JP7351739B2 - 曝気槽、汚水処理装置及び汚水処理方法 - Google Patents

Description

本発明の一実施形態は、曝気槽、汚水処理装置及び汚水処理方法に関する。

従来、屎尿、家庭用排水等の浄化処理に使用する汚水処理装置として、担体流動を用いた曝気槽を備えた汚水処理装置が知られている。このような曝気槽は、好気性細菌及び嫌気性細菌を付着させた多孔質担体を槽本体内に流動させることにより、汚水中の有機成分と窒素成分の同時除去を行うことができる。また、担体が槽本体内を流動するため、汚水、微生物及び酸素が効率よく接触し、高い汚水処理能力を実現することができるという特徴がある。

担体流動を用いた曝気槽を備えた汚水処理装置として、特許文献１に記載された汚水処理装置が知られている。この汚水処理装置では、汚水中のアンモニア態窒素又は有機態窒素を、好気性環境下にある多孔質担体の外層部において硝化菌と接触させ、硝酸態窒素又は亜硝酸態窒素に変換する。さらに、それら硝酸態窒素又は亜硝酸態窒素を、嫌気性環境下にある多孔質担体の内層部において脱窒菌と接触させ、窒素ガスに変換する。つまり、特許文献１に記載された技術によれば、多孔質担体の外層部で有機成分の除去が行われ、多孔質担体の内層部で窒素成分の除去が行われるため、非常に小型の汚水処理装置を実現することができる。

特開平８－７１５７９号公報

特許文献１に記載されるように、多孔質担体の内層部で窒素成分の除去を行う場合、多孔質担体の嫌気性領域（窒素成分を除去する領域）が順次減少し、脱窒機能が低下するという問題があった。そこで、特許文献１に記載の汚水処理装置では、多孔質担体として、長さが３００ｍｍ以上６００ｍｍ以下、断面の直径又は対角線の長さが３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の円柱状もしくは角柱状の担体を用いることにより、嫌気性領域を拡大して問題の解決を図っていた。しかしながら、サイズの大きい多孔質担体を用いるということは、相対的に好気性領域（有機成分を除去する領域）の総面積が減少することになるため、処理効率の観点から改善の余地があった。

本発明の一実施形態の課題の一つは、流動する担体を用いた汚水処理において脱窒機能の低下を抑制することにある。

本発明の一実施形態における曝気槽は、槽本体と、前記槽本体の内部に設けられ、硝化菌及び脱窒菌を内部に保持する担体と、前記槽本体の内壁から離隔して設けられ、上下方向に開口端を有する筒状部材と、前記筒状部材の直下に設けられた第１散気装置と、を含むものである。

平面視において、前記第１散気装置の外縁は、前記筒状部材の内縁の内側に位置していてもよい。

前記曝気槽は、前記筒状部材から離隔して設けられた一対の第２散気装置を含んでいてもよい。その際、前記筒状部材は、前記一対の第２散気装置を結ぶ直線上に位置していてもよい。

本発明の一実施形態における曝気槽は、槽本体の内部に、上向流を有する好気性領域と下向流を有する嫌気性領域とを有するとともに、硝化菌及び脱窒菌を内部に保持する担体が、前記好気性領域と前記嫌気領域とを交互に通過するように循環するものである。

前記好気性領域は、上下方向に開口端を有する筒状部材の内部に形成され、前記嫌気性領域は、前記筒状部材の周囲に形成されてもよい。また、前記嫌気性領域の溶存酸素量は、前記好気性領域の溶存酸素量の１／１０以下であってもよい。

本発明の一実施形態における汚水処理装置は、上述の曝気槽と、前記曝気槽の下流に設けられた沈殿層と、を備えているものである。

前記曝気槽と前記沈殿層とが前記槽本体の内壁に設けられた担体スクリーンを介して連通していてもよい。

前記沈殿層の内部に散気装置が設けられていてもよい。

前記汚水処理装置は、前記曝気槽及び前記沈殿層の汚泥を上流側に返送する汚泥返送装置をさらに含んでいてもよい。

本発明の一実施形態における汚水処理方法は、槽本体の内部に、上向流を有する好気性領域と下向流を有する嫌気性領域とを形成し、硝化菌及び脱窒菌を内部に保持する担体を、前記好気性領域と前記嫌気性領域とを交互に通過するように循環させるものである。

