JP4660456B2 - 窒素及びリンを除去する水質浄化方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、下水処理水、農業系処理水、及び工業系処理水、さらに河川、湖沼などの窒素及びリンを除去する水質浄化方法及び装置に関する。

近年、下水処理水、農業系処理水、及び工業系処理水、さらに河川、湖沼などの硝酸態（性）窒素、リン酸態（性）リンの濃度が高くなっており、水質の保全を図るために、窒素、リンに係る厳しい排水基準や環境基準が設定されている。従来、汚水から窒素を除去する方法の一つとして、生物学的方法が用いられている。この種の水質浄化処理方法は、特許文献１に開示されている。この方法では、汚水中の窒素を、まずアンモニアに分解し、このアンモニア性窒素を硝化工程と脱窒工程によって窒素ガスまで分解する。この場合、硝化工程で、アンモニア性窒素を好気条件下で独立栄養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し、この亜硝酸性窒素を同じく独立栄養細菌である亜硝酸酸化細菌によって硝酸性窒素まで酸化する。そして、脱窒工程で、従属栄養細菌である脱窒菌が生成した亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素を嫌気性条件下で、有機物を電子供与体として窒素ガスまで分解する。さらに、近時は、独立栄養脱窒細菌（硫黄酸化細菌）を利用した技術が提案され、この技術では、硫黄系資材に硫黄酸化細菌を付着させ、そこに汚水を通し、嫌気状態下で処理（脱窒）を行う。また、汚水からリンを除去する方法の一つに、鉄鋼製造工程において副産物として発生する各種スラグ（鉄鋼スラグ）を利用した吸着・除去法が知られている。この種の水質浄化処理方法が、特許文献２に開示されている。この吸着・除去法では、鉄鋼スラグに汚水を接触させ、鉄鋼スラグに汚水中のリンを吸着・除去させることにより、リンを除去する。
特開２００１− ４７０８６公報 特開２０００−１４０８７４公報

しかしながら、上記のように、汚水から硫黄により硝酸態窒素を除去する方法では、処理水のｐＨが強酸性になる欠点があり、また、上記のように、汚水から鉄鋼スラグによりリン酸態リンを除去する方法では、処理水のｐＨが強アルカリ性になる欠点があり、処理水の排水基準や環境基準を満足させることができないという問題がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するもので、この種の水質浄化方法及び装置において、被処理水から硝酸態窒素及びリン酸態リンを同時に除去し、処理水を中性化して、排水基準や環境基準を満足させること、を目的とする。

上記目的を達成するために、本願発明者は、従来の処理工程の欠点を利用し、強酸性の処理水と強アルカリ性の処理水を混合することにより、処理水を中性化して無害化することを見い出し、本願発明の創作に至ったものである。

すなわち、本願発明の窒素及びリンを除去する水質浄化方法は、硝酸態窒素及びリン酸態リンを含有する被処理水を独立栄養脱窒細菌（硫黄酸化細菌）を担持した硫黄又は硫黄化合物に通し、前記硫黄酸化細菌の脱窒作用により前記硝酸態窒素を除去して、処理水を排出する硝酸態窒素除去工程と、前記硝酸態窒素除去工程と並行して、前記被処理水を鉄鋼スラグに通し、前記リン酸態リンを前記鉄鋼スラグの吸着・除去作用により除去して、処理水を排出するリン酸態リン除去工程と、前記各工程後の各処理水を混合して排出する混合工程と、を有することを要旨とする。
この場合、前記リン酸態リン除去工程後の処理水を一部、前記硝酸態窒素除去工程における硫黄又は硫黄化合物に付与し、前記硫黄酸化細菌による脱窒作用を促進する脱窒作用促進工程を有することが好ましい。

