膜生物反応器を利用するリン除去方法
【課題】 従来の汚泥の排出によるリン除去プロセスを避け、多くの追加スペースを不要とする。
【解決手段】 ａ）下部を有する膜モジュールから構成される膜生物反応器を提供するステップ、ｂ）好気性区、通性好気性区、嫌気性区を形成するべく、前記膜モジュールの周りの溶解酸素濃度が2mg/Lを超えるように、その他の区域は溶解酸素濃度が1mg/L以下になる様に、溶解酸素濃度を制御する一方で、前記膜モジュールの下部を集中的に曝気するステップ、ｃ）前記の膜生物反応器の汚泥の濃度を10000mg/L〜30000mg/Lに維持し、汚泥の有機負荷を0.08〜0.07Kg（COD）/Kg(MLSS)・d）の間で維持させることにより、好気性区でリンが吸収され、通性好気性区で釈放され、リン還元バクテリアによりリンが還元されホスフィンに転化されるステップ、を備えた膜生物反応器を利用するリン除去方法で、好気性区でリンが吸収され、嫌気性区でリンが釈放される。
【解決手段】 ａ）下部を有する膜モジュールから構成される膜生物反応器を提供するステップ、ｂ）好気性区、通性好気性区、嫌気性区を形成するべく、前記膜モジュールの周りの溶解酸素濃度が2mg/Lを超えるように、その他の区域は溶解酸素濃度が1mg/L以下になる様に、溶解酸素濃度を制御する一方で、前記膜モジュールの下部を集中的に曝気するステップ、ｃ）前記の膜生物反応器の汚泥の濃度を10000mg/L〜30000mg/Lに維持し、汚泥の有機負荷を0.08〜0.07Kg（COD）/Kg(MLSS)・d）の間で維持させることにより、好気性区でリンが吸収され、通性好気性区で釈放され、リン還元バクテリアによりリンが還元されホスフィンに転化されるステップ、を備えた膜生物反応器を利用するリン除去方法で、好気性区でリンが吸収され、嫌気性区でリンが釈放される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリンの除去に関わり、特に、膜生物反応器を使用して、殆ど汚泥を排出しない状況の下で気化によりリン除去を行うものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、典型的なリン除去方法には通性好気性状態と好気性状態を組み合わせる生物処理工程がある。即ち、好気性の条件の下で、汚泥の中のリン蓄積微生物（phosphorus-accumulating microorganisms）が、多量にリンを吸収する。続いて、汚泥が嫌気性区或いは通性好気性区に流入して、吸収させたリンを釈放させる。そして、リンを下水処理システムの中から除去する目的で一部の汚泥を排出するのである。この方法は、汚泥を排出することによりリンを除去するものであるので、主に下記の問題が存在している。
【０００３】
一つ目の問題は、汚泥の排出量が多く、余剰汚泥の処理が非常に難しいことである。すなわち、汚泥排出によるリン除去方法では、絶えずに余剰汚泥を排出することにより、反応器システムの中からリンを除去して、リンが集中しない様にする。良好な汚泥排出効果を維持する為、現有の都市汚泥処理工場の汚泥排出量を汚泥処理量の２％にしているが、それによる余剰汚泥の問題は、各大汚泥処理工場が直面している難しい問題になっている。
【０００４】
二つ目の問題は、構築物を分別配置するため、敷地面積が大きいことである。すなわち、従来の生物リン除去汚泥処理工程では、通性好気性条件でのリンの釈放を実現し、汚泥の中でのリンの累積を防止するため、通性好気性と好気性の組み合わせ処理方法を採択しているが、構築物の分別配置により、敷地面積が大きく、複雑で、維持管理が難しいという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明の目的は、現有の通常の生物処理工程及び膜生物反応器工程が汚泥排出によりリン除去を行う中で存在している汚泥の排出処理が難しく、敷地面積が大きい等の欠点を解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は下記のプロセスによって実現できる。このプロセスは、汚泥を排出しないまま気化によりリン除去を行う新型の膜生物反応器工程を提供するものである。
