(57)【要約】【課題】  曝気槽内における処理液の水位が上下に変動しても、これに影響をほとんど受けることなく、槽内の液循環量を制御できるようにすることにより、窒素負荷の大きい排水いいかえれば窒素含有量の多い排水たとえば食品工場の排水に対しても充分対応できる回分式活性汚泥法に適したエアリフト曝気槽の提供。【解決手段】  （１）（ｉ）第１の仕切板は曝気槽の槽底とその仕切板との間に一定の隙間をあけて一定の高さまでを垂直に仕切るものであり、（ii）第２の仕切板は第１の仕切板の真上に一定の隙間をあけて一定の高さまでを垂直に仕切るものである、曝気槽内を仕切る２枚の仕切板、（２）仕切板で仕切られた曝気槽の一方の側の底部またはその近傍に設けられた空気吹き込み手段、（３）仕切板で仕切られた曝気槽の他方の側に設けられた排水導入手段、および（４）前記排水導入手段が設置されている部分の曝気槽底部近傍が、槽内の汚泥が堆積しない程度の傾斜面となっている曝気槽、よりなることを特徴とするエアリフト曝気槽。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）（ｉ）第１の仕切板は曝気槽の槽底とその仕切板との間に一定の隙間をあけて一定の高さまでを垂直に仕切るものであり、（ii）第２の仕切板は第１の仕切板の真上に一定の隙間をあけて一定の高さまでを垂直に仕切るものである、曝気槽内を仕切る２枚の仕切板、
（２）仕切板で仕切られた曝気槽の一方の側の底部またはその近傍に設けられた空気吹き込み手段、
（３）仕切板で仕切られた曝気槽の他方の側に設けられた排水導入手段、
および
（４）前記排水導入手段が設置されている部分の曝気槽底部近傍が、槽内の汚泥が堆積しない程度の傾斜面となっている曝気槽、
よりなることを特徴とするエアリフト曝気槽。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回分式活性汚泥法に適したエアリフト曝気槽に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１によれば、Ｈａｎｏら（１９９２）は、二重管式エアリフト気泡塔を用いてひとつの装置内に嫌気領域と好気領域を共存させて生物的窒素除去を行う方法を提案している。非特許文献２によれば本発明者らは前記エアリフト気泡塔を装置工学的に改良する技術を提案しており、さらに非特許文献３によればこれらの技術を矩形曝気槽へ応用することを提案している。また、非特許文献４によれば、本発明者らはこれらの装置における支配的因子となる処理液の循環流量についても検討している。
【０００３】
これらいずれの装置においても、嫌気領域と好気領域とを共存させることができるが、標準液回分式の場合には排水流入時に曝気槽内の液高が大きく変化するし、１つの槽が調整槽、曝気槽、沈澱槽の役割を担う標準液回分式ではまず、排水を槽に流入させる時間帯、ついで曝気を行なう時間帯があり、その後曝気を止めて沈降分離、排出を行なう時間帯にわかれており、排水流入時（嫌気状態）には曝気をしないので液の混合状態が著しく悪いという問題点がある。
【０００４】
【非特許文献１】Ｈａｎｏ，Ｔ．外３名著、Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｓｃｉ．,４７,３７３７−３７４４（１９９２）
【非特許文献２】Ｂａｎｄｏ，Ｙ．外４名著、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｊａｐａｎ,３２,７７０−７７５（１９９９）
【非特許文献３】Ｂａｎｄｏ，Ｙ．外２名著、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｊａｐａｎ,３７,ｉｎ  ｐｒｅｓｓ（２００４）
