JP2022093738A - 有機性排水処理装置および有機性排水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー消費量および余剰活性汚泥の発生量を少なくできる有機性排水処理装置および有機性排水処理方法を提供する。【解決手段】本発明に係る有機性排水処理装置１は、浮遊物質、有機物および窒素成分を含む有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに精密ろ過膜または限外ろ過膜を用いて膜ろ過を行って膜ろ過水を得る第１処理手段２０と、前記膜ろ過水に含まれている窒素成分を嫌気性アンモニア酸化反応により脱窒を行う第２処理手段３０と、を有する。本発明に係る有機性排水処理方法は、浮遊物質、有機物および窒素成分を含む有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに精密ろ過膜または限外ろ過膜を用いて膜ろ過を行って膜ろ過水を得る第１処理工程Ｓ１と、前記膜ろ過水に含まれている窒素成分を嫌気性アンモニア酸化反応により脱窒を行う第２処理工程Ｓ２と、を含む。【選択図】図１

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り （１）２０１７年３月９日に、第５１回日本水環境学会年会において配布された講演集にて掲載 （２）２０１７年３月１５日に、第５１回日本水環境学会年会において発表 （３）平成２９年（２０１７年）７月３日に、第５４回下水道研究発表会において配布された講演集にて掲載 （４）平成２９年（２０１７年）７月３日に、第５４回下水道研究発表会のウェブサイト（［ＵＲＬ］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｅｓｕｉｋｙｏｕ．ｊｐ／ｐｒｅｓｅｎｔｅｒ２０１７／ｐｄｆ／５４ｐｒｏｇｒａｍ＿２０１７０７０３．ｐｄｆ）に掲載

本発明は、生活排水、産業排水、下水、またはこれらのうちの少なくとも１つを用いて混合した排水などの有機物および窒素成分を含んだ有機性排水を高度に処理する有機性排水処理装置および有機性排水処理方法に関する。

現在、生活排水、産業排水、下水、またはこれらのうちの少なくとも１つを用いて混合した排水などの有機物および窒素成分を含んだ有機性排水（以下、これらを総称して単に「有機性排水」と呼称する）は、活性汚泥法に代表される好気性微生物を用いる方式で処理されることが多い。非特許文献１に記載されているように、活性汚泥法は、微生物を水中に浮遊させた状態で用いる方法である。活性汚泥は、有機性排水に空気を吹き込み、攪拌することにより、有機性排水中の有機物を利用して種々の微生物が繁殖し、凝集性のあるフロックを形成したものである。活性汚泥には、細菌類、原生動物、後生動物などの微生物のほかに、非生物性の無機物や有機物が含まれている。

活性汚泥法による下水処理（有機性排水処理）は実用化されてから約百年が経過しており、標準活性汚泥法や循環式硝化脱窒法などの様々な手法が開発されている。図６は、活性汚泥法の一つであり、有機性排水中の窒素成分を除去する能力に長けた循環式硝化脱窒法に係る有機性排水処理施設の概要を示す説明図である。

図６に示すように、循環式硝化脱窒法に係る有機性排水処理施設は、沈砂池６０１と、最初沈殿池６０２と、無酸素槽（脱窒槽）６０３と、好気槽（硝化槽）６０４と、最終沈殿池６０５とを有するとともに、発生する汚泥の消化処理を行う場合は、濃縮設備６０６と、消化設備６０７と、脱水設備６０８を有している。

沈砂池６０１は、有機性排水（下水）中の土砂などを沈殿させて除くための池である。最初沈殿池６０２は、有機性排水中に浮遊している有機物を主体とする比重の大きいＳＳを沈殿分離して取り除くための設備である。無酸素槽６０３では攪拌のみを行い、好気槽６０４では曝気を行う。そして、無酸素槽６０３は、最初沈殿池６０２から脱窒反応に必要な有機物を供給し、有機性排水中の硝酸性窒素を脱窒細菌の働きで脱窒させて窒素ガスに変換する。また、好気槽６０４は、有機性排水中の有機性窒素やアンモニア性窒素をアンモニア酸化細菌の働きで亜硝酸性窒素に変換し、亜硝酸性窒素を亜硝酸酸化細菌の働きで硝酸性窒素に変換する。そして、好気槽６０４で処理された硝酸性窒素を含む有機性排水は、無酸素槽６０３に循環されることによって、前記したように、硝酸性窒素を脱窒細菌の働きで脱窒させて窒素ガスに変換され、有機性排水中から空気中に除去することができる。最終沈殿池６０５は活性汚泥を沈殿させ、上澄みのきれいな水（処理水）を排出する設備である。濃縮設備６０６では、最終沈殿池６０５で沈殿させて回収した余剰活性汚泥と、最初沈殿池６０２から回収した初沈汚泥（生汚泥）とを沈降分離等させることによって濃縮する。消化設備６０７では、濃縮した活性汚泥等をメタン生成古細菌の働きで消化するとともにメタンを生成し、これを回収する。脱水設備６０８では、メタン生成後の消化汚泥等を遠心分離機等で脱水する。そして、脱水された消化汚泥（脱水汚泥）は外部に搬送される。脱水で得られた脱水ろ液には高濃度の窒素成分やＢＯＤ成分が含まれていることがあるため、再度、脱窒を行うことを目的として沈砂池６０１に返送する場合がある。

社団法人日本下水道協会著、「下水道施設計画・設計指針と解説 ２００９年版 後編」、社団法人日本下水道協会出版、２００９年１０月発行、ｐ．１２～ｐ．２０

しかしながら、従来の活性汚泥法、例えば、前記した循環式硝化脱窒法には、好気槽６０４で大量の空気と動力を用いて曝気を行う必要があり、多大なエネルギーを必要とするという問題があった。
また、無酸素槽６０３で脱窒を行う脱窒細菌は、脱窒反応の電子供与体として有機物を必要とするとともに、有機物を利用して増殖する従属栄養細菌である。そのため、脱窒細菌を用いて脱窒を行うと、必然的に大量の余剰活性汚泥が発生してしまうという問題があった。

本発明は前記状況に鑑みてなされたものであり、エネルギー消費量および余剰活性汚泥の発生量を少なくできる有機性排水処理装置および有機性排水処理方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決した本発明に係る有機性排水処理装置は、有機物および窒素成分を含む有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに膜ろ過を行って膜ろ過水を得る第１処理手段と、前記膜ろ過水に含まれている窒素成分を嫌気性アンモニア酸化反応により脱窒する第２処理手段と、を有する。

前記課題を解決した本発明に係る有機性排水処理方法は、有機物および窒素成分を含む有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに膜ろ過を行って膜ろ過水を得る第１処理工程と、前記膜ろ過水に含まれている窒素成分を嫌気性アンモニア酸化反応により脱窒する第２処理工程と、を含んでいる。

本発明に係る有機性排水処理装置および有機性排水処理方法は、エネルギー消費量および余剰活性汚泥の発生量を少なくできる。

本実施形態に係る有機性排水処理装置の概要を示す説明図である。 本実施形態に係る有機性排水処理装置の具体的な構成を示す概略構成図である。 担体を示す斜視図である。 本実施形態に係る有機性排水方法の内容を説明するフロー図である。 循環式活性汚泥法の一つである循環式硝化脱窒法に係る有機性排水処理施設に、実施例３に係る有機性排水処理装置を設けた様子を示す説明図である。 循環式硝化脱窒法に係る有機性排水処理施設の概要を示す説明図である。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明に係る有機性排水処理装置および有機性排水処理方法の一実施形態について詳細に説明する。
［有機性排水処理装置］
図１は、本実施形態に係る有機性排水処理装置１の概要を説明する説明図である。図２は、本実施形態に係る有機性排水処理装置１の構成を説明する概略構成図である。
本実施形態に係る有機性排水処理装置１は、生活排水、産業排水、下水、またはこれらのうちの少なくとも１つを用いて混合した排水などの有機物および窒素成分を含む有機性排水を高度に処理する装置である。
図１に示すように、本実施形態に係る有機性排水処理装置１は、第１処理手段２０と、第２処理手段３０とを有する。

ここで、生活排水とは、炊事、洗濯、入浴などの一般的な人間の生活に伴って生じ、排出される水をいう。生活排水には、し尿や雨水が含まれていることもある。
産業排水とは、農林漁業（第一次産業）、鉱工業（第二次産業）からの排水をいう。
下水とは、生活排水が主体で、これに産業排水や場合によって雨水などが加わったものをいう。
なお、本明細書においては、埋立処分場からの浸出水も有機性排水として扱うことができる。
有機物は、有機化合物とも呼ばれており、炭素原子間の共有結合を基本として構成される化合物をいう。
窒素成分としては、遊離アンモニア（ＮＨ_３）、アンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）、アンモニア性窒素（ＮＨ_４－Ｎ）、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２－Ｎ）、硝酸性窒素（ＮＯ_３－Ｎ）が挙げられる。アンモニア性窒素とは、アンモニアの形になっている窒素をいい、亜硝酸性窒素とは、亜硝酸の形になっている窒素をいい、硝酸性窒素とは、硝酸の形になっている窒素をいう。
高度に処理するとは、前記した有機物を除去することに加えて、前記した窒素成分を除去（脱窒）することをいう。
本実施形態に係る有機性排水処理装置１では後記する手段を有しているため、有機性排水中の有機物の濃度の高低や窒素成分の濃度の高低に関わらず処理できる。

