(57)【要約】【課題】嫌気性アンモニア酸化に適した処理水を得ることができる生物処理方法及び装置を提供する。【解決手段】生物処理装置１０は、処理槽１６の内部に好気筒体２２と嫌気筒体２４が設けられる。好気筒体２２にはエアが送気され、嫌気筒体２４には無酸素ガスが送気される。これにより、好気筒体２２の内部に好気性領域が形成され、嫌気筒体２４の内部に嫌気性領域が形成される。また、エアと無酸素ガスを送気することによって、被処理水が好気筒体２２の内部と嫌気筒体２４の内部を上昇し、好気筒体２２と嫌気筒体２４の外部を下降するように循環する。これにより、担体２０、２０…が好気性領域と嫌気性領域とを通過するように流動する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物を固定化した担体を用いて処理槽内の被処理水を生物学的に処理する生物処理方法において、
前記被処理水中に有酸素ガスを吹き出して好気性領域を形成するとともに、前記被処理水中に無酸素ガスを吹き出して嫌気性領域を形成し、
前記担体が前記好気性領域と前記嫌気性領域の両方を通過するように前記担体を流動させることを特徴とする生物処理方法。
【請求項２】
前記好気性領域を所定の溶存酸素濃度に調節することを特徴とする生物処理方法。
【請求項３】
微生物を固定化した担体を用いて処理槽内の被処理水を生物学的に処理する生物処理装置において、
前記処理槽の内部に立設されるとともに、上端と下端に開口を有する筒状に形成され、有酸素ガス吹出手段によって有酸素ガスを内部に吹き付けることにより好気性領域が内部に形成される好気筒体と、
前記処理槽の内部に立設されるとともに、上端と下端に開口を有する筒状に形成され、無酸素ガス吹出手段によって無酸素ガスを内部に吹き付けることにより嫌気性領域が内部に形成される嫌気筒体と、
を備え、前記有酸素ガスのエアリフト効果、及び前記無酸素ガスのエアリフト効果によって、前記担体が前記好気性領域と前記嫌気性領域の両方を通過するように流動することを特徴とする生物処理装置。
【請求項４】
前記有酸素ガス吹出手段から吹き出す有酸素ガスの風量を調節する有酸素ガス量調節手段と、前記好気性領域の溶存酸素濃度を測定する測定手段と、を備え、前記測定手段で測定した測定値に応じて前記有酸素ガス量調節手段を制御することにより、前記好気性領域を所定の溶存酸素濃度に調節することを特徴とする請求項３に記載の生物処理装置。
【請求項５】
前記好気筒体及び前記嫌気筒体は、上端の開口が前記処理槽の中央に向けて斜めに形成されるとともに、下端の開口が前記処理槽の外側に向けて斜めに形成され、前記処理槽の底面には、前記処理槽の外側から内側に向けて下降するテーパが設けられることを特徴とする請求項３または４に記載の生物処理装置。
【請求項６】
前記担体の比重は、１．０３〜１．０６であることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１に記載の生物処理装置。
【請求項７】
メタン発酵を行うとともに、前記メタン発酵により得られた消化液から窒素を除去するメタン発酵システムにおいて、
請求項３〜６のいずれか１に記載の生物処理装置と嫌気性アンモニア酸化装置を組み込んだことを特徴とするメタン発酵システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は生物処理方法及び装置に係り、特にメタン発酵システムに用いられる生物処理方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、食品残渣物や畜産廃棄物の多くは、焼却・埋立処分されている。これらのリサイクル方法として、ガス発電や燃料電池などのエネルギーが得られるメタン発酵が注目されている。
【０００３】
メタン発酵（嫌気性処理）は、嫌気性微生物を用いて汚泥中の有機物をメタンと二酸化炭素に変換する処理であり、この処理によって有機性の窒素の大部分はアンモニアに変換される。したがって、メタン発酵後の残渣物には、高濃度のアンモニアが含まれ、窒素除去処理が必要になる。
【０００４】
しかし、メタン発酵後の残渣物はＮ／ＢＯＤ比（１〜３）が小さいため、窒素除去処理するには、栄養源（メタノール添加など）や、多量（Ｎ濃度の４倍）の酸素量が必要になる。このため、従来のメタン発酵システムは、ランニングコストが高いという問題があった。
【０００５】
栄養源や多量の酸素を必要としない高濃度アンモニア含有廃水処理方法として、嫌気性アンモニア酸化（Ａｎａｅｒｏｂｉｃ  Ａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ：ＡＮＡＭＭＯＸ）法と呼ばれる方法が提案されている。
