JP3815977B2 - 高濃度窒素含有排水の処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素分を高濃度に含有する排水の処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒素分を含有する排水から窒素分を除去する従来技術としては硝化液循環法がある。この方法は硝化槽で有機性窒素およびアンモニア性窒素を亜硝酸性窒素、硝酸性窒素に硝化した後に、脱窒槽に循環して、原水の有機物を水素供与体として窒素ガスに還元する処理法である。
【０００３】
この方法における窒素除去率は、硝化液循環率に左右され、除去率を向上させようとすると循環率を増加させる必要があったが、循環率を増加させると循環動力費が増加するという問題があった。
また、硝化液を第二脱窒槽に導いてメタノールなどを添加して脱窒し、窒素除去率を向上させる方法もあるが、この場合は薬品費が嵩む結果となった。
【０００４】
特に、従来の方法では、原水の窒素濃度が高い場合には硝化液を脱窒するための循環動力あるいは薬品費が増加するだけでなく、硝化槽の硝化において、窒素分を主として硝酸性窒素の形態にまで酸化することから曝気動力も多大となる問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、優れた窒素除去率が得られ、曝気用動力や硝化液循環用動力が削減でき、かつ設備費も削減することを可能とする高濃度窒素含有排水の処理方法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、窒素分を高濃度に含有する原水を硝化脱窒して処理水として排出する排水処理方法であって、次の各発明からなる。
上記の問題は、先ず第１の発明である、原水をケルダール窒素が所定濃度範囲に入るように処理水で希釈した後、この希釈原水を次式で計算される供給割合設定値に基づいて希釈原水Ａと希釈原水Ｂとに分割し、希釈原水Ａを酸化槽に、希釈原水Ｂを硝化槽に供給して、それぞれ好気条件下で処理を行い、次いで、酸化槽流出水と硝化槽流出水を混合して得た酸化液を脱窒槽に導いて無酸素条件下で脱窒することを特徴とする高濃度窒素含有排水の処理方法によって、解決することができる。
Ｖ_B・（２．３ｘ−１．３）＝１．３Ｖ_A （式１）
ただし、 ２．３ｘ−１．３＞０
ここに、 ｘ ： 硝化率（−）
Ｖ_B ： 硝化槽への供給割合設定値（−）
Ｖ_A ： 酸化槽への供給割合設定値（−）
【０００７】
また、上記の問題は、第２の発明である、原水をケルダール窒素が所定濃度範囲に入るように処理水で希釈した後、この希釈原水を硝化槽に供給して硝化率が５０〜６０％になるよう好気条件下で処理を行い、次いで、硝化槽流出水である酸化液を脱窒槽に導いて無酸素条件下で脱窒することを特徴とする高濃度窒素含有排水の処理方法によっても解決することができる。
【０００８】
また、上記の問題は、第３の発明である、予め、活性汚泥により大部分の有機物を吸着除去した原水を、ケルダール窒素が所定濃度範囲に入るように処理水で希釈した後、この希釈原水を硝化槽に供給して硝化率が５０〜６０％になるよう好気条件下で処理を行い、次いで、硝化槽流出水である酸化液を脱窒槽に導いて無酸素条件下で脱窒することを特徴とする高濃度窒素含有排水の処理方法によっても解決することもできる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の高濃度窒素含有排水の処理方法に係る実施形態について、図１〜３のフローシート、図４〜７のグラフを参照しながら説明する。
先ず、本発明は、次に示すような高濃度のケルダール窒素（有機性窒素＋アンモニア性窒素をいう。以下同様）を含む排水に適用されるものである。
下水消化汚泥脱離液、下水返流水、ごみ埋め立て地浸出水、畜産排水、酵母製造などの産業排水等。
【００１０】
図１〜３のフローシートのうち、図１は、ＢＯＤが１００〜３００ｍｇ／Ｌ程度の原水に適用する本発明の第１発明を示すフローシート、図２は、ＢＯＤが１００ｍｇ／Ｌ程度以下の低濃度の原水に適用する本発明の第２発明を示すフローシート、図３は、ＢＯＤが３００ｍｇ／Ｌ程度以上の原水に適用する本発明の第３発明を示すフローシートである。
