JP4908533B2

JP4908533B2 - 魚類を利用した生物処理方法及び装置

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Publication number: JP4908533B2
Application number: JP2009040273A
Authority: JP
Inventors: 裕一府中; 厚史小林
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Current assignee: Swing Corp
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2029-02-24
Also published as: JP2010194426A

Description

本発明は、下水、工業排水、汚濁の進んだ河川又は湖沼水の生物処理で発生する汚泥の減量化に関する。

有機性排水を浄化する方法として、生物処理システムがある。自然の浄化作用を利用したこの方法は、比較的経済的に運用することができるため、わが国に留まらず、広く世界的に普及している。しかしながら、有機性排水を浄化することによって汚泥が生成し、この処理・処分に多大な労力と費用がかさんでいる。特に、昨今では、埋め立て処分場の用地確保が難しいため、汚泥発生量を低減することが試みられている。
具体的には、オゾンや超音波、もしくは熱を加え、汚泥を構成する細胞を破壊することによって汚泥発生量を抑制することが実施されている。
しかし、いずれの方法も投下するエネルギーは膨大であり、地球環境を考慮すると適切な方法とは言いがたい。
このような観点から、本発明者らは、先に特開２００４−２９８８２３号公報（特許文献１）により、生物処理システムで発生する活性汚泥を魚類の餌とすることで、化石燃料を浪費することなく、汚泥を減量化することを提案している。
特開２００４−２９８８２３号公報下水道施設設計指針と解説２００１年度版（日本下水道協会）

本発明では、生物処理システムによって生じた汚泥を魚類の餌にするという前記先願発明を改良した発明であり、生物処理システムの最適化と共に、生物処理システムで発生する余剰汚泥を魚類の餌として最適にして、有機性排水を自然の浄化作用よって浄化し、その結果として生成した汚泥を自然の営みの中で最少化する生物処理方法と装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明では、生物処理システムで生成する汚泥を魚類飼育槽に導く生物処理方法において、前記生物処理システムが、有機物負荷の高い前段のＡ工程と、該Ａ工程よりも有機物負荷の低い後段のＢ工程との少なくとも二つの工程に分かれ、該Ｂ工程から生じる余剰汚泥をＡ工程に導き、Ａ工程で生じる余剰汚泥を前記魚類飼育槽に導くことを特徴とする生物処理方法としたものである。
前記生物処理方法において、Ａ工程で生じる余剰汚泥は、改質してから魚類飼育槽に導くと共に、該改質は、Ａ工程流出水の一部を返送して生物学的に行うのがよく、前記魚類飼育槽の流出水の一部は、Ｂ工程に戻すことができ、また、前記Ｂ工程流出水の一部をＡ工程に戻すこともできる。

また、本発明では、生物処理槽と魚類飼育槽とを有する生物処理装置において、前記生物処理槽が、有機物負荷の高い前段のＡ槽と、該Ａ槽よりも有機物負荷の低い後段のＢ槽の２槽以上を有し、該Ｂ槽の余剰汚泥をＡ槽に導く配管と、Ａ槽の余剰汚泥を前記魚類飼育槽に導く配管とを有することを特徴とする生物処理装置としたものである。
前記生物処理装置には、余剰汚泥改質槽を有し、前記Ａ槽の余剰汚泥を該余剰汚泥改質槽に移送する配管と、該余剰汚泥改質槽の改質汚泥を前記魚類飼育槽に移送する配管とを設けることができ、前記魚類飼育槽には、魚類飼育槽の流出水の一部をＢ槽に返送する配管を接続することができ、また、前記Ｂ槽には、Ｂ槽の流出水の一部をＡ槽に返送する配管を接続することができる。

