JP5860196B1 - 水処理システム及び水処理方法 - Google Patents

Abstract

供給するオゾンの供給量を状況に応じて変化させ得る水処理システムの提供を目的とする。有機物を含む廃水を好気性処理し汚泥含有処理水にする曝気槽（１）と、曝気槽（１）から引き抜いた汚泥含有処理水にオゾンを供給するオゾン供給部（２）と、供給したオゾンと汚泥との反応によって発生する泡の状態を検知する泡検知部（５）とを有し、泡検知部（５）が検知した泡の増量速度等を汚泥減容効果のインジケータとし、オゾン処理の制御に使用する。

Description

この発明は、オゾンを利用して水中の不純物を減容する水処理システムに関するものである。

オゾンを用いて水中の不純物の容積を減らす減容方法が知られている。例えば、廃棄された水である廃水に対し、微生物を使用する活性汚泥処理法によって処理を行う場合を想定する。想定した処理では、微生物が廃水中の有機物を消費する。その際、微生物による有機物の消費に伴って、廃水中に大量の余剰汚泥が発生し得る。発生した余剰汚泥は、水中の不純物の一例であり、主に焼却、乾燥、埋め立て等の処理によって処分される。発生した余剰汚泥の処分処理には多大なエネルギー、コスト、新たな用地等を要するため、オゾンを用いて余剰汚泥を減容する減容技術が開発されている（例えば、特許文献１〜３を参照）。

特開２００１−１９１０９７号公報 特開平９−１５０１８５号公報 特開２００８−２０７１２２号公報

曝気槽中に流入した廃水に活性汚泥処理法を用いて処理を行う場合、曝気槽中に余剰汚泥が生じ得る。上述した減容技術では、このようにして生じた余剰汚泥を含有する処理廃水の少なくとも一部にオゾンを接触させることによって、余剰汚泥の滅容が実行される。この余剰汚泥の滅容に用いるオゾンの供給量は、一般的に、所定条件の廃水に対して検討された実験結果に基づいて予め決定される。つまり、予め決定された供給量のオゾンを供給することによって、余剰汚泥の滅容が実行される。

しかしながら、曝気槽に流入する廃水の流入量及び水質は、一般的に時々刻々と変化する。そのため、余剰汚泥を減容させるために最適なオゾンの供給量も時々刻々と変化する。したがって、予め決定した供給量のオゾンを固定的に供給することによって余剰汚泥の滅容を実行する場合、減容すべき余剰汚泥量に対してオゾン供給量が過剰又は過小となる状態が生じ得る。オゾン供給量の過剰は不経済を招く虞があり、オゾン供給量の過小は不十分な汚泥減容効果を招く虞がある。

オゾン供給量の過剰又は過小状態を回避する対応策として、廃水の水質変動をモニタリングし、モニタリング結果に基づいてオゾン供給量を調整する対応策も考えられる。しかしながら、廃水の水質を計測してモニタリングするためには、ＭＬＳＳ（Ｍｉｘｅｄ Ｌｉｑｕｏｒ Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｏｌｉｄｓ：活性汚泥浮遊物）、ＴＯＣ（Ｔｏｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃａｒｂｏｎ：全有機体炭素）、ＣＯＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｍａｎｄ：化学的要求酸素量）等を計測する高価な分析装置が必要となってくる。そのため、廃水処理のコストが大幅に増大し得る。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、供給するオゾンの供給量を状況に応じて変化させ、オゾン供給量の過剰及び過小状態を可及的に回避できる水処理システム及び水処理方法の提供を目的とする。

本発明に係る水処理システムは、処理すべき処理水にオゾンを供給して処理水中の不純物を減容する水処理システムであって、所定量のオゾンを処理水に供給するオゾン供給部と、オゾンと不純物との反応によって発生する泡を検知する泡検知部と、検知した泡の増量速度が比較的遅い低速状態であるか比較的速い高速状態であるかを判断する判断部と、低速状態であると判断部が判断した場合にオゾン供給部にオゾンを供給させ、高速状態であると判断部が判断した場合にオゾン供給部にオゾンを供給させない制御部とを備える。

本発明に係る水処理方法は、処理すべき処理水にオゾンを供給して処理水中の不純物を減容する水処理システムを用いて水処理を行う水処理方法であって、水処理システム内の処理水に、所定量のオゾンを供給する供給工程と、オゾンと不純物との反応によって発生する泡を検知する検知工程と、検知した泡の増量速度が比較的遅い低速状態であるか比較的速い高速状態であるかを判断する判断工程とを備え、低速状態であると判断工程で判断した場合に供給工程でオゾンを供給し、高速状態であると判断工程で判断した場合に供給工程でオゾンを供給しない。

本発明の水処理システムによれば、オゾンと汚泥等不純物との反応によって発生する泡を検知し、検知した泡の増量速度を汚泥減容効果のインジケータとして用い、供給するオゾンの供給量を状況に応じて変化させることができる。そのため、高価な分析装置を用いることなく、オゾン供給量の過剰及び過小状態を可及的に回避し得る。

本発明の実施の形態１に係る水処理システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る水処理システムに用いる放電式のオゾン発生装置の電極構造を示す軸長方向の断面模式図である。 本発明の実施の形態１に係る水処理システムに用いる放電式のオゾン発生装置の電極構造を示す軸短方向の断面模式図である。 本発明の実施の形態１に係る水処理システムに用いる放電式のオゾン発生装置から出力されるオゾン化酸素ガスのオゾン濃度とランニングコストとの関係を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る水処理システムに用いるオゾン供給と泡量の関係を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る水処理システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態３に係る水処理システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態４に係る水処理システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態４に係る水処理システムに用いるオゾン濃度と汚泥減容効果の関係を説明する図である。 本発明の実施の形態５に係る水処理システムの構成を示す模式図である。 本実施の形態６に係る水処理システムの構成を示す模式図である。 本実施の形態７に係る水処理システムの構成を示す模式図である。 本実施の形態８に係る水処理システムの構成を示す模式図である。 本実施の形態９に係る水処理システムの構成を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して、本願が開示する水処理システム及び水処理方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は一例であり、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
実施の形態１．

図１〜図５は、本発明の実施の形態１に係る水処理システムについて説明するためのものである。図１は水処理システムの機器構成、制御系統、フロー系統等を示す模式図であり、図２は本実施の形態１に係る水処理システムに用いる放電式のオゾン発生装置の電極構造を示す軸長方向の断面模式図であり、図３は図２のＡ−Ａ線で切断した電極構造を示す軸短方向の断面模式図であり、図４は本実施の形態１に係る水処理システムに用いる放電式のオゾン発生装置から出力されるオゾン化酸素ガスのオゾン濃度とランニングコストとの関係を説明する図であり、図５はオゾン供給時間と泡発生量及び汚泥減容効果との関係を説明する図である。

本実施の形態１に係る水処理システム１００は、曝気槽１を備える。曝気槽１では、処理すべき水の一例であって有機物を含んだ廃水が好気性条件で微生物を用いて処理され、不純物の一例である汚泥を含有した水を含む汚泥含有処理水が生成する。また水処理システム１００は、曝気槽１から引き抜いた汚泥含有処理水にオゾン供給部２から供給されたオゾン化酸素ガスを供給して（供給工程を行って）オゾン処理を行うオゾン処理部３と、沈殿槽又は膜分離槽等を含んだ後処理部４と、供給したオゾンと汚泥との反応によって発生する泡の状態を検知する（検知工程を行う）泡検知部５と、泡検知部５からの信号を受信し、受信した信号に基づいてオゾン供給部を制御する制御部６とを有している。オゾン処理部３は、微生物を有する曝気槽１から処理すべき処理水を取得しているため、本発明に係る取得部の一例である。

曝気槽１にある廃水は、一部が曝気槽１から後処理部４に流出する。後処理部４では、流出した廃水から余剰汚泥が分離される。曝気槽１においては、廃水発生源から送られてくる原水となる廃水が流入するだけでなく、後処理部４において分離された余剰汚泥がポンプを介して返送されて流入する。また、曝気槽１内には散気装置１１が備えられ、空気供給源１２から空気が曝気槽１へ導入されている。空気供給源１２は必要空気供給量によって異なるが、ブロア、コンプレッサ、及びポンプの内のいずれを用いても良い。

オゾン供給部２は、原料ガス供給部２１、オゾン生成部２２、及び冷却部２３によって構成される。原料ガス供給部２１は、空気を原料ガスとして使用する場合、ブロア、コンプレッサ等を備える。原料ガス供給部２１では、必要に応じて水分が除去され、乾燥空気がオゾン発生装置２２Ａに導入される。水分除去には、加熱再生式又は圧力再生式の除湿設備が用いられる。酸素を原料ガスとして使用する場合には、液体酸素ボンベ、ＶＰＳＡ（Ｖａｃｕｕｍ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）等を利用した酸素発生装置が用いられる。また必要に応じ、供給される酸素流量に対して０．０５〜５％の窒素、空気、又は二酸化炭素を添加する添加ガス供給部を用いても良い。

