JP4836420B2

JP4836420B2 - 繊維製接触材と水処理装置および水処理方法

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Publication number: JP4836420B2
Application number: JP2004223648A
Authority: JP
Inventors: 康二郎藤井; 研司羽田
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: JP2005066595A

Description

本発明は、一般家庭や工場から排出される下水や汚水または工業排水等（以下、排水等または簡単に排水ということがある）に対して活性汚泥法による生物的処理を行うに際し、生物処理を行う微生物等を担持するための接触材またはその接触材を用いた処理装置または処理方法に関する。具体的には、バクテリア（汚泥）のみならず原生動物や後生動物にとっても棲息し易く固着しやすい構造の接触材に関する。さらには、そのような接触材を用いることにより、生物処理により生成した余剰汚泥を効率的に減少せしめることができる水処理装置または水処理方法に関する。

一般家庭や工場から排出される排水等では、水処理槽内に浮遊するバクテリア（汚泥）を用いてＢＯＤ成分（含有有機物成分）等を生物処理するいわゆる活性汚泥法が用いられることが多い。生物処理されたＢＯＤ等は、バクテリアの呼吸と増殖のエネルギーに使われ、バクテリアが増殖して発生した余剰汚泥の量は、以下の式（１）で表される。

余剰汚泥量＝ａ×Ｓｒ−ｂ×Ｘ＋Ｙ（１）
（ここで、ａは汚泥転換率（従属栄養細菌≒０．５〜０．７）、Ｓｒは除去ＢＯＤ量、ｂは活性汚泥の自己酸化率（０．０３〜０．０５）、Ｘは活性汚泥量、Ｙは無機ＳＳ量を意味する。）

つまり、排水等から除去されたＢＯＤ成分の５０〜７０％が余剰汚泥となる。この余剰汚泥の処理費は、生物処理法の運転コストの５０〜６０％を占めるため、大きな問題となっている。

ところで、余剰汚泥を補食する原生動物や後生動物（以下、巨大微生物という場合がある）が、活性汚泥槽に棲息していることが知られている。しかし、従来の活性汚泥槽内では曝気のための強い旋回流が加えられており、バクテリアに比べ数十倍〜数千倍の大きさのこれら巨大微生物が増殖できる環境ではない。その結果、従来の活性汚泥法では、上記式のａは高い値のままであり、余剰汚泥の発生量が多くなる。

そこで、これら巨大微生物が増殖できる環境を槽内に作り出し、微生物の食物連鎖機構を利用して余剰汚泥であるバクテリアを巨大微生物に捕食させ、余剰汚泥を減容させる生物処理法が提案されている。例えば、巨大微生物が棲み付く場として、筒面が網目状若しくは格子状に形成された長筒形芯体の外周面に、所定厚みをもった多孔質体を捲回した接触材を用いる例が開示されている（特許文献１参照）。巨大微生物は、この多孔質体の中心に発生すると記載されている（００２０欄参照）。また、炭素繊維を用いた接触材にも各種の大型微生物が固着するようになることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。また、ウレタンスポンジ状の接触材やポリプロピレン中空成形体等を浮遊させる接触材等も知られている。

しかしながら、これらの生物接触材を用いた場合でも、巨大微生物の接触材への固着は不十分であり、より良い接触材が求めていた。さらには、より良い接触材を用いた水処理装置等が求められていた。

なお、巨大微生物に関してではないが、水処理に用いられるバクテリアの担体である接触材として、各種の固定床や流動床となるものが提案されている。固定床としては、繊維状（例えば、非特許文献２参照）や、紐状または織物状等の接触材、また、プラスチック成形によるハニカム状や網目状のものがある。さらには可撓性かつ耐蝕性を有する螺旋状の芯材と、該芯材の径方向に密接されかつ耐蝕性を有する多数の突起からなり、これら芯材及び突起の材質として、合成樹脂、ガラス繊維、炭素繊維等を用いることができるものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。流動床としては、硝化菌を高分子物質の多孔質ゲルに固定化したもの（例えば、特許文献３参照）が開示されている。
特開平０６−０２３３８８号公報大谷杉郎、炭素繊維を利用した水環境整備技術の開発、繊維と工業、Ｐ．１６８〜１７２、Vol．５７、No．６（２００１）川上直也ら、各種繊維製接触材を用いた硝化能の比較、第３７回日本水環境学会年会講演集、Ｐ．３９７、２００３年特開平０５−１１５８８９号公報特開平１０−１８０２７７号公報

バクテリア、原生動物、後生動物のいずれにとっても、棲みやすくかつ接触材から脱落しにくい、水処理用の生物接触材を提案することを課題とする。また、このような接触材を用いることで、余剰汚泥を効率的に減容化若しくはゼロにすることができる水処理装置または水処理方法を提案することを課題とする。

本発明の第一は、生物処理により水処理を行う生物接触材であって、可撓性芯材と、前記芯材表面から突出して設けられた多数のループ状繊維とを有し、前記繊維の表面が、ｐＨが５以上９以下の水中において正に帯電してゼータ電位が１ｍＶ以上３０ｍＶ以下であり、前記生物処理において前記表面が好気性域または通性嫌気性域に保たれうることを特徴とする繊維型接触材である。

ここで、前記繊維の太さが、５０ｄｔｅｘ以上１５０ｄｔｅｘ以下であり、前記繊維が、前記繊維を５本以上１５本以下束ねた繊維束として前記芯材表面に設けられていることは好ましい。また、前記ループ状繊維の長さが、１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることは好ましい。また、前記芯材表面において前記ループ状繊維束を設けた密度が、１ｃｍ^２あたり２５束以上８１束以下であることは好ましい。また、前記芯材の直径が、３ｍｍ以上８ｍｍ以下であることは好ましい。また、前記繊維束として、長さが２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下のループ状繊維を束ねた第一の繊維束と、長さが１０ｍｍ以上２０ｍｍ未満のループ状繊維を束ねた第二の繊維束とが用いられ、前記第一の繊維束と前記第二の繊維束とが交互に設けられたことは好ましい。

また、前記第一の繊維束が設けられた部分と前記第二の繊維束が設けられた部分とが、前記芯材回りに二重ラセンをなして設けられていることは好ましい。また、前記芯材が、可撓性金属線にリボン状の基布を巻き付けて構成されており、前記基布と前記ループ状繊維とがパイル織物を構成していることは好ましい。また、接触材の形状が、ラセン形であることは好ましい。また、前記ラセン形の外直径が６０ｍｍ以上９０ｍｍ以下であり、内直径が１５ｍｍ以上であることは好ましい。また、前記ループ状繊維が、熱可塑性樹脂に帯電剤を混練り後、紡糸されたものであることは好ましい。また、前記熱可塑性樹脂が、ポリ塩化ビニリデン樹脂であることは好ましい。

発明の第２は、生物処理槽と固液分離手段とを備え、排水を好気性域下もしくは通性嫌気性域下で生物処理する水処理装置であって、前記生物処理槽は、内部が２槽ないし６槽に区画されてかつ順次連通しており、前記各槽内には、請求項１に記載の繊維製接触材が、略鉛直方向となるようにして複数が並設されている水処理装置である。

生物処理槽と固液分離手段とを備えて排水を生物処理する水処理装置であって、前記生物処理槽は、前記排水を好気性域下で生物処理する槽と、通性嫌気性域下で生物処理する槽とを備えて３槽ないし６槽に区画されて順次連通しており、前記各槽内には、上記の繊維製接触材が、略鉛直方向となるようにして複数が並設されており、前記固液分離手段は、前記生物処理槽の後段に設けられると共に、固液分離による分離物の少なくとも一部が前記生物処理槽の最初の槽に返送される機構を備えている水処理装置である。

ここで、前記複数の繊維型接触材の外周間の離間距離が、１５ｍｍ以上であることは好ましい。また、前記固液分離手段が、沈降槽であることは好ましい。また、前記固液分離手段が、膜分離装置であることは好ましい。

発明の第３は、生物処理工程と固液分離工程とを経由し、ＢＯＤ成分を含む排水を好気性域下もしくは通性嫌気性域下で生物処理する水処理方法であって、前記生物処理工程は、２段ないし６段に区分されてかつ順次連続して経由し、前記各段では、略鉛直方向となるようにして複数が並設された請求項１記載の繊維製接触材に担持された微生物類により、前記ＢＯＤ成分および余剰汚泥が処理される水処理方法である。

発明の第４は、生物処理工程と固液分離工程とを備えて排水を生物処理する水処理方法であって、前記生物処理工程は、前記排水を好気性域下で生物処理する工程と、通性嫌気性域下で生物処理する工程とを備えて３段ないし６段に区画されて順次連続して処理がなされ、前記各段では、略鉛直方向となるようにして複数が並設された請求項１に記載の繊維製接触材に担持された微生物類により、前記排水が処理され、前記固液分離工程は、前記生物処理工程の後段に設けられると共に、固液分離による分離物の少なくとも一部が前記生物処理工程の最初の段に返送される水処理方法である。

