JP2014131789A

JP2014131789A - 排水処理装置及び排水処理方法

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Publication number: JP2014131789A
Application number: JP2013000650A
Authority: JP
Inventors: Hiroya Kimura; 裕哉木村; Kazuichi Isaka; 和一井坂
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2013-01-07
Publication date: 2014-07-17
Also published as: KR20140090099A

Abstract

【課題】より確実に高効率で排水中のアンモニウムイオンを除去可能な排水処理装置及び排水処理方法を提供する。
【解決手段】対象排水３０が供給され、対象排水３０中のＮＨ_４ ^＋を用いてＮＯ_２ ⁻を生成する硝化細菌２０と、硝化細菌２０により生成されたＮＯ_２ ⁻と対象排水３０中のＮＨ_４ ^＋とを用いてＮ_２を生成する脱窒細菌２１と、を含む好気脱窒槽１と、好気脱窒槽１における処理後の処理水３１が供給され、ＮＯ_２ ⁻とＮＨ_４ ^＋とを用いてＮ_２を生成する脱窒細菌２１を含む脱窒槽２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排水処理装置及び排水処理方法に関し、詳しくは、アンモニウムイオンを含む排水中のアンモニウムイオンを窒素ガスに変換して除去する装置及びその方法に関する。

富栄養化による、河川や海洋等での水質汚濁防止の観点から、下水や工場等からの排水中の窒素含有量の低減が求められている。排水に含まれる窒素は、主には、アンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）の形態になっていることが多い。そこで、特に、排水中から、アンモニウムイオンの除去技術が望まれている。

アンモニウムイオンの除去技術として、微生物を用いた方法が知られている。具体的には例えば特許文献１に記載の方法が知られている。特許文献１には、単一のバイオリアクタ内において硝化微生物及び脱窒微生物を用い、アンモニウムイオンを含む排水を処理する方法が記載されている。

特表２００１−５０６５３５号公報

特許文献１に記載の技術においては、バイオリアクタ内に供給されたアンモニウムイオンが硝化微生物により硝化（酸化）され、亜硝酸イオンが生成している。そして、生成した亜硝酸イオンと供給されるアンモニウムイオンとが脱窒微生物により脱窒され、窒素ガスと硝酸イオンとが生成している。即ち、特許文献１に記載の技術においては、単一のバイオリアクタ内において、二つの生物反応が進行している。これにより、排水中のアンモニウムイオンが、窒素ガスに変換されて外部に排出され、除去されている。

理論上、アンモニウムイオンと亜硝酸イオンとのバランスが良いと、完全脱窒される。しかし、実際には、特に連続処理試験下においては、窒素成分の菌への親和性やリアクタ構造上による菌への接触不良、好気条件下による嫌気性アンモニア酸化細菌の不安定な反応等により、アンモニウムイオンと亜硝酸イオンとは、低い濃度ではあるが処理水中に残留する。さらに、例えば嫌気性アンモニア酸化細菌による脱窒においては、アンモニウムイオンと亜硝酸イオンとの除去量に対して、約１１％の窒素が硝酸イオンとして生成する。

また、前記の硝化微生物は好気性である一方、前記の脱窒微生物は嫌気性である。従って、特許文献１に記載の方法においては、単一のバイオリアクタ内に、好気性微生物と嫌気性微生物とが共存していることになる。そのため、例えば、バイオリアクタ内部での散気量が増加すると、好気性である硝化微生物による反応は促進されるが、嫌気性である脱窒微生物による反応は抑制される。そのため、亜硝酸イオンの生成は促されるものの、窒素ガスの生成は抑制され、アンモニアの除去効率が低下する。

逆に、バイオリアクタ内部での散気量が減少すると、嫌気性である脱窒微生物による反応は促進するが、好気性である硝化微生物による反応は抑制される。そのため、窒素ガスの生成は促されるものの、その原料となる亜硝酸イオンの生成量が減少するため、系全体としてのアンモニウムイオンの除去効率が低下する。

これらのように、散気量により、片方の生物反応は促進されるが、他方の生物反応は抑制される。従って、単一のバイオリアクタ内で二つの反応を進行させる場合、散気量の制御を十分に行うことが好ましい。しかしながら、反応比に基づいて散気量の十分な制御を行ったとしたとしても、実際に運転される連続運転（フロー運転）下においては、アンモニウムイオンに対する微生物の親和性、バイオリアクタの構造に伴う混合不良、好気性条件下による脱窒微生物の不安定な反応等が発生することがある。これらのように、散気量の十分な制御を行ったとしても、系全体としてのアンモニウムイオンの処理効率が低下することがある。

本発明はこれらの課題に鑑みて為されたものである。本発明が解決しようとする課題は、より確実に高効率で排水中のアンモニウムイオンを除去可能な排水処理装置及び排水処理方法を提供することである。