本発明は、生物処理システムで発生した余剰汚泥を魚類に摂食させ、体内代謝によって、特別なエネルギーを投入することなく、汚泥の減量化を図るという観点から水処理システムの最適化を図ったものであり、次の効果がある。
１）省スペース、省エネルギーでかつ、処理水質の高度化が図れる。
２）余剰汚泥を魚類の餌とし、成長した魚類と魚類から排泄される糞が得られ、飼料・肥料・土壌改良材として有効利用できる。
３）余剰汚泥の改質が化学物質を投与しなくても可能であり、食いつきの良い餌に変換できる。
４）生物処理システムで発生した汚泥を餌として魚類の体内に取り込み、体内代謝させることによって、特別なエネルギーを投入することなく、汚泥の減量化が達成できる。

すなわち、生物処理システムで発生した汚泥を餌として魚類の体内に取り込み、体内代謝させることによって、汚泥の減量化を達成しようとするものである。さらに、養殖された魚類を飼料や肥料に供することも可能であり、処分汚泥量を著しく減少させることができる。さらに言えば、生物処理汚泥の全量を魚体に変換することによって、生物処理汚泥をゼロにすることも夢ではない。
以上から、自然の浄化作用で生成した汚泥を自然の代謝サイクルに取り組むことが可能になった。

次に、本発明を図面を用いて詳細に説明する。
まず、本発明の実施形態を図１から図４で説明する。
図１では、被処理水１は、生物処理システムに導かれる。生物処理システムは、前段のＡ工程２と後段のＢ工程４が直列に組み合わされている。有機物負荷としてＡ工程２は高く、Ｂ工程４は低く設定される。また、Ａ工程２、Ｂ工程４は、ともに処理方法としては好気性処理が望ましく、プロセスとしては浮遊汚泥法でも生物膜法でもどのような方法でも構わない。
通常の下水道施設（非特許文献１）や、排水、汚濁が進んだ河川・湖沼、し尿などを対象とした様々な処理方法でよく、特に定めはない。
一般に、好気性生物処理を二段で行うと、曝気風量が相対的に少なくなるため省エネであり、同時に生物浄化の進んだ処理水が得られるという利点がある反面、余剰汚泥発生量が多いという欠点がある。本発明では、こうした利点はそのまま生かし、余剰汚泥を魚類にとってより好ましい餌にするように工夫した。

被処理水１は、Ａ工程２に至り、高負荷で生物処理を行い、有機物の残存したＡ工程流出水３がＢ工程４に供給される。Ｂ工程４では、有機物を十分に浄化し、Ｂ工程流出水５となり、系外に排出される。
ここで生成するＡ工程２とＢ工程４の汚泥性状は著しく異なる。前者には、生物分解可能な有機物が多く残っているのに対して、後者には、生物分解可能な有機物はほとんど残っていない。また、後者の汚泥生成量は、前者の約１０分の１から数１０分の１である。
魚類の餌として考えると、Ｂ工程の余剰汚泥をＡ工程に戻し、汚泥を均質化させることが好ましい。したがって、Ｂ工程余剰汚泥７は、Ａ工程２に戻して均質化した後に、Ａ工程余剰汚泥６として魚類飼育槽８に供給することが好ましい。汚泥６の供給の方法として、連続的に供給しても良いが、間欠的に供給した方が効果的な場合もある。

さらに、図２に示すように、Ａ工程２の余剰汚泥６を魚類が摂食し易いように、改質槽１１を介して魚類飼育槽８に供給してもよい。具体的には、改質槽１１に酸素を供給して汚泥の安定化を図ること、言い換えれば、数時間から数日に及ぶ滞留時間を与えて、バクテリア主体の汚泥から後生動物主体の汚泥に生物学的に改質することである。この際、Ａ工程流出水３の一部３１を改質槽１１に導入すると、溶解性の有機物が補充されて、改質が効果的に進行する。
あるいは、図３のように、造粒汚泥をＢ工程流出水の一部５１を用いて、汚泥スラリーの中に存在する溶存有機物量を低下させると、魚類飼育水槽の水質管理が容易になり、これもまた効果的である。もちろん、汚泥の安定化と造粒、水洗とを適宜に組合わせた改質手段も有効である。
別な改質手段として物理化学的な方法がある。つまり、無機凝集剤や高分子凝集剤、とりわけ塩化カルシウムやキトサンとアルギン酸ソーダ、ポリアクリル酸ソーダ、カルボルシルキメチルセルロース（ＣＭＣ）など食品添加物として認められている凝集剤を単独もしくは複数組合わせてＡ工程２の余剰汚泥６に添加し、汚泥を造粒することも極めて効果的である。

