(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物を含む被処理水を反応槽の下部に導入して前記反応槽内で上昇方向に流動させながら、前記反応槽内において前記被処理水と、金属酸化物又は金属水酸化物からなる固体金属化合物とを、前記有機物に対し酸化作用を有し前記固体金属化合物に対し還元させ金属イオンを遊離させる作用を有する微生物からなる第１反応媒体の存在下で接触させる第１反応工程と、
前記反応槽内の前記被処理水のうち上側部の前記第１反応工程後の被処理水を前記反応槽から出して酸素含有気体と接触させる第２反応工程と、
前記第２反応工程後の被処理水から固体成分を分離する分離工程と、
前記分離した固体成分を、前記反応槽内の前記被処理水の上側部に供給して前記反応槽の下部へ沈降させることで、前記第１反応工程における固体金属化合物として供する再利用工程と、
を備え、
前記固体金属化合物が水酸化鉄（Ｆｅ（ＯＨ）３）又は酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）であり、前記金属イオンが２価の鉄イオンであり、前記第１反応媒体が鉄還元細菌であることを特徴とする水処理方法。
【請求項２】
前記分離工程では、前記被処理水を分離槽内に溜めて前記固体成分を沈殿させることを特徴とする請求項１に記載の水処理方法。
【請求項３】
有機物を含む被処理水と、金属酸化物又は金属水酸化物からなる固体金属化合物とを、前記有機物に対し酸化作用を有し前記固体金属化合物に対し還元させ金属イオンを遊離させる作用を有する微生物からなる第１反応媒体の存在下で接触させる第１反応工程と、
前記第１反応工程後の被処理水を酸素含有気体と接触させる第２反応工程と、
前記第２反応工程後の被処理水から固体成分を分離する分離工程と、
前記分離した固体成分を前記第１反応工程における固体金属化合物として供する再利用工程と、
を備え、前記被処理水を１の容器の下部に導入して前記容器内を上昇させ、前記容器内の下部において前記第１反応工程を行なわせ、前記容器内の上側の被処理水中に前記酸素含有気体を導入して前記第２反応工程を行なわせ、前記上側の被処理水中で発生した前記固体成分を前記容器の下部へ沈降させることで前記再利用工程とし、
前記固体金属化合物が水酸化鉄（Ｆｅ（ＯＨ）３）又は酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）であり、前記金属イオンが２価の鉄イオンであり、前記第１反応媒体が鉄還元細菌であることを特徴とする水処理方法。
【請求項４】
前記容器の上部には、前記被処理水の透過を阻止し前記酸素含有気体の透過を許容する膜が設けられ、前記膜によって、前記容器の上部の内部が、前記酸素含有気体の流路と、前記被処理水の流路とに隔てられており、
前記酸素含有気体を、前記酸素含有気体の流路に下向きに流し、
前記被処理水を、前記被処理水の流路に上向きに流すことを特徴とする請求項３に記載の水処理方法。
【請求項５】
前記第１反応工程前の被処理水を酸素含有気体によって曝気するアンモニア前処理工程を更に備え、
前記アンモニア前処理工程後の被処理水を前記第１反応工程に供することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の水処理方法。
【請求項６】
前記鉄還元細菌を培養して前記第１反応工程に供することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の水処理方法。
【請求項７】
前記第２反応工程において、前記被処理水と前記酸素含有気体とを、前記金属イオンの酸化作用を有する微生物からなる第２反応媒体の存在下で接触させ、前記第２反応媒体が鉄酸化細菌であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の水処理方法。
【請求項８】
前記分離工程後の被処理水の一部又は全部を、前記第１反応工程に新たに供給される被処理水に混合することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の水処理方法。
【請求項９】
有機物を含む被処理水と、金属酸化物又は金属水酸化物からなる固体金属化合物とを、前記有機物に対し酸化作用を有し前記固体金属化合物に対し還元させ金属イオンを遊離させる作用を有する微生物又は触媒からなる第１反応媒体の存在下で接触させる第１反応部と、
前記第１反応部からの被処理水を酸素含有気体と接触させる第２反応部と、
前記第２反応部からの被処理水から固体成分を分離する分離部と、
を備え、
前記第１反応部が反応槽を含み、
前記反応槽の底部には、処理前の被処理水を前記反応槽に供給する供給路が連なり、
前記反応槽の上側部には、前記固体金属化合物との接触後の被処理水を前記第２反応部へ送る接続路が接続され、
かつ前記分離部の底部が前記反応槽の上端部に接続されており、前記固体成分が、スラリー状態で前記反応槽内の前記被処理水の上側部に供給されて前記反応槽の下部へ沈降することで、前記固体金属化合物として供され、
前記固体金属化合物が水酸化鉄（Ｆｅ（ＯＨ）３）又は酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）であり、前記金属イオンが２価の鉄イオンであり、前記第１反応媒体が鉄還元細菌であることを特徴とする水処理装置。
【請求項１０】
前記分離部が、前記被処理水を溜めて前記固体成分を沈殿させる分離槽を含むことを特徴とする請求項９に記載の水処理装置。
【請求項１１】
前記反応槽の上方に前記分離槽が配置され、前記分離槽の底部が、下方へ向かって漏斗状に窄まるとともに前記反応槽へ向けて開口されていることを特徴とする請求項１０に記載の水処理装置。
【請求項１２】
有機物を含む被処理水と金属酸化物又は金属水酸化物からなる固体金属化合物とを、前記有機物に対し酸化作用を有し前記固体金属化合物に対し還元させ金属イオンを遊離させる作用を有する微生物又は触媒からなる第１反応媒体の存在下で接触させる第１反応部と、
前記第１反応部からの被処理水を酸素含有気体と接触させる第２反応部と、
前記第２反応部からの被処理水から固体成分を分離する分離部と、
を備え、前記分離した固体成分が前記第１反応部に供給され、
さらに、１の容器を備え、前記容器内の下部が、前記被処理水の供給路と連通して前記第１反応部として提供され、前記容器内の前記下部より上側の部分が、前記被処理水と前記酸素含有気体とを接触させる接触部を有して前記第２反応部として提供され、
前記固体金属化合物が水酸化鉄（Ｆｅ（ＯＨ）３）又は酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）であり、前記金属イオンが２価の鉄イオンであり、前記第１反応媒体が鉄還元細菌であることを特徴とする水処理装置。
【請求項１３】
前記容器内の前記上側の部分において前記被処理水から固体成分が分離され、前記分離された固体成分が前記容器内の前記下部へ沈降することにより、前記容器内の前記上側の部分が、前記分離部として提供されていることを特徴とする請求項１２に記載の水処理装置。
【請求項１４】
前記第２反応部が、前記被処理水と前記酸素含有気体とを隔てるとともに前記被処理水の透過を阻止し前記酸素含有気体の透過を許容する膜を含み、前記膜が、前記接触部となることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の水処理装置。
【請求項１５】
前記膜の前記被処理水側の表面に、前記金属イオンの酸化作用を有する微生物からなる第２反応媒体を付着させ、前記第２反応媒体が鉄酸化細菌であることを特徴とする請求項１４に記載の水処理装置。
【請求項１６】
前記容器内の前記上側の部分から出た前記被処理水を前記分離部へ送る接続路と、
前記分離部からの前記固体成分を前記容器の前記上側の部分と前記下部との中間に戻す回収路と、
を備えたことを特徴とする請求項１２に記載の水処理装置。