（流量調整槽１０）
有機性排水処理装置１は、第１処理手段２０の前段に第１処理手段２０への有機性排水の流入量を調整する流量調整槽１０を設けることができる。なお、流量調整槽１０は必要に応じて設けることができるものであり、設けなくてもよい。
図２に示すように、流量調整槽１０から第１処理手段２０への有機性排水の流入量の調整は、例えば、流量調整槽１０と第１処理手段２０の間に設けられた流量調整槽ポンプＰ２の出力を調整することで行うことができる。流量調整槽１０への有機性排水の流入は、有機性排水処理場施設との間に設けられたポンプＰ１で行うことができる。流量調整槽１０は有機性排水を攪拌する攪拌機１１を備えていてもよい。また、本実施形態においては、流量調整槽１０の前段に有機性排水中の土砂などを沈殿させて除く沈砂池（図示せず）を設けることができる。

（第１処理手段２０）
第１処理手段２０では、前記した有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに膜ろ過を行って膜ろ過水を得る。つまり、第１処理手段２０によって、有機性排水中に含まれている有機物の大部分を分解することができ、メタンを生成することができる。メタン発酵とは、様々な微生物による有機物の分解反応と、メタン生成古細菌が最終的にメタンを生成する反応との総称である。なお、第１処理手段２０で生成されたメタンはバイオガスとして回収され、電気や熱の生成に用いられる。また、膜ろ過を行うので、膜ろ過水に浮遊物質が含まれることもない。有機物や浮遊物質は、第２処理手段３０において活性汚泥の発生源となる。つまり、第２処理手段３０に脱窒細菌が含まれている場合に活性汚泥が発生し易くなる。そのため、この第１処理手段２０で有機物や浮遊物質をなるべく多く分解したり除去したりするのが好ましい。

メタンの生成は、メタン生成古細菌（メタン生成アーキア）による働きで行われる。メタン生成古細菌とは、嫌気条件でメタンを生成する微生物群の総称であり、その全ては古細菌に分類される。メタン生成古細菌は、嫌気条件下、複数種の微生物によって有機物が完全に分解されて生成した水素、二酸化炭素、ギ酸、酢酸、メチルアミン類などを基質としてメタンを生成する。メタンの生成プロセスについて複数提案されているが、天然において多量のメタンが生成する可能性があるプロセスとして、次の２つが挙げられている。
ＣＨ_３ＣＯＯ^－＋Ｈ^＋＋ＯＨ^－ → ＣＨ_４＋ＣＯ_２＋ＯＨ^－
ＣＯ_２＋８Ｈ^＋＋８ｅ^－ → ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ

本実施形態では、水素資化性メタン生成古細菌や酢酸資化性メタン生成古細菌などを用いることができる。本実施形態で用いることのできるメタン生成古細菌としては、例えば、Methanobacterium属、Methanobrevibacter属、Methanosphaera属、Methanothermus属、Methanococcus属、Methanolacinia属、Methanomicrobium属、Methanogenium属、Methanospirillum属、Methanoculleus属、Methanoplanus属、Methanosarcina属、Methanolobus属、Methanococcoides属、Methanothrix(Methanosaeta)属、Methanoregula属、Methanolinea属、Methanohalophilus属、Methanohalobium属、Methanocorpusculum属などが挙げられる。なお、本実施形態においてはこれらに限定されることなく、メタンを生成できる細菌であればどのようなものも用いることができる。メタン生成古細菌および前記した有機物を分解する様々な微生物は、既存の消化タンクなどから容易に得ることができる。

第１処理手段２０としては、膜ろ過を行う膜モジュール２２を備えた膜分離メタン発酵槽２０ａを用いることが好ましい。このようにすると、有機性排水処理装置１は従来の活性汚泥法に係る装置と比較してコンパクト化でき、建設費用を低コスト化できる。また、活性汚泥法のように大量の酸素（空気）で曝気する必要がないので、エネルギー消費量を少なくでき、ランニングコストを低くできる。
膜分離メタン発酵槽は、懸濁性嫌気性菌（メタン生成古細菌を含む）を保持するメタン発酵槽、または嫌気性グラニュール汚泥を保持するメタン発酵槽とすることができる。なお、懸濁性嫌気性菌とは、グラニュール（粒状）を形成しない嫌気性菌を意味している。

前者のメタン発酵槽内における嫌気性菌の保持は、例えば、単に有機性排水中に嫌気性菌を懸濁させておくことや、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）系のプレポリマーを用いて所定の大きさに作製したゲル担体に嫌気性菌を付着固定化させておくことなどで行うことができる。付着固定化すると、膜ろ過において膜へのファウリングを生じ難くすることができる。

また、後者のメタン発酵槽における嫌気性グラニュール汚泥とは、嫌気性菌の自己凝集（aggregation）と造粒（granulation）する性質を利用して形成された粒状化汚泥をいう。嫌気性グラニュール汚泥に含まれるグラニュールとは、一般的に粒径が０．２ｍｍ以上の大きさで形成されたものをいうが、本実施形態ではこれに限定されるものではなく、粒径が０．２ｍｍ未満のものであっても造粒体を形成していればグラニュールとして扱うことができる。嫌気性グラニュール汚泥とした場合も、膜ろ過において膜へのファウリングを生じ難くすることができる。

嫌気条件は、外部から空気が流入しない密閉構造の槽を用いて処理を行うことで作り出すことができる。嫌気条件とするため、必要に応じて槽の気相（ヘッドスペース）に二酸化炭素（ＣＯ_２）や窒素（Ｎ_２）ガスなどを導入してもよい。ここで導入するＣＯ_２やＮ_２ガスは、有機性排水処理装置１で生成したものを用いることができる。

膜ろ過は、精密ろ過（Microfiltration；ＭＦ）膜、限外ろ過（Ultrafiltration；ＵＦ）膜、ナノろ過（Nanofiltration；ＮＦ）膜、逆浸透（Reverse Osmosis；ＲＯ）膜のうちの少なくとも一つを用いて行うことができる。このようにすると、所定の大きさの有機物は透過できないので、後述する第２処理手段３０における活性汚泥の発生量を少なくすることができる。本実施形態では、前記した中でも、ＭＦ膜またはＵＦ膜を用いるのが好ましい。ＭＦ膜やＵＦ膜を用いてろ過すると、固形の有機物だけでなく、メタン生成古細菌などの微生物を含まない有機性排水（膜ろ過水）を後述する第２処理手段３０に供給することができる。つまり、ＭＦ膜やＵＦ膜を用いることによって、有機性排水処理装置１は、第１処理手段２０からのメタン生成古細菌の流失を防ぎ、第１処理手段２０内におけるメタン生成古細菌の生細胞数を高く維持できる。本実施形態では、孔径が１μｍ以下のＭＦ膜を用いるのがより好ましい。このようにすると、ＮＦ膜やＲＯ膜を用いる場合と比較して、ろ過に使用する膜ろ過ポンプＰ４の動力を抑えることができる。

膜ろ過に用いる膜は、塩素化ビニル樹脂（ＣＰＶＣ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などで形成されたものを用いることができる。膜ろ過に用いる膜の形態は、平膜、管状膜、中空糸膜（内径が５ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以下の管状膜）のいずれも採用することができる。

以上に説明した第１処理手段２０として用いられる膜分離メタン発酵槽としては、例えば、クロスフロー型嫌気性膜バイオリアクター（Membrane Bioreactor；ＭＢＲ）、浸漬型嫌気性ＭＢＲ（槽別置型）や浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）などを用いることができる。なお、図２には、浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）２１を例示している。

クロスフロー型嫌気性ＭＢＲは、メタン発酵させるメタン発酵槽と、汚泥を膜で分離する膜分離装置とを独立して設置し、膜分離装置の膜モジュール内部に高い圧力を加えて汚泥を流して膜ろ過を行う。
浸漬型嫌気性ＭＢＲ（槽別置型）と浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）２１は、膜ろ過ポンプＰ４で吸引することによって膜分離、すなわち膜ろ過を行う。浸漬型嫌気性ＭＢＲ（槽別置型）は、メタン発酵槽と膜分離装置とを独立して設置したものであり、浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）２１は、メタン発酵槽内に膜分離装置を設置したものである。

