JPWO2004054935A1 - 排水処理装置 - Google Patents

Abstract

磁気分離法を効果的に導入することにより、活性汚泥法における余剰汚泥の大幅削減と、プロセス管理の大幅な簡素化とを実現することができ、しかも、既存の排水処理施設に対しても小規模な改良によって適用が可能な排水処理装置である。この排水処理装置は、磁性粉を添加した活性汚泥によって水処理を行う曝気槽１２の後段に、該処理槽から流出した活性汚泥懸濁液中に含まれる活性汚泥の一部を磁力によって液中から分離する磁気分離手段２１を設け、該磁気分離手段の後段に、該磁気分離手段から流出した活性汚泥懸濁液中の活性汚泥を液中から分離する最終沈殿池１３を設けるとともに、前記磁気分離手段で分離した活性汚泥を前記処理槽に返送する経路１４を設ける。

Description

本発明は、排水処理装置に関し、詳しくは、有機物を主な汚濁成分とする排水や下水等の水処理を、磁性粉を添加した活性汚泥法によって行う排水処理装置に関する。

下水や有機排水の処理法として、従来から活性汚泥法が広く行われている。この方法は、基本的に、下水等に含まれる有機物を曝気槽等の処理槽で活性汚泥により分解した後、最終沈殿池で活性汚泥を重力により沈降分離し、ここで分離した活性汚泥を処理槽に返送するという型式となっている。このような活性汚泥法では、最終沈殿池において、活性汚泥は水との密度差により沈降分離するため、活性汚泥の沈降性は、活性汚泥の沈降性指標や濃度に影響される。活性汚泥の沈降性の維持管理では、負荷条件、溶存酸素濃度等の影響因子についてプロセス管理者は細心の注意を払う必要があるため、活性汚泥プラントの運転管理には、化学、機械、生物と多岐にわたる専門家が要求される。また、活性汚泥濃度がＭＬＶＳＳで３０００ｍｇ／Ｌ（リットル）を超えると活性汚泥の沈降分離が不完全になる可能性がある。このようなことから、活性汚泥の沈降性指標や濃度に影響されずに固液分離を確実に行うため、膜分離を用いる方法が提案されている（例えば、Ｋ．Ｙａｍａｍｏｔｏ，Ｍ．Ｈｉａｓａ，Ｔ．Ｍａｈｍｏｏｄ ａｎｄ Ｔ．Ｍａｔｓｕｏ：Ｄｉｒｅｃｔ ｓｏｌｉｄ−ｌｉｑｕｉｄ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｈｏｌｌｏｗ ｆｉｂｅｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｉｎ ａｎ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ ａｅｒａｔｉｏｎ ｔａｎｋ．Ｗａｔ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．，２１，４３−５４（１９８９））。
また、活性汚泥法は、水中の有機物を除去する一方で、除去した有機物の半分程度の微生物の増殖がある。この増殖分の微生物は、余剰汚泥と呼ばれており、この余剰汚泥は、大量の水分を含んでいるため、そのまま廃棄できず、大きなエネルギーを消費して濃縮・脱水後に焼却している。さらに、余剰汚泥は、産業廃棄物の大きな割合を占めているため、大きな問題となっている。余剰汚泥を削減するためには、オゾンを添加して増殖した微生物の一部を可溶化処理し、有機物として再度活性汚泥法に投入して処理する方法が報告されている（例えば、Ｙａｓｕｉ，Ｈ．，Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｋ．，Ｉｗａｓａｋｉ，Ｍ．，Ｓａｋａｉ，Ｙ，：Ａ ｆｕｌｌ−ｓｃａｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｏｆ ａ ｎｏｖｅｌ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｅｘｃｅｓｓ ｓｌｕｄｇｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｗａｔ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．３６（１１），１６３−３６ １（１９９６））。
