(57)【要約】【課題】気液混合・貯蔵させた液を反応槽中の被処理排水中に導くに際し、反応槽内を加圧状態とし、ガス態の利用効率の向上と余剰汚泥の生成量の更なる削減とを同時に期することができる反応系を提供する。【解決手段】生物的浄化処理法において、水深圧以外の圧力を加えた加圧反応槽中で微生物体に浄化機能を行わせることを特徴とする。前記加圧反応槽には、処理水とともに純酸素、オゾン含有酸素（オゾン化酸素）、空気、等の反応気体（ガス）が供給されること、前記反応槽に供給される気液は、あらかじめ気液混合機（ラインアトマイザー）により、反応ガスが溶存気体ないし微細気泡態の形で供給されること、また、前記加圧反応槽には、反応に係わる微生物の生息密度を高め、微生物を滞留させる手段として、微生物の担体を装備することが好ましい。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物体が酸化反応及び／又は還元反応により行う浄化機能を利用して排水を生物的に浄化する生物的浄化処理法において、水深圧以外の圧力を加えた加圧反応槽中で微生物体に浄化機能を行わせることを特徴とする加圧式生物的排水浄化処理法。
【請求項２】
前記加圧反応槽には、処理水とともに純酸素、オゾン含有酸素（オゾン化酸素）、空気、酸素富化空気、オゾン含有空気（オゾン化空気）及びオゾン含有（オゾン化）酸素富化空気のいずれかの反応気体（ガス）が供給される請求項１に記載の加圧式生物的排水浄化処理法。
【請求項３】
前記反応槽に供給される気液は、あらかじめ気液混合機（ラインアトマイザー）により、反応ガスが溶存気体ないし微細気泡態の形で供給される請求項１及び２に記載の加圧式生物的排水浄化処理法。
【請求項４】
前記加圧反応槽には、反応に係わる微生物の生息密度を高め、微生物を滞留させる手段として、微生物の担体を装備する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の加圧式生物的排水浄化処理法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性汚泥法に代表される生物的排水浄化処理技術分野に属し、さらには生物反応槽中の気体の溶解量を加圧により増大させる技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
排水を浄化するために、活性汚泥法に代表される生物処理が広く採用されている。活性汚泥法は、微生物と酸素を利用して生物的処理を行い、排水中の有機汚染物質を活性汚泥として固定し、一部を水と炭酸ガスに分解（自己消化）して除去する方法である。
活性汚泥法などの生物的排水浄化処理工程においては、反応系に溶存酸素が不可欠であり、溶存酸素の反応系への供給が律速条件となることが多い。
反応系での生物的反応を促進させるために、空気を散気装置（バブリング）を用いて送給していた。しかし、散気装置によって処理水中に供給されるガス態の気泡粒径は非常に大きく、ガスの多くは処理水中を急速に上昇して水面から散逸してしまい、酸素の利用効率は非常に低いものであった。
【０００３】
そのため、標準空気曝気に代えて酸素を富化し、あるいは純酸素曝気を採用したり、大通気量曝気を試みたりされている。従来の曝気技術では、空気などの溶解効率は、通常５〜６％、良くても、１０％程度といわれている。
難溶解性の酸素ガス等の反応ガスを溶液中に溶解させる場合、気体の溶解量は、圧力の増加につれて増大することが知られている。従来の反応槽は、大気圧下での生物反応を基本とし、圧力要因は、反応槽の水深圧（通常、有効水深５ｍ、圧力０．０５ＭＰａ程度）を利用しているに過ぎない。
槽（タンク）の深さを大きくしてその水深圧を利用することも試みられたようである。ディープシャフトの深さが４０〜１５０ｍに達するものまで検討された例もある。
【０００４】