本発明者らは前記課題を解決するべく鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を見出した。即ち、本発明の要旨は、アンモニウムイオンを含む対象排水中から、当該アンモニウムイオンを除去する排水処理装置であって、前記対象排水が供給され、前記対象排水中のアンモニウムイオンを用いて亜硝酸イオンを生成する第１の硝化微生物と、前記硝化微生物により生成された亜硝酸イオンと前記排水中のアンモニウムイオンとを用いて窒素ガスを生成する第１の脱窒微生物と、を含む第１処理槽と、前記第１処理槽における処理後の第１処理水が供給され、亜硝酸イオンとアンモニウムイオンとを用いて窒素ガスを生成する第２の脱窒微生物を含む第２処理槽と、を備えることを特徴とする、排水処理装置に関する。

また、本発明の別の要旨は、アンモニウムイオンを含む対象排水中から、当該アンモニウムイオンを除去する排水処理装置を用いて行われる排水処理方法であって、前記対象排水中のアンモニウムイオンを用いて亜硝酸イオンを生成する第１の硝化微生物と、前記硝化微生物により生成された亜硝酸イオンと前記排水中のアンモニウムイオンとを用いて窒素ガスを生成する第１の脱窒微生物と、を用いて前記対象排水に対して生物処理を行う第１処理工程と、前記第１処理工程を経て得られる第１処理水に対して、亜硝酸イオンとアンモニウムイオンとを用いて窒素ガスを生成する第２の脱窒微生物を用いて生物処理を行う第２処理工程と、前記第２処理工程を経て得られる第２処理水に対して、アンモニウムイオンを用いて亜硝酸イオンを生成する第２の硝化微生物と、を備えることを特徴とする、排水処理方法に関する。

本発明によれば、より確実に高効率で排水中のアンモニウムイオンを除去可能な排水処理装置及び排水処理方法を提供することができる。

本実施形態に係る排水処理装置の系統図である。本実施形態に係る排水処理装置を構成する各槽での反応を説明する図である。本実施形態に係る排水処理装置におけるポンプ１０，１２の制御フローを示す図である。実施例の結果である。

以下、本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明する。

［１．装置構成］
図１は、本実施形態に係る排水処理装置の系統図である。図１に示す排水処理装置１００は、アンモニウムイオンを含む排水３０中から、アンモニウムイオンを窒素ガスに変換することで除去し、処理水３４として外部に排出する装置である。アンモニウムイオンの窒素ガスへの変換に際しては、生物反応が利用される。

また、本明細書においては、説明の便宜上、アンモニウムイオンを構成する窒素のことを「アンモニア性窒素」と呼称する。また、同様に、亜硝酸イオンを構成する窒素のことを「亜硝酸性窒素」と、硝酸イオンを構成する窒素のことを「硝酸性窒素」と呼称するものとする。

排水処理装置１００に供される排水３０には、アンモニウムイオンが含まれているほか、例えば、それ以外の窒素、リン、炭素、重金属類等の栄養塩が含まれていることもある。排水３０に含まれるアンモニウムイオンは特に限定されないが、排水３０の１Ｌあたりのアンモニア性窒素量として、１０ｍｇ以上が好ましく、４０ｍｇ以上がより好ましく、また、２０００ｍｇ以下が好ましく、１０００ｍｇ以下がより好ましい。この範囲の排水３０を処理することで、よりいっそう確実かつ高効率にアンモニウムイオンを除去することができる。

排水処理装置１００は、図１に示すように、好気脱窒槽１（第１処理槽）と、脱窒槽２（第２処理槽）と、硝化槽３（第３処理槽）と、従属脱窒槽４（第４処理槽）とを備えている。いずれの槽内も、本実施形態では、ｐＨ７程度に制御されている。アンモニウムイオンを含む排水３０は、はじめに好気脱窒槽１に供給されて処理され、次いで、脱窒槽２、硝化槽３及び従属脱窒槽４の順（即ち、第１処理工程〜第４処理工程の順）で処理されて、処理水３４として従属脱窒槽４から排出されるようになっている。

はじめに、図１を参照しながら、排水処理装置１００を構成する各槽の概略を説明する。次いで、図２を参照しながら、各槽において進行している具体的な生物反応を説明する。

好気脱窒槽１は、排水３０がはじめに供給され、生物反応により、排水３０中のアンモニウムイオンを亜硝酸イオン（ＮＯ_２ ⁻）と窒素ガス（Ｎ_２）に変換（酸化）するものである。好気脱窒槽１には、好気性の硝化細菌２０と嫌気性の脱窒細菌２１とが含まれている。また、好気脱窒槽１には、空気等の酸素を含む気体を散気する散気管１ａと、ＤＯセンサ（溶存酸素計）１ｂと、散気装置１ｃとが備えられている。従って、好気脱窒槽１内は、好気条件になっている。

