JP2005324131A - 廃水処理方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】嫌気性アンモニア酸化細菌を高速に集積し、アンモニアと亜硝酸とを嫌気性アンモニア酸化細菌により同時脱窒処理する際の脱窒速度を大きくすることを可能にすると共に、廃水処理の効率化を図る。
【解決手段】有機物を除去する無酸素槽12と、亜硝酸を生成させる亜硝酸生成槽14と、亜硝酸とアンモニアから嫌気的に脱窒させる嫌気性アンモニア酸化槽16と、嫌気性アンモニア酸化槽の処理液中に残存するアンモニアを酸化させる硝化槽18とよりなる廃水処理装置。硝化槽18の処理液の一部を返送ライン40により無酸素槽12に循環させ、無酸素槽12において亜硝酸又は硝酸呼吸で有機物を除去し、嫌気性アンモニア酸化槽16への有機物の流入を防止すると共に、循環により希釈して嫌気性アンモニア酸化槽12に多量の亜硝酸が流入しないようにする。
【選択図】 図1


Description

本発明は、廃水処理方法及び装置に係り、特に嫌気性アンモニア酸化細菌を利用した脱窒が好適に適用される廃水処理方法及び装置に関する。
1922年に本格的な下水処理が東京都の三河島処理場で開始されて以来、有機物の処理のみではなく、窒素の処理も下水処理場で行われるようになってきた。特に大都市では集中的な投資が行われ、下水道普及率は90%を越えるまでに到った。
しかしながら、閉鎖性水域での環境基準の達成率はほとんど改善されてない。この理由は、水域での内部要因、藻類の異常繁殖によるものが大きいと言われているが、流入する排水の外部要因も解消されてない。特に窒素の外部要因が大きく、処理の必要性が強く望まれている。
窒素は、アンモニア性窒素の形体で下水や廃水に多く含まれている。従来、下水処理場や廃水処理場で、アンモニア性窒素を硝化細菌を用いて亜硝酸や硝酸に酸化し、亜硝酸や硝酸を脱窒細菌により窒素にガス化し窒素を除去していた。窒素の負荷としては0.2〜0.4kg−N/m3 /日と、安定した窒素除去をするためには低負荷運転で、且つ、脱窒反応に大量の有機物が必要であった。このため処理槽として大型の水槽が必要であり、有機物に高価なメタノールを使用し、イニシャルコストばかりでなく、多大なランニングコストを要するという問題もある。
これに対し、古くから、嫌気性アンモニア酸化を利用した廃水処理方法が注目されている(例えば特許文献1)。この嫌気性アンモニア酸化は、アンモニアを水素供与体とし、亜硝酸を水素受容体として、嫌気性アンモニア酸化細菌によりアンモニアと亜硝酸とを同時脱窒する方法である。
この方法によれば、アンモニアを水素供与体とするため、脱窒で使用するメタノール等の使用量を大幅に削減できることや、汚泥の発生量を削減できる等のメリットがあり,今後の廃水処理方法として有効な方法であると考えられている。
特開2001−37467号公報
しかしながら、この方法は古くから提案されているにもかかわらず、実用化が難しく、普及していない。この原因としては、嫌気性アンモニア酸化細菌の生理特性が分かっておらず、純粋培養はもちろんのこと、集積培養の条件も明らかになってないことが挙げられる。このため、ほとんどの試みにおいて、集積培養に失敗しており、これまで実用化が困難であった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、嫌気性アンモニア酸化細菌を高速に集積し、アンモニアと亜硝酸とを嫌気性アンモニア酸化細菌により同時脱窒処理する際の脱窒速度を大きくすることを可能にすると共に、廃水処理の効率化を図ることができる廃水処理方法及び装置を提供することを目的とする。
本発明者は、これまで実廃水で嫌気性アンモニア酸化反応が阻害される要因を究明し、この阻害要因である有機物と亜硝酸濃度の影響を明らかにし、本発明に到った。
