JP2006320844A

JP2006320844A - 排水処理方法および装置

Info

Publication number: JP2006320844A
Application number: JP2005146634A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Hasebe; 吉昭長谷部; Haruki Akega; 春樹明賀
Original assignee: Organo Corp; Japan Organo Co Ltd
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2006-11-30

Abstract

【課題】硝化細菌が活動するのに充分な無機炭素源を供給しつつ低コストで排水のｐＨ調整を行うことができる、生物処理を伴う排水処理方法および装置を提供する。
【解決手段】アルカリ性水溶液中に二酸化炭素を含有する気体を供給して無機炭素を溶解させ、該無機炭素を含有する水溶液を排水の生物処理における無機炭素源として使用することを特徴とする排水処理方法、および排水処理装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンモニア性窒素を含む無機排水を生物処理によって硝化する排水処理方法および排水処理装置に関し、特に、窒素およびカルシウムを含む無機排水を微生物を用いて硝化処理するのに好適な排水処理方法および装置に関する。

従来より、ＩＣなどの半導体の製造工程などでは、フッ酸、アンモニア、硝酸などが使用されている。このため、その廃液として、フッ素（フッ酸）、窒素（アンモニア、硝酸）を含む排水が排出される。例えば、エッチング処理等の工程においてこれらの化学物質を含む薬品が用いられ、半導体基板を超純水等で洗浄した際の洗浄廃液としてこれらの化学物質を含む排水が排出される。また、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）製造工程も基本的に半導体製造工程と同様の工程を有しており、同様の排水が排出される。さらに、石炭火力発電所、ガラス表面加工工場等においても、窒素を含む排水が排出される。さらには、一般的な生活排水にも窒素（アンモニア、硝酸）が含まれていることがある。

窒素除去法としては、一般的に生物学的硝化脱窒処理方法が採用される。この生物学的硝化脱窒処理方法は、まず排水を硝化処理して排水中のアンモニア性窒素を亜硝酸性窒素又は硝酸性窒素とし、その後メタノール等の水素供与体を添加して無酸素状態とし、通性嫌気性細菌である脱窒菌の無酸素状態における硝酸呼吸を利用して窒素を除去するものである。

例えば、従来の好気性独立栄養性細菌の作用により排水中のアンモニア性窒素を亜硝酸性窒素又は硝酸性窒素へと変換する生物処理方法においては、その変換に伴って排水のｐＨが低下する。この好気性独立栄養性細菌（硝化細菌）の生育状態は以下の化学反応式で表すことができる。
ＮＨ₄ ⁺＋０．１０３ＣＯ₂＋１．８６Ｏ₂→０．０１８２Ｃ₂Ｈ₅ＮＯ₂＋０．００２４５Ｃ₅Ｈ₇ＮＯ₂＋０．９７９ＮＯ₃ ^-＋１．９８Ｈ⁺＋０．９３８Ｈ₂Ｏ
すなわち、硝化細菌の増殖に必要な無機炭素と処理すべきアンモニア性窒素との重量比は、０．０８８ｇ−Ｃ／ｇ−Ｎと表すことができる。このような硝化細菌を利用した従来の排水処理方法として、例えば特許文献１〜４に開示されたものが知られている。

一般に、活性汚泥法のような低負荷処理（例えば０．１〜０．３ｋｇ−Ｎ／ｍ³／ｄａｙ）の場合は、曝気による排水への炭酸ガスの溶け込みにより上記の無機炭素量を確保することが可能である。しかし、生物固定担体を処理系内に投入して、その細菌を処理系内に留める生物膜法（例えば、固定床方式や流動床方式）や、微生物を自己造粒させて生物処理槽内に高濃度に維持するグラニュール法では高負荷処理（例えば０．５〜４．０ｋｇ−Ｎ／ｍ³／ｄａｙ）が行われるため、硝化細菌の増殖に必要な無機炭素が不足しがちとなる。そのため、無機炭素を補充するために、重炭酸塩を排水中に添加する場合がある。この重炭酸塩はアルカリ剤としても機能させることが可能である。
特開昭５４−３３３６５号公報特開昭６１−１１８１９８号公報特開平５−１２３６９６号公報特開２００３−３３７８８号公報