好気脱窒槽１においては、硝化細菌２０と脱窒細菌２１とにより、アンモニウムイオンが酸化されている。具体的には、排水３０中のアンモニウムイオンが、硝化細菌２０により、亜硝酸イオンに硝化される。それと並行して、脱窒細菌２１は、排水中１１のアンモニウムイオンと、硝化細菌２０により生成した亜硝酸イオンとを窒素ガスに変換し、脱窒が行われる。なお、これらの反応に伴って、硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）が副生成物として生成する。

これらの反応は、前記のように、並行して進行する。ただし、ＤＯセンサ１ｂにより測定される溶存酸素量、菌体量、供給される排水３０の量等によっても異なるが、通常、これらの反応によって、排水３０中のアンモニウムイオンは、完全には窒素ガスに変換されない。具体的には、例えば、溶存酸素量が多ければ、好気性の硝化細菌２０による生物反応が活発化して、亜硝酸イオンの生成量が増大する。しかしながら、嫌気性の脱窒細菌２１の生物反応は進行しにくくなり、脱窒が行われずに、残存する亜硝酸イオンの量が増加することになる。

一方で、例えば、溶存酸素量が少なければ、嫌気性の脱窒細菌２１による生物反応が活発化して、窒素ガスの生成量が増大する。しかしながら、好気性の硝化細菌２０の生物反応は進行しにくくなり、硝化が行われずに亜硝酸イオンの生成量が減少する。これにより、亜硝酸イオンを利用する脱窒細菌２１による生物反応が進行しにくくなり、結果として、アンモニウムイオンが過剰に残存することになる。

このように、好気脱窒槽１においては、生物反応が進行しても、アンモニウムイオンや、生成したものの消費されなかった亜硝酸イオン等が残存する。そのため、これらは、副生成物として生成した硝酸イオンとともに、処理水３１として脱窒槽２に供給される。

脱窒槽２は、好気脱窒槽１から供給されたアンモニウムイオン及び亜硝酸イオンを用いて、生物反応により、窒素ガスを生成するものである。脱窒槽２には、第２の脱窒微生物として、本実施形態においては、好気脱窒槽１に収容されていたものと同じ脱窒細菌２１が含まれている。そのため、好気脱窒槽１における生物反応と同様にして、脱窒細菌２１による脱窒が行われるようになっている。なお、攪拌翼２ａ及びモータ２ｂについては後記する。

また、この制御の詳細については後記するが、脱窒槽２には、脱窒槽２内の亜硝酸イオン濃度とアンモニウムイオン濃度とを測定するイオンセンサ２ｃが備えられている。そして、イオンセンサ２ｃにより測定される亜硝酸イオン濃度とアンモニウムイオン濃度とに基づき、演算制御部５０が、ポンプ１０，１２及び弁１１，１３を制御するようになっている。これにより、バイパス系統３６又は戻し系統３７を通じて、排水３０が直接、又は、後記する硝化槽３からの処理水が脱窒槽２に供給されるようになっている。なお、バイパス系統３６又は戻し系統３７による、バイパス及び戻しの作用については後記する。

脱窒槽２においても、好気脱窒槽１における生物反応と同様、副生成物として硝酸イオンが生成する。また、脱窒槽２内には、好気脱窒槽１において生成した硝酸イオンも含まれる。さらには、脱窒槽２においても除去しきれなかったアンモニウムイオン及び亜硝酸イオンが残存することがある。これら（アンモニウムイオン、亜硝酸イオン、硝酸イオン等）は、処理水３２として硝化槽３に供給される。

硝化槽３は、脱窒槽２からのアンモニウムイオンを生物反応によって完全に酸化して、硝酸イオンを生成させるものである。アンモニウムイオンから硝酸イオンの生成は、２段階の生物反応を経て行われる。即ち、アンモニウムイオンがまず亜硝酸イオンに硝化（酸化）され、次いで、生成した亜硝酸イオンが酸化されて硝酸イオンが生成する。

硝化槽３には、第２の硝化微生物として、本実施形態においては、好気脱窒槽１と同様の硝化細菌２０が含まれている。そのため、好気脱窒槽１における生物反応と同様にして、硝化細菌２０による硝化（アンモニウムイオンを亜硝酸イオンに硝化）が行われるようになっている。他にも、硝化槽３には、亜硝酸イオンを用いて硝酸イオンを生成する硝化細菌２２が含まれている。

