JP4867099B2 - 生物脱窒処理方法 - Google Patents
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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含む原水中のアンモニア性窒素を、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脱窒微生物の作用により亜硝酸性窒素の存在下に生物脱窒する生物脱窒処理方法に関する。
【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Ｎ２Ｏ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（以下「ＡＮＡＭＭＯＸ微生物」と称す。）を利用する生物脱窒プロセス（ＡＮＡＭＭＯＸプロセス）は、Strous, M. et. al., Appl. Microbiol. Biotechnol. Vol.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】
即ち、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物を利用して脱窒処理を行う場合、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物を保持するＡＮＡＭＭＯＸ反応槽に流入する被処理水（原水）は、アンモニア性窒素（ＮＨ４−Ｎ）に対し、亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）を０．５〜２倍、特に１〜１．５倍の割合で含むことが好ましい。
【０００８】
上記ＡＮＡＭＭＯＸ微生物を利用することにより、従来の硝化脱窒と比較して曝気量の低減、メタノール等の有機物添加量の削減、余剰汚泥の低減が可能となる。
【０００９】
なお、反応生成物として窒素の他に硝酸が生成する。このため、ＡＮＡＭＭＯＸ反応後に生成した硝酸を還元して窒素ガスに変換する脱窒処理が必要となる。
【００１０】
ところで、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物は独立栄養性微生物であり、収率が低く増殖速度が遅い。その比増殖速度は、最大で０．０６５ｄａｙ−１（１日で１．０６５倍に増殖する）と報告されている。実際の培養では、処理水中の基質濃度は低く、生物のフロック内部まで十分に基質が浸透しないため、比増殖速度は０．０２〜０．０５ｄａｙ−１程度の値となる。
【００１１】
ＡＮＡＭＭＯＸ微生物の活性に阻害を与える要因としては、酸素の混入と高濃度亜硝酸への暴露がある。即ち、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物は、酸素に対する耐性は低く、酸素分圧１％においても不可逆的に阻害を受ける。亜硝酸による阻害は、亜硝酸性窒素濃度５０〜２００ｍｇ／Ｌ程度から生じ、高濃度ほど阻害作用が大きくなると言われている（Strous, M. et. al., Appl. Environ. Microbiol. Vol.65 (7),
p.3248-3250 (1999)）。
【００１２】
ＡＮＡＭＭＯＸ微生物を利用した反応槽方式としては、例えば、砂やプラスチック、スポンジ、ゲルなど、微生物を付着させた担体を充填したカラムに、上向流又は下向流で排水を通水する方法が用いられる。反応槽の負荷は担体表面に付着した微生物量で決定され、担体の比表面積が大きいほど保持できる微生物量が多くなり、高い負荷を取ることができる。
【００１３】
また、槽内に浮遊状態で保持した微生物を利用する方式も用いられる。この方式の場合、後段に固液分離装置を設け、濃縮された微生物を反応槽へ返送し、反応槽内の微生物濃度を高めることにより高い負荷を得る手法がある。
【００１４】
更に、グラニュール状にした汚泥を反応槽内に充填し、上向流で通水するＵＳＢ（Upflow Sludge Bed：上向流汚泥床）方式も利用できる。この場合、槽内に保持できる微生物濃度は上記担体添加、浮遊形式よりも高くでき、そのため高い容積負荷を得ることが可能である。グラニュールの径は０．２５〜２．５ｍｍに維持するのが処理効率の面で好ましい。グラニュールの径は、反応により発生するガスによる槽内液の撹拌によって生じる剪断力と、槽内上向流の流速の影響を受け、また、適度な上向流速を保持して、グラニュールと被処理水とを効果的に接触させて高い処理効率を得るために、運転に際しては上向流速の管理が重要である。このため、発生ガスにより槽内液を撹拌すると共に、処理水の一部を循環して適度な上向流速を確保することが行われている。また、槽内に保持できるグラニュール量は装置上部に設置したＧＳＳ（固液分離装置）の性能にも影響を受けるため、この形状も重要である。
【００１５】
反応槽の方式としては、ＳＢＲ方式（回分式反応槽）も報告されている（Strous, M. et. al., Appl. Microbiol. Biotechnol. Vol.50, p.589-596
(1998)。この方式は、浮遊状態或いはペレット状態の汚泥を反応槽内に保持し、被処理水を添加して撹拌することで被処理水と微生物とを接触させ、処理終了後撹拌を止め、反応槽内で微生物を沈殿させて上澄水を処理水として排出するものである。この反応槽の利点は、固液分離装置を別に設ける必要がなく反応槽の設置面積を小さくできること、反応槽が一槽のため管理が簡便であること、撹拌には機械撹拌やガス撹拌などが利用でき、担体添加やＵＳＢ方式の場合のような厳密な撹拌強度の制御が必要ないこと、槽内が完全混合となるため高濃度の原水が流入しても即座に希釈され、高濃度基質による阻害が起きにくいことなどが挙げられる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来においては、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物による脱窒処理にＳＢＲ方式を採用する技術は十分に確立されていない。
【００１７】
従来、ＳＢＲ方式を利用したＡＮＡＭＭＯＸ反応としては、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を同濃度で含む合成排水を処理したものが報告されており、この場合、反応終了後の反応槽内には亜硝酸性窒素は検出されず、アンモニア性窒素と硝酸性窒素が常時存在することとなる。即ち、前述のＡＮＡＭＭＯＸ反応の反応式からも明らかなように、反応にはアンモニア性窒素に対して亜硝酸性窒素を多く必要とし、また、反応生成物として硝酸性窒素が生成する。従って、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを同濃度で含む排水を処理した場合には、亜硝酸性窒素は消費され、アンモニア性窒素が残留し、硝酸性窒素が生成する。
【００１８】
ＡＮＡＭＭＯＸ反応では硝酸性窒素が反応生成物として生成することは知られており、従って、後段で硝酸性窒素を還元して窒素ガスに変換する脱窒処理が必要となるが、この脱窒処理では残存するアンモニア性窒素を処理することはできない。従って、ＳＢＲ反応槽内に残存するアンモニア性窒素と硝酸性窒素を処理するためには、後段でアンモニア性窒素を酸化し、酸化態窒素を脱窒するという二段階の処理を必要とするため、実用的ではない。
【００１９】
一方で、ＡＮＡＭＭＯＸ反応にアンモニア性窒素が不足する場合には、反応後に亜硝酸性窒素が残留し、残留した高濃度の亜硝酸性窒素によりＡＮＡＭＭＯＸ微生物が阻害を受ける可能性がある。
【００２０】
