(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022153861
(43)【公開日】2022-10-13
(54)【発明の名称】生物硝化方法および生物硝化システム
(51)【国際特許分類】
C02F 3/34 20060101AFI20221005BHJP
C02F 3/10 20060101ALI20221005BHJP
【ＦＩ】
C02F3/34 101C
C02F3/34 101D
C02F3/34 101A
C02F3/34 101B
C02F3/10 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021056603
(22)【出願日】2021-03-30
(71)【出願人】
【識別番号】596136316
【氏名又は名称】三菱ケミカルアクア・ソリューションズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100165179
【弁理士】
【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100152146
【弁理士】
【氏名又は名称】伏見 俊介
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(72)【発明者】
【氏名】山東 丈夫
(72)【発明者】
【氏名】小寺 博也
【テーマコード（参考）】
4D003
4D040
【Ｆターム（参考）】
4D003AA12
4D003AB02
4D003AB15
4D003EA14
4D003EA19
4D003EA30
4D003FA02
4D003FA05
4D003FA10
4D040BB07
4D040BB42
4D040BB63
4D040BB82
4D040BB91
(57)【要約】
【課題】高濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水を高い硝化速度で処理でき、処理システムの小型化が可能であり、安全性が高く、コスト面でも有利な生物硝化方法および生物硝化システムの提供。
【解決手段】平均密度が１．０～１．４ｇ／ｃｍ３である複数の生物保持体６が装填された硝化槽５に被処理水を通水する際、被処理水の線速度ＬＶ通水［ｍ／ｈ］と硝化槽５内の貯留水中の空気の線速度ＬＶ空気［ｍ／ｈ］との線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を５．０以下とし、かつ、下式（１）で算出される充填率を２５体積％以上とすることを特徴とする、生物硝化方法。
充填率（体積％）＝（（複数の生物保持体６の総体積）／（複数の生物保持体６の総体積と硝化槽５内の貯留水の体積との和））×１００ ・・・式（１）
【選択図】図１
【解決手段】平均密度が１．０～１．４ｇ／ｃｍ３である複数の生物保持体６が装填された硝化槽５に被処理水を通水する際、被処理水の線速度ＬＶ通水［ｍ／ｈ］と硝化槽５内の貯留水中の空気の線速度ＬＶ空気［ｍ／ｈ］との線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を５．０以下とし、かつ、下式（１）で算出される充填率を２５体積％以上とすることを特徴とする、生物硝化方法。
充填率（体積％）＝（（複数の生物保持体６の総体積）／（複数の生物保持体６の総体積と硝化槽５内の貯留水の体積との和））×１００ ・・・式（１）
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被処理水のアンモニア性窒素を処理する生物硝化方法であって、
平均密度が１．０～１．４ｇ／ｃｍ３である複数の生物保持体が装填された硝化槽に前記被処理水を通水する際、
前記被処理水の線速度ＬＶ通水［ｍ／ｈ］と前記硝化槽内の貯留水中の空気の線速度ＬＶ空気［ｍ／ｈ］との線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を５．０以下とし、かつ、下式（１）で算出される充填率を２５体積％以上とすることを特徴とする、生物硝化方法。
充填率（体積％）＝（（複数の生物保持体の総体積）／（複数の生物保持体の総体積と硝化槽内の貯留水の体積との和））×１００ ・・・式（１）
平均密度が１．０～１．４ｇ／ｃｍ３である複数の生物保持体が装填された硝化槽に前記被処理水を通水する際、
前記被処理水の線速度ＬＶ通水［ｍ／ｈ］と前記硝化槽内の貯留水中の空気の線速度ＬＶ空気［ｍ／ｈ］との線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を５．０以下とし、かつ、下式（１）で算出される充填率を２５体積％以上とすることを特徴とする、生物硝化方法。
充填率（体積％）＝（（複数の生物保持体の総体積）／（複数の生物保持体の総体積と硝化槽内の貯留水の体積との和））×１００ ・・・式（１）
【請求項2】
前記生物保持体が、多孔質の担体と、前記担体に保持された硝化菌とを有する、請求項１に記載の生物硝化方法。
【請求項3】
さらに、前記線速度ＬＶ空気を３０ｍ／ｈ以下とする、請求項１または２に記載の生物硝化方法。
【請求項4】
前記被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ超である場合、前記線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を０．２０～５．０とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の生物硝化方法。
【請求項5】
平均密度が１．０～１．４ｇ／ｃｍ３である複数の生物保持体が装填された硝化槽と、
前記硝化槽に被処理水を供給する被処理水供給管と、
前記被処理水供給管に設けられ、前記硝化槽に供給される前記被処理水の流量を調整する通水量調整手段と、
前記硝化槽内の貯留水に空気を供給する散気装置と、
少なくとも前記通水量調整手段および前記散気装置と電気的に接続された制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記被処理水の通水時の線速度ＬＶ通水［ｍ／ｈ］と前記硝化槽内の貯留水中の空気の線速度ＬＶ空気［ｍ／ｈ］との線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を５．０以下とし、かつ、下式（１）で算出される充填率を２５体積％以上とする制御部を有する、生物硝化システム。
充填率（体積％）＝（（複数の生物保持体の総体積）／（複数の生物保持体の総体積と硝化槽内の貯留水の体積との和））×１００ ・・・式（１）
前記硝化槽に被処理水を供給する被処理水供給管と、
前記被処理水供給管に設けられ、前記硝化槽に供給される前記被処理水の流量を調整する通水量調整手段と、
前記硝化槽内の貯留水に空気を供給する散気装置と、
少なくとも前記通水量調整手段および前記散気装置と電気的に接続された制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記被処理水の通水時の線速度ＬＶ通水［ｍ／ｈ］と前記硝化槽内の貯留水中の空気の線速度ＬＶ空気［ｍ／ｈ］との線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を５．０以下とし、かつ、下式（１）で算出される充填率を２５体積％以上とする制御部を有する、生物硝化システム。
充填率（体積％）＝（（複数の生物保持体の総体積）／（複数の生物保持体の総体積と硝化槽内の貯留水の体積との和））×１００ ・・・式（１）
【請求項6】
前記生物保持体が、多孔質の担体と、前記担体に保持された硝化菌とを有する、請求項５に記載の生物硝化システム。
【請求項7】
前記制御部は、前記線速度ＬＶ空気を３０ｍ／ｈ以下とする、請求項５または６に記載の生物硝化システム。
【請求項8】
前記制御部は、前記被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ超である場合、前記線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を０．２０～５．０とする、請求項５～７のいずれか一項に記載の生物硝化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、生物硝化方法および生物硝化システムに関する。
【背景技術】
【0002】
被処理水のアンモニア性窒素を微生物によって硝酸に変換する生物硝化反応が知られている。アンモニア性窒素は、例えば地下水、井戸水、湖沼水、河川水、工業排水等に含まれることがある。
低濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水の一般的な生物硝化方法として、硝化菌等の微生物が付着したろ材を充填して形成した固定床に、被処理水を押出流れとして通水する固定床押出流れ方式がある（例えば、特許文献１、非特許文献１、２）。
低濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水の一般的な生物硝化方法として、硝化菌等の微生物が付着したろ材を充填して形成した固定床に、被処理水を押出流れとして通水する固定床押出流れ方式がある（例えば、特許文献１、非特許文献１、２）。
【0003】
例えば、図５に示す固定床押出流れ方式の生物硝化システム１００Ａにおいては、アンモニア性窒素を含む被処理水が供給管１０４Ａから硝化槽１０５Ａ内に貯留される。硝化槽１０５Ａ内には、石、セラミックス、合成樹脂等のろ材が充填されたろ層１０６Ａが形成されている。被処理水がろ層１０６Ａに通水されると、ろ材の表面に付着した硝化菌等の微生物によってアンモニア性窒素が硝酸性窒素に変換されて処理される。
【0004】
固定床押出流れ方式の生物硝化システム１００Ａにおいては、被処理水が押出流れとなるようにろ層１０６Ａに通水される。すなわち、被処理水は硝化槽１０５Ａ内の流れ方向で混合および拡散がなく、かつ、流れ方向と直角方向における速度が均一となるように、ろ層１０６Ａに通水される。その後、生物硝化処理後の処理水が流出管１１０Ａから流出する。
固定床押出流れ方式によれば、低濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水の硝化反応を均一に行うことができる。
