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浄化槽の仕組みと方式

浄化槽は産学官の担当者よる様々な工夫と努力により開発され、公共下水道処理施設と比べてもほぼ同等の性能となっており、国際的にも見ても誇りある日本の独自技術の一つである。
浄化槽の構造(全体構成と各単位装置)とその機能(全体機能と各単位装置)を理解し、具体的な浄化槽の施設・設備の立体的な構造とその構成装置の配置・機能を把握することは、その施設・設備の施工や維持管理(保守点検と清掃)の業務を適正に実施する上で、極めて重要である。
本ページでは、生物膜を利用する接触ばっ気式の浄化槽に限定し、小型浄化槽を中心に基本構成とその機能について解説する。生活排水はその水量と汚濁成分・濃度が、個々の状況により生活パターンや時間帯により幅広い範囲で変動する。しかも、個々の小型浄化槽の保守点検・清掃は数ヶ月・年間隔で実施される。このような条件でも安定に稼働させ、かつ設置面積も限られるため、コンパクトな構造が必須要件となる。
なお、活性汚泥法等を利用した中・大型浄化槽については、システム構成や維持管理が大きく異なるので、別のページ(生活排水>集落排水)に掲載する。

浄化槽に関する「環境技術」特集: 2004-092012-122014-09

1.生活排水の性状と特徴

(1)性状と汚濁物質

便所・台所・風呂・洗濯など、日々の生活に伴って排水が生じる。また、事業所・学校・病院・レストランなどからの排水も生活排水に含まれる。
1人が1日に排出する水量や汚濁成分量を排出量原単位という。この原単位は、年代・地域・文化・世帯構成(年齢・性別・世帯人数)・季節などにより、大きく異なり広い範囲で変動している。多くの調査結果を基にまとめたものを事例として表1に示す。
表1 排出量原単位の調査事例 [堀尾ら、2010]
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(2)排水量・汚濁成分量の時間帯変化

住宅(戸建・共同)、学校、病院、事務所など、建築用途によってまた時間帯によって排水量・汚濁成分量も大きく変動する。時間帯排水量の調査事例 [国土交通省、2006] によると、戸建住宅(事例)では9:00~10:00時間帯が最大(ピーク係数5、当該時間帯排水量[L/h]/総排水量[L/日]/24[h/日])で、次に20:00~21:00時間帯(ピーク係数3)となっている。また、事務所(事例)では、出勤時間帯(7:00~22:00)以外では、排出量は皆無で、排出量のピークは昼休み内の開始と終了の各時間帯となっている。

2.小型浄化槽の浄化原理と基本構成

戸建住宅を取り上げ、小型浄化槽による生活排水(以下、汚水)の浄化原理と構成装置の機能を説明する。

(1)汚濁物質の性状

汚水中の汚濁物質には、固形状・溶解状のものがある。固形状とは、通常の重力と時間内で沈降あるいは浮上により汚水中から分離できるものを示し、懸濁物質(SS)とも呼ばれる。溶解状とは、前記の方法で排水中から分離できないものである。また、便所排水には、病原性の細菌・ウイルスや寄生虫の卵などが存在することもある。
なお、粗大な物質である食品残渣、布片、髪の毛などは、台所の三角コーナー(水切りネット付き)、トイレのサニタリーボックス、風呂場の目皿・ヘヤキャッチなどで取り除かれるものとする。また、砂などの粗大粒子は、浄化槽前段に設置された汚水ますで沈降・捕捉されるものとする。

(2)汚濁物質の除去原理と基本装置

小型浄化槽による生活排水の浄化モデルを図1に示す。また、別ページ(水処理の計画)も参照されたい。
戸建住宅に設置される小型浄化槽は、大別して①分離槽、②ばっ気槽、③沈殿槽、④消毒槽と、⑤付属装置と汚水・汚泥・空気を移送する配管から構成される。

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図1 小型浄化槽による生活排水の浄化モデル

①分離槽

浄化槽へ流入した汚水は、分離槽で固形物質が重力沈降・浮上により除かれる。浮上性物質(油脂やこれに付着・内包した固形物質)は、スカムとして分離槽の上部で浮上・貯留される。沈降性物質は分離槽底面上に沈降して濃縮・貯留(汚泥)される。また、分離槽には、スカム・汚泥が流出しない構造が求められる。貯留されたスカム・汚泥は、当該基準に沿って定期的に行われる清掃時に抜き取られ、運搬・処理される。
また、後述するばっ気槽(好気性微生物反応槽)で増殖した微生物(余剰または剝離汚泥)が移送され、ここで沈降分離されて貯留される。これらの貯留汚泥の一部は嫌気性微生物により、分解されて溶解物質へ変換され、ばっ気槽へ移送される。また、溶解物質の一部は嫌気発酵によりメタンガスへ変換される。
分離槽の機能は、固形物質の分離・貯留機能のみでなく、流入汚水量の時間帯変動に対する調整槽としての役割も果たす。
分離槽の効率を向上させるため、充填材(担体)を保持した槽は嫌気ろ床槽と呼ばれる。充填材には固形物質の捕捉率を高めるとともに、それに付着した嫌気性微生物による分解機能を向上させる。
さらに、窒素除去型浄化槽においては、ばっ気槽から汚水を循環させ、アンモニアを酸化した硝酸イオンを窒素還元菌により窒素ガスへ変換する機能を有する。
以上述べたように、分離槽は、固形物質の分離と貯留、時間帯流量変動の調整、嫌気性分解、窒素除去などの様々な機能を有し、浄化槽を構成する各槽の中で最大の容量を占めている。