バクテリアだけでなく、よりサイズが大きな原生動物や後生動物にとっても、良好な棲息場所として棲息かつ増殖でき、接触材からの脱落が生じにくい。そのため、このような接触材を水処理装置に用いることにより、食物連鎖機構に基づいて余剰汚泥の発生量を大幅に減少せしめることが可能となる。

本発明は、好気性または通性嫌気性に保たれた状態で行われる生物処理に使用する。接触材は、通常の水処理の運転条件下で、生物が棲息するその表面が好気性域または通性嫌気性域に保たれるものであり、水処理装置もそのような接触材に対応したものである。ここで、好気性とは水中の酸素濃度（ＤＯ）が０．３ｐｐｍ以上の状態をいい、通性嫌気性とはＤＯが０．３ｐｐｍ未満であるがゼロではない状態をいう。さらにＤＯがゼロの状態を偏性嫌気性という。なお、ここでＤＯがゼロとは、生物が利用できる溶存酸素が実質的にゼロであることを意味する。

攪拌が不十分な領域が発生する等の何らかの原因により偏性嫌気性域が部分的にでも発生すると、本発明の接触材を用いた水処理に予定する生物相が崩れてしまい、偏性嫌気性域が発生した周辺では、バクテリアや原生動物等からなるコロニーが、接触材からはがれ落ちたりするためである。なお、偏性嫌気性域が発生すると、その部分が黒化し、空気中に取り出した場合には特有の腐敗臭が感じられる。従って、偏性嫌気性域が生じているか否かは容易に判別できる。

繊維型接触材は、可撓性の芯材を有している。芯材は、接触材の形状をあらかじめ定めた任意の形状に保ち、重力や液流れの影響で接触材どうしが必要以上に近づいたり、または型崩れや接触を生じたりして、液流れが悪くＤＯが低下して偏性嫌気性域が生じることを防ぐ役割を果たす。加工の容易さおよび微生物類が担持した後でも重力などに抗する強度を有する点から、芯材には可撓性のある金属線または適当に可塑化された軟質塩ビニル等のプラスチック棒等を用いることもできるが、接触材として用いる形へ変形した後の型戻りが生じにくい点から金属線を用いるのが好ましい。金属線は複数の細線を寄り合わせたより線であってもよいが、強度と可撓性を合わせ持たせるためには、単一の金属線からなる単線を用いるのが好ましい。

金属線は水中で長期に使用するから、腐食防止のための被覆を施しておくことがよい。被覆は防水塗装等であっても良いが、取扱性および変形に対する被覆の追随性から塩化ビニールやポリエチレンやポリプロピレンのごときプラスチック類による被覆を設けておくのが好ましい。金属線の材質は、軟鉄、アルミニウム、銅等、比較的可撓性が大きいものを特に制限無く用いることができるが、水中における耐腐食性の観点から銅が好ましい。

金属線の直径は、材質によって異なるが１ｍｍ以上７ｍｍ以下であることが好ましい。より好ましくは２ｍｍ以上６ｍｍ以下である。さらに好ましくは３ｍｍ以上５ｍｍ以下である。

芯材には、上記の被覆に加え、さらに基布を巻き付けてあることが好ましい。この基布に微生物を担持するためのループ状繊維を織り込むことで、安定して微生物を担持でき、長期の使用に耐える接触材を得ることができる。基布の材質は、水中での強度維持と寸法安定性、微生物により分解されにくいことから合成繊維製であることが好ましい。合成繊維としては、ポリアミド系繊維、ポリエステル系繊維、ポリウレタン系繊維、ポリ塩化ビニル系繊維、ポリ塩化ビニリデン系繊維、ポリアクリル系繊維等のいずれも用いることができる。基布の織り方は、平織、綾織、朱子織のいずれでも良いが、強度の点から平織が好ましい。

基布の厚みは０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下程度が好ましい。基布の芯材への捲き付け方は、基布をあらかじめ袋状にして芯材に被せたり、基布を芯材に巻き付けてから端部を合わせてもよく特に限定されないが、リボン状の基布をラセン状に巻き付けるのが簡単で好ましい。基布を芯材に固定する方法も特に限定されず、熔着したり接着剤を用いたりして芯材に直接接着してもよいし、基布の合わせ部分を縫製したり接着する等の方法により固定しても良い。また、芯材に巻き付けた基布の上から糸等で縛る等の方法により固定しても良い。ラセン状に基布を巻き付けた場合は、芯材の両端部分の基布だけを固定するようにしても良い。なお、基布も含めた芯材の直径は、３ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましい。このような直径とすることにより、ループ状繊維を植え込む基布の面積を稼ぐことも可能となる。

芯材の表面には、バクテリアや後生動物等の微生物類を担持するための、多数のループ状繊維を設ける。ループ状繊維とは、一定長さの繊維状物の両端だけが芯材表面に固定され、繊維状物の両端以外は、芯材表面から離れるように突出した状態のものをいう。接触材を繊維状とすることにより、接触材の単位体積あたりの表面積を著しく大きくして、微生物の棲息密度を上昇せしめると共に、水処理装置の単位体積あたりの処理能力を増大せしめる。ここで、繊維の太さは５０ｄｔｅｘ以上１５０ｄｔｅｘ以下が好ましい。５０ｄｔｅｘ以上で、増殖したバクテリア等が重力や旋回流により接触材から脱落しにくくなり、１５０ｄｔｅｘ以下で、接触材の単位体積あたりの表面積が大きくなる。また、繊維はループ状として芯材に固定する。ループ状とすることにより、繊維表面に付着して増殖したバクテリアや巨大微生物が、重力や酸素供給のための旋回流により、繊維から脱落する現象が生じにくくなる。

ループ状繊維の長さ（芯材表面に固定した一方の端から、ループに沿って長さを測定して、芯材表面に固定したもう一方の端に到達するまでの長さをいう。）は、１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好ましい。ループ状繊維の長さが５０ｍｍ以下で、ループの根元付近が偏性嫌気性域になりにくく、偏性嫌気性域から生成される物質により、その周辺の通性嫌気性域やさらにその外周の好気性域においてバクテリアの活動が低下したり、またはバクテリア自体が死滅してしまうような事態が生じにくい。好ましくは２０ｍｍ以上４５ｍｍ以下であり、より好ましくは３０ｍｍ以上４５ｍｍ以下であり、さらに好ましくは３０ｍｍ以上４０ｍｍ以下である。このような長さになるようにループ状繊維をリボン状の基布に植え込み、この基布を芯材の表面上にラセン状に巻きつけることで接触材が構成される。

また、ループ状繊維の長さが１０ｍｍ以上２０ｍｍ未満のものと、２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の長さのものとの２種類を用い、これらを交互に配列することが望ましい。これにより、汚泥が接触材に付着した状態で汚泥に凹凸が生じ、攪拌流が流れやすくなってさらに偏性嫌気性域が生じにくくなる。なお、３種類以上を用いてもよいことはいうまでもない。ここで、交互に配列するとは、図１に記載したごとく隣接する一束ごとに長さの異なるものを用いてもよいし、基布の長尺方向には一束ごとに長さが異なるものを用い、幅方向には同じ長さの束を用いるようにしても良い。また、１枚の基布の中に長さが長い束だけを一定数設けた領域と長さが短い束だけを一定数設けた領域を設け、これらの領域が交互になるように配置するのであってもよい。この場合、長さの長い束だけを設けた領域が広すぎると、短い長さの束の領域を設けた効果が得にくくなるので、効果が得られるように領域の広さを調整すればよい。

また、作りやすさの観点からは、比較的短いループ状繊維の束を所定密度で植え付けたリボン状の基布と、比較的長さが長いループ状繊維の束を所定密度で植え付けたリボン状の基布との二本を用意し、これら二本の基布を一本の芯材に対し、二重ラセンをなすようにして交互に巻き付けるのが望ましい。この場合、三本以上の基布を用いて三重以上のラセンとしてもよいことはいうまでもないが、簡単のためには二重ラセンとするのが望ましい。

