JP2010042363A - 脱窒処理方法及び脱窒処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の目的は、硝酸イオン、亜硝酸イオンを含む被処理水の処理において、完全混合型の脱窒槽に被処理水を連続流入させながら、脱窒菌をグラニュール化させることを可能とする水処理方法及び水処理装置を提供することにある。
【解決手段】本発明の脱窒処理方法は、完全混合型の脱窒部として、第１脱窒部と第２脱窒部とを設置し、前記第２脱窒部内の反応液の一部を前記第１脱窒部に供給した上で、前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第１脱窒部内での水素供与体の濃度と、前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第２脱窒部内での水素供与体の濃度との差が、脱窒部内の脱窒菌の自己造粒化を誘導する濃度差となるように、少なくとも前記第１脱窒部に水素供与体を供給し、前記第２脱窒部に返送する。
【選択図】図２
【解決手段】本発明の脱窒処理方法は、完全混合型の脱窒部として、第１脱窒部と第２脱窒部とを設置し、前記第２脱窒部内の反応液の一部を前記第１脱窒部に供給した上で、前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第１脱窒部内での水素供与体の濃度と、前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第２脱窒部内での水素供与体の濃度との差が、脱窒部内の脱窒菌の自己造粒化を誘導する濃度差となるように、少なくとも前記第１脱窒部に水素供与体を供給し、前記第２脱窒部に返送する。
【選択図】図２
Description
本発明は、被処理水中に含まれる硝酸イオン、亜硝酸イオンを脱窒菌により窒素に還元する脱窒処理方法及び脱窒処理装置に関する。
近年、水処理、特に排水処理の分野においては、微生物の生理活性を利用して排水中の汚濁物質を無害な物質に変化させて処理を行う生物化学的な水処理が多用されている。一般的な生物処理法として活性汚泥法が主流であるが、通常の活性汚泥法においては、槽内の微生物濃度の高濃度化が困難であり負荷を高く取ることができないため、大きな敷地面積が必要であること、生物の管理が難しくバルキング等の処理性能悪化を生じやすいこと、大規模な沈殿設備が必要であること、余剰汚泥等の廃棄物発生量が多いことなどが問題視されてきた。これらの問題を解決する技術として、活性汚泥の固液分離を膜により行う方法、スポンジや高分子担体等の微生物を付着させて処理を行う方法、微生物が自己造粒した比重の高い塊、いわゆるグラニュールを利用して処理を行う方法等が開発されてきた。中でもグラニュールを使用する方法は槽内に多量の微生物を保持しうるため、単位体積当たりの反応速度が速く、固液分離も容易なため注目されてきている。
窒素を含有した排水の処理においても同様に、生物化学的な水処理が適用される。例えば、アンモニア性窒素含有排水の処理としては、好気性条件下において、アンモニア酸化細菌および亜硝酸酸化細菌等によりアンモニウムイオンを亜硝酸イオン、硝酸イオンにまで硝化した後に、嫌気性条件及び水素供与体の存在下において、脱窒菌により亜硝酸イオン、硝酸イオンを窒素ガスにまで還元する方法がある。この際、水素供与体としては排水中に含まれている有機物等が利用できるが、水素供与体が不足する場合には外部より供給することが必要となる。このとき水素供与体は排水中の窒素濃度を元に供給量が決定され、その供給量に基づいて、水素供与体が連続的に添加される。
このうち、脱窒菌により亜硝酸イオン、硝酸イオンを窒素ガスにまで還元する脱窒処理においては、活性汚泥法の他に、脱窒菌の濃度を高め、且つ固液分離を容易にするために、スポンジやゲル状の担体を添加し、脱窒処理を行う方法がある。また、脱窒菌自体を自己造粒させて比重の高い塊、すなわちグラニュールを形成して、槽内の脱窒菌の濃度を飛躍的に高め、脱窒処理を行う方法もある。グラニュール化した脱窒菌を使用する処理方法においては、高濃度の脱窒菌を槽内に保持することができるため、槽あたりの処理速度は担体を添加した処理方法と比較しても速く、担体が不要であるため低コスト化が可能となる。さらに、グラニュールの比重が高く沈降速度が速いため、固液分離が容易である等の利点を有している。このようなグラニュールの形成は、嫌気性メタン発酵、上向流式スラッジブランケットリアクター（USB）、半回分式リアクター（SBR）で確認されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
