JP4554833B2

JP4554833B2 - 排水中の硝酸性窒素除去装置及び方法

Info

Publication number: JP4554833B2
Application number: JP2001043589A
Authority: JP
Inventors: 徹大石; 靖浩平戸; 俊明宮永
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Chemical Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel and Sumikin Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2021-02-20
Also published as: JP2002239593A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排水中の硝酸性窒素の除去装置及び方法に関し、更に詳しくは溶存酸素の高い排水中の硝酸性窒素を効率的に除去する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の排水全般の汚染問題、特に硝酸性窒素問題が深刻化していることから、環境省は平成１１年３月に「硝酸性窒素及び亜硝酸性窒素」「ホウ素」「フッ素」の３項目を、水質汚濁に係る人の健康の保護に関する環境基準及び地下水の水質汚濁に係る環境基準項目として新たに追加告示している。しかしながら、従来から農業排水は河川や湖沼に垂れ流し状態であり、農業排水の処理を目的とした水処理システムは確立していない。
【０００３】
特に、近年の過剰施肥状態により畑地、茶畑、果樹園、牧草地等の農地からの暗渠排水が高濃度の硝酸性窒素を含有し、問題となっている。また、浄化槽等の家庭排水中に含まれる硝酸性窒素も、湖沼の富栄養化問題の一つとして取り上げられている。
【０００４】
WO2000/18694号公報には、通性嫌気性硫黄酸化細菌を利用した、単体硫黄、硫黄酸化細菌に対する炭素源及び処理水中和剤からなる脱窒資材が記載されており、これは排水中の硝酸性窒素に関し優れた除去効果を示すことが認められた。これは、脱窒効率は優れたものであるが、極めて低濃度となるまで、脱窒しようとすると、脱窒速度が低下するという新たな問題が見出された。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、常に安定した脱窒性能を示し、排水の発生現場付近で、特に動力源等を必要とせず、メンテナンスが容易であるという、硫黄酸化細菌を利用した装置の特徴を最大限活かした効率よい除去装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、種々検討した結果、排水中の溶存酸素量を減させれば、高濃度のみならず、低濃度の窒素分をも迅速に除去できることを見出し、本発明を完成した。
【０００７】
すなわち、本発明は、溶存酸素低下手段と、通性嫌気性硫黄酸化細菌、単体硫黄、硫黄酸化細菌用炭素源及び排水中和剤を有する脱窒資材とを有することを特徴とする排水中の硝酸性窒素除去装置である。
好ましい溶存酸素低下手段としては、好気性酸化細菌による処理、還元剤添加、加熱処理及び酸素ガス不含ガスによる曝気から選択される少なくとも１つの手段が挙げられる。そして、排水の流れの上流側に溶存酸素低下手段を、下流側に脱窒資材を配置することが有利である。
【０００８】
また、本発明は、溶存酸素低下手段として好気性硫黄酸化細菌、単体硫黄、硫黄酸化細菌用炭素源及び排水中和剤を有する溶存酸素低下資材の充填層と、脱窒資材の充填層とを有する前記の硝酸性窒素除去装置である。
そして、脱窒資材と溶存酸素低下資材における単体硫黄、硫黄酸化細菌用炭素源及び排水中和剤が、混合一体化された造粒物であることが有利である。
【０００９】
さらに、本発明は、溶存酸素低下工程を経た後、通性嫌気性硫黄酸化細菌、単体硫黄、硫黄酸化細菌用炭素源及び排水中和剤を有する脱窒資材による処理を施すことを特徴とする排水中の硝酸性窒素除去方法である。
【００１０】
本発明の硝酸性窒素除去装置（本発明装置ともいう）は、排水の自然流下により特に動力源等を必要とせず、効果的な排水処理を実現することが可能であるものである。しかし、動力源等の使用を排除するものではない。以下、本発明を具体的に説明する。
【００１１】
本発明装置に使用する脱窒資材は、通性嫌気性硫黄酸化細菌、単体硫黄、硫黄酸化細菌用炭素源及び排水中和剤を備えたものである。
