JP2005111351A - 窒素含有有機性廃液の処理方法及び処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 反応時間が短縮でき、省スペース化が可能であり、微生物の増殖速度や活性に左右されず、安定な処理が可能であるとともに、ＢＯＤ除去と窒素除去が別々に制御可能で、効率的な窒素含有有機性廃液の処理方法及びその装置を提供する。
【解決手段】 生物処理と電気化学的処理により、ＢＯＤ／窒素比が３未満である窒素含有有機性廃液を処理することを特徴とする窒素含有有機性廃液の処理方法。及びその装置。電気化学的処理の前段に凝集沈殿処理又は／及び磁気分離などの固液分離処理を行うこと、及び生物処理が微生物を保持させた担体を利用した流動床法、ＳＳ除去機能を有する固定床法もしくは膜分離活性汚泥法であることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、し尿、下水あるいは産業廃水、嫌気性消化液、嫌気性消化液の脱離液や嫌気性生物処理水等の窒素含有有機性廃液を浄化する処理方法及び処理装置に関する。

一般的な窒素含有有機性廃液（以下「原水」ともいう）の処理方法としては、生物学的硝化脱窒法が広く用いられている。生物学的硝化脱窒法は、アンモニア性窒素を硝化菌により硝酸性窒素まで酸化する硝化槽と、脱窒菌を利用して、硝酸性窒素を窒素ガスとする脱窒槽から成り、後段の硝化槽から前段の脱窒槽に硝化液を循環する循環ラインを設けた循環式が代表的である。近年では、処理の効率化のために、各槽に担体を投入したり、菌体を高濃度に保持させて固液分離を膜分離で行う方法が採用されている。

生物学的硝化脱窒法では、有機物が除去された後に硝化が進行するため反応時間が長い、硝化菌の増殖速度が遅いため汚泥滞留時間が長い、冬季に微生物活性が低下して処理が悪化する、負荷変動に弱い、ＢＯＤが低い場合メタノール等の添加が必要等の問題がある。これらの問題の一部は、担体や膜分離を採用することによりある程度改良されるものの、膜の目詰まり等の問題もあり、解決には至っていない。
また、近年では、電気化学的手法も開発されてきているが、投入エネルギーが多い、塩化物イオンの添加が必要、生物処理水や二次処理水を対象に処理しないと効率的な処理ができない等の間題があり、実用化には至っていない。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、反応時間が短縮でき、省スペース化が可能であり、微生物の増殖速度や活性に左右されず、安定な処理が可能であるとともに、ＢＯＤ除去と窒素除去が別々に制御可能で、効率的な窒素含有有機性廃液の処理方法及びその装置を提供することを目的とする。

本発明は、下記の手段により上記の課題を解決することができた。
（１）生物処理と電気化学的処理により、ＢＯＤ／窒素比が３未満である窒素含有有機性廃液を処理することを特徴とする窒素含有有機性廃液の処理方法。
（２）電気化学的処理の前段に凝集沈殿処理及び／又は磁気分離などの固液分離処理を行うことを特徴とする前記（１）記載の窒素含有有機性廃液の処理方法。
（３）生物処理が微生物を保持させた担体を利用した流動床法、ＳＳ除去機能を有する固定床法もしくは膜分離活性汚泥法であることを特徴とする前記（１）記載の窒素含有有機性廃液の処理方法。

（４）ＢＯＤ／窒素比が３未満である窒素含有有機性廃液を処理する装置であって、電気化学的処理装置を生物処理装置の後段又は前段に配置したことを特徴とする窒素含有有機性廃液の処理装置。
（５）生物的処理装置が、嫌気槽と、好気性生物処理された窒素含有有機性廃液の一部を前記嫌気槽に循環し、残部を沈殿槽へ供給する好気槽とから構成されることを特徴とする前記（４）記載の窒素含有有機性廃液の処理装置。

窒素含有有機性廃液の処理に関して、ＢＯＤの電気化学的処理に関しては、下記のように説明することができる。
ＢＯＤは、水中の溶存酸素によって影響する有機物の量を間接的に示す尺度となり、河川、下水、工場廃水などの汚濁濃度を示すのに用いられる。
ところで、有機物の処理法は、アルカリで分解したのち、次亜塩酸ソーダでｐＨ調整し、吸着剤を加えて分離する方法が知られている。
すなわち、本発明に係る電気化学的処理装置のカソード近傍は、アルカリ性となり、このアルカリの作用により残存する少量のＢＯＤ成分が分解され、窒素化合物のアノードにおける処理とともに効率的な廃液処理が行われるのである。