すなわち、本発明の請求項1は前記目的を達成するために、有機物を除去する無酸素槽と、亜硝酸を生成させる亜硝酸生成槽と、亜硝酸とアンモニアから嫌気的に脱窒させる嫌気性アンモニア酸化槽と、前記嫌気性アンモニア酸化槽の処理液中に残存するアンモニアを酸化させる硝化槽と、前記硝化槽の処理液の一部を前記無酸素槽に循環させる返送ラインと、を備えてなることを特徴とする。
本発明によれば、硝化槽の処理液の一部を無酸素槽に返送し、無酸素槽において亜硝酸又は硝酸呼吸で有機物を除去し、嫌気性アンモニア酸化槽への有機物の流入を防止した。同時に、無酸素槽への返送液の希釈効果により、嫌気性アンモニア酸化槽内の亜硝酸濃度を、脱窒処理に阻害を生じさせない濃度以下に制御することができる。これにより、嫌気性アンモニア酸化細菌を高速度で集積させ、アンモニアと亜硝酸とを嫌気性アンモニア酸化細菌により同時脱窒処理する際の脱窒速度を大きくすることを可能にすると共に、廃水処理の効率化を図ることができる。
本発明の請求項2は請求項1において、前記硝化槽の処理液中に残存する亜硝酸及び硝酸を脱窒させる脱窒槽を備えてなることを特徴とする。これにより、全窒素除去率(以下T−N除去率と称す)を向上させることができる。
本発明の請求項3は請求項1又は2において、前記無酸素槽の処理水の一部を前記嫌気性アンモニア酸化槽に流入させるバイパスラインを備えてなることを特徴とする。このような構成にしても、脱窒速度を大きくできる。
本発明の請求項4は前記目的を達成するために、無酸素槽において廃水中の有機物を除去して第1の処理水を生成し、該第1の処理水を亜硝酸生成槽において処理して亜硝酸を生成させた第2の処理水を生成し、該第2の処理水を嫌気性アンモニア酸化槽において処理して亜硝酸とアンモニアから嫌気的に脱窒させた第3の処理水を生成し、該第3の処理水を硝化槽において処理して残存するアンモニアを酸化させた第4の処理水を生成し、該第4の処理水の一部を前記無酸素槽に循環させることを特徴とする。
本発明によれば、第4の処理水の一部を無酸素槽に返送し、無酸素槽において亜硝酸又は硝酸呼吸で有機物を除去し、嫌気性アンモニア酸化槽への有機物の流入を防止した。同時に、無酸素槽への返送液の希釈効果により、嫌気性アンモニア酸化槽内の亜硝酸濃度を、脱窒処理に阻害を生じさせない濃度以下に制御することができる。これにより、嫌気性アンモニア酸化細菌を高速度で集積させ、アンモニアと亜硝酸とを嫌気性アンモニア酸化細菌により同時脱窒処理する際の脱窒速度を大きくすることを可能にすると共に、廃水処理の効率化を図ることができる。
以上説明したように、本発明によれば、嫌気性アンモニア酸化細菌を高速度で集積させ、アンモニアと亜硝酸とを嫌気性アンモニア酸化細菌により同時脱窒処理する際の脱窒速度を大きくすることを可能にすると共に、廃水処理の効率化を図ることができる。
以下、添付図面に従って、本発明に係る廃水処理方法及び装置における好ましい実施の形態について詳説する。
図1は、本発明に係る廃水処理装置の第1実施形態の構成図である。この廃水処理装置10は、無酸素槽12→亜硝酸生成槽14→嫌気性アンモニア酸化槽16→硝化槽18→沈殿池20の順に配置したものである。各槽間は配管32、34…38により接続されている。そして、硝化槽18の処理液の一部を無酸素槽12に循環させる返送ライン40が設けられている。
図1に示すように、原水導入管30から無酸素槽12に流入した有機物を含有するアンモニア性廃水は、返送ライン40により硝化槽18より循環された処理水(第4の処理水)中の亜硝酸又は硝酸による亜硝酸呼吸又は硝酸呼吸で有機物が除去される。これにより、嫌気性アンモニア酸化槽16への有機物の流入を防止できると共に、第4の処理水の希釈効果により嫌気性アンモニア酸化槽16内の亜硝酸濃度を、60mg/L以下に制御することができるようになっている。この嫌気性アンモニア酸化槽16内の亜硝酸濃度については、後述する。
