(57)【要約】【課題】凝集剤等を用いず、設備の設置面積が小さく、上水の水質基準を満たせる浄化システムまたは浄化方法を提供すること。【解決手段】原水を浄化して上水等を得るための浄化システムで、原水中の沈殿成分を沈降除去する槽と、その後に溶解性有機成分を生物酸化処理して除去する生物処理槽と、その後、残存する細菌類を除去する膜濾過装置とを有する水の浄化システム。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原水を浄化して上水若しくは工業用水を得るための浄化システムであって、原水中の沈殿成分を沈降除去すると共に、前記沈殿成分が除去された後に原水中の溶解性有機成分を生物酸化処理して除去する生物処理槽と、原水中に残存する細菌類を除去する膜濾過装置とを有する水の浄化システム。
【請求項２】
原水に粉末活性炭を注入する手段が設けられており、かつ該手段が生物処理槽の上流側に設けられている請求項１に記載の水の浄化システム。
【請求項３】
膜濾過装置が、生物処理槽の下流側に設けられている請求項１に記載の水の浄化システム。
【請求項４】
生物処理槽が、並置された２槽以上の槽からなり、かつ該２槽以上の槽が互いに直列に連結されている請求項３に記載の水の浄化システム。
【請求項５】
膜濾過装置の濾過膜が、生物処理槽内の下流側に設置されている請求項１に記載の水の浄化システム。
【請求項６】
膜濾過装置に使用される膜が、限外濾過膜または精密濾過膜のいずれかである請求項１に記載の水の浄化システム。
【請求項７】
生物処理槽が、生物酸化処理のための生物を表面に担持する接触材を格納した接触材ブロック部を有すると共に、該生物処理槽の下部には酸素または空気を供給するための散気管が設けられており、かつ該散気管からの気泡により前記接触材ブロック部内に略鉛直方向の循環水流れを生ぜしめるものである請求項１に記載の水の浄化システム。
【請求項８】
接触材ブロック部の高さが０．５ｍ以上６ｍ以下であり、前記接触材ブロック部の投影床面積１ｍ２あたりにおける接触材の表面積が、１００ｍ２以上３０００ｍ２以下である請求項７に記載の水の浄化システム。
【請求項９】
略鉛直方向の循環水流れが上昇流れであり、かつ接触材ブロック部上部に膜濾過装置の濾過膜が設けられている請求項７に記載の水の浄化システム。
【請求項１０】
散気管が、膜濾過装置の濾過膜に前記散気管からの気泡が接触するように設けられている請求項７に記載の水の浄化システム。
【請求項１１】
生物処理槽が、生物酸化処理のための生物を表面に担持する接触材を格納しており、前記生物処理槽の１ｍ３あたりにおける前記接触材の表面積が、１００ｍ２以上５００ｍ２以下である請求項１に記載の水の浄化システム。
【請求項１２】
生物処理槽が、生物酸化処理のための生物を表面に担持する接触材を格納しており、前記接触材が、芯材と該芯材に一部が固定された繊維状物とからなり、かつ前記繊維状物を前記芯材回りに密生せしめて構成されたものである請求項１に記載の水の浄化システム。
【請求項１３】
芯材がラセン形状をなしている請求項１２に記載の水の浄化システム。
【請求項１４】
接触材の表面積が、芯材１ｍあたり１．５ｍ２以上である請求項１２に記載の水の浄化システム。
【請求項１５】
接触材が、芯材に対して繊維状物をループ状に織り込んだものである請求項１２に記載の水の浄化システム。
【請求項１６】
繊維状物が、塩化ビニリデン系繊維からなる請求項１２に記載の水の浄化システム。
【請求項１７】
原水を浄化して上水若しくは工業用水を得るための浄化方法であって、原水中の沈殿成分を沈降除去し、前記沈殿成分が除去された後に原水中の溶解性有機成分を生物酸化処理して除去し、前記溶解性有機成分が除去された後に原水中に残存する細菌類を膜濾過により除去する水の浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、河川や池等の表流水を浄化して上水や工業用水を得るための浄化システムまたは浄化方法に関し、さらには、凝集剤等の薬品を使用することなく表流水の浄化が行え、かつ浄化設備の設置面積効率に優れた浄化システムまたは浄化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、表流水から上水を得る浄化方法として急速濾過法が用いられてきた。この方法は、原水に凝集剤を投入して、粘土質、細菌、藻類等の不溶成分をあらかじめ凝集、沈澱させたあと、比較的粗い濾過砂を用いて濾過する方法であり、濾過速度は１００〜３００ｍ３／ｍ２／日と大きい。しかし、この方法では、濁質物質の等量以上という大量の凝集剤を加える必要があり、凝集汚泥が大量に排出する。さらに、凝集剤で処理できない溶解性有機汚濁成分は、別途の活性炭等の処理プロセスを設置して除去しなければならないという問題点もある。
【０００３】
