包括固定化担体及び廃水処理装置並びに廃水処理方法
【課題】ポンプで生物処理槽に返送しても破損しにくいので、活性汚泥により廃水処理を行っていた既設の生物処理槽を改造する必用がなく、しかも粒径を小さくすることができるので処理効率を格段に向上させることができる。
【解決手段】包括固定化担体１２は、（Ａ）圧縮しない前の担体厚さをＨ0 とし、圧縮により破壊する時の担体厚さをＨ1 としたときに、（Ｈ0 −Ｈ1 ）／Ｈ0 で表される変形率が７０％以上であること、（Ｂ）粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲であること、の条件を満足している。そして、この包括固定化担体１２をスクリーンを有しない生物処理槽１４に投入し、処理水に同伴して固液分離槽１６に流出した包括固定化担体１２はポンプ２０移送で生物処理槽１４に戻す。
【解決手段】包括固定化担体１２は、（Ａ）圧縮しない前の担体厚さをＨ0 とし、圧縮により破壊する時の担体厚さをＨ1 としたときに、（Ｈ0 −Ｈ1 ）／Ｈ0 で表される変形率が７０％以上であること、（Ｂ）粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲であること、の条件を満足している。そして、この包括固定化担体１２をスクリーンを有しない生物処理槽１４に投入し、処理水に同伴して固液分離槽１６に流出した包括固定化担体１２はポンプ２０移送で生物処理槽１４に戻す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は包括固定化担体及び廃水処理装置並びに廃水処理方法に係り、特に活性汚泥により廃水処理を行っていた既設の装置を改造することなく、包括固定化担体を生物処理槽に投入するだけで処理効率の高い運転を行うための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、活性汚泥による廃水処理は数多くの廃水処理場で採用されている。この活性汚泥による廃水処理方法は、活性汚泥が浮遊すると共にエアー（又は酸素）が曝気される生物処理槽内に廃水を流入させ、活性汚泥と廃水とを接触させることで廃水中の被処理成分（例えばアンモニア）を生物学的に処理する。しかし、活性汚泥による廃水処理は、生物処理槽内に廃水中の被処理成分を処理するための有用微生物濃度を高濃度に維持できないため、高負荷運転を行うことができず、処理効率が悪いという問題がある。
【０００３】
このことから、近年、微生物を包括固定した包括固定化担体を生物処理槽に投入することで生物処理槽内の有用微生物濃度を高め、これにより処理効率を上げることが行われている。
【０００４】
図６は、生物処理槽１に包括固定化担体２を投入した従来の廃水処理装置３の一般的な装置構成である。図６に示すように、原水配管４を介して廃水が流入する生物処理槽１内には、包括固定化担体２が投入されると共に、生物処理槽１の処理水出口には、包括固定化担体２が処理水に同伴して流出するのを防止するスクリーン５が設けられる。また、スクリーン５の下方には整流板６が設けられ、処理水の流れの向きや流速を調整することによりスクリーン５に包括固定化担体２が目詰まりすることを抑制している。また、包括固定化担体２は、粒径を小さくし過ぎると、スクリーン５で目詰まりしてしまうため、目詰まりしにくいように通常３〜１０ｍｍ程度の粒径に形成される。スクリーン５の目開きを小さくすれば、粒径の小さい包括固定化担体２の流出は防止できるが、廃水中の微粒子や微生物によって生産される粘性生産物がスクリーン５に付着し易くなるだけでなく、処理水の流出抵抗が大きくなる。従って、スクリーン５の目開きを小さくすることは現実的でない。
【０００５】
スクリーン５で包括固定化担体２が分離された処理水は固液分離槽７で処理水中の活性汚泥が沈降分離され、沈降した活性汚泥の一部はポンプ８により返送配管９を介して生物処理槽１に戻される。符号の１ａはブロアーであり、１ｂはエアー（又は酸素）を曝気する曝気管である。スクリーンを備えた生物処理槽としては、例えば特許文献１がある。
【特許文献１】特開２００４−１４８１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
（１）しかしながら、活性汚泥により廃水処理を行っていた既設の生物処理槽１を、包括固定化担体２でも使用できるようにするには、上記したようにスクリーン５や整流板６のようにスクリーン５の目詰まりを防止する部材を設ける必用があり、装置を改造しなくてはならないという問題がある。整流板６だけでは目詰まりが防止できない場合には、スクリーン５の下方に、スクリーン洗浄用のエア曝気手段を設ける場合もあり、装置の改造が大がかりになる。
【０００７】
（２）また、包括固定化担体２は、固定化材料である親水性ゲルの中に微生物（活性汚泥等）を包括固定するものであり、粒径が小さいほど廃水と接触する表面積を大きくできるので、包括固定化担体２の本来の長所である処理効率を上げることができる。
【０００８】
このような背景から、生物処理槽１内にスクリーン２を設けずに、包括固定化担体２を処理水に同伴させて固液分離槽７に流出させ、流出した包括固定化担体２をポンプ８により返送配管９を介して生物処理槽１に戻すように装置を構成すれば、既設の装置をそのまま使用できるので装置の改造も必用ない。しかも、粒径の小さな包括固定化担体を使用することが可能となり、上記した（１）と（２）の問題を一度に解決することができる。
【０００９】
しかしながら、ポンプ８により返送配管９を介して包括固定化担体２を生物処理槽１に戻す際に、ポンプ８での圧縮や返送配管９での磨耗等により包括固定化担体２が破損してしまい、現状では不可能である。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ポンプで生物処理槽に返送しても破損しにくいので、活性汚泥により廃水処理を行っていた既設の生物処理槽を改造する必用がなく、しかも粒径を小さくすることができるので処理効率を格段に向上させることができる包括固定化担体及び廃水処理装置並びに廃水処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１は前記目的を達成するために、微生物を混合した固定化材料を重合することにより、前記微生物を前記固定化材料内に包括固定化した廃水処理用の包括固定化担体において、前記包括固定化担体は、（Ａ）圧縮しない前の担体厚さをＨ0 とし、圧縮により破壊する時の担体厚さをＨ1 としたときに、（Ｈ0 −Ｈ1 ）／Ｈ0 で表される変形率が７０％以上であること、（Ｂ）粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲であること、の条件を満足していることを特徴とする廃水処理用の包括固定化担体を提供する。
【００１２】
本発明者は、生物処理槽内にスクリーンを設けずに、生物処理槽から固液分離槽に処理水に同伴して流出した包括固定化担体を、ポンプにより返送配管を介して生物処理槽に戻す構成の廃水処理装置に好適な包括固定化担体を鋭意研究した結果、上記（Ａ）及び（Ｂ）の条件を備えた包括固定化担体により目的を達成できるとの知見を得た。
【００１３】
即ち、圧縮しない前の担体厚さをＨ0 とし、圧縮により破壊する時の担体厚さをＨ1 としたときに、（Ｈ0 −Ｈ1 ）／Ｈ0 ×１００で表される変形率が７０％以上になるように包括固定化担体を設計し、且つ包括固定化担体の粒径を０．１〜１．０ｍｍの範囲の小粒にすることで、ポンプでの圧縮や返送配管での磨耗等により破損しにくい包括固定化担体を得ることができる。また、一般的な包括固定化担体内において硝化菌のような好気性の有用微生物が生存する領域は、ゲル（固定化材料を重合してゲル化したもの）の拡散抵抗のために担体表面から５００μｍの担体内部までである。従って、包括固定化担体の粒径を０．１〜１．０ｍｍの範囲の小粒にすることで、ポンプにより破壊しにくくなるだけでなく、包括固定化担体の全体に有用微生物を生存させることができる。これにより、担体負荷を高負荷にして生物処理を行うことが可能となるので、処理効率を飛躍的に向上できる。尚、包括固定化担体の変形率は８０％以上であればより好ましい。
【００１４】
請求項２は請求項１において、前記包括固定化担体の比重が１．０１〜１．０６の範囲であることを特徴とする。
【００１５】
