JP7063770B2

JP7063770B2 - 廃水処理装置

Info

Publication number: JP7063770B2
Application number: JP2018154897A
Authority: JP
Inventors: 善治松原
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2022-05-09
Anticipated expiration: 2038-08-21
Also published as: JP2020028836A

Description

本発明は、微生物を利用した廃水処理装置に関する。より具体的には、本発明は、生物学的な硝化および脱窒を同一槽内で効率的に行う廃水処理装置に関する。

我が国では、廃水中の窒素を処理する方法として、生物学的な硝化および脱窒を行う方法が多く採用されている。この生物学的な硝化および脱窒方法では、好気性微生物である硝化菌を用いてアンモニア性窒素を硝化した後、通性嫌気性微生物である脱窒菌を用いて、亜硝酸や硝酸性窒素を窒素ガスに還元する。しかしながらこの方法では、硝化のために多くのばっ気動力が必要になるという問題や、好気性の硝化槽と無酸素の脱窒槽とを分ける必要があるために槽の容積が大きくなるという問題があった。

特許文献１には、気体透過膜を利用してばっ気動力を不要とし、かつ廃水中の溶存酸素濃度の偏りを利用して、好気性部分と無酸素部分とを形成し、同一槽内で窒素を処理する方法が開示されている。

特許第３７４３７７１号明細書

しかしながら、特許文献１に開示されている方法では、好気性微生物は気体透過膜上に増殖できるのに対し、通性嫌気性微生物は、気体透過膜から離れた廃水中に浮遊状態で増殖するしかないため、微生物濃度が不足または変動し、脱窒性能が安定せず非効率であるという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、生物学的な硝化および脱窒を同一槽内で効率的に行う廃水処理装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は次の項に記載の主題を包含する。

（項１）
廃水処理槽の内部に貯留する廃水に含まれる好気性微生物および通性嫌気性微生物の作用により、窒素の硝化および脱窒を行う廃水処理装置であって、
前記廃水処理槽内に設けられ、前記廃水の水面から突出する開口から大気中の酸素を含む気体を取り込み、主に前記好気性微生物が増殖する表面と、主に前記好気性微生物が増殖する表面の下方に位置する、主に前記通性嫌気性微生物が増殖する表面とを有する、袋状の気体透過膜を備える廃水処理装置。
（項２）
前記廃水処理槽内に設けられ、主に前記通性嫌気性微生物が増殖する表面を有する接触材をさらに備える、項１に記載の廃水処理装置。
（項３）
前記接触材は、前記気体透過膜の下方に配置されている、項２に記載の廃水処理装置。
（項４）
処理水を循環する配管をさらに備える、項１から３のいずれかに記載の廃水処理装置。
（項５）
前記気体透過膜の前記開口へ送気する送風機をさらに備える、項１から４のいずれかに記載の廃水処理装置。

本発明によると、生物学的な硝化および脱窒を同一槽内で効率的に行う廃水処理装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。廃水処理装置に配置される気体供給体の鉛直断面図である。廃水処理装置に配置される気体供給体の水平断面図である。気体透過膜から形成された袋の内部に気体通過層を挿入する様子を示す模式図である。図２の気体供給体を構成する気体通過層を示す斜視図である。本発明の第２の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。本発明の第３の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。本発明の第４の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。本発明の第５の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。本発明の第６の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。本発明の第７の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。本発明の第８の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。

以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する重複した説明を省略する。

本発明に係る廃水処理装置は、廃水処理槽の内部に貯留する廃水に含まれる好気性微生物および通性嫌気性微生物の作用により、廃水に含まれる窒素の硝化および脱窒を行う。好気性微生物は、気体透過膜の表面に増殖する。通性嫌気性微生物は、好気性微生物が増殖する気体透過膜の表面の下方に位置する気体透過膜の表面に、または接触材の表面に増殖する。

好気性微生物が増殖する表面近傍での酸素濃度は、好ましくは、１．０ｍｇ／Ｌ以上であり、より好ましくは、２．０ｍｇ／Ｌ以上である。また、通性嫌気性微生物が亜硝酸性窒素又は硝酸性窒素ガスに置き換える表面近傍での酸素濃度は、好ましくは、０．５ｍｇ／Ｌ以上～１．０ｍｇ／Ｌ以下である。

［第１の実施形態］
（廃水処理装置５０）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。

本発明の第１の実施形態では、気体透過膜２１の表面の異なる場所に、好気性微生物と通性嫌気性微生物とを増殖させる。具体的には、気体通過層１２の内部空間Ｓにおける、水深方向での酸素濃度の勾配を利用する。

図１に示すように、本実施形態の廃水処理装置５０（５０Ａ）は、袋状の気体透過膜２１を備えている。気体透過膜２１は、開口２１ｂを除く部分が廃水Ｗに浸かるように、廃水処理槽５１内に設けられている。

気体透過膜２１は、水面から突出する開口２１ｂから大気中の酸素を含む気体（例えば、空気）を取り込む。窒素の硝化に必要な酸素は、気体通過層１２の上部側（気体透過膜２１の上部表面）から取り入れられる。開口２１ｂは気体透過膜２１の一端に設けられており、廃水Ｗ中に位置する他端は閉塞されている。

気体透過膜２１は、好ましくは、気体通過層１２を備える気体供給体１０に設けられている。気体通過層１２は、任意の構成であり、気体供給体１０の内部に設置され、空気を取り入れる内部空間Ｓを保持する。

