JP3906344B2 - 排水処理装置および排水処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は生物学的な排水処理に係り、特に有機物および窒素を除去する排水処理ユニットを備えた排水処理装置および排水処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
染色工場などは尿素を大量に使用するため、その排水には有機態窒素（尿素など）が大量に含まれていることが多い。従来、これらの有機態窒素はアンモニアに変換後、塩素注入法により物理化学的に除去されていた。しかし、有害物質である塩素の使用が問題視されている中、塩素注入法に替わって生物処理法が見直されて来た。
ところで、尿素は好気処理槽中で容易にアンモニア態窒素に変換されるため、生物処理法による場合はアンモニア態窒素からの脱窒操作を考える必要がある。かかる脱窒操作を考慮したものとしては、図８に示した排水処理装置５１が知られている。すなわち、排水処理装置５１では、好気処理により排水５２中の有機態窒素をアンモニア態窒素から更には酸化態窒素（硝酸、亜硝酸など）へと変換する好気処理槽５４と、リサイクル管路５５で好気処理槽５４から戻された排水中の酸化態窒素を嫌気処理により窒素ガスへ変換する嫌気処理槽５３とにより、排水が硝化・脱窒処理され処理水５６として排出されるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、生物処理法で脱窒操作を行う場合は好気処理と嫌気処理を組み合わせた方式で行われるが、その際には、前述したように２槽（嫌気処理槽、好気処理槽）以上の生物処理槽が必要となる。そのため、好気処理槽だけで排水を処理してきた大半の工場では、嫌気方式による窒素除去のための新たな設備、例えば嫌気処理槽、脱窒操作に必要な水素供与体となる有機物用の貯蔵タンク、供給ポンプなどを増設する必要があり、設置面積の拡大と経済的な負担が大きくなる。また、従来の生物処理法では、多量に発生する余剰汚泥も大きな問題となっていた。
【０００４】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、既存の好気処理槽に簡素な構成の排水処理ユニットを加えるだけで、硝化・脱窒処理を行うことができ、同時に排水処理施設から発生する余剰汚泥の減容も行うことのできる排水処理技術の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る排水処理装置は、少なくとも、窒素化合物と、水素供与体となる有機物とを含有する原料の排水が供給される容器体を備えて成るとともに、容器体の一部または全体が、透水自由で、かつ、好気性菌および嫌気性菌を固定化可能な固定床材料で構成されている排水処理ユニットと、当該排水処理ユニットを槽内の水中に配備した好気処理槽とを備えて成り、前記原料の排水を排水処理ユニットの容器体内に直接供給する供給管路を備え、排水処理ユニットの固定床材料を、容器体内に直接供給された排水が容器体外へ自由に透過でき、かつ、好気処理槽内の排水が容器体内へ自由に透過できる不織布または編成された布で構成したものである。
【０００６】
尚、本発明で用いる排水処理ユニットは、固定床材料で囲まれた空間部分を物理的に作り出せるものであって、好気処理槽内の排水が固定床材料を透過しなければユニット内外を移動することが出来ないという形式のものであればよい。排水処理ユニットの容器体は開放型でも密閉型でも構わない。
排水処理ユニットを構成する固定床材料としては、例えば不織布、編成された布、あるいはシート状に加工されたものなどが挙げられるが、水が自由に透過でき、好気性菌および嫌気性菌を固定化可能な素材であれば特に限定されない。かかる固定床材料は空気も透過自由であるが、該空気中の酸素は固定床材料外面側の好気性菌により消費されるため、容器体内にはほとんど入らない。
【０００８】
そして、本発明に係る排水処理方法は、一部または全体が、排水が容器体内から容器体外へおよび容器体外から容器体内へ自由に透過でき、かつ、好気性菌および嫌気性菌を固定化可能な不織布または編成された布から成る固定床材料で構成された容器体を備えて成る排水処理ユニットを好気処理槽内の水中に配備し、少なくとも、窒素化合物と、水素供与体となる有機物とを含有する原料の排水を排水処理ユニットの容器体内に直接供給することにより、排水処理ユニットの固定床材料の外面側に好気性菌が固定化され、前記好気性菌の固定化に伴って固定床材料の内面側に嫌気性菌が固定化され、容器体内に直接供給された排水に含まれる有機物が前記嫌気性菌により分解処理され、前記好気性菌によって好気処理槽内の排水が硝化処理され、硝化処理された排水が固定床材料を透過して容器体内に流入するとき、流入する排水が前記嫌気性菌により脱窒処理されるようにしたものである。
