JP2006055739A - 有機物及び窒素含有排水の処理方法 - Google Patents

有機物及び窒素含有排水の処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】単一槽で硝化・脱窒を行う窒素除去処理において、有機物による阻害を受けることなく、安定かつ効率的な処理を行って、高水質の処理水を得る。
【解決手段】有機物及び窒素含有排水を、硝化抑制条件下に有機物を分解する有機物除去工程で処理した後、この有機物除去工程の処理水を硝化・脱窒工程に供給する。この硝化・脱窒工程は、アンモニア態窒素を電子供与体とし、亜硝酸態窒素を電子受容体とする独立栄養性脱窒微生物(ANAMMOX菌)が担体粒子表面に生物膜を形成したもの、又は前記脱窒微生物が自己造粒によりグラニュールになったものを槽内に保有する反応槽3を有し、この反応槽3内で、硝化と脱窒を行う。硝化・脱窒工程に先立ち、有機物を除去することにより、このような一槽式ANAMMOX反応槽3におけるBOD資化菌の増殖による硝化・脱窒阻害を防止することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は有機物及び窒素含有排水の処理方法に係り、特に有機物及び窒素含有排水を生物学的に処理して含有される有機物及び窒素を効率的に除去する方法に関する。
排水中に含まれる窒素は河川、湖沼及び海洋などにおける富栄養化の原因物質の一つであり、排水処理工程で処理して、効率的に除去する必要がある。排水中の窒素成分を生物学的に除去する技術として、微生物を利用した生物学的な硝化・脱窒法が知られている。この方法では、排水中のアンモニア態窒素を好気的な反応槽においてアンモニア酸化細菌により生物学的に酸化(硝化)し、その酸化物である亜硝酸態窒素及び硝酸態窒素を嫌気的な条件下で、酸素受容体である有機物の存在下、脱窒菌により窒素ガスに還元(脱窒)する。酸素受容体である有機物の供給は、メタノール、酢酸などの生分解性有機物を人為的に添加する場合と、排水中に含まれるBOD成分を利用する場合がある。しかし、このような従来の硝化脱窒法では、硝化工程においては多量の酸素(曝気)が必要であり、また、脱窒工程においては有機物の添加が必要であるため、ランニングコストが高いという欠点がある。
これに対して、近年、排水に含まれる窒素の新しい除去方法として、アンモニア態窒素を電子供与体とし、亜硝酸態窒素を電子受容体とする独立栄養性脱窒微生物(自己栄養細菌:ANAMMOX菌)を利用し、アンモニア態窒素と亜硝酸態窒素とを反応させて脱窒する嫌気的アンモニア酸化処理法(ANAMMOX法)が開発された。ANAMMOX法はANAMMOX菌によってアンモニア態窒素と約1.3倍量の亜硝酸態窒素とを、以下のような反応で窒素ガスに分解する生物反応である。
NH4 ++1.32NO2 -+0.066HCO3 -+0.13H+
→1.02N2+0.26NO3 -+0.066CH20.50.15+0.13H2
このANAMMOX法によりアンモニア態窒素を含む排水を処理する場合には、例えば、ANAMMOX処理工程の前段において、排水中に含まれるアンモニア態窒素の一部分を亜硝酸態窒素に酸化し、アンモニア態窒素とアンモニア態窒素の約1.3モル倍量の亜硝酸態窒素を含有する水とし、この水をANAMMOX処理工程の原水として、残留するアンモニア態窒素と亜硝酸態窒素とを反応させて除去する。
この方法は、硝化工程と脱窒工程とを別々に設け、硝化工程では亜硝酸型硝化を維持するために、ある一定濃度以上のアンモニア態窒素が必要となることから、低濃度のアンモニア態窒素を含有する排水の処理には適していない。
ANAMMOX法を利用した低濃度のアンモニア含有排水の処理法として、特表2001−506535号公報には、単一槽で硝化工程と脱窒工程とを行う方法が提案されている。即ち、この方法は、硝化細菌層の内側にANAMMOX菌の層が形成された生物膜を槽内に保持させて、排水を外側の好気性下の硝化細菌と接触させてアンモニア態窒素の部分酸化により亜硝酸態窒素を生成する工程と、アンモニア態窒素と亜硝酸態窒素とを内側のANAMMOX菌により嫌気性条件で窒素ガスに還元して脱窒する嫌気的アンモニア酸化処理工程とを単一の槽で実施する方法であり、低濃度のアンモニアを含有する排水にも適用が可能である。
