JP2010000480A - 効率的な有機性原水の脱窒方法 - Google Patents

Abstract

【課題】亜硝酸型硝化工程を採用した脱窒方法において、亜硝化槽における窒素ガスおよび一酸化二窒素の発生を防止する有機性原水の脱窒方法を提供すること。
【解決手段】アンモニア性窒素を含有する有機性原水を、亜硝酸性窒素に酸化する亜硝酸型硝化工程と、前記亜硝化槽からの流出水から窒素ガスを発生させる脱窒工程とからなる有機性原水の脱窒方法の前処理工程として、アンモニア性窒素を含む有機性廃水を、生物担体８が投入され、かつ溶存酸素量が２．８mg/L以下であるように曝気量を制御されたBOD分解槽１に導入して有機物を分解するBOD分解工程を設けることを特徴とする有機性原水の脱窒方法。
【選択図】図１

Description

本発明は効率的な有機性原水の脱窒方法に関するものである。

従来、窒素含有液の脱窒方法としては、アンモニア性窒素をアンモニア酸化細菌の働きにより亜硝酸性窒素に酸化し、さらに亜硝酸性窒素を亜硝酸酸化細菌により硝酸性窒素に酸化する硝化工程と、これらの亜硝酸性窒素および硝酸性窒素を従属栄養細菌である脱窒細菌によりメタノール等の有機物を電子供与体として利用して窒素ガスにまで転換する脱窒工程との２段階の生物反応を経る生物学的硝化脱窒法が一般的であった。

しかし、このような従属栄養細菌を利用する硝化脱窒処理では、アンモニア性窒素が亜硝酸を経て硝酸性窒素になるまで硝化するため、多くの曝気動力が必要となる欠点があった。

前記欠点を克服する手段として、アンモニア性窒素の一部を残存させる亜硝酸型硝化工程と、嫌気条件下でアンモニア性窒素を電子供与体、亜硝酸性窒素を電子受容体として両者を反応させ、窒素ガスを生成させる脱窒工程とからなる脱窒方法が開示されている（特許文献１）。

ここで、有機性原水を用いて特許文献１に開示の脱窒方法を行う場合は、亜硝酸型硝化工程において、亜硝化型硝化工程で一酸化二窒素（N₂O↑）が生じたり、窒素ガス（N₂↑）が副生成物として生じる現象が観察されていた。

一酸化二窒素（N₂O）は二酸化炭素の３２０倍の強力な温室効果ガスであり、地球温暖化やオゾン層破壊防止の観点からも、その発生抑制は急務であると言える。
特開２００６−８８０９２号公報

本発明の目的は、亜硝酸型硝化工程を採用した脱窒方法において、亜硝化槽における窒素ガスおよび一酸化二窒素の発生を防止する有機性原水の脱窒方法を提供することである。

本発明者はこの課題を解決するために研究を重ねた結果、高BODの有機性原水中に亜硝酸性窒素イオン（NO_２ ⁻）が共存する場合には、亜硝酸性窒素（NO_２ ⁻）が脱窒反応を受け、その副生成物として一酸化二窒素（N₂O↑）が生じてしまうことを究明した。上記の知見に基づいてなされた本発明は、アンモニア性窒素を含有する有機性原水を、亜硝化槽に導入し、アンモニア酸化細菌の作用により亜硝酸性窒素に酸化する亜硝酸型硝化工程と、前記亜硝化槽からの流出水を、脱窒槽に導入し、脱窒菌の作用により窒素ガスを発生させる脱窒工程とからなる有機性原水の脱窒方法において、亜硝酸型硝化工程の前段に、アンモニア性窒素を含む有機性廃水を、生物担体が投入され、かつ溶存酸素量（以下、「ＤＯ」という）が２．８mg/L以下であるように曝気量を制御されたBOD分解槽に導入して有機物を分解するBOD分解工程を設けることを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の有機性排水の脱窒方法において亜硝酸型硝化工程がアンモニア性窒素の一部をアンモニア酸化細菌の作用により亜硝酸性窒素に酸化する亜硝酸型硝化工程であり、脱窒工程が前記亜硝酸型硝化工程で生じた亜硝酸性窒素を電子受容体とし、残存したアンモニア性窒素を電子供与体として独立栄養微生物の作用により窒素ガスを発生させる嫌気性アンモニア酸化反応工程であることを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の有機性排水の脱窒方法において独立栄養微生物がアナモックス菌であることを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の有機性排水の脱窒方法において脱窒工程が亜硝酸性窒素を電子受容体とし、有機物を電子供与体として用いて脱窒細菌の作用により窒素ガスを発生させる通常脱窒工程であることを特徴とするものである。

