JP6999096B1 - 水処理に用いる生物反応装置、およびそれを用いた水底浄化装置、およびアクアポニックス装置 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、嫌気性細菌により有機物を分解する嫌気濾床槽1(嫌気槽)と、好気性菌により有機物を分解する接触曝気槽2(好気槽)から構成される排水処理装置が提案されている(例えば、特許文献1)。
例えば、ブロア7の運転を制御し、溶存酸素濃度を時間的に変化させることで、好気状態と嫌気状態を交互に作り出すことで、ひとつの槽で好気性菌と嫌気性菌による処理を実現している(例えば、特許文献2および特許文献3)。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、従来は実現できなかった好気性菌による処理と嫌気性菌による処理を同時に行う。これにより、これまでとは比較にならない高速の水の浄化を可能とするものである。
濾材と、
当該濾材に生育する浄化微生物と、
上記濾材に被処理水を導く導入経路と、
上記濾材に接触した被処理水を排水する排水経路と、
上記濾材に導かれる被処理水に酸素を供給するための曝気手段と
を備え、
上記浄化微生物は、溶存有機物を分解する好気性微生物である枯草菌、硝化反応を行う好気性微生物である硝化菌、および、脱窒反応を行う嫌気性微生物である脱窒菌であり、
上記枯草菌、硝化菌、および脱窒菌は同一濾材内に生育し、
上記被処理水に含まれる窒素化合物の硝化と脱窒を同時に行う
ものである。
あるいは、上記濾材は上記被処理水中で流動し、上記被処理水の溶存酸素濃度は5ppm以上、且つ飽和溶存酸素濃度以下であることを特徴とする。さらに、納豆菌を投入する納豆菌投入手段を有するものである。
したがって、水処理速度の高速化、高効率化が可能である。
さらに、装置構成が簡素であるため、装置の小型化も実現できる。
なお、従来の生物反応装置と同様に、物理的ろ過や化学的処理等と併せて用いることを想定したものである。もちろん、用途次第で、単独でも水の浄化を行うことができる。
まず、実施の形態1において、本発明の水処理に用いる生物反応装置の基本的な要件を固定の濾材構成を中心にして説明する。次に、実施の形態2においては、流動濾材構成を中心に説明する。そして、実施の形態3においては、本発明の水処理に用いる生物反応装置の応用として、水底に堆積した有機物除去の方法について説明する。
<構成>
図1は、本発明の水処理に用いる生物反応装置の内部透過的側面図である。
図1に示すように、本発明に係る水処理に用いる生物反応装置1は、濾材2と、この濾材2に生育する浄化微生物と、濾材2に被処理水を導く導入経路3と、濾材2に接触した被処理水を排水する排水経路4と、濾材2に導かれる被処理水に酸素を供給するための曝気手段5を備えている。被処理水は、導入経路3から生物反応装置1に導入され、上記濾材2内を流れ、そして排水経路4から排水される。
ここで、枯草菌とは、好気性のバクテリアであり、枯草菌(Bacillus subtilis)あるいは納豆菌(Bacillus subtilis var. natto)である。
硝化菌は、好気性のバクテリアであり、亜硝酸菌(アンモニア酸化細菌)および硝酸菌(亜硝酸酸化細菌)である。亜硝酸菌は土壌中のアンモニアを亜硝酸に酸化する細菌(ammonia oxidizing bacteria)あるいは、古細菌(ammonia oxidizing archaea)である。硝酸菌(nitrate bacteria)は、亜硝酸を硝酸に酸化する細菌である。
本発明の水処理に用いる生物反応装置の性能を検証するためのいくつかの実験を行った。以下において、これらの実験条件および実験結果について詳述する。
生物反応装置1の貯水槽は、縦横が1m、高さが1m20cmの水槽であり、その中に約1トンの被処理水を入れた。そして、毎分150Lの流量で被処理水を導入し、排水した。
生物反応装置1に導入する被処理水は、比較的汚れた河川の水を用い、それに硫酸アンモニウムを混ぜて、アンモニア態窒素濃度が10mg/Lとなるようにした。
