(57)【要約】      （修正有）【課題】排水を好気的に生物処理する多段型装置の曝気運転における過剰な曝気減少させ、電力費用の削減を実現できる多段型生物処理装置の提供。【解決手段】排水イを好気的に生物処理する複数の処理槽Ａを連続的に多段に配置し、処理槽Ａは、繊維状生物担持体ａ及び処理槽Ａへの空気ハの供給及び処理槽Ａ中の水流を作るための気泡を発生する散気管ｂを含む多段型生物処理装置であって、処理槽Ａは、散気管ｂからの気泡の発生量を制御する風量制御手段を有する、多段型生物処理装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排水を好気的に生物処理する複数の処理槽（Ａ）を連続的に多段に配置し、処理槽（Ａ）は、繊維状生物担持体（ａ）および処理槽（Ａ）への空気の供給および処理槽（Ａ）中の水流を作るための気泡を発生する散気管（ｂ）を含む多段型生物処理装置であって、処理槽（Ａ）は、散気管（ｂ）からの気泡の発生量を制御する風量制御手段（ｃ）を有することを特徴とする、前記多段型生物処理装置。
【請求項２】
風量制御手段（ｃ）は、散気管（ｂ）へ空気を供給量する送風手段（ｄ）の送風量を制御する手段である請求項１記載の多段型生物処理装置。
【請求項３】
風量制御手段（ｃ）が、処理槽の各段におけるＢＯＤ除去に必要な各理論酸素量（ＯＤ１）、内生呼吸に必要な各理論酸素量（ＯＤ２）および硝化反応に必要な各理論酸素量に必要な各理論酸素量（ＯＤ３）の合計に基づいて、送風手段（ｄ）の送風量を制御する手段である、請求項２記載の多段型生物処理装置。
【請求項４】
各処理槽におけるＢＯＤ除去に必要な理論酸素量（ＯＤ１）が、各処理槽における流入ＢＯＤと流出ＢＯＤの差分に対する流入水量および除去ＢＯＤあたりの必要酸素量（＝０．６ｋｇ−Ｏ２／ｋｇ−ＢＯＤ）の積算値に基づいて決定される、請求項３記載の多段型生物処理装置。
【請求項５】
該処理槽の各段における内生呼吸に必要な理論酸素量（ＯＤ２）が、単位ＭＬＶＳＳ当りの内生呼吸による酸素消費量（＝０．１ｋｇ−０２／ｋｇ−ＭＬＶＳＳ・ｄａｙ）と水理学的滞留時間ＨＲＴ、流入水量Ｑｉｎ、活性汚泥中の有機物量ＭＬＶＳＳの積算値に基づいて決定される、請求項３記載の多段型生物処理装置。
【請求項６】
該処理槽の各段における硝化反応に必要な理論酸素量（ＯＤ３）が、硝化反応に伴い消費される酸素量と硝化された窒素量の積算値に基づいて決定される、請求項３記載の多段型生物処理装置。
【請求項７】
複数の処理槽（Ａ）を連続的に多段に配置し、処理槽（Ａ）は、繊維状生物担持体（ａ）および処理槽（Ａ）への空気の供給および処理槽（Ａ）中の水流を作るための気泡を発生する散気管（ｂ）を含む多段型生物処理装置を用いて排水を好気的に生物処理する方法であって、各処理槽（Ａ）へ供給する空気の量を、各処理槽（Ａ）毎に必要な理論酸素量に基づいて制御することを特徴とする、排水の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機排水などを生物処理する多段型生物処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排水処理技術の主流である標準活性汚泥法 などの好気性生物処理法では、良好な処理水質が得られる反面、大量の余剰汚泥が発生するので、運転管理費が高くなる（非特許文献１）。排水処理装置において汚泥処理に使用されるエネルギーの割合は、送風動力などの水処理に使用されるエネルギーに次いで高い。また、汚泥処分費の運転管理費に占める割合も高く（非特許文献２）、発生汚泥量削減の意義は大きい。
活性汚泥法で発生する汚泥の減量化は脱水や乾燥、焼却により行われるが、その設備償却、維持管理、あるいは処分委託に多額の費用がかかる。特に中小規模の排水処理施設ほど汚泥処理費が割高になることから、汚泥発生量の削減は急務の課題となっている。そのような中で、食物連鎖を活用した多段型生物処理 は、その汚泥削減能力の高さと設備償却費、運転管理費の安さから、特に小規模分散型の排水処理装置として優位性を示している。