従って、ＡＮＡＭＭＯＸ反応を行うＳＢＲ反応槽において、アンモニア性窒素も亜硝酸性窒素も高濃度に残留させないようにするためには、ＳＢＲ反応槽に導入する被処理水のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素との比率を、当該ＳＢＲ反応槽の処理状況に適当な値に調整する必要がある。このためには、アンモニア性窒素を含有する排水を硝化して排水中のアンモニア性窒素の一部を亜硝酸性窒素とする前段のアンモニア酸化工程における運転管理が重要となるが、従来において、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素との比率を適当な値に調整し得る運転管理手法は確立されていないのが現状である。
【００２１】
本発明者らは、本発明に到る研究の過程で、アンモニア性窒素濃度３００ｍｇ−Ｎ／Ｌ、８００ｍｇ−Ｎ／Ｌ、１５００ｍｇ−Ｎ／Ｌの各排水を、容積１０Ｌの硝化槽に導入してアンモニア性窒素の一部を亜硝酸性窒素に酸化し、この硝化液を容積１０Ｌの円筒型ＳＢＲ反応槽でＡＮＡＭＭＯＸ反応により脱窒処理を行った。ＡＮＡＭＭＯＸ反応後にアンモニア性窒素が残存しないことを目的として、アンモニア酸化工程で曝気量を増やし、亜硝酸性窒素がアンモニア性窒素の１．５倍以上となるよう運転すると、実際の硝化液中の亜硝酸性窒素の比率はアンモニア性窒素の１．８〜２．０倍となり、亜硝酸性窒素がＡＮＡＭＭＯＸ反応槽内で処理しきれずに残存し、特に高濃度のアンモニア性窒素を含有する排水の場合には、残存する亜硝酸性窒素が３５０ｍｇ−Ｎ／Ｌにも達し、これによりＡＮＡＭＭＯＸ微生物が阻害を受け、脱窒能を失うという問題が生じた。そこで、亜硝酸性窒素による阻害を受けないよう、アンモニア酸化工程で亜硝酸性窒素がアンモニア性窒素の１．３倍となることを目安として運転すると、実際の処理水中の亜硝酸性窒素の比率はアンモニア性窒素の１．０〜１．３倍となり、ＡＮＡＭＭＯＸ反応槽内でアンモニア性窒素が残存し、特に高濃度のアンモニア性窒素を含有する排水を処理する場合には、残存するアンモニア性窒素濃度は１７５ｍｇ−Ｎ／Ｌにも達し、その後の硝化脱窒処理の負荷が高いという問題が生じた。
【００２２】
このようにアンモニア酸化工程での亜硝酸化率を後段の脱窒状況に応じて設定することは非常に困難である。
【００２３】
本発明は上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、前述の如く、固液分離装置を別に設ける必要がなく反応槽の設置面積を小さくできる；反応槽が一槽のため管理が簡便である；撹拌には機械撹拌やガス撹拌などが利用でき、担体添加やＵＳＢ方式の場合のような厳密な撹拌速度の制御が必要ない；槽内が完全混合となるための高濃度の原水が流入しても即座に希釈され、高濃度基質による阻害が起きにくい；といった優れた利点を有するＳＢＲ方式（回分式）の反応槽を用いて、ＡＮＡＭＭＯＸ反応によりアンモニア性窒素を除去し、その後同一の反応槽内で残存する亜硝酸性窒素と生成した硝酸性窒素を脱窒処理することにより、後段の脱窒処理装置を不要とする生物脱窒処理方法を提供することを目的とする。
【００２４】
本発明はまた、ＡＮＡＭＭＯＸ反応処理水中のアンモニア性窒素の残存を防止して、窒素成分を殆ど含まない処理水を安定に得ることができる生物脱窒処理方法を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明の生物脱窒処理方法は、アンモニア性窒素を含有する原水を回分処理槽に供給し、該槽内の微生物の作用により脱窒する生物脱窒処理方法であって、
(1) アンモニア性窒素を含有する原水を回分処理槽に供給する原水供給工程と、
(2) アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素の存在下に、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脱窒微生物の作用により脱窒する第１脱窒工程と、
(3) 第１脱窒工程の脱窒処理液に電子供与体を添加してさらに脱窒する第２脱窒工程と、
(4) 第２脱窒工程の脱窒処理液を上澄液と沈殿汚泥と沈殿分離する分離工程と、
(5) 上澄液を排出する排出工程と
を繰り返し行い、前記第１の脱窒工程において、該回分処理槽内の亜硝酸性窒素の濃度が所定値以上となるまで、亜硝酸性窒素を段階的に添加する、或いは、該回分処理槽内のアンモニア性窒素の濃度が所定値以下となるまで、亜硝酸性窒素を段階的に添加することを特徴とする。
【００２６】
本発明では、回分処理槽にアンモニア性窒素を含有する原水を供給し、第１脱窒工程において、アンモニア性窒素をＡＮＡＭＭＯＸ微生物により除去する。そして、第２脱窒工程において第１脱窒工程で残存する亜硝酸性窒素と生成した硝酸性窒素を脱窒処理することにより、アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素が除去された良好な水質の処理水を得ることができ、後段の脱窒処理装置を不要とすることができる。
【００２７】
本発明の方法によれば、ＡＮＡＭＭＯＸ反応によるアンモニア性窒素の残留を防止し、反応後残留する亜硝酸性窒素と生成した硝酸性窒素を第２脱窒工程で脱窒処理することにより、窒素成分を殆ど含まない、高水質の処理水を得ることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の生物脱窒処理方法の実施の形態を詳細に説明する。
【００２９】
図１〜３は本発明の生物脱窒処理方法の実施に好適な回分処理槽（ＳＢＲ脱窒槽）を示す系統図である。図１〜３において同一機能を奏する部材には同一符号を付してある。
【００３０】
図１の回分処理槽１は撹拌機２を備え、原水を供給する原水供給配管３、処理水を排出する処理水排出配管４、第１脱窒工程の電子受容体としての亜硝酸性窒素含有液を添加する亜硝酸添加配管５及び第２脱窒工程の電子供与体としてのメタノールを添加するメタノール添加配管６が設けられている。各配管３，４，５，６にはそれぞれポンプＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が設けられている。回分処理槽１には、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物を含む汚泥が保持されている。
【００３１】
図１の回分処理槽１では、次のようにして回分式で生物脱窒処理が行われる。
【００３２】
(1) 原水供給工程
原水供給工程では、ポンプＰ１を作動させて、アンモニア性窒素を含有する原水の所定量を回分処理槽１に供給する。
【００３３】
(2) 第１脱窒工程
回分処理槽１に供給された原水中のアンモニア性窒素を、撹拌下、槽内のＡＮＡＭＭＯＸ微生物の作用により亜硝酸性窒素の存在下に脱窒処理する。従って、原水中に亜硝酸性窒素を含まない場合、或いは、ＡＮＡＭＭＯＸ反応に必要な亜硝酸性窒素が不足する場合には、ポンプＰ３を作動させて亜硝酸性窒素を含有する液を回分処理槽１に添加する。
【００３４】
この亜硝酸性窒素含有液は、亜硝酸や亜硝酸ナトリウム等の薬品の水溶液であっても良く、また、原水の一部を別途アンモニア酸化細菌により硝化処理してアンモニア性窒素を亜硝酸性窒素に転換したものであっても良く、他系統の亜硝酸性窒素含有排水であっても良い。
【００３５】
なお、アンモニア性窒素を含有する原水を予め硝化処理し、原水中のアンモニア性窒素の一部をアンモニア酸化細菌により亜硝酸性窒素に転換した液であれば、このような亜硝酸性窒素含有液の添加を不要とすることができる。
【００３６】
