有機物含有水の生物処理方法および装置
【課題】有機物含有水を生物処理し、純水製造の原水に利用する場合の分離膜の汚染を防止する。
【解決手段】リアクタ１０内にメタン生成菌群を含む嫌気性汚泥を保持させる。原水管３０からリアクタ１０に、被処理水としてメタン生成菌群により生物分解されるモノマー有機物（例えばテトラメチルアンモニウムヒドロキシド）を主として含む有機物含有水を供給し、メタン生成菌群による嫌気性生物処理を行う。嫌気性生物処理により得られた処理液は、リアクタ１０外に設けた膜分離装置１２で固液分離することで固形物が分離された分離水を得る。分離水は逆浸透膜装置１４で脱塩処理し、純水製造の原料とする。
【解決手段】リアクタ１０内にメタン生成菌群を含む嫌気性汚泥を保持させる。原水管３０からリアクタ１０に、被処理水としてメタン生成菌群により生物分解されるモノマー有機物（例えばテトラメチルアンモニウムヒドロキシド）を主として含む有機物含有水を供給し、メタン生成菌群による嫌気性生物処理を行う。嫌気性生物処理により得られた処理液は、リアクタ１０外に設けた膜分離装置１２で固液分離することで固形物が分離された分離水を得る。分離水は逆浸透膜装置１４で脱塩処理し、純水製造の原料とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機物含有水を嫌気的に処理する生物処理方法および装置に関し、特に、排水を生物処理して純水製造用の原水として利用する生物処理方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
好気性微生物群集は嫌気性微生物群集に比べて多様な有機物の分解能があると考えられている。このため、好気性微生物群集を利用した好気性生物処理は、複雑な高分子（ポリマー）化合物を含む排水（例えば食品排水）を処理するのに適している。また、嫌気性生物処理では高分子の有機物の加水分解速度が遅いため、一般には、水理学的滞留時間を３０日以上とする必要がある。これに対し、好気性生物処理の標準的な水理学的滞留時間は０．５日程度と短い。
【０００３】
近年、半導体製造工場のように純水を使用しその排水を排出する設備等で、有機物を含む排水を生物処理し、その処理水を純水製造の原料として用いる水回収が進んでいる。このような水回収を行う有機物含有水の生物処理では、従来、好気性生物処理が用いられている。好気性生物処理の際には、好気性微生物を担体に固定することで生物処理槽の微生物保持量を多くして処理速度を高くすることも多い（例えば特許文献１）。担体を使用する場合、例えば生物処理槽あたりの有機物除去速度を１〜２ｋｇ−ＣＯＤ／ｍ３／ｄａｙ程度に高めることができる。
【０００４】
このような生物処理により得られた処理液を純水製造に再利用する場合、処理液を固液分離装置で処理して微生物体を分離した後、逆浸透膜分離装置等で脱塩処理する（例えば特許文献２）。
【特許文献１】特開平９−１８７７８５号公報
【特許文献２】特開２００７−１７５５８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した通り、排水を純水製造の原水として再利用する際には、一般に膜分離装置による処理が行われる。しかし分離膜は運転条件や被処理水の水質によって目詰まりを生じやすく、特に生物処理液を膜分離すると、微生物自体および微生物が生成した粘質物等が膜面に付着して目詰まりを生じる傾向がある。微生物が生成する粘質物は高分子有機物を主体とする難分解性であり、その生成量は生物処理槽に保持される微生物量にほぼ正比例して増大する。よって、増殖速度が大きい好気性微生物を用いる好気性生物処理では高分子有機物の生成量も多い。特に、担体を添加した生物処理槽を用いる場合、保有微生物量が多くなるため高分子有機物の生成量が多くなる。
【０００６】
一方、嫌気性微生物は好気性微生物より増殖速度が遅いため、高分子有機物の生成量は比較的少ない。しかし、嫌気性生物処理はそもそも有機物の分解速度が遅いため、被処理水（有機物含有水）に含まれる有機物が分解されきれず、そのまま、またはその分解中間体が処理液に含まれやすい。すなわち、好気性生物処理を行った場合は微生物の生成物により逆浸透膜が汚染される恐れがある。一方、嫌気性生物処理を行った場合は微生物の生成物による膜汚染の恐れは低いものの、処理液に残存した有機物や分解中間体による膜汚染の恐れが高くなる
【０００７】
また、排水を生物処理した後、処理液に含まれる微生物体を分離する場合、凝集沈殿や加圧浮上では分離が不十分で、分離水に微生物体等が含まれ後段の逆浸透膜を汚染する。特に、生物処理槽に担体を添加している場合、担体を固液分離するためにスクリーン等が必要になるが、表面積を大きくして活性を高めるようにした担体は粒径が小さくスクリーンを目詰まりさせやすく、これを回避するためには複雑な構成の固液分離装置や広い沈殿池が必要になる。
【０００８】
これに対し、生物処理した処理液を、生物処理槽内に設けた浸漬膜で固液分離すれば、微生物体等が良好に分離できるので後段の逆浸透膜の汚染を防ぐことはできる。しかし、浸漬膜自体の目詰まりの問題があり、特に、好気性処理を行う場合、微生物が生成した高分子有機物により浸漬膜が詰まり透過水量が低下する問題がある。
【０００９】
また、有機物含有水に窒素成分が含まれる場合、好気性生物処理過程でアンモニアが酸化されて硝酸を生成し、槽内液のｐＨが低下するため、中和用のアルカリ添加を要する。これに続いて嫌気性条件下で硝酸の脱窒処理を行う場合はアルカリが生成されｐＨが上がるため、中和用に酸の添加が必要となる。このように、生物処理過程で中和用に添加された酸またはアルカリは、後段の逆浸透膜の塩類負荷となる。
【００１０】
このように、有機物含有水を生物処理して純水製造に再利用する場合、排水処理プロセスが逆浸透膜による処理に悪影響を与えることがあった。本発明は、かかる課題に対し、有機物含有水の生物処理において、処理水を純水製造用水として再利用する際の逆浸透膜による処理がスムーズに行える方法および装置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】
有機物の嫌気性生物処理は、酸生成菌群による有機物からの酸生成工程と、メタン生成菌群による酸からのメタン生成工程とに分けられる。本発明者らは、膜汚染の原因物質となる高分子の有機物は、主として酸生成工程に関与する酸生成菌群に代謝されることを見出した。そこで、酸生成菌群による酸生成工程を経ずにメタン生成を行わせることで上記課題を解決することを着想し、本発明を完成させた。具体的には、本発明は以下を提供する。
【００１２】
（１） 有機物含有水を嫌気性生物処理槽に導入し、 前記嫌気性生物処理槽内のメタン生成菌群により嫌気性生物処理し、 前記嫌気性生物処理により得られた処理液を好気性生物処理せずに膜分離し、 前記膜分離により得られた分離水を逆浸透膜で処理する有機物含有水の生物処理方法。
（２） 前記有機物含有水は、全有機物炭素に対するモノマー有機物の割合が７０％以上からなる（１）に記載の有機物含有水の生物処理方法。
（３） 槽内液の温度を１５℃以上４０℃以下として前記嫌気性処理を行う（１）または（２）に記載の有機物含有水の生物処理方法。
（４） 前記処理液を、前記嫌気性処理過程で加温された状態のまま前記膜分離および前記逆浸透膜処理に供する（３）に記載の有機物含有水の生物処理方法。
（５） 前記モノマー有機物は、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、モノエタノールアミン、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、イソプロピルアルコール、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドおよび酢酸からなる群より選ばれるいずれか１以上である（１）から（４）のいずれかに記載の有機物含有水の生物処理方法。
