JP3227543U - ハイブリッド型活性汚泥処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】標準活性汚泥法の安定性と膜処理法（ＭＢＲ法）の効率と汚泥減容化という長所を併せもちながら、設備・施設の小規模化と短時間処理による処理コストを大きく低減することを可能とする活性汚泥処理装置を提供する。
【解決手段】小型の長方立方体形状の生物反応槽底部にキャビテーション発生器を設けてマイクロバブルを産生する曝気装置を設置し、マイクロバブルと有機性汚泥を含む縣濁水とが混合した上昇下降対流を発生することにより、槽内に投入した微生物担体を常時流動浮遊させて担体内の微生物との接触を高めること及び槽底部への汚泥の沈降蓄積を防止できることとを特長とする生物反応槽を複数個連結した１ユニット型とし、反応処理を連続して行う流動床型生物膜法に分類される。
【選択図】図１

Description

本考案は縣濁水が含有する縣濁物質（有機物、無機物）を、独自の親水性と通過性の高い孔構造を持つ担体と独自構造のキャビテーション発生装置を内蔵することで、反応槽の下部から投入した空気のマイクロバブルを生成し酸素の溶存効率を高めることにより生物反応処理効率の高い装置である。

この反応槽を６〜１２個（通常は８個）連結して多段式とし、各段階に適応する異なる微生物担体を投入し、連結して一つのユニットとすることで一体処理することができる極めて高い反応効率と小型化、省力化を得ることができる生物反応装置を提供する。

つまり、各段の反応槽の各々の役割を「嫌気性（偏性嫌気）」「無酸素状態（通過性嫌気）」「好気性」に随時変更設定して制御利用することを可能とするハイブリッド方式であり、一つのユニットとすることで連結して一体処理することが可能な装置である。

汚水（畜産排水・し尿、産業排水）中の有機性汚濁物質は放置するとガス、臭気、細菌や雑菌などを増殖する。これら有機性縣濁物質に含まれる微生物を含む有機汚泥を活性汚泥と表する。有機汚泥を含む汚水の処理方法のうち、活性汚泥を活用して処理する方法は大きく分類して活性汚泥法・標準汚泥活性法・膜分離活性汚泥法などに分類されるが、各々歴史的な開発背景・時期ならびに各々の特徴（特長や短所）をもっている。

まず活性汚泥法は１９３０年に国内で開発されたもので、単にその汚泥を活用して汚水を浄化する方法をいう。大きな反応槽（沈殿槽）を設けて、汚水と汚泥と酸素を混ぜる活性汚泥中の微生物の培養することで、好気性反応を促進するという原理である。
この活性汚泥法の特長は一定の大きさの反応槽に入れて時間をかけて汚泥に含む大量の微生物を培養でき有機物を分解させるだけなので、手間や動力の費用が不要で非常に安価で処理できるため非常に簡単に処理できる方法であるが、時間をかけて自然に生物分解させ沈殿させるための大型の反応槽（沈殿槽）を必要とする。短所は微生物の処理能力を超えて分解ができない汚水の処理管理及び余剰汚泥（増加し過ぎた微生物自体が余分な汚泥）発生の管理や適性に管理するために公害防止管理資格をもつ要員を必要とする。

次に、標準活性汚泥法は従来法ともいわれ、最も国内で普及している処理方法である。この方法には曝気槽の滞留時間を１６〜２４時間程度に長くして活性汚泥の自己酸化を促進させて余剰汚泥を減少させる長時間エアレーション法や沈殿槽を不要とするオキシデーション法などがある。その処理のプロセスは、有機物を活性汚泥により酸化分解するための曝気槽（エアレーションタンク）に汚水を取込み、活性汚泥を沈下させるための沈殿槽からの返送汚泥を攪拌混合し生物凝集反応を促す。
曝気槽内では有機物の酸化と微生物の増殖現象が起こり、つぎに微生物は自己酸化とともに他の原生生物などに捕食されて減少していく。これらの反応に必要な滞留時間は８〜１２時間程度を基準に各槽の容積により変更する必要がある。
この標準活性汚泥法の特長は比較的安定した処理水質を維持できること。一方で短所は反応のための滞留時間に必要な曝気槽や沈殿槽に大きな容積を必要とすること及び基本的に長い滞留処理時間を必要とすることである。

一般的に、これらの活性汚泥法は好気性の微生物を浮遊させながら処理対象物の酸化分解を促進させる方法である。一方で微生物を固体に付着させて反応させる生物膜法がある。しかし、汚水に含む窒素・リン・アンモニアやその他の難分解性の有機物は活性汚泥法・標準活性汚泥法などの微生物処理では処理がしにくいという問題がある。

