JP2007237158A - 有機物と窒素含有化合物の同時分解による汚水の生物学的浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 強曝気域から弱曝気域への硝酸塩の還流を増やさず、担体の浮上による脱窒能力の損失と高エネルギー密度領域からの担体の排除による硝化能力の損失を回避する。
【解決手段】 有機物と窒素含有化合物を含む汚水を縦通貫流式反応槽(1)内で担体(9)に固定されたバイオマスの存在下に空気及び／又は純酸素で曝気処理し、二次清澄槽(5)内で浄化水と汚泥に分離する。分離汚泥の少なくとも一部を反応槽内の汚水中で自由運動可能な量の担体粒子として反応槽に環流し、担体(9)として利用する。汚水の曝気及び流動条件を適切に管理して反応槽(1)内で流動性の内容物の筒形旋回流(10a,b,c,d)を発生させ、有機物と窒素含有化合物の同時分解を行う。反応槽(1)の底部で主流線方向に延在する曝気プレート(11)による連続的な曝気を維持し、曝気プレートに隣接して非曝気面を形成する。曝気プレート(11)上の上昇流内は硝化反応に好適な好気性条件となり、非曝気面(12)上の下降流内は脱窒過程に有利な嫌気性条件となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、有機物並びに窒素含有化合物を含む汚水を生物学的に浄化する方法、特に汚水を縦通貫流反応槽内にて担体に固定されたバイオマスの存在下に空気及び／又は純酸素で曝気処理し、次いで二次清澄槽内で浄化水と汚泥とに分離し、分離された汚泥の少なくとも一部を反応槽内の汚水中で自由に運動し得る量の担体粒子として反応槽内に再導入すことにより反応槽内で微生物担持用の担体として利用する汚水の生物学的浄化方法に関するものである。

担体結合形式の汚水浄化プロセスでは、微生物で形成されるバイオマスは一部が懸濁状態の汚泥フロック（活性汚泥）として、また他の一部が反応槽内を自由に運動し得る担体に固定されて存在する。担体としては、例えば塊状で多孔質の発泡プラスチックが使用される。汚水と懸濁状態のバイオマスは反応槽から流出して二次清澄槽に流入し、そこで機械的に例えば沈降によって分離される。分離されたバイオマスの一部は還流汚泥として反応槽内に戻され、他の一部は余剰汚泥として取り出されて廃棄処分される。担体に固定されているバイオマスは、担体粒子を機械的に（例えばフィルタを用いて）捕捉することにより反応槽からの流出が防止される。

この種のプロセスは特許文献１によって知られている。この特許文献に記述されているプロセスは、含有有機物及び窒素化合物の生物学的除去のためには大きな反応槽容積を必要とするという従前の方法における欠点を解消するものである。この欠点は、アンモニウム形態で存在する窒素の生物学的除去を相次ぐ２種類の生化学的反応によって行い、しかもこれらに必要な反応条件が異なるという理由に因るものである。
欧州特許第０２３３４６６号明細書

即ち、まず硝化反応でアンモニウム（NH₄ ⁺）が特殊なバクテリアによって酸素の供給下に酸化され、硝酸塩となる。この硝酸塩は次いで他のバクテリアによる脱窒反応で分子状窒素（N₂）に還元されるが、この場合、好ましくは流入する汚水中に含まれる有機物が還元剤として利用される。

硝化は好気的酸化反応であって、充分な酸素供給を必要とするのに対し、嫌気的な脱窒反応は無酸素か、少なくとも酸素欠乏的な反応条件を前提とするので、この場合の生物学的窒素除去のためのプラントは溶存酸素含有量が高い容積部分と溶存酸素量ができる限り低い容積部分とを別個に備えたものでなければならない。

従来のプラント（ドイツ汚水処理プラント設計規則作業書A131：ATV-DVWK-Regelwerk Arbeitsblatt A131 参照）では、この相反する反応条件をそれぞれ隔離された複数の反応槽内で維持するか、或いは曝気を交互にオン・オフすることによって条件を調整するため、それに応じて大容積の反応槽を必要とするのに対し、特許文献１による方式では窒素分の除去が１つの反応槽内で同時且つ高度に達成される利点がある。

