JP2018118209A - 窒素処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニア性窒素を生物学的に酸化して所望の割合で亜硝酸性窒素や硝酸性窒素を生成することができる窒素処理方法を提供する。
【解決手段】窒素処理方法は、アンモニア性窒素を微生物汚泥によって酸化して亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素のうちの少なくとも一方を生成する廃水の窒素処理方法であって、微生物を殺菌又は静菌する不活化操作を前記微生物汚泥に加える不活化処理工程と、前記不活化操作が加えられた前記微生物汚泥によって前記アンモニア性窒素を酸化する硝化処理工程と、を含み、前記亜硝酸性窒素及び前記硝酸性窒素の生成量を、前記不活化操作を加える前記微生物汚泥の生物量を調節することによって調整するか、又は、前記硝化処理工程と共に繰り返す前記不活化操作の時間間隔を調節することによって調整するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、廃水の窒素処理方法に係り、特に、廃水に含まれているアンモニア性窒素を生物学的に酸化して亜硝酸性窒素や硝酸性窒素を生成する窒素処理方法に関する。

窒素成分を含む廃水は、閉鎖性水域の富栄養化を招き、水質汚染を引き起こす一因となっている。そのため、一部の下水処理施設や廃水処理施設では、廃水中の窒素成分を微生物を利用して生物学的に分解除去する窒素処理が行われている。

従来、窒素成分を含む廃水を生物学的に窒素処理する方法としては、硝化処理と脱窒処理とを組み合わせて行う硝化脱窒処理が広く用いられてきた。硝化脱窒処理では、被処理水中に含まれているアンモニア性窒素が硝化細菌群によって硝酸性窒素にまで酸化された後、硝酸性窒素が脱窒細菌によって窒素ガスに変換されて窒素成分が除去されている。

一方、近年では、嫌気性アンモニア酸化（アナモックス（ＡＮＡＭＭＯＸ：Anaerobic Ammonium Oxidation））法の実用化も進められている。嫌気性アンモニア酸化反応は、アンモニアと亜硝酸とを嫌気性条件の下で共脱窒する反応であり、次の式（１）のように表される。
1.00ＮＨ₄ ⁺ ＋ 1.32ＮＯ₂ ^- ＋ 0.066ＨＣＯ₃ ^- ＋ 0.13Ｈ⁺
→ 1.02Ｎ₂ + 0.26ＮＯ₃ ^- ＋ 0.066ＣＨ₂Ｏ_0.5Ｎ_0.15 ＋ 2.03Ｈ₂Ｏ・・・（１）

嫌気性アンモニア酸化反応は、独立栄養性である嫌気性アンモニア酸化細菌がアンモニアを水素供与体として行う反応であるため、メタノール等の炭素源を供給する必要が無く、運転コストが低く抑えられるという利点がある。また、亜硝酸性窒素を硝酸性窒素にまで酸化する必要が無いため、曝気に関わる動力コストも削減される。また、嫌気性アンモニア酸化細菌は高い脱窒速度を示す一方で増殖量が少ないため、処理効率を維持して設備規模を縮小することが可能であり、余剰汚泥の量が少なくなるという利点もある。

窒素成分を含む廃水は、通常、アンモニア性窒素を含有していることが多い。一方、嫌気性アンモニア酸化反応では、前記の式（１）に表されるように、アンモニウムイオンと亜硝酸イオンとが約１：１．３の比率で反応する。そのため、嫌気性アンモニア酸化法では、アンモニア性窒素の一部を亜硝酸性窒素にまで酸化させておく亜硝酸型硝化が行われる。

嫌気性アンモニア酸化法による窒素処理の方式は、亜硝酸型硝化と嫌気性アンモニア酸化とを一槽で行う単槽式と、亜硝酸型硝化を行うアンモニア酸化槽と嫌気性アンモニア酸化を行うアナモックス反応槽を用いる二槽式とに大別される。

単槽式としては、低酸素濃度に制限した曝気の下で行うＣＡＮＯＮ法、低酸素濃度の条件に制限して行うＯＬＡＮＤ法、硝化細菌群を付着固定化した担体の内部に嫌気性アンモニア酸化細菌を増殖させて行うＳＮＡＰ法等がある。

また、二槽式としては、被処理水の全量をアンモニア酸化槽に導入してアンモニア性窒素の一部を部分亜硝酸化するワンパス式や、被処理水の一部をアンモニア酸化槽に導入してアンモニア性窒素の全部を亜硝酸化する一方、残部を迂回させて合流させるバイパス式がある。

一般に、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素にまで酸化する亜硝酸型硝化には、硝化細菌群を含む微生物汚泥が用いられている。硝化細菌群は、通常、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素にまで酸化するアンモニア酸化細菌（ammonium oxidizing bacteria：ＡＯＢ）と、亜硝酸性窒素を硝酸性窒素にまで酸化する亜硝酸酸化細菌（nitrate oxidizing bacteria：ＮＯＢ）との混成である。そのため、いずれの窒素処理の方式においても、亜硝酸型硝化の進行を制御して、アンモニア性窒素の酸化を亜硝酸性窒素までの部分酸化に留め、亜硝酸性窒素の生成量ないし生成速度を維持しながら運転を行うことが求められる。

従来、硝化細菌群を用いた亜硝酸型硝化は、亜硝酸性窒素の生成量を安定に維持して運転を続けるのが容易でないことが知られている。通常の水質では、亜硝酸酸化細菌が増殖し易いため、多くの場合、アンモニア酸化細菌が生成した亜硝酸性窒素が硝酸性窒素にまで速やかに酸化され、亜硝酸性窒素までの部分酸化に留めることが困難である。そこで、亜硝酸性窒素の生成量を制御する手法について、種々の検討がなされている。

