JP6858146B2 - 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、流動床担体への生物付着量が多く、高い生物処理効率を長期間維持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、平均粒径が０．２〜１．２ｍｍの流動床担体と、該反応槽内に通気方向が上下方向となるよう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、該反応槽に原水を上向流通水する通水手段とを備えてなる。
本発明の一態様では、流動床担体が活性炭である。
本発明の一態様では、溶解膜は非多孔質の中空糸膜である。
本発明の好気性生物処理装置を運転する方法では、原水をＬＶ７〜３０ｍ／ｈｒで上向流通水する。
本発明では、流動床担体の平均粒径を１．２ｍｍ以下と小さくしているので、流動床担体の比表面積が大きい。そのため、生物膜面積が大きく、処理可能負荷量を多くすることができる。また、流動床担体の平均粒径を０．２ｍｍ以上としているため、流動床担体による酸素溶解膜の洗浄効果が高く、酸素溶解膜表面での生物の付着繁殖が防止される。
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流動床担体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、該受入室７内に原水を供給する原水散布管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。流動床担体としては、平均粒径０．２〜１．２ｍｍ特に０．３〜０．６ｍｍの活性炭が好適である。担体の粒径はＪＩＳメッシュを用いて測定された値である。
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。担体の平均粒径が０．２ｍｍ以上であるため、流動する担体によって酸素溶解膜表面に与えられる剪断力が大きくなり、生物の付着繁殖が防止される。また、担体の平均粒径を１．２ｍｍ以下としたことにより、担体の比表面積が大きくなり、付着する生物膜量が多くなり、十分な生物処理が行われる。
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侵入は免れない。
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の上部は配管を介して上部マニホルド２３が連結され、各下部ヘッダー２１の下部は配管を介して下部マニホルド２４に連結されていることが好ましい。酸素溶解膜モジュール６の上部に酸素含有ガスを供給し、酸素溶解膜モジュール６の下部から排出する。空気等の酸素含有ガスは上部ヘッダー２０から中空糸膜２２を通って下部ヘッダー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。
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が上部マニホルド２３に接続されている。下部マニホルド２４には排ガス用の中継配管２８が接続されている。中継配管２８は排出配管２９が接続している。排出配管２９は、下り勾配（鉛直下向きを含む）を有するように設けられ、反応槽２外にまで延設されている。図１では排出配管２９は反応槽２の側方に引き出されているが、反応槽２の底部から下方に引き出されてもよい。
図１の通り、酸素溶解膜に溶解しなかった酸素含有気体の残部が排出配管２９を通じて槽外に排気され、その末端が酸素溶解膜モジュールの下端（モジュールが複数のときは各モジュール下端の中で最も下位のもの）より低い位置となるよう配置しているため、排気に凝縮水が含まれる場合は排出配管２９の下方に設置のタンク３２に凝縮水が流出する。タンク３２内の水は、ポンプ３３及び配管３４によって反応槽２に送水することもできる。
なお、上記構成では、排出配管２９が排気の槽外排出と凝縮水の槽外排出とを併せて行うことになるが、排出配管２９を槽内または槽外で分岐して排気を槽外に排出する排ガス配管３０を別途設けてもよい。この場合、凝縮水は排出配管２９を通じて排出されるため、分岐して別途設けた排ガス配管３０はその末端の排気部が酸素溶解膜モジュールの下端より高い位置に配置することができるが、凝縮水の溜まりができないよう配管は下り勾配を有さず上り勾配または鉛直上向きのみで構成することが好ましい。またこのとき排出配管２９の排ガス配管３０との分岐点より下流側にバルブを設け、バルブを開くことにより凝縮水がタンク３２に流出するように構成してもよい。
バルブは自動弁、手動弁のいずれでもよい。凝縮水を排出するためのバルブの開放は、連続式でも間欠式でもよい。間欠式の場合は、温度変化、湿度変化によって変化するが、通常の運転では、１日に１回〜３０日に１回（多くても日に１回数秒、少なければ月に１回数十秒）、好ましくは１日に１回〜１５日に１回、バルブを開くことにより排水する。
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程度で通水するのが良い。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、担体の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％以上例えば２０〜５０％程度とするのが望ましい。
