JP2009274020A - 原水の浄化方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な装置と方法で、原水に含まれる鉄、マンガン、アンモニア性窒素等の不純物質を迅速に効率的に除去し、除去能力を向上させるようにした原水の不純物質除去方法を提供すること。
【解決手段】鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行う除鉄ゾーンと、除鉄処理の後段でマンガンバクテリアを用いて原水中の除マンガン処理を行う除マンガンゾーンとの間の硝化ゾーンにリン酸又はリン酸塩を添加し、硝化バクテリアによるアンモニア性窒素の除去能力を向上させるとともに、マンガンバクテリアテリアによる除マンガン能力を向上させ、除マンガン処理における必要溶存酸素濃度を低下させる。
【選択図】図１
【解決手段】鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行う除鉄ゾーンと、除鉄処理の後段でマンガンバクテリアを用いて原水中の除マンガン処理を行う除マンガンゾーンとの間の硝化ゾーンにリン酸又はリン酸塩を添加し、硝化バクテリアによるアンモニア性窒素の除去能力を向上させるとともに、マンガンバクテリアテリアによる除マンガン能力を向上させ、除マンガン処理における必要溶存酸素濃度を低下させる。
【選択図】図１
Description
本発明は、原水の浄化方法に関し、特に、地下水等（以下、「原水」という場合がある。）に含まれる鉄、マンガン、アンモニア性窒素（ＮＨ４ ＋−Ｎ）等の飲用に適さない不純物質を除去する際、その除去能力を簡易な方法で向上させ、効率的に処理するようにした原水の浄化方法に関するものである。
従来、鉄、マンガン及びアンモニア性窒素等、飲用に適さない不純物質を含んだ地下水に対するこれら不純物質の除去処理方法として化学酸化法とバクテリア法がある。この化学酸化法は、原水に対して塩素と凝集剤注入を行い、凝集沈殿処理を経た後、マンガン砂濾過を行う方法であり、また他方のバクテリア法は原水近傍の土壌中に元々存在する糸状菌の一種であるLeptothrix sp.、Toxothrix sp.、Gallionella sp.などの鉄酸化細菌（鉄バクテリア）、マンガン酸化細菌（マンガンバクテリア）及び硝化細菌（硝化バクテリア）の働きにより、溶解性の鉄、マンガン、アンモニアが酸化され、鉄については水酸化物として細菌表面に不溶化した形で捕捉するようにした方法である。
近年、地下水を原水とする浄水場を中心に、７０〜８０ｍ／日程度もしくはそれ以上の濾過速度で自動運転が可能なバクテリア処理施設が提案されている。
近年、地下水を原水とする浄水場を中心に、７０〜８０ｍ／日程度もしくはそれ以上の濾過速度で自動運転が可能なバクテリア処理施設が提案されている。
しかし、どの施設についても溶存酸素の一元的な供給で、鉄、マンガン及びアンモニア性窒素等不純物質の除去を行うものである。しかし、個々の物質に作用するバクテリアには最適溶存酸素濃度があり、従来法の場合、個々のバクテリアに最適になるようには溶存酸素濃度を調整できない。例えば、従来法の場合、自然流下などの簡易な曝気方式で溶存酸素供給することが多く、その場合、鉄バクテリアの最適溶存酸素濃度範囲にすることで精一杯であるから、この場合、マンガンバクテリアの最適溶存酸素濃度よりかなり低いため、安定的な除マンガン性能を発揮するまでにかなりの日数、特に限定されるものではないが、例えば、２０〜５０日を要するか、あるいはマンガン（Ｍｎ）の除去に対してほとんど効力を発揮し得ず、さらには、高濃度の鉄（Ｆｅ）、高濃度のマンガン（Ｍｎ）等の水源によっては十分な除マンガン性能を発揮し得ないという問題があった。
また、マンガン除去性能を上げるには溶存酸素濃度を上昇させる必要があるが、その場合一元的なバクテリア生育環境の調整であると、鉄バクテリアの最適溶存酸素範囲よりかなり高い濃度となるため、逆に除鉄性能が低下するという問題があった。
したがって、従来の方式で処理可能なのは、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）負荷が比較的低い原水水質である水源に限定されたり、あるいは除去対象物質が鉄のみという場合に限定されてしまうという問題があった。
したがって、従来の方式で処理可能なのは、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）負荷が比較的低い原水水質である水源に限定されたり、あるいは除去対象物質が鉄のみという場合に限定されてしまうという問題があった。
そこで、鉄・アンモニア性窒素の除去の部分と、マンガン除去の部分を分離し、鉄・アンモニア性窒素の除去に関わるバクテリア群と、マンガン除去を行うバクテリアとがそれぞれ要求する各々の最適溶存酸素濃度を設定することによって、高濃度の鉄、マンガン及びアンモニア性窒素によく対応し、最終的な処理水質を良好なものとできるようになった（特許文献１参照）。
しかし、通水開始当初において、除鉄ゾーン（鉄バクテリア生育ゾーン）の下に発達するはずの硝化ゾーン（硝化バクテリア生育ゾーン）の活性度が不十分でアンモニア性窒素の除去率が順調に進まないという事例があった。この原因について考察を行っていった結果、原水中に含まれるリン分の影響の可能性が考えられた。