例えば、特許文献１には、硝化槽の曝気風量を調節して硝化を亜硝酸型に制御する硝化方法が開示されている。また、特許文献２には、硝化槽を第一硝化槽と第二硝化槽の２槽に分けて、第一硝化槽の被処理水の遊離アンモニア濃度が亜硝酸酸化細菌の活性を阻害する濃度以上となるように第一硝化槽の硝化条件を維持するアンモニア性窒素含有排水の硝化方法が開示されている。

また、特許文献３には、アンモニア酸化細菌を優先的に集積させた亜硝酸型硝化担体を製造する方法であって、汚泥を、微生物を固定化するためのモノマ又はプレポリマの何れかに包括固定化した後、３０〜８０℃で加熱処理する方法や、微生物を固定化するためのモノマ又はプレポリマの何れかを、汚泥の存在下で３０〜８０℃で１時間以上加熱処理しながら重合する方法が開示されている。

亜硝酸性窒素の生成量を目標どおりに制御する手法としては、非特許文献１に開示されるように、全窒素濃度やアンモニア性窒素濃度を計測し、全窒素濃度やアンモニア性窒素濃度に基く亜硝酸化率（η_Ｎｉｔ）を基準にして溶存酸素濃度を制御する技術などがある。例えば、非特許文献１においては、亜硝酸化を行う処理槽の下流に設けられたセンシングタンクにおいて、全窒素濃度やアンモニア性窒素濃度を計測している。

特許第５２９２６５９号公報 特開２００５−１３１４５２号公報 特許第３７８８６０１号公報

ISAKA, K. et al. Novel autotrophic nitrogen removal system using gel entrapment technology, Bioresource technology, 2011, 102, p. 7720-7726

特許文献１や特許文献２に開示されるように、硝化槽の溶存酸素濃度やアンモニア性窒素濃度を調節することによって亜硝酸性窒素の生成量を調整する技術がある。しかしながら、特許文献１のように曝気風量のみを調節したり、特許文献２のように遊離アンモニア濃度のみを調節したりする手法は、制御の応答性や正確性が低いという問題がある。例えば、一時的或いは局所的にでも、溶存酸素濃度が高くなったり、遊離アンモニア濃度が低くなったりすると、一旦生成させた亜硝酸性窒素が酸化されてしまうため、通常の滞留時間では、硝酸性窒素の蓄積が極端に進み、亜硝酸性窒素の生成量を目標どおりに維持するのが難しいという問題がある。

また、廃水に含まれているアンモニア性窒素を生物学的に酸化するにあたっては、亜硝酸性窒素の生成量のみならず、硝酸性窒素の生成量も目標どおりに制御できることが望まれる。例えば、硝酸性窒素を亜硝酸性窒素に還元する従属栄養細菌を嫌気性アンモニア酸化細菌と併用する場合には、硝酸性窒素の生成量も安定していることが求められる。しかし、特許文献１〜３に開示される手法では、硝酸性窒素の生成量を積極的に調整することが難しい。また、非特許文献１に開示されるように溶存酸素濃度を制御する手法は、高い技術力や多数のセンサを要するため、実用に適した手法であるとはいえない。

そこで、本発明は、アンモニア性窒素を生物学的に酸化して所望の割合で亜硝酸性窒素や硝酸性窒素を生成することができる窒素処理方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明に係る窒素処理方法は、アンモニア性窒素を微生物群によって酸化して亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素のうちの少なくとも一方を生成する廃水の窒素処理方法であって、微生物を殺菌又は静菌する不活化操作を前記微生物群に加える不活化処理工程と、前記不活化操作が加えられた前記微生物群によって前記アンモニア性窒素を酸化する硝化処理工程と、を含み、前記亜硝酸性窒素及び前記硝酸性窒素の生成量を、前記不活化操作の生物活性を加える前記微生物群の生物量、又は、前記硝化処理工程と共に繰り返す前記不活化操作の時間間隔を調節することによって調整する。

本発明によれば、アンモニア性窒素を生物学的に酸化して所望の割合で亜硝酸性窒素や硝酸性窒素を生成することができる窒素処理方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る排水処理装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る排水処理装置の設置例を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態に係る窒素処理方法について、窒素処理に用いる窒素処理装置を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る窒素処理方法に用いる窒素処理装置の構成を示す模式図である。
図１に示すように、窒素処理装置１００は、アンモニア酸化槽１と、微生物汚泥２と、散気装置３と、不活化処理槽４と、を備えている。窒素処理装置１００は、例えば、廃水を処理する廃水処理システムに備えられる。窒素処理装置１００には、窒素成分を含む廃水（被処理水）が導入され、廃水に含まれているアンモニア性窒素を酸化する硝化処理が行われる。

窒素成分を含む廃水（被処理水）としては、例えば、下水処理施設、半導体工場、金属精錬所、薬品製造施設、畜産業施設等の事業場から排出される廃水が挙げられる。廃水は、アンモニア性窒素の他に、リン、炭素、重金属類等の栄養塩が含まれていてもよい。廃水のアンモニア性窒素の濃度は、特に制限されるものではないが、１〜１０００ｍｇ／Ｌであることが好ましく、２０〜１００ｍｇ／Ｌであることが特に好ましい。

アンモニア酸化槽１は、廃水（被処理水）の硝化処理を行う処理槽である。アンモニア酸化槽１では、廃水に含まれているアンモニア性窒素が微生物汚泥２によって生物学的に酸化されて亜硝酸性窒素や硝酸性窒素が生成される。本実施形態に係る窒素処理方法では、後記するように、アンモニア酸化槽１に保持される微生物汚泥２が引き抜かれて不活化操作を加えられることによって、硝化処理による亜硝酸性窒素や硝酸性窒素の生成量が任意に調整される。

