JP2012152674A - 廃水処理装置及び廃水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＵＡＳＢ処理の反応槽内の水質を微生物の反応活性が高活性となる状態に維持する。
【解決手段】廃水処理装置１は、被処理水を底部１００から供給して微生物塊と接触させた後に処理水として上部から排出させる反応槽１０と、反応槽１０から流出する処理水の一部をｐＨ調整するｐＨ調整槽１８を備える。ｐＨ調整槽１８を、返送管１８１ｂまたは１８１ｃを介して反応槽１０の側面と接続し、反応槽１０から排出される処理水の一部を微生物塊の反応活性が高くなるｐＨ範囲となるようにｐＨ調整し、ｐＨ調整された処理水を反応槽１０内のベッド１９であって、被処理水の供給部１００から被処理水の流通方向に離間した箇所に注入する。
【選択図】図３

Description

本発明は、流動性の微生物塊（微生物からなる自己造粒汚泥であるグラニュールや核となる物質を含んだ微生物膜）を利用した廃水処理技術に関するものである。

上向流嫌気性汚泥床（ＵＡＳＢ：Upflow Anaerobic Sludge Bed）法は微生物塊を充填した反応槽の底部から被処理水を供給し、この供給によって生ずる上向水流のもとで被処理水に含まれる有機物や窒素化合物を微生物塊と接触させ微生物の代謝反応により分解する方法である（例えば、特許文献１〜４等）。

ＵＡＳＢ法は微生物担体となる充填材を必要とせず、高密度に凝集した微生物塊を用いることにより非常に高い負荷を処理できることを最大の特徴とする。微生物塊とは微生物が自己造粒化したグラニュールと呼ばれる形態や核となる物質を含んだ微生物膜が該当する。グラニュールや有核微生物膜などの微生物塊は、沈降性に優れたものが多く、反応槽底部より被処理水を供給すると適切な上向流速において、反応槽上部の浮遊微生物塊が少なく、反応槽の下方に多く微生物塊が沈殿・滞留し汚泥床（ベッド）と呼ばれる状態を形成する。

また、含アンモニア廃水では、前段として好気性細菌によりアンモニアを硝酸に酸化する硝化処理と、後段で嫌気性の従属栄養細菌により有機物を利用して硝酸を窒素ガスに還元する脱窒処理があるが、近年、アンモニアと亜硝酸から脱窒することができる嫌気性アンモニア酸化(通称：アナモックス)細菌が注目され、本方法においてもＵＡＳＢ法が適用されている。アナモックス細菌を用いる場合、前段ではアンモニアを約半量亜硝酸まで硝化することで、後段のアナモックス細菌による脱窒処理が可能であり、好気処理に要する曝気動力が大幅に削減される。また、後段のアナモックス反応は独立栄養細菌によるため、従属栄養細菌による脱窒で必要とされた有機物が不要となる。その結果、Ｃ／Ｎ比の低い廃水で必要とされていた有機物供給が不要となるなど非常に優れた窒素処理方式である。アナモックス反応槽で適用可能な窒素負荷はプロセスにより異なるが、実証試験では、２．８〜５．４ｋｇ−Ｎ／ｍ³／日であると報告されている（例えば、非特許文献２）。

また、ＵＡＳＢ法では、反応槽内の微生物が高活性を維持した状態となるように、反応槽内の水質（被処理水のｐＨや反応物質濃度など）を制御する。例えば、特許文献１では、反応槽内の被処理水注入点付近を攪拌することで、被処理水注入部の局部的な亜硝酸性窒素濃度の上昇に起因するアナモックス細菌の失活または活性低下を防止している。また、特許文献２では、亜硝酸性窒素を含有する被処理水の流入点を反応槽の高さ方向に複数設け、最下段（最上流）における亜硝酸性窒素注入濃度を３００ｍｇ−Ｎ／Ｌ以下とすることで、被処理水注入部の局部的な亜硝酸性窒素濃度の上昇に起因するアナモックス細菌の失活または活性低下を防止している。

特開２００３−０３３７９５号公報 特開２００３−０３３７９３号公報 特開昭６２−２７９８９１号公報 特開平９−２２５４９１号公報

福崎康博、外５名、"アナモックス反応による高濃度窒素排水の高速処理技術"、用水と廃水、株式会社産業用水調査会、２０１０年９月、第５２巻、第９号、ｐ．７１９−７２７ アナモックス反応を利用した窒素除去技術の評価に関する報告書、日本下水道事業団技術評価委員会、平成２２年３月

しかしながら、反応槽内の水質が、被処理水（または、被処理水と希釈水との混合水）を注入することによって回避されない場合（例えば、微生物反応処理の進行に伴うｐＨの上昇など）には、被処理水を反応槽に分散投入するだけでは反応槽の水質を微生物が高活性となる状態に維持できないおそれがある。例えば、特許文献２には、アナモックス細菌の活性阻害は、亜硝酸性窒素濃度５０〜２００ｍｇ／Ｌ程度から生じ、高濃度ほど阻害作用が大きくなるとされており、被処理水中の亜硝酸性窒素濃度が高濃度となった場合には、単に被処理水を分散投入に変更しただけでは、アナモックス細菌の活性を阻害する要因の解消が困難である。

