JP4267860B2

JP4267860B2 - 窒素・リン同時除去型排水処理方法

Info

Publication number: JP4267860B2
Application number: JP2002093011A
Authority: JP
Inventors: 聡常田; 彰平田
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: JP2003285096A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排水中に含まれる窒素およびリンを同時に除去するための排水処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
湖沼・内湾・内海などの停滞性・閉鎖性水域における水質汚濁の主な原因物質は有機物と栄養塩（窒素およびリン）である。特に、生活排水に含まれる栄養塩が過剰に蓄積された水域では、アオコや赤潮などが発生する、いわゆる富栄養化問題が引き起こされている。したがって、有機物の除去に加えて窒素およびリンを適切に除去することのできる排水処理方法の開発は水環境保全のために不可欠であり、社会的急務である。
【０００３】
現在の排水処理技術は大別して生物学的処理と物理化学的処理に分けられるが、富栄養化原因物質である窒素およびリンなどの栄養塩を処理する場合には、経済面、環境負荷等を考慮すると生物学的処理が適していると考えられる。
【０００４】
生物学的に窒素成分を除去する方法は、好気性条件下での硝化細菌による硝化と、無酸素条件下での脱窒細菌による脱窒から成り立つ。一方、リンの除去はリン蓄積細菌（ＰＡＯ）と呼ばれる特殊な微生物を利用して行われる。この微生物は嫌気性条件下で炭素源を用いたリンの放出、つづく好気性条件下で酸素を用いたリンの取り込みを行うが、リンの取り込み量が放出量を若干上回るためリンの除去が可能となる。このような有用微生物の代謝作用を利用して有機物、窒素およびリンを同時に除去できる方法として、嫌気／無酸素／好気法（Ａ₂Ｏ法）が下水処理施設で広く採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では、ほとんどの炭素源が嫌気性条件でリン蓄積細菌によって消費されてしまい、次の無酸素条件で炭素源が不足し、脱窒能が低下するという問題点が生じる。特に日本の下水のように窒素に対する炭素の比率が小さい排水においては、炭素源の不足により十分な窒素除去ができない。
【０００６】
そこで、発明者らは無炭素・無酸素条件下で脱窒およびリンの取り込みを同時に行う脱窒性リン蓄積細菌（ＤＮＰＡＯ）に着目した。
【０００７】
この脱窒性リン蓄積細菌は、Ａ₂Ｏ法で運転されている下水処理場の汚泥に大抵含まれているが、その排水処理への寄与率は低い。すなわち、窒素除去は脱窒細菌、リン除去はリン蓄積細菌が担うように設計されているＡ₂Ｏ法では、無酸素槽において硝酸イオンと有機炭素源が共存するため、一般の脱窒細菌が優占化してしまい、結果として脱窒性リン蓄積細菌が優占化できず、その機能が有効に活用されない。
【０００８】
また、脱窒性リン蓄積細菌はいまだ単離されていないことから、その生理学的性質についてはほとんどわかっていないのが現状である。
【０００９】
したがって、本発明は、これまでに水処理プロセスに応用されたことのない脱窒性リン蓄積細菌を利用した排水処理方法を提供することを目的としており、これにより、排水中の窒素およびリンの効率的な同時除去を可能にしようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に用いる脱窒性リン蓄積細菌は、上記の通り、いまだ単離されておらず、その生理学的性質には不明な点が多いが、ここ数年の研究により電子受容体として硝酸態結合酸素（ＮＯ₃−Ｏ）を利用してリンを吸収する、すなわち脱窒能（ＮＯ₃→Ｎ₂への還元力）があることが判明した。図５に脱窒性リン蓄積細菌の代謝機構を示す。そして、出願人らは、鋭意検討の結果、この脱窒性リン蓄積細菌の生理学的特徴を有効に利用する排水処理方法を開発した。
【００１１】
すなわち、本発明は、排水中のリンおよび窒素を同時に処理する排水処理方法であって、少なくとも脱窒性リン蓄積細菌を含む汚泥および／または脱窒性リン蓄積細菌が固定化された生物膜の存在下、嫌気工程、好気工程、および無酸素工程の順に排水を処理することをその特徴としている。
