(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原水を生物膜ろ過器に送入して原水中に含まれるＳＳをろ過し、同時に微生物の作用によりＮＯＸ態窒素（ＮＯＸ−Ｎ）を脱窒する生物膜ろ過方法において、生物膜ろ過器から排出されるろ過床の洗浄排水を分割し、一部は洗浄排水に含まれるＳＳを水溶化し水溶性有機物としてろ過床に添加し、他の一部は洗浄排水に含まれるＳＳをろ過床に返送するために、それぞれの所要量を生物膜ろ過器に循環することを特徴とする生物膜ろ過方法。
【請求項２】
原水中に含まれる亜硝酸態窒素（（ＮＯ２−Ｎ）in）、硝酸態窒素（（ＮＯ３−Ｎ）in）、溶存酸素（ＤＯin）の濃度、及び原水の流量(Ｆin)を測定して脱窒に必要な水溶性有機物の添加量を算出し、必要とされる水溶性有機物をろ過床に添加することを特徴とする請求項１記載の生物膜ろ過方法。
【請求項３】
脱窒に要する水溶性有機物が足りない場合に備えて、補充有機物添加装置を設け、操業状態に応じアルコール類もしくは有機酸類をろ過床に補充添加することを特徴とする請求項１または２に記載の生物膜ろ過方法。
【請求項４】
補充添加する水溶性有機物としてメタノールを使用することを特徴とする請求項３に記載の生物膜ろ過方法。
【請求項５】
生物膜ろ過器として移動床式生物膜ろ過器を用い、膜ろ過器に送入する被処理水の連続ろ過を可能にする上限のＳＳ濃度（ＳＳmax［ｇ／ｍ３］）を被処理水量（Ｆa［ｍ３／ｈｒ］）の関数（ｇ（Ｆa））として求め、被処理水のＳＳ濃度がＳＳmaxを超えないように、洗浄排水の循環量および／または原水供給量を調整して操業することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の生物膜ろ過方法。
【請求項６】
生物膜ろ過器として、上向流移動床式生物膜砂ろ過器を用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の生物膜ろ過方法。
【請求項７】
生物膜ろ過器と、生物膜ろ過器に原水を含む被処理水を導入する被処理水導入ラインＡと、ＳＳの水溶化装置を取り付けて生物膜ろ過器から排出される洗浄排水の一部を導入し、ＳＳを水溶性有機物に水溶化して膜ろ過器に添加する有機物添加ラインＢと、ＳＳをろ過床に返送するために洗浄排水の一部を膜ろ過器に返送するＳＳ返送ラインＣと、添加する前記水溶性有機物の不足に備えて水溶性有機物をろ過床に補充添加する補充有機物添加装置と、を含んで構成されていることを特徴とする生物膜ろ過システム。
【請求項８】
さらに、原水中の溶存酸素濃度（ＤＯin）、ＳＳ濃度（ＳＳin）、ＮＯｘ態窒素濃度（（ＮＯｘ−Ｎ）in）、および原水流量（Ｆin）の測定装置と、
水溶化装置によってＳＳが水溶性有機物にされた後の、洗浄排水中のＳＳ濃度（ＳＳｂ）、水溶性有機物濃度（Ｃｂ）（例えば、ＢＯＤ、ＣＯＤ等を指標とすることができる）および流量（Ｆｂ）の測定装置、ならびにラインＢの流量制御装置と、
前記ラインＣを流れる逆洗排水のＳＳ濃度（ＳＳｃ）および流量（Ｆｃ）の測定装置ならびにラインＣの流量制御装置と、
を含んで構成されていることを特徴とする請求項７記載の生物膜ろ過システム。
【請求項９】
生物膜ろ過器として移動床膜ろ過器を用い、さらに、
前記ＤＯin、ＳＳin、（ＮＯｘ−Ｎ）in及びＦinにもとづいて原水の脱窒に必要な量論的有機物量を求め、所要の水溶性有機物量を算出する手段と、
ラインＢの流量（Ｆｂ）を制御して前記所要の水溶性有機物量をろ過床に添加する手段と、
ラインＢからろ過床に供給する水溶性有機物量が前記所要の水溶性有機物量を充足できないときは、前記補充有機物添加装置から不足する水溶性有機物をろ過床に補充添加する手段と、
膜ろ過器に送入する被処理水量（Ｆa）を求め、連続ろ過操作が可能な被処理水ＳＳの上限濃度（ＳＳmax）をＦaの関数式（ＳＳmax＝ｇ（Ｆa））を用いて算出し、次式を用いて管理上設定した被処理水のＳＳ管理濃度（ＳＳa）に換算する手段と
ＳＳa＝α×ＳＳmax        但しα≦１