ところで、凝集剤を用いなくとも、微生物を用いた生物処理により原水中の窒素成分や溶解性有機成分が効果的に分解され、その結果、窒素成分や溶解性有機成分については上水道の水質基準を満たせることが知られている。例えば、ＮＨ３は、生物処理により硝化されて窒素ガスまでに還元されることが知られている。また、水道法の臭気成分である２−メチルイソボルネオール等は快適水質項目の基準以下にまで分解される。また、バチルス系細菌により、いわゆる環境ホルモン物質であるビスフェノールＡやフタル酸ジブチルベンジルエステルや直鎖ノニルフェノール等も分解される（非特許文献１参照）。さらに、活性炭上に微生物を繁殖させた微生物活性炭法では、活性炭表面の微生物が、農薬フルトラニル、トリシクラゾールやペンシリロン等を分解している（非特許文献２参照）。また、水中に存在する鉄バクテリアは、水中の鉄分のみならず、マンガンも浄化することができる（非特許文献３参照）。
【０００４】
このような微生物による浄化と砂濾過を組み合わせた浄化方法として、緩速濾過法が知られている。この方法は、比較的細かい砂を用いた砂濾過槽の上部表面付近に、自然に生育した微生物類の食物連鎖を利用した有機汚濁物の除去と、砂濾過によるシルト等の懸濁物質の濾過とを組み合わせた方法であり、急速濾過法が普及する以前は、上水道等の分野で広く使用されていた。
【０００５】
しかし、単位面積あたりの濾過速度が０．５〜５ｍ３／ｍ２／日と遅く、一定の水量を確保するためには膨大な濾過面積、すなわち広大な敷地面積の濾過槽を必要とする。また、得られる水に大腸菌やその他の生菌が、処理後の水中におよそ１０３個／ｍｌときわめて多く残存してしまうことがあり、さらには感染症を引き起こすクリプトスポリジウムやジアルジアの除去性も低い。そのため現在の上水で必要とされる水質基準を満足することは難しいという問題点がある。また、工業用精製水であっても微生物数の低減は必須である。
【０００６】
そこで、生物処理の良さを生かしつつ、緩速濾過法の欠点を解消するための開発が種々行われており、特に処理速度の向上に対しては、セラミック接触材、繊維状接触材、織物等の種々の接触酸化材が提案されている。しかし、表面積が不十分であったり、また、ＢＯＤ成分を吸収して増殖した微生物類を捕食する原生生物または動物の住み付きが不十分であったり、さらには、散気処理に対する微生物類等の接触材からの剥離防止が不十分であったりするのが実状である。
【０００７】
なお、上水に関してではないが、活性汚泥法による汚水の処理において用いることができる微生物群の接触接触材として、表面に多数の輪状体を密生させた帯状紐状体を細い芯体の周辺に螺旋状に密接し、隣接する紐体の表面の輪状体の一部が相互に絡み合うように並べて巻き付けられた接触材が開示されている（特許文献１参照）。
【０００８】
【非特許文献１】
入江鐐三、「伊那下水処理プラント活性汚泥による難分解性化合物の分解に関する研究」、平成１２年度新活性汚泥技術研究会報告
【０００９】
【非特許文献２】
井上ら、「粉末活性炭処理による農薬の低減化」、第５３回全国水道研究発表会、平成１４年５月、４−４５
【００１０】
【非特許文献３】
鈴木辰彦、「ハイブリッドＭＦ膜濾過システムによる浄水処理」、質の利用を中心にすえた新しい都市水代謝システムの構築、水の統合管理に関するＣＲＥＳＴシンポジウム、平成１４年１月３１日、Ｐ．９〜１７
【００１１】
【特許文献１】
特公昭５６−２８１９９号公報（特許請求の範囲、図１参照）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、凝集剤のような薬品類を用いることなく、設備の設置面積が小さくて済み、かつ、処理水質を飛躍的に高めて上水の水質基準を満たすことができる上水の浄化システムまたは浄化方法を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
発明の第１は、原水を浄化して上水若しくは工業用水を得るための浄化システムであって、原水中の沈殿成分を沈降除去すると共に、前記沈殿成分が除去された後に原水中の溶解性有機成分を生物酸化処理して除去する生物処理槽と、原水中に残存する細菌類を除去する膜濾過装置とを有する水の浄化システムである。この構成により、大量の凝集剤を使用せず生物処理の良いところを利用しながら、処理水中の残存細菌数等を低下せしめて上水の水質基準を満たしうる水の浄化システムが得られる。
【００１４】
ここで、原水に粉末活性炭を注入する手段が設けられており、かつ該手段が生物処理槽の上流側に設けられていることは望ましい。この構成により、原水に農薬等の難分解性有機物が混入した場合にも、安定した水質の水を供給することが可能となる。
【００１５】
また、前記の膜濾過装置が、前記の生物処理槽の下流側に設けられている水の浄化システムとすることは望ましい。この構成により、濾過膜のファウリングが生じにくくなり、膜濾過水量を高く設定でき、膜濾過装置が小型化でき、かつ膜の化学洗浄のサイクルを長くすることができる。
【００１６】
ここで、前記の生物処理槽が、並置された２槽以上の槽からなり、かつ該２槽以上の槽が互いに直列に連結されている水の浄化システムとすることは望ましい。この構成により、後生小動物の生物捕食機能の役割をより大きくし、水浄化のレベルをあげることができる。
【００１７】