固定床押出流れ方式によれば、低濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水の硝化反応を均一に行うことができる。
【0005】
一方で、高濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水の生物硝化方法として、微生物を保持した担体を硝化槽内で循環流動させながら被処理水を通水する流動床混合流れ方式がある（例えば、特許文献２、３）。
例えば、図６に示す流動床混合流れ方式の生物硝化システム１００Ｂにおいては、硝化槽１０５Ｂ内の貯留水に散気部１０７から空気を供給しながら、被処理水を硝化槽１０５Ｂに供給する。被処理水は硝化槽１０５Ｂ内に流入すると、貯留水と瞬間的に混合されて貯留水全体の濃度が一様となる。
流動床混合流れ方式においては、硝化菌等を担持した生物保持体１０６Ｂが硝化槽１０５Ｂ内の貯留水中で流動している。この生物保持体１０６Ｂと被処理水が接触することで、アンモニア性窒素が硝酸性窒素に変換されて処理される。
流動床混合流れ方式によれば、高濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水を処理できる。
例えば、図６に示す流動床混合流れ方式の生物硝化システム１００Ｂにおいては、硝化槽１０５Ｂ内の貯留水に散気部１０７から空気を供給しながら、被処理水を硝化槽１０５Ｂに供給する。被処理水は硝化槽１０５Ｂ内に流入すると、貯留水と瞬間的に混合されて貯留水全体の濃度が一様となる。
流動床混合流れ方式においては、硝化菌等を担持した生物保持体１０６Ｂが硝化槽１０５Ｂ内の貯留水中で流動している。この生物保持体１０６Ｂと被処理水が接触することで、アンモニア性窒素が硝酸性窒素に変換されて処理される。
流動床混合流れ方式によれば、高濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水を処理できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２００５－２８８４１７号公報
【特許文献2】特開２０１７－２０２４７３号公報
【特許文献3】特開２０１１－２１２６７０号公報
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】鉄バクテリアを用いた地下水の浄水処理，神鋼パンテック技報，Ｖｏｌ．４５ Ｎｏ．２，ｐ．１６－２４（２００２）
【非特許文献2】ユーザーのための凝集・沈降／浮上分離・粒状層ろ過事例集，５．３ 地下水を原水とする超高速無薬注生物処理装置 日本液体清澄化技術工業会，ｐ．６４－６７（２０１９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかし、特許文献１や非特許文献１、２の方法のような一般的な固定床押出流れ方式の処理においては、硝化槽当たりの硝化速度が０．１ｋｇＮ／ｍ３／ｄ程度と低い。また、高濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水を固定床押出流れ方式の処理に適用すると、処理システムが大型化するという問題もある。
【0009】
特許文献２の方法においては、有効水量に対する硝化菌担持担体のかさ体積が小さい（実施例１では、３０体積％であり、これは、後述の本発明における充填率に換算すると２０体積％である）。しかし、本発明者の検討によれば体積比がこれ以上高くなると、硝化菌担持担体の流動性が低下し、デッドスペースや短絡流が発生する問題があった。これにより、被処理水に対して硝化反応を均一に行うことができなくなるおそれがあった。
また、硝化速度は硝化槽における硝化菌担持担体の体積比に依存するため、特許文献２の方法では硝化菌担持担体の体積比をこれ以上高めることができず、硝化速度のさらなる向上を図ることができない。
加えて、特許文献２の方法では、１つの硝化槽当たりの硝化速度が低く、高濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水を処理するには、硝化槽の数をさらに増やす必要が生じ、処理システムが大型化するという問題もある。
また、硝化速度は硝化槽における硝化菌担持担体の体積比に依存するため、特許文献２の方法では硝化菌担持担体の体積比をこれ以上高めることができず、硝化速度のさらなる向上を図ることができない。
加えて、特許文献２の方法では、１つの硝化槽当たりの硝化速度が低く、高濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水を処理するには、硝化槽の数をさらに増やす必要が生じ、処理システムが大型化するという問題もある。
【0010】
特許文献３においては、硝化槽の気相部に供給する高濃度酸素ガスのＯ２濃度を８０～９０％とし、高負荷条件下での硝化処理を行っている。しかし、高濃度酸素ガスのＯ２濃度を８０～９０％として硝化槽の気相部に供給することは、コスト面で不利であり、安全性の観点で問題があった。
【0011】
本発明は、高濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水を高い硝化速度で処理でき、処理システムの小型化が可能であり、安全性が高く、コスト面でも有利な生物硝化方法および生物硝化システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明者らは、鋭意検討した結果、（ｉ）生物保持体の平均密度、（ｉｉ）生物保持体の特定の充填率および（ｉｉｉ）被処理水の通水線速度に対する空気の供給線速度の比率を、所定の範囲内に維持することで、前記課題を解決し得ることを見出した。この特定の条件下で硝化反応を行うと高い硝化速度を実現できることを本発明者は見出し、本発明を完成させた。
【0013】
本発明は、下記の態様を有する。
［１］ 被処理水のアンモニア性窒素を処理する生物硝化方法であって；平均密度が１．０～１．４ｇ／ｃｍ３である複数の生物保持体が装填された硝化槽に前記被処理水を通水する際；前記被処理水の線速度ＬＶ通水［ｍ／ｈ］と前記硝化槽内の貯留水中の空気の線速度ＬＶ空気［ｍ／ｈ］との線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を５．０以下とし、かつ、下式（１）で算出される充填率を２５体積％以上とすることを特徴とする、生物硝化方法。
充填率（体積％）＝（（複数の生物保持体の総体積）／（複数の生物保持体の総体積と硝化槽内の貯留水の体積との和））×１００ ・・・式（１）
［２］ 前記生物保持体が、多孔質の担体と、前記担体に保持された硝化菌とを有する、［１］の生物硝化方法。
［３］ さらに、前記線速度ＬＶ空気を３０ｍ／ｈ以下とする、［１］または［２］の生物硝化方法。
［４］ 前記被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ超である場合、前記線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を０．２０～５．０とする、［１］～［３］のいずれかの生物硝化方法。
［５］ 平均密度が１．０～１．４ｇ／ｃｍ３である複数の生物保持体が装填された硝化槽と；前記硝化槽に被処理水を供給する被処理水供給管と；前記被処理水供給管に設けられ、前記硝化槽に供給される前記被処理水の流量を調整する通水量調整手段と；前記硝化槽内の貯留水に空気を供給する散気装置と；少なくとも前記通水量調整手段および前記散気装置と電気的に接続された制御装置と；を備え；前記制御装置は、前記被処理水の通水時の線速度ＬＶ通水［ｍ／ｈ］と前記硝化槽内の貯留水中の空気の線速度ＬＶ空気［ｍ／ｈ］との線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を５．０以下とし、かつ、下式（１）で算出される充填率を２５体積％以上とする制御部を有する、生物硝化システム。
充填率（体積％）＝（（複数の生物保持体の総体積）／（複数の生物保持体の総体積と硝化槽内の貯留水の体積との和））×１００ ・・・式（１）
［６］ 前記生物保持体が、多孔質の担体と、前記担体に保持された硝化菌とを有する、［５］の生物硝化システム。
［７］ 前記制御部は、前記線速度ＬＶ空気を３０ｍ／ｈ以下とする、［５］または［６］の生物硝化システム。
［８］ 前記制御部は、前記被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ超である場合、前記線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を０．２０～５．０とする、［５］～［７］のいずれかの生物硝化システム。
［１］ 被処理水のアンモニア性窒素を処理する生物硝化方法であって；平均密度が１．０～１．４ｇ／ｃｍ３である複数の生物保持体が装填された硝化槽に前記被処理水を通水する際；前記被処理水の線速度ＬＶ通水［ｍ／ｈ］と前記硝化槽内の貯留水中の空気の線速度ＬＶ空気［ｍ／ｈ］との線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を５．０以下とし、かつ、下式（１）で算出される充填率を２５体積％以上とすることを特徴とする、生物硝化方法。
充填率（体積％）＝（（複数の生物保持体の総体積）／（複数の生物保持体の総体積と硝化槽内の貯留水の体積との和））×１００ ・・・式（１）
［２］ 前記生物保持体が、多孔質の担体と、前記担体に保持された硝化菌とを有する、［１］の生物硝化方法。
［３］ さらに、前記線速度ＬＶ空気を３０ｍ／ｈ以下とする、［１］または［２］の生物硝化方法。
［４］ 前記被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ超である場合、前記線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を０．２０～５．０とする、［１］～［３］のいずれかの生物硝化方法。
［５］ 平均密度が１．０～１．４ｇ／ｃｍ３である複数の生物保持体が装填された硝化槽と；前記硝化槽に被処理水を供給する被処理水供給管と；前記被処理水供給管に設けられ、前記硝化槽に供給される前記被処理水の流量を調整する通水量調整手段と；前記硝化槽内の貯留水に空気を供給する散気装置と；少なくとも前記通水量調整手段および前記散気装置と電気的に接続された制御装置と；を備え；前記制御装置は、前記被処理水の通水時の線速度ＬＶ通水［ｍ／ｈ］と前記硝化槽内の貯留水中の空気の線速度ＬＶ空気［ｍ／ｈ］との線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を５．０以下とし、かつ、下式（１）で算出される充填率を２５体積％以上とする制御部を有する、生物硝化システム。