ここで、酸素が気体通過層１２の底部まで拡散する速度が、微生物が廃水を硝化するために酸素を消費する速度よりも遅い場合には、気体通過層１２の内部空間Ｓの酸素濃度に勾配が発生する。例示的には、酸素濃度は、例えば上部側（気体透過膜２１の全長に対する深さ方向の長さの割合が３０％以下の場合）において１５～２０％であり底部側において１～３％以下である。

このような酸素濃度の勾配の発生に伴い、気体透過膜２１の表面の異なる場所に、好気性微生物と通性嫌気性微生物とが増殖する。気体通過層１２の内部空間Ｓの上部側に位置する、酸素濃度が高い部分の気体透過膜２１の表面には、主に（９割以上）好気性微生物である硝化菌が増殖する。気体通過層１２の内部空間Ｓの下部側に位置する、酸素濃度がほとんどない部分の気体透過膜２１の表面には、主に（９割以上）通性嫌気性微生物である脱窒菌が増殖する。

廃水Ｗは、本実施形態では廃水処理槽５１の上部から供給され、下部から処理水Ｔとして放出される。まず、廃水処理槽５１の上部では、酸素濃度が高い部分の気体透過膜２１の表面に増殖する硝化菌の働きにより、廃水Ｗ中のアンモニア性窒素を亜硝酸、更には硝酸性窒素に硝化する。次に、廃水処理槽５１の下部では、酸素濃度がほとんどない部分の気体透過膜２１の表面に増殖する脱窒菌の働きにより、亜硝酸または硝酸性窒素を窒素ガスに還元する。これにより、廃水に含まれる窒素の硝化および脱窒が行われる。

なお、亜硝酸または硝酸性窒素を窒素ガスに還元する際には、廃水処理槽５１の底部に沈殿した汚泥３２の自己分解により生成される、ＢＯＤとして表される有機物を水素供与体として利用することができる。汚泥３２は、気体透過膜２１から剥離した生物膜の残渣である。

酸素濃度勾配の具体的な測定例として、MABR（Membrane Aerated Biofilm Reactor）試験水槽に設置した気体供給体１０における気体通過層１２中の酸素濃度を測定した。測定は、有効水深が１．８ｍの試験水槽において行った。測定結果を表１に示す。廃水のＢＯＤ（Biochemical oxygen demand）濃度は、約２０００ｍｇ／Ｌである。

有効水深１．８ｍの試験水槽では、水面からの深さが７３５ｍｍにおいて酸素濃度が１．２％まで低下している。酸素濃度が１～３％以下の環境では、好気性微生物は増殖することが困難である一方、通性嫌気性微生物は増殖することが可能である。よって、表１の測定例によると、水深約７５０ｍｍを境に、気体透過膜２１の表面の上方側では硝化菌が増殖することができ、気体透過膜２１の表面の下方側では、脱窒菌が増殖することができる。

以下、廃水処理装置５０の構成についてより具体的に説明する。

（廃水処理槽５１）
図１に示すように、廃水処理槽５１は、廃水Ｗを貯留可能な有底の容器であって、廃水Ｗを流入させる流入口５１ａと、廃水Ｗを流出させる流出口５１ｂとを有している。

本実施形態では、流入口５１ａと流出口５１ｂとは常時開放されている。廃水Ｗは、流入口５１ａから、当該流入口５１ａに対向する位置に配置された流出口５１ｂに向かって、連続的、もしくは、断続的に供給される。

廃水処理槽５１の容積については、特に限定されないが、例えば、１ｍ^３以上１０，０００ｍ^３以下の容積であればよい。例示的に、本実施形態では、廃水処理槽５１の有効水深は約３ｍである。

（気体供給体１０）
図１に示すように、廃水処理装置５０の使用時には、廃水処理槽５１の内部に複数の気体供給体１０が並設される。各気体供給体１０は、上端部分を除いた部分が廃水処理槽５１の廃水Ｗ中に浸漬された状態で、開口２１ｂから供給された気体を、廃水Ｗ中に供給する構造体である。気体供給体１０を介して廃水Ｗ中に供給される気体は、酸素を含む気体（例えば空気）である。本実施形態では、開口２１ｂ付近の空気を開口２１ｂに取り入れることで、ばっ気装置を使用せずに廃水Ｗ中に空気が供給される。これにより、気体透過膜２１の表面には、好機性微生物が増殖し、水中に溶解、もしくは分散している汚泥物質が、上記微生物の活動で分解されて、廃水が浄化される。

各気体供給体１０は、中空の平板状部材である。各気体供給体１０は、廃水Ｗとの接触面積を効率的に確保するために、上下方向（深さ方向）と横方向（水平方向）とに沿って面が展開されるように配置される。

図２は、気体供給体１０の鉛直断面図であり、図３は、気体供給体の水平断面図である。図４は、気体透過膜から形成された袋の内部に気体通過層を挿入する様子を示す模式図である。

気体供給体１０は、気体通過層１２と、気体透過膜２１とを備えている。気体通過層１２は、気体透過膜２１によって構成される袋の中２１ａに配置されている。前記袋は、２枚の気体透過膜２１，２１を重ね合わせて、これら気体透過膜２１，２１の周縁の３方の端部２１ｃを接着したものであり、上端部（気体通過層１２における気体供給側の端部）に開口２１ｂを有している。当該開口２１ｂから気体通過層１２が袋の内部に挿入されることで、気体通過層１２の外周は気体透過膜２１で覆われる。なお開口２１ｂの位置あるいは形状は限定されず、例えば袋の各端（袋の上辺、底辺、横辺（縦のライン）も含む）の一部が開口とされてもよい。