地下水中にはわずかではあるがリン化合物が含まれている。このリン化合物が同じ地下水中に含まれるアンモニア性窒素の酸化にとって大きな働きをする。
すなわち、バクテリア法除鉄においては地下水中のリン濃度が十分に高ければ、鉄バクテリアによるＦｅ（II）の酸化によって生成するオキシ水酸化鉄の生成ゾーンにかなりのリン化合物が取り込まれながらも、より下層の硝化ゾーンで硝化が十分起こる濃度に到達し、その結果、アンモニア性窒素は除去されていく。
地下水中にはわずかではあるがリン化合物が含まれている。このリン化合物が同じ地下水中に含まれるアンモニア性窒素の酸化にとって大きな働きをする。
すなわち、バクテリア法除鉄においては地下水中のリン濃度が十分に高ければ、鉄バクテリアによるＦｅ（II）の酸化によって生成するオキシ水酸化鉄の生成ゾーンにかなりのリン化合物が取り込まれながらも、より下層の硝化ゾーンで硝化が十分起こる濃度に到達し、その結果、アンモニア性窒素は除去されていく。
しかし、地下水中のリン化合物濃度が低い場合、もしくは除鉄ゾーンでのリン化合物の消費が著しい場合には、当然のことながらこのようなリン不足になる例はかなりの確率で見られ、何らかの対策が必要であると考えられる。
そうしなければ、塩素剤によるアンモニア性窒素の酸化などを行う別のアンモニア性窒素の除去工程が必要になり、浄水処理施設建造コストの増大に直結する。
鉄バクテリア処理槽内でのアンモニア性窒素の除去が不振であった例について、念のために除鉄ゾーン直下のリン化合物濃度を測定したところ、表１に示すように、リン化合物濃度は著しく低濃度であった（濾層表面からの高さ６０ｃｍに相当）。
そうしなければ、塩素剤によるアンモニア性窒素の酸化などを行う別のアンモニア性窒素の除去工程が必要になり、浄水処理施設建造コストの増大に直結する。
鉄バクテリア処理槽内でのアンモニア性窒素の除去が不振であった例について、念のために除鉄ゾーン直下のリン化合物濃度を測定したところ、表１に示すように、リン化合物濃度は著しく低濃度であった（濾層表面からの高さ６０ｃｍに相当）。
このことは、硝化バクテリアの活性度が低いか、もしくは菌数が少ないままであることを意味し、したがって原水中のアンモニア性窒素が十分に除去されず、その結果、塩素要求量の変動が大きいままであるので、除鉄処理より下段の工程での塩素剤注入の管理が難しくなることを意味している。
浄水処理では、このようなアンモニア性窒素の残留に起因する塩素要求量の変動は忌み嫌われるものである。
そのため、このような悪い特性をかかえた除鉄処理システム自体が受け入れられなくなる懸念もある。
浄水処理では、このようなアンモニア性窒素の残留に起因する塩素要求量の変動は忌み嫌われるものである。
そのため、このような悪い特性をかかえた除鉄処理システム自体が受け入れられなくなる懸念もある。
一方、除マンガンに着目すると、これまでの実験結果から、リン酸塩の注入を行わない場合、つまりリン不足の状況下におけるマンガンバクテリアの最適溶存酸素濃度が９．５ｍｇ／Ｌ程度であることが明らかとなった。
よって、水源水質によってはここまで溶存酸素濃度を上昇させる必要がある。
そのため、ＰＳＡなどの高濃度酸素ガス発生機器類や、酸素ガスを効率的に水中に溶解させるためのデバイスが必要となり、イニシャルコストが確実に増大し、二段階バクテリア生育方式の採用にとってハードルがものすごく高くなってしまう。
また、マンガンバクテリアの適応溶存酸素濃度範囲が狭いことから、目的の溶存酸素濃度を保つためにはきめ細かな維持管理が必要であり、そのための自動制御機器の設置等でさらなるコスト増につながるおそれもある。
よって、水源水質によってはここまで溶存酸素濃度を上昇させる必要がある。
そのため、ＰＳＡなどの高濃度酸素ガス発生機器類や、酸素ガスを効率的に水中に溶解させるためのデバイスが必要となり、イニシャルコストが確実に増大し、二段階バクテリア生育方式の採用にとってハードルがものすごく高くなってしまう。
また、マンガンバクテリアの適応溶存酸素濃度範囲が狭いことから、目的の溶存酸素濃度を保つためにはきめ細かな維持管理が必要であり、そのための自動制御機器の設置等でさらなるコスト増につながるおそれもある。
また、原水中にリン酸イオンが十分に含まれている場合には、鉄バクテリアによる除鉄の直後の段階から硝化バクテリアによる原水中のアンモニア性窒素の酸化（硝化反応）が順調に進行していくが、水源によっては、わずかなリン酸イオンしか含まないことがある。このような場合、硝化反応の発現は極めて限定的であり、したがって、アンモニア性窒素が残留したまま除鉄処理槽から中間処理水が排出されることになる。
このようなケースにおいて、仮に、次段に一般的な除マンガン濾材を用いて原水中の除マンガン処理を行う除マンガン処理システムを採用した場合には、この残留するアンモニア性窒素の除去がまず必要となる。
そのために、塩素剤の注入率が増加し、新たに水質基準が設けられた塩素酸の濃度を超過するリスクも高くなる。また、塩素剤の要求量の多少の変動にいちいち対応して塩素剤の注入率の変更を行うことは管理上困難であるため、いきおい過剰注入となりやすく、このことからも、塩素酸濃度の超過につながるおそれが高くなるという問題があった。
このようなケースにおいて、仮に、次段に一般的な除マンガン濾材を用いて原水中の除マンガン処理を行う除マンガン処理システムを採用した場合には、この残留するアンモニア性窒素の除去がまず必要となる。
