JP2017100088A - 簡易加温システムを備えたリアクターによる養豚排水の硫黄脱窒技術 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)養豚排水を硫黄脱窒処理に供する硫黄資材含有槽と、曝気槽内液温の熱を介して前記硫黄資材含有槽内の液温を加温する手段とを備える、養豚排水の脱窒処理装置。
(2)太陽熱を介して前記硫黄資材含有槽内の液温を加温する手段をさらに備える、(1)記載の脱窒処理装置。
(3)飽和重曹溶液を前記硫黄資材含有槽内に供給する手段をさらに備える、(1)又は(2)記載の脱窒処理装置。
(4)硫黄資材層に蓄積する窒素気泡を硫黄資材含有槽外面又は硫黄資材層中に設置した振動子による振動で脱泡する手段をさらに備える、(1)〜(3)のいずれか1記載の脱窒処理装置。
(5)養豚排水を、曝気槽内液温の熱を介した加温下で硫黄脱窒処理に供する工程を含む、養豚排水の脱窒処理方法。
(6)さらに、太陽熱を介した加温下で硫黄脱窒処理を行う、(5)記載の方法。
(7)飽和重曹溶液を養豚排水に供給して硫黄脱窒処理を行う、(5)又は(6)記載の方法。
(8)硫黄資材層に蓄積する窒素気泡を硫黄資材含有槽外面又は硫黄資材層中に設置した振動子による振動で脱泡しながら脱窒処理を行う、(5)〜(7)のいずれか1記載の方法。
1-1. 脱窒処理装置
有効容積500Lの市販の角形土砂沈殿分離タンク(ノッチタンク)(スイコー株式会社、尼崎)を2槽連結して、水有効容積1000Lのリアクターとして使用した。タンクの内部は仕切板で3区画(「第1〜第3区画」と称する)に分けられ、第1区画から流入した水は仕切板と底面の間隙を通過し、第2区画の上部より第3区画に越流し処理水として排出される。そのため、各タンクの第1区画と第2区画に粉末硫黄を投入することで、硫黄資材と流下水の効率良い接触が可能である。
硫黄資材には、ブルーベリー栽培などで使用される土壌pH調整用粉末硫黄(硫黄分99%以上、200メッシュパス、株式会社自然の休憩所、香川)を用いた。粉末硫黄は撥水性のため、そのままでは脱窒処理に使用不可能であるが、家庭用中性洗剤を適量添加し撹拌することで、親水化し水中に沈降するようになる。親水化処理した粉末硫黄を、ノッチタンク1槽当たり100kg、合計200kgを投入した。
試験の処理対象水(養豚排水;脱窒装置への流入水)は既設浄化施設の処理水貯留槽から、チュービングポンプにより流入量336〜1460mL/分、水有効容積当たりの水理学的滞留時間(HRT)0.5〜2.1日で脱窒装置へ連続投入した。なお、試験開始後に流入水の硝酸性窒素濃度が100mg/L以下に低下してしまったため、硝酸ナトリウム溶液貯留タンクを設置し薬注ポンプで溶液を流入水に添加することで、硝酸性窒素濃度を200mg/L程度にまで高めて試験を行った。硫黄酸化脱窒細菌の植種は行わなかった。
運転は、冬期(2014年12月18日から2015年3月3日)の76日間行った。
脱窒反応で生成する硫酸イオンにより、処理水が酸性化することを防ぐとともに脱窒反応に必要な炭酸イオンを供給するため、脱窒装置には適宜飽和重曹溶液の添加を行った。重曹添加装置には、上部開放式で角型のプラスチック製容器(水有効容積約68L)を用い、一般工業用重曹25kgを投入した。この投入量は飽和濃度を大きく上回るため大部分は溶解せずに容器下部に沈殿した。この容器の底部から水道水をタイマー式散水器(G225;タカギ,北九州)により12時間毎に1分間、流入量約0.8 L/分で通水し、飽和重曹溶液を上部より流出させた。沈殿重曹は徐々に減少するので、消失前に重曹を補充した。
試験開始51日目以降の2015年2月6日から2015年3月3日までの25日間は、脱窒装置内の加温対策として、第2槽目の第3区画に水中ポンプを循環ポンプとして設置し、液を第1槽目の第1区画に返送するラインを組み込んだ。この循環ラインの一部をステンレスフレキシブル管(2月18日まで5m、その後10mに延長)とし、コイル状に巻いたフレキシブル管を既設浄化施設の曝気槽混合液中に浸漬させ、曝気槽混合液の熱を脱窒装置内に移行させた。