充填率（体積％）＝（（複数の生物保持体の総体積）／（複数の生物保持体の総体積と硝化槽内の貯留水の体積との和））×１００ ・・・式（１）
［６］ 前記生物保持体が、多孔質の担体と、前記担体に保持された硝化菌とを有する、［５］の生物硝化システム。
［７］ 前記制御部は、前記線速度ＬＶ空気を３０ｍ／ｈ以下とする、［５］または［６］の生物硝化システム。
［８］ 前記制御部は、前記被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ超である場合、前記線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を０．２０～５．０とする、［５］～［７］のいずれかの生物硝化システム。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、高濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水を高い硝化速度で処理でき、処理システムの小型化が可能であり、安全性が高く、コスト面でも有利な生物硝化方法および生物硝化システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】一実施形態に係る生物硝化システムの一例を示す概略構成図である。
【図2】複数の生物保持体の平均密度の測定方法を説明するための模式図である。
【図3】複数の生物保持体の平均密度の測定方法を説明するための模式図である。
【図4】一実施形態に係る生物硝化システムの他の一例を示す概略構成図である。
【図5】従来の生物硝化システムの一例を示す概略構成図である。
【図6】従来の生物硝化システムの一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
本明細書における以下の用語の意味は以下の通りである。
「アンモニア性窒素」とは、水中にアンモニウム塩として含まれている窒素をいう。アンモニア態窒素ともいう。
数値範囲を示す「～」は、その前後に記載された数値を下限値および上限値として含むことを意味する。
「アンモニア性窒素」とは、水中にアンモニウム塩として含まれている窒素をいう。アンモニア態窒素ともいう。
数値範囲を示す「～」は、その前後に記載された数値を下限値および上限値として含むことを意味する。
【0017】
＜被処理水＞
一実施形態において、被処理水はアンモニア性窒素を少なくとも含むものであれば、特に限定されない。例えば、地下水、井戸水、湖沼水、河川水、工場用水、下水、排水等が挙げられる。ただし、被処理水はこれらの例示に限定されない。
一実施形態において、被処理水はアンモニア性窒素を少なくとも含むものであれば、特に限定されない。例えば、地下水、井戸水、湖沼水、河川水、工場用水、下水、排水等が挙げられる。ただし、被処理水はこれらの例示に限定されない。
【0018】
被処理水は、アンモニア性窒素以外に、炭酸水素イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、塩化物イオン等の陰イオン；鉄イオン、マンガンイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン等の陽イオン；有機物；細菌等をさらに含むことがある。ただし、被処理水の成分はこれらに限定されない。
被処理水の有機物の主成分として、フミン酸、フルボ酸等が挙げられる。ただし、被処理水は、これら例示した成分以外の有機物を含むことがある。
被処理水の有機物の主成分として、フミン酸、フルボ酸等が挙げられる。ただし、被処理水は、これら例示した成分以外の有機物を含むことがある。
【0019】
被処理水のアンモニア性窒素の含有量は特に限定されないが、例えば、０．１～１５ｍｇ／Ｌの範囲内である。アンモニア性窒素の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ以上であり、好ましくは１ｍｇ／Ｌ以上であると、高い硝化速度を実現できる生物硝化方法および硝化システムを適用するメリットがさらに大きくなる。さらに高濃度のアンモニア性窒素を含む場合（例えば、アンモニア性窒素の含有量が１５～５０ｍｇ／Ｌである場合）は、硝化槽を多段にすることが好ましい。
被処理水の鉄の含有量は特に限定されないが、例えば、０～２０ｍｇ／Ｌの範囲内である。一実施形態に係る生物硝化方法および硝化システムによれば、被処理水に鉄が含まれる場合であっても、高い硝化速度を実現できる。
被処理水の鉄の含有量は特に限定されないが、例えば、０～２０ｍｇ／Ｌの範囲内である。一実施形態に係る生物硝化方法および硝化システムによれば、被処理水に鉄が含まれる場合であっても、高い硝化速度を実現できる。
【0020】
＜生物硝化システム＞
図１は、一実施形態に係る生物硝化システムの一例を示す概略構成図である。
生物硝化システム１Ａは、井戸２の井戸水（被処理水の一例）を汲み上げるための揚水ポンプ３と；第１の端部が揚水ポンプ３と接続され、第２の端部が硝化槽５の底部と接続された被処理水供給管４Ａと；被処理水供給管４Ａの途中に設けられ、硝化槽５に供給される被処理水の流量を調整する通水量調整手段（図示略）と；硝化槽５内で空気を散気する散気装置の散気部７、空気供給管８およびブロア９と；通水量調整手段および散気装置と電気的に接続された制御装置（図示略）と；硝化槽５の頂部付近の壁面と接続された処理水流出管１０Ａと；を備える。
図１は、一実施形態に係る生物硝化システムの一例を示す概略構成図である。
生物硝化システム１Ａは、井戸２の井戸水（被処理水の一例）を汲み上げるための揚水ポンプ３と；第１の端部が揚水ポンプ３と接続され、第２の端部が硝化槽５の底部と接続された被処理水供給管４Ａと；被処理水供給管４Ａの途中に設けられ、硝化槽５に供給される被処理水の流量を調整する通水量調整手段（図示略）と；硝化槽５内で空気を散気する散気装置の散気部７、空気供給管８およびブロア９と；通水量調整手段および散気装置と電気的に接続された制御装置（図示略）と；硝化槽５の頂部付近の壁面と接続された処理水流出管１０Ａと；を備える。
【0021】
被処理水供給管４Ａは、井戸２の井戸水を被処理水として硝化槽５内に供給する。被処理水供給管４Ａの途中には、硝化槽５内に供給される被処理水の水量を測定する通水量測定手段（図示略）と；通水量調整手段が設けられている。
通水量調整手段としては、例えば、流量調整弁が挙げられる。
通水量測定手段としては、例えば、ローターメータ、電磁流量計等が挙げられる。
被処理水供給管４Ａには、硝化槽５に供給される被処理水の鉄の含有量およびアンモニア性窒素を測定する水質計が設けられてもよい。
通水量調整手段としては、例えば、流量調整弁が挙げられる。
通水量測定手段としては、例えば、ローターメータ、電磁流量計等が挙げられる。
被処理水供給管４Ａには、硝化槽５に供給される被処理水の鉄の含有量およびアンモニア性窒素を測定する水質計が設けられてもよい。
【0022】
硝化槽５は、生物保持体６を用いた生物硝化反応によって被処理水のアンモニア性窒素を処理するためのものである。硝化槽５には複数の生物保持体６が装填されている。
硝化槽５においては、複数の生物保持体６が装填されて形成された生物保持体領域１１が形成されている。生物保持体領域１１では、被処理水の通水時に揺動可能となるように各生物保持体６が装填されている。
硝化槽５は、生物保持体領域１１における各生物保持体６と被処理水とを接触させ、被処理水のアンモニア性窒素を酸化して処理水とする。生物保持体６に通水される被処理水の線速度がＬＶ通水［ｍ／ｈ］である。
硝化槽５においては、複数の生物保持体６が装填されて形成された生物保持体領域１１が形成されている。生物保持体領域１１では、被処理水の通水時に揺動可能となるように各生物保持体６が装填されている。
硝化槽５は、生物保持体領域１１における各生物保持体６と被処理水とを接触させ、被処理水のアンモニア性窒素を酸化して処理水とする。生物保持体６に通水される被処理水の線速度がＬＶ通水［ｍ／ｈ］である。
【0023】
生物保持体領域１１は、複数の生物保持体６で硝化槽５の底部を覆うようにし、かつ、複数の生物保持体６を硝化槽５の高さ方向で多段に積み重ねて形成されていてもよい。
【0024】
硝化槽５の容積は特に限定されない。例えば、０．１～１００ｍ３の範囲内とすることができる。また、硝化槽５の材質も特に限定されない。例えば、アクリル樹脂、繊維強化樹脂等が挙げられる。硝化槽５内の生物保持体６を観察しやすい点では、透明の材質が好ましく、アクリル樹脂がより好ましい。
【0025】
生物保持体６は、担体が硝化菌を保持したものである。すなわち、生物保持体６は、担体と、担体に保持された硝化菌とを有する。担体の形状は特に限定されないが、例えば、立方体、直方体、球体、円錐状、多角錐状、筒体、糸状体等が挙げられる。ただし、通水時に揺動させることや硝化槽５への装填の容易さを考慮すると、直方体、立方体、球体が好ましい。
また、複数の生物保持体６において、各担体の形状はすべて互いに同一である必要はなく、互いに異なる形状であってもよい。揺動状態を維持しやすく、また、均一に硝化反応を行いやすい点では、各担体は互いに同一の形状が好ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。
また、複数の生物保持体６において、各担体の形状はすべて互いに同一である必要はなく、互いに異なる形状であってもよい。揺動状態を維持しやすく、また、均一に硝化反応を行いやすい点では、各担体は互いに同一の形状が好ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【0026】
担体としては、担体の表面および内部に硝化菌を担持できる、すなわち多くの硝化菌を担持でき、硝化速度がさらに向上する点から、多孔質の担体が好ましい。担体が多孔質の場合は、担体の内部に硝化菌が担持されていてもよい。
多孔質の担体の孔径は、０．０１～３ｍｍ程度が好ましく、０．０５～１ｍｍ程度がより好ましく、０．１～０．５ｍｍ程度がさらに好ましい。
多孔質の担体の孔径は、０．０１～３ｍｍ程度が好ましく、０．０５～１ｍｍ程度がより好ましく、０．１～０．５ｍｍ程度がさらに好ましい。