【００１１】
そして、本発明の基本原理は、脱窒槽１４の嫌気条件下において、次の式２の反応を微生物に行わせることに基づいている。
NH₄ ⁺＋1.32NO₂ ^-＋0.066HCO₃ ^-＋0.13H⁺→
1.02N₂＋0.26NO₃ ^-＋0.066CH₂O _0.5 N _0.15＋2.03H₂O （式２）
この反応では、式２に示すように、一部硝酸性窒素が残留することから完全脱窒はできないが、ケルダール窒素のうち有機性窒素はアンモニア性窒素に分解し、もともとのアンモニア性窒素との合量のうち５７％を亜硝酸性窒素（硝酸性窒素ではない）に硝化すればよいので曝気動力が大幅に削減できる。また、この反応は有機物等の水素供与体を要しないので薬品の添加も必要ない。
しかし、その反面、有機物を脱窒槽の前段までに如何に除去するかがポイントになることを示している。
以上の点を前提として３種類のフローシートにより本発明を説明する。
【００１２】
本発明の第１発明は、図１のフローで示される処理方法であり、ＢＯＤが１００〜３００ｍｇ／Ｌの中程度の原水に適用される方法で、原水ａを処理水ｅによって原水希釈槽１１でケルダール窒素が所定濃度範囲に入るように希釈した後、この希釈原水ｂを次式で計算される供給割合設定値に基づいて希釈原水Ａと希釈原水Ｂとに分割し、希釈原水Ａを酸化槽１２に、希釈原水Ｂを硝化槽１３に供給して、それぞれポンプＰの供給空気によって好気条件下で処理を行い、次いで、酸化槽流出水と硝化槽流出水を混合して得た酸化液ｃを脱窒槽１４に導いて無酸素条件下で脱窒するものである。脱窒処理水は沈殿槽１５で固液分離され、処理水ｄとして排出されるとともに、一部は原水希釈用処理水ｅとして、原水希釈槽１１に返送される。
Ｖ_B・（２．３ｘ−１．３）＝１．３Ｖ_A （式１）
ただし、２．３ｘ−１．３＞０
ここに、 ｘ ： 硝化槽における硝化率（−）
Ｖ_B ： 硝化槽への供給割合設定値（−）
Ｖ_A ： 酸化槽への供給割合設定値（−）
【００１３】
図１のフローでは、ＢＯＤが中程度の１００〜３００ｍｇ／Ｌの原水に適用するが、硝化槽１３の機能、すなわち、ＢＯＤ除去機能と硝化機能のうち、ＢＯＤ除去機能を補助する目的で酸化槽１２を設けている。これは、式１中の（２．３ｘ−１．３）を正の値、つまり、硝化槽１３における硝化率を５６％以上にすることが必要であるが、硝化に先立って起こるＢＯＤ除去を補助することにより、硝化槽１３における硝化率の保持をより確実なものにする。ここでの酸化槽１２の役割は、希釈原水ｂ中のＢＯＤを除去するとともに、有機性窒素をアンモニア性窒素に分解し、脱窒槽１４での反応が完結できるように補助する点にある。
【００１４】
なお、この酸化槽１２と硝化槽１３への希釈原水の分配は、前記式１に基づくが、このように分割することによって、前記式２の反応式が成立するように、各槽に適量の窒素が供給されるのである。
なお、希釈原水Ａと希釈原水Ｂとの分割割合は、式１から求められる、硝化槽への供給割合設定値Ｖ_Bと酸化槽への供給割合設定値Ｖ_Aとを基準にして、±２０％の範囲内に止めるのが、各反応槽の処理効率上好ましい。
【００１５】
次に、本発明の第２発明は、図２のフローで示される処理方法であり、ＢＯＤが１００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度の原水に適用される方法で、原水ａをケルダール窒素が所定濃度範囲に入るように処理水ｅで希釈した後、この希釈原水ｂを硝化槽１３に供給して硝化率が５０〜６０％になるよう好気条件下で処理を行い、次いで、硝化槽流出水である酸化液ｃを脱窒槽１４に導いて無酸素条件下で脱窒するものである。
【００１６】
図２では、ＢＯＤが１００ｍｇ／Ｌ以下の低ＢＯＤの原水に適用されるが、この場合は希釈原水のＢＯＤが低いことから、ＢＯＤ除去は硝化槽で行うことができるので、酸化槽は特に設ける必要がない。硝化槽の硝化率を５０〜６０％に設定してあるのは、窒素成分の各濃度を調節して前述の式２の反応式が成立するようにするためのものである。