この目的で、特許文献１のプロセスは処理汚水の流線方向に溶存酸素量の異なる複数の帯域を持つ１つの反応槽（活性汚泥槽）内で実行される。溶存酸素量の違いは、それぞれの帯域における空気もしくは酸素の供給量を変えることによって得られる。酸素含有量が高い帯域は硝化反応を起こすのに有利であり、酸素含有量が少ない帯域では少なくとも部分的な脱窒が達成され、この部分のために槽内に隔離された容積部を設ける必要はない。

特許文献１によるプラントは、反応槽の容積を削減できることが明白であるにも関わらず幾つもの運転技術上の欠点を有する。

例えば、特許文献１に記載されている実施例に従って流線方向に１箇所以上の酸素含有量の低い（即ち酸素供給量が少ない）帯域を設けて運転すると、この帯域で所要の脱窒を果たすには、酸素含有量の多い別の帯域からの充分な硝酸塩の逆送という補助手段が必要になる。何故なら、硝酸塩は酸素含有量の多い帯域でしか発生しないからである。

また低酸素濃度部分には混合の不充分が伴うため、脱窒の際に発生する窒素ガス気泡の浮上効果によって担体粒子の浮上が起き、浮上層として蓄積する担体粒子はもはや物質代謝には寄与しない。

酸素含有量の低い帯域に続く好気性帯域では高い硝化反応速度が得られるが、脱窒反応は大幅に抑制される。強力な曝気に伴う活性汚泥槽内のエネルギー密度のため、エネルギー密度の低い帯域への担体の移動が起こり、そこで生じている浮上層の形成を強めてしまう。それに加えて、この移動した担体に固定されている脱窒バクテリアはもはや脱窒に利用されなくなるため、脱窒能力の低下が起こる。

新たな低酸素含有量になった後続の帯域に先行する好気性の強い帯域から硝酸塩を含む液が流入することは確かである。しかしながら、先行帯域が還元剤として必要な有機質の炭素化合物を著しく分解してしまっているため、脱窒反応は制限されることになる。この帯域では酸素要求量が低いので混合エネルギーが低く、従って担体の浮上傾向は特に甚だしいものとなる。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式のプラントを改良して、強曝気が行われている帯域から曝気の弱い帯域への硝酸塩の還流量を増やさずに済み、かつ脱窒反応に対しては担体の浮上による能力損失を回避できるように、そして硝化反応に対しては担体がエネルギー密度の高い領域から排除されることによる能力損失を回避できるようにすることである。

この課題は、本発明によれば、反応槽内において以下の曝気及び流動条件、即ち、
ａ）反応槽の底部に貫流汚水の主流線方向に沿って延在する１つ以上の曝気プレートを通して主流線方向のほぼ全長に亘って連続的な曝気を維持すること、
ｂ）主流線方向と直交する方向で曝気プレートに隣接して１つ以上の非曝気面を形成すること、及び
ｃ）反応槽内の流動性内容物に、曝気プレートの上方では上昇流、表面層では非曝気面側へ向かう側方流、非曝気面の上方では下降流、反応槽底部では曝気プレート側へ向かう側方流となる筒形の旋回流を発生させること、
を厳守することにより、反応槽内で有機化合物及び窒素含有化合物の同時分解を実行することで解決される。