無酸素槽12には不織布担体を充填することが好ましい。このような不織布担体を充填することにより、不織布の表面に繁殖した脱窒菌などによりBODが除去される。不織布担体の充填率としては、たとえば20%とできる。
亜硝酸生成槽14においては、アンモニア酸化細菌によりアンモニア性窒素濃度の約半分に相当するアンモニアが亜硝酸に酸化されるようになっている。アンモニアから亜硝酸への変換率の調整は、例えば硝化率を制御することで行うことができる。
アンモニア酸化細菌は、亜硝酸生成槽14内に投入された固定化担体14A、14A…に固定されている。この担体14A、14A…は、たとえば、3mm角サイズの角型担体で、以下の仕様とすることができる。
アンモニア酸化細菌濃縮液(109 cells/cm3 )30部
ポリエチレングリコールジアクリレート 10部
過硫酸カリウム 0.25部
水 59.75部
そして、これに過硫酸カリウムを添加することにより、上記組成物がゲル化し、3mm角の角型に成形される。この担体14A、14A…の充填率としては、たとえば30%とできる。
亜硝酸生成槽14には、送気配管14Bが設けられており、図示しないエア源より送気することにより、槽内の反応が促進できるようになっている。
嫌気性アンモニア酸化槽16には亜硝酸生成槽14からの第2の処理水が流入するようになっている。そして、嫌気性アンモニア酸化槽16内の嫌気性アンモニア酸化細菌によって、第2の処理水中に含まれるアンモニアと亜硝酸とが同時脱窒されるようになっている。この際に、硝酸がアンモニア1モルに対して0.26モル生成される。
嫌気性アンモニア酸化細菌は、増殖速度が0.001h-1とかなり遅いことが報告されており(例えば、Strous,M.et al.:Nature,400,446(1999)参照)、嫌気性アンモニア酸化細菌を固定化した固定化担体16Aを嫌気性アンモニア酸化槽16内に配設又は投入することが好ましい。固定化方法としては特に限定はしないが、不織布やプラスチックなどの付着固定化材料に付着固定する方法、ゲル材内に包括固定する方法、PVAゲルやポリエチレン等のプラスチック担体に生物膜を形成させて固定化する方法や、グラニュールとして使用することが可能である。尚、固定化する嫌気性アンモニア酸化細菌は、活性汚泥等の微生物から分離したものでも、嫌気性アンモニア酸化細菌を含有する活性汚泥でもよい。
硝化槽18には嫌気性アンモニア酸化槽16からの第3の処理水が流入するようになっている。そして、第3の処理水中に残存するアンモニアが亜硝酸や硝酸に硝化されるようになっている。
沈殿池20には硝化槽18からの第4の処理水のうち、返送ライン40により無酸素槽12に循環された以外が流入するようになっている。そして、第4の処理水中の汚泥が沈殿濃縮し、上澄み水が処理水配管42を介して系外に排出されるようになっている。
次に、上記の如く構成された廃水処理装置10の作用について説明する。
原水導入管30から無酸素槽12に流入した有機物を含有するアンモニア性廃水、及び、返送ライン40により硝化槽18より循環された処理水(第4の処理水)中の亜硝酸又は硝酸による亜硝酸呼吸又は硝酸呼吸で有機物が除去される。
無酸素槽12において有機物(BOD)を除去する理由は、有機物により嫌気性アンモニア酸化反応が阻害されるからである。図2は、脱窒速度(嫌気性アンモニア酸化)に及ぼすBOD濃度の影響を示すグラフである。このデータは、板状不織布付着担体を嫌気性アンモニア酸化槽16に30%充填させ、負荷0.5〜1.0 kg−N/m3 /日で嫌気性アンモニア酸化細菌を集積培養させた状態での実測値である。
