JP5963613B2

JP5963613B2 - 生物膜処理装置の運転方法

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Publication number: JP5963613B2
Application number: JP2012186996A
Authority: JP
Inventors: 三島　浩二; 浩二三島
Original assignee: Swing Corp
Current assignee: Swing Corp
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-08-27
Also published as: JP2014042883A

Description

本発明は、有機物、アンモニア等を含む原水の浄水処理や排水処理など水処理全般に用いられる、生物膜処理装置の運転方法に関する。

水道や工業用水の水源は河川水、湖沼水、地下水など多岐にわたるが、水源水質は必ずしも良好ではない。水源上流域で農業や畜産業が盛んな地域、あるいは工場廃水が不十分な処理のまま放流される地域では、原水にアンモニア、有機物、その他の化学物質が混入する場合がある。水道分野では、汚濁の著しい原水の前処理法として、生物処理法が採用されており、アンモニアや異臭味の除去のために実施設が稼動している。具体的には、活性炭、アンスラサイト、砂、セラミックス、あるいはプラスチック性のろ材等（微生物担体）を生物処理装置に充填し、曝気等の手段により好気性状態を維持しながら原水を通水し、担体に好気性微生物を生育させて生物処理を行うものである。

下水道や工場排水の処理では、生物処理プロセスが最も多く採用される。この理由は、他の処理方法（物理化学的方法）に比べて処理コストが安いためである。最も汎用的な生物処理法は活性汚泥法である。活性汚泥法よりも設置スペースの低減や窒素除去性能を高める手段として、生物膜法等の固定化微生物法も採用されている。生物膜法は、微生物担体にBOD酸化菌や硝化菌を付着繁殖させるものである。微生物担体としては、上記と同様に活性炭、アンスラサイト、砂、セラミックスあるいはプラスチック製のろ材等が使われる。担体の形状は粒状から板状まで様々であるが、比表面積を大きくとれる粒状が多く使われている。

生物処理法を適用する反応槽形式には、固定床式と流動床式がある。固定床式は、生物処理とろ過が同時に行える利点がある。一方、固定床式をSSが高い原水に適用した場合には、ろ過層の通水抵抗がすぐに上昇するため、ろ過層の洗浄頻度が上がり処理効率が下がるデメリットがある。流動床式は、担体と原水の接触効率が高く処理速度が大きいため、反応槽を小さくでき、建設費やスペースの縮減が可能である。しかし、流動床は微生物担体を常に流動させることが必要であるために、微生物担体が摩耗等によって消耗し、処理水と一緒に処理槽外に流出しやすく、生物処理槽内の微生物量が減少するという問題がある。

生物処理装置を安定稼動するためには、生物処理槽内の微生物量を所定量に維持する必要がある。微生物量が少ないと処理性能が不十分となる。逆に多すぎると微生物と処理水の固液分離が困難になること、装置を好気性に維持するための酸素量が過大になること等の問題があり、処理コストを増大させる。活性汚泥法では、生物処理槽内微生物量をSV、あるいはMLSSとして測定し、それに基づいて排泥量を調整することで生物処理槽内微生物量の調整が可能である。一方、生物膜法では、(a)微生物量の測定が困難なこと、(b)過剰な微生物の排出が容易でないこと等から、微生物量の調整は難しい。微生物量が過大となると、槽内が酸素不足に陥り、装置性能が著しく低下して処理水水質が悪化する。あるいは、微生物担体に過剰量の微生物が付着し、その沈降速度が低下して処理水との固液分離が困難となることがある。その結果、微生物担体が槽外に流出して槽内微生物量が減少し、装置性能が著しく低下して処理水水質が悪化する等の問題がある。

生物膜法において微生物量を調整するために、生物処理槽とは別に微生物剥離槽を設けて、微生物が過剰に付着した微生物担体から微生物を剥離させた後、生物処理槽に返送する方法が提案されている（特許文献１）。また、生物処理槽内で微生物剥離を生じさせるために、微生物担体の粒径を０．１〜０．６mmとし、微生物が付着しにくい０．４〜０．６mmの粒径の微生物担体が全量の５〜５０％を占めるように粒径分布を調節して、微生物担体を投入する方法が提案されている（特許文献２）。いずれも、微生物が付着しにくい粒径の微生物担体と、微生物が付着しすぎている微生物担体とを衝突させて、微生物を剥離させる方法である。しかし、生物処理槽と別個に微生物剥離槽を設けることは、費用が増大する上、微生物剥離槽を通過する過程で微生物担体が損耗してしまうという問題がある。また、微生物担体の粒径分布を初期段階で調整しても、中長期の運転経過により微生物担体が消耗して粒径分布が変化し、生物処理性能を中長期スパンで維持することは困難であるという問題が顕在化してきた。