半回分式リアクターにおいては、脱窒槽が完全混合型であって、１つの脱窒槽で、被処理水の流入、酸素供給および被処理水と脱窒菌との接触、脱窒菌の沈降、処理水の排出、といった4つの工程を経ることによって処理が行われる。しかし、被処理水の流入と処理水の排出が共に短時間で行われるため、処理流量の変動が大きくなり、装置には大きな流量調整槽が必要となる。そのため、小規模の装置においては簡便で有利な装置となり得るが、中〜大規模の装置に適用することは困難である。また、上向流式スラッジブランケットリアクターを用いた場合には、非常に高い処理速度が得られるものの、特殊な形状の脱窒槽を用いるため、設備コストが高くなる。また、装置の構成上、脱窒槽内部の攪拌を十分に行うことができないため、被処理水のpHコントロールが困難となり、カルシウム等を含んだ被処理水においてはスケールの発生やグラニュール中に無機物が蓄積するなどの問題点を有している。
こういった問題を解決するためには従来から多くの装置で利用されている完全混合型の脱窒槽を利用し、被処理水を連続流入（及び連続排出）させる装置構成とすることが望ましいが、このような装置構成における脱窒菌のグラニュール形成に関する報告はこれまでにない。
そこで、本発明は、被処理水に含まれる硝酸イオン、亜硝酸イオンを脱窒菌により窒素に還元する脱窒処理において、完全混合型の脱窒槽に被処理水を連続流入させながら、脱窒菌をグラニュール化させることを目的とする。
本発明は、完全混合型の脱窒部に被処理水を連続供給すると共に、水素供与体を供給し、被処理水中に含まれる硝酸イオン、亜硝酸イオンを脱窒菌により窒素に還元する脱窒処理方法であって、前記脱窒部として、第１脱窒部と第２脱窒部とを設置し、前記第２脱窒部内の反応液の一部を前記第１脱窒部に供給した上で、前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第１脱窒部内での水素供与体の濃度と、前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第２脱窒部内での水素供与体の濃度との差が、前記脱窒菌の自己造粒化を誘導する濃度差となるように、少なくとも前記第１脱窒部に水素供与体を供給し、前記第２脱窒部に返送する。
また、前記脱窒処理方法において、前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第１脱窒部内での水素供与体の最大濃度と、前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第２脱窒部内での水素供与体の最小濃度との差が５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上であることが好ましい。
また、前記脱窒処理方法において、前記第２脱窒部には、前記被処理水を供給し、前記第１脱窒部には、水素供与体を供給するとともに、硝酸イオン、亜硝酸イオンを含む水を供給することが好ましい。
また、前記脱窒処理方法において、前記硝酸イオン、亜硝酸イオンを含む水は、前記第２脱窒部に供給される被処理水を分岐したものであることが好ましい。
また、前記脱窒処理方法において、前記第１脱窒部への水素供与体の供給は間欠的であることが好ましい。
また、前記脱窒処理方法において、前記第１脱窒部への水素供与体の供給は、硝酸イオン、亜硝酸イオンの濃度に対して、脱窒処理に必要な水素供与体の供給量を基準とし、前記基準値より少ない量の水素供与体を供給する第１供給工程と、前記基準値より多い量の水素供与体を供給する第２供給工程とを組み合わせることにより行われることが好ましい。
また、本発明は、完全混合型の脱窒部と、前記脱窒部に被処理水を連続供給する被処理水供給手段と、前記脱窒部に水素供与体を供給する水素供与体供給手段と、を有し、前記脱窒部内で被処理水中に含まれる硝酸イオン、亜硝酸イオンを脱窒菌により窒素に還元する脱窒処理装置であって、前記脱窒部は、第１脱窒部と第２脱窒部とを有し、前記第２脱窒部内の反応液の一部を前記第１脱窒部に供給する反応液供給手段と、前記第１脱窒部内の反応液を前記第２脱窒部に返送する反応液返送手段とを有し、前記反応液供給手段により前記第２脱窒部内の反応液の一部を前記第１脱窒部に供給した上で、前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第１脱窒部内での水素供与体の濃度と、前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第２脱窒部内での水素供与体の濃度との差が、前記脱窒菌の自己造粒化を誘導する濃度差となるように、前記水素供与体供給手段により少なくとも前記第１脱窒部に水素供与体を供給し、前記反応液返送手段により第１脱窒部内の反応液を前記第２脱窒部に返送することが好ましい。
本発明によれば、完全混合型の脱窒槽に被処理水を連続流入させながら、脱窒菌をグラニュール化させることができ、装置の小型化又は低コスト化が可能となる。
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
