JP3243061B2 - 水処理装置および水処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は汚染された原水を浄化し
て飲料水を生成するために上水道設備などに利用される
水処理装置に係わり、とりわけアンモニア性窒素が変動
する原水に対して安定した処理効果を得ることができる
水処理装置および水処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に上水道の水源は、湖沼および河川
の表流水または伏流水あるいは地下水などから得られ、
これらは原水と呼ばれる。通常、この原水には種々の物
質が溶解されており、また原水中には個体の微粒子、微
生物などが浮游しており、濁り、色および臭気などが混
入しているため、このままでは飲料水の用には供さな
い。そこで近年、原水に対する凝集沈澱、ろ過などの後
に高度浄水処理としてオゾン酸化を行い、原水中に含ま
れる有機物の酸化、脱臭、脱色などを行い、ついで活性
炭を用いてオゾン酸化生成物を除く方法が進められてい
る。特に、原水に対するオゾン処理後の活性炭処理にお
いて、オゾン酸化生成物を栄養源とした微生物が生育
し、活性炭がいわゆる生物活性炭となり、原水中の多く
の有機物が除去される。活性炭が生物活性炭に移行した
場合、活性炭の寿命も１０倍以上となるといわれてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、生物活
性炭の使用については種々の問題がある。特に原水中の
アンモニア濃度が変動する場合、生物活性炭の運用に対
して生物処理が十分対応できず、生物活性炭の実用化に
問題が生じている。

【０００４】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、近年利用されはじめた生物活性炭を用いる
とともに原水中のアンモニア濃度が変動してもこれを確
実に除去することができ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。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、世代交替時間
が比較的短い微生物が増殖する第１の生物活性炭層と、
世代交替時間が比較的長い微生物が増殖する第２の生物
活性炭層と、前記第１の生物活性炭層の下方に設けら
れ、所定の第１の間隔で第１の生物活性炭層を逆洗浄す
る第１の逆洗装置と、前記第２の生物活性炭層の下方に
設けられ、第１の間隔より長い第２の間隔で第２の生物
活性炭層を逆洗浄する第２の逆洗装置と、を備えたこと
を特徴とする水処理装置、および上記記載の水処理装置
を用いた水処理方法において、所定の第１の間隔毎に通
水を停止して第１の逆洗装置により第１の生物活性炭層
を逆洗浄するとともに、第１の間隔より長い第２の間隔
毎に通水を停止して第２の逆洗装置により第２の生物活
性炭層を逆洗浄することを特徴とする水処理方法であ
る。

【０００６】

【作用】所定の第１間隔毎に原水の流入を停止して第１
の逆洗装置により第１の生物活性炭層を逆洗浄するとと
もに、第１の間隔より長い第２の間隔毎に原水の流入を
停止して第２の逆洗装置により第２の生物活性炭層を逆
洗浄することにより、各生物活性炭層内において内部で
増殖する微生物を適切な期間、維持・活性化することが
できる。

【０００７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。図１乃至図３は本発明による水処理装置お
よび水処理方法の第１の実施例を示す図である。

【０００８】まず、図１および図２により本発明の基本
的原理について説明する。

【０００９】本発明は、後述のように水処理装置の生物
活性炭層を２つに分割して、原水中の汚染有機物の除去
とアンモニア性窒素の除去を完全に行わせるものであ
る。橋本、須藤編著「新しい活性汚泥法」（産業用水調
査会）のＰ．３４によれば、微生物の代謝、つまり世代
交替の増殖速度（世代交替時間）は有機物を除去するＢ
ＯＤ資化菌（Ｐｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ｓｐ
ｈｅｒｏｉｄｅｓ）では３４℃で２．４時間であるが、
硝化菌（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ ｓｐ．）は２５℃
で１２．７時間となっている。

【００１０】このように本質的に硝化菌の世代交替の増
殖速度は遅いので、従来のように生物活性炭層を１層に
した場合、活性炭の目ずまり防止および後生生物の生育
防止などのために逆洗を頻繁に行うとＢＯＤ資化菌は生
育しても世代交替の遅い硝化菌は洗い流されてしまう。
このためアンモニア性窒素が原水中に存在する場合、あ
るいは原水中のアンモニア性窒素濃度が急に上昇した場
合、原水を確実に処理できない場合があった。その一例
を海賀らの「オゾンと生物活性炭による高度浄水処理プ
ラント実験」水道協会雑誌第６０巻第６号２項（平成３
年６月）に基づいて図１に示す。図１に示すように、処
理水中のアンモニア性窒素濃度が変動していることがわ
かる。このようなアンモニア性窒素濃度の変動は処理工
程の管理のみならず、処理後の残留塩素の保持について
も影響を及ぼす。

