JP2011251255A - 廃液処理方法及び廃液処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アナモックス菌のグラニュールを用いて、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を含む廃液を効率良く脱窒処理することのできる廃液処理技術を提供する。
【解決手段】廃液処理装置１０は、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を含む廃液ＥＲとアナモックスグラニュールＡＧとを収容可能な処理槽１１と、処理槽１１内に収容されたアナモックスグラニュールＡＧを廃液ＥＲとともに流動させる液流発生手段である回転式の撹拌部材１２，１３と、を備えている。撹拌部材１２，１３は動力源であるモータ１５によって駆動された回転軸１６に取り付けられている。処理槽１１内には、アナモックス菌ＡＮが付着可能な微生物付着担体である不織布１４が、撹拌部材１２，１３より上方の領域に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、被処理液中に含まれる亜硝酸性窒素やアンモニア性窒素を窒素ガスとして除去する技術に関する。

我々のライフスタイルは２０世紀の大量生産、大量消費、大量廃棄のスタイルから、循環型、低負荷型へのライフスタイルへの変換を余儀なくされている。下廃水処理システムの普及により公共用水域に放出される廃水の水質は年々改善されてきているが、湖沼や内海のような閉鎖性水域における窒素やリンなどの栄養塩の濃度が上昇傾向にあり、赤潮等の富栄養化の問題が頻発し、社会問題化している。そこで、これまでの有機物の処理のみならず、窒素やリン等の栄養源も処理することが可能であって、効率的かつ経済的な高度な廃水処理技術が求められている。

一般に、廃水中の窒素を生物学的に除去する方法としては、微生物自身に摂取させる方法と、硝化・脱窒による窒素サイクルを用いる方法とが代表的である。前者の方法は、具体的には、所定の処理装置内において微生物を増殖させることによって廃水中の窒素を細菌内に同化させる方法であるが、処理が進行するにつれて処理装置内の微生物量が増加していくため、その都度、微生物を除去したり、廃棄したりする必要があり、新たな廃棄物が発生する等の問題が生じている。

このような状況において、アナモックス菌と呼ばれる独立栄養性脱窒微生物を用いた窒素除去プロセスが脚光を浴びている。アナモックス菌は、嫌気性アンモニア酸化（Ａｎａｅｒｏｂｉｃ Ａｍｍｏｎｉuｍ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）菌の呼称からＡｎaｍｍoｘ菌と略称されており、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を含む廃液を効率良く脱窒する性質を有する。

本発明者は、かかるアナモックス菌を用いた脱窒反応に関する研究を継続して行っており、その一例として、アナモックス菌を不織布などで形成された網状物に担持させることにより、アナモックス菌による脱窒反応を安定的に進行させることができる「廃水処理システム」を提案している（例えば、特許文献１参照。）。

一方、アナモックス菌による脱窒処理速度を高めることを目的として様々な方面から研究、開発が行われ、例えば、グラニュール化したアナモックス菌を使用した各種脱窒処理システムが提案されている（特許文献２，３，４参照。）。これらの脱窒処理システムにおいては、所定の反応容器内にグラニュール化したアナモックス菌が充填され、この反応容器内に導入された被処理液がグラニュール化したアナモックス菌に接触しながら上昇する間に脱窒反応が行われる方式（ＵＳＢ：Ｕｐｆｌｏｗ Ｓｌｕｄｇｅ Ｂｅｄ方式）が採用されている。

一方、特許文献５においては、アナモックス菌による脱窒処理速度を高めるため、反応容器内に有機凝集剤を添加しながら脱窒反応を進行させる方法が提案されている。

特開２００８−２７２６２５号公報 特開２００２−３４６５９３号公報 特開２００３−２４９８１号公報 特開２００９−２８５６４０号公報 特開２００３−２４９８８号公報

前述したように、特許文献１記載の廃水処理システムは、脱窒処理反応が安定しているという点において優れているが、脱窒処理速度に限界があるので、処理速度の更なる向上が要請されている。また、特許文献２，３，４記載の脱窒処理システムにおいても、アナモックス菌のグラニュールの強度が低いため、脱窒処理速度を上げることができないという問題がある。これらの問題の原因は、アナモックス菌は独立栄養性の菌であるため、増殖速度が遅いことによるものであると考えられている。

さらに、特許文献５記載の生物脱窒方法においては、脱窒処理を行う反応槽内に添加される有機凝集剤がこの反応槽内に蓄積していき、時間の経過とともに、脱窒反応速度が徐々に低下していくおそれがある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、アナモックス菌のグラニュールを用いて、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を含む廃液を効率良く脱窒処理することのできる廃液処理技術を提供することにある。

本発明の廃液処理方法は、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を含む廃液中においてアナモックス菌のグラニュールを流動させながら前記廃液中の窒素成分を窒素ガスとして除去することを特徴とする。以下、前記「アナモックス菌のグラニュール」を「アナモックスグラニュール」と記載する。

このような構成とすれば、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を含む廃液とアナモックスグラニュールとがほぼ完全に混合され、前記廃液中に前記グラニュールが均一に分散した状態となるので、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素が高濃度に含まれた廃液においても脱窒反応が効率的に進行し、脱窒反応に伴って生成した窒素ガスが前記グラニュールから速やかに離脱して除去されるので、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を含む廃液を効率良く脱窒処理することができる。また、脱窒反応に伴って生成した窒素ガスがアナモックス菌に抱き込まれ難くなるので、アナモックス菌の浮上も大幅に減少する。

