(57)【要約】【課題】装置のイニシャルコストの低減および好気性リアクタにおける有機物分解性能の向上、及び窒素を除去しえる汚水の水処理システムを提供することを課題とする。【解決手段】有機性廃水を下部から上部に流す上向流式の嫌気性リアクタ１１と、この嫌気性リアクタ１１の外側に巻きつけられた螺旋状の好気性処理配管１２とを具備し、前記嫌気性リアクタ１１の上部からの流出水が好気性処理配管１２をつたって、上部から下部に自然流下によって流れる構成の汚水の水処理システムであって、前記好気性処理配管１１の内部に微生物を付着させるための担体を備え、水流の表面部から空気中の酸素を取り込むことにより好気性処理を行うことを特徴とする汚水の水処理システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃水を下部から上部に流す上向流式の嫌気性リアクタと、
この嫌気性リアクタの外側に螺旋状に巻きつけられた配管又は水路とを具備し、
前記嫌気性リアクタの上部からの流出水が螺旋状配管又は螺旋状水路をつたって、上部から下部に自然流下によって流れる構成の汚水の水処理システムであって、
前記螺旋状配管又は螺旋状水路の内部に微生物を付着させるための担体を備え、水流の表面部から空気中の酸素を取り込むことにより好気性処理を行うことを特徴とする汚水の水処理システム。
【請求項２】
螺旋状配管又は螺旋状水路内に一つ以上の堰を有することを特徴とする請求項１または２の汚水の水処理システム。
【請求項３】
螺旋状配管又は螺旋状水路内に、気液の接触面を高めるための段差部もしくは水の急落下部を配したことを特徴とする請求項１または２の汚水の水処理システム。
【請求項４】
微生物を付着させるための担体を固定するために任意の間隔でメッシュ又は網状ネットなどにより、担体の流出防止を図ったことを特徴とする請求項１乃至４いずれか一記載の汚水の水処理システム。
【請求項５】
螺旋状配管又は螺旋状水路の下端部の水を上端部または途中部分に返送する循環部を有することを特徴とする請求項１乃至５いずれか一記載の汚水の水処理システム。
【請求項６】
嫌気性リアクタの外側に巻きつけた配管を光の透過する素材とすることにより、光合成反応により、窒素、リン除去機能を有することを特徴とする請求項１乃至６いずれか一記載の汚水の水処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、食品工場の製造過程で排出される有機性廃水または下水等を処理する汚水の水処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水処理技術として、嫌気性固定床やＵＡＳＢ（Upflow Anaerobic Sludge Blanket）法などの上向流式の嫌気性リアクタを前段に配し、後段に下向流式の好気性リアクタを配した水処理システムが知られている（特許文献１）。特許文献１は、図１１に示すような構成になっている。図中の符番１は嫌気性リアクタであり、原水ポンプ２より有機性廃水が供給されるようになっている。嫌気性リアクタ１には、担体（図示せず）が充填されたろ床３が配置された好気性リアクタ４が接続されている。この好気性リアクタ４には、ブロワ５が接続されている。前記嫌気性リアクタ１には、該嫌気性リアクタ１からバイオガスガ供給されるガス処理塔６が接続されている。なお、図１１において、実線は水の流れ、点線はガスの流れを示す。
【０００３】
この水処理システムでは、原水を嫌気性リアクタ１に導入し、嫌気性リアクタ１においてメタン生成菌を中心とした嫌気性微生物の働きにより、原水中の有機物を分解する。この嫌気性処理水を後段の好気性リアクタ４に導入し、嫌気性リアクタ１で分解しきれなかった有機物を、酸素を利用し、有機物を分解する好気性微生物の働きにより、分解するものである。
【０００４】
嫌気性処理は、（１）空気の供給が必要なく低コストである、（２）微生物の増殖速度が比較的遅いことから汚泥の発生量が少ない（処分費が高い）、（３）バイオガスからボイラや発電機を使って、エネルギーを回収できるというメリットがある。
【０００５】
一方、嫌気性処理の場合、発生するバイオガス中には腐食性ガスである硫化水素、温室効果係数の高いガスであるメタン等の未処理で大気に放出できないガスが発生し、ガスの処理が必要であるという課題がある。また、好気性処理に比べると、有機物の処理性能（ＢＯＤ、ＣＯＤ等）が劣り、例えば処理水のＢＯＤ  １０ｍｇ/Ｌ以下など、処理目標値が厳しい場合には、嫌気性処理のみでは目標水質の達成が難しいという課題がある。
