JP4344274B2

JP4344274B2 - 生物ろ過装置

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Publication number: JP4344274B2
Application number: JP2004111314A
Authority: JP
Inventors: 友明宮ノ下; 正佳雪本; 和夫殿界
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2004-04-05
Filing date: 2004-04-05
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2024-04-05
Also published as: JP2005288416A

Description

本発明は、被処理水をろ材を充填したろ層に下降流で通過させ、前記ろ材に付着した生物を利用して生物処理を行う生物ろ過装置に関し、特に、鉄、マンガン及びアンモニア性窒素を含む地下水等の浄化に好適な生物ろ過装置に関する。

従来より、浄水処理、工業用水処理、下水処理、排水処理において、微生物の働きを利用して、被処理水中の汚染物質を除去する生物処理法が利用されている。この生物処理法は、有機物やアンモニア性窒素の処理に広く利用されているが、地下水中の鉄、マンガンなどの除去にも利用されている。

ここで、被処理水中の鉄、マンガンの処理法には、化学酸化法があり、この化学酸化法では、塩素と凝集剤（例えば、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ））による凝集沈澱処理後に急速ろ過を行う方法、塩素と凝集剤添加後にマンガン砂ろ過を行う方法などが知られている。その代表的な処理フローとしては、（ｉ）着水井→塩素・ＰＡＣ添加→マンガン砂ろ過装置、（ｉｉ）着水井→塩素・ＰＡＣ添加→凝集沈澱→塩素添加→マンガン砂ろ過装置、（ｉｉｉ）着水井→生物ろ過装置→塩素・ＰＡＣ添加→マンガン砂ろ過装置、などがある。なお、塩素による酸化処理に加えて、過マンガン酸カリウムによる酸化処理を併用する場合もある。

一方、被処理水中の鉄、マンガン、アンモニアの生物処理法としては、浄水処理の分野において緩速ろ過池、急速ろ過池にて鉄細菌などを利用し、ろ過速度１０〜３０ｍ／ｄで通水する生物ろ過法が知られている。なお、この生物ろ過法では、そのろ材として、ケイ砂やアンスラサイトなどが用いられる。

ここで、この生物ろ過法のメカニズムを簡単に説明すると、糸状菌の一種であるＬｅｐｔｏｔｈｒｉｘｓｐ．、Ｔｏｘｏｔｈｒｉｘｓｐ．、Ｇａｌｌｉｏｎｅｌｌａｓｐ．などの鉄細菌や、硝化細菌の働きにより、溶解性の鉄、マンガン、アンモニアが酸化され、金属については水酸化物あるいは酸化物が生成され、これらが細菌が付着したろ材上に捕捉され、被処理水中から除去される。

このような、従来の生物ろ過法は、ろ過速度がそれほど速くないため設置面積が大きいこと、維持管理に不安があることなどからあまり採用されてこなかった。しかし、近年地下水を原水とする浄水場において、通水速度７０〜３００ｍ／ｄの生物ろ過装置が納入されてきている。この装置は、原水中に鉄、マンガンとともにアンモニアが含まれている場合には、塩素使用量を大幅に削減できることから化学酸化法よりも有利である。

ところで、生物酸化法において溶存酸素濃度（ＤＯ）が非常に重要となる。まず、この処理は、酸化であるため原水中の除去対象物質濃度によって必要とする酸素量が決まってくる。各除去対象物質１ｍｇ／Ｌ当たりの必要酸素量は、Ｆｅ²⁺：０．１４ｍｇ／Ｌ、Ｍｎ²⁺：０．１５ｍｇ／Ｌ、ＮＨ₄ ⁺：４．５７ｍｇ／Ｌであり、例えばＮＨ₃−Ｎ（水中では、アンモニアは通常ＮＨ₄ ⁺ＯＨとして存在するが、アンモニア性窒素の表記として、慣用されているＮＨ₃−Ｎを用いる）が、０．５ｍｇ／Ｌ含まれていると、それだけで２．３ｍｇ／Ｌ程度の溶存酸素が必要となる。

通常、深井戸水中には溶存酸素がほとんど含まれていないため、噴水方式、ブロワ方式、瀑布方式などにより酸素を供給する。溶解させる酸素量としては、除去対象物質の酸化に十分な量とするが、過剰に供給すると原水中のイオン状シリカがコロイダルシリカとなって鉄と結合し、鉄の除去が阻害される。また、優先種となる鉄細菌の種類によっては低いＤＯとした方が鉄の除去能力が高くなることがある。このため、生物ろ過における処理水のＤＯが１．０〜４．０ｍｇ／Ｌとなるように制御する必要があるといわれている。通常は、着水井から生物ろ過装置への流入を瀑布方式とすれば、適切なＤＯとすることができる。