生物処理と電気化学的処理により、ＢＯＤ／窒素比が３未満である窒素含有有機性廃液を処理することを特徴とする本発明の処理方法及び処理装置により、以下の効果が得られる。
（１）反応時間が短縮でき、省スペースが可能（従来型の２／３以下）。
（２）微生物の増殖速度や活性に左右されず、冬季でも能力低下することがないため、メンテナンスが容易、安定な処理が可能。
（３）硝化に大容量のブロアを必要とせず、騒音対策を要しない。
（４）従来型（循環式硝化脱窒法）では、ＢＯＤ除去と窒素除去を別々に制御することが難しく、下水放流対応型の中間処理には適さなかったが、本発明の方法ではＢＯＤ除去と窒素除去を別々に制御可能なため効率的である。

本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明において処理される窒素含有有機性廃液は、ＢＯＤ／窒素比が３未満である窒素含有有機性廃液ならば特に限定されるものではないが、主たる処理対象廃液は、し尿、下水あるいは産業廃水、嫌気性消化液、嫌気性消化液の脱離液や嫌気性生物処理水等の廃液である。特に産業廃水、し尿及び浄化槽汚泥を処理するし尿処理分野、汚泥や生ごみ等の有機性固形物及び高濃度有機性廃液を処理する嫌気性消化液やその脱離液、嫌気性生物処理水が望ましい。原水のＢＯＤ／窒素比が３以上であると、ＢＯＤ源（有機物−例えばメタノール）の添加なしで生物化学的硝化脱窒法が可能であるが、ＢＯＤ／窒素比が３未満であると原水由来のＢＯＤ以外に別途ＢＯＤ源の添加が必要となるため、電気化学的手法を用いた方が優位となる。ＢＯＤ／窒素比が低い場合については、下限は特にないが、実際の廃液では窒素に比してＢＯＤの量が著しく低いような液はあまり存在せず、逆の意味で、窒素が高いためにＢＯＤ／窒素比が低くなる場合がある。

原水の窒素濃度は特に限定されるものではないが、１００ｍｇ／リットル以上が好ましく、さらに２００ｍｇ／リットル以上が望ましい。窒素濃度が１００ｍｇ／リットル未満の場合、投入エネルギー当たりの窒素除去量が少なく、生物学的硝化脱窒法が有利となることもある。原水の窒素濃度が１００ｍｇ／リットル以上、望ましくは２００ｍｇ／リットル以上となると、投入エネルギー当たりの窒素除去量が多く、電気化学的処理が有効である。また、生物学的硝化脱窒法では、有機物が完全に除去されないと硝化反応が進行しないため脱窒ができないが、電気化学的処理による窒素除去の場合は、酢酸等の有機物成分が残留していても窒素除去が可能であり、効率的である。

窒素成分のより一層効果的な除去のためには、塩素イオンの共存が望ましい。これは、前記廃液、特に廃水類は導電性が低いために電流が流れにくく、そのために電気化学的処理が進行しがたいが、塩素イオンが共存すると、廃液の導電性が向上する。そして、原水の塩化物イオン濃度も特に限定されるものではないが、処理を効率的にし、消費電力量を抑えるためには１００ｍｇ／リットル以上が好ましく、さらに２００ｍｇ／リットル以上が望ましい。原水の塩化物イオン濃度が高い方が、投入エネルギー当たりの窒素除去量が多く、電気化学的処理が有効である。このため、塩化物イオン濃度が低い場合には、塩化ナトリウムや塩化カリウム、塩化カルシウム等の塩化物、海水等の高濃度に塩化物イオンを含有する水を添加しても構わない。

本発明の方法は、生物処理と電気化学的処理からなる処理装置を用いる方法であり、前段が、電気化学的処理であっても生物処理であっても構わない。特開２００３−７１４５４号公報に開示の処理装置では、生物処理水を対象に電気化学的処理が行われているが、本発明の方法においては、前段が電気化学的処理で、後段で生物処理を行っても構わない。前段に生物処理を設けた場合は、生物処理でＢＯＤを除去すると同時に菌体合成時に原水中の窒素の一部が除去可能である。後段に生物処理を設けた場合は、電気化学的処理で生成した副生成物を生物処理で除去可能である。
本発明の特徴は、ＢＯＤ除去を生物処理、窒素除去を電気化学的処理と役割を明確にしたところにあり、生物処理単独で、ＢＯＤ、窒素を同時除去したり、電気化学的処理単独でＢＯＤ、窒素を同時除去するよりも効率的で、制御しやすい特徴を持っている。そのため、ＢＯＤと窒素除去を別々に制御できます。

