(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
硝化菌固定化担体を流動状態に保持する好気槽の内部に、槽内液が好気槽から流出する流出部を上流側の領域と隔てる担体分離スクリーンを設け、担体分離スクリーンの上流側で分離面近傍位置に上下方向の第１仕切壁を水没して設け、第１仕切壁より上流側の区画を散気装置が備えられた曝気処理領域となし、第１仕切壁と担体分離スクリーンとの間の区画を担体分離スクリーンに沿った下向流路となし、第１仕切壁の下端に前記下向流路と前記曝気処理領域とを連通する開口を形成した窒素除去装置において、前記下向流路内に整流板を設置し、整流板が下向流路をその幅方向に沿って所定間隔に分割して流れを下方に案内することを特徴とする窒素除去装置。
【請求項２】
第１仕切壁の下流側に、槽内液が好気槽から流出する流出部を上流側の領域と隔てる第２仕切壁を上下方向に設け、第２仕切壁に開口する水面下の流出口を覆って前記担体分離スクリーンを設けたことを特徴とする請求項１記載の窒素除去装置。
【請求項３】
担体分離スクリーンの上方と第１仕切壁の上部の少なくとも一方に、第１仕切壁を越えた流れを斜め下方に案内するハンチを設けたことを特徴とする請求項１記載の窒素除去装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水や産業排水などの処理に用いる窒素除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、循環式硝化脱窒法では、汚水は始めに脱窒を行う無酸素槽、続いて硝化を行う好気槽へと流入し、好気槽から流出する処理水は、硝化循環液として無酸素槽へ循環・返送する一部を除いて最終沈殿池へ流出していく。無酸素槽ではＢＯＤ成分や窒素が脱窒反応により除去され、好気槽ではアンモニア性窒素を含むケルダール性窒素が硝酸ないし亜硝酸まで硝化される。このプロセスにおいては、浮遊活性汚泥により硝化および脱窒を行って窒素を除去することが一般的である。
【０００３】
また、循環式硝化脱窒法とは構成が異なるものの類似の原理を用いて窒素を除去する方式として、嫌気・無酸素・好気法、硝化−内生脱窒法、無酸素槽と好気槽とを複数段に設けた多段式循環法、ステップ流入式多段硝化脱窒法といったようなものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような、循環式硝化脱窒法、嫌気・無酸素・好気法、硝化−内生脱窒法、多段式循環法、あるいはステップ流入式多段硝化脱窒法の何れかによって構成する生物学的処理系では、生物反応槽全体の水理学的滞留時間に、流入汚水量ベースで１２〜１６時間も必要とする。そのため、一般に標準活性汚泥法により生物反応槽全体の滞留時間を６〜８時間として設計・運転している大中都市部の既設下水処理場では、新たな用地確保が困難であることから、上述の構成を採用することが困難であった。
【０００５】
こうした問題の解決のために、低水温時においても硝化脱窒速度を大幅に高めることを目的として、低水温時において硝化活性の低下する硝化菌を固定化担体に高濃度に固定化する固定化技術の適用が検討されている。しかし、上述した方式において、微生物を固定化した担体は一般に流動状態で使用するため、好気槽から系外へ流出しないように保持する必要がある。また、好気槽内での硝化菌固定化担体は、曝気により形成される流れに沿って流動する一方で、流入汚水が流入端から流出端に向かって流れていくため、流入端側よりむしろ流出端側において高濃度に存在し易いが、高い硝化反応効率を得るためには硝化菌固定化担体を好気槽内に均一に存在させる必要がある。
【０００６】
このため、本発明者らは先に、流出部の上流側に担体分離スクリーンを設け、担体分離スクリーンの分離面近傍位置に、下端に開口を有する仕切壁を設けて、仕切壁より上流側の区画を散気装置を備えた処理領域となし、この処理領域に上部で連通する仕切壁と担体分離スクリーンとの間の区画を担体分離スクリーンに沿った下向流路となすことにより、担体を槽内に保持するだけでなく、担体分離スクリーンの手前側に担体を堆積させることなく処理領域に戻すことを提案した。
