JP4671178B2 - 窒素除去方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、窒素除去方法及び装置に係り、特に、アンモニア含有廃水を嫌気性アンモニア酸化反応により処理する技術に関する。

下水や産業廃水に含まれる窒素成分は、湖沼の富栄養化や、河川の溶存酸素の低下等の原因になることから、除去されることが望まれている。このような窒素成分としては、主に、アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素、硝酸性窒素、有機性窒素等、がある。

従来、下水や産業廃水に含まれる窒素成分が低濃度であれば、イオン交換法により除去する方法や塩素やオゾンにより酸化除去する方法が採用されているが、窒素成分が中、高濃度であれば、以下のような生物処理方法が採用されている。

生物処理としては、好気硝化と嫌気脱窒による硝化・脱窒処理が行われている。好気硝化では、アンモニア酸化細菌（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ、Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ、Ｎｉｔｒｏｓｏｓｐｉｒａ、Ｎｉｔｒｏｓｏｌｏｂｕｓ等）と亜硝酸酸化細菌（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｏｒ、Ｎｉｔｒｏｓｐｉｎａ、Ｎｉｔｒｏｃｏｃｃｕｓ、Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ等）によるアンモニア性窒素や亜硝酸性窒素の酸化が行われている。一方、嫌気脱窒では、従属栄養細菌（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓ等）による脱窒が行われている。

好気硝化を行う硝化槽は、０．２〜０．３ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／日の負荷で運転され、嫌気脱窒の脱窒槽は、０．２〜０．４ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／日の負荷で運転される。また、下水中の総窒素濃度３０〜４０ｍｇ／Ｌを処理するには、硝化槽では６〜８時間、脱窒槽では５〜８時間の滞留時間が必要であり、いずれも大規模な処理槽が必要であった。

また、無機物のみを含有する産業廃水を脱窒処理する場合は、有機物を添加する必要があり、廃水中の窒素濃度の３〜４倍程度のメタノールを添加していた。このため、イニシャルコストだけでなく、多大なランニングコストを要するという問題があった。

これに対して、例えば、特許文献１には、嫌気性アンモニア酸化法による窒素除去方法が提案されている。この嫌気性アンモニア酸化法は、アンモニアを水素供与体とし、亜硝酸を水素受容体として、嫌気性アンモニア酸化細菌によりアンモニアと亜硝酸とを下記式１により同時脱窒する方法である。

１．００ＮＨ_４＋１．３２ＮＯ_２＋０．０６６ＨＣＯ_３＋０．１３Ｈ^＋
→１．０２Ｎ_２＋０．２６ＮＯ_３＋０．０６６ＣＨ_２Ｏ_０．５Ｎ_０．１５＋２．０３Ｈ_２Ｏ
…（式１）
この方法では、アンモニアを水素供与体とするため、有機物（メタノール等）の添加量を大幅に削減できることや、汚泥の発生量を削減できる等のメリットがある。

また、特許文献２では、この嫌気性アンモニア酸化反応を行う前のアンモニアと亜硝酸の組成比を制御する方法が提案されている。
特開２００１−３７４６７号公報 特開２００５−２４６１３６号公報

しかしながら、上記式１に示すように、嫌気性アンモニア酸化反応では廃水中の窒素成分を完全に除去することができない。すなわち、嫌気性アンモニア酸化反応により硝酸が副次的に生成するため、この硝酸を除去する必要があった。

この硝酸の除去方法としては、特許文献２にも示唆されているように、有機物を添加し、従属栄養性の脱窒細菌により脱窒する方法が一般的である。しかしながら、この従来の脱窒方法では、廃水中の窒素濃度に対して約３倍の有機物を必要とするため、大量に有機物を添加しなければならないだけでなく、大量の汚泥を生成するという問題があった。

また、嫌気性アンモニア酸化細菌は亜硝酸によりダメージを受け易いため、処理槽内に亜硝酸が蓄積されないようにするべく、アンモニアと亜硝酸との比を上記式１に示す理想的な反応比よりもアンモニアが過剰となるようにしている。このため、処理槽から流出する廃水中には、未反応のアンモニアが残留することとなり、この残留アンモニアも除去する必要があった。

このように、嫌気性アンモニア酸化反応で副次的に生成する硝酸と残留するアンモニアを、少ない有機物添加量で、且つ高効率で除去することが望まれている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、嫌気性アンモニア酸化反応で副次的に生成する硝酸や残留するアンモニアを、少ない有機物添加量で、且つ高効率で除去する窒素除去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、アンモニア含有廃水における窒素除去方法であって、前記廃水に含まれるアンモニアの一部を硝化細菌により亜硝酸に硝化する亜硝酸型の硝化工程と、前記亜硝酸型の硝化工程から流出する廃水に含まれるアンモニアと亜硝酸とを、嫌気性アンモニア酸化細菌により除去する第１の脱窒工程と、前記第１の脱窒工程から流出する廃水中に含まれる残留アンモニアと前記第１の脱窒工程において生成した硝酸を、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性の脱窒細菌とにより除去する第２の脱窒工程と、前記第１の脱窒槽から流出する廃水中の硝酸濃度を測定し、測定結果に基づいて、前記第１の脱窒工程から流出する廃水に、前記亜硝酸型の硝化工程を行う前の廃水を混合することにより前記第２の脱窒工程に流入する廃水中のアンモニアと硝酸の組成比を制御する工程と、を備えたことを特徴とする窒素除去方法を提供する。

