JP5268698B2 - バイオリアクター流動床式生物処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機物を含有する排水を生物処理するバイオリアクター流動床式生物処理装置に関する。

従来から、バイオリアクター流動床式生物処理装置としては、微生物を固定化した担体を具備する所定の反応槽内で排水の生物処理を行う機能を有するものが広く提案されている（例えば、特許文献１乃至４参照。）。

図８に、従来のバイオリアクター流動床式生物処理装置の要部の概略構成図を示す。
図８の要部に示されているバイオリアクター流動床式生物処理装置は、ゴミ等の異物の除去や凝集処理等の一次処理がなされた排水を生物処理するバイオリアクター槽１００と、このバイオリアクター槽１００との間で、所定の配管１０２、１０４を介して排水循環を行う循環槽１０１とを具備している。
バイオリアクター槽１００は、内部に所定の担体（粉砕された活性炭粒子であって、表面及び内部の孔に所定の微生物が担持されたもの）を具備している。
担体は、バイオリアクター槽内において浮遊状態で流動している。

循環槽１０１には水が入っていて、ブロワー１０５から空気が導入されており、循環槽１０１内の水には、酸素が飽和状態近くまで溶解している。
この酸素溶解水は、循環槽１０１から配管１０４を介して、バイオリアクター槽１００に下部から導入され、生物処理を経て配管１０２を介して循環槽１０１に戻るようになされている。

このように生物処理後の排水は、配管１０２から循環槽１０１内に入り、さらに配管１０４を介してバイオリアクター槽１００に向かう酸素溶解水となるが、オーバーフロー分が処理水として配管１０３から回収される。
回収された処理水は、所定の水質基準をクリアすることを条件に、そのまま河川等に排出したり、砂濾過等の所定の処理後、例えば工業用水として使用したりする。

ところで、バイオリアクター槽１００における生物処理に伴い汚泥が生成され、この汚泥が担体に付着するが、汚泥を帯びた担体は比重が軽くなるため、やがてバイオリアクター槽１００の上部から流出してしまうおそれがある。
バイオリアクター槽１００内の担体量が減少すると生物処理能力が低下するため、定期的な汚泥除去作業が必要となる。

バイオリアクター槽１００から汚泥を除去するためには、先ずバイオリアクター槽１００内における排水の循環を停止し、図８に示すようにポンプ１０８を用いて上部の上澄み水を抜き出す。
次に、図９に示すように、作業者１１０が反応槽１００の上部から、所定のノズル１１１をバイオリアクター槽１００内の担体と汚泥の堆積物１１２中に入れ、ノズル口から高圧の空気を流し込み、エア攪拌を行い、担体から汚泥を剥離させる。
エア攪拌後、所定時間静置することにより、比重の重い担体は沈降して下層となり、汚泥は上層となって、両者は分離する。
次に、図８に示すポンプ１０８により汚泥を吸引し、バイオリアクター槽１００の外へと排出する。
その後、バイオリアクター槽１００内に、処理対象である排水を満たし、上述した生物処理を再開する。

特許３３５０４２４号公報 特開２０００−１７６４６２号公報 特開２００４−７３９８６号公報 特開２００５−７２７５号公報

しかしながら、上述した従来技術においては、汚泥と担体との分離及び汚泥の除去作業を、バイオリアクター槽１００等の排水循環を停止した状態で行うことが必要であり、排水の浄化処理作業が中断される。また、汚泥と担体を分離した後に担体を沈降させる時間も必要であるため、全体としての作業効率が極めて悪いという問題がある。
さらには、担体と汚泥の攪拌作業を作業者が行わなければならないため、排水処理のトータルコスト高を招来するという問題もある。

そこで本発明においては、排水循環を停止することなく、汚泥と担体との分離及び汚泥の排出作業、さらには担体の回収を自動で行うことを可能とし、排水処理作業の飛躍的な効率向上を実現するバイオリアクター流動床式生物処理装置を提供する。

