(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする課題は、有機性排水中の有機物、硫黄、窒素およびリンを除去することができる水処理装置を提供することである。【解決手段】実施形態に係る水処理装置は、上向流型嫌気リアクター、フォトバイオリアクターおよび好気リアクターを含む。フォトバイオリアクターは、硫化水素を反応物として利用して光合成する細菌を含んだ１種以上の光合成細菌を収容している。フォトバイオリアクターには、第１排出口から排出された第１処理水を受け入れる第２注入口と、第１処理水が１種以上の光合成細菌と接触することで生成される第２処理水を排出する第２排出口とが設けられ、１種以上の光合成細菌に光を照射する光源をさらに収容しているか、又は、外部の光源が放射した光が１種以上の光合成細菌に照射されるように光を透過させる光透過部がさらに設けられている。【選択図】図１
2013119073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
嫌気性微生物を収容し、廃水を受け入れる第１注入口と、前記第１注入口よりも上方に位置し、前記廃水が前記嫌気性微生物に接触することで生成される第１処理水を排出する第１排出口とが設けられた上向流型嫌気リアクター、
硫化水素を反応物として利用して光合成する細菌を含んだ１種以上の光合成細菌を収容し、前記第１排出口から排出された前記第１処理水を受け入れる第２注入口と、前記第１処理水が前記１種以上の光合成細菌と接触することで生成される第２処理水を排出する第２排出口とが設けられ、前記１種以上の光合成細菌に光を照射する光源をさらに収容しているか、又は、外部の光源が放射した光が前記１種以上の光合成細菌に照射されるように前記光を透過させる光透過部がさらに設けられたフォトバイオリアクター、および
好気性微生物を収容し、前記第２排出口から排出された前記第２処理水を受け入れる第３注入口と、前記第２処理水が前記好気性微生物と接触することで生成される第３処理水を排出する第３排出口とが設けられた好気リアクター
を含んだ水処理装置。
【請求項２】
前記フォトバイオリアクターはさらに第１担体を収容し、前記１種以上の光合成細菌は前記第１担体上に固定されている請求項１に記載の水処理装置。
【請求項３】
前記第１担体は光透過性を有する材料から成る請求項２に記載の水処理装置。
【請求項４】
前記第１担体は生分解性を有する材料から成る請求項２または３に記載の水処理装置。
【請求項５】
前記フォトバイオリアクターに接続され、使用済みの前記１種以上の光合成細菌が前記第１担体とともに前記フォトバイオリアクターから供給されるタンクをさらに含んだ請求項２から４の何れか１項に記載の水処理装置。
【請求項６】
前記フォトバイオリアクターに接続され、前記第２注入口から前記第２排出口に向かう液体の流れを生じさせ、前記流れによって前記第１担体から前記１種以上の光合成細菌の少なくとも一部を分離させるポンプ、および
前記フォトバイオリアクターに接続され、分離した前記１種以上の光合成細菌が前記フォトバイオリアクターから供給されるタンク
をさらに含んだ請求項２から４の何れか１項に記載の水処理装置。
【請求項７】
前記フォトバイオリアクターに接続され、前記第２排出口から前記第２注入口に向かう液体の流れを生じさせ、前記流れによって前記第１担体から前記１種以上の光合成細菌の少なくとも一部を分離させるポンプ、および
前記フォトバイオリアクターに接続され、分離した前記１種以上の光合成細菌が前記フォトバイオリアクターから供給されるタンク
をさらに含んだ請求項２から４の何れか１項に記載の水処理装置。
【請求項８】
前記フォトバイオリアクターに接続されたコンプレッサー、
前記コンプレッサーに接続され、前記コンプレッサーから送り込まれた空気を前記フォトバイオリアクター内に排出し、前記空気によって前記第１担体から前記１種以上の光合成細菌の少なくとも一部を分離させる曝気ノズル、および
前記フォトバイオリアクターに接続され、分離した前記１種以上の光合成細菌が前記フォトバイオリアクターから供給されるタンク
をさらに含んだ請求項２から４の何れか１項に記載の水処理装置。
【請求項９】
各々が前記フォトバイオリアクター内に着脱可能に収容された複数の容器をさらに含み、前記複数の容器の各々は前記１種以上の光合成細菌が固定された前記第１担体を収容した請求項２から４の何れか１項に記載の水処理装置。
【請求項１０】
前記フォトバイオリアクターは前記上向流嫌気リアクターおよび前記好気リアクターよりも上方に設けられた請求項１から９の何れか１項に記載の水処理装置。
【請求項１１】
前記フォトバイオリアクターの内部または外部に、前記１種以上の光合成細菌に対して光を照射する光源をさらに含んだ請求項１から１０の何れか１項に記載の水処理装置。
【請求項１２】
前記フォトバイオリアクターの内面の少なくとも一部に、光を反射する反射面が設けられた請求項１から１１の何れか１項に記載の水処理装置。
【請求項１３】
前記１種以上の光合成細菌は、前記第１処理水との接触により水素を含むガスを生じる紅色非硫黄性細菌を含み、前記水処理装置は、前記フォトバイオリアクターに接続され、前記ガスが前記フォトバイオリアクターから供給されるガス回収タンクをさらに含んだ請求項１から１２の何れか１項に記載の水処理装置。
【請求項１４】
前記フォトバイオリアクターに接続され、前記第３排出口から排出された前記第３処理水の少なくとも一部を前記フォトバイオリアクターに送るポンプをさらに含んだ請求項１から１３の何れか１項に記載の水処理装置。
【請求項１５】
前記好気リアクターが、
前記好気性微生物または前記好気性微生物が固定された第２担体を、前記好気性微生物の少なくとも一部が前記好気リアクター内の液体に浸らないように支持する支持体、および
前記第３注入口に接続され、前記好気性微生物に対して前記第２処理水を散布する散布ノズル
をさらに含む請求項１から１４の何れか１項に記載の水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
低ランニングコスト型の水処理装置の１つとして、上向流型嫌気リアクターおよび下向流散水型好気リアクターを含む曝気レス廃水処理装置が提案されている。