これを、芯材に巻いた織物の織り目からのループ状繊維の高さ（外力を加えない状態のループがなす形状において、ループの両端が固定されている芯材表面から最も離れたループの先端部分までの距離）で表現すると、高さは、４ｍｍ以上１６ｍｍ以下であることが望ましい。ループの高さが１６ｍｍ以下では、ループの根元付近が偏性嫌気性域になりにくく、偏性嫌気性域から生成される物質により、その周辺の通性嫌気性域やさらにその外周の好気性域において菌の活動が低下したり、または菌自体が死滅してしまうような事態が生じにくい。また、できるだけ表面積を大きくするためには高さが４ｍｍ以上であることが望ましい。また、図１に記載したごとく、ループ状繊維の高さが４ｍｍ以上１０ｍｍ未満（ｈ_２）のものと、１０ｍｍ以上１６ｍｍ以下の高さ（ｈ_１）のものとの２種類を用い、これらを交互に配列することが望ましい。なお、３種類以上を用いてもよいことはいうまでもないが簡単のために２種類が望ましい。これにより、汚泥に凹凸が生じて攪拌流が流れやすくなり、さらに偏性嫌気性域が生じにくくなるのは、ループの長さで表現した場合と同様である。

ループ状繊維は、芯材表面のプラスチック製の腐食防止被覆を設けた場合に、その被覆の表面に直接一本一本接着するようにしても良いが、上記の基布を用い、この基布にループ状繊維を植え込んだパイル織物とし、このパイル織物を用いて接触材を構成すれば、製造が容易でしかも長期使用に耐える丈夫な接触材が得られ好ましい。このような接触材の断面図の例を図２に示す。図２の接触材例では、芯材は、金属線６とプラスチック被覆７および基布８から構成されており、その周囲に２種類の高さのループ状繊維３と４が多数設けられている。

ループ状繊維は、３以上２０本以下の繊維を束ねた繊維束とし、この繊維束を単位として芯材表面に設けることが好ましい。ループ状繊維１本１本が離ればなれの独立ループとなっている形状では、ループの腰が弱くなり、繊維に付着したバクテリアの重量に抗しにくく、旋回流によるループの揺れが激しくなりがちである。しかし、繊維束とした形状では、バクテリアの重量や旋回流に抗してループが元の形状を保ちやすく、そのため液流れが確保しやすく、偏性嫌気性域が生じにくい。またバクテリアも補足しやすい。好ましくは５本以上１５本以下であり、さらに好ましくは７本以上１２本以下である。

芯材表面に繊維束を設ける密度は、芯材表面１ｃｍ^２あたり２５束以上８１束以下となるようにするのが好ましい。８１束以下で偏性嫌気性域が生じにくく、２５束以上で曝気に伴う気泡とそれによる旋回硫による攪拌に抗して、汚泥をしっかり捕捉できる。また、巨大微生物が脱落しにくくなるため、巨大微生物の棲息と増殖が生じやすくなる。より好ましくは３６束以上６４束以下である。

ループ状繊維の材質としては、水中での強度維持と寸法安定性を確保でき、微生物により分解されにくく、かつ繊維状に容易に成型できることから合成樹脂製であることが好ましい。中でも、繊維の製造の容易さから熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンやポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。比重が大きく、かつ繊維がある程度の剛性を保持できループの形状を保ちやすいことから、特にポリ塩化ビニリデンを用いることが好ましい。ループ状繊維の製法は、発明の効果が発揮する範囲で常法に従って紡糸すればよく特に制限されない。

ループ状繊維は、その表面がｐＨが５以上９以下の水中において正に帯電するものを用いる。このような繊維を用いることにより、バクテリアのみならず巨大微生物まで脱落しにくくなる。巨大微生物まで脱落しにくくなる理由は不明であるが、正に帯電したループ状繊維が表面荷電の影響で巨大微生物の体にまとわりつきやすくなると考えられること、さらに多数の繊維が密集した状態で設けられていること及び、それぞれの繊維がループ状をなしていること等が相乗的に働くことにより、結果的に巨大微生物が脱落しにくくなるのではないかと推測している。

ループ状繊維の表面が正に帯電しているか否かの確認に関しては、簡易法としては、カチオン性染料とアニオン性染料とを用意し、ｐＨが５以上９以下において、繊維が前者には染まらないが、後者には染まることで確認することができる。しかし、この簡易法では、着色の有無が、染料と表面の親水性や疎水性の違い等によっても影響を受けるため、より正確には、繊維表面のゼータ電位を測定することにより確認することが望ましい。

ループ状繊維表面のゼータ電位はｐＨ５から９の範囲内で正であり、さらにこの範囲内で安定していることが望ましい。正のゼータ電位の大きさは１ｍＶ以上３０ｍＶ以下である。この範囲内で、巨大微生物の脱落防止の効果が発揮でき、ひいては水処理において余剰汚泥を大幅に減少できる優れた効果が発揮される。より好ましくは１ｍＶ以上２４ｍＶ以下であり、さらに好ましくは１ｍＶ以上２０ｍＶ以下であり、さらには２ｍＶ以上１０ｍＶ以下が好ましい。

ループ状繊維の表面のゼータ電位が大きすぎると、付着した微生物が死滅したり、活動が抑制されたりして、生物活動する微生物量が減る傾向が出てくる。そのため、排水の処理能力が低下する傾向にある。特に、帯電物質として四級アンモニウム塩基を有する化合物を繊維表面に多量に存在させた場合には、そのような傾向が顕著である。

一般に熱可塑性樹脂は、ｐＨ５から９の水中で表面が負のゼータ電位を有する。そのため、正に荷電させるためには、この負の荷電を打ち消して正に変化させる処理を施す必要がある。表面が正に帯電したループ状繊維は、以下のような方法で作成することができる。例えば、あらかじめ紡糸した繊維に正荷電を有する帯電剤を塗布または含浸する方法がある。また、繊維加工しうる熱可塑性樹脂に帯電剤を混練りしたのち紡糸する方法等がある。また、第三級アミン等を含む帯電剤前駆体を用い、前記と同様に繊維に塗布または含浸するか、または樹脂に混練する等の処理を行い、しかるのち繊維の状態で四級化処理する方法がある。または基材となるポリマーに電子線または放射線を照射してラジカルを発生させ、二重結合と正イオンとなりうる基とを持った化合物をグラフト重合させる方法がある。また、同一分子内に二個以上のカルボキシル基を持つ化合物を帯電剤前駆体として用い、繊維化後に２価以上のカチオンを含む塩溶液で後処理することにより、カルボキシル基との間にキレートを生ぜしめて表面を正に荷電させてもよい。製造のし易さと帯電剤の安定した固定化のためには、熱可塑性樹脂に帯電剤を混練りしたのち紡糸する方法が好ましい。

帯電剤としては、正の荷電を有するか若しくは有しうる種々の化合物を用いることができる。例えば、一般式Ｒ_４Ｎ^＋Ｘ⁻で表される第４級アンモニウム塩（ここで、Ｒは、アルキル基、アリル基等の炭化水素残基であり、４つの残基は互いに同一であっても良いし異なっていても良い。Ｘはハロゲン、硫酸基、アルキルスルフォン酸基、芳香族スルフォン酸基または硝酸基等の酸基である。）があげられるが、その他の窒素化合物としてアルキルアミド系化合物、ベンゾトリアゾール系化合物、アゾ系化合物等があげられる。

第４級アンモニウム塩としては、ポリアクリル酸エステルトリメチルアンモニウムクロライドのごときポリアクリル酸型カチオンや、ジアリルジメチルアンモニウムクロライドの重合より得られるポリカチオンがあげられる。アミド系化合物としては、下記化学式で示されるポリ（オキシエチレン）アルキルアミドやヤシ油ジエタノールアミド等をあげられる。

ベンゾトリアゾール系化合物としては、２−（２’−ヒドロキシ−５’−メチルフェニル）ベンゾトリアゾール、２−（２’−ヒドロキシ−３’−ｔ−ブチル−５’−ｔ−メチルフェニル）−５−クロロベンゾトリアゾール等をあげることができる。アゾ系化合物としては、ジスアゾオレンジＬＧ−２、ＰＶファーストイイェロー（ヘキスト社商品名）等があげられる。

また、所定の水中で正荷電を呈するカチオン樹脂をボールミル等で微粉末に粉砕し、帯電剤として用いても良い。また、同一分子内に二個以上のカルボキシル基を持つ帯電剤前駆体としては、例えばクエン酸、エチレンジアミン四酢酸、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸塩、ジヒドロキシエチルエチレンジアミンニ酢酸、１，３プロパンジアミン四酢酸等が挙げられる。これらの帯電剤前駆体のカルボキシル基とキレート結合を生じさせ、接触材表面を正に帯電させる２価以上のカチオンとしては、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、アルミニウムイオン等があげられる。キレート結合を生じさせる後処理としては、２価以上のカチオンを含む高濃度の塩溶液を用いて表面処理するのが好ましいが、代わりにカルシウムイオン等を比較的多く含む水道水を用いて繊維を洗浄する方法でもよい。

