JP2011072936A - 流動床式生物処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】担体の流動性が良好であり、生物処理効率が高い流動床式生物処理装置を提供することを目的とする。
【解決手段】流動床式生物処理装置１は、筒軸心方向を鉛直方向とした円筒形の槽体２と、該槽体２の軸心位置に配置された駆動軸３と、該駆動軸３に固着された回転翼４と、槽体２の内周面の上部にのみ設けられた邪魔板５と、槽体２の上部に設けられたオーバーフロー口７及び処理水取出トラフ６とを備えている。邪魔板５の水面位ＷＬよりも下側の長さＨ_２は、この槽体２の水深Ｈ_１の５〜２０％特に１０〜１５％が好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、排水を処理するための流動床式生物処理装置に係り、特に回転翼によって担体を流動させるようにした流動床式生物処理装置に関する。

排水の生物処理装置の高負荷化及び水質向上を目的として、微生物を高濃度に付着せしめた担体を用いる流動床式生物処理装置が知られている。この担体を攪拌する手段として、回転翼を用いることも公知である（特許文献１，２）。

特許文献１では、反応槽の中央部の底部に攪拌翼を配置し、多孔質セルロース製の担体を流動させる生物学的反応装置において、槽の上部中央に放射状に固定翼を設けたものが記載されている。この固定翼を設けることにより、水面付近で中央に集まる流れを生じさせて強い下降流を形成し、担体を沈み込ませることができる（特許文献１の００１１段落）。

特許文献２には、粒径４ｍｍのセルロース製担体を収容した硝化反応槽の上部中央に攪拌翼を配置し、反応槽の底面中央に邪魔板を設け、槽中心部で強力な竜巻状上昇流を形成させることが記載されている。

微生物を高濃度に付着せしめた担体を用いる生物処理方法において、生物処理反応が、嫌気処理のメタンガスや脱窒処理の窒素ガスなどのガスを生成させる反応である場合においては、微生物の付着した担体が、ガスを内包することにより、比重が１．０以下になることがある。

比重が１以下の担体を槽全体に流動させるには、タービン羽根やプロペラ羽根などの攪拌羽根と邪魔板を有する構造により、上下循環流を生じさせるのが好適である。

特許文献３には、攪拌槽内の混合効率を向上させるために、中軸部に攪拌翼を備えた槽の内周側面に邪魔板を上下方向に設けることが記載されている。

特開２０００−２５４６８２ 特開２００２−１４３８８９ 特開平４−３４６８２６

一般に、高処理水質を得るためには、担体の充填率をあげることが有効な手段である。しかし、特許文献３や後述の第４図のように邪魔板を槽体全高にわたって設けた場合、担体の高充填率条件下では、良好な流動が得られず、固液混合は不良となる。

すなわち、槽体内周面に槽体全高にわたって縦方向の邪魔板を設けると、槽体内周面に沿って強力な上向流もしくは下降流が生じるが、中心軸付近の攪拌羽根への戻り流速は上向流に比べ小さく、比重が１．０以下の担体は反応槽上部に集積する。このため、反応槽上部は、局部的に充填率が著しく高くなる。そして、担体相互、及び担体と邪魔板との干渉により、担体が停滞しやすくなる。

また、流動床式生物処理装置の反応槽に、槽全高にわたって縦邪魔板を設けた場合、担体が凝集して大塊状となり、流動性が低下して、必要動力が大きくなる。

後述の第５図のように邪魔板のない反応槽においては、担体の充填率が高い場合、槽内の液の流れは層流が主になるために、比重が１．０以下の担体は、水面付近で周回し、槽体の内周面に沿って留まるようになる。

そのため、特許文献１，２のように反応槽内周面に上下方向の邪魔板（以下、縦邪魔板ということがある。）を設けない場合には、反応槽内周面の水面付近に、浮上した担体が滞留してしまい、流動する担体の割合が少なくなってしまう。

