JP2019166441A - 生物処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可燃性ガスを供給する膜型生物処理装置において、高い処理速度が得られ、かつ、可燃性ガスを効率的に利用できるようにする。【解決手段】硝酸、亜硝酸などの酸化態窒素や、過塩素酸、硫酸イオン等を含んだ原水は、原水散布管３を介して反応槽２下部に供給され、反応槽２内を上向流にて流れ、流動床Ｆを形成し、流動床担体及び膜モジュール１０の中空糸膜１３と接触し、流動床担体及び中空糸膜１３の表面に形成された生物膜により生物処理される。【選択図】図１

Description

本発明は、廃水の生物処理装置に係り、特に廃水中の酸化態窒素などの酸化性物質を還元処理する生物処理装置に関する。さらに詳しくは、本発明は可燃性ガスを主成分とするガスをガス透過膜の内部に供給し、ガス透過膜の表面に形成した微生物からなる生物膜により廃水中の酸化性成分を還元除去する生物処理装置に関する。

特許文献１に、水素ガスをガス透過膜を透して酸化態窒素を含む原水と接触させ、ガス透過膜の原水側表面に付着した微生物により酸化態窒素を除去する方法が記載されている。この特許文献１の方法では、メタノールや酢酸などの有機物を水素供与体として添加する必要がなく、脱窒工程の後段で余剰有機物を除去するための酸化工程も不要になる。

近年、メタンを水素供与体として酸化態窒素、過塩素酸などを還元除去する微生物が発見され、それらを廃水処理に利用する動きが始まっている（非特許文献１，２）。

特許第２９０１３２３号

Applied Microbiology and Biotechnology(2015)Vol．99，pp．10853-10860 Environmental Science and Pollution Research(2016)Vol．23，pp．9540-9548

一般に、水素やメタンを水素供与体として酸化態窒素、過塩素酸などを還元除去する微生物は、基質利用速度が遅く、ガス透過膜の表面に付着した生物だけでは、ガス透過膜のガス供給能力に見合った処理速度を得ることができない。そのため、装置が過大となる他、可燃性ガス成分が残留して処理水とともに排出され、非効率であると共に、安全上の問題があった。

本発明は、可燃性ガスを供給する膜型生物処理装置において、高い処理速度が得られ、かつ、可燃性ガスを効率的に利用できるようにすることを目的とする。

本発明の生物処理装置は、原水が下部から供給され、上向流にて流れる反応槽と、該反応槽内に設置され、原水側の表面に生物膜が形成されるガス透過膜と、可燃性ガスを該ガス透過膜を透過させて該反応槽内に可燃性ガスを供給するガス供給手段と、該反応槽内の流動床担体とを備えたことを特徴とする。

本発明の一態様では、ガス透過膜が非多孔性のガス透過膜である。

本発明の一態様では、可燃性ガス成分がメタン及び／又はプロパンである。

本発明の一態様では、可燃性ガスがバイオガスである。

本発明の一態様では、担体は活性炭である。

本発明では、反応槽内の活性炭等の流動床を形成するので、ガス透過膜表面の生物膜だけでなく、活性炭等に付着した生物膜によっても生物処理が行われる。これにより、ガス透過膜を用いた生物処理装置において、余剰となる可燃性ガスをできるだけ少なくしながら、高い処理速度が得られるようになる。

実施の形態に係る生物処理装置の縦断面図である。 実施例及び比較例で用いた生物処理装置の構成図である。

以下、図１を参照して本発明についてさらに詳細に説明する。

生物処理装置１は、反応槽２と、反応槽２内に配置されたガス透過膜よりなる中空糸膜モジュール１０とを備えている。この実施の形態では、中空糸膜モジュール１０は１段に設置されているが、中空糸膜モジュール１０は上下に多段に設置されてもよい。中空糸膜モジュール１０は左右に複数個設置されてもよい。

原水は反応槽２の下部の分散板９の下側の流入室８に原水管（原水散布管）３によって供給され、分散板９を通過して上向流にて反応槽２内を流れ、活性炭等の流動床担体の流動床Ｆを形成する。処理水は反応槽２上部のトラフ４を介して処理水出口５から流出する。なお、反応槽２は、上部が水平断面積の大きい拡大部となっており、流動床担体の流失を防止している。分散板９の上側に砂利、砂等の層を形成してもよい。