②ばっ気槽

固形物質が除去された汚水中の溶解物質は、ばっ気槽で好気性微生物により摂取され、微生物の増殖および代謝分解されて炭酸ガスへ変換される。
好気性微生物の機能効率を高めるため、充填材(ろ材、担体)を固定(ろ床)または流動させた槽を接触ばっ気槽と呼ぶ。充填材には好気性微生物が付着保持され、これを生物膜と呼ぶ。生物膜を利用する方法は、溶存酸素濃度の適用範囲が広いこと、流量変動への対応力があること、微生物の保持日数がが長いこと(特にアンモニア酸化菌(硝化菌)の保持)、微生物の増殖量(汚泥発生量)が少ないことなどの特徴がある。
汚濁物質を摂取した微生物は増殖するので、生物膜が肥大化すると、ろ床の閉塞などによりその機能が低下するので、定期的に物理的に肥大化生物膜を剝離する。これを逆洗(洗浄・再生)といい、剝離した生物膜を剝離(余剰)汚泥という。小型浄化槽では、一般的に粗大散気によって逆洗が行われる。剝離汚泥は後記の沈殿槽で沈降分離されてばっ気槽の底部より、前記の分離槽へ移送される。小型浄化槽では、一般的に剝離汚泥はエアリフトポンプにより分離槽へ移送される。
窒素除去型では、有機物の好気酸化に加えて、アンモニアを硝酸イオンまで酸化(硝化)して、その硝酸イオンを含む汚水(硝化液)を分離槽へ移送・循環(流入汚水量の3~4倍量)して窒素ガスへ変換・除去する。硝化菌は有機物酸化菌に比べて増速速度が遅く、また硝化はBOD濃度が高いときにはその反応が進行しないので、適正な硝化菌の保持(担体への付着保持)および十分なばっ気槽容量(ばっ気時間)が必要となる。
また、リン除去型では、鉄塩などを添加してリンを不溶性の固形物として除去する装置が取り付けられる。小型浄化槽では、鉄板を電極(陽極・陰極とも、一定間隔で陽極と陰極を切替える)とし、その電解・溶出した鉄(Ⅱ)イオンが、さらに酸素によって酸化された鉄(Ⅲ)イオンとリン酸イオンが反応して不溶性のリン酸第二鉄を生成させて、分離・除去する。(図2)。

③沈殿槽

沈殿槽は、ばっ気槽からの汚水中の固形物質(剝離汚泥など;リン除去型では、リン固形物を含む)を沈降分離し清浄な処理水を得るための機能を果たす。小型浄化槽ではばっ気槽に隣接し、スロット型図3)となっており、沈降分離した固形物質はスロットを通して、ばっ気槽底部へ沈積する、この沈積汚泥は、分離槽へ移送され、そこで分離・濃縮・貯留される。
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図2 鉄電解法によるリン除去のモデル

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図3 沈殿槽の事例:(A)スロット型;(B)ホッパー型

④消毒槽

処理水は消毒槽で病原菌などが殺菌されて、放流される。小型浄化槽では、次亜塩素酸カルシウムまたは塩素化イソシアヌール酸の錠剤を充填した錠剤筒を取り付け、充填剤と処理水を接触させて消毒する。

⑤付属機器および配管

小型浄化浄化槽の付属機器は、ダイヤフラム式ブロワ(送風機)である。その役割は、ばっ気槽でのばっ気(散気)による酸素供給や汚水攪拌のみでなく、各槽間の汚水・汚泥の移送、ピークカット機能処理水放流のためのエアリフトポンプの駆動、担体の流動、ろ材の洗浄、など、多岐にわたっている。
また、分離槽に水位計を設け、エアリフトポンプと連動させた水位制御(ピークカット)や異常水位警報ブザーを付属させたものもある。
各槽間の汚水・汚泥の移送や送風するための配管(バルブ類を含む)が付設される。配管は、目詰まり・漏水が起こらないような構造・形状だけでなく、保守点検・清掃作業の障害とならないこと、配管内壁の付着物の清掃ができることなどが、要件となる。