【０００６】
この方法では、亜硝酸イオンとアンモニウムイオンが化学的に略等当量溶解するように調製した液を反応タンクに供給し、液温３０℃、ｐＨ８．０  の下、ＨＲＴ  を６｀２３  時間とする。その結果、嫌気性アンモニア酸化細菌の関与によって、液相中の亜硝酸アンモニウムが窒素ガスに変換され系外除去される。嫌気性アンモニア酸化細菌は独立栄養性であるため、通常の他栄養性脱窒とは異なり、脱窒のための水素供与体（例えば、メタノール）を必要としない。したがって、栄養源や酸素を必要とせず、アンモニア含有廃水を処理することができる。
【０００７】
上記の嫌気性アンモニア酸化法において、嫌気性アンモニア酸化細菌の菌体合成も含めた物質収支式は下記（１）式となる。
１  ＮＨ４  ＋  ＋１．３１ＮＯ２  −  ＋０．０４２５ＣＯ２  
→１．０４５  Ｎ２  ＋０．２２０  ＮＯ３  −  ＋１．８７０  Ｈ２  Ｏ＋０．０９０  ＯＨ−  ＋０．０４２５ＣＨ２  Ｏ…（１）
（１）式から分かるように、嫌気性アンモニア酸化法では、原水のアンモニアと亜硝酸とのモル比が１：１．３１に調製することが望ましい。
【０００８】
このようなモル比の処理水を得る方法として、ＳＨＡＲＯＮ法と呼ばれる窒素除去法が提案されている。この方法では、汚泥の滞留機構を持たない連続攪拌タンクリアクターにおいて、温度を３０〜４０℃、ｐＨを７  〜８  程度に保ち、エアレーションを行う。この方法は、高温条件ではアンモニア酸化細菌の方が亜硝酸酸化細菌よりも成長速度が速いことを利用し、アンモニア酸化細菌を優先的に生育させる。したがって、廃水中のアンモニアが主に亜硝酸に変換される一方で、硝酸への変換量が小さくなる。これにより、アンモニアと亜硝酸が前記所定のモル比である処理水を得ることができる。
【０００９】
しかし、ＳＨＡＲＯＮ法は、アンモニアの酸化に伴って水素イオンが生成するので、処理水が経時的に酸性化するという問題がある。このため、塩基を添加するｐＨ調整手段を具備させたり、或いは、反応液に生物学的脱窒反応を生起させて、この反応に伴うアルカリ度（ｐＨ）上昇によりｐＨを調整させたりする必要がある。さらに後者のｐＨ調整手段には、脱窒機能を維持させるため、水素供与体（メタノール）供給手段を付帯する必要がある。このように、ＳＨＡＲＯＮ法は、ｐＨ制御や、アルカリ剤、メタノールなどの注入制御が必要であり、処理を安定させることが困難である。
【００１０】
特許文献１には、アンモニアと亜硝酸のモル比が１：１．３１の処理水を得る方法として、汚泥に亜硝酸酸化細菌阻害剤を添加する方法が記載されている。この方法によれば、亜硝酸酸化細菌阻害剤によって汚泥中に含まれる亜硝酸酸化細菌の成長を抑制し、アンモニア酸化細菌を優先的に生育させる。これにより、廃水中のアンモニアが主に亜硝酸に変換されるので、アンモニアと亜硝酸のモル比を１：１．３１に調製することができる。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−１７０６８４号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の方法は、亜硝酸酸化細菌阻害剤が有害な薬品であるため、現実的な方法ではない。
【００１３】
本発明はこのような事情に鑑みて成されたもので、嫌気性アンモニア酸化に適した処理水を得ることができる生物処理方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決する為の手段】
請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、微生物を固定化した担体を用いて処理槽内の被処理水を生物学的に処理する生物処理方法において、前記被処理水中に有酸素ガスを吹き出して好気性領域を形成するとともに、前記被処理水中に無酸素ガスを吹き出して嫌気性領域を形成し、前記担体が前記好気性領域と前記嫌気性領域の両方を通過するように前記担体を流動させることを特徴としている。
【００１５】
本発明の発明者は、所定の細菌を固定化した担体が好気領域と嫌気領域の両方を通過するように前記担体を流動させることによって、担体の表面の亜硝酸酸化細菌（亜硝酸を酸化して硝酸にする独立栄養細菌：硝酸細菌）の生育を抑制しつつ、その内側でアンモニア酸化細菌（アンモニアを酸化して亜硝酸にする独立栄養細菌：亜硝酸細菌）を優先的に生育させることができるという知見を得た。
【００１６】
