JP2020006341A - 汚水処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の循環式硝化脱窒法の有する「循環ラインがあること」の欠点を解決するためになされたもので、廃水中からの窒素除去を、より小さい設備で効率的に、かつ安価に行える廃水処理方法と装置を提供する。【解決手段】上記課題は、無酸素槽、微好気槽及び好気槽とその後段に設置される沈澱池を少なくとも具備し、該好気槽には硝化細菌を担持した微生物固定化担体が収容されており、該沈澱池から引き抜いた汚泥の少なくとも一部を該無酸素槽へ返送する汚水処理方法において、好気槽から無酸素槽へ硝化液を返送することなく、微好気槽の溶存酸素濃度は好気槽の溶存酸素濃度と同等又はそれ以下であり、好気槽の溶存酸素濃度が１．０ｍｇ／Ｌ以上３．０ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする汚水処理方法と装置によって解決することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、広くは下水・廃水分野に属し、特に廃水からの窒素除去技術に関するものである。

窒素を除去するための従来の代表的な処理プロセスに循環式硝化脱窒法がある。これは攪拌機を具備する無酸素槽と散気装置を具備する好気槽およびその後段の最終沈殿池により構成されるものである。好気槽では汚水中のアンモニア態窒素が硝化細菌の作用により亜硝酸態窒素および硝酸態窒素に硝化される。好気槽で生成した亜硝酸態窒素および硝酸態窒素は硝化液として循環ラインを用いて前段の無酸素槽に送られ、汚水中に含まれる有機炭素を利用した脱窒反応により脱窒されて、廃水中より窒素分が除去される。好気槽から流出した活性汚泥含有液は最終沈殿池で固液分離され、沈殿分離された汚泥は返送汚泥ラインを通って反応槽（無酸素槽又は好気槽）に返送されるとともに、一部は余剰汚泥として系外へ排出される。

この循環式硝化脱窒法の一つが特許文献１に開示されている。この方法は、原水を嫌気槽で脱窒細菌により脱窒を行う工程と、好気槽で硝化細菌により硝化を行う工程と、沈澱槽で固液分離して上澄液を処理水として放流する工程とを含む活性汚泥循環変法処理において、上記嫌気槽と好気槽との間に、原水の撹拌機構とエア吹出機構とを具備する嫌気−好気両用槽を配備して、演算によって求めた脱窒速度と硝化速度の比から上記撹拌機構もしくはエア吹出機構を適宜に駆動することにより、嫌気−好気両用槽の嫌気／好気比を制御するようにしたことを特徴とする活性汚泥循環変法の運転制御方法である。この嫌気−好気両用槽は、原水に応じて嫌気槽と好気槽のバランスを変えて効率よく排水処理をしようとするものである。

また、好気条件下の好気槽において生物的に酸化することと、無酸素条件下の無酸素槽で生物的に脱窒することを組合わせて廃水中の窒素系汚濁物質を除去する廃水の処理方法において、前記好気槽と無酸素槽の中間に少なくとも一つの中間反応槽を設け、好気条件と無酸素条件のいずれの条件においても運転可能とすることができることを特徴とする廃水の処理方法（特許文献２）も開発されている。この方法も原水の水質等に応じて中間反応槽を好気槽、無酸素槽のいずれとしても使用しうるようにしたものである。

さらに、嫌気槽、無酸素槽および好気槽よりなる反応槽または無酸素槽および好気槽よりなる反応槽とその後段の沈殿池とを有し、該好気槽には微生物固定化担体が内在しており、該沈殿池よりの引き抜き汚泥の少なくとも一部を該嫌気槽または該無酸素槽へ返送する廃水の処理方法において、該無酸素槽と該好気槽との中間に、該微生物固定化担体が内在せず、かつ散気設備を備えた中間反応槽を設置し、該散気設備を操作することにより、該中間反応槽を嫌気的条件、好気的条件またはその共存する条件下で運転することを特徴とする、廃水処理方法（特許文献３）も開発されている。この方法も、中間反応槽を無酸素槽の処理状態に応じて嫌気状態、好気状態あるいはその共有状態にするものである。

特開平７−１６５９５号公報 特開平１０−９４７９６号公報 特開２０００−２７９９９３号公報

このように循環式硝化脱窒法は、好気槽から無酸素槽へ硝化液を返送するものであり、前述の特許文献１〜３の方法もいずれも硝化液の循環ラインが設けられている。この循環水量は原水量に対する循環比が２〜２．５倍程度と多量であり、循環ポンプのランニングコストがかなりかかることや、溶存酸素を多量に含む硝化液が無酸素槽に送られることによる無酸素槽内の嫌気度の低下が問題になっている。