図１は、本実施形態に係る水処理装置の一例を示す概略構成図である。図１に示すように、水処理装置１は、フッ素処理装置１０と、硝化装置１２と、脱窒装置１４とを備える。本実施形態は、硝酸イオン、亜硝酸イオンを含有した被処理水の脱室処理方法及び脱窒処理装置に関するものであるが、例えば、半導体工場排水等の電子産業排水等には、フッ素及びアンモニア性窒素含有排水として排出されることが多く、このような場合には、上記のようにフッ素処理装置１０によりフッ素を除去し、硝化装置１２によりアンモニア性窒素を硝酸若しくは亜硝酸まで硝化させる必要がある。
アンモニア性窒素は、アンモニア、アンモニウム化合物、アミン系化合物、例えばテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド、モノエタノールアミン、その他アミノ酸等の有機性窒素化合物に起因するものである。フッ素は、フッ酸やフッ素化合物等に起因するものである。なお、フッ素処理装置１０の構成及びフッ素除去方法、硝化装置１２の構成及び硝化方法について、下記にその一例を説明するが、装置構成及び方法はこれに制限されるものではない。
フッ素処理装置１０は、被処理水槽と、反応槽と、沈殿槽とを備える。被処理水槽の出口と反応槽の入口、反応槽の出口と沈殿槽の入口とは配管により接続されている。
硝化装置１２は、被処理水槽と、硝化槽とを備える。フッ素処理装置１０の沈殿槽の出口と硝化装置１２の被処理水槽の入口、硝化装置１２の被処理水槽の出口と硝化槽の入口とは配管により接続されている。
図２は、本実施形態に係る脱窒装置の構成の一例を示す模式図である。図２に示すように、脱窒装置１４は、脱窒部（第１脱窒部１６ａ、第２脱窒部１６ｂ）と、酸化槽１８と、沈殿槽２０と、被処理水流入管２２、反応液返送管２３、汚泥返送管２４、処理水取出管２６ａ，２６ｂ，２６ｃ、反応液供給手段としての反応液供給管２７及びポンプ２９、水素供与体供給装置２８、ｐＨ調整装置３０、とを備える。脱窒部は完全混合型であり、第１脱窒部１６ａと第２脱窒部１６ｂとを有する。図１に示す硝化装置１２の硝化槽の出口と図２に示す第２脱窒部１６ｂの被処理水供給口とは、被処理水流入管２２により接続されている。第１脱窒部１６ａの反応液排出口と第２脱窒部１６ｂの反応液供給口とは、反応液返送管２３により接続されている。第２脱窒部１６ｂの処理水出口と酸化槽１８の入口とは処理水取出管２６ａにより接続され、酸化槽１８の出口と沈殿槽２０の入口とは処理水取出管２６ｂにより接続され、沈殿槽２０の処理水出口には、処理水取出管２６ｃが接続されている。沈殿槽２０の汚泥排出口と第２脱窒部１６ｂの汚泥流入口とは、ポンプ２５を介して、汚泥返送管２４により接続されている。第１脱窒部１６ａ及び第２脱窒部１６ｂ内には、槽内の水の攪拌を行う攪拌装置３２ａ，３２ｂが設けられている。
反応液供給手段は、第２脱窒部１６ｂ内の反応液を引き抜き第１脱窒部１６ａに供給するためのものであり、反応液供給管２７の一端は、第２脱窒部１６ｂ内に挿入されており、他端は第１脱窒部１６ａの反応液供給口に接続されている。また、反応液供給管２７にはポンプ２９が設置されている。
水素供与体供給装置２８は、少なくとも第１脱窒部１６ａに水素供与体を供給するものであり、水素供与体が収容される水素供与体タンク３４、水素供与体を第１脱窒部１６ａに送水するポンプ３６、水素供与体の流路となる水素供与体流入管３８、ポンプ３６の駆動を制御し、水素供与体の供給量をコントロールする制御装置４０とを備える。水素供与体タンク３４の出口と第１脱窒部１６ａの水素供与体供給口とは、ポンプ３６を介して、水素供与体流入管３８により接続されている。ポンプ３６と制御装置４０とは電気的に接続されている。なお、第２脱窒部１６ｂにも水素供与体を供給する場合には、水素供与体を第２脱窒部１６ｂに送水するポンプ、水素供与体の流路となる水素供与体流入管、ポンプの駆動を制御し、水素供与体の供給量をコントロールする制御装置を別途設ければよい。
ｐＨ調整装置３０は、第１脱窒部１６ａ及び第２脱窒部１６ｂ内の被処理水のｐＨを調整するものであり、塩酸等の酸剤又は水酸化ナトリウム等のアルカリ剤等のｐＨ調整剤が収容されるｐＨ調整剤タンク４２と、ｐＨ調整剤を第１脱窒部１６ａ及び第２脱窒部１６ｂに送水するポンプ４４ａ，４４ｂと、ｐＨ調整剤の流路となるｐＨ調整剤流入管４６ａ，４６ｂと、第１脱窒部１６ａ及び第２脱窒部１６ｂ内の被処理水ｐＨ値を測定するｐＨセンサ４８ａ，４８ｂと、ポンプ４４ａの駆動を制御し、第１脱窒部１６ａに供給するｐＨ調整剤の供給量をコントロールする制御装置５０ａと、ポンプ４４ｂの駆動を制御し、第２脱窒部１６ｂに供給するｐＨ調整剤の供給量をコントロールする制御装置５０ｂとを備える。ｐＨ調整剤タンク４２の第１出口と第１脱窒部１６ａのｐＨ調整剤供給口とは、ポンプ４４ａを介して、ｐＨ調整剤流入管４６ａにより接続されている。また、ｐＨ調整剤タンク４２の第２出口と第２脱窒部１６ｂのｐＨ調整剤供給口とは、ポンプ４４ｂを介して、ｐＨ調整剤流入管４６ｂにより接続されている。ｐＨセンサ４８ａと制御装置５０ａ、制御装置５０ａとポンプ４４ａ、ｐＨセンサ４８ｂと制御装置５０ｂ、制御装置５０ｂとポンプ４４ｂとは電気的に接続されている。