次に、これらの課題を解決する方法として膜分離活性汚泥法が開発された。これは曝気槽から流入する汚泥と水を分離するための反応槽の内部に０．１μ〜０．４μという微細孔をもつ構造の中空糸・平膜形状の膜を設けて固液分離処理するものである。
この膜分離活性汚泥法の特長は、固液分離のための処理施設として最終沈殿槽や最終ろ過槽ならびに大腸菌などの細菌類消毒施設が不要になることである。
一方で、この膜方法の欠点は膜の価格だけで数百万円と高価であるため定期的な薬剤洗浄や磨耗を減少する方法に加え、特に活性汚泥（溶存物質）による目詰まりを防止するために機械的に洗浄し膜寿命を長くする必要がある。その洗浄方法としては、反応槽の下部から強く曝気することで空気の泡（バブル）と上昇流を発生させる方法、反応槽の内部に平膜を置きこれに回転運動や振動などを与える方法、反応槽の外に分離膜を置きポンプで膜表面に大量の活性汚泥を循環させながら処理水を引き上げる方法などが開発されている。
しかし、そのために数百ＫＷ規模の電力消費を必要とする問題がある。

嫌気性処理とは、嫌気性菌による微生物分解と沈降分離を目的とするものであるが縣濁成分の種類、有機物の濃度や温度、処理後の脱離液（処理水）、消化汚泥の処理により設備は異なる。滞留日数は１〜１５日以上であったり、８ｍ^３〜４５ｍ^３程度の反応槽（処理沈殿槽）であったり、反応を促進するために加温設備や大出力の攪拌装置を必要としている。

一例として有機物をメタン生成菌の嫌気気分解によりガス化する方法の原理は次のとおりとなる。
（１）縣濁物質に含まれる固形もしくは縣濁状のたんぱく質、炭水化物、脂質などの高分子物質は、微生物の分泌酵素による加水分解により、各々が可溶性のアミノ酸・糖類・高級脂肪酸となり微生物の細胞壁や細胞膜を通過して吸収可能な物質に変換される。
（２）次に、微生物に取り込まれたアミノ酸・糖類・脂肪酸は代謝分解され、アルコール・低級脂肪酸を経て、酢酸・水素・二酸化炭素・アンモニア・硫化水素に変換される。
（３）これらの代謝物質から酢酸からのメタンガスや水素・二酸化炭素からのメタンガスが生成される。
（４）但し、メタン生成菌にとっての阻害要因として主にアンモニアと低級有機酸が反応を阻害する。加えて硫黄・窒素酸化物などがあり各々アンモニアや硫化水素を生成しメタンガス生成を阻害するので、処理水のＣＯＤ除去率の低下をもたらす。このように、処理においてはメタン生成菌の阻害要因を取り除く処理が必要となる。

一般的な嫌気性処理の特徴は次のとおりとなる。
（１）嫌気性菌は増殖速度が遅く、長い汚泥滞留時間を必要とするが菌体合成率が低いので余剰汚泥の発生量が好気処理に比べ１／３〜１／１０程度であること。
（２）酸素の供給が不要で供給のための動力が軽減できること。
（３）加えて、担体の内表面に微生物を保持する方法として担体固定法・グラニュール法が開発され、反応槽内に微生物を高濃度に固定・保持することが可能となった。

自然界の微生物類は好気性、通性嫌気性、偏性嫌気性がその環境条件化に応じて生存している。嫌気性処理を水浄化に利用する方法においては、その環境を様々な方法により細菌類をバランスよく選別して利用することで各々の縣濁物質を汚水から除去しなければならない。

微生物類を水浄化に利用する方法には微生物類を水中に浮遊状態で利用する浮遊法と担体（固体）に付着・保持して利用する生物膜法がある。

浮遊法と生物膜法との利用比較では生物膜法は利用する生物種が多種・多様であること、生物濃度は低い（微生物量が少ない）が負荷変動に強く発生汚泥が少ないこと、中・小規模の設備でその維持管理が簡易であることである。

生物膜法の具体的方法としては微生物を保持する担体（固体）を構成（充填）する反応槽の方式として接触曝気法・流動床法・散水ろ過法・生物ろ過法・回転円盤法がある。

担体（固体）の種類と選定は生物膜法による反応槽の方式と関係が深い。
材質による分類は、無機質か有機質かに大別される。無機質の代表例は砂・礫・死骸珊瑚・ゼオライトがあり、有機質にはシュロなどの繊維質・プラスチック・合成繊維がある。

形状による分類には網状円筒状・網状板ヘチマ様縦（横）板状・通常板・球状・小円筒状など多様である。そのサイズも処理と関係する。

材質や形状・サイズに加え、沈降性・浮上性・流動性に関係する担体のもつ比重による分類も選別する必要がある。

このような特徴と多様性をもつ生物膜法の応用分野（適用分野）としては、上水浄化・産業用水、排水・生活排水・河川、湖沼・海域の浄化などに対し広く適用される。

考案が解決しようとする課題

近年、内湾や瑚沼などの閉鎖性水域において蓄積性汚濁物質や栄養塩類などに起因する富栄養化現象が顕在化してきたことで、下水排水中に含まれる窒素及びリンなどの栄養塩類の更なる除去効率が求められることになってきた。

