JP4757788B2

JP4757788B2 - 脱窒素促進剤

Info

Publication number: JP4757788B2
Application number: JP2006339727A
Authority: JP
Inventors: 順川本; 直今井; 勝牧野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2026-12-18
Also published as: JP2008149261A

Description

本発明は、下水等の排水の処理、または河川および人工池のいずれかから取り出した水、または養魚場および観賞用水槽のいずれかから取り出し、処理後、これに戻して使用すべき水等の用水の処理に関し、より詳しくは排水または用水の脱窒素処理を行うための脱窒素促進剤およびこれを用いた脱窒素処理方法に関する。

従来、生物ろ過を利用した脱窒素技術の分野において、メタノールを用いた排水処理が広く知られている。また、同様に水溶性の脱窒素促進材として、低分子のカルボン酸等または糖類を用いる方法も既に知られている。不溶性の脱窒素促進剤としては、生分解性樹脂を用いるもの、ならびに高級脂肪酸および高級アルコールを用いるもの等が既に知られている。

特開平１０−３１４７８２号公報特開平６−１２６２９８号公報特開平９−２９９９８６号公報特開平１０−８５７８２号公報特開２０００−３３−４４９２号公報

従来のメタノールおよび低分子の糖類等の水溶性の脱窒素促進剤については、これを添加した時に溶解性有機炭素の濃度を著しく上昇させ、生態へ及ぼす影響が大きいという懸念があった。また、これらの水溶性の脱窒素促進剤は、揮発による蒸散、および処理系外への流出により、処理中に失われる量が多く、そのことは処理効率を落とす要因となっていた。また、従来の不溶性の脱窒素促進剤は、いずれも微粒子化しにくいため、これらの促進剤については、水との接触面積（即ち、表面積）を大きくして、処理能力の向上を図ることが困難であった。さらに、不溶性の脱窒素促進剤については、連続処理時において脱窒素促進剤の界面の変化により、脱窒素能力が低下し、安定した効果が持続しないという課題があった。

本発明は、従来の脱窒素促進剤の有する問題に鑑みてなされたものであり、添加時に溶解する有機炭素の量が少なく、揮発性がより小さく、より大きな表面積を有する形態で提供される脱窒素促進剤を提供することを目的とする。

本発明者らによる鋭意研究の結果、脂肪酸金属塩（特に、金属石鹸）を用いることにより、これら従来の課題を効果的に解決しうることを見出し、本発明を案出するに至った。即ち、本発明は、脂肪酸金属塩を含む分散質が、水系溶媒に分散してなる、脱窒素促進剤を提供する。この脱窒素促進剤は、分散質が固相である、懸濁液（サスペンションともいう）として提供される。

前記脂肪酸金属塩は、ヒドロキシ脂肪酸を１０重量％以上含有することが好ましい。ここでヒドロキシ脂肪酸の重量は、脂肪酸金属塩において、ヒドロキシ脂肪酸に由来する部分（例えば、ヒドロキシ脂肪酸の陰イオン等）の重量に相当する。

前記脂肪酸金属塩は、炭素数８以下の脂肪酸を５重量％以上７０重量％以下含有することが好ましい。ここで、炭素数８以下の脂肪酸の重量は、脂肪酸金属塩において、炭素数８以下の脂肪酸に由来する部分（例えば、炭素数８以下の脂肪酸の陰イオン）の重量に相当する。