請求項１に係る有機性原水の脱窒方法では、亜硝酸型硝化工程と脱窒工程とからなる有機性原水の脱窒方法において、生物担体が投入され、かつ溶存酸素量が２．８mg/L以下であるように曝気量を制御されたBOD分解槽に導入して有機物を分解するBOD分解工程を設けたことにより、亜硝酸型硝化工程に導入される被処理水のBODが低減される。その結果、亜硝酸型硝化工程で亜硝酸が発生する過程で、ＢＯＤ共存が要因となって脱窒反応が生じ、その副生成物として一酸化二窒素が生じたりする問題が解消可能となる。

なお、生物担体を用いずに活性汚泥を用いてＢＯＤ分解を行う技術が知られているが、この場合にはＢＯＤ分解槽の後ろに活性汚泥を沈澱分離するための沈澱池と、分離した活性汚泥をＢＯＤ分解槽に戻す汚泥返送が必要となり、設備が複雑化する上、運転も困難となる問題が生じる。一方、生物担体を用いてＢＯＤ分解を行う本発明によれば、これらの問題を生じることなく一酸化二窒素の発生を抑制することができる。

また、BOD分解工程においてＤＯが２．８mg/L以下であるように曝気量を制御することにより、BOD分解槽におけるアンモニア酸化細菌の代謝を抑えること（亜硝化反応の進行を抑制すること）が可能となる。このため、BOD分解槽内で高BOD有機物と亜硝酸の共存状態が生じて脱窒反応が生じ、その副生成物として一酸化二窒素が生じたりする問題が解消可能となる。

請求項２記載の発明のように、亜硝酸型硝化工程がアンモニア性窒素の一部をアンモニア酸化細菌の作用により亜硝酸性窒素に酸化する亜硝酸型硝化工程とし、前記脱窒工程を前記亜硝酸型硝化工程で生じた亜硝酸性窒素を電子受容体とし、残存したアンモニア性窒素を電子供与体として独立栄養微生物の作用により窒素ガスを発生させる嫌気性アンモニア酸化反応工程とする場合には、以下の反応によりアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素が窒素ガス（N₂）に分解されると考えられている。

すなわち、上記嫌気性アンモニア酸化反応工程で効率よく脱窒を行うためには、嫌気性アンモニア酸化反応工程に導入する被処理水中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素の含有比率がNO^２−/ NH^４＋=０．５７/０．４３=１．３２である事が望ましいが、本発明によれば、前記のように嫌気性アンモニア酸化反応工程導入前に、窒素源が窒素ガスや一酸化二窒素ガスとして失われていた問題が解消し、亜硝化率の制御が容易となる。

図１は本発明を実施するのに好適な装置の一例を示す構成図である。図１に示す本発明を実施する装置はBOD分解槽１と、亜硝化槽２と、嫌気性アンモニア酸化反応槽３と、BOD分解槽用ＤＯ計４と、BOD分解槽用曝気装置５と、亜硝化槽用ＤＯ計６と、亜硝化槽用曝気装置７と、から構成される。

BOD分解槽１に導入する有機性原水とは、例えば、下水処理場で発生する汚泥返流水等であって、比較的高濃度のリン酸イオン（Pとして３０〜１５０ｍｇ／Ｌ）とアンモニウムイオン（Nとして５００〜１５００ｍｇ／Ｌ）を含み、更にマグネシウムイオン（５〜１５ｍｇ／Ｌ）が共存する有機性原水である。

本発明は、亜硝酸型硝化工程と脱窒工程とからなる有機性排水の脱窒方法において、亜硝化槽２の前段に、生物担体が投入され、かつＤＯが２．８mg/L以下であるように曝気量を制御されたBOD分解槽１を設け、アンモニア性窒素を含む有機性廃水をBOD分解槽１に導入して有機物を分解するBOD分解工程を設けたことを特徴とする有機性排水の脱窒方法であり、本実施形態では、特に、アンモニア性窒素の一部をアンモニア酸化細菌の作用により亜硝酸性窒素に酸化する部分亜硝化工程と、亜硝酸性窒素を電子受容体とし残存したアンモニア性窒素を電子供与体として独立栄養微生物の作用により窒素ガスを発生させる嫌気性アンモニア酸化反応工程とからなる有機性排水の脱窒方法において、亜硝酸槽４の前段に前処理工程を設けた実施形態について説明する。

亜硝酸性窒素を電子受容体とし残存したアンモニア性窒素を電子供与体として独立栄養微生物の作用により窒素ガスを発生させる嫌気性アンモニア酸化反応工程とは、アナモックス菌と呼ばれる独立栄養性脱窒微生物を利用する嫌気性アンモニア酸化反応工程である。

