JP4848144B2

JP4848144B2 - 廃水処理装置

Info

Publication number: JP4848144B2
Application number: JP2005191817A
Authority: JP
Inventors: 亮張; 絵美奥田
Original assignee: Maezawa Industries Inc
Current assignee: Maezawa Industries Inc
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: JP2007007557A

Description

本発明は、廃水処理装置に関し、詳しくは、廃水中に高濃度で含まれるアンモニア性窒素の除去処理を部分亜硝酸化及び嫌気性アンモニア酸化により行う廃水処理装置に関する。

水処理技術においてアンモニア含有廃水中の窒素除去技術としては、従来から循環式硝化脱窒法が広く知られている。しかしながら、この技術は、設置面積を広く必要とすることや循環ポンプの設置等、設備面におけるコストが高いことや脱窒の際の栄養源としての水素供与体を添加しなければならないといった問題点がある。

しかし、近年、アンモニア性窒素を含有する有機性廃液の処理方法において、廃液中のアンモニア性窒素を亜硝酸化細菌により部分的に亜硝酸化し、生成する亜硝酸化液を嫌気性アンモニア酸化法により、脱窒する処理方法が知られている。

この技術は、硝化反応の際、アンモニアから亜硝酸までの部分酸化のため、硝化に要する曝気量を削減できることに加えて、この反応に関わる微生物が自栄養性の細菌であるため、水素供与体である有機物の添加を必要としないので発生汚泥量が従来と比較しかなり減少するといった利点がある（例えば、特許文献１参照。）。

さらに、この嫌気性アンモニア酸化法を利用した技術として、ＳＮＡＰ法やＣａｎｏｎ法が提案されている。ＳＮＡＰ法は、一槽でのアンモニア除去法であり、槽底部中央からの曝気により槽内に対流を発生させ、槽周辺部に設置した付着固定担体表面に好気性微生物であるアンモニア酸化細菌を付着させるとともに、担体内部の嫌気部分に嫌気性アンモニア酸化細菌を生息させ、この両者の働きによって硝化・脱窒を行う処理方法である。一方のＣａｎｏｎ法は、リアクタに酸素を制限的に供給することで流入水中のアンモニアの半量をアンモニア酸化細菌の働きで硝酸に変換し、一槽で窒素除去を行う方法である。

しかしながら、この両方法は、いずれもリアクタ内を低ＤＯとし、嫌気性アンモニア酸化細菌を優先させる方法であるため、亜硝酸生成速度が低く、脱窒の速度も低下するといった問題を有している。また、低Ｃ／Ｎ比の廃水に対しては有効であるが、高ＢＯＤの廃水への適用は困難である。
特開２００５−７４２５３号公報

上述のように、ＳＮＡＰ法やＣａｎｏｎ法のように一槽での脱窒処理は種々の問題点を有しているが、前記特許文献１に記載された方法では、前述のような利点は有しているものの、複数の処理槽を設置する必要があり、設備面におけるコストに問題があるだけでなく、ＢＯＤ、ＤＯの持込、亜硝酸／アンモニア濃度比の微調整等の問題がある。

そこで本発明は、高ＢＯＤ、高ＤＯの廃水でも、亜硝酸化嫌気性脱窒処理を簡単な装置構成で効率よく行うことができる廃水処理装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の廃水処理装置は、廃水中に含まれるアンモニア性窒素の除去処理を行う廃水処理装置において、前記廃水を導入、曝気処理して廃水中のアンモニウムイオンを亜硝酸イオンに酸化する好気処理部と、生成した亜硝酸イオンと廃水中のアンモニウムイオンとを、嫌気性アンモニア酸化細菌と接触させて反応させ、窒素ガスに転換して脱窒を行う嫌気処理部とを有するとともに、前記好気処理部と前記嫌気処理部とを拡散現象によって、前記アンモニウムイオン及び亜硝酸イオンが通過可能な仕切部材、例えば、スポンジ型成形体、ろ布、半透膜、精密ろ過膜のいずれか一種以上で形成した仕切部材で区画し、前記好気処理部に廃水導入手段を、前記嫌気処理部に処理水導出手段を、それぞれ設けたことを特徴としている。