そのために、塩素剤の注入率が増加し、新たに水質基準が設けられた塩素酸の濃度を超過するリスクも高くなる。また、塩素剤の要求量の多少の変動にいちいち対応して塩素剤の注入率の変更を行うことは管理上困難であるため、いきおい過剰注入となりやすく、このことからも、塩素酸濃度の超過につながるおそれが高くなるという問題があった。
本発明は、上記の原水の浄化方法が有する問題点に鑑み、マンガンバクテリアがマンガン除去性能を発揮するのに必要になる溶存酸素濃度を大幅に低下させ、高濃度酸素ガス発生機器類や酸素ガスを効率的に水中に溶解させるための高価なデバイスを不要とするとともに、マンガンバクテリアの適応溶存酸素濃度範囲を拡張し、システムの維持管理を容易にすることができる原水の浄化方法を提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、上記の原水の浄化方法が有する問題点に鑑み、原水中のリン酸イオンが欠乏して硝化反応の進行によるアンモニア性窒素の除去が不調である場合に、硝化バクテリアによるアンモニア性窒素の除去能力を向上させることにより、システムの維持管理を容易にすることができる原水の浄化方法を提供することを第２の目的とする。
上記第１目的を達成するため、本発明の原水の浄化方法は、鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行うとともに、マンガンバクテリアを用いて原水中の除マンガン処理を行う原水の浄化方法において、鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行う除鉄ゾーンと、除鉄処理の後段でマンガンバクテリアを用いて原水中の除マンガン処理を行う除マンガンゾーンとの間の硝化ゾーンにリン酸又はリン酸塩を添加し、硝化バクテリアによるアンモニア性窒素の除去能力を向上させるとともに、マンガンバクテリアテリアによる除マンガン能力を向上させ、除マンガン処理における必要溶存酸素濃度を低下させることを特徴とする。
上記第２目的を達成するため、本発明の原水の浄化方法は、鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行うとともに、除マンガン濾材を用いて原水中の除マンガン処理を行う原水の浄化方法において、鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行う除鉄ゾーンと、除鉄処理の後段で除マンガン濾材を用いて原水中の除マンガン処理を行う除マンガンゾーンとの間の硝化ゾーンにリン酸又はリン酸塩を添加し、硝化バクテリアによるアンモニア性窒素の除去能力を向上させることを特徴とする。
この場合において、硝化ゾーンの前段及び後段（硝化ゾーンを挟んでその前後）にリン酸又はリン酸塩を添加するようにすることができる。
また、原水に対するリン酸又はリン酸塩の添加量を、０．０３〜０．０８ｍｇ／Ｌとすることができる。
本発明の原水の浄化方法によれば、鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行うとともに、マンガンバクテリアを用いて原水中の除マンガン処理を行う原水の浄化方法において、鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行う除鉄ゾーンと、除鉄処理の後段でマンガンバクテリアを用いて原水中の除マンガン処理を行う除マンガンゾーンとの間の硝化ゾーンにリン酸又はリン酸塩を添加し、硝化バクテリアによるアンモニア性窒素の除去能力を向上させるとともに、マンガンバクテリアテリアによる除マンガン能力を向上させ、除マンガン処理における必要溶存酸素濃度を低下させることによって、マンガンバクテリアがマンガン除去性能を発揮するのに必要になる溶存酸素濃度を大幅に低下させ、これにより、従来は必要であったＰＳＡなどの高濃度酸素ガス発生機器類や、酸素ガスを効率的に水中に溶解させるためのデバイスが不要となり、比較的簡易な曝気機構で目的の溶存酸素濃度を達成し、イニシャルコストの大幅な低減を図ることができる。
また、リン酸又はリン酸塩を添加することにより、マンガンバクテリアの適応溶存酸素濃度範囲が拡張されるため、それを保つための維持管理が容易になる。
さらに、リン酸又はリン酸塩は高濃度の溶液として薬品注入ポンプで添加できることから、特殊なシステムを必要とせず、簡易に添加注入することができ、また、添加するリン酸又はリン酸塩は食品添加物用として汎用され浄水水質上も安全であり、また、いずれにしても、その注入量はわずかであるため、最終処理水中のリン酸イオン濃度は、添加されたリン酸又はリン酸塩のほとんどが微生物の代謝に使われることとも相俟って、極めて低いものとなる。
また、リン酸又はリン酸塩を添加することにより、マンガンバクテリアの適応溶存酸素濃度範囲が拡張されるため、それを保つための維持管理が容易になる。
さらに、リン酸又はリン酸塩は高濃度の溶液として薬品注入ポンプで添加できることから、特殊なシステムを必要とせず、簡易に添加注入することができ、また、添加するリン酸又はリン酸塩は食品添加物用として汎用され浄水水質上も安全であり、また、いずれにしても、その注入量はわずかであるため、最終処理水中のリン酸イオン濃度は、添加されたリン酸又はリン酸塩のほとんどが微生物の代謝に使われることとも相俟って、極めて低いものとなる。