また、反応槽内の水質を微生物が高活性となる状態に維持するために被処理水に混合される希釈水を増加させると、希釈水の注入にコストがかる、または反応槽への希釈水の通水量が増大する。反応槽への希釈水の通水量が増大すると、反応槽において通水速度が律速となって負荷が制限されるおそれがある。さらには、希釈水に一定以上の溶存酸素濃度が存在する場合、反応槽内の嫌気性雰囲気を壊す可能性があるため、希釈水の注入の際には、溶存酸素の反応槽への持込に十分注意しなければいけない。

したがって、効率よく安定した嫌気性アンモニア酸化処理を行うためには、アナモックス細菌の活性を阻害してしまうような環境にならないように工夫しなければいけない。同時に、高活性のアナモックス細菌を反応槽に維持し、且つ、処理反応により多くのアナモックス細菌を関与させることも必要となる。

そこで、本発明の廃水処理装置及びこの装置による廃水処理方法は、ＵＡＳＢ型反応槽にて、この反応槽で処理された処理水のｐＨを、反応槽内に保持された微生物が窒素除去反応を高活性で行うことに適したｐＨに調整し、このｐＨ調整された処理水を反応槽のベッドに注入して、このベッド中のｐＨが微生物塊を形成する微生物の反応活性維持に適したｐＨとなるように制御することを特徴としている。

すなわち、上記課題を解決する本発明の廃水処理装置は、被処理水を上昇水流のもとで微生物と接触させて当該被処理水中の窒素化合物を分解する廃水処理装置であって、前記被処理水を底部から供給して前記微生物と接触させた後に処理水として上部から排出させる反応槽と、前記反応槽から排出された処理水の一部を前記微生物の反応活性が高くなるｐＨ範囲となるように調整するｐＨ調整槽と、前記反応槽内のベッドであって、前記被処理水の供給部から前記被処理水の流通方向に離間した箇所に、前記ｐＨ調整槽でｐＨ調整された処理水を注入する経路と、を備えたことを特徴としている。

また、本発明の廃水処理装置は、上記廃水処理装置において、前記ｐＨ調整された処理水がベッドの高さの５０％以下の箇所に注入されるように、前記ｐＨ調整された処理水を注入する経路が備えられたことを特徴としている。

また、本発明の廃水処理装置は、上記廃水処理装置において、前記ｐＨ調整された処理水は、前記被処理水と混合されることなく注入されることを特徴としている。

また、本発明の廃水処理装置は、上記廃水処理装置において、前記ｐＨ調整された処理水を注入する経路は、前記反応槽の前記被処理水の流通方向に対して複数備えられたことを特徴としている。

また、上記課題を解決する本発明の廃水処理装置は、被処理水を上昇水流のもとで微生物と接触させて当該被処理水中の窒素化合物を分解する廃水処理装置であって、前記被処理水を底部から供給して前記微生物と接触させた後に処理水として上部から排出させる反応槽と、前記反応槽から排出された処理水の一部を、前記微生物の反応活性が高くなるｐＨ範囲となるように調整するｐＨ調整槽と、前記反応槽の内部に設けられ、前記微生物と前記被処理水との反応で生じた気泡と前記微生物とを分離するための気泡分離部材と、前記気泡分離部材の下方であって、前記被処理水の供給部から前記被処理水の流通方向に離間した箇所に、前記ｐＨ調整槽でｐＨ調整された処理水を注入する経路と、を備えたことを特徴としている。

また、上記課題を解決する本発明の廃水処理方法は、被処理水と微生物とを接触反応させる反応槽と、前記反応槽で処理された後の処理水のｐＨを前記微生物の反応活性が高くなるｐＨ範囲となるように調整するｐＨ調整槽と、を備えた廃水処理装置による廃水処理方法であって、前記被処理水を前記反応槽の底部から供給して、前記被処理水を前記微生物と接触させた後に処理水として前記反応槽の上部から排出させ、前記排出された処理水の一部を前記ｐＨ調整槽で、前記微生物の反応活性が高くなるｐＨ範囲となるように調整し、前記反応槽のベッドであって、前記被処理水の供給部から前記被処理水の流通方向に離間した箇所に、前記ｐＨ調整された処理水を注入することを特徴としている。

また、上記課題を解決する本発明の廃水処理方法は、被処理水と微生物とを接触反応させる反応槽と、前記反応槽の内部に設けられ、前記微生物と前記被処理水との反応で生じた気泡と前記微生物とを分離するための気泡分離部材と、前記反応槽で処理された後の処理水の一部を前記微生物の反応活性が高くなるｐＨ範囲となるように調整するｐＨ調整槽と、を備えた廃水処理装置による廃水処理方法であって、前記被処理水を前記反応槽の底部から供給して、前記被処理水を前記微生物と接触させた後に処理水として前記反応槽の上部から排出させ、前記排出された処理水の一部を前記ｐＨ調整槽で前記微生物の反応活性が高くなるｐＨ範囲となるように調整し、前記気泡分離部材の下方であって、前記被処理水の供給部から前記被処理水の流通方向に離間した箇所に、前記ｐＨ調整槽でｐＨ調整された処理水を注入することを特徴としている。