本発明の廃水処理装置によれば、好気処理部と嫌気処理部とに水（液）が対流（循環）しないので、嫌気処理部へのＢＯＤ、ＤＯの持込みを最小限にでき、高効率、高負荷で運転することができる。

図１及び図２は本発明の廃水処理装置の第１形態例を示すもので、図１は概略系統図、図２は仕切部材の説明図である。この廃水処理装置は、処理槽１１の内部を仕切部材１２によって好気処理部１３と嫌気処理部１４とに区画したものであって、好気処理部１３の底部には、水中に酸素を供給するための散気装置１５が設けられている。また、好気処理部１３には廃水導入手段１７が設けられている。廃水を連続的に注入する場合、処理水導出手段１６は嫌気処理部１４に設けるのが好ましく、廃水を断続的に導入する、いわゆる回分式処理方式の場合では処理水導出手段は好気処理部１３に設けるのが好ましい。

仕切部材１２は、実質的に水の対流が抑制され、主に拡散のみによってイオンの通過、移動が可能な材料、例えば、スポンジ型成形体、ろ布、半透膜、精密ろ過膜のいずれか又はこれらを組み合わせたもののように、水を通過させるためには圧力を加える必要があるもの、つまり、通水抵抗があるような材料によって形成されている。すなわち、イオンを拡散現象によって好気処理部１３と嫌気処理部１４とに移動させ、水の移動を抑制するようにしているため、水中の酸素はほとんど嫌気処理部１４に移動することはなく、嫌気処理部１４が好気性状態になることを防止している。また、イオンに比べて分子量が大きい有機化合物の拡散速度が比較的遅いことから、好気処理部１３内のＢＯＤ成分が嫌気処理部１４へ移動することも抑制することができる。

仕切部材１２の材質、形状は適宜選択できるが、通水抵抗が一定以上である必要がある。ここでは、通水抵抗を圧力１０ｋＰａでの仕切部材１２の単位面積［ｍ^２］当たりの通水量Ｑ_１０で表すと、好ましい仕切部材１２の通水量Ｑ_１０は５００Ｌ／分／ｍ^２以下であり、特に好ましいのは１００Ｌ／分／ｍ^２である。通水量Ｑ_１０が５００Ｌ／分／ｍ^２以下であれば、対流を抑制するための通液抵抗が確保され、イオンを優先的に移動させることができる。また、仕切部材１２の表面積は、その材質や廃液の性状等によって変動するが、窒素負荷１ｋｇ−Ｎ／日当たりの表面積は１０ｍ^２以上が好ましく、５０ｍ^２以上が特に好ましい。

一方、好気処理部１３での散気装置１５からの曝気処理により、水中に溶解しているアンモニウムイオン（アンモニア性窒素）が酸化されて生成した亜硝酸イオン（亜硝酸性窒素）及び未反応のアンモニウムイオンは、仕切部材１２の両側のイオン濃度差に応じて仕切部材１２を拡散により通過して好気処理部１３から嫌気処理部１４に移動する。嫌気処理部１４に移動したアンモニウムイオンと亜硝酸イオンとは、嫌気性アンモニア酸化によって窒素ガスを生成し、窒素ガスは気泡となって水中から系外に排出される。

亜硝酸化手段である好気処理部１３は、アンモニア性窒素を亜硝酸化細菌により、硝酸が生成しないように亜硝酸化して、亜硝酸アンモニウムを生成させるように構成される。このような亜硝酸化手段としては、アンモニア性窒素と亜硝酸化細菌とを好気性下に接触させてアンモニア性窒素を亜硝酸化させるものが採用できる。亜硝酸化細菌は浮遊状態でもよく、スポンジ、樹脂成形体、活性炭等の担体に担持させた状態でもよい。