また、前記の膜濾過装置の濾過膜が、前記生物処理槽内の下流側に設置されている水の浄化システムとすることは望ましい。この構成により、設置面積効率が良く、簡便なシステムとすることができる。
【００１８】
また、膜濾過装置に使用される膜が、限外濾過膜または精密濾過膜のいずれかである水の浄化システムとすることは望ましい。この構成により、比較的低い運転コストで、生物処理槽からの処理水に残存する細菌類等を除去することが可能となり、上水の水質基準を満たすことが可能となる。
【００１９】
また、前記の生物処理槽が、生物酸化処理のための生物を表面に担持するの接触材を格納した接触材ブロック部を有すると共に、該生物処理槽の下部には酸素または空気を供給するための散気管が設けられており、かつ該散気管からの気泡により前記接触材ブロック部内に略鉛直方向の循環水流れを生ぜしめるものである水の浄化システムとすることは望ましい。この構成により、台風や大雨の時に、原水に大量のシルト状懸濁物が混入した場合でも、シルト状懸濁物は沈降する傾向にあるために、接触材上に担持された微生物に影響しにくくなる。
【００２０】
ここで、前記の接触材ブロック部の高さが０．５ｍ以上６ｍ以下であり、前記接触材ブロック部の投影床面積１ｍ２あたりにおける前記接触材の表面積が、１００ｍ２以上３０００ｍ２以下である水の浄化システムとすることは望ましい。この構成により、設置面積を小さくして面積効率の高い浄化システムとすることができる。より望ましい接触材ブロック部の高さは、２ｍ以上４ｍ以下である。
【００２１】
また、前記の略鉛直方向の循環水流れが上昇流れであり、かつ前記接触材ブロック部上部に前記膜濾過装置の濾過膜が設けられている水の浄化システムとすることは望ましい。この構成により、システムの設置面積効率をさらに高めることができる。
【００２２】
また、前記の散気管が、前記の膜濾過装置の濾過膜に前記散気管からの気泡が接触するように設けられている水の浄化システムとすることは望ましい。この構成により、濾過膜の表面が気泡により振動するため、ファウリングが生じにくくなる。
【００２３】
また、生物処理槽が、生物酸化処理のための生物を表面に担持する接触材を格納しており、前記生物処理槽の１ｍ３あたりにおける前記接触材の表面積が、１００ｍ２以上５００ｍ２以下であることは望ましい。この構成により、処理可能水量に対して生物処理槽に必要な設置面積が小さくて済み、面積効率の高い浄化処理が可能となる。
【００２４】
また、生物処理槽が、生物酸化処理のための生物を表面に担持する接触材を格納しており、前記接触材が、芯材と該芯材に一部が固定された繊維状物とからなり、かつ前記繊維状物を前記芯材回りに密生せしめて構成されたものであることは望ましい。この構成により、生物処理槽の単位体積あたりの接触材面積を高くすることが可能となり、処理可能水量に対して生物処理槽の設置面積を小さくすることができる。
【００２５】
また、芯材がラセン形状をなしていることは望ましい。この構成により、生物処理槽の単位体積あたりの接触材面積を高くすることが可能となるし、また、散気槽からの酸素若しくは空気の気泡により、渦巻き状の上昇流が発生し易くなり、微生物への酸素若しくは空気の供給が均一化しやすい。その結果、安定した水の浄化が可能となる。
【００２６】
また、接触材の表面積が、芯材１ｍあたり１．５ｍ２以上であることは望ましい。この構成により、処理可能水量に対して生物処理槽の設置面積を小さくすることができる。
【００２７】
また、接触材が、芯材に対して繊維状物をループ状に織り込んだものであることは望ましい。この構成により、容易に芯材単位長さあたりの表面積が大きな接触材を得ることが可能となる。
【００２８】
また、繊維状物が、塩化ビニリデン系繊維からなることは望ましい。この構成により、生物処理槽の中で接触材が均一な状態に維持しやすく、長期間に渡って、安定した性能で水浄化を行うことが可能となる。
【００２９】
発明の第２は、原水を浄化して上水若しくは工業用水を得るための浄化方法であって、原水中の沈殿成分を沈降除去し、前記沈殿成分が除去された後に原水中の溶解性有機成分を生物酸化処理して除去し、前記溶解性有機成分が除去された後に原水中に残存する細菌類を膜濾過により除去する水の浄化方法である。この構成により、大量の凝集剤を使用せず生物処理の良いところを利用しながら、処理水中の残存細菌数等を低下せしめて、上水の水質基準を満たす水を得ることが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の例を図面を用いて説明するが、本発明はこれらの図面に表された実施形態に限定されるものではない。図１は、本発明の浄化システムの実施形態の１例における全体の概略フローを示した概念図である。この浄化システムは、生物処理槽を２槽直列に設けた例である。この例を用いて説明する。
【００３１】