本実施形態では、前記したいずれの膜分離メタン発酵槽も採用可能であるが、図２に示すように、浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）２１を採用するのが好ましい。浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）２１を採用すると、槽内に膜モジュール２２を収めるので、設置面積が減り、装置をよりコンパクト化できる。また、浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）２１を採用すると、ポンプ（流量調整槽ポンプＰ２や膜ろ過ポンプＰ４）の設置数を少なくすることができる。そのため、有機性排水処理装置１は、建設費用やランニングコストを低コスト化でき、さらに省エネルギー化できる。なお、浸漬型嫌気性ＭＢＲ（槽別置型）を採用した場合、浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）２１と比較すると、膜の洗浄が容易になる。

第１処理手段２０は、図２に示すように、第１処理手段２０で発生したＣＯ_２を除去する第３処理手段２５を有しているのが好ましい。例えば、生活排水などの有機物および窒素成分の濃度の低い有機性排水がメタン発酵してＣＯ_２が生じると有機性排水のｐＨが下がってしまうおそれがあるが、前記した第３処理手段２５を有し、常時または適時作動させてＣＯ_２を除去することにより、そのようなおそれを防ぐことができる。つまり、第３処理手段２５でＣＯ_２を除去するので、有機性排水のｐＨを下がり難くすることができる。そのため、得られる膜ろ過水のｐＨを後段の第２処理手段３０で行うアナモックス反応に好適な７～８．５の範囲に調整するのが容易となる。なお、有機物の濃度が高く、窒素成分（ＮＨ_４－Ｎ）の濃度が低い有機性排水もあるが、そのような有機性排水においても同様の効果を得ることができる。

第３処理手段２５としては、例えば、図２に示すように、第３処理手段２５のヘッドスペースの気体を循環させることにより、膜へのファウリングを防止する膜洗浄ブロワＢ１と接続され、内部に水２７を収容した所定の大きさの容器２６を用い、この水２７にＣＯ_２を吸収させて除去するＣＯ_２除去装置が挙げられる。

大型装置の場合には、例えば、棚段式連続吸収塔を用いて、メタン発酵で発生したバイオガスを上向流で流す一方、水を下向流で散水させて気液接触させ、バイオガス中のＣＯ_２を水に吸収させて除去する装置を採用することができる。また、ＣＯ_２除去剤として、粒状消石灰を用いる充填塔タイプの装置を採用することができる。

また、第３処理手段２５としては、例えば、ＣＯ_２を装置外に排出することによって除去する排出機構（図示せず）なども挙げられる。このような排出機構としては、例えば、ＣＯ_２選択透過膜（促進輸送膜）などが挙げられる。ＣＯ_２選択透過膜は、例えば、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）またはポリアミドアミン（ＰＡＭＡＭ）などを用いて作製したデンドリマー膜（中心から規則的に分枝した構造を持つ樹状高分子膜）を挙げることができる。また、このようなＣＯ_２選択透過膜を用いる場合、吸引ポンプを用いて槽内からのＣＯ_２の輸送を促してもよい。
なお、第３処理手段２５は前記したものに限定されず、ＣＯ_２を除去できればどのようなものも用いることができる。

第１処理手段２０には、メタン生成古細菌の活性を維持することを目的として、カルシウム、マグネシウム、鉄、ニッケル、コバルト、カリウム、ナトリウム、亜鉛、セレン、タングステン、モリブデン、銅、マンガン、アルミニウムなどの無機塩（金属）を添加する装置（図示せず）を設けることができる。また、第１処理手段２０には、水温を調節するための加熱装置（図示せず）を設けることができる。当該加熱装置は、第１処理手段２０で得られたメタンガスを燃焼させて得られた熱や電気を利用することができる。第１処理手段２０には、ｐＨ計、溶存炭酸ガス計、温度計などのセンサＳｒ１を設けることができる。なお、センサＳｒ１は、計測対象ごとに個別に設けられるものであるが、図２では図示の関係で１つのみ図示している。

（第２処理手段３０）
第２処理手段３０では、第１処理手段２０で得られた膜ろ過水に含まれている窒素成分を嫌気性アンモニア酸化（anaerobic ammonium oxidation；Ａｎａｍｍｏｘ、アナモックス）反応により脱窒する。アナモックス反応は、嫌気条件下でアナモックス細菌がＮＨ_４－ＮとＮＯ_２－Ｎとを基質としてＮ_２を生成する反応であり、次のような反応式１が示されている。

〔反応式１〕
１．０ＮＨ_４ ^＋＋１．３２ＮＯ_２ ^－＋０．０６６ＨＣＯ_３ ^－＋０．１３Ｈ^＋ →
１．０２Ｎ_２＋０．２６ＮＯ_３ ^－＋０．０６６ＣＨ_２Ｏ_０．５Ｎ_０．１５＋２．０３Ｈ_２Ｏ

アナモックス細菌は、Bacteria界Planctomycetes門Brocadiales目に帰属される細菌を用いることができる。アナモックス細菌は現在のところ純粋培養がなされていないため、系統分類には全て“Candidatus”が付けられている。本実施形態で用いることのできるアナモックス細菌として、具体的には、Candidatus Brocadia、Candidatus Kuenenia、Candidatus Jettenia、Candidatus Anammoxoglobus、Candidatus Scalindua、Candidatus Anammoximicrobiumなどが挙げられる。なお、本実施形態においては分類名や学名に限定されることなく、アナモックス反応ができる細菌であればどのようなものも用いることができる。アナモックス細菌は、既存の廃水処理装置から採取した活性汚泥や余剰活性汚泥を種汚泥とし、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を含む培地または下水などの有機性排水で長期間培養することによって得ることができる。また、アナモックス細菌は、下記組成のアナモックス培地で前記した種汚泥を培養することで得ることもできる。

〔アナモックス培地の組成〕
・ＮａＮＯ_２：０～３００ｍｇ／Ｌ
・ＮＨ_４Ｃｌまたは（ＮＨ_４）_２ＳＯ_４：０～３００ｍｇ／Ｌ
・ＫＨ_２ＰＯ_４：５４ｍｇ／Ｌ
・ＫＨＣＯ_３：１２５ｍｇ／Ｌ
・Ｍｉｃｒｏ Ｆｅ／ＥＤＴＡ^♯１：１ｍＬ／Ｌ
（♯１の組成：ＦｅＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ ９ｇ、ＥＤＴＡ・２Ｎａ ５ｇ）

前記反応式１に示すように、アナモックス反応を行う膜ろ過水に含まれているＮＨ_４－ＮとＮＯ_２－Ｎとは、モル比が約１：１～１：１．５であるのが好ましく、約１：１．３２であるのがより好ましい。しかしながら、原水である有機性排水や膜ろ過水の状態にもよるが、膜ろ過水のＮＨ_４－Ｎの含有量は高い一方で、ＮＯ_２－Ｎの含有量は低い場合が多く、モル比が前記したものにならないことが多い。そのため、膜ろ過水に含まれているＮＨ_４－Ｎの一部を硝化細菌（アンモニア酸化細菌）で酸化させ、ＮＯ_２－Ｎを生成するのが好ましい。これは、膜ろ過水中のＮＨ_４－Ｎの一部をＮＯ_２－Ｎに変換するので、「部分亜硝酸化」などと呼ばれている。すなわち、本実施形態では“嫌気性”アンモニア酸化反応（アナモックス反応）を行うものであるが、膜ろ過水について酸素を全く含まない状態とする必要はない。本実施形態では、膜ろ過水に含まれているＮＨ_４－Ｎの一部をアンモニア酸化細菌がＮＯ_２－Ｎに変換するのに必要な程度の酸素を含ませておくことができる。つまり、前記した“嫌気性”とは、第２処理手段３０を完全に嫌気条件とすることを意味するものではなく、単にアナモックス反応が行われる条件が（すなわち、アナモックス反応が行われる限られた一部の範囲が）嫌気条件であればよいことを示すものである。従って、第２処理手段３０中の膜ろ過水に部分亜硝酸化を行うのに十分な酸素が含まれていない場合、図２に示すように、ブロワＢ２を使用して曝気を行うことができる。第２処理手段３０中の膜ろ過水の酸素濃度は、溶存酸素計ＤＯＳで測定することができる。

部分亜硝酸化は原理上、ＮＨ_４－Ｎの約半分をＮＯ_２－Ｎに変換するだけでよいので、従来の活性汚泥法におけるＮＨ_４－Ｎの全量をＮＯ_２－Ｎに硝化する反応と比較して、接触させる空気量を約半分にできる。従って、本実施形態においては、ＮＨ_４－ＮをＮＯ_２－Ｎに硝化するのに曝気動力を用いる場合は、従来の活性汚泥法と比較して、必要な曝気動力を半分に削減できる。そのため、このような場合における電気量などのエネルギー消費量も約半分に低減できる。

アンモニア酸化細菌としては、例えば、Nitrosomonas属、Nitrosococcus属、Nitrosospira属、Nitrosolobus属、Nitrosovibrio属などに属する細菌を用いることができるが、これらに限定されない。

