JP3656426B2 - アンモニア性窒素の生物学的処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア性窒素の生物学的処理方法に係り、特に、高濃度のアンモニア性窒素を生物学的に除去する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
下水、し尿、産業廃水等の廃水中に含まれるアンモニア性窒素は、放流先の湖沼や内湾等の閉鎖性水域における溶存酸素の低下や富栄養化現象の原因とされている。
従来、これらの廃水中から窒素成分を除去する窒素除去技術としては、微生物を利用した生物学的な硝化・脱窒処理が行われている。生物学的な硝化・脱窒処理は、独立栄養菌である硝化細菌のアンモニア酸化力と亜硝酸酸化力を利用して、廃水中のアンモニア性窒素を好気性状態で亜硝酸性窒素を経て硝酸性窒素まで酸化する。その後、従属栄養細菌である脱窒細菌の働きで廃水中の有機物を電子供与体として硝酸性窒素を嫌気状態で窒素ガスに還元することにより、廃水中のアンモニア性窒素を除去するものである。
【０００３】
従って、硝化反応は、次式のようにアンモニアから亜硝酸性窒素に酸化する反応と、亜硝酸性窒素から硝酸性窒素に酸化する反応の２段階の反応を行う。
ＮＨ4-Ｎ →ＮＯ2-Ｎ →ＮＯ3-Ｎ
また、硝化反応の後段の脱窒処理における脱窒細菌は、亜硝酸性窒素から窒素ガスに還元することができる。
【０００４】
ところで、硝化反応を、アンモニア性窒素を硝酸に酸化する中間生成物である亜硝酸の段階で硝化反応を停止する亜硝酸型の硝化反応を行うことができるなら、硝化反応時にエアを曝気する曝気量を低減でき、ブロアーの運転動力費を大幅に削減することができる。また、脱窒処理における栄養源であるメタノール等の有機物の添加量も低減することができる。更には、硝酸性窒素まで反応させる必要がないので、硝化反応の所要時間を短縮することができる。
【０００５】
このような背景から、従来より、硝化槽内の液の溶存酸素を変化させたり、ｐＨを制御したり、あるいは有機のアンモニアや亜硝酸を利用して微生物阻害する方法等を行ったりして、亜硝酸型の硝化反応を行う試みがなされてきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来のいずれの試みも、アンモニア性窒素を硝酸に酸化する中間生成物である亜硝酸の段階で硝化反応を停止する亜硝酸型の硝化反応を行うことができなかった。
本発明は、このような事情に鑑みて成されたもので、安定的且つ効率的に亜硝酸型の硝化反応を行うことができるアンモニア性窒素の生物学的処理方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、アンモニア性窒素を含有する廃水を生物反応装置で生物学的に処理するアンモニア性窒素の生物学的処理方法において、前記生物反応装置として、硝化槽と脱窒槽とが交互に複数直列に配設した最終段に好気槽を設けると共に、該好気槽に排出ラインとは別に液を抜き取る抜き取り手段を設けた装置を用い、前記生物反応装置の１段目の硝化槽に供給される廃水量と、前記抜き取り手段で前記好気槽から抜き取る抜き取り量を調整して前記生物反応装置全体の負荷を調整することにより前記１段目の硝化槽当たりのアンモニア性窒素負荷量を１．５〜２．５ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日に維持し、且つ前記１段目の硝化槽内のアンモニア性窒素濃度を２５０〜５５０ｍｇ／Ｌに維持することにより、亜硝酸型の硝化反応を行うことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、硝化槽当たりのアンモニア性窒素負荷量を１．５〜２．５ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日に維持し、且つ硝化槽内のアンモニア性窒素濃度を２５０〜５５０ｍｇ／Ｌに維持するようにしたので、亜硝酸型の硝化反応を安定的且つ効率的に行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面により本発明のアンモニア性窒素の生物学的処理方法の好ましい実施の形態を詳説する。
本発明のアンモニア性窒素の生物学的処理方法の理論的根拠を説明する。
発明者等は、アンモニア性窒素を硝酸性窒素に酸化する中間生成物である亜硝酸性窒素の段階で硝化反応を停止させる亜硝酸型の硝化反応を安定的且つ効率的に行うための管理指標を検討した。
【００１０】
（１）先ず、亜硝酸型の硝化反応と硝化槽当たりのアンモニア性窒素の負荷量との関係について説明する。
図１は、硝化槽当たりのアンモニア性窒素負荷量（以下「負荷量」という）と亜硝酸型の硝化反応との関係を示したものである。即ち、充填率２０％の微生物固定化担体（以下「担体」という）を収納する硝化槽内にアンモニア性窒素（ＮＨ4-Ｎ）のみを１０００（ｍｇ／Ｌ）の濃度で含有する合成廃水を供給し、負荷量を０．８〜３．０（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）まで増加していきながら硝化反応を行った。そして、この時の硝化槽内の硝化液中のアンモニア性窒素濃度（ＮＨ4-Ｎ）、亜硝酸性窒素濃度（ＮＯ2-Ｎ）及び硝酸性窒素濃度（ＮＯ3-Ｎ）の増減の推移を調べた。
