JP4865211B2 - 廃水処理装置及び廃水の生物処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、アンモニア性窒素を含む無機廃水を生物処理によって硝化する廃水処理装置及び廃水処理方法に係り、特に、窒素及びカルシウムを含む無機廃水を微生物を用いて硝化処理する廃水処理装置及び廃水処理方法に関する。本発明は、例えば生活廃水の廃水処理のほか、半導体製造工程によって排出される産業廃水の廃水処理に適用可能である。

従来より、ＩＣなどの半導体の製造工程などでは、フッ酸、アンモニア、硝酸などが使用される。このため、その廃液として、フッ素（フッ酸）、窒素（アンモニア、硝酸）を含む廃水が排出される。例えば、エッチング処理等の工程においてこれらの化学物質を含む薬品が用いられ、半導体基板を超純水等で洗浄した際の洗浄廃液としてこれらの化学物質を含む廃水が排出される。 また、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）製造工程も基本的に半導体製造工程と同様の工程を有しており、同様の廃水が排出される。さらに、石炭火力発電所、ガラス表面加工工場等においても、フッ素、窒素を含む廃水が排出される。

廃水中のフッ素は物理化学的に、すなわちカルシウムを添加することによりフッ化カルシウムとして除去されるのが一般的である。上述の廃水についても、水酸化カルシウム等を添加してフッ化カルシウムを析出させることによりフッ素を除去している。なお、フッ化カルシウムは細かい微粒子になりやすい。そのため、これを除去するためにアルミニウム系などの無機凝集剤やアクリル系高分子凝集剤を添加してフロックを形成させることにより、廃水中のフッ化カルシウムを沈殿除去している。

カルシウムによるフッ素除去は、２Ｆ⁻＋Ｃａ_２ ^＋→ＣａＦ_２という反応で表され、この場合の溶解度積Ｋspは３．４５×１０^−１１である。したがって、廃水中のフッ素を充分に除去するためには、相当量のカルシウムイオンが残留する条件とする必要がある。一般に、フッ素除去処理水中のフッ素濃度の目標濃度は１０ｍｇ／Ｌ以下程度とされ、この場合には処理水中の残留カルシウム濃度を１００〜１０００ｍｇ／Ｌ程度にする必要がある。

なお、廃水中にケイ素やリン酸等が存在する場合には、それらがフッ化カルシウムの析出に悪影響を与えてしまう。したがって、そのような場合にはより多量のカルシウムの添加や無機凝集剤や高分子凝集剤による凝集処理が必要となる場合がある。

一方、窒素除去としては、一般的に生物学的脱窒が採用される。この生物学的脱窒は、通性嫌気性細菌である脱窒菌の無酸素状態における硝酸呼吸を利用して窒素を除去するものである。この生物学的脱窒においては、まず廃水を硝化処理して廃水中のアンモニア性窒素を亜硝酸性窒素又は硝酸性窒素とし、その後メタノール等の水素供与体を添加して無酸素状態とすることによって脱窒処理を行う。上述したようなフッ素除去と窒素除去を組み合わせることにより、廃水中のフッ素や窒素が除去される。フッ素を多量に含む廃水は細菌を用いた生物処理に対して悪影響を与えるので、生物学的脱窒処理は廃水中のフッ素を除去した後に行われる。したがって、生物学的脱窒処理の対象となる廃水はカルシウムを多量に含む。

例えば、従来の好気性独立栄養性細菌の作用により廃水中のアンモニア性窒素を亜硝酸性窒素又は硝酸性窒素へと変換する生物処理方法においては、その変換に伴って廃水のｐＨが低下する。この好気性独立栄養性細菌（硝化細菌）の生育状態は以下の化学反応式で表すことができる。