2-1. 冬期における加温システムの導入効果
図2に示すように、加温システム(曝気槽液温の利用)の導入前の平均外気温6.3℃に対して、平均装置内水温は10.0℃で推移した。これに対して、加温システム導入後では平均外気温6.7℃に対して平均装置内水温は15.4℃で推移した。加温システム導入前後で平均外気温にはほぼ変化がないことから、装置内水温の上昇は曝気槽液温がステンレスフレキシブル管を備えた循環ラインにより、装置内に効果的に移送されたと考えられる。活性汚泥法の曝気槽内の液は、低温期でもブロアーの熱及び地中温によって外気温より高く保持されていたと推測される。なお、装置内水温は、曝気槽液温に対して−1.0±0.7℃(平均±標準偏差)の差で追随したことから、本システムにより低温期でも曝気槽内の液温と同程度まで加温可能といえる。
図3に示すように、加温システム導入前の原水の硝酸性窒素濃度は155.4±43.3mg/Lに対して、処理水の硝酸性窒素濃度は112.9±41.5mg/Lと大きな変化は見られず、窒素除去率は平均29.0%と低かった。この期間中の装置内水温は7.0〜13.0℃の範囲で推移しており、平均10.0℃であった。一般に硫黄脱窒素は、10℃未満で活性が顕著に低下することが確認されていることから、低温期に脱窒活性を維持するためには加温が必要不可欠である。
図4に示すように、装置内水温と窒素除去率の関係はおおむね直線的で、水温が上昇するほど除去率は高くなる傾向を示した。加温システム導入後の除去率はおおむね60%以上が確保できており、水温15.5℃で82.4%の除去率が得られたことから、装置内の水温を15℃以上に保持することが目標といえる。逆に水温10℃未満では実用的な性能は発揮されなかった。
1. 実験条件
1-1. 脱窒処理装置
脱窒処理装置は、実施例1と同様のものであった。
硫黄資材には、工業用に使用されている粗砕硫黄を使用した。粗砕硫黄は微粉末に近いものから直径40mm程度の粗粒までを含む資材である。粉末硫黄と異なり、そのままでも水中に沈降するので親水化処理は不要である。ノッチタンク1槽当たり100kg、合計200kgを投入した。
脱窒装置への流入水(養豚排水)は、既設浄化施設の処理水貯留槽からチュービングポンプにより流入量395〜682mL/分、水有効容積当たりのHRT 1.0〜1.8日で脱窒装置へ連続投入した。なお、流入水の硝酸性窒素濃度を高めるため、硝酸ナトリウム溶液貯留タンクを設置し薬注ポンプで溶液を流入水に添加することで、硝酸性窒素濃度を178〜513mg/L程度にまで高めて試験を行った。硫黄酸化脱窒細菌の植種は行わなかった。
運転は、2015年4月23日〜2015年5月18日の間、試験を行った。
重曹添加装置の設置は、実施例1と同様であった。
加温システム(曝気槽液温の利用)の導入は、実施例1と同様であった。
太陽熱温水パネルを用いた加温システムを導入した。内部が中空のポリカーボネート製ボード(長さ1.8m×幅0.9m×厚さ4.5mm、6L容量、ソフト・エネルギー研究所、柏)2枚をホースで繋げて太陽熱温水パネルとした。パネル内部で太陽光により温められた水は、直射光受光時にのみ太陽電池駆動のポンプにより、パネルとステンレスフレキシブル管(長さ10m)の間を循環する。このフレキシブル管を脱窒装置内の液中に浸漬させることで、太陽光熱を移行させた。
浄化槽熱と太陽熱を併用した加温効果
図5に示すように、日照があり太陽電池が良好に稼働しているときのデータを示した。この期間の各温度は、装置内水温は22.4〜32.4℃(29.3±3.4℃)、外気温21.5〜27.4℃(24.5±2.4℃)、曝気槽液温22.1〜26.3℃(24.7±1.4℃)であった。特に21日目の装置内水温は32.4℃まで上昇し、外気温の+10.5℃、曝気槽液温の+7.1℃まで高まった。これは太陽光熱が装置に移行されたためと考えられる。また、装置内水温と外気温の温度差は4.8±2.9℃、装置内水温と曝気槽液温の温度差は4.6±2.7℃であったことから、太陽熱利用により外気温、曝気槽液温よりも約5℃水温を高められると考えられる。なお、太陽熱の利用は日照のあるときに限られることから、厳寒期の加温補助や、曝気槽の運転が不良もしくは急な故障の場合の応急的対応として活用メリットがある。
