JP6614253B2 - 好気性生物処理装置及びその運転方法 - Google Patents
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Description
本発明は、有機性排水の好気性生物処理装置及びその運転方法に関する。
好気性生物処理方法は安価であるため有機性廃水の処理法として多用されている。本方法では、被処理水への酸素の溶解が必要であり、通常は散気管による曝気が行われている。
散気管による曝気は溶解効率が５〜２０％程度と低い。また、散気管の設置される水深にかかる水圧以上の圧力で曝気することが必要であり、高圧で多量の空気を送風するため、ブロワの電力費が高い。通常は、好気性生物処理における電力費の２／３以上が酸素溶解のために使用されている。
中空糸膜を用いたメンブレンエアレーションバイオリアクター（ＭＡＢＲ）は、気泡の発生なしで酸素溶解できる。ＭＡＢＲでは、水深にかかる水圧よりも低い圧力の空気を通気すればよいため、ブロワの必要圧力が低く、また、酸素の溶解効率が高い。
本発明は、原水のＴＯＣ成分濃度が高い場合でも十分に処理することができる好気性生物処理装置及びその運転方法を提供することを目的とする。
本発明の好気性生物処理装置は、反応槽と、該反応槽内に充填された流動床担体と、該反応槽内に原水を上向流通水させるように該反応槽の下部に原水を供給する第１の原水供給手段と、該反応槽内に設置された酸素溶解膜モジュールと、該酸素溶解膜モジュールに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、原水の一部を酸素溶解膜モジュールの上下方向の途中高さの反応槽内に供給する第２の原水供給手段とを備えてなる。
本発明の一態様では、酸素溶解膜モジュールは非多孔質の酸素溶解膜を備えている。
本発明の一態様では、酸素溶解膜が疎水性である。
本発明の一態様では、酸素溶解膜が上下方向に設けられた中空糸膜であり、前記酸素含有ガス供給手段は、酸素含有ガスを該中空糸膜の下部に供給し、中空糸膜内を下側から上側へ流通させるように構成されている。
本発明の好気性生物処理装置の運転方法は、本発明の好気性生物処理装置の運転方法であって、該反応槽の上部の処理水又は該反応槽から流出する処理水の溶存酸素濃度を測定し、この溶存酸素濃度が所定濃度となるように酸素含有ガス供給手段を制御する。
本発明の一態様では、前記溶存酸素濃度（ＤＯ）が０．０１〜１ｍｇ／Ｌ特に０．２〜１ｍｇ／Ｌとなるように制御を行う。
本発明の好気性生物処理装置では、原水を反応槽下部と反応槽の上下方向途中部分（酸素溶解膜モジュールの上下方向途中部分）とに分割して供給するので、酸素溶解膜モジュールに局部的に高負荷となることがなく、反応槽全体でＤＯが存在する状態で処理が行われる。また未分解ＴＯＣが局所的に高濃度になることなく、酸素溶解膜表面への生物膜の付着を防止できる。そのため、原水のＴＯＣ成分濃度が高くても（例えば１００ｍｇ／Ｌ以上、特に５００ｍｇ／Ｌ以上）効率よく安定した処理が行われる。
本発明の好気性生物処理装置の運転方法では、処理水のＤＯが所定濃度となるように制御することにより、酸素含有ガスの供給量が過剰とならず、酸素含有ガスの供給のための動力コスト（例えばブロワの電力コスト）を低減することができる。
処理水のＤＯが０．０１ｍｇ／Ｌ〜１ｍｇ／Ｌであれば、反応槽全体で酸素含有ガスの供給不足が防止される。処理水のＤＯが０．２〜１ｍｇ／Ｌであれば、反応槽内のワムシの個体数が増え反応槽の汚泥がワムシ等の微小動物で捕食されるので、余剰汚泥が減少する。
以下、図面を参照して本発明についてさらに詳細に説明する。
