JP5017281B2 - 活性汚泥とバラスト凝集を用いる汚水処理 - Google Patents

Description

本発明は水または汚水処理に関し、特に、ＢＯＤ（生物化学的酸素要求量）と浮遊物質の両方を効率的に除去するための活性汚泥プロセスとバラスト凝集プロセスの組み合わせに関する。

水または汚水処理プロセスは、水または汚水を浄化するために時にはバラスト凝集プロセス（ballasted flocculation process）を使用する。バラスト凝集プロセスは、プロセス中で形成される凝集材料の速い沈降を可能にする。バラスト凝集物の速い沈降は、浄化器あるいは沈降タンク中での非常に高い流出速度を可能にするので、その結果、全処理システムの占有スペースを従来の浄化器よりかなり小さくすることができる。その上、バラスト凝集システムの始動時間および最適化時間は、他の従来の浄化システムと比較するとバラスト凝集システムの水圧反応時間の減少によって一般に短くなる。

バラスト凝集処理システムは、物理的／化学的プロセスを用いて、生水または汚水流れ中に存在する大部分の微粒子とコロイド状固体を除去する。除去される固体の物理的／化学的性質が原因で、多くの場合、このプロセスは溶解成分を除去しない。水または汚水処理における特別の関心は可溶性ＢＯＤである。可溶性ＢＯＤと微粒子ＢＯＤは総ＢＯＤの成分である。バラスト凝集プロセスは、８５％以上の微粒子ＢＯＤを除去し得るが、このプロセスでは可溶性ＢＯＤを効率的に除去することができない。

したがって、効率的に可溶性ＢＯＤを除去することができるバラスト凝集システムに対する必要性がある。

活性汚泥システムとバラスト凝集システムを浮遊物質と可溶性ＢＯＤを除去するために利用する。第１の水あるいは汚水流入流れを活性汚泥システムに送る。第２の水または汚水流れをバラスト凝集システムに送る。しかしながら、混合液の液体または戻り活性汚泥形態の活性汚泥を活性汚泥システムから第２の水または汚水流れを受け入れる混合チャンバーに送る。ここで、水または汚水を混合液または戻り活性汚泥と混合して混合液を形成し、混和チャンバーからバラスト凝集システムに送る。したがって、第２の水または汚水流れ中の可溶性ＢＯＤを活性汚泥の活動（activity）によって除去し、浮遊物質と他の粒子状汚染物質をバラスト凝集プロセスによって同じ水または汚水流れから除去する。

本発明の他の目的および利点は、発明の単なる例示である以下の説明と添付図面を研究することから明らかであり明白となるであろう。

本発明は、活性汚泥プロセスとバラスト凝集プロセスの両方を利用する水または汚水処理プロセスを必要とする。１つの実施例では、バラスト凝集プロセスと活性汚泥プロセスは、並列に操作される。第１と第２の水または汚水流れをこのプロセスに送る。第１の流れは活性汚泥プロセスに送られるが、一方、第２の流れは凝集プロセスに送られる。しかしながら、バラスト凝集プロセスに送られた水または汚水流れから可溶性ＢＯＤを除去するために、活性汚泥プロセスからの活性汚泥または混合液を第２の流れの水または汚水を受け入れる混合チャンバーに送る。この混合チャンバーをバラスト凝集プロセスの上流に配置する。混合チャンバーでは、第２の流れからの水または汚水は、活性汚泥プロセスからの混合液あるいは活性汚泥と混合され、混合チャンバー中で形成された混合物を、次にバラスト凝集プロセスに送る。水または汚水の両方の流れは、活性汚泥で処理され、活性汚泥プロセスとバラスト凝集プロセスの両方で浄化される。

