WO2023238545A1 - 原水処理方法及び原水処理装置 - Google Patents

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raw water
activated sludge
treated
concentration
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翔平 水間
啓徳 油井
太一 山本
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    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the present disclosure relates to a raw water treatment method and a raw water treatment device.
  • a technology for treating organic wastewater As a technology for treating organic wastewater, a technology that combines biological treatment using a carrier (hereinafter sometimes referred to as the carrier method) and membrane separation activated sludge treatment (hereinafter sometimes referred to as MBR treatment) is known. It is being This technology has two advantages: it is possible to perform high-speed treatment using a carrier method, and it is also possible to obtain clear treated water through MBR treatment.
  • the carrier method hereinafter sometimes referred to as the carrier method
  • MBR treatment membrane separation activated sludge treatment
  • Patent Document 1 discloses a technology for treating organic wastewater by arranging two or more biological treatment tanks in series. As the load decreases, the nitrogen content in the sludge elutes into the treated water, and the nitrogen content that is not used for bacterial cell synthesis remains, so when wastewater containing a large amount of nitrogen is treated, nitrogen It is said that there is a problem with exceeding standards. In such cases, a method has been proposed in which a separate anoxic tank is provided to conduct denitrification treatment and reduce the nitrogen content, but this requires a large amount of installation space and makes the treatment system more complex. Furthermore, phosphorus, which is likely to remain in treated water like nitrogen, cannot be reduced.
  • Patent Documents 2 and 3 disclose a technique in which a part of organic wastewater is supplied to a subsequent MBR treatment tank by bypassing a previous biological treatment tank.
  • Patent Documents 2 and 3 have a process of measuring the wastewater load of the biological treatment tank at the front stage and automatically controlling the amount of bypass. It may not be possible to keep up with the deterioration of treated water, and it may not be possible to suppress the elution of nitrogen and phosphorus.
  • the substances to be removed in organic wastewater are measured online, if the organic wastewater contains a large amount of solids, the stability of the measurement will decrease and the accuracy will not be sufficient, making it difficult to operate properly. It may be difficult to control.
  • Patent Document 4 when wastewater with a relatively high concentration is to be measured, maintenance and configuration of the sensor may take time and effort, and the burden of operation management work may become heavy.
  • the purpose of the present disclosure is to suppress the outflow of nitrogen and phosphorus into treated water in raw water treatment that combines biological treatment using a carrier and membrane-separated activated sludge treatment.
  • the raw water treatment method of the present disclosure includes a biological treatment tank that stores carriers holding aerobic microorganisms, and an activated sludge treatment tank that stores activated sludge while first treated water that has been biologically treated in the biological treatment tank flows into the biological treatment tank. and a membrane separation activated sludge treatment unit equipped with a membrane separation device that performs membrane treatment on the second treated water that has been biologically treated in the activated sludge treatment tank; an inflow step of bypassing a portion of the raw water into the activated sludge treatment tank without passing through the treatment tank, and in the inflow step, the nitrogen concentration and
  • the method is characterized in that the inflow amount of the raw water that is caused to flow into the bypass is controlled based on the phosphorus concentration.
  • the raw water treatment method further includes a nitrogen source/phosphorus source addition step of adding a nitrogen source and/or a phosphorus source to the biological treatment tank, and in the addition step, the raw water is added to the biological treatment tank based on the amount of raw water flowing into the bypass. It is preferable to control the amount of the nitrogen source and/or the phosphorus source added.
  • an inorganic flocculant is added to the activated sludge treatment tank. It is preferable to include an addition step.
  • the present disclosure also provides a raw water treatment device for treating raw water, which includes a biological treatment tank that accommodates a carrier carrying aerobic microorganisms, and a first treated water biologically treated in the biological treatment tank flows into the raw water treatment device, and includes: A membrane separation activated sludge treatment unit comprising an activated sludge treatment tank that accommodates activated sludge, and a membrane separation device that performs membrane treatment on second treated water that has been biologically treated in the activated sludge treatment tank, and without using the biological treatment tank.
  • a bypass line that allows a portion of the raw water to bypass flow into the activated sludge treatment tank, and an inflow of the raw water that flows through the bypass line based on the nitrogen concentration and phosphorus concentration in the third treated water treated with the membrane separation device.
  • a control unit that controls the amount.
  • the raw water treatment apparatus further includes a nitrogen source/phosphorus source addition means for adding a nitrogen source and/or a phosphorus source to the biological treatment tank, and the nitrogen source/phosphorus source addition means is configured to add a nitrogen source and/or a phosphorus source to the biological treatment tank. It is preferable to control the amount of the nitrogen source and/or the phosphorus source added based on the inflow amount of raw water.
  • the raw water treatment device further includes an inorganic flocculant addition means for adding an inorganic flocculant to the activated sludge treatment tank, and the inorganic flocculant addition means is configured to add an inorganic flocculant to the third treated water treated with the membrane separation device. It is preferable that the inorganic flocculant is added to the activated sludge treatment tank when the phosphorus concentration is equal to or higher than a predetermined value.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a raw water treatment device according to the present embodiment. It is a graph showing the raw water bypass ratio to the activated sludge treatment tank and the daily change of the soluble BOD sludge load with respect to the raw water flow rate in the example.
  • FIG. 3 is a graph showing daily changes in the total nitrogen concentration (TN concentration) and the phosphate phosphorus concentration (PO 4 -P concentration) in the treated water treated by the membrane separation device of the example. It is a graph showing the relationship between the soluble BOD sludge load of the activated sludge treatment tank and the TN concentration of the treated water in Comparative Examples and Reference Examples 1 and 2.
  • 2 is a graph showing the relationship between the soluble BOD sludge load of the activated sludge treatment tank and the PO 4 -P concentration of the treated water in Comparative Examples and Reference Examples 1 and 2.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a raw water treatment device according to the present embodiment.
  • the raw water treatment device 1 shown in FIG. 1 includes a biological treatment tank 10, a membrane separation activated sludge treatment unit 12, a control device 14, pumps (16a, 16b, 16c), a nitrogen concentration detector 18, and a phosphorus concentration detector. 20, an inflow line (22a, 22b), a bypass line 24, a treated water discharge line 26, a sludge discharge line 28, and a flow rate adjustment valve (30a, 30b).
  • the membrane separation activated sludge treatment unit 12 includes an activated sludge treatment tank 32 and a membrane separation device 34.
  • the membrane separation device 34 is, for example, a separation membrane module including a separation membrane.
  • a membrane separation device 34 is installed within the activated sludge treatment tank 32.
  • the inflow line 22a is connected to the biological treatment tank 10. Further, a pump 16a and a flow rate regulating valve 30a are installed in the inflow line 22a. One end of the inflow line 22b is connected to the biological treatment tank 10, and the other end of the inflow line 22b is connected to the activated sludge treatment tank 32. One end of the bypass line 24 is connected to the inflow line 22a, and the other end of the bypass line 24 is connected to the inflow line 22b. Further, a flow rate adjustment valve 30b is installed in the bypass line 24.
  • the treated water discharge line 26 is connected to the treated water outlet of the membrane separation device 34. Further, a pump 16b, a nitrogen concentration detector 18, and a phosphorus concentration detector 20 are installed in the treated water discharge line 26.
  • the sludge discharge line 28 is connected to an activated sludge treatment tank 32. Further, a pump 16c is installed in the sludge discharge line 28.
  • the control device 14 and the flow rate regulating valves (30a, 30b), and the control device 14 and the nitrogen concentration detector 18 and the phosphorus concentration detector 20 are electrically connected.
  • the biological treatment tank 10 is filled with carriers 36 holding aerobic microorganisms.
  • the aerobic microorganisms held in the carrier 36 are microorganisms that can decompose organic matter in the raw water flowing into the biological treatment tank 10 under aerobic conditions.
  • Activated sludge is accommodated in the activated sludge treatment tank 32.
  • Activated sludge is sludge containing microorganisms that can decompose organic matter in treated water and raw water flowing into the activated sludge treatment tank 32 under aerobic conditions.
  • An aeration device 38 is installed at the bottom of the biological treatment tank 10 and the activated sludge treatment tank 32.