（６） 有機物含有水が導入されメタン生成菌群によりメタン生成を行う嫌気性生物処理槽と、 前記嫌気性生物処理槽と接続され前記嫌気性生物処理槽から排出された処理液を膜分離する膜分離装置と、 前記膜分離装置の分離水を処理する逆浸透膜装置と、を備える有機物含有水の生物処理装置。
（７） 前記有機物含有水は、全有機物炭素に対するモノマー有機物の割合が７０％以上からなる（６）に記載の有機物含有水の生物処理装置。
（８） 前記嫌気性処理槽は、槽内液の温度を１５℃以上４０℃以下として運転され、
前記処理液は、前記嫌気性処理槽で加温された状態で前記膜分離装置および前記逆浸透膜装置に供給されるよう構成されている（６）または（７）に記載の有機物含有水の生物処理装置。
（９） 前記逆浸透膜装置の透過水から熱回収を行い、回収された熱で前記嫌気性処理槽を加温する熱回収加熱装置をさらに備える（８）に記載の有機物含有水の生物処理装置。
（１０） 前記膜分離装置は、精密濾過膜または限外濾過膜を備える（６）から（９）のいずれかに記載の有機物含有水の生物処理装置。
（１１） 前記嫌気性生物処理槽で発生したバイオガスを前記膜分離装置に供給して前記膜分離装置を曝気洗浄する洗浄装置をさらに備える（６）から（１０）のいずれかに記載の有機物含有水の生物処理装置。
【００１３】
本明細書において、「全有機物炭素」とは水中に含まれる各種有機態炭素化合物を総称するものとし、不揮発性有機物のみならず、一般的なＴＯＣ計では測定されない揮発性有機物も含むものとする。「モノマー有機物」とは、排水中に含まれる種々の有機物のうち微生物が直接吸収できる程度の低分子の有機物を総称するものとする。「モノマー有機物」に対して、微生物の細胞壁を通過できず菌体外酵素により分解されるような有機物は一般に有機物同士が重合され分子量が大きく、本明細書では「モノマー有機物」はこのような高分子有機物を除く有機物を指す語として用いる。モノマー有機物の具体例としては、メタン生成菌群の基質として利用される低分子有機物（例えば蟻酸、酢酸、メタノール、メチルアミン等）やテトラメチルアンモニウムヒドロキシド、モノエタノールアミン、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、イソプロピルアルコール、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドが挙げられる。本発明では、特に、モノマー有機物としてのメチル基を有する化合物（テトラメチルアンモニウム、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド）の含有割合が高い有機物含有水が好適な処理対象となる。
【００１４】
本発明では、被処理水中の有機物をメタン生成菌群により嫌気性生物処理する。被処理水中の有機物組成はモノマー有機物が主となるように設定することが好ましい。モノマー有機物は、メタン生成菌群により生物分解されるため、被処理水の性状をモノマー有機物主体とすることで、被処理水中の有機物を良好に生物分解して処理液への有機物の残留を抑制し、後段の分離膜の汚染を防止できる。また、本発明では、特に、モノマー有機物としてメチル基を有する化合物（テトラメチルアンモニウム、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド）の含有割合が高い有機物含有水を処理対象とすることにより酸生成菌群による膜汚染物質の生成を抑制することで、高分子有機物による膜汚染を防止する。
【００１５】
なお、メタン生成菌群を主体とする嫌気性処理では硝化反応は実質的に起こらない。このため、被処理水に窒素化合物が含まれる場合、窒素成分は生物処理工程で脱窒されず逆浸透膜装置に持ち込まれる。よって、被処理水に窒素化合物が含まれない方が逆浸透膜装置の負荷は低くできる。一方で、被処理水に窒素化合物が含まれ逆浸透膜装置に供給される液に窒素成分が含まれる場合、逆浸透膜で濃縮された窒素成分が逆浸透膜装置での微生物の増殖を抑制する可能性があることを本発明者らは見出した。そこで、逆浸透膜装置で微生物が増殖しやすい条件（例えば被処理水に高分子有機物が１０〜３０％程度含まれるような場合）では、被処理水に積極的に窒素化合物を含ませてもよい。
【００１６】
嫌気性生物処理槽内で、被処理水中の有機物を良好に生物分解させ、後段の膜汚染を防止するためには、被処理水中の有機物に占めるモノマー有機物の割合は高い方が良い。被処理水中にバクテリアや高分子の有機物が含まれる場合、これらを基質とする酸生成菌群の生物分解が起こり、膜汚染の原因となる可溶性の高分子有機物が生成される。酸生成菌群の代謝物は、１５℃未満または４０℃を超えると３０％程度しか分解されないものの、１５℃以上４０℃以下であれば９０％程度が分解される。よって、嫌気性生物処理槽を１５℃以上４０℃以下とすれば、モノマー有機物以外の有機物の含有量が比較的高くても、膜汚染を防止できる。
【００１７】
温度条件は３０℃以上４０℃以下が特に好ましい。上述した通り、温度条件により酸生成菌群の代謝物の分解効率が違うため、温度条件によって被処理水の性状を代えてもよい。具体的には、温度条件が１５℃以上３０℃未満であれば、被処理水中の有機物に占めるモノマー有機物の割合は７５％以上とするとよい。また、温度条件が１５℃未満または４０℃を超える場合はモノマー有機物の割合を９０％以上とするとよい。
【００１８】
また、ｐＨが６以上９以下であれば、酸生成菌群の代謝物は良好に分解されるが、ｐＨがこの範囲外であればその分解率は３０％程度に低下する。よって、嫌気性生物処理槽の槽内液のｐＨは６以上９以下に調整することが好ましいが、酸生成菌群の代謝物の生成が少ない場合、つまりモノマー有機物の割合が十分に高い（実質１００％）場合など、ｐＨを調整しなくてもよい場合もある。
【００１９】
なお、本発明は半導体のほか、液晶ディスプレイ等の電子産業工場の製造プロセス排水に適用することによって、食品工場排水や下水処理場排水のように高分子成分や雑多な化合物が含まれることなく、嫌気性生物処理で効率よく処理を行うことが可能である。この他に化学工場排水のように水中に含まれる有機物とその濃度が比較的明らかな排水を対象に適用することができる。これらの排水は、組成が明確であるためラボ実験によって処理能力を知ることができるというメリットがある。
【発明の効果】
【００２０】
本発明では、被処理水中の有機物をモノマー有機物主体とすることで、酸生成菌群による代謝物の生成を抑制し、メタン生成菌群により有機物を分解する。本発明では、嫌気性生物処理後に好気性生物処理を行うことなく、有機物が十分に分解された生物処理液を得ることができる。よって、酸生成菌群および好気性微生物群集による高分子有機物の生成を抑制するとともに、処理液中の残存有機物量を低減できる。このため、生物処理工程後段で膜分離を行う際の分離膜の汚染を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。以下、同一部材については同一符号を付し、説明を省略または簡略化する。
【００２２】
図１は、本発明に用いられる有機物含有水の生物処理装置（以下、単に「処理装置」という）１の模式図である。処理装置１は、嫌気性生物処理槽（以下、「リアクタ」）１０、膜分離装置１２、逆浸透膜装置１４を含む。リアクタ１０の入口には、原水管３０が接続されている。リアクタ１０は、処理液管３２を介して膜分離装置１２と接続され、膜分離装置１２は分離水管３４を介して逆浸透膜装置１４と接続されている。逆浸透膜装置１４の出口には、透過水管３６が接続されている。
【００２３】
原水管３０の途中には第１熱交換器２１が設けられ、透過水管３６の途中には第２熱交換器２２が設けられている。第１熱交換器２１と第２熱交換器２２とは流体管３９で接続され、熱交換に用いられる流体を第１熱交換器２１と第２熱交換器２２との間で循環させる。第１熱交換器２１、第２熱交換器２２、および流体管３９は熱回収加熱装置を構成している。