【００１１】
図２は、図１のデータを基に、負荷量を増加していった時の硝酸性窒素と亜硝酸性窒素の合計に対する亜硝酸性窒素の比率（以下「亜硝酸比率」という）を示したものである。図２において比率が１とは完全な亜硝酸型の硝化反応が行われていることを意味し、比率０とは完全な硝酸型の硝化反応が行われていることを意味する。
【００１２】
図１及び図２から分かるように、負荷量が０．８（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の時には、硝化槽内の硝化液中には、硝酸性窒素のみが認められた。このことは、負荷量が、０．８（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の時には、アンモニア性窒素が硝化反応により全て硝酸性窒素まで酸化される硝酸型の硝化反応が完全に支配することを意味する。
【００１３】
負荷量を１．０（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）まで増加すると、硝化液中に亜硝酸性窒素が認められ始める一方、硝酸性窒素濃度が低下してくる。そして、負荷量が１．１（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の時に亜硝酸比率が略０．５となり硝酸型の硝化反応と亜硝酸型の硝化反応が略平衡状態になった。更に、負荷量を１．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）まで増加すると、亜硝酸比率が０．８となり硝酸型の硝化反応から亜硝酸型の硝化反応が支配的になった。
【００１４】
負荷量が２．０（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）付近において、亜硝酸比率が０．９以上と最大になり、引き続き負荷量を増加すると亜硝酸比率は低下し始め、負荷量２．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）において亜硝酸比率が０．８となった。そして、負荷量３．０（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の時に亜硝酸比率が０．４程度まで低下し、再び硝酸型の硝化反応が支配するようになった。
【００１５】
尚、上記の場合には、負荷量を０．８（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）から３．０（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）に増加させる場合で説明したが、逆に３．０（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）から０．８（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）に減少させた場合も同様の結果を得た。
上記した亜硝酸型の硝化反応と硝化槽当たりのアンモニア性窒素の負荷量との関係から、負荷量を１．５〜２．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の範囲に維持することにより亜硝酸比率を０．８以上にすることができるので、亜硝酸型の硝化反応を支配的に行うことができる。
【００１６】
しかし、図１から、負荷量と硝化液中に残存するアンモニア性窒素濃度との関係について見ると、負荷量を増加していった時に、負荷量が１．０（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）でアンモニア性窒素が残存し始め、その後、負荷量が大きくなるにつれて残存濃度が高くなった。そして、負荷量が１．５〜２．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の範囲におけるアンモニア性窒素の残存濃度は２００〜４５０（ｍｇ／Ｌ）の範囲であった。このように、アンモニア性窒素濃度１０００（ｍｇ／Ｌ）の合成廃水を硝化処理した場合、負荷量を１．５〜２．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の範囲に維持することにより亜硝酸型の硝化反応を支配的に行うことができるものの、硝化液中には硝化反応が進行しないアンモニア性窒素が多く残存することになる。
【００１７】
このことは、単に、負荷量を制御するだけでは問題があることを意味する。
（２）そこで、本発明者等は、負荷量を１．５〜２．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の範囲に維持した状態で、合成廃水のアンモニア性窒素濃度（以下「廃水ＮＨ4-Ｎ濃度」という）と硝化液中に残存するアンモニア性窒素の濃度（以下「硝化液ＮＨ4-Ｎ濃度」という）の関係について検討した。
【００１８】
図３は、廃水ＮＨ4-Ｎ濃度を１０００（ｍｇ／Ｌ）から１００（ｍｇ／Ｌ）まで減少していった場合において、廃水ＮＨ4-Ｎ濃度に対する硝化液ＮＨ4-Ｎ濃度の比率である残存ＮＨ4-Ｎ比率を調べたものである。
