JP3698556B2 - 硝酸等の窒素酸化物の除去方法とその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、硝酸等の窒素酸化物の除去方法とその装置、さらに詳しくは、地下水等の水道原水を電気透析等の膜分離装置で処理し、その濃縮排水中の硝酸等の窒素酸化物を除去するための除去方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、地下水、河川水、湖水等には、硝酸や亜硝酸が含有されている場合があり、たとえば水道の原水として使用する場合には、硝酸や亜硝酸の含有されるべき基準があるため、原水から硝酸等を除去する必要がある。
【０００３】
そして、このような硝酸除去のための方法として、従来より種々の方法が採用されているが、硝酸を含有する原水を濃縮水と処理水とに分離し、処理水を利用する観点から、特開平９−103799号公報所載の発明もなされている。
【０００４】
この発明は、図２に示すように、硝酸を含有する原水を、電気透析装置2aを通過させることによって、濃縮水と脱塩された処理水とに分離し、処理水は再利用するとともに、濃縮水はｐＨ調整槽18a へ供給してｐＨ調整を行い、その後に生物処理装置3aへ供給して脱窒処理して硝酸を除去するものである。
【０００５】
生物処理装置3aで脱窒のために用いられた活性汚泥は沈澱槽22で沈澱され、生物脱窒槽3aへ返送される。
【０００６】
そして、生物処理装置3aでは、脱窒反応を生じさせるために、水素供与体としてメタノールが添加されることとなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の方法においては、電気透析装置からの濃縮水中の硝酸濃度が高く、また濃度変動も大きいため、水素供与体として添加されるメタノール量は硝酸濃度の最大値を基準に決定されており、そのために過剰のメタノールを添加しなければならず、従って濃縮水中の硝酸濃度が低下するとメタノール添加量が過剰となっていた。
【０００８】
よって処理水にメタノールが残留するので、その残留メタノールの処理が問題となっていた。
【０００９】
そして、処理水にメタノールが残留すれば、人体に対する影響等から好ましくないのはいうまでもなく、従って残留メタノールを処理する装置を別途設ける必要があった。
【００１０】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、上記のような電気透析装置を用いることを前提とし、濃縮水に対して水素供与体として添加するメタノールが、濃縮水の脱窒処理後の処理水に残留しないようにし、且つメタノールを処理する装置を別途設けることを不要として運転コストを削減することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題を解決するために、硝酸等の窒素酸化物の除去方法とその装置としてなされたもので、除去方法としての特徴は、硝酸等の窒素酸化物を含有する原水を膜分離によって処理水と濃縮水とに分離した後、分離された濃縮水を生物処理装置３へ導入して脱窒処理し、且つ該脱窒処理の脱窒反応に必要な理論注入量の５０〜８０％の水素供与体を生物処理装置３又はその上流側へ連続的に第１流路１２から注入するとともに、該第１流路１２とは別に設けられた第２流路１３から、前記生物処理装置３内の酸化還元電位が−１００ｍＶ〜−２００ｍＶとなるように注入量を制御しつつ前記生物処理装置３又はその上流側へ水素供与体を注入することにある。
【００１３】
さらに、除去装置としての特徴は、硝酸等の窒素酸化物を含有する原水を膜分離によって処理水と濃縮水とに分離する膜分離装置と、該膜分離装置によって分離された濃縮水を脱窒処理する生物処理装置３と、該生物処理装置３内での脱窒処理のために生物処理装置３又はその上流側へ注入すべき水素供与体を貯留する貯留槽１１と、該貯留槽１１から脱窒処理の脱窒反応に必要な理論注入量の５０〜８０％の水素供与体を生物処理装置３又はその上流側へ連続的に注入する第１流路１２と、前記生物処理装置３内の酸化還元電位が−１００ｍＶ〜−２００ｍＶとなるように前記貯留槽１１から注入量を制御しつつ水素供与体を生物処理装置３又はその上流側へ注入する第２流路１４と、該第２流路１４からの水素供与体の注入量を制御するための制御手段とからなることにある。
【００１５】
生物処理装置３への水素供与体の注入量の制御は、たとえば生物処理装置３内の酸化還元電位に応じてなされる。
【００１６】
水素供与体としては、たとえばメタノールが用いられる。
【００１７】