この結果より、BOD濃度を100mg/L以下とするのが好ましく、40mg/L以下とするのがより好ましいことが解る。
次いで、図1の亜硝酸生成槽14において、アンモニア酸化細菌によりアンモニアが亜硝酸に酸化される。この亜硝酸生成槽14では、アンモニア性窒素濃度の3〜5割が硝化されるために、担体への負荷を250mg−N/L−担体/h以上とすることが好ましい。担体への負荷が250mg−N/L−担体/h未満では、アンモニア性窒素濃度の5割以上が硝化してしまい、嫌気性アンモニアを酸化するためのアンモニア量が不足するからである。
図3は、アンモニア性窒素負荷と亜硝酸転換率との関係を示すグラフである。同グラフより、アンモニア性窒素負荷の値は、200〜500mg−N/L−担体/hの範囲が好ましいことが解る。アンモニア性窒素負荷の値が、200mg−N/L−担体/h未満では、硝酸を生成し、亜硝酸が減少するからである。この理由は、系外からの亜硝酸酸化細菌が入り込み、反応するためと考えられる。
次いで、図1の嫌気性アンモニア酸化槽16において、嫌気性アンモニア酸化細菌によって、第2の処理水中に含まれるアンモニアと亜硝酸とが同時脱窒される。すなわち、活性汚泥や消化汚泥など混合微生物系の汚泥から馴養した嫌気性アンモニア酸化菌群と窒素含有液とを接触させ、嫌気性アンモニア酸化を行い、窒素成分を脱窒させる。活性汚泥や消化槽汚泥など混合微生物系の汚泥は浮遊させるかろ材に付着させてもよく、包括定化して使用してもよい。
嫌気性アンモニア酸化菌群を集積するための種汚泥としては活性汚泥や消化槽汚泥など混合微生物系の汚泥がよい。汚泥中の全生菌濃度としては、106 cells/cm3 以上が好ましく、108 cells/cm3 以上がより好ましい。包括固定化した場合の濃度としては、担体ゲル中の全菌体濃度が104 cells/cm3 以上が好ましく、106 cells/cm3 以上がより好ましい。
菌の固定化には、(1) 付着固定化、(2) 包括固定の2つの方法が採用できる。(1) では、球状や筒状などの担体、ひも状材料、ゲル状担体、不織布状材料など凹凸が多い材料が付着しやすく除去率が向上する。(2) では、菌と固定化材料(モノマ、プレポリマ)を混合し、重合し、ゲルの内部に菌を包括固定化する。モノマー材料としては、アクリルアミド、メチレンビスアクリルアミド、トリアクリルフォルマールなどがよい。プレポリマ材料としてはポリエチレングリコールジアクリレートやポリエチレングリコールメタアクリレートがよく、その誘導体を用いることができる。
担体の形状は、球状や筒状などの包括担体、ひも状包括担体、不織布状など凹凸が多い包括担体が接触効率がよく除去率が向上する。
以下に示す表1は、(1) 付着固定化及び(2) 包括固定の方法で菌を固定化し、20Lの装置でBOD濃度40mg/L以下で、且つ、亜硝酸濃度を30〜75mg/Lに制御した条件下、担体充填率25%の反応槽で処理し、2ケ月を経過した後の結果である。
表1に示すように、いずれも高い嫌気性アンモニア酸化細菌による脱窒速度が得られている。なお、使用した種汚泥はアンモニアと亜硝酸で集積培養し得られた脱窒速度1.2kg−N/m3 /日の能力をもった汚泥で、初期濃度8×108 cells/cm3 で付着又は包括固定化し実験に供試した。
次いで、図1の硝化槽18において、第3の処理水中に残存するアンモニアがアンモニア酸化細菌により亜硝酸や硝酸に酸化される。
この硝化槽18による第4の処理水の一部を返送ライン40により無酸素槽12に循環させる理由は、無酸素槽12で亜硝酸呼吸や硝酸呼吸による有機物の除去と、希釈することにより亜硝酸の濃度の低減とを行うことによって、嫌気性アンモニア酸化槽16において有機物と多量の亜硝酸とによる反応阻害を受けないようにするためである。すなわち、嫌気性アンモニア酸化槽16において亜硝酸が多量に残留していると、この亜硝酸により嫌気性アンモニア酸化細菌が死滅することとなるからである。そのため、硝酸を無酸素槽12に戻し、これにより有機物を除去しながら脱窒させると共に、希釈効果により総窒素濃度を低減させて亜硝酸濃度を下げるようにしたものである。
