JP4838872B2 - 水処理装置及び水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、アンモニア性窒素を含有する被処理水の処理装置及び処理方法に関する。

井戸水や河川の水、工場廃水等の被処理水からアンモニア性窒素を除去する方法の一つに、微生物による硝化・脱窒素処理法がある（非特許文献１参照）。この方法では、微生物（硝化菌）を固定化した担体が充填された処理槽内に被処理水を流通させることにより、アンモニア性窒素の硝化、脱窒素処理が行われている。アンモニア性窒素の硝化においては硝酸性窒素が生成される。亜硝酸性窒素が生成されたときは、さらに酸素を加えるか、もしくは次亜塩素酸ナトリウムによって酸化し、分解する。
しかし、微生物による処理は、担体に固定化された微生物の馴養期間が長く、装置を稼働させてから処理を開始するまでに時間がかかるという欠点がある。

一方、既存のアンモニウムイオン除去法としては、ポリプロピレン等の樹脂から成るイオン吸着体にアンモニア性窒素を吸着させて除去するイオン吸着法がある。しかし、イオン吸着法のみでアンモニウムイオンを除去するには、塩化ナトリウム溶液や塩化ナトリウム溶液に水酸化ナトリウムを添加した混合液等の再生剤で定期的にイオン吸着体を再生処理する必要があり、ランニングコストが高くなるという問題がある。

諏訪裕一,"生物的窒素除去の全細菌相とアンモニア酸化細菌群の分子生態学的解析技術",1999年、工業技術院 資源環境技術総合研究所 NIREニュース 6 , pp.1-4

本発明が解決しようとする課題は、アンモニウムイオンの生物処理硝化反応において、装置を稼働させてから必要となる馴養期間を短縮し、ランニングコストを低く抑えることにある。また、ゼオライトなど陽イオン吸着能力を有する担体を生物担体とすることにより、生物処理による硝化が立ちあがる迄の馴養期間において、イオン吸着能力によってアンモニウムイオンを吸着除去する前段処理を作ることにある。さらに、イオン吸着層に連続的に通水を持続させながら、再生処理の不要な生物処理・硝化反応槽に移行させることを可能な水処理システムを提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るアンモニア性窒素を含有する被処理水の処理装置は、
イオン吸着機能を有する硝化菌固定化担体が充填された生物処理槽と、
前記生物処理槽の前段に設けられた前処理槽を備え、
前記前処理槽が、前記生物処理槽に導入される前の被処理水が導入される密閉容器と、この密閉容器内に収容され前記被処理水中を浮遊する生物担体と、前記密閉容器内に泡状の空気を導入する空気導入手段と、前記密閉容器内を加圧する加圧手段とを有し、
前記前処理槽から前記生物処理槽に導入された被処理水が、該生物処理槽の上部から下部に向かって流れることを特徴とする。また、本発明は、このような水処理装置を用いてアンモニウムイオンを含有する被処理水を処理することを特徴とする水処理方法である。

アンモニウムイオンを含有する深層地下水や河川等の水（被処理水）には元来、硝化菌が存在する。本発明の装置は、このような自然に存在する硝化菌を利用して被処理水中のアンモニウムイオンを処理する。
ただし、被処理水中に自然に存在する硝化菌の数は少なく、被処理水中のアンモニウムイオンを硝酸イオンに完全に硝化できるようにするためには、３日〜30日前後の馴養期間を要する。本発明では、硝化菌の馴養期間中はイオン吸着処理という化学処理によって被処理水中のアンモニウムイオンを処理し、硝化菌の馴養期間が経過した後は硝化菌による生物処理によってアンモニアウムイオンを硝化する。

硬質ゼオライトは、多孔質で比表面積が大きいことから微生物の保持能力に優れ、且つイオン吸着能も有する。従って、本発明で用いる硝化菌固定化担体としては、硬質ゼオライトが好適であるが、陽イオン交換能を有する担体であれば良く、硬質ゼオライトに限定されるものではない。

また、本発明の水処理装置は、生物処理槽の前段に前処理槽を設けたことを特徴とする。前処理槽は密閉容器とし、この密閉容器内には被処理水中を浮遊する生物担体と、前記密閉容器内に泡状の空気を導入する空気導入手段と、前記密閉容器内を加圧する加圧手段とを有する。
密閉容器内を加圧したことにより前処理槽を流通する被処理水中に多くの酸素を溶け込ませることができる。密閉容器内の被処理水中を生物担体が浮遊しているため、被処理水中に存在する硝化菌の一部が生物担体に付着し、増殖する。従って、前処理槽内を通過して生物処理槽に向かう被処理水中に含まれる硝化菌の量を増やすことができる。

