本発明は、有機物含有水を処理する水処理装置および水処理方法に関する。

下水や有機性産業排水等の有機物含有水の処理において、活性汚泥法を代表とする微生物を利用した生物処理方法が広く採用されている。しかし、活性汚泥法は、BOD容積負荷が0.3〜0.8kg/m³/d程度であるため、広い敷地面積を必要とするほか、除去したBODの約50%が菌体へ変換されるため、多量の余剰汚泥が発生する。最近は、汚泥発生量の削減を目的とした有機物含有水の処理方法として、活性汚泥法の後段に嫌気槽または無酸素槽を設置し、沈澱槽で固液分離した汚泥を嫌気槽または無酸素槽にて可溶化し、好気槽で処理して余剰汚泥の減量化を図る装置も提案されている(例えば特許文献1参照)。

しかし、特許文献1のような装置では、設置スペースが大きくなるほか、汚泥の管理が必要であり、沈澱槽での固液分離によるフロック状汚泥を嫌気槽または無酸素槽にて処理するため、汚泥の可溶化率を高めるのが難しいという課題がある。

また、一方では微生物を高濃度で保持可能な担体の開発が進んでおり、このような担体を用いた、微小動物の捕食作用を利用した多段生物処理装置が提案されている(例えば特許文献2参照)。特許文献2の装置により、2〜5kg/m³/d程度の高いBOD容積負荷での生物処理が可能となり、反応槽の小型化が可能で、汚泥発生量の削減が可能とされている。

しかし、特許文献2のような装置では、担体を用いる多段の好気性の生物処理槽が必要である。そのため、後段の好気処理槽では曝気による担体の流動に大量のエネルギーが必要になるほか、担体の充填が必要であり、建設費が高くなってしまうという課題がある。

特開2007−105631号公報

特許第5895663号公報

本発明の目的は、有機物含有水の生物処理において、汚泥の減量化、省スペース化および省エネルギー化が可能である水処理装置および水処理方法を提供することを目的とする。

本発明は、好気性微生物による好気処理を行うための好気生物処理槽と、嫌気槽と、を備え、前記好気生物処理槽に有機物含有水を導入して好気処理を行い、前記好気処理により得られた好気処理液を固液分離せずに分散状汚泥のまま一部を前記嫌気槽との間で循環し、前記嫌気槽において可溶化処理を行う、水処理装置である。

前記水処理装置において、前記好気生物処理槽には担体が添加されることが好ましい。

前記水処理装置において、前記嫌気槽における酸化還元電位を、−250mV以下に制御することが好ましい。

前記水処理装置において、前記嫌気槽における滞留時間を、13時間以上とすることが好ましい。

前記水処理装置において、前記嫌気槽に還元剤を添加することによって、前記嫌気槽における酸化還元電位を制御することが好ましい。

前記水処理装置において、前記嫌気槽に前記有機物含有水の一部をバイパスすることによって、前記嫌気槽における酸化還元電位を制御することが好ましい。

また、本発明は、好気性微生物による好気処理を行うための好気生物処理槽に有機物含有水を導入して好気処理を行い、前記好気処理により得られた好気処理液を固液分離せずに分散状汚泥のまま一部を嫌気槽との間で循環し、前記嫌気槽において可溶化処理を行う、水処理方法である。

前記水処理方法において、前記好気生物処理槽には担体を添加することが好ましい。

前記水処理方法において、前記嫌気槽における酸化還元電位を、−250mV以下に制御することが好ましい。

前記水処理方法において、前記嫌気槽における滞留時間を、13時間以上とすることが好ましい。

前記水処理方法において、前記嫌気槽に還元剤を添加することによって、前記嫌気槽における酸化還元電位を制御することが好ましい。

前記水処理方法において、前記嫌気槽に前記有機物含有水の一部をバイパスすることによって、前記嫌気槽における酸化還元電位を制御することが好ましい。

本発明により、有機物含有水の生物処理において、汚泥の減量化、省スペース化および省エネルギー化が可能である。

本発明の実施形態に係る水処理装置の一例を示す概略構成図である。

本発明の実施形態に係る水処理装置の他の例を示す概略構成図である。

実施例1における、経過時間(hr)に対するSS濃度低減率の変化を示したグラフである。

比較例1で用いた実験装置を示す概略構成図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る水処理装置の一例の概略を図1に示し、その構成について説明する。