ここで、前記アナモックス菌が付着可能な微生物付着担体を前記廃液中に配置すれば、廃液中のアナモックス菌が微生物付着担体に付着して、廃液中を浮遊するアナモックス菌が減少するので、脱窒処理を終えた処理廃液とともにアナモックス菌が流出するのを抑制することができる。

この場合、前記廃液に旋回流を発生させることにより前記アナモックス菌を流動させる構成とすれば、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を含む廃液とアナモックスグラニュールとを所定の反応槽内に収容した状態で、アナモックスグラニュールを万遍なく流動させることができるので、脱窒処理の効率化に有効である。

次に、本発明の廃液処理装置は、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を含む廃液とアナモックスグラニュールとを収容する処理槽と、前記処理槽内に収容された前記アナモックスグラニュールを前記廃液とともに流動させる液流発生手段と、を備えたことを特徴とする。

このような構成とすれば、前述した本発明の廃液処理方法を好適に実施することが可能となり、アナモックスグラニュールを用いて、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を含む廃液を効率良く脱窒処理することができる。

ここで、前記アナモックス菌が付着可能な微生物付着担体を前記処理槽内に配置すれば、廃液中のアナモックス菌が微生物付着担体に付着して、廃液中を浮遊するアナモックス菌が減少するので、脱窒処理を終えた処理廃液とともにアナモックス菌が流出するのを抑制することができる。

ここで、前記液流発生手段として、動力源によって回転する撹拌部材を前記処理槽内に配置することが望ましい。このような構成とすれば、撹拌部材の回転により廃液中に旋回流が発生し、処理槽内に収容された亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を含む廃液中においてアナモックスグラニュールが万遍なく流動し続けるので、脱窒処理反応の促進に有効である。

一方、前記処理槽内において前記水流発生手段より上方の領域に前記微生物付着担体を配置することが望ましい。このような構成とすれば、処理槽内の廃液中において浮上するアナモックス菌を効率良く微生物付着担体に付着させることができるので、アナモックス菌の流出をさらに減少させることができる。

また、前記微生物付着担体として不織布を用いれば、アナモックス菌の付着性を高めることができるとともに、付着したアナモックス菌の生育状態も良好となる。

また、前記処理槽内の前記液流発生手段より上方の領域に倒立漏斗形状の仕切部材を配置することが望ましい。このような仕切部材を配置することにより、沈降性に優れたアナモックスグラニュールを攪拌槽内に安定的に維持することができる。

さらに、前記撹拌部材の回転中心軸が前記処理槽内で鉛直方向を成すように前記撹拌部材を配置するとともに前記処理槽内の前記撹拌部材より上方の領域に前記撹拌部材の回転中心軸と同軸をなす筒形状の整流部材を配置することが望ましい。このような整流部材を配置すれば、攪拌槽からの流出液が、微生物付着担体を充填した中間槽内にて循環するようになるため、攪拌槽からの流出液中に含まれる浮遊性のアナモックス汚泥が微生物付着担体に吸着除去され、透明な処理液を得ることができる。

本発明により、アナモックスグラニュールを用いて、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を含む廃液を効率良く脱窒処理することのできる廃液処理技術を提供することができる。

本発明の実施の形態である廃液処理装置を示す垂直断面図である。 図１の一部拡大図である。 図２の矢線Ａ−Ａ方向から見た図である。 図２に示す漏斗部材の拡大図である。 図４の矢線Ｂ−Ｂ方向から見た図である。 図１に示す廃液処理装置における被処理液の流動状態を示す図である。 図１に示す廃液処理装置におけるアナモックス菌の流動状態を示す図である。 図１に示す廃液処理装置における窒素ガスの流動状態を示す図である。 図１に示す廃液処理装置における窒素負荷、窒素除去速度及びＴ−Ｎ除去率の経日変化を示すグラフである。 図１に示す廃液処理装置におけるアナモックスグラニュール径の経日変化を示すグラフである。

図１に示すように、本発明の実施形態である廃液処理装置１０は、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を含む廃液ＥＲとアナモックスグラニュールＡＧとを収容可能な処理槽１１と、処理槽１１内に収容されたアナモックスグラニュールＡＧを廃液ＥＲとともに流動させる液流発生手段である回転式の撹拌部材１２，１３と、を備えている。撹拌部材１２，１３は、動力源であるモータ１５で駆動された回転軸１６に取り付けられている。処理槽１１内には、アナモックス菌ＡＮが付着可能な微生物付着担体である複数の不織布１４が、撹拌部材１２，１３より上方の領域に配置されている。

処理槽１１の全体形状は略円筒形状であり、その中心軸１１ｃが鉛直をなすように立設され、撹拌部材１２，１３の回転軸１６が中心軸１１ｃと同軸上に配置されている。処理槽１１は、それぞれ略円筒形状をした撹拌槽２１、中間槽２２及び分離槽２３を中心軸１１ｃと同軸上に直列に接続して形成されている。また、撹拌槽２１内において撹拌部材１２より下方に位置する撹拌部材１３の外径は撹拌部材１２の外径より大である。