通性嫌気性硫黄酸化細菌は、Thiobacillus denitrificans単離菌株又はThiobacillus denitrificans等を含む土壌細菌群として使用され、水中の溶存酸素が少ない状態下においてＣＯ₂を炭素源、単体硫黄を電子供与体、そして排水中のＮＯ₃などＮＯ_xを電子受容体として増殖する微生物で、この時ＮＯ_xはＮ₂にまで還元され水中から除去される。この通性嫌気性硫黄酸化細菌は、増殖・脱窒に有機物を必要とせず、単体硫黄とＣＯ₂により脱窒を行うことから、栄養源を液体の状態でなく固形担体として保持することが可能であり、これによって栄養源の流失を防ぎ、頻繁な栄養源添加が不必要となる。
【００１２】
本発明装置から通性嫌気性硫黄酸化細菌をの流亡を防ぐには、事前に本発明による硝酸性窒素除去装置内又は別途準備した培養タンク内で、単体硫黄、硫黄酸化細菌用炭素源及び排水中和剤が混合一体化された造粒物を、Thiobacillus denitrificans単離菌株又はそれらを含む土壌細菌群を添加した硝酸性窒素含有溶液に浸漬して、その造粒物の表面、空隙内部等に付着させる操作を行うことが好ましい。
【００１３】
また、通性嫌気性硫黄酸化細菌は、それを含有する土壌粒子、土壌コロイドとして本発明装置内に添加してもよい。さらに、通性嫌気性硫黄酸化細菌が利用できる窒素化合物を本来含有する石炭、亜炭、泥炭等に予め通性嫌気性硫黄酸化細菌を表面に付着させた粒子として添加してもよい。そして、これらの通性嫌気性硫黄酸化細菌含有粒子等は、単体硫黄、硫黄酸化細菌用炭素源及び排水中和剤が混合一体化された造粒物に吸着又は付着させて、ここで前記菌を増殖させることが好ましい。この際、必要に応じて、通性嫌気性硫黄酸化細菌を物理的に保持するロックウール、ガラス繊維、セラミック繊維、炭素繊維等の繊維状担体を前記造粒物中に混合又は近接して配置してもよい。前記造粒物中から少しづつ滲出する硫黄や炭素源により、脱窒が進行するように近接して配置することが有利である。
【００１４】
この通性嫌気性硫黄酸化細菌が必要とする炭素源としては、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸鉄、炭酸マンガン等の水に対して実質的に溶解せず、硫黄酸化細菌の活動で生じた硫酸イオンと水中で反応して炭酸ガスを放出する炭酸塩を使用できる。また、通性嫌気性硫黄酸化細菌が必要とする単体硫黄としては、天然硫黄や石油精製、各種工業プラントの副産硫黄が使用できる。
【００１５】
硫黄酸化細菌の活動で生じた硫酸イオンの影響により排水が酸性化するのを防止するために使用する中和剤には、実質的に水に対して溶解しない弱アルカリ物質を使用する。このような中和剤としては、例えば高炉スラグ、転炉スラグ、ロックウール、硝子繊維などが使用できる。より好ましくは、炭素源と中和剤を兼用でき、中和反応後の硫酸塩の水に対する溶解度が高いアルカリ土類金属炭酸塩を使用することがよい。アルカリ土類金属炭酸塩としては、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムなどが挙げられるが、これらの炭酸塩を主成分とする石灰岩、大理石、苦灰岩、方解石、苦灰石、菱苦土鉱や、貝殻、サンゴなどが有利に使用できる。
【００１６】
本発明装置に使用する脱窒資材は、直径０.５〜５０mm程度の単独粒として充填してもよいが、好ましくはこれらを微粉砕した後、混合し、溶融又はプレス成形法により一体化した物を更に直径１〜５０mmに造粒した粒状物である。
【００１７】
次に、本発明装置に使用する溶存酸素低下手段としては、加熱、窒素ガスなど酸素ガスを含まないガスによる曝気、溶存酸素と反応する亜硫酸塩等の還元剤の添加、好気性微生物による処理などがある。好気性微生物による処理としては、好気性硫黄酸化細菌、単体硫黄、硫黄酸化細菌用炭素源及び排水中和剤を備えた溶存酸素低下資材を使用することが有利である。
【００１８】
好気性硫黄酸化細菌としては、硝酸性窒素の除去能力を有しない一般のThiobacillusｓp.でもよいが、好ましくは通性嫌気性硫黄酸化細菌であるThiobacillus denitrificansを好気化処理して使用することがよい。Thiobacillus denitrificansは、溶存酸素濃度が高い水中で培養順化すると、水中の酸素を利用して硫黄の酸化を行うようになり、一般の好気性硫黄酸化細菌と同様に効果的に水中の溶存酸素を消費する。すなわち、流入する排水の水温、溶存酸素量に見合った量の菌体により、効果的に水中の溶存酸素を消費することができ、再度、存酸素の少ない条件下に置くと、硝酸性窒素の除去能力が復活して脱窒に寄与する。
【００１９】