一方、磁気分離法を活性汚泥法に適用することも提案されている。すなわち、強磁性粉である四三酸化鉄やフェライト粒子を活性汚泥懸濁液に添加すると、汚泥フロックが直ちにこれらの強磁性粉を捕捉し、汚泥フロックを磁力で集められるようになることから、沈降分離に頼らない活性汚泥法が可能であることが酒井らにより報告されている（例えば、Ｓａｋａｉ，Ｙ．，Ｆｕｋａｓｅ，Ｔ．，Ｙａｓｕｉ，Ｈ．，Ｓｈｉｂａｔａ，Ｍ：Ａｎ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｅｘｃｅｓｓ ｓｌｕｄｇｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｗａｔ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．３６（１１），１６３−１７０（１９９７）、Ｙ．Ｓａｋａｉ，Ｓ．Ｋｕｒａｋａｔａ ａｎｄ Ｆ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，“Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅｄ Ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｌｏｃｓ ｉｎ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｓｌｕｄｇｅ Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｏｗｄｅｒ ｏｆ Ｉｒｏｎ Ｏｘｉｄｅ”，Ｊ．Ｆｅｒｍｅｎｔ．Ｂｉｏｅｎｇ．，７１（３），２０８−２１０，（１９９１）、Ｙ．Ｓａｋａｉ，Ｋ．Ｔａｎｉ ａｎｄ Ｆ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，”Ｓｅｗａｇｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｕｎｄｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｂａｌａｎｃｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ Ｃｅｌｌ Ｄｅｃａｙ ｗｉｔｈ ａ Ｈｉｇｈ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｓｌｕｄｇｅ Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｏｗｄｅｒ”，Ｊ．Ｆｅｒｍｅｎｔ．Ｂｉｏｅｎｇ．，７４（６），４１３−４１５（１９９２）Ｙ．Ｓａｋａｉ，Ｔ．Ｔｅｒａｋａｄｏ ａｎｄ Ｆ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，”Ａ Ｓｅｗａｇｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｕｓｉｎｇ Ｈｉｇｈｌｙ Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｓｌｕｄｇｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ”，Ｊ．Ｆｅｒｍｅｎｔ．Ｂｉｏｅｎｇ．，７８（１），１２０−１２２，（１９９４）、Ｙ．Ｓａｋａｉ，Ｔ．Ｍｉａｍａ ａｎｄ Ｆｕｊｉｏ Ｔａｋａｈａｓｈｉ，”Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ Ｏｒｇａｎｉｃ ａｎｄ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ｉｎ Ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔｌｙ Ａｅｒａｔｅｄ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｓｌｕｄｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｕｓｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ”，Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，３１（８），２１１３−２１１６，（１９９７）、酒井保藏，高橋不二雄，“磁気分離法による活性汚泥中の糸状菌とフロック形成菌の分離”，水環境学会，２２（４），３２３−３２６，（１９９９）参照。）。