  • a blower 40 is connected to the aeration device 38, and the air supplied from the blower 40 is configured to be supplied from the aeration device 38 into the biological treatment tank 10 and the activated sludge treatment tank 32.
  • the nitrogen concentration detector 18 may be any device that can detect the nitrogen concentration in the treated water, and examples thereof include a total nitrogen concentration meter (TN meter), an ammonia concentration meter, and the like.
  • the phosphorus concentration detector 20 may be any device that can detect the phosphorus concentration in the treated water, and examples thereof include a total phosphorus concentration meter (TP meter), a phosphoric acid concentration meter, and the like.
  • the control device 14 is composed of, for example, a microcomputer and an electronic circuit including a CPU for calculating programs, a ROM and a RAM for storing programs and calculation results, and reads out a predetermined program stored in the ROM etc. and executes the corresponding program.
  • the program is executed to control the operation of the raw water treatment device 1.
  • the control device 14 controls the amount of raw water flowing through the bypass line 24 by controlling the degree of opening and closing of the flow rate regulating valves 30a and 30b based on the nitrogen concentration and phosphorus concentration in the treated water.
  • the control device 14 may be configured to control the operation of the pump 16 and the blower 40, for example.
  • a flow rate measuring device may be provided in the inflow line 22a and the bypass line 24.
  • a total organic carbon meter may be installed in the treated water discharge line 26 in order to check the quality of the treated water.
  • the control device 14 operates the pump 16a, opens the flow rate adjustment valve 30a to a predetermined opening degree, and supplies raw water to the biological treatment tank 10 from the inflow line 22a. At this time, the control device 14 may open the flow rate adjustment valve 30b to a predetermined opening degree to cause a portion of the raw water passing through the inflow line 22a to bypass flow into the activated sludge treatment tank 32 from the bypass line 24.
  • the control device 14 operates the blower 40 to supply air from the aeration device 38 into the biological treatment tank 10. Then, in the biological treatment tank 10, the organic matter in the raw water is biologically treated by the microorganisms held on the carrier 36 under aerobic conditions. The treated water (first treated water) treated in the biological treatment tank 10 flows into the activated sludge treatment tank 32 through the inflow line 22b.
  • control device 14 operates the blower 40 to supply air from the aeration device 38 into the activated sludge treatment tank 32. Then, in the activated sludge treatment tank 32, under aerobic conditions, organic matter in the first treated water flowing in from the inflow line 22b and the raw water bypassed from the bypass line 24 is biologically treated with activated sludge. Further, the control device 14 operates the pump 16b to flow the treated water (second treated water) that has been biologically treated in the activated sludge treatment tank 32 to the membrane separation device 34, and removes the sludge in the second treated water.
  • treated water second treated water
  • the treated water that has been removed and passed through the separation membrane of the membrane separation device 34 (third treated water: filtrated water from which sludge has been removed) is discharged from the treated water discharge line 26 to the outside of the system. Further, the control device 14 operates the pump 16c to discharge the sludge accumulated in the activated sludge treatment tank 32 from the sludge discharge line 28 to the outside of the system.
  • the nitrogen concentration and phosphorus concentration in the third treated water detected by the nitrogen concentration detector 18 and the phosphorus concentration detector 20 are input to the control device 14 .
  • the control device 14 then adjusts at least one of the input nitrogen concentration and phosphorus concentration to a predetermined value (the predetermined value may be determined for each of the nitrogen concentration and the phosphorus concentration).
  • the opening degrees of the flow rate regulating valves 30a and 30b are controlled so that the amount of raw water flowing through the bypass line 24 increases.
  • the opening degrees of the flow rate regulating valves 30a and 30b are controlled so that a predetermined amount of raw water flows into the bypass line 24.
  • the flow rate adjustment valve 30a when raw water is flowing into the bypass line 24, the flow rate adjustment valve 30a, The opening degree of 30b is controlled.
  • the control device 14 preferably controls the opening degrees of the flow rate regulating valves 30a and 30b so that the amount of raw water flowing through the bypass line 24 decreases.
  • the opening degrees of the flow rate regulating valves 30a and 30b are controlled so that the flow of raw water into the bypass line 24 is stopped. Further, for example, the opening degrees of the flow rate adjustment valves 30a and 30b are controlled so that the inflow amount of raw water that is reduced to a predetermined ratio with respect to the current inflow amount of raw water flowing through the bypass line 24 flows through the bypass line 24. .
  • the predetermined value is preferably in the range of 0.6 to 1 times the processing target value. Further, in order to stabilize the treatment in the biological treatment reaction tank, it is preferable that the upper limit of the inflow amount of raw water flowing through the bypass line 24 is 90% of the raw water flow rate.
  • the treatment progresses in the activated sludge treatment tank 32 in the latter stage than in the biological treatment tank 10 in the former stage, so the BOD volume load of the activated sludge treatment tank 32 in the latter stage must be low.
  • nitrogen and phosphorus may be eluted from microbial cells such as activated sludge, or nitrogen and phosphorus that have not been used for microbial cell synthesis may remain, which may deteriorate the quality of the treated water.
  • the amount of raw water that bypasses the activated sludge treatment tank 32 is controlled based on the nitrogen concentration and phosphorus concentration of the treated water. It is possible to prevent the BOD volume load from becoming a low load. As a result, it is possible to suppress excessive elution of nitrogen and phosphorus from the bacterial cells of the activated sludge in the activated sludge treatment tank 32, and to suppress the outflow of nitrogen and phosphorus into the treated water.
  • the raw water to be treated is, for example, organic wastewater discharged from sewage treatment, food factories, chemical factories, semiconductor factories/LCD factories, pulp and paper factories, and other fields, and biological treatment is not applicable. It's good to have.
  • the BOD volumetric load of each of the biological treatment tank 10 and the activated sludge treatment tank 32 should be, for example, 0.5 kg BOD/( m3 ⁇ d) or more in order to further suppress the outflow of nitrogen and phosphorus into the treated water. It is preferably at least 1.0 kgBOD/(m 3 ⁇ d), more preferably at least 1.5 kgBOD/(m 3 ⁇ d).
  • the upper limit of the BOD volume load is preferably 6 kg BOD/(m 3 ⁇ d) or less, considering the residual organic matter in the treated water and the outflow of nitrogen and phosphorus.
  • the BOD sludge load of the activated sludge treatment tank 32 is preferably in the range of 0.005 to 0.15 kg BOD/(kg MLSS ⁇ d), for example, in order to further suppress the outflow of nitrogen and phosphorus into the treated water.
  • the sludge retention time (SRT) of the activated sludge treatment tank 32 depends on the volume load, but is preferably in the range of 5 to 50 days, and more preferably in the range of 20 to 40 days.
  • SRT sludge retention time
  • the pH of the water in the biological treatment tank 10 and the activated sludge treatment tank 32 is not particularly limited as long as it is within a range suitable for general biological treatment, but is preferably in the range of 6 to 9, for example. The range of 5 to 7.5 is more preferable.
  • the pH of the water in the biological treatment tank 10 and the activated sludge treatment tank 32 is adjusted by adding a pH adjuster to each tank.
  • the pH adjuster include acid agents such as hydrochloric acid, alkaline agents such as sodium hydroxide, and the like.
  • Dissolved oxygen (DO) in the water in the biological treatment tank 10 and activated sludge treatment tank 32 is not particularly limited as long as it is the amount of oxygen necessary for general biological treatment, but for example, it is 0.5 mg/ It is preferably at least 1 mg/L, more preferably at least 1 mg/L.
  • the temperature of the water in the biological treatment tank 10 and the activated sludge treatment tank 32 is not particularly limited as long as it is within a range suitable for general biological treatment, but is preferably in the range of 15 to 35°C, for example. A temperature range of 20 to 30°C is more preferable.
  • a nitrogen source and/or phosphorus source as nutrients to the biological treatment tank 10.
  • a nitrogen source supply line equipped with a first pump and a phosphorus source supply line equipped with a second pump are installed in the biological treatment tank 10. Further, an inflow meter is installed in the bypass line 24 to detect the inflow amount of raw water per unit time.
  • the inflow amount per unit time detected by the inflow meter is input to the control device 14, and if the inflow amount is less than a predetermined value, the control device 14 turns on the first pump and the second pump.
