JP3835314B2 - 担体充填物及びそれを用いた水処理方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、担体充填物及びそれを用いた水処理方法に係り、特に処理槽内や河川、湖沼等の開放水域に係わらず包括固定化担体或いは包括固定化担体と付着固定化担体の混合担体を固定配置して性能を発揮させるための技術に関する。
【0002】
【従来技術】
廃水や下水を微生物で処理する生物学的処理は、 比較的低コストであることから広く採用されている。 しかし、 微生物の種類によっては、 増殖速度が遅いものや、 被毒し易いもの、 又はその環境中において増殖し難いものがあり、 必ずしも効率的な方法とはいえない場合がある。そこで、 微生物が繁殖しやすい環境を積極的に形成するために、付着固定化型の担体や包括固定型の担体がすでに実用化されている。
【0003】
付着固定型の担体は、プラスチック等で形成された板状、パイプ状、ハニカム状等の担体を被処理水中に固定してその表面に活性汚泥や微生物を付着させる。これにより、浮遊型の活性汚泥処理では保持しきれない量の微生物を担体表面に保持でき、高度な水処理が可能となる。
【0004】
一方、包括固定型の担体は、活性汚泥や微生物をゲルの内部に予め包括固定して被処理水と接触させるもので、ゲル材料としては、 ポリエチレングリコール系のポリマ、 ポリビニルアルコール系の樹脂等がある。ゲル材料に包括固定化する微生物としては、下水処理場の活性汚泥や純粋培養した微生物を微生物供給源として主にアンモニア性窒素を酸化する硝化菌が用いられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、付着固定型の担体の場合には、担体材料がプラスチック等で強度的に強く大きな担体として形成できることから、処理槽内や処理水域に固定でき担体流出防止器具を必要としない長所がある反面、活性汚泥や微生物が担体表面に付着するまでの馴養期間が長く、その間は十分な処理性能が得られないという短所がある。また、担体表面に付着する微生物や活性汚泥の付着量が一定以上になると担体表面から微生物や活性汚泥が剥離してしまうので、剥離から再付着までの間も処理性能が低下するという短所もある。
【0006】
一方、包括固定型の担体は、ゲル内に予め活性汚泥や微生物を包括するので、馴養期間が短いと共に活性汚泥等が剥離することもないので安定した処理性能を維持できる長所がある反面、担体材料がゲルであり強度的に弱く大きな担体にすることが困難であるため、通常、担体径が3〜4mmの小粒に形成される。この為、処理槽からの流出水と一緒に流出しないように、処理槽出口にスクリーン等の担体流出防止器具を備えなくてはならず、そのための設備コストが高価になるという短所がある。また、担体流出防止器具の設置が困難な河川や湖沼等の処理水域では使用できないという短所もある。
【0007】
このような背景から、担体流出防止器具を必要とせずに使用でき、且つ馴養期間が短いと共に被処理水との接触効率も良く安定した処理性能を得ることのできる、いわゆる付着固定型と包括固定型の両方の長所を兼ね備えたものが要望されていた。
【0008】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、担体流出防止器具を必要とせずに使用でき、且つ馴養期間が短いと共に被処理水との接触効率も良く安定した処理性能を得ることのできる担体充填物及びそれを用いた水処理方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1は前記目的を達成するために、微生物又は活性汚泥をゲル内に包括固定化した多数の包括固定化担体と、空隙を有する構造又は形状の付着固定化担体とを、網状容器内に充填して成る担体充填物であって、前記網状容器の直径が5〜30cmの範囲に形成されると共に、前記包括固定化担体に対する前記付着固定化担体の混在率が10〜15%の範囲であることを特徴とする。
【0010】
本発明の請求項1によれば、担体材料がゲルであり強度的に弱く大きな担体にすることが困難な包括固定化担体を網状容器内に充填して包括固定化担体の担体充填物を形成した。これにより、担体充填物は網状容器により強い強度が得られ、しかも網状容器の大きさや形状を変えるだけで、任意の大きさや任意の形状の包括固定化担体を見かけ上形成することが可能となる。また、担体充填物の充填物は包括固定化担体なので、馴養期間も短くできる。更に、この担体充填物をそのまま処理槽内に配置すれば、スクリーン等の担体流出防止器具を備える必要がないと共に、担体流出防止器具の設置が困難な河川や湖沼等の処理水域でも使用できる。更には、処理水域の広い河川や湖沼等に適した大きさや形状の担体充填物を形成することも可能になる。