特表2001−506535号公報
ANAMMOX反応は有機物により阻害されるので、脱窒工程での被処理水中のBOD濃度は低い方がよい。しかし、特表2001−506535号公報に記載される一槽式プロセス単独では直接有機物を除去することができないため、有機物を含む排水の場合は、有機物の阻害に対応ができない。
本発明は上記の問題点を解決し、有機物及び窒素含有排水を長期にわたり安定して窒素除去処理することができる有機物及び窒素含有排水の処理方法を提供することを目的とする。より具体的には、本発明は、単一槽で硝化・脱窒を行う窒素除去処理において、有機物による阻害を受けることなく、安定かつ効率的な処理を行って、高水質の処理水を得る方法を提供することを目的とする。
本発明の有機物及び窒素含有排水の処理方法は、アンモニア態窒素を電子供与体とし、亜硝酸態窒素を電子受容体とする独立栄養性脱窒微生物が担体粒子表面に生物膜を形成したもの、又は前記脱窒微生物が自己造粒によりグラニュールになったものを槽内に保有する反応槽に、被処理水を供給し、該反応槽内で、硝化と脱窒を行う一槽式硝化・脱窒工程を有する有機物及び窒素含有排水の処理方法であって、有機物及び窒素含有排水を、硝化抑制条件下に有機物を分解する有機物除去工程を有し、該有機物除去工程の処理水を前記硝化・脱窒工程に供給することを特徴とする。
請求項2の有機物及び窒素含有排水の処理方法は、請求項1において、前記硝化・脱窒工程の処理水に凝集剤を添加して凝集処理及び固液分離処理する工程を備えることを特徴とする。
請求項3の有機物及び窒素含有排水の処理方法は、請求項1又は2において、該有機物除去工程が活性汚泥処理工程であり、該有機物除去工程の汚泥滞留時間を7日以下とすることにより硝化抑制条件下の有機物分解を行うことを特徴とする。
請求項4の有機物及び窒素含有排水の処理方法は、請求項1ないし3のいずれか1項において、該有機物除去工程が活性汚泥処理工程であり、該有機物除去工程の溶存酸素濃度を2mg/L以下とすることにより硝化抑制条件下の有機物分解を行うことを特徴とする。
請求項5の有機物及び窒素含有排水の処理方法は、請求項1ないし4のいずれか1項において、該有機物及び窒素含有排水中のアンモニア態窒素及び有機態窒素の合計と有機物との重量比((NH−N+Org−N)/BOD)が1未満であり、前記硝化・脱窒工程に導入される有機物除去工程の処理水中の有機物とアンモニア態窒素及び有機態窒素の合計との重量比(BOD/(NH−N+Org−N))が1以下であることを特徴とする。
なお、以下において、ANAMMOX菌が担体粒子表面に生物膜を形成したもの、及びANAMMOX微生物の自己造粒により形成されたグラニュールを「グラニュール」と総称する。
本発明の有機物及び窒素含有排水の処理方法によれば、排水中に含まれる有機物の阻害を受けることなく、安定かつ効果的に脱窒処理することができる。
本発明による脱窒効率の向上効果の作用機構は次の通りである。
有機物を含む排水に特表2001−506535号公報に記載されるような一槽式硝化・脱窒プロセスを適用した場合、硝化細菌とANAMMOX菌のグラニュールの表面をBOD資化菌が覆うことにより、硝化反応及びANAMMOX反応が進行し得なくなる。これは、一槽式ANAMMOX反応槽では、通常、ANAMMOX反応を阻害しないように、溶存酸素(DO)濃度を制御して運転するため、この一槽式ANAMMOX反応槽内に有機物が流入すると、硝化菌よりも増殖速度の速いBOD資化菌が優先となって、硝化菌とANAMMOX菌のグラニュール表面を覆うようになり、このため硝化反応が阻害され、その後のANAMMOX反応も進行せず、窒素を除去し得なくなることによる。