処理槽１１の最下部分に位置する撹拌槽２１の下部には漏斗形状の底板１７が取り付けられ、底板１７の中心に円管状の廃液供給口１８が設けられている。撹拌槽２１の内周の上端部分には、撹拌部材１２，１３の回転軸１１に向かって突出した突条１９が設けられており、処理槽１１側面の中心軸１１ｃ方向の中央部分及びその上下部分には、撹拌槽２１内の廃液ＥＲなどをサンプルとして取り出し可能な開閉式の取出口２１ａ，２１ｂ，２１ｃが設けられている。処理槽１１内において、突条１９の下方に撹拌部材１２が配置され、底板１７の上方に撹拌部材１３が配置されている。

また、撹拌槽２１の外周には、上下方向に配置された複数の通液口２０ａ，２０ｂを有する温度調整用の外被筒２０が設けられている。通液口２０ａ（または２０ｂ）から外被筒２０内へ水などの液体を導入し、通液口２０ｂ（または２０ａ）から排出することにより、撹拌槽２１の温度を所定温度に保つことができる。

処理槽１１の中央部分（撹拌槽２１の上部）に位置する中間槽２２は両端部分が開口した円筒形状の部材であり、その内径は撹拌槽２１の内径と等しく、中間槽２２側面の中心軸１１ｃ方向の上下部分には、中間槽２２内の廃液ＥＲなどをサンプルとして取り出し可能な開閉式の取出口２２ａ，２２ｂが設けられている。また、中間槽２２の外周には、上下方向に配置された複数の通液口２２ａ，２２ｂを有する温度調整用の外被筒２４が設けられている。外被筒２４は、前述した外被筒２０と同様、中間槽２２の温度を所定温度に保つ機能を有する。

中間槽２２内には、倒立漏斗形状の仕切り部材２５と、仕切り部材２５に連接された通液管２７と、分離槽２３から垂下されたドラフトチューブ２６の下方部分と、複数の不織布１４と、が配置されている。図２，図３に示すように、仕切り部材２５は、下方に向かって円錐形状に拡径した漏斗本体部２５ａと、漏斗本体部２５ａに連通する管状部２５ｂと、で形成され、管状部２５ｂに通液管２７が接続されている。図４，５に示すように、漏斗本体部２５ａの下端周縁部２５ｃの周方向に沿って複数の係止片２５ｄが等間隔に突設されている。

図２，図３に示すように、中間槽２２の下端部の内周には、漏斗本体部２５ａの係止片２５ｄを把持可能な複数の取付部２２ｃが周方向に沿って等間隔に設けられている。係止片２５ｄ及び取付部２２ｃの配置個数及び配置間隔は同じであるため、係止片２５ｄをそれぞれ取付部２２ｃに把持させることにより、仕切り部材２５及び通液管２７が中心軸１１ｃと同軸上に起立状態に保持されている。図３に示すように、漏斗本体部２５ａの下端周縁部２５ｃの外径は、中間槽２２の内径より小さいので、漏斗本体部２５ａの下端周縁部２５ｃと中間槽２２の内周面２２ｄとの間には、廃液ＥＲ等が通過可能な略リング状の隙間Ｓが形成されている。

図１に示すように、中間槽２２の上部には、略円筒形状の分離槽２３が中心軸１１ｃと同軸上に接続されている。分離槽２３の内径は中間槽２２の内径より大であり、中間槽２２の上端開口部と分離槽２３の下端開口部との境界部分には、中間槽２２の内周面から分離槽２３の内周面に向かって連続的に拡径した内周面２８ａを有する略リング形状の連接部材２８が介在している。分離槽２３の外周上方には、脱窒処理された廃液を排出するための処理液取出口２９が設けられている。また、分離槽２３の外周において、処理液取出口２９と中心軸１１ｃを挟んで対向する位置より少し低い位置に、予備用取出口３０が設けられている。

分離槽２３の上端開口部には略円板状のカバー３１が装着され、カバー３１の中心に開設された開口部３１ａにドラフトチューブ２６の上端開口部２６ａを接続することにより、ドラフトチューブ２６が、中心軸１１ｃ及び通液管２７と同軸上で、分離槽２３内から中間槽２２内に向かって垂下状に保持されている。分離槽２３の上端開口部にカバー３１を装着することにより、反応系温度を一定温度に保持し、反応雰囲気を嫌気性に保つことができる。また、カバー３１の下面から分離槽２３内に向かって略円筒状のガスセパレータ３２が垂下状に配置されている。ガスセパレータ３２は中心軸１１ｃと同軸上でドラフトチューブ２６を包囲するように配置され、ガスセパレータ３２の下縁部３２ａは下方に向かって拡径している。

カバー３１には複数の排気口３３，３４が設けられ、排気口３３は、分離槽２３内のドラフトチューブ２６外周とガスセパレータ３２内周との間隙に連通し、排気口３４は、分離槽２３内のガスセパレータ３２外周と分離槽２３内周との間隙に連通している。ガスセパレータ３２の下縁部３２ａは連接部材２８より上方に位置し、通液管２７の上端開口部２７ａはガスセパレータ３２の下縁部３２ａより上方であって処理液取出口２９より下方に位置している。