【０００３】
この装置では、好気リアクター内において、曝気を、すなわち液体中に空気を送り込むことを必要としない。この装置では、好気リアクター内に存在する空気中に液体を散布して気液接触を促進し、空気中の酸素を液体中に溶解させる。好気リアクター内に生息する好気性微生物は、この酸素を利用して汚濁物質を分解する。
【０００４】
この装置では、曝気のための動力が不要であるため、ランニングコストは非常に安価となる。また、余剰汚泥の発生量は、廃水処理で一般に利用される標準活性汚泥法と比較して１０％程度と非常に少ないため、汚泥処分ためのコストを抑えることができる。さらに、上向流型嫌気リアクターを下向流散水型好気リアクターの上流に設ける場合には、下向流散水型好気リアクターには、上向流型嫌気リアクターによって処理された液体が供給されるため、下向流散水型好気リアクターに対する負荷が軽減され、得られる処理水の水質を安定化させることができる。また、上向流型嫌気リアクターから、処理によって生じたバイオガスをエネルギーとして回収できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１９５７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、有機性排水中の有機物、硫黄、窒素およびリンを除去することができる水処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態に係る水処理装置は、上向流型嫌気リアクター、フォトバイオリアクターおよび好気リアクターを含む。上向流型嫌気リアクターは、嫌気性微生物を収容している。上向流型嫌気リアクターには、廃水を受け入れる第１注入口と、第１注入口よりも上方に位置し、廃水が嫌気性微生物に接触することで生成される第１処理水を排出する第１排出口が設けられている。フォトバイオリアクターは、硫化水素を反応物として利用して光合成する細菌を含んだ１種以上の光合成細菌を収容している。フォトバイオリアクターには、第１排出口から排出された第１処理水を受け入れる第２注入口と、第１処理水が１種以上の光合成細菌と接触することで生成される第２処理水を排出する第２排出口とが設けられ、１種以上の光合成細菌に光を照射する光源をさらに収容しているか、又は、外部の光源が放射した光が１種以上の光合成細菌に照射されるように光を透過させる光透過部がさらに設けられている。好気リアクターは、好気性微生物を収容している。好気リアクターには、第２排出口から排出された第２処理水を受け入れる第３注入口と、第２処理水が好気性微生物と接触することで生成される第３処理水を排出する第３排出口とが設けられている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る水処理装置を含む水処理プラントの構成を概略的に示す図。
【図２】第２実施形態に係る水処理装置のフォトバイオリアクターの構成を概略的に示す斜視図。
【図３】第３実施形態に係る水処理装置の構成の一部を概略的に示す図。
【図４】第４実施形態に係る水処理装置の構成の一部を概略的に示す図。
【図５】第５実施形態に係る水処理装置の構成の一部を概略的に示す図。
【図６】第６実施形態に係る水処理装置の構成の一部を概略的に示す図。
【図７】第７実施形態に係る水処理装置の構成の一部を概略的に示す図。
【図８】第８実施形態に係る水処理装置のフォトバイオリアクターの構成を概略的に示す斜視図。
【図９】第９実施形態に係る水処理装置の構成の一部を概略的に示す図。
【図１０】第１０実施形態に係る水処理装置を含む水処理プラントの構成を概略的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１０】
図１は、第１実施形態に係る水処理装置を含む水処理プラントの構成を概略的に示す図である。水処理プラント１は、最初沈殿池５、水処理装置および最終沈殿池７を含む。水処理装置は、原水ポンプ６、上向流型嫌気リアクター２、フォトバイオリアクター３、好気リアクター４および最終沈殿池７を含む。
【００１１】
最初沈殿池５には、廃水８が供給される。廃水８は、有機物を含む廃水である。排水８は、例えば硫黄、窒素およびリンを含んでいる。廃水８は、例えば下水、農業集落廃水または工場廃水である。工場廃水は、例えば食品工場から排出される廃水である。最初沈殿池５に供給された廃水８は所定の期間貯蔵される。その間に、廃水８に含まれる浮遊性成分が沈殿し、廃水８の液面付近の液体は上澄み液（最初沈殿池超流水）となる。
【００１２】
最初沈殿池５は、導管９により原水ポンプ６に接続されている。また、原水ポンプ６は、導管１０により上向流型嫌気リアクター２に接続されている。最初沈殿池５における上澄み液の一部は、原水ポンプ６によって最初沈殿池５から導管９を通して汲み出され、導管１０を通して上向流型嫌気リアクター２に供給される。
【００１３】
上向流型嫌気リアクター２には、底部またはその近傍に液体を受け入れるための第１注入口が設けられている。第１注入口には導管１０の一端が接続されている。また、上向流型嫌気リアクター２には、頂部またはその近傍に液体を排出するための第１排出口が設けられている。第１排出口には導管１１の一端が接続されている。
【００１４】
上向流型嫌気リアクター２は、１種以上の嫌気性微生物を収容している。嫌気性微生物とは、空気が完全にまたは部分的に存在しない状態で生存することができる微生物を意味する。上向流型嫌気リアクター２に収容される嫌気性微生物は、例えば、酸生成菌、メタン生成菌等である。酸生成菌は、例えば、Ｍｉｃｒｏｃｏｃｃｕｓ  ｌｙｓｏｄｅｉｋｔｉｃｕｓおよびＡｃｅｔｏｂａｃｔｅｒ  ｃａｌｃｏａｃｅｔｉｃｕｓである。メタン生成菌は、例えば、Ｍｅｔｈａｎｏｌｏｂｕｓ  ｓｉｃｉｌｉａｅ、Ｍｅｔｈａｎｏｇｅｎｉｕｍ  ｆｒｉｇｉｄｕｍおよびＭｅｔｈａｎｏｈａｌｏｂｉｕｍ  ｅｖｅｓｔｉｇａｔｕｍである。
【００１５】