図4は、嫌気性アンモニア酸化細菌による脱窒速度に及ぼす亜硝酸濃度の影響を示すグラフである。
このデータは、板状不織布付着担体を嫌気性アンモニア酸化槽16に30%充填させ、負荷0.5〜1.0 kg−N/m3 /日で嫌気性アンモニア酸化細菌を集積培養させた状態での実測値である。この結果より、亜硝酸濃度を75mg/L以下とするのが好ましく、45mg/L以下とするのがより好ましいことが解る。
次いで、図1の硝化槽18からの第4の処理水のうち、返送ライン40により無酸素槽12に循環された以外は、沈殿池20に流入し、第4の処理水中の汚泥が沈殿濃縮し、上澄み水が処理水配管42を介して系外に排出される。
次に、本発明に係る廃水処理装置の他の実施形態について説明する。図5は、本発明に係る廃水処理装置の第2実施形態の構成図である。
この廃水処理装置10’は、無酸素槽12→亜硝酸生成槽14→嫌気性アンモニア酸化槽16→硝化槽18→脱窒槽22→再曝気槽26→沈殿池20の順に配置したものである。各槽間は配管32、34…46により接続されている。そして、硝化槽18の処理液の一部を無酸素槽12に循環させる返送ライン40が設けられている。また、脱窒槽22には、メタノール添加装置24が接続されている。
尚、図1と同じ装置、部材は同符号を付して説明すると共に、同じ説明は省略する。
硝化槽18の後段に脱窒槽22を設けることにより、硝化槽18から沈澱池20に送水される処理水中の亜硝酸や硝酸を脱窒処理により除去することが可能となる。必要に応じて脱窒槽22にメタノール添加装置24によりメタノール等の有機性水素供与体を添加する。再曝気槽26は、脱窒槽22からの処理水を曝気させるためのもので、この再曝気槽26を設けることにより、脱窒槽22で添加した余剰のメタノールを除去することができる。
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、こられの実施例に限定するものではない。
図1の本発明の装置構成の廃水処理装置10を用いて廃水処理を行った。
無酸素槽12には不織布担体を20%充填した。
亜硝酸生成槽14にはアンモニア酸化細菌を固定化した担体14A、14A…を投入した。この担体14Aは、純粋培養したアンモニア酸化細菌を包括固定した3mmの角型担体である。
担体の仕様は以下のとおりである。
アンモニア酸化細菌濃縮液(109 cells/cm3 )30部
ポリエチレングリコールジアクリレート 10部
過硫酸カリウム 0.25部
水 59.75部
過硫酸カリウムの添加により上記組成でゲル化させ、3mmの角型に成形し、亜硝酸生成槽14に30%充填して使用した。その他の槽には板状不織布を30%充填すると共に、活性汚泥を4000mg/L投入し、汚泥を不織布に付着させて馴養した。活性汚泥中の総菌数は2.45×10cells/cm3 であった。
亜硝酸生成槽14では、アンモニアの3〜5割を硝化させるために、担体14Aへの負荷を200mg−N/L−担体/h以上とした。200mg−N/L−担体/h以下では5割以上硝化してしまい、嫌気性アンモニア酸化するためのアンモニア量が不足するためである。図3において負荷と亜硝酸の転換率を上述したように、負荷は200〜500mg−N/L−担体/hの範囲が好ましい。200mg−N/L−担体/h未満では、硝酸を生成し、亜硝酸が減少するからである。
