(57)【要約】【課題】  合併処理浄化槽、排水処理施設及び下水道処理施設等の生活系排水の処理に適応して、高度リサイクル水の造水技術の提供のための装置及び方法を開発する。【解決手段】  嫌気性濾床槽１と好気性処理槽とからなる排水処理槽に三次処理部としてオゾン処理槽３を付加して構成される排水の高度処理装置において、嫌気性濾床槽１の内部に連続気泡体の多孔質濾材を充填し、オゾン処理槽３から流出する処理水を嫌気性濾床槽１へ返送する管路を形成してなる排水の高度処理装置であり、用いる連続気泡体の多孔質濾材は、特定の筒状体あるいは板状体に形成され、規則的又は不規則に充填されたものである。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
嫌気性濾床槽と好気性処理槽とからなる排水処理槽に三次処理部としてオゾン処理槽を付加して構成される排水の高度処理装置において、嫌気性濾床槽の内部に連続気泡体の多孔質濾材を充填し、オゾン処理槽から流出する処理水の一部を嫌気性濾床槽へ返送する管路を形成してなる排水の高度処理装置。
【請求項２】
嫌気性濾床槽内に充填される連続気泡体の多孔質濾材は、厚さ１２〜５０ｍｍ、内径４０〜１５０ｍｍ、長さ３０〜２００ｍｍの筒状体に形成され、該筒状体が不規則に充填されたものである請求項１記載の排水の高度処理装置。
【請求項３】
嫌気性濾床槽内に充填される連続気泡体の多孔質濾材濾材は、厚さ１２〜５０ｍｍ、内径４０〜１５０ｍｍ、長さ３０〜２００ｍｍの筒状体に形成され、該筒状体が起立され、その隣接する筒状体の間隔が４０〜１００ｍｍに充填されたものである請求項１記載の排水の高度処理装置。
【請求項４】
嫌気性濾床槽に充填される連続気泡体の多孔質濾材は、厚さ１２〜５０ｍｍの平板体に形成され、該平板体が平行に起立され、隣接する平板体との間隔が４０〜１００ｍｍに充填されたものである請求項１記載の排水の高度処理装置。
【請求項５】
嫌気性濾床槽に低分子アルコールの添加容器を設けた請求項１〜４記載の排水の高度処理装置。
【請求項６】
嫌気性濾床槽と好気性処理槽とからなる排水処理槽に三次処理部としてオゾン処理槽を付加して構成される排水の高度処理装置を用いて、嫌気性濾床槽の内部に連続気泡体の多孔質濾材を充填し、オゾン処理槽から流出する処理水を嫌気性濾床槽へ返送して、排水中の難分解物質や窒素化合物を除去する排水の高度処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭や工場から排出される汚水（以下、単に「排水」という）の高度処理装置及び方法に関するもので、更に、詳しくは嫌気性濾床槽と好気性処理槽とからなる排水処理槽に三次処理部としてオゾン処理槽を付加して構成される排水の高度処理装置及び方法の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
嫌気性濾床用濾材として連続気泡体濾材が充填された嫌気性濾床槽と各種の好気性生物処理法を組み合わせた合併処理浄化槽については、従来から多くの提案がなされており、最近のものとして例えば特許文献１にみられる。この特許文献１には嫌気性濾材についても記載がある。また、生物濾過装置の濾材に特徴のある技術としては、特許文献２にみられる。オゾンによる難分解性有機物の分解装置については、非特許文献１に記載されているが、一般には普及していないのが実情である。
【０００３】
一般的に浄化槽等において排水が処理されていく過程では、微生物に最も利用され易い有機物から順に微生物に取り込まれ、分解され、利用されにくい有機物は最後まで処理水中に残留する。水中の有機物量はＢＯＤやＣＯＤ等の指標で表され、通常ＢＯＤ２０ｍｇ／Ｌ、ＣＯＤ４０ｍｇ／Ｌ程度まで処理されて放流される。また閉鎖水域などのように放流基準の厳しい地域に放流される場合には、ＢＯＤ１０ｍｇ／Ｌ以下、ＣＯＤ１５ｍｇ／以下、総窒素１０〜１５ｍｇ／Ｌ程度までに処理されて放流される。このような浄化槽の処理基準は非特許文献２に記載されている。