【００１１】これに対して本発明は、世代交替時間の異
なった微生物に合わせて、２つの生物活性炭層を用いた
水処理装置である。生物活性炭層による溶存有機物の除
去を活性炭内で調べた結果を海賀らの「オゾンと生物活
性炭による高度浄水処理プラント実験」水道協会雑誌第
６０巻第６号２項（平成３年６月）に基づいて図２に示
す。

【００１２】図２において、生物活性炭層の前段で凝
集、砂ろ過、オゾン処理を行った。図２に示すように、
紫外吸光で求めた有機物質の除去特性は、生物活性炭層
の上部５０ｃｍぐらいで顕著に表われている。生物活性
炭層内の微生物により溶存有機物が代謝され、生物活性
炭層上部に微生物の菌体が増加し、ろ過に対する圧力損
失が増加するため、通常１〜５日に一度逆洗を行い、活
性炭表面に付着増加した余分な菌体を剥離、層内から除
去することが必要となる。さらに長期間放置すると、微
生物菌体を食物として生育する後生生物が活性炭層内に
繁殖する。これら後生生物は自ら移動するため処理水中
へ漏れ出す事もあり、後生生物の世代交替を考え、後生
生物の繁殖に対して早めに逆洗を行うことが行われてい
る。つまり、生物活性炭層の利用に当たっては、有機物
を除去するＢＯＤ資化菌、アンモニアを硝化する硝化
菌、および微生物を食べ生育する後生生物の３種につい
て考察することが大切である。このうち、後生生物につ
いてはＢＯＤ資化菌と同様の時期に早期に排出すること
にすると、２つの異なる世代交替時間を有する微生物
（ＢＯＤ資化菌等と硝化菌）に合致した生物活性炭層を
用いる必要がある。

【００１３】次に本発明の具体的構成を図３により説明
する。図３に示すように、水処理装置は単一の水槽１
と、水槽１内に配置され世代交替時間が比較的短い生物
が増殖する第１の生物活性炭層３と、水槽１内に配置さ
れ世代交替時間が比較的長い生物が増殖する第２の生物
活性炭層４とを備えている。また第１の生物活性炭層３
の入口側の入口室１３には、オゾンにより酸化処理され
た被処理水の流入管２が接続され、第２の生物活性炭層
４の出口側の出口室１５には、処理水の流出管５が接続
されている。

【００１４】またそれぞれの生物活性炭層３及び４に向
って空洗用のエアーを個別に供給できるように、第１の
生物活性炭層３と第２の生物活性炭層４との間の中間室
１４および出口室１５に、第１のエアー供給管６および
第２のエアー供給管７が各々設けられている。同様に中
間室１４および出口室１５に、逆洗水を供給するため第
１の逆洗管８および第２の逆洗管９が各々設けられてい
る。また、第１および第２のエアー供給管６，７と第１
および第２の逆洗管８，９には、空洗弁６Ａ，７Ａと逆
洗弁８Ａ，９Ａが各々取付けられている。

【００１５】さらにそれぞれの生物活性炭層３、４を逆
洗した場合の排水用として、入口室１３および中間室１
４に第１の排水管１０および第２の排水管１１が各々設
けられ、これら各排水管１０，１１には排水弁１０Ａ，
１１Ａが各々取付けられている。

【００１６】図３に示す水処理装置において、第１の生
物活性炭層３では主に世代交替時間が比較的短いＢＯＤ
資化菌が増殖し、第２の生物活性炭層４では主に世代交
替時間が比較的長い硝化菌が増殖する。この場合、生物
活性炭による汚染物質の吸着除去だけでなく、原水中の
汚染有機物あるいはオゾン酸化を受け生物分解性に変化
した溶存有機物が第１の生物活性炭層３内でＢＯＤ資化
菌により浄化され、汚染物質の一つであるアンモニア性
窒素が第２の生物活性炭層４内で硝化される。

【００１７】次にこのような構成からなる本実施例の作
用について説明する。

【００１８】世代交替時間の短いＢＯＤ資化菌は、第一
の生物活性炭層３の上層部で生物分解性有機物を代謝し
菌体として増殖する。この場合、ＢＯＤ資化菌は活性炭
粒子を担体として増殖するが、ＢＯＤ資化菌の菌体が粒
子間を埋め尽くし通水の圧力損失を大きくする。このた
め、１〜５日程度に１度、流入管２からの通水を止め、
空洗弁６Ａと逆洗弁８Ａを開きエアーと逆洗水を中間室
１４内に送り第１の生物活性炭層３の逆洗浄を行う。こ
のとき、生物活性炭層３の活性炭粒子表面に生育付着し
た微生物のＢＯＤ資化菌は、粒子から剥離して逆洗排水
となって排水管１０から排出される。次に、空洗弁６Ａ
および逆洗弁８Ａを閉じ、排水管１０の排水弁１０Ａを
閉じ通常の通水を流入管２から行なうことにより、再び
粒子表面に付着している菌体が増殖をはじめ水を浄化す
ることになる。