図１、２に示されたプロセスとシステムを検討する前に、簡潔にバラスト凝集を検討するのは有益である。バラスト凝集プロセスは、一般に、浮遊物質などの汚染物質が細砂などの不溶性の顆粒状物質の周りに凝集してバラスト凝集微粒子を形成する化学的および物理的プロセスを必要とする。砂、浮遊物質、および他の汚染物質からなるバラスト凝集粒子は、沈殿プロセスによって沈降タンク中に沈降し、分離されて浄化された流出液を生成する。固体や他の汚染物質と同様に顆粒状物質を含む沈降した汚泥は、汚泥から顆粒状物質を分離するセパレータに送られる。多くの場合、分離された顆粒状物質はバラスト凝集プロセスによって戻されてリサイクルされる。以下の説明から理解されるように、分離された汚泥は、活性汚泥システムにリサイクルされるか、または、単に排出されて処理される。

図１に戻ると、組み合わせられた活性汚泥システム１２とバラスト凝集システム１０を図に示す。以下の記載から理解されるように、戻りの活性汚泥または混合液の形態の活性汚泥は、活性汚泥システム１２からバラスト凝集システム１０に移送される。

特に、図１に関して、活性汚泥システム１２は、反応器１６中で処理する水または汚水を送るように操作される流入液ライン５０を含んでいる。反応器１６の下流に浄化器１８がある。戻り活性汚泥（ＲＡＳ）ライン２０は、浄化器１８から反応器１６まで延びている。ライン２２は反応器１６から浄化器１８に延びている。浄化器１８は、浄化器１８からの浄化した流出液を送るための出口ライン２４を含んでいる。

活性汚泥システム１２は、好気性、無酸素性、および嫌気性の条件下、またはこれら３つの基本的な活性汚泥プロセス条件のいずれかの組合せで作動するように設計することができる。反応器１６は、通常は１つ又はそれ以上のミキサーを含み、その含有物に空気を吹き込む（曝気する）ための他の手段を提供することができる。様々なタイプのミキサーかエアレータを反応器１６の混合液を混ぜる、および/または、曝気するために使用することができる。通常は、水または汚水は反応器１６に送られ、浄化器１８の下部からライン２０を通過して反応器１６まで移送される戻り活性汚泥（ＲＡＳ）と混合される。水または汚水の流入液と戻り活性汚泥は反応器１６内で場合によっては混合液と呼ばれるものを一緒に形成する。混合液は、上で述べたように、選択された期間の間、反応器１６内に保持され、混合され、好気性処理の場合に曝気することができる。反応器１６中の混合液は、ライン２２を通過して浄化器１８に送られ、浄化器１８で活性汚泥が浄化器１８の底に沈下し、結局、ライン２０を介して反応器１６まで戻るように送られる。従来の形態では、戻りの活性汚泥の一部は浪費される。浄化した流出液は浄化器からライン２４に送られる。

また、図１に示されるように、処理システムはバラスト凝集システム１０を含んでいる。第２の流入液ライン(ライン５２)は，バラスト凝集システム１０に水または汚水流れを送る。すなわち、流入液ライン５０は活性汚泥システム１２に送られるが、流入液ライン５２はバラスト凝集システム１０の上流へ配置された混合チャンバー５４に送られ、次に、混合チャンバー５４からバラスト凝集システム１０に送られる。ライン５６は、活性汚泥システム１２の反応器１６から混合チャンバー５４に延びている。混合チャンバー５４は通常は流入液ライン５２からの流入液の水または汚水と、反応器１６からの混合液とを混合するために混合器が提供される。さらに、混合液を曝気するために従来の曝気手段が混合チャンバー５４に提供される。ライン５８は混合チャンバー５４とバラスト凝集システム１０の間に延びている。したがって、混合チャンバー５４に含まれる混合液は、バラスト凝集システム１０に送られる。

代替として、混合チャンバー５４に送られる活性汚泥システム１２の反応器１６からの混合液の代わりに、オプションの戻り活性汚泥（ＲＡＳ）をライン５６'を通って混合チャンバー５４に送ることができる。言い換えれば、浄化器１８から反応器１６に戻される戻り活性汚泥の少なくとも一部をライン５６’を通して混合チャンバー５４に送ることができる。ここで、戻り活性スラグは、流入液ライン５２を経由して混合チャンバーに送られる水または汚水と混合されて混合チャンバー５４中で混合液を形成する。したがって、活性汚泥は、活性汚泥システム１２から混合チャンバー５４に混合液を送ることによって、あるいは、いくらかの戻り活性汚泥を混合チャンバー５４に送ることによってバラスト凝集プロセスに移送することができることが理解される。