原水としては、製鉄所や金属表面処理工場からの酸洗排水や、発電所からのアンモニア排水や、食品、飲料、化学工場などの窒素含有有機性排水、硝化処理した処理水などの酸化態窒素含有水、金属、化学工場などからの過塩素酸含有排水が例示されるが、これらに限定されない。

反応槽２の頂部（天板部）に排ガス流出口６が設けられ、配管７を介して排ガスが取り出される。

中空糸膜モジュール１０は、上側ヘッダー１１と、下側ヘッダー１２と、両ヘッダー１１，１２間に上下方向に架設されたガス透過膜としての多数本の中空糸膜１３とを有する。中空糸膜１３の上端及び下端はポッティングにより各ヘッダー１１，１２に固定されると共に、各ヘッダー１１，１２内に向って開放し、これにより各中空糸膜１３内が各ヘッダー１１，１２内に連通している。下側のヘッダー１２には余剰ガスの排出用配管１４が接続されている。余剰ガスの排出用配管１４に圧力調整弁などを設け、ガス透過膜内の圧力を調整できるようにしてもよい。後述の通り、中空糸膜は、デッドエンド型であってもよい。

上側のヘッダー１１に可燃性ガス源（ガスタンク、ガスボンベ等よりなる。）からの可燃性ガスがブロワ（又はファン）２０及び配管２１を介して供給される。なお、ガス透過膜に可燃性ガスを下向流で通気することで凝縮水が抜け易くなる。

ガス透過膜としては、ポリエチレン、シリコン、ポリイミド、ポリウレタンなどのポーラス膜、ノンポーラス膜のいずれも用いることができるが、孔の目詰まりにより性能低下する恐れがあるため、ノンポーラス膜が望ましい。ノンポーラス膜では、ガスは高分子鎖の熱運動によって生じる隙間を縫って透過する。ガス透過膜として、強度が高い、ノンポーラスポリマーでポーラス中空糸をコーティングしたコンポジット膜を用いてもよい。膜形式は、中空糸膜、平膜、スパイラル膜のいずれでもよいが、膜の充填密度を高くとることができることから、中空糸膜が好ましい。

中空糸膜の場合、例えば、シリコンゴムのような疎水性ノンポーラス膜のデッドエンド型（先端が封止されている）が用いられてもよい。中空糸膜の内部には、ファン、ブロワーなどを用いて１〜１００ｋＰａで、好ましくは反応槽の水深により生ずる水圧よりも小さい圧力（例えば、水深４ｍであれば４０ｋＰａ未満、水深２ｍであれば２０ｋＰａ未満）で可燃性ガスを供給する。

担体は、活性炭、スポンジ、砂、プラスチック、ゲル（ＰＶＡ、ＰＥＧ、ポリウレタンなど）などを用いることができるが、比表面積が大きいことから活性炭が好ましい。粒径は０．１〜２０ｍｍ程度、特に０．２〜５ｍｍ程度が好ましい。担体は、反応槽容積の１〜５０％、特に５〜４０％添加されることが好ましい。

生物付着担体を流動させるための動力は、ポンプによる原水供給で充分である。なお、生物処理反応によって発生する窒素、二酸化炭素などの生成ガスも担体の流動に寄与する。

可燃性ガスは、可燃性成分のみからなるものであってもよく、不燃性成分も含むものであってもよい。可燃性ガスとしては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、水素や、それらを主成分とする都市ガス、ＬＰＧガス、有機物のメタン発酵により生成するバイオガスなども用いることができる。嫌気性処理装置から発生するバイオガスをファンやブロワを用いることなく直接中空糸膜に供給してもよい。