上記の帯電剤若しくは帯電剤前駆体の繊維中の使用量は、帯電剤等と熱可塑性樹脂の種類および目標とするゼータ電位の高さにより異なるが、通常０．０１重量％以上１０重量％以下の範囲で用いるのが好ましい。

このようにして構成された接触材は、生物処理槽内で微生物類と溶存酸素との接触効率を稼ぐため、図３に記載のコイルバネのようなラセン形に整形するのが好ましい。接触材を直線のまま用い、これに旋回流が生じるように案内羽根等を設けるようにしても良いが、構造が複雑になるため、接触材自身をラセン形に加工するのが単純で好ましい。ちなみに図３（ｂ）は、接触材１０をラセン回転の中心軸１３に対して垂直方向から見た場合の概念図であり、図３（ａ）は、同じ中心軸１３に対して平行方向から接触材１０を見た場合の概念図である。ラセン形の中心軸方向からみた回転円の外径ｒ_１は、６０ｍｍ以上９０ｍｍ以下とするのが好ましい。また、回転円を一周するに伴い回転軸方向に進む距離であるラセンのピッチｄとしては、５ｃｍ以上２０ｃｍ以下であることが好ましい。この範囲で、水処理槽の空間の利用効率を高く維持しながら、偏性嫌気性域が生じにくい状態にすることができる。より好ましくは７ｃｍ以上１３ｃｍ以下である。

また、ラセンの内径ｒ_２はできるだけ小さくするのが体積利用効率の点からは望ましいものの、偏性嫌気性域を生じにくくするためには１５ｍｍ以上にすることが望ましい。この範囲で、ラセン形の内部部分が攪拌されやすくなり、内部にバクテリアが詰まるような現象が生じにくくなる。このような接触材を、図５（ｂ）に記載のように、水処理槽内でラセンの中心軸が鉛直方向に略平行になるように設置することにより、曝気気泡の上昇に伴う旋回流を生ぜしめることができる。この旋回流により水処理槽内の攪拌が行われるから、偏性嫌気性域が生じにくく、通性嫌気性及び好気性状態にあり続けるように、付着する汚泥層の厚さを事実上管理することができる。

ちなみに、ラセン内部で攪拌不十分の部分が生じてラセン内部にバクテリアが詰まってしまった場合には、ラセン形全体が一本の棒状となってその内部には偏性嫌気性域が生じる。そのため、内部は腐敗して黒色化し、接触材を空気中に取り出すと独特の腐敗臭を発する。このような状態では、接触材に巨大微生物類が棲息することはできず、余剰汚泥を減容化する機能は失われてしまう。

次に、上記の接触材を用いた水処理装置の構成例について、図４を用いて説明する。図４は、装置の全体構成の概略を示した概念図である。この装置は、排水等２０を受け入れて生物処理する生物処理槽２１と、その下流に設けられて上澄み水３４と汚泥３３とを分離する沈降槽３２と、沈降槽３２から引き抜かれた余剰汚泥を生物処理槽２１に返送する汚泥返送ライン３６とそのためのポンプ３５とからなる。ポンプとしては移送ができるものであればよく特に限定されないが、エアリフトポンプを用いるのが好ましい。この水処理装置を経由して排水等２０は低ＢＯＤの処理済み水３８となり、そのままかあるいは所定の後処理を受けたあと、一般河川等に放出される。ここで、沈降槽３２は、固液分離手段の一例である。

この例では、生物処理槽２１は４段に区分けされ、かつ各槽は直列に順次連通しており、排水等は、順次仕切り板を越流して次の段の槽に流入する構造となっている。このような構造とすることにより、各段で生成する生物相を異なるものとすることが可能となる。具体的には、１段目の第１槽ではバクテリアにより排水中のＢＯＤ成分の分解が主となり、１段目から４段目に移行するにつれてバクテリアから原生動物、後生動物が主となるように生物相が変化するようにする。ちなみに排水等中のＢＯＤ成分はバクテリアにより分解されるが、原生動物及び後生動物はバクテリアを捕食するもののＢＯＤ成分は分解しない。このような多段階の生物処理により、ＢＯＤ成分および排水中に発生する汚泥をかなりの程度まで減少せしめることかできる。

なお、生物処理槽の区分け段数は、ＢＯＤ成分の性状により必要に応じて増減できるが、２段から６段程度が好ましく、生物処理の目的がＢＯＤ成分の廃水処理のみの場合は３段から５段が好ましく、３段から４段がより好ましい。さらに、後述する脱窒処理を併せて行う場合は、３段から６段とするのが好ましい。

この水処理装置では、まず排水２０は１段目の第１槽２５に流入するが、その際、排水を槽の下部に導く誘導板２２により槽の底部から槽２５内に導入される。槽２５内には上記の接触材を複数固定した金属枠または架台２３（以下、モジュール２３という。この構造は後述する。）が固定されており、その下部には接触材上の微生物類に酸素を供給すると共に、旋回流を生ぜしめるための空気を排出する散気管２４が設けられている。この散気管２４からの空気により、接触材表面は、好気性域または通性嫌気性域に保持される。

誘導板２２により槽の下部から槽２５内に流入した排水は、散気管２４から所定量排出される気泡により生じる上昇流にのって、モジュール２３内を上昇しながら排水を攪拌し、合わせて接触材表面の微生物類に酸素を供給する。バクテリアにより排水中のＢＯＤ成分のおよそ６０％から９０％が分解された処理水は、２段目の槽２７との境界に設けられた仕切板２６を越流して２段目の槽２７に流入する。

２段目の第２槽では、やはり１段目と同様な誘導板２２’により、処理水は槽下部に誘導され、散気管２４’からの気泡により上昇してモジュール２３’内の微生物で生物処理される。この槽の接触材には原生動物を主として棲息させることにより、１段目から流入したバクテリアを補食させている。同様な構造の３段目及び４段目では、１段目及び２段目でＢＯＤ成分の９５％以上が分解され後生生物が棲息しやすい状態にして送られたきた液性下で、接触材に後生動物を主に棲息させ、これら巨大微生物に余剰汚泥となるバクテリアを捕食させている。これら各槽に分かれている方式では、それぞれの機能を満足するように酸素濃度や旋回流等の各種条件を設定することができ、これにより所定の生物処理が可能となる。これにより、沈降槽からの余剰汚泥として引き抜き処分する量が、大幅に減少する。さらに、沈降槽からの引き抜きぬいて処分すべき汚泥が殆どなくなるまで余剰汚泥を極少化することが可能となる。

ここで、水処理槽内のモジュールの構造について図５を用いて説明する（いずれの段のモジュールもほぼ同じ構造）。図５は、８本（４本×２列）の接触材４０を金属製の枠４１に格納したモジュールの例である。図５（ａ）は、モジュールを鉛直方向から見た場合の、接触材４０の水平方向の配置状態を示す概念図であり、図５（ｂ）は、略水平方向から見たモジュールの斜視図である。なお、図５（ｂ）図では、図面手前側の４本の接触材だけが描かれており、図面後ろ側に位置する４本は省略されている。モジュ−ルは、このように複数の接触材が、鉛直方向に略平行方向で、多数本が金属枠内に並列になるように配列されており、各接触材の上下端は、金属製の枠または架台に固定されている。

図５（ａ）に示した接触材の外周間の距離Ｓは、できるだけ小さくすることが槽体積の利用効率の観点から好ましいが、一方で小さすぎると接触材の外周間の攪拌が不十分となり、外周間に汚泥が詰まりやすくなる。仮に汚泥が詰まった場合は偏性嫌気性域が生じてしまう。これを防ぐためには、接触材の外周間の距離Ｓは１５ｍｍ以上となるように接触材を配列するのが好ましい。槽の内壁または枠と、接触材の外周間との距離に関しても同様である。

モジュールは、排水等の量やＢＯＤ濃度に応じて１つの槽に複数格納するようにしても良く、その場合、最も体積効率が良いように水平方向若しくは鉛直方向に複数のモジュールを並べることができる。

図４に戻り、生物処理槽２１に続いて設けられた沈降槽３２では、水処理槽の第４槽２９から越流した処理水３１を静置して、沈降汚泥３３と上澄み水３４とに分離する。この沈降汚泥３３は一部処理水と合わせて沈降槽下部から引き抜かれ、ポンプ３５および汚泥返送ライン３６を経て、生物処理槽２１の１段目に戻される。沈降汚泥は、原水水質にもよるが、第１槽へ供給排水の５０％以上４００％以下の量を返送するのが望ましい。これにより生物処理槽との循環を生ぜしめる。好ましくは１００％以上３００％以下であり、１５０％以上２５０％以下がさらに好ましい。