請求項１に記載の発明はこのような知見に基づいて成されたもので、微生物を固定化した担体が好気性領域と嫌気性領域の両方を通過するように担体を流動させるようにしたので、アンモニア酸化細菌を優先的に生育させることができる。したがって、請求項１に記載の発明によれば、被処理水に含まれるアンモニアを硝酸まで反応させずに、主に亜硝酸に変換した状態で止めることができる。これにより、処理水に含まれるアンモニアと亜硝酸のモル比を任意に調節することができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、前記好気性領域を所定の溶存酸素濃度に調節することを特徴としている。ここで、所定の溶存酸素濃度とは、０．４〜１．１ｍｇ／Ｌが好ましく、０．５〜０．９ｍｇ／Ｌがより好ましい。好気性領域をこのような溶存酸素濃度に調節することによって、処理水に含まれるアンモニアと亜硝酸のモル比を１：１．３１に近づけることができる。これにより、処理水を嫌気性アンモニア酸化処理した際に、効率の良い脱窒処理が可能となる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は前記目的を達成するために、微生物を固定化した担体を用いて処理槽内の被処理水を生物学的に処理する生物処理装置において、前記処理槽の内部に立設されるとともに、上端と下端に開口を有する筒状に形成され、有酸素ガス吹出手段によって有酸素ガスを内部に吹き付けることにより好気性領域が内部に形成される好気筒体と、前記処理槽の内部に立設されるとともに、上端と下端に開口を有する筒状に形成され、無酸素ガス吹出手段によって無酸素ガスを内部に吹き付けることにより嫌気性領域が内部に形成される嫌気筒体と、を備え、前記有酸素ガスのエアリフト効果、及び前記無酸素ガスのエアリフト効果によって、前記担体が前記好気性領域と前記嫌気性領域の両方を通過するように流動することを特徴としている。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明を実施するのに適した装置であり、有酸素ガス吹出手段から有酸素ガスを吹き出して好気筒体の内部に好気性領域を形成し、無酸素ガス吹出手段から無酸素ガスを吹き出すことによって嫌気筒体の内部に嫌気性領域を形成するとともに、有酸素ガスのエアリフト効果、及び無酸素ガスのエアリフト効果によって担体を流動させ、担体を好気性領域と嫌気性領域の両方に通過させる。これにより、担体にはアンモニア酸化細菌が優先的に生育し、嫌気性アンモニア酸化に適した処理水を得ることができる。
【００２０】
また、請求項３に記載の発明によれば、筒体の内部に有酸素ガスや無酸素ガスを吹き出すようにしたので、被処理水が筒体の内部を上昇して筒体の外部を下降する。すなわち、筒体を用いたことによって被処理水の循環流が形成されやすくなり、担体の流動性を向上させることができる。また、被処理水の循環流が形成されやすくなるので、有酸素ガスの噴射量、及び無酸素ガスの噴射量を減少させることができ、コストを削減することができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、前記有酸素ガス吹出手段から吹き出す有酸素ガスの風量を調節する有酸素ガス量調節手段と、前記好気性領域の溶存酸素濃度を測定する測定手段と、を備え、前記測定手段で測定した測定値に応じて前記有酸素ガス量調節手段を制御することにより、前記好気性領域の溶存酸素濃度を調節することを特徴としている。したがって、好気性領域の溶存酸素濃度を所定値に制御することができ、その結果、処理水のアンモニアと亜硝酸を所定のモル比に制御することができる。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、前記好気筒体及び前記嫌気筒体は、上端の開口が前記処理槽の中央に向けて斜めに形成されるとともに、下端の開口が前記処理槽の外側に向けて斜めに形成され、前記処理槽の底面には、前記処理槽の外側から内側に向けて下降するテーパが設けられることを特徴としている。請求項５に記載の発明によれば、上端の開口が処理槽の中央に向けて斜めに形成されているので、好気性領域を通過した担体と嫌気性領域を通過した担体の両方が処理槽の中央部に流動し、混ぜ合わされる。これにより、担体を好気性領域、嫌気性領域の両方に均等に通過させることができる。
【００２３】
また、請求項５に記載の発明によれば、処理槽の底面にテーパが設けられているので、担体が処理槽の底面の外周部に堆積することを防止できる。
【００２４】
