特開 2023-139591 生物ろ過装置及びその洗浄方法

(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】P2023139591

(43)【公開日】2023-10-04

(54)【発明の名称】生物ろ過装置及びその洗浄方法

(51)【国際特許分類】

   C02F 3/06 20230101AFI20230927BHJP

【ＦＩ】

C02F3/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022045188

(22)【出願日】2022-03-22

(71)【出願人】

【識別番号】302060926

【氏名又は名称】株式会社フジタ

(74)【代理人】

【識別番号】110000408

【氏名又は名称】弁理士法人高橋・林アンドパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】角吉 弘憲

(72)【発明者】

【氏名】飯野 浩成

【テーマコード（参考）】

4D003

【Ｆターム（参考）】

4D003AA01

4D003BA02

4D003CA02

4D003CA08

4D003DA01

4D003DA07

4D003DA22

4D003DA29

4D003EA22

4D003EA23

4D003EA24

4D003EA25

4D003EA30

4D003FA05

(57)【要約】

【課題】洗浄過多及び洗浄不足を低減する機構を備えた生物ろ過装置及びその洗浄方法を提供すること。
【解決手段】生物ろ過装置は、処理槽と、前記処理槽の内部に配置された生物ろ過層と、前記処理槽の内部における被処理水の水位を取得する水位センサと、前記水位センサの出力を取得する制御部と、を備え、前記水位センサは、予め設定された基準水位から所定距離だけ高い第１水位、及び、前記第１水位から前記所定距離だけ高い第２水位を取得し、前記制御部は、前記水位センサの出力に基づいて、前記被処理水が前記基準水位から前記第１水位に到達するまでの第１時間、及び、前記第１水位から前記第２水位に到達するまでの第２時間を計測すると共に、前記第１時間と前記第２時間とを比較した結果に応じて、前記生物ろ過層の洗浄パターンを変更する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

処理槽と、
前記処理槽の内部に配置された生物ろ過層と、
前記処理槽の内部における被処理水の水位を取得する水位センサと、
前記水位センサの出力を取得する制御部と、
を備え、
前記水位センサは、予め設定された基準水位から所定距離だけ高い第１水位、及び、前記第１水位から前記所定距離だけ高い第２水位を取得し、
前記制御部は、前記水位センサの出力に基づいて、前記被処理水が前記基準水位から前記第１水位に到達するまでの第１時間、及び、前記第１水位から前記第２水位に到達するまでの第２時間を計測すると共に、前記第１時間と前記第２時間とを比較した結果に応じて、前記生物ろ過層の洗浄パターンを変更する、生物ろ過装置。

【請求項2】

前記水位センサは、前記第２水位よりも高い第３水位をさらに取得し、
前記制御部は、前記被処理水の前記第３水位への到達を検出すると、前記生物ろ過層を強制的に洗浄する制御を実行する、請求項１に記載の生物ろ過装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記第１時間が前記第２時間よりも長い場合、前記被処理水の前記第３水位への到達を条件として前記生物ろ過層の洗浄を実行する第１洗浄パターンを選択し、前記第１時間と前記第２時間とが等しい場合、予め設定された洗浄間隔で前記生物ろ過層の洗浄を実行する第２洗浄パターンを選択する、請求項２に記載の生物ろ過装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記第２洗浄パターンを選択している間に、前記被処理水の前記第３水位への到達が連続して所定回数カウントされた場合、前記洗浄間隔を短くする、請求項３に記載の生物ろ過装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記第２洗浄パターンを選択している間に、前記被処理水の前記第１水位への到達が検出されなかった場合、前記洗浄間隔を長くする、請求項３又は４に記載の生物ろ過装置。

【請求項6】

前記生物ろ過層の洗浄は、ろ過処理中における前記被処理水の進行方向とは逆向きに、前記生物ろ過層の内部に空気、水、又は、空気及び水を供給することにより実行される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の生物ろ過装置。

【請求項7】

過去複数回の計測により取得した前記第１時間の平均値と、前記第１時間とを比較した結果、前記第１時間が前記平均値以上である場合、前記生物ろ過層の洗浄期間を所定期間短くする、請求項６に記載の生物ろ過装置。

【請求項8】

前記平均値と前記第１時間とを比較した結果、前記第１時間が前記平均値よりも短い場合、前記生物ろ過層の洗浄期間を所定期間長くする、請求項７に記載の生物ろ過装置。

【請求項9】

処理槽の内部に配置された生物ろ過層を含む生物ろ過装置の洗浄方法であって、
被処理水が予め設定された基準水位から所定距離だけ高い第１水位に到達するまでの第１時間を計測し、
前記被処理水が前記第１水位から前記所定距離だけ高い第２水位に到達するまでの第２時間を計測し、
前記第１時間と前記第２時間とを比較した結果に応じて、前記生物ろ過層の洗浄パターンを変更する、生物ろ過装置の洗浄方法。