上下方向に開口端を有する筒状部材の内部に、下方から散気を行うことにより前記好気性領域を形成してもよい。

前記筒状部材の内部に選択的に散気を行うことにより、前記筒状部材の内部に前記好気性領域を形成し、前記筒状部材の周囲に前記嫌気性領域を形成してもよい。

本発明の一実施形態の汚水処理システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態の汚水処理装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態の汚水処理装置の具体的な構成を示す図である。 本発明の一実施形態の汚水処理装置の具体的な構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面等を参照しつつ説明する。但し、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図面において、既出の図面に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。

［汚水処理システムの構成］
図１は、本発明の一実施形態の汚水処理システム１０の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の汚水処理システム１０は、調整槽１１、担体流動曝気槽１２、沈殿槽１３、汚泥返送装置１４、汚泥濃縮貯留槽１５、消毒槽１６、及び、放流槽１７を含む。ただし、図１に示す例は一例に過ぎず、本実施形態の汚水処理システム１０は、この例に限られるものではない。

調整槽１１は、原水を一旦貯留して混合することにより、水質変動を均等化する処理槽である。また、調整槽１１は、下流側の担体流動曝気槽１２に供給される汚水の流量を一定にする役割も有する。

担体流動曝気槽１２は、汚水中の有機物及び窒素の除去を行う処理槽である。有機物の除去（酸化分解）は、好気環境下における好気性細菌の作用により行われる。好気性細菌の作用により、有機物は、主に水と炭酸ガスなどに分解される。酸化分解に必要な酸素は散気装置などを用いて供給される。窒素の除去（脱窒）は、嫌気性環境下における嫌気性細菌の作用により行われる。具体的には、まず、アンモニア態窒素又は有機態窒素が硝化菌により硝酸態窒素又亜硝酸態窒素に変換される。その後硝酸態窒素又亜硝酸態窒素が脱窒菌により窒素ガスに還元される。本実施形態の担体流動曝気槽１２の詳細な機能については、後述する。

沈殿槽１３は、担体流動曝気槽１２から放流された汚泥と処理水とが混ざった汚泥水を静置し、汚泥と処理水の密度差を利用して、汚泥を沈降させて分離する処理槽である。

汚泥返送装置１４は、沈殿槽１３で分離した汚泥を上流側の調整槽１１に戻すための装置である。汚泥返送装置１４は、例えばエアリフトポンプ及び返送管等で構成される。汚泥返送装置１４は、汚泥の自動計量を行う機能を有する。この機能により、汚泥返送装置１４は、担体流動曝気槽１２内の汚泥の量が設定値となるように、調整槽１１等に戻す汚泥の量を調整する機能を有する。なお、本実施形態の汚泥返送装置１４は、沈殿槽１３及び担体流動曝気槽１２の両方から汚泥を返送することが可能である。また、汚泥返送装置１４は、移送した汚泥を沈殿槽１３だけでなく、担体流動曝気槽１２に戻すことも可能である。

汚泥濃縮貯留槽１５は、汚泥返送装置１４によって担体流動曝気槽１２及び沈殿槽１３から移送した汚泥を濃縮する機能と濃縮した汚泥を貯留する機能とを有する処理槽である。本実施形態では、汚泥を沈殿させた後に脱離液を引き抜く沈殿濃縮法により汚泥濃度を高めている。本実施形態では、担体流動曝気槽１２又は沈殿槽１３から移送された汚泥は、汚泥濃縮貯留槽１５に一旦貯留された後、調整槽１１又は担体流動曝気槽１２に返送される。

消毒槽１６は、沈殿槽１３から放流された処理水を薬剤と接触させて消毒（殺菌）を行い、衛生的に安全な水にする機能を有する処理槽である。

放流槽１７は、消毒槽１６によって消毒された処理水を貯留する槽である。放流槽１７に貯留された処理水は、下水道等に放流される。

次に、本実施形態の汚水処理システム１０のうち、上述した担体流動曝気槽１２、沈殿槽１３及び汚泥返送装置１４で構成される汚水処理装置１００について、詳細に説明する。

［汚水処理装置の構成］
図２は、本発明の一実施形態の汚水処理装置１００の構成を示す図である。本実施形態では、担体流動曝気槽１２と沈殿槽１３とが一体化された例を示すが、それぞれが別の処理槽として構成されていてもよい。

槽本体１１０は、担体流動曝気槽１２と沈殿槽１３の外枠となる部材である。槽本体１１０は、プラスチック、鉄骨、鉄筋又はコンクリート等を用いて構成することができるが、これらの材料に限られるものではない。本実施形態では、槽本体１１０の内側には、パーティション１１２が設けられている。すなわち、槽本体１１０は、パーティション１１２によって、担体流動曝気槽１２と沈殿槽１３とに区分される。なお、本明細書中において、担体流動曝気槽１２における「槽本体」とは、担体流動曝気槽１２として機能する領域を囲む槽本体１１０とパーティション１１２を含む。槽本体１１０とパーティション１１２とは一体物であってもよいし、別体であってもよい。