【請求項１７】
前記供給路には、前記被処理水を酸素含有気体によって曝気するアンモニア前処理部が設けられていることを特徴とする請求項９〜１６の何れか１項に記載の水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、下水、汚水、汚染地下水等の汚濁した水を浄化処理する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下水処理は好気処理と嫌気処理に大別される。後者の嫌気処理は、ＢＯＤ（Biochemical oxygen demand）濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上の高濃度汚染水に有効であるが、一般下水のようなＢＯＤ濃度が２００ｍｇ／Ｌ程度の汚染水には有効に働かない。そのため、一般下水の処理では、好気処理が行われている。好気処理としては、活性汚泥の微生物に下水中の有機汚濁物質を分解させる活性汚泥法が広く知られている。一方、水の溶存酸素の飽和値は８ｍｇ／Ｌ程度であるから、例えばＢＯＤ２００ｍｇ／Ｌの下水を空気遮断下で処理した場合、ＢＯＤは１９２ｍｇ／Ｌまで低下させるのが限界である。したがって、活性汚泥法等の好気処理では曝気が必須となる。例えば水深５ｍ程度の曝気処理槽へ空気を注入しなければならず、空気の加圧とそのときの空気の断熱圧縮による温度上昇などにより、莫大なエネルギーを必要とする。通常、ＢＯＤ  １ｋｇ当たりの消費エネルギーは、１ｋＷｈ程度である。
【０００３】
特許文献１では、水酸化鉄と鉄還元細菌を用いて汚染土壌や汚染地下水中の有機物を酸化させて分解し、汚染土壌や汚染地下水を浄化している。汚染土壌の浄化の場合、水酸化鉄を汚染土壌に添加する。汚染土壌が乾燥しているときは更に水を添加してスラリーにする。このスラリーを反応槽内で攪拌する。鉄還元細菌は、汚染土壌中に元々生息しているものを用いる。攪拌により土の中の汚染物質を水中に脱離させて微生物分解させる。その後、スラリーをそのまま排出する。又はスラリーを固液分離槽で土と上澄み液に分離し、土を浄化土壌として再利用に供し、上澄み液を添加水として反応槽に戻す。
汚染地下水の浄化の場合、鉄還元細菌等の微生物を含む活性汚泥と水酸化鉄を汚染地下水に添加して攪拌する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１４４２９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、浄化処理の都度、新たな水酸化鉄を系に供給する必要がある。また、汚染地下水の浄化の場合、攪拌後の処理について不明である。汚染土壌の処理の場合、攪拌後の固液分離で生じた上澄み液を反応槽へ戻すのは、主に乾燥土壌のスラリー化のためであることから推測すると、汚染地下水の場合は、乾燥土壌のような事情は存在しないから攪拌後そのまま排出しているものと考えられる。この排出水には上記水酸化鉄から溶出した鉄イオンが少なからず存在しているものと考えられる。要するに、鉄分は使い捨てであり、不経済である。また、排出水に鉄分が含まれていると鉄の酸化によって赤錆が発生し、生物に与える影響も少なくない。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、下水、汚水等の汚濁した水を、小さいエネルギーで、かつ浄化用鉄分等の資源を無駄に使い捨てにすることなく浄化処理して、鉄イオンをなるべく含まない状態で排出できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するために、本発明方法は、有機物を含む被処理水と金属酸化物又は金属水酸化物からなる固体金属化合物とを、前記有機物に対し酸化作用を有し前記固体金属化合物に対し還元させ金属イオンを遊離させる作用を有する微生物又は触媒からなる第１反応媒体の存在下で接触させる第１反応工程と、
前記第１反応工程後の被処理水を酸素含有気体と接触させる第２反応工程と、
前記第２反応工程後の被処理水から固体成分を分離する分離工程と、
前記分離した固体成分を前記第１反応工程における固体金属化合物として供する再利用工程と、
を備えたことを特許請求しない特徴とする。
【０００８】
本発明装置は、有機物を含む被処理水と金属酸化物又は金属水酸化物からなる固体金属化合物とを、前記有機物に対し酸化作用を有し前記固体金属化合物に対し還元させ金属イオンを遊離させる作用を有する微生物又は触媒からなる第１反応媒体の存在下で接触させる第１反応部と、
前記第１反応部からの被処理水を酸素含有気体と接触させる第２反応部と、
前記第２反応部からの被処理水から固体成分を分離する分離部と、
を備え、前記分離した固体成分が前記第１反応部に供給されることを特許請求しない特徴とする。
【０００９】
第１反応工程又は第１反応部では、微生物又は触媒からなる第１反応媒体の働きによって、有機物を酸化させて分解するとともに前記固体金属化合物を還元させて金属イオンを遊離させることができる。有機物の酸化分解によって、被処理水中の有機物濃度を下げて被処理水を浄化できる。有機物を酸化するための酸素源として固体金属化合物の酸素を充てることで、好気処理の場合は必須であった曝気を省略でき、所要エネルギーを小さくできる。
第２反応工程又は第２反応部では、被処理水に酸素含有気体を接触させることで、酸素含有気体中の酸素を被処理水に溶解させて、被処理水中で前記金属イオンの酸化反応を起こさせることができる。これにより、金属酸化物又は金属水酸化物からなる固体成分が生成される。すなわち、金属イオンを元の固体金属化合物に戻すことができる。
その後、分離工程又は分離部によって、被処理水から固体成分すなわち固体金属化合物を分離する。これによって、被処理水は次工程に送ったり放出したりでき、固体金属化合物は第１反応工程又は第１反応部に再利用できる。このようにして、固体金属化合物の金属成分を無駄に使い捨てることなく循環使用しながら被処理水を浄化処理することができる。したがって、系に固体金属化合物を補充する必要がなく、若しくは補充量を低減することができる。
【００１０】
前記有機物としては、グルコース（C6H12O6）、フルクトース（C6H12O6）、乳酸（C2O3H3）などの有機酸が挙げられる。
【００１１】
前記酸素含有気体としては、空気を用いることが好ましい。前記酸素含有気体として、酸素ガスを用いてもよく、酸素と窒素等の混合ガスを用いてもよい。
【００１２】
前記固体金属化合物としては、水酸化鉄（Fe(OH)3）、酸化鉄（Fe2O3）、酸化マンガン、水酸化マンガン、酸化クロム、水酸化クロム等が挙げられる。前記固体金属化合物を構成する金属は、好ましくは鉄（Fe）である。前記固体金属化合物は、好ましくは水酸化鉄（Fe(OH)3）、酸化鉄（Fe2O3）である。水酸化鉄は、リン（P）を吸着する能力が高いために、被処理水のリン濃度を下げる効果もある。
【００１３】
前記第１反応媒体は、微生物であることが好ましい。前記微生物としては、鉄還元細菌等の金属還元細菌が挙げられる。前記第１反応媒体が金属還元細菌であることが好ましい。有機物の酸化分解反応が遅いときなどは、別途に培養した鉄還元細菌等の金属還元細菌を第１反応工程又は第１反応部に供してもよい。
前記第１反応媒体が触媒であってもよい。前記触媒としては、白金（Pt）、ルテニウム（Ru）等が挙げられる。
【００１４】
前記固体金属化合物が、水酸化第二鉄（Fe(OH)3）又は酸化鉄（Fe2O3）である場合、前記微生物が鉄還元細菌であることが好ましい。水酸化第二鉄又は酸化鉄として赤錆を用いることができる。第１反応工程では、鉄還元細菌の代謝によって有機物を分解して二酸化炭素（CO2）にできる。有機物の分解に必要な酸素は水酸化鉄又は酸化鉄から供給されるから、曝気は不要である。また、メタンや硫化水素が発生しないようにできる。有機物の分解に伴なって水酸化鉄又は酸化鉄が還元されて２価の鉄イオン（Fe2+）となって被処理水に溶解する。
【００１５】