前記脂肪酸金属塩は、アルミニウムおよび鉄から選択される少なくとも１種の金属をその組成中に、１重量％以上５０重量％未満含むことが好ましい。

本発明の脱窒素促進剤は、アルミニウムおよび鉄などの金属イオンが、脂肪酸のマトリクス中に分子レベルで分散した混晶状物質を分散質とし、０．１μｍ〜５００μｍ程度の大きさの微粒子にして、液相である水系溶媒に分散させた分散系の形態をとる。本発明の脱窒素促進剤を対象となる処理水系に投入すると、固相部分が水中に良好に分散浮遊し、ろ過材がある場合にはその表面に吸着される。固相部分の表面には、やがてろ過バクテリアが定着し、分散質の成分を炭素源として、脱窒素反応が進行する。よって、本発明の脱窒素促進剤によれば、揮発性のより小さい分散質が、処理水系にとどまって、比較的長期間にわたって、脱窒効果を良好に発揮する。また、分散質は、水に懸濁するものであり、水に溶解しにくいから、本発明の脱窒素促進剤は、処理中の損失量が少なく、また、溶解に起因する問題を無くす又は軽減することができる。

本発明の脱窒素促進剤において、「脂肪酸金属塩」とは、脂肪酸の金属塩を指し、具体的には、石鹸（金属がアルカリ金属である場合）および金属石鹸（金属がアルカリ金属以外のものである場合）が含まれる。脂肪酸金属塩においては、脂肪酸（および／または脂肪酸の陰イオン）のマトリクスに金属イオンが２〜５０重量％の比率で、分子または原子レベルで分散している。

本発明の脱窒素促進剤は、脂肪酸金属塩を含む分散質が、水系溶媒に懸濁してなる、分散系である。分散質は、脂肪酸金属塩を主たる成分として含むことが好ましく、具体的には、分散質の５０重量％以上を占めることが好ましく、８０重量％以上を占めることがより好ましい。

「水系溶媒」とは、水を主たる成分として５０重量％含む溶媒であり、好ましくは水である。水は、工業的に通常用いられているものであればよく、例えば、水道水であってよく、あるいはイオン交換水または蒸留水等であってよい。

本発明の脱窒素促進剤は、分散質が固相である懸濁液として提供される。

本発明の脱窒素促進剤は、固相部分が微粒子として、水と良好に接触する状態で懸濁するものであることが好ましい。そのため、脱窒素処理を促進する炭素源は、脂肪酸としてではなく、脂肪酸誘導体である金属塩（即ち、石鹸または金属石鹸）として導入することが必須である。また、親水性を高めて、効率的に作用させるためには、下記の３つの条件のいずれかを満たすことが、特に望ましい。

第一の条件は、本発明の脱窒素促進剤を構成する金属石鹸の組成において、ヒドロキシ脂肪酸が少なくとも１０重量％以上含まれることである。ヒドロキシ脂肪酸を含むことにより、ヒドロキシ脂肪酸のもつ水酸基の効果により、水との親和性を向上させることができる。ヒドロキシ脂肪酸の含有率が１０重量％以下であると、その効果が有効に得られないことがある。

第二の条件は、本発明の脱窒素促進剤を構成する金属石鹸の組成において、炭素数８以下の脂肪酸が５重量％以上７０重量％以下含まれることである。それにより、固相部分の親水性を効果的に向上させ得る。炭素数８以下の脂肪酸の含有率が５重量％を下回ると、この改善効果が僅かとなる。また、含有率が７０重量％を超えると、固相のマトリクスから遊離して水系に移行する脂肪酸が多くなり、蒸散または系外への流出によって、失われる成分が増加する傾向にある。

第三の条件は、本発明の脱窒素促進剤を構成する金属石鹸の組成において、金属がアルミニウムおよび／または鉄であり、金属石鹸組成中のアルミニウムおよび鉄（いずれか一方のみを含む場合には、当該一方）の含有量の合計が１重量％〜５０重量％であることである。金属の含有量がこの範囲内にあると、固相の親水性の向上により、水への分散が良好となる。金属の含有量が１重量％未満であると、親水性が改善されないことがある。金属の含有量が７０重量％を超えると、固相のマトリクスから離れて、金属酸化物として分離する成分が増加する傾向にある。

本発明の脱窒素促進剤において、固相と液相の比率は特に定められない。但し、液相を取り除いて乾燥させると分子構造が変化し、解膠が解けて、疎水性が増し、再び水に分散させにくくなるため、液相の比率は５重量％以上とすることが望ましい。