3.小型浄化槽の構造と単位装置

前章2で述べたように、小型浄化槽は、①沈殿分離槽、②接触ばっ気槽、③沈殿槽、④消毒槽の各単位装置および⑤付属機器・配管から構成される。
ここでは、小型浄化槽(主に5人槽)の具体的な構造と各単位装置について、これらの要点について概説する。なお、現構造基準においては容量の大小とは関係なく、各単位装置の名称は、みなし浄化槽では「」、浄化槽では「」となっている。本解説では各槽をさらに隔壁等で仕切った区分をと記述する。
現行の法令で規定されている浄化槽には、国土交通省が示す構造基準型(構造例示型)と、それと同等以上の性能を有すると認められる大臣認定型(性能評価型)がある。なお、浄化槽法では構造基準としているが、現行の建築基準法令では、構造方法と表記されている。現在、新設される浄化槽の大多数は、性能評価型である。H26年度現在における構造例示型115万基(37%)に対し、性能評価型213万基(63%)となっている。構造例示型と性能評価型の大きな違いは、次のようである。

<構造例示型>

前章2で述べたように、基本構成とその機能が明確で、浄化槽の理解と維持管理が容易である。各単槽の働き(性能と維持管理)を保証するため、浄化槽の容積が大きく、設置面積と掘削深さが大きくなる。

<性能評価型>

認定を受けた浄化槽には、窒素除去型や小容量型が多数を占めている。性能認定型の処理原理は、構造例示型と基本的には同じであるが、①循環装置、②流量調整装置(ピークカットを含む)、③自動制御装置(生物ろ過の自動洗浄など)が組み込まれている型式が多い。また、④構成する単位装置が構造例示型と異なるものもある。浄化槽の容積が小さく、敷地面積や掘削深さに有利であるが、総容積を小さくするために上記のように製品ごとに多種多様な構造となっている。維持管理の技術向上が求められる。

(1)構造例示型浄化槽

小型浄化槽に適用されている各方式の基本フローシートを図4に示し、表2に5人槽の設計負荷と単位装置の有効容量を示す。

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図4 構造例示型の浄化槽(5人槽)の基本フロー
(D)リン除去・脱膣ろ床接触ばっ気方式は構造例示型に含まれない。

表2 浄化槽(5人槽)の設計負荷と単位装置の有効容量(現構造例示型)
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単位装置の有効容積は上記の値以上であること。

(A)分離接触ばっ気方式

この方式は、現基準の浄化槽の基本構成となるもので、現基準のみなし浄化槽の分離接触ばっ気方式(2000年に基準から削除)にも適用されていた。表5)。

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図5 構造例示型分離接触ばっ気方式の事例
P1~P4 移流(流入)管;S1~S2 沈殿分離槽;A 接触ばっ気槽;C 接触ろ床;W:逆洗管;S 沈殿槽;F 消毒槽;Ow 越流せき