本発明の水処理装置では、被処理水の通水を開始すると、硝化菌固定化担体に被処理水中のアンモニウムイオンが吸着されると同時に、硝化菌が固定化される。硝化菌固定化担体に吸着されたアンモニア性窒素は硝化菌の餌となるため、硝化菌固定化担体に固定化された硝化菌の増殖が促進される。このように、本発明では、イオン吸着能を有する硝化菌固定化担体を使ったため、装置の稼働直後から被処理水中のアンモニア性窒素を処理することができ、しかも、連続して通水する過程において自然に且つ速やかに生物処理に移行することができる。このため、従来の化学処理による水処理装置のように過剰な薬品投入をしてイオン吸着体の再生処理をしなくても済み、ランニングコストを大幅に低減できる。また、従来の微生物処理による水処理装置と異なり、微生物の馴養期間であってもアンモニウムイオンを除去することができるという優れた効果を奏する。従って、従来にはない、全く新しい機能を有する水処理システムを提供することができる。

本発明の一実施の形態を示す水処理装置の全体構成図。 酸化槽を拡大して示す全体構成図。 内灘町鶴ヶ丘浄水場における実験条件を示す表。 内灘町鶴ヶ丘浄水場における実験結果を示すグラフ。

本発明に係る水処理装置は、深層地下水にみられる比較的高濃度のアンモニウムイオンを含む処理水からアンモニア性窒素を取り除く装置として好適である。ただし、深層地下水に限らず、河川の水、工場廃水、生活排水も被処理水となり得る。ここで、「アンモニウムイオンを取り除く」とは、アンモニウムイオンを除去することではなく、アンモニウムイオンを硝酸イオンに酸化することを意味する。

図１は本発明の一実施の形態を示す水処理装置の概略的な全体構成図である。この水処理装置は地下水に含まれるアンモニウムイオンの他、溶解性の鉄ならびにヒ素、マンガンを処理する。被処理水である地下水（原水）は井戸１０から図示しないポンプにより汲み上げられ、配管１２を通って酸化槽１４に送られる。配管１２は酸化槽１４の下部に接続されており、酸化槽１４に送られた原水は酸化槽１４内を下部から上部に向かって流れた後、図示しないポンプにより配管１６を通って生物処理槽１８に送られる。
配管１６は生物処理槽１８の上部に接続されており、生物処理槽１８に送られた水は生物処理槽１８内を上部から下部に向かって流れた後、配管２０を通って処理水槽２２に貯められる。

処理水槽２２は逆洗水槽を兼用し、該処理水槽２２内に貯められた水はポンプにより配管２４を通ってろ過槽２６に送られる。配管２４の途中には次亜塩素酸ナトリウム水溶液の投入口２８が設けられている。次亜塩素酸ナトリウム水溶液は次亜塩素酸ナトリウム槽３０に貯蔵されており、ポンプにより配管３２を通って投入口２８に送られる。次亜塩素酸ナトリウムの投入は、投入口２８を通過する水に含まれるアンモニウムイオンの分解や、溶解性の鉄、ヒ素、マンガン等の酸化除去のため、及び遊離残留塩素による消毒効果を求める法定基準を満たすために行われる。ろ過槽２６にはマンガンコーティングろ材、けい砂等のろ材が充填されており、次亜塩素酸ナトリウムにより酸化され、生物処理槽１８から漏出した鉄ならびにヒ素、マンガンの他、水に含まれる不要な微小成分が除去される。

図２は酸化槽１４を拡大して示す図である。酸化槽１４はほぼ円筒状の密閉容器１４１、この容器１４１内に充填された生物担体１４２、前記容器１４１内を例えば０．１Ｍｐ加圧するコンプレッサ１４３、配管１４４を通して前記容器１４１内に空気を供給するためのブロアポンプ１４５を備えている。容器１４１内に位置する配管１４４の先端には多数の穴を有するノズル１４６が接続されており、ブロアポンプ１４５からの空気が均一な細かい泡となって容器１４１内に供給される。

容器１４１内の上下部にはそれぞれパンチング板からなる仕切板１４７が介挿されている。前記生物担体１４２は容器１４１内のうち前記仕切板１４７で挟まれた部分に収容されている。生物担体１４２はポリプロピレン製やＰＶＡ（ポリビニルアルコール）製等の多数の球状の多孔質粒子から成る。仕切板１４７のパンチング穴は生物担体１４２の直径寸法よりも小径であり、生物担体１４２が仕切板１４７を通過しないようになっている。前記生物担体１４２の容量（数）は、容器１４１の仕切板１４７で挟まれた部分を流通する被処理水中を該生物担体１４２が浮遊するような容量に設定されている。