本発明の脱窒素促進剤は、排水および用水の処理のために用いることができる。排水は、例えば、生活排水および工業排水のいずれであってもよく、より具体的には、下水であってよい。用水は、生活用水および工業用水のいずれであってもよく、例えば、河川および人工池から取り出した水であってよい。あるいは、用水は、現に使用されている水をも含み、例えば、養魚場および観賞用水槽から取り出した水であって、処理後、再度戻して使用する水であってよい。養魚場および観賞用水槽から取り出され、処理後、廃棄される水は、排水である。

本発明の脱窒素促進剤による脱窒素処理は、脱窒素促進剤と水とを接触させることにより実施する。より具体的には、脱窒素促進剤を、例えば、処理すべき水が貯留されているタンクに投入し、当該タンクから別の場所へ、管等を通過させて水を移動させるときに、フィルターを通過させることにより、分散質（脂肪酸金属塩）をフィルターで捕集させることにより、脱窒素処理を行ってよい。その場合、フィルターで捕集された分散質の表面に、ろ過バクテリアが定着し、分散質の成分を炭素源として、脱窒素反応が進行する。このような方法は、特に、連続的に水を処理するのに適している。

あるいは、発泡ポリエチレンのような担体に、脱窒素促進剤の分散質を吸着させて、この担体を処理すべき水に分散させることにより、脱窒素処理を行ってよい。脱窒素促進剤の分散質は、例えば、処理すべき水に担体を予め分散させておき、そこに脱窒素促進剤を投入することにより、担体に吸着させることができる。このような方法は、特に、バッチ式で水を処理するのに適している。

本発明を以下に挙げた実施例にて更に詳しく説明する。
各実施例で用いる評価水は、下記の手順で、水質を調整したものを用いている。

実施例１および実施例２
汚水原水：２次処理後の下水に硝酸カリウムを用いて総窒素量２００ｍｇ／リットルとし、１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液でｐＨ値を中性に調整したもの。

実施例３および実施例４
用水原水：河川水に硝酸カリウムを用いて総窒素量１００ｍｇ／リットルとし、１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液でｐＨ値を中性に調整したもの。

実施例５
飼育原水：水道水を１Ｎ塩酸および１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液を用いてｐＨ値を中性に調整したもの。

また、各実施例において、ろ過材として、下記のものを用いた。

・実施例１、実施例２、実施例３
発泡ＰＥろ材：積水化成品工業（株）製の１ｃｍ角の発泡ポリエチレン
・実施例３、実施例４
フィルター：ポリプロピレン製綿（厚さ１ｃｍ）
・実施例４
散水ろ床：厚さ１ｃｍのポリエチレン繊維シートを５枚重ねたもの
・実施例５
セラミックろ材：観賞魚用の一般的な直径２ｃｍリング状セラミックろ材

（実施例１）
水１０リットルにステアリン酸（ｃａｓＮｏ．５７−１１−４）１Ｋｇと水酸化ナトリウム３Ｋｇを加え、温度９０℃の反応釜にて溶解反応させた。これに硫酸バンド（ｃａｓＮｏ．１００４３−０１−３、アルミニウムとして４重量％を含有）１９Ｋｇを添加し、十分に反応させた後、温度５０℃まで降温し、プロピオン酸（ｃａｓＮｏ．７９−０９−４）２ｋｇを加えて反応させた。これを常温まで冷却した後、１Ｎ希硫酸でｐＨ値を中性に調整した。さらに、水で希釈することにより、アルミニウム石鹸を３重量％含む懸濁液よりなる、脱窒素促進剤を得た。生成された脱窒素処理剤は、ステアリン酸とプロピオン酸の比が重量比で１：２であり、固相部分にアルミニウムを２０重量％含む、揮発性の比較的小さい白色沈殿性懸濁液であった。