ドラフトチューブ２６の下端開口部２６ｂは、中間槽２２における中心軸１１ｃ方向の中央部分であって仕切り部材２５の漏斗本体部２５ａより上方に位置している。また、中間槽２２の上端開口部からドラフトチューブ２６の外周面と中間槽２２の内周面との間隙内に向かって複数の不織布１４が吊り下げ状態で保持されている。

回転数変更可能なモータ１５によって駆動される回転軸１６はカバー３１の開口部３１ａと同位置に開口しているドラフトチューブ２６の上端開口部２６ａから撹拌槽２１内に向かって中心軸１１ｃと同軸上に挿入され、その下端部に撹拌部材１２が取り付けられ、撹拌部材１２より上方であって突条１９より下方に撹拌部材１３が取り付けられている。撹拌部材１２，１３の形状は限定しないが、アナモックスグラニュールＡＧに対する剪断力が小さく、旋回流発生能力の大きいものが望ましく、例えば、アンカー翼、バドル翼、プロペラ翼などが好適である。また、撹拌部材は上下２段配置に限定しないので、１段配置若しくは回転軸１６の長さ方向に３段以上配置してもよい。撹拌部材を複数段配置すると、脱窒処理対象である廃液ＥＲの上下移動を容易化し、脱窒反応速度が増大するという効果が得られる。

処理槽１１を構成する撹拌槽２１，中間槽２２，分離槽２３及びカバー３１などの材質は特に限定しないが、廃液ＥＲなどに対する耐久性、断熱性及び強度に優れたポリプロピレン、ポリエチレンなどの合成樹脂が好適である。また、本実施形態の廃液処理装置１０においては、処理槽１１内の廃液ＥＲの温度を適切範囲に保つため、温度管理された温水を外被筒２０，２４内に循環させる自動温度調節機構（図示せず）を設けている。さらに、廃液処理装置１０においては、また、処理槽１１内の廃液ＥＲのｐＨ値を測定するとともに、その測定結果に対応してｐＨ値を自動若しくは手動で適正範囲内に調節することができるようになっている。

廃液処理装置１０の処理槽１１内に収容されているアナモックス菌群の集合体であるグラニュールＡＧの平均粒径は０．２５ｍｍ〜２ｍｍの範囲が好適であるが、好ましくは０．３ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲、より好ましくは０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲である。また、アナモックスグラニュールＡＧの平均比重は１．０１〜２．５の範囲が好適であるが、好ましくは１．１〜２．０であることが望ましい。

このようなアナモックスグラニュールＡＧの調製方法は限定しないが、例えば、アナモックス菌を不織布などの微生物固定担体に付着させてアナモックス菌群を生育させ、生育後のアナモックス菌群を微生物固定担体から剥離させた後、適度な撹拌雰囲気下でさらに生育させることにより調製することができる。このように撹拌雰囲気下で生育させたアナモックスグラニュールＡＧは撹拌力に対して破損しにくいので、廃液処理装置１０において好適に使用することができる。

なお、アナモックスグラニュールＡＧを調製する過程において、グラニュールの形成を促進するための核となるもの、例えば、アナモックス菌以外の微生物のグラニュールや非生物的な担体などを添加することができる。なお、核となる微生物のグラニュールとしては、例えば、メタン菌のグラニュールや従属栄養性脱窒菌のグラニュールなどを使用することができる。また、核となる非生物的な担体としては、例えば、活性炭、ゼオライト、ケイ砂、ケイソウ土、焼成セラミック、イオン交換樹脂など、好ましくは活性炭、ゼオライトなどの微粒子を用いることができる。

一方、アナモックス菌の生育速度は、処理対象液または培養液に無機塩を添加することにより顕著に改善されるので、例えば、塩化カリウム、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化亜鉛、塩化第一鉄、塩化第二鉄、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸鉄、ＥＤＴＡの金属塩など、あるいは、これらの混合物を添加することもできる。また、無機塩を含む液体として、海水を処理対象液に添加することもできる。これらの無機塩の添加量は０．１ｇ／Ｌ〜５ｇ／Ｌの範囲が望ましい。

次に、廃液処理装置１０を使用した廃液ＥＲの脱窒処理について説明する。図１に示す廃液処理装置１０において、処理槽１１内に導入された亜硝酸性窒素とアンモニア性窒素とを含む廃液ＥＲとアナモックスグラニュールＡＧとを、撹拌部材１２，１３の回転で発生する旋回流下にて接触させると、独立栄養性脱窒菌であるアナモックスグラニュールＡＧによる脱窒反応（アナモックス反応）が生じ、廃液ＥＲ中から窒素ガスを発生しながら脱窒処理が進行する。

アナモックス反応は、嫌気的条件下において、ＮＨ₄ ⁺を電子供与体とし、ＮＯ₂ ^-を電子受容体として、Ｎ₂ガスに還元する独立栄養性の脱窒反応である。アナモックス反応によって窒素除去を行う場合、その前処理として亜硝酸化を行わなければならない。この場合、脱窒処理対象液中に存在するＮＨ₄ ⁺の約半分量を酸化して、ＮＯ₂ ^-にする必要がある。このような嫌気的アンモニア酸化反応は、下記の反応式（１）に基づいて進行すると考えられている。
ＮＨ₄ ⁺＋ＮＯ₂ ^-→Ｎ₂＋２Ｈ₂Ｏ・・・・・・（１）

