JP3737410B2

JP3737410B2 - バイオメーカーを用いる高濃度有機性廃水の処理方法および装置

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Publication number: JP3737410B2
Application number: JP2001316677A
Authority: JP
Inventors: ▲わん▼ ▲ちょる▼ 朴; 泰亨金; 昌周李; 薫鄭
Original assignee: コリアインスティテュートオブサイエンスアンドテクノロジー
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2021-10-15
Also published as: CN1347851A; US6616844B2; JP2002159992A; US20020074287A1; KR20010007872A; TW585842B; KR100327154B1; CN1147440C

Description

【０００１】
【発明の属する技術】
本発明は、窒素成分とリン成分が多い、高濃度の糞尿または畜産廃水などの有機性廃水を処理するための廃水処理方法に関する。特に、本発明は、アナモックス工程およびバイオポンド工程を含むことを特徴とする、窒素およびリン濃度が高い糞尿または畜産廃水の廃水処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
糞尿や畜産廃水の処理は非常に難しく、手間がかかる問題として認識されてきた。糞尿や畜産廃水の処理には、多様な方法が用いられているにもかかわらず、今だに、完全な処理技術として認められたものはない。糞尿や畜産廃水は、維持管理と運営の便利性を考慮して、ほとんどの場合は、１ヵ所に集めて処理する共同処理場によって処理されている。しかし、共同処理場を用いる廃水処理方式では、廃水中に存在する高濃度の有機物と、有機物質に比べてはるかに高濃度の窒素成分の処理が難しい現状である。
【０００３】
さらに、高濃度の糞尿や畜産廃水の処理は、大部分が希釈による処理方法であるが、このような方法は、希釈水を大量に使用せざるを得ないため、処理が非効率的である。たとえば、ＢＯＤが１，５０００mg/Lの畜産廃水を希釈するには、該畜産廃水の７５倍に相当する希釈水が必要である。それだけでなく、所要の希釈水の量により、処理施設も大規模になるため建設費用が嵩み、曝気施設および周辺機器などの費用も増加する。
【０００４】
糞尿または畜産廃水の現行の処理方式は、有機物の除去に重点をおいているため、現状では、湖沼の富栄養化の主要な原因物質として認められる窒素とリンの効率的な除去が行われていない。
【０００５】
糞尿や畜産廃水処理についての研究は、多様な工法について行われている。文献（Bortone G., Gemeli, S. および Rambaldi, A., "Nitrification, denitrification および biological phosphate removal in SBR treating piggery wastewater", Wat, Sci. Tech, Vol, No. 5-6, p977-985, 1992）には、畜産廃水の窒素除去に関連して、排出される廃水の負荷変動率について調査を行った結果、日最大流量と日平均流量との比が１．４３であり、時間あたり最小流量と最大流量の比は、８倍以上の差があったことが記載されている。
【０００６】
Strous, M., heijnen, J., Kuenen, J., G. および Jetten, M. S. M. "The sequencing batch reactor as a powerful tool for the study of slowly growing anaerobic ammonium-oxidizing microorganism", Appl. Microbiol. Biotechnol., Vol. 50, p589-596, 1998によれば、アナモックスを誘発する微生物の優占種は、順応するのに１年程度の期間がかかり、沈殿性に優れ、活性は２０μgＮ（ＮＨ₄ ⁺形態）／(mg生物量・h)であった。またVan de Graff, A. A., Mulder, A., de Bruijn, P., Jetten, M. S. M., Robertson, L. A. および Kuenen, J. G., "Anaerobic oxidation of ammonium in a biologically mediated process", Appl. Environ. Microbiol. Vol. 61 p.1246-1251, 1995によれば、アナモックスの活性は、６６μgＮ（ＮＨ₄ ⁺形態）／(mg生物量・h)であり、微生物の活性は、微量のＯ₂にも影響され、かつＮＯ₃ ^-に絶対的に依存し、また微生物の量は、培養槽内の生物量（biomass）に直接に比例している。
【０００７】