前記容器１４１の下端部は円錐状に構成されており、この円錐状部１４８に井戸からの配管１２が接続されている。また、円錐状部１４８よりも上部であって下部の仕切板１４７の下部には前記ノズル１４６が配置されている。容器１４１の上部に接続された配管１６の端部は容器１４１内に導入される空気が入り込まないように上向きに折曲しており、その先端に開口が形成されている。

このような構成により、配管１２から容器１４１内に導入された原水は円錐状部１４８の内周面によって螺旋状の水流となり、ノズル１４６から導入された空気と共にゆっくりと容器１４１内を上昇する。この結果、原水中に含まれる硝化菌が容器１４１内の生物担体１４２に付着する。このとき、容器１４１内を加圧するという上記水処理装置の特徴的な構成により、容器１４１内の水中に多くの空気（酸素）を溶け込ませることができるため、生物担体１４２に付着した硝化菌の繁殖を促進することができる。

生物処理槽１８は、円柱状の密閉容器１８１と、この密閉容器１８１内を0.1Ｍｐ加圧するコンプレッサ（図示せず）と、前記容器１８１内に充填された硬質ゼオライトからなる硝化菌固定化担体（図示せず）とを有する。酸化槽１４からの配管１６は密閉容器１８１の上端部に接続されており、処理水槽２２への配管２０は密閉容器１８１の下部に接続されている。このため、配管１６を通って密閉容器１８１内に供給された水は硝化菌固定化担体を上から下に向かって通過する。このとき、密閉容器１８１内の水に含まれる硝化菌は固定化担体に付着し、増殖する。

深層地下水にはアンモニア性窒素及び硝化菌が含まれていることが知られている。硝化菌には亜硝酸菌及び硝酸菌がある。亜硝酸細菌としては、ニトロソモナス(Nitrosomonas)、ニトロソスピラ(Nitrosospira)、ニトロソコッカス(Nitrosococcus)、ニトロソロブス(Nitorosolobus)の４属が知られており、硝酸菌としては、ニトロバクター(Nitrobacter)、ニトロスピナ(Nitrospina)、ニトロコッカス(Nitrococcus)の３属が知られている。これら硝化菌は土壌や海洋などに広く生息しており、好気条件下でアンモニアや亜硝酸を酸化する独立栄養細菌である。
具体的には、亜硝酸菌は下記反応式に従って、アンモニウムイオンを亜硝酸イオンに酸化する。

また、硝酸菌は下記反応式に従って亜硝酸イオンを硝酸イオンに酸化する。

つまり、硝化菌は下記反応式に従って、アンモニウムイオンを硝酸イオンに酸化する。

従って、生物処理槽１８の密閉容器１８１に充填された硝化菌固定化担体に硝化菌が付着し、増殖すれば、生物処理槽１８を通過する水に含まれるアンモニウムイオンは硝化菌によって硝酸イオン或いは亜硝酸イオンに酸化され、ろ過槽２６の出口部である処理最終段階には全てのアンモニウムイオンが硝酸イオンに硝化される。

次に、上記水処理装置を用いて地下水の処理実験を行った結果について説明する。 処理実験は、石川県河北郡内灘町の鶴ヶ丘浄水場において、平成20年9月11日から平成21年1月31日まで行った。実験期間中における原水及び酸化槽出口の平均アンモニア性窒素濃度はそれぞれ、1.8mg/l及び1.78mg/lであった。
実験に用いた酸化槽１４の密閉容器１４１の有効容量は約25.6リットル、生物担体の容量は約7.7リットル、生物処理槽１８の密閉容器１８１の有効容量は約91リットル、硝化菌固定化担体の充填量は約56リットルであった。酸化槽１４にはポリプロピレン製の担体を用い、生物処理槽１８には天然硬質ゼオライトからなる担体を用いた。図３に処理実験中における運転条件を示す。

実験では生物処理槽１８の出口から採水し、その水のアンモニア性窒素濃度(mg/l)、硝酸性窒素濃度(mg/l)、亜硝酸性窒素濃度(mg/l)を測定した。結果を図４に示す。図４中、横軸は実験開始からの日数を、折れ線グラフは、黒菱形（◆）：アンモニア性窒素濃度(mg/l)、黒四角(■）：硝酸性窒素濃度(mg/l)、黒三角（▲）：亜硝酸性窒素濃度(mg/l)を示す。

図４に示すように、実験開始から３日目までのアンモニア性窒素濃度、硝酸性窒素濃度、亜硝酸性窒素濃度は「０」であった。これは、硝化菌固定化担体としてイオン吸着能を有するゼオライトを用いたことにより、硝化菌固定化担体に原水中のアンモニウムイオンが吸着して除去されたこと、一方、硝化菌固定化担体には硝化菌がほとんど付着・増殖していないこと、に起因すると考えられた。