嫌気性アンモニア酸化反応工程を行う嫌気性アンモニア酸化槽３には、図示しないアナモックス菌の汚泥が保持されている。

アナモックス菌による嫌気性アンモニア酸化反応を利用した嫌気性アンモニア酸化反応工程では、前記（化１）反応によってアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素が窒素ガス（N₂）に分解されると考えられている。

すなわち、上記嫌気性アンモニア酸化反応工程で効率よく脱窒を行うためには、嫌気性アンモニア酸化反応工程に導入する亜硝化槽流出水１２のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素の含有比率がNO_２ ⁻/ NH_４ ^＋=０．５７/０．４３=１．３２である事が望ましく、前工程である部分亜硝化工程を経た亜硝化槽流出水１２が当該含有比率とするように、亜硝化槽２での曝気量を制御する。

部分亜硝化工程を行う亜硝化槽２の槽内にはアンモニア酸化細菌を担持させた担体９が分散させてあり、曝気量の制御は、底部に設けた曝気装置７からの空気供給量を制御することにより行う。

亜硝化槽２の槽内で曝気を行うと、アンモニア酸化細菌による亜硝化反応が促進するが、前記のように高BODの有機性原水中に亜硝酸性窒素イオン（NO_２ ⁻）が存在する場合には、亜硝酸性窒素（NO_２ ⁻）が脱窒反応を受け、その副生成物として一酸化二窒素（N₂O↑）が生じてしまう問題がある。

本発明では、亜硝化槽流入水１１のＢＯＤを低減させる前処理を行うことにより、亜硝化工程で生じる前記問題の解決を図っている。また、前処理工程に導入される原水は高ＢＯＤであるため、前処理工程において亜硝酸性窒素イオンが生じないようにする制御も合せて行い、前処理工程においても脱窒や一酸化二窒素発生の問題が生じないようにしている。

本発明の前処理工程とは、生物担体８が投入され、かつ溶存酸素量が２．８mg/L以下であるように曝気量を制御されたBOD分解槽１に有機性原水１０を導入して有機物を分解するBOD分解工程である。

BOD分解工程を行うBOD分解槽１の槽内にはBOD分解菌を担持させた担体８が分散させてあり、曝気量の制御は、底部に設けたBOD分解槽用曝気装置５からの空気供給量を制御することにより行う。また、ＤＯが２．８mg/L以下であるように曝気量の制御を行うために、BOD分解槽用ＤＯ計４を備えている。

ＤＯを２．８mg/L以下することにより、アンモニア酸化細菌の代謝を抑えつつ、BOD分解菌の代謝のみを選択的に行わせることが可能となる。これにより、BOD分解槽１の槽内では、BOD分解菌の代謝に伴うＢＯＤ分解反応のみが選択的に進行し、BOD分解槽１の槽内で、窒素ガスや一酸化二窒素ガスを発生させることなく、ＢＯＤを低減させることが可能となる。

このようにして得られた低ＢＯＤの亜硝化槽流入水１１を亜硝化槽２に導入し、亜硝化槽２の槽内に分散されている担体に担持されたアンモニア酸化細菌を利用した下記の部分亜硝化反応に適した好気性状態を維持できるように、硝化槽用曝気装置７からの酸素供給量を調整する。

ここで本発明によると、亜硝化槽１内に導入される亜硝化槽流入水１１は、前記の前処理工程により低ＢＯＤとなっているため、本工程で従来生じていた窒素ガスや一酸化二窒素ガス等を発生する問題が解消可能となる。

なお、亜硝酸性窒素：アンモニア性窒素＝０．５７モル：０．４３モルとする含有比は、後段のアナモックス工程における嫌気性アンモニア酸化細菌による脱窒反応（化１）に好適な含有比であり、本発明によれば、亜硝化槽１１で窒素源が窒素ガスや一酸化二窒素ガスとして失われていた問題が解消する結果、嫌気性アンモニア酸化反応工程に導入する亜硝化槽流出水１２のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素の含有比率をNO_２ ⁻/ NH_４ ^＋=０．５７/０．４３=１．３２とする制御が容易となる効果も得られる。

以下に実施例及比較例をあげて本発明をより具体的に説明する。
(実施例)
図１に示す本発明を実施するのに好適な装置を使用して、BOD分解工程と亜硝化工程と脱窒工程とからなる脱窒方法を実施し、BOD分解槽と亜硝化槽における水質状況及び脱窒量及び一酸化二窒素発生量を測定した結果を以下に示す。なお、本実施例において、BOD分解槽の滞留時間は６時間とし、BOD分解槽の担体には円柱状ポリウレタン担体を使用し、担体投入率は１０％とし、DO制御値は１．５ｍｇ/Lとし、亜硝化槽の滞留時間は６時間としDO制御値は３．５ｍｇ/Lとした。その他の条件は脱窒工程がアナモックス工程の場合に従来一般に採用されている条件と同様とした。

