(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃水の曝気槽において、該曝気槽を密封構造とし、該曝気槽を減圧するための排気ポンプ、該曝気槽内の廃水を該槽外に誘引し、再び該槽内に戻す循環処理のための循環ポンプを備えた廃水処理装置を用いて、第一段階として、該排気ポンプを作動させ、該曝気槽を減圧雰囲気とし、該廃水中のガスを抜き、曝気によって供給する溶存酸素を高める減圧曝気を行ない、第二段階として、該減圧も、該曝気も停止し、時系列上該第一段階と該第二段階を組み合わせてなる微生物を利用する廃水処理の方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は微生物の働きを用い、畜糞尿や下水及び産廃廃水などの有機廃水を含む廃水を処理する廃水処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまでの廃水処理は、活性汚泥法が中心的な処理方法として用いられて来た。しかし、この方法は二つの大きな問題点を持っていた。その一つは、廃液の浮遊物質濃度を好気的処理の限界である２０００ｐｐｍにまで希釈しなければならないこと。このため原液（たとえば畜糞尿の場合２００００ｐｐｍ以上）を１０〜１００倍くらいに希釈した上で処理しなければならず、広大な処理施設が必要であった。
【０００３】
また、発生する汚泥の処理が大変厄介であった。たとえば１０万トンの都市下水を処理した時、１０００トンの含水率９８％の汚泥が発生し、この汚泥の処理施設のために下水処理施設建設費の３０〜４０％の建設費と、維持管理費の４０〜５０％の費用がかかった。また、この汚泥の含水率を減らす技術として、機械的処理では６０％が限界であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明ではほとんど希釈することなく原液のままの処理が可能であり、沈殿汚泥はほとんど発生せず自己消化でき、浮上汚泥は含水率５０％前後という低いものを作り出す、微生物を利用した廃水処理装置及び廃水処理の方法を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための技術】
図２は活性汚泥法による物質収支を示す図である。廃水中の有機物は曝気槽内で活性汚泥フロックに速やかに吸着された後、微生物によって吸収される。固形の有機物は活性汚泥に吸着された後、原生動物などに直接摂取される。好気性の微生物は酸素の存在下で廃水中の有機物を酸化分解してエネルギーを獲得（同化呼吸）し、このエネルギーを利用して新しい細胞を合成する。これは以下の式で表される。
有機物＋窒素化合物＋酸素―→  炭酸ガス＋水＋微生物  ……  （式▲１▼）
図２の「利用された有機物」は、「同化呼吸」によって排出される「炭酸ガス」と「水」そして、「原形質」と「貯留」の合計値として示された「微生物」に変化する。
【０００６】
さらに、式▲１▼で生産されたこの微生物は栄養が不足してくると、次のようにその一部が酸化される。
微生物＋酸素  ―→炭酸ガス＋水＋アンモニア  ……  （式▲２▼）
図２で「原形質」「貯留」分として示された微生物のうち、「内生呼吸」によって「炭酸ガス」「水」「アンモニア」に変化した分以外の残った微生物は、余剰汚泥として排出されることになる。そして、「流入水中の有機物」のうち、このように「利用された有機物」として処理されなかった残りの有機物は、「処理水有機物」として処理水中に混入され排出されることになる。
【０００７】
これまでの活性汚泥法では、有機物等の浮遊物濃度の高い廃水原液を使用すると、図２で言う「処理水有機物」が高濃度になったため、河川等の排水基準を越えることになり、希釈したものを使うしかなかったということである。従って、この点から見えてくる技術的な課題としては、廃水の処理過程で有機物を、微生物ないし呼吸エネルギーへの転換を如何に効率良く計るかという点である。