  • the biological treatment tank 10 is operated to supply a nitrogen source from the nitrogen source supply line and a phosphorus source from the phosphorus source supply line. Then, when the inflow amount exceeds a predetermined value, the control device 14 stops the operation of the first pump and the second pump, and stops the supply of the nitrogen source and the phosphorus source.
  • control device 14 may use a map (or formula, table, etc.) that predefines the inflow amount per unit time and the addition amount of the nitrogen source, and the inflow amount per unit time and the addition amount of the phosphorus source. Apply the inflow amount per unit time detected by the inflow meter to a predefined map (or formula, table, etc.) to determine the added amount of nitrogen source and phosphorus source, and calculate the added amount.
  • the outputs of the first pump and the second pump are controlled so that the nitrogen source and the phosphorus source are supplied.
  • the above map defines a relationship in which the amounts of nitrogen and phosphorus sources added decrease as the amount of inflow increases, and the amounts of nitrogen and phosphorus sources increase as the amount of inflow decreases.
  • the nitrogen source is not particularly limited, and examples thereof include ammonium chloride, ammonium sulfate, diammonium hydrogen phosphate, urea, and the like.
  • the phosphorus source is not particularly limited, and examples thereof include phosphoric acid, sodium phosphate, potassium phosphate, and the like.
  • inorganic salts such as iron, manganese, and calcium may be supplied to the biological treatment tank 10 as nutrients. Note that it is preferable that no nitrogen source or phosphorus source be added to the activated sludge treatment tank 32.
  • the carrier 36 in the biological treatment tank 10 may be a conventionally known carrier, such as a plastic carrier, a sponge-like carrier, a gel-like carrier, etc. Among these, a sponge-like carrier is preferable in terms of cost and durability, and for example, a sponge-like carrier made of polyurethane is preferable.
  • the carrier 36 is not limited to a fluid type in which it flows within the biological treatment tank 10, but may be a fixed type in which a cartridge or the like filled with the carrier 36 is installed in the biological treatment tank 10.
  • the shape of the carrier 36 is not particularly limited, and examples thereof include quadrangular shapes such as cubes, grains, spheres, pellets, cylinders, fibers, and films.
  • the amount of carrier 36 added to the biological treatment tank 10 is preferably in the range of 10 to 70% of the tank volume, for example. Note that the carrier 36 may also be introduced into the activated sludge treatment tank 32.
  • the membrane separation device 34 of the present embodiment is an immersion type membrane separation device 34 installed inside the activated sludge treatment tank 32, but is not limited to this. type membrane separation device 34 may be used. Among these, it is desirable to adopt the submerged membrane separation device 34 from the viewpoint of the installation area and operating power of the device.
  • Examples of the shape of the separation membrane installed in the membrane separation device 34 include a flat membrane type, hollow fiber type, tubular type, and spiral type.
  • the material of the immersion membrane is, for example, polyethylene (PE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl chloride (PVC), polyethersulfone (PES), cellulose acetate (CA), etc.
  • Examples include organic membranes and inorganic membranes made of ceramic.
  • the pore size of the separation membrane is, for example, preferably 1.0 ⁇ m or less, and preferably a microfiltration membrane or ultrafiltration membrane with a pore size of 0.1 ⁇ m or less.
  • the permeation flow rate of the separation membrane is preferably operated within a range of, for example, 0.1 to 0.8 m/day, more preferably within a range of 0.2 to 0.6 m/day.
  • an inorganic flocculant to the activated sludge treatment tank 32.
  • an inorganic flocculant supply line equipped with a pump is installed in the activated sludge treatment tank 32.
  • the control device 14 operates the pump to supply the inorganic flocculant from the inorganic flocculant supply line to the activated sludge treatment tank. 32. Such operations can quickly reduce the phosphorus concentration in the treated water.
  • the inorganic flocculant may be any conventionally known flocculant, such as polyaluminum chloride (PAC), ferric chloride, and the like.
  • the amount of the inorganic flocculant added is preferably greater than the theoretically required amount.
  • Example> A continuous flow test of simulated wastewater (raw water) was conducted using the raw water treatment equipment shown in FIG. 1. However, no control device was used, and the opening/closing control of the flow rate adjustment valve and the operation control of the pump were performed manually. In addition, an acclimatization step was provided before conducting the continuous water flow test. Specifically, raw water was passed only through the biological treatment tank, and while checking the BOD concentration of the treated water, the BOD volume load was increased and microorganisms were sufficiently attached to the carrier. After this acclimatization process, a continuous water flow test was started by combining the biological treatment tank with the membrane-separated activated sludge treatment unit. Activated sludge that had been acclimatized with raw water was put into the activated sludge treatment tank.
  • Biological treatment tank volume 12L
  • Carrier of biological treatment tank Hydrophobic polyurethane sponge carrier
  • Filling rate of carrier of biological treatment tank 20% filling as bulk volume
  • Separation membrane of membrane separation device PVDF hollow fiber membrane Filtration flux of membrane separation device: 0.4 m/d *Filtration flux is the amount of water processed per unit membrane area of a separation membrane, and is calculated as follows.
  • Filtration flux raw water flow rate ⁇ membrane area of separation membrane Volume of activated sludge treatment tank: 24L Sludge concentration (MLSS) in activated sludge treatment tank: 8000mg/L Sludge withdrawal from activated sludge treatment tank: Sludge is withdrawn once a day so that MLSS is 8000 mg/L.
  • Sludge concentration 8000mg/L
  • the soluble BOD removal rate of the biological treatment tank was 95% or more during all experimental periods, and the ammonia nitrogen concentration and phosphate phosphorus concentration were also removed by 95% or more.
  • the soluble BOD concentration in the biological treatment tank is the BOD concentration after filtering with a 0.45 ⁇ m filter to remove suspended components.
  • FIG. 2 shows the daily changes in the raw water bypass ratio to the activated sludge treatment tank and the soluble BOD sludge load with respect to the raw water flow rate in the example.
  • FIG. 3 shows the daily changes in the total nitrogen concentration (TN concentration) and the phosphate phosphorus concentration (PO 4 -P concentration) in the treated water treated by the membrane separation device of the example.
  • TN concentration total nitrogen concentration
  • PO 4 -P concentration phosphate phosphorus concentration
  • the raw water BOD concentration was set to 1000 mg/L from the start of water flow to the 18th day, the raw water BOD concentration was set to 1500 mg/L from the 19th to the 25th day, and thereafter the raw water BOD concentration was set to 500 mg/L. .
  • the target values in this experiment were TN concentration: 10 mg/L or less, and PO 4 -P: 2 mg/L or less.
  • the TN concentration and PO 4 -P concentration of the treated water treated by the membrane separation device increase.
  • the target value was exceeded. Since the TN concentration and PO 4 -P concentration of the treated water exceeded the target values, during the period from 7th to 11th day, the raw water bypass ratio to the activated sludge treatment tank was set to 28% to 39%, and the raw water was transferred to the activated sludge treatment tank.
  • the TN concentration and PO 4 -P concentration of the treated water could be brought to the target values.
  • the soluble BOD sludge load in the activated sludge treatment tank remained at 0.08 to 0.1 kgBOD/(kgMLSS ⁇ d).
  • operation was carried out with the raw water bypass ratio to the activated sludge treatment tank reduced to 17 to 22%, and although the TN and PO 4 -P concentrations in the treated water increased, they still reached the target. were able to maintain the value.
  • the soluble BOD sludge load in the activated sludge treatment tank remained at 0.05 to 0.06 kg BOD/(kg MLSS ⁇ d).
  • the operation was performed with the raw water BOD concentration varied, but even if the raw water concentration fluctuated, the raw water bypassed into the activated sludge treatment tank was adjusted according to the TN concentration and PO 4 -P concentration of the treated water.
  • the inflow rate i.e. raw water bypass ratio to the activated sludge treatment tank
  • the soluble BOD sludge load to the activated sludge treatment tank during the experiment period varied from 0.03 to 0.11 kg BOD/(kg MLSS ⁇ d).
  • FIG. 4 shows the relationship between the soluble BOD sludge load in the activated sludge treatment tank and the TN concentration in the treated water in Comparative Example, Reference Examples 1 and 2.
