JP2010029767A - 有機性排水の処理方法及び処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄塩の添加により、生物処理槽内の活性汚泥混合液中の汚泥の沈降性、濃縮性、濾過性を効果的に改善し、良好な水質の処理水を効率的に得る。
【解決手段】有機性排水に鉄塩を添加して生物処理するにあたり、有機性排水に鉄塩を添加して混合し、混合水を活性汚泥と混合して生物処理する。水酸化第二鉄の最適ｐＨ付近で有機性排水と鉄塩とを予め混合することにより、酸化鉄、炭酸鉄の生成に起因する処理水の濁りが防止される。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機性排水を活性汚泥法により生物処理する有機性排水の処理方法及び処理装置に関し、特に、有機性排水を活性汚泥法で生物処理する際の汚泥の沈降性、濃縮性、濾過性を改善し、良好な水質の処理水を効率的に得る方法及び装置に関する。

有機性排水の処理方法として、生物処理が知られている。生物処理法の中でも、活性汚泥と呼ばれる微生物群集を利用する活性汚泥法は、様々な性状の有機物含有水に適用でき、良好な水質の処理水が得られるため、広く用いられている。

活性汚泥法による処理を行う生物処理槽内には、処理槽に導入された有機性排水と槽内に保持された活性汚泥（微生物）とが混合された液（活性汚泥混合液）が保持される。このため、生物処理槽で処理された清澄な処理水を得るには、この活性汚泥混合液を固液分離する必要がある。

活性汚泥混合液の固液分離手段としては、沈殿池、膜分離装置、浮上分離装置等があるが、このうち、膜分離装置は他の固液分離装置に比べて固形分の分離能が高く、膜分離装置を用いれば清澄な処理水を得ることができる。

このように、生物処理水を固液分離する場合、得られる処理水の水質や処理効率を改善するべく、従来、次のような工夫がなされている。

（１） 生物処理水を沈殿池で固液分離する場合、処理水の透視度を向上させるために、更に濾過器を設ける。或いは、生物処理槽のＭＬＳＳ濃度を最適化する。或いは、沈殿池を大きくする。
（２） 汚泥の沈降性、濃縮性改善のために、二段活性汚泥法を採用する。或いは、高比重の凝集剤等（鉄塩、カルシウム等）を添加する。或いは高分子凝集剤を添加する。
（３） 生物処理槽からの活性汚泥混合液を膜分離する膜分離活性汚泥法において、膜の目詰まり防止、フラックス（透過流束）の向上のために、膜の薬品洗浄、処理水の間欠引き抜き、膜の逆洗浄、生物処理槽のＭＬＳＳ濃度の最適化、生物処理槽の汚泥滞留時間（ＳＲＴ）の最適化等を行う。

例えば、特許文献１では、膜浸漬型生物処理槽に凝集剤を添加してリンを凝集させて生物処理水へのリンの溶出を防止すると共に、後段の逆浸透膜分離装置でのスライムの付着を防止する方法が提案されている。

また、本出願人は先に、有機性排水を生物処理槽で生物処理し、活性汚泥混合液を膜分離する膜分離活性汚泥法において、分離膜の目詰まりを防止するために、生物処理槽に鉄塩を添加すると共に生物処理槽のｐＨを５〜６．５に調整する方法を提案した（特許文献２）。
特開２００８−８６８４９号公報 特願２００７−４１６３６

特許文献２に記載されるように、生物処理槽に鉄塩を添加すると共に、生物処理槽のｐＨを５〜６．５に調整することにより、極めて強固で大きなフロックを形成することができ、汚泥の沈降性、濃縮性、濾過性が改善され、処理水の透視度も高いものとなる。特に、膜分離活性汚泥法に、この方法を適用すると、膜フラックスを高く維持することができるという優れた効果が奏される。

しかし、生物処理槽に直接鉄塩を添加すると、場合によっては処理水が茶褐色に濁る現象が見られた。本発明者らによる検討の結果、この現象は、生物処理槽に添加された鉄塩が生物処理槽中で酸化鉄や炭酸鉄となり、フロックの形成に使用されずに、微粒子として処理水中にリークしたためであることが判明した。