次に、本実施形態に係る水処理方法及び水処理装置１の動作について説明する。まず、フッ素及びアンモニア性窒素を含有する被処理水を図１に示すフッ素処理装置１０の被処理水槽に送液する。該被処理水槽にて被処理水の流量及び濃度を平均化し、ｐＨを調整した後、被処理水をフッ素処理装置１０の反応槽に送液する。また、反応槽にカルシウム化合物を供給する。そして、フッ素処理装置１０の反応槽で、被処理水中のフッ素とカルシウム化合物とを反応させ、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）を生成させる。ここで、被処理水中のフッ素の処理効率を上げるために、カルシウム化合物と共に、凝集剤をフッ素処理装置１０の反応槽に供給して、上記生成するフッ化カルシウムをフロック化させてもよい。そして、フッ素処理装置１０の沈殿槽で（フロック化した）フッ化カルシウムを含む被処理水の個液分離を行い、被処理水からフッ素（及びフッ化カルシウム）を除去する。
また、フッ素処理装置１０は、反応槽を複数備えるものであってもよい。例えば、第１反応槽と第２反応槽とを備え、第１反応槽でフッ素及びアンモニア性窒素を含有する処理水とカルシウム化合物とを反応させて、フッ化カルシウムを生成させ、第２反応槽で凝集剤を添加してフッ化カルシウムをフロック化させてもよい。なお、反応槽には槽内の水の撹拌を行う撹拌機構が設けられてもよい。
フッ素処理装置１０の反応槽に供給するカルシウム化合物は、フッ素をフッ化カルシウムとして折出できるものであれば特に制限されるものではなく、例えば、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）２）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）等が挙げられる。また、凝集剤としては、例えば、ポリ塩化アルミニウムや硫酸アルミニウム等の無機系凝集剤や陰イオン性ポリマー等の有機高分子凝集剤等を用いることができる。
次に、フッ素が除去されたアンモニア性窒素を含有する被処理水を図１に示す硝化装置１２の被処理水槽に送液する。該被処理水槽にて被処理水の流量及び濃度を平均化し、ｐＨを調整した後、被処理水を硝化槽に送液する。硝化槽には、担体に硝化菌を含む微生物膜を担持させてなる微生物担持担体が充填されている。また、硝化槽には、空気導入管（不図示）が接続されており、硝化槽内の被処理水に空気を供給することができる構造になっている。そして、硝化槽で、微生物担持担体の硝化菌の働きにより、被処理水中のアンモニア性窒素を硝酸性窒素、亜硝酸性窒素に硝化させる。ここで、硝化菌は、被処理水中に含まれるアンモニア性窒素を亜硝酸性窒素に硝化する独立栄養性細菌のアンモニア酸化細菌、亜硝酸性窒素を硝酸性窒素に硝化する独立栄養性細菌の亜硝酸酸化細菌等である。
硝化菌が担持される担体は、特に制限されるものではないが、例えば、スポンジ、ゲル、プラスチック成型品等を利用することができる。具体的には、親水性のポリウレタンスポンジ、ポリビニルアルコールゲル等を利用することが好ましい。
次に、上記硝化処理された硝化処理液、すなわち、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素を含む被処理水を被処理水流入管２２を介して脱窒装置１４の第２脱窒部１６ｂに連続供給する。そして、反応液供給手段のポンプ２９を稼働させ、反応液供給管２７から第２脱窒部１６ｂ内の反応液（第２脱窒部１６ｂ内の被処理水及び脱窒菌等）の一部を第１脱窒部１６ａに供給するとともに、水素供与体供給装置２８のポンプ３６を稼働させ、水素供与体タンク３４内の水素供与体を水素供与体流入管３８を介して第１脱窒部１６ａに供給する。その後、第１脱窒部１６ａ内の反応液を反応液返送管２３を介して第２脱窒部１６ｂへ供給する。これにより、第１脱窒部１６ａ内の反応液中の脱窒菌は一時的に高濃度の水素供与体に暴露される。また、第１脱窒部１６ａ内の反応液が第２脱窒部１６ｂへ供給されるため、第２脱窒部１６ｂ内の反応液中の脱窒菌は水素供与体濃度の低い環境下に暴露されることとなる。このように、脱窒菌に対して水素供与体濃度を変動させることにより、脱窒菌のグラニュール化を誘導することが可能となる。なお、第２脱窒部１６ｂ内の反応液の一部が、第１脱窒部１６ａ内に連続供給されるように、反応液供給手段のポンプ２９を継続して稼働させてもよいし、第２脱窒部１６ｂ内の反応液の一部が、第１脱窒部１６ａ内に間欠的に供給されるように、反応液供給手段のポンプ２９を断続的に稼働させてもよい。
第１脱窒部１６ａ及び第２脱窒部１６ｂ内では、脱窒菌の働きによって、被処理水中の硝酸イオン、亜硝酸イオンが窒素ガスに還元される。水素供与体としてメタノールを使用した場合、被処理水中の硝酸イオン、亜硝酸イオンは、下記反応式に示す反応により、窒素ガスに還元される。