<沈殿分離槽>
沈殿分離槽は、流入水の時間帯変動の緩和や固形分の分離と貯留の機能を有するので、2.5m3以上(有効水深1.2m以上)で浄化槽の全有効容積の2/3を占めている。分離槽は2室で構成され、第1室の有効容積は概ね2/3となっており、各室は短絡流が生じないように流入部と流出部はできるだけ離れた位置に設置される。各室内のスカムや沈殿汚泥をかき乱さないように流入間および流出管の下端開口部は、それぞれの水深1/4~1/3、1/3~1/2とする。
分離された汚泥・スカムは、槽上部・底部でそれぞれ濃縮・貯留される。長時間貯留中に嫌気的分解による減量効果もある。
維持管理では、沈殿分離槽流出水の懸濁物質濃度、汚泥・スカムの蓄積状況を点検し、次回の清掃まで適正な機能が維持できるか判断し、清掃管理などに関して適切な措置をとる。
<接触ばっ気槽>
ばっ気槽には接触ろ床を設置して、空気を散気して酸素を補給するとともに、汚水を循環して接触材に付着した生物膜に接触させ、有機物を好気性分解する。基本構造は、①生物膜を付着しり接触材、②酸素供給と汚水攪拌のためのばっ気装置、③肥大化生物膜の剝離のための逆洗装置、④剝離汚泥の沈殿分離槽への移送装置または自然移送できる構造からなっている。また、清掃用の吸引ホースを挿入するスペースを確保する。
接触ろ床の容積は、ばっ気槽の有効容積1.0m3以上(有効水深1.2m以上)の概ね55%(接触ろ床充填率)となっている。接触材は、様々な形状があるが、担体の比表面積(表面積/容積)が大きいほど生物膜の保持量が大きくなるが、接触ろ床の短絡・閉塞が短期間で起こりやすくなるので、逆洗などの維持管理の視点から選定されている。詳しくは別ページの接触ばっ気法および担体の種類と選定に記載している。ばっ気量は2m3/時に設定し、逆洗は3m3/時以上で行われるので、送風機(ブロア)は3m3/時以上のものが望ましい。ばっ気量は、付設の空気逃がしバルブで調整する。
逆洗は、装置の構造によって、接触ろ床の下部に固定した逆洗管で行うか(ばっ気バルブを閉め、逆洗バルブを開く)、または散気管と逆洗管の送気接続を切り替えて行うか、あるいは散気管と逆洗管を兼用して手動で行う。逆洗終了後、剝離汚泥は可搬式ポンプを用いて沈殿分離槽へ移送するか、または移流管(図5のP4)通して沈殿分離槽(図5のS2)へ自然移送される。自然移送では、逆洗は汚水流入のない時間帯に行う。
維持管理では、上澄み透明度の測定、接触材の逆洗、スカム除去(柄杓で取り、分離槽へ移す)、越流せき(事項で説明)の水平調整を行うとともに、消毒槽を観察し汚泥流出の痕跡の有無を確認する。
<沈殿槽>
ばっ気槽からの流出水中の固形物質(主として生物膜の剝離汚泥)を沈降分離して、清浄な処理水を得るために設ける。小型浄化槽では、底部がスロット型となっており、沈降汚泥はばっ気槽へ自然に戻される。沈殿槽の設計条件は、日平均汚水量に対する有効容積0.3m3、水面負荷8m3/m2/日以下、および越流負荷20m3/m/日以下となっている。スロット部の勾配角は水平面に対して60°以上とする。越流せきは、等間隔のVノッチを複数設け、水平に保つ。沈殿槽で分離された汚泥は、ばっ気槽へ自然移流し、さらに浄化槽への汚水流入のない時間帯(主に深夜)において、移流管(図5のP4)を通してばっ気槽での旋回流により沈殿分離槽へ自然移送される。
<消毒槽>
浄化された処理水は、放流前に消毒される。薬剤筒に亜塩素酸カルシウムまたは塩化イソシアヌールの錠剤を充填してばっ気槽からの越流水に薬剤を接触させ、消毒槽に15分以上滞留(敷地内の配管部分も含める)させて放流する。一般的には、処理水へその塩素濃度が5~10mg/Lとなるように添加されるが、放流水中に残留塩素が検出されればよい。
維持管理では、残留塩素濃度を測定するとともに、処理水と接触する薬剤筒の底部の高さや開口度を調節して、適正な濃度とする。次回の保守点検時まで全て消失しないように薬剤を補充する。筒内で薬剤が膨潤して固まり、処理水との接触不良となっていることもあるので、注意する。

(B)嫌気性ろ床接触ばっ気方式

方式(A)と異なる構成は、分離槽にろ材を設置して(嫌気ろ床槽)、固形物の捕捉率を高めるとともに、ろ材に付着した嫌気性生物膜により消化分解して貯留汚泥の減容が行われるので、その必要容積が1.5m3以上(有効水深1.2m以上)で、方式(A)の60%と小さくなっている。嫌気ろ床槽は2室以上で構成されることとなっているが、小型浄化槽では2室で構成するのが一般的である。第1室の有効容量は嫌気ろ床のおよそ1/2〜2/3となっている。接触ばっ気槽には逆洗汚泥を強制的に第1嫌気ろ床室へ移送する装置が付加される。他の単位装置は方式(A)と同じである。
<嫌気ろ床槽>
槽の有効容積に対するろ材充填率は第1室でおよそ40%、第2室でおよそ60%となっている。第1室は下降流であるが、第2室は上向流か下降流の方式がある(図6:上向流式の事例)。一般にろ床の逆洗装置は付設されない。ろ材は、汚泥の捕捉しやすく、ろ材間隙水を引き抜くだけで捕捉汚泥が脱落しやすいろ材が選定される。第1室のろ床における固形物質の捕捉性の強弱によって、2つの方式がある。
第1室に捕捉率の高いろ床を設置した場合には、ろ床上部の空間を大きくし、逆に捕捉率の低いろ床の場合にはろ床下部の空間を大きくする。これは、捕捉率が強いものでは、ろ床上部に、弱いものではろ床下部に堆積汚泥量が多くなることによる(図6はろ床の捕捉率が低い事例、捕捉率が高いろ床では図6C1の固定位置を下げてろ床上部の空間を大きくする)。直径15cm以上の円が内接できる大きさの清掃孔を設ける。流出管(移流管)を兼用してもよい(図6P1P3は兼用事例)。
維持管理においては、次の事項に留意する。ビニールなど生物分解できない異物や偏在した汚泥堆積の場合には、ろ床内に短絡流が生じ、ろ床内に止水域が形成されて、ろ床機能が低下する。また、多量のメタンガスがろ床内に保持されても止水域が生じる。第1室と第2室(上昇流)に異常な水位差がある場合には、第1室のろ床の閉塞か、または両室の移流管に夾雑物が詰まっているか、あるいは第2室のろ床閉塞による、いづれかの圧力損失が生じている。第1室と第2室(下降流)に異常な水位差はなく、全体的に水位が異常に上昇している場合には、第2室のろ床の閉塞が起こっているか、または第2室とばっ気槽の移流管に夾雑物が詰まっている。水位の上昇については、その原因を判断し、その対応策を講じる。ろ床の閉塞では、塩ビパイプ(VP13)で突きながらろ材を揺さぶり閉塞(ガス抜きも含む)を解除する。
<接触ばっ気槽>
接触ばっ気槽は、基本的には分離接触ばっ気方式と同様な構造であるが、逆洗後の剥離汚泥を強制的に移送し、その移送量を調整できる構造とすることとなっている。一般的には、散気を停止して逆洗し、ばっ気槽の低部に沈積した剥離汚泥を嫌気ろ床第1室へエアリフトポンプにて移送する。