本実施形態では、槽本体１１０の内側に設けられたパーティション１１２に担体スクリーン１１４が設けられている。つまり、担体流動曝気槽１２と沈殿槽１３とは、担体スクリーン１１４を介して相互に連通する。本実施形態では、担体スクリーン１１４は、パーティション１１２に設けられた開口部１１２ａに配置される。具体的には、担体スクリーン１１４は、開口部１１２ａの上流側の開口端、すなわち担体流動曝気槽１２の側の開口端（沈殿槽１３の側と反対側の開口端）に配置される。

担体スクリーン１１４は、板状の部材に所定サイズの貫通穴が設けられた部材である。担体スクリーン１１４は、担体流動曝気槽１２から沈殿槽１３へ汚泥水を通過させつつ、担体流動曝気槽１２から沈殿槽１３への担体１５０の流出を防ぐ役割を有する。担体スクリーン１１４としては、例えば、網状部材、パンチングシート（金属又は樹脂等で構成されたシート状部材に、パンチングにより穴あけ加工を施した部材）等を用いることができる。

槽本体１１０の上流側には、原水流入管１１６、原水計量槽１１７及び原水供給管１１８が設けられている。原水計量槽１１７は、原水流入管１１６を介して上流側設備（本実施形態では調整槽１１）から放流された汚水（原水）を計量する機能を有する。本実施形態では、原水計量槽１１７を用いることにより、原水供給管１１８を介して適切な量の汚水を担体流動曝気槽１２に供給することができる。

槽本体１１０の内部には、槽本体１１０の内壁（及びパーティション１１２）から離隔して筒状部材１２０が設けられている。筒状部材１２０は、上下方向に開口端を有したパイプ状の部材であり、プラスチック材料等で構成される。図２に示すように、筒状部材１２０は、運転時には汚水１６０中に水没するように配置される。なお、筒状部材１２０の外形は、円筒状に限らず、角柱状等の多角形状であってもよい。また、筒状部材１２０の長さは、３００ｍｍ以上３０００ｍｍ以下（好ましくは、５００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下）、断面の直径又は対角線の長さは、３０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下（好ましくは、５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下）であればよい。

また、槽本体１１０の内部には、第１散気装置１３０及び第２散気装置１３５ａ～１３５ｃが設けられている。第１散気装置１３０及び第２散気装置１３５ａ～１３５ｃは、図示しないブロワに接続された送気管１３７に接続されている。

第１散気装置１３０は、気泡を発生する装置であり、筒状部材１２０の直下に設けられている。本実施形態では、第１散気装置１３０によって発生した気泡は、筒状部材１２０の内側を通過しながら汚水面１６０ａに向かって上昇する。そのような構成とするため、第１散気装置１３０の径又は幅は、筒状部材１２０の径又は幅よりも小さくなっている。換言すれば、平面視において、第１散気装置１３０の外縁は、筒状部材１２０の内縁（内壁の輪郭）の内側に位置する。ただし、この例に限らず、第１散気装置１３０の径又は幅は、筒状部材１２０の径又は幅と同等であってもよい。

第２散気装置１３５ａ～１３５ｃも気泡を発生する装置である。本実施形態では、第２散気装置１３５ａ及び１３５ｂは、担体流動曝気槽１２内に設けられる。第２散気装置１３５ｃは、沈殿槽１３内に設けられる。本実施形態では、第２散気装置１３５ａは、槽本体１１０の内壁付近に設けられ、第２散気装置１３５ｂは、パーティション１１２付近に設けられる。つまり、第２散気装置１３５ａ及び１３５ｂは、筒状部材１２０から離隔して設けられる。

第２散気装置１３５ｃは、沈殿槽１３の内部において、パーティション１１２に近い位置に配置される。このような配置とした場合、第２散気装置１３５ｃから発生した気泡により生じた上向流は、担体スクリーン１１４の裏面（沈殿槽１３側の面）の近傍に渦流を形成する。また、気泡により生じた上向流は、担体スクリーン１１４に対し、沈殿槽１３から担体流動曝気槽１２へと向かう水流を発生させる。そのため、本実施形態によれば、担体スクリーン１１４の表面（担体流動曝気槽１２側の面）に寄せられて付着した担体１５０を担体流動曝気槽１２側へと押し戻すことができる。