【0027】
特に、硝化菌の担持を良好に維持でき、かつポンプや配管の損傷を最小限に抑制できる点から、スポンジ担体が好ましい。
スポンジ担体の材料としては、ポリビニールアルコール、ポリエチレングリコール、ポリウレタン等が挙げられる。
スポンジ担体の材料としては、ポリビニールアルコール、ポリエチレングリコール、ポリウレタン等が挙げられる。
【0028】
スポンジ担体の見かけの表面積は、３００ｍ２／ｍ３以上が好ましく、６００ｍ２／ｍ３以上がより好ましい。スポンジ担体の見かけの表面積が前記下限値以上であると、表面積が充分大きく、被処理水との接触効率が高くなる。また、硝化菌を保持しやく、酸素供給効率も高くなり、硝化速度がさらに高くなる。
【0029】
硝化菌としては、アンモニア性窒素の生物硝化に用いられる公知の硝化菌が挙げられる。Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓを代表とする硝化菌は、独立栄養であり、基本的には炭酸ガスを唯一の炭素源としており、有機物基質を必要とせずアンモニアの存在下で生育できるが、その増殖速度は極めて小さい。したがって、硝化速度を高くするためには、硝化菌を硝化槽内に大量に保持する操作が必要となる。よって、硝化菌を、浮遊菌体ではなく担体に担体した状態で保持することが好ましい。
硝化菌の担体への担持方法としては、例えば、既存の水処理システムの硝化槽に担体を投入して担体の表面等に硝化菌を増殖させる方法等が挙げられる。
硝化菌の担体への担持方法としては、例えば、既存の水処理システムの硝化槽に担体を投入して担体の表面等に硝化菌を増殖させる方法等が挙げられる。
【0030】
生物保持体６の平均密度は１．０～１．４ｇ／ｃｍ３であり、１．０５～１．３０ｇ／ｃｍ３が好ましく、１．１０～１．２０ｇ／ｃｍ３がより好ましい。ここで、生物保持体６の平均密度は各生物保持体６が硝化菌を保持した湿潤状態における平均密度である。湿潤状態については後述する。
生物保持体６の平均密度が前記範囲の下限値以上であれば、生物保持体６が硝化槽５内の貯留水に沈降する。そのため、被処理水が複数の生物保持体６全体と均一に接触し、硝化反応が硝化槽５内で均一に起きやすい。
生物保持体６の平均密度が前記範囲の上限値以下であれば、生物保持体６が揺動しやすい。そのため通水時に散気装置によって曝気しなくても、生物保持体６の揺動状態を維持できる。結果、散気装置のエネルギー消費量を削減でき、コスト面でさらなる利点が提供され得る。
したがって、生物保持体６の平均密度が前記範囲内であれば、生物保持体６が被処理水の通水によって貯留水中で揺動可能となるため、被処理水中の不純物（ｓｓ等）が生物保持体６に付着しにくくなる。結果として、通水時に生物保持体を揺動させやすくするため、被処理水と各生物保持体との接触効率がよくなり、硝化速度がよくなる。また、コスト面でも有利となる。
生物保持体６の平均密度が前記範囲の下限値以上であれば、生物保持体６が硝化槽５内の貯留水に沈降する。そのため、被処理水が複数の生物保持体６全体と均一に接触し、硝化反応が硝化槽５内で均一に起きやすい。
生物保持体６の平均密度が前記範囲の上限値以下であれば、生物保持体６が揺動しやすい。そのため通水時に散気装置によって曝気しなくても、生物保持体６の揺動状態を維持できる。結果、散気装置のエネルギー消費量を削減でき、コスト面でさらなる利点が提供され得る。
したがって、生物保持体６の平均密度が前記範囲内であれば、生物保持体６が被処理水の通水によって貯留水中で揺動可能となるため、被処理水中の不純物（ｓｓ等）が生物保持体６に付着しにくくなる。結果として、通水時に生物保持体を揺動させやすくするため、被処理水と各生物保持体との接触効率がよくなり、硝化速度がよくなる。また、コスト面でも有利となる。
【0031】
生物保持体の平均密度は、以下のようにして算出できる。
まず、複数の生物保持体の質量ｍ［ｇ］を測定する。例えば、図２に示すように、質量計３０の上に容積が既知の容器２０を載置した状態で、かさ体積が一定となるように生物保持体６を硝化槽から取り出して容器２０に装填する。ここで、かさ体積を一定とするには、容積が既知の容器２０の側面に目安線Ｌを引いておき、目安線Ｌと最上段の生物保持体６の上面とが一致するように生物保持体６を容器２０に装填する。
まず、複数の生物保持体の質量ｍ［ｇ］を測定する。例えば、図２に示すように、質量計３０の上に容積が既知の容器２０を載置した状態で、かさ体積が一定となるように生物保持体６を硝化槽から取り出して容器２０に装填する。ここで、かさ体積を一定とするには、容積が既知の容器２０の側面に目安線Ｌを引いておき、目安線Ｌと最上段の生物保持体６の上面とが一致するように生物保持体６を容器２０に装填する。
【0032】
硝化槽から生物保持体を取り出す際には、担体に付着した貯留水が生物保持体から滴り落ちる。この滴り落ちた貯留水の質量は、複数の生物保持体の質量ｍ［ｇ］に含めないものとする。本実施形態においては、硝化槽からかさ体積５００ｃｍ３程度の生物保持体をすくい出して水面上に保持し、水滴が５秒間以上滴り落ちなくなったときを生物保持体の「湿潤状態」として定義する。このような湿潤状態の生物保持体を容器２０に装填する。
その後、生物保持体を硝化槽から取り出して容器２０に装填する操作を繰り返し、複数の生物保持体の全体のかさ体積が所定の値となったときの質量を複数の生物保持体の質量ｍ［ｇ］として記録する。
その後、生物保持体を硝化槽から取り出して容器２０に装填する操作を繰り返し、複数の生物保持体の全体のかさ体積が所定の値となったときの質量を複数の生物保持体の質量ｍ［ｇ］として記録する。
【0033】
続いて、複数の生物保持体の体積Ｖ［ｃｍ３］を測定する。図３に示すように、湿潤状態の生物保持体６が装填された容器２０に、別途用意したビーカー４０から所定のかさ体積となるまで、すなわち、目安線Ｌまで水を注ぎ、生物保持体６同士の間を水で満たす。このとき、ビーカー４０から容器２０に注いだ水の量を測定し、所定のかさ体積とビーカー４０から注いだ水の量との差分を複数の生物保持体の体積Ｖ［ｃｍ３］とする。
最後に、複数の生物保持体の質量ｍ［ｇ］を生物保持体の体積Ｖ［ｃｍ３］で除して生物保持体６の平均密度ｍ／Ｖ［ｇ／ｃｍ３］とする。
最後に、複数の生物保持体の質量ｍ［ｇ］を生物保持体の体積Ｖ［ｃｍ３］で除して生物保持体６の平均密度ｍ／Ｖ［ｇ／ｃｍ３］とする。
【0034】
生物保持体１個分の平均体積は、通水時に揺動させることを考慮すると、０．０３～５.００ｃｍ３が好ましく、０．０６～１．００ｃｍ３がより好ましく、０．１０～０．３０ｃｍ３がさらに好ましいと考えられる。生物保持体１個分の体積が前記範囲の下限値以上であると、生物保持体が硝化槽内で流動しにくく、硝化速度が向上しやすいと考えられる。生物保持体の１個分の体積が前記範囲の上限値以下であると、ＬＶ空気が比較的小さくても生物保持体が揺動しやすいと考えられる。
ここで、生物保持体１個分の平均体積は、硝化槽内の複数の生物保持体の総体積を硝化槽内の生物保持体の個数で除した値である。
また、複数の生物保持体において、各生物保持体の体積は互いにすべて同一である必要はなく、互いに異なっていてもよい。
ここで、生物保持体１個分の平均体積は、硝化槽内の複数の生物保持体の総体積を硝化槽内の生物保持体の個数で除した値である。
また、複数の生物保持体において、各生物保持体の体積は互いにすべて同一である必要はなく、互いに異なっていてもよい。
【0035】
生物保持体は、例えば以下のようにして準備できる。
既存の生物硝化システムの硝化槽を用いて担体を通水培養する。例えば、新品の多孔質の担体の密度は、内部に空気を含むため１ｇ／ｃｍ３未満の値となることが多い。
硝化槽で担体を通水培養していくと担体から空気が徐々に抜け、硝化菌が担体に付着していく。そして、硝化菌と水を含んだ湿潤状態での密度が１．０～１．４ｇ／ｃｍ３の範囲内となるまで通水培養し、生物保持体とする。
既存の生物硝化システムの硝化槽を用いて担体を通水培養する。例えば、新品の多孔質の担体の密度は、内部に空気を含むため１ｇ／ｃｍ３未満の値となることが多い。
硝化槽で担体を通水培養していくと担体から空気が徐々に抜け、硝化菌が担体に付着していく。そして、硝化菌と水を含んだ湿潤状態での密度が１．０～１．４ｇ／ｃｍ３の範囲内となるまで通水培養し、生物保持体とする。
【0036】
図１に示す生物硝化システム１Ａにおいて散気装置は、硝化槽５内の底部付近に位置する散気部７と；散気部７に空気を供給する空気供給管８と；空気供給管８の一端に設けられたブロア９と；散気部７とブロア９との間の空気供給管８の途中に設けられた空気供給量調整手段（図示略）とを備えて構成されている。散気装置は原則として生物保持体６の表面に付着した固形物を曝気して取り除くためのものである。ただし、このとき曝気した空気は、生物保持体６の硝化菌の酸素源にもなり得る。
【0037】
散気部７としては、例えば、散気孔（図示略）が形成された散気管、散気球、ディフューザー等が挙げられる。散気装置は散気部７から硝化槽５内に供給した空気の気泡によって、生物保持体６の表面に付着した固形物を取り除く。硝化槽５内の貯留水に供給された空気の線速度がＬＶ空気［ｍ／ｈ］である。
【0038】
空気供給量調整手段としては、例えば、ゲート弁、バタフライ弁等が挙げられる。
ただし、一実施形態に係る生物硝化システムにおいて被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ以下である場合、散気装置は不要であり、散気部７、空気供給管８およびブロア９等は省略可能である。
ただし、一実施形態に係る生物硝化システムにおいて被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ以下である場合、散気装置は不要であり、散気部７、空気供給管８およびブロア９等は省略可能である。
【0039】
処理水流出管１０Ａは、硝化槽５から処理水を取り出すためのものである。
処理水流出管１０Ａの途中には、硝化槽５から流出する処理水の水量を測定する流出量測定手段（図示略）と；処理水流出管１０Ａを流れる処理水の流量を調整する流出量調整手段（図示略）が設けられている。
流出量測定手段としては、例えば、ローターメータ、電磁流量計等が挙げられる。
流出量調整手段としては、例えば、流量調整弁が挙げられる。
処理水流出管１０Ａの途中には、硝化槽５から流出する処理水の水量を測定する流出量測定手段（図示略）と；処理水流出管１０Ａを流れる処理水の流量を調整する流出量調整手段（図示略）が設けられている。