ＮＨ_４ ^＋＋０．１０３ＣＯ_２＋１．８６Ｏ_２→０．０１８２Ｃ_２Ｈ_５ＮＯ_２＋０．００２４５Ｃ_５Ｈ_７ＮＯ_２＋０．９７９ＮＯ_３ ⁻＋１．９８Ｈ^＋＋０．９３８Ｈ_２Ｏ

すなわち、硝化細菌の増殖に必要な無機炭素と処理すべきアンモニア性窒素との重量比は、０．０８８ｇ−Ｃ／ｇ−Ｎと表すことができる。

一般に、活性汚泥法のような低負荷処理（例えば０．１〜０．３ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄａｙ）の場合は、曝気による廃水への炭酸ガスの溶け込みにより上記の無機炭素量を確保することが可能である。しかし、生物固定担体を処理系内に投入して、その細菌を処理系内に留める生物膜法（例えば、固定床方式や流動床方式）では高負荷処理（例えば０．５〜１．０ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄａｙ）が行われるため、硝化細菌の増殖に必要な無機炭素が不足しがちとなる。そのため、無機炭素を補充するために、重炭酸塩を廃水中に添加する場合がある。この重炭酸塩はアルカリ剤としても機能させることが可能である。

なお、硝化細菌を利用した従来の廃水処理方法として、例えば特許文献１〜４に開示されたものがある。
特開昭５４−３３３６５号公報 特開昭６１−１１８１９８号公報 特開平５−１２３６９６号公報 特開２００３−３３７８８号公報

重炭酸塩のアルカリ剤としての機能を利用し、例えば重炭酸ナトリウムのみを用いて廃水を中和する場合、処理すべきアンモニア性窒素１ｇに対して重炭酸ナトリウムは約９．６ｇ／ｇ−Ｎ（約１．４ｇ−Ｃ／ｇ−Ｎ）が必要となる。しかしながら、重炭酸ナトリウムは高価であるためアルカリ剤として重炭酸ナトリウムのみを用いると廃水処理コストが高くなってしまうという問題がある。さらに、重炭酸ナトリウムはスラリー状態での取扱いとなってしまうため、廃水中に添加するには複雑な注入設備が必要となってしまう。

また、上述したように生物学的脱窒処理の対象となる廃水はカルシウムを多量に含むが、このような場合に廃水中に多量の重炭酸ナトリウムを添加すると廃水を貯留している槽内又は廃水が通る管内に炭酸カルシウムのスケールが発生してしまうという問題もある。スケールの発生は、廃水処理装置内のデッドスペースの増加、廃水配管の閉塞等の問題を生じさせ得る。流動床方式の場合は、さらに流動床の流動悪化も招いてしまう。

一方、水酸化ナトリウムは重炭酸ナトリウムに比較して安価な上に、アルカリ剤として用いた場合には処理すべきアンモニア窒素１ｇに対して約５．７ｇの量で済むという利点もある。

本発明は上記の事情に鑑みて為されたもので、硝化細菌が活動するのに充分な無機炭素源を供給しつつ低コストに廃水のｐＨ調整を行うことができ、さらにカルシウムスケールの発生を低減することのできる廃水処理装置及び廃水の生物処理方法を提供することを例示的な課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明の例示的側面としての廃水処理装置は、アンモニア性窒素及びカルシウムを含む廃水を生物処理によって硝化する廃水処理装置であって、廃水と独立栄養性細菌とが混合される生物処理槽と、生物処理槽内に供給された廃水のｐＨを検出するｐＨ検出器と、生物処理槽内のｐＨを調整するｐＨ調整剤を生物処理槽に供給する第１の供給部と、生物処理槽内に無機炭素源として重炭酸塩又は炭酸塩を供給する第２の供給部と、ｐＨ検出器の検出結果に基づいてｐＨ調整剤の供給量と重炭酸塩又は炭酸塩の供給量とを制御する供給量制御部とを有することを特徴とする。