ＮＯ_２－Ｎの生成は、アナモックス反応を行う槽と同じ槽で行ってもよいし、別の槽で行ってもよい。なお、ＮＯ_２－Ｎの生成とアナモックス反応を同じ槽で行うものを一槽式アナモックス槽といい、別の槽で行うものを二槽式アナモックス槽という。
本実施形態においては、図２に示すように、一槽式アナモックス槽３１を用いるのが好ましい。一槽式アナモックス槽３１を用いると二槽式アナモックス槽（図示せず）の場合と比較して省スペース化や建設費用の低コスト化を図ることができる。
なお、二槽式アナモックス槽を用いると、アナモックス細菌とアンモニア酸化細菌とを別個の槽で管理できることから、各細菌の管理や反応の制御が容易である。また、二槽式アナモックス槽を用いると、アンモニア酸化細菌で生成したＮＯ_２－Ｎを含む膜ろ過水のＮＯ_２ ^－濃度と流量を調節してアナモックス反応を行う槽に導入することができるので、ＮＨ_４－ＮとＮＯ_２－Ｎとのモル比を前記したものとし易い。

前記した反応式１に示したように、アナモックス反応ではＮＯ_３－Ｎが少量生成される。そのため、第２処理手段３０には、生成したＮＯ_３－Ｎを還元してＮ_２にする脱窒細菌が含まれているのが好ましい。このようにすると、最終的にアナモックス細菌と脱窒細菌とにより、有機性排水に含まれていたＮＨ_４ ^＋やＮＨ_４－Ｎの大部分を環境に害のないＮ_２に変換できる。

脱窒細菌としては、例えば、Pseudomonas denitrificans、Pseudomonas aeruginosa、Pseudomonas stutzeri、Pseudomonas mendocina、Comamonas testosteroni、Paracoccus denitrificans、Alcaligenes faecalisなどを用いることができるが、これらに限定されない。脱窒細菌による処理は、第２処理手段３０とは別の手段（槽）で行ってもよい。

なお、アンモニア酸化細菌と脱窒細菌は、既存の廃水処理装置から採取した活性汚泥や余剰活性汚泥から容易に得ることができる。
アナモックス細菌およびアンモニア酸化細菌は増殖に有機物を利用しない独立栄養細菌であるので、膜ろ過水に溶解性の有機物が含まれていたとしても大量に増殖することはない。そのため、本実施形態では、アナモックス細菌およびアンモニア酸化細菌に由来する活性汚泥の生成量を低減できる。
一方、脱窒細菌は有機物を電子供与体にしてＮＯ_３－ＮをＮ_２に変換するが、有機物を利用して増殖する従属栄養細菌である。そのため、本実施形態では、脱窒細菌に由来する活性汚泥は生成されるものの、前述した第１処理手段２０で既に有機物の大部分がメタンに分解されており、膜ろ過水に残存している有機物の濃度は低くなっている。従って、本実施形態では、従来の活性汚泥法と比較すると脱窒細菌が増殖してなる活性汚泥の生成量を低減できる。また、本実施形態においては、第２処理手段３０において、脱窒細菌をはじめとする従属栄養細菌の増殖が抑えられることから、アナモックス細菌の優占化を図ることができる。そのため、アナモックス細菌の高濃度化と、効率的なアナモックス反応とを行うことができる。なお、本実施形態においては、脱窒細菌によるＮＯ_３ ^－からＮ_２への変換を十分に行わせるため、メタノール以外の有機物を添加することができる。

一槽式アナモックス槽３１は、内径３～３０ｍｍ、長さ３～３０ｍｍであり、両端が開口した中空筒からなる担体３２を含むことが好ましい。図３の斜視図は、この担体３２を示している。担体３２を含んでいると、担体３２の外側３２ａにはアンモニア酸化細菌が保持されるので、一槽式アナモックス槽３１に通気した空気などに由来する溶存酸素が消費される。そのため、担体３２の内側３２ｂは嫌気条件となり易い。従って、担体３２の内側３２ｂはアナモックス細菌が増殖し易く、保持も行い易いものとなる。また、担体３２の内側３２ｂはアナモックス細菌による嫌気性アンモニア酸化反応を好適に行うことができる。本実施形態においては、より好適なアナモックス細菌の増殖・保持とアナモックス細菌による嫌気性アンモニア酸化反応とを行わせる観点から、中空筒の担体３２の内径は５～１５ｍｍとするのが好ましく、長さは５～１５ｍｍとするのが好ましい。中空筒は円柱状が好ましいが、三角柱状、四角柱状など任意の形状とすることができる。担体３２は、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）樹脂などの任意の樹脂で形成することができる。なお、担体３２の外径は特に限定されない。担体３２の投与量は、アナモックス槽３１の容積に対して容積比で、例えば、１０～２０％とすることができ、好ましくは１５％とすることができるが、これに限定されない。

また、担体３２を投入した一槽式アナモックス槽３１は、空気吹き込みおよび機械攪拌のうちの少なくとも一方の手段で膜ろ過水が供給された槽内液を攪拌し、槽内液の溶存酸素濃度を０．５ｍｇ／Ｌ以下に制御することが好ましい。このようにすると、担体３２の外側に保持させたアンモニア酸化細菌に対しては必要最小限度から適度な濃度でＯ_２を供給することができ、部分亜硝酸化を行わせることができる。また、前記したように、本実施形態においては、担体３２の表面に保持されたアンモニア酸化細菌によってＯ_２が消費される。従って、本実施形態では、担体３２の内側３２ｂに保持させたアナモックス細菌に対しては嫌気条件を保つことができ、アナモックス反応を行わせることができる。つまり、溶存酸素濃度を前記したように制御すると、アナモックス細菌によるアナモックス反応に重大な影響を与えることなく、アンモニア酸化細菌による部分亜硝酸化を行うことができる。なお、槽内液の溶存酸素濃度は前記した効果をより確実に得るため、０．３ｍｇ／Ｌ以下に制御することがより好ましい。

第２処理手段３０には、アナモックス細菌、アンモニア酸化細菌、脱窒細菌などの活性を維持することを目的として、カルシウム、マグネシウム、鉄、ニッケル、コバルト、カリウム、ナトリウム、亜鉛、セレン、タングステン、モリブデン、銅、マンガン、アルミニウムなどの無機塩（金属）を添加する装置（図示せず）を設けることができる。また、第２処理手段３０には、水温を調節するための加熱装置（図示せず）を設けることができる。当該加熱装置は、第１処理手段２０で得られたメタンガスを燃焼させて得られた熱や電気を利用することができる。第２処理手段３０には、ｐＨ計、溶存酸素計ＤＯＳ、アンモニアセンサ、硝酸センサ、温度計などのセンサＳｒ２を設けることができる。なお、センサＳｒ２は、計測対象ごとに個別に設けられるものであるが、図２では図示の関係で１つのみ図示している。

第２処理手段３０は、槽内の処理の後段に、余剰活性汚泥を沈殿させる沈殿ゾーン３３が設けられていてもよい。なお、この沈殿ゾーン３３は任意に設けることができるものであり、設けていなくてもよい。沈殿ゾーン３３は、担体３２を透過させない程度の開き目を有する金属フェンスなどで槽内を区切ることによって設けることができる。この沈殿ゾーン３３を設けた場合は、後記する沈殿池５０を省略することができる。

（有機性排水処理装置１におけるその他の設備）
本実施形態に係る有機性排水処理装置１は、図１および図２に示すように、第１処理手段２０から回収した汚泥を脱水する脱水設備４０を備えていてもよい。脱水設備４０としては、例えば、遠心分離機、ベルトプレス脱水機、スクリュープレス脱水機などを用いることができる。脱水設備４０で脱水された脱水汚泥は搬出され、焼却したり、最終処分場で埋立てに使われたりするなど適宜処理される。図２に示すように第１処理手段２０から脱水設備４０への汚泥の搬送はこれらの間に設けられたポンプＰ３で行うことができる。

また、図２に示すように、第１処理手段２０と第２処理手段３０との間に嫌気処理水槽２３が設けられていてもよい。この場合、嫌気処理水槽２３は、第１処理手段２０との間に膜ろ過水を移送させる膜ろ過ポンプＰ４が設けているのが好ましく、第２処理手段３０との間に膜ろ過水を移送させるポンプＰ５が設けられているのが好ましい。このようにして嫌気処理水槽２３を設けると、嫌気処理水槽２３に膜ろ過水を一時的に貯留するとともに、第２処理手段３０に流入させる膜ろ過水の流入量を任意に調節できる。

図２に示すように、第２処理手段３０の後段には、第２処理手段３０で処理した処理水中の汚泥を沈降分離させ、沈殿させた汚泥と、上澄みのきれいな水（処理水）とに分離して、当該きれいな水（処理水）を排出する沈殿池５０が設けられていてもよい。なお、この沈殿池５０は処理水を貯留する機能も有している。