本発明は、この問題を解決し、鉄塩の添加により、生物処理槽内の活性汚泥混合液中の汚泥の沈降性、濃縮性、濾過性を結果的に改善し、良好な水質の処理水を効率的に得る有機性排水の処理方法及び処理装置を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、生物処理に先立ち、水酸化第二鉄の最適ｐＨ付近で有機性排水と鉄塩とを予め混合することにより、酸化鉄、炭酸鉄の生成に起因する処理水の濁りが防止されることを見出した。

本発明はこのような知見に基いて達成されたものであり、以下を要旨とする。

［１］ 有機性排水に鉄塩を添加して生物処理する方法において、有機性排水に鉄塩を添加して混合する混合工程と、混合工程からの混合水を活性汚泥と混合して生物処理する生物処理工程とを含むことを特徴とする有機性排水の処理方法。

［２］ ［１］において、前記混合工程のｐＨが４．５〜６．５であり、前記生物処理工程のｐＨが５〜６．５であることを特徴とする有機性排水の処理方法。

［３］ ［１］又は［２］において、前記混合工程において、鉄塩を、前記生物処理工程における前記活性汚泥中の鉄含有量が、１０〜４５重量％となるように添加することを特徴とする有機性排水の処理方法。

［４］ ［１］ないし［３］のいずれかにおいて、前記生物処理工程の活性汚泥混合液を膜分離処理する膜分離工程を有することを特徴とする有機性排水の処理方法。

［５］ 有機性排水に鉄塩を添加して生物処理する装置において、有機性排水に鉄塩を添加して混合する混合槽と、混合槽からの混合水を活性汚泥と混合して生物処理する生物処理槽とを含むことを特徴とする有機性排水の処理装置。

［６］ ［５］において、前記混合槽のｐＨが４．５〜６．５であり、前記生物処理槽のｐＨが５〜６．５であることを特徴とする有機性排水の処理装置。

［７］ ［５］又は［６］において、前記混合槽において、鉄塩を、前記生物処理槽における前記活性汚泥中の鉄含有量が、１０〜４５重量％となるように添加することを特徴とする有機性排水の処理装置。

［８］ ［５］ないし［７］のいずれかにおいて、前記生物処理槽の活性汚泥混合液を膜分離処理する膜分離手段を有することを特徴とする有機性排水の処理装置。

本発明によれば、生物処理に先立ち、水酸化第二鉄の最適ｐＨ付近で有機性排水と鉄塩とを予め混合することにより、添加した鉄塩を水酸化第二鉄として有効に作用させることが可能となる。これにより、生物処理槽内で極めて強固で大きなフロックを形成することができ、汚泥の沈降性、濃縮性、濾過性が効果的に改善され、処理水への鉄分の流出を低減すると共に、
(1) 活性汚泥混合液を沈殿池で固液分離する沈殿型の生物処理では、処理水のＳＳを低下させ、透視度を向上させることができる。
(2) 活性汚泥混合液を膜分離する膜分離活性汚泥法では、膜の目詰まりを防止して、膜フラックスを高め、膜フラックスを長期に亘り安定に維持することができる。
といった優れた効果が奏される。

以下、図面を参照して本発明の有機性排水の処理方法及び処理装置の実施の形態を詳細に説明する。

図１，２は本発明の有機性排水の処理装置の実施の形態を示す系統図である。図１，２において、同一機能を奏する部材には同一符号を付してある。

本発明では、有機性排水よりなる原水を生物処理槽２に導入し、活性汚泥によって生物処理するに際し、鉄塩混合槽１にて、原水に鉄塩を添加して混合し、得られた混合水を生物処理槽２で生物処理する。

本発明で処理対象とする有機性排水としては、地下水、河川水、湖沼（ダム湖含む）水等の自然水、水道水、又は排水を処理して得られた回収水が挙げられ、本発明は、これらの水を原水として処理し、得られた処理水を純水製造に用いる場合に好適に用いることができる。