前記、ＳＳin及びＦinとＳＳb及びＦbとから、原水およびラインＢを介して膜ろ過器に流入するＳＳ量を算出し、被処理水のＳＳ濃度をＳＳaに保持するためにラインＣを介して補給する必要がある洗浄水量Ｆｃを算出する手段と、
ラインＣの流量を制御して所要のＳＳをろ過床に返送する手段と、を含んで構成されていることを特徴とする請求項８記載の生物膜ろ過システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種排水にかかる生物膜ろ過方法および生物膜ろ過システムに関する。詳しくは、下水やし尿の二次処理水、産業廃水、廃棄物埋立地浸出水、河川水等、懸濁物質（ＳＳ：主に有機性汚泥）やＮＯｘ−Ｎ（ＮＯｘ態窒素を示す：以下、窒素成分ともいう）などを含む汚染水を原水として、ろ過砂、セラミック粒等のろ材を微生物の担体として兼用する膜ろ過器を用い、ＳＳのろ過と窒素成分の分解とを同時に実施して、原水中のＳＳおよび窒素成分を除去する生物膜ろ過方法、および生物膜ろ過システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
生物膜ろ過には、散水ろ床膜ろ過に代表される間けつ逆洗式の固定ろ材を生物支持体に利用する固定ろ床式膜ろ過法、および上向流移動床式膜ろ過に代表される、ろ材の連続洗浄機構をもった移動床膜ろ過器のろ材を生物支持体に利用する移動床式膜ろ過法がある。
【０００３】
固定床式生物膜ろ過法は、固定ろ過床を用いて原水中のＳＳをろ過、分離すると同時に、硝酸態窒素や亜硝酸態窒素をろ材表面に生成させた微生物膜により生物学的に脱窒（分解、除去）する。原水量に対して使用するろ材量が多い。生物体内で脱窒に必要な有機物（水素供与体）としてメタノール等を添加し高い窒素除去率（脱窒率）が得られる反面、操作環境や原水含有成分の変動などによって生物膜が過剰に生成し、ろ過床が閉塞してろ過速度の低下を招き、頻繁な逆洗が必要になる場合がある。
【０００４】
一方、移動床式膜ろ過法では、ろ材を連続洗浄するので生物膜によるろ過床閉塞の心配がない利点があるが、ろ材を連続洗浄するため、強度上、生物保持量の多いろ材使用することが難しく、生物膜の保持量に限度があって脱窒率が低下しやすい。
【０００５】
前記問題を解決するため、生物膜や有機物を含むろ材の洗浄排水をろ過床に循環し、不足する生物膜を補充するなどの試みがなされるようになった。たとえば、特開２０００−０７０９９０号公報には、移動床式膜ろ過装置において、洗浄排水の一部をろ床に循環することにより、ろ床の生物膜量を増大する方法が提案されるなど、逐次に改良が加えられてきている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＳＳろ過と脱窒とを安定して両立させるという基本的な課題は解決されていない。洗浄排水の循環によって生物膜やその生成量が増え、ろ過器内の生物膜量が多くなれば排水の脱窒は促進されるが、生物膜が過剰になると被処理水側のＳＳになって実質的にろ過能力を低下させ、逆に生物膜量が減少すればＳＳのろ過に問題はなくなるが脱窒能が低下することに変わりない。依然として、原水の汚染物質濃度や処理量が変動すれば、ろ過能力と脱窒能力とがバランスを失って不必要に処理量を制限したり、水素供与体として添加するメタノール等が過剰になって処理コストに影響を及ぼすことになる。すなわち、ＳＳと脱窒とを両立させるという同時処理特有の課題が残っている。本発明は、生物膜ろ過方法および生物膜ろ過システムにおいて、ＳＳろ過および脱窒を高能率にして安定させ、両立させることを課題に研究の結果、完成されたのである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明について図面を参照して説明する。まず、本発明は、原水を生物膜ろ過器に送入して原水中に含まれるＳＳをろ過し、同時に微生物の作用によりＮＯＸ態窒素（ＮＯＸ−Ｎ）を脱窒する生物膜ろ過方法において、生物膜ろ過器から排出されるろ過床の洗浄排水を分割し、一部は洗浄排水に含まれるＳＳを水溶化し水溶性有機物としてろ過床に添加し、他の一部は洗浄排水に含まれるＳＳをろ過床に返送するために、それぞれの所要量を生物膜ろ過器に循環することを特徴とする生物膜ろ過方法を提供する。