また、本発明の窒素及びリンを除去する水質浄化装置は、硝酸態窒素及びリン酸態リンを含有する被処理水を独立栄養脱窒細菌（硫黄酸化細菌）を担持した硫黄又は硫黄化合物に通し、前記硫黄酸化細菌の脱窒作用により前記硝酸態窒素を除去して、処理水を排出する窒素除去手段と、前記窒素除去手段に並置され、前記被処理水を、鉄鋼スラグに通し、前記リン酸態リンを前記鉄鋼スラグの吸着・除去作用により除去して、処理水を排出するリン除去手段と、前記各手段から排出される各処理水を混合して排出する混合手段と、を備えることを要旨とする。
この場合、前記リン除去手段から排出される処理水を一部、前記窒素除去手段に付与し、前記硫黄酸化細菌による脱窒作用を促進する脱窒反応促進手段を有することが好ましい。
また、前記窒素除去手段にアルカリ性の薬剤を付与し、前記硫黄酸化細菌の活動環境を調整する第１の脱窒反応調整手段を有することが好ましい。
さらに、前記窒素除去手段にリン化合物を付与し、前記硫黄酸化細菌の活動環境を調整する第２の脱窒反応調整手段を有することが好ましい。

本発明の窒素及びリンを除去する水質浄化方法は、上記の方法により、被処理水から硝酸態窒素を除去する処理とリン酸態リンを除去する処理とを並行し、窒素を除去した後の強酸性の処理水とリンを除去した後の強アルカリ性の処理水を混合して排出するので、被処理水から硝酸態窒素及びリン酸態リンを同時に除去し、処理水を中性化（中和）して排出することができ、処理水の排水基準や環境基準を満足させることができるという効果を奏する。

また、本発明の窒素及びリンを除去する水質浄化装置は、上記の構成により、被処理水から硝酸態窒素を除去する処理とリン酸態リンを除去する処理とを並行し、窒素を除去した後の強酸性の処理水とリンを除去した後の強アルカリ性の処理水を混合して排出するので、被処理水から硝酸態窒素及びリン酸態リンを同時に除去し、処理水を中性化（中和）して排出することができ、処理水の排水基準や環境基準を満足させることができるという効果を奏する。

以下、この発明の一実施の形態について図を用いて説明する。図１に、窒素及びリンを除去する水質浄化方法及び装置の概念を示している。この水質浄化方法は、汚水（被処理水）から硝酸態窒素を除去して、処理水を排出する工程と、汚水（被処理水）からリン酸態リンを除去して、処理水を排出する工程とを並行して行い、各工程後の各処理水を混合して排出する工程を取る。

硝酸態窒素を除去する工程では、脱窒材が使用される。この脱窒材は、脱窒基質に独立栄養脱窒細菌（硫黄酸化細菌）を担持したもので、脱窒基質は硫黄又は硫黄化合物が採用される。脱窒基質に担持させる硫黄酸化細菌は、自然界に存在するThiobacillus denitrificansなどが代表的で、この硫黄酸化細菌や、この硫黄酸化細菌を含む土壌細菌群などを使用することができる。硫黄酸化細菌は、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、そして汚水中のＮＯ₃などＮＯ_Xを電子受容体として増殖する微生物で、このときＮＯ_XをＮ₂にまで還元し、水中から硝酸態窒素および亜硝酸態窒素を除去する。この硫黄酸化細菌は、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、電子供与体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、メタノール法のような頻繁な炭素源添加が不要となる。この脱窒材に汚水を通し接触させて、硫黄酸化細菌の脱窒作用（脱窒反応）により、汚水から硝酸態窒素を除去する。

汚水（被処理水）からリン酸態リンを除去する工程では、吸着・除去材が使用される。この吸着・除去材には、鉄鋼製造プロセスで生じた鉄鋼スラグその他の各種スラグが採用される。この場合、高炉スラグ、徐冷スラグなどが好ましい。高炉スラグは無数の内部気孔を有する多孔質組織のガラス質材料で、さらに表面に多数の尖った部分を有する形状を持ち、このような形態及び組織面での特質から、水中のリンを容易に吸着または化合物を形成して除去する能力が高く、通水性も優れている。また、徐冷スラグは高炉スラグに較べて、より多孔質な組織を有している。このスラグの組織は、高炉スラグに較べてさらに多孔質の度合いが高く、かつ表面に微細な凹凸を有しているため、高炉スラグに較べて水中でリンを吸着・除去する能力が高い。この吸着・除去材に汚水を通し接触させて、鉄鋼スラグの吸着・除去作用により、汚水からリン酸態リンを除去する。