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図6 構造例示型嫌気ろ床ばっ気方式の事例
P1~P3 移流管(清掃孔を兼ねる);S1~S2 嫌気ろ床槽;C1~C2 嫌気性ろ床;T:汚泥移送装置;その他は図5と同じ

(C)脱窒ろ床接触ばっ気方式

本方式では、方式(B)の嫌気ろ床の構造は同じであるが、ばっ気槽からの汚水を第1室へ返送・循環する。嫌気ろ床の容積(2.5m3以上)とばっ気槽の容積(1.5m3以上)(水深1.5m以上)をそれぞれ大きくして、嫌気性脱窒および硝化反応を確実に行うこととなっている。また、ばっ気量は5m3/時で、方式(A)(B)の2.5倍量となっている。循環装置として、エアリフトポンプと流量調整装置などを組み合わせたものが設置される。一般的には、方式(B)<接触ばっ気槽>で述べた剥離汚泥移送装置と兼用される。循環水量は、流入汚水量の3~4倍量に設定する。
維持管理においては、硝化反応ではpHの低下が起こるので、処理水のpHには特に留意する。また、循環装置については、流量調節と配管の目詰まりの点検・清掃が必要となる。

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図7 流量調整装置の事例:(A)標準型;(B)簡易型
P1 取水菅;P2 戻し水菅;P3 移送水菅;RP 整流板;LC 水位調整(せき)ハンドル;VW 三角せき

(D)リン除去脱窒ろ床ばっ気方式

本方式は、構造基準に示されたものではなく、性能評価型である。小型浄化槽では、2(2)②で述べた鉄電解法が設置される。本装置は接触ばっ気槽上部に設置するか、または、脱窒素用循環水を分水し本装置に通水してばっ気槽へ返送する方法がある。いずれの方法も、電解溶出したFe2+が、ばっ気槽でFe3+へ酸化されるとともに、これを汚水中溶解リンと反応させるための混合攪拌が行われるからである。
維持管理においては、電源装置の稼働、鉄電極との接続、鉄電極の消耗などの状況を点検し、電極の交換や不具合に対処する。

(2)性能評価型浄化槽

性能評価型浄化槽では、総容量が構造例示型よりも小さいもの、高度な窒素やリンの除去能力を有するもの、膜分離により高度にBODを除去するもの、などが実用化・認定されている。
性能評価型の特徴は、①流量調整機能を有する、②沈殿分離槽・嫌気ろ床槽・脱窒ろ床槽、接触ばっ気槽や沈殿槽が構造例示型と異なる、③ブロアやポンプに自動制御装置を付設するなどの特徴を有する。表3に、窒素除去機能を有する構造例示型浄化槽の各単位装置に相当する性能評価型の構造事例を示す。単位装置は、多種多様であるので全ての説明は省略して、重要な事項のみを記載する。

表3 窒素除去・小型浄化槽の性能評価型の構造事例
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図8 性能評価型の窒素除去小型浄化槽の一事例

