JP2018183725A - 排水処理装置及び排水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】活性炭（特に、ＢＡＣ）及び被処理水に酸素を十分に供給でき、ＢＡＣ表面における微生物の増殖と活性化とを促進して被処理水中の有機物を効率的に分解可能な排水処理技術の提供。【解決手段】固定床として配設された活性炭と、前記活性炭の下方部分あるいは前記活性炭よりも下方に配設された、被処理水導入口及び空気導入口と、前記活性炭よりも上方に配設された被処理水の排出口と、を備える活性炭槽を備える、排水処理装置を提供する。この排水処理装置は、被処理水を活性汚泥と混合して生物処理する生物処理槽と、生物処理後の被処理水を前記活性汚泥から分離する固液分離装置と、分離後の被処理水を前記活性炭槽の前記被処理水導入口に送液する送液部と、前記活性炭槽の前記空気導入口に空気を送出する送気部と、をさらに備えていてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、排水処理装置及び排水処理方法に関する。より詳しくは、活性炭槽を備え、特に難分解性有機物を含む排水の処理に好適な排水処理装置等に関する。

各種工場や畜舎等から排出される産業系排水には様々な成分が含まれており、これらの成分を処理するために活性汚泥処理が多用されている。活性汚泥処理に使用される処理装置として、硝化槽内に膜モジュールを浸漬した浸漬型膜分離装置が知られている。浸漬型膜分離装置は、設備がコンパクトであり、活性汚泥を硝化槽内に高濃度に保持して被処理水中の成分を効率よく処理できるので清澄な処理水を得ることが可能である。

しかしながら、浸漬型膜分離装置では、生分解性の低い有機物（難分解性有機物）を十分に処理できないことがあり、難分解性有機物が未処理のまま環境中に放出されることがある。難分解性有機物を処理する技術として、特許文献１には、生分解性の高い有機物（易分解性有機物）を活性汚泥処理した後、ＢＡＣ（Biological Activated Carbon）と呼ばれる生物活性炭で難分解性有機物を処理する方法が開示されている。ＢＡＣは、悪臭物質を吸着し易く、吸着した有機物が活性炭表面に付着した微生物により分解されることで活性炭表面の吸着点が再生するなどの利点を有する。

有機物を高効率に分解するためには酸素が必要であるため、ＢＡＣ充填層内の溶存酸素濃度を高く維持することが重要である。特許文献２には、ＢＡＣを充填した充填部とＢＡＣを充填しない空間部から構成される充填層に有機性の廃水を導入し、該空間部に設けられた空気又は酸素を供給する手段から空気又は酸素を供給しながら好気性条件下に有機物の分解除去を行う方法が開示されている。
特許文献２の方法は、ＢＡＣを充填しない空間部の容積を処理に利用できないため、容積あたりの処理効率が低下するという問題がある。また、空間部を維持するための構造物や、空間部に空気または酸素を供給するための配管類が必要となるため、設備が複雑化し、初期投資とランニングコストが増加する。

また、特許文献３には、ＢＡＣを充填した第１の充填層と第２の充填層から構成される廃水処理装置において、廃水の供給と保持、及び処理水の引き抜きを間欠的に行うことで、ＢＡＣ内部における溶存酸素濃度の低下を抑える方法が開示されている。
特許文献３の方法は、ＢＡＣ充填層を２台設置する必要があり、また被処理水を注入できない時間帯が生じてしまうため流量調整槽が必要になることから、初期投資が増加してしまう。

さらに、特許文献４には、ＢＡＣ槽内に膜分離装置と曝気装置とを備え、ＢＡＣ槽内に酸素を供給しながら、被処理水と共にＢＡＣを流動させる方法が開示されている。また、特許文献５には、ＢＡＣを充填した充填層の内部に曝気手段を設け、ＢＡＣに直接酸素を供給する方法が開示されている。
特許文献４の方法は、流動中に活性炭が摩耗し、摩耗により生じた活性炭粉末によって膜分離装置の膜が目詰まりするおそれがある。また、特許文献５の方法は、ＢＡＣ充填層の下方部分から空気を注入し、ＢＡＣ充填層よりも上方から被処理水を導入しているため、高濃度で有機物が存在し最も酸素が必要されるＢＡＣ充填層の上方部分における溶存酸素濃度を高めるのが困難である。

