JP5989437B2

JP5989437B2 - 水処理システムおよび水処理方法

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Publication number: JP5989437B2
Application number: JP2012164896A
Authority: JP
Inventors: 重浩鈴木; 公一郎甘道; 大和　信大; 大和　　信大
Original assignee: Metawater Co Ltd
Current assignee: Metawater Co Ltd
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2032-07-25
Also published as: JP2013046905A

Description

本発明は、有機性排水に対する水処理に適用して好適な水処理システムおよび水処理方法に関する。

従来、下水、返流水、工業排水、ごみ浸出水、し尿、農業廃水、畜産排水、および養殖排水などの有機性排水の水処理においては、有機性排水を最初沈殿池から反応槽を経由させて、さらに最終沈殿池に供給する下水処理設備が知られている（特許文献１参照）。

また、この最終沈殿池による活性汚泥の固液分離の代わりに、膜ろ過装置により活性汚泥の膜ろ過処理を行うという、いわゆる膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ法：Membrane Bioreactor process）を採用する方法も知られている（特許文献２参照）。

特開２０１１−０９２８３１号公報特開２００８−０８６８６３号公報

しかしながら、上述した特許文献２に記載された技術においては、原水が最初沈殿池から膜分離活性汚泥法における生物反応槽に導入されるため、生物反応槽に対する負荷が高くなっていた。そして、この負荷を低減するために、浮遊物質（ＳＳ：Suspended Solid）の濃度や生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ：Biochemical Oxygen Demand）の低減が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、生物処理における負荷を低減することができ、浮遊物質の濃度や生物化学的酸素要求量を低減することができる水処理システムおよび水処理方法を提供することにある。

上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る水処理システムは、流入する原水に対してろ過処理を行う、浮上ろ材が充填された高効率固液分離ろ過槽と、高効率固液分離ろ過槽を通過したろ過水に対して活性汚泥を用いた生物処理および膜ろ過処理を行う、膜分離活性汚泥手段とを有することを特徴とする。

本発明に係る水処理システムは、上記の発明において、膜分離活性汚泥手段は、生物処理を行う生物反応槽と膜ろ過処理を行う分離膜とを有し、分離膜が生物反応槽の外部に設けられていることを特徴とする。また、この場合において、好適には、分離膜はセラミックからなることを特徴とする。すなわち、膜分離活性汚泥手段は、いわゆる槽外設置型膜分離活性汚泥装置から構成される。

本発明に係る水処理システムは、上記の発明において、高効率固液分離ろ過槽におけるろ過水の流れ方向に沿って下流側、かつ膜分離活性汚泥手段の上流側が、高効率固液分離ろ過槽を通過したろ過水を分岐させて放流可能に構成されていることを特徴とする。

本発明に係る水処理方法は、原水を浮上ろ材が充填された高効率固液分離ろ過槽に通過させてろ過処理を行うステップと、ろ過処理が行われたろ過水に対して活性汚泥を用いた生物処理を行うステップと、生物処理後の処理水に対して膜ろ過処理を行うステップとを含むことを特徴とする。

本発明に係る水処理方法は、上記の発明において、ろ過処理が行われたろ過水が所定量を超過した場合に、ろ過水の流れ方向に沿って下流側で、生物処理を行う前に、超過したろ過水を分岐させて放流するステップを含むことを特徴とする。

本発明による水処理システムおよび水処理方法によれば、生物処理における負荷を低減することができ、浮遊物質の濃度や生物化学的酸素要求量を低減させることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態による処理システムを示すブロック図である。図２は、本発明の第１の実施形態による高効率固液分離ろ過槽を示す略線図である。図３は、本発明の第２の実施形態による処理システムを示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。

まず、本発明の第１の実施形態による水処理システムについて説明する。図１に、この第１の実施形態による合流式下水の水処理システムの全体構成を示す。

図１に示すように、この第１の実施形態による水処理システムは、下水などの流入水に含まれる土砂などの非腐敗性無機物質を除去する沈砂池１、高効率固液分離ろ過槽２、脱窒槽３ａと硝化槽３ｂとからなる生物反応槽３、および逆洗可能な分離膜を有する膜ろ過装置４を有している。また、生物反応槽３と膜ろ過装置４との間にポンプ５ａが設けられ、膜ろ過装置４の下流側にポンプ５ｂが設けられている。また、高効率固液分離ろ過槽２と並列に傾斜板沈殿池６などの簡易処理方法を行う手段が設けられており、この傾斜板沈殿池６には沈砂池１を通過して高効率固液分離ろ過槽２に流入しない流入水が導入される。ここで、この第１の実施形態による水処理システムにおいては、合流式下水処理場における設計水量（晴天時日最大流入水量）をＱとすると、流入水がｎＱ（ｎは正の数）までは沈砂池１を通過した流入水の全量を高効率固液分離ろ過槽２に導入する。一方、流入水がｎＱを越えて沈砂池１を通過した流入水の超過分は傾斜板沈殿池６に導入される。なお、ｎの値は処理場の設計に基づいて決定されるが、この第１の実施形態においては、ｎを３とするのが好ましい。