図１に示された実施例の場合では、バラスト凝集システム１０は浄化器として機能する。すなわち、活性汚泥システム１２の一部を形成する浄化器１８とバラスト凝集システム１０の両方は、浄化作用を行なう。確かに、浄化器１８とバラスト凝集システム１０の両方は、流入液ライン５０と流入液ライン５２を通って活性汚泥システムに入る水または汚水を浄化するために並列で機能する。

図１に示された一般システムに対する多くの応用がある。実施例の方法では、図１に示されるような従来の活性汚泥システムにバラスト凝集システム１０を加えることによって容量を増加するように拡張することができる。いくつかの活性汚泥システムでは、水または汚水の浄化は律速プロセスである。したがって、図１に示すようなバラスト凝集システムを加えることによって浄化容量が追加されると、既存の活性汚泥システムにコスト効果を加えることができる。

本明細書に開示されたシステムは、また２つの別々の流入液流れを同時に効果的に処理する。これらの２つの流入液流れは、主な流入液流れを***または分割することによって誘導され得る。流入液ライン５０に入る水または汚水は、従来の活性汚泥プロセスで処理され、浄化器１８から導かれてライン２４を経由する浄化した流出液を生成する。流入液ライン５２に入る水または汚水は、混合チャンバー５４とバラスト凝集システム１０によって処理される。戻り活性汚泥あるいは混合液の形態の活性汚泥は、混合チャンバー５４中で流入液と混合されて利用される。本明細書では、用語「活性汚泥（activated sludge）」は、浄化器１８から反応器１６に通常は戻されるタイプのような戻り活性汚泥（ＲＡＳ:return activated sludge）あるいは高濃度の活性汚泥を包含することを意味する。用語「混合液（mixed liquor）」は、戻り活性汚泥あるいは活性汚泥を流入液の水または汚水と混合して得られる混合物を示している。また、混合液と水または汚水の流入液からなる混合物もまた混合液と呼ばれる。とにかく、活性汚泥は、高濃度であろうが希釈されていようが、直接的にまたは間接的にバラスト凝集プロセスを含むプロセスで利用される。

図２に移ると、図２は、図１に示されたシステムとプロセスと類似するシステムとプロセスを示すが、バラスト凝集システム１０をさらに詳細に示している。ここで、反応器１６からの混合液は、ライン５６を経由して混合チャンバー５４に送られるか、または代替手段で、ライン２０を通る戻り活性汚泥は、ライン５６’を通って混合チャンバー５４に送られて活性汚泥がライン５２から入る水または汚水と混合される。とにかく、混合液または戻り活性汚泥が混合チャンバー５４に送られると、混合チャンバーは、ミキサーあるいはある他の形態の混合機を提供し、混合液あるいは活性汚泥を水または汚水の流入液と混合する。混合チャンバー５４で混合液あるいは活性汚泥を混合して、混合液と呼ばれる形成された混合物が得られる。混合チャンバー５４中の混合液はバラスト凝集システム１０に送られる。

特に図２に示されるバラスト凝集システム１０に関連して、凝集剤Ｒ１がライン５８に加えられる。インラインミキサーＺ１(オプションである)は、凝集剤Ｒ１を混合液と混合するために稼働する。ある場合には、バラスト凝集システム１０は、水、汚水、または混合液に凝集剤を混合するミキサーを有する分離された凝集タンクを含み得る。凝集剤Ｒ１は、硫化アルミニウムや塩化第二鉄などの様々な組成物を含み得る。凝集剤Ｒ１の用量は混合液の条件に基づいて大いに変更し得る。