また、膜分離装置としては、たとえば電気透析装置が用いられる。
【００１８】
電気透析装置としては、電極の極性を変換することのできる極性変換式電気透析装置を用いるのが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、先ず硝酸除去装置の構成を図面に従って説明する。
【００２０】
図１において、１は原水槽で、地下水等の硝酸を含む原水が貯留されている。
【００２１】
２は、前記原水槽１からの原水が供給されて原水中の硝酸イオン等を濃縮するための膜分離装置としての電気透析装置で、陽イオン交換膜や陰イオン交換膜等を備え、原水である硝酸含有排水を脱塩処理した処理水と、硝酸の濃度が高まった濃縮水とに分離するためのものである。
【００２２】
この電気透析装置２は、両側の電極が変換できる極性変換式のものである。
【００２３】
17は、前記電気透析装置２によって濃縮された濃縮水を貯留するための濃縮水貯留槽、18は、該濃縮水貯留槽17から供給される濃縮水をｐＨ調整するためのｐＨ調整槽で、該ｐＨ調整槽18内の濃縮水のｐＨはｐＨ検知装置19で検知される。
【００２４】
20は、前記ｐＨ調整槽18へ供給する酸を貯留するための酸貯留槽で、該酸貯留槽20とｐＨ調整槽18間にはポンプ21が配設され、前記ｐＨ検知装置19で検知されたｐＨに応じてポンプ21が作動して酸貯留槽20からｐＨ調整槽18へ酸が供給されるように構成されている。
【００２５】
３は、前記ｐＨ調整槽18でｐＨ調整された濃縮水を生物処理するための上昇流スラッジブランケット（ＵＳＢ）型の生物処理装置で、その底部には、濃縮水が導入される導入管４が配設されている。
【００２６】
５は、脱窒菌を含有するグラニュール堆積層で、前記生物処理装置３の底部に積層されている。
【００２７】
６は前記グラニュール堆積層５に含有された脱窒菌から発生する窒素ガスを分離するためのガス衝突部で、傘状に形成されている。
【００２８】
７は、反応槽本体１内で発生したガスを補集するためのガス補集部で、底面が開口する略円錐台状に形成され、前記ガス衝突部６のわずか上部に設けられている。
【００２９】
そして、ガス補集部７で補集された窒素ガスは、引抜管８から排出されることとなる。
【００３０】
９は、生物処理装置３内の処理水を生物処理装置３の外部に流出するための処理水流出用パイプで、該生物処理装置３の上部の液面の近辺に設けられている。
【００３１】
10は、生物処理装置３内の酸化還元電位を測定するための酸化還元電位測定装置で、センサーによって酸化還元電位を検知しうるように構成されている。
【００３２】
11は、水素供与体として前記生物処理装置３内に供給するためののメタノールを貯留するためのメタノール貯留槽で、脱窒反応に必要な理論注入量より少ない量（本実施形態では理論注入量の50〜80％）の水素供与体を生物処理装置３へ連続的にする第１流路12と、前記酸化還元電位測定装置10で測定された酸化還元電位に応じて制御しながらメタノールを注入する第２流路13との２つの流路を介して、前記電気透析装置２と生物処理装置３間の濃縮水の流路14に接続されている。
【００３３】
そして、第１流路12及び第２流路13には、それぞれポンプ15、16が設けられている。
【００３４】
次に、このような構成からなる硝酸除去装置を用いて、硝酸除去を行う方法について説明すると、まず、前記原水槽１から地下水等の原水を電気透析装置２に供給する。その原水中には硝酸が含有されている。
【００３５】
原水の水質によっては電気透析装置２の前段で凝集沈澱や砂濾過等の前処理が行われる。
【００３６】
電気透析装置２に供給された原水は、脱塩処理された処理水と、濃縮された濃縮水とに分離され、処理水はそのまま利用され、濃縮水は流路14を介して濃縮水貯留槽17へ供給される。
【００３７】
濃縮水貯留槽17へ供給された濃縮水は、さらにｐＨ調整槽18へ供給され、ｐＨ調整される。
【００３８】
すなわち、濃縮水のｐＨが高ければ、そのｐＨがｐＨ検知装置19で検知されてポンプ21が作動し、酸貯留槽20からｐＨ調整槽18へ酸が供給されるのである。
【００３９】
このようにしてｐＨ調整された濃縮水は、流路14を介して生物処理装置３へ供給される。
【００４０】
濃縮水のｐＨは、上記のような極性変換式の電気透析装置２を通過した後、通常中性若しくは弱アルカリ性域にあるが、生物脱窒反応では水酸イオン（ＯＨ^-)が生成し、ｐＨが上昇するため、生物処理装置３の上流側にｐＨ調整槽18を設けてｐＨ調整を行う必要があるのである。
【００４１】