  • FIG. 5 shows the relationship between the soluble BOD sludge load in the activated sludge treatment tank and the PO 4 -P concentration in the treated water in Comparative Examples and Reference Examples 1 and 2.
  • the soluble BOD sludge load in the activated sludge treatment tank was less than 0.02 kg BOD/(kg MLSS ⁇ d)
  • the TN concentration in the treated water was 20 mg/L or more
  • the PO 4 -P concentration was 4 mg/L or more. It remained at .
  • the soluble BOD sludge load required to set the TN concentration and PO 4 -P concentration to the target values is 0.1 kgBOD/(kgMLSS ⁇ d) or more in Reference Example 1 and 0.05 kgBOD/in Reference Example 2. (kgMLSS ⁇ d) or more, each having a different numerical range. Therefore, in order to manage the soluble BOD sludge load, it is necessary to grasp the numerical range in which the target water quality can be obtained in advance or during actual operation. However, since the range is thought to vary depending on the operating conditions, it is assumed that it is difficult to manage the soluble BOD sludge load during actual operation.
  • Table 1 shows the daily increase in suction pressure of the separation membrane, the sludge retention time in the activated sludge treatment tank, and the BOD sludge conversion rate during the operation period of Examples, Comparative Examples, and Reference Examples 1 and 2.
  • Comparative examples in which raw water does not flow into the activated sludge treatment tank by bypass have a lower BOD sludge conversion rate than Examples in which raw water flows by bypass. This is because by not implementing bypass inflow of raw water, the organic matter load in the activated sludge treatment tank was lowered and sludge decomposition progressed. As a result, it appears that in the comparative example, the sludge retention time became longer and substances that promote membrane clogging, such as biopolymers, accumulated, resulting in a larger amount of increase in suction pressure per day. On the other hand, in the examples in which bypass inflow of raw water was performed, no significant increase in suction pressure was observed.

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Abstract

好気性微生物を保持した担体（３６）を収容する生物処理槽（１０）と、生物処理槽（１０）で生物処理された第１処理水が流入すると共に、活性汚泥を収容する活性汚泥処理槽（３２）及び活性汚泥処理槽（３２）で生物処理された第２処理水を膜処理する膜分離装置（３４）を備える膜分離活性汚泥処理ユニット（１２）とを備える原水処理装置（１）を用いて原水を処理する工程と、生物処理槽（１０）を介さずに前記原水の一部を活性汚泥処理槽（３２）にバイパス流入させる流入工程と、を有し、前記流入工程では、膜分離装置（３４）で処理された第３処理水中の窒素濃度及びリン濃度に基づいて、前記バイパス流入させる前記原水の流入量を制御することを特徴とする原水処理方法である。

Description

原水処理方法及び原水処理装置
　本開示は、原水処理方法及び原水処理装置に関する。
　有機性排水を処理する技術として、担体を用いた生物処理（以下、担体法と呼ぶ場合がある）と膜分離活性汚泥処理（以下、ＭＢＲ処理と呼ぶ場合がある）とを組み合わせた技術が知られている。当該技術では、担体法による高速処理が可能であると共にＭＢＲ処理による清澄な処理水が得られるという２つの特長を持つことが可能となる。
　例えば、特許文献１には、生物処理槽を２つ以上直列に配置して有機性排水を処理する技術が開示されているが、後段の生物処理槽において汚泥発生量を低減させる場合、ＢＯＤ容積負荷の低下に伴って汚泥に含まれる窒素分が処理水へと溶出することや菌体合成に使用されなかった窒素分が残存するため、窒素を多く含む排水を処理した際に、窒素の排水基準を上回るという問題点があると言われている。このような場合、別途無酸素槽を設けることで脱窒処理を行い、窒素分を低減する方法が提案されているが、設置スペースを多く取る必要があり、処理システムとしてもより複雑となる。また、窒素と同様に処理水での残存が懸念されるリンについては低減することができない。
　また、例えば、特許文献２，３には、有機性排水の一部を、前段の生物処理槽をバイパスして後段のＭＢＲ処理槽に供給する技術が開示されている。特許文献２，３では、前段の生物処理槽の排水負荷を測定し、バイパス量を自動で制御する工程を有しているが、このような方法では、汚泥性状等の反応場の変化に伴った処理水の悪化に追従できず、窒素やリンの溶出を抑制できない可能性がある。また、有機性排水の除去対象物質をオンラインで測定するため、一般に有機性排水中に固形分が多い場合には、測定の安定性が低下し、精度としても十分に得られず、適切に運転制御することが困難となる場合がある。さらに、特許文献４の通り、比較的高濃度な排水を測定対象とする場合、センサーの維持管理や構成に手間が掛かり、運転管理作業の負担が大きくなる場合がある。
特許第４８９２９１７号公報 特許第５５７５３１６号公報 特許第５９２２４０６号公報 特開２０２１－１５９８４５号公報
