JP2019141782A

JP2019141782A - 好気性生物処理装置

Info

Publication number: JP2019141782A
Application number: JP2018028196A
Authority: JP
Inventors: 哲朗深瀬; Tetsuro Fukase; 小林　秀樹; Hideki Kobayashi; 秀樹小林
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2019-08-29
Anticipated expiration: 2038-02-20
Also published as: WO2019163425A1; JP6652147B2; TW201936520A

Abstract

【課題】原水の有機物濃度が高い場合でも十分に処理を行うことができる好気性生物処理装置を提供する。【解決手段】好気性生物処理装置１は、反応槽（槽体）２と、該反応槽２の最下端部に、原水を上向きに流すように上向きに開口した原水流入口３と、反応槽２内に設置された第１隔壁４及び第２隔壁５と、粉粒状活性炭等の生物付着担体の充填により形成された流動床Ｆと、第１隔壁４，４同士の間に配置された酸素溶解膜モジュール６と、第１隔壁４，４間の下方に設置された原水流入口３及び散気管９等を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、有機性排水の好気性生物処理装置に関する。

好気性生物処理方法は安価であるため有機性廃水の処理法として多用されている。本方法では、被処理水への酸素の溶解が必要であり、通常は散気管による曝気が行われている。

散気管による曝気は溶解効率が５〜２０％程度と低い。また、散気管の設置される水深にかかる水圧以上の圧力で曝気することが必要であり、高圧で多量の空気を送風するため、ブロワの電力費が高い。通常は、好気性生物処理における電力費の２／３以上が酸素溶解のために使用されている。

中空糸膜を用いたメンブレンエアレーションバイオリアクター（ＭＡＢＲ）は、気泡の発生なしで酸素溶解できる。ＭＡＢＲでは、水深にかかる水圧よりも低い圧力の空気を通気すればよいため、ブロワの必要圧力が低く、また、酸素の溶解効率が高い。

特開２００６−８７３１０号公報

本発明は、原水の有機物濃度が高い場合でも十分に処理を行うことができる好気性生物処理装置を提供することを目的とする。

本発明の好気性生物処理装置は、反応槽と、該反応槽内に設置された酸素溶解膜モジュールと、該酸素溶解膜モジュールに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、反応槽内に形成された担体の流動床と、該反応槽内に担体を上下に循環させる循環手段とを備えてなる。

本発明の一態様では、前記循環手段は、該反応槽内を上昇ゾーンと下降ゾーンとに区画する第１隔壁を有しており、該上昇ゾーンおよび／または下降ゾーンに前記酸素溶解膜モジュールが配置されており、原水を循環流れ方向となるように供給する原水供給手段が設けられている。

本発明の一態様では、前記原水供給手段は、前記反応槽の底部に設けられた、原水を上向きに流出させる原水流入口を有する。

本発明の一態様では、前記反応槽の底部は、下方ほど水平断面積が小さくなる傾斜構造部であり、前記原水流入口は、該傾斜構造部の最下部に設けられている。

本発明の一態様では、前記反応槽の上部は、それよりも下側よりも水平断面積が大きい拡幅部となっており、該拡幅部内を第１ゾーンと第２ゾーンとに区画する第２隔壁が設けられており、前記第１隔壁の上端部が該第１ゾーン内に入り込んでおり、前記第２ゾーンに処理水の取出部が設けられている。

本発明の一態様では、酸素溶解膜モジュールは非多孔質の酸素溶解膜を備えている。

本発明の一態様では、酸素溶解膜が疎水性である。

本発明の好気性生物処理装置では、担体が上下に循環するので、高ＬＶにて原水を流し、完全混合状態にて原水を処理することができる。このため、反応槽内のほぼ全域で溶存酸素（ＤＯ）が存在するようになり、また未分解ＴＯＣが局所的に高濃度になることなく酸素溶解膜表面への生物膜の付着を防止できる。そのため、有機物濃度の高い原水であっても（例えば１００ｍｇ／Ｌ以上特に５００ｍｇ／Ｌ以上）、効率よく安定して処理することができる。

実施の形態に係る生物処理装置の縦断面図である。酸素溶解膜モジュールの中空糸膜ユニットの配列を示す斜視図である。（ａ）は酸素溶解膜モジュールの上部ヘッダーを示す下方からの斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。酸素溶解膜モジュールの斜視図である。酸素溶解膜モジュールの連結体の斜視図である。

