(57)【要約】【課題】有機物濃度が希薄な原水を、加温することなく嫌気性生物処理し、原水浄化とメタンガスを発生させることができる新規嫌気性処理方法と装置を提供する。【解決手段】無酸素雰囲気の槽内に「立体的網目状の芯材に沿わせて吸水性の汚泥付着糸を配し、網目孔サイズ５〜３０ｍｍの合成繊維製平面部材」を充填し、該槽上部に原水散水部を設けて、前記部材内部に液膜状で流下させてメタン醗酵処理したのち、該処理槽底部から処理水を流出させる。【特許請求の範囲】
１．無酸素雰囲気の槽内に「立体的網目状の芯材に沿わせて吸水性の汚泥付着糸を配し、網目孔サイズ５〜３０ｍｍの合成繊維製平面部材」を充填し、該槽上部に原水散水部を設けて、前記部材内部に液膜状で流下させてメタン醗酵処理したのち、該処理槽底部から処理水を流出させることを特徴とする嫌気性散水ろ床処理方法。
２．無酸素雰囲気の槽内に「立体的網目状の芯材に沿わせて吸水性の汚泥付着糸を配し、該網目孔サイズ５〜３０ｍｍの合成繊維製平面部材」を充填し、該槽上部に原水散水部を設けて前記部材内部を液膜状で流下させるように構成し、処理槽底部に処理水流出水面を設け、かつ該槽に生成メタン含有ガス排出部を設けたたことを特徴とする嫌気性散水ろ床装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、有機性排水の嫌気性生物処理装置に関し、メタン発酵処理の対象とした場合に不適と従来看做されていたＢＯＤが比較的少ない原水（ＢＯＤ５００〜１０００ｍｇ／ｌ程度）についても、効果的かつ省エネルギー的にＢＯＤを除去し、かつメタンガスを発生できる新規メタン発酵処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】嫌気性生物処理技術としてのメタン発酵法の技術では、従来ＵＡＳＢ法が代表的技術である。（特許文献１：特許公開平１１−２０７３８４：嫌気性処理方法および装置）
ＵＡＳＢ法はメタン菌をグラニュール状に造粒化することにより、リアクター内のメタン菌の濃度を高濃度に維持できるという特徴があり、その結果、廃水中の有機物を効率よく処理できる。例えば、ＵＡＳＢ装置では、ＣＯＤＣｒの容積負荷が１０〜１５（ｋｇ／ｍ３．ｄ）という極めて大きい負荷条件でも効率よく運転できるという特徴がある。【０００３】しかし、ＵＡＳＢ法にＢＯＤが希薄（１０００ｍｇ／ｌ以下）の原水を適用した場合は、メタン菌グラニュールの形成、維持が困難であり、また汚泥馴致中にバルキングトラブルが起きやすい。また原水ＳＳが高い場合も、グラニュール形成が困難になる。さらに原水流量が少ない場合は、グラニュールを上昇水流で流動化させるために、処理水を原水側に循環して、上昇水流を増加させるための循環ポンプが必要という欠点があった。【０００４】さらに、ＵＡＳＢ法の場合、有機物負荷量が高くなると（例えばＣＯＤ容積負荷１０ｋｇ／ｍ３．ｄ以上）発生するガス量が多くなるが、この際リアクター内からのガス抜きを確実に行わないと、ガス排出時の吹き出し等によりグラニュール状の汚泥の流出が多くなり、リアクター内にグラニュール汚泥を留めておくことが困難になるという問題点もあった。【０００５】一方メタン菌グラニュールを使わずに、ラシヒリング、プラスチック板などのメタン菌付着部材を充填した塔に原水を上向流で供給し、メタン発酵を行う「浸漬ろ床式メタン発酵法」も周知である。（非特許文献２：須藤隆一編著、水質保全のための生物学ｐｐ１７６−１７７、産業用水調査会発行、２００４年１１月３日）
しかしこの方法も、原水ＢＯＤが希薄（およそ１０００ｍｇ／ｌ以下）の場合は、メタン発酵反応が遅くなり、実用的ではなかった。【０００６】有機性廃水の嫌気性菌には、環境温度３０〜３５℃の中温域を至適温度とする中温嫌気性菌、５０〜５５℃の高温域を至適温度とする高温嫌気性菌などがあるが、ＵＡＳＢ、浸漬ろ床法ともに、槽内温度を中温メタン菌が活動しやすい３５℃程度に加温する必要があったので、原水ＢＯＤが希薄であると、加温エネルギーが回収メタンガスではまかなえないという難点もあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