【０００７】
その際に、分離面に付着しがちな担体を剥離して下降させる下向流の洗浄効果を発揮させるためには、下降流速が大きいことが望ましいが、下向流路内でも槽内液の流れは必ずしもすべて下向流になっているわけではなく、水平方向の流速成分も存在しており、このため、水平方向の流速成分をも極力、下向流として、下降流速を大きくすることが課題となっている。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するもので、担体分離スクリーンに沿って形成した下向流路内の水平方向流速成分を効果的に下向流に変えられる窒素除去装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明の請求項１記載の窒素除去装置は、硝化菌固定化担体を流動状態に保持する好気槽の内部に、槽内液が好気槽から流出する流出部を上流側の領域と隔てる担体分離スクリーンを設け、担体分離スクリーンの上流側で分離面近傍位置に上下方向の第１仕切壁を水没して設け、第１仕切壁より上流側の区画を散気装置が備えられた曝気処理領域となし、第１仕切壁と担体分離スクリーンとの間の区画を担体分離スクリーンに沿った下向流路となし、第１仕切壁の下端に前記下向流路と前記曝気処理領域とを連通する開口を形成した窒素除去装置において、前記下向流路内に整流板を設置し、整流板が下向流路をその幅方向に沿って所定間隔に分割して流れを下方に案内することを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の窒素除去装置は、請求項１記載の構成において、第１仕切壁の下流側に、槽内液が好気槽から流出する流出部を上流側の領域と隔てる第２仕切壁を上下方向に設け、第２仕切壁に開口する水面下の流出口を覆って前記担体分離スクリーンを設けたことを特徴とする。
請求項３記載の窒素除去装置は、請求項１記載の構成において、担体分離スクリーンの上方と第１仕切壁の上部の少なくとも一方に、第１仕切壁を越えた流れを徐々に下方に案内する斜め方向のハンチを設けたことを特徴とする。
【００１１】
上記した請求項１記載の構成によれば、被処理水は好気槽内に流入して槽内の活性汚泥混合液に混合され、好気槽内の活性汚泥混合液と硝化菌固定化担体とは、処理領域内で散気装置により空気などの酸素含有気体が供給される状態においてともに流動し、その間に、被処理水が硝化処理される。
【００１２】
このとき、第１仕切壁と担体分離スクリーンとの間の区画では曝気は行われないのに対して、曝気処理領域では酸素含有気体の曝気が行われるため、曝気に伴うエアリフト作用によって、曝気処理領域内の水位が第１仕切壁と担体分離スクリーンとの間の区画の水位より高まり、その結果、曝気処理領域内に上部で連通する第１仕切壁と担体分離スクリーンとの間の区画である下向流路内に下向流が生じる。
【００１３】
このため、曝気処理領域内の活性汚泥混合液と硝化菌固定化担体とは、第１仕切壁の上端を越えて下向流路内に流入し、担体分離スクリーンの分離面に沿って下降し、その間に活性汚泥混合液の一部は担体分離スクリーンを透過して流出部から好気槽の外部へ流出し、下向流路内の下部に達した活性汚泥混合液と硝化菌固定化担体とは、第１仕切壁の下部開口を経て曝気処理領域内に戻る。
【００１４】
なおこのとき、活性汚泥混合液の流れはＶｘ，Ｖｙ，Ｖｚの３速度成分（ここで、ｘは流入端から流出端に向かう流れ方向、ｙは流れ方向と直交する水平方向、ｚは流れ方向と直交する下向き方向、に相応する直交座標系のｘｙｚ軸方向を意味する）で表わされるが、下向流路内では、整流板によってＶｙからＶｚへの変換が効果的になされＶｚの極大化が図られるため、下降流速が大きくなり、担体掃流としての効果が大きくなる。
【００１５】