【０００８】
図３は活性汚泥法に於ける有機物の減少や微生物の増殖などと、反応時間との関係を示した図である。有機物は時間の経過に従いしだいに酸化分解され、一部は微生物の合成、一部は呼吸に利用されて減少する。微生物は環境に適応する準備時間（誘導期）を経てから急速に増加を始める（対数期）が、この後廃水中の有機物が減少するため、しだいに増殖速度が低下し増殖が止まる（定常期）。最終的には内生呼吸によって微生物は減少する。酸素消費速度は対数増殖期から定常期で最も高い。
【０００９】
微生物が増殖し、酸素消費量が増え、廃水中の溶存酸素が減少すると、酸素呼吸をする微生物は死滅することになる。死滅した微生物は汚泥として残ることになる。一方無酸素状態になると、微生物を含む有機物中の酸素を奪って呼吸する微生物が繁殖し、有機物を還元分解することになる。
【００１０】
図３から浮遊物濃度の高い廃水原液を使うことは、微生物に栄養素を与え増殖を計るという点ではなんら問題はなく、むしろ廃水原液では溶存酸素量が少なく（たとえば０．１ｍｇ／ｌ）、好気性微生物の活用を計れないという点に問題があることがはっきりした。
【００１１】
また、その溶存酸素量の問題についても、有機物の微生物等への形態変化に於ては必要であるが、ある時点では酸素供給を断つことが微生物や有機物を還元分解するためには必要であることが分かった。
【００１２】
更に、還元分解したものを消化分解して行く過程は、細胞呼吸の酸素を必要としない嫌気呼吸過程として見ることができる。これは、ブドウ糖が分解されピルビン酸ができる発酵と同じであり、こうした消化分解が行われれば汚泥そのものが無くなって行くことになる。
【００１３】
そこで、これまでの活性汚泥法に於ける問題点である「高濃度の廃水の原液処理はできない」や、「発生する汚泥の処理が大変」ということの原因になっている技術的問題を解決する道は、以下のようにまとめることができる。
▲１▼廃水原液の溶存酸素量を上げ、先ず好気性微生物を十分に働かせ、有機物の微生物への転換を計る。この過程で腐敗物は酸化分解する。
▲２▼次に廃水中の溶存酸素を減少させ、死滅した微生物や有機物中の酸素を奪って呼吸する微生物を繁殖させ、有機物の分解を進める。
▲３▼更にこの状態を続け、嫌気呼吸による有機物の消化を進める。
【００１４】
これまで本願発明者は、廃水中の溶存酸素量を増大させるために、曝気槽上に陣笠状のものを置き、その陣笠上を流下する過程で空気を巻き込むなどの発明（特願平１０−３０３０７号）や、微生物の働きが誘導期、対数増殖期、定常期、内生期へと変化することを考え、変化に対応した処理をすることによる有機物の分解増進を計る発明（特願平１１−１２０３１３号）などを既に出願して来たが、その上に今回は上述した技術的問題を考えた上で、次のような技術的解決策を考えた。
【００１５】
第一に、廃水原液中に含まれている腐敗ガスやＣＯ２などのガスを、排気ポンプを働かせ曝気槽内を減圧することによってガス抜きし、曝気によって供給する酸素が廃水中に溶け込みやすくした。また、この減圧によってＣＯ２を抜き、独立栄養微生物の炭素栄養源が補給されることを阻止し、従属栄養微生物が活発に活動できるようにした。従属栄養微生物の場合、炭素栄養源を有機物そのものに求めるため、有機物の減量化を促進することになる。
【００１６】
第二に、減圧曝気によって当初嫌気状態にあった廃水原液が、徐々に溶存酸素を増やし酸化還元電位が上がって行くことを追いかけ、その値が一定の値になったところで減圧曝気を止め、逆に通性嫌気性ないし嫌気性微生物の働きを引き出し、有機物の消化分解を進めた。
【００１７】
【発明の具体的な内容】
