(57)【要約】【課題】より効率的に生物処理（特に窒素除去）を行える排水処理方法を提供する。【解決手段】気体透過膜（中空糸膜１）を介して、一方に被処理水３を供給し、他方に空気を供給しながら、気体透過膜の被処理水供給側に形成された生物膜２によって生物処理を行う排水処理方法であって、生物膜２の厚さ方向において、気体透過膜の側に生物膜全体の厚さの７０％以下となる厚さで好気領域２ａを形成させることを特徴とする排水処理方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体透過膜を介して、一方に被処理水を供給し、他方に酸素を含む気体を供給しながら、該気体透過膜の被処理水供給側に形成された生物膜によって生物処理を行う排水処理方法であって、該生物膜の厚さ方向において、該気体透過膜の側に生物膜全体の厚さの７０％以下となる厚さで好気領域を形成させることを特徴とする排水処理方法。
【請求項２】
生物処理は、硝化反応および脱窒反応による窒素除去処理である請求項１記載の排水処理方法。
【請求項３】
気体透過膜は、非多孔質部分を持つ透過膜である請求項１または２記載の排水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、都市下水や有機性排水中の富栄養成分、特に窒素成分の高度の除去に適した排水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、川、湖沼、海洋などの公共水域の水質汚染防止のために、都市下水や有機性排水などの処理において、窒素やリンなどの富栄養成分の除去が大きな課題となっている。
【０００３】
従来、窒素の除去は、生物学的な除去プロセスに拠る方法、すなわち好気的な条件下におけるアンモニアの硝化反応と、嫌気的な条件下における硝酸、亜硝酸の脱窒反応（硝酸呼吸および亜硝酸呼吸）に拠るのが一般的である。さらに、中空糸膜を使用して効率良く酸素を供給し、排水中に硝化反応の為の好気条件を形成する各種の排水処理技術が知られている（特許文献１、特許文献２参照）。また、中空糸膜を用いて酸素を溶解させると共に、硝化菌の有効な増殖により魚介類の水槽内の水浄化を図る技術も知られている（特許文献３参照）。
【０００４】
一方、同じ生物学的な窒素除去プロセスとして、例えば生物膜を用いた硝化反応および脱窒素反応によって、排水中の窒素を除去する技術も知られている。
【特許文献１】特開平７−２９００８４号公報
【特許文献２】特開昭６４−９００９３号公報
【特許文献３】特開平５−６８９９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術においては、上述のように生物膜によって排水中の窒素成分を除去できることは知られていたが、具体的にはどのような構成の生物膜を使用すればより効率的に処理できるかは知られていなかった。
【０００６】
すなわち、本発明の目的は、処理に適した生物膜の構成を明らかにし、その特定構成の生物膜を使用してより効率的に生物処理（特に窒素除去）を行うことを可能とした排水処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討したところ、気体透過膜上に形成される生物膜の好気領域が特定の割合であると良好な結果が得られることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、気体透過膜を介して、一方に被処理水を供給し、他方に酸素を含む気体を供給しながら、該気体透過膜の被処理水供給側に形成された生物膜によって生物処理を行う排水処理方法であって、該生物膜の厚さ方向において、該気体透過膜の側に生物膜全体の厚さの７０％以下となる厚さで好気領域を形成させることを特徴とする排水処理方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の排水処理方法は、特定の構成の生物膜を用いているので、特に窒素成分の高度の除去に適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の排水処理方法は、被処理水から生物学的に窒素等を除去する方法であって、いわゆる膜・生物膜法によるＭＡＢＲ（Membrane Aeration Bio-Reactor）を使用した排水処理方法である。