　本開示の目的は、担体を用いた生物処理と膜分離活性汚泥処理とを組み合わせた原水処理において、処理水への窒素やリンの流出を抑制することを目的とする。
　本開示の原水処理方法は、好気性微生物を保持した担体を収容する生物処理槽と、前記生物処理槽で生物処理された第１処理水が流入すると共に、活性汚泥を収容する活性汚泥処理槽及び前記活性汚泥処理槽で生物処理された第２処理水を膜処理する膜分離装置を備える膜分離活性汚泥処理ユニットとを備える原水処理装置を用いて原水を処理する原水処理工程と、前記生物処理槽を介さずに前記原水の一部を前記活性汚泥処理槽にバイパス流入させる流入工程と、を有し、前記流入工程では、前記膜分離装置で処理された第３処理水中の窒素濃度及びリン濃度に基づいて、前記バイパス流入させる前記原水の流入量を制御することを特徴とする。
　また、前記原水処理方法において、前記生物処理槽に窒素源及び／又はリン源を添加する窒素源・リン源添加工程を有し、前記添加工程では、前記バイパス流入させる前記原水の流入量に基づいて、前記窒素源及び／又は前記リン源の添加量を制御することが好ましい。
　また、前記原水処理方法において、前記膜分離装置で処理された前記第３処理水中の前記リン濃度が、所定値以上の場合には、前記活性汚泥処理槽に無機凝集剤を添加する無機凝集剤添加工程を有することが好ましい。
　また、本開示は、原水を処理する原水処理装置であって、好気性微生物を担持した担体を収容する生物処理槽と、前記生物処理槽で生物処理された第１処理水が流入すると共に、活性汚泥を収容する活性汚泥処理槽、及び前記活性汚泥処理槽で生物処理された第２処理水を膜処理する膜分離装置を備える膜分離活性汚泥処理ユニットと、前記生物処理槽を介さずに前記原水の一部を前記活性汚泥処理槽にバイパス流入させるバイパスラインと、前記膜分離装置で処理された第３処理水中の窒素濃度及びリン濃度に基づいて、前記バイパスラインを流れる前記原水の流入量を制御する制御部と、を有することを特徴とする。
　また、前記原水処理装置において、前記生物処理槽に窒素源及び／又はリン源を添加する窒素源・リン源添加手段を有し、前記窒素源・リン源添加手段は、前記バイパスラインを流れる前記原水の流入量に基づいて、前記窒素源及び／又は前記リン源の添加量を制御することが好ましい。
　また、前記原水処理装置において、前記活性汚泥処理槽に無機凝集剤を添加する無機凝集剤添加手段を有し、前記無機凝集剤添加手段は、前記膜分離装置で処理された前記第３処理水中の前記リン濃度が所定値以上の場合に、前記活性汚泥処理槽に前記無機凝集剤を添加することが好ましい。
　本開示によれば、担体を用いた生物処理と膜分離活性汚泥処理とを組み合わせた原水処理において、処理水への窒素やリンの流出を抑制することが可能となる。
本実施形態に係る原水処理装置の構成の一例を示す模式図である。 実施例の原水流量に対する活性汚泥処理槽への原水バイパス比率及び溶解性ＢＯＤ汚泥負荷の経日変化を示すグラフである。 図３に、実施例の膜分離装置により処理された処理水の全窒素濃度（ＴＮ濃度）及びリン酸態リン濃度（ＰＯ４－Ｐ濃度）の経日変化を示すグラフである。 比較例、参考例１、２における活性汚泥処理槽の溶解性ＢＯＤ汚泥負荷と処理水のＴＮ濃度の関係を示すグラフである。 比較例、参考例１、２における活性汚泥処理槽の溶解性ＢＯＤ汚泥負荷と処理水のＰＯ４－Ｐ濃度の関係を示すグラフである。
　本開示の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本開示を実施する一例であって、本開示は本実施形態に限定されるものではない。
　図１は、本実施形態に係る原水処理装置の構成の一例を示す模式図である。図１に示す原水処理装置１は、生物処理槽１０と、膜分離活性汚泥処理ユニット１２と、制御装置１４、ポンプ（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）と、窒素濃度検出器１８と、リン濃度検出器２０と、流入ライン（２２ａ，２２ｂ）と、バイパスライン２４と、処理水排出ライン２６と、汚泥排出ライン２８と、流量調整弁（３０ａ，３０ｂ）とを備える。膜分離活性汚泥処理ユニット１２は、活性汚泥処理槽３２と、膜分離装置３４とを備える。膜分離装置３４としては、例えば、分離膜を備える分離膜モジュール等である。図１の原水処理装置１では、膜分離装置３４が活性汚泥処理槽３２内に設置されている。
　流入ライン２２ａは生物処理槽１０に接続されている。また、流入ライン２２ａにはポンプ１６ａ及び流量調整弁３０ａが設置されている。流入ライン２２ｂの一端は生物処理槽１０に接続され、流入ライン２２ｂの他端は活性汚泥処理槽３２に接続されている。バイパスライン２４の一端は流入ライン２２ａに接続され、バイパスライン２４の他端は流入ライン２２ｂに接続されている。また、バイパスライン２４には流量調整弁３０ｂが設置されている。処理水排出ライン２６は膜分離装置３４の処理水出口に接続されている。また、処理水排出ライン２６にはポンプ１６ｂ、窒素濃度検出器１８、リン濃度検出器２０が設置されている。汚泥排出ライン２８は活性汚泥処理槽３２に接続されている。また、汚泥排出ライン２８にはポンプ１６ｃが設置されている。制御装置１４と流量調整弁（３０ａ，３０ｂ）、制御装置１４と窒素濃度検出器１８やリン濃度検出器２０は、例えば、電気的に接続されている。
　生物処理槽１０内には、好気性微生物を保持した担体３６が充填されている。担体３６に保持される好気性微生物は、生物処理槽１０内に流入する原水中の有機物を好気条件で分解処理可能な微生物である。活性汚泥処理槽３２内には活性汚泥が収容されている。活性汚泥は、活性汚泥処理槽３２内に流入する処理水や原水中の有機物を好気条件で分解処理可能な微生物を含む汚泥である。
　生物処理槽１０内及び活性汚泥処理槽３２内の底部には、曝気装置３８が設置されている。曝気装置３８には、例えば、ブロア４０が接続され、ブロア４０から供給される空気が、曝気装置３８から生物処理槽１０内や活性汚泥処理槽３２内に供給されるように構成されている。
　窒素濃度検出器１８は、処理水中の窒素濃度を検出できる装置であればよく、例えば、全窒素濃度計（ＴＮ計）、アンモニア濃度計等が挙げられる。リン濃度検出器２０は、処理水中のリン濃度を検出できる装置であればよく、例えば、全リン濃度計（ＴＰ計）、リン酸濃度計等が挙げられる。
　制御装置１４は、例えば、プログラムを演算するＣＰＵ、プログラムや演算結果を記憶するＲＯＭおよびＲＡＭから構成されるマイクロコンピュータと電子回路等で構成され、ＲＯＭ等に記憶された所定のプログラムを読み出し、当該プログラムを実行して、原水処理装置１の動作を制御する。例えば、制御装置１４は、処理水中の窒素濃度やリン濃度に基づいて、流量調整弁３０ａ，３０ｂの開閉度を制御して、バイパスライン２４を流れる原水の流入量を制御する。また、制御装置１４は、例えば、ポンプ１６やブロア４０の動作を制御するように構成されていてもよい。
　その他、バイパスライン２４を流れる原水の流入量を把握するために、流入ライン２２ａやバイパスライン２４に流量測定器を設けてもよい。また、処理水の水質を確認するために、処理水排出ライン２６に全有機体炭素計（ＴＯＣ計）を設置してもよい。
　次に、本実施形態に係る原水処理装置１の動作の一例について説明する。
　制御装置１４は、ポンプ１６ａを稼働させると共に、流量調整弁３０ａを所定の開度まで開放させて、原水を流入ライン２２ａから生物処理槽１０に供給する。この際、制御装置１４は、流量調整弁３０ｂを所定の開度まで開放させて、流入ライン２２ａを通る原水の一部をバイパスライン２４から活性汚泥処理槽３２にバイパス流入させてもよい。
　制御装置１４は、ブロア４０を稼働させ、空気を曝気装置３８から生物処理槽１０内に供給する。そして、生物処理槽１０内において、好気条件で、原水中の有機物を、担体３６に保持された微生物により生物処理する。生物処理槽１０で処理された処理水（第１処理水）は、流入ライン２２ｂを通り、活性汚泥処理槽３２に流入する。