このように構成された生物処理装置において、硝酸、亜硝酸などの酸化態窒素や、過塩素酸イオン、硫酸イオンといった生物によって還元除去される酸化性成分を含んだ原水は、供給ポンプ及び原水散布管３を介して反応槽２下部に供給され、分散板９を通って反応槽２内を上向流にて流れ、流動床Ｆを形成する。この流動床担体に付着した生物膜及び中空糸膜１３の表面に形成された生物膜により生物処理が行われる。これらの生物膜の生物活動により、ガス透過膜を透過してきた可燃性ガスと、原水中の酸化性成分とが反応し、酸化性成分が還元処理される。処理水は流出口５から流出する。なお、酸化性成分の処理効率を向上させるために、処理水の一部を返送ライン３０によって反応槽２の下部に循環させるように構成してもよい。

このように、反応槽２内において、中空糸膜１３だけでなく流動床担体の生物膜によっても生物処理が行われるので、可燃性ガスを効率よく生物反応に用いて高い処理速度が得られるようになる。

［比較例１］
図２に示す通り、内径１３ｍｍ、長さ５００ｍｍの透明塩ビ管４０に、ガス透過膜として内径０．５ｍｍ、外径０．７ｍｍのシリコンチューブを８本挿入し、塩ビ管の上下を密閉した。シリコンチューブに５ｍＬ／ｍｉｎでメタンガスを通気した。入口圧力は５ｋＰａとした。

透明塩ビ管に、原水槽５０内の合成排水（ＮａＮＯ_３６００ｍｇ／Ｌ、ＮａＮＯ_２５００ｍｇ／Ｌ、ＫＨ_２ＰＯ_４１６０ｍｇ／Ｌ、Ｎａ_２ＨＰＯ_４１１０ｍｇ／Ｌ、酵母エキス１０ｍｇ／Ｌを水道水に溶解したもの）を４０ｍＬ／ｍｉｎで循環通水した。原水槽５０内の合成排水はＮ_２曝気するとともに、ｐＨが８以上以上にならないようにＨＣｌ水溶液を添加した。

種汚泥として、下水オキシデーションディッチの余剰汚泥を５ｍＬ透明塩ビ管４０に添加した。２週間ほど経過した頃から、ＮＯ_３−Ｎ、ＮＯ_２−Ｎの減少が見られるようになり、１〜２ヶ月経過するとＮ除去速度はほぼ一定となり、ＮＯ_３−Ｎ除去速度、ＮＯ_Ｘ−Ｎ（ＮＯ_３−ＮとＮＯ_２−Ｎの和）除去速度は、それぞれ１６ｍｇＮ／Ｌ／ｄ、４０ｍｇＮ／Ｌ／ｄとなった。

［実施例１］
比較例１において、通水開始後２ヶ月が経過した時に、透明塩ビ管４０内に平均径０．７ｍｍの破砕活性炭を２５ｍＬ入れた。Ｎ除去速度は徐々に上昇し、２〜３週間でほぼ一定となった。そのときのＮＯ_３−Ｎ除去速度、ＮＯ_ｘ（ＮＯ_３−ＮとＮＯ_２−Ｎの和）除去速度は、それぞれ４８ｍｇＮ／Ｌ／ｄ、１１０ｍｇＮ／Ｌ／ｄとなり、比較例１の約３倍に向上した。

このように、本発明によって、可燃性ガスを供給する膜型生物処理装置において、高い処理速度が得られ、かつ、可燃性ガスを効率的に利用できるようになることが認められた。

１ 生物処理装置
２ 反応槽
３ 原水散布管
５ 処理水流出口
９ 分散板
１０ 中空糸膜モジュール
１１，１２ ヘッダー
１３ 中空糸膜

Claims (5)

1. 原水が下部から供給され、上向流にて流れる反応槽と、
   該反応槽内に設置され、原水側の表面に生物膜が形成されるガス透過膜と、
   可燃性ガスを該ガス透過膜を透過させて該反応槽内に可燃性ガスを供給するガス供給手段と、
   該反応槽内の流動床担体と
   を備えたことを特徴とする生物処理装置。
2. 前記ガス透過膜が非多孔性のガス透過膜であることを特徴とする請求項１の生物処理装置。
3. 前記可燃性ガス成分がメタン及び／又はプロパンである請求項１または２の生物処理装置。
4. 前記可燃性ガスがバイオガスである請求項１ないし３のいずれかの生物処理装置。
5. 前記担体は活性炭である請求項１ないし４のいずれかの生物処理装置。

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