図３から分かるように、廃水ＮＨ4-Ｎ濃度を１０００（ｍｇ／Ｌ）から１００（ｍｇ／Ｌ）まで減少させていくに従って残存ＮＨ4-Ｎ比率が小さくなり、廃水ＮＨ4-Ｎ濃度が５５０〜２５０（ｍｇ／Ｌ）の範囲において、残存ＮＨ4-Ｎ比率が０．１以下の最小領域となった。そして、廃水ＮＨ4-Ｎ濃度が２５０（ｍｇ／Ｌ）を下回ると残存ＮＨ4-Ｎ比率が再び増加した。
【００１９】
以上、（１）と（２）の結果から、発明者等は、負荷量を１．５〜２．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の範囲に維持し、且つ廃水のアンモニア性窒素濃度を２５０〜５５０（ｍｇ／Ｌ）の範囲に維持することにより、亜硝酸型の硝化反応を安定的且つ効率的に行うことができるという知見を得た。
ところで、硝化反応を行う硝化細菌を大別すると、高濃度のアンモニア性窒素雰囲気の条件下で高活性を発揮するＡＨ菌と、低濃度のアンモニア性窒素雰囲気の条件下で高活性を発揮するＡＬ菌とがある。そして、ＡＨ菌はアンモニア性窒素濃度が４００（ｍｇ／Ｌ）以上の領域で優先繁殖し、菌数の顕著な増殖が見られ、硝化速度も顕著に高くなる。これに対し、ＡＬ菌はアンモニア性窒素濃度が２００（ｍｇ／Ｌ）以下の領域で優先繁殖し、菌数の顕著な増殖が見られ、硝化速度は１００（ｍｇ／Ｌ）にピークがある放物線を示す。また、アンモニア性窒素濃度が１５０〜４００（ｍｇ／Ｌ）の領域ではＡＨ菌とＡＬ菌とが混相繁殖し、硝化速度は２種類の菌の混在による相乗効果を生じる。
【００２０】
従って、前記アンモニア性窒素濃度２５０〜５５０（ｍｇ／Ｌ）の範囲のうち、４００〜５５０（ｍｇ／Ｌ）の範囲に維持する場合には、予めＡＨ菌を優先繁殖させた微生物固定化担体を使用することが好ましい。
ここで、ＡＨ菌とは、濃度５０００（ｍｇ／Ｌ）の硫酸アンモニア溶液中で８週間培養して検出される硝化細菌を言い、ＡＬ菌とは、濃度１００（ｍｇ／Ｌ）の硫酸アンモニア溶液中で８週間培養して検出される硝化細菌を言う。
【００２１】
本発明は、上記の知見を基に、アンモニア性窒素を含有する廃水と微生物固定化担体とを硝化槽内で好気性条件下で接触させることによりアンモニア性窒素を硝化処理するアンモニア性窒素の生物学的処理方法において、硝化槽当たりのアンモニア性窒素負荷量を１．５〜２．５ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日に維持し、且つ硝化槽内のアンモニア性窒素濃度を２５０〜５５０ｍｇ／Ｌに維持するように構成したものである。
【００２２】
図４は、本発明のアンモニア性窒素の生物学的処理方法を適用した装置１０の１例を示したものである。
図４に示すように、原水タンク１２と生物反応装置１４を繋ぐ原水配管１６の途中に水道配管１８が接続され、原水配管１６と水道配管１８にはそれれぞれ流量調整ポンプ２０、２２が配設される。これにより、原水タンク１２から生物反応装置１４に供給される廃水を水道水で希釈することができる。
【００２３】
生物反応装置１４は、硝化槽と脱窒槽とが交互に複数直列に配設され、最終段に好気槽を配設して構成され、図４には、１段目硝化槽２４と２段目硝化槽２６の２槽から成る硝化槽と、１段目脱窒槽２８と２段目脱窒槽３０の２槽から成る脱窒槽と１槽の好気槽３２で構成した例を示した。各硝化槽２４、２６には、浮遊汚泥の他に硝化細菌を包括固定化した多数の担体３４、３４…が収納される。また、各硝化槽２４、２６の底部及び好気槽３２の底部には、それぞれ散気板３６、３６…が配設され、エア配管３８を介して圧縮空気が供給される。これにより、各硝化槽２４、２６及び好気槽３２には散気板３６からエアが曝気されて好気性条件が形成される。硝化槽２４、２６から脱窒槽２８、３０に排出される硝化液の排出口には担体流出防止用のスクリーン４０、４０がそれぞれ配設される。また、各硝化槽２４、２６の近傍には、カセイソーダ等のアルカリ液を貯留するアルカリタンク４２が設けられ、アルカリタンク４２と各硝化槽２４、２６とは、配管４４及び流量調整ポンプ４６を介して接続される。これにより、硝化槽２４、２６に供給される液のｐＨが調整される。
【００２４】
各脱窒槽２８、３０には浮遊汚泥が浮遊されると共に、脱窒槽２８、３０の底部には攪拌器４８、４８が設けられる。これにより、攪拌器４８で脱窒槽２８、３０内の液をゆっくりと攪拌することにより、脱窒槽２８、３０に嫌気性条件を形成する。この嫌気性条件下で硝化液が浮遊汚泥に含まれる脱窒細菌により脱窒処理されて窒素ガスになる。また、各脱窒槽２８、３０の近傍には、脱窒細菌の栄養源であるメタノール等の有機物を貯留する有機物タンク５０と、硫酸等の酸液を貯留する酸液タンク５２が設けられ、有機物タンク５０及び酸液タンク５２と、脱窒槽２８、３０とはそれぞれ配管５４、５６と流量調整ポンプ５８、６０を介して接続される。そして、硝化槽２４、２６から脱窒槽２８、３０に送られる硝化液中の有機物が不足する場合には、有機物タンク５０から脱窒槽に有機物が補充されると共に、酸液タンク５２からの酸液により脱窒槽２８、３０内のｐＨが調整される。
【００２５】
また、好気槽３２では、２段目脱窒槽３０で処理された液が好気性条件下で浮遊汚泥と接触することにより、残存した微量のアンモニア性窒素及び残存有機物が分解される。更に、好気槽３２には、抜取り配管６４と抜取りポンプ６６が設けられ、好気槽３２の液を適宜抜き取って生物反応装置１４全体の負荷が調整することにより、生物反応装置１４への廃水供給量と相まって１段目硝化槽当たりの負荷量を制御する。
