JP4465628B2 - 亜酸化窒素ガスの生物学的処理方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、亜酸化窒素ガスの生物学的処理方法及び装置に係り、特に、硝化槽での硝化処理で発生する亜酸化窒素ガスを効率良く生物学的に処理するための亜酸化窒素ガスの生物学的処理方法及び装置に関する。

有機性又は無機性の廃水中の窒素成分を生物学的に処理する廃水処理装置では、窒素成分の硝化処理における反応副産物として亜酸化窒素ガスが発生することが知られている。しかし、発生した亜酸化窒素ガスの除去処理は行われておらず、大気中に放出しているのが実情である。

ところで、亜酸化窒素ガスは、二酸化炭素ガスの数百倍の温室効果を有しており、世界的な地球温暖化防止の高まりにともない、二酸化炭素ガスやメタンガスとともに排出削減対象物質となっている。

亜酸化窒素ガスを生物学的に処理する従来の装置としては、特開平６─１９０２４１号公報にみられるように、亜酸化窒素ガスを含有するガスを、吸着工程で吸着剤に亜酸化窒素ガスを吸着させた後、該吸着剤又は該吸着剤から脱着した亜酸化窒素ガス、又は亜酸化窒素ガスを吸収させた吸収液を嫌気性条件下にある生物学的な亜酸化窒素ガスの分解工程で分解するものである。

しかしながら、従来の亜酸化窒素ガスの生物学的処理装置は、運転しづらいという欠点がある。

更に、従来の亜酸化窒素ガスの生物学的処理方法は、吸着という物理的手段と微生物という生物学的手段のように、性質の全く異なる２つの手段を組み合わせているので、運転操作が複雑になると共に運転管理の面でも煩雑になるという欠点がある。このような背景から、生物学的な処理のみで亜酸化窒素ガスを分解除去する方法が要望されている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、亜酸化窒素ガスの分解性能を向上させることができると共に、装置構成のシンプル化を図ることができる亜酸化窒素ガスの生物学的処理方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、亜酸化窒素ガスを含有する含有ガスを、微好気性の生物反応槽に直接導入して微生物による還元処理を行うことを特徴とする。

また、本発明は、前記目的を達成するために、亜酸化窒素ガスを含有する含有ガスを直接導入して、微好気性条件下で微生物による還元処理を行う微好気性の生物反応槽を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、生物反応槽のみで亜酸化窒素ガスを処理できるので、装置構成を極めてシンプル化することができると共に、運転操作や運転管理が容易になる。

更にまた、本発明は、前記目的を達成するために、アンモニア性窒素を含有する廃水を複数の硝化槽で多段式に硝化処理する際に各硝化槽で発生する亜酸化窒素ガスを含有する含有ガスのうち、少なくとも１段目の硝化槽で発生する前記含有ガスを請求項２の生物学的処理装置に導く含有ガス送気経路を設けたことを特徴とする。

本発明は、多段式硝化処理の場合、複数の硝化槽で発生する亜酸化窒素ガスの含有ガスのうち、１段目の硝化槽で全体の約７０％発生することに着目して成されたもので、本発明によれば、少なくとも１段目の硝化槽で発生する含有ガスを請求項２の生物学的処理装置に導く含有ガス送気経路を設けたので、少ない設備改造で亜酸化窒素ガスを効率的に処理することができる。

本発明の亜酸化窒素ガスの生物学的処理方法及び装置によれば、亜酸化窒素ガスの分解性能を向上させることができると共に、装置構成のシンプル化を図ることができる。

また、アンモニア性窒素を含有する廃水を多段式硝化処理の場合に発生する亜酸化窒素ガスを効率的に処理することができる。

以下、添付図面により本発明の亜酸化窒素ガスの生物学的処理方法及び装置の好ましい実施の形態について詳説する。

図１は、本発明の参考例であり、亜酸化窒素ガスの生物学的処理装置の形態１であるとともに、活性汚泥循環変法式の廃水処理装置に組み込んだ構成図である。

図１に示すように、アンモニア性窒素を含有する有機性廃水又は無機性廃水の原水は、嫌気性の脱窒槽１０に流入してから好気性の硝化槽１２に送られ、硝化槽１２で処理された処理水の一部が循環路１４を介して脱窒槽１０に戻されると共に、残りが固液分離槽１６に送られる。固液分離槽１６では、処理水に同伴される活性汚泥を固液分離し、汚泥返送経路１８を介して脱窒槽１０に返送して脱窒槽１０内の生物量を維持する。また、一部の汚泥は余剰汚泥として排出管２０を介して装置外に排出される。

