JP2006247624A - アンモニア含有水の処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 多量の酸素や有機物を必要とせず、かつ安定した処理が可能なアンモニア含有水の処理方法を提供する
【解決手段】 好気性の硝化細菌と嫌気性亜硝酸酸化細菌とを包括固定した担体14を脱窒槽12に保持し、この脱窒槽12に供給したアンモニア含有水10を好気条件下で担体14に接触させる。この際、脱窒槽12内のアンモニア含有水の溶存酸素が0.5〜1mg/Lとなるように、脱窒槽12に供給する曝気空気量を制御することが望ましい。また、脱窒槽12に添加・流入される有機炭素量と総窒素量との比(C/N比)が0.1以上となるように有機物24の添加量を調節することが望ましい。
【選択図】 図1

Description

本発明はアンモニア含有水の処理方法に係り、特にアンモニア含有水を生物学的に脱窒処理する方法に関する。
アンモニア含有水を生物学的に脱窒処理する方法は周知である。最も一般的な方法は、アンモニアを硝化細菌による好気的な硝化反応によって亜硝酸や硝酸に酸化する。次いで亜硝酸や硝酸を脱窒菌による嫌気的な脱窒反応によって窒素ガスにする。脱窒菌は従属栄養性であるため脱窒反応には有機物が必要であり、通常、総窒素濃度に対して3倍程度の有機物を添加している。この従来方法は上記したように、硝化反応のために多量の酸素と、脱窒反応のために多量の有機物を必要とする点で、処理コストが高くなることが問題点として指摘されている。
最近では生物学的な脱窒処理を効率よく安価に行うために、嫌気性アンモニア酸化法が検討されている。この方法はアンモニアの一部を例えば化1に示した硝化反応によって亜硝酸に変換する。次に、残りのアンモニアと生成した亜硝酸とを嫌気性アンモニア酸化細菌により化2に示した反応によって脱窒する。
Figure 2006247624
Figure 2006247624
この方法ではアンモニアの一部のみを亜硝酸にするので、硝化反応に必要な酸素量を大幅に低減できる。また、嫌気性アンモニア酸化細菌は独立栄養性であるため、脱窒反応に際して有機物を必要としない。このため、アンモニア含有水を安価に脱窒処理できるといわれている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照。)。
特開2001−170684号公報 特開2004−275997号公報
しかしながら、上記の嫌気性アンモニア酸化法では、化2に示したように嫌気性アンモニア酸化細菌における脱窒反応のアンモニアと亜硝酸の反応モル比が1:1.31である。したがって、この反応モル比が維持できないと、アンモニア又は亜硝酸のいずれか一方が過剰となり、反応後の処理水に残存して処理性能の低下を招く。前記特許文献1及び特許文献2にはこのような技術課題に対処するため方策が記載されているが、処理が複雑であり現実的な方法とはいえない。
化1に示した硝化反応においてもアンモニアのすべてを均一に亜硝酸にすることは至難であり、現実の硝化反応槽では未反応のアンモニアや硝酸が硝化液中にかなりの割合で混入する。すなわち、未反応のアンモニアを少なくするために硝化処理を十分にすると硝化液中の硝酸が多くなる。逆に硝酸の生成を少なくするために硝化処理の程度を抑えると硝化液中のアンモニアが多くなる。このため、上記した反応モル比のバランスが不安定となり、嫌気性アンモニア酸化法の実用化をより一層、困難にしている。
また、嫌気性アンモニア酸化法は化2で明らかなように、反応後の処理液に硝酸が残る処理法である。このため、脱窒処理を十分に遂行するためには、従来の一般的な方法と同様に、反応後の処理液をさらに従属栄養性の脱窒菌によって脱窒しなければならないという問題点があった。