この場合、原水を硝化処理して得られる処理液中のアンモニア性窒素濃度と亜硝酸性窒素濃度の比は、ＮＨ４−Ｎ：ＮＯ２−Ｎ＝１：１〜２、特にＮＨ４−Ｎ：ＮＯ２−Ｎ＝１：１〜１．３の範囲であることが好ましい。この範囲よりもアンモニア性窒素が多いと、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物による第１脱窒工程の脱窒処理でアンモニア性窒素が残留し、このアンモニア性窒素は第２脱窒工程でも処理されないため、処理水中にアンモニア性窒素が残留することになる。また、この範囲よりも亜硝酸性窒素が多いと、回分処理槽内の亜硝酸性窒素濃度が高いことによりＡＮＡＭＭＯＸ微生物の活性が低下し、第１脱窒工程においてアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素が残留する。第１脱窒工程で残留した亜硝酸性窒素は第２脱窒工程で処理されるが、アンモニア性窒素は処理されないため、処理水中にアンモニア性窒素が残留することになる。
【００３７】
同様に、第１脱窒工程で回分処理槽１に亜硝酸性窒素含有液を添加する場合においても、回分処理槽１に導入されるアンモニア性窒素と回分処理槽１内の亜硝酸性窒素が上記範囲となるように亜硝酸性窒素含有液添加量を制御することが好ましい。
【００３８】
(3) 第２脱窒工程
第１脱窒工程終了後は、ポンプＰ４を作動させて回分処理槽１にメタノールを添加して、撹拌下、ＡＮＡＭＭＯＸ反応で生成した硝酸性窒素と残留する亜硝酸性窒素を脱窒処理する。この第２脱窒工程で添加する電子供与体としては、メタノール等の有機物（ＢＯＤ）が用いられるが、微生物への収率が低く、回分処理槽１内の従属栄養微生物の増殖を最低限に抑えることができる点で、メタノールを用いるのが好ましい。
【００３９】
なお、メタノールの添加量は残留する亜硝酸性窒素１モルに対して０．４〜０．６モル、硝酸性窒素１モルに対して０．８〜１モル程度とするのが好ましい。
【００４０】
(4) 分離工程
第２脱窒工程終了後は回分処理槽１内の撹拌を停止して槽内液を静置することにより、汚泥を沈降させて分離する。
【００４１】
(5) 排出工程
槽内液を固液分離した後、ポンプＰ２を作動させて回分処理槽１内の上澄液を処理水として排出する。
【００４２】
上澄液を排出した後は、上記(1)〜(5)の工程を繰り返す。
【００４３】
なお、上記(1)供給工程と(2)第１脱窒工程とは同時に行っても良い。この場合には、例えば、原水の供給を開始すると共に、或いは原水の供給開始後、原水の供給の終了前に亜硝酸性窒素含有液の添加を開始して第１脱窒工程を開始する。
【００４４】
ところで、第１脱窒工程においては、前述の如く原水中のアンモニア性窒素の量に対して共存する亜硝酸性窒素の量に過不足があると、アンモニア性窒素あるいは亜硝酸性窒素の残留で良好な水質の処理水を得ることができなくなる。従って、第１脱窒工程において、回分処理槽１に亜硝酸性窒素含有液を添加する場合には、亜硝酸性窒素含有液を段階的に添加して、槽内の亜硝酸性窒素濃度又はアンモニア性窒素濃度に基いて亜硝酸性窒素含有液の添加を終了する。
【００４５】
なお、回分処理槽１内の亜硝酸性窒素濃度又はアンモニア性窒素濃度の検出は、回分処理槽１内の液を自動又は手動でサンプリングし、亜硝酸性窒素濃度又はアンモニア性窒素濃度を測定することにより行うことができる。測定には試薬を用いて比色法で定量する方法、伝導度を測定するイオンクロマトグラフ法、イオン電極法などがあるが、設備費、迅速性、信頼性の観点からイオン電極による方法が好ましい。イオン電極法の原理は、基本的にｐＨ電極と類似しており、対象とする成分を選択的に通過する隔膜を用いて、電極内のイオン濃度から対象成分の液中濃度を検出する。いずれの方法も機器を用いて濃度計算されるため、検出した濃度を電気的に出力することができる。そして、この信号をもとに、亜硝酸性窒素含有液の添加ポンプ等の作動を制御することができる。
【００４６】
具体的には次のようにして亜硝酸性窒素含有液の添加制御を行うことができる。
【００４７】
（１） 亜硝酸性窒素濃度に基く添加制御
図２に示す如く、回分処理槽１内の亜硝酸性窒素濃度を検出する亜硝酸濃度検出装置８を設け、槽内の亜硝酸性窒素濃度に基いて亜硝酸性窒素含有液の添加を制御する。
【００４８】
この亜硝酸濃度検出装置８は、亜硝酸電極８Ａにより亜硝酸性窒素濃度を検出するものである。なお、亜硝酸性窒素濃度の検出にはｐＨ調整が必要であるため、図２では、回分処理槽１内の液を容器７に取り出し、ｐＨ調整液を添加して亜硝酸電極８Ａで亜硝酸性窒素濃度を測定する。亜硝酸濃度検出装置８は、この測定値に基いて、亜硝酸性窒素含有液の添加ポンプＰ３の作動を制御することができるように構成されている。
【００４９】
回分処理槽１内の亜硝酸性窒素濃度に基く制御を行うには、亜硝酸性窒素含有液を連続的あるいは段階的に添加する。添加速度は、槽内に保持される汚泥の活性に応じて決定することが好ましい。例えば、あらかじめ槽内汚泥を採取しアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を１０〜１００ｍｇ−Ｎ／Ｌ添加し、汚泥あたりの亜硝酸性窒素除去速度を測定しておく。槽内に保持される全汚泥量から槽内全体での亜硝酸性窒素の除去速度が算出される（例えばａ・ｇＮＯ２−Ｎ／ｈｒ）。連続的に添加する場合、亜硝酸性窒素の除去速度と同等以下の速度となるように添加し（例えば０．１〜０．９×ａ・ｇＮＯ２−Ｎ／ｈｒ）、槽内液の亜硝酸性窒素が所定値以上となったときに亜硝酸性窒素含有液の添加を停止する。段階的に添加する場合は、例えば５〜６０ｍｉｎに１回の頻度で槽内液に対して５〜５０ｍｇ−Ｎ／Ｌ程度亜硝酸性窒素を添加し、次の添加直前の槽内液の亜硝酸性窒素濃度が所定値以上となったときに亜硝酸性窒素含有液の添加を停止する。
【００５０】
この所定値は低過ぎると亜硝酸性窒素が不足してアンモニア性窒素が残留する恐れがあり、高過ぎると高濃度亜硝酸性窒素のためにＡＮＡＭＭＯＸ微生物が阻害を受ける恐れがあることから１〜５０ｍｇ−Ｎ／Ｌ、特に２〜２０ｍｇ−Ｎ／Ｌ程度とするのが好ましい。また、槽内液の亜硝酸性窒素濃度がこのような所定値以上となった時点で第１脱窒工程を終了することが好ましい。
【００５１】
従って、亜硝酸濃度検出装置８は、槽内の亜硝酸濃度の検出結果に基いて、亜硝酸性窒素含有液の添加ポンプＰ３の作動を停止する信号を出力すると共に、その後メタノールの添加ポンプＰ４の作動信号を出力するように構成しても良い。
【００５２】
（２） アンモニア性窒素濃度に基く添加制御
図３に示す如く、回分処理槽１内のアンモニア性窒素濃度を検出するアンモニア濃度検出装置９を設け、槽内のアンモニア性窒素濃度に基いて亜硝酸性窒素含有液の添加を制御する。
【００５３】
このアンモニア濃度検出装置９は、アンモニア電極９Ａによりアンモニア性窒素濃度を検出するものである。アンモニア濃度検出装置９は、この測定値に基いて、亜硝酸性窒素含有液の添加ポンプＰ３の作動を制御することができるように構成されている。
【００５４】
回分処理槽１内のアンモニア性窒素濃度に基く制御を行うには、亜硝酸性窒素含有液を連続的あるいは段階的に添加する。添加速度は、槽内に保持される汚泥の活性に応じて決定することが好ましい。例えば、あらかじめ槽内汚泥を採取しアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を１０〜１００ｍｇ−Ｎ／Ｌ添加し、汚泥あたりの亜硝酸性窒素除去速度を測定しておく。槽内に保持される全汚泥量から槽内全体での亜硝酸性窒素の除去速度が算出される（例えばａ・ｇＮＯ２−Ｎ／ｈｒ）。連続的に添加する場合、亜硝酸性窒素の除去速度と同等以下の速度となるように添加し（例えば０．１〜０．９×ａ・ｇＮＯ２−Ｎ／ｈｒ）、槽内液のアンモニア性窒素が所定値以下となったときに亜硝酸性窒素含有液の添加を停止する。段階的に添加する場合は、例えば５〜６０ｍｉｎに１回の頻度で槽内液に対して５〜５０ｍｇ−Ｎ／Ｌ程度亜硝酸性窒素を添加し、次の添加直前の槽内液のアンモニア性窒素濃度が所定値以下となったときに亜硝酸性窒素含有液の添加を停止する。
【００５５】