請求項１によれば、第１の脱窒工程後において残留するアンモニアと、第１の脱窒工程の嫌気性アンモニア酸化反応において副次的に生成した硝酸を、第２の脱窒工程において、嫌気性アンモニア酸化細菌と、（有機物を水素供与体として）従属栄養性の脱窒細菌とにより分解除去する。

このように、第１の脱窒工程から流出する廃水に含まれる残留アンモニアと硝酸を、従属栄養性の脱窒細菌のみで除去するのではなく、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性の脱窒細菌とを組み合わせて除去する。このため、大量の有機物を添加する必要がなく、嫌気性アンモニア酸化反応後の廃水に含まれるアンモニアと硝酸を少ない有機物添加量で、且つ高効率で分解除去できる。
また、本発明によれば、第２の脱窒槽に流入する廃水中の硝酸とアンモニアとの組成比を適切な範囲に調整できる。

なお、第２の脱窒工程において、嫌気性アンモニア酸化細菌によるアンモニアの除去工程と、脱窒細菌による硝酸の除去工程を同時に行ってもよいし、別々に行ってもよい。

本発明の窒素除去方法において、前記第２の脱窒工程は、有機物を供給する工程と、前記従属栄養性の脱窒細菌により前記有機物を水素供与体として前記硝酸を亜硝酸に還元する工程と、前記硝酸を亜硝酸に還元する工程において生成した亜硝酸と、前記残留アンモニアとを前記嫌気性アンモニア酸化細菌により除去する工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、従属栄養性の脱窒細菌による硝酸還元反応では、硝酸を亜硝酸まで還元できればよく、更に亜硝酸とアンモニアは、嫌気性アンモニア酸化細菌によって分解除去される。このため、脱窒細菌のみで窒素ガスまで還元する場合よりも有機物の添加量を大幅に少なくすることができる。

請求項３は請求項１又は２において、前記第２の脱窒工程に流入する廃水の組成比は、アンモニア：硝酸が１：１であることを特徴とする。

請求項３によれば、嫌気性アンモニア酸化細菌と脱窒細菌とにより、廃水中のアンモニアと硝酸を高効率で分解除去できる。これは、硝酸は、脱窒細菌により硝酸からほぼ同モルの亜硝酸に還元され（ＮＯ_３→ＮＯ_２）、この亜硝酸（ＮＯ_２）は、ほぼ同モルのアンモニア（ＮＨ_４）とともに、嫌気性アンモニア酸化細菌により上記式（１）の反応によって分解除去されるためである。

本発明の窒素除去方法において、前記亜硝酸型の硝化工程において、硝化率を５７％以下にすることを特徴とする。

本発明によれば、硝化率を５７％以下と低くすることで、硝化工程後の廃水に含まれるアンモニア濃度を高めると同時に、第１の脱窒工程において生成する硝酸濃度を低下させ、第２の脱窒工程に流入する廃水のアンモニアと硝酸の組成比を適切な範囲に調整できる。

本発明の窒素除去方法において、前記第１の脱窒工程から流出する廃水中の添加有機物濃度Ｃの前記第１の脱窒工程から流出する廃水中の総窒素濃度Ｎに対するＣ/Ｎ比を０．８〜１．３にすることを特徴とする。

第２の脱窒工程において、有機物の添加量が少なすぎると脱窒細菌の活性が低下し、有機物の添加量が多すぎると嫌気性アンモニア酸化細菌の活性が低下する。本発明によれば、廃水中の添加有機物濃度が上記範囲を満たすようにするので、嫌気性アンモニア酸化細菌と脱窒細菌の活性をバランス良く保つことができ、廃水中のアンモニアと硝酸を分解除去できる。

なお、添加有機物濃度Ｃとは、あらかじめ廃水中に含まれる有機物濃度を含まず、第２の脱窒工程において添加した（廃水中の）有機物濃度をいう。また、Ｃ/Ｎ比は０．９〜１．２であることがより好ましい。

本発明は前記目的を達成するために、アンモニア含有廃水に含まれる窒素成分を除去する窒素除去装置であって、前記廃水に含まれるアンモニアの一部を硝化細菌により亜硝酸に硝化する亜硝酸型の硝化槽と、前記亜硝酸型の硝化槽の下流側に設けられ、前記硝化槽から流出する廃水に含まれるアンモニアと亜硝酸とを、嫌気性アンモニア酸化細菌により除去する第１の脱窒槽と、前記第１の脱窒槽の下流側に設けられ、前記第１の脱窒槽から流出する廃水中に含まれる残留アンモニアと前記第１の脱窒槽において生成した硝酸を、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性の脱窒細菌とにより除去する第２の脱窒槽と、前記第１の脱窒槽から流出する廃水中の硝酸濃度を測定する硝酸濃度測定手段と、前記硝酸濃度測定手段における測定結果に基づいて、前記第２の脱窒槽に流入する廃水中のアンモニアと硝酸の組成比を制御する組成比制御手段と、前記亜硝酸型の硝化槽の前段の流路から分岐し、前記第２の脱窒槽の前段の流路と連通するバイパス流路と、を備えたことを特徴とする窒素除去装置を提供する。