河川や池などの表流水から取水された原水２０は着水井３０に流入する。ここで一定時間滞留させることにより、原水中のシルト状懸濁物質が自然沈降して原水から除去される。ここで、原水２０は、通常では５０度レベル以下の濁度で着水井３０に流入するが、台風などの大雨時には、着水井である程度のシルト状懸濁物質を沈降させたあとでさえも、なお濁度５００度以上となるような原水が流入することがある。その場合には、続く生物処理槽６０、８０においてもシルト状懸濁物質の沈降除去が行われる。
【００３２】
また、季節によって、表流水中に農薬等の難分解性有機物が混入する場合がある。このような難分解性の有機物も生物処理槽の微生物によりある程度は分解されるものの、農薬などの流入濃度が高く、生物処理槽の微生物だけでは分解しきれないと判断される場合には、続く生物処理槽６０に導入する前に設けられた粉末活性炭注入手段１０から粉末活性炭が処理水に注入される。この粉末活性炭は、生物処理槽の中に設けられた沈殿槽で有機物をある程度吸着して沈降し汚泥となる。また、接触材上に粉末活性炭が流入した場合は、接触材ブロック部の中を気泡によるエアリフト効果によって循環しながら、余剰の有機物を吸着して沈降し、やはり汚泥として系外へ排出される。このようにすることにより、原水に難分解性有機物が大量に混入するような場合でも、安定した品質の上水を供給することが可能となる。
【００３３】
なお、原水が伏流水などの良質な原水である場合には、着水井３０は設けなくとも良い。
【００３４】
着水井３０から越流した上澄み部分である原水の流入流れは、第１の生物処理槽６０に導かれる。この段階の原水中には、各種の溶解性有機物や通常６０００〜７０００個／ｍｌ程度の細菌類が残存しているので、これらを生物処理槽で処理する。第１の生物処理槽６０の概略断面を図２に示した。なお、第２の生物処理槽８０も同じ構造である。
【００３５】
第１の生物処理槽６０は、着水井３０からの原水の流入流れを誘導して、生物処理槽の下部の流入口４２から槽内に流入させるための障壁板４１により形成された導入路４０、残存しているシルト状懸濁物質を沈降せしめて、汚泥として排泥するための沈降槽５０、微生物を担持した接触材を格納し、生物処理を行う接触材ブロック部６１、接触材ブロック部６１に空気７２を供給するための散気管７０を有する。
【００３６】
接触材ブロック部６１は、生物処理槽６０の内部体積の多くを占めており、比較的水面に近い槽内部の上部空間に設けられている。接触材ブロック部６１と水面との間には、異常事態に対応するためのおよそ１ｍのスペースが設けられている。接触材ブロック部６１は格子状の底板及び天板から構成され、その中には、表面に微生物を担持した多数の接触材２００が、図２に記載のように固定されて格納されている。接触材ブロック部６１の内部には、格子状の底板及び天板を介して水の上昇旋回流６２が自由に流通できる。
【００３７】
この例では、接触材ブロック部６１は１ｍ角の単位ブロックを積み上げて構成している。ブロック数が多いほど設置面積効率は良くなるが、生物処理槽は水圧に対する強度が必要となる。積み上げる単位ブロックの段数は、１段から１０段程度までが好ましく、より好ましくは２段から７段である。
【００３８】
単位ブロックあたりに格納する接触材の表面積は１００ｍ２以上５００ｍ２以下であることが望ましい。１００ｍ２以上あれば設備の設置面積効率が良く、５００ｍ２以下であれば気泡によるエアリフト効果が発揮されて均一な上昇旋回流が得られる。また、微生物が生息しやすい環境が得られる。望ましくは２５０ｍ２以上３５０ｍ２以下である。
【００３９】
単位ブロックあたりで処理する処理水量は、０．５ｍ３／ｈｒ以上３ｍ３／ｈｒ以下とするのが望ましい。この範囲であれば、処理効率を維持しつつ、気泡によるエアリフト効果がもたらす均一な上昇旋回流を生ぜしめることができる。より望ましくは１．５ｍ３／ｈｒ以上２．５ｍ３／ｈｒ以下である。この処理水量に生物処理槽に格納された単位ブロック数をかけた水量が、１時間あたりに生物処理槽に出入りする水量となる。
【００４０】
接触材ブロック部６１の下部には、接触材表面に生息する微生物類に活動用の空気を送るための散気管が設けられている。また、散気管７０には、空気７２を生物処理槽の外部から供給するためのエアパイプ７１が接続されている。細かい気泡となった空気もしくは酸素が、散気管から接触材ブロック部に供給される。散気管は、接触材へ微生物のための必要な酸素を送ると共に、気泡に随伴する上昇旋回流により接触材ブロック部の内部を攪拌する役目も有する。
【００４１】
上昇旋回流に乗って接触材ブロック部６１を通り抜けた水流れは、一部は第２の生物処理槽８０に越流するが、大部分は接触材ブロック部６１と生物処理槽６０の側板もしくは障壁板４１との間に設けられた通路から下降し、接触材ブロック部６１の下に移動する。そして再び散気管７０から排出される気泡により上昇する。このように処理水を接触材ブロック部６１の中を循環させることにより、確実に生物処理が行われる。
【００４２】
散気管７０から空気を供給する場合の必要曝気量は、微生物の活動に必要な溶存酸素量（ＤＯ＝０．５〜１ｍｇ／リットル）を満たし、かつ、接触材ブロック部６１内の均一な上昇旋回流を生ぜしめるように決定する。生物処理槽６０に供給される原水のＣＯＤ値が高いほど、微生物は多くの酸素を必要とするから、ＤＯを高く設定する必要が生じる。以上から、曝気量は単位ブロックあたりで１０〜８０Ｎリットル／ｍｉｎが望ましく、より望ましくは３０〜５０Ｎリットル／ｍｉｎである。