汚泥返送装置１４は、エアリフトポンプ１４２ａ及び１４２ｂ、汚泥返送管１４４、汚泥計量槽１４５、並びに、汚泥供給管１４６を有する。エアリフトポンプ１４２ａは、担体流動曝気槽１２の内部に配置され、担体流動曝気槽１２の底部に溜まった汚泥を吸い上げる役割を果たす。同様に、エアリフトポンプ１４２ｂは、沈殿槽１３の内部に配置され、沈殿槽１３の底部に溜まった汚泥を吸い上げる役割を果たす。

上述のように、本実施形態では、沈殿槽１３に設けた第２散気装置１３５ｃの作用により、担体スクリーン１１４に付着した担体１５０が、担体スクリーン１１４から脱離する。その際、担体１５０の表面から脱離した生物膜（活性汚泥）が担体流動曝気槽１２の底部に沈降する。つまり、パーティション１１２の近傍には、担体１５０から脱離した汚泥が溜まりやすい。そのため、担体流動曝気槽１２に設けられるエアリフトポンプ１４２ａは、パーティション１１２の近傍に配置される。

エアリフトポンプ１４２ａ及び１４２ｂによって吸い上げられた汚泥は、汚泥返送管１４４を介して汚泥計量槽１４５に供給される。汚泥計量槽１４５では、下流側設備（本実施形態では、担体流動曝気槽１２及び沈殿槽１３）から吸い上げられた汚泥を計量する機能を有する。本実施形態では、汚泥計量槽１４５を用いることにより、汚泥供給管１４６を介して適切な量の汚泥を担体流動曝気槽１２に戻し、担体流動曝気槽１２の内部の汚泥量を設定値となるように調整する。なお、図示は省略するが、汚泥返送管１４４は、図１に示した汚泥濃縮貯留槽１５を経由して汚泥計量槽１４５に接続されている。すなわち、本実施形態では、エアリフトポンプ１４２ａ及び１４２ｂを用いた移送した汚泥を、一旦、汚泥濃縮貯留槽１５に貯め、その後、調整槽１１又は担体流動曝気槽１２に対して適切な量の汚泥を戻す構成となっている。

以上の構成を有する槽本体１１０の内部には、硝化菌及び脱窒菌を内部に保持する担体１５０が、担体流動曝気槽１２の体積に対して２０％以上３５％以下（好ましくは２５％以上３０％以下）の充填率（容積占有率）で充填される。なお、実験的には、充填率が２０％を下回ると脱窒機能が低下し、充填率が３５％を超えると担体の流動性が悪化することが分かっている。

担体１５０は、槽内における流動性を考慮すると、比重がほぼ１であることが好ましい。また、担体１５０は、外形寸法が１０ｍｍ以上３００ｍｍ以下（好ましくは１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下）、断面の直径又は対角線の長さが１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下（好ましくは１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下）の円柱状、円筒状又は角柱状の多孔質担体である。外形寸法及び断面の直径もしくは対角線の長さがこれらの数値範囲を超えると、流動性が悪化してしまうため、好ましくない。また、逆に、外形寸法及び断面の直径もしくは対角線の長さがこれらの数値範囲を下回ると、後述する担体１５０の内部の嫌気性領域が減少してしまうため、脱窒能力が低下して好ましくない。なお、担体１５０として３辺が等しい角柱状の担体を用いると、すべての面から同等の速度で汚水が進行するため、汚水処理の管理の点で有利である。

担体１５０の材料としては、例えばウレタン樹脂又はポリエチレン樹脂を用いることができる。特に、担体１５０は、耐摩耗性を有することが望ましく、ウレタン樹脂を用いる場合は、エーテル系の連続気泡性のポリウレタンを用いることが好ましい。本実施形態では、角柱状のウレタン製多孔質担体を用いる。

ただし、担体１５０のサイズ及び材料は、担体１５０の外層部に硝化菌を保持し、内層部に脱窒菌を保持し得るサイズ及び材料であれば、上述の例に限られるものではない。本発明者らの知見によれば、担体１５０として、試料厚さが３０ｍｍ、風速２ｍ／秒の条件下において、空気濾過抵抗Ｐが１０ｍｍＨ₂Ｏ以上１００ｍｍＨ₂Ｏ以下であるポリエチレン製又はウレタン製の板状部材から切り出した素材を用いることが好ましい。

［汚水処理方法の構成］
以上の構成を有する汚水処理装置１００について、その動作（すなわち、汚水処理方法）について説明する。

図２に示すように、担体流動曝気槽１２及び沈殿槽１３の内部には、原水供給管１１８から供給された汚水１６０が溜められる。本実施形態の場合、担体流動曝気槽１２と沈殿槽１３とが担体スクリーン１１４を介して連通しているため、両者の汚水面１６０ａの高さは同じである。