これは、包括固定化担体をポンプで生物処理槽に返送するには、包括固定化担体を効率的に沈降させる必用があり、包括固定化担体の比重が１．０１〜１．０６の範囲に設計することで沈降効率を向上できるからである。
【００１６】
請求項３は請求項１又は２において、前記固定化材料として、分子量が４０００〜１２０００の範囲のプレポリマを使用すると共に該プレポリマの担体当たりの濃度が３〜１０重量％の範囲であることを特徴とする。
【００１７】
請求項３は、包括固定化担体の変形率を７０％以上にするための好ましい一例であり、固定化材料の分子量と含有量を規定することで達成するようにしたものである。尚、分子量が７０００〜１１０００の範囲がより好ましく、担体当たりの濃度は４〜８重量％の範囲がより好ましい。
【００１８】
請求項４は請求項１〜３の何れか１において、前記微生物は活性汚泥であることを特徴とする。
【００１９】
これは、固定化材料中に溶解している酸素は重合を阻害するが、活性汚泥を包括固定化することで、活性汚泥が酸素を消費し重合反応を順調に進行させるので、強度の強い包括固定化担体を得易くなるためである。特に、請求項３のように、プレポリマ濃度が低い場合には酸素の影響を受け易く、活性汚泥を使用することにより影響を軽減できるので、包括固定化担体の変形率を一層高めることが可能となる。また、活性汚泥を包括固定化することで、包括固定化担体の比重調整も可能となる。従って、包括固定化する微生物は純粋培養したものでもよいが、活性汚泥を包括固定化することがより好ましい。
【００２０】
本発明の請求項５は前記目的を達成するために、請求項１〜４の何れか１に記載された包括固定化担体が投入されると共に、該包括固定化担体と廃水とを接触させることにより廃水中の被処理成分を生物学的に処理する生物処理槽と、前記生物処理槽から流出した包括固定化担体を沈降分離する固液分離槽と、前記固液分離槽と前記生物処理槽とを繋ぐ返送配管に設けられたポンプとを備え、前記生物処理槽から前記固液分離槽に処理水に同伴して流出した包括固定化担体を、前記ポンプにより前記返送配管を介して前記生物処理槽に戻すことを特徴とする廃水処理装置を提供する。
【００２１】
請求項５は、本発明の包括固定化担体を使用することで、生物処理槽内にスクリーンを設けずに、生物処理槽から固液分離槽に処理水に同伴して流出した包括固定化担体を、ポンプにより返送配管を介して生物処理槽に戻すように構成した廃水処理装置である。これにより、活性汚泥により廃水処理を行っていた既設の生物処理槽を改造する必用がなく、しかも粒径を小さくすることができるので処理効率を格段に向上させるこができる。
【００２２】
請求項６は請求項５において、前記生物処理槽には前記包括固定化担体と活性汚泥とを混在させ、処理水に同伴されて前記固液分離槽に流出する包括固定化担体と活性汚泥との両方を前記ポンプで生物処理槽に戻すことを特徴とする。
【００２３】
これは、包括固定化担体と活性汚泥との両方を混在させた状態でポンプで返送することにより、活性汚泥が包括固定化担体を圧縮や磨耗から保護する役目を果たすので、包括固定化担体を破損しにくくできる。
【００２４】
本発明の請求項７は前記目的を達成するために、アンモニア含有廃水を生物学的に硝化処理する廃水処理方法において、硝化菌が包括固定化されると共に粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲の包括固定化担体を、担体負荷が３００〜６００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）の範囲になるように前記アンモニア含有廃水と接触させることを特徴とする廃水処理方法を提供する。
【００２５】
上記したように、包括固定化担体の粒径を０．１〜１．０ｍｍの範囲の小粒にすることで、包括固定化担体の全体に有用微生物を高濃度に生存させることができるので、担体負荷を高負荷にして生物処理を行うことが可能となる。請求項７は、アンモニア含有廃水の硝化処理に適用したもので、硝化菌が包括固定化されると共に粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲の包括固定化担体を、担体負荷が３００〜６００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）の範囲になるようにアンモニア含有廃水と接触させるようにした。担体負荷が３００〜６００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）の範囲であれば、略１００％の硝化率で硝化処理することができ、これにより処理効率を飛躍的に向上させることができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明の包括固定化担体はポンプ移送しても破損しにいので、生物処理槽に担体流出防止用のスクリーンを設けない廃水処理装置を構成することが可能となるだけでなく、粒径を小さくすることができるので処理効率を格段に向上させことができる。従って、活性汚泥により廃水処理を行っていた既設の生物処理槽に本発明の包括固定化担体を投入するだけで高効率な廃水処理装置や方法を構成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下添付図面に従って本発明に係る包括固定化担体及び廃水処理装置並びに廃水処理方法の好ましい実施の形態を詳説する。
【００２８】
図１は、本発明の廃水処理装置の概略図であり、廃水中の窒素成分（例えばアンモニア）を好気性条件下で生物学的に硝化処理する廃水処理装置の一例である。
【００２９】
図１に示すように、廃水処理装置１０は、主として、多数の包括固定化担体１２と廃水とを接触させることにより廃水中の被処理成分を生物学的に処理する生物処理槽１４と、生物処理槽１４から流出した包括固定化担体１２を沈降分離する固液分離槽１６と、固液分離槽１６と生物処理槽１４とを繋ぐ返送配管１８に設けられたポンプ２０とで構成される。この廃水処理装置１０の生物処理槽１４には、包括固定化担体１２の流出を防止するスクリーンは設けない。
【００３０】
生物処理槽１４には、原水配管２２を介して窒素成分を含む廃水が流入し、硝化菌が包括固定された包括固定化担体１２と接触する。また、生物処理槽１４の底部には曝気管２４が設けられ、曝気管２４はエア配管２６を介してブロア２８に接続される。これにより、曝気管２４から曝気されるエアーにより生物処理槽１４内に好気性条件が形成される。かかる好気性条件下で包括固定化担体１２と廃水とが接触することにより、廃水中の窒素成分が包括固定化担体１２に包括固定化されている硝化菌（微生物）により硝化（酸化）される。生物処理槽１４で処理された処理水は、送液管３０を介して固液分離槽１６に送られると共に、一部の包括固定化担体１２が処理水に同伴して固液分離槽１６に流出する。固液分離槽１６では、上澄水が処理水として処理水配管３２を介して次の工程に送られると共に、重力沈降した包括固定化担体１２が固液分離槽１６の底部に堆積される。そして、ポンプ２０を稼働することにより、固液分離槽１６の底部に堆積した包括固定化担体１２は、返送配管１８を介して生物処理槽１４に戻される。固液分離槽１６内の中心部には、縦方向に上下が解放された筒体３１が設けられ、送液管３０の先端が筒体３１まで延設される。これにより、生物処理槽１４から固液分離槽１６に流出した包括固定化担体１２は、固液分離槽１６内で散乱することなく、固液分離槽１６の底部に沈降する。
【００３１】
上記の如く、生物処理槽１４内の処理水出口に担体流出防止のためのスクリーン（図６の符号５）を設けずに、処理水に同伴して固液分離槽１６に流出する包括固定化担体１２を生物処理槽１４にポンプ２０で生物処理槽１４に返送する場合には、ポンプ移送により包括固定化担体１２が破損しにくいことが重要になる。そこで、生物処理槽１４には、本発明の包括固定化担体１２が投入される。
【００３２】
本発明の包括固定化担体１２は、微生物を混合した固定化材料を重合することにより、微生物を固定化材料内に包括固定化したものであり、包括固定化担体１２の変形率が７０％以上で且つ粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲の条件を満足することが重要である。包括固定化担体１２の変形率とは、次式（１）で表された値を言う。