本発明の目的は上記従来技術の問題点を改善し、多量の酸素や有機物を必要とせず、かつ安定した処理が可能であり、反応後の処理液をさらに従属栄養性の脱窒菌によって脱窒する必要がないアンモニア含有水の処理方法を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明に係るアンモニア含有水の処理方法は、嫌気性亜硝酸酸化細菌を包括固定した担体と好気性の硝化細菌とを脱窒槽に保持し、この脱窒槽に供給したアンモニア含有水を好気条件下で前記担体と硝化細菌に接触させることを特徴とする。
また、本発明に係るアンモニア含有水の処理方法は、嫌気性アンモニア酸化細菌と嫌気性亜硝酸酸化細菌とを包括固定した担体と好気性の硝化細菌とを脱窒槽に保持し、この脱窒槽に供給したアンモニア含有水を好気条件下で前記担体と硝化細菌に接触させることを特徴とする。
上記処理方法では、好気性の硝化細菌を脱窒槽に保持する方法として、前記担体に嫌気性亜硝酸酸化細菌や嫌気性アンモニア酸化細菌と一緒に当該硝化細菌を包括固定することが好ましいが、当該硝化細菌を脱窒槽内に浮遊させた状態で保持してもよい。
上記処理方法では、前記脱窒槽内のアンモニア含有水の溶存酸素が0.5〜1mg/Lの微好気条件となるように、前記脱窒槽に供給する曝気空気量を制御することが望ましい。また、前記脱窒槽に保持する嫌気性亜硝酸酸化細菌の細菌数又は嫌気性アンモニア酸化細菌と嫌気性亜硝酸酸化細菌の合計菌数を10cells/mL以上にすることが望ましく、また、必要に応じて前記脱窒槽に有機物を添加することが望ましい。有機物の添加にあたっては、前記脱窒槽に添加・流入される有機炭素量と総窒素量との比が0.1以上、好ましくは0.2〜0.5となるように前記有機炭素量を調節することが望ましい。
本発明に係る嫌気性亜硝酸酸化細菌は本発明者がアンモニア含有水の硝化脱窒に関する研究を実施する過程でその存在に初めて気付いた細菌であり、亜硝酸を主成分とする培養液によって培養することができる。この嫌気性亜硝酸酸化細菌は、前記従来技術の項で説明した嫌気性アンモニア酸化細菌と同様な脱窒機能を有しており独立栄養性に近いため、脱窒反応に際して有機物をほとんど必要としない。また、この嫌気性亜硝酸酸化細菌はアンモニアが共存しない場合でも亜硝酸を酸化して硝酸にする強い活性機能を有している。かつ、従属栄養性の還元作用があり、有機物の存在下で硝酸を還元して亜硝酸にする機能を有している。
本発明のアンモニア含有水の処理方法によれば、アンモニア含有水中のアンモニアは例えば担体の表面層に繁殖した硝化細菌による硝化反応と、担体の中心部に繁殖した嫌気性亜硝酸酸化細菌による脱窒反応が進行することによって、脱窒槽全体としてのアンモニア含有水に対する脱窒処理が達成される。脱窒槽内はアンモニア含有水の溶存酸素を0.5〜1mg/Lの微好気条件に維持する程度で十分であるから、硝化反応に必要な酸素量を大幅に低減できる。
また、嫌気性亜硝酸酸化細菌による脱窒は独立栄養性に近い反応であるため、多量の有機物を必要としない。このため、アンモニア含有水を安価に脱窒処理できる。さらに、嫌気性亜硝酸酸化細菌による脱窒反応にともなって生成される硝酸が、少量の有機物の存在下で嫌気性亜硝酸酸化細菌の従属栄養性の還元作用により亜硝酸に変換される。このため、アンモニア含有水中のアンモニアに起因する窒素はそのほとんどが脱窒槽において窒素ガスに変換される。したがって、処理水に残存する硝酸は極めて低濃度であり、従属栄養性の脱窒菌によって脱窒する必要はない。
嫌気性アンモニア酸化細菌と嫌気性亜硝酸酸化細菌の両方を包括固定した担体を用いると、化2に示し脱窒反応が促進するので、より一層、効率のよい脱窒処理を実現することができる。