本実施形態の廃液処理装置１０において処理対象とする廃液ＥＲは、アンモニア性窒素を高度に含有する産業廃液あるいは生活廃液であれば特に限定されないが、例えば、家畜の糞尿などの廃棄物に活性汚泥法などの一次処理を施して有機物を除去することにより、ＢＯＤ（生物的酸素要求量）を３００ｍｇ／Ｌ以下とするとともに、アンモニア性窒素を高度に含有するＣ／Ｎ比を低くし、さらに、残存するアンモニア性窒素の一部をアンモニア酸化菌（亜硝酸化菌）により亜硝酸性窒素に変化させる二次処理を施した後の廃液が好適である。

この場合、廃液ＥＲ中に含まれるアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素との割合は、モル比でアンモニア性窒素１に対して亜硝酸性窒素０．５〜２、特に１〜１．５とすることが好ましい。廃液中のアンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素の濃度はそれぞれ５〜１０００ｍｇ／Ｌ及び５〜２００ｍｇ／Ｌであることが好ましいが、脱窒処理終了後の処理水を循環して希釈すれば、この限りではない。

廃液処理装置１０による脱窒処理においては、処理槽１１内に供給される廃液ＥＲは、予めアンモニア性窒素を、好気状態にて、独立栄養性アンモニア酸化細菌による亜硝酸化作用によって一部が亜硝酸に酸化されたものである。この亜硝酸化反応は下記の反応式（２）で表される。
ＮＨ₄ ⁺＋１．５Ｏ₂ ^-→ＮＯ₂ ^-＋Ｈ₂Ｏ＋２H⁺・・・・・・（２）

図１に示す廃液処理装置１０による廃水処理方法においては、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを含んだ廃液ＥＲを、処理槽１１の下端部分の廃液供給口１８から処理槽１１内へ供給する。供給は連続的であってよい。廃液ＥＲの供給割合は、処理条件によって異なるが、一般には１ｋｇ〜１０ｋｇ−ＮＨ₄−Ｎ／ｍ³／ｄａｙ、及び１ｋｇ〜１０ｋｇ−ＮＯ₂−Ｎ／ｍ³／ｄａｙの範囲である。なお、前記「ｋｇ」は流入する廃液ＥＲ中のＮＨ₄−Ｎ、若しくはＮＯ₂−Ｎの総量、前記「ｍ³」は処理槽１１の容量を表している。

廃液処理装置１０においては、撹拌部材１２，１３の回転によって処理槽１１内に発生する旋回流下で、アナモックスグラニュールＡＧを廃液ＥＲと接触させることにより脱窒処理する。この場合の旋回流の回転数は、アナモックスグラニュールＡＧと廃液ＥＲとの接触機会を増大させ且つグラニュールを破損しない範囲であること、例えば、１〜１００ｒｐｍの範囲、好ましくは１０〜５０ｒｐｍの範囲であることが望ましい。また、旋回流の周速は、例えば、０．１〜１０ｍ／分、特に好ましくは０．５〜５ｍ／分の範囲であることが望ましい。

廃液ＥＲの生物脱窒条件としては、例えば、処理槽１１の廃液ＥＲの温度については１０〜４０℃、特に２０〜３５℃の範囲が望ましく、ｐＨについては５〜９特に６〜８の範囲が望ましく、溶存酸素濃度については０〜２．５ｍｇ／Ｌ特に０〜０．２ｍｇ／Ｌの範囲が望ましく、ＢＯＤ濃度については０〜５０ｍｇ／Ｌ特に０〜２０ｍｇ／Ｌの範囲が望ましく、窒素負荷については０．１〜１０ｋｇ−Ｎ／ｍ³・ｄａｙ特に１〜５ｋｇ−Ｎ／ｍ³・ｄａｙの範囲とすることが望ましい。

廃液処理装置１０の処理槽１１内における脱窒反応は、主として、廃液ＥＲの供給量、廃液ＥＲのｐＨ値及び処理槽１１内の廃液ＥＲの温度に基づいて調整する。従って、廃液処理装置１０に流入する廃液ＥＲの状態、特にアンモニア窒素濃度を予め検出しておき、それに合わせて前記ファクターを変化させることにより、脱窒処理が終わった後の処理液の窒素濃度を一定レベル以下に自動的に保持することができることが望ましい。

廃液処理装置１０の処理槽１１内におけるアナモックスグラニュールＡＧによる脱窒反応は、ｐＨが７〜９、好ましくは７．５〜８．５の範囲で速やかに進行する。これは、アナモックス菌は、前述したｐＨの範囲内において反応活動が旺盛となることに起因すると推定される。

処理槽１１内の廃液ＥＲのｐＨ値を前述した範囲内に調整するために使用される無機化合物としては、例えば、塩化アンモニウム、リン酸アンモニウム、亜硝酸カリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、亜硝酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウムなどを挙げることができるが、炭酸水素ナトリウムが最も好ましい。これらの無機化合物はいずれも水溶液として処理槽１１内に供給される。