図１は実施の形態に係る好気性生物処理装置１の縦断面図である。この好気性生物処理装置１は、反応槽（槽体）２と、該反応槽２の下部に水平に設置されたパンチングプレート等の多孔板や、平板に複数の分散ノズルを均等に設けたものなどの透水板３と、該透水板３の上側に形成された大径粒子層４と、該大径粒子層４の上側に形成された小径粒子層５と、小径粒子層５の上側に粉粒状活性炭等の生物付着担体の充填により形成された流動床Ｆと、流動床Ｆ内に少なくとも一部が配置された酸素溶解膜モジュール６と、前記透水板３の下側に形成された受入室７と、原水管８と、充填層の洗浄時に逆洗のためのガス等が供給される洗浄配管９と、酸素溶解膜モジュール６に空気等の酸素含有ガスを供給するためのブロワ２６等を有する。反応槽２の上部には、処理水を流出させるためのトラフ１０及び流出口１１が設けられている。トラフ１０は槽内壁に沿って環状流路を形成している。
原水管８は、反応槽２下部の受入室７内に原水を供給する第１原水供給管８Ａと、酸素溶解膜モジュール６の上向流の高さの反応槽２内に原水を供給する第２原水供給管８Ｂとに分岐している。各原水供給管８Ａ，８Ｂには開閉及び流量調整を行うためのバルブ８ａ，８ｂが設けられている。各原水供給管８Ａ，８Ｂは槽内では同じ長さ、形状になっている。
処理水を流出口１１から排出する処理水配管１２と、処理水配管１２を通じて処理水が貯留される処理水槽２９と、処理水槽から処理水の一部を第１原水供給管８Ａの第２原水供給配管８Ｂとの分岐点とバルブ８ａの間に返送する循環配管３０が設けられバルブ８ｂを通るのは原水のみとし、循環水はすべてバルブ８ａを通るように構成されている。
なお、第２原水供給管８Ｂは酸素溶解膜モジュール６の全周囲に略均等に原水を供給するように設けられるのが好ましい。そのために、第２原水供給管８Ｂを複数本設けてもよい。
この反応槽２の上部か、又は流出口１１に連なる処理水取出用配管１２にＤＯ計１３が設置され、その検出信号がブロワ制御器１４に入力されている。
図１は、反応槽に流動床担体を充填して、酸素溶解膜の表面への生物膜の付着を担体の流動による剪断力によって抑制して生物膜の大部分が流動床担体に付着するようにしたものであり、このとき、酸素溶解膜は酸素供給の目的のみに用いられる。
図１では、酸素溶解膜として非多孔質（ノンポーラス）の酸素溶解膜を用い、酸素含有気体を槽外から配管を通じて酸素溶解膜の一次側に通気して、排気は配管を通じて槽外に排出するように構成している。そのため、酸素含有気体を、低圧で酸素溶解膜に通気し、酸素を酸素分子として酸素溶解膜の構成原子の間を通過し（膜に溶解し）、酸素分子として被処理水と接触させる（水に直接溶解させるので気泡を生じない）という、いわば濃度勾配による分子拡散のメカニズムを用いた処理を行っているため、従来のように散気管などによる散気が不要となる。
また酸素溶解膜として疎水性の素材を用いると膜中に浸水しづらいので好ましいが、疎水性であっても微量の水蒸気の浸入は免れない。
図２は、酸素溶解膜モジュール６の一例を示している。この酸素溶解膜モジュール６は酸素溶解膜として非多孔質の中空糸膜２２を用いたものである。この実施の形態では、中空糸膜２２は上下方向に配列されており、各中空糸膜２２の上端は上部ヘッダー２０に連なり、下端は下部ヘッダー２１に連なっている。中空糸膜２２の内部は、それぞれ上部ヘッダー２０及び下部ヘッダー２１内に連通している。各ヘッダー２０，２１は中空管状である。なお、平膜やスパイラル膜を用いる場合にも、通気方向が上下方向となるように配列されることが望ましい。
図２（ｂ）の通り、１対のヘッダー２０，２１と中空糸膜２２とからなるユニットが複数個平行に配列されている。図２（ａ）の通り、各上部ヘッダー２０の一端又は両端が上部マニホルド２３に連結され、各下部ヘッダー２１の一端又は両端が下部マニホルド２４に連結されていることが好ましい。
この実施の形態では、ブロワ２６から給気配管２７を介して酸素溶解膜モジュール６の下部に酸素含有ガスとして空気を供給し、酸素溶解膜モジュール６の上部から非透過ガスを排ガス配管２８により排出する。空気は、下部ヘッダー２０から中空糸膜２２を通って上部ヘッダー２１へ流れ、この間に酸素が中空糸膜２２を透過して反応槽２内の水に溶解する。
このブロワ２６からの空気の供給量は、制御器１４によって制御される。
各ヘッダー２０，２１及び各マニホルド２３，２４は流水勾配を有するように設けられていてもよい。酸素溶解膜モジュール６は上下に多段に設置されてもよい。