多段型生物処理装置は、生物処理槽を例えば８段、１２段と多段に区切り、処理槽内の各段に繊維織物を生物担持担体として配置し、散気管により曝気することで好気的処理を行い、排水流入口から出口に向かって、細菌叢、原生生物叢、後生生物叢を形成させることにより、食物連鎖環境を形成し、有機物の消化を促進し、汚泥発生を抑えることが出来る（特許文献１、２）。
しかしながら、この種の多段型生物処理装置の曝気運転管理は、必要とされる通気量は各段により異なるにも関わらず、数段ごとにまとめて、経験的に通気量調節するのみであった。各段では段階的に有機物成分が減少するため、浄化に必要な通気量は後段になるほど少なくなる。このため各処理槽内では過曝気状態となり、余分な電力費用が必要となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，５２０，９８０号明細書
【特許文献２】米国特許第７，７３１，８５２号明細書
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｇｒａｙ  ＮＦ．  （１９８９）  Ｂｉｏｌｏｇｙ  ｏｆ  ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．  ＵＫ：  Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ
【非特許文献２】Ｘｉｎｇ  Ｃ．Ｈ．；  Ｗｕ  Ｗ．Ｚ．；  Ｑｉａｎ  Ｙ．；  Ｔａｒｄｉｅｕ  Ｅ．  （２００３）  Ｅｘｃｅｓｓ  ｓｌｕｄｇｅ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ：  Ａ  Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ．  Ｊ  Ｅｎｖｉｒｏｎ．  Ｅｎｇ．，  １２９，  ２９１−２９７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、排水を好気的に生物処理する多段型生物処理装置の曝気運転における過剰な曝気減少させ、電力費用の削減を実現できる多段型生物処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決する手段として、下記の多段型生物処理装置および該装置を用いた排水処理方法を見出した。
１．  排水を好気的に生物処理する複数の処理槽（Ａ）を連続的に多段に配置し、処理槽（Ａ）は、繊維状生物担持体（ａ）および処理槽（Ａ）への空気の供給および処理槽（Ａ）中の水流を作るための気泡を発生する散気管（ｂ）を含む多段型生物処理装置であって、処理槽（Ａ）は、散気管（ｂ）からの気泡の発生量を制御する風量制御手段（ｃ）を有することを特徴とする、前記多段型生物処理装置。
２．  風量制御手段（ｃ）は、散気管（ｂ）へ空気を供給量する送風手段（ｄ）の送風量を制御する手段である上記１記載の多段型生物処理装置。
３．  風量制御手段（ｃ）が、処理槽の各段におけるＢＯＤ（生物化学的酸素要求量）除去に必要な各理論酸素量（ＯＤ１）、内生呼吸に必要な各理論酸素量（ＯＤ２）および硝化反応に必要な各理論酸素量に必要な各理論酸素量（ＯＤ３）の合計に基づいて、送風手段（ｄ）の送風量を制御する手段である、上記２記載の多段型生物処理装置。
４．  各処理槽におけるＢＯＤ除去に必要な理論酸素量（ＯＤ１）が、各処理槽における流入ＢＯＤと流出ＢＯＤの差分に対する流入水量および除去ＢＯＤあたりの必要酸素量（＝０．６ｋｇ−Ｏ２／ｋｇ−ＢＯＤ）の積算値に基づいて決定される、上記３記載の多段型生物処理装置。
５．  該処理槽の各段における内生呼吸に必要な理論酸素量（ＯＤ２）が、単位ＭＬＶＳＳ当りの内生呼吸による酸素消費量（＝０．１ｋｇ−０２／ｋｇ−ＭＬＶＳＳ・ｄａｙ）と水理学的滞留時間ＨＲＴ、流入水量Ｑｉｎ、活性汚泥中の有機物量ＭＬＶＳＳの積算値に基づいて決定される、上記３記載の多段型生物処理装置。