【0011】
尚、包括固定化担体に包括固定化する活性汚泥は、下水処理場の活性汚泥に限らず、湖沼、河川や海の汚泥、土壌などの各種の微生物を含む複合微生物含有物も含む。また、微生物とは分離された純粋な微生物をいう。
【0012】
また、請求項1によれば、ゲル材料で形成された包括固定化担体と一緒に、空隙を有する構造又は形状の付着固定化担体を混在させて網状容器に充填する。このように、空隙を有する構造又は形状の付着固定化担体を混在させることにより包括固定化担体のゲル同士が圧密化して固着することを防止できると共に、包括固定化担体同士の間に空隙が形成されるので、個々の包括固定化担体と被処理水との接触効率を良好な状態に維持することができる。更には、付着固定化担体自体にも被処理水中に存在する微生物が付着するので、包括固定型と付着固定型の両方の長所を兼ね備えた担体充填物を得ることができる。
【0013】
また、請求項1によれば、網状容器は、長尺状であって直径が5〜30cmである。これは、担体充填物が棒状あるいは紐状のように長尺状である方が担体充填物の処理性能が良くなるとの実験的な知見に基づいたもので、担体充填物の直径が30cmを超えると好気性処理又は嫌気性処理にかかわらず十分な処理性能が得られない。また、包括固定化担体に対する前記付着固定化担体の混在率が10〜15%の範囲である。
【0014】
本発明の請求項2は前記目的を達成するために、請求項1に記載の担体充填物を、処理槽内又は処理水域に固定して被処理水と接触させることにより前記被処理水を生物学的に処理することを特徴とする。
【0015】
本発明によれば、担体充填物を処理槽内又は処理水域に固定して被処理水と接触させることにより被処理水を生物学的に処理するようにしたので、処理槽にスクリーン等の担体流出防止器具を必要としない処理装置を構成することが可能となり、さらには河川、湖沼等の開放水域でも使用することが可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って、本発明に係る担体充填物及びそれを用いた水処理方法の好ましい実施の形態について詳説する。
【0017】
図1は、本発明の担体充填物10の全体図で、包括固定化担体と空隙を有する構造又は形状の付着固定化担体とを混在させた場合であり、網状容器12の一部を切り欠いて示したものである。
【0018】
図1に示すように、担体充填物10は、微生物又は活性汚泥をゲル内に包括固定化した多数の包括固定化担体14と、網状筒型の多数の付着固定化担体16と、を網状容器12内に混在させて満杯に充填することにより形成される。包括固定化担体14と付着固定化担体16との網状容器12内への充填比率は、包括固定化担体14が全体に対して40%から70%程度の充填比率になるようにすることが好ましい。
【0019】
包括固定化担体14の大きさは、10ミクロンから50cm程度まで幅広く使用できるが、通常、3〜4mm径程度の球状、角形、円柱状等の形状のものを使用するのが好適である。この場合、包括固定化担体14の表面を、波板状あるいはハニカム状等のように凸凹をつけると、被処理水との接触効率が良くなると共に、包括固定化担体14のゲル同士が固着しにくくなる。このような包括固定化担体14の表面を形成するには、包括固定化担体14を製造する際に、波板状あるいはハニカム状等の凸凹を有する型枠(図示せず)を使用して、活性汚泥や微生物の存在下でゲルを重合するとよい。
【0020】
包括固定化担体14のゲル材料としては、ポリエチレングリコール系のプレポリマとしてはモノメタクリレート類、モノアクリレート類、ジメタクリレート類、ジアクリレート類、トリメタクリレート類、トリアクリレート類、テトラアクリレート類などを使用することができる。また、ウレタンアクリレート類、エポキシアクリレート類、その他、ポリビニルアルコール、アクリルアミド、光硬化性ポリビニルアルコール、光硬化性ポリエチレングリコール、光硬化性ポリエチレングリコールポリプロピレングリコールプレポリマ等を使用することができる。
【0021】