Andy, S., "Ammonia volatilization from a piggery pond", Wat. Sci. Tech, Vol. 33, No. 7, p183-199, 1996には、豚舍（piggery pond）のアンモニア揮発性に対する試験を行った結果、揮発率は０．３５５〜１．５３４g/(m³・d)であって、pHにより大きい偏差を示したこと、ならびにアンモニアが揮発除去されれば、pHおよびＣＯＤが徐々に減少する傾向が表れたことが記載されている。またBicudo, J. R. および Svoboda, I. F., "Intermittent aeration of pig slurry-farm scale experiments for carbon および nitrogen removal", Wat. Sci. Tech, Vol. 32, No. 12, p83-90, 1995には、間欠曝気工程において、反応槽内の混合液浮遊固形物（Mixed Liquor Suspended Solids、MLSS）が１７，０００mg/Lの状態で運転したとき、豚舍廃水のＴ−Ｎ（Total Nitrogen）の除去効率が８６％であったことが記載されている。
【０００８】
本発明者らは、先に、高濃度廃水、特に畜産廃水および有機性産業廃水を、土壌微生物を利用して、経済的で効率的に処理できる廃水処理方法および装置を提供する目的で、貯留槽、嫌気性発酵槽、微生物活性化槽、混合槽、曝気槽、脱窒槽、１次沈殿槽、凝集沈殿槽および脱水機で構成される廃水処理装置；およびそれを用いる廃水処理方法を提案した（特開２０００−９３９９８号公報）。しかしながら、畜産廃水や糞尿に含まれる浮遊物質の濃度は、しばしば５０，０００〜６０，０００mg/Lのような高い値を示す。そのような場合、上記の特開２０００−９３９９８号公報に開示された方法を含めて、従来の廃水処理方法では、曝気槽のＭＬＳＳ濃度を適切に維持することが困難であった。それゆえ、このような高濃度の浮遊物質を含む流入水を受け入れても、曝気槽のＭＬＳＳ濃度を容易に維持して、廃水処理装置全体を安定に運転できる方法が求められていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、窒素含有量が高い高濃度の難分解性畜産廃水や糞尿などの有機性廃水を、效率的に処理できる、廃水処理方法および装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、アナモックス工程とバイオポンド工程を組み合わせた、新規な廃水処理方法を提供する。さらに、本発明の方法は、廃水を希釈する代わりに、固液分離工程を使用する。
【００１１】
すなわち、本発明は、
（ａ）高濃度の糞尿または畜産廃水の濃度と流量を均等化する均等化工程；
（ｂ）前記（ａ）工程で均等化された廃水に凝集剤を加えて、有機物の濃度と窒素の濃度を、所望の水準に調整する固液分離工程；
（ｃ）前記（ｂ）工程で固液分離された被処理物中の有機物の濃度を変化させずに、アンモニア性窒素のみを選択的に除去するアンモニアストリッピング工程；
（ｄ）前記（ｃ）工程で処理された被処理物中の難分解性有機物を、嫌気性微生物を用いて分解することにより、後続の工程における好気性微生物が摂取し易い形態とし、かつ下記（ｉ）工程から移送されたスラッジを発酵させて、有機酸を生成させる嫌気性発酵工程；
（ｅ）下記（ｉ）工程から前記（ｄ）工程に移送された後、嫌気性発酵に付されたスラッジ内に含まれる亜硝酸性窒素（ＮＯ₂ ^-）と、廃水内に含まれたアンモニアを反応させて、窒素ガスを発生させるアナモックス工程；
（ｆ）バイオポンドに存在する、固形化された土壌微生物を活性化する微生物活性化工程；
（ｇ）前記（ｆ）工程で活性化された土壌微生物を、脱窒誘導型曝気槽内に供給し、この微生物と共に脱窒誘導型曝気槽内に棲息中の好気性微生物を用いて、前記（ｅ）工程で処理された被処理物中の有機物質を分解し、アンモニア性窒素を硝酸性窒素（ＮＯ₃ ^-）に硝化した後、混合して脱窒を行う脱窒誘導型曝気工程；
（ｈ）無酸素状態で微生物の内生呼吸を用いて、前記（ｇ）工程で処理された被処理物中の硝酸性窒素を窒素に還元する脱窒工程；
（ｉ）（ｈ）工程で得られた、被処理物と微生物の混合物から固液分離し、沈殿したスラッジの一部を、前記嫌気性発酵工程（ｄ）に移送する沈殿工程；ならびに
（ｊ）前記（ｉ）工程で沈殿を分離した上澄液から、残余の物質を凝集によって除去し、最終処理水として放流する凝集沈殿工程
を含む廃水処理方法を提供する。
【００１２】
このような本発明の廃水処理方法は、下記のような装置：
（Ａ）高濃度の糞尿または畜産廃水の濃度と流量を均等化する均等化槽；
（Ｂ）前記均等槽から流入された廃水の有機物の濃度と窒素の濃度を、凝集剤を加えて所望する水準に調整する薬品固液分離槽；
（Ｃ）固液分離された被処理物中の有機物の濃度を変化させずに、アンモニア性窒素のみを選択的に除去するアンモニアストリッピング槽；
（Ｄ）前記ストリッピング槽から供給された被処理物中の難分解性有機物を、嫌気性微生物を用いて分解することにより、後続の工程における好気性微生物が摂取し易い形態とし、沈殿槽から移送されたスラッジを発酵させて、有機酸を生成させる嫌気性発酵槽；
