JP2022191066A - 水処理方法および水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水処理時におけるＳＳの目詰まりを簡易に抑制することができ、かつ、被処理水中のＮＨ４‐Ｎを良好に除去することができる水処理方法および水処理装置を提供すること。【解決手段】水処理方法は、被処理水中の有機物およびアンモニア態窒素のうちの１つ以上を好気条件下で除去する水処理方法であって、微細孔を有する担体を充填した１つ以上の反応槽内に、被処理水を各々下向流および上向流から選択される方向で通水させることを含み、通水時において、前記反応槽が前記担体の分布における高密度領域および低密度領域を有しており、かつ、前記高密度領域は前記反応槽下部に位置している。【選択図】図１

Description

本発明は、被処理水中の有機物やアンモニア態窒素（以下、「ＮＨ_４‐Ｎ」とも言う）を生物処理する水処理方法および水処理装置に関する。

河川水、湖水、地下水等を取水源とした上水処理の方法としては、生物処理、ＲＯ膜、活性炭、砂濾過、凝集沈殿等を組み合わせて被処理水中の濁度や有機物、ＮＨ_４‐Ｎを処理し、最終的に次亜塩素酸の添加によって被処理水中の残存ＮＨ_４‐Ｎを除去する方法が一般的である。

最終段階においてＮＨ_４‐Ｎの残存量が多い場合、次亜塩素酸の使用量が増え、ランニングコストが掛かるとともに処理水に塩素由来の臭いが残ってしまう。そのため、前段処理で可能な限りＮＨ_４‐Ｎを除去することがランニングコストの低減と処理水質の向上につながる。

前段処理に使用される生物処理の手法の中に、生物ろ過がある。生物ろ過で使用される担体としては、活性炭、アンスラサイト、スポンジ、ゲル、プラスチック等が挙げられる。担体による水処理方法は、処理性が安定しており、かつ、運転も容易である。

しかしながら、生物ろ過において、被処理水を下向流または上向流で通水させ続ける場合、被処理水中に含有される懸濁物質（以下、「ＳＳ」（ＳＳ：Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｏｌｉｄｓ）とも言う）によって目詰まりが生じる。このようなＳＳの目詰まりを解消させるためには、一般的に、定期的に水処理を中断して、反応槽を逆洗することが必要とされる。

ＳＳの目詰まりを解消することができる水処理方法として、例えば、特許文献１には、水と近似した比重を持ち、上向水流および／または気泡の付着によって浮上する性質を持つ素材からなる立体網目状粒状物を担体として用いる上向流式生物ろ過装置による生物ろ過方法について記載されている。具体的には、特許文献１に記載の生物ろ過方法では、生物ろ過装置上部には担体の固定床を、その下部には担体の流動床を形成させるように、流動床の下部から原水と酸素含有気体を上向流で通過させて原水を生物学的に処理する。

また、生物ろ過の手法として、他にも様々な方法が知られている。

例えば、特許文献２には、成形後のろ過材構造の空隙率を大きくでき、かつ、ろ過速度を上げることができる、化学繊維を原料とした生物接触ろ過材について記載されている。具体的には、特許文献２に記載の生物接触ろ過材は、熱処理を施すことにより捲縮を発現する化学繊維と、熱融着性の化学繊維とを含有した原料化学繊維が融着した不織布を備え、該不織布が複数回重なるように撚って巻かれた状態で、この重なった不織布同士が融着した略円柱状となっている。

さらに、例えば、特許文献３には、安定した処理性と優れた処理水を得ることができる担体を使用する水処理方法が記載されている。具体的には、特許文献３には、担体の含水率、担体の連通孔の孔径、被処理水中の有機物濃度およびアンモニア態窒素濃度、ならびに、反応槽における被処理水の滞留時間を特定の数値範囲に規定し、被処理水を反応槽に通水して、完全混合の形態を取り、好気条件下で処理を行う水処理方法が記載されている。

特許第２５８４３８６号公報 特許第６０９０９９１号公報 国際公開第２０２０／００４６６２号

特許文献１に記載の生物ろ過方法では、処理槽の下部に構成された流動床部分の担体は、原水や酸素含有気体による気液混相流によって自由に流動する状態となっている。従って、流動床部分における担体に固定された微生物により原水中の有機物が効率的に除去された後に、固定床部分に原水が送られる。そのため、固定床部分では担体に保持されている微生物の増殖が適度に抑えられ、固定床における目詰まり（ＳＳの目詰まり）の進行を抑制することができる。なお、特許文献１に記載の生物ろ過方法では、原水を上向流で通水することが必須とされている。

しかしながら、ＳＳの目詰まりをより簡易な手法によって解消できれば好適である。具体的には、下向流および上向流のうちのいずれかの方向で通水させた場合、または、下向流および上向流の両方向を組み合わせて通水させた場合であっても、ＳＳの目詰まりの進行を抑制することができ、かつ、安定的に連続運転できる、新規かつ簡易な生物ろ過方法があれば好適である。

さらに、従来までの生物ろ過に関する水処理方法によると、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度が１０ｍｇ／Lと高い場合にはＮＨ_４‐Ｎを十分に低濃度まで除去できていないという問題が存在する。

例えば、特許文献２に記載されている生物接触ろ過材は、化学繊維を原料として撚って巻かれた状態であり、かつ、不織布同士が融着した形状を有している。そのため、ろ過材の内部において微細な空隙を適切に形成させることが難しく、当該空隙内へ細菌以外の大きな原生生物等が進入し易いという問題を有する。その結果、特許文献２に記載の生物接触ろ過材を用いる方法によっても、硝化反応が良好に促進されるとは言い難く、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度が１０ｍｇ／L程度と高い場合にはＮＨ_４‐Ｎを十分に低濃度まで除去することができない。

さらに、特許文献３の図１に示されているような処理槽を用いる場合、すなわち通水方向を横方向とし、反応槽内部で被処理水を攪拌して担体を略均一に分散して流動させて硝化反応を生じさせる場合、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度をある程度の値までは低下させることは可能である。しかしながら、当該方法によっても、槽内が完全混合の形態を取るため、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度が１０ｍｇ／L程度と高い場合には十分に低濃度になるまで効率的にＮＨ_４‐Ｎを除去可能であるとは言い難い。

そこで、本発明は、水処理時におけるＳＳの目詰まりを簡易に抑制することができ、かつ、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎを良好に除去することができる水処理方法および水処理装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、本発明に到達した。すなわち、本発明は以下の好適な態様を包含する。

本発明の第一の局面に係る水処理方法は、被処理水中の有機物およびアンモニア態窒素のうちの１つ以上を好気条件下で除去する水処理方法であって、
微細孔を有する担体を充填した１つ以上の反応槽内に、被処理水を各々下向流および上向流から選択される方向で通水させることを含み、
通水時において、前記反応槽が前記担体の分布における高密度領域および低密度領域を有しており、かつ、前記高密度領域は前記反応槽下部に位置している。

前述の水処理方法において、前記低密度領域における前記担体が動いていることが好ましい。

前述の水処理方法において、前記微細孔の孔径は、０．１μｍ以上１０００μｍ未満であることがより好ましい。

前述の水処理方法において、前記反応槽内の前記担体全量のうちの２０％以上の前記担体が動いていることがさらに好ましい。

前述の水処理方法において、前記反応槽内が完全混合とならないような担体の流動状態となることが好ましい。前記動いている担体のうち、２．５ｃｍ／秒以上の速度で動いている担体は、前記動いている担体全量のうちの５０％未満であることが好ましい。

前述の水処理方法において、前記反応槽内の全担体量の１０％以上における前記担体の充填率が見かけ体積で８０％以上であることがより好ましい。具体的には、前記反応槽内の全担体量の４０％における前記担体の充填率が見かけ体積で９０％以上であることがより好ましい。