そこで、生物処理槽を定期的に洗浄して、微生物担体への過剰な微生物の付着の進行を抑制する方法が提案されている（非特許文献１）。しかし、洗浄を行う際には、生物処理装置の運転を停止しなければならず、連続運転ができない。また、洗浄に要する設備及び費用の増大も問題である。

特開昭57-119892号公報特開昭58-30392号公報

「上向流式生物接触ろ過設備」産業機械、社団法人日本産業機械工業会、2006年9月号、No.672

したがって、本発明は、費用を増大させずに、中長期スパンでの運転においても安定した生物処理性能を維持できる生物膜処理装置の運転方法を提供することを課題とする。

本発明によれば、粒状の微生物担体を槽内で流動させる流動床式生物処理装置の運転方法であって、初期充填時の微生物担体よりも小さい平均粒径の微生物担体を補充することを特徴とする生物処理装置の運転方法が提供される。

具体的には、流動床式生物膜処理装置の運転中に、初期投入時の微生物担体の平均粒径（調和平均径）の９０％未満の平均粒径（調和平均径）を有し且つ粒度分布範囲の最大粒径が初期投入時の８０％未満である粒度分布範囲を有する微生物担体を流動床式生物膜処理槽に補充する。なお、調和平均径とは、Σｎ/Σ(ｎ/ｄ)、ｄは粒子径、ｎは粒子数、により求める平均粒径である。通常、篩で分級して測定するため、粒子数ｎは粒子重量となる。

初期投入時の微生物担体が平均粒径（調和平均径）０．２５ｍｍ、粒度分布範囲が０．１５〜０．３８ｍｍで０．２０〜０．３０ｍｍ範囲に５０％以上が分布している場合、補充する微生物担体は平均粒径（調和平均径）０．２２ｍｍ、粒度分布範囲０．１５〜０．３０ｍｍで０．１８〜０．２８ｍｍ範囲に５０％以上が分布している、より小粒径の微生物担体を用いる。

運転中に補充する微生物担体の量は、消耗した量に対応する量でよい。消耗した量は、流動層を一時的に停止し、静止層高の減少分から測定することができる。
流動床式生物膜処理槽内では、微生物担体が常に流動していることが必要である。微生物担体は、粒径が小さいほど軽量であるため、流動床上部には小粒径の微生物担体が多く存在し、流動床下部には大粒径の微生物担体が多く存在する。一方、処理原水濃度は流動床下部ほど高く、流動床上部ほど低い。大粒径の微生物担体は、衝突しやすいため、付着した微生物の剥離が生じやすいが、小粒径の微生物担体は衝突しにくいため付着した微生物が剥離しにくい。したがって、小粒径の微生物担体に付着した微生物量が流動床上部ほど多くなり、流動床下部ほど少なくなる。微生物担体の沈降速度が低下すると、微生物担体は流動床上部にとどまるため、処理水と一緒に生物処理槽外に流出しやすい。流出した微生物担体に相当する量の微生物担体を補充することで、微生物担体量を維持する。補充する微生物担体の粒径を微生物が付着して剥離しにくい小粒径とすることで、生物処理槽内の微生物量を維持する。小粒径の微生物担体を補充するためには、補充する微生物担体の平均粒径を、運転開始時に充填した微生物担体の平均粒径よりも小さくすることが必要である。

本発明によれば、付加設備を設ける必要もなく、中長期スパンでの安定した生物処理性能を維持しながら、生物膜処理装置を運転することが可能となる。

図１は、本発明の運転方法を適用できる生物処理装置の構成例を示す模式図である。図２は、運転開始時に流動床式生物処理装置に投入した担体（珪砂）の粒径分布を示すグラフである。図３は、2年間運転した後に残留している微生物担体のうち、微生物付着量が多い微生物担体の粒径分布を示すグラフである。図４は、2年間運転した後に残留している微生物担体のうち、微生物付着量が少ない微生物担体との粒径分布を示すグラフである。図５は、微生物付着量が多い微生物担体について、X軸に投入担体の初期粒径、Y軸に微生物付着後の粒径をプロットしたグラフである。図６は、図５のデータを無次元化したグラフである。図７は、補充した担体の粒径分布を示すグラフである。