【００１０】
【作用】
上記した排水処理装置では、好気処理槽内の菌体が排水処理ユニットの固定床材料に吸着固定される。従って、好気処理槽からの漏出が極めて少なく、菌体は高濃度で長時間、好気処理槽内に留まる。そのため、通常の活性汚泥法と比べ、排水処理効率が上がる。また、固定床材料内で菌の偏在が起こり、固定床材料外面側は硝酸菌および亜硝酸菌が集まる好気性菌固定化域となる。この好気性菌固定化域で酸素が消費され、排水に含まれるアンモニア態窒素から硝酸や亜硝酸といった酸化態窒素への酸化反応（硝化）が活発に行われる。これに伴って、容器体の容器内空間は嫌気性環境となり、固定床材料の内面側は酸化態窒素を窒素ガスに変える脱窒菌が集まる嫌気性菌固定化域となる。この嫌気性菌固定化域に好気処理槽からの排水が固定床材料を透過して流入すると、排水中の硝酸および亜硝酸は水素供与体の存在下で窒素ガスに変換されて除去される（脱窒）。
一方で、有機物（ＢＯＤ源）を元々含有した排水を排水処理ユニット内に直接供給するので、有機物が脱窒の際に必要な水素供与体として働き、有機物分解反応と脱窒が同時に起こる。
また、前述のように好気処理槽内の菌体は排水処理ユニットの固定床材料に吸着固定されて好気処理槽からの漏出分が少なくなるから、余剰汚泥の減容につながる。従って、後続の汚泥分離槽が小型のもので済んだり或いは不要となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る排水処理装置を示す概略構成図である。図において、本実施形態の排水処理装置１は、槽内の排水７を好気処理する好気処理槽３と、好気処理槽３内に酸素含有ガス８を曝気させる圧縮機９および散気管１０と、好気処理槽３の排水７中に浸して配備された３基の排水処理ユニット２，２，２と、排水処理ユニット２のひとつに排水４を供給するポンプ６および供給管路５とから構成されている。上記の酸素含有ガス８としては、酸素を含むガスであれば特に限定されないが、例えば安全で入手自由な空気そのもの、あるいは酸素濃度を高めた窒素混合ガスその他が挙げられる。
【００１２】
前記の排水処理装置１に用いられる排水処理ユニット２では、図２および図３に示すように、上面が開口し適当な前後幅を有する容器フレーム１５を基にして、容器体１４が構成される。容器フレーム１５の前後両面には、容器フレーム１５に近い側から順に、通水開口１６を有するシートパッキン１７と、通水開口１８を有する保持枠１９と、透水自由な固定床材料２０と、通水開口２１を有する保持枠２２とがそれぞれ重ねられボルトなどで固定される。これにより、上面が開口した容器内空間２３を有する容器体１４が完成する。すなわち、この排水処理ユニット１は、容器体１４の一部が固定床材料２０で構成されている。
【００１３】
続いて、上述構成の排水処理装置１による水処理動作を説明する。
ここでは、排水処理ユニット２のうち、排水処理ユニット２（ａ）の容器体１４内に、有機物（水素供与体）および窒素化合物を含む排水４が供給される。排水処理ユニット２（ｂ），２（ｃ）は好気処理槽３の排水７中に透水自由に浸されたままであり、原料排水４は直に供給されないがその外面に好気性菌が固定化し、排水７を好気処理可能である。
【００１４】
そこで、排水処理ユニット２（ａ）における容器体１４の容器内空間２３に排水４が供給されると、排水４はいったん固定床材料２０を透過して好気処理槽３内に流出する。固定床材料２０の外面側は溶存酸素量の多い排水７に囲まれているので好気性菌固定化域２４となり、そこに固定化された好気性菌によって周囲の排水７中の有機態窒素がアンモニア態窒素（図４中のＮＨ₃）、更には酸化態窒素（図４中のＮＯ_X）へと変化（硝化）する。このとき、好気性菌固定化域２４またはその外方周囲に位置する排水７中の溶存酸素は好気性菌による硝化処理によってほとんどが消費される。そのため、固定床材料２０を透過して容器内空間２３に流入する排水は溶存酸素をほとんど含んでいない。すなわち、好気性菌の固定化に伴って、必然的に固定床材料２０の内面側が嫌気性菌固定化域２５となり、そこに嫌気性菌が固定化されるのである。
【００１５】
そして、硝化処理後の排水７が容器内空間２３に流入する際に、排水中の酸化態窒素は嫌気性菌固定化域２５の嫌気性菌により分解されて窒素ガス（図４中のＮ₂）に変わり槽外に放出される（脱窒）。脱窒処理された水は容器内空間２３から固定床材料２０を透過して好気処理槽３に再び流出する。このようにして硝化処理および脱窒処理を終え有機物と窒素化合物が除去された水は、処理水１１として好気処理槽３外に排出されるのである。
