(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
不溶化キトサンまたはポリビニルアルコールからなる支持体および前記支持体に捕捉される磁性スラッジに保持された微生物を用いる廃水処理装置であって、処理槽外部からの磁力の付加により、処理槽内部に、微生物を保持したスラッジベットが少なくとも２層以上形成されていることを特徴とする廃水処理装置。
【請求項２】
スラッジベットは、各々異なる微生物を保持していることを特徴とする請求項１の廃水処理装置。
【請求項３】
スラッジベットに保持される微生物は、脱窒菌およびメタン生成菌であることを特徴とする請求項１の廃水処理装置。
【請求項４】
処理槽の外部からの磁力の付加は、永久磁石または電磁コイルにより行われることを特徴とする請求項１から３のいずれかの廃水処理装置。
【請求項５】
永久磁石または電磁コイルは、処理槽外部の少なくとも２箇所以上に設置されることを特徴とする請求項４の廃水処理装置。
【請求項６】
廃水処理装置は、上向流嫌気リアクターまたは下降流嫌気リアクターであることを特徴とする請求項１から５のいずれかの廃水処理装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかの廃水処理装置の処理槽に廃水を通過させることを特徴とする廃水処理方法。
【請求項８】
請求項３の廃水処理装置を用い、一槽中で脱窒とメタン発酵とを同時に行うことを特徴とする廃水処理方法。
【請求項９】
磁力によりスラッジベットを振動または移動させることを特徴とする請求項７または８の廃水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、廃水処理に適した磁性スラッジおよびその製造方法並びにその利用による廃水処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
廃水処理の技術の一つとして上昇流・下降流嫌気性固定床リアクターが知られている。
しかしこの技術には、廃水中の浮遊物や増殖した微生物が固定床に閉塞して通水の圧力損失を引き起こしたり、廃水の通水の短絡化現象を引き起こすという欠点があった。また固定床に微生物担体を用いる場合、自身から発生するガス浮力によって担体が水面に浮上し、処理効率および装置の設計に悪影響を与えることになる。一方、上昇流スラッジブランケットリアクターは上記の諸問題を解決できる装置であると考えられている。しかしながら、実際には、この装置にはガス−汚泥分離装置が必須であり、反応器底部の均一分散流入システムの適正な設計が不可欠であることなど、装置設計上煩雑であるという問題がある。さらに、この装置内で形成されるグラニュール汚泥はその形成に３〜４ヶ月を要するなど、処理運転の立ち上げ期間の長さが大きな問題となっている。またこのグラニュール汚泥生成は微生物の付着・集塊機能を利用したものであって、蛋白質や脂質を含む廃水ではうまく機能しないことが報告されている。
【０００３】
これらの問題の解決には、微生物を多量に含むスラッジを短時間で作成しこれを生物膜として利用すること、さらにはこの生物膜の動作を制御することが有効であると考えられるが、これまでのところ、このような技術手段は提供されていないのが実情である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この出願の発明は、前記のとおりの従来の技術の問題点を解消し、廃水処理に適しているとともに、製造が簡便なスラッジを提供し、しかもこれを用いた生物膜の動作制御を容易とすることによって廃水処理効率を向上させることのできる方法を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、以下の廃水処理装置および廃水処理方法を提供する。
＜１＞不溶化キトサンまたはポリビニルアルコールからなる支持体および前記支持体に捕捉される磁性スラッジに保持された微生物を用いる廃水処理装置であって、処理槽外部からの磁力の付加により、処理槽内部に微生物を保持したスラッジベットが少なくとも２層以上形成されている廃水処理装置。
＜２＞スラッジベットは、各々異なる微生物を保持している前記第１の廃水処理装置。
＜３＞スラッジベットに保持される微生物は、脱窒菌およびメタン生成菌である前記第１の廃水処理装置。
＜４＞処理槽の外部からの磁力の付加は、永久磁石または電磁コイルにより行われる前記第１から第３の廃水処理装置。
＜５＞永久磁石または電磁コイルは、処理槽外部の少なくとも２箇所以上に設置される前記第４の廃水処理装置。