そのため、ＢＯＤ・ＣＯＤ・窒素・リンなどの処理の安定・高度化と同時に処理時間の短縮を可能とする処理方法として膜処理法（ＭＢＲシステム）が開発されている。この膜処理法によれば反応槽の微生物濃度（ＭＬＳＳ）を通常８，０００〜１５，０００ｍｇ／Ｌ（標準活性汚泥法では２，０００〜６，０００ｍｇ／Ｌ）と高負荷での稼動が可能となり、汚泥の総量やメンテナンスの時間の軽減を可能としている。

しかし、膜処理法には１〜３年で高価な膜を交換する必要があること、膜の目詰まりを除去するための逆洗のための装置とその消費エネルギーなどが高コストになるという問題がある。

一方、汚泥処理においては標準活性汚泥法が主流であるが、反応に必要な滞留時間を長くする必要があることと汚泥転換率（異化率）についても長時間曝気法の０．８に比べ０．４と低いために多量の余剰汚泥を産生するので、その廃棄に関わる処理コストが高くなるなどの問題がある。

課題を解決するための手段

本考案は「標準活性汚泥法の安定性」と「膜処理法（ＭＢＲ法）の効率と汚泥減容化」という長所を併せもちながら、設備・施設の小規模化と短時間処理による処理コストを大きく低減することを可能とする。

本考案の（請求項１）の生物処理装置は小型の一つの槽を通常は８槽を連結してなる多段式の一体型ユニットシステムとした。この槽は６槽から１２槽まで増減可能な多段式ユニットとすることが可能である。

各反応槽の内部には、底部に（請求項２）の曝気装置を置き、必要に応じて各上部に通常の羽根式攪拌機を置くこともできる。

これらの反応槽は「嫌気性（偏性嫌気）」「無酸素状態（通過性嫌気）」「好気性」に随時変更設定して制御利用することを可能とするハイブリッド型システムとした。システムのサイズはＷ３ｍ×Ｌ６ｍ×Ｈ３ｍ程度のシステムである。

本考案の基本システムは「流動床型生物膜法」に分類される。投入する担体は独自に開発された専用ＰＶＡ担体を使用するが、すべての反応槽に容積比１０％〜２０％のＰＶＡ担体を投入する。この各々のＰＶＡ担体に処理対象に適した微生物製剤を添加投入する。

この特殊構造のＰＶＡ担体の表面及び内部には微生物が高密度に生育するので反応槽の微生物濃度（ＭＬＳＳ）を通常８，０００〜１５，０００ｍｇ／Ｌ（標準活性汚泥法では２，０００〜６，０００ｍｇ／Ｌ）と高負荷での稼動が可能となり、さらに多段式の後段の反応槽で高濃度有機物や難分解性有機物の処理ができる。

この特殊構造ＰＶＡ担体は親水性で通過孔構造をもっていることから、各々は１ＣＭ角であっても内部には１０億個の微生物菌を保持しているので、各々の反応槽内で微生物菌を最大活性することが可能となっている。つまりＰＶＡ担体の表面にも内部にも微生物菌が付着固化する。

これらＰＶＡ担体の大きな特長は処理水の性状に合わせて、担体内部の孔構造を変更できること、さらに一般のビニール素材の担体に比べ、その強度は３〜５倍であることも特長である。

本考案（請求項２）の特殊構造の曝気装置は、図２の装置前面のフランジ部から送風するシンプルなものである。装置底部から流入した空気は装置内部を上昇しながら気泡サイズは細分化されながら、空気の上昇に伴う水の上昇渦流を産生する。次にこの上昇渦流がキャビテーションを起こすことで気泡はマイクロバブルへとサイズ変化する。そのために酸素の溶存効率を高めるとともに、反応槽内部全体の対流効果を産生することで担体の流動性を高め、微生物の高活性を維持することになる。

マイクロバブルの特性は微小気泡界面にはＯＨ⁻イオンが集積しやすく常に負に帯電している。負に帯電した気泡は、水中の浮遊物質のゼータ電位に影響し、浮遊物質とマイクロバブルが凝集反応を始める。
このマイクロバブルは収縮時にゼータ電位を増加させながら、気泡界面付近のイオン濃度を増加させ、そこに過剰なイオン場が形成させることで、フリーラジカルの発生を促している。この現象による気泡の圧壊とラジカルの生成は有機物や色素の分解促進に大きな効果を発揮する。

この曝気装置は絶えず底部の水や汚泥を巻き上げる対流効果を産生するため、反応槽底部に余剰汚泥が堆積することがなく、加えてＰＶＡ担体も勢い良く流動しているので担体表面にバイオフィルムの形成が起こりにくくなっている。

また、この曝気装置はシステム内のすべての反応槽の底部に内蔵しているので、各々の反応槽内ではＰＶＡ担体の担体流動性が高く酸素の溶存性を高めて代謝汚泥の分解を促進することができる。