アンモニア酸化槽１では、硝化細菌群を含む微生物汚泥２が用いられる。通常、集積培養した微生物汚泥に含まれる硝化細菌群は、Nitrosomonas属、Nitrosococcus属、Nitrosospira属、Nitrosolobus属等に分類されるアンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）と、Nitrobactor属、Nitrospina属、Nitrococcus属、Nitrospira属等に分類される亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）との混成である。

微生物汚泥２は、図１において、流動床の担体に固定化されている。但し、微生物汚泥は、担体に包括固定化されている状態、担体に付着固定化されている状態、自己造粒によるグラニュールを形成している状態、及び、水中に浮遊した浮遊汚泥の状態のうちのいずれの状態で用いられてもよい。また、固定化された微生物汚泥は、固定床、流動床及び移動床のいずれの形態で用いられてもよい。

担体の形状は、立方体状、直方体状、球状、円筒状、多孔質状、スポンジ状、繊維状、菊花状等の適宜の形状とすることができる。担体の材料としては、モノメタクリレート類、モノアクリレート類、ジメタクリレート類、ジアクリレート類、トリメタクリレート類、トリアクリレート類、テトラアクリレート類、ウレタンアクリレート類、エポキシアクリレート類、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、アクリルアミド等を使用することができる。流動床担体の大きさは、特に制限されるものではなく、例えば、３ｍｍ角等とすることが可能である。

アンモニア酸化槽１には、硝化処理される被処理水を曝気するための散気装置３が備えられる。散気装置３は、例えば、気泡を発生するディフューザや散気管、空気を給気する送風機、空気を圧縮するコンプレッサ、送風機からディフューザや散気管に空気を送る送気管等によって構成される。被処理水についての曝気量は、散気装置３によって一定に制御してもよいし、アンモニア性窒素の負荷変動、亜硝酸性窒素や硝酸性窒素の目標とする生成量、窒素除去率等に応じて可変制御してもよい。但し、本実施形態に係る窒素処理方法では、後記するように、不活化操作を加えて亜硝酸性窒素や硝酸性窒素の生成量を調整するため、曝気量について精密な可変制御を行う必要はない。

アンモニア酸化槽１には、被処理水に炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウム等のアルカリを供給するｐＨ調整装置を備えることができる。アンモニア酸化槽１のｐＨは、通常、ｐＨ６以上ｐＨ９以下、好ましくはｐＨ７．５以上ｐＨ８．２以下に調整する。アンモニア酸化槽１の水温は、通常、１０℃以上４０℃以下である。

不活化処理槽４は、微生物汚泥２の不活化処理を行うための処理槽である。不活化処理は、微生物を殺菌又は静菌する不活化操作を微生物汚泥２に加える処理である。アンモニア酸化槽１で用いられている微生物汚泥２の一部は、硝化処理が行われている間に、アンモニア酸化槽１から不活化処理槽４に移送されて不活化操作が加えられる。

不活化処理槽４は、例えば、アンモニア酸化槽１から微生物汚泥２と共に移送された被処理水を不活化処理することが可能な水槽式としてもよいし、アンモニア酸化槽１の被処理水から引き揚げられた微生物汚泥２を被処理水とは別に不活化処理することが可能な筺体状としてもよい。

窒素処理装置１００は、アンモニア酸化槽１と不活化処理槽４との間に、アンモニア酸化槽１から不活化処理槽４に微生物汚泥２を移送するための移送路Ｌ１０と、不活化処理槽４からアンモニア酸化槽１に微生物汚泥２を返送するための返送路Ｌ２０と、が備えられてもよい。

移送路Ｌ１０及び返送路Ｌ２０は、例えば、配管、ホース等によって形成し、固定化されている微生物汚泥２や、自己造粒によるグラニュールを形成している微生物汚泥２や、水中に浮遊した状態の微生物汚泥２を、被処理水ごとアンモニア酸化槽１から引き抜いて移送する構造にすることができる。移送用のポンプとしては、エアリフトポンプ、スクリューポンプ、ピストンポンプ、ホースポンプ等の各種の形式を用いることが可能である。また、返送路Ｌ２０は、移送用のポンプによる移送の他、重力落下等を利用して移送を行うことが可能である。

或いは、移送路Ｌ１０及び返送路Ｌ２０は、微生物汚泥２が担体に包括固定化されている状態や、担体に付着固定化されている状態や、自己造粒によるグラニュールを形成している状態である場合には、ストレーナ型、コランダ型等のざる状容器によって被処理水から引き揚げて搬送する構造にすることもできる。ざる状容器は、アンモニア酸化槽１と不活化処理槽４との間を自動的に移動するように設置してもよい。

次に、本実施形態に係る窒素処理方法について具体的に説明する。

本実施形態に係る窒素処理方法は、廃水に含まれているアンモニア性窒素を硝化細菌群を含む微生物汚泥によって酸化して、一般的な脱窒反応や嫌気性アンモニア酸化反応の反応基質となる亜硝酸性窒素や硝酸性窒素を生成する水処理方法に関する。アンモニア性窒素を酸化する硝化処理は、微生物を殺菌又は静菌する不活化操作をアンモニア酸化槽から引き抜いた微生物汚泥に加える工程（不活化処理）と、不活化操作が加えられた微生物汚泥によってアンモニア性窒素を酸化する工程（硝化処理）と、が繰り返されることによって行われる。