参照のために、ライン５８中を通ってバラスト凝集システム１０に送られる混合液は、Ｑａと呼ばれる。Ｑａの流れはバラスト凝集システム１０中に送られ、特に、注入タンクＴ１に送られる。注入タンクＴ１はミキサーＭ１を含んでいる。液体サイクロンＳは注入タンクＴ１に隣接してまたは上方に配置される。液体サイクロンＳは、顆粒状物質を取り囲む汚泥または凝集物から不溶性の顆粒状物質(細砂)を分離するために水および汚水処理で使用される従来の装置である。

図２で示されるように、供給ライン６０は、液体サイクロンＳから下方に延びている。不溶性の顆粒状物質は、供給ライン６０から下方の注入タンクＴ１に送られる。また、ポリマーなどの反応剤を注入タンクＴ１あるいは隣接して配置されている成熟タンクＴ２のいずれかに注入するための凝集剤ラインは、フィードライン６０に連結可能に接続されている。ポリマーＲ２は様々な組成物を含み得る。適切なポリマーの実施例はポリアクリルアミドポリマーである。一般に、このポリマーの用量は汚水処理に対して２.０ｍｇ／ｌ未満である。しかしながら、これらの用量はまた、混合液と地方条例の条件に基づいて変更することができる。成熟タンクＴ２は部分的なパーティションあるいは壁６２によって注入タンクＴ１と分離される。壁６２が注入タンクＴ１から成熟タンクＴ２までの流れを可能にする下方の開口を含んでいることが着目される。隔壁１８の下方流れは、Ｑｂ流れと呼ばれる。

ミキサーＭ２は成熟タンクＴ２中に配置されている。図２に示されるように、凝集剤であるポリマーＲ２を注入タンクＴ１あるいは成熟タンクＴ２に注ぐことができる。凝集剤の注入ラインは、凝集剤が隔壁のいずれかの側面に注入されるのを可能にするように隔壁１８の各側面の下方に延びていることが着目される。さらに、上で述べたように、ポリマーＲ２の形態の凝集剤は、細砂などの不溶性の顆粒状物質と結合し供給ライン６０を経由して注入タンクＴ１に供給され得る。

沈降タンクＴ３は成熟タンクＴ２に隣接して配置される。沈降タンクＴ３は周囲の壁構造を含んでいる。板あるいは管形態のラメラＺ２はオプションである。オプションの収集トラフ６４はラメラＺ２の上方に配置される。沈降タンクＴ３は沈降タンクスクレーバＭ３を含む。図２に示すように、成熟タンクＴ２から沈降タンクＴ３まで通過する流れはＱｃ流れと呼ばれる。

沈降タンクＴ３は、その下部の近くに沈降した汚泥を集めるまたは受け入れるために設計または適合されている。沈降タンクＴ３の中心部の周囲に沈降した汚泥は、ライン６８を通ってポンプＰに送られる。開示のそれに続く部分から理解されるように、沈降タンクＴ３中で集められポンプＰによって運ばれた沈降した汚泥は、顆粒状物質の周りに凝集した凝集物を有する不溶性の顆粒状物質を含んでいる。この沈降した汚泥はポンプＰからライン６６を通って液体サイクロンＳにポンプで送られる。そこで、通常は細砂である不溶性の顆粒状物質は、汚泥から分離され、供給ライン６０を経由してこのプロセスでリサイクルされる。液体サイクロンＳは、固体を含む汚泥を分離して、分離した汚泥をライン７０に送る。ライン７０は活性汚泥システム１２に、特に反応器１６に延びることができる。したがって、バラスト凝集システム１０によって生成した汚泥は反応器１６でリサイクルすることができる。ある場合には、液体サイクロンＳによって分離された沈降した汚泥は、汚水処理システムから更なる処理のために送られる。