この所定値は高過ぎると亜硝酸性窒素が不足してアンモニア性窒素が残留する恐れがあり、低過ぎると高濃度亜硝酸性窒素のためにＡＮＡＭＭＯＸ微生物が阻害を受ける恐れがあることから１〜３０ｍｇ−Ｎ／Ｌ、特に１〜１０ｍｇ−Ｎ／Ｌ程度とするのが好ましい。また、槽内液のアンモニア性窒素濃度がこのような所定値以下となった時点で第１脱窒工程を終了することが好ましい。
【００５６】
従って、アンモニア濃度検出装置９は、槽内のアンモニア濃度の検出結果に基いて、亜硝酸性窒素含有液の添加ポンプＰ３の作動を停止する信号を出力すると共に、その後メタノールの添加ポンプＰ４の作動信号を出力するように構成しても良い。
【００５７】
このようにして、回分処理槽１の槽内液の亜硝酸性窒素濃度又はアンモニア性窒素濃度に基いて、亜硝酸性窒素含有液の添加制御と、第１脱窒工程の終点検出及び第２脱窒工程への移行を行うことにより、第１脱窒工程での亜硝酸性窒素の過不足を防止して、亜硝酸性窒素の残留を抑えた上で第２脱窒工程で除去し得ないアンモニア性窒素を十分に除去して、高水質の処理水を得ることができる。
【００５８】
なお、(3)第２脱窒工程の終了は、回分処理槽１内の硝酸性窒素濃度が設定濃度以下となったことを検知することにより知ることができる。また、従来の従属栄養微生物による脱窒反応と同様ＯＲＰの変化で知ることもできる。
【００５９】
本発明において、処理対象となる原水は、アンモニア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い。一般的には、下水、し尿、汚泥消化脱離液、その他工場排水、埋立浸出水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、これらを必要に応じて好気性又は嫌気性処理して有機物を分解して原水とすることが好ましい。
【００６０】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００６１】
比較例１
アンモニア４００ｍｇ−Ｎ／Ｌを含む原水を、図１に示す回分処理槽（容積１０Ｌ）で処理した。槽内にはＡＮＡＭＭＯＸ微生物を含む汚泥をＭＬＶＳＳ濃度で５０００ｍｇ／Ｌ保持し、温度３０℃、ｐＨ７．５に制御した。なお、回分処理槽の上部気相部に窒素ガスを通気して酸素の混入を防止した。
【００６２】
回分処理槽における操作及び所要時間は次の通りとし、１サイクル６ｈｒで運転した。
(1) 原水供給工程：１．５ｈｒ
原水４Ｌを回分処理槽に供給する。
(2) 第１脱窒工程：２．５ｈｒ
第１脱窒工程期間中、１００００ｍｇ／Ｌ亜硝酸水溶液８ｍＬを４ｍｉｎに１回の割合で回分処理槽に添加して撹拌した。
(3) 第２脱窒工程：１．０ｈｒ
亜硝酸水溶液の添加を停止して、第１脱窒工程を終了した後、メタノール２．２ｇを添加して撹拌し、第２脱窒工程を行った。
(4) 分離工程：０．５ｈｒ
撹拌を停止して槽内液を静置放置して沈殿分離した。
(5) 排出工程：０．５ｈｒ
上澄液を回分処理槽外に排出した。
【００６３】
このときの回分処理槽内の液量、ＮＨ４−Ｎ濃度、ＮＯ２−Ｎ濃度及びＮＯ３−Ｎ濃度の経時変化は図５に示す通りであり、窒素成分を殆ど含まない処理水を得ることができた。
【００６４】
ただし、この方法では、槽内のアンモニアがなくなった後も亜硝酸水溶液が添加されたため、第１脱窒工程終了後に１００ｍｇ−Ｎ／Ｌの亜硝酸が残留するという不具合があった。
【００６５】
実施例１
比較例１において、回分処理槽として図２に示す回分処理槽を用い、第１脱窒工程で、槽内亜硝酸濃度が１０ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上となったときに亜硝酸水溶液の添加を停止するようにしたこと以外は同様にして処理を行った。
【００６６】
亜硝酸濃度の測定には隔膜型亜硝酸電極を使用し、ｐＨを１に調整するためｐＨ調整液（無水硫酸ナトリウム１９０ｇ／Ｌ、硫酸５３ｍｌ／Ｌ）を添加して亜硝酸濃度の測定を行い、亜硝酸濃度が１０ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上となった時に電気信号を出力し、亜硝酸添加ポンプを停止させる運転を行った。
【００６７】
このときの回分処理槽内の液量、ＮＨ４−Ｎ濃度、ＮＯ２−Ｎ濃度及びＮＯ３−Ｎ濃度の経時変化は図４に示す通りであり、亜硝酸濃度の上昇を抑えて効率的な処理を行うことができた。なお、第２脱窒工程で添加したメタノール量は１．０５ｇであった。
【００６８】
実施例２
比較例１において、回分処理槽として、図３に示す回分処理槽を用い、第１脱窒工程で、槽内アンモニア濃度が１０ｍｇ−Ｎ／Ｌ以下となった時に、電気信号を出力し、亜硝酸添加ポンプを停止させて、亜硝酸水溶液の添加を終了するようにしたこと以外は同様にして処理を行った。
【００６９】
このときの回分処理槽内の液量、ＮＨ４−Ｎ濃度、ＮＯ２−Ｎ濃度及びＮＯ３−Ｎ濃度の経時変化は図６に示す通りであり、亜硝酸濃度の上昇を抑えて効率的な処理を行うことができた。なお、第２脱窒工程で添加したメタノール量は０．９８ｇであった。
【００７０】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の生物脱窒処理方法によれば、同一の回分処理槽で、ＡＮＡＭＭＯＸ反応によりアンモニア性窒素を除去した後、ＡＮＡＭＭＯＸ反応で残存する亜硝酸性窒素と生成した硝酸性窒素を脱窒処理することができ、これにより後段の脱窒処理装置を不要とすることができる。
【００７１】
本発明の方法によれば、ＡＮＡＭＭＯＸ反応によるアンモニア性窒素の残留を防止し、反応後残留する亜硝酸性窒素と生成した硝酸性窒素を第２脱窒工程で脱窒処理することにより、窒素成分を殆ど含まない、高水質の処理水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の生物脱窒処理方法の実施に好適な回分処理槽を示す系統図である。
【図２】 本発明の生物脱窒処理方法の実施に特に好適な回分処理槽を示す系統図である。
【図３】 本発明の生物脱窒処理方法の実施に特に好適な回分処理槽を示す系統図である。
【図４】 実施例１における回分処理槽内の液量、ＮＨ４−Ｎ濃度、ＮＯ２−Ｎ濃度及びＮＯ３−Ｎ濃度の経時変化を示すグラフである。
【図５】 比較例１における回分処理槽内の液量、ＮＨ４−Ｎ濃度、ＮＯ２−Ｎ濃度及びＮＯ３−Ｎ濃度の経時変化を示すグラフである。
【図６】 実施例２における回分処理槽内の液量、ＮＨ４−Ｎ濃度、ＮＯ２−Ｎ濃度及びＮＯ３−Ｎ濃度の経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 回分処理槽
２ 撹拌機
８ 亜硝酸濃度検出装置
８Ａ 亜硝酸電極
９ アンモニア濃度検出装置
９Ａ アンモニア電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア性窒素を含む原水中のアンモニア性窒素を、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脱窒微生物の作用により亜硝酸性窒素の存在下に生物脱窒する生物脱窒処理方法に関する。
【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Ｎ２Ｏ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（以下「ＡＮＡＭＭＯＸ微生物」と称す。）を利用する生物脱窒プロセス（ＡＮＡＭＭＯＸプロセス）は、Strous, M. et. al., Appl. Microbiol. Biotechnol. Vol.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】