廃液処理装置１０を用いた脱窒処理において、アナモックス反応の効率化を図るためには、廃液ＥＲの温度、即ち反応温度も反応速度を高める上で重要なファクターとなる。本実施形態における反応温度（廃液ＥＲの温度）としては、通常１５〜５０℃、好ましくは２５℃〜４５℃、より好ましくは、３０℃〜４０℃、特に好ましくは３２℃〜３８℃の範囲である。

廃液処理装置１０において、廃液ＥＲの処理槽１１内平均滞留時間は、装置のサイズ、形状あるいは負荷量などによって変動するが、一般に１０分〜１０時間、好ましくは２０分〜５時間、特に好ましくは、３０分〜３時間である。処理槽１１内における廃液ＥＲの滞留時間を前述した時間とすれば、この時間内に進行する脱窒反応によって廃液ＥＲ中のアンモニア性窒素の大部分は窒素ガスに変換され、処理槽１１の最上部に設けられた排気口３３，３４を経由して廃液処理装置１０の外へ排出される。

脱窒処理が終わった処理液は、処理槽１１の上方に設けられた処理液取出口２９から排出される。本実施形態の廃液処理装置１０で脱窒処理を終えた処理液は、その後、リンを除去する処理を施してもよい。この場合、リン除去方法としては、通常、金属化合物、好ましくはマグネシウム化合物を前記処理液に添加することによって、前記処理液中の残存アンモニア性窒素とリンとを反応させ、リン酸マグネシウムアンモニウム（ＭＡＰ）として析出させ、前記処理液から除去する方法を採用することができる。

なお、前述したリン酸マグネシウムアンモニウム（ＭＡＰ）を生成させるためのマグネシウム化合物としては、塩化マグネシウム、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、酸化マグネシウム、海水、ドロマイトなどが挙げられる。マグネシウムは前記処理液中のリン濃度に対し、モル比で１〜１．２が好適である。

本実施形態の廃液処理装置１０を使用した場合、脱窒処理前の廃液ＥＲ中に含まれていた窒素成分の５〜１０％程度はＮＯ₃−Ｎとして残存するが、アンモニア性窒素は９０％程度が窒素ガスとして除去される。廃液処理装置１０においては、従来の活性汚泥法のように菌体の量が大幅に増加することがないので、余剰汚泥を頻繁に引きぬく必要がなく、廃液処理装置１０の連続運転が可能であるため、脱窒処理効率が大幅に向上する。

次に、図６，図７及び図８に基づいて、稼働中の廃液処理装置１０における廃水ＥＲの流動状態、アナモックスグラニュールＡＧの流動状態及び脱窒反応で発生した窒素ガスの流動状態について説明する。

図６に示すように、廃液供給口１８から処理槽１１の最下部の撹拌槽２１内へ流入した廃液ＥＲは、回転軸１６によって回転する撹拌部材１２，１３の撹拌作用によって回転軸１６を中心に旋回しながら撹拌槽２１内を徐々に上昇していく。この過程において、廃液ＥＲに含まれる亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素がアナモックスグラニュールＡＧの作用により窒素ガスへ変換され、脱窒反応が進行する。撹拌槽２１内を上昇する廃液ＥＲは、突条１９によって縮径した部分を通過して仕切り部材２５の漏斗本体部２５ａへ向かい、漏斗本体部２５ａの下端周縁部２５ｃと中間槽２２の内周面との隙間Ｓ（図３参照）を通過して中間槽２２内へ流入する。

中間槽２２内へ流入した廃液ＥＲは仕切り部材２５と中間槽２２の内周面との間を上昇していき、ドラフトチューブ２６の下端開口部２６ｂからドラフトチューブ２６内周面と通液管２７外周面との隙間Ｓ１へ流入し、そのまま上昇していく。隙間Ｓ１内を上昇して通液管２７の上端開口部２７ａに達した廃液ＥＲは、この上端開口部２７ａを越えて通液管２７内へ流入し、通液管２７内を下降して仕切り部材２５の漏斗本体部２５ａ内へ流入し、撹拌槽２１内を上昇してきた廃液ＥＲと混合され、隙間Ｓ（図３参照）を通過して前述と同様に流動していく。

一方、隙間Ｓ（図３参照）を通過して中間槽２２内を上昇する廃液ＥＲの一部は中間槽２２内周面とドラフトチューブ２６外周面との間隙を上昇しながら、前記間隙に配置されている不織布１４に付着しているアナモックス菌ＡＮによってさらに脱窒処理され、連接部材２８内を通過して分離槽２３内へ流入する。脱窒処理を終えて分離槽２３内へ流入した処理液ＴＲは、分離槽２３内を流動しながら、その中に含まれている窒素ガスの気泡ＮＢを放出した後、処理液取出口２９から外部へ排出される、この分離槽２３内において処理液ＴＲの液面から放出された窒素ガスの気泡ＮＢは、排気口３３，３４から外部へ排出される。