その結果、硝化菌固定化担体は、従来のように担体分離スクリーンの上部に堆積したり分離面に付着することはほとんどなく曝気処理領域内に戻され、槽内に確実にかつ均一に保持されるため、硝化効率が高まる。また硝化菌固定化担体による分離面の閉塞は防止され、活性汚泥混合液はスムーズにスクリーンを透過する。
【００１６】
請求項２記載の構成によれば、下向流路への流入部で、仕切壁によって、流れ方向に沿った水平方向への流れが抑制され、かつ整流板によって、流れ方向と直交する水平方向への流れが抑制されることで、上述した水平方向速度成分Ｖｘ，Ｖｙから下向方向速度成分Ｖｚへの変換がより効果的になされるため、分離面に沿った下降流速はより大きくなる。
【００１７】
請求項３記載の構成によれば、下向流路への流入部でさらに、ハンチによって、流れ方向に沿った水平方向への流れが抑制されることで、上述した水平方向速度成分Ｖｘから下向方向速度成分Ｖｚへの変換が効果的になされるため、下降流速が大きくなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１〜図３に示した第１実施形態における窒素除去装置には、無酸素槽１と好気槽２とが、上端が越流堰をなす仕切壁３と下部が開口した仕切壁４とを介して配されている。仕切壁３，４から離れた無酸素槽１の一端は被処理水５の流入部６をなしており、流入部６に対向する好気槽２の一端には処理水７の流出部８が形成されている。
【００１９】
無酸素槽１の内部には、浮遊活性汚泥を含んだ槽内液９を均一に攪拌混合する機械式攪拌機１０が設けられ、好気槽２の内部には、硝化菌固定化担体１１が投入されるとともに、空気などの酸素含有気体を噴出して、硝化菌固定化担体１１と槽内液１２とを均一に攪拌混合するディフューザタイプの散気装置１３が設けられている。
【００２０】
また好気槽２の内部には、担体分離スクリーン１４を上部に配した仕切壁１５が流出部８を囲んで水面より上方から底部まで上下方向に設けられ、この仕切壁１５の上流側に、下端に開口１６を有する上下方向の仕切壁１７が、担体分離スクリーン１４を囲んでコの字形にかつ水没して設けられていて、それにより、仕切壁１７より上流側の区画が曝気処理領域１８とされるとともに、仕切壁１５，１７間の区画が担体分離スクリーンに沿った下向流路１９とされている。
【００２１】
担体分離スクリーン１４に対応する下向流路１９内の上部には、複数枚の上下方向の整流板２０が、流れ方向（流入部６から流出部８に向かう方向）に沿ってその流路奥行幅Ｄだけ、かつ下向流路１９をその幅方向（流れ方向と直交する水平方向）に沿ってほぼ均等に分割する間隔Ｗで設置されている。
２１は、担体分離スクリーン１４を透過した好気槽処理水７の一部を無酸素槽１内の流入部６近傍位置に向けて循環返送する循環水路であり、２２は、好気槽２の後段の最終沈殿池（図示せず）で好気槽処理水７より分離された汚泥を無酸素槽１に返送する汚泥返送路である。
【００２２】
上記した構成によれば、被処理水５は流入部６より無酸素槽１内に流入し、攪拌機１０により槽内液９と均一に攪拌混合されて脱窒菌の作用で脱窒処理され、仕切壁３の近傍の槽内液９が仕切壁３，４の上方および下方を順次通って好気槽２の内部に流入する。
この槽内液９は曝気処理領域１８で槽内液１２と混合されるとともに、散気装置１３からの空気などの酸素含有気体で曝気されることにより、硝化菌固定化担体１１とともに流動して均一に攪拌混合され、硝化菌固定化担体５に担持された硝化菌あるいは曝気処理領域１８の槽内液１２中の硝化菌の作用で硝化処理される。
【００２３】
このとき、曝気に伴うエアリフト作用によって、曝気処理領域１８内の水位が仕切壁１５，１７間の水位より高まり、その結果、曝気処理領域１８内に上部および下部で連通する仕切壁１５，１７間の区画である下向流路１９内に下向流が生じる。
このため、曝気処理領域１８内の槽内液１２と硝化菌固定化担体１１とは、仕切壁１７の上端を越えて下向流路１９内に流入し、担体分離スクリーン１４の分離面に沿って下降し、その間に槽内液１２の一部が担体分離スクリーン１４を透過し、下向流路１９内の下部に達した槽内液１２と硝化菌固定化担体１１とは、仕切壁１７の下部の開口１６を経て曝気処理領域１８内に戻る。担体分離スクリーン１４を透過した槽内液１２の一部は循環水路２１を通じて無酸素槽１に循環返送され、残りは処理水７として流出部８より槽外へ流出して最終沈殿池へ送られる。
