バーミフィルター

ミミズ濾過器（ミミズ消化器またはランブリ濾過器とも呼ばれる）は、好気性処理システムであり、廃水から有機物を濾過する媒体を含む生物学的反応器で構成されています。この媒体は、病原体と酸素要求量を除去して廃水を浄化する好気性細菌と堆肥化ミミズの生息地も提供します。廃水が媒体を通過する「滴下作用」により、酸素が廃水に溶解し、処理環境が好気性になり、有機物が急速に分解されることが保証されます。

ミミズフィルターは、下水処理や農業・産業廃水処理に最も一般的に使用されています。^{[1]ミミズフィルターは、}オンサイトシステムのブラックウォーターとグレーウォーター、および大規模な集中システムでの都市廃水を含む、下水の一次、二次、三次処理に使用できます。

ミミズフィルターは、廃水を安全に環境に排出する前に処理が必要な場合に使用されます。処理された排水は、表面または地下の浸出場に廃棄されます。固形物（糞便やトイレットペーパーなど）は保持され、バクテリアとミミズによって脱水され、腐植に分解されて濾過媒体に統合されます。液体は濾過媒体を通過し、付着した好気性微生物が病原体やその他の有機化合物を生分解し、処理済み廃水になります。

ミミズ濾過は低コストの好気性廃水処理オプションです。^[2]曝気にはエネルギーが必要ないため、ミミズ濾過は「受動処理」システムと見なすことができます（重力流が不可能な場合はポンプが必要になる場合があります）。もう 1 つの利点は、必要なスペースが少ないため、処理効率が高いことです。

ミミズ濾過プロセスを説明するために使用される別の用語には、好気性バイオ消化装置、ミミズによる生物学的濾過装置、または湿式ミミズコンポスト化などがあります。処理システムは、ミミズ消化装置やミミズ散水濾過装置などの用語を使用して説明される場合があります。

この種の衛生システムが、水洗トイレまたは注水式トイレからの排泄物と水の混合物（ブラックウォーターと呼ばれる）のみを処理するために使用される場合、ミミズフィルタートイレのように、プロセスの名前に「トイレ」という用語が追加されます。

ミミズ濾過は、1992年にチリ大学の研究者によって、農村地域の分散型下水処理に適した低コストで持続可能な技術として初めて提唱されました。^[3]ミミズ濾過は、従来の分散型廃水処理システムと同様の処理性能を提供しますが、潜在的により高い水力処理能力を備えています。^[3]

ミミズ濾過器は、廃水処理バイオフィルターまたは散水濾過器の一種ですが、処理効率を改善するためにミミズが追加されています。 ^[4]ミミズ濾過器は、好気性環境と湿った基質を提供し、バイオフィルムとしての微生物の成長を促進します。微生物は、廃水中の有機物を生化学的に分解します。ミミズは、直接的または間接的に微生物を食べることによって、微生物のバイオマスと活動を制御します。^[5]堆肥化するミミズによって消費されたバイオフィルムと有機物は、生物学的に不活性な糞（腐植）に消化されます。^[6]ミミズの糞は培地基質に組み込まれ、その体積を徐々に増加させます。これが蓄積すると、取り除いて土壌の肥沃度と構造を改善するための改良剤として土壌に施すことができます。

存在する微生物には従属栄養性と独立栄養性があります。従属栄養性微生物は炭素の酸化（分解）に重要であり、独立栄養性微生物は硝化に重要です。

酸化反応、生分解、酵素作用による微生物刺激の結果、ミミズ濾過器内では有機物の分解と病原体の破壊が起こる。都市下水をミミズ濾過器で処理した研究では、生化学的酸素要求量（BOD5 _）の除去率は90％、化学的酸素要求量（COD）は85％、全浮遊物質（TSS）は98％、アンモニア性窒素は75％で、糞便性大腸菌は作物への安全な再利用に関する世界保健機関のガイドラインを満たすレベルまで除去された。^[7]