【０００４】
従来、ＢＯＤ、ＣＯＤと共に窒素を生物学的に除去する技術は、非特許文献１にも記載があるように、図１に示す後段の好気性処理部でアンモニア性窒素を硝化し、その一部を前段の嫌気性処理部に循環返送して、嫌気性処理部に流入する汚水の有機物の存在下で硝酸イオンや亜硝酸イオンをガス化して脱窒素を行う方法が硝化液循環法として古くから知られている。図１中のＱは汚水の単位時間当たりの流入量であり、ｎは循環比である。
【０００５】
生活系排水中の窒素イオンはすべて蛋白質に由来するアンモニア性窒素で、硝酸イオンや亜硝酸イオンの形では全く存在しない。排水中のアンモニアイオンは嫌気性処理部では変化を受けずに通過するが、好気性処理では亜硝酸イオン又は硝酸イオンに硝化され、その処理水の一部は循環返送されて嫌気性処理部に再流入する。化１にその硝化反応式を示す。
【０００６】
【化１】
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【０００７】
また、循環返送された亜硝酸性及び硝酸性窒素イオンは嫌気性処理部で有機物の存在下で還元されて窒素ガスとなり空気中に放出され脱窒素が行われる。同様に化２にその脱窒素反応式を示す。
【０００８】
【化２】
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【０００９】
【特許文献１】特開２００１−３４０８９１号公報（請求項１、図１）
【特許文献２】特開平８−２４８９５号公報（請求項１、２、図１）
【非特許文献１】和田洋六著「水のリサイクル（応用篇）」第１３７〜１５３頁、１９９４年、地人書館
【非特許文献２】建設省住宅局建築指導課ほか監修「屎尿浄化槽の構造基準・同解説」第３３９〜４０７頁（財）日本建築センター１９９６年版
【００１０】
一般的な運転方法では、循環量は流入量の３倍（ｎ＝３）程度返送される。生活系排水中の総窒素は平均５０ｍｇ／Ｌであるから、仮に循環水中の硝酸イオンは嫌気性処理槽で１００％ガス化が起き、好気性処理部では１００％硝化されると仮定すれば、循環水量分の水は窒素を含まないから、流入汚水中の総窒素は１／４程度に希釈されることになり、計算上１２．５ｍｇ／Ｌ程度まで除去される。
【００１１】
このように生物学的な脱窒素処理では除去率と循環比は密接な関係があるが、実際には嫌気性処理部で脱窒素反応を１００％起こすことは難しく、また好気性処理部で１００％の硝化が難しい為、循環比を５倍以上にして運転を行う必要がある。
【００１２】
しかしこのような運転を行うと循環水量が多いため放流される水質と嫌気性処理槽内の水質はほとんど同じになり、循環水が持ち込んだ溶存酸素のために嫌気性処理部で嫌気性状態を維持することが困難となり脱窒素反応は起こらなくなる。
【００１３】
この問題を解決する方法として、特許文献１にあるように、連続気泡体の嫌気性濾床用濾材を用いた嫌気性濾床槽に接触ばっ気浄化槽や生物濾過槽を組み合わせて、汚水中の窒素を除去する方法が実用化されている。
【００１４】
更に、この処理水を浄化して再利用しようとする場合等には、非特許文献２にみられるように、砂濾過、凝集沈殿処理、活性炭吸着処理等の物理学的な処理法が適時組み合わせて用いられＣＯＤ５ｍｇ／Ｌ、リン１ｍｇ／Ｌ〜０.５ｍｇ／Ｌ程度まで浄化される。
【００１５】