また、第１処理手段２０から生じたバイオガス（メタン）を外部に排出するガス管に、当該ガス管の開口部からの空気の流入を防止するための水封器６１を設けることができる。さらに、前記ガス管には、バイオガスの生成量を計測するためのガスメータ６２を設けることができる。また、前記ガス管には、バイオガスに含まれている硫化水素を除去するための脱硫塔６３を設けることができる。水封器６１、ガスメータ６２および脱硫塔６３は市販されているものを用いることができる。

本実施形態に係る有機性排水処理装置１は、流量調整槽１０や脱水設備４０などを有している場合であっても、第１処理手段２０および第２処理手段３０を有しているので、従来の活性汚泥法（例えば、循環式硝化脱窒法）による設備（図６参照）と比較して設備設置面積、コストなどを低減することができる。

以上に説明した本実施形態に係る有機性排水処理装置１は、前述したように、第１処理手段２０で有機物をメタン発酵するとともに、膜ろ過を行って膜ろ過水を得ることができる。有機物はメタン発酵によって分解されメタンとＣＯ_２になるので、膜ろ過水に含まれる有機物の濃度を低くできる。なお、膜ろ過水に含まれる有機物はほぼ全てが溶解性のものである。また、膜ろ過によってろ過されるので、浮遊物質については全く含まれていない状態になる。従って、後段の第２処理手段３０では当該膜ろ過水による余剰活性汚泥の発生量を低減できる。その一方で、第１処理手段２０で処理した膜ろ過水にはＮＨ_４－Ｎが多く含まれることが多いが、第２処理手段３０でＮＨ_４－Ｎを部分亜硝酸化し、ＮＨ_４－Ｎの約半分をＮＯ_２－Ｎに変換することができる。そして、第２処理手段３０ではアナモックス細菌により、ＮＨ_４－ＮとＮＯ_２－ＮとからＮ_２を生成できる。有機性排水処理装置１は、部分亜硝酸化で使用する空気量を従来の活性汚泥法におけるＮＨ_４－Ｎの全量をＮＯ_２－Ｎに硝化する反応と比較して約半分にできる。そのため、本実施形態においては、ＮＨ_４－ＮをＮＯ_２－Ｎに硝化するのに必要な曝気動力および電気量等を約半分に低減できる。従って、有機性排水処理装置１は、エネルギー消費量を少なくできる。また、前記したように、第１処理手段２０で処理した膜ろ過水には有機物や浮遊物質が殆ど含まれていないので、第２処理手段３０で従属栄養細菌である脱窒細菌がこれらをもとに増殖し難く、余剰活性汚泥の発生量を低減できる。

［有機性排水処理方法］
次に、本実施形態に係る有機性排水処理方法について説明する。
本実施形態に係る有機性排水処理方法は、生活排水、産業排水、下水、またはこれらのうちの少なくとも１つを用いて混合した排水などの有機物および窒素成分を含む有機性排水を高度に処理する方法である。本実施形態に係る有機性排水処理方法は、前述した本実施形態に係る有機性排水処理装置１で好適に実施することができるので、有機性排水処理装置１を例にして以下の説明を行う。従って、本実施形態に係る有機性排水処理方法と本実施形態に係る有機性排水処理装置１とで共通する構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図４は、本実施形態に係る有機性排水処理方法の内容を説明するフロー図である。
図４に示すように、本実施形態に係る有機性排水処理方法は、第１処理工程Ｓ１と、第２処理工程Ｓ２とを含み、これらの工程についてはこの順で行う。

（第１処理工程Ｓ１）
第１処理工程Ｓ１は、前記した有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに膜ろ過を行って膜ろ過水を得る工程である。この第１処理工程Ｓ１は、有機性排水処理装置１における第１処理手段２０で行うことができる。従って、第１処理工程Ｓ１で処理された膜ろ過水には、有機物の濃度が低くなり、浮遊物質も含まれていない。そのため、後段の第２処理工程Ｓ２では当該膜ろ過水による余剰活性汚泥の発生量を低減できる。

第１処理工程Ｓ１は膜分離メタン発酵槽２０ａで行うのが好ましい。このようにすると、本実施形態では、従来の活性汚泥法と比較して第１処理工程Ｓ１で用いる装置をコンパクト化でき、建設費用を低コスト化できる。また、活性汚泥法のように大量の酸素（空気）で曝気する必要がないので、ランニングコストを低コスト化できる。膜分離メタン発酵槽２０ａは、懸濁性嫌気性菌（メタン生成古細菌を含む）を保持するメタン発酵槽、または嫌気性グラニュール汚泥を保持するメタン発酵槽とすることができる。

なお、この第１処理工程Ｓ１は、発生したＣＯ_２を除去する第３処理工程Ｓ３を含むのが好ましい。この第３処理工程Ｓ３は、有機性排水処理装置１における第３処理手段２５で行うことができる。従って、第３処理工程Ｓ３を行ってＣＯ_２を除去するので、第１処理工程Ｓ１（メタン発酵）におけるｐＨが６．５以下に低下することを避け、また、膜ろ過水のｐＨを下がり難くすることができる。そのため、得られる膜ろ過水のｐＨを後段の第２処理工程Ｓ２で行うアナモックス反応に好適な７～８．５の範囲に調整することが容易となる。

（第２処理工程Ｓ２）
第２処理工程Ｓ２は、膜ろ過水に含まれている窒素成分を嫌気性アンモニア酸化反応（アナモックス反応）により脱窒する工程である。この第２処理工程Ｓ２は、有機性排水処理装置１における第２処理手段３０で行うことができる。このとき、必要に応じて膜ろ過水に含まれているＮＨ_４－Ｎの一部をアンモニア酸化細菌で酸化させ、ＮＯ_２－Ｎを生成することができる。本実施形態においては、ＮＨ_４－Ｎの約半分をＮＯ_２－Ｎに変換するだけでよいので、従来の活性汚泥法におけるＮＨ_４－Ｎの全量をＮＯ_２－Ｎに硝化する反応と比較して、接触させる空気量を約半分にできる。従って、前記したように、本実施形態においては、ＮＨ_４－ＮをＮＯ_２－Ｎに硝化するのに必要な曝気動力および電気量等を約半分に低減できる。

第２処理工程Ｓ２は、一槽式アナモックス槽３１で行うのが好ましい。一槽式アナモックス槽３１を用いると二槽式アナモックス槽と比較して省スペース化や建設費用の低コスト化を図ることができる。
また、一槽式アナモックス槽３１が、内径３～３０ｍｍ、長さ３～３０ｍｍであり、両端が開口した中空筒からなる担体３２を含むことが好ましい。このようにすると、担体３２の外側にはアンモニア酸化細菌が保持されるので、一槽式アナモックス槽３１に通気した空気などに由来する溶存酸素が消費される。そのため、担体３２の内側は嫌気条件となり易い。従って、担体３２の内側３２ｂはアナモックス細菌が増殖し易く、保持も行い易いものとなる。また、担体３２の内側３２ｂはアナモックス細菌による嫌気性アンモニア酸化反応を好適に行うことができる。

さらに、担体３２を投入した一槽式アナモックス槽３１は、空気吹き込みおよび機械攪拌のうちの少なくとも一方の手段で膜ろ過水が供給された槽内液を攪拌し、槽内液の溶存酸素濃度を０．５ｍｇ／Ｌ以下に制御することが好ましい。このようにすると、担体３２の外側に保持させたアンモニア酸化細菌に対しては必要最小限度から適度な濃度でＯ_２を供給することができ、部分亜硝酸化を行わせることができる。なお、前記したように担体３２の表面に保持されたアンモニア酸化細菌によってＯ_２が消費されるので、担体３２の内側３２ｂに保持させたアナモックス細菌に対しては嫌気条件を保つことができ、アナモックス反応を行わせることができる。なお、槽内液の溶存酸素濃度は前記した効果をより確実に得るため、０．３ｍｇ／Ｌ以下に制御することがより好ましい。