そして、硝化槽１２では、散気装置２２によりブロア３０から供給されたエアが散気され、好気性条件下で活性汚泥中の好気性微生物である硝化菌により廃水中のアンモニア性窒素が亜硝酸性窒素や硝酸性窒素に硝化処理される。また、脱窒槽１０で処理しきれなかった廃水中の有機物が水と二酸化炭素に分解される。硝化槽１２から液が循環される脱窒槽１０では、硝化槽１２で生成された亜硝酸性窒素や硝酸性窒素が、廃水中の有機物或いはメタノール等の電子供与体を還元剤として、嫌気性微生物である脱窒菌により脱窒処理されて窒素ガスに還元する。これにより廃水中のアンモニア性窒素が除去される。この廃水の流れにおいて、硝化槽１２での硝化処理の反応副産物として亜酸化窒素ガスが生成する。

硝化槽１２で発生した亜酸化窒素ガスの含有ガスを、脱窒槽１０の廃水中に直接導入して活性汚泥中の脱窒菌により生物学的に還元処理すると、含有ガス中に多く混在する酸素が嫌気性微生物である脱窒菌の還元反応を阻害する。そこで、形態１では、硝化槽１２で発生した亜酸化窒素ガスを酸素除去装置２４に送気し、含有ガスに混在する酸素を予め除去した脱酸素ガスを脱窒槽１０の廃水中に導入するようにした。

酸素除去装置２４としては、分子ふるい活性炭、ガス分離膜を用いた装置を使用することが好ましい。

図２（ａ）は、分子ふるい活性炭を用いた酸素除去装置２４の一例を示したもので、分子ふるい活性炭の吸着塔を２基並列に設けて２基で交互運転を行う場合である。この酸素除去装置２４は、酸素（Ｏ_２）の分子径（３．９×２．８Å）が、亜酸化窒素ガス（Ｎ_２Ｏ）の分子径（５．６７×３．０Å）よりも小さく、小さいものほど速く吸着することを利用したものである。図２（ｂ）に、酸素除去装置２４の吸着塔Ｉ側を運転する際のバルブ切替要領を示した。

酸素除去装置２４は、均圧→加圧（吸着）→減圧（脱着）を１サイクル（通常２分）とする酸素除去サイクルを繰り返す。これにより、亜酸化窒素ガスの含有ガスから酸素を除いた脱酸素ガスと、酸素を富有に含む酸素富有ガスとに分離される。この結果、脱酸素ガス中の酸素濃度を０．５％以下にすることができる。また、図示しないが、ガス分離膜を用いた酸素除去装置では、ガス分離膜として分子径の小さな酸素の透過速度が大きく、分子径の大きな亜酸化窒素ガスの透過速度が小さなシリコーン系ポリマー膜を用いることができる。しかし、酸素と亜酸化窒素ガスとの膜分離ができるものであればシリコーン系ポリマー膜に限定するものではない。

図３は、形態１の効果を説明するものであり、脱窒槽１０の活性汚泥による亜酸化窒素ガスの分解性能を示したものである。尚、脱窒槽１０の廃水中の活性汚泥濃度は１０００ｍｇ／Ｌ、分解開始前の亜酸化窒素ガス濃度は５ｍｇ／Ｌの場合である。

曲線Ａは、硝化槽１２で発生する亜酸化窒素ガスの含有ガスを分子ふるい活性炭を用いた酸素除去装置２４で酸素を除去してから脱窒槽１０に導入した場合の脱窒槽１０における亜酸化窒素ガスの分解性能を示したものである。