【００２６】
生物反応装置１４の後段には、浮遊汚泥を沈殿する沈殿槽６２が設けられ、沈殿槽６２で沈降した汚泥は返送配管６８及び返送汚泥ポンプ７０により１段目脱窒槽２８に返送される。
次に、上記の如く構成された生物学的処理装置の作用について説明する。
原水タンク１２の廃水が例えば１０００（ｍｇ／Ｌ）程度の高濃度のアンモニア性窒素濃度の場合には、原水配管１６の途中で水道水により２５０〜５５０（ｍｇ／Ｌ）の範囲のアンモニア性窒素濃度になるように希釈される。更に、流量調整ポンプ２０、２２により１段目硝化槽２４に供給される廃水量が調整されると共に、抜取りポンプ６６により好気槽３２の液が抜き取られる。これにより、１段目硝化槽２４当たりのアンモニア性窒素負荷量が１．５〜２．５ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日に維持される。
【００２７】
このように、１段目硝化槽２４当たりのアンモニア性窒素負荷量を１．５〜２．５ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日に維持し、且つ１段目硝化槽２４内のアンモニア性窒素濃度を２５０〜５５０ｍｇ／Ｌに維持するようにしたので、アンモニア性窒素を硝酸性窒素に酸化する中間生成物である亜硝酸性窒素の段階で硝化反応を停止させる亜硝酸型の硝化反応を支配的に行うことができる。従って、硝化反応の所要時間を短縮することができると共に、好気性条件を形成するためのエアの曝気量も削減することができる。
【００２８】
次に、１段目硝化槽２４から１段目脱窒槽２８に硝化液が送られて、脱窒処理が行われる。この脱窒処理において、硝化液中の大部分が亜硝酸性窒素であることから、脱窒細菌の栄養源である有機物の使用量を削減することができる。
この有機物の削減量をメタノールを用いた例で説明する。▲１▼及び▲２▼は硝酸型と亜硝酸型の脱窒反応式を示したものであり、表１は脱窒量に対するメタノール必要量の比（メタノール／Ｎ比）の理論値を示したものである。
〔硝酸型〕 2NO3-N ＋5/3 CH3OH →N2＋2OH - ＋5/3 CO2 ＋7/3 H2O …▲１▼
〔亜硝酸型〕 2NO2-N ＋ CH3OH →N2＋2OH - ＋ CO2 ＋ H2O …▲２▼
【００２９】
【表１】
表１から分かるように、亜硝酸型の硝化反応は、硝酸型の硝化反応に比べてメタノール使用量を３０％削減することができる。
【００３０】
次に、１段目脱窒槽２８の液が２段目硝化槽２６に送られる。２段目硝化槽２６では、１段目硝化槽２４で残存した低濃度のアンモニア性窒素が硝化型の硝化反応により硝化処理される。２段目硝化槽２６で硝化処理された硝化液は２段目脱窒槽３０に送られて脱窒処理された後、好気槽３２において最終的な硝化処理が行われ、残存有機物が分解される。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアンモニア性窒素の生物学的処理方法によれば、亜硝酸型の硝化反応を安定的且つ効率的に行うことができる。
従って、硝化反応時に曝気する曝気量を低減でき、ブロアーの運転動力費を大幅に削減することができる。また、脱窒処理における栄養源であるメタノール等の有機物の添加量も低減することができる。更には、硝酸性窒素まで反応させる必要がないので、硝化反応を所要時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】硝化槽当たりのアンモニア性窒素負荷量と亜硝酸型の硝化反応との関係を示したグラフ
【図２】図１のデータを基に、負荷量を増加していった時の硝酸性窒素と亜硝酸性窒素の合計に対する亜硝酸性窒素の比率（以下「亜硝酸比率」という）を示したグラフ
【図３】１．５〜２．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の範囲に維持した状態で、合成廃水のアンモニア性窒素濃度と硝化液中に残存するアンモニア性窒素の濃度の関係を示したグラフ
【図４】本発明のアンモニア性窒素の生物学的処理方法を適用した装置の構成例を示した構成図
【符号の説明】
１０…生物学的処理装置
１２…原水タンク
１４…生物反応装置
１６…原水配管
１８…水道配管
２４…１段目硝化槽
２６…２段目硝化槽
２８…１段目脱窒槽
３０…２段目脱窒槽
３２…好気槽
３４…微生物固定化担体
３６…散気板
３８…エア配管
４０…スクリーン
６２…沈殿槽
６８…返送汚泥配管
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア性窒素の生物学的処理方法に係り、特に、高濃度のアンモニア性窒素を生物学的に除去する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
下水、し尿、産業廃水等の廃水中に含まれるアンモニア性窒素は、放流先の湖沼や内湾等の閉鎖性水域における溶存酸素の低下や富栄養化現象の原因とされている。
従来、これらの廃水中から窒素成分を除去する窒素除去技術としては、微生物を利用した生物学的な硝化・脱窒処理が行われている。生物学的な硝化・脱窒処理は、独立栄養菌である硝化細菌のアンモニア酸化力と亜硝酸酸化力を利用して、廃水中のアンモニア性窒素を好気性状態で亜硝酸性窒素を経て硝酸性窒素まで酸化する。その後、従属栄養細菌である脱窒細菌の働きで廃水中の有機物を電子供与体として硝酸性窒素を嫌気状態で窒素ガスに還元することにより、廃水中のアンモニア性窒素を除去するものである。