供給量制御部によってｐＨ調整剤の供給量と無機炭素源の供給量とを制御することにより、ｐＨ調整剤及び無機炭素源の性質やコストに応じてそれぞれの使用量を調整することができる。例えば、ｐＨ調整剤が比較的安価な水酸化ナトリウムであり、無機炭素源が水酸化ナトリウムに比較して高価でかつｐＨ調整機能をも有する重炭酸塩又は炭酸塩である場合、高価な重炭酸塩又は炭酸塩の供給量を必要最小限に制御することが可能である。廃水のｐＨが検出されているので水酸化ナトリウムの供給量も容易に制御可能である。

最小限の重炭酸塩又は炭酸塩を供給しつつ廃水が中和されるように水酸化ナトリウムを供給することにより、低コストで充分な廃水処理能力を得ることができる。しかも重炭酸塩又は炭酸塩を最小限とすることによってカルシウムスケールの発生も防止することができる。このカルシウムスケール発生の防止効果は、廃水中のカルシウム含有率が高い場合、例えば廃水が１００ｍｇ／ｌ以上のカルシウムを含有している場合には、より顕著に得られる。

この廃水処理装置は、特に廃水中のＣ／ＮＨ_４−Ｎ重量比が例えば０．１未満と小さく、無機炭素不足による処理能力の低下が懸念される場合に好適である。そのような廃水として、例えば半導体製造工程によって排出される産業廃水が考えられる。また、この廃水処理装置は、高負荷処理が行われ無機炭素不足が懸念される固定床方式や流動床方式の生物膜法処理に適している。

本発明の他の例示的側面としての廃水の生物処理方法は、アンモニア性窒素及びカルシウムを含む廃水を生物処理槽内へ供給する工程と、供給された廃水のｐＨを検出する工程と、生物処理槽内のｐＨを調整するｐＨ調整剤を生物処理槽に供給する工程と、生物処理槽内へ廃水のｐＨを調整するとともに独立栄養性細菌の炭素源として機能する重炭酸塩又は炭酸塩を供給する工程と、ｐＨの検出結果に基づいてｐＨ調整剤の供給量と重炭酸塩又は炭酸塩の供給量とを制御する工程とを有することを特徴とする。

ｐＨ調整剤の供給量と重炭酸塩又は炭酸塩の供給量とを制御する工程を有しているので、ｐＨ調整剤や重炭酸塩又は炭酸塩の性質やコストに応じてそれぞれの使用量を調整することができる。例えば、ｐＨ調整剤として比較的安価な水酸化ナトリウムを用い、重炭酸塩又は炭酸塩として水酸化ナトリウムに比較して高価でかつｐＨ調整機能をも有する重炭酸ナトリウムを用いる場合、高価な重炭酸ナトリウムの供給量を必要最小限に制御することが可能である。廃水のｐＨが検出されているので水酸化ナトリウムの供給量も容易に制御可能である。もちろん重炭酸塩又は炭酸塩としては、重炭酸ナトリウムの他に、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム等も使用可能である。

最小限の重炭酸ナトリウムを供給しつつ廃水が中和されるように水酸化ナトリウムを供給することにより、低コストで充分な廃水処理能力を得ることができる。しかも重炭酸ナトリウムの供給量を最小限とすることによって廃水中に多量のカルシウムが含まれている場合であってもカルシウムスケールの発生を防止することができる。

なお、制御をより容易にするために、重炭酸塩又は炭酸塩の供給量は生物処理槽への無機性廃水の供給量（流入量）に応じて一定とし、ｐＨ調整剤の供給量のみを無機性廃水のｐＨ検出結果に基づいて制御するようにしてももちろんかまわない。

独立栄養性細菌による廃水処理能力が充分発揮できるよう無機炭素源を供給するためには、その制御工程において、無機性廃水に含まれるアンモニア性窒素１ｋｇあたりの重炭酸塩又は炭酸塩の供給量を炭素量として０．１ｋｇ以上となるように制御することが好ましい。無機性廃水に含まれるアンモニア性窒素１ｋｇあたりの重炭酸塩又は炭酸塩の供給量を炭素量として０．５ｋｇ以上となるように制御するとさらに望ましい。