各気体供給体１０は、これらの側面が略平行になるように配置されることが好ましい。廃水処理槽５１に流入口５１ａや流出口５１ｂが設けられることで、廃水Ｗの流れが生じる場合には、各気体供給体１０は、廃水Ｗの流れを遮断しない方向に配列されることがさらに好ましい。特に、流入口５１ａと流出口５１ｂとが対向して配置される場合には、流入口５１ａと流出口５１ｂとを結ぶ直線に対して各気体供給体１０の側面が平行になるように、各気体供給体１０が配置されることが好ましい。このようにすることで、流入口５１ａから廃水処理槽５１内に供給される廃水Ｗは、流出口５１ｂに向けて円滑に流れる。

気体供給体１０の間隔を、気体供給体１０の厚みを含まない、隣り合う２つの気体供給体１０の外面の間の間隔と定義すると、気体供給体１０の間隔の下限は、５ｍｍ以上であることが好ましい。また気体供給体１０の間隔の上限は、２００ｍｍ以下であることが好ましい。気体供給体１０の間隔が５ｍｍ未満である場合には、気体透過膜２１上に増殖する微生物によって目詰まりを起こす恐れがある。気体供給体１０の間隔が２００ｍｍを超える場合には、廃水との接触が悪くなる可能性がある。なお上記問題を確実に回避するために、気体供給体１０の間隔の下限は１５ｍｍ以上であることがより好ましく、気体供給体１０の間隔の上限は５０ｍｍ以下であることがより好ましい。

気体供給体１０の上下方向（浸漬時の深さ方向）における長さは、０．６ｍ以上４ｍ以下であることが好ましい。気体供給体１０の上下方向の長さが０．２ｍ以上であることは、廃水処理槽５１の設置面積当たりの気体供給体１０の設置面積向上による廃水処理能向上効果をより良好に得る点で好ましい。なお当該観点において、より好ましくは、気体供給体１０の上下方向の長さは０．８ｍ以上とされ、さらに好ましくは１．２ｍ以上とされる。また気体供給体１０の上下方向の長さが４ｍ以下であることは、気体供給体１０への換気による廃水処理能向上効果をより良好に得る点、および設置容易性の点などで好ましい。また当該観点において、より好ましくは、気体供給体１０の上下方向の長さは３ｍ以下とされる。

気体供給体１０の上下方向に直交する横方向の長さは、０．２ｍ以上３．６ｍ以下であることが好ましい。上記気体供給体１０の上下方向に直交する横方向の長さが０．２ｍ以上であることは、廃水Ｗとの接触面積を効率的に確保して廃水処理効率を向上させる点で好ましい。上記気体流路Ｓの横方向の長さが３．６ｍ以下であることは、気体供給体１０全体の強度維持容易性および気体供給体１０の設置容易性の点などで好ましい。なお上記の観点において、上記気体供給体１０の上下方向に直交する横方向の長さは、より好ましくは０．４ｍ以上１．８ｍ以下とされる。

（気体通過層１２）
図５は、気体通過層１２を示す斜視図である。気体通過層１２は、中空板状部材であり、紙、樹脂、金属、無機材料のいずれかから形成される。気体通過層１２は、第１端部から供給された気体が第１方向（図５の二点鎖線で示す方向）に沿って通過する気体流路Ｓを有する構造体である。開口２１ｂ近傍にある空気は、開口２１ｂ（図２）を介して気体通過層１２の上端部に供給される。気体通過層１２は、上端部に供給された気体が第１方向に通過する気体流路Ｓを有しており、側面の気体通過孔１３から気体を放出する。

より具体的には図５に示すように、気体通過層１２は、複数の芯材１２ａと、表ライナ１２ｂと、裏ライナ１２ｃと、を有している。気体通過層１２の表裏面は、板状の部材である表ライナ１２ｂや裏ライナ１２ｃによって構成される。

複数の芯材１２ａは、それぞれ第１方向に延びるものであって、第１方向と直交する方向に所定の間隔をあけて配列される。これら複数の芯材１２ａが表ライナ１２ｂと裏ライナ１２ｃとの間に挟み込まれることで、表ライナ１２ｂと裏ライナ１２ｃとの間の空間が、芯材１２ａによって区画されて、複数の気体流路Ｓが形成される。

各芯材１２ａは、表ライナ１２ｂおよび裏ライナ１２ｃ側から押圧された際に、表ライナ１２ｂと裏ライナ１２ｃとの間の空間が縮小しないように支持する支持部として機能する。図１に示すように気体供給体１０が廃水Ｗ中に浸漬された状態では、芯材１２ａによって表ライナ１２ｂと裏ライナ１２ｃとの間の空間が保持されることで、気体流路Ｓの断面積が水圧によって縮小することが防止される。これにより、気体通過層１２（気体流路Ｓ）における気体通過量が十分に確保される。

表ライナ１２ｂおよび裏ライナ１２ｃには、それぞれ複数の気体通過孔１３が形成されている。気体通過孔１３は、表ライナ１２ｂおよび裏ライナ１２ｃに形成された貫通孔である。当該気体通過孔１３が気体流路Ｓと気体透過膜２１とを連通させることで、気体流路Ｓを流れる気体は、気体透過膜２１を介して廃水Ｗ中に供給される。