重炭酸塩のアルカリ剤としての機能を利用し、例えば重炭酸ナトリウムのみを用いて排水を中和する場合、処理すべきアンモニア性窒素１ｇに対して重炭酸ナトリウムは約９．６ｇ／ｇ−Ｎ（約１．４ｇ−Ｃ／ｇ−Ｎ）が必要となる。しかしながら、重炭酸ナトリウムは高価であるため、アルカリ剤として重炭酸ナトリウムのみを用いると、排水処理コストが高くなってしまうという問題がある。さらに、重炭酸ナトリウムはスラリー状態での取扱いとなってしまうため、排水中に添加するには複雑な注入設備が必要となってしまう。

一方、水酸化ナトリウムは重炭酸ナトリウムに比較して安価な上に、アルカリ剤として用いた場合には処理すべきアンモニア窒素１ｇに対して約５．７ｇの量で済むという利点もある。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、硝化細菌が活動するのに充分な無機炭素源を供給しつつ低コストで排水のｐＨ調整を行うことができる、生物処理を伴う排水処理方法および装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、これらの課題を解決するため鋭意検討を行った結果、アルカリ性水溶液中に二酸化炭素を含有する気体を供給し、気体中の二酸化炭素を炭酸イオンもしくは炭酸水素イオンの形でアルカリ水溶液中に吸収させ、本水溶液を独立栄養性細菌の炭素源として使用することで重炭酸ナトリウム等の無機炭素含有薬剤の使用量を低減し、かつ高負荷での処理が可能となるシステムとして確立した。

すなわち、本発明に係る排水処理方法は、アルカリ性水溶液中に二酸化炭素を含有する気体を供給して無機炭素を溶解させ、該無機炭素を含有する水溶液を排水の生物処理における無機炭素源として使用することを特徴とする方法からなる（第１の方法）。つまり、所定のアルカリ性水溶液を準備しておき、それに無機炭素を溶解させ、該無機炭素を含有する水溶液を排水の生物処理に利用する方法である。

また、本発明に係る排水処理方法は、原水の一部もしくは全部にアルカリ性を有する薬剤を添加しｐＨをアルカリ側に調整してアルカリ性水溶液を調製し、該アルカリ性水溶液に二酸化炭素を含有する気体を供給して無機炭素を溶解させ、該無機炭素を含有する水溶液を排水の生物処理における無機炭素源として使用することを特徴とする方法からなる（第２の方法）。つまり、所定の原水からアルカリ性水溶液を調製し、それに無機炭素を溶解させ、該無機炭素を含有する水溶液を排水の生物処理に利用する方法である。

この第２の排水処理方法においては、上記アルカリ性水溶液の原水に、生物処理の対象となる排水の一部を使用することもできるし、生物処理の対象となる排水以外の原水を使用することもできる。

上記ｐＨ調整用薬剤としては、コスト、入手容易性および取扱い容易性の面から、が水酸化ナトリウムであることが好ましい。

また、アルカリ性水溶液のｐＨが常に所定の値以上となるように上記薬剤を注入することも好ましい態様である。

また、上記アルカリ性水溶液の原水としては、カルシウム濃度が５０ｍｇ／Ｌ以下の原水を用いることが好ましい。

この排水処理方法は、排水がアンモニア性窒素を含有しており、生物処理が独立栄養性細菌による硝化処理である場合に好適なものである。

本発明に係る排水処理方法においては、アルカリ性水溶液中に供給された二酸化炭素を含有する気体がアルカリ性水溶液により無機炭素を吸収された後、該無機炭素を含有する水溶液を排水の生物処理に供することが好ましい。

また、二酸化炭素含有気体の供給をアルカリ性水溶液のｐＨが９．０以上の状態で行うことが好ましい。

本発明に係る排水処理装置は、排水を生物処理する排水処理装置であって、アルカリ性水溶液中に二酸化炭素を含有する気体を供給して無機炭素を溶解させ、該無機炭素を含有する水溶液を排水の生物処理槽内に供給する手段を有することを特徴とする装置からなる（第１の装置）。

また、本発明に係る排水処理装置は、原水の一部もしくは全部にアルカリ性を有する薬剤を添加しｐＨをアルカリ側に調整してアルカリ性水溶液を調製する手段と、該アルカリ性水溶液に二酸化炭素を含有する気体を供給して無機炭素を溶解させる手段と、該無機炭素を含有する水溶液を排水の生物処理槽内に供給する手段とを有することを特徴とする装置からなる（第２の装置）。