【００２４】
リアクタ１０には、排泥管３５とガス排管３１が接続されている。排泥管３５からは、リアクタ１０内の余剰汚泥が取り出され、リアクタ１０内で発生したガスはガス排管３１から取り出される。ガス排管３１は膜分離装置１２に接続され、膜分離装置１２内に設けられた分離膜（図示せず）を曝気洗浄するように構成され、洗浄装置として機能する。また、膜分離装置１２には出口端がリアクタ１０に接続された返送管３３も接続されている。逆浸透膜装置１４には、濃縮側にブライン管３７が接続されている。
【００２５】
本発明では、原水管３０からは被処理水をリアクタ１０に供給する。望ましくはモノマー有機物が有機物全体の７０％以上を占める被処理水をリアクタ１０に供給する。リアクタ１０の好適な運転条件は、上述した通り、ｐＨ６〜９、温度１５〜４０℃特に３０〜４０℃である。このような条件であれば、メタン生成菌群の基質とならない高分子の有機物が多少、含まれる場合にも酸生成菌群代謝物による膜汚染を防止できる。
【００２６】
リアクタ１０内のメタン生成菌群はグラニュール状または浮遊性のどちらの状態であってもよいが、メタン生成菌群は、酸生成菌群に比べて粘質物を生成しにくいためグラニュール汚泥を形成しにくい。このため、リアクタ１０から排出される処理液にはリアクタ１０内の汚泥が含まれやすい。
【００２７】
本発明ではリアクタ１０後段に膜分離装置１２を設けるため、処理液に含まれる微生物体を良好に固液分離できる。膜分離装置１２は、本実施形態のようにリアクタ１０とは別に設けられていることが好ましい。膜は、限外濾過膜（ＵＦ膜）または精密濾過膜（ＭＦ膜）を用いればよく、一般的なメタン生成菌の直径より孔径が小さいことが好ましく、具体的には孔径が１００ｎｍ以下程度であることが好ましい。
【００２８】
膜分離装置１２のモジュール形式は特に限定されないが、リアクタ１０から送液される汚泥が膜分離装置１２の内部で閉塞又は滞留しにくいように構成されていることが好ましく、例えばチューブラ形式や平膜形式を好適に使用できる。また、処理液中の液分と固形分とを分離する分離膜は、本実施形態のようにリアクタ１０外に設ける、いわゆる槽外型とすれば膜面流速のコントロールが容易であるため膜面の汚れ防止の観点から好ましい。
【００２９】
本実施態様では、膜分離装置１２にはガス排管３１が接続されており、リアクタ１０からは処理液が生成ガスとともに膜分離装置１２に送られる。ガスは、膜分離装置１２内の被処理水流路に沿って移動しながら分離膜を曝気洗浄する。膜分離装置１２に供給された処理液は装置内を通過する間に固液分離され、透過側から固形分が除去された分離水が装置外へ取り出される。一方、固形分が濃縮された濃縮汚泥液はガスとともに膜分離装置１２の被処理液流路内を移動し、返送管３３からリアクタ１０に返送される。
【００３０】
メタン生成菌群は好気性微生物に比べて増殖速度が遅いが、このような汚泥返送を行ってリアクタ１０内の汚泥濃度を４，０００〜１０，０００ｍｇ／Ｌ程度に維持すれば、好気性の活性汚泥による好気性生物処理を行う場合と同程度の分解速度を得ることができる。よって、汚泥濃度を上記範囲とすれば、リアクタ１０の水理学的滞留時間を０．５〜２日程度にできる。リアクタ１０からは排泥管３５を介して適宜、余剰汚泥を引き抜き、リアクタ１０内の汚泥濃度を調整する。
【００３１】
膜分離装置１２で固形分が分離された分離水は、膜分離装置１２の後段に設けられた逆浸透膜装置１４で脱塩して純水製造の原水として利用する。本実施形態ではリアクタ１０は３０〜４０℃で運転され、処理液の温度も３０〜４０℃である。ここではリアクタ１０から排出された処理液を好気性処理せず、人為的に温度降下もさせず、膜分離装置１２および逆浸透膜装置１４に送る。３０℃前後の液は逆浸透膜分離が容易なので、リアクタ１０からの処理液を温かい状態で逆浸透膜装置１４に送ることで、逆浸透膜装置１４のフラックスを高くできる。
【００３２】
逆浸透膜装置１４から取り出された液は、依然として温かい。そこで、本実施態様では透過水を取り出す透過水管３６の途中に設けた第２熱交換器２２で透過水を熱交換して熱回収を行う。第２熱交換器２２での熱交換により温められた熱交換媒体は流体管３９を介して第１熱交換器２１に送る。第１熱交換器２１では、温められた熱交換媒体で原水管３０から送られる原水を加温してリアクタ１０に送る。
【００３３】
逆浸透膜装置１４で処理され、塩類が除去された透過水は、純水製造用の原水として利用できる。具体的には、逆浸透膜装置１４の後段に脱炭酸装置やイオン交換装置、紫外線殺菌装置等の純水製造装置を構成する機器類を配置し、これら機器類を用いて逆浸透膜装置１４から取り出した透過水を処理することで純水が製造できる。濃縮水は別途、処理すれば透過水と同様、水回収できる。
【実施例】
【００３４】
［実施例１］
実施例１として、図１に示す処理装置１を模した実験装置による実験を行った。実験装置のリアクタ１０は有効容積１ｍ３、水理学的滞留時間は０．５日で運転した。リアクタ１０内には、メタノールを処理する嫌気性リアクタから取り出したグラニュール汚泥を後述する被処理液で馴養し浮遊性汚泥を保持させた。リアクタ１０内の浮遊性汚泥の濃度は４，０００ｍｇ／Ｌで、現存量（湿重量比較）の４０％がメタン生成菌群、６０％がメタン生成菌群の自己消化残渣であった。
【００３５】
被処理水としては全有機物炭素濃度７５０ｍｇ／Ｌ、窒素濃度２１８ｍｇ／Ｌ、リン濃度１．０ｍｇ−Ｐ／Ｌの有機物含有水を用いた。全有機物の組成は、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド濃度２５０ｍｇ／Ｌ、モノエタノールアミン濃度２５０ｍｇ／Ｌ、酢酸濃度２５０ｍｇ／Ｌであり、モノマー有機物の含有割合は、全有機物炭素に対して実質１００％であった。
【００３６】
被処理水は加温して、リアクタ１０内の槽内液の温度が３５℃となるようにするとともに、槽内液のｐＨが７．５となるように調整した。膜分離装置１２内には、直径０．５２ｃｍのチューブ状ＵＦ膜（孔径３０ｎｍ）を１０４本、配置し、チューブ内にリアクタ１０から排出された生物処理液をガスとともに流入させ、濃縮液とガスはリアクタ１０に戻した。膜分離装置１２の透過水量（フラックス）は１．０ｍ／ｄａｙとした。
【００３７】
上記条件で３０日間の実験を継続したところ、膜分離装置１２のフラックスは上記値を維持でき、通水抵抗は最大で３０ｋＰａであった。膜分離装置１２から得られた分離水のＴＯＣ濃度は実験期間中、３〜４ｍｇ／Ｌの範囲にありＴＯＣ除去率は９９．５％であった。また、この分離水を逆浸透膜装置１４（逆浸透膜として全芳香族ポリアミド系の超低圧膜を備えたスパイラル式のもの）により７５０ｋＰａで脱塩処理したところ、２０時間経過後の透過水量は通水開始時の９０％を維持していた。
【００３８】
［実施例２］
実施例２では、実施例１で用いたＵＦ膜に代え、孔径４００ｎｍのＭＦ膜を用いた。その他は実施例１と同様の条件で実験を行ったところ、ＭＦ膜を取り付けた膜分離装置からの分離水のＴＯＣ濃度は実施例１と同様に３〜４ｍｇ／Ｌの範囲であった。また、膜分離装置１２のフラックスは１．０ｍ／ｄａｙを維持し、分離水を実施例１と同様に逆浸透膜装置１４で処理した場合のフラックスは、通水開始から２０時間経過後も当初の９０％を維持した。一方、通水抵抗は最大で４０ｋＰａとなり、実施例１より高かった。リアクタ１０内の汚泥は、メタン生成菌群の平均直径が８００ｎｍであったことから、ＭＦ膜を用いた場合はメタン生成菌が分離膜の孔に詰まって膜の閉塞を招いたものと推察された。
【００３９】
[比較例１]
比較例１では被処理水の性状を変更した。具体的には、実施例１で用いた被処理水に下水汚泥を５００ｍｇ−ＴＯＣ／Ｌ添加し、全有機物炭素に対するモノマー有機物の割合を５８％とした。また、この被処理水を用いることで、リアクタ１０内の汚泥組成も変更した。具体的には、比較例１で用いたリアクタ１０の浮遊性汚泥は、汚泥濃度８，０００ｍｇ／Ｌで現存量（湿重量比較）の２０％がメタン生成菌群、酸生成菌群が２０％であった。残りの６０％は、下水汚泥由来のバクテリアと自己消化残渣であった。
