JP5055667B2 - 生物脱窒方法及び生物脱窒装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を含有する原水を、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独立栄養性脱窒微生物の作用で生物脱窒する方法及び装置に係り、特に、この生物脱窒において、独立栄養性脱窒微生物の活性低下ないし処理率の低下を早期に検知して安定かつ効率的な生物脱窒を行うための生物脱窒方法及び生物脱窒装置に関する。
【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(自己栄養細菌)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」と称す場合がある。)を利用する生物脱窒プロセスは、Strous, M, et al., Appl. Microbiol. Biotecnol., 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】
【発明が解決しようとする課題】
上記生物脱窒法で反応に関与するANAMMOX微生物は、高濃度の亜硝酸性窒素存在下では阻害を受け、活性が低下する。このため何らかの原因でANAMMOX微生物の活性が低下した場合或いは処理能力以上の高負荷がかけられた場合には、分解し得ずに脱窒槽内に残留した亜硝酸性窒素により脱窒槽内の亜硝酸性窒素濃度が上昇し、ANAMMOX微生物はこの高濃度亜硝酸性窒素により阻害を受けて活性が更に低下するという問題があった。なお、このANAMMOX微生物が阻害を受ける亜硝酸性窒素(NO2−N)濃度の下限は約100mg−N/Lであるとされている。
【0008】
本発明は上記従来の問題点を解決し、ANAMMOX微生物の活性低下ないし処理率の低下を早期に検知し、原水流入量を適正に制御することにより、安定かつ効率的な生物脱窒を行うための生物脱窒方法及び生物脱窒装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の生物脱窒方法は、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を含有する原水を、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独立栄養性脱窒微生物の作用により生物脱窒する脱窒槽に導入して生物脱窒する方法において、該脱窒槽内の脱窒液又は該脱窒槽から流出する処理液の亜硝酸性窒素濃度を測定し、この測定値が、予め設定された上限値を超える場合には、該脱窒槽に流入する原水の流量を減少させ、該測定値が予め設定された下限値を下回る場合には、該脱窒槽に流入する原水の流量を増加させるように、該脱窒槽に流入する原水の流量を調節する生物脱窒方法であって、該上限値がNO 2 −N濃度で1〜90mg−N/Lで設定されることを特徴とする。
【0010】
本発明の生物脱窒装置は、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を含有する原水の流入口と、処理液の流出口とを有し、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脱窒微生物の作用により生物脱窒する脱窒槽と、該脱窒槽内の脱窒液又は該脱窒槽から流出する処理液の亜硝酸性窒素濃度を測定する亜硝酸性窒素濃度測定手段と、該亜硝酸性窒素濃度測定手段の出力信号に基づいて、亜硝酸性窒素濃度の測定値が、予め設定された上限値を超える場合には、該脱窒槽に流入する原水の流量を減少させ、該測定値が予め設定された下限値を下回る場合には、該脱窒槽に流入する原水の流量を増加させるように、該脱窒槽に流入する原水の流量を調節する手段とを備える生物脱窒装置であって、該上限値がNO 2 −N濃度で1〜90mg−N/Lで設定されることを特徴とする。
【0011】
脱窒槽内の脱窒液又は脱窒槽から流出する処理液の亜硝酸性窒素濃度に基づいて、この亜硝酸性窒素濃度が予め設定された上限値を超える場合には原水の流入量を低減させ、予め設定された下限値を下回る場合には原水の流入量を増加させることにより、脱窒槽内のANAMMOX微生物の活性ないし処理能力に応じて脱窒槽の負荷を調節することができ、脱窒槽内の亜硝酸性窒素濃度の上昇によるANAMMOX微生物の阻害を確実に防止して安定かつ効率的な生物脱窒処理を行うことが可能となる。
【0012】
【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方法及び生物脱窒装置の実施の形態を詳細に説明する。
【0013】
図1は、本発明の生物脱窒装置の実施の形態を示す系統図である。
【0014】