＜６＞廃水処理装置は、上向流嫌気リアクターまたは下降流嫌気リアクターである前記第１から第５の廃水処理装置。
＜７＞前記第１から第６の廃水処理装置の処理槽に廃水を通過させる廃水処理方法。
＜８＞前記第３の廃水処理装置を用い、一槽中で脱窒とメタン発酵とを同時に行う廃水処理方法。
＜９＞磁力によりスラッジベットを振動または移動させる前記第７または第８の廃水処理方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、以上のとおりの特徴を持つものであるが、次にその実施の形態について説明する。
まず、この出願の発明の磁性スラッジについては、適宜な支持体を用い、これに濃縮汚泥が支持され、かつ微生物が保持され、しかも磁性スラッジとして、磁界に対して敏感な反応（応答）性を有しているものとする。
【０００９】
このような磁性スラッジは、より具体的に例示説明すると、たとえば、酢酸−キトサン溶液中に超常磁性体と濃縮汚泥を懸濁し、キトサンの架橋反応を利用してこれらを固定したものとすることができる。キトサンは酢酸溶液中で溶解し、溶液に懸濁物がある場合これらを凝集沈殿させる作用がある。これに水酸化ナトリウムなどのアルカリ溶液を加えるとキトサンが不溶化し、超常磁性体と濃縮汚泥をしっかりと捕捉したスラッジが生成する。不溶化に要する反応時間は数分程度で十分であり、微生物に対する悪影響は非常に少ない。こうして生成したスラッジを十分水洗いし、永久磁石を用いて回収すると磁性スラッジが得られる。
【００１０】
ここで言う超常磁性体とは強磁性体に見られる特殊な磁性体であり、磁場に入れても残留磁化がなく、通常の磁性体に見られるように磁場から外した後もくっ付き合うということはない。この性質は廃水処理では好ましいものであり、その材質としてはマグネタイト、フェライトなどの酸化鉄の微粉末を挙げることができる。
【００１１】
磁性スラッジは廃水処理開始当初は内部に微生物を捕捉した形だが、不溶化したキトサンの表面は粗く多孔状であるので、ここに微生物が吸着増殖する。したがって、処理が進行するにつれてスラッジ表面にも生物膜が形成される。
支持体については上記のキトサン重合体に限られることはない。廃水処理用微生物に悪い影響を与えない、もしくはその影響の少ないものであればよい。たとえばポリビニルアルコール等も使用することができる。これらの重合体については、その表面が多孔質であることがより適当でもある。
【００１２】
上記の磁性スラッジの廃水処理への利用法として各種のものが考慮される。たとえば以下の二つを例示することができる。もちろん利用法はこれに限定されることはない。
第１の例は後述の実施例２でも用いているが、図１のように、磁性スラッジでスラッジヘッドを形成した上向流嫌気スラッジベットリアクターとしての利用である。スラッジベット内には、多量の微生物が磁性スラッジの内部および表面に保持され、有機物や硝酸態窒素を分解してガスを生成する。スラッジベットは磁気コイル等による外部からの磁界を受けてわずかに振動し、これによって生成ガスの放出が促進され、閉塞や短絡化も防止できることになる。第２の例は、図２のように、下降流嫌気スラッジベットリアクターである。装置外部からの磁界を利用して、分解成分の違う二種類のスラッジベットを形成する。上部では、硝酸態窒素が、下部では有機成分が消費される。これによって、微生物の分解成分の違いから二槽に分けられていた処理が、一槽で完了することになる。さらにまた、この発明においては、前記の磁性スラッジを河川水の処理に応用する例を示すこともできる。図３（Ａ）（Ｂ）の縦断図と平面面図に例示したように多孔性コンクリートに孔を開け、この中に、永久磁石を配置することによって磁性スラッジを保持する。穴上面のスクリーンの上を河川水が通水されるようにする。この構成は、図４のようにすることもできる。あるいは、河川での利用については、
図５（Ａ）（Ｂ）（縦断面図および側面図）、図６のようにしてもよい。
【００１３】
もちろん、さらに様々な態様が可能である。
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。
【００１４】
【実施例】
（実施例１）
製造例（超常磁性体を含有する廃水処理用磁性スラッジの製造）
希酢酸溶液５０〜１００ｍｌにキトサンを２００〜３００ｍｇ溶解する。ここへ１．５〜３．０ｇのマグネタイトと濃縮汚泥（固形分濃度約３％）１５〜３０ｇを混合して懸濁させる。マグネタイトと濃縮汚泥が凝集してきたらこれに水酸化ナトリウム溶液（１Ｎ）を５〜３０ｍｌ加えて激しく攪拌する。２〜３分間でキトサンが不溶化しマグネタイトと濃縮汚泥が捕捉される。これを多量の水で洗い、３０００ｒｐｍで１５分間遠心分離すると約１０ｇの磁性スラッジが得られる。図７に示すようにこの磁性スラッジを用いた半連続培養の脱窒反応実験では、硝酸態窒素負荷量１．８ｍｇ／ｇ磁性スラッジ／日、水理学的滞留時間１日の条件で培養三日目で除去率１００％を達成した。