【０００３】
従って、硝化反応は、次式のようにアンモニアから亜硝酸性窒素に酸化する反応と、亜硝酸性窒素から硝酸性窒素に酸化する反応の２段階の反応を行う。
ＮＨ4-Ｎ →ＮＯ2-Ｎ →ＮＯ3-Ｎ
また、硝化反応の後段の脱窒処理における脱窒細菌は、亜硝酸性窒素から窒素ガスに還元することができる。
【０００４】
ところで、硝化反応を、アンモニア性窒素を硝酸に酸化する中間生成物である亜硝酸の段階で硝化反応を停止する亜硝酸型の硝化反応を行うことができるなら、硝化反応時にエアを曝気する曝気量を低減でき、ブロアーの運転動力費を大幅に削減することができる。また、脱窒処理における栄養源であるメタノール等の有機物の添加量も低減することができる。更には、硝酸性窒素まで反応させる必要がないので、硝化反応の所要時間を短縮することができる。
【０００５】
このような背景から、従来より、硝化槽内の液の溶存酸素を変化させたり、ｐＨを制御したり、あるいは有機のアンモニアや亜硝酸を利用して微生物阻害する方法等を行ったりして、亜硝酸型の硝化反応を行う試みがなされてきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来のいずれの試みも、アンモニア性窒素を硝酸に酸化する中間生成物である亜硝酸の段階で硝化反応を停止する亜硝酸型の硝化反応を行うことができなかった。
本発明は、このような事情に鑑みて成されたもので、安定的且つ効率的に亜硝酸型の硝化反応を行うことができるアンモニア性窒素の生物学的処理方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、アンモニア性窒素を含有する廃水を生物反応装置で生物学的に処理するアンモニア性窒素の生物学的処理方法において、前記生物反応装置として、硝化槽と脱窒槽とが交互に複数直列に配設した最終段に好気槽を設けると共に、該好気槽に排出ラインとは別に液を抜き取る抜き取り手段を設けた装置を用い、前記生物反応装置の１段目の硝化槽に供給される廃水量と、前記抜き取り手段で前記好気槽から抜き取る抜き取り量を調整して前記生物反応装置全体の負荷を調整することにより前記１段目の硝化槽当たりのアンモニア性窒素負荷量を１．５〜２．５ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日に維持し、且つ前記１段目の硝化槽内のアンモニア性窒素濃度を２５０〜５５０ｍｇ／Ｌに維持することにより、亜硝酸型の硝化反応を行うことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、硝化槽当たりのアンモニア性窒素負荷量を１．５〜２．５ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日に維持し、且つ硝化槽内のアンモニア性窒素濃度を２５０〜５５０ｍｇ／Ｌに維持するようにしたので、亜硝酸型の硝化反応を安定的且つ効率的に行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面により本発明のアンモニア性窒素の生物学的処理方法の好ましい実施の形態を詳説する。
本発明のアンモニア性窒素の生物学的処理方法の理論的根拠を説明する。
発明者等は、アンモニア性窒素を硝酸性窒素に酸化する中間生成物である亜硝酸性窒素の段階で硝化反応を停止させる亜硝酸型の硝化反応を安定的且つ効率的に行うための管理指標を検討した。
【００１０】
（１）先ず、亜硝酸型の硝化反応と硝化槽当たりのアンモニア性窒素の負荷量との関係について説明する。
図１は、硝化槽当たりのアンモニア性窒素負荷量（以下「負荷量」という）と亜硝酸型の硝化反応との関係を示したものである。即ち、充填率２０％の微生物固定化担体（以下「担体」という）を収納する硝化槽内にアンモニア性窒素（ＮＨ4-Ｎ）のみを１０００（ｍｇ／Ｌ）の濃度で含有する合成廃水を供給し、負荷量を０．８〜３．０（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）まで増加していきながら硝化反応を行った。そして、この時の硝化槽内の硝化液中のアンモニア性窒素濃度（ＮＨ4-Ｎ）、亜硝酸性窒素濃度（ＮＯ2-Ｎ）及び硝酸性窒素濃度（ＮＯ3-Ｎ）の増減の推移を調べた。
【００１１】
図２は、図１のデータを基に、負荷量を増加していった時の硝酸性窒素と亜硝酸性窒素の合計に対する亜硝酸性窒素の比率（以下「亜硝酸比率」という）を示したものである。図２において比率が１とは完全な亜硝酸型の硝化反応が行われていることを意味し、比率０とは完全な硝酸型の硝化反応が行われていることを意味する。
【００１２】
図１及び図２から分かるように、負荷量が０．８（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の時には、硝化槽内の硝化液中には、硝酸性窒素のみが認められた。このことは、負荷量が、０．８（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の時には、アンモニア性窒素が硝化反応により全て硝酸性窒素まで酸化される硝酸型の硝化反応が完全に支配することを意味する。