この第１の実施形態による水処理システムにおける高効率固液分離ろ過槽２の詳細を図２に示す。図２に示すように、高効率固液分離ろ過槽２は、分配槽１１と複数のろ過水槽１２とを備えている。複数のろ過水槽１２のそれぞれの内部には、それぞれ浮上ろ材１３が充填されたろ材充填層１４が設けられている。ここで、ろ材充填層１４の層厚は８００ｍｍ以下、好適には６００ｍｍとすることが好ましい。これにより、晴天時においてもろ材充填層１４を容易に逆洗することができる。また、ろ材充填層１４の上面には、浮上ろ材１３の流出を防止するためのスクリーン１５が設けられている。

ここで、この浮上ろ材１３のみかけ密度については、０．１未満であると望ましい圧縮強さを得ることができず、０．７を越えると水との比重差が小さくなって流出の可能性があるため、０．１〜０．７とするのが好ましい。また、浮上ろ材１３の５０％圧縮硬さについては、０．１ＭＰａ未満の軟質としてしまうと高速ろ過の際に圧密されてＳＳ捕捉能力が低下するため、０．１ＭＰａ以上とするのが好ましい。また、浮上ろ材１３の寸法は、４ｍｍ未満にすると相互間の間隙が小さくなって閉塞し易くなり、１０ｍｍより大きくするとＳＳ捕捉能力が低下してしまうため、４〜１０ｍｍとするのが好ましい。

なお、５０％圧縮硬さとは、ろ材粒子を形成するための高分子シートを、その高さが半分になるまで押し潰すために必要な圧力を意味するものである。５０％圧縮硬さやみかけ密度は、ＪＩＳＫ６７６７に規定されている方法で測定する。また、この浮上ろ材１３は、発泡ポリエチレン、発泡ポリスチレン、または発泡ポリプロピレンなどからなるが、この中でも、発泡度を制御された独立気泡型の発泡ポリエチレンは、耐熱性、耐薬品性、および耐候性に優れている。さらに、浮上ろ材１３の形状を筒形状や凹凸のある形状とすることにより、充填時に浮上ろ材１３の相互間に非直線的な間隙が形成され、ＳＳ捕捉効果を高めることができる。ここで凹凸のある形状とは、立方体、直方体、球体、および円柱のような単純形状ではなく、外表面に何らかの凹凸を備えた異形状を意味する。

高効率固液分離ろ過槽２は、互いにつながっている共通ろ過水層１６と、それぞれのろ過水槽１２において、それぞれ、下部に設けられた空気管１７および高速排水弁１８と、側部に設けられた各池流入配管１９とを有している。また、高効率固液分離ろ過槽２の高速排水弁１８の排水側には、排水を貯留する逆洗排水槽２０が設けられている。なお、これらのうちの空気管１７、高速排水弁１８および逆洗排水槽２０は、ろ材充填層１４の逆洗を行う際に用いられる。

図１に示すように、この第１の実施形態による生物反応槽３および膜ろ過装置４によって、槽外設置型の膜分離活性汚泥手段としての槽外型クロスフローＭＢＲ部が構成されている。この槽外型クロスフローＭＢＲ部における生物反応槽３は、活性汚泥に含まれる微生物の作用によって処理水に対して生物処理を行うものである。

すなわち、生物反応槽３の脱窒槽３ａは、攪拌機（図示せず）を備えた無酸素槽から構成され、この脱窒槽３ａにおいて脱窒菌などの嫌気性微生物の作用により流入水に対する脱窒処理が行われる。また、脱窒槽３ａの後段に設けられた硝化槽３ｂは、その内部に空気を散気させるブロアなどの散気装置（図示せず）を備えた好気槽から構成され、この硝化槽３ｂにおいて亜硝酸酸化菌などの好気性微生物の作用により流入水に対する硝化処理が行われる。

