JP2009000645A

JP2009000645A - アンモニア性窒素〜硝酸性窒素脱・窒素同時分解除去、窒素サイクル・バイオマス・生物接触酸化濾過装置

Info

Publication number: JP2009000645A
Application number: JP2007164936A
Authority: JP
Inventors: Toshio Yotsumoto; 利夫四元; Ryoichi Doi; 良一土居; Kazuo Tonoga; 和夫殿界
Original assignee: NIHON KAISUI KK; Nihon Kaisui Co Ltd
Current assignee: NIHON KAISUI KK; Nihon Kaisui Co Ltd
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2009-01-08

Abstract

【課題】コスト的に有利な高濃度アンモニア性窒素含有水や高濃度硝酸性窒素含有水の分解除去方法を提供することを目的とする。より具体的には、第一は消費電力などエネルギーコストが安価なこと。第二は臭素酸など副次的問題が生じないこと。第三には過剰薬品注入が無いことなどである。
【解決手段】アンモニア性窒素を含有する地下水、伏流水、排水、温泉、鉱泉、河川などの表流水を多孔体に生物接触・馴養流下させる際、処理塔の前半部において、注入水の酸素濃度を操作することにより、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素化に酸化し安定化させ、
処理後半部において生成した亜硝酸性窒素含有水に、アンモニア性窒素含有原水を再注入し、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素含有水との混合条件を調整・流下することにより、アンモニア性窒素：亜硝酸性窒素を同時に窒素ガス化する能力を有する微生物を優先種化することにより、硝酸性窒素化を経ずに脱窒する水処理方法。
【選択図】なし

Description

本発明はアンモニア性窒素や硝酸性窒素含有水に空気や酸素を注入し、多孔質体層に通水させ、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素混合条件を作り、硝酸性窒素にまで酸化させずに脱窒処理する効果的な生物処理、並びに硝酸性窒素水にアンモニア性窒素含有水を注入し脱窒反応させる処理法に関するものである。
本発明は、飲料水・生活用水を造る浄水処理、事業場排水処理、温泉・鉱泉処理などの水処理を行う幅広い産業上の利用分野を有する。

（１）地下水・伏流水、排水、温泉・冷鉱泉、河川などの表流水において、アンモニア性窒素高濃度含有水の分解除去方法としては、最も一般的な処理法は塩素酸化法であるが、アンモニア性窒素１量を分解するに必要な有効塩素量（遊離残留塩素 HOCL量）はアンモニア性窒素の１０倍量を必要とするため、２mg/L〜３mg/L以上の高濃度アンモニア性窒素含有水は難処理性水とされている。次亜塩素酸ナトリウムを多量注入すると、次亜塩素酸ナトリウム中には元から不純物として含有されている発ガンリスクの高い臭素酸イオン（BrO₃ ⁻）が水質基準値を超えるため使用ができなくなる。
（２）アンモニア性窒素高濃度含有水の分解除去方法としては、生物処理を用いて硝化し、さらにニ段処理として還元槽を必要とする硫黄バクテリア脱窒処理法がある。本法は硫黄バクテリアの増殖にエタノールなどの栄養塩の添加やｐH調整、還元槽の設置が必要で、消費電力量、エネルギー消費が高く技術的にも難しい方法を用いている。
（３）アンモニア性窒素高濃度含有水の分解除去方法として次に多いのは、紫外線（UV）照射による微量生成とオゾンを活用し、アンモニア性窒素を分解用に注入する次亜塩素酸ナトリウムの注入量を削減する方法がある。しかし、アンモニア性窒素濃度が10mg/Lを超過すると次亜塩素酸ナトリウム削減量が小さいため、実際注入量が増加し、臭素酸濃度が上昇し水質基準を超過するため本法も使えなくなる。また、高濃度アンモニア性窒素含有水は共存成分として鉄、マンガンや有機性色素を含有するケースが多いが、これらの共存成分の酸化物がUVランプを曇らせ、照射効果が゛落ち、ワイパーを装備したとしても頻繁に照射強度が低下する問題が発生するため、アンモニア性窒素15mg/L以上濃度の水質には適用できず、地下水は鉄・マンガンを含有することが多いが、その場合には紫外線施設の前段に除鉄・除マンガン濾過施設を設置しなければならず、ニ段処理を必要とし、施設建設費が高くなり、ランニングコストも高くなる。
（４）高濃度硝酸性窒素含有水は難処理性水と呼ばれ、逆浸透膜（RO膜）や電気分解法も次々と市場に出回っている。また近年、新たに還元剤・水加ヒドラジン（N₂H₂・H₂O）注入法が高濃度硝酸性窒素処理システムとして販売され出したが、注入薬品価格が高く高額な処理方法である。
（５）アンモニア等低分子窒素化合物の生物的処理においては、比較的限定された微生物群集による機能に特化した製品開発が近年進んできた。本発明では、処理水にもともと存在する微生物群集を可能な限り広く利用してそれらの多様な機能を引き出すことを意図した機材や資材、ソフト面での改良を行った。そのため、いろいろな条件の異なる処理水に広く対応できる。
（６）既存の窒素除去微生物群集利用する方法は、既に選抜された種菌を利用する。これらは温度等最適環境条件が限定されており、故に、窒素除去に適した環境条件が限定される。本発明では、現場で得られた微生物群集を利用したり、原水中に含まれる微生物を選抜するサービスを含むため、よりきめの細かい対応が可能である。
（７）電子供与体を利用する既存の脱窒技術では、電子供与体として、メタノールなど液体を流し込む方法がとられることがあるが、これら方法では補給頻度が頻繁となる。電子供与体として利用可能な物質はいくつか知られているが、単独の物質を電子供与体として利用できる微生物の種は限られており、故に、複数の電子供与体を混合することで、より多種の微生物が電子供与体混合物を利用できる。より多種の微生物による機能を引き出すことであるから、より広い環境条件で脱窒できることにもなる。
以上のように、高濃度アンモニア性窒素含有水や高濃度硝酸性窒素含有水の分解除去方法については、処理コストが安価な処理法の技術開発が急がれているのが現状である。