本発明は、従来の循環式脱窒法の有する「循環ラインがあること」の欠点を解決するためになされたもので、廃水中からの窒素除去を、より小さい設備で効率的に、かつ安価に行える廃水処理方法と装置を提供することを目的としている。

硝化液循環ラインを省いたプロセスで高い窒素除去率を達成するために、低ＤＯに設定した微好気槽を設け、該微好気槽で硝化反応と脱窒反応を同時に行う。このことで循環ラインの設置を省くことが可能になる。汚水から高い除去率で窒素除去を行うには、返送汚泥中に含まれるＮＯ_Ｘの無酸素槽における脱窒も重要である。無酸素槽での脱窒を効率的に行うには、好気槽での硝化率アップが重要であり、それを少ない設置面積で達成するために、担体を添加した好気槽を具備する。プロセスのランニングコストを低減するためには、曝気コストの低減を図ることが重要であり、そのための好気槽ＤＯを３．０ｍｇ／Ｌ以下となるように運転する。また、微好気槽での硝化脱窒同時反応を促進するためには、微好気槽の設定ＤＯが重要であり、微好気槽ＤＯを１．０ｍｇ／Ｌ以下で運転することが好ましい。これらを行うことで、汚水から低いランニングコスト、かつ省スペースで窒素を除去できるプロセスが提供される。

従って、本発明は、無酸素槽、微好気槽及び好気槽とその後段に設置される沈澱池を少なくとも具備し、該好気槽には硝化細菌を担持した微生物固定化担体が収容されており、該沈澱池から引き抜いた汚泥の少なくとも一部を該無酸素槽へ返送する汚水処理方法において、好気槽から無酸素槽へ硝化液を返送することなく、微好気槽の溶存酸素濃度は好気槽の溶存酸素濃度と同等又はそれ以下であり、好気槽の溶存酸素濃度が１．０ｍｇ／Ｌ以上３．０ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする汚水処理方法と、
無酸素槽、微好気槽及び好気槽とその後段に設置される沈澱池を少なくとも具備し、該好気槽には硝化細菌を担持した微生物固定化担体が収容されており、該沈澱池から引き抜いた汚泥の少なくとも一部を該無酸素槽へ返送する返送ラインが設けられている汚水処理装置において、好気槽から無酸素槽への硝化液の循環ラインがなく、微好気槽の溶存酸素濃度を好気槽の溶存酸素濃度と同等又はそれ以下とし、好気槽の溶存酸素濃度を１．０ｍｇ／Ｌ以上３．０ｍｇ／Ｌ以下とする制御機構を備えたことを特徴とする汚水処理装置を提供するものである。

以上のように、本発明によれば、廃水の循環式硝化脱窒法において硝化液の循環ラインを無くし好気槽ＤＯを３．０ｍｇ／Ｌ以下で運転することにより、循環ポンプの運転コストを削減でき、廃水中からの窒素除去を従来技術よりも小さい設備で、かつ安価に行うことができる。

本発明の一実施態様である汚水処理装置の概略構成を示す図である。 好気槽の溶存酸素濃度と曝気ブロワのコストとの関係を示すグラフである。

無酸素槽は溶存酸素のない状態で脱窒菌が硝酸態窒素や亜硝酸態窒素の酸素を利用するのを応用し、循環水中のこれらの酸化態窒素を窒素まで還元して水中の窒素を除去する槽である。槽内には攪拌機が設置され、通常酸素が溶け込まないような攪拌を行う。無酸素槽への流入水の溶存酸素濃度（ＤＯ）は本発明では０〜０．１ｍｇ／Ｌ、硝化液循環のある従来技術では硝化液循環水と流入水の混合水のＤＯは通常０．３〜１．５ｍｇ／Ｌ程度となる。好気槽は、好気状態で硝化菌がアンモニア態窒素を硝酸態窒素や亜硝酸態窒素に酸化する槽であり、槽内には通常散気装置が設けられている。この好気槽で硝化反応を効率よく行わせるために好気槽内には微生物固定化担体を内在させる。この微生物固定化担体は、硝化菌等を固定化した粒状物である。固定化する微生物は汚水処理設備で使用されているものをそのままあるいは馴養したものでよい。固定化は包括法あるいは表面への微生物の付着による方法が安価で好ましい。担体には、包括法の場合にはポリエチレングリコール、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール等の合成高分子や寒天、カラギーナン、デンプン等の多糖類等が使用され、付着による場合は包括法素材の他にポリプロピレン、ポリエチレン、ポリビニルフォルマール、活性炭、無機材料等が使用される。粒径は１〜３０ｍｍ程度、通常３〜１０ｍｍ程度である。