即ち、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物を利用して脱窒処理を行う場合、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物を保持するＡＮＡＭＭＯＸ反応槽に流入する被処理水（原水）は、アンモニア性窒素（ＮＨ４−Ｎ）に対し、亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）を０．５〜２倍、特に１〜１．５倍の割合で含むことが好ましい。
【０００８】
上記ＡＮＡＭＭＯＸ微生物を利用することにより、従来の硝化脱窒と比較して曝気量の低減、メタノール等の有機物添加量の削減、余剰汚泥の低減が可能となる。
【０００９】
なお、反応生成物として窒素の他に硝酸が生成する。このため、ＡＮＡＭＭＯＸ反応後に生成した硝酸を還元して窒素ガスに変換する脱窒処理が必要となる。
【００１０】
ところで、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物は独立栄養性微生物であり、収率が低く増殖速度が遅い。その比増殖速度は、最大で０．０６５ｄａｙ−１（１日で１．０６５倍に増殖する）と報告されている。実際の培養では、処理水中の基質濃度は低く、生物のフロック内部まで十分に基質が浸透しないため、比増殖速度は０．０２〜０．０５ｄａｙ−１程度の値となる。
【００１１】
ＡＮＡＭＭＯＸ微生物の活性に阻害を与える要因としては、酸素の混入と高濃度亜硝酸への暴露がある。即ち、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物は、酸素に対する耐性は低く、酸素分圧１％においても不可逆的に阻害を受ける。亜硝酸による阻害は、亜硝酸性窒素濃度５０〜２００ｍｇ／Ｌ程度から生じ、高濃度ほど阻害作用が大きくなると言われている（Strous, M. et. al., Appl. Environ. Microbiol. Vol.65 (7),
p.3248-3250 (1999)）。
【００１２】
ＡＮＡＭＭＯＸ微生物を利用した反応槽方式としては、例えば、砂やプラスチック、スポンジ、ゲルなど、微生物を付着させた担体を充填したカラムに、上向流又は下向流で排水を通水する方法が用いられる。反応槽の負荷は担体表面に付着した微生物量で決定され、担体の比表面積が大きいほど保持できる微生物量が多くなり、高い負荷を取ることができる。
【００１３】
また、槽内に浮遊状態で保持した微生物を利用する方式も用いられる。この方式の場合、後段に固液分離装置を設け、濃縮された微生物を反応槽へ返送し、反応槽内の微生物濃度を高めることにより高い負荷を得る手法がある。
【００１４】
更に、グラニュール状にした汚泥を反応槽内に充填し、上向流で通水するＵＳＢ（Upflow Sludge Bed：上向流汚泥床）方式も利用できる。この場合、槽内に保持できる微生物濃度は上記担体添加、浮遊形式よりも高くでき、そのため高い容積負荷を得ることが可能である。グラニュールの径は０．２５〜２．５ｍｍに維持するのが処理効率の面で好ましい。グラニュールの径は、反応により発生するガスによる槽内液の撹拌によって生じる剪断力と、槽内上向流の流速の影響を受け、また、適度な上向流速を保持して、グラニュールと被処理水とを効果的に接触させて高い処理効率を得るために、運転に際しては上向流速の管理が重要である。このため、発生ガスにより槽内液を撹拌すると共に、処理水の一部を循環して適度な上向流速を確保することが行われている。また、槽内に保持できるグラニュール量は装置上部に設置したＧＳＳ（固液分離装置）の性能にも影響を受けるため、この形状も重要である。
【００１５】
反応槽の方式としては、ＳＢＲ方式（回分式反応槽）も報告されている（Strous, M. et. al., Appl. Microbiol. Biotechnol. Vol.50, p.589-596
(1998)。この方式は、浮遊状態或いはペレット状態の汚泥を反応槽内に保持し、被処理水を添加して撹拌することで被処理水と微生物とを接触させ、処理終了後撹拌を止め、反応槽内で微生物を沈殿させて上澄水を処理水として排出するものである。この反応槽の利点は、固液分離装置を別に設ける必要がなく反応槽の設置面積を小さくできること、反応槽が一槽のため管理が簡便であること、撹拌には機械撹拌やガス撹拌などが利用でき、担体添加やＵＳＢ方式の場合のような厳密な撹拌強度の制御が必要ないこと、槽内が完全混合となるため高濃度の原水が流入しても即座に希釈され、高濃度基質による阻害が起きにくいことなどが挙げられる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来においては、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物による脱窒処理にＳＢＲ方式を採用する技術は十分に確立されていない。
【００１７】
従来、ＳＢＲ方式を利用したＡＮＡＭＭＯＸ反応としては、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を同濃度で含む合成排水を処理したものが報告されており、この場合、反応終了後の反応槽内には亜硝酸性窒素は検出されず、アンモニア性窒素と硝酸性窒素が常時存在することとなる。即ち、前述のＡＮＡＭＭＯＸ反応の反応式からも明らかなように、反応にはアンモニア性窒素に対して亜硝酸性窒素を多く必要とし、また、反応生成物として硝酸性窒素が生成する。従って、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを同濃度で含む排水を処理した場合には、亜硝酸性窒素は消費され、アンモニア性窒素が残留し、硝酸性窒素が生成する。
【００１８】
ＡＮＡＭＭＯＸ反応では硝酸性窒素が反応生成物として生成することは知られており、従って、後段で硝酸性窒素を還元して窒素ガスに変換する脱窒処理が必要となるが、この脱窒処理では残存するアンモニア性窒素を処理することはできない。従って、ＳＢＲ反応槽内に残存するアンモニア性窒素と硝酸性窒素を処理するためには、後段でアンモニア性窒素を酸化し、酸化態窒素を脱窒するという二段階の処理を必要とするため、実用的ではない。
【００１９】
一方で、ＡＮＡＭＭＯＸ反応にアンモニア性窒素が不足する場合には、反応後に亜硝酸性窒素が残留し、残留した高濃度の亜硝酸性窒素によりＡＮＡＭＭＯＸ微生物が阻害を受ける可能性がある。
【００２０】
従って、ＡＮＡＭＭＯＸ反応を行うＳＢＲ反応槽において、アンモニア性窒素も亜硝酸性窒素も高濃度に残留させないようにするためには、ＳＢＲ反応槽に導入する被処理水のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素との比率を、当該ＳＢＲ反応槽の処理状況に適当な値に調整する必要がある。このためには、アンモニア性窒素を含有する排水を硝化して排水中のアンモニア性窒素の一部を亜硝酸性窒素とする前段のアンモニア酸化工程における運転管理が重要となるが、従来において、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素との比率を適当な値に調整し得る運転管理手法は確立されていないのが現状である。
【００２１】