上向流型嫌気リアクター２では、最初沈殿池５から供給された上澄み液が、嫌気性微生物によって第１処理水に変換される。第１注入口から上向流型嫌気リアクター２内に供給された上澄み液は、上向流型嫌気リアクター２の内部空間を満たし、第１排出口から排出される。すなわち、上向流型嫌気リアクター２では、上澄み液は、下方から上方に向かって流れる。上澄み液は、上方に向かって流れる間に嫌気性微生物と接触する。その接触により、上澄み液に含まれる化合物の一部が生物反応により分解、還元される。上向流型嫌気リアクター２の内部は液体でほぼ満たされ、空気が十分に供給されないため、嫌気性微生物による生物反応は、主に、酸素が消費されない還元反応となる。
【００１６】
上向流型嫌気リアクター２内における生物反応の１つとして、有機物が分解され、低分子化される。具体的には、次のような分解反応が行われる。高分子の炭水化物、脂肪およびタンパク質といった有機物は、主に酸生成菌によって、脂肪酸（Ｒ−ＣＯＯＨ）、アミノ酸（ＲＣＨＮＨ２ＣＯＯＨ）および単糖類（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）に分解される。その後、さらに、脂肪酸、アミノ酸および単糖類は、主に酸生成菌によって、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）に分解される。さらに酢酸は、主にメタン生成菌によって、メタン（ＣＨ４）および二酸化炭素（ＣＯ２）に分解される。
【００１７】
また、硫酸イオンといった硫黄を含む化合物は、下式Ｉのような還元反応により硫化水素に変換される。窒素を含む化合物は、還元反応によりアンモニウムイオンに変換される。  
ＳＯ４２−＋  ２Ｃ  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  ２ＨＣＯ３−＋  Ｈ２Ｓ      （式Ｉ）
【００１８】
上向流型嫌気リアクター２は、導管１１によりフォトバイオリアクター３に接続されている。上向流型嫌気リアクター２にて生成された酢酸、硫化水素およびアンモニウムイオンは、第１処理水中に溶解され、導管１１を通ってフォトバイオリアクター３に供給される。第１処理水中には、反応に供されることなく残存した有機物および中間生成物並びに生成された気体の一部が溶存し得る。二酸化炭素といった気体は、主にバイオガス１９として上向流型嫌気リアクター２外に取り出される。
【００１９】
フォトバイオリアクター３には、第１処理水を受け入れるための第２注入口が設けられている。第２注入口には導管１１の一端が接続されている。また、フォトバイオリアクター３には、フォトバイオリアクター３内の液体を排出するための第２排出口が設けられている。好ましくは、第２排出口は第２注入口から最も離れた位置に設けられる。第２排出口には導管１２の一端が接続されている。
【００２０】
フォトバイオリアクター３は、１種以上の光合成細菌を収容している。光合成細菌とは、環境中に酸素がない状態、すなわち嫌気状態で光のエネルギーを利用して光合成を行い、生育することができる細菌である。光合成細菌は、光合成反応の炭素源として炭酸ガス、有機物等を利用し、水素供与体として硫化水素を利用できる。また、光合成細菌は、高い繁殖速度を有することが知られている。光合成細菌は、例えば、紅色硫黄性細菌、緑色硫黄細菌および紅色非硫黄性細菌である。紅色硫黄性細菌は、例えば、Ｃｈｒｏｍａｔｉｕｍ  ｏｋｅｎｉｉ、Ｔｈｉｏｃｙｓｔｉｓ  ｖｉｏｌａｃｅａおよびＴｈｉｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ  ｊｅｎｅｎｓｅである。緑色硫黄細菌は、例えば、Ｃｈｌｏｒｏｂｉｕｍ  ｔｅｐｉｄｕｍ、Ｐｒｏｓｔｈｅｃｏｃｈｌｏｒｉｓ  ａｅｓｔｕａｒｉｉおよびＰｅｌｏｄｉｃｔｙｏｎ  ｐｈａｅｏｃｌａｔｈｈｒａｔｉｆｏｒｍｅである。紅色非硫黄性細菌は、例えば、Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  ｓｐｈａｅｒｏｉｄｅｓ、Ｒｈｏｄｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ  ｇｕｎｅｓおよびＲｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｒｕｂｒｕｍである。これらの光合成細菌は、単独にてまたは任意に組み合わせて使用できる。
【００２１】
フォトバイオリアクター３には、光合成細菌に光を照射する光源が収容されているか、または、外部の光源が放射した光２０が光合成細菌に照射されるように光を透過させる光透過部が設けられている。
【００２２】
光透過部は、フォトバイオリアクター３の任意の位置に設けることができる。例えば、光透過部は、フォトバイオリアクター３の頂部に設けることができる。外部からの光をより多くフォトバイオリアクター３内に取り込むためには、光透過部が広いほうが好ましい。
【００２３】
フォトバイオリアクター３内に収容される光源は、例えば、光合成細菌に対して常に光を照射する。あるいは、フォトバイオリアクター３内に収容される光源は、特定の期間にのみ光合成細菌に対して光を照射する。例えば、フォトバイオリアクター３の内部に光源を収容し、さらに外部の光源を取り込むための光透過部を設ける場合、外部の光源からの光が十分でない期間にのみ、内部に収容される光源を使用することができる。外部の光源を太陽とする場合には、例えば夜間または曇天のときに内部の光源が使用される。
【００２４】
フォトバイオリアクター３の外部に、人工的な光源を設けることができる。この場合、フォトバイオリアクター３に光透過部を設ける必要がある。
【００２５】
フォトバイオリアクター３の内面の少なくとも一部に、光を反射する反射面を設けることができる。反射面による反射は、鏡面反射または散乱反射であってよい。鏡面反射は、例えば、表面が十分に磨かれた金属によって、または透明なガラスもしくは樹脂の一面に金属層を設けたものによって実現できる。散乱反射は、例えば、表面に微細な凹凸構造を設けた金属層によって、または透明なマトリックスに透明な微粒子を分散させてなる層によって実現できる。外部の光源を使用する場合、反射面は、少なくともその光源に向き合う内面に設けることが好ましい。フォトバイオリアクター３のすべての内面に反射面を設けることもできる。
【００２６】
