JP4729810B2

JP4729810B2 - 生物脱窒方法

Info

Publication number: JP4729810B2
Application number: JP2001186868A
Authority: JP
Inventors: 英斉安井; ゴエルラジブ; 麗今城; 孝明徳富
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: JP2003001292A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素の共存下で嫌気的に生物脱窒する方法に係り、特に、この生物脱窒反応の立ち上げに際して、反応に関与する独立栄養性脱窒微生物を効果的に増殖させて効率的な生物脱窒を行う方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排液中に含まれるアンモニア性窒素は河川、湖沼及び海洋などにおける富栄養化の原因物質の一つであり、排液処理工程で効率的に除去する必要がある。一般に、排水中のアンモニア性窒素は、アンモニア性窒素をアンモニア酸化細菌により亜硝酸性窒素に酸化し、更にこの亜硝酸性窒素を亜硝酸酸化細菌により硝酸性窒素に酸化する硝化工程と、これらの亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素を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て窒素ガスにまで分解する脱窒工程との２段階の生物反応を経て窒素ガスにまで分解される。
【０００３】
しかし、このような従来の硝化脱窒法では、脱窒工程において電子供与体としてメタノールなどの有機物を多量に必要とし、また硝化工程では多量の酸素が必要であるため、ランニングコストが高いという欠点がある。
【０００４】
これに対して、近年、アンモニア性窒素を電子供与体とし、亜硝酸性窒素を電子受容体とする独立栄養性微生物を利用し、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを反応させて脱窒する方法が提案された。この方法であれば、有機物の添加は不要であるため、従属栄養性の脱窒菌を利用する方法と比べて、コストを低減することができる。また、独立栄養性の微生物は収率が低く、汚泥の発生量が従属栄養性微生物と比較すると著しく少ないので、余剰汚泥の発生量を抑えることができる。更に、従来の硝化脱窒法で観察されるＮ_２Ｏの発生がなく、環境に対する負荷を低減できるといった特長もある。
【０００５】
この独立栄養性脱窒微生物を利用する生物脱窒プロセスは、Strous, M, et al., Appl. Microbiol. Biotecnol., 50, p.589-596 (1998) に報告されており、以下のような反応でアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素が反応して窒素ガスに分解されると考えられている。
【０００６】
【化１】

【０００７】
この反応に関与する微生物の窒素代謝については、Van de Graaf, et al., Microbiology, 143, p.2415-2421 (1997) に報告されており、ヒドロキシルアミンやヒドラジンが脱窒反応の中間物と考えられている。事実、これらの中間物を上記微生物に与えると、一時的に脱窒速度が高くなることが回分実験で確かめられている (Strous, M. et al., Appl. Environ. Microbiol., 65(7), 3248-3250 (1990)) 。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記生物脱窒法では、反応に関与する独立栄養性脱窒微生物がその収率が低い分、増殖速度が遅く、反応の立ち上げに長時間を要するという欠点があった。
【０００９】
即ち、上記生物脱窒プロセスにおいて反応に関与すると考えられている独立栄養性脱窒微生物のPlanctmycete (Strous, M. et al., Nature, 400, p.446-449 (1999)) は、上記反応式のように、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素をエネルギー源とし、炭酸根を炭素源として増殖する。しかし、このような基質でこのバクテリアを育生させた場合、増殖速度は非常に遅く、汚泥量が２倍になるまでに最短でも１０日の日数を必要とする。