<接触ばっ気・生物ろ過・担体流動>

これらの方法は生物膜法といわれ、担体に微生物群を付着させ、これに汚水を接触させて浄化する方法である。微生物群には、単位装置の環境条件を制御して①好気性、②通性嫌気性(無酸素)、③嫌気性の3つに分類され、さらに利用する担体の形状・サイズ(比表面積・見掛け比重など)により、①接触ばっ気法、②生物ろ過法、③担体流動法の3つの方式がある。。
(a)接触ばっ気法: 担体ろ床の比表面積が小さい(または空隙率が大きい)ので、担体表面の肥大化によるろ床の閉塞を防ぐための逆洗間隔日数を長くすることができるが、微生物の保持量が少ないので装置の容積が大きくなる。逆洗は、一般的には定期的な保守点検時に実施する。
(b)生物ろ過法: 担体ろ床の比表面積を大きくすることで微生物の保持量が多く、固形物の捕捉能力が高いので、装置の小容量化ができるが、担体表面の肥大化によるろ床の閉塞が生じやすいので、逆洗間隔日数が短くなる。汚水流入のない深夜などに自動的に稼働する逆洗装置および汚泥貯留部への剝離汚泥返移送装置が付設されることが多い。浄化槽以外の分野では後段の沈殿槽は不要なことが多い。
(c)担体流動法: 水の比重よりもやや異なる見掛け比重の担体を用い、ばっ気攪拌により浮遊状態にして汚水と接触させる。担体の比表面積を大きくして微生物の保持量を増やし装置を小容量化することができるとともに、肥大化した生物膜は自然に剝離されるのでろ床の閉塞が起こりにくい。担体が系外に流失しないよう装置の上下にスクリーン(ネット・格子枠など)が付設され、後段に固形物の分離装置が必要である。保守点検時における上部スクリーンの確実な脱着に留意し、担体量の測定と摩耗担体分の補充を行う。清掃時においてサクションホースの挿入は厳禁である。
性能評価型浄化槽では、上記(a)(c)の各生物膜法(好気・無酸素・嫌気を含めて)の特徴を組み合わせ、浄化槽の小容量化高機能化を実現している。

<流量調整装置>

時間帯による汚水流入量変動を緩和して処理水質を向上するための流量調節は、2つの方式に大別される。表3の①嫌気ろ床相当装置(一次処理装置)または②嫌気ろ床と接触ばっ気(二次処理装置、沈殿槽を含む)の両相当装置の保持水量を調整し、汚水の処理時間と処理水の放流量を一定または平滑化して放流水質を安定させる。
①では一次処理装置、②では二次処理装置の各流出部に集水装置を取り付けて、後段の装置へ一定水量を移送している。汚水流入のない時間帯には水位が低下(下限水位LWLまで)し、流入量が多い時間帯に水位が上昇する。上限水位(HWL)を超えて、異常水位(AWL)に達すると警報がなるものもある(またはランプ点灯)。
一般的に、汚水移送装置として、流量調整装置(図7(B)など)付きエアリフトポンプまたは間欠定量ポンプ(図9)が付設される。

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図9 流入水変動に対する流量調整の事例:(A)・(B)Pは定量移送ポンプ
(A)嫌気ろ床槽で水位が変動し、流量調整ポンプで後段装置へ汚水移送; (B)浄化槽全体の水位が変動し、流量調整ポンプで処理水を消毒・放流
(D)エアリフトポンプ(上部に流量調整装置を付設); (E)間欠定量ポンプ(1:満水時、2:揚水時、3:汚水取込時、1~3が一定間隔で繰り返し、定量送水する)

<循環水装置>

窒素除去型では、ばっ気槽から一定流量(流入汚水量の3~4倍)で硝化液を一次処理部の脱窒ろ床槽(無酸素ろ床槽)へ返送・循環する。循環量が少ないと脱窒反応量が不十分となり、また、循環量が多い(酸素持ち込み量が過大)となり脱窒反応が抑制される。汚水循環は、流量調整装置付きエアリフトポンプまたは間欠定量ポンプによるものが一般的である。
保守点検時には、脱窒槽およびばっ気槽のDO濃度の測定と処理水中の①アンモニア、②亜硝酸、③硝酸の各イオン濃度を簡易測定キットを用いて測定する(総窒素濃度は①、②、③の総計)。総窒素濃度が基準値以上であれば、対応措置を行う。アンモニアイオン濃度が高い場合には、ばっ気槽のばっ気が不十分であるので、適正なDO濃度となるようにばっ気量を増やす。亜硝酸・硝酸イオン濃度が高い場合には、循環水量が不適切(過剰または不足)であるので、適正な水量に調節する。下記<ブロアと各バルブ>に記載するように、循環流量の調節を行うと全体のバランスを再調整する必要があるので、留意すること。