ミミズフィルターは、汚水および中水の一次、二次、三次処理に使用できます。

ミミズフィルターは、家庭汚水の好気性一次処理に使用できます。^[8]未処理の汚水は、フィルター媒体のベッドの上にある換気された囲いに入ります。固形物はフィルターベッドの表面に蓄積され、液体はフィルター媒体を通って排出され、リアクターから排出されます。固形物（排泄物とトイレットペーパー）は好気性細菌と堆肥化ミミズによって好気的に消化され、糞（腐植）となり、有機物の量が大幅に減少します。

一次処理用ミミズ濾過リアクターは、未処理下水に含まれる固形物を消化するように設計されています。ツインチャンバー並列リアクターは、病原菌レベルを低減しながら衛生的に腐植土を除去するために、一方を休止させ、他方を稼働させることができるという利点があります。

ミミズは活発に固形有機物を消化します。時間が経つにつれて、安定したミミズ群によって消化される量が固形廃棄物の投入量と等しくなる平衡に達します。季節や環境要因 (温度など) および変動する流入量により、固形廃棄物が山のように積み重なることがあります。この「湿った」堆肥の山の中心からは酸素が排除されますが、ミミズは外側から内側に向​​かって働き、栄養所要量を満たすために必要に応じて空気を山の中に取り入れます。この食料資源の緩衝材により、山が積み重なるスペースが与えられていれば、一次処理のミミズフィルターは一定の弾力性と信頼性を確保できます。湿った環境がミミズによる固形廃棄物の消化を促進するという証拠がいくつかあります。^[9]ミミズの糞の腐植土の量はゆっくりとしか増加せず、一次処理リアクターから時々取り除く必要があります。

湿式混合汚水の一次処理には、食品固形物、グリース、その他の生分解性廃棄物を含む中水も含まれます。固形物は安定した腐植土（ミミズの糞）に還元され、体積は最大10分の1にまで減少します。^[1]

このプロセスでは、固形有機物質のほとんどが排水から除去された一次処理された汚水が生成される。液体排水は消化槽に入るとすぐに排出されるため、濾過段階を通過する廃水によって消費される溶存酸素はほとんどない。しかし、残留固形物をミミズが消化するため、フィルターを通過する廃水の流れに酸素需要が浸出する。^[10]この酸素需要は、二次処理ミミズ濾過リアクターで除去できる。^[10]一次処理ミミズ濾過器は、浄化槽と同レベルの液体排水処理を提供するが、^[11]固形物の消化は好気性環境でミミズによって急速に行われるため、処理時間は短くなる。^[9]

液体の排出物は排水場へ直接排出されるか、二次処理されてから農業用土壌の表面灌漑または地下灌漑に使用されます。

二次および三次処理のミミズ濾過器は、単一のタワー内の一次ミミズ濾過器の下に設置できますが、通常は単一のリアクターであり、複数のリアクターを連続したミミズ濾過器として直列に連結できます。リアクター内の排水は、ミミズ濾過器内に存在する各材料の水力伝導率と浸透性に応じて詰められたフィルター メディアによって行われます。フィルター パッキングは、排出廃水中の固体粒子を保持し、水力保持時間を延長し、堆肥化ミミズの個体群を維持するのに適した生息地も提供します。この個体群は、フィルター メディア内の適切な水分レベルだけでなく、適切な排水レベルと酸素レベルも必要とします。

スプリンクラーまたはドリッパーは、二次処理および三次処理のミミズ濾過リアクターで使用できます (画像を参照)。

水力学的要因（水力学的滞留時間、水力学的負荷率、有機物負荷率）と生物学的要因（ミミズの数、バイオフィルムのレベル）が処理効率に影響を与える可能性があります。

ミミズフィルターは、害虫の侵入を防ぐ耐久性のある材料（通常はプラスチックまたはコンクリート）で作られた密閉型リアクターです。換気は、ミミズと微生物のための好気性環境を確保し、同時に不要なハエの侵入を防ぐのに十分なものでなければなりません。リアクター内の温度は、使用する堆肥用ミミズの種類に適した範囲内に維持する必要があります。^[10]