不活化操作は、微生物を殺菌、又は、微生物の増殖を阻害する操作であって、微生物汚泥に含まれる硝化細菌群の生物活性を低下させる操作を意味する。一般に、硝化細菌群は、水温が低い場合、アンモニア性窒素や亜硝酸性窒素の濃度が低い場合、溶存酸素濃度が高い場合、ｐＨが低い場合等に、亜硝酸酸化細菌の活性が優位になり、アンモニア酸化細菌が生成した亜硝酸性窒素は、亜硝酸酸化細菌によって硝酸性窒素にまで速やかに酸化される。そのため、一般に行われているように、曝気量、窒素負荷、水温、ｐＨ、滞留時間等の調節のみでは、亜硝酸性窒素が消費されて硝酸性窒素が生成され易く、亜硝酸性窒素や硝酸性窒素を所望の生成量とすることが困難である。

これに対して、本実施形態に係る窒素処理方法では、アンモニア酸化槽１から引き抜いた微生物汚泥２に不活化操作を加えて、アンモニア酸化細菌がアンモニア性窒素を酸化して亜硝酸性窒素を生成する活性や、亜硝酸酸化細菌が亜硝酸性窒素を酸化して硝酸性窒素を生成する活性を、一旦低下させる。しかし、亜硝酸酸化細菌は、アンモニア酸化細菌と比較して増殖速度が速いので、亜硝酸酸化細菌の活性は、不活化操作を加えた後、アンモニア酸化細菌の活性よりも早く回復する。

そのため、不活化操作を加える微生物汚泥２の生物量や、不活化操作を加える時間間隔を調節し、アンモニア酸化反応か亜硝酸酸化反応のいずれかの活性が相対的に優位な状態を作出することによって、亜硝酸性窒素や硝酸性窒素の生成量を所望の量に調整することができる。例えば、不活化操作によって、アンモニア酸化細菌の活性が低下した後、回復するまでの状態を保つと、アンモニア性窒素の残留量が高くなる一方、亜硝酸性窒素や硝酸性窒素の生成量が低くなる。また、アンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌の活性が低下した後、アンモニア酸化細菌の活性が回復する一方、亜硝酸酸化細菌の活性が回復するまでの状態を保つと、アンモニア性窒素の残留量が低くなり、亜硝酸性窒素の生成量が高くなる一方、硝酸性窒素の生成量が低くなる。また、アンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌の活性が低下した後、アンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌の活性が回復するまでの状態を保つと、アンモニア性窒素の残留量が低くなり、亜硝酸性窒素の生成量が低くなる一方、硝酸性窒素の生成量が高くなる。

すなわち、本実施形態に係る窒素処理方法では、亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素のうちの少なくとも一方の生成量が、アンモニア性窒素の残留量に対して所望の割合となるようにアンモニア酸化反応の活性を制御すると共に、実質的に、亜硝酸性窒素のみ、硝酸性窒素のみ、及び、亜硝酸性窒素と硝酸性窒素の両方のうちのいずれかが生成されるように亜硝酸酸化反応の活性も制御し、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素と硝酸性窒素の比率の調整を可能にする。

微生物汚泥２に加える不活化操作としては、例えば、酸、アルカリ、有機溶媒、殺菌剤、高塩濃度溶液、アンモニア溶液、亜硝酸溶液等に微生物汚泥を接触させる操作や、加熱殺菌、放射線殺菌、ガス殺菌、物理的殺菌等を微生物汚泥に施す操作が挙げられる。

酸としては、例えば、塩酸、硫酸、酢酸、乳酸、クエン酸等や、その水溶液を用いることができる。アルカリとしては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム等や、その水溶液を用いることができる。

有機溶媒としては、例えば、エタノール、イソプロパノール等のアルコール、ジエチルエーテル等のエーテル類、クロロホルム等のアルデヒド類、フェノール類、ベンゼン、トルエン等のベンゼン類、酢酸エチル等のエステル類、ヘキサン等の炭化水素類、ジメチルスルホキシド、アセトン、アセトニトリル等を用いることができる。

殺菌剤としては、例えば、銀、銅、水銀等の金属、オゾン、過酸化水素、過マンガン酸カリウム、次亜塩素酸塩、クロラミン、酸化チタン等を含む溶液を用いることができる。高塩濃度溶液としては、例えば、塩化ナトリウム等を含む高張液を用いればよい。また、アンモニア溶液や亜硝酸溶液としては、５０％阻害濃度等を超える高濃度の溶液を用いればよい。

これらの溶液を接触させる不活化操作は、不活化処理槽４に、酸、アルカリ、有機溶媒、殺菌剤、高塩濃度溶液、アンモニア溶液、亜硝酸溶液等の溶液を供給する供給装置を設置し、アンモニア酸化槽１から微生物汚泥２と共に移送された被処理水に溶液を添加したり、アンモニア酸化槽１の被処理水から引き揚げた微生物汚泥２を溶液に浸漬させたりすることにより行うことができる。

加熱殺菌としては、例えば、アンモニア酸化槽１から微生物汚泥２と共に移送された被処理水や、アンモニア酸化槽１の被処理水から引き揚げられた微生物汚泥２を加熱処理する操作が挙げられる。加熱殺菌を施す不活化操作は、不活化処理槽４に、熱交換式、ジャケット式等の加温装置や、蒸気加熱装置を設けることにより行うことができる。

放射線殺菌としては、例えば、アンモニア酸化槽１から微生物汚泥２と共に移送された被処理水や、アンモニア酸化槽１の被処理水から引き揚げた微生物汚泥２に、紫外線、ガンマ線、電子線等を照射する操作が挙げられる。放射線殺菌を施す不活化操作は、不活化処理槽４に、紫外線照射装置、ガンマ線照射装置、電子線照射装置等を設けることにより行うことができる。

ガス殺菌としては、例えば、アンモニア酸化槽１の被処理水から引き揚げた微生物汚泥２に、エチレンオキサイド、過酸化水素、ホルムアルデヒド等のガスを接触させる操作が挙げられる。ガス殺菌を施す不活化操作は、不活化処理槽４に、エチレンオキサイド、過酸化水素、ホルムアルデヒド等のガスを供給するガス供給装置を設けることにより行うことができる。