また、硝化槽３には、空気等の酸素を含む気体を散気する散気管３ａと、ＤＯセンサ（溶存酸素計）３ｂと、散気装置３ｃとが備えられている。従って、硝化槽３内は、好気条件になっており、好気性である硝化細菌２０の生物反応が促進されるようになっている。ＤＯセンサ３ｂにより測定される溶存酸素量として０．１ｍｇ／Ｌ以上８ｍｇ／Ｌ以下になるように、散気管３ａから散気が行われるようになっている。これにより、より効率よく、排水処理装置１００を運転することができる。

硝化槽３においては、硝化細菌２０及び硝化細菌２２により、アンモニウムイオン及び亜硝酸イオンが酸化されて亜硝酸イオン又は硝酸イオンとなる。そして、生成した硝酸イオンは、処理水３３として従属脱窒槽４に供給される。

従属脱窒槽４は、硝化槽３から排出された硝酸イオンと、外部から供給される水素供与体（メタノール等）とを用いて、窒素ガスを生成するものである。従属脱窒槽４には、嫌気性の従属脱窒細菌２３が含まれている。なお、攪拌翼４ａ及びモータ４ｂについては後記する。

従属脱窒槽４において、硝酸イオンが還元されて窒素ガスが生成する。これにより、アンモニウムイオンが除去され、アンモニウムイオンの含有量が十分に低減された処理水３４が外部に排出される。また、残渣として、汚泥３５が外部に排出される。

［２．各槽での反応］
図２は、本実施形態に係る排水処理装置を構成する各槽での反応を説明する図である。図２は、前記した内容を、化学反応式を用いて説明するものである。なお、図２に示す化学反応式は、発明の要旨を損なわない範囲内で、説明の簡略化のために、係数や反応物等の記載を一部省略している。

はじめに、アンモニウムイオンを含む排水３０が好気脱窒槽１に供給される。そして、好気脱窒槽１では、散気管１ａによる好気条件下、生物反応により、アンモニウムイオンが亜硝酸イオンに変換される（式（１））。そして、式（１）の反応により生成した亜硝酸イオンと、新たに供給される排水３０中のアンモニウムイオンとが用いられて、生物反応により、窒素ガスが生成する（式（２））。なお、式（２）の反応においては、副生成物として硝酸イオンが生成する。

前記のように、好気脱窒槽１において、アンモニウムイオンが完全には除去されないことがある。そこで、好気脱窒槽１の下流側に設けられた脱窒槽２において、アンモニウムイオンと亜硝酸イオンとが用いられて、生物反応により、窒素ガスが生成する（式（３））。このとき、副生成物として硝酸イオンが生成する。

式（３）に示す反応において、アンモニウムイオンと亜硝酸イオンとは、反応式的に過不足なく存在することが好ましい。これにより、式（３）の反応を促進させ、窒素ガスを十分に生成させることができる。さらには、硝化槽３へ供給されるアンモニウムイオン及び亜硝酸イオンを低減することができ、硝化槽３での負担を低減することができる。しかしながら、脱窒槽２内でアンモニウムイオンが過剰になったり、亜硝酸イオンが過剰になったりすることがある。このような場合には、余剰のアンモニウムイオンや亜硝酸イオンは生物反応に利用されず、硝化槽３に供給される。そのため、硝化槽３での負荷が大きなものとなる。

そこで、本実施形態では、脱窒槽２に備えられたイオンセンサ２ｃによって測定されるアンモニウムイオン濃度及び亜硝酸イオン濃度によって、脱窒槽２内にアンモニウムイオン又は亜硝酸イオンの供給が行われる。具体的には、脱窒槽２内で、亜硝酸イオンが反応式的に過剰になっており、アンモニウムイオンが不足しているときには、アンモニウムイオンの供給が行われる。より具体的には、アンモニウムイオンを含む排水３０が、バイパス系統３６（図１参照）を通じて、直接脱窒槽２に供給される。逆に、脱窒槽２内で、アンモニウムイオンが反応式的に過剰になっており、亜硝酸イオンが不足しているときには、亜硝酸イオンの供給が行われる。より具体的には、脱窒槽２の後段の硝化槽３内には亜硝酸イオンが含まれるので、戻し系統３７（図１参照）を通じて、硝化槽３から亜硝酸イオンが戻される。このようにすることで、アンモニウムイオン及び亜硝酸イオンの含有量を反応比に近い量とすることでき、脱窒槽２での反応効率を向上させることができる。また、これにより、硝化槽３の負荷を低減することができる。
なお、この制御が行われるときの各手段の具体的な制御方法は、図３を参照しながら後記する。

硝化槽３においては、式（４）及び式（５）に示すように、残存するアンモニウムイオン及び亜硝酸イオンの完全な酸化が行われる。アンモニウムイオンは、式（４）に示すようにまず亜硝酸イオンに変換され、次いで、式（５）に示すように、硝酸イオンまで酸化される。そして、好気脱窒槽１での副生成物としての硝酸イオン、脱窒槽２での副生成物としての硝酸イオン、及び、硝化槽３で生成した硝酸イオンは、従属脱窒槽４において還元されて窒素ガスが生成する（式（６））。このようにして、排水３０中からアンモニウムイオンの除去が行われ、その後、処理水３４として外部に放出されることになる。