【００１３】
負荷量を１．０（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）まで増加すると、硝化液中に亜硝酸性窒素が認められ始める一方、硝酸性窒素濃度が低下してくる。そして、負荷量が１．１（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の時に亜硝酸比率が略０．５となり硝酸型の硝化反応と亜硝酸型の硝化反応が略平衡状態になった。更に、負荷量を１．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）まで増加すると、亜硝酸比率が０．８となり硝酸型の硝化反応から亜硝酸型の硝化反応が支配的になった。
【００１４】
負荷量が２．０（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）付近において、亜硝酸比率が０．９以上と最大になり、引き続き負荷量を増加すると亜硝酸比率は低下し始め、負荷量２．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）において亜硝酸比率が０．８となった。そして、負荷量３．０（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の時に亜硝酸比率が０．４程度まで低下し、再び硝酸型の硝化反応が支配するようになった。
【００１５】
尚、上記の場合には、負荷量を０．８（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）から３．０（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）に増加させる場合で説明したが、逆に３．０（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）から０．８（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）に減少させた場合も同様の結果を得た。
上記した亜硝酸型の硝化反応と硝化槽当たりのアンモニア性窒素の負荷量との関係から、負荷量を１．５〜２．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の範囲に維持することにより亜硝酸比率を０．８以上にすることができるので、亜硝酸型の硝化反応を支配的に行うことができる。
【００１６】
しかし、図１から、負荷量と硝化液中に残存するアンモニア性窒素濃度との関係について見ると、負荷量を増加していった時に、負荷量が１．０（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）でアンモニア性窒素が残存し始め、その後、負荷量が大きくなるにつれて残存濃度が高くなった。そして、負荷量が１．５〜２．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の範囲におけるアンモニア性窒素の残存濃度は２００〜４５０（ｍｇ／Ｌ）の範囲であった。このように、アンモニア性窒素濃度１０００（ｍｇ／Ｌ）の合成廃水を硝化処理した場合、負荷量を１．５〜２．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の範囲に維持することにより亜硝酸型の硝化反応を支配的に行うことができるものの、硝化液中には硝化反応が進行しないアンモニア性窒素が多く残存することになる。
【００１７】
このことは、単に、負荷量を制御するだけでは問題があることを意味する。
（２）そこで、本発明者等は、負荷量を１．５〜２．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の範囲に維持した状態で、合成廃水のアンモニア性窒素濃度（以下「廃水ＮＨ4-Ｎ濃度」という）と硝化液中に残存するアンモニア性窒素の濃度（以下「硝化液ＮＨ4-Ｎ濃度」という）の関係について検討した。
【００１８】
図３は、廃水ＮＨ4-Ｎ濃度を１０００（ｍｇ／Ｌ）から１００（ｍｇ／Ｌ）まで減少していった場合において、廃水ＮＨ4-Ｎ濃度に対する硝化液ＮＨ4-Ｎ濃度の比率である残存ＮＨ4-Ｎ比率を調べたものである。
図３から分かるように、廃水ＮＨ4-Ｎ濃度を１０００（ｍｇ／Ｌ）から１００（ｍｇ／Ｌ）まで減少させていくに従って残存ＮＨ4-Ｎ比率が小さくなり、廃水ＮＨ4-Ｎ濃度が５５０〜２５０（ｍｇ／Ｌ）の範囲において、残存ＮＨ4-Ｎ比率が０．１以下の最小領域となった。そして、廃水ＮＨ4-Ｎ濃度が２５０（ｍｇ／Ｌ）を下回ると残存ＮＨ4-Ｎ比率が再び増加した。
【００１９】
以上、（１）と（２）の結果から、発明者等は、負荷量を１．５〜２．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の範囲に維持し、且つ廃水のアンモニア性窒素濃度を２５０〜５５０（ｍｇ／Ｌ）の範囲に維持することにより、亜硝酸型の硝化反応を安定的且つ効率的に行うことができるという知見を得た。