本発明者らは、本発明に到る研究の過程で、アンモニア性窒素濃度３００ｍｇ−Ｎ／Ｌ、８００ｍｇ−Ｎ／Ｌ、１５００ｍｇ−Ｎ／Ｌの各排水を、容積１０Ｌの硝化槽に導入してアンモニア性窒素の一部を亜硝酸性窒素に酸化し、この硝化液を容積１０Ｌの円筒型ＳＢＲ反応槽でＡＮＡＭＭＯＸ反応により脱窒処理を行った。ＡＮＡＭＭＯＸ反応後にアンモニア性窒素が残存しないことを目的として、アンモニア酸化工程で曝気量を増やし、亜硝酸性窒素がアンモニア性窒素の１．５倍以上となるよう運転すると、実際の硝化液中の亜硝酸性窒素の比率はアンモニア性窒素の１．８〜２．０倍となり、亜硝酸性窒素がＡＮＡＭＭＯＸ反応槽内で処理しきれずに残存し、特に高濃度のアンモニア性窒素を含有する排水の場合には、残存する亜硝酸性窒素が３５０ｍｇ−Ｎ／Ｌにも達し、これによりＡＮＡＭＭＯＸ微生物が阻害を受け、脱窒能を失うという問題が生じた。そこで、亜硝酸性窒素による阻害を受けないよう、アンモニア酸化工程で亜硝酸性窒素がアンモニア性窒素の１．３倍となることを目安として運転すると、実際の処理水中の亜硝酸性窒素の比率はアンモニア性窒素の１．０〜１．３倍となり、ＡＮＡＭＭＯＸ反応槽内でアンモニア性窒素が残存し、特に高濃度のアンモニア性窒素を含有する排水を処理する場合には、残存するアンモニア性窒素濃度は１７５ｍｇ−Ｎ／Ｌにも達し、その後の硝化脱窒処理の負荷が高いという問題が生じた。
【００２２】
このようにアンモニア酸化工程での亜硝酸化率を後段の脱窒状況に応じて設定することは非常に困難である。
【００２３】
本発明は上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、前述の如く、固液分離装置を別に設ける必要がなく反応槽の設置面積を小さくできる；反応槽が一槽のため管理が簡便である；撹拌には機械撹拌やガス撹拌などが利用でき、担体添加やＵＳＢ方式の場合のような厳密な撹拌速度の制御が必要ない；槽内が完全混合となるための高濃度の原水が流入しても即座に希釈され、高濃度基質による阻害が起きにくい；といった優れた利点を有するＳＢＲ方式（回分式）の反応槽を用いて、ＡＮＡＭＭＯＸ反応によりアンモニア性窒素を除去し、その後同一の反応槽内で残存する亜硝酸性窒素と生成した硝酸性窒素を脱窒処理することにより、後段の脱窒処理装置を不要とする生物脱窒処理方法を提供することを目的とする。
【００２４】
本発明はまた、ＡＮＡＭＭＯＸ反応処理水中のアンモニア性窒素の残存を防止して、窒素成分を殆ど含まない処理水を安定に得ることができる生物脱窒処理方法を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明の生物脱窒処理方法は、アンモニア性窒素を含有する原水を回分処理槽に供給し、該槽内の微生物の作用により脱窒する生物脱窒処理方法であって、
(1) アンモニア性窒素を含有する原水を回分処理槽に供給する原水供給工程と、
(2) アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素の存在下に、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脱窒微生物の作用により脱窒する第１脱窒工程と、
(3) 第１脱窒工程の脱窒処理液に電子供与体を添加してさらに脱窒する第２脱窒工程と、
(4) 第２脱窒工程の脱窒処理液を上澄液と沈殿汚泥と沈殿分離する分離工程と、
(5) 上澄液を排出する排出工程と
を繰り返し行い、前記第１の脱窒工程において、該回分処理槽内の亜硝酸性窒素の濃度が所定値以上となるまで、亜硝酸性窒素を段階的に添加する、或いは、該回分処理槽内のアンモニア性窒素の濃度が所定値以下となるまで、亜硝酸性窒素を段階的に添加することを特徴とする。
【００２６】
本発明では、回分処理槽にアンモニア性窒素を含有する原水を供給し、第１脱窒工程において、アンモニア性窒素をＡＮＡＭＭＯＸ微生物により除去する。そして、第２脱窒工程において第１脱窒工程で残存する亜硝酸性窒素と生成した硝酸性窒素を脱窒処理することにより、アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素が除去された良好な水質の処理水を得ることができ、後段の脱窒処理装置を不要とすることができる。
【００２７】
本発明の方法によれば、ＡＮＡＭＭＯＸ反応によるアンモニア性窒素の残留を防止し、反応後残留する亜硝酸性窒素と生成した硝酸性窒素を第２脱窒工程で脱窒処理することにより、窒素成分を殆ど含まない、高水質の処理水を得ることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の生物脱窒処理方法の実施の形態を詳細に説明する。
【００２９】
図１〜３は本発明の生物脱窒処理方法の実施に好適な回分処理槽（ＳＢＲ脱窒槽）を示す系統図である。図１〜３において同一機能を奏する部材には同一符号を付してある。
【００３０】
図１の回分処理槽１は撹拌機２を備え、原水を供給する原水供給配管３、処理水を排出する処理水排出配管４、第１脱窒工程の電子受容体としての亜硝酸性窒素含有液を添加する亜硝酸添加配管５及び第２脱窒工程の電子供与体としてのメタノールを添加するメタノール添加配管６が設けられている。各配管３，４，５，６にはそれぞれポンプＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が設けられている。回分処理槽１には、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物を含む汚泥が保持されている。
【００３１】
図１の回分処理槽１では、次のようにして回分式で生物脱窒処理が行われる。
【００３２】
(1) 原水供給工程
原水供給工程では、ポンプＰ１を作動させて、アンモニア性窒素を含有する原水の所定量を回分処理槽１に供給する。
【００３３】
(2) 第１脱窒工程
回分処理槽１に供給された原水中のアンモニア性窒素を、撹拌下、槽内のＡＮＡＭＭＯＸ微生物の作用により亜硝酸性窒素の存在下に脱窒処理する。従って、原水中に亜硝酸性窒素を含まない場合、或いは、ＡＮＡＭＭＯＸ反応に必要な亜硝酸性窒素が不足する場合には、ポンプＰ３を作動させて亜硝酸性窒素を含有する液を回分処理槽１に添加する。
【００３４】
この亜硝酸性窒素含有液は、亜硝酸や亜硝酸ナトリウム等の薬品の水溶液であっても良く、また、原水の一部を別途アンモニア酸化細菌により硝化処理してアンモニア性窒素を亜硝酸性窒素に転換したものであっても良く、他系統の亜硝酸性窒素含有排水であっても良い。
【００３５】
なお、アンモニア性窒素を含有する原水を予め硝化処理し、原水中のアンモニア性窒素の一部をアンモニア酸化細菌により亜硝酸性窒素に転換した液であれば、このような亜硝酸性窒素含有液の添加を不要とすることができる。
【００３６】
この場合、原水を硝化処理して得られる処理液中のアンモニア性窒素濃度と亜硝酸性窒素濃度の比は、ＮＨ４−Ｎ：ＮＯ２−Ｎ＝１：１〜２、特にＮＨ４−Ｎ：ＮＯ２−Ｎ＝１：１〜１．３の範囲であることが好ましい。この範囲よりもアンモニア性窒素が多いと、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物による第１脱窒工程の脱窒処理でアンモニア性窒素が残留し、このアンモニア性窒素は第２脱窒工程でも処理されないため、処理水中にアンモニア性窒素が残留することになる。また、この範囲よりも亜硝酸性窒素が多いと、回分処理槽内の亜硝酸性窒素濃度が高いことによりＡＮＡＭＭＯＸ微生物の活性が低下し、第１脱窒工程においてアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素が残留する。第１脱窒工程で残留した亜硝酸性窒素は第２脱窒工程で処理されるが、アンモニア性窒素は処理されないため、処理水中にアンモニア性窒素が残留することになる。
【００３７】
同様に、第１脱窒工程で回分処理槽１に亜硝酸性窒素含有液を添加する場合においても、回分処理槽１に導入されるアンモニア性窒素と回分処理槽１内の亜硝酸性窒素が上記範囲となるように亜硝酸性窒素含有液添加量を制御することが好ましい。
【００３８】
(3) 第２脱窒工程
第１脱窒工程終了後は、ポンプＰ４を作動させて回分処理槽１にメタノールを添加して、撹拌下、ＡＮＡＭＭＯＸ反応で生成した硝酸性窒素と残留する亜硝酸性窒素を脱窒処理する。この第２脱窒工程で添加する電子供与体としては、メタノール等の有機物（ＢＯＤ）が用いられるが、微生物への収率が低く、回分処理槽１内の従属栄養微生物の増殖を最低限に抑えることができる点で、メタノールを用いるのが好ましい。