本発明は、適切な曝気方法を選び、反応槽内の動水プロファイルを厳密に管理することによって有機物と窒素含有化合物の同時分解が達成され得るという基本理念に基づくものである。このため、酸素要求量に応じて必要とされる曝気要素（例えば、細かい気泡又は粗い気泡を吹き込む管式、平板式又はディスク式のエアレータ、エジェクター、或いは静的混合エアレータ）が、例えば活性汚泥槽の形式の反応槽の底部に汚水の主流線方向に充分に連続した曝気プレートとして配置される。曝気プレートは、例えば複数のエアレータ領域を形成しても良い。槽底部には、エアレータ領域と平行に、エアレータ領域の側方に隣接して、或いは複数のエアレータ領域の間に挟まれた形で、非曝気領域が残存する。この非曝気領域は、好ましくは最小値０．５ｍ以上で最大値がエアレータ領域の幅に相当する幅とする。このような配置の効果によって、空気もしくは酸素を吹き込んだ場合には流動性の槽内容物（汚水、活性汚泥、及び担体）の主流線方向に直交する面内で閉じた流線の筒状の旋回流が形成される。エアレータ領域上では流れは上昇流となり、非曝気面上では槽底部へ向かう下降流となる。結果として、反応槽を環流する流れは主流線方向に平行に並んだエアレータ領域と非曝気領域の存在によって主流線方向の軸周りに螺旋状に流れることになる。

このような流れの振る舞いにより、エアレータ領域上で上昇する流れの中では溶存酸素含有量が高いため、生物学的分解過程において懸濁バイオマス並びに担体に固定されているバイオマスによる硝化反応に有利な好気性条件がもたらされる。

一方、下降流及び槽底部でエアレータ領域に向かって還流する側方流の中では酸素の供給が遮断されているため、懸濁状態にあるバイオマス、及び担体表面上に固定されているバイオマスによって実質的に消費し尽くされた溶存酸素の含有量は低下しており、嫌気性条件となる。そのため、担体として好ましくは内部及び外部に微生物成育面を有する担体粒子を使用すると特に担体粒子の内部で脱窒過程が促進される。

主流線方向と直交する面内での旋回流によって槽内容物の均一な混合がもたらされ、その場合、槽内容物は滞留時間内に何回も溶存酸素の多い領域と溶存酸素の少ない領域の間を往復することになる。

特許文献１のプロセスに比べて、本発明による方法によれば浮上した担体から成る浮上層もエネルギー密度の高い帯域からの担体の流失も回避され、従って担体の一部が反応の生起に寄与しないことによる能力の減失も回避される。

既に述べたように、硝化過程と脱窒過程を反応槽内で同時に実行するには、有利には内部及び外部に微生物成育面を有する担体粒子を用いることで一層容易になる。その場合、汚水に含まれる物質が担体内部に流入できるように、例えば格子構造を有する担体粒子を使用してもよい。多孔質構造の好ましくはミクロ細孔及びマクロ細孔を有する担体粒子を使用することは特に有利であり、それによって内部にも外部にも微生物の成育面が得られると共に、汚水に含まれる物質が充分に内部成育面に到達する条件も与えられる。そのような担体粒子は種々の材料から作ることができ、例えば多孔質の焼結粒子或いはプラスチック粒子から成るものでよい。

本発明の特に有利な実施形態では、多孔質発泡プラスチック材料からなる担体粒子が使用される。この担体粒子は、好ましくはオープンセル形態の発泡ポリウレタンから成り、粒径２〜５０ｍｍ、比重２０〜２００kg/m³である。目的に適ったセルの孔径は０．１〜５ｍｍである。

最適な流れの動的状態を達成するためには、反応槽容積の１５〜３５％の量の担体粒子を反応槽に装入して浄化処理を行うことが好ましい。

炭素及び窒素化合物の同時分解を行う場合、特に有効な汚水浄化のためには、何よりも反応槽内のBOD₅容積負荷を０．４〜２０５kg/m³×日に、TKN容積負荷を０．１〜０．８kg/m³/日に管理することが望ましい。

更に、目的に適うように上昇流領域では１〜４mg/Lの溶存酸素含有量が維持されるように管理する。

本発明の理念を更に発展させた一変形実施形態では、反応槽底部に互いに平行に間隔を開けて又は隣接して配置されたそれぞれ主流線方向に延在する複数の曝気プレートを通して連続的な曝気を維持しつつ、これら複数の間隔を開けて配置された曝気プレートの間の領域又は隣接配置された曝気プレートの両側の領域で主流線方向と直交する方向に隣接する槽底部を非曝気面としてその上方を無曝気状態に保ち、それによって主流線方向と直交する方向で複数の逆向きの筒形旋回流が発生される。

