JP2008012425A - 下水からのりん及び窒素の除去方法並びに除去装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】嫌気槽、無酸素槽、及び好気槽を使用する生物学的な下水からのりん及び窒素の除去方法において、好気槽を上流側から下流側にかけて複数の区画に分割して曝気し、且つ、前記好気槽の各区画の曝気量を上流側から下流側へ削減する。
【選択図】図2
Description
下水からの窒素の除去原理は、以下のような生物学的硝化反応と脱窒素反応であり、このような生物処理法が、物理化学的な方法(次亜塩素酸ナトリウムで分解あるいはアンモニアストリッピング)と比較するとランニングコストが小さく、下水処理分野で広く採用されている。本プロセスは、絶対好気性・独立栄養細菌(Nitrosomonas,Nitrobacter等の硝化細菌)による生物学的酸化反応(硝化反応)と通性嫌気性・従属栄養細菌(Pseudomonas等の脱窒細菌)による生物学的還元反応(脱窒反応)の組み合わせから成っている。
2NO2 - + O2 → 2NO3 - -----------(2)
2NO3 - +10H2 → N2 +4H2O+2OH- ------------(4)
(1)DOが存在しないこと(無酸素条件):脱窒細菌は、DOが存在すると、DOを優先的に用いてしまう。このため、NO2-NやNO3-Nが残留しやすい。
(2)十分な有機物(水素供与体)があること:脱窒を行なうためには十分な水素供与体が必要である。水素供与体として、都市下水などでは、下水中の有機物(BOD成分)がそのまま用いられ、有機物を含まない廃水ではメタノールなどが外部から添加されることが多い。BODの場合、BOD(mg/L)は窒素(mg/L)に対して、BOD/N比=3以上必要(Nは窒素元素として)とされている。有機物の種類も重要であり、脱窒速度に大きく影響する。
高度処理施設設計マニュアル、pp.94-122、pp.158-251、日本下水道協会、平成6年 嫌気-無酸素-好気法運転管理マニュアル(案)、東京都下水道サービス、平成9年3月、pp.21-53
窒素除去については、硝化反応にともない、(1)及び(2)式から4.57kgO2/kgNH4-Nの酸素消費が発生する。このような硝化反応を推進するため、ブロワによるエネルギー消費量が大きくなるため、無駄な曝気を極力削減する方策が必要である。
従来の制御方式のA2O法処理フローを図1に、本発明の制御方式のA2O法処理フロ−を図2に示す。
両法とも好気槽7では、基本として、常時、ベースノズル(ベースブロワ13に空気供給配管接続)によって曝気を行ない、アンモニア酸化細菌により、NH4−NをNO2−Nまで酸化する。続いて、亜硝酸酸化細菌により、NO2−NをNO3−Nまで酸化する。
2NO2 - + O2 → 2NO3 - -----------(9)
=(好気槽7の各区画における硝化液中のNH4-Nの濃度
/無酸素槽6から好気槽7に流入する処理液中のNH4-Nの濃度)×100
となる。
従来法と比べた発明法の利点は、以下の通りである。
図1の従来法では、通常、好気槽7末端のDO計19のDO値を1.5〜3.0mg/Lとなるように、好気槽7全体を均一に曝気する(非特許文献1、非特許文献2参照)。
まず、発明法では、前述したように、好気槽7の上流側から下流側にかけての曝気量は均一ではない。好気槽7を上流側から下流側にかけて曝気量を変更できる複数の区画に分割し、各区画の曝気量を上流側から下流側へ削減する。すなわち、好気槽の上流側を微生物量(硝化細菌量)律速になる程度まで、酸素供給量を増やしてやれば、上流部において硝化反応を従来法(好気槽7の上流側から下流側にかけて均一の曝気)よりも促進できる。上流部で硝化反応を促進することにより、下水に窒素の負荷変動があったとしても、処理水質の維持が容易となる。
まず、図3に示すように硝化細菌が十分に存在している活性汚泥を用いて、バッチ実験を行ない硝化反応とORP値の時間的変化を求め、硝化反応とORP値の関係を予め把握する。図3の横軸は経過時間を示しているが、好気槽7における滞留時間としてとらえることができる。
