JP2011098317A

JP2011098317A - 微生物による有機物の酸化方法及び装置

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Publication number: JP2011098317A
Application number: JP2009255938A
Authority: JP
Inventors: Masaru Morichi; 勝森地; Mikio Iwata; 幹生岩田
Original assignee: OUMI GIKEN KK; Shikoku Chemicals Corp
Current assignee: OUMI GIKEN KK; Shikoku Chemicals Corp
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2011-05-19

Abstract

【課題】微生物を固定させた担体を存在させた流路内に有機物を含有する被処理水と気体とを供給し、微生物によって被処理水の有機物を酸化する方法及び装置において、酸素を溶存酸素の状態にして溶解して有機物と酸素とを微生物に素早く供給できるようにすること
【解決手段】縦方向に設置して上部を排出側とした流路、流路内に多数の小孔を穿設した仕切板を所定の間隔で上下に配置して仕切板と流路の側壁とで形成した区分室、区分室と連通させた被処理水の供給路、区分室の下に供給口を臨ませ５０〜５００m/hrの空塔速度で空気又は酸素を供給する気体供給装置とからなり、微生物を固定させた担体を存在させた区分室に供給した被処理水を乱流状態にして有機物を酸化させる
【選択図】図１

Description

本発明は、微生物を固定させた担体を存在させた流路内に有機物を含有する被処理水と気体とを供給し、微生物によって被処理水の有機物を酸化する方法及び装置に関するもので、下水、工場排水、汚泥などの有機性廃水を処理する工程、醗酵処理工程、その他化学反応に代えて有機物を酸化させる工程において利用される。

微生物を用いて有機物を含む排水を処理する活性汚泥法は、歴史も古く現在も多く利用されている。例えば、特許文献１においては、従来の曝気流動方式に微生物を固定させた担体を流動させることにより、曝気槽内の微生物の量を増やして処理する方法が開示されている。

乱流状態になる被処理水に担体を接触させると、処理水内の固体や担体と被処理水の接触面の近傍に層流が生れ、流体境膜が形成されることが実験上知られている。
この境膜と外側の乱流部分の境界層は、判然と区別される境界面があるわけではないが、境界層の流れは境界面に沿って流れると推測されている。担体や固体の表面と流体との間における物質の移動は分子拡散によって行なわれると考えられているから、物質は流内で多少乱れの影響を受けながら境膜を経て移動することになる。
境膜内では、流れに対し直角方向での流体の運動がないため、その物質の移動速度の抵抗は境膜の厚さによって影響を受け、流体本体よりもはるかに大きい抵抗を示すことも古くから実験事実として知られている。

従来の活性汚泥法の曝気槽は、断面四角形の流路の一辺で曝気し、対面に向かって大きな対流を起し、汚泥が沈降しない程度に循環させる方式であるから、対流内の汚泥と水の間には大きな速度差は生れない。したがって、被処理水と担体との間に大きな剪断力が働かないから、微生物の呼吸反応より遅い分子拡散律速が系を支配していると推定される。

担体を使用して流動方式に工夫をした研究は、特許文献２に掲載されている方法を始めとして多数報告されている。曝気槽に上下を解放した円筒を配置し下部より空気を吹き込むもの、更に円筒に回転羽根を併用して下向きに流動させるもの、或いは曝気槽に間仕切りを設け一方から空気を吹込み循環させる方式等が代表である。何れも担体の均一分散に注目したものである。
特許文献２に開示された方法では、上部が解放されていて液体が間仕切りの一方で上昇し他方で下降する形式の単純な循環方式が採用されている。担体は流体と一緒に同じ方向に同じ速度で流動させられるから、両者の間には速度差が生れず界面でのズレ、すなわち境膜に強い影響を及ぼすような剪断力は殆ど働かない。
したがって、境膜内での分子拡散速度が律速となり、系全体の物質移動速度が制限されることになる。
この欠点を補うため、酸素を最大で１８０m/hrの空塔速度で吹込み、溶存酸素濃度を上げることによって酸素の移動速度を上げているが、担体は流体とほぼ同じ速度で移動してしまうため、効果は限定的なものとならざるを得ない。