担体の添加率は、好気槽内の汚水に対し、真容量で０．５％〜１０％が好ましく、１％〜７％がより好ましく、２％〜５％が更に好ましい。

好気槽のＤＯは１．０ｍｇ／Ｌ以上３．０ｍｇ／Ｌ以下とする。好気槽ＤＯが１．０ｍｇ／Ｌ未満になると担体による硝化性能が著しく低下し、一方、３．０ｍｇ／Ｌを超えると、曝気コストの増加が著しくなるため、好ましくない。

図２は好気槽ＤＯを横軸に、好気槽ＤＯを３．０ｍｇ／Ｌにした場合の曝気ブロワ動力を「１」に設定した場合のブロワ動力の比の値を縦軸にとったグラフである。このとき、微好気槽のＤＯは１．０ｍｇ／Ｌとしている。図２に示す通り、ＤＯが３．０ｍｇ／Ｌを超えると曝気ブロワ動力の増加が著しくなる。そのため、好気槽ＤＯは３．０ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。

無酸素槽と好気槽の容積比は流入水質および担体投入量により異なるが４：１〜１：３程度、通常２：１〜１：２程度である。

微好気槽は、無酸素槽と好気槽の間に設置される、微生物固定担体を有さない槽で、ＤＯ濃度が好気槽と同等以下である槽である。この微好気槽にも散気装置が設けられるが、散気装置は槽内に旋回流を生じるよう片寄らせて設けるのがよい。微好気槽内には旋回流のための整流壁は設けてもよい。

微好気槽内のＤＯは好気槽と同等またはそれ以下であり、好ましくは１．０ｍｇ／Ｌ以下である。このＤＯはＤＯ計のセンサー部のある深さのＤＯである。

このＤＯを測定するためのＤＯ計はセンサー部を微好気槽水深の１／３以上に設置することが好ましい。次にこれを説明する。ここで、水深の１／３以上とは水深の浅い側を表している。

特許文献３の実施例では、ＭＬＳＳは２５００ｍｇ／Ｌ、循環比（これは循環ラインと返送ラインとの合計と考えられるので総合循環比とする。）１．５であり、供試下水のＴ−Ｎ濃度（Ｃ_ＴＮ）が３０ｍｇ／Ｌである。そこで、返送ラインの返送比を０．５又は１、循環ラインの循環比を１又は０．５、α（流入窒素のうち、硝化に関わる窒素の割合）を０．６１とすると（文献では０．７〜０．８という値が例示されるが、実際にはそれより低いことが多いため、前記下限値の９割弱とした）、β（微好気槽において脱窒される窒素量の流入窒素量に対する割合）は０．１１と計算されて、表１のようになる。硝化液循環を停止したとすると、返送ラインの返送比が０．５で循環ラインの循環比が１の場合のβ増分は０．２になり、返送比が１で循環比が０．５の場合のβ増分は０．１になる。すなわち、硝化液循環を停止すると微好気槽で必要な脱窒割合が増加し、微好気槽での脱窒反応を促進するために、微好気槽のＤＯ設定が非常に重要になることが分かる。

活性汚泥の脱窒速度を１．２[ｍｇＮ／ｇＭＬＳＳ／ｈ]（但し、ＢＯＤ−ＳＳ負荷を０．１２［ｋｇＢＯＤ／ｋｇＭＬＳＳ／日］とする。）、活性汚泥の硝化速度を２．３［ｍｇＮ／ｇＭＬＳＳ／ｈ]と仮定すると、ＤＯ計が設置される硝化ゾーンと底部の脱窒ゾーンの割合が硝化ゾーン０．３４：脱窒ゾーン０．６６となる。そこで、微好気槽の脱窒ゾーンをしっかり確保しようとした場合は、ＤＯ計を微好気槽水深の１／３以上の深さに設置する必要がある。もし、ＤＯセンサー部を水深の１／３以下の深さに設置して制御を試みた場合は、水槽深部に持ち込まれるＤＯが多くなり、微好気槽において脱窒ゾーンを十分に確保（形成）できなくなるため、処理水質はＴ−Ｎが高くなり悪化する。