本明細書で示されたようなプロセスにおいて、バラスト凝集システム１０が混合液中の全浮遊物質(ＴＳＳ)の約９０％から１００％を除去するのに有効であると考えられる。約９０〜１００ＧＰＭの第一の流入液と約２,０００〜３,０００ｍｇ／ｌの混合液の活性汚泥浮遊物(ＭＬＳＳ)に基づいて行われたパイロット研究では、バラスト凝集プロセスからの流出液の全浮遊物質(ＴＳＳ)は、約０〜４ｍｇ／ｌの範囲であった。

バラスト凝集システム１０を出る浄化した流出液中に存在する可溶性ＢＯＤは、ライン５２に入る流入液中に存在する可溶性ＢＯＤの約５０％であると想定される。

表１、２、３、４、５、および６に、フォートスミス、アーカンサスのＰストリート汚水処理施設で実施された図１と２と類似のシステムとプロセスにおけるパイロットテスト研究を提供する。これらのパイロットテスト研究は、可溶性ＣＯＤとＴＳＳとともに全ＢＯＤと可溶性ＢＯＤの除去速度を示している。表は、様々な試験結果を示している。混合チャンバー５４に送られる混合液のＭＬＳＳ濃度が変わることや混合チャンバー５４中の接触時間が変わる結果が得られた。

以上の議論から、活性汚泥の添加を有するバラスト凝集システムは水または汚水流れから可溶性ＢＯＤと浮遊物質を除去するために利用することができることがわかった。

本発明は、もちろん、本発明の本質的特質とその範囲から逸脱せずに本明細書で説明されたもの以外の特定の方法で実施することができる。したがって、本実施例は、全ての態様において例示として解釈されるものであり、限定されるものではなく、付属の請求項の意味するもの及びその均等範囲のすべての変更が含まれることを意図する。

本発明のプロセスの概略の例示を示す図である。 本発明のプロセスの別の概略の例示を示す図であり、このプロセスのバラスト凝集部分が詳細に示されている図である。

Claims (18)