【００１６】
尚、水素供与体は含まないが窒素化合物を含有する排水を、図１中の供給管路１２を用いて直に好気処理槽３に供給して硝化・脱窒処理することも可能である。但し、この場合は、例えばメタノール、エタノール、デンプンなどに代表される水素供与体１３を排水処理ユニット２に供給する。
【００１７】
【実施例】
本発明の実施例につき図１〜図４も参照して説明する。
好気処理槽３（縦９ｃｍ、横２９ｃｍ、高さ１９ｃｍ）の排水７中に、排水処理ユニット２（ａ）〜２（ｃ）を配備した。排水処理ユニット２（ａ）〜２（ｃ）の固定床材料２０は、例えばポリエステル繊維に４−ビニルピリジンスチレンコポリマーを含浸させて成る不織布（日本バイリーン株式会社製、商品名：ＭＢＴ９Ｐ、粗さ目付＝約２５０ｇ／ｍ²）で構成されている。固定床材料２０の縦横寸法は例えば１０ｃｍ×５ｃｍである。
そして、満水にした好気処理槽３に和歌山市終末処理場の返送汚泥（菌体濃度（ＭＬＳＳ）＝約８０００〜１００００ｐｐｍ）をＭＬＳＳ＝２００ｐｐｍとなるように投入した後、１日間空気曝気を行って溶存酸素濃度（ＤＯ）で２〜３ｍｇ／Ｌに保持した。その後、滞留時間１日の量で排水を供給し、連続運転を行った。排水としては、下記の表１に示す合成培地の２００倍希釈液を用いた。
【００１８】
［表１］
「合成培地の組成（ｇ／Ｌ）」
ポリペプトン ４０．０
肉エキス ６０．０
ＭｇＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ ２．０
ＣａＣｌ₂ １．０
ＮａＣｌ １．０
ＫＣｌ １．４
ＮａＨＣＯ₃ ２１．０
【００１９】
運転中、好気処理槽３出口の処理水１１と排水処理ユニット２（ａ）入口の排水４をサンプリングし、それぞれの有機態炭素および全窒素を全窒素有機態炭素形態別窒素分析装置（触媒酸化還元方式、島津製作所製）で測定し、酸化態窒素はＪＩＳ Ｋ ０１０２規定の銅・カドミウム還元Ｎ−（１−ナフチル）エチレンジアミン吸光光度法で測定した。
【００２０】
「好気処理槽への排水供給方法の影響」
この連続硝化脱窒実験において、運転開始２２日目までは図１中の供給管路１２（２点鎖線）を用いて好気処理槽３に直に排水４を投入した。運転開始２３日目からは図１中の供給管路５（実線）に切替えて排水処理ユニット２（ａ）に排水４を供給した。
その結果を図５および図６に示す。図５中の実線は原料排水４中の平均全窒素量（約４２ｐｐｍ）を、破線は運転２３日目以降の処理水１１中の平均全窒素量（約３１ｐｐｍ）を、１点鎖線は運転２３日目以降の処理水１１中の平均酸化態窒素量（約２０ｐｐｍ）をそれぞれ示している。
上記のように、排水４を排水処理ユニット２内に供給したことにより、好気処理槽３に供給した場合（〜２２日目）と比べ酸化態窒素量および全窒素量が減少し、結果として約２５％の窒素除去率が得られた。この窒素除去は１００日間の運転を通して安定に行うことができた。
また、図６に示すように、排水４中の有機態炭素も確実に分解除去することができた。
【００２１】
「運転中の好気処理槽内の様子」
好気処理槽３内で過剰となって排水７中に分散している活性汚泥（例えば、３０００ｐｐｍ程度）の菌はほとんど全てが数分で固定床材料２０に固定化され、実験開始から１５分後に好気処理槽３中の液は透明になった。この透明さは、１００日間の運転中継続して保持された。このことより、本実施例方式を使用すれば、余剰汚泥の発生が防げること、さらには好気処理槽３からの菌の漏出が防げるために高濃度で菌体を保持できて処理効率を上げられることが推察される。
【００２２】
「固定床材料の厚みの影響」
固定床材料２０の厚みが９ｍｍの場合と、固定床材料２０の厚みが２７ｍｍの場合において、排水処理能力を比較した。固定床材料２０の厚みが９ｍｍのときは１１日目で３０ｐｐｍの酸化態窒素が生成し、固定床材料２０の厚みが２７ｍｍのときは１０日目で酸化態窒素量が４０ｐｐｍに達した。しかし、両方とも全窒素の減少は見られず、脱窒は起こらなかった。また、好気処理槽３出口の処理水１１の全窒素量および酸化態窒素量と、排水処理ユニット２（ａ）内の排水の全窒素量および酸化態窒素量とに有意差はなかった。すなわち、固定床材料２０の厚みは硝化能力に影響を及ぼすが、脱窒には影響しないことがわかった。
【００２３】