生物処理装置３に供給された濃縮水は、生物処理装置３内を下から上に向かうような上向流で流れる。このとき、生物処理装置３の底部には脱窒菌を含有するグラニュール堆積層が積層されているため、原水は上向流で脱窒菌グラニュールと接触される。
【００４２】
脱窒菌グラニュールと接触するうちに原水中の窒素酸化物は脱窒菌により窒素ガスに転化されて濃縮水は処理水として浄化されながら生物処理装置３の上方へ流れていく。
【００４３】
転化された窒素ガスは、原水の上向流及び浮上ガスによって生物処理装置３の上部に移動される。
【００４４】
処理水は分離槽６の外側に接続されている処理水排出管９から浄化水として排出される。排出された浄化水は、必要に応じてｐＨ調整等の処理をして河川等に放流される。
【００４５】
この生物処理装置３内において、硝酸を窒素に転化するための反応は、その反応を生じさせる水素供与体の量が不足していれば、十分に行われない。
【００４６】
従って、水素供与体としてのメタノールが、メタノール貯留槽11から生物処理装置３へ注入されることとなる。
【００４７】
メタノール貯留槽11からのメタノールは、第１流路12を介して連続的に濃縮水の流路14に注入される。
【００４８】
一方、第２流路13を介して濃縮水の流路14に注入されるメタノールは、酸化還元電位測定装置10で制御されながらメタノール貯留槽11から供給される。
【００４９】
この場合、第１流路12を介して連続的に注入されるメタノールの量は、生物処理装置３内で脱窒反応を生じさせるに必要な理論メタノール量の50〜80％とされる。
【００５０】
また、第２流路13を介してメタノールが制御されながら注入される場合の還元電位測定装置10の制御値は、−100mv 〜−200mv とされる。
【００５１】
−200mv 以下であれば、水素供与体であるメタノールが過剰であり、第２流路13からメタノールが供給されない。
【００５２】
−100mv 以上であれば、メタノールが不足していることとなり、第２流路13からメタノールが供給されることとなる。
【００５３】
メタノールの供給の有無は、第２流路13に設けられているポンプ16の作動と停止によって行われるが、−150mv 程度の値を基準として、ポンプ16の作動と停止が自動的になされることとなる。
【００５４】
このように、本実施形態では、生物処理装置３内で脱窒反応を生じさせるに必要な理論メタノール量の50〜80％のメタノールが、メタノール貯留槽11から第１流路12を介して生物処理装置３へ連続的に注入される一方で、生物処理装置３内の濃縮排水の酸化還元電位が−100mv 〜−200mv に制御されながら、第２流路13を介して生物処理装置３へ注入されるため、全体として好適な量のメタノールが生物処理装置３へ注入されることとなり、生物処理装置３内でのメタノールの量が過剰となることもないのである。
【００５５】
ちなみに、生物処理装置３内の酸化還元電位（ＯＲＰ）とＮＯ₃＋Ｎ除去率との相関関係を図３に示す。
【００５６】
図３からも明らかなように、約−180mv でＮＯ₃＋Ｎ除去率が100 ％となる一方、−100mv ではＮＯ₃＋Ｎ除去率は約75％程度となる。
【００５７】
従って、ＮＯ₃＋Ｎ除去の実効を図るため、−100mv 以上ではメタノールの供給が必要となるのである。また、高いＮＯ₃＋Ｎ除去率を維持するには、−150mv程度に制御するのが適切である。
【００５８】
尚、上記実施形態では、電気透析装置２として、電極の極性を変換することのできる極性変換式電気透析装置を用いたため、分離される濃縮水のｐＨはほぼ中性となり、次のｐＨ調整のための薬品量が少なくて済むという好ましい効果が得られたが、極性変換式の電気透析装置を用いることは本発明に必須の条件ではない。
【００５９】
また、該実施形態では、原水を処理水と濃縮水とに分離する膜分離装置として電気透析装置２を用いたが、膜分離装置の種類はこれに限定されるものではなく、たとえば逆浸透膜装置等を用いることも可能である。
【００６０】
さらに、ｐＨ調整槽18を設けることも本発明に必須の条件ではなく、不要となる場合もある。通常の電気透析装置を用いた場合は、濃縮水側にスケール防止のために酸を添加するので、濃縮水は酸性側になり、従ってアルカリによる中和が必要である。
【００６１】
さらに、上記実施形態では、生物処理装置３として、ＵＳＢ型の生物処理装置を用いたが、生物処理装置の種類もこれに限定されるものではない。
【００６２】
さらに、上記実施形態では、生物処理装置３に注入する水素供与体としてメタノールを用いたが、水素供与体の種類はこれに限定されるものではなく、生物処理装置３内の菌の種類に応じて変更可能であり、要は、水素供与体として硝酸等の窒素酸化物に対して脱窒反応を生じさせるようなものであればよい。たとえば水素自体であってもよく、また酢酸のようなものであってもよい。