この酸素溶解膜モジュール６に空気を供給するために、ブロワ２６と空気供給用の給気配管２７とが設けられており（酸素含有ガス供給手段を構成）、該給気配管２７が下部マニホルド２４に接続されている。上部マニホルド２３には排ガス配管２８が接続されている。
このように構成された好気性生物処理装置１において、原水の一部（原水全体の３０〜６０％程度）は、第１原水供給管８Ａを通じて受入室７に導入され、透水板３及び大径・小径の粒子層４，５を上向流通水されてＳＳが濾過され、次いで生物膜付着の粉粒状活性炭の流動床Ｆに供給される。原水の残部は、第２原水供給管８Ｂを介して酸素溶解膜モジュール６の上下方向途中部分の高さに供給される。このように反応槽２内に導入された原水は、流動床Ｆにおいて、一過式で上向流通水され生物反応を行って上部清澄領域からトラフ１０と流出口１１を通じて処理水として取り出される。
給気配管２７から供給された空気等の酸素含有気体は、酸素溶解膜モジュール６を上向流通気した後、酸素溶解モジュール６の上端位置より流出し、排空気は排ガス配管２８から大気中へ排出される。特にＴＯＣ濃度が高いときは酸素を最も多く必要とする原水注入部に多く酸素含有ガスを供給することが効率的なので、上向流通水の場合は酸素含有ガスも上向流通気することが好ましい。
酸素溶解膜モジュール６の各中空糸膜２２内を空気が流れる間に、酸素が中空糸膜２２を透過して水中に溶け込む。そのため、上向流通気の場合中空糸膜２２内にあっては、上部ほど酸素濃度が低く、上部ほど中空糸膜２２を透過する酸素透過量が少ない。この実施の形態では、原水の一部を第２原水供給管８Ｂを介して酸素溶解膜モジュール６の上下方向途中部分に供給しているので、酸素溶解膜モジュール６の下部においてＴＯＣ成分が生物分解された被処理水に対し、酸素溶解膜モジュール６の上下方向途中部分で新たな原水が追加供給される。そのため、第２原水供給管８Ｂの下流側（上方）において、高ＴＯＣ成分濃度の原水が処理され、流動床Ｆ内の全域において、ＤＯが存在し、十分に生物処理が行われると共に、また一箇所に高濃度ＴＯＣを供給するときに発生しやすかった未分解ＴＯＣに由来する酸素溶解膜表面への生物膜付着を抑制することができ安定した生物処理を行うことができるようにするため、第２原水供給管８Ｂの配置高さは酸素溶解膜モジュール６の高さの３０〜７０％程度の高さ（複数の酸素溶解膜モジュールを用いる場合は最上位のモジュールの上端高さと最下位のモジュールの下端高さの３０〜７０％程度の高さ）にする必要がある。特に２段分割では３０〜５０％程度の高さ、３段分割では２０〜３３％、５０〜６６％程度の高さ、つまり中間の高さよりやや低めに配置することが好ましい。なお、本発明では、処理水のＤＯ濃度が所定濃度以下となるように空気を供給するので、空気を過剰供給することがない。
第２原水供給管８Ｂの高さが酸素溶解膜モジュール６の高さと重なるときは、酸素溶解膜モジュール６を上下２段または水平方向２段とし、各膜モジュールの間に第２原水供給管８Ｂを配置することが作業性の点で好ましいが、第２原水供給管８Ｂを取り外し可能な簡易な構造とし、これを酸素溶解膜モジュール６内に通すようにしてもよい。
本発明では、活性炭等の生物担体の流動床に非多孔性の酸素溶解膜を設置することで、供給酸素量が多くなるため、対象とする原水の有機性排水濃度に上限が無い。
また、生物担体を流動床で運転するため、激しい撹乱にさらされることがない。したがって、多量の生物を安定して維持できるため、負荷を高くとることができる。
また、本発明では酸素溶解膜を使用するため、プリエアレーション、直接曝気と比較すると、酸素の溶解動力が小さい。
これらのことから、本発明によると、低濃度から高濃度までの有機性排水を高負荷で、かつ安価に処理することが可能となる。
＜生物担体＞
生物担体としては、活性炭が好適である。
生物担体としては、活性炭が好適である。