尚、上記の実施形態および実施例では容器体１４の一部を固定床材料２０で構成したが、本発明はそれに限定されるものでなく、例えば図７に示すように、周面および底部２６も含む容器全体が、透水自由で、かつ、好気性菌および嫌気性菌を固定化可能な固定床材料で構成された容器体１４Ａから成る排水処理ユニット２Ａなどであってもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る排水処理装置および排水処理方法によれば、容器体の一部または全体が、排水が容器体内から容器体外へおよび容器体外から容器体内へ自由に透過でき、かつ、好気性菌および嫌気性菌を固定化可能な不織布または編成された布から成る固定床材料で構成された排水処理ユニットを好気処理槽内に配備し、水素供与体となる有機物を含有する原料の排水を排水処理ユニットの容器体内に直接供給するので、排水中の有機物が脱窒に必要な水素供与体として働き、固定床材料の内面側の嫌気性菌によって有機物の分解と硝化後の窒素化合物の脱窒が同時に起こり、固定床材料の外面側の好気性菌によって窒素化合物が硝化される。従って、簡素な排水処理ユニットと好気処理槽だけで効率良く有機物分解処理、硝化処理および脱窒処理を行うことができる。すなわち、本発明では、脱窒処理を行う上で、既存の好気処理槽に対し新たに嫌気処理槽を付け加える必要が無く、好気処理槽に排水処理ユニットおよび供給管路を取り付けるだけで、有機物分解処理、硝化・脱窒処理を実現できたのである。このため新たな設備増設の必要がなく、設置費用も少なくて済む。更に、好気処理槽中の活性汚泥は固定床材料に固定化されるため、余剰汚泥の発生が極端に少なくなり産業廃棄物減量につながる。
【００２５】
また、排水処理ユニットは簡素であり小型に構成可能であるから、製造が容易で安価に済み、既存の好気処理槽への付設工事も手間がかからず高価にならない。
【００２６】
そして、水素供与体となる有機物を含む原料の排水を排水処理ユニットの容器体内に直接供給するようにしたことは、排水中の有機物が脱窒に必要な水素供与体として働くので、メタノールやデンプンなどの別途供給が不要となる。従って、これらの貯留設備や供給ポンプを必要とせず設備の簡略化を図ることができる。また、排水中の有機物自体も分解除去されるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る排水処理装置を示す概略構成図である。
【図２】前記排水処理装置に用いられる排水処理ユニットの組立分解図である。
【図３】前記排水処理ユニットを示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図４】前記排水処理ユニットに流入する排水中の窒素化合物の変化状態を示す説明図である。
【図５】前記排水処理装置に供される排水および処理水の窒素量の挙動を示すグラフである。
【図６】前記排水処理装置に供される排水および処理水の有機態炭素量の挙動を示すグラフである。
【図７】本発明の別の実施形態に係る排水処理ユニットを示す外観図である。
【図８】従来の排水処理装置を示すブロック構成図である。
【符号の説明】
１ 排水処理装置
２，２Ａ 排水処理ユニット
３ 好気処理槽
４ 排水
５ 供給管路
７ 排水
１４，１４Ａ 容器体
２０ 固定床材料
２３ 容器内空間
２４ 好気性菌固定化域
２５ 嫌気性菌固定化域

Claims (2)

1. 少なくとも、窒素化合物と、水素供与体となる有機物とを含有する原料の排水が供給される容器体を備えて成るとともに、容器体の一部または全体が、透水自由で、かつ、好気性菌および嫌気性菌を固定化可能な固定床材料で構成されている排水処理ユニットと、
   当該排水処理ユニットを槽内の水中に配備した好気処理槽と
   を備えて成り、
   前記原料の排水を排水処理ユニットの容器体内に直接供給する供給管路を備え、
   排水処理ユニットの固定床材料を、容器体内に直接供給された排水が容器体外へ自由に透過でき、かつ、好気処理槽内の排水が容器体内へ自由に透過できる不織布または編成された布で構成したことを特徴とする排水処理装置。
2. 一部または全体が、排水が容器体内から容器体外へおよび容器体外から容器体内へ自由に透過でき、かつ、好気性菌および嫌気性菌を固定化可能な不織布または編成された布から成る固定床材料で構成された容器体を備えて成る排水処理ユニットを好気処理槽内の水中に配備し、少なくとも、窒素化合物と、水素供与体となる有機物とを含有する原料の排水を排水処理ユニットの容器体内に直接供給することにより、排水処理ユニットの固定床材料の外面側に好気性菌が固定化され、前記好気性菌の固定化に伴って固定床材料の内面側に嫌気性菌が固定化され、容器体内に直接供給された排水に含まれる有機物が前記嫌気性菌により分解処理され、前記好気性菌によって好気処理槽内の排水が硝化処理され、硝化処理された排水が固定床材料を透過して容器体内に流入するとき、流入する排水が前記嫌気性菌により脱窒処理されることを特徴とする排水処理方法。

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