【００２４】
なおこのとき、被処理水８の流入量が時間帯や天候（降雨時と晴天時）によって大きく変動し、水位が大きく変動することがあっても、担体分離スクリーン１４が水面上から水面下にわたって設置されているので、水位の変動とともに担体分離スクリーン１４の水没面積が変動し、スクリーン単位面積当たりの透過処理水量が概ね一定になるため、偏流が生じることはなく、硝化菌固定化担体１１の堆積や付着による閉塞は生じにくい。
【００２５】
しかも、仕切壁１７の上端を越えて下向流路１９内に流入した槽内液１２は、整流板２０によって、流れ方向と直交する水平方向への流れが抑制され、下向きに案内されることで、水平方向速度成分から下向方向速度成分への変換が効果的になされるため、下降流速が大きくなり、担体掃流としての効果が大きくなる。
その結果、硝化菌固定化担体１１は、担体分離スクリーン１４の上部に堆積したり分離面に付着することはほとんどなく曝気処理領域１８内に戻されるため、好気槽２内に硝化菌固定化担体１１が確実にかつ均一に保持されることになり、硝化効率が高まる。また硝化菌固定化担体１１の堆積や付着がないために、槽内液１２が一様にスムーズにスクリーンを透過することになり、処理量が増大する。
【００２６】
なお、整流板２０を、Ｗ／Ｄが０．５〜１０程度、望ましくは１〜３程度になるように設置すれば、下向流路１９ないしその流入口付近での水平方向流速成分が効果的に下向流速成分に変換されるように整流されるので、下向流の担体分離スクリーンの洗浄効果の極大化を図ることができる。
また、下向流路１９の流入口付近の水平方向流速成分をより効果的に下向方向流速成分に変換するためには、整流板２０を、上述したように上端が水面より上方に位置するように設置するのが望ましい。整流板２０の下端の位置には特に限定はないが、担体分離スクリーン１４の下端ないしそれより下方まで設置するのが望ましい。
【００２７】
ここで、仕切壁１５の下部を図示したように仕切壁１７寄りに傾斜させれば、硝化菌固定化担体１１がスムーズに曝気処理領域１８内に戻るので望ましい。なお上部に担体分離スクリーン１４を配した仕切壁１５に代えて、水面より上方から底部にわたって全体に担体分離スクリーンを設けてもよい。
また、仕切壁１５（または担体分離スクリーン）と流出部８との間の槽内底部に別途の散気装置を設置することで、浮遊活性汚泥の堆積を防止するようにしてもよい。
【００２８】
図４は第２実施形態における窒素除去装置の好気槽流出部を示し、この好気槽流出部は上記した第１実施形態のものとほぼ同様の構成を有している。
ただし、流出部８を囲んで水面より上方から底部まで上下方向に設けられた仕切壁１５には、水面下に相応する位置に流出口２３が開口していて、この流出口２３を覆って担体分離スクリーン１４が設けられている。そして、仕切壁１５の上端から担体分離スクリーン１４の下端に相応する下向流路１９内の上部に、上記したのと同様の複数枚の整流板２０が設置されている。
【００２９】
このような構成によれば、水位の変動によってスクリーン単位面積当たりの処理水量が増減し、それがスクリーン閉塞を招く因子となる恐れがあるが、一方で槽内液１２が下向流路１９への流入部において、仕切壁１５によって、流れ方向に沿った水平方向への流れが抑制され、かつ整流板２０によって、流れ方向と直交する水平方向への流れが抑制されることで、水平方向速度成分から下向方向速度成分への変換が効果的になされ、下降流速が大きくなって、担体掃流としての効果が大きくなるため、硝化菌固定化担体が水面近傍に堆積したり分離面に付着することはほとんどない。
【００３０】
図５は第３実施形態における窒素除去装置の好気槽流出部を示し、この好気槽流出部は上記した第２実施形態のものとほぼ同様の構成を有していて、仕切壁１５の途中に形成した流出口２３を覆って担体分離スクリーン１４が設けられている。