しかし、その深さにまで酸素ガス（空気）気泡を引き込むために、ディープシャフト内を下降させた後上昇させる被処理水の水流の流速を２ｍ／ｓｅｃ以上と大きくすることが必要であって、曝気動力消費量が増大し、また、漏水の心配のない地層（岩盤）の適地の少なさや、反応槽設置の工事費として過大なものが必要とされることから、酸素ガスの利用効率こそ９０％を実現できるとされているものの、殆ど普及しなかった。
加圧反応槽の考えは必ずしも無かったわけではないが、通常の反応槽の水深圧である０．１ＭＰａの加圧により発生する荷重は、約１０トン／ｍ２となり、流入日量が、数万〜数十万トンに達する公共下水処理場の反応槽を気密・耐圧構造にする費用は莫大であり、現在の曝気技術レベルでの酸素（空気）の利用効率を前提とする限り、加圧による改善効果は、費用対効果の面でも限界があり、採用されていない。
【０００５】
また、余剰活性汚泥の減容化対策として、活性汚泥法による排水処理系にオゾンガスを適用することも行われている（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。そこでも、ガス態の液体中への溶解・分散効率は、従来の曝気技術と大同小異であった。
本発明者は、活性汚泥法による排水浄化に関して、液体中に気体を（超）微細気泡として分散・貯留する発明をなした（特許文献４参照）。
そこでは、撹拌装置（特許文献５参照）等を利用して液体中に気体を（超）微細気泡として分散・貯蔵するので、ガス態の液体中への溶解・貯留機能は飛躍的に改善され、ガス態の利用効率はほぼ１００％近くにまで達することができた。しかし、活性汚泥反応系は原則として大気圧下の開放形で行われる方式とされていたので、排水の浄化作用の結果として生ずる余剰汚泥の生成量を削減する面で、更なる改善が望まれている。
【０００６】
【特許文献１】
特公平５−８５２３６号公報
【特許文献２】
特開平６−２０６０８８号公報
【特許文献３】
特公昭５７−１９７１９号公報
【特許文献４】
特願２００２−２１２５９８
【特許文献５】
特開平７−１２４５７７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
生物的排水浄化反応が加圧下で行われれば、ガス態の利用効率の更なる向上と、排水の浄化作用の結果として生ずる余剰汚泥の生成量を削減する面で、更なる改善が期待され得る。
本発明は、気液混合・貯蔵させた液を反応槽中の被処理排水中に導くに際し、反応槽内を加圧状態とし、ガス態の利用効率の向上と余剰汚泥の生成量の更なる削減とを同時に期することができる反応系を提供することを課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の加圧式生物的排水浄化処理法は、微生物体が酸化反応及び／又は還元反応により行う浄化機能を利用して排水を生物的に浄化する生物的浄化処理法において、水深圧以外の圧力を加えた加圧反応槽中で微生物体に浄化機能を行わせることを特徴とする。前記加圧反応槽には、処理水とともに純酸素、オゾン含有酸素（オゾン化酸素）、空気、酸素富化空気、オゾン含有空気（オゾン化空気）及びオゾン含有（オゾン化）酸素富化空気のいずかの反応気体（ガス）が溶存気体ないし微細気泡態の形で供給されること、前記反応槽に供給される気液は、あらかじめ気液混合機（ラインアトマイザー）により、反応ガスが溶存気体ないし微細気泡態の形で供給されること、また、前記加圧反応槽には、反応に係わる微生物の生息密度を高め、微生物を滞留させる手段として、微生物の担体を装備することが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、特許文献４に詳細に開示されるラインアトマイザーによって酸素を含有するガス体ないしオゾンを含有するガス体を液体中の高濃度に溶解させ、且つ貯留するガス化液体技術を用い、高圧反応槽中の被処理排水を直接ガス化液体とし、又は被処理水に高圧のガス化液体を供給して生物的反応ないし化学的反応を促進し、被処理排水中の有機物を可及的にガスと水とにまで分解することを基本とする。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で処理対象とする被処理排水は、分解除去すべき有機物を含むものであれば、生活排水、下水、工場排水、ヘドロ等を含む滞留水等、格別問わない。海水系でも可能である。