これらの論文では，磁気分離法は、単独又は沈降分離の後段に用いられ、処理水から活性汚泥を完全に磁気分離するために利用されている。磁気分離法によれば、ＭＬＶＳＳが１６ｇ／Ｌの活性汚泥まで分離可能であること、さらに、負荷に応じてＭＬＶＳＳの活性汚泥濃度を設定すれば、ポリペプトン／グルコース混合溶液を模擬排水とした実験では、自己酸化作用によって余剰汚泥を略ゼロにできることが報告されている。また、着磁性を付与された活性汚泥を永久磁石に着磁させて処理水から分離する装置の発明も提案されている（特公平３−５９７５９号公報参照）。
一般的な活性汚泥法で１００ｋｇの有機物を処理すれば、およそ４０〜７０ｋｇの余剰汚泥が発生する。水の浄化と引き換えに、大量の余剰汚泥を社会に対して放出していることになる。また、活性汚泥（微生物）の沈降性が悪化すると成立しないプロセスであるため、多くのコストを払って活性汚泥の沈降性管理を行っている。一方、前記磁気分離のみで活性汚泥を分離する方法では、高い磁気分離性能が要求されるため、磁気分離装置の大型化やコストアップが避けられない。さらに、磁気分離装置の故障時や停電時等には、固液分離が全く行われなくなる不安も否定できない。
加えて、雨天時の一時的な流量増加による最終沈殿池からの活性汚泥の漏出を防止するため、従来は沈殿池を大きくするなどの対策をとっているが、一時的な負荷に対処するためだけに普段は余剰となるスペースを沈殿槽や一時貯留槽に割かなければならない。また、どの程度の雨量まで対応するかによっては、そのスペースは大きなものになる。さらに、大規模な下水処理場等では、メタン発酵処理を併設している場合が多いが、発酵性の劣る余剰汚泥と発酵性の良い生汚泥とを混合してメタン発酵を行っているため、メタン発酵効率が低いという問題がある。
そこで本発明は、磁気分離法を効果的に導入することにより、活性汚泥法における余剰汚泥の大幅削減と、プロセス管理の大幅な簡素化とを実現することができ、しかも、既存の排水処理施設に対しても小規模な改良によって適用が可能な排水処理装置を提供することを目的としている。

本発明の排水処理装置は、磁性粉を添加した活性汚泥によって水処理を行う処理槽と、該処理槽から流出した活性汚泥懸濁液中に含まれる活性汚泥の一部を磁力によって液中から分離する磁気分離手段と、該磁気分離手段から流出した活性汚泥懸濁液中の活性汚泥を液中から分離する固液分離手段と、前記磁気分離手段で分離した活性汚泥を前記処理槽に返送する磁気分離汚泥返送経路とを含んでいる。
また、本発明の排水処理装置は、上記構成において、前記磁気分離汚泥返送経路は、磁気分離手段で分離した活性汚泥の少なくとも一部を可溶化処理する可溶化処理手段を備えていること、前記固液分離手段が重力による沈降分離によって活性汚泥を分離する最終沈殿池であって、前記磁気分離手段から流出して前記最終沈殿池に流入する活性汚泥懸濁液中のＭＬＶＳＳ濃度が３０００ｍｇ／Ｌ以下であること、前記磁気分離手段は、前記処理槽の流出部に設けられていること、前記磁気分離手段は、前記固液分離手段の流入部に設けられていること、前記磁気分離手段は、処理槽流出液中の活性汚泥の５０〜９９．５％を分離すること、前記活性汚泥と前記磁性粉との割合は、活性汚泥のＭＬＶＳＳが１に対して磁性粉が０．０１〜１０の濃度であることを特徴としている。
さらに、上記構成において、前記固液分離手段で分離した活性汚泥の少なくとも一部を、殺菌処理部で処理した後に前記処理槽に返送する沈降分離汚泥返送経路を備えていること、前記固液分離手段で分離した活性汚泥の少なくとも一部を、可溶化処理部で処理した後に前記処理槽に返送する沈降分離汚泥返送経路を備えていること、前記処理槽の前段に設けられた予備固液分離手段と、該予備固液分離手段で分離した初沈汚泥を原料としてメタン発酵を行うメタン発酵手段と、該メタン発酵手段でメタン発酵後の余剰汚泥を可溶化・滅菌処理する可溶化・滅菌処理手段と、該可溶化・滅菌処理手段で処理した余剰汚泥を前記処理槽に投入する余剰汚泥投入経路とを含むこと、前記磁性粉は、大きさが０．０５〜２μｍであり、保磁力が０〜２００Ｏｅの四三酸化鉄粉であること、前記磁気分離手段は、Ｎ極とＳ極とを２〜２０ｍｍの間隔で交互に設けた磁石を備えていることを特徴としている。