ただし、仕切壁１５に、担体分離スクリーン１４より上方位置から水面上にわたる斜め方向の平板状ハンチ２４が取り付けられている。そして、ハンチ２４の下端から担体分離スクリーン１４の下端に相応する下向流路１９内の上部に、上記したのと同様の複数枚の整流板２０が設置されている。
【００３１】
このような構成によれば、槽内液１２は、下向流路１９への流入部において、整流板２０によって、流れ方向と直交する水平方向への流れが抑制され、かつハンチ２４によって、流れ方向に沿った水平方向への流れが抑制されるとともに下方へ案内されることで、水平方向速度成分から下向方向速度成分への変換が効果的になされ、下降流速が大きくなる。平板状ハンチに代えて、上向きに湾曲した円弧状断面を持つハンチを斜め方向に設けても同様の効果が得られる。
【００３２】
図６は第４実施形態における窒素除去装置の好気槽流出部を示し、この好気槽流出部は上記した第３実施形態のものとほぼ同様の構成を有しているが、仕切壁１７の上部にさらに、上流側に傾斜したハンチ２６が設けられている。
このような構成によれば、ハンチ２４による下向流路への流入口の面積の縮小を解消できるだけでなく、その流入口部分で、槽内液１２をハンチ２６に沿って斜め下向きに案内することができ、水平方向速度成分から下向方向速度成分への変換をより効果的に行えるため、下降流速が大きくなる。
【００３３】
なお、上述した第３実施形態および第４実施形態の窒素除去装置では、ハンチ２４の下端から担体分離スクリーン１４の下端まで矩形の整流板２０を設置したが、整流板２０の位置や形状は変更可能であり、たとえばハンチ２４の下面に沿った斜め向きの端面を持った整流板も設置可能である。
図７は第５実施形態における窒素除去装置の好気槽流出部を示し、この好気槽流出部は上記した第１実施形態のものとほぼ同様の構成を有しているが、担体分離スクリーン１４を洗浄する洗浄手段２７を備えている。洗浄手段２７は給水配管２８と複数のノズル２９とを有していて、ノズル口が担体分離スクリーン１４の透過側に対向するように設けられている。
【００３４】
このような構成によれば、万が一、担体分離スクリーン１４に硝化菌固定化担体１１が付着した場合も、ノズル口より担体分離スクリーン１４に向けて水を噴出することによって剥離できる。洗浄手段２７はノズル口が担体分離スクリーン１４の分離面側に対向するように設けてもよい。
図８に示した第６実施形態の窒素除去装置は、上述した第１実施形態のものと同様の構成を有しているが、好気槽２内に、ディフューザタイプの散気装置に代えて、水中攪拌式曝気装置３０が設けられている。硝化菌固定化担体１１は、硝化菌固定化能力に優れ、かつ耐久性、流動性に優れるものなら何れの素材の担体でもよいが、望ましくはＰＶＦ（ポリビニルフォルマール）を素材とする担体とする。（他の実施形態でもＰＶＦ担体の使用が望ましい。）
このような窒素除去装置によれば、第１実施形態のものと同様の作用効果が得られるだけでなく、水中攪拌式曝気装置３０によって硝化菌固定化担体１１をより効率よく流動させることができ、しかも、硝化菌固定化担体１１は水中攪拌式曝気装置３０によっても摩耗することなく硝化菌を高濃度に担持するため、槽内に高濃度の硝化菌を保持でき、硝化効率は高い。
【００３５】
図９に示した第７実施形態の窒素除去装置は、上述した第６実施形態のものと同様の構成を有しているが、無酸素槽１および好気槽２は水深５〜１０ｍ程度ないしそれ以上の深層反応槽として構成されている。そして、無酸素槽１内および好気槽２内の水深５ｍ程度の位置にそれぞれ、機械式攪拌機１０および水中攪拌式曝気装置３０が設置されている。機械式攪拌機１０および水中攪拌式曝気装置３０の下部には、吸込口（図示せず）を囲むドラフトチューブ３１が設けられている。
【００３６】