特開２０１５−１６３３８９号公報 特開平１１−２８４８７号公報 特開平１１−２８４８８号公報 特開２０１０−６９３５９号公報 特開平１１−７７０７４号公報

本発明は、活性炭（特に、生物活性炭（ＢＡＣ））及び被処理水に酸素を十分に供給でき、ＢＡＣ表面における微生物の増殖と活性化とを促進して被処理水中の有機物を効率的に分解可能な排水処理技術を提供することを主な目的とする。

上記課題解決のため、本発明は、以下の［１］〜［１４］を提供する。
［１］ 固定床として配設された活性炭と、
前記活性炭の下方部分あるいは前記活性炭よりも下方に配設された、被処理水導入口及び空気導入口と、
前記活性炭よりも上方に配設された被処理水の排出口と、
を備える活性炭槽を備える、排水処理装置。
［２］ 被処理水を活性汚泥と混合して生物処理する生物処理槽と、
生物処理後の被処理水を前記活性汚泥から分離する固液分離装置と、
分離後の被処理水を前記活性炭槽の前記被処理水導入口に送液する送液部と、
前記活性炭槽の前記空気導入口に空気を送出する送気部と、
をさらに備える、［１］の排水処理装置。
［３］ 前記活性炭の粒径が、１〜２０ｍｍである、［１］又は［２］の排水処理装置。
［４］ 前記活性炭が、木質系又は石炭系である、［１］〜［３］のいずれかの排水処理装置。
［５］ 前記固液分離装置は、膜分離によるものである、［２］〜［４］のいずれかの排水処理装置。
［６］ 前記被処理水の化学的酸素要求量が５００〜５，０００ｍｇ／Ｌの範囲である、［１］〜［５］のいずれかの排水処理装置。
［７］ 前記活性炭よりも上方に形成される水層の溶存酸素濃度が０．１〜５ｍｇ／Ｌである、［１］〜［６］のいずれかの排水処理装置。

［８］ 活性炭槽内に固定床として配設された活性炭の下方部分あるいは該活性炭よりも下方に被処理水と空気を導入し、
前記活性炭を通過した被処理水を、前記活性炭よりも上方から槽外に排出する手順を含む、排水処理方法。
［９］ 前記手順の前段に、
被処理水を活性汚泥と混合して生物処理する生物処理手順と、
生物処理後の被処理水を前記活性汚泥から分離する固液分離手順と、
をさらに含む、［８］の排水処理方法。
［１０］ 前記活性炭の粒径が、１〜２０ｍｍである、［８］又は［９］の排水処理方法。
［１１］ 前記活性炭が、木質系又は石炭系である、［８］〜［１０］のいずれかの排水処理方法。
［１２］ 前記固液分離手順は、膜分離によるものである、［８］〜［１１］のいずれかの排水処理方法。
［１３］ 前記被処理水の化学的酸素要求量が５００〜５，０００ｍｇ／Ｌの範囲である、［８］〜［１２］のいずれかの排水処理方法。
［１４］ 前記活性炭よりも上方に形成される水層の溶存酸素濃度が０．１〜５ｍｇ／Ｌである、［８］〜［１３］のいずれかの排水処理方法。

本発明により、活性炭（特に、生物活性炭（ＢＡＣ））及び被処理水に酸素を十分に供給でき、ＢＡＣ表面における微生物の増殖と活性化とを促進して被処理水中の有機物を効率的に分解可能な排水処理技術が提供される。

本発明の第一実施形態に係る排水処理装置の構成を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る排水処理装置の構成を示す図である。 比較例で用いた試験装置の構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための好適な形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。

図１に、本発明の第一実施形態に係る排水処理装置の構成を示す。本発明に係る排水処理装置は、生物処理槽１と、活性炭槽２と、を備える。

［生物処理槽（膜分離槽）］
生物処理槽１では、被処理水が活性汚泥と混合されることにより生物処理され、さらに生物処理後の被処理水が活性汚泥から膜分離等によって分離される（以下、「生物処理槽１」を「膜分離槽１」とも称する）。被処理水は、流路１４から膜分離槽１内に導入される。流路１４は、排水を貯留する原水タンク（図示略）と膜分離槽１とを接続するものとでき、汎用のポンプ等を含んでいてもよい。