【００１２】
また、本発明においては、好気工程初期に有機炭素源を供給すること、さらにはその有機炭素源の供給量が２０〜５０mg-ＴＯＣ・L^-1であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明においては、無酸素工程終了直後に余剰汚泥の引き抜きを行うことが好ましい。
【００１４】
また、本発明においては、回分式または連続式のいずれでも処理を行うことが可能であり、連続式で排水を処理する場合には余剰汚泥の一部を嫌気工程へ返送することが好ましい。
【００１５】
本発明に用いる脱窒性リン蓄積細菌は、上記の通りＡ₂Ｏ法で運転されている下水処理場の汚泥に大抵含まれているため容易に入手することができるが、好ましくは採取した汚泥を馴養し、脱窒性リン蓄積細菌を優占化させたものを使用する。優占化を確認する方法としては、嫌気工程での有機物の取り込みおよびリンの放出、ならびに有機物の存在しない無酸素工程での脱窒反応およびリンの取り込みを公知の測定方法により調べることで確認することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の排水処理方法は、少なくとも脱窒性リン蓄積細菌を含む汚泥および／または脱窒性リン蓄積細菌が固定化された生物膜の存在下、嫌気工程、好気工程、および無酸素工程の順に排水を処理することを特徴としている。
【００１７】
上記のような本発明の処理方法において、その処理形式としては回分式でも連続式でもよい。即ち、従来のＡ₂Ｏプロセスでは、好気槽から無酸素槽へ処理水を一部循環させる必要があるため、曝気時間をコントロールして１槽で全ての工程を済ませることは事実上不可能であり、必ず３槽以上に分ける必要がある。これに対し、本発明の方法においては、曝気時間をコントロールして１槽で全工程を行い、排水処理を完結することができるため、１槽である回分式であっても３槽以上に分ける連続式であってもどちらでも構わない。
【００１８】
以下、本発明の処理方法を図１に示す処理フローに従って説明する。
【００１９】
まず、少なくとも脱窒性リン蓄積細菌を含む汚泥および／または脱窒性リン蓄積細菌が固定化された生物膜が入った処理槽に排水を供給し、嫌気工程に入る。この嫌気工程では、リン蓄積細菌と脱窒性リン蓄積細菌による有機物の摂取、およびリンの放出が行われる。
【００２０】
処理対象である窒素およびリンを含む排水は、水不溶性の懸濁性物質を含む場合にはこれを物理的に除去する一次処理が施されたものであることが好ましいが、特に限定されない。また、排水のｐＨ値は、塩酸や水酸化ナトリウム等の通常ｐＨ調整に使用しうる化合物により６．５〜８．５に調整することが好ましく、７．０〜７．５に調整することがより好ましい。さらに、排水の温度については、極端に高かったり低かったりすることがない限り、特に限定されず、好ましくは、１５〜４０℃の範囲である。
【００２１】
また、本発明の嫌気工程に用いる汚泥としては、脱窒性リン蓄積細菌が含まれているものであれば良い。好ましくは採取した脱窒性リン蓄積細菌を含む汚泥を嫌気／無酸素条件で馴養し、脱窒性リン蓄積細菌を優占化させる。この馴養では、嫌気条件終了時に硝酸ナトリウム等の硝酸イオン源を微生物の活性状態により適当量添加する必要はあるが、その他については本発明の処理方法における嫌気工程および無酸素工程と同様に排水を供給しつつ、各条件を脱窒性リン蓄積細菌が優占化するまでこれらの工程を繰り返し行えばよい。また、汚泥中の脱窒性リン蓄積細菌が優占化しているかどうかは、嫌気工程での有機物の取り込みおよびリンの放出、ならびに有機物の存在しない無酸素工程での脱窒反応およびリンの取り込み量をクロマトグラフ等の公知の測定方法により調べることで確認することができる。
【００２２】
また、本発明の嫌気工程に用いる生物膜としては、活性炭、セメントボール、有機性ポリマー等の公知の担体に脱窒性リン蓄積細菌が固定化されたものであればよく、その固定化方法としては、付着固定化法、自己固定化法、包括固定化法等の公知の方法でよく、限定されない。この生物膜は、増殖速度の遅い硝化細菌が生物膜内側に、脱窒性リン蓄積細菌が生物膜外側に局在化するような生態構造を為し、したがって、ここから剥離する菌体の多くは脱窒性リン蓄積細菌であるので、汚泥を用いた場合と比較して、引き抜き汚泥中のリン含有量を高める効果が期待できる。