これらの水は、元来、ＢＯＤ濃度が０．１〜１００ｍｇ／Ｌ程度と低く、これらの水を純水製造の用水とする場合、シュードモナス属等の貧栄養細菌と呼ばれる微生物が主体となって生物処理された後、限外濾過（ＵＦ）膜や、孔径が０．２μＭ以下程度の膜で固液分離される。純水製造用水の処理に用いられる膜は、孔径が小さいため、目詰まりを生じ易い。特に、自然水には、膜を詰まらせやすいフミン質や尿素が含まれ、不溶性懸濁物（ＳＳ）濃度も高い場合がある。本発明によれば、高いファウリング防止効果が得られるため、原水に１ｍｇ／Ｌを超える高濃度のフミン質や尿素の一方または両方が含まれていてもよく、また、ＳＳも０．１〜３０ｍｇ／Ｌ程度の範囲で含まれていてもよい。

生物処理槽におけるＭＬＳＳ濃度は、２，０００〜５０，０００ｍｇ／Ｌ、特に５，０００〜２０，０００ｍｇ／Ｌと高濃度とすることにより、生物処理効率を高くすることができる。

ここで、ＭＬＳＳ中の有機物量の割合、具体的には活性汚泥有機性浮遊物質ＭＬＶＳＳ（Ｍｉｘｅｄ Ｌｉｑｕｏｒ Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｏｌｉｄｓ）／ＭＬＳＳ比は０．１〜０．８程度、特に０．２〜０．６の範囲となるようにするとよい。生物処理槽に導入される有機物含有水の有機物濃度が極端に低い場合（例えば生物分解可能な有機物であるＡｓｓｉｍｉｒａｂｌｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ、以下「ＡＯＣ」濃度が１００ｎｇ／Ｌ程度未満）、生物処理槽内における活性汚泥の増殖が少なくなり、ＭＬＶＳＳ／ＭＬＳＳ比が上記範囲を外れる場合もある。このような場合は、生物処理槽に微量の有機物を添加するか、有機物濃度の高い他の有機物含有水を混合するようにすればよい。

なお、生物処理槽内には、担体を浮遊させてもよい。このような浮遊性の担体としてはスポンジ、ゲルなどが例示される。生物処理槽のＢＯＤ負荷は通常の活性汚泥法と同等で良く、例えば、０．５〜５．０ｋｇ−ＢＯＤ／日、特に０．５〜２．０ｋｇ−ＢＯＤ／日程度が好ましいが、より低い負荷であっても、鉄塩の効果で汚泥が分散することなく、十分な強度の大きなフロックを生成して良好な処理を行える。

本発明では、このような生物処理槽で原水を生物処理するに先立ち、原水をまず鉄塩混合槽１に送給し、ｐＨ計１Ｂに連動するｐＨ調整剤添加手段１Ｃより必要に応じてｐＨ調整剤を添加してｐＨ４．５〜６．５に調整し、このｐＨ条件下で鉄塩を添加し、攪拌混合する。

鉄塩としては、特に制限はなく、塩化第二鉄、塩化第一鉄、ポリ硫酸鉄、硫酸第二鉄などの鉄塩を用いることができる。これらは１種を単独で用いても良く、２種以上を併用しても良い。

鉄塩の添加量は、生物処理槽２内の活性汚泥ＭＬＳＳ中の鉄の含有量（Ｆｅ含有量）が１０〜４５重量％、特に１０〜３５重量％となるような量とすることが好ましい。鉄塩の添加量が少な過ぎると、十分な添加効果を得ることができず、多過ぎると活性汚泥量が増大すると共にフロック強度が低下する。

なお、鉄塩添加量の制御は、活性汚泥ＭＬＳＳ中のＦｅ含有量を分析して行うことが好ましいが、簡易には、原水のＢＯＤによって制御すればよく、例えば、原水ＢＯＤ１ｍｇ／Ｌ当たりの鉄塩のＦｅ換算添加量を、約０．０３〜０．３ｍｇ／Ｌ程度とすることが好ましい。この添加量範囲で鉄塩を添加しながら、汚泥のＭＬＳＳのＦｅ含有量を分析して鉄塩添加量の微調整を行うことが好ましい。

原水の脱炭酸処理水に鉄塩を添加する鉄塩混合槽１のｐＨが４．５未満では水酸化鉄の極めて微細な粒子が生成して汚泥の沈降性が悪化し、６．５を超えると再び空気中の炭酸ガスが溶解して炭酸鉄が生成すると共にフミン酸等の凝集が悪くなる。従って、鉄塩混合槽１におけるｐＨは４．５〜６．５、特に４．５〜５．５とすることが好ましい。