オゾン生成部２２は、放電式のオゾン発生装置（放電式オゾン発生装置）２２Ａを備えており、必要とされるオゾン濃度、オゾン供給量、ランニングコスト、更に制御部６の指令に基づいて動作を行う。

冷却部２３は、オゾン発生装置２２Ａを冷却するための冷却媒体を循環させる循環ポンプと、オゾン発生装置２２Ａにおいて発生した熱を吸収して温度が上昇した冷却媒体を冷却する冷却器と、を備えている。冷却器としては、液体−液体型及び液体−気体型から選択した熱交換型冷却器、又は液体−フロン冷媒型のチラー等を用いることができる。また、極低温下の冷却を行う場合には、冷凍機を用いることもできる。冷却媒体としては、一例として一般的な水道水を用いる。その他、不凍液又はスケール除去剤等が混入された水、イオン交換水、又は純水を用いても良く、エチレングリコール又はエタノール等を用いても良い。

つぎに、本実施の形態１によるオゾン発生装置２２Ａの構成について説明する。オゾン発生装置２２Ａは、対向配置されて放電空間を形成する放電電極を有しており、放電電極間に誘電体を介して放電を行う無声放電式のオゾン発生装置である。図２及び３には、オゾン発生装置２２Ａの放電電極部２２０として円筒管式の電極形状を有するオゾン発生装置が一例として示してある。電極形状としては、平行平板式等、さまざまな形態を適用しても良い。放電電極部２２０には、高電圧電極管２２４が設けられている。高電圧電極管２２４は、高電圧側の電極として円筒状をなす高電圧電極（導電層）２２３と、高電圧電極２２３の外周面と一端側を覆うように高電圧電極２２３と一体化されたガラス管の誘電体２２２とによって構成される。高電圧電極管２２４は、後述する放電空間に原料ガスを流すが、高電圧電極管２２４の内部にガスが流れないように、その一端が密閉されている。放電により発生するオゾン及び副生成物等は、ガス流れ方向の下流側に多いので、これらのオゾン等が高電圧電極管２２４の内部に侵入しないように、下流側の一端を密閉しておく。また、高電圧電極管２２４の外径はφ３０ｍｍ以下である。高電圧電極２２３は金属薄膜であり、アルミ、クロム、チタン、ニッケル、それらを含有する合金、又はステンレス等から形成される。そして、接地側の電極として、高電圧電極管２２４の外周面に対して所定の間隔（＝後述する空隙長（ギャップ長）ｄ）をあけて内周面を対向させるように高電圧電極管２２４と同心に設置され、外周に冷却媒体２２６が流れるように形成された接地電極管２２１が設けられている。そして、誘電体２２２の外周面と接地電極管２２１の内周面との空隙が放電空間２２５となる。放電空間２２５は、図中矢印で示す方向に原料ガスを流すガス流通経路であるとともに、接地電極管２２１と高電圧電極管２２４間に印加した交流高電圧により放電を生じさせる空間でもある。また、高電圧電極管２２４の内部には、高電圧電極２２３に高電圧を印加するための給電部材２２７が開放された他端側から挿入され、誘電体２２２で覆われた一端側の端部には、沿面放電を抑制するための電界緩和層２２８が設けられている。給電部材２２７は、電極間短絡が発生した際のアークが持続しないように、接地電極管２２１の外側で高電圧電極２２３と接触している。なお、図３の断面図では、給電部材２２７の記載は省略している。

オゾン発生装置２２Ａには、上記のような放電電極部２２０がひとつのタンク内に収納されている。放電電極部２２０は、必要なオゾン発生量に応じて多数並列に配置してある。またオゾン発生装置２２Ａは、交流高電圧を印加する電源装置などを備えており、各放電電極部２２０に所定の交流電圧が印加されるようになっている。各放電電極部２２０の放電空間２２５には、原料ガス供給部２１から酸素を含む原料ガスが供給されるとともに、給電部材２２７を介して交流高電圧が印加され、原料ガスが放電することによりオゾンが生成される。

本実施の形態１に係るオゾン発生装置２２Ａに共通する構成及び運転条件の一例について説明する。具体的には、酸素を含むガスを原料ガスとした場合に好適なオゾン発生装置２２Ａの構成及び運転条件の一例について説明する。実施の形態１〜５に係るオゾン発生装置２２Ａの放電電極部２２０の構成としては、放電空間２２５の空隙長ｄ（以下、ギャップ長ｄと称す）を０．１ｍｍ以上及び０．６ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ以上及び０．６ｍｍ以下に設定している。ギャップ長ｄを０．６ｍｍ以下に設定することにより、ギャップ長が０．６ｍｍを超えるオゾン発生装置に比して、放電空間２２５の冷却効率が向上し、オゾン発生効率が向上する。しかしながら、放電空間２２５の電界強度が大きくなるため、副生する窒素酸化物は増大する。空気を原料ガスとして使用する際に、ギャップ長ｄを０．３ｍｍ未満に設定した場合、放電空間２２５の電界強度が大きくなりすぎて窒素酸化物の生成量が顕著に増大し、オゾン発生効率の低下を招く虞があり、好ましくない。また、酸素を豊富に含む原料ガスを使用する場合、より高濃度のオゾン発生が要求され、空気を原料ガスとして使用する場合に比して窒素酸化物の生成量が減少するため、さらに短いギャップ長ｄを採用することができる。ただし、均一なギャップ長ｄを形成するという製造技術の観点から、０．１ｍｍが限界に近く、０．２ｍｍ以上とするのが好ましい。さらに、０．６ｍｍを超えた値となるようにギャップ長ｄを設定した場合、放電空間２２５の温度が過度に上昇し、オゾン発生効率が低下する虞がある。

オゾン発生効率は、ギャップ長ｄだけではなく、放電空間２２５内のガス圧力Ｐによっても変化する。実施の形態１におけるオゾン発生装置２２Ａの運転条件として、ガス圧力Ｐは０．２ＭＰａＧ（Ｇ：ゲージ圧）以下、好ましくは０．０５ＭＰａＧ以上及び０．２ＭＰａＧ未満、さらに好ましくは０．１ＭＰａＧ以上及び０．２ＭＰａＧ未満に設定されている。特に、空気を原料ガスとして使用した場合は、ガス圧力Ｐの上昇は放電空間２２５における窒素酸化物の生成を抑制する。ガス圧力Ｐについて、例えばブロアの場合、原料ガス供給部２１の最大吐出圧力０．２ＭＰａＧ程度に設定されており、原料ガス供給部２１の吐出圧力はオゾン処理部３に必要なオゾン化ガス圧力（例えば水処理装置の場合は少なくとも０．０５ＭＰａＧ以上）によっても上下限が決定される。また、ガス圧力Ｐを０．２ＭＰａＧ未満に設定した場合、オゾン発生装置２２Ａは第二種圧力容器規定に該当しなくなり、法令上の制約が軽減されて、取扱い等が容易になる。したがって、実施の形態１〜５においては、ギャップ長ｄを０．１ｍｍ以上及び０．６ｍｍ以下、空気を原料ガスとして使用した場合は、０．３ｍｍ以上及び０．６ｍｍ以下、液体酸素ボンベ又は酸素発生器を用いた場合のように酸素を豊富に含む原料ガスを使用する場合且つ高濃度のオゾンが必要な場合は、０．１ｍｍ以上及び０．３ｍｍ以下に設定する。さらに、ガス圧力Ｐを調節することによって、原料ガスの種類及び必要とされるオゾン濃度に応じて、最高のオゾン発生効率及び最低のＮＯｘの生成量を実現できるように構成を選択している。

また、オゾン発生装置２２Ａに投入する投入電力密度（電極面積当たりの投入電力）は０．０５〜０．６Ｗ／ｃｍ^２、空気を原料ガスとして使用する場合は、０．１Ｗ／ｃｍ^２以上及び０．４Ｗ／ｃｍ^２以下、酸素発生器を用いた場合のように酸素を豊富に含んだ原料ガスを使用する場合は、０．３Ｗ／ｃｍ^２以上及び０．６Ｗ／ｃｍ^２以下とするのが好ましい。投入電力密度はオゾン発生装置２２Ａのサイズを表す指標でもあり、投入電力密度が大きければ装置は小さくなる。一方、投入電力密度の上昇は放電空間２２５の温度上昇を招き、オゾン発生効率は低下する。放電によるオゾン発生及び窒素酸化物生成抑制の観点からは、放電空間２２５の温度は低温であるほうが好ましいため、投入電力密度は過度に大きくしないことが必要である。しかしながら、投入電力密度が０．０５Ｗ／ｃｍ^２未満になった場合、放電状態にばらつきが発生し、安定な放電が維持できなくなる虞があるため、好ましくはない。

オゾン発生装置２２Ａは、１００〜４００ｇ／Ｎｍ^３の範囲のオゾンガス濃度の供給が可能である。また、一般に、化学工業プロセスにおいてはスループット改善の実現のため、より高濃度のオゾンガスが用いられるようになっている。