被処理水としては、難分解性有機物を含有する汚水であり、易分解性有機物、炭酸塩、亜硝酸態窒素、アンモニア態窒素その他の物質を含んでいてもよい。被処理水は、例えば、し尿、畜舎排水、嫌気性消化の脱水ろ液、ゴミ浸出水及び肥料工場排水などが挙げられる。
被処理水は、例えば、化学的酸素要求量が５００〜５，０００ｍｇ／Ｌの範囲である。
被処理水が有機体窒素を含む場合は、予め嫌気処理又は好気処理により有機体窒素をアンモニア性窒素に変換してもよい。
また、ＢＯＤがアンモニア性窒素に対し３倍以上ある被処理水の場合には、予め生物処理してＢＯＤがアンモニア性窒素に対し１／２となるように低下させておいてもよい。

膜分離槽１は、槽内を曝気するための散気管１１と、生物処理後の被処理水を活性汚泥から分離するための固液分離装置１２を備える。

散気管１１は、膜分離槽１内において、固液分離装置１２の下方に設置されていることが好ましい。散気管１１は、送気部１３に接続されている。散気管１１は、供給される空気を上方へ吐出できるものであれば特に限定されないが、例えば、穴あきの単管や、メンブレンタイプのものが挙げられる。送気部１３は、汎用のポンプ等を含んでいてもよい。

固液分離装置１２は、濾過膜であってよい。濾過膜は、濾過能を有するものであれば特に限定されないが、例えば、中空糸膜、平膜、チューブラ膜、モノリス型膜などが挙げられる。これらの中でも、容積充填率が高いことから、中空糸膜が好ましい。

濾過膜として中空糸膜を用いる場合、その材質は、例えば、セルロース、ポリオレフィン、ポリスルホン、ポリフッ化ビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）、ポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）などが挙げられる。これらの中でも、耐薬品性やｐＨ変化に強い点から、ＰＶＤＦ及びＰＴＦＥが好ましい。濾過膜としてモノリス型膜を用いる場合は、セラミック製の膜を用いることが好ましい。

濾過膜に形成される微細孔の平均孔径は、一般に限外濾過膜と呼ばれる膜で０．００１〜０．１μｍ程度であり、一般に精密濾過膜と呼ばれる膜で０．１〜１μｍ程度である。本発明においては平均孔径が上記範囲内である濾過膜を用いることが好ましい。

固液分離装置１２には、透過水を排出する流路１５が接続されている。固液分離装置１２を透過した透過水は、流路１５を通って膜分離槽１内から排出され、活性炭槽２内に導入される。流路１５も、汎用のポンプ等を含んでいてよい。

膜分離槽１は、透過水の排出により水位が低下すると被処理水を供給して水位を一定に保つようにするために、水位制御機構を備えることが好ましい。

［活性炭槽］
活性炭槽２では、膜分離槽１における生物処理後の被処理水（透過水）が活性炭によって生物処理される。被処理水（透過水）は、流路１５から活性炭槽（例えば、生物活性炭槽）２内に導入される。

活性炭槽２には、活性炭２１が固定床として充填されている。ここで、「固定床」とは、活性炭が水流などによって流動せず固定している状態を意味する。
活性炭２１の下方部分には、流路１５に接続する被処理水導入口が開口している。また、活性炭２１の下方部分には、送気部１３に接続する空気導入口が開口している。ここで、「活性炭２１の下方部分」とは、活性炭２１の充填層のうち層底面から５０％以下、好ましくは４０％以下あるは３０％以下、より好ましくは２０％以下あるいは１０％以下、最も好ましくは５％以下の部分あるいは層底面と同位置を指す。被処理水導入口及び空気導入口は、活性炭２１よりも下方（充填層外）に配設されていてもよい。

空気導入口は、供給される空気を下方へ吐出できるものであれば特に限定されない。空気導入口の開口には、活性炭２１の細粒の侵入を防ぐために、ステンレス製、セラミック製又は樹脂製などの構造物を設置してもよい。

活性炭槽２における曝気は、活性炭２１よりも上方に形成される水層の溶存酸素濃度が０．１〜５ｍｇ／Ｌとなるように行うことが好ましい。

活性炭槽２には、活性炭２１よりも上方（充填層外）に被処理水排出口２２が配設されている。流路１５から被処理水導入口を介して活性炭槽２に供給された被処理水は、上行流となり活性炭２１の上方に滲出し、排出口２２からオーバーフローして槽外へ排出される。

活性炭２１は、木質や石炭などを原料として製造されたものを使用することができ、なかでも、ヤシガラ活性炭など木質系の活性炭は、微生物や有機物などが吸着しやすく、好適に使用される。