流出量測定手段としては、例えば、ローターメータ、電磁流量計等が挙げられる。
流出量調整手段としては、例えば、流量調整弁が挙げられる。
【0040】
制御装置は、インターフェイス部（図示略）、記憶部（図示略）、処理部（図示略）、判定部（図示略）、制御部（図示略）等を備える。
インターフェイス部は、通水量測定手段、通水量調整手段、水質計、流出量測定手段、流出量調整手段、散気装置のブロアおよび空気量調整手段と、制御部との間を電気的に接続するものである。
インターフェイス部は、通水量測定手段、通水量調整手段、水質計、流出量測定手段、流出量調整手段、散気装置のブロアおよび空気量調整手段と、制御部との間を電気的に接続するものである。
【0041】
記憶部は、線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）および下式（１）で算出される充填率を算出するための生物硝化システム１Ａの運転条件等を記憶するものである。
充填率（体積％）＝（（複数の生物保持体６の総体積）／（複数の生物保持体６の総体積と硝化槽５内の貯留水の体積との和））×１００ ・・・式（１）
充填率（体積％）＝（（複数の生物保持体６の総体積）／（複数の生物保持体６の総体積と硝化槽５内の貯留水の体積との和））×１００ ・・・式（１）
【0042】
記憶部に記憶される運転条件として、例えば、硝化槽５の投影面積、生物保持体６の平均密度（１．０～１．４ｇ／ｃｍ３の範囲内の値である）、硝化槽５内に装填した生物保持体６の総質量および個数、被処理水の供給量、処理水の流出量、散気装置における空気供給量等が挙げられる。
【0043】
生物硝化システム１Ａにおいて、式（１）中の「複数の生物保持体６の総体積」は、生物保持体領域１１を構成するすべての生物保持体６の体積の総和である。この「生物保持体の総体積」は、例えば、硝化槽５に投入したすべての生物保持体６の総質量を生物保持体の平均密度で除して算出できる。
【0044】
生物硝化システム１Ａにおいて、式（１）中の「硝化槽５内の貯留水の体積」は、硝化槽５内に存在する被処理水および処理水の合計の体積である。この「硝化槽５内の貯留水の体積」は、例えば、通水量測定手段で測定された被処理水の供給量の積算値と、流出量測定手段で測定された処理水の流出量の積算値とから算出できる。
【0045】
処理部は、以下の演算１を行うことができる。
演算１：複数の生物保持体６の総体積、硝化槽５内の貯留水の体積をそれぞれ算出し、次いで、前記式（１）から生物保持体６の充填率を算出する。
演算１：複数の生物保持体６の総体積、硝化槽５内の貯留水の体積をそれぞれ算出し、次いで、前記式（１）から生物保持体６の充填率を算出する。
【0046】
処理部は、以下の演算２を行うこともできる。
演算２：通水量調整手段の流量値および硝化槽５の投影面積からＬＶ通水を算出し、かつ、空気量調整手段の供給値および硝化槽５の投影面積からＬＶ空気を算出し、線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を算出する。
演算２：通水量調整手段の流量値および硝化槽５の投影面積からＬＶ通水を算出し、かつ、空気量調整手段の供給値および硝化槽５の投影面積からＬＶ空気を算出し、線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を算出する。
【0047】
判定部は、処理部で算出された生物保持体６の充填率が２５体積％以上であるか否かを判定したり；線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）が５．０以下であるか否かを判定したり；水質計で測定された被処理水の鉄の含有量が１．０ｍｇ／Ｌ以上であるか否かを判定したりするものである。
【0048】
制御部は、判定部における判定結果、記憶部に記憶された生物硝化システム１Ａの運転条件等に基づいて、生物硝化システム１Ａの制御を行うものである。特に、制御部は生物保持体６の充填率を２５体積％以上とし、かつ、線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を、５．０以下とする制御を行う。
例えば、判定部において生物保持体６の充填率が２５体積％未満であると判定された場合、制御部は被処理水の供給量を減らして硝化槽５内の貯留水の体積を減らすように通水量調整手段を制御したり；処理水の流出量を増やして硝化槽５内の貯留水の体積を減らすように流出量調整手段を制御したりすることができる。
例えば、判定部において生物保持体６の充填率が２５体積％未満であると判定された場合、制御部は被処理水の供給量を減らして硝化槽５内の貯留水の体積を減らすように通水量調整手段を制御したり；処理水の流出量を増やして硝化槽５内の貯留水の体積を減らすように流出量調整手段を制御したりすることができる。
【0049】
一方、判定部において線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）が５．０超であると判定された場合、制御部は散気部７による空気の供給量を減らしてＬＶ空気［ｍ／ｈ］を低くするように空気量調整手段を制御したり；被処理水の供給量を増やしてＬＶ通水［ｍ／ｈ］を高くするように通水量調整手段を制御したり；処理水の流出量を増やしてＬＶ通水［ｍ／ｈ］を高くするように流出量調整手段を制御したりすることができる。
他にも、判定部において被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ超であると判定された場合、ＬＶ空気／ＬＶ通水が０．２０～５．０となるように制御部は散気部７による空気の供給量を調整するように空気量調整手段を制御したり；通水量調整手段、流出量調整手段の各流量を調整してＬＶ通水を調節したりすることができる。
他にも、判定部において被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ超であると判定された場合、ＬＶ空気／ＬＶ通水が０．２０～５．０となるように制御部は散気部７による空気の供給量を調整するように空気量調整手段を制御したり；通水量調整手段、流出量調整手段の各流量を調整してＬＶ通水を調節したりすることができる。
【0050】
処理部、判定部および制御部は、専用のハードウエアによって実現されるものであってもよく、メモリおよび中央演算装置（ＣＰＵ）によって構成され、処理部、判定部および制御部の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによってその機能を実現させるものであってもよい。
制御装置には、周辺機器として、入力装置、表示装置等が接続されていてもよい。入力装置としては、例えば、ディスプレイタッチパネル、スイッチパネル、キーボード等の入力デバイスが挙げられる。表示装置としては、例えば、液晶表示装置、ＣＲＴ等の表示デバイスが挙げられる。
制御装置には、周辺機器として、入力装置、表示装置等が接続されていてもよい。入力装置としては、例えば、ディスプレイタッチパネル、スイッチパネル、キーボード等の入力デバイスが挙げられる。表示装置としては、例えば、液晶表示装置、ＣＲＴ等の表示デバイスが挙げられる。
【0051】
＜生物硝化方法＞
以下、生物硝化システム１Ａを用いた硝化方法の一例について説明する。
まず、既存の生物硝化システムの硝化槽で通水培養した複数の生物保持体６を、生物硝化システム１Ａの硝化槽５内に装填する。このとき、通水時に生物保持体６が揺動可能となるように、生物保持体６同士の間には揺動のための空間を空けておくとよい。
以下、生物硝化システム１Ａを用いた硝化方法の一例について説明する。
まず、既存の生物硝化システムの硝化槽で通水培養した複数の生物保持体６を、生物硝化システム１Ａの硝化槽５内に装填する。このとき、通水時に生物保持体６が揺動可能となるように、生物保持体６同士の間には揺動のための空間を空けておくとよい。
【0052】
次いで、被処理水供給管４Ａの一端に設けられた揚水ポンプ３を駆動させて、アンモニア性窒素を含む被処理水を、井戸２から被処理水供給管４Ａを通って硝化槽５に供給して硝化槽５に貯める。このとき、硝化槽５内に水を貯めていくと、生物保持体領域１１における生物保持体６同士の間の間にも水が満たされる。その後も貯水を続けると、生物保持体領域１１の最上段の生物保持体６が貯留水に浸漬される。
【0053】
（生物硝化反応）
硝化槽５において被処理水が生物保持体領域１１に通水されると、被処理水が生物保持体６と接触する。そして、被処理水のアンモニア性窒素が生物保持体６の硝化菌によって酸化されて硝酸性窒素になる。このようにして、アンモニア性窒素を含む被処理水を硝化槽５で処理して処理水とする。このとき、生物硝化システム１Ａにおいては、被処理水が上向流として生物保持体領域１１の複数の生物保持体６に通水される。
硝化槽５において被処理水が生物保持体領域１１に通水されると、被処理水が生物保持体６と接触する。そして、被処理水のアンモニア性窒素が生物保持体６の硝化菌によって酸化されて硝酸性窒素になる。このようにして、アンモニア性窒素を含む被処理水を硝化槽５で処理して処理水とする。このとき、生物硝化システム１Ａにおいては、被処理水が上向流として生物保持体領域１１の複数の生物保持体６に通水される。
【0054】
硝化槽５内に水を貯める際には、下式（１）で算出される充填率が２５体積％以上となるようにする。
充填率（体積％）＝（（複数の生物保持体６の総体積）／（複数の生物保持体６の総体積と硝化槽５内の貯留水の体積との和））×１００ ・・・式（１）
充填率（体積％）＝（（複数の生物保持体６の総体積）／（複数の生物保持体６の総体積と硝化槽５内の貯留水の体積との和））×１００ ・・・式（１）
【0055】
本実施形態においては、式（１）で算出される充填率を２５体積％以上とするため、硝化速度が充分に高くなる。硝化速度を高める点では、前記式（１）で算出される充填率は３２体積％以上とすることが好ましく、４２体積％以上とすることがより好ましく、４５体積％以上とすることがさらに好ましい。
前記式（１）で算出される充填率の計算上の上限は１００体積％であるが、通水時に生物保持体６を揺動させる点では、６５体積％以下とすることが好ましく、６０体積％以下とすることがより好ましく、５５体積％以下とすることがさらに好ましい。