これに対して、本発明では、この硝化・脱窒工程に先立ち、排水中の有機物を除去することにより、このような一槽式ANAMMOX反応槽におけるBOD資化菌の増殖による硝化・脱窒阻害を防止することができる。また、この有機物除去工程では、有機物及び窒素含有排水が、窒素を有機態窒素(Org−N)として含む場合、有機態窒素をアンモニア態窒素に分解することもでき、この有機態窒素をも後段の硝化・脱窒反応より分解除去することができるようになる。ただし、本発明は、窒素を有機態窒素として含む排水に限らず、アンモニア態窒素として含む排水にも適用できることは言うまでもない。
なお、この有機物除去工程において、硝化が進行すると、後段のANAMMOX反応に適した被処理水を得ることができない。即ち、有機物除去工程で硝化が進行した場合、硝化を亜硝酸態窒素で止めることは非常に困難であり、亜硝酸態窒素は直ちに硝酸態窒素にまで酸化されてしまう。生成した硝酸態窒素は、後段のANAMMOX菌による硝化・脱窒工程では除去し得ないため、そのまま最終処理水中に残留することとなる。従って、本発明では、前段の有機物除去工程を硝化抑制条件下に行う。
請求項2によれば、硝化・脱窒工程の処理水に凝集剤を添加して凝集処理及び固液分離処理することにより、汚泥の調質と共に、SS及びリンの除去を行うことができ、より一層良好な水質の処理水を得ることができる。
請求項3に従って、有機物除去工程の汚泥滞留時間を7日以下と短く設定して運転することにより、硝化抑制条件下の有機物分解を容易に行うことができる。
また、請求項4に従って、有機物除去工程の溶存酸素濃度を2mg/L以下と低く設定して運転することによっても、硝化抑制条件下の有機物分解を容易に行うことができる。
また、請求項5に規定されるように、本発明は、アンモニア態窒素及び有機態窒素の合計と有機物との重量比((NH−N+Org−N)/BOD)が1未満の有機物及び窒素含有排水の処理に有効であり、このような排水を予め有機物除去工程で処理して、有機物とアンモニア態窒素及び有機態窒素の合計との重量比(BOD/(NH−N+Org−N))が1以下である処理水を得、これを硝化・脱窒工程に供給することが好ましい。
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図1は本発明の有機物及び窒素含有排水の処理方法の実施の形態を示す系統図である。図1において、1は活性汚泥処理槽、2は第1沈殿槽、3は一槽式ANAMMOX反応槽、4は凝集処理槽、5は第2沈殿槽である。
本発明において、処理対象となる有機物及び窒素含有排水としては、水中のアンモニア態窒素及び有機態窒素の合計と有機物との重量比((NH−N+Org−N)/BOD)が1未満の排水が挙げられる。即ち、本発明は、(NH−N+Org−N)/BOD<1、例えばN(NH−N+Org−N)/BOD=0.01〜0.9であるようなBODを多く含む有機物及び窒素含有排水の処理に有効である。
図1においては、このような有機物及び窒素含有排水を原水として、まず、活性汚泥処理槽1に導入して硝化抑制条件下に有機物を分解除去する。この活性汚泥処理槽1では、原水中に含有する有機態窒素もアンモニア態窒素に分解される。
本発明において、この有機物の分解除去工程を硝化抑制条件下に行うことは、前述の如く、硝酸態窒素の生成を防止して、後段の一槽式硝化・脱窒工程において、良好なANAMMOX反応を進行させ、窒素を高度に除去するために重要である。この硝化抑制条件を実現する方法としては特に制限はないが、例えば、次の(1)及び/又は(2)、或いは(3)の方法を採用することができる。
(1) 活性汚泥処理槽1の汚泥滞留時間(SRT)を短く、例えば7日以下、好ましくは3〜5日間に設定して運転を行う。
活性汚泥処理槽のSRTを長く設定すると活性汚泥処理槽1内に硝化菌が増殖して硝化反応が起こる。この場合、アンモニア態窒素の硝化を亜硝酸態窒素で止め、硝酸態窒素の生成を抑制することは困難であることから、活性汚泥処理槽1のSRTを短く設定し、硝化を抑制することが好ましい。ただし、SRTを過度に短くすると、有機物の分解除去を十分に行うことができないため、原水の水質に応じて上記のSRTの範囲内で適宜調整することが好ましい。
(2) 活性汚泥処理槽1内のDO濃度を低く、例えば2mg/L以下、好ましくは0.5〜1mg/Lに設定して運転を行う。