【請求項10】

前記第１時間と前記第２時間とを比較した結果、前記第１時間が前記第２時間よりも長い場合、前記被処理水が前記第２水位よりも高い第３水位に到達したことを条件として前記生物ろ過層の洗浄を実行する第１洗浄パターンを選択し、前記第１時間と前記第２時間とが等しい場合、予め設定された洗浄間隔で前記生物ろ過層の洗浄を実行する第２洗浄パターンを選択する、請求項９に記載の生物ろ過装置の洗浄方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一実施形態は、生物ろ過装置及びその洗浄方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、屎尿、家庭用排水等の浄化処理に使用するろ過装置として、有機物の分解に微生物を利用した生物ろ過装置が知られている。通常、このような生物ろ過装置は、ろ材を処理槽内に充填して形成されたろ過層を有し、このろ過層を汚水が通過することにより汚水の浄化処理が行われる。例えば、特許文献１に記載された生物ろ過装置では、ろ過層に対し、好気性又は嫌気性の微生物を含む汚泥を付着させてある。したがって、上記生物ろ過装置は、汚水をろ過層内に供給することにより、有機性汚濁物質の分解処理と浮遊物質（ＳＳと呼ばれる）の分離処理とを同時に行うことができる。

【0003】

上述の構成のろ過装置は、浄化処理が続くと徐々にろ過層内に汚濁物質の一部及び浮遊物質が付着してろ過層としての処理能力が低下する。したがって、ろ過層の処理能力を維持するためには、ろ材の定期的な洗浄が必要である。そのため、特許文献１に記載された生物ろ過装置では、ろ過層に対して逆洗と呼ばれる洗浄処理が行われ、定期的にろ過層の処理能力を改善する処理が行われている。ここで、逆洗とは、被処理水の流れる方向とは逆の方向に、空気（エア）、水、又は、空気及び水を供給し、ろ材同士を空気や水と混ざり合わせることにより、ろ材に付着した汚濁物質の一部や浮遊物質を除去する洗浄方法である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００２－１４３８８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述の生物ろ過装置は、ろ過層のサイズがあまり大きくないため、通常は、毎日洗浄を行っている。例えば、タイマーを用いて洗浄間隔を管理し、定期的に所定の洗浄時間で洗浄処理を行うようにしている。このように、従来は、ろ過層の状態を把握することなく、時間管理により定期的に洗浄処理を行うため、洗浄過多や洗浄不足になっても認識できないという問題があった。

【0006】

そこで、通常は、洗浄不足とならないように、洗浄処理の間隔を短めに設定したり、洗浄時間を多めに設定したりして対応していた。しかしながら、洗浄過多に設定してしまうと、ろ材に付着した微生物まで洗い流してしまう虞があり、かえって処理能力を低下させてしまうという問題があった。

【0007】

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、洗浄過多及び洗浄不足を低減する機構を備えた生物ろ過装置及びその洗浄方法を提供することを課題の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一実施形態における生物ろ過装置は、処理槽と、前記処理槽の内部に配置された生物ろ過層と、前記処理槽の内部における被処理水の水位を取得する水位センサと、前記水位センサの出力を取得する制御部と、を備え、前記水位センサは、予め設定された基準水位から所定距離だけ高い第１水位、及び、前記第１水位から前記所定距離だけ高い第２水位を取得し、前記制御部は、前記水位センサの出力に基づいて、前記被処理水が前記基準水位から前記第１水位に到達するまでの第１時間、及び、前記第１水位から前記第２水位に到達するまでの第２時間を計測すると共に、前記第１時間と前記第２時間とを比較した結果に応じて、前記生物ろ過層の洗浄パターンを変更する。

【0009】

前記水位センサは、前記第２水位よりも高い第３水位をさらに取得してもよい。前記制御部は、前記被処理水の前記第３水位への到達を検出すると、前記生物ろ過層を強制的に洗浄する制御を実行してもよい。

【0010】

前記制御部は、前記第１時間が前記第２時間よりも長い場合、前記被処理水の前記第３水位への到達を条件として前記生物ろ過層の洗浄を実行する第１洗浄パターンを選択してもよく、前記第１時間と前記第２時間とが等しい場合、予め設定された洗浄間隔で前記生物ろ過層の洗浄を実行する第２洗浄パターンを選択してもよい。

【0011】

前記制御部は、前記第２洗浄パターンを選択している間に、前記被処理水の前記第３水位への到達が連続して所定回数カウントされた場合、前記洗浄間隔を短くしてもよい。

【0012】

前記制御部は、前記第２洗浄パターンを選択している間に、前記被処理水の前記第１水位への到達が検出されなかった場合、前記洗浄間隔を長くしてもよい。

【0013】

前記生物ろ過層の洗浄は、ろ過処理中における前記被処理水の進行方向とは逆向きに、前記生物ろ過層の内部に空気、水、又は、空気及び水を供給することにより実行されてもよい。