上記の微好気槽における硝化ゾーンはＤＯが０．０５〜１ｍｇ／Ｌの部位で、脱窒ゾーンは、ＤＯが０．０５ｍｇ／Ｌ未満の部位である。

硝化液循環を行う場合は、微好気槽での脱窒は硝化液循環が無い場合に比べて重要性が低下するのは上記の通りである。つまり、硝化液循環を行う場合は、微好気槽では脱窒よりも硝化に重きを置いて運転しても残存したＮＯｘ-Ｎは硝化液循環によって無酸素槽に送られ、そこで脱窒を行うことができる。したがって、硝化液循環が有る場合は、微好気槽では硝化量が多くなる、すなわち、硝化ゾーンが大きくなっても処理水質が悪化する懸念は少ない。

表１を例に取ると、微好気槽での脱窒量は、循環ラインが有る場合は、無い場合の１／３〜１／２の脱窒量で良いので、脱窒ゾーンは０．２２〜０．３３で良く、硝化ゾーンの大きさを決定するために役立つＤＯ計の位置は、循環ラインが無い場合に比べて、より深くて良い。

微好気槽と好気槽の容積比は３：１〜１：３程度、好ましくは２：１〜１：２程度が適当である。

好気槽の下流側には汚泥を沈殿させる沈澱池が設けられ、沈澱池の上澄は処理水として排出される。一方、沈降部分は一部は無酸素槽に返送され、一部は余剰汚泥として引抜かれる。本発明では、好気槽で生成した硝酸態窒素や亜硝酸態窒素は専らこの返送ラインを通って無酸素槽に返送され、そこで脱窒反応が行われる。返送量は、原水量に対する容積比で０．２〜２程度、好ましくは０．５〜１程度が適当である。

返送汚泥は反応タンク内のＭＬＳＳ濃度を所定の値に保つために返送されるもので、脱窒量を増加させるために、際限無く返送量を増加させることはできない。返送率は、あくまで設定された反応タンクＭＬＳＳ濃度と最終沈殿池の濃縮汚泥濃度によって一意的に決められるもので、脱窒量の調整のために変化させることはできないものである。

本発明の一実施態様である汚水処理装置を図１に示す。この装置は、無酸素槽１、微好気槽１１、好気槽２、最終沈澱池３からなっている。無酸素槽１には大きなプロペラ型の攪拌機４が設けられている。微好気槽１１は平板状の整流板１２で２室に仕切られ、整流板１２の上と下が両室間の通路になっている。そして、その一方の室には散気装置１３が設けられ、この散気装置１３からの曝気によって槽内水が旋回流を形成する。好気槽２にも散気装置５が設けられ、好気槽２内には微生物固定化担体１５が投入されている。また、好気槽２の流出口にはスクリーン１６が取り付けられている。

汚水は、原水供給ライン６から無酸素槽１に流入して、そこから微好気槽１１、好気槽２の順に流入する。好気槽２を出た流出水は最終沈澱池３に流入してそこで汚泥が沈殿し、上澄は処理水として処理水排出ライン７から排出される。一方、沈殿した汚泥は一部は返送汚泥ライン９を通って無酸素槽１に返送され、一部は余剰汚泥１０として排出される。

微好気槽１１と好気槽２にはそれぞれＤＯ計を備える。微好気槽１１と好気槽２の散気装置１３、５それぞれにつながる空気配管に流量調節弁を備え、流量調節弁の開度は各槽のＤＯ計で制御される。曝気ブロワの吐出圧力を測定する圧力計を備え、曝気ブロワの運転周波数は圧力計で制御される。

表２に示す水質を有する都市下水の初沈越流水を、図１に示す処理装置を用いて３００ｍ^３／日の水量で処理した。

［実施例１]
本発明のフローで、微好気槽ＤＯを１．０ｍｇ／Ｌ、好気槽ＤＯを３．０ｍｇ／Ｌで運転した。担体充填率は４．０％（真容積）とした。
得られた結果を表３に示す。表中の水槽容量、およびランコスは、実施例１を基準とした反応タンクの容量、およびプロセスランニングコストの相対値を表す。 好気槽ＤＯを３．０ｍｇ／Ｌで運転した結果、曝気ブロワ動力を低くすることができ、加えて、循環ポンプを設置しなかったため、プロセスのランニングコストを低く抑えることができた。

[実施例２]
本発明のフローで、微好気槽ＤＯを１．０ｍｇ／Ｌ、好気槽ＤＯを１．０ｍｇ／Ｌで運転した。
得られた結果を表３に示す。
その結果、実施例１に比べて曝気ブロワコストを更に下げることができた。一方で同等の処理水質を確保するためには、担体充填率を４．２％にする必要があった。

