JP5269331B2 - 廃水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、下水や産業廃水などの有機廃水を生物処理する廃水処理装置に関する。

活性汚泥を利用して有機廃水を生物処理しながら、処理水を逆浸透（ＲＯ）膜、限外ろ過（ＵＦ）膜、精密ろ過（ＭＦ）膜、中空糸（ＨＦ）膜等によって膜分離する方法が知られている。この方法に適用される装置として、例えば、曝気槽内に浸漬膜を設置した装置が特許文献１に開示されている。この装置では、懸濁物質（「ＳＳ」ともいう）の流出を防止して処理水の水質を安定させることができる。しかしながら、浸漬膜によって処理水と活性汚泥とを分離するために、膜表面に活性汚泥やその分泌物が付着して膜閉塞という問題を生じる。そこで、この装置では、逆洗浄装置を設けて膜閉塞を防止していた。
特開２００２−２５３９３５号公報

しかしながら、上記装置では、膜閉塞を本質的に改善することは難しく、透過水量を一定以上に保とうとすると頻繁に逆洗浄が必要になり、処理効率を向上させることは難しかった。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、膜閉塞を効果的に防止し、処理効率を向上させることができる廃水処理装置を提供することを目的とする。

膜閉塞を誘発する菌体外ポリマー（extracellular polymeric substances:ＥＰＳ）を低減できれば、膜閉塞は解消される。そこに着眼した発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討したところ、好気性微生物から剥離した菌体外ポリマーは溶解性有機物になり、溶解性有機物は活性汚泥の基質（栄養素）になって容易に低減できることを知見した。本発明は、上記の知見に基づいて為されたものである。

本発明は、好気性微生物を利用して有機廃水を生物処理する廃水処理装置において、有機廃水が導入されると共に、好気性微生物で前記有機廃水を生物処理する処理槽と、処理槽内に設けられると共に、処理水と好気性微生物とを分離する膜分離手段と、処理槽に接続されると共に、好気性微生物が生成する菌体外ポリマーを好気性微生物から剥離する菌体外ポリマー除去手段と、を備え、菌体外ポリマー除去手段は、処理槽内の好気性微生物の少なくとも一部を引き抜いて処理槽内に返送する循環ライン上に設けられていることを特徴とする。

本発明に係る廃水処理装置では、処理槽内に導入された有機廃水は、好気性微生物によって有機物が分解処理される。有機物が分解処理された処理水は、膜分離手段によって好気性微生物から分離される。好気性微生物中の好気性微生物は、分解処理の過程で菌体外ポリマーを生成し、粘性の高いフロックとなる。好気性微生物中の菌体外ポリマーは、菌体外ポリマー除去手段によって好気性微生物から剥離する。すると、菌体外ポリマーは溶解性有機物になり、好気性微生物の分解作用によって減少する。従って、本発明によれば、好気性微生物が生成した菌体外ポリマーを減少でき、膜閉塞を本質的に防止することができる。その結果として、膜洗浄や交換などに伴う時間ロスを低減でき、処理効率を向上できる。さらに、凝集剤などを利用して膜閉塞を防止する装置に比べて、ランニングコストを抑えることができる。さらに、菌体外ポリマー除去手段は、処理槽内の好気性微生物の一部を引き抜いて処理槽内に返送する循環ライン上に設けられており、好気性微生物の一部を循環させながら処理することができるため、処理槽内で有機物の分解処理を行いながら菌体外ポリマーを減少でき、菌体外ポリマー除去後の好気性微生物を有機物の分解処理に効果的に利用できる。

さらに、菌体外ポリマー除去手段は、好気性微生物が供給される汚泥滞留槽と、汚泥滞留槽内に配置された軸部と、軸部に固定された多孔板と、軸部を軸線方向に沿って往復動させる駆動部と、を有すると好適である。軸部の往復動によって多孔板は往復動し、活性汚泥は、多孔板の孔を通過する際に破砕作用を受ける。その結果として、好気性微生物が生成した菌体外ポリマーは、好気性微生物から効果的に剥離される。