このように活性汚泥処理槽1の曝気量を制限してDO濃度を低く維持することによっても、硝化を抑制することができる。ただし、DO濃度を過度に低くすると、有機物の分解除去を十分に行うことができないため、原水の水質に応じて上記のDO濃度の範囲内で適宜調整することが好ましい。
(3) 硝化菌が増殖しない嫌気性条件下で有機物の分解処理を行う。
この活性汚泥処理槽1のBOD負荷は0.1〜1.5kg/m/day程度であることが好ましい。
活性汚泥処理槽1の流出水は第2沈殿槽2で固液分離され、分離水は一槽式ANAMMOX反応槽3に導入される。また、分離汚泥は一部が余剰汚泥として系外へ排出され残部は活性汚泥処理槽1に返送される。
なお、図1では、有機物の分解除去工程に、原水を好気性条件下に活性汚泥と接触させて有機物を分解する活性汚泥処理を採用しているが、その他、微小動物処理を採用することもでき、また、両者の併用であっても良い。活性汚泥処理を採用する場合、標準活性汚泥の他、活性汚泥を充填材や円板等に付着させて処理する方法を採用することもできる。
本発明において、一槽式ANAMMOX反応槽3に導入される有機物除去処理水は、有機物とアンモニア態窒素及び有機態窒素の合計との重量比(BOD/(NH−N+Org−N))が1以下、より好ましくは0.5以下、例えば0.1〜0.3となるように有機物を分解除去したものであることが好ましく、このアンモニア態窒素及び有機態窒素の合計に対する有機物の含有量が多いと、一槽式ANAMMOX反応槽3において有機物による反応阻害を十分に防止し得ず、本発明の目的を達成し得ない。
一槽式ANAMMOX反応槽3では、導入されたアンモニア態窒素含有水が、グラニュール汚泥の外側の硝化細菌によりアンモニア態窒素の一部が亜硝酸態窒素に硝化され、内側のANAMMOX菌の作用でアンモニア態窒素と亜硝酸態窒素との反応で窒素ガスに分解される。
この一槽式ANAMMOX反応槽3では、このような硝化反応と脱窒反応とを単一槽内で実現するために、次のような条件を採用することが好ましい。
pH:5〜9
DO濃度:0.1〜2mg/L
温度:5〜40℃
BOD濃度:0〜50mg/L
窒素負荷:0.02〜10kg−N/m/day
この一槽式ANAMMOX反応槽3の型式には特に制限はなく、固定床、流動床、グラニュール法、担体添加法等の生物膜式の反応槽を採用することができる。
一槽式ANAMMOX反応槽3からのANAMMOX処理水は、次いで、凝集処理槽4に導入され、凝集処理槽4において無機凝集剤及び高分子凝集助剤が添加されて凝集処理される。
無機凝集剤としては、ポリ塩化アルミニウム等のアルミニウム系凝集剤、塩化第二鉄、ポリ硫酸第二鉄等の鉄系凝集剤を用いることができ、無機凝集剤と高分子凝集助剤とを併用することにより良好な凝集効果が得られる。
これらの無機凝集剤の添加量は、ANAMMOX処理水の水質によっても異なるが、通常100〜300mg/L程度である。また、高分子凝集助剤を併用する場合、高分子凝集助剤の添加量は通常0.1〜10mg/L程度である。
このような凝集処理を行うことにより、沈殿分離汚泥の調質と共に、硝化・脱窒処理水中のSS及びリンを高度に除去することができ、より一層良好な水質の処理水を得ることができる。
第2沈殿槽5の上澄水(凝集沈殿処理水)は処理水として系外へ排出される。また、分離汚泥は、系外へ排出されて脱水等の処理工程に送給される。
なお、図1は本発明の有機物及び窒素含有排水の処理方法の実施の形態の一例であって、本発明はその要旨を超えない限り、何ら図示の方法に限定されるものではない。
例えば、前段の活性汚泥処理工程は、活性汚泥処理槽と沈殿槽との組み合せの他、膜モジュールを浸漬した、浸漬膜型活性汚泥処理槽を用いて沈殿槽を省略しても良い。また、固定床式反応槽等を用いて沈殿槽を省略することもできる。更に、第1、第2沈殿槽の代りに膜分離装置等の他の固液分離手段を用いることもできる。また、凝集処理槽を省略して、直接沈殿槽への導入配管又は沈殿槽に無機凝集剤を添加して凝集処理することもできる。