［比較例１］
本発明の構成に好気槽から無酸素槽への循環ラインと循環ポンプを追加した。循環比は１．５とした。
得られた結果を表３に示す。
好気槽ＤＯが３．０ｍｇ／Ｌだったため、無酸素槽に流入する流入水のＤＯが１．５ｍｇ／Ｌとなり、脱窒反応に影響が出た。その結果、実施例１と同等の処理水質を得るために、無酸素槽の容量が１．５倍必要となった。処理水質は実施例と同等だった。循環比を上げることで脱窒量は増加するはずだったが、設備容量が大きくなった。

［比較例２］
本発明のフローで、微好気槽ＤＯを１．０ｍｇ／Ｌ、好気槽ＤＯを３．５ｍｇ／Ｌ、で運転した。
得られた結果を表３に示す。
担体添加率は若干減少したが、曝気ブロワの動力コストが増加した。

［比較例３］
本発明のフローで、微好気槽ＤＯを１．０ｍｇ／Ｌ、好気槽ＤＯを４．０ｍｇ／Ｌ、で運転した。
得られた結果を表３に示す。
担体添加率は若干減少したが、曝気ブロワの動力コストが増加した。

［比較例４］
本発明のフローから好気槽と担体を無くしたフローで、微好気槽ＤＯを１．０ｍｇ／Ｌで運転した。
得られた結果を表３に示す。
好気槽が無くなり、微好気槽の設定ＤＯのみになって設定ＤＯが低くなったので曝気ブロワの動力コストは若干低下したが、担体が担っていた硝化能力を活性汚泥のみで担うことになるため、実施例と同等の水質を確保するために微好気槽容量が非常に大きくなった。

［比較例５］
本発明のフローで微好気槽ＤＯを２．０ｍｇ／Ｌに設定して運転した。
得られた結果を表３に示す。
微好気槽の設定ＤＯが高くなったので曝気ブロワの動力コストは若干増加し、微好気槽での脱窒量が減少して、処理水質はＴ−Ｎが高くなり悪化した。

本発明により、多量の硝化液を好気槽から無酸素槽に返送していた汚水処理設備において、この硝化液循環ラインを不要にでき、それに要する循環ポンプの電力が不要になるので、本発明は、無酸素槽と好気槽を有する汚水処理設備に広く利用することができる。

１ 無酸素槽
２ 好気槽
３ 最終沈殿池
４ 攪拌機
５ 散気装置
６ 原水供給ライン
７ 処理水排出ライン
９ 返送汚泥ライン
１０ 余剰汚泥
１１ 微好気槽
１２ 整流板
１３ 散気装置
１５ 微生物固定化担体
１６ スクリーン

Claims (7)

1. 無酸素槽、微好気槽及び好気槽とその後段に設置される沈澱池を少なくとも具備し、
   該好気槽には硝化細菌を担持した微生物固定化担体が収容されており、該沈澱池から引き抜いた汚泥の少なくとも一部を該無酸素槽へ返送する汚水処理方法において、好気槽から無酸素槽へ硝化液を返送することなく、微好気槽の溶存酸素濃度は好気槽の溶存酸素濃度と同等又はそれ以下であり、好気槽の溶存酸素濃度が１．０ｍｇ／Ｌ以上３．０ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする汚水処理方法。
2. 請求項１に記載の汚水処理方法であって、前記微好気槽に設置された散気装置からの散気によって生じる槽内の水流が旋回流であることを特徴とする汚水処理方法。
3. 請求項１又は２に記載の汚水処理方法であって、前記微好気槽の溶存酸素濃度が１．０ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする汚水処理方法。
4. 無酸素槽、微好気槽及び好気槽とその後段に設置される沈澱池を少なくとも具備し、
   該好気槽には硝化細菌を担持した微生物固定化担体が収容されており、該沈澱池から引き抜いた汚泥の少なくとも一部を該無酸素槽へ返送する返送ラインが設けられている汚水処理装置において、好気槽から無酸素槽への硝化液の循環ラインがなく、微好気槽の溶存酸素濃度を好気槽の溶存酸素濃度と同等又はそれ以下とし、好気槽の溶存酸素濃度を１．０ｍｇ／Ｌ以上３．０ｍｇ／Ｌ以下とする制御機構を備えたことを特徴とする汚水処理装置。
5. 請求項４に記載の汚水処理装置であって、前記微好気槽に設置された散気装置による散気によって生じる槽内の水流が旋回流とされることを特徴とする汚水処理装置。
6. 請求項４又は５に記載の汚水処理装置であって、前記微好気槽の溶存酸素濃度を１．０ｍｇ／Ｌ以下とする制御機構を備えたことを特徴とする汚水処理装置。
7. 微好気槽にその水深の１／３以上の位置に溶存酸素濃度計が設置されていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載された汚水処理装置。

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