（Ｅ）脱窒誘導型曝気槽で亜硝酸化された窒素（ＮＯ₂ ^-）と、被処理物中のアンモニアが反応して、窒素ガスを形成するアナモックス槽；
（Ｆ）固形化された土壌微生物が装着されており、この微生物を活性化して脱窒誘導型曝気槽に前記微生物を供給するバイオポンド；
（Ｇ）前記バイオポンドで活性化された土壌微生物、および自己内部に棲息中の好気性微生物を用いて、被処理物中の有機物質を分解し、アンモニア性窒素を硝酸性窒素（ＮＯ₃ ^-）に硝化した後、脱窒を行う脱窒誘導型曝気槽；
（Ｈ）無酸素状態で微生物の内生呼吸を誘導し、前記脱窒誘導型曝気槽で処理された被処理物中の硝酸性窒素を窒素に還元する脱窒槽；
（Ｉ）有機物がほとんど酸化され、脱窒化された被処理物と微生物とを固液分離する沈殿槽；
（Ｊ）前記沈殿槽で沈殿分離した上澄液から、残余の物質を凝集させる凝集沈殿槽；ならびに
（Ｋ）前記固液分離槽、嫌気性発酵槽、沈殿槽および凝集沈殿槽から排出されたスラッジの一部または全部の水分を除去する脱水槽
を含む廃水処理用装置によって行われる。
【００１３】
本発明の前記廃水処理方法および装置の第１の特徴は、有機物の濃度が高い浮遊物の濃度を適正な水準に希釈する代わりに、薬品固液分離槽を通じて固液分離することである。
【００１４】
本発明の第２の特徴は、廃水中の有機物の濃度は変化させずに、窒素成分であるアンモニアのみを選択的に除去することができるアンモニアストリッピング槽を含むことである。
【００１５】
本発明の第３の特徴は、沈殿スラッジを、嫌気性発酵槽で発酵させて有機酸を発生させ、この有機酸をリンの除去に活用する嫌気性発酵槽を含むことである。
【００１６】
本発明の第４の特徴は、沈殿槽の上澄液を移送して、廃水内のＮＨ₄ ⁺をＮＯ₂ ^-により酸化し、窒素ガスを発生する、アナモックス槽を含むことである。
【００１７】
本発明の第５の特徴は、土壌微生物を固形化したバイオコンプを充填してバイオメーカーを装着し、微生物を活性化して後続の好気性微生物の活性を促進し、処理効率を向上させるバイオポンドを含むことである。ここで、バイオポンドとは、バイオメーカーと散気装置などからなる構造物を言い、バイオメーカーとは、バイオコンプと砕石層を含む微生物活性化装置を言い、バイオコンプとは、土壌微生物を固定化させた微生物固定体を意味する。
【００１８】
本発明の第６の特徴は、バイオポンドへの原水の流入を遮断して、微生物を一定期間飢えさせることにより、脱窒誘導型曝気槽で有機物の摂取能力を極大にするバイオポンドを含むことである。
【００１９】
本発明の第７の特徴は、曝気槽の末端の区分には、空気の供給を行わず、混合用攪拌機を装着して、曝気槽内の脱窒と、後続の脱窒槽による脱窒を促進するように区分された区画を有する、好ましくは少なくとも４段に区分された脱窒誘導型多段曝気槽を含むことである。このことにより、微生物と被処理物の混合、および溶存酸素量の調節が円滑になり、廃水処理装置の経済的な運転が可能になる。
【００２０】
本発明の第８の特徴は、沈殿槽の沈殿スラッジをバイオポンドに供給して、微生物の活性を促進し、上澄液をアナモックス槽に移送して窒素を除去する沈殿槽を含むことである。
【００２１】
本発明の第９の特徴は、被処理物に残存する有機物と栄養素および懸濁物を、凝集剤で処理し、安定的で効率的な水質の処理が可能な凝集沈殿槽を含むことである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、添付された図面に示した廃水処理工程の構成図と試験例を参照し、本発明をさらに詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明による高濃度の糞尿や畜産廃水の処理工程の代表例を示すフローチャートである。廃水処理装置１は、高濃度の糞尿や畜産廃水を処理する装置であり、以下のように構成される。
【００２４】
畜産廃水の性状は、時間および季節的な要因などにより、その流量と濃度が相当大幅に変化する。均等槽２は、このように変動が激しい廃水の、流量と濃度を均等化する。薬品固液分離槽３では、廃水内の浮遊物質と有機性窒素を、塩化鉄などの凝集剤によって処理し、後続の処理に適合した濃度になるようにする。廃水内に存在する窒素含有成分中、ＮＨ₃は、空気を吹き入れれば大気中に揮散するようになる。アンモニアストリッピング槽４では、このような原理により、空気の供給により、有機物質の損失なしにアンモニア性窒素のみを選択的に除去する。
【００２５】
嫌気性発酵槽５は、流入する被処理物中、難分解性有機物を嫌気性微生物を用いて嫌気性状態で加水分解し、沈殿槽１０から移送されたスラッジを発酵して有機酸を生成する。アナモックス槽６では、ＮＯ₂ ^-（曝気槽８、特に脱窒誘導型多段曝気槽で生成される）が、嫌気性状態でＮＨ₄ ⁺と反応してＮ₂ガスを生成し、この窒素ガスは大気中に揮散して除去される。
【００２６】