【００１９】なお原水中からはいる後生生物の卵、幼生
などが第１の生物活性炭層３内に入り、粒子間表面で増
殖しているＢＯＤ資化菌を食べ増殖する。これら後生生
物としては特に線虫、ミミズ、ミジンコなどが挙げられ
る。これらが処理水中に流出すると、肉眼で見えるため
種々の問題を起こすことになる。特に微生物の増殖は季
節的に変化するが、これらの現象を抑えるため後生生物
の世代交替時間より短い間隔で逆洗を行い、後生生物の
卵、幼生などを第３の生物活性炭層に生存できないよう
にする。

【００２０】本実施例においては、第１の生物活性炭層
３内で増殖するＢＯＤ資化菌と後生生物の世代交替時間
を比較的短い時間とみなし、第１の生物活性炭層３につ
いての逆洗浄を１〜５日程度の間隔で頻繁に行なうこと
により、ＢＯＤ資化菌と後生生物を第１の生物活性炭層
３から定期的に排出することができる。

【００２１】ところで、第１の生物活性炭層３における
短い間隔の逆洗はＢＯＤ資化菌、後生生物にとってはよ
いが、世代交替の遅い硝化菌にとっては都合が悪く、逆
洗によって洗い流されてしまう。河川水を原水とすると
ころでは、下水二次処理水、し尿処理水などの放流によ
り、アンモニア性窒素の大きな変動があり、一般には硝
化菌は育ちにくい。特に硝化菌はアンモニア性窒素、炭
酸塩などを栄養として生育できる菌体であり、ＢＯＤ資
化菌より栄養源の少ないところで生育する菌となってい
る。

【００２２】本実施例では、図３に示すように、第２の
生物活性炭層４内を溶存有機物濃度のうすい条件とし、
この第２の生物活性炭層４内で硝化菌を増殖する。第２
の生物活性炭層４での硝化菌の増殖はゆっくりと起こる
ため、逆洗浄の回数は第１の生物活性炭層３に比べては
るかに少なく、数カ月に１度あるいは数週間に１度でよ
い。逆洗浄の操作は、第１の生物活性炭層３の場合と略
同様であり、流入管２からの通水を止め、空洗弁７Ａお
よび逆洗弁９Ａを開く。同時に排水弁１１Ａを開いて、
第２の生物活性炭層４内の硝化菌を活性炭粒子表面から
剥離して排水弁１１Ａから排出する。

【００２３】本実施例によれば、第１の生物活性炭層３
内で増殖するＢＯＤ資化菌により原水中の有機物を、ま
た第２の生物活性炭層４内で増殖する硝化菌により原水
中のアンモニアを各々確実に処理することができる。ま
たＢＯＤ資化菌、硝化菌、および第１の生物活性炭層３
内で増殖する後生生物について、各々の世代交替時間に
合わせた逆洗浄を行なうことにより、ＢＯＤ資化菌、硝
化菌および後生生物を適切なタイミングで適宜外部へ排
出することができる。

【００２４】次に、図４により本発明の第２の実施例に
ついて説明する。図４に示す第２の実施例は、第１の水
槽１Ａ内に第１の生物活性炭層３を配置するとともに、
第１の水槽１Ａを別個独立した第２の水槽１Ｂ内に第２
の生物活性炭層４を配置したものであり、他は図３に示
す第１の実施例と略同様である。

【００２５】図４において第１の実施例と同一部分に
は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。図４に示
すように、第１の水槽１Ａ内には上方から順に、入口室
１３、第１の生物活性炭層３、および第１の中間室１４
Ａが設けられ、第２の水槽１Ｂ内には上方から順に、第
２の中間室１４Ｂ、第２の生物活性炭層４、および出口
室１４が設けられている。また第１の中間室１４Ａと第
２の中間室１４Ｂとの間は、ポンプ１７ａを有する連結
管１７によって連結されている。

【００２６】次に図５により本発明の第３の実施例につ
いて説明する。図５に示す第３の実施例は、中間室１４
内に第２の生物活性炭層内の硝化菌に栄養源を供給する
ための栄養源供給配管１２を配置したものであり、他は
図３に示す第１の実施例と略同一である。

【００２７】本実施例によれば、特に原水中のアンモニ
ア濃度が変動したり、微生物の代謝について必須な条件
であるリン濃度が変動した場合に有効である。また、生
物活性炭の運転立ち上げ、若しくは逆洗浄後の運転立ち
上げ再開時に、増殖の遅い硝化菌を活性化させることが
できる。すなわち、必要時栄養源供給配管１２からアン
モニア性窒素源として塩化アンモニウム、硝酸アンモニ
ウム、硫酸アンモニウムなどの塩水溶液を供給したり、
アンモニア水あるいはアンモニアガスを添加することに
より、原水中に長時間アンモニア性窒素が含まれない場
合、この添加した栄養源にて硝化菌を第２の生物活性炭
層４内で最低限生育、訓養させることができる。