本発明によれば、第１の脱窒槽から流出する廃水中のアンモニアと硝酸を、従属栄養性の脱窒細菌のみで除去するのではなく、第２の脱窒槽において、嫌気性アンモニア酸化細菌と脱窒細菌とにより除去する。したがって、大量の有機物を添加することなく、嫌気性アンモニア酸化反応後の廃水に含まれるアンモニアと硝酸を少ない有機物添加量で且つ高効率で除去できる。
また、本発明によれば、第２の脱窒槽に流入する廃水中の硝酸とアンモニアとの組成比を調整できる。

本発明の窒素除去装置において、前記第２の脱窒槽は、前記嫌気性アンモニア酸化細菌が保持された第１の処理槽と、前記第１の処理槽の下流側に設けられ、前記脱窒細菌が保持された第２の処理槽と、を備え、前記第２の処理槽の下流側と前記第１の処理槽の上流側とを連通し、前記第２の処理槽から流出する廃水の少なくとも一部を前記第１の処理槽に流入するための循環流路と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、第２の脱窒槽を２つの処理槽に分けて別の処理を行うので、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性の脱窒細菌との競合が生じることがない。また、従属栄養性の脱窒細菌が保持された第２の処理槽から流出する廃水の少なくとも一部を、嫌気性アンモニア酸化細菌が保持された第１の処理槽に流入するので、第２の処理槽において生成する亜硝酸を、第１の処理槽において嫌気性アンモニア酸化細菌により分解除去できる。

本発明の窒素除去装置において、前記第２の脱窒槽は、１つの処理槽内に前記嫌気性アンモニア酸化細菌と前記脱窒細菌とが保持されたことを特徴とする。

本発明によれば、１つの処理槽内に嫌気性アンモニア酸化細菌と脱窒細菌とを共存させるので、処理槽をコンパクトにすることができる。

本発明の窒素除去装置において、前記第２の脱窒槽には、有機物添加手段が設けられたことを特徴とする。

本発明によれば、第２の脱窒槽における脱窒細菌が、有機物を水素供与体として硝酸（及び亜硝酸）を分解除去できる。なお、第２の脱窒槽を、嫌気性アンモニア酸化細菌を備えた第１の処理槽と、脱窒細菌を備えた第２の処理槽と、で別々に構成する場合は、第２の処理槽に有機物添加手段を設けるものとする。

本発明の窒素除去装置において、前記第２の脱窒槽において、前記第１の脱窒槽から流出する廃水中の総窒素濃度を測定する窒素濃度測定手段と、前記窒素濃度測定手段の測定結果に基づいて、前記第２の脱窒槽への有機物の添加量を所定の範囲となるように制御する添加量制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、第２の脱窒槽における脱窒細菌が、有機物を水素供与体として硝酸を高効率で分解除去できるように、有機物の添加量を調節できる。

本発明によれば、嫌気性アンモニア酸化反応で生成する硝酸や残留するアンモニアを、少ない有機物添加量で、且つ高効率で除去できる。

以下、添付図面に従って、本発明に係る窒素除去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、本発明に係る窒素除去装置１０の概要を説明する断面模式図である。

図１に示すように、窒素除去装置１０は、主に、アンモニア含有廃水（以下、単に「廃水」ともいう）に含まれるアンモニアの一部を亜硝酸に硝化する亜硝酸型の硝化槽１２と、この硝化槽１２から流出する廃水中のアンモニアと亜硝酸とを嫌気性アンモニア酸化細菌により除去する第１脱窒槽１４と、該第１脱窒槽１４において副次的に生成した廃水中の硝酸と残留アンモニアを除去する第２脱窒槽１６と、を備えている。

亜硝酸型の硝化槽１２（以下、単に「硝化槽１２」ともいう）は、アンモニア含有廃水が流入する流入流路１８と連通している。硝化槽１２には、アンモニアを亜硝酸に硝化する硝化細菌が保持されており、好気性雰囲気に保たれている。硝化槽１２では、アンモニアの約半分量が亜硝酸に硝化される亜硝酸型の硝化が行われる。亜硝酸型の硝化は、例えば、廃水中のＤＯ（溶存酸素）濃度を低く制御することによって行うことができる。

硝化槽１２における容積負荷は０．８〜３．５ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄ、水温は２０〜３７℃、ＤＯ濃度は０．５以下で運転することが好ましい。

硝化槽１２の下流側には、流路２０を介して第１脱窒槽１４が設けられている。第１脱窒槽１４には、アンモニアと亜硝酸とを嫌気性アンモニア酸化反応により除去する嫌気性アンモニア酸化細菌が保持されており、嫌気性雰囲気に保たれている。第１脱窒槽１４では、下記式１に示すように、廃水中の亜硝酸とアンモニアが嫌気性アンモニア酸化反応により除去されると同時に、少量の硝酸が副次的に生成される。