図１は本発明による減圧曝気装置の一実施例である。（２）は廃水の原液槽、（４）は密封可能な曝気槽、（６）は曝気のためのブロワ、（８）は循環ポンプ、（１０）は排気ポンプ、（１２）は陣笠、（１４）は廃水である。
【００１８】
この曝気槽（４）は一定の強度をもったステンレスの外装をもち、密封構造を取れるようになっている。廃水の原液槽（２）から原液ポンプによって、廃水を曝気槽（４）に一定量移す。廃水原液は陣笠の略頂点部から流下し、中に廃水（１４）として溜まる。この後排気ポンプ（１０）を働かせ、曝気槽（４）内のガスを排気塔（１８）から抜き出して行く。
【００１９】
ほぼ同時に曝気ブロワ（６）を働かせ、廃水の中に空気を送り曝気する。ここで送る空気量は排気ポンプによる排気量との関係を考え、槽内が減圧となるように調整する。槽の底から循環ポンプ（８）で誘引された廃水は、陣笠（１２）の略頂点部に落とされ、陣笠（１２）を流下し再び廃水（１４）に戻り循環することになる。
【００２０】
廃水の原液として牛の糞尿を使用した時、当初曝気槽（４）内に移す時には粘り気があった原液が、約一時間の減圧曝気処理によって、サラサラとした廃水に変化する。廃水（１４）中の溶存酸素量は、この過程で０．１ｍｇ／ｌから１．０ｍｇ／ｌへと増大する。原液を１／１０〜１／１００に希釈した廃水の処理を行う活性汚泥法の場合、この段階で第３図に見るように微生物の増殖によって、栄養となる有機物が足りなくなり、微生物の減少が始まるとされて来た。しかし、この過程をもう少し詳しく検討する。
【００２１】
この過程で有機物が酸化分解し、微生物が内生呼吸によって酸化分解するいずれの過程でも炭酸ガスが発生する。これは、一つには独立栄養微生物の増殖を促すことになり、もう一つは炭酸ガスの存在によって溶存酸素量を高めることができなくなると考えられる。その結果有機物が微生物に転換する式▲１▼の反応や、微生物が内生呼吸によって炭酸ガスや水或いはアンモニアに転化する式▲２▼の反応が起こらなくなる。その時点で活性汚泥法に於ける好気性の微生物を使用した、積極的な有機物の酸化分解反応が、事実上止まってしまうことになっていたと考えられる。
【００２２】
これに対し、本願の方法では減圧曝気によって炭酸ガスを排気する一方で、酸素を供給したため式▲１▼の反応が効率良く進むことになった。それは廃水（１４）中の溶存酸素量が増え続けた実験データによっても確認できた。
【００２３】
酸化還元電位（いわゆるＯＲＰ値）は、牛糞尿の廃水原液などの場合嫌気状態にあり、溶存酸素量が少ないため−２００〜−４００ｍＶの値を示す。これが酸素を送られ廃水中の有機物が好気性の微生物に吸収されて行くと、数値はプラスの方に上って行く。
【００２４】
減圧曝気によって泡が出始め、酸化還元電位が上がり一定の指標を越えた時に、排気ポンプ（１０）と曝気ブロワ（６）とを両方とも止め、循環ポンプ（８）だけ働かせるようにする。暫くすると廃水の中から自然に発泡が始まり、槽内は嫌気で且つ加圧状態となる。泡をパイプライン（２０）を通って他の槽（２２）に導入するようにしておくと、泡は次々にその槽（２２）に移って行く。
【００２５】
この泡はフィードバック系によって曝気槽（４）に戻し、循環ポンプ（８）で循環される廃水と一緒に廃水（１４）に戻され、再び処理されて行く。
【００２６】
このように処理された廃水は別槽に移し、液中のコロイド状有機物や繊維状有機物等の汚れを浮上物として分離した後、多少の沈殿物を残し処理液として抜き取る。沈殿物は次の曝気処理の時に使用し、いわゆる沈殿汚泥として抜き取る必要はない。処理液は牛糞尿の原液を処理したものの場合などは、液肥資材として使用する方法もあり、再利用または廃棄のそれぞれの目的に従って二次処理することになる。
【００２７】
本発明による減圧曝気と減圧曝気を止める処理との組み合わせによって、処理前にビーカーに採取し所定の時間静置した後でも１％も分離しなかった廃水が、処理後は９５％の処理水と５％の沈殿部に分離した。