好ましい実施形態

本発明は、流動床式生物膜処理装置の運転方法である。本発明の運転方法を適用する流動床式生物膜処理装置としては、図１に示すように（１）上向流式二相流動生物処理装置、（２）上向流式三相流動生物処理装置、（３）気体撹拌流動式生物処理装置などを挙げることができる。上向流式二相流動生物処理装置は、微生物担体が充填されている生物処理槽底部から被処理水を流入させ、生物処理槽上部から処理水を溢流させる構成であり、被処理水を上向流で通水することによって微生物担体の流動床（固相＋液相）が形成される。上向流式三相流動生物処理装置は、生物処理槽底部から被処理水と空気とを流入させ、生物処理槽上部から処理水を溢流させる構成であり、被処理水と空気とを上向流で流すことによって微生物担体の流動床（固相＋液相＋気相））が形成される。気体撹拌流動式生物処理装置は、生物処理槽底部から空気を流入させ、生物処理槽上部から被処理水を流入し、被処理水の下降流を空気の上昇流で撹拌して流動床を形成させる構成である。いずれの流動床式生物処理装置においても、運転中に少量の微生物担体が処理水と一緒に流出する。

流動床式生物膜処理槽に充填する微生物担体としては、活性炭、アンスラサイト、砂、セラミックス、プラスチック製ろ材など、通常用いられる微生物担体を制限なく使用することができる。初期投入時の微生物担体が、平均粒径（調和平均径）０．２５ｍｍ、粒度分布範囲０．１５〜０．３８ｍｍで０．２０〜０．３０ｍｍ範囲に５０％以上が分布している場合、補充する微生物担体は、平均粒径（調和平均径）０．２２ｍｍ、粒度分布範囲０．１５〜０．３０ｍｍで０．１８〜０．２８ｍｍ範囲に５０％以上が分布している、より小粒径の微生物担体を用いる。

以下、実施例により、本発明を説明する。実施例及び比較例において「平均粒径」とあるのは「調和平均径」を意味する。

生活雑排水（平均水質：BOD 200mg/L、SS 200mg/L、NH₄-N 30mg/L）を原水として、ケイ砂（平均粒径：０．２５ｍｍ、粒径分布範囲：０．１５〜０．３８ｍｍ）を微生物担体として生物処理槽の有効容積に対して１０v/v%を初期投入した生物膜処理装置（図１の（３）に示す気体撹拌流動式生物処理装置）を用いて、処理水量１m³／日、BOD容積負荷：２．０kg-BOD/m³/日の条件で、損耗分に対して初期投入した微生物担体と同じ粒径範囲を有するケイ砂を補充しながら２年間運転した。

初期投入した微生物担体（ケイ砂）の粒径分布を図２に示す。平均粒径は調和平均径により求めた。初期投入時の微生物担体の平均粒径は０．２５ｍｍ、粒径範囲は０．１５〜０．３８ｍｍであり、０．２０〜０．３０ｍｍ範囲に５０％以上が分布していた。

従来法（すなわち補充する微生物担体の粒径分布を調節せず、初期投入時と同じものとした）により２年間運転した後に微生物処理槽内に残留していた微生物担体を採取して求めた粒径分布を図３及び図４に示す。図３は、微生物付着量が多い微生物担体についての粒径分布であり、図４は、微生物付着量が少ない微生物担体についての粒径分布である。

残留微生物担体の粒径分布の測定は以下の手順で行った。残留担体は周囲が湿った微生物層に覆われた担体であるため、まず水中で篩を使って分級し、次に分級された分画別に高温で焼いて微生物層を除去した。残った担体を篩で乾式分級し、分画ごとの重量を測定し、全分画のデータを集計して調和平均径を求め、残留担体の粒径分布を算出した。微生物保持（付着）が比較的良好な微生物担体の平均粒径は０．２３ｍｍ、粒径範囲は０．１５〜０．３２ｍｍであった。一方、微生物保持がほとんどない微生物担体の平均径は０．３１ｍｍ、粒径範囲０．１５〜０．４５ｍｍであった。

図５に、微生物付着量が多い微生物担体について、初期投入時の粒径と微生物付着量との関係を示す。粒径０．３ｍｍを越える大きな粒子にはほとんど微生物が付着しておらず、微生物は粒径０．３ｍｍ以下の微少な粒子に付着することがわかる。

図３〜５より、初期投入時の微生物担体の平均粒径の９０％未満の平均粒径で且つ粒度分布範囲の最大粒径が初期投入時の８０％未満である粒度分布範囲を有する微生物担体を補充することで、微生物担体の微生物保持能力を低下させることなく、安定な生物処理運転を続けることができるといえる。