【００１０】
加圧反応槽としては、０．３〜３ＭＰａ程度の圧力に耐え得る容器とする。加圧反応槽は、加圧反応タンク、加圧反応塔であってもよい。形状や要領も格別問わないが、例えば、設置する加圧反応槽は、複数でも良く、必要に応じ並列、直列適宜配置することが出来る。又、反応槽の構造は、一槽式横置式円筒タンクとすることも二槽式以上とすることもできる。
加圧反応槽には、被処理排水原水の入口、ガス化液体の入口、処理済みの排出液体の排出口を設ける。被処理排水原水は気液圧送ポンプでアトマイザーを経由または直接加圧反応槽に供給される。排出口の先で減圧され、反応によって生じるガス（炭酸ガス等）は、減圧に際して排出液体から分離される。
【００１１】
排出液体は、通例通り沈殿槽（池）を経由して、またはそのまま系外に放流されて差し支えないが、必要があればさらにその他の所要の処理を施してから系外へ放流される。反応によって生じるガスも、基本的には外部に放出して差し支えないが、温暖化防止の観点その他から必要があれば、二次的に処理されることもあり得る。
本発明で利用することが望ましい気液混合装置（ラインアトマイザーシステム）は、ガスロック、エアロックを起こすことなく気体と液体との混合体を送給することができる気液圧送ポンプと、超音波及びキャビテーションを発生させる機能を備えたアトマイザーと、酸素および／またはオゾンを供給する装置により構成される。
【００１２】
アトマイザーとしては、微細（超微細）な気泡に効率的に分散・混合し、液体中に貯留させることができるものであれば、いずれの形態のものも用いられ得る。
アトマイザーとしては、例えば、スタティック型ミキサーを多段、又は機能別に並列に用いるものでも使用可能である。アトマイザーのより好ましい例として、「オゾン反応装置」（特許文献５参照）に用いられている「撹拌装置」を挙げることができる。
【００１３】
その撹拌装置（気液ミキサー）は、図１に示すようなものである。図１において、チューブ１の流体流入側に、ほぼ相似形の２枚の半楕円形の翼盤２を配し、翼盤２の弦側側縁３を互いに向き合わせ、チューブの軸心に対して対称的に交差させ、交差部より流体流入側に位置する２枚の翼盤２の弦側側縁３間を、チューブの横断面をほぼ２等分する三角形の仕切板４で閉塞し、翼盤の弧状縁部（翼盤２の弦側側縁３と反対側の縁部）をチューブ１の内周壁６に固着して形成してなる変流部と、該変流部に続くチューブ１の内周壁６に、頭頂部をチューブの軸心方向に向けた半球状の頭部７と、逆載頭円錐台状の脚部８とにより一体成形された１個以上の突起物９を、チューブ１の軸芯に対して放射状に配して形成されてなる反応部とにより構成される。
【００１４】
この撹拌装置（ＯＨＲラインミキサーとも呼ばれる）によれば、１基で、気体と液体とを気液ミキサーに送給できれば、気液ミキサーを通過するに要する短時間内に、気泡径０．５〜３．０μｍ程度、さらには１ｎｍ〜１，０００ｎｍの超微細気泡を液体中に均一に分散混合することができる。
アトマイザーへ気体と液体とを気液圧送ポンプを用いて圧送する。その場合、気体の混合割合が３容積％以上に増加しても圧送能力が低下しないものであることが望ましい。
液体を送給する通常のポンプは、液体に気体が混入していると、ガスロック、エアロックを起こし、送給能力が急激に低下し、混入気体が６〜８容積％に達すると実質的に送給不能に至る。
【００１５】
気体が混入した液体を圧送するポンプとして、気体の割合が増加してもその圧送能力が低下しない気液圧送ポンプであればより好ましい。そのようなポンプとして、例えば、兵神装備株式会社より市販されている「モーノポンプ」がある。