フォトバイオリアクター３内において、第１処理水は、光合成細菌によって第２処理水に変換される。フォトバイオリアクター３内に供給された第１処理水は、第２注入口から第２排出口に向かう間に光合成細菌と接触する。その際、光合成細菌の作用により、第１処理水中に含まれる化合物の少なくとも一部が生物反応により化学変化する。なお、フォトバイオリアクター３内の液体に積極的に空気を接触させることはなく、液体中の酸素濃度は低い状態に保たれる。そのため、光合成細菌による生物反応は嫌気状態下で行われる。
【００２７】
光合成細菌による生物反応の１つは、第１処理水中の有機物をより低分子の化合物に分解する反応である。この有機物とは、上向流型嫌気リアクター２において嫌気性微生物が分解できなかった化合物または分解しきれなかった化合物であってよい。
【００２８】
また、窒素を含む化合物およびリンを含む化合物は光合成細菌に取り込まれる。光合成細菌は、生育のために窒素およびリンを必要とする。フォトバイオリアクター３内における光合成細菌の増殖は活発であるため、光合成細菌の取り込みは活発である。このため、窒素およびリンが第１処理水からに除去される。
【００２９】
さらに、光合成細菌は、光合成によって、光エネルギーを利用して硫化水素を硫黄単体に変換する。特に、紅色硫黄性細菌および緑色硫黄細菌は、下式ＩＩに示される反応を行う。  
ＣＯ２  ＋  ２Ｈ２Ｓ  →  （ＣＨ２Ｏ）  ＋  ２Ｓ  ＋  Ｈ２Ｏ      式ＩＩ
【００３０】
紅色非硫黄性細菌のうちＲｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  ｓｐｈａｅｒｏｉｄｅｓおよびＲｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｒｕｂｒｕｍは、下式ＩＩＩの反応により水素分子を生成することができる。この反応では、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）が分解されて、アデノシン二リン酸（ＡＤＰ）および遊離したリン酸（Ｐｉ）と成る。この分解によって生じるエネルギーによって、プロトンから水素分子が作られる。なお、ＡＤＰおよびＰｉは、ＡＴＰの生成のために再利用される。  
２Ｈ＋  ＋  ４ＡＴＰ  →  Ｈ２  ＋  ４ＡＤＰ  ＋  ４Ｐｉ      式ＩＩＩ
【００３１】
なお、紅色非硫黄性細菌は、光のない環境でも増殖可能である。そのため、紅色非硫黄性細菌を含むバイオリアクター３では、夜間等の日光がない時でも、有機物、窒素、リンを除去することができる。
【００３２】
フォトバイオリアクター３は、導管１２により好気リアクター４に接続されている。フォトバイオリアクター３にて生成された種々の化合物は、第２処理水中に溶解され導管１２を通って好気リアクター４に供給される。第２処理水中には、反応に供されることなく残存した有機物および中間生成物並びに生成された気体の一部が溶存していてもよい。なお、水に不溶性の化合物あるいは水に難溶性の化合物は、好気リアクター４に移動させることなく、フォトバイオリアクター３外に取り出すこともできる。例えば、生成された水素分子の大部分は、気体の水素１８としてフォトバイオリアクター３の外部に取り出すことができる。
【００３３】
好気リアクター４には、第２処理水を受け入れるための第３注入口が設けられている。第３注入口には導管１２の一端が接続されている。また、好気リアクター４には、好気リアクター４内の液体を排出するための第３排出口が設けられている。好ましくは、第３排出口は、第３注入口から最も離れた位置に設けられる。第３排出口には導管１５の一端が接続されている。
【００３４】
好気リアクター４は、１種以上の好気性微生物を収容している。好気性微生物とは、酸素を利用して増殖する微生物を意味する。
【００３５】
好気リアクター４には、第２処理水に対して、酸素または酸素を含む空気を供給する手段を設けることができる。
【００３６】
その手段の１つは、図１に示されるように、好気リアクター４内に散布ノズル１３を設けることである。図１のように、好気リアクター４の上方に第３注入口を設け、第３注入口に散布ノズル１３を接続させることができる。散布ノズル１３は、液体をシャワー状に散布するものであってもよく、または霧状に散布するものであってもよい。散布は、重力を利用して、散布ノズル１３から液体を落下させて行うことができる。あるいは、散布は、圧縮機等を利用して加圧した液体を散布ノズル１３に供給することで行うことができる。
【００３７】
散布ノズル１３を利用する場合、好気リアクター４内には、好気性微生物を支持するための支持体または好気性微生物を固定した担体を支持するための支持体を設けることができる。支持体は、例えば、複数の担体を吊り下げて支持する紐状のものとすることができる。支持体は、支持される好気性微生物の少なくとも一部が、好気リアクター４内の液体中に浸らないように支持させることができる。
【００３８】
上記の構造を採用した場合、好気リアクター４内において、散布ノズル１３から第２処理水を散布し、好気リアクター４中に存在する空気と散布された第２処理水とを接触させることで、酸素が第２処理水中に溶解するとともに、酸素が溶存した第２処理水が好気性微生物に供給される。
【００３９】
第２処理水に対して酸素または酸素を含む空気を供給する他の手段として、好気リアクター４において曝気を行ってもよい。すなわち、好気リアクター４内に液体を溜め、この液体中に空気を送り込んでもよい。例えば、好気リアクター４内に曝気のためのノズルを設け、好気リアクター４の外部に、そのノズルが接続された送風機または圧縮機を設置することができる。曝気のためのノズルは、好ましくは好気リアクター４内の下部に設けられる。曝気のためのノズルから液体中に酸素または酸素を含む空気を送り込むことで、液体中に酸素を溶解させることができる。
【００４０】
さらに他の手段として、膜分離活性汚泥法、好気ろ床法等を実施してもよい。
【００４１】