最後に本考案（請求項１）（請求項２）のユニット型システムの効果を総括すると次のとおりとなる。
（１）生物処理法において、有機物の分解やアンモニアの硝化に必要な微生物菌はその細胞が小さい細菌類であり、それ以外の原生生物や後生生物は排水処理に大きく寄与しているとはいえない。当社が使用する特殊なＰＶＡ担体はアンモニア硝化や有機物分解に貢献する細菌類のみを担持し、また活性を失った代謝汚泥が次々に滑落していくことで非常に高度な高活性を維持することになる。この結果として代謝汚泥は細菌類がその大半となり本考案システム処理による全体の汚泥産生量を非常に少なくすることが可能となる。
（２）代謝汚泥も反応槽内部に備える特殊構造による曝気装置の効果により自己酸化が促進される。
（３）次に、本考案が使用する微生物製剤は１）油分分解菌・２）繊維質分解菌・３）フェノール類分解菌・４）アミン類分解菌・５）硝化菌の５種類を単独もしくは複数組み合わせて担体固化時に添加投入するので、難分解性有機物もＢＯＤ成分に分解され、水中のＣ／Ｎ比が処理工程で改善されることで脱窒効果を高めることになる。
（４）これらの結果、汚泥発生量は標準活性汚泥法による処理と比べて１／５〜１／１０程度へと大きく削減される。
（５）負荷変動にも強いため処理量の少ない処理場にも適応できる。
（６）システム全体が非常にコンパクトで小型であること、小型の曝気装置と攪拌機に関わる小電力コストだけで連続稼動すること。ちなみに、システムのサイズはＷ３ｍ×Ｌ６ｍ×Ｈ３ｍ程度である。

本考案のハイブリッド型の活性汚泥処理装置の全体図 本考案の反応槽と曝気装置 本考案のキャビテーション発生器

本考案は、縣濁水が含有する縣濁物質（有機物、無機物）を、独自の親水性と通過性の高い孔構造を持つ担体と独自構造のキャビテーション発生装置を内蔵することで、反応槽の下部から投入した空気のマイクロバブルを生成し酸素の溶存効率を高めることにより生物反応処理効率の高い装置である。
この反応槽を６〜１２個（通常は８個）連結して多段式とし、各段階に適応する異なる微生物担体を投入し、連結して一つのユニットとすることで一体処理することができる極めて高い反応効率と小型化、省力化を得ることができる生物反応装置を提供する。
つまり、各段の反応槽の各々の役割を「嫌気性（偏性嫌気）」「無酸素状態（通過性嫌気）」「好気性」に随時変更設定して制御利用することを可能とするハイブリッド方式であり、一つのユニットとすることで連結して一体処理することが可能な装置である。

本考案は産業排水、汚染水、河川水などが含有する縣濁物質（有機物）の固形成分の生物反応を応用して各々の反応槽（６槽〜１２槽）の底部に特殊な曝気装置と上部に普通の攪拌機を内臓し、各々を連結して一つのユニットシステムとして稼動する生物反応による簡易で小型の汚泥処理システムである。

添付図面（図１）の装置図に従って実施例を説明する。
全体の装置の材質はＳＵＳ３０４とする。反応プロセスは流入槽から１号反応槽へ縣濁水を送り、反応槽にＰＶＡ担体を投入しながら反応槽底部のエアレーターに空気を吹込むとエアレーター内部の特殊構造のキャビテーション発生器から産生された微細なマイクロバブルと縣濁水と微生物を担持しているＰＶＡ担体とが上昇渦流に伴なって接触する。
マイクロバブルによって切り崩された有機物はＰＶＡ担体表面や内部の微生物菌に捕食される。上昇流による下降流も産生されることで上下に流動しながら接触反応を繰り返すことで短時間でも連続した接触反応を持続する。
このプロセスを各々の反応槽（２号〜８号）段階に適合する微生物菌ＰＶＡ担体を個々の反応槽に投入し、段階的に連続した反応処理をおこなう。
最終的に最後段の沈殿槽で固液分離処理することで終了する。

添付図面（図２）の曝気装置（エアレーター）について説明する。
円筒形の形状で内臓したキャビテーション発生器の下部から空気を取込み、縣濁水と混合して通過する形状とした。この装置が産生するキャビテーション効果により空気のバブルは上昇過程でマイクロバブル化する。この曝気装置を各反応槽底部に設置する。

添付図面（図３）は本考案の中核となるキャビテーション発生装置である。
円筒形の曝気装置の内部に複数の櫛歯形状（ギザギザ）の三角板と角度をつけて設置することで上昇流を産生する三角平板とを複数個、各々交互に多段に内装する。この構造により下部から噴き上げる空気と濁水の力で羽根式プロペラの様に回転することで可動装置なしで上昇流と渦流を産生しながらキャビテーション効果を産生する。
このキャビテーション産生器を１個として、この産生器を通常は９個を多段に積重ねて一つのユニットとして（図２）の曝気装置に上部に内蔵する。