図４は、実施の形態１に係るオゾン発生装置２２Ａにおける供給オゾン濃度とランニングコストの関係を示す。図４において、縦軸はオゾン発生装置２２Ａのランニングコストを示しており、横軸はオゾン発生装置２２Ａが供給するオゾン濃度を示している。縦軸のランニングコストについては、従来のオゾン発生装置のコストミニマム、つまり、オゾン濃度１５０ｇ／Ｎｍ^３を生成する際のコストを１とした場合の相対値を示している。図４に示すように、オゾン濃度１００ｇ／Ｎｍ^３からオゾン濃度２５０ｇ／Ｎｍ^３程度まで実施の形態１におけるオゾン発生器２２Ａのランニングコストは減少し、オゾン濃度２５０ｇ／Ｎｍ^３以降再び増加している。つまり、オゾン濃度２５０ｇ／Ｎｍ^３程度の場合にコストミニマム傾向となることがわかる。言い換えれば、低濃度過ぎる、又は高濃度過ぎるオゾンガスを用いることはランニングコストの観点から好ましくはない。特に、高濃度領域におけるランニングコストの変化量は極めて大きく、高濃度過ぎる場合は、化学プロセス自身のスループット改善は見込めるが、それ以上にランニングコストの負担が大きく現実的ではないことがわかる。したがって、本実施の形態に係るオゾン発生器２２Ａにおいては、従来のオゾン発生装置のランニングコストに対して少なくとも１０％以上のコストメリットが存在し、かつランニングコストの過剰な増加を招くことのないオゾン濃度１５０〜３１０ｇ／Ｎｍ^３、好ましくは、前記コストメリットが２０％以上となる１９０〜２９０ｇ／Ｎｍ^３のオゾン濃度を発生するようにオゾン発生装置２２Ａを動作させている。

オゾン処理部３は、曝気槽１からポンプ３１を介して引き抜いた汚泥含有処理水３２を貯留し、前記処理水のオゾン処理後に、オゾン処理された前記処理水をポンプ３３を介して曝気槽１へ返送できる構造となっている。オゾン処理部３の底部には散気部３４が配置され、オゾン供給部２から供給されるオゾンガスがオゾン処理部３へ導入される。

オゾン処理部３は、前記処理水とオゾンガスとを反応させる。未反応のオゾンガスは配管３６（不図示）を介してオゾン処理部３から排出され、排オゾン処理がなされたのち大気へ放出される。ここで、前記処理水とオゾンガスとを反応させた場合、詳細なメカニズムは不明であるが、泡３５が発生することが知られている（例えば、特許文献２を参照）。

泡検知部５は、オゾン処理部３にて発生する泡３５の存在を検知するものであり、オゾン処理部３の外部側面ないしは上面に少なくとも一つ設置される。視認性の観点からオゾン処理部３の必要部分は透明部材で構成されており、その外部から内部で発生する泡の状態を検知できるようになっている。泡検知部５は、画像センサ、変位センサ、又はレベルセンサ等を用い、発生する泡３５の増量速度を計測できるようになっている。例えば、オゾン処理部３内に発生する泡３５の高さ又は泡量を求め、単位時間あたりの高さ又は泡量を計測することによって泡３５の増量速度を計測することができる。計測結果は制御部６に伝送され、計測結果が所定の条件を満たすか否かを判断し、判断結果に基づいてオゾン供給部２へ動作指令を発令する。つまり、制御部６は本発明における判断部としても機能する。具体的には、後述するが、泡の増量速度が比較的遅い低速状態（第１状態）であるか比較的速い高速状態（第２状態）であるかを判断する（判断工程を実行する）判断部として機能する。判断の仕方については、例えば、予備試験を行って標準となる泡の増量速度を求め、求めた増量速度を予め記憶しておき、予め記憶した増量速度と現在の計測した増量速度とを比較して判断を行うことができる。なお、泡検知部５は、耐オゾン性、耐水性等に問題がなければ、オゾン処理部３の内部に設置しても良い。制御部６は上記の判断を繰り返し行う繰り返し処理を実行する。泡の増量速度が比較的速い高速状態（第２状態）であると判断した場合、制御部６は上記の繰り返し処理を停止し、所定の時間が経過した後に再び上記の繰り返し処理を実行する。このような構成により、不要な判断の実行を削除し、制御部６の負荷を小さくすることができる。

後処理部４は、沈殿槽、膜分離槽等を示す。後処理部４においては、曝気槽１から流出した汚泥含有処理水を余剰汚泥と放流する処理水に分離する。ここで分離された余剰汚泥はポンプ４１（不図示）を介して曝気槽１に返送されるようになっている。膜分離においては、いわゆる膜分離活性汚泥法において使用される膜モジュールを使用すれば良い。

上記のような構造を有する水処理システムにおける余剰汚泥の減容は以下のようなプロセスにより実現される。曝気槽１に流入した原水及び後処理部４から送られる返送汚泥は、曝気槽１内において生物処理されて汚泥含有処理水となる。前記汚泥含有処理水は、一定の周期で、曝気槽１からオゾン処理部３へポンプを介して引き抜かれて貯留される。引き抜かれた汚泥含有処理水中の汚泥は、オゾン処理部３において、オゾン供給部２１から供給されたオゾンガスと反応され、易分解性物質に改質され、生分解性が高められる。改質された汚泥は、再び曝気槽１に返送され、ＢＯＤ（Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｍａｎｄ：生物化学的酸素要求量）源として好気性微生物に資化され、汚泥が減溶容されることになる。

しかしながら、曝気槽１に流入する原水は、時々刻々とその性状が変化するものであり、汚泥減容の実現に必要なオゾン供給量の最適値を事前に予想することは困難である。高価な分析装置等を用いて流入原水の状態を常に分析し、その結果をリアルタイムでオゾン供給部２へ送信し、オゾン供給部２から供給されるオゾン供給量を制御するという構成は、コスト等を踏まえても現実的に困難である。対象となる汚泥に対して供給するオゾンのオゾン供給量に過不足が生じた場合、期待通りの汚泥減容効果が得られないという好ましくない事象、又は、オゾンガスの無駄な消費を生むという好ましくない事象等が発生する。現状では、供給されているオゾン供給量が適正であるか否かのインジケータが存在しておらず、あるケーススタディの結果に基づいて、又は運用者の経験を根拠とした不明確なインジケータに基づいてオゾン供給量を予め決定している、というのが実情である。

発明者らは、汚泥含有処理水とオゾンガスの反応により発生する泡の発生状況に着目した。図５は、汚泥に供給するオゾンガスの供給時間とオゾンガスとの反応により発生する泡の発生量との関係を示す。横軸は、注入によりオゾン供給を継続しているオゾン供給時間を示す。縦軸は、オゾン処理部３のオゾン注入処理により発生した泡の泡量（実線）及び汚泥減容効果（破線）を示す。発生した泡量は、図５に示すようにオゾン注入時間の経過に伴い増加した。しかしながら、供給オゾン濃度が１００ｇ／Ｎｍ^３の場合、オゾン注入時間の所定時間を境として発生する泡量が大きく増加した。一方、汚泥現用効果は、図５に示すようにオゾン注入時間の経過に伴い減少する傾向を示した。供給オゾン濃度が１００ｇ／Ｎｍ^３の場合、オゾン注入時間の所定時間まで汚泥現用効果が減少するが、所定時間で減少が見られなくなり、一定の最小値の汚泥現用効果を示すようになった。つまり、泡の増量速度が比較的遅い低速状態から泡の増量速度が比較的速い高速状態へと変更する所定時間を境にして、それ以上オゾンを供給しても最小値を超える汚泥現用効果は見られなくなった。供給オゾン濃度が２００ｇ／Ｎｍ^３及び３００ｇ／Ｎｍ^３の場合も同様に、ある時間を境として発生する泡量が大きく増加し、その時間を境として一定の最小値の汚泥現用効果を示すようになった。つまり、供給オゾン濃度が２００ｇ／Ｎｍ^３及び３００ｇ／Ｎｍ^３の場合も同様に、泡の増量速度が比較的遅い低速状態から泡の増量速度が比較的速い高速状態へと変更するある時間を境にして、それ以上オゾンを供給しても最小値を超える汚泥現用効果は見られなくなった。

上述したように発明者らは、供給オゾン濃度が１００、２００及び３００ｇ／Ｎｍ^３のいずれの場合においても、泡の発生量はオゾン供給時間に対して２段階に変化することを発見した。さらに、オゾン供給初期の１段階目の泡の増量速度は、供給オゾンガス濃度に依存する一方、２段階目のオゾン供給後期の２段階目の泡の増量速度は、供給オゾンガス濃度に依存せず、概ね一定であることを発見した。また、図５では紙面下側にある破線がより高い汚泥減容効果を有していることを示しているが、汚泥減容効果と泡の増量速度との間に相関関係があることがわかる。図５に示してあるように、オゾン供給の初期にはオゾン供給時間が増加することによって汚泥減容効果が高まることが確認されたが、オゾン供給の後期にはオゾン供給時間の増加による減容効果の更なる向上は確認されなかった。また、汚泥の生分解性も、前記オゾン供給初期に大幅に上昇し、前記オゾン供給後期では上昇率が鈍化した。そのため、泡増量速度が急激に変化するポイントが最大汚泥減容効果を生み出す最小オゾン供給量を示す、と考えられる。つまり、泡増量速度が急激に変化するポイントにおけるオゾン供給時間に対応するオゾン供給量が、過不足が無いオゾン供給量の適正値を示している、と考えられる。また、汚泥の生分解性をリアルタイムで分析することができる分析装置（測定器）は存在しない。一方、本実施の形態においては、泡増量速度を検知することで、リアルタイムで生分解性が十分に向上したことを把握できる。