上記の水処理装置は、同じ敷地面積を要する標準活性汚泥法と比較して、およそ３倍から１０倍程度のＢＯＤ容積負荷量を処理可能であり、発生する余剰汚泥も無いか若しくは少量ですむ利点がある。

図４の水処理装置では、大部分を生物体が占めるＭＬＳＳを沈降させて固液分離し、これを生物処理槽の第１段めに戻すために沈降槽３２を用いている。しかし、沈降槽は比較的大きな設置面積を要することから、より省スペース化するために、沈降槽に代わる固液分離手段として膜分離装置を用いることもできる。膜分離装置を用いると、ＭＬＳＳのみならず、処理水中のバクテリア類やＳＳ物質やコロイド物質も分離・除去されることから、良好な回収水が得られ好ましい。

膜分離装置に用いることができる膜種は、ＵＦ膜またはＭＦ膜である。膜の形状は、中空糸膜、平膜、管状膜のいずれも用いることができる。ただし、ファウリング等による膜の目詰まりや、膜やモジュールの形状による膜分離装置の詰まりが生じにくい仕様とする必要がある。

膜濾過装置は、最終段の生物処理槽内に膜モジュールを浸漬し、膜モジュール内を陰圧にすることで濾過するＭＢＲ法（膜分離活性汚泥法）とすることができる。または、最終段の生物処理槽から活性汚泥液をポンプアップして、膜分離装置に加圧送液して濾過する方法としてもよい。いずれの方式も適用可能である。

膜分離装置から分離された濃縮液は、前段の生物処理槽の先頭の処理槽に戻す。また、膜分離装置で濾過された水は、上述のように回収して再利用するか、または放流する。再利用のためにより純度の高い処理水が必要な場合、例えば、工場等の生産工程用の水に使用するなどの場合は、ＵＦまたはＭＦを用いた膜分離装置の後に、さらにＲＯ膜を用いた膜分離装置を連結するのが良い。このように処理された処理水は、電気抵抗が１ＭΩ以上の純水とすることもでき、特に問題なく再利用することができる。

以上、説明したように、図４に記載された水処理装置は、各段において主として好気性域下で生物によるＢＯＤ処理を行うものであるが、ＢＯＤ処理に併せて脱窒処理が必要な場合には、通性嫌気性域下で脱窒処理を行う脱窒槽を水処理装置の中に設けるのがよい。例えば、醤油の製造等のように、製造排水中に窒素成分の多い排水の処理を行う場合は、ＢＯＤ成分の分解に加えて脱窒処理が必要となる。ここで、脱窒処理とは、排水中のアンモニア態窒素が好気性域下で硝化菌により酸化されて硝酸化合物となり、続いて、この硝酸化合物が嫌気性雰囲気下で脱窒素菌により窒素ガスに分解される処理をいう。後段の脱窒処理は、生物処理槽のＯＲＰ（酸化還元電位）を０から−２００ｍＶ程度のマイナス領域に保つことで実施される。このような脱窒処理を利用した水処理装置の構成例を図７に示す。

図７に示した水処理装置は、生物処理槽８４と沈降槽１２０とからなり、生物処理槽８４は、複数の隔壁８５により内部が槽９０から槽９６の６槽に分かれている。生物処理の目的がＢＯＤ処理と脱窒処理の両方を行う場合は、生物処理槽を４段から６段とするのが好ましい。なお、図７で隔壁８５は簡略化されて記載されているが、図４の生物処理槽の隔壁２６、２２’等と同様の構造を有し、６槽は順番に連通している。

生物処理槽８４の第１槽は、第１嫌気槽９０であり、図示されていないが、接触材モジュールが内部に設置されており、攪拌機１００によって内部の液が攪拌されながら排水８１中のＢＯＤを利用して脱窒素が行われている。これにより硝酸化合物が窒素ガスと水に分解される。続く好気性の曝気槽９１から９３では、内部に接触材モジュール１１０〜１１２が設置されており、散気管１０１〜１０３から空気が槽内部に供給されている。ここでは、アンモニア態窒素の硝化とＢＯＤ成分の分解が行われる。

３番目の曝気槽９３から、ライン１３１により流入原水の４００％程度の量を取り出し、第１嫌気槽に循環させる。曝気槽９１〜９３で生じた硝酸化合物を第１嫌気槽９０に送り込むことで、脱窒素効率を上げるためである。また、３番目の曝気槽９３の排水の一部は、次の槽である第２嫌気性槽９４に移動する。この槽には、外部からＢＯＤ成分としてエタノール１１４が供給されており、これを用いて残りの硝酸化合物が脱窒される。

続いて、生物処理槽の最後に、やはり接触材モジュール１１３と散気管１０５を備えた好気性の曝気槽９６が設けられており、ここに排水が移動して残存したＢＯＤ成分が分解される。

続いて、排水は沈降槽１２０に移動し、水中に浮遊していたＭＬＳＳが沈降して沈降汚泥１２１を形成する。なお、第１槽から第６槽までの活性汚泥浮遊物（ＭＬＳＳ）は、ほぼ同じ程度の濃度である。この沈降汚泥として２０％から４０％も濃度が高くなった沈降ＭＬＳＳを、ライン１３０に含まれる図示されないエアリフトポンプ等を用いて、原排水が流入している第１槽の生物処理槽に循環液として戻す。これは、図４を用いて説明した好気処理だけの場合でも、この図７による嫌気処理と好気処理を併用した処理の場合のいずれでも同じである。これにより汚泥の減容を行う

沈降槽１２０の上澄み液は、処理水１２３として放流する。この処理水中の残存窒素は１０ｐｐｍ以下にすることができるし、処理ＢＯＤを５ｐｐｍ以下程度とすることもできる。また、排水の窒素濃度によっては、嫌気槽９０、９４で接触材モジュールを使用しないで脱窒処理を行うことも可能である。

外部から水処理装置内に流入する排水のＢＯＤ成分の濃度が、下水に相当するＢＯＤ２００ｐｐｍ程度であれば、生物処理槽内部のＭＬＳＳは、１０００〜１５００ｐｐｍ程度で平衡に達する。また、流入排水のＢＯＤ成分の濃度が２０００〜４０００ｐｐｍであれば、ＭＬＳＳは徐々に増加し、１００００〜３００００ｐｐｍでほぼ平衡に達する。

いずれの場合でも、流入するＢＯＤ量が低下すると生物処理槽内のＭＬＳＳ濃度は低下し、逆に、流入ＢＯＤ量が増加するとＭＬＳＳ濃度は増加する。これは、槽内に流入する有機物を浮遊微生物が処理して増殖し、その浮遊微生物を繊維製接触材に付着しているみみず等の高位生物が補食して、ＭＬＳＳが調節されているものと考えられる。そのため、流入負荷の変動はこれらの微生物群によって吸収される。従って、これらの水処理方法は負荷変動に強く、また余剰汚泥の引抜き量の調節等の複雑なメンテナンスを必要としていない。つまり、生物類の補食関係や生物間の自然のバランスの上にたつ優れた方法であると言える。

以下、製造例、実施例、比較例等により本発明を詳細に説明する。なお、製造例等で用いたゼータ電位の測定法は、図６に示す測定装置を用い、測定用カラム５０に被測定物である繊維５６を多孔板５４と５５で移動しないように密に充填し、カラム内を測定用の測定液で満たした。なお、測定液は、ｐＨを下げる場合は純水で希釈したＨＣｌを添加し、ｐＨをあげる場合には、同じく純水で希釈したＫＯＨを適宜添加して、電気伝導度が０．３ｍＳ／ｍから０．８ｍＳ／ｍの範囲内でｐＨを調整した。続いて、測定液７０の入口５１より加圧し、出口７１に設けられた弁５３を調節して圧力を調整した。加圧により発生する差圧を圧力センサ５８と５９を用いて差圧計６０で計測し、また、流動電位を電極５７を用いて電圧計６１で計測した。この測定値から以下の式（２）に従ってゼータ電位を求めた。

ゼータ電位（ζ）＝−ΔＶ×η×κ／（ε×ΔＰ）（２）
（ここで、ΔＰは装置にかけた濾過圧であり、ΔＶはΔＰにより生じる流動電位である。また、ηは測定液の粘度であり、κは測定液の電気伝導度、εは測定液の誘電率である。）

（製造例１）ポリプロピレン樹脂と、ポリプロピレン樹脂に対して２．５ｗｔ％となる量のエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）とを混合して混練りし、この混練り樹脂を紡糸して、太さが１０５ｄｔｅｘの糸を得た。続いて、この繊維を比較的カルシウムイオン濃度の高い水道水で洗浄した。この糸を用いて、ｐＨ９、７または５における流動電位を測定し、これからゼータ電位をもとめた。各々のｐＨにおけるゼータ電位は、＋０．４ｍＶ、＋０．６ｍＶ、及び＋０．７ｍＶであった。