２価の鉄イオンは、硝酸イオンを還元し、窒素ガスにする能力を有する。そのため、被処理水に対し脱窒の効果もある。このとき、ｐＨが高いとアンモニアに還元されることがあるから、アンモニアの発生及びアンモニア濃度の上昇を抑制する観点からは、被処理水のｐＨはなるべく低いことが望ましい。
【００１６】
前記第１反応工程を行なう前に、被処理水中のアンモニアを酸化させる前処理工程を行なってもよい。例えば、空気等の酸素含有気体を前記第１反応工程前の被処理水と接触させる。これによって、アンモニウムイオンを酸化して硝酸イオンや亜硝酸イオンに変換できる。その後、前記第１反応工程を行ない、２価鉄イオンを生成する。この２価鉄イオンによって、硝酸イオンや亜硝酸イオンを窒素ガスに変換できる。これによって、被処理水を脱窒できる。
【００１７】
前記分離工程後の被処理水の一部又は全部を、前記第１反応工程に新たに供給される被処理水に混合することにしてもよい。これによって、前記第１反応工程に供給される被処理水中のアンモニア濃度を低くできる。
【００１８】
第２反応工程又は第２反応部では、２価鉄イオン等の金属イオンの酸化のために、被処理水を曝気してもよい。２価鉄イオン等の金属イオンの曝気による酸化は、生化学反応ではなく化学反応であるから、反応速度が比較的大きい。したがって、曝気のための投入エネルギーが小さくて済む。前記曝気手段として、散気管や散水ノズルを用いることができる。
【００１９】
第２反応工程又は第２反応部において、前記被処理水と前記酸素含有気体とを、前記金属イオンの酸化作用を有する微生物又は触媒からなる第２反応媒体の存在下で接触させることにしてもよい。これによって、前記酸化反応を促進させることができる。
【００２０】
前記第２反応媒体は、金属酸化細菌等の微生物であることが好ましい。前記固体金属化合物が水酸化鉄又は酸化鉄である場合、前記金属酸化細菌が鉄酸化細菌であることが好ましい。金属イオンの酸化反応を、曝気ではなく、鉄酸化細菌などの金属酸化細菌によって行なう場合でも、その反応速度は充分に大きい。なぜならば、金属酸化細菌は、エネルギー的には有機酸などの有機物より劣る金属イオンを栄養源としており、生息や増殖等の生命活動のために大量の金属イオンを必要とするからである。これはとりもなおさず、金属イオンを高速で酸化処理することにほかならない。
【００２１】
第１反応工程を金属還元細菌の存在下で行ない、かつ第２反応工程を金属酸化細菌の存在下で行なうことが好ましい。金属酸化細菌は、鉄イオン等の金属イオンを酸化して、欠陥の多い貧結晶を作り出す。貧結晶は、曝気による通常の結晶よりも金属還元細菌にとって食べるのに適している。したがって、処理速度を高めることができる。
【００２２】
前記第２反応媒体が触媒であってもよい。前記触媒としては、白金（Pt）、ルテニウム（Ru）等が挙げられる。
【００２３】
前記第２反応部が、前記被処理水と前記酸素含有気体とを隔てるとともに前記被処理水の透過を阻止し前記酸素含有気体の透過を許容する膜を含んでいてもよい。前記酸素含有気体が前記膜を透過して前記被処理水と接触することによって、前記被処理水中の金属イオンの酸化反応を起こすことができる。
【００２４】
前記膜の材質としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やポリプロピレン等の樹脂が挙げられる。前記膜は、好ましくは疎水性の多孔質膜である。前記膜は、平面状であってもよく、管状であってもよい。管状の膜の形態として中空糸膜が挙げられる。前記膜が管状である場合、当該管状膜の内部に前記酸素含有気体を通し、管状膜の外部に前記被処理水を通してもよい。或いは、管状膜の内部に前記被処理水を通し、管状膜の外部に前記酸素含有気体を通してもよい。
【００２５】
前記膜の前記被処理水側の表面に、前記金属酸化細菌又は触媒からなる第２反応媒体を付着させることが好ましく、金属酸化細菌を付着させることがより好ましい。前記膜に金属酸化細菌を生息させることで、バイオフィルムを構成することが好ましい。前記金属イオンを含む被処理水中に前記膜を静置しておくことで、前記膜の表面に金属酸化細菌を増殖させることができる。
【００２６】
分離工程又は分離部で分離した固体成分の周りには鉄還元細菌等の微生物又は触媒が殆ど存在していない。そのため、上記固体成分を第１反応工程又は第１反応部に戻しても、有機物の分解にあまり寄与しないことが考えられる。そこで、前記第１反応工程では、前記被処理水を上昇方向に流動させ、前記再利用工程では、前記固体成分を前記第１反応工程における被処理水の上側部（流れの下流部）に供給することが好ましい。また、前記第１反応部の底部に処理前の被処理水を供給する供給路が連なり、前記第１反応部の上部に前記第２反応部との連通部及び前記分離部との連通部が設けられていることが好ましい。  これによって、第１反応部では被処理水を上昇方向に流動させ、かつ分離槽からの固体成分を第１反応部における被処理水の上側部（流れの下流部）に供給することができる。そして、鉄還元細菌等の微生物又は触媒が被処理水の流れに乗って上昇することで、分離工程又は分離部から戻された固体成分の周辺に微生物又は触媒を送り込むことができる。固体成分すなわち固体金属化合物は、被処理水より比重が大きいから被処理水の流れに逆らって沈降しようとする。したがって、被処理水と固体金属化合物とが互いに対向流を構成するように流動する。これにより、固体金属化合物を被処理水の底部にまで行き渡らせることができる。よって、第１反応部の広い範囲で、ないしは第１反応部のほぼ全域で有機物の酸化分解反応及び固体金属化合物の還元反応を起こすことができる。この結果、被処理水の浄化効率を高めることができる。被処理水を第１反応部に連続的に供給して浄化でき、かつ浄化後の被処理水を第１反応部から連続的に取り出して第２反応部へ送ることができる。或いは、第１反応部への被処理水の供給と取り出しを同時併行して行なうことができる。
【００２７】
本発明方法において、前記被処理水を１の容器の下部に導入して前記容器内を上昇させ、前記容器内の下部において前記第１反応工程を行なわせ、前記容器内の上側の被処理水中に前記酸素含有気体を導入して前記第２反応工程を行なわせ、前記上側の被処理水中で発生した前記固体成分を前記容器の下部へ沈降させることにしてもよい。本発明装置において、１の容器を備え、前記容器内の下部が、前記被処理水の供給路と連通して前記第１反応部として提供され、前記容器内の前記下部より上側の部分が、前記被処理水と前記酸素含有気体とを接触させる接触部を有して前記第２反応部として提供されていてもよい。この構成によれば、前記容器が、第１反応部と、第２反応部と、分離槽と、分離した固体成分を第１反応部に戻す再利用部としての機能を兼ね備える。前記容器内において第１反応工程と、第２反応工程と、分離工程と、再利用工程とが行なわれる。よって、装置構造を簡素化できる。前記接触部としては、前記散気管や前記膜を用いることができる。
【００２８】
前記第１反応工程若しくは第１反応部又は前記第２反応工程若しくは第２反応部では、固体金属化合物（固体成分）と被処理水（液成分）とが異なる相対速度で移動するのが好ましく、固体金属化合物（固体成分）と被処理水（液成分）とが対向流となることがより好ましい。
【００２９】
前記分離工程では、前記被処理水を分離槽内に溜めて前記固体成分を沈殿させることにしてもよい。前記分離部が、前記被処理水を溜めて前記固体成分を沈殿させる分離槽を含むことが好ましい。これによって、被処理水から固体成分を容易にかつ確実に分離できる。
【００３０】
前記分離槽の底部が、下方へ向かって狭まる漏斗状（逆さ錐状）であり、かつ下端に前記第１反応部との連通部が設けられていることが好ましい。
固体成分は、前記分離槽の漏斗状の底部に沈殿し、漏斗状の底部の斜面に案内されて下端の連通部へ順次沈降する。これによって、沈殿した固体成分を前記連通部から第１反応部へ自動供給することができる。