【非特許文献４】坂東外３名著、流体熱工学研究,３８,４５−５４（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、曝気槽内における処理液の水位が上下に変動しても、これに影響をほとんど受けることなく、槽内の液循環量を制御できるようにすることにより、窒素負荷の大きい排水いいかえれば窒素含有量の多い排水たとえば食品工場の排水に対しても充分対応できる回分式活性汚泥法に適したエアリフト曝気槽を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、（１）（ｉ）第１の仕切板は曝気槽の槽底とその仕切板との間に一定の隙間をあけて一定の高さまでを垂直に仕切るものであり、（ii）第２の仕切板は第１の仕切板の真上に一定の隙間をあけて一定の高さまでを垂直に仕切るものである、曝気槽内を仕切る２枚の仕切板、
（２）仕切板で仕切られた曝気槽の一方の側の底部またはその近傍に設けられた空気吹き込み手段、
（３）仕切板で仕切られた曝気槽の他方の側に設けられた排水導入手段、
および
（４）前記排水導入手段が設置されている部分の曝気槽底部近傍が、槽内の汚泥が堆積しない程度の傾斜面となっている曝気槽、
よりなることを特徴とするエアリフト曝気槽に関する。
【０００７】
従来の標準回分式活性汚泥法は図１に示すように曝気槽全体をある時間帯は嫌気状態とし、次の時間帯は好気状態とする方法であり、具体的には排水の流入開始から終了まで（約１０時間）は嫌気状態、曝気開始から終了まで（約１０時間）は好気状態とする。沈降分離（約４時間）も嫌気状態で行なう。通常は最大液量（曝気時）を一日の排水量の３〜４倍とし、１日に最大液量の１／３〜１／４ずつ交換する方法である。
【０００８】
前記標準回分式活性汚泥法における曝気槽に図２に示すように１枚の仕切板を入れて流入開始時から曝気すると、曝気槽内に常に好気領域と嫌気領域が共存し、窒素除去性能の向上が期待されるが、液面が仕切板上端に達するまでは液を循環させることはできない。
【０００９】
そこで、本発明では図３に示すように２枚の仕切板を、空隙を空けて設置することを考えた。この場合、下の仕切板、すなわち第１の仕切板の上端を最小液量（排出後）の液面の位置とし、少し空けて上の仕切板（第２の仕切板）を設置する。このようにすることにより、液面が第１の仕切板の上端に達する前後から曝気を行なうと液面の上下動もあることからこの段階ですでに液の循環流が発生し、曝気槽内に好気領域と嫌気領域が共存するとともに、活性汚泥と排水の混合が良好となる。
【００１０】
本発明における曝気槽の横断面は、四角形（たとえば矩形）、円形など任意の形状を取ることができるが、仕切板の設定のしやすさ、スケールアップの容易性などの点から矩形がもっとも好ましい〔図４（ｂ）参照〕。横断面が四角形の場合は、仕切板は平板状であるが、円形の場合には仕切板は平板状でもよいが、円状（同心円形でも偏心円形でもよい）のものとすることもできる。曝気槽は、金属製、樹脂製、コンクリート製などとくに制限するものではない。なお、前記曝気槽の底部近傍に設けられた傾斜面は、槽内の汚泥が堆積しないような傾斜面とすることが必要であり、この角度は汚泥の安息角から容易に求めることができるものであり、新規事項ではない。
【００１１】
仕切板の役割は、装置内に気泡が多く存在する領域と気泡がほとんど存在しない領域を作ることである。この結果、装置内に気液混相の低密度部分と高密度部分が生まれ、この密度差を推進力として液の循環流が発生する。当然気泡の多い領域が上昇流（ライザ）となり、気泡のほとんどない領域が下降流（ダウンカマ）となり、液が仕切板を介して循環することになる。ガスを吹き込んで気泡の多い領域をつくり、この領域に上昇流を形成することを化学工学分野ではエアリフト（ａｉｒ  ｌｉｆｔ）と称している。このような循環流を形成する上でも、仕切板は液の上下がそれぞれ開口していること（Ｌ１とＬ３が相応の寸法を有すること）が必要である。
【００１２】
さらに本発明において最も重要なことは前記仕切板が第１の仕切板と第２の仕切板の２枚に分離しており、２枚の仕切板の間に隙間を設けている点にある。
これにより液量が少ない場合でもエアリフトによって液を良好に撹拌でき、かつ嫌気領域と好気領域を共存させることができる。好気領域は当然ながら空気吹き込み側（ライザ側）であり、嫌気領域は反対側のダウンカマ側に存在する。
【００１３】
本発明の装置を設計するに当っては、つぎのような要領で行なうことが好ましい。
（１）工場の１日の排水量｛Ｑ〔ｍ３／ｄａｙ（以下ｄと略記）〕｝と排水の平均滞留時間（ｔ〔ｄ〕、通常３〜４ｄ）から曝気槽の容積（Ｖ＝Ｑ×ｔ）を求める。
