JP4302341B2 - 生物学的窒素除去方法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア性窒素を含む汚水を生物学的に浄化する生物学的窒素除去方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
汚水中に含まれるアンモニア性窒素は河川、湖沼および海洋などにおける富栄養化の原因物質の一つであり、汚水処理工程で効率的に除去されることが望まれる。一般に、汚水中のアンモニア性窒素は、硝化工程と脱窒工程によって窒素ガスにまで分解される。具体的には、硝化工程ではアンモニア性窒素は好気条件で独立栄養性細菌であるアンモニア酸化細菌によって亜硝酸性窒素に酸化され、この亜硝酸性窒素が独立栄養性細菌である亜硝酸酸化細菌によって硝酸性窒素に酸化される。次の脱窒工程ではこれらの亜硝酸性窒素および硝酸性窒素は嫌気条件下で、従属栄養性細菌である脱窒菌により、有機物を電子供与体として利用しながら窒素ガスにまで分解される。
【0003】
このような従来の生物学的窒素除去法では、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素および硝酸性窒素に酸化する硝化工程では多量の酸素が必要であり、また従属栄養性細菌である脱窒菌を利用する脱窒工程では、電子供与体としてメタノールなどの有機物を多量に添加する必要があるので、ランニングコストを増加させている。
【0004】
ところで、近年、嫌気条件下でアンモニア性窒素を電子供与体、硝酸性窒素を電子受容体として両者を反応させ、窒素ガスを生成することができる独立栄養性の微生物群を利用した新しい窒素処理技術の開発が進められている。
【0005】
例えば特開平8−192185号では、アンモニア性窒素を含む汚水を硝化槽で部分的に硝化して、アンモニア性窒素の一部を残留させる部分硝化工程の後、部分硝化工程流出液のアンモニア性窒素、亜硝酸性窒素、硝酸性窒素とを結合酸素脱窒工程で独立栄養微生物群と反応させて除去している。しかしながら、このような方法においては、処理が以下のような現象で極めて不安定であり窒素除去が不十分で、実用性に乏しいという問題点があった。すなわち、一般的には硝化反応は概ねアンモニア性窒素が残留しない状態で設定されており、部分硝化工程でアンモニアを残留させつつ亜硝酸性窒素や硝酸性窒素にするには、DOやMLSS(汚泥濃度)を極めて高い精度で原水状況に応じて調整する必要があること。結合酸素脱窒工程においては、アンモニア性窒素が残留しすぎると亜硝酸性窒素、硝酸性窒素が当量比以上で結果的にはアンモニア性窒素が残留する。逆にアンモニア性窒素が少なく亜硝酸性窒素、硝酸性窒素が当量比以上になると亜硝酸性窒素、硝酸性窒素が残留する。
【0006】
また、特開2000−104992では、汚水の一部を亜硝酸化槽に導入し、槽内のアンモニア酸化細菌を含む生物汚泥と混合し、散気装置から曝気して、アンモニア酸化細菌によりアンモニア性窒素を亜硝酸性窒素に酸化する。亜硝酸化槽内の亜硝酸化液は独立栄養性脱窒槽に導入するとともに、バイパス汚水路から汚水の他の一部を導入し、槽内の独立栄養性脱窒菌を含む生物汚泥と混合し、嫌気条件下に脱窒を行う方法が開示されている。しかしながら、この方法においても、亜硝酸化槽においても、曝気時間、pH条件によっては、汚水中のアンモニア性窒素は硝酸化まで反応が進行し、結果的には嫌気条件下において独立栄養性脱窒菌による脱窒が不十分な場合が多く、処理の安定性がなく実用性に問題があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、低コストで、しかも容易に高い処理水質が得られる生物学的窒素除去方法を提案することである。本発明の他の課題は、低コストで、しかも容易に高い処理水質が得られる生物学的窒素除去装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を次の構成からなる生物学的窒素除去方法および装置により解決するものである。
(1)アンモニア性窒素を含む汚水を生物学的に硝化脱窒素する方法において、前記汚水を第1窒素除去工程に導入し、前記第1窒素除去工程では、酸素含有気体の曝気の後、曝気を停止する間欠曝気を行い、前記汚水の溶存酸素濃度0.2mg/リットル以上の時間帯と溶存酸素濃度が0.2mg/リットル以下の時間帯とがあり、かつ溶存酸素濃度0.2mg/リットル以下の時間帯を溶存酸素濃度が0.2mg/リットル以上の時間帯より長く取るように制御し、独立栄養性硝化菌及び独立栄養性脱窒素菌群の存在下に、アンモニア性窒素を残留させつつ、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素及び/又は硝酸性窒素とを窒素ガスとして部分的に脱窒し、前記第1窒素除去工程の流出液を結合酸素を利用可能な独立栄養性脱窒素菌群の存在下で、該流出液中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素及び/又は硝酸性窒素とを窒素ガスとして脱窒素する第2窒素除去工程で処理することを特徴とする生物学的窒素除去方法。