バイオポンド７は、固形化された土壌微生物を活性化し、曝気槽８、特に脱窒誘導型多段曝気槽に適用可能な微生物を供給する。該曝気槽８には、前記バイオポンド７で活性化され、供給された微生物だけでなく、連続的に供給される酸素を用いて有機物を酸化し、アンモニア性窒素を硝化する微生物などの好気性微生物が、多量活動している。硝化された窒素は、脱窒槽９において、無酸素状態で窒素ガス化され、大気に揮散する。
【００２７】
嫌気性発酵槽５、曝気槽８および脱窒槽９で処理された被処理物と微生物とは、沈殿槽１０で重力により固液分離される。被処理物に残存する残留浮遊物質、ならびにリンおよび有機物質は、凝集沈殿槽１１において、薬品を使用して最終的に処理される。本廃水処理装置において、薬品固液分離槽３、嫌気性発酵槽５、沈殿槽１０および凝集沈殿槽１１で発生したスラッジは、脱水器１２を経ることにより、その水分含量が減少する。凝集沈殿槽１１の上澄水は、放流水１３として最終放流され、脱水器１２の脱水ケーク１４は、堆肥舎に送られて堆肥の製造に用いられたり、埋立処分に付される。
【００２８】
本廃水処理装置１においては、被処理物の移動経路とともに、スラッジの移動経路も非常に重要である。本発明におけるスラッジの移動経路は、図１に点線で表したとおりである。具体的に説明すれば、沈殿槽１０で固液分離された沈殿スラッジは、経路Ａを経て嫌気発酵槽５に移動し、そこで嫌気性発酵により有機酸を生成し、脱窒誘導型多段曝気槽８のＭＬＳＳ（混合液中の浮遊物質）濃度を維持する役割を果たす。曝気槽８のＭＬＳＳ濃度の維持に不要な余分の廃スラッジは、経路Ｄを経て脱水器１２に移送される。さらに、沈殿槽１０の沈殿スラッジは、経路Ｃを経てバイオポンド７にも移送される。一方、沈殿槽１０の上澄水は、経路Ｂを経てアナモックス槽６に移送される。凝集沈殿槽１１の沈殿スラッジは、経路Ｇを経て脱水器１２に移送される。薬品固液分離槽３の沈殿スラッジは、経路Ｆを経て脱水器１２に移送され、嫌気発酵槽５の剰余のスラッジは、経路Ｅを経て脱水器１２に移送される。さらに、脱水器１２で発生する脱水ケークは、堆肥として使用されるか、埋立処分され、脱離液は、経路Ｈを経て曝気槽８、好ましくは脱窒誘導型多段曝気槽、特に好ましくは４段曝気槽に移送される。以下、特にその構造についてことわらない限り、単に曝気槽８という名称で、脱窒誘導型多段曝気槽を指す。
【００２９】
本発明の廃水処理装置１における、各反応槽などの役割と作用を、さらに詳細に説明すれば、以下のとおりである。
【００３０】
被処理物である糞尿や畜産廃水は、非常に多様な発生様態を表す。発生場所、季節的な要因および時間などにより、発生量と発生濃度は、非常に多様である。このように変動幅の激しい廃水を処理するためには、まず濃度と流量を均一にすることが、後続の処理を円滑に行うために必須である。均等化槽２は、発生個所から不規則に排出される廃水の量と濃度を均等化する役割を果たす。均等槽のサイズは、日平均流量を基準として２〜３倍が適当である。均等槽は、臭気の発生が激しい個所であるため、必要によっては、沈殿槽１０のスラッジの一部を均等槽に送って、臭気の発生を減らすこともできる（図示せず）。
【００３１】
均等槽で均等化された被処理物は、薬品固液分離槽３に移送される。移送された被処理物は、浮遊物質および有機物質の濃度が高いので、効率的な処理のために、該分離槽で、薬品、たとえば塩化第二鉄のような凝集剤を使用して前処理を行う。特に、畜産廃水には、特性上、有機物質の濃度が高く、そのうえ糞と飼料の渣から排出される浮遊物質が多いので、曝気槽８のＭＬＳＳ量を適切に維持することは非常に難しい。このような問題を解決するために、薬品固液分離槽３では、均等槽２を経た被処理物に少量の凝集剤を加えて、若干の有機物とともに、浮遊物質および有機性窒素を沈殿させて除去する。凝集剤としては、廃水の性状により、アニオン性またはカチオン性重合体または塩化第二鉄を使用することができる。このようにして生じた沈殿スラッジを、図１の経路Ｆを経て脱水器１２に移送し、最終的に脱水処理する。
【００３２】
薬品固液分離槽３で沈殿スラッジを除去された被処理物には、有機物質に比べてかなり多量の窒素成分を含有している。これは後続の処理工程において有機物質の不足を発生させ、効率的な処理を困難にする。したがって、有機物質を損失させないで、窒素成分中の６０〜７０％を占めるアンモニア性窒素を選択的に除去するため、被処理物をアンモニアストリッピング槽４に送る。
【００３３】
【化１】

【００３４】
アンモニア性窒素は、上式のような平衡状態を維持しているが、廃水のpHが７．０以上に増加すれば、平衡は左側に移動して、ＮＨ₄ ⁺イオンがＮＨ₃に転換される。このＮＨ₃は、廃水を攪拌すれば大気中に揮散する。このような原理と、畜産廃水自体のpHが高いという（pH９〜９．５）点を利用して、アンモニアストリッピング槽４では、空気の供給によって、畜産廃水中のアンモニア性窒素を除去する。
【００３５】
アンモニアストリッピング槽４でアンモニア性窒素を除去された被処理物は、嫌気性発酵槽５に流入する。嫌気性発酵槽５では、被処理物に含まれた難分解性有機物を、嫌気性微生物を用いて分解して、後続の工程において好気性微生物が摂取し易い形態とする。嫌気性発酵槽５には、温度を約３０℃に一定に維持することができるように、加温施設を設置することが好ましい。このことにより、冬季の温度低下による窒素除去効率の下落を防止し、嫌気性微生物の円滑な活動を確保することができる。さらに、嫌気性微生物の流入の際に、嫌気性微生物が被処理物と円滑に混合されるようにし、発生するガス（たとえば、ＣＨ₄、ＣＯ₂、Ｈ₂、Ｈ₂Ｓなど）が微生物から円滑に脱離できるように、嫌気性発酵槽５には、混合用攪拌機１６を設置することが好ましい。