また、本発明の原水の浄化方法によれば、鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行うとともに、除マンガン濾材を用いて原水中の除マンガン処理を行う原水の浄化方法において、鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行う除鉄ゾーンと、除鉄処理の後段で除マンガン濾材を用いて原水中の除マンガン処理を行う除マンガンゾーンとの間の硝化ゾーンにリン酸又はリン酸塩を添加し、硝化バクテリアによるアンモニア性窒素の除去能力を向上させることによって、鉄バクテリアによる除鉄の直後の段階から硝化バクテリアによる原水中のアンモニア性窒素の酸化（硝化反応）を順調に進行させ、これにより、水源によりわずかなリン酸イオンしか含まない場合でも、アンモニア性窒素の除去を確実に行うことが可能となり、塩素剤の注入率の管理等、システムの維持管理が容易になる。
この場合において、硝化ゾーンの前段及び後段（硝化ゾーンを挟んでその前後）にリン酸又はリン酸塩を添加するようにすることにより、リン酸又はリン酸塩を過不足なく添加することができる。
また、原水に対するリン酸又はリン酸塩の添加量を、０．０３〜０．０８ｍｇ／Ｌとすることにより、その注入量は極めてわずかであり、最終処理水中のリン酸イオンとしてほとんど検出されることはなく、浄水水質上も安全である。
以下、本発明の原水の浄化方法の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１に、本発明の原水の浄化方法の一実施例を示す。
この原水の浄化方法は、鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行うとともに、マンガンバクテリアを用いて原水中の除マンガン処理を行う原水の浄化方法において、鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行う除鉄ゾーンと、除鉄処理の後段でマンガンバクテリアを用いて原水中の除マンガン処理を行う除マンガンゾーンとの間の硝化ゾーンにリン酸又はリン酸塩を添加し、硝化バクテリアの増殖及び活性化を図り、硝化バクテリアによるアンモニア性窒素の除去能力を向上させるとともに、マンガンバクテリアテリアの増殖及び活性化を図り、マンガンバクテリアテリアによる除マンガン能力を向上させ、除マンガン処理における必要溶存酸素濃度を低下させるようにしている。
この原水の浄化方法は、鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行うとともに、マンガンバクテリアを用いて原水中の除マンガン処理を行う原水の浄化方法において、鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行う除鉄ゾーンと、除鉄処理の後段でマンガンバクテリアを用いて原水中の除マンガン処理を行う除マンガンゾーンとの間の硝化ゾーンにリン酸又はリン酸塩を添加し、硝化バクテリアの増殖及び活性化を図り、硝化バクテリアによるアンモニア性窒素の除去能力を向上させるとともに、マンガンバクテリアテリアの増殖及び活性化を図り、マンガンバクテリアテリアによる除マンガン能力を向上させ、除マンガン処理における必要溶存酸素濃度を低下させるようにしている。
具体的には、図１に示すように、地下水源より直接、あるいは地下水を汲み上げて一時的に貯水したタンクより原水供給ポンプＰ及び原水供給管１を介してバクテリア濾過槽２の上段側へ原水（地下水）を供給する。
このバクテリア濾過槽２は、上下２段階となっており、上段側に鉄バクテリア濾過槽２１を、下段側にマンガンバクテリア濾過槽２２を配設し、各段の鉄バクテリア濾過槽２１、マンガンバクテリア濾過槽２２にはそれぞれ独立して給水と排水とを行えるように配管（原水供給管１及び処理水配水管４並びに曝気処理水供給管９及び最終処理水配水管１０）を接続し、かつ鉄バクテリア濾過槽２１にて処理した処理水を曝気槽３を介してマンガンバクテリア濾過槽２２に戻すように構成する。
このバクテリア濾過槽２は、上下２段階となっており、上段側に鉄バクテリア濾過槽２１を、下段側にマンガンバクテリア濾過槽２２を配設し、各段の鉄バクテリア濾過槽２１、マンガンバクテリア濾過槽２２にはそれぞれ独立して給水と排水とを行えるように配管（原水供給管１及び処理水配水管４並びに曝気処理水供給管９及び最終処理水配水管１０）を接続し、かつ鉄バクテリア濾過槽２１にて処理した処理水を曝気槽３を介してマンガンバクテリア濾過槽２２に戻すように構成する。
鉄バクテリア濾過槽２１には、その内部に鉄バクテリア濾過材２１ａを充填するとともに、上部位置に前記原水供給管１を、また下部位置に鉄バクテリア濾過槽２１から排水し、後続の曝気槽３に給水を行うための処理水配水管４をそれぞれ接続し、この処理水配水管４の先端を曝気槽３の上部に接続し、鉄バクテリア濾過槽２１内で処理された処理水を曝気槽３の上部に供給するようにする。
曝気槽３では、その上部位置から処理水が処理水配水管４を経て供給されるとともに、下部位置にはコンプレッサーＣなどの空気供給源に接続された送気管５の先端を接続し、特に限定されるものではないが、散気管等（図示省略）に曝気用の空気を供給して所要の曝気を行うようにすることにより、処理水に対して、曝気槽３内で所要の曝気（２次溶存酸素の供給）を行った後、当該処理水を、曝気槽３の下部位置に接続された曝気処理水供給管９を経て、マンガンバクテリア濾過槽２２の上部位置に供給するようにする。