また、本発明において生物膜による生物処理とは、代表的には硝化反応および脱窒反応による窒素除去処理である。以下、この硝化脱窒反応について、図１を用いて説明する。
【００１１】
図１に示すように、被処理水３中から生物膜２中に流入したアンモニア（ＮＨ4+）は、生物膜内の好気領域（硝化領域）２ａ中の硝化細菌により、亜硝酸（ＮＯ2-）を経て硝酸（ＮＯ3-）にまで酸化される。ここで生成したＮＯ2-およびＮＯ3-は、生物膜の嫌気領域（脱窒領域）２ｂ中の脱窒細菌により窒素ガス（Ｎ2）にまで還元され、大気に放出される。この処理方法によれば、硝化反応と脱窒反応を単一反応槽内で同時に行うことができ、コストの削減やシステムの簡略化を図ることができる。
【００１２】
この生物膜２は、中空糸膜（気体透過膜）１の被処理水供給側に形成した膜である。この中空糸膜１の中空部に空気（酸素を含む気体）を所望圧力で供給することによって、その空気は中空糸膜１の膜内を透過し、生物膜２内に供給される。本発明においては、このように気体透過膜から生物膜２に直接気体を供給できるので、より有効な酸素供給を行うことができる。
【００１３】
また、生物膜２には、被処理水３中から栄養塩が、中空糸膜１表面から酸素がそれぞれ反対方向から供給される。したがって、被処理水から栄養塩および酸素を供給する方法と比較すると、生物膜内の表層に存在する他栄養性細菌が深層に存在する硝化細菌に対して酸素の輸送抵抗になりにくいという利点もある。
【００１４】
本発明では、生物膜２の厚さ方向において、中空糸膜１の側に生物膜２全体の厚さの７０％以下となる厚さで好気領域２ａを形成させる。このような構成の生物膜２を形成することにより、非常に効果的な窒素除去処理が可能となる。
【００１５】
この生物膜２の好気領域２ａの厚さは、微小電極（クラークタイプ溶存酸素微小電極）を用いて測定した膜内の酸素濃度分布から確認できる。生物膜２の酸素濃度分布は、通常は中空糸膜１表面側から酸素を含有する領域が始まり、被処理水３側に進むに伴い酸素濃度が減少し、途中から無酸素領域になり、そして被処理水３側表面に至る。この酸素濃度分布における中空糸膜１表面側から無酸素領域（嫌気領域２ｂ）までの間が好気領域２ａである。本発明において、好気領域２ａの厚さは、上述したとおり生物膜２全体の厚さの７０％以下であるが、特に３０％〜６０％の範囲内であることが特に好ましい。
【００１６】
本発明において生物膜２とは、上述したように硝化細菌や脱窒細菌等の微生物を主として成り、排水処理（生物処理）の為の反応を生起し得る膜である。この生物膜の全体の厚さは特に限定されないが、通常は１００μｍ〜３０００μｍの範囲内であることが好ましい。
【００１７】
中空糸膜２の表面にいったん生成した生物膜２は、被処理水３中から栄養塩、中空糸膜１から酸素とそれぞれ供給されることによって成長し、膜厚が増大する。ここで、生物膜２の好気領域２ａを所望の割合にする為には、例えば、必要に応じて各種の処理条件を適宜設定すること等により可能である。例えば、中空糸膜（気体透過膜）１へ供給する空気（酸素を含む気体）の圧力を調整することによって、生物膜２への酸素供給量が制御され、これにより生物膜２内の好気領域２ａの厚さの増加具合が変化する。ここで、供給気体の圧力は０.０５Ｍｐａ以下であることが好ましく、特に０．０１ＭＰａ〜０．０２ＭＰａの範囲内であることがより好ましい。ただし、処理条件は供給気体の圧力に限られる訳ではなく、それ以外の種々の処理条件に影響されると考えられる。