図1は本発明に係るアンモニア含有水の処理方法の第1実施形態を示す装置系統図である。アンモニア含有水10が脱窒槽12に供給される。脱窒槽12には担体14が流動状態で保持されている。担体14は好気性の硝化細菌と嫌気性亜硝酸酸化細菌とを包括固定した粒状物である。この担体14は硝化細菌を含む硝化汚泥と嫌気性亜硝酸酸化細菌を集積培養した汚泥とを高分子ゲル体の内部に包括固定し、3〜5mm角に成形することによって得られる。
担体14の製造に必要な硝化汚泥は既存処理場の硝化槽から容易に入手できる。また、嫌気性亜硝酸酸化細菌は下水処理場の汚泥や嫌気硝化汚泥などから集積培養できる。すなわち、これらの汚泥に対し亜硝酸性窒素を主成分とした合成水、例えばアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素との濃度比が0.1:1で総窒素濃度が80mg/mLの合成水を窒素負荷0.3kg-N/m/日程度で連続的に接触させて嫌気培養すると、3ヶ月程度で嫌気性亜硝酸酸化細菌を菌数10cells/mLにまで集積培養することができる。
製造当初の担体14には硝化細菌と嫌気性亜硝酸酸化細菌が均一に分布している。しかしながら、長期間の馴養運転によって図2に示したように担体14の表面層Aには好気性の硝化細菌が濃密に繁殖し、中心部Bには嫌気性亜硝酸酸化細菌が濃密に繁殖した菌体の住み分けが進んでいる。
脱窒槽12の底部には散気管16が配設されており、ブロア18によって供給された空気が散気管16から曝気され、脱窒槽12内は好気条件下に維持されている。脱窒槽12の出口側にはスクリーン20が配設されている。このスクリーン20によって担体14と処理水22を分離し、担体14が出口側から流出しないようにしている。流入したアンモニア含有水10は脱窒槽12内で一定時間、滞留する間に流動状態の担体14と好気条件下で混合、接触する。
アンモニア含有水10が担体14と接触すると、アンモニア含有水10のアンモニアの一部が担体14の表面層Aに繁殖した硝化細菌によって硝化され亜硝酸になる。この硝化反応ではアンモニア含有水10の溶存酸素が消費される。このため、担体14の中心部Bに浸透するアンモニア含有水10は嫌気状態で、かつアンモニアと亜硝酸を含んだ状態で嫌気性亜硝酸酸化細菌と接触する。嫌気性亜硝酸酸化細菌は前記従来技術の項で説明した嫌気性アンモニア酸化細菌と同様な脱窒機能を有しており、前記化2で示したと同様の反応によってアンモニアと亜硝酸を窒素ガスと硝酸に変換する。この嫌気性亜硝酸酸化細菌は独立栄養性に近く、脱窒反応に際してほとんど有機物を必要としない。このように、担体14の表面層Aにおける硝化反応と中心部Bでの脱窒反応がすべての担体14で個々に進行することによって、脱窒槽12全体としてのアンモニア含有水10に対する脱窒処理が達成される。
なお、担体14では硝化反応における溶存酸素の消費によってアンモニア含有水10を部分的に嫌気状態とした上で、嫌気性亜硝酸酸化細菌による脱窒反応が進む。このため、アンモニア含有水10は硝化反応によって溶存酸素が消費し尽くされる程度に、当初から溶存酸素が低く維持されていることが望ましい。したがって、前記散気管16から曝気する空気量は脱窒槽12内のアンモニア含有水10の溶存酸素を0.5〜1mg/Lの微好気条件に維持する程度で十分である。このような微好気条件を維持するために、脱窒槽12に溶存酸素計を付設し、散気管16からの曝気空気量を制御することが望ましい。