なお、本発明における活性汚泥法による水処理は、曝気槽を処理槽とした標準活性汚泥法に限らず、活性汚泥を使用して水処理を行う様々な水処理施設にも適用することができる。例えば、長時間エアレーション法、ＯＤ法、ＡＯ法、Ａ２Ｏ法等にも適用可能で、窒素やリンを除去する水処理にも適用可能である。また、最終的に活性汚泥を分離する固液分離手段には、一般的な沈殿槽、沈殿池を使用できるが、濾過装置、膜分離装置、浮上分離装置、あるいはそれらの組合せを採用することもできる。さらに、処理槽の前段に粗大固形物等を分離する固液分離手段を設ける場合は、一般的な最初沈殿池の他、浮上分離装置や微細目スクリーンを使用することができる。
本発明の排水処理装置によれば、活性汚泥法による水処理において、活性汚泥の分離を、磁力による磁気分離と通常の固液分離との二段階で行うようにするとともに、磁気分離における活性汚泥の分離率を１００％を求めないことで、最終的な活性汚泥の分離を確実に行いながら、磁気分離手段の大幅な小型化が図れる。すなわち、磁気分離手段における活性汚泥分離率を５０〜９９．５％の範囲とすれば、数秒から数十秒で所要の活性汚泥を分離可能であることから、磁気分離手段の大きさを最終沈殿池の容積の１／１００〜１／１００００程度に抑えることができる。したがって、既存の水処理施設への適用も容易である。
また、余剰汚泥をゼロにする有機物の完全酸化によって活性汚泥法の余剰汚泥ゼロエミッション化が実現でき、産業廃棄物としての余剰汚泥の処理が不要となることから、トータル的なコストダウンが図れ、地球環境への寄与も大きい。さらに、活性汚泥自身の増殖と自己酸化とのバランスによって活性汚泥濃度が安定化するので、活性汚泥プロセスの維持管理が簡略化される。磁気分離手段は、簡単な原理の装置構成であるから、装置の管理も容易であり、専門家でなくても問題なく運転管理ができる。
これにより、コストダウンと活性汚泥法の普及とが期待できるため、水環境の改善に貢献できる。しかも、バルキング対策、雨水対策等、従来の活性汚泥法の問題点も解消できる。加えて、メタン発酵の効率向上も期待できるため、コンパクトな装置でより多くのエネルギーを創成でき、化石燃料の消費削減にも貢献できる。

図１は、本発明の一形態例を示す排水処理装置の系統図である。
図２は、磁気分離装置の一例を示す断面図である。
図３は、実施例１における磁気分離装置中の懸濁液滞留時間と磁気分離装置流出液中のＭＬＶＳＳ濃度との関係を示す図である。
図４は、実施例１における曝気槽内のＭＬＶＳＳ濃度の経時変化を示す図である。

図１は、本発明の排水処理装置の一形態例を示す系統図である。この排水処理装置は、基本的には、従来から広く採用されている標準活性汚泥法によって下排水の処理を行うものであって、まず、従来と同様の設備として、流入排水や流入下水中の粗大固形物等を分離するためのスクリーンを具備した予備固液分離手段（最初沈殿池１１）と、活性汚泥が混合した状態の活性汚泥懸濁液に対して散気管１２ａから散気することによって曝気処理するための処理槽（曝気槽）１２と、活性汚泥を重力によって沈降分離させて処理水を流出させるための固液分離手段（最終沈殿池）１３とを備えており、これらに加えて、曝気槽１２と最終沈殿池１３との間に、磁気分離処理によって活性汚泥を分離するための磁気分離手段２１が設けられている。すなわち、曝気槽１２で曝気処理された活性汚泥懸濁液中の活性汚泥は、磁気分離手段２１と最終沈殿池１３との二段階で分離されることになる。前記磁気分離手段２１には、磁気分離した活性汚泥を前記曝気槽１２に返送するための磁気分離汚泥返送経路１４が設けられている。前記最終沈殿池１３には、沈降分離した活性汚泥を前記曝気槽１２に返送するための沈降分離汚泥返送経路１５が設けられている。該沈降分離汚泥返送経路１５には、殺菌処理部１６と該殺菌処理部１６を迂回するバイパス経路１７とが設けられ、活性汚泥の少なくとも一部が、前記殺菌処理部１６にて殺菌処理される。前記磁気分離汚泥返送経路１４には、必要に応じて、可溶化処理手段１８と該可溶化処理手段１８を迂回するバイパス経路１９とを設け、磁気分離手段で分離した活性汚泥の少なくとも一部を可溶化処理することができる。