亜硝酸生成槽14の処理液は嫌気性アンモニア酸化槽16に流入し、不織布に付着した嫌気性アンモニア酸化細菌により、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とが同時脱窒される。この嫌気性アンモニア酸化槽16での亜硝酸性窒素濃度を75mg/L以下になるように返送ライン40の流量を調整して運転した。
嫌気性アンモニア酸化槽16の処理液は硝化槽18に流入し、残存するアンモニアが硝化され、硝化液は返送ライン40で無酸素槽12に返送される。
このように構成された廃水処理装置10を用いて、廃水のアンモニア性窒素濃度を900〜1100mg/L、BODをl00〜150mg/Lとした条件下で処理を行った場合の、それぞれの槽の運転条件を以下に示す。
無酸素槽12の滞留時間 6時間
亜硝酸生成槽14の滞留時間 12時間
嫌気性アンモニア酸化槽16の滞留時間 8時間
硝化槽18の滞留時間 12時間
返送率 300%
この条件で処理した結果、処理水のアンモニア性窒素が30mg/L以下であり、T−Nが60mg/L以下である結果を得ることができた。
比較例として、従来法を用い、硝化と脱窒の工程による廃水処理を行った。硝化槽は負荷0.4kg/m3 /日(滞留時間60時間)であり、脱窒槽は負荷0.5kg/m3 /日(滞留時間48時間)であり、脱窒槽にメタノールを窒素濃度の2.5倍投入し処理した。これは、かなり余裕のある条件での運転ではあるが、処理水のアンモニア性窒素が30〜50mg/Lであり、T−N60〜80mg/Lであり、不安定であった。
また、別の比較例として、上記した廃水処理装置10の返送ライン40を停止して運転したところ、嫌気性アンモニア酸化槽16での脱窒反応が進行せず、運転開始2週間後に嫌気性アンモニア酸化細菌が完全に失活した。これは有機物が残存し、嫌気性アンモニア酸化細菌を失活させたものと考える。
以上のように、本発明によれば、従来例と比較して高速の処理が可能であり、また、処理水の水質も良好であることが確認された。
本発明に係る廃水処理装置の構成図 脱窒速度に及ぼすBOD濃度の影響を示すグラフ アンモニア性窒素負荷と亜硝酸転換率との関係を示すグラフ 脱窒速度に及ぼす亜硝酸濃度の影響を示すグラフ 本発明に係る廃水処理装置の他の態様を示す構成図
符号の説明
10…廃水処理装置、12…無酸素槽、14…亜硝酸生成槽、16…嫌気性アンモニア酸化槽、18…硝化槽、20…沈殿池、22…脱窒槽、24…メタノール添加装置、26…再曝気槽、40…返送ライン

Claims (4)

  1. 有機物を除去する無酸素槽と、
    亜硝酸を生成させる亜硝酸生成槽と、
    亜硝酸とアンモニアから嫌気的に脱窒させる嫌気性アンモニア酸化槽と、
    前記嫌気性アンモニア酸化槽の処理液中に残存するアンモニアを酸化させる硝化槽と、 前記硝化槽の処理液の一部を前記無酸素槽に循環させる返送ラインと、
    を備えてなることを特徴とする廃水処理装置。
  2. 前記硝化槽の処理液中に残存する亜硝酸及び硝酸を脱窒させる脱窒槽を備えてなることを特徴とする請求項1の廃水処理装置。
  3. 前記無酸素槽の処理水の一部を前記嫌気性アンモニア酸化槽に流入させるバイパスラインを備えてなることを特徴とする請求項1又は2の廃水処理装置。
  4. 無酸素槽において廃水中の有機物を除去して第1の処理水を生成し、
    該第1の処理水を亜硝酸生成槽において処理して亜硝酸を生成させた第2の処理水を生成し、
    該第2の処理水を嫌気性アンモニア酸化槽において処理して亜硝酸とアンモニアから嫌気的に脱窒させた第3の処理水を生成し、
    該第3の処理水を硝化槽において処理して残存するアンモニアを酸化させた第4の処理水を生成し、
    該第4の処理水の一部を前記無酸素槽に循環させることを特徴とする廃水処理方法。

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