【0014】

過去複数回の計測により取得した前記第１時間の平均値と、前記第１時間とを比較した結果、前記第１時間が前記平均値以上である場合、前記生物ろ過層の洗浄期間を所定期間短くしてもよい。また、前記平均値と前記第１時間とを比較した結果、前記第１時間が前記平均値よりも短い場合、前記生物ろ過層の洗浄期間を所定期間長くしてもよい。

【0015】

本発明の一実施形態における生物ろ過装置の洗浄方法は、処理槽の内部に配置された生物ろ過層を含む生物ろ過装置の洗浄方法であって、被処理水が予め設定された基準水位から所定距離だけ高い第１水位に到達するまでの第１時間を計測し、前記被処理水が前記第１水位から前記所定距離だけ高い第２水位に到達するまでの第２時間を計測し、前記第１時間と前記第２時間とを比較した結果に応じて、前記生物ろ過層の洗浄パターンを変更する。

【0016】

前記第１時間と前記第２時間とを比較した結果、前記第１時間が前記第２時間よりも長い場合、前記被処理水が前記第２水位よりも高い第３水位に到達したことを条件として前記生物ろ過層の洗浄を実行する第１洗浄パターンを選択してもよく、前記第１時間と前記第２時間とが等しい場合、予め設定された洗浄間隔で前記生物ろ過層の洗浄を実行する第２洗浄パターンを選択してもよい。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施形態における生物ろ過装置の構成を示す模式図である。

【図2】本発明の一実施形態における洗浄プロセスの一例を示すフローチャート図である。

【図3】本発明の一実施形態における処理サイクルを説明するための図である。

【図4】本発明の一実施形態における第１洗浄パターンを説明するための図である。

【図5】本発明の一実施形態における第２洗浄パターンを説明するための図である。

【図6】本発明の一実施形態における生物ろ過装置の構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態について、図面等を参照しつつ説明する。但し、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の大きさ、幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図面において、既出の図面に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。

【0019】

（第１実施形態）
［生物ろ過装置の構成］
図１は、本発明の一実施形態における生物ろ過装置１００の構成を示す模式図である。本実施形態の生物ろ過装置１００は、好気性微生物を付着させたろ材を用いて被処理水（原水）からＳＳ（浮遊物質）や有機性汚濁物質を除去する浄化装置である。本実施形態では、生物ろ過層１２０の上方から被処理水が供給され、下向流により被処理水の浄化が行われる。

【0020】

生物ろ過装置１００は、処理槽１１０、生物ろ過層１２０、水位センサ１３０、及び制御部１４０を含む。ただし、図１に示した生物ろ過装置１００の構成は一例であり、他の要素が追加されていてもよい。なお、本実施形態では、生物ろ過装置１００に着目して説明するが、浄化システムとしては、生物ろ過装置１００以外に様々な浄化装置が設けられていてもよい。例えば、生物ろ過装置１００の前段には、一又は複数の嫌気性ろ床装置が設けられていてもよい。

【0021】

処理槽１１０は、鋼板または合成樹脂により形成された円筒状の筐体である。処理槽１１０は、本実施形態の生物ろ過装置１００の外枠に相当する。処理槽１１０の内部には、生物ろ過層１２０が配置される。

【0022】

生物ろ過層１２０は、ろ材によるＳＳの除去と好気性微生物による有機性汚濁物質の分解及び除去とを担う。ろ材は、微生物が多く生息できるように、表面積の大きい部材（担体）を用いることが好ましい。ろ材としては、例えば、岩石、溶融スラグ、セラミックス、プラスチック等を用いることができる。本実施形態では、ろ過砂と粉砕した無煙炭（アンスラサイト）を組み合わせたろ材を用いるが、この例に限られるものではない。ろ材に付着させる微生物としては、好気性微生物を用いる。好気性微生物は、有機物を分解したり、アンモニアを硝酸塩まで分解したりする性質がある。どのような微生物を用いるかは、生物ろ過装置１００の用途や被処理水の含有物等によって決定すればよい。

【0023】

本実施形態では、生物ろ過層１２０として、上部ろ過層１２１及び下部ろ過層１２２を含む。上部ろ過層１２１では、主に溶解性有機物やＳＳ等が分解、除去される。下部ろ過層１２２では、主にアンモニア性窒素等が分解、除去される。上述のとおり、本実施形態では、下向流で浄化処理が行われるため、前段の上部ろ過層１２１と後段の下部ろ過層１２２とで浄化処理の役割を分担することにより、効率よく被処理水の浄化処理を行うことができる。ただし、生物ろ過層１２０の構成は、この例に限られるものではなく、単層構成であってもよいし、３層以上の複層構成であってもよい。

【0024】

処理槽１１０の内部において、生物ろ過層１２０の下方には、空気や洗浄水を送り込むための洗浄補助領域１２５が設けられている。洗浄補助領域１２５は、後述する生物ろ過層１２０の洗浄処理を行う際に、処理槽１１０の外部から空気及び／水を供給するために使用する。なお、本実施形態の生物ろ過装置１００は、水よりも比重の大きいろ材を用いているため、ろ材全体が沈殿する。そのため、図示は省略するが、本実施形態では、網状の仕切り部材を処理槽１１０の内部に設置して処理槽１１０の内部を区画化することにより洗浄補助領域１２５を形成している。