こうした状況のもと、本発明はコスト的に有利な高濃度アンモニア性窒素含有水や高濃度硝酸性窒素含有水の分解除去方法を提供することを目的とする。より具体的には、本発明が解決しようとする課題の第一は消費電力などエネルギーコストが安価なこと。第二は臭素酸など副次的問題が生じないこと。第三には過剰薬品注入が無いことなどである。

本発明者は、鋭意検討した結果、前記課題の解決には、高濃度アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素混合条件または、高濃度アンモニア性窒素と亜硝酸性窒・硝酸性窒素の三成分混合条件において、空気酸化して多孔体に通水し、一定期間の馴養を施すなかで、大気中において脱窒素を実現する方法が有効であることを知見した。更に検討を続けて、アンモニア性窒素を硝化するのに亜硝酸性窒素への消化に留め、アンモニア性窒素含有水の再投入により亜硝酸性窒素との混合条件下を作り出し、地下水の中に自然に生息するバクテリアを活用するためこれを生物接触材に通水することによって増殖し、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素との混合条件から一気に脱窒素反応をする窒素（N）サイクルバイオマス生物接触酸化によって、先に示した三点の課題を解決することができた。

すなわち、本発明は、
［１］アンモニア性窒素を含有する地下水、伏流水、排水、温泉、鉱泉、河川などの表流水を多孔体に生物接触・馴養流下させる際、処理塔の前半部において、注入水の酸素濃度を操作することにより、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素化に酸化し安定化させる。
処理後半部において生成した亜硝酸性窒素含有水に、アンモニア性窒素含有原水を再注入し、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素含有水との混合条件を調整・流下することにより、アンモニア性窒素：亜硝酸性窒素を同時に窒素ガス化する能力を有する微生物を優先種化することにより、硝酸性窒素化を経ずに脱窒する水処理方法。
［２］アンモニア性窒素を含有する地下水、排水、温泉、鉱泉、河川などの表流水を多孔体に生物接触・馴養流下させる際、処理塔の前半部において、注入水の酸素濃度を操作することにより、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素化と硝酸性窒素が混在する水質にまで酸化し安定化させる。
処理後半部において生成した亜硝酸性窒素含有水に、アンモニア性窒素含有原水を再注入し、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素、硝酸性窒素の三種混合の層度条件を調整し流下することにより、アンモニア性窒素：亜硝酸性窒素を同時に窒素ガス化する能力を有する微生物を処理塔内において優先種化することによりとともに、半還元状態のもとに硝酸性窒素を微生物の効果により脱窒する水処理方法。
［３］アンモニア性窒素含有水中に鉄・マンガン・ヒ素やその他の溶解性金属を共存・含有する水を、多孔質体に生物接触・馴養流下させる際、処理塔の前半部において、注入水の酸素濃度を操作することにより、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素化にまで酸化し安定化させ、アンモニア性窒素含有水を再度注入することにより、脱窒素を図ると同時に共存する溶解性金属を生物接触酸化・ろ過除去する方法。
［４］アンモニア性窒素含有水中に鉄・マンガン・ヒ素やその他の溶解性金属を共存・含有する水を、多孔質体に生物接触・馴養流下させる際、処理塔の前半部において、注入水の酸素濃度を操作することにより、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素化と硝酸性窒素が混在する水質にまで酸化し安定化させ、アンモニア性窒素含有水を再度注入することにより、脱窒素を図ると同時に共存する溶解性金属を生物接触酸化・ろ過除去する方法。
