JP2005144308A - 亜硝酸型硝化担体の製造方法及び廃水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストが安価であり、製造も簡単な付着固定型あるいは硝化グラニュール担体型の担体で、しかも亜硝酸型の硝化を行うことができる亜硝酸型硝化担体の製造方法及び廃水処理方法を提供する。
【解決手段】廃水処理を始めて１〜１０日の間では硝酸が大量に生成された。これは、供試した担体は加熱処理されていないため、担体のアンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌による硝化が行われていたからである。そこで、１１日目に担体を取り出して、６０°Ｃ、６０分加熱処理した後に、返送して廃水処理を継続した。その結果、２５日目からアンモニア性窒素の硝化が始まり、３６日目から亜硝酸型の硝化が行われるようになった。その後、約６０日間亜硝酸型の硝化性能を維持することができた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、亜硝酸型硝化担体の製造方法及び廃水処理方法に係り、特に担体材料に硝化細菌を付着させた付着固定化担体、又は硝化細菌の自己造粒力により形成された硝化グラニュール担体から亜硝酸型の担体を製造する亜硝酸型硝化担体の製造方法、及びその製造方法で製造された亜硝酸型硝化担体を使用した廃水処理方法に関する。

廃水や下水を微生物で処理する生物学的処理方法は、比較的低コストであることから多くの処理場で採用されている。しかし、微生物の種類によっては、増殖速度が遅いものや、被毒し易いもの、又はその環境下において増殖し難いものがある。特に、アンモニア性窒素を含有する廃水の処理を行う際に用いられる硝化細菌は増殖速度が遅いという問題があった。そこで、硝化細菌等の増殖し難い特定の微生物を固定化して処理を行う方法がすでに実用化されている。

微生物を固定化する方法としては、例えば特許文献１のように、微生物をゲルの内部に固定化する包括固定化担体が用いられる。固定化する微生物としては、硝化菌が生息している活性汚泥や、湖沼や河川や海の底泥、地表の土壌等を微生物供給源とし、特に工場廃水や下水処理場の活性汚泥が使用される。また、特許文献２のように、微生物を担体材料の表面に付着させて固定化する付着固定化担体も用いられており、担体材料を活性汚泥処理内に投入して、自然に表面に付着させたものが使用される。さらに、特許文献３のように、硝化菌等粘性を有する微生物では微生物自体の自己造粒力によりグラニュールが形成できるので、そのグラニュールを担体として廃水処理に利用する例もある。
特開平１１−３３５７８号公報 特開平８−２６７０８１号公報 特開２００３−２６６０９５号公報

ところで、従来の付着固定化担体や硝化グラニュール担体等ではアンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌が混在しているため、アンモニア性窒素を処理する際に、亜硝酸から硝酸への反応を経由してしまう。このため、メタノール等の薬品添加を必要とされる上、脱窒速度が低下するという問題があった。このことから、本願出願人は、特開２００３−２１１１７７号公報においてアンモニア性窒素を亜硝酸までで停止する亜硝酸型の包括固定化担体を提案した。

しかし、包括固定担体は、活性汚泥等の微生物供給源を重合反応によってモノマ又はプレポリマに包括固定しなくてはならないので、製造設備を必要とするとともに製造コストが高くなる。

従って、担体材料を活性汚泥処理内に投入するだけで簡単に製造することのできる付着固定型あるいは硝化グラニュール担体型で亜硝酸型の亜硝酸型硝化担体が製造できれば、その利用価値は大きい。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、製造コストが安価であり、製造も簡単な付着固定型あるいは硝化グラニュール担体型の担体で、しかも亜硝酸型の硝化を行うことができる亜硝酸型硝化担体の製造方法及び廃水処理方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１は前記目的を達成するために、アンモニア性窒素を亜硝酸に酸化するアンモニア酸化細菌を優先的に集積させた亜硝酸型硝化担体の製造方法において、少なくともアンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌を含む硝化性能を有する複合微生物系の汚泥を担体材料に付着させて形成される付着固定化担体、又は前記複合微生物系の汚泥の自己造粒力により形成される硝化グラニュール担体を、４０〜１００°Ｃの範囲で加熱処理することを特徴とする。

ここで、少なくともアンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌を含む硝化性能を有する複合微生物系の汚泥の具体例としては、下水や工場廃水を処理する処理場の活性汚泥、湖沼や河川や海の底泥、地表の土壌等がある。

請求項１によれば、亜硝酸型硝化担体の製造において、少なくともアンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌を含む硝化性能を有する複合微生物系の汚泥を担体材料に付着させて形成される付着固定化担体、又は前記複合微生物系の汚泥の自己造粒力により形成される硝化グラニュール担体を、４０〜１００°Ｃの範囲で加熱処理するようにした。これにより、亜硝酸酸化細菌を殺菌してアンモニア酸化細菌を優先的に集積させることができる。したがって、加熱処理するだけで亜硝酸型の硝化を行う付着固定化担体又は硝化グラニュール担体を簡単に製造できるので、担体の製造にかかる手間やコストを低減できる。