水処理装置1は、好気性微生物による好気処理を行うための好気生物処理槽12と、嫌気槽14と、を備える。水処理装置1は、被処理水を貯留するための被処理水槽10を備えてもよい。

図1の水処理装置1において、被処理水槽10内にはポンプ16が設置され、ポンプ16の吐出側と好気生物処理槽12の被処理水入口とは、被処理水供給配管26により接続されている。好気生物処理槽12の処理水出口には、処理水配管28が接続され、処理水配管28から分岐した循環配管30がポンプ18を介して、嫌気槽14の循環水入口と接続されている。嫌気槽14の循環水出口と好気生物処理槽12の循環水入口とは循環配管32により接続されている。好気生物処理槽12内の底部には、空気等の酸素含有気体を供給する曝気手段として曝気装置22が設置されている。好気生物処理槽12内には、微生物を保持可能な担体24が充填されている。嫌気槽14には、モータ等の回転駆動手段および撹拌羽根等を有する撹拌手段である撹拌装置20が設置されている。嫌気槽14には、還元剤を添加する還元剤添加手段として、還元剤添加配管34が接続されている。

本実施形態に係る水処理方法および水処理装置1の動作について説明する。

被処理水である有機物含有水は、必要に応じて被処理水槽10へ貯留され、被処理水槽10からポンプ16により被処理水供給配管26を通して好気生物処理槽12へ送液される。好気生物処理槽12において、曝気装置22により空気等の酸素含有気体が供給されながら、槽内の好気性の微生物による好気処理が行われる(好気処理工程)。

好気処理により得られた好気処理液は、処理水配管28を通して固液分離されずに分散状汚泥のまま、一部は処理水として排出され、一部はポンプ18により循環配管30を通して嫌気槽14へ送液される。嫌気槽14において、還元剤が還元剤添加配管34を通して供給され、分散状汚泥の可溶化処理が行われる(可溶化工程)。可溶化処理が行われた処理液は、循環配管32を通して好気生物処理槽12へ送液される。このように、好気生物処理槽12に有機物含有水を導入して好気処理を行い、好気処理により得られた好気処理液をフロック状汚泥ではなく、固液分離せずに分散状汚泥のまま一部を好気生物処理槽12と嫌気槽14との間で循環し、嫌気槽14において可溶化処理を行う。

本実施形態に係る水処理方法および水処理装置1では、有機物含有水を、例えば担体24を添加した流動床式の好気生物処理槽12内で好気処理(曝気処理)し、例えば80%以上の有機物を除去する。好気処理液を固液分離せず、一部を嫌気槽14へ送液するとともに、好気処理液の残りの一部は、処理水として排出する。生物処理方法により発生する分散状汚泥を固液分離せず、嫌気槽14へ送液し、嫌気槽14において還元剤による可溶化処理を行う。嫌気槽14で可溶化処理された処理液は好気生物処理槽12に返送する。

本方法により、例えば流動担体を用いた生物処理において、高いBOD容積負荷を取ることが可能であり、省スペース化が可能である。また、固液分離を行わなくてもよいため汚泥引抜を行わなくてもよいことから、汚泥管理を行わなくてもよい。担体(流動担体)24を添加した好気生物処理槽12にて発生した分散状汚泥を、還元剤を投入した嫌気槽14にて可溶化し、好気生物処理槽12に返送することで余剰汚泥の減量化を図ることができ、さらに発生汚泥量の大幅な削減により、水処理コストの削減および廃棄物削減に効果がある。嫌気槽14では、担体を用いなくてもよいため、建設費用が低減できるほか、曝気を行わなくてもよいため、エネルギー消費も控えられる。したがって、有機物含有水の生物処理において、省スペース化および省エネルギー化が可能である。