本発明方法は、有機物を含む被処理水を反応槽の下部に導入して前記反応槽内で上昇方向に流動させながら、前記反応槽内において前記被処理水と、金属酸化物又は金属水酸化物からなる固体金属化合物とを、前記有機物に対し酸化作用を有し前記固体金属化合物に対し還元させ金属イオンを遊離させる作用を有する微生物からなる第１反応媒体の存在下で接触させる第１反応工程と、
前記反応槽内の前記被処理水のうち上側部の前記第１反応工程後の被処理水を前記反応槽から出して酸素含有気体と接触させる第２反応工程と、
前記第２反応工程後の被処理水から固体成分を分離する分離工程と、
前記分離した固体成分を、前記反応槽内の前記被処理水の上側部に供給して前記反応槽の下部へ沈降させることで、前記第１反応工程における固体金属化合物として供する再利用工程と、
を備え、
前記固体金属化合物が水酸化鉄（Ｆｅ（ＯＨ）３）又は酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）であり、前記金属イオンが２価の鉄イオンであり、前記第１反応媒体が鉄還元細菌であることを特許請求する第１特徴とする。
前記分離工程では、前記被処理水を分離槽内に溜めて前記固体成分を沈殿させることが好ましい。
本発明方法は、有機物を含む被処理水と、金属酸化物又は金属水酸化物からなる固体金属化合物とを、前記有機物に対し酸化作用を有し前記固体金属化合物に対し還元させ金属イオンを遊離させる作用を有する微生物からなる第１反応媒体の存在下で接触させる第１反応工程と、
前記第１反応工程後の被処理水を酸素含有気体と接触させる第２反応工程と、
前記第２反応工程後の被処理水から固体成分を分離する分離工程と、
前記分離した固体成分を前記第１反応工程における固体金属化合物として供する再利用工程と、
を備え、前記被処理水を１の容器の下部に導入して前記容器内を上昇させ、前記容器内の下部において前記第１反応工程を行なわせ、前記容器内の上側の被処理水中に前記酸素含有気体を導入して前記第２反応工程を行なわせ、前記上側の被処理水中で発生した前記固体成分を前記容器の下部へ沈降させることで前記再利用工程とし、
前記固体金属化合物が水酸化鉄（Ｆｅ（ＯＨ）３）又は酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）であり、前記金属イオンが２価の鉄イオンであり、前記第１反応媒体が鉄還元細菌であることを特許請求する第２特徴とする。
前記容器の上部には、前記被処理水の透過を阻止し前記酸素含有気体の透過を許容する膜が設けられ、前記膜によって、前記容器の上部の内部が、前記酸素含有気体の流路と、前記被処理水の流路とに隔てられており、
前記酸素含有気体を、前記酸素含有気体の流路に下向きに流し、
前記被処理水を、前記被処理水の流路に上向きに流すことが好ましい
前記第１反応工程前の被処理水を酸素含有気体によって曝気するアンモニア前処理工程を更に備え、
前記アンモニア前処理工程後の被処理水を前記第１反応工程に供することが好ましい。
前記鉄還元細菌を培養して前記第１反応工程に供することが好ましい。
前記第２反応工程において、前記被処理水と前記酸素含有気体とを、前記金属イオンの酸化作用を有する微生物からなる第２反応媒体の存在下で接触させ、前記第２反応媒体が鉄酸化細菌であることが好ましい。
前記分離工程後の被処理水の一部又は全部を、前記第１反応工程に新たに供給される被処理水に混合することが好ましい。
本発明装置は、有機物を含む被処理水と、金属酸化物又は金属水酸化物からなる固体金属化合物とを、前記有機物に対し酸化作用を有し前記固体金属化合物に対し還元させ金属イオンを遊離させる作用を有する微生物又は触媒からなる第１反応媒体の存在下で接触させる第１反応部と、
前記第１反応部からの被処理水を酸素含有気体と接触させる第２反応部と、
前記第２反応部からの被処理水から固体成分を分離する分離部と、
を備え、
前記第１反応部が反応槽を含み、
前記反応槽の底部には、処理前の被処理水を前記反応槽に供給する供給路が連なり、
前記反応槽の上側部には、前記固体金属化合物との接触後の被処理水を前記第２反応部へ送る接続路が接続され、
かつ前記分離部の底部が前記反応槽の上端部に接続されており、前記固体成分が、スラリー状態で前記反応槽内の前記被処理水の上側部に供給されて前記反応槽の下部へ沈降することで、前記固体金属化合物として供され、
前記固体金属化合物が水酸化鉄（Ｆｅ（ＯＨ）３）又は酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）であり、前記金属イオンが２価の鉄イオンであり、前記第１反応媒体が鉄還元細菌であることを特許請求する第１特徴とする。
前記分離部が、前記被処理水を溜めて前記固体成分を沈殿させる分離槽を含むことが好ましい。
前記反応槽の上方に前記分離槽が配置され、前記分離槽の底部が、下方へ向かって漏斗状に窄まるとともに前記反応槽へ向けて開口されていることが好ましい。
本発明装置は、有機物を含む被処理水と金属酸化物又は金属水酸化物からなる固体金属化合物とを、前記有機物に対し酸化作用を有し前記固体金属化合物に対し還元させ金属イオンを遊離させる作用を有する微生物又は触媒からなる第１反応媒体の存在下で接触させる第１反応部と、
前記第１反応部からの被処理水を酸素含有気体と接触させる第２反応部と、
前記第２反応部からの被処理水から固体成分を分離する分離部と、
を備え、前記分離した固体成分が前記第１反応部に供給され、
さらに、１の容器を備え、前記容器内の下部が、前記被処理水の供給路と連通して前記第１反応部として提供され、前記容器内の前記下部より上側の部分が、前記被処理水と前記酸素含有気体とを接触させる接触部を有して前記第２反応部として提供され、
前記固体金属化合物が水酸化鉄（Ｆｅ（ＯＨ）３）又は酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）であり、前記金属イオンが２価の鉄イオンであり、前記第１反応媒体が鉄還元細菌であることを特許請求する第２特徴とする。
前記容器内の前記上側の部分において前記被処理水から固体成分が分離され、前記分離された固体成分が前記容器内の前記下部へ沈降することにより、前記容器内の前記上側の部分が、前記分離部として提供されていることが好ましい。
前記第２反応部が、前記被処理水と前記酸素含有気体とを隔てるとともに前記被処理水の透過を阻止し前記酸素含有気体の透過を許容する膜を含み、前記膜が、前記接触部となることが好ましい。
前記膜の前記被処理水側の表面に、前記金属イオンの酸化作用を有する微生物からなる第２反応媒体を付着させ、前記第２反応媒体が鉄酸化細菌であることが好ましい。
前記容器内の前記上側の部分から出た前記被処理水を前記分離部へ送る接続路と、
前記分離部からの前記固体成分を前記容器の前記上側の部分と前記下部との中間に戻す回収路と、
を備えたことが好ましい。
前記供給路には、前記被処理水を酸素含有気体によって曝気するアンモニア前処理部が設けられていることが好ましい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、活性汚泥法等の後記処理より小さいエネルギーで被処理水を浄化できる。かつ浄化用鉄分等の資源を無駄に使い捨てることなく循環使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水処理装置の回路構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る水処理装置の回路構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る水処理装置の回路構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る水処理装置の回路構成図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る水処理装置の回路構成図である。
【図６】本発明の第６実施形態に係る水処理装置の回路構成図である。