請求項１の発明においては、排水を浄化処理するバイオリアクター流動床式生物処理装
置であって、微生物が担持された担体を具備するバイオリアクター槽と、前記バイオリア
クター槽と連通し、攪拌手段を具備する遠心ポンプである汚泥剥離機構と、前記汚泥剥離機構及び前記バイオリアクター槽と連通し、汚泥と担体を収容し、かつ担体の沈降分離を行う汚泥分離槽、担体をバイオリアクター槽に返送する担体返送手段及び汚泥を汚泥分離槽外に送出する汚泥送出手段を具備する汚泥排出機構と、を有し、前記汚泥排出機構においては、前記汚泥分離槽において前記担体を前記汚泥と沈降分離し、前記分離した汚泥を前記汚泥分離槽外に送出しながら、前記担体の沈積量の検出を行い、前記担体返送手段による前記バイオリアクター槽への担体返送のタイミングの制御を行う、バイオリアクター流動床式生物処理装置を提供する。

請求項２の発明においては、前記汚泥排出機構は、前記汚泥分離槽内の担体の界面を検知する担体検知手段を具備しており、当該担体検知手段が、音叉式センサである請求項１に記載のバイオリアクター流動床式生物処理装置を提供する。

本発明のバイオリアクター流動床式生物処理装置によれば、バイオリアクター槽の液循環や、排水処理作業を中断することなく、汚泥と担体との分離と、汚泥排出と、担体回収とを自動化して行うことができ、排水処理作業の飛躍的な効率向上が図られ、かつ担体回収率も極めて高いバイオリアクター流動床式生物処理装置を提供できる。

本実施形態におけるバイオリアクター流動床式生物処理装置の一例の概略構成図を示す。 本実施形態におけるバイオリアクター流動床式生物処理装置の一例の要部の概略構成図を示す。 超音波振動計（音叉式センサ）を用いて担体界面を検知する工程（界面検知前）の概略図を示す。 超音波振動計（音叉式センサ）を用いて担体界面を検知する工程（界面検知後）の概略図を示す。 （ａ）汚泥剥離工程前における担体の状態を示す。（ｂ）汚泥剥離工程後における担体の状態を示す。 （ａ）汚泥剥離工程前における担体の状態を示す。（ｂ）汚泥剥離工程後における担体の状態を示す。 （ａ）汚泥剥離工程前における担体の状態を示す。（ｂ）汚泥剥離工程後における担体の状態を示す。 従来のバイオリアクター流動床式生物処理装置の要部の概略構成図を示す。 従来における汚泥除去作業工程の概略図を示す。

以下、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態）について、図面を参照して説明する。
なお、図面中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとし、さらに図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。

本実施形態におけるバイオリアクター流動床式生物処理装置及びこれを用いて行われる排水処理工程について説明する。
なお、本明細書において、用語「バイオリアクター流動床式生物処理装置」とは、バイオリアクター槽内において、排水中に含有する有機物等を担体に担持させた微生物により生物分解し、その後、担体と汚泥とを分離し、汚泥の排出を行い、さらには担体の回収を行う工程を自動で行いながら清澄な処理水を得る装置を言う。

〔バイオリアクター流動床式生物処理装置〕
図１に、生物処理により生じた汚泥と担体とを分離する工程と、汚泥を系外に排出する工程と、担体を回収する工程とを、自動化して行うバイオリアクター流動床式生物処理装置の一例の概略構成図を示す。
このバイオリアクター流動床式生物処理装置は、排水タンク１、反応・凝集槽２、凝集沈殿槽３、バイオリアクター槽４、循環槽５、汚泥剥離機構６、ブロワー７、汚泥排出機構８、及び汚泥槽９により構成されている。

排水タンク１には、排水の原液が収容されている。
排水の原液は、配管Ｈ１を通じて反応・凝集槽２に送られ、ｐＨ調整しつつ、無機凝集剤や高分子凝集剤が添加されて排水中の懸濁浮遊物の凝集処理が行われる。