さらに、請求項５に記載の発明によれば、好気筒体、及び嫌気筒体は、下端の開口が処理槽の外側に向けて斜めに形成されているので、処理槽の底面のテーパに沿って滑り落ちる担体を下端の開口から内部に吸い込みやすい。
【００２５】
請求項６に記載の発明は、前記担体の比重は、１．０３〜１．０６であることを特徴としている。担体の比重がこのような範囲であれば、担体の流動性が向上する。
【００２６】
請求項７に記載の発明は、メタン発酵を行うとともに、前記メタン発酵により得られた消化液から窒素を除去するメタン発酵システムにおいて、請求項３〜６のいずれか１に記載の生物処理装置と嫌気性アンモニア酸化装置を組み込んだことを特徴としている。請求項７に記載の発明によれば、多量のメタノールや酸素を添加せずに処理を行うことができるとともに、メタン発酵によるメタン含有ガスを生物処理装置の無酸素ガスとして使用できるので、ランニングコストを削減することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って、本発明に係る生物処理方法及び装置の好ましい実施の形態について詳説する。
【００２８】
図１は、本発明に係る生物処理装置１０が適用されるメタン発酵システムの構成を示すブロック図である。
【００２９】
図１に示すようにメタン発酵システムは、生物処理装置１０の前段にメタン発酵装置１２を備え、生物処理装置１０の後段に嫌気性アンモニア酸化装置１４を備える。メタン発酵装置１２は、不図示の消化槽内で原料（例えば食品残渣物や畜産廃棄物）を嫌気性性処理し、メタン発酵させてメタンガスを生成させる。生成されたメタンガスは、不図示のガス回収タンクに回収される。このメタンガスは、加熱ボイラ等で燃焼されてガス発電や燃料電池などのエネルギーに変換される。また、メタンガスの一部が生物処理装置１０や嫌気性アンモニア酸化装置１４に送気されて利用される。
【００３０】
メタン発酵装置１２でメタン発酵させた後の消化液には、アンモニアが高濃度で含まれる。この消化液は５倍に希釈された後、後述する生物処理装置１０に導入される。そして、生物処理装置１０において、消化液中のアンモニアが主に亜硝酸に酸化され、アンモニアと亜硝酸が所定のモル比の処理水が得られる。
【００３１】
この処理水は、嫌気性アンモニア酸化装置１４に導入される。嫌気性アンモニア酸化装置１４では、処理水を反応タンクに供給し、液温３０℃、ｐＨ８．０  の下、ＨＲＴ  を６｀２３  時間とする。その結果、嫌気性アンモニア酸化細菌の関与によって、（１）式に基づいた反応が行われ、液相中の亜硝酸アンモニウムが窒素ガスに変換され、系外に除去される。（１）式から分かるように、嫌気性アンモニア酸化装置１４に導入される処理水は、アンモニアと亜硝酸のモル比で１：１．３１であることが望ましい。
【００３２】
図２は、生物処理装置１０の構成を模式的に示す側面図である。
【００３３】
生物処理装置１０は、円筒状の処理槽１６を有し、この処理槽１６に上述した消化液の希釈水（以下、被処理水という）が原水供給管１８を介して供給される。
【００３４】
処理槽１６の内部には、微生物を包括固定化した担体２０、２０…が投入されている。担体２０は、アクリルアミドポリマー水溶液などの高分子ゲルに、架橋剤を添加し、微生物を含む活性汚泥を高濃度に保持させたものであり、担体２０の内部には少なくともアンモニア酸化細菌、亜硝酸酸化細菌、脱窒細菌が保持される。担体２０の形状としては、例えば一辺が３ｍｍの立方体状に形成される。また、担体２０の比重としては、１．０３〜１．０６程度のものが使用される。
【００３５】
処理槽１６の内部には、二本の筒体（以下、好気筒体２２、嫌気筒体２４という）が設置される。好気筒体２２、及び嫌気筒体２４は、円筒状に形成されて立設されるとともに、上端の開口が被処理水の液面よりも低い位置に配置され、下端の開口が処理槽１６の底面から離れた位置に配置される。
【００３６】
好気筒体２２の下端には、エア送気管２６の先端が配置される。エア送気管２６には、ブロア２８が接続されており、このブロア２８を駆動することによって好気筒体２２の下端にエアが送気される。送気されたエアは、好気筒体２２の内部を上昇し、被処理水の液面に到達する。このエアリフト効果によって被処理水が好気筒体２２の下端から流入して好気筒体２２の内部を上昇し、上端から流出する。すなわち、エアリフト効果によって好気筒体２２の内部に被処理水の上昇流が形成される。また、好気筒体２２の内部にエアを送気することによって、好気筒体２２の内部の溶存酸素濃度が上昇する。すなわち、好気筒体２２の内部に好気性領域が形成される。好気筒体２２の内部には、不図示のＤＯ計が設けられており、このＤＯ計によって好気筒体２２の内部の溶存酸素濃度が測定される。