前述の水処理方法において、細菌を担持した状態における前記担体の比重は１．００～１．２０であることが特に好ましい。

前述の水処理方法において、前記担体は、ポリビニルアルコールからなることがより好ましい。

前述の水処理方法において、前記担体の比表面積が５００００ｍ^２／ｍ^３以上であることがさらに好ましい。

前述の水処理方法において、通水時において、前記反応槽が前記担体の分布における高密度領域および低密度領域を有しており、かつ、前記動いている担体のうちの少なくとも一部分は前記反応槽内における前記低密度領域と前記高密度領域の位置を移動しながら動いていることが特に好ましい。

前述の水処理方法において、通水時において、前記反応槽内の前記担体全量が動いていることが好ましい。

前述の水処理方法において、通水時において、前記反応槽内の前記担体全量が動いており、前記反応槽が前記担体の分布における高密度領域および低密度領域を有しており、かつ、前記動いている担体のうちの少なくとも一部分は前記反応槽内における前記低密度領域と前記高密度領域の位置を移動しながら動いていることがより好ましい。

本発明の第二の局面に係る水処理装置は、被処理水中の有機物およびアンモニア態窒素のうちの１つ以上を好気条件下で除去する水処理装置であって、
微細孔を有する担体が充填された１つ以上の反応槽と、
前記１つ以上の反応槽内に、被処理水を各々下向流および上向流から選択される方向で通水させるための被処理水供給部および処理水排出部と、を備え、
通水時において、前記反応槽が前記担体の分布における高密度領域および低密度領域を有しており、かつ、前記高密度領域は前記反応槽下部に位置している。

前述の水処理装置において、前記低密度領域における前記担体が動いていることが好ましい。

前述の水処理装置において、前記微細孔の孔径は、０．１μｍ以上１０００μｍ未満であることがより好ましい。

前述の水処理装置において、前記反応槽内の前記担体全量のうちの２０％以上の前記担体が動いていることがさらに好ましい。

前述の水処理装置において、前記反応槽内が完全混合とならないような担体の流動状態となることが好ましい。前記動いている担体のうち、２．５ｃｍ／秒以上の速度で動いている担体は、前記動いている担体全量のうちの５０％未満であることが好ましい。

前述の水処理装置において、前記反応槽内の全担体量の１０％以上における前記担体の充填率が見かけ体積で８０％以上であることがより好ましい。具体的には、前記反応槽内の全担体量の４０％における前記担体の充填率が見かけ体積で９０％以上であることがより好ましい。

前述の水処理装置において、細菌を担持した状態における前記担体の比重は１．００～１．２０であることが特に好ましい。

前述の水処理装置において、前記担体は、ポリビニルアルコールからなることがより好ましい。

前述の水処理装置において、前記担体の比表面積が５００００ｍ^２／ｍ^３以上であることがさらに好ましい。

前述の水処理装置において、前記反応槽が前記担体の分布における高密度領域および低密度領域を有しており、かつ、前記動いている担体のうちの少なくとも一部分は前記反応槽内における前記低密度領域と前記高密度領域の位置を移動しながら動いていることが特に好ましい。

前述の水処理装置において、通水時において、前記反応槽内の前記担体全量が動いていることが好ましい。

前述の水処理装置において、通水時において、前記反応槽内の前記担体全量が動いており、前記反応槽が前記担体の分布における高密度領域および低密度領域を有しており、かつ、前記動いている担体のうちの少なくとも一部分は前記反応槽内における前記低密度領域と前記高密度領域の位置を移動しながら動いていることがより好ましい。

本発明によれば、水処理時におけるＳＳの目詰まりを簡易に抑制することができ、かつ、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎを良好に除去することができる水処理方法および水処理装置を提供することができる。

図１は、本実施形態における水処理方法で用いられる水処理装置の構成の一例を示す図である。 図２は、図１に示す水処理装置の構成の変形例１を示す図である。 図３は、図１に示す水処理装置の構成の変形例２を示す図である。 図４は、図１に示す水処理装置の構成の変形例３を示す図である。 図５は、図１に示す水処理装置の構成の変形例４を示す図である。 図６は、実施例１における被処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度と排出された処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度とを水処理装置の使用経過日数と共に示すグラフである。 図７は、比較例３における被処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度と排出された処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度とを水処理装置の使用経過日数と共に示すグラフである。

本発明者らは、水処理時におけるＳＳの目詰まりを抑制することができ、かつ、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎを良好に除去することができる水処理方法および水処理装置について様々な研究を重ねた。そして、水処理時の反応槽内における担体の挙動および被処理水の通水方向に着目し、本発明を完成した。具体的には、反応槽内に被処理水を下向流もしくは上向流で通水させ、または２つ以上の反応槽を用いた下向流と上向流との組みあわせで通水させ、かつ、通水時において、担体の分布における高密度領域および低密度領域を有しており、高密度領域は反応槽下部に位置していることによって、水処理時におけるＳＳの目詰まりを簡易に抑制することができ、かつ、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎを良好に除去することができる。

以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。なお、本発明の範囲はここで説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で種々の変更をすることができる。

（有機物およびＮＨ_４‐Ｎを含む被処理水）
本明細書において、「被処理水」とは、有機物およびＮＨ_４‐Ｎのうちの１つ以上を含んでいる液体であれば、特に限定されない。被処理水は、有機物およびＮＨ_４‐Ｎの濃度が比較的低い、河川水、湖水および地下水のうちの１つ以上であることが好ましい。これらのうちのいずれかの原水を被処理水にすることによって、水処理時におけるＳＳの目詰まりをより好適に抑制することができ、かつ、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎをより良好に除去することができる。その結果、その処理水を上水として使用することができる。

（水処理装置の構成）
まず、後述する実施形態における水処理方法において用いられる水処理装置の構成の一例について、図１に基づいて説明する。図１に示すように、水処理装置１は、反応槽２と、担体３と、被処理水供給管４と、処理水排出管５と、空気供給管６とを主に備えている。一般的に、水処理装置１では、まず、細菌を含有する被処理水（原水）を一定時間通水させることによって、一定量の細菌を担体３に担持させた後に（装置の立ち上げ後に）、水処理が行われる。あるいは、予め細菌が担持された担体３を備えても構わない。水処理装置１は、被処理水中における有機物の分解が行われ、および／または、被処理水中におけるＮＨ_４‐Ｎが硝化されて除去される装置である。

反応槽２は、特に限定されないが、例えば円筒形、直方体等の形状の槽に担体３が充填される。反応槽２の大きさは、特に限定されないが、例えば、直径または一辺が４０ｍｍ以上１００００ｍｍ以下、好ましくは５００ｍｍ以上５０００ｍｍ以下、さらに好ましくは１０００ｍｍ以上３０００ｍｍ以下であり、高さが５００ｍｍ以上１００００ｍｍ以下、好ましくは１０００ｍｍ以上７０００ｍｍ以下、さらに好ましくは２０００ｍｍ以上５９００ｍｍ以下の円筒状のカラムを使用することができる。担体３については、後に詳細に説明する。反応槽２の上部には被処理水の導入口が設けられており、反応槽２内に被処理水を供給するための配管である被処理水供給管４と接続されている。反応槽２の下部には処理水の排出口が設けられており、反応槽２から排出された処理水が流れる配管である処理水排出管５と接続されている。

水処理装置１は、反応槽２の下部に空気の導入口が設けられており、反応槽２内に空気を供給するための配管である空気供給管６と接続されている。すなわち、図１における反応槽２内の処理水は曝気される。処理水が曝気されることによって、被処理水中の有機物の分解およびＮＨ_４‐Ｎの硝化を効率よく進行させることができる。曝気の具体的方法は、特に限定されず、反応槽２の下部に空気の導入口を設ける方法だけでなく、例えば反応槽２内の下部領域において空気供給管６が接続された散気装置等を備えても構わない。あるいは、被処理水を予め曝気してから反応槽２内に供給してもよい。