物理的殺菌としては、例えば、アンモニア酸化槽１から微生物汚泥２と共に移送された被処理水や、アンモニア酸化槽１の被処理水から引き揚げた微生物汚泥２に、微生物の細胞を破壊する程度の外力を作用させる操作が挙げられる。物理的殺菌を施す不活化操作は、不活化処理槽４に、蒸気加熱装置、乾熱装置、高圧を作用させる加圧装置、減圧装置、廃水に衝撃力を与える噴流発生装置、攪拌装置、マイクロバブルを発生する気泡発生装置、遠心分離装置、乾燥装置、超音波発生装置、微生物に高電圧を印加する高電圧発生装置等を設けることにより行うことができる。

但し、不活化操作は、これらの操作に制限されるものではなく、硝化細菌群を殺菌又は静菌することが可能な操作であれば、適宜の操作を用いることが可能である。例えば、硝化細菌群の生育環境を極端に変化させる操作や、濾過殺菌を施す操作や、その他の薬品、各種の阻害剤等に暴露させる操作等を、操作条件を調節して利用することもできる。また、不活化操作は、これらの操作の一種を単独で用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。

不活化操作は、硝化細菌群が滅菌されず十分に静菌される程度の操作とするが、操作の種類や条件、不活化処理を行う生物量や環境毎に、硝化細菌群の生物活性を低下させる強さが異なる。そのため、用いる不活化操作について、事前に予備試験を行い、硝化細菌群の生物活性を低下させる強さを予め把握しておくことが好ましい。被処理水の硝化処理を行う間に、予備試験と同等の条件であって、硝化細菌群の生物活性を低下させる強さが一定した不活化操作を間欠的に繰り返すことにより、亜硝酸性窒素や硝酸性窒素を所望の生成量で生成させることができる。

例えば、不活化操作として、加熱殺菌を微生物汚泥２に施す場合、加熱処理の温度は、好ましくは３０℃以上９０℃以下、より好ましくは４０℃以上７０℃以下とする。微生物汚泥２が担体に包括固定化されている状態である場合には、５０℃以上７０℃以下、６０℃付近とすることが特に好ましい。また、加熱処理の時間は、１時間以上とすることが好ましく、無駄なエネルギを削減する観点からは、２週間以内とすることが好ましい。このような条件であれば、硝化細菌群が十分に静菌され、亜硝酸酸化細菌やアンモニア酸化細菌の活性が回復するまでに大きな時間差が生じるため、アンモニア酸化反応と亜硝酸酸化反応の強弱の関係を制御するのが容易になる。

亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素の生成量は、不活化操作を加える微生物汚泥２の生物量を調節することによって調整することができる。不活化操作は、アンモニア酸化槽１から一部の微生物汚泥２を引き抜いて加えてもよいし、全部の微生物汚泥２を引き抜いて加えてもよい。例えば、不活化操作を加える微生物汚泥２の生物量を多くすることによって、アンモニア酸化細菌の活性を亜硝酸酸化細菌の活性よりも高くすることができる。一方、不活化操作を加える微生物汚泥２の生物量を少なくすることによって、亜硝酸酸化細菌の活性を高くすることができる。

不活化操作を加える微生物汚泥２の生物量は、窒素除去率を高くする観点からは、全体の数十％以下の生物量の微生物汚泥２に加えることが好ましく、全体の数％の生物量の微生物汚泥２に加えることがより好ましい。アンモニア酸化槽１から引き抜く微生物汚泥２の生物量が多くなるほど、アンモニア性窒素の酸化が進まなくなるためである。なお、不活化操作を加える微生物汚泥２の生物量は、不活化操作毎に同一であってもよいし、異なっていてもよい。

また、亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素の生成量は、アンモニア性窒素を酸化する工程（硝化処理）と共に繰り返す不活化操作の時間間隔、すなわち、不活化操作を微生物汚泥２に加える工程（不活化処理）を繰り返す時間間隔を調節することによって調整することができる。例えば、不活化操作の時間間隔を短くし、不活化操作の頻度を多くすることによって、アンモニア酸化細菌の活性を亜硝酸酸化細菌の活性よりも高くすることができる。一方、不活化操作の時間間隔を長くし、不活化操作の頻度を少なくすることによって、亜硝酸酸化細菌の活性を高くすることができる。

不活化操作の時間間隔は、特に制限されるものではないが、微生物汚泥２を移送するコストを削減する観点や、活性を回復するまでの増殖時間を確保する観点からは、１日当たり１回から数回、数日に１回等とすることが好ましい。なお、亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素の生成量は、不活化操作を加える微生物汚泥２の生物量と、不活化操作の時間間隔との両方を調節することによって調整してもよい。

また、亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素の生成量は、アンモニア性窒素を含む被処理水の窒素処理を開始した後、不活化操作を微生物汚泥２に加える工程（不活化処理）を開始する開始時期を調節することによって調整することができる。不活化処理を開始する開始時期を遅くすると、硝化細菌群の活性が抑制される以前にアンモニア酸化反応や亜硝酸酸化反応が進行するため、アンモニア性窒素については残留量を減らし、亜硝酸性窒素や硝酸性窒素については生成量を増やすことができる。一方、不活化処理を開始する開始時期を早くすると、硝化細菌群の活性が抑制される以前にアンモニア酸化反応が進行しないため、アンモニア性窒素については残留量を増やし、亜硝酸性窒素や硝酸性窒素については生成量を減らすことができる。