【0025】

水位センサ１３０は、処理槽１１０の内部における被処理水の水位を取得する機能を有する。本実施形態では、複数の端子を用いた接触型水位センサを用いた例を示している。複数の端子は、処理槽１１０の内部における水位が上昇すると、被処理水が各端子に接触する。そのため、各端子の先端の位置を把握することにより、被処理水が到達した水位を取得することができる。

【0026】

ただし、水位センサ１３０は、接触型水位センサに限られるものではなく、超音波センサ（距離センサ）等を用いた非接触型水位センサを用いることも可能である。この場合、被処理水の水面に向かって定期的に超音波を発することにより、水位の変化をほぼリアルタイムには取得することができる。

【0027】

本実施形態において、水位センサ１３０は、図１に示す第１水位（水位Ａ）、第２水位（水位Ｂ）及び第３水位（水位Ｃ）を取得する。第１水位は、基準水位から所定距離Ｈだけ高い水位を示している。ここで、基準水位とは、予め設定された水位であり、図１では、水位Ｒと示されている。基準水位は、生物ろ過装置１００の運転開始時における初期水位を示しており、後述する処理水管１２のうち、最も高い位置にある部分の管底と同じ高さになる。

【0028】

第２水位は、第１水位から所定距離Ｈだけ高い水位を示している。つまり、本実施形態において、基準水位から第１水位までの高さと、第１水位から第２水位までの高さとは等しくなるように設定されている。ただし、所定距離Ｈは、完全に等しい場合に限定されるものではなく、実質的に等しいとみなせる範囲の誤差を含んでもよい。例えば、所定距離Ｈは、±５％の誤差を許容するものとしてよい。

【0029】

第３水位は、第２水位よりも高い水位であり、被処理水の上限を決める水位である。具体的には、後述する原水供給管１１の管底よりも低い位置に設定される。本実施形態では、被処理水の水位が上昇して第３水位に達したとき、被処理水のオーバーフローを避けるため、強制的に洗浄プロセスに移行する。

【0030】

本実施形態では、所定距離Ｈを３００ｍｍとし、第２水位と第３水位との間の距離を１００ｍｍに設定するが、この例に限られるものではない。すなわち、第１水位、第２水位及び第３水位の位置は、処理槽１１０の高さ、原水供給管１１の管底の位置、処理水管１２の管底の位置等に応じて、適宜決定すればよい。

【0031】

制御部１４０は、生物ろ過装置１００の各種制御を行う機能を有する。図示は省略するが、制御部１４０は、演算処理部及び記憶部を有し、生物ろ過装置１００の制御に要する各種プログラム及びパラメータを記憶部に記憶する。例えば、制御部１４０の記憶部には、後述する生物ろ過層１２０の洗浄パターンを決定するためのプログラムが記憶されている。制御部１４０の演算処理部は、このプログラムを実行することにより、生物ろ過装置１００の洗浄パターンを決定する。なお、本実施形態では、制御部１４０と他の要素との通信に無線通信を用いる例を示しているが、この例に限られるものではなく、有線通信を用いてもよい。

【0032】

処理槽１１０の内部で浄化処理が行われた処理水は、処理水槽１５０に貯留される。処理水槽１５０は、一時的に処理水を貯留する貯留槽である。処理水槽１５０に所定量以上の処理水が溜まったら外部施設に搬送する。

【0033】

次に、上述した生物ろ過装置１００の周辺要素について説明する。処理槽１１０の上部には、原水供給管１１が連結されている。原水供給管１１の途中には自動弁２１が配置されている。自動弁２１は、制御部１４０によって制御され、アクチュエータにより作動するコントロールバルブである。例えば、自動弁２１は、電磁バルブであってもよい。原水供給管１１から処理槽１１０の内部に供給される被処理水は、自動弁２１によって流量調整や供給制限が行われる。

【0034】

処理槽１１０の下部（具体的には、洗浄補助領域１２５）には、処理水管１２が連結される。処理水管１２の途中には自動弁２２が配置されている。自動弁２２は、自動弁２１と同様に、制御部１４０によって制御されるコントロールバルブである。処理水管１２によって処理槽１１０から移送される被処理水は、自動弁２２によって流量調整や供給制限が行われる。

【0035】

水洗浄管１３は、一端が処理水槽１５０の下部に連結され、他端がポンプ３１及び逆止弁２３を介して処理水管１２に連結される。ポンプ３１は、処理水槽１５０から処理水を吸い出し、逆止弁２３を介して処理槽１１０の洗浄補助領域１２５に洗浄用の水として処理水を送り込む役割を担う。逆止弁２３は、処理槽１１０から処理水槽１５０への逆流を防ぐために設けられている。