なお、生物ろ過による鉄などの除去については、非特許文献１、２などに記載されている。

参考として、酸化に必要な酸素量の計算式を以下に示す。
［鉄］
４Ｆｅ（ＨＣＯ₃）₂＋Ｏ₂＋６Ｈ₂Ｏ
→ ４Ｆｅ（ＯＨ）₃↓＋４Ｈ₂ＣＯ₃＋４ＣＯ₂↑＋５８ｋｃａｌ
Ｆｅ：Ｏ＝４×５６：１６×２＝１：０．１４
［マンガン］
４Ｍｎ（ＨＣＯ₃）₂＋Ｏ₂＋６Ｈ₂Ｏ
→ ４Ｍｎ（ＯＨ）₃↓＋４Ｈ₂ＣＯ₃＋４ＣＯ₂↑＋７６ｋｃａｌ
Ｍｎ：Ｏ＝４×５５：１６×２＝１：０．１５
［アンモニア性窒素］
ＮＨ₄ ⁺＋２Ｏ₂ → ＮＯ₃−＋Ｈ₂Ｏ＋２Ｈ⁺
Ｎ：Ｏ＝１４：１６×４＝１：４．５７

「鉄バクテリアを利用した自然ろ過方式による地下水処理」森藤他（神鋼パンテツク）第５４回全国水道研究発表会講演集ｐｐ．３０６〜３０７２００３年５月セミナー資料鉄バクテリア法など高効率生物処理（浄水処理）２００３年１１月８日環境技術研究協会

上述のように、鉄を除去対象とする場合には、生物ろ過処理水のＤＯが１．０〜４．０ｍｇ／Ｌとなるように制御する必要があり、このために生物ろ過装置への供給水ＤＯ４．０〜８．０ｍｇ／Ｌとなるように制御する必要がある。ところが、鉄とともにアンモニアやマンガンを除去しようとする場合、それらの濃度にもよるが生物ろ過装置へ供給する被処理水のＤＯを８．０ｍｇ／Ｌ以上とする必要がある。しかし、被処理水のＤＯをこのような高い濃度に制御すると、前述のように鉄の除去が阻害されてしまうという問題が生じる。

従って、鉄とアンモニアあるいはマンガンまでを除去対象とする場合、流入被処理水のＤＯを８．０ｍｇ／Ｌ以上とし、生物ろ過では、アンモニアとマンガンの除去を優先し、鉄については別途、生物ろ過の後に凝集ろ過処理を行うことにより鉄除去を行うなどの方法が採用されている。

本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、一つの生物ろ過装置で鉄、マンガン及びアンモニアを効果的に除去できる生物ろ過装置を提供することにある。

本発明は、被処理水をろ材を充填したろ層に下降流で通過させ、前記ろ材に付着した生物を利用して生物処理を行う生物ろ過装置において、前記ろ層の中間部において上部ろ層を通過してきた被処理水に酸素含有ガスを供給する酸素供給手段と、この酸素供給手段によって供給された酸素が前記ろ層の上部に供給されることを防止する酸素供給防止手段と、を有することを特徴とする。

また、前記酸素供給防止手段は、前記ろ層の中間部に設けられ、被処理水の流通を許容しつつ、前記ろ層を上下二層に分割する分割床板と、この分割床板の下部に設けられ、過剰酸素含有ガスを排出する酸素排出手段と、を有し、前記酸素供給手段は、前記分割床板の下方に設けられていることが好適である。

また、前記分割床板は、前記ろ材の径よりも小さい目開きの網を取り付けてある通水口と、この通水口を包囲して、下方に伸びる通水管を有しており、前記酸素供給手段は、前記通水管の外側であって、通水管の下端より上方に位置していることが好適である。

また、前記被処理水は、鉄、マンガン、アンモニアのうちの１つ以上を含み、これらのうちの１つ以上を処理対象とすることが好適である。

本発明によれば、酸素供給防止手段によって、酸素がろ層の上部に供給されることを防止する。そこで、下降流式の生物ろ過装置において、ろ層上部に接触する被処理水のＤＯを下部ろ材に接触する被処理水ＤＯよりも低くすることができる。これにより、一つの生物ろ過装置でＤＯの低い条件で除去しやすい物質である鉄と、ＤＯの高い条件で除去しやすい物質であるアンモニアやマンガンを効果的に除去することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