流動床担体の充填量は反応槽の容積の３０〜７０％程度、特に４０〜６０％程度が好ましい。この充填量は、多いほうが生物量が多く活性は高いが、多すぎると担体が流出するおそれがある。従って、流動床が２０〜５０％程度展開するＬＶ例えば７〜３０ｍ／ｈｒ特に８〜１５ｍ／ｈｒで通水するのが良い。なお、流動床担体として活性炭以外のゲル状物質、多孔質材、非多孔質材等も同様の条件で使用できる。例えば、ポリビニルアルコールゲル、ポリアクリルアミドゲル、ポリウレタンフォーム、アルギン酸カルシウムゲル、ゼオライト、プラスチック等も用いることができる。ただし、担体として活性炭を用いると、活性炭の吸着作用と生物分解作用による相互作用により、広範囲な汚濁物質の除去を行うことが可能である。
活性炭等の流動床担体の平均粒径は０．２〜１．２ｍｍ特に０．３〜０．６ｍｍ程度が好ましい。平均粒径が大きいと高ＬＶとすることが可能であり、処理水の一部を反応槽に循環する場合は循環量を増やせるため高負荷が可能となる。しかし、比表面積が小さくなるため、生物量が少なくなる。平均粒径が小さいと、低ＬＶで流動できるため、ポンプ動力が安価となる。かつ、比表面積が大きいため、付着生物量が増える。
最適粒径は廃水の濃度にも依存し、ＴＯＣ：５０ｍｇ／Ｌであれば０．２〜０．４ｍｍ程度が好ましい。
活性炭の展開率は、２０〜５０％程度が好ましい。展開率が２０％よりも低いと、目詰まり、短絡のおそれがある。展開率が５０％よりも高いと、担体流出のおそれがあると共に、ポンプ動力コストが高くなる。
通常の生物活性炭では、活性炭流動床の展開率は１０〜２０％程度であるがこの場合、活性炭の流動状態が不均一で上下左右に流動する。結果として同時に設置した膜が活性炭によってこすられ、すり減って消耗することになる。これを防止するため、本発明では、活性炭等の流動床担体は十分に流動させることが必要で展開率は２０％以上とするのが望ましい。このため、担体の粒径は通常の生物活性炭よりも小さいほうが好ましい。なお、活性炭の場合、やしがら炭、石炭、木炭等特に限定されない。形状は球状炭が好ましいが、通常の粒状炭や破砕炭でも良い。
＜酸素含有ガス＞
酸素含有ガスは空気、酸素富化空気、純酸素等、酸素を含む気体であればよい。通気する気体はフィルターを通過させて微細粒子を予め除去することが望ましい。
酸素含有ガスは空気、酸素富化空気、純酸素等、酸素を含む気体であればよい。通気する気体はフィルターを通過させて微細粒子を予め除去することが望ましい。
通気量はＤＯ計１３で検出されるＤＯが１ｍｇ／Ｌ以下となるようにするのが好ましい。このように処理水ＤＯを１ｍｇ／Ｌ以下とすることにより、ブロワ２６の消費電力を抑制することができる。また、ＤＯがほぼ０ｍｇ／Ｌであると、硝化と脱窒とが同時に進行するため、生物処理効率が向上する。なお、ＤＯが過度に多くなると、活性炭に付着する生物膜が肥大化し、生物膜の深部にまで酸素が行き届かなくなり、生物膜深部が嫌気化して生物反応効率が低下するおそれがある。また、肥大化した生物膜付着活性炭が反応槽外に流失するおそれもある。
ＤＯの下限値は、０（ゼロ）でもよいが、好気処理に必要な酸素が供給されていることを確認するために、０．０１ｍｇ／Ｌ以上であることが好ましい。
本発明の一態様では、ＤＯ計１３の検出ＤＯが０．２〜１ｍｇ／Ｌとなるようにする。ＤＯを０．２ｍｇ／Ｌ以上とすることにより、反応槽２内のワムシ生育量が増加し、ワムシによって汚泥が捕食され、汚泥が減容され、余剰汚泥が少なくなる。
なお、空気等の酸素含有ガスを中空糸膜２２に下向きに流すと、酸素含有ガスからの凝縮水が中空糸膜２２内に滞留することが防止される。
＜被処理水の流速＞
被処理水の流速はＬＶ７ｍ／ｈｒ以上とし、処理水を循環するのが好ましい。
被処理水の流速はＬＶ７ｍ／ｈｒ以上とし、処理水を循環するのが好ましい。
ＬＶを高くすると、それに比例して酸素溶解速度が向上する。ＬＶが高い場合は、粒径が大きい活性炭を使い、展開率をあまり大きくしないようにするのが好ましい。生物量、酸素溶解速度から、最適ＬＶ範囲は７〜３０ｍ／ｈｒ特に８〜１５ｍ／ｈｒ程度である。
＜滞留時間＞
槽負荷０．５〜４ｋｇ−ＴＯＣ／ｍ３／ｄａｙとなるように滞留時間を設定するのが好ましい。