【0036】

空気洗浄管１４は、一端が空中に開放され、他端がポンプ３２及び逆止弁２４を介して処理水管１２に連結される。ポンプ３２は、逆止弁２４を介して処理槽１１０の洗浄補助領域１２５に洗浄用の空気を送り込む役割を担う。逆止弁２４は、処理槽１１０からの処理水の逆流を防ぐために設けられている。

【0037】

排水管１５は、処理槽１１０の内部から水を抜くための排水用の配管である。排水管１５の上流には自動弁２５が配置される。また、処理水管１２、水洗浄管１３及び空気洗浄管１４と排水管１５との間にも自動弁２６が配置される。自動弁２５及び２６は、いずれも自動弁２１と同様にコントロールバルブであり、制御部１４０によって制御される。

【0038】

［生物ろ過層の洗浄プロセス］
次に、本実施形態の生物ろ過装置１００における生物ろ過層１２０の洗浄プロセスについて図１及び図２を用いて説明する。

【0039】

図２は、本発明の一実施形態における洗浄プロセスの一例を示すフローチャート図である。図２に示す洗浄プロセスは、例えば、生物ろ過装置１００の運転中、生物ろ過層１２０に目詰まりが生じ、徐々に処理槽１１０の内部の水位が上昇し、被処理水の水位が第３水位（水位Ｃ）に到達したとき、制御部１４０の制御によって実行される。

【0040】

まず、処理槽１１０から水を抜く水抜き処理が実行される（Ｓ２０１）。具体的には、自動弁２１及び２２が閉じられると共に自動弁２５及び２６が開けられ、排水管１５を介して処理槽１１０の内部の水が排出される。水抜き処理は、被処理水の水位が第１水位（水位Ａ）に到達するまで継続される。

【0041】

被処理水の水位が第１水位に到達したことが検出されると、次に、空気による一次洗浄処理が実行される（Ｓ２０２）。一次洗浄処理に先立って、自動弁２５は開けたままにして自動弁２６が閉じられる。その後、ポンプ３２を作動させて処理槽１１０の洗浄補助領域１２５に空気が供給される。処理槽１１０の内部に供給された空気は、ろ材をかき混ぜながら生物ろ過層１２０を通過し、排水管１５を介して排出される。本実施形態では、処理槽１１０が密閉型であるため、排水管１５を介して空気を排出するが、処理槽１１０が開放型（例えば、上方が開放されているタイプ）である場合には、自動弁２５を閉じていてもよい。

【0042】

一次洗浄処理によってろ材が攪拌され、ろ材同士が擦れることによってろ材表面に付着したＳＳ等の汚泥を剥離させることができる。また、固化した汚泥を細かく崩すことができ、後のプロセスで外部に汚泥を排出しやすい状態とすることができる。この一次洗浄処理は、予め設定された時間継続される。

【0043】

一次洗浄処理が終了したら、次に、空気及び水による二次洗浄処理が実行される（Ｓ２０３）。二次洗浄処理は、ポンプ３２に加えて、さらにポンプ３１を作動させることにより実行される。すなわち、ポンプ３１によって処理水槽１５０に貯留された処理水の一部が水洗浄管１３を介して処理槽１１０の洗浄補助領域１２５に供給される。これにより、洗浄補助領域１２５には、空気及び処理水の両方が供給され、空気と水とが生物ろ過層１２０を通過する。

【0044】

生物ろ過層１２０を通過する際、空気及び水は、ろ材を攪拌させながら剥離した汚泥を水流によって上方に運ぶ。二次洗浄処理は、洗浄水が第３水位を超えるまで継続される。

【0045】

洗浄水の水位が第３水位に到達したことが検出されると、次に、水による三次洗浄処理が実行される（Ｓ２０４）。三次洗浄処理は、ポンプ３２を停止させることにより実行される。すなわち、ポンプ３２が停止して空気の供給が止まることによって洗浄補助領域１２５には、処理水のみが供給される。三次洗浄処理は、予め設定された時間継続され、その間、一次洗浄処理及び二次洗浄処理によって生物ろ過層１２０から剥離した汚泥等が排水管１５を介して外部に排出される。

【0046】

三次洗浄処理が終了したら、次に、リンス処理（すすぎ処理）が実行される（Ｓ２０５）。リンス処理に先立って、自動弁２５が閉じられると共に自動弁２６が開けられ、ポンプ３１が停止される。つまり、リンス処理では、処理槽１１０の内部に残存した洗浄水が、生物ろ過層１２０をすすぎながら排出される。リンス処理は、洗浄水の水位が第１水位（水位Ａ）に到達するまで継続される。

【0047】

洗浄水の水位が第１水位に到達したことが検出されると、最後に、ろ過準備処理が実行される（Ｓ２０６）。ろ過準備処理では、自動弁２１及び２２が開けられた状態で、予め設定された時間だけ被処理水を生物ろ過層１２０に供給し、次の浄化処理（ろ過処理）の準備を行う。