1. 実験条件
1-1. 脱窒処理装置
脱窒処理装置は、実施例1と同様のものであった。
硫黄資材には、工業用に使用されている粗砕硫黄を使用した。粗砕硫黄は微粉末に近いものから直径40mm程度の粗粒までを含む資材である。粉末硫黄と異なり、そのままでも水中に沈降するので親水化処理は不要である。ノッチタンクの第1槽目のタンクには130kg、第2槽目のタンクには138.2kgの合計268.2kgを投入した。
脱窒装置への流入水(養豚排水)は、既設浄化施設の処理水貯留槽からチュービングポンプにより流入量320〜453mL/分、水有効容積当たりのHRT 1.5〜2.2日で脱窒装置へ連続投入した。なお、流入水の硝酸性窒素濃度を高めるため、硝酸ナトリウム溶液貯留タンクを設置し薬注ポンプで溶液を流入水に添加することで、硝酸性窒素濃度を329〜440mg/L程度にまで高めて試験を行った。実施例2からの継続試験のため、硫黄酸化脱窒細菌の植種を行った。
運転は、2015年9月7日〜2015年10月13日の間、試験を行った。
重曹添加装置の設置は、実施例1と同様であった。上部開放式で角型のプラスチック製容器(水有効容積約68L)を用い、一般工業用重曹25kgを投入した。この投入量は飽和濃度を大きく上回るため大部分は溶解せずに容器下部に沈殿した。この容器の底部から水道水をタイマー式散水器(G225;タカギ,北九州)により、9/7〜9/29までは12時間毎に3分間、流入量780〜2020mL/分、9/30〜10/13までは12時間毎に4分間、流入量679〜845mL/分で通水し、飽和重曹溶液を上部より流出させた。沈殿重曹は徐々に減少するので、消失前に重曹を補充した。
加温システム(曝気槽液温の利用)の導入は、実施例1と同様であった。なお、加温システム(太陽熱温水パネルの利用)を導入しなかった。
アルカリ度と窒素除去率の関係
図6に示すように、脱窒反応に必要である炭酸イオンの窒素除去率への影響に関して、アルカリ度と除去率との関係を示した。アルカリ度と窒素除去率の関係はおおむね直線的で、アルカリ度が高くなるほど除去率も高まる傾向を示した。脱窒活性に有効となるアルカリ度の適正範囲値については、400mg/L程度まで高めることで80%近い除去率が得られるといえる。
2a、b:硫黄資材含有槽(ノッチタンク)
3:曝気槽
4:曝気槽内液温の熱を介した加温手段(ステンレスフレキシブル管)
5a:第1区画
5b:第2区画
5c:第3区画
6:硫黄資材
7:原水
8:重曹貯槽
9:循環ポンプ
10:循環ライン
11:重曹
12:循環ライン
13:循環ポンプ
14:太陽熱温水パネル
15:太陽電池
16:ポンプ
17:ステンレスフレキシブル管
18:処理水
19:振動子
Claims (8)
- 養豚排水を硫黄脱窒処理に供する硫黄資材含有槽と、
曝気槽内液温の熱を介して前記硫黄資材含有槽内の液温を加温する手段と、
を備える、養豚排水の脱窒処理装置。 - 太陽熱を介して前記硫黄資材含有槽内の液温を加温する手段をさらに備える、請求項1記載の脱窒処理装置。
- 飽和重曹溶液を前記硫黄資材含有槽内に供給する手段をさらに備える、請求項1又は2記載の脱窒処理装置。
- 硫黄資材層に蓄積する窒素気泡を硫黄資材含有槽外面又は硫黄資材層中に設置した振動子による振動で脱泡する手段をさらに備える、請求項1〜3のいずれか1項記載の脱窒処理装置。
- 養豚排水を、曝気槽内液温の熱を介した加温下で硫黄脱窒処理に供する工程を含む、養豚排水の脱窒処理方法。
- さらに、太陽熱を介した加温下で硫黄脱窒処理を行う、請求項5記載の方法。
- 飽和重曹溶液を養豚排水に供給して硫黄脱窒処理を行う、請求項5又は6記載の方法。
- 硫黄資材層に蓄積する窒素気泡を硫黄資材含有槽外面又は硫黄資材層中に設置した振動子による振動で脱泡しながら脱窒処理を行う、請求項5〜7のいずれか1項記載の方法。
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