【０００７】
ａ）下部を有する膜モジュールから構成される膜生物反応器を提供する。
ｂ）前記膜モジュールの下部を集中的に曝気し、好気性区、通性好気性区、嫌気性区を形成するべく、前記膜モジュールの周りの好気性区の溶解酸素濃度が2mg/Lを超えるように、その他の区域は溶解酸素濃度が1mg/L以下になる様に、溶解酸素濃度を制御する。
ｃ）前記の膜生物反応器の汚泥濃度10000mg/L〜30000mg/L、汚泥有機負荷0.08〜0.07Kg（COD）/Kg(MLSS)・d）とすることにより、好気性区でリンが吸収され、嫌気性区でリン還元バクテリアによりリン（phosphorus）が還元されホスフィン（phosphine）に転化される。例えば、前記の濃度、有機負荷の範囲に膜生物反応器の汚泥を維持することが好ましい。また、前記の濃度、有機負荷の範囲の汚泥を膜生物反応器に導入させることが好ましい。
【０００８】
前記の好気性区は全体の膜生物反応器の反応区体積の1/3以下で、その他の区域はすべて溶解酸素濃度が1mg/L以下の通性好気性区或いは嫌気性区になる。
【０００９】
前記の曝気システムの気体と液体の比率は19：1以下にコントロールし、ブロア曝気或いは射流（jet）曝気方法いずれも可能とする。
【００１０】
前記の曝気システムは、曝気気体の作用により、有機汚泥が好気性区(aerobic zone)―通性好気性区（facultative aerobic zone）―嫌気性区(anaerobic zone)に循環流動され、好気性区でのリン吸収―通性好気性区でのリン釈放−嫌気性区でのガス化プロセスを伴うリン除去の生物反応環境を提供する。
【００１１】
膜生物反応器の汚泥濃度10000mg/L〜30000mg/L、汚泥有機負荷0.08〜0.07Kg（COD）/Kg(MLSS)・d）を安定維持させることにより、有機汚泥の自己繁殖と自己消化の動的バランスにて、汚泥の排出の必要をなくすことを実現する。また、曝気システムを膜モジュールの下に集中分布させて、合理的に曝気量をコントロールし、曝気量の分布を最適化する。
【００１２】
汚泥中のホスフィン還元バクテリアが穴径0.01〜10μmの膜材料による濾過作用によって膜生物反応器の中でせき止められる。絶えずに集中的な累積により、最適成長を実現できることが好ましい。
【００１３】
膜生物反応器では、無機リンが、最初に、細胞合成のための微生物の作用により、有機リンに転化する。
【００１４】
嫌気性区で、ホスフィン還元バクテリアの作用により、有機リンがホスフィンに転化して釈放される。このホスフィンが曝気システムにより処理され、大気中に吹き出される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明において、曝気強度分布を膜モジュールの下部に集中させることにより、膜生物反応器に局部的に好気性区が形成され、この好気性区が、リン吸収及び細胞合成のための生物化学反応条件を備える。引き続いて、汚泥が溶存酸素の少ない膜モジュールの上部に流入し、リンが釈放される。膜モジュールの濾過作用によって、ホスフィン還元バクテリアがシステムの中でせき止められて蓄積され、増殖できる。これにより、気化プロセスによるリン除去による汚泥のゼロ排出を実現する。このように、リンの気化除去の生物反応に適する環境を造成することにより、新しいリン除去方式にて、従来の汚泥排出によるリン除去プロセスを避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明一実施形態の膜生物反応器での気化プロセスによるリン除去を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明実施形態の膜生物反応器を利用するリン除去方法は、前記のように、汚泥の排出をなくし、占有領域の少なくするものであり、これについて図面を参照して詳細に説明する。