ところで、硝化反応を行う硝化細菌を大別すると、高濃度のアンモニア性窒素雰囲気の条件下で高活性を発揮するＡＨ菌と、低濃度のアンモニア性窒素雰囲気の条件下で高活性を発揮するＡＬ菌とがある。そして、ＡＨ菌はアンモニア性窒素濃度が４００（ｍｇ／Ｌ）以上の領域で優先繁殖し、菌数の顕著な増殖が見られ、硝化速度も顕著に高くなる。これに対し、ＡＬ菌はアンモニア性窒素濃度が２００（ｍｇ／Ｌ）以下の領域で優先繁殖し、菌数の顕著な増殖が見られ、硝化速度は１００（ｍｇ／Ｌ）にピークがある放物線を示す。また、アンモニア性窒素濃度が１５０〜４００（ｍｇ／Ｌ）の領域ではＡＨ菌とＡＬ菌とが混相繁殖し、硝化速度は２種類の菌の混在による相乗効果を生じる。
【００２０】
従って、前記アンモニア性窒素濃度２５０〜５５０（ｍｇ／Ｌ）の範囲のうち、４００〜５５０（ｍｇ／Ｌ）の範囲に維持する場合には、予めＡＨ菌を優先繁殖させた微生物固定化担体を使用することが好ましい。
ここで、ＡＨ菌とは、濃度５０００（ｍｇ／Ｌ）の硫酸アンモニア溶液中で８週間培養して検出される硝化細菌を言い、ＡＬ菌とは、濃度１００（ｍｇ／Ｌ）の硫酸アンモニア溶液中で８週間培養して検出される硝化細菌を言う。
【００２１】
本発明は、上記の知見を基に、アンモニア性窒素を含有する廃水と微生物固定化担体とを硝化槽内で好気性条件下で接触させることによりアンモニア性窒素を硝化処理するアンモニア性窒素の生物学的処理方法において、硝化槽当たりのアンモニア性窒素負荷量を１．５〜２．５ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日に維持し、且つ硝化槽内のアンモニア性窒素濃度を２５０〜５５０ｍｇ／Ｌに維持するように構成したものである。
【００２２】
図４は、本発明のアンモニア性窒素の生物学的処理方法を適用した装置１０の１例を示したものである。
図４に示すように、原水タンク１２と生物反応装置１４を繋ぐ原水配管１６の途中に水道配管１８が接続され、原水配管１６と水道配管１８にはそれれぞれ流量調整ポンプ２０、２２が配設される。これにより、原水タンク１２から生物反応装置１４に供給される廃水を水道水で希釈することができる。
【００２３】
生物反応装置１４は、硝化槽と脱窒槽とが交互に複数直列に配設され、最終段に好気槽を配設して構成され、図４には、１段目硝化槽２４と２段目硝化槽２６の２槽から成る硝化槽と、１段目脱窒槽２８と２段目脱窒槽３０の２槽から成る脱窒槽と１槽の好気槽３２で構成した例を示した。各硝化槽２４、２６には、浮遊汚泥の他に硝化細菌を包括固定化した多数の担体３４、３４…が収納される。また、各硝化槽２４、２６の底部及び好気槽３２の底部には、それぞれ散気板３６、３６…が配設され、エア配管３８を介して圧縮空気が供給される。これにより、各硝化槽２４、２６及び好気槽３２には散気板３６からエアが曝気されて好気性条件が形成される。硝化槽２４、２６から脱窒槽２８、３０に排出される硝化液の排出口には担体流出防止用のスクリーン４０、４０がそれぞれ配設される。また、各硝化槽２４、２６の近傍には、カセイソーダ等のアルカリ液を貯留するアルカリタンク４２が設けられ、アルカリタンク４２と各硝化槽２４、２６とは、配管４４及び流量調整ポンプ４６を介して接続される。これにより、硝化槽２４、２６に供給される液のｐＨが調整される。
【００２４】
各脱窒槽２８、３０には浮遊汚泥が浮遊されると共に、脱窒槽２８、３０の底部には攪拌器４８、４８が設けられる。これにより、攪拌器４８で脱窒槽２８、３０内の液をゆっくりと攪拌することにより、脱窒槽２８、３０に嫌気性条件を形成する。この嫌気性条件下で硝化液が浮遊汚泥に含まれる脱窒細菌により脱窒処理されて窒素ガスになる。また、各脱窒槽２８、３０の近傍には、脱窒細菌の栄養源であるメタノール等の有機物を貯留する有機物タンク５０と、硫酸等の酸液を貯留する酸液タンク５２が設けられ、有機物タンク５０及び酸液タンク５２と、脱窒槽２８、３０とはそれぞれ配管５４、５６と流量調整ポンプ５８、６０を介して接続される。そして、硝化槽２４、２６から脱窒槽２８、３０に送られる硝化液中の有機物が不足する場合には、有機物タンク５０から脱窒槽に有機物が補充されると共に、酸液タンク５２からの酸液により脱窒槽２８、３０内のｐＨが調整される。
【００２５】
また、好気槽３２では、２段目脱窒槽３０で処理された液が好気性条件下で浮遊汚泥と接触することにより、残存した微量のアンモニア性窒素及び残存有機物が分解される。更に、好気槽３２には、抜取り配管６４と抜取りポンプ６６が設けられ、好気槽３２の液を適宜抜き取って生物反応装置１４全体の負荷が調整することにより、生物反応装置１４への廃水供給量と相まって１段目硝化槽当たりの負荷量を制御する。
【００２６】
生物反応装置１４の後段には、浮遊汚泥を沈殿する沈殿槽６２が設けられ、沈殿槽６２で沈降した汚泥は返送配管６８及び返送汚泥ポンプ７０により１段目脱窒槽２８に返送される。
次に、上記の如く構成された生物学的処理装置の作用について説明する。
原水タンク１２の廃水が例えば１０００（ｍｇ／Ｌ）程度の高濃度のアンモニア性窒素濃度の場合には、原水配管１６の途中で水道水により２５０〜５５０（ｍｇ／Ｌ）の範囲のアンモニア性窒素濃度になるように希釈される。更に、流量調整ポンプ２０、２２により１段目硝化槽２４に供給される廃水量が調整されると共に、抜取りポンプ６６により好気槽３２の液が抜き取られる。これにより、１段目硝化槽２４当たりのアンモニア性窒素負荷量が１．５〜２．５ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日に維持される。