前記式（１）で算出される充填率の計算上の上限は１００体積％であるが、通水時に生物保持体６を揺動させる点では、６５体積％以下とすることが好ましく、６０体積％以下とすることがより好ましく、５５体積％以下とすることがさらに好ましい。
【0056】
（充填率の制御）
制御装置の判定部にて生物保持体６の充填率が２５体積％未満であると判定された場合には、制御部によって被処理水の供給量を減らして硝化槽５内の貯留水の体積を減らすように通水量調整手段を制御したり；処理水の流出量を増やして硝化槽５内の貯留水の体積を減らすように流出量調整手段を制御したりすることができる。貯留水の体積を減らす他にも、作業者が手動にて、または制御装置によって自動にて、生物保持体６を硝化槽５に補充してもよい。
制御装置の判定部にて生物保持体６の充填率が２５体積％未満であると判定された場合には、制御部によって被処理水の供給量を減らして硝化槽５内の貯留水の体積を減らすように通水量調整手段を制御したり；処理水の流出量を増やして硝化槽５内の貯留水の体積を減らすように流出量調整手段を制御したりすることができる。貯留水の体積を減らす他にも、作業者が手動にて、または制御装置によって自動にて、生物保持体６を硝化槽５に補充してもよい。
【0057】
（線速度比の制御）
本実施形態においては、線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を、５．０以下とする。かかる構成によれば、通水時に生物保持体が揺動した状態を長く維持でき、硝化反応を均一に行うことができ、高濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水を高い硝化速度で処理できるようになる。また、必要以上に空気を供給しなくてすむため、コスト面で有利であり安全性が高くなる。そのため、線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）は、０．１～４．０とすることが好ましく、０．５～１．０とすることがより好ましい。
本実施形態においては、線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を、５．０以下とする。かかる構成によれば、通水時に生物保持体が揺動した状態を長く維持でき、硝化反応を均一に行うことができ、高濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水を高い硝化速度で処理できるようになる。また、必要以上に空気を供給しなくてすむため、コスト面で有利であり安全性が高くなる。そのため、線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）は、０．１～４．０とすることが好ましく、０．５～１．０とすることがより好ましい。
【0058】
制御装置の判定部にて、線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）が５．０超であると判定された場合、制御部は散気部７による空気の供給量を減らしてＬＶ空気［ｍ／ｈ］を低くするように空気量調整手段を制御したり；被処理水の供給量を増やしてＬＶ通水［ｍ／ｈ］を高くするように通水量調整手段を制御したり；処理水の流出量を増やしてＬＶ通水［ｍ／ｈ］を高くするように流出量調整手段を制御したりすることができる。
【0059】
ＬＶ通水は特に限定されないが、５～４０ｍ／ｈの範囲内が好ましく、８～３０ｍ／ｈがより好ましく、１０～１５ｍ／ｈがさらに好ましい。ＬＶ通水が前記範囲の下限値以上であると、生物保持体６が揺動しやすい。ＬＶ通水が前記範囲の上限値以下であると、硝化反応効率を維持しやすく、硝化速度がさらに向上しやすい。
【0060】
（ＬＶ空気の制御）
散気装置の散気部７から散気される空気量は、空気量調整手段（図示略）によって任意の空気量に調整できる。例えば、生物保持体６を揺動させる点で、ＬＶ空気は５０ｍ／ｈ以下とすることが好ましく、３０ｍ／ｈ以下とすることがより好ましい。被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ以下である場合においては、消費エネルギーの削減の点で、ＬＶ空気は０ｍ／ｈとすること、すなわち、空気を供給しないことが好ましい。
散気装置の散気部７から散気される空気量は、空気量調整手段（図示略）によって任意の空気量に調整できる。例えば、生物保持体６を揺動させる点で、ＬＶ空気は５０ｍ／ｈ以下とすることが好ましく、３０ｍ／ｈ以下とすることがより好ましい。被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ以下である場合においては、消費エネルギーの削減の点で、ＬＶ空気は０ｍ／ｈとすること、すなわち、空気を供給しないことが好ましい。
【0061】
一実施形態に係る生物硝化システムにおいて、例えば、被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ以下であるときのように生物保持体６の表面に付着し得る成分量が少ない場合、散気装置による曝気は不要である。通水時に生物保持体６が揺動するため、生物保持体６の表面に固形物が付着しにくいからである。曝気を省略することにより、コスト面でさらなる利点が提供される。
一方、例えば、被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ超である場合、特に１．０ｍｇ／Ｌ以上であるとき、硝化反応中に生成した水酸化鉄等の固形物が生物保持体の表面に大量に付着する可能性がある。そのため、ＬＶ空気／ＬＶ通水が０．２０～５．０となるように、散気装置を駆動させて散気部７から硝化槽５内に供給される空気量を調整することが好ましい。生物保持体６の表面に付着した固形物を曝気して取り除くことができ、硝化速度を高めることができるからである。
他にも、ＬＶ空気／ＬＶ通水が０．２０～５．０となるように通水量調整手段、流出量調整手段の各流量からＬＶ通水を調節してもよい。
一方、例えば、被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ超である場合、特に１．０ｍｇ／Ｌ以上であるとき、硝化反応中に生成した水酸化鉄等の固形物が生物保持体の表面に大量に付着する可能性がある。そのため、ＬＶ空気／ＬＶ通水が０．２０～５．０となるように、散気装置を駆動させて散気部７から硝化槽５内に供給される空気量を調整することが好ましい。生物保持体６の表面に付着した固形物を曝気して取り除くことができ、硝化速度を高めることができるからである。
他にも、ＬＶ空気／ＬＶ通水が０．２０～５．０となるように通水量調整手段、流出量調整手段の各流量からＬＶ通水を調節してもよい。
【0062】
＜作用機序＞
以上一例を用いて説明した一実施形態に係る生物硝化方法においては、（ｉ）生物保持体の平均密度、（ｉｉ）生物保持体の特定の充填率および（ｉｉｉ）線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）の少なくとも３つが所定の条件を満たす。そのため、通水時に生物保持体が硝化槽内で揺動可能となり、固形物が生物保持体の表面に付着しにくくなる。加えて、硝化反応を均一に行うことができる。結果として、生物保持体による硝化反応の反応効率がよくなる。
加えて、生物保持体が揺動可能であるため、通水時に被処理水が生物保持体の全体と効率的に接触する。その結果、生物保持体の充填率を２５体積％以上としながらも、短絡流の発生や生物保持体６と接触しないデッドスペースの発生を防ぐことができ、硝化速度も向上し、優れた硝化速度を実現できる。
以上一例を用いて説明した一実施形態に係る生物硝化方法においては、（ｉ）生物保持体の平均密度、（ｉｉ）生物保持体の特定の充填率および（ｉｉｉ）線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）の少なくとも３つが所定の条件を満たす。そのため、通水時に生物保持体が硝化槽内で揺動可能となり、固形物が生物保持体の表面に付着しにくくなる。加えて、硝化反応を均一に行うことができる。結果として、生物保持体による硝化反応の反応効率がよくなる。
加えて、生物保持体が揺動可能であるため、通水時に被処理水が生物保持体の全体と効率的に接触する。その結果、生物保持体の充填率を２５体積％以上としながらも、短絡流の発生や生物保持体６と接触しないデッドスペースの発生を防ぐことができ、硝化速度も向上し、優れた硝化速度を実現できる。
【0063】
本実施形態によれば優れた硝化速度を実現できるため、硝化槽の数を増やす必要性も少なくなり、硝化槽自体も小型化が可能である。そして、高濃度酸素ガスの代わりに空気を硝化槽内に供給するため、安全性が高い。また、線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）が所定の範囲内であるように、空気供給量が抑制されているため、散気装置の消費エネルギーも少なくなり、コスト面でも有利である。
したがって、一実施形態に係る生物硝化方法によれば、高濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水を高い硝化速度で処理でき、処理システムの小型化が可能であり、安全性が高く、コスト面でも有利である。
したがって、一実施形態に係る生物硝化方法によれば、高濃度のアンモニア性窒素を含む被処理水を高い硝化速度で処理でき、処理システムの小型化が可能であり、安全性が高く、コスト面でも有利である。
【0064】
例えば特許文献２のような流動床混合流れ方式の硝化方法においては、充填率が２５体積％以上になると、担体の流動性不良によるデッドスペースや短絡流が発生するため、硝化速度を高めることに限界がある。
対して、本実施形態においては通水時に生物保持体が揺動し、被処理水が複数の生物保持体と全体的に効率よく接触する。そのため、所定の充填率を２５体積％以上としながらも、短絡流の発生や生物保持体と接触しないデッドスペースの発生を防ぐことができ、結果として硝化速度を高めることができる。
対して、本実施形態においては通水時に生物保持体が揺動し、被処理水が複数の生物保持体と全体的に効率よく接触する。そのため、所定の充填率を２５体積％以上としながらも、短絡流の発生や生物保持体と接触しないデッドスペースの発生を防ぐことができ、結果として硝化速度を高めることができる。
【0065】