なお例えば、気体通過孔１３は、気体通過層１２の成形時に形成される。或いは気体通過層１２の成形後に表ライナ１２ｂや裏ライナ１２ｃの加工が行われることで、気体通過孔１３が形成されてもよい。また、表ライナ１２ｂや裏ライナ１２ｃとして多孔性シートが用いられてもよい。また十分な気体供給性能が得られれば、気体通過層１２として多孔性シートが用いられてもよい。更に、気体流路Ｓに交差する方向（廃水Ｗの水面に対して水平方向）に気体透過孔１３が形成されていても良い（図示せず）。この場合、各芯材１２ａに気体透過孔１３を形成し、水平方向に気体を通過させる流路を設けることも可能である。

気体通過層１２を構成する各部材の素材としては、紙、セラミック、アルミニウム、鉄、プラスチック（ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、メチルセルロース樹脂、エチルセルロース樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、酢酸ビニル樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂及びポリビニルブチラール樹脂）等が挙げられる。

なお強度面が優れることから、気体通過層１２の素材は、紙、アルミニウム、鉄、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、塩ビ樹脂、ポリエステル樹脂であることが好ましい。

また材料コストを安価に抑える観点では、気体通過層１２の素材として、例えば、紙、ポリオレフィン、ポリスチレン、塩ビ、ポリエステル等の樹脂、アルミニウム等の金属等を使用することが好ましい。また、気体流路Ｓが第１方向（図５中の二点鎖線参照）に延びるように形成された段ボールを気体通過層１２として使用することでも、気体通過層１２の材料コストを安価に抑えることができる。

当該気体通過層１２の気体通過孔１３の形状は、円形状、多角形状（ハニカム構造を含む）など様々な形状にすることができる。なお、気体通過孔１３の形状を、多角形状にすることが好ましく、長方形もしくは正方形にすることがより好ましい。

気体通過層１２内に形成される気体流路Ｓの上下方向（浸漬時の深さ方向）における長さは、０．２ｍ以上６ｍ以下であることが好ましい。気体流路Ｓの上下方向の長さが０．２ｍ以上であることは、気体流路Ｓの維持を容易かつ気体流路Ｓの換気を容易にして廃水処理能を向上させる点で好ましい。なお当該観点において、より好ましくは、気体流路Ｓの上下方向の長さは、０．８ｍ以上とされる。また気体流路Ｓの上下方向の長さが４ｍ以下であることは、気体流路Ｓの換気による廃水処理能向上効果をより良好に得る点、および設置容易性の点などで好ましい。また当該観点において、より好ましくは、気体流路Ｓの上下方向の長さは２．５ｍ以下とされる。

気体流路Ｓの上下方向に直交する横方向の長さは、０．２ｍ以上３．６ｍ以下であることが好ましい。上記気体流路Ｓの横方向の長さが０．２ｍ以上であることは、廃水Ｗとの接触面積を効率的に確保して廃水処理効率を向上させる点で好ましい。上記気体流路Ｓの横方向の長さが３．６ｍ以下であることは、気体供給体１０全体の強度維持容易性および気体供給体１０の設置容易性の点などで好ましい。なお上記の観点において、上記気体流路Ｓの横方向の長さは、より好ましくは０．４ｍ以上１．８ｍ以下とされる。

気体流路Ｓの長さＬｓに対する廃水Ｗへの接水長さＬｗの割合は、例えば、８０％以上、９５％以下であればよい（長さＬｓ，Ｌｗについては図１参照）。上記長さＬｓに対する接水長さＬｗの割合が上記下限値以上であることは、気体流路Ｓから供給される酸素量を良好に確保し廃水処理効率を向上させる点で好ましい。上記長さＬｓに対する接水長さＬｗの割合が上記上限値以下であることは、気体流路Ｓへの廃水Ｗの侵入を防ぐ点で好ましい。

あるいは、気体流路Ｓへの廃水Ｗの侵入を防ぐ点では、廃水Ｗの水面が気体供給体１０（気体透過膜２１）の開口２１ｂから２ｃｍ以上離間するように接水長さＬｗが設定されてもよい。

（気体透過膜２１）
気体透過膜２１は、最外側層が液体（廃水Ｗ）に接触するように液体中（廃水Ｗ中）に浸漬された状態で、内側（気体通過層１２）から外側（廃水Ｗ）へ酸素を透過させ、かつ外側（廃水Ｗ）から内側（気体通過層１２）へ廃水を透過させない特性を有する。

図２に示すように、気体透過膜２１は、基材２１１と、気体透過性無孔層２１２と、微生物支持層２１３とを含む。図示の例では、気体透過膜２１は、微生物支持層２１３、基材２１１、気体透過性無孔層２１２の順に積層されており、基材２１１が気体透過性無孔層２１２で覆われるとともに、廃水Ｗに接触する最外側層が微生物支持層２１３によって構成されている。なお気体透過膜２１は、基材２１１、気体透過性無孔層２１２、微生物支持層２１３の順に積層されたものであってもよい（図示の例とは逆に、基材２１１が、気体透過性無孔層２１２の内側に位置してもよい）。このようにしても、基材２１１を気体透過性無孔層２１２で覆い、廃水Ｗに接触する最外側層を微生物支持層２１３によって構成できる。