さらに、菌体外ポリマー除去手段は、好気性微生物が供給される汚泥滞留槽と、汚泥滞留槽内に配置された軸部と、軸部に固定された複数の多孔板と、軸部を軸線方向に沿って往復動させる駆動部と、を有すると好適である。軸部の往復動によって多孔板は往復動し、活性汚泥は、多孔板の孔を通過する際に破砕作用を受ける。特に、複数の多孔板を往復動させるので、多孔板同士の相互作用によって活性汚泥の破砕は促進される。その結果として、好気性微生物が生成した菌体外ポリマーは、好気性微生物から効果的に剥離される。

さらに、多孔板に形成された複数の孔のうち、少なくとも一つの孔は、互いに隣り合う他の多孔板に形成された孔と非同軸状に配置されていると好適である。このような構成においては、活性汚泥は、二つの多孔板の各孔間を流動する際に蛇行するため、渦流や乱流が生じて攪拌が助長され、菌体外ポリマーの剥離作用が向上する。

さらに、菌体外ポリマー除去手段は、汚泥滞留槽内を加熱する加熱手段を更に有すると好適である。菌体外ポリマーの剥離は、活汚汚泥を加熱することによって格段に助長される。そのため、軸部の往復動を低速にでき、駆動部での運転効率を向上できる。

さらに、菌体外ポリマー除去手段は、汚泥滞留槽内に滞留する好気性微生物にガスを供給する散気手段を更に有すると好適である。ガスの供給によって、汚泥滞留槽内は攪拌され、菌体外ポリマーは好気性細菌から剥離し易くなり、菌体外ポリマーの除去効率が向上する。
また、菌体外ポリマー除去手段は、好気性微生物が供給される汚泥滞留槽と、汚泥滞留槽内に配置された軸部と、軸部に固定されたスクリュー羽根と、軸部を軸線方向に沿って往復動させる駆動部と、を有すると好適である。

本発明に係る廃水処理装置によれば、膜閉塞を効果的に防止し、処理効率を向上させることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る廃水処理装置の好適な実施形態について説明する。

図１は、本発明に係る廃水処理装置１を示すブロック図である。廃水処理装置１は、活性汚泥を利用して有機物を分解する生物処理に用いられる。廃水処理装置１は、活性汚泥を保持する活性汚泥槽（処理槽）３を備える。活性汚泥槽３には、有機廃水Ｗを導入するための原水ライン５と、空気または酸素ガスからなる曝気ガスを導入するための曝気ライン７とが接続されている。曝気ライン７上には、曝気ポンプ７ａが設けられている。

活性汚泥槽３内には、分離膜を備えた浸漬膜ユニット（膜分離手段）９が配置されており、浸漬膜ユニット９の下方には、曝気ライン７に接続された曝気装置１１が配置されている。曝気装置１１は、曝気ガスを活性汚泥槽３内に供給する。すると、活性汚泥中の好気性微生物Ｘ（図３参照）は、有機廃水Ｗ中の有機物を分解処理する。好気性微生物Ｘは、分解処理の過程で菌体外ポリマーＰを生成し、菌体外ポリマーＰを介して他の好気性微生物Ｘと結び付いてフロックを形成する。浸漬膜ユニット９は、フロック状の活性汚泥から処理水Ｗｓを選択的にろ過する。曝気装置１１から放出された曝気ガスは、浸漬膜ユニット９の分離膜に当接し、膜表面の付着物を洗浄する作用も奏する。なお、分離膜としては、逆浸透（ＲＯ）膜、限外ろ過（ＵＦ）膜、精密ろ過（ＭＦ）膜、中空糸（ＨＦ）膜などを適宜に用いることができる。

浸漬膜ユニット９には、処理水貯槽１３に接続された処理水移送管１５が接続されている。浸漬膜ユニット９によってろ過された処理水Ｗｓは、処理水移送管１５を介して処理水貯槽１３に移送される。処理水貯槽１３には、放水管１７が接続されており、処理水貯槽１３内に一時的に蓄えられた処理水Ｗｓは、放水管１７を介して放流される。

活性汚泥槽３には、活性汚泥の一部を引き抜いて活性汚泥槽３に返送する循環ライン１９が設けられている。循環ライン１９は、活性汚泥槽３の底部に接続された汚泥水引き抜き管２１と、活性汚泥槽３の上部に接続された汚泥水戻り管２３とを有する。汚泥水引き抜き管２１と汚泥水戻り管２３との間には、ＥＰＳ除去装置（菌体外ポリマー除去手段）２５が設けられている。