【０００８】
ろ過床に添加する水溶性有機物は、たとえば原水中に含まれる亜硝酸態窒素（（ＮＯ２−Ｎ）in）、硝酸態窒素（（ＮＯ３−Ｎ）in）、溶存酸素（ＤＯin）の濃度、及び原水の流量(Ｆin)を測定して脱窒に必要とされる水溶性有機物添加量を算出し、この値にもとづいて決めることができる。脱窒に要する水溶性有機物が足りない場合に備えて、好ましくは、補充有機物添加装置を設け、操業状態に応じてアルコール類もしくは有機酸類をろ過床に補充添加する。補充添加する水溶性有機物としてメタノールが好まく用いられる。
【０００９】
生物膜ろ過器に移動床式生物膜ろ過器を用いる場合には、膜ろ過器に送入する被処理水の連続ろ過を可能にする上限のＳＳ濃度ＳＳmax［ｇ／ｍ３］を被処理水量Ｆa［ｍ３／ｈｒ］の関数ｇ（Ｆa）として求め、被処理水のＳＳ濃度がＳＳmaxを超えないように、洗浄排水の循環量および／または原水供給量を調整して操業するとよい。生物膜ろ過器として、上向流移動床式生物膜砂ろ過器が適当である。
【００１０】
次に本発明は、生物膜ろ過器と、生物膜ろ過器に原水を含む被処理水を導入する被処理水導入ラインＡと、ＳＳの水溶化装置を取り付けて生物膜ろ過器から排出される洗浄排水の一部を導入し、ＳＳを水溶性有機物に水溶化して膜ろ過器に添加する有機物添加ラインＢと、ＳＳをろ過床に返送するために洗浄排水の一部を膜ろ過器に返送するＳＳ返送ラインＣと、添加する前記水溶性有機物の不足に備えて水溶性有機物をろ過床に補充添加する補充有機物添加装置と、を含んで構成されていることを特徴とする生物膜ろ過システムを提供する。
【００１１】
前記の生物膜ろ過システムにおいては、さらに、原水中の溶存酸素濃度ＤＯin、ＳＳ濃度（ＳＳin）、ＮＯｘ態窒素濃度（ＮＯｘ−Ｎ）in、および原水流量Ｆinの測定装置と、水溶化装置によってＳＳが水溶性有機物にされた後の、洗浄排水中のＳＳ濃度ＳＳｂ、水溶性有機物濃度Ｃｂ（例えば、ＢＯＤ、ＣＯＤ等を指標とすることができる）および流量Ｆｂの測定装置、ならびにラインＢの流量制御装置と、前記ラインＣを流れる逆洗排水のＳＳ濃度ＳＳｃおよび流量Ｆｃの測定装置ならびにラインＣの流量制御装置と、を含んで構成することが好ましい。
【００１２】
また、前記の生物膜ろ過システムにおいて、生物膜ろ過器に移動床膜ろ過器を用い、さらに、前記ＤＯin、ＳＳin、（ＮＯｘ−Ｎ）in及びＦinにもとづいて原水の脱窒に必要な量論的有機物量を求め、所要の水溶性有機物量を算出する手段と、ラインＢの流量（Ｆｂ）を制御して前記所要の水溶性有機物量をろ過床に添加する手段と、ラインＢからろ過床に供給する水溶性有機物量が前記所要の水溶性有機物量を充足できないときは、前記補充有機物添加装置から不足する水溶性有機物をろ過床に補充添加する手段と、膜ろ過器に送入する被処理水量Ｆaを求め、連続ろ過操作が可能な被処理水ＳＳの上限濃度ＳＳmaxをＦaの関数式（ＳＳmax＝ｇ（Ｆa））を用いて算出し、次式を用いて管理上設定した被処理水のＳＳ管理濃度（ＳＳa）に換算する手段と
ＳＳa＝α×ＳＳmax        但しα≦１
前記、ＳＳin及びＦinとＳＳb及びＦbとから、原水およびラインＢを介して膜ろ過器に流入するＳＳ量を算出し、被処理水のＳＳ濃度をＳＳaに保持するためにラインＣを介して補給する必要がある洗浄水量Ｆｃを算出する手段と、ラインＣの流量を制御して所要のＳＳをろ過床に返送する手段と、を含んで構成されていることを特徴とする生物膜ろ過システムが好ましく用いられる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、原水の汚濁状態に即応して、膜ろ過器が目的を達成するのに必要なろ過性能を維持し、かつ、ろ過床に適量の微生物栄養源（水素供与体）を添加し生物膜（ＳＳ）を返送するために、洗浄水を循環するものである。本発明について図面を参照し実施形態例をあげながら具体的に説明する。図１は、本発明をろ材を砂とする上向流移動床式生物膜砂膜ろ過器を用いた実施形態例を概略フローシートで示したものである。固定ろ床式生物膜ろ過においても移動床式ろ過に準じて本発明を実施することができる。