【００３９】
なお、メタノールの添加量は残留する亜硝酸性窒素１モルに対して０．４〜０．６モル、硝酸性窒素１モルに対して０．８〜１モル程度とするのが好ましい。
【００４０】
(4) 分離工程
第２脱窒工程終了後は回分処理槽１内の撹拌を停止して槽内液を静置することにより、汚泥を沈降させて分離する。
【００４１】
(5) 排出工程
槽内液を固液分離した後、ポンプＰ２を作動させて回分処理槽１内の上澄液を処理水として排出する。
【００４２】
上澄液を排出した後は、上記(1)〜(5)の工程を繰り返す。
【００４３】
なお、上記(1)供給工程と(2)第１脱窒工程とは同時に行っても良い。この場合には、例えば、原水の供給を開始すると共に、或いは原水の供給開始後、原水の供給の終了前に亜硝酸性窒素含有液の添加を開始して第１脱窒工程を開始する。
【００４４】
ところで、第１脱窒工程においては、前述の如く原水中のアンモニア性窒素の量に対して共存する亜硝酸性窒素の量に過不足があると、アンモニア性窒素あるいは亜硝酸性窒素の残留で良好な水質の処理水を得ることができなくなる。従って、第１脱窒工程において、回分処理槽１に亜硝酸性窒素含有液を添加する場合には、亜硝酸性窒素含有液を段階的に添加して、槽内の亜硝酸性窒素濃度又はアンモニア性窒素濃度に基いて亜硝酸性窒素含有液の添加を終了する。
【００４５】
なお、回分処理槽１内の亜硝酸性窒素濃度又はアンモニア性窒素濃度の検出は、回分処理槽１内の液を自動又は手動でサンプリングし、亜硝酸性窒素濃度又はアンモニア性窒素濃度を測定することにより行うことができる。測定には試薬を用いて比色法で定量する方法、伝導度を測定するイオンクロマトグラフ法、イオン電極法などがあるが、設備費、迅速性、信頼性の観点からイオン電極による方法が好ましい。イオン電極法の原理は、基本的にｐＨ電極と類似しており、対象とする成分を選択的に通過する隔膜を用いて、電極内のイオン濃度から対象成分の液中濃度を検出する。いずれの方法も機器を用いて濃度計算されるため、検出した濃度を電気的に出力することができる。そして、この信号をもとに、亜硝酸性窒素含有液の添加ポンプ等の作動を制御することができる。
【００４６】
具体的には次のようにして亜硝酸性窒素含有液の添加制御を行うことができる。
【００４７】
（１） 亜硝酸性窒素濃度に基く添加制御
図２に示す如く、回分処理槽１内の亜硝酸性窒素濃度を検出する亜硝酸濃度検出装置８を設け、槽内の亜硝酸性窒素濃度に基いて亜硝酸性窒素含有液の添加を制御する。
【００４８】
この亜硝酸濃度検出装置８は、亜硝酸電極８Ａにより亜硝酸性窒素濃度を検出するものである。なお、亜硝酸性窒素濃度の検出にはｐＨ調整が必要であるため、図２では、回分処理槽１内の液を容器７に取り出し、ｐＨ調整液を添加して亜硝酸電極８Ａで亜硝酸性窒素濃度を測定する。亜硝酸濃度検出装置８は、この測定値に基いて、亜硝酸性窒素含有液の添加ポンプＰ３の作動を制御することができるように構成されている。
【００４９】
回分処理槽１内の亜硝酸性窒素濃度に基く制御を行うには、亜硝酸性窒素含有液を連続的あるいは段階的に添加する。添加速度は、槽内に保持される汚泥の活性に応じて決定することが好ましい。例えば、あらかじめ槽内汚泥を採取しアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を１０〜１００ｍｇ−Ｎ／Ｌ添加し、汚泥あたりの亜硝酸性窒素除去速度を測定しておく。槽内に保持される全汚泥量から槽内全体での亜硝酸性窒素の除去速度が算出される（例えばａ・ｇＮＯ２−Ｎ／ｈｒ）。連続的に添加する場合、亜硝酸性窒素の除去速度と同等以下の速度となるように添加し（例えば０．１〜０．９×ａ・ｇＮＯ２−Ｎ／ｈｒ）、槽内液の亜硝酸性窒素が所定値以上となったときに亜硝酸性窒素含有液の添加を停止する。段階的に添加する場合は、例えば５〜６０ｍｉｎに１回の頻度で槽内液に対して５〜５０ｍｇ−Ｎ／Ｌ程度亜硝酸性窒素を添加し、次の添加直前の槽内液の亜硝酸性窒素濃度が所定値以上となったときに亜硝酸性窒素含有液の添加を停止する。
【００５０】
この所定値は低過ぎると亜硝酸性窒素が不足してアンモニア性窒素が残留する恐れがあり、高過ぎると高濃度亜硝酸性窒素のためにＡＮＡＭＭＯＸ微生物が阻害を受ける恐れがあることから１〜５０ｍｇ−Ｎ／Ｌ、特に２〜２０ｍｇ−Ｎ／Ｌ程度とするのが好ましい。また、槽内液の亜硝酸性窒素濃度がこのような所定値以上となった時点で第１脱窒工程を終了することが好ましい。
【００５１】
従って、亜硝酸濃度検出装置８は、槽内の亜硝酸濃度の検出結果に基いて、亜硝酸性窒素含有液の添加ポンプＰ３の作動を停止する信号を出力すると共に、その後メタノールの添加ポンプＰ４の作動信号を出力するように構成しても良い。
【００５２】
（２） アンモニア性窒素濃度に基く添加制御
図３に示す如く、回分処理槽１内のアンモニア性窒素濃度を検出するアンモニア濃度検出装置９を設け、槽内のアンモニア性窒素濃度に基いて亜硝酸性窒素含有液の添加を制御する。
【００５３】
このアンモニア濃度検出装置９は、アンモニア電極９Ａによりアンモニア性窒素濃度を検出するものである。アンモニア濃度検出装置９は、この測定値に基いて、亜硝酸性窒素含有液の添加ポンプＰ３の作動を制御することができるように構成されている。
【００５４】
回分処理槽１内のアンモニア性窒素濃度に基く制御を行うには、亜硝酸性窒素含有液を連続的あるいは段階的に添加する。添加速度は、槽内に保持される汚泥の活性に応じて決定することが好ましい。例えば、あらかじめ槽内汚泥を採取しアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を１０〜１００ｍｇ−Ｎ／Ｌ添加し、汚泥あたりの亜硝酸性窒素除去速度を測定しておく。槽内に保持される全汚泥量から槽内全体での亜硝酸性窒素の除去速度が算出される（例えばａ・ｇＮＯ２−Ｎ／ｈｒ）。連続的に添加する場合、亜硝酸性窒素の除去速度と同等以下の速度となるように添加し（例えば０．１〜０．９×ａ・ｇＮＯ２−Ｎ／ｈｒ）、槽内液のアンモニア性窒素が所定値以下となったときに亜硝酸性窒素含有液の添加を停止する。段階的に添加する場合は、例えば５〜６０ｍｉｎに１回の頻度で槽内液に対して５〜５０ｍｇ−Ｎ／Ｌ程度亜硝酸性窒素を添加し、次の添加直前の槽内液のアンモニア性窒素濃度が所定値以下となったときに亜硝酸性窒素含有液の添加を停止する。
【００５５】
この所定値は高過ぎると亜硝酸性窒素が不足してアンモニア性窒素が残留する恐れがあり、低過ぎると高濃度亜硝酸性窒素のためにＡＮＡＭＭＯＸ微生物が阻害を受ける恐れがあることから１〜３０ｍｇ−Ｎ／Ｌ、特に１〜１０ｍｇ−Ｎ／Ｌ程度とするのが好ましい。また、槽内液のアンモニア性窒素濃度がこのような所定値以下となった時点で第１脱窒工程を終了することが好ましい。
【００５６】
従って、アンモニア濃度検出装置９は、槽内のアンモニア濃度の検出結果に基いて、亜硝酸性窒素含有液の添加ポンプＰ３の作動を停止する信号を出力すると共に、その後メタノールの添加ポンプＰ４の作動信号を出力するように構成しても良い。
【００５７】
このようにして、回分処理槽１の槽内液の亜硝酸性窒素濃度又はアンモニア性窒素濃度に基いて、亜硝酸性窒素含有液の添加制御と、第１脱窒工程の終点検出及び第２脱窒工程への移行を行うことにより、第１脱窒工程での亜硝酸性窒素の過不足を防止して、亜硝酸性窒素の残留を抑えた上で第２脱窒工程で除去し得ないアンモニア性窒素を十分に除去して、高水質の処理水を得ることができる。
【００５８】
なお、(3)第２脱窒工程の終了は、回分処理槽１内の硝酸性窒素濃度が設定濃度以下となったことを検知することにより知ることができる。また、従来の従属栄養微生物による脱窒反応と同様ＯＲＰの変化で知ることもできる。
【００５９】