［３．制御フロー］
図３は、本実施形態に係る排水処理装置におけるポンプ１０，１２の制御フローを示す図である。イオンセンサ２ｃにより測定されるイオン濃度に基づいてポンプ１０，１２が制御されることで、脱窒槽２での効率を向上させることができるようになっている。なお、図３に示す制御フローは、図１に示す演算制御部５０によって行われる。

排水処理装置１００に排水３０の供給が開始されるとき、ポンプ１０，１２は停止し、弁１１，１３は閉弁している（ステップＳ１０１）。そして、演算制御部５０は、イオンセンサ２ｃにより測定される脱窒槽２内のアンモニウムイオン及び亜硝酸イオン濃度を取得する。演算制御部５０は、取得した脱窒槽２内のアンモニウムイオン及び亜硝酸イオンの濃度に基づき、脱窒槽２内のアンモニウムイオン及び亜硝酸イオンの量を算出し、これらが反応比通りの量であるかを判断する（ステップＳ１０２）。

判断の結果、量論比通りであれば、脱窒槽２内の生物反応が十分に進行するとして、それ以上の制御は行われない（Ｙｅｓ方向）。しかし、量論比通りでなかった場合、演算制御部５０は、アンモニウムイオン及び亜硝酸イオンのどちらが過剰であるかを判断する（ステップＳ１０３）。判断の結果、アンモニウムイオンが過剰であると判断された場合、亜硝酸イオンを硝化槽３から戻すべく、弁１３を開弁するとともにポンプ１２を動作させる（ステップＳ１０４）。硝化槽３内の処理水の戻し量は、どの程度アンモニウムイオンが過剰になっているかに基づき決定される。即ち、脱窒槽２内でのアンモニウムイオン及び亜硝酸イオン量ができるだけ反応比に近づくように、図示しないフィルタや分離器等により菌体がろ過・分離されたうえで、硝化槽３からの処理水３３が戻される（亜硝酸イオンの戻し）。

ステップＳ１０３での判断の結果、亜硝酸イオンが過剰であると判断された場合、排水３０中のアンモニウムイオンを直接脱窒槽２に供給するべく、弁１１を開弁するとともにポンプ１０を動作させる（ステップＳ１０５）。排水３０の供給量は、どの程度亜硝酸イオンが過剰になっているかに基づき決定される。即ち、脱窒槽２内でのアンモニウムイオン及び亜硝酸イオン量ができるだけ反応比通りの量に近づくように、排水３０が脱窒槽２に直接供給される（アンモニウムイオンのバイパス供給）。

ステップＳ１０４又はステップＳ１０５を経た結果、ステップＳ１０３と同様にして、脱窒槽２内のアンモニウムイオン及び亜硝酸イオンの量が反応比通りの量であるかを判断する（ステップＳ１０６）。判断の結果、反応比通りになっていれば（Ｙｅｓ方向）、ポンプ１０を停止し弁１１を閉弁する（ステップＳ１０５を経た場合）、又は、ポンプ１２を停止し弁１３を閉弁し（ステップＳ１０４を経た場合）、一連の制御が完了する。一方で、反応比通りの量になっていなければ（Ｎｏ方向）、ステップＳ１０３以降のフローが再び行われる。

［４．効果］
本実施形態に係る排水処理装置１００によれば、より確実に高効率で排水中のアンモニウムイオンを除去可能な排水処理装置及び排水処理方法を提供することができる。具体的には、排水処理装置１００においては、好気脱窒槽１と硝化槽３との間に、嫌気条件で脱窒を行う脱窒槽２が備えられている。これにより、好気脱窒槽１において除去し切れなかったアンモニウムイオンと亜硝酸イオンとを用い、生物反応により、窒素ガスに変換して除去することができる。

また、脱窒槽２が設けられることで、硝化槽３及び従属脱窒槽４の負荷を低減することができる。具体的には、本実施形態における従属脱窒槽４においては、硝酸イオンを還元するために、メタノールを水素源として、従属脱窒細菌２３が用いられている。この従属脱窒細菌２３は、窒素ガスを発生させるときに副生成物として汚泥３５を発生させる。そのため、脱窒槽２が設けられることで、従属脱窒槽４において処理される硝酸イオンの量を低減することができ、これにより、従属脱窒槽４において発生する汚泥３５の量を低減することができる。さらには、発生した汚泥３５の処理（乾燥、埋め立て等）が容易になる。