このような高度処理によって得られた水は、見た目には水道水と全く変わらない清水のように見えるが、国が定めた水道水基準では水中の有機物の指標は、過マンガン酸カリウム１０ｍｇ／Ｌ（ＣＯＤに換算すると２．５３ｍｇ／Ｌ）以下であるから、仮にＣＯＤが５ｍｇ／Ｌ程度まで処理されていても尚基準値の２倍以上の有機物が残留していることになり、また塩素消毒によって生成される塩化炭素類等が残留するため飲料水として利用することはできない（水道水基準）。
【００１６】
最終的に処理水中のＣＯＤ成分を構成するのは微量の腐植物質、活性剤、色素成分等であり、これらの難分解性有機物はオゾンガスと反応させて分子を分断し活性炭に吸着させる方法により、ＣＯＤ１〜２ｍｇ／Ｌまで浄化され水道水基準を満たす水を得ることができる。しかし、このような一連の処理を行うための設備費用は高価なものとなり、また処理費用も高く、一般的に採用されることはほとんどない。この点については、水のリサイクルを課題とした非特許文献１に記載されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
国民１人当たりの生活用水使用量はここ２０年間で２０％も増加しており、都市圏における一定以上の大きさのビルでの雑用水リサイクルの義務付けが行われる等水のリサイクルに対する要求も年々高まっている。また瀬戸内海等のように慢性的に降雨量の少ない地域での水不足は深刻であり、簡便で安全な水の再利用技術が強く望まれている。
【００１８】
本発明は従来行われているような段階的な浄化方法でなく、汚水を直接浄化することによって、アンモニアに由来する窒素化合物を飲料水基準並みに１０ｍｇ／Ｌ以下に除去すると同時に難分解性有機物を生物学的に除去して、低コストで安全なリサイクル水を供給しようとするものである。生物学的にＣＯＤ１５ｍｇ／Ｌ程度まで処理された処理水中のＣＯＤ成分を構成するのは、微量の腐植物質、界面活性剤、色素成分等の芳香族系の難分解性有機物であるため、これらは微生物にはほとんど利用されない。
【００１９】
嫌気性濾床用濾材として連続気泡体濾材が充填された嫌気性濾床槽と各種の好気性生物処理法を組み合わせた合併処理浄化槽に、オゾンによる難分解性有機物を分解する工程を附加した装置を基本とし、これの更なる改良を目指すものである。
【００２０】
その処理水の一部を嫌気性処理工程に返送循環を行って生物処理の能力を最大限に活用すると共に、排水中の難分解物質や窒素化合物を除去することにより、高度リサイクル水の造水技術を提供しようとするものであり、合併処理浄化槽、排水処理施設及び下水道処理施設等の生活系排水の処理に適応されるものとしての装置を開発することを解決課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の装置は、嫌気性濾床槽と好気性処理槽とからなる排水処理槽に三次処理部としてオゾン処理槽を付加して構成される排水の高度処理装置において、嫌気性濾床槽の内部に連続気泡体の多孔質濾材を充填し、オゾン処理槽から流出する処理水の一部を嫌気性濾床槽へ返送する管路を形成する組み合わせに特徴のある排水の高度処理装置である。
【００２２】
この装置において、嫌気性濾床槽内に充填される連続気泡体の多孔質濾材は、厚さ１２〜５０ｍｍ、好ましくは２０〜４０ｍｍ、内径４０〜１５０ｍｍ、好ましくは６０〜１３０ｍｍ、長さ３０〜２００ｍｍ、好ましくは５０〜１８０ｍｍの略筒形の筒状体に形成され、該筒状体が不規則に充填されたもので排水の高度処理装置を構成する。
【００２３】
この嫌気性濾床槽内に充填される連続気泡体の多孔質濾材はまた、厚さ１２〜５０ｍｍ、好ましくは２０〜４０ｍｍ、内径４０〜１５０ｍｍ、好ましくは６０〜１３０ｍｍ、長さ３０〜２００ｍｍ、好ましくは５０〜１８０ｍｍの略筒形の筒状体に形成され、該筒状体が起立され、その隣接する筒状体の間隔が４０〜１００ｍｍ、好ましくは５０〜９０ｍｍに充填されたものでも、排水の高度処理装置が形成される。