（基材２１１）
基材２１１は、熱可塑性樹脂から形成される微多孔膜である（前記微多孔膜とは、微細な貫通孔を多数設けた膜である）。基材２１１の素材として、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリールスルホン、ポリメチルペンテン、ポリテトラフルオロエチレン、及びポリフッ化ビニリデンを含めたフッ素樹脂、ポリブタジエン、ポリ（ジメチルシロキサン）を含めたシリコーンベースのポリマー、およびこれらの材料のコポリマーから選ばれるポリマー材料を含む等を含んでもよい。

微多孔膜である基材２１１の製造方法は、特に限定されないが、例えば、相分離法、延伸開孔法、溶解再結晶法、粉末焼結法、発泡法、溶剤抽出のいずれかによって、基材２１１を製造できる。また基材２１１は、自己組織化ハニカム微多孔膜であってもよい。

基材２１１の厚みは、10μｍ以上500μｍ以下であることが好ましく、50μｍ以上200μｍ以下であることがより好ましい。基材２１１の厚さは、JIS1913:2010一般不織布試験方法6.1厚さの測定方法で測定される値である。

基材２１１の細孔径は、気体透過膜の欠陥を防止する観点から、0.01μｍ以上50μｍ以下であることが好ましく、高い強度と気体透過性を保持する観点から、0.1μｍ以上30μｍ以下であることがより好ましい。前記細孔径は、表面を走査型電子顕微鏡（SEM）により観察し、その観察像から以下に示す方法により求めた細孔径である。観察倍率は、観察する対象物の細孔径が適切に算出できる倍率であれば、任意の倍率で観察することができる。

＜細孔径を求める方法＞
SEM観察で得られた像について、２値化処理を行い、画像解析的に、細孔径を算出する。算出の際には、細孔径は楕円近似を行い、楕円の長軸の長さを細孔径として、その平均値を評価する。

（気体透過性無孔層２１２）
気体透過性無孔層２１２とは、前記基材の孔より径の小さい細孔径の孔を有するか、もしくは、目視では孔の径を検出できず、かつ、気体を透過可能な層である。気体透過性無孔層２１２の細孔径は、基材２１１の細孔径と同様の方法で測定できる。

気体透過性無孔層２１２は、酸素、二酸化炭素、窒素、水素、メタノール、エタノール等のアルコール類や有機溶剤、もしくはそれらの混合ガスを、透過可能な層である。当該層２１２の気体透過性はJIS K 7126に定めた方法で測定できる。

気体透過性無孔層２１２は、熱可塑性樹脂でもよく、熱硬化性樹脂でもよい。当該熱硬化性樹脂は、熱硬化する樹脂であってもよく、紫外線の照射で硬化する樹脂であってもよい。また、有機過酸化物架橋、付加反応架橋、縮合架橋により硬化する樹脂であってもよい。

気体透過性無孔層２１２の素材としては、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンポリテトラフルオロエチレン、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂および、これらの材料のコポリマーから選ばれる熱硬化性ポリマーを含んでもよい。また、（Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ）ｎ（ｎ＝整数）のシロキサン骨格を有するポリマー（ジメチルシロキサン）などのシリコーンベースのシリコーン樹脂を用いることができる。これらの中でも、特に、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂を用いることが好ましい。

上記のポリウレタン樹脂としては、「アサフレックス８２５」（旭化成社製）、「ペレセン２３６３－８０Ａ」、「ペレセン２３６３－８０ＡＥ」、「ペレセン２３６３－９０Ａ」、「ペレセン２３６３－９０ＡＥ」、（以上、ダウ・ケミカル社製）、「ハイムレンＹ－２３７ＮＳ」（大日精化工業社製）を用いることができる。

上記のシリコーン樹脂としては、「シラシール３ＦＷ」、「シラシールＤＣ７３８ＲＴＶ」、「ＤＣ３１４５」、及び「ＤＣ３１４０」（以上、ダウコーニング社製）、「ＥＬＡＳＴＯＳＩＬＲＴ７０７Ｗ」、「ＥＬＡＳＴＯＳＩＬＥＬ４３００」、「ＮＣ１９１０」（旭化成ワッカーシリコーン社製）、「ＳＤ４５８４ＰＳＡ」、「ＫＳ－８４７Ｔ」、「ＫＦ－２００５」、「Ｘ－４０－３２３７」、「ＫＮＳ－３００２」（信越化学社製）を用いることができる。シリコーン樹脂にはさらに、触媒を添加してもよい。触媒としては、オクチル酸亜鉛、オクチル酸鉄、コバルト、錫などの有機酸塩、アミン系の触媒を用いることができる。また、有機錫化合物、有機チタン化合物、白金化合物も用いることができる。触媒としては、例えば、「ＣＡＴ－ＰＬ－５０Ｔ」（信越化学社製）を用いることができる。また、塗布の際には、トルエンやキシレン等の溶剤を添加してもよい。

気体透過性無孔層２１２の製造方法は、特に限定されず、リバースロールコーター、正回転ロールコーター、グラビアコーター、ナイフコーター、ロッドコーター、スロットオリフィスコーター、エアドクタコーター、キスコーター、ブレードコーター、キャストコーター、スプレーコーター、スピンコーター、押出コーター、ホットメルトコーター等を用いる方法で気体透過性無孔層２１２を製造できる。また、粉体コーティング、電着コーティング等の方法でも気体透過性無孔層２１２を製造できる。基材を気体透過膜の原料液に浸漬することでコーティングしてもよい。基材はシート状でも中空糸状でもよい。塗布の前工程において、プライマー塗布、コロナ処理等の前処理を行ってもよい。