この脱窒素促進剤１０ｍｌを汚水原水１０Ｌに添加し、図１に示す曝気槽１に滞留させて曝気処理（曝気量毎分１Ｌ）を行い、総窒素量の変化を測定した。曝気槽１は、ブロアー２および曝気ノズル３を備えている。曝気槽１においては、発泡ＰＥろ材４を分散させた。また、比較として脱窒素促進剤を投入しない場合の総窒素量の変化を同様に測定した。試験開始後、５日目の結果をそれぞれ、実施例１、比較例１として、表１に示す。この結果により、本実施例の脱窒素促進剤を添加した下水処理において、添加しない下水処理と比較して、顕著な総窒素量の減少が認められた。

（実施例２）
１２ヒドロキシステアリン酸（ｃａｓＮｏ．１０６−１４−９）１Ｋｇ、水酸化カリウム１．５Ｋｇ、ポリ硫酸第２鉄液（化学式 [Ｆｅ_２（ＯＨ）_ｎ（ＳＯ_４）_{３−ｎ／２}]_ｍ、鉄として１１重量％を含有）４Ｋｇを用いて、一般的な複分解法により、金属石鹸を生成した。得られた金属石鹸を水に分散させて、固相における金属比率が３０重量％である金属石鹸を３重量％含む、懸濁液である、脱窒素促進剤を生成した。生成された脱窒素促進剤は、易沈殿性を有する、淡く褐色に色づいた白色懸濁液であった。

この脱窒素促進剤５０ｍｌを、図２に示す曝気槽５に投入し、連続処理を行った。曝気槽の仕様は以下のとおりである。
・処理汚水量５リットル／日
・有効容積１０リットル
・発泡ＰＥろ材１リットル使用
・曝気量毎分１Ｌ

基質槽９に蓄えられた汚水原水は、移送ポンプ１０によって曝気槽５に送り込み、処理した後、流出水１１として排出した。曝気槽５は、ブロアー６と曝気ノズル７とを備えている。発泡ＰＥろ材８には、本実施例の脱窒素促進剤の分散質が吸着しており、ここで脱窒素反応が進行した。この処理槽の流出水について、総窒素量の変化を測定した。また、比較として、脱窒素促進剤を投入しない場合の流出水について、総窒素量の変化を同様に測定した。結果をそれぞれ、実施例２、比較例２として、表２に示す。この結果により、本実施例の脱窒素促進剤を添加した下水処理において、添加しない下水処理と比較して、顕著な総窒素量の減少が認められた。

（実施例３）
１２ヒドロキシステアリン酸（ｃａｓＮｏ．１０６−１４−９）１Ｋｇ、水酸化アルミニウム（ｃａｓＮｏ．２１６４５−５１−２）２Ｋｇ、および反応開始剤として少量の水酸化ナトリウムを用いて、直接法により、金属石鹸を生成した。得られた金属石鹸は水に分散させて、固相における金属比率が４０重量％であるアルミニウム石鹸を３重量％含む、懸濁液である、脱窒素促進剤を生成した。生成された脱窒素促進剤は、易沈殿性を有する、白色懸濁液であった。

この脱窒素促進剤１００ｍｌを、図３に示す水処理システムの曝気槽１２に投入して、連続処理を行った。曝気槽１２の仕様は以下のとおりである。
・処理汚水量５リットル／日
・有効容積１０リットル
・発泡ＰＥろ材１リットル使用
・曝気量毎分１Ｌ
また、沈殿槽の仕様は以下のとおりである。
・有効容積１０リットル

基質槽１８に蓄えられた用水原水は、移送ポンプ１９によって、定量ずつ、曝気ノズル１４とブロアー１３とを備える曝気槽１４に送り、処理した後、経路ａより沈殿槽１６に流入させた。このとき沈殿性の汚泥は移送ポンプ１７により、経路ｂを通って曝気槽に返送され、上澄み液のみ流出水２０として排出した。発泡ＰＥろ材１５には本実施例の脱窒素促進剤の分散質が吸着しており、ここで脱窒素反応が進行した。