この糸０．５ｇを、直径２ｃｍ、長さ１５ｃｍのカラムに充填し水道水を通水後、Ｅ．Ｃｏｌｉ１０９を生理食塩水に６．１×１０の８乗個／ｍｌの濃度で分散させ、これを５０ｍｌ／ｈｒの速度で２時間通液した。この通過液をサンプリングしブイヨン寒天平板混釈法にて培養しＥ．Ｃｏｌｉ１０９の菌体濃度を調べ、２．５×１０の７乗個／ｍｌの濃度を得た。９６％と良好な吸着率であった。

（比較製造例１）製造例１で用いたポリプロピレン樹脂を用い、帯電剤を混練りしないで太さ１０２ｄｔｅｘの繊維を紡糸した。この繊維の、ｐＨ９、７及び５のゼータ電位を求めたところ、各々のｐＨで、−８．０ｍＶ、−５．８ｍＶ、及び−１．６ｍＶと、いずれでも負であった。また、求めたゼータ電位はｐＨの変化で大きく変動した。

上記の繊維５ｇを直径２ｃｍ長さ１５ｃｍのカラムに詰め、別途用意したＥ．Ｃｏｌｉ１０９を生理食塩水に６．１×１０の８乗個／ｍｌの濃度で分散させた溶液を、このカラムに５０ｍｌ／ｈｒの速度で通液した。カラムの通液を２時間サンプリングし、ブイヨン寒天平板混釈法で培養した。これにより得られたＥ．Ｃｏｌｉ１０９の個数は、５．６×１０の８乗個／ｍｌであり、これからＥ．Ｃｏｌｉ１０９の吸着率をもとめたところ、８．２％と小さい値であった。

（比較製造例２）Ｅ．Ｃｏｌｉ１０９に代えてシュードモナス・フローレッセンスを用い、濃度が３．８×１０の８乗個／ｍｌの生理食塩水分散液を用いたこと、およびカラムの通液を１時間サンプリングしたこと以外は、比較製造例１と同様にして実験を行った。サンプリングした液を用いて、ブイヨン寒天平板混釈法でシュードモナス・フローレッセンスの個数を求めたところ３．４×１０の８乗個／ｍｌであった。これから繊維への吸着率を計算すると１０％とやはり低い値であった。

（製造例２）４−ジメチルアミノピリジンとベンジルクロライドを反応させて得た下記化学式の第４級アンモニウム塩を帯電剤として用いた。

（Ｃ_６Ｈ_５−ＣＨ_２−Ｎ^＋Ｍｅ_２−Ｃ_５Ｈ_４Ｎ）Ｃｌ⁻ Ｍｅ：メチル基

ポリプロピレン樹脂と、ポリプロピレン樹脂に対して０．７５ｗｔ％の量の上記第４級アンモニウム塩とを混合して混錬し、この混合樹脂を用いて紡糸して、太さが９０ｄｔｅｘの繊維を得た。この繊維を用い、ｐＨ９、７、５それぞれでのゼータ電位を求めたところ、各々のｐＨで、＋１．７ｍＶ、＋１．９ｍＶ、＋２．２ｍＶと、いずれも正の値であった。

この繊維０．５ｇを直径２ｃｍ長さ１５ｃｍのカラムに充填し、別途用意したＥ．Ｃｏｌｉ１０９を６．１×１０の８乗個／ｍｌの濃度で分散させた分散液を、このカラムに５０ｍｌ／ｈｒの速度で２時間通液した。この通過液をサンプリングし、ブイヨン寒天平板培地で培養してＥ．Ｃｏｌｉ１０９の個数を調べた。５．５×１０の５乗個／ｍｌの濃度を得た。これから吸着率を計算したところ、９９．１％と高い値であった。

（製造例３）ベンゾトリアゾールとジスアゾオレンジＬＧ−２と椰子油脂肪酸ジエタノールアミドとを、ポリ塩化ビニリデン樹脂に対して各々０．２５ｗ％となる量で、ポリ塩化ビニリデン樹脂に混錬し、この樹脂を紡糸して太さが１１０ｄｔｅｘの繊維を得た。この繊維のｐＨ９、７、５におけるゼータ電位を求めたところ、各々のｐＨで＋１．４ｍＶ、＋１．７ｍＶ、＋１．８ｍＶであり、いずれも正の値であった。

この繊維０．５ｇを直径２ｃｍ長さ１５ｃｍのカラムに充填し、別途用意したシュードモナス・フローレッセンスを８．２×１０の８乗個／ｍｌの濃度で分散させた分散液を、このカラムに４０ｍｌ／ｈｒの速度で２時間通水した。この通過液をサンプリングしブイヨン寒天平板培地で培養し、シュードモナス・フローレッセンスの個数を調べたところ、５．２×１０の５乗／ｍｌの値を得た。これから、繊維への吸着率は９９．９％と高い値であることがわかった。

（比較製造例３）帯電剤を含まない太さ１１０ｄｔｅｘのポリ塩化ビニリデン製の繊維を紡糸した。この繊維のｐＨ９、７、５におけるゼータ電位を求めたところ、各々のｐＨで、−６．１ｍＶ、−５．３ｍＶ、−３．９ｍＶであり、いずれも負の値であった。

この繊維０．５ｇを直径２ｃｍ長さ１５ｃｍのカラムに詰めた。別途用意したＥ．Ｃｏｌｉ１０９を生理食塩水に６．１×１０の８乗個／ｍｌの濃度で分散させた分散液を、このカラムに５０ｍｌ／ｈｒの速度で通液した。カラムの通液を２時間サンプリングして、ブイヨン寒天平板培地で培養してＥ．Ｃｏｌｉ１０９の個数を求めたところ、５．３×１０の８乗個／ｍｌであり、繊維への吸着率は１３％と低い値であった。

（製造例４）乾燥させた架橋度８％の強塩基性イオン交換樹脂をボールミルにかけ、十分に微細粉末化した。ポリエチレン樹脂にこの粉末を、樹脂に対して１．５ｗｔ％となるように混合したあと溶融混錬し、この樹脂を用いて太さが１５０ｄｔｅｘの繊維を紡糸した。この繊維のゼータ電位を求めたところ、ｐＨ９で＋２．９ｍＶ、ｐＨ７で＋３．３ｍＶ、ｐＨ５で＋３．５ｍＶと、いずれのｐＨでも正の値であった。

この繊維０．５ｇを直径２ｃｍ長さ１５ｃｍのカラムに充填し、別途用意したＥ．Ｃｏｌｉ１０９を６．１×１０の８乗個／ｍｌの濃度で分散させた分散液を、このカラムに５０ｍｌ／ｈｒの速度で２時間通水した。この通過液をサンプリングしてからブイヨン寒天平板培地で培養し、Ｅ．Ｃｏｌｉ１０９の個数を調べた。個数は９×１０の５乗個／ｍｌであり、これから繊維への吸着率は９９．８％と高い値であることがわかった。

（比較製造例４）ポリエチレンを溶融紡糸し、１３０ｄｔｅｘの繊維を得た。本繊維に１０Ｍｒａｄの電子線を照射し、繊維内にフリーラジカルを発生させた。一方、反応機にグリシジルメタアクリレートが１０％のメタノール溶液を準備し、フリーラジカルを発生させたポリエチレン繊維を３０℃の温度下でこの溶液に５分間浸漬して反応させた。これにより、グリシジルメタアクリレートが側鎖となったポリエチレン繊維が得られた。この繊維を反応機から取り出し、未反応物をメタノールで洗浄し除去した。この繊維をトリエチルエタノールアミンの５０％水溶液に浸漬し、ポリエチレンに架橋しているグリシジルメタアクリレート基のエポキシ環の一部をエタノールアミンで開裂させた。このようにして１３０ｄｔｅｘのポリエチレン糸に、第４級アンモニウム塩基を側鎖に持ったイオン交換能の有る糸を得た。この繊維のｐＨ９、７、５におけるゼータ電位を求めたところ、各々のｐＨで＋６８ｍＶ、＋７３ｍＶ、＋７５ｍＶであった。

この繊維０．５ｇを直径２ｃｍ、長さ１５ｃｍのカラムに充填し、別途用意したＥＣｏｌｉ１０９を２．２×１０の８乗個／ｍｌの濃度で分散させた分散液を、このカラムに５０ｍｌ／ｈｒの速度で２時間通液した。この１００ｍｌ通過液をサンプリングし、ブイヨン寒天平板培地で培養して、ＥＣｏｌｉ１０９の個数を調べた。検出個数は３．７×１０の７乗であり、これからＥＣｏｌｉ１０９の繊維への吸着率は８２％であった。