非特許文献１では、多段の目皿を有する塔を使用して、活性汚泥のみで高い汚泥負荷率（０．５kgBOD/kgSS・D）を実現した例が報告されている。
しかし、この方法でも、曝気槽容積は数分の一程度に縮小されているが、この方法における多段曝気塔では、沈殿槽で汚泥を分離し易くすることが優先され、空気の吹き込み量は抑えられている。たとえばＭＬＳＳ３３４０mg/l、開孔率０．３２％、空塔速度１０．８m/hrとなっている。そのため固液界面には大きな剪断力が働かず、界面に存在する境膜によって物質移動速度はやはり分子拡散律速であることが分った。

上記の諸方法は、境膜を薄くしあるいは破壊するなど、境膜内で積極的な物質移動を起こさせる方策を施しておらず、その結果、いずれの方法も処理能力の飛躍的向上が図れていないのである。

発明者らは、上述の考えを基礎として、側壁と上下に配置した多孔質の仕切板とに囲まれた流路に微生物を培養した担体を存在させ、下側の仕切板全面から空気や酸素を吹込んで当該流路内で固液界面に剪断力を与えると、有機物の分解反応速度が物質移動の分子拡散律速で支配される状態を脱し、微生物の呼吸反応律速になることを見出し、本発明を完成させた。

特許第３４４１３５２号公報特開２００３−８８３５５号公報

産総研北海道センター（旧北海道技術研究所）技術資料３０「寒冷地における工場廃水の高度処理」

本発明は、微生物を固定させた担体を存在させた流路内に有機物を含有する被処理水と気体とを供給し、微生物によって被処理水の有機物を酸化する方法及び装置において、酸素を溶存酸素の状態にして溶解して有機物と酸素とを微生物に素早く供給できるようにすることを課題としたものである。

この技術的課題を解決するための第一の技術的手段は有機物酸化装置に関するものであり、イ）縦方向に設置して上部を排出側とした流路、ロ）流路内に多数の小孔を穿設した仕切板を所定の間隔で上下に配置して仕切板と流路の側壁とで形成した区分室、ハ）区分室と連通させた被処理水の供給路、ニ）区分室の下に供給口を臨ませ５０〜５００m/hrの空塔速度で空気又は酸素を供給する気体供給装置とからなり、ホ）微生物を固定させた担体を存在させた区分室に供給した被処理水を乱流状態にして有機物を酸化させること、である。
第二の技術的手段は、被処理水の供給口を区分室の側壁又は区分室の下方に臨ませることであり、第三の技術的手段は、流路断面の差し渡し長さと上下の仕切板の対面間の間隔比を０．５〜１５．０としたことであり、第四の技術的手段は、仕切板の開孔率を２〜２０％としたことである。
また、第五の技術的手段は、微生物を固定させた担体を入れた区分室を多段に設け、被処理水が下段側から順次区分室を通過することである。

被処理水の流路は、縦方向に設置して上部を排出側としたものである。流路内に多数の小孔を穿設した仕切板を所定の間隔で上下に配置し、上下の仕切板と流路の側壁とで区分室を形成し、その区分室内に微生物を固定させた担体を存在させた状態で連通させた供給路から区分室に被処理水を供給すると、被処理水は、その移動途中において強制的に担体と接触させられる。
そのとき、仕切板の下側から空気や酸素を吹き込むと、被処理水は、従来の上下開放式の流路における流動とは全く異なった流動状態に置かれることになる。

有機物を酸化させる場合、空気や酸素の供給量は、有機物を分解するに要する量及び汚泥の自己酸化に要する量、例えば約５リットル /g ＴＯＣを供給すればよい。
本発明では、吹き込む空気又は酸素の空塔速度を５０〜５００m/hrとしているから、被処理水に上昇流、下降流、更には旋回流などの複雑で強い流動が不規則に発生して乱流状態となる。区分室内における担体や固体は、被処理水の乱流に伴って複雑な動きを余儀なくされ、また激しい回転が生じることになる。その結果、担体や固体と被処理水との間における流速に差が生じ、固液界面では剪断力が働くことになる。そのため、境膜は常に新しい液に更新されて境膜による物質移動の制限が緩和され、気液界面での物質移動（水への酸素の溶解）と固液界面の物質移動（微生物への有機物・酸素の供給）とが同時に促進されていると推測される。したがって、微生物本来の呼吸反応速度で有機物の分解反応が進み、飛躍的に処理量が増大するのである。