本実施の形態においては、前記オゾン供給初期、言い換えれば、泡の増量速度が低速の状態（第１状態）であると判断された期間にオゾンガスを供給し、泡の増量速度が急激に上昇して泡の増量速度が高速の状態（第２状態）であると判断された期間でオゾンガスの供給を停止するようにオゾン供給部２を運用する。このように、泡の状態をインジケータとして使用し、オゾン供給部２を制御することによって、最適な供給オゾン濃度、供給時間及びオゾン供給量が設定できる。さらに、汚泥とオゾンガスとの反応が優先的に生じ、更なる汚泥減容効果の向上が見られない期間（泡の増量速度が高速の期間）にはオゾンガスを減少させる（好ましくは供給しない）ため、過剰なオゾンガスの供給抑制と余剰汚泥の減容とを可及的に両立させて実現できる。泡の増量速度が急激に上昇するタイミング以降、すなわち、前記オゾン供給後期もオゾンガスの供給を継続した場合、供給したオゾンガスは、泡の増量速度が低速の期間において破壊された細胞壁の内部から溶出した溶解性有機物によって優先的に消費されてしまうため、汚泥減容に効果的に作用しない。このように、本実施の形態においては、泡の状態を汚泥減容に対するインジケータとして利用し、オゾンガス供給の最適化を実施できる。

前記泡増量速度の絶対値は、前記オゾン供給初期及び前記オゾン供給後期のいずれの期間においても、曝気槽に流入する廃水の水質及び活性汚泥の性状等によって変動するため、特に限定されない。前記泡増量速度はオゾン供給時間、又はオゾン供給量と線形関係にあり、前記オゾン供給後期における泡増量速度は、前記オゾン供給初期における泡増量速度の２倍以上となるため、前記泡増量速度が急激に変化するポイントは明確である。そのため、泡の状態をインジケータとしたオゾン供給制御を容易に実行できる。

曝気槽１から引き抜いた汚泥含有処理水へのオゾンガス供給は周期的かつ間欠的に行うことが好ましい。周期的かつ間欠的にオゾンガスを汚泥に作用させることによって、オゾン処理された汚泥が曝気槽１に返送されることによる曝気槽１内の微生物の有機物分解負荷の増加を抑制できるため、曝気槽１内の微生物活性の低下による処理水質の悪化を防止することができる。オゾンガス供給の周期は、曝気槽１における微生物の有機物分解負荷及び余剰汚泥発生量などに応じて適宜設定すれば良い。本実施の形態においては、１時間以上及び２４時間以下、より好ましくは２時間以上及び１２時間以下、さらに好ましくは４時間以上及び６時間以下である。例えば、オゾンガス供給周期が６時間の場合、１日あたり４回のオゾンガス供給を行うことになる。オゾンガス供給周期が上記範囲よりも小さい場合、オゾン処理後の汚泥が曝気槽１に返送される頻度が高く、曝気槽１内の微生物の有機物分解負荷を軽減することができず、曝気槽１内の微生物活性が低下して処理水質が悪化する。一方、オゾンガス供給周期が上記範囲よりも大きい場合、オゾンガスの供給によってもたらされる余剰汚泥の減少量よりも、廃水に含まれる有機物によって増殖する微生物の増殖量の方が大きくなり、余剰汚泥発生量を低減できない場合がある。

１日あたりのオゾン処理汚泥量を、１日あたりの余剰汚泥発生量で除した値として定義される処理汚泥比は、曝気槽１における微生物の有機物分解負荷又は余剰汚泥発生量等に応じて適宜設定すれば良い。本実施の形態においては、０．５以上及び５以下、好ましくは２以上及び３以下とする。処理汚泥比が０．５未満になった場合、オゾンガス供給によってもたらされる余剰汚泥の減容効果が小さく、余剰汚泥を減容できない。一方、処理汚泥比が５を超えた場合、曝気槽１内の微生物量が減少して微生物活性が低下するため、処理水質が悪化する。特に、処理汚泥比が２以上及び３以下の範囲である場合、曝気槽内の微生物活性を維持しつつ効率的に余剰汚泥を減量させることができる。そのため、処理汚泥比を２以上及び３以下の範囲とすることは好ましい。

本実施の形態においては、最適なオゾン供給量を示す泡量を取得するため、汚泥減容処理が開始される直前又は処理開始後１週間に１回等の任意のタイミングで、校正期間を設けるのがよい。この校正期間は、現時点での廃水の状態の典型値を制御部にインプットするうえで、簡易的な汚泥減容試験を実施し、図５で示した泡量変化において、２段階の泡の増量速度及び増量速度が急変するオゾン供給量又は供給時間を得て、泡量とオゾン供給量との相関を得る。この校正作業結果を制御部にインプットしたのち、汚泥減容処理が実稼働される。なお、過去の校正データは消去されず、蓄積されていき、オゾン供給部２への学習制御の精度向上に貢献する。

実稼働が開始されのち、常時モニタされる泡量は制御部６内で校正データと比較され、また、過去のデータを含め、学習機能によって、現状の廃水に対して最適なオゾン供給量を決定し、オゾン供給部２へ必要供給量の更新結果を随時送信する。オゾン供給部２においては、前記更新結果に基づき、オゾン発生装置２２Ａに印加される電流、電圧、電力、周波数、制御パルス幅、制御パルス密度、原料ガス流量、ガス圧力及び冷却温度のうちのいずれかまたは複数を調整し、出力するオゾン濃度、オゾン発生量を調整する。

以上のような制御下、泡の増量速度が小さい期間にオゾンガスを供給して泡の増量速度が大きい期間にオゾンガス供給量を減少させてオゾンガスを供給しないようにするため、自動供給されたオゾンガスの供給時間が自動的に決定される。前述したオゾンガス供給周期とあわせて、オゾンガスの間欠供給仕様が決定される。泡の増量速度が急激に上昇するタイミングに到達した時点でオゾン発生装置２２Ａへの電力供給が停止し、オゾン供給部２の動作が停止される。同時に、関連する機器、ポンプ、及び図示しないバルブ類も必要に応じて動作を制御される。

以上のように、本実施の形態に係る水処理システムによれば、オゾン処理部３に貯留されるオゾンと汚泥との反応に伴い発生する泡の量又は増量速度を用いてオゾン供給量を制御する、すなわち、泡の状態を汚泥減容に対するインジケータとして使用するため、廃水の流入量及び水質を検出せずとも、また、高価な分析装置を使用せずとも、安定した汚泥減容効果を適正なオゾン供給量で維持できるようになる。したがって、装置の小型化及び低コスト化に寄与することができる。
実施の形態２．

本発明の実施の形態２に係る水処理システムについて説明する。本実施の形態２に係る水処理システムは、基本的な構成及び動作は実施の形態１と同様であるが、オゾンガスが散気部からではなくエジェクタを介してオゾン処理部へ供給される構成及び動作が異なる。図６は本実施の形態２に係る水処理システムの機器構成、制御系統、フロー系統等を示す模式図である。図中、実施の形態１に係る水処理システムの構成機器と同様あるいは対応する部材には、同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。

実施の形態１においては、オゾン供給部２から供給されるオゾンガスは、オゾン処理部３に設置された散気部から汚泥含有処理水に対して供給されていた。しかしながら本実施の形態２においては、図６に示すように、オゾン処理部３には、循環流路７２が設けられている。循環流路７２は、曝気槽１から引き抜かれてオゾン処理部３に貯留された汚泥含有処理水を、エジェクタ７及びポンプ７１を介して循環するものである。エジェクタ７は、汚泥含有処理水を駆動流体としているが、オゾン生成部２から供給されるオゾンガスを吸引して汚泥含有処理水に供給する。オゾンと汚泥との反応は、エジェクタ７及び循環流路７２内で概ね完了しており、生成した泡３５がオゾン処理部３に貯留されていく。本実施の形態においては、エジェクタ７の利用により、汚泥がエジェクタ７内で破砕され、汚泥とオゾンガスとの反応効率が向上し、汚泥減容効果が向上する。

以上のように、本実施の形態に係る水処理システムによれば、オゾン処理部３に貯留されるオゾンと汚泥との反応に伴い発生する泡の量又は増量速度を用いてオゾン供給量を制御する。すなわち、泡の状態を汚泥減容に対するインジケータとして使用し、オゾン供給量を制御する。そのため、廃水の流入量及び水質に依存せず、高価な分析装置を用いることなく、安定した汚泥減容効果を維持しつつオゾン供給量を可及的に最適化することができる。したがって、オゾン供給部２においては過剰なオゾンを供給する必要がなく、装置の小型化及び低コスト化に寄与することができる。また、エジェクタ７の使用によって、オゾンと汚泥との反応効率が更に向上するため、オゾン処理部３の小型化及び汚泥減容効果の更なる向上に寄与することができる。
実施の形態３．