【００３６】
さらに、嫌気性発酵槽５の下部のスラッジを、定期的に抜き出し、図１の経路Ｅを経て脱水器１２に移送して処理する。嫌気性発酵槽５は、沈殿槽１０から移送されたスラッジを嫌気性発酵して、酢酸、プロピオン酸、酪散、吉草酸、カプリン酸などの有機酸を形成させ、スラッジ内に含有されている脱リン微生物を、嫌気性発酵槽５の嫌気性状態で活性化させる。脱リン微生物の活性化は、当分野において周知のとおり、適切な温度、pH、滞留時間、濃度、妨害物質の抑制など、周辺の環境を脱リン微生物の成長に適合するように調製することによって行われる。活性化された微生物は、微生物細胞内のリン（Ｐ）をリン酸イオン（ＰＯ₄ ^3-）の形態で放出し、放出されたリンより遥かに多量のリンを、好気性状態で摂取する。この過程において、前記微生物は、嫌気性発酵槽５で発酵によって生じた有機酸を体内に蓄積し、エネルギー源として用いる。さらに、嫌気性発酵槽５は、完全に脱窒されていない残存窒素を、二次的に脱窒する役割も果たす。嫌気性発酵槽５では、有機酸形成反応からメタン形成反応に移らないように、その内部における被処理物の滞留時間を２〜３日に制限する必要がある。
【００３７】
嫌気性発酵槽５で発酵した被処理物は、アナモックス槽６に流入する。沈殿槽１０の上澄液もまた、図１の経路Ｂを経てアナモックス槽６に流入する。アナモックス（Anammox）とは、嫌気性状態でアンモニウムイオン（ＮＨ₄ ⁺）を電子供与体に、亜硝酸イオン（ＮＯ₂ ^-）または硝酸イオン（ＮＯ₃ ^-）を電子受容体に、ＣＯ₂を唯一の炭素源に使用し、アナモックス微生物により、アンモニウムをＮ₂ガスに酸化させる過程を意味する。このような酸化過程の総括反応式は、下記のとおりである。
【００３８】
【化２】

【００３９】
アナモックス槽６は、このような原理により、被処理物中に存在するアナモックス微生物によって、沈殿槽１０の上澄液に存在する亜硝酸塩や硝酸塩を、窒素ガスに還元させる。アナモックス槽６には、アナモックス微生物を適正な温度、たとえば２０〜４０℃に維持するための加温施設を設置することが好ましい。アナモックス微生物は、主にニトロソモナス（Nitrosomonas）系統の微生物として知られており、代表的な例としては、フレキシバクター（Flexibacter）がある（Mike S. M. Jettenら、The anaerobic oxidation of ammonium, FEMS Microbiology Reviews 22(1999) 421-437）。さらに、温度の調節および微生物と被処理物の混合を円滑にするため、混合用攪拌機１７を設置することが好ましい。
【００４０】
図２に示すように、バイオポンド（biopond）７は、内部にバイオコンプ（bio-comp）４０が充填されたバイオメーカー３０が装着されている。バイオメーカー３０は、その上部に種々の微生物を混合固定させたバイオコンプ４０を含み、その下部には、無機成分が多い砕石層が充填されている。砕石としては、たとえばＳｉＯ₂３０．７％、Ａｌ₂Ｏ₃１２．２％およびＣａＯ３２．５％を主成分として含むものが用いられる。この砕石層は、バイオメーカー３０内に無機物を引き続き供給し、この供給された無機物により、バイオコンプの微生物の活性が極大化される。バイオコンプは、バチルス（bacillus）系微生物と放線菌類（actinomycets）が主流をなす土壌微生物を、多量に固定化させた微生物固定体である。バイオコンプに固定化された土壌微生物は、沈殿槽１０から移送されたスラッジと、バイオポンド内に形成された適切な微生物の成長条件とによって、活性化される。まず、微生物は、バイオポンド７に継続的に供給される空気により形成された好気性状態で活性化される。活性化されるのに所要な時間は、２日程度である。バイオポンド７内の微生物の活性は、沈殿槽１０から移送されたスラッジにより、さらに促進される。また、このように活性化された微生物に充分な餌を供給しないことにより（すなわち、バイオポンドに原水を供給しないことにより）、以後、この微生物が曝気槽８に流入する際に、より旺盛な物質代謝能力を発揮する。
【００４１】
アナモックス槽６で処理された被処理物と、バイオポンド７で活性化された微生物は、脱窒誘導型曝気槽８に流入する。曝気槽８としては、最終段を単に攪拌を行うだけで、空気の供給を行わない多段式曝気槽が好ましく、４段以上の区分を有するものがより好ましい。これは、円滑な混合と、相異する溶存酸素濃度を維持することにより、良好な硝化および脱窒をもたらして、アルカリ度の増減をバランスよく維持し、急激なpHの減少による阻害作用を防止するためである。２〜３段に区分された曝気槽（空気を供給する段数は１〜２段）に比べて、４段以上に区分された曝気槽は、濃度差の大きい畜産廃水が逐次流入するときに、pHの変化に対応する適切な溶存酸素濃度に調節して運転することが容易であり、最終段を無酸素状態で運転することにより、脱窒層における脱窒を容易にできる。中でも、維持管理が容易なことから、４段曝気槽が特に好ましい。具体的には、４段曝気槽の場合、第３段に流入する処理水のＮＯ₃ ^-濃度が多い場合には、第１段および第２段の溶存酸素濃度を低下させてＮＯ₃ ^-の脱窒を図り、ＮＯ₃ ^-濃度が低い場合には、第１段および第２段の溶存酸素濃度を高めて、硝化を進めることができる。