ここでいう空塔速度は一般にスケールアップ時に使う因数であり、「空塔速度（m/hr）＝風量（吹き込む空気量や酸素量）（m^３/hr） ÷流路の断面積（m^２）」で与えられる。空気と酸素とは、有機物の酸化作用として大差はなく、通常使用されるのはコスト、安全性などから空気が好ましい。
空塔速度は、空気を吹き込む場合は５０〜５００m/hrの範囲が適切であるが、強い乱流を得るには７０〜４００m/hrの範囲が好ましく、さらに担体の投入率（区分室内における静止状態で担体の占める割合）を高くし長期安定して除去率を維持するには２００〜３８０m/hrの範囲が好ましい。
空塔速度が５０m/hrより小さい場合には、偏流が生じ、存在させた担体の一部が流動しない場合があり、時間の経過とともにブロックを形成する。この傾向は担体の量が多くなるにつれて起こりやすくなる。また、５００m/hrより大きい場合には、発泡現象が生じる場合があり好ましくない。
空塔速度が５００m/hrより小さい場合でも発泡が発生する場合もあるが、その場合には、消泡剤を用いるか、断面積を拡大して空塔速度を若干小さくすることによって消泡することは可能である。

空気や酸素の供給口は区分室の下に臨ませられているから、被処理水の供給口は区分室の側壁又は区分室の下方のいずれに臨ませても、上記と同じ流動作用を奏することができる。
流路の側壁の形状は、特に限定するものではない。円筒、四角筒など任意の断面形状の筒でよい。
また、仕切板は、全面に空気と水と浮遊汚泥が通過する均一に分布した孔を有したものであれば、特に限定するものではない。仕切板の間隔Ｌは、上下の仕切板の間で激しい流動を起こさせるため、可能な限り短い方がよい。間隔Lは重要な因子である。長すぎると担体が下部に偏在する。円筒形の流路の場合はその直径をＤとし、非円筒形の場合は断面の差し渡し長さの平均値をＤとして、Ｌ／Ｄ＝０．５〜１５．０の範囲で選択することが好ましい。

仕切板に穿設する小孔の大きさの上限は、担体が通り抜けない大きさが好ましい。小孔は、円形その他の形状の孔で形成する他、小幅のスリットで形成してもよい。要するに、担体を目詰まりさせない形状であればよく、また、開孔率を勘案して小孔の形状を設計することが望ましい。
仕切板の開孔率、すなわち「（小孔の総面積）÷（仕切板の断面積）×１００」を２〜２０％としておくと、適正な気泡を形成することができる。
なお、空気の吹き出しを偏らせないためには、仕切板を水平に配置しておくことが望ましいし、仕切板の小孔に微生物が詰まるのを防止するために、仕切板を抗菌性の材質で形成しておくことも望ましい。

担体の材質は、特に限定するものではないが、多孔質で微生物が固定されやすく、水と一緒に流動しやすいものがよい。
担体に使用できる物質は限定されないが、ゲル状のポリビニルアルコール、合成ゴム、ポリプロピレン、ポリエチレングリコールなどの汎用樹脂を好適に使用できる。

微生物の呼吸反応による分解速度には、担体の投入率が大いに影響し、反応が完結するに必要な滞留時間は、投入率が高いほど少なくてすむ（図６参照）。この両者の関係は、両対数目盛のグラフで直線となり（図８参照）、担体の投入率が全体の容積の５〜９０％の広い範囲で目的を達するが、費用対効果を考慮すると、５０〜６０％程度で良い。

処理能力を試験した結果、滞留時間を増していくと、有機物の濃度に関係なく、担体の投入率が同じであれば、一定の規則性を持って酸化反応が進行し、同じ滞留時間で反応が完結することが判明した（図７参照）。また、担体の投入率を変えると、反応が完結するに要する滞留時間が異なり、担体の投入率と反応完結滞留時間の関係は、両対数目盛のグラフで直線となり、この関係も一定の規則性があることも判明した(図８参照)。

また、負荷量、すなわち水に溶けている有機物の単位時間当たりの供給量を増していくと、担体当たりの負荷率(担体負荷率)が一定率に達すると急に浮遊汚泥が増加し、担体に付着する汚泥と浮遊汚泥との働きで反応は完結する。負荷量と生成汚泥量は平衡を保っている。従って従来法のように外部から汚泥を供給する、いわゆる返送汚泥を必要としないという大きなメリットを有する。
更に負荷量を増すと、酸素供給が限界に達し、反応量が一定になる。しかし、空気を酸素に切り換えて同じ量を吹き込むと、負荷量に見合う反応は完結する（図４、５参照）。
以上の事実より、本発明の処理能力は反応完結滞留時間のみで決定されることが明らかとなった。