この処理システムの流出水について、総窒素量の変化を測定した。また、比較として、脱窒素促進剤を投入しない場合の流出水について、総窒素量の変化を同様に測定した。結果をそれぞれ、実施例３、比較例３として、表３に示す。この結果により、本実施例の脱窒素促進剤を添加した用水処理において、添加しない用水処理と比較して顕著な総窒素量の減少が認められた。

（実施例４）
１２ヒドロキシステアリン酸（ｃａｓＮｏ．１０６−１４−９）１Ｋｇ、ステアリン酸（ｃａｓＮｏ．５７−１１−４）２Ｋｇ、水酸化カリウム２Ｋｇ、硫酸バンド（ｃａｓＮｏ．１００４３−０１−３、アルミニウムとして４重量％を含有）１０Ｋｇ、ポリ硫酸第２鉄（化学式 [Ｆｅ_２（ＯＨ）_ｎ（ＳＯ_４）_{３−ｎ／２}]_ｍ、鉄として１１重量％を含有）３．７Ｋｇを用いて、一般的な複分解法により、１２ヒドロキシステアリン酸、ステアリン酸、アルミニウム、鉄の固相おける比率が、それぞれ２０重量％、４０重量％、２０重量％、２０重量％である金属石鹸を得た。この金属石鹸を水に分散させて、金属石鹸を３重量％含む、懸濁液である、脱窒素促進剤を生成した。

この脱窒素促進剤１リットルを、図４に示す循環ろ過システムの散水ろ床２６を中心に投入して、養魚水槽２１における総窒素量の変化を測定した。また、比較として脱窒素促進剤を投入しない場合の養魚水槽２１における総窒素量の変化について同様に測定した。養魚水槽の容量は１トンであり、循環系すべての用水量は１．２トンであり、初期状態にて、これをすべて用水原水で満たした。循環ろ過システムの処理量は毎分２０リットルである。

この循環ろ過システムにおいて、養魚水槽２１より流入した用水はまず、ろ過槽２２のフィルター２３によって粗粒子が除去され、散水ノズル２４より散水ろ床２６に散水される。散水ろ床２６には本実施例の脱窒素促進剤が吸着集積しており、ここで脱窒素反応が進行した。処理後の用水は水槽２５に溜まった後、移送ポンプ２７によって酸素供給機２８を通過し、養魚水槽２１に返送された。

結果をそれぞれ、実施例４、比較例４として表４に示す。この結果により、本実施例の脱窒素促進剤を添加した用水処理において、添加しない用水処理と比較して顕著な総窒素量の減少が認められた。

（実施例５）
１２ヒドロキシステアリン酸（ｃａｓＮｏ．１０６−１４−９）１Ｋｇ、水酸化カリウム１．５Ｋｇ、硫酸バンド（ｃａｓＮｏ．１００４３−０１−３、アルミニウムとして４重量％を含有）１１Ｋｇを用いて、一般的な複分解法により、固相におけるアルミニウム含有率３０％の１２ヒドロキシステアリン酸石鹸を得た。この金属石鹸を水に分散させて、金属石鹸を３重量％含む、懸濁液である、脱窒素促進剤を生成した。

飼育水槽２９にて実際に魚の飼育を行いながら、この脱窒素促進剤１００ｍｌを、図５
に示す循環ろ過システムのろ過槽３０に投入し、投入後の観賞用水槽２９における総窒素量の変化を測定した。また、比較として同条件にて、脱窒素促進剤を投入しない場合の観賞用水槽２９における総窒素量の変化について同様に測定した。魚の飼育条件は以下のとおりである。
・魚種および魚数コメット（体長４ｃｍ）１５匹
・給餌金魚用飼料ドライペレット（２ｍｍ径）
・給餌量３０ｇ／日
・エアポンプにて毎分０．５Ｌの曝気を実施。

