JP4153558B2 - 廃水の好気的処理方法 - Google Patents

Description

〔技術分野〕
本発明は、処理される流出物を底から供給される通気反応器中で廃水を好気的処理するための方法及び装置に関する。
〔背景技術〕
方法
廃水の生物学的処理は、本質的に二つの方法、即ち酸素を用いた微生物を利用する好気的処理、及び酸素を存在させずに微生物を増殖させる嫌気的処理で行うことができる。両方の方法共、廃水処理技術で利用されてきている。第一の方法は、主に汚染度が低く、低い水温で仕上げ処理として用いられている。第二の方法は、一層ひどい有機物汚染及び一層高い水温で前処理として特に利点を有する。両方の方法共適切に知られている。
今日嫌気性反応器は、例えば、
１． ＢＯＤ／ＣＯＤを広範に除去するための小型の嫌気的前処理及びそれに続く好気的後処理（仕上げ処理）；
２． 窒素を広範に除去するための硝化及びそれに続く脱硝；
３． 硫黄を除去するための硫酸塩還元及びそれに続く硫化物の元素状硫黄への酸化；
のように、好気性反応器と直列にしてしばしば配置されている。
同じ反応器中で同時に行われる好気的及び嫌気的反応の存在も、益々広く報告されるようになってきている。これらの例は硝化／脱硝反応、及び硫化物酸化の影響下での脱硝である。
嫌気的処理は、高度に詰め込まれた好気性装置ではスラッジ生成数量が低いことが根拠になっている。凝集した（羊毛状）バイオマスの入った反応器中に比較的低い酸素圧力を用いることにより、凝集物の外側の層中に存在する好気性細菌による酸素結合物質の迅速な転化をもたらすことができる。これらの細菌は、それらの細胞外に多糖類の形で蓄えとして栄養物を保存するのが好ましい。
続いて細菌は酸素欠乏のためにこれらの蓄えを利用する機会を持つことができず、従ってこれらの蓄えは、浸透する酸素が存在しない場合には凝集物の内部で嫌気的鉱化過程のための基質として働き始める。その結果、多糖類の蓄積と分解が同時に行われ、多糖類は凝集細菌培養のための接着剤として働く。原生動物は正味のスラッジ生成量の低い細菌消費捕食生物として重要な役割を果たすこともできる。
これに関連して、用語「微好気性」は、完全な好気的反応のために必要になる量よりも少ない酸素が装置に供給されることを示すために実際に用いられている。これは、非常に低い酸素圧で増殖することができる細菌集団が発達する結果を与える。これらの条件の欠点は、Ｈ₂Ｓ、ＮＨ₃、又は揮発性有機酸のような悪臭物質を生ずることがあると言うことである。これらは空気を気泡として通すことにより追い出すことができ、外の空気中へ送ることができる。従って、この空気を、もし必要ならば処理するために収集することが重要になる。
一方、反応器中に充分な接種物質が存在したままで、形成された凝集物が、嫌気的鉱化過程が行われる前に流出しないことが重要である。
最近の研究は、嫌気性細菌が酸素に対し大きな許容性を有することができることを示している〔Ｍ．Ｔ．加藤、Biotech. Bioeng., 42, 1360-1366（1993）〕。酸素の添加は、嫌気的処理、例えば、ＥＰ−Ａ１４３１４９に記載されているような、発酵タンク中での硫酸塩還元を抑制するためには時々不利になることもある。この後者の過程では、スラリー中に存在する有機固体廃棄物がガスの発生と共に転化され、そのガスは主成分としてメタンを含み、３体積％までの僅かな割合、一層特別には０．１〜１．５体積％の酸素も含む。
反応器
廃水を処理するための反応器中にバイオマスを保持することは、その反応器の能力にとって本質的に重要なことである。従来の好気的処理では、これは通常生物学的反応が行われる通気タンクに沈降により反応器の外で分離されたスラッジ（＝バイオマス）を連続的に戻すことにより達成される。通気タンク中のスラッジ濃度が３〜６ｇ／ｌになるこの方法は、活性化スラッジ法と呼ばれている。同じ原理は初期の嫌気的処理系統にも適用されているが、その場合スラッジは嫌気性反応室へ再循環される前にラメラ（lamella）分離器を利用して通常分離されている。この方法は接触法として知られている。
嫌気的接触工程の改良は、異なったやり方、例えば沈降室と反応室を一体にするか、又はキャリヤー物質に固定することによりバイオマスの流出を防ぐことによりスラッジ保持を達成した装置を用いることに関する。スラッジの滞留時間が種々の微生物の***時間よりもかなり長いことが蓄積にとって重要である。このことは嫌気的処理にとっては特に重要である。なぜなら、増殖速度が非常に低いからである。１９７０年代にＵＡＳＢ反応器として世界中に知られた「上昇流嫌気性スラッジブランケット」（Upflow Anaerpbic Sludge Blanket）反応器の開発は、嫌気的処理の進歩にとって重要な第一歩であった。嫌気的処理の大部分は現在この型の反応器で行われている。