【００１８】
他の処理条件については、例えば、被処理水中の窒素濃度を、Ａ（ｍｇ／Ｌ）、被処理水量をＢ（ｍ3／ｄ）、生物膜全体の容積をＣ（ｍ3）とするとき、（Ａ×Ｂ）／Ｃは２０００以下であることが好ましい。また、被処理水の生物膜面との接触時間は、２.３×１０-7ｍ3／ｍ2／ｓｅｃ（＝２０Ｌ／ｍ2／day）以下であることが好ましい。
【００１９】
本発明において、気体透過膜は、生物膜内に所望の割合の好気領域が形成されるような酸素供給が可能なものであれば特に限定されない。ただし、気体透過膜は非多孔質部分を持つ透過膜であることが好ましく、特に非多孔質膜を有効透過膜として有する中空糸膜を使用することがより好ましい。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。
【００２１】
本実施例で使用した実験室スケールのＭＡＢＲ装置は、非多孔質膜を有効透過膜として有する中空糸膜モジュール（高さ２０ｍｍ、縦幅３００ｍｍ、横幅２５０ｍｍ、膜表面積０.２５ｍ2、Ｏ2フラックス０.２８ｍ３／ｍ2・ｈ・ＭＰａ）をセットして密閉したフローセル、循環ポンプおよびホースで構成されている。フローセル、循環ポンプおよび循環路として用いたホースを含めたＭＡＢＲの全容積は約５Ｌであった。ＭＡＢＲの運転時の操作圧力は、コンプレッサー、調整弁および圧力計を用いて０.０１ＭＰａおよび０.０４ＭＰａになるように調整した。ＭＡＢＲの運転は、八戸市旭ヶ丘汚水処理場の生下水を半回分式で運転し、運転開始から約３日後に中空糸膜上に生物膜が形成されたのを確認し連続運転に切り換えた。試験対象排水としての流入水は、滅菌処理を施した有機物（YEAST EXTRACT）を含む人工下水（下記表１）を作製して使用した。
【００２２】
【表１】
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被処理水は、送液ポンプを用いて約２Ｌ／dayの流量で流入および流出させた。また、予備実験時において実験室内に設置したＭＡＢＲ内で藻類等の光合成細菌が繁殖したため、本実施例では日光および照明類等の光を遮断して運転を行った。
【００２３】
＜Ｒｕｎ.１＞
以上の操作を、操作圧力０.０１ＭＰａ、人工下水（YEAST EXTRACT）０.５ｇ／Ｌ［有機物濃度（ＣＯＤ）＝１６０ｍｇ／Ｌ］の条件で５０日間以上実施し、中空糸膜上に形成された生物膜の厚さおよび生物膜内の好気領域の厚さを、Ｏ2微小電極（クラークタイプ溶存酸素微小電極）を用いて逐次測定した。その測定点は、膜表面積０．２５ｍ2当たり１箇所の割合で、合計１０点測定し、その平均値をとって測定厚とした。結果を図２および下記表２に示す。
【００２４】
【表２】
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図２および表２に示すように、運転開始から８日経過後の生物膜厚さおよび生物膜内好気領域の厚さは、どちらも約１２０μｍであった。すなわち、運転初期のＭＡＢＲ内中空糸膜上に形成された生物膜には好気領域しか存在していなかった。
【００２５】
さらに、運転開始から２３日、２９日、３７日、４３日および５０日経過後の生物膜厚さは、それぞれ約５９０μｍ、６３０μｍ、７８０μｍ、１１７０μｍおよび１３００μｍであり、ＭＡＢＲ内中空糸膜上に形成された生物膜厚さは、運転開始から経日的に増加していった。一方、運転開始から２３日、２９日、３７日、４３日および５０日経過後の生物膜内の好気領域の厚さは、それぞれ約２９０μｍ、５４０μｍ、４５０μｍ、５３０μｍおよび５４０μｍであり、運転開始から２４日経過後以降において殆ど変化はみられなかった。このことから、運転開始から２９日経過後までは生物膜厚さの増加に伴い好気領域の厚さも増加していったが、２９日経過後以降は生物膜厚さが増加しても好気領域は増加しなかったことが明らかとなった。生物膜厚さが成長しても好気領域が増加しないということは、生物膜内の嫌気領域（無酸素領域）の増加を示している。したがって、嫌気領域は、運転開始から２９日経過後から増加していったことがわかる。この生物膜の好気領域および嫌気領域は、それぞれ硝化および脱窒領域と表現することもできる。