以下、図面を参照して本発明についてさらに詳細に説明する。

図１は実施の形態に係る好気性生物処理装置１の縦断面図である。この好気性生物処理装置１は、反応槽（槽体）２と、該反応槽２の最下端部に、原水を上向きに流すように上向きに開口した原水流入口３と、反応槽２内に上下方向に設置された第１隔壁４及び第２隔壁５と、粉粒状活性炭等の生物付着担体の充填により形成された流動床Ｆと、第１隔壁４，４同士の間に配置された酸素溶解膜モジュール６と、第１隔壁４，４間の下方に設置された散気管９等を有する。この散気管９にはコンプレッサ（又はブロワ）から空気が供給され槽内が逆洗される。反応槽２の底部は、下方ほど水平断面積が小さくなる傾斜構造部２Ｃとなっており、この傾斜構造部２Ｃの最下部に前記流入口３が設けられている。

この実施の形態では、反応槽２の水平断面は長方形であり、隔壁４，５はそれぞれ該長方形の長辺方向（図１において紙面と垂直方向）に延在する平板となっている。

なお、反応槽２の水平断面は、略正方形、略円形などのいずれでもよい。水平断面が略正方形の場合、隔壁４，５はそれぞれ１対の平板であってもよく、角筒形であってもよい。略円形の場合、隔壁４，５は略円筒形であってもよい。

反応槽２の上部は、下部の小幅部２Ｓよりも水平断面積が大きい拡幅部２Ｗとなっている。拡幅部２Ｗと小幅部２Ｓとの間は、上方ほど水平断面積が大きくなる傾斜部２Ｔとなっている。

拡幅部２Ｗの上部には、処理水を流出させるためのトラフ１０及び流出口１１が設けられている。トラフ１０は槽内壁に沿って環状流路を形成している。

小幅部２Ｓから拡幅部２Ｗの下部にかけて、前記第１隔壁４が設置されている。第１隔壁４の下端は、傾斜構造部２Ｃよりも上位に位置している。第１隔壁４と小幅部２Ｓの槽内壁面との間が担体の下降ゾーンとなっている。第１隔壁４，４間が担体の上昇ゾーンとなっており、該第１隔壁４，４間の上昇ゾーンに酸素溶解膜モジュール６が設置されている。

拡幅部２Ｗ内に、第２隔壁５が設置されている。第２隔壁５，５間が第１ゾーンであり、第２隔壁５と拡幅部２Ｗの槽内壁面との間が第２ゾーンである。第２隔壁５の下端は、傾斜部２Ｔと拡幅部２Ｗとの境界付近に位置している。第２隔壁５，５間の距離は第１隔壁４，４間の距離よりも大きく、第１隔壁４の上端が第２隔壁５，５間の第１ゾーン内の下部内に入り込んでいる。

図１は、反応槽に流動床担体を充填して、酸素溶解膜の表面への生物膜の付着を担体の流動による剪断力によって抑制して生物膜の大部分が流動床担体に付着するようにしたものであり、酸素溶解膜は酸素供給の目的のみに用いられる。

図１では、酸素溶解膜として非多孔質（ノンポーラス）の酸素溶解膜を用い、酸素含有気体を槽外から配管を通じて酸素溶解膜の一次側に通気して、排気は配管を通じて槽外に排出するように構成している。そのため、酸素含有気体を、低圧で酸素溶解膜に通気し、酸素を酸素分子として酸素溶解膜の構成原子の間を通過し（膜に溶解し）、酸素分子として被処理水と接触させる（水に直接溶解させるので気泡を生じない）という、いわば濃度勾配による分子拡散のメカニズムを用いた処理を行っているため、従来のように散気管などによる散気が不要となる。