活性炭２１の粒子径は、１〜２０ｍｍ、好ましくは５〜２０ｍｍ、より好ましくは１０〜２０ｍｍとされる。
この範囲よりも小さな粒子径の活性炭を使用すると、増殖した微生物による閉塞が生じやすくなる。また、充填層内に水みち（水が流れやすい領域）が形成されて、被処理水が水みちのみを通過するようになるため、処理が不十分になるおそれがある。
一方、この範囲よりも大きな粒子径の活性炭を使用すると、被処理水との接触面積が小さくなるため、処理効率が低下する。

本発明に係る排水処理装置では、活性炭を固定床として活性炭槽に充填し、充填層の下方部分から被処理水と空気を注入するようにすることで、活性炭が空気分散板として機能し、充填層内にまんべんなく空気を供給できる。加えて、従来に比べて比較的粒径の大きい活性炭を用いることで、空気分散板としての機能を一層高めることができる。
したがって、本発明に係る排水処理装置によれば、複雑な構造を必要とすることなく、活性炭表面における微生物の増殖と活性化とを促進して被処理水中の有機物を効率的に分解することができる。
また、本発明に係る活性炭を固定床として活性炭槽に充填した排水処理装置によれば、活性炭粒子同士の摩耗を抑えることができるので活性炭の交換頻度を下げられ、活性炭槽内への活性炭の充填率を高く維持して高効率の有機物処理が可能となる。

本発明に係る排水処理装置は、２以上の連設された膜分離槽１を備えていてもよい。また、本発明に係る排水処理装置は、窒素やリンなどの処理のために、曝気や固液分離を行わない無酸素槽３及び／又は好気槽４を備えていてもよい（図２参照）。

気温の低下によって活性炭槽２内の温度が低下し、活性炭表面に付着した微生物の活性が低下する場合がある。そのため、本発明に係る排水処理装置には、活性炭槽２を内部及び／又は外部から加温できる加温手段を設けてもよい。

以下、実施例により本発明の実施方法をさらに詳細に説明するが、これらの実施例は、本発明の例示を目的とするものであり、本発明を限定するものではない。

［実施例］
図２に示す試験装置を使用し、有機性排水として養豚場からの畜舎排水を処理した。試験装置は、無酸素槽３、好気槽４、膜分離槽１、及び活性炭槽２から概略構成される。
本試験装置の活性炭槽２では、活性炭２１の下方部分に、流路１５に接続する被処理水導入口と、送気部１３に接続する空気導入口が開口している。また、活性炭２１よりも上方（充填層外）に被処理水排出口２２が配設されている。流路１５から被処理水導入口を介して活性炭槽２に供給された被処理水は、上行流となり活性炭２１の上方に滲出し、排出口２２からオーバーフローして槽外へ排出される。

活性炭槽２に粒状活性炭を嵩体積が５０Ｌになるよう充填した。
種汚泥は、無酸素槽３に１ｍ³、好気槽４に１ｍ³、活性炭槽２に１Ｌをそれぞれ投入した。
次に、井戸水を、無酸素槽３に２ｍ³、好気槽４に２ｍ³、膜分離槽１に１ｍ³をそれぞれ注水した。活性炭槽２には、被処理水排出口２２から流出しない程度に井戸水を注水した。

排水供給量を１．２ｍ³／日として、無酸素槽３に導入した。運転期間中、排水の化学的酸素要求量（ＣＯＤＣｒ）は３，０００〜４，５００ｍｇ／Ｌ前後で変動した。
固液分離装置（濾過膜）１２で濾過された透過水のうち、０．４ｍ³／日を活性炭槽２に導入した。
膜分離槽１から無酸素槽３に、循環流路３２により３．６ｍ³／日で送液した。
無酸素槽３から好気槽４への活性汚泥の移送と、好気槽４から膜分離槽１への活性汚泥の移送は、それぞれオーバーフローによって行った。また、循環流路３２にはエアリフトポンプを配設した。

好気槽４及び膜分離槽１における曝気は、それぞれの溶存酸素濃度が２ｍｇ／Ｌ以上となるように行った。活性炭槽２における曝気は、活性炭２１の上部に存在する水相の溶存酸素濃度が２ｍｇ／Ｌ以上となるように行った。透過水は、膜分離槽１内に設置した濾過膜１２（三菱レイヨン製ＰＶＤＦ膜エレメント（６ｍ²）を２枚使用）を通して、膜分離槽１の水位が一定となるように吸引ポンプで抜き出しを行った。
余剰汚泥は、膜分離槽１のＭＬＳＳ（Mixed Liquor Suspended Solids）が１５，０００ｍｇ／Ｌになるように、膜分離槽１から抜き出した。