また、汚泥３５の発生量が少ないため、汚泥３５を沈殿させるための沈降槽（図示しない）を小型化することができる。さらには、従属脱窒槽４において処理すべき硝酸イオンの量が少ないため、従属脱窒細菌２３の水素源となるメタノールの添加量を少なくすることができる。さらには、汚泥３５の量が減少するため攪拌を行い易くなり、攪拌翼４ａを駆動するモータ４ｂの消費電力を低減できる。

また、脱窒槽２が設けられることで、硝化槽３に供給されるアンモニウムイオン及び亜硝酸イオンの量を低減することができるため、硝化槽３における生物反応を小さなものとすることができる。これにより、散気する酸素量を低減することができるとともに、散気のための消費電力を削減することができる。

さらに、本実施形態に係る排水処理装置１００においては、脱窒槽２内のアンモニウムイオン及び亜硝酸イオンの量に応じて、排水３０が脱窒槽２に直接供給されたり、硝化槽３から処理水が戻されたりするようになっている。これにより、脱窒槽２内での反応を効率よく進行させて、アンモニウムイオンの効率的な除去を行うことができる。このような効率的な除去が行われることで、硝化槽３及び従属脱窒槽４の負荷を低減することができ、前記した効果をよりいっそう引き出すことができる。

［５．変形例］
以上、本実施形態を説明したが、本実施形態は本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施可能である。

例えば、図示の例では連続通流式としているが、回分式としてもよい。

さらに、例えば、従属脱窒槽４に供給される水素源としてメタノール以外のものを用いることもでき、例えば酢酸ナトリウム等のＢＯＤ成分となるものが好適である、また、使用量も特に制限されないが、窒素原子１モルに対して、炭素原子量として１以上１０以下程度になる量を添加することが好ましい。添加に際して、連続投入が好適であるが、回分式により添加してもよい。

また、生物反応により硝酸イオンを処理する従属脱窒槽４に代えて、化学的（例えば触媒等）に硝酸イオンを処理するようにしてもよい。

さらに、用いる微生物は細菌に限られず、どのようなものであってもよい。また、例えば好気脱窒槽１と脱窒槽２とには何れも脱窒細菌２１が含まれているが、異なる脱窒細菌を用いてもよい。他の細菌についても同様である。

また、図１に示す脱窒槽２及び従属脱窒槽４には、攪拌翼２ａ，４ａと、攪拌翼２ａ，４ａを駆動するモータ２ｂ，４ｂとが備えられている。攪拌翼２ａ，４ａは、モータ２ｂ，４ｂによりゆっくりと回転され、脱窒槽２及び従属脱窒槽４内部は嫌気状態で攪拌が行われるようになっている。ただし、攪拌の方法や手段はこれに限定されるものではなく、どのような方法や手段を用いてもよい。

以下、実施例を挙げて、本実施形態をより具体的に説明する。

〔検討〕
図１に示す排水処理装置１００を作製し、排水３０中のアンモニウムイオンの除去効率についての検討を行った。なお、本実施例においては、制御の簡略化のために、脱窒槽２内のイオン濃度によるバイパス系統３６及び戻し系統３７の利用は行っていない。

排水１Ｌあたりに約７００ｍｇのアンモニア性窒素を含む排水３０を、図１に示す好気脱窒槽１に供給し、排水処理装置１００の運転を開始した。そして、定常運転後、各槽から排出された処理水３１，３２，３３，３４について、含まれるアンモニウムイオン、亜硝酸イオン及び硝酸イオンの濃度を測定した。そして、アンモニア性窒素、亜硝酸イオンを構成する亜硝酸性窒素、及び、硝酸イオンを構成する硝酸性窒素の含有量を算出した。その結果を表１に示すとともに、グラフ化したものを図４に示す。

※ 表１中、数値は全て、排水３０又は処理水３１，３２，３３，３４の１Ｌに含まれる窒素の質量（ｍｇ−Ｎ／Ｌ）である。

処理水３１において、アンモニア性窒素の含有量が排水３０における含有量から大幅に減少していた。これにより、好気脱窒槽１においては、質量保存の法則を考慮すると、排水３０中のアンモニア性窒素の大部分は、窒素ガスとして外部に放出されたことがわかった。即ち、排水３０中のアンモニウムイオンは、窒素ガスとして除去されたことがわかった。しかしながら、排水３０中のアンモニア性窒素は完全に窒素ガスに変換されず、処理水３１にはアンモニア性窒素が残存した。さらには、処理水３１には、図２を参照して説明した式（１）の反応により生成した亜硝酸イオンを構成する亜硝酸性窒素、及び、式（２）の反応により生成した硝酸イオンを構成する硝酸性窒素も検出された。