【００４３】
なお、台風などの大雨時には原水に含まれるシルト状懸濁物質が大幅に増加するため、微生物の必要とする通常の散気状態では接触材上にも沈降し、蓄積する。この場合、散気管から供給する空気量を増加させることが望ましい。これにより、空気泡と原水の旋回流速度が上昇し、接触材上に沈降したシルト状懸濁物質を剥離しやすくして下部へ沈降させ、生物処理槽下部の漏斗形状を有する沈降槽５０から排泥しやすくなる。
【００４４】
次に、接触材ブロック６１内に格納されている接触材について図３から図５を用いて説明する。図３は、接触材１本の基本構造を示す図であり、図４は、その断面を示した図である。接触材２００は、図３および図４から分かるように、芯材２０１を中心に、その周りにループ状繊維状物２０２の一部が芯材２０１に固定され、ループ状繊維状物２０２の他の部分が水中に漂えるように拡がった形状である。このようなループを多数芯材に固定する。これにより、生物処理槽内における接触材の表面積を著しく増加せしめることが可能となる。
【００４５】
さらに、図５に示すように、芯材２０１をラセン形状に加工して用いる。これは、生物処理槽内の接触材表面積をさらに大きくとれるようにするとともに、散気管から発生する気泡により引き起こされた上昇液流れが、ラセン形状の芯材に誘導されて上昇旋回流れを生ぜしめ、接触材ブロック部の内部に乱流が生じやすいようにするためである。これにより、微生物と原水中の有機物等との接触頻度が上がり、生物処理の効率化が図れる。
【００４６】
なお、このような接触材を用いた単位ブロックあたりの接触材の表面積は、以下のようにして求めることができる。つまり、１つのループの繊維状物の長さから表面積を求め、これに、芯材長さ１ｍあたりに固定されたループの数を乗じ、さらに単位ブロック内に格納された接触材の数を乗じる。
【００４７】
このようにして表面積の大きな接触材を得ることができ、その表面上に多量の微生物または原生動物類を生息させることができる。接触材に用いる繊維状物の材質は、接触している微生物からの産出酵素類で非分解性のものが好ましく、特に、強度があって比重の大きいポリ塩化ビニリデン系繊維が望ましい。このような接触材は、例えば、特許第１０８６１４２号に記載されている方法により製造することができる。
【００４８】
生物処理槽内部では、長時間の運転によって微生物量が増加するが、表流水中に生息する原生動物もまた図５の接触材を住処として増殖していく。これらの原生動物はアスピデカ・パラメシウム、コルペディウム、チロドネラ等の繊毛虫類や、ペラシネマやポド等のベン毛虫類である。これらの繊毛虫類やベン毛虫類は表流水中の有機物により増殖した微生物を食飼して増殖する。その結果、表流水中の有機物で増殖した微生物、いわゆる余剰汚泥はこれらの繊毛、ベン毛虫類に捕食される。また、原生動物の釣り鐘虫やアメーバなども余剰汚泥中に生息し、浮遊菌体や余剰汚泥を捕食する。
【００４９】
さらに運転を継続すると、ワムシやミミズの線虫類やミジンコ等の水性小動物が発生し、繊毛、ベン毛虫類や釣り鐘虫などの原生動物を水生動物が捕食する食物連鎖が成立し、その結果として表流水中の有機物が処理され、ＢＯＤの２ｍｇ／リットル以下の処理水が得られる。
【００５０】
また、原水中のＮＨ３成分も硝化細菌により硝化され、好気性菌の内部に生息する通性嫌気性菌により脱窒される。なお、図４に示した接触材断面において、各種の微生物が接触材上に生息している状態の模式図を図６に示す。芯材２０１に近い内部部分２１０には通性嫌気性菌が生息している。一方、ループ状繊維状物の周辺部分に形成された外部部分２１１は、処理水から供給される酸素や有機物に近いため好気性菌が生息している。
【００５１】
表流水中の有機物が比較的少ないときは生物処理槽は１槽だけでも良いが、比較的多いときは、複数の生物処理槽を直列に連結して使用する。図１はそのような場合の例である。この場合、２槽目以降の槽では、有機物を栄養とした細菌類がより多く流入するため、接触材は、ミジンコ類や、ミミズなどの小動物の分布が多い状態となり、余剰汚泥や原生動物を食飼し処理水質をより清澄化していくことが可能となる。つまり生物処理槽を複数化することで、浄化の高度化と、後生小動物の生物捕食機構による余剰微生物汚泥の減少という効果をもたらす。
【００５２】
ところで、生物処理が行われた処理水であっても、通常、濁度２〜４度の濁度成分が残留している。これらは、原水から除去されなかった残存菌体や比較的比重の小さなシルト状懸濁物のためである。また、台風など大雨時では、生物処理槽を通った後でも濁度成分は１０〜２０度の値を示すことがあり、この場合は上水道水質基準値を上回る。
【００５３】
さらに、生物処理が行われた処理水には、原水からは大幅に減少しているものの、依然として生菌類が１０２〜１０３個／ｍｌは残存し、大腸菌等の病原性微生物も検出される。また、クリプトスポリジウムやジアルジアの原虫類のオーシストは前述の食物連鎖では除去ができない。なお、クリプトスポリジウムやジアルジア症を忌避するための濁度管理値としては、厚生労働省で０．１度以下の暫定基準値が定められている。