６．  該処理槽の各段における硝化反応に必要な理論酸素量（ＯＤ３）が、硝化反応に伴い消費される酸素量と硝化された窒素量の積算値に基づいて決定される、上記３記載の多段型生物処理装置。
７．  複数の処理槽（Ａ）を連続的に多段に配置し、処理槽（Ａ）は、繊維状生物担持体（ａ）および処理槽（Ａ）への空気の供給および処理槽（Ａ）中の水流を作るための気泡を発生する散気管（ｂ）を含む多段型生物処理装置を用いて排水を好気的に生物処理する方法であって、各処理槽（Ａ）へ供給する空気の量を、各処理槽（Ａ）毎に必要な理論酸素量に基づいて制御することを特徴とする、排水の処理方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の多段型生物処理装置および排水処理方法によれば、２槽以上の多段に構成した生物処理槽において、各段毎に必要最小限の通気量を調節することができ、過剰曝気を防ぎ、省エネを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】多段型生物処理装置の概略図
【図２】排水処理の概略フロー図
【図３】通常管理風量および理論風量の各段の必要通気量比較
【図４】曝気停止後のＤＯ減少挙動
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜排水＞
本発明の多段型生物処理装置に適用可能な排水は、生物により分解が可能な有機物を含んだ排水であり、生活排水、食品工場排水、化学工場排水、製薬工場排水など多岐にわたる。
【００１０】
＜処理槽（Ａ）＞
本発明の多段型生物処理装置は、排水を好気的に生物処理する複数の処理槽（Ａ）を連続的に多段に配置した装置である。図１は、本発明の装置の模式図である。図１中、多段型生物処理装置は６個の処理槽（Ａ）に仕切られている。各処理槽（Ａ）連続的に配置され、原排水は第１処理槽から連続的に流れ第６処理槽の処理水の出口から排出される。
処理槽（Ａ）は、固定担体あるいは流動担体を使用した接触酸化槽であることが好ましい。処理槽（Ａ）は、コンクリート、プラスティック、金属製などの仕切り壁によって区切られた空間であることが好ましい。一つの多段型生物処理装置内に仕切り壁を入れることにより、第１槽、第２槽、第３槽へと処理槽（Ａ）を多段に構成することができる。
処理槽から次の処理槽への排水の流れは、常に一方向であり、仕切り壁の上側をオーバーフローするか、仕切り壁の下側で処理槽間を連通することで流れることになる。処理槽（Ａ）を２槽以上の多段に構成することにより、生物の優占種が前段から後段の槽に向かって微生物、原生生物、後生生物と変化し、多種多様な微生物により排水中の有機物は分解され除去される。食物連鎖を構成することで余剰汚泥が効率よく自己消化され、汚泥の減容化を図ることが出来る。
処理槽（Ａ）の数は、好ましくは４〜１６、より好ましくは６〜１４、さらに好ましくは８〜１２である。処理槽（Ａ）の容量は、設計段階の水量、原水ＢＯＤ濃度により決定される。
【００１１】
＜繊維状生物担持体（ａ）＞
処理槽（Ａ）中には、繊維状生物担持体（ａ）が設置されている。繊維状生物担持体（ａ）は、全ての処理槽（Ａ）中に配置することが好ましい。しかし、繊維状生物担持体（ａ）が設置さていない処理槽（Ａ）があっても良い。
繊維状生物担持体（ａ）は、繊維状の担体に、微生物が担持されたものである。
微生物は、汚泥が自然付着することにより担持される。微生物などの担持量は、原水の水量、ＢＯＤ濃度により可変するが、容積あたり、５００〜１５，０００ｍｇ／Ｌまで微生物などを担持できるものである。微生物として、微生物、原生生物、後生生物などが挙げられる。
処理槽内（Ａ）内に生物担持体を設置すると、微生物が高密度に生育し、かつ、微生物の食物連鎖が処理槽内に成立する。第１処理槽から最終の処理槽の方向へ、細菌類→原生生物類→後生生物類へと生物叢が遷移する。