付着固定化担体16は、網状筒型、ストロー型、凸凹型のように空隙率の大きな構造又は形状のものが好ましく、図2は網状筒型の付着固定化担体を示したものである。図2に示すように、上下面が開放されると共に周面が編み目構造の筒体として形成され、編み目構造を形成する縦線20と横線22との間には開口24が形成される。付着固定化担体16の筒形状としては円筒でも四角筒でもよい。付着固定化担体16は網状容器12内で包括固定化担体14同士の間に介在して包括固定化担体14のゲル同士が固着するのを防止する役目があるので、包括固定化担体14よりも極端に小さいと効果がなくなる。従って、付着固定化担体16の大きさとしては、包括固定化担体14と同程度かそれよりも大きい方が好ましく、例えば包括固定化担体14が3〜4mm径程度の球状、角形、円柱状等の大きさの場合、付着固定化担体16は外径Dが10mm程度、長さLが15mm程度がよい。付着固定化担体16の材質としては、金属、ガラス、セラミックス等も使用可能であるが、筒型状態で弾力性があるものが好ましく、例えばプラスチックが好適である。
【0022】
網状容器12は、図1のように、上下面と周面が全て編み目構造に形成された筒体の容器として形成され、直径が100cm以下であることが好ましい。これは、担体充填物10が棒状あるいは紐状のように長尺状である方が包括固定化担体14の処理性能が良くなるとの実験的な知見に基づいたものでる。
【0023】
図3は、網状容器12の直径と廃水中の有機炭素除去率との関係を示したものであり、網状容器12に包括固定化担体14のみを充填したときの試験データである。尚、網状容器12の直径は担体充填物10の直径と略同じであり、担体充填物10の直径と廃水中の有機炭素除去率との関係と置き換えてもよい。
【0024】
網状容器12の長さとしては、長い方が包括固定化担体14をたくさん充填できるので好ましいが、あまり長すぎても取り扱いに困るので、担体充填物10の直径の4〜1000倍が好ましく、より好ましくは4〜60倍である。
【0025】
実験に使用した担体充填物10は、活性汚泥の存在下でポリエチレングリコール系のプレポリマを重合し、3〜4mm角形状に切断した包括固定化担体14を、網状容器12に充填して作成した。包括固定化担体14の組成は表1に示した通りである。
【0026】
【表1】
【0027】
直径の異なる担体充填物10のサンプルとしては、網状容器12の直径を1cmから120cmまでの13サンプルを作成した。担体充填物10の長さは全て同じにすると共に、処理槽内のTOC含有廃水の単位水量に対する担体充填物10の割合が同じになるように、担体充填物10の本数を変えた。即ち直径の細い担体充填物10の本数は多く、直径の太い担体充填物10の本数は少なくなる。このときの処理槽に対する包括固定化担体14の充填率は10%であった。そして、好気性条件下と嫌気性条件下のそれぞれにおいて有機炭素濃度(TOC)100mg/Lの廃水を処理し、そのときの網状容器12の直径と有機炭素除去率(TOC除去率)との関係を調べた。
【0028】
この結果、図3から分かるように、好気性条件下では、網状容器12の直径が1cmのときのTOC除去率がほぼ100%であり、網状容器12の直径が30cm程度までTOC除去率が95〜100%の間を維持する。そして、網状容器12の直径が30cmを超えるとTOC除去率が急激に低下し、直径が50cm程度でTOC除去率が50%程度、直径が70cm程度でTOC除去率が35%程度、直径が100cm程度でTOC除去率が20%程度、直径が120cmでTOC除去率が略0%まで低下した。これにより、実際の水処理においてTOC除去率は少なくとも20%以上必要であることから、好気性条件下で使用する網状容器12の好ましい直径、換言すると担体充填物10の好ましい直径は、100cm以下であり、より好ましくは70cm以下であり、最も好ましくはTOC除去率が95〜100%の間を維持する30cm以下である。
【0029】
一方、嫌気性条件下での網状容器12の直径とTOC除去率を見た場合、網状容器12の直径が1cmのときのTOC除去率がほぼ20%であり、直径30cm程度までTOC除去率が上昇し、直径30cm程度でのTOC除去率は70%程度となる。直径30cmを超えて60cm程度まで高いTOC除去率が維持され、直径が60cmを超えるとTOC除去率が次第に低下する。直径が70cm程度でTOC除去率が50%程度、直径が90cm程度でTOC除去率が30%程度、直径が100cm程度でTOC除去率が25%程度、直径が110cm程度でTOC除去率が5%程度となる。これにより、実際の水処理においてTOC除去率は少なくとも20%以上必要であることから、嫌気性条件下で使用する網状容器12の好ましい直径、換言すると担体充填物10の好ましい直径は、100cm以下であり、より好ましくは70cm以下であり、最も好ましくはTOC除去率が70%程度を維持する30cm〜60cmの範囲である。
