JP2022157044A - 排水処理装置及び排水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】硝化反応の際の酸化還元電位を容易に高めることのできる排水処理装置。【解決手段】被処理水の硝化反応を行う硝化槽、及び該硝化反応が行われた該被処理水の脱窒反応を行う脱窒槽を備える排水処理装置であって、該硝化槽が、該被処理水に酸素を含むファインバブルを供給するファインバブル供給部を備え、該酸素を含む該ファインバブルの個数平均径が、１００μｍ未満であることを特徴とする排水処理装置。【選択図】図１

Description

本開示は、生活排水、産業排水、下水又はこれらの混合排水など有機排水を処理する排水処理装置及び排水処理方法に関する。

従来、生活排水など有機排水の処理には微生物を用いた生物処理が広く採用されている。
様々な生物処理の方法のうちの一つとして、硝化脱窒方法が挙げられる。硝化脱窒方法では、排水に含まれるアンモニア態窒素を酸化して硝酸態窒素にする硝化反応、及び硝酸態窒素を還元して窒素ガスＮ_２とする脱窒反応により排水から窒素を除去する。硝化反応には好気性細菌を用い、脱窒反応には嫌気性細菌を用いる。
脱窒性能の向上のため、硝化脱窒方法には様々な取り組みがなされている。例えば、特許文献１では、脱窒槽中の硝酸態窒素を含む被処理液に無酸素ガスを供給する脱窒装置が提案されている。

特開２０１８－１６７１４０号公報 特開２０１９－１０７５８２号公報

脱窒反応を良好に進めるためには、酸化還元電位（ＯＲＰ）の低い環境が必要であり、そのためには、汚泥濃度（Ｍｉｘｅｄ Ｌｉｑｕｏｒ Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｏｌｉｄｓ：ＭＬＳＳ）を高めることが有利である。しかし、硝化反応においてはＯＲＰの高い環境が必要であり、そのためにはＭＬＳＳを低く維持する、又は曝気強度を上げるなどして酸素を多く供給することが有利である。
本発明者らは、高いＭＬＳＳを維持させつつ酸素供給量を高めて硝化反応を行うことで、その後の脱窒反応を良好に進行させることを試みた。しかし、高濃度のＭＬＳＳ条件下では計算上必要な空気量の倍以上の条件で曝気を行ってもＯＲＰが十分に上がらない場合があることがわかった。
本開示は、硝化反応の際の酸化還元電位を容易に高めることのできる排水処理装置及び排水処理方法を提供する。

［１］ 被処理水の硝化反応を行う硝化槽、及び該硝化反応が行われた該被処理水の脱窒反応を行う脱窒槽を備える排水処理装置であって、
該硝化槽が、該被処理水に酸素を含むファインバブルを供給するファインバブル供給部を備え、
該酸素を含む該ファインバブルの個数平均径が、１００μｍ未満であることを特徴とする排水処理装置。
［２］ 前記ファインバブルの個数平均径が、１０００ｎｍ未満である［１］に記載の排水処理装置。
［３］ 前記排水処理装置が、前記硝化槽の上流に、前記硝化反応を行う前の前記被処理水の脱窒反応を行う前処理槽を備える［１］又は［２］に記載の排水処理装置。
［４］ 前記排水処理装置が、前記脱窒槽の下流に、前記脱窒反応が行われた処理水を処理する膜分離活性汚泥処理槽を備える［１］～［３］のいずれかに記載の排水処理装置。
［５］ 前記硝化槽が、前記硝化槽中の前記被処理水を曝気処理する曝気装置をさらに備える［１］～［４］のいずれかに記載の排水処理装置。
［６］ 前記硝化槽における前記被処理水のＭＬＳＳが、５０００ｍｇ／Ｌ～３００００ｍｇ／Ｌである［１］～［５］のいずれかに記載の排水処理装置。
［７］ 前記硝化槽における前記被処理水への前記ファインバブルの供給量が、被処理水に対し１分間あたり、０．５０体積％以上１０．００体積％以下である［１］～［６］のいずれかに記載の排水処理装置。
［８］ 被処理水の硝化反応を行う硝化工程、及び該硝化反応が行われた該被処理水の脱窒反応を行う脱窒工程を有する排水処理方法であって、
該硝化工程において、該被処理水に酸素を含むファインバブルを供給し、
該酸素を含む該ファインバブルの個数平均径が、１００μｍ未満であることを特徴とする排水処理方法。