このように、図１に示す水処理装置１では、被処理水が被処理水供給管４（被処理水供給部）を通って反応槽２に供給され、かつ、処理水が処理水排出管５（処理水排出部）を通って排出されることによって、担体３が充填された反応槽２内に被処理水を下向流（以下、「下向流式」とも言う）で通水させることができる。

図１に示す例では、処理水が曝気される水処理装置１の構成が採用されているが、反応槽２内の処理水は曝気されなくてもよい。曝気されない装置の構成として、図２に、図１に示す水処理装置１の構成の変形例１を示す。本実施形態では、通水時において、担体の分布における高密度領域および低密度領域を有している必要がある。そのため、曝気されない場合、水処理装置は反応槽内を下側から上側に向かって上向流で通水する構造（以下、「上向流式」とも言う）を取る必要がある。

処理水が曝気される場合、図１に示す例では、反応槽２内を上側から下側に向かって水が流れる下向流式の構造が採用されているが、反応槽２内を下側から上側に向かって通水する上向流式の構造であってもよい。図３に、図１に示す水処理装置１の構成の変形例２を示す。図３に示すように、上向流式の場合、反応槽２の下部に被処理水供給管４が接続されると共に、反応槽３の上部に処理水排出管５が接続される。このように被処理水を下向流または上向流で通水させることによって、反応槽内に通水方向に沿った被処理水のＮＨ_４‐Ｎ濃度の勾配を形成することができる。そのため、本実施形態における水処理装置によると、通水方向を横方向とし、例えば反応槽内部で被処理水を攪拌させて、担体を略均一に分散して流動させる場合と比較すると（例えば特許文献３参照）、ＮＨ_４‐Ｎを良好に低濃度まで除去することができる。

あるいは、本実施形態における水処理装置の変形例では、水処理装置が２つ以上の反応槽を備え、各々の反応槽内において被処理水を各々下向流および上向流から選択される方向で通水させてもよい。換言すると、任意の数の下向流の通水における反応槽と任意の数の上向流の通水における反応槽との組みあわせにおいて水処理を行ってもよい。

（担体）
次に、上述した水処理装置が備える担体について、詳細に説明する。

担体は、被処理水中の有機物を分解することができる細菌、および／または、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎを硝化することによって除去することができる細菌（硝化菌）を担持することができ、かつ、微細孔を有するものであれば、特に限定されない。

担体の微細孔は、連通孔構造であることが好ましい。本明細書において、「連通孔構造」とは、多孔質体の一部を構成する構造であって、担体の表面から内部に向かって微細な孔が複数形成されると共に、当該複数の孔が各々独立に存在しているのではなく、孔同士が相互に連通している（繋がっている）構造を意味する。この連通孔構造によれば、担体に形成された全ての微細孔に水を通過させることにより、当該担体の内部に水を浸透させることができる。

担体の微細孔の孔径、好ましくは連通孔の孔径は、１０００μｍ未満であることが好ましい。担体の微細孔または連通孔の孔径は、５００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがさらに好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましく、３０μｍ以下であることがさらに好ましい。孔径が１０００μｍ未満の微細孔または連通孔が形成された担体を用いることによって、担体の比表面積を大きくすることができ、かつ、細菌以外の大きな生物が進入することで担体の内部表面を占有することを防ぐことができる。一方、従来的に生物ろ過において使用されているアンスラサイト等の粒状担体または化学繊維を原料として巻かれた状態で形成される生物接触ろ過材（例えば特許文献２参照）等は、このようなサイズの微細孔を形成することが困難であるため、細菌以外の大きな原生生物に担体の内部表面を占有されてしまう。また、担体の微細孔または連通孔の孔径は、０．１μｍ以上であることが好ましい。孔径を０．１μｍ以上にすることによって、細菌を孔内に安定的に棲息させることができる。

本明細書において、担体の微細孔または連通孔の孔径が０．１μｍ以上または１０００μｍ未満とは、担体に形成された微細孔のうち５０％以上の孔径が０．１μｍ以上または１０００μｍ未満であることを意味する。この際、孔径とは、電子顕微鏡で担体の断面を観察した際に見られる孔の直径である。本明細書において、孔径は、具体的には次の方法で測定することができる。担体の断面を電子顕微鏡で観察して、電子顕微鏡画像を得る。得られた画像に等間隔で縦に１０本の直線を引くとともに、等間隔で横に１０本の直線を引く。そして、直線の交点に存在する孔を１００個選択し、それぞれの孔の直径を測定する。このとき、交点に孔が存在しなかった場合には、その交点に最も近い孔を選択する。この測定は２つの交点に孔が跨らない縮尺の画像で行う。その結果、１００個の孔の直径の範囲を求めることができる。孔が真円でない場合は、円相当径、すなわち孔の断面積と同面積の真円の直径が、孔径に相当する。

担体の比表面積は、５００００ｍ^２／ｍ^３以上であることが好ましい。担体の比表面積を５００００ｍ^２／ｍ^３以上にすることによって、水処理時におけるＳＳの目詰まりをより簡易に抑制することができ、かつ、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎをより良好に除去することができる。具体的には、担体の比表面積が５００００ｍ^２／ｍ^３以上であれば、担体の内部に細菌を効率よく多量に担持させることができる。その結果、担体の表面に生物膜が厚く付着することを抑制することができ、ＳＳの目詰まりを簡易かつ確実に抑制することができ、かつ、有機物および／またはＮＨ_４‐Ｎをより良好に除去することができる。一方、従来的に生物ろ過において一般的に使用されているアンスラサイト等の粒状担体は、このような大きさの比表面積を保有することができないため、担体の孔内に細菌を安定的に棲息させることができない。

本明細書において、担体の比表面積は、後述する実施例と同様に、クリプトンガス吸着法によって測定される数値とする。

担体の比表面積は、より好ましくは６００００ｍ^２／ｍ^３以上、さらに好ましくは７００００ｍ^２／ｍ^３以上、特に好ましくは８００００ｍ^２／ｍ^３以上である。また、担体の比表面積は２００万ｍ^２／ｍ^３以下であることが好ましい。担体の比表面積を２００万ｍ^２／ｍ^３以下にすることによって、担体内部の構造が緻密になり、微生物の棲息領域が限定されてしまい、内部を有効に使えなくなることを防ぐことができる。

担体は、例えば、有機高分子、無機化合物等の公知の構成素材からなる担体を用いることができる。有機高分子としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアクリルアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリウレタン、これらの樹脂に発泡剤等を混合させた発泡体、セルロース等が挙げられる。無機化合物としては、例えば、市販のろ過材、吸着材、粒状珪藻土、粒状ゼオライト、粒状活性炭、粉末活性炭等が挙げられる。

これらのうち、細菌との親和性が高く、かつ、細菌棲息性に優れているとの観点から、担体は、高分子ゲル担体であることが好ましく、ポリビニルアルコールからなるゲル状担体（以下、「ＰＶＡゲル担体」とも言う）であることがより好ましい。ＰＶＡゲル担体は、アセタール化されたＰＶＡゲル担体であってもよい。担体としてＰＶＡゲル担体を用いることによって、前述した担体の比表面積が大きくなるように制御し易いため、ＳＳの目詰まりを簡易かつより良好に抑制することができる。

担体の含水率は、質量換算で、好ましくは５０％以上であり、より好ましくは７０％以上であり、さらに好ましくは８５％以上である。担体の含水率を５０％以上にすることによって、細菌の生育環境を良好なものとすることができ、細菌を増殖および担持され易くすることができる。また、担体の含水率は、９８％以下であることが好ましく９６％以下であることがより好ましい。担体の含水率を９８％以下にすることによって、担体の破損を防ぐことができ、担体を追加投入する必要もほとんどなく、装置の長期運転を可能とすることができる。