前記磁気分離手段２１で活性汚泥を磁気分離可能な状態とするため、活性汚泥には、あらかじめ磁性粉が添加混合されており、磁性粉を活性汚泥に吸着保持させた状態にしておく必要がある。使用する磁性粉には、適当なものを選定できるが、１０μｍ以上の大きさの磁性粉は活性汚泥に対して重すぎるため、重力によって活性汚泥から分離してしまうことが多い。このため、これよりも小さなものが好ましく、通常は０．０５〜２μｍの範囲のものが最適である。超微粒子状の磁性粉を使用することも可能であるが、磁性粉のコストが上昇するので好ましくない。また、磁性粉の保磁力は、０〜２００Ｏｅが適当であり、保磁力の大きな磁性粉は、自身の磁力によって凝集し、活性汚泥から分離して沈降してしまう欠点がある。さらに、長期の使用を考慮すると、常温の水中で溶解したり、変質したりすることがほとんどない酸化物系の磁性粉を使用することが好ましく、特に、コスト等を考慮すると粒径が０．１〜１．０μｍ、例えば０．４μｍ程度の四三酸化鉄粉が最適である。
磁性粉の濃度（混合量）は、低すぎると活性汚泥を分離するために超電導磁石のような強力な磁石が必要となり、逆に濃度が高すぎると磁性粉のコストが上昇することになるので、活性汚泥のＭＬＶＳＳが１に対して０．０１から１０の濃度範囲になるようにすることが好ましく、通常は、活性汚泥のＭＬＶＳＳと同程度の濃度となるように設定すればよい。
このような磁性粉は、曝気槽１２等の適当な位置で活性汚泥懸濁液中に投入されると、直ちに活性汚泥に吸着保持された状態となり、磁石に引き寄せられる磁性粉含有活性汚泥となる。この磁性粉含有活性汚泥は、そのほとんどあるいは全量が返送汚泥と共に循環するので、活性汚泥懸濁液への磁性粉の添加混合は、通常は、磁気分離を開始する前に１回だけ行えばよいが、水処理施設の状況に応じて適宜追加することもできる。また、系内を循環する活性汚泥の全体に満遍なく磁性粉が吸着するように、活性汚泥を循環させながら適当な量の磁性粉を適当な間隔で添加することが好ましい。
処理水と活性汚泥との分離は、磁気分離手段２１と最終沈殿池１３とで行われるため、磁気分離手段２１では、磁性粉含有活性汚泥の全量を磁気分離する必要はなく、磁性粉含有活性汚泥の濃度と最終沈殿池１３の負荷とに応じて、液中に存在する磁性粉含有活性汚泥の半分以上、すなわち、５０〜９９．５％を分離できるようにしておけばよい。
磁性粉含有活性汚泥を懸濁液中から分離するための磁気分離手段２１には、今までに提案されている様々な方式のものを利用することができる。例えば、図２の断面図に示すように、活性汚泥懸濁液の流入部２２ａ及び流出部２２ｂを有する磁気分離槽２２と、外周面に磁石を配置した回転ドラム２３と、回転ドラム２３に付着した磁性粉含有活性汚泥２４を掻き落とすスクレーパー２５と、スクレーパー２５で掻き落とした磁性粉含有活性汚泥２４を回収する汚泥回収トラフ２６とを含む磁気分離装置２７を使用することができる。なお、前記回転ドラム２３には、図示しない駆動用のモーター等が接続され、前記汚泥回収トラフ２６には、前記磁気分離汚泥返送経路１４が接続されている。
前記回転ドラム２３に設けられる磁石は、超電導磁石や電磁石等の特殊な磁石を採用することもできるが、磁性粉含有活性汚泥の全てを懸濁液から分離する必要がないため、一般的で、安価に入手が可能な永久磁石、例えばフェライト磁石を用いることができる。ドラム周面における磁極の配列は、２〜２０ｍｍの着磁間隔でＮ極とＳ極とを交互に配列した状態とすることが好ましい。この着磁間隔が狭くなると磁性粉含有活性汚泥の飽和付着量が減少し、着磁間隔が広くなると磁性粉含有活性汚泥の付着力が弱くなる。回転ドラム２３の大きさ（直径及び長さ）や磁気分離処理時の回転数は任意であり、処理量に応じて選定することが可能で、設置スペースや製造コスト、運転コスト等を考慮して設定すればよい。
磁力により懸濁液から分離した磁性粉含有活性汚泥の回収は、磁石の構造や形状に応じて任意の方法で行うことができ、板状、円盤状、棒状等の様々な形状の磁石と、これらの磁石の形状等に合わせた汚泥回収手段とを組み合わせることができるが、前記回転ドラム２３とスクレーパー２５との組み合わせにより、磁気分離した磁性粉含有活性汚泥２４を連続状態で容易に回収することができる。また、回転ドラム形状の磁石を使用することにより、装置構成も単純化でき、磁気分離装置２７の製作コストが削減できるだけでなく、保守点検も容易に行うことができる。
このような構造の排水処理装置に流入する下排水は、最初沈殿池１１を経て曝気槽１２に流入し、磁気分離汚泥返送経路１４や沈降分離汚泥返送経路１５から循環する返送汚泥（磁性粉含有活性汚泥）と混合した状態で曝気処理される。曝気処理後の活性汚泥懸濁液は、曝気槽１２から流出して磁気分離手段２１に流入し、懸濁液中の磁性粉含有活性汚泥の一部が磁気分離される。