反応完結処理水を０．２μ及び０．８μの濾紙で濾過したものと、未濾過のものの三者のＴＯＣを測定し、それぞれの差から、各粒径ゾーンの浮遊汚泥濃度を調べると、バラツキは多少あるものの、有機物の濃度にほぼ比例して生成している。この傾向から担体に存在する固定汚泥の量も推定でき、また、浮遊汚泥の生成しない負荷範囲では、汚泥の流出がないというメリットも判明した。
区分室内で激しい攪拌をしていても、浮遊汚泥の凝集が起こり汚泥は沈降する。上澄水は白濁しているが、砂濾過で透明になる。
従来法では、沈降分離に重点をおいて、攪拌を穏やかにしてきたが、常識を破り、強烈な
攪拌をしても、固液分離に致命的な欠点が出ることはなかった。

排水処理の分野では、設備の据付面積が大きくなる課題があったが、本発明を利用すれば
非常に狭くてすむことを、下記の表−１下に示した試算で確認できる。

酸素を溶存酸素の状態にして溶解して有機物と酸素とを微生物に素早く供給できる結果、被処理水における有機物の酸化を極めて迅速に行なえる利点がある。
そのため、処理設備の据付け面積を大幅に小さくできる利点もある。
また、予め担体に微生物を培養しておけば、供給する有機物の量に見合う汚泥が、担体内に、あるいは浮遊汚泥として短時間に生成し、有機物を完全に分解させられるから、ＭＬＳＳ（汚泥濃度）などの汚泥管理が全く不必要になり、省人化が可能となる。

本発明の内容を説明する概略図本発明を曝気塔として利用した時の１例を示すフロー図従来の報告書に記載の曝気塔フロー図空塔速度と収率の一覧表空塔速度と収率の関係図担体投入率と反応速度の関係図原水の有機物濃度と反応速度の関係図担体投入率と滞留時間の関係図

（実施例１）
内径５６mm、高さ３４５mm、容積８６０mlの上向きに設置した曝気塔（流路）１の上下に、孔径３mm、開孔率４％の仕切り板２、３を取付けて区分室４を形成する。この区分室４に微生物を培養した多孔質高分子架橋体の担体５、５を８６ml（１０％）投入し、仕切板３の下から吹き込む空気６の吹込量を、５
l/min（１２２m/hr）、１０ l/min（２４４m/hr）、１５ l/min（３６６m/hr）、２０ l/min（４８７m/hr）の４段階とし、これに比較例として３０
1/min（７３１m/hr）を加え（カッコ内は空塔速度）、各段階で区分室４に供給する人工下水（日本下水道協会の下水道試験方法による。溶解している物質はグルコース、ペプトン、各種ミネラルである。）７の濃度を変化させて、滞留時間が４時間になるように２１７
ml/hrで供給し、担体負荷率を２〜２６ kgTOC／m^３担体・hrの高負荷にして、０．２μで濾過した処理水のＴＯＣを測定した。
その結果、（ａ）５ l/minは担体負荷率約６
kgTOC／m³担体・hr、（ｂ）１０ l/minは約１５kgTOC／m³担体・hr、（ｃ）１５ l/minは約２０ kgTOC／m³担体・hrまで、それぞれ９０％の除去率で安定して反応が完結している。（ｄ）２０
l/min以上では、発泡現象が生じ不安定になったが、消泡剤を添加した（ｅ）２０ l/minは２６kgTOC／m³担体・hrまで処理できた。しかし、比較例である（ｆ）３０ l/min では泡を消すことができなかった。そのため、（ｆ）については限界負荷率（除去率が急に低下しはじめる担体負荷率）を測定していない（図４、５参照）。
この実施例では、人工下水７を下段の仕切板３の下側から供給しているが、区分室４の横から供給するようにしても同じ結果が得られた。
なお、図４の（ｇ）について、実施例５として後述する。