曲線Ｂは、硝化槽１２で発生した前記含有ガスを酸素除去装置２４を通さずに脱窒槽１０に直接導入した場合の脱窒槽１０での分解性能を示したものである。尚、曲線Ｃと曲線Ｄについては、本発明の実施の形態（形態２）の効果で説明する。図３の曲線Ａから分かるように、酸素除去装置２４を通した場合には、約１時間１５分程度で５ｍｇ／Ｌ濃度の亜酸化窒素ガスがほぼ０ｍｇ／Ｌになったのに対し、酸素除去装置２４を通さない場合には、４時間経過しても４ｍｇ／Ｌ程度までしか低下しなかった。このように、亜酸化窒素ガスの生物学的処理装置によれば、亜酸化窒素ガスを含有する含有ガスを、嫌気性の脱窒槽１０に導入して還元処理する前に、脱窒菌の還元処理を阻害する酸素を除去したので、亜酸化窒素ガスを短時間で効率的に除去することができる。

この場合、従来技術のように、含有ガスから亜酸化窒素ガスのみを取り出して脱窒槽１０に導入することも考えられる。しかしながら、硝化槽１２で発生する含有ガスの中には亜酸化窒素ガス以外にも、廃水中への散気により廃水中から揮散されるアンモニアガスがある。従って、従来技術のように含有ガスから亜酸化窒素ガスのみを取り出して脱窒槽に導入すると、分離された他方のガス側（亜酸化窒素ガスが除去されたガス側）にアンモニアガスが混入することになり好ましくない。

これに対し、形態１の場合には、酸素除去装置２４で酸素が除去された脱酸素ガス側に、前記揮散されたアンモニアガスが含有されるので、揮散されたアンモニアガスは再び生物学的な処理系統に戻されることになる。

また、亜酸化窒素ガスや酸素等が混在する含有ガス中の酸素濃度を測定することは、含有ガス中の亜酸化窒素ガスを測定することよりも容易である。従って、亜酸化窒素ガスを濃縮する装置を運転管理するよりも酸素を除去する装置を運転管理する方が容易である。即ち、酸素除去装置２４の入口と脱酸素ガス側の出口のうちの少なくとも入口側に酸素濃度測定手段を設けて、除去すべき酸素量を把握することにより、脱酸素ガス中の酸素レベルが高くならないような酸素除去装置２４の運転を容易かつ確実に行うことができる。

図４は、分子ふるい活性炭を用いた酸素除去装置２４で含有ガスの酸素除去処理を行った場合の酸素富有ガスの発生量と酸素濃度を、前述した１サイクル（１２０秒）の経時変化として表したものである。この結果、酸素富有ガスの酸素濃度は平均２４％（１９％〜５７％）であり、エア中の酸素濃度２１％よりも大きくなった。

図５は、図４の知見に基づいて成された形態１の変形例であり、酸素除去装置２４で得られた酸素富有ガスを硝化槽１２の散気装置２２に供給するための配管２６と送気ファン２８を設けたものである。硝化槽１２では、常時、ブロア３０からエアを散気装置２２に送気して硝化槽１２内を好気性にしているが、酸素除去装置２４で得られる酸素濃度の高い酸素富有ガスを利用することにより、エアよりも廃水中の酸素効率が良くなる。これにより、廃水中の有機物の分解除去率を向上させることができる。また、酸素除去装置２４から発生する酸素富有ガスの発生量が多い場合には、ブロア３０を設置しないか、設置しても小さなブロア能力のもので足りるので、装置コストの低減になる。

次に、本発明の実施の形態について説明する。

図６は、本発明の亜酸化窒素ガスの生物学的処理装置の実施の形態（形態２）であり、上記形態１と同じ装置及び部材には同符号を付して説明する。

脱窒槽１０、硝化槽１２、固液分離槽１６、硝化槽１２から脱窒槽１０への循環路１４については、上記形態１と同様である。そして、本発明の実施の形態（形態２）では、脱窒槽１０の前段に微好気性の生物反応槽である微好気槽３２を設け、硝化槽１２で発生する亜酸化窒素ガスの含有ガスを、ガス経路３４を介して微好気槽３２に直接導入するようにした。また、固液分離槽１６からの汚泥返送経路１８を微好気槽３２に繋いで微好気槽３２での生物量を維持するようにした。また、微好気槽３２内に低部に配設した微好気用散気装置３６には、ブロア３０からのエアが流量調整バルブ３８で制御され、微好気槽の溶存酸素濃度が０．１〜３ｐｐｍになるように散気されるようにした。