この第２の排水処理装置においては、上記アルカリ性水溶液の原水として、生物処理槽に導入される生物処理の対象となる排水の一部を使用することもできるし、生物処理槽に導入される生物処理の対象となる排水以外の原水を使用することもできる。

また、上記ｐＨ調整用薬剤は水酸化ナトリウムであることが好ましい。

また、アルカリ性水溶液のｐＨが常に所定の値以上となるように上記薬剤を注入する手段を有することも好ましい。

また、上記アルカリ性水溶液の原水には、カルシウム濃度が５０ｍｇ／Ｌ以下の原水を用いることが好ましい。

本発明に係る排水処理装置がアンモニア性窒素を含む排水を生物処理によって硝化する排水処理装置である場合、前記排水と独立栄養性細菌とが混合される生物処理槽を有し、該生物処理槽内に前記無機炭素を含有する水溶液が供給されることが好ましい。

また、アルカリ性水溶液中に供給された二酸化炭素を含有する気体がアルカリ性水溶液により無機炭素を吸収された後、該無機炭素を含有する水溶液が供給されることが好ましい。

さらに、二酸化炭素含有気体の供給がアルカリ性水溶液のｐＨが９．０以上の状態で行われることが好ましい。

本発明に係る排水処理方法および装置によれば、アルカリ性水溶液中に二酸化炭素を含有する気体を供給して無機炭素を溶解させることにより、生物処理において硝化細菌が活動するのに充分な無機炭素源として供給できるようにしたので、従来のように無機炭素を補充するために高価な重炭酸塩を添加する必要がなくなり、低コストで目標とする生物処理による排水処理を行うことが可能になる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態について、とくに、アンモニア性窒素を含有する排水を生物化学的に硝化を行う処理に対して本発明を適用する例について詳細に説明する。なお、本発明はこの例に限定されるものではなく、無機炭素を要求する独立栄養性細菌を使用した生物処理一般に適用可能である。

本発明に係る、アンモニア性窒素を含有する排水の処理装置としては、例えば図１に示すように、処理対象物質含有排水１と独立栄養性細菌とが混合される生物処理槽２と、生物処理槽２内のｐＨを検出するｐＨ検出器３と、生物処理槽２内のｐＨを調整するｐＨ調整剤を生物処理槽２に供給する第１の供給部と、生物処理槽２内に無機炭素含有水を供給する第２の供給部と、ｐＨ検出器３の検出結果に基づいてｐＨ調整剤の供給量と無機炭素源の供給量とを制御する供給量制御部とを有している。図１に示す例では、無機炭素を溶解させるための原水４が導入される無機炭素溶解槽５にアルカリ性を有する薬剤を貯留したアルカリ貯槽６から該薬剤が供給されて所定のｐＨのアルカリ性水溶液が調製され、そこに二酸化炭素含有気体７が供給されて無機炭素が溶解され、該無機炭素を含有する水溶液が生物処理槽２に供給されて生物処理における無機炭素源として使用されるようになっている。二酸化炭素含有気体７が供給されるアルカリ性水溶液を所定のｐＨに調整するために、無機炭素溶解槽５にもｐＨ検出器８が設けられている。生物処理水９は、放流されるか、または所定の行き先に送られる。なお、上記第１の供給部と第２の供給部を生物処理槽２に対して別個の供給系に構成することも可能であるが、ｐＨ調整剤がアルカリ性水溶液であり、かつ無機炭素源含有水がアルカリ性を有する場合には上記機第１の供給部と第２の供給部は生物処理槽２に対して実質的に同じ系として構成できる。つまり、アルカリ性の無機炭素含有水を供給することによって生物処理槽内のｐＨを調整することが可能である。

また、上記無機炭素溶解槽５部分については、槽を設けずにラインミキサー等により溶解させる手段も採用可能である。また、二酸化炭素含有気体７としては、空気や燃焼ガス等が好適に使用できる。また、有機物を含有した気体は、該有機物がアルカリ水溶液中に溶解し、独立栄養細菌である硝化細菌の生育を妨げる場合があるため、好ましくない。気体中の有機物濃度は１％程度以下であることが望ましい。アルカリ貯槽６に貯留するｐＨ調整剤としての薬剤には、水酸化ナトリウム等を使用することが好ましい。