本発明の実施の形態３に係る水処理システムについて説明する。本実施の形態３に係る水処理システムは、基本的な構成及び動作は実施の形態１又は２と同様であるが、オゾン供給部におけるオゾン生成部が後処理部を流出した処理水により冷却されている構成及び動作が異なる。図７は本実施の形態３に係る水処理システムの機器構成、制御系統、フロー系統等を示す模式図である。図中、実施の形態１又は２に係る水処理システムの構成機器と同様あるいは対応する部材には、同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。

実施の形態１及び２におけるオゾン供給部２２は、冷却部２３により冷却されるように構成されているが、オゾン生成部２２に対応する実施の形態３のオゾン発生装置２２Ａは、図７に示すように、後処理部４で放流される処理水を使用して冷却される。後処理部４とオゾン発生装置２２Ａとの間は、図示しない循環ポンプを介して接続される。なお、図７においては、オゾンガスはエジェクタ７にてオゾン処理部３へ供給されているが、実施の形態１に示したように散気部から供給しても良い。

オゾン供給部２２の冷却は、実施の形態１及び２で示したように、熱交換器、チラー、又は水道水等が使用されるが、いずれも、機器のイニシャルコスト、動力コスト及び水道代などの付加コストが発生してしまう。したがって、本実施の形態３では、後処理部４で分離された処理水の一部をオゾン発生装置２２Ａの冷却水に用い、コスト低減を図っている。この場合、後処理部４からの送水に対するポンプを準備すれば良く、極めて経済的である。オゾン発生装置２２Ａへの冷却に使用できる水質は、少なくとも、ｐＨが極端に高くない、また小さくなく、さらに、残留塩素濃度が高くなく、構造物の溶接個所の腐食を誘発させなければよい。オゾン発生装置２２Ａの冷却水路は比較的狭いため、処理水中の粗ゴミはフィルタなどで除去しておく方が好ましい。

以上のように、本実施の形態に係る水処理システムによれば、オゾン処理部３に貯留されるオゾンと汚泥との反応に伴って発生する泡の量又は増量速度を用いてオゾン供給量を制御する。すなわち、泡の状態を汚泥減容に対するインジケータとして使用し、オゾン供給量を制御する。そのため、廃水の流入量及び水質に依存せず、高価な分析装置を用いることなく、常に安定した汚泥減容効果を維持しつつオゾン供給量を可及的に最適化することができる。したがって、オゾン供給部２においては過剰なオゾンを供給する必要がなく、装置の小型化及び低コスト化に寄与することができる。また、曝気槽１から流出して後処理部４で分離された処理水をオゾン生成部２２の冷却に使用するため、経済的である。
実施の形態４．

本発明の実施の形態４に係る水処理システムについて説明する。本実施の形態４に係る水処理システムは、基本的な構成及び動作は実施の形態１〜３と同様であるが、オゾン供給部におけるオゾン生成部がオゾン発生装置とオゾン濃縮貯蔵装置と含む構成及び動作が異なる。図８は本実施の形態４に係る水処理システムの機器構成、制御系統、フロー系統等を示す模式図である。図中、実施の形態１〜３に係る水処理システムの構成機器と同様あるいは対応する部材には、同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。

実施の形態１〜３においては、オゾン供給部２がオゾン発生装置２２Ａを備えており、オゾン供給部２から供給されるオゾンガスはオゾン発生装置２２Ａが発生して出力した出力ガスであった。しかしながら図８におけるオゾン生成部２２は、オゾン発生装置２２Ａとオゾン濃縮貯蔵装置２２Ｂとを備えており、オゾン発生装置２２Ａが発生して出力した出力ガスがオゾン濃縮貯蔵装置２２Ｂによって濃縮されてオゾン生成部２２に供給される。オゾン生成部２２は、濃縮したオゾンガスをエジェクタ７を介して汚泥へ供給する。なお、図８に示すように、オゾンガスはエジェクタ７にてオゾン処理部３へ供給されているが、実施の形態１に示したように散気部から供給しても良い。

オゾン濃縮貯蔵装置２２Ｂは、オゾン発生装置２２Ａからの出力ガスを吸着濃縮するものであり、本発明に係るオゾン濃縮装置の一例である。オゾン発生装置２２Ａは、図４に示したように、ランニングコストの観点から、オゾン濃度１５０〜３１０ｇ／Ｎｍ^３、好ましくは１９０〜２９０ｇ／Ｎｍ^３にて動作させるのがよい。オゾン濃縮貯蔵装置２２Ｂにおいては、オゾン発生装置２２Ａの出力ガスを最大２０００ｇ／Ｎｍ^３まで濃縮することができる。オゾン濃縮貯蔵装置２２Ｂを用いることにより、実施の形態１で示したオゾン発生装置２２Ａを単独で動作させる場合よりも、小型のオゾン発生装置を利用することができ、極めて経済的なオゾン供給部２を構成できる。

オゾン濃縮貯蔵装置２２Ｂにおいては、その内部に設置された吸着剤によりオゾン化酸素ガス中から選択的にオゾンを吸脱着し、超高濃度オゾンガスを得る。吸着剤にはシリカゲルなどが用いられる。オゾン濃縮貯蔵装置２２Ｂにおいては、吸着剤が収納される吸脱着塔の温度及び圧力を制御し、最適な吸着及び脱着条件を形成し、所望の濃縮オゾン濃度を得る。

本実施の形態に係る水処理システムにおいては、実施の形態１で示したオゾン濃度３１０ｇ／Ｎｍ^３を超える濃度のオゾンガスを低コストで汚泥含有処理水に作用させることができる。図９にオゾン濃度による汚泥減容効果の変化を示す。図より、特にオゾン濃度が８００ｇ／Ｎｍ^３〜１５００ｇ／Ｎｍ^３の範囲で汚泥量が１／２以下となる顕著な汚泥減容効果が確認された。これは、上記オゾン濃度範囲において、処理汚泥の生分解性が極めて向上するとともに、汚泥中の微生物の細胞壁を効果的に破壊することができるため、汚泥減容効果が飛躍的に増大したものと考えられる。オゾン濃度が８００ｇ／Ｎｍ^３未満の場合は、汚泥減容効果は有するものの、前記濃度範囲における効果には及ばず、また必要オゾン量も多くなった。一方、オゾン濃度が１５００ｇ／Ｎｍ^３を超えた場合、オゾン濃度による汚泥減容効果の向上率に低減が見られ始めた。また、オゾン濃縮貯蔵装置２２Ｂにおいては、装置内の圧力及び温度を制御して、供給オゾン濃度を制御する。オゾン濃度が１５００ｇ／Ｎｍ^３を超える濃縮オゾンガスを供給するためには、より低温・低圧環境が必要になり、装置側の制御面及びコスト面に問題が生じ得る。したがって、濃縮オゾン濃度の上限は１５００ｇ／Ｎｍ^３であることが好ましい。

なお、本実施の形態に係る水処理システムでは、上記の効果を安定して得る観点から、オゾン発生装置２２Ａで用いられる原料ガスとして、窒素などの不純物を含有しない高純度酸素を用いることが好ましい。また、エジェクタ７にオゾンガスを供給する際、吸引初期のガス中に酸素ガスが多く含まれていることがあるため、吸引初期のガスを酸素ガス返送配管２４（不図示）を介してオゾン発生装置２２Ａに返送することが好ましい。このように制御することによって、高濃度のオゾンガスをオゾン処理部３に安定して供給することができる。

以上のように、本実施の形態に係る水処理システムによれば、オゾン処理部３に貯留されるオゾンと汚泥との反応に伴い発生する泡の量又は増量速度を用いてオゾン供給量を制御する。すなわち、泡の状態を汚泥減容に対するインジケータとして使用し、オゾン供給量を制御する。そのため、廃水の流入量及び水質に依存せず、高価な分析装置を用いることなく、安定した汚泥減容効果を維持しつつオゾン供給量を可及的に最適化することができる。したがって、オゾン供給部２においては過剰なオゾンを供給する必要がなく、装置の小型化及び低コスト化に寄与することができる。また、オゾン濃縮貯蔵部２２Ｂを用いることから、３１０ｇ／Ｎｍ^３を超える超高濃度オゾンガスを使用でき、処理汚泥の生分解性を更に向上させることができる。そのため、汚泥中の微生物の細胞壁を効果的に破壊することによって汚泥減容効果を向上させることができ、必要となるオゾン供給量を削減し得る効果も期待できる。
実施の形態５．

本発明の実施の形態５に係る水処理システムについて説明する。本実施の形態５に係る水処理システムは、基本的な構成及び動作は実施の形態１〜４と同様であるが、オゾンガスを連続的に汚泥に作用できる構成及び動作が異なる。図１０は本実施の形態５に係る水処理システムの機器構成、制御系統、フロー系統等を示す模式図である。図中、実施の形態１〜４に係る水処理システムの構成機器と同様あるいは対応する部材には、同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。