魚類飼育槽８では、魚類が余剰汚泥を摂取すると共に、糞や尿を排出するため、魚類飼育槽流出水９はアンモニア濃度が高くなり、必要に応じてＢ工程に戻すことが望ましい。なぜならば、魚類飼育槽流出水９には生物分解可能な有機物であるＢＯＤがほとんど含まれていないため、Ａ工程に戻すとＡ工程での被処理液が希釈されることになり、滞留時間の減少や変動などにより、高負荷下での生物処理が不安定になる。また、Ａ工程２は、負荷の高い状態、言い換えれば生物分解可能な有機物であるＢＯＤが多い状態で処理が行われるため、アンモニアの硝化反応は期待できず、Ａ工程２に戻すメリットは全く見出せない。
なお、魚類飼育槽８底部に溜まる糞１０は、顆粒状の土のような状態になっているため、そのまま系外に排出してもよく、場合によっては、Ｂ工程４もしくはＡ工程２に戻すこともできる。糞１０は沈降性に優れ、余剰汚泥のように脱水処理することが不要であり、そのまま土壌改良剤として土に戻すことができる。また、成長した魚と混合し、飼料や肥料に利用することができる。

魚類飼育水槽８では、グッピーやティラピア、ギンブナなどの雑食性魚類が適している。これら魚類は、汚泥を摂食するにつれて成長する。稚魚から成魚までの成長過程が最もよく摂食するので、いずれの魚類においても、成長過程にある段階の魚類を用いることが好ましい。さらに言えば、魚類の摂食は水温とも大きく関係し、水温が低い場合には摂食量（魚体重あたり）が減る。日本のように、冬季に水温低下がある場所においては、春に稚魚を入れ、夏季から秋季にかけて成長を促し、冬季には成長した魚類にしておくことが望ましい。冬季に単位魚体重量当りの摂食量が減ったとしても、魚類飼育槽８内の魚体重量が増えているため、余剰汚泥の処理量を一年を通じてほぼ一定に保つことができる。
また、魚類飼育槽８の水質維持の観点から、坂巻貝やマシジミ、カワニナなどの貝類を飼育することもできる。魚類飼育槽８には、図示しないが、酸素供給設備や温度調節機構等、魚類にとって適正な環境を保つための設備を付加することが望ましい。
また、魚類飼育槽８を区割りして、成長具合に応じた分類にしても良いし、種類毎に分類することもできる。

このようにして、魚類にとって良好な環境が整うと、魚類による汚泥６の摂食量が増加して、汚泥減量化が進む。魚類から排出される糞等の量は、餌となる汚泥に含有されるタンパク質や炭水化物、脂質等の各栄養素の量や給餌量により異なる。一般的には、餌に含有されるタンパク質や炭水化物、脂質等の各栄養素の消化率は、９０％程度と見込まれ、１０％程度が糞として残る。
また、成魚に比べて仔稚魚期の魚の方が、単位魚体重量当りの摂食量が多く、特に、仔稚魚期の魚を利用することで、効率的に汚泥の減量化が進む。さらに言えば、魚類の摂食量は、水温とも大きく関係し、水温が低い場合には単位魚体重量当りの摂食量が減る。これを利用して、前記したように、日本のように冬季に水温低下がある場所においては、春に仔稚魚期の魚を入れ、夏季から秋季にかけて大きな成長を促し、冬季には成長した魚にしておくことが望ましい。冬季に単位魚体重量当りの摂食量が減ったとしても、魚類飼育槽８内の魚体重量が増えているため、余剰汚泥の処理量を一年を通じてほぼ一定に保つことができる。