本発明の更に別の一変形実施形態においては、反応槽を通過する汚水処理量の２０〜１００％の量を反応槽の終端から始端に環流させ、始端で旋回流の下降流に合流させるようにする。

本発明を添付図面に模式的に図解されている実施例と共に更に詳述すれば以下の通りである。

図１において、符号１は完全混合式活性汚泥槽形式の反応槽を示し、この反応槽内には符号９で示す発泡ポリウレタンの多孔質立方体からなる自由移動可能な多数の微生物担体が存在し、この担体は反応槽容積の１５〜３５％を占める量で装入されている。処理すべき汚水は流入路２を通って反応槽１内に導入され、処理後の汚水と活性汚泥の混合物は反応槽の上部に配置されている流出路３（この流出路の前には個々の担体粒子の流出を防止するための例えばフィルタの形式の分離器４が接続されている）を通って沈殿槽形式の二次清澄槽５に送り込まれる。二次清澄槽からは排水路６を介して浄化水がプラント外に導かれると共に、沈殿分離された汚泥は一部が汚泥ポンプを介装した汚泥還流路７を介して反応槽１の流入側に再導入され、残部は汚泥排出路８を介して外部へ抜き出される。図１及び図２に示すように、活性汚泥反応槽１の底部は幅寸法の５０％強の部分が曝気プレート１１で覆われていてその上方がエアレータ領域１ａとなっており、残る５０％弱の幅の底面は曝気プレートの存在しない非曝気面１２であってその上方は非エアレータ領域１ｂとなっている。曝気プレート１１からエアレータ領域１ａに上昇する空気及び／又は酸素含有ガスの気泡は該領域の流動性の槽内容物を矢印１０ａで示すように上向きに流動させる。この上昇流は表面層で槽の対向側壁へ向かって方向転換して側方流となる（矢印１０ｂ）。この側方流は非曝気面１２上の非エアレータ領域１ｂで下方へ向う下降流（矢印１０ｃ）となる。下降流が到達する槽底部では曝気プレート１１の上部のエアレータ領域を上昇する気泡及び上昇流による吸引作用が生じており、そのため矢印１０ｄで示すような逆向きの側方流が生じる。

その結果、全体として主流線方向に直交する面内で見て閉じた筒状の旋回流が発生することになる。全体としての反応槽内の流れは、流入路２から槽内を貫流して分離器４から流出路３へ送り出される主流線方向の流れ成分と旋回流成分との合成でほぼ螺旋状の流れとなる。反応槽には、汚泥ポンプを介装した更にもう１つの還流導管１３が設けられており、この環流導管を介して分離器の上流側又は下流側で槽内から取り出された硝酸塩類を含む槽内容物が流入路２側の槽内領域の下降流の部分に還流される。

図３は、二つの互いに逆向きの旋回流を生じる実施形態の活性汚泥反応槽を主流線方向に直交する断面で模式的に示している。この断面においては、槽底部の両縁にほぼ接するように配置された外側よりの２つの曝気プレート１１がそれぞれの上方にエアレータ領域１ａを形成し、両曝気プレートの間の槽底部が非曝気面１２として組み合わされ、槽幅方向の中央部に非エアレータ領域１ｂが形成されている。この場合、反応槽の幅方向の両縁部が共に上昇流の領域であり、幅方向の中央部が下降流の領域であり、この中央部の下降流領域には、汚泥還流路から還流されてくる汚泥と環流導管から環流されてくる硝酸塩類を含む槽内容物が流入路側の部分で注入されて二つの旋回流に分配される。

図４の場合には２つの非曝気面１２が槽底部の両縁に接して外側寄りに設定され、槽底部の幅方向中央領域に隣接配置された２倍幅の曝気プレート１１が実質的に２つの曝気プレートとして組み合わされ、図３の場合と同様に、但し旋回の向きは逆方向で、二つの互いに逆向きの旋回流を発生させている。この場合、反応槽の幅方向の中央部が上昇流の領域であり、幅方向の両縁部が共に下降流の領域であり、この両端部の下降流領域には、それぞれに対応する別々の汚泥還流路から還流されてくる汚泥と環流導管から環流されてくる硝酸塩類を含む槽内容物が流入路側の部分でそれぞれ注入されて二つの旋回流に合流される。