【０００６】
一方で、好気性処理は嫌気性処理に比べ、酸素の供給が必要である。また、汚泥の発生量が多いことからコストはかかるものの、比較的良好な水質を得られるというメリットがある。後段の好気性処理に関しては、図１１に示すようにブロア５により水中に空気または酸素ガスを送り込むことにより、好気微生物が利用するための酸素を供給する方法が主流である。しかし、本出願人は、上記従来技術を改良するため、先に図１２のように、好気性リアクタ４の上部に散水部７を設けた構成の技術を提案した（非特許文献１）。こうこのように、嫌気性処理水を散水部７から散水する散水型の好気性リアクタ４とすることにより、大幅な省エネルギーが可能となった。
【０００７】
しかしながら、図１２に示す好気性リアクタにおいては、広い敷地面積が必要である。また、散水が不均一である場合、部分的にまったく処理を行わない部分（デッドスペース）が生じ、処理効率が悪くなる。更に、担体への生物の付着量が多くなると、ろ床３が閉塞してきて、酸素が十分に行き渡らず、処理効率が悪くなる。  
一方、嫌気性リアクタにおいては、外気温が低下する冬季においては、生物の活性が低下し、処理性能が悪化するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１４２０７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、好気性リアクタの省スペース化、好気性微生物と被処理水の接触効率の向上、好気性微生物が利用する水中への酸素の溶解効率の向上、及び嫌気性リアクタの保温性の向上により、装置のイニシャルコストの低減および好気性リアクタにおける有機物分解性能の向上、及び窒素を除去しえる汚水の水処理システムを提供する目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る汚泥の水処理システムは、有機性廃水を下部から上部に流す上向流式の嫌気性リアクタと、この嫌気性リアクタの外側に螺旋状に巻きつけられた配管又は水路とを具備し、前記嫌気性リアクタの上部からの流出水が螺旋状配管又は螺旋状水路をつたって、上部から下部に自然流下によって流れる構成の汚水の水処理システムであって、前記螺旋状配管又は螺旋状水路の内部に微生物を付着させるための担体を備え、水流の表面部から空気中の酸素を取り込むことにより好気性処理を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、装置のイニシャルコストの低減および好気性リアクタにおける有機物分解性能の向上、及び窒素を除去しえる汚水の水処理システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る汚水の水処理システムの説明図。
【図２】図１の水処理システムの一構成である螺旋状の好気性処理配管内に配置された担体の説明図。
【図３】図２とは異なる担体の説明図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る汚水の水処理システムの説明図。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る汚水の水処理システムの説明図。
【図６】図５の水処理システムの一構成である好気性水路の一部を示す説明図。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る汚水の水処理システムの説明図。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る汚水の水処理システムの説明図。
【図９】本発明の第６の実施形態に係る汚水の水処理システムの説明図。
【図１０】本発明の第７の実施形態に係る汚水の水処理システムの説明図。
【図１１】従来の汚水の水処理システムの説明図。
【図１２】従来の他の汚水の水処理システムの説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の汚泥の水処理システムについて更に詳しく説明する。  