図１に示す通り、膜生物反応器が下部を有する膜モジュールを備え、この下部区域に曝気管を備え、曝気を集中的に分布させることにより、膜モジュールの周り（around）に溶解酸素濃度が2mg/Lを超える好気性区を形成し、微生物の好気性リン吸収の為の生物反応条件を提供し、その他区域の溶解酸素濃度が1mg/L以下である通性好気性区と嫌気性区を形成した。このような循環流れシステムを形成することにより、好気性―通性好気性―嫌気性の交替分布流れ状態を形成し、好気性区でのリン吸収―嫌気性区でのリン釈放の生物反応環境を実現する。溶解酸素が膜生物反応器の中下部で好気性微生物によって速やかに利用されるので、膜モジュールの外部上部に通性好気性区、膜モジュールと同程度の高さの膜生物反応器の部位には嫌気性区が形成される。汚泥が膜モジュールから循環流れシステムの形態を経由して膜モジュールの上部に流れるとき、通性好気性区でリンを釈放する。汚泥濃度10000mg/L〜30000mg/L、有機負荷0.072Kg（COD）/Kg(MLSS)・d）である汚泥が膜生物反応器に導入され、これにより、汚泥の消化速度を高め、汚泥の増殖と自己消化との動的バランスを維持する。微生物が内源性呼吸（endogenerous respiration）により分解し、アミノ酸の分解により、C-P結合を含むリン脂質（phospholipids）を生じる。ホスフィン還元バクテリアがこのリン脂質を処理し、C-Pの結合を断裂させるので、ホスフィンが生成される。このように、リンの気化除去生物反応に適する環境を造成することにより、新しいリン除去方法にて、従来の汚泥排出によるプロセスを避けることができる。
【００１８】
本発明は膜モジュールでの濾過作用により、ホスフィン還元バクテリアが膜生物反応器の中でせき止められて蓄積され、ホスフィン還元バクテリアが膜生物反応器内で増殖され、リンの気化除去の条件を提供する。下記のような連続的な生物化学反応を形成する。
【００１９】
このようの本発明は、リンの気化除去生物反応に適する環境を造成することにより、リンの新たな除去方法を実現し、従来の汚泥排出によるプロセスを避けた。
【実施例】
【００２０】
あるアパート団地の生活汚泥処理再利用工程を例として、本発明に対して説明を行う。
【００２１】
本工程下水処理の規模は80m3/dで、本発明の通性好気性の膜生物反応器プロセス設計を採択して、汚泥を排出しない方法にて行った。当該システムの下水のTP濃度に対して監視測定をした結果、生活汚泥の中のリン除去効果は下記の通りであった。
【００２２】
流入総リン平均値が2.82mg/L、流出総リン平均値が0.84mg/L、除去総リン平均値が1.98mg/L、汚泥中の総リン含有量が1.22%〜1.69%の間であり平均値が1.49%となる。これらは従来の生物化学処理工程の汚泥中のリン除去量に相当するが、汚泥の中でリンは蓄積されていなかった。汚泥を排出しなくて、リンを生物処理システムの中から除去する中で、システムの総リンが70%減量（loss）された。システム液面の上部の気体物質を監視測定したら、ホスフィンの含有量が1〜3ppmに達し、空気中のホスフィン値（0ppm）より高かった。即ち、有機余剰汚泥を排出しなくて、成功裡にリンの気化除去が実現できた。
【００２３】
この発明の一例の実施例を述べたが、当業者には本発明の要旨を離れることなく、広い観点から、変更、修正ができることは自明である。それゆえ、特許請求の範囲の目的は、本発明の趣旨、精神内に包含されるすべてのそのような変更、修正をカバーすべきである。
【技術分野】
【０００１】
本発明はリンの除去に関わり、特に、膜生物反応器を使用して、殆ど汚泥を排出しない状況の下で気化によりリン除去を行うものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、典型的なリン除去方法には通性好気性状態と好気性状態を組み合わせる生物処理工程がある。即ち、好気性の条件の下で、汚泥の中のリン蓄積微生物（phosphorus-accumulating microorganisms）が、多量にリンを吸収する。続いて、汚泥が嫌気性区或いは通性好気性区に流入して、吸収させたリンを釈放させる。そして、リンを下水処理システムの中から除去する目的で一部の汚泥を排出するのである。この方法は、汚泥を排出することによりリンを除去するものであるので、主に下記の問題が存在している。