また、本発明における無機炭素源含有水調製のための原水には、処理対象物質含有排水１を使用することも可能である。例えば図２に示すように、排水１の一部を無機炭素溶解槽５に導入し、そこにアルカリ貯槽６から薬剤を供給して所定のｐＨのアルカリ性水溶液を調製するとともに、二酸化炭素含有気体７を供給して無機炭素を溶解させ、該無機炭素を含有する水溶液を生物処理槽２に供給して生物処理における無機炭素源として使用することもできる。

本発明における無機炭素含有水はアルカリ性水溶液に二酸化炭素を含有した気体を供給することによって生成される。アルカリ性水溶液としてはアルカリ性を有する水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸水素二カリウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウムなどの一般的な化合物の水溶液が使用できるが、コストや取扱いの容易さ等を考慮すると水酸化ナトリウムを使用することが望ましい。アルカリ剤が固体である場合や所定濃度に希釈する場合には水が必要となるが、処理対象となる排水、処理水、他系統の排水、水道水、工業用水、地下水等様々な水が使用できるが、水中にカルシウム分を多く含む場合には供給した二酸化炭素と反応して炭酸カルシウムの沈殿を生成するため注意が必要である。したがって、前述の如く、カルシウム濃度が５０ｍｇ／Ｌ以下の原水を用いることが好ましい。

アルカリ性水溶液の濃度に関しては特に指定はないが、ｐＨが二酸化炭素の溶解量に影響するため、溶液のｐＨは９．０以上（より望ましくは１０以上）を維持しうるような濃度、または前記ｐＨ検出器３等によりｐＨを監視し、所定のｐＨを維持できるようアルカリの供給を行うことが望ましい。二酸化炭素を含有した気体としては、前述の如く、空気の他、燃焼ガス等も有効に活用しうる。また、有機物を含有した気体は、該有機物がアルカリ水溶液中に溶解し、独立栄養細菌である硝化細菌の生育を妨げる場合があるため、好ましくない。気体中の有機物濃度は１％程度以下であることが望ましい。二酸化炭素含有気体の溶解方法としても特に規定はないが、溶解効率の面からはディフューザーや曝気攪拌機、ラインミキサー等を使用して溶解させることが望ましい。また、二酸化炭素を溶解させた後の気体は生物処理における酸素供給源として使用することも可能である。

このように調製した無機炭素含有水は、一定速度、または生物処理槽内のｐＨに応じて供給される。生物処理槽内のｐＨとしては６．０〜８．０程度に調整されることが望ましい。本発明においては生物処理の方法自体には特に規定がないが、通常の活性汚泥を用いた方法においては、酸素供給を目的とした曝気により二酸化炭素も生物処理槽内に供給されるため、生物処理槽内の酸素濃度を１（ｍｇ／Ｌ）以下程度に低くコントロールしたい場合、担体を投入して表面に担持した微生物により処理を行う生物膜法や、微生物を自己造粒させたグラニュール法のように窒素負荷を高くとることのできる処理法では、通常の酸素供給のための曝気においては無機炭素が処理の律速となりうるため、本発明が特に有効である。このように硝化された窒素含有排水は一般的な脱窒工程を経ることにより、排水中の窒素分は窒素ガスとして系外に放出される。

〔無機炭素溶解試験〕
所定濃度（％）の水酸化ナトリウム水溶液２５０ｍＬを入れた洗気瓶を直列で２本連結し、エアーポンプにより実験室内の空気を約１Ｌ／ｍｉｎにて通気した。２４時間経過後、溶液のｐＨを塩酸水溶液で中性に調整し、洗気瓶内の無機炭素濃度をＴＯＣ計により測定した。また、ブランクとして通気前の水酸化ナトリウム水溶液中の無機炭素濃度についても測定を行い、通気後の値の補正に用いた。

〔試験結果〕
表１に通気前後の液中無機炭素濃度を示した。

上記のようにアルカリ性水溶液に対して二酸化炭素含有気体を供給した場合、中性水溶液と比較して無機炭素吸収量を極度に増加させることができる。

本発明に係る排水処理方法および装置は、あらゆる分野の排水処理に適用可能であり、例えば生活排水の排水処理の他、半導体製造工程によって排出される産業排水の排水処理に適用可能である。