【００３３】
包括固定化担体の変形率（％）＝（Ｈ0 −Ｈ1 ）／Ｈ0 ×１００…（１）
ここで、Ｈ0 ：圧縮しない前の担体厚さ（ｍｍ）
Ｈ1 ：圧縮機、例えばレオメータを使用して一定の力で包括固定化担体１２を圧縮し、担体ゲルが破壊する時の担体厚さ（ｍｍ）とする。例えば、変形率７０％とは、包括固定化担体１２の初期の厚みの７０％まで圧縮可能であり、それ以上圧縮すると破損することを意味する。
【００３４】
このように、包括固定化担体１２の変形率を７０％以上にすること、更に好ましくは８０％以上にすることで、ポンプ２０での圧縮や返送配管１８での磨耗等により破損しにくい包括固定化担体１２を得ることができる。
【００３５】
変形率７０％以上の包括固定化担体１２を得る方法としては、固定化材料として、分子量が４０００〜１２０００の範囲のプレポリマを使用すると共に該プレポリマの担体当たりの濃度が３〜１０重量％の範囲にする方法が好適である。
【００３６】
図２はプレポリマの分子量と変形率との関係を示したものであり、図３は担体当たりのプレポリマ濃度と変形率との関係を示したものである。
【００３７】
図２から分かるように、プレポリマの分子量を大きくしていくと変形率が次第に上昇して弾力性が増すが、分子量が約１００００でピークになり、その後は変形率が急激に低下する。これは、プレポリマの分子量を大きくすると変形率が大きくなる傾向にあるが、分子量が大きくなり過ぎるとゲル化し難くなるために担体強度が低下して壊れ易くなるので、変形率が低下するものと考察される。そして、分子量が４０００〜１２０００の範囲で変形率７０％以上を確保することができる。
【００３８】
また、図３から分かるように、プレポリマ濃度を大きくしていくと変形率が次第に上昇して弾力性が増すが、プレポリマ濃度が６〜７重量％でピークとなり、その後は変形率が次第に低下する。これは、プレポリマ濃度３重量％未満ではゲル化が十分に行われず、変形率が低くなる。また、プレポリマ濃度が８重量％を超えると、ゲル中の架橋点の数が多くなることにより重合が強固に成り過ぎて堅いが脆くなるために、変形率が低下するものと考察される。
【００３９】
このように、包括固定化担体１２の変形率を大きくするには、プレポリマの分子量と担体当たりの濃度を適切に調整する必用があり、これによりゲル中の架橋点の数を適切に形成することができ、これにより、弾力性に富んだ包括固定化担体１２を得ることができる。そして、分子量が４０００〜１２０００の範囲のプレポリマを使用すると共に該プレポリマの担体当たりの濃度が３〜１０重量％の範囲にすることで、変形率７０％以上を確保することができる。また、包括固定化担体１２の粒径を０．１〜１．０ｍｍの範囲にすることで、後述する処理性能の向上だけではなく、ポンプ移送において包括固定化担体１２が破損されにくくなる。
【００４０】
固定化材料である母剤プレポリマや、架橋剤としては、以下のものを好適に使用できる。
【００４１】
（モノメタクリレート類）ポリエチレングリコールモノメタクリレート、ポリプレングリコールモノメタクリレート、ポリプロピレングリコールモノメタクリレート、メトキシジエチレングリコールメタクリレート、メトキシポリエチレングリコールメタクリレート、メタクリロイルオキシエチルハイドロジェンフタレート、メタクリロイルオキシエチルハイドロジェンサクシネート、３クロロ２ヒドロキシプロピルメタクリレート、ステアリルメタクリレート、２ヒドロキシメタクリレート、エチルメタクリレート等。
【００４２】
（モノアクリレート類）２ヒドロキシエチルアクリレート、２ヒドロキシプロピルアクリレート、イソブチルアクリレート、ｔブチルアクリレート、イソオクチルアクリレート、ラウリルアクリレート、ステアリルアクリレート、イソボルニルアクリレート、シクロへキシルアクリレート、メトキシトリエチレングリコールアクリレート、２エトキシエチルアクリレート、テトラヒドロフルフリルアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、ノニルフェノキシポリエチレングリコールアクリレート、ノニルフェノキシポリプロピレングリコールアクリレート、シリコン変性アクリレート、ポリプロピレングリコールモノアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、フェノキシジエチレングリコールアクリレート、フェノキシポリエチレングリコールアクリレート、メトキシポリエチレングリコールアクリレート、アクリロイルアキシエチルハイドロジェンサクシネート、ラウリルアクリレート等。
【００４３】
（ジメタクリレート類）１，３ブチレングリコールジメタクリレート、１，４ブタンジオールジメタクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ブチレングリコールジメタクリレート、ヘキサンジオールジメタクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレート、ポリプレングリコールジメタクリレート、２ヒドロキシ１，３ジメタクリロキシプロパン、２，２ビス４メタクリロキシエトキシフェニルプロパン、３，２ビス４メタクリロキシジエトキシフェニルプロパン、２，２ビス４メタクリロキシポリエトキシフェニルプロパン等。
【００４４】
（ジアクリレート類）エトキシ化ネオペンチルグリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、１，６ヘキサンジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレート、２，２ビス４アクリロキシヒエトキシフェニルプロパン、２ヒドロキシ１アクリロキシ３メタクリロキシプロパン等。
【００４５】
（トリメタクリレート類）トリメチロールプロパントリメタクリレート等。
【００４６】
（トリアクリレート類）トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパンＥＯ付加トリアクリレート、グリセリンＰＯ付加トリアクリレート、エトキシ化トリメチロールプロパントリアクリレート等。
【００４７】
（テトラアクリレート類）ペンタエリスリトールテトラアクリレート、エトキシ化ペンタエリスリトールテトラアクリレート、プロポキシ化ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート等。
【００４８】
（ウレタンアクリレート類）ウレタンアクリレート、ウレタンジメチルアクリレート、ウレタントリメチルアクリレート等。
【００４９】
（その他）アクリルアミド、アクリル酸、ジメチルアクリルアミド。
【００５０】
また、本発明での重合は、過硫酸カリウムを用いたラジカル重合が最適であるが、紫外線や電子線を用いた重合やレドックス重合でもよい。過硫酸カリウムを用いた重合では、過硫酸カリウムの添加量を０．００１〜０．２５％がよく、アミン系の重合促進剤を０．００１〜０．５％添加するとよい。アミン系の重合促進剤としてはβジメチルアミノプロピオニトリル、ＮＮＮ’Ｎ’テトラメチルエチレンジアミン、亜硫酸ソーダなどがよい。
【００５１】
また、プレポリマ内に包括固定化する微生物としては、純粋培養したものでもよいが、活性汚泥を包括固定化することがより好ましい。この理由は、プレポリマに溶解している酸素は重合を阻害するが、活性汚泥を包括固定化することで、活性汚泥が酸素を消費し重合反応を順調に進行させるので、強度の強い包括固定化担体１２を得易くなるためである。特に、本発明のように、プレポリマ濃度が３〜１０重量％と低い場合には酸素の影響を受け易く、活性汚泥を使用することにより影響を軽減できるので、包括固定化担体１２の変形率を一層高めることが可能となる。また、活性汚泥を包括固定化することで、包括固定化担体１２の比重調整も可能となる。
【００５２】
包括固定化担体１２の比重としては、１．０１〜１．０６の範囲であることが好ましい。これは、包括固定化担体１２の粒子径が０．１〜１．０ｍｍと小さい場合でも、比重を１．０１〜１．０６にすることで、固液分離槽１６で重力により容易に処理水から沈降分離することができるからである。包括固定化担体１２の比重調整剤としては、活性汚泥、マグネタイト、フライアッシュ、鉄粉、活性炭、シリカ等を好適に使用することができる。
【００５３】