ＵＡＳＢ反応器の特徴は、処理すべき流出物をタンクの底から供給して底全体に分布させ、そこからバイオマスの層を通ってゆっくり上方へ流す。バイオマスと接触している間に、ＣＨ₄、ＣＯ₂、及びＨ₂Ｓから主になるガス混合物が生ずる。この混合物はバイオガスとして知られている。このバイオガスの気泡が上昇し、これによって或る程度の混合が与えられる。水面下のガス収集フードの巧妙な配置の結果として、ガス気泡は水面には到達せず、頂部には静かな領域が生じ、巻き上げられた全てのスラッジ粒子はバイオマスの層（スラッジブランケット）中へ再び沈降することができる。ＵＡＳＢ反応器でのスラッジ濃度は、一般に４０〜１２０ｇ／ｌ、通常８０〜９０ｇ／ｌである。ＵＡＳＢ反応器は多くの特許に記載されており、就中、ＥＰ−Ａ１９３９９９及びＥＰ−Ａ２４４０２９に記載されている。ＵＡＳＢ反応器が最も人気のある嫌気性装置になった一つの理由は、適切な工程制御により、バイオマスを非常によく沈降する数ｍｍの大きさの球状粒子の形で成長させることができると言うことにある。
その後ＵＡＳＢの原理に基づく更に発展又は変更したものが提案されており、それらは、例えば一体的ポンプとしてバイオマスを用いることにより、或は単に一層狭い高い塔を建設することにより、流出物を再循環する結果として、一層大きな流速を有する。しかし、基本原理はＵＡＳＢのものと同じままになっている。
〔発明の開示〕
本発明は、上で述べたようなＵＡＳＢ反応器で好気的廃水処理を用いることに関する。従って、本発明による方法は、ＵＡＳＢ反応器を利用して、その底に酸素も供給し、特に通性好気性バイオマスの増殖が促進されるような量で供給することを特徴とする。このことは、ＵＡＳＢ反応器に通気設備を配備し、好ましくは微細な気泡を与えるように配備することを意味する。この型の反応器は、独立の装置として、又は嫌気的前処理と組合せて用いることができる。特別の場合として、反応器は嫌気性的に操作されるものと、好気的操作のものとを交互にし、例えば、廃水の量が甚だしく変動する季節的な操作で用いることもできる。本方法は、原理的には多くの目的、例えば、ＣＯＤ／ＢＯＤ除去、硝化、脱硝及び硫化物酸化のために用いることができる。
上昇流の原理及び一体的沈降の結果として、多量のバイオマスを蓄積することができ、その量は活性化スラッジ法の場合よりも多く、嫌気的操作のＵＡＳＢ反応器の場合よりは少ない。反応器の底でのバイオマスの濃度は、０．５〜７５ｇ／ｌであるのが好ましく、特に５〜５０、又は１０〜５０ｇ／ｌである。この方法を嫌気的処理の後の好気的処理として用いた場合、バイオマスの濃度は一層低く、例えば０．５〜１０ｇ／ｌでもよい。
この良好なスラッジ保持は、通気強度及び反応器への水導入速度の両方に依存する。大きな水導入速度では低い通気度が適切であり、その逆でもよい。例えば、４．０ｍ³／ｍ².ｈの水導入速度の特別な場合、通気度は０．９ｍ³／ｍ².ｈより低いのが好ましいが、１．２ｍ³／ｍ².ｈ以下の水導入速度では、スラッジ保持のための通気度は実質的に無制限である。逆に４．０ｍ³／ｍ².ｈの通気度では、水導入速度は１．３ｍ³／ｍ².ｈより少ないのが好ましいが、０．８ｍ³／ｍ².ｈ以下の通気度では、スラッジ保持のための水導入速度は実質的に無制限である。この関係は第１図のプロットに示されている。用いる反応器の大きさ及びスラッジにより、適用される数字はここで言及したものとは異なることがあるが、傾向は同じである。
従って、この方法は薄い廃水及び濃厚な廃水に対して用いることができる。反応器の底にある大きな密度のバイオマスを用いるので、酸素はあらゆる所に浸透することはできず、その結果嫌気性スラッジ鉱化が行われる。その結果、逃げる使用済み空気は微量、１０体積％以下のメタンを含むことがある。更に、空気又は酸素気泡の滞留時間が比較的短いため、全ての酸素が水中に溶解する訳ではなく、逃げる空気は残留酸素を少なくとも２体積％、特に３体積％より多く、例えば１５体積％まで含むであろう。残留ガスの残りは、主に二酸化炭素及び窒素からなり、時にはメタンを含む。
本発明による好気的廃水処理用装置は、反応器の底に付属させた分配水供給部材、及び一体化したバイオマス沈降・ガス収集（所謂３相分離）用手段を反応器の頂部に具えたＵＡＳＢ反応器からなる。この型の一体化した分離は、一般にガスフードによって液面の下で行われるガス収集を含み、そのガスフードは、上から見ると、反応器の全断面に亙って広がっている。本発明による装置では、慣用的ＵＡＳＢ反応器とは対照的に、通気手段は反応器の底に、供給水分配器の下又は上、又は同じ高さの所に配置されている。反応器の高さは４〜１４ｍ、好ましくは４．５〜１０ｍの範囲にある。ここでの記述で、「反応器の頂部」とは、反応器の上の方の部分、即ち、反応器の最も高い液面（全有効高さ）と、その有効高さの０．７５倍の所との間の反応器の上部を意味する。同様に、「反応器の底」とは、反応器の底部、即ち最低の液体の高さと、有効高さの０．２５倍との間の部分を意味する。