また、この工程を経て、排出されたｐＨの高い処理水の一部を、窒素を除去する工程に導き、脱窒材（脱窒基質）に付与する。既述のとおり、窒素を除去する工程は、硫黄酸化細菌による生物処理のため、この処理中にｐＨが低下し、脱窒材の環境が酸性に変わると、この酸の影響で、硫黄酸化細菌の処理能力が低下したり停止したりして、脱窒反応が低下又は停止する現象が起こる。そこで、リン除去槽からの処理水を所定量付与することで窒素除去槽内が中和され、硫黄酸化細菌の活動を所期の状態に維持し、脱窒反応を促進する。これにより、窒素の除去機能が安定する。

各工程後の各処理水を混合する工程では、各工程で排出された処理水を合流し、中和させる。この場合、特に中和剤なるものは使用せず、既述のとおり、窒素を除去する工程を経た処理水のｐＨは強酸性になり、リンを除去する工程を経た処理水のｐＨは強アルカリ性になるので、両処理水を利用し、混合することで、各処理水のｐＨを中性化する。なお、混合が不完全な場合は、撹拌装置を用いて、両処理水を撹拌して混合する場合もある。この工程で各処理水を中和して、排出（放流）する。

この水質浄化方法を実現するため、水質浄化装置は、窒素除去槽１と、リン除去槽２と、混合槽３とを備える。この場合、窒素除去槽１及びリン除去槽２は相互に並列に並置される。窒素除去槽１は既述の脱窒材（硫黄酸化細菌を担持した硫黄又は硫黄化合物）が充填され、硝酸態窒素及びリン酸態リンを含有する汚水（被処理水）を脱窒材に通し、その脱窒作用により硝酸態窒素を除去して、処理水を排出するユニットとして構成される。なお、この窒素除去槽１は処理すべき水量に応じて適宜の長さを有する。リン除去槽２は既述の吸着・除去材（鉄鋼スラグ）が充填され、硝酸態窒素及びリン酸態リンを含有する汚水（被処理水）を吸着・除去材に通し、その吸着・除去作用によりリン酸態リンを除去して、処理水を排出するユニットとして構成される。また、これら窒素除去槽１とリン除去槽２との間には、リン除去槽２から排出される処理水の一部（窒素除去槽１内の硫黄酸化細菌の活動を所期の状態に維持するのに必要な所定の量だけ）を窒素除去槽１に付与する経路４が形成される。さらに、窒素除去槽１の近傍に、この槽１にアルカリ性の薬剤を適宜付与して、硫黄酸化細菌の活動環境を調整する第１の脱窒反応調整部５と、この槽１にリン化合物を適宜付与して、硫黄酸化細菌の活動環境を調整する第２の脱窒反応調整部６が併せて付設される。混合槽３は窒素除去槽１及びリン除去槽２の排水路に接続され、各除去槽１、２から排出される各処理水を混合して排出するユニットとして構成される。なお、この混合槽３には、必要に応じて、各処理水を撹拌するための撹拌装置が併設される。図２に窒素除去槽１での窒素除去工程において使用されるアルカリ性薬剤、リン化合物、及びスラグ処理水の添加位置を示している。窒素成分を含んだ処理水である硝酸態窒素が窒素除去槽１の中に供給されると、この窒素除去槽１の中を出口（図２の下部）に向かって移動する間に、前記硫黄酸化細菌を担持した脱窒材により脱窒作用を受けて硝酸態窒素が除去される。これにより、最初はほぼ中性であった処理水は窒素除去槽１の中を所定の長さ（距離）移動するにつれ、次第にｐＨが低下し酸性の液体へと変化する。図２中、窒素除去槽１の部位１ａから部位１ｂにかけての酸性−中性図表に示す曲線は、上記処理水のｐＨの低下を示す。ｐＨが低下すると脱窒性能が低下するため、このｐＨの低くなる部位１ｂにおいてアルカリ性薬剤やスラグ処理水を添加し得るように、第１の脱窒反応調整部５およびスラグ処理水供給経路４が窒素除去槽１に接続される。次に、窒素除去槽１の部位１ｂでアルカリ性薬剤等を添加された処理水は、部位１ｂから１ｃにかけての間で処理水のｐＨが低下するため、このｐＨの低くなる部位１ｃにおいてアルカリ性薬剤やスラグ処理水を添加し得るように第１の脱窒反応調整部５およびスラグ処理水供給経路４が窒素除去槽１に接続される。以下同様にして、アルカリ性薬剤やスラグ処理水をｐＨの低くなる部位１ｄ、部位１ｅ、・・・において添加し得るように第１の脱窒反応調整部５およびスラグ処理水供給経路４が窒素除去槽１に接続される。また、この場合、上記部位１ａ、部位１ｂ、・・・に合わせてリン化合物を添加する第２の脱窒反応調整部６もまた窒素除去槽１に接続されていてもよい。なお、アルカリ性薬剤やスラグ処理水が添加される部位は、カラムの長さが長くなるにつれ増すこともある。