ここで最も重要な因子は、餌となるＡ工程の余剰汚泥６の供給量である。一般には、魚体重１ｋｇあたり一日あたり、１０ｇ〜１００ｇが好ましい。さらには、飼育水槽での魚体密度も重要なポイントになる。一般には、水槽容積１ｍ^３あたりの魚体密度は、０．０１ｋｇ〜８０ｋｇが好ましく、さらには０．１ｋｇ〜４０ｋｇがより好ましい。また、必要に応じて、補助の餌、栄養剤、感染防止薬等供給することもできる。
また、必要に応じて、Ｂ工程流出水５を魚類飼育槽８に導くことが、良好な飼育環境を作るうえで有効である。さらには、Ｂ工程流出水５を凝集沈殿やろ過、さらには、オゾン処理、活性炭吸着などの高度処理した後に放流することもできる。もちろん、河川水や地下水が豊富にある場所では、図４に示すように、天然水１００を魚類飼育水槽８に供給することも有効である。
このようにして、成長した魚類は、適宜、取り除き、飼料や肥料に加工することが好ましい。さらに、冬季の間は取り除かないで、春から夏にかけて仔稚魚期の魚と入れ換えることが良い。

次に、様々な実施形態について、図５から図８に基づいて説明する。
図５は、Ａ工程、Ｂ工程とも活性汚泥処理法を採用した例であり、それぞれに曝気槽（２１・４１）と沈殿池（２２・４２）とが配置されている。曝気槽（２１・４１）には、担体を投入することや生物接触材を配備することもできる。
図６は、図５と同様であるが、Ａ工程曝気槽２１に隔壁２４を配備し、Ｂ工程流出水５の一部を循環水５１として、Ａ工程曝気槽２１の隔壁２４の上流側に戻すようにしたものである。ここで、隔壁２４の上流側の曝気を弱めるか、停止することによって嫌気状態にする。
Ａ工程よりもＢ工程は、有機物負荷が低いため、下水のように原水中にアンモニア性窒素が存在する場合、Ｂ工程でアンモニアの硝化が進行しやすい。さらに、Ｂ工程流出水５の一部をＡ工程曝気槽２１の隔壁２４の上流側に循環すると、脱窒素が行われる。また、隔壁２４を複数取り付け、りん除去や窒素除去を適宜実施することができる。

図７は、Ａ工程において担体投入型生物処理法を採用し、後段のＢ工程に生物膜ろ過法（特開昭６３−１５８１９３号公報参照）を用いた例である。Ａ工程の担体投入型生物処理法では、汚泥令が長く保たれるため余剰汚泥の安定化が進み、後生動物の出現などにより生物連鎖が進むため、魚類への餌としてより好ましくなる。また、担体投入法の場合、沈殿池２２からの返送汚泥が不要になるため、シンプルでエネルギーの節約にもつながる。さらに、後段のＢ工程に生物膜ろ過法を用いることによって、生物処理とろ過とが同一槽で可能になり、清澄な処理水が得られると共に、ここでも余剰汚泥の安定化が進むため魚類にとっても好ましい。
図８は、図７に生物学的な改質槽１１を付加した場合であり、Ａ工程流出水の一部３１を改質槽１１に導いていることが特徴である。

以下、本発明を実施例により具体例に説明する。
本発明を図５（実施例１）及び図７（実施例２）に、従来法を図９（比較例１）に、実験結果を表１に示す。
図９（比較例１）で、原水２０１は曝気槽２２１に供給され、処理水は沈殿池２２２で固液分離した後、沈殿池流出水２０５として系外に排出される。沈殿汚泥の一部は、返送汚泥２２３として曝気槽２２１に戻り、また、余剰汚泥２０６は、魚類飼育槽２０８に導かれる。魚類飼育槽２０８において、余剰汚泥２０６は魚類に摂取され、魚類飼育槽流出水２０９の一部は曝気槽２２１に戻り、また、糞２１０は系外に排出される。