【００３７】
エア送気管２６には、弁３０が配設され、この弁３０によってエアの風量が調節される。弁３０は、制御装置３２に接続され、この制御装置３２によって弁３０の開度が調節される。制御装置３２は、前述したＤＯ計の測定値に基づいて弁３０の開度を調節し、測定値が０．４〜１．１ｍｇ／Ｌ、好ましくは０．５〜０．９ｍｇ／Ｌになるように弁３０の開度を制御する。なお、弁３０の開度を調節することにより、好気筒体２２の内部の溶存酸素濃度が制御されるとともに、好気筒体２２の内部における被処理水の上昇流の流速が調節される。例えば、弁３０の開度を大きくすると、溶存酸素濃度が増加するとともに、被処理水の上昇流の流速が大きくなり、担体２０の流動性を向上させることができる。
【００３８】
一方、嫌気筒体２４の下端には無酸素ガス送気管３６の先端が配置される。無酸素ガス送気管３６は、ブロア３８が接続され、このブロア３８を駆動することによって無酸素ガス３６が嫌気筒体２４の内部に送気されて吹き出される。吹き出された無酸素ガスは、嫌気筒体２４の内部を上昇し、液面まで到達する。この無酸素ガスのエアリフト効果によって被処理水が嫌気筒体２４の下端から流入して嫌気筒体２４の内部を上昇し、上端から流出する。すなわち、嫌気筒体２４の内部に被処理水の上昇流が形成される。ここで、無酸素ガスとは、酸素を含有しないガスであり、例えば窒素ガスやメタンガスなどの不活性ガスが使用される。したがって、嫌気筒体２４の内部に無酸素ガスを送気することによって、嫌気筒体２４の内部の溶存酸素濃度が低下し、嫌気性領域が積極的に形成される。なお、無酸素ガスとしてメタンガスを使用する場合には、図１のメタン発酵装置で得られたメタンガスを利用するとよい。
【００３９】
嫌気筒体２４の上端には、ガス補集容器４０が被せられている。ガス補集容器４０は、上端が密閉された円筒状に形成されており、液面まで達した無酸素ガスは、このガス補集容器４０によって補集される。ガス補集容器４０は、配管４１を介して前述したブロア３８に接続される。したがって、ブロア３８を駆動することによって、無酸素ガスが循環し、繰り返し利用される。なお、無酸素ガスが被処理水に溶解した分だけ、無酸素ガスを補給するようにするとよい。
【００４０】
無酸素ガス送気管３６には、弁４２が配設され、この弁４２によって無酸素ガスの送気量を調節できるようになっている。弁４２は、上記の制御装置３２によって開度が調節される。制御装置３２は、弁３０の開度（すなわち好気筒体２２に送気されるエアの風量）に応じて、弁４２の開度を調節し、嫌気筒体２４に送気される無酸素ガスの風量を調節する。これにより、好気筒体２２内に形成される被処理水の上昇流と、嫌気筒体２４内に形成される被処理水の上昇流との流速の比が変化するので、単位時間内に好気筒体２２を通過する担体２０の個数と、嫌気筒体２４を通過する担体２０の個数の比を調節することができる。同時に、担体２０が好気性領域に滞留する滞留時間と、担体２０が嫌気性領域に滞留する滞留時間との比を調節することができる。好気筒体２２に送気されるエアの風量と、嫌気筒体２４に送気される無酸素ガスの風量との比は、例えば１：１になるように調節される。
【００４１】
処理槽１６の内部には、回収筒４４が立設した状態で設置される。回収筒４４の上部には、回収用配管４６が接続されており、処理槽１６の水位の上昇に伴って被処理水が回収用配管４６から排出される。その際、担体２０は沈降性が良いので、回収筒４４の内部を上昇して流出することはない。排出された処理水は、図１の嫌気性アンモニア酸化装置１４に導入され、処理水に含まれる窒素成分が系外除去される。
【００４２】
次に上記の如く構成された生物処理装置１０の作用について説明する。
【００４３】
ブロア２８、３８を駆動することによって、好気筒体２２の内部にエアが送気され、嫌気筒体２４の内部に無酸素ガスが送気される。これにより、好気筒体２２の内部には好気性領域が形成され、嫌気筒体２４の内部には嫌気性領域が形成される。また、エア及び無酸素ガスのエアリフト効果によって、好気筒体２２の内部、及び嫌気筒体２４の内部に被処理水の上昇流が形成される。その結果、被処理水が好気筒体２２、嫌気筒体２４の内部を上昇し、外部を下降する循環流が形成される。
【００４４】
この循環流の流れに伴って担体２０、２０…は流動し、好気筒体２２の内部と嫌気筒体２４の内部の両方を通過する。すなわち、担体２０、２０…は好気性領域と嫌気性領域の両方を通過するように流動する。
【００４５】