【００４０】
このように、被処理水の性状を変更し、リアクタ１０内の微生物相を変更させた以外は実施例１と同様の条件で実験を行った。その結果、膜分離装置１２のフラックスが徐々に低下するとともに、実験開始から２０日後に通水抵抗が３０ｋＰａを超えた。比較例１では膜分離装置１２の分離水のＴＯＣ濃度は１８〜４３ｍｇ／Ｌであった。
【００４１】
[実施例３]
実施例３として、被処理水に添加する下水汚泥の量を３００ｍｇ−ＴＯＣ／Ｌとした（モノマー有機物の割合約７１％）。被処理水性状の変更に伴い、リアクタ１０内の汚泥組成も変更した。具体的には、実施例３で用いたリアクタ１０の浮遊性汚泥は、汚泥濃度８，０００ｍｇ／Ｌで現存量（湿重量比較）の３０％がメタン生成菌群、酸生成菌群が３０％であった。
【００４２】
被処理水の性状とリアクタ１０内の微生物相を変更させた以外は比較例１と同様の条件で実験を行った。その結果、膜分離装置１２のフラックスは実施例１と同様の挙動で、分離水のＴＯＣ濃度は３〜５ｍｇ／Ｌ、分離水を処理した逆浸透膜装置１４のフラックスは８８％を維持した。
【００４３】
上記実験から、被処理水中の有機物の７０％以上をモノマー有機物とし、メタン生成菌群を含む汚泥で嫌気性処理を行えば、生物処理の後段での分離膜の目詰まりを防止できることが示された。
【００４４】
[参考例１]
実施例３において、リアクタ１０の槽内液の温度を１０℃とした。その結果、膜分離装置１２のフラックスは低下し、７日後で通水抵抗が３０ｋＰａを超えた。また、これとは別に、リアクタ１０の槽内液の温度を５０℃にしたところ、同様に、膜分離装置１２のフラックスは低下し、３日後で通水抵抗が３０ｋＰａを超えた。
【００４５】
[参考例２]
実施例３において、リアクタ１０の槽内液のｐＨを５とした。その結果、膜分離装置１２の通水抵抗が急上昇し、１０日後で通水抵抗が３０ｋＰａを超えた。また、これとは別に、リアクタ１０の槽内液のｐＨを１０にしたところ、同様に、膜分離装置１２の通水抵抗が急上昇し、８日後で通水抵抗が３０ｋＰａを超えた。
【００４６】
[比較例２]
比較例２として、リアクタ内部に空気を吹き込む散気装置を設けることで、リアクタを好気性生物処理槽とした。リアクタを好気性に代えた以外は実施例１と同様の条件で実験を行った結果、好気性生物処理槽から流出する処理液のＴＯＣ濃度は実施例１と同様に３〜４ｍｇ／Ｌの範囲であった。しかし、膜分離装置１２フラックスは、２０日間しか所定のフラックスを維持できなかった。また、好気性生物処理槽の槽内液には溶解性ＴＯＣが２００ｍｇ／Ｌの濃度で含まれていた。一方、実施例１の嫌気性のリアクタの槽内液の溶解性ＴＯＣ濃度は１０ｍｇ／Ｌ程度であった。このように、比較例２では槽内液中の溶解性ＴＯＣ濃度は実施例１より高く、溶解性ＴＯＣを構成する高分子有機物の量は好気性生物処理槽に導入される被処理水に比べて約６０倍になっていた。
【００４７】
生物処理槽に導入される被処理水中の有機物に対する汚泥（細菌）の転換率は、好気性微生物については０．３ｇ／ｇであるのに対し、嫌気性微生物の場合は０．０４ｇ／ｇであった。高分子有機物は最近の自己消化により生成することから、転換率が高いほど高分子有機物が多く生成されたと推定された。
【００４８】
また、比較例２において膜分離装置１２で膜分離した分離水を実施例１と同様に逆浸透膜で処理したところ、２０時間経過後の透過水量は通水開始時の６０％に低下していた。この比較例２と実施例１により、好気性生物処理に代えて、メタン生成菌群による嫌気性生物処理を行うことで、分離膜を汚染する高分子有機物の生成を抑制できることが示された。
【００４９】
さらに、比較例２では好気性生物処理槽の微生物群集には硝化細菌が含まれており、原水中の窒素成分が硝酸に酸化されていた。このため、好気性生物処理槽の槽内液のｐＨが低下し、処理液の水質が悪化した。そこで、槽内液のｐＨが５を下回った時点でアルカリを添加してｐＨを７に調整した。また、一定時間、好気性条件を継続した後、生物処理槽への空気供給を停止して嫌気性条件とすることで脱窒させた。嫌気性条件で脱窒する場合は無機酸を添加し、ｐＨを７にした。このような回分式の脱窒処理を行い、ｐＨ調整を行った結果、処理液中の塩類濃度が高くなった。このため、膜分離装置後段の逆浸透膜装置の浸透圧は実施例１に比べて１００〜２００ｋＰａ程度高くなり、逆浸透膜装置による脱塩効率が低下したので、逆浸透膜装置を１５〜２０％程度、増やす必要が生じた。
【００５０】
以上の実験から、本発明に従って被処理水をモノマー有機物主体としてメタン生成菌群を含む嫌気汚泥による嫌気性生物処理を行うことで処理液に含まれる高分子有機物や未分解有機物の量を減らし、分離膜の汚染を防止できることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、有機物含有水を生物処理して純水製造に再利用するために用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に用いられる生物処理装置の模式図。
【符号の説明】
【００５３】
１ 生物処理装置
１０ 嫌気性生物処理槽
１２ 膜分離装置
１４ 逆浸透膜装置
２１ 第１熱交換器（熱回収加熱装置）
２２ 第２熱交換器（熱回収加熱装置）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機物含有水を嫌気的に処理する生物処理方法および装置に関し、特に、排水を生物処理して純水製造用の原水として利用する生物処理方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
好気性微生物群集は嫌気性微生物群集に比べて多様な有機物の分解能があると考えられている。このため、好気性微生物群集を利用した好気性生物処理は、複雑な高分子（ポリマー）化合物を含む排水（例えば食品排水）を処理するのに適している。また、嫌気性生物処理では高分子の有機物の加水分解速度が遅いため、一般には、水理学的滞留時間を３０日以上とする必要がある。これに対し、好気性生物処理の標準的な水理学的滞留時間は０．５日程度と短い。
【０００３】
近年、半導体製造工場のように純水を使用しその排水を排出する設備等で、有機物を含む排水を生物処理し、その処理水を純水製造の原料として用いる水回収が進んでいる。このような水回収を行う有機物含有水の生物処理では、従来、好気性生物処理が用いられている。好気性生物処理の際には、好気性微生物を担体に固定することで生物処理槽の微生物保持量を多くして処理速度を高くすることも多い（例えば特許文献１）。担体を使用する場合、例えば生物処理槽あたりの有機物除去速度を１〜２ｋｇ−ＣＯＤ／ｍ３／ｄａｙ程度に高めることができる。
【０００４】
このような生物処理により得られた処理液を純水製造に再利用する場合、処理液を固液分離装置で処理して微生物体を分離した後、逆浸透膜分離装置等で脱塩処理する（例えば特許文献２）。
【特許文献１】特開平９−１８７７８５号公報
【特許文献２】特開２００７−１７５５８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した通り、排水を純水製造の原水として再利用する際には、一般に膜分離装置による処理が行われる。しかし分離膜は運転条件や被処理水の水質によって目詰まりを生じやすく、特に生物処理液を膜分離すると、微生物自体および微生物が生成した粘質物等が膜面に付着して目詰まりを生じる傾向がある。微生物が生成する粘質物は高分子有機物を主体とする難分解性であり、その生成量は生物処理槽に保持される微生物量にほぼ正比例して増大する。よって、増殖速度が大きい好気性微生物を用いる好気性生物処理では高分子有機物の生成量も多い。特に、担体を添加した生物処理槽を用いる場合、保有微生物量が多くなるため高分子有機物の生成量が多くなる。