また、その制御工程において、ｐＨの検出結果が６．５以上８．５以下となるようにｐＨ調整剤の供給量と重炭酸塩又は炭酸塩の供給量とを制御することが望ましい。ｐＨが中性に保たれることにより、独立栄養性細菌の処理能力が充分に発揮できるからである。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、独立栄養性細菌（硝化細菌）が活動するのに充分な無機炭素源を供給しつつ低コストに廃水のｐＨ調整を行うことができ、さらにカルシウムスケールの発生を低減することができる。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る廃水処理装置Ｓの概略構成を示すブロック図である。この廃水処理装置Ｓは、廃水中に含まれるアンモニア性窒素を独立栄養性細菌を用いて硝化する、いわゆる生物処理を行うものである。廃水処理装置Ｓは、給水管１、生物処理槽２、排水管３、水酸化ナトリウム用タンク４、重炭酸ナトリウム用タンク５、水酸化ナトリウム供給ポンプ６、重炭酸ナトリウム供給ポンプ７、ｐＨ検出器８を有して大略構成される。この廃水処理装置Ｓは、給水管１から生物処理槽２内へと供給された無機性廃水が独立栄養性細菌と混合され、活性汚泥法又は生物膜法による無機性廃水の硝化処理が行われて排水管３から排水されるようになっている。排水管３から排水された処理後の廃水は、図示しない後段の嫌気槽（脱窒槽）へと送られるようになっている。

水酸化ナトリウム用タンク４内にはｐＨ調整剤としての水酸化ナトリウムが貯留され、重炭酸ナトリウム用タンク５内には無機炭素源としての重炭酸ナトリウムが貯留されている。

水酸化ナトリウム用タンク４及び水酸化ナトリウム供給ポンプ６は第１の供給部としての水酸化ナトリウム供給部１１を構成し、ｐＨ検出器８の検出結果に基づいて生物処理槽２内に水酸化ナトリウムを供給する。水酸化ナトリウムの供給量は図示しない供給量制御部によって制御される。

重炭酸ナトリウム用タンク５及び重炭酸ナトリウム供給ポンプ７は第２の供給部としての重炭酸ナトリウム供給部１２を構成し、ｐＨ検出器８の検出結果に基づいて生物処理槽２に重炭酸ナトリウムを供給する。重炭酸ナトリウムの供給量は図示しない供給量制御部によって制御される。

ｐＨ検出器８は、生物槽内の無機性廃水のｐＨを常に検出している。その検出結果は供給量制御部へと送られるようになっている。

次にこの廃水処理装置Ｓの動作について説明する。供給管１を通って無機性廃水が生物処理槽２内へと供給される。この無機性廃水の供給量（流量）は図示しない制御手段によって制御されているが詳細については省略する。

生物処理槽２内へと流入した無機性廃水のｐＨをｐＨ検出器８が検出する。その検出結果は図示しない供給量制御部へと送られる。供給量制御部は、送られてきた検出結果に基づいて水酸化ナトリウム供給部１１及び重炭酸ナトリウム供給部１２を制御する。その制御に基づいて、水酸化ナトリウム供給部１１及び重炭酸ナトリウム供給部１２はそれぞれ水酸化ナトリウム及び重炭酸ナトリウムを生物処理槽２内へ供給する。

重炭酸ナトリウムの供給量は、独立栄養性細菌が硝化能力を充分発揮するように、かつ廃水処理装置Ｓ内へのスケーリングが極力発生しないように調整される。また、水酸化ナトリウムの供給量は、ｐＨ検出器８の検出結果に基づいて重炭酸ナトリウムによる無機性廃水のアルカリ化の程度が考慮されて調整される。生物処理槽２内で処理された硝化後の廃水は処理水として排出管３から排出される。