（２）曝気にブロワーを用いるときは、通常、最大液高（ＬＭＡＸ）を５〜６ｍとする。したがって、曝気槽の床面積（Ａ）が決まる（Ａ＝Ｖ／ＬＭＡＸ）。
（３）曝気槽の床形状（正方形に近い四角か、細長い四角か）は曝気槽を設置する地形条件によって決まるが、本方式に対しては細長い四角が望ましい。ここで、曝気槽において仕切板と直角の方向の槽幅をＷとする。
※以上の設計においてＬＭＡＸおよびＷが本装置の最大液高および槽幅に相当する。
（４）Ｗの１／４に相当する位置に仕切板を設置し、壁から仕切板の部分の底面に散気装置を設置する（この部分がライザとなる。ライザ幅ＷＲ＝Ｗ／４）。このように仕切板を設置することにより、曝気槽内の液循環流の制御が容易となる。
（５）第１の仕切板の高さについては、その上端の位置を最低液高（処理水を排出したときの液高）に、その下端と底面との距離はライザ幅（ＷＲ）の１／２〜１倍とする。一方、第２の仕切板の上端は最大液高（排水の流入が終了して曝気しているときの液高）よりやや（ライザ幅程度）低くする。
（６）ここで、一番重要となるのが、第１の仕切板上端と第２の仕切板下端との間の距離である。液循環流量が最適値（曝気槽内で活性汚泥が円滑に循環する最適の液循環流量。液循環流量が高いほど活性汚泥は円滑に循環・混合する。しかし、液循環流量が高すぎるとダウンカマ下部へ溶存酸素が供給されて、嫌気領域が存在しなくなる。）となるように、この距離を決めるべきである。なお、実施例の排水処理実験ではこの距離を０．０１ｍとしている。
【発明の効果】
【００１４】
１）２枚の仕切板をある隙間を介して設置する本発明の曝気槽は、液高の変化によらず、嫌気と好気領域の共存を可能とする。
２）本発明の曝気槽における液循環流量は、各位置の寸法によって決定される。言い換えると、第１と第２の仕切板の隙間、および第２の仕切板と液面の距離によって液循環流量を制御できる。
３）本発明の曝気槽では、高い窒素除去性能が得られる。
【実施例】
【００１５】
以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれにより何等限定されるものではない。
【００１６】
実施例１
床面積の一辺に平行に仕切板を設置した場合、曝気時における仕切板と平行の方向の液流れは小さく、深さ方向および仕切板と直角の方向の液循環流が支配的となる。
そこで、この液循環流に着目して図４に示す装置を用いて実験を行った。なお、この装置で３方向の液速度を測定したところ、仕切板と平行の方向の速度成分は他の２方向（深さ方向および仕切板と直角の方向）に比べて極めて小さいことが明らかとなった。
曝気槽は幅０．３２ｍ、奥行き０．１２ｍ、高さ２．５０ｍの透明アクリル樹脂製とした。左壁から０．０８ｍ、底面から０．０５ｍの位置に長さ１．２０ｍの仕切板（第１の仕切板２）を設置し、その上方に０．０１ｍの隙間をあけ長さ０．５４ｍの仕切板（第２の仕切板３）を設置した槽を用いた。
活性汚泥には、食品工場で採取した汚泥をモデル排水にて２ヶ月馴養したものを用いた。モデル排水の組成を表１に示す〔ＢＯＤ（生物的酸素要求量）：ＴＮ（全窒素量）：ＴＰ（全リン量）＝１００：１０：１〕。排水処理の１サイクルを２４時間とし、１日１サイクルの連続運転を毎日繰り返した。１１時間にわたって、モデル排水を供給した（液面の位置は、第１の仕切板の上端の位置から第２の仕切板の上端から０．０６ｍ上まで変化する）。曝気は、排水供給開始時から２２時間行なった。２２時間で曝気を止め、沈降分離後、流入量と同じ量（１サイクルでの排出量と流入量は共に全液量の１／３とした）の上澄み液を排出した。ＭＬＳＳ（曝気槽内汚泥濃度）は３．０ｋｇ／ｍ３に調整した。１サイクルの工程を図４の（ｃ）に示す。また、比較のために仕切板のない曝気槽〔比較例（標準液回分式）〕での実験も行なった。比較例では、本実施例１と同様にモデル排水を供給し、排水供給終了後１１時間から２２時間の間曝気した。曝気後の操作は実施例１と同じである。なお、曝気流量は実施例１では比較例の半分の量とした。２ヶ月にわたって同様の排水処理実験を繰り返し、排出水（処理水）のＣＯＤ（化学的酸素要求量）およびＴＮ（全窒素量）を分析し、それぞれの除去率を算出した。