また、送気管５を分岐して原水供給管１に接続し、空気供給源からの送気の一部を原水供給管１内にも供給するようにし、分岐送気管１１より１次溶存酸素として原水供給管１内に供給するようにする。
また、原水にリン酸又はリン酸塩を添加するための薬液槽６、薬液供給ポンプ７及び薬液供給管８を配設する。
そして、原水に対するリン酸又はリン酸塩の添加量は、後述のように、硝化バクテリアやマンガンバクテリアの菌数を増加させかつその活性を高める条件を満たす程度で、ごくわずかな量、特に限定されるものではないが、原水に対して、例えば、０．０３〜０．０８ｍｇ／Ｌになるように設定する。
そして、原水に対するリン酸又はリン酸塩の添加量は、後述のように、硝化バクテリアやマンガンバクテリアの菌数を増加させかつその活性を高める条件を満たす程度で、ごくわずかな量、特に限定されるものではないが、原水に対して、例えば、０．０３〜０．０８ｍｇ／Ｌになるように設定する。
そして、薬液供給管８を分岐した一方の薬液供給管８ａから、リン酸又はリン酸塩を、鉄バクテリア濾過槽２１内の下部位置に形成した砂層からなる硝化ゾーン２３ａに供給するようにする。
これにより、硝化ゾーン２３ａにおける硝化バクテリアの増殖及び活性化を図り、硝化バクテリアによるアンモニア性窒素の除去能力を向上させることができ、専用の硝化槽を設ける必要がなくなる。
これにより、硝化ゾーン２３ａにおける硝化バクテリアの増殖及び活性化を図り、硝化バクテリアによるアンモニア性窒素の除去能力を向上させることができ、専用の硝化槽を設ける必要がなくなる。
また、マンガンバクテリアの菌数を増加させ、かつその活性を高めるために、リン酸又はリン酸塩を、マンガンバクテリア濾過槽２２の手前位置で添加するようにする。
この薬液の添加（供給）は、鉄バクテリア濾過槽２１から曝気槽３に接続される処理水配水管４に、薬液供給管８を分岐した他方の薬液供給管８ｂから行うようにする。
このように、鉄バクテリア濾過槽２１から処理水配水管４を介して曝気槽３に供給される処理水にリン酸又はリン酸塩を添加、混合した後、当該処理水を曝気処理水供給管９を介してマンガンバクテリア濾過槽２２に導入することでマンガンバクテリアの増殖及び活性化を図ることができる。
この薬液の添加（供給）は、鉄バクテリア濾過槽２１から曝気槽３に接続される処理水配水管４に、薬液供給管８を分岐した他方の薬液供給管８ｂから行うようにする。
このように、鉄バクテリア濾過槽２１から処理水配水管４を介して曝気槽３に供給される処理水にリン酸又はリン酸塩を添加、混合した後、当該処理水を曝気処理水供給管９を介してマンガンバクテリア濾過槽２２に導入することでマンガンバクテリアの増殖及び活性化を図ることができる。
マンガンバクテリア濾過槽２２内には、所要のマンガンバクテリア濾過材２２ａを充填するとともに、下部位置にはマンガンバクテリア濾過処理を行った最終処理水を排水し、最終処理水槽Ｔへ供水するための最終処理水配水管１０を接続するようにする。
（実験例１）
図５（ａ）に示すように、原水にリン酸塩を補給するようにした場合、投与したリン酸塩のうちほとんどは除鉄ゾーンで消費されるが、残余のものは除鉄ゾーンを通過し、硝化バクテリアゾーンへ到達し、硝化バクテリアによる原水中のアンモニア性窒素の酸化（硝化反応）が進むことが確認できた。
しかしながら、硝化の進展度は、図５（ａ）（５５日目以前）に示すように、極めて緩慢であり、硝化によるアンモニア性窒素の除去率もさほど高くなっていない。
結論としては、このような除鉄ゾーンを通過する前にリン酸塩を注入する方法は、リン酸塩の無駄な消費率が高く、効率的な手段とはいえない。
したがって、残された方法は、除鉄ゾーンを過ぎてからリン酸塩の注入を行うことである。この方法を用いてみたところ、図５（ａ）（５５日目以降）及び図５（ｂ）に示すように、硝化によるアンモニア性窒素の除去率の向上は迅速かつ除去率自体も高いものであった。
図５（ａ）に示すように、原水にリン酸塩を補給するようにした場合、投与したリン酸塩のうちほとんどは除鉄ゾーンで消費されるが、残余のものは除鉄ゾーンを通過し、硝化バクテリアゾーンへ到達し、硝化バクテリアによる原水中のアンモニア性窒素の酸化（硝化反応）が進むことが確認できた。
しかしながら、硝化の進展度は、図５（ａ）（５５日目以前）に示すように、極めて緩慢であり、硝化によるアンモニア性窒素の除去率もさほど高くなっていない。
結論としては、このような除鉄ゾーンを通過する前にリン酸塩を注入する方法は、リン酸塩の無駄な消費率が高く、効率的な手段とはいえない。
したがって、残された方法は、除鉄ゾーンを過ぎてからリン酸塩の注入を行うことである。この方法を用いてみたところ、図５（ａ）（５５日目以降）及び図５（ｂ）に示すように、硝化によるアンモニア性窒素の除去率の向上は迅速かつ除去率自体も高いものであった。
実際の装置において、除鉄ゾーンより下流でのリン酸塩の注入を行う機構を、図２〜図４に示す。
まず、図４に示すように、濾材の圧力と水流に耐え、しかも抵抗の少ない断面形状をした中空の管１２を図２〜図３のごとく格子状に結合し、互いに液体（リン酸塩溶液）が通導連絡できるようにしておく。
なお、この格子状の管１２は、除鉄ゾーンの下流側で、原水中の鉄分がほとんど除去完了する部分に、グリッド固定枠１３により鉄バクテリア濾過槽２１に固定されている。