【0048】

以上の各ステップを経て、生物ろ過装置１００（具体的には、生物ろ過層１２０）の洗浄プロセスが実行される。ただし、図２に示した洗浄プロセスは一例に過ぎず、この例に限られるものではない。

【0049】

本実施形態の生物ろ過装置１００は、水位センサ１３０の出力に基づいて、洗浄プロセスを実行するタイミングや各ステップの設定時間等を異ならせ、洗浄処理を最適化する機能を有する。洗浄処理の最適化について、以下に説明する。

【0050】

図３は、本発明の一実施形態における処理サイクルを説明するための図である。具体的には、図３は、生物ろ過装置１００の運転開始から２回目までの処理サイクルを示した図である。図３に示すように、１回の処理サイクルは、ろ過工程と洗浄工程とを含む。洗浄工程における具体的な洗浄プロセスについては、図１及び図２を用いて説明したとおりである。

【0051】

処理サイクルの開始時、すなわち、ろ過処理の開始時は、処理槽１１０の内部における水位は、基準水位（水位Ｒ）である。ろ過処理が進行すると、被処理水の水位が徐々に上昇する。具体的には、被処理水の水位は、おおむね第１水位（水位Ａ）まで指数関数的に（曲線状に）上昇する。このとき、被処理水が基準水位から第１水位に到達するまでの時間を第１時間Ｔ１とする。

【0052】

その後、さらにろ過処理が進行すると、被処理水の水位は、第２水位（水位Ｂ）まで線形関数的に（直線状に）上昇する。このとき、被処理水が第１水位から第２水位に到達するまでの時間を第２時間Ｔ２とする。

【0053】

さらにろ過処理が進行すると、被処理水の水位は、そのまま線形関数的に上昇して、第３水位（水位Ｃ）に到達する。図３に示す例では、被処理水の水位（水面）が第３水位に到達した時点で、強制的にろ過工程から洗浄工程に移行する。このとき、被処理水が基準水位から第３水位に到達するまでの時間を第３時間Ｔ３とする。洗浄工程に移行すると、図２に示したプロセスフローに従って生物ろ過装置１００の洗浄処理が実行される。

【0054】

以上の処理サイクルを繰り返すことによって、継続的に生物ろ過処理による原水の浄化処理が行われる。しかしながら、処理サイクルは、生物ろ過処理が進行すると、徐々に生物ろ過層１２０の劣化（例えば、目詰まり）によって水位上昇に要する時間が変化する。ここで、図４及び図５を用いて、水位上昇に要する時間の変化について説明する。

【0055】

図４は、本発明の一実施形態における第１洗浄パターンを説明するための図である。図５は、本発明の一実施形態における第２洗浄パターンを説明するための図である。図４及び図５に示すグラフは、図３に示した１つの処理サイクルに対応する。例えば、図４は、１回目の処理サイクルに対応し、図５は、１０回目の処理サイクルに対応する。

【0056】

図４に示すように、初期の処理サイクルでは、基準水位から第１水位までは被処理水の水位が指数関数的に変化する。初期の処理サイクルでは、生物ろ過層１２０に十分な量と質の微生物が存在しないため、表層部におけるＳＳの補足が目詰まりの支配的要因となる。このとき、生物ろ過層１２０の内層部では、細かいＳＳの補足が生じており、これが内層部の目詰まりの要因となる。その後、生物ろ過層１２０における微生物の増殖が進行すると、微生物によって表層部のＳＳの同化や可溶化が進み、生物ろ過層１２０の内層部におけるＳＳの補足も増加する。その結果、時間経過と共に内層部における目詰まりも徐々に増加するため、それが指数関数的な水位上昇として現れている。

【0057】

その後、被処理水の水位は、第１水位を超えると線形関数的に変化する。ここで、上述のとおり、第１水位と第２水位との間の距離（図１の距離Ｈ）は、基準水位と第１水位との間の距離に等しい。したがって、図４に示すように、被処理水が基準水位から第１水位に到達するまでの第１時間Ｔ１は、被処理水が第１水位から第２水位に到達するまでの第２時間Ｔ２よりも長くなる。

【0058】

本実施形態において、生物ろ過装置１００の制御部１４０は、水位センサ１３０の出力に基づいて、第１時間Ｔ１及び第２時間Ｔ２を計測し、両者を比較することにより、第１時間Ｔ１及び第２時間Ｔ２の大小関係を判定する。その結果、図４に示すように、第２時間が第１時間よりも短い場合、制御部１４０は、被処理水が第３水位（水位Ｃ）へ到達したことをトリガとして、生物ろ過層１２０の洗浄工程に移行する。このように、被処理水の第３水位への到達を条件として生物ろ過層１２０の洗浄を実行する洗浄パターンを「第１洗浄パターン」とよぶ。