本発明において、処理対象となる原水は、アンモニア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い。一般的には、下水、し尿、汚泥消化脱離液、その他工場排水、埋立浸出水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、これらを必要に応じて好気性又は嫌気性処理して有機物を分解して原水とすることが好ましい。
【００６０】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００６１】
比較例１
アンモニア４００ｍｇ−Ｎ／Ｌを含む原水を、図１に示す回分処理槽（容積１０Ｌ）で処理した。槽内にはＡＮＡＭＭＯＸ微生物を含む汚泥をＭＬＶＳＳ濃度で５０００ｍｇ／Ｌ保持し、温度３０℃、ｐＨ７．５に制御した。なお、回分処理槽の上部気相部に窒素ガスを通気して酸素の混入を防止した。
【００６２】
回分処理槽における操作及び所要時間は次の通りとし、１サイクル６ｈｒで運転した。
(1) 原水供給工程：１．５ｈｒ
原水４Ｌを回分処理槽に供給する。
(2) 第１脱窒工程：２．５ｈｒ
第１脱窒工程期間中、１００００ｍｇ／Ｌ亜硝酸水溶液８ｍＬを４ｍｉｎに１回の割合で回分処理槽に添加して撹拌した。
(3) 第２脱窒工程：１．０ｈｒ
亜硝酸水溶液の添加を停止して、第１脱窒工程を終了した後、メタノール２．２ｇを添加して撹拌し、第２脱窒工程を行った。
(4) 分離工程：０．５ｈｒ
撹拌を停止して槽内液を静置放置して沈殿分離した。
(5) 排出工程：０．５ｈｒ
上澄液を回分処理槽外に排出した。
【００６３】
このときの回分処理槽内の液量、ＮＨ４−Ｎ濃度、ＮＯ２−Ｎ濃度及びＮＯ３−Ｎ濃度の経時変化は図５に示す通りであり、窒素成分を殆ど含まない処理水を得ることができた。
【００６４】
ただし、この方法では、槽内のアンモニアがなくなった後も亜硝酸水溶液が添加されたため、第１脱窒工程終了後に１００ｍｇ−Ｎ／Ｌの亜硝酸が残留するという不具合があった。
【００６５】
実施例１
比較例１において、回分処理槽として図２に示す回分処理槽を用い、第１脱窒工程で、槽内亜硝酸濃度が１０ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上となったときに亜硝酸水溶液の添加を停止するようにしたこと以外は同様にして処理を行った。
【００６６】
亜硝酸濃度の測定には隔膜型亜硝酸電極を使用し、ｐＨを１に調整するためｐＨ調整液（無水硫酸ナトリウム１９０ｇ／Ｌ、硫酸５３ｍｌ／Ｌ）を添加して亜硝酸濃度の測定を行い、亜硝酸濃度が１０ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上となった時に電気信号を出力し、亜硝酸添加ポンプを停止させる運転を行った。
【００６７】
このときの回分処理槽内の液量、ＮＨ４−Ｎ濃度、ＮＯ２−Ｎ濃度及びＮＯ３−Ｎ濃度の経時変化は図４に示す通りであり、亜硝酸濃度の上昇を抑えて効率的な処理を行うことができた。なお、第２脱窒工程で添加したメタノール量は１．０５ｇであった。
【００６８】
実施例２
比較例１において、回分処理槽として、図３に示す回分処理槽を用い、第１脱窒工程で、槽内アンモニア濃度が１０ｍｇ−Ｎ／Ｌ以下となった時に、電気信号を出力し、亜硝酸添加ポンプを停止させて、亜硝酸水溶液の添加を終了するようにしたこと以外は同様にして処理を行った。
【００６９】
このときの回分処理槽内の液量、ＮＨ４−Ｎ濃度、ＮＯ２−Ｎ濃度及びＮＯ３−Ｎ濃度の経時変化は図６に示す通りであり、亜硝酸濃度の上昇を抑えて効率的な処理を行うことができた。なお、第２脱窒工程で添加したメタノール量は０．９８ｇであった。
【００７０】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の生物脱窒処理方法によれば、同一の回分処理槽で、ＡＮＡＭＭＯＸ反応によりアンモニア性窒素を除去した後、ＡＮＡＭＭＯＸ反応で残存する亜硝酸性窒素と生成した硝酸性窒素を脱窒処理することができ、これにより後段の脱窒処理装置を不要とすることができる。
【００７１】
本発明の方法によれば、ＡＮＡＭＭＯＸ反応によるアンモニア性窒素の残留を防止し、反応後残留する亜硝酸性窒素と生成した硝酸性窒素を第２脱窒工程で脱窒処理することにより、窒素成分を殆ど含まない、高水質の処理水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の生物脱窒処理方法の実施に好適な回分処理槽を示す系統図である。
【図２】 本発明の生物脱窒処理方法の実施に特に好適な回分処理槽を示す系統図である。
【図３】 本発明の生物脱窒処理方法の実施に特に好適な回分処理槽を示す系統図である。
【図４】 実施例１における回分処理槽内の液量、ＮＨ４−Ｎ濃度、ＮＯ２−Ｎ濃度及びＮＯ３−Ｎ濃度の経時変化を示すグラフである。
【図５】 比較例１における回分処理槽内の液量、ＮＨ４−Ｎ濃度、ＮＯ２−Ｎ濃度及びＮＯ３−Ｎ濃度の経時変化を示すグラフである。
【図６】 実施例２における回分処理槽内の液量、ＮＨ４−Ｎ濃度、ＮＯ２−Ｎ濃度及びＮＯ３−Ｎ濃度の経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 回分処理槽
２ 撹拌機
８ 亜硝酸濃度検出装置
８Ａ 亜硝酸電極
９ アンモニア濃度検出装置
９Ａ アンモニア電極
Claims (4)
- アンモニア性窒素を含有する原水を回分処理槽に供給し、該槽内の微生物の作用により脱窒する生物脱窒処理方法であって、
(1) アンモニア性窒素を含有する原水を回分処理槽に供給する原水供給工程と、
(2) アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素の存在下に、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脱窒微生物の作用により脱窒する第１脱窒工程と、
(3) 第１脱窒工程の脱窒処理液に電子供与体を添加してさらに脱窒する第２脱窒工程と、
(4) 第２脱窒工程の脱窒処理液を上澄液と沈殿汚泥と沈殿分離する分離工程と、
(5) 上澄液を排出する排出工程と
を繰り返し行い、
前記第１の脱窒工程において、該回分処理槽内の亜硝酸性窒素の濃度が所定値以上となるまで、亜硝酸性窒素を段階的に添加することを特徴とする生物脱窒処理方法。 - 前記第１の脱窒工程において、該回分処理槽内の亜硝酸性窒素の濃度が所定値になった時点で第２の脱窒工程に移行することを特徴とする請求項１に記載の生物脱窒処理方法。
- アンモニア性窒素を含有する原水を回分処理槽に供給し、該槽内の微生物の作用により脱窒する生物脱窒処理方法であって、
(1) アンモニア性窒素を含有する原水を回分処理槽に供給する原水供給工程と、
(2) アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素の存在下に、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脱窒微生物の作用により脱窒する第１脱窒工程と、
(3) 第１脱窒工程の脱窒処理液に電子供与体を添加してさらに脱窒する第２脱窒工程と、
(4) 第２脱窒工程の脱窒処理液を上澄液と沈殿汚泥と沈殿分離する分離工程と、
(5) 上澄液を排出する排出工程と
を繰り返し行い、
前記第１の脱窒工程において、該回分処理槽内のアンモニア性窒素の濃度が所定値以下となるまで、亜硝酸性窒素を段階的に添加することを特徴とする生物脱窒処理方法。 - 前記第１の脱窒工程において、該回分処理槽内のアンモニア性窒素の濃度が所定値になった時点で第２の脱窒工程に移行することを特徴とする請求項３に記載の生物脱窒処理方法。
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