実施形態に係る生物ろ過装置では、鉄ないしマンガンないしアンモニアを除去あるいは酸化するために粒状ろ材を担体として下降流にて生物ろ過処理を行う。そして、ろ層の途中に酸素含有ガス（空気）を供給する手段を設けるとともに、その酸素供給手段より上部のろ材に接触する被処理水には酸素が供給されないように構成している。

図１は、実施形態に係る生物ろ過装置の構成を示す図である。本体１０は、例えば円筒状であり、底面および頂面が閉じている。また、頂面にはベント管１１が付設されており、本体１０内部の最上部は大気と連通している。なお、形状は円筒でなくても構わない。さらに、頂面は開放でもよい。本体１０内部の最下部には、支持板１２によって、処理水室１４が仕切り形成されており、この支持板１２の上方にろ材を充填した下部ろ層１６が形成されている。下部ろ層１６の上方には、空気噴出管１８が配置され、空気ブロア２０からの空気が下方に向けて噴出されるように下向きの開孔１９が設けられている。なお、酸素が溶解できれば、酸素富化空気などを供給することも好適である。さらに、下部ろ層１６の上方の被処理水を取り出し、外部で酸素を溶解した後、戻してもよい。

空気噴出管１８の上方には、分割床板２２が配置され、これによって本体１０の内部が下部空間と上部空間に仕切られている。

この分割床板２２の上部には、ろ材を充填した上部ろ層２４が形成されている。また、分割床板２２は、図２に示すように、通水口２６を多数有しており、この通水口２６の上面には網２８が配置されている。この網２８によって被処理水は流通可能であるが、上部ろ層２４のろ材が通水口２６を通って下方に落下しないようになっている。

また、分割床板２２の下面には、通水口２６を取り囲み下方に伸びる通水管３０が設けられている。そして、この通水管３０は、空気噴出管１８より下方にまで伸びて下端が開放している。従って、空気噴出管１８に設けられた下向きの開孔１９から噴出された空気は、通水管３０内に至ることはない。

また、本体１０の分割床板２２の直下には、空気抜き管３２が接続されている。この空気抜き管３２は、本体１０の脇をその上部まで立ち上がり開放されており、その途中には、バルブ３４が設けられている。そして、空気抜き管３２によって、分割床板２２の下方にたまる空気を排出することで、下部空間の水面が空気噴出管１８の上方に維持される。なお、バルブ３４の調整によって、下部空間の空気層の圧力を調整することもできる。また、本体１０内の上部ろ層２４の上方には、ろ材の流出防止網３６が全面に配置されている。

処理水室１４には、処理水管３８が接続され、この処理水管３８は本体１０上まで立ち上げられる立管とこの立管の所定位置から横方向に伸びる横管からなっており、横管の位置によって、本体１０内の上部空間における水位が決定されている。

処理水管３８からの処理水は、処理水槽４０に一旦貯留された後、後段の処理装置に供給される。また、処理水槽４０内の処理水は、逆洗ポンプ４２によって処理水室１４に供給可能であり、本体１０内の上部空間から洗浄排水を排出可能になっている。

なお、下部ろ層１６、上部ろ層２４のろ材としては、ケイ砂、アンスラサイトなどの急速ろ過池用ろ材が好適に用いられる。また、生物の付着性、保持性に優れたポリエステル製繊維ろ材やセラッミク製ペレット、連続気泡を有するポリプロピレン製円筒形ろ材（例えば、直径４ｍｍ、高さ４ｍｍ、厚み０．５ｍｍ程度のもの）などを利用することもできる。

このような装置において、被処理水（例えば、深井戸水）は、着水井に一旦貯められた後、原水ポンプや自然流下などによって、瀑布方式により生物ろ過装置の本体１０の上部に供給される。この被処理水は、大気との接触による酸素供給により４ｍｇ／Ｌ以下と溶存酸素濃度が比較的低く維持されている。被処理水は、大気との接触による酸素供給により上部ろ層２４を通過する際に、ここに生育する鉄細菌、硝化細菌などによって鉄、マンガン、アンモニアが酸化除去される。特に、ＤＯが比較的低いため、鉄が非常に効果的に除去される。