図３の曲線Ｃは、硝化槽１２で発生する亜酸化窒素ガスの含有ガスを、微好気槽３２に直接導入した場合の微好気槽３２における亜酸化窒素ガスの分解性能を示したものである。曲線Ｃから分かるように、含有ガスを微好気槽３２に直接導入した場合には、５ｍｇ／Ｌ濃度の亜酸化窒素ガスを０．５ｍｇ／Ｌまで低下するのに２．５時間を要した。この結果は、形態１のように酸素除去装置２４を通した場合よりも亜酸化窒素ガスの低減に時間がかかる。しかし、亜酸化窒素ガスを含む含有ガスを嫌気性の脱窒槽１０に直接導入する場合に比べて格段に分解性能が良かった。この理由は、脱窒槽１０中の微生物は、嫌気性状態に慣らされているために、含有ガスに同伴される酸素が脱窒槽１０に混入すると、微生物の活性が極端に低下するものと考察される。これに対し、微好気槽３２の微生物は、溶存酸素濃度が、微好気性状態に慣らされているために、含有ガスに同伴される酸素が微好気槽３２に混入しても酸素に対する耐性があるものと考察される。また、微好気槽３２における亜酸化窒素ガスの窒素ガスへの還元反応を調べたところ、活性汚泥がブロック化したブロック内部、活性汚泥を厚膜状にした生物膜の内部のように、微好気槽３２内でも嫌気性に近い条件に生息する脱窒菌が反応を支配することが分かった。

図３の曲線Ｄは、上記知見に基づいて成されたもので、脱窒菌を高分子ゲルに包括固定化した微生物担体を投入した脱窒槽１０に、硝化槽１２で発生した亜酸化窒素ガスの含有ガスを直接導入した場合である。図３の曲線Ｄから分かるように、酸素除去装置２４を通した場合よりも亜酸化窒素ガスの分解性能がやや劣るものの、活性汚泥のみの微好気槽３２の場合よりも分解性能を向上させることができた。この理由としては、微生物担体の内部が嫌気性に近い状態になるために、亜酸化窒素ガスの分解を促進するものと考察される。

上記の如く構成した本発明の実施の形態（形態２）によれば、生物学的な処理を行う微好気槽のみで亜酸化窒素ガスを処理でき、物理的手段を必要としないので、装置構成を極めてシンプル化することができる。また、生物学的手段のみの運転でよいので、装置の運転操作や運転管理が容易になる。また、一般的な廃水処理方法である活性汚泥循環変法式の廃水処理装置の前段に微好気槽３２を配設するだけでよいので、増設コストも安価ですむ。また、微好気槽３２の後段に循環嫌気性の脱窒槽が配設される構成になるので、微好気槽で残存した亜酸化窒素ガスを脱窒槽で確実に除去することができる。尚、図６では、微好気槽３２での亜酸化窒素ガスの処理負荷を考慮して、硝化槽１２で処理した液を循環路１４で脱窒槽１０に循環させるようにしたが、微好気槽３２に循環させてもよい。

また、図示しなかったが、硝化槽１２から微好気槽３２に送気される含有ガス中の酸素濃度を計測する酸素測定装置を設けると共に、微好気槽３２内の廃水中のＤＯ濃度を測定するＤＯ濃度計を設けるとよい。これにより、含有ガスに同伴される酸素量を見込んで微好気用散気装置３６からの散気量を制御することができるので、微好気槽３２の脱窒菌の活性が低下することがないと共に、散気量の削減にも寄与する。