嫌気性亜硝酸酸化細菌は上記の脱窒機能に加えて従属栄養性の還元作用があり、有機物の存在下で硝酸を還元して亜硝酸にする機能を有している。アンモニア含有水10中に適度の有機物が存在している場合には、上記脱窒処理によって生成した硝酸が嫌気性亜硝酸酸化細菌の還元作用によって亜硝酸になる。この還元された亜硝酸が、繰り返し嫌気性亜硝酸酸化細菌によって脱窒処理を受ける。このため、脱窒槽12では硝酸濃度が低い濃度に維持されることになり、原水であるアンモニア含有水10中のアンモニアに起因する窒素はそのほとんどが脱窒槽12において窒素ガスに変換される。したがって、反応後の処理水22に残存する硝酸をさらに従属栄養性の脱窒菌によって脱窒する必要はない。
脱窒槽12に保持する嫌気性亜硝酸酸化細菌の菌数は後述の実験2で明らかなように10cells/mL以上にすることが望ましい。脱窒槽12内に流入するアンモニア含有水10が有機物をほとんど含んでおらず、前記嫌気性亜硝酸酸化細菌の還元作用が期待できない場合には適量の有機物24を脱窒槽12内に添加する。添加する有機物としてはメタノール、廃糖蜜、酢酸などがよい。後述の実験3で明らかなように脱窒槽に添加・流入される有機炭素量と総窒素量との比(C/N比)が0.1以上、好ましくは0.2〜0.5となるように有機炭素量を調節することが望ましい。
硝化細菌や嫌気性亜硝酸酸化細菌を担体14に包括固定するには、これらの細菌を含む汚泥と固定化材料(モノマー、プレポリマ)を混合した後に重合し、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。担体の形状は上記した角状に限らず、球状、筒状、ひも状、不織布状でもよい。凹凸が多い包括担体が接触効率に優れており、反応効率がよい。
上述のとおり、本実施形態のアンモニア含有水の処理方法によれば、アンモニア含有水10中のアンモニアは担体14の表面層Aにおける硝化反応と中心部Bでの脱窒反応が進行することによって、脱窒槽12全体としてのアンモニア含有水10に対する脱窒処理が達成される。脱窒槽12内はアンモニア含有水10の溶存酸素を0.5〜1mg/Lの微好気条件に維持する程度で十分であるから、硝化反応に必要な酸素量を大幅に低減できる。また、嫌気性亜硝酸酸化細菌による脱窒は独立栄養性の反応に近く、多量の有機物をほとんど必要としない。このため、アンモニア含有水を安価に脱窒処理できる。さらに、嫌気性亜硝酸酸化細菌による脱窒反応にともなって生成される硝酸が、少量の有機物の存在下で嫌気性亜硝酸酸化細菌の従属栄養性の還元作用により亜硝酸に変換される。このため、アンモニア含有水10中のアンモニアに起因する窒素はそのほとんどが脱窒槽12において窒素ガスに変換される。したがって、処理水22に残存する硝酸は極めて低濃度であり、従属栄養性の脱窒菌によって脱窒する必要はない。
図3は本発明の第2実施形態を示す装置系統図である。図3において、図1と同一の符号を付した要素は上記第1実施形態で説明した要素と実質的同一であり、その説明を省略する。
この図3に示した第2実施形態は脱窒槽12の後段に沈殿槽26を設けたものである。脱窒槽12から排出された処理水22中には硝化細菌を主体とした浮遊状の硝化汚泥が同伴しており、この硝化汚泥を沈殿槽26で沈殿分離する。沈殿した硝化汚泥28を脱窒槽12に返送することによって、脱窒槽12には硝化細菌が高濃度に保持される。浮遊した硝化汚泥中の硝化細菌によってアンモニア含有水10中のアンモニアの一部が硝化し、亜硝酸となる。本実施形態では担体14には嫌気性亜硝酸酸化細菌のみを包括固定すればよい。すなわち、担体14に浸透したアンモニアと亜硝酸が担体14内部で嫌気条件下、包括固定した嫌気性亜硝酸酸化細菌によって脱窒される。