以上の発明によれば微生物塊の活性を維持し、ＵＡＳＢ処理の高負荷化に貢献することができる。

発明の参考例に係る廃水処理システムを示した概略構成図である。 発明の参考例に係る廃水処理システムの反応槽の高さ方向の被処理水のｐＨ変化を示す図である。 発明の実施形態１に係る廃水処理装置を示した概略構成図である。 （ａ）ｐＨ調整された処理水を反応槽の側面から注入しない場合の反応槽の高さ（Ｈ）と反応槽内のｐＨ値との関係を示す図、（ｂ）ｐＨ調整された処理水を反応槽の側面から注入した場合の反応槽の高さ（Ｈ）と反応槽内のｐＨ値との関係を示す図である。 発明の実施形態２に係る廃水処理装置を示した概略構成図である。

［参考例］
本発明に先だって、発明者らは、参考例として図１に示す廃水処理装置５において、反応槽５０にアナモックス細菌を植種して、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを反応させた。そして、この反応槽５０の高さ方向のｐＨ変化を測定した。

（装置の構成）
図１に示すように、参考例に係る反応処理装置５は、ｐＨ調整槽１８と、反応槽５０と、気泡捕集管１２とを備える。

反応槽５０の底部５００に、後述の人工廃水槽５１を供給管１０１を介して接続した。そして、被処理水を反応槽５０の底部５００から供給して、反応槽５０内のベッド１９と接触させた後に処理水として上部から排出させた。被処理水は反応槽５０の下端部に接続された供給管１０１を介してポンプＰ１によって供給した。図１に示すように、反応槽５０は円筒状に形成した。また、反応槽５０の底部５００付近の内周面は微生物塊を底部に集積しやすく、被処理水との接触効率を高められるように下細りのテーパー状に形成した。

さらに、反応槽５０の上部側面には、処理水の一部を反応槽５０に返送させる循環配管１７２を設けた。そして、反応槽５０の側面には、反応槽５０の高さ方向に複数の採水管７ａ〜７ｆを設けた。

気泡捕集管１２は、陣笠状に形成された捕集コーン１２１とこの捕集コーン１２１の上端開口部に円筒部１２２が鉛直に接続されることで構成されており、反応槽５０内に同槽と同軸に配置される。気泡捕集管１２は、ベッド１９から生じた気泡を捕集して、反応槽５０の天井部に接続された円筒部１２２を介して大気中に排出した。

ｐＨ調整槽１８を、反応槽５０と循環配管１７２を介して設け、処理水の一部を循環配管１７２を介してｐＨ調整槽１８に移送した。さらに、ｐＨ調整槽１８にはｐＨ計１８ａを設け、ｐＨ調整槽１８で処理水のｐＨを０．５ＭのＨ₂ＳＯ₄で所定のｐＨに調整した。そして、ポンプＰ２により循環配管１８１を介してｐＨ調整された処理水を反応槽５０に再び循環させた。

人工廃水槽５１は、供給管１０１を介して反応槽５０の底部５００と接続した。人工廃水槽５１には、溶存酸素濃度（ＤＯ）計５１ａ、及びｐＨ計５１ｂを備えた。そして、人工廃水槽５１の被処理水を、供給管１０１を介してポンプＰ１により反応槽５０に供給した。なお、参考例では、人工廃水槽５１に、表１に示す組成に調整された被処理水を予め備えておき、被処理水の溶存酸素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下となるように窒素ガスによる脱気を行った。

上記構成からなる廃水処理装置５において、高負荷運転における反応槽５０内を流通する被処理水のｐＨ特性を調査するために、窒素容積負荷（ＮＬＲ）を７．０ｋｇ−Ｎ／ｍ³／日として、アナモックス細菌の存在下でアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを反応させた。そして、採水管７ａ〜７ｆから被処理水を採取し、採取した被処理水のｐＨを測定した。アナモックス反応中の反応槽５０の高さ方向における被処理水のｐＨ変化を図２に示す。

アナモックス細菌による反応は、下記の（１）式で示される反応式が提案されている。
１．０ＮＨ₄ ⁺＋１．３２ＮＯ₂ ^-＋０．０６６ＨＣＯ₃ ^-＋０．１３Ｈ⁺→
１．０２Ｎ₂＋０．２６ＮＯ₃ ^-＋０．０６６ＣＨ₂Ｏ_0.5Ｎ_0.15＋２．０３Ｈ₂Ｏ…（１）
（１）式によれば、アナモックス反応が進行するにしたがって、被処理水中のＨ⁺が消費されるので、図２に示すように、反応槽５０の上部にある被処理水ほどｐＨが高くなっている。このｐＨ変化は、反応槽５０へ流入する被処理水のｐＨ緩衝性が低い場合に顕著となる。

図２では、反応槽５０の被処理水のｐＨは、反応槽５０最下部の流入部５００でｐＨ７．５であるが、反応槽５０の最下部より高さ１８０ｍｍの位置（ベッド高さの約５０％に相当）にある採水管７ａで採取された被処理水で既にｐＨ８．４３であり、アナモックス反応に好適とされるｐＨ範囲（ｐＨ６．５〜８．０）を超えている。そして、この好適ｐＨの上限（ｐＨ８．０）を逸脱するのは、反応槽５０の最下部より高さ１００ｍｍ（ベッドの高さの２４％に相当）の位置である。

また、採水管７ｂの位置から上方に行くにしたがって、反応槽５０を流通する被処理水のｐＨの上昇が緩やかになっている。すなわち、反応槽５０の底部５００から被処理水を流入させると、図２のように、特に、微生物塊の存在するベッド１９領域内のほぼ全てにおいてｐＨ変化が起こっている。そして、反応槽５０内のｐＨは、反応槽５０下部の流入部５００の上向流側の近傍でアナモックス細菌の好適ｐＨの上限を逸脱してしまう。