　また、制御装置１４は、ブロア４０を稼働させ、空気を曝気装置３８から活性汚泥処理槽３２内に供給する。そして、活性汚泥処理槽３２内において、好気条件下で、流入ライン２２ｂから流入した第１処理水やバイパスライン２４からバイパス流入した原水中の有機物を、活性汚泥により生物処理する。また、制御装置１４は、ポンプ１６ｂを稼働させて、活性汚泥処理槽３２内で生物処理された処理水（第２処理水）を膜分離装置３４に通水し、第２処理水中の汚泥を除去し、膜分離装置３４の分離膜を透過した処理水（第３処理水：汚泥が除去されたろ過水）を、処理水排出ライン２６から系外へ排出する。また、制御装置１４は、ポンプ１６ｃを稼働させて、活性汚泥処理槽３２に堆積した汚泥を、汚泥排出ライン２８から系外へ排出する。
　以下に、活性汚泥処理槽３２にバイパス流入する原水の流量制御の例を説明する。まず、窒素濃度検出器１８及びリン濃度検出器２０により検出された第３処理水中の窒素濃度及びリン濃度が制御装置１４に入力される。そして、制御装置１４は、入力された窒素濃度及びリン濃度のうちの少なくともいずれか一方が、予め定めた所定値（所定値は、窒素濃度及びリン濃度のそれぞれに対して定められてもよいし共通でもよい）以上の場合、バイパスライン２４を流れる原水の流入量が増加するように、流量調整弁３０ａ，３０ｂの開度を制御する。例えば、バイパスライン２４に原水が流入していない場合には、所定の流入量の原水がバイパスライン２４に流れるように流量調整弁３０ａ，３０ｂの開度を制御する。また、例えば、バイパスライン２４に原水が流入している場合には、その時の原水の流入量に対して所定の割合に増やした流入量の原水がバイパスライン２４に流れるように流量調整弁３０ａ，３０ｂの開度を制御する。バイパスライン２４を流れる原水の流入量を増加した運転を継続した結果、窒素濃度検出器１８及びリン濃度検出器２０により検出された処理水中の窒素濃度及びリン濃度が、予め定めた所定値未満となった場合、制御装置１４は、バイパスライン２４を流れる原水の流入量が減少するように、流量調整弁３０ａ，３０ｂの開度を制御することが好ましい。例えば、バイパスライン２４への原水の流入が停止するように、流量調整弁３０ａ，３０ｂの開度を制御する。また、例えば、現状のバイパスライン２４を流れる原水の流入量に対して所定の割合に減らした流入量の原水が、バイパスライン２４を流れるように、流量調整弁３０ａ，３０ｂの開度を制御する。予め定めた所定値は、安定した処理を行うために、処理目標値の０．６～１倍の範囲とすることが好ましい。また、生物処理反応槽での処理安定化のため、バイパスライン２４を流れる原水の流入量の上限は原水流量の９０％とすることが好ましい。
　通常、後段の活性汚泥処理槽３２の方が前段の生物処理槽１０より処理が進むため、後段の活性汚泥処理槽３２のＢＯＤ容積負荷は低負荷にならざるを得ない。このような場合、活性汚泥等の菌体から窒素やリンが溶出したり、菌体合成に使用されなかった窒素やリンが残存したりして、処理水の水質を悪化させる場合がある。しかし、本実施形態では、前述したように、処理水の窒素濃度及びリン濃度に基づいて、活性汚泥処理槽３２にバイパス流入する原水の流入量を制御しているため、活性汚泥処理槽３２のＢＯＤ容積負荷が低負荷になることを抑制することができる。その結果、活性汚泥処理槽３２内の活性汚泥の菌体から窒素やリンの過度の溶出を抑制し、処理水への窒素やリンの流出を抑制することが可能となる。
　以下に、本実施形態に係る原水処理装置１の各構成や処理条件等について詳述する。
　処理対象である原水は、例えば、下水処理、食品工場をはじめ、化学工場、半導体工場・液晶工場、紙パルプ工場、その他の分野から排出される有機性排水等であり、生物処理が適用可能であれば良い。
　生物処理槽１０及び活性汚泥処理槽３２それぞれのＢＯＤ容積負荷は、例えば、処理水への窒素やリンの流出をより抑制する点で、０．５ｋｇＢＯＤ／（ｍ３・ｄ）以上であることが好ましく、１．０ｋｇＢＯＤ／（ｍ３・ｄ）以上であることがより好ましく、１．５ｋｇＢＯＤ／（ｍ３・ｄ）以上であることがより好ましい。ＢＯＤ容積負荷の上限は、処理水中の有機物の残存及び窒素やリンの流出等を考慮すると、６ｋｇＢＯＤ／（ｍ３・ｄ）以下が好ましい。
　活性汚泥処理槽３２のＢＯＤ汚泥負荷は、例えば、処理水への窒素やリンの流出をより抑制する点で、０．００５～０．１５ｋｇＢＯＤ／（ｋｇＭＬＳＳ・ｄ）の範囲であることが好ましい。
　活性汚泥処理槽３２の汚泥滞留時間（ＳＲＴ）は、容積負荷にもよるが、例えば、５～５０日の範囲であることが好ましく、２０日～４０日の範囲であることがより好ましい。ＳＲＴが長くなると、汚泥中の微生物の自己酸化が起き、分離膜を透過しないような高分子物質が活性汚泥処理槽３２内に蓄積し、膜の目詰まりが起きる場合がある。また、ＳＲＴが短いと、汚泥が分散状になり、分離膜への目詰まりが起きる場合がある。
　生物処理槽１０及び活性汚泥処理槽３２の槽内水のｐＨは、一般的な生物処理に適応する範囲であれば特に制限されるものではないが、例えば６～９の範囲が好ましく、６．５～７．５の範囲がより好ましい。生物処理槽１０や活性汚泥処理槽３２の槽内水のｐＨ調整は、各槽にｐＨ調整剤を添加することにより行われる。ｐＨ調整剤としては、塩酸等の酸剤、水酸化ナトリウム等のアルカリ剤等が挙げられる。
　生物処理槽１０及び活性汚泥処理槽３２の槽内水の溶存酸素（ＤＯ）は、一般的な生物処理に必要な酸素量であれば特に制限されるものではないが、例えば、０．５ｍｇ/Ｌ以上であることが好ましく、１ｍｇ/Ｌ以上であることがより好ましい。
　生物処理槽１０及び活性汚泥処理槽３２の槽内水の水温は、一般的な生物処理に適応する範囲であれば特に制限されるものではないが、例えば、１５～３５℃の範囲が好ましく、２０～３０℃の範囲がより好ましい。
　生物処理槽１０には、栄養剤としての窒素源及び／又はリン源を添加することが好ましい。生物処理槽１０に窒素源やリン源を添加する際には、バイパスライン２４を流れる原水の流入量に基づいて、窒素源及び／又はリン源の添加量を制御することが好ましい。以下は、制御方法の一例である。第１ポンプを設置した窒素源供給ライン及び第２ポンプを設置したリン源供給ラインを生物処理槽１０に設置する。また、バイパスライン２４には原水の単位時間当たりの流入量を検出する流入量計を設置する。そして、制御装置１４には、流入量計により検出された単位時間当たりの流入量が入力され、制御装置１４は、当該流入量が所定値以下の場合には、第１ポンプ及び第２ポンプを稼働させ、窒素源供給ラインから窒素源を、リン源供給ラインからリン源を生物処理槽１０に供給する。そして、制御装置１４は、当該流入量が所定値を超えた場合には、第１ポンプ及び第２ポンプの稼働を停止して、窒素源及びリン源の供給を停止する。また、例えば、制御装置１４は、単位時間当たりの流入量と窒素源の添加量とを予め規定しておいたマップ（或いは式やテーブル等）及び単位時間当たりの流入量とリン源の添加量とを予め規定しておいたマップ（或いは式やテーブル等）に、流入量計により検出された単位時間当たりの流入量を当てはめて、窒素源及びリン源の添加量を求め、求めた添加量の窒素源及びリン源が供給されるように第１ポンプ及び第２ポンプの出力を制御する。なお、上記マップは、流入量が増えると窒素源、リン源の添加量が減少し、流入量が減少すると窒素源、リン源の添加量が増加する関係を規定したものである。
　窒素源は、特に限定されないが、例えば、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、尿素等が挙げられる。リン源は、特に限定されないが、例えば、リン酸、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム等が挙げられる。窒素源及びリン源の他に、鉄、マンガン、カルシウム等の無機塩類等を栄養剤として生物処理槽１０に供給してもよい。なお、活性汚泥処理槽３２には、窒素源及びリン源を添加しないことが好ましい。