本発明において、螺旋状配管又は螺旋状水路の内部に配置される担体としては、微生物が付着しやすい素材であればどのようなものであってもよい。具体的には、例えば、１ｃｍ程度の円筒中空状のポリプロピレンやポリエチレン、ビニロン、塩化ビニリデンなどを素材とするプラスチック状担体を敷き詰めたものであってもよいし、配管の下部にこれら素材からなるシートを敷き詰めたものであってもよい。また、素材に関してはプラスチックに限らず、微生物が付着しやすいものであれば何でもよく、セラミック、炭素繊維、金属性の素材、スポンジ、不織布、砕石、木材チップ、活性炭等、どのようなものでもあってよい。担体の形状に関しても、円筒中空状やシート状のものに限らず、角型のものであってもよいし、ひも状の接触材を配管の内部にしきつめたものであってもよい。
【００１４】
本発明において、螺旋状配管の傾斜は１／５０〜１／１００程度とし、水流が早くなりすぎないようにする。配管の流量はマニングの式やクッターの式（「水理公式集」：土木学会発行）により求められる。原水の流入流量が設計上の最大流量となる場合に、螺旋状配管内が満管とならないように配管径は決定される。なお、原水の流量変動が大きい場合は、流量調整槽を嫌気性リアクタの前段部かもしくは、嫌気性リアクタの後段に設けた方がよい。
【００１５】
次に、本発明の実施形態に係る汚水の水処理システムについて図面を参照して説明する。なお、本実施形態は下記に述べることに限定されない。  
（第１の実施形態）  
第１の実施形態に係る汚泥の水処理システムについて、図１を参照する。本水処理システムは、嫌気性リアクタの上部からの流出水が螺旋状の好気性処理配管（以下、好気性処理廃刊と呼ぶ）をつたって、上部から下部に自然流下によって流れる構成となっている。
【００１６】
図中の符番１１は、有機性廃水を下部から上部に流す上向流式の嫌気性リアクタである。ここで、有機性排水としては、例えば食品工場からの排水、養豚場からの糞尿排水、都市下水が挙げられる。上向流式の嫌気性リアクタには、例えば嫌気性ろ床法、ＵＡＳＢ法（Upflow Anaerobic Sludge Blanket：上向流式汚泥ブランケット法）、ＥＧＳＢ法（Expanded Granular Sludge Bed：膨張粒状汚泥床法）、ＩＣリアクタ、嫌気性流動床法がある。この嫌気性リアクタ１１の外側には、螺旋状の好気性処理配管１２が巻きつけられている。
【００１７】
この好気性処理配管１２は、図２に示すように、内部に微生物を付着させるための１ｃｍ程度の円筒中空状のポリプロピレン製担体１３を備え、水流の表面部から空気中の酸素を取り込むことにより好気性処理を行うようになっている。前記嫌気性リアクタ１１には、原水ポンプ１４が接続されている。前記好気性処理配管１２には、沈殿池１５が接続されている。前記嫌気性リアクタ１１には、該嫌気性リアクタ１１からバイオガスが供給されるガス処理塔１６が接続されている。なお、図１において、実線は水の流れ、点線はガスの流れを示す。
【００１８】
こうした構成の水処理システムの作用は次のとおりである。  
まず、有機性廃水は、上向流式の嫌気性リアクタ１１に導入される。この嫌気性リアクタ１１では嫌気性処理が行われる。嫌気性処理では、有機性廃水中の有機物を加水分解菌、酸生成菌、メタン生成菌の働きにより、メタンガスまで分解することにより、排水中の有機分の大部分を除去する。この時、嫌気性処理で生じるバイオガスはメタンを主成分とし、二酸化炭素を含んだガスである。しかし、原水中に硫黄分が含まれる場合は、嫌気性細菌の一種である硫酸還元菌の働きにより還元され、バイオガス中に硫化水素が生成する。  
このバイオガスはガス処理塔１６へと導入され、脱硫処理、脱臭処理をされる。この処理ガスは、メタンガスを主成分とし、ボイラやガスエンジンなどのエネルギー源として利用される。
【００１９】
一方で、嫌気性処理の処理水は、上部より越流する。この越流水は図２に示すような下部にポリプロピレン製担体１３が敷き詰められた好気性処理配管１２に導入され、自然流下により好気性処理配管１２に沿って落下する際に、水表面上の空気から酸素を取り込み、水中に酸素が溶解する。担体１３に付着した好気性微生物は、この水中に溶解した酸素を利用して、嫌気性処理で除去しきれなかった有機物を二酸化炭素まで分解する。また、好気性処理配管１２の上・中段部で生物分解性の有機物が完全に除去されれば、好気性処理配管１２の下段部では、硝化菌が増殖し、硝化菌の働きにより被処理水中の窒素分（大部分はアンモニア態の窒素）を亜硝酸塩（ＮＯ２−）又は硝酸塩（ＮＯ３−）まで酸化する。
【００２０】