（比較例１）
図１に示す本発明を実施するのに好適な装置を使用して、BOD分解工程と亜硝化工程と脱窒工程とからなる脱窒方法を実施し、BOD分解槽と亜硝化槽における水質状況及び脱窒量及び一酸化二窒素発生量を測定した結果を以下に示す。なお、本実施例において、BOD分解槽の滞留時間は６時間とし、BOD分解槽の担体には円柱状ポリウレタン担体を使用し、担体投入率は１０％とし、DO制御値は３．５ｍｇ/Lとし、亜硝化槽の滞留時間は６時間としDO制御値は３．５ｍｇ/Lとした。その他の条件は脱窒工程がアナモックス工程の場合に従来一般に採用されている条件と同様とした。

（比較例２）
前記実施例と同様の原水について図２に示す装置を使用して、硝化工程前にBOD分解工程を有さない方法により、亜硝化工程と脱窒工程とからなる脱窒方法を実施し、亜硝化槽における水質状況及び脱窒量及び一酸化二窒素発生量を測定した結果を以下に示す。なお、本比較例において、亜硝化槽の滞留時間は１２時間としDO制御値は３．５ｍｇ/Lとした。その他の条件は脱窒工程がアナモックス工程の場合に従来一般に採用されている条件と同様とした。

表１〜表３に示す実施例と比較例１及び２の脱窒量および一酸化二窒素発生量をまとめると下記の表４のようになる。表４において、「（ＢＯＤ分解槽＋亜硝化槽）の脱窒量」とは、有機性原水がＢＯＤ分解槽に流入して亜硝化槽から流出される間に脱窒される量を両槽の処理容積量の合計値で割った値を示すものである。また、表４において、「（ＢＯＤ分解槽＋亜硝化槽）の（Ｎ_２Ｏ発生量／ＮＨ_４ ^＋−Ｎ負荷量）」とは、両槽で発生するＮ_２Ｏ発生量の合計値を原水中のＮＨ_４ ^＋−Ｎ量で割った値を示すものである。

表４に示すように、本発明に係る実施例によれば、ＢＯＤ分解槽を設けない比較例２と比べて、亜硝化工程での脱窒量も、亜硝化工程での一酸化二窒素発生量も、顕著に抑制された。なお、ＤＯ制御値を３．５ｍｇ/Lとした比較例１では、本発明の前記効果は得られなかった。

本発明を実施するのに好適な装置の一例を示す構成図である。 比較例の実施に用いられた装置の一例を示す構成図である。

符号の説明

１ BOD分解槽
２ 亜硝化槽
３ 嫌気性アンモニア酸化反応槽
４ BOD分解槽用ＤＯ計
５ BOD分解槽用曝気装置
６ 亜硝化槽用ＤＯ計
７ 亜硝化槽用曝気装置
８ 生物担体
９ 生物担体
１０ 有機性原水
１１ 亜硝化槽流入水
１２ 亜硝化槽流出水

Claims (4)

1. アンモニア性窒素を含有する有機性原水を、亜硝化槽に導入し、アンモニア酸化細菌の作用により亜硝酸性窒素に酸化する亜硝酸型硝化工程と、
   前記亜硝化槽からの流出水を、脱窒槽に導入し、脱窒菌の作用により窒素ガスを発生させる脱窒工程とからなる有機性原水の脱窒方法において、
   亜硝酸型硝化工程の前段に、アンモニア性窒素を含む有機性廃水を、生物担体が投入され、かつ溶存酸素量が２．８mg/L以下であるように曝気量を制御されたBOD分解槽に導入して有機物を分解するBOD分解工程を設けることを特徴とする有機性原水の脱窒方法。
2. 前記亜硝酸型硝化工程がアンモニア性窒素の一部をアンモニア酸化細菌の作用により亜硝酸性窒素に酸化する亜硝酸型硝化工程であり、
   前記脱窒工程が前記亜硝酸型硝化工程で生じた亜硝酸性窒素を電子受容体とし、残存したアンモニア性窒素を電子供与体として独立栄養微生物の作用により窒素ガスを発生させる嫌気性アンモニア酸化反応工程であることを特徴とする請求項１記載の有機性原水の脱窒方法。
3. 独立栄養微生物がアナモックス菌であることを特徴とする請求項２記載の有機性原水の脱窒方法。
4. 脱窒工程が、亜硝酸性窒素を電子受容体とし、有機物を電子供与体として用いて脱窒細菌の作用により窒素ガスを発生させる通常脱窒工程であることを特徴とする請求項１記載の有機性排水の脱窒方法。
   
   
   
   

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