出力調整とは別に、前記担体からの脱泡のための前記インペラ装置の強制間欠運転が行われる、請求項１〜６のいずれかに記載の排水処理装置。
前記インペラ装置の出力調整のために、インペラ装置の回転数変更用インバータが設けられている、請求項１〜７のいずれかに記載の排水処理装置。
微生物を保持した担体を用いて排水を浄化処理する排水処理方法であって、前記担体を反応槽内に貯留するとともに、該反応槽内に上下が開口したドラフトチューブを垂直に設置し、インペラ装置により、ドラフトチューブ内に下向流を形成するとともに、ドラフトチューブと反応槽内壁面との間に上向流を形成し、かつ、該インペラ装置による前記上向流に伴って上昇する前記担体が存在する領域を実質的にドラフトチューブの上端以下に抑えるべく、インペラ装置出力を調整することを特徴とする排水処理方法。
嫌気性条件下で排水を浄化処理する、請求項９の排水処理方法。
調整すべきインペラ装置出力を予め試験によって求める、請求項９または１０の排水処理方法。
前記担体の存在領域の実質的な上端を検知し、該検知結果に基づいて前記インペラ装置出力を調整する、請求項９または１０の排水処理方法。
前記インペラ装置を連続的に作動させる、請求項９〜１２のいずれかに記載の排水処理方法。
前記インペラ装置を間欠的に作動させる、請求項９〜１２のいずれかに記載の排水処理方法。
前記インペラ装置の出力調整とは別に、前記担体からの脱泡のために前記インペラ装置の強制間欠運転を行う、請求項９〜１４のいずれかに記載の排水処理方法。
前記インペラ装置の出力調整を、インペラ装置の回転数変更用インバータにより行う、請求項９〜１５のいずれかに記載の排水処理方法。