本実施形態においては、生物保持体が硝化槽内の貯留水中で揺動可能である。そのため、被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ以下である場合、散気装置によって曝気しなくても生物保持体の表面に付着した固形物を充分に除去でき、硝化反応の効率を高く維持して高い硝化速度を実現できる。この場合、散気装置のエネルギー消費量をさらに削減できるため、コスト面の効果が顕著となる。
一方、後述の実施例に示すように、被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ超である場合であっても、アンモニア性窒素を高い硝化速度で処理できる。
一方、後述の実施例に示すように、被処理水の鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ超である場合であっても、アンモニア性窒素を高い硝化速度で処理できる。
【0066】
また、以上説明した生物硝化システム１Ａは上述した構成を備えるため、生物硝化システム１Ａを用いることによって上述の一実施形態に係る生物硝化方法を実施でき、上述の作用機序を発揮できる。
【0067】
＜他の実施形態例＞
以上一実施形態例を示して一実施形態について説明したが、本発明は本明細書に開示の実施形態例に限定されず、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施できる。本明細書に開示の実施形態は、その他の様々な形態で実施可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換、変更が可能である。
以上一実施形態例を示して一実施形態について説明したが、本発明は本明細書に開示の実施形態例に限定されず、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施できる。本明細書に開示の実施形態は、その他の様々な形態で実施可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換、変更が可能である。
【0068】
例えば、図４に示す生物硝化システム１Ｂは、被処理水供給管４Ｂが硝化槽５の頂部付近の壁面と接続され、処理水流出管１０Ｂが硝化槽５の底面と接続されている点で生物硝化システム１Ａと相違する。この生物硝化システム１Ｂにおいては、被処理水を通水すると、生物保持体領域１１の上側から下側に向かって下向流として被処理水が生物保持体６に通水される。
生物硝化システム１Ｂのように下向流として被処理水を通水する場合でも、生物硝化システム１Ａと同様の効果が得られ、高い硝化速度を実現できる。
生物硝化システム１Ｂのように下向流として被処理水を通水する場合でも、生物硝化システム１Ａと同様の効果が得られ、高い硝化速度を実現できる。
【0069】
他にも、硝化槽の数は１つに限定されず、複数でもよい。例えば、被処理水のアンモニア性窒素の含有量が２ｍｇ／Ｌ以下の場合、硝化槽の数は１つでもよいが、被処理水のアンモニア性窒素の含有量が２～６ｍｇ／Ｌの場合、硝化槽の数を増やして複数としてもよいし、硝化反応を促進するために散気装置を設ける硝化槽の数は１つでもよい。例えば、アンモニア性窒素の含有量が６ｍｇ／Ｌ程度増える毎に、散気装置を設ける硝化槽を１つずつ増やしてもよい。
散気装置も図示した形態のものに限定されず、種々の形態の散気装置を採用できる。他にも、硝化槽５内の貯留水の溶存酸素濃度（ＤＯ）を測定するＤＯメータを用いてもよい。
散気装置も図示した形態のものに限定されず、種々の形態の散気装置を採用できる。他にも、硝化槽５内の貯留水の溶存酸素濃度（ＤＯ）を測定するＤＯメータを用いてもよい。
【0070】
以下、図示を省略するが、硝化槽５に供給される被処理水に前段処理を施す前段処理装置や硝化槽５から流出する処理水に後段処理を施す後段処理装置を用いてもよい。前段処理装置、後段処理装置は、被処理水の水質、処理水の水質等に応じて適宜設置され得る。
前段処理装置としては、例えば、原水貯槽、溶存酸素供給装置、砂ろ過塔等が挙げられる。生物硝化反応の効率を上げるため、別途溶存酸素供給装置を設置することも好ましい。溶存酸素供給装置は、溶存酸素を供給するための曝気装置であり、上述の実施形態における散気装置とは異なる。この曝気装置は、生物硝化槽内の生物保持体の揺動状態に直接影響しないよう、原水貯槽内や原水貯槽と生物硝化槽の間に、複数の生物硝化槽がある場合は、各生物硝化槽の間に設けられたほうがよい。
後段処理装置としては、例えば、イオン交換処理槽、凝集剤添加装置、酸化剤添加装置、砂ろ過塔、膜ろ過装置、殺菌剤添加装置等が挙げられる。
後段処理が施された後の最終処理水の用途は特に限定されない。例えば、生活用水、飲料水等としての用途が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
前段処理装置としては、例えば、原水貯槽、溶存酸素供給装置、砂ろ過塔等が挙げられる。生物硝化反応の効率を上げるため、別途溶存酸素供給装置を設置することも好ましい。溶存酸素供給装置は、溶存酸素を供給するための曝気装置であり、上述の実施形態における散気装置とは異なる。この曝気装置は、生物硝化槽内の生物保持体の揺動状態に直接影響しないよう、原水貯槽内や原水貯槽と生物硝化槽の間に、複数の生物硝化槽がある場合は、各生物硝化槽の間に設けられたほうがよい。
後段処理装置としては、例えば、イオン交換処理槽、凝集剤添加装置、酸化剤添加装置、砂ろ過塔、膜ろ過装置、殺菌剤添加装置等が挙げられる。
後段処理が施された後の最終処理水の用途は特に限定されない。例えば、生活用水、飲料水等としての用途が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【実施例0071】
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の記載に限定されない。
【0072】
＜被処理水の調製＞
採取した地下水に塩化アンモニウムおよび硫酸鉄七水和物を加えて、以下の被処理水（１）～（４）を調製した。採取したときの地下水の水温は１７±１℃であり、アルカリ度は８５ｍｇ／Ｌであり、ｐＨは７．６±０．２であった。
被処理水（１）：アンモニア性窒素の濃度が２．５ｍｇ／Ｌであり、鉄イオンの濃度が０．０ｍｇ／Ｌである模擬地下水。
被処理水（２）：アンモニア性窒素の濃度が２．５ｍｇ／Ｌであり、鉄イオンの濃度が０．５ｍｇ／Ｌである模擬地下水。
被処理水（３）：アンモニア性窒素の濃度が２．５ｍｇ／Ｌであり、鉄イオンの濃度が１．０ｍｇ／Ｌである模擬地下水。
被処理水（４）：アンモニア性窒素の濃度が２．５ｍｇ／Ｌであり、鉄イオンの濃度が３．０ｍｇ／Ｌである模擬地下水。
採取した地下水に塩化アンモニウムおよび硫酸鉄七水和物を加えて、以下の被処理水（１）～（４）を調製した。採取したときの地下水の水温は１７±１℃であり、アルカリ度は８５ｍｇ／Ｌであり、ｐＨは７．６±０．２であった。
被処理水（１）：アンモニア性窒素の濃度が２．５ｍｇ／Ｌであり、鉄イオンの濃度が０．０ｍｇ／Ｌである模擬地下水。
被処理水（２）：アンモニア性窒素の濃度が２．５ｍｇ／Ｌであり、鉄イオンの濃度が０．５ｍｇ／Ｌである模擬地下水。
被処理水（３）：アンモニア性窒素の濃度が２．５ｍｇ／Ｌであり、鉄イオンの濃度が１．０ｍｇ／Ｌである模擬地下水。
被処理水（４）：アンモニア性窒素の濃度が２．５ｍｇ／Ｌであり、鉄イオンの濃度が３．０ｍｇ／Ｌである模擬地下水。
【0073】
＜試験システムの構築＞
（生物保持体）
スポンジ担体として、５ｍｍ角の立方体状のポリウレタン製スポンジ担体（株式会社テクノフォームジャパン製「ウォーターフレックスＡＱ－１５」）を用意した。通水培養する前のスポンジ担体の密度は０．０４４ｇ／ｃｍ３であった。これらのスポンジ担体を既存の生物硝化システムの硝化槽で通水培養し、約１１ｋｇ（約１３０００個）の生物保持体を調製した。通水培養後、硝化槽から生物保持体をすくい出して水面上に保持し、水滴が５秒間以上滴り落ちなくなったとき、生物保持体が湿潤状態にあると判断し、１０Ｌの目盛り付き容器に装填した。
生物保持体を１０Ｌの目盛り付き容器に装填し終えたとき、生物保持体の質量ｍは、５７７６ｇであった。
その後、生物保持体が装填された目盛り付き容器内に、別途用意したビーカーから水を注いで生物保持体同士の間を水で満たし、水面が１０Ｌの目盛りに到達したとき注水を止めた。このとき別途用意したビーカーから注いだ水量は、４７６７ｃｍ３であったため、生物保持体の体積Ｖを１００００ｃｍ３（１０Ｌ）－４７６７ｃｍ３＝５２３３ｃｍ３とした。
したがって、生物保持体の平均密度は５７７６ｇ／５２３３ｃｍ３≒１．１ｇ／ｃｍ３と算出した。
（生物保持体）
スポンジ担体として、５ｍｍ角の立方体状のポリウレタン製スポンジ担体（株式会社テクノフォームジャパン製「ウォーターフレックスＡＱ－１５」）を用意した。通水培養する前のスポンジ担体の密度は０．０４４ｇ／ｃｍ３であった。これらのスポンジ担体を既存の生物硝化システムの硝化槽で通水培養し、約１１ｋｇ（約１３０００個）の生物保持体を調製した。通水培養後、硝化槽から生物保持体をすくい出して水面上に保持し、水滴が５秒間以上滴り落ちなくなったとき、生物保持体が湿潤状態にあると判断し、１０Ｌの目盛り付き容器に装填した。
生物保持体を１０Ｌの目盛り付き容器に装填し終えたとき、生物保持体の質量ｍは、５７７６ｇであった。
その後、生物保持体が装填された目盛り付き容器内に、別途用意したビーカーから水を注いで生物保持体同士の間を水で満たし、水面が１０Ｌの目盛りに到達したとき注水を止めた。このとき別途用意したビーカーから注いだ水量は、４７６７ｃｍ３であったため、生物保持体の体積Ｖを１００００ｃｍ３（１０Ｌ）－４７６７ｃｍ３＝５２３３ｃｍ３とした。
したがって、生物保持体の平均密度は５７７６ｇ／５２３３ｃｍ３≒１．１ｇ／ｃｍ３と算出した。
【0074】
（硝化槽）
円筒形の透明アクリル製の水槽を２つ直列に接続した。各水槽の直径φは１５０ｃｍ、高さは７５０ｃｍであり、有効水量は１３．５Ｌである。各水槽の底部には散気球を設けた。１槽目、２槽目の水槽にはそれぞれ約６ｋｇの生物保持体を装填し、硝化反応用の水槽とした。また、原水貯槽および１槽目出口の処理水は溶存酸素濃度が十分に飽和するまで溶存酸素供給装置により曝気処理を行ったのちに通水した。
円筒形の透明アクリル製の水槽を２つ直列に接続した。各水槽の直径φは１５０ｃｍ、高さは７５０ｃｍであり、有効水量は１３．５Ｌである。各水槽の底部には散気球を設けた。１槽目、２槽目の水槽にはそれぞれ約６ｋｇの生物保持体を装填し、硝化反応用の水槽とした。また、原水貯槽および１槽目出口の処理水は溶存酸素濃度が十分に飽和するまで溶存酸素供給装置により曝気処理を行ったのちに通水した。