本開示により、硝化反応の際の酸化還元電位を容易に高めることのできる排水処理装置及び排水処理方法を提供できる。

排水処理装置の構成図 排水処理装置の構成図 排水処理装置の構成図 排水処理装置の構成図 処理水の水質測定の結果

数値範囲を表す「ＸＸ以上ＹＹ以下」や「ＸＸ～ＹＹ」の記載は、特に断りのない限り、端点である下限及び上限を含む数値範囲を意味する。
数値範囲が段階的に記載されている場合、各数値範囲の上限及び下限は任意に組み合わせることができる。

以下、排水処理装置及び排水処理方法を、図面を参照して説明する。
図１は、排水処理装置の概略構成図である。
図１に示す排水処理装置１００は、被処理水の硝化反応を行う硝化槽１及び硝化反応が行われた被処理水の脱窒反応を行う脱窒槽２を備える。図中の各槽をつなぐ矢印は、水（被処理水、処理水）の流れを示している。硝化槽１には、被処理水に酸素を含むファインバブルを供給するファインバブル供給部３が備えられている。被処理水が硝化槽１に送水され、ファインバブル供給部３から、個数平均径１００μｍ未満のファインバブルが被処理水に供給される。

また、排水処理方法は、被処理水の硝化反応を行う硝化工程、及び該硝化反応が行われた該被処理水の脱窒反応を行う脱窒工程を有し、硝化工程において、被処理水に酸素を含む個数平均径１００μｍ未満のファインバブルを供給する。

上述の通り、後に続く脱窒反応を良好に進めるために、高いＭＬＳＳを維持させつつ酸素供給量を高めて硝化反応を行うことを試みたが、高ＭＬＳＳ環境では、通常の２倍量で曝気を行ってもＯＲＰを十分に向上させることはできなかった。
そこで、本発明者らは、個数平均径１００μｍ未満のファインバブルを被処理水に供給したところ、高いＭＬＳＳを維持させつつＯＲＰを十分に向上させることができることを見出した。

個数平均径１００μｍ未満のファインバブルは、酸素溶解効率が極めて高いため、高いＭＬＳＳを維持させつつＯＲＰを向上させられると、本発明者らは考えている。
ファインバブルの個数平均径は、１０００ｎｍ未満であることが好ましく、８００ｎｍ以下であることがより好ましく、５００ｎｍ以下であることがさらに好ましく、３００ｎｍ以下であることがさらにより好ましい。下限は特に制限されないが、好ましくは１０ｎｍ以上であり、より好ましくは３０ｎｍ以上であり、さらに好ましくは８０ｎｍ以上であさらにより好ましくは１００ｎｍ以上である。
ファインバブルの個数平均径の測定は、Ｍａｌｖｅｒｎ Ｐａｎａｌｙｔｉｃａｌ社製の「ＮａｎｏＳｉｇｈｔ」を用いた粒子解析により行う。

具体的な測定手順は以下の通り。
測定装置はＮａｎｏＳｉｇｈｔ ＬＭ１０Ｖ－ＨＳ（Ｍａｌｖｅｒｎ社製）を使用し、ＣＭＯＳカメラにて撮影した画像により解析を行う。照射光は紫色レーザー（４０５ｎｍ，＜６０ｍＷ）とし、解析ソフトはＮＴＡ３．２を使用する。まず、シリンジを用いてサンプルをモジュルセルに注入する。レーザー照射し、散乱光を観察し画像化する。得られた画像に対しＮＴＡ解析を行い、粒度分布図を作成し、個数平均径を算出する。
なお、標準粒子は、ポリスチレンラテックス粒子 １００ｎｍ （Ｔｈｅｒｍｏｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社）を使用し。測定はｎ＝５で実施する。

ファインバブルは酸素を含んでいればよく、その組成は制限されない。好ましくは、空気、酸素及びこれらの混合ガスが挙げられる。
ファインバブル供給部３は、酸素を含む個数平均径１００μｍ未満のファインバブルを形成可能であれば特に制限されず、公知のファインバブル発生装置を用いることができる。例えば、旋回流式、エジェクター式、細孔式、回転式、超音波式などのファインバブル発生装置が挙げられる。
旋回流式のファインバブル発生装置では、水と気体を貯留室へ注入し混合することで、水及び気体が貯留室内で渦流し、キャビテーション効果によりファインバブルが生成される。旋回流式の微細気泡発生装置として、例えば、特許文献２に記載の装置が挙げられる。