担体流動曝気槽１２では、汚水１６０の中に複数の担体１５０が分散して存在する。これら複数の担体１５０は、運転時において、第１散気装置１３０並びに第２散気装置１３５ａ及び１３５ｂから発生する気泡が形成する水流によって、担体流動曝気槽１２の内部を流動する。

このとき、第１散気装置１３０並びに第２散気装置１３５ａ及び１３５ｂの直上には、上昇する気泡によって上向流が発生する。これらの上向流によって汚水面１６０ａに向かって押し上げられた汚水１６０は、第１散気装置１３０並びに第２散気装置１３５ａ及び１３５ｂの存在しない領域において槽本体１１０の底部に向かって下降する。つまり、第１散気装置１３０と第２散気装置１３５ａとの間、及び、第１散気装置１３０と第２散気装置１３５ｂとの間には、下向流が発生する。したがって、担体流動曝気槽１２の内部には、図２に矢印で示すような汚水１６０の回流が生じ、この回流によって複数の担体１５０が槽内を流動（循環）する。

ここで、第１散気装置１３０並びに第２散気装置１３５ａ及び１３５ｂの直上の領域を「散気領域」と呼ぶ。本実施形態では、第１散気装置１３０の直上の領域を第１散気領域１６２と呼び、第２散気装置１３５ａ及び１３５ｂの直上の領域をそれぞれ第２散気領域１６２ａ及び１６２ｂと呼ぶ。

第１散気領域１６２は、第１散気装置１３０によって好気性細菌が活動するのに十分な量の空気が送り込まれている。第１散気領域１６２は、溶解効率の高い大量の酸素を噴出することにより形成される領域であるため、溶存酸素量が他の領域と比較して非常に高い。特に、筒状部材１２０の内側では、狭い空間内に大量の気泡が供給されるため、酸素濃度が極めて高くなる。そのため、筒状部材１２０の内側の領域は、好気性環境下に維持される。本実施形態では、筒状部材１２０の内側の領域のように、好気性環境下にある領域を「好気性領域」と呼ぶ。

なお、本実施形態の第２散気領域１６２ａ及び１６２ｂは、散気は行われているものの、第１散気領域１６２ほど溶存酸素量の高い領域ではない。第２散気装置１３５ａ及び１３５ｂは、あくまで汚水の循環を目的とした散気装置であり、上向流を発生し得る程度の気泡を発生することができればよい。そのため、第２散気装置１３５ａ及び１３５ｂは、第１散気装置１３０よりも空気供給量が少ないものであってもよい。

また、第１散気領域１６２と第２散気領域１６２ａとの間、及び、第１散気領域１６２と第２散気領域１６２ｂとの間の領域を「非散気領域」と呼ぶ。非散気領域１６４は、筒状部材１２０の内側の領域に比べて溶存酸素量が少ない領域であり、嫌気性環境下に維持される。本実施形態では、筒状部材１２０の周囲の領域のように、嫌気性環境下にある領域を「嫌気性領域」と呼ぶ。なお、本実施形態では、非散気領域１６４を嫌気性環境に維持することが重要である。例えば、非散気領域１６４は、第１散気領域１６２に比べて溶存酸素量が１／３以下（好ましくは１／５以下、さらに好ましくは１／１０以下）であることが望ましい。例えば、第１散気領域１６２の溶存酸素量は、０．８ｍｇ／ｌ以上であることが好ましく、非散気領域１６４の溶存酸素量は、０．３ｍｇ／ｌ以下であることが好ましい。

以上のように、本実施形態では、筒状部材１２０の内部に対して選択的に散気を行う（すなわち、筒状部材１２０の内部には散気を行い、筒状部材１２０の周囲には散気を行わない）ことにより、担体流動曝気槽１２の内部に、上向流を有する好気性領域（具体的には、筒状部材１２０の内部の第１散気領域１６２）と、下向流を有する嫌気性領域（具体的には、非散気領域１６４）と、を形成する。また、図２の矢印で示すように、複数の担体１５０は、好気性領域を上昇して、嫌気性領域を下降するように循環する。すなわち、本実施形態の担体１５０は、好気性領域と嫌気性領域とを交互に通過するように循環する。

担体１５０が好気性領域にあるとき、担体１５０の外層部（担体１５０の外表面に近い部分）では、好気性細菌による有機物（炭素化合物）の酸化分解が活発に行われる。すなわち、本実施形態の担体流動曝気槽１２の場合、好気性領域が形成される筒状部材１２０の内側において有機物が効率よく分解される。そのため、筒状部材１２０の内側では、汚水１６０中の生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）が低下する。