１．００ＮＨ_４＋１．３２ＮＯ_２＋０．０６６ＨＣＯ_３＋０．１３Ｈ^＋
→１．０２Ｎ_２＋０．２６ＮＯ_３＋０．０６６ＣＨ_２Ｏ_０．５Ｎ_０．１５＋２．０３Ｈ_２Ｏ
…（式１）
また、亜硝酸は嫌気性アンモニア酸化細菌に悪影響を及ぼすので、亜硝酸が確実に反応によって消費されるように、アンモニアが若干過剰量となるように調整されている。このため、第１脱窒槽１４から流出する廃水には、上記の副生成した硝酸だけでなく、残留するアンモニアも含まれている。

第１脱窒槽１４における容積負荷は２〜１０ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄ、水温は２０〜３７℃、ＤＯ濃度は０．５以下で運転することが好ましい。

第１脱窒槽１４の下流側には、流路２２を介して第２脱窒槽１６が設けられている。流路２２は、バイパス流路２４を介して流入流路１８と連通している。また、流路２２上には、廃水中の硝酸濃度を測定する硝酸濃度計２６と、該硝酸濃度計２６の測定結果に基づき、バイパス流路２４に設けられたバルブ２８の開度を調節する制御手段３０が配設されている。これにより、第２脱窒槽１６に流入する廃水中のアンモニアと硝酸の組成比を調節できるように構成されている。

第２脱窒槽１６には、嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属栄養性の脱窒細菌（以下、単に脱窒細菌という）が保持されており、下流側には脱窒細菌が必要とする有機物を添加するための有機物供給タンク（図２参照）が設けられている。第２脱窒槽１６では、廃水中の残留アンモニアと硝酸が、嫌気性アンモニア酸化細菌と、（有機物を水素供与体として）従属栄養性の脱窒細菌と、により除去された後、流出流路３２から排出される。

図２は、第２脱窒槽１６の構成の一例を説明する断面模式図である。

図２に示すように、第２脱窒槽１６は、仕切板３４により２つの処理室３６Ａ、３６Ｂに区画されている。

処理室３６Ａには、嫌気性アンモニア酸化細菌が優先的に保持されており、処理室３６Ｂには、従属栄養性の脱窒細菌が優先的に保持されている。また、処理室３６Ｂには、脱窒細菌に水素供与体としてのメタノール等の有機物を添加するための有機物供給タンク３８が設けられ、この有機物供給タンク３８から処理室３６Ｂへ供給管３８Ａが延設されている。この供給管３８Ａには、有機物の添加量を調整できるバルブ４０が設けられている。このバルブ４０は、硝酸濃度計２６の測定結果に基づき、Ｃ/Ｎ比制御手段４２により有機物の添加量を制御できるように構成されている。

第２脱窒槽１６の下流側は、処理した後の廃水を流出する流出流路３２が連通している。また、流出流路３２と流路２２とを連通する循環流路４４と送液ポンプ４６が設けられており、処理室３６Ｂから排出された廃水を処理室３６Ａに循環できるように構成されている。これにより、廃水が第２脱窒槽１６に流入すると、まず、処理室３６Ａにおいて廃水中の嫌気性アンモニア酸化細菌が捕捉され、更に処理室３６Ｂにおいて、有機物を水素供与体として廃水中の硝酸が従属栄養性の脱窒細菌により亜硝酸（又は窒素）まで分解される。この亜硝酸を含む廃水は、循環流路４４を介して再び処理室３６Ａに循環されるので、循環流路４４から流入する廃水中の亜硝酸と、流路２２から流入する廃水中のアンモニアとが嫌気性アンモニア酸化細菌により分解除去される。

このように、嫌気性アンモニア酸化反応を行う処理室３６Ａを従属栄養性の脱窒反応を行う処理室３６Ｂの上流側に設けることで、処理室３６Ａでは、第１脱窒槽１４から流出する廃水中の嫌気性アンモニア酸化細菌を捕捉し易くなり、嫌気性アンモニア酸化細菌を効率的に増殖させることができる。したがって、第２脱窒槽１６の運転の立上げを迅速に行い、安定に運転を継続できる。

第２脱窒槽１６における容積負荷は０．２〜２．０ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄ、水温は２０〜３７℃、ＤＯ濃度は０．５以下の範囲で運転することが好ましい。

上記第２脱窒槽１６において、嫌気性アンモニア酸化細菌と脱窒細菌によるアンモニアと硝酸の分解反応を効率的に行わせるためには、（１）第２脱窒槽１６に流入する廃水中のアンモニアと硝酸の組成比、及び（２）第２脱窒槽１６への有機物の添加量（第２脱窒槽１６における廃水中の添加有機物濃度）、を適正な範囲にすることが好ましい。

第２脱窒槽１６に流入する廃水中のアンモニアと硝酸の組成比（モル比）としては、アンモニア：硝酸が１：１となるように調整する。これは、硝酸は、脱窒細菌によりほぼ同モルの亜硝酸に還元され（ＮＯ_３→ＮＯ_２）、この亜硝酸（ＮＯ_２）は、ほぼ同モルのアンモニア（ＮＨ_４）とともに、嫌気性アンモニア酸化細菌により上記式（１）の反応によって分解除去されるためである。