【図７】本発明の第７実施形態に係る水処理装置の回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
この実施形態の被処理水は、下水、汚水等の汚濁した水である。被処理水は、生活排水に限られず、産業排水であってもよい。被処理水の汚濁物質は、一般にグルコース（C6H12O6）、フルクトース（C6H12O6）、有機酸等の有機物を含む。
【００３４】
図１に示すように、第１実施形態に係る水処理装置１は、第１反応部１０と、第２反応部２０と、分離部３０を備えている。第１反応部１０は、金属酸化物又は金属水酸化物からなる固体金属化合物と被処理水とを、有機物に対する酸化作用及び固体金属化合物に対する還元作用を有する微生物又は触媒の存在下で接触させる。詳述すると、第１反応部１０は、反応槽１１を備えている。反応槽１１には、反応室１２と貯水室１４が設けられている。これら室１２，１４が隔壁１３によって仕切られている。反応槽１１の隔壁１３より上側の部分が反応室１２になっている。
【００３５】
反応室１２には固体金属化合物が蓄えられている。固体金属化合物は、金属酸化物又は金属水酸化物にて構成されている。ここでは、固体金属化合物は、赤錆にて構成されている。赤錆は、水酸化鉄（Fe(OH)3）や酸化鉄（Fe2O3）を主成分として含む。反応室１２への初期投入時の赤錆は、好ましくは粒子状、又は粉状であるが、小片状、塊状、ないしはブロック状であってもよい。
【００３６】
固体金属化合物の金属成分は、鉄（Fe）に限られず、マンガン（Mn）であってもよく、クロム（Cr）であってもよい。固体金属化合物は、赤錆に限られず、酸化マンガン、水酸化マンガン、酸化クロム、水酸化クロム等であってもよい。固体金属化合物を構成する金属イオンの価数は少なくとも２価以上であり、多価であることが好ましい。
【００３７】
被処理水供給路４が、上記被処理水の貯留部ないしは被処理水源（図示省略）から延びて反応室１２に連なっている。供給路４の反応室１２への連通部は、反応室１２の上端部に配置されているが、反応室１２の側壁部に配置されていてもよく、反応室１２の底部に配置されていてもよい。供給路４に第１送液ポンプ４Ｐが設けられている。送液ポンプ４Ｐによって、処理前の被処理水９０が供給路４を経て反応室１２に供給される。
【００３８】
反応室１２内において、赤錆からなる固体金属化合物と被処理水９０とが混ざり、赤錆スラリー９１が形成されている。赤錆スラリー９１には、第１反応媒体が混じっている。第１反応媒体は、固体金属化合物を還元させて金属イオンを遊離させる作用を有する微生物又は触媒にて構成されている。遊離した金属イオンは被処理水に溶解する。
【００３９】
ここでは、第１反応媒体として微生物の鉄還元細菌が用いられている。鉄還元細菌は、鉄分及び有機物が存在する嫌気環境下において活性化して代謝を行ない、増殖する。この鉄還元細菌の代謝は、有機物を鉄分で酸化して分解することでエネルギーを得るものであり、このとき、３価の鉄分を還元して２価鉄イオン（Fe2+）を吐き出す。２価鉄イオンは水溶性である。上記鉄還元細菌の代謝の反応式の一例を次式に示す。
C6H12O6 + 24Fe(OH)3 → 6CO2 + 18H2O + 48OH- + 24Fe2+      （式１）
【００４０】
一般に、鉄還元細菌は、下水や汚水中に生息している。この下水や汚水等の被処理水が反応室１２に供給されることで、反応室１２内に鉄還元細菌が添加される。装置１の運転開始時には鉄還元細菌の数が少なくても、赤錆のスラリー９１中で短期間に増殖させることができる。図１において破線で示すように、鉄還元細菌を嫌気環境の培養槽３で培養して増殖させて反応室１２に供給することにしてもよい。
【００４１】
有機物を酸化させるとともに固体金属化合物を還元させる作用を有するものとして、鉄還元細菌等の微生物に代えて、又はそれに加えて、プラチナやルテニウム等の触媒を用いてもよい。
【００４２】
反応室１２の底部は隔壁１３（固液分離膜）にて画成されている。隔壁１３は、メッシュ等にて構成され、固体の透過を阻止し、液体の透過を許容する。反応槽１１の隔壁１３より下側の部分が貯水室１４になっている。赤錆スラリー９１中の被処理水が隔壁１３を透過して貯水室１４に溜められている。この貯水室１４の被処理水９３中の有機物濃度は、元の被処理水９０の有機物濃度より十分に小さく、ないしは殆どゼロである。被処理水９３には、上記固体金属化合物の金属成分のイオン（ここでは、２価鉄イオン）が溶解している。
【００４３】
第１反応部１０の貯水室１４と第２反応部２０とが、接続路５を介して接続されている。接続路５には第２送液ポンプ５Ｐが設けられている。第２反応部２０は、貯水室１４からの被処理水９３を酸素含有気体と接触させる。酸素含有気体は、好ましくは空気である。第２反応部２０は、曝気装置にて構成され、被処理水９３を曝気する。
【００４４】
この実施形態の第２反応部２０は、散水ノズル２１を備えている。接続路５の先端が散水ノズル２１に連なっている。送液ポンプ５Ｐによって、貯水室１４の被処理水が接続路５を経て散水ノズル２１に送られる。散水ノズル２１は、先端の噴出面を下へ向けて外気中に配置されており、この噴出面から被処理水９３をシャワー状、霧状、ないしは多数の滴状の液滴９４にして放散する。
【００４５】
第２反応部２０の後段に分離部３０が配置されている。分離部３０は、第２反応部２０で曝気後の被処理水から固体成分を分離する。この実施形態の分離部３０は、分離槽３１を備えている。分離槽３１は、上面が開放され、かつ散水ノズル２１の下方に離れて配置されており、散水ノズル２１からの液滴９４を受け容れて被処理水９６として溜める。分離槽３１の底部には、被処理水９６から分離された固体成分の沈殿層９５が形成されている。固体成分は、反応室１２の固体金属化合物と同一成分にて構成されている。すなわち、沈殿層９５は、水酸化鉄又は酸化鉄からなる赤錆にて構成されている。赤錆は不溶性の固体である。沈殿層９５の上側に被処理水９６の上澄み層が形成されている。この被処理水９６は赤錆を殆ど含まず、かつ有機物濃度は十分小さく、ないしは殆どゼロである。
【００４６】
分離槽３１の底部から回収路６（再利用部）が引き出されている。回収路６は、第１反応部１０の反応室１２へ延びている。分離槽３１の側部から導出路７が引き出されている。導出路７の上流端は、上澄み液９６に臨んでいる。導出路７は次段の水処理部（図示省略）又は水利用部へ延びている。
【００４７】
上記のように構成された水処理装置１によって、下水、汚水等の被処理水を浄化処理する方法を説明する。
［被処理水供給工程］
被処理水９０を送液ポンプ４Ｐによって供給路４から反応室１２内に供給する。被処理水９０は、反応室１２内のスラリー９１に混じり、スラリー９１を構成する赤錆（Fe(OH)3等）と接触しながら反応室１２内を流通する。
【００４８】
［第１反応工程］
このとき、赤錆スラリー９１中の鉄還元細菌が、活性化して代謝を行なうことによって、被処理水中のグルコース（C6H12O6）等の有機物を赤錆の３価鉄イオンで酸化して分解
し、かつ赤錆から２価鉄イオンを遊離させる（式１）。有機物の分解によって、赤錆スラリー９１中の被処理水の有機物濃度を下げて被処理水を浄化できる。分解時にメタンや硫化水素が発生することはない。有機物を酸化するための酸素源として赤錆中の酸素を充てることで、好気処理では必須の曝気を省略でき、曝気のための所要エネルギーを省略できる。赤錆から遊離した２価鉄イオンは、被処理水に溶解する。
【００４９】
反応槽１１の底部におけるスラリー９１の成分のうち赤錆や鉄還元細菌は、隔壁１３に 
よって貯水室１４への透過を阻止され、反応室１２内に留まる。上記２価鉄イオンを含む浄化済み被処理水９３は、隔壁１３を透過して貯水室１４へ導出される。
【００５０】
［第２反応工程］