溶存酸素低下資材に使用する単体硫黄、菌の炭素源及び中和剤については、前記脱窒資材と同様なものが使用できるが、菌を内部に含有する土壌粒子又は土壌コロイドの添加、窒素化合物を本来含有する石炭、亜炭、泥炭等の粒子の添加は水中の溶存酸素低下を阻害するため好ましくない。
【００２０】
溶存酸素低下資材に使用する炭素源と中和剤は兼用でき、中和反応後の硫酸塩の水に対する溶解度が高いアルカリ土類金属炭酸塩を使用することがよい。アルカリ土類金属炭酸塩としては、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムなどが挙げられるが、これらの炭酸塩を主成分とする石灰岩、大理石、苦灰岩、方解石、苦灰石、菱苦土鉱や、貝殻、サンゴなどが有利に使用できる。なお、溶存酸素の高い水中で、不溶性の沈殿物を生じ易い炭酸鉄、炭酸マンガン等の炭素源と、中和後に水に対する溶解度が低いゲル状物質が生成し易い高炉スラグ、転炉スラグ、ロックウール、ガラス繊維などの使用は好ましくない。
【００２１】
本発明による硝酸性窒素除去装置は、脱窒をより効率的に行うために、好ましくは溶存酸素の高い排水の流入部分の近在に溶存酸素低下資材を設けることがよく、より好ましくは装置内で処理水が大気に接する部分に溶存酸素低下資材の層を設けることがよい。なお、溶存酸素低下資材以外の、溶存酸素低下手段を使用する場合も、同様に上流側に設けることがよい。
【００２２】
【実施例】
実施例１
図１に示す恒温槽内に設置した内容積８００ccの３連槽を用い、溶存酸素４．５mg/l、ＮＯ₃-Ｎで表される硝酸性窒素１０４.１mg/lである排水の硝酸性窒素除去試験を実施した。
恒温槽１に、タンク２、カラム３、４及び５を配置した。タンク２から人工排水をポンプ６により所定の速度でカラム３の上部に装入し、ここからの流出排水をカラム４、次いでカラム５に装入した。各カラムは、装入された排水がカラムの上部から下部に流れ、これが再度上部に流れ、上部から流出する構造とした。
カラム５から排出される処理水は管７から取り出し分析した。
脱窒資材及び溶存酸素低下資材としては、石灰石粉末１００重量部と硫黄粉末１２０重量部を混合し、６５０kg/cm²で圧縮成形して得られた粒状物（ＳＣ材）を使用した。各カラムには、通性嫌気性硫黄酸化細菌であるThiobacillus denitrificansを付着させたＳＣ材１０重量部に対し、硫黄酸化細菌を付着させてない新規ＳＣ材を９０重量部の割合で混合したものをそれぞれ充填した。
カラム３は、事前に好気化処理して硫黄酸化細菌を好気性硫黄酸化細菌とし、カラム４及び５は、通性嫌気性硫黄酸化細菌のまま使用した。
恒温槽設定温度を２５℃とし、５l/dの人工排水をポンプで送給したところ、カラム３の前半は溶存酸素除去槽と機能し、カラム３の後半とカラム４及び５は脱窒槽として機能していることが、採取した処理水の溶存酸素量測定値から確認された。
最終の処理水は、溶存酸素０.３mg/l、硝酸性窒素０.４mg/lであり、脱窒率は９９.６％であった。
【００２３】
比較例１
実施例１のカラム３に、カラム４及び５に充填したと同じ脱窒資材を充填し、カラム３、４及び５の全てを脱窒槽として処理した場合は、最終の処理水は脱窒率が９４.６％であった。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、流水のように水中の溶存酸素が高い場合にも安定した脱窒性能を発揮するため、農業排水等の特に動力源などが得にくい場面でも排水中の硝酸性窒素が大幅に低減でき、地下水や河川、湖沼の汚染対策に大きく貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による硝酸性窒素除去装置の１例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：恒温槽
２：タンク
３〜５：カラム

Claims

排水の流れの上流側に溶存酸素低下手段を、下流側に通性嫌気性硫黄酸化細菌、単体硫黄、及び炭酸カルシウムを有する脱窒資材の充填層とを有し、溶存酸素低下手段として通性嫌気性硫黄酸化細菌を事前に好気化処理して得られる好気性硫黄酸化細菌、単体硫黄、及び炭酸カルシウムを有する溶存酸素低下資材の充填層を有することを特徴とする排水中の硝酸性窒素除去装置。
脱窒資材と溶存酸素低下資材における単体硫黄、及び炭酸カルシウムが、混合一体化された造粒物である請求項１に記載の排水中の硝酸性窒素除去装置。
通性嫌気性硫黄酸化細菌を事前に好気化処理して得られる好気性硫黄酸化細菌、単体硫黄、及び炭酸カルシウムを有する溶存酸素低下資材による溶存酸素低下工程を経た後、通性嫌気性硫黄酸化細菌、単体硫黄、及び炭酸カルシウムを有する脱窒資材による処理を施すことを特徴とする排水中の硝酸性窒素除去方法。