このアンモニア：硝酸の組成比は、例えば、硝酸濃度計２６により廃水中の硝酸濃度を測定し、この測定結果に基づいて、組成比制御手段３０がバイパス流路２４から流入するアンモニア含有廃水の流量をバルブ２８により調整する。

第２脱窒槽１６において、廃水中の添加有機物濃度Ｃの総窒素量濃度Ｎに対するＣ/Ｎ比が０．８〜１．３となるように有機物を添加することが好ましい。すなわち、従属栄養性の脱窒細菌は、脱窒反応の際に有機物を必要とするが、この有機物が少なすぎると十分な活性を示すことができず、多すぎると廃水中の嫌気性アンモニア酸化細菌の活性を著しく低下させるおそれがある。このため、両者の活性をバランス良くするために、処理室３６Ｂにおける廃水中の添加有機物濃度を上記の範囲にする。

なお本発明では、Ｃ/Ｎ比の添加有機物濃度Ｃとは、第２の脱窒工程において添加した結果、（廃水中に含まれる）有機物濃度をいい、廃水中に元から含まれる有機物濃度は含まない。すなわち、嫌気性アンモニア酸化反応後の廃水中には有機物が含まれているが、これらの有機物は難分解性であるため、本発明で必要とする有機物としての性質を有していない。このため、廃水中にあらかじめ含まれる有機物を加味したＣ／Ｎ比ではなく、第２脱窒槽１６における廃水中の添加有機物濃度を対象としたＣ／Ｎ比を規定し、運転することが重要である。

Ｃ/Ｎ比の調整方法としては、例えば、第２脱窒槽１６に流入する前の廃水中の総窒素濃度Ｎを硝酸濃度計２６或いはその他の窒素濃度計（不図示）によって測定し、この結果に基づいて、Ｃ/Ｎ比制御手段４２がバルブ４０の開度を制御し、廃水中の添加有機物濃度を調整する。有機物としては、例えば、廃糖蜜、酢酸、プロピオン酸、等が使用できる。なお、メタノールは、嫌気性アンモニア酸化活性を低下させるため、有機物として使用するのは好ましくない。

上記各槽において、硝化細菌、嫌気性アンモニア酸化細菌、又は脱窒細菌を保持する方法としては、特に限定されないが、例えば、担体材料に微生物を包括固定化した包括固定化担体、担体材料に微生物を付着固定した付着固定化担体、微生物の自己造粒を利用したグラニュール等が使用できる。

包括固定化担体における担体の材質としては、特に限定はしないが、例えば、ポリビニルアルコール、アルギン酸、ポリエチレングリコール系のゲルや、セルロース、ポリエステル、ポリプロピレン、塩化ビニルなどのプラスチック担体等が挙げられる。担体の形状としては、球状体、円筒形状体、多孔質体、立方体、スポンジ状体、ハニカム状体等の整形を行なったものを使用することが好ましい。

付着固定化担体における固定床の材質としては、特に限定はしないが、例えば、ポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、塩化ビニルなどのプラスチック素材や、活性炭ファイバー等が挙げられる。固定床の形状としては、特に限定はしないが、繊維状や、菊花状、ハニカム状等に整形したもの等が挙げられる。

このように、本実施形態によれば、第１脱窒槽１４における嫌気性アンモニア酸化反応により副次的に生成する硝酸や残留するアンモニアを、第２脱窒槽１６において有機物を大量に添加することなく高効率で分解除去できる。

以上、本発明に係る窒素除去方法及び装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。

たとえば、上記実施形態では、第２脱窒槽１６の前段において硝酸濃度を測定する方法を用いたが、例えば、図３に示すような方法も採用できる。

図３は、廃水中の硝酸濃度の測定方法の変形例を説明する断面模式図である。図３に示すように、硝化槽１２の前段と後段にそれぞれ廃水中のアンモニア濃度を測定するアンモニア濃度計４８Ａ、４８Ｂを設置し、硝化槽１２におけるアンモニア濃度の減少量（亜硝酸の生成量）を測定する。すなわち、硝化前の廃水中のアンモニア濃度をａ、硝化後の廃水中のアンモニア濃度をｂとすると、（ａ−ｂ）/ａの値が１．３２以下であれば、亜硝酸の生成量はＦ×（ａ−ｂ）となる。ここで、Ｆの値は、廃水の種類によって異なるものであり、Ｆの値は０．２５〜０．１であることが好ましく、０．１８〜０．２２であることがより好ましい。

また、上記各実施形態では、廃水中のアンモニアと硝酸の組成比を調整する方法として、第２脱窒槽１６に流入する廃水に、バイパス流路２４を介して亜硝酸型の硝化を行う前のアンモニア含有廃水を混合する例を示したが、例えば、以下のような方法も採用できる。

すなわち、図１におけるバイパス流路２４を用いることなく、亜硝酸型の硝化槽１２における硝化率を低下させることにより、未反応のアンモニアを多くし、生成する亜硝酸を少なくする。亜硝酸が少なくなると、第１脱窒槽１４において嫌気性アンモニア酸化反応により生成する硝酸も少なくなる。硝化率としては、５７％以下にすることが好ましい。