【００２３】
また、上記汚泥または生物膜の初期投入量としては、特に限定されないが、好ましくはＭＬＳＳ濃度で３０００〜６０００ｍｇ／ｌである。
【００２４】
また、嫌気工程での処理時間としては、リン蓄積細菌および脱窒性リン蓄積細菌による有機物の取り込みが終了するまでが好ましい。
【００２５】
次に、処理槽内にエアーポンプにより空気を送り込むことで好気工程処理を行う。この好気工程では、硝化細菌によるアンモニア態窒素の硝酸態窒素への酸化、およびリン蓄積細菌によるリンの取り込みが行われる。
【００２６】
この好気工程において、リン蓄積細菌による過剰なリン取り込みが行われると、後の無酸素工程において、その生理学的性質上、脱窒性リン蓄積細菌による硝酸態窒素の取り込みが十分に行われないことがあるため、好気工程初期に有機炭素源を少量添加し、そのリン取り込み量を制限することが好ましい。添加する有機炭素源としては酢酸などの低級脂肪酸が使用でき、これ以外にも嫌気工程における発酵により低級脂肪酸に変換される有機物等が使用できる。また、有機炭素源の供給量としては、適宜最適な条件を検討し決定するべきであるが、好ましくは、２０〜５０mg-ＴＯＣ・L^-1、より好ましくは、３０〜４５mg-ＴＯＣ・L^-1である。
【００２７】
また、処理槽内に送り込む空気の量は、硝化反応の起こる範囲の溶存酸素濃度０．３〜３ｍｇ／ｌを維持できる量であればよく、また、装置形状や微生物量により適宜決定すればよいが、好ましくは５０〜２０００ｍｌ／ｍｉｎ、より好ましくは、１００〜５００ｍｌ／ｍｉｎである。
【００２８】
さらに、好気工程での処理時間はアンモニア態窒素の硝酸態窒素への酸化が終わるまでが好ましい。
【００２９】
次に、好気工程にて処理された処理水を無酸素工程で処理する。ここでは、脱窒性リン蓄積細菌による脱窒反応およびリンの取り込みが行われる。
【００３０】
上記のように好気工程初期において有機炭素源を添加した場合には、好気工程におけるリンの取り込み量が制限されているため、脱窒性リン蓄積細菌により硝酸態結合酸素が電子受容体としてリンと同時に取り込まれ、処理液の脱窒および脱リンが効率よく行われる。
【００３１】
無酸素工程終了後は、沈降法、膜分離法等の公知の固液分離方法により汚泥と処理水とを分離し、処理水を排出することで排水処理が完了する。回分式により排水の処理を行った場合には、処理水の排出量を適宜制限し、処理槽内での液滞留時間を調整することが好ましく、これにより窒素およびリンの除去率を向上させることができる。なお、連続式である場合には、排水の流入速度を調整することで液滞留時間の調整ができることは言うまでもない。
【００３２】
また、余剰汚泥の引き抜きは、上記固液分離により分離した汚泥を引き抜くことで行っても良いが、無酸素工程終了直後に行うことが好ましい。この場合、処理水も一緒に引き抜いてしまうことになるが、汚泥が均一に懸濁した状態であるため、汚泥のＭＬＳＳおよび懸濁液の引き抜き量から汚泥の引き抜き量を正確に把握することができ、汚泥の分離状態によって実質的な引き抜き量が左右されてしまう上記固液分離後の余剰汚泥引き抜きと比較して、安定的に一定量の汚泥を引き抜くことができる。また、連続式の場合には引き抜かれた余剰汚泥の一部、および沈降槽に流出した汚泥を嫌気槽へ返送し、ＭＬＳＳ濃度を維持することが好ましい。
【００３３】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、この開示の一部を為す記載および図面は本発明の範囲をなんら限定するものではなく、当業者には様々な代替実施の形態、実施例、および運用技術が明らかとなろう。したがって、本発明の技術的範囲は、明細書および図面から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００３４】
【実施例】
実施例１
図２に示すような有効容積２Ｌの回分式反応槽（ＳＢＲ）を用いて、２０分の流入工程、９０分の嫌気工程、９０分の好気工程、１９５分の無酸素工程、３０分の沈降工程、２５分の処理水引き抜き工程からなる１サイクルを、１日３サイクル、１４日間運転し、排水中のリンおよび窒素の同時除去行った。処理した人工排水の成分を表１、また、表１の栄養液の成分を表２に示す。
【００３５】
【表１】