【００１７】
次に、本発明の第３発明は、図３のフローで示される処理方法であり、予め、生物吸着槽１６に導入した活性汚泥により含有有機物を吸着処理した原水を、ケルダール窒素が所定濃度範囲に入るように処理水で希釈した後、この希釈原水ｂを硝化槽１３に供給して硝化率が５０〜６０％になるよう好気条件下で処理を行い、次いで、硝化槽流出水である酸化液ｃを脱窒槽１４に導いて無酸素条件下で脱窒するものである。
【００１８】
図３では、ＢＯＤが３００ｍｇ／Ｌ以上の高ＢＯＤの原水に適用する。基本的には、先の図２のフローの前に高ＢＯＤ対応のために、生物吸着によるＢＯＤ除去操作が付加されている。この場合、生物吸着槽１６の後段に固液分離用の第１沈殿槽１７を設け、沈殿した活性汚泥は汚泥曝気槽１８に送られ、生物吸着槽１７で吸着したＢＯＤなど有機物を分解し活性化する。この活性化した汚泥は返送汚泥ｇとして、生物吸着槽１６に返送され、前記生物吸着のために循環使用される。なお、生物吸着を経た原水は、ＢＯＤが十分に低下するので、それ以降の処理は、図２に示す、前記した本発明の第２発明と同様である。
【００１９】
なお、図示してないが、図１〜図３のフローの共通事項として、脱窒槽１４と沈殿槽１５との間に再曝気槽を設けてもよい。この再曝気槽は、脱窒槽１４におけるＢＯＤが問題ない程度に低いことから通常は必要ないが、処理の安定化のために設置することもできる。
【００２０】
如上のように、第１発明〜第３発明において、その原水のＢＯＤ除去方法に相違があるものの、窒素除去の部分は、何れの発明も共通していることから、図１に示す第１発明を代表事例として、さらに詳細に、説明することにする。
図１において、先ず、原水ａは希釈水である処理水ｅとともに原水希釈槽１１に供給され、均一に混合される。
【００２１】
このとき、希釈によるケルダール窒素の調整濃度は３０〜３５０ｍｇ／Ｌとするのが好ましい。このように濃度に設定するのは、図４に示すように、希釈原水のケルダール窒素濃度が３０ｍｇ／Ｌを下回ると後段の硝化槽１３における硝化が亜硝酸型から硝酸型に変化して、脱窒槽１４における有機物が存在しない状態での脱窒が不可能になり、この処理系が成立しなくなるためである。希釈原水ｂのケルダール窒素濃度が低濃度の場合、硝化槽１３における硝化率が低下すると第１発明における前記式１が成立しないことがあり得るが、このようなときは酸化槽１２への希釈原水Ａの供給を停止する。
【００２２】
一方、希釈原水ａのケルダール窒素濃度が３５０ｍｇ／Ｌを越えると、図４に示すように、脱窒槽１４における亜硝酸性窒素の濃度が上昇し、脱窒菌に対して阻害要因として働くため、脱窒率が低下するからである。
なお、処理対象である原水ａのケルダール窒素が３５０ｍｇ／Ｌ未満であれば、処理水による希釈の必要はなく、図１の原水希釈槽１１は不要となる。
【００２３】
次に、希釈原水ｂは、前記式１に基づいて希釈原水Ａと希釈原水Ｂに分割され、それぞれ、酸化槽１２、硝化槽１３へと供給される。酸化槽１２では硝化を抑えた運転によりＢＯＤ等の有機物を除去するとともに一部の有機性窒素をアンモニア性窒素に分解する。一方、硝化槽１３では硝化を促進する運転によって、ＢＯＤ等の有機物を除去した後にケルダール窒素を亜硝酸性窒素に硝化する。
【００２４】
このときの硝化のタイプは、硝化槽１３へ供給するケルダール窒素を３０〜３５０ｍｇ／Ｌに調整してあることから、図５に示すように亜硝酸型になる。この亜硝酸型の硝化が促進されることが後段の脱窒槽１４での脱窒の効率化のポイントになる。酸化槽１２および硝化槽１３の方式は活性汚泥タイプでもよいが、活性汚泥タイプでは沈殿槽を設ける必要があり、特に硝化槽１３については、増殖速度の小さい亜硝酸菌による反応であることから、固定化担体を用いる方式が望ましい。固定化担体による方式であれば、流動床タイプでも、固定床タイプでもよい。
【００２５】
なお、固定化材料としては、セラミックス，プラスチックスあるいはポリビニルアルコールなどのゲルタイプなど、通常の固定化担体はいずれも使用できる。次の表１は、担体、方式別に硝化速度の一例を示したものである。表から明かのように、何れの担体、何れの方式でも硝化速度について実用上の問題はないと判断できる。