「モーノポンプ」は、図２に示すように、断面が長円形である雌ネジ状空間が穿たれたステーター１０内の雌ネジ状の空間内を、ピッチの大きな螺旋状で断面が円形で螺旋状をなすローター１１が回転することによって、ステーターとローターとにより形成される空隙が順次移動し、その空隙内に存在する物質が移動していくタイプの定量送給ポンプである。なお、図２の下方には、各位置におけるローターとステーターに穿たれた空間との関係が示されている。それによれば、ステーターに穿たれた空間の１ピッチがローターの螺旋の２ピッチに対応していることが判る。
【００１６】
「モーノポンプ」によれば、混合される気体が９０容積％以下の気液混合流体も、圧送能力の低下なしに圧送が可能であり、気体と液体との混合割合、流量を調整・変動させることが自在にできる。ローターの回転速度によって単位時間当りの送給量が調整できるものである。ローターを逆回転させることによって、逆送も可能である。
酸素および／またはオゾンを供給する装置としては、酸素の供給とオゾン生成とを調節できるオゾン生成機等が利用できる。例えば、誘電体上に電極を形成したオゾン発生素子と、このオゾン発生素子に高周波交流電圧を印加する高周波高電圧電源を有し、オゾン発生素子に酸素含有ガスを供給しつつ、この電源の電圧および／または周波数を調整機で操作することによりオゾンの発生量が調整可能となる。
【００１７】
また、酸素を供給することを主とする工程とオゾンによる酸化分解を主とする工程として、供給する酸素およびオゾンの量を調整する酸素・オゾンサイクルジェネレーターとすることが可能である。
供給する酸素を含む反応性ガスは、空気でも良いし、酸素富化空気でも良いし、純酸素でも良い。オゾンの発生量をゼロとして、供給されたガスをそのまま送り出すこともできる。
ラインアトマイザーを通過する液体に圧力を加えることができる。液体にガス体を導入する前に、適宜の加圧器を設けることによって圧力を加えてもよいし、気液圧送ポンプの入口径と出口径、或いは、アトマイザーの入口径と出口径とを異ならせることによっても、圧力を変化させることができる。
【００１８】
したがって、一般的には、ガスの溶解度は、高圧下で高くなるため、液体へのガス体の溶解に資することができる。
ガスを混入させる液体としては、排水処理系の沈殿槽（池）からの汚泥水や上澄み水を利用しても良いし、系外の清水を用いても良いし、処理すべき流入排水原水を用いても良い。
ラインアトマイザーによって液体とガスが混合された気液混合流体を、被処理排水原水に導入する。導入する位置は、加圧反応槽へ直接導入する。また、ラインアトマイザーを通して供給されるガスが、主として酸素を含有するガスと、オゾンを含有するガスとで異ならせる場合には、それぞれを導入する管を加圧反応槽に複数設けることもできる。
【００１９】
アトマイザー中で、加圧下に溶液と所望のガスを混合し、ガス態を気泡径３００μｍ以下の超微細気泡態化することにより、気体の液体中への溶解速度を高め、溶存ガスとすると共に、残余のガス態を超微細気泡態として、分散・滞留・貯蔵することを可能にして反応槽中に高圧のまま送り込む。
残余のガス態を超微細気泡態として、分散・滞留・貯蔵して送り込むことにより、反応槽中で生物的反応や化学的反応で溶存ガスが費消されると、反応槽中に分散して存在する超微細気泡態から即座に溶存ガス化して補給供給され、溶存ガスの欠乏による反応の遅延を起こすことがない。
【００２０】
本発明は、活性汚泥法などの生物的排水処理法として、既存、新設を問わず適用することができる。特に、既設の処理施設に設置する場合は、既設の反応槽に相当する部分の適宜の個所に、小型（既存の反応槽の１／１０〜１／１００容量程度）の加圧型の反応槽、反応タンク及び、又は反応塔（加圧反応槽により代表させている）を設置することにより、容易に実施できる。すなわち、活性汚泥法などの生物的排水処理施設のフロー中の適宜の個所に、加圧反応槽を設置し、浄化処理する排水と反応に必要な純酸素、空気等の反応ガスを混入させた気液を、反応槽に加圧・送給し、加圧反応槽中に生息・保持された微生物により捕食・分解処理する。
【００２１】