<貯留汚泥の減量化>

性能評価型の中には、一次処理部にばっ気攪拌装置を付設し、貯留汚泥を好気消化あるいはスカム形成を促進して汚泥減量化による貯留部の小容量化を行っているものもある。

<ブロアと各バルブ>

性能評価型小型浄化槽(10人槽以下)では、①通常運転でのばっ気(酸化・硝化、汚泥消化用)・移送ポンプ(流量調整用)・循環ポンプ(脱窒素用)および②逆洗運転(特に、生物ろ過担体の逆洗と剝離汚泥の移送)をすべて1台のブロアで稼働しているものが多い。特に上記(b)生物ろ過を採用しているものでは、毎日、1〜数回の逆洗(深夜の汚水流入のない時間帯)が行われる。
通常運転と逆洗運転を別途配管で行う場合には、ブロアに送気口を2つ付設して、タイマーによりそれぞれの配管系への送気を切り替えている。また、ばっ気管と逆洗管を特殊な構造として、通常運転・逆洗運転の配管系を1つとし、ブロアの停止・起動をタイマーで制御して、時間差により通常運転と逆洗運転を行っているものもある。
通常運転におけるばっ気・移送ポンプ・循環ポンプについては、送気量調整バルブ・オリフィス・空気逃がしバルブなどで、メーカーの維持管理要領書に沿って、各装置への適正な送気圧力と送気量の配分に設定する。その調整の際には、水位を指示されている適正な位置に設定して行う。移送・循環ポンプには、計量調整移送器付きエアリフトポンプの代わりに間欠定量ポンプ(サイホン機能)が使われることも少なくない。いずれにしても、各装置への送気量のバランスが崩れると、それぞれの適正な機能が失われるので、浄化槽の各単位装置の構造・機能を把握することと、維持管理に技術と時間を要する。汚水・汚泥の自然移流系、送気の配管系や汚水・汚泥の移送管系への異物混入や生物膜・スラム付着などによっても、正常な機能が失われるので、各単位装置の異常な水位変化や放流水質に留意し、適正な措置を取ることが求められる。

<膜分離活性汚泥型>

膜分離活性汚泥方式を適用した小型浄化槽の設置件数は少ないが、小容量化と高度処理水が得られるなど今後に期待できるものである。現状では、①膜モジュールや制御機器の価格が高い、②膜交換や電気代など維持管理費が高い、③接触ばっ気方式と大きく異なるので維持管理技術の普及などが課題である。
沈殿槽の代わりに精密ろ過膜(細孔径0.1~0.4μmのMF膜、平幕または中空糸膜)モジュールをばっ気槽に浸漬し、吸引ポンプによる減圧または水位差(槽水位とモジュール上端あるいはサイホン)の重力で処理水を得る。①流量調節装置が不要、②微生物高濃度で汚泥滞留時間が長く硝化が確実、③汚泥流出がなく極めて清浄な処理水と大腸菌や塩素耐性の強いクリプトスポリジウムの除菌などの特徴がある。

4.接触ばっ気方式による小・中型浄化槽の設計負荷と単位装置の有効容積

(1)構造例示型

これまでに接触曝気槽方式による小型浄化槽(5人槽)を中心にその構造と機能を説明したが、小(5〜10人)・中(11〜50人)型浄化槽の設計負荷と単位装置の有効容積について、概略を説明する。
構造例示型の浄化槽は、沈殿分離、嫌気ろ床、接触ばっ気および沈殿の各単位装置を組み合わせたものであるが、それぞれの基本構造は、図5(分離接触ばっ気方式)または図6(嫌気ろ床ばっ気方式)に示すものと同じである。ただし、人槽が大きくなると、各単位装置(沈殿槽を除く)を2室あるいは3室に区分し、直列に配置する。沈殿槽は大きくなるとホッパー型とする。各単位装置に容積を表4に示す。対象人員が多数になるほど、各容積算定の人員数の係数が小さくなっている。この背景には、①生活水には人数に依らず基本的に必要な用水量があり、それを共有していること、次に②人員が増えると生活スタイルに多様性が生まれ、排出する時間帯がそれぞれ異なることなどにより、時間帯による浄化槽へ流入する汚水量の変動が平滑化することである。

表4 浄化槽(50人以下)の単位装置の有効容量(単位:m3
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単位装置の有効容積は上記の値以上であること。

<沈殿槽>

沈殿槽の容積が1.5m3以上になるとホッパー型(図3(B))とし、沈降汚泥は沈殿分離槽へ、連続的または間欠的に、直接に移送・貯留する。必要有効容積は、次式のように定められている。ホッパーの傾斜部は平滑で、水平面に対して60°以上とし、底部は正方形または円形として、一辺長または直径を45cm以下(有効容積3m2程度では、30cm以下)とする。なお、図3(B)は模式的に表示したもので、特に、ホッパー部は正確な形状となっていない。越流せきは、短絡流・偏流が生じないように、沈殿槽の全周にわたって水平に設置する。

n:対象人員(人); V:有効容積(m3
n≦10  :V = 0.3 + 0.08×(n – 5)
11≦n≦50:V = 0.7 + 0.04×(n – 10)

(2)性能評価型

性能評価型の小・中型浄化槽は、前章2(2)で記載したとおり、様々な方式がある。基本的な構造と機能につては、前章で述べたので省略する。詳細については、浄化槽メーカー各社のカタログや維持管理要項などをダウンロードして見ていただきたい。

5.みなし浄化槽

平成13年以降には、みなし浄化槽(単独)の新設が禁止されたが、それ以前に設置されたみなし浄化槽が現存しており、維持管理が行われているので、ここでは簡単に説明する。
平成27年度末現在において、浄化槽の全設置基数の内、みなし浄化槽の設置基数は54%を占め、そのうち現構造基準41%、旧構造基準13%となっている。浄化槽の方式と設置基数については、「浄化槽の設置状況」のページを参照されたい(環境省の公表資料に沿って、()は()で示してある。)。下記に示す数値は、特に断らない限り、5人槽の有効容積である。