２ＮＯ２ − ＋ ＣＨ３ＯＨ → Ｎ２ ＋ ＣＯ２ ＋ Ｈ２Ｏ ＋ ２ＯＨ−
６ＮＯ３ − ＋ ５ＣＨ３ＯＨ → ３Ｎ２ ＋ ５ＣＯ２ ＋ ７Ｈ２Ｏ ＋ ６ＯＨ−
６ＮＯ３ − ＋ ５ＣＨ３ＯＨ → ３Ｎ２ ＋ ５ＣＯ２ ＋ ７Ｈ２Ｏ ＋ ６ＯＨ−
次に、処理水取出管２６ａを介して、脱窒処理により硝酸イオン、亜硝酸イオンが除去された処理水を酸化槽１８に送液し、酸化槽１８で、処理水中に残存する水素供与体等の有機物を酸化させる。次に、処理水取出管２６ｂを介して、水素供与体が除去された処理水を沈殿槽２０に送液する。そして、沈殿槽２０の下部に、被処理水中に含まれる（本実施形態では自己造粒化した）脱窒菌が汚泥として堆積し、沈殿槽２０の上部の上澄水を処理水取出管２６ｃから取り出す。また、ポンプ２５を稼働させ、沈殿槽２０の下部に堆積した汚泥を汚泥返送管２４から再度第２脱窒部１６ｂ内（又は第１脱窒部１６ａ内）へ返送する。なお、硝化装置１２で行う硝化処理も浮遊式の汚泥で行う場合、硝化槽へ汚泥を返送してもよい。
図３は、本発明の他の実施形態に係る脱窒装置の構成の一例を示す模式図である。脱窒装置１４においては、必ずしも沈殿槽２０を脱窒部と独立して設ける必要はなく、図３に示すように、第２脱窒部１６ｂ内に、下部開口の隔壁５２を設け、脱窒室５４及び沈殿室５６を形成してもよい。また、個液分離は、図２に示す沈殿槽２０、図３に示す沈殿室５６によらず、ガスソリッドセパレータ（ＧＳＳ）、膜分離装置等の任意の手段で行ってもよい。
酸化槽１８は、被処理水中に含まれる水素供与体等の有機物を微生物の働きにより酸化分解するためのものである。酸化槽１８は、図２に示すように、沈殿槽２０より上流側に設置してもよいし、沈殿槽２０より下流側に設置してもよい。
次に、水素供与体の供給方法について詳述する。通常、水素供与体は、脱窒部に供給される被処理水中の硝酸イオン、亜硝酸イオンの濃度から、脱窒処理に必要な水素供与体の供給量を算出し、その量を変化させることなく連続的に脱窒部に供給する。そのため、脱窒部内の水素供与体の濃度は、低濃度でほぼ一定である。なお、脱窒処理を効率的に行うために、脱窒部内の硝酸イオン及び亜硝酸イオンの脱窒処理に必要な水素供与体の供給量（水素供与体必要理論量）の１．２倍前後を脱窒部に供給する。
しかし、本実施形態では、第２脱窒部１６ｂ内の反応液を第１脱窒部１６ａに供給した上で、第２脱窒部１６ｂ内での被処理水の水理学的滞留時間（ＨＲＴ）における第１脱窒部１６ａ内での水素供与体の濃度と、第２脱窒部１６ｂ内での被処理水の水理学的滞留時間における第２脱窒部１６ｂ内での水素供与体の濃度との差が、脱窒菌の自己造粒化を誘導する（グラニュール化する）濃度差となるように、少なくとも第１脱窒部１６ａに水素供与体を供給し、第２脱窒部１６ｂに返送する。具体的には、制御装置４０に、水理学的滞留時間における第１脱窒部１６ａ及び第２脱窒部１６ｂ内での水素供与体の濃度変動マップを予め記録させておき、濃度変動マップに基づいて、第１脱窒部１６ａ内での水素供与体の濃度と第２脱窒部１６ｂ内での濃度との差が、脱窒菌の自己造粒化を誘導する濃度差となるように、ポンプ３６の稼働を制御し、水素供与体の供給量を調節する。そして、反応液返送管２３から第２脱窒部１６ｂに反応液を返送する。
ここで、第２脱窒部１６ｂ内の被処理水の水理学的滞留時間（ＨＲＴ）における第１脱窒部１６ａ内での水素供与体の最大濃度と、第２脱窒部１６ｂ内の被処理水の水理学的滞留時間における第２脱窒部１６ｂ内での水素供与体の最小濃度との差は、５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上であることが好ましく、また、１００ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上であることがより好ましい。第１脱窒部１６ａ内での水素供与体の最大濃度と第２脱窒部１６ｂ内での水素供与体の最小濃度との差が、５０ｍｇＴＯＣ／Ｌより小さいと、脱窒菌の自己造粒化を充分に誘導することができない場合がある。また、第２脱窒部１６ｂ内での水素供与体の最小濃度は、第１脱窒部１６ａ内での水素供与体の最大濃度に対して１／２以下（０より大きく、最大濃度に対して１／２以下の範囲）であることが好ましい。上記最小濃度が最大濃度に対して１／２を超えると、脱窒菌の自己造粒化の誘導が困難となる場合がある。
本実施形態において、第２脱窒部１６ｂから反応液供給管２７を通る反応液中の硝酸イオン、亜硝酸イオンの濃度が低い場合等では、水素供与体を供給後の第１脱窒部１６ａ内における脱窒活性を高めるために、硝酸イオン、亜硝酸イオンを含む水を第１脱窒部１６ａに供給することが好ましい。具体的には、硝酸イオン、亜硝酸イオンを含む水を収容するタンク、当該水をタンクから第１脱窒部１６ａに送液するためのポンプ及び送液管を設けて、当該水を第１脱窒部１６ａに供給する。しかし、装置の構成を簡略化することができる点で、被処理水流入管２２を分岐させて、分岐した管を第１脱窒部１６ａに接続させることにより、被処理水を硝酸イオン、亜硝酸イオンを含む水として、第１脱窒部１６ａに供給することが好ましい。