ＣＯＤ除去率（％）
＝１００×（流入水中ＣＯＤ濃度−排出水中ＣＯＤ濃度）／流入水中ＣＯＤ濃度
ＴＮ除去率（％）
＝１００×（流入水中全窒素濃度−排出水中全窒素濃度）／流入水中全窒素濃度
【表１】
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電磁流速計を用いて槽内の液循環流量ＱＬを求めた。溶存酸素濃度がゼロになっている領域を嫌気領域とし、その濃度分布から槽全体（Ｖ）に対する嫌気領域（ＶＡＮ）の割合ＶＡＮ／Ｖを算出した。
【００１７】
図４において、曝気槽内の水溶液の高さをＬ、第１の仕切板の上下方向の長さをＬＰ１、第２の仕切板の上下方向の長さをＬＰ２、曝気槽底部と第１の仕切板下端との間の距離（下端開放部高さ）をＬＢ、第１の仕切板上端と第２の仕切板下端との間の距離（中間開放部高さ）をＬ１、第２の仕切板上端と液面との距離（上部開放部高さ）をＬ３、曝気槽の幅をＷ、曝気槽内のダウンカマ（下降部）の幅をＷＤ、曝気槽のライザ（上昇部）の幅をＷＲとすると、曝気槽底部と第１の仕切板下端との間の距離（下端開放部高さ）ＬＢはライザ（上昇部）の幅ＷＲの１／２〜１倍、第２の仕切板上端と最大液高との距離（Ｌ３）は、槽幅（Ｗ）以下、好ましくは槽幅（Ｗ）の半分以下、最も好ましくはライザ幅（ＷＲ）の半分程度が良い。また、第１の仕切板と第２の仕切板との間隙は、活性汚泥が円滑に循環する最低の液循環流量となるように設定すべきで、最大でも５０ｍｍ以下、好ましくは１０〜３０ｍｍ、最も好ましくは１０ｍｍ程度とすべきである。なお、これらの距離は両仕切板の長さや排水量には全く依存しない。また、この距離が狭すぎると活性汚泥の付着による第１の仕切板と第２の仕切板との間隙の閉塞が危惧され、一方、この間隙が大きすぎると液循環量が多くなりすぎ、ダウンカマの上部が好気領域となってしまうので好ましくない。
【００１８】
図５に、実施例１の排水流入時の流動状態を示す。液高の変化によらず槽内には液循環流が発生しており、排水と活性汚泥は良好に混合される。
図６、７に実施例１における液循環流量に及ぼすガス速度および各位置の距離の影響を示す。図６は、Ｌ１＝０．０１ｍ、ＬＰ２＝０．５４ｍの条件で、ＬＴ（下の仕切板上端から液面までの距離）を変えて液循環流量を測定した結果である。図６（Ｌ１＝０．０１ｍ、ＬＰ２＝０．５４ｍにおいてＬＴを変えた場合の液循環流量）でわかるようにいずれのガス空塔速度においても液面が第１の仕切板上端より高く第２の仕切板上端までは達しない範囲（ＬＴ＝０．０１〜０．５５ｍ）では、両仕切板の隙間から液が流出して循環し、液循環流量がほぼ一定となる。液面が第２の仕切板上端より高くなると、第２の仕切板上端を超える液流れが支配的となり（両仕切板の隙間からも液が流出するが）、液循環流量は、ＬＴの増加とともに増大し、あるＬＴ以上になると一定となる。
図７では、ＬＴ−Ｌ１＝０．２ｍ（第２の仕切板下端から液面までの距離を０．２ｍで一定とした）において、液循環流量（ＱＬ）に及ぼすＬ１とガス空塔速度ＵＧ（ｍｍ／ｓ）の影響を調べたものである。この実験では、液面は常に上の仕切板上端より０．３４ｍ低く、ここからの液循環は起こらない。いずれのガス空塔速度においてもＬ１が長くなるほど、液循環流量は増大する。
このように、液循環流量は、各位置の距離によって強く支配されることがわかる。上述のように、第１の仕切板の上端は排水処理条件（処理流量および排水の平均滞留時間）から決定される。第１の仕切板と第２の仕切板との間隙は、活性汚泥が円滑に循環する最低の液循環流量となるように設定すべきで、最大でも５０ｍｍ以下、好ましくは１０〜３０ｍｍ、最も好ましくは１０ｍｍ程度とすべきである。また、第２の仕切板と最大液高との距離は槽幅以下、好ましくは槽幅の半分以下、もっとも好ましくはライザ幅の半分程度が良い。
【００１９】
図８に実施例１における液循環流量（ＱＬ）と嫌気領域の割合の１サイクルにおける経時変化（θ）を示す。排水供給により液高が変化するので、液循環流量、その結果として嫌気領域が時間とともに変化するが、約１８時間までは嫌気領域が存在することがわかる。