このことから、反応槽５０底部５００から被処理水を供給する場合、アナモックス細菌の活性を維持できる領域は流入部付近にあるベッド１９部分に限られることとなる。

そして、好適ｐＨの上限を逸脱し、活性が阻害される部分に存在するアナモックス細菌は反応への寄与が低いので、ベッド１９領域に多量のアナモックス細菌を保持していても、窒素除去性能の向上は期待できないおそれがある。また、窒素容積負荷（ＮＬＲ）をさらに高く設定した高負荷処理運転をするほど（１）式の反応が速く進むので、底部５００に供給される被処理水の流入初期ｐＨから変化するベッド１９領域内での上向流方向のｐＨ変化は速くなる。すると、ますます、好適ｐＨの上限を逸脱による活性阻害の影響を受けるベッド１９領域が広くなるため、アナモックス細菌の全体量は十分確保されていても、その細菌量に比例した窒素除去性能の向上は期待できず、逆に、窒素除去性能が低下する場合もあり得る。また、この阻害により過負荷となった場合、処理水中に基質濃度が高いまま残留することとなるため、ｐＨ調整された処理水の希釈効果がなくなり、処理が加速度的に悪化することとなるおそれもある。

また、ベッド１９（参考例では、反応槽の底部より４２０ｍｍの位置付近まで堆積）の上方に気泡とともに浮上した微生物塊は、ｐＨによる活性阻害を受けるためほとんど窒素除去に寄与しない。さらに、上部での滞留時間が長いほど、アナモックス細菌の活性が減少していく可能性がある。故に、気泡とともに浮上した微生物塊は速やかにベッド１９内に戻す操作が必要であり、微生物塊は捕集コーン１２１に衝突することで、気泡と微生物塊とが分離され、気泡が分離された微生物塊は下降しベッド１９内に戻る。

上記参考例に係る廃水処理装置５における反応槽５０でのｐＨ変化の測定結果を鑑みて、発明者らは本発明を創作するにいたった。以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

［実施形態１］
図３、図４を参照して本発明の実施形態１に係る廃水処理装置１及びこの装置による廃水処理方法について詳細に説明する。

（装置の構成）
図３に示すように、廃水処理装置１は反応槽１０とｐＨ調整槽１８と、側面スクリーン１３とを備える。そして、ｐＨ調整槽１８に接続された返送管１８１からは、返送管１８１ａ〜１８１ｃが分岐している。

反応槽１０は被処理水を底部１００から供給して、反応槽１０の下部に堆積した微生物塊のベッド１９と接触させた後に処理水として上部から排出させる。ベッド１９（汚泥床）とは、反応槽１０の下方に沈殿・滞留した微生物塊によって形成される層であり、微生物塊とは微生物が自己造粒化したグラニュールと呼ばれる形態や核となる物質を含んだ微生物膜が該当する。この微生物塊を形成する微生物としては、例えば、アナモックス細菌が挙げられる。反応槽１０へ供給する窒素化合物の負荷量は、ベッド１９の容積と被処理水の基質濃度や水量などにより決定される。そして、運転の継続に伴って増殖した微生物は、適宜、ベッド１９の高さを所定の高さを維持するように定期的に引き抜かれる。したがって、反応槽１０のベッド１９の高さは、反応槽１０の運転条件の一つとして予め設定されることとなる。

被処理水は反応槽１０の下端部に接続された供給管１０１を介してポンプＰ１によって供給される。被処理水としては、例えば、アンモニアを含有する被処理水を図示省略の処理槽で、前もって好気性のアンモニア酸化細菌により処理することで、被処理水のアンモニアの一部を亜硝酸に変換した被処理水を用いることが挙げられる。被処理水については、特に限定するものではなく、例えば（１）式に示した反応が効率よく進行するように、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素などを含有した被処理水を供給すればよい。

反応槽１０は円筒状に形成されている。また、反応槽１０の底部１００付近の内周面は微生物塊を底部に集積しやすく、被処理水との接触効率を高められるように下細りのテーパー状に形成されている。反応槽１０の上部には、処理水を系外に流出させる流出配管１７１の他に、処理水の一部を反応槽１０に返送させる循環配管１７２が処理水分離室１７と連通して接続されている。循環配管１７２には処理水分離室１７から移送された処理水のｐＨを調整するためのｐＨ調整槽１８が接続されている。

反応槽１０内の液相は、（１）式に示した反応によってｐＨが８．５を超えることがあり、これにより微生物塊の活性が低下する場合がある。そこで、処理水のｐＨをｐＨ調整槽１８にて中性付近（例えば、ｐＨ７．１〜７．４）となるようにｐＨ調整し、ｐＨ調整された処理水を反応槽１０に返送することで微生物塊活性の安定化を図る。