【００２７】
このように、１段目硝化槽２４当たりのアンモニア性窒素負荷量を１．５〜２．５ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日に維持し、且つ１段目硝化槽２４内のアンモニア性窒素濃度を２５０〜５５０ｍｇ／Ｌに維持するようにしたので、アンモニア性窒素を硝酸性窒素に酸化する中間生成物である亜硝酸性窒素の段階で硝化反応を停止させる亜硝酸型の硝化反応を支配的に行うことができる。従って、硝化反応の所要時間を短縮することができると共に、好気性条件を形成するためのエアの曝気量も削減することができる。
【００２８】
次に、１段目硝化槽２４から１段目脱窒槽２８に硝化液が送られて、脱窒処理が行われる。この脱窒処理において、硝化液中の大部分が亜硝酸性窒素であることから、脱窒細菌の栄養源である有機物の使用量を削減することができる。
この有機物の削減量をメタノールを用いた例で説明する。▲１▼及び▲２▼は硝酸型と亜硝酸型の脱窒反応式を示したものであり、表１は脱窒量に対するメタノール必要量の比（メタノール／Ｎ比）の理論値を示したものである。
〔硝酸型〕 2NO3-N ＋5/3 CH3OH →N2＋2OH - ＋5/3 CO2 ＋7/3 H2O …▲１▼
〔亜硝酸型〕 2NO2-N ＋ CH3OH →N2＋2OH - ＋ CO2 ＋ H2O …▲２▼
【００２９】
【表１】
【００３０】
次に、１段目脱窒槽２８の液が２段目硝化槽２６に送られる。２段目硝化槽２６では、１段目硝化槽２４で残存した低濃度のアンモニア性窒素が硝化型の硝化反応により硝化処理される。２段目硝化槽２６で硝化処理された硝化液は２段目脱窒槽３０に送られて脱窒処理された後、好気槽３２において最終的な硝化処理が行われ、残存有機物が分解される。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアンモニア性窒素の生物学的処理方法によれば、亜硝酸型の硝化反応を安定的且つ効率的に行うことができる。
従って、硝化反応時に曝気する曝気量を低減でき、ブロアーの運転動力費を大幅に削減することができる。また、脱窒処理における栄養源であるメタノール等の有機物の添加量も低減することができる。更には、硝酸性窒素まで反応させる必要がないので、硝化反応を所要時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】硝化槽当たりのアンモニア性窒素負荷量と亜硝酸型の硝化反応との関係を示したグラフ
【図２】図１のデータを基に、負荷量を増加していった時の硝酸性窒素と亜硝酸性窒素の合計に対する亜硝酸性窒素の比率（以下「亜硝酸比率」という）を示したグラフ
【図３】１．５〜２．５（ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日）の範囲に維持した状態で、合成廃水のアンモニア性窒素濃度と硝化液中に残存するアンモニア性窒素の濃度の関係を示したグラフ
【図４】本発明のアンモニア性窒素の生物学的処理方法を適用した装置の構成例を示した構成図
【符号の説明】
１０…生物学的処理装置
１２…原水タンク
１４…生物反応装置
１６…原水配管
１８…水道配管
２４…１段目硝化槽
２６…２段目硝化槽
２８…１段目脱窒槽
３０…２段目脱窒槽
３２…好気槽
３４…微生物固定化担体
３６…散気板
３８…エア配管
４０…スクリーン
６２…沈殿槽
６８…返送汚泥配管
Claims (5)
- アンモニア性窒素を含有する廃水を生物反応装置で生物学的に処理するアンモニア性窒素の生物学的処理方法において、
前記生物反応装置として、硝化槽と脱窒槽とが交互に複数直列に配設した最終段に好気槽を設けると共に、該好気槽に排出ラインとは別に液を抜き取る抜き取り手段を設けた装置を用い、
前記生物反応装置の１段目の硝化槽に供給される廃水量と、前記抜き取り手段で前記好気槽から抜き取る抜き取り量を調整して前記生物反応装置全体の負荷を調整することにより前記１段目の硝化槽当たりのアンモニア性窒素負荷量を１．５〜２．５ｋｇ−Ｎ／ｍ3 ・日に維持し、
且つ前記１段目の硝化槽内のアンモニア性窒素濃度を２５０〜５５０ｍｇ／Ｌに維持することにより、亜硝酸型の硝化反応を行うことを特徴とするアンモニア性窒素の生物学的処理方法。 - 前記生物反応装置に供給される廃水中のアンモニア性窒素濃度が５５０ｍｇ／Ｌを超える場合には、前記廃水を希釈水で希釈することを特徴とする請求項１のアンモニア性窒素の生物学的処理方法。
- 前記好気槽の後段に浮遊汚泥を沈澱させる沈澱槽を備え、沈澱した浮遊汚泥を前記生物反応装置の１段目の脱窒槽に戻すことを特徴とする請求項１又は２のアンモニア性窒素の生物学的処理方法。
- 前記アンモニア性窒素濃度を４００〜５５０ｍｇ／Ｌに維持する場合には、硝化細菌であるＡＨ菌を優先繁殖させた微生物固定化担体を使用することを特徴とする請求項１〜３の何れか１のアンモニア性窒素の生物学的処理方法。
- 前記亜硝酸型の硝化反応により硝化液中の硝酸性窒素と亜硝酸性窒素の合計に対する亜硝酸性窒素の比率が０．８以上になることを特徴とする請求項１〜４の何れか１のアンモニア性窒素の生物学的処理方法。
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