好気リアクター４内では、好気性微生物によって、第２処理水が第３処理水に変換される。好気リアクター４内に供給された第２処理水は、第３注入口から第３排出口に向かう間に好気性微生物と接触する。その際、好気性微生物の作用により、第２処理水中に含まれる化合物の少なくとも一部が生物反応により分解、酸化される。例えば、第２処理水中に残る有機物の分解が行われる。なお、第２処理水中には酸素が溶存しているため、好気性微生物による反応は主に酸化反応である。
【００４２】
好気リアクター４は、導管１５により最終沈殿池７に接続されている。好気リアクター４から排出される第３処理水は、導管１５を介して最終沈殿池７に供給される。
【００４３】
最終沈殿池７では、第３処理水の貯蔵が行われる。最終沈殿池７では、貯蔵された第３処理水に対して水質検査等が適宜行われる。水質検査等が済んだ第３処理水は、最終処理水１７として最終沈殿池７から排出される。
【００４４】
このような水処理装置では、廃水中に含まれる硫酸イオンは、上向流型嫌気リアクター２に収容される嫌気微生物の作用によって還元され、硫化水素に変換される。それゆえ、フォトバイオリアクター３を省略した場合、この硫化水素を含んだ処理水は、嫌気リアクター２から好気リアクター４へと供給されることとなる。硫化水素は、悪臭の原因となる。加えて、硫化水素は、コンクリートや配管等の建材を腐食させる。したがって、フォトバイオリアクター３を省略すると、好気リアクター４、沈殿池７ならびに導管１１、１２および１５などにおいて腐食を生じやすい。
【００４５】
また、上向流型嫌気リアクターおよび好気リアクターの組み合わせだけでは窒素およびリンを十分に除去することができない。このため、高い水質基準を満たすためには、この水処理装置によって得られた処理水に対して、窒素およびリンを除去するための処理を別途行う必要がある。
【００４６】
一方、第１実施形態に係る水処理装置では、上向流型嫌気リアクターと好気リアクターとの間に設けられたフォトバイオリアクターにおいて、光合成細菌の作用により、第１処理水に含まれる硫化水素を除去することができる。そして、光合成細菌は、光エネルギーを利用して活発に増殖するため、第１処理水中の窒素およびリンが除去される。
【００４７】
また、第１実施形態に係る水処理装置では、光合成の際に二酸化炭素の固定および有機物の分解反応も起こるため、有機物を除去できる。さらに、一部の光合成細菌が行う光合成では副産物として水素を放出するため、フォトバイオリアクターから水素ガスを回収することもできる。
【００４８】
特に、フォトバイオリアクター３の内部または外部に、１種以上の光合成細菌に対して光を照射する光源を設けることにより、光合成細菌に供給される光エネルギーを増大させて、光合成の効率を向上させることができる。また、このような光源を設けることで、太陽光といった、水処理装置の外部に存在する光源からの光を確保することが困難な場合であっても、光合成を安定して行わせることができる。
【００４９】
フォトバイオリアクター３の内面の少なくとも一部に、光を反射する反射面を設けることにより、光の利用効率を向上させることができる。反射面がない場合、フォトバイオリアクター３の内壁に吸収される光は、光合成に利用されない。しかし、反射面を設けて光を光合成細菌に誘導することにより、そのような光を光合成に利用することができる。また、光合成細菌を担体上に固定する場合には、光源と光合成細菌との間に担体が存在したとしても、その光合成細菌に対して光を照射することが可能となる。
【００５０】
さらに、好気リアクター４内に第２処理水を散布する構成を採用すると、曝気を行うための付加的な動力は不要である。したがって、水処理装置の運転のために必要なエネルギーを低く抑えることができる。
【００５１】
図２は、第２実施形態に係る水処理装置のフォトバイオリアクターの構成を概略的に示す斜視図である。第２実施形態に係る水処理装置では、フォトバイオリアクター３内に複数の担体３０１が収容されている。担体３０１の各々には光合成細菌が固定されている。フォトバイオリアクター３の内部には担体３０１の直径よりも小さい目を有する網３０２が設けられている。
【００５２】
網３０２は、担体３０１がフォトバイオリアクター３の外部に移動することを制限するように設けられる。例えば、図２に示されるように、網３０２は、担体３０１と第２注入口とを隔てる位置および担体３０１と第２排出口とを隔てる位置に設けられる。網３０２は、例えばステンレス（ＳＵＳ）製の金網または樹脂製の網である。
【００５３】
担体３０１は、その表面に微生物を固定させることができる。担体３０１は、例えば表面に凹凸構造を有した担体である。担体３０１の大きさは、例えば数ｍｍ〜数ｃｍである。担体３０１の形状は、例えば円筒状、球状または角ばった形状である。担体３０１として、砕石、スラグまたは樹脂製担体を使用できる。
【００５４】
担体３０１は、例えば、光透過性を有する材料から成る。光透過性を有する材料は、例えば透明な材料である。また、光透過性を有する材料は、例えば光透過性を有するプラスチックである。
【００５５】
担体３０１は、例えば、生分解性を有する材料から成る担体である。生分解性を有する材料は、例えば、分解性プラスチックである。
【００５６】
なお、担体は、フォトバイオリアクター３内だけでなく、上向流型嫌気リアクター２および好気リアクター４においても使用することができる。すなわち、上向流型嫌気リアクター２内に、嫌気性微生物を固定した複数の担体を収容させることができる。また、好気リアクター４内に、好気性微生物を固定した複数の担体を収容させることができる。
【００５７】
光合成細菌を担体３０１に固定することによって、光合成細菌がフォトバイオリアクター３から下流へと流れ出るのを抑制でき、それゆえ、光合成細菌をフォトバイオリアクター３内に高い濃度で存在させることができる。これにより、硫化水素、窒素、リン、有機物等を除去する効率を向上させることができる。また、光透過性を有する材料から成る担体３０１を使用することによって、担体３０１の陰になる位置にも光を到達させることができる。これによって、光合成細菌に対する光エネルギーの供給量を増大させることができ、光合成の効率を向上させることができる。
【００５８】