【０００６】
一方、嫌気性微生物は好気性微生物より増殖速度が遅いため、高分子有機物の生成量は比較的少ない。しかし、嫌気性生物処理はそもそも有機物の分解速度が遅いため、被処理水（有機物含有水）に含まれる有機物が分解されきれず、そのまま、またはその分解中間体が処理液に含まれやすい。すなわち、好気性生物処理を行った場合は微生物の生成物により逆浸透膜が汚染される恐れがある。一方、嫌気性生物処理を行った場合は微生物の生成物による膜汚染の恐れは低いものの、処理液に残存した有機物や分解中間体による膜汚染の恐れが高くなる
【０００７】
また、排水を生物処理した後、処理液に含まれる微生物体を分離する場合、凝集沈殿や加圧浮上では分離が不十分で、分離水に微生物体等が含まれ後段の逆浸透膜を汚染する。特に、生物処理槽に担体を添加している場合、担体を固液分離するためにスクリーン等が必要になるが、表面積を大きくして活性を高めるようにした担体は粒径が小さくスクリーンを目詰まりさせやすく、これを回避するためには複雑な構成の固液分離装置や広い沈殿池が必要になる。
【０００８】
これに対し、生物処理した処理液を、生物処理槽内に設けた浸漬膜で固液分離すれば、微生物体等が良好に分離できるので後段の逆浸透膜の汚染を防ぐことはできる。しかし、浸漬膜自体の目詰まりの問題があり、特に、好気性処理を行う場合、微生物が生成した高分子有機物により浸漬膜が詰まり透過水量が低下する問題がある。
【０００９】
また、有機物含有水に窒素成分が含まれる場合、好気性生物処理過程でアンモニアが酸化されて硝酸を生成し、槽内液のｐＨが低下するため、中和用のアルカリ添加を要する。これに続いて嫌気性条件下で硝酸の脱窒処理を行う場合はアルカリが生成されｐＨが上がるため、中和用に酸の添加が必要となる。このように、生物処理過程で中和用に添加された酸またはアルカリは、後段の逆浸透膜の塩類負荷となる。
【００１０】
このように、有機物含有水を生物処理して純水製造に再利用する場合、排水処理プロセスが逆浸透膜による処理に悪影響を与えることがあった。本発明は、かかる課題に対し、有機物含有水の生物処理において、処理水を純水製造用水として再利用する際の逆浸透膜による処理がスムーズに行える方法および装置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】
有機物の嫌気性生物処理は、酸生成菌群による有機物からの酸生成工程と、メタン生成菌群による酸からのメタン生成工程とに分けられる。本発明者らは、膜汚染の原因物質となる高分子の有機物は、主として酸生成工程に関与する酸生成菌群に代謝されることを見出した。そこで、酸生成菌群による酸生成工程を経ずにメタン生成を行わせることで上記課題を解決することを着想し、本発明を完成させた。具体的には、本発明は以下を提供する。
【００１２】
（１） 有機物含有水を嫌気性生物処理槽に導入し、 前記嫌気性生物処理槽内のメタン生成菌群により嫌気性生物処理し、 前記嫌気性生物処理により得られた処理液を好気性生物処理せずに膜分離し、 前記膜分離により得られた分離水を逆浸透膜で処理する有機物含有水の生物処理方法。
（２） 前記有機物含有水は、全有機物炭素に対するモノマー有機物の割合が７０％以上からなる（１）に記載の有機物含有水の生物処理方法。
（３） 槽内液の温度を１５℃以上４０℃以下として前記嫌気性処理を行う（１）または（２）に記載の有機物含有水の生物処理方法。
（４） 前記処理液を、前記嫌気性処理過程で加温された状態のまま前記膜分離および前記逆浸透膜処理に供する（３）に記載の有機物含有水の生物処理方法。
（５） 前記モノマー有機物は、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、モノエタノールアミン、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、イソプロピルアルコール、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドおよび酢酸からなる群より選ばれるいずれか１以上である（１）から（４）のいずれかに記載の有機物含有水の生物処理方法。
（６） 有機物含有水が導入されメタン生成菌群によりメタン生成を行う嫌気性生物処理槽と、 前記嫌気性生物処理槽と接続され前記嫌気性生物処理槽から排出された処理液を膜分離する膜分離装置と、 前記膜分離装置の分離水を処理する逆浸透膜装置と、を備える有機物含有水の生物処理装置。
（７） 前記有機物含有水は、全有機物炭素に対するモノマー有機物の割合が７０％以上からなる（６）に記載の有機物含有水の生物処理装置。
（８） 前記嫌気性処理槽は、槽内液の温度を１５℃以上４０℃以下として運転され、
前記処理液は、前記嫌気性処理槽で加温された状態で前記膜分離装置および前記逆浸透膜装置に供給されるよう構成されている（６）または（７）に記載の有機物含有水の生物処理装置。
（９） 前記逆浸透膜装置の透過水から熱回収を行い、回収された熱で前記嫌気性処理槽を加温する熱回収加熱装置をさらに備える（８）に記載の有機物含有水の生物処理装置。
（１０） 前記膜分離装置は、精密濾過膜または限外濾過膜を備える（６）から（９）のいずれかに記載の有機物含有水の生物処理装置。
（１１） 前記嫌気性生物処理槽で発生したバイオガスを前記膜分離装置に供給して前記膜分離装置を曝気洗浄する洗浄装置をさらに備える（６）から（１０）のいずれかに記載の有機物含有水の生物処理装置。
【００１３】
本明細書において、「全有機物炭素」とは水中に含まれる各種有機態炭素化合物を総称するものとし、不揮発性有機物のみならず、一般的なＴＯＣ計では測定されない揮発性有機物も含むものとする。「モノマー有機物」とは、排水中に含まれる種々の有機物のうち微生物が直接吸収できる程度の低分子の有機物を総称するものとする。「モノマー有機物」に対して、微生物の細胞壁を通過できず菌体外酵素により分解されるような有機物は一般に有機物同士が重合され分子量が大きく、本明細書では「モノマー有機物」はこのような高分子有機物を除く有機物を指す語として用いる。モノマー有機物の具体例としては、メタン生成菌群の基質として利用される低分子有機物（例えば蟻酸、酢酸、メタノール、メチルアミン等）やテトラメチルアンモニウムヒドロキシド、モノエタノールアミン、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、イソプロピルアルコール、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドが挙げられる。本発明では、特に、モノマー有機物としてのメチル基を有する化合物（テトラメチルアンモニウム、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド）の含有割合が高い有機物含有水が好適な処理対象となる。
【００１４】
本発明では、被処理水中の有機物をメタン生成菌群により嫌気性生物処理する。被処理水中の有機物組成はモノマー有機物が主となるように設定することが好ましい。モノマー有機物は、メタン生成菌群により生物分解されるため、被処理水の性状をモノマー有機物主体とすることで、被処理水中の有機物を良好に生物分解して処理液への有機物の残留を抑制し、後段の分離膜の汚染を防止できる。また、本発明では、特に、モノマー有機物としてメチル基を有する化合物（テトラメチルアンモニウム、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド）の含有割合が高い有機物含有水を処理対象とすることにより酸生成菌群による膜汚染物質の生成を抑制することで、高分子有機物による膜汚染を防止する。
【００１５】