【0030】
図3の実験装置で、包括固定化担体14に対して、図2の付着固定化担体16を10%の混在率になるように混在させると、TOC除去率が包括固定化担体14のみの充填よりも10〜15%向上し、付着固定化担体16を15%混在させると、TOC除去率が包括固定化担体14のみの充填よりも15〜20%向上した。しかし、付着固定化担体16を15%以上混在させてもTOC除去率はそれ以上に良くならなかった。このことから、付着固定化担体16の混在率はの上限は、包括固定化担体14に対して15%であることが経済的にも良い。
【0031】
図4〜図6は、本発明の水処理方法を適用する水処理装置の模式図である。
【0032】
図4の水処理装置30は、流入配管32により廃水が流入する処理槽34と、処理槽34から流出水と共に流出する活性汚泥等の固形物を固液分離する固液分離槽36(又は沈殿池)とで構成され、複数の担体充填物10が処理槽34内に図示しないアンカーボルト等の固定手段により固定配置される。水処理装置30に使用される担体充填物10の大きさは、処理槽34の大きさとの兼ね合いもあるが、直径が10cm,長さが500cm程度ものが好ましい。処理槽34内で担体充填物10の下方には、エアを散気する散気板38が設けられ、エア配管40を介してブロア42に接続される。これにより、処理槽34内に好気性条件が形成された状態で廃水と担体充填物10とが接触して廃水中のアンモニア成分が硝化処理される。また、固液分離槽36で沈殿した活性汚泥は、返送汚泥配管44を介して被処理水の流入配管32に戻されると共に、固液分離槽36の上澄み液は処理水として処理水配管46から装置外に排出される。
【0033】
図5の水処理装置50は、処理槽34と固液分離槽36の両方に、担体充填物10を固定配置したもので、その他の構成は図4の水処理装置と同様である。これにより、処理層34内に好気性条件が形成された状態で廃水と担体充填物10とが接触して廃水中のアンモニア成分が硝化処理されると共に、固液分離槽36では嫌気性条件で処理槽34からの流出水と担体充填物10とが接触して流出水中の亜硝酸態窒素や硝酸態窒素が窒素ガスに脱窒処理される。
【0034】
図6の水処理装置60は、複数の担体充填物10の下端を支持台62に固定して構成され、比較的水深の浅い河川や湖沼等の開放水域、或いは原水ピット、廃水流路、処理水流路等の水中に水没配置することにより水処理を行う。
【0035】
【実施例】
(実施例1)
本発明1は、処理槽にのみ担体充填物を固定配置した図4の水処理装置の構成を備えた試験装置を用いた場合である。
【0036】
千葉県のA下水処理場から採取した活性汚泥を表1と同じ条件で形成した3mm角形状の包括固定化担体と、外径Dが10mm、長さLが10mmの網状筒型の付着固定化担体とを、直径30mm,長さ300mmの網状容器(大日本プラスチック製のネトロンパイプ)に混在充填して、担体充填物を作成した。この10本の担体充填物を、容積が10Lの処理槽内に固定配置し、処理槽に食品工場廃水を流入させて連続運転を行いながら、処理槽から流出する硝化処理水の硝化率及び固液分離槽から処理水配管に流出する処理水の脱窒率を調べた。処理槽での滞留時間は6時間になるようにした。
【0037】
本発明2は、処理槽と固液分離槽の両方にそれぞれ10本の担体充填物を固定配置した図5の水処理装置の構成の試験装置を用いた場合であり、担体充填物の作成や使用廃水等は全て本発明1と同様である。
【0038】
従来例1は、担体充填物を使用せずに、処理槽内に浮遊する活性汚泥のみで処理をした場合であり、担体充填物を使用しない以外は本発明1と同様である。
【0039】
従来例2は、包括固定化担体を充填せずに付着固定化担体のみを充填した10本の網状容器(ネトロンパイプ)を、活性汚泥が浮遊する処理槽に固定配置して付着固定化型の担体として用いた場合であり、担体充填物を使用しない以外は本発明1と同様である。
【0040】
試験結果を表2に示す。
【0041】
【表2】
【0042】
表2から、本発明の本発明1及び2は、運転開始2週間で硝化率が99%まで上昇し、その後1年間以上安定した処理を行うことができた。これに対し浮遊型の従来例1は運転期間中硝化率が70%と低く、ネトロンパイプ型の従来例2は、ネトロンパイプへの微生物の付着が悪く、2カ月後にようやく硝化率が75%で安定した。その後の運転でもネトロンパイプから微生物の剥離が毎月発生し、その都度硝化率が浮遊型と同じ70%まで低下した。