次に、排水は、配管Ｈ２を通じて凝集沈殿槽３に送られ、凝集物の濃縮及び沈殿処理がなされ、沈殿物は、汚泥槽９に送り込まれ、フィルタプレス工程を経て固形ケークとして搬出される。
凝集沈殿槽３を経た後の排水（１次処理水）は、配管Ｈ３を通じてバイオリアクター槽４に送り込まれて生物処理がなされる（２次処理）。なお、上記フィルタプレス工程により生じた排水も配管Ｈ４を通じてバイオリアクター槽４に送り込まれ、生物処理が行われる。

図２に、本実施形態におけるバイオリアクター流動床式生物処理装置の一例の要部の概略構成図を示す。
バイオリアクター槽４は、微生物が担持された担体（図示せず）を具備している。担体は、例えば粉砕された活性炭粒子であって、表面には好気性微生物が付着しており、その内側には嫌気性微生物が付着しているものを用いることができる。このような担体を用いることにより、活性炭は排水と接触しながら、有機物等を活性炭表面に付着している微生物で好気性処理するとともに、その内側に付着している微生物で嫌気性処理し、それぞれ効率良く分解が行われる。
バイオリアクター槽４の下部から低流速で排水を循環させるようにすることにより、担体を流動化、自然分級化させることができ、かつ微生物がバイオリアクター槽４の底部で詰まってしまう等の不都合を効果的に回避できる。
さらに、槽底部の有機物高濃度領域で成長した担体付着微生物が、自然分級によって槽上部に浮上して有機物低濃度領域に到達することにより、自己消化が促進され、余剰汚泥の発生が抑制される。

循環槽５には水が入っていて、循環槽５に接続するブロワー７により空気が導入されている。
このため、この循環槽５内の水には酸素が飽和状態近くまで溶解するようになされている。
循環槽５を経た酸素が溶解した排水は、ポンプＰ１の稼動により、循環槽５から配管Ｈ５を通じてバイオリアクター槽４に槽下部から導入される。また、バイオリアクター槽４の槽上部からは、配管Ｈ６を通じて循環槽５へと排水が導入するようになされている。
これによりバイオリアクター槽４と循環槽５との間で排水の循環がなされる。

本実施形態のバイオリアクター流動床式生物処理装置においては、バイオリアクター槽４と循環槽５とを独立して設け、バイオリアクター槽４内で曝気を行わない構成となっているため、バイオリアクター槽４内はエア攪拌が無い穏やかな環境となり、多種多様の微生物が生息でき、食物連鎖が活発化し、余剰汚泥の発生が抑制される。

汚泥剥離機構６は、前記バイオリアクター槽４に配管Ｈ７を介して連通している。
汚泥剥離機構６は、上記バイオリアクター槽４による生物処理後、汚泥と担体とを収容するための所定の槽と、汚泥と担体を吸引し攪拌する機能を有する攪拌手段と、を備えている。攪拌手段は、担体を壊すことなく 汚泥と担体の混合物を、せん断力で分離する機能を具備していれば特に限定されるものではなく、例えば攪拌羽が適用できる。
汚泥剥離機構６の具体例としては遠心ポンプが挙げられる。

汚泥排出機構８は、前記汚泥剥離機構６と配管Ｈ８を介して連通しており、バイオリアクター槽４と配管Ｈ９を介して連通している。
汚泥排出機構８は、例えば直径５００ｍｍの円筒形状の汚泥分離槽を具備しており、この汚泥分離槽において汚泥剥離機構６から配管Ｈ８を通じて送り込まれた汚泥と担体とを収容し、かつ沈降分離がなされる。
汚泥排出機構８は、担体をバイオリアクター槽４に配管Ｈ９を通じて返送する担体返送手段（図示せず）例えばバルブと、汚泥を汚泥分離槽外に所定の配管を通じて送出する汚泥送出手段（図示せず）例えばバルブを具備している。

汚泥排出機構８は、汚泥分離槽内で沈降した担体の界面を検知する機能を有する担体検知手段１０を具備していることが好ましい。汚泥分離槽内における担体の界面検出を行うことにより担体沈積量を知ることができ、担体返送手段によるバイオリアクター槽４への担体返送のタイミングの制御が容易となり、作業効率が向上する。