【０００８】本発明は、前記従来技術の問題点を解決する技術であり、比較的低濃度のＢＯＤの原水には不適当であった従来の嫌気性処理技術を改善し、ＢＯＤが１０００ｍｇ／ｌ以下の原水に対しても、加温することなく、効果的にメタン発酵処理可能な新規技術を提供することを課題にしている。
【課題を解決する手段】
【０００９】メタン発酵処理においては、余剰汚泥の発生量が好気性処理よりも著しく少ないことが特徴であるが、この事実は、逆にメタン菌を大量に増殖させるのに時間がかかることを意味しており、生物処理装置を設置する際には十分量のメタン菌を槽内に確保することが重要ポイントである。
本発明は、従来好気性生物処理に適用されてきた散水ろ床法を、嫌気性生物処理にも効果的に適用できるよう工夫し、メタン菌大量保持という重要ポイントを実現した。
【００１０】従来の好気性散水ろ床装置は、空気が流通できる槽内にラシヒリングなどの粒状のろ材を層状に堆積させて微生物を付着させて、その上から汚水を散布し、浸透流下した処理水を槽外へ取り出す構造である。しかし、このようにろ材塊を層状に堆積させると、増殖した微生物体によりろ材間の空隙が目詰まりして、汚水の透過が著しく悪化する。また偏流（原水短絡）がおきる。またろ材として、層状にスポンジ製濾材を堆積させる場合は、スポンジが柔らかいため重みでスポンジが潰れてしまい、閉塞部が発生し偏流が起きる欠点があった。
【００１１】本発明は、充填材全体を十分に原水と接触させ、汚濁成分の分解処理能力を高めることができる新規な嫌気性散水ろ床装置である。
本発明者は、散水ろ床法をメタン発酵技術に適用する場合、芯材によって強度を高めたネットワーク（立体網目）構造の充填材を用い、メタン発酵菌が付着固定化される吸水性汚泥付着糸が配備された空隙部がつぶれないようにし、かつ空隙サイズを３ｍｍ以上とすることがポイントであることを見出した。これに対し、従来のポリウレタンフォームなどのスポンジろ材のように、スポンジ空隙サイズが小さい（孔サイズ０．０５〜２ｍｍ程度であり、これ以上大きくすることはスポンジ製造技術のうえで困難）とＳＳ及び生物膜成長によって孔の閉塞が起きるため、嫌気性処理が効果的に行えない。
【００１２】すなわち、本発明は、無酸素雰囲気の槽内に「立体的網目状の芯材に沿わせて吸水性の汚泥付着糸を配し、網目孔サイズ５〜３０ｍｍの合成繊維編織面部材」を充填し、該槽上部に原水散水部を設けて、前記部材内部に液膜状で流下させてメタン醗酵処理したのち、該処理槽底部から処理水を流出させることを特徴とする嫌気性散水ろ床処理方法であり、また、無酸素雰囲気の槽内に「立体的網目状の芯材に沿わせて吸水性の汚泥付着糸を配し、該網目孔サイズ５〜３０ｍｍの合成繊維編織面部材」を充填し、該槽上部に原水散水部を設けて前記部材内部を液膜状で流下させるように構成し、処理槽底部に処理水流出水面を設け、かつ該槽に生成メタン含有ガス排出部を設けたたことを特徴とする嫌気性散水ろ床装置である。
【００１３】本発明者が知る限りでは、散水ろ床法をメタン発酵処理などの嫌気性処理に適用する研究例は従来ないようである。その理由は、「曝気ブロワーを設置して曝気を行わなくても好気性生物処理が可能という点に最大の魅力がある散水ろ床法」を、原理的に曝気操作が不要な嫌気性生物処理に適用しても特にメリットがないと考えられていたためではないかと思われる。
【００１４】本発明者はこのような固定観念を打破し、散水ろ床法をメタン発酵処理に効果的に適用するためには如何に構成すれば良いのかを追及した結果、嫌気性微生物を付着させるための付着材の構造、郷土、空隙サイズを最適化することによって、前記したような従来のメタン発酵処理技術の欠点を解決した。
【発明の効果】
【００１５】▲１▼本発明の素材は、空隙サイズが非常に大きいので、原水ＳＳおよび生物膜成長による空隙部閉塞が起きない。汚泥吸着糸（ＢＸＹ）は自重の５倍の吸水性を持ち、親水性が極めて良好で汚泥付着も良好である。したがって少量の流水で均一に濡れ、汚泥剥離部、汚泥乾燥部が出来ない。