　生物処理槽１０内の担体３６は、従来公知の担体でよく、例えば、プラスチック製担体、スポンジ状担体、ゲル状担体等が挙げられる。これらの中では、コストや耐久性の点で、スポンジ状担体が好ましく、例えば、ポリウレタン製のスポンジ状担体が好ましい。担体３６は、生物処理槽１０内を流動する流動式に限定されず、担体３６を充填したカートリッジ等を生物処理槽１０内に設置する固定式でもよい。担体３６の形状は、特に限定されず、立方体状等の四角体状、粒状、球状、ペレット状、円筒状、繊維状、フィルム状等が挙げられる。生物処理槽１０への担体３６の投入量は、例えば、槽容積に対して１０～７０％の範囲が好ましい。なお、活性汚泥処理槽３２内にも担体３６を投入してよい。
　本実施形態の膜分離装置３４は、活性汚泥処理槽３２内に設置した浸漬型の膜分離装置３４を例示しているが、これに制限されず、活性汚泥処理槽３２外に設置した槽外型の膜分離装置３４であってもよい。これらのうち、装置の設置面積や運転動力の観点から浸漬型の膜分離装置３４を採用することが望ましい。
　膜分離装置３４に設置される分離膜の形状としては、例えば、平膜型、中空糸型、チューブラ型、スパイラル型等が挙げられる。浸漬膜の材質は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、セルロースアセテート（ＣＡ）等の有機膜、セラミック製の無機膜等が挙げられる。分離膜の孔径は、例えば、１．０μｍ以下が好ましく、孔径０．１μｍ以下の精密ろ過膜あるいは限外ろ過膜が好ましい。分離膜の透過流速は、例えば、０．１～０．８ｍ／ｄａｙの範囲程度で運転することが好ましく、０．２～０．６ｍ／ｄａｙの範囲で運転することがより好ましい。
　膜分離装置３４で処理された処理水中のリン濃度が、予め定めた所定値以上の場合には、活性汚泥処理槽３２に無機凝集剤を添加することが好ましい。例えば、ポンプを設置した無機凝集剤供給ラインを活性汚泥処理槽３２に設置する。そして、制御装置１４は、リン濃度検出器２０から入力されたリン濃度が、予め定めた所定値以上の場合には、ポンプを稼働させ、無機凝集剤供給ラインから無機凝集剤を活性汚泥処理槽３２に供給する。このような操作により、処理水中のリン濃度を速やかに低減できる。無機凝集剤としては、従来公知のものでよく、例えば、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）、塩化第二鉄等が挙げられる。無機凝集剤の添加量は、理論必要量以上とすることが好ましい。理論必要量は、ＰＡＣ（Ａｌ２Ｏ３＝１０．５ｗｔ％と想定）の場合、リン濃度１ｍｇ/Ｌに対して１５．７ｍｇ/Ｌであり、塩化第二鉄（ＦｅＣｌ３＝３８ｗｔ％と想定）の場合、リン濃度１ｍｇ/Ｌに対して１３．８ｍｇ/Ｌである。
　以下、実施例および比較例を挙げ、本開示をより具体的に詳細に説明するが、本開示は、以下の実施例に限定されるものではない。
＜実施例＞
　図１に示す原水処理装置を用いて、模擬廃水（原水）の連続通水試験を実施した。但し、制御装置は使用せず、流量調整弁の開閉制御、ポンプの稼働制御は手動で行った。また、連続通水試験を実施する前には、馴養工程を設けた。具体的には、生物処理槽のみに原水を通水し、処理水ＢＯＤ濃度を確認しながら、ＢＯＤ容積負荷を増加させつつ、担体に十分に微生物を付着させた。この馴養工程後の生物処理槽と膜分離活性汚泥処理ユニットとを組み合わせて連続通水試験を開始した。なお、活性汚泥処理槽には本原水で馴養された活性汚泥を投入した。
＜連続通水試験の条件＞
　生物処理槽の容積：１２Ｌ
　生物処理槽の担体：疎水性ポリウレタン製のスポンジ担体
　生物処理槽の担体充填率：嵩体積として２０％充填
　膜分離装置の分離膜：ＰＶＤＦ中空糸膜
　膜分離装置のろ過Ｆｌｕｘ：０．４ｍ／ｄ
　※ろ過Ｆｌｕｘとは分離膜の単位膜面積当たりの処理水量であり、以下のように算出される。ろ過Ｆｌｕｘ＝原水流量÷分離膜の膜面積
　活性汚泥処理槽の容積：２４Ｌ
　活性汚泥処理槽の汚泥濃度（ＭＬＳＳ）：８０００ｍｇ／Ｌ
　活性汚泥処理槽の汚泥の引抜：ＭＬＳＳが８０００ｍｇ／Ｌとなるように一日に１回汚泥を引き抜く。
　原水ＢＯＤ濃度の代表値：５００、１０００、１５００ｍｇ／Ｌ（後述する比較例、参考例１、２：１０００ｍｇ／Ｌ）
　原水中の基質：スクロース、酢酸ナトリウム、プロピオン酸、２－プロパノール
　原水中の窒素及びリン：塩化アンモニウムとリン酸を用いてＢＯＤ：Ｎ：Ｐ＝１００：５：１となるように調整
　その他必要な微量元素：微量元素溶液を原水に添加
　原水ＳＳ：無し
　原水流量：５４Ｌ／ｄ（活性汚泥処理槽に適宜バイパス）
　全体ＢＯＤ容積負荷：１．５ｋｇＢＯＤ／（ｍ３・ｄ）
　※全体ＢＯＤ容積負荷は以下のようにして算出される。全体ＢＯＤ容積負荷＝原水ＢＯＤ濃度×流入水量÷生物処理槽と活性汚泥処理槽の合計槽容積
　なお、全ての実験期間で生物処理槽の溶解性ＢＯＤ除去率は９５％以上であり、アンモニア態窒素濃度、リン酸態リン濃度も９５％以上除去できていた。生物処理槽の溶解性ＢＯＤ除去率は以下のようにして算出される。
生物処理槽の溶解性ＢＯＤ除去率＝（原水ＢＯＤ濃度－生物処理槽の溶解性ＢＯＤ濃度）÷原水ＢＯＤ濃度
　なお、原水にはＳＳが無いことから原水ＢＯＤ＝溶解性ＢＯＤである。生物処理槽の溶解性ＢＯＤ濃度は０．４５μｍフィルターでろ過して、懸濁成分を除去した後のＢＯＤ濃度である。
　実施例（及び後述する比較例や参考例）で示した各項目は以下のように算出される。
（１）活性汚泥処理槽の溶解性ＢＯＤ汚泥負荷＝（（生物処理槽の溶解性ＢＯＤ濃度×生物処理槽への原水流量）＋（活性汚泥処理槽への原水のバイパス流入量×原水溶解性ＢＯＤ濃度））÷（槽内汚泥濃度×槽容積）
　なお、原水にはＳＳが無いことから原水ＢＯＤ＝溶解性ＢＯＤである。
（２）活性汚泥処理槽の汚泥滞留時間＝（槽内汚泥濃度×槽容積）÷（引抜汚泥濃度×引抜水量）
（３）ＢＯＤ汚泥転換率＝活性汚泥処理槽の発生汚泥量÷全体ＢＯＤ除去量
（４）活性汚泥処理槽の発生汚泥量＝（（所定期間経過後の活性汚泥処理槽の汚泥濃度－初期の活性汚泥処理槽の汚泥濃度）×活性汚泥処理槽の槽容積）＋（引抜汚泥濃度×引抜水量）
（５）全体ＢＯＤ除去量＝（原水ＢＯＤ濃度－活性汚泥処理槽の膜分離処理水のＢＯＤ濃度）×原水流量
（６）吸引圧力は、処理水排出ラインに設置した圧力計（長野計器社製、ＧＣ６７型）により測定した値である。吸引圧力はロギングし、所定期間における１日当たりの吸引圧力上昇量として示した。
　図２に、実施例の原水流量に対する活性汚泥処理槽への原水バイパス比率及び溶解性ＢＯＤ汚泥負荷の経日変化を示す。また、図３に、実施例の膜分離装置により処理された処理水の全窒素濃度（ＴＮ濃度）及びリン酸態リン濃度（ＰＯ４－Ｐ濃度）の経日変化を示す。実施例では、最初の５日間、原水を活性汚泥処理槽にバイパス流入させずに通水試験を行った。そして、膜分離装置により処理された処理水中の窒素濃度及びリン濃度の上昇を確認した後、原水を活性汚泥処理槽にバイパス流入させた。なお通水開始から１８日目までは原水ＢＯＤ濃度を１０００ｍｇ／Ｌにし、１９日目～２５日目までは原水ＢＯＤ濃度を１５００ｍｇ／Ｌにし、その後は原水ＢＯＤ濃度 を５００ｍｇ／Ｌにして運転した。本実験における目標値はＴＮ濃度：１０ｍｇ／Ｌ以下、ＰＯ４－Ｐ：２ｍｇ／Ｌ以下とした。
　図３に示すように、原水を活性汚泥処理槽にバイパス流入させていない期間は、膜分離装置により処理された処理水（以下、処理水）のＴＮ濃度、ＰＯ４－Ｐ濃度が上昇し、目標値を超過した。処理水のＴＮ濃度、ＰＯ４－Ｐ濃度が目標値を超過したため、７～１１日目の期間では、活性汚泥処理槽への原水バイパス比率を２８～３９％にして、原水を活性汚泥処理槽へバイパス流入させたところ、処理水のＴＮ濃度、ＰＯ４－Ｐ濃度を目標値にすることができた。また、活性汚泥処理槽の溶解性ＢＯＤ汚泥負荷は０．０８～０．１ｋｇＢＯＤ／（ｋｇＭＬＳＳ・ｄ）で推移した。１４～１８日目の期間では、活性汚泥処理槽への原水バイパス比率を１７～２２％に減らして運転を行ったところ、処理水のＴＮ濃度とＰＯ４－Ｐ濃度は上昇したものの、依然として目標値を維持することができた。この間の活性汚泥処理槽の溶解性ＢＯＤ汚泥負荷は、０．０５～０．０６ｋｇＢＯＤ／（ｋｇＭＬＳＳ・ｄ）で推移した。上記結果から、処理水のＴＮ濃度、ＰＯ４－Ｐ濃度に基づいて活性汚泥処理槽へバイパス流入させる原水の流入量を制御することで、処理水への窒素やリンの流出を抑制することが可能となり、良好な処理水水質を得るように運転管理することができた。また、原水バイパス比率を高めることで、より良好な処理水水質を得ることができた。