【００１４】
前記のフローシートについて簡単に説明する。下水やし尿の処理水など本発明の処理対象であるＳＳや窒素成分を含む原水は、原水供給管１から被処理水供給ラインＡを経て移動床式膜ろ過器、本例では本発明に好適な上向流移動床式生物膜砂ろ過器２に導入される。膜ろ過器２のろ過床３において、被処理水中に含まれるＳＳはろ過され、窒素成分は主にろ材に支持された微生物によって分解され、処理水として処理水導出管４から膜ろ過器２の外に導出される。膜ろ過器２にはエアリフト５が設けられ、空気導管６から吹き込まれる空気により底部のろ材やろ過されたＳＳは順次にエアリフト５中に入り、同伴する被処理水で洗浄されながら上昇し、この間、ろ材に付着した生物膜やＳＳはろ材から剥離、分離される。洗浄されたろ材はろ過床３の上部に循環され、ＳＳや生物膜は同伴水と共に洗浄排水として洗浄水導出管７から膜ろ過器２外に導出される。
【００１５】
本発明においては、前記洗浄排水を分割して、一部は、大部分が生物膜や有機汚泥であるＳＳを、脱窒に必要な微生物の栄養源として利用するために水溶化して有機物添加ラインＢを介して、他の一部は、ＳＳを生物膜として利用するためにＳＳ返送ラインＣを経て、それぞれ適量を膜ろ過器２の被処理水供給側に戻して循環させる。通常、余量は系外に排出する。
【００１６】
まず、窒素成分分解微生物の栄養源をろ過床に供給、添加する有機物添加ラインＢについて説明する。ラインＢには微生物が脱窒時の栄養源として、あるいは生物膜の生成に利用しやすいように、水溶化装置８を取り付けて洗浄排水中のＳＳを低分子化し易分解性の水溶性有機物にする。洗浄排水中に含まれる生物膜も水溶化されて栄養源となり再利用される。水溶化処理には、オゾン酸化、アルカリ処理、好熱菌等による酸素処理、ビーズミルによる破砕処理などを適宜に選択しあるいは組み合わせて利用することができる。水溶化されなかったＳＳは、ＳＳ成分として膜ろ過器に戻される。
【００１７】
本発明において膜ろ過器でろ過、脱窒処理する被処理水量Ｆaは、式（１）により示される。
【００１８】
Ｆa＝Ｆin＋Ｆb＋Ｆc・・・・・・・・・・・・・（１）
但し、  Ｆ：流量［ｍ３／ｈｒ］
添字  in：原水、                  a：被処理水
b：ラインＢ                c：ラインＣ
被処理水中のＮＯｘ−Ｎ［ｇ／ｍ３］およびＤＯ［ｇ／ｍ３］の測定値から脱窒に必要な有機物添加量を算出することができる。ラインＢおよびラインＣのＮＯｘ−Ｎ濃度は低いので、通常は無視してもよく、必要に応じて測定すれば足りる。水溶性有機物量は、適宜にＣＯＤ、ＢＯＤ、ＶＳＳなどの濃度を測定して指標にするとよい。ＢＯＤを指標とする場合、ラインＢから供給する水溶性有機物の添加量［ｇ／ｈｒ］は、量論的に式（２）で示される。現実の操業において添加する水溶性有機物量は、式（２）で求めたＢＯＤ［ｇ／ｈｒ］にもとづいて算出し、経験上、微生物が細胞を生成するのに要する分として数十％を上乗せしておくことが望ましい。
【００１９】
0003929800.tif 000002
被処理水のＮＯｘ−Ｎ濃度が上昇した場合には、ラインＢを流れるＳＳ量を増大して水溶性有機物とし供給する。なお、本実施形態例ではＦbおよびＣＯＤbを測定して水溶性有機物供給量を制御している。
【００２０】
後記のラインＣを介して膜ろ過器に返送するＳＳ量との関係上、洗浄水中のＳＳが足りなくなるなど、水溶性有機物量が不足する場合に備えて、被処理水供給側に補助有機物添加装置９を設けておくことが好ましい。初期の馴致期間を含め、不足量は補助有機物の添加で補うことができる。補助有機物は菌種に応じてアルコール類、有機酸類などの有機物質を用いるが、特別の問題がなければメタノールが好ましく用いられる。メタノールを使用する場合の必要添加量は式（６）により求めるとよい。補充したメタノールは、脱窒の炭素源として利用されるが、一部は細胞の合成に用いられ生物膜の増殖にも利用される。
【００２１】
0003929800.tif 000003
参考文献：McCarty, P., L., et al.：Proc. 24th Ind. Waste Conf.,