磁気分離手段２１における活性汚泥の分離量は、曝気槽１２における活性汚泥の増殖分と自己酸化とのバランス、及び、最終沈殿池１３の負荷に応じて設定されるものであるが、通常は、最終沈殿池１３に流入する活性汚泥懸濁液中の活性汚泥濃度が３０００ｍｇ／Ｌ以下、好ましくは２０００ｍｇ／Ｌ以下、特に、１５００ｍｇ／Ｌ以下になるように設定することが好ましい。一方、活性汚泥濃度が低すぎた場合は、最終沈澱池１３においてスラッジブランケットが生成し難くなり、処理水の清澄度が低下する恐れがある。そのため、活性汚泥濃度は、５００ｍｇ／Ｌ以上である方が良い。
一般的に、下水処理場の曝気槽１２に流入する下水のＢＯＤ濃度は、１００〜２００ｍｇ／Ｌ程度である。この負荷条件における曝気槽１２では、活性汚泥濃度が５０００〜１００００ｍｇ／Ｌの範囲となったときに、活性汚泥の増殖分と自己酸化とがバランスして余剰汚泥がほとんど発生しない状態となる。したがって、磁気分離手段２１によって活性汚泥の８０％を分離することにより、最終沈殿池１３に流入する活性汚泥濃度を１０００〜２０００ｍｇ／Ｌとすることができる。この活性汚泥濃度範囲ならば、最終沈殿池１３において十分な沈降分離を行うことが可能となる。
このとき、磁気分離手段２１及び最終沈殿池１３で分離した活性汚泥の全量を曝気槽１２に返送しても、活性汚泥自身の増殖分と自己酸化とのバランスによって活性汚泥濃度の上昇が自動的に停止するので、活性汚泥濃度の維持管理を不要なものとすることができる。このとき、平衡状態にある活性汚泥濃度は、負荷変動に伴って自然に変動するが、最大負荷のときでも最終沈殿池１３の許容汚泥濃度を超えないように磁気分離手段２１での活性汚泥分離量を設定しておくことにより、負荷変動に関係なく水処理を継続することができる。
さらに、磁気分離手段２１によって活性汚泥の大部分を分離することにより、曝気槽１２における活性汚泥濃度がある程度高くなっても最終沈殿池１３が許容汚泥濃度以上になることを防止できるので、外部からの余剰汚泥を曝気槽１２に投入して自己酸化させるマイナスエミッションも可能である。
活性汚泥を構成する微生物の中で、糸状菌や分散性の微生物は、単独では磁性粉を保持できないため、その多くが磁気分離手段２１を通過して最終沈殿池１３に流入し、ここで沈降分離することになる。一方、磁性粉を保持しやすいフロック形成菌は、そのほとんどが磁気分離手段２１で分離し、磁気分離汚泥返送経路１４を通って曝気槽１２に返送される。したがって、磁気分離手段２１で分離回収した活性汚泥のみを曝気槽１２に返送することにより、曝気槽１２内の活性汚泥をフロック形成菌を主としたものとすることができ、バルキングの発生を防止することができる。但し、この場合は、最終沈殿池１３から余剰汚泥が発生することになるので、余剰汚泥を発生させないためには、最終沈殿池１３で分離した活性汚泥も曝気槽１２に返送する必要がある。
このように糸状菌や分散性の微生物を含む活性汚泥を曝気槽１２に返送すると、バルキングの発生を完全に防止することができなくなるので、最終沈殿池１３から曝気槽１２に活性汚泥を返送するまでの間で、例えば、図１に示すように、沈降分離汚泥返送経路１５に殺菌処理部１６を設置し、ここでオゾン・塩素・過酸化水素等を用いて殺菌処理を行うことにより、バルキングの原因菌となる糸状菌等を駆除することができる。これにより、バルキングの発生を抑制しながら最終沈殿池１３から余剰汚泥が発生することを防止できる。殺菌処理部１６での殺菌処理は、適度な強度で連続して行ってもよいが、バルキングの発生状況に応じて行えばよく、通常は、バルキング状態から通常状態への復帰に、曝気槽滞留時間の数倍〜１０倍程度の時間、前記殺菌処理を行えば十分である。
また、図１に示す、殺菌処理部１６に代えて、あるいは、殺菌処理部１６と共に、可溶化処理部を設置することもできる。この可溶化処理部には、オゾン処理装置、超音波処理装置、熱処理装置、アルカリ処理装置、あるいは、破砕機やボールミル等の機械的処理装置を設置する。前記可溶化処理部は、そのままでは生物分解が困難である返送汚泥に対し、生物分解性を向上させることを主目的とする。ただし、処理装置の態様（例えば、オゾン処理装置）によっては、前記殺菌処理も期待できるため、単一の処理部で兼用させることもできる。なお、曝気槽１２へ微生物を返送する必要があるため、返送汚泥の全量では無く、一部のみ処理した方が良い場合もあるから、前記可溶化処理部、あるいは前記殺菌処理部１６を配設した経路に、前記バイパス経路１７を設けておくことが好ましい。