ｐＨ調整槽１８は、返送管１８１ａ及び供給配管１０１を介して、反応槽１０の底部１００に接続され、供給配管１０１より供給される被処理水は、ｐＨ調整槽１８でｐＨ調整された処理水により希釈される。また、ｐＨ調整槽１８は、返送管１８１ｂまたは１８１ｃを介して反応槽１０の側面と接続され、ｐＨ調整された処理水を反応槽１０のベッド１９の下部近傍に注入する。ｐＨ調整槽１８は、ｐＨ調整用の薬液を注入するポンプと処理水を攪拌するための攪拌機とを備える。薬液は、水処理技術に適用される周知の薬剤（硫酸、塩酸など）を適用すればよい。なお、返送管１８１ｂ、１８１ｃは、反応槽１０を流通する被処理水の流れ方向（すなわち、反応槽１０の高さ方向）に複数備え、反応槽１０の処理状態に応じてｐＨ調整された処理水の注入を制御してもよい。

なお、ｐＨ調整された処理水を注入する注入点は、反応槽１０においてベッド１９が堆積している箇所であれば特に限定するものではない。供給配管１０１から供給される被処理水は、アナモックス反応の活性が高くなるｐＨ範囲となるようにｐＨ調整されているので、ｐＨ調整された処理水を注入する注入点は、供給配管１０１から被処理水の流通方向に離間した箇所に備える。また、ｐＨ調整された処理水の注入点は、ベッド１９にｐＨ調整された処理水を注入できればよいので、注入点を反応槽１０の側面に備えることに限定するものでもない。参考例で示したように、反応槽５０の最下部より高さ１８０ｍｍ（ベッド１９の高さの約５０％に相当）で、アナモックス細菌の活性に対する好適ｐＨの上限（ｐＨ８．０）を逸脱している。そこで、このｐＨ調整された処理水の反応槽１０内への注入点を、反応槽１０内のベッド１９高さの５０％以下となる箇所とすると、ベッド１９を流通する被処理水の水質をアナモックス細菌の活性を高い状態に維持や回復させることができる。

側面スクリーン１３は反応槽１０の上層部の微生物塊を含んだ液相を微生物塊と被処理水とに分離する。側面スクリーン１３は円筒状に形成されたウェッジワイヤースクリーンなどのスリット状または格子状のスクリーンからなる。このスクリーンの目幅は、微生物塊と被処理水との固液分離に適するよう微生物塊の平均粒径よりも小径となるよう設定されている。側面スクリーン１３は反応槽１０と同径の円筒状に形成されるとともに反応槽１０の上端付近の周側面に設置されている。そして、この上端付近の外周には側面スクリーン１３を介して処理水が移送される処理水分離室１７が設けられている。なお、液相に浸っている側面スクリーン１３上部の反応槽１０の内面部分をウェッジワイヤーなどのスリット状または格子状のスクリーンにすると、浮上した微生物塊が被処理水の流れによって流出側へ押し出され側面スクリーン１３を閉塞しやすくなる。したがって、側面スクリーン１３上部の反応槽１０の内面部分は水の透過性のないことが望ましい。

（動作例の説明）
図３を参照しながら廃水処理装置１の動作例について説明する。

被処理水はポンプＰ１によって供給管１０１を介して底部１００から反応槽１０内に供給される。反応槽１０内に被処理水が供給されるとベッド１９を構成する微生物塊によって被処理水中の窒素化合物が分解される。例えば、被処理水中に含まれる亜硝酸とアンモニア成分が、（１）式に例示した、微生物塊を構成する細菌類の一つであるアナモックス細菌による脱窒反応によって窒素ガスに転換される。微生物塊から発生した窒素ガスは上向水流によって反応槽１０内の液面に向かって上昇する。また、最も生物活性が高くなっている底部１００付近の微生物塊はガスの発生が激しく当該ガスの気泡の付着によって沈降性を失うことがあり上向水流に乗って上昇する。この気泡が付着した微生物塊が上昇する際には、上昇流から受ける流れの作用で気泡が付着していた微生物塊から離脱し、一部、気泡が離脱した微生物塊は自重により沈降してベッド１９へ戻る。この過程で気泡が離脱しない微生物塊及び微生物塊から離脱した気泡は、反応槽１０を上昇して液面付近へ移動する。上昇した気泡は、液面に達するとガスとして反応槽１０内の気相に解放され排気管１０３から系外に排出される。また、この液面に浮上した時に気泡と分離された微生物塊は、自重によって下降しベッド１９に向かって沈降する。そして、反応槽１０のこの領域においても、まだ気泡が付着した微生物塊は、側面スクリーン１３を介して系外に流出する処理水の流れに乗って側面スクリーン１３と接触すると、一部の微生物塊から気泡が脱離してガスは気相中に解放され、気泡と分離された微生物塊は自重によって下降しベッド１９に向かって沈降する。

反応槽１０の液面付近の上層まで上昇してきた被処理水は側面スクリーン１３によって固液分離された後に処理水分離室１７の流出配管１７１から系外に排出される。

ｐＨ調整槽１８では、処理水分離室１７から流出してきた処理水に対して、酸などのｐＨ調整剤を添加して処理水のｐＨを微生物塊の反応活性が高くなるｐＨ範囲となるように調整する。具体的には、処理水のｐＨが中性付近（ｐＨ７．１〜７．４）となるようにｐＨ調整する。ｐＨ調整された処理水は、返送配管１８１から、返送管１８１ｂ、１８１ｃを介してポンプＰ２によって反応槽１０のベッド１９下部近傍に注入される。その結果、反応槽１０の液相環境を、微生物塊の生物活性を維持することができるｐＨ範囲（例えば、ｐＨ７．５程度以下）にｐＨ調整することができる。なお、被処理水の基質濃度を希釈するために一部の処理水は循環配管１７２を介してｐＨ調整系に供された後に返送管１８１ａを介して供給管１０１に循環供給される。