図１は、窒素含有有機廃水１を前段に設けた生物処理槽２に通し、必要により固液分離３をし、後段に設けた電気化学的処理槽４に通して処理水５を得るフローシートを示したものであり、図２は、前段に電気化学的処理槽４が設けられ、後段に生物処理槽２が設けられている。図３は、生物処理槽２の後に通常の沈殿槽６を設け、沈殿汚泥を返送汚泥７として生物処理槽２に返送する場合のフローシートを示している。

生物処理は、ＢＯＤを除去できるものであれば如何なる処理でもよく、好気性処理でも、嫌気性処理でも、さらに両方を組み合わせたものでも構わない。図４は、その生物処理として嫌気性処理槽２１と好気性処理槽２２とを組み合わせた場合のフローシートを示し、この場合循環液８を流すようにする。また、高負荷でＢＯＤだけ処理しても良いし、生物学的硝化脱窒法により原水中に含まれるＢＯＤ源で脱窒できるだけのＮを除去しても良い。また、生物処理の方式はどのような方式でもよく、浮遊微生物でも、担体に保持させた微生物でも、包括固定した微生物でも、自己造粒した微生物でも、これらいくつかを組み合わせたものを利用したものでもよい。また、固定床でも流動床でも良い。特に、微生物を保持させた担体を利用した流動床法は、低ＢＯＤの廃水を処理する場合や高ＢＯＤ廃水を下水道放流まで処理する場合に適している。また、固定床法や膜分離活性汚泥法で処理を行うと、ＢＯＤ除去と同時に固液分離（ＳＳ除去）ができるため処理水水質の向上が期待できる。浮遊微生物を利用する場合には、微生物濃度を高くするために、膜分離方式を採用したり、後段に沈殿池等の固液分離装置を設置し、分離した汚泥を返送してもよい。また、電気化学的処理の前段に生物処理を設けた場合には、生物処理をＳＳ除去機能を有する固定床法もしくは膜分離法とすることで、後段の電気化学的処理での効率を上げることも可能である。
なお、図５は、比較のために従来行なわれている有機性廃水の硝化脱窒法を示したものであって、生物処理として、生物学的脱窒槽２３と生物学的硝化槽２４とを組み合わせた場合のフローシートを示し、この場合硝化液を循環液９として流すようにしているが、ＢＯＤ／窒素比が３未満である場合、生物学的脱窒槽２３にＢＯＤ源としてメタノールを添加することが必要である。

電気化学的処理の前段に、単純沈殿、凝集沈殿、磁気分離、ろ過装置、膜分離などの固液分離装置を設置することで、電気化学的処理での反応をさらに効率化させることも出来る。特に凝集沈殿又は／及び磁気分離では、鉄系凝集剤の添加又は鉄電解装置を設置し、水酸化鉄を供給することにより、より効果的な処理が可能となる。
磁気分離装置は高勾配型を使用すると、高度な処理が可能であり、後段の電気化学的処理が効率化できる。

電気化学的処理は、電気化学的に窒素を除去できる処理手段であれば如何なる手段でもよい。一般的には、水槽内におかれた陽極と陰極の間に電圧をかけ、電流を流すことにより、電気化学的酸化が行われる。この時、陽極と陰極の間に隔膜を設置しても、設置しなくてもよい。電極種類、電圧、電流については処理対象によって適宜決めるものであってよい。陽極の一例として、酸化鉛や酸化チタン、酸化スズ、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化バナジウムに代表される金属酸化物の一つ以上をチタン等の金属にコーチングしたもの、白金、ダイアモンド電極等が挙げられる。陰極としては、耐久性があるものであればチタン、ステンレス、鉄、銅合金等如何なるものでもよいが、特に、還元反応に有効な電極が望ましい。