従来の活性汚泥法において、生物処理槽への鉄塩の添加は、バルキング防止、リン除去等を目的として、一般的に行われている。しかし、この場合、鉄塩の添加量は、リン除去のためごく微量添加したり、バルキング防止できる程度の添加にとどまっている。さらに、ｐＨ制御は行わないか、ｐＨ制御を行う場合も、リン除去や硝化のためにｐＨ６．５以上とするのが通例である。

本発明では、後述の如く、生物処理槽のｐＨを好ましくは５〜６．５、より好ましくは５．５〜６．０とし、さらに、この条件を満足した上で、原水に、別途設けた混合槽１で、鉄塩を添加し、この槽のｐＨを好ましくは４．５〜６．５とする。

このような操作によって、生物処理水のＳＳは常に５ｍｇ／Ｌ以下、通常２ｍｇ／Ｌ以下となり、透視度は３ｍ以上に達する。また、生物処理水を膜分離する膜分離活性汚泥法に適用した場合、膜フラックスは通常の０．５ｍ／日から１ｍ／日程度に向上させることが可能となる。

この鉄塩混合槽１では、原水を鉄塩と十分に混合するために、３〜２０分程度の滞留時間で攪拌混合することが好ましい。

鉄塩混合槽１で鉄塩が添加混合された水は、次いで生物処理槽２に送給されて生物処理される。

この生物処理槽２では、ｐＨ計２Ｂに連動するｐＨ調整剤添加手段２Ｃにより、必要に応じてｐＨ調整剤が添加され、好ましくはｐＨ５〜６．５、より好ましくはｐＨ５．５〜６．０で、散気管２Ａによる曝気下、生物処理が行われる。

なお、鉄塩混合槽１及び生物処理槽２において、必要に応じて添加されるｐＨ調整剤としては塩酸等の酸またはアルカリが用いられ、アルカリとしては、スケール生成を防止するために、消石灰よりも苛性ソーダ等のソーダ系アルカリを用いるのが好ましい。

生物処理水を分離膜により固液分離する場合、分離膜としては、ＭＦ（精密濾過）膜、ＵＦ（限外濾過）膜、ＮＦ（ナノ濾過）膜などのいずれでもよい。膜の形態は、平膜、管状膜、中空糸などのいずれであってもよい。膜の材質としては、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）等が例示されるが、これに限定されない。分離膜は、図１に示すように生物処理槽２内に浸漬配置されてもよく、図２に示すように生物処理槽２とは別個の加圧型膜分離装置として設置されてもよい。ただし、浸漬膜の方が、フロックが破壊されにくく、好適である。

図１の生物処理槽では、鉄塩混合槽１からの混合水が生物処理槽２に導入され、活性汚泥と混合されると共に、生物処理槽２内の底部に設けられた散気管２Ａによる曝気下、生物処理が行われる。

この生物処理槽２は、ｐＨ計２Ｂで検出されるｐＨが所定範囲となるように、酸又はアルカリなどのｐＨ調整剤がその添加手段２Ｃから添加される。生物処理された水は、分離膜３を透過して処理水として取り出される。なお、図１ではポンプ４で透過水を取り出しているが、重力によって透過水を取り出してもよい。

生物処理槽２内の余剰汚泥は、取出管２Ｄによって取り出される。なお、取り出した汚泥の一部をオゾン等によって可溶化処理した後、生物処理槽２に戻してもよい。

図１では生物処理槽２内に分離膜３を浸漬配置しているが、図２のように、生物処理槽２内の生物処理水をポンプ５によって加圧型膜分離装置６に供給し、透過水を処理水として取り出し、濃縮水の一部（又は全部）を生物処理槽２に返送するようにしてもよい。