また、上記実施形態では、嫌気性アンモニア酸化細菌と脱窒細菌とを処理室３６Ａ、３６Ｂに分離して充填する例を示したが、これに限定されず、例えば、図４に示すように１つの第２脱窒槽１６’内に上記２つの微生物群をそれぞれ包括固定化した２種類の担体を混在させてもよいし、１つの第２脱窒槽１６’内に上記２つの微生物群を１つの担体内に同時に包括固定化してもよい。また、固定化方法についても、包括固定化担体に限らず、担体材料に微生物を付着させた付着固定化担体等も使用できる。

このとき、図４に示すように、有機物を第２脱窒槽１６の下流側に添加することが好ましい。通常の脱窒細菌は、嫌気性アンモニア酸化細菌よりも増殖が早く、上流側に有機物を添加すると、嫌気性アンモニア酸化細菌の付着及び増殖が阻害されるためである。

以下、本発明に係る実施例を説明するが、これらの実施例に限定されるものではない。

[実施例１]
（廃水の組成）
表１に示す合成廃水を用いて廃水処理試験を行った。

亜硝酸型の硝化槽１２には、硝化細菌を固定化した包括固定化担体を充填した。容積負荷は０．８〜３．５ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄ、水温は３０℃、ＤＯは０．５〜４．０で運転した。

第１脱窒槽１４には、嫌気性アンモニア酸化細菌を固定化した包括固定化担体を充填した。容積負荷は２〜１０ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄ、水温は３０℃、ＤＯ濃度は０．５以下で運転した。

そして、表１の廃水を硝化槽１２において亜硝酸型の硝化を行ったところ、廃水中のアンモニア性窒素は４２０ｍｇ/Ｌであり、亜硝酸性窒素は５６０ｍｇ／Ｌであった。

この廃水を第１脱窒槽１４において嫌気性アンモニア酸化処理したところ、廃水中のアンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素は、いずれも５ｍｇ／Ｌ以下まで低減できたものの、１０５ｍｇ/Ｌの硝酸性窒素が含まれていた（この廃水を「廃水Ａ」という）。

次に、第２脱窒槽１６としては、図２のものを使用した。処理室３６Ａには、嫌気性アンモニア酸化細菌を不織布に付着させたものを充填し、処理室３６Ｂには、従属栄養性の脱窒細菌を網状のプラスチック製の充填剤に付着させた後、馴養したものを充填した。

この脱窒細菌としては、まず下水処理場から採取した汚泥を５０００ｍｇ/Ｌとなるように処理槽に添加し、酢酸ナトリウムと硝酸ナトリウム（窒素濃度として８０ｍｇ/Ｌ）を連続的に供給することにより馴養したものを用いた。馴養後の脱窒細菌は、容積当たりの脱窒速度として０．３ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄの能力を示すことを確認した。

送液ポンプ４６の流速を、亜硝酸型の硝化を行う前における廃水の流速の約４倍とした。水温は３０℃とし、添加する有機物としては、酢酸ナトリウムを用いた。この第２脱窒槽１６への亜硝酸性窒素の容積負荷は０．３ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄとした。

そして、第１脱窒槽１４で生成した硝酸を含む廃水Ａと、亜硝酸型の硝化を行う前のアンモニア含有廃水をバイパス流路２４を介して混合し、アンモニアと硝酸の組成比が１：１となる廃水を調整し、第２脱窒槽１６において脱窒した。その結果、廃水中の添加有機物濃度は、硝酸性窒素濃度に対してｌ．０倍程度であった。

[比較例１]
従来の脱窒槽としては、網状のプラスチック製の充填剤を３０％充填し、そこに脱窒細菌を付着させ、馴養させた。この脱窒細菌は、まず下水処理場から採取した汚泥を５０００ｍｇ/Ｌとなるように脱窒槽に添加し、酢酸ナトリウムと硝酸ナトリウム（窒素濃度として８０ｍｇ/Ｌ）を連続的に供給することにより馴養した。馴養後は、容積当たりの脱窒速度として、０．３ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄの能力を示すことを確認した。

この脱窒槽に、上記廃水Ａを流入し、容積負荷は０．３ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄ、水温は２５℃で運転した。有機物としては、酢酸ナトリウムを用いた。

この結果、硝酸性窒素を５ｍｇ／Ｌ以下に低減できたものの、廃水中に添加有機物濃度は、廃水中の総窒素濃度に対して約２．８倍であった。

以上の結果から、本発明を適用した実施例１では、従来の比較例１の約半分以下の添加有機物濃度で、脱窒できることがわかった。

[実施例２]
第２脱窒槽１６において、廃水中の添加有機物濃度Ｃの総窒素濃度Ｎに対するＣ/Ｎ比と脱窒性能との関係について検討した。この結果を図５に示す。

図５に示すように、有機物の添加量は、廃水中の硝酸量に対して適正な比率が存在することが明らかとなった。また、添加有機物濃度Ｃの硝酸性窒素濃度Ｎに対するＣ／Ｎ比は、０．８〜１．３であることが好ましく、０．９〜１．２であることがより好ましいことがわかった。廃水中の添加有機物濃度が低すぎると、充分に反応せず効率が低下したものと考えられる。これに対して、廃水中の添加有機物濃度が高すぎると、嫌気性アンモニア酸化細菌に対して悪影響を及ぼし、脱窒性能を低下させたものと考えられる。