【0009】
(2)前記第1窒素除去工程及び第2窒素除去工程において、汚水のpHは7.5〜9.5に設定することを特徴とする前記(1)記載の生物学的窒素除去方法。
(3)前記第1窒素除去工程及び第2窒素除去工程において、微生物担体および活性汚泥を存在させることを特徴とする前記(1)又は(2)記載の生物学的窒素除去方法。
【0010】
(4)アンモニア性窒素を含む汚水を生物学的に硝化脱窒素する装置において、前記汚水を微好気的条件及び/又は間欠曝気条件下で、独立栄養性硝化菌及び独立栄養性脱窒素菌群の存在下に、アンモニア性窒素を残留させつつアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素及び/又は硝酸性窒素とを窒素ガスとして部分的に脱窒する第1窒素除去装置と、前記第1窒素除去装置の流出液を結合酸素を利用可能な独立栄養性脱窒素菌群の存在下で、該流出液中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素及び/又は硝酸性窒素とを窒素ガスとして脱窒素する第2窒素除去装置と、前記第2窒素除去装置の流出液を処理水と沈殿汚泥に分離する固液分離装置と、前記沈殿汚泥の一部を返送汚泥として第1窒素除去装置へ返送する配管とを具備し、前記第1窒素除去装置には、原水流入管、散気装置、撹拌装置、pH制御装置、および酸素含有気体の曝気の後、曝気を停止する間欠曝気を行い、前記汚水の溶存酸素濃度0.2mg/リットル以上の時間帯と溶存酸素濃度が0.2mg/リットル以下の時間帯とがあり、かつ溶存酸素濃度0.2mg/リットル以下の時間帯を溶存酸素濃度が0.2mg/リットル以上の時間帯より長く取る溶存酸素制御装置を具備することを特徴とする生物学的窒素除去装置。
【0011】
本発明の好ましい実施態様として、以下のものがある。
(5)前記第1窒素除去工程は、汚水のpHは7.5〜9.5の条件下に置くことにより前記独立栄養性脱窒素菌群を優先させるか、又は前記条件下で増量培養した前記独立栄養性脱窒素菌群を添加することを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれか1項に記載の生物学的窒素除去方法。
(6)前記第1窒素除去工程及び第2窒素除去工程には、複数の反応槽を設けることを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれか1項に記載の生物学的窒素除去方法。
(7)前記第1窒素除去装置および第2窒素除去装置に、微生物担体および活性汚泥を共存させることを特徴とする前記(4)記載の生物学的窒素除去装置。
(8)前記第1窒素除去装置は、溶存酸素濃度が0.2mg/リットル以上の時間帯と溶存酸素濃度が0.2mg/リットル以下の時間帯があるように間欠曝気する散気装置を有することを特徴とする前記(4)記載の生物学的窒素除去装置。
(9)前記第1窒素除去装置および第2窒素除去装置には、複数の反応槽を設けたことを特徴とする前記(4)及び(7)〜(8)のいずか1項に記載の生物学的窒素除去装置。
【0012】
本発明において、「脱窒」は特にことわらない限り独立栄養性脱窒菌による脱窒を意味する。本発明で処理の対象となる汚水はアンモニア性窒素を含む汚水であり、有機物、亜硝酸性窒素、その他の不純物などを含んでいてもよい。有機性窒素化合物を含む汚水は、そのまま本発明に供してもよいが、嫌気性処理又は好気性処理などにより有機性窒素化合物をアンモニア性窒素に変換したのち、本発明に供してもよい。また、BOD濃度にはこだわらないが、独立栄養性脱窒素菌群の存在割合を増加させるために、あらかじめBODだけを生物処理して、BODをアンモニア性窒素に対して1/2以下にした後、本発明に供するのが効果的である。
本発明で処理の対象となる汚水の例としては、し尿、下水、嫌気性消化槽脱離液、ごみ浸出水、肥料工場排水などが挙げられる。
【0013】
本発明の生物学的窒素除去は、アンモニア性窒素を含む汚水を微好気的条件及び/又は間欠曝気条件下で、独立栄養性硝化菌及び独立栄養性脱窒素菌群の存在下に、アンモニア性窒素を残留させつつ、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素及び/又は硝酸性窒素とを窒素ガスとして部分的に脱窒する第1窒素除去工程と、前記第1窒素除去工程の流出液を結合酸素を利用可能な独立栄養性脱窒素菌群の存在下で、該流出液中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素及び/又は硝酸性窒素とを窒素ガスとして脱窒素する第2窒素除去工程で処理することを特徴とする生物学的処理方法である。