また、包括固定化担体１２の粒径を０．１〜１．０ｍｍの範囲に粒子径を小さくすることで、包括固定化担体１２の中心部まで基質や酸素が透過し硝化菌（有用微生物）が増殖し易くなるので、担体当たりの反応速度を著しく速くすることができる。これにより、担体負荷を高くした状態で廃水中の窒素成分を処理することが可能となる。
【００５４】
図４は、上記した図１の廃水処理装置１０をスケールダウンした実験装置を使用して、硝化菌が包括固定された粒径が１．０ｍｍの包括固定化担体１２（本発明）でアンモニア濃度１００ｍｇ／Ｌの廃水を硝化処理したときの、担体負荷と硝化率との関係を調べたものである。合わせて、固液分離槽１６から生物処理槽１４に包括固定化担体１２をポンプ移送したときの包括固定化担体１２の破損状態を調べた。
【００５５】
比較試験として、図６のスクリーンを有する従来の廃水処理装置３をスケールダウンした実験装置を使用して、硝化菌が包括固定された粒径が３．０ｍｍの包括固定化担体２（従来例）でアンモニア濃度１００ｍｇ／Ｌの廃水を硝化処理したときの、担体負荷と硝化率との関係を調べた。
【００５６】
本発明の包括固定化担体１２は、ポリエチレングリコール分子量が９５００で、材料濃度が５重量％である。一方、従来例の包括固定化担体２は、ポリエチレングリコール分子量が４０００、材料濃度が１０重量％である。尚、生物処理槽１４へ投入時における包括固定化担体中の硝化菌濃度は本発明及び比較例ともに同じとし、比重は、本発明及び従来例ともに１．０１５とした。
【００５７】
また、生物処理槽１４の容量は本発明及び従来例ともに２Ｌとし、生物処理槽１２には活性汚泥を添加せずに包括固定化担体１２のみを充填量５容量％になるように充填した。そして、生物処理槽１４に通水する通水量を増加させることにより、担体負荷を大きくした。
【００５８】
図４から分かるように、本発明の包括固定化担体１２は、担体負荷を大きくしていっても５００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）までは硝化率が約１００％であった。更に担体負荷を大きくすると、硝化率は次第に低下するが、それでも担体負荷６００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）で硝化率９４％、担体負荷７００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）で硝化率８０％と高い水準を維持することができた。また、ポンプ移送による包括固定化担体１２の破損も認められず、処理を続けることができた。従って、廃水中の窒素成分を好気性条件下で生物学的に硝化処理する廃水処理方法において、本発明の包括固定化担体１２を、担体負荷が３００〜６００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）の範囲になるように廃水と接触させることにより、高濃度の窒素成分を短時間で処理することができる。
【００５９】
一方、従来例の包括固定化担体２は、担体負荷が２００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）までは１００％の硝化率を維持していたが、担体負荷が２００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）を超えると硝化率が急激に低下し、担体負荷が５００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）で硝化率約２０％となった。
【００６０】
図４の結果から、包括固定化担体１２の粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲の条件を満足することにより、包括固定化担体の処理能力（この場合は硝化能力）を最大限に発揮でき、且つ変形率が７０％以上にすることで包括固定化担体の変形率を大きくできるので、ポンプによる返送が可能となり、従来必用であったスクリーンのない廃水処理装置１０を構成することが可能となる。
【００６１】
従って、活性汚泥により廃水処理を行っていたスクリーンを有しない既設の生物処理槽に、本発明の包括固定化担体１２を投入して運転するだけで、立ち上がりが速く、負荷変動に強い廃水処理を行うことが可能となる。
【００６２】
図５は、本発明の廃水処理装置１０' の変形例であり、生物処理槽１４内に本発明の包括固定化担体１２と活性汚泥３４（図５の黒い部分）の両方が共存する場合である。尚、その他は、図１の構成と同様であるので、説明は省略する。
【００６３】
図５のように、生物処理槽１４内に本発明の包括固定化担体１２と活性汚泥３４の両方が共存する場合、生物処理槽１４から固液分離槽１６に排出される処理水に同伴して、包括固定化担体１２と活性汚泥３４とが流出し、固液分離槽１６の底部に沈降する。この沈降した包括固定化担体１２と活性汚泥３４との両方を混在させた状態でポンプ２０で生物処理槽１４に返送する。これにより、活性汚泥３４が包括固定化担体１２を圧縮や磨耗から保護する役目を果たすので、包括固定化担体１２を破損しにくくできる。
【００６４】
尚、本実施の形態では、窒素成分を処理するための包括固定化担体の例で説明したが、窒素成分以外の被処理成分を処理する有用微生物を包括固定化した包括固定化担体にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の廃水処理装置の概要図
【図２】包括固定化の固定材料であるプレポリマの分子量と変形率との関係を示した関係図
【図３】担体当たりのプレポリマの濃度と変形率との関係を示した関係図
【図４】本発明の包括固定化担体と従来例の包括固定化担体における担体負荷と硝化率との関係を示した関係図
【図５】本発明の廃水処理装置の変形例の概念図
【図６】従来のスクリーンを備えた廃水処理装置の概念図
【符号の説明】
【００６６】
１０、１０' …廃水処理装置、１２…包括固定化担体、１４…生物処理槽、１６…固液分離槽、１８…返送配管、２０…ポンプ、２２…原水配管、２４…曝気管、２６…エア配管、２８…ブロア、３０…送液管、３２…処理水配管、３４…活性汚泥
【技術分野】
【０００１】
本発明は包括固定化担体及び廃水処理装置並びに廃水処理方法に係り、特に活性汚泥により廃水処理を行っていた既設の装置を改造することなく、包括固定化担体を生物処理槽に投入するだけで処理効率の高い運転を行うための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、活性汚泥による廃水処理は数多くの廃水処理場で採用されている。この活性汚泥による廃水処理方法は、活性汚泥が浮遊すると共にエアー（又は酸素）が曝気される生物処理槽内に廃水を流入させ、活性汚泥と廃水とを接触させることで廃水中の被処理成分（例えばアンモニア）を生物学的に処理する。しかし、活性汚泥による廃水処理は、生物処理槽内に廃水中の被処理成分を処理するための有用微生物濃度を高濃度に維持できないため、高負荷運転を行うことができず、処理効率が悪いという問題がある。
【０００３】
このことから、近年、微生物を包括固定した包括固定化担体を生物処理槽に投入することで生物処理槽内の有用微生物濃度を高め、これにより処理効率を上げることが行われている。
【０００４】
図６は、生物処理槽１に包括固定化担体２を投入した従来の廃水処理装置３の一般的な装置構成である。図６に示すように、原水配管４を介して廃水が流入する生物処理槽１内には、包括固定化担体２が投入されると共に、生物処理槽１の処理水出口には、包括固定化担体２が処理水に同伴して流出するのを防止するスクリーン５が設けられる。また、スクリーン５の下方には整流板６が設けられ、処理水の流れの向きや流速を調整することによりスクリーン５に包括固定化担体２が目詰まりすることを抑制している。また、包括固定化担体２は、粒径を小さくし過ぎると、スクリーン５で目詰まりしてしまうため、目詰まりしにくいように通常３〜１０ｍｍ程度の粒径に形成される。スクリーン５の目開きを小さくすれば、粒径の小さい包括固定化担体２の流出は防止できるが、廃水中の微粒子や微生物によって生産される粘性生産物がスクリーン５に付着し易くなるだけでなく、処理水の流出抵抗が大きくなる。従って、スクリーン５の目開きを小さくすることは現実的でない。
【０００５】