本明細書において、担体の含水率とは、含水状態の担体の重量に対する水の重量の比率である。水の重量は、含水状態の担体の重量と、当該含水状態の担体を完全に乾燥させた際の担体の重量との差から計算することができる。

担体の形状は、反応槽内に充填することができ、かつ、本実施形態における水処理方法および水処理装置による効果に影響を及ぼす形状でなければ、特に限定されない。担体の形状としては、例えば、球状、楕円形状、立方体状、直方体状、円柱状等が挙げられる。これらのうち、細菌との接触効率の向上の観点から、担体の形状は、球状であることが好ましい。

担体の球相当径は、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。球相当径を０．５ｍｍ以上とすることによって、反応槽からの担体の流出を防止することができる。また、後述する変形例のように担体の流出防止のためにスクリーンを設置する場合においても、球相当径を０．５ｍｍ以上とすることによって、スクリーンの網目を小さくしすぎて、目詰まりを起こすことを防ぐことができる。球相当径を２０ｍｍ以下とすることによって、担体の反応槽内へ容易に充填することができ、かつ、担体を流動させる場合には、担体の流動性の低下を防ぐことができる。

担体の球相当径は、より好ましくは１ｍｍ以上であり、さらに好ましくは２ｍｍ以上である。また、担体の球相当径は、より好ましくは１５ｍｍ以下であり、さらに好ましくは１０ｍｍ以下である。本明細書において、担体の球相当径とは、担体の体積と等しい体積を有する球の直径を意味する。

細菌を担持した状態における担体の比重は、水と同じか、わずかに大きく、上向流または下向流で被処理水を反応槽に供給した際に、担体が流出または閉塞せずに安定した水処理が可能であれば特に限定されない。また、細菌を担持した状態における担体の比重は、後述するような所望する担体の分布および担体の挙動を形成し易い比重であることが好ましい。具体的には、細菌を担持した状態における担体の比重は、１．００～１．２０であることが好ましい。当該比重を水と同じか、わずかに大きいこのような範囲にすることによって、上向流の方向の通水だけでなく（例えば特許文献１参照）、下向流および上向流のいずれの方向で通水させた場合であっても安定的に連続運転することができる。同時に、当該比重の範囲によると、通水および／または曝気によって簡単に担体の流動を制御することができ、後述する担体の分布および担体の挙動を調整し易い。従来、水に近い比重の担体は流動状態をよくするために使用され、完全混合槽で使用される。そのような担体を使用することで、１つ１つの担体は流動できる状態でありながら、被処理水は押し出し流れの流動状態で処理することが可能となり、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎをより効率的に低濃度まで除去することができ、かつＳＳ詰まりを抑制できる。また、担体の流動を簡単に制御できることで、逆洗も容易となる。

本明細書において、「細菌を担持した状態における担体の比重」とは、本実施形態における水処理装置の使用開始後または本実施形態における水処理方法の開始後、連続して水処理が行われ、既に略一定量の細菌を安定的に担持している時の担体の比重を意味する。以下、単に「担体の比重」とも言う。

反応槽の総容積に対する反応槽内に充填される担体の見かけ体積の割合（充填率）は、被処理水の種類、担体の種類、担体の大きさ等に応じて適宜決定することができる。充填率は、例えば、好ましくは見かけ体積で１０％以上９８％以下である。充填率を１０％以上にすることによって、反応槽内における有機物の分解反応および硝化反応を効率よく進行させることができる。充填率を９８％以下にすることによって、担体に流動性を求める場合、当該流動性を確保し、有機物の分解反応および／または硝化反応の効率が低下することを防ぐことができる。なお、本明細書において、見かけ体積とは、担体自身の体積と、担体と担体の間隙を合わせた、総体積を指す。また、本明細書において、充填率とは、反応槽の総容積に対する反応槽内に充填される担体の見かけ体積の割合を指す。

充填率は、より好ましくは５０％以上、さらに好ましくは６０％以上である。

（反応槽内における担体の分布および担体の挙動）
本実施形態における水処理方法または水処理装置では、通水時において、反応槽が担体の分布における高密度領域および低密度領域を有しており、かつ、高密度領域は反応槽下部に位置している。加えて、通水時において、当該低密度領域における担体が動いていることが好ましい。本明細書において、「通水時」とは、本実施形態における水処理装置の使用開始後または本実施形態における水処理方法の開始後、水処理が可能となっている時、好ましくは安定した水処理が可能となっている時（すなわち、立ち上げを終えた後の水処理時）を意味する。

本明細書において、「担体の分布における高密度領域」とは、充填された全担体が分散している反応槽内の該領域に全担体を均等に分散させた場合における担体密度と比べて、より高密度に担体が分散されている領域を意味する。一方、本明細書において、「担体の分布における低密度領域」とは、充填された全担体が分散している反応槽内の該領域に全担体を均等に分散させた場合における担体密度と比べて、より低密度に担体が分散されている領域を意味する。通水時において、反応槽内でこのような担体の分布を有し、好ましくは低密度領域における担体が動く（好ましくは流動する）ことによって、ＳＳによる目詰まりをより確実に防止することができる。また、反応槽内の担体の流動状態を制御し、押し出し流れの状態を作ることで、被処理水中の有機物および／またはＮＨ_４‐Ｎをより良好に除去することもできる。さらに、低密度領域が反応槽下部に位置することによって、通水方向が上向流であり、かつ、上部に担体分離用のスクリーンが設置されている場合、担体によってスクリーンが閉塞してしまうことを防ぐことができる。また、通水方向が下向流である場合、反応槽内上部に低密度領域が位置することによって、担体表面に生物膜ができた場合でもＳＳの目詰まりを抑制することができる。

例えば、図１に示す水処理装置１を用いて説明すると、高密度領域は、Ｖ１に示す領域とＶ２に示す領域とを加算した領域に全担体３を均等に分散させた場合における担体３の密度と比べて、より高密度に担体３が分散されており、反応槽下部に位置しているＶ２に示す領域である。一方、低密度領域は、Ｖ１に示す領域とＶ２に示す領域とを加算した領域に全担体３を均等に分散させた場合における担体３の密度と比べて、より低密度に担体３が分散されているＶ１に示す領域である。加えて、Ｖ１に示す領域における担体３は、動いていることが好ましい。

通水時において、反応槽が担体の分布における高密度領域および低密度領域を有しているか否かは、運転開始後、運転が安定した際に、反応槽内に採水瓶を投入し、担体が分散している反応槽内の領域における水と担体とを採取し、得られた水に対する担体量の割合を確認することによって判定することができる。さらに、低密度領域における担体が流動しているか否かは、外から目視で観察する方法、水中カメラを反応槽内に入れ内部の状態を観察する方法、および／または、担体の平均移動距離を測定し、当該測定された担体の移動距離から速度を換算する方法によって判定することができる。

さらに、本実施形態における水処理方法または水処理装置では、反応槽内の担体全量のうちの２０％以上の担体が動いていることが好ましい。本明細書において、「担体が動いている」とは、「担体が流動している」、「担体が揺動している」、「充填されている担体の上下左右の位置が入れ替わって担体が動いている」、「（積層している担体が膨張し、担体同士の間に隙間が生じ、それぞれの担体の可動域が広がることにより）積層している担体が動いている」および「担体が１ｍｍ／秒以上の速度で動いている」の全ての概念を含む。換言すれば「担体が動いている」とは、担体が静止している状態以外の担体の挙動を概ね含む。通水時において、反応槽内で担体全量のうちの２０％以上の担体がこのような挙動を取ることによって、水処理時におけるＳＳの目詰まりを簡易かつ確実に抑制することができる。