（比較製造例５）比較製造例４と同じポリエチレン糸を使用し、同一の電子線照射を行い、同一の反応機で５％のグリシジルメタアクリレートを用い反応を行った。次いで、３５％のトリエチルエタノールアミンの水溶液に浸漬して反応させ、第４級アンモニウムを側鎖に持ったポリエチレン糸を得た。
この繊維のｐＨ９、７、５におけるゼータ電位を測定したところ、＋３８ｍＶ、＋４１ｍＶ及び＋４０ｍＶであった。この繊維０．５ｇを比較製造例４と同一濃度、同一量のＥＣｏｌｉ懸濁液を用い、同一のカラムで同一の条件で吸着率を求めた。本例のゼータ電位では吸着率は９０％であった。

（比較製造例６）比較製造例４と同じポリエチレン糸を使用し、５Ｍｒａｄの電子線照射を行い、５％のグリシジルメタアクリレートを用い架橋反応を行った。次いで１０％のトリエチルエタノールアミンの水溶液で反応させ、第４級アンモニウム基を側鎖に持ったポリエチレン糸を得た。

この繊維のｐＨ９、７、５におけるゼータ電位を測定したところ、＋３２ｍＶ、＋３３ｍＶ、及び＋３４ｍＶであった。この繊維０．５ｍｇを比較製造例４と同一量を同一のカラムで同一の条件で吸着率を求めた。本例のゼータ電位では９５．５％の吸着率であった。

（製造例５）比較製造例４と同じポリエチレン糸を使用し、５Ｍｒａｄの電子線照射を行ってポリエチレン糸のフリーラジカルを発生させ、３％のグリシジルメタアクリレートを用いて側鎖として反応させた。これをメタノールで洗浄し、次いで１０％のトリエチルエタノールアミンの水溶液で反応させ、４級アンモニウム基を側鎖に持ったポリエチレン糸を得た。

この繊維のｐＨ９、５、７におけるゼータ電位を測定したところ、それぞれ＋２３ｍＶ、＋２５ｍＶ、＋２４ｍＶの値を得た。この繊維０．５ｍｇを比較製造例４と同一の条件でＥＣｏｌｉの吸着率を求めたところ９８，９％であった。ゼータ電位が＋３０ｍＶ以下であれば十分な高い吸着性を得ることができる。

２−（２’−ヒドロキシ−３’−ｔ−ブチル−５’−メチルフェニル）−５−クロロベンゾトリアゾール、ＳＦグリーン、クエン酸の各々を帯電剤として用い、ポリ塩化ビニリデン樹脂に対して０．３ｗｔ％、０．５ｗｔ％、０．５ｗｔ％となるように、ポリ塩化ビニリデン樹脂と混合してから混錬し、しかるのち紡糸して太さが１０５ｄｔｅｘの繊維を得た。続いて、この繊維の表面を飽和濃度の塩化カルシウム水溶液で処理したあと水洗した。この繊維のｐＨ９、７、５におけるゼータ電位は、各々、＋２．１ｍＶ、＋２．５ｍＶ、＋２．６ｍＶであり、いずれも正の値であった。

幅５ｍｍで長尺のポリエステル織布のリボン２本を基布として用い、上で得た繊維を基布の片面でループ状となるように織り込んだパイル織物を作成した。その際、１本のリボンには、繊維１０本を一束とし、長さが３５ｍｍとなるように繊維の織り込み長さが調節されたループ状繊維（高さはおよそ１４ｍｍ）の束が、リボン５ｍｍあたりに３束、つまり１ｃｍ^２あたり３×３×（１／０．５／０．５）＝３６束となるように基布に織り込んだパイル織物を作成した。同様にして、他の１本のリボンには、織り込み長さが１８ｍｍ（高さはおよそ８ｍｍ）となるよう調節されたループ状繊維の束が、リボン１ｃｍ^２あたり３６束となるように織り込んだパイル織物を作成した。

次に、可撓性の単線である銅線にポリ塩化ビニルが被覆された直径４．３ｍｍで所定長さの金属線に、ループ状繊維が外側に出るようにして、上記２本のリボンが二重ラセンを構成するようにすきまなく巻きつけ、金属線の両端部分で２本のリボンが解けないように固定して繊維製接触材を製作した。これにより、接触材の長さ方向と円周方向のいずれについても５ｍｍごとに高さが異なるループ状繊維が設けられた接触材が得られた。

この繊維型接触材を、外周部の外直径がおよそ８５ｍｍで内直径がおよそ２１ｍｍであり、さらにラセンの回転軸回りの一回転に伴うピッチがおよそ１１ｃｍとなるラセン形に加工した。

この接触材複数を、高さ２．３ｍ、長さ０．５ｍ、幅１．６ｍのステンレス製フレームの上下に渡して上端と下端とを固定し、モジュールを製作した。その際、ラセン状繊維接触材の設置間隔が、ループ状繊維の先端間の間隔が３０ｍｍとなるように配列した。なお、モジュールの下部に、高さが０．３ｍの架台フレームを取り付けた。同様なモジュールをさらに４台製作した。

次に、これらのモジュールを用いて、図４に記載されたものと同様の水処理装置を用意した。この装置の生物処理槽は、長さ３．８ｍ、幅２．０ｍ、高さ３．０ｍで、槽内の処理水の容積は約２０ｍ^３であり、長さ方向に沿って容積が５：３：３：３で直列の４槽になるように仕切り板で区分けされている。これら４槽では、上流から下流へ処理水が押し流されるように、仕切り板上端の水面付近に越流水のための水路が切られている。

第１槽には、上で製作したモジュールが２台水流れに対して並列に沈められており、第２槽から第４槽には、上のモジュールが各１台ずつ沈められている。各モジュールの上端は処理水の水面からおよそ１０ｃｍの深さに位置している。生物処理槽の下流には沈降槽が設置されており、ここで沈降分離された汚泥は、ポンプにより沈降槽下部から引き抜かれ、返送配管を介して第１槽に返送される。沈降槽で分離された上澄み水は、そのまま放流される。

この水処理装置に、食品製造工場から排出されたＢＯＤ成分が１５００〜２０００ｐｐｍの排水を４０ｍ^３／日供給した。沈降槽下部から８０ｍ^３／日量で汚泥と処理水を抜き出して第１槽へ返送した。この時、第１槽から第４槽のＭＬＳＳはおよそ１２０００から１４０００ｐｐｍの範囲で一定しており、安定した運転が可能であった。

各槽のＤＯ（溶存酸素濃度）は、第１槽が最も高く５ｐｐｍになるように曝気量を設定し、第２槽、第３槽、第４槽と下流に行くにつれて下がるように設定した。第４槽では１ｐｐｍに設定した。

また、稼動当初は沈殿槽の状態観察を行いながら、一部の余剰汚泥を装置外部に排出する操作を行ったが、時間の経過と共に余剰汚泥排出量は徐々に少なくなり、３ケ月以降は余剰汚泥を引き抜く必要がなくなり、それ以降６ケ月まで全く抜き出しをしなかった。このことは、稼働から約２ヶ月で、余剰汚泥の主成分であるバクテリアが原生動物や後生動物等により捕食されるようになり、生物処理槽内で食物連鎖機構が成立したことを示している。

水処理装置の稼動後６ケ月経過した段階で運転は安定しており、処理が終了して放流された処理水のＢＯＤはほぼ常時１０ｐｐｍ以下であり、最大でも１５ｐｐｍ以下を維持していた。また処理水のＳＳも安定して１５ｐｐｍ以下を維持していた。この段階で、第１槽から第４槽の繊維製接触材をひきあげ、接触材を目視で観察した。第１槽の接触材は汚泥で隈なく覆われて糸ミミズも少し観察された。第３槽の接触材は汚泥に糸ミミズが多く棲息していることが観察された。第４槽の接触材は殆ど糸ミミズで覆われていた。目視結果から、下流になるほど後生動物が増え、捕食による食物連鎖が起っていることを示していた。これは余剰汚泥がほぼ発生していないことに符号している。

接触材の顕微鏡観察の結果、第１槽ではバクテリアではズーグレア等の通常の活性汚泥菌が多く、原生動物はカルケシューム、トコフィリアやアスピディスカも観察された。

第２槽では、第１槽と同じくズーグレア等の活性汚泥菌が多くいるが、原生動物は第１槽よりも多く観察される。種類も増えボルティセラ、キロドネラ、タチソマやユープロテス等が観察される。また後生動物の糸ミミズであるアエロゾマも棲息している。

第３槽では、活性汚泥上に原生動物でアルセラが増えまたカルケシューム、エピステリス、ボルティセラ及びアスピディスカが大幅に増加しており、後生動物では糸ミミズのアエロゾマ、デロやナイスが多く棲息しており、さらにはワムシであるヒロディナやレカネも観察される。