以上の窒素処理方法によると、不活化操作を加える微生物汚泥の生物量や、アンモニア性窒素を酸化する工程と共に繰り返す不活化操作の時間間隔を調節することによって、アンモニア酸化反応と亜硝酸酸化反応の強弱の関係を制御することができるため、アンモニア性窒素を生物学的に酸化して所望の割合で亜硝酸性窒素や硝酸性窒素を生成することができる。微生物汚泥の生物量や不活化操作の時間間隔は、事前に予備試験を行うことによって、アンモニア酸化活性や亜硝酸酸化活性を再現性高く制御することを可能とする指標であるため、曝気量のみを調節するなどの手法と比較して、制御の応答性や正確性も高くすることができる。

図２は、本発明の一実施形態に係る窒素処理方法に用いる窒素処理装置の設置例を示す模式図である。
図２に示すように、窒素処理装置１００は、アンモニア酸化槽１が、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを嫌気性アンモニア酸化細菌によって共脱窒するアナモックス反応槽５の前段側に位置するように設けることができる。図２に示す窒素処理装置１００には、窒素成分を含む廃水（被処理水）が導入され、アンモニア酸化槽１において亜硝酸型硝化が行われ、アナモックス反応槽５において嫌気性アンモニア酸化が行われる。

アナモックス反応槽５は、亜硝酸型硝化された被処理水に含まれているアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを嫌気性アンモニア酸化細菌によって共脱窒するための処理槽である。アナモックス反応槽５では、被処理水に含まれているアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とが嫌気性条件の下で窒素ガスや硝酸性窒素に変換される。

嫌気性アンモニア酸化細菌６は、図２において、流動床の担体に固定化されている。但し、嫌気性アンモニア酸化細菌６は、担体に包括固定化されている状態、担体に付着固定化されている状態、自己造粒によるグラニュールを形成している状態、及び、水中に浮遊した浮遊汚泥の状態のうちのいずれの状態で用いられてもよい。また、固定化された嫌気性アンモニア酸化細菌は、固定床、流動床及び移動床のいずれの形態で用いられてもよい。流動床担体の形状、材料、大きさは、前記のアンモニア酸化槽１についてと同様にすることができる。

アナモックス反応槽５には、槽内の排水を攪拌する攪拌装置や、被処理水に硫酸、塩酸等の酸を供給するｐＨ調整装置を設置することができる。アナモックス反応槽５の水温は、２０℃以上４０℃以下に維持することが好ましく、３０℃から３７℃に維持することがより好ましい。アナモックス反応槽５のｐＨは、通常、ｐＨ６．５以上ｐＨ９以下、好ましくはｐＨ７．０以上ｐＨ８．２以下に調整する。

図２に示す窒素処理装置１００では、アンモニア酸化槽１に残留するアンモニア性窒素の残留量と亜硝酸性窒素の生成量との比を、約１：１．３となるように調整して窒素処理を行う。アンモニア性窒素を含む被処理水の窒素処理を開始した後、不活化操作を微生物汚泥２に加える工程（不活化処理）を開始する開始時期は、アンモニア酸化反応が十分に進んでなく、亜硝酸性窒素や硝酸性窒素の生成量が上回る以前の初期とする。その後、不活化操作を加える微生物汚泥２の生物量を多くしたり、アンモニア性窒素を酸化する工程（硝化処理）と共に繰り返す不活化操作の時間間隔を短くしたりして、亜硝酸性窒素の生成量を増やし、硝酸性窒素の生成量を減らすことによって、適切に部分亜硝酸化させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、本発明は、必ずしも前記の実施形態が備える全ての構成を備えるものに限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えたり、或る構成を実施形態に追加したり、実施形態の構成の一部を省略したりすることも可能である。

例えば、前記のアンモニア酸化槽１は、被処理水の全量を亜硝酸型硝化するワンパス式とされているが、バイパス式とされてもよい。すなわち、被処理水の一部をアンモニア酸化槽１に導入してアンモニア性窒素の全量を亜硝酸性窒素にまで酸化する一方、残部を迂回させて亜硝酸型硝化せずアナモックス反応槽５に合流させてもよい。或いは、図１に示す窒素処理装置１００を単槽式の嫌気性アンモニア酸化法に使用し、アンモニア酸化槽１において、亜硝酸型硝化と嫌気性アンモニア酸化とを一槽で行ってもよい。

また、前記の窒素処理装置１００は、アンモニア酸化槽１が、窒素成分を含む廃水の水質や水量を調整する調整槽や、廃水に含まれている有機物を生物学的に分解する生物反応槽や、廃水に含まれている硝酸性窒素等を予め脱窒する前脱窒槽等の後段側に位置するように設けられてもよい。生物反応槽としては、例えば、活性汚泥法、散水濾床法、好気性濾床法、回転生物接触法、膜分離活性汚泥法、嫌気性濾床法、嫌気性グラニュール汚泥床法等の方式で分解を行う処理槽が挙げられる。

また、前記の窒素処理装置１００は、アンモニア酸化槽１が、前記のアナモックス反応槽５に代えて、アンモニア酸化槽で処理された処理水の水質や水量を調整する調整槽や、アンモニア酸化槽１を迂回させた被処理水を合流させる混合槽や、アンモニア酸化槽で処理された処理水に残存している硝酸性窒素等を脱窒する後脱窒槽等の前段側に位置するように設けられてもよい。

また、前記の窒素処理装置１００は、アンモニア酸化槽１から不活化処理槽４に微生物汚泥２を移送するための移送路Ｌ１０と、不活化処理槽４からアンモニア酸化槽１に微生物汚泥２を返送するための返送路Ｌ２０とが備えられてもよいが、移送路Ｌ１０及び返送路Ｌ２０を備えず、手作業によって微生物汚泥２の移送が行われてもよい。