実施例１及び２と比較例１は、いづれも水量１００ｍ^３／ｄ、原水ＢＯＤ濃度４００ｍｇ／Ｌの排水とし、魚類はティラピアを選定し、汚泥投与量は１日あたり魚体重１ｋｇあたり２５ｇ程度とした。
魚類飼育槽の容積は実施例１で１０ｍ^３、実施例２で４．７ｍ^３、比較例１で５．２ｍ^３であった。曝気槽容積および曝気風量は実施例１（A工程＋Ｂ工程）で１７．５ｍ^３および６７５Ｎｍ^３／ｄ、実施例２（Ａ工程＋Ｂ工程）で１２ｍ^３および６７５Ｎｍ^３／ｄ、比較例１で４０ｍ^３および１１７０Ｎｍ^３／ｄであった。
実施例１（図５）の魚類飼育槽の容積は比較例１に対し、１．９倍と大きくなる反面、実施例１の曝気槽容積および曝気風量は比較例１に対し、０．４４倍および０．５８倍と小さくなった。また、魚から生じる糞自体の生成量は、実施例１では７０〜９０ｋｇ／ｄと他に比べてやや大きな値であるが、実施例２と比較例１は５０〜７０ｋｇ／ｄと大きな相違がなかった。しかしながら、魚類飼育量に対する糞の発生量では実施例１が最も低かった。これは、実施例１によって生じる余剰汚泥は実施例２や比較例１に比べて、発生量自体は多いものの、魚によって資化される比率が高かったためと思われる。
一方、糞の性状は三者ともほぼ同様であり、顆粒状で沈降性に優れ、攪拌流を与えても直ぐに沈殿した。また、糞を採取し、０．２ｍｍの網に載せると糞は網に留まり、しっかりとした固さであった。
つまり、魚の糞の性状は流入排水の基質によって変化するものの、排水の処理方式によっては大きく左右されないと考察できる。
実施例２（図７）は、実施例１よりも魚類飼育槽が小さくなり、さらに効果的であることがわかった。
また、処理水質に関しても、比較例１に比べて実施例１は優れており、実施例２は実施例１より優れている。

＊注１：生物膜濾過槽の充填容積
＊注２：生物膜濾過槽全体の容積

本発明を図１０（実施例３）に、従来例を図１１（比較例２）に示し、汚泥改質効果について以下に説明する。
図１０は、本発明の実施例３であり、図５に改質槽１１を配置し、Ａ工程流出水の一部３１を改質槽１１に導入したものである。一方、図１１は、比較例２であり、図９に改質槽２１１を配置した従来法であり、沈殿池流出水の一部が改質槽２１１に導かれている。図１０、１１とも、余剰汚泥（６、２０６）と沈殿池流出水（３１、２０５１）とが別々に改質槽（１１，２１１）に導かれているが、予め混合して改質槽に導かれても何ら問題ない。
改質槽１１及び２１１は同一の仕様とし、５時間から１０時間の滞留時間を有する円形槽に、全面曝気型の微細気泡散気装置を配備した。これは、余剰汚泥が沈殿しないで浮遊状態を維持することと、汚泥に過度な衝撃を与えず、汚泥自体による生物凝集作用を最大限に発揮できるように配慮したためである。

余剰汚泥と沈殿池流出水とを１：２の比率で混合して、改質槽前後の様子を比較した結果を表２に示す。
実施例３の改質槽前の上澄水ＢＯＤは４０〜８０ｍｇ／Ｌと高く、汚泥の沈降性はやや不良であり、沈降性の著しく高いものと沈降性の不十分なものとが混合されている状態であった。つまり、粒径分布として、大きな部分と小さな部分との二つの山があるようであった。
一方、比較例２の改質槽前は、均質な汚泥のようであり、汚泥の沈降性も比較的良好であった。しかし、上澄水には、細かい粒子が少し残存する状態であった。
実施例３の改質槽後の上澄水ＢＯＤは５ｍｇ／Ｌ以下であり、処理水を静置すると、汚泥がはっきりと凝集して塊となって沈降する様子が観察された。同時に、上澄水には、肉眼で見える粒子はほとんど存在せず、非常に清澄であった。
一方、比較例２の改質槽後は、汚泥の沈降性はほとんど変わらず、上澄水の清澄さも変化が認められなかったが、ＢＯＤが僅かに低減された。これは、比較例２の場合、改質槽での生物学的反応が穏やかな条件で進行したためと思われる。
なお、実施例３で得られた改質汚泥を魚に供餌したところ、食いつきがよく、摂取量を増加できる可能性が示唆された。