【０００３】
一つ目の問題は、汚泥の排出量が多く、余剰汚泥の処理が非常に難しいことである。すなわち、汚泥排出によるリン除去方法では、絶えずに余剰汚泥を排出することにより、反応器システムの中からリンを除去して、リンが集中しない様にする。良好な汚泥排出効果を維持する為、現有の都市汚泥処理工場の汚泥排出量を汚泥処理量の２％にしているが、それによる余剰汚泥の問題は、各大汚泥処理工場が直面している難しい問題になっている。
【０００４】
二つ目の問題は、構築物を分別配置するため、敷地面積が大きいことである。すなわち、従来の生物リン除去汚泥処理工程では、通性好気性条件でのリンの釈放を実現し、汚泥の中でのリンの累積を防止するため、通性好気性と好気性の組み合わせ処理方法を採択しているが、構築物の分別配置により、敷地面積が大きく、複雑で、維持管理が難しいという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明の目的は、現有の通常の生物処理工程及び膜生物反応器工程が汚泥排出によりリン除去を行う中で存在している汚泥の排出処理が難しく、敷地面積が大きい等の欠点を解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は下記のプロセスによって実現できる。このプロセスは、汚泥を排出しないまま気化によりリン除去を行う新型の膜生物反応器工程を提供するものである。
【０００７】
ａ）下部を有する膜モジュールから構成される膜生物反応器を提供する。
ｂ）前記膜モジュールの下部を集中的に曝気し、好気性区、通性好気性区、嫌気性区を形成するべく、前記膜モジュールの周りの好気性区の溶解酸素濃度が2mg/Lを超えるように、その他の区域は溶解酸素濃度が1mg/L以下になる様に、溶解酸素濃度を制御する。
ｃ）前記の膜生物反応器の汚泥濃度10000mg/L〜30000mg/L、汚泥有機負荷0.08〜0.07Kg（COD）/Kg(MLSS)・d）とすることにより、好気性区でリンが吸収され、嫌気性区でリン還元バクテリアによりリン（phosphorus）が還元されホスフィン（phosphine）に転化される。例えば、前記の濃度、有機負荷の範囲に膜生物反応器の汚泥を維持することが好ましい。また、前記の濃度、有機負荷の範囲の汚泥を膜生物反応器に導入させることが好ましい。
【０００８】
前記の好気性区は全体の膜生物反応器の反応区体積の1/3以下で、その他の区域はすべて溶解酸素濃度が1mg/L以下の通性好気性区或いは嫌気性区になる。
【０００９】
前記の曝気システムの気体と液体の比率は19：1以下にコントロールし、ブロア曝気或いは射流（jet）曝気方法いずれも可能とする。
【００１０】
前記の曝気システムは、曝気気体の作用により、有機汚泥が好気性区(aerobic zone)―通性好気性区（facultative aerobic zone）―嫌気性区(anaerobic zone)に循環流動され、好気性区でのリン吸収―通性好気性区でのリン釈放−嫌気性区でのガス化プロセスを伴うリン除去の生物反応環境を提供する。
【００１１】
膜生物反応器の汚泥濃度10000mg/L〜30000mg/L、汚泥有機負荷0.08〜0.07Kg（COD）/Kg(MLSS)・d）を安定維持させることにより、有機汚泥の自己繁殖と自己消化の動的バランスにて、汚泥の排出の必要をなくすことを実現する。また、曝気システムを膜モジュールの下に集中分布させて、合理的に曝気量をコントロールし、曝気量の分布を最適化する。
【００１２】
汚泥中のホスフィン還元バクテリアが穴径0.01〜10μmの膜材料による濾過作用によって膜生物反応器の中でせき止められる。絶えずに集中的な累積により、最適成長を実現できることが好ましい。
【００１３】
膜生物反応器では、無機リンが、最初に、細胞合成のための微生物の作用により、有機リンに転化する。
【００１４】