【0014】
第2窒素除去工程では、汚水中のアンモニア性窒素の約1/3〜1/2量を亜硝酸性窒素あるいは硝酸性窒素に酸化すると同時に、残留したアンモニア性窒素で生成した亜硝酸性窒素あるいは硝酸性窒素を脱窒する。
反応式は式(1)〜(4)のようになる。
1)亜硝酸性窒素の生成
NH4 ++ 3/2O2→ NO2 -+ 2H++ H2O・・・(1)
2)硝酸性窒素の生成
NO2 -+ 1/2O2→ NO3 -・・・・・・・・・・・・(2)
3)アンモニア性窒素と亜硝酸結合酸素を用いた独立栄養性脱窒素菌群による脱窒反応
NH4 ++ NO2 -→ N2+ 2H2O・・・・・・・・・・(3)
4)アンモニア性窒素と硝酸結合酸素を用いた独立栄養性脱窒素菌群による脱窒反応
NH4 ++ 2/3NO3 -→ 5/6N2+ 2H2O・・・・(4)
【0015】
本発明の第1窒素除去工程では圧倒的に(1)と(3)の反応が主流であり、(2)と(4)の反応は極めて起こりにくい。さらに、(1)と(3)の反応のトリガーとなるのは、第1窒素除去工程に概ね1mg/リットル以上、好ましくは3mg/リットルの遊離のアンモニアが存在することである。遊離のアンモニアを存在せしめるためには、流入するアンモニア性窒素に応じて水温及び/又はpHを操作するのが好ましい。目安になる算定式を式(5)と(6)に示す。
[NH3-N] = {[NH4+ -N][10pH] }/ {(Kb /Kw )+10pH}…… (5)
(Kb /Kw ) = exp(6334/(273+T)) ……(6)
ここで、〔NH3−N〕は遊離のアンモニア濃度(mg−N/リットル)、〔NH4 +−N〕はアンモニア性窒素濃度(mg−N/リットル)、Tは温度(℃)である。
【0016】
生物処理では希釈により処理を安定させるのが一般的であり、たとえ、数千mg/リットルのアンモニア性窒素が流入したときでも、反応槽内は高々数百mg/リットルのアンモニア性窒素濃度となっている。従って、式(5)で求められた値よりは、水温又は/及びpHはやや高めに設定するのが好ましい。さらに、pH7.5以上の条件下で増量培養した前記独立栄養性脱窒素菌群を添加することでも、第1窒素除去工程の反応は促進される。
【0017】
本発明者らが長期に実験した結果では、水温は10℃〜80℃、好ましくは20℃〜60℃であり、pHは7.5以上、好ましくは7.5〜9.5に設定することで、遊離のアンモニアは概ね1mg/リットル以上となり、第1窒素除去工程では圧倒的に(1)と(3)の反応が進行した。pH7以下では、遊離(ガス状)のアンモニアが1.0mg/リットル以下となるが7.5以上では3mg/リットル以上となり、亜硝酸性窒素を硝酸性窒素に変換する亜硝酸酸化細菌の増殖が大幅に抑制され、アンモニア性窒素は大部分が亜硝酸性窒素で反応を停止する。
【0018】
さらに、この第1窒素除去工程における、重要な操作条件として、工程内のDO(溶存酸素)濃度があることが長期の実験で明らかとなった。すなわち、式(1)、式(2)に示すように、アンモニア性窒素をすべて硝酸性窒素はもちろん亜硝酸性窒素に変換させないこと、変換した亜硝酸性窒素の脱窒素のためにDOの供給を制限することが、処理を安定させるために重要な因子であることが明らかとなった。そのため、この第1窒素除去素工程は、溶存酸素濃度を常時1mg/リットル未満となるように酸素含有気体を曝気し、微好気的条件にするか、又は1mg/リットル以上の場合において溶存酸素濃度が0.2mg/リットル以下、好ましくは0mg/リットルの時間帯があるように間欠曝気することが重要である。間欠曝気の場合、DO濃度が0.2mg/リットル以下の時間を0.2mg/リットル以上の時間より長く取るほうが好ましい。なお、DO供給方法は微好気と間欠曝気を組み合わせてもよい。
【0019】
また、本発明では、活性汚泥(浮遊微生物)だけでも独立栄養性脱窒素菌群と独立栄養性硝化菌を増殖でき、第1窒素除去工程における反応は可能であるが、第1窒素除去工程に微生物担体を添加すると、この表面に独立栄養性脱窒素菌群と独立栄養性硝化菌の生物膜が形成され、反応が促進される。活性汚泥と微生物担体表面のそれぞれの菌数が微妙に異なるため、相互に効果を出し合うために、第1窒素除去工程の反応時間が短縮するだけでなく、汚水中のアンモニア性窒素にも対応でき処理が極めて安定する。