担体検知手段１０としては、超音波振動計、例えば音叉式センサが挙げられる。
音叉式センサを用いて担体界面を検知する工程について、図３及び図４を示して説明する。
先ず、予め音叉式センサを、振動部の先端が担体の沈積によって界面が到達する所望の位置に配置しておく。
担体が十分に沈積していない状態、すなわち担体界面が音叉式センサの振動部の先端位置に到達していない状態においては、振動部の振動が妨げられないため図３に示すように、自由振動波形が検出される。
一方、担体が十分に沈積した状態となると、担体界面が音叉式センサの振動部の先端位置を超えた高さに到達し、振動が妨げられるため、図４に示すように、振動波形が検出されなくなる。
このように、音叉式センサの振動波形を検出することにより、担体沈積量を検知することができる。

本実施形態におけるバイオリアクター流動床式生物処理装置においては、汚泥剥離機構６による汚泥及び担体の吸引、汚泥排出機構８への導入、汚泥排出機構８における担体界面の検出と汚泥の排出が自動で行われる機構を有している。
例えば、バイオリアクター槽４で生成した汚泥が所定量に達したとき、汚泥剥離機構６を稼動させる所定の駆動信号が送信されるようになされており、汚泥剥離機構６において攪拌分離された汚泥と担体とを汚泥排出機構８に導入し、かつ汚泥排出機構８において担体検知手段１０が稼動し、その検知結果に応じて担体返送手段と汚泥送出手段とが稼動する所定の動作信号が送信するようになされているものとすることができる。

〔排水処理工程〕
次に、本実施形態におけるバイオリアクター流動床式生物処理装置を用いた排水処理工程について、図２の装置要部の概略図を参照して説明する。
なお、以下においては主に、図１中に示した反応・凝集槽２、凝集沈殿槽３における処理を経た排水（１次処理水）に対する２次処理以降の工程を説明する。

１次処理水は、配管Ｈ５を通じてバイオリアクター槽４に送り込まれ、ここで担体に担持された微生物による生物分解、すなわち、ＢＯＤ成分除去、窒素除去、リン除去、汚泥の自己消化や捕食、汚泥のフロック化（生物凝集）を行う。バイオリアクター槽４においては、目的とする処理対象に応じて形態や運転条件を適宜選定できるものとし、例えば、ＢＯＤ成分除去が主目的である場合には、好気工程を主とした運転条件とすることができ、窒素やりんを除去することを目的とする場合には、嫌気工程を主とした運転条件とすることができる。

上記生物分解に平行して、バイオリアクター槽４と循環槽５とにおいて配管Ｈ５、Ｈ６を通じて排水の循環を行う。
循環槽５においては、ブロワー７から導入される空気により、排水に酸素を飽和状態近くまで溶解させ、この酸素溶解水を、配管Ｈ５を通じてバイオリアクター槽４の下部から導入する。バイオリアクター槽４の上部からは、配管Ｈ６を通じて循環槽５に排水を送り込む。このような排水循環により微生物が活性化し、浄化処理が促進される。

上記のように生物処理後の排水は、配管Ｈ６を通じて循環槽５に入り、さらに配管Ｈ５を通じてバイオリアクター槽４に向かう酸素溶解水となるが、オーバーフロー分は処理水として配管Ｈ１１から回収される。
回収された処理水は、所定の水質基準をクリアすることを条件に、そのまま河川等に排出したり、砂濾過等の所定の処理後、例えば工業用水として使用したりする。

バイオリアクター槽４の生物処理により生成された汚泥と、汚泥が付着している担体を、配管Ｈ７を通じて汚泥剥離機構６、例えば遠心ポンプにより吸引し、さらには汚泥剥離機構６の攪拌手段、例えば攪拌羽により攪拌する。この吸引と攪拌によるせん断力によって汚泥を担体から剥離させる。