また、「担体全量のうちの２０％以上の担体が動いている」とは、担体全量のうちの特定の２０％以上の担体が常に動いている場合（換言すれば当該特定の８０％未満の担体が常に静止している場合）、および、担体全量のうちの常時任意に選択される２０％以上の担体が動いている場合の両方の意味を含む。具体的に、後者の場合には、例えば、動いていた担体が反応槽内における位置（例えば反応槽内における高さ）が変わったことによって静止し、一方、静止していた担体が反応槽内における位置（例えば反応槽内における高さ）が変わったことによって動く場合等が含まれる。換言すれば、動いている担体のうちの少なくとも一部分が、反応槽内における高さの位置を移動しながら動いていてもよい。担体が反応槽内における位置を変えながら任意にて静止または動くことによって、一つの担体において幅広いＮＨ_４‐Ｎの濃度範囲を好適に硝化することができる菌叢が形成される。換言すると、担体の反応槽内における位置が入れ替わらない場合は、担体全体として菌叢が形成される。その場合、反応槽内における担体の分布状態が変わった際に処理性が不安定になるおそれがある。しかし、一つの担体に好適な菌叢が形成されている場合、反応槽内の担体の分布状態が変わった場合でも、安定した処理が可能となる。

例えば、図１に示す水処理装置１では、Ｖ１に示す領域における担体３が動いており、具体的には流動している。また、Ｖ２に示す領域における担体３は、「担体が揺動している」、「充填されている担体の上下左右の位置が入れ替わって担体が動いている」、「（積層している担体が膨張し、担体同士の間に隙間が生じ、それぞれの担体の可動域が広がることにより）積層している担体が動いている」および「担体が１ｍｍ／秒以上の速度で動いている」のいずれかの状態であってもよいし、あるいは、担体３が静止している状態であってもよい。さらに、図１に示す水処理装置１では、Ｖ１に示す領域に存在する担体３とＶ２に示す領域に存在する担体３とは、通水時において、反応槽２内における相互の位置が入れ替わってもよい。

図２に示す水処理装置１においても、図１に示す水処理装置１と大凡同様である。図２に示す水処理装置１では、Ｖ１に示す領域における担体３が動いており、具体的には流動している。また、Ｖ２に示す領域における担体３は、「担体が揺動している」、「充填されている担体の上下左右の位置が入れ替わって担体が動いている」、「（積層している担体が膨張し、担体同士の間に隙間が生じ、それぞれの担体の可動域が広がることにより）積層している担体が動いている」および「担体が１ｍｍ／秒以上の速度で動いている」のいずれかの状態であってもよいし、あるいは、担体３が静止している状態であってもよい。さらに、Ｖ１に示す領域に存在する担体３とＶ２に示す領域に存在する担体３とは、通水時において、反応槽２内における相互の位置が入れ替わってもよい。

担体の一部が静止していても良いが、少なくとも担体全量のうちの２０％は動くことが好ましい。

また、通水時において、反応槽内が完全混合とならないような担体の流動状態となることが好ましい。前記動いている担体のうち、２．５ｃｍ／秒以上の速度で動いている担体は、前記動いている担体全量のうちの５０％未満であることが好ましく、４０％未満であることがさらに好ましい。

また、通水時において、反応槽内の担体全量のうちの２５％以上の担体が動いていることがより好ましく、反応槽内の担体全量のうちの３０％以上の担体が動いていることがさらに好ましい。さらに、通水時において、反応槽内の担体全量が動いていることが特に好ましい。

なお、通水時において、反応槽内でこのような担体の挙動の条件を満たしているか否かは、透明なカラムを用いて同条件に設定して運転開始後、運転が安定した際に、外から目視で観察する方法、水中カメラを反応槽内に入れ内部の状態を観察する方法、および／または、担体の平均移動距離を測定し、当該測定された担体の移動距離から速度を換算する方法によって判定することができる。動いている担体の割合は、透明なカラムを用いて同条件に設定して運転開始後、運転が安定した際に、反応槽内に採水瓶を投入し、動いている担体を採取し、反応槽内の担体全量に対する割合を算出することで求めることができる。

また、通水時の反応槽内において、以下に述べるような担体の分布の条件および／または担体の挙動の条件を満たしていることが好ましい。

通水時において、反応槽内の全担体量の１０％以上における担体の充填率が見かけ体積で８０％以上であることが好ましい。また、反応槽内の全担体量の２０％以上における担体の充填率が見かけ体積で８０％以上であることがより好ましい。通水時において、反応槽内でこのような担体の分布を有することによって、被処理水中の有機物および／またはＮＨ_４‐Ｎをより良好に除去することができる。

例えば、図１に示す水処理装置１を用いて説明すると、Ｖ２に示す領域が反応槽２の容積の１０％以上であり、かつ、Ｖ２に示す領域の担体３の充填率が見かけ体積で８０％以上となっていることが好ましい。

また、通水時において、反応槽内の全担体量の１５％以上における担体の充填率が見かけ体積で８０％以上であることがより好ましく、反応槽内の全担体量の２０％以上における担体の充填率が見かけ体積で８０％以上であることがさらに好ましい。

通水時において、反応槽内でこのような担体の分布の条件を満たしているか否かは、運転開始後、運転が安定した際に、反応槽内に採水瓶を投入し、水と担体を採取し、得られた水に対する担体量の割合を確認することによって判定することができる。

また、通水時において、反応槽が担体の分布における高密度領域および低密度領域を有しており、かつ、動いている担体のうちの少なくとも一部分は反応槽内における低密度領域と高密度領域の位置を移動しながら動いていることが特に好ましい。この場合において、反応槽内の担体全量が動いていることがさらに好ましい。

例えば、図１に示す水処理装置１を用いて説明すると、担体３のうちの少なくとも１つ以上が、低密度領域Ｖ１に包含される位置と高密度領域Ｖ２に包含される位置とを移動しながら動いていることが特に好ましい。担体が反応槽内における高さや所定の担体の密度領域を移動しながら動くことによって、反応槽が固定床部分と流動床部分とに区画化されており、担体が流動床部分のみで動く場合と比べ（例えば特許文献１参照）、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎをより良好に効率よく除去できると考えられる。これは、このような担体の挙動によって、担体において幅広いＮＨ_４‐Ｎの濃度範囲を好適に硝化することができる菌叢が形成されるためと想定され、また反応槽内の流動状態が押し出し流れに近い状態となることで、より低濃度までＮＨ４‐Ｎを除去することができる。

このような反応槽内における担体の分布および担体の挙動の状態は、例えば、反応槽の大きさ、担体の種類、担体の大きさ、担体の比重、担体の充填率、通水の向き、曝気の有無および位置、被処理水の供給速度、処理水の排出速度、空気の供給速度、被処理水の水理学的滞留時間（ＨＲＴ：Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ Ｔｉｍｅ）等の要素を各々適切に選択および／または調整することによって、形成することができる。

例えば、図３に示す水処理装置１は、図１に示す水処理装置１とは通水方向が異なるが、反応槽２内における担体３の分布および担体３の挙動は、概ね同様となっている。このような反応槽２内における担体３の分布および担体３の挙動の状態は、被処理水の供給速度、処理水の排出速度、空気の供給速度、散気構造、曝気の位置、被処理水のＨＲＴ等の要素を適宜調整することにより、変更することができる。

また、例えば、図１に示す水処理装置１において、反応槽２内の被処理水の流れを調整可能な制御部（図示せず）をさらに備えていてもよい。制御部は、例えば、被処理水供給管４、処理水排出管５および空気供給管６のうちの１つ以上と接続されており、被処理水の供給速度、処理水の排出速度、空気の供給速度、被処理水のＨＲＴ等を調整できることが好ましい。制御部をさらに備えることによって、上述したような通水時における反応槽内の担体の分布および担体の挙動の状態をより容易に形成することができる。なお、制御部は、例えば、ＣＰＵおよびその周辺回路を備えて構成することができる。