【0075】
（生物硝化システム）
生物硝化システムとして、硝化槽の個数が異なる以外は図１に示す生物硝化システム１Ａと同様のものを用意した。前述の通り、原水貯槽および１槽目出口の処理水は溶存酸素濃度が十分に飽和するまで溶存酸素供給装置により曝気処理を行ったのちに通水した。
硝化槽の生物保持体のすべてが貯留水に浸漬された状態で、水槽の底部の散気球から空気を連続的に供給し、ＬＶ空気を０ｍ／ｈ、１０ｍ／ｈ、３０ｍ／ｈ、６０ｍ／ｈと段階的に上げ、装填された約１１ｋｇの生物保持体の揺動状態を目視で確認した。結果、ＬＶ空気が３０ｍ／ｈのとき、生物保持体のおよそ半分が流動し始めたが、残りの生物保持体は揺動状態を維持できていた。ＬＶ空気が６０ｍ／ｈのとき、ほぼすべての生物保持体が流動した。
一方、硝化反応後の処理水のアンモニア性窒素濃度を測定しながら、通水量を徐々に増やし、２槽目の処理水のアンモニア濃度値が０．１ｍｇ／Ｌ以下を維持できるようなＬＶ通水［ｍ／ｈ］の最大値を求めた。結果、本実施例の生物硝化システムの場合、当該最大値は、１７．８ｍ／ｈであった。
生物硝化システムとして、硝化槽の個数が異なる以外は図１に示す生物硝化システム１Ａと同様のものを用意した。前述の通り、原水貯槽および１槽目出口の処理水は溶存酸素濃度が十分に飽和するまで溶存酸素供給装置により曝気処理を行ったのちに通水した。
硝化槽の生物保持体のすべてが貯留水に浸漬された状態で、水槽の底部の散気球から空気を連続的に供給し、ＬＶ空気を０ｍ／ｈ、１０ｍ／ｈ、３０ｍ／ｈ、６０ｍ／ｈと段階的に上げ、装填された約１１ｋｇの生物保持体の揺動状態を目視で確認した。結果、ＬＶ空気が３０ｍ／ｈのとき、生物保持体のおよそ半分が流動し始めたが、残りの生物保持体は揺動状態を維持できていた。ＬＶ空気が６０ｍ／ｈのとき、ほぼすべての生物保持体が流動した。
一方、硝化反応後の処理水のアンモニア性窒素濃度を測定しながら、通水量を徐々に増やし、２槽目の処理水のアンモニア濃度値が０．１ｍｇ／Ｌ以下を維持できるようなＬＶ通水［ｍ／ｈ］の最大値を求めた。結果、本実施例の生物硝化システムの場合、当該最大値は、１７．８ｍ／ｈであった。
【0076】
＜測定方法＞
（ＬＶ空気）
空気の供給量［ｍ３／ｈ］を水槽の投影面積［ｍ２］で除してＬＶ空気［ｍ／ｈ］を算出した。
（ＬＶ空気）
空気の供給量［ｍ３／ｈ］を水槽の投影面積［ｍ２］で除してＬＶ空気［ｍ／ｈ］を算出した。
【0077】
（ＬＶ被処理水）
被処理水の供給量［ｍ３／ｈ］を水槽の投影面積［ｍ２］で除してＬＶ被処理水［ｍ／ｈ］を算出した。
被処理水の供給量［ｍ３／ｈ］を水槽の投影面積［ｍ２］で除してＬＶ被処理水［ｍ／ｈ］を算出した。
【0078】
＜実施例１～６、比較例１～７＞
表１に示す条件で被処理水（１）を硝化槽内の生物保持体に通水した。ＬＶ空気を０ｍ／ｈとした各例では空気を供給せず、これら以外の例では散気球から空気を連続的に供給した。
通水開始後ＬＶ通水を徐々に上げていくと、生物硝化反応が追い付かず、処理水中に０．１ｍｇ／Ｌ以上のアンモニア性窒素濃度が検出されるようになった。その時の被処理水および処理水中の各アンモニア性窒素濃度［ｋｇ／ｍ３］を測定した。一方、処理水中のアンモニア性窒素濃度が０．１ｍｇ／Ｌ以下を維持できるＬＶ通水の最大値における通水量Ｍ[ｍ３／ｄ]を取得し、硝化槽当たりの硝化速度ｖ［ｋｇＮ／ｍ３／ｄ］を算出した。結果を表１に示す。
表１に示す条件で被処理水（１）を硝化槽内の生物保持体に通水した。ＬＶ空気を０ｍ／ｈとした各例では空気を供給せず、これら以外の例では散気球から空気を連続的に供給した。
通水開始後ＬＶ通水を徐々に上げていくと、生物硝化反応が追い付かず、処理水中に０．１ｍｇ／Ｌ以上のアンモニア性窒素濃度が検出されるようになった。その時の被処理水および処理水中の各アンモニア性窒素濃度［ｋｇ／ｍ３］を測定した。一方、処理水中のアンモニア性窒素濃度が０．１ｍｇ／Ｌ以下を維持できるＬＶ通水の最大値における通水量Ｍ[ｍ３／ｄ]を取得し、硝化槽当たりの硝化速度ｖ［ｋｇＮ／ｍ３／ｄ］を算出した。結果を表１に示す。
【0079】
硝化速度ｖ［ｋｇＮ／ｍ３／ｄ］は、以下のようにして算出した。
硝化速度ｖ［ｋｇＮ／ｍ３／ｄ］＝（被処理水のアンモニア性窒素濃度[ｋｇ／ｍ３]－処理水のアンモニア性窒素濃度[ｋｇ／ｍ３］）×ＬＶ通水の最大値における通水量Ｍ[ｍ３／ｄ]÷水槽体積[ｍ３]
硝化速度ｖ［ｋｇＮ／ｍ３／ｄ］＝（被処理水のアンモニア性窒素濃度[ｋｇ／ｍ３]－処理水のアンモニア性窒素濃度[ｋｇ／ｍ３］）×ＬＶ通水の最大値における通水量Ｍ[ｍ３／ｄ]÷水槽体積[ｍ３]
【0080】
次いで、以下の基準にしたがって、硝化速度を評価した。結果を表１に示す。
◎：硝化速度が０．４４ｋｇＮ／ｍ３／ｄ超である。
〇：硝化速度が０．２５ｋｇＮ／ｍ３／ｄ超０．４４ｋｇＮ／ｍ３／ｄ以下である。
△：硝化速度が０．２２ｋｇＮ／ｍ３／ｄ超０．２５ｋｇＮ／ｍ３／ｄ以下である。
×：硝化速度が０．２２ｋｇＮ／ｍ３／ｄ以下である。
◎：硝化速度が０．４４ｋｇＮ／ｍ３／ｄ超である。
〇：硝化速度が０．２５ｋｇＮ／ｍ３／ｄ超０．４４ｋｇＮ／ｍ３／ｄ以下である。
△：硝化速度が０．２２ｋｇＮ／ｍ３／ｄ超０．２５ｋｇＮ／ｍ３／ｄ以下である。
×：硝化速度が０．２２ｋｇＮ／ｍ３／ｄ以下である。
【0081】
＜実施例７＞
生物硝化システムとして、図４に示す生物硝化システム１Ｂと同様のものを用意した以外は、すなわち、被処理水が下向流として生物保持体領域１１の複数の生物保持体６に通水されること以外は、実施例６と同様にして生物硝化反応を行った。実施例１と同様に硝化速度ｖ［ｋｇＮ／ｍ３／ｄ］を算出および評価した。結果を表１に示す。
生物硝化システムとして、図４に示す生物硝化システム１Ｂと同様のものを用意した以外は、すなわち、被処理水が下向流として生物保持体領域１１の複数の生物保持体６に通水されること以外は、実施例６と同様にして生物硝化反応を行った。実施例１と同様に硝化速度ｖ［ｋｇＮ／ｍ３／ｄ］を算出および評価した。結果を表１に示す。
【0082】
【表1】
【0083】
表１に示すように、生物保持体の平均密度、生物保持体の充填率および線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）の３つが所定の反応条件を満たすとき、優れた硝化速度を実現できた。
また、表１の実施例６、７の結果に示すように、上向流および下向流のいずれの通水方向でも優れた硝化速度を実現できた。
また、表１の実施例６、７の結果に示すように、上向流および下向流のいずれの通水方向でも優れた硝化速度を実現できた。
【0084】
各例の揺動状態について言及すると、比較例１～５ではすべての生物保持体が流動し、揺動状態を維持できなかった。対して、実施例１～７ではいずれも生物保持体の揺動状態を維持できた。比較例６では、生物保持体の揺動状態が維持されたものの、充填率が低いため、硝化速度が低下したと考えられる。比較例７では生物硝化槽内に、ろ材としてマンガン砂（平均密度２．０ｇ/ｃｍ３）を５０体積％充填して通水した。その結果、生物保持体の平均密度が高いため、揺動させにくかった。また、デッドスペースや短絡流が発生しやすく、固形物が生物保持体の表面に付着することで閉塞が起こりやすいため、被処理水と各生物保持体との接触効率が悪くなった。また、マンガン砂の生物保持能力が実施例の生物保持体より低いことも、硝化速度が他の実施例よりも低下した原因の１つと考えられる。
【0085】
＜実施例８～１３＞
実施例８～１３では、被処理水が鉄を含む場合の反応条件を検討した。具体的には、下記の表２に示すように処理条件を変更した以外は前記の＜実施例１～６、比較例１～７＞と同様にして硝化速度ｖ［ｋｇＮ／ｍ３／ｄ］を算出し、評価した。
実施例８～１３では、被処理水が鉄を含む場合の反応条件を検討した。具体的には、下記の表２に示すように処理条件を変更した以外は前記の＜実施例１～６、比較例１～７＞と同様にして硝化速度ｖ［ｋｇＮ／ｍ３／ｄ］を算出し、評価した。
【0086】
【表2】
【0087】
表１、２に示すように、散気球から空気を供給せず、ＬＶ通水を１２．５ｍ／ｈとした実施例８では、ＬＶ通水を１２．５ｍ／ｈとした実施例３と同程度の優れた硝化速度を実現できた。この結果から、鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌの場合であっても、散気装置による曝気は必要ではなく、散気装置の消費エネルギーを削減できると考えられた。
一方、鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ超である（例えば、１．０ｍｇ／Ｌ）、曝気をしなかった実施例９の結果に示すように硝化速度が５０％程度低下した。
一方、鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ超である（例えば、１．０ｍｇ／Ｌ）、曝気をしなかった実施例９の結果に示すように硝化速度が５０％程度低下した。
【0088】
実施例１０～１３の結果に示すように、鉄の含有量が０．５ｍｇ／Ｌ超である場合には、散気装置で空気を供給し、線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を５．０以下に維持することで、良好な硝化速度を実現できた。このように、線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を０．２０～５．０とすることで、鉄の含有量が増えても優れた硝化速度を実現できると考えられた。
【0089】
実施例１１、１３の結果に示すように、線速度比（ＬＶ空気／ＬＶ通水）を０．７としたときには、鉄の含有量が１．０ｍｇ／Ｌであろうと、３．０ｍｇ／Ｌであろうと、きわめて良好な硝化速度を実現できた。
【符号の説明】
【0090】
１ 生物硝化システム
２ 井戸
３ 揚水ポンプ
４ 被処理水供給管
５ 硝化槽
６ 生物保持体
７ 散気部（散気装置）
８ 空気供給管（散気装置）
９ ブロア（散気装置）
１０ 処理水流出管
２ 井戸
３ 揚水ポンプ
４ 被処理水供給管
５ 硝化槽
６ 生物保持体
７ 散気部（散気装置）
８ 空気供給管（散気装置）
９ ブロア（散気装置）
１０ 処理水流出管
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】