実施の形態１〜４においては、いわゆるバッチ式処理方法であり、オゾンガスは散気部３４ないしはエジェクタ７を介して汚泥と反応し、オゾン処理部３へ導入されていた。図１０に示す実施の形態５の一例では、オゾン処理部３が省略され、曝気槽１内の汚泥含有処理水はオゾン供給部２から供給されるオゾンガスとエジェクタ８において連続的に反応できるようになっており、システムの小型化に貢献する。さらに、上記連続反応系においても、微生物の有機物負荷を低減するためには、間欠的周期的に動作する方が好ましい。

エジェクタ８と曝気槽１とを接続する配管には、泡インジケータ９が設置される。泡インジケータ９は、配管中を流れる流体の状態を視認するためのものであり、例えば、細い透明管によって構成され、本実施の形態５においては、汚泥とオゾンとの反応後に発生する泡量をモニタできるようになっている。泡インジケータは、実施の形態１〜４で示したオゾン処理部３に比して極めて小さいため、システムの小型化に寄与し得る。泡インジケータで視認される泡の状態は、泡検知部５を介して制御部６へ伝送され、オゾン供給部２の制御に作用される。ただし、本実施の形態５においては、流入水が増大した場合、オゾン供給量の不足が発生しやすい。したがって、小容量のオゾン発生装置を用いた場合、汚泥減容そのものが実現できない可能性がある。したがって、流入水の増大が懸念される場合には、実施の形態４で示したようにオゾン濃縮貯蔵部を用いる方が好ましい。

以上のように、本実施の形態に係る水処理システムによれば、オゾンと汚泥との反応に伴って発生する泡の量又は増量速度を用いてオゾン供給量を制御する。すなわち、泡の状態を汚泥減容に対するインジケータとして使用し、オゾン供給量を制御する。そのため、廃水の流入量及び水質に依存せず、高価な分析装置を用いることなく、安定した汚泥減容効果を維持しつつオゾン供給量を可及的に最適化することができる。オゾン供給量の最適化によって、オゾン供給部２が可及的に過不足なく適量のオゾンを供給できるようになり、装置の小型化及び低コスト化に貢献する。また、エジェクタ８を用いて曝気槽１内の汚泥含有処理水を連続的に処理できるので、システムの小型化に寄与することができる。
実施の形態６．

本発明の実施の形態６に係る廃水処理システムについて説明する。本実施の形態６に係る廃水処理システムは、基本的な構成及び動作は実施の形態１〜４と同様であるが、オゾン処理された処理水を曝気槽に返送する経路が２通り設けられている構成、及び曝気槽内の微生物の有機物分解負荷に応じて上記経路のうちのいずれか一方が選択される構成が異なる。

図１１は本実施の形態６に係る水処理システムの構成を示す模式図である。図中、実施の形態１〜４に係る廃水処理システムの構成機器と同様あるいは対応する部材には、同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。

実施の形態１〜４においては、曝気槽１からポンプ３１を介して引き抜いた汚泥含有処理水３２に対してオゾン処理を行い、ポンプ３３を介しオゾン処理後の汚泥含有処理水３２を１通りの経路で曝気槽１に返送していた。しかしながら本実施の形態６においては、ポンプ３３の下流に、切替弁１０１を介して配管１０６及び配管１０７が接続されており、配管１０７には更なるエジェクタ１０２が設けられている。

オゾン処理された汚泥が曝気槽１に返送されることによる曝気槽１内の微生物の有機物分解負荷の増加は、前述のとおり、周期的かつ間欠的なオゾン処理によって抑制できる。しかしながら、曝気槽１における微生物の有機物分解負荷が過剰に大きい場合、前記周期的かつ間欠的なオゾン処理だけでは有機物分解負荷の増加抑制が不十分となり、汚泥減容効果が十分に得られない、又は処理水質が悪化する虜がある。そのような場合に備え、実施の形態６の水処理システムは、切替弁制御部１０４とエジェクタ１０２（本発明に係るエジェクタ部の一例）とが設けてある。

切替弁制御部１０４は、泡検知部５の検知結果を考慮して曝気槽における微生物の有機物分解負荷が過剰に大きいか否かを判断する要素であり、エジェクタ１０２は更なるオゾン処理を行う要素である。実施の形態６の水処理システムでは、切替弁制御部１０４の判断結果に基づいてエジェクタ１０２内でオゾン処理を行う。このように、細胞壁内部から溶出した溶解性有機物とオゾン供給部２から供給されたオゾンガスとをエジェクタ１０２内で反応させた場合、密閉系での反応となるため、激しい発泡によるトラブルを回避することができる。図１１では、更なるオゾン反応部として１つのエジェクタ１０２を使用する一例が示されているが、配管１０７上に複数のエジェクタを設けてオゾンの多点注入を行うように構成しても良い。

泡検知部５の検知結果を考慮して曝気槽における微生物の有機物分解負荷が過剰に大きいと切替弁制御部１０４が判断した場合、切替弁制御部１０４は切替弁１０１を用いてポンプ３３と配管１０７とを接続し、オゾン処理部３においてオゾン処理された汚泥含有処理水３をエジェクタ１０２へと送り、エジェクタ１０２で再度オゾン処理が行われた汚泥含有処理水３が配管１０７（本発明に係る第１返送部の一例）を経由して曝気槽１へと返送される。ポンプ３３と配管１０７とを接続する場合、切替弁制御部１０４は、切替弁１０５を切り替えて、オゾン供給部２から供給されるオゾンガスをエジェクタ１０２に注入させ、オゾン処理部３においてオゾン処理された汚泥含有処理水３を再びオゾンガスと反応させる。一方、曝気槽における微生物の有機物分解負荷が小さいと切替弁制御部１０４が判断した場合、切替弁制御部１０４は切替弁１０１を用いてポンプ３３と配管１０６とを接続し、オゾン処理部３においてオゾン処理された汚泥含有処理水３が配管１０６（本発明に係る第２返送部の一例）から曝気槽１へと直接的に返送される。

切替弁制御部１０４は、例えば、泡の増量速度が急激に上昇するタイミングが所定の時間よりも早期に現れた場合には、曝気槽における微生物の有機物分解負荷が過剰に大きいと判断する。この判断は、前述した廃水の状態の典型値を制御部にインプットするための校正によって得られ、蓄積されたデータとの比較により実施することができる。あるいは、曝気槽１から引き抜いた汚泥含有処理水中の単位汚泥量あたりのオゾン供給量（ｍｇＯ^３／ｇＳＳ）が１５ｍｇＯ^３／ｇＳＳ未満の時点で、泡の増量速度が急激に上昇した場合に、曝気槽における微生物の有機物分解負荷が過剰に大きいと判断してもよい。

上記のように曝気槽における微生物の有機物分解負荷が多いと判断された場合には、泡の増量速度が急激に上昇するタイミングに到達した時点であっても、制御部６によってオゾン生成部２２への電力供給を維持しつつ、切替弁制御部１０４による切替弁１０５の切り替えを実行する。

上記のような水処理を行うことによって、泡検知結果に基づき曝気槽の有機物分解負荷が小さいと判断された際には、オゾン処理部３におけるオゾンと汚泥との反応によって微生物の細胞壁内部から溶出した高ＣＯＤの溶解性有機物を直接的に曝気槽１に送った場合においても、曝気槽１での有機物分解負荷を適正値に維持することができる。また、泡検知結果に基づき曝気槽の有機物分解負荷が過剰に大きいと判断された際には、オゾン処理部３におけるオゾンと汚泥との反応によって微生物の細胞壁内部から溶出した高ＣＯＤの溶解性有機物をエジェクタ１０２内でオゾンガスと再び反応させて溶解性有機物量を減少させることができるため、曝気槽１に送られるＣＯＤ量が低減され、曝気槽１での有機物分解負荷の増加を抑制することができる。

本実施の形態においては、オゾン生成部２２は、図１１のようにオゾン発生装置２２Ａとオゾン濃縮貯蔵装置２２Ｂとを備えるように構成されていても良いし、オゾン濃縮貯蔵装置２２Ｂは備えないように構成されていても良い。しかしながら、密閉配管内にオゾンガスを注入する場合には、単位汚泥量当たりのオゾンガス量には物理的に限界があるため、オゾン濃縮貯蔵装置２２Ｂから供給される超高濃度オゾンガスを使用することが好ましい。超高濃度オゾンガスをエジェクタ１０２内で汚泥と反応させることによって、少ないオゾンガス量であっても、細胞壁内部から溶出した高ＣＯＤの溶解性有機物を十分に酸化分解でき、曝気槽１での有機物分解負荷の増加を十分に抑制することができる。