本考案は活性汚泥処理について、複数個の生物反応槽を１ユニットとして結節し、各生物反応槽にはマイクロバブルを産生するキャビテーション発生構造の曝気装置を内蔵する曝気装置を設置し、発生するマイクロバブルが酸素の溶存効率を高めることで投入する微生物担体の生物反応処理効率を高める活性汚泥処理装置である。

この反応槽を複数個連結して一つのユニットとし、各段階に適応する異なる微生物担体を投入し連続して一体処理することができる多段式構造であり、装置の小型化と省力化を得ることができる生物反応装置である。

つまり、各段の反応槽の各々の役割を嫌気性や好気性に随時変更設定して、適合する微生物担体を投入利用することを可能とするハイブリッド方式であり、一つのユニットとして連結して一体処理することが可能な生物反応装置である。

畜産排水・し尿、産業排水中の有機性汚濁物質は放置するとガス、臭気、細菌や雑菌などを増殖するが、これら有機性縣濁物質に含まれる微生物を含む有機汚泥水の処理方法は、大きく分類して活性汚泥法・標準汚泥活性法・膜分離活性汚泥法などに分類され、各々歴史的な開発背景と時期ならびに各々の特長や短所をもっている。

まず活性汚泥法は、１９３０年に開発されたもので単にその汚泥を活用して汚水を浄化する方法をいうが、反応槽・沈殿槽を設けて汚水と汚泥と酸素を混ぜることで活性汚泥中の微生物を培養しながら好気性反応を促進するという原理である。

この活性汚泥法の特長は、一定の大きさの反応槽に入れて時間をかけて汚泥に含む大量の微生物を培養しながら有機物を分解させるだけなので、手間や動力の費用が不要で安価で処理できるため非常に簡単に処理できる方法であるが、時間をかけて自然に生物分解させ沈殿させるための大型の反応槽・沈殿槽を必要とすることと微生物の処理能力を超えて分解ができない汚水の処理管理及び余剰汚泥、つまり増加し過ぎた微生物自体が余分な汚泥を発生させるための施設管理や汚泥を適性に管理するために公害防止管理資格をもつ要員を必要とするものである。

次に標準活性汚泥法は、従来法ともいわれて国内で最も普及している処理方法であるが、曝気槽の滞留時間を１６〜２４時間程度にまで長くして活性汚泥の自己酸化を促進させながら余剰汚泥を減少させる方法であり、処理方法として長時間エアレーション法や沈殿槽を不要とするオキシデーション法などがある。

その処理のプロセスは、有機物を活性汚泥により酸化分解するための曝気槽もしくはエアレーションタンクに汚水を取込み、活性汚泥を沈下させるための沈殿槽からの返送汚泥を攪拌混合し生物凝集反応を促すもので、曝気槽内では有機物の酸化と微生物の増殖現象が起こり、次に微生物は自己酸化とともに他の原生生物などに捕食されて減少させる方法で、これらの反応に必要な滞留時間を８〜１２時間程度を基準において各槽の容積を変更する必要がある。

この標準活性汚泥法の特長は、比較的安定した処理水質を維持できることであるが、基本的に長い滞留処理時間を必要とすることから反応のための滞留時間に必要な曝気槽や沈殿槽に大きな容積を必要とする課題がある。

この課題を解決する方法として、好気性の微生物を浮遊させながら処理対象物の酸化分解を促進させる方法や微生物を固体に付着させて反応させる生物膜法がある。

しかし、汚水に含む窒素・リン・アンモニアやその他の難分解性の有機物は、活性汚泥法・標準活性汚泥法などの微生物処理では処理がしにくいという大きな課題がある。

次に、これらの課題を解決する方法として曝気槽から流入する汚泥と水を分離するための反応槽の内部に０．１μ〜０．４μという微細孔をもつ構造の中空糸・平膜形状の膜を設けて固液分離処理する膜分離活性汚泥法が開発された。

この膜分離活性汚泥法の特長は、固液分離のための処理施設として最終沈殿槽や最終ろ過槽ならびに大腸菌などの細菌類消毒施設が不要になることであるが、膜全体の価格だけで数百万円と高価であるため定期的な薬剤洗浄を必要とし、磨耗を減少する方法の導入に加え、活性汚泥の溶存物質による目詰まりを防止するために機械的に洗浄して膜寿命を長くすることが必要である。

その膜洗浄方法としては、反応槽の下部から強く曝気することで空気の泡・バブルで上昇流を発生させる方法、反応槽の内部に平膜を置きこれに回転運動や振動などを与える遠心分離方法、反応槽の外に分離膜を置きポンプで膜表面に大量の活性汚泥を循環させながら処理水を引き上げる方法などが開発されている。

しかし、これらの膜洗浄方法には、数百ＫＷ規模の電力消費を必要とする課題がある。

次に、嫌気性菌による微生物分解による沈降分離を目的とする嫌気性処理があるが、縣濁成分の種類、有機物の濃度や温度、処理後の脱離液や消化汚泥の処理方法により設備は異なること、加えて滞留日数は１〜１５日以上であったり、８ｍ^３〜４５ｍ^３程度の反応槽・処理沈殿槽が必要であったり、反応を促進するために加温設備や大出力の攪拌装置などを必要としている。