【００１０】
また、この微生物は通常の活性汚泥中にも存在することが知られている（今城麗，第３５回水環境学会年回要項集，ｐ７８（２００１））が、上述の如く増殖速度が遅い上に活性汚泥中に存在する割合は極めて少ないものと予想され、このため、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を適切に与えても、この微生物による脱窒反応の生起が認められるまでに１００日以上の日数を要する。
【００１１】
このようなことから、独立栄養性脱窒微生物を利用した上記生物脱窒プロセスの実施に当っては、装置の立ち上げに長時間を要し、また、短時間で立ち上げるためには、予め大量の種汚泥を準備する必要がある。しかし、この種汚泥の準備にも長時間を要する。
【００１２】
このように、汚泥の増殖速度が非常に遅く、装置の立ち上げに長時間を要することが、従来において、独立栄養性脱窒微生物を利用した生物脱窒の実用化の障害となっていた。
【００１３】
なお、前述の如く、従来において、このような独立栄養性脱窒微生物による脱窒反応の中間物としてのヒドロキシルアミンやヒドラジンを脱窒反応系に添加すると、脱窒速度が一時的に高められることが実験的に確認されているが、この実験は、脱窒反応系内の脱窒速度、即ち、既に立ち上げられた装置における脱窒速度だけに注目しており、これらの成分が、脱窒反応に関与する独立栄養性脱窒微生物の増殖に基質となって関与するか否かは明らかにされていない。まして、これらの成分が増殖速度の向上に寄与するか否かについては全く考えられていない。
【００１４】
本発明は、上記従来の問題点を解決し、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素の共存下で独立栄養性脱窒微生物の作用により生物脱窒する方法において、汚泥（独立栄養性脱窒微生物）の増殖を効果的に促進させて、生物脱窒装置を短時間で立ち上げることを可能とする生物脱窒方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の生物脱窒方法は、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を含有する原水を、アンモニア性窒素を電子供与体とし、亜硝酸性窒素を電子受容体とする独立栄養性脱窒微生物の作用により生物脱窒する方法において、ヒドロキシルアミン、ヒドラジン及びメタノールからなる群から選ばれる１又は２以上の増殖促進剤を共存させて前記独立栄養性脱窒微生物を増殖させることを特徴とする。
【００１６】
ヒドロキシルアミン、ヒドラジン及びメタノールの１種又は２種以上を共存させることにより、生物脱窒に関与する独立栄養性脱窒微生物の増殖を効率的に促進させることができる。
【００１７】
本発明において、増殖促進剤としてはヒドロキシルアミンを用いるのが好適である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の生物脱窒方法の実施の形態を詳細に説明する。
【００１９】
アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を含む原水を、アンモニア性窒素を電子供与体とし、亜硝酸性窒素を電子受容体として脱窒する独立栄養性脱窒微生物は、植種汚泥に、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を含み、有機物及び酸素を実質的に含まない液を供給して嫌気状態に維持することにより、自然発生的に増殖させることができる。即ち、このような系では有機物を分解する有機物分解菌や、亜硝酸を硝酸化する硝酸生成菌、或いは硝酸と有機物を反応させて脱窒する従属栄養性の脱窒菌は増殖せず、上記の独立栄養性脱窒微生物が優勢となる。
【００２０】
本発明においては、このようにして独立栄養性脱窒微生物（汚泥）を増殖させるに際し、系内に、ヒドロキシルアミン、ヒドラジン及びメタノールよりなる群から選ばれる１種又は２種以上の増殖促進剤を共存させることにより増殖を促進させる。
【００２１】
この増殖促進剤は１種を単独で用いても良く、２種以上を併用しても良い。
【００２２】