また酸素溶解膜として疎水性の素材を用いると膜中に浸水しづらいので好ましいが、疎水性であっても微量の水蒸気の浸入は免れない。
なお、図１においては、原水を底部から供給しているが底部を平面として槽内壁や槽上部から原水を供給することもできる。いずれの場合も槽内に循環流を発生させるために循環流の方向に原水を供給する必要がある。またこの場合、槽底部の槽内壁との隅に担体やＳＳが堆積しない構造とする必要があり例えば槽内壁と底面との交差隅角部に軸心方向に下り勾配に傾斜するように傾斜板を設けることが好ましい。また槽底部中央に担体やＳＳが堆積しないよう槽底部中央に錐体形状の上の整流部材を備えることもできる。
また、図１においては、槽中央側を上昇ゾーンとし、槽側壁側を下降ゾーンとしているが、第１隔壁を１枚の平板として槽中央を左右に区画するように固定し、区画された片方を上昇ゾーン、他方を下降ゾーンとすることも可能である。この場合は槽上部のうち上昇ゾーンの上部にのみ拡幅部とトラフを設ける。一方、槽中央側を下降ゾーンとし、槽側壁側を上昇ゾーンとすることも原理上は可能である。
また、図１においては、槽上部に拡幅部２Ｗを設けて担体流出を防止するために第２隔壁５により反応領域の第１ゾーンと清澄領域の第２ゾーンとに区画しているが、槽体高さを高くし、第１隔壁４の上端と水面との距離が長くなる位置に第１隔壁４を設けることにより、拡幅部２Ｗや第２隔壁５を設けることなく槽上部を清澄領域（担体沈殿領域）として機能させることもできる。またいわゆるＧＳＳ（気固液分離部材）により反応領域と清澄領域とに区画することもできる。
上記のいずれの実施態様の場合も、循環流の通水抵抗を小さくするために、第１隔壁の円筒の水平断面積、槽内壁と第１隔壁に挟まれた部分の水平断面積、第１隔壁の下端と槽底面との境界面（例えば円型反応槽であれば円筒の周壁面、角型反応槽かつ第１隔壁が１枚の平板であれば長方形）の面積が類似である（例えば一方が他方に対して８０〜１２０％程度）であることが望ましい。

図２は、中空糸膜ユニットの配列を示し、図３は各中空糸膜ユニットの上部ヘッダーの断面斜視図であり、図４は酸素溶解膜モジュール６の一例を示している。この酸素溶解膜モジュール６は酸素溶解膜として非多孔質の中空糸膜ストランド２２（中空糸膜の単糸を複数本引き揃えたもの）を用いたものである。この実施の形態では、中空糸膜ストランド２２は上下方向に配列されており、各中空糸膜ストランド２２の上端は上部ヘッダー２０に連なり、下端は下部ヘッダー２１に連なっている。中空糸膜ストランド２２の内部は、それぞれ上部ヘッダー２０及び下部ヘッダー２１内に連通している。各ヘッダー２０，２１はポッティング材よりなる中空管状である。

図２の通り、１対のヘッダー２０，２１と中空糸膜ストランド２２とからなる中空糸膜ユニットが複数個平行に配列されている。各ユニットがフレーム（図示略）によって連結されて一体化されている。図４の通り、各上部ヘッダー２０が上側マニホルド２３に連結され、各下部ヘッダー２１が下側マニホルド２４に連結されている。

図３の通り、この実施の形態では、各ヘッダー２０，２１は長手方向と垂直な断面の外形が長方形状である。上部ヘッダー２０には上側に空気流通孔２０ａが設けられ、下面部が肉厚となっている。中空糸膜ストランド２２の上端部はこの肉厚部分に埋設され、上端面が空気流通孔２０ａ間に向って開放している。下部ヘッダー２１は、上部ヘッダー２０と上下対称の構造を有しており、下側に空気流通孔が設けられ、上面部が肉厚となっている。中空糸膜ストランド２２の下端部はこの肉厚部分に埋設され、下端面が下部ヘッダー２１の空気流通孔内に向って開放している。

図３の通り、１本の上部ヘッダー２０及び下部ヘッダー２１に、中空糸膜ストランド２２が２列に並列してヘッダー長手方向に配列されている。中空糸膜ストランド２２の列同士の間隔ａ（図３（ｂ））は、流動床担体である活性炭の平均粒径の数倍以上である。また、中空糸膜ストランド２２同士のヘッダー長手方向の間隔ｂは密着していても間隔を空けてもよい。

隣接するヘッダー２０，２０同士及びヘッダー２１，２１同士の間隔ｃは、特に限定されない。

酸素溶解膜モジュール６の上部に酸素含有ガスを供給し、酸素溶解膜モジュール６の下部から排出する。空気等の酸素含有ガスは上部ヘッダー２０から中空糸膜ストランド２２を通って下部ヘッダー２１へ流れ、この間に酸素が中空糸膜ストランド２２を透過して反応槽２内の水に溶解する。

図５の通り、複数の酸素溶解膜モジュール６が一列に配列され、各モジュールのマニホルド２３，２４がそれぞれ共通の上部連絡配管４１、下部連絡配管４２に連結されてもよい。