さらに、図１に示すように、磁気分離汚泥返送経路１４からの磁気分離汚泥は、有機物濃度の高い曝気槽１２の上流側に返送し、沈降分離汚泥返送経路１５からの沈降分離活性汚泥は有機物濃度の低い曝気槽１２の下流側に返送することにより、曝気槽１２において、磁気分離汚泥中のフロック形成菌を優先的に増殖させることができる。なお、この磁気分離汚泥返送経路１４に、前記可溶化処理手段１８を設け、前述のような可溶化処理を行うことにより、前述のような生物分解性の向上を期待できる。また、この場合にも、前記バイパス１９を設け、返送汚泥の一部のみを処理する態様とすることもできる。
また、雨水の流入によって最終沈殿池１３に流入する水量が増加するような場合でも、磁性粉を捕捉した活性汚泥は、通常の活性汚泥よりも比重が大きく沈降性が良好なため、さらに、前述のようにフロック形成菌を優先的に増殖させることができるため、最終沈殿池１３で十分な沈降分離を行うことができる。例えば、磁気分離手段２１の能力を、雨水による流量増加時でも最終沈殿池１３に流入するＭＬＶＳＳ濃度が１０００ｍｇ／Ｌ程度になるように設定しておけば、通常３〜４時間程度に設定されている最終沈殿池１３の滞留時間が半分程度になっても、沈降分離への悪影響をほとんどなくすことができる。
このような排水処理施設においてメタン発酵を行う場合、従来は、最初沈殿池１１及び最終沈殿池１３から抜き取った余剰汚泥を原料として用いていたが、最終沈殿池１３等からの余剰汚泥の発生を無くすことができるので、メタン発酵には、発酵性のよい初沈汚泥のみを原料とすることができる。これにより、メタン発酵の効率を向上できるとともに、メタン発酵後の余剰汚泥量も減量できる。さらに、この余剰汚泥に対して可溶化及び滅菌処理を施した後、曝気槽１２に投入することにより、最初沈殿池１１からの余剰汚泥の発生も無くすことができる。
すなわち、図１に示すように、最初沈殿池１１の初沈汚泥のみを原料とするメタン発酵手段３１と、該メタン発酵手段３１で発生した余剰汚泥に対してオゾン処理やアルカリ処理等を施す可溶化・滅菌処理手段３２と、可溶化・滅菌処理手段３２で処理した余剰汚泥を曝気槽１２に投入する余剰汚泥投入経路３３とを設けることにより、最初沈殿池１１からの余剰汚泥の発生も無くすことができるので、水処理施設全体から余剰汚泥の発生を完全に無くした活性汚泥法による水処理が実現可能となる。
加えて、磁気分離手段２１は、磁性粉含有活性汚泥の全量を分離する必要がないため、極めて短時間で所要量の活性汚泥を分離することができ、例えば、磁性粉含有活性汚泥の分離除去率が９９．５％の場合でも、数秒から数十秒で磁気分離処理ができるから、最終沈殿池１３の容積の１／１００〜１／１００００程度の容積で処理可能となる。したがって、既存の水処理施設における曝気槽１２と最終沈殿池１３との間だけでなく、図１に符号２１ａ、２１ｂで示すように、曝気槽１２の流出部１２ｂや最終沈殿池１３の流入部１３ａにも小規模な改造で磁気分離手段２１を設置することが可能であるから、新設の水処理施設への適用だけでなく、既存の水処理施設への適用も容易である。
また、本形態例では、磁気分離手段後段の固液分離手段として、活性汚泥を重力により沈降分離する最終沈殿池１３を例示したが、この固液分離手段として膜分離を採用した場合でも、膜の目詰まりを抑制し、洗浄操作の間隔を従来より広くとることが可能となるので、膜の長寿命化等が図れ、膜分離におけるコストを削減することができる。

磁気分離装置として、前記図２に示した構造のものを用意した。すなわち、直径２０ｃｍ、長さ３５ｃｍの回転ドラムの外周面に約１０ｍｍ間隔でＮ極とＳ極とを交互に設けるとともに、回転ドラムに付着した活性汚泥を掻き取るためのスクレーパーを設け、回転ドラムの下半部を磁気分離槽内に挿入して回転させ、１回転毎に回転ドラムの磁石に付着した活性汚泥をスクレーパーで掻き取るようにした。
活性汚泥懸濁液として、ＭＬＶＳＳ：６０００ｍｇ／Ｌ，四三酸化鉄：６０００ｍｇ／Ｌの磁性粉含有活性汚泥懸濁液を用意し、回転ドラムを１０ｒｐｍで回転させて磁気分離を行った。なお、磁気分離槽の実効容積は５８０ｍｌである。磁気分離装置中の懸濁液滞留時間と磁気分離装置流出液中のＭＬＶＳＳ濃度との関係を図３に示す。