【００２４】
更に、嫌気性濾床槽に充填される連続気泡体の多孔質濾材は、厚さ１２〜５０ｍｍ、好ましくは２０〜４０ｍｍの平板体に形成され、該平板体が平行に起立され、隣接する平板体との間隔が４０〜１００ｍｍ、好ましくは５０〜９０ｍｍに充填されたものも排水の高度処理装置として好適である。
【００２５】
これら嫌気性濾床槽において、排水のＢＯＤに対する窒素の比（＝Ｃ／Ｎ比）が３．５以下になるような排水の場合等には、低分子アルコールの添加容器を設けた装置とすると、更なる排水の高度処理装置が得られる。低分子アルコールとしては、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、エチレングリコール、グリセリンなどが利用できる。
【００２６】
以上のような本発明の装置を用いて操作する方法を要約すると、嫌気性濾床槽と好気性処理槽とからなる排水処理槽に三次処理部としてオゾン処理槽を付加して構成される排水の高度処理装置を用いて、嫌気性濾床槽の内部に連続気泡体の多孔質濾材を充填し、オゾン処理槽から流出する処理水の一部を嫌気性濾床槽へ返送して、排水中の難分解物質や窒素化合物を除去する排水の高度処理方法となる。
【００２７】
生物学的にＣＯＤ１５ｍｇ／Ｌ程度まで処理された処理水中のＣＯＤ成分を構成するのは、微量の腐植物質、活性剤、色素成分等の芳香族系の難分解性有機物であるため、これらは微生物にはほとんど利用されない。
【００２８】
しかしオゾンは環状構造分子の二重結合部分を選択的に分断する作用が知られており、処理水にオゾンを反応させることにより残存する難分解性芳香族のベンゼン核等は微生物に利用され易い直鎖型分子に短時間に分解される。化３は代表的な例として、フェノールのオゾンによる分解の過程である。
【００２９】
【化３】
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【００３０】
化３に代表されるような環状構造有機物はオゾンによって瞬時に（１）から（２）の形に分解され、ＢＯＤが５〜８ｍｇ／Ｌから３０〜５０ｍｇ／Ｌに増大する。このことは、（２）の形が既に微生物に利用され易い形に分解されたことを示している。このような反応については、本発明者が行った過去の実験の経験値や非特許文献１に詳しい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明は、オゾンのこのような性質に着目し、生物学的脱窒素のプロセスをそのまま利用して、難分解性有機物を分解して嫌気性濾床槽へ返送する形態の装置及び方法としたことにより、高効率で窒素と難分解性有機物を同時に除去することができる汚水の処理を可能としたのである。本発明の嫌気性濾床槽と好気性処理槽とからなる排水処理槽に三次処理部としてオゾン処理槽を付加して構成される排水の高度処理装置は、小規模な施設であっても、浄化水が上水としての利用も可能なほどに高度な水質浄化する顕著な作用効果を奏するのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の排水の高度処理装置及び方法の実施の形態につき、詳細に説明する。前述の図１は従来の嫌気性処理と好気性処理とからなる排水処理装置のフローチャート、以下に示す図２は、本発明の嫌気性処理と好気性処理にオゾン処理を加えた排水の高度処理装置のフローチャートであり、図３は本発明の嫌気性処理と好気性処理にオゾン処理を加えた排水の高度処理装置の概略説明図である。
【００３３】