また、第1窒素除去工程の内部を多段にすることで、汚水中のアンモニア性窒素濃度に応じた適切な、pH、汚泥濃度が選択でき、より安定した第1窒素除去処理が可能となる。具体的には汚水の流入端側ではpHを低めに設定し、窒素負荷を高めるためにMLSSを下げる、工程の流出側ではpHを高めに設定し、MLSSを上げることの操作が可能となる。
【0020】
第2窒素除去工程では、前段の第1窒素除去工程の流出液中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素及び/又は硝酸性窒素とを結合酸素を利用可能な独立栄養性脱窒素菌群の存在下で、窒素ガスとして脱窒素する工程である。この工程では、嫌気条件下で、DO濃度は好ましくは0.2mg/リットル以下とすることにより脱窒反応が効率よく進行し、流入したアンモニア性窒素はほぼ完全に脱窒される。本発明では、前段の第1窒素除去工程においては、前述したようにDOの制御がなされているために、特別な方法を採らずに容易に嫌気条件下とすることが可能である。また、第1窒素除去工程でBODは50mg/リットル以下となっており独立栄養性脱窒素菌群の増殖に好適な環境となっている。脱窒の過程においてはアルカリ度が上昇するので、このアルカリ度を前段の第1窒素除去工程に循環することも可能である。
【0021】
また、第2窒素除去工程の内部を多段にし返送汚泥を調整することで、前記第1窒素除去工程と同様に流入水のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素/硝酸性窒素濃度に応じた適切な、pH、汚泥濃度が選択でき、より安定した脱窒処理が可能となる。
第2窒素除去工程に微生物担体を添加すると、この表面に独立栄養性脱窒素菌群と独立栄養性硝化菌の生物膜が形成され、反応が促進される。活性汚泥と微生物担体表面のそれぞれの菌数が微妙に異なるため、相互に効果を出し合うために、この工程の反応時間が短縮するだけでなく、汚水中のアンモニア性窒素の変動にも対応でき処理が極めて安定する。
【0022】
本発明の生物学的窒素除去装置を構成する第1窒素除去装置及び第2窒素除去装置2には、前述した活性汚泥式、活性汚泥+微生物担体を添加方式だけでなく生物ろ過方式(浮上ろ材や浸漬ろ材)からの任意のものが使用できる。また、第1窒素除去装置及び第2窒素除去装置の内部を多段にすることで、汚水中のアンモニア性窒素濃度に応じた適切な、pH、汚泥濃度が選択でき、より安定した脱窒処理が可能となる。固液分離装置には沈殿池だけでなく、中空糸膜の膜分離装置やダイナミックろ過装置が採用できる。
【0023】
第1窒素除去装置は、アンモニア酸化細菌の活性を高く、かつ亜硝酸酸化細菌の活性が低くなるように抑制されるとともに、独立栄養性脱窒素菌群によってアンモニア性窒素を用いて脱窒される。また、アンモニア性窒素をすべて硝酸性窒素はもちろん亜硝酸性窒素に変換させない装置である。
すなわち、水温は10℃〜80℃、好ましくは20℃〜60℃であり、pHは7.5〜10.5、好ましくは7.5〜9.5に設定する。さらに、溶存酸素濃度を常時1mg/リットル未満となるように酸素含有気体を曝気し、微好気的条件にするか、又は1mg/リットル以上の場合において溶存酸素濃度が0.2mg/リットル以下、好ましくは0mg/リットルの時間帯があるように間欠曝気することが重要である。間欠曝気の場合、DO濃度が0.2mg/リットル以下の時間を0.2mg/リットル以上の時間より長く取るほうが好ましい。窒素負荷は3kg−N/m3・day以下になるように制御する。
【0024】
本発明の生物学的窒素除去装置を構成する第2窒素除去装置は、前段の第1窒素除去工程の流出液中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素及び/又は硝酸性窒素とを結合酸素を利用可能な独立栄養性脱窒素菌群の存在下で、窒素ガスとして脱窒素する。この装置では、嫌気条件下で、脱窒反応が効率よく進行し、流入したアンモニア性窒素はほぼ完全に脱窒される。すなわち、水温は10℃〜80℃、好ましくは20℃〜60℃であり、pHは7.5〜10.5、好ましくは7.5〜9.5に設定する。窒素負荷は1kg−N/m3・day以下になるように制御する。
【0025】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照にして詳細に説明するが、本発明はこの図面に限定されるものではない。
なお、実施の形態および実施例を説明する全図において、同一機能を有する構成要素は同一符号を付けて説明する。
【0026】
図1は、本発明の処理方式による一例のフローシートを示す。
本発明の処理装置の構成は、第1窒素除去装置1、第2窒素除去装置2、固液分離装置3からなる。以下、アンモニア性窒素を含む汚水を原水という。