硝化槽３における被処理水へのファインバブルの供給量は、被処理水に対し１分間あたり、好ましくは０．５０体積％以上であり、より好ましくは１．００体積％以上である。上限は特に制限されないが、被処理水に対し１分間あたり、好ましくは１０．００体積％以下であり、より好ましくは７．５０体積％以下であり、さらに好ましくは２．００体積％以下である。ファインバブルの供給量は、被処理水のＭＬＳＳ及びＯＲＰに応じて適宜制御することが好ましい。
被処理水の硝化反応の時間は、特に制限されず、アンモニア濃度が下げ止まったことを目安として終了させればよい。

硝化槽１は、散気管１１などから空気、酸素ガスなど酸素を含む気体を硝化槽１内に供給する曝気装置４を備えていてもよい。曝気装置４としては、ブロワーを用いたものなど公知のものを採用しうる。
曝気装置４により硝化槽１に供給する気体の個数平均径は、特に制限されず、好ましくは１００μｍ以上であり、より好ましくは１０００μｍ以上である。上限は特に制限されないが、好ましくは１０ｃｍ以下であり、より好ましくは５ｃｍ以下である。
曝気装置４による、気体の供給量は、特に制限されず、公知の曝気装置による通常の供給量であればよい。気体の供給量は、一概には定められないが、槽内の攪拌状態、窒素汚濁負荷やＭＬＳＳ濃度、滞留時間、水深及び散気管の態様（酸素溶解効率）を考慮し、適宜設定しうる。
また、硝化槽１は、必要に応じて、撹拌装置（不図示）などを備えていてもよい。

硝化槽１における被処理水の汚泥濃度ＭＬＳＳは、好ましくは５０００ｍｇ／Ｌ～３００００ｍｇ／Ｌであり、より好ましくは１５０００ｍｇ／Ｌ～２５０００ｍｇ／Ｌであり、さらに好ましくは１８０００ｍｇ／Ｌ～２２０００ｍｇ／Ｌである。
硝化槽１における被処理水の酸化還元電位（ＯＲＰ）は、好ましくは－５０ｍＶ～１００ｍＶであり、より好ましくは－１０ｍＶ～６０ｍＶであり、さらに好ましくは０ｍＶ～５０ｍＶである。
本開示の排水処理装置では、ファインバブルの供給によりＭＬＳＳ及びＯＲＰを上記範囲に制御しやすい。

硝化槽１において硝化反応が行われた後、被処理水はポンプなどの送水手段（不図示）により脱窒槽２に送水される。脱窒槽２では、被処理水を嫌気性細菌の存在下で脱窒する。脱窒槽２の構成は特に制限されず、公知のものを採用しうる。脱窒槽２は撹拌装置などを備えていてもよい。被処理水の脱窒反応の時間は、特に制限されず、全窒素量などを目安として終了させればよい。
脱窒反応の終了後、処理水は排出され、必要に応じてさらなる処理を行うこともできる。

上記排水処理装置又は排水処理方法では、硝化反応において、高いＭＬＳＳを維持させつつＯＲＰを十分に向上させるため、高いＯＲＰが脱窒反応に不利に働くことも想定された。しかしながら、意外にも、被処理水が脱窒槽２に送水され、ファインバブルの供給が停止された途端に急激にＯＲＰが低下し、脱窒が開始されることがわかった。これは、硝化反応において汚泥濃度ＭＬＳＳを高く維持できたことから、脱窒反応に有利な条件が形成されたためと考えられる。
また、ファインバブルは、その径の小ささにより水中での上昇速度が遅く被処理水中に残りやすい。そのため硝化反応においてファインバブルを用いることで、被処理水中に残ったファインバブルが脱窒の開始を遅らせることも懸念されたが、上記と同様、高いＭＬＳＳのために、脱窒はスムーズに開始されることがわかった。
加えて、ファインバブルによって汚泥解体が進むため、余剰汚泥の減容が可能となる。そのため、排水処理装置の系からの余剰汚泥の引き抜きの頻度を減らすことが可能となる。
さらに、脱窒のための水素供与体（メタノール等）の添加や、第二脱窒も不要とできることがわかった。これは、ファインバブルによってＭＬＳＳを高くできたために脱窒が安定して進み、嫌気性細菌による水素供与が活発に行われたためと考えている。

図２は、本開示の他の態様の排水処理装置の概略構成図である。
図２において、排水処理装置１００、硝化槽１、脱窒槽２、ファインバブル供給部３、曝気装置４、散気管１１は、図１と同様である。
図２のように、排水処理装置１００は、脱窒槽２の下流に、脱窒反応が行われた処理水を処理する膜分離活性汚泥処理槽６を備えることが好ましい。膜分離活性汚泥処理槽６の構成は特に制限されず、公知のものを採用しうる。膜分離活性汚泥処理槽６は、散気管１１などから空気、酸素ガスなど酸素を含む気体を槽内に供給する曝気装置４を備えていてもよい。