1. 活性汚泥プロセスとバラスト凝集プロセスとを利用する汚水を処理する方法であって、
   第１の汚水流れを少なくとも１つの反応器と１つの浄化器とを有する活性汚泥システムに送る工程と、
   前記浄化器からの活性汚泥を前記反応器に戻し、前記活性汚泥を前記第１の汚水流れと混合して混合液を形成し、前記混合液を、浄化した流出液から前記活性汚泥を分離する前記浄化器に送る工程と、
   第２の汚水流れを混合チャンバーに送る工程と、
   前記活性汚泥システムからの混合液または活性汚泥を混合チャンバーに送って、前記第２の汚水流れからの汚水と前記混合液または活性汚泥とを混合する工程と、
   前記混合チャンバーからの混合液を１つ又はそれ以上の混合ゾーンと沈降ゾーンとを有するバラスト凝集システムに送る工程と、
   不溶性の顆粒状物質を前記バラスト凝集システムを通過する前記混合液に混合し、前記沈降ゾーン中で浄化した流出液から汚泥を分離する工程と、
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記活性汚泥システムからの混合液を前記混合チャンバーに送って、前記混合液を前記第２の汚水流れからの汚水に混合する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記活性汚泥システムからの活性汚泥を混合チャンバーに送って、前記活性汚泥を前記第２の汚水流れからの汚水と混合する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記活性汚泥システムは、前記活性汚泥システムの前記浄化器と前記反応器との間で延びている戻り活性汚泥ラインを含んでおり、
   前記方法は、前記活性汚泥ラインから前記混合チャンバーに活性汚泥を送って、前記活性汚泥を前記第２の汚水流れからの汚水と混合する工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 単一の水または汚水流れを前記第１の汚水流れおよび前記第２の汚水流れに分割することによって前記単一の水または汚水流れを処理する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記活性汚泥システムからの混合液または活性汚泥を前記第２の汚水流れと混合することによって、前記第２の汚水流れから前記汚水中の可溶性ＢＯＤを除去する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記バラスト凝集システムによって分離された活性汚泥の少なくとも一部を前記活性汚泥システムに戻す工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記活性汚泥システムの前記浄化器と前記バラスト凝集システムの前記沈降ゾーンが並列で操作されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 活性汚泥プロセスとバラスト凝集プロセスとを利用して２つの別々の浄化した流出液流れを生成する汚水を処理する方法であって、
   第１の汚水流れを１つまたはそれ以上の反応器と１つの浄化器とを有する活性汚泥システムに送る工程と、
   前記浄化器からの活性汚泥を前記１つまたはそれ以上の反応器に戻し、前記活性汚泥を前記第１の汚水流れと混合して混合液を形成し、前記混合液を前記浄化器に送り、前記混合液を活性汚泥から分離して第1の浄化流出液を生成する工程と、
   第２の汚水流れを、1つまたはそれ以上の混合ゾーンと沈降ゾーンとを有するバラスト凝集システムに送る工程と、
   前記活性汚泥システムからの混合液または活性汚泥を前記第２の汚水流れと混合して、前記バラスト凝集システムに送られる混合液を形成する工程と、
   前記バラスト凝集システム中で不溶性の顆粒状物質を前記混合液と混合し、前記バラスト凝集システム中で汚泥を形成する工程と、
   前記バラスト凝集システム中で汚泥を第２浄化流出液から分離することにより前記バラスト凝集システム中で前記第２浄化流出液を生成する工程と、
   を有することを特徴とする方法。
10. 前記バラスト凝集システム中の前記汚泥の少なくとも一部を前記活性汚泥システムに移送し、前記移送された汚泥を前記活性汚泥システムで処理されるべき前記汚水と混合する工程を有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記活性汚泥システムの前記浄化器および前記バラスト凝集システムは、前記浄化器および前記バラスト凝集システムの両方が、処理すべき前記汚水を浄化するように並列の関係で配置されていることを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記活性汚泥システムからの前記混合液または活性汚泥を前記バラスト凝集システムを通過する前記汚水と混合した結果として、前記バラスト凝集システムを通過する前記汚水からＢＯＤを除去する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. 前記第２の汚水流れを混合チャンバーに送り、前記混合チャンバー中で前記活性汚泥システムからの混合液または活性汚泥を前記汚水と混合して混合液を形成し、その後、前記混合液を前記バラスト凝集システムに送る工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
14. 汚水を処理するための結合された生物学的バラスト凝集システムであって、
    前記バラスト凝集システムは、汚染物質が不溶性の顆粒状物質の周りに凝集してバラスト凝集微粒子を形成する化学的及び物理的プロセスを含み、
    前記バラスト凝集システムは、
    第１の汚水入口と、少なくとも１つの処理ゾーンと、第１の流出ラインとを有する生物学的処理システムと、
    前記生物学的処理システムと直列でない関係で配置されたバラスト凝集システムであって、第２の汚水入口と、１つまたはそれ以上のタンクと、沈降ゾーンと、第２の流出ラインとを有するバラスト凝集システムと、
    前記バラスト凝集システムを通過する汚水が前記生物学的処理システムから移送された汚泥によって生物学的処理を受けるように、前記生物学的処理システムから前記バラスト凝集システムに前記汚泥または混合液を移送するために前記生物学的処理システムから導かれる移送ラインと、
    を有することを特徴とするシステム。
15. 前記バラスト凝集システムの上流に配置された混合チャンバーを含み、
    前記移送ラインは前記生物学的処理システムと前記混合チャンバーとの間に接続されていることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
16. 前記結合された生物学的バラスト凝集システムは、第１および第２の汚水流れを受け入れるために適合されており、
    前記第１の汚水流れは生物学的システムに送られ、
    前記第２の汚水流れは混合チャンバーに送られ、そこから前記バラスト凝集システムに送られることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
17. 前記移送ラインが前記生物学的システムと前記バラスト凝集システムとの間に接続されていることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
18. 前記バラスト凝集システムは複数のコンポーネントを含み、
    前記生物学的処理システムから導かれる前記移送ラインは、前記バラスト凝集システムの複数のコンポーネントの１つに接続されていることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。

Images