そして、上部ろ層２４を通過した被処理水は、通水口２６、通水管３０を介し、下部空間に至る。下部空間には、空気噴出管１８によって、開孔１９から空気が供給（曝気）されているため、ここで被処理水のＤＯが８．０ｍｇ／Ｌ以上まで上昇される。そして、このＤＯの高い被処理水が、下部ろ層１６を通過する。これによって、被処理水中に、残留するマンガン、アンモニアが効果的に酸化除去される。なお、マンガンは、捕捉除去されるが、アンモニアは、酸化され、硝酸態窒素となることで除去される。

このようにして、１つの下降流型生物ろ過装置を利用して、鉄、マンガン、アンモニアのすべてが効果的に除去される。

なお、ろ層の圧損が大きくなったり、ろ過時間が所定時間を経過した場合には、被処理水の供給を中止し、逆洗ポンプ４２を駆動して処理水を処理水室１４に供給して逆洗を行う。逆洗水は、下部ろ層１６、上部ろ層２４を通過し、過剰の固形物が洗浄排水として排出される。なお、流出防止網３６によって、逆洗時における上部ろ層２４のろ材の流出が防止されている。

＜基本例＞
まず、深井戸水を被処理水とした場合の生物ろ過処理における溶存酸素濃度ＤＯの影響を確認した。図３に示す実験装置によって、深井戸水の連続通水を行った。この実験装置は、生物ろ過装置として、通常の急速ろ過装置を用いた。本体６０の内部には、１つのろ層６２が設けられている。なお、ろ層６２の下方には、支持砂利層６４を設け、この内部にストレーナを配置して、ろ過処理水をストレーナを介し排出する。また、この生物ろ過装置の前段に原水槽６６を設け、ここに噴水式曝気装置６８を設けた。さらに、生物ろ過装置の流入部分は、瀑布式曝気構造とした。

そして、ろ層６２のろ材にはφ４．０ｍｍ×Ｌ４．０ｍｍの中空円筒形で、材質はポリプロピレン製、比重１．２５のものを採用し、これを１２０ｃｍの層高で充填した。原水槽のＤＯは、噴水式曝気装置６８を利用しなければ０．０ｍｇ／Ｌであり、噴水式曝気装置６８を利用した場合はＤＯ７．５ｍｇ／Ｌ前後となった。また、生物ろ過装置の流入部で瀑布式曝気となっているので、生物ろ過装置の流入水ＤＯは、原水槽で曝気なしの場合に４．５〜６．５ｍｇ／Ｌ、原水槽６６で曝気している場合に８．０〜９．０ｍｇ／Ｌとなっていた。なお、被処理水（原水）中の鉄濃度は３．０ｍｇ／Ｌ、マンガン０．４５ｍｇ／Ｌ、アンモニア性窒素０．５ｍｇ／Ｌであった。

流入水のＤＯを変化させた場合における鉄、マンガンの処理水濃度を図４に示す。なお、この図４では、３種類の通水速度について調べている。

生物ろ過装置への流入水ＤＯの相違により、鉄とマンガンの除去性に大きな違いが見られた。低ＤＯ時には鉄がよく除去され、高ＤＯ時にはマンガンが除去されることが分かる。なお、アンモニア性窒素濃度はいずれの条件においても０．０１ｍｇ／Ｌ未満であった。

次に、生物ろ過装置のろ層高さ方向での鉄、マンガン、アンモニア性窒素濃度の変化を図５に示す。高ＤＯ（８．６ｍｇ／Ｌ）時の通水結果（通水２７日）であるが、鉄のほとんどはろ層６２上部の１／４までで処理されているが、マンガンとアンモニアはろ層６２全体で処理されていることが分かる。

これらの結果から、鉄とマンガンとアンモニア性窒素を確実に生物ろ過処理するには、ろ材上部でのＤＯを低くし、ろ材中部から下部にかけてはＤＯを高くすればよいことが分かる。

＜実施例１＞
次に、下降流でありながら上部ろ層を低ＤＯとし、下部ろ層を高ＤＯとする図１の装置にて深井戸水の通水実験を行った。上部ろ層２４と下部ろ層１６の合計のろ層高さは１２０ｃｍ、通水速度ＬＶは２２５ｍ／ｄ、上部ろ層２４の高さは４０ｃｍとした。また、空気噴出管１８から空気を導入し、溶解しきれない酸素と窒素は余剰空気として空気抜き管３２により排出した。