【００２８】また、この栄養源供給配管１２から、他の
栄養源としてリン酸、リン酸ナトリウムなどのリンも添
加することができる。湖沼水などを多く含む河川水で
は、春、秋の湖沼のプランクトン増殖、死滅、沈澱など
によって湖沼水中のリン濃度が大きく変動する。このた
めリン濃度の低下したとき、配管１２より栄養源を添加
して硝化菌の活性炭層４内での生育を保つことができ
る。

【００２９】次に図６により本発明の第４の実施例につ
いて説明する。図６に示す第４の実施例は、第２の中間
室１４Ｂ内にアンモニア性窒素またはリンを供給するた
めの栄養源供給配管１２を配置したものであり、他は図
４に示す第２の実施例と略同一である。

【００３０】図６において、入口室１３への流入管２、
連結管１７、および出口室１５からの流出管５の各々
に、アンモニア濃度およびリン濃度を測定する濃度計２
３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃが各々取付けられている。これら
濃度計２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃは、制御装置２４に接続
されている。そして、この制御装置２４は濃度計２３
Ａ、２３Ｂ、２３Ｃからの信号に基づいて注入器２５を
制御して，所定量のアンモニア性窒素またはリンを栄養
源供給配管１２から第２の中間室１４Ｂ内に供給するこ
とができる。この場合、濃度計２３Ａおよび２３Ｂから
の信号によって連続的に測定して濃度変化を調べ、不足
分を制御装置２４で計算し栄養源供給配管１２よりアン
モニア性窒素、もしくはリンを添加するとともに、硝化
菌の増殖および活性などを、濃度計２３Ｃによって測定
し制御装置２３によりフィードバック制御することによ
り、天候、水運用などによって大きく変動する原水水質
にアンモニア性窒素およびリンを適切に供給することが
できる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
世代交替時間が比較的短い微生物が増殖する第１の生物
活性炭層を短い間隔で逆洗浄し、世代交替時間が比較的
長い微生物が増殖する第２の生物活性炭層を長い間隔で
逆洗浄することにより、各生物活性炭層内において内部
で増殖する微生物を適切な期間維持・活性化させること
ができるとともに、適切なタイミングで外部へ排出する
ことができる。このため季節的もしくは天候等によって
大きく変動する原水に対して安定かつ効率的な水処理を
行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】アンモニア性窒素の除去と水温との関係を示す
図。

【図２】生物活性炭層での吸光度変化を示す図。

【図３】本発明の第１の実施例を示す概略図。

【図４】本発明の第２の実施例を示す概略図。

【図５】本発明の第３の実施例を示す概略図。

【図６】本発明の第４の実施例を示す概略図。

【符号の説明】

３ 第１の生物活性炭層 ４ 第２の生物活性炭層 ６ エアー供給管 ７ エアー供給管 ８ 逆洗管 ９ 逆洗管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｃ０２Ｆ 3/34 １０１ Ｃ０２Ｆ 3/34 １０１Ｄ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C02F 3/02 - 3/10

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】世代交替時間が比較的短い微生物が増殖す
   る第１の生物活性炭層と、 世代交替時間が比較的長い微生物が増殖する第２の生物
   活性炭層と、 前記第１の生物活性炭層の下方に設けられ、所定の第１
   の間隔で第１の生物活性炭層を逆洗浄する第１の逆洗装
   置と、 前記第２の生物活性炭層の下方に設けられ、第１の間隔
   より長い第２の間隔で第２の生物活性炭層を逆洗浄する
   第２の逆洗装置と、 を備えたことを特徴とする水処理装置。
2. 【請求項２】第２の生物活性炭層の上流側に、第２の生
   物活性炭層の微生物に栄養源を供給するための栄養源供
   給部を設けたことを特徴とする請求項１記載の水処理装
   置。
3. 【請求項３】第２の生物活性炭層の上流側および下流側
   に、第２の生物活性炭層の微生物に供給する栄養源の濃
   度計を設け、各濃度計からの信号に基づいて栄養源供給
   部からの供給量を制御する制御装置を設けたことを特徴
   とする請求項２記載の水処理装置。
4. 【請求項４】請求項１記載の水処理装置を用いた水処理
   方法において、 所定の第１の間隔毎に通水を停止して第１の逆洗装置に
   より第１の生物活性炭層を逆洗浄するとともに、 第１の間隔より長い第２の間隔毎に通水を停止して第２
   の逆洗装置により第２の生物活性炭層を逆洗浄すること
   を特徴とする水処理方法。