スクリーン５で包括固定化担体２が分離された処理水は固液分離槽７で処理水中の活性汚泥が沈降分離され、沈降した活性汚泥の一部はポンプ８により返送配管９を介して生物処理槽１に戻される。符号の１ａはブロアーであり、１ｂはエアー（又は酸素）を曝気する曝気管である。スクリーンを備えた生物処理槽としては、例えば特許文献１がある。
【特許文献１】特開２００４−１４８１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
（１）しかしながら、活性汚泥により廃水処理を行っていた既設の生物処理槽１を、包括固定化担体２でも使用できるようにするには、上記したようにスクリーン５や整流板６のようにスクリーン５の目詰まりを防止する部材を設ける必用があり、装置を改造しなくてはならないという問題がある。整流板６だけでは目詰まりが防止できない場合には、スクリーン５の下方に、スクリーン洗浄用のエア曝気手段を設ける場合もあり、装置の改造が大がかりになる。
【０００７】
（２）また、包括固定化担体２は、固定化材料である親水性ゲルの中に微生物（活性汚泥等）を包括固定するものであり、粒径が小さいほど廃水と接触する表面積を大きくできるので、包括固定化担体２の本来の長所である処理効率を上げることができる。
【０００８】
このような背景から、生物処理槽１内にスクリーン２を設けずに、包括固定化担体２を処理水に同伴させて固液分離槽７に流出させ、流出した包括固定化担体２をポンプ８により返送配管９を介して生物処理槽１に戻すように装置を構成すれば、既設の装置をそのまま使用できるので装置の改造も必用ない。しかも、粒径の小さな包括固定化担体を使用することが可能となり、上記した（１）と（２）の問題を一度に解決することができる。
【０００９】
しかしながら、ポンプ８により返送配管９を介して包括固定化担体２を生物処理槽１に戻す際に、ポンプ８での圧縮や返送配管９での磨耗等により包括固定化担体２が破損してしまい、現状では不可能である。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ポンプで生物処理槽に返送しても破損しにくいので、活性汚泥により廃水処理を行っていた既設の生物処理槽を改造する必用がなく、しかも粒径を小さくすることができるので処理効率を格段に向上させることができる包括固定化担体及び廃水処理装置並びに廃水処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１は前記目的を達成するために、微生物を混合した固定化材料を重合することにより、前記微生物を前記固定化材料内に包括固定化した廃水処理用の包括固定化担体において、前記包括固定化担体は、（Ａ）圧縮しない前の担体厚さをＨ0 とし、圧縮により破壊する時の担体厚さをＨ1 としたときに、（Ｈ0 −Ｈ1 ）／Ｈ0 で表される変形率が７０％以上であること、（Ｂ）粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲であること、の条件を満足していることを特徴とする廃水処理用の包括固定化担体を提供する。
【００１２】
本発明者は、生物処理槽内にスクリーンを設けずに、生物処理槽から固液分離槽に処理水に同伴して流出した包括固定化担体を、ポンプにより返送配管を介して生物処理槽に戻す構成の廃水処理装置に好適な包括固定化担体を鋭意研究した結果、上記（Ａ）及び（Ｂ）の条件を備えた包括固定化担体により目的を達成できるとの知見を得た。
【００１３】
即ち、圧縮しない前の担体厚さをＨ0 とし、圧縮により破壊する時の担体厚さをＨ1 としたときに、（Ｈ0 −Ｈ1 ）／Ｈ0 ×１００で表される変形率が７０％以上になるように包括固定化担体を設計し、且つ包括固定化担体の粒径を０．１〜１．０ｍｍの範囲の小粒にすることで、ポンプでの圧縮や返送配管での磨耗等により破損しにくい包括固定化担体を得ることができる。また、一般的な包括固定化担体内において硝化菌のような好気性の有用微生物が生存する領域は、ゲル（固定化材料を重合してゲル化したもの）の拡散抵抗のために担体表面から５００μｍの担体内部までである。従って、包括固定化担体の粒径を０．１〜１．０ｍｍの範囲の小粒にすることで、ポンプにより破壊しにくくなるだけでなく、包括固定化担体の全体に有用微生物を生存させることができる。これにより、担体負荷を高負荷にして生物処理を行うことが可能となるので、処理効率を飛躍的に向上できる。尚、包括固定化担体の変形率は８０％以上であればより好ましい。
【００１４】
請求項２は請求項１において、前記包括固定化担体の比重が１．０１〜１．０６の範囲であることを特徴とする。
【００１５】
これは、包括固定化担体をポンプで生物処理槽に返送するには、包括固定化担体を効率的に沈降させる必用があり、包括固定化担体の比重が１．０１〜１．０６の範囲に設計することで沈降効率を向上できるからである。
【００１６】
請求項３は請求項１又は２において、前記固定化材料として、分子量が４０００〜１２０００の範囲のプレポリマを使用すると共に該プレポリマの担体当たりの濃度が３〜１０重量％の範囲であることを特徴とする。
【００１７】
請求項３は、包括固定化担体の変形率を７０％以上にするための好ましい一例であり、固定化材料の分子量と含有量を規定することで達成するようにしたものである。尚、分子量が７０００〜１１０００の範囲がより好ましく、担体当たりの濃度は４〜８重量％の範囲がより好ましい。
【００１８】
請求項４は請求項１〜３の何れか１において、前記微生物は活性汚泥であることを特徴とする。
【００１９】
これは、固定化材料中に溶解している酸素は重合を阻害するが、活性汚泥を包括固定化することで、活性汚泥が酸素を消費し重合反応を順調に進行させるので、強度の強い包括固定化担体を得易くなるためである。特に、請求項３のように、プレポリマ濃度が低い場合には酸素の影響を受け易く、活性汚泥を使用することにより影響を軽減できるので、包括固定化担体の変形率を一層高めることが可能となる。また、活性汚泥を包括固定化することで、包括固定化担体の比重調整も可能となる。従って、包括固定化する微生物は純粋培養したものでもよいが、活性汚泥を包括固定化することがより好ましい。
【００２０】
本発明の請求項５は前記目的を達成するために、請求項１〜４の何れか１に記載された包括固定化担体が投入されると共に、該包括固定化担体と廃水とを接触させることにより廃水中の被処理成分を生物学的に処理する生物処理槽と、前記生物処理槽から流出した包括固定化担体を沈降分離する固液分離槽と、前記固液分離槽と前記生物処理槽とを繋ぐ返送配管に設けられたポンプとを備え、前記生物処理槽から前記固液分離槽に処理水に同伴して流出した包括固定化担体を、前記ポンプにより前記返送配管を介して前記生物処理槽に戻すことを特徴とする廃水処理装置を提供する。
【００２１】
請求項５は、本発明の包括固定化担体を使用することで、生物処理槽内にスクリーンを設けずに、生物処理槽から固液分離槽に処理水に同伴して流出した包括固定化担体を、ポンプにより返送配管を介して生物処理槽に戻すように構成した廃水処理装置である。これにより、活性汚泥により廃水処理を行っていた既設の生物処理槽を改造する必用がなく、しかも粒径を小さくすることができるので処理効率を格段に向上させるこができる。
【００２２】
請求項６は請求項５において、前記生物処理槽には前記包括固定化担体と活性汚泥とを混在させ、処理水に同伴されて前記固液分離槽に流出する包括固定化担体と活性汚泥との両方を前記ポンプで生物処理槽に戻すことを特徴とする。
【００２３】
これは、包括固定化担体と活性汚泥との両方を混在させた状態でポンプで返送することにより、活性汚泥が包括固定化担体を圧縮や磨耗から保護する役目を果たすので、包括固定化担体を破損しにくくできる。
【００２４】
本発明の請求項７は前記目的を達成するために、アンモニア含有廃水を生物学的に硝化処理する廃水処理方法において、硝化菌が包括固定化されると共に粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲の包括固定化担体を、担体負荷が３００〜６００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）の範囲になるように前記アンモニア含有廃水と接触させることを特徴とする廃水処理方法を提供する。
【００２５】