（効果）
廃水処理装置１によれば、反応槽１０のベッド１９にｐＨ調整された処理水を注入することで、ベッド１９の水質をアナモックス細菌の活性が高い状態に維持できる水質となるように調整することができる。

つまり、ｐＨ調整された処理水を反応槽１０のベッド１９の下部近傍に注入することで、生物処理によって上昇したｐＨを下げるとともに、反応槽１０に供給された被処理水及びアナモックス反応で生じた反応生成物の希釈を同時に行うことができる。また、ｐＨ調整された処理水の返送により反応槽１０に供給される被処理水を希釈することで、微生物塊の生物活性を阻害するような高濃度基質を微生物塊の活性を阻害しない濃度レベルとし、ベッド１９の嫌気的生物活性を維持させることができる。その結果、微生物塊の活性を保てる領域を広くすることができるので、これにより高負荷で廃水処理を行うことができる。また、反応槽１０の容積を有効利用することができるので、反応槽１０の小型化を実現させることができる。

さらに、反応槽１０に返送されるｐＨ調整された処理水は、反応槽１０を流通した処理水であるので溶存酸素濃度が低い。よって、ベッド１９のｐＨ調整を行うための返送水に、処理水を用いることで、アナモックス細菌に対する溶存酸素の影響を低減することができる。なお、返送管１８１ｂ、１８１ｂから注入されるｐＨ調整水は、実施形態のようにｐＨ調整された処理水を返送させることに限定するものではなく、ｐＨ調整された溶液を注入すれば本発明の効果を得ることができる。

また、ｐＨ調整された処理水を注入する返送管を反応槽１０の高さ方向に複数備え、さらに、各返送管にバルブ（図示省略）を備えると、このバルブを調整することで、反応槽１０での生物反応の変化（反応槽１０の高さ方向におけるｐＨや基質濃度の変化）に応じて、ｐＨ調整や被処理水の希釈を行うことができる。

図４（ａ）に示すように、窒素容積負荷（ＮＬＲ）７ｋｇ−Ｎ／ｍ³／日のように高窒素容積負荷で廃水処理装置１を運転した場合、ｐＨ調整された処理水を注入しないと、反応槽１０の被処理水のｐＨは、反応槽１０の中位付近で既にｐＨ８．５まで上昇している。このように、反応槽１０内を流通する被処理水のｐＨが上昇すると、微生物塊の活性が阻害される可能性がある。一方、本発明の実施形態に係る廃水処理装置１は、ｐＨ調整された処理水を反応槽１０の側面から注入することで、図４（ｂ）に示すように、反応槽１０での反応に伴うｐＨ上昇を抑制していることがわかる。図４（ｂ）では、ｐＨ調整された処理水を反応槽１０内のベッド１９であって、ベッド１９の高さの５０％以下となる反応槽１０内のベッド１９へ注入することで、図４（ａ）に示したように、反応槽１０内のｐＨが８．０を逸脱しており、ｐＨ阻害によりアナモックス細菌による窒素除去反応が進まなくなった環境であっても、好適ｐＨ範囲内となるようにｐＨ調整して、再びアナモックス反応を進めることができることを示している。すなわち、ｐＨ調整された処理水を反応槽１０内においてベッド１９高さの５０％以下に位置するベッド１９へ注入すると、高窒素負荷や被処理水のｐＨ緩衝性が低い場合などの処理運転において、効果的に好適ｐＨ範囲の状態に維持や回復させる操作が可能となる。その結果、微生物塊が沈降して形成されるベッド１９の有効領域（反応槽１０におけるベッド１９の活性を保つことができる領域）を広くすることができるので、高い負荷で廃水処理を行う場合においても、微生物塊の活性を高い状態に維持して嫌気性廃水処理を行うことができる。

［実施形態２］
図５を参照して本発明の実施形態２に係る廃水処理装置２及びこの装置による廃水処理方法について詳細に説明する。

図５に示された実施形態２に係る廃水処理装置２は、反応槽１０内に微生物と被処理水との接触反応により生じたガスと微生物とを分離する気泡分離部材を備えること以外は、実施形態１に係る廃水処理装置１の構成と同じである。よって、実施形態１に係る廃水処理装置１と同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

（装置の構成）
廃水処理装置２は反応槽１０とｐＨ調整槽１８と、気泡分離スクリーン１１と側面スクリーン１３とを備える。そして、ｐＨ調整槽１８に接続された返送管１８１からは、返送管１８１ａ〜１８１ｃが分岐している。

気泡分離スクリーン１１は反応槽１０の底部１００付近に滞留するベッド１９から微生物反応の結果生じたガスの気泡を付着させた微生物塊と接触して当該微生物塊から気泡を分離させる。気泡分離スクリーン１１は陣笠状に形成されたウェッジワイヤースクリーンなどのスリット状または格子状のスクリーンからなる。

実施形態２に係る廃水処理装置２では、気泡分離スクリーン１１の下方の被処理水にｐＨ調整された処理水を注入するように、反応槽１０の側面に返送管１８１ｂ、１８１ｃを備える。