また、光合成細菌は、窒素、リン等の栄養素を多く含むため、使用後の菌体を肥料として使用することができる。そして、担体３０１が生分解性の材料から成るものであれば、担体３０１は、土壌中に廃棄することによって分解される。したがって、生分解性を有する材料から成る担体３０１を使用することによって、役目を終えた光合成細菌を肥料として耕地等に散布する場合に、担体３０１から光合成細菌を分離する手間を省略することができる。
【００５９】
図３は、第３実施形態に係る水処理装置の構成の一部を概略的に示す図である。第３実施形態では、フォトバイオリアクター３は上向流嫌気リアクター２および好気リアクター４よりも上方に設けられている。
【００６０】
例えば、図３に示すように、上向流嫌気リアクター２および好気リアクター４がフォトバイオリアクター３の下に収まるようにすることができる。
【００６１】
フォトバイオリアクター３を、上向流嫌気リアクター２および好気リアクター４よりも上方に設けることにより、水処理装置の上部の空間を有効に利用することができ、水処理装置の設置ために必要な設置面積を小さくすることができる。さらに、水処理装置の上部は太陽光を遮蔽する物が下部に比べて少ないため、フォトバイオリアクター３による太陽光の取り込みが向上し、光合成細菌による光合成の効率が向上する。
【００６２】
なお、図３に示すように、嫌気リアクター２から延びた導管１１は、二股に分岐させて、一方をフォトバイオリアクター４に接続し、他方（導管１９１）を図示しないタンクに接続するか又は大気へ開放させることができる。例えば、前者を分岐点から上方へ延びるように設け、後者を分岐点から水平に延びるように設けると、上向流嫌気リアクター２にて発生したバイオガス１９を、導管１９１を介してタンクに供給するか又は大気中へと放出させ、第１処理液をフォトバイオリアクター３へと供給することができる。バイオガス１９を排出するための導管１９１を設けることで、バイオガス１９を回収して利用することが可能となる。
【００６３】
図４は、第４実施形態に係る水処理装置の構成の一部を概略的に示す図である。第４実施形態では、フォトバイオリアクター３に、回収タンク２１および補充タンク２２が接続されている。フォトバイオリアクター３内には、光合成細菌が固定された複数の担体３０１が収容されている。
【００６４】
回収タンク２１は、使用済みの光合成細菌が固定された複数の担体３０１を、フォトバイオリアクター３から回収する。図示されるように、回収タンク２１を、フォトバイオリアクター３の下部に接続することができる。この場合、担体３０１をフォトバイオリアクター３から回収タンク２１に落下させることで、担体３０１を回収できる。また、フォトバイオリアクター３の底部に担体３０１の収集を容易にする構造を設けることができる。例えば、図４に示されるように、フォトバイオリアクター３の底部に、フォトバイオリアクター３と回収タンク２１との接続部位に向かって深くなるような傾斜を設けることができる。補充タンク２２とフォトバイオリアクター３との接続部位には、担体３０１の移動を制御するための開閉弁３０４を設けることができる。
【００６５】
補充タンク２２は、使用前の光合成細菌が固定された複数の担体３０１を、フォトバイオリアクター３に供給する。図示されるように、補充タンク２２を、フォトバイオリアクター３の上部に設けることができる。この場合、担体３０１を補充タンク２２からフォトバイオリアクター３に落下させることで、担体３０１を補充できる。補充タンク２２とフォトバイオリアクター３との接続部位には、担体３０１の移動を制御するための開閉弁３０４を設けることができる。
【００６６】
回収タンク２１を設けることで、使用済みの光合成細菌が固定された複数の担体３０１の回収が容易になる。また、補充タンク２２を設けることで、使用前の光合成細菌が固定された複数の担体３０１の供給が容易になる。さらに、回収タンク２１と補充タンク２２とを組み合わせて設けることで、担体３０１の交換が容易になる。
【００６７】
図５は、第５実施形態に係る水処理装置の構成の一部を概略的に示す図である。第５実施形態に係る水処理装置は、フォトバイオリアクター３に接続された回収タンク２４並びに回収タンク２４およびフォトバイオリアクター３に接続されたポンプ２６を含む。フォトバイオリアクター３内には、光合成細菌が固定された複数の担体３０１が収容されている。フォトバイオリアクター３と回収タンク２４とは導管２３によって接続されている。回収タンク２４とポンプ２６とは導管２５によって接続されている。ポンプ２６とフォトバイオリアクター３とは導管２７および導管１１によって接続されている。導管１１および１２の途中には、それぞれバルブ１１１およびバルブ１２１が設けられている。
【００６８】
図５では、導管２３の一端は、フォトバイオリアクター３に接続されている。しかしながら、導管２３の一端は、導管１２のうちバルブ１２１と第２排出口との間に位置した部分に接続させてもよい。また、図５では、導管２７の一端は、導管１１のうちバルブ１１１と第２注入口との間に位置した部分に接続されている。しかしながら、フォトバイオリアクター３に接続させてもよい。
【００６９】
第５実施形態に係る水処理装置では、ポンプ２６によって作られる流れを利用して、担体３０１から光合成細菌の少なくとも一部を分離できる。この場合、まず、バルブ１１１およびバルブ１２１によって、嫌気リアクター２からフォトバイオリアクター３への処理水の供給およびフォトバイオリアクター３から好気リアクター４への処理水の供給を止める。その後、ポンプ２６を作動させて、フォトバイオリアクター３内において、第２注入口側から第２排出口側へと向かう、所定の流速を有した液流を作り出す。この流れによって、光合成細菌の少なくとも一部が担体３０１から剥がし落とされる。分離した光合成細菌を含む液体は、導管２３を通って回収タンク２４に供給される。
【００７０】
光合成細菌は、フォトバイオリアクター３内で活発に増殖する。光合成細菌が、担体３０１が固定できる能力を大幅に超えて増殖した場合、光合成細菌は大量に好気リアクター２に流出する。大量の光合成細菌を含む処理水が好気リアクター２内に供給されると、好気リアクター２に存在する好気性微生物の生育に影響を与え、好気リアクター２の本来の処理能力を低下させる可能性がある。また、高濃度の光合成細菌がフォトバイオリアクター３の液体中に存在することにより、フォトバイオリアクター３内における光の透過率が低下し、光合成の効率が低下する可能性ある。