なお、メタン生成菌群を主体とする嫌気性処理では硝化反応は実質的に起こらない。このため、被処理水に窒素化合物が含まれる場合、窒素成分は生物処理工程で脱窒されず逆浸透膜装置に持ち込まれる。よって、被処理水に窒素化合物が含まれない方が逆浸透膜装置の負荷は低くできる。一方で、被処理水に窒素化合物が含まれ逆浸透膜装置に供給される液に窒素成分が含まれる場合、逆浸透膜で濃縮された窒素成分が逆浸透膜装置での微生物の増殖を抑制する可能性があることを本発明者らは見出した。そこで、逆浸透膜装置で微生物が増殖しやすい条件（例えば被処理水に高分子有機物が１０〜３０％程度含まれるような場合）では、被処理水に積極的に窒素化合物を含ませてもよい。
【００１６】
嫌気性生物処理槽内で、被処理水中の有機物を良好に生物分解させ、後段の膜汚染を防止するためには、被処理水中の有機物に占めるモノマー有機物の割合は高い方が良い。被処理水中にバクテリアや高分子の有機物が含まれる場合、これらを基質とする酸生成菌群の生物分解が起こり、膜汚染の原因となる可溶性の高分子有機物が生成される。酸生成菌群の代謝物は、１５℃未満または４０℃を超えると３０％程度しか分解されないものの、１５℃以上４０℃以下であれば９０％程度が分解される。よって、嫌気性生物処理槽を１５℃以上４０℃以下とすれば、モノマー有機物以外の有機物の含有量が比較的高くても、膜汚染を防止できる。
【００１７】
温度条件は３０℃以上４０℃以下が特に好ましい。上述した通り、温度条件により酸生成菌群の代謝物の分解効率が違うため、温度条件によって被処理水の性状を代えてもよい。具体的には、温度条件が１５℃以上３０℃未満であれば、被処理水中の有機物に占めるモノマー有機物の割合は７５％以上とするとよい。また、温度条件が１５℃未満または４０℃を超える場合はモノマー有機物の割合を９０％以上とするとよい。
【００１８】
また、ｐＨが６以上９以下であれば、酸生成菌群の代謝物は良好に分解されるが、ｐＨがこの範囲外であればその分解率は３０％程度に低下する。よって、嫌気性生物処理槽の槽内液のｐＨは６以上９以下に調整することが好ましいが、酸生成菌群の代謝物の生成が少ない場合、つまりモノマー有機物の割合が十分に高い（実質１００％）場合など、ｐＨを調整しなくてもよい場合もある。
【００１９】
なお、本発明は半導体のほか、液晶ディスプレイ等の電子産業工場の製造プロセス排水に適用することによって、食品工場排水や下水処理場排水のように高分子成分や雑多な化合物が含まれることなく、嫌気性生物処理で効率よく処理を行うことが可能である。この他に化学工場排水のように水中に含まれる有機物とその濃度が比較的明らかな排水を対象に適用することができる。これらの排水は、組成が明確であるためラボ実験によって処理能力を知ることができるというメリットがある。
【発明の効果】
【００２０】
本発明では、被処理水中の有機物をモノマー有機物主体とすることで、酸生成菌群による代謝物の生成を抑制し、メタン生成菌群により有機物を分解する。本発明では、嫌気性生物処理後に好気性生物処理を行うことなく、有機物が十分に分解された生物処理液を得ることができる。よって、酸生成菌群および好気性微生物群集による高分子有機物の生成を抑制するとともに、処理液中の残存有機物量を低減できる。このため、生物処理工程後段で膜分離を行う際の分離膜の汚染を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。以下、同一部材については同一符号を付し、説明を省略または簡略化する。
【００２２】
図１は、本発明に用いられる有機物含有水の生物処理装置（以下、単に「処理装置」という）１の模式図である。処理装置１は、嫌気性生物処理槽（以下、「リアクタ」）１０、膜分離装置１２、逆浸透膜装置１４を含む。リアクタ１０の入口には、原水管３０が接続されている。リアクタ１０は、処理液管３２を介して膜分離装置１２と接続され、膜分離装置１２は分離水管３４を介して逆浸透膜装置１４と接続されている。逆浸透膜装置１４の出口には、透過水管３６が接続されている。
【００２３】
原水管３０の途中には第１熱交換器２１が設けられ、透過水管３６の途中には第２熱交換器２２が設けられている。第１熱交換器２１と第２熱交換器２２とは流体管３９で接続され、熱交換に用いられる流体を第１熱交換器２１と第２熱交換器２２との間で循環させる。第１熱交換器２１、第２熱交換器２２、および流体管３９は熱回収加熱装置を構成している。
【００２４】
リアクタ１０には、排泥管３５とガス排管３１が接続されている。排泥管３５からは、リアクタ１０内の余剰汚泥が取り出され、リアクタ１０内で発生したガスはガス排管３１から取り出される。ガス排管３１は膜分離装置１２に接続され、膜分離装置１２内に設けられた分離膜（図示せず）を曝気洗浄するように構成され、洗浄装置として機能する。また、膜分離装置１２には出口端がリアクタ１０に接続された返送管３３も接続されている。逆浸透膜装置１４には、濃縮側にブライン管３７が接続されている。
【００２５】
本発明では、原水管３０からは被処理水をリアクタ１０に供給する。望ましくはモノマー有機物が有機物全体の７０％以上を占める被処理水をリアクタ１０に供給する。リアクタ１０の好適な運転条件は、上述した通り、ｐＨ６〜９、温度１５〜４０℃特に３０〜４０℃である。このような条件であれば、メタン生成菌群の基質とならない高分子の有機物が多少、含まれる場合にも酸生成菌群代謝物による膜汚染を防止できる。
【００２６】
リアクタ１０内のメタン生成菌群はグラニュール状または浮遊性のどちらの状態であってもよいが、メタン生成菌群は、酸生成菌群に比べて粘質物を生成しにくいためグラニュール汚泥を形成しにくい。このため、リアクタ１０から排出される処理液にはリアクタ１０内の汚泥が含まれやすい。
【００２７】
本発明ではリアクタ１０後段に膜分離装置１２を設けるため、処理液に含まれる微生物体を良好に固液分離できる。膜分離装置１２は、本実施形態のようにリアクタ１０とは別に設けられていることが好ましい。膜は、限外濾過膜（ＵＦ膜）または精密濾過膜（ＭＦ膜）を用いればよく、一般的なメタン生成菌の直径より孔径が小さいことが好ましく、具体的には孔径が１００ｎｍ以下程度であることが好ましい。
【００２８】
膜分離装置１２のモジュール形式は特に限定されないが、リアクタ１０から送液される汚泥が膜分離装置１２の内部で閉塞又は滞留しにくいように構成されていることが好ましく、例えばチューブラ形式や平膜形式を好適に使用できる。また、処理液中の液分と固形分とを分離する分離膜は、本実施形態のようにリアクタ１０外に設ける、いわゆる槽外型とすれば膜面流速のコントロールが容易であるため膜面の汚れ防止の観点から好ましい。
【００２９】
本実施態様では、膜分離装置１２にはガス排管３１が接続されており、リアクタ１０からは処理液が生成ガスとともに膜分離装置１２に送られる。ガスは、膜分離装置１２内の被処理水流路に沿って移動しながら分離膜を曝気洗浄する。膜分離装置１２に供給された処理液は装置内を通過する間に固液分離され、透過側から固形分が除去された分離水が装置外へ取り出される。一方、固形分が濃縮された濃縮汚泥液はガスとともに膜分離装置１２の被処理液流路内を移動し、返送管３３からリアクタ１０に返送される。
【００３０】
メタン生成菌群は好気性微生物に比べて増殖速度が遅いが、このような汚泥返送を行ってリアクタ１０内の汚泥濃度を４，０００〜１０，０００ｍｇ／Ｌ程度に維持すれば、好気性の活性汚泥による好気性生物処理を行う場合と同程度の分解速度を得ることができる。よって、汚泥濃度を上記範囲とすれば、リアクタ１０の水理学的滞留時間を０．５〜２日程度にできる。リアクタ１０からは排泥管３５を介して適宜、余剰汚泥を引き抜き、リアクタ１０内の汚泥濃度を調整する。
【００３１】
膜分離装置１２で固形分が分離された分離水は、膜分離装置１２の後段に設けられた逆浸透膜装置１４で脱塩して純水製造の原水として利用する。本実施形態ではリアクタ１０は３０〜４０℃で運転され、処理液の温度も３０〜４０℃である。ここではリアクタ１０から排出された処理液を好気性処理せず、人為的に温度降下もさせず、膜分離装置１２および逆浸透膜装置１４に送る。３０℃前後の液は逆浸透膜分離が容易なので、リアクタ１０からの処理液を温かい状態で逆浸透膜装置１４に送ることで、逆浸透膜装置１４のフラックスを高くできる。