本発明の一実施形態に従って内部で筒形の旋回流を生じる活性汚泥反応槽を備えた活性汚泥式汚水浄化処理プラントの構成を上から俯瞰して模式的に示す系統図である。 図１の活性汚泥反応槽を主流線方向に直交する断面から見た模式構成図である。 本発明の別の実施形態に従って互いに逆向きの二つの旋回流を生じる活性汚泥反応槽を主流線方向に直交する断面から見た模式構成図である。 本発明の更に別の実施形態に従って外側寄りの非曝気領域と内側の曝気領域を形成して互いに逆向きの二つの旋回流を生じる活性汚泥反応槽を主流線方向に直交する断面から見た模式構成図である。

符号の説明

１：反応槽
２：流入路
３：流出路
４：分離器
５：二次清澄槽
６：排水路
７：汚泥還流路
８：汚泥排出路
９：微生物担体
１０ａ〜１０ｄ：筒状の旋回流
１１：曝気プレート
１２：非曝気面
１３：還流導管

Claims (8)

1. 有機物並びに窒素含有化合物を含む汚水を生物学的に浄化するに際し、汚水を縦通貫流方式の反応槽（１）内にて担体（９）に固定されたバイオマスの存在下に空気及び／又は純酸素で曝気処理し、次いで二次清澄槽（５）内で浄化水と汚泥とに分離し、分離された汚泥の少なくとも一部を反応槽内の汚水中で自由に運動し得る量の担体粒子として反応槽内に再導入すことにより反応槽（１）内で微生物担持用の担体(９)として利用する汚水の生物学的浄化方法において、以下の曝気及び流動条件ａ〜ｃ、即ち、
   ａ）反応槽の底部に貫流汚水の主流線方向に沿って延在する１つ以上の曝気プレート（１１）を通して主流線方向のほぼ全長に亘って連続的な曝気を維持すること、
   ｂ）主流線方向と直交する方向で曝気プレート（１１）に隣接して１つ以上の非曝気面（１２）を形成すること、及び
   ｃ）反応槽内の流動性内容物に、曝気プレート（１１）の上方では上昇流、表面層では非曝気面（１２）側へ向かう側方流、非曝気面（１２）の上方では下降流、反応槽底部では曝気プレート（１１）側へ向かう側方流となる筒形の旋回流（１０ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を発生させること、
   を厳守することにより、反応槽（１）内で有機化合物及び窒素含有化合物の同時分解を実行することを特徴とする汚水の生物学的浄化方法。
2. 微生物のための内部及び外部成育面を有する粒子状の担体（９）を使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 担体（９）として多孔質発泡プラスチック粒子を使用することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 反応槽容積の１５〜３５％の量の担体（９）を反応槽に装入することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 反応槽内における５日間のBOD（BOD₅）容積負荷を０．４〜２．５kg/m³×日に、TKN（全ケルダール窒素）容積負荷を０．１〜０．８kg/m³/日に管理することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
6. 旋回流の上昇流領域内で１〜４mg/Lの溶存酸素含有量が維持されるように曝気を管理することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 反応槽底部に互いに平行に間隔を開けて又は隣接して配置されたそれぞれ主流線方向に延在する複数の曝気プレート（１１）を通して連続的な曝気を維持しつつ、これら複数の間隔を開けて配置された曝気プレートの間の領域又は隣接配置された曝気プレートの両側の領域で主流線方向と直交する方向に隣接する槽底部を非曝気面（１２）としてその上方を無曝気状態に保ち、それによって主流線方向と直交する方向で複数の逆向きの筒形旋回流（１０ａ，ｂ，ｄ，ｄ）を発生させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 反応槽を通過する汚水処理量の２０〜１００％の量を反応槽の終端から始端に環流し、始端で旋回流の下降流に合流させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。

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