【００４２】
最終段、すなわち、４段曝気槽の場合は第４段には、空気を供給することなく、混合用攪拌機１９を設置して、溶存酸素量を０．５mg/L以下に維持することにより、後続の工程である脱窒工程の効率が極大になるようにし、一部の脱硝によるアルカリ度の増加によって、曝気槽のpH緩衝作用をすることが好ましい。曝気槽８内における好気性微生物は、物質代謝作用を通じて有機物の酸化と、硝化およびリンの過剰摂取によるリンの除去作用を行う。この過程において、バイオポンド７で活性化された微生物が、より旺盛な物質代謝作用を果たす。曝気槽８における硝化反応は、ニトロソモナス（Nitrosomonas）とニトロバクター（Nitrobacter）により、アンモニア性窒素がＮＯ₂ ^-を経てＮＯ₃ ^-に酸化される過程であり、この過程で、アルカリ性物質が消費されて、pHが下がるという効果が得られる。
【００４３】
曝気槽８におけるリンの除去反応は、先の嫌気性発酵槽５でリンをリン酸の形態で放出した脱リン微生物が、好気性の状態の曝気槽８で細胞質構成物質を合成するとき、既存の好気性微生物が摂取するリンより多量のリンを摂取する現象が起こる。これをリンの過剰摂取（Luxury uptake）現象という。これにより、過剰摂取されたスラッジを除去することによって、リンを除去することができる。前記脱リン微生物は、廃水処理分野の通常的な脱リン微生物をいうが、その中で、最も一般的に知られた微生物の例としては、アシネトバクター（Acinetobacter）が挙げられる。
【００４４】
曝気槽８から流出した被処理物は、脱窒槽９に流入する。脱窒槽９では、移植された脱硝酸菌（Denitrifier）が、被処理物に含まれた未処理の有機物を用いて、被処理物内に含まれる硝酸性窒素酸化物を、ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂ ^-→ＮＯ→Ｎ₂Ｏ→Ｎ₂のように転換し、窒素を除去する。このような脱窒反応は、場合によっては電子供与体として、外部の炭素源である酢酸、クエン酸、メタノールなどを使用し、脱窒反応の効率を高めることができる。しかし、外部の炭素源の供給のためには別途の装置が必要であるという点と、経済性を考慮して、本処理工程においては、外部から炭素源を投入することなく、被処理物とスラッジ内の炭素を使用する内生呼吸（endogenous respiration）を用いた脱窒反応を起こさせることが好ましい。
【００４５】
さらに、スラッジを嫌気性発酵して有機酸を生産する嫌気性発酵槽５に、沈殿槽１０下部の沈殿スラッジを移送し（図１の経路Ａ）、第二次の脱窒を進めて、完全な窒素除去工程を構築する。
【００４６】
脱窒槽９は、被処理物が下側に流入するように構成し、被処理物と微生物との接触の機会を増やして完全に混合されるようにすることが好ましい。さらに、微生物と被処理物の接触を円滑にし、脱窒菌により発生したＮ₂ガスが、微生物からうまく脱気されるように、機械的な混合用攪拌機１９を設置することが好ましい。
【００４７】
脱窒槽９で処理された被処理物は、沈殿槽１０に流入する。沈殿槽１０では、被処理物とスラッジが固液分離される。沈殿槽１０は、その内部で、処理物より重い微生物が、重力により沈降しながら自然に分離するような構造にすることが好ましい。沈殿したスラッジの円滑な収集のために、沈殿槽１０の内部には、傾斜を設けることが好ましい。集められた沈殿スラッジは、図１の経路Ｅを経てバイオポンド７に一部が移送され、図１の経路Ａを経て嫌気性発酵槽５に移送され、曝気槽８のＭＬＳＳ維持のための移送に用いられなかった量の廃スラッジは、図１の経路Ｄを経て脱水器１２に移送されて、処分される。
【００４８】
沈殿槽１０から流出した被処理物は、凝集沈殿槽１１に流入する。凝集沈殿槽１１に流入した被処理物は、凝集剤で処理し、残留するリンと懸濁固形物および一部の有機物を完全に凝集させて処理する。使用される凝集剤は、処理装置に合わせて多様な選択が可能であり、代表的には塩化鉄が用いられる。使用量も、放流する水質の基準により、適切に調節することができる。凝集したスラッジは、重力により沈殿し、図１の経路Ｇを経て脱水器１２に送られて処分される。凝集沈殿槽の上澄液は、最終放流水１３となる。
【００４９】
脱水器に流入した各種のスラッジ（薬品固液分離槽３のスラッジ、嫌気性発酵槽５のスラッジ、沈殿槽１０の廃スラッジ、凝集沈殿槽１１のスラッジ）は、圧力や遠心力などの機械的な力によって水分がスラッジから分離され、含水率が大幅に減少したケーク１４の形態で排出されて、固形堆肥化などに利用される。スラッジから分離された脱離液は、図１の経路Ｈを経て曝気槽８に移送されて、再処理される。