一例として、有機物をメタン生成菌の嫌気気分解によりガス化する方法の原理は次のとおりとなる。
（１）縣濁物質に含まれる固形もしくは縣濁状のたんぱく質、炭水化物、脂質などの高分子物質は、微生物の分泌酵素による加水分解により、各々が可溶性のアミノ酸・糖類・高級脂肪酸となり微生物の細胞壁や細胞膜を通過して吸収可能な物質に変換される。
（２）次に、微生物に取り込まれたアミノ酸・糖類・脂肪酸は代謝分解され、アルコール・低級脂肪酸を経て酢酸・水素・二酸化炭素・アンモニア・硫化水素に変換される。
（３）これらの代謝物質の酢酸や水素・二酸化炭素からメタンガスが生成される。
（４）但し、メタン生成菌にとっての阻害要因として、主にアンモニアと低級有機酸があり、加えて硫黄・窒素酸化物などが各々アンモニアや硫化水素を生成しメタンガス生成を阻害して処理水のＣＯＤ除去率の低下をもたらすため、これらメタン生成菌の阻害要因を取り除く処理が課題となっている。

一般的な嫌気性処理の特長は次のとおりとなる。
（１）嫌気性菌は、増殖速度が遅く長い汚泥滞留時間を必要とするが菌体合成率が低いので、余剰汚泥の発生量が好気処理に比べ１／３〜１／１０程度であること。
（２）酸素の供給が不要で供給のための動力が軽減できること。
（３）加えて、担体の内表面に微生物を保持する方法として担体固定法、グラニュール法が開発され、反応槽内に微生物を高濃度に固定・保持することが可能となった。

自然界の微生物類は、好気性、通性嫌気性、偏性嫌気性がその環境条件化に応じて生存しているので、嫌気性処理を水浄化に利用する方法においては、様々な方法により細菌類を選別してバランスをとりながら処理環境条件をつくり利用することで各々の縣濁物質を汚水から除去しなければならない。

微生物類を水浄化に利用する方法には、微生物類を水中に浮遊状態で利用する浮遊法と担体（固体）に付着・保持して利用する生物膜法がある。

生物膜法の利用では、利用する生物種が多種・多様であること、生物濃度は低い（微生物量が少ない）が負荷変動に強く発生汚泥が少ないことや中・小規模の設備でその維持管理が簡易であることなどで、利用し易い方法といえる。

生物膜法の具体的方法として微生物を保持する担体を投入・充填する反応槽の方式として、接触曝気法・流動床法・散水ろ過法・生物ろ過法・回転円盤法がある。

この担体の種類と選定は生物膜法による反応槽の方式と関係が深く、材質による分類は無機質か有機質かに大別され、無機質の代表例は砂・礫・死骸珊瑚・ゼオライトがあり、有機質にはシュロなどの繊維質・プラスチック・合成繊維がある。

この担体の形状による分類には、網状円筒状・網状板ヘチマ様の縦・横板状・通常板・球状・小円筒状など多様であり、そのサイズも処理と関係する。

さらに担体の材質や形状・サイズに加え、沈降性・浮上性・流動性に関係する担体のもつ比重による分類にも考慮して選別する必要がある。

このような特徴と多様性をもつ生物膜法の応用分野（適用分野）としては、上水浄化・産業用水、排水・生活排水・河川、湖沼・海域の浄化などに対し広く適用されている。

考案が解決しようとする課題

近年、内湾や瑚沼などの閉鎖性水域において蓄積性汚濁物質や栄養塩類などに起因する富栄養化現象が顕在化してきたことで、下水排水中に含まれる窒素及びリンなどの栄養塩類の更なる除去効率が求められることになってきた。

その処理方法として、ＢＯＤ・ＣＯＤ・窒素・リンなどの処理の安定・高度化と同時に処理時間の短縮を可能とする膜処理法（ＭＢＲシステム）が開発されているが、反応槽の微生物濃度（ＭＬＳＳ）の比較では、標準活性汚泥法は２，０００〜６，０００ｍｇ／Ｌとされ、膜処理法によれば通常８，０００〜１５，０００ｍｇ／Ｌと高負荷での稼動が可能となり、汚泥の総量やメンテナンスの時間の軽減を可能としている。

しかし、膜処理法には１〜３年で高価な膜を交換する必要があること、膜の目詰まりを除去するための逆洗のための装置とその消費エネルギーなどが高コストになるという課題がある。

一方、汚泥処理においては標準活性汚泥法が主流であるが、反応に必要な滞留時間を長くする必要があることで大型の処理槽を必要とすること、汚泥転換率（異化率）についても長時間曝気法の０．８に比べ０．４と低いために多量の余剰汚泥を産生するので、汚泥廃棄に関わる処理コストが高くなるなどの課題がある。