ＥＰＳ除去装置２５は、活性汚泥を含む汚泥水を貯留する略円筒状の汚泥滞留槽２７を有する。汚泥滞留槽２７の下部には、汚泥水引き抜き管２１が接続され、汚泥滞留槽２７の上部には、汚泥水戻り管２３が接続されている。汚泥滞留槽２７内には、汚泥滞留槽２７の長手方向に沿って軸部２９が配置されている。軸部２９の上部には、駆動モータ（駆動部）３１が接続されており、軸部２９は、駆動モータ３１の駆動によって軸線Ｌ方向に沿って上下に往復動する。

図２に示すように、軸部２９には、ディスク状の複数の多孔板３３が固定されている。なお、図２では、複数の多孔板３３のうち、最上段の多孔板３３_１、二段目の多孔板３３_２，三段目の多孔板３３_３を示している。複数の多孔板３３は、すべて均等間隔に配置されており、且つ、軸線Ｌに直交するように配置されている。汚泥水引き抜き管２１から汚泥滞留槽２７に供給された活性汚泥は、往復動する多孔板３３によって攪拌される。すると、菌体外ポリマーＰは、活性汚泥中の好気性微生物Ｘ（図３参照）から剥離する。剥離した菌体外ポリマーＰは溶解性有機物になり、好気性微生物によって分解処理される。その結果として、菌体外ポリマーＰは減少する。なお、複数の多孔板３３の配置は、軸線Ｌに直交するような配置に限定されず、軸線Ｌに対して傾斜し、且つ、互いに平行になるように配置されていてもよい。

さらに、複数の多孔板３３には、それぞれ複数の孔Ｈが形成されている。一つの多孔板３３に形成された複数の孔Ｈは、隣接する他の多孔板３３に形成された複数の孔Ｈに対して非同軸状になっている。例えば、二段目の多孔板３３_２に形成された孔Ｈ_２のうち、ある一つの孔Ｈａは、互いに隣り合う最上段の多孔板３３_１及び三段目の多孔板３３_３に形成された孔Ｈ１，Ｈ３とは非同軸状になっている。このように、多孔板３３に形成された複数の孔Ｈのうち、少なくとも一つの孔Ｈを、隣り合う多孔板３３の孔Ｈとは非同軸状に配置することにより、活性汚泥は、互いに隣り合う二つの多孔板３３に形成された各孔Ｈ間を流動する際に蛇行し、渦流や乱流が生じて攪拌が助長され、菌体外ポリマーＰの剥離作用が向上する。

また、汚泥滞留槽２７の下部には、散気ポンプ（散気手段）３５が接続されており、この散気ポンプ３５の駆動によってガスが汚泥滞留槽２７内に供給される。ガスの供給によって、汚泥滞留槽２７内は攪拌され、菌体外ポリマーＰは好気性細菌Ｘから剥離し易くなる。さらに、供給されるガスが酸素含有ガスの場合には、好気性微生物Ｘによる溶解性有機物の分解処理が促進され、菌体外ポリマーＰの除去効率が向上する。さらに、圧力スイング吸着方式（ＰＳＡ）等を利用した装置によって酸素濃度を高めたガスを供給すると、溶解性有機物の分解処理の点で、さらに効果的である。

また、汚泥滞留槽２７には、蒸気発生装置（加熱手段）３７が接続されており、蒸気発生装置３７からのスチームにより汚泥滞留槽２７内が加熱される。菌体外ポリマーＰの剥離は、活汚汚泥を加熱することによって格段に助長される。そのため、汚泥滞留槽２７内を加熱することにより、軸部２９の往復動を低速にでき、駆動モータ３１の負荷を軽減して運転効率を向上できる。なお、蒸気発生装置３７の代わりに、汚泥滞留槽２７を取り囲むジャケット式ヒータを取り付けて汚泥滞留槽２７内を加熱してもよい。