上記したように、包括固定化担体の粒径を０．１〜１．０ｍｍの範囲の小粒にすることで、包括固定化担体の全体に有用微生物を高濃度に生存させることができるので、担体負荷を高負荷にして生物処理を行うことが可能となる。請求項７は、アンモニア含有廃水の硝化処理に適用したもので、硝化菌が包括固定化されると共に粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲の包括固定化担体を、担体負荷が３００〜６００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）の範囲になるようにアンモニア含有廃水と接触させるようにした。担体負荷が３００〜６００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）の範囲であれば、略１００％の硝化率で硝化処理することができ、これにより処理効率を飛躍的に向上させることができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明の包括固定化担体はポンプ移送しても破損しにいので、生物処理槽に担体流出防止用のスクリーンを設けない廃水処理装置を構成することが可能となるだけでなく、粒径を小さくすることができるので処理効率を格段に向上させことができる。従って、活性汚泥により廃水処理を行っていた既設の生物処理槽に本発明の包括固定化担体を投入するだけで高効率な廃水処理装置や方法を構成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下添付図面に従って本発明に係る包括固定化担体及び廃水処理装置並びに廃水処理方法の好ましい実施の形態を詳説する。
【００２８】
図１は、本発明の廃水処理装置の概略図であり、廃水中の窒素成分（例えばアンモニア）を好気性条件下で生物学的に硝化処理する廃水処理装置の一例である。
【００２９】
図１に示すように、廃水処理装置１０は、主として、多数の包括固定化担体１２と廃水とを接触させることにより廃水中の被処理成分を生物学的に処理する生物処理槽１４と、生物処理槽１４から流出した包括固定化担体１２を沈降分離する固液分離槽１６と、固液分離槽１６と生物処理槽１４とを繋ぐ返送配管１８に設けられたポンプ２０とで構成される。この廃水処理装置１０の生物処理槽１４には、包括固定化担体１２の流出を防止するスクリーンは設けない。
【００３０】
生物処理槽１４には、原水配管２２を介して窒素成分を含む廃水が流入し、硝化菌が包括固定された包括固定化担体１２と接触する。また、生物処理槽１４の底部には曝気管２４が設けられ、曝気管２４はエア配管２６を介してブロア２８に接続される。これにより、曝気管２４から曝気されるエアーにより生物処理槽１４内に好気性条件が形成される。かかる好気性条件下で包括固定化担体１２と廃水とが接触することにより、廃水中の窒素成分が包括固定化担体１２に包括固定化されている硝化菌（微生物）により硝化（酸化）される。生物処理槽１４で処理された処理水は、送液管３０を介して固液分離槽１６に送られると共に、一部の包括固定化担体１２が処理水に同伴して固液分離槽１６に流出する。固液分離槽１６では、上澄水が処理水として処理水配管３２を介して次の工程に送られると共に、重力沈降した包括固定化担体１２が固液分離槽１６の底部に堆積される。そして、ポンプ２０を稼働することにより、固液分離槽１６の底部に堆積した包括固定化担体１２は、返送配管１８を介して生物処理槽１４に戻される。固液分離槽１６内の中心部には、縦方向に上下が解放された筒体３１が設けられ、送液管３０の先端が筒体３１まで延設される。これにより、生物処理槽１４から固液分離槽１６に流出した包括固定化担体１２は、固液分離槽１６内で散乱することなく、固液分離槽１６の底部に沈降する。
【００３１】
上記の如く、生物処理槽１４内の処理水出口に担体流出防止のためのスクリーン（図６の符号５）を設けずに、処理水に同伴して固液分離槽１６に流出する包括固定化担体１２を生物処理槽１４にポンプ２０で生物処理槽１４に返送する場合には、ポンプ移送により包括固定化担体１２が破損しにくいことが重要になる。そこで、生物処理槽１４には、本発明の包括固定化担体１２が投入される。
【００３２】
本発明の包括固定化担体１２は、微生物を混合した固定化材料を重合することにより、微生物を固定化材料内に包括固定化したものであり、包括固定化担体１２の変形率が７０％以上で且つ粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲の条件を満足することが重要である。包括固定化担体１２の変形率とは、次式（１）で表された値を言う。
【００３３】
包括固定化担体の変形率（％）＝（Ｈ0 −Ｈ1 ）／Ｈ0 ×１００…（１）
ここで、Ｈ0 ：圧縮しない前の担体厚さ（ｍｍ）
Ｈ1 ：圧縮機、例えばレオメータを使用して一定の力で包括固定化担体１２を圧縮し、担体ゲルが破壊する時の担体厚さ（ｍｍ）とする。例えば、変形率７０％とは、包括固定化担体１２の初期の厚みの７０％まで圧縮可能であり、それ以上圧縮すると破損することを意味する。
【００３４】
このように、包括固定化担体１２の変形率を７０％以上にすること、更に好ましくは８０％以上にすることで、ポンプ２０での圧縮や返送配管１８での磨耗等により破損しにくい包括固定化担体１２を得ることができる。
【００３５】
変形率７０％以上の包括固定化担体１２を得る方法としては、固定化材料として、分子量が４０００〜１２０００の範囲のプレポリマを使用すると共に該プレポリマの担体当たりの濃度が３〜１０重量％の範囲にする方法が好適である。
【００３６】
図２はプレポリマの分子量と変形率との関係を示したものであり、図３は担体当たりのプレポリマ濃度と変形率との関係を示したものである。
【００３７】
図２から分かるように、プレポリマの分子量を大きくしていくと変形率が次第に上昇して弾力性が増すが、分子量が約１００００でピークになり、その後は変形率が急激に低下する。これは、プレポリマの分子量を大きくすると変形率が大きくなる傾向にあるが、分子量が大きくなり過ぎるとゲル化し難くなるために担体強度が低下して壊れ易くなるので、変形率が低下するものと考察される。そして、分子量が４０００〜１２０００の範囲で変形率７０％以上を確保することができる。
【００３８】
また、図３から分かるように、プレポリマ濃度を大きくしていくと変形率が次第に上昇して弾力性が増すが、プレポリマ濃度が６〜７重量％でピークとなり、その後は変形率が次第に低下する。これは、プレポリマ濃度３重量％未満ではゲル化が十分に行われず、変形率が低くなる。また、プレポリマ濃度が８重量％を超えると、ゲル中の架橋点の数が多くなることにより重合が強固に成り過ぎて堅いが脆くなるために、変形率が低下するものと考察される。
【００３９】
このように、包括固定化担体１２の変形率を大きくするには、プレポリマの分子量と担体当たりの濃度を適切に調整する必用があり、これによりゲル中の架橋点の数を適切に形成することができ、これにより、弾力性に富んだ包括固定化担体１２を得ることができる。そして、分子量が４０００〜１２０００の範囲のプレポリマを使用すると共に該プレポリマの担体当たりの濃度が３〜１０重量％の範囲にすることで、変形率７０％以上を確保することができる。また、包括固定化担体１２の粒径を０．１〜１．０ｍｍの範囲にすることで、後述する処理性能の向上だけではなく、ポンプ移送において包括固定化担体１２が破損されにくくなる。
【００４０】
固定化材料である母剤プレポリマや、架橋剤としては、以下のものを好適に使用できる。
【００４１】
（モノメタクリレート類）ポリエチレングリコールモノメタクリレート、ポリプレングリコールモノメタクリレート、ポリプロピレングリコールモノメタクリレート、メトキシジエチレングリコールメタクリレート、メトキシポリエチレングリコールメタクリレート、メタクリロイルオキシエチルハイドロジェンフタレート、メタクリロイルオキシエチルハイドロジェンサクシネート、３クロロ２ヒドロキシプロピルメタクリレート、ステアリルメタクリレート、２ヒドロキシメタクリレート、エチルメタクリレート等。
【００４２】