このような格子状の管１２の数ヶ所に、外部からの水や異物の管内浸入を防ぐようにしたリン酸塩の注入口を設け、薬注設備と連結する。このようにすれば、リン酸塩が硝化バクテリアの作用するゾーンに対して片寄り少なく拡散され、スムーズなアンモニア性窒素の除去が達成される。
ただ、留意しなければならない点は、このようなリン酸塩の拡散デバイスが完全に濾材中に埋没されているという点であり、リン酸塩の噴射口に対して濾材の浸入を許してはならない。
また、濾材の洗浄時における濾材の管への衝突に対しても堅牢である必要があることから、この格子状の管１２はＳＵＳ３１６等で製造するのが望ましい。
まず、図４に示すように、濾材の圧力と水流に耐え、しかも抵抗の少ない断面形状をした中空の管１２を図２〜図３のごとく格子状に結合し、互いに液体（リン酸塩溶液）が通導連絡できるようにしておく。
なお、この格子状の管１２は、除鉄ゾーンの下流側で、原水中の鉄分がほとんど除去完了する部分に、グリッド固定枠１３により鉄バクテリア濾過槽２１に固定されている。
このような格子状の管１２の数ヶ所に、外部からの水や異物の管内浸入を防ぐようにしたリン酸塩の注入口を設け、薬注設備と連結する。このようにすれば、リン酸塩が硝化バクテリアの作用するゾーンに対して片寄り少なく拡散され、スムーズなアンモニア性窒素の除去が達成される。
ただ、留意しなければならない点は、このようなリン酸塩の拡散デバイスが完全に濾材中に埋没されているという点であり、リン酸塩の噴射口に対して濾材の浸入を許してはならない。
また、濾材の洗浄時における濾材の管への衝突に対しても堅牢である必要があることから、この格子状の管１２はＳＵＳ３１６等で製造するのが望ましい。
そこで、図４に濾材の浸入を防止できる噴射口の具体例を示す。
そのひとつは伸縮性のある有機高分子物質を用いる手法である。
図４（ａ）に示すように、格子状の管１２に等間隔で小孔１４を設け、その小孔１４を覆うようにして有機高分子膜１５を管１２に密着させる。
有機高分子膜１５には、管１２の小孔１４とずれた位置に小さな切れ込み１５ａが入れてある。薬液供給ポンプが作動し、リン酸塩が管１２の小孔１４から吐出され、密着している有機高分子膜１５と管１２の間にリン酸塩溶液が満たされた状態となる。
このようになると、有機高分子膜１５の持つ弾性のゆえに先の切れ込み１５ａが少し開くような形になり、外部へ（つまり濾材のある方へ）リン酸塩溶液が放出される。
このリン酸塩溶液の供給が停止すると、有機高分子膜１５はその弾性により液体の出口である切れ込み１５ａを塞ぐような形に形状が復元し、外部からの液体や異物の侵入を防ぐ働きをする。
もうひとつは、図４（ｂ）に示すように、機械的なバルブ１６を用いることでバルブステム１６ａがリン酸塩の噴出口で摺動し、バルブステム１６ａと噴出口のわずかなクリアランスからリン酸塩が染み出していくものである。このようなバルブ１６をこの格子状の管１２に適切な数だけ設ける。
そのひとつは伸縮性のある有機高分子物質を用いる手法である。
図４（ａ）に示すように、格子状の管１２に等間隔で小孔１４を設け、その小孔１４を覆うようにして有機高分子膜１５を管１２に密着させる。
有機高分子膜１５には、管１２の小孔１４とずれた位置に小さな切れ込み１５ａが入れてある。薬液供給ポンプが作動し、リン酸塩が管１２の小孔１４から吐出され、密着している有機高分子膜１５と管１２の間にリン酸塩溶液が満たされた状態となる。
このようになると、有機高分子膜１５の持つ弾性のゆえに先の切れ込み１５ａが少し開くような形になり、外部へ（つまり濾材のある方へ）リン酸塩溶液が放出される。
このリン酸塩溶液の供給が停止すると、有機高分子膜１５はその弾性により液体の出口である切れ込み１５ａを塞ぐような形に形状が復元し、外部からの液体や異物の侵入を防ぐ働きをする。
もうひとつは、図４（ｂ）に示すように、機械的なバルブ１６を用いることでバルブステム１６ａがリン酸塩の噴出口で摺動し、バルブステム１６ａと噴出口のわずかなクリアランスからリン酸塩が染み出していくものである。このようなバルブ１６をこの格子状の管１２に適切な数だけ設ける。
一方、除マンガンに着目すると、図１に示すように、マンガンバクテリアゾーンの手前において、わずかな量のリン酸又はリン酸塩が残留するよう注入量を設定することにより、マンガンバクテリア数や活性を増大させ、その結果、マンガン除去性能を発揮するのに必要になる溶存酸素濃度を大幅に低下できることが明らかとなった。
これにより、リン酸又はリン酸塩を添加しない場合に必要であったＰＳＡなどの高濃度酸素ガス発生機器類や、酸素ガスを効率的に水中に溶解させるためのデバイスが不要となり、比較的簡易な曝気機構で目的の溶存酸素濃度が達成できることから、イニシャルコストの大幅な低減が図られる。
また、リン酸又はリン酸塩を添加することにより、マンガンバクテリアの適応溶存酸素濃度範囲が拡張されるため、それを保つための維持管理が容易になり、実用上好ましい。
これにより、リン酸又はリン酸塩を添加しない場合に必要であったＰＳＡなどの高濃度酸素ガス発生機器類や、酸素ガスを効率的に水中に溶解させるためのデバイスが不要となり、比較的簡易な曝気機構で目的の溶存酸素濃度が達成できることから、イニシャルコストの大幅な低減が図られる。
また、リン酸又はリン酸塩を添加することにより、マンガンバクテリアの適応溶存酸素濃度範囲が拡張されるため、それを保つための維持管理が容易になり、実用上好ましい。