【００５０】
【実施例】
本発明の廃水処理工程の優位性を、次の実施例および比較例によって立証する。
【００５１】
下記の試験例および比較例で使用された略称の意味は、以下のとおりである。
ＣＯＤ（Chemical Oxygen Demand）：化学的酸素要求量を意味する。酸化剤として重クロム酸カリウム（Ｋ₂Ｃｒ₂Ｏ₇）を使用して測定した化学的酸素要求量をＣＯＤｃｒ、酸化剤として過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ₄）を使用して測定した化学的酸素要求量をＣＯＤｍｎと表す。
ＢＯＤ（Biological Oxygen Demand）：生物学的酸素要求量
ＴＳＳ（Total Suspended Solids）：浮遊物質として無機物と有機物を含有する固形物質であって、０．１μmのろ紙によってはろ過されない浮遊物質をいう。通常ＳＳと言われ、ＶＳＳと区分するときにはＴＳＳとも言われる。すなわち、環境工学の分野でＳＳと言われるものは、ＴＳＳである。測定は、０．１μmのろ紙でろ過した浮遊物質を、１０５℃のオーブンで水分を蒸発させた残余物質の重量を測定してmg/L単位、すなわち、液体１リットル当たりの浮遊物質の重量mgで表す。
【００５２】
ＴＫＮ（Total Kjeldhal Nitrogen）：廃水中の有機性窒素とアンモニア性窒素の濃度の和を意味する。
Ｔ−Ｎ（Total Nitrogen）：廃水中の総窒素量を表す。すなわち、有機性窒素と無機性窒素（ＮＨ₄ ⁺、ＮＯ₂ ^-、ＮＯ₃ ^-の形態の窒素を含む）を合わせた値である。
Ｔ−Ｐ（Total phosphorus）：廃水内に存在する可溶性リンと非可溶性リンを合せた値である。
【００５３】
＜実施例＞
図１の廃水処理工程を実験室規模の反応器で製作し、畜産廃水共同処理場で原水を採取して実験を実施した。下記の表１に、本実験に使用した廃水処理工程の反応槽の、装置および規格をまとめた。
【００５４】
【表１】

【００５５】
前記実験で使用された各種の装置中、曝気槽、嫌気性発酵槽、アナモックス槽および脱窒槽などのpHとＯＲＰ（Oxidation Reduction Potential)を測定するために、pHメーターを使用した。曝気槽とバイオポンドに空気を供給するために、ブロアーを使用した。原水の供給は、移送ポンプを用いて１日５回均等に注入し、各反応槽における被処理物の移動は、自然流下により移送されるように、反応器を配置した。
【００５６】
【表２】

【００５７】
表２でまとめた実験結果の値は、実験室運転期間中の平均値である。原水としては、畜産廃水共同処理場である京畿道Ｙ処理場で直接採取したものを用いた。これを分析し、前処理である薬品固液分離とストリッピングを一度に行い、試料を４℃の冷蔵庫に保管して嫌気性発酵槽から定量ポンプにより注入して実験を行った。処理水の水質は、糞尿や畜産廃水共同処理場放流水の水質を満足する、非常に良好な結果を得た。すなわち、ＢＯＤが３００mg/L、ＳＳが２９mg/Lであり、Ｔ−Ｎが６０mg/L以下、Ｔ−Ｐが８mg/L以下という法基準を満足させた。
【００５８】
＜比較例＞
表３は、図３に示された従来の廃水処理方法によって廃水処理を行った結果を示す。図３の廃水処理方法は、１９９７年に環境管理公団で設計した漣川畜産廃水処理施設設計報告書で採択された処理方法であって、本発明の方法と異なり、液状腐食槽を用いる処理方法である。
【００５９】
【表３】

【００６０】
表２と表３のＢＯＤ値を比較すれば、本発明の場合、凝集槽から排出した放流水のＢＯＤ値が３０mg/Lであって、非常に小さい。それに対し、表３の最終放流水の場合のＢＯＤ値は１９９mg/Lであって、本発明の６倍を越える数値である。したがって、図３の処理方法の場合、ＢＯＤの許容基準値を満足させるためには、図３の流れ概念図に示したとおり、廃水処理された放流水をさらに下水処理場に送り、もう一回の処理を経て、はじめて河川への放流が可能であった。
【００６１】
以上の実験結果を詳細に比較して、本発明の廃水処理工程は、有機物質の除去効率と栄養素の除去効率が非常に優れた処理施設であることが立証された。
【００６２】
【発明の効果】
本発明による廃水処理方法と処理施設は、高濃度の有機性廃水である糞尿や畜産廃水の効率的な有機物の処理と、栄養素である窒素とリンが效果的に処理できる、優れた処理方法および処理施設である。すなわち、本発明によって、浮遊物質濃度の高い流入水を受け入れても、薬品固液分離槽によって、その流出水中の浮遊物質の濃度を１０，０００〜２０，０００mg・Lに維持することにより、曝気槽のＭＬＳＳ濃度を適正に維持することができ、施設全体の運転が容易で、放流水の安定な水質を確保することが可能である。
【００６３】
さらに、Ｔ−Ｎ濃度の高い畜産廃水を受け入れても、アンモニアストリッピング槽でアンモニアを揮発させた後に、曝気槽で硝化された窒素をアナモックス槽でアンモニアと反応させることにより、窒素を除去するので、安定した脱窒を行うことができる。
【００６４】