（水処理方法）
本実施形態における水処理方法は、前述した実施形態における水処理装置を用いて同様に実施することができる。

具体的には、本実施形態における水処理方法は、図１に示す例を用いて説明すると、被処理水（原水）が被処理水供給管４を通って反応槽２に供給され、かつ、処理水が処理水排出管５を通って排出されることによって、担体３を充填した反応槽２内に被処理水を下向流（または上向流もしくは下向流と上向流との組み合わせ）で通水させることを含む。

本実施形態における水処理方法によると、前述した水処理装置の実施形態と同様に、反応槽内において、担体に担持された細菌によって、被処理水中における有機物の分解が行われ、および／または、被処理水中におけるＮＨ_４‐Ｎが硝化されて除去される。

曝気、通水方向、担体の詳細、ならびに、反応槽内における担体の分布および担体の挙動については、前述した通りである。従って、本実施形態における水処理方法によると、水処理時におけるＳＳの目詰まりを簡易に抑制することができ、かつ、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎを良好に除去することができる。

反応槽内への被処理水の供給速度は、線速度（以下、「ＬＶ」とも言う）が１００００ｍ／ｄ以下であることが好ましく、８０００ｍ／ｄ以下であることがより好ましく、５０００ｍ／ｄ以下であることがさらに好ましく、１０００ｍ／ｄ以下であることが特に好ましく、５００ｍ／ｄ以下であることがより特に好ましい。ＬＶがこの範囲を超えると、担体の流出または閉塞により安定した水処理が困難になる場合がある。

反応槽に供給される被処理水中の有機物の濃度は、ＢＯＤ_５で１００ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。被処理水中の有機物の濃度をＢＯＤ_５で１００ｍｇ／Ｌ以下にすることによって、被処理水中の有機物を好適な濃度まで分解することができる。反応槽に供給される被処理水中の有機物の濃度は、より好ましくは８０ｍｇ／Ｌ以下であり、さらに好ましくは５０ｍｇ／Ｌ以下である。ＢＯＤ_５とは、生物化学的酸素要求量のことを指す。具体的には、水中に含まれる有機物を微生物が分解する際に５日間で消費する溶存酸素量のことを指す。本明細書において、ＢＯＤ_５は、後の実施例と同様に、ＪＩＳ Ｋ ０１０２に記載の方法により測定される値とする。

反応槽に供給される被処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度は、５０ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。当該被処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度を５０ｍｇ／Ｌ以下にすることによって、処理後のＮＨ_４‐Ｎ濃度を極めて低濃度まで減少させることができる。反応槽に供給される被処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度は、より好ましくは３０ｍｇ／Ｌ以下であり、さらに好ましくは１０ｍｇ／Ｌ以下である。反応槽に供給される被処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度は、０ｍｇ／Ｌ以上である。本明細書において、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度は、後の実施例と同様に、インドフェノール青吸光光度法等によって測定される値とする。

反応槽に供給される被処理水中のＳＳの濃度は、５００ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。当該被処理水中のＳＳの濃度を５００ｍｇ／Ｌ以下にすることによって、ＳＳの量が過度であるために、本実施形態における効果に影響を与えてしまうことを避けることができる。反応槽に供給される被処理水中のＳＳの濃度は、より好ましくは４００ｍｇ／Ｌ以下であり、さらに好ましくは３００ｍｇ／Ｌ以下であり、特に好ましくは２００ｍｇ／Ｌであり、より特に好ましくは１００ｍｇ／Ｌである。本明細書において、被処理水中のＳＳの濃度は、後の実施例と同様に、被処理水をろ過後、孔径１μｍのろ紙上に残留した不溶解性物質の乾燥重量を測定することで計算される値とする。

反応槽における被処理水のＨＲＴは、０．２分間以上６０分間以下であることが好ましい。ＨＲＴを０．２分間以上にすることによって、水処理を十分に進行させることができ、被処理水中の有機物の分解およびＮＨ_４‐Ｎの除去を十分に行うことができる。また、ＨＲＴを６０分間以下にすることによって、水処理を効率的に行うことができる。ＨＲＴは、より好ましくは１分間以上であり、さらに好ましくは５分間以上である。また、ＨＲＴは、より好ましくは３０分間以下であり、さらに好ましくは１５分間以下である。

反応槽における被処理水のｐＨは、細菌の生育環境の観点から、５～９であることが好ましく、６～８であることがより好ましい。反応槽における被処理水のｐＨを細菌が生育し易い環境下にすることによって、有機物分解速度および硝化速度を高めることができる。

反応槽における被処理水の温度は、特に限定はされないが、細菌の生育環境の観点から、１０℃～４０℃であることが好ましく、１５℃～３５℃であることがより好ましい。反応槽における被処理水の温度を細菌が生育し易い環境下にすることによって、有機物分解速度および硝化速度を高めることができる。

反応槽内における溶存酸素濃度（ＤＯ：Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ）は、２ｍｇ／Ｌ以上であることが好ましい。反応槽内におけるＤＯを２ｍｇ／Ｌ以上にすることによって、有機物の分解速度および硝化速度を十分な速度に保つことができる。

（他の変形例）
図４および図５に、図１に示す水処理装置１の構成の変形例３および変形例４を示す。図４および図５に示す水処理装置１には、担体３の流出を防ぐためのスクリーン７が反応槽２内部に設けられている。図４および図５に示す水処理装置１では、前述したように、例えば、反応槽の大きさ、担体の種類、担体の大きさ、担体の比重、担体の充填率、被処理水の供給速度、処理水の排出速度、空気の供給速度、被処理水のＨＲＴ等の要素を各々適切に選択および／または調整することによって、所望する担体３の分布および担体３の挙動を形成することができる。

図４および図５の水処理装置１はスクリーン７を備えているため、上向流または下向流のいずれの通水時においても、反応槽２下部に位置する高密度領域における担体３は積層されているような状態となっており、一方、反応槽２上部に位置する低密度領域における担体３は分散しており、好ましくは動いている。反応槽２下部に位置する高密度領域における担体３は、完全に静止していてもよいが、例えば、「担体が揺動している」、「充填されている担体の上下左右の位置が入れ替わって担体が動いている」、「（積層している担体が膨張し、担体同士の間に隙間が生じ、それぞれの担体の可動域が広がることにより）積層している担体が動いている」および「担体が１ｍｍ／秒以上の速度で動いている」のいずれかの状態となっていてもよい。

なお、上述してきた本実施形態における水処理装置および水処理方法では、例えば図１に示される水処置装置１は、一つの反応槽２のみを備えているが、複数の反応槽が連結されて、一つの水処理装置が構成されていても構わない。また、水処理装置全体として、反応槽だけでなく、活性汚泥槽、凝集沈殿槽、膜ろ過、ＲＯ、砂濾過、活性炭等、他の各種付帯設備等を備えても構わない。

以下に、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は実施例により何ら限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１では、図１に示す通水向きが下向流式である水処理装置１を用いて、半年以上の期間にわたり、有機物およびＮＨ_４‐Ｎを含む被処理水の水処理を連続して行った。

＜有機物およびＮＨ_４‐Ｎを含む被処理水（原水）＞
被処理水の成分は、反応槽への供給前に測定したところ、以下の通りであった。被処理水は、測定日によって各成分の数値に変動があった。ＳＳ（ｍｇ／Ｌ）は、被処理水をろ過後、孔径１μｍのろ紙上に残留した不溶解性物質の乾燥重量を測定することによって求めた。ＮＨ_４‐Ｎ濃度（ｍｇ／Ｌ）は、インドフェノール青吸光光度法によって測定した。
ＳＳ：３ｍｇ／Ｌ～１０ｍｇ／Ｌ
ＮＨ_４‐Ｎ濃度：１０ｍｇ／Ｌ～１２ｍｇ／Ｌ