好気処理部１３で用いられる亜硝酸化細菌は、従来からアンモニア性窒素の亜硝酸化に用いられている細菌であって、好気性下でアンモニア性窒素を酸化して亜硝酸性窒素に転換する細菌である。このような亜硝酸化細菌は、アンモニア性窒素を含む液を好気性下に酸化することにより発生させることができるが、有機性廃水処理の好気処理手段から採取した汚泥をそのまま、又は、充填層に付着させて使用することができる。また、通常、散気によって好気処理部１３内は略均一混合状態にあるが、散気による撹拌力が不十分な場合は、撹拌機、循環ポンプ等の撹拌手段を設けることができる。

脱窒手段である嫌気処理部１４は、亜硝酸化液を嫌気性アンモニア酸化細菌により、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ように構成される。嫌気性アンモニア酸化細菌は嫌気性であるため、酸素が供給されない構造が採用される。嫌気性アンモニア酸化細菌は、浮遊状の汚泥として用いてもよく、担体に担持した状態又はグラニュール等の粒状の状態で用いてもよい。このような脱窒手段において、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを含む液を嫌気性アンモニア酸化細菌と接触させ、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを反応させ、窒素ガスに転換して脱窒を行う。

嫌気処理部１４で用いられる嫌気性アンモニア酸化細菌は、Ｐｌａｎｃｔｏｍｙｃｅｔｅｓに属す細菌であって、従来の脱窒に用いられている従属栄養性の脱窒細菌とは異なり、独立栄養性の細菌である。このため、脱窒に際して、従来の脱窒細菌には必要であったメタノール等の栄養源の添加を必要としない。また、嫌気性アンモニア酸化細菌は、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを反応させて直接窒素ガスに変換させるため、アンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素を同時に除去でき、しかも、有害な廃棄物を生成しないという特徴を有している。

さらに、嫌気性アンモニア酸化細菌は、アンモニア性窒素を電子供与体、亜硝酸性窒素を電子受容体として、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを反応させて直接窒素ガスに変換させるため、酸素及び硝酸性窒素は不要であり、酸素が存在すると、嫌気性アンモニア酸化細菌の脱窒活性は低下する。したがって、嫌気処理部１４には、実質的に酸素が含まれていない状態の液（廃水）を供給するべきである。また、嫌気性アンモニア酸化細菌は硝酸を資化できないため、好気処理部１３において硝酸性窒素が実質的に生成させないことが好ましい。酸素については、仕切部材１２から嫌気処理部１４へ移動する間に細菌によって消費されるので、嫌気処理部１４の入口部分で溶存酸素がなくなるような曝気量を容易に設定することができる。

また、嫌気性アンモニア酸化細菌は、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とをモル比で１：１．３２で反応させるが、嫌気処理部１４に供給する廃水は、アンモニア性窒素より亜硝酸性窒素の濃度が低くなっており、好気処理部１３で生成した亜硝酸が仕切部材１２を随時通過して嫌気処理部１４で除去される状態となる。

好気処理部１３及び嫌気処理部１４に供給する廃水は、アンモニア性窒素濃度が５０〜３０００ｍｇ／Ｌ、好ましくは８０〜２０００ｍｇ／Ｌ、さらに好ましくは３００〜１０００ｍｇ／Ｌの範囲であり、亜硝酸性窒素濃度が１０〜３００ｍｇ／Ｌ、好ましくは２０〜２００ｍｇ／Ｌ、さらに好ましくは３０〜１００ｍｇ／Ｌの範囲であり、ｐＨ６．５〜８．０、好ましくはｐＨ６．７〜７．５の範囲が望ましい。

好気処理部１３及び嫌気処理部１４における処理温度は室温以上でよく、特に３０℃以上が望ましく、低温時には加温してもよい。また、ｐＨ調整剤、栄養剤、その他の添加剤は必要に応じて注入することができる。さらに、汚泥が過剰に生成する場合には、一部を引き抜いて廃棄すればよい。