【００３２】
逆浸透膜装置１４から取り出された液は、依然として温かい。そこで、本実施態様では透過水を取り出す透過水管３６の途中に設けた第２熱交換器２２で透過水を熱交換して熱回収を行う。第２熱交換器２２での熱交換により温められた熱交換媒体は流体管３９を介して第１熱交換器２１に送る。第１熱交換器２１では、温められた熱交換媒体で原水管３０から送られる原水を加温してリアクタ１０に送る。
【００３３】
逆浸透膜装置１４で処理され、塩類が除去された透過水は、純水製造用の原水として利用できる。具体的には、逆浸透膜装置１４の後段に脱炭酸装置やイオン交換装置、紫外線殺菌装置等の純水製造装置を構成する機器類を配置し、これら機器類を用いて逆浸透膜装置１４から取り出した透過水を処理することで純水が製造できる。濃縮水は別途、処理すれば透過水と同様、水回収できる。
【実施例】
【００３４】
［実施例１］
実施例１として、図１に示す処理装置１を模した実験装置による実験を行った。実験装置のリアクタ１０は有効容積１ｍ３、水理学的滞留時間は０．５日で運転した。リアクタ１０内には、メタノールを処理する嫌気性リアクタから取り出したグラニュール汚泥を後述する被処理液で馴養し浮遊性汚泥を保持させた。リアクタ１０内の浮遊性汚泥の濃度は４，０００ｍｇ／Ｌで、現存量（湿重量比較）の４０％がメタン生成菌群、６０％がメタン生成菌群の自己消化残渣であった。
【００３５】
被処理水としては全有機物炭素濃度７５０ｍｇ／Ｌ、窒素濃度２１８ｍｇ／Ｌ、リン濃度１．０ｍｇ−Ｐ／Ｌの有機物含有水を用いた。全有機物の組成は、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド濃度２５０ｍｇ／Ｌ、モノエタノールアミン濃度２５０ｍｇ／Ｌ、酢酸濃度２５０ｍｇ／Ｌであり、モノマー有機物の含有割合は、全有機物炭素に対して実質１００％であった。
【００３６】
被処理水は加温して、リアクタ１０内の槽内液の温度が３５℃となるようにするとともに、槽内液のｐＨが７．５となるように調整した。膜分離装置１２内には、直径０．５２ｃｍのチューブ状ＵＦ膜（孔径３０ｎｍ）を１０４本、配置し、チューブ内にリアクタ１０から排出された生物処理液をガスとともに流入させ、濃縮液とガスはリアクタ１０に戻した。膜分離装置１２の透過水量（フラックス）は１．０ｍ／ｄａｙとした。
【００３７】
上記条件で３０日間の実験を継続したところ、膜分離装置１２のフラックスは上記値を維持でき、通水抵抗は最大で３０ｋＰａであった。膜分離装置１２から得られた分離水のＴＯＣ濃度は実験期間中、３〜４ｍｇ／Ｌの範囲にありＴＯＣ除去率は９９．５％であった。また、この分離水を逆浸透膜装置１４（逆浸透膜として全芳香族ポリアミド系の超低圧膜を備えたスパイラル式のもの）により７５０ｋＰａで脱塩処理したところ、２０時間経過後の透過水量は通水開始時の９０％を維持していた。
【００３８】
［実施例２］
実施例２では、実施例１で用いたＵＦ膜に代え、孔径４００ｎｍのＭＦ膜を用いた。その他は実施例１と同様の条件で実験を行ったところ、ＭＦ膜を取り付けた膜分離装置からの分離水のＴＯＣ濃度は実施例１と同様に３〜４ｍｇ／Ｌの範囲であった。また、膜分離装置１２のフラックスは１．０ｍ／ｄａｙを維持し、分離水を実施例１と同様に逆浸透膜装置１４で処理した場合のフラックスは、通水開始から２０時間経過後も当初の９０％を維持した。一方、通水抵抗は最大で４０ｋＰａとなり、実施例１より高かった。リアクタ１０内の汚泥は、メタン生成菌群の平均直径が８００ｎｍであったことから、ＭＦ膜を用いた場合はメタン生成菌が分離膜の孔に詰まって膜の閉塞を招いたものと推察された。
【００３９】
[比較例１]
比較例１では被処理水の性状を変更した。具体的には、実施例１で用いた被処理水に下水汚泥を５００ｍｇ−ＴＯＣ／Ｌ添加し、全有機物炭素に対するモノマー有機物の割合を５８％とした。また、この被処理水を用いることで、リアクタ１０内の汚泥組成も変更した。具体的には、比較例１で用いたリアクタ１０の浮遊性汚泥は、汚泥濃度８，０００ｍｇ／Ｌで現存量（湿重量比較）の２０％がメタン生成菌群、酸生成菌群が２０％であった。残りの６０％は、下水汚泥由来のバクテリアと自己消化残渣であった。
【００４０】
このように、被処理水の性状を変更し、リアクタ１０内の微生物相を変更させた以外は実施例１と同様の条件で実験を行った。その結果、膜分離装置１２のフラックスが徐々に低下するとともに、実験開始から２０日後に通水抵抗が３０ｋＰａを超えた。比較例１では膜分離装置１２の分離水のＴＯＣ濃度は１８〜４３ｍｇ／Ｌであった。
【００４１】
[実施例３]
実施例３として、被処理水に添加する下水汚泥の量を３００ｍｇ−ＴＯＣ／Ｌとした（モノマー有機物の割合約７１％）。被処理水性状の変更に伴い、リアクタ１０内の汚泥組成も変更した。具体的には、実施例３で用いたリアクタ１０の浮遊性汚泥は、汚泥濃度８，０００ｍｇ／Ｌで現存量（湿重量比較）の３０％がメタン生成菌群、酸生成菌群が３０％であった。
【００４２】
被処理水の性状とリアクタ１０内の微生物相を変更させた以外は比較例１と同様の条件で実験を行った。その結果、膜分離装置１２のフラックスは実施例１と同様の挙動で、分離水のＴＯＣ濃度は３〜５ｍｇ／Ｌ、分離水を処理した逆浸透膜装置１４のフラックスは８８％を維持した。
【００４３】
上記実験から、被処理水中の有機物の７０％以上をモノマー有機物とし、メタン生成菌群を含む汚泥で嫌気性処理を行えば、生物処理の後段での分離膜の目詰まりを防止できることが示された。
【００４４】
[参考例１]
実施例３において、リアクタ１０の槽内液の温度を１０℃とした。その結果、膜分離装置１２のフラックスは低下し、７日後で通水抵抗が３０ｋＰａを超えた。また、これとは別に、リアクタ１０の槽内液の温度を５０℃にしたところ、同様に、膜分離装置１２のフラックスは低下し、３日後で通水抵抗が３０ｋＰａを超えた。
【００４５】
[参考例２]
実施例３において、リアクタ１０の槽内液のｐＨを５とした。その結果、膜分離装置１２の通水抵抗が急上昇し、１０日後で通水抵抗が３０ｋＰａを超えた。また、これとは別に、リアクタ１０の槽内液のｐＨを１０にしたところ、同様に、膜分離装置１２の通水抵抗が急上昇し、８日後で通水抵抗が３０ｋＰａを超えた。
【００４６】
[比較例２]
比較例２として、リアクタ内部に空気を吹き込む散気装置を設けることで、リアクタを好気性生物処理槽とした。リアクタを好気性に代えた以外は実施例１と同様の条件で実験を行った結果、好気性生物処理槽から流出する処理液のＴＯＣ濃度は実施例１と同様に３〜４ｍｇ／Ｌの範囲であった。しかし、膜分離装置１２フラックスは、２０日間しか所定のフラックスを維持できなかった。また、好気性生物処理槽の槽内液には溶解性ＴＯＣが２００ｍｇ／Ｌの濃度で含まれていた。一方、実施例１の嫌気性のリアクタの槽内液の溶解性ＴＯＣ濃度は１０ｍｇ／Ｌ程度であった。このように、比較例２では槽内液中の溶解性ＴＯＣ濃度は実施例１より高く、溶解性ＴＯＣを構成する高分子有機物の量は好気性生物処理槽に導入される被処理水に比べて約６０倍になっていた。
【００４７】
生物処理槽に導入される被処理水中の有機物に対する汚泥（細菌）の転換率は、好気性微生物については０．３ｇ／ｇであるのに対し、嫌気性微生物の場合は０．０４ｇ／ｇであった。高分子有機物は最近の自己消化により生成することから、転換率が高いほど高分子有機物が多く生成されたと推定された。
【００４８】
また、比較例２において膜分離装置１２で膜分離した分離水を実施例１と同様に逆浸透膜で処理したところ、２０時間経過後の透過水量は通水開始時の６０％に低下していた。この比較例２と実施例１により、好気性生物処理に代えて、メタン生成菌群による嫌気性生物処理を行うことで、分離膜を汚染する高分子有機物の生成を抑制できることが示された。