【００７１】
そのため、第５実施形態に係る水処理装置のように、ポンプ２６および回収タンク２４を設けることにより、過剰な光合成細菌をフォトバイオリアクター３から適宜除去することができ、上述のような光合成細菌が大量に処理水に流出する問題を回避することができる。さらに、回収した光合成細菌は、肥料として使用することができる。
【００７２】
図６は、第６実施形態に係る水処理装置の構成の一部を概略的に示す図である。第６実施形態は、フォトバイオリアクター３に接続された回収タンク２９並びにポンプ３１およびにフォトバイオリアクター３接続されたポンプ３１を含む。フォトバイオリアクター３内には、光合成細菌が固定された複数の担体３０１が収容されている。フォトバイオリアクター３と回収タンク２９とは導管２８によって接続されている。回収タンク２９とポンプ３１とは導管３０によって接続されている。ポンプ３１とフォトバイオリアクター３とは導管３２によって接続されている。導管１１および１２の途中には、それぞれバルブ１１１およびバルブ１２１が設けられている。
【００７３】
図６では、導管２８の一端は、フォトバイオリアクター３に接続されている。しかしながら、導管２８の一端は、導管１１のうちバルブ１１１と第２注入口との間に位置した部分に接続させてもよい。また、図６では、導管３２の一端は、図中、フォトバイオリアクター３に接続されている。しかしながら、導管３２の一端は、導管１２のうちバルブ１２１と第２排出口との間に位置した部分に接続させてもよい。
【００７４】
第６実施形態に係る水処理装置では、ポンプ２６によって作られる流れを利用して、担体３０１から光合成細菌の少なくとも一部を分離できる。この場合、まず、バルブ１１１およびバルブ１２１によって、嫌気リアクター２からフォトバイオリアクター３への処理水の供給およびフォトバイオリアクター３から好気リアクター４への処理水の供給を止める。その後、ポンプ３１を作動させて、フォトバイオリアクター３内において、第２排出口側から第２注入口側へと向かう、所定の流速を有した液流を作り出す。この流れによって、光合成細菌の少なくとも一部が担体３０１から剥がし落とされる。分離した光合成細菌を含む液体は、導管２８を通って回収タンク２９に供給される。
【００７５】
フォトバイオリアクター３では、一般に、光合成細菌の生育に必要な有機物といった成分は、第２排出口側の液体よりも第１処理水が注入される第２注入口側の液体に多く含まれる。このため、光合成細菌は、第２排出口側よりも第２注入口側にて活発に増殖する。したがって、第６実施形態に係る水処理装置では、光合成細菌がより多く存在する部分から、回収タンク２９に向けて液体を排出できる。
【００７６】
実施形態６に係る水処理装置では、実施形態５に係る水処理装置と同様に、過剰な光合成細菌をフォトバイオリアクター３から適宜除去することができ、上述のような光合成細菌が大量に処理水に流出する問題を回避することができる。また、光合成細菌を含む液体を、光合成細菌がより多く存在する部分から回収タンク２９に向けて排出することで、光合成細菌がフォトバイオリアクター３内に拡散することを極力抑制することができる。これにより、迅速で且つ高い回収量の回収が可能となる。さらに、回収した光合成細菌は、肥料として使用することができる。
【００７７】
図７は、第７実施形態に係る水処理装置の構成の一部を概略的に示す図である。第７実施形態に係る水処理装置は、フォトバイオリアクター３に接続されたコンプレッサー３３と、コンプレッサー３３に接続された曝気ノズル３５と、フォトバイオリアクター３に接続された回収タンク３８とを含む。フォトバイオリアクター３には、光合成細菌が固定された複数の担体３０１が収容されている。曝気ノズル３５とコンプレッサー３３とは導管３４によって接続されている。フォトバイオリアクター３と回収タンク３８とは導管３６によって接続されている。導管３６の途中にはバルブ３７が設けられている。導管１１および１２の途中には、それぞれバルブ１１１およびバルブ１２１が設けられている。
【００７８】
第７実施形態に係る水処理装置では、コンプレッサー３３によってフォトバイオリアクター３内の液体中に作られる気泡を利用して、担体３０１から光合成細菌の少なくとも一部を分離できる。この場合、まず、バルブ１１１およびバルブ１２１によって、嫌気リアクター２からフォトバイオリアクター３への処理水の供給およびフォトバイオリアクター３から好気リアクター４への処理水の供給を止める。その後、コンプレッサー３３を作動させて、コンプレッサー３３から導管３４に向けて空気を供給する。導管３４に接続された曝気ノズル３５は、フォトバイオリアクター３内において複数の排気口を有している。したがって、コンプレッサー３３から供給された空気は、複数の排気口からフォトバイオリアクター３内の液体中に排出される。このようにして形成される気泡によって、光合成細菌の少なくとも一部が担体３０１から剥がし落とされる。分離した光合成細菌を含む液体は、コンプレッサー３３から導入される空気の圧力によって導管３６内に流入し、回収タンク３８に供給される。なお、光合成細菌を含む液体を回収タンク３８に供給する場合には、バルブ３７を開く必要がある。
【００７９】
第７実施形態に係る水処理装置によれば、過剰な光合成細菌をフォトバイオリアクター３から適宜除去することができ、上述のような光合成細菌が大量に好気リアクター２に流出する問題を回避することができる。さらに、回収した光合成細菌は、肥料として使用することができる。
【００８０】
図８は、第８実施形態に係る水処理装置のフォトバイオリアクターの構成を概略的に示す斜視図である。第８実施形態のフォトバイオリアクター３には複数の容器３９が着脱可能に収容されている。各々の容器３９には、光合成細菌が固定された複数の担体３０１が収容されている。
【００８１】
容器３９では、液体が内部から外部に向けて且つ内部から外部に向けて自由に通過できる。容器３９は、例えば、液体が自由に通過可能な複数の通過口を有する。ただし、この通過口は、担体３０１を通過させない大きさでなければならない。容器３９は、例えば、金属製の網によって形成されたカゴである。この金属は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）である。容器３９は、例えば繊維によって形成された、不定形のネットとすることもできる。