ところで、担体２０の表面には亜硝酸酸化細菌が主に生育し、その内側にアンモニア酸化細菌が主に生育し、さらにその内側に脱窒細菌が生育するが、上記の如く、担体２０を好気性領域と嫌気性領域に繰り返し通過させると、表面の亜硝酸酸化細菌と内側の脱窒酸化細菌の生育を抑えつつ、中間のアンモニア酸化細菌を優先的に生育させることができる。したがって、アンモニアを硝酸まで変換させずに、亜硝酸で反応を止めることができる。これにより、処理水に含まれるアンモニアと亜硝酸のモル比を調節することができる。
【００４６】
処理水に含まれるアンモニアと亜硝酸のモル比の調節は、好気筒体２２内の溶存酸素濃度を制御することによって行うことができる。以下に、適切な溶存酸素濃度を求めた実験結果について説明する。
【００４７】
図８は、適切な溶存酸素濃度を求めた実験結果を示した図であり、（ＮＯ２  −Ｎ）／（ＮＨ４  −Ｎ）を、ＮＯ２  ／ＮＨ４  に変換し、ＤＯと比較している。この実験では、有効容量３Ｌの処理槽１６、有効容量０．１５Ｌの好気筒体２２及び嫌気筒体２４を用いた。また、実験条件として、温度を３５℃、ペレット添加量を１０Ｖ／Ｖ−％、エアの供給量を毎分０．３〜１．０Ｌ、無酸素ガスの供給量を毎分１．０Ｌとした。さらに、原水として、牛糞及び食品残渣物を原料としたメタン発酵消化液を用いた。原水は、水質がＢＯＤ８００〜１０００ｍ／Ｌ、ＮＨ４  −Ｎ４００〜５００ｍｇ／Ｌのものを用い、窒素負荷０．２ｋｇ／ｍ３  ・日で運転した。
【００４８】
図８の結果から分かるように、アンモニアと亜硝酸のモル比を、嫌気性アンモニア酸化法に好適な１：１．３１に調節するには、好気筒体２２内の溶存酸素濃度を０．４〜１．１ｍｇ／Ｌ、好ましくは０．５〜０．９ｍｇ／Ｌに制御するとよい。溶存酸素濃度が１．１ｍｇ／Ｌよりも大きいと、亜硝酸酸化細菌の活性が大きくなって処理水の硝酸濃度が増加するので、処理水の亜硝酸濃度が低下し、前記のモル比に調節することができない。逆に、溶存酸素濃度が０．４ｍｇ／Ｌよりも小さいと、好気性のアンモニア酸化細菌、及び亜硝酸酸化細菌の活性が低下するので、処理水にアンモニアが多く残存するようになり、前記のモル比に調節することができない。したがって、処理水中のアンモニアと亜硝酸のモル比を１：１．３１に調節するには、好気筒体２２内の溶存酸素濃度を上記の如く制御することが必要である。なお、好気筒体２２内の溶存酸素濃度を制御するには、前述したように、弁３０の開度を制御してエアの風量を調節すればよい。
【００４９】
また、処理水中のアンモニアと亜硝酸とを所定のモル比を調節する別の方法として、好気筒体２２に送気するエアの風量と、嫌気筒体２４に送気する無酸素ガスの風量との割合を調節してもよい。エアの風量と無酸素ガスの風量との割合を調節すると、好気筒体２２、嫌気筒体２４内に形成される被処理水の上昇流の流速比が変化するため、単位時間内に好気筒体２２、嫌気筒体２４を通過する担体２０の個数比が変化し、同時に担体２０が好気筒体２２、嫌気筒体２４に滞留する滞留時間の比が変化する。例えば、エアの風量の割合を増加すれば、好気筒体２２内を通過する担体２０の個数の割合が増加し、同時に、好気筒体２２での滞留時間の割合が増加するので、担体２０に保持される好気性細菌の活性が大きくなり、好気筒体２２内の溶存酸素濃度を増加させた場合と同様に効果が得られる。反対に、無酸素ガスの風量の割合を増加すれば、嫌気筒体２４内を通過する担体２０の個数の割合が増加し、同時に嫌気筒体２４に滞留する滞留時間の割合が増加するので、担体２０に保持される嫌気性細菌の活性が大きくなり、結果として、好気筒体２２内の溶存酸素濃度を低下させた場合と同様の効果が得られる。なお、エアの風量と無酸素ガスの風量は、前述したように、弁３０と弁４２を制御することによって調節することができる。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態の生物処理装置１０によれば、担体２０を好気性領域と嫌気性領域の両方に通過させることにより、アンモニア酸化細菌を優先的に生育させるようにしたので、処理水に含まれるアンモニアと亜硝酸のモル比を、嫌気性アンモニア酸化法に好適な１：１．３１に調節することができる。
【００５１】
また、本実施の形態によれば、好気筒体２２と嫌気筒体２４を設けたことにより被処理水の循環流が形成されやすくなり、担体２０の流動性が向上する。担体２０の流動性が向上したことによって、担体２０の内部にアンモニア酸化細菌が生育しやすくなる。
【００５２】
さらに、本実施の形態によれば、単一槽である処理槽１６の内部に好気筒体２２と嫌気筒体２４を設けた非常に簡単な構造であり、コストを削減することができる。