この貯水室１４の被処理水９３を、送液ポンプ５Ｐによって接続路５を経て第２反応部２０へ導入して曝気する。ここでは、被処理水９３を散水ノズル２１から空気中に散水して無数の液滴９４にする。この液滴９４が、空気（酸素含有気体）と接触しながら落下する。このとき、空気中の酸素が、液滴９４に溶解して液滴９４中の２価鉄イオンと接触する。これによって、次式に示すように、２価鉄イオンが酸化され、赤錆が生成される。すなわち、第１反応部１０の固体金属化合物と同一成分からなる固体成分が生成される。
4Fe2+ + O2 + 10H2O → 4Fe(OH)3+ 8H+           （式２）
【００５１】
式２に示す２価鉄イオン（Fe2+）の酸化反応は化学反応であり、式１に示す生化学反応と比べると反応速度が非常に大きい。そのため、液滴９４に溶解した酸素は、飽和に達する前に上記酸化反応（式２）に消費される。したがって、液滴９４の溶存酸素量が飽和することはなく、空気中の酸素が液滴９４に次々と溶解する。よって、活性汚泥法等の好気処理における曝気と比べると、必要な曝気エネルギー（具体的にはポンプ５Ｐによる浄化被処理水９３の汲み上げエネルギー）を十分に小さくすることができ、その小さな曝気エネルギーで、２価鉄イオンを十分に酸化させて新たな赤錆を確実に生成することができる。
また、この反応は鉄酸化細菌の働きによっても加速させることができる。
【００５２】
［分離工程］
液滴９４は、分離槽３１に落下して溜まる。そして、分離槽３１の底部に、上記第２工程で生成した固体成分すなわち赤錆が沈降して沈殿層９５が形成され、その上側に浄化済み被処理水の上澄み液９６が形成される。これによって、赤錆を被処理水から分離できる。上澄み液９６は、導出路７によって次段の処理へ回し、更に浄化度を高めたり、排出したりする。
【００５３】
［再利用工程］
上記沈殿層９５の赤錆は、バッチ又は連続的に回収路６から反応室１２へ戻す。作業者が沈殿物９５を取り出して反応室１２に戻してもよい。これによって、赤錆の鉄分を無駄に使い捨てることなく、循環させて再利用できる。反応室１２に鉄分を補充する必要はなく、或いは補充量を低減できる。
【００５４】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において既述の形態と重複する構成に関しては、図面に同一符号を付して説明を適宜省略する。
図２は、本発明の第２実施形態を示したものである。第２実施形態の水処理装置１Ｘでは、被処理水供給路４が反応槽１１の底部に接続されている。反応槽１１には隔壁１３が設けられておらず、反応槽１１内の全体が反応室１２になっている。反応槽１１の上面は開放されている。反応室１２内に赤錆と被処理水とのスラリー９１が蓄えられている。反応室１２内の赤錆スラリー９１の上側部分には、浄化済み被処理水９３の上澄み層が形成されている。
【００５５】
反応槽１１の上部に接続路５の上流端（第２反応部２０との連通部）が設けられている。接続路５の上流端は、上澄み層９３に臨んでいる。接続路５の上流端には、フィルタ５ｆ（固液分離膜）が設けられている。フィルタ５ｆは、液体の流通を許容し、固体の流通を阻止する。
【００５６】
反応槽１１の上方に分離部３０の分離槽３５が配置されている。分離槽３５の上端部は 
開口され、その上方に散水ノズル２１が配置されている。分離槽３５の少なくとも下側部分（底部）３６は、下方へ向かって狭まる漏斗状（逆さ錐状）になっている。漏斗状の部分２６の下端部３７は、反応槽１１へ向けて開口し、第１反応部１０との連通部ないしは回収路６（再利用部）を構成している。反応槽１１の開放された上面が、第１反応部１０における分離部３０との連通部を構成している。反応槽１１の上部を蓋体で塞ぎ、この蓋体に分離部３０との連通部を設けてもよい。
【００５７】
分離槽３５の漏斗状部分３６の内部にスラリー状の沈殿層９５が形成されている。このスラリー状の沈殿層９５が、分離槽３５の下端部３７（第１反応部１０との連通部）から一定量ずつ流出して落下するようになっている。この流出スラリー９５ａには鉄還元細菌が殆ど存在しない。分離槽３５の下端部３７に弁を設けて沈殿層９５の流出量を調節してもよい。
【００５８】
分離槽３５内の沈殿層９５の上側に上澄み液９６が形成されている。導出路７の上流端が上澄み液９６内に臨んでいる。導出路７の上流端にはフィルタ７ｆ（固液分離膜）が設けられている。フィルタ７ｆは、液体の流通を許容し、固体の流通を阻止する。
【００５９】
第２実施形態の水処理装置１Ｘの動作を説明する。
水処理装置１Ｘにおいては、第１反応工程では、被処理水を上昇方向に流動させ、再利用工程では、固体成分（赤錆）を第１反応工程における被処理水の上側部に供給する。
【００６０】
詳述すると、処理前の被処理水９０を供給路４から反応槽１１の底部に導入する（被処理水供給工程）。被処理水は、総体的に反応室１２内を上昇するように流動する。この流れに乗って鉄還元細菌が反応槽１１の上部へ移動する。スラリー９１を構成する赤錆は、水より比重が大きいから、総体的に被処理水の流れに逆らって沈降しようとする。したがって、被処理水と赤錆とは互いに対向流を構成する。
【００６１】
この過程で、鉄還元細菌の代謝によって第１反応工程が行なわれる（式１）。すなわち、被処理水中の有機物が酸化されて分解され、被処理水が浄化されていく。同時に、赤錆が還元されて２価鉄イオンが遊離される。２価鉄イオンは被処理水に溶解し、被処理水と共に上昇する。したがって、反応室１２の上側に向かうにしたがって、被処理水中の有機物濃度が低下し、かつ被処理水中の２価鉄イオンの濃度が高まる。上澄み層９３では、有機物濃度が十分小さくなり、ないしは殆どゼロになり、かつ２価鉄イオン濃度が十分に高くなる。
【００６２】
上澄みの被処理水９３を、送液ポンプ５Ｐによって接続路５に導出し、第２反応部２０へ送る。これによって、第１反応部１０内の被処理水の流れを確実に上昇方向に向けることができる。被処理水９３を接続路５に吸い込む際、フィルタ５ｆによって、上澄み層９３中の赤錆や鉄還元細菌が接続路５に取り込まれるのを阻止することができる。
【００６３】
第２反応部２０では、被処理水９３を散水ノズル２１から空気中に散水して無数の液滴９４にする。この液滴９４が空気と接触することで、液滴９４中の２価鉄イオンが酸化され（式２）、固体成分すなわち赤錆が生成される（第２反応工程）。
【００６４】
液滴９４は、分離槽３５に落下して溜まる。分離槽３５内において、赤錆が沈降して沈殿層９５となり、その上に被処理水の上澄み液９６が形成される（分離工程）。この上澄み液９６を導出路７へ導出して次工程の処理等に供する。このとき、フィルタ７ｆによって、上澄み液９６中の未沈殿の赤錆が導出路７に取り込まれるのを阻止することができる。
【００６５】
沈殿層９５は、分離槽３５の漏斗状部分３６に堆積する。この沈殿層９５を連通部３７から一定量ずつ流出させる（再利用工程）。これに伴って、沈殿層９５が、漏斗状部分３６の斜面に案内されて下端の連通部３７へ向けて順次沈降する。これによって、沈殿層９５を第１反応部１０へ自動供給することができる。沈殿層９５及びその流出体９５ａは、スラリー状になっている。このスラリーの大半は赤錆であり、残部は浄化後の被処理水である。
【００６６】
流出スラリー９５ａは、反応室１２内の被処理水の上側部に供給され、そのうち赤錆は更に沈降して赤錆スラリー９１の上側部分に混ざる。上記流出スラリー９５ａには、鉄還元細菌が殆ど存在しない。したがって、赤錆スラリー９１の上側部分は、鉄還元細菌の存在密度が小さくなる傾向がある。一方、被処理水の上昇流に乗って鉄還元細菌が上がって来ることで、赤錆スラリー９１の上側部分にも鉄還元細菌を行き渡らせことができる。また、赤錆は反応室１２の底部へ向けて沈降する。これによって、反応室１２内の広い範囲で一様に鉄還元細菌を繁殖させて第１反応工程を起こすことができる。この結果、被処理水中の有機物の分解効率を高めることができ、被処理水の浄化効率を高めることができる。
【００６７】
水処理装置１Ｘによれば、被処理水９０を第１反応部１０に連続的に供給して浄化でき、かつ浄化後の被処理水９３を第１反応部１０から連続的に取り出して第２反応部２０へ送ることができる。第１反応部１０への被処理水９０の供給と、第１反応部１０からの浄化済み被処理水９３の取り出しを同時併行して行なうことができる。