槽負荷０．５〜４ｋｇ−ＴＯＣ／ｍ３／ｄａｙとなるように滞留時間を設定するのが好ましい。
＜ブロワ＞
ブロワは、吐出風圧が水深からくる水圧以下のもので十分である。但し、配管等の圧損以上であることは必要である。通常、配管抵抗は１〜２ｋＰａ程度である。
ブロワは、吐出風圧が水深からくる水圧以下のもので十分である。但し、配管等の圧損以上であることは必要である。通常、配管抵抗は１〜２ｋＰａ程度である。
５ｍの水深の場合、通常は０．５５ＭＰａ程度までの出力の汎用ブロワが用いられ、それ以上の水深では高圧ブロワが用いられてきている。
本発明では、５ｍ以上の水深であっても０．５ＭＰａ以下の圧力の汎用ブロワを用いることができ、０．１ＭＰａ以下の低圧ブロワを用いることが好ましい。
酸素含有ガスの供給圧は、中空糸膜の圧力損失より高く、さらに膜が水圧でつぶれないこと、が条件となる。平膜、スパイラル膜は膜の圧損が水圧と比較すると無視できるため、極めて低い圧力、５ｋＰａ程度以上、水深圧力以下、望ましくは２０ｋＰａ以下である。
中空糸膜の場合、内径と長さによって圧力損失は変化する。通気する空気量は膜１ｍ２あたり５０〜２００ｍＬ／ｄａｙであるから、膜長さが２倍になると空気量は２倍になり、膜径が２倍になっても空気量は２倍にしかならない。したがって、膜の圧力損失は膜長さに正比例し、直径に反比例する。
圧力損失の値は、内径５０μｍ、長さ２ｍの中空糸で３〜２０ｋＰａ程度である。本発明においては、原水中のＴＯＣが高濃度（例えば１００ｍｇ／Ｌ以上特に５００ｍｇ／Ｌ以上）の処理であっても効率的かつ安定的に処理することができる。
１ 好気性生物処理装置
２ 反応槽
６ 酸素溶解膜モジュール
８ 原水管
８Ａ 第１原水供給管
８Ｂ 第２原水供給管
１３ ＤＯ計
２０，２１ ヘッダー
２２ 中空糸膜
２６ ブロワ
２７ 給気配管
２８ 排ガス配管
２ 反応槽
６ 酸素溶解膜モジュール
８ 原水管
８Ａ 第１原水供給管
８Ｂ 第２原水供給管
１３ ＤＯ計
２０，２１ ヘッダー
２２ 中空糸膜
２６ ブロワ
２７ 給気配管
２８ 排ガス配管
Claims (6)
- 反応槽と、
該反応槽内に充填された流動床担体と、
該反応槽内に原水を上向流通水させるように該反応槽の下部に原水を供給する第１の原水供給手段と、
該反応槽内に設置された、酸素を該反応槽内の水に供給するための非多孔質の酸素溶解膜を有する酸素溶解膜モジュールと、
該酸素溶解膜モジュールに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、
該酸素溶解膜モジュールに供給された酸素含有ガスのうち前記酸素溶解膜に溶解しなかった残部よりなる排ガスを前記反応槽外に排出する排ガス配管と、
原水の一部を酸素溶解膜モジュールの上下方向の途中高さの反応槽内に供給する第２の原水供給手段と
を備えてなる好気性生物処理装置。 - 酸素溶解膜が疎水性である請求項１に記載の好気性生物処理装置。
- 酸素溶解膜が上下方向に設けられた中空糸膜であり、前記酸素含有ガス供給手段は、酸素含有ガスを該中空糸膜の下部に供給し、中空糸膜内を下側から上側へ流通させるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２の好気性生物処理装置。
- 前記中空糸膜内に前記酸素含有ガスが供給され、酸素分子が該中空糸膜に溶解し、酸素分子として前記反応槽内の水に直接に溶解する請求項１〜３のいずれかの好気性生物処理装置。
- 請求項１〜４のいずれかの好気性生物処理装置の運転方法であって、
前記反応槽の上部の処理水又は該反応槽から流出する処理水の溶存酸素濃度を測定し、この溶存酸素濃度が所定濃度となるように酸素含有ガス供給手段を制御する好気性生物処理装置の運転方法。 - 前記溶存酸素濃度が０．０１〜１ｍｇ／Ｌとなるように制御を行う請求項５の好気性生物処理装置の運転方法。
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