本発明は、このような、薬品固液分離槽を用いることによる曝気槽の安定な運転と、アンモニアストリッピング槽およびアナモックス槽による窒素の除去とを組み合わせることにより、畜産廃水などの処理可能な範囲を、従来法より大きく拡大したものである。
【００６５】
本発明によって糞尿や畜産廃水の円滑な処理が保障できるため、畜産農家の経済的な困難さが解消でき、周辺農家に被害を与えずに安定的な畜産業の経営が可能である。さらに、小河川および湖の水質汚染の主要な原因とされてきた糞尿や畜産廃水の処理が解決するので、環境の向上にも大きな役割を果たすものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による廃水処理工程を示すフローチャートである。
【図２】バイオポンドの詳細図である。
【図３】液状腐食槽を使用する従来の代表的な畜産廃水処理工程を示す流れ概念図である。
【符号の説明】
１：廃水処理装置
２：均等槽
３：薬品固液分離槽
４：アンモニアストリッピング槽
５：嫌気性発酵槽
６：アナモックス槽
７：バイオポンド
８：脱窒誘導型曝気槽（４段）
９：脱窒槽
１０：沈殿槽
１１：凝集沈殿槽
１２：脱水器
１３：放流水
１４：脱水ケーク
１５〜２０：混合用攪拌機
３０：バイオメーカー
４０：バイオコンプ

Claims

（ａ）高濃度の糞尿または畜産廃水の濃度と流量を均等化する均等化工程；
（ｂ）前記（ａ）工程で均等化された廃水に、凝集剤を加えて、有機物の濃度と窒素の濃度を、所望の水準に調整する固液分離工程；
（ｃ）前記（ｂ）工程で固液分離された被処理物中の有機物の濃度を変化させずに、アンモニア性窒素のみを選択的に除去するアンモニアストリッピング工程；
（ｄ）前記（ｃ）工程で処理された被処理物中の難分解性有機物を、嫌気性微生物を用いて分解することにより、後続の工程における好気性微生物が摂取し易い形態とし、かつ下記（ｉ）工程から移送されたスラッジを発酵させて、有機酸を生成させる嫌気性発酵工程；
（ｅ）下記（ｉ）工程から前記（ｄ）工程に移送された後、嫌気性発酵に付されたスラッジ内に含まれる亜硝酸性窒素（ＮＯ₂ ^-）と、廃水内に含まれたアンモニアを反応させて、窒素ガスを発生させるアナモックス工程；
（ｆ）バイオポンドに存在する、固形化された土壌微生物を活性化する微生物活性化工程；
（ｇ）前記（ｆ）工程で活性化された土壌微生物を、少なくとも４段に区分され、混合と溶存酸素量を調節することができ、最終段には、空気の供給なしに、混合用攪拌機のみを装着して曝気槽内の脱窒及び以後の脱窒を促進することができる脱窒誘導型曝気槽内に供給し、この微生物と共に脱窒誘導型曝気槽内に棲息中の好気性微生物を用いて、前記（ｅ）工程で処理された被処理物中の有機物質を分解し、アンモニア性窒素を硝酸性窒素（ＮＯ₃ ^-）に硝化した後、混合して脱窒を行う脱窒誘導型曝気工程；
（ｈ）無酸素状態で微生物の内生呼吸を用いて、前記（ｇ）工程で処理された被処理物中の硝酸性窒素を窒素に還元する脱窒工程；
（ｉ）（ｈ）工程で得られた、被処理物と微生物の混合物から固液分離し、沈殿したスラッジの一部を、前記嫌気性発酵工程（ｄ）に移送する沈殿工程；ならびに
（ｊ）前記（ｉ）工程で沈殿を分離した上澄液から、残余の物質を凝集によって除去し、最終処理水として放流する凝集沈殿工程
を含む廃水処理方法。
前記（ｈ）工程において、外部から炭素源を投入しない、請求項１記載の廃水処理方法。
（Ａ）高濃度の糞尿または畜産廃水の濃度と流量を均等化する均等化槽；
（Ｂ）前記均等槽から流入された廃水の有機物の濃度と窒素の濃度を、凝集剤を加えて所望する水準に調整する薬品固液分離槽；
（Ｃ）固液分離された被処理物中の有機物の濃度を変化させずに、アンモニア性窒素のみを選択的に除去するアンモニアストリッピング槽；
（Ｄ）前記ストリッピング槽から供給された被処理物中の難分解性有機物を、嫌気性微生物を用いて分解することにより、後続の工程における好気性微生物が摂取し易い形態とし、沈殿槽から移送されたスラッジを発酵させて、有機酸を生成させる嫌気性発酵槽；
（Ｅ）脱窒誘導型曝気槽で亜硝酸化された窒素（ＮＯ₂ ^-）と、被処理物中のアンモニアが反応して、窒素ガスを形成するアナモックス槽；
（Ｆ）固形化した土壌微生物が装着されており、これを活性化して脱窒誘導型曝気槽に前記微生物を供給するバイオポンド；
（Ｇ）前記バイオポンドで活性化された土壌微生物、および自己内部に棲息中の好気性微生物を用いて、被処理物中の有機物質を分解し、アンモニア性窒素を硝酸性窒素（ＮＯ₃ ^-）に硝化した後、少なくとも４段に区分され、混合と溶存酸素量を調節することができ、最終段には、空気の供給なしに、混合用攪拌機のみを装着して曝気槽内の脱窒及び以後の脱窒を促進することができる脱窒誘導型曝気槽；
（Ｈ）無酸素状態で微生物の内生呼吸を誘導し、前記脱窒誘導型曝気槽で処理された被処理物中の硝酸性窒素を窒素に還元する脱窒槽；
（Ｉ）有機物がほとんど酸化され、脱窒化された被処理物と微生物とを固液分離する沈殿槽；
（Ｊ）前記沈殿槽で沈殿分離した上澄液から、残余の物質を凝集させる凝集沈殿槽；ならびに
（Ｋ）前記固液分離槽、嫌気性発酵槽、沈殿槽および凝集沈殿槽から排出されたスラッジの一部または全部の水分を除去する脱水槽
を含む廃水処理装置。