【００４９】
さらに、比較例２では好気性生物処理槽の微生物群集には硝化細菌が含まれており、原水中の窒素成分が硝酸に酸化されていた。このため、好気性生物処理槽の槽内液のｐＨが低下し、処理液の水質が悪化した。そこで、槽内液のｐＨが５を下回った時点でアルカリを添加してｐＨを７に調整した。また、一定時間、好気性条件を継続した後、生物処理槽への空気供給を停止して嫌気性条件とすることで脱窒させた。嫌気性条件で脱窒する場合は無機酸を添加し、ｐＨを７にした。このような回分式の脱窒処理を行い、ｐＨ調整を行った結果、処理液中の塩類濃度が高くなった。このため、膜分離装置後段の逆浸透膜装置の浸透圧は実施例１に比べて１００〜２００ｋＰａ程度高くなり、逆浸透膜装置による脱塩効率が低下したので、逆浸透膜装置を１５〜２０％程度、増やす必要が生じた。
【００５０】
以上の実験から、本発明に従って被処理水をモノマー有機物主体としてメタン生成菌群を含む嫌気汚泥による嫌気性生物処理を行うことで処理液に含まれる高分子有機物や未分解有機物の量を減らし、分離膜の汚染を防止できることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、有機物含有水を生物処理して純水製造に再利用するために用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に用いられる生物処理装置の模式図。
【符号の説明】
【００５３】
１ 生物処理装置
１０ 嫌気性生物処理槽
１２ 膜分離装置
１４ 逆浸透膜装置
２１ 第１熱交換器（熱回収加熱装置）
２２ 第２熱交換器（熱回収加熱装置）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物含有水を嫌気性生物処理槽に導入し、
前記嫌気性生物処理槽内のメタン生成菌群により嫌気性生物処理し、
前記嫌気性生物処理により得られた処理液を好気性生物処理せずに膜分離し、
前記膜分離により得られた分離水を逆浸透膜で処理する有機物含有水の生物処理方法。
【請求項２】
前記有機物含有水は、全有機物炭素に対するモノマー有機物の割合が７０％以上からなる請求項１に記載の有機物含有水の生物処理方法。
【請求項３】
槽内液の温度を１５℃以上４０℃以下として前記嫌気性処理を行う請求項１または２に記載の有機物含有水の生物処理方法。
【請求項４】
前記処理液を、前記嫌気性処理過程で加温された状態のまま前記膜分離および前記逆浸透膜処理に供する請求項３に記載の有機物含有水の生物処理方法。
【請求項５】
前記モノマー有機物は、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、モノエタノールアミン、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、イソプロピルアルコール、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドおよび酢酸からなる群より選ばれるいずれか１以上である請求項１から４のいずれかに記載の有機物含有水の生物処理方法。
【請求項６】
有機物含有水が導入されメタン生成菌群によりメタン生成を行う嫌気性生物処理槽と、
前記嫌気性生物処理槽と接続され前記嫌気性生物処理槽から排出された処理液を膜分離する膜分離装置と、
前記膜分離装置の分離水を処理する逆浸透膜装置と、を備える有機物含有水の生物処理装置。
【請求項７】
前記有機物含有水は、全有機物炭素に対するモノマー有機物の割合が７０％以上からなる請求項６に記載の有機物含有水の生物処理装置。
【請求項８】
前記嫌気性処理槽は、槽内液の温度を１５℃以上４０℃以下として運転され、
前記処理液は、前記嫌気性処理槽で加温された状態で前記膜分離装置および前記逆浸透膜装置に供給されるよう構成されている請求項６または７に記載の有機物含有水の生物処理装置。
【請求項９】
前記逆浸透膜装置の透過水から熱回収を行い、回収された熱で前記嫌気性処理槽を加温する熱回収加熱装置をさらに備える請求項８に記載の有機物含有水の生物処理装置。
【請求項１０】
前記膜分離装置は、精密濾過膜または限外濾過膜を備える請求項６から９のいずれかに記載の有機物含有水の生物処理装置。
【請求項１１】
前記嫌気性生物処理槽で発生したバイオガスを前記膜分離装置に供給して前記膜分離装置を曝気洗浄する洗浄装置をさらに備える請求項６から１０のいずれかに記載の有機物含有水の生物処理装置。
【請求項１】
有機物含有水を嫌気性生物処理槽に導入し、
前記嫌気性生物処理槽内のメタン生成菌群により嫌気性生物処理し、
前記嫌気性生物処理により得られた処理液を好気性生物処理せずに膜分離し、
前記膜分離により得られた分離水を逆浸透膜で処理する有機物含有水の生物処理方法。
【請求項２】
前記有機物含有水は、全有機物炭素に対するモノマー有機物の割合が７０％以上からなる請求項１に記載の有機物含有水の生物処理方法。
【請求項３】
槽内液の温度を１５℃以上４０℃以下として前記嫌気性処理を行う請求項１または２に記載の有機物含有水の生物処理方法。
【請求項４】
前記処理液を、前記嫌気性処理過程で加温された状態のまま前記膜分離および前記逆浸透膜処理に供する請求項３に記載の有機物含有水の生物処理方法。
【請求項５】
前記モノマー有機物は、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、モノエタノールアミン、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、イソプロピルアルコール、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドおよび酢酸からなる群より選ばれるいずれか１以上である請求項１から４のいずれかに記載の有機物含有水の生物処理方法。
【請求項６】
有機物含有水が導入されメタン生成菌群によりメタン生成を行う嫌気性生物処理槽と、
前記嫌気性生物処理槽と接続され前記嫌気性生物処理槽から排出された処理液を膜分離する膜分離装置と、
前記膜分離装置の分離水を処理する逆浸透膜装置と、を備える有機物含有水の生物処理装置。
【請求項７】
前記有機物含有水は、全有機物炭素に対するモノマー有機物の割合が７０％以上からなる請求項６に記載の有機物含有水の生物処理装置。
【請求項８】
前記嫌気性処理槽は、槽内液の温度を１５℃以上４０℃以下として運転され、
前記処理液は、前記嫌気性処理槽で加温された状態で前記膜分離装置および前記逆浸透膜装置に供給されるよう構成されている請求項６または７に記載の有機物含有水の生物処理装置。
【請求項９】
前記逆浸透膜装置の透過水から熱回収を行い、回収された熱で前記嫌気性処理槽を加温する熱回収加熱装置をさらに備える請求項８に記載の有機物含有水の生物処理装置。
【請求項１０】
前記膜分離装置は、精密濾過膜または限外濾過膜を備える請求項６から９のいずれかに記載の有機物含有水の生物処理装置。
【請求項１１】
前記嫌気性生物処理槽で発生したバイオガスを前記膜分離装置に供給して前記膜分離装置を曝気洗浄する洗浄装置をさらに備える請求項６から１０のいずれかに記載の有機物含有水の生物処理装置。
【図１】
【公開番号】特開２００９−１４８７１４（Ｐ２００９−１４８７１４Ａ）
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２９５０６（Ｐ２００７−３２９５０６）
【出願日】平成１９年１２月２１日（２００７．１２．２１）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２１日（２００７．１２．２１）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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