以上のことから、バクテリア法による２段階方式のシステムに本実施例の技術を組み合わせることにより、従来の鉄バクテリア濾過では十分な処理性能を発揮できなかった高濃度の鉄、マンガン及びアンモニア性窒素を含む原水水源の活用に大きく寄与することができる。
また、従来の鉄バクテリア濾過よりも高い濾過速度かつ処理性能を発揮することができる。
鉄バクテリアとマンガンバクテリアの２つの溶存酸素濃度設定やリン酸又はリン酸塩注入、その他の維持管理も容易に行うことができ、結果として処理システム全体の運転を安定的に行うことができるという大きな利点を生ずる。
また、従来の鉄バクテリア濾過よりも高い濾過速度かつ処理性能を発揮することができる。
鉄バクテリアとマンガンバクテリアの２つの溶存酸素濃度設定やリン酸又はリン酸塩注入、その他の維持管理も容易に行うことができ、結果として処理システム全体の運転を安定的に行うことができるという大きな利点を生ずる。
（実験例２）
濾過速度 ；２００ｍ／日
洗浄頻度 ；１回／日
使用したリン酸塩 ；リン酸二水素ナトリウム（食品添加物）
リン酸塩注入率（注入時） ；０．０５ｍｇ／Ｌ（ＰＯ４ ３−として）
注入ポイント ；マンガンバクテリア濾過槽前の曝気機構
１次溶存酸素濃度（除鉄ゾーン） ；４〜５ｍｇ／Ｌ
濾過速度 ；２００ｍ／日
洗浄頻度 ；１回／日
使用したリン酸塩 ；リン酸二水素ナトリウム（食品添加物）
リン酸塩注入率（注入時） ；０．０５ｍｇ／Ｌ（ＰＯ４ ３−として）
注入ポイント ；マンガンバクテリア濾過槽前の曝気機構
１次溶存酸素濃度（除鉄ゾーン） ；４〜５ｍｇ／Ｌ
リン酸塩を添加しなかった場合、マンガンバクテリアのための２次溶存酸素濃度を上昇させるにしたがってマンガン除去率も高くなり、溶存酸素濃度＝８．５ｍｇ／Ｌのときに処理水のマンガン濃度が基準値以下となり、溶存酸素濃度＝９．５ｍｇ／Ｌのときに最も高い除去率を示した（表２参照）。
一方、さらに溶存酸素濃度を上昇させると逆にマンガン除去率は低下した。
リン酸塩を添加した場合、マンガンバクテリアのための２次溶存酸素濃度を９．０ｍｇ／Ｌから徐々に低下させてもマンガン除去率はほとんど低下せず、溶存酸素濃度＝７．０ｍｇ／Ｌでもほぼ同等のマンガン除去率を示した（表２参照）。
一方、さらに溶存酸素濃度を上昇させると逆にマンガン除去率は低下した。
リン酸塩を添加した場合、マンガンバクテリアのための２次溶存酸素濃度を９．０ｍｇ／Ｌから徐々に低下させてもマンガン除去率はほとんど低下せず、溶存酸素濃度＝７．０ｍｇ／Ｌでもほぼ同等のマンガン除去率を示した（表２参照）。
処理システム全体としては、本原水のような高濃度の鉄、マンガン及びアンモニア性窒素を含む原水に対しても、本実験例２のような比較的高い濾過速度で処理でき、鉄、アンモニア性窒素については１段目のゾーンで、マンガンについては２段目のゾーンでそれぞれ効率よく除去されることが示された（表３参照）。
図６に、本発明の原水の浄化方法を実施する水浄化設備のより具体的な一実施例を示す。
この水浄化設備は、工業製品の製造に使用される工業用水の供給用として利用されるものである。
一般に、工業製品の製造に使用される工業用水には、例えば、イオン交換を行った水が使用されることが多いが、塩素剤がイオン交換樹脂を劣化させる原因となるため、塩素剤を含まない水が好まれる。
このような場合には、原水として用いる地下水に含まれる鉄、マンガン及びアンモニア性窒の除去をすべて細菌（バクテリア）で行うことが有利となるため、このための水浄化設備が要請されていた。
図６に示す水浄化設備は、このためのもので、内部に鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行う鉄バクテリア濾過材２１ａを充填した鉄バクテリア濾過槽２１と、除鉄処理の後段で内部にマンガンバクテリアを用いて原水中の除マンガン処理を行うマンガンバクテリア濾過材２２ａを充填したマンガンバクテリア濾過槽２２とを備え、鉄バクテリア濾過槽２１の鉄バクテリア濾過材２１ａの下部位置に、支持層２３ｂによって支持された砂層からなる硝化ゾーン２３ａを形成するようにしている。
そして、この水浄化設備においては、鉄バクテリア濾過槽２１に導入する原水及び鉄バクテリア濾過槽２１から導出されてマンガンバクテリア濾過槽２２に導入される中間処理水に、適宜手段によって、溶存酸素ＤＯ１、ＤＯ２を供給するとともに、鉄バクテリア濾過槽２１の鉄バクテリア濾過材２１ａと硝化ゾーン２３ａとの間及び鉄バクテリア濾過槽２１から導出されてマンガンバクテリア濾過槽２２に導入される中間処理水に、リン酸又はリン酸塩（ＰＯ４ ３−）を添加し、硝化バクテリアの増殖及び活性化を図り、硝化バクテリアによるアンモニア性窒素の除去能力を向上させるとともに、マンガンバクテリアテリアの増殖及び活性化を図り、マンガンバクテリアテリアによる除マンガン能力を向上させるようにしている。
この水浄化設備は、工業製品の製造に使用される工業用水の供給用として利用されるものである。
一般に、工業製品の製造に使用される工業用水には、例えば、イオン交換を行った水が使用されることが多いが、塩素剤がイオン交換樹脂を劣化させる原因となるため、塩素剤を含まない水が好まれる。
このような場合には、原水として用いる地下水に含まれる鉄、マンガン及びアンモニア性窒の除去をすべて細菌（バクテリア）で行うことが有利となるため、このための水浄化設備が要請されていた。