原水4の全量が第1窒素除去装置1に供給される。その際に第1窒素除去装置1には、固液分離装置3にて固液分離された返送汚泥6も供給されている。原水投入量は窒素負荷が3kg−N/m3・d以下になるように制御している。第1窒素除去装置1は散気装置10を用い、間欠的に空気9が供給され、空気の供給タイミングは、DOが0.2mg/リットル以下の時間が0.2mg/リットル以上になる時間よりも長くなり、さらに0mg/リットルの時間があるように制御している。また、pH制御装置11を用いアルカリ添加により、装置内のpHを7.5〜10.5、好ましくは7.5〜9.5の範囲内に制御してある。第1窒素除去装置1において、原水4はアンモニア性窒素の1/3〜1/2が亜硝酸性窒素に若干が硝酸性窒素に酸化され、この反応と並行して原水4中のアンモニア性窒素で亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素が反応して窒素ガスとして脱窒素する。
【0027】
第1窒素除去装置流出液7は全量、第2窒素除去装置2に流入し、残存しているアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素および硝酸性窒素が反応して窒素ガスとなり、ガス排出管14より装置外へ排出される。窒素負荷は1kg−N/m3・d以下になるように制御している。第2窒素除去装置2でもpH制御装置12を用いて装置内のpHを7.5〜10.5、好ましくは7.5〜9.5に制御している。第1窒素除去装置1にてpH制御を行っており、第2窒素除去装置2でのpH変動は小さいため、第2窒素除去装置2でのpH制御は省略することも可能である。
第2窒素除去装置流出液8は固液分離装置3に導入され、汚泥と処理水5に分離される。分離された汚泥は返送汚泥6として第1窒素除去装置1へ返送される。処理水5は系外に排出する。また固液分離された汚泥の一部は余剰汚泥13として系外に排出する。
【0028】
図1においては、第1窒素除去装置1及び第2窒素除去装置2には、担体17を添加した活性汚泥+微生物担体の添加方式を示しているが、前述した活性汚泥のみの活性汚泥方式、さらに生物膜ろ過方式(浮上ろ材や浸漬ろ材)のうちの任意のものが使用できる。また、第1窒素除去装置1及び第2窒素除去装置2の内部を多段にすることで、汚水中のアンモニア性窒素濃度に応じた適切なpH、汚泥濃度が選択でき、より安定した脱窒処理が可能となる。固液分離装置には沈殿池だけでなく、中空糸膜の膜分離装置やダイナミックろ過装置が採用できる。
【0029】
【実施例】
以下において、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。
【0030】
実施例1
この実施例においては、図1に示すようなフローによりごみ浸出水の処理を行った。各装置の容量は、第1窒素除去装置1;10リットル、第2窒素除去装置2;10リットルからなる。
最初に原水4であるごみ浸出水の水質を第1表に示す。この場合、BODは20mg/リットル、アンモニア性窒素390mg/リットルであり、BODはアンモニア性窒素に対し1/2以下となった。なお、各表においてアンモニア性窒素はNH4−Nで表し、亜硝酸性窒素はNO2−Nで表し、硝酸性窒素はNO3−Nで表す。また、図4〜7においても同様とする。
【0031】
【表1】
【0032】
原水4は、第1窒素除去装置1に供給し、窒素除去を行った。第1窒素除去装置1の運転条件を第2表に示す。第1窒素除去装置1には5mm×5mm×5mmのスポンジ担体を装置容積の10v/v%投入し、攪拌機を用いて連続攪拌を行った。DO制御は1分間曝気、5分間停止の間欠曝気で行った。pH制御はpHコントローラを用い8.7より高くなった場合H2SO4、8.5より低くなった場合NaOHを添加することにより行った。NaOHの消費量は1.8〜2.5g/d、H2SO4はほとんど消費されなかった。
【0033】
【表2】
【0034】
第1窒素除去装置流出液7の全量を第2窒素除去装置2に導入した。第2窒素除去装置2の運転条件を第3表に示す。第2窒素除去装置には5mm×5mm×5mmのスポンジ担体を装置容積の10v/v%投入し、攪拌機を用いて密閉状態で連続攪拌を行った。空気による曝気は行わず、DOは常に0.2mg/リットル以下、pHは8.6であり、pH制御は不要であった。
【0035】
【表3】
【0036】
第4表に各装置の入口と出口での水質を示す。第1窒素除去装置1ではアンモニア性窒素が約90%減少し、亜硝酸性窒素および硝酸性窒素の増加が認められた。第2窒素除去装置2ではアンモニア性窒素、亜硝酸性窒素および硝酸性窒素はほぼ100%除去され、処理水のアンモニア性窒素、亜硝酸性窒素および硝酸性窒素は1mg/リットル以下となり、ほぼ完全に窒素は除去されていた。