このような構成によれば、ドラフトチューブ３１の存在によって、機械式攪拌機１０および水中攪拌式曝気装置３０によってそれぞれ、攪拌または曝気攪拌することができ、同様の作用効果が得られる。このとき水中攪拌式曝気装置３０に給気するブロワなどの給気手段としては、通常水深の反応槽に使用される散気水深５ｍ程度の水中攪拌式曝気装置用のものを使用できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１記載の窒素除去装置によれば、硝化菌固定化担体を流動状態に保持する好気槽の内部に、好気槽処理水流出部を囲んで担体分離スクリーンを設け、担体分離スクリーンの上流側に下向流路を形成し、下向流路内の少なくとも上部に上下方向の整流板を設置したことにより、下向流路への流入部で、整流板によって水平方向速度成分を下向方向速度成分へ変換することができ、それによる下降流速の増大によって、担体掃流としての効果を高めることができる。その結果、好気槽内部の処理領域に硝化菌固定化担体を確実にかつ均一に保持することができ、硝化効率を高められるとともに、槽内処理水のスムーズなスクリーン透過を図ることができ、処理水量を増大できる。
【００３８】
請求項２記載の窒素除去装置によれば、担体分離スクリーンを仕切壁の途中に水没して設けたことにより、下向流路への流入部で仕切壁上部によっても水平方向速度成分を下向方向速度成分へ変換することができ、それによる下降流速の増大によって、担体掃流としての効果をより大きくできる。
請求項３記載の窒素除去装置によれば、第１仕切壁を越えた流れを斜め下方に案内するハンチを設けたことにより、下向流路への流入部でハンチによっても水平方向速度成分を下向方向速度成分へ変換することができ、それによる下降流速の増大によって、担体掃流としての効果をより大きくできる。
【００３９】
請求項４記載の窒素除去装置によれば、担体分離スクリーンにノズル口が対向する水洗浄手段を設けたことにより、万が一、分離面に硝化菌固定化担体が付着した場合も剥離できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における窒素除去装置の全体構成を示した縦断面図である。
【図２】図１に示した窒素除去装置の好気槽流出部であって、担体分離スクリーンを上部に設けた状態を示した平面図である。
【図３】同好気槽流出部を示した縦断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態における窒素除去装置の好気槽流出部であって、担体分離スクリーンを水没して設けた状態を示した縦断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態における窒素除去装置の好気槽流出部であって、担体分離スクリーンの上方にハンチを設けた状態を示した縦断面図である。
【図６】本発明の第４実施形態における窒素除去装置の好気槽流出部であって、担体分離スクリーンに対向する仕切壁の上部にハンチを設けた状態を示した縦断面図である。
【図７】本発明の第５実施形態における窒素除去装置の好気槽流出部であって、担体分離スクリーンの近傍に洗浄手段を設けた状態を示した縦断面図である。
【図８】本発明の第６実施形態における窒素除去装置の全体構成を示した縦断面図である。
【図９】本発明の第７実施形態における窒素除去装置の全体構成を示した縦断面図である。
【符号の説明】
２    好気槽
８    流出部
11    硝化菌固定化担体
13    散気装置
14    担体分離スクリーン
15    仕切壁
16    開口
17    仕切壁
18    曝気処理領域
19    下向流路
20    整流板
23    流出口
24,26 ハンチ
27    洗浄手段
29    ノズル
【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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【図９】
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