［５］アンモニア性窒素含有水中に鉄・マンガン・ヒ素やその他の溶解性金属を共存・含有する水を、多孔質体に生物接触・馴養流下させる際、処理塔の前半部において、注入水の酸素濃度を操作することにより、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素化にまで酸化し安定化させ、アンモニア性窒素含有水を再度注入することにより、脱窒素を図ると同時に共存する粘土・金属水酸化物など種々の微細な粒子状物質を微生物接触酸化濾材表面において、微生物の体細胞表面から生成する粘性物質により吸着させ濾過・除去する方法。
［６］アンモニア性窒素含有水中に鉄・マンガン・ヒ素やその他の溶解性金属を共存・含有する水を、多孔質体に生物接触・馴養流下させる際、処理塔の前半部において、注入水の酸素濃度を操作することにより、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素化と硝酸性窒素が混在する水質にまで酸化し安定化させ、アンモニア性窒素含有水を再度注入することにより、脱窒素を図ると同時に共存する粘土・金属水酸化物など種々の微細な粒子状物質を微生物接触酸化濾材表面において、微生物の体細胞表面から生成する粘性物質により吸着させ濾過・除去する方法。
［７］［１］〜［６］において生物処理塔における空気酸化において、微細空気やマイクロバブル、またはナノバブル注入装置を装備することにより、その処理性能を一層効果的にした生物処理システム。
［８］［１］〜［７］において、エアーリフトにより原水を循環させ、それらの生物処理性能の向上図ることを目的とした循環処理方法。
［９］図１に示す処理塔前後で、バイオマスが窒素をガス化したり、その他の汚染物質を捕捉することを助け、かつ、その表面に付着しつつ窒素その他の汚染物質を捕捉したバイオマスを顧客自身が簡単に回収、廃棄できる難溶性電子供与体混合物をコーティングした微生物が分解しない吊り下げ式素材を含む槽。
［１０］微生物が分解しない素材の周辺に難溶性電子供与体混合物をコーティングすることで、微生物が長期間一定して電子供与体を利用でき、かつ、電子供与体混合物の消耗後に現場にて顧客が回収、交換できる吊り下げ式難溶性電子供与体混合物。
［１１］１に示す処理塔を通過する前後の槽において光照射することで、光合成により窒素等汚染物質を取り込んだバイオマスが付着し、現場にて顧客が回収、廃棄できるバイオマス回収機構。
［１２］生物群集のうち、処理水や現場の環境に適した窒素除去微生物群集をとくに選抜して接種用窒素除去微生物群集として準備するサービス。

本発明により、アンモニア性窒素含有水、硝酸性窒素含有水、これらの二成分含有水、アンモニア性窒素・亜硝酸性窒素・硝酸性窒素の三成分含有水、更にこれらの含有水に溶解性金属、あるいは粘土・金属水酸化物など種々の粒子を含有する水を対象としてこれらをコスト的に有利に処理することができる。

目的地下水・排水・河川水・温泉など水中に溶解性として存在する下記の窒素成分含有水を極めてに効果的で高効率な生物処理を実現する（目的を達成する）ため、窒素サイクル・バイオマス反応を装置内で作用させると同時に、急・高速生物ろ過機能を付加させ水中の溶解性金属をも同時に生物接触酸化による粒子化を達成させ、直接ろ過処理することを目的とする装置である。
これにより水中のa)全ての溶解性窒素成分を脱窒素無害化と、b)鉄・マンガン・ヒ素・セレン・鉛・クロムなど多くの溶解性金属を微生物（の体細胞から滲み出る多糖類）による金属酸化・粒子化による生物ろ過層による除去、c)粘土や空気酸化した酸化金属類の生物ろ別・固液分離という三系列の反応並びに作用を組み合わせ、また機能性を持たせたことにより、水処理上の生物化学的・物理的処理効果などを著しく高める機能を発揮させることを可能とする特徴的構造を持つバイオマスシステムである。