図６に示す水浄化設備は、このためのもので、内部に鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行う鉄バクテリア濾過材２１ａを充填した鉄バクテリア濾過槽２１と、除鉄処理の後段で内部にマンガンバクテリアを用いて原水中の除マンガン処理を行うマンガンバクテリア濾過材２２ａを充填したマンガンバクテリア濾過槽２２とを備え、鉄バクテリア濾過槽２１の鉄バクテリア濾過材２１ａの下部位置に、支持層２３ｂによって支持された砂層からなる硝化ゾーン２３ａを形成するようにしている。
そして、この水浄化設備においては、鉄バクテリア濾過槽２１に導入する原水及び鉄バクテリア濾過槽２１から導出されてマンガンバクテリア濾過槽２２に導入される中間処理水に、適宜手段によって、溶存酸素ＤＯ１、ＤＯ２を供給するとともに、鉄バクテリア濾過槽２１の鉄バクテリア濾過材２１ａと硝化ゾーン２３ａとの間及び鉄バクテリア濾過槽２１から導出されてマンガンバクテリア濾過槽２２に導入される中間処理水に、リン酸又はリン酸塩（ＰＯ４ ３−）を添加し、硝化バクテリアの増殖及び活性化を図り、硝化バクテリアによるアンモニア性窒素の除去能力を向上させるとともに、マンガンバクテリアテリアの増殖及び活性化を図り、マンガンバクテリアテリアによる除マンガン能力を向上させるようにしている。
一方、上水道の供給用として利用される水浄化設備は、塩素剤を含む水でもよいため（水道法では、残留塩素が存在することを要求している。）、図６に示す水浄化設備のマンガンバクテリア濾過槽２２に代えて、一般的な除マンガン濾材を用いて原水中の除マンガン処理を行う除マンガン処理システムを採用することが可能となる。
以上、本発明の原水の浄化方法について、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができる。
本発明の原水の浄化方法は、マンガンバクテリアがマンガン除去性能を発揮するのに必要になる溶存酸素濃度を大幅に低下させ、高濃度酸素ガス発生機器類や酸素ガスを効率的に水中に溶解させるための高価なデバイスを不要とするとともに、マンガンバクテリアの適応溶存酸素濃度範囲を拡張し、その維持管理を容易にするという特性を有していることから、安価で管理が容易な地下水等の原水の浄化システムとして広く好適に用いることができる。
Ｃ コンプレッサー
Ｐ 原水供給ポンプ
Ｔ 最終処理水槽
１ 原水供給管
２ バクテリア濾過槽
２１ 鉄バクテリア濾過槽
２１ａ 鉄バクテリア濾過材（除鉄ゾーン）
２２ マンガンバクテリア濾過槽
２２ａ マンガンバクテリア濾過材（除マンガンゾーン）
２３ａ 硝化ゾーン
３ 曝気槽
４ 処理水配水管
５ 送気管
６ 薬液槽
７ 薬液供給ポンプ
８ 薬液供給管
９ 曝気処理水供給管
１０ 最終処理水配水管
１１ 分岐送気管
１２ 格子状の管
１３ グリッド固定枠
１４ 小孔
１５ 有機高分子膜
１５ａ 切れ込み
１６ バルブ
１６ａ バルブステム
Ｐ 原水供給ポンプ
Ｔ 最終処理水槽
１ 原水供給管
２ バクテリア濾過槽
２１ 鉄バクテリア濾過槽
２１ａ 鉄バクテリア濾過材（除鉄ゾーン）
２２ マンガンバクテリア濾過槽
２２ａ マンガンバクテリア濾過材（除マンガンゾーン）
２３ａ 硝化ゾーン
３ 曝気槽
４ 処理水配水管
５ 送気管
６ 薬液槽
７ 薬液供給ポンプ
８ 薬液供給管
９ 曝気処理水供給管
１０ 最終処理水配水管
１１ 分岐送気管
１２ 格子状の管
１３ グリッド固定枠
１４ 小孔
１５ 有機高分子膜
１５ａ 切れ込み
１６ バルブ
１６ａ バルブステム
Claims (4)
- 鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行うとともに、マンガンバクテリアを用いて原水中の除マンガン処理を行う原水の浄化方法において、鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行う除鉄ゾーンと、除鉄処理の後段でマンガンバクテリアを用いて原水中の除マンガン処理を行う除マンガンゾーンとの間の硝化ゾーンにリン酸又はリン酸塩を添加し、硝化バクテリアによるアンモニア性窒素の除去能力を向上させるとともに、マンガンバクテリアテリアによる除マンガン能力を向上させ、除マンガン処理における必要溶存酸素濃度を低下させることを特徴とする原水の浄化方法。
- 鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行うとともに、除マンガン濾材を用いて原水中の除マンガン処理を行う原水の浄化方法において、鉄バクテリアを用いて原水中の除鉄処理を行う除鉄ゾーンと、除鉄処理の後段で除マンガン濾材を用いて原水中の除マンガン処理を行う除マンガンゾーンとの間の硝化ゾーンにリン酸又はリン酸塩を添加し、硝化バクテリアによるアンモニア性窒素の除去能力を向上させることを特徴とする原水の浄化方法。
- 硝化ゾーンの前段及び後段にリン酸又はリン酸塩を添加することを特徴とする請求項１又は２記載の原水の浄化方法。
- 原水に対するリン酸又はリン酸塩の添加量を、０．０３〜０．０８ｍｇ／Ｌとしたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の原水の浄化方法。
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