流出スラリー９５ａ中の赤錆の流量は、第１反応部１０内で２価鉄イオンに還元される赤錆の単位時間当たりの量と対応させることが好ましい。これによって、第１反応部１０内の赤錆量を常時ほぼ一定に維持することができる。
流出スラリー９５ａ中の被処理水の流量と、供給路４からの被処理水９０の供給流量との合計流量が、浄化済み被処理水９３の接続路５への導出流量とほぼ等しくなるようにすることが好ましい。これによって、第１反応部１０内の被処理水の量を常時ほぼ一定に維持することができる。
【００６８】
分離槽３５内の上澄み液９６の導出路７への導出流量は、第１反応部１０内の被処理水９３の接続路５への導出流量とほぼ等しくなるようにすることが好ましい。これによって、分離槽３５内の被処理水の量を常時ほぼ一定に維持することができる。
この結果、水処理装置１Ｘを定常的に連続運転することができる。
【００６９】
図３は、本発明の第３実施形態を示したものである。第３実施形態の水処理装置１Ａは、１つの容器４０を備えている。容器４０の下端部に供給路４が接続されている。第１送液ポンプ４Ｐの駆動によって、被処理水９０が、供給路４から容器４０の下部に導入される。容器４０の下部には、酸化鉄（Fe2O3）や水酸化鉄（Fe(OH)3）等の赤錆が沈殿している。赤錆は、被処理水９０と混合してスラリー９１になっている。スラリー９１には鉄還元細菌が生息している。容器４０内の下部（赤錆スラリー９１が溜まっている部分）は、第１反応部１０として提供されている。
【００７０】
被処理水９０の容器４０への供給流量は充分に小さい。或いは、容器４０の断面積は充分に大きい。これによって、容器４０内の被処理水が、赤錆を巻き上げない流速で、好ましくは赤錆の沈降を許容する流速でゆっくり上昇する。上記上昇流速は、例えば１０μｍ／ｓｅｃ〜１０ｃｍ／ｓｅｃ程度である。上昇しながら、被処理水中の有機物が鉄還元菌によって酸化され、被処理水が浄化されていく（第１反応工程）。一方、赤錆は還元されて２価鉄イオン（Fe2+）になる（式１）。この２価鉄イオンが被処理水に溶け込む。２価鉄イオンは被処理水の流れに乗って容器４０内の下部１０を上昇する。
【００７１】
被処理水は、有機物濃度が低下し、かつ２価鉄イオンを含んだ状態で、赤錆スラリー９１の上端部よりも上側へ出て、更に上昇する。赤錆スラリー９１より上側の被処理水９３中に散気管２２が設けられている。散気管２２は、赤錆スラリー９１の上端部の近くにほぼ水平に配置されている。散気管２２の基端部に送気管２３が連なっている。送気管２３に送気ポンプ２４が設けられている。
【００７２】
送気ポンプ２４の駆動によって、空気（酸素含有気体）が送気管２３から散気管２２へ送り込まれる。この空気が、散気管２２の多数の散気孔２２ａから洩れて、被処理水９３内にバブリングされる。これによって、被処理水９３が空気と接触し、被処理水９３中の２価鉄イオンが酸化されて水酸化鉄や酸化鉄等の赤錆（固体成分）になる（第２反応工程）。散気管２２をスラリー９１より上側の被処理水９３内における下寄りの高さに配置することによって、散気された空気を上記上側の被処理水９３の広い範囲に行き渡らせることができる。したがって、２価鉄イオンを確実に赤錆に変換させることができる。散気管２２は、第２反応部２０の被処理水と空気（酸素含有気体）とを接触させる接触部を構成する。
【００７３】
スラリー９１より上側の被処理水９３は、スラリー９１中の被処理水と同じ大きさの低速で上昇する。したがって、上記赤錆が被処理水９３中を沈降する（分離工程）。被処理水９３（液成分）と赤錆（固体成分）の流れは、互いに対向流を形成する。やがて、赤錆は、容器４０の下部に達してスラリー９１に混ざる（再利用工程）。容器４０内のスラリー９１より上側の部分は、第２反応部２０及び分離部３０として提供される。
【００７４】
容器４０の上端部の液面近くの被処理水は、２価鉄イオン濃度が充分に低くなる。この被処理水を上澄み液９６として導出路７から排出する。なお、容器４０の上端部には、雑菌の繁殖を防止するために蓋を設けることが好ましい。蓋には、散気された空気を逃がす空気抜きを設けることが好ましい。
【００７５】
第３実施形態の水処理装置１Ａによれば、１つの容器４０が、第１反応部、第２反応部２０、分離部３０、及び再利用部６としての機能を兼ね備えることになる。よって、装置構造を簡素化できる。
【００７６】
図４は、本発明の第４実施形態を示したものである。第４実施形態の水処理装置１Ｂは、第３実施形態（図３）と同様の容器４０を備えている。容器４０内における赤錆スラリー９１より上側の第２反応部２０には、被処理水９３と酸素含有気体とを接触させる接触部として、散気管２２に代えて、膜２５が設けられている。膜２５は、被処理水の透過を阻止し、酸素含有気体の透過を許容する。例えば、膜２５は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる多孔膜で構成されている。ＰＶＤＦは疎水性であるから、水は自身の表面張力のために膜２５の微細孔を通過することができない。一方、酸素、空気などの気体は微細孔を通過可能である。
【００７７】
膜２５は、管状になっている。ここでは、管状の膜２５として、多数（複数、図では模式的に６つを図示）の中空糸膜が用いられている。中空糸膜の太さは、φ１００ｍｍ〜φ０．１ｍｍ程度であり、好ましくはφ１０ｍｍ程度である。多数本の管状の膜２５が、容器４０内の上側部分（第２反応部２０を構成する部分）の被処理水９３中に配置されている。これら管状膜２５は、上下に延びている。送気管２３が各管状膜２５の上端部に連なっている。各管状膜２５の下端部に排気管２６が連なっている。
【００７８】
空気（酸素含有気体）が、送気管２３から管状膜２５に供給される。管状膜２５の内部空間は、空気（酸素含有気体）の流路２５ａを構成する。管状膜２５の外部には被処理水９３の流路２５ｂが形成される。管状膜２５を介して外側の被処理水９３と内側の空気とが隔てられる。
【００７９】
膜内流路２５ａの空気の一部は、管状膜２５の微細孔を通過して被処理水９３に溶ける。これによって、膜外流路２５ｂにおいて、被処理水９３中の２価鉄イオンと溶存酸素とが反応して、酸化鉄等の赤錆（固体成分）が生成される（第２反応工程）。この赤錆が被処理水９３中を沈降し（分離工程）、管状膜２５より下方の赤錆スラリー９１に混ざる（再利用工程）。
【００８０】
膜内流路２５ａの空気は下向きに流れる。これに対し、膜外流路２５ｂの被処理水９３は上向きに流れる。したがって、上記空気と被処理水９３は互いに対向流を構成する。これによって、鉄イオンを効率良く酸化できる。ひいては、管状膜２５への空気供給量を低減できる。
管状膜２５の下端に達した空気は、排気管２６に導出されて排気される。
管状膜２５の上方へ出た被処理水は、上澄み液９６として導出路７から排出される。
【００８１】
好ましくは、管状膜２５の外周面（被処理水側の表面）に鉄酸化細菌（第２反応媒体）を生息させる。鉄酸化細菌は、被処理水９３中の２価鉄イオンと、膜２５を透過した空気中の酸素とを取り込み、２価鉄イオンを酸化して３価鉄イオンにし（式３）、かつ酸素を還元する（式４）。上記３価鉄イオンは、鉄酸化細菌から吐き出されて水酸化鉄や酸化鉄  等の赤錆になる（式５）。この赤錆は、欠陥の多い貧結晶になる。
Fe2+ → e-＋Fe3+                           （式３）
e− ＋ H+ ＋ 1/4O2 → 1/2H2O        （式４）
Fe3+ ＋ 3H2O → Fe(OH) 3 ＋ 3H+    （式５）
上記反応式３〜５をまとめると、下式６の通りになる。
Fe2+ ＋ 5/2H2O ＋ 1/4O2 → Fe(OH) 3 ＋ 2H+  （式６）
【００８２】
上記赤錆の貧結晶は容器４０の上部２０から下部１０に沈降する。容器４０の下部１０には、鉄還元細菌が生息している。この鉄還元細菌が、上記貧結晶の三価の鉄を電子受容体にして、被処理水中の有機物を分解する。貧結晶は、通常の結晶よりも鉄還元細菌にとって食し易い形態である。そのため、有機物の分解を促進させることができる。