嫌気性区で、ホスフィン還元バクテリアの作用により、有機リンがホスフィンに転化して釈放される。このホスフィンが曝気システムにより処理され、大気中に吹き出される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明において、曝気強度分布を膜モジュールの下部に集中させることにより、膜生物反応器に局部的に好気性区が形成され、この好気性区が、リン吸収及び細胞合成のための生物化学反応条件を備える。引き続いて、汚泥が溶存酸素の少ない膜モジュールの上部に流入し、リンが釈放される。膜モジュールの濾過作用によって、ホスフィン還元バクテリアがシステムの中でせき止められて蓄積され、増殖できる。これにより、気化プロセスによるリン除去による汚泥のゼロ排出を実現する。このように、リンの気化除去の生物反応に適する環境を造成することにより、新しいリン除去方式にて、従来の汚泥排出によるリン除去プロセスを避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明一実施形態の膜生物反応器での気化プロセスによるリン除去を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明実施形態の膜生物反応器を利用するリン除去方法は、前記のように、汚泥の排出をなくし、占有領域の少なくするものであり、これについて図面を参照して詳細に説明する。図１に示す通り、膜生物反応器が下部を有する膜モジュールを備え、この下部区域に曝気管を備え、曝気を集中的に分布させることにより、膜モジュールの周り（around）に溶解酸素濃度が2mg/Lを超える好気性区を形成し、微生物の好気性リン吸収の為の生物反応条件を提供し、その他区域の溶解酸素濃度が1mg/L以下である通性好気性区と嫌気性区を形成した。このような循環流れシステムを形成することにより、好気性―通性好気性―嫌気性の交替分布流れ状態を形成し、好気性区でのリン吸収―嫌気性区でのリン釈放の生物反応環境を実現する。溶解酸素が膜生物反応器の中下部で好気性微生物によって速やかに利用されるので、膜モジュールの外部上部に通性好気性区、膜モジュールと同程度の高さの膜生物反応器の部位には嫌気性区が形成される。汚泥が膜モジュールから循環流れシステムの形態を経由して膜モジュールの上部に流れるとき、通性好気性区でリンを釈放する。汚泥濃度10000mg/L〜30000mg/L、有機負荷0.072Kg（COD）/Kg(MLSS)・d）である汚泥が膜生物反応器に導入され、これにより、汚泥の消化速度を高め、汚泥の増殖と自己消化との動的バランスを維持する。微生物が内源性呼吸（endogenerous respiration）により分解し、アミノ酸の分解により、C-P結合を含むリン脂質（phospholipids）を生じる。ホスフィン還元バクテリアがこのリン脂質を処理し、C-Pの結合を断裂させるので、ホスフィンが生成される。このように、リンの気化除去生物反応に適する環境を造成することにより、新しいリン除去方法にて、従来の汚泥排出によるプロセスを避けることができる。
【００１８】
本発明は膜モジュールでの濾過作用により、ホスフィン還元バクテリアが膜生物反応器の中でせき止められて蓄積され、ホスフィン還元バクテリアが膜生物反応器内で増殖され、リンの気化除去の条件を提供する。下記のような連続的な生物化学反応を形成する。
【００１９】
このようの本発明は、リンの気化除去生物反応に適する環境を造成することにより、リンの新たな除去方法を実現し、従来の汚泥排出によるプロセスを避けた。
【実施例】
【００２０】
あるアパート団地の生活汚泥処理再利用工程を例として、本発明に対して説明を行う。
【００２１】
本工程下水処理の規模は80m3/dで、本発明の通性好気性の膜生物反応器プロセス設計を採択して、汚泥を排出しない方法にて行った。当該システムの下水のTP濃度に対して監視測定をした結果、生活汚泥の中のリン除去効果は下記の通りであった。
【００２２】
流入総リン平均値が2.82mg/L、流出総リン平均値が0.84mg/L、除去総リン平均値が1.98mg/L、汚泥中の総リン含有量が1.22%〜1.69%の間であり平均値が1.49%となる。これらは従来の生物化学処理工程の汚泥中のリン除去量に相当するが、汚泥の中でリンは蓄積されていなかった。汚泥を排出しなくて、リンを生物処理システムの中から除去する中で、システムの総リンが70%減量（loss）された。システム液面の上部の気体物質を監視測定したら、ホスフィンの含有量が1〜3ppmに達し、空気中のホスフィン値（0ppm）より高かった。即ち、有機余剰汚泥を排出しなくて、成功裡にリンの気化除去が実現できた。