課題を解決するための手段

本考案は、標準活性汚泥法の安定性と膜処理法（ＭＢＲ法）の高効率と汚泥減容化という長所を併せもちながら、設備・施設の小規模化と短時間処理を可能といているので、導入と運用のコストを大きく低減することを可能とした。

本考案の生物処理装置は、毎時３ｔ処理を標準として小型の槽を８槽連結してなる多段式の一体型ユニットシステムとしているが、この結節槽数は処理水の増減や含有成分の濃度に合わせて、１２槽まで増設する多段式ユニットとすることも可能である。

各反応槽には、底部に浮上力の高いマイクロバブルを産生する構造の曝気装置を設けていることで、槽の内部で発生する対流効果により微生物担体の高い流動性と担体との高い接触効率を実現している、

さらに、これらの反応槽は嫌気性（偏性嫌気）・無酸素状態（通過性嫌気）・好気性に随時変更して異なる微生物担体を利用することを可能とするハイブリッド型システムである。

１ユニットのサイズは、処理量は毎時３ｔの場合でＷ２．２ｍ×Ｌ６．０ｍ×Ｈ２．２ｍ程度であり、処理水量が大きくなった場合には、この１ユニットを積層したり並列したりして増設するので小さいスペースでの設置を可能としている。

本考案のシステムは、流動床型生物膜法に分類されるものであり投入する担体はＰＶＡ担体を使用するが、各反応槽に容積比１０％〜２０％のＰＶＡ担体を投入するもので、この各々のＰＶＡ担体に処理対象に適した微生物製剤を添加投入することで処理することを可能としている。

このＰＶＡ担体の表面及び内部には、微生物が高密度に生育するので反応槽の微生物濃度（ＭＬＳＳ）は通常８，０００〜１５，０００ｍｇ／Ｌ（標準活性汚泥法では２，０００〜６，０００ｍｇ／Ｌ）と高負荷での稼動が可能となり、さらに多段式の後段の反応槽で高濃度有機物や難分解性有機物の処理薬剤を投入して処理することを可能としている。

このＰＶＡ担体は、親水性で通過孔構造をもっていることと、各々は１ＣＭ角であっても内部には１０億個の微生物菌を保持しているので、各々の反応槽内で微生物菌を最大活性することを可能としている。

このＰＶＡ担体の大きな特長は、処理水の性状に合わせて担体内部の孔構造を変更できること、さらに一般のビニール素材の担体に比べ、その強度は３〜５倍であることも特長である。

本考案に設置する曝気装置は、図２の装置前面のフランジ部から送風するシンプルなもので、装置底部から流入した空気は装置内部を上昇しながら気泡サイズに細分化されながら、空気の上昇に伴う水の上昇渦流を産生し、次にこの上昇渦流がキャビテーションを起こすことで、気泡はマイクロバブルへとサイズ変化して酸素の溶存効率を高めるとともに反応槽内部全体の対流効果を産生し、担体の流動性を高めて微生物の高活性を維持することになる。

マイクロバブルの特性は、微小気泡界面にはＯＨ⁻イオンが集積しやすく常に負に帯電していて、負に帯電した気泡は水中の浮遊物質のゼータ電位に影響し、浮遊物質とマイクロバブルが凝集反応を始めるとともに、このマイクロバブルは収縮時にゼータ電位を増加させながら気泡界面付近のイオン濃度を増加させ、そこに過剰なイオン場が形成させることでフリーラジカルの発生を促しているため、この現象による気泡の圧壊とラジカルの生成は有機物や色素の分解促進に大きな効果を発揮する。

この曝気装置は、絶えず底部の水や汚泥を巻き上げる対流効果を産生するため、反応槽底部に余剰汚泥が堆積することがなく、加えてＰＶＡ担体も勢い良く流動しているので担体表面にバイオフィルムの形成が起こりにくくなっている。

また、この曝気装置は、ユニットのすべての反応槽に内蔵しているので、各々の反応槽内ではＰＶＡ担体の担体流動性が高く、酸素の溶存性を高めて代謝汚泥の分解を連続して促進することができる。

最後に本考案のユニット型システムの効果を総括すると次のとおりとなる。
（１）生物処理法において、有機物の分解やアンモニアの硝化に必要な微生物菌はその細胞が小さい細菌類であり、それ以外の原生生物や後生生物は排水処理に大きく寄与しているとはいえない。
（２）そこで本考案の装置で使用するＰＶＡ担体は、アンモニア硝化や有機物分解に貢献する細菌類のみを担持させるが、その反応により活性を失った代謝汚泥は次々に滑落するので、担体は常時高度な高活性を維持することになる。
（３）この結果として、代謝汚泥は細菌類がその大半となり全体の汚泥産生量を非常に少なくすることを可能している。
（４）この代謝汚泥も反応槽内部に備える特殊構造による曝気装置の高い酸素濃度効果により自己酸化が促進される。
（５）次に、使用する微生物製剤を１）油分分解菌・２）繊維質分解菌・３）フェノール類分解菌・４）アミン類分解菌・５）硝化菌の５種類を単独もしくは複数組み合わせて担体固化時に添加投入することが可能であることから、難分解性有機物もＢＯＤ成分に分解され、水中のＣ／Ｎ比が処理工程で改善されることで脱窒効果を高めることになる。
（６）これらの結果、汚泥発生量は標準活性汚泥法による処理と比べて１／５〜１／１０程度へと大きく削減される。
（７）負荷変動にも強いため処理量の少ない処理場にも適応できる。
（８）１ユニットのサイズは、毎時３ｔ処理装置で標準Ｗ２．２ｍ×Ｌ６．０ｍ×Ｈ３．０ｍ程度なので、必要な設置スペースが小さく搬入や設置のコストも低い。