電気化学的処理の条件は、一般的には陽極と陰極の間隔が数〜数十ｍｍで、数〜数十Ｖとし、電流密度が数〜数百ｍＡ／ｃｍ^２の範囲は好適である。いずれにしても、廃液の導電性が低いため、低電流しか流すことができず、高い電圧をかけて陽極に酸素ガスが発生し、また陰極に水素ガスが発生するような状況にすると、爆鳴気ガスとなって爆発する危険があるので避けなければならない。爆発を避けるとともに反応を効率化したり、電極間隔を極限まで狭くするために、陽極と陰極の間に膜を設置することもある。

また、循環式硝化脱窒法や特開２００３−７１４５４号公報に開示の装置では、ＢＯＤ除去と窒素除去を別々に制御することが難しく、下水道放流対応等の中間処理には適さなかったが、本発明の方法及び装置では、ＢＯＤ除去と窒素除去が別々に制御可能であり、下水道放流対応等の中間処理に利用することもできる。特に、し尿や浄化槽汚泥等を処理するし尿処理分野の一次処理水（脱水ろ液）に、本発明の方法を適用して下水放流可能な水質まで処理することは効果的である。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。

実施例１、２及び比較例１
実施例と比較例の実験条件を第１表に示す。実施例１及び２において用いた電気化学処理槽は、陽極が酸化イリジウム系の電極、陰極が鉄電極であり、電極間電圧１０Ｖ，通電電流密度２０ｍＡ／ｃｍ^２であった。また、それぞれの処理フローを図１、４及び５に示す。実施例１と比較例１に用いた担体は径が１０ｍｍであるポリウレタン製スポンジであり、液容積の３０％を投入した。
実験結果を第２表に示す。

本発明の一例である実施例１では、従来法である比較例１と処理水質は同等以上で、装置容積を１／４以下まで小さくすることが可能で、ランニングコストを１０％削減可能であった。また、実施例２では、比較例１と処理水質は同等以上で、装置容積を２／３以下まで小さくすることが可能で、ランニングコストを２５％削減可能であった。また、本発明の処理装置は、中間処理として適用可能である。
ＢＯＤ／Ｎ比と処理コストの関係を図６に示す。
下水道放流対応型の処理をした場合の処理コストを図７に示す。

本発明の窒素含有有機性廃液の処理方法及び処理装置は、し尿、下水、産業廃水を始め、生簀や水族館などの魚類を生息させる水槽、プールや浴場における被処理水の浄化及び井戸水や地下水の浄化などにも適用できる。

本発明の窒素含有有機性廃液の処理装置の処理システムの一例を模式的に示す図である。 本発明の廃液処理装置の処理システムの別の例の模式的説明図である。 本発明の廃液処理装置の処理システムの更に別の例の模式的説明図である。 本発明の廃液処理装置の一部生物処理で脱窒を行う処理システムの模式的説明図である。 従来の生物処理で一部脱窒を行う循環式消化脱窒法の処理システムの模式的説明図である。 ＢＯＤ／Ｎ比と処理コストの関係を示す線グラフである。 下水道放流対応型の処理をした場合の処理コストの比較を示す棒グラフである。

符号の説明

１ 窒素含有有機性廃液
２ 生物処理槽
３ 固液分離
４ 電気化学的処理槽
５ 処理水
６ 沈殿槽
７ 返送汚泥
８、９ 循環液
１０ メタノール添加
１６ 沈殿池
２１ 嫌気槽
２２ 好気槽
２３ 生物学的脱窒槽
２４ 生物学的硝化槽

Claims (5)

1. 生物処理と電気化学的処理により、ＢＯＤ／窒素比が３未満である窒素含有有機性廃液を処理することを特徴とする窒素含有有機性廃液の処理方法。
2. 電気化学的処理の前段に凝集沈殿処理及び／又は磁気分離などの固液分離処理を行うことを特徴とする請求項１記載の窒素含有有機性廃液の処理方法。
3. 生物処理が微生物を保持させた担体を利用した流動床法、ＳＳ除去機能を有する固定床法もしくは膜分離活性汚泥法であることを特徴とする請求項１記載の窒素含有有機性廃液の処理方法。
4. ＢＯＤ／窒素比が３未満である窒素含有有機性廃液を処理する装置であって、電気化学的処理装置を生物処理装置の後段又は前段に配置したことを特徴とする窒素含有有機性廃液の処理装置。
5. 生物的処理装置が、嫌気槽と、好気性生物処理された窒素含有有機性廃液の一部を前記嫌気槽に循環し、残部を沈殿槽へ供給する好気槽とから構成されることを特徴とする請求項４記載の窒素含有有機性廃液の処理装置。