独立栄養性脱窒微生物を増殖させる培地における上記増殖促進剤の濃度やアンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素の濃度の好適範囲は、用いる増殖促進剤の種類や温度、ｐＨ、培地の組成、窒素負荷等により影響されるため、これらの条件に応じて適宜調整することが好ましいが、一般的には、培地における増殖促進剤の濃度が０．１〜１０ｍｇ／Ｌとなるように増殖促進剤を添加すると共に、アンモニア性窒素濃度が１〜１００ｍｇ／Ｌ、亜硝酸性窒素濃度が１〜５０ｍｇ／Ｌとなるように培地を調整するのが好ましい。
【００２３】
本発明においては、特に増殖促進剤としてヒドロキシルアミン又はヒドラジン或いは、ヒドロキシルアミンとヒドラジン、二価の鉄イオン及びメタノールの１種又は２種以上とを用いるのが好ましく、この場合において、ヒドロキシルアミン単独添加の場合には、培地のヒドロキシルアミン濃度が１〜１０ｍｇ／Ｌ、特に２〜３ｍｇ／Ｌとなるように添加するのが好ましく、ヒドロキシルアミンとのその他の増殖促進剤とを併用する場合には、ヒドロキシルアミンが１〜１０ｍｇ／Ｌ、特に２〜３ｍｇ／Ｌで増殖促進剤の合計濃度として１０〜２０ｍｇ／Ｌ、特に１５〜２０ｍｇ／Ｌとなるように添加するのが好ましい。特に、ヒドラジンは高濃度で共存すると、毒性を示す場合があるため、ヒドラジンを添加する場合には、その濃度が０．９ｍｇ／Ｌ以下となるようにするのが好ましい。
【００２４】
増殖促進剤の濃度が上記範囲よりも少ないと汚泥の増殖促進効果が十分でなく、上記範囲を超えても添加量に見合う効果は望めず、薬剤コストが高くつき、好ましくない。
【００２５】
なお、二価の鉄イオンとしては塩化第一鉄、硫酸第一鉄等の第一鉄塩を用いることができる。
【００２６】
植種汚泥として用いる汚泥としては特に制限はなく、一般的には上記独立栄養性脱窒微生物により生物脱窒を行っている他の処理設備から採取した汚泥や、硝化脱窒法による排水処理設備から採取した汚泥が用いられるが、本発明では、増殖促進剤により増殖速度を十分に高めることができることから、このような独立栄養性脱窒微生物の存在量が少ないとされている活性汚泥を植種汚泥とした場合でも、高い増殖速度で汚泥を効率的に増殖させることができる。
【００２７】
また、汚泥の増殖に当たり、培地としては、当該生物脱窒の原水となるアンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素を含有する排水が一般的に用いられるが、培地には必ずしもアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とが同時に存在する必要はなく、本発明の増殖促進剤を共存させることにより、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とのいずれか一方のみでも汚泥を増殖させることが可能である。
【００２８】
なお、亜硝酸性窒素は高濃度で共存すると毒性を示すため、亜硝酸性窒素は特に１００ｍｇ／Ｌ以下となるようにするのが好ましい。
【００２９】
亜硝酸性窒素等による阻害の度合は、独立栄養性脱窒微生物の順化の進行に従って変化するため、系内から定期的に汚泥を採取して増殖状況を調べ、増殖促進剤やアンモニア性窒素、亜硝酸性窒素等の濃度を適宜調整することが好ましい。
【００３０】
なお、汚泥の培養は回分式で行っても良く、連続式で行っても良い。また、原水の生物脱窒処理に用いる反応槽で汚泥を培養しても良く、この反応槽とは別の専用の培養槽で汚泥を培養し、増殖した汚泥を反応槽に移送しても良い。汚泥を増殖させる槽の形式には特に制限はなく、汚泥を懸濁状態で反応槽に保持するものであっても良く、また、汚泥を自己造粒させてグラニュールを形成するものであっても良い。
【００３１】
グラニュールを形成する場合、微生物だけではグラニュール形成に期間を要するので、核となる物質を添加し、その核の周りに独立栄養性脱窒微生物の生物膜を形成させることが望ましい。この場合、核として、例えば微生物グラニュールや非生物的な単体を挙げることができる。
【００３２】