汚水１６０中のＢＯＤが低下すると、担体１５０の外層部では、有機物の代わりにアンモニアが酸化されるようになる。具体的には、筒状部材１２０の内側では、担体１５０の外層部において、好気性細菌である硝化菌によるアンモニア態窒素又は有機態窒素の硝化が行われる。この硝化作用により、アンモニア態窒素又は有機態窒素は、硝酸態窒素又は亜硝酸態窒素に変換される。担体１５０の外層部で変換された硝酸態窒素又は亜硝酸態窒素は、引き続き担体１５０の内層部に進行する。

担体１５０の内層部は、酸素が十分に供給されないため、酸素が欠乏した領域、すなわち嫌気性領域となっている。担体１５０の内層部に形成された嫌気性領域では、主に脱窒菌が働き、硝酸態窒素又は亜硝酸態窒素を還元して窒素ガスに変換する（脱窒作用）。変換された窒素ガスは、汚水１６０の中を通って大気中へと放出される。

以上のような流れによって、担体１５０の内部では、外層部において硝化菌による硝化作用が行われ、内層部において脱窒菌による脱窒作用が行われる。このように本実施形態の担体流動曝気槽１２では、有機物の酸化除去と窒素の除去とを同時に実現することができる。

ここで、本実施形態の汚水処理装置１００において、担体１５０を、好気性領域と嫌気性領域とを交互に通過させる理由について説明する。

上述のとおり、担体の内部では、外層部において硝化菌による硝化作用が行われ、内層部において脱窒菌による脱窒作用が行われる。しかしながら、前述の特許文献１にも記載されるとおり、連続的に曝気処理を行うと、次第に窒素除去率が低下するという問題があった。特許文献１では、窒素除去率の低下が担体内部の嫌気性領域の減少によるものと想定し、担体のサイズを大きくして相対的に担体内部の嫌気性領域を拡大するというアプローチを採用している。これに対し、本実施形態の担体流動曝気槽１２では、特許文献１に記載されたアプローチとは異なり、担体内部の脱窒菌に対して意図的にストレスを与えることにより、脱窒菌を活性化して、脱窒作用を維持するというアプローチを採用している。

本発明者らは、上述の窒素除去率の低下は、脱窒素菌が、酸素の欠乏した状態に慣れてしまうことに起因すると考えた。脱窒菌は、運転開始時には、有機物又はアンモニアの分解に必要な酸素を得るために、積極的に硝酸態窒素等の還元（脱窒）を行う。しかしながら、脱窒菌が、硝酸態窒素等が常に供給される環境に慣れてしまうと、酸素を取得する積極性を失い、低活性になってしまうと考えられる。つまり、本発明者らは、担体の外層部において硝化菌による硝化作用が活発に行われる事が、脱窒菌の低活性化を招く要因になっている可能性があると考えた。

そこで、本発明者らは、担体の外層部における硝化作用の進行を間欠的に抑制し、担体の内層部に硝酸態窒素等が供給されない状態を作り出すことにより、意図的に脱窒菌に対してストレスを与えることにした。すなわち、本発明者らは、脱窒菌を間欠的に酸素が欠乏した状態に置くことにより、脱窒菌が積極的に酸素を要求する状態（つまり、活性化した状態）を維持することができると考えた。

以上のように、本実施形態の担体流動曝気槽１２は、担体１５０を常に好気性環境下（好気性領域）に置くのではなく、一定期間、担体１５０を嫌気性環境下（嫌気性領域）に置くことにより、担体１５０の内層部における脱窒菌の働きを活性化させる構成となっている。すなわち、本実施形態の担体流動曝気槽１２を含む汚水処理装置１００は、担体１５０が好気性領域と嫌気性領域とを交互に通過する状態を維持することにより、担体１５０の内部に存在する脱窒菌の活性を維持させ、脱窒作用の経時的な低下を抑制することができる。