以下、本発明の実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。

［実施例１］
はじめに、アンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）と亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）との混成である微生物汚泥が固定化された包括固定化担体を用意した。この包括固定化担体を、微生物汚泥の生物量が容積１Ｌのリアクタに容積０．１Ｌとなるように投入し、２０℃の恒温槽内に設置した。そして、アンモニア性窒素の濃度が約４５ｍｇ−Ｎ／Ｌである原水を、水理学的滞留時間が３時間となるようにリアクタに通水し、リアクタ内をブロアにより曝気して溶存酸素濃度を６ｍｇ／Ｌ以上に維持しながら窒素処理した。

続いて、窒素処理を継続する間、約２４時間間隔で、包括固定化担体の一部（１％、５％、２０％、５０％）をリアクタから引き抜き、当初の１％、５％、２０％、５０％の生物量の微生物汚泥に不活化操作を加えた。不活化操作としては、加熱処理（加熱殺菌）を行い、特許文献３に開示されるように、リアクタから引き抜いた包括固定化担体を水温６０℃の水中に１時間浸漬させて、微生物の一部を殺菌ないし静菌した。

窒素処理が完了し、各窒素成分の濃度が定常に達したときのアンモニア性窒素の濃度、亜硝酸性窒素の濃度、及び、硝酸性窒素の濃度を表１に示す。

［実施例２］
はじめに、アンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）と亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）との混成である微生物汚泥が固定化された包括固定化担体を用意した。この包括固定化担体を、微生物汚泥の生物量が容積１Ｌのリアクタに容積０．１Ｌとなるように投入し、２０℃の恒温槽内に設置した。そして、アンモニア性窒素の濃度が約４０ｍｇ−Ｎ／Ｌである原水を、水理学的滞留時間が３時間となるようにリアクタに通水し、リアクタ内をブロアにより曝気して溶存酸素濃度を６ｍｇ／Ｌ以上に維持しながら窒素処理した。

続いて、窒素処理を継続する間、約２４時間間隔で、包括固定化担体の一部（１％、５％、１０％、５０％）をリアクタから引き抜き、当初の１％、５％、１０％、５０％の生物量の微生物汚泥に不活化操作を加えた。不活化操作としては、アルカリに接触させる処理を行い、リアクタから引き抜いた包括固定化担体をｐＨ１３に調整した水酸化ナトリウム水溶液に１時間浸漬させて、微生物の一部を殺菌ないし静菌した。

窒素処理が完了し、各窒素成分の濃度が定常に達したときのアンモニア性窒素の濃度、亜硝酸性窒素の濃度、及び、硝酸性窒素の濃度を表２に示す。

実施例１と実施例２の結果の差異が示すように、不活化操作を加える微生物汚泥の生物量が同等であっても、不活化操作の方法が異なっていると、残存するアンモニア性窒素の濃度や、生成した亜硝酸性窒素や硝酸性窒素の濃度も相違する。したがって、不活化操作が持つ生物活性を失わせる強さに違いがあったり、不活化操作の時間間隔を変えたりする場合は、事前に微生物を殺菌ないし静菌する効果の程度を確認する必要があり、効果を事前に確認しておけば、所望の割合で高精度に亜硝酸性窒素や硝酸性窒素を生成させられるといえる。

［実施例３］
はじめに、アンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）と亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）との混成である微生物汚泥が固定化された包括固定化担体を用意した。この包括固定化担体を、微生物汚泥の生物量が容積１Ｌのリアクタに容積０．１Ｌとなるように投入し、２０℃の恒温槽内に設置した。そして、アンモニア性窒素の濃度が約４５ｍｇ−Ｎ／Ｌである原水を、水理学的滞留時間が３時間となるようにリアクタに通水し、リアクタ内をブロアにより曝気して溶存酸素濃度を６ｍｇ／Ｌ以上に維持しながら窒素処理した。

続いて、窒素処理を継続する間、約４８時間間隔で、包括固定化担体の５％をリアクタから引き抜き、５％の生物量の微生物汚泥に不活化操作を加えた。不活化操作としては、加熱処理（加熱殺菌）を行い、特許文献３に開示されるように、リアクタから引き抜いた包括固定化担体を水温６０℃の水中に１時間浸漬させて、微生物の一部を殺菌ないし静菌した。

窒素処理が完了し、各窒素成分の濃度が定常に達したときのアンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）の濃度は、約１２ｍｇ／Ｌ、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）の濃度は、約１４ｍｇ／Ｌ、硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）の濃度は、約１９ｍｇ／Ｌであった。実施例１（ＮＨ_４−Ｎ濃度、約２０ｍｇ／Ｌ、ＮＯ_２−Ｎ濃度、約１７ｍｇ／Ｌ、ＮＯ_３−Ｎ濃度、約９ｍｇ／Ｌ）と実施例３の結果の差異が示すように、不活化操作の方法が同等であっても、不活化操作の時間間隔が異なっていると、残存するアンモニア性窒素の濃度や、生成した亜硝酸性窒素や硝酸性窒素の濃度も相違する。すなわち、不活化操作を加える工程（不活化処理）の繰り返す時間間隔を調節することによって、生成する亜硝酸性窒素や硝酸性窒素の濃度を調整することができる。

［実施例４］
はじめに、アンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）と亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）との混成である微生物汚泥が固定化された包括固定化担体を用意した。この包括固定化担体を、微生物汚泥の生物量が容積１Ｌのリアクタに容積０．１Ｌとなるように投入し、２０℃の恒温槽内に設置した。そして、アンモニア性窒素の濃度が約４０ｍｇ−Ｎ／Ｌである原水を、水理学的滞留時間が３時間となるようにリアクタに通水し、リアクタ内をブロアにより曝気して溶存酸素濃度を６ｍｇ／Ｌ以上に維持しながら窒素処理した。