気体透過性無孔層２１２の目付量は、10g/m²以上、500g/m²以下であることが好ましく、20g/m²以上200g/m²以下であることがより好ましい。気体透過性無孔層２１２の目付量は、気体透過性無孔層２１２が積層される前の基材の目付量E（g/m²）と、気体透過膜が積層された後の気体透過性無孔層２１２と基材の目付量F（g/m²）の差であるD(g/m²)として、以下の関係式（１）により求められる。

Ｄ＝Ｆ－Ｅ（式１）

気体透過性無孔層２１２や基材の目付量はJIS1913:2010一般不織布試験方法6.2単位面積当たりの質量で測定される値である。

気体透過性無孔層２１２の厚みは、10μｍ以上、500μｍ以下であることが好ましく、20μｍ以上200μｍ以下であることがより好ましい。上記の気体透過性無孔層２１２の厚さはJIS1913:2010一般不織布試験方法6.1厚さの測定方法で測定される値である。

（微生物支持層２１３）
微生物支持層２１３は、その表面もしくは内部に微生物を保持する層であり、内部に微生物が生育可能な空間を有し、水中の有機物が通過可能である。微生物支持層２１３の素材としては、例えば、メッシュ、織布、不織布、発泡体、又は微多孔膜等の多孔性シートが挙げられる。多孔性シートの素材は、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、メチルセルロース樹脂、エチルセルロース樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、酢酸ビニル樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂及びポリビニルブチラール樹脂、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド、パラ系およびメタ系アラミド、ポリアリレート、炭素繊維、ガラス繊維、アルミニウム繊維、スチール繊維、セラミック等が挙げられる。微生物付着性と加工性を考慮すると、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、炭素繊維が好ましい。

微生物支持層２１３の目付量は2g/m²以上、500g/ m²以下であることが好ましく、10g/m²以上200g/m²以下であることがより好ましい。微生物支持層２１３の目付量はJIS1913:2010一般不織布試験方法6.2単位面積当たりの質量で測定される値である。

微生物支持層２１３の厚みは、5μｍ以上、2000μｍ以下であることが好ましく、20μｍ以上500μｍ以下であることがより好ましい。微生物支持層２１３の厚さはJIS1913:2010一般不織布試験方法6.1厚さの測定方法で測定される値である。

なお、基材２１１の表面処理によって微生物支持層２１３が形成されてもよい。このようにすれば、上記の表面処理で基材２１１表面の粗さと膜電位を上げられるので、微生物付着性が向上する。例えば上記の表面処理として、グリシジルメタクリレートをグラフト重合し、さらに、ジエチルアミン、もしくは、亜硫酸ナトリウムを反応させることが行われ得る。或いは上記の表面処理として、グリシジルメタクリレートをグラフト重合した後に、アンモニア、もしくは、エチルアミンを反応させることが行われてもよい。

以上、本発明の廃水処理装置５０によると、気体透過膜２１を用いることにより、好気性微生物が増殖できる場所と通性嫌気性微生物が増殖できる場所とを一つの廃水処理槽５１の中に設けることができる。これにより、廃水に含まれる窒素の効率的な硝化・脱窒処理が可能となる。廃水処理槽の設置スペースを削減することもできる。

通性嫌気性微生物は、廃水中に浮遊状態で増殖するのではなく、気体通過層１２の内部空間Ｓの下部側に位置する、酸素濃度がほとんどない部分の気体透過膜２１の表面に増殖する。これにより、脱窒性能を安定化することができる。

また、気体透過膜２１を使用して、ばっ気をすることなく好気性処理を行うことにより、電力費を低減することができる。

［第２の実施形態］
図６は、本発明の第２の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。

第２の実施形態に係る廃水処理装置５０（５０Ｂ）は、処理水Ｔの循環配管５３をさらに備える点において、第１の実施形態に係る廃水処理装置５０Ａと異なっている。循環配管５３は、流出口５１ｂから排出される処理水Ｔの一部を取水し、循環水Ｃとして流入口５１ａの上流に導入する配管である。循環配管５３によると、廃水中のＢＯＤを利用して更に脱窒効率を向上させることが可能となる。

第１の実施形態では、流入口５１ａは廃水処理槽５１の上部に設けられ、流出口５１ｂは廃水処理槽５１の下部に設けられている。これに対し、第２の実施形態では、流入口５１ａは廃水処理槽５１の下部に設けられ、流出口５１ｂは廃水処理槽５１の上部に設けられる。

処理水Ｔの循環配管５３を備える第２の実施形態では、廃水Ｗは廃水処理槽５１の下部に供給される。循環水Ｃは、廃水処理槽５１の上部から取水され、廃水処理槽５１の下部に再び供給される。これにより、循環水Ｃ中に含まれる亜硝酸・硝酸性窒素は、再び廃水Ｗ中の有機炭素源を利用して、無酸素雰囲気下で脱窒菌の働きにより窒素ガスに還元される。

（循環水の循環量）
循環配管５３が供給する循環水Ｃの適切な循環量ｎＱは、廃水のＢＯＤ／Ｎ比により異なる。一般的には、硝酸性窒素１ｍｇ／Ｌを脱窒するためには、ＢＯＤ３ｍｇ／Ｌが必要である。廃水のＢＯＤ／Ｎ比が３以上の場合、廃水のアンモニア窒素が全て硝酸性窒素まで硝化されているとすると、窒素除去率αは以下の関係式（２）により求められる。