本発明の請求項２は請求項１において、前記加熱処理は５０〜９０°の範囲とすることを特徴とする。加熱処理の温度を５０°Ｃ以上にすることで亜硝酸酸化細菌の殺菌を促進でき、９０°Ｃ以下にすることでアンモニア酸化細菌の失活を防止して集積度を上げることができる。

本発明の請求項３は請求項１において、前記加熱処理は、加熱温度が４０°Ｃ以上、５０°Ｃ未満の範囲では６０分以上行い、加熱温度が５０°Ｃ以上、７０°Ｃ未満の範囲では４０分以上行い、加熱温度が７０°Ｃ以上、１００°Ｃ以下の範囲では２０分以上行うことを特徴とする。

請求項３によれば、加熱処理を上記条件で行うことにより、亜硝酸酸化細菌を殺菌してアンモニア酸化細菌を集積できるとともに、過度の加熱によるアンモニア酸化細菌の失活を防止できるので、亜硝酸型の硝化を効率よく行う担体を製造することができる。

本発明の請求項４は前記目的を達成するために、請求項１〜３の何れか１の製造方法により製造した亜硝酸型硝化担体を用いた廃水処理方法であって、前記亜硝酸型硝化担体の亜硝酸型の硝化能力が低下したときに前記加熱処理を再度行って亜硝酸型の硝化能力を回復させることを特徴とする。

請求項４によれば、亜硝酸型の付着固定化担体及び硝化グラニュール担体を用いて廃水処理を連続して行うと、廃水を介して流入した亜硝酸酸化細菌や担体に残存する亜硝酸酸化細菌が増殖して、亜硝酸型の硝化能力が低下する。そこで、亜硝酸型の硝化能力が低下したときに加熱処理することにより、増殖した亜硝酸酸化細菌を殺菌して亜硝酸型の硝化能力を回復することができるので、この加熱処理を定期的に行えば担体の亜硝酸型の硝化能力を維持することができる。

以上説明したように本発明に係る亜硝酸型硝化担体の製造方法によれば、製造コストが安価であり、製造も簡単な付着固定型あるいは硝化グラニュール担体型の担体で、しかも亜硝酸型の硝化を行うことができる亜硝酸型硝化担体を製造することができる。

また、本発明で製造した亜硝酸型硝化担体を用いた廃水処理方法を実施する際に、担体の加熱処理を定期的に行えば、亜硝酸型の硝化能力を維持することができる。

以下添付図面に従って本発明に係る亜硝酸型硝化担体及び廃水処理方法の好ましい実施の形態について詳説する。

本発明の亜硝酸型硝化担体は、湖沼や河川や海の底泥、又は下水や工場廃水の処理場の活性汚泥のように、多数の微生物が混在する複合微生物系の汚泥を微生物供給源とし、この複合微生物系の汚泥中に担体材料を投入して付着固定化するか、複合微生物系の汚泥の自己造粒力によりグラニュールを形成させるかした後、４０〜１００°Ｃ、好ましくは５０〜９０°Ｃの範囲で加熱処理することにより製造される。また、複合微生物系の汚泥を４０〜１００°Ｃ、好ましくは５０〜９０°Ｃの範囲で加熱処理した後に、複合微生物系の汚泥中に担体材料を投入して付着固定化させるか、複合微生物系の汚泥の自己造粒力によりグラニュールを形成させるかして製造してもよい。

この加熱処理方法は、担体を直接加熱してもよいし、水中内で担体を加熱してもよいし、大気雰囲気で担体を間接的に加熱してよいが、いずれの加熱方法の場合も担体の品温が４０〜１００°Ｃ、好ましくは５０〜９０°Ｃの範囲であることが必要である。これにより、複合微生物系の汚泥中に存在する複数種類の細菌のうち、亜硝酸を硝酸に硝化する亜硝酸酸化細菌を殺菌して、アンモニア性窒素を亜硝酸まで硝化するアンモニア酸化細菌を優先的に集積することができる。

また、加熱処理温度を上述した範囲内としたのは、４０°Ｃ未満では加熱が不十分で亜硝酸酸化細菌の排除に対して十分な効果が得られず、９０°Ｃを超えると水の沸騰で発生する激しい水流により付着形成された生物膜の剥離や形成されたグラニュールの破砕が起こり易くなるからである。

本発明の亜硝酸型硝化担体の製造において、付着固定化に用いられる担体材料としては、ポリビニルアルコール、アルギン酸、エチレングリコール系のゲルや、セルロース、ポリエステル、ポリプロピレン、塩化ビニル等のプラスチック担体を好適に使用することができる。また、担体材料の形状としては、球形や円筒形、多孔形状、立方体形状、ハニカム形状等の整形を行ったものを好適に使用できる。