図4は本発明に係る担体の変形例を示した説明図である。(1)に示した担体14Aは図1に示した装置に適しており、硝化細菌と嫌気性アンモニア酸化細菌と嫌気性亜硝酸酸化細菌とを一緒に包括固定した球状の担体である。図1に示した装置で馴養することによって、表面層Aには硝化細菌が、中間層Cには主に嫌気性アンモニア酸化細菌が、中心部Bには主に嫌気性亜硝酸酸化細菌がそれぞれ濃密に繁殖する。この担体14Aによれば中間層Cに繁殖した嫌気性アンモニア酸化細菌によって化2に示した脱窒反応が促進するので、より一層、効率のよい脱窒処理を実現することができる。なお、嫌気性アンモニア酸化細菌を担体14Aに包括固定するには、前記嫌気性亜硝酸酸化細菌と同様に、嫌気性アンモニア酸化細菌を集積培養した汚泥を別途調製し、この汚泥を固定化材料と混合して高分子ゲル体の内部に封じ込めばよい。
(2)に示した担体14Bは図3に示した装置に適しており、嫌気性アンモニア酸化細菌と嫌気性亜硝酸酸化細菌とを一緒に包括固定した球状の担体である。図3に示した装置で馴養することによって、表面層Aには主に嫌気性アンモニア酸化細菌が、中心部Bには主に嫌気性亜硝酸酸化細菌がそれぞれ濃密に繁殖する。この担体14Bも表面層Aに繁殖した嫌気性アンモニア酸化細菌によって化2に示した脱窒反応が促進するので、より一層、効率のよい脱窒処理を実現することができる。なお、上記(1)(2)では、嫌気性アンモニア酸化細菌と嫌気性亜硝酸酸化細菌とを担体内に一緒に包括固定した場合について説明したが、それぞれの菌を別々に包括固定した担体を脱窒槽に保持するようにしてもよい。
実験例
実験1
下水処理場の活性汚泥を種汚泥としてポリエチレングリコールジアクリレートで包括固定化した。この包括固定体を3mm角に成形し、包括固定化担体を得た。得られた担体を有効容量が1Lの培養槽に充填率が20%になるように充填した。この培養槽に合成水を嫌気条件下で連続通水した。合成水はアンモニア性窒素(NH−N)濃度、亜硝酸性窒素(NO−N)濃度の比が0.1:1で総窒素(T−N)を80mg/L含有したものである。この合成水を培養槽における滞留時間、6時間(T−N負荷0.3kg-N/m/日)で通水した。1ヵ月後には処理水に硝酸の生成がみられ、3ヶ月後には処理水における硝酸の生成がほぼ100%に安定して進行することを確認した。
そこで、担体を培養槽から取り出して微粉砕し、微粉砕した担体を試料として、担体中の嫌気性亜硝酸酸化細菌の菌数をMPN法によって計測した。MPN法の分析では微粉砕した担体を段階的に希釈した複数のサンプルを表1に示した培地を用いて1ヶ月間、培養した。この培養後の各サンプルをイオンクロマト装置によって分析し、硝酸を生成しているサンプルを陽性とすることによって、担体中の嫌気性亜硝酸酸化細菌の菌数を計測した。その結果、微粉砕した担体試料中には、嫌気性亜硝酸酸化細菌が菌数10cells/mLにまで集積培養されていることが判った。
Figure 2006247624
実験2
実験1と同一の微粉砕した担体を用いた回分実験を実施した。すなわち、試験管内に嫌気性亜硝酸酸化細菌の集積汚泥である微粉砕担体と硝化汚泥と窒素含有試料液を投入し、各試験管を微好気状態で振とうし、試料液中のT−N濃度の経時変化から脱窒速度を求めた。試料液としてはT−N濃度が80mg/L(NH−N濃度、NO−N濃度、NO−N濃度の比が1:0.5:0.5)と一定で、有機炭素源としての酢酸ナトリウムを総窒素量とのC/N比で0.2含有したものを用いた。なお、回分実験は嫌気性亜硝酸酸化細菌の集積汚泥である微粉砕担体の投入量を変化させて行った。
図5は実験2の回分実験結果を示すグラフである。図5において横軸は試料液における嫌気性亜硝酸酸化細菌数を示し、縦軸は脱窒速度を示す。図5から明らかなように、嫌気性亜硝酸酸化細菌数が10cells/mL以上で脱窒速度が急激に向上し始める。このことから本発明においては脱窒槽に保持する嫌気性亜硝酸酸化細菌数を10cells/mL以上にすればよいことが判る。