観賞用水槽の容量は１００リットルであり、循環系すべてを含めた飼育水量は１３０リットルであり、初期状態にて、これをすべて飼育原水で満たした。ろ過槽３０の有効容積は２５リットルであり、循環ろ過システムの処理量は毎分５リットルである。セラミックろ材３２は２Ｋｇ使用した。

この循環ろ過システムにおいて、飼育水槽２９より経路ｅを通ってろ過槽３０に流入した用水は、フィルター３１により粗粒子を除去された後、セラミックろ材３２と接触させた。セラミックろ材３２には、本実施例の脱窒素促進剤の分散質が吸着しており、ここで脱窒素反応が進行した。処理後の用水は経路ｆより移送ポンプ３３によって飼育水槽２９に返送した。

結果をそれぞれ、実施例５、比較例５として、表５に示す。この結果により、本実施例の脱窒素促進剤を添加した用水処理において、添加しない用水処理と比較して顕著な総窒素量の減少が認められた。

本発明の脱窒素促進剤は、汚水等に含まれる窒素を除去または減少させることができ、工業排水および生活排水、ならびに用水を処理するのに有用であり、それらの水を処理するシステムにおいて使用することができる。

下水処理における閉鎖系の曝気槽を示した平面図下水処理における一般的な曝気槽を示した平面図河川水の処理における水処理システムの一例を示した平面図養魚水槽の用水処理における散水ろ床式の循環ろ過システムの一例を示した平面図観賞用水槽の飼育水処理における循環ろ過システムの一例を示した平面図。

１曝気槽
２ブロアー
３曝気ノズル
４発泡ＰＥろ過材
５曝気槽
６ブロアー
７曝気ノズル
８発泡ＰＥろ過材
９基質槽
１０移送ポンプ
１１流出水
１２曝気槽
１３ブロアー
１４曝気ノズル
１５発泡ＰＥろ過材
１６沈殿槽
１７移送ポンプ
１８基質槽
１９移送ポンプ
２０流出水
２１養魚水槽
２２ろ過槽
２３フィルター
２４散水ノズル
２５水槽
２６散水ろ床
２７移送ポンプ
２８酸素供給機
２９観賞用水槽
３０ろ過槽
３１フィルタ
３２セラミックろ材
３３移送ポンプ
ａ経路
ｂ経路
ｅ経路
ｆ経路

Claims

脂肪酸金属塩を含む分散質が、水系溶媒に懸濁してなり、分散質の成分を炭素源とする微生物の脱窒素反応により、脱窒素を促進する、脱窒素促進剤。
前記脂肪酸金属塩が、ヒドロキシ脂肪酸を１０重量％以上含むことを特徴とする、請求項１記載の脱窒素促進剤。
前記脂肪酸金属塩が、炭素数８以下の脂肪酸を５重量％以上７０重量％以下含むことを特徴とする、請求項１記載の脱窒素促進剤。
前記脂肪酸金属塩が、アルミニウムおよび鉄から選択される少なくとも１種の金属をその組成中に１重量％以上５０重量％未満含む
ことを特徴とする、請求項１に記載の脱窒素促進剤。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の脱窒素促進剤を、処理すべき水と接触させることを含む、脱窒素処理法。
前記処理すべき水に担体を予め分散させておき、そこに前記脱窒素促進剤を投入することにより、前記脱窒素促進剤の分散質を前記担体に吸着させるとともに、前記脱窒素促進剤を前記処理すべき水と接触させる、請求項５に記載の脱窒素処理方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の脱窒素促進剤の分散質をろ過材に付着させること、および
処理すべき水を、該脱窒素促進剤の分散質を付着させたろ過材に通過させること
を含む、脱窒素処理方法。
前記処理すべき水が、排水または用水である、請求項５〜７のいずれか１項に記載の脱窒素処理法。
前記用水が、河川および人工池のいずれかから取り出した水、または養魚場および観賞用水槽のいずれかから取り出し、処理後、これに戻して使用すべき水である、請求項８に記載の脱窒素処理法。