α＝ｎ／（１＋ｎ）×１００・・・（式２）ｎ：処理量に対する循環比

ここで、例えば循環比を３とすれば、窒素除去率は７５％となる。

なお、廃水のＢＯＤ／Ｎ比が３より低い場合には、循環量を増やしても除去率には限界がある。例えば廃水のＢＯＤ／Ｎ比が２の場合には、除去率は６７％が限界となるため、循環比を２以上に上げる意味はない。

原水のＢＯＤに加え、底部に沈殿した汚泥３２の自己分解により発生するＢＯＤを窒素除去に利用することができるため、窒素除去率は更に向上できる。

［第３の実施形態］
図７は、本発明の第３の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。

第３の実施形態に係る廃水処理装置５０（５０Ｃ）は、袋状の気体透過膜２１を廃水処理槽５１内の上部側に備え、接触材３１を、全体が廃水Ｗに浸かるように、廃水処理槽内５１内の下部側に（すなわち、気体透過膜２１の下方に）さらに備える点において、第１の実施形態に係る廃水処理装置５０Ａと異なっている。

第１の実施形態では、気体透過膜２１の表面の異なる場所に、好気性微生物と通性嫌気性微生物とを増殖させている。これに対し、第３の実施形態では、好気性微生物である亜硝酸菌や硝化菌を、気体透過膜２１の表面に増殖させ、通性嫌気性微生物である脱窒菌を、接触材３１の表面に増殖させている。

廃水処理槽５１内はばっ気していないため、気体透過膜２１から離れた場所では酸素濃度が低下した状態となる。このような、廃水処理槽５１内の酸素濃度が低下する場所に接触材３１を設置することにより、接触材３１に通性嫌気性微生物である脱窒菌を増殖させ、脱窒反応を促進することができる。

気体透過膜２１から剥離し沈殿した汚泥３２は、接触材３１の上部にて捕捉され堆積し、接触材３１表面の通性嫌気性微生物の働きにより分解される。これにより、脱窒反応に必要なＢＯＤ源が生成され、さらに脱窒効率が向上する。汚泥の発生量も削減される。

（接触材３１）
接触材３１は、表面に嫌気性微生物を増殖させるための構成である。接触材３１の材質には、プラスチック、セラミック、ゴム、活性炭、木材、布、紙等を用いることができる。耐腐食性の点では、接触材３１の材質は、プラスチックまたはセラミックが望ましい。微生物が付着しやすい点では、接触材３１は、発泡体、または不織布等が望ましい。

なお、図中、接触材３１は廃水処理槽５１の底面から所定の距離離隔して配置されているが、接触材３１は廃水処理槽５１の底面に接して配置されてもよい。

［第４の実施形態］
図８は、本発明の第４の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。

第４の実施形態に係る廃水処理装置５０（５０Ｄ）は、処理水Ｔの循環配管５３をさらに備える点において、第３の実施形態に係る廃水処理装置５０Ｃと異なっている。循環配管５３によると、廃水中のＢＯＤを利用して更に脱窒効率を向上させることが可能となる。

第４の実施形態においても、処理水Ｔの循環配管５３を備える第２の実施形態と同様に、流入口５１ａは廃水処理槽５１の下部に設けられ、流出口５１ｂは廃水処理槽５１の上部に設けられる。これにより、循環水Ｃ中に含まれる亜硝酸・硝酸性窒素は、再び廃水Ｗ中の有機炭素源を利用して、無酸素雰囲気下で脱窒菌の働きにより窒素ガスに還元される。

［第５の実施形態］
図９は、本発明の第５の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。

第５の実施形態に係る廃水処理装置５０（５０Ｅ）は、接触材３１を気体透過膜２１の下流側（後工程）に配置する点において、第３の実施形態に係る廃水処理装置５０Ｃと異なっている。気体透過膜２１と接触材３１とは、略水平方向に並列に配置される。すなわち接触材３１は気体透過膜２１の側方に配置される。例示的に、本実施形態では、廃水処理槽５１の有効水深は約２．０ｍである。

気体透過膜２１から剥離し沈殿した汚泥３２は、気体透過膜２１の下方の廃水処理槽５１の底部に堆積する。汚泥３２は、接触材３１表面の通性嫌気性微生物の働きにより分解される。

好ましくは、通性嫌気性微生物の働きを促進するために、廃水処理槽５１の底部に傾斜面を設け、気体透過膜２１の下方に位置する廃水処理槽５１の底部を接触材３１に向けて傾斜させてもよい。これにより、気体透過膜２１から剥離し沈殿した汚泥３２は、重力の作用により接触材３１に供給される。これにより、脱窒反応に必要なＢＯＤ源が生成され、さらに脱窒効率が向上する。汚泥の発生量も削減される。傾斜面の勾配は、１５度～６０度の範囲が望ましく、３０度～４５度の範囲がより望ましい。

なお、傾斜面の設け方は、例示した廃水処理槽５１の底面自体を傾斜させる態様に限られず、例えば廃水処理槽５１の底部に傾斜部材（図示せず）を設けることにより、傾斜面を設けてもよい。