次に、廃水処理装置１を用いた活性汚泥処理について説明する。まず、原水ライン５によって有機廃水Ｗを活性汚泥槽３に導入し、活性汚泥を含む汚泥水に有機廃水Ｗを混合する。すると、有機廃水Ｗ中の有機物は好気性微生物Ｘによって分解処理される。好気性微生物Ｘは、分解処理の過程で菌体外ポリマーＰを生成し、好気性微生物Ｘ同士が菌体外ポリマーＰを介してフロック状に結び付く。

処理水Ｗｓは浸漬膜ユニット９によって活性汚泥から選択的にろ過され、処理水移送管１５、処理水貯槽１３及び放水管１７を介して放流される。一方、活性汚泥は活性汚泥槽３内に高濃度に維持され、高効率での廃水処理が可能になる。しかしながら、活性汚泥中の菌体外ポリマーＰは、非常に粘性が高く、膜表面に付着して膜閉塞の原因となる。そこで、活性汚泥の一部を循環ライン１９で引き抜き、ＥＰＳ除去装置２５で菌体外ポリマーＰを除去した後に再び活性汚泥槽３に返送することで、浸漬膜ユニット９の膜閉塞を防止する。

廃水処理装置１によれば、活性汚泥中の好気性微生物Ｘから菌体外ポリマーＰを剥離できる。剥離した菌体外ポリマーＰは、溶解性有機物となり、好気性微生物Ｘによって分解処理される。従って、菌体外ポリマーＰを容易に減少でき、浸漬膜ユニット９の膜閉塞を本質的に防止できる。その結果として、膜洗浄や交換などに伴う時間ロスを低減でき、処理効率を向上できる。さらに、高価な凝集剤などを利用して膜閉塞を防止する装置に比べて、ランニングコストを抑えることができる。

さらに、活性汚泥の一部を引き抜く循環ライン１９上にＥＰＳ除去装置２５を設けているため、活性汚泥槽３での有機物の分解処理を行いながら菌体外ポリマーＰを減少させることができる。さらに、菌体外ポリマーＰを剥離した好気性微生物Ｘを活性汚泥槽３に返送することで、菌体外ポリマーＰ除去後の好気性微生物Ｘを有機物の分解処理に効果的に利用できる。

さらに、廃水処理装置１によって菌体外ポリマーＰを除去すると、結果的に余剰汚泥の削減にもつながり、余剰汚泥の処理コストを低減できる。そして、余剰汚泥を削減できれば、従来、余剰汚泥の削減のために必要であった汚泥（余剰汚泥）処理設備が小さくまたは不要になり、設備コスト負担が軽減される。

次に、本発明に係る廃水処理装置の実施例及び比較例を参照して具体的に説明する。

実施例に係る廃水処理装置では、有機廃水として食品廃水を用いた。活性汚泥槽は、５（ｍ^３）の有効容積の槽を用いた。活性汚泥槽には、有効膜面積が０．４（ｍ^２）の浸漬型平膜４０枚の膜ユニットを設けた。さらに、活性汚泥槽内には、膜ユニットの下方に曝気装置を配置した。

本実施例では、膜ユニットを曝気装置によって洗浄すると共に、溶存酸素（「ＤＯ」ともいう）濃度が２（ｍｇ／ｌ）程度に維持されるように攪拌した。さらに、活性汚泥槽からＥＰＳ除去装置に送り込む汚泥水は、有機廃水の導入量の２０％程度にした。ＥＰＳ除去装置では、多孔板を毎分２０回で往復動させ、さらに、スチーム加温によって汚泥滞留槽内を５０°Ｃに維持した。このとき、膜処理水の透過流束は、１．０（ｍ^３／ｍ^２／日）になるように運転した。また、当初のＭＬＳＳ濃度は１０（ｋｇ−ＭＬＳＳ／ｍ^３）とした。このときの差圧が１０（ｋＰａ）となる経過日数、及びＭＬＳＳ濃度を測定した。その結果、１０（ｋＰａ）となる経過日数は２０日であった。さらに、そのときのＭＬＳＳ濃度は１１（ｋｇ−ＭＬＳＳ／ｍ^３）未満であり、余剰汚泥を引き抜くことなく運転できた。