【0037】
【表4】
【0038】
実施例2
実施例1と同様のフローにて、第1窒素除去装置1及び第2窒素除去装置2に担体を添加せず、実施例1と同じ原水4の処理を行った。担体を投入しない以外は運転条件も実施例1と同様とした。
第5表に各装置の入口と出口での水質を示す。第1窒素除去装置1ではアンモニア性窒素が約90%除去され、亜硝酸性窒素および硝酸性窒素の増加が認められた。実施例1に比べ硝酸性窒素濃度が高かった。第2窒素除去装置2ではアンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素はほぼ100%除去され、硝酸性窒素も25%程度除去され、処理水のアンモニア性窒素および亜硝酸性窒素は1mg/リットル以下であったが、硝酸性窒素は24mg/リットルと実施例1より高い結果となった。
【0039】
【表5】
【0040】
実施例3
この実施例においては、図2に示すようなフローにより屎尿処理をおこなった。接触酸化装置19によるBODの低減を行ってから生物学的窒素除去を行った。各装置の容量は、接触酸化装置19;10リットル、第1窒素除去装置1;10リットル、第2窒素除去装置2;10リットルからなる。
最初に原水4である希釈屎尿の水質を第6表に示す。この場合、BODは860mg/リットル、アンモニア性窒素385mg/リットルであり、BODはアンモニア性窒素に対し2.2倍程度となった。
【0041】
【表6】
【0042】
原水4は、接触酸化装置19にも供給しBOD除去を行った。接触酸化装置19の運転条件を第7表に示す。接触酸化装置19には50×50×80mmのハニカム構造のろ材21を浸漬させ、連続曝気を行った。
【0043】
【表7】
【0044】
第1窒素除去装置1及び第2窒素除去装置2の運転条件は、実施例1と同様とした。
第8表に各装置の入口と出口での水質を示す。接触酸化装置19ではBODが約80%除去された。接触酸化装置流出液20は、BOD180mg/リットル、アンモニア性窒素365mg/リットルであり、BODはアンモニア性窒素に対し1/2程度となった。第1窒素除去装置1ではアンモニア性窒素が約90%減少し、亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素の増加が認められた。第2窒素除去装置2ではアンモニア性窒素および亜硝酸性窒素はほぼ100%除去され、硝酸性窒素は40%程度除去された。第1窒素除去装置1の前に接触酸化装置19を設けBODを除去することにより、第1窒素除去装置1内にて独立栄養性脱窒細菌による脱窒処理が優先的に進行する結果となった。
【0045】
【表8】
【0046】
比較例1
従来の硝化脱窒法であるメタノール注入による生物学的窒素除去を行った。フローを図3に示す。
実施例1と槽の大きさ及び配置は同様とし、第1窒素除去装置1を連続曝気し、かつ、pHの制御を行わずに通常の硝化槽とし、第2窒素除去装置2を脱窒槽として運転した。第1窒素除去装置1の運転条件を第9表に示す。
第1窒素除去装置には、5mm×5mm×5mmのスポンジ担体を装置容積の10v/v%投入し、攪拌機を用いて連続攪拌を行った。第2窒素除去装置2は連続攪拌を行いメタノール注入量は0g/dとした。
【0047】
【表9】
【0048】
第10表に各装置の入口と出口での水質を示す。第1窒素除去装置1ではアンモニア性窒素は100%硝化し、ほとんど硝酸性窒素に変化した。また、pH制御を行わなかったため、6.5まで低下した。第2窒素除去装置2では硝酸性窒素はほとんど除去されなかった。また、沈殿池での脱窒による汚泥浮上が激しく汚泥管理が困難であった。第1窒素除去装置1と第2窒素除去装置2あわせての窒素除去率は21%であり、実施例1、2に比べ除去率が非常に小さい結果となった。
【0049】
【表10】
【0050】
比較例2
比較例1と同様に、従来の硝化脱窒法であるメタノール注入による生物学的窒素除去を行った。フローを図3に示す。
実施例1と槽の大きさおよび配置は同様とし、第1窒素除去装置1は連続曝気し、かつ、pHの制御を行わずに通常の硝化槽として運転し、第2窒素除去装置2にはメタノールを8.0g/d添加し連続攪拌を行い脱窒槽とし、メタノールの残留があったため3リットルの再曝気槽を沈殿池の前に付けて運転した。
【0051】
各装置の入口と出口での水質を第11表に示す。アンモニア性窒素は100%硝化し、ほとんど硝酸性窒素に変化した。また、pH制御を行わなかったため、6.5まで低下した。第2窒素除去装置2ではメタノールを添加することにより脱窒が進行し、硝酸性窒素は90%除去された。第1窒素除去装置1と第2窒素除去装置2あわせての窒素除去率は約90%であり、従来の硝化脱窒法の場合、メタノールを投入窒素量の3.4倍の8.0g/d添加したにも拘わらず、処理水水質が実施例1より悪くなる結果であった。