Purdue Univ., pp1271 (1961)
次に、ラインＣを介して膜ろ過器に返送し生物膜として利用するＳＳについて説明する。膜ろ過器により連続ろ過することが可能な被処理水中のＳＳ量には限度があって、その上限濃度ＳＳmaxは、被処理水量Ｆaを変数とする関数式ｇとして式（３）により示される。ｇは、使用する膜ろ過器の機種、ろ材量や吹込空気量、被処理水の性状等の操業条件などを勘案して経験的、試験的に求められる。
【００２２】
ＳＳmax［ｇ／ｍ３］＝ｇ（Ｆa）・・・・・・・・・・・・・（３）
膜ろ過器に供給される被処理水中のＳＳ濃度［ｇ／ｍ３］は、式（４）により示される。
【００２３】
ＳＳa=（Ｆin・ＳＳin＋Ｆb・ＳＳb＋Ｆc・ＳＳc）／Ｆa・・・（４）
被処理水のＳＳ濃度は、式（３）および式（４）をふまえ、次の式（５）の関係になるように決める。αは、操業管理のために設けた一種の安全係数であって、操業環境から経験的に決めることになる。しかし、通常、処理水のＢＯＤ濃度は低い方が好ましいので、もともと原水のＢＯＤ量が小さい場合は別として、αは十分な生物膜を保持するために可能な範囲で大きい方が望ましい。
【００２４】
ＳＳa＝α×ＳＳmax・・・・・但し、α≦１・・・・・・・（５）
すなわち、本発明においては、ＳＳのろ過に支障のない範囲内において、生物膜として再利用に必要なＳＳ量（ＳＳa・Ｆa）と、原水中に含まれるＳＳ量（Ｆin・ＳＳin）およびラインＢから返送されるＳＳ量（Ｆb・ＳＳb）との差、すなわち不足するＳＳを、ラインＣを介して循環、返送される洗浄水のＳＳ（Ｆc・ＳＳc）によって補充する。式（５）で示されるＳＳ濃度を超える場合には、原水の供給量Ｆinを減じればよい。
【００２５】
前記した測定や操作は、図１に例示した各ラインのＳＳ、ＢＯＤ、ＤＯ、ＮＯｘ−Ｎなどの濃度や流量を測定し、それらの測定値と前記した関係式等を用い、各ラインの流量および補助有機物添加装置の添加量をマイコンを用いて制御する。オンラインで実施することが好ましいが、前記の測定値にもとづいてオフラインで実施することもできる。
【００２６】
本発明は、脱窒負荷に比較してろ過床のろ過負荷が小さく逆洗回数が少なくて済む場合などにおいて、固定床膜ろ過器に対しても利用することができる。原水供給量と被処理水中のＳＳ濃度との関係を求めておいて、移動床膜ろ過装置に準じて逆洗排水を分割し、有機物添加ラインおよび生物膜循環ラインと好ましくは補助有機物添加装置を設ける。それぞれ調整、制御して原水と共に膜ろ過器に循環することによって、ＳＳのろ過と脱窒とがバランスよく進行し、逆洗回数を少なくして装置の浄化効率を高めることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明を利用することにより、ＳＳを含んだ洗浄排水を、脱窒作用を有する微生物が必要とする水溶性有機物（水素供与体）すなわち栄養源として、また、剥落するろ過床の生物膜の補充・保持のために、それぞれ別個に調整、制御されて膜ろ過器に循環、再利用される。その結果、ろ過性能を阻害することなく、必要にして十分な適量の水溶性有機物およびＳＳ（生物膜）をろ過床に添加し返送することができる。従来は一般的であった外部からの水溶性有機物の添加は、不要あるいは低減される。脱窒のために過剰な水溶性有機物を添加しないので、処理水のＢＯＤやＣＯＤを上昇させることはない。とくに、移床式膜ろ過器に利用すると効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態例を示す概略フローシート
【符号の説明】
Ａ：被処理水供給ライン        Ｂ：有機物添加ライン
Ｃ：生物膜返送ライン
１：原水供給管                ２：上向流移動床式生物膜砂ろ過器
３：ろ過床                    ４：処理水導出管
５：エアリフト                ６：空気導管
７：洗浄水導出管              ８：水溶化装置
９：補助有機物添加装置
【図１】
0003929800.tif 000004