なお、分散状汚泥とは、汚泥の粒径がバラバラな状態であり、特に、分散状細菌、微細なフロックが多く混在した状態を指す。担体法を用いた場合は担体から剥離した汚泥も混在する。このような状態は汚泥の沈降性が悪い状態であり、通常の活性汚泥法で使用される沈澱池の水面積負荷(例えば10〜20m/日)では固液分離が困難な汚泥である。

フロック状汚泥とは、細菌、菌類、原生動物、後生動物など多様な生物種が互いに共生、捕食関係にある活性汚泥を指す。通常、曝気槽の処理過程で発生した活性汚泥を沈降分離することにより発生されるため、沈降性が良い状態である。

本明細書では、具体的には、汚泥1Lをメスシリンダに量り取り、1時間放置した後、混合直後の濁度の30%以下になるような上澄水が得られないものを「分散状汚泥」とし、それ以外のものを「フロック状汚泥」とする。

図1の例では、嫌気槽14において分散状汚泥を可溶化するために還元剤を添加しているが、被処理水である有機物含有水の一部を嫌気槽14にバイパスしてもよい。このような水処理装置の一例の概略を図2に示す。

図2に示す水処理装置3は、好気性微生物による好気処理を行うための好気生物処理槽12と、嫌気槽14と、を備える。水処理装置3は、被処理水を貯留するための被処理水槽10を備えてもよい。

図2の水処理装置3において、被処理水槽10内にはポンプ16が設置され、ポンプ16の吐出側と好気生物処理槽12の被処理水入口とは、被処理水供給配管26により接続されている。また、被処理水供給配管26から分岐した被処理水バイバス配管38が、嫌気槽14のバイパス水入口と接続されている。好気生物処理槽12の処理水出口には、処理水配管28が接続され、処理水配管28から分岐した循環配管40が、嫌気槽14の循環水入口と接続されている。嫌気槽14の循環水出口と好気生物処理槽12の循環水入口とは、ポンプ36を介して循環配管42により接続されている。好気生物処理槽12内の底部には、空気等の酸素含有気体を供給する曝気手段として曝気装置22が設置されている。好気生物処理槽12内には、微生物を保持可能な担体24が充填されている。嫌気槽14には、モータ等の回転駆動手段および撹拌羽根等を有する撹拌手段である撹拌装置20が設置されている。

水処理装置3において、被処理水である有機物含有水は、必要に応じて被処理水槽10へ貯留され、被処理水槽10からポンプ16により被処理水供給配管26を通して好気生物処理槽12へ送液される。好気生物処理槽12において、曝気装置22により空気等の酸素含有気体が供給されながら、槽内の好気性の微生物による好気処理が行われる(好気処理工程)。

好気処理により得られた好気処理液は、処理水配管28を通して固液分離されずに分散状汚泥のまま、一部は処理水として排出され、一部は循環配管40を通して嫌気槽14へ送液される。嫌気槽14において、被処理水である有機物含有水の一部が、被処理水バイバス配管38を通して供給され、分散状汚泥の可溶化処理が行われる(可溶化工程)。可溶化処理が行われた処理液は、ポンプ36により循環配管42を通して好気生物処理槽12へ送液される。このように、好気生物処理槽12に有機物含有水を導入して好気処理を行い、好気処理により得られた好気処理液をフロック状汚泥ではなく、固液分離せずに分散状汚泥のまま一部を好気生物処理槽12と嫌気槽14との間で循環し、嫌気槽14において可溶化処理を行う。

本実施形態に係る水処理方法および水処理装置3では、有機物含有水を、例えば担体24を添加した流動床式の好気生物処理槽12内で好気処理(曝気処理)し、例えば80%以上の有機物を除去する。好気処理液を固液分離せず、一部を嫌気槽14へ送液するとともに、好気処理液の残りの一部は、処理水として排出する。生物処理方法により発生する分散状汚泥を固液分離せず、嫌気槽14へ送液し、嫌気槽14において有機物含有水中の有機物により可溶化処理を行う。嫌気槽14で可溶化処理された処理液は好気生物処理槽12に返送する。