流入水はフィルターメディアの上から入ります。フルフラッシュトイレはリアクターの側面に流入点を設けることができますが、マイクロフラッシュトイレは下水管を通して固形物を運ぶのに十分な水を提供しないため、通常はリア​​クターの真上に設置されます。一次処理リアクターの場合、堆積物の成長のために十分な垂直スペースを確保する必要があります。これは流入水に含まれる固形物の量と、トイレットペーパーなどの分解が遅い物質の存在に依存します。二次および三次処理リアクターでは、スプリンクラーまたはトリクラを使用して流入廃水をフィルターメディア全体に均等に分配し、フィルターメディアの処理効率を向上させることができます。

ミミズフィルターリアクター内の排水は、フィルターメディアによって行われます。フィルターメディアには、固形有機物を保持するという 2 つの目的があり、同時に、堆肥を作るミミズの個体群を維持するのに適した生息地も提供します。この個体群は、メディア内の適切な水分レベル、良好な排水性、好気性条件を必要とします。

ミミズ濾過リアクターは、有機媒体のみを詰めた単一セクション、またはミミズの生息地となる有機上層、無機上層である砂、下層である砂利からなる最大 3 つのフィルター セクションから構成されます。フィルターは、粗い砂利、岩、または透水性プラスチック排水コイルのサンプまたは排水層の上に設置され、処理された排水はそこから排出され、リアクターの上部に再循環されます。あるいは、フィルター メディアはバスケットに入れてサンプの上に吊り下げることもできます。排水層の上にフィルター メディアを保持するために、合成 ジオテキスタイルクロスが使用されることもあります。好気性を保つには、十分な換気と、液体排水を排出する出口が必要です。

一般的なフィルター充填材としては、有機層用のおがくず、^{[12] [13] 、} 木片、ココヤシ繊維、樹皮、泥炭、わらなどがあります。無機層には、砂利、石英 砂、丸石、軽石、泥団子、ガラス玉、セラミサイト、木炭が一般的に使用されています。これらのフィルター材料の表面積と多孔度は、処理性能に影響します。^[14]粒度分布が小さく表面積が大きい材料は、ミミズフィルターの性能を向上させる可能性がありますが、排水を妨げる可能性があります。

ミミズ濾過装置は、設計要件（一次処理、二次処理、三次処理）に応じて廃水を処理するための単一の塔システム、または別々の段階のリアクター（重力またはポンプ操作）として構築できます。段階を増やすと^{[15] [16]、}アンモニウムの硝化とCODの除去に適した好気性条件が蓄積されるため、処理の程度を高めることができます。

ミミズ濾過器の設計パラメータには、ミミズの飼育密度^[17]（ただし、時間の経過とともにミミズの個体数は自己調整する傾向がある）、濾過材の組成、^[18]水力負荷率、^[19] 水力保持時間^{[13] [20]}および有機負荷率が含まれる。水力保持時間と水力負荷率はどちらも排水の質に影響する。水力保持時間は、廃水が濾過材と接触している実際の時間であり、ミミズ濾過器の深さ（ミミズの糞の蓄積により時間の経過とともに増加する可能性がある）、リアクターの容量、および使用される材料の種類（多孔性）に関連している。水力保持時間によって、廃水流入速度（1時間あたりの流入量としての水力負荷）が決まる。

原則として、好気性環境であれば、廃水がフィルター内に長く留まるほど、BOD ₅および COD の除去効率は高くなりますが、水圧負荷が犠牲になります。廃水は、汚染物質の吸着、変換、および削減を可能にするために、バイオフィルムとの十分な接触時間が必要です。^[21]水圧負荷率は、ミミズ濾過器が一定時間内に合理的に処理できる廃水の量で構成される重要な設計パラメータです。特定のシステムでは、水圧負荷率が高くなると水圧保持時間が減少し、したがって処理レベルが低下します。水圧負荷率は、フィルターパッキングの構造、排水品質、かさ密度、および排水適用方法などのパラメータによって異なります。^[22]ミミズ濾過システムでの一般的な水圧保持時間の値は、1〜3時間の範囲です。^[23]水力負荷率は一般的に0.2 m ³  m ⁻²  day ⁻¹、^[24] 3.0 m ³  m ⁻²  day ^{−1 [25]}または10～20 g L ⁻¹の間で変動します。^[26]有機負荷率は単位面積あたり単位時間あたりの可溶性および粒子状有機物（BOD ₅として）の量として定義されます。^{[22] [27]}