即ち、特許文献１，２のように縦邪魔板のない反応槽の場合、生物処理に伴って気泡が付着した担体や、そもそも比重が約１又はそれ以下程度の軽比重担体は、回転翼の回転に伴って遠心力及び槽内周面に沿う上昇流に伴って槽内周面に沿って旋回しながら螺旋状軌跡を描くようにして槽内を上昇する。このように槽内周面に沿って上昇してきた担体が水面付近に達した場合、水は旋回しながら水面中央付近に向って流れ、やがて水面中央付近で下降流となって水中に没して行くが、水面付近の槽内周面付近は水の流れが弱くなっているために、浮遊している担体を水面の中心方向に向って流そうとする力が弱い。また、担体が槽体内周面に沿って周回しているために、周回の遠心力が担体を槽内周面に押し付けるように作用する。このようなことから、縦邪魔板がない特許文献１，２の回転攪拌翼式反応槽では、槽内周面の水面付近に担体がよどむように溜まってしまい、担体の流動率が低いものとなる。

本発明は、担体の流動性が良好であり、生物処理効率が高い流動床式生物処理装置を提供することを目的とする。

請求項１の流動床式生物処理装置は、槽体内に担体が充填され、該担体を攪拌するための回転翼が槽体の上下方向の途中に配置されている流動床式生物処理装置において、槽体内周面の上部にのみ邪魔板を設けたことを特徴とするものである。

請求項２の流動床式生物処理装置は、請求項１において、担体の平均密度が０．９６〜１．０２ｇ／ｃｍ^３であり、担体の平均粒径が１〜５ｍｍであり、槽体内の担体の充填率が５〜５０％であることを特徴とするものである。

請求項３の流動床式生物処理装置は、請求項１又は２において、前記邪魔板は、上下方向に延在すると共に、槽体内周面から求心方向に延出する平板状であり、該邪魔板の水面位以下の上下長さＨ_２は槽体の水深Ｈ_１の５〜２０％であり、邪魔板の求心方向の幅ｔは槽体の直径Ｄ_１の５〜２０％であることを特徴とするものである。

本発明の流動床式生物処理装置において、回転翼を回転させると、槽体内の液は、回転翼から受ける遠心力及び旋回力により槽体の上下方向中間付近で放射方向かつ旋回方向に流れ、槽体の内周面に当って上方に向う旋回流れと下方に向う旋回流れとに別れる。

上方に向う旋回流れとなった液は、槽体の内周面に沿って旋回しながら上昇し、液中の担体はほぐされる。液は、その後邪魔板に当り、該邪魔板に沿って上方に流れ、水面位付近に至ると求心方向に向きを変え、その後、渦巻状に流れて水面位付近の中央部付近に集まり、次いで、沈降し、回転翼付近に戻る。このように、担体の多くが上昇旋回流と共に旋回しながら上昇し、この間にほぐされるため、水面位付近の求心方向の渦巻流に伴って水面位付近の周縁部（槽体の内周面付近）から中央部に向ってスムーズに流れ、次いで水面位付近の中央部から下降流に伴って沈降する。このようにして担体が良好に槽体内を循環するようになり、水面位付近の槽体の内周面に滞留する担体量が減少し、生物処理効率が向上する。

実施の形態に係る流動床式生物処理装置の縦断面図である。 図１のII−II線断面図である。 流動床式生物処理装置内の水の流れを模式的に示す透視斜視図である。 比較例１に係る流動床式生物処理装置の縦断面図である。 比較例２に係る流動床式生物処理装置の縦断面図である。 実験結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。第１図は実施の形態に係る流動床式生物処理装置の縦断面図である。第２図は第１図のII−II線に沿う水平断面図、第３図は流動床式生物処理装置内の水の流れを模式的に示す透視斜視図である。

この流動床式生物処理装置１は、筒軸心方向を鉛直方向とした円筒形の槽体２と、該槽体２の軸心位置に配置された駆動軸３と、該駆動軸３に固着された回転翼４と、槽体２の内周面の上部にのみ設けられた邪魔板５と、槽体２の上部に設けられたオーバーフロー口７及び処理水取出トラフ６とを備えている。処理水取出トラフ６に臨むオーバーフロー口７の越流レベルが槽体２内の水面位ＷＬである。

邪魔板５は、上下方向（この実施の形態では鉛直方向）に延在する長方形の板状体であり、板面は槽体２の内周面から槽体２の中心に向う求心方向に延在している。

邪魔板５は、槽体２の周方向に等間隔に配置されていることが好ましく、その枚数は２〜８特に３〜６程度が好ましい。

邪魔板５の上端は水面位ＷＬよりも上位に位置しており、下端は水面位ＷＬよりも下位に位置している。

邪魔板５の水面位ＷＬよりも下側の長さＨ_２は、この槽体２の水深Ｈ_１の５〜２０％特に１０〜１５％が好適である。なお、槽体２の底面が平面でないときには、この水深Ｈ_１は槽体２の平均水深とする。