微生物担体の粒径分布と各分画の微生物付着量との関係を図６に示す。初期投入時の平均粒径（本実施例では０．２５ｍｍ）を１．０とした場合に、微生物が多く付着した微生物担体の粒径は初期投入時の微生物担体の平均粒径に対する比で０．６〜１．４の間に狭く分布し、微生物の付着が少ない微生物担体の粒径は同比で０．６〜２．０の間に広く分布し且つ粒径が大きい方に分布が偏っていることがわかる。図６より、初期投入時の微生物担体の平均粒径よりも小さい平均粒径を有する微生物担体を補充することで、微生物担体の微生物保持能力を低下させることなく、安定な生物処理運転を続けることができるといえる。

これらの結果より、中長期の運転継続により、微生物処理槽内には徐々に微生物保持が不良な大粒径の担体が蓄積する傾向が見られた。この理由は、微生物保持量は小粒径ほど多くなること、小粒径担体は微生物保持により沈降速度が小さくなり槽外に流出したこと、に因ると考えられる。

以上の知見を元に、実排水を用いて、補充する微生物担体の粒度分布を調整して生物膜処理を行った。
生活雑排水（平均水質：BOD 200mg/L、SS 200mg/L、NH₄-N 30mg/L）を原水として、ケイ砂（平均粒径：０．２５ｍｍ、粒径分布範囲：０．１５〜０．３８ｍｍ）を微生物担体として生物処理槽の有効容積に対して１０v/v%を初期投入した生物膜処理装置（図１の（３）に示す気体撹拌流動式生物処理装置）を用いて、処理水量１m³／日、BOD容積負荷：２．０kg-BOD/m³/日の条件で、本発明の運転方法と、従来の運転方法とを実施し、処理性能を比較した。

本発明の運転方法では、補充する微生物担体の粒度分布範囲を０．１５〜０．３２ｍｍ、平均粒径を０．２２ｍｍとした。補充した微生物担体の粒度分布を図７に示す。従来法では、初期投入した微生物担体と同じ粒度分布範囲及び平均粒径を有する微生物担体を補充した。結果を表１に示す。

従来法では、運転開始から１．５ヶ月の立ち上げ期間の後、１年目までは溶解性BOD及びNH₄-Nの除去率は高く維持できたが、２年目以降は徐々に除去率が低下し、微生物処理槽内のMLSSが１５００ｍｇ／Ｌにまで低下した。微生物保持量の多い微生物担体が流出及び消耗したことが原因と考えられる。一方、本発明では、運転開始から２年経過まで、溶解性BODおよびNH₄-Nの除去率を高く維持することができ、微生物処理槽内のMLSSも常に３５００ｍｇ／Ｌ以上を維持できた。

本発明は、水道、下水道、各種工場排水の処理において、粒状の微生物担体を流動状態で維持する生物処理装置全般に適用可能であり、装置の中長期的な性能維持に貢献することができる。

Claims

粒状の微生物担体を槽内で流動させる流動床式生物膜処理槽を備える生物膜処理装置の運転方法であって、初期充填時の微生物担体を平均粒径（調和平均径）０．２５ｍｍ、粒度分布範囲０．１５〜０．３８ｍｍで０．２０〜０．３０ｍｍ範囲に５０％以上が分布している粒子群のケイ砂とし、初期充填時の微生物担体よりも小さい平均粒径、粒度分布範囲及び５０％以上が分布している粒径範囲の粒子群のケイ砂を微生物担体として補充し、流動床式生物膜処理槽内の微生物量を維持することを特徴とする生物膜処理装置の運転方法。
初期投入時の微生物担体の平均粒径（調和平均径）の９０％未満の平均粒径（調和平均径）を有し且つ粒度分布範囲の最大粒径が初期投入時の８０％未満である粒度分布範囲を有する微生物担体を流動床式生物膜処理槽に補充する、請求項１に記載の運転方法。
初期充填時の微生物担体は、平均粒径０．２５ｍｍ、粒度分布範囲０．１５〜０．３８ｍｍで０．２０〜０．３０ｍｍ範囲に５０％以上が分布している粒子群のケイ砂であり、
補充する微生物担体は、平均粒径０．２２ｍｍ、粒度分布範囲０．１５〜０．３２ｍｍで０．１８〜０．２８ｍｍ範囲に５０％以上が分布している粒子群のケイ砂である、請求項１又は２に記載の運転方法。