【0059】

図４に示した初期の処理サイクルは、生物ろ過層１２０において微生物が盛んに増殖している期間にあるため、生物の繁殖を優先して極力洗浄工程を実行しないことが望ましい。そのため、本実施形態では、第１時間が第２時間よりも長いと判定された場合、制御部１４０は、第３水位まで被処理水の水位が上昇するのを待って洗浄工程に移行する第１洗浄パターンを選択する制御を実行する。

【0060】

他方、処理サイクルが繰り返されて生物ろ過層１２０における微生物の繁殖が進み、量と質とが安定してくると、生物ろ過層１２０の内層部においてろ過処理が平衡状態となる。つまり、微生物による内層部の閉塞、微生物によるＳＳの同化や可溶化、及び、微生物の増殖を繰り返す一連のサイクルが形成され、基準水位から第１水位までの被処理水の水位変化が線形になる。その結果、図５に示すように、基準水位から第２水位に至るまで被処理水の水位が線形関数的に変化するため、第１時間Ｔ１と第２時間Ｔ２とが等しくなる。つまり、第１時間Ｔ１と第２時間Ｔ２とが等しくなったことは、微生物の繁殖が安定したことを意味する。

【0061】

そこで、制御部１４０は、図５に示すように、第１時間と第２時間とが等しい場合、被処理水が第３水位へ到達することを待たずに、予め設定された洗浄間隔で生物ろ過層１２０の洗浄工程に移行する。すなわち、運転開始から予め設定された時間（例えば、２４時間）に到達したことを条件として生物ろ過層１２０の洗浄工程を実行する。このように、予め設定された洗浄間隔で生物ろ過層１２０の洗浄を実行する洗浄パターンを「第２洗浄パターン」とよぶ。なお、「第１時間と第２時間とが等しい」とは、完全に等しい場合に限定されるものではなく、実質的に等しいとみなせる範囲の誤差を含んでもよい。例えば、第１時間と第２時間との差分が、±５％の範囲に収まる場合を許容するものとしてよい。

【0062】

以上のように、本実施形態の生物ろ過装置１００は、被処理水が基準水位から第１水位に到達するまでの第１時間と、第１水位から第２水位に到達するまでの第２時間をと計測し、両者の比較結果に応じて、生物ろ過層１２０の洗浄パターンを変更する制御を実行する。これにより、生物ろ過層１２０の洗浄パターンを最適化し、洗浄過多や洗浄不足を低減して効率のよい浄化処理を実現することができる。このように、本実施形態によれば、洗浄過多及び洗浄不足を低減する機構を備えた生物ろ過装置１００及びその洗浄方法を提供することができる。

【0063】

（第２実施形態）
第１実施形態では、被処理水が基準水位から第１水位に到達するまでの第１時間と、第１水位から第２水位に到達するまでの第２時間をと計測し、第１時間と第２時間とが等しい場合、予め設定された洗浄間隔で生物ろ過層１２０の洗浄工程に移行する（すなわち、第２洗浄パターンを選択する）ことを説明した。このとき、予め設定された洗浄間隔は、所定の条件が成立したときに調整することが可能である。

【0064】

例えば、制御部１４０が、第２洗浄パターンを選択しているとき（すなわち、第２洗浄パターンで処理サイクルを実行しているとき）、洗浄工程に移行する前に、被処理水の第３水位への到達が連続して３回カウントされた場合、予め設定された洗浄間隔（例えば、２４時間）を１時間短くするよう変更してもよい。洗浄工程への移行前に被処理水の水位が第３水位に到達するということは、洗浄間隔が長すぎる蓋然性が高い。そのため、上述のように、被処理水の第３水位への到達が連続して発生したとき、洗浄間隔を短くするようパラメータ変更を行うことが有効となる。

【0065】

上述の制御を行う際、被処理水の第３水位への到達が何回連続したときにパラメータ変更を行うかは、３回に限らず、適宜決定すればよい。また、上記の例では、予め設定された洗浄間隔を１時間短くする例を示したが、この例に限らず、どの程度短くするかは生物ろ過装置１００の運転状況等を踏まえて適宜決定すればよい。

【0066】

また、制御部１４０が、第２洗浄パターンを選択しているとき、洗浄工程に移行するまでに、被処理水の第１水位への到達が検出されなかった場合、予め設定された洗浄間隔（例えば、２４時間）を１時間長くするよう変更してもよい。洗浄工程への移行までに被処理水の水位が第１水位に到達しないということは、洗浄間隔が短すぎる蓋然性が高い。そのため、上述のように、被処理水の第１水位への到達が検出されなかったとき、洗浄間隔を長くするようパラメータ変更を行うことが有効となる。この場合も、予め設定された洗浄間隔をどの程度長くするかは生物ろ過装置１００の運転状況等を踏まえて適宜決定すればよい。

【0067】

（第３実施形態）
本実施形態では、被処理水の水位が、基準水位から第１水位に変化するのに要する時間（第１時間Ｔ１）に基づいて、洗浄プロセスの各パラメータを変更する例について説明する。