通常、膜分離活性汚泥処理槽において、高いＭＬＳＳの排水は、吸引圧低下を招き、薬品洗浄（次亜塩素酸洗浄、アルカリ洗浄）の頻度を高めるため、膜分離活性汚泥処理には不利に働く。しかし、驚くべきことに、特定のファインバブルを用いた上記排水処理装置においては、高いＭＬＳＳを有する排水であっても膜の吸引圧が低下しにくく、長期間安定した運転が可能になることがわかった。被処理水にファインバブルを注入することで、汚泥の性状が改質されたと考えられる。
したがって、排水処理装置１００が、脱窒槽２の下流に膜分離活性汚泥処理槽６を備えることで、効率的な有機物除去が可能となり、生物化学的酸素消費量ＢＯＤ、化学的酸素要求量ＣＯＤ、全窒素量Ｔ－Ｎ及び全リン量Ｔ－Ｐが少なく、浮遊物質量ＳＳのない処理水を得ることができる。

図２のように、排水処理装置は、硝化槽１の上流に、硝化反応を行う前の被処理水の脱窒反応を行う前処理槽５を備えることが好ましい。前処理槽５は、脱窒槽２と同様に、公知の脱窒槽の構成を採用しうる。前処理槽５により、あらかじめ被処理水に含有されている硝酸態窒素を脱窒させることができる。また、系内の汚泥の保有量を増やすことができる。
また、膜分離活性汚泥処理槽６において蓄積した汚泥を前処理槽５に返送する汚泥返送ラインＣを設けてもよい。これにより、膜分離活性汚泥処理槽６で発生した硝酸態窒素を脱窒させることができる。前処理槽５を設けない場合は、汚泥返送ラインＣにより脱窒槽２に汚泥を返送してもよい。

図３は、本開示の他の態様の排水処理装置の概略構成図である。
図３において、排水処理装置１００、硝化槽１、脱窒槽２、ファインバブル供給部３、曝気装置４、散気管１１は、図１と同様である。
図３では、点線矢印のように、硝化反応を行う硝化槽１及び脱窒反応を行う脱窒槽２を被処理水が循環可能な構成となっている。このように、排水処理装置は、少なくとも一部の被処理水を硝化槽及び脱窒槽の間で循環させていてもよい。

被処理水は特に制限されず、一般的な有機排水（例えば、生活排水、産業排水、下水又はこれらの混合排水）を適用しうる。例えば、食品加工排水や、畜産加工排水などが挙げられる。
被処理水である原水（排水）のＢＯＤは、好ましくは５０ｍｇ／Ｌ～１００００ｍｇ／Ｌであり、より好ましくは１５０ｍｇ／Ｌ～８０００ｍｇ／Ｌである。
被処理水である原水（排水）のＣＯＤは、好ましくは５０ｍｇ／Ｌ～６０００ｍｇ／Ｌであり、より好ましくは１５０ｍｇ／Ｌ～３０００ｍｇ／Ｌである。
被処理水である原水（排水）のＳＳは、好ましくは５０ｍｇ／Ｌ～１００００ｍｇ／Ｌであり、より好ましくは１５０ｍｇ／Ｌ～６０００ｍｇ／Ｌである。
被処理水である原水（排水）のＴ－Ｎは、好ましくは２０ｍｇ／Ｌ～１０００ｍｇ／Ｌであり、より好ましくは１００ｍｇ／Ｌ～６００ｍｇ／Ｌである。
被処理水である原水（排水）のＴ－Ｐは、好ましくは５ｍｇ／Ｌ～１００ｍｇ／Ｌであり、より好ましくは１０ｍｇ／Ｌ～６０ｍｇ／Ｌである。

以下、実施例により具体的に記載するが、本発明は以下の態様に限定されない。

まず、排水処理装置として、図４に示す排水処理装置２００を用いて排水処理を行った。排水（原水）は、畜産加工の排水である。図４の排水処理装置２００は、図２に示す排水処理装置１００においてファインバブル供給部３を設けないものであり、その他の構成は図２と同様である。
図４の装置にて、前処理槽５による脱窒反応、硝化槽１による硝化反応、脱窒槽２による脱窒反応及び膜分離活性汚泥処理槽６による膜分離活性汚泥処理を連続して実施した。硝化槽１における曝気条件は、３００Ｌ／分とした。曝気装置による気泡の個数平均径は、１ｃｍ程度である。