（動作例の説明）
図５を参照しながら廃水処理装置２の動作例について説明する。

被処理水はポンプＰ１によって供給管１０１を介して底部１００から反応槽１０内に供給される。反応槽１０内に被処理水が供給されるとベッド１９を構成する微生物塊によって被処理水中の窒素化合物が分解される。例えば、被処理水中に含まれる亜硝酸とアンモニア成分などは、微生物塊を構成する細菌類の一つであるアナモックス細菌による脱窒反応によって窒素ガスに転換される。微生物塊から発生した窒素ガスなどの気泡は上向水流によって反応槽１０内の液面に向かって上昇する。また、最も生物活性が高くなっている底部１００付近の微生物塊はガスの発生が激しく当該ガスの気泡の付着によって沈降性を失うことがあり上向水流に乗って上昇する。

前記気泡が付着した微生物塊はベッド１９内に設置した気泡分離スクリーン１１との接触により、迅速に気泡の脱離が行われることとなる。そのため、気泡が脱離した微生物塊は底部１００付近に留まりやすくなるため、ベッド１９の微生物塊の集積度を高められる。一方、ベッド１９によって処理された被処理水は気泡分離スクリーン１１によって固液分離された後に上昇流に乗って反応槽１０の上層に向かって移行する。

また、気泡を付着させた微生物塊は、側面スクリーン１３を介して系外に流出する処理水の流れに乗って側面スクリーン１３と接触すると、一部の微生物塊から気泡が脱離してガスは気相中に解放され、微生物塊はベッド１９方向へ沈降する。

反応槽１０の液面付近の上層まで上昇してきた被処理水は側面スクリーン１３によって固液分離された後に処理水分離室１７の流出配管１７１から系外に排出される。また、処理水分離室１７の処理水の一部は、循環配管１７２を介してｐＨ調整槽１８に移送される。

ｐＨ調整槽１８では、処理水分離室１７から流出してきた処理水に対して、酸などのｐＨ調整剤を添加して処理水のｐＨを中性付近（ｐＨ７．１〜７．４）まで調整する。ｐＨ調整された処理水は、返送配管１８１から、返送管１８１ｂ、１８１ｃを介してポンプＰ２によって反応槽１０の気泡分離スクリーン１１の下方に供給される。その結果、反応槽１０の液相環境を、微生物塊の生物活性を維持することができるｐＨ範囲（例えば、ｐＨ７．５程度以下）にｐＨ調整することができる。なお、被処理水の基質濃度を希釈するために一部の処理水はｐＨ調整槽１８でｐＨ調整された後に返送管１８１ａを介して供給管１０１に循環供給される。

（効果）
廃水処理装置２によれば浮上する微生物塊から気泡を分離させるとともに、ベッド１９において反応槽１０の高さ方向の水質を微生物が高い活性を維持することができる水質に調節することができる。また、ｐＨ調整された処理水の注入箇所を反応槽１０内に備えられた気泡分離スクリーン１１の配置箇所に備えることで、本発明の実施形態１に係る廃水処理装置１の効果に加えて、ｐＨ調整された処理水の注入時の水勢により気泡分離スクリーン１１への微生物塊の付着を防止するとともに、微生物塊に付着する気泡の分離を促進し、ベッド１９の微生物塊の集積度を高めることができる。

また、反応槽１０内において、ベッド１９や被処理水の水質は、反応条件や反応処理時間に応じて変化する場合がある。本発明の実施形態２に係る廃水処理装置２では、ｐＨ調整された処理水を気泡分離スクリーン１１に応じた位置に注入することで、ベッド１９の高さによらず、反応槽１０の微生物活性を高い状態に制御することができる。つまり、ベッド１９が気泡分離スクリーン１１より下に堆積している場合には、ベッド１９と気泡スクリーン１１の間のｐＨを微生物塊の活性が阻害されないように制御することで、浮上した微生物塊が活性を維持した状態で再度ベッド１９に返送される。よって、ベッド１９の成長を促進することができる。また、気泡分離スクリーン１１がベッド１９に埋設した状態である場合、気泡が生成しているベッド１９にｐＨ調整された処理水を注入することで、微生物反応が活発な領域の水質を、微生物塊が高い活性を維持できる状態に制御することができる。

なお、この気泡分離スクリーン１１にｐＨ調整された処理水が直接当たるように返送管１８１ｂ、１８１ｃを備えると、ｐＨ調整された処理水の水勢により気泡分離スクリーン１１に付着した微生物塊を引きはがすことができる。

以上、実施形態１、２を挙げて説明したように、本発明の廃水処理装置及び廃水処理方法によれば、ｐＨ調整された処理水がベッドの下部近傍に注入されることで、反応槽内のｐＨの上昇が抑制されるとともに被処理水の基質（または、反応生成物）の希釈を十分に行うことができる。すなわち、アナモックス反応の進行に伴う被処理水のｐＨ上昇を抑制するとともに、被処理水中の基質濃度がアナモックス細菌の活性を阻害する可能性がある濃度に上昇した場合には、阻害因子の影響を緩和するように制御することができる。よって、反応槽内の微生物塊の反応活性を高い状態に維持することができる。

なお、本発明に係る廃水処理装置及び廃水処理方法は、上記の実施形態に限定されるものでなく、その効果を損なわない範囲で適宜設計変更が可能である。例えば、反応槽の形状は、円筒形に限定されるものではなく、断面矩形、多角形などの角筒状であってもよい。さらに、気泡分離スクリーンの形状は、陣笠状に形成されるものに限定されるものではなく、気泡分離スクリーンの面が水平に対して傾きを有していれば、反応槽が断面矩形の角筒状などの場合には反応槽の長手方向に伸びる水平に対して傾きをもった板状に形成してもよい。