[実施例３]
第２脱窒槽１６に流入する廃水組成（アンモニアと硝酸の組成比）を、硝化槽１２における硝化率を低下させることにより調整した。亜硝酸型の硝化を行った後の廃水組成は、アンモニア性窒素が４８６ｍｇ/Ｌ、亜硝酸性窒素が５１５ｍｇ/Ｌであった（この廃水を廃水Ａ’という）。この廃水Ａ’を第１脱窒槽１４において嫌気性アンモニア酸化処理したところ、９２ｍｇ/Ｌの硝酸が生成し、これと同時にアンモニア性窒素が９０ｍｇ/Ｌ残留した。

この廃水を用いて、実施例１と同様に、図２に示す第２脱窒槽１６において脱窒処理したところ、脱窒後の廃水中のアンモニア性窒素及び硝酸性窒素は、いずれも５ｍｇ/Ｌ以下まで低減できた。また、このときの廃水中の添加有機物濃度は、硝酸性窒素濃度に対して０．９４であり、上記実施例１の場合よりも更に少なかった。

以上の結果から、硝化槽１２における硝化率を低くすることで、有機物の添加量を少なくすることができ、更に亜硝酸型の硝化を行う前の廃水中のアンモニア性窒素の約１割程度を第２脱窒槽１６で除去できることがわかった。

[実施例４、５]
第２脱窒槽１６における有機物の添加位置について検討した。

図４に示すように、１つの第２脱窒槽１６’内で嫌気性アンモニア酸化細菌と脱窒細菌を混在させた場合において、第２脱窒槽１６’の上流側で有機物を添加する場合を実施例４とし、図２のように嫌気性アンモニア酸化細菌を第２脱窒槽１６の処理室３６Ａに投入し、脱窒細菌を第２脱窒槽１６の処理室３６Ｂに投入し、処理室３６Ｂに有機物を添加する場合を実施例５とした。その他の運転条件は、実施例１と同様とした。

そして、第２脱窒槽１６における脱窒活性の立上げ期間について比較した結果、図２のように構成した実施例５では、脱窒活性が安定化するのに１ヶ月を要した。これに対して、図４のように構成した実施例４では、脱窒活性が安定化するのに３ヶ月を要した。

以上から、脱窒細菌が優先的に保持された処理室３６Ｂ（第２脱窒槽１６の下流側）に有機物を添加することで、嫌気性アンモニア酸化細菌に悪影響を及ぼすのを抑制し、脱窒細菌の活性を向上できることがわかった。

[実施例６]
上記各実施例１〜５で使用した合成廃水の代わりに、下水処理場から採取した汚泥消化処理後の廃水を脱水したろ液（以下、廃水という）を用いて、廃水処理試験を行った。この廃水の主な組成としては、ＮＨ_４−Ｎ：１０５０ｍｇ/Ｌ、ＣＯＤ：３２０ｍｇ/Ｌ、ＢＯＤ：８０ｍｇ/Ｌ、ＴＯＣ：３００ｍｇ/Ｌであった。その他の運転条件は、実施例１と同様とした。

この廃水を硝化槽１２において亜硝酸型の硝化を行ったところ、硝化処理後の廃水中にはアンモニア性窒素が５０４ｍｇ/Ｌ、亜硝酸性窒素が５２０ｍｇ/Ｌ含まれていた。

次いで、この廃水を第１脱窒槽１４において嫌気性アンモニア酸化処理したところ、８０ｍｇ／Ｌの硝酸性窒素が生成すると共に、アンモニア性窒素が９６ｍｇ／Ｌ残留した。

次いで、第１脱窒槽１４において処理した廃水を、第２脱窒槽１６において更に処理したところ、硝酸を５ｍｇ／Ｌ以下まで低減できた。

このとき、第２脱窒槽１６における廃水中の添加有機物濃度Ｃは、硝酸性窒素濃度Ｎに対して０．９（Ｃ／Ｎ比）であった。このＣ／Ｎ比について、従来のように、廃水中に元から含まれる有機物を加味した有機物濃度Ｃ’で表現すると、廃水に有機物を添加した後の廃水中の有機物濃度Ｃ’と硝酸性窒素濃度とのＣ’／Ｎ比は４．６５となる。この値は、本発明においては意味をなさないが、これは以下のことから明らかである。

第２脱窒槽１６において、有機物を新たに添加することなく廃水中に元から含まれる有機物のみで処理すると（このとき、廃水のＣ’／Ｎ比は３以上）、硝酸はほとんど除去できなかった。このことは、廃水中に元から含まれる有機物は、第２脱窒槽１６において利用できないことを示唆している。したがって、廃水中に元から含まれる有機物を加味したＣ’／Ｎ比は、本発明での指標とはならず、新たに有機物を添加する必要があることがわかった。