したがって、図2の実機連続運転のプロセスにおいても、好気槽7に十分に硝化細菌が存在し、硝化反応が順調に進行すると、好気槽7の上流側から下流側に沿って、NH4-N が減少し、NOx-Nが増加していくと考えられる。
発明者らは、好気槽7を均等に3分割した下水処理実験を実施し、上流部の硝化寄与率は60%程度、中流部の硝化寄与率は30%程度、下流部の硝化寄与率は10%程度が水質安定化と省エネルギー化の視点から最も望ましい管理手段であることを知見した。発明法と従来法の硝化寄与率の比較図を図5に示す。
まず、好気槽7においてりんの摂取に着目した場合について、図2を用いて説明する。
好気槽7では、ポリリン酸蓄積細菌により、りんが過剰に摂取される。従来、好気槽7でのりんの過剰摂取について、DO濃度との関連が多く指摘されて、概ね、好気槽7末端のDO濃度が1.5〜3.0mg/Lが望ましいとされてきた(非特許文献1、非特許文献2参照)。この条件は、先に述べた従来法での硝化反応の管理条件と一致している。これに対して、発明者らは、好気槽7のORP18とりんの摂取率が密接な関係があることを見出した。
嫌気槽5は、以下のようにORPを用いて制御する。
8NO2 - + 3CH3COOH → 4N2+6CO2+4H2O+8OH- ------------(6)
2O2 + CH3COOH → 2CO2+2H2O ------------(7)
図13に酢酸濃度の異なる下水と嫌気槽におけるりん放出濃度の関係を示す。この結果から下水中の酢酸濃度が低い場合には、りん放出濃度も低いことがわかる。しかしながら、このような場合でも嫌気槽5の滞留時間を長くとれば、高いりん放出濃度を得ることができる。例えば、りん放出濃度10mg/Lを目安とすると、酢酸濃度が6から8mg/Lの場合は、嫌気槽の滞留時間が1.5時間程度で十分であるが、酢酸濃度が3mg/Lの場合は5時間必要となる。従来、嫌気槽の滞留時間は1.5〜2.0時間とされてきたが、このように、従来のままでは下水の種類によっては滞留時間が足らない場合がある。
無酸素槽6では、好気槽7で生成したNO2−N及びNO3−Nを含む硝化液17を無酸素槽6に循環ポンプ16を用いて循環し、最初沈澱池流出水3中の有機物(BOD)を用いて硝化液17中のNO2−N及びNO3−Nを窒素ガスまで還元する。
ここに、E:理論窒素除去率(-) ; R:硝化液循環比(-)
本発明の方法を都市下水処理へ適用し、図2に示したA2O法のパイロットプラントによってORP制御効果を検証した。本装置は、嫌気槽5(容量:2.5 m3)、脱窒槽6(容量:2.5 m3)、好気槽7(容量:2.5 m3×3分割)、沈殿槽8(容量:5.7 m3)から構成される。
まず、嫌気槽5は、ORP計18のORP値が制御値(−260mV)以上になった場合に、酢酸4を30mg/L-下水を添加する制御とした。しかし、後述するような好気槽7の運転を行った結果、嫌気槽5のORP計18のORP値は、−300mVから−350mVで推移した。このため、嫌気槽5には酢酸4の添加は必要でなかった。
さらに、好気槽7は以下のように運転した。
図7に最初沈殿池流出水3および各槽ならびに処理水9のPO4-Pの経時変化を示す。また、図8に最初沈殿池流出水3および処理水9のT-P(全りん)の経時変化を示す。発明法では、嫌気槽5のORP18は、−300mVから−350mVで推移し、嫌気槽5でのりん放出は、4〜14mg/Lの範囲で推移した。嫌気槽5でのりんの放出が多い場合であっても、好気槽7において十分なりんの摂取が生じ、処理水のPO4-Pはいずれの時間帯においても0.1mg/L以下と安定していた。この結果、処理水のT-Pもいずれの時間帯においても0.2mg/L程以下で安定し、処理目標の0.5mg/L以下を達成していた。
図9に最初沈殿池流出水3および各槽ならびに処理水9のNH4-Nの経時変化を示す。また、図10に最初沈殿池流出水3および各処理水9のT-N(全窒素)の経時変化を示す。好気槽7流入水のNH4-Nは4.8mg/Lであったが、好気槽7のNH4-Nは、上流部(ORP=+40〜+42mV制御)で平均1.8 mg/L、中流部(ORP値+60〜+62mV制御)で平均0.5mg/L、下流部(ORP値+90〜+92mV制御)で0.1mg/L以下となっており、いずれの時間帯においても硝化反応は十分に進んでいた。また、表3に示すように好気槽7各区画において所定の硝化寄与率を得ることができた。