嫌気処理部１４では、前述のように、嫌気性アンモニア酸化細菌によって亜硝酸化液中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とが反応し、窒素ガスに変換されて脱窒される。このとき、溶存酸素の存在は、嫌気性アンモニア酸化細菌の活性を低下させるため、嫌気処理部１４には流入しないことが望まれる。本形態例に示すように、仕切部材１２を介在させることによって溶存酸素が嫌気処理部１４に直接流入することが阻害されるため、従来より大流量で嫌気処理を行うことができる。嫌気性アンモニア酸化細菌による反応は、以下の反応式（１）に示され、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とが略１：１．３２で反応する。

ＮＨ^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 …(1)

上記処理では、高アンモニア性窒素濃度及び亜硝酸性窒素の液を好気処理部１３及び嫌気処理部１４で処理することにより、好気処理部１３において硝酸が生成しない条件でアンモニア性窒素を亜硝酸化することができ、嫌気処理部１４において無酸素下で高効率で脱窒を行うことができる。

好気処理部１３では、アンモニア性窒素：亜硝酸性窒素のモル比が近似的に１：１．３２の亜硝酸化液を生成させる必要はなく、生成した亜硝酸イオンが仕切部材１２を通過して順次嫌気処理部１４に移動するため、亜硝酸イオンの蓄積も起こらない。また、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素まで酸化すればよく、従来のように亜硝酸性窒素から硝酸性窒素に酸化する必要はないので、硝化細菌を含む汚泥は不要であり、硝化菌を担持させるための充填材が省略でき、処理槽１１の小型化が図れるとともに、酸化に必要な酸素の量（曝気量）も少なくできる。

嫌気処理部１４では、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを略１：１．３２のモル比で反応させて脱窒するため、メタノール等の栄養源が不要であり、効率よく脱窒を行うことができる。また、脱窒反応で生成するのは無害な窒素ガスであり、そのまま廃棄できる。亜硝酸化液細菌及び嫌気性アンモニア酸化細菌は増殖速度が小さいので、汚泥の増加量は少なく、余剰汚泥の発生量は少ない。

図３は本発明の廃水処理装置の第２形態例を示す概略系統図である。なお、脱窒処理は前記第１形態例と同様にして行われるので、詳細な説明は省略する。

本形態例に示す廃水処理装置は、好気処理部となる好気処理槽２１と、嫌気処理部となる嫌気処理槽２２とを前記仕切部材と同様の材料で形成した連通部２３を介して連通させたものであって、嫌気処理槽２２内の液を循環経路を介してポンプ２４で連通部２３内に循環させ、連通部２３の内部の嫌気液と外部の好気液との間でアンモニウムイオン及び亜硝酸イオンを移動させるように形成している。このように、ポンプ２４によって嫌気処理槽２２内に液の流動を発生させることにより、嫌気処理槽２２内での反応効率を向上させることができる。

本発明の廃水処理装置の第１形態例を示す概略系統図である。仕切部材の説明図である。本発明の廃水処理装置の第２形態例を示す概略系統図である。

符号の説明

１１…処理槽、１２…仕切部材、１３…好気処理部、１４…嫌気処理部、１５…散気装置、１６…処理水導出手段、１７…廃水導入手段、２１…好気処理槽、２２…嫌気処理槽、２３…連通部、２４…ポンプ

Claims

廃水中に含まれるアンモニア性窒素の除去処理を行う廃水処理装置において、
前記廃水を導入、曝気処理して廃水中のアンモニウムイオンを亜硝酸イオンに酸化する好気処理部と、生成した亜硝酸イオンと廃水中のアンモニウムイオンとを、嫌気性アンモニア酸化細菌と接触させて反応させ、窒素ガスに転換して脱窒を行う嫌気処理部とを有するとともに、
前記好気処理部と前記嫌気処理部とを拡散現象によって、前記アンモニウムイオン及び亜硝酸イオンが通過可能な仕切部材で区画し、
前記好気処理部に廃水導入手段を、前記嫌気処理部に処理水導出手段を、それぞれ設けた
ことを特徴とする廃水処理装置。
前記仕切部材は、スポンジ型成形体、ろ布、半透膜、精密ろ過膜のいずれか一種以上であることを特徴とする請求項１記載の廃水処理装置。