＜担体を充填した反応槽＞
反応槽としては、カラム（直径：４０ｍｍ、高さ：１５００ｍｍ）を使用し、カラム内に以下に述べる担体を０．９４Ｌ投入した（見かけ充填率５０％）。

＜担体＞
担体は、球状のＰＶＡゲル担体を使用した。ＰＶＡゲル担体の球相当径は４ｍｍであり、細菌を担持した状態におけるＰＶＡゲル担体の比重は１．０４である。電子顕微鏡を用いてＰＶＡゲル担体の表面および内部を観察すると、相互に連通した孔が確認できた。ＰＶＡゲル担体の比表面積は、８０００００ｍ^２／ｍ^３であった。比表面積は、クリプトンガス吸着法によって測定した。電子顕微鏡による観察像を用いてＰＶＡゲル担体の表面および内部の孔径を測定したところ、孔径は０．５μｍ～２０μｍであった。ＰＶＡゲル担体の含水率は、質量基準で９４％であった。

＜水処理装置＞
図１に示す構成の水処理装置１において、被処理水供給管４から反応槽２内に被処理水を供給した。供給された被処理水は、反応槽２内のＰＶＡゲル担体からなる担体３に担持されている細菌によって、被処理水中の有機物の分解およびＮＨ_４‐Ｎの硝化が行われる。その後、処理水は、処理水排出管５を通って反応槽２外に排出された。なお、通水時、空気供給管６を通して反応槽２内に空気を送り込み、処理水を曝気した。

＜水処理装置の立ち上げおよびその後の管理＞
予め細菌を担持させる操作を行っていないＰＶＡゲル担体（細菌が担持されていないＰＶＡゲル担体）を投入した反応槽に対して直接被処理水（原水）を供給し、１３０日間処理を続けた。その後、反応槽の管理条件として、ｐＨを６～８とし、ＤＯを４ｍｇ／Ｌ～９ｍｇ／Ｌとした。反応槽内の温度は２２℃とした。ＨＲＴが１５分間となるように、被処理水の供給量は１２６ｍｌ／分とした。曝気の際の空気供給量は２Ｌ／分とした。

＜反応槽内における担体の分布および担体の挙動＞
水処理装置の立ち上げ後、運転が安定的に行われている反応槽内における担体の分布および担体の挙動を外から目視で観察する方法によって確認した。その結果、反応槽内における担体の分布および担体の挙動は、反応槽内上部における担体の低密度領域が激しく流動しており、反応槽内下部では担体が積層しており高密度領域を形成していることが確認された。さらに、反応槽内下部に積層している担体に対して、透明なカラムを用いて外側から内部を観察することにより、反応槽内下部の担体の移動距離から担体の平均移動速度を換算した。その結果、反応槽内下部の担体は、平均移動速度１ｍｍ／秒以上で動いていることが確認された。すなわち、反応槽内の担体全量が動いていることが観察された。加えて、透明なカラムを用いて外側から反応槽の内部の状態を観察することにより、低密度領域で流動していた１つ以上の担体が高密度領域の位置まで移動していることも確認することができた。また、反応槽内の動いている担体のうち６０％が２ｃｍ／秒以下の速度で流動している様子が観察された。また、下部に積層している高密度領域において、全担体量の５０％が充填率９０％以上であることを観察できた。また、上部の低密度領域の充填率が４０％以下であることが観察された。

＜結果＞
水処理装置の使用開始から、１３０日間にわたり処理を行い続け、反応槽から排出される処理水の水質を調べ続けた。図６において、被処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度と排出された処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度とを水処理装置の使用経過日数と共に示す。図６に示されるように、水処理装置の使用から８７日間経過した後でも、被処理水のＮＨ_４‐Ｎ濃度を約１０ｍｇ／Ｌ程度から０．０１ｍｇ／Ｌ程度まで減少させることができていた。さらに、本実施例における水処理装置によると、図６に示す日数も超えて半年以上経過した場合であっても、ＳＳが目詰まりすることなく、ＮＨ_４‐Ｎ濃度を良好に減少させることができ、安定的に装置を運転することが可能であった。

特に、既存の有機物および／またはＮＨ_４‐Ｎを除去する水処理方法または水処理装置では、被処理水（原水）のＮＨ_４‐Ｎ濃度が約１０ｍｇ／Ｌ程度であった場合、ＨＲＴを１５分間として処理後におけるＮＨ_４‐Ｎ濃度を０．５ｍｇ／Ｌより低くすることは非常に困難である（例えば後述の比較例２参照）。そのため、本実施例における水処理装置によると、被処理中のＮＨ_４‐Ｎ濃度を非常に低濃度まで処理することが可能となるため、極めて優れたＮＨ_４‐Ｎの除去効果を有していることが分かる。

（実施例２）
実施例２では、通水の向きを下向流式ではなく上向流式にしたこと以外は、実施例１と同様の条件において被処理水の水処理試験を実施した。その結果、被処理水のＮＨ_４‐Ｎ濃度を０．０１ｍｇ／Ｌ程度まで減少させることができ、かつ、３０日間以上ＳＳが目詰まりすることなく、安定的に装置を運転することが可能であった。

なお、反応槽内における担体の分布および担体の挙動は、実施例１と同様であり、反応槽内上部における低密度領域の担体が流動しており、反応槽内下部における高密度領域の積層した担体が平均移動速度１ｍｍ／秒以上で動いていることが確認された。さらに、低密度領域で流動していた１つ以上の担体が高密度領域の位置まで移動していることも確認することができた。また、反応槽内の動いている担体のうち６０％が２ｃｍ／秒以下の速度で流動している様子が観察された。また、下部に積層している高密度領域において、全担体量の５０％が充填率９０％以上であることを観察できた。また、上部の低密度領域の充填率が４０％以下であることが観察された。

（実施例３）
実施例３では、反応槽として高さが８００ｍｍであるカラムを使用し、見かけ充填率を９４％としたこと以外は、実施例１と同様の条件において被処理水の水処理試験を実施した。なお、反応槽の容積が実施例１の場合よりも小さくなったため、ＨＲＴは８分間となった。その結果、被処理水のＮＨ_４‐Ｎ濃度を０．０１ｍｇ／Ｌ程度まで減少させることができ、かつ、３０日間以上ＳＳが目詰まりすることなく、安定的に装置を運転することが可能であった。

なお、反応槽内における担体の分布および担体の挙動は、反応槽内下部では反応槽の容積の９５％において担体が積層しており（高密度領域）、反応槽内上部では反応槽の容積の５％において担体が流動していた（低密度領域）。なお、当該反応槽の容積の９５％において積層している担体の充填率は、見かけ体積で９５％であった。反応槽の全容積に対する積層している担体の領域の割合（％）および流動している担体の領域の割合（％）は、カラムの外側から目視によって観察および計測することによって求めた。また、当該積層している担体の見かけ体積における充填率は、運転が安定している際に、反応槽内に採水瓶を投入し、反応槽内下部における水と当該積層している担体とを採取し、採取された水量および採取された担体量から求めた。なお、実施例１と同様に、反応槽内下部においても積層している担体は平均移動速度１ｍｍ／秒以上で動いていることが確認された。反応槽内の全担体のうち６０％が動いていることが観察された。さらに、低密度領域で流動していた１つ以上の担体が高密度領域の位置まで移動していることも確認することができた。また、反応槽内の動いている担体のうち６０％が２ｃｍ／秒以下の速度で流動している様子が観察された。また、下部に積層している高密度領域において、全担体量の８０％以上が充填率９０％以上であることを観察できた。また、下部に充填率９５％以上の高密度領域があり、上部に充填率７５％以下の低密度領域があることが観察された。