本発明に係る排水処理の一例を示す概略機器系統図である。本発明に係る排水処理の別の例を示す概略機器系統図である。

符号の説明

１処理対象物質含有排水
２生物処理槽
３、８ｐＨ検出器
４原水
５無機炭素溶解槽
６アルカリ貯槽
７二酸化炭素含有気体
９生物処理水

Claims

アルカリ性水溶液中に二酸化炭素を含有する気体を供給して無機炭素を溶解させ、該無機炭素を含有する水溶液を排水の生物処理における無機炭素源として使用することを特徴とする排水処理方法。
原水の一部もしくは全部にアルカリ性を有する薬剤を添加しｐＨをアルカリ側に調整してアルカリ性水溶液を調製し、該アルカリ性水溶液に二酸化炭素を含有する気体を供給して無機炭素を溶解させ、該無機炭素を含有する水溶液を排水の生物処理における無機炭素源として使用することを特徴とする排水処理方法。
前記アルカリ性水溶液の原水に、生物処理の対象となる排水の一部を使用する、請求項２に記載の排水処理方法。
前記アルカリ性水溶液の原水に、生物処理の対象となる排水以外の原水を使用する、請求項２に記載の排水処理方法。
前記ｐＨ調整用薬剤が水酸化ナトリウムであることを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の排水処理方法。
アルカリ性水溶液のｐＨが常に所定の値以上となるように前記薬剤を注入することを特徴とする、請求項２〜５のいずれかに記載の排水処理方法。
前記アルカリ性水溶液の原水に、カルシウム濃度が５０ｍｇ／Ｌ以下の原水を用いることを特徴とする、請求項２〜６のいずれかに記載の排水処理方法。
排水がアンモニア性窒素を含有しており、生物処理が独立栄養性細菌による硝化処理であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の排水処理方法。
アルカリ性水溶液中に供給された二酸化炭素を含有する気体がアルカリ性水溶液により無機炭素を吸収された後、該無機炭素を含有する水溶液を排水の生物処理に供することを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の排水処理方法。
二酸化炭素含有気体の供給をアルカリ性水溶液のｐＨが９．０以上の状態で行う、請求項１〜９のいずれかに記載の排水処理方法。
排水を生物処理する排水処理装置であって、アルカリ性水溶液中に二酸化炭素を含有する気体を供給して無機炭素を溶解させ、該無機炭素を含有する水溶液を排水の生物処理槽内に供給する手段を有することを特徴とする排水処理装置。
原水の一部もしくは全部にアルカリ性を有する薬剤を添加しｐＨをアルカリ側に調整してアルカリ性水溶液を調製する手段と、該アルカリ性水溶液に二酸化炭素を含有する気体を供給して無機炭素を溶解させる手段と、該無機炭素を含有する水溶液を排水の生物処理槽内に供給する手段とを有することを特徴とする排水処理装置。
前記アルカリ性水溶液の原水に、生物処理槽に導入される生物処理の対象となる排水の一部を使用する、請求項１２に記載の排水処理装置。
前記アルカリ性水溶液の原水に、生物処理槽に導入される生物処理の対象となる排水以外の原水を使用する、請求項１２に記載の排水処理装置。
前記ｐＨ調整用薬剤が水酸化ナトリウムであることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれかに記載の排水処理装置。
アルカリ性水溶液のｐＨが常に所定の値以上となるように前記薬剤を注入する手段を有することを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれかに記載の排水処理装置。
前記アルカリ性水溶液の原水に、カルシウム濃度が５０ｍｇ／Ｌ以下の原水を用いることを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれかに記載の排水処理装置。
アンモニア性窒素を含む排水を生物処理によって硝化する排水処理装置であり、前記排水と独立栄養性細菌とが混合される生物処理槽を有し、該生物処理槽内に前記無機炭素を含有する水溶液が供給される、請求項１１〜１７のいずれかに記載の排水処理装置。
アルカリ性水溶液中に供給された二酸化炭素を含有する気体がアルカリ性水溶液により無機炭素を吸収された後、該無機炭素を含有する水溶液が供給される、請求項１１〜１８のいずれかに記載の排水処理装置。
二酸化炭素含有気体の供給がアルカリ性水溶液のｐＨが９．０以上の状態で行われる、請求項１１〜１９のいずれかに記載の排水処理装置。