第４槽では、主体は糸ミミズのアエロゾマ、デロ、ナイスであり、さらにワムシのヒロディナや原生動物はカルケシューム、エピステェリス、アルセラ、アスピディスカ等２０種以上棲息が観察できた。

以上の如く、生物処理槽に棲息するバクテリア、原生動物及び後生動物が各々の持つ機能を果たすべく設計された繊維製接触材と、区分けされた４槽の処理槽への接触材の設置と、ＢＯＤ負荷量に対応する各槽への空気曝気量等の設定により、原水ＢＯＤ成分及びＳＳ分は放流水質まで処理され、かつ余剰汚泥は極少化されたことがわかった。

比較例１

実施例１で使用した繊維と同等の繊維を用い、ループ状繊維の高さが一律におよそ２０ｍｍとなるように繊維の織り込み長さをおよそ５０ｍｍに調整し、繊維１０本の繊維束が１ｃｍ^２あたり４９束となるようにしてパイル織物を作成した以外は、実施例１と同様にして繊維型接触材を得た。これを、ラセンの外直径が１００ｍｍでラセンの一周ピッチが１５ｃｍとなるように、実施例１と同様にラセン形に加工し、およそ２．３ｍ長さのラセン形の繊維製接触材を作成した。

次に、実施例１で用意した水処理槽の生物処理槽の第１槽の横に、比較実験のために幅３０ｃｍ、長さ５０ｃｍ、高さ３．０ｍの比較実験槽を並設し、第１槽からオーバーフローさせる方法で処理水が流入するようにした。また、第２槽と同様のＤＯとなるように、この槽の下部にも散気管を設けて空気を供給した。この槽から流出した処理水は、そのまま沈降槽へオーバーフローするようにした。この比較実験槽の中に、上で製作したラセン形の繊維型接触材２本を、相互の外周が接触するようにして設置した。

６ケ月運転経過後に、この２本の接触材を引き上げ目視観察した。２本のラセン状接触材は外周部分が一体化し一本のように見える。接触材表面からの汚泥の一部剥離が１０数箇所発生しており、繊維が一部露出している。剥離した部分の芯材に近い部分は黒色化して異臭を放っている。これは、ループ状繊維の高さが、通常の水処理条件で使用するには高すぎたために、それぞれの接触材の芯材付近が攪拌不十分となり、その結果、偏性嫌気性域になってしまったためと考えられる。

また、２本の接触材が接している部分でも、同様に剥離と黒色化が生じている。これは、２本のラセン状接触材が接触している部分でも、攪拌が不十分なために偏性嫌気性域となったためと考えられる。

さらに、接触材で付着汚泥が残存している部分も、指で軽く触れるだけで容易に汚泥が剥離してしまい、その内部の芯材付近が黒色に変色していた。偏性嫌気性菌が生成する各種物質のために、好気性、通性嫌気性汚泥は実施例１の状態に比較し、通常の状態にないと考えられ、実際に付着汚泥を顕微鏡観察した結果でも、原生動物が多少見られるものの実施例１に比して数は著しく少なく、大きい差異が認められた。

接触材に用いるパイル織物の一部の例を示した模式図である。繊維型接触材の芯材に対して平行方向から見た断面の概略を示した模式図である。ラセンに加工した繊維型接触材の一部の模式図である。水処理装置の大まかな構造を示した概念図である。モジュールの一例の概略構造を示した模式図である。流動電位測定装置の概略を示した模式図である。他の水処理装置の大まかな構造を示した概念図である。

符号の説明

１繊維付き基布
２、８基布（リボン）
３、４ループ状繊維
６金属線
７プラスチック被覆
１０接触材
１１芯材
１２ループ状繊維
１３中心軸（ラセン軸）
２０流入排水
２１生物処理槽
２２誘導板
２３設食材モジュール
２４散気管
２５第１槽
２６仕切板
２７第２槽
２７第３槽
２９第４槽
３１処理水
３２沈降槽
３３沈降汚泥
３４処理水
３５返送ポンプ
３６汚泥返送ライン
４０接触材
４１枠
５１入口
５３弁
５４、５５多孔板
５６繊維
５７電極
５８、５９圧力センサ
６０差圧計
６１電圧計
７１出口
８１流入排水
８４生物処理槽
８５隔壁
９０第１嫌気槽
９１-９３、９６曝気槽
９４第２嫌気槽
１００、１０４攪拌機
１０１-１０３、１０５散気管
１１０-１１３接触材モジュール
１１４エタノール添加ライン
１２０沈降槽
１２１沈降汚泥
１２３処理水
１３０返送ライン
１３１循環ライン

Claims

生物処理により水処理を行う生物接触材であって、可撓性芯材と、前記芯材表面から突出して設けられた多数のループ状繊維とを有し、前記繊維の表面が、ｐＨが５以上９以下の水中において正に帯電してゼータ電位が１ｍＶ以上３０ｍＶ以下であり、前記繊維の太さが５０ｄｔｅｘ以上１５０ｄｔｅｘ以下であり、前記繊維が前記繊維を５本以上１５本以下束ねた繊維束として前記芯材表面に設けられており、前記ループ状繊維の長さが１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、前記芯材表面において前記ループ状繊維束を設けた密度が１ｃｍ ^２あたり２５束以上８１束以下であり、前記芯材の直径が３ｍｍ以上８ｍｍ以下であり、前記繊維束として長さが２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下のループ状繊維を束ねた第一の繊維束と長さが１０ｍｍ以上２０ｍｍ未満のループ状繊維を束ねた第二の繊維束とが用いられ、前記第一の繊維束と前記第二の繊維束とが交互に設けられており、前記第一の繊維束が設けられた部分と前記第二の繊維束が設けられた部分とが前記芯材回りに二重ラセンをなして設けられており、前記芯材が可撓性金属線にリボン状の基布を巻き付けて構成されており、前記基布と前記ループ状繊維とがパイル織物を構成しており、さらに、形状がラセン形であり、前記ラセン形の外直径が６０ｍｍ以上９０ｍｍ以下で内直径が１５ｍｍ以上であり、前記生物処理において前記表面が好気性域または通性嫌気性域に保たれうることを特徴とする繊維型接触材。
前記ループ状繊維が、熱可塑性樹脂に帯電剤を混練り後、紡糸されたものである請求項１に記載の繊維製接触材。
前記熱可塑性樹脂が、ポリ塩化ビニリデン樹脂である請求項２に記載の繊維型接触材。
生物処理槽と固液分離手段とを備え、排水を好気性域下もしくは通性嫌気性域下で生物処理する水処理装置であって、前記生物処理槽は、内部が２槽ないし６槽に区画されてかつ順次連通しており、前記各槽内には、請求項１に記載の繊維製接触材が、略鉛直方向となるようにして複数が並設されている水処理装置。
生物処理槽と固液分離手段とを備えて排水を生物処理する水処理装置であって、前記生物処理槽は、前記排水を好気性域下で生物処理する槽と、通性嫌気性域下で生物処理する槽とを備えて３槽ないし６槽に区画されて順次連通しており、前記各槽内には、請求項１に記載の繊維製接触材が、略鉛直方向となるようにして複数が並設されており、前記固液分離手段は、前記生物処理槽の後段に設けられると共に、固液分離による分離物の少なくとも一部が前記生物処理槽の最初の槽に返送される機構を備えている水処理装置。
前記複数の繊維型接触材の外周間の離間距離が、１５ｍｍ以上である請求項４または５に記載の水処理装置。
前記固液分離手段が、沈降槽である請求項５または６に記載の水処理装置。
前記固液分離手段が、膜分離装置である請求項５または６に記載の水処理装置。
生物処理工程と固液分離工程とを経由し、ＢＯＤ成分を含む排水を好気性域下もしくは通性嫌気性域下で生物処理する水処理方法であって、前記生物処理工程は、２段ないし６段に区分されてかつ順次連続して経由し、前記各段では、略鉛直方向となるようにして複数が並設された請求項１記載の繊維製接触材に担持された微生物類により、前記ＢＯＤ成分および余剰汚泥が処理される水処理方法。
生物処理工程と固液分離工程とを備えて排水を生物処理する水処理方法であって、前記生物処理工程は、前記排水を好気性域下で生物処理する工程と、通性嫌気性域下で生物処理する工程とを備えて３段ないし６段に区画されて順次連続して処理がなされ、前記各段では、略鉛直方向となるようにして複数が並設された請求項１に記載の繊維製接触材に担持された微生物類により、前記排水が処理され、前記固液分離工程は、前記生物処理工程の後段に設けられると共に、固液分離による分離物の少なくとも一部が前記生物処理工程の最初の段に返送される水処理方法。