水酸化ナトリウム供給部１１による水酸化ナトリウムの供給量と重炭酸ナトリウム供給部１２による重炭酸ナトリウムの供給量とを一定の比率に設定し、例えばｐＨ検出器８の検出結果が７．０以下になると両供給部１１，１２を稼働させ、検出結果が７．５以上になると両供給部１１，１２を停止させるように制御してもよい。

また、処理前の無機性廃水のアンモニア性窒素濃度を常に検出し、その検出結果及び無機性廃水の供給量から単位時間当たりの重炭酸ナトリウムの必要供給量を演算し、その必要量に基づいて重炭酸ナトリウムの供給量を自動制御してもよい。この場合において、処理前の無機性廃水のアンモニア性窒素濃度やその供給量が想定範囲を下回った場合に重炭酸ナトリウムの供給量を０としてもかまわない。

以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。

本願発明の発明者らが、重炭酸ナトリウムと水酸化ナトリウムとを併用した場合の硝化能力について流動床方式担体（充填率２０％）を用いて鋭意検討した結果、以下の検討結果を得た。なお、通水に使用した無機性廃水の組成を表１に示す。希釈には水道水を使用し、通水流量は、容積負荷が１．０ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄａｙとなるように調整した。

本実施例によって得られた結果を表２及び図２に示す。

本発明の実施の形態に係る廃水処理装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施例の結果を示すグラフである。

符号の説明

Ｓ：廃水処理装置
１：給水管
２：生物処理槽
３：排水管
４：水酸化ナトリウム用タンク
５：重炭酸ナトリウム用タンク
６：水酸化ナトリウム供給ポンプ
７：重炭酸ナトリウム供給ポンプ
８：ｐＨ検出器
１１：水酸化ナトリウム供給部（第１の供給部）
１２：重炭酸ナトリウム供給部（第２の供給部）

Claims (5)

1. アンモニア性窒素及びカルシウムを含む廃水を生物処理によって硝化する廃水処理装置であって、
   前記廃水と独立栄養性細菌とが混合される生物処理槽と、
   該生物処理槽内に供給された前記廃水のｐＨを検出するｐＨ検出器と、
   該生物処理槽内のｐＨを調整する水酸化ナトリウムを該生物処理槽に供給する第１の供給部と、
   該生物処理槽内に無機炭素源として重炭酸塩又は炭酸塩を供給する第２の供給部と、
   前記ｐＨ検出器の検出結果に基づいて前記水酸化ナトリウムの供給量と前記重炭酸塩又は炭酸塩の供給量とを制御する供給量制御部とを有することを特徴とする廃水処理装置。
2. 前記廃水が１００ｍｇ／ｌ以上のカルシウムを含有することを特徴とする請求項１に記載の廃水処理装置。
3. アンモニア性窒素及びカルシウムを含む廃水を生物処理槽内へ供給する工程と、
   該供給された廃水のｐＨを検出する工程と、
   前記生物処理槽内のｐＨを調整する水酸化ナトリウムを前記生物処理槽に供給する工程と、
   前記生物処理槽内へ前記廃水のｐＨを調整するとともに独立栄養性細菌の炭素源として機能する重炭酸塩又は炭酸塩を供給する工程と、
   前記ｐＨの検出結果に基づいて前記水酸化ナトリウムの供給量と前記重炭酸塩又は炭酸塩の供給量とを制御する工程とを有することを特徴とする廃水の生物処理方法。
4. 前記制御工程において、前記廃水に含まれる前記アンモニア性窒素１ｋｇあたりの前記重炭酸塩又は炭酸塩の供給量を炭素量として０．１ｋｇ以上となるように制御することを特徴する請求項３に記載の廃水の生物処理方法。
5. 前記制御工程において、前記ｐＨの検出結果が６．５以上８．５以下となるように前記水酸化ナトリウムの供給量と前記重炭酸塩又は炭酸塩の供給量とを制御することを特徴とする請求項３または４に記載の廃水の生物処理方法。
   

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