この処理目的の対象水は以下の通りである。
ａ）アンモニア性窒素含有水
ｂ）硝酸性窒素含有水
ｃ）アンモニア性窒素・硝酸性窒素の二成分含有水
ｄ）アンモニア性窒素・亜硝酸性窒素・硝酸性窒素の三成分含有水
ｅ）ａ）〜ｄ）の水に溶解性金属含有する水
ｆ）ａ）〜ｄ）の水に粘土・金属水酸化物など種々の粒子含有水

構成ａ）〜ｆ）の処理対象水（地下水・伏流水・排水・河川水などの表流水、温泉・冷鉱泉）を図-1の「アンモニア性窒素〜硝酸性窒素脱・窒素同時分解除去、窒素サイクル・バイオマス・生物接触酸化濾過装置処理装置」上部から、曝気処理したアンモニア含有原水を流し入れ、アンモニア性窒素を生物処理により、同処理塔中央部において亜硝酸性窒素・硝酸性窒素を生成した中間処理工程水となる。その塔中央部にアンモニア性窒素含有原水を別途配管により注入するか、別系列のアンモニア性窒素含有水を処理塔本体に注入し、同時に再度、曝気または空気や酸素注入量のコントロールやマイクロバブルやナノバブル注入など注入ガス体の形状・注入方法をコントロールすることで処理目的を達成する装置構成とする。

本発明は特定の細菌を自然界からスクリーニングするのではなく、現場においてアンモニア性窒素・亜硝酸性窒素混合条件を造り、あるいはアンモニア性窒素と硝酸性窒素混合条件を造り、処理塔に通水するだけで、大気中環境中において、脱窒能力を有する微生物をバイオマス内での優先種として増殖させるという、方法的にも画期的な生物処理の新発明である。
また、本発明では事前実験や実装置の稼動において、微生物を濾材から分離し、固有のバクテリアを検索・同定し、純粋培養によって得た細菌をストックし、装置にその培養細菌を活用することができる。効果的で効率的な脱窒作用をする新装置の馴養期間の最初に数回に分け、種付け作業によって馴養期間を大幅に減らすことが可能である。
さらに鉄、マンガン、ヒ素など同時除去が可能な画期的な処理方法である。

図-1は本発明の実施例を示す概略説明図である。処理法として図-１のように一塔処理法もあるが、二塔でニ段処理も可能である。
図-1は、地下水を処理した事例であるが、１．深井戸から井戸内の水中ポンプ圧力を持って取水し、２，酸化槽にて空気酸化や、マイクロバブル、ナノバブル法による微細な酸化を行い、地下水・原水取水時に酸化還元電位−100mV〜−300mVの水を酸化し、＋100mv〜＋300mvまで上昇させた水を、３．生物接触酸化前処理にてアンモニア性窒素を硝化する硝化槽である。同時に共存溶解性金属成分は生物接触酸化される。４．処理塔後段で脱窒素される。上下ニ段の１塔処理全体で多孔質の濾材に通水するだけで、アンモニア性窒素は亜硝酸化し、金属は生物接触酸化し、下段において脱窒素する。また上下ニ段において金属酸化物は濾過除去される。
本発明は「窒素循環・バイオマス。生物接触酸化・直接濾過処理塔」である。

本発明の実施例の「窒素循環・バイオマス。・生物接触酸化・直接濾過処理塔」の概略説明図である。

符号の説明

１酸化槽
２攪拌機
３ブロアまたはマイクロバブル装置
４圧力ポンプ
５圧力式急・高速ろ過型生物接触酸化塔
６空気弁
７硝化槽
８貯留タンク
９連通管
１０エジェクターと連通管
１１窒素ガス排出口
１２薬注定量ポンプ
１３逆洗ポンプ
１４逆洗浄排水槽
１５エアーポンプ空気逆洗用
１６逆洗排水槽