【0052】
【表11】
【0053】
確認実験1
実施例1の第1窒素除去装置1及び第2窒素除去装置2にて、独立栄養性脱窒細菌によるアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素の減少が起こっていることを確認するために、活性汚泥混合液および担体を用いアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素による脱窒の回分処理を行った。
回分処理の原水は、連続実験で用いたごみ浸出水に亜硝酸性窒素および硝酸性窒素が400mg/リットルとなるようにNaNO2とNaNO3を添加した。原水のBODは10mg/リットル以下であった。
【0054】
(1)活性汚泥単独の場合
活性汚泥の窒素除去速度測定は、活性汚泥混合液に上記原水をアンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素が60mg/リットル、硝酸性窒素が50mg/リットル、BODが5mg/リットル以下、MLSSが3000mg/リットルになるように密閉容器に入れ連続攪拌し反応させた。槽内DOは常に0mg/リットル、pHは8.5〜8.6であった。
第1窒素除去装置1の場合のアンモニア性窒素、亜硝酸性窒素、硝酸性窒素の挙動を図4に示す。10時間処理後、アンモニア性窒素はほぼ100%、亜硝酸性窒素は83%減少していた。この結果より求めたアンモニア性窒素の除去速度は2.0mg−N/g−MLSS/h、亜硝酸性窒素の除去速度は1.7mg−N/g−MLSS/hであった。硝酸性窒素は17%減少しており、硝酸性窒素の除去速度は0.3mg−N/g−MLSS/hであった。アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素に比べ硝酸性窒素の除去速度は低かった。
【0055】
(2)担体単独の場合
担体の除去速度測定は、担体と処理水と上記原水を混合し、担体が20v/v%、アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素および硝酸性窒素が60mg/リットル、BOD10mg/リットルとなるように密閉容器に入れ連続攪拌し反応させた。槽内DOは常に0.2mg/リットル以下、pHは8.5〜8.7であった。
第1窒素除去装置1の場合のアンモニア性窒素、亜硝酸性窒素、硝酸性窒素の挙動を図5に示す。7.5時間処理後、アンモニア性窒素はほぼ100%、亜硝酸性窒素は86%減少していた。この結果より求めたアンモニア性窒素の除去速度は36mg−N/リットル−担体・h、亜硝酸性窒素の除去速度は32mg−N/リットル−担体・hであった。硝酸性窒素は14%減少しており、硝酸性窒素の除去速度は5.3mg−N/リットル−担体・hであった。アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素に比べ硝酸性窒素の除去速度は低かった。
第1窒素除去装置1と第2窒素除去装置2はほぼ同じ結果であった。以上の結果から、第1及び第2窒素除去装置2では、亜硝酸性窒素をアンモニア性窒素で脱窒できる脱窒菌の存在が担体、活性汚泥共に認められた。
【0056】
確認実験2
比較例1の第1窒素除去装置1および第2窒素除去装置2についても同様の確認を行った。
(1)活性汚泥単独の場合
第1窒素除去装置1の場合のアンモニア性窒素、亜硝酸性窒素、硝酸性窒素の挙動を図6に示す。10時間処理後、アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素、硝酸性窒素はほとんど減少しなかった。これらの結果より求めた除去速度はアンモニア性窒素 0.07mg−N/g−MLSS/h、亜硝酸性窒素 0.07mg−N/g−MLSS/h、硝酸性窒素 0.03mg−N/g−MLSS/hであった。
【0057】
(2)担体単独の場合
第1窒素除去装置1の場合のアンモニア性窒素、亜硝酸性窒素、硝酸性窒素の挙動を図7に示す。10時間処理後、アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素、硝酸性窒素はほとんど減少しなかった。これらの結果より求めた除去速度はアンモニア性窒素 0.4mg−N/リットル−担体・h、亜硝酸性窒素 0.4mg−N/リットル−担体・h、硝酸性窒素 0.2mg−N/リットル−担体・hであった。
第1窒素除去装置1と第2窒素除去装置2はほぼ同じ結果であった。以上から、比較例1の第1窒素除去装置1および第2窒素除去装置2では、担体、活性汚泥共に亜硝酸性窒素をアンモニア性窒素で脱窒できる脱窒菌の存在は皆無に等しかった。