処理効率は、ミミズの健康、成熟度、個体数によって左右されます。個体数は、ミミズ濾過システムの効率的な運用のための基本的なパラメータです。^{[28]文献では、通常、グラム数またはフィルター充填量あたりの個体数、またはフィルター充填量の表面積で、さまざまな値が報告されています。一般的な密度は、フィルター充填材の10 g L −1}から40 g L ⁻¹の範囲です。^{[29] [30]}

ミミズが多ければ、処理効率、特にBOD ₅、TSS、NH ₄ ^{+の除去効率が向上します。これは、ミミズがろ過媒体に有機物を放出し、窒素の鉱化を促進するためです。ミミズの糞には、BOD} _5の除去を高める物質が含まれている可能性があります。^[31]

ミミズフィルターは機械的および手動のメンテナンスの必要性が低く、重力で作動するためエネルギー入力も不要です。排水品質の向上のために再循環が必要な場合は、ポンプが必要になります。

有機物は分解して量が減るので、時々補充が必要になる場合があります。ミミズの糞の量はゆっくりとしか増えないので、時々ミミズ堆肥をミミズフィルターから取り除く必要があります。

固形物は有機フィルター媒体 (またはフィルターパッキング) の表面に蓄積します。液体部分は媒体を通ってサンプまたはイコライザーに排出され、リアクターから排出されるか、さらに処理するために上部に再循環されます。廃水は、直接散布するか、スプリンクラー、ドリッパー、またはトリクラによってフィルター材料の表面に排出されます。

• 容易に入手可能な材料から一次および二次家庭用ミミズフィルターを構築する^[2]
• 家庭用の注ぎ口式水洗トイレは、一次ミミズ濾過と排水の直接浸透を組み合わせたもので、「タイガートイレ」と呼ばれ、ベアバレーベンチャーズとプリモーブインフラ開発コンサルタントによってインドの田舎でテストされた。汲み取り式トイレとは異なり、1年間にわたって糞便がほとんど蓄積されないことがわかった。排水中の糞便性大腸菌は99％減少した。主に臭いがないことによるユーザー満足度は高い。^{[9] [32]}このシステムは現在インドで商業的に販売されており、2017年5月までに2000台以上のトイレと処理システムが販売され、設置された。^[33]
• 「タイガーワームトイレ」は、オックスファムによって、リベリアなどのアフリカの難民キャンプ、スラム街、都市周辺地域での衛生対策としても推進されている。^[34]
• 低水量で土壌下層に直接浸透するミミズフィルタートイレシステムは、ガーナ持続可能援助プロジェクト（GSAP）によって、米国のプロビデンス大学とガーナ大学の支援を受けてガーナやその他のアフリカ諸国で販売されている。^[要出典]
• Biofilcom はガーナで活動している会社で、「Biofil Digester」という名前でこのプロセスを販売しています。^{[引用が必要]}
• オーストラリアとニュージーランドには、家庭用中水および/または汚水処理用のミミズフィルター システムを提供するサプライヤーが多数あり、一次処理された排水は地下浸出場に廃棄されます。例としては、Wormfarm、Zenplumb、Naturalflow、SWWSNZ、Autoflow などがあります。^{[引用が必要]}
• ミミズフィルタートイレ

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• Innoqua プロジェクトは、ミミズフィルターとミジンコ、微細藻類、その他の生物を使用したフィルターを組み合わせて廃水を処理します。ミミズフィルターの概要は次のとおりです。