エジェクタ１０２における気液流量比（ガス量／返送処理水流量、以下「Ｇ／Ｌ比」とする）は、オゾン処理部３において細胞壁内部から溶出した高ＣＯＤの溶解性有機物を十分に分解できるのであれば特に限定されない。しかしながら、注入したオゾンガスを効率的に溶解性有機物と反応させるために、０．０２以上及び０．５以下が好ましく、０．０８以上及び０．１２以下がより好ましい。Ｇ／Ｌ比が上記範囲よりも小さい場合、オゾンガス量が小さくなり、溶解性有機物を十分に分解できない虞がある。一方、Ｇ／Ｌ比が上記範囲よりも大きい場合、注入したオゾンガスが溶解性有機物と効率的に反応せず、未反応のオゾンガスが曝気槽１に注入されるため、微生物の死滅によって処理水質が悪化する虞がある。

オゾンガスの濃度は、高ＣＯＤの溶解性有機物を十分に分解できるのであれば、特に限定されない。しかしながら、６００ｍｇ／Ｌ以上及び２０００ｍｇ／Ｌ以下が好ましく、８００ｍｇ／Ｌ以上及び１５００ｍｇ／Ｌ以下がより好ましい。オゾンガスの濃度が上記の範囲内にある場合、０．０８以上及び０．１２以下のＧ／Ｌ比で、効率的に高ＣＯＤの溶解性有機物を分解させることができる。
実施の形態７．

本発明の実施の形態７に係る水処理システムについて説明する。本実施の形態７に係る水処理システムは、基本的な構成及び動作は実施の形態１〜４及び６と同様であるが、沈殿槽又は膜分離槽などの後処理部の下流にオゾン反応槽が設けられている構成が異なる。図１２は本実施の形態７に係る水処理システムの構成を示す模式図である。図中、実施の形態１〜４及び６に係る水処理システムの構成機器と同様あるいは対応する部材には、同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。

実施の形態１〜４及び６においては、曝気槽１から流出した汚泥含有処理水を、後処理部４において余剰汚泥と処理水とに分離して、分離した処理水を放流していた。しかしながら、図１２においては、後処理部４の下流にオゾン反応槽１１２が設けられているため、分離した処理水に対しオゾン処理を施すことができる。

本実施の形態に係る廃水処理システムにおいては、後処理部４で分離された処理水をオゾン反応槽１１２に供給するとともに、周期的かつ間欠的に実施している汚泥含有処理水３２へのオゾンガス注入を行っていない時間帯に、切替弁１１１を切り替えて、オゾン供給部２から供給されるオゾンガスをオゾン反応槽１１２に注入する。この構成によって、後処理部４で分離された処理水がオゾン反応槽１１２内でオゾン処理される。

上記のような水処理を行うことによって、後処理部４で分離された処理水の色度及び濁度を低下させると共に、後処理部４で分離された処理水に含まれる有機物、無機物（例えば、鉄、マンガンなど）、ウイルスなどを酸化分解によって除去することができる。そのため、後処理部４で分離された処理水の水質を向上させることができる。オゾン処理で使用されなかった未反応のオゾンガスは、排オゾン処理設備１１３に供給され、排オゾン処理設備１１３において酸素に分解されて大気に放出される。
実施の形態８．

本発明の実施の形態８に係る水処理システムについて説明する。本実施の形態８に係る廃水処理システムは、基本的な構成及び動作は実施の形態１〜４と同様であるが、曝気槽内に膜モジュールが設けられている構成が異なる。図１３は、本実施の形態８に係る水処理システムの構成を示す模式図である。図中、実施の形態１〜４に係る水処理システムの構成機器と同様あるいは対応する部材には、同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。

実施の形態１〜４においては、曝気槽１の下流に後処理部４が設けられていたが、図１３においては、曝気槽１内に膜モジュール１２１が設置されており、膜モジュール１２１の下部に散気装置１２２が備えられ、膜面洗浄のために空気供給源１２３から空気が導入されている。

本実施の形態８に係る水処理システムでは、ＭＬＳＳ濃度が３０００〜２００００ｍｇ／Ｌとなる活性汚泥が曝気槽１内に充填される。下水道又は工場排水等の原水を曝気槽１内に供給した場合、活性汚泥による生物学的処理が曝気槽１内で行われる。生物学的処理の後、膜モジュール１２１による濾過処理によって処理水１２４と活性汚泥とに分離される。つまり、膜モジュール１２１は本発明に係る濾過処理手段の一例として機能する。ポンプ１２５を駆動させることによって活性汚泥が曝気槽１内を循環するように構成されているため、活性汚泥と原水とを効率良く接触させることができる。生物学的処理によって増加した活性汚泥は、ポンプ１２６を駆動させることによって曝気槽１から排出され、曝気槽１内のＭＬＳＳ濃度は一定に保たれる。また、空気供給源１２３が接続された散気装置１２２から膜モジュール１２１に対して空気が供給されるため、活性汚泥に膜面流動が生じ、膜モジュール１２１による濾過処理が安定して行われる。

膜モジュール１２１による濾過処理は連続的に行ってもよい。しかしながら、オゾン処理された汚泥含有処理水３２をポンプ３３を介して曝気槽１に返送するタイミングで一定時間、濾過処理を停止する方が好ましい。このように間欠的な濾過処理を行うことによって、オゾン処理された汚泥が曝気槽１に返送されるが、一時的に曝気槽１内の微生物の有機物分解負荷が増加しているときには濾過処理を停止できるため、処理水１２４の水質の悪化を防止することができる。

間欠濾過処理において濾過処理を停止する時間は、処理水１２４の水質が悪化しないように適宜、設定すればよく、特に限定されない。しかしながら、３０分以上及び２時間以下が好ましく、３０分以上及び１時間以下がより好ましい。濾過処理を停止する時間が上記範囲よりも小さい場合、間欠濾過処理による処理水の水質悪化防止効果は得られない可能性もある。一方、濾過処理を停止する時間が上記範囲よりも大きい場合、１日あたりの濾過処理の時間が短くなり、十分な量の処理水を得られない可能性もある。

図１３は、オゾン処理された汚泥含有処理水３２をポンプ３３を介して曝気槽１に返送する際の経路が１通りである一例を示しているが、実施の形態６に示したように、オゾン処理された汚泥含有処理水３２を曝気槽１に返送する経路を２通り設けて、曝気槽１内の微生物の有機物分解負荷に応じて２経路のうちのいずれか一方を選択する構成としてもよい。

本実施の形態８では、１つの曝気槽１内に膜モジュール１２１を浸漬した場合を例示したが、曝気槽１を２つ以上に分割し、下流側の曝気槽１に膜モジュール１２１を浸漬させても良い。また、ケーシングした膜モジュール１２１を曝気槽１の外部に設け、ケーシングした膜モジュール１２１と曝気槽１との間で活性汚泥を循環させながら濾過処理を行っても良い。いずれの場合も、本発明の効果を阻害しない範囲において、当該技術分野において公知の構成を採用することができる。また、膜モジュールを構成する濾過膜の種類は、特に限定されず、精密濾過（ＭＦ）膜、限外濾過（ＵＦ）膜などの当該技術分野において公知の各種濾過膜を用いることができる。

膜モジュール１２１を構成する濾過膜の平均孔径は、特に限定されないが、０．００１μｍ〜１μｍが好ましく、０．０１μｍ〜０．８μｍがより好ましい。濾過膜の形状は、特に限定されず、中空糸、平膜などの当該技術分野において公知の形状を採用することができる。また、膜モジュール１２１は、浸漬型、ケーシング型、モノリス型などを採用することができる。さらに、膜モジュール１２１の濾過方式は、全量濾過方式又はクロスフロー濾過方式のいずれのものでも使用することができる。
実施の形態９．

本発明の実施の形態９に係る水処理システムについて説明する。本実施の形態９に係る水処理システムは、基本的な構成及び動作は実施の形態１〜４及び８と同様であるが、膜モジュールによる濾過処理で得られた処理水の一部にオゾン処理を施してオゾン含有水を生成し、膜モジュールの洗浄水としてこのオゾン含有水を使用する構成が異なる。

図１４は、本実施の形態９に係る水処理システムの構成を示す模式図である。図中、実施の形態１〜４及び８に係る廃水処理システムの構成機器と同様あるいは対応する部材には、同じ符号を付し、特に必要のない限り説明を省略する。なお、図１４においては、煩雑さを回避するために、ポンプ１２５と、ポンプ１２５が設けられた配管と、ポンプ１２６と、ポンプ１２６が設けられた配管とを省略している。

図１４においては、膜モジュール１２１による濾過処理で得られた処理水１２４を貯留する処理水貯留槽１３１（本発明に係る貯留手段の一例）、処理水貯留槽１３１に貯留された処理水１２４の一部を膜モジュール１２１に送液するポンプ１３４、及び膜モジュール１２１に送液される前記処理水１２４とオゾンガスとを反応させるエジェクタ１３６が更に備えられている。

本実施の形態に係る水処理システムでは、膜モジュール１２１を使用して濾過処理を行う場合、電磁弁１３２をオープンの状態とし、電磁弁１３７をクローズの状態とし、ポンプ１３３によって処理水１２４を処理水貯留槽１３１に貯留し、貯留された処理水１２４の一部を放流する。