嫌気的処理と好気的処理とを一緒にした場合、好気性反応器は通常嫌気性反応器の横に配置され、嫌気性反応器と好気性反応器とは別の反応器になっている。この場合、嫌気性反応器から排出された空気は、好気性反応器のための通気用として用いることができる。
嫌気性反応器及び好気性反応器は、一つの反応タンク中に垂直に一体化することもできる。そのような垂直に一体化した反応タンクの場合、通気手段は嫌気性領域のためのガス収集部より上に配置する。廃水の嫌気的処理及び好気的処理を一体化したこの型の装置は、液体を供給するための分配器が反応器の底に配置され、ガス収集手段が中間領域中に配置され、通気手段がそれらの上に配置され、一体化バイオマス沈降・ガス収集用手段が反応器の頂部に配置されているＵＡＳＢ反応器からなる。嫌気性領域のためのガスフード及び通気手段は、必ずしも正確に反応器の中間の高さの所に配置されている必要はない。例えば、「中間領域」とは、反応器の有効高さの０．２５倍〜０．７５倍の所を意味する。処理すべき廃水の種類により、これらの部品の位置は一層低くても高くてもよい。この場合、反応器の全高さは好ましくは６〜２５ｍの範囲にすることができる。
本発明による装置の特別な態様として、通気手段は反応器高さの一部分に亙って垂直に移動できるようにしてある。これは、例えば、枠によって行うことができ、その枠に通気手段を上側に配置し、場合によりガスフードを下側に配置し、その枠を反応器の高さに対し機械的に上昇させたり、下降させたりすることができるようにする。この態様により、特定の廃水及び希望の浄化結果に対し反応器の形状を容易に適合させることができる。
嫌気的／好気的処理が一体化された方法の場合、水供給速度は、スラッジバランスが最適になるように、即ち、嫌気性スラッジが反応器の下半分に残留し、好気性スラッジが上半分に残留するように調節することができる。もし好気性領域で多量のスラッジ生成が行われた場合、水供給速度を低下することにより過剰のスラッジを嫌気性相中に沈降させることができ、好気性バイオマスの量が再び一定になるようにすることができる。過剰の好気性スラッジは、時間の経過と共に重くなり、それ自身で嫌気相中へ沈降させることもできる。
上に記載した垂直に一体化した嫌気的及び好気的廃水処理のための装置の一つの変更したものは、反応器の頂部にある一体化バイオマス沈降・ガス収集用手段の代わりに、反応器の頂部領域に好気性細菌を支持する充填材料を有する。その充填材料は、フィルター又は他の好気性細菌固定手段を持っていてもよい。この態様では、好気性相から生じたガスを反応器の上で収集することができ、又はそれを大気中へ単に放出することもできる。ここでは嫌気性ガスが好気的処理を妨げないように、低い方の嫌気性領域より上の効果的な３相分離が重要である。通気手段、好ましくは嫌気性ガス収集器も、同じく垂直に移動できるようにしてもよい。
第１図は、水導入速度（Ｖ_water）と通気速度（Ｖ_gas）との間の関係の測定値を示している。Ｖ_waterとＶ_gasは、ｍ／ｈ＝ｍ³／ｍ².ｈで示されている。陰を付けた領域は、スラッジが流出される領域である。
第２図は、別にした好気的処理のための装置を示している。反応器１は、ＵＡＳＢ反応器である。廃水は、場合により嫌気的処理にかけた後、供給部材２及び分配器３を通って反応器の底へ、垂直プラグ流（plug flow）が実質的に生ずるようなやり方で供給する。処理された水は反応器頂部の溢流部４及び排出管５を通って排出される。コンプレッサーを具えた導管６を通って空気又は酸素を供給し、分配器７を通って水中に分散させる。反応器頂部のガスフード８は残留ガスを収集し、好気性スラッジが沈降するための充分な空間がそのフードの上に存在する。ガスフードには、残留ガスのための排出管（図示されていない）が配備されている。
第３図は、嫌気的及び好気的処理を一体化した装置を示している。ここで論じていない部分に関して、反応器１０は第２図の反応器に匹敵する。嫌気性ガス（主にメタン）を除去するためのガスフード９が、反応器１０の中間領域中に配置されている。空気分配器７は、そのフードの上に配置されている。
実施例１
１２ｍ³の容量、４．５ｍの有効（液体）高さ、及び２．６７ｍ²の底部表面積を有する第２図に示したようなＵＡＳＢ型パイロット反応器を、嫌気的前処理のないマイクロ好気性反応器として用いた。約１５００ｍｇ／ｌのＣＯＤを有する未処理製紙工場廃水を１．５ｍ³／ｈの速度で反応器へ供給した（上昇流速度Ｖ_up＝０．５６ｍ／ｈ）。反応器を１２ｍ³／ｈ（Ｖ_up＝４．５ｍ／ｈ）の空気で通気した。反応器の温度は約３０℃で、ｐＨは中性であった。使用済み空気中に検出可能な臭気成分は存在していなかった。
１週間適用後の結果は次の通りであった：