脱窒槽２においては、図２の式（３）に示すように、アンモニウムイオンと亜硝酸イオンとが消費され、窒素ガスが生成する。そのため、処理水３１中の及びアンモニウムイオンが消費され、処理水３２には、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とは殆ど含まれていなかった。ただし、図２の式（３）において示したように、副生成物として硝酸イオンが生成したため、処理水３２における硝酸性窒素の含有量が増加していた。

硝化槽３においては、図２の式（４）及び（５）に示すように、アンモニウムイオン及び亜硝酸イオンが酸化され、硝酸イオンが生成する。そのため、処理水３２中のアンモニウムイオン及び亜硝酸イオンは完全に消費され、処理水３３においては、アンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素は検出されず、代わりに、硝酸性窒素の含有量が増加していた。

最後に、従属脱窒槽４において、処理水３３に含まれる硝酸イオンが窒素ガス化され、処理水３３に含まれる硝酸性窒素の殆どが除去された。そのため、処理水３４に含まれる硝酸性窒素の量は極めて少なかった。

〔考察〕
１．好気脱窒槽１及び硝化槽３において供給する酸素量について
図１を参照しながら説明したように、好気脱窒槽１及び硝化槽３においては、生物反応の促進のために、空気等の酸素を含む気体が散気されている。そして、この散気量は、その槽内の窒素（アンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素）の量が少なくなればなるほどわずかな生物反応でよいため、より少量で済む。そこで、排水３０中のアンモニア性窒素量が変わらないと考えれば、硝化槽３に供給される窒素（アンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素）の量を減少させることで、散気コストを削減することができる。

図２を参照しながら説明したように、硝化槽３においては、１モルのアンモニア性窒素を処理（具体的には亜硝酸イオンに変換）するために、１．５モルの酸素が必要になる。さらに、新たに生成した亜硝酸イオンを硝酸イオンに変換するため、０．５モルの酸素が必要になる。他にも、硝化槽３に亜硝酸イオンが直接供給されるため、直接供給された亜硝酸イオンを硝酸イオンに変換するための酸素も必要になる。

この点を踏まえ、前記の表１の結果を考察すると、本実施例の排水処理装置１００（脱窒槽２を備える）においては、硝化槽２において生物処理が行われた後の処理水３２には、アンモニア性窒素が３ｍｇ、亜硝酸性窒素が２ｍｇ含まれている。一方で従来の排水処理装置（脱窒槽２を備えない）においては、好気脱窒槽１から排出された処理水３１がそのまま硝化槽３に供給されると考えることができる。そうすると、表１の結果より、アンモニア性窒素が２５ｍｇ、亜硝酸性窒素が３１ｍｇ含まれた処理水３１が硝化槽３に供給され、これらが硝化槽３において生物処理されることになる。この各態様の窒素濃度の差が酸素供給量の差となり、これにより、散気のためのコストが約８９％減少することになる。

なお、脱窒槽２を備えない排水処理装置において、硝化槽３に本実施例と同等の酸素量しか供給しない場合、アンモニア性窒素は２２ｍｇ、亜硝酸性窒素は２９ｍｇ残存し、従属脱窒槽４においてアンモニア性窒素は除去されず、これらは外部に排出されることになる。

２．従属脱窒槽４において供給する水素源量について
図１及び図２を参照しながら説明したように、従属脱窒槽４にはメタノールが供給され、これを水素源として生物反応が進行し、窒素ガスが生成する。以下、前記の「１．好気脱窒槽１及び硝化槽３において供給する酸素量について」における考察と同様に、脱窒槽２の有無による、水素供与体（メタノール）供給量（消費量）の相異について考察する。

脱窒槽２が備えられている場合、従属脱窒槽４において脱窒対象となる硝酸性窒素は７７ｍｇである。一方で、脱窒槽２が備えられていない場合、従属脱窒槽４において脱窒対象となる硝酸性窒素は１２３ｍｇである。この各態様の窒素濃度の差が酸素供給量の差となり、これにより、脱窒槽２が備えられていることで、単純に計算して、供給される水素供与体（メタノール）の量が、約３７％減少し、コスト削減になる。また、供給するメタノール量を低減することで、発生する汚泥３５の量を低減することもできる。

なお、脱窒槽２を備えない排水処理装置において、従属脱窒槽４に硝酸性窒素７７ｍｇ分の水素量（本実施例と同等の量）しか供給しない場合、従属脱窒槽４において除去し切れず、硝酸性窒素は４６ｍｇ残留し、これらは外部に排出されることになる。

３．槽の大きさ（容積）について
各槽において、適切に生物反応を進行させるためには、ある程度の体積を有する槽を設けることが好ましい。通常、供給される窒素（アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素）が多量の場合には、処理すべき窒素が大量であるため菌体も多く含まれることが好ましく、これにより、反応槽が大きくなる傾向にある。一方で、供給される窒素が少量の場合には、処理すべき窒素が少量であるため備える菌体は少なくて済み、これにより、反応槽を小さくすることができる。