【００６３】
さらに、上記実施形態では、水素供与体の注入量を制御する手段として、生物処理装置３内の酸化還元電位を測定することによって制御することとしたが、他の手段によって制御することも可能である。
【００６７】
さらに、上記実施形態では、メタノールがｐＨ調整槽18と生物処理装置３間の流路14に注入されたが、これに限らず生物処理装置３に直接注入されてもよく、またｐＨ調整槽18に注入されてもよい。
【００６８】
要は、生物処理装置３又はその上流側に注入されればよいのである。
【００６９】
さらに、本発明によって処理すべき窒素酸化物の種類も、上記実施形態の硝酸に限定されるものではなく、亜硝酸であってもよく、要は窒素酸化物であればよい。
【００７０】
さらに、処理すべき処理水の種類も該実施形態の水道原水に限定されず、他の排水等、窒素酸化物を含有する処理水に本発明を適用することが可能である。
【００７１】
【発明の効果】
叙上のように、本発明は、硝酸等の窒素酸化物を含有する原水を膜分離によって処理水と濃縮水とに分離した後、分離された濃縮水を生物処理装置へ導入して脱窒処理し、且つ該脱窒処理の脱窒反応に必要な水素供与体を、注入量を制御しつつ前記生物処理装置へ注入するため、電気透析装置を用いた従来の方法のように、水素供与体としてのメタノールの量が過剰になることもなく、濃縮水の脱窒処理後の処理水にメタノールが残留するのを防止することができるという効果がある。
【００７２】
この結果、残留メタノールを除去する後処理装置を別途設ける必要がないという利点がある。
【００７３】
特に、連続注入する流路と、制御しながら注入する流路との２つの流路から水素供与体を注入するので、制御する検知機構が作動しないような不測の事態が生じた場合でも、連続的に注入することによって、水素供与体が不足することもないという利点がある。
【００７４】
さらに、生物処理装置に脱窒菌グラニュールが充填されている場合には、生物処理装置として活性汚泥を用いる場合に比べると、脱窒菌の濃度が高く、生物処理装置内の脱窒菌量も多く、従って生物処理装置自体が活性汚泥の場合に比べるとコンパクトなものになるために、設置面積を低減することができるという効果がある。
【００７５】
さらに、処理水と濃縮排水とに分離する膜分離装置として、極性変換式の電気透析装置を使用した場合には、分離される濃縮水はほぼ中性となり、次のｐＨ調整のための薬品量が少なくて済むという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態としての硝酸除去装置を示す概略側面図。
【図２】従来の硝酸除去装置を示す概略側面図。
【図３】生物処理装置内の酸化還元電位とＮＯ₃＋Ｎ除去率との相関関係を示すグラフ。
【符号の説明】
２…電気透析装置 ３…生物処理装置
10…酸化還元電位測定装置 11…メタノール貯留槽
12…第１流路 13…第２流路

Claims (2)

1. 硝酸等の窒素酸化物を含有する原水を膜分離によって処理水と濃縮水とに分離した後、分離された濃縮水を生物処理装置３へ導入して脱窒処理し、且つ該脱窒処理の脱窒反応に必要な理論注入量の５０〜８０％の水素供与体を生物処理装置３又はその上流側へ連続的に第１流路１２から注入するとともに、該第１流路１２とは別に設けられた第２流路１３から、前記生物処理装置３内の酸化還元電位が−１００ｍＶ〜−２００ｍＶとなるように注入量を制御しつつ前記生物処理装置３又はその上流側へ水素供与体を注入することを特徴とする硝酸等の窒素酸化物の除去方法。
2. 硝酸等の窒素酸化物を含有する原水を膜分離によって処理水と濃縮水とに分離する膜分離装置と、該膜分離装置によって分離された濃縮水を脱窒処理する生物処理装置３と、該生物処理装置３内での脱窒処理のために生物処理装置３又はその上流側へ注入すべき水素供与体を貯留する貯留槽１１と、該貯留槽１１から脱窒処理の脱窒反応に必要な理論注入量の５０〜８０％の水素供与体を生物処理装置３又はその上流側へ連続的に注入する第１流路１２と、前記生物処理装置３内の酸化還元電位が−１００ｍＶ〜−２００ｍＶとなるように前記貯留槽１１から注入量を制御しつつ水素供与体を生物処理装置３又はその上流側へ注入する第２流路１４と、該第２流路１４からの水素供与体の注入量を制御するための制御手段とからなることを特徴とする硝酸等の窒素酸化物の除去装置。

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