（モノアクリレート類）２ヒドロキシエチルアクリレート、２ヒドロキシプロピルアクリレート、イソブチルアクリレート、ｔブチルアクリレート、イソオクチルアクリレート、ラウリルアクリレート、ステアリルアクリレート、イソボルニルアクリレート、シクロへキシルアクリレート、メトキシトリエチレングリコールアクリレート、２エトキシエチルアクリレート、テトラヒドロフルフリルアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、ノニルフェノキシポリエチレングリコールアクリレート、ノニルフェノキシポリプロピレングリコールアクリレート、シリコン変性アクリレート、ポリプロピレングリコールモノアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、フェノキシジエチレングリコールアクリレート、フェノキシポリエチレングリコールアクリレート、メトキシポリエチレングリコールアクリレート、アクリロイルアキシエチルハイドロジェンサクシネート、ラウリルアクリレート等。
【００４３】
（ジメタクリレート類）１，３ブチレングリコールジメタクリレート、１，４ブタンジオールジメタクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ブチレングリコールジメタクリレート、ヘキサンジオールジメタクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレート、ポリプレングリコールジメタクリレート、２ヒドロキシ１，３ジメタクリロキシプロパン、２，２ビス４メタクリロキシエトキシフェニルプロパン、３，２ビス４メタクリロキシジエトキシフェニルプロパン、２，２ビス４メタクリロキシポリエトキシフェニルプロパン等。
【００４４】
（ジアクリレート類）エトキシ化ネオペンチルグリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、１，６ヘキサンジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレート、２，２ビス４アクリロキシヒエトキシフェニルプロパン、２ヒドロキシ１アクリロキシ３メタクリロキシプロパン等。
【００４５】
（トリメタクリレート類）トリメチロールプロパントリメタクリレート等。
【００４６】
（トリアクリレート類）トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパンＥＯ付加トリアクリレート、グリセリンＰＯ付加トリアクリレート、エトキシ化トリメチロールプロパントリアクリレート等。
【００４７】
（テトラアクリレート類）ペンタエリスリトールテトラアクリレート、エトキシ化ペンタエリスリトールテトラアクリレート、プロポキシ化ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート等。
【００４８】
（ウレタンアクリレート類）ウレタンアクリレート、ウレタンジメチルアクリレート、ウレタントリメチルアクリレート等。
【００４９】
（その他）アクリルアミド、アクリル酸、ジメチルアクリルアミド。
【００５０】
また、本発明での重合は、過硫酸カリウムを用いたラジカル重合が最適であるが、紫外線や電子線を用いた重合やレドックス重合でもよい。過硫酸カリウムを用いた重合では、過硫酸カリウムの添加量を０．００１〜０．２５％がよく、アミン系の重合促進剤を０．００１〜０．５％添加するとよい。アミン系の重合促進剤としてはβジメチルアミノプロピオニトリル、ＮＮＮ’Ｎ’テトラメチルエチレンジアミン、亜硫酸ソーダなどがよい。
【００５１】
また、プレポリマ内に包括固定化する微生物としては、純粋培養したものでもよいが、活性汚泥を包括固定化することがより好ましい。この理由は、プレポリマに溶解している酸素は重合を阻害するが、活性汚泥を包括固定化することで、活性汚泥が酸素を消費し重合反応を順調に進行させるので、強度の強い包括固定化担体１２を得易くなるためである。特に、本発明のように、プレポリマ濃度が３〜１０重量％と低い場合には酸素の影響を受け易く、活性汚泥を使用することにより影響を軽減できるので、包括固定化担体１２の変形率を一層高めることが可能となる。また、活性汚泥を包括固定化することで、包括固定化担体１２の比重調整も可能となる。
【００５２】
包括固定化担体１２の比重としては、１．０１〜１．０６の範囲であることが好ましい。これは、包括固定化担体１２の粒子径が０．１〜１．０ｍｍと小さい場合でも、比重を１．０１〜１．０６にすることで、固液分離槽１６で重力により容易に処理水から沈降分離することができるからである。包括固定化担体１２の比重調整剤としては、活性汚泥、マグネタイト、フライアッシュ、鉄粉、活性炭、シリカ等を好適に使用することができる。
【００５３】
また、包括固定化担体１２の粒径を０．１〜１．０ｍｍの範囲に粒子径を小さくすることで、包括固定化担体１２の中心部まで基質や酸素が透過し硝化菌（有用微生物）が増殖し易くなるので、担体当たりの反応速度を著しく速くすることができる。これにより、担体負荷を高くした状態で廃水中の窒素成分を処理することが可能となる。
【００５４】
図４は、上記した図１の廃水処理装置１０をスケールダウンした実験装置を使用して、硝化菌が包括固定された粒径が１．０ｍｍの包括固定化担体１２（本発明）でアンモニア濃度１００ｍｇ／Ｌの廃水を硝化処理したときの、担体負荷と硝化率との関係を調べたものである。合わせて、固液分離槽１６から生物処理槽１４に包括固定化担体１２をポンプ移送したときの包括固定化担体１２の破損状態を調べた。
【００５５】
比較試験として、図６のスクリーンを有する従来の廃水処理装置３をスケールダウンした実験装置を使用して、硝化菌が包括固定された粒径が３．０ｍｍの包括固定化担体２（従来例）でアンモニア濃度１００ｍｇ／Ｌの廃水を硝化処理したときの、担体負荷と硝化率との関係を調べた。
【００５６】
本発明の包括固定化担体１２は、ポリエチレングリコール分子量が９５００で、材料濃度が５重量％である。一方、従来例の包括固定化担体２は、ポリエチレングリコール分子量が４０００、材料濃度が１０重量％である。尚、生物処理槽１４へ投入時における包括固定化担体中の硝化菌濃度は本発明及び比較例ともに同じとし、比重は、本発明及び従来例ともに１．０１５とした。
【００５７】
また、生物処理槽１４の容量は本発明及び従来例ともに２Ｌとし、生物処理槽１２には活性汚泥を添加せずに包括固定化担体１２のみを充填量５容量％になるように充填した。そして、生物処理槽１４に通水する通水量を増加させることにより、担体負荷を大きくした。
【００５８】
図４から分かるように、本発明の包括固定化担体１２は、担体負荷を大きくしていっても５００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）までは硝化率が約１００％であった。更に担体負荷を大きくすると、硝化率は次第に低下するが、それでも担体負荷６００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）で硝化率９４％、担体負荷７００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）で硝化率８０％と高い水準を維持することができた。また、ポンプ移送による包括固定化担体１２の破損も認められず、処理を続けることができた。従って、廃水中の窒素成分を好気性条件下で生物学的に硝化処理する廃水処理方法において、本発明の包括固定化担体１２を、担体負荷が３００〜６００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）の範囲になるように廃水と接触させることにより、高濃度の窒素成分を短時間で処理することができる。
【００５９】
一方、従来例の包括固定化担体２は、担体負荷が２００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）までは１００％の硝化率を維持していたが、担体負荷が２００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）を超えると硝化率が急激に低下し、担体負荷が５００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）で硝化率約２０％となった。
【００６０】