また、実施形態ではアナモックス細菌により脱窒処理を行う形態を例示して説明したが、従来から実施されている嫌気性の従属栄養細菌（脱窒菌）による脱窒処理に本発明の廃水処理装置及び廃水処理方法を適用しても同様の効果を得ることができる。すなわち、従属栄養細菌が高い活性を維持することができるｐＨ範囲は、中性付近ｐＨ付近であり、脱窒菌による反応は、下記の（２）、（３）式に示す反応が起こり、被処理水のｐＨは上昇すると考えられる。
ＮＯ₂ ^-＋３Ｈ⁺→１／２Ｎ₂＋Ｈ₂Ｏ＋ＯＨ^- …（２）
ＮＯ₃ ^-＋５Ｈ⁺→１／２Ｎ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋ＯＨ^- …（３）
そこで、処理水をｐＨ調整してベッドに供給することで、従属栄養細菌の活性が高くなるｐＨ範囲となるように被処理水の水質を制御することができる。その結果、従属栄養細菌の活性を維持し、ＵＡＳＢ処理を高負荷化で行うことができる。

１，２，５…廃水処理装置
１０，５０…反応槽
１１…気泡分離スクリーン（気泡分離部材）
１３…側面スクリーン
１８…ｐＨ調整槽
１９…ベッド（微生物の堆積層）
１８１，１８１ａ〜１８１ｃ…返送管

Claims (7)

1. 被処理水を上昇水流のもとで微生物と接触させて当該被処理水中の窒素化合物を分解する廃水処理装置であって、
   前記被処理水を底部から供給して前記微生物と接触させた後に処理水として上部から排出させる反応槽と、
   前記反応槽から排出された処理水の一部を、前記微生物の反応活性が高くなるｐＨ範囲となるように調整するｐＨ調整槽と、
   前記反応槽内に堆積した前記微生物の堆積層であって、前記被処理水の供給部から前記被処理水の流通方向に離間した箇所に、前記ｐＨ調整槽で調整された処理水を注入する経路と、を備えた
   ことを特徴とする廃水処理装置。
2. 前記ｐＨ調整された処理水を注入する経路は、前記ｐＨ調整された処理水が前記微生物の堆積層の高さの５０％以下の箇所に注入されるように備えられた
   ことを特徴とする請求項１に記載の廃水処理装置。
3. 前記ｐＨ調整された処理水は、前記被処理水と混合されることなく注入される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の廃水処理装置。
4. 前記ｐＨ調整された処理水を注入する経路は、前記反応槽の前記被処理水の流通方向に対して複数備えられた
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の廃水処理装置。
5. 被処理水を上昇水流のもとで微生物と接触させて当該被処理水中の窒素化合物を分解する廃水処理装置であって、
   前記被処理水を底部から供給して前記微生物と接触させた後に処理水として上部から排出させる反応槽と、
   前記反応槽から排出された処理水の一部を、前記微生物の反応活性が高くなるｐＨ範囲となるように調整するｐＨ調整槽と、
   前記反応槽の内部に設けられ、前記微生物と前記被処理水との反応で生じた気泡と前記微生物とを分離するための気泡分離部材と、
   前記気泡分離部材の下方であって、前記被処理水の供給部から前記被処理水の流通方向に離間した箇所に、前記ｐＨ調整槽でｐＨ調整された処理水を注入する経路と、を備えた
   ことを特徴とする廃水処理装置。
6. 被処理水と微生物とを接触反応させる反応槽と、
   前記反応槽で処理された後の処理水の一部を、前記微生物の反応活性が高くなるｐＨ範囲となるように調整するｐＨ調整槽と、
   を備えた廃水処理装置による廃水処理方法であって、
   前記被処理水を前記反応槽の底部から供給して、前記被処理水を前記微生物と接触させた後に処理水として前記反応槽の上部から排出させ、
   前記ｐＨ調整槽で、前記排出された処理水の一部を、前記微生物の反応活性が高くなるｐＨ範囲となるように調整し、
   前記反応槽に堆積した前記微生物の堆積層であって、前記被処理水の供給部から前記被処理水の流通方向に離間した箇所に、前記ｐＨ調整された処理水を注入する
   ことを特徴とする廃水処理方法。
7. 被処理水と微生物とを接触反応させる反応槽と、
   前記反応槽の内部に設けられ、前記微生物と前記被処理水との反応で生じた気泡と前記微生物とを分離するための気泡分離部材と、
   前記反応槽で処理された後の処理水の一部を、前記微生物の反応活性が高くなるｐＨ範囲となるように調整するｐＨ調整槽と、
   を備えた廃水処理装置による廃水処理方法であって、
   前記被処理水を前記反応槽の底部から供給して、前記被処理水を前記微生物と接触させた後に処理水として前記反応槽の上部から排出させ、
   前記ｐＨ調整槽で、前記排出された処理水の一部を、前記微生物の反応活性が高くなるｐＨ範囲となるように調整し、
   前記気泡分離部材の下方であって、前記被処理水の供給部から前記被処理水の流通方向に離間した箇所に、前記ｐＨ調整槽でｐＨ調整された処理水を注入する
   ことを特徴とする廃水処理方法。

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