本方法により、例えば流動担体を用いた生物処理において、高いBOD容積負荷を取ることが可能であり、省スペース化が可能である。また、固液分離を行わなくてもよいため汚泥引抜を行わなくてもよいことから、汚泥管理を行わなくてもよい。担体(流動担体)24を添加した好気生物処理槽12にて発生した分散状汚泥を、有機物を含む有機物含有水を投入した嫌気槽14にて可溶化し、好気生物処理槽12に返送することで余剰汚泥の減量化を図ることができ、さらに発生汚泥量の大幅な削減により、水処理コストの削減および廃棄物削減に効果がある。嫌気槽14では、担体を用いなくてもよいため、建設費用が低減できるほか、曝気を行わなくてもよいため、エネルギー消費も控えられる。したがって、有機物含有水の生物処理において、省スペース化および省エネルギー化が可能である。

被処理水である有機物含有水としては、有機物を含有する水であればよく、特に制限はない。有機物含有水は、例えば、食品工場をはじめとした各種工場から排出される幅広い濃度範囲の有機性産業排水等が挙げられる。有機物含有水中の有機物濃度は、例えば、100mg/L〜5000mg/Lである。

水処理装置1,3において、好気生物処理槽12は、底部から曝気装置22により曝気が行われ、担体24を添加した曝気槽としている。好気生物処理は、担体を用いる曝気槽の他に、担体なしの曝気槽であってもよいが、高負荷処理等の点から、担体を用いる曝気槽が好ましい。

好気生物処理槽12におけるpHは、例えば6以上8以下とすればよい。好気生物処理槽12におけるDO濃度は、例えば1mg/L以上とすればよい。

好気生物処理槽12におけるBOD容積負荷は、6kg/m³/d以下とすることが好ましく、5kg/m³/d以下とすることがより好ましい。好気生物処理槽12におけるBOD容積負荷が6kg/m³/dより高いと、酸素供給が不十分になり、処理性能が悪化する可能性がある。

上記の通り、好気生物処理槽12では有機物の大部分を菌体へと変換しておくのが好ましい。高いBOD容積負荷での処理を行うためには、好気生物処理槽12の排水部に担体分離スクリーン等の担体分離手段を設けることが好ましい。

好気生物処理槽12に添加する担体24としては、好気性生物処理で従来使用される担体であればよく、特に制限されるものではない。担体24としては、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。担体24の材質としては、特に限定されるものではないが、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリウレタン等が挙げられる。

担体24の形状は、特に限定されるものではないが、0.5mm〜20mm程度の径の球状または立方体状(キューブ状)、長方体、円筒状等のものが好ましい。特に、3〜8mm程度の径の球状、または円筒状の担体が好ましい。

好気生物処理槽12内部に流動状態を形成するために、担体24の比重は、少なくとも1.0より大きく、真比重として、1.1以上、あるいは見かけ比重として1.01以上のものが好ましい。

好気生物処理槽12に添加する担体24の充填率は、好気生物処理槽12の容積に対して5〜50容積%であることが好ましく、汚泥の分散状態を維持しやすい点で5〜20容積%であることがより好ましい。

好気生物処理槽12における処理温度は、特に制限はないが、例えば、20〜35℃の範囲である。

嫌気槽14は撹拌装置20を備えており、分散状汚泥を可溶化するために還元剤を添加する、または被処理水である有機物含有水の一部をバイパスすることで、嫌気槽14内の酸化還元電位(ORP)を下げる。嫌気槽14では、酸化還元電位が−250mV以下になるように保持することが好ましく、−300mV以下になるように保持することがより好ましい。嫌気槽14における酸化還元電位が−250mVより高いと、余剰汚泥の減量化が不十分となる場合がある。

嫌気槽14に添加する還元剤としては、分散状汚泥を可溶化することができるものであればよく、特に制限はないが、亜硫酸ナトリウム、亜硫酸カリウム等の亜硫酸塩や、硫化ナトリウム等の硫化塩等が挙げられる。

図2の水処理装置3のように有機物含有水の一部を嫌気槽14にバイパスする場合、有機物含有水のバイパス量は1割〜2割程度が好ましい。また、還元剤の添加と有機物含有水のバイパスの両方を併用することも可能である。