【００５４】
そのため、第２の生物処理槽８０の下流側に設けられた一時貯水槽９０を経由して、処理水を膜濾過装置１００、１０１にかける。これにより、濁度成分等が濃縮された廃棄水１２０と、上水に用いる清澄な濾過水１３０に分離して、微生物学的安全性や水道水質基準の濁度値を確保する。
【００５５】
膜濾過装置で使用できる濾過膜は、限外濾過膜（ＵＦ）、精密濾過膜（ＭＦ）、逆浸透膜（ＲＯ）のごとき、圧力を駆動源として膜分離を行う膜である。限外濾過膜としては、従来公知の膜を特に制限無く用いることができる。また、精密濾過膜も同様に従来公知の膜を用いることができ、さらにクリプトスポリジウム除去用に膜の平均孔径を約３μ程度とした精密濾過膜を用いても良い。望ましくは、使用圧力や耐ファウリング性の観点から、限外濾過膜若しくは精密濾過膜を用いるのがよい。
【００５６】
また、膜濾過装置の駆動方式は、膜モジュールの処理水出口側からポンプで吸引する方法や、膜モジュールの処理水出口を生物処理槽の水面より下げることにより、サイフォンの原理を利用して濾過するようにしてもよい。また、ポンプにより膜モジュールに処理水入口に供給して加圧濾過するのでもよい。本システムでは駆動方式を限定する必要はない。
【００５７】
一般に、膜濾過法では、原水中の有機物や懸濁物質量が増加するとこれらの物質が膜濾過面にケーク層を作る。そのため濾過水量は経時的に低下する。しかし、上記のように沈殿槽及び生物処理槽を経た原水は、膜をファウリングさせる物質が大幅に除去されており、膜濾過に用いる原水として極めて良質な原水となっている。そのため、膜濾過水量は、長期間の濾過運転でもほとんど低下せず、長期間に渡って安定した運転が可能となる。
【００５８】
最後に、必要により膜濾過後の処理水に塩素添加などによる念のための消毒を行って、上水とする。
【００５９】
ところで、生物処理槽６０の形態は、図２の形態に限定されるものではない。例えば、図７に記載のように、生物処理槽３００の散気管３０２を接触材ブロック部３０１の下に設けるのではなく、処理水の流入口３０３の近傍で、接触材ブロック部３０１と障壁板３０６との間の空間３０５の下に設け、ここで上昇流を生ぜしめる、つまり接触材ブロック部３０１の一方の外側サイドでは上昇流となり、接触材ブロック部３０１の内部では下降流３０４となるようにしても良い。
【００６０】
また、図７で、さらに散気管を接触材ブロック部３０１に対して対称位置となるように、槽の側板３００と接触材ブロック部３０１との間の空間の下部に追加しても良い。このような生物処理槽を使用した例は、図８に示され、散気管３２２が流入口３３０の近傍に、散気管３２３が３２２と接触材ブロック部３２１に対して対称位置に設けられている。
【００６１】
図８は、生物処理槽３２０の内に膜濾過装置の濾過膜モジュール３２６を設けた例である。この場合、４本の膜モジュール３２６は、上流側である処理水の流入口３３０に対して下流側に設けられた接触材ブロック部３２１を挟んで、さらに下流側に設けられ、膜を透過した処理水３２９はポンプ３２７によりタンク３２８に移送される。また、膜モジュール３２６の下部にも散気管３２５が追加されている。接触材ブロック部３２１と膜モジュール３２６との間には多孔板３２４で簡単な仕切り板を設けている。このようにすることで、十分には生物酸化されていない処理水が膜モジュール側にあまり多く移動しないようにしている。なお、図８で複数の接触材ブロック部を水流れ方向に直列となるように設けることもできる。この場合もそれぞれの接触材ブロック部の間は、多孔板などの簡単な仕切り板で仕切るのが望ましい。
【００６２】
この仕切り板を完全な隔壁３５４とした例を図９に示す。図８と同様に、生物処理槽３５０に、接触材ブロック部３５１、散気管３５２、３５３が設けられ、処理水は隔壁３５４を越えて膜濾過槽３６２に流入する。膜濾過槽には、やはり散気管３５６とエアを供給するパイプ３５７が設けられている。また、膜を透過した水はポンプ３５８によりタンク３５９に移送される。この場合、濾過膜３５５の周囲の処理水３６３には、膜透過できなかった細菌類が残存して徐々に濃縮される。そのため、この処理水をポンプ３６１で流路３６０を経由して生物処理槽３５０の入口に戻すようにする。戻す水の量は、膜を透過した水の５〜１０％とすることが望ましい。図９のシステムは、台風などの際に好ましい効果を発揮する。
【００６３】
さらに、図１０は、図２の生物処理槽の接触材ブロック部の上部空間を大きくし、その空間３８３に濾過膜モジュール３８４を格納した例である。この場合、散気管３８１は接触材ブロック部３８２の下部に設けられ、接触材ブロック部３８２を通過してさらに濾過膜３８４にも接触するようにして、濾過膜表面のファウリングを生じにくくする役割も果たす。
【００６４】
以上、生物処理槽の各種の変形について説明したが、その他、技術思想の範囲内でさらに各種の変形が可能であることは言うまでもない。