【0068】

本実施形態では、まず、上述した第１時間Ｔ１について、過去複数回の計測により取得した平均値Ｄ１を求める。例えば、制御部１４０は、過去７回分の第１時間Ｔ１について平均値を演算により求めておく。その後、制御部１４０は、第１時間Ｔ１と平均値Ｄ１とを比較して、第１時間Ｔ１と平均値Ｄ１との間の大小関係を判定する。

【0069】

判定の結果、第１時間Ｔ１が平均値Ｄ１以上である場合（Ｄ１≦Ｔ１）、過去の平均値よりも第１水位への水位上昇速度が遅いため、洗浄過多になっていると判断することができる。そのため、図２を用いて説明した「一次処理」及び「三次処理」の処理期間を所定期間短くする。例えば、「一次処理」及び「三次処理」の処理期間を１分間短くするようにパラメータ変更を行うことができる。

【0070】

また、判定の結果、第１時間Ｔ１が平均値Ｄ１より短い場合（Ｄ１＞Ｔ１）、過去の平均値よりも第１水位への水位上昇速度が速いため、洗浄不足になっていると判断することができる。そのため、図２を用いて説明した「一次処理」及び「三次処理」の処理期間を所定期間長くする。例えば、「一次処理」及び「三次処理」の処理期間を１分間長くするようにパラメータ変更を行うことができる。

【0071】

以上のように、基準水位から第１水位に至るまでの水位変化の挙動を監視することにより、洗浄プロセスの各パラメータを最適化し、効率よく洗浄工程を実行することが可能となる。

【0072】

（第４実施形態）
本実施形態では、上向流で浄化処理を行うタイプの生物ろ過装置に適用した例について説明する。

【0073】

図６は、本発明の一実施形態における生物ろ過装置１００ａの構成を示す模式図である。本実施形態では、生物ろ過層１２０ａの下方から被処理水が供給され、上向流により被処理水の浄化が行われる。

【0074】

生物ろ過装置１００ａは、処理槽１１０ａ、生物ろ過層１２０ａ、水位センサ１３０ａ、及び制御部（図示せず）を含む。説明の便宜上、生物ろ過装置１００ａに連結された配管等については図示を省略するが、洗浄プロセスにおいて処理水を利用することや、空気、水、又は、空気及び水を生物ろ過層１２０ａの下方から供給して洗浄する点は、第１実施形態と同様である。また、図示は省略するが、第１実施形態と同様に、生物ろ過装置１００ａに連結された各配管にはポンプや自動弁が配置されており、それぞれ生物ろ過装置１００ａの制御部によって制御される。

【0075】

本実施形態の生物ろ過装置１００ａでは、処理槽１１０ａが、仕切り部材１１１ａによって２つの空間に区分されている。具体的には、処理槽１１０ａは、反応槽１１１ｂと原水供給層１１１ｃとを含む。反応槽１１１ｂには、生物ろ過層１２０ａが配置され、被処理水の浄化処理が行われる。原水供給層１１１ｃには、上方から原水（被処理水）が供給される。供給された原水は、原水供給層１１１ｃを経由して反応槽１１１ｂに供給され、上向流にて生物ろ過層１２０ａを通過する。生物ろ過層１２０ａを通過して浄化処理が行われた処理水は、処理水槽１５０ａに貯留される。

【0076】

本実施形態のように、上向流にて浄化処理を行うタイプの生物ろ過装置１００ａでは、原水供給層１１１ｃにおいて、被処理水の水位の監視を行う。本実施形態では、原水供給層１１１ｃの上方に水位センサ１３０ａを配置し、被処理水の水位を取得する構造となっている。本実施形態の水位センサ１３０ａは、超音波センサを用いて被処理水の水面の位置を計測することにより、被処理水の水位を取得することができる。

【0077】

以上のように、上向流にて浄化処理を行うタイプの生物ろ過装置１００ａでは、生物ろ過層１２０ａよりも上流側に位置する被処理水の水面の位置を計測することにより、被処理水の水位を取得する。これにより、本実施形態の生物ろ過装置１００ａにおいても、第１実施形態と同様に、水位センサ１３０ａの出力に基づいて、生物ろ過層１２０ａの洗浄パターンを変更する制御を実行する。

【0078】

本発明の実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。上述した各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

【0079】

また、上述した実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。

【符号の説明】

【0080】

１１…原水供給管、１２…処理水管、１３…水洗浄管、１４…空気洗浄管、１５…排水管、２１、２２…自動弁、２３、２４…逆止弁、２５、２６…自動弁、３１、３２…ポンプ、１００、１００ａ…ろ過装置、１１０、１１０ａ…処理槽、１１１ａ…仕切り部材、１１１ｂ…反応槽、１１１ｃ…原水供給層、１２０、１２０ａ、１２１、１２２…ろ過層、１２５…洗浄補助領域、１３０、１３０ａ…水位センサ、１４０…制御部、１５０、１５０ａ…処理水槽

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】