槽外型クロスフローＭＢＲ部における膜ろ過装置４は、生物反応槽３の後段に設けられ、生物反応槽３とは別体に設けられている。これによって、浸漬型の膜分離活性汚泥装置に比して維持管理が容易で省スペース化することができる。この膜ろ過装置４には、生物処理が行われた生物処理水をろ過する分離膜（図示せず）がケーシングに納められている。

この第１の実施形態による分離膜は、材質がセラミックであって円柱形状に構成された、いわゆるモノリス型セラミック膜である。また、この分離膜は例えば次亜塩素酸ナトリウムなどの薬液によって薬液洗浄可能に構成されている。

ここで、この第１の実施形態において、分離膜は、具体的には、円柱形状の長手方向に沿った長さが例えば１５００ｍｍ、長手方向に垂直な面に沿った円断面の径が例えば１８０ｍｍであり、膜孔径が例えば０．１μｍの精密ろ過膜（ＭＦ膜）である。また、この分離膜は、ケーシング（図示せず）に収納されて生物反応槽３の外部に設けられた膜ろ過装置４に設置される。なお、分離膜の薬液洗浄は、このケーシング内において実施可能である。

分離膜は、材質をセラミックとしていることにより、その機械的強度を高くすることができ、洗浄時に用いられる薬品に対する耐薬品性も高くしつつ、長寿命化を図ることができるという利点を有する。さらに、分離膜は、材質をセラミックとすることによって、膜破断の可能性を大幅に低減することができるので、ろ過された処理水の安全性を高くすることができ、塩素による減菌処理も不要になるという、さらなる利点を有する。

次に、以上のように構成されたこの第１の実施形態による水処理システムを用いた水処理方法について説明する。

すなわち、この第１の実施形態においては、図１に示すように、まず、下水などの有機性排水である流入水の全量が沈砂池１に導かれて砂分などが除去される。この沈砂池１を通過した流入水は、晴天時および雨天時のいずれにおいても、水量がｎＱになるまで、具体的には３Ｑになるまでは、高効率固液分離ろ過槽２に導入される。

そして、図２に示すように、有機性排水などの流入水は、分配槽１１にて各池流入配管１９に分配された後、それぞれの各池流入配管１９からそれぞれろ過水槽１２の下部に導入される。流入水は、浮上ろ材１３が充填されたろ材充填層１４を上向流で通過する間に、ＳＳが浮上ろ材１３に捕捉されてろ過される。このろ過水はスクリーン１５の上方の共通ろ過水層１６に流入される。なお、ろ材充填層１４の逆洗は、それぞれの高速排水弁１８を開き、共通ろ過水層１６内のろ過水を自然流下させる方法によって行われる。

また、合流式下水処理場においては、晴天時の流入水量はＱ以下であり、雨天時には流入水量はＱを越えてｎＱ、具体的には例えば３Ｑに達する。この第１の実施形態においては、高効率固液分離ろ過槽２は１０００ｍ／日を越える高速ろ過が可能であり、ろ過速度を晴天時には５００ｍ／日未満、雨天時には５００〜１２００ｍ／日とするのが好ましい。

続いて、高効率固液分離ろ過槽２によってろ過されたろ過水は、共通ろ過水層１６を経由して、全量が図１に示す生物反応槽３および膜ろ過装置４に供給される。ここで、晴天時においては生物反応槽３に供給されるろ過水の水量はＱ以下であることから、その全量が、生物反応槽３および膜ろ過装置４によって処理が行われる。また、雨天時においても生物反応槽３に供給されるろ過水の水量がｎＱ以下、具体的には例えば３Ｑまでは、その全量が生物反応槽３に供給されて、生物反応槽３および膜ろ過装置４によって処理が行われる。なお、流入水の量がｎＱを越えた分、具体的には例えば３Ｑを越えた分は、沈砂池１から傾斜板沈殿池６に供給されて簡易処理が行われた後に放流される。

そして、図１に示すように、高効率固液分離ろ過槽２から生物反応槽３に導入されたろ過水は、脱窒槽３ａにおいて脱窒処理が行われ、硝化槽３ｂにおいて硝化処理が行われた後、膜ろ過装置４に供給される。膜ろ過装置４においては、分離膜による膜ろ過処理が行われる。この分離膜によってろ過された処理水は、図１に示すポンプ５ｂによって外部に放流される。他方、膜ろ過装置４において分離膜によってろ過されずに通過した活性汚泥を含む生物処理水からなる流入水は、生物反応槽３の脱窒槽３ａおよび硝化槽３ｂに返送される。すなわち、この第１の実施形態による槽外型クロスフローＭＢＲ部においては、いわゆるクロスフロー方式のろ過が行われる。