＊注１：３０分静置後の上澄水
＊注２：汚泥の沈降性Ａ：優、Ｂ：良、Ｃ：やや不良、Ｄ:不良

本発明の実施形態の一例を示す構成図。本発明の実施形態の他の例を示す構成図。本発明の実施形態の他の例を示す構成図。本発明の実施形態の他の例を示す構成図。本発明の実施形態の他の例を示す構成図。本発明の実施形態の他の例を示す構成図。本発明の実施形態の他の例を示す構成図。本発明の実施形態の他の例を示す構成図。比較例１に用いた従来法の構成図。実施例３に用いた本発明の構成図。比較例２に用いた従来法の構成図。

１・２０１：被処理水、２：Ａ工程（前段）、３・３１：Ａ工程流出水、４：Ｂ工程（後段）、５・５１：Ｂ工程流出水、６・２０６：Ａ工程余剰汚泥、７・４３・７１：Ｂ工程余剰汚泥、８・２０８：魚類飼育槽、９・２０９：魚類飼育槽流出水、１０・２１０：糞、１１・２１１：改質槽、２２・２２２：Ａ工程沈殿池、２３・２２３：返送汚泥、２４：隔壁、４１：Ｂ工程曝気槽、４２：Ｂ工程沈殿池、４４：生物膜ろ過槽、１００：天然水、２０５・２０５１：沈殿池流出水、２０６：余剰汚泥、２２１：曝気槽

Claims

生物処理システムで生成する汚泥を魚類飼育槽に導く生物処理方法において、前記生物処理システムが、有機物負荷の高い前段のＡ工程と、該Ａ工程よりも有機物負荷の低い後段のＢ工程との少なくとも二つの工程に分かれ、該Ｂ工程から生じる余剰汚泥をＡ工程に導き、Ａ工程で生じる余剰汚泥を前記魚類飼育槽に導くことを特徴とする生物処理方法。
前記Ａ工程で生じる余剰汚泥は、改質してから前記魚類飼育槽に導くと共に、該改質は、Ａ工程流出水の一部を導いて生物学的に行うことを特徴とする請求項１記載の生物処理方法。
前記魚類飼育槽の流出水の一部は、Ｂ工程に戻すことを特徴とする請求項１又は２記載の生物処理方法。
前記Ｂ工程流出水の一部は、Ａ工程に戻すことを特徴とする請求項１、２又は３記載の生物処理方法。
生物処理槽と魚類飼育槽とを有する生物処理装置において、前記生物処理槽が、有機物負荷の高い前段のＡ槽と、該Ａ槽よりも有機物負荷の低い後段のＢ槽の２槽以上を有し、該Ｂ槽の余剰汚泥をＡ槽に導く配管と、Ａ槽の余剰汚泥を前記魚類飼育槽に導く配管とを有することを特徴とする生物処理装置。
請求項５記載の生物処理装置には、余剰汚泥改質槽を有し、前記Ａ槽の余剰汚泥を該余剰汚泥改質槽に移送する配管と、該余剰汚泥改質槽の改質汚泥を前記魚類飼育槽に移送する配管とを設けることを特徴とする生物処理装置。
前記魚類飼育槽には、魚類飼育槽の流出水の一部をＢ槽に返送する配管が接続されていることを特徴とする請求項５又は６記載の生物処理装置。
前記Ｂ槽には、Ｂ槽の流出水の一部をＡ槽に返送する配管が接続されていることを特徴とする請求項５、６又は７記載の生物処理装置。