【表２】

【００３６】
用いた種汚泥は、Ａ₂Ｏ法を採用している下水処理場（東京都江東区の有明下水処理場）の好気槽から引き抜いたものである。この汚泥はすでに無酸素条件下でのリンの取り込み能を示していたことから脱窒性リン蓄積細菌がかなりの割合を占めていたと思われる。本実施例ではこの汚泥を反応槽にＭＬＳＳ濃度５５００ｍｇ／ｌとなるように投入した。
【００３７】
また、好気条件でのリン蓄積細菌によるリンの取り込みを一時的に阻害するために、有機炭素源を１〜６日目までは２５ｍｇ−ＴＯＣ・Ｌ^-1、７日目〜１４日目までは４０ｍｇ−ＴＯＣ・Ｌ^-1となるように好気工程初期に供給した。また、無酸素工程終了直後に、処理過程で増殖した余剰汚泥を排出するために３３ｍｌの余剰汚泥を含む処理水を引き抜き、汚泥滞留時間（ＳＲＴ）を２０日に維持した。また、沈降工程後の２５分の処理水引き抜き工程では処理水を１Ｌ排出することで液滞留時間（ＨＲＴ）を１６時間に維持した。全運転時間を通じ、排水のｐＨ値は７．０〜７．２の範囲に保った。
【００３８】
以上のような条件により行った排水処理の結果を図３および図４に示す。図３は嫌気工程、好気工程および無酸素工程の各終了時におけるリン濃度の経日変化、図４は無酸素工程終了時におけるアンモニアおよび硝酸濃度の経日変化ならびに窒素除去率を示す。なお、１日のデータは、３サイクルのうち１サイクルのデータを示す。
【００３９】
なお、上記において、リンの濃度分析は、ＳｔａｎｄａｒｄＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒｔｈｅＥｘａｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＷａｔｅｒａｎｄＷａｓｔｅｗａｔｅｒ（ＡＰＨＡ，１９９２）に従った。また硝酸と亜硝酸の濃度はアニオンカラム（ＩＣ−Ａｎｉｏｎ−ＰＷ，東ソー）とＵＶ検出器（ＵＶ−８０１１，東ソー）を装備した液体クロマトグラフ（ＤＰ−８０２０、東ソー）で測定した。全有機炭素（ＴＯＣ）はＴＯＣアナライザー（ＴＯＣ−５０００，島津製作所）によって分析した。アンモニアはカチオンカラム（ＣＳ，Ｄｉｏｉｎｅｘ）を装備したイオンクロマトグラフ（ＤＸ−１２０，Ｄｉｏｉｎｅｘ）で分析した。
【００４０】
図３および図４から、全期間を通して排水中のリンが平均９３％以上、窒素が平均８８％以上除去されていることがわかる。
【００４１】
【発明の効果】
したがって、本発明によれば、脱窒性リン蓄積細菌を利用した排水処理方法を提供することができ、これにより排水中の窒素およびリンの効率的な同時除去を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の処理方法の処理フロー。
【図２】実施例で用いた回分式反応槽の模式図。
【図３】嫌気工程、好気工程および無酸素工程の各終了時におけるリン濃度の経日変化を示すグラフ。
【図４】無酸素工程終了時におけるアンモニアおよび硝酸濃度の経日変化ならびに窒素除去率を示すグラフ。
【図５】脱窒性リン蓄積細菌の代謝機構を示す模式図。
【符号の説明】
１反応槽
２排水流入路
３処理水排出路
４攪拌モーター
５攪拌羽根
６エアーポンプ
７空気供給路

Claims

排水中のリンおよび窒素を同時に処理する排水処理方法であって、少なくとも脱窒性リン蓄積細菌が含まれる汚泥および／または脱窒性リン蓄積細菌が固定化された生物膜の存在下、嫌気工程、好気工程、および無酸素工程の順に排水を処理し、
前記好気工程初期に有機炭素源を供給することを特徴とする排水処理方法。
前記有機炭素源の供給量が２０〜５０ｍｇ−ＴＯＣ・Ｌ^−１であることを特徴とする請求項１に記載の排水処理方法。
前記無酸素工程終了直後に余剰汚泥の引き抜きを行うことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の排水処理方法。
回分式または連続式で排水を処理することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排水処理方法。
前記連続式で排水を処理する場合、前記余剰汚泥の一部を前記嫌気工程へ返送することを特徴とする、請求項４に記載の排水処理方法。