以上に説明した本実施形態に係る有機性排水処理方法は、前述したように、第１処理工程Ｓ１で有機物をメタン発酵するとともに、膜ろ過を行って膜ろ過水を得ることができる。有機物はメタン発酵によって分解されメタンとＣＯ_２になるので、膜ろ過水に含まれる有機物の濃度を低くできる。なお、膜ろ過によってろ過されるので、浮遊物質については全く含まれていない状態になる。従って、後段の第２処理工程Ｓ２では当該膜ろ過水による余剰活性汚泥の発生量を低減できる。その一方で、第１処理工程Ｓ１で処理した膜ろ過水にはＮＨ_４－Ｎが多く含まれることが多いが、第２処理工程Ｓ２でＮＨ_４－Ｎを部分亜硝酸化し、ＮＨ_４－Ｎの約半分をＮＯ_２－Ｎに変換することができる。そして、第２処理工程Ｓ２ではアナモックス細菌により、ＮＨ_４－ＮとＮＯ_２－ＮとからＮ_２を生成する。本実施形態に係る有機性排水処理方法は、部分亜硝酸化で使用する空気量を従来の活性汚泥法におけるＮＨ_４－Ｎの全量をＮＯ_２－Ｎに硝化する反応と比較して約半分にできる。従って、本実施形態においては、ＮＨ_４－ＮをＮＯ_２－Ｎに硝化するのに必要な曝気動力および電気量等を約半分に低減できる。つまり、本実施形態に係る有機性排水処理方法によれば、エネルギー消費量を少なくできる。また、前記したように、第１処理工程Ｓ１で処理した膜ろ過水には有機物や浮遊物質が殆ど含まれていないので、第２処理工程Ｓ２で従属栄養細菌である脱窒細菌がこれらをもとに増殖し難く、余剰活性汚泥の発生量を少なくできる。

次に、本発明の要件を満たす実施例とそうでない比較例とを対比して、本発明の効果について具体的に説明する。

〔実施例１〕
図２に示す構成の有機性排水処理装置１を用いて下水を処理した。図２に示すように、この有機性排水処理装置１は、第１処理手段２０として膜分離メタン発酵槽を用い、第２処理手段３０として一槽式アナモックス槽３１（以下、単に「アナモックス槽３１」という）を用いた。なお、膜分離メタン発酵槽として具体的には、浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）２１（以下、単に「嫌気性ＭＢＲ２１」という）を用いた。嫌気性ＭＢＲ２１の前段には、下水を移送するためのポンプＰ１を介して流量調整槽１０が設けられている。流量調整槽１０では、沈砂池（図示せず）から過剰量の下水を汲み上げて常時オーバーフローさせることによって、常に新鮮な下水を嫌気性ＭＢＲ２１に供給できるようにした。
流量調整槽１０から嫌気性ＭＢＲ２１に供給される有機性排水の水質は下記のとおりである。ここで、ＳＳは浮遊物質の量を表し、ＣＯＤ_ｃｒは二クロム酸カリウムによる酸素要求量を表し、ＢＯＤは生物化学的酸素要求量を表し、Ｔ－Ｎは全窒素量を表し、Ｔ－Ｐは全リン量を表す。

＜下水の水質＞
・ｐＨ：７．１～７．８（平均７．４）
・ＳＳ：１５０～３１０ｍｇ／Ｌ（平均２００ｍｇ／Ｌ）
・ＣＯＤ_ｃｒ：３１０～５１０ｍｇ／Ｌ（平均４００ｍｇ／Ｌ）
・ＢＯＤ：１１０～２５０ｍｇ／Ｌ（平均１６５ｍｇ／Ｌ）
・Ｔ－Ｎ：２５～５０ｍｇ／Ｌ（平均３５ｍｇ／Ｌ）
・Ｔ－Ｐ：２．０～６．５ｍｇ／Ｌ（平均４．０ｍｇ／Ｌ）

嫌気性ＭＢＲ２１には、発生したＣＯ_２を除去するため、第３処理手段２５として所定の大きさの容器に水を入れたＣＯ_２除去装置を設けた。このＣＯ_２除去装置は、嫌気性ＭＢＲ２１の膜を洗浄する膜洗浄ブロワＢ１と接続されており、膜洗浄ブロワＢ１の送気力によって嫌気性ＭＢＲ２１と膜洗浄ブロワＢ１とＣＯ_２除去装置とを気体が循環できるようになっている。ＣＯ_２除去装置は、嫌気性ＭＢＲ２１内の下水や汚泥のｐＨが６．５以下になると作動してＣＯ_２を除去するようにした。

また、嫌気性ＭＢＲ２１とアナモックス槽３１との間に、膜ろ過水を移送させる膜ろ過ポンプＰ４を介して嫌気処理水槽２３を設けた。この嫌気処理水槽２３で膜ろ過水を一時的に貯留し、ポンプＰ５を用いてアナモックス槽３１への膜ろ過水の流入量を調節した。
なお、嫌気性ＭＢＲ２１およびアナモックス槽３１は、２５℃の温水をジャケットに通液し、２５℃でそれぞれ処理を行った。

嫌気性ＭＢＲ２１には、種汚泥として、下水汚泥を嫌気性消化している既存の嫌気性消化槽の消化汚泥をＭＬＳＳ（活性汚泥浮遊物質）濃度が５０００ｍｇ／Ｌとなるように投入した。そして、嫌気性ＭＢＲ２１に供給する下水の供給量を段階的に増加させた。
アナモックス槽３１には、事前に単一窒素原としてＮＨ_４－Ｎ濃度で２５０ｍｇＮ／Ｌ（なお、Ｎは窒素の含有量であることを示している）を含む人工排水を供給した。このようにすることで、ポリプロピレン樹脂製の担体３２（内径約５ｍｍ、長さ約５ｍｍの中空円筒）の外側の表面に好気性アンモニア酸化細菌を、内側の表面にアナモックス細菌をそれぞれ付着させ、増殖させた。

このようにして得られた担体３２をアナモックス槽３１の容積に対して容積比で１５％投入して、嫌気性ＭＢＲ２１で処理した膜ろ過水の供給量を段階的に増加させた。

嫌気性ＭＢＲ２１は有効液容量が２０Ｌであり、膜表面積が０．０７ｍ^２／枚であるＰＶＤＦ製の中空糸膜エレメント（膜モジュール２２）が２枚、槽内液に浸漬した状態で保持されている。槽内液は、膜ろ過ポンプＰ４で吸引されて中空糸膜エレメントによりろ過される。なお、中空糸膜エレメントは、下方から嫌気性ＭＢＲ２１の気体が曝気されるようになっている。これにより、汚泥が中空糸膜エレメントの膜表面に付着するのを防止した。

アナモックス槽３１は有効液容量が６．７Ｌであり、溶存酸素濃度が０．３ｐｐｍ以下になるように空気曝気を行った。

下水処理量は２０Ｌ／日からスタートし、嫌気性ＭＢＲ２１におけるＢＯＤ除去率（嫌気性ＭＢＲ２１でろ過した膜ろ過水のＢＯＤ濃度）と、アナモックス槽３１で処理した処理水のＢＯＤ濃度と、Ｔ－Ｎ濃度と、ＮＨ_４－Ｎ濃度とを測定し、確認しながら段階的に下水処理量を増加させた。

最終的な処理条件は、下水処理量８０Ｌ／日、嫌気性ＭＢＲ滞留時間６時間およびアナモックス槽滞留時間２時間（装置全体の滞留時間８時間）、処理水温２５℃となった。
その結果、嫌気性ＭＢＲ２１でろ過した膜ろ過水の水質と、アナモックス槽３１で処理した処理水の水質とは以下のようになった。なお、水質は、ＳＳ、ＢＯＤ、Ｔ－Ｎ、ＮＨ_４－Ｎを測定した。

前記した最終的な処理条件で処理した嫌気性ＭＢＲ２１内の汚泥濃度（ＭＬＳＳ）は８０００～１００００ｍｇ／Ｌであった。また、嫌気性ＭＢＲ２１から発生するバイオガス量は６．０８Ｌ／日（６．０８Ｌ／８０Ｌ－下水より、７６Ｌ／ｍ^３－下水）で、バイオガス中のＣＨ_４濃度は６０％であった。すなわち、嫌気性ＭＢＲ２１から発生するＣＨ_４ガス量は３．６５Ｌ／日（３．６５Ｌ／８０Ｌ－下水より、４５．６Ｌ／ｍ^３－下水）であった。なお、ＣＯ_２除去装置を作動させたときはバイオガス中のＣＨ_４濃度は８０％以上になった。

従来の下水処理法である循環式硝化脱窒法では、滞留時間１４～１８時間の大きな反応槽で処理することによって処理水のＢＯＤを＜１０ｍｇ／Ｌ、Ｔ－Ｎを＜１０ｍｇ／Ｌで処理していた。
これに対し、実施例１では滞留時間８時間（従来法の約半分）の大きさの反応槽で、従来法よりも優れた水質の処理水（処理水のＢＯＤが＜５ｍｇ／Ｌ、Ｔ－Ｎが＜１０ｍｇ／Ｌ）を得ることができた。

また、従来法では、発生した汚泥を回収して汚泥処理用の嫌気性消化槽を設けることによってはじめてバイオガスを得ることができたが、実施例１では汚泥処理用の嫌気性消化槽を設けなくてもバイオガスを得ることができることを確認した。

さらに、従来法では、同じ処理量の有機性排水を処理した場合に、多くの余剰活性汚泥が発生していたが（１１４００～１２０００ｍｇ／８０Ｌ－下水）、実施例１では余剰活性汚泥の発生量が少ないことが確認された（４８００ｍｇ／８０Ｌ－下水）。