図1に示す生物脱窒装置は、脱窒槽として、内部にANAMMOX微生物のグラニュール汚泥床が形成されたUSB(Upflow Sludge Bed;上向流汚泥床)反応槽1を有し、この反応槽1の底部に原水の流入配管2が接続されている。反応槽1の上部には気液固分離装置3が設けられ、この気液固分離装置3から、処理水の排出配管4が引き出されている。この処理水の排出配管4に分岐して処理水の一部を循環水として原水流入配管2に戻す循環配管5が設けられている。P1は原水ポンプ、P2は循環ポンプである。
【0015】
この生物脱窒装置において、原水は、配管5からの循環水と共に配管2からUSB反応槽1の底部に導入される。USB反応槽1に導入された原水は、ANAMMOX微生物のグラニュール汚泥床を上向流で上昇する間に、ANAMMOX微生物により生物脱窒処理され、処理水が配管4より系外へ排出される。また、処理水の一部は配管5より原水導入配管2に循環される。
【0016】
図1(a)の生物脱窒装置では、処理水の排出配管4に亜硝酸イオンセンサー設置部6が設けられており、反応槽1から流出する処理水の亜硝酸イオン濃度が直接測定される。また、図1(b)の生物脱窒装置では、処理水の排出配管4に設けられたバイパス配管7に亜硝酸イオンセンサー設置部6が設けられ、処理水配管4から処理水の一部をバイパス配管7に分流させ、亜硝酸イオン濃度を測定した後、再び処理水排出配管4に戻すように構成されている。
【0017】
亜硝酸イオンセンサーとしては、市販品、例えば電気化学計器(株)製の亜硝酸イオン電極等を用いることができる。
【0018】
図1(a),(b)の生物脱窒装置では、このような亜硝酸イオンセンサーで測定した亜硝酸イオン濃度に基づいて原水ポンプP1の作動を制御する。
【0019】
即ち、予め処理水の亜硝酸イオン濃度の上限値(以下「設定上限値」と称す場合がある。)と下限値(以下「設定下限値」と称す場合がある。)を設定しておき、処理水の亜硝酸イオン濃度がこの上限値を越えた場合には原水流入量を低減させ、逆に下限値を下回る場合には原水流入量を増加させる。
【0020】
前述の如く、ANAMMOX微生物はNO2−N濃度100mg/L以上で阻害を受けることから、設定上限値は100mg−N/Lよりも低い値に設定する必要がある。この設定上限値が100mg−N/L以下であっても高過ぎると、ANAMMOX微生物の活性阻害を確実に防止し得ない場合があるため、設定上限値は目標とする処理効率やその他の条件によっても異なるが、NO2−N濃度で1〜90mg−N/L、好ましくは5〜50mg/Lとする。一方、設定下限値が過度に低いとANAMMOX微生物の活性阻害を確実に防止することができるが、処理効率が悪くなることから、設定下限値は目標とする処理効率やその他の条件によっても異なるが、一般的にはNO2−N濃度で0.01〜40mg−N/L程度、特に0.01〜20mg/Lとするのが好ましい。
【0021】
本発明では、例えば、次のようにして原水流入量の調節を行うことができる。
【0022】
(1) 予め原水流入量の基準値を定めておき、処理水のNO2−N濃度が設定上限値を超えた場合には、原水流入量を基準値よりも若干、例えば5〜50%低減し、処理水のNO2−N濃度が設定下限値を下回った場合には原水流入量を基準値に戻す。
【0023】
(2) 処理水のNO2−N濃度が設定上限値を超えた場合には、原水流入量を現状よりも若干、例えば5〜50%低減させ、処理水のNO2−N濃度が設定下限値を下回った場合には原水流入量を現状よりも若干、例えば5〜50%増加させる。
【0024】
(3) 上記(1),(2)において、処理水のNO2−N濃度と設定上限値又は設定下限値との差の大きさにより、原水流入量の低減量又は増加量を変える。即ち、例えば処理水のNO2−N濃度が設定上限値よりも大幅に高い場合には、原水流入量を大幅に低減させ、処理水のNO2−N濃度が設定上限値よりもわずかに高い場合には原水流入量をわずかに低減させる。
【0025】
なお、亜硝酸イオンセンサーによる測定は連続測定であっても間欠的な測定であっても良い。間欠的に測定を行う場合、測定頻度には特に制限はなく、原水の水質やその他の処理条件の変動による処理水の亜硝酸イオン濃度の変動の可能性に基づいて適宜測定されるが、一般的には0.1〜24hrに1回の頻度で測定することが好ましい。
【0026】
なお、図1に示す生物脱窒装置では、処理水の亜硝酸イオン濃度を測定しているが、反応槽1内の液の亜硝酸イオン濃度を測定しても良い。また、亜硝酸イオンセンサー設置部は循環配管5に設けることも可能である。
【0027】
また、図1に示す生物脱窒装置は、脱窒槽としてANAMMOX微生物のグラニュール汚泥を保持するUSB反応槽を用いたものであるが、本発明において、脱窒槽の型式に特に制限はなく、汚泥懸濁法、固定床、流動床、担体添加法などのいずれの型式のものであっても良い。
【0028】
例えば、生物脱窒装置として、汚泥懸濁式の脱窒槽を用いる場合には、図2に示す如く、脱窒槽7の後段に沈殿槽8等の固液分離手段が設けられ、分