以上説明したように、この第１の実施形態による合流式下水の水処理システムおよび水処理方法によれば、槽外型クロスフローＭＢＲ部の前段に高効率固液分離ろ過槽２を設けていることにより、最初沈殿池を用いた場合に比して、生物反応槽３の負荷を４０〜５０％低減させることができるので、ＳＳ濃度を６０ｍｇ／Ｌから３０ｍｇ／Ｌに、ＢＯＤを１００ｍｇ／Ｌから６０ｍｇ／Ｌにまで低減させることができる。さらに、高効率固液分離ろ過槽２によって生物反応槽３の負荷が低減されていることにより、膜ろ過装置４の分離膜の膜面にからまるし渣を除去するためのスクリーンを設ける必要がなくなるため、システム構成を簡略化することができる。

また、この第１の実施形態においては、膜ろ過装置４を生物反応槽３の外部に設置した槽外設置型の膜分離活性汚泥装置を用いていることにより、膜ろ過装置４の稼動条件の設定自由度を高くすることができる。すなわち、高効率固液分離ろ過槽２を生物反応槽３の前段に設置したことによる生物反応槽３に対する負荷の低減に合わせて、硝化槽３ｂの散気に用いる空気量の調整が可能となる。これとともに、生物反応槽３に対する負荷の低減に合わせて、生物反応槽３のＭＬＳＳ(Mixed Liquor Suspended Solid)濃度を調整して、従来に比してＭＬＳＳ濃度を低減させて酸素の溶解効率を変化させることでα値を改善させることができ、必要となる空気量を低減させることができるので、消費エネルギーの低減が可能となる。また、この第１の実施形態においては、運転状況に合わせてクロスフロー流の循環量を変更することが容易であり、頻度、圧力、および水量などの逆洗条件を変更することができ、処理水量が変動した場合であっても、その処理水量に対する対応を容易に行うことができる。

次に、本発明の第２の実施形態による水処理システムについて説明する。図３は、この第２の実施形態による合流式下水の水処理システムの全体構成を示す。

図３に示すように、この第２の実施形態による水処理システムは、第１の実施形態と異なり、被処理水の流れ方向に沿った、高効率固液分離ろ過槽２の下流側であって生物反応槽３の上流側において、高効率固液分離ろ過槽２で処理されたろ過水を分岐して放流可能に構成されている。その他の構成については、第１の実施形態と同様なので、その説明を省略する。

また、高効率固液分離ろ過槽２を通過して排出されたろ過水は、所定量であるｍＱ（ｍはｎ以下の正の数）までは全量が後段の生物反応槽３に流入する。そして、高効率固液分離ろ過槽２を通過して排出されたろ過水がｍＱを超過した場合においては、超過した分のろ過水は生物反応槽３に流入することなく放流される。すなわち、第１の実施形態と同様に、原水がｎＱになるまでは沈砂池１を通過した流入水の全量が高効率固液分離ろ過槽２に流入する。その上で、高効率固液分離ろ過槽２を通過して生物反応槽３への流入水がｍＱになるまでは、高効率固液分離ろ過槽２からのろ過水の全量が生物反応槽３に流入する。一方、高効率固液分離ろ過槽２からのろ過水がｍＱを超過した場合には、後段の槽外型クロスフローＭＢＲ部の負荷を低減するために、超過分のろ過水は放流される。ここで、ｍの値は、後段の槽外型クロスフローＭＢＲ部の処理限界などに基づいて決定されるが、この第２の実施形態においては、ｍを１．４以上２以下（１．４〜２．０）とするのが好ましく、さらに、水処理システムにおける設計に応じたｎとの比に基づいて決定することも可能である。

以上説明したこの第２の実施形態による水処理システムによれば、第１の実施形態と同様の構成によって、第１の実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、高効率固液分離ろ過槽２の下流側、かつ生物反応槽３の上流側において、高効率固液分離ろ過槽２からの排出水量が所定量（ｍＱ）を超過した場合に、超過分を分岐して放流可能に構成していることにより、槽外型クロスフローＭＢＲ部の膜ろ過装置４において定期的に行う逆洗の間である一定ろ過時間での差圧の上昇を、２０％程度低減させることが可能になる。そのため、第１の実施形態における水処理システムに比して、槽外型クロスフローＭＢＲ部にかかる負担を大幅に低減することが可能になる。