嫌気槽14のpHは、6〜9の範囲であることが好ましく、7〜8.5の範囲であることがより好ましい。嫌気槽14のpHをアルカリ条件に保つことで、還元剤として亜硫酸塩、硫化塩を用いた場合、嫌気槽14での亜硫酸塩、硫化塩の還元により発生する硫化水素がイオン態で溶液中に留まる。したがって、気相への硫化水素発生を抑制することができ、処理液を循環することで再利用が可能となる。

嫌気槽14における滞留時間は、13時間以上であることが好ましく、24時間以上であることがより好ましい。嫌気槽14における滞留時間が13時間を下回ると、汚泥の可溶化率が著しく低下する場合がある。嫌気槽14における滞留時間は、長いほど汚泥の可溶化率が高くなるため、上限には特に制限はないが、汚泥の可溶化と嫌気槽14の設置スペースとのバランス等の点から、例えば48時間である。

嫌気槽14における処理温度は、特に制限はないが、例えば、20〜35℃の範囲である。

好気生物処理槽12からの好気処理液を固液分離せずに、汚泥が分散菌状態のまま嫌気槽14と好気生物処理槽12との間を循環させて、嫌気状態と好気状態を繰返すことによって、好気槽で増殖した微生物(主に細菌類、担体法の場合は原生、後生動物も含む)の一部が嫌気槽14内で死滅後、可溶化され、汚泥が減容される。

好気生物処理槽12と嫌気槽14との間の循環量は流入量の0.5倍から2倍程度とすることが好ましく、嫌気槽14における滞留時間を13時間以上とすることが好ましい。

処理水は、そのまま放流してもよいし、再利用してもよいし、SS成分等を除去した上で、放流してもよいし、再利用してもよい。

なお、図1の水処理装置1では、好気生物処理槽12の設置位置より高い位置に嫌気槽14を設置し、好気処理液をポンプ18により処理水配管28から分岐された循環配管30を通して嫌気槽14へ送液し、嫌気槽14で可溶化処理が行われた処理液を循環配管32を通して好気生物処理槽12へ送液しているが、好気生物処理槽12の設置位置より低い位置に嫌気槽14を設置し、好気処理液を処理水配管28から分岐された循環配管を通して嫌気槽14へ送液し、嫌気槽14で可溶化処理が行われた処理液をポンプにより循環配管を通して好気生物処理槽12へ送液してもよい。

また、図2の水処理装置3では、好気生物処理槽12の設置位置より低い位置に嫌気槽14を設置し、好気処理液を処理水配管28から分岐された循環配管40を通して嫌気槽14へ送液し、嫌気槽14で可溶化処理が行われた処理液をポンプ36により循環配管42を通して好気生物処理槽12へ送液しているが、好気生物処理槽12の設置位置より高い位置に嫌気槽14を設置し、好気処理液をポンプにより処理水配管28から分岐された循環配管を通して嫌気槽14へ送液し、嫌気槽14で可溶化処理が行われた処理液を循環配管を通して好気生物処理槽12へ送液してもよい。

以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

<実施例1> [試験条件] フロック状汚泥と分散状汚泥をそれぞれ2Lの密閉容器に入れ、還元剤として硫化ナトリウムを入れ、酸化還元電位(ORP)を−350mV程度に調整し、塩酸を添加してpHを8.7に調整して、撹拌しながらSS濃度の経時変化を確認した。

SS濃度は、ガラス繊維ろ紙法(JIS K0102)により測定した。酸化還元電位(ORP)は、ORP測定機器(東亜ディーケーケー社製、RM−30P型)を用いて白金電極法により測定した。