比較例に係る廃水処理装置では、ＥＰＳ除去装置を使用しなかった。その他の構成は、実施例に係る廃水処理装置と同様である。この装置では、実施例に係る廃水処理装置と同様に、有機廃水として食品廃水を用いた。さらに、この装置では、ＥＰＳ除去装置での運転を除いて実施例に係る廃水処理装置と同様の運転を行った。その結果、１０（ｋＰａ）となる経過日数は３日であり、膜閉塞が生じるまでの期間が実施例に比べて非常に短くなることを確認できた。さらに、短期間でＭＬＳＳ濃度が１１（ｋｇ−ＭＬＳＳ／ｍ^３）以上になり、余剰汚泥の引き抜きが必要となる可能性があることを確認できた。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、菌体外ポリマー除去手段の軸部に固定された多孔板は複数ではなく、一枚のみであってもよい。また、多孔板に攪拌用の羽根を設け、軸部を上下動させながら回転させるようにしてもよい。また、多孔板の代わりに軸部に沿って設けられたスクリュー羽根を利用してもよく、さらに、そのスクリュー羽根に複数の孔を形成してもよい。

本発明の実施形態に係る廃水処理装置のブロック図である。 本実施形態に係る菌体外ポリマー除去手段の斜視図である。 菌体外ポリマーによってフロックを形成する好気性微生物を拡張して示す図であり、（ａ）は菌体外ポリマー剥離前の図、（ｂ）は菌体外ポリマー剥離後の図である。

符号の説明

１…廃水処理装置、３…活性汚泥槽（処理槽）、９…浸漬膜ユニット（膜分離手段）、１９…循環ライン、２５…ＰＥＳ除去装置（菌体外ポリマー除去手段）、２７…汚泥滞留槽、２９…軸部、３１…駆動モータ（駆動部）、３３，３３_１，３３_２，３３_３…多孔板、３５…散気ポンプ（散気手段）、３７…蒸気発生装置（加熱手段）、Ｌ…軸線、Ｈ，Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃ，Ｈｄ…孔、Ｐ…菌体外ポリマー、Ｘ…好気性微生物。

Claims (7)

1. 好気性微生物を利用して有機廃水を生物処理する廃水処理装置において、
   前記有機廃水が導入されると共に、前記好気性微生物で前記有機廃水を生物処理する処理槽と、
   前記処理槽内に設けられると共に、処理水と前記好気性微生物とを分離する膜分離手段と、
   前記処理槽に接続されると共に、前記好気性微生物が生成する菌体外ポリマーを前記好気性微生物から剥離する菌体外ポリマー除去手段と、を備え、
   前記菌体外ポリマー除去手段は、前記処理槽内の前記好気性微生物の少なくとも一部を引き抜いて前記処理槽内に返送する循環ライン上に設けられていることを特徴とする廃水処理装置。
2. 前記菌体外ポリマー除去手段は、前記好気性微生物が供給される汚泥滞留槽と、前記汚泥滞留槽内に配置された軸部と、前記軸部に固定された多孔板と、前記軸部を軸線方向に沿って往復動させる駆動部と、を有することを特徴とする請求項１記載の廃水処理装置。
3. 前記菌体外ポリマー除去手段は、前記好気性微生物が供給される汚泥滞留槽と、前記汚泥滞留槽内に配置された軸部と、前記軸部に固定された複数の多孔板と、前記軸部を軸線方向に沿って往復動させる駆動部と、を有することを特徴とする請求項１記載の廃水処理装置。
4. 前記多孔板に形成された複数の孔のうち、少なくとも一つの孔は、互いに隣り合う他の多孔板に形成された孔と非同軸状に配置されていることを特徴とする請求項３記載の廃水処理装置。
5. 前記菌体外ポリマー除去手段は、前記汚泥滞留槽内を加熱する加熱手段を更に有することを特徴とする請求項３または４記載の廃水処理装置。
6. 前記菌体外ポリマー除去手段は、前記汚泥滞留槽内に滞留する前記好気性微生物にガスを供給する散気手段を更に有することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項記載の廃水処理装置。
7. 前記菌体外ポリマー除去手段は、前記好気性微生物が供給される汚泥滞留槽と、前記汚泥滞留槽内に配置された軸部と、前記軸部に固定されたスクリュー羽根と、前記軸部を軸線方向に沿って往復動させる駆動部と、を有することを特徴とする請求項１記載の廃水処理装置。

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