【００２６】
【表１】

【００２７】
なお、酸化槽１２と硝化槽１３の運転制御は、ＤＯ制御，ＨＲＴ制御，ＳＲＴ制御(活性汚泥法)など一般的な方法で行うが、硝化に必要なケルダール窒素は一般的な従来の硝化液循環法の約５６％でよく、更にその５６％は亜硝酸性窒素でよいことから、全体として硝化に必要な酸素量は、従来法の４０％程度で充足されることになる利点がある。
【００２８】
そして、両方の槽からの流出水は、混合されて酸化液ｃとして、脱窒槽１４へ供給される。ここでは無酸素条件下において、次式の反応により脱窒が行なわれる。
NH₄ ⁺＋1.32NO₂ ^-＋O.066HCO₃ ^-＋0.13H⁺→
1.02N₂＋0.26NO₃ ^-＋0.066CH₂O_0.5N_0.15＋2.03H₂O
【００２９】
この反応は、基本的には有機物の存在しない条件下で進行するが、図６に示すように、酸化液のＢＯＤ濃度は２０ｍｇ／Ｌまでとするのが好ましい。２０ｍｇ／Ｌを越えると増殖速度の大きいＢＯＤ資化菌（倍化速度：１０〜２０分）が優先し、増殖速度の小さい（倍化速度：１０〜２０日）脱窒菌は減少するため脱窒速度が小さくなるため好ましくない。
【００３０】
この反応に必要な無酸素条件は、図７のように酸化液のＢＯＤ濃度が１０ｍｇ／Ｌ程度以上あれば、長くても１時間程度攪拌することで達成できるので問題はないが、酸化液のＢＯＤ濃度が低く無酸素状態にするのに時間がかかる場合は、酸化液の溶存酸素（ＤＯ）濃度に応じて硫化物あるいは亜硫酸塩とコバルト塩を添加すれば、短時間で無酸素状態にすることができる。
【００３１】
脱窒槽１４の方式は、活性汚泥タイプは難しく、増殖速度の小さい脱窒菌による反応であることから固定化担体を用いる方式が望ましい。固定化担体による方式であれば、流動床タイプでも固定床タイプでもよい。なお、固定化材料としては、セラミックス，プラスチックスあるいはポリビニルアルコールなどのゲルタイプなど、通常の固定化担体はいずれも使用できる。
次の表２は、担体、方式別に硝化速度の一例を示したものである。表から明かのように、何れの担体、何れの方式でも脱窒速度について実用上の問題はないと判断できる。
【００３２】
【表２】

【００３３】
さて、脱窒槽１４の運転制御は、前記のように流入する酸化液のＢＯＤ濃度を制限することと、無酸素状態にすることで行うが、反応そのものは、必ずしも絶対嫌気条件の必要性はないので、ＯＲＰはプラス側でも特に問題となることはない。
また、脱窒槽１４の流出液は、通常は沈殿槽１５を経て処理水ｄとして放流されるが、その一部は原水希釈水ｅとして返送される。脱窒処理の安定性を重視する場合は脱窒槽１４の後段に再曝気槽（図示せず）を設けてもよい。この再曝気槽によって、残余のアンモニア性窒素あるいは亜硝酸性窒素を硝酸性窒素まで酸化してＣＯＤ原因物質の亜硝酸性窒素を除去するとともに放流先である河川等での酸素の消費を防止できる。再曝気槽の方式は活性汚泥方式，固定化担体の何れでもよいが、沈殿槽を必要としない点で固定化担体方式における固定床タイプが優れている。
【００３４】
以上、第１発明を例として技術的要件を説明したが、第２、第３の発明においても、各処理プロセスの要件は同様である。
なお、先の説明になかった、第３発明における生物吸着プロセスについて、次に補足説明を加える。
【００３５】
原水は、活性化された返送汚泥ｇと混合されて生物吸着槽１６へ入る。生物吸着槽１６では、活性汚泥が原水中のＢＯＤなどの有機物を吸着し、水側のＢＯＤ濃度を低下させる。しかし、ケルダール窒素は吸着され難いため、水側は原水に比較しＢＯＤに対するケルダール窒素の比率が高いものになる。生物吸着槽１６の滞留時間は、通常、０．５〜１時間程度であり、ＢＯＤ負荷としては１〜３ｋｇ^BOD／ｋｇ^SS。Ｄ程度までかけることができる。
【００３６】
生物吸着槽１６からの流出水は第一沈殿槽１７で固液分離され、上澄液はケルダール窒素濃度を３０〜３５０ｍｇ／Ｌに調整されて希釈原水ｂとして、硝化槽１３へ供給される。一方、沈殿した活性汚泥ｆは汚泥曝気槽１８へ送られ、曝気による酸素の供給をうけて吸着した有機物を分解し、再び有機物吸着能力を取り戻す。