以上の条件で１ヶ月以上馴養を行い、ＨＡＣＨ社製水質測定器により膜分離槽１から導出された透過水及び活性炭槽２から導出された処理水のＣＯＤＣｒを計測した。結果を「表１」に示す。

［比較例］
図３に示す試験装置を使用し、実施例１同様の運転条件で装置を運転した。
本試験装置の活性炭槽２では、活性炭２１よりも上方（充填層外）に、流路１５に接続する被処理水導入口と、送気部１３に接続する空気導入口が開口している。空気は、活性炭２１よりも上方に形成される水層中に導入される。また、被処理水排出口２２は、活性炭２１の充填層底面と同位置に接続されている。流路１５から被処理水導入口を介して活性炭槽２に供給された被処理水は、下降流となり活性炭２１の充填層底面に到達し、排出口２２から槽外へ排出される。

運転期間中、排水の化学的酸素要求量（ＣＯＤＣｒ）は１，５００〜２，５００ｍｇ／Ｌ前後で変動した。

以上の条件で１ヶ月以上馴養を行い、ＨＡＣＨ社製水質測定器により膜分離槽１から導出された透過水、及び活性炭槽２から導出された処理水のＣＯＤＣｒを計測した。結果を「表１」に示す。

排水のＣＯＤＣｒは大きく変動しており、透過水のＣＯＤＣｒは実施例の方が高い値を示した。それにも関わらず、処理水のＣＯＤＣｒは実施例の方が比較例よりも低い値を示した。実施例の水処理装置には、比較例の水処理装置にはないＣＯＤＣｒ除去能力があることが確認された。

これは、比較例では活性炭充填層で溶存酸素量が低下し、有機物の分解速度が低下した一方、実施例では活性炭充填層にまんべんなく空気が行き渡るため、活性炭充填層の溶存酸素濃度が高く維持され、有機物の分解速度が向上した結果であると推定された。

１：生物処理槽（膜分離槽）、１１：散気管、１２：固液分離装置、１３：送気部、１４：流路、１５：流路、２：活性炭槽、２１：活性炭、２２：被処理水排出口、３：無酸素槽、３１：撹拌装置、３２：循環流路、４：好気槽

Claims (12)

1. 固定床として配設された活性炭と、
   前記活性炭の下方部分あるいは前記活性炭よりも下方に配設された、被処理水導入口及び空気導入口と、
   前記活性炭よりも上方に配設された被処理水の排出口と、
   を備える活性炭槽を備える、排水処理装置。
2. 被処理水を活性汚泥と混合して生物処理する生物処理槽と、
   生物処理後の被処理水を前記活性汚泥から分離する固液分離装置と、
   分離後の被処理水を前記活性炭槽の前記被処理水導入口に送液する送液部と、
   前記活性炭槽の前記空気導入口に空気を送出する送気部と、
   をさらに備える、請求項１記載の排水処理装置。
3. 前記活性炭の粒径が、１〜２０ｍｍである、請求項１又は２記載の排水処理装置。
4. 前記活性炭が、木質系又は石炭系である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排水処理装置。
5. 前記固液分離装置は、膜分離によるものである、請求項２〜４のいずれか一項に記載の排水処理装置。
6. 前記被処理水の化学的酸素要求量が５００〜５，０００ｍｇ／Ｌの範囲である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の排水処理装置。
7. 活性炭槽内に固定床として配設された活性炭の下方部分あるいは該活性炭よりも下方に被処理水と空気を導入し、
   前記活性炭を通過した被処理水を、前記活性炭よりも上方から槽外に排出する手順を含む、排水処理方法。
8. 前記手順の前段に、
   被処理水を活性汚泥と混合して生物処理する生物処理手順と、
   生物処理後の被処理水を前記活性汚泥から分離する固液分離手順と、
   をさらに含む、請求項７記載の排水処理方法。
9. 前記活性炭の粒径が、１〜２０ｍｍである、請求項７又は８記載の排水処理方法。
10. 前記活性炭が、木質系又は石炭系である、請求項７〜９のいずれか一項に記載の排水処理方法。
11. 前記固液分離手順は、膜分離によるものである、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の排水処理方法。
12. 前記被処理水の化学的酸素要求量が５００〜５，０００ｍｇ／Ｌの範囲である、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の排水処理方法。