本発明に係る汚水の水処理システムは、図１に示すように、有機性廃水を下部から上部に流す上向流式の嫌気性リアクタ１１と、この嫌気性リアクタ１１の外側に巻きつけられた螺旋状の好気性処理配管１２を具備し、嫌気性リアクタ１１の上部からの流出水が好気性処理配管１２を伝うとともに、上部から下部に自然流下によって流れる構成であり、好気性処理配管１２の内部に担体１３を備え、水流の表面部から空気中の酸素を取り込むことにより好気性処理を行うように構成されている。係る水処理システムによれば、以下の効果を有する。
【００２１】
(1) 嫌気性リアクタ１１に巻きつけられた好気性処理配管１２内で好気性処理を行うため、別途リアクタを設けるよりも省スペースとなる。  
(2) 上部から散水する図１２のような方式の好気性リアクタよりも、水と担体に付着した微生物の接触効率が高く、処理性能が高い。  
(3) 上部から散水する図１２のような方式の好気性リアクタよりも、水と担体に付着した微生物の接触効率が高く、処理性能が高い。  
(4) 好気性処理配管１２の上部の気相部から空気中の酸素を取り込めるため、図１２のような方式よりも酸素の溶解効率が高い。
【００２２】
なお、水温の低下は、嫌気性リアクタ１１の処理性能の劣化を引き起こす。通常、冬季においては、廃水の温度は外気より高い。嫌気性リアクタ１１の外側に好気性処理配管１２を巻きつけることにより、次の効果を有する。  
(5) 嫌気性リアクタ１１が外気に直接触れる面積が減少するため、嫌気性リアクタ１１の保温効果があり、低温期の温度低下による嫌気性リアクタ１１の処理性能の劣化を緩和することができる。  
(6) 雨天時に、嫌気性リアクタ１１へ直接、雨が当たるのを防ぐことができるため、雨による嫌気性リアクタ１１の温度低下を防ぐことができる。
【００２３】
なお、第１の実施形態では、図２のように、配管の下部に複数の円筒中空状のポリプロピレン製担体が敷き詰められた場合について述べたが、これに限らず、図３に示すように上記単体と同素材からなるプラスチック製シート１７が好気性処理配管の下部に配置されている場合でもよい。
【００２４】
（第２の実施形態）  
本発明の第２の実施形態に係る汚水の水処理システムについて図４を参照する。但し、図１，図２と同部材は同符番を付して説明を省略する。  
図中の符番２１はボイラを示す。即ち、本水処理システムは、図１に示すような無加温のシステムでなくてもよく、例えば図４のように発生したメタンガスをボイラ２１により燃焼させ、嫌気性リアクタ１１を加温する構成にしたものである。本水処理システムにおいて、嫌気性リアクタ１１は中温メタン菌であれば、３５℃付近で活性が最大となり、温度の低下とともに活性が小さくなる。
【００２５】
第２の実施形態によれば、嫌気性リアクタ１１が加温された熱を外側に巻きつけられた好気性処理配管１２にも伝熱させることができるため、嫌気性処理の性能だけでなく、好気性処理の性能も向上する。
【００２６】
（第３の実施形態）  
本発明の第３の実施形態に係る汚水の水処理システムについて図５（Ａ），（Ｂ）及び図６を参照する。ここで、図５（Ａ）は同水処理システムの要部の概略図、図５（Ｂ）は同水処理システムの一構成である好気性水路の切断図である。図６は、図５（Ａ）の水処理システムの一構成である好気性水路の一部を示す説明図である。但し、図１，図２と同部材は同符番を付して説明を省略する。  
本実施形態は、図５に示すように、嫌気性リアクタ１１に螺旋状の好気性水路３１が形成され、更にこの好気性水路３１内の途中に堰３２が配置された構成であることを特徴とする。こうした構成の水処理システムでは、水が堰３２の存在する位置まで溜まって、堰３２を矢印Ｐのように越流し、下段の螺旋状の水路に流れていく。
【００２７】
第３の実施形態によれば、嫌気性リアクタ１１に螺旋状の好気性水路３１を設け、この好気性水路３１内の途中に堰３２が配置されている構成になっているため、下記の効果を有する。  
(1) 好気性水路３１の下部に敷き詰めた担体１３が水流により、下流に流れ出ないようにするための役割を果たす。  
(2) 水が堰３２を越える際に分散され、気液の接触面が大きくなるため、この時に空気中の酸素を取り込み、酸素の溶解効率が高くなる。  
(3) 螺旋状の好気性水路３１の下部では遠心力が増大してくるため、流速が早くなる。堰３２を作ることにより、その流速を緩和することができ、担体１３に付着した微生物と水との接触時間を長くとることができるため、有機物の分解性能を向上させることができる。
【００２８】
（第４の実施形態）  
本発明の第４の実施形態に係る汚水の水処理システムについて図７を参照する。但し、図１、図２、図５、図６と同部材は同符番を付して説明を省略する。  