したがって高メタン菌濃度、長時間のＳＲＴ、嫌気性生物と原水との良好な接触効果を確保できるので、ＢＯＤが希薄な原水に対しても、メタン発酵反応を効果的に適用できる。また活性汚泥法のような曝気操作が不要なため、きわめて省エネルギー的に有機性排水を浄化できる。
また原水ＳＳが高濃度でもＳＳ除去工程を前段に設置することなくメタン発酵処理可能である。また空隙部のＳＳ及びまたは微生物による閉塞が起きないので、原水のショートパス（短絡流）がなく、設定したＨＲＴ（水理学的滞留時間）を確保できるので、良好な処理水質が安定して得られる。
▲２▼メタン菌保持量が多量にできるので水温３０℃未満（１５〜２５℃程度）の原水でも、水温低下による反応速度の減少を相殺できる。したがって原水を加温することなくメタン発酵処理でき、加温エネルギーが不要であり、加温設備も不要になる。したがって曝気不要効果と合いまって、有機性排水を非常に省エネルギー的に浄化処理できる。
▲３▼余剰汚泥発生量が非常に少ないので、汚泥処理・処分が非常に容易である。
▲４▼ＵＡＳＢのようにメタン菌グラニュールの増殖育成が不要であり、当然グラニュールを流動化させる必要もないので、処理水循環ポンプが不要である。
▲５▼ろ床を槽に水没させる嫌気性処理方式に比し、槽壁に水圧がかからないので、ろ床の外壁構造体の建設費が安い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】図１を参照しながら、本発明の一実施例を説明する。
空気の進入を遮断した嫌気性槽１内に、「吸水性合成繊維製で、空隙サイズ５〜３０ｍｍの立体的網目構造部材」２を多数枚、家屋建築現場の足場などに使われるパイプフレームなどの型枠に、立体的網目構造部材面（一枚の厚み２０ｍｍ程度）を複数枚重ね合わせ、網目の面が、嫌気性槽１の高さ方向になるように固定したものを充填する。網目構造の充填材を嫌気性散水ろ床として機能させるので、当然、前記充填材は水没した状態ではなく、嫌気性槽１内の気相中に位置している。【００１７】本発明に言う「吸水性合成繊維製で、空隙サイズ５〜３０ｍｍの立体的ネットワーク部材」として非常に好適な部材は、（特許文献：特開２００２−１３６９８６）に開示されている生物付着材（商品名：バイオフィクス；記号ＢＸ：エヌ・イー・ティ（株）製品）が挙げられる。【００１８】この接触材は、図２−１およびこの拡大図２−２のように、立体的なネット状の芯材１を有し、ネット状の芯材１に沿わせて、嫌気性微生物（酸発酵菌、メタン菌、硫酸還元菌）汚泥付着糸２配されている。この汚泥付着糸２は、たとえばアクリルハイバルク繊維のような微生物汚泥の付着性の良好な「吸水性」糸条にて形成されている。また芯材１を構成するモノフィラメント３よりも太繊度で形成されて、芯材１により形成される立体的な空間内を所定の体積割合で占めることができるように構成されている。【００１９】芯材１は、たとえば合成樹脂製の腰の強いモノフィラメント３により構成されている。このモノフィラメント３は、図３に示すように複数のΩ字状の部分と逆Ω字状の部分とが交互に凹凸状に配置された連続糸により構成されている。そして芯材１は、複数のモノフィラメント３、３、…が並列に配置されるとともに、隣り合うモノフィラメント３、３のΩ字状の部分どうしすなわち凸部どうしあるいは逆Ω字状の部分どうしすなわち凹部どうしが連結糸４によって相互に結び付けられることで、上述のように立体的なネット状に形成されている。このため、矢印方向に伸縮できる。【００２０】本発明に言う「網目孔サイズ」とは、図３の、隣同士の連結糸４との間隙長さを意味する。網目孔サイズを変化させるには、網目構造部材を図２−１の矢印方向に伸縮させればよい。
本発明の骨子の一つは、この網目サイズを５ｍｍ以上と大きな孔径としたことであり、この結果、原水ＳＳによる閉塞、嫌気性微生物増殖による空隙部の閉塞が起きなくなるという重要効果がある。（前記のようにスポンジを充填材とする技術では、スポンジの空隙サイズが小さいため、不可避的にＳＳまたは微生物による閉塞がおきる。）なお網目サイズを３０ｍｍ以上にすると、嫌気性菌の付着面積がかなり減少するので好ましくない。【００２１】次に、本発明の第２のポイントである充填材繊維の「吸水性」とは、繊維と繊維の間に水分が吸収される性質と定義される。