【0058】
【発明の効果】
本発明によれば、アンモニア性窒素を含んだ廃水の処理において、DOおよびpHを制御した第1窒素除去装置と第2窒素除去装置にて、廃水を生物学的窒素除去方法により窒素除去を行うことにより、酸素必要量が従来方法よりも低減でき、かつ、メタノール等の電子供与体を使用せずに窒素ガスまでに脱窒素することが可能であることから、低コスト化がはかれる。さらに亜硝酸性窒素を優先的に生成させると同時に、亜硝酸性窒素とアンモニア性窒素との反応を促進する効果も認められ、容易な制御で確実に窒素除去を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の生物学的窒素除去装置を示すフローである。
【図2】本発明の接触酸化装置を前段に設けた生物学的窒素除去装置を示すフローである。
【図3】従来法の硝化脱窒素法であるメタノール添加による生物学的窒素除去装置のフローである。
【図4】実施例1における活性汚泥の回分試験結果である。
【図5】実施例1における担体の回分試験結果である。
【図6】比較例1における活性汚泥の回分試験結果である。
【図7】比較例1における担体の回分試験結果である。
【符号の説明】
1 第1窒素除去装置
2 第2窒素除去装置
3 固液分離装置
4 原水
5 処理水
6 返送汚泥
7 第1窒素除去装置流出液
8 第2窒素除去装置流出液
9 空気
10 散気装置
11、12 pH制御装置
13 余剰汚泥
14 ガス排出管
15、16 攪拌装置
17 担体
18 メタノール添加装置
19 接触酸化装置
20 接触酸化装置流出液
21 ハニカム構造のろ材
Claims (4)
- アンモニア性窒素を含む汚水を生物学的に硝化脱窒素する方法において、前記汚水を第1窒素除去工程に導入し、前記第1窒素除去工程では、酸素含有気体の曝気の後、曝気を停止する間欠曝気を行い、前記汚水の溶存酸素濃度0.2mg/リットル以上の時間帯と溶存酸素濃度が0.2mg/リットル以下の時間帯とがあり、かつ溶存酸素濃度0.2mg/リットル以下の時間帯を溶存酸素濃度が0.2mg/リットル以上の時間帯より長く取るように制御し、独立栄養性硝化菌及び独立栄養性脱窒素菌群の存在下に、アンモニア性窒素を残留させつつ、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素及び/又は硝酸性窒素とを窒素ガスとして部分的に脱窒し、前記第1窒素除去工程の流出液を結合酸素を利用可能な独立栄養性脱窒素菌群の存在下で、該流出液中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素及び/又は硝酸性窒素とを窒素ガスとして脱窒素する第2窒素除去工程で処理することを特徴とする生物学的窒素除去方法。
- 前記第1窒素除去工程及び第2窒素除去工程において、汚水のpHは7.5〜9.5に設定することを特徴とする請求項1記載の生物学的窒素除去方法。
- 前記第1窒素除去工程及び第2窒素除去工程において、微生物担体および活性汚泥を存在させることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の生物学的窒素除去方法。
- アンモニア性窒素を含む汚水を生物学的に硝化脱窒素する装置において、前記汚水を微好気的条件及び/又は間欠曝気条件下で、独立栄養性硝化菌及び独立栄養性脱窒素菌群の存在下に、アンモニア性窒素を残留させつつアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素及び/又は硝酸性窒素とを窒素ガスとして部分的に脱窒する第1窒素除去装置と、前記第1窒素除去装置の流出液を結合酸素を利用可能な独立栄養性脱窒素菌群の存在下で、該流出液中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素及び/又は硝酸性窒素とを窒素ガスとして脱窒素する第2窒素除去装置と、前記第2窒素除去装置の流出液を処理水と沈殿汚泥に分離する固液分離装置と、前記沈殿汚泥の一部を返送汚泥として第1窒素除去装置へ返送する配管とを具備し、前記第1窒素除去装置には、原水流入管、散気装置、撹拌装置、pH制御装置、および酸素含有気体の曝気の後、曝気を停止する間欠曝気を行い、前記汚水の溶存酸素濃度0.2mg/リットル以上の時間帯と溶存酸素濃度が0.2mg/リットル以下の時間帯とがあり、かつ溶存酸素濃度0.2mg/リットル以下の時間帯を溶存酸素濃度が0.2mg/リットル以上の時間帯より長く取る溶存酸素制御装置を具備することを特徴とする生物学的窒素除去装置。
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