核として用いられる微生物グラニュールとしては、メタン菌グラニュール等の嫌気性微生物や従属栄養性脱窒菌グラニュール等を挙げることができる。メタン菌グラニュールは、ＵＡＳＢ（ＵｐｆｌｏｗＡｎａｅｒｏｂｉｃＳｌｕｄｇｅＢｌａｎｋｅｔ；上向流嫌気性スラッジブランケット）法もしくはＥＧＳＢ（ＥｘｐａｎｄｅｄＧｒａｎｕｌａｒＳｌｕｄｇｅＢｅｄ；膨張粒状汚泥床）法でメタン発酵が行われているメタン発酵槽で使用されているものを適用できる。また、従属栄養性脱窒グラニュールは、ＵＡＳＢ又はＥＧＳＢ等の通常の脱窒槽で利用されるものを適用できる。これらのグラニュールはそのままの状態で、又はその破砕物として用いることができる。独立栄養性脱窒微生物はこのような微生物グラニュールに付着しやすく、グラニュールの形成に要する時間が短縮される。また、核として非生物的な材料を用いる場合よりも経済的である。
【００３３】
核として用いられる非生物的な材料としては、例えば、活性炭、ゼオライト、ケイ砂、ケイソウ土、焼成セラミック、イオン交換樹脂等、好ましくは活性炭、ゼオライト等よりなる、粒径５０〜２００μｍ、好ましくは５０〜１００μｍで、平均比重１．０１〜２．５、好ましくは１．１〜２．０の担体を挙げることができる。
【００３４】
このようにして形成される独立栄養性脱窒微生物のグラニュールは、平均粒径が０．２５〜３ｍｍ、好ましくは０．２５〜２ｍｍ程度、平均比重が１．０１〜２．５、好ましくは１．１〜２．０であることが望ましい。グラニュールの粒度が小さいほど比表面積が大きくなるので、高い汚泥濃度を維持し、脱窒処理を効率よく行う点で好ましい。
【００３５】
培養条件としては、通常、脱窒条件と同様の条件を採用するのが好ましく、例えば槽内液の温度が１０〜４０℃、特に２０〜３５℃、ｐＨが５〜９、特に６〜８、溶存酸素濃度が０〜２．５ｍｇ／Ｌ、特に０〜０．２ｍｇ／Ｌ、ＢＯＤ濃度が０〜５０ｍｇ／Ｌ、特に０〜２０ｍｇ／Ｌ、窒素負荷が０．１〜５ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・ｄａｙ、特に０．２〜２ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・ｄａｙの範囲とするのが好ましい。
【００３６】
本発明の生物脱窒方法において処理対象となる原水は、アンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素を含む水であり、有機物及び有機性窒素を含むものであってもよいが、これらは脱窒処理前に予めアンモニア性窒素になる程度まで分解しておくことが好ましく、また、溶存酸素濃度が高い場合には、必要に応じて溶存酸素を除去しておくことが好ましい。原水は無機物を含んでいてもよい。また、原水はアンモニア性窒素を含む液と亜硝酸性窒素を含む液を混合したものであってもよい。例えば、アンモニア性窒素を含む排水をアンモニア酸化微生物の存在下に好気性処理を行い、アンモニア性窒素の一部、好ましくはその１／２を亜硝酸に部分酸化したものを原水とすることができる。更には、アンモニア性窒素を含む排水の一部をアンモニア酸微生物の存在下に好気性処理を行い、アンモニア性窒素を亜硝酸に酸化し、アンモニア性窒素を含む排水の残部と混合したものを原水としても良い。
【００３７】
一般的には、下水、し尿、嫌気性硝化脱離液等のアンモニア性窒素、有機性窒素及び有機物を含む排水が処理対象となる場合が多いが、この場合、これらを好気性又は嫌気性処理して有機物を分解し、有機性窒素をアンモニア性窒素に分解し、さらに部分亜硝酸化或いは、一部についての亜硝酸化を行った液を原水とすることが好ましい。
【００３８】
原水のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素の割合はモル比でアンモニア性窒素１に対して亜硝酸性窒素０．５〜２、特に１〜１．５とするのが好ましい。原水中のアンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素の濃度はそれぞれ５〜１０００ｍｇ／Ｌ、５〜２００ｍｇ／Ｌであることが好ましいが、処理水を循環して希釈すればこの限りではない。
【００３９】
原水の生物脱窒条件は、前述の培養条件と同程度とするのが好ましい。
【００４０】
【実施例】
以下に比較例及び実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００４１】
比較例１
回分培養方式の反応槽に、下水の活性汚泥処理設備から採取した汚泥を添加し、温度３０℃、ｐＨ７、ＢＯＤ濃度２０ｍｇ／Ｌ以下、嫌気条件下（溶存酸素濃度０．２ｍｇ／Ｌ以下）に、アンモニア性窒素１００ｍｇ−Ｎ／Ｌ及び亜硝酸性窒素１０ｍｇ−Ｎ／Ｌを含む合成培地を通水して連続培養を行った。この合成培地の組成はVan dc Graaf, et al., Microbiology, 142, p.2187-2196 (1996) に従い、表１に示す通りとした。窒素負荷は、０．１〜３ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・ｄａｙとした。