また、硝化細菌はその粘性により自己造粒し易いので、この自己造粒力によりグラニュールを形成させて担体として利用することができる。なお、グラニュールの形成は、自己造粒力のみで形成されるものの他に、他の細菌が形成したグラニュールの外周に付着する形で形成されたグラニュールも含まれる。

本発明の製造方法で製造した亜硝酸型硝化担体の亜硝酸型の硝化性能を確認するために、下記の方法による第１の廃水処理実験を行った。

図１は、第１の廃水処理試験に使用される実験装置１０の概略構成を示した説明図である。

実験装置１０は、多数の担体１２，１２…が投入された反応槽１４内に筒状のエアリフト管１６を設置し、エアリフト管１６の底部中心にエアポンプ管１８を配置することにより、エアーリフト式のリアクタが形成される。すなわち、反応槽１４上部の流入管２０から流入した廃水原水は、エアポンプ管１８から供給されるエアによって担体１２，１２…とともに攪拌され、反応槽１４及びエアリフト管１６の間を上下方向に対流しながら処理される。処理された廃水は、反応槽１４の側面上部に設けられた流出管２２から処理水として流出される。

本実験で供試される担体１２，１２…は、担体材料であるポリビニルアルコール系のゲルを下水処理場の活性汚泥に投入し、ゲルに活性汚泥を予め付着させたものを使用した。ゲルは約５ｍｍの球形に整形したものを使用した。反応槽１４の反応容積は２Ｌであり、この反応槽１４に担体充填量が２００ｍＬになるように担体１２を充填した。

また、本実験で供試される廃水は下水処理場から採取した下水処理水を濾過処理し、その水に炭酸水素アンモニウムを添加してアンモニア性窒素濃度として１００ｍｇ／Ｌになるように調製した合成廃水を使用した。

実験装置１０における廃水の水理学的滞留時間は１０時間とし、反応槽１４内に吹き込むエアの溶存酸素濃度が低いと亜硝酸型硝化になりうるので、反応槽１４中のＤＯを４．０ｍｇ／Ｌ以上に保持して廃水処理を行った。

その結果を図２に示す。図２は、第１の廃水処理試験における各窒素濃度を示したグラフであり、□はアンモニア性窒素濃度を、●は亜硝酸性窒素濃度を、■は硝酸性窒素濃度を示している。

図２から分かるように、廃水処理を始めて１〜１０日の間では硝酸が大量に生成されている。これは、供試した担体１２，１２…は加熱処理されていないため、担体１２，１２…のアンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌による硝化が行われていたからである。

そこで、１１日目に担体１２，１２…を実験装置１０から取り出して、担体１２，１２…を６０°Ｃ、６０分加熱処理した後、実験装置１０へ戻して廃水処理を継続した。

その結果、２５日目からアンモニア性窒素の硝化が始まり、３６日目から亜硝酸型の硝化が行われるようになった。したがって、加熱処理により担体１２，１２…から亜硝酸酸化細菌を除去することができたため、アンモニア酸化細菌による亜硝酸型の硝化のみを行われるようになった。なお、加熱処理後、しばらくの間硝化処理が行われなかったのは、加熱処理によりアンモニア酸化細菌も若干であるが阻害されたためと考えられる。

加熱処理により、第１の廃水処理試験における担体１２，１２…による亜硝酸型の硝化を約６０日間維持することができたが、その後亜硝酸が減少して硝酸が生成されるようになった。これは、廃水を介して流入する亜硝酸酸化細菌が増殖したことや、加熱処理で処理し切れなかった微量な亜硝酸型酸化細菌が増殖したためと考えられる。

そこで、再度担体１２，１２…を実験装置１０から取り出して、担体１２，１２…を６０°Ｃ、６０分加熱処理した後、実験装置１０へ戻して廃水処理を継続したところ、加熱処理から２週間後には、亜硝酸型の硝化性能を回復できた。

したがって、亜硝酸濃度の減少や硝酸の生成が見られたとき、もしくは一定の期間で担体を加熱処理することにより、担体の亜硝酸型の硝化性能を維持することができることが判明した。

また、本発明の製造方法で使用される各担体材料における亜硝酸型の硝化能力を調査するために、上述した実験装置１０を用いた第２の廃水処理試験を行った。

供試される付着固定化担体は、球形のポリビニルアルコール、立方体形のポリエチレングリコール、チューブ形のポリプロピレン、立方体形のセルロース、球形のポリエステルの担体材料を下水処理場の活性汚泥に投入し、活性汚泥を付着させてから６０°Ｃ、６０分で加熱処理したものを使用した。