本発明の要旨は汚水処理装置の前段処理部を構成する嫌気性濾床槽内に充填される濾材が、連続気泡体で、中段処理部の生物濾過槽等の好気性処理槽を経て後段処理部のオゾン処理槽から流出する処理水の一部が前段の嫌気性濾床槽へ必要量返送されるようにしたことを特徴とするものである。
【００３４】
図２は、本発明の嫌気性処理と好気性処理にオゾン処理を加えた排水の高度処理装置のフローチャートであるが、嫌気性濾床槽１と好気性生物濾過槽２に加えてオゾン処理槽３から構成する。ここで、オゾン処理槽３から流出する処理水の一部は再び嫌気性濾床槽１に返送されるように嫌気性微生物による嫌気性分解が行われ、更に、好気性処理工程で好気性微生物による処理が繰り返し行われる。したがって、流入する汚水量Ｑが循環比ｎで返送されると、嫌気性濾床槽１から排出される量は（ｎ＋１）Ｑとなってオゾン処理槽３へ流入されることになる。その結果、オゾン処理槽から流出する処理水の一部は再び嫌気性濾床槽に返送され嫌気性微生物による嫌気性分解が行われ、更に、好気性処理工程で好気性微生物による処理が繰り返し行われる。したがって、汚水処理装置から外部へ流出する処理水は流入量Ｑと等量のＱである。
【００３５】
ここで、嫌気性濾床槽１に充填される濾材の材質は、不織布や発泡ポリウレタン、発泡ポリエチレンなどの合成樹脂発泡成形体からなる連続気泡体で、ここでは発泡ポリウレタン成形体を用いた。この連続気泡体の形状は、厚さ３０ｍｍ、内径９０ｍｍ、長さ１００ｍｍの略筒形に形成されており、これを不規則に充填された濾過材を嫌気性濾床槽内に設けたものであり、オゾン処理槽から流出する処理水の一部は再び嫌気性濾床槽に返送され嫌気性微生物による嫌気性分解が行われ、更に、好気性処理工程で好気性微生物による処理が繰り返し行われる。
【００３６】
好気性処理としては一般的には接触ばっ気槽と沈殿槽とを組み合わせた方式や生物濾過方式等が採用される。その構造は従来と特に変わるところはない。
【００３７】
万一、好気性処理部で硝化反応が１００％起こらずアンモニア性窒素が残留しても、本発明では、オゾン処理部で硝化反応が完了される利点も持っている。この場合の循環比は窒素の除去率を確保するために、通常、２〜７倍（ｎ＝２〜７）の範囲で循環させるのである。ここでは、５倍（ｎ＝５）を採用した。
【００３８】
嫌気性濾床槽に充填される濾材の連続気泡体は、上記の形態のほか、平板状のものも利用できる。例えば、発泡ポリウレタン成形体の連続気泡体は、厚さ２５ｍｍの平板が平行に起立され、隣接する平板との間隔が７５ｍｍにして、嫌気性濾床槽１内に充填した。
【００３９】
化２に示すように、脱窒素反応は嫌気性状態において嫌気性微生物の働きにより水中の微生物を利用して行われる。しかし、排水中にし尿系汚水の割合が多く、硝酸性窒素をガス化するのに必要な有機物が不足するときは、エタノール等の有機物を必要量嫌気性濾床槽に添加するようにしたものである。
【００４０】
次に図３によって、本発明の高度排水処理装置を更に具体的に説明する。この場合、嫌気性濾床槽１は第１室１aと第２室１bとの２槽からなり、その右側に好気性生物濾過槽２とオゾン処理槽３と更に処理水槽４との５区画で構成する浄化槽からなる。そして、図２に示す基本図のように、オゾン処理槽３から流出する処理水の一部は再び嫌気性濾床槽第１室１aに返送されるように処理水槽４から嫌気性濾床槽１の第１室１aへ循環水パイプ５を設けている。嫌気性濾床槽１の第１室１aへは排水流入管６が、これと第２室１bとは連通管７により上部で連通しており、両室共に嫌気性濾材８が充填され、好気性生物濾過槽２には浮上性濾過材９が充填され、底部に散気管10が設けられている。第２室１bと好気性生物濾過槽２とは、第２室１bの隔壁11の底部において連通管12で連通している。嫌気性濾床槽１内では嫌気性微生物による嫌気性分解が行われ、更に好気性生物濾過槽２内の好気性処理工程で好気性微生物による処理が繰り返し行われる。この過程においてオゾン処理槽３から流出する処理水の一部は再び嫌気性濾床槽に返送され嫌気性微生物による嫌気性分解が行われ、更に、好気性処理工程で好気性微生物による処理が繰り返し行われる。