（実施例２）
内径５６mm、高さ２０３mm、容積５００mlの曝気塔の上下に孔径３mm、開孔率４％の仕切板を取付け、この区分室に微生物を培養した多孔質高分子架橋体の担体を５０ml投入し、仕切板の下から、１５
l/minの空気を吹込み、ＴＯＣ１８０ mg/ｌの人工下水を流量を１９８ ml/hrから４５６０ ml/hrまで変化して供給した。人工下水の各流量とも、４時間以上継続して供給した後、処理水を０．２μ、０．８μの濾紙で濾過し、未濾過のものを含めてＴＯＣを測定した。片対数目盛のグラフの横軸に滞留時間、縦軸にＴＯＣを採り、測定結果をプロットした結果、０．２μで濾過した処理水の場合、滞留時間の増加に従って、処理水のＴＯＣはほぼ直線的に低下し、その後滞留時間が増加しても、処理水のＴＯＣが原水濃度の約１５％（２７mg/l）のまま変化しないで直線となった。この２本の直線の交点の滞留時間は１．８時間であった（図７参照）。

（実施例３）
実施例２と同じ装置で、人工下水の濃度をＴＯＣ２２７mg/l、５５０mg/l、１３１４mg/lに変化させて、同じ方法で処理をした結果、処理水のＴＯＣはいずれも実施例２と同じ勾配で減少し、２本の直線の交点での滞留時間は１．８時間であった(図７参照)。

（実施例４）
実施例２と同じ装置で、担体の投入率を１０％、２０％、５０％に変えて、同じ方法で処理した結果、処理水のＴＯＣは、担体の投入率が増すほど減少勾配は急になり、２直線の交点の滞留時間も、それぞれ１．８時間、１．６時間、１．２時間となった（図６参照）。これは両対数目盛の横軸に投入率、縦軸に滞留時間を採ってプロットすると直線になる（図８参照）。

（実施例５）
実施例１と同じ装置を用い、空気の代わりに純酸素を５ l/minで吹き込み、同様の方法で負荷量を変化させた結果、空気では除去率が７０％以下に落ちた担体負荷率１１kgTOC/m³担体・hrであっても、除去率９０％で全く安定していた（図４、５参照）。

上記の実施例では、曝気塔１における区分室は一つのものを使用しているが、図３に示したように、曝気塔における区分室を多段に配置し、被処理水（上記実施例においては人工下水）が順次区分室を通過できるようにすることができる。
なお、図３は従来の曝気塔を示したものであり、この図における符号１２は、返送汚泥流路である。

１、１１曝気塔、２、３仕切板、４区分室、５担体、６供給する空気、７被処理水（人工下水）、８流路の側壁、１２返送汚泥流路

Claims

微生物を固定させた担体を存在させた流路に有機物を含有する被処理水の供給路及び気体の供給路を連結し、微生物によって被処理水の有機物を酸化させるようにした装置において、縦方向に設置して上部を排出側とした流路、流路内に多数の小孔を穿設した仕切板を所定の間隔で上下に配置して仕切板と流路の側壁とで形成した区分室、区分室と連通させた被処理水の供給路、区分室の下に供給口を臨ませ５０〜５００m/hrの空塔速度で空気又は酸素を供給する気体供給装置とからなり、微生物を固定させた担体を存在させた区分室に供給した被処理水を乱流状態にして有機物を酸化させる有機物酸化装置。
被処理水の供給路を区分室の側壁又は区分室の下方に臨ませた請求項１に記載の有機物酸化装置。
流路断面の差し渡し長さと上下の仕切板の対面間の間隔の比を０．５〜１５．０とした請求項１又は２に記載の有機物酸化装置。
仕切板の開孔率を２〜２０％とした請求項１、２又は３に記載の有機物酸化装置。
微生物を固定させた担体を入れた区分室を多段に設け、被処理水が下段側から順次区分室を通過するようにした請求項１、２、３又は４に記載の有機物酸化装置。
微生物を固定させた担体を存在させた流路内に有機物を含有する被処理水と気体とを供給し、微生物によって被処理水の有機物を酸化する方法において、縦方向に設置して上部を排出側とした流路内に、多数の小孔を穿設した仕切板を所定の間隔で上下に配置して区分室を形成し、区分室内に微生物を固定させた担体を存在させた状態で区分室に被処理水を供給し、区分室の下から空気又は酸素を５０〜５００m/hrの空塔速度で供給して区分室内の被処理水を乱流状態にさせる有機物の酸化方法。