すなわち、繊維自体に吸湿性がなくても表面が濡れる状態で隙間が適当ならば、水は毛細管現象で繊維全体の隙間に浸透する。例えばアクリル繊維は、アクリロニトルが主成分であり、繊維自体の吸湿性は少ないが、アクリル繊維糸を多数本撚糸しハイバルク状にすると、毛細管構造が形成され、大きな吸水性を持つ。この現象が吸水である。吸水性は、繊維の集合状態によって大きく影響される。吸水量は繊維の種類の他、糸の撚り、布の構造、仕上げ加工によって大きく影響され、吸水性は吸水量の他に吸水速度で評価されることも多い。
吸水速度は繊維自体の界面化学的濡れ抵抗と繊維集合体の多孔度（空隙率）に大きく依存している。繊維自身が濡れにくいポリエステル、ポリプロピレン、羊毛製品などは多孔度を変えても吸水量はさほど変化しないが、アクリル繊維など他の繊維製品では多孔度７５％または８５％で吸水量は最大になる。【００２２】このような構成・構造の本発明の充填材は、立体的な網目状の芯材１に沿わせて「吸水性の嫌気性微生物汚泥付着糸２」を配した構成であり、厚みを有した編織構造体を形成し、この所定の厚みにもとづく立体的な空間内で「吸水性の嫌気性汚泥付着糸２」が所定の体積割合を占める。【００２３】本発明に使用するこのような空隙サイズの大きい、ネートワーク構造の吸水性充填材の充填方法は、図２−１の網目面が嫌気性槽１の高さ方向になるように、多数枚数を隣接させて充填する方法が好適である。なお網目面を嫌気槽１の水平方向になるように充填する方法でもよいが、ＢＸの伸縮方向の制約があるため、やや設置しにくいので、ＢＸ面を垂直方向に設置するほうが実用的である。【００２４】有機性廃水（原水）３を、充填材２の上部に送り込み、多孔管などの散水部材６から散水し、嫌気性微生物が多量に保持された充填材の空隙内を液膜状に流下させる。上部から散水される原水（被処理液）は短絡することなく、ネットワーク構造の個々の空隙に均一に行き渡り、ゆっくり流下しつつ、汚泥付着糸に付着したメタン発酵菌と均一に接触して嫌気性生物反応が進む。密閉式なので悪臭が外部に漏れることがなく、臭気対策容易であり、ろ床蠅等の問題ない。
散水部材６はタンク１内の上部に水平方向に配備され、その中心部に貫通する回転軸に固設されて、回転自在に構成されている。なお原水の散水にはスプリンクラーを使用してもよい。嫌気槽１の下部には水面４があり、処理水５が流出する。７はメタン発酵処理によって原水から発生した嫌気性ガス（メタンガス、炭酸ガス、硫化水素などの混合ガス）である。【００２５】本発明の吸水性充填材を嫌気性散水ろ床に用いた場合に、三次元的に配置された「メタン発酵菌汚泥付着糸２」の空隙部分を、原水が一気に流下するのではなく、「メタン発酵菌汚泥付着糸２」を伝わって液膜状で滴下し、順次緩慢に流れ落ちる。その結果、原水とメタン発酵菌汚泥付着糸２へのＢＯＤの接触確率と接触時間を大きくでき、メタン発酵反応が円滑に進む。
もしも、吸水性が少ない繊維（例えば塩化ビニリデンなど）を汚泥付着糸２に用いると、メタン菌などの嫌気性微生物の付着が起きにくく、メタン菌保持量が貧弱になる。また散水された原水が充填材と濡れにくく、緩慢に流下せずに、短時間で槽の底に落下してしまうため、メタン菌との接触時間が不足し、メタン生成反応が充分進まないという致命的問題を引き起こす。【００２６】この結果、原水中のＢＯＤ成分が、高度に嫌気性処理を受け、ＢＯＤが少ない処理水５となって流出してゆく。ろ床部の流下速度を高め、過剰汚泥を剥離させたい場合などは、処理水５の一部を嫌気性散水ろ床部の散水部に循環させても当然良い。
なお、高度にＢＯＤを除去したい場合は、処理水５を、好気的な散水ろ床処理、好気的生物膜処理、活性汚泥処理などの好気性生物処理を行えばよい。また処理水５を好気性処理しない場合、処理水５中のＳＳが多い場合は、ＳＳを沈殿槽で除去したのち放流すれば良い。
【実施例１】
【００２７】図１の構造の小型試験装置を用いて、本発明の効果を検証した。【００２８】１．試験装置の仕様
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【比較例】