本実施形態では、水素供与体を第１脱窒部１６ａに連続的に供給してもよい（第２脱窒部１６ｂにも供給してよい）が、被処理水中の硝酸イオン、亜硝酸イオンの濃度が低い場合には、第１脱窒部１６ａと第２脱窒部１６ｂとの間で、水素供与体の濃度差を形成することが困難となる。そこで、第１脱窒部１６ａと第２脱窒部１６ｂとの間で、水素供与体の濃度差を容易に形成することができる点で、水素供与体を間欠的に第１脱窒部１６ａに供給することが好ましい。但し、水素供与体の供給及び停止時間、水素供与体の供給量は、第１脱窒部１６ａ内での水素供与体の最大濃度と第２脱窒部１６ｂ内での水素供与体の最小濃度との差が、例えば５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上となるように設定されることが好ましい。
第１脱窒部１６ａでの水素供与体の供給及び停止のサイクルを複数行う場合、後段の第２脱窒部１６ｂ内での水素供与体の濃度を平均化することができる点で、１サイクル（供給−停止）の時間は、第２脱窒部１６ｂ内での被処理水の水理学的滞留時間の５０％より短いこと、すなわち第２脱窒部１６ｂ内での被処理水の水理学的滞留時間に対して２サイクル以上行うことが好ましい。
また、本実施形態では、脱窒部に供給される硝酸イオン及び亜硝酸イオンの濃度に対して、脱窒処理に必要な水素供与体の供給量（水素供与体必要理論量）を基準として、基準値より少ない量の水素供与体を第１脱窒部１６ａに供給する第１供給工程と、前記基準値より多い量の水素供与体を第１脱窒部１６ａに供給する第２供給工程とを組み合わせて、第１脱窒部１６ａに水素供与体を供給することによっても、第１脱窒部１６ａと第２脱窒部１６ｂとの間で、水素供与体の濃度差を容易に形成することができる。但し、水素供与体の供給及び停止時間、水素供与体の供給量は、第１脱窒部１６ａ内での水素供与体の最大濃度と第２脱窒部１６ｂ内での水素供与体の最小濃度との差が、例えば５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上となるように設定されることが好ましい。
第１脱窒部１６ａでの第１供給工程及び第２供給工程のサイクルを複数行う場合、後段の第２脱窒部１６ｂ内での水素供与体の濃度を平均化することができる点で、１サイクル（第１供給工程−第２供給工程）の時間は、第２脱窒部１６ｂ内での被処理水の水理学的滞留時間の５０％より短いこと、すなわち第２脱窒部１６ｂ内での被処理水の水理学的滞留時間に対して２サイクル以上行うことが好ましい。
本実施形態では、少なくとも第１脱窒部１６ａに水素供与体を供給すればよいが、第２脱窒部１６ｂ内での被処理水の水理学的滞留時間における第１脱窒部１６ａ内での水素供与体の濃度と、第２脱窒部１６ｂ内での被処理水の水理学的滞留時間における第２脱窒部１６ｂ内での水素供与体の濃度との差が、脱窒菌の自己造粒化を誘導する（グラニュール化する）濃度差となれば、第２脱窒部１６ｂにも水素供与体を供給（供給−停止の間欠供給、多量供給−少量供給等も含む）してよい。しかし、第２脱窒部１６ｂに水素供与体を供給することとなると、上記濃度差を確保するために、第１脱窒部１６ａの水素供与体の供給量を増加させる必要があり、水素供与体の使用量の増加、装置のランニングコストが高くなる場合がある。よって、第１脱窒部１６ａのみに水素供与体を供給することが好ましい。
本実施形態では、第１脱窒部１６ａ及び第２脱窒部１６ｂを単槽として例示したが、これに制限されるものではなく、第１脱窒部１６ａを複数槽、第２脱窒部１６ｂを複数槽としてもよい。また、第１脱窒部１６ａは必ずしも槽である必要はない。図４は、本発明の他の実施形態に係る脱窒装置の構成の一例を示す模式図である。図４に示すように、第１脱窒部１６ａは、所定の長さを有する管であってもよい。すなわち、反応液供給管２７、管型の脱窒部１６ａ、反応液返送管２３により、一体的なラインが形成されている。なお、本実施形態のように第１脱窒部１６ａが管型である場合には、反応液返送管２３を必ずしも備える必要はない。
そして、管型の脱窒部１６ａ内に水素供与体供給装置２８から水素供与体が供給され、管型の脱窒部１６ａ内で、第２脱窒部１６ｂから引き抜かれた反応液と水素供与体とが接触し、所定の長さを有する第１脱窒部１６ａ、反応液返送管２３を流れて、第２脱窒部１６ｂに返送される。ここで、第１脱窒部１６ａの所定の長さは、反応液の流量等により異なるが、反応液と水素供与体との接触を充分に確保することできるように適宜設定されていればよい。
なお、脱窒菌をグラニュール化させる際には、一部の金属類の添加が良好な結果をもたらす場合がある。これらは、一般的にグラニュール化促進物質として位置付けられ、イオン類としてカルシウムイオン、鉄イオン、化合物類としてフライアッシュ、酸化鉄、炭酸カルシウム等が挙げられる。このうちイオン類に関しては、脱窒処理期間に渡って、もしくは装置の立ち上げ期に連続又は間欠的に添加されることが好ましい。また、化合物類に関しては、装置立ち上げ時に汚泥の添加と共に添加されることが好ましい。