【００８２】
フォトバイオリアクター３に、容器３９を取り出すための１以上の開閉部を設けることができる。例えば、フォトバイオリアクター３の頂部を、１つの開閉部とすることができる。あるいは、フォトバイオリアクター３の頂部に、各々が容器３９の１つに対応した複数の開閉部を設けることもできる。
【００８３】
第８実施形態に係る水処理装置では、フォトバイオリアクター３から容器３９を取り出すことで、担体３０１を取り出すことができる。複数の容器３９は、同時に取り出すことができ、あるいは個々に取り出すことができる。フォトバイオリアクター３に開閉部が設けられている場合には、開閉部を開けて、そこから容器３９が取り出される。複数の開閉部が設けられている場合には、１つの開閉部から１つの容器３９が取り出される。取り出した容器３９は、内部に収容される担体３０１を洗浄した後または新たなものに交換した後、フォトバイオリアクター３に戻すことができる。
【００８４】
また、第８実施形態に係る水処理装置では、フォトバイオリアクター３内において、容器３９同士を交換することができる。例えば、光合成細菌がより活発に増殖する第２注入口側の容器３９と、相対的に増殖していない第２排出口側の容器３９とを交換することができる。あるいは、容器３９を、フォトバイオリアクター３内でスライドさせて移動させることができる。この場合、例えば、第２注入口に最も近い容器３９を取り出し、残る複数の容器３９を第２注入口の方向に順次スライドさせた後、最初に取り出した容器３９を第２排出口に最も近い位置に戻すことができる。
【００８５】
第８実施形態に係る水処理装置によれば、過剰な光合成細菌をフォトバイオリアクター３から適宜除去することができ、上述のような光合成細菌が大量に好気リアクター２に流出する問題を回避することができる。さらに、回収した光合成細菌は、肥料として使用することができる。また、光合成細菌が過剰に増殖している容器３９のみを選択的に取り出すことが可能となり、効率的に担体の洗浄を行うことができる。さらに、フォトバイオリアクター３内において容器３９を適宜移動させて、各容器３９における光合成細菌の生育条件を調整することができるため、フォトバイオリアクター３における水処理を安定させることができる。
【００８６】
図９は、第９実施形態に係る水処理装置の構成の一部を概略的に示す図である。第９実施形態では、フォトバイオリアクター３にガス回収タンク４１が接続されている。フォトバイオリアクター３とガス回収タンク４１とは導管４０によって接続されている。フォトバイオリアクター３内には、紅色非硫黄性細菌を含む光合成細菌が固定された担体３０１が収容されている。
【００８７】
フォトバイオリアクター３の上面３０７は、導管４０との接続部分が頂点となるように傾斜させることができる。
【００８８】
紅色非硫黄性細菌は、第１処理水から水素分子を生成する。生成された水素分子は、フォトバイオリアクター３の液体中に気泡３０５として放出される。水素は、導管４０を通ってガス回収タンク４１に供給される。
【００８９】
第９実施形態に係る水処理装置によって、廃水から水素を生成することができ、さらに、生成した水素ガスを効率よく回収することができる。回収した水素は、水処理装置を運転するための燃料として使用することができる。
【００９０】
図１０は、第１０実施形態に係る水処理装置を含む水処理プラントの構成を概略的に示す図である。第１０実施形態の水処理プラント１では、第１実施形態の水処理プラント１に対して、最終沈殿池７およびフォトバイオリアクター３に接続されたポンプ４３を付加したものである。最終沈殿池７とポンプ４３とは導管４２によって接続されている。ポンプ４３とフォトバイオリアクター３とは導管４４によって接続されている。
【００９１】
例えば、廃水８に含まれる窒素の濃度が非常に高かった場合、フォトバイオリアクター３において窒素を十分に除去できない可能性がある。除去されずに残った第２処理水中の窒素は、好気リアクター４において酸化され、硝酸イオンといった種々の酸化窒素に変換される。その後、最終沈殿池７には種々の酸化窒素を含んだ処理水が貯蔵される。
【００９２】
この場合、ポンプ４３を作動させて、最終沈殿池７に貯蔵される処理水の少なくとも一部をフォトバイオリアクター３に戻して、フォトバイオリアクター３による処理に再度供することができる。これによって、残留していた種々の酸化窒素は光合成細菌に取り込まれ、窒素が処理水中から十分に除去される。最終沈殿池７に貯蔵される処理水の水質検査の結果に応じて、ポンプ４３を作動させることができる。
【００９３】
第１０実施形態に係る水処理装置によれば、窒素の濃度が非常に高い廃水を、十分に窒素が除去された処理水に変換することができる。
【００９４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００９５】
１…水処理プラント、２…上向流型嫌気リアクター、３…フォトバイオリアクター、３０１…担体、３０２…網、３０３…開閉弁、３０４…開閉弁、３０５…気泡、３０７…上面、４…好気リアクター、５…最初沈殿池、６…原水ポンプ、７…最終沈殿池、８…廃水、９…導管、１０…導管、１１…導管、１１１…バルブ、１２…導管、１２１…バルブ、１３…散布ノズル、１５…導管、１７…最終処理水、１８…水素ガス、１９…バイオガス、１９１…導管、２０…光、２１…回収タンク、２２…補充タンク、２３…導管、２４…回収タンク、２５…導管、２６…ポンプ、２７…導管、２８…導管、２９…回収タンク、３０…導管、３１…ポンプ、３２…導管、３３…コンプレッサー、３４…導管、３５…曝気ノズル、３６…導管、３７…バルブ、３８…回収タンク、３９…容器、４０…導管、４１…ガス回収タンク、４２…導管、４３…ポンプ、４４…導管。
【図１】
2013119073.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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