【００２８】
本発明は第一段階として減圧曝気を行った。ここでは廃水中の腐敗ガスなどを浮上させ排気することにより、曝気によって送られる酸素が廃水中に溶け込みやすくし、有機物が微生物に変わる式▲１▼の反応を進めた。また、この過程で炭酸ガスを抜くことにより独立栄養微生物の炭素原を断ち、有機物を炭素原とする従属栄養微生物が活発に働くようにし、有機物の減少を促進した。
【００２９】
こうした微生物の反応は炭酸ガスをいずれも排出することになり、その存在が廃水中の溶存酸素の増大を阻害することとなったが、本発明の場合この炭酸ガスを抜き取ることにより、微生物の増殖にもかかわらず溶存酸素量を増やし続けることができ、有機物が少なくなった後、式▲２▼に基づく微生物が内生呼吸によって減少して行く反応を着実に行えた。
【００３０】
微生物は有機物だけでなく酸素の供給を断つと、溶存酸素に頼って生成する微生物は死滅し、そうした微生物を含む有機物中の酸素を奪い取って生きて行く微生物が、増殖することになることが知られている。本発明の場合第二段階として、第一段階で微生物が増殖した時点で減圧、曝気を停止した。当然短時間のうちに溶存酸素は減少し、好気性微生物は次々に死滅し、死滅した微生物中の酸素を奪い取る還元分解が行われて、本来なら汚泥となる微生物の死骸を分解することができた。第一段階では増え続けた溶存酸素量が、第二段階になって減って行くことでこのことは確認できた。
【００３１】
この第二段階では極めて短い間に、微生物相が好気性微生物〜通性嫌気性微生物〜絶対嫌気性微生物へと相転換して行く。廃水処理の処理対象とする有機物は、もちろん炭水化物・脂肪・たんぱく質などによって構成されている。これらの処理を通して汚れと汚れでない部分として分離する（従来の活性汚泥法）だけでなく、消化分解するためには、動物の消化器官と同様の働きをさせることが必要ではないかと考えた。
【００３２】
第一段階そして第二段階を通して、有機物の分解は酸化分解・還元分解として行って来たが、消化分解には酵素が必要になる。こうした酵素は微生物の廃棄物として排出されることが知られているが、この第一段階と第二段階への変化は相を変えた微生物を生み出し、その結果、消化に必要な酵素も複合的に作り出され、消化分解が進み汚泥量を減らすことができたと考えられる。ちなみに、人間の代表的な消化器官である大腸の酸化還元電位は、還元側（＋２００ｍＶ以下）に置くことで正常な働きをすることが知られており、本発明でもそのように作動させた。
【００３３】
また、第二段階での発泡はビールの泡状の極めて細かい泡であり、酸素を必要としない嫌気呼吸による分解が、多種の微生物による並行複分解として行われた結果の発泡と考えている。
【００３４】
【発明の効果】
以上本願では具体的な実施例に見るように、減圧曝気とそれを止める組み合わせの微生物処理によって、浮遊物濃度の極めて高い廃水原液をそのまま処理することができ、しかも、その処理過程で排出されるものは水分含有率の低い浮上汚泥だけであるという、画期的な効果がもたらされた。この結果処理施設は極めて小さな処理施設で済み、沈殿汚泥の処理という厄介な仕事からも解放されることになった。なお、本願の実施例はあくまでも一実施例であり、実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】は本願発明による廃水処理装置の一実施例図ある。
【図２】は本願発明を説明するための活性汚泥法の物質収支を示す図である。
【図３】は本願発明を説明するための有機物の分解と微生物の増殖を示す図である。
【図１】
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【図２】
0003613758.tif 000003
【図３】
0003613758.tif 000004