図７及び図８は、本発明の亜酸化窒素ガスの生物学的処理装置の別の実施の形態（形態３）であり、上記形態１及び２と同じ装置及び部材には同符号を付して説明する。

本発明の実施の形態（形態３）は、アンモニア性窒素含有の廃水を多段式に硝化処理する場合、複数の硝化槽１２で発生する亜酸化窒素ガスの含有ガスのうち、１段目の硝化槽１２Ａで全体の約７０％の亜酸化窒素ガスが発生することに着目して成されたものである。そして、複数の硝化槽１２で発生する亜酸化窒素ガスの含有ガスのうち、少なくとも１段目の硝化槽１２Ａで発生する含有ガスを、亜酸化窒素ガスの生物学的処理装置に導いて還元処理するようにした。

図７は、第１硝化槽１２Ａ、第２硝化槽１２Ｂ、第３硝化槽１２Ｃの３槽から成る多段式の硝化処理装置のうち、第１硝化槽１２Ａに蓋４０をして、ヘッドスペース４２に溜まった亜酸化窒素ガスの含有ガスを、送気ファン４４により含有ガス送気経路４６を介して亜酸化窒素ガスの生物学的処理装置に送気するようにしたものである。これにより、亜酸化窒素ガスの大気放出を低減できると共に、１槽のみの設備改造で亜酸化窒素ガスを効率的に処理することができる。

また、図８は、前記３槽１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの硝化槽１２の全てに蓋４０をして、各硝化槽１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃで発生する亜酸化窒素ガスの含有ガスを、送気ファン４４により含有ガス送気経路４６を介して亜酸化窒素ガスの生物学的処理装置に送気するようにしたものである。形態３における亜酸化窒素ガスの生物学的処理装置は、酸素除去装置２４と脱窒槽１０を組み合わせたもの、微好気槽３２のみのもの、或いは微好気槽３２と脱窒槽１０を組み合わせたものを使用するとよい。

尚、本発明の実施の形態では、本発明の亜酸化窒素ガスの生物学的処理装置を、硝化槽から発生する亜酸化窒素ガスを処理する例で説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ゴミ処理場で発生する亜酸化窒素ガスを処理する場合にも適用することができる。また、亜酸化窒素ガス（Ｎ_２Ｏ）にＮＯが混在する場合にも本発明を適用することができる。

亜酸化窒素ガスの生物学的処理装置の形態１を説明する構成図 酸素除去装置を説明する説明図 亜酸化窒素ガスの含有ガスを、脱窒槽に直接導入した場合、酸素除去装置を通してから脱窒槽に導入した場合、微好気槽に直接導入した場合、微好気槽に脱窒菌の包括固定化担体を投入した場合におけるそれぞれの亜酸化窒素ガスの分解性能を説明する説明図 酸素除去装置で得られる酸素富有ガスの発生量と酸素濃度を説明する説明図 亜酸化窒素ガスの生物学的処理装置の形態１の変形例を説明する構成図 本発明の実施の形態（形態２）の変形例を説明する構成図 本発明の亜酸化窒素ガスの生物学的処理装置の実施の形態（形態３）を説明する構成図 本発明の実施の形態（形態３）の変形例を説明する構成図

符号の説明

１０…脱窒槽、１２…硝化槽、１４…循環路、１６…固液分離槽、１８…汚泥返送経路、２２…散気装置、２４…酸素除去装置、２６…配管、２８…送気ファン、３０…ブロア、３２…微好気槽、３４…ガス経路、３６…微好気用散気装置、３８…流量調整バルブ、４０…蓋、４４…送気ファン、４６…含有ガス送気経路

Claims (3)

1. 亜酸化窒素ガスを含有する含有ガスを、微好気性の生物反応槽に直接導入して微生物による還元処理を行うことを特徴とする亜酸化窒素ガスの生物学的処理方法。
2. 亜酸化窒素ガスを含有する含有ガスを直接導入して、微好気性条件下で微生物による還元処理を行う微好気性の生物反応槽を設けたことを特徴とする亜酸化窒素ガスの生物学的処理装置。
3. アンモニア性窒素を含有する廃水を複数の硝化槽で多段式に硝化処理する際に各硝化槽で発生する亜酸化窒素ガスを含有する含有ガスのうち、少なくとも１段目の硝化槽で発生する前記含有ガスを請求項２の生物学的処理装置に導く含有ガス送気経路を設けたことを特徴とする亜酸化窒素ガスの生物学的処理装置。

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