【００３７】
汚泥曝気槽１８における曝気時間は、生物吸着槽１６におけるＢＯＤ負荷によって変わるが、３ｋｇ^BOD／ｋｇ^SS。Ｄ程度のＢＯＤ負荷の場合、４〜６時間の曝気が必要になる。活性化された活性汚泥は、返送汚泥ｇとして返送され再び原水と混合され吸着処理を繰り返すことになる。このようにして有機物の大部分を吸着、除去された後の原水は、前記第２発明のフローによって、同様に窒素除去される。
【００３８】
【実施例】
本発明では、前記した通り、高濃度窒素含有排水中に共存するＢＯＤ濃度に応じて、図１〜３のフローを選択することができる。低ＢＯＤ，高アンモニア性窒素の特性をもつゴミ埋め立て地浸出水について、希釈されたものとして、２０℃前後の室温において、処理量１ｍ³／日規模のパイロット装置を用いて、本発明の第２発明を適用した結果を次の表３に示す。
【００３９】
表３にみられるように、本発明の実施例では、比較例と同等の８０％を超える窒素除去率を示すにも拘わらず、処理コストとして計算されるメタノールは一切必要とせず、また、硝化およびＢＯＤ除去に必要な酸素量も、比較例の１／２以下に抑えることができることが分った。さらに、表３には定量的には示してないが、比較例では硝化液循環のための動力を必要とするが、本発明においてはその必要がなく、硝化液循環用動力を全く削減できることや、また、処理時間についても１５％程度の短縮が可能なことから、これに見合う設備規模が削減でき、結果、設備費が縮減可能となることも分った。
【００４０】
【表３】

【００４１】
【発明の効果】
本発明の高濃度窒素含有排水の処理方法は、以上説明したように構成されているので、曝気用動力、硝化液循環用動力および設備費も削減することも可能としながら、優れた窒素除去率が得られるから、排水処理施設の効率運転に格別に寄与できるという優れた効果がある。よって本発明は、従来の問題点を解消した高濃度窒素含有排水の処理方法として、工業的価値はきわめて大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を説明するための要部フローシート。
【図２】本発明の第２実施形態を説明するための要部フローシート。
【図３】本発明の第３実施形態を説明するための要部フローシート。
【図４】原水ケルダール窒素と脱窒率の関係を示すグラフ。
【図５】原水ケルダール窒素と硝化液NO2-N/NOx-N比の関係を示すグラフ。
【図６】酸化液ＢＯＤと脱窒率の関係を示すグラフ。
【図７】酸化液ＢＯＤと脱窒槽無酸素到達時間の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１１ 原水希釈槽、１２ 酸化槽、１３ 硝化槽、１４ 脱窒槽、１５ 沈殿槽、ａ 原水、ｂ 希釈原水、ｃ 酸化液、ｄ 処理水、ｅ 希釈用処理水、Ｐポンプ。

Claims (4)

1. 原水をケルダール窒素が所定濃度範囲に入るように処理水で希釈した後、この希釈原水を次式で計算される割合で希釈原水Ａと希釈原水Ｂとに分割し、希釈原水Ａを酸化槽に、希釈原水Ｂを硝化槽に供給して、それぞれ好気条件下で処理を行い、次いで、酸化槽流出水と硝化槽流出水を混合して得た酸化液を脱窒槽に導いて無酸素条件下で脱窒することを特徴とする高濃度窒素含有排水の処理方法。
   Ｖ_B・（２．３ｘ−１．３）＝１．３Ｖ_A （式1）
   ただし、２．３ｘ―１．３＞０
   ここに、 ｘ ： 硝化率（−）
   Ｖ_B ： 硝化槽への供給割合（−）
   Ｖ_A ： 酸化槽への供給割合（−）
2. 前記希釈原水のケルダール窒素濃度が３０〜３５０ｍｇ／Ｌである請求項１に記載の高濃度窒素含有排水の処理方法。
3. 前記酸化液のＢＯＤ濃度が２０ｍｇ／Ｌ以下である請求項１に記載の高濃度窒素含有排水の処理方法。
4. 前記酸化槽、硝化槽、脱窒槽の各反応槽が固定床方式または流動床方式からなり、固定化担体を用いるものである請求項１に記載の高濃度窒素含有排水の処理方法。

Images