【００４２】
【表１】

【００４３】
反応槽流出水のアンモニア濃度からアンモニア除去速度（脱窒速度）を調べ、結果を図２に示した。
【００４４】
図２より明らかなように、アンモニアの除去速度（脱窒速度）は、培養開始３０日まで極めて低く、それ以降で次第に上昇した。実用的なアンモニア除去速度である１．０ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・ｄａｙの値が得られるまでに要した時間は１００日であった。
【００４５】
Schmid,et al., System. Appl. Microbiol., 23, p.93-106 (2000) で報告された塩基配列を用いた定量ＰＣＲ（Polymerase Chain Reaction）法によって培地のＰｌａｎｃｔｍｙｃｅｔｅの細菌数を経時的に計数したところ、細菌数はアンモニア除去速度とほぼ対応しており、１００日後には初発細菌数の約１，０００倍まで増殖したことが確かめられた。
【００４６】
実施例１
合成培地にヒドロキシルアミン、ヒドラジン、二価の鉄イオン（Ｆｅ^２＋として塩化第一鉄を添加した）及びメタノールをそれぞれ１０ｍｇ／Ｌ添加したこと以外は、比較例１と同様の条件で連続培養を行って、アンモニアの除去速度（脱窒速度）を調べ、結果を図１に示した。
【００４７】
図１より明らかなように、アンモニアの除去速度（脱窒速度）は、比較例１の場合より早期に立ち上がり、培養開始５５日後に実用可能なアンモニア除去速度１．０ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・ｄａｙとなった。この値は更に上昇し、培養開始６５日後には比較例１の２倍以上の高い値が得られた。
【００４８】
比較例１と同様に定量ＰＣＲ法によって培地のＰｌａｎｃｔｍｙｃｅｔｅの細菌数を計数したところ、比較例１と同様に本実施例でもアンモニア除去速度と細菌数とがほぼ対応していた。
【００４９】
このことから、上記の成分を添加することで反応に関与する微生物の増殖速度が無添加の場合よりも高くなることが確かめられた。
【００５０】
実施例２〜１２
合成培地に表２に示す増殖促進剤を表２に示す量添加したこと以外は実施例１と同様にして連続培養を行い（ただし、実施例６では合成培地にアンモニア性窒素を含まず、実施例７では亜硝酸性窒素を含まない。）、培養開始３０日後のＰｌａｎｃｔｍｙｃｅｔｅの細菌数を定量ＰＣＲ法により計数し、比較例１における培養開始３０日後のＰｌａｎｃｔｍｙｃｅｔｅの細菌数を１．０とした相対値で評価し、結果を表２に示した。なお、表２には実施例１について同様に評価した結果も併記した。
【００５１】
【表２】

【００５２】
以上の結果から、本発明に係る増殖促進剤を添加することにより、良好な汚泥増殖促進効果が得られることがわかる。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の生物脱窒方法によれば、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素の共存下で独立栄養性脱窒微生物の作用により生物脱窒する方法において、汚泥（独立栄養性脱窒微生物）の増殖を効果的に促進させて、生物脱窒装置を短時間で立ち上げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１におけるアンモニアの除去速度の経時変化を示すグラフである。
【図２】比較例１におけるアンモニアの除去速度の経時変化を示すグラフである。

Claims

アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を含有する原水を、アンモニア性窒素を電子供与体とし、亜硝酸性窒素を電子受容体とする独立栄養性脱窒微生物の作用により生物脱窒する方法において、
ヒドロキシルアミン、ヒドラジン及びメタノールからなる群から選ばれる１又は２以上の増殖促進剤を共存させて前記独立栄養性脱窒微生物を増殖させることを特徴とする生物脱窒方法。
増殖促進剤がヒドロキシルアミンであることを特徴とする請求項１に記載の生物脱窒方法。