硝化槽１におけるＭＬＳＳ濃度、硝化槽１におけるＯＲＰ及び膜分離活性汚泥処理槽６におけるろ過圧の変化を図５に示す（点線部分：ファインバブル発生装置設置前）。
１２日目辺りからＭＬＳＳの上昇に伴いＯＲＰが低下してしまったため、硝化槽１における曝気量を６００Ｌ／分とした。しかし、その後もＯＲＰを十分に上げることはできず、２０日前後から、汚泥による膜の閉塞が原因と思われるろ過圧の低下が進み、硝化反応を進められなくなってしまった。

そこで、曝気装置による硝化槽１における曝気条件を、３００Ｌ／分に戻し、さらに、ファインバブル供給部３としてファインバブル発生装置（ＯＪＩ－ＭＩＸＥＲ（王子エンジニアリング社製））を硝化槽１に設け、排水処理装置を図２の構成として、硝化・脱窒反応を再開した。結果を図５に示す（破線部分：設置後）。
なお、ファインバブルは気体として空気を用い、ファインバブルの個数平均径は５回測定して１１９ｎｍ～２８７ｎｍの範囲であり、ファインバブルの供給量は被処理水に対し、１分間あたり１．２５体積％（１．５Ｌ／分）であった。
ファインバブル発生装置の設置後は、ＭＬＳＳ２００００ｍｇ／Ｌ前後と高い状態でも、ＯＲＰを０ｍＶ～５０ｍＶという高い状態で硝化反応を進めることができ、膜の閉塞によるろ過圧の低下も見られず、安定した運転が可能となった。原水及び運転中の処理水の水質測定の結果を表１に示す。

表中、ＢＯＤは生物化学的酸素消費量、ＣＯＤは化学的酸素要求量、ＳＳは浮遊物質量、Ｔ－Ｎは全窒素量、Ｔ－Ｐは全リン量、ＯＲＰは酸化還元電位を示す。設置前１及び２は、ファインバブル発生装置を設置する前の運転において、膜分離活性汚泥処理後の処理水を測定した。設置後は、ファインバブル発生装置を設置した後の運転において、膜分離活性汚泥処理後の処理水を測定した。

１００、２００：排水処理装置、１：硝化槽、２：脱窒槽、３：酸素ガス供給部、４：曝気装置、５：前処理槽、６：膜分離活性汚泥処理槽、１１：散気管

Claims (8)

1. 被処理水の硝化反応を行う硝化槽、及び該硝化反応が行われた該被処理水の脱窒反応を行う脱窒槽を備える排水処理装置であって、
   該硝化槽が、該被処理水に酸素を含むファインバブルを供給するファインバブル供給部を備え、
   該酸素を含む該ファインバブルの個数平均径が、１００μｍ未満であることを特徴とする排水処理装置。
2. 前記ファインバブルの個数平均径が、１０００ｎｍ未満である請求項１に記載の排水処理装置。
3. 前記排水処理装置が、前記硝化槽の上流に、前記硝化反応を行う前の前記被処理水の脱窒反応を行う前処理槽を備える請求項１又は２に記載の排水処理装置。
4. 前記排水処理装置が、前記脱窒槽の下流に、前記脱窒反応が行われた処理水を処理する膜分離活性汚泥処理槽を備える請求項１～３のいずれか一項に記載の排水処理装置。
5. 前記硝化槽が、前記硝化槽中の前記被処理水を曝気処理する曝気装置をさらに備える請求項１～４のいずれか一項に記載の排水処理装置。
6. 前記硝化槽における前記被処理水のＭＬＳＳが、５０００ｍｇ／Ｌ～３００００ｍｇ／Ｌである請求項１～５のいずれか一項に記載の排水処理装置。
7. 前記硝化槽における前記被処理水への前記ファインバブルの供給量が、被処理水に対し１分間あたり、０．５０体積％以上１０．００体積％以下である請求項１～６のいずれか一項に記載の排水処理装置。
8. 被処理水の硝化反応を行う硝化工程、及び該硝化反応が行われた該被処理水の脱窒反応を行う脱窒工程を有する排水処理方法であって、
   該硝化工程において、該被処理水に酸素を含むファインバブルを供給し、
   該酸素を含む該ファインバブルの個数平均径が、１００μｍ未満であることを特徴とする排水処理方法。

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