嫌気性ＭＢＲ２１と一槽式アナモックス槽３１内に存在する細菌について、それぞれの槽内汚泥をサンプリングして、これらの汚泥からＤＮＡを抽出し、１６Ｓ ｒＤＮＡの解析を行って調査した。
嫌気性ＭＢＲ２１内には、メタン生成古細菌として、Methanosaeta属、Methanoregula属、Metahnobacterium属、Methanospirillum属、Methanolinea属が検出され、細菌としては、Firmicutes、Bacteroidetes、Proteobacteria、Chloroflexi、Synergistetes、Actinobacteria、Candidate division TM-7、Acidobacteria、Verrucomicrobia、Chlorobi、Planctomycetesが検出された。
一槽式アナモックス槽３１内には、アナモックス細菌として、Candidatus Kuenenia、Candidatus Brocadiaが検出され、アンモニア酸化細菌として、Nitrosomonas属、Nitrobacter属、Nitrospira属が検出された。

〔実施例２〕
食品廃棄物の懸濁液を図２に示す構成の有機性排水処理装置１で処理した。
実施例２においては、流量調整槽１０（有効液容量：１ｍ^３）、嫌気性ＭＢＲ２１（有効液容量：６ｍ^３、ＭＬＳＳ：６０００～８０００ｍｇ／Ｌ）、アナモックス槽３１（有効液容量：１ｍ^３）、沈殿池５０（有効液容量：約１００Ｌ）とした。
なお、実施例２における嫌気性ＭＢＲ２１には、槽内液を攪拌するための攪拌翼と、これを回転させるためのモータとを設けたが（いずれも図示せず）、ＣＯ_２除去装置は設けなかった。
また、流量調整槽１０から沈殿池５０までの処理工程は、液温度３０℃にほぼ保たれた。加温が必要なときは、前記した各槽内に設置した熱交換器に５０℃の温水を流した。

実施例２では、食品廃棄物をディスポーザーで破砕して得た懸濁液を流量調整槽１０に１ｍ^３／日投入した。すなわち、実施例２では、原料を貯留する槽（原料貯槽）として流量調整槽１０を用いた。流量調整槽１０内で食品廃棄物は滞留時間１日の間に酸発酵が進行した。
流量調整槽１０における食品廃棄物の懸濁液の性状は下記のとおりである。ここで、ＢＯＤ、Ｔ－Ｎ、Ｔ－Ｐは前記と同様であり、ＴＳはtotal solids（蒸発残留物）を表し、ＶＳはvolatile solids（強熱減量）を表す。なお、ＶＳは、蒸発残留物を６００±２５℃、３０～４０分間強熱灰化したとき揮散する物質をいい、主に有機物質量の目安となる。

＜食品廃棄物の懸濁液の性状＞
・ｐＨ：３．８～４．５（平均４．０）
・ＴＳ：１８０００～２２０００ｍｇ／Ｌ（平均２００００ｍｇ／Ｌ）
・ＶＳ：１６２００～１９８００ｍｇ／Ｌ（平均１８０００ｍｇ／Ｌ）
・ＢＯＤ：１１７００～１４３００ｍｇ／Ｌ（平均１３０００ｍｇ／Ｌ）
・Ｔ－Ｎ：６００～８００ｍｇ／Ｌ（平均７００ｍｇ／Ｌ）
・Ｔ－Ｐ：６９～８５ｍｇ／Ｌ（平均７７ｍｇ／Ｌ）

酸発酵が進んだ食品廃棄物スラリーは、流量調整槽１０から嫌気性ＭＢＲ２１に供給され、当該嫌気性ＭＢＲ２１で滞留時間５日間の間メタン発酵を行った。なお、嫌気性ＭＢＲ２１の槽内の汚泥濃度は１００００～１５０００ｍｇ／Ｌとなるように汚泥を引き抜いて維持した。

嫌気性ＭＢＲ２１の中には、膜面積が２．５ｍ^２である中空糸膜エレメントが浸漬されている。メタン発酵させた食品廃棄物の懸濁液を当該中空糸膜エレメントでろ過して得られた膜ろ過水をアナモックス槽３１に供給した。
嫌気性ＭＢＲ２１からは、メタン濃度約６２％、ＣＯ_２濃度約３８％のバイオガスが１２．５ｍ^３Ｎ／日発生した。
実施例２における膜ろ過水の水質は下記のとおりである。ここで、ＴＳ、ＶＳ、ＢＯＤ、Ｔ－Ｎ、ＮＨ_４－Ｎ、Ｔ－Ｐは前記と同様である。

＜膜ろ過水の水質＞
・ｐＨ：７．３～７．７（平均７．５）
・ＴＳ：５１００～６３００ｍｇ／Ｌ（平均５７００ｍｇ／Ｌ）
・ＶＳ：３２００～４０００ｍｇ／Ｌ（平均３６００ｍｇ／Ｌ）
・ＢＯＤ：５５０～７５０ｍｇ／Ｌ（平均６５０ｍｇ／Ｌ）
・Ｔ－Ｎ：６００～７００ｍｇ／Ｌ（平均６５０ｍｇ／Ｌ）
・ＮＨ_４－Ｎ：４００～５００ｍｇ／Ｌ（平均４５０ｍｇ／Ｌ）
・Ｔ－Ｐ：６０～８０ｍｇ／Ｌ（平均７０ｍｇ／Ｌ）

アナモックス槽３１には、内径約１０ｍｍ、長さ約１０ｍｍのポリプロピレン製の担体３２がアナモックス槽３１の容積に対して容積比で１５％投入した。そして、アナモックス槽３１は、ＤＯが０．３ｐｐｍ（０．３ｍｇ／Ｌ）以下となるよう曝気空気量を制御した。

アナモックス槽３１は、滞留時間１日で処理したところ、担体３２の外側の表面に茶褐色の好気性アンモニア酸化細菌などが繁殖し、担体３２の内側の表面に赤褐色のアナモックス細菌が増殖して、供給された膜ろ過水中に残存するＢＯＤ成分（各種有機物）および窒素成分を処理できた。

アナモックス槽３１には、後段の沈殿池５０の越流水を膜ろ過水の供給量と同じ供給量で返送した。
沈殿池５０としては、直径３５ｃｍ、直胴部高さ１ｍ、容量約１００Ｌの容器を使用し、沈殿池５０に流入する汚泥を沈降分離した。
沈殿池５０の越流水（実施例２に係る有機性排水処理装置１によって処理された処理水）の水質は下記のとおりである。ここで、ＳＳ、ＢＯＤ、Ｔ－Ｎ、Ｔ－Ｐは前記と同様である。

＜沈殿池５０の越流水の水質＞
・ｐＨ：７．１～７．３（平均７．２）
・ＳＳ：１０～２０ｍｇ／Ｌ（平均１５ｍｇ／Ｌ）
・ＢＯＤ：１０～２０ｍｇ／Ｌ（平均１５ｍｇ／Ｌ）
・Ｔ－Ｎ：１３０～１７０ｍｇ／Ｌ（平均１５０ｍｇ／Ｌ）
・Ｔ－Ｐ：５５～６５ｍｇ／Ｌ（平均６０ｍｇ／Ｌ）

なお、越流水（処理水）のＴ－Ｐは、必要に応じて所要量のポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）を沈殿池５０に投入することで、２０ｍｇ／Ｌ以下まで低減できることを確認した。

〔実施例３〕
図５は、実施例３に係る有機性排水処理装置１を活性汚泥法の一つである循環式硝化脱窒法に係る有機性排水（下水）処理施設に設けた様子を示す説明図である。
図６は、前述したように、循環式硝化脱窒法に係る有機性排水（下水）処理施設の概要を示す説明図であり、ここでは比較例１として参照した。

図６に示すように、比較例１は、最初沈殿池６０２で回収した生汚泥と、最終沈殿池６０５で回収した余剰活性汚泥とを濃縮設備６０６で、例えば、固形物濃度３～４％に濃縮する。そして、前述したように、濃縮した生汚泥および余剰活性汚泥を消化設備６０７に投入して中温（３５～３８℃）または高温（５２～５６℃）で嫌気性細菌によって汚泥中の有機物を分解して消化ガス（メタンガス）に転換し、汚泥を減容化している。減容化された余剰活性汚泥等はその後、脱水設備６０８で脱水される。脱水で得られた脱水ろ液には高濃度の窒素成分やＢＯＤ成分が含まれていることがあるため、再度、脱窒を行うことを目的として沈砂池６０１に返送する場合がある。この場合、脱水ろ液が供給された下水の窒素濃度が高くなるため、好気槽６０４で曝気空気量を増やす必要があり、多大な電力が必要である。