また、図８ではＬ１＝０．０１ｍ、活性汚泥を用いた排水処理実験（０〜１１時間の期間では一定流量で液が流入し、１１〜２２時間の期間では曝気槽内の液量は一定となる。つまりＬＴが前半では増加し、後半では一定となる）における、液循環流量（ＱＬ）と、曝気槽全容積に対する嫌気領域の割合ＶＡＮ／Ｖの経時変化を示している。
図６と同様、液循環流量は、液面が下の仕切板上端より高く、上の仕切板上端までは達しない期間（θ＝０〜１０時間）では、低い値でほぼ一定となる。液面が上の仕切板上端より高くなると（θ＝１０〜１１時間）急激に増大し、その後（θ＝１１〜２２時間）高い値でほぼ一定となる。一方、嫌気領域の割合ＶＡＮ／Ｖは、液循環流量が低い期間（θ＝０〜１０時間）では高く、液循環流量の急増（θ＝１０〜１１時間）とともに急減する。高い液循環流量になる（θ＝１８〜２２時間）とゼロ、すなわち曝気槽全体が好気領域となる。つまり、上述のように、嫌気領域の割合は液循環流量に強く支配され、Ｌ１およびＬ３が液循環に対して重要な因子であることがわかる。
なお、この場合、１サイクルにわたる嫌気領域割合の時間的平均値は約４５％であった。この時間的平均値を約５０％とすることが、高い窒素除去率を得るためには極めて重要である。
【００２０】
上述のように第１の仕切板（下の仕切板）上端の位置は最小液高から、また第２の仕切板（上の仕切板）上端の位置は最大液高から決まる。両仕切板の隙間の距離（Ｌ１）は、図７に示したように要求される液循環流量（活性汚泥が円滑に循環する低い液流量）から決められ、両仕切板の長さには依存しない。
【００２１】
【表２】
2005262016.tif 000003
表２に実施例１と比較例の両曝気槽を用いて行なった排水処理実験の結果を示す。ＣＯＤ除去率はいずれの槽でも高く、両槽の差異は見られない。一方、窒素除去率は実施例１がかなり高く、嫌気・好気領域の良好な共存および液循環流の効果が認められる。ＣＯＤと全窒素量のそれぞれの除去率ηＣＯＤ（％）とηＴＮ（％）は、曝気槽からの排出水（処理水）中のＣＯＤ（化学的酸素要求量、本来ならばＢＯＤを測定すべきであるが、簡略のためにＣＯＤを測定した）およびＴＮ（全窒素量）を滴定および発色分光法によって分析し、以下の式からそれぞれの除去率を算出した。
ＣＯＤ除去率（％）
＝１００×（流入水中ＣＯＤ濃度−排出水中ＣＯＤ濃度）／流入水中ＣＯＤ濃度
ＴＮ除去率（％）
＝１００×（流入水中全窒素濃度−排出水中全窒素濃度）／流入水中全窒素濃度
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の標準回分式活性汚泥法に用いる曝気槽における１日（２４時間）の曝気サイクルと液の流入排出サイクルを説明する図である。
【図２】従来の標準回分式活性汚泥法に用いる曝気槽に１枚の仕切板を入れた場合における１日（２４時間）の曝気サイクルと液の流入排出サイクルを説明する図である。
【図３】本発明に用いる曝気槽における１日（２４時間）の曝気サイクルと液の流入排出サイクルを説明する図である。
【図４】本発明に用いる曝気槽の１例を示す図であり、（ａ）は垂直方向の断面図、（ｂ）は水平方向の断面図（曝気槽のみ）であり、（ｃ）は１サイクルの工程を示す。
【図５】本発明曝気槽における（ａ）排水流入開始時、（ｂ）排水流入中、（ｃ）排水流入完了時の流動状態をそれぞれモデル的に示す図である。
【図６】実施例１における液循環流量（ＱＬ）に及ぼす第１の仕切板上端から液面までの高さＬＴとガス空塔速度（ＵＧ）の影響を示す図である。
【図７】実施例１における液循環流量（ＱＬ）に及ぼす第１の仕切板と第２の仕切板との間の隙間Ｌ１とガス空塔速度（ＵＧ）の影響を示す図である。
【図８】実施例１における液循環流量（ＱＬ）と嫌気領域割合の経時変化θ（ｈ＝時間）を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  曝気槽
２  第１の仕切板
３  第２の仕切板
４  ガス分散器
５  人工排水用タンク
ＤＯ  Ｐｒｏｂｅ  溶存酸素測定器
【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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