邪魔板５の槽体求心方向（半径方向）の幅ｔは槽体２の直径（内径）Ｄ_１の５〜２０％特に１０〜１５％程度が好適である。なお槽体２が完全な円筒形ではなく、例えば上部と下部とで直径が異なる場合には、この槽体２の直径Ｄ_１は水面位ＷＬにおける直径とする。

邪魔板５の長さＨ_２と幅ｔは、上記範囲よりも小さいと上下循環流形成の効果が低く、大きいと担体流動の妨げとなることがある。

回転翼４は、この実施の形態では板面を鉛直方向とした平板状であり、駆動軸３から槽体２の直径方向に延在している。即ち、この実施の形態では回転翼４は１８０°反対方向に２枚設けられている。ただし、翼は放射方向に３枚以上設けられてもよく、通常は２〜４枚程度が好適である。

回転翼４の旋回直径Ｄ_２（この実施の形態では２枚の回転翼４の先端同士の距離）は、槽体２の直径Ｄ_１の２０〜８０％特に５０〜７０％程度が好適である。

回転翼４は、槽体２の上下方向の中間付近に配置されている。回転翼４の上縁の高さ（槽体底面からの高さ。以下、同様）Ｈ_３は、槽体水深Ｈ_１の２０〜８０％特に５０〜７０％程度が好適である。回転翼４の上下幅Ｈ_４は、槽体水深Ｈ_１の５〜６０％特に１０〜４０％程度が好適である。

回転翼４の下縁の高さＨ_５は、槽体水深Ｈ_１の２０〜８０％特に３０〜５０％程度が好適である。

なお、回転翼４は、この実施の形態では上下方向に１段のみ設けられているが、２段以上に設けられてもよい。

回転翼を２段以上に設置する場合、最上段の回転翼の上縁の高さが上記Ｈ_３の範囲となり、最下段の回転翼の下縁の高さが上記Ｈ_５の範囲となり、各回転翼の上下幅の合計が上記Ｈ_４の範囲となればよい。

この実施の形態では、駆動軸３は上方から吊支した構成となっているが、槽体２の底面に軸受部を設け、この軸受部によって駆動軸３の下端を支持するようにしてもよい。

図示は省略されているが、この槽体２内に粒状担体が収容されている。

担体はどのような材質でも良いが、磨耗に強い高分子架橋体のゲルの粒状のものが好ましい。

ゲル担体の材料樹脂としては、例えばポリオレフィン、ＰＶＡ、ＰＥＧ、（ポリ）アクリルアミド、Ｎ置換アクリルアミド、（ポリ／メタ）アクリル酸またはそのアルカリ金属塩、アルギン酸、ポリアルキレンオキサイド、ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレート（ＤＡＭ）、ジアセトンアルコール（ＤＡＡ）、ポリアルキレンオキサイド等が挙げられる。より具体的には、ポリアクリル酸ナトリウム、アクリル酸ナトリウムとアクリルアミドとのコポリマー、アクリル酸ナトリウムとアクリルアミド２−メチルプロパンスルホン酸ナトリウムとのコポリマー、アクリル酸ナトリウムとアクリルアミドとアクリルアミド２−メチルプロパンスルホン酸ナトリウムとのターポリマー、および、ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレートの三級塩もしくは四級アンモニウムのホモポリマーまたはアクリルアミド等とのコポリマー等が例示される。

担体の平均粒径は１ｍｍ〜５ｍｍが好ましく、特に好ましくは１．２ｍｍ〜３．５ｍｍである。これより小さいと担体と水の分離が困難になり、大きいと流動の妨げとなる。

担体の空隙率は２０〜５０％が好ましく、特に３０〜４０％が望ましい。空隙率が低いと、汚泥の付着が少なく処理効率が低下し、高いとガスを内包しやすくなる。

担体の密度としては、平均して０．９６〜１．０２ｇ／ｃｍ^３であることが望ましく、８０％以上の担体の密度が０．９８〜１．０１ｇ／ｃｍ^３特に０．９８５〜１．００ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。

担体の充填量は反応層の水面位ＷＬ以下の容積に対して担体のかさ容積が５〜５０％となる量であることが好ましい。これよりも担体の量が少ないと処理効率が低くなり、５０％よりも多いと攪拌動力が過大となる。