続いて、汚泥と担体を、配管Ｈ８を通じて汚泥排出機構８に送り込む。
汚泥は担体よりも比重が軽いため、汚泥排出機構８の汚泥分離槽内で担体が下部に沈降し、汚泥と担体とが分離される。
このとき、担体検知手段１０である超音波振動計、例えば音叉式センサにより、担体の界面検出を行い、担体が所望の量、沈積したとき、汚泥排出機構８の底部に配置されている担体返送手段、例えばバルブの開放により担体を配管Ｈ９を通じてバイオリアクター槽４へと返送する。また、汚泥排出機構８の壁部の所定の位置に設けられている汚泥返送手段、例えばバルブを開放することにより、配管Ｈ１０を通じて汚泥を系外へと排出される。
系外へと排出された汚泥は、図１に示す反応・凝集槽２、凝集沈殿槽３で再度の処理がなされ、循環処理が行われる。

図１及び図２に示した本実施形態におけるバイオリアクター流動床式生物処理装置を用い、汚泥剥離機構６による汚泥の担体からの剥離、及び汚泥排出機構８による汚泥と担体との分離を行った。
汚泥剥離工程前、すなわちバイオリアクター槽４から汚泥剥離機構６に導入される配管Ｈ７の位置における担体の状態と、汚泥剥離工程後、すなわち汚泥排出機構８からバイオリアクター槽４に返送される配管Ｈ９の位置における担体の状態を観察した。
汚泥剥離機構６としては、新明和工業（株）製 自吸式ポンプ 型番ＢＶＲ４００Ｓを用いて、電力０．４ｋＷ、攪拌羽の回転数３０００回転／分、処理量０．１ｍ³／分の条件で、汚泥剥離を行った。
担体検知手段１０としては、エンドレス・ハウザー社製 音叉式レベル計 型番ＦＴＭ５１を用いた。
汚泥剥離工程前においては、図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）に示すように、担体の周囲に汚泥が付着していたが、汚泥剥離工程後においては、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）に示すように、汚泥が確実に除去された担体が回収された。
また、汚泥の剥離工程による担体の径の減少はわずかであり、実用上問題とならず、多数回繰り返し使用が可能であることが確認された。

本発明のバイオリアクター流動床式生物処理装置は、下水やし尿等の公共排水、食品や化学等の産業排水、及び湖沼や河川等の環境浄化等を行う装置として、産業上の利用が可能である。また、処理水は河川等に放流できるだけでなく、車両洗浄などの再生水として利用可能である。

１ 排水タンク
２ 反応・凝集槽
３ 凝集沈殿槽
４ バイオリアクター槽
５ 循環槽
６ 汚泥剥離機構
７ ブロワー
８ 汚泥排出機構
９ 汚泥槽
１０ 担体検知手段
１００ バイオリアクター槽
１０１ 循環槽
１０２，１０４ 配管
１０５ ブロワー
１０８ ポンプ
１１０ 作業者
１１１ ノズル
１１２ 堆積物
Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６，Ｈ７，Ｈ８，Ｈ９ 配管
Ｐ１ ポンプ

Claims (2)

1. 排水を浄化処理するバイオリアクター流動床式生物処理装置であって、
   微生物が担持された担体を具備するバイオリアクター槽と、
   前記バイオリアクター槽と連通し、攪拌手段を具備する遠心ポンプである汚泥剥離機構と、
   前記汚泥剥離機構及び前記バイオリアクター槽と連通し、汚泥と担体を収容、分離する汚泥分離槽、担体をバイオリアクター槽に返送する担体返送手段及び汚泥を汚泥分離槽外に送出する汚泥送出手段を具備する汚泥排出機構と、を有し、
   前記汚泥排出機構においては、前記汚泥分離槽において前記担体を前記汚泥と沈降分離し、前記分離した汚泥を前記汚泥分離槽外に送出しながら、前記担体の沈積量の検出を行い、前記担体返送手段による前記バイオリアクター槽への担体返送のタイミングの制御を行う、
   バイオリアクター流動床式生物処理装置。
2. 前記汚泥排出機構は、前記汚泥分離槽内の担体の界面を検知する担体検知手段を具備し
   ており、当該担体検知手段が、音叉式センサである請求項１に記載のバイオリアクター流動床式生物処理装置。