【００４１】
本発明の特徴は、前述のように嫌気性濾床槽内に充填される濾材が連続気泡体で、その形状や充填構造にあるのに加えて、中段処理部の好気性生物濾過槽での好気性処理を経て後段処理部のオゾン処理槽３でオゾン処理をして化３の反応により難分解性の芳香族化合物をオゾン分解して流出する処理水の一部が前段の嫌気性濾床槽１へ必要量返送されるようにしたことにある。オゾン処理槽３内部には、オゾン発生器13からブロア14で送られてくるオゾンをバブリングする散気管15と上部のオゾン排出管16が設けられ、オゾンはブロア14へ戻されて、オゾン処理槽3内を循環する。ここで処理された水は処理水槽４へ連通管17からオーバーフローして流入する。循環水パイプ５の先端にはエア式循環ポンプ18が設けられており、このポンプによって大部分の流入水は嫌気性濾床槽１の第１室１aへ返送され、排水と同量の処理水が処理水流出管19から外部へ放出される。好気性生物濾過槽２底部の散気管10その他の必要個所への加圧空気はブロア20により供給している。
【００４２】
図２及び図３の説明で明らかなように、流入する汚水量Ｑに対する循環比ｎ＝５で排水の汚水処理が本発明の高度排水処理装置で繰り返し行われることで、きわめて効率的に処理される。処理効率については、実際に３基を設置して継続的に測定した。その結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
2005161135.tif 000006
【００４４】
排水処理量、排水中の汚水分析値、装置の容量等の測定条件は、以下の通りである。
排水処理量      ０．８〜１ｍ３／日
流入汚水の水質  ＢＯＤ      １８０〜２００ｍｇ／Ｌ
ＣＯＤ      １００〜２００ｍｇ／Ｌ
ＳＳ        １５０〜３００ｍｇ／Ｌ
ＨＮ４-Ｎ    ４０〜６０ｍｇ／Ｌ
（Ｔ-Ｎも同じ）
ＴＰ          ３〜８ｍｇ／Ｌ
装置の総容量        約４ｍ３
【００４５】
表１の結果から明らかなように、本発明の装置及び方法の採用により、上記の流入汚水がＣＯＤ  ２５ｍｇ／Ｌ以下、ＳＳ  ５ｍｇ／Ｌ以下、ＨＮ４-Ｎは検出せず、ＴＰ  ６ｍｇ／Ｌ以下という高度リサイクル水として使用可能な水の浄化が実現できたのである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】従来の嫌気性処理と好気性処理とからなる排水処理装置のフローチャートである。
【図２】本発明の嫌気性処理と好気性処理にオゾン処理を加えた排水の高度処理装置のフローチャートである。
【図３】本発明の嫌気性処理と好気性処理にオゾン処理を加えた排水の高度処理装置の概略説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  嫌気性濾床槽
１a 第１室
１b 第２室
２  好気性生物濾過槽
３  オゾン処理槽
４  処理水槽
５  循環水パイプ
６  排水流入管
７  連通管
８  嫌気性濾材
９  浮上性濾過材
10  散気管
11  隔壁
12  連通管
13  オゾン発生器
14  ブロア
15  散気管
16  オゾン排出管
17  連通管
18  エア式循環ポンプ
19  処理水流出管
20  ブロワ
【図１】
2005161135.tif 000007
【図２】
2005161135.tif 000008
【図３】
2005161135.tif 000009