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
実施例1
図1に示す方法により、表1に示す水質の原水を、下記条件で通水して処理を行った。なお、一槽式ANAMMOX反応槽(型式ガスリフトリアクタ)には、集積培養して得た硝化菌とANAMMOX菌とのグラニュール汚泥を投入した。
(処理条件)
活性汚泥処理槽のDO濃度:1mg/L
活性汚泥処理槽のBOD負荷:0.6kg/m/day
活性汚泥処理槽のSRT:4day
活性汚泥処理槽の容積:50L
活性汚泥処理槽の温度:20℃
一槽式ANAMMOX反応槽のDO濃度:0.5mg/L
一槽式ANAMMOX反応槽の窒素負荷:1kg−N/m/day
一槽式ANAMMOX反応槽の容積:15L
一槽式ANAMMOX反応槽の温度:30℃
無機凝集剤(硫酸バンド)添加量:250mg/L
高分子凝集助剤(アニオン性)添加量:1mg/L
凝集槽の容積:1.5L
このときの活性汚泥処理水、一槽式ANAMMOX処理水、凝集沈殿処理水の水質は表1に示す通りであった。
比較例1
実施例1において活性汚泥処理を行わなかったこと以外は同様にして処理を行い、各工程の処理水の水質を表1に示した。
Figure 2006055739
表1より、次のことが明らかである。即ち、一槽式ANAMMOX反応槽では、BODを多く含む水が導入されると硝化菌よりも増殖速度が速いBOD資化菌の増殖によって、槽内の汚泥量が増加していくため、汚泥の引き抜きが必要となる。引き抜きを繰り返すうちに、槽内汚泥中の硝化−ANAMMOXグラニュール量が低下し、BOD資化菌が優占化してしまうため、アンモニア態窒素の処理ができなくなる。
これに対して、ANAMMOX反応に先立ち有機物を除去した実施例1では、一槽式ANAMMOX反応槽において、BOD資化菌が優先することはなく、アンモニア態窒素の硝化、及びアンモニア態窒素と亜硝酸態窒素との反応による脱窒が円滑に進行し、良好な水質の処理水を得ることができる。
本発明の有機物及び窒素含有排水の処理方法の実施の形態を示す系統図である。
符号の説明
1 活性汚泥処理槽
2 第1沈殿槽
3 一槽式ANAMMOX反応槽
4 凝集処理槽
5 第2沈殿槽

Claims (5)

  1. アンモニア態窒素を電子供与体とし、亜硝酸態窒素を電子受容体とする独立栄養性脱窒微生物が担体粒子表面に生物膜を形成したもの、又は前記脱窒微生物が自己造粒によりグラニュールになったものを槽内に保有する反応槽に、被処理水を供給し、該反応槽内で、硝化と脱窒を行う一槽式硝化・脱窒工程を有する有機物及び窒素含有排水の処理方法であって、
    有機物及び窒素含有排水を、硝化抑制条件下に有機物を分解する有機物除去工程を有し、該有機物除去工程の処理水を前記硝化・脱窒工程に供給することを特徴とする有機物及び窒素含有排水の処理方法。
  2. 請求項1において、前記硝化・脱窒工程の処理水に凝集剤を添加して凝集処理及び固液分離処理する工程を備えることを特徴とする有機物及び窒素含有排水の処理方法。
  3. 請求項1又は2において、該有機物除去工程が活性汚泥処理工程であり、該有機物除去工程の汚泥滞留時間を7日以下とすることにより硝化抑制条件下の有機物分解を行うことを特徴とする有機物及び窒素含有排水の処理方法。
  4. 請求項1ないし3のいずれか1項において、該有機物除去工程が活性汚泥処理工程であり、該有機物除去工程の溶存酸素濃度を2mg/L以下とすることにより硝化抑制条件下の有機物分解を行うことを特徴とする有機物及び窒素含有排水の処理方法。
  5. 請求項1ないし4のいずれか1項において、該有機物及び窒素含有排水中のアンモニア態窒素及び有機態窒素の合計と有機物との重量比((NH−N+Org−N)/BOD)が1未満であり、前記硝化・脱窒工程に導入される有機物除去工程の処理水中の有機物とアンモニア態窒素及び有機態窒素の合計との重量比(BOD/(NH−N+Org−N))が1以下であることを特徴とする有機物及び窒素含有排水の処理方法。
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