膜分離装置６に用いる膜の種類としては、ＭＦ膜やＵＦ膜等が例示され、膜モジュール形式は、中空糸膜、平膜以外にスパイラル膜等が例示されるが、これらに限定されない。

図２の場合も、膜分離装置６の濃縮水の一部を汚泥可溶化槽に導き、オゾン等によって可溶化してから生物処理槽２へ返送するようにしてもよい。

なお、前述の如く、フロックが破壊されにくいところから、図２のような加圧型膜分離装置６よりも図１に示す浸漬型分離膜３を用いる方が好ましい。

本発明によれば、図１，２のように、生物処理水を直接膜分離により固液分離する有機性排水の生物処理方法において、特に生物処理槽内に浸漬させた浸漬膜モジュールにより生物処理水を膜分離する有機性排水の生物処理方法において、膜の目詰まりを防止して、膜フラックスの低下を有効に防止した上で良好な水質の処理水を得ることができる。

ただし、本発明において、生物処理水の固液分離は分離膜を用いる他、沈殿槽、サイクロン等を用いても良く、沈殿槽を用いる場合には、沈殿槽における汚泥の沈降性、濃縮水を改善すると共に、分離水（処理水）のＳＳを低減し、透視度を向上させることができる。

いずれの固液分離手段を用いた場合においても、液分と分離された固形分（分離汚泥）は、必要に応じて一部を返送汚泥として生物処理槽に返送し、生物処理槽における汚泥の滞留時間が２〜５０日程度、特に５〜２０日程度とするように汚泥を引き抜くことが好ましい。或いは、浸漬型分離膜を用いた場合には、このような汚泥滞留時間となるように汚泥を引き抜くことが好ましい。引き抜いた汚泥は余剰汚泥として排出してもよく、オゾン反応槽や消化槽等の減容化手段で減容化してもよい。

以下、実施例及び比較例について説明する。

説明の便宜上、まず比較例を挙げる。

［比較例１］
図１に示す装置で原水の処理を行った。ただし、鉄塩混合槽は用いず、原水は直接生物処理槽に導入した。生物処理槽の容量は、０．２ｍ^３で、内部に浸漬膜を浸漬させた。浸漬膜としては、４ｍ^２の大きさの中空糸タイプ、孔径０．１μｍのＭＦ膜（三菱レーヨン株式会社製）を用いた。

ＢＯＤ濃度４．２ｍｇ／Ｌ、ＳＳ濃度３ｍｇ／Ｌの河川水にリン酸１カリウムを添加してリン濃度を０．３ｍｇ／Ｌとした有機性排水を３ｍ^３／日の流量で生物処理槽に供給した。浸漬膜に接続した処理水管の途中に設けた真空ポンプにより減圧することで、処理水管から処理水（膜透過水）を取出した。

この比較例１では、実験開始から１日で膜が目詰まりして処理水の引抜ができなくなった。この時点での処理水のＴＯＣ濃度は１．２ｍｇ／Ｌであり、槽内の活性汚泥混合液の性状は以下の通りであった。

＜生物処理槽内の活性汚泥混合液＞
鉄含有割合 ；ＭＬＳＳの４．７重量％（鉄として）
ＭＬＳＳ濃度 ；５００ｍｇ／Ｌ
ＭＬＶＳＳ濃度 ；２２０ｍｇ／Ｌ
ｐＨ ；７．１

［比較例２］
比較例１で処理水が引き抜けなくなった生物処理槽を空にして、生物処理槽に活性汚泥をＭＬＳＳ濃度１００ｍｇ／Ｌとなるように添加し、この混合液に鉄塩として塩化第二鉄を鉄換算添加量で１，０００ｍｇ／Ｌの割合で添加した。また、生物処理槽内のｐＨ計に連動して水酸化ナトリウムを添加してｐＨ調整を行い、ｐＨ５．８に維持した。そして、比較例１で処理対象とした原水に塩化第二鉄を５．０重量％の水溶液として、鉄換算添加量で５ｍｇ／Ｌで添加して、１．２ｍ^３／日の流量で生物処理槽に供給したところ、通水開始から３日後から浸漬膜の差圧上昇が小さくなった。
この時点での処理水のＴＯＣ濃度は１４５ｎｇ／Ｌであり、生物処理槽内の活性汚泥混合液の性状は以下の通りであった。

＜生物処理槽内の活性汚泥混合液＞
鉄含有割合 ；ＭＬＳＳの３５重量％（鉄として）
ＭＬＳＳ濃度 ；１８７０ｍｇ／Ｌ
ＭＬＶＳＳ濃度 ；１４０ｍｇ／Ｌ
ｐＨ ；５．８