本試験では、担体を添加した生物処理槽による処理液を分散状汚泥とし、回分式活性汚泥法の活性汚泥をフロック状汚泥として、同じ濃度となるように希釈して使用した。

図3は試験開始直後、8時間後、16時間後、24時間後、48時間後のSS濃度低減率の変化を示したグラフである。

分散状汚泥がフロック状汚泥よりもSS濃度低減率が多いことから、分散状汚泥がフロック状汚泥より可溶化が進行していたと考えられる。

<実施例2> [通水条件] 表1に示す組成の被処理水を模擬排水として用いて実験を行った。なお、好気処理に必要な窒素源、リン、微量元素源を添加した。

図1に示すような実験装置を用いて水処理を実施した。BOD2300mg/Lの被処理水(表1に示す食品工場排水の模擬排水)を通水した。好気生物処理槽の容量は1L、嫌気槽の容量は1Lである。好気生物処理槽には担体を充填率20容積%で添加し、嫌気槽には還元剤として亜硫酸ナトリウムを1000mg/Lとなるように添加した。担体としてはポリウレタン製の角型スポンジ担体を用いた。好気生物処理槽におけるBOD容積負荷は2.3kg/m³/d、滞留時間(HRT)は24時間、全体のBOD容積負荷は1.2kg/m³/d、嫌気槽におけるHRTは24時間の条件で運転した。好気生物処理槽と嫌気槽間の汚泥循環量は被処理水の流入量と同量とした。運転14日間において、汚泥転換率は0.27kg−SS/kg−BODとなった。好気生物処理槽中の溶解性TOC濃度30mg/L、溶解性TN濃度13mg/Lに対して、嫌気槽中の溶解性TOC濃度60mg/L、溶解性TN濃度28mg/Lであり、嫌気槽内のSS濃度は好気生物処理槽中より約3割低減された。

溶解性TOCとは、処理液を5Cろ紙でろ過した後のろ液の有機炭素濃度であり、燃焼式の全有機炭素/全窒素測定装置(島津製作所製、TNM−L)を用いて測定した。溶解性TNとは、処理液を5Cろ紙でろ過した後のろ液の全窒素濃度であり、上記の燃焼式の全有機炭素/全窒素測定装置(島津製作所製、TNM−L)を用いて測定した。

<実施例3> 実施例2において、好気生物処理槽の容量は1L、嫌気槽の容量を1.1Lとし、嫌気槽での滞留時間を13時間とした。好気生物処理槽におけるBOD容積負荷は4.6kg/m³/d、HRTは12時間、全体のBOD容積負荷は2.3kg/m³/dの条件で運転した。汚泥転換率は0.3kg−SS/kg−BODとなった。好気生物処理槽中の溶解性TOC濃度31mg/L、溶解性TN濃度18mg/Lに対して、嫌気槽中の溶解性TOC濃度68mg/L、溶解性TN濃度44mg/Lであった。

<実施例4> 実施例2において、嫌気槽の亜硫酸ナトリウムの添加を停止し、嫌気槽内の酸化還元電位を−100mV以上とした以外は実施例2と同じ条件で運転を実施した。その結果、汚泥転換率は0.4kg−SS/kg−BODとなった。

<比較例1> 実施例2との比較として、図4に示すように担体を添加した好気生物処理槽を2つ設置し、2段生物処理を行った。前段の好気生物処理槽の容量は2L、後段の好気生物処理槽の容量は2Lである。前段の好気生物処理槽には担体を20容積%添加し、後段の好気生物処理には担体を30容積%で添加した。2段とも好気処理のため、槽内のDO濃度は2mg/L以上で運転した。担体としては実施例2と同じポリウレタン製の角型スポンジ担体を用いた。前段の好気生物処理槽におけるBOD容積負荷は2.3kg/m³/d、全体のBOD容積負荷は1.2kg/m³/dとしたが、汚泥転換率は0.4kg−SS/kg−BODであった。

<実施例5> 図2に示すような実験装置を用いて水処理を実施した。嫌気槽のORP低減のため亜硫酸ナトリウム添加の代わりに原水流入量の1割を嫌気槽にバイパスした以外は実施例2と同じ条件で運転を実施した。その結果、嫌気槽内のORPは−300mV以下となった。

このように、実施例2〜5の装置および方法により、比較例1に比べて、有機物含有水の生物処理において、汚泥の減量化、省スペース化および省エネルギー化が可能となった。特に、嫌気槽における酸化還元電位を−250mV以下に制御することによって、余剰汚泥が減量化された。

1,3 水処理装置、10 被処理水槽、12 好気生物処理槽、14 嫌気槽、16,18,36 ポンプ、20 撹拌装置、22 曝気装置、24 担体、26 被処理水供給配管、28 処理水配管、30,32,40,42 循環配管、34 還元剤添加配管、38 被処理水バイバス配管。