回転翼４を回転させながらこの槽体２内に原水供給管８から原水（有機物含有排水）を槽体２内に供給し、生物処理を行う。

回転翼４の駆動軸３の回転数はＧ値が１００〜２００となるように調節するのが好適であり、おおよそ１５〜３０ｒｐｍとするのが好適である。

このようにして処理を行ったときの槽体２内の液の流れについて、第３図を参照して説明する。

槽体２内の液（被処理水と担体とが混合した液）は、回転翼４から受ける遠心力及び旋回力により槽体２の上下方向中間付近で放射方向かつ旋回方向に流れ、槽体２の内周面に当って上方に向う旋回流れと下方に向う旋回流れとに別れる。

上方に向う旋回流れとなった液は、槽体２の内周面に沿って矢印ｕ_１のように旋回しながら上昇する。この間に、液中の担体はほぐされる。液は、その後邪魔板５に当り、該邪魔板５に沿って矢印ｕ_２のように上方に流れ、水面位ＷＬ付近に至ると矢印ｕ_３のように求心方向に向きを変え、その後、渦巻状に流れて水面位付近の中央部付近に集まり、次いで、沈降し、回転翼４付近に戻る。

一方、槽体２の上下方向の中間付近から下方に向う旋回流となった液は、矢印ｄ_１のように槽体２の内周面に沿って旋回しながら下降し、槽体底面近くに達すると矢印ｄ_２のように渦巻き状に流れて槽体２の底面中央付近に集まり、やがて矢印ｄ_３のように槽体２の中心付近を上昇して回転翼４に戻る。

この実施の形態では、担体の比重が約１又はそれ以下であるので、担体の多くは上昇旋回流ｕ_１と共に槽体２の内周面に沿って旋回しながら上昇し、この間にほぐされる。そのため、水面位ＷＬ付近の求心方向の渦巻流に伴って水面位付近の周縁部（槽体２の内周面付近）から中央部に向ってスムーズに流れ、次いで水面位ＷＬ付近の中央部から下降流に伴って沈降する。このようにして担体が良好に槽体２内を循環するようになり、水面位ＷＬ付近の槽体２の内周面に滞留する担体量が減少し、生物処理効率が向上する。

本発明のかかる効果を説明するために、比較例として邪魔板５を槽体全高にわたって設けた比較例１（第４図）と、邪魔板５を省略した比較例２（第５図）における液の流れを次に説明する。

第４図の流動床式生物処理装置１Ａでは、邪魔板５Ａが水面上側から槽体２の底部にまで延在している。

この比較例１では、回転翼４から放射方向かつ旋回方向に流れた液は、槽体２の内周面に到達した後、上下に別れる。この上方に向う流れに含まれる担体の多くは、邪魔板５Ａに沿って上昇するようになる。このように担体が旋回することなく単に上昇する場合、担体付着生物膜を介して担体同士が凝集して塊状となる。このように担体が塊状になってしまうと、担体同士の間に多量に気泡が溜って沈降しにくくなる。

また、担体に対し水面位ＷＬ付近において渦巻状の旋回流が作用しても、担体はこの流れに乗ることなく水面位ＷＬ付近の槽体２の内周面に沿って滞留してしまう。この結果、槽体２内の循環流に伴って槽体２内を循環する担体の割合が減少し、生物処理効率が低下する。

第５図の流動床式生物処理装置１Ｂでは、邪魔板が全く設けられていない。この場合、回転翼４から槽体２の内周面に向って放射方向かつ旋回方向に流れた液が槽体内周面に到り、上下二手に別れた後、上方に向う液は第１図〜第２図の場合と同様に旋回しながら上昇するので、担体はほぐされる。しかしながら、担体がこのように旋回しながら上昇して水面位付近に達したときに、旋回流れの周方向の流速が大きいために、担体に対して遠心力が強く作用し、担体が水面位ＷＬ付近で槽体２の内周面に押し付けられて滞留してしまう。

そのため、この第５図の場合も、槽体２内を循環する担体の割合が減少し、生物処理効率が低くなる。

［実施例１］
以下、実施例及び比較例について説明する。

［実施例１］
各部分の寸法を次の通りとした第１図〜第３図に示す流動床式生物処理装置を用いてＮＯ_３−Ｎ濃度２００ｍｇ／Ｌの液晶製造排水を１．２ｍ^３／ｈｒにて供給して処理した。