【００８３】
ところで、２価の鉄イオンは、被処理水中の硝酸イオンを還元し、窒素ガスにする能力を有する（式７）。したがって、固体金属化合物を構成する金属として鉄を用いることで、被処理水を脱窒することができる。
NO3- ＋ 5Fe2+ ＋ 12H2O → 5Fe(OH)3 ＋ 9H+ ＋ 1/2N2    （式７）
このとき、被処理水のｐＨが高いと、硝酸イオンがアンモニアに還元されることがある（式８）。
NO3- ＋ 8Fe2+ ＋ 21H2O → 8Fe(OH)3 ＋ 14H+ ＋ NH4+    （式８）
したがって、アンモニア濃度の上昇を抑制する観点からは、本装置は、低ｐＨの被処理水の処理に適している。
【００８４】
第２反応部２０においては、被処理水に酸素を供給することによって、アンモニアが硝酸化される（式９）。
NH4+＋2O2 → NO3-＋2H+＋H2O        （式９）
したがって、浄化済み被処理水９６のアンモニア濃度を浄化前より低くできる。
【００８５】
図５は、本発明の第５実施形態を示したものである。この実施形態は、被処理水中のアンモニア処理を考慮したものであり、水処理装置１Ｃの導出路７に分流部５０が設けられている。分流部５０を介して、導出路７から戻し路５１が分岐している。供給路４には合流部４２が設けられている。戻し路５１の先端が、合流部４２を介して供給路４に連なっている。
【００８６】
浄化済み被処理水９６の一部が分流部５０から戻し路５１に分流され、残部がそのまま導出路７を経て排出される。被処理水９６の戻し流量と排出流量の比率は、好ましくは、戻し流量：排出流量＝５：５〜９：１程度である。戻し路５１に分流した被処理水９６は、合流部５２において、新たな被処理水９０と混合される。これによって、容器４０に供給される被処理水９０のアンモニア濃度を低くできる。そして、第２反応工程において、アンモニアを硝酸化し（式９）、更には窒素ガスに変換する（式８）。これによって、排出水９６中のアンモニア濃度ひいては窒素濃度を低下させることができる。
【００８７】
上記の分流部５０における戻し流量の比率が高いほど、供給被処理水９０のアンモニア濃度を小さくできる。一方、戻し流量比を高くすると、浄化処理量が小さくなりコストが高くなる。したがって、戻し流量比は、浄化処理の要求量やコストをも考慮して決めることが好ましい。
【００８８】
図６は、本発明の第６実施形態を示したものである。第６実施形態に係る水処理装置１Ｄでは、供給路４にアンモニア前処理部６０が介在されている。アンモニア前処理部６０は、曝気装置を含む。曝気装置は、散気管を有していてもよく、散気ノズルを有していてもよい。図では、アンモニア前処理部６０は、送液ポンプ４Ｐと第１反応部１０との間に配置されているが、アンモニア前処理部６０を送液ポンプ４Ｐより上流の供給路４に配置してもよい。
【００８９】
アンモニア前処理部６０に送気路６１が接続されている。空気等の酸素含有気体が、送気路６１からアンモニア前処理部６０に導入され、アンモニア前処理部６０内で被処理水９０が曝気される。これによって、被処理水９０中のアンモニアを酸化させて硝酸イオンや亜硝酸イオンに変換できる（式９）。したがって、被処理水９０のアンモニア濃度を予め低下させたうえで、被処理水９０を容器４０の下部の第１反応部１０に導入することができる。この結果、容器４０内おける脱窒を効率的に行なうことができる。
【００９０】
図７は、本発明の第７実施形態を示したものである。第７実施形態に係る水処理装置１Ｅでは、容器４０内の被処理水の上昇流速が第３実施形態（図３）より大きくなるように設定されている。そのため、容器４０の上部２０では、酸化鉄や水酸化鉄等の赤錆が被処理水の流れに押されて上昇する。したがって、赤錆（固体成分）と被処理水（液成分）が互いに同じ向きに流れ、並行流を構成する。赤錆には沈もうとする力も作用するから、赤錆の上昇速度は被処理水の上昇速度より小さい。
【００９１】
容器４０の上端部には接続路５を介して分離槽３１が接続されている。分離槽３１の底部と容器４０の中間部とが回収路６にて接続されている。容器４０の上端部に達した酸化鉄を含む被処理水９３は、接続路５を経て分離槽３１に送られる。そして、酸化鉄が分離槽３１の底部に沈殿する（分離工程）。この沈殿物が、回収路６を介して容器４０の下部１０に戻される（再利用工程）。分離槽３１の上部の上澄み液９６は、導出路７によって排出される。
【００９２】
本発明は、上記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変をなすことができる。
例えば、第２反応部２０は、被処理水を散水するのに代えて、被処理水中に空気を送り込んで曝気するものであってもよい。この場合、第２反応部２０は、被処理水を溜める第２反応槽と、第２反応槽に設けられた曝気孔を有する曝気部と、曝気部に空気を供給する給気部とを含むことが好ましい。上記第２反応槽内で鉄酸化細菌等の金属酸化細菌を培養してもよい。この金属酸化細菌の代謝によって、金属イオンの酸化反応を促進させることができる。
分離部３０は、固体と液体を分離する固液分離フィルタにて構成されていてもよい。
【００９３】
第１反応工程において、第１反応媒体として鉄還元細菌等の金属還元細菌に代えて、又は金属還元細菌に加えて、Ｐｔ、Ｒｕ等の触媒を用いてもよい。
第２反応工程において、第２反応媒体として鉄酸化細菌等の金属酸化細菌に加えて、又は金属酸化細菌に代えてＰｔ、Ｒｕ等の触媒を用いてもよい。膜２５の被処理水側の表面に、金属酸化細菌に代えて、又は金属酸化細菌に加えて、Ｐｔ、Ｒｕ等の触媒を担持させてもよい。
別途に培養した金属酸化細菌を第２反応工程又は第２反応部に供してもよい。
【００９４】
複数の実施形態を互いに組み合わせてもよい。例えば、第５〜第７実施形態（図５〜図７）において、第２反応部２０の接触部として、膜２５に代えて、第３実施形態（図３）の散気管２２を用いてもよい。第５実施形態（図５）の戻し手段５０〜５２を、第１、第２実施形態（図１、図２）に適用してもよい。第６実施形態（図６）のアンモニア前処理手段６０〜６１を、第１、第２実施形態（図１、図２）に適用してもよい。第７実施形態（図７）の分離部３０として、第２実施形態（図２）の漏斗状分離槽３５を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、例えば下水の浄化処理や河川水などのＢＯＤ、ＣＯＤ、窒素除去、リン除去に適用可能である。
【符号の説明】
【００９６】
１，１Ｘ，１Ａ〜１Ｅ  水処理装置
３      培養槽
４      被処理水供給路 
４Ｐ    第１送液ポンプ
５      接続路
５ｆ    フィルタ
５Ｐ    第２送液ポンプ
６      回収路
７      導出路
７ｆ    フィルタ
１０    第１反応部
１１    反応槽
１２    反応室
１３    隔壁
１４    貯水室
２０    第２反応部
２１    散水ノズル
２２    散気管
２２ａ  散気孔
２３    送気管
２４    送気ポンプ
２５    膜
２５ａ  膜内流路
２５ｂ  膜外流路
２６    排気管
３０    分離部
３１    分離槽
３５    漏斗状分離槽
３６    漏斗状部分
３７    下端開口（第１反応部との連通部）
４０    容器
５０    分流部
５１    戻し路
５２    合流部
６０    アンモニア前処理部
６１    送気路
９０    被処理水
９１    赤錆スラリー
９３    浄化被処理水
９４    液滴
９５    沈殿層
９５ａ  流出スラリー
９６    上澄み液 
【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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