しかし、運転を継続すると、浸漬膜の差圧が上昇し、２週間で薬品洗浄が必要となった。混合液を取り出し、沈降性を確認したところ、３０分静置後の上澄みは茶褐色ににごっており、ＳＳを測定したところ、２２ｍｇ／Ｌであった。

［実施例１］
比較例２において、原水を生物処理槽ではなく、生物処理槽の前段の鉄塩混合槽（容量１０Ｌ）に導入すると共に、この鉄塩混合槽に塩化第二鉄水溶液を添加し、有機性排水と塩化第二鉄とを５分攪拌して混合した後、生物処理槽に供給したこと以外、同様の条件で処理を行った。この鉄塩混合槽のｐＨは６．５であった。

その結果、浸漬型分離膜の差圧上昇はほぼなくなり、２ヶ月間安定運転ができた。２ヵ月後の差圧上昇は３０ｋＰａであった。

次いで、鉄塩混合槽のｐＨが５．０になるよう、鉄の添加量を自動調整した。その結果、続く２ヶ月の間浸漬膜の差圧上昇は全くなくなった。

この時点での処理水のＴＯＣ濃度は１２０ｎｇ／Ｌであり、生物処理槽内の活性汚泥混合液の性状は以下の通りであった。

＜生物処理槽内の活性汚泥混合液＞
鉄含有割合 ；ＭＬＳＳの３１重量％（鉄として）
ＭＬＳＳ濃度 ；３，９００ｍｇ／Ｌ
ＭＬＶＳＳ濃度 ；１，５７０ｍｇ／Ｌ
ｐＨ ；５．８

そこで、生物反応槽より浸漬膜を取り外し、代わりに直径３０ｃｍ、高さ５０ｃｍの円形沈殿池を設置し、生物処理槽からの生物処理液をこの沈殿池に導入して固液分離して、分離水を処理水として取り出した。また、返送汚泥ラインを設け、分離汚泥を生物処理槽に返送した。汚泥返送率は１００％とした。
その結果、処理水ＳＳは２ヶ月の運転期間中、常に５ｍｇ／Ｌ以下と清澄であった。

本発明の有機性排水の処理装置の実施の形態を示す系統図である。 本発明の有機性排水の処理装置の他の実施の形態を示す系統図である。

符号の説明

１ 鉄塩混合槽
２ 生物処理槽
３ 浸漬型分離膜
６ 膜分離装置

Claims (8)

1. 有機性排水に鉄塩を添加して生物処理する方法において、
   有機性排水に鉄塩を添加して混合する混合工程と、
   混合工程からの混合水を活性汚泥と混合して生物処理する生物処理工程とを含むことを特徴とする有機性排水の処理方法。
2. 請求項１において、前記混合工程のｐＨが４．５〜６．５であり、前記生物処理工程のｐＨが５〜６．５であることを特徴とする有機性排水の処理方法。
3. 請求項１又は２において、前記混合工程において、鉄塩を、前記生物処理工程における前記活性汚泥中の鉄含有量が、１０〜４５重量％となるように添加することを特徴とする有機性排水の処理方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、前記生物処理工程の活性汚泥混合液を膜分離処理する膜分離工程を有することを特徴とする有機性排水の処理方法。
5. 有機性排水に鉄塩を添加して生物処理する装置において、
   有機性排水に鉄塩を添加して混合する混合槽と、混合槽からの混合水を活性汚泥と混合して生物処理する生物処理槽とを含むことを特徴とする有機性排水の処理装置。
6. 請求項５において、前記混合槽のｐＨが４．５〜６．５であり、前記生物処理槽のｐＨが５〜６．５であることを特徴とする有機性排水の処理装置。
7. 請求項５又は６において、前記混合槽において、鉄塩を、前記生物処理槽における前記活性汚泥中の鉄含有量が、１０〜４５重量％となるように添加することを特徴とする有機性排水の処理装置。
8. 請求項５ないし７のいずれか１項において、前記生物処理槽の活性汚泥混合液を膜分離処理する膜分離手段を有することを特徴とする有機性排水の処理装置。

Images