以上説明したように、この水質浄化方法及び装置によれば、汚水から硝酸態窒素を除去する処理とリン酸態リンを除去する処理とを並行して行い、窒素を除去した後の強酸性の処理水とリンを除去した後の強アルカリ性の処理水を混合して排出するので、被処理水から硝酸態窒素及びリン酸態リンを同時に除去するとともに、処理水を中性化（中和）して排出することができ、処理水の排水基準や環境基準を満足させることができる。

本発明の一実施の形態における水質浄化方法及び装置の概念図 同水質浄化方法及び装置の窒素除去工程において使用されるアルカリ性薬剤、リン化合物、及びスラグ処理水の添加位置を示す図

符号の説明

１ 窒素除去槽
２ リン除去槽
３ 混合槽
４ リン除去槽から排出される処理水を脱窒材に付与する経路
５ 脱窒反応調整部
６ 脱窒反応調整部

Claims (6)

1. 硝酸態窒素及びリン酸態リンを含有する被処理水を独立栄養脱窒細菌（硫黄酸化細菌）を担持した硫黄又は硫黄化合物に通し、前記硫黄酸化細菌の脱窒作用により前記硝酸態窒素を除去して、処理水を排出する硝酸態窒素除去工程と、
   前記硝酸態窒素除去工程と並行して、前記被処理水を鉄鋼スラグに通し、前記リン酸態リンを前記鉄鋼スラグの吸着・除去作用により除去して、処理水を排出するリン酸態リン除去工程と、
   前記各工程後の各処理水を混合して排出する混合工程と、
   を有することを特徴とする窒素及びリンを除去する水質浄化方法。
2. 前記リン酸態リン除去工程後の処理水を一部、前記硝酸態窒素除去工程における硫黄又は硫黄化合物に付与し、前記硫黄酸化細菌による脱窒作用を促進する脱窒作用促進工程を有する請求項１に記載の窒素及びリンを除去する水質浄化方法。
3. 硝酸態窒素及びリン酸態リンを含有する被処理水を独立栄養脱窒細菌（硫黄酸化細菌）を担持した硫黄又は硫黄化合物に通し、前記硫黄酸化細菌の脱窒作用により前記硝酸態窒素を除去して、処理水を排出する窒素除去手段と、
   前記窒素除去手段に並置され、前記被処理水を、鉄鋼スラグに通し、前記リン酸態リンを前記鉄鋼スラグの吸着・除去作用により除去して、処理水を排出するリン除去手段と、
   前記各手段から排出される各処理水を混合して排出する混合手段と、
   を備えることを特徴とする窒素及びリンを除去する水質浄化装置。
4. 前記リン除去手段から排出される処理水を一部、前記窒素除去手段に付与し、前記硫黄酸化細菌による脱窒作用を促進する脱窒反応促進手段を有する請求項３に記載の窒素及びリンを除去する水質浄化装置。
5. 前記窒素除去手段にアルカリ性の薬剤を付与し、前記硫黄酸化細菌の活動環境を調整する第１の脱窒反応調整手段を有する請求項３又は４に記載の窒素及びリンを除去する水質浄化装置。
6. 前記窒素除去手段にリン化合物を付与し、前記硫黄酸化細菌の活動環境を調整する第２の脱窒反応調整手段を有する請求項３乃至５のいずれかに記載の窒素及びリンを除去する水質浄化装置。

Images