（実施例４）
実施例４では、反応槽として高さが８００ｍｍであるカラムを使用し、見かけ充填率を９４％とし、かつ、通水の向きを下向流式ではなく上向流式にしたこと以外は、実施例１と同様の条件において被処理水の水処理試験を実施した。なお、反応槽の容積が実施例１の場合よりも小さくなったため、ＨＲＴは８分間となった。その結果、被処理水のＮＨ_４‐Ｎ濃度を０．０１ｍｇ／Ｌ程度まで減少させることができ、かつ、３０日間以上ＳＳが目詰まりすることなく、安定的に装置を運転することが可能であった。

なお、反応槽内における担体の分布および担体の挙動は、実施例３と同様であった。すなわち、反応槽内下部では反応槽の容積の９５％において担体が平均移動速度１ｍｍ／秒以上で動きながら積層しており（高密度領域）、反応槽内上部では反応槽の容積の５％において担体が流動しており（低密度領域）、反応槽内の全担体のうち６０％が動いていることが観察された。さらに、低密度領域で流動していた１つ以上の担体が高密度領域の位置まで移動していることも確認することができた。また、反応槽内の動いている担体のうち６０％が２ｃｍ／秒以下の速度で流動している様子が観察された。また、下部に積層している高密度領域において、全担体量の８０％以上が充填率９０％以上であることを観察できた。また、下部に充填率９５％以上の高密度領域があり、上部に充填率７５％以下の低密度領域があることが観察された。

（実施例５）
実施例５では、ＢＯＤ_５（ｍｇ／Ｌ）が１ｍｇ／Ｌ～６ｍｇ／Ｌであり、ＮＨ_４‐Ｎ濃度が１０ｍｇ／Ｌ～１２ｍｇ／Ｌである被処理水を用いたこと以外は、実施例１と同様の条件において被処理水の水処理試験を実施した。ＢＯＤ_５（ｍｇ／Ｌ）は、ＪＩＳ Ｋ ０１０２に記載の方法によって測定した。その結果、被処理水のＢＯＤ_５濃度を１ｍｇ／Ｌ程度まで、ＮＨ_４‐Ｎ濃度を０．０１ｍｇ／Ｌ程度まで減少させることができ、かつ、７日間以上ＳＳが目詰まりすることなく、安定的に装置を運転することが可能であった。

なお、反応槽内における担体の分布および担体の挙動は、実施例１と同様であり、反応槽内上部における低密度領域の担体が流動しており、反応槽内下部における高密度領域の積層した担体が平均移動速度１ｍｍ／秒以上で動いていることが確認された。さらに、低密度領域で流動していた１つ以上の担体が高密度領域の位置まで移動していることも確認することができた。また、反応槽内の動いている担体のうち６０％が２ｃｍ／秒以下の速度で流動している様子が観察された。また、下部に積層している高密度領域において、全担体量の５０％が充填率９０％以上であることを観察できた。また、上部の低密度領域の充填率が４０％以下であることが観察された。

（比較例１）
比較例１では、ネットで担体を固定することによって担体全量が静止する状態を維持させたこと以外は、実施例１と同様の条件において被処理水の水処理試験を実施した。その結果、１週間程度でＳＳの目詰まりが発生し、水処理装置の通水性が低下し、安定的に装置を運転することができなくなった。

なお、前述した通り、通水性が低下する前までの反応槽内における担体の分布および担体の挙動については、反応槽内下部において固定された担体全量が静止していることを確認した。

（比較例２）
比較例２では、担体に粒径１．２ｍｍ、比重１．５のアンスラサイトを使用したこと以外、実施例３と同様の条件において被処理水の水処理試験を実施した。その結果、１週間程度でＳＳの目詰まりが発生し、水処理装置の通水性が低下し、安定的に装置を運転することができなくなった。

なお、通水性が低下する前までの反応槽内における担体の分布および担体の挙動については、反応槽内の全担体量の８５％以上が静止していることを確認した。

（比較例３）
比較例３では、容積１Ｌの反応槽を備える通水方向が横方向である水処理装置を用い、かつ、反応槽内の担体の見かけ充填率を６０％としたこと以外は、実施例１と同様の条件において被処理水の水処理試験を実施した。その結果、１１２日間にわたり安定的に装置を運転することはできたが、処理後におけるＮＨ_４‐Ｎ濃度は０．５ｍｇ／Ｌ程度までしか低くすることができなかった。図７において、比較例３における被処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度と排出された処理水中のＮＨ_４‐Ｎ濃度とを水処理装置の使用経過日数と共に示す。

なお、反応槽内における担体の分布および担体の挙動は、担体が略均一に分散して流動して動いていることが観察された。また担体の全量が２．５ｃｍ／秒以上の速度で激しく流動している様子が観察され、完全混合の状態となっていることが観察された。

今回開示された実施形態および実施例は、全ての点で例示であって制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、前述した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 水処理装置
２ 反応槽
３ 担体
４ 被処理水供給管（被処理水供給部）
５ 処理水排出管（処理水排出部）
６ 空気供給管（空気供給部）
７ スクリーン

Claims (14)

1. 被処理水中の有機物およびアンモニア態窒素のうちの１つ以上を好気条件下で除去する水処理方法であって、
   微細孔を有する担体を充填した１つ以上の反応槽内に、被処理水を各々下向流および上向流から選択される方向で通水させることを含み、
   通水時において、前記反応槽が前記担体の分布における高密度領域および低密度領域を有しており、かつ、前記高密度領域は前記反応槽下部に位置している、水処理方法。
2. 通水時において、前記低密度領域における前記担体が動いている、請求項１に記載の水処理方法。
3. 前記担体の微細孔の孔径が、０．１μｍ以上１０００μｍ未満である、請求項１または２に記載の水処理方法。
4. 前記反応槽内の前記担体全量のうちの２０％以上の前記担体が動いている、請求項１～３のいずれか１項に記載の水処理方法。
5. 通水時において、前記反応槽内の全担体量の１０％以上における前記担体の充填率が見かけ体積で８０％以上である、請求項１～４のいずれか１項に記載の水処理方法。
6. 細菌を担持した状態における前記担体の比重は１．００～１．２０である、請求項１～５のいずれか１項に記載の水処理方法。
7. 前記担体は、ポリビニルアルコールからなる、請求項１～６のいずれか１項に記載の水処理方法。
8. 被処理水中の有機物およびアンモニア態窒素のうちの１つ以上を好気条件下で除去する水処理装置であって、
   微細孔を有する担体が充填された１つ以上の反応槽と、
   前記１つ以上の反応槽内に、被処理水を各々下向流および上向流から選択される方向で通水させるための被処理水供給部および処理水排出部と、を備え、
   通水時において、前記反応槽が前記担体の分布における高密度領域および低密度領域を有しており、かつ、前記高密度領域は前記反応槽下部に位置している、水処理装置。
9. 通水時において、前記低密度領域における前記担体が動いている、請求項８に記載の水処理装置。
10. 前記担体の微細孔の孔径が、０．１μｍ以上１０００μｍ未満である、請求項８または９に記載の水処理装置。
11. 前記反応槽内の前記担体全量のうちの２０％以上の前記担体が動いている、請求項８～１０のいずれか１項に記載の水処理装置。
12. 通水時において、前記反応槽内の全担体量の１０％以上における前記担体の充填率が見かけ体積で８０％以上である、請求項８～１１のいずれか１項に記載の水処理装置。
13. 細菌を担持した状態における前記担体の比重は１．００～１．２０である、請求項８～１２のいずれか１項に記載の水処理装置。
14. 前記担体は、ポリビニルアルコールからなる、請求項８～１３のいずれか１項に記載の水処理装置。

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