Claims

アンモニア性窒素を含有する地下水、伏流水、排水、温泉、鉱泉、河川などの表流水を多孔体に生物接触・馴養流下させる際、処理塔の前半部において、注入水の酸素濃度を操作することにより、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素化に酸化し安定化させる。
処理後半部において生成した亜硝酸性窒素含有水に、アンモニア性窒素含有原水を再注入し、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素含有水との混合条件を調整・流下することにより、アンモニア性窒素：亜硝酸性窒素を同時に窒素ガス化する能力を有する微生物を優先種化することにより、硝酸性窒素化を経ずに脱窒する水処理方法。
アンモニア性窒素を含有する地下水、排水、温泉、鉱泉、河川などの表流水を多孔体に生物接触・馴養流下させる際、処理塔の前半部において、注入水の酸素濃度を操作することにより、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素化と硝酸性窒素が混在する水質にまで酸化し安定化させる。
処理後半部において生成した亜硝酸性窒素含有水に、アンモニア性窒素含有原水を再注入し、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素、硝酸性窒素の三種混合の層度条件を調整し流下することにより、アンモニア性窒素：亜硝酸性窒素を同時に窒素ガス化する能力を有する微生物を処理塔内において優先種化するとともに、半還元状態のもとに硝酸性窒素を微生物の効果により脱窒する水処理方法。
アンモニア性窒素含有水中に鉄・マンガン・ヒ素やその他の溶解性金属を共存・含有する水を、多孔質体に生物接触・馴養流下させる際、処理塔の前半部において、注入水の酸素濃度を操作することにより、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素化にまで酸化し安定化させ、アンモニア性窒素含有水を再度注入することにより、脱窒素を図ると同時に共存する溶解性金属を生物接触酸化・ろ過除去する方法。
アンモニア性窒素含有水中に鉄・マンガン・ヒ素やその他の溶解性金属を共存・含有する水を、多孔質体に生物接触・馴養流下させる際、処理塔の前半部において、注入水の酸素濃度を操作することにより、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素化と硝酸性窒素が混在する水質にまで酸化し安定化させ、アンモニア性窒素含有水を再度注入することにより、脱窒素を図ると同時に共存する溶解性金属を生物接触酸化・ろ過除去する方法。
アンモニア性窒素含有水中に鉄・マンガン・ヒ素やその他の溶解性金属を共存・含有する水を、多孔質体に生物接触・馴養流下させる際、処理塔の前半部において、注入水の酸素濃度を操作することにより、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素化にまで酸化し安定化させ、アンモニア性窒素含有水を再度注入することにより、脱窒素を図ると同時に共存する粘土・金属水酸化物など種々の微細な粒子状物質を微生物接触酸化濾材表面において、微生物の体細胞表面から生成する粘性物質により吸着させ濾過・除去する方法。
アンモニア性窒素含有水中に鉄・マンガン・ヒ素やその他の溶解性金属を共存・含有する水を、多孔質体に生物接触・馴養流下させる際、処理塔の前半部において、注入水の酸素濃度を操作することにより、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素化と硝酸性窒素が混在する水質にまで酸化し安定化させ、アンモニア性窒素含有水を再度注入することにより、脱窒素を図ると同時に共存する粘土・金属水酸化物など種々の微細な粒子状物質を微生物接触酸化濾材表面において、微生物の体細胞表面から生成する粘性物質により吸着させ濾過・除去する方法。
請求項１〜６において生物処理塔における空気酸化において、微細空気やマイクロバブル、またはナノバブル注入装置を装備することにより、その処理性能を一層効果的にした生物処理システム。
請求項１〜７において、エアーリフトにより原水を循環させ、それらの生物処理性能の向上図ることを目的とした循環処理方法。
図１に示す処理塔前後で、バイオマスが窒素をガス化したり、その他の汚染物質を捕捉することを助け、かつ、その表面に付着しつつ窒素その他の汚染物質を捕捉したバイオマスを顧客自身が簡単に回収、廃棄できる難溶性電子供与体混合物をコーティングした微生物が分解しない吊り下げ式素材を含む槽。
微生物が分解しない素材の周辺に難溶性電子供与体混合物をコーティングすることで、微生物が長期間一定して電子供与体を利用でき、かつ、電子供与体混合物の消耗後に現場にて顧客が回収、交換できる吊り下げ式難溶性電子供与体混合物。
図１に示す処理塔を通過する前後の槽において光照射することで、光合成により窒素等汚染物質を取り込んだバイオマスが付着し、現場にて顧客が回収、廃棄できるバイオマス回収機構。
微生物群集のうち、処理水や現場の環境に適した窒素除去微生物群集をとくに選抜して接種用窒素除去微生物群集として準備するサービス。