【００２３】
この発明の一例の実施例を述べたが、当業者には本発明の要旨を離れることなく、広い観点から、変更、修正ができることは自明である。それゆえ、特許請求の範囲の目的は、本発明の趣旨、精神内に包含されるすべてのそのような変更、修正をカバーすべきである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）下部を有する膜モジュールから構成される膜生物反応器を提供するステップ、
ｂ）前記膜モジュールの下部を集中的に曝気し、好気性区、通性好気性区、嫌気性区を形成するべく、前記膜生物反応器の局部的区域が溶解酸素濃度が2mg/Lを超えるように、その他の区域では溶解酸素濃度が1mg/L以下になる様に溶解酸素濃度を制御するステップ、
ｃ）前記の膜生物反応器の汚泥濃度10000mg/L〜30000mg/L、汚泥有機負荷0.08〜0.07Kg（COD）/Kg(MLSS)・d）とし、好気性区でリンが吸収され、嫌気性区でリン還元バクテリアによりリンが還元されホスフィンに転化されるステップ、
を備えたことを特徴とする膜生物反応器を利用するリン除去方法。
【請求項２】
請求項１に記述の方法は、前記の好気性区が膜生物反応器の全反応区域の体積の1/3以下で、その他の区域は通性好気性区或いは嫌気性区であることを特徴とする。
【請求項３】
請求項１に記述の方法は、前記の曝気システムのエアーと水の比率を19:1以下にコントロールすることを特徴とする。
【請求項４】
請求項１に記述の方法は、汚泥中のホスフィン還元バクテリアが穴径0.01〜10μmの膜材料濾過作用により膜生物反応器の中でせき止められて、前記膜生物反応器中に保持されることを特徴とする。
【請求項１】
ａ）下部を有する膜モジュールから構成される膜生物反応器を提供するステップ、
ｂ）前記膜モジュールの下部を集中的に曝気し、好気性区、通性好気性区、嫌気性区を形成するべく、前記膜生物反応器の局部的区域が溶解酸素濃度が2mg/Lを超えるように、その他の区域では溶解酸素濃度が1mg/L以下になる様に溶解酸素濃度を制御するステップ、
ｃ）前記の膜生物反応器の汚泥濃度10000mg/L〜30000mg/L、汚泥有機負荷0.08〜0.07Kg（COD）/Kg(MLSS)・d）とし、好気性区でリンが吸収され、嫌気性区でリン還元バクテリアによりリンが還元されホスフィンに転化されるステップ、
を備えたことを特徴とする膜生物反応器を利用するリン除去方法。
【請求項２】
請求項１に記述の方法は、前記の好気性区が膜生物反応器の全反応区域の体積の1/3以下で、その他の区域は通性好気性区或いは嫌気性区であることを特徴とする。
【請求項３】
請求項１に記述の方法は、前記の曝気システムのエアーと水の比率を19:1以下にコントロールすることを特徴とする。
【請求項４】
請求項１に記述の方法は、汚泥中のホスフィン還元バクテリアが穴径0.01〜10μmの膜材料濾過作用により膜生物反応器の中でせき止められて、前記膜生物反応器中に保持されることを特徴とする。
【図１】
【公開番号】特開２０１０−２６４４４４（Ｐ２０１０−２６４４４４Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１３７２２（Ｐ２０１０−１１３７２２）
【出願日】平成２２年５月１７日（２０１０．５．１７）
【出願人】（５１０１３６０１３）江西金▲達▼莱▲環▼保研▲発▼中心有限公司 (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１７日（２０１０．５．１７）
【出願人】（５１０１３６０１３）江西金▲達▼莱▲環▼保研▲発▼中心有限公司 (2)
【Ｆターム（参考）】
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