なお、平均粒径０．６ｍｍの活性炭をＬＶ１５ｍ／ｈｒで流動させると、展開率２０〜３０％の流動状態となる。平均粒径０．３ｍｍの活性炭をＬＶ８〜１０ｍ／ｈｒで流動させると、展開率は２０〜３０％となる。
本発明では、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。なお、活性炭は、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。
活性炭等の担体の平均粒径は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よって決定され、ＴＯＣ：５０ｍｇ／Ｌであれば０．２〜０．４ｍｍ程度が好ましい。
このように構成された好気性生物処理装置１において、原水は散布管８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を下向流通気した後、酸素溶解モジュール６の下端位置より下部ヘッダー２１、下部マニホルド２４を通じて流出し、排空気は排出配管２９から（または排ガス配管３０を設けたときは排ガス配管３０から）大気中へ排出される。凝縮水は排出配管２９を通じてタンク３２へ流出する。ただし、空気等の酸素含有気体は、酸素溶解膜モジュール６に上向流で通気されてもよい。
なお、酸素溶解膜として中空糸膜を用いるときは通気部の断面積が小さいため通気の阻害となりやすく影響が大きいので、酸素溶解膜が中空糸膜である好気性生物処理装置に上記の凝縮水の除去機構をより好適に用いることができる。
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、平均粒径０．２〜１．２ｍｍの生物担体をＬＶ７〜３０ｍ／ｈｒの上向流により流動させて形成した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。本発明では、流動床担体の平均粒径を０．２〜１．２ｍｍとしているので、酸素溶解膜の表面が担体で擦られて生物の付着繁殖が防止されるので、酸素溶解膜から被処理水中に酸素が効率よく溶解する。これにより、酸素溶解膜からの酸素供給量と、流動床担体付着生物膜による有機物分解速度のバランスがとれ、安定した生物処理が行われる。
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、かつ安定して処理することが可能となる。
＜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。
通気量は生物反応に必要な酸素量の当量から２倍程度が望ましい。これよりも少ないと酸素不足で処理水中にＢＯＤやアンモニアが残存し、多いと通気量が不必要に多くなることに加えて圧力損失が高くなるため、経済性が損なわれる。
通気圧力は所定の通気量で生ずる中空糸の圧力損失よりもわずかに高い程度が望ましい。
＜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。
＜原水の前処理及び生物処理水の後処理＞
本発明では、原水としては、半導体、液晶製造工程排水、食品工場排水、自動車製造排水、機械化工排水、化学石油プラント排水などが例示されるが、これらに限定されない。原水中のＳＳ濃度が高い場合には、前処理してＳＳを除去した後、生物処理装置に供給するのが好ましい。
本発明では、原水としては、半導体、液晶製造工程排水、食品工場排水、自動車製造排水、機械化工排水、化学石油プラント排水などが例示されるが、これらに限定されない。原水中のＳＳ濃度が高い場合には、前処理してＳＳを除去した後、生物処理装置に供給するのが好ましい。
本発明では、生物処理装置からの生物処理水をさらに処理してもよい。このような処理としては、処理水中のＳＳや生物汚泥を除去するための凝集沈殿処理などが例示される。
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
２０，２１ ヘッダー
２２ 中空糸膜
２７ 給気配管
２９ 排出配管
３０ 排ガス配管
３１ バルブ
３２ タンク
２ 反応槽
６ 酸素溶解膜モジュール
２０，２１ ヘッダー
２２ 中空糸膜
２７ 給気配管
２９ 排出配管
３０ 排ガス配管
３１ バルブ
３２ タンク
Claims (4)
- 反応槽と、
該反応槽内に充填された、平均粒径が０．２〜０．６ｍｍの流動床担体と、
該反応槽内に通気方向が上下方向となるように設置された非多孔質の中空糸膜よりなる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、
前記酸素溶解膜に溶解しなかった酸素含有ガスの残部を前記酸素溶解膜モジュールから前記反応槽外に排出する配管と、
該反応槽に原水をＬＶ７〜３０ｍ／ｈｒで上向流通水する通水手段と
を備えてなる好気性生物処理装置。 - 前記流動床担体が活性炭である請求項１の好気性生物処理装置。
- 前記酸素溶解膜は中空糸膜内を流れる酸素含有ガス中の酸素を酸素分子として酸素溶解膜の構成原子間を通過させるものである請求項１又は２の好気性生物処理装置。
- 請求項１ないし３のいずれかの好気性生物処理装置の運転方法であって、前記反応槽に原水をＬＶ７〜３０ｍ／ｈｒで上向流通水する好気性生物処理装置の運転方法。
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