【0043】
また、本発明2は、固液分離槽に担体充填物を固定配置したので、固液分離槽に担体充填物を有しない本発明1の3倍以上脱窒率が向上した。
(実施例2)
本発明3は、実施例1の本発明1で説明したと同じ方法で担体充填物を作成した。但し、包括固定化担体の形を本発明1では3mm角としたが、実施例2では3mm球とした。この担体充填物を20本作成して10Lの処理槽に振動しないように固定配置した。そして、処理槽では、散気板からエアを散気せずに処理槽内を嫌気性状態にして、TOC濃度が1100〜1300mg/Lの化学工場廃水の嫌気処理を行った。
【0044】
従来例3は、包括固定化担体を充填せずに付着固定化担体のみを充填した10本の網状容器(ネトロンパイプ)を20本、活性汚泥が浮遊する処理槽に固定配置して網状容器を付着固定化型の担体として用いた場合であり、使用廃水等の他の条件は本発明3と同様である。
【0045】
表3は、滞留日数3日で処理した試験結果である。
【0046】
【表3】
【0047】
表3から分かるように、本発明3は、処理水のTOC濃度を450〜600(mg/L)まで低下させた状態で安定処理することができたのに対し、従来例3では処理水のTOC濃度が840〜1100(mg/L)と高く、処理水の水質の振れも大きかった。
(実施例3)
本発明4は、実施例1の本発明1で説明したと同じ方法で担体充填物を作成した。但し、直径30mm,長さ100mmの網状容器(大日本プラスチック製のネトロンパイプ)に混在充填して担体充填物を作成し、この10本の担体充填物を、図6に示すように支持台に固定して水処理装置を作成した。そして、この水処理装置を、アンモニア廃水が流入する原水ピット、廃水流路、処理水流路にそれぞれ固定配置して、その処理効果について調べた。
【0048】
試験結果を表4に示す。
【0049】
【表4】
【0050】
表4から分かるように、原水ピット、廃水流路、処理水流路のように、アンモニア性窒素の濃度が異なる場合にも、流入水のアンモニア窒素濃度に対して流出水のアンモニア窒素濃度を約半分まで低下でき、本発明の担体充填物を使用した水処理装置は、効果的な硝化処理を行うことができた。
【0051】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る担体充填物及びそれを用いた水処理方法によれば、担体流出防止器具を必要とせずに使用でき、且つ馴養期間が短いと共に被処理水との接触効率も良く安定した処理性能を得ることのできる担体充填物及びそれを用いた水処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の担体充填物の説明図
【図2】付着固定化担体の説明図
【図3】担体充填物の直径とTOC除去率との関係を示した関係図
【図4】本発明の水処理方法を適用する水処理装置の模式図
【図5】本発明の水処理方法を適用する水処理装置の別の態様を示した模式図
【図6】本発明の水処理方法を適用する水処理装置の他の態様を示した模式図
【符号の説明】
10…担体充填物、12…網状容器、14…包括固定化担体、16…付着固定化担体、30、50、60…水処理装置、32…流入配管、34…処理槽、36…固液分離槽、38…散気板、42…ブロア、44…返送汚泥配管、46…処理水配管、62…支持台
Claims (3)
- 微生物又は活性汚泥をゲル内に包括固定化した多数の包括固定化担体と、空隙を有する構造又は形状の付着固定化担体とを、網状容器内に充填して成る担体充填物であって、
前記網状容器の直径が5〜30cmの範囲に形成されると共に、前記包括固定化担体に対する前記付着固定化担体の混在率が10〜15%の範囲であることを特徴とする担体充填物。 - 請求項1に記載の担体充填物を、処理槽内又は処理水域に固定して被処理水と接触させることにより前記被処理水を生物学的に処理することを特徴とする水処理方法。
- 好気性条件の処理槽と、該処理槽の後段に設けられた嫌気性条件の固液分離槽とにより、アンモニア含有廃水を処理する水処理方法において、
前記固液分離槽に、請求項1の担体充填物を固定配置して、前記処理槽から流出される流出水と接触させることを特徴とする水処理方法。
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