図７に示すように、撹拌槽２１内に収容されているアナモックスグラニュールＡＧは撹拌部材１２，１３の回転によって生じる廃液ＥＲの旋回流とともに流動しながら、廃液ＥＲに含まれる亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を窒素ガスへと変換する。撹拌槽２１内を廃液ＥＲとともに流動するアナモックスグラニュールＡＧの大部分は撹拌槽２１内に滞留しているが、一部のグラニュールＡＧは仕切り部材２５の漏斗本体部２５ａの下端周縁部２５ｃと中間槽２２の内周面との隙間Ｓ（図３参照）を通過して中間槽２２内へ流入する。

中間槽２２内へ流入した微細なアナモックスグラニュールＡＧは中間槽２２内に設置された複数の不織布１４の間を循環することによって不織布１４に捕捉されるので、最終的には、ＳＳ（Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｏｌｉｄ：懸濁物質）の無い、透明な処理液ＴＲを得ることができる。

図８に示すように、処理槽１１内を流動する廃液ＥＲに含まれる亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素はアナモックスグラニュールＡＧやアナモックス菌ＡＮの脱窒作用により窒素ガスに変換され、廃液ＥＲ中や処理水ＴＲ中に窒素ガスの気泡ＮＢとなって現れるが、これらの気泡ＮＢはグラニュールＡＧやアナモックス菌ＡＮから離脱して上昇する。分離槽２３中の処理液ＴＲ中まで上昇した窒素ガスの気泡ＮＢは、処理液ＴＲの液面から放出され、排気口３３，３４を通過して外部へ排出される。また、撹拌槽２１内おける脱窒反応によって廃液ＥＲ中に現れた窒素ガスの気泡ＮＲの一部は仕切り部材２５内及び通液管２７内を上昇してドラフトチューブ２６の上端開口部２６ａから外部へ排出される。

図１に示す廃液処理装置１０においては、脱窒処理対象である廃液ＥＲと、粒子径が均一なアナモックスグラニュールＡＧと、が、ほぼ完全に混合された状態となるので、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を高濃度に含有する廃液ＥＲの脱窒処理にも対応することができる。また、廃液処理装置１０においては、アナモックス菌がグラニュール化する特性を利用して、処理槽１１内のアナモックス菌濃度を高く維持することができるので、従来の硝化−脱窒法よりも５〜１０倍程度速い窒素除去速度を達成することができる。

さらに、廃液処理装置１０においては、処理槽１１の下方に位置する撹拌槽２１内にアナモックスグラニュールＡＧを配置し、その上方に位置する中間槽２２内にアナモックス菌ＡＮが付着可能な不織布１４を配置し、アナモックスグラニュールＡＧの配置領域である撹拌槽２１内に回転式の撹拌部材１２，１３を配置しているため、微細なアナモックス菌ＡＮは不織布１４に付着して、そこに固定される結果、アナモックス菌ＡＮの浮上が少なく、５〜１０ｋｇ−Ｎ／ｍ³／ｄａｙ程度の比較的速い反応速度を維持しながら、安定した脱窒処理を行うことができる。

一方、撹拌部材１２，１３は廃液ＥＲに旋回流を発生させるだけでなく、グラニュールＡＧの外径を均一化する作用も発揮する。また、分離槽２３から中間槽２２の上部に至る領域の中心軸１１ｃにドラフトチューブ２６を配置したことにより、撹拌部材１２，１３の回転で撹拌槽２１内に発生した旋回流が分離槽２３内及び中間槽２２内においても維持されるので、脱窒反応に活かすことができる。

次に、図９，図１０を参照して図１に示す廃液処理装置１０を使用した脱窒処理結果について説明する。廃液処理装置１０を使用して、ＮＨ₄−Ｎ，ＮＯ₂−Ｎを主成分とする廃液ＥＲの脱窒処理を行い、窒素負荷（ＮＬＲ）、窒素除去速度（ＮＲＲ）及びＴ−Ｎ除去率の経日変化を計測すると図９に示す結果が得られた。

なお、廃液処理装置１０に導入する処理対象液である廃液ＥＲ中のアンモニア性窒素濃度は１００〜５００ｍｇ／Ｌ、亜硝酸性窒素の濃度は１００〜５００ｍｇ／Ｌ、脱窒処理中の廃液ＥＲの液温は３２〜３８℃、撹拌槽２１内の廃液ＥＲのｐＨは７．５〜８．３、撹拌槽２１内の廃液ＥＲ中のアナモックスグラニュールＡＧの濃度は１０〜３０ｇ／Ｌ、撹拌部材１２，１３の回転数は３０〜１００ｒｐｍである。

図９に示す結果から以下に示す事項を確認することができた。
（１）廃液処理装置１０の運転スタート後、３０日経過した時点で、３．０ｋｇ／ｍ³／ｄａｙの窒素除去速度を得ることができた。
（２）運転スタート後、２５０日経過した時点においては、８．０ｋｇ／ｍ³／ｄａｙの窒素除去速度を得ることができた。
（３）最終的には、窒素負荷が１６ｋｇ／ｍ³／ｄａｙのとき、最大の窒素除去速度１４．０ｋｇ／ｍ³／ｄａｙの窒素除去速度を達成することができた。
（４）窒素処理期間の全時間を通じて、７０％の窒素除去率を達成することができた。特に、脱窒処理期間後半における、窒素負荷の高い期間中は８０％を超える高い窒素除去率を得ることができた。