なお、上述の実施形態においては、本発明を、合流式下水の処理に適用した水処理システムおよび水処理方法について説明したが、本発明による水処理システムや水処理方法を、分流式下水に適用することも可能である。

また、上述の実施形態においては、膜ろ過装置４に設置される分離膜の好ましい例としてＭＦ膜を採用しているが、分離膜を限外ろ過（ＵＦ）膜とすることも可能である。また、上述の実施形態において、分離膜の材質の好ましい例としてセラミックを採用しているが、高分子材料であってもよい。また、上述の実施形態においては、分離膜としてモノリス型の膜を採用しているが、平膜、中空糸膜、またはチューブラー膜を採用してもよい。また、上述の実施形態においては、分離膜の加圧方式を内圧式としているが、外圧式であってもよい。

また、上述の実施形態においては、生物反応槽３を脱窒槽３ａおよび硝化槽３ｂから構成し、生物処理として脱窒処理および硝化処理（循環式硝化脱窒法）を行っているが、必ずしもこの方法に限定されるものではなく、標準活性汚泥法、ＡＯ（嫌気−好気）法、Ａ₂Ｏ（嫌気−無酸素−好気）法、硝化＋内生脱窒法、多段ステップ流入式硝化脱窒法、および多段ステップ流入式Ａ₂Ｏ法などを採用することも可能である。

１沈砂池
２高効率固液分離ろ過槽
３生物反応槽
３ａ脱窒槽
３ｂ硝化槽
４膜ろ過装置
５ａ，５ｂポンプ
６傾斜板沈殿池
１１分配槽
１２ろ過水槽
１３浮上ろ材
１４ろ材充填層
１５スクリーン
１６共通ろ過水層
１７空気管
１８高速排水弁
１９各池流入配管
２０逆洗排水槽

Claims

流入する原水に対してろ過処理を行う、浮上ろ材が充填された高効率固液分離ろ過槽と、
前記高効率固液分離ろ過槽を通過したろ過水に対して活性汚泥を用いた生物処理および膜ろ過処理を行う、膜分離活性汚泥手段と、
前記高効率固液分離ろ過槽の上流側の原水の流入量が所定の第１流入量を超過した場合は、前記第１流入量分の原水を前記高効率固液分離ろ過槽に流入させ、超過分の前記原水を前記高効率固液分離ろ過槽と異なる経路に供給して放流し、前記高効率固液分離ろ過槽を通過したろ過水が所定の第２流入量を超過した場合は、前記第２流入量分のろ過水を前記膜分離活性汚泥手段に流入させ、超過分の前記ろ過水を前記膜分離活性汚泥手段と異なる経路に供給して放流する手段と、
を有し、
前記第２流入量は、前記第１流入量より小さいことを特徴とする水処理システム。
前記第１流入量は、所定の設定流量の３倍であり、前記第２流入量は、前記設定流量の１．４倍以上２倍以下である、請求項１に記載の水処理システム。
前記膜分離活性汚泥手段が前記生物処理を行う生物反応槽と前記膜ろ過処理を行う分離膜とを有し、前記分離膜が前記生物反応槽の外部に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水処理システム。
前記分離膜はセラミックからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理システム。
原水を浮上ろ材が充填された高効率固液分離ろ過槽に通過させてろ過処理を行うステップと、
前記ろ過処理が行われたろ過水に対して活性汚泥を用いた生物処理を行うステップと、
前記生物処理後の処理水に対して膜ろ過処理を行うステップとを含み、
前記高効率固液分離ろ過槽の上流側の前記原水の流入量が所定の第１流入量を超過した場合は、前記第１流入量分の原水を前記高効率固液分離ろ過槽に流入させ、超過分の前記原水を前記高効率固液分離ろ過槽と異なる経路に供給して放流し、
前記高効率固液分離ろ過槽を通過したろ過水が所定の第２流入量を超過した場合は、前記第２流入量分のろ過水に対して前記生物処理を行い、超過分の前記ろ過水を、前記生物処理を行う前に分岐させて放流し、
前記第２流入量は、前記第１流入量より小さいことを特徴とする水処理方法。
前記第１流入量は、所定の設定流量の３倍であり、前記第２流入量は、前記設定流量の１．４倍以上２倍以下である、請求項５に記載の水処理方法。