この結果から、滞留時間が１４秒以上のときには、流出液中のＭＬＶＳＳ濃度が５ｍｇ／Ｌ以下に低下しており、１００％近い汚泥分離率を示した。滞留時間７秒で流出液中のＭＬＶＳＳは約５０ｍｇ／Ｌであるが、汚泥残留率では０．８％に過ぎない。滞留時間が２秒のときで、流出液中のＭＬＶＳＳ濃度が１１８０ｍｇ／Ｌとなり、略８０％の汚泥分離率となる。この磁気分離装置の処理能力は８０％汚泥分離率で約１ｍ３／ｈであった。
この磁気分離装置を、１日２０ｍ３処理している通常の活性汚泥法による下水処理実験プラントの曝気槽上部に取り付け、曝気槽からの流出液を、この磁気分離装置を通して最終沈殿池に流入させた。その結果、曝気槽の活性汚泥濃度はＭＬＶＳＳが６０００ｍｇ／Ｌで増加が停止し、余剰汚泥の引き抜きを行わなくても安定した運転状態となった。このときの曝気槽内のＭＬＶＳＳ濃度の経時変化を図４に示す。運転中における最終沈殿池には、ＭＬＶＳＳが５００〜１５００ｍｇ／Ｌの活性汚泥が磁気分離装置を通して流入し、完全な固液分離ができた。

実施例１と同じ下水処理実験プラントに、実施例１と同じ磁気分離装置を２基設置して運転を行った。通常負荷では、最終沈殿池流入液のＭＬＶＳＳ濃度は１００〜２００ｍｇ／Ｌであった。雨水の流入を想定し、最終沈殿池の上澄み液を１日１０ｍ３戻し、曝気槽への流入水量を１．５倍にした。その結果、最終沈殿池流入液のＭＬＶＳＳ濃度は約３００〜４００ｍｇ／Ｌまで増加したが、活性汚泥濃度が十分に低いこと及び磁性粉を捕捉していることにより、活性汚泥の沈降性が良いため、最終沈殿池での固液分離は十分に行われ、流量増加によるＳＳの流出は認められなかった。

Claims (12)

1. 磁性粉を添加した活性汚泥によって水処理を行う処理槽と、該処理槽から流出した活性汚泥懸濁液中に含まれる活性汚泥の一部を磁力によって液中から分離する磁気分離手段と、該磁気分離手段から流出した活性汚泥懸濁液中の活性汚泥を液中から分離する固液分離手段と、前記磁気分離手段で分離した活性汚泥を前記処理槽に返送する磁気分離汚泥返送経路とを含む排水処理装置。
2. 前記磁気分離汚泥返送経路は、磁気分離手段で分離した活性汚泥の少なくとも一部を可溶化処理する可溶化処理手段を備えている請求項１に記載の排水処理装置。
3. 前記固液分離手段が重力による沈降分離によって活性汚泥を分離する最終沈殿池であって、前記磁気分離手段から流出して前記最終沈殿池に流入する活性汚泥懸濁液中のＭＬＶＳＳ濃度が３０００ｍｇ／Ｌ以下である請求項１又は２に記載の排水処理装置。
4. 前記磁気分離手段は、前記処理槽の流出部に設けられている請求項１に記載の排水処理装置。
5. 前記磁気分離手段は、前記固液分離手段の流入部に設けられている請求項１に記載の排水処理装置。
6. 前記磁気分離手段は、処理槽流出液中の活性汚泥の５０〜９９．５％を分離する請求項１に記載の排水処理装置。
7. 前記活性汚泥と前記磁性粉との割合は、活性汚泥のＭＬＶＳＳが１に対して磁性粉が０．０１〜１０の濃度である請求項１に記載の排水処理装置。
8. 前記固液分離手段で分離した活性汚泥の少なくとも一部を、殺菌処理部で処理した後に前記処理槽に返送する沈降分離汚泥返送経路を備えている請求項１に記載の排水処理装置。
9. 前記固液分離手段で分離した活性汚泥の少なくとも一部を、可溶化処理部で処理した後に前記処理槽に返送する沈降分離汚泥返送経路を備えている請求項１に記載の排水処理装置。
10. 前記処理槽の前段に設けられた予備固液分離手段と、該予備固液分離手段で分離した初沈汚泥を原料としてメタン発酵を行うメタン発酵手段と、該メタン発酵手段でメタン発酵後の余剰汚泥を可溶化・滅菌処理する可溶化・滅菌処理手段と、該可溶化・滅菌処理手段で処理した余剰汚泥を前記処理槽に投入する余剰汚泥投入経路とを含む請求項１に記載の排水処理装置。
11. 前記磁性粉は、大きさが０．０５〜２μｍであり、保磁力が０〜２００Ｏｅの四三酸化鉄粉である請求項１に記載の排水処理装置。
12. 前記磁気分離手段は、Ｎ極とＳ極とを２〜２０ｍｍの間隔で交互に設けた磁石を備えている請求項１に記載の排水処理装置。

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