実験3
実験1と同一の微粉砕した担体を用いて別の回分実験を実施した。すなわち、試験管内に嫌気性亜硝酸酸化細菌の集積汚泥である微粉砕担体と硝化汚泥と窒素含有試料液を投入し、各試験管を微好気状態で4時間、振とうした後に、試料液中のT−N濃度の減少量から脱窒率を測定した。試料液としてはT−N濃度が80mg/L(NH−N濃度、NO−N濃度、NO−N濃度の比が1:0.5:0.5)と一定で、有機炭素源としての酢酸ナトリウムを総窒素量とのC/N比で0〜1.5の範囲で変化させたものを用いた。
図6は実験3の実験結果を示すグラフであり、横軸は試料液のC/N比を示し、縦軸は脱窒率を示す。図6から明らかなようにC/N比が0.1以上の時に脱窒率が高く、C/N比が0.2〜0.5の範囲で特に高い脱窒率を示すことが判った。
実験4
図1に示した装置によって実廃水の処理実験を行った。使用した固定化担体は表2に示した組成で製造した包括固定化担体である。嫌気性亜硝酸酸化細菌の集積汚泥としては実験1や実験2と同一の微粉砕した担体を用いた。過硫酸カリウムを添加することにより、表2に示した組成の混合物はゲル化する。このゲル化体を3mm角に成形し、実験用の包括固定化担体とした。
Figure 2006247624
上記の包括固定化担体を脱窒槽12に充填率20%で投入し、この脱窒槽12を微好気条件に維持しながら実験した。使用した実廃水はNH−N濃度が90〜120mg/L,BODが15〜30mg/Lであった。脱窒槽12では供給廃水の滞留時間を2時間とし、有機物は添加しなかった。有機物を添加しない理由は、実廃水中のBOD成分を有機炭素源として利用できるからである。
上記の条件で連続処理した結果、1ヵ月後には脱窒率80%以上の安定した脱窒処理性能を示すようになった。
本発明に係るアンモニア含有水の処理方法を示す装置系統図である。 第1実施形態に係る担体14の説明図である。 本発明に係るアンモニア含有水の処理方法の第2実施形態を示す装置系統図である。 本発明に係る担体の変形例を示した説明図である。 実験2の実験結果を示すグラフである。 実験3の実験結果を示すグラフである。
符号の説明
10………アンモニア含有水、12………脱窒槽、14……担体、16………散気管、18………ブロア、20………スクリーン、22………処理水、24………有機物、26………沈殿槽、28………硝化汚泥。

Claims (4)

  1. 嫌気性亜硝酸酸化細菌を包括固定した担体と好気性の硝化細菌とを脱窒槽に保持し、この脱窒槽に供給したアンモニア含有水を好気条件下で前記担体と硝化細菌に接触させることを特徴とするアンモニア含有水の処理方法。
  2. 嫌気性アンモニア酸化細菌と嫌気性亜硝酸酸化細菌とを包括固定した担体と好気性の硝化細菌とを脱窒槽に保持し、この脱窒槽に供給したアンモニア含有水を好気条件下で前記担体と硝化細菌に接触させることを特徴とするアンモニア含有水の処理方法。
  3. 前記脱窒槽内のアンモニア含有水の溶存酸素が0.5〜1mg/Lの微好気条件となるように、前記脱窒槽に供給する曝気空気量を制御することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のアンモニア含有水の処理方法。
  4. 前記脱窒槽に添加・流入される有機炭素量と総窒素量との比が0.1以上となるように有機炭素量を調節することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のアンモニア含有水の処理方法。
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