（実施例２）
磁性スラッジベットを形成した上向流嫌気スラッジベットリアクターを図１のように構成する。スラッジベット内には、多量の微生物が磁性スラッジの内部および表面に保持され、有機物や硝酸態窒素を分解してガスを生成する。磁性スラッジには通常の処理に比べて多量の微生物が保持されていることから、処理効率が向上する。スラッジベッドへ装置外部から磁気コイル等を用いて磁界をかける。磁気コイルを二方向以上設置し、これに時間をずらして電流を流すことによって、定期的に磁界の方向をかえる。この操作によってスラッジベットが少しずつ移動することによって生成ガスの放出が促進され、閉塞や短絡化も防止できる。
（実施例３）
下降流嫌気スラッジベットリアクターを図２のように構成する。装置外部からの磁界を下降流嫌気スラッジベットリアクターである。装置外部からの磁界を利用して、分解成分の違う二種類のスラッジベットを形成する。上部の脱窒菌スラッジベットでは、脱窒菌により硝酸態窒素が下部のメタン生成菌スラッジベットでは、メタン生成菌により有機成分が消費される。上部では廃水中に含まれる炭素源を利用して脱窒菌が硝酸態窒素を消費するが、この時利用されなかった余分な炭素源は下部へ向かう。ここでは上部から流入した炭素源をメタン生成菌が分解する。この際、炭酸ガスとメタンガスが発生するが、これらは上方へ向かい一部は脱窒菌の炭素源として利用される。この操作によって、二槽に分けられていた処理が、一槽で完了することになる。なお磁性スラッジベットを移動させる方法は実施例２と同様である。
（実施例４）
磁性スラッジを多孔性コンクリートに開けた孔に保持し、河川・湖沼の水浄化に応用する。コンクリートに開けた孔の入口の側面にドーナツ状の永久磁石を図３（Ａ）（Ｂ）のように埋め込む。この磁力により磁性スラッジは孔の外にこぼれ出ない。入口には、夾雑物の進入を防ぐためにスクリーンを設ける。図４のように、このような孔を多数設けたコンクリートを河川・湖沼中に設置し、この中に入り込む汚水が磁性スラッジによって浄化される。磁性スラッジからこぼれだしたり、増殖して浮遊している微生物は、コンクリートの細孔に付着し処理効率の向上に役立つ。
（実施例５）
磁性スラッジを多孔性コンクリートに開けた孔に保持し、河川・湖沼の水浄化に応用する。コンクリートに開けた孔の入口・出口の側面にドーナツ状の永久磁石を図５（Ａ）（Ｂ）のように埋め込む。この磁力により磁性スラッジは孔の外にこぼれ出ない。入口・出口には、夾雑物の侵入を防ぐためにスクリーンを設ける。設置するコンクリートの方向を図６のように水の流れに対して平行にする。これによって汚水がより積極的に磁性スラッジに接することになる。
【００１５】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、廃水処理に適したこの発明の磁性スラッジにより、以下のような効果が得られる。
１．キトサン等の重合体の応用により、微生物を含む濃縮汚泥と超常磁性体を短時間で多量に捕捉することができる。
【００１６】
２．磁界を利用した磁性スラッジの保持により高濃度の微生物を装置内に確実に保持できる。
３．図１のように磁性スラッジを移動させることで、生成ガスの放出を促進し、閉塞、短絡化を防ぐことができる。
４．図２のように一槽内で、違い分解能を持つ微生物を同時に培養することが可能になる。
【００１７】
５．図３〜６のように河川・湖沼の水浄化の効率の向上が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例２を例示した縦断面図である。
【図２】実施例３を例示した縦断面図である。一槽内で、違う分解能を持つ微生物を同時に培養することを例示している。
【図３】（Ａ）（Ｂ）は、実施例４の縦断図と平面図である。河川への利用を例示している。
【図４】図３と同様の縦断面図である。
【図５】（Ａ）（Ｂ）は、実施例５の縦断面図と側面図である。河川への利用を例示している。
【図６】図５と同様の縦断面図である。
【図７】実施例１としての磁性スラッジによる脱窒作用を例示した図である。
【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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