好気槽7のORP制御を行った結果、好気槽7下流部のDO計19のDO値は、0〜1.2mg/Lの範囲で時間的に推移していた。このように好気槽7は従来法(DO値;1.5〜.2mg/L以上)と比べてかなり低いDO値の条件であったが、窒素、りんの除去に問題は全く生じなかった。好気槽7下流部のORP計18のORP値が+90mVに維持されていれば、硝化反応はほぼ完全に進行しており、かつ、りん摂取反応も十分に行われていた。このように発明法では従来法と比べて、好気槽7下流部のDO値をかなり下げて運転することが可能となり、曝気エネルギーを削減することにより、省エネルギー化が図れる。
2 最初沈殿池
3 最初沈殿池流出水
4 酢酸添加装置
5 嫌気槽
6 無酸素槽
7 好気槽
8 最終沈殿池
9 処理水
10 返送汚泥ポンプ
11 水中攪拌機
12 制御用ブロワ
13 ベースブロワ
14 制御用バルブ
15 返送汚泥
16 循環ポンプ
17 硝化液
18 ORP計
19 DO計
20 バルブ
Claims (9)
- 嫌気槽、無酸素槽、及び好気槽を使用する生物学的な下水からのりん及び窒素の除去方法において、好気槽を上流側から下流側にかけて複数の区画に分割して曝気し、且つ、前記好気槽の各区画の曝気量を上流側から下流側へ削減することを特徴とする前記方法。
- 前記好気槽の各区画の曝気量を、各区画の硝化反応の寄与率によって決定することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記好気槽の各区画のORP(酸化還元電位、銀/塩化銀電極基準)を測定し、当該ORPの測定値を指標として、前記好気槽の各区画の曝気量を制御することを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記指標は、ORP値と硝化反応の進行度の関係を予め把握し、当該把握した関係によって曝気量を決定することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記好気槽の分割区画数2以上5以下とし、当該分割した最下流区画のORP値を+80mV以上+100mV以下の範囲に制御することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記嫌気槽のORPを測定し、当該ORPの測定値を指標として、嫌気槽に有機酸を添加することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記無酸素槽を2槽以上5槽以下に分割すると共に、前記好気槽の硝化液の一部を前記分割した無酸素槽の各槽へ切り替えて循環投入できるようにし、
前記嫌気槽のORPを測定し、当該測定値を指標として、前記硝化液の前記無酸素槽への循環投入位置を決定することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。 - 嫌気槽、無酸素槽、及び好気槽を有する生物学的な下水からのりん及び窒素の除去装置において、好気槽を上流側から下流側に向かって2段以上5段以下の区画を設定し、当該設定した各区画には、ORP計を設置することに加えて、それぞれ所定の一定流量の曝気用空気を供給するベースノズルを設置すると共に、曝気量の変更が可能な制御用ノズルを設置し、前記各区画のベースノズルへ供給する曝気用空気の配管は集合して共通のベースブロワに接続され、前記各区画に供給する制御用ノズルの配管はそれぞれ独立した制御用ブロワに接続されることを特徴とする前記装置。
- 前記各区画のORP計の測定値により、前記制御用ブロワの曝気量をフィードバック制御できることを特徴とする、請求項8記載の装置。
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