本発明は、難溶解性の酸素、空気などの反応性ガスの溶解量を増加させることができるため、急速に微生物の活性化・増殖を促進し、排水中の可溶性有機物を短時間に、捕食・分解することができる。また、加圧反応槽を用いることによって、水深圧（０．０５ＭＰａ程度）のみを利用する在来の反応槽の容積を１／１０〜１／１００程度に反応槽、ひいては排水処理施設を大幅に小型化できる。
本発明は、加圧反応槽中に、微生物に必要な酸素などの反応ガスが、高濃度の溶存態で、あるいは超微細気泡態で十二分に供給されることから、微生物の生息密度を高める担体を装備することにより、その効果を著しく高めることができる。加圧反応槽中に、微生物の生息密度を高める担体を装備することにより、加圧反応槽の容積を、担体を装備しない反応槽に比べ、著しく縮減できる。そして、反応に必要な十分な量の微生物は、担体中ないし担体周面に付着・生息するため、微生物は体加圧反応槽中に留まり、流失せず、従来の活性汚泥法のように返送汚泥によって微生物（活性汚泥）を供給する必要もなくなる。
微生物の生息密度を高める担体としては、例えば、ＰＶＡを原料とする「クラゲ−ル」等微生物濃度を高め、ＢＯＤ除去能力を高め、高負荷排水に対応できる担体であればよい。
【００２２】
本発明は、必要によって、オゾンを含有するガスを供給することによって、活性汚泥の更なる分解を図ることができる。微生物の自己消化に加えて、オゾンによる活性汚泥の分解が加わることによって、反応槽からの汚泥の発生を大幅に削減することが期され、また、汚泥の発生を見ないことまでが期され得る。
本発明は、加圧反応槽を利用して加圧下で生物的反応ないし化学的反応を行わせるので、オゾン利用効率を１００％とすることが可能であり、従って、従来の汚泥オゾン分解プロセスの如き排オゾン処理は一切必要としない。
【００２３】
生物的排水処理を採用する公共下水道施設の一般的なプロセスにおいて、本発明を実施する場合を例にとると、
１．従来のタンク水深圧利用曝気槽の水深が５ｍの場合、水深によるタンク内圧力の平均値は０．２５ｋｇ／ｃｍ２であり、空気曝気を用いた際の気体の溶解効率は約０．２％（気温２０度）である。
一方、上記の条件で、本発明において加圧反応槽に５ｋｇ／ｃｍ２の加圧を行った場合、気体の溶解効率は１０％となり約５０倍の溶解濃度となる（ヘンリーの法則）。
【００２４】
２．上記の条件において空気の代わりに９０％の純酸素を用いると、２１５倍の酸素溶解濃度を達成することが出来る。
３．９０％純酸素曝気法の世界特許を有していたＵｎｏｘ法は、表面曝気方法であったため、酸素溶解に長時間を要していたが、本発明では数十倍の速度での溶解が可能となり、反応槽を従来法に比して数十分の一〜数百分の一に小型化することが可能となり、設置スペース、建設コストが大幅に削減される。
４．上記溶解効率の増加は、酸素・オゾン製造動力、曝気動力の節約となり、省エネルギー及びコスト削減効果を実現する。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、酸素などの超微細気泡化ガス態の混入を、加圧反応槽の利用によって、混入速度及び混入量ともに著しく増進させ、酸素などの反応ガスの生物的反応ないし化学的反応が著しく促進され、その結果として排水処理施設を大幅に小型化でき、排水処理技術に加圧反応槽を採り入れることが現実に可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアトマイザーとして好適に使用され得る気液ミキサーの一例を示す説明図である。
【図２】本発明に最適に使用され得る気液圧送ポンプの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１：チューブ
２：翼盤
３：（翼盤の）弦側側縁
４：仕切板
６：（チューブの）内周壁
７：半球状の頭部
８：脚部
９：突起物
１０：ステーター
１１：ローター
【図１】
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【図２】
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