(1)浄化槽・構造基準の変遷

昭和44年(1969年)に初めて全国一律の構造基準(旧)が定められた。昭和55年(1980年)に構造基準(現)へ改正され、生物膜法(分離接触ばっ気方式)の導入と(旧)基準で処理性能が十分であった処理方式(腐敗タンク方式など)の削除が行われた。その後、みなし浄化槽の構造だけが示されていた対象人員50人以下において、昭和63年(1988年)に浄化槽(合併)の構造基準が示され、平成7年(1995年)に窒素・リン除去等の高度処理浄化槽が追加され、平成12年(2000年)にはみなし浄化槽の規定が削除された。なお、みなし浄化槽の基準はBOD除去率65%以上で、処理水BOD90mg/L以下である。

(2)腐敗タンク方式

腐敗タンク方式は旧構造基準に採用されいた方式で、一次処理装置には、①多室腐敗タンク、②二階タンク、③変形二階タンクの3種類があり、固液分離と分離した固形物の貯留と嫌気性消化機能を有している。
二次処理装置には、①散水ろ床、②平面酸化床、③単純ばっ気、④地下砂ろ過の4種類がある。このうち、②~④は性能が十分に担保されにくく、1980年の構造基準改正時に廃止され、①も2000年の現構造基準改正時に削除された。

<一次処理装置>

① 多室腐敗タンクは、上記の3(1)(A)<沈殿分離槽>と同じ構造を有しており、通常、最終室には予備ろ過装置が設けられている。
② 二階タンクは、上下2室に分け、上部が沈殿室、下部が汚泥貯留室となっている。汚水は沈殿室に流入し、固形物を沈降分離して、バッフル付き流出口から、二次処理装置へ移流する。
③ 変形二階タンクは、二階タンクと構造はほぼ同じであるが、汚水は汚泥貯留室へ流入し、沈殿室を経て、二次処理装置へ移流する構造となっている。
①~③の必要有効容量は、いずれも1.5m3以上である。

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図10 二階タンク型腐敗タンクの事例:(A)二階タンク型、(B)変形二階タンク型、(C)沈殿室

<二次処理装置>

二次処理装置では、好気性微生物により汚濁物質の除去が行われる。
① 散水ろ床型は、注水装置とろ床から構成され、ろ床の有効容量は0.75m3以上である。
② 平面酸化床型は、一次処理水をろ材を敷き詰めた水路に通水し、ろ材に付着した生物膜によって汚濁物質を除去するものである。通水する水路の総面積は2m2以上となっている。自然に汚水が流れるように水路はわずかに傾斜している。
③ 単純ばっ気型は、一次処理水を単にばっ気するだけで、汚泥等の分離を行わず、消毒して放流するものである。
④ 地下砂ろ過型は、地中に細長い溝(トレンチ)掘り、散水管を上部に、集水管を下部に配置し、ろ過層を流下する間に、懸濁物質のろ過と砂表面の生物膜により汚濁物質の除去を行うものである。ろ過水は集水管から放流される。

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図11 腐敗タンク方式のみなし浄化槽の基本フロー(旧構造基準)

(3)ばっ気方式

ばっ気方式には、①全ばっ気(浮遊型)、②分離ばっ気(浮遊型)、③分離接触ばっ気(生物膜型)の3種類があり、①~②は旧構造基準、③は現構造基準に採用されたものである。①は1980年の旧構造基準の改正時に削除され、②および③は2000年の現構造基準改正時に削除された。

① 全ばっ気方式

汚水は、直接、ばっ気室へ流入し、沈殿室で固液分離され、処理水は消毒されて放流される(合計:0.75m3以上)。現存しているものの清掃頻度は、1回/6月以上となっている。

② 分離ばっ気方式

沈殿分離タンク(0.60m3以上)とばっ気室・沈殿室・消毒室(合計:0.46m3以上)から構成される。

③ 分離接触ばっ気方式

1980年の旧構造基準の改正時に採用された接触ばっ気法で、前述した現在の小・中型浄化槽の接触ばっ気方式の原型となったものである。
沈殿分離室(0.75m3以上)は、②の分離タンクよりも大きくなり、接触ばっ気室(0.25m3以上)、沈殿室と消毒室(計:0.15m3以上)となっている。

表5 みなし浄化槽(5人槽)の単位装置の有効容量
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単位装置の有効容積は上記の値以上であること。

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図11 みなし浄化槽の構造事例
(A)分離ばっ気方式、(B)全ばっ気方式、(C)多室型腐敗タンク-平面酸化床型方式(消毒室省略)
(A)&(B)S1:沈殿分離室、A:ばっ気室、S:沈殿室、(C)S1~S3:多室型腐敗タンク、F:予備ろ過装置、PA:平面酸化床、V:臭突


掲載日:2017年09月13日
更新日:2017年12月07日

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