【００２６】
更に、Ｒｕｎ.１条件下におけるＭＡＢＲ内の中空糸膜表面積当たりの総窒素消費速度［Ｒ（Ｔ−Ｎ）］を逐次測定したところ、そのＲ（Ｔ−Ｎ）は運転開始から増加し、２３日経過後（好気領域４９％）には高い値を示したが、その後は減少していき、２９日経過後（好気領域８６％）には最も低い値を示した。しかし、その後はまた増加し始め、３７日経過後（好気領域５６％）およびそれ以降（好気領域５６％〜４１％）は著しい変化はみられなくなった。定常に達してからのＲｕｎ.１のＲ（Ｔ−Ｎ）の平均（±標準偏差）は、約０.２３（±０.０７）ｇ−Ｎ／ｍ2／dayであった。
【００２７】
＜Ｒｕｎ.２＞
操作圧力を０.０４ＭＰａに変更したこと以外は、Ｒｕｎ.１と同様にして実施した。結果を図３および下記表３に示す。
【００２８】
【表３】
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図３および表３に示すように、運転開始から８日経過後の生物膜厚さおよび生物膜内好気領域の厚さは、どちらも約１２０μｍであった。すなわち、Ｒｕｎ.１と同様に運転初期の生物膜には好気領域しか存在していなかった。
【００２９】
さらに、運転開始から２３日、２９日、３７日、４３日および５０日経過後の生物膜厚さは、それぞれ約４３０μｍ、５６０μｍ、５００μｍ、１０６０μｍおよび１９００μｍであり、ＭＡＢＲ内中空糸膜上に形成された生物膜厚さは、運転開始から経日的に増加していった。このことから、Ｒｕｎ.２の生物膜はＲｕｎ.１より厚く成長することがわかった。一方、２３日、２９日、３７日、４３日および５０日経過後の生物膜内の好気領域の厚さは、それぞれ約２８０μｍ、２４０μｍ、４３０μｍ、７５０μｍおよび１０１０μｍであり、運転開始から経日的にほぼ増加していった。このことから、Ｒｕｎ.２の生物膜は、Ｒｕｎ.１と異なり、運転開始から２９日経過後以降でも生物膜厚さの増加に伴い生物膜内の好気領域が増加していったことがわかる。
【００３０】
ただし、Ｒｕｎ.２においては、生物膜の厚さの増加が好気領域の厚さの増加より高かったので、運転開始から２９日経過後からＲｕｎ.１と同様に、嫌気領域も増加し、定常に達した。また、Ｒｕｎ.１およびＲｕｎ.２の最終的な嫌気領域の厚さには、殆ど違いは見られなかった。
【００３１】
Ｒｕｎ.１とＲｕｎ.２を比較すると、ＭＡＢＲの操作圧力（ＭＰａ）を変更することにより、中空糸膜上に形成された生物膜内の好気領域が占める割合（％）も変化することが分かる。
【００３２】
更に、Ｒｕｎ.２条件下におけるＭＡＢＲ内の中空糸膜表面積当たりの総窒素消費速度［Ｒ（Ｔ−Ｎ）］を逐次測定したところ、そのＲ（Ｔ−Ｎ）は運転開始から４３日経過後（好気領域７１％）までは変動したが、それ以降は著しい変化はみられなかった。定常に達してからのＲｕｎ.２のＲ（Ｔ−Ｎ）の平均（±標準偏差）は、約０.２９±０.０６ｇ−Ｎ／ｍ2／dayであった。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明における硝化脱窒反応を説明するための模式図である。
【図２】実施例のＲｕｎ.１の結果を示すグラフである。
【図３】実施例のＲｕｎ.２の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１  中空糸膜
２  生物膜
２ａ  好気領域
２ｂ  嫌気領域
３  被処理水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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