本発明の多段型生物処理装置は、繊維状生物担持体（ａ）を用いるので、微生物が担体表面に固着し、処理槽（Ａ）外に流出することなく、槽内に固定されるので汚泥令が長くなる。汚泥令が長くなることにより、難分解性有機物への分解能力が上がるというメリットがある。また、担体表面に形成される微生物膜は、表面は好気菌で構成されるが、微生物膜の奥側は酸素濃度が低くなるため、通性嫌気菌が住みつき、通性嫌気菌と好気菌は相互に捕食しあうと考えられており、結果として、微生物膜内でも汚泥が減容するというメリットも発現 する。
【００１２】
＜散気管（ｂ）＞
処理槽（Ａ）中には、散気管（ｂ）が設置されている。散気管（ｂ）は、処理槽への空気の供給および該処理槽中の水流を作るための気泡を発生する手段である。散気管（ｂ）には、送気用の空気配管が接続し、処理槽内（Ａ）内に空気を送ることができる構造となっている。
散気管（ｂ）は好気性の微生物に空気を供給することを目的としており、できるだけ水への溶解効率を高めることが求められているが、同時に散気管の表面に微生物の繁殖による閉塞が起こらないことに配慮することも重要な要件となっている。散気管（ｂ）のタイプには酸素の溶存効率を優先させた微細散気管や微生物による耐閉塞性を優先させた粗気散気管など様々なタイプが使用可能である。
散気管（ｂ）は、全ての処理槽（Ａ）中に配置することが好ましいが、散気管（ｂ）がない処理槽（Ａ）があっても良い。
散気管（ｂ）の形状は、粗気泡方式、微細気泡方式であることが好ましい。散気管（ｂ）は、上部繊維状生物担持体（ａ）に均等に空気が流れるように配置する。
【００１３】
＜風量制御手段（ｃ）＞
風量制御手段（ｃ）は、散気管からの気泡の発生量を制御する手段である。風量制御手段（ｃ）として、バルブ制御、インバーター制御などが挙げられる。風量制御手段（ｃ）は、散気管（ｂ）へ空気を供給量する送風手段（ｄ）の送風量を制御する手段であることが好ましい。送風手段（ｄ）として、ブロワなどが挙げられる。
【００１４】
＜必要風量＞ 
風量制御手段（ｃ）は、下記式のように各段の生物処理槽中の排水からのＢＯＤ除去に必要な理論酸素量（ＯＤ１）、内生呼吸に必要な理論酸素量（ＯＤ２）、および硝化反応に必要な理論酸素量（ＯＤ３）の和（必要酸素量：ＡＯＲ）に基づいて送風量を制御することが好ましい。
ＡＯＲ＝ＯＤ１＋ＯＤ２＋ＯＤ３
この際、必要風量は次式で計算される。
必要風量＝ＳＯＲ／（ＥＡ・ρ・Ｏｗ）×（２７３＋Ｔ２）／２７３×（１／１４４０）×６０×２４
但し、ＳＯＲ：Ｔ１℃における清水状態での酸素供給量（ｋｇＯ２／ｄ）
ＥＡ：酸素移動効率（％）
ρ：空気密度・・・１．２９３ｋｇ−空気／Ｎｍ３
Ｏｗ：空気中酸素含有量・・・０．２３２ｋｇ−Ｏ２／ｋｇ−空気
【００１５】
なお、ＡＯＲとＳＯＲについては、次式が成立する。
ＡＯＲ／ＳＯＲ＝［１．０２４（Ｔ２−Ｔ１）×α×（β・Ｃｓ２・γ−Ｃ０）］／（Ｃｓ１・γ）×（Ｐ／１０１．３）
但し、ＡＯＲ：反応タンクにおけるＴ２℃での必要酸素量（ｋｇＯ２／ｄ）
Ｔ１：エアレーション装置性能の前提となる清水温度（℃）・・・２０℃とする
Ｔ２：混合液の水温・・・２０℃とする
Ｃｓ１：清水Ｔ１℃での飽和酸素濃度（ｍｇ／Ｌ）・・・１０１．３ｋＰａとする
Ｃｓ２：清水Ｔ２℃での飽和酸素濃度（ｍｇ／Ｌ）・・・１０１．３ｋＰａとする
Ｃ０：混合液のＤＯ濃度（ｍｇ／Ｌ）
α：総括酸素移動容量係数Ｋｌａの補正係数
β：飽和酸素濃度の補正係数
γ：散気水深による飽和酸素濃度の補正係数
γ＝０．５＋０．５×（１＋ｈ（散気水深ｍ）／１０．３３２）
Ｐ：処理場における大気圧（ｋＰａ）・・・１０１．３ｋＰａとする
【００１６】
＜ＢＯＤ除去に必要な理論酸素量（ＯＤ１）＞
処理槽における有機物除去に必要な理論酸素量（ＯＤ１）は、各処理槽における流入ＢＯＤと流出ＢＯＤの差分に対する流入水量および除去ＢＯＤあたりの必要酸素量（＝０．６ｋｇ−Ｏ２／ｋｇ−ＢＯＤ）の積算値に基づいて決定されることが好ましい。