この実施の形態では、酸素溶解膜モジュール６は上下２段に設置されており、上側の酸素溶解膜モジュール６の上部にブロワ２６及び給気配管２７を介して空気を供給し、該上側の酸素溶解膜モジュール６の下部から流出した空気を連絡配管２８によって下側の酸素溶解膜モジュール６に供給し、下側の酸素溶解膜モジュール６の下部から排空気を排ガス配管２９によって排出する。空気等の酸素含有ガスは上部ヘッダー２０から中空糸膜ストランド２２を通って下部ヘッダー２１へ流れ、この間に酸素が中空糸膜を透過して反応槽２内の水に溶解する。

各ヘッダー２０，２１及び各マニホルド２３，２４は流水勾配を有するように設けられていてもよい。酸素溶解膜モジュール６は１段に設置されてもよく、３段以上に設置されてもよい。

このように構成された好気性生物処理装置１において、原水流入口３から反応槽２内に上向きに流入し、第１隔壁４の円筒内の上昇ゾーンを上昇し、生物膜付着の粉粒状活性炭の流動床Ｆにおいて、一過式で上向流通水され生物反応を行う。活性炭及び槽内水は、第１隔壁４の上端を回り込む。この活性炭は、第１隔壁４と反応槽２の槽内壁面との間の下降ゾーンを下降して反応槽２の底部に至り、第１隔壁４の下端を回り込み、再び第１隔壁４の円筒内の上昇ゾーンを上昇する。

第１隔壁４の上端を回り込んだ生物処理水の一部は、第２隔壁５の下端を回り込み、第２隔壁５と拡幅部２Ｗとの間の第２ゾーンを上昇し、この上昇を行う間に活性炭が沈降分離され、その後、トラフ１０と流出口１１を通じて処理水として取り出される。

この実施の形態では、流入口３からの原水供給量を多くすることにより、第１隔壁４，４間の上昇流速ＬＶを大きくし、流動床Ｆを完全混合状態とする。これにより、反応槽２内のほぼ全体においてＤＯが存在するようになり、有機物濃度の高い原水であっても、十分に処理される。

なお、高ＬＶ通水することにより、流動床Ｆの展開率が大きくなり、流動床Ｆの界面は第２隔壁５，５間の第１ゾーンにまで上昇する。この第２隔壁５，５同士の間隔は、第１隔壁４，４間の間隔よりも大きいので、第２隔壁５，５同士の間での上昇流速は小さくなり、第２隔壁５，５間の第１ゾーンの上部に清澄域が形成される。

生物処理運転を継続すると、担体表面の生物膜が次第に厚くなってくる。この生物膜が過度に厚くなると、担体が流出したり、生物処理効率が低下する。（生物膜の深部すなわち担体に近い側では、酸素が行き届かないために好気性生物処理が行われない。）また、成長した生物膜を介して担体同士が固着し、担体が流出したり生物処理効率が低下したりする。

そこで、定期的に、又は反応槽２内の流動状況の観察結果に基づいて、散気管９から空気を流出させ、反応槽２内を曝気する。この曝気により、担体表面の余剰汚泥が水流の剪断力で剥離する。

この空気曝気を行った後、反応槽２内に原水を通常の処理時のＬＶよりも高ＬＶにて上向流通水してもよい。これにより、剥離して反応槽２内に存在していた汚泥が流出口１１から流出する。この際の排出水は、処理水ではなく、洗浄排水として別途処理されるか、原水槽に送水される。このようにして、担体同士の固着を抑制し、反応槽２内の偏流や閉塞を防止することができる。なお、この曝気により、反応槽２内が脱炭酸され、ｐＨが上昇したり、担体（活性炭）間に蓄積した炭酸が脱炭酸されるという効果も奏される。

本発明では、活性炭等の生物担体の流動床に非多孔性の酸素溶解膜を設置することで、供給酸素量が多くなるため、対象とする原水の有機性排水濃度に上限が無い。

また、生物担体を流動床で運転するため、多量の微生物を安定して維持でき、負荷を高くとることができる。

また、本発明では酸素溶解膜を使用するため、プリエアレーション、直接曝気と比較すると、酸素の溶解動力が小さい。

これらのことから、本発明によると、中和剤を全く又は殆ど使用することなく、反応槽２内のｐＨを、中性付近に維持し、低濃度から高濃度までの有機性排水を高負荷で、かつ安価に安定して処理することが可能となる。

＜生物担体＞
生物担体としては、活性炭が好適であるが、活性炭以外のゲル状物質、多孔質材、非多孔質材等も同様の条件で使用できる。例えば、ポリビニルアルコールゲル、ポリアクリルアミドゲル、ポリウレタンフォーム、アルギン酸カルシウムゲル、ゼオライト、プラスチック等も用いることができる。ただし、担体として活性炭を用いると、活性炭の吸着作用と生物分解作用による相互作用により、広範囲な汚濁物質の除去を行うことが可能である。