また、廃液処理装置１０により廃液ＥＲの脱窒処理を行っている過程において、以下に示す事項が判明した。
（１）アナモックスグラニュールＡＧは長期間にわたって連続的に機械攪拌されるが、後述する図１０に示すように、アナモックスグラニュールＡＧは解体されることがない。
（２）攪拌槽２１内の廃液ＥＲなどが乱流状態となるので、脱窒反応に伴って発生する窒素ガスがアナモックスグラニュールＡＧに取り込まれることがなく、汚泥の浮上も発生しない。
（３）攪拌部材１２，１３により、撹拌槽２１内から中間槽２２内へ向かう上昇流が形成され、この上昇流によりドラフトチューブ２６を介して中間槽２２内に大きな循環流が発生するので、中間槽２２内に配置された不織布１４によって微細なアナモックスグラニュールＡＧを捕捉することができる。
（４）攪拌槽２１内において廃液ＥＲとアナモックスグラニュールＡＧとは、ほぼ完全に混合されるので、高濃度基質（特に、亜硝酸性窒素）による阻害を受けることなく、脱窒反応が滞りなく進行する。
（５）撹拌槽２１内から中間槽２２内へ流入した廃液ＥＲは、不織布１４が配置された中間槽２２内を循環するので、廃液ＥＲ中のフリーＳＳ（懸濁物質）を不織布１４に捕捉することができる。

また、前記脱窒処理を行ったときの廃液処理装置１０におけるアナモックスグラニュールＡＧの経日変化を計測すると図１０に示す結果が得られた。図１０を見ると、アナモックスグラニュールＡＧは、撹拌槽２１内において機械的に撹拌されてもグラニュールＡＧの解体が発生せず、グラニュール径が０．５〜０．７ｍｍ程度の均一なグラニュールＡＧが形成されていることが分かる。

本発明は、部分亜硝酸化処理した高濃度のＮＨ₄−Ｎを含む廃水の窒素除去技術として、都市下水処理場における返流水の処理、屎尿処理、埋め立て地浸出水の処理、バイオガス脱離液の処理、廃かん水などの脱窒処理手段として広く利用することができる。

１０ 廃液処理装置
１１ 処理槽
１１ｃ 中心軸
１２，１３ 撹拌部材
１４ 不織布
１５ モータ
１６ 回転軸
１７ 底板
１８ 廃液供給口
１９ 突条
２０，２４ 外被筒
２０ａ，２０ｂ，２４ａ，２４ｂ 通液口
２１ 撹拌槽
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２２ａ，２２ｂ 取出口
２２ 中間槽
２２ｃ 取付部
２２ｄ，２８ａ 内周面
２３ 分離槽
２５ 仕切り部材
２５ａ 漏斗本体部
２５ｂ 管状部
２５ｃ 下端周縁部
２５ｄ 係止片
２６ ドラフトチューブ
２６ａ，２７ａ 上端開口部
２６ｂ 下端開口部
２７ 通液管
２８ 連接部材
２９ 処理液取出口
３０ 予備取出口
３１ カバー
３１ａ 開口部
３２ ガスセパレータ
３２ａ 下縁部
３３，３４ 排気口
ＡＧ アナモックスグラニュール
ＥＲ 廃液
Ｓ，Ｓ１ 隙間
ＴＲ 処理液

Claims (10)

1. 亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を含む廃液中においてアナモックス菌のグラニュールを流動させながら、前記廃液中の窒素成分を窒素ガスとして除去することを特徴とする廃液処理方法。
2. 前記アナモックス菌が付着可能な微生物付着担体を前記廃液中に配置することを特徴とする請求項１記載の廃液処理方法。
3. 前記廃液に旋回流を発生させることにより前記アナモックス菌を流動させることを特徴とする請求項１または２記載の廃液処理方法。
4. 亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素を含む廃液とアナモックス菌のグラニュールとを収容可能な処理槽と、前記処理槽内に収容された前記アナモックス菌のグラニュールを前記廃液とともに流動させる液流発生手段と、を備えたことを特徴とする廃液処理装置。
5. 前記アナモックス菌が付着可能な微生物付着担体を前記処理槽内に配置したことを特徴とする請求項４記載の廃液処理装置。
6. 前記液流発生手段として、動力源によって回転する撹拌部材を前記処理槽内に配置したことを特徴とする請求項４または５記載の廃液処理装置。
7. 前記処理槽内の前記液流発生手段より上方の領域に前記微生物付着担体を配置した請求項５または６記載の廃液処理装置。
8. 前記微生物付着担体として不織布を用いたことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の廃液処理装置。
9. 前記処理槽内の前記液流発生手段より上方の領域に倒立漏斗形状の仕切部材を配置したことを特徴とする請求項４〜８のいずれかに記載の廃液処理装置。
10. 前記撹拌部材の回転中心軸が前記処理槽内で鉛直方向を成すように前記撹拌部材を配置するとともに前記処理槽内の前記撹拌部材より上方の領域に前記撹拌部材の回転中心軸と同軸をなす筒形状の整流部材を配置した請求項６〜９のいずれかに記載の廃液処理装置。

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