【００５３】
なお、上述した実施の形態は、エアと無酸素ガスを常時吹き出すようにしたが、エアと無酸素ガスを交互に間欠的に吹き出すようにしてもよい。これにより、全ての担体２０、２０…を好気性領域と嫌気性領域とに交互に通過させることができる。この場合には、エアを吹き出す時間と無酸素ガスを吹き出す時間との比を調節するとよい。また、エアと無酸素ガスを同一の筒体の内部に交互に吹き出すようにしてもよい。
【００５４】
図３は第２の実施形態の生物処理装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【００５５】
図３に示すように、好気筒体５２の上端、及び嫌気筒体５４の上端は、処理槽５０の中央側に向けて斜めに開口されている。すなわち、好気筒体５２の上端は嫌気筒体５４側に向けて開口され、嫌気筒体５４の上端は好気筒体５２側に向けて開口されている。したがって、好気筒体５２の上端から流出した担体２０は嫌気筒体５４側に向けて送り出され、嫌気筒体５４の上端から流出した担体２０は好気筒体５２に向けて送り出される。その結果、好気筒体５２を通過した担体２０と嫌気筒体５４を通過した担体２０とが混ぜ合わされる。これにより、担体２０が好気筒体５２のみを繰り返し通過して担体２０内の亜硝酸酸化細菌の活性が大きくなったり、担体２０が嫌気筒体５４のみを繰り返し通過して担体２０内の脱窒細菌の活性が大きくなったりすることを防止できる。
【００５６】
好気筒体５２の下端、及び嫌気筒体５４の下端は、処理槽５０の外側に向けて斜めに開口されている。また、処理槽５０の底面には、好気筒体５２の下端形状、及び嫌気筒体５４の下端形状に合わせて、テーパ５０Ａ、５０Ｂが形成されている。すなわち、処理槽５０の底面には、テーパ５０Ａ、５０Ｂが処理槽５０の中央に向けて形成されている。したがって、処理槽５０の外周部に落下した担体２０は、テーパ５０Ａ、５０Ｂによって処理槽５０の中央部に向けて集められ、処理槽５０の外周部に担体２０が堆積するおそれがない。また、テーパ５０Ａ、５０Ｂに沿って落下する担体２０は、斜めに開口された好気筒体５２の下端、或いは嫌気筒体５４の下端からスムーズに吸い上げられる。したがって、担体２０を処理槽５０内でスムーズに流動させることができる。
【００５７】
上記の如く構成された第２の実施携帯の生物処理装置によれば、担体２０、２０…を処理槽５０内でスムーズに流動させることができるとともに、各担体２０が好気筒体５２、嫌気筒体５４の一方に偏って通過することを防止できる。これにより、各担体２０においてアンモニア酸化細菌の活性を大きくすることができる。
【００５８】
なお、図３に示した生物処理装置では、処理水を回収する手段として、回収塔５６が用いられる。回収塔５６は、配管５８を介して処理槽５０に接続される。配管５８は斜めに設置されており、回収塔５６との接続部が処理槽５０との接続部よりも高い位置に配置されている。担体２０は沈降性が良いので、配管５８を斜めに配設することによって、担体２０の流出を防止できる。
【００５９】
回収塔５６の内部には、遮蔽板６２が立設され、この遮蔽板６２を介して配管５８と反対側に排水管６０が接続されている。したがって、配管５８から回収塔５６内に処理水が流入すると、処理水中の懸濁物が遮蔽板６２によって分離され、清澄水が排水管６２から排出される。分離された懸濁物は沈降して、回収塔５６の下部のホッパー５６Ａに沈殿し、ポンプ６６を駆動することによって引抜き管６４から引き抜かれる。
【００６０】
なお、回収塔５６の個数は、一つに限定されるものではなく、複数であってもよい。例えば処理槽５０の両側に回収塔５６を設けるようにしてもよい。
【００６１】
また、好気筒体２２、５２、嫌気筒体２４、５４の個数や配置は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、図４に示すように、処理槽７０には、好気筒体２２と嫌気筒体２４を三本ずつ配設してもよい。同図に示す好気筒体２２と嫌気筒体２４は、交互に等しい間隔で配置されている。この処理槽７０によれば、好気筒体２２と嫌気筒体２４の個数が増えたことによって、担体２０を好気筒体２２と嫌気筒体２４により均等に通過させることができる。なお、この処理槽７０の場合にも、処理槽７０の中央部に向けて斜めに開口した好気筒体５２、嫌気筒体５４を用いたり、処理槽７０の底部に、外周部から中央部に向けて下降するテーパを設けると、担体２０の流動性を向上させることができる。
【００６２】