以下、実施例、比較例により本発明を説明する。
【００６５】
【実施例１】
江戸川より取水した表流水を使用し、浄化して上水を得る実験を行った。実験の期間中における取水後の表流水の平均的な水質を表１に示した。
【００６６】
【表１】
2004275865.tif 000003
浄化システムは、生物処理槽を１槽とし、膜濾過装置を３種類並列に設けた以外は、図１に記載の浄化システムと同様な浄化システムを用いた。生物処理槽は、１．２ｍ×１．２ｍ×５ｍ高さの水槽であり、その下部には漏斗形状の沈降槽が設けられている。接触材ブロック部は、１ｍ×１ｍ×１ｍの単位ブロックを水槽下部から４段重ねて構成した。単位ブロックは、１ｍ×１ｍ×１ｍのＳＵＳ製の棒枠に、接触材３００ｍ２分を鉛直方向に平行に取り付けて構成した。接触材の総面積は１２００ｍ２である。接触材ブロック部の下部に散気管を設置した。
【００６７】
着水井からの原水を８ｍ３／ｈｒで導入し、散気管より４０Ｎリットル／ｍｉｎの空気で曝気した。導入原水は曝気によりエアリフト効果で上昇し、生物処理槽の側板若しくは障壁板と、接触材ブロック部との間の通路から下降し、水槽内を旋回する。このようにして水の循環系を作った。
【００６８】
生物処理槽に用いた接触材は、ポリ塩化ビニリデン製の繊維をループ状にして、その一部を芯材に固定したもので、図４に記載の断面形状と図５に記載の側面形状を有する。なお、図３に記載の状態では、この接触材１ｍあたりの表面積は２．４ｍ２である。
【００６９】
３種類の膜濾過装置としては、加圧型限外濾過装置（以下、１系という）、浸漬型精密濾過装置（以下、２系という）、膜の平均孔径が約３μｍの大孔径精密濾過装置（以下、３系という）を用いた。生物処理槽の出口側に越流堰きと続く膜濾過処理槽を設置し、越流堰を越えた越流水を膜濾過処理槽に導入した。
【００７０】
膜濾過処理槽内には、まず１系として、水中ポンプを浸漬し、処理水槽外に加圧式の限外濾過膜モジュール（旭化成社製、ＬＯＶ−３０１０）を設置した。モジュール内の膜は、分画分子量が５万のポリアクリロニトリル製中空糸であり、モジュールは外圧型の３インチ×１ｍ長のパイプ収納の加圧式モジュールである。取り付けモジュール下部に空気注入ノズルを取り付け、２Ｎｍ３／ｈｒの空気量を２０分ごとに１分間送った。
【００７１】
また、膜濾過処理槽内に、２系として、浸漬型精密濾過モジュールを浸漬した。この濾過膜は、ポリフッ化ビニリデン製で平均孔径が０．１μの中空糸膜で、膜面積は中空糸外径基準で５ｍ２である。膜モジュールは約３インチ径１ｍ長さの形状で、中空糸束からなる外圧濾過型モジュールである。このモジュールの下部に散気用のノズルを付け、２０分ごとに２Ｎｍ３／ｈｒの空気量を１分間送った。モジュール上部には吸引用のキャップを取り付け、０．４ｋｇ／ｃｍ２の陰圧で吸引した。
【００７２】
また、３系として、やはり膜濾過処理槽内に、大孔径精密濾過（大孔径ＭＦ）モジュールを設置した。これは、ポリスルフォン製で平均孔径が２．５μの中空糸膜で、膜面積は中空糸外径基準で２ｍ２である。膜モジュールは３インチ径で長さが０．５ｍの形状である。膜モジュールの下部に２系モジュールと同様に散気ノズルを付け、２Ｎｍ３／ｈｒの空気量を２０分ごとに１分間送った。モジュール上部にキャップを取り付け、キャップからの配管を膜濾過処理槽の外部に持ち出し、キャップ面より１ｍ下くらいで開口してサイフォンとし、この膜濾過圧差を１００ｍｍすなわち０．１ｋｇ／ｃｍの水頭差になるように設置した。
【００７３】
いずれの系にも、２０分に１回、各々の濾過量の２倍量の濾過水で逆洗する系を設置して逆洗を行った。また、濾過速度の変化と膜濾過水の水質を測定した。なお、処理水には、膜濾過後に塩素添加して念のための消毒を行うようにした。
【００７４】
浄化システムの運転は、４月から９月までの半年間実施した。運転開始２０日後に、接触材の表面から付着物を掻き取り、光学顕微鏡で生育している原生動物を観察した。原生動物はアスピディカ、パラメシウム・チロドネラ等の繊毛虫類やボド、ペラネマ等のベン毛虫類が活発に動き回っている。いずれも大きさの小型原生動物で、後生動物のロタリナ、レカネもいるが数は、原生動物より少ない。藻類はクチビルケイ藻等が２〜３種、シネドラが少しの状態であった。運転開始後２ヶ月経つと、微生物接触接触材の付着物は増加し、上述の２０日に観察された小型原生動物に加えて、ステントーの小型原生動物や釣り鐘虫さらには後生動物のディクラノホルスが多くなり、また、より大型の線虫類、ケンミジンコ、ユスリカの幼虫が見られ、糸ミミズも見られ始めた。このように光学顕微鏡では見られぬ細菌類を捕食し増殖する食物連鎖の上位に位置する原生動物や後生動物の増加が見られる。このことは微生物接触接触材上で原水中のＢＯＤ成分を餌に増殖する細菌類が増加し、これら細菌類が盛んに水中のＢＯＤ成分を消化し、水が浄化されていることを意味している。藻類としては、硅藻のメロシラが多く見られる。
【００７５】