周期的かつ間欠的に汚泥含有処理水３２へオゾンガス注入を行っているが、この汚泥含有処理水３２へオゾンガス注入を行っていない時間帯においては、定期的に、電磁弁１３２をクローズの状態とし、電磁弁１３７をオープンの状態とし、ポンプ１３４を起動し、処理水１２４の一部を膜モジュール１２１に送液する。このとき、切替弁１３８を切り替えることによって、オゾン供給部２から供給されるオゾンガスと処理水１２４とをエジェクタ１３６内で反応させてオゾン含有水を生成し、生成したオゾン含有水を膜モジュール１２１へ送液する。つまり、電磁弁１３２と切替弁１３８とエジェクタ１３６とからなる部分は、貯留した処理水の一部にオゾン処理を施してオゾン含有水を獲得する本発明に係る獲得手段の一例として機能する。

上記のような水処理を行うことによって、オゾン含有水を用いて定期的に膜モジュール１２１を洗浄することができる。つまり、電磁弁１３２と切替弁１３８とエジェクタ１３６とからなる部分は、獲得したオゾン含有水によって濾過処理手段を洗浄する本発明に係る洗浄手段の一例としても機能する。濾過処理を行った場合には、濾過膜を閉塞させる活性汚泥及び溶解性の代謝物等が濾過膜の表面、内部、又は孔中に付着し得る。しかしながら、本発明に係る洗浄手段を備えることにより、この付着物をオゾン含有水によって効率的に酸化分解して、長期間にわたって濾過性能を維持することができる。そのため、膜モジュール１２１による濾過処理を安定して行うことができる。

本実施の形態９においては、オゾン生成部２２は、図１１のようにオゾン発生装置２２Ａとオゾン濃縮貯蔵装置２２Ｂとを備えるように構成されていても良いし、オゾン発生装置２２Ａを備えて濃縮貯蔵装置２２Ｂを備えないように構成されていても良い。しかしながら、エジェクタ１３６内にオゾンガスを注入する場合には、単位汚泥量当たりのオゾンガス量には物理的に限界があるため、オゾン濃縮貯蔵装置２２Ｂから供給される超高濃度オゾンガスを使用することが好ましい。超高濃度オゾンガスをエジェクタ１３６内で処理水１２４と反応させることによって、少ないオゾンガス量であっても、高濃度のオゾン含有水を生成でき、効果的に膜モジュール１２１を洗浄することができる。

エジェクタ１３６内に注入するオゾンガスの濃度は、オゾン含有水を生成でき、膜モジュール１２１の濾過性能を安定して維持できるのであれば、特に限定されない。しかしながら、６００ｍｇ／Ｌ以上及び２０００ｍｇ／Ｌ以下が好ましく、８００ｍｇ／Ｌ以上及び１５００ｍｇ／Ｌ以下がより好ましい。オゾンガスの濃度が上記の範囲であれば、少ないオゾンガス量であっても、高濃度のオゾン含有水を生成でき、効果的に膜モジュール１２１を洗浄することができる。

エジェクタ１３６における気液流量比（前述、Ｇ／Ｌ比）は、注入するオゾンガスの処理水への溶解効率の観点から、０．０２以上及び０．５以下が好ましく、０．０８以上及び０．１２以下がより好ましい。Ｇ／Ｌ比が上記範囲よりも小さい場合、オゾンガス量が小さくなり、十分な濃度のオゾン含有水を生成できない虞がある。一方、Ｇ／Ｌ比が上記範囲よりも大きい場合、注入したオゾンガスが処理水と効率的に反応せず、未反応のオゾンガスが曝気槽１に注入されるため、微生物の死滅によって処理水質が悪化する虞がある。

本実施の形態９に用いることが可能な濾過膜の材質は、オゾンによって劣化しなければ特に限定されない。濾過膜の材質の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテンなどのポリオレフィンが挙げられ、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素系樹脂化合物が挙げられ、さらには酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース類、又はセラミクスなどが挙げられる。その中でも、濾過膜の材質としては、より優れた耐性を示すフッ素系樹脂化合物又はセラミクスであることが好ましい。また、濾過膜の材質は、上記の各物質を単独又は２種以上を組み合わせたものであってもよい。

なお、図１４においては、オゾン処理された汚泥含有処理水３２をポンプ３３を介して曝気槽１に返送する際の経路は１通りである。しかしながら、実施の形態６に示したように、オゾン処理された汚泥含有処理水３２を曝気槽１に返送する経路を２通り設けて、曝気槽１内の微生物の有機物分解負荷に応じて上記経路のうちのいずれか一方を選択するシステムとしてもよい。

本発明は、以上のように説明し且つ記述した特定の詳細及び代表的な実施の形態に限定されるものではない。当業者によって容易に導き出すことができる更なる変形例及び効果も本発明に含まれる。したがって、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

２：オゾン供給部
５：泡検知部
６：制御部
１００：水処理システム

Claims (11)

1. 処理すべき処理水にオゾンを供給して前記処理水中の不純物を減容する水処理システムにおいて、
   所定量の前記オゾンを前記処理水に供給するオゾン供給部と、
   前記オゾンと前記不純物との反応によって発生する泡を検知する泡検知部と、
   検知した前記泡の増量速度が比較的遅い低速状態であるか比較的速い高速状態であるかを判断する判断部と、
   前記低速状態であると前記判断部が判断した場合に前記オゾン供給部に前記オゾンを供給させ、前記高速状態であると前記判断部が判断した場合に前記オゾン供給部に前記オゾンを供給させない制御部とを備える
   ことを特徴とする水処理システム。
2. 前記判断部は、前記低速状態であるか前記高速状態であるかの判断を繰り返す繰り返し処理を実行し、前記高速状態であると判断した場合に、前記繰り返し処理を停止し、所定の時間が経過した後に再び前記繰り返し処理を実行する
   ことを特徴とする請求項１に記載の水処理システム。
3. 前記処理水は有機物を含有する廃水であり、前記不純物は汚泥である
   ことを特徴とする請求項１に記載の水処理システム。
4. 前記オゾン供給部が供給すべき前記オゾンを発生させて前記オゾン供給部へ付与する放電式オゾン発生装置を更に備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の水処理システム。
5. 前記オゾン供給部が供給する前記オゾンの濃度は、１５０〜３１０ｇ／Ｎｍ³である
   ことを特徴とする請求項４に記載の水処理システム。
6. 前記放電式オゾン発生装置が発生した前記オゾンを濃縮して前記オゾン供給部へ付与するオゾン濃縮装置を更に備える
   ことを特徴とする請求項４に記載の水処理システム。
7. 前記オゾン供給部が供給する前記オゾンの濃度は、８００ｇ／Ｎｍ³〜１５００ｇ／Ｎｍ³である
   ことを特徴とする請求項４に記載の水処理システム。
8. 微生物を有する曝気槽から前記処理すべき処理水を取得する取得部と、
   前記オゾンが供給された前記処理水を前記曝気槽に返送する第１返送部と、
   前記オゾンが供給された前記処理水に更にオゾンを供給して反応させるエジェクタ部と、
   該エジェクタ部で反応した前記処理水を前記曝気槽に返送する第２返送部とを更に備え、
   前記判断部は、前記泡検知部の検知結果に基づいて、前記曝気槽内の微生物の有機物分解負荷が所定値よりも大きいか小さいかを判断し、
   前記制御部は、前記判断部が前記所定値よりも大きいと判断した場合、前記オゾンが供給された前記処理水を前記エジェクタ部へ流し、前記判断部が前記所定値よりも小さいと判断した場合、前記オゾンが供給された前記処理水を前記第１返送部へと流す制御を行う
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の水処理システム。
9. 前記曝気槽を通過した前記処理水から汚泥を分離する濾過処理を実行する濾過処理手段を更に備え、
   前記第１返送部又は前記第２返送部から前記処理水が前記曝気槽に返送された場合、前記濾過処理手段は前記濾過処理の実行を一定時間停止し、該一定時間の経過後に間欠的に前記濾過処理の実行を開始する
   ことを特徴とする請求項８に記載の水処理システム。
10. 前記曝気槽を通過した前記処理水から汚泥を分離する濾過処理を実行する濾過処理手段と、
    該濾過処理手段が前記濾過処理を実行した前記処理水を貯留する貯留手段と、
    該貯留手段が貯留した前記処理水の一部にオゾン処理を施してオゾン含有水を獲得する獲得手段と、
    該獲得手段が獲得した前記オゾン含有水によって前記濾過処理手段を洗浄する洗浄手段とを更に備える
    ことを特徴とする請求項８に記載の水処理システム。
11. 処理すべき処理水にオゾンを供給して前記処理水中の不純物を減容する水処理システムを用いて水処理を行う水処理方法において、
    前記水処理システム内の前記処理水に、所定量の前記オゾンを供給する供給工程と、
    前記オゾンと前記不純物との反応によって発生する泡を検知する検知工程と、
    検知した前記泡の増量速度が比較的遅い低速状態であるか比較的速い高速状態であるかを判断する判断工程とを備え、
    前記低速状態であると前記判断工程で判断した場合に前記供給工程で前記オゾンを供給し、前記高速状態であると前記判断工程で判断した場合に前記供給工程で前記オゾンを供給しない
    ことを特徴とする水処理方法。

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