更に最適にすることにより、全ＣＯＤ除去効率を７５％以上にすることができる。
実施例２
実施例１と同じ反応器を好気的後処理反応器として用いた。嫌気的前処理した約６００ｍｇ／ｌのＣＯＤを有する製紙工場廃水を４．０ｍ³／ｈの速度で反応器へ導入した（上昇流速度Ｖ_up＝１．５ｍ／ｈ）。反応器を３．５ｍ³／ｈ（Ｖ_up＝１．３ｍ／ｈ）の空気で通気した。使用済み空気中に検出可能な臭気成分は存在していなかった。
試料を濾過する前及び濾過後のＣＯＤ値は次の通りであった：

これらの値は、反応器が嫌気的処理後の残留ＣＯＤのかなりの部分を転化したことを示している。

Claims (3)

1. 反応器タンクからなる一体化した嫌気的処理及び好気的廃水処理のための装置であって、液体供給用分配器が前記反応器の底に配置され、ガス収集のための手段が前記液体分配器の上に配置され、通気手段が前記ガス収集手段の上に配置され、バイオマスの分離及びガス収集用手段が反応器の頂部に配置されている、前記の装置。
2. 反応器タンクからなる一体化した嫌気的処理及び好気的廃水処理のための装置であって、液体供給用分配器が前記反応器の底に配置され、一体化バイオマス沈降・ガス収集用手段が前記液体分配器の上に配置され、通気手段が前記ガス収集手段の上に配置され、好気性細菌を支持する充填材料が反応器の頂部に配置されている、前記の装置。
3. 通気手段を、反応器の高さの一部分に亙って動かすことができる、請求項１又は２に記載の装置。

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