第４の実施形態の水処理システムは、螺旋状の好気性水路３１の途中で好気性水路３１ａ，３１ｂが切れた構成になっている。ここで、処理水は好気性水路３１ａの切れた部分（段差部）３３から落下し、下部の螺旋状の好気性水路３１ｂに落ちるようになっている。なお、水が外側に溢れるのを回避するため、下段側の好気性水路３１ｂの幅は上段側の好気性水路３１ａより若干広く設計されている。
【００２９】
第５の実施形態によれば、水が落下する際、気液の接触面が大きくなるため、この時に空気中の酸素を取り込み酸素の溶解効率が高くなる。  
また、連続した螺旋状の好気性水路の下部では遠心力が増大してくるため、流速が早くなる。そのため、図７のようにいったん好気性水路３１を切ってやり、この遠心力を緩和することにより、水流を遅くすることができ、担体に付着した微生物と水との接触時間を長くとることができるため、有機物の分解性能を向上させることができる。  
その他の実施例として、配管内に段差を設け、段差部で気液接触面を高めることによって、酸素の溶解効率を高めるものであってもよい。
【００３０】
（第５の実施形態）  
本発明の第５の実施形態に係る汚水の水処理システムについて図８を参照する。但し、図１、図２、図５、図６と同部材は同符番を付して説明を省略する。  
第５の実施形態の水処理システムは、図８に示すように、螺旋状の好気性水路３１内に任意の間隔でメッシュ３４を入れ、担体１３の流出防止を図ったものである。ここで、メッシュ３４の孔径は、目詰まりせず、担体を下側に流出させない径であり、担体１３よりも小さいメッシュ幅で、可能な限り大きいものが望ましい。
【００３１】
（第６の実施形態）  
本発明の第６の実施形態に係る汚水の水処理システムについて図９を参照する。但し、図１、図２、図５、図６と同部材は同符番を付して説明を省略する。  
第６の実施形態の水処理システムは、図９に示すように、担体１３を網目状のネット３５に入れて、任意の間隔で堰３２を設けて、担体１３がそれ以上下部に流出しないようにしたものである。
【００３２】
（第７の実施形態）  
本発明の第７の実施形態に係る汚水の水処理システムについて図１０を参照する。但し、図１、図２、図５、図６と同部材は同符番を付して説明を省略する。  
図中の４１は、沈殿池１５から処理水を供給する配管４２と、嫌気性リアクタ１１の周囲の螺旋状の好気性処理配管１２間を接続する配管であり、該配管４１に循環ポンプ４３が介装されている。即ち、第８の実施形態の水処理システムは、好気性処理配管１２で好気性微生物に処理された水を好気性処理配管１２の前段部に循環する構成となっている。好気性処理配管１２の下段部で、硝化菌の働きにより被処理水中の窒素分を亜硝酸塩（ＮＯ２−）又は硝酸塩（ＮＯ３−）まで酸化される。この水を循環ポンプ４３により、好気性処理配管１２に循環をする。この水中に含まれる亜硝酸塩または硝酸塩は、水路中の酸素が不足している部分（担体に付着した微生物の内部部分で無酸素状態になっている部分）で脱窒菌の働きにより、脱窒反応が生じ、窒素ガスまで分解される。これにより水中の窒素を低減させることができる。  
第７の実施形態によれば、処理水の放流先における富栄養化の原因物質である窒素の除去を行うことが可能となる。
【００３３】
なお、図１０の水処理システムでは、沈殿処理後の水を返送している構成となっているが、沈殿池に流入する前の水を返送するものであってもよい。また、水路の上端部に返流するのではなく、水路の途中部に返流する構成であってもよい。  
更に、外側に巻きつけた配管を、光を透過する素材（透明のビニールチューブ等）とすることにより、配管内に藻類を繁殖させ、光合成により窒素、りんの除去能力を有する構成としたものであってもよい。
【００３４】
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１１…嫌気性リアクタ、１２…螺旋状の好気性処理配管、１３…担体、１４…原水ポンプ、１５…沈殿池、１６…ガス処理塔、１７…プラスチック製担体、２１…ボイラ、３１…好気性水路、３２…堰、３３…段差部、３４…メッシュ、３５…網状ネット、４１，４２…配管、４３…循環ポンプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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