本実施形態で用いられる水素供与体は、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール、酢酸、水素ガス、アセトン、グルコース、エチルメチルケトン等が挙げられるが、これに制限されるものではなく、水素供与体として従来公知のもの全てを使用することができる。
硝酸イオン、亜硝酸イオンから窒素ガスへの還元反応は、水素供与体の種類により若干異なるが、いずれにしても硝酸イオン、亜硝酸イオンと等モルの水酸化物イオンが生成するため、槽内の被処理水ｐＨは上昇する。一般的に、脱窒処理における被処理水のｐＨは８〜９の範囲に調整することが好適である。但し、水素供与体由来の炭酸イオン濃度が高くなって、被処理水中に含まれるカルシウムイオン等によるスケール発生が懸念される場合には、槽内の被処理水ｐＨは６〜７．５の範囲に調整することが好ましく、６．３〜７．０の範囲に調整することがより好ましい。具体的には、ｐＨ調整装置３０のｐＨセンサ４８ａ，４８ｂにより第１脱窒部１６ａ、第２脱窒部１６ｂの被処理水のｐＨを検出し、検出したｐＨに基づいて、第１脱窒部１６ａ、第２脱窒部１６ｂ内の被処理水ｐＨが上記ｐＨ範囲となるように、制御装置５０ａ，５０ｂによりポンプ４４ａ，４４ｂを稼働させ、ｐＨ調整剤タンク４２からｐＨ調整剤を第１脱窒部１６ａ、第２脱窒部１６ｂ内に供給し、槽内の被処理水のｐＨを調節する。
脱窒部（第１脱窒部１６ａ、第２脱窒部１６ｂ）内のＭＬＳＳ濃度としては特に制限されるものではないが、充分な脱窒処理速度を達成するために、５０００〜１０００００ｍｇＭＬＳＳ／Ｌ程度とすることが好ましい。
以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
実施例においては、図２に示したものと同様の装置を用い、下記表１に示す水質の被処理水を容積４０Ｌの第２脱窒部に連続通水した。また、第２脱窒部内の反応液を容積４Ｌの第１脱窒部に連続供給した（第１脱窒部のＨＲＴ６分〜１４４分）。水素供与体としてメタノールを使用し、第２脱窒部内での被処理水のＨＲＴにおける第１脱窒部内でのメタノールの最大濃度と、第２脱窒部内での被処理水のＨＲＴにおける第２脱窒部内でのメタノールの最小濃度との差が５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上となるように、第１脱窒部に当該メタノールを間欠的に供給した。水素供与体の停止時間と供給時間の比を１：１９に固定し、添加−停止のサイクル時間は、被処理水の流入速度に応じて変化させ、第２脱窒部のＨＲＴの１／５とした。このときのメタノールの供給量は、処理窒素量に対して２．７ｋｇメタノール／ｋｇ窒素とした。また、試験開始時には約５００ｍｇＭＬＳＳ／Ｌとなるように脱窒を行っている活性汚泥を第１脱窒部及び第２脱窒部に供給した。また、塩酸を用いて、第１脱窒部及び第２脱窒部の被処理水のｐＨを６．５〜７．０となるように調整した。また、脱窒部後段に設置した沈殿槽に溜まった汚泥を第１脱窒部に返送した。試験は３３日間行った。
比較例においては、第１脱窒部を設置せず、第２脱窒部内での被処理水のＨＲＴにおけるメタノールの最大濃度と最小濃度との差を５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ未満に維持したこと以外は実施例と同様の条件で試験を行った。
図５は、実施例の試験経過日数に対するＭＬＳＳ濃度の変化を示す図である。図６は、実施例の試験経過日数に対する脱窒処理の処理速度の変化を示す図である。図７は、実施例の試験経過日数に対する処理水の硝酸イオン濃度の推移を示す図である。図８は、実施例の試験経過日数に対するＳＶＩの変化を示す図である。図５に示すように、実施例では、日数の経過と共にＭＬＳＳ濃度が上昇し、試験開始から３３日目には、ＭＬＳＳ濃度が５０００ｍｇＭＬＳＳ／Ｌに達した。また、図６に示すように、ＭＬＳＳ濃度の上昇と共に、脱窒処理の処理速度も上昇し、試験開始から３３日目には、約２．５ｋｇＮ／ｍ３／ｄａｙまで達し、高い処理速度が得られることを確認した。また、図７に示すように、処理水中の硝酸イオン濃度は低く、試験期間中安定した処理が行われることを確認した。また、図８に示すように、汚泥沈降性の指標としてのＳＶＩが、日数の経過と共に減少し、非常にＳＶＩの値が小さい（沈降性のよい）グラニュールが形成されることを確認した。なお、一般的な活性汚泥のＳＶＩは１２０〜１５０ｍＬ／ｇである。一方、比較例においては、試験開始から３３日目で、ＭＬＳＳ濃度が２０００ｍｇＭＬＳＳ／Ｌ程度までしか達せず、脱窒処理の処理速度も、０．４ｋｇＮ／ｍ３／ｄａｙであった。