４ヶ月後は、原生動物、釣り鐘虫等の大きめのものが多く見られ、また、後生動物の線虫類、レカネ、糸ミミズやミジンコが見られ、レカネが多くなっており、また、微生物接触接触材のフロックの量はおよそ一定状態にある。これらは細菌類を捕食して始まる糸ミミズ、ミジンコまでの生物捕食機構の食物連鎖が起きていることを意味する。また、６ヶ月後の観測結果も、４ヶ月後と同様な生物相を示していた。
【００７６】
各時期における生物処理槽出口の処理水の水質分析結果を表２に示す。濁度を除いて、これらの分析値は、上水道の水質基準を満たしている。また、処理水質は極めて安定していることがわかる。
【００７７】
【表２】
2004275865.tif 000004
実験開始から２週間後と６ヶ月後における、１系から３系の膜濾過水量の測定結果を表３に示す。１系は濾過速度が最も安定しており、次いで２系も設定運転条件下でわずかの低下を示したのみで安定に稼働している。３系は、本実施例の前処理では濾過速度の経時的低下が有るものの、実用範囲内である。１系から３系までの設定運転条件と設定圧力下での膜濾過速度の経時挙動はきわめて良好な状態にある。このことは膜を目詰まりさせるファウリング物質である可溶性有機物が、微生物接触酸化処理により分解され、またシルト等と有機物の吸着した懸濁物質が良好に除去された。
【００７８】
【表３】
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次に、実験開始から２ヶ月後と６ヶ月後における、１系から３系までの濾水水質を表４に示す。濁度も上水水質基準を満たしており、いずれの項目も問題ない。つまり凝集剤などの使用を行わずとも、微生物の分解力と膜濾過により高度処理並の水質を保持できたことがわかる。
【００７９】
【表４】
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【比較例１】
実施例１で用いた浄化システムにおいて、生物処理槽を用いない以外は実施例１と同様にして、膜濾過における濾水量変化を６ヶ月間に渡り測定した。その結果を表５に示す。いずれの系でも、着水井を経た水を直接膜濾過すると、表流水中の有機物や懸濁粒子または有機物の懸濁物質の吸着体による膜のファウリングにより、膜の濾水量が大幅に低下したことがわかる。なお、６ヶ月後の濾水量はほぼ平衡値であった。
【００８０】
【表５】
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【実施例２】
実施例１の実験開始から６ヶ月目に台風により大雨が続き、２日間に渡り着水井から生物処理槽に流入する原水が３００から５００の濁度となった以外は、実施例１から継続して同様に実験を行った。生物処理槽の出口から越流した処理水の濁度は３０であり、２日間ほぼ一定値を維持した。生物処理槽の下部に設けられた沈降槽も、シルト条件濁物質の除去に機能していたことが分かる。膜濾過速度は、系３では若干の低下が生じたものの、系１と系２に関しては変化がなかった。
【００８１】
【実施例３】
微量有機物除去性確認のため、実施例１の実験期間中に、生物処理槽の入口に粉末活性炭を、原水に対して５ｐｐｍとなるように連続添加した。微量有機物の代表として２−メチルイソボルネオール（２−ＭＩＢ）とジェオスミンを、原水と系１の限外濾過膜濾後の水で測定した。測定結果を表６に示す。微量有機物が粉末活性炭に吸着されて除去されていることがわかる。また、濁度には粉末活性炭添加の有無で変化がなかった。
【００８２】
【表６】
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【発明の効果】
凝集剤等の化学薬品を使用しないで、有機物の除去及び濁質物質を除去できる。従来型の緩速ろ過法に比べ４０〜１００倍程度も設置面積効率が高い。表流水中の有機物、アンモニアや鉄、マンガン等の無機物、濁質物質、臭気、色度、臭気物質が水道法水質基準及び快適水質項目値を維持できる。膜の濾過速度の低下が小さく長期間安定的に運転できる。余剰汚泥が発生しにくい。設備建設コストが大幅に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】浄化システムの１例における全体の概略フローを示した概念図である。
【図２】生物処理槽の１例の概略断面を示した概念図である。
【図３】接触材１本の基本構造を、芯材に対して直角方向から示した側面図である。
【図４】接触材１本の基本構造を、芯材に対して平行方向から見た断面図である。
【図５】芯材がラセン形状に加工された接触材の概略図である。
【図６】接触材における微生物の繁殖状況を示した模式図である。
【図７】生物処理槽の他の例の概略断面を示した概念図である。
【図８】生物処理槽と濾過膜を組み合わせた例の概略を示した概念図である。
【図９】生物処理槽と濾過膜を組み合わせた他の例の概略を示した概念図である。
【図１０】生物処理槽と濾過膜を組み合わせたさらに他の例の概略を示した概念図である。
【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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