ＯＤ１＝［（ＣＢＯＤｉｎ−ＣＢＯＤｅｆｆ）・Ｑｉｎ×０．００１−ΔＬｎ・Ｋ］・Ａ
但し、ＣＢＯＤｉｎ：流入水ＢＯＤ（ｍｇ／Ｌ）
ＣＢＯＤｅｆｆ：処理水ＢＯＤ（ｍｇ／Ｌ）
Ｑｉｎ：流入水量（ｍ３／ｄ）
ΔＬｎ：脱窒量（ｋｇＮ／ｄ）
Ｋ：脱窒により消費されるＢＯＤ量（ｋｇ−ＢＯＤ／ｋｇ−Ｎ）
Ａ：除去ＢＯＤ当たりに必要な酸素量（ｋｇ−Ｏ２／ｋｇ−ＢＯＤ）
【００１７】
＜内生呼吸に必要な理論酸素量（ＯＤ２）＞
処理槽の各段における内生呼吸に必要な理論酸素量は、単位ＭＬＶＳＳ当りの内生呼吸による酸素消費量（＝０．１ｋｇ−０２／ｋｇ−ＭＬＶＳＳ・ｄａｙ）と水理学的滞留時間ＨＲＴ、流入水量Ｑｉｎ、活性汚泥中の有機物量ＭＬＶＳＳの積算値に基づいて決定されることが好ましい。
ＯＤ２＝Ｂ・ＨＲＴ・Ｑｉｎ・ＭＬＶＳＳ
但し、Ｂ：単位ＭＬＶＳＳ当たりの内生呼吸による酸素消費量（ｋｇ−Ｏ２／ｋｇ−ＭＬＶＳＳ／ｄ）
ＲＴ：滞留時間（ｄ）
ＭＬＶＳＳ：活性汚泥中の有機物量（ｍｇ／Ｌ）
【００１８】
＜硝化反応に必要な理論酸素量（ＯＤ３）＞
また、生物処理槽の各段における硝化反応に必要な理論酸素量（ＯＤ３）は、硝化反応に伴い消費される酸素量Ｃと硝化された窒素量の積算値に基づいて決定されることが好ましい。
ＯＤ３＝Ｃ・硝化量
但し、Ｃ：硝化反応により伴い消費される酸素量：４．５７（ｋｇ−Ｏ２／ｋｇ−Ｎ）
硝化量：硝化された窒素量（ｋｇ−Ｎ／ｄ）
【実施例】
【００１９】
１２段の処理槽（Ａ）を有する多段型生物処理装置を用い、必要風量を、上記理論風量を実現するように各段で風量制御を行った場合と、前段、後段で風量を２／３に減少させる通常管理風量 の場合とを比較した。この際、通常管理風量では、生物処理槽の第１段から第６段の風量を２．１０ｍ３／分、第７段から第１２段の風量を第１段から第６段の２／３の１．４０ｍ３／分とした。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
表１、図３に示すように、各段の曝気風量を理論風量に制御することで、供給風量の３３．６％を削減することが出来る。汚泥削減効果については両者に差は無く、曝気風量を供給するのための消費エネルギーの削減を行うことが出来た。 
＜曝気停止後のＤＯ減少挙動（図４） ＞ 
本発明の多段型生物処理装置には、風量制御手段として、間欠的に気泡を発生させる制御手段を備える。多段の後段部位、特に９−１２段目についてはＢＯＤが低下し、生物膜 形成も少ない。理論風量で運転した場合であっても過曝気となる傾向があるため、間欠曝気で運転することも可能である。  通水および曝気停止後の各段の溶存酸素濃度ＤＯの推移を図４に示す。９段、１２段のＤＯは曝気停止後４５分経過後であってもＤＯが３ｍｇ／Ｌを維持している。空気の過剰供給をさけるためにＤＯが３．０−６．０ｍｇ／Ｌの範囲に収まるよう専用ブロワで間欠曝気することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の多段型生物処理装置に適用可能な排水は、生物により分解が可能な有機物を含んだ排水であり、生活排水、食品工場排水、化学工場排水、製薬工場排水など多岐にわたる。かかる広範な適用分野いずれにおいても、運転（曝気）に要する費用を削減できるため、本発明の利用価値は高い。
【符号の説明】
【００２３】
イ  原排水
ロ  処理水
ハ  空気
Ａ  処理槽
ａ  繊維状生物担持体
ｂ  散気管
ｄ  送風手段
１  沈砂池
２  流量調整槽
３  最初沈殿池
４  分流槽
５  多段型生物処理装置
６  最終沈殿池
７  減菌池
８  汚泥貯留槽
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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