本発明に係る窒素除去装置の一例を説明する断面模式図である。 図１における第２脱窒槽の構成の一例を示す断面模式図である。 窒素濃度の測定方法の変形例を示す断面模式図である。 第２脱窒槽の構成の変形例を示す断面模式図である。 本実施例における結果を示すグラフ図である。

符号の説明

１０…窒素除去装置、１２…硝化槽、１４…第１脱窒槽、１６、１６’…第２脱窒槽、２４…バイパス流路、２６…硝酸濃度計、２８…バルブ、３０…組成比制御手段、３６Ａ、３６Ｂ…処理室、３８…有機物供給タンク、３８Ａ…供給管、４０…バルブ、４２…Ｃ/Ｎ比制御手段、４４…循環流路、４８Ａ、４８Ｂ…アンモニア濃度計

Claims (8)

1. アンモニア含有廃水における窒素除去方法であって、
   前記廃水に含まれるアンモニアの一部を硝化細菌により亜硝酸に硝化する亜硝酸型の硝化工程と、
   前記亜硝酸型の硝化工程から流出する廃水に含まれるアンモニアと亜硝酸とを、嫌気性アンモニア酸化細菌により除去する第１の脱窒工程と、
   前記第１の脱窒工程から流出する廃水中に含まれる残留アンモニアと前記第１の脱窒工程において生成した硝酸を、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性の脱窒細菌とにより除去する第２の脱窒工程と、
   前記第１の脱窒槽から流出する廃水中の硝酸濃度を測定し、測定結果に基づいて、前記第１の脱窒工程から流出する廃水に、前記亜硝酸型の硝化工程を行う前の廃水を混合することにより前記第２の脱窒工程に流入する廃水中のアンモニアと硝酸の組成比を制御する工程と、を備え、
   前記第２の脱窒工程は、有機物を供給する工程と、前記従属栄養性の脱窒細菌により前記有機物を水素供与体として前記硝酸を亜硝酸に還元する工程と、前記硝酸を亜硝酸に還元する工程において生成した亜硝酸と、前記残留アンモニアとを前記嫌気性アンモニア酸化細菌により除去する工程と、
   を備えたことを特徴とする窒素除去方法。
2. 前記第２の脱窒工程に流入する廃水の組成比は、アンモニア：硝酸が１：１であることを特徴とする請求項１に記載の窒素除去方法。
3. 前記亜硝酸型の硝化工程において、硝化率を５７％以下にすることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒素除去方法。
4. 前記第２の脱窒工程において、前記第２の脱窒工程に流入した廃水に添加された添加有機物濃度Ｃの前記第１の脱窒工程から流出する廃水中の総窒素濃度Ｎに対するＣ/Ｎ比を０．８〜１．３にすることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の窒素除去方法。
5. アンモニア含有廃水に含まれる窒素成分を除去する窒素除去装置であって、
   前記廃水に含まれるアンモニアの一部を硝化細菌により亜硝酸に硝化する亜硝酸型の硝化槽と、
   前記亜硝酸型の硝化槽の下流側に設けられ、前記硝化槽から流出する廃水に含まれるアンモニアと亜硝酸とを、嫌気性アンモニア酸化細菌により除去する第１の脱窒槽と、
   前記第１の脱窒槽の下流側に設けられ、前記第１の脱窒槽から流出する廃水中に含まれる残留アンモニアと前記第１の脱窒槽において生成した硝酸を、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性の脱窒細菌とにより除去する第２の脱窒槽と、
   前記第２の脱窒槽に設けられた有機物添加手段と、
   前記第１の脱窒槽から流出する廃水中の硝酸濃度を測定する硝酸濃度測定手段と、
   前記硝酸濃度測定手段における測定結果に基づいて、前記第１の脱窒槽から流出する廃水に、前記硝化槽に流入する前の廃水を混合することにより前記第２の脱窒槽に流入する廃水中のアンモニアと硝酸の組成比を制御する組成比制御手段と、
   前記亜硝酸型の硝化槽の前段の流路から分岐し、前記第２の脱窒槽の前段の流路と連通するバイパス流路と、
   を備えたことを特徴とする窒素除去装置。
6. 前記第２の脱窒槽は、
   前記嫌気性アンモニア酸化細菌が保持された第１の処理槽と、
   前記第１の処理槽の下流側に設けられ、前記脱窒細菌が保持された第２の処理槽と、を備え、
   前記第２の処理槽の下流側と前記第１の処理槽の上流側とを連通し、前記第２の処理槽から流出する廃水の少なくとも一部を前記第１の処理槽に流入するための循環流路と、
   を備えたことを特徴とする請求項５に記載の窒素除去装置。
7. 前記第２の脱窒槽は、１つの処理槽内に前記嫌気性アンモニア酸化細菌と前記脱窒細菌とが保持されたことを特徴とする請求項５に記載の窒素除去装置。
8. 前記第２の脱窒槽において、前記第１の脱窒槽から流出する廃水中の総窒素濃度を測定する窒素濃度測定手段と、
   前記窒素濃度測定手段の測定結果に基づいて、前記第２の脱窒槽への有機物の添加量を所定の範囲となるように制御する添加量制御手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項５〜７の何れか１項に記載の窒素除去装置。

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