［第６の実施形態］
図１０は、本発明の第６の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。

第６の実施形態に係る廃水処理装置５０（５０Ｆ）は、接触材３１を気体透過膜２１の上流側（前工程）に配置する点と、処理水Ｔの循環配管５３を備える点とにおいて、第５の実施形態に係る廃水処理装置５０Ｅと異なっている。気体透過膜２１と接触材３１とは、略水平方向に並列に配置される。すなわち接触材３１は気体透過膜２１の側方に配置される。例示的に、本実施形態では、廃水処理槽５１の有効水深は約０．８ｍである。

循環配管５３を備えることにより、廃水中のＢＯＤを利用して更に脱窒効率を向上させることが可能となる。循環水Ｃ中に含まれる亜硝酸・硝酸性窒素は、再び廃水Ｗ中の有機炭素源を利用して、無酸素雰囲気下で脱窒菌の働きにより窒素ガスに還元される。

［第７の実施形態］
図１１は、本発明の第７の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。

第７の実施形態に係る廃水処理装置５０（５０Ｇ）は、気体透過膜２１の開口２１ｂ付近に空気を送風する送風機４１（またはファン４１）をさらに備える点において、第１の実施形態に係る廃水処理装置５０Ａと異なっている。送風機４１は、気体透過膜２１の開口２１ｂに向けて空気を送風し、気体透過膜２１が開口２１ｂから空気を取り込む能力を補助することができる。送風機４１の例えば回転速度を制御することにより、送風機４１の送気能力を制御し、気体透過膜２１表面の酸素濃度を制御することもできる。

送風機４１は、好ましくは、羽根車の回転運動によって気体にエネルギーを与える機械であり、気体に与える単位質量あたりのエネルギーが25kNm/kg（kJ/kg）未満の性能を有するものを使用することができる。このような性能を有する送風機４１は、接触ばっ気工程に必要とされる強力な吐き出し圧力を有するブロワーと比較して、必要とされる電力は低く、よって電力費は低減される。なお、送風機とブロワーとはＪＩＳＢ０１３２において区別して規定されている。ブロワーは、圧縮機のうち、有効吐出し圧力が２００ｋＰａ以下のものである。

［第８の実施形態］
図１２は、本発明の第８の実施形態に係る廃水処理装置の鉛直断面図である。

第８の実施形態に係る廃水処理装置５０（５０Ｈ）は、廃水処理槽５１内の下部側に（すなわち、気体透過膜２１の下方に）接触材３１をさらに備える点において、第１の実施形態に係る廃水処理装置５０Ａと異なっている。

第１の実施形態では、気体透過膜２１の表面の異なる場所に、好気性微生物と通性嫌気性微生物とを増殖させている。好気性微生物は、気体透過膜２１の表面の上方側に増殖し、通性嫌気性微生物は、気体透過膜２１の表面の下方側に増殖している。これに対し、第８の実施形態では、気体透過膜２１の表面の下方側だけではなく、気体透過膜２１の下方に配置された接触材３１の表面にも、通性嫌気性微生物が増殖する。

このような、廃水処理槽５１内の酸素濃度が低下する場所に接触材３１を設置することにより、接触材３１に通性嫌気性微生物である脱窒菌を増殖させ、脱窒反応を促進することができ、脱窒性能をより安定化することができる。

各実施形態の廃水処理装置について予想される定性的な性能を比較する。比較結果を表２に示す。

［その他の形態］
以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。

例えば上記実施形態では、平面状の気体供給体１０を用いた例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、気体供給体１０は巻回されていてもよいし、筒状に成型された気体供給体を用いてもよい。

上記実施形態では、第７の実施形態において、第１の実施形態に係る廃水処理装置５０Ａの構成にさらに送風機４１を設けているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第２の実施形態に係る廃水処理装置５０Ｂの構成に、送風機４１をさらに設けてもよい。他の実施形態に係る廃水処理装置５０（５０Ｃ，５０Ｄ，５０Ｅ，５０Ｆ，５０Ｈ）についても同様に、送風機４１をさらに設けてもよい。

１０気体供給体
１２気体通過層
１２ａ芯材
１２ｂ表ライナ
１２ｃ裏ライナ
１３気体通過孔
２１気体透過膜
２１ａ袋の中
２１ｂ開口
２１ｃ袋の周縁の端部
３１接触材
３２汚泥４１送風機（ファン）
５０（５０Ａ～５０Ｈ）廃水処理装置
５１廃水処理槽
５１ａ流入口
５１ｂ流出口
５３循環配管
２１１基材
２１２気体透過性無孔層
２１３微生物支持層
Ｓ気体流路
Ｔ処理水
Ｗ廃水
Ｃ循環水

Claims

廃水処理槽の内部に貯留する廃水に含まれる好気性微生物および通性嫌気性微生物の作用により、窒素の硝化および脱窒を行う廃水処理装置であって、
前記廃水処理槽内に設けられ、前記廃水の水面から突出する開口から大気中の酸素を含む気体を取り込み、主に前記好気性微生物が増殖する表面と、主に前記好気性微生物が増殖する表面の下方に位置する、主に前記通性嫌気性微生物が増殖する表面とを有する、袋状の気体透過膜を備える廃水処理装置。
前記廃水処理槽内に設けられ、主に前記通性嫌気性微生物が増殖する表面を有する接触材をさらに備える、請求項１に記載の廃水処理装置。
前記接触材は、前記気体透過膜の下方に配置されている、請求項２に記載の廃水処理装置。
処理水を循環する配管をさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の廃水処理装置。
前記気体透過膜の前記開口へ送気する送風機をさらに備える、請求項１から４のいずれかに記載の廃水処理装置。