曝気手段5は、図1に示すように、濾材2に対して被処理水の流れの上流側(導入経路3側)に配置し、溶存酸素濃度はAで示す箇所で測定を行った。
比較のため、曝気手段の位置を変えて同様の実験も行った。図2に示すように、曝気手段5aを濾材2に対して被処理水の流れの下流側(排水経路4側)に配置し、溶存酸素濃度はBで示す箇所で測定を行った。
なお、被処理水の水温は25℃である。
次に、溶存酸素濃度を7mg/Lに固定し、濾材2の平均粒径を0.2mmから18mmまで変えて、濾材2の平均粒径が水質改善にどのように影響しているかを調べた。曝気手段5の配置は上流側である。
その他の条件は検証実験1と同様である。
平均粒径が1mmから10mmで良好な結果が得られた。濾材2の平均粒径に関しては、このようにかなり広い範囲で良好な水質改善効果が得られることを確認できた。
窒素化合物の除去は、一般的には硝化菌と脱窒菌によって行われるが、枯草菌が補助的な役割を果たしているかを確認するため、枯草菌の繁殖の有無により水質に違いが生じるか否かについても検証実験を行った。
すなわち、硝化菌や脱窒菌が生育する濾材に枯草菌も生育させることで、3者の協調関係が得られ、馴養期間を短縮でき、且つ水質が向上することを確認できた。
上述したように、本発明の水処理に用いる生物反応装置により、水の浄化、特に窒素化合物の除去が極めて高速に行えることを確認できた。
また、枯草菌と脱窒菌の関係について述べれば、枯草菌が懸濁有機物を溶解することで、脱窒菌が脱窒反応を行う際に必要な水素供与体が十分に提供される。
まず、第一に、従来では考えられなかった高速の硝化および脱窒が同時進行で実現できたことである。これにより、装置の小型が可能となり、水処理施設の大幅なコストダウンが可能になる。また、家庭用や小集団用の浄水システムとしても利用することができる。
さらに、硝化と脱窒が同時に進行するため、被処理水が酸性側に偏ることがない。したがって、中和のためのアルカリが不要である。
図8を用いて、実施の形態2の水処理に用いる生物反応装置について説明する。図8は生物反応装置10の内部透過的側面図である。
実施の形態1においては、固定した濾材に浄化微生物を繁殖させたが、本実施の形態においては、被処理水中を流動する濾材20に浄化微生物を繁殖させた。
濾材の大きさは数mm径から数cm径程度である。
微細孔は0.5mm径から2mm径程度が望ましい。枯草菌、硝化菌、および脱窒菌を繁殖させるためには、この程度の大きさの微細孔が良い。
生活排水が蓄積した池から採取した水4m3を槽内に貯め、浄化を行った。浄化前の水の主な水質は以下の通りであった。
COD(化学的酸素要求量):50mg/L
SS(懸濁有機物):55mg/L
アンモニア態窒素:20mg/L
亜硝酸態窒素:0.5mg/L
硝酸態窒素:2mg/L
COD(化学的酸素要求量):20mg/L
SS(懸濁有機物):26mg/L
アンモニア態窒素:1mg/L
亜硝酸態窒素:2.8mg/L
硝酸態窒素:4mg/L
検証実験4と同様に濾材を流動させて浄化実験を行った。検証事件4と異なる点は、10cc/分の納豆菌を槽内上部80より投入したことである。
COD(化学的酸素要求量):3mg/L
SS(懸濁有機物):2mg/L
アンモニア態窒素:検出限界以下
亜硝酸態窒素: 0.3mg/L
硝酸態窒素: 4mg/L
以上の結果から分かるように、流動濾床(流動担体)を用いても、実施の形態1で示した固定濾床と同様に、高効率の浄化が可能である。特に、納豆菌を加えることによって、有機物の除去だけではなく、硝化や脱窒の効率も向上できることを確認できた。
図9を用いて、実施の形態3の水底浄化装置について説明する。有機物が水底に堆積した水域において、特に効果的な浄化を行う装置であり、堆積有機物を減厚し、水底の浄化環境を改善することを目的とした装置である。
河口部や沿岸部、湾、あるいは湖や池等においては、水底に厚く有機物が堆積し、水質悪化の大きな要因となっている。
浚渫によって堆積有機物を除去することも行われているが、莫大な除去費用が掛かるにもかかわらず、浚渫後には有機物が再び堆積するため、根本的な対策にはならない。