また、供試される硝化グラニュール担体は、下水処理場の活性汚泥を実験装置１０にそのまま投入し、活性汚泥の自己造粒力で球形の硝化グラニュールを形成させ、その硝化グラニュールを取り出して６０°Ｃ、６０分加熱処理したものを使用した。

これら担体１２，１２…を実験装置１０へ投入し、硝化し始めてから３週間の廃水中の各窒素濃度を測定した。その他の条件は、上述した第１の廃水処理試験と同様である。

その結果を表１に示す。表１は各担体材料で構成された担体を用いた廃水処理における処理水中の各窒素濃度を示した表である。

表１から分かるように、本発明の製造方法では担体材料やその形状とは関係なく、ほぼ同様の亜硝酸型の硝化を行う担体を製造できることが分かった。

さらに、本発明の製造方法における加熱処理条件について検討するために、第３の廃水処理試験を行った。

供試される担体としては、第１の廃水処理試験と同様に、担体材料であるポリビニルアルコール系のゲルを下水処理場の活性汚泥に投入して、活性汚泥を付着させたものを使用した。そして、加熱処理温度を４０°Ｃ、５０°Ｃ、６０°Ｃ、７０°Ｃ、８０°Ｃ、９０°Ｃ、１００°Ｃで行い、加熱処理時間をそれぞれ２０分、４０分、６０分、１２０分とした。

また、供試される廃水としては、亜硝酸窒素を４０ｍｇ／Ｌを含有した無機合成廃水を使用した。反応容器に溜められた無機合成廃水４５０ｍｌ中に担体５０ｍｇを投入し、連続曝気にて廃水処理を行った。廃水は１日ごとに交換し、このときの硝酸濃度を測定した。

その結果を図３に示す。図３は、各加熱処理温度及び各加熱処理時間における処理水中の硝酸濃度を示したグラフである。

図３から分かるように、４０°Ｃでは６０分以上、５０°Ｃ及び６０°Ｃでは、７０°Ｃ以上では２０分以上加熱処理を行った担体では硝酸が検出されず、廃水に対する亜硝酸型の硝化が行われていた。

このことから、複数微生物汚泥の加熱処理は、４０°Ｃ以上、５０°Ｃ未満の範囲では６０分以上、５０°Ｃ以上、７０°Ｃ未満の範囲では４０分以上、７０°Ｃ以上、１００°Ｃ以下の範囲では２０分以上で行うことにより、亜硝酸型の硝化を行う亜硝酸型硝化担体を製造できるとともに、その硝化能力を維持できることが分かった。

なお、各廃水処理試験における加熱処理は、付着固定化担体の場合には付着固定化後に行い、グラニュール担体の場合にはグラニュール形成後に行っていたが、特に限定するものではない。活性汚泥を加熱処理した後に、付着固定化及び硝化グラニュール形成を行ってもよい。

本発明の亜硝酸型硝化担体を用いた第１の廃水処理試験に使用される実験装置の概略構成を示した説明図 本発明の亜硝酸型硝化担体を用いた第１の廃水処理試験における廃水処理時間と廃水中の窒素濃度との関係を示したグラフ 本発明の亜硝酸型硝化担体を用いた各加熱処理温度及び各加熱処理時間における亜硝酸型硝化能力を示したグラフ

符号の説明

１０…実験装置、１２…担体、１４…反応槽、１６…エアリフト管、１８…エアポンプ管、２０…流入管、２２…流出管

Claims (4)

1. アンモニア性窒素を亜硝酸に酸化するアンモニア酸化細菌を優先的に集積させた亜硝酸型硝化担体の製造方法において、
   少なくともアンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌を含む硝化性能を有する複合微生物系の汚泥を担体材料に付着させて形成される付着固定化担体、又は前記複合微生物系の汚泥の自己造粒力により形成される硝化グラニュール担体を、４０〜１００°Ｃの範囲で加熱処理することを特徴とする亜硝酸型硝化担体の製造方法。
2. 前記加熱処理は５０〜９０°の範囲とすることを特徴とする請求項１の亜硝酸型硝化担体の製造方法。
3. 前記加熱処理は、
   加熱温度が４０°Ｃ以上、５０°Ｃ未満の範囲では６０分以上行い、
   加熱温度が５０°Ｃ以上、７０°Ｃ未満の範囲では４０分以上行い、
   加熱温度が７０°Ｃ以上、１００°Ｃ以下の範囲では２０分以上行うことを特徴とする請求項１の亜硝酸型硝化担体の製造方法。
4. 請求項１〜３の何れか１の製造方法により製造した亜硝酸型硝化担体を用いた廃水処理方法であって、前記亜硝酸型硝化担体の亜硝酸型の硝化能力が低下したときに前記加熱処理を再度行って亜硝酸型の硝化能力を回復させることを特徴とする廃水処理方法。

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