実験開始３日目から３５日目までの間では処理水中のアンモニア性窒素濃度が原水レベルまで徐々に増加した。これは、硝化菌固定化担体に多くのアンモニア性窒素が吸着してしまい、該固定化担体のイオン吸着能が低下したこと、及び、アンモニア性窒素を硝酸性窒素や亜硝酸性窒素に硝化するに十分な量の硝化菌が硝化菌固定化担体に付着・増殖していないことに起因すると考えられる。つまり、水処理の現場においてイオン吸着能を有する材料(ゼオライト等）を硝化菌固定化担体として用いる場合には、アンモニア性窒素濃度が増加する期間が極力短くなるように、原水中のアンモニア性窒素濃度に適合した担体量の硝化菌固定化担体を充填した生物処理槽を設置する必要がある。

実験開始３５日目以降はアンモニア性窒素濃度が徐々に低下し、これと共に、硝酸性窒素濃度が徐々に増加した。これにより、硝化菌固定化担体に付着した硝化菌が増殖し、生物処理が開始されたことが分かる。つまり、アンモニア性窒素が亜硝酸性窒素を経て硝酸性窒素に変化したことにより、アンモニア性窒素濃度が低下し、硝酸性窒素濃度が増加した。特に、実験開始から８６日目以降はアンモニア性窒素濃度は検出限界以下となり、酸化態窒素（硝酸性窒素及び亜硝酸性窒素）濃度は1.4〜2.2mg/lの間を推移した。この結果から、硝化菌固定化担体に付着した硝化菌が十分量増殖した後のアンモニア性窒素の硝化率は９５％程度であることが分かる。

なお、酸化槽１４，生物処理槽１８の機能が充分に発揮され硝化が安定すると、投入口２８から投入される次亜塩素酸ナトリウムは、生物処理槽１８から処理水槽２２に送られる水に残留する微量の鉄、マンガンの酸化に使われ、ろ過槽２６で除鉄、除マンガンが完結する。生物処理槽１８から処理水槽２２に送られる水に残留する鉄、マンガンを酸化するために必要な次亜塩素酸ナトリウム量は極めて少なく、アンモニア性窒素を酸化するために必要な次亜塩素酸ナトリウム量の１０分の１程度である。このように、上記水処理装置では、被処理水が生物処理槽１８を通過する間にアンモニア性窒素の全てが硝化されて硝酸性窒素になるため、次亜塩素酸ナトリウムの投入量を大幅に削減することができる。

本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、例えば次のような変更が可能である。生物処理槽の硝化菌固定化担体には、硝化菌だけでなく被処理水に含まれる溶解性の鉄やマンガン、ヒ素等を接触酸化する微生物が付着・増殖しても良い。この場合には、アンモニア性窒素だけでなく、鉄やヒ素、マンガン等、多元素を同時に高速除去できる機能的な水処理装置となる。

１０…井戸
１４…酸化槽（前処理槽）
１４１…密閉容器
１４２…生物担体
１４５…ブロアポンプ（空気導入手段）
１４６…ノズル
１４８…円錐状部
１８…生物処理槽
１８１…密閉容器
１８２…加圧手段

Claims (5)

1. アンモニウムイオンを含有する被処理水の処理装置であって、
   イオン吸着機能を有する硝化菌固定化担体が充填された生物処理槽と、
   前記生物処理槽の前段に設けられた前処理槽を備え、
   前記前処理槽が、前記生物処理槽に導入される前の被処理水が導入される密閉容器と、この密閉容器内に収容され前記被処理水中を浮遊する生物担体と、前記密閉容器内に泡状の空気を導入する空気導入手段と、前記密閉容器内を加圧する加圧手段とを有し、
   前記前処理槽から前記生物処理槽に導入された被処理水が、該生物処理槽の上部から下部に向かって流れることを特徴とする水処理装置。
2. 前記前処理槽の下端部は下方から上方に向かって拡開する円錐状部を成し、
   前記円錐状部に被処理水の導入口が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記硝化菌固定化担体は陽イオン吸着能を有する担体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水処理装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の水処理装置を用いて、アンモニア性窒素を含有する被処理水を処理する方法。
5. 水質汚染物質を含有する被処理水を好気的微生物を利用して処理する生物ろ過機能を備えた生物処理槽を有する水処理装置において、
   前記生物処理槽の前段に設けられた前処理槽を備え、
   前記前処理槽は、前記生物処理槽に導入される前の被処理水が導入される密閉容器と、この密閉容器内に収容され前記被処理水中を浮遊する生物担体と、前記密閉容器内に泡状の空気を導入する空気導入手段と、前記密閉容器内を加圧する加圧手段とを有し、
   前記前処理槽から前記生物処理槽に導入された被処理水が、該生物処理槽の上部から下部に向かって流れることを特徴とする水処理装置。

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