［担体流動曝気槽の具体的構成］
図３及び図４は、本発明の一実施形態の汚水処理装置１００の具体的な構成を示す図である。より具体的には、図３（Ａ）は、汚水処理装置１００の平面図である。図３（Ｂ）は、汚水処理装置１００の側面図である。図４は、汚水処理装置１００における担体流動曝気槽１２の内部を、槽本体１１０の長手方向に沿って見た断面図である。なお、図３（Ａ）、図３（Ｂ）及び図４において使用する符号は、図１及び図２で用いた符号と同じ要素を指す。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示す例では、槽本体１１０の内部に２つの筒状部材、すなわち筒状部材１２０ａ及び１２０ｂが配置される。筒状部材１２０ａの下方には、第１散気装置１３０ａが配置され、筒状部材１２０ｂの下方には、第１散気装置１３０ｂが配置される。ただし、筒状部材１２０の個数は、この例に限られるものではなく、担体流動曝気槽１２の内部には、１つの筒状部材１２０が配置されてもよいし、３つ以上の筒状部材１２０が配置されてもよい。

また、槽本体１１０の内部には、３つのエアリフトポンプ１４２ａ～１４２ｃが配置される。３つのエアリフトポンプ１４２ａ～１４２ｃのうち、エアリフトポンプ１４２ａ及び１４２ｃは、担体流動曝気槽１２の内部に配置され、エアリフトポンプ１４２ｂは、沈殿槽１３の内部に配置される。

また、槽本体１１０の内部には、第２散気装置１３５ａ～１３５ｃが配置される。第２散気装置１３５ａ及び１３５ｂは、いずれも担体流動曝気槽１２の内部において、槽本体１１０又はパーティション１１２の近傍に配置される。なお、前述の筒状部材１２０ａ及び１２０ｂ（並びに、第１散気装置１３０ａ及び１３０ｂ）は、一対の第２散気装置１３５ａ及び１３５ｂを結ぶ直線上に配置されている。第２散気装置１３５ｃは、沈殿槽１３の内部において、パーティション１１２の近傍に配置される。前述のように、第２散気装置１３５ｃによって形成された上向流は、担体スクリーン１１４の表面（担体流動曝気槽１２側の面）に付着した担体１５０を、担体流動曝気槽１２担体スクリーン１１４から脱離させる役割も有している。

図３（Ｂ）及び図４に示すように、担体スクリーン１１４の上部は、汚水１６０の汚水面１６０ａよりも上方に位置する。本実施形態では、第２散気装置１３５ｃに起因する上向流によって上方に押し上げられた汚水面１６０ａが下方に戻る際の水流で、担体１５０を担体流動曝気槽１２側に押し戻す。そのため、担体スクリーン１１４の上部が汚水面１６０ａよりも上方に位置していた方が、上記水流を担体スクリーン１１４に対して直接作用させることができ、担体１５０を担体スクリーン１１４から脱離させやすくなるという効果がある。ただし、この例に限らず、担体スクリーン１１４は、汚水１６０中に完全に水没していてもよい。

また、図３（Ａ）、図３（Ｂ）及び図４に示す例では、前述の筒状部材１２０ａ及び１２０ｂ、第１散気装置１３０ａ及び１３０ｂ、第２散気装置１３５ａ～１３５ｃ、及びエアリフトポンプ１４２ａ～１４２ｃが略同一の直線上に並んで配置され、担体スクリーン１１４も同じ直線上に並んで配置されている。

以上の構成を有する汚水処理装置１００は、筒状部材１２０ａ及び１２０ｂの両方の内側が好気性領域として機能し、それらの周囲が嫌気性領域として機能する。そのため、担体流動曝気槽１２の内部において、担体１５０の内部に存在する脱窒菌の活性を効率良く向上させることが可能である。すなわち、担体流動を用いた汚水処理において脱窒機能の低下を抑制することができ、汚水処理装置１００の処理効率の改善を図ることができる。
（変形例１）
本実施形態では、担体流動曝気槽１２の内部に第２散気装置１３５ａ及び１３５ｂを設けて汚水１６０を回流させる例について説明したが、本実施形態は、この構成に限られるものではない。例えば、筒状部材１２０の内部には多量の空気が送り込まれるため、強い上向流が生じ、筒状部材１２０の下方側の開口端の周囲には負圧が生じる。つまり、筒状部材１２０の周囲には、図２の矢印で示すような回流（筒状部材１２０の上端から下端への向かう回流）が自然と形成される。

したがって、図２に示す構成において、担体流動曝気槽１２から第２散気装置１３５ａ及び１３５ｂを省略しても、担体１５０を、好気性領域と嫌気性領域とを交互に通過するように循環させることが可能である。