　１９日目以降、原水ＢＯＤ濃度を変動させて運転したが、原水濃度に変動が生じても、処理水のＴＮ濃度、ＰＯ４－Ｐ濃度に応じて、活性汚泥処理槽へバイパス流入させる原水の流入量（すなわち、活性汚泥処理槽への原水バイパス比率）を制御することで、処理水への窒素やリンの流出を抑制することが可能となり、良好な処理水水質を得るように運転管理することできた。なお、実験期間における活性汚泥処理槽への溶解性ＢＯＤ汚泥負荷は０．０３～０．１１ｋｇＢＯＤ／（ｋｇＭＬＳＳ・ｄ）で推移した。
＜比較例及び参考例１，２＞
　比較例では、原水を活性汚泥処理槽へバイパス流入させないこと以外は実施例と同様に試験した。また、参考例１、２では、原水を活性汚泥処理槽へバイパス流入させたが、処理水のＴＮ濃度及びＰＯ４－Ｐ濃度に応じて原水バイパス比率を制御せず、単純に原水バイパス比率を増やす制御を行った。それ以外は、実施例と同様に試験した。参考例１と２では、活性汚泥処理槽の汚泥滞留時間が異なること以外は同じ条件である。活性汚泥処理槽の汚泥滞留時間において、参考例１を３０日とし、参考例２を４０日とした。
　図４に、比較例、参考例１、２における活性汚泥処理槽の溶解性ＢＯＤ汚泥負荷と処理水のＴＮ濃度の関係を示す。図５に、比較例、参考例１、２における活性汚泥処理槽の溶解性ＢＯＤ汚泥負荷と処理水のＰＯ４－Ｐ濃度の関係を示す。比較例では、活性汚泥処理槽の溶解性ＢＯＤ汚泥負荷は０．０２ｋｇＢＯＤ／（ｋｇＭＬＳＳ・ｄ）未満となり、処理水のＴＮ濃度は２０ ｍｇ／Ｌ以上、ＰＯ４－Ｐ濃度は４ ｍｇ／Ｌ以上で推移した。比較例では、原水を活性汚泥処理槽へバイパス流入させていないため、上記の通り溶解性ＢＯＤ汚泥負荷が低くなり、活性汚泥処理槽内の汚泥の解体が進行したため、処理水へ窒素・リンが溶出したと考えられる。参考例１、２では、原水バイパス比率を増加させ、活性汚泥処理槽の溶解性ＢＯＤ汚泥負荷を高く運転することで、処理水のＴＮ濃度、ＰＯ４－Ｐ濃度ともに目標値を満たすことができた。一方で、ＴＮ濃度、ＰＯ４－Ｐ濃度を目標値とするのに必要な溶解性ＢＯＤ汚泥負荷は、参考例１が０．１ｋｇＢＯＤ／（ｋｇＭＬＳＳ・ｄ）以上、参考例２が０．０５ｋｇＢＯＤ／（ｋｇＭＬＳＳ・ｄ）以上となり、それぞれ異なる数値範囲となった。よって、溶解性ＢＯＤ汚泥負荷で管理するためには、目標水質が得られる数値範囲を事前にもしくは実運転中に把握する必要がある。ただし、運転状況によってその範囲が異なると考えられることから、実運転中に溶解性ＢＯＤ汚泥負荷で管理するのは困難と想定される。
　表１に、実施例、比較例及び参考例１，２の運転期間における分離膜の１日当たりの吸引圧力上昇量、活性汚泥処理槽の汚泥滞留時間、ＢＯＤ汚泥転換率を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　原水を活性汚泥処理槽へバイパス流入させていない比較例は、バイパス流入させている実施例等に比べて、ＢＯＤ汚泥転換率が低い。これは、原水のバイパス流入を実施しないことで、活性汚泥処理槽の有機物負荷が低くなり、汚泥の解体が進行したためである。その結果、比較例は、汚泥滞留時間が長くなり、バイオポリマー等の膜の閉塞を促進する物質が蓄積したため、１日当たりの吸引圧力上昇量が大きくなったとみられる。一方、原水のバイパス流入を実施した実施例等においては、顕著な吸引圧力の上昇は見られなかった。ただし、一般的には生物間での捕食や自己消化によって、汚泥滞留時間の増加により減容化が進むものと言われていることから最適な汚泥滞留時間についても考慮する必要があるものと考えられる。以上の結果から、原水を活性汚泥処理槽へバイパス流入させることで、処理水への窒素・リンの溶出及び分離膜の吸引圧力の上昇を抑えて運転することが可能であった。また、目標水質を維持することが可能な溶解性ＢＯＤ汚泥負荷を把握することなく、処理水の窒素・リンの濃度に基づいて、活性汚泥処理槽へバイパス流入させる原水の流入量を調整することで、例えば原水変動があった場合でも、処理水への窒素・リンの溶出を抑制し、良好な処理水質を維持しながら運転することが可能となった。
　１　原水処理装置、１０　生物処理槽、１２　膜分離活性汚泥処理ユニット、１４　制御装置、１６ａ～１６ｃ　ポンプ、１８　窒素濃度検出器、２０　リン濃度検出器、２２ａ，２２ｂ　流入ライン、２４　バイパスライン、２６　処理水排出ライン、２８　汚泥排出ライン、３０ａ，３０ｂ　流量調整弁、３２　活性汚泥処理槽、３４　膜分離装置、３６　担体、３８　曝気装置、４０　ブロア。

Claims (6)

  1. 　好気性微生物を保持した担体を収容する生物処理槽と、前記生物処理槽で生物処理された第１処理水が流入すると共に、活性汚泥を収容する活性汚泥処理槽及び前記活性汚泥処理槽で生物処理された第２処理水を膜処理する膜分離装置を備える膜分離活性汚泥処理ユニットとを備える原水処理装置を用いて原水を処理する原水処理工程と、
    　前記生物処理槽を介さずに前記原水の一部を前記活性汚泥処理槽にバイパス流入させる流入工程と、を有し、
    　前記流入工程では、前記膜分離装置で処理された第３処理水中の窒素濃度及びリン濃度に基づいて、前記バイパス流入させる前記原水の流入量を制御することを特徴とする原水処理方法。
  2. 　前記生物処理槽に窒素源及び／又はリン源を添加する窒素源・リン源添加工程を有し、
    　前記添加工程では、前記バイパス流入させる前記原水の流入量に基づいて、前記窒素源及び／又は前記リン源の添加量を制御することを特徴とする請求項１に記載の原水処理方法。
  3. 　前記膜分離装置で処理された前記第３処理水中の前記リン濃度が、所定値以上の場合には、前記活性汚泥処理槽に無機凝集剤を添加する無機凝集剤添加工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の原水処理方法。
  4. 　原水を処理する原水処理装置であって、
    　好気性微生物を担持した担体を収容する生物処理槽と、
    　前記生物処理槽で生物処理された第１処理水が流入すると共に、活性汚泥を収容する活性汚泥処理槽、及び前記活性汚泥処理槽で生物処理された第２処理水を膜処理する膜分離装置を備える膜分離活性汚泥処理ユニットと、
    　前記生物処理槽を介さずに前記原水の一部を前記活性汚泥処理槽にバイパス流入させるバイパスラインと、
    　前記膜分離装置で処理された第３処理水中の窒素濃度及びリン濃度に基づいて、前記バイパスラインを流れる前記原水の流入量を制御する制御部と、を有することを特徴とする原水処理装置。
  5. 　前記生物処理槽に窒素源及び／又はリン源を添加する窒素源・リン源添加手段を有し、
    　前記窒素源・リン源添加手段は、前記バイパスラインを流れる前記原水の流入量に基づいて、前記窒素源及び／又は前記リン源の添加量を制御することを特徴とする請求項４に記載の原水処理装置。
  6. 　前記活性汚泥処理槽に無機凝集剤を添加する無機凝集剤添加手段を有し、
    　前記無機凝集剤添加手段は、前記膜分離装置で処理された前記第３処理水中の前記リン濃度が所定値以上の場合に、前記活性汚泥処理槽に前記無機凝集剤を添加することを特徴とする請求項４又は５に記載の原水処理装置。
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