本考案のハイブリッド型の活性汚泥処理装置の全体図 反応槽内の対流と曝気装置 キャビテーション発生器

本考案は、畜産排水・し尿、産業排水中の有機性汚濁物質は放置するとガス、臭気、細菌や雑菌などを増殖するが、これら有機性縣濁物質に含まれる微生物を含む有機汚泥水の有機系縣濁物質処理をキャビテーション発生装置を内蔵した曝気装置により反応槽の下部から上部に向けて浮上するマイクロバブルが、反応槽内の酸素の溶存効率を高めることによって高い生物反応処理効率を実現する生物反応槽としている。

この反応槽を複数個連結する多段式としてなる１ユニット型であり、各段階に適応する異なる微生物担体を投入して、連続して一体処理することができるために、極めて高い反応効率と小型化、省力化を得ることができる生物反応装置である。

つまり、各段の反応槽の各々の役割を嫌気性（偏性嫌気）、無酸素状態（通過性嫌気）、好気性に変更して利用することを可能とするハイブリッド方式である。

本考案は、産業排水、汚染水、河川水などが含有する有機性縣濁物質の固形成分の生物反応を応用して、各々の反応槽の底部にキャビテーション発生器をもつ曝気装置と上部に普通の攪拌機を内臓し、各々を連結して一つのユニットシステムとして稼動する生物反応による簡易で小型の汚泥処理システムである。

添付図面（図１）の装置全体図に従って実施例を説明する。
全体の装置の材質はＳＵＳ３０４とし、処理量は毎時３ｔ、サイズはＷ２．２ｍ×Ｌ６．０ｍ×Ｈ３．０ｍ程度である。

反応プロセスは流入槽から１号反応槽へ縣濁水を送り、反応槽にＰＶＡ担体を投入しながら反応槽底部のエアレーターに空気を吹込むとエアレーター内部の特殊構造のキャビテーション発生器から産生された微細なマイクロバブルと縣濁水と微生物を担持しているＰＶＡ担体とが上昇渦流に伴って接触する。

マイクロバブルによって切り崩された有機物はＰＶＡ担体表面や内部の微生物菌に捕食され、反応槽内の上昇流と下降流により産生される対流によって、上下に流動しながら接触反応を繰り返すことで短時間でも連続した接触反応を持続する。

このプロセスを、１号から８号の個々の反応槽に適合するＰＶＡ微生物菌担体を投入し、段階的に連続した反応処理をおこない、最終的に最後段の沈殿槽で固液分離処理することで終了する。

次に、添付図面（図２）の曝気装置（エアレーター）について説明する。
装置内に内臓したキャビテーション発生器の下部から空気を取込み、縣濁水と混合して通過する形状とし、この装置が産生するキャビテーション効果により空気は上昇過程でマイクロバブル化しながら上昇し下流へと対流を産生するもので、この曝気装置を各反応槽底部に設置する。

次に、添付図面（図３）は、キャビテーション発生器である。
これは、複数の平板形状と櫛歯形状（ギザギザ）の三角板に小さな孔を開けていて、これを円周に沿って交互に複数個積み重ねて一つのユニットとしてなる装置であり、曝気装置の上部に内設する。

この装置は、下部から噴き上げる空気と濁水の抵抗力を利用することで稼動装置なしで産生するマイクロバブルを縣濁水と混合しながら上昇流とするものである。

Claims (2)

1. 産業排水、汚染水、河川水などが含有する縣濁物質（ＢＯＤ成分、ＣＯＤ成分、窒素ならびにリン）除去を目的にとする生物反応処理装置として、個別に任意で「嫌気槽（編性嫌気）」にも「無酸素槽（通性嫌気）」にも「好気槽」にも変更設定可能な６〜１２段の多段式反応槽（通常は８段）を一体連結して一つのユニットとして制御稼動する簡易で小型の生物反応（微生物菌）による活性汚泥処理装置。
2. 前項のユニットを構成する各反応槽内に各々種類の異なる担体を投入し、その担体の流動性と微生物の接触とを高め生物反応効率を促進することを可能とするために、反応槽底部に設置することで上昇渦水流と空気をマイクロバブルへと変化させるキャビテーションを産生するための可動装置を必要としない曝気装置（エアレーター）。