（変形例２）
本実施形態では、パーティション１１２により、槽本体１１０を担体流動曝気槽１２と沈殿槽１３とに区分する例について説明したが、本実施形態は、この構成に限られるものではない。例えば、汚水処理装置の規模が小さい場合（すなわち、槽本体１１０が小さい場合）は、担体スクリーン１１４により、槽本体１１０を担体流動曝気槽１２と沈殿槽１３とに区分することもできる。この場合においても、沈殿槽１３に第２散気装置１３５ｃを配置し、沈殿槽１３から担体流動曝気槽１２に向かう直進流を形成することにより、担体スクリーン１１４の目詰まりを防ぐことができる。担体スクリーン１１４に近接して第２散気装置１３５ｃを設けることにより、さらに効率よく担体スクリーン１１４の目詰まりを防ぐことができる。

本発明の実施形態及びその変形例は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。上述した実施形態の曝気槽、汚水処理装置及び汚水処理方法を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

また、上述した実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。

１０…汚水処理システム、１１…調整槽、１２…担体流動曝気槽、１３…沈殿槽、１４…汚泥返送装置、１５…汚泥濃縮貯留槽、１６…消毒槽、１７…放流槽、１００…汚水処理装置、１１０…槽本体、１１２…パーティション、１１２ａ…開口部、１１４…担体スクリーン、１１６…原水流入管、１１７…原水計量槽、１１８…原水供給管、１２０…筒状部材、１２０ａ、１２０ｂ…筒状部材、１３０、１３０ａ、１３０ｂ…第１散気装置、１３５ａ～１３５ｃ…第２散気装置、１３７…送気管、１４２ａ～１４２ｃ…エアリフトポンプ、１４４…汚泥返送管、１４５…汚泥計量槽、１４６…汚泥供給管、１５０…担体、１６０…汚水、１６０ａ…汚水面、１６２…第１散気領域、１６２ａ、１６２ｂ…第２散気領域、１６４…非散気領域

Claims (12)

1. 槽本体と、
   前記槽本体の内部に設けられ、硝化菌及び脱窒菌を内部に保持する担体と、
   前記槽本体の内壁から離隔して設けられ、上下方向に開口端を有する筒状部材と、
   前記筒状部材の直下に設けられた第１散気装置と、
   前記筒状部材から離隔した位置に前記筒状部材を間に挟んで設けられた一対の第２散気装置と、
   を含み、
   前記筒状部材の内部に上向流を有する好気性領域が形成されるとともに前記筒状部材と前記一対の第２散気装置との間に下向流を有する嫌気性領域が形成される、曝気槽。
2. 平面視において、前記第１散気装置の外縁は、前記筒状部材の内縁の内側に位置する、請求項１に記載の曝気槽。
3. 前記担体が、前記好気性領域と前記嫌気性領域とを交互に通過するように循環する、請求項１又は２に記載の曝気槽。
4. 前記好気性領域は、前記筒状部材の内部に形成され、前記嫌気性領域は、前記筒状部材の周囲に形成される、請求項３に記載の曝気槽。
5. 前記嫌気性領域の溶存酸素量は、前記好気性領域の溶存酸素量の１／３以下である、請求項３又は４に記載の曝気槽。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の曝気槽と、
   前記曝気槽の下流に設けられた沈殿層と、
   を備えた、汚水処理装置。
7. 前記曝気槽と前記沈殿層とが前記槽本体の内壁に設けられた担体スクリーンを介して連通する、請求項６に記載の汚水処理装置。
8. 前記沈殿層の内部に散気装置が設けられた、請求項６又は７に記載の汚水処理装置。
9. 前記曝気槽及び前記沈殿層の汚泥を上流側に返送する汚泥返送装置をさらに含む、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の汚水処理装置。
10. 槽本体と、
    前記槽本体の内部に設けられ、硝化菌及び脱窒菌を内部に保持する担体と、
    前記槽本体の内壁から離隔して設けられ、上下方向に開口端を有する筒状部材と、
    前記筒状部材の直下に設けられた第１散気装置と、
    前記筒状部材から離隔した位置に前記筒状部材を間に挟んで設けられた一対の第２散気装置と、
    を含む、曝気槽で行われる汚水処理方法であって、
    前記筒状部材の内部に上向流を有する好気性領域を形成するとともに、前記筒状部材と前記一対の第２散気装置との間に下向流を有する嫌気性領域を形成し、前記担体を、前記好気性領域と前記嫌気性領域とを交互に通過するように循環させる、汚水処理方法。
11. 前記筒状部材の内部に、前記第１散気装置を用いて下方から散気を行うことにより前記好気性領域を形成する、請求項１０に記載の汚水処理方法。
12. 前記第１散気装置及び前記第２散気装置を用いて前記槽本体の内部に選択的に散気を行うことにより、前記筒状部材の内部に前記好気性領域を形成し、前記筒状部材の周囲に前記嫌気性領域を形成する、請求項１１に記載の汚水処理方法。
    

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