そこで、前記の「１．好気脱窒槽１及び硝化槽３において供給する酸素量について」における考察と同様に、脱窒槽２の有無による、各槽の大きさの相異について考察すると、
脱窒槽２を備えることで、排水処理装置全体の容積を４０％以上小さくすることができる。これにより、排水処理装置１００の小型化を図ることができる。また、反応槽の高さが変わらないと改定すると、脱窒槽２を備えることで、排水処理装置１００の設置面積を約４０％以上減少させることができる。

１好気脱窒槽（第１処理槽）
２脱窒槽（第２処理槽）
３硝化槽（第３処理槽）
４従属脱窒槽（第４処理槽）
２０硝化細菌（第１の硝化微生物、第２の硝化微生物）
２１脱窒細菌（第１の脱窒微生物、第２の脱窒微生物）
２２硝化細菌（第３の硝化微生物）
２３従属脱窒細菌（第３の脱窒微生物）
３０排水（対象排水）
３１処理水（第１処理水）
３２処理水（第２処理水）
３３処理水（第３処理水）
３４処理水
３６バイパス系統
３７戻し系統
５０演算制御部

Claims

アンモニウムイオンを含む対象排水中から、当該アンモニウムイオンを除去する排水処理装置であって、
前記対象排水が供給され、前記対象排水中のアンモニウムイオンを用いて亜硝酸イオンを生成する第１の硝化微生物と、前記硝化微生物により生成された亜硝酸イオンと前記対象排水中のアンモニウムイオンとを用いて窒素ガスを生成する第１の脱窒微生物と、を含む第１処理槽と、
前記第１処理槽における処理後の第１処理水が供給され、亜硝酸イオンとアンモニウムイオンとを用いて窒素ガスを生成する第２の脱窒微生物を含む第２処理槽を備えることを特徴とする、排水処理装置。
前記第２処理槽における処理後の第２処理水が供給され、アンモニウムイオンを用いて亜硝酸イオンを生成する第２の硝化微生物と、亜硝酸イオンを用いて硝酸イオンを生成する第３の硝化微生物とを含む第３処理槽と、
前記第３処理槽における処理後の第３処理水が供給され、硝酸イオンを用いて窒素ガスを生成する第４処理槽と、を備えることを特徴とする、請求項１に記載の排水処理装置。
前記対象排水を前記第２処理槽に直接供給可能なバイパス系統と、
前記第３処理槽における処理後の第３処理水を前記第２処理槽に供給可能な戻し系統と、
前記第２処理槽内の亜硝酸イオンの濃度及びアンモニウムイオン濃度を測定可能なイオンセンサと、
前記イオンセンサにより測定される亜硝酸イオン濃度が、反応比に基づいて決定される基準量よりも過剰なときには、前記バイパス系統を通じて、前記対象排水を前記第２処理槽に直接供給し、前記イオンセンサにより測定されるアンモニウムイオン濃度が、反応比に基づいて決定される基準量よりも過剰なときには、前記戻し系統を通じて、前記第３処理水を前記第２処理槽に供給する演算制御部と、を備えることを特徴とする、請求項２に記載の排水処理装置。
前記第４処理槽は、前記第３処理水中の硝酸イオンを用いて窒素ガスを生成する第３の脱窒微生物を含むことを特徴とする、請求項２又は３に記載の排水処理装置。
アンモニウムイオンを含む対象排水中から、当該アンモニウムイオンを除去する排水処理装置を用いて行われる排水処理方法であって、
前記対象排水中のアンモニウムイオンを用いて亜硝酸イオンを生成する第１の硝化微生物と、前記硝化微生物により生成された亜硝酸イオンと前記排水中のアンモニウムイオンとを用いて窒素ガスを生成する第１の脱窒微生物と、を用いて前記対象排水に対して生物処理を行う第１処理工程と、
前記第１処理工程を経て得られる第１処理水に対して、亜硝酸イオンとアンモニウムイオンとを用いて窒素ガスを生成する第２の脱窒微生物を用いて生物処理を行う第２処理工程を備えることを特徴とする、排水処理方法。
前記第２処理工程を経て得られる第２処理水に対して、アンモニウムイオンを用いて亜硝酸イオンを生成する第２の硝化微生物と、亜硝酸イオンを用いて硝酸イオンを生成する第３の硝化微生物と、を用いて生物処理を行う第３処理工程と、
前記第３処理工程を経て得られる第３処理水に対して、硝酸イオンを用いて窒素ガスを生成する処理を行う第４処理工程と、を備えることを特徴とする、請求項５に記載の排水処理方法。