本実施形態の装置によるＤＯは、生物ろ過流入水で６．３ｍｇ／Ｌ、ろ過中部（下部ろ層２４上方）で８．２ｍｇ／Ｌ、処理水で６．４ｍｇ／Ｌであった。

＜比較例１、２、３＞
また、比較として、（比較例１、２）生物ろ過装置の流入前に曝気有り、ろ層中部曝気なし、（比較例３）流入前曝気有り（小）、ろ層中部曝気無しでの実験も行った。

比較実験でのＤＯは、（比較例１）流入水で８．８ｍｇ／Ｌ、ろ層中部で７．９ｍｇ／Ｌ、処理水で６．３ｍｇ／Ｌ、（比較例２）流入水で５．９ｍｇ／Ｌ、ろ層中部で４．１ｍｇ／Ｌ、処理水で１．８ｍｇ／Ｌ、（比較例３）流入水で３．０ｍｇ／Ｌ、ろ層中部で１．２ｍｇ／Ｌ、生物ろ過処理水で０．９ｍｇ／Ｌ、であった。

＜結果＞
これらの処理水の鉄、マンガン濃度、ＤＯの変化を表１に示す。

これより、ろ層上部でのＤＯを比較的低くし、中部以下を高くする本実施形態の生物ろ過装置により、鉄、マンガンの両方を確実に低濃度まで処理することができることが確認された。すなわち、比較例１では、ＤＯが全体として高く、処理水マンガン濃度０．０２ｍｇ／Ｌと、マンガンはよく除去されているが、処理水鉄濃度は０．５２ｍｇ／Ｌとかなり高くなっている。一方、比較例３では、ＤＯが全体として低く、処理水鉄濃度０．０２ｍｇ／Ｌと、鉄はよく除去されているが、処理水マンガン濃度は０．３ｍｇ／Ｌとかなり高くなっている。比較例２では、ＤＯが中間程度で、処理水マンガン濃度０．０４ｍｇ／Ｌ、処理水鉄濃度０．１３ｍｇ／Ｌと両者ともかなりよく除去されている。しかし、本実施形態では、処理水マンガン濃度０．０２ｍｇ／Ｌ、処理水鉄濃度０．１１ｍｇ／Ｌと両者とも比較例２より低く、良好な処理水質となっている。

なお、生物ろ過装置において、酸素供給量を制御する場合には、他の処理対象であっても本実施形態の装置が好適に利用可能である。

実施形態の構成を示す図である。分割床板の構成を示す図である。実験装置の構成を示す図である。ろ層内の処理の状況を示す図である。処理条件と処理水質の関係を示す図である。

符号の説明

１０，６０本体、１２支持板、１４処理水室、１６，２４ろ過層、１８空気噴出管、２０空気ブロア、２２分割床板、、２６通水口、２８網、３０通水管、３２空気抜き管、３４バルブ、３６流出防止網、３８処理水管、４０処理水槽、４２逆洗ポンプ、６２ろ層、６４支持砂利層、６６原水槽、６８噴水式曝気装置。

Claims

被処理水をろ材を充填したろ層に下降流で通過させ、前記ろ材に付着した生物を利用して生物処理を行う生物ろ過装置において、
前記ろ層の中間部において上部ろ層を通過してきた被処理水に酸素含有ガスを供給する酸素供給手段と、
この酸素供給手段によって供給された酸素が前記ろ層の上部に供給されることを防止する酸素供給防止手段と、
を有することを特徴とする生物ろ過装置。
請求項１に記載の生物ろ過装置において、
前記酸素供給防止手段は、
前記ろ層の中間部に設けられ、被処理水の流通を許容しつつ、前記ろ層を上下二層に分割する分割床板と、
この分割床板の下部に設けられ、過剰酸素含有ガスを排出する酸素排出手段と、
を有し、
前記酸素供給手段は、前記分割床板の下方に設けられていることを特徴とする生物ろ過装置。
請求項２に記載の生物ろ過装置において、
前記分割床板は、前記ろ材の径よりも小さい目開きの網を取り付けてある通水口と、この通水口を包囲して、下方に伸びる通水管を有しており、
前記酸素供給手段は、前記通水管の外側であって、通水管の下端より上方に位置していることを特徴とする生物ろ過装置。
請求項１〜３のいずれか１つに記載の生物ろ過装置において、
前記被処理水は、鉄、マンガン、アンモニアのうちの１つ以上を含み、これらのうちの１つ以上を処理対象とすることを特徴とする生物ろ過装置。