Ｄ_１ ：１２００ｍｍ
Ｄ_２ ：９００ｍｍ（回転翼４枚）
Ｈ_１ ：２０００ｍｍ
Ｈ_２ ：１８０ｍｍ
Ｈ_３ ：１１８０ｍｍ
Ｈ_４ ：３６０ｍｍ
Ｈ_５ ：８２０ｍｍ
ｔ：１２０ｍｍ
担体としては密度１．０１ｇ／ｃｍ^３のポリオレフィン系ゲル担体（平均粒径４ｍｍ）を槽体容積の３０％充填した。回転翼４を２０ｒｐｍにて運転したところ、処理水のＮＯ_３−Ｎ濃度は５ｍｇ／Ｌ以下であり、Ｎ除去率は９８％以上であった。

［比較例１］
第４図の通り、邪魔板５Ａを槽体２の底部まで延設し、回転翼４の直径Ｄ_２を６００ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にして原水を処理したところ、処理水のＮＯ_３−Ｎ濃度は２８ｍｇ／Ｌであり、Ｎ除去率は８６％であった。

［比較例２］
第５図の通り、邪魔板を省略したこと以外は実施例１と同様にして原水を処理したところ、処理水のＮＯ_３−Ｎ濃度は２０ｍｇ／Ｌであり、Ｎ除去率は９０％であった。なお、回転翼の直径Ｄ_２は実施例１の通り９００ｍｍである。

［回転翼の回転数を変えた試験］
これらの実施例１、比較例１，２において、回転翼の回転数を種々変えて担体の流動率を測定した。

この担体の流動率は、槽体内に充填した担体のうち実際に流動している担体の体積である。実際に流動している担体の体積は、槽体２内周面に沿って水面に浮遊している担体を採取し、その体積を求め、この非流動担体の体積を充填担体総量から減算して求めた。

この結果を第６図に示す。第６図の通り、実施例１は、常に比較例１よりも流動率が高く、また回転翼回転数が約１５ｒｐｍ以上の場合、比較例２に比べて流動率が高いことが認められる。

［実施例２］
邪魔板５の水面位以下の長さＨ_２を１００ｍｍ（水深Ｈ_１の５％）としたこと以外は実施例１と同様にして原水を処理したところ、処理水のＮＯ_３−Ｎ濃度は５ｍｇ／Ｌ以下であり、Ｎ除去率は９８％以上であった。

［実施例３］
邪魔板５の水面位以下の長さＨ_２を４００ｍｍ（水深Ｈ_１の２０％）としたこと以外は実施例１と同様にして原水を処理したところ、処理水のＮＯ_３−Ｎ濃度は５ｍｇ／Ｌ以下であり、Ｎ除去率は９８％以上であった。

［比較例３］
邪魔板５の下端を回転翼４と同レベルまで延在させ、邪魔板の水面位以下の長さＨ_２を１１８０ｍｍ（水深Ｈ_１の５９％）としたこと以外は実施例１と同様にして原水を処理したところ、処理水のＮＯ_３−Ｎ濃度は２５ｍｇ／Ｌであり、Ｎ除去率は８７．５％であった。

これらの実施例及び比較例より明らかな通り、邪魔板を槽体内周面の上部にのみ設けた実施例によると、比較例に比べてＮ除去率が高くなる。

１，１Ａ，１Ｂ 流動床式生物処理装置
２ 槽体
３ 駆動軸
４ 回転翼
５，５Ａ 邪魔板
６ 処理水トラフ
７ オーバーフロー口
８ 原水供給管

Claims (3)

1. 槽体内に担体が充填され、該担体を攪拌するための回転翼が槽体の上下方向の途中に配置されている流動床式生物処理装置において、
   槽体内周面の上部にのみ邪魔板を設けたことを特徴とする流動床式生物処理装置。
2. 請求項１において、担体の平均密度が０．９６〜１．０２ｇ／ｃｍ^３であり、担体の平均粒径が１〜５ｍｍであり、槽体内の担体の充填率が５〜５０％であることを特徴とする流動床式生物処理装置。
3. 請求項１又は２において、前記邪魔板は上下方向に延在すると共に、槽体内周面から求心方向に延出する平板状であり、
   該邪魔板の水面位以下の上下長さＨ_２は槽体の水深Ｈ_１の５〜２０％であり、
   邪魔板の求心方向の幅ｔは槽体の直径Ｄ_１の５〜２０％であることを特徴とする流動床式生物処理装置。

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