そこで、図５に示すように、脱水ろ液に含まれる窒素成分やＢＯＤ成分を除去して水処理への負荷を低減するため、脱水設備６０８から沈砂池６０１に返送する経路に嫌気性ＭＢＲ２１とアナモックス槽３１とを有する有機性排水処理装置１を設けて実施例３とし、試験を行ったものである。実施例３に係る嫌気性ＭＢＲ２１およびアナモックス槽３１は、３０℃の温水をジャケットに通液し、３０℃でそれぞれ処理を行った。なお、試験で用いた脱水ろ液の水質は下記のとおりである。ここで、ＢＯＤ、Ｔ－Ｎ、ＮＨ_４－Ｎ、Ｔ－Ｐは前記と同様である。

＜脱水ろ液の水質＞
・ｐＨ：７．５～８．５（平均８．０）
・ＢＯＤ：１００～３００ｍｇ／Ｌ（平均２００ｍｇ／Ｌ）
・Ｔ－Ｎ：７００～１０００ｍｇ／Ｌ（平均８００ｍｇ／Ｌ）
・ＮＨ_４－Ｎ：６３０～９００ｍｇ／Ｌ（平均７３０ｍｇ／Ｌ）
・Ｔ－Ｐ：５０～９０ｍｇ／Ｌ（平均７０ｍｇ／Ｌ）

実施例３に係る嫌気性ＭＢＲ２１の有効液容量は４０Ｌであり、ＭＬＳＳ：６０００～８０００ｍｇ／Ｌ、滞留時間：８時間で処理した。実施例３に係る嫌気性ＭＢＲ２１のバイオガス発生量は９Ｌ／日（メタン濃度６５％）であった。嫌気性ＭＢＲ２１には、膜面積０．０７ｍ^２、膜細孔径０．０５μｍの精密ろ過膜（ＭＦ）エレメントを６枚装着した。この嫌気性ＭＢＲ２１は、嫌気性ＭＢＲ２１のヘッドスペースのガスを循環させてＭＦエレメントの下部からバブリングし、膜のファウリングや目詰まりを防止した。嫌気性ＭＢＲ２１によって処理された膜ろ過水の水質は下記のとおりである。ここで、ＢＯＤ、Ｔ－Ｎ、ＮＨ_４－Ｎ、Ｔ－Ｐは前記と同様である。

＜膜ろ過水の水質＞
・ｐＨ：７．３～７．７（平均７．５）
・ＢＯＤ：１０～３０ｍｇ／Ｌ（平均２０ｍｇ／Ｌ）
・Ｔ－Ｎ：６５０～８５０ｍｇ／Ｌ（平均７６０ｍｇ／Ｌ）
・ＮＨ_４－Ｎ：６００～８００ｍｇ／Ｌ（平均７００ｍｇ／Ｌ）
・Ｔ－Ｐ：５０～７０ｍｇ／Ｌ（平均６０ｍｇ／Ｌ）

得られた膜ろ過水をアナモックス槽３１に供給して処理を行った。アナモックス槽３１の有効液容量は６０Ｌであり、滞留時間：１２時間で処理した。アナモックス槽３１には、内径５ｍｍ、長さ５ｍｍのポリプロピレン製の担体３２（図６において図示せず）をアナモックス槽３１の容積に対して容積比で１５％投入した。なお、この担体３２は、合成アンモニア排水（アンモニア濃度６００ｍｇ／Ｌ）でアナモックス細菌と好気性アンモニア酸化細菌を付着させて増殖させたものである。

実施例３に係る有機性排水処理装置１への脱水ろ液の供給量は、４０Ｌ／日から徐々に増加させ、最終的に１２０Ｌ／日で安定運転を行った。
なお、アナモックス槽３１は、溶存酸素濃度が０．３ｐｐｍ以下になるように曝気空気量を制御して処理を行った。
アナモックス槽３１からの流出水（処理水）は、沈殿池５０でＳＳ分を沈降分離し、得られた越流水を沈砂池６０１に供給するようにした。このようにして得られた越流水の水質は下記のとおりである。ここで、ＢＯＤ、Ｔ－Ｎ、ＮＨ_４－Ｎ、Ｔ－Ｐは前記と同様である。

＜越流水の水質＞
・ｐＨ：７．１～７．５（平均７．３）
・ＢＯＤ：５～１０ｍｇ／Ｌ（平均７ｍｇ／Ｌ）
・Ｔ－Ｎ：１５０～２５０ｍｇ／Ｌ（平均２００ｍｇ／Ｌ）
・ＮＨ_４－Ｎ：１００～２００ｍｇ／Ｌ（平均１５０ｍｇ／Ｌ）
・Ｔ－Ｐ：４０～６０ｍｇ／Ｌ（平均５０ｍｇ／Ｌ）

以上に説明したように、脱水ろ液を実施例３に係る有機性排水処理装置１で処理することで、ＢＯＤ成分および窒素成分を効率的に除去でき、水処理への負荷を大幅に低減できることが確認できた。

〔実施例４〕
次に、従来法の循環式硝化脱窒法に係る有機性排水（下水）処理施設（比較例２）におけるエネルギー消費量と、本発明に係る有機性排水処理装置１（実施例４）におけるエネルギー消費量とを比較した。なお、実施例４におけるエネルギー消費量は、比較例２に係る装置と同程度の処理量で下水を処理する場合（下記参照）を想定して試算したものである。

＜想定した処理量＞
・下水処理量：１００００ｍ^３／日
＜想定した処理性能＞
・ＢＯＤ：２００ｍｇ／Ｌ → ２０ｍｇ／Ｌ
・ＳＳ：２００ｍｇ／Ｌ → ２０ｍｇ／Ｌ
・Ｔ－Ｎ：３３ｍｇ／Ｌ → １０ｍｇ／Ｌ

比較例２に係る装置の構成は、図６に示すように、沈砂池６０１と、最初沈殿池６０２と、無酸素槽（脱窒槽）６０３と、好気槽（硝化槽）６０４と、最終沈殿池６０５とを有するとともに、濃縮設備６０６と、消化設備６０７と、脱水設備６０８とを有する。沈砂池６０１、最初沈殿池６０２、無酸素槽６０３、好気槽６０４および最終沈殿池６０５が水処理を行うものであり、濃縮設備６０６、消化設備６０７および脱水設備６０８が汚泥処理を行うものである。比較例２のエネルギー消費量を表２に示す。

実施例４に係る装置の構成は、流量調整槽１０と、嫌気性ＭＢＲ２１と、アナモックス槽３１と、沈殿池５０とを有するとともに、脱水設備４０を有する。流量調整槽１０、嫌気性ＭＢＲ２１、アナモックス槽３１および沈殿池５０が水処理を行うものであり、脱水設備４０が汚泥処理を行うものである。実施例４のエネルギー消費量を表３に示す。

表２に示すように、比較例２に係る装置は、全体で４１５０．５１ｋＷｈ／日の電力量が必要であり、単位消費電力は０．４１５ｋＷｈ／ｍ^３であった。
これに対し、表３に示すように、実施例４に係る装置は、全体で２７７３．５６ｋＷｈ／日の電力量が必要であり、単位消費電力は０．２７７ｋＷｈ／ｍ^３であった。
つまり、実施例４に係る装置のエネルギー消費量は、比較例２に係る装置のエネルギー消費量の約６７％であると算出された。従って、本発明に係る有機性排水（下水）処理装置および有機性排水（下水）処理方法は、従来法と比較してエネルギー消費量を少なくできることが確認された。

１ 有機性排水処理装置
１０ 流量調整槽
２０ 第１処理手段
２５ 第３処理手段
３０ 第２処理手段
３１ 一槽式アナモックス槽（アナモックス槽）
３２ 担体
４０ 脱水設備
Ｓ１ 第１処理工程
Ｓ２ 第２処理工程
Ｓ３ 第３処理工程

Claims (4)

1. 浮遊物質、有機物および窒素成分を含む有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに精密ろ過膜または限外ろ過膜を用いて膜ろ過を行って膜ろ過水を得る第１処理手段と、
   前記膜ろ過水に含まれている窒素成分を嫌気性アンモニア酸化反応により脱窒を行う第２処理手段と、
   を有することを特徴とする有機性排水処理装置。
2. 前記第２処理手段が一槽式アナモックス槽であり、
   前記一槽式アナモックス槽には、槽内を区切った後段に、余剰活性汚泥を沈殿させる沈殿ゾーンが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の有機性排水処理装置。
3. 浮遊物質、有機物および窒素成分を含む有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに精密ろ過膜または限外ろ過膜を用いて膜ろ過を行って膜ろ過水を得る第１処理工程と、
   前記膜ろ過水に含まれている窒素成分を嫌気性アンモニア酸化反応により脱窒を行う第２処理工程と、
   を含むことを特徴とする有機性排水処理方法。
4. 前記第２処理工程を一槽式アナモックス槽で行い、
   前記一槽式アナモックス槽には、槽内を区切った後段に、余剰活性汚泥を沈殿させる沈殿ゾーンが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の有機性排水処理方法。

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