図４の結果から、包括固定化担体１２の粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲の条件を満足することにより、包括固定化担体の処理能力（この場合は硝化能力）を最大限に発揮でき、且つ変形率が７０％以上にすることで包括固定化担体の変形率を大きくできるので、ポンプによる返送が可能となり、従来必用であったスクリーンのない廃水処理装置１０を構成することが可能となる。
【００６１】
従って、活性汚泥により廃水処理を行っていたスクリーンを有しない既設の生物処理槽に、本発明の包括固定化担体１２を投入して運転するだけで、立ち上がりが速く、負荷変動に強い廃水処理を行うことが可能となる。
【００６２】
図５は、本発明の廃水処理装置１０' の変形例であり、生物処理槽１４内に本発明の包括固定化担体１２と活性汚泥３４（図５の黒い部分）の両方が共存する場合である。尚、その他は、図１の構成と同様であるので、説明は省略する。
【００６３】
図５のように、生物処理槽１４内に本発明の包括固定化担体１２と活性汚泥３４の両方が共存する場合、生物処理槽１４から固液分離槽１６に排出される処理水に同伴して、包括固定化担体１２と活性汚泥３４とが流出し、固液分離槽１６の底部に沈降する。この沈降した包括固定化担体１２と活性汚泥３４との両方を混在させた状態でポンプ２０で生物処理槽１４に返送する。これにより、活性汚泥３４が包括固定化担体１２を圧縮や磨耗から保護する役目を果たすので、包括固定化担体１２を破損しにくくできる。
【００６４】
尚、本実施の形態では、窒素成分を処理するための包括固定化担体の例で説明したが、窒素成分以外の被処理成分を処理する有用微生物を包括固定化した包括固定化担体にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の廃水処理装置の概要図
【図２】包括固定化の固定材料であるプレポリマの分子量と変形率との関係を示した関係図
【図３】担体当たりのプレポリマの濃度と変形率との関係を示した関係図
【図４】本発明の包括固定化担体と従来例の包括固定化担体における担体負荷と硝化率との関係を示した関係図
【図５】本発明の廃水処理装置の変形例の概念図
【図６】従来のスクリーンを備えた廃水処理装置の概念図
【符号の説明】
【００６６】
１０、１０' …廃水処理装置、１２…包括固定化担体、１４…生物処理槽、１６…固液分離槽、１８…返送配管、２０…ポンプ、２２…原水配管、２４…曝気管、２６…エア配管、２８…ブロア、３０…送液管、３２…処理水配管、３４…活性汚泥
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物を混合した固定化材料を重合することにより、前記微生物を前記固定化材料内に包括固定化した廃水処理用の包括固定化担体において、
前記包括固定化担体は、
（Ａ）圧縮しない前の担体厚さをＨ0 とし、圧縮により破壊する時の担体厚さをＨ1 としたときに、（Ｈ0 −Ｈ1 ）／Ｈ0 ×１００で表される変形率が７０％以上であること、
（Ｂ）粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲であること、の条件を満足していることを特徴とする廃水処理用の包括固定化担体。
【請求項２】
前記包括固定化担体の比重が１．０１〜１．０６の範囲であることを特徴とする請求項１の廃水処理用の包括固定化担体。
【請求項３】
前記固定化材料として、分子量が４０００〜１２０００の範囲のプレポリマを使用すると共に該プレポリマの担体当たりの濃度が３〜１０重量％の範囲であることを特徴とする請求項１又は２の包括固定化担体。
【請求項４】
前記微生物は活性汚泥であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１の包括固定化担体。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１に記載された包括固定化担体が投入されると共に、該包括固定化担体と廃水とを接触させることにより廃水中の被処理成分を生物学的に処理する生物処理槽と、
前記生物処理槽から流出した包括固定化担体を沈降分離する固液分離槽と、
前記固液分離槽と前記生物処理槽とを繋ぐ返送配管に設けられたポンプとを備え、
前記生物処理槽から前記固液分離槽に処理水に同伴して流出した包括固定化担体を、前記ポンプにより前記返送配管を介して前記生物処理槽に戻すことを特徴とする廃水処理装置。
【請求項６】
前記生物処理槽には前記包括固定化担体と活性汚泥とを混在させ、処理水に同伴されて前記固液分離槽に流出する包括固定化担体と活性汚泥との両方を前記ポンプで生物処理槽に戻すことを特徴とする請求項５の廃水処理装置。
【請求項７】
廃水中の窒素成分を好気性条件下で生物学的に硝化処理する廃水処理方法において、
硝化菌が包括固定化されると共に粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲の包括固定化担体を、担体負荷が３００〜６００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）の範囲になるように前記廃水と接触させることを特徴とする廃水処理方法。
【請求項１】
微生物を混合した固定化材料を重合することにより、前記微生物を前記固定化材料内に包括固定化した廃水処理用の包括固定化担体において、
前記包括固定化担体は、
（Ａ）圧縮しない前の担体厚さをＨ0 とし、圧縮により破壊する時の担体厚さをＨ1 としたときに、（Ｈ0 −Ｈ1 ）／Ｈ0 ×１００で表される変形率が７０％以上であること、
（Ｂ）粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲であること、の条件を満足していることを特徴とする廃水処理用の包括固定化担体。
【請求項２】
前記包括固定化担体の比重が１．０１〜１．０６の範囲であることを特徴とする請求項１の廃水処理用の包括固定化担体。
【請求項３】
前記固定化材料として、分子量が４０００〜１２０００の範囲のプレポリマを使用すると共に該プレポリマの担体当たりの濃度が３〜１０重量％の範囲であることを特徴とする請求項１又は２の包括固定化担体。
【請求項４】
前記微生物は活性汚泥であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１の包括固定化担体。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１に記載された包括固定化担体が投入されると共に、該包括固定化担体と廃水とを接触させることにより廃水中の被処理成分を生物学的に処理する生物処理槽と、
前記生物処理槽から流出した包括固定化担体を沈降分離する固液分離槽と、
前記固液分離槽と前記生物処理槽とを繋ぐ返送配管に設けられたポンプとを備え、
前記生物処理槽から前記固液分離槽に処理水に同伴して流出した包括固定化担体を、前記ポンプにより前記返送配管を介して前記生物処理槽に戻すことを特徴とする廃水処理装置。
【請求項６】
前記生物処理槽には前記包括固定化担体と活性汚泥とを混在させ、処理水に同伴されて前記固液分離槽に流出する包括固定化担体と活性汚泥との両方を前記ポンプで生物処理槽に戻すことを特徴とする請求項５の廃水処理装置。
【請求項７】
廃水中の窒素成分を好気性条件下で生物学的に硝化処理する廃水処理方法において、
硝化菌が包括固定化されると共に粒径が０．１〜１．０ｍｍの範囲の包括固定化担体を、担体負荷が３００〜６００（ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈ）の範囲になるように前記廃水と接触させることを特徴とする廃水処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−１９２３９１（Ｐ２００６−１９２３９１Ａ）
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−８０７５（Ｐ２００５−８０７５）
【出願日】平成１７年１月１４日（２００５．１．１４）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月１４日（２００５．１．１４）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
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