活性炭の平均粒径は０．２〜１．２ｍｍ、特に０．３〜０．６ｍｍ程度が好ましい。平均粒径が大きいと高ＬＶとすることが可能であり、処理水の一部を反応槽に循環する場合は循環量を増やせるため高負荷が可能となる。しかし、比表面積が小さくなるため、生物量が少なくなる。平均粒径が小さいと、低ＬＶで流動できるため、ポンプ動力が安価となる。かつ、比表面積が大きいため、付着生物量が増える。

＜酸素含有ガス＞
酸素含有ガスは空気、酸素富化空気、純酸素等、酸素を含む気体であればよい。通気する気体はフィルターを通過させて微細粒子を予め除去することが望ましい。

通気量は生物反応に必要な酸素量の等量から２倍程度が望ましい。これよりも少ないと酸素不足で処理水中にＢＯＤやアンモニアが残存し、多いと通気量が不必要に多くなることに加えて圧力損失が高くなるため、経済性が損なわれる。

通気圧力は所定の通気量で生ずる中空糸の圧力損失よりもわずかに高い程度が望ましい。

＜ブロワ＞
ブロワ２６は、吐出風圧が水深からくる水圧以下のもので十分である。但し、配管等の圧損以上であることは必要である。通常、配管抵抗は１〜２ｋＰａ程度である。

５ｍの水深の場合、通常は０．５５ＭＰａ程度までの出力の汎用ブロワが用いられ、それ以上の水深では高圧ブロワが用いられてきている。

本発明では、５ｍ以上の水深であっても０．５ＭＰａ以下の圧力の汎用ブロワを用いることができ、０．１ＭＰａ以下の低圧ブロワを用いることが好ましい。

酸素含有ガスの供給圧は、中空糸膜の圧力損失より高く、さらに膜が水圧でつぶれないこと、が条件となる。平膜、スパイラル膜は膜の圧損が水圧と比較すると無視できるため、極めて低い圧力、５ｋＰａ程度以上、水深圧力以下、望ましくは２０ｋＰａ以下である。

中空糸膜の場合、内径と長さによって圧力損失は変化する。通気する空気量は膜１ｍ^２あたり５０〜２００ｍＬ／ｄａｙであるから、膜長さが２倍になると空気量は２倍になり、膜径が２倍になっても空気量は２倍にしかならない。したがって、膜の圧力損失は膜長さに正比例し、直径に反比例する。

圧力損失の値は、内径５０μｍ、長さ２ｍの中空糸で３〜２０ｋＰａ程度である。

上記実施の形態では、酸素溶解膜モジュール６に空気を下向きに流すようにしているが、上向きに流すようにしてもよい。

１好気性生物処理装置
２反応槽
６酸素溶解膜モジュール
９散気管
２０，２１ヘッダー
２２中空糸膜
２７給気配管
２９排ガス配管

Claims

反応槽と、
該反応槽内に設置された酸素溶解膜モジュールと、
該酸素溶解膜モジュールに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、
反応槽内に形成された担体の流動床と、
該反応槽内に担体を上下に循環させる循環手段と
を備えてなる好気性生物処理装置。
前記循環手段は、該反応槽内を上昇ゾーンと下降ゾーンとに区画する第１隔壁を有しており、
該上昇ゾーンおよび／または下降ゾーンに前記酸素溶解膜モジュールが配置されており、
原水を循環流れ方向となるように供給する原水供給手段が設けられている請求項１の好気性生物処理装置。
前記原水供給手段は、前記反応槽の底部に設けられた、原水を上向きに流出させる原水流入口を有する請求項２の好気性生物処理装置。
前記反応槽の底部は、下方ほど水平断面積が小さくなる傾斜構造部であり、
前記原水流入口は、該傾斜構造部の最下部に設けられている請求項３の好気性生物処理装置。
前記反応槽の上部は、それよりも下側よりも水平断面積が大きい拡幅部となっており、
該拡幅部内を第１ゾーンと第２ゾーンとに区画する第２隔壁が設けられており、
前記第１隔壁の上端部が該第１ゾーン内に入り込んでおり、
前記第２ゾーンに処理水の取出部が設けられている請求項１〜４のいずれかの好気性生物処理装置。
酸素溶解膜モジュールは非多孔質の酸素溶解膜を備えている請求項１〜５のいずれかの好気性生物処理装置。
酸素溶解膜が疎水性である請求項６の好気性生物処理装置。