昨今、養殖と水耕栽培を組み合わせたアクアポニックスに関して研究が進んでいる。アクアポニックスにおいては、水棲生物の飼育水が植物の養液として利用され、植物に利用された養液が再び飼育水として循環利用される。
水棲生物の排泄物に含まれる猛毒であるアンモニアは硝化菌によって酸化され、弱毒性の亜硝酸や硝酸になる。亜硝酸や硝酸は弱毒性ではあるが、飼育水に蓄積して高濃度になると、水棲生物の健康に悪影響をもたらす。しかし、亜硝酸や硝酸を含む飼育水は植物の養液になり、亜硝酸や硝酸は植物の根から吸収され光合成に利用される。これにより、亜硝酸や硝酸の蓄積を避けることができる。このように、水棲生物にとって毒性のある亜硝酸や硝酸が、植物の光合成により消費されることで水の良好な循環が行われる、というのがアクアポニックスの基本的な考え方である。
大きな課題の一つが、飼育槽で発生する亜硝酸、硝酸が、植物によって十分に吸収されないため、長期的には亜硝酸、硝酸が蓄積し、水棲生物の健康に害を及ぼすことである。商業ベースで養殖を行う場合、水棲生物はかなり高密度で飼育される。したがって、水棲生物の排泄量も多量になり、発生する亜硝酸や硝酸量も相当な量になる。この多量の亜硝酸や硝酸を植物に吸収させるためには、水棲生物の飼育槽に比べて遥かに大面積の植物の栽培面積が必要になるので、スペース効率の観点から商業ベースでの実現が困難になる。
また、商業的に付加価値が高い水棲生物の多くは海洋魚である。したがって、飼育水は塩水になり、植物の養液としては適さない。
以上のような2つの課題が、商業ベースでアクアポニックスを実現する上での大きな障害になっている。
本実施の形態におけるポイントは、魚の排泄物を多量に含んだ水が、生物反応装置1000において、高効率の浄化が行われる点である。実施の形態1や2で示したように、硝化と脱窒が高い効率で起きるため、亜硝酸や硝酸は低濃度になる。したがって、飼育槽と同様の面積のプランターでも十分に植物によって、残った亜硝酸や硝酸が消費される。
また、循環水の亜硝酸濃度が非常に低濃度に維持されるため、水の塩分濃度を汽水レベルの低濃度にすることが可能になる。海洋魚は、汽水レベルの方が浸透圧調整の負荷が小さくなり、生育が早くなる。ただし、亜硝酸と塩素イオンはエラから吸収される際に競合物質となるため、塩分濃度が低いと、亜硝酸の吸収量が多くなり、呼吸障害等が起こりやすい。しかし、生物反応装置1000において、高効率の浄化が行われ、亜硝酸濃度は常に低く保たれるため、汽水レベルの塩水であっても、このような障害は起こらない。
2 濾材
3 被処理水導入手段
4 被処理水排水手段
5 曝気手段
10 生物反応装置
20 濾材(流動濾材)
30 被処理水導入手段
40 被処理水排水手段
50 曝気手段
100 生物反応装置
200 濾材
500 曝気手段
600 上昇流発生手段
Claims (4)
- 水処理に用いる生物反応装置であって、
濾材と、
当該濾材に生育する浄化微生物と、
上記濾材に被処理水を導く導入経路と、
上記濾材に接触した被処理水を排水する排水経路と、
上記濾材に導かれる被処理水に酸素を供給するための曝気手段と
を備え、
上記浄化微生物は、溶存有機物を分解する好気性微生物である枯草菌、硝化反応を行う好気性微生物である硝化菌、および、脱窒反応を行う嫌気性微生物である脱窒菌であり、
上記枯草菌、硝化菌、および脱窒菌は同一濾材内に生育し、
上記被処理水に含まれる窒素化合物の硝化と脱窒を同時に行う
水処理に用いる生物反応装置。 - 上記濾材は固定床であり、
上記濾材の導入経路側における被処理水の溶存酸素濃度は5ppm以上、且つ飽和溶存酸素濃度以下である
ことを特徴とする請求項1に記載の水処理に用いる生物反応装置。 - 上記濾材は上記被処理水中で流動し、
上記被処理水の溶存酸素濃度は5ppm以上、且つ飽和溶存酸素濃度以下である
ことを特徴とする請求項1に記載の水処理に用いる生物反応装置。 - 納豆菌を投入する納豆菌投入手段を有する
ことを特徴とする請求項3に記載の水処理に用いる生物反応装置。
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