図５に示すように、径の大きい嫌気筒体２４を処理槽７２の中央部に一本配設するとともに、径の小さい複数本の好気筒体２２、２２…を嫌気筒体２４の周囲に配置してもよい。
【００６３】
また、好気筒体２２、５２、嫌気筒体２４、５４を設ける代わりに、同様の効果を有するように処理槽の内部を仕切ってもよい。例えば、図６に示す処理槽７４は、直交する二枚の仕切り板７６、７８によって四つのエリアＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに仕切られている。各仕切り板７６、７８は、高さ方向において処理槽７４よりも短く形成されており、各仕切り板７６、７８の上方及び下方において、各エリアＡ〜Ｄが隣接する両エリアと連通している。エリアＡの下部には、エア送気管２６の先端が配設され、エリアＣの下部には無酸素ガス送気管３６の先端が配設される。したがって、エリアＡはエアが送気されて好気性領域になり、エリアＣは無酸素ガスが送気されて嫌気性領域になっている。また、エア及び無酸素ガスを送気することによって、被処理水は、エリアＡとエリアＣを上昇し、エリアＢとエリアＤを下降するように循環する。したがって、担体２０、２０…を好気性領域と嫌気性領域とを通過するように流動させることができる。
【００６４】
図７に示す処理槽８０では、仕切り板７６の上端が処理槽８０の上端まで形成され、仕切り板７８の下端が処理槽８０の底面まで形成される。すなわち、エリアＡは、上部がエリアＢに連通されるとともに、下部がエリアＤに連通される。また、エリアＣは、上部がエリアＤに連通されるとともに、下部がエリアＢに連通される。
【００６５】
上記の如く仕切り板７６、７８を形成すると、被処理水は、エリアＡを上昇し、エリアＢを下降し、エリアＣを上昇し、エリアＤを下降する。すなわち、担体２０は、エリアＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの順に通過する。これにより、担体２０は、エリアＡの好気性領域とエリアＣの嫌気性領域を交互に通過する。したがって、担体２０の内部に、アンモニア酸化細菌を優先的に生育させることができる。
【００６６】
なお、図６、図７の生物処理装置では、四つのエリアＡ〜Ｄを形成したが、より多くのエリアを形成するようにしてもよい。また、処理槽の形状を円筒以外の形状、例えば矩形状に形成してもよい。
【００６７】
なお、本発明に係る生物処理装置は、図１の嫌気性アンモニア処理装置１４の前段での適用に限定されるものではなく、硝化・脱窒装置として適用することも可能である。すなわち、好気筒体２２、５２の内部の溶存酸素濃度を増加させて好気筒体２２、５２の内部で被処理水に含まれるアンモニアを主に硝酸に変換させる硝化処理を行うとともに、嫌気筒体２４、５４の内部の嫌気性領域で脱窒処理を行うようにしてもよい。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る生物処理方法及び装置によれば、微生物を固定化した担体が好気性領域と嫌気性領域の両方を通過するようにしたので、アンモニア酸化細菌を優先的に生育させることができ、被処理水に含まれるアンモニアを主に亜硝酸に変換することができる。これにより、処理水に含まれるアンモニアと亜硝酸のモル比を調節することができ、嫌気性アンモニア処理法に適した処理水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る生物処理装置が適用されたメタン発酵システムの構成を示すブロック図
【図２】本発明に係る生物処理装置の第１の実施形態の構成を模式的に示す側面図
【図３】本発明に係る生物処理装置の第２の実施形態の構成を模式的に示す斜視図
【図４】好気筒体と嫌気筒体の個数が異なる処理槽を示す平面図
【図５】好気筒体と嫌気筒体の配置が異なる処理槽を示す平面図
【図６】他の構成の処理槽を示す斜視図
【図７】他の構成の処理槽を示す斜視図
【図８】ＮＯ２  ／ＮＨ４  とＤＯの関係を示す図
【符号の説明】
１０…生物処理装置、１２…メタン発酵装置、１４…嫌気性アンモニア酸化装置、１６…処理槽、１８…原水供給管、２０…担体、２２…好気筒体、２４…嫌気筒体、２６…エア送気管、２８…ブロア、３０…弁、３２…制御装置、３６…無酸素ガス送気管、３８…ブロア、４０…ガス補集容器、４２…弁、４４…回収筒、４６…回収用配管
【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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