なお図１の装置に充填するろ材の性能を比較するために、表１のバイオフィクスに代えて、さいころ状の粒状ポリウレタンフォーム製スポンジ（一辺３０ｍｍの立方体、スポンジの孔サイズ０．８ｍｍ）を１３リットルランダム充填した散水ろ床装置を設置し、並列試験を行った。ポリウレタンフォームは疎水性であり、水に濡れにくい。
【００２９】２．原水水質
水温：２０℃
ＣＯＤＣｒ：５００ｍｇ／ｌ
原水組成：ショ糖、酢酸ナトリウム、プロピオン酸、酵母エキス、微量無機塩（酸カリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化鉄、硫酸マンガン）
【００３０】３．実験経過及び結果
運転開始前に、下水汚泥の嫌気性消化施設から嫌気性消化汚泥を１０Ｌ採取し、モノポンプで上記試験装置の上部からに、１Ｌ／ｈｒの流量で１０時間供給し、充填材の吸水性繊維部に植種した。その後、槽内の空気を窒素ガスで置換し、表２の原水を槽上部から散水し、実験を開始した。
運転経過日数によって、ＨＲＴ（水理的滞留時間の略記号であり、充填部見かけ容積を原水流量（Ｌ／ｈｒ）で割った値。単位はｈｒ）を次のように設定した。
すなわち運転開始日から６０日までは、２４ｈｒ、６１日から９０日はＨＲＴ１２ｈｒ、９１日から１２０日は６ｈｒ、１２１日から１５０日は３ｈｒとした。
なお、ろ床体積当たりのＣＯＤ負荷は、ＨＲＴ３時間の場合４（ｋｇ／ｍ３・ｄ）になり、ＨＲＴ１２時間の場合で、１（ｋｇ／ｍ３・ｄ）に相当する。
【００３１】水質分析は運転開始後、３０日後から開始した。
１週間に一回処理水をサンプリングし、ＣＯＤｃｒを測定し、ＣＯＤ除去率を求めた。
また、１週間に一回生成ガス量と、メタンガス濃度を分析し、原水ＣＯＤｃｒベースのメタン回収率を計算した。メタン回収率＝メタン発生量／理論的メタン発生量と定義する。（理論的に、除去ＣＯＤｃｒ１ｇから０．３５リットルのメタンガスが得られる。）
【００３２】この結果を表１に示す。括弧内は比較例の粒状スポンジを用いた場合の結果である。表１の結果から、水温２０℃、ＣＯＤ５００ｍｇ／ｌというで、通常のメタン醗酵法に比較して、著しく低水温、低濃度の原水にもかかわらず、本発明の嫌気性散水ろ床によるＣＯＤ除去効果は非常に優れていた。
【表１】
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しかも、ＨＲＴが３時間というきわめてＣＯＤ負荷（４Ｋｇ／ｍ３・ｄ）の条件においても、ＣＯＤ除去率は約６０％が得られた。このことは、本発明生物保持材のメタン菌の保持量が非常に大きいことを意味している。実際に試験終了後に、生物保持材を取り出して、保持されていた汚泥量を測定した結果、３８ｇ／Ｌ保持材という高濃度であった。
【００３３】比較例の粒状スポンジは、本発明と一原水、ＨＲＴにおいて、処理水Ｃ０Ｄ除去率が本発明に比べ、著しく劣っていた。この原因は、スポンジの孔が０．８ｍｍと小さいためにスポンジ孔が嫌気性生物汚泥によって閉塞し、スポンジ表面に付着している生物だけしか原水浄化に利用されないこと及び疎水性であるためであった。また運転開始後９０日以後にスポンジ充填層が部分的に閉塞し、「みずみち」が形成されてしまい、原水の短絡が発生した。このこともＣＯＤ除去率が悪化した原因であった。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の装置主要構造
【図２】図２−１  本発明の充填材例  図２−２  図２−１の拡大図
【図３】充填材細部拡大図
【符号の説明】
【００３５】  １  芯材  ２  汚泥付着糸  ３  モノフィラメント
４  連結糸  ５  開口となっている部分
６嫌気性散水ろ床装置  ７  立体網目構造充填材  ８原水  ９処理水水面
１０処理水  １１原水散水用分散板  １２メタン含有ガス排出部  １３水封器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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