続いて、アンモニア酸化が進み、アンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）の濃度が、８ｍｇ／Ｌ、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）の濃度が、２８ｍｇ／Ｌ、硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）の濃度が、４ｍｇ／Ｌとなった以降に、窒素処理を継続する間、約２４時間間隔で、包括固定化担体の一部（４％）をリアクタから引き抜き、当初の４％の生物量の微生物汚泥に不活化操作を加えた。不活化操作としては、加熱処理（加熱殺菌）を行い、特許文献３に開示されるように、リアクタから引き抜いた包括固定化担体を水温６０℃の水中に１時間浸漬させて、微生物の一部を殺菌ないし静菌した。

２０日間運転した後のアンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）の濃度は、約１３ｍｇ／Ｌ、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）の濃度は、約１４ｍｇ／Ｌ、硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）の濃度は、約１３ｍｇ／Ｌであった。

［実施例５］
はじめに、アンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）と亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）との混成である微生物汚泥が固定化された包括固定化担体を用意した。この包括固定化担体を、微生物汚泥の生物量が容積１Ｌのリアクタに容積０．１Ｌとなるように投入し、２０℃の恒温槽内に設置した。そして、アンモニア性窒素の濃度が約４０ｍｇ−Ｎ／Ｌである原水を、水理学的滞留時間が３時間となるようにリアクタに通水し、リアクタ内をブロアにより曝気して溶存酸素濃度を６ｍｇ／Ｌ以上に維持しながら窒素処理した。

続いて、アンモニア酸化の後に更に亜硝酸酸化が進み、アンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）の濃度が、１２ｍｇ／Ｌ、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）の濃度が、７ｍｇ／Ｌ、硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）の濃度が、２１ｍｇ／Ｌとなった以降に、窒素処理を継続する間、約２４時間間隔で、包括固定化担体の一部（４％）をリアクタから引き抜き、当初の４％の生物量の微生物汚泥に不活化操作を加えた。不活化操作としては、加熱処理（加熱殺菌）を行い、特許文献３に開示されるように、リアクタから引き抜いた包括固定化担体を水温６０℃の水中に１時間浸漬させて、微生物の一部を殺菌ないし静菌した。

２０日間運転した後のアンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）の濃度は、約８ｍｇ／Ｌ、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）の濃度は、約６ｍｇ／Ｌ、硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）の濃度は、約２６ｍｇ／Ｌであった。

実施例４と実施例５の結果の差異が示すように、不活化操作の開始時期が異なっていると、残存するアンモニア性窒素の濃度や、生成した亜硝酸性窒素や硝酸性窒素の濃度が相違し、特に硝酸性窒素の濃度について影響が顕著となる。したがって、不活化操作を加える微生物汚泥の生物量と、不活化操作の時間間隔とを調節するのに加えて、不活化操作の開始時期も調節することが好ましいといえる。

１００ 窒素処理装置
１ アンモニア酸化槽
２ 微生物汚泥
３ 散気装置
４ 不活化処理槽
５ アナモックス反応槽
６ 嫌気性アンモニア酸化細菌

Claims (6)

1. アンモニア性窒素を微生物汚泥によって酸化して亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素のうちの少なくとも一方を生成する廃水の窒素処理方法であって、
   微生物を殺菌又は静菌する不活化操作を前記微生物汚泥に加える不活化処理工程と、
   前記不活化操作が加えられた前記微生物汚泥によって前記アンモニア性窒素を酸化する硝化処理工程と、を含み、
   前記亜硝酸性窒素及び前記硝酸性窒素の生成量を、前記不活化操作を加える前記微生物汚泥の生物量を調節することによって調整する窒素処理方法。
2. アンモニア性窒素を微生物汚泥によって酸化して亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素のうちの少なくとも一方を生成する廃水の窒素処理方法であって、
   微生物を殺菌又は静菌する不活化操作を前記微生物汚泥に加える不活化処理工程と、
   前記不活化操作が加えられた前記微生物汚泥によって前記アンモニア性窒素を酸化する硝化処理工程と、を含み、
   前記亜硝酸性窒素及び前記硝酸性窒素の生成量を、前記硝化処理工程と共に繰り返す前記不活化操作の時間間隔を調節することによって調整する窒素処理方法。
3. アンモニア性窒素を微生物汚泥によって酸化して亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素のうちの少なくとも一方を生成する廃水の窒素処理方法であって、
   微生物を殺菌又は静菌する不活化操作を前記微生物汚泥に加える不活化処理工程と、
   前記不活化操作が加えられた前記微生物汚泥によって前記アンモニア性窒素を酸化する硝化処理工程と、を含み、
   前記亜硝酸性窒素及び前記硝酸性窒素の生成量を、前記不活化操作を加える前記微生物汚泥の生物量と、前記硝化処理と共に繰り返す前記不活化操作の時間間隔とを調節することによって調整する窒素処理方法。
4. 前記微生物汚泥が、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素にまで酸化するアンモニア酸化細菌と、亜硝酸性窒素を硝酸性窒素にまで酸化する亜硝酸酸化細菌との混成である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の窒素処理方法。
5. 前記不活化操作が、酸、アルカリ、有機溶媒、殺菌剤、高塩濃度溶液、アンモニア溶液、若しくは、亜硝酸溶液に前記微生物汚泥を接触させる操作、又は、加熱殺菌、放射線殺菌、ガス殺菌、若しくは、物理的殺菌を前記微生物汚泥に施す操作である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の窒素処理方法。
6. 前記微生物汚泥が、担体に包括固定化されている状態、担体に付着固定化されている状態、又は、自己造粒によるグラニュールを形成している状態である請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の窒素処理方法。

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