実施例では、当初浮遊状であった脱窒菌を含む汚泥が、試験開始から約２週間経過後には粒状に変化し、約３週間後には、ほぼ全体が径０．３ｍｍ程度のグラニュール汚泥に変化した。また、３０日経過後には、径０．５ｍｍ程度のグラニュール汚泥となった。
また、図９は、第１脱窒部及び第２脱窒部におけるメタノールのＴＯＣ濃度変化を示す図である。図９に示すように、第１脱窒部内では、時間経過と共にメタノールのＴＯＣ濃度は、変化するが、第２脱窒部内では、メタノールのＴＯＣ濃度は低濃度で、ほぼ一定であることを確認した。なお、実施例において得られた処理水中のメタノールのＴＯＣ濃度は、０．３６２ｇＴＯＣ／ｇメタノールであった。
１ 水処理装置、１０ フッ素処理装置、１２ 硝化装置、１４ 脱窒装置、１６ａ 第１脱窒部、１６ｂ 第２脱窒部、１８ 酸化槽、２０ 沈殿槽、２２ 被処理水流入管、２３ 反応液返送管、２４ 汚泥返送管、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ 処理水取出管、２７ 反応液供給管、２８ 水素供与体供給装置、２５，２９，３６，４４ａ，４４ｂ ポンプ、３０ ｐＨ調整装置、３２ａ，３２ｂ 攪拌装置、３４ 水素供与体タンク、３８ 水素供与体流入管、４０，５０ａ，５０ｂ 制御装置、４２ ｐＨ調整剤タンク、４６ａ，４６ｂ ｐＨ調整剤流入管、４８ａ，４８ｂ ｐＨセンサ、５２ 隔壁、５４ 脱窒室、５６ 沈殿室。
Claims (7)
- 完全混合型の脱窒部に被処理水を連続供給すると共に、水素供与体を供給し、被処理水中に含まれる硝酸イオン、亜硝酸イオンを脱窒菌により窒素に還元する脱窒処理方法であって、
前記脱窒部として、第１脱窒部と第２脱窒部とを設置し、
前記第２脱窒部内の反応液の一部を前記第１脱窒部に供給した上で、
前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第１脱窒部内での水素供与体の濃度と、前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第２脱窒部内での水素供与体の濃度との差が、前記脱窒菌の自己造粒化を誘導する濃度差となるように、少なくとも前記第１脱窒部に水素供与体を供給し、前記第２脱窒部に返送することを特徴とする脱窒処理方法。 - 請求項１記載の脱窒処理方法であって、前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第１脱窒部内での水素供与体の最大濃度と、前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第２脱窒部内での水素供与体の最小濃度との差が５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上であることを特徴とする脱窒処理方法。
- 請求項１記載の脱窒処理方法であって、前記第２脱窒部には、前記被処理水を供給し、前記第１脱窒部には、水素供与体を供給するとともに、硝酸イオン、亜硝酸イオンを含む水を供給することを特徴とする脱窒処理方法。
- 請求項３記載の脱窒処理方法であって、前記硝酸イオン、亜硝酸イオンを含む水は、前記第２脱窒部に供給される被処理水を分岐したものであることを特徴とする脱窒処理方法。
- 請求項２記載の脱窒処理方法であって、前記第１脱窒部への水素供与体の供給は間欠的であることを特徴とする脱窒処理方法。
- 請求項２記載の脱窒処理方法であって、前記第１脱窒部への水素供与体の供給は、硝酸イオン、亜硝酸イオンの濃度に対して、脱窒処理に必要な水素供与体の供給量を基準とし、前記基準値より少ない量の水素供与体を供給する第１供給工程と、前記基準値より多い量の水素供与体を供給する第２供給工程とを組み合わせることにより行われることを特徴とする脱窒処理方法。
- 完全混合型の脱窒部と、前記脱窒部に被処理水を連続供給する被処理水供給手段と、前記脱窒部に水素供与体を供給する水素供与体供給手段と、を有し、前記脱窒部内で被処理水中に含まれる硝酸イオン、亜硝酸イオンを脱窒菌により窒素に還元する脱窒処理装置であって、
前記脱窒部は、第１脱窒部と第２脱窒部とを有し、
前記第２脱窒部内の反応液の一部を前記第１脱窒部に供給する反応液供給手段と、前記第１脱窒部内の反応液を前記第２脱窒部に返送する反応液返送手段とを有し、
前記反応液供給手段により前記第２脱窒部内の反応液の一部を前記第１脱窒部に供給した上で、
前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第１脱窒部内での水素供与体の濃度と、前記第２脱窒部内での被処理水の水理学的滞留時間における前記第２脱窒部内での水素供与体の濃度との差が、前記脱窒菌の自己造粒化を誘導する濃度差となるように、前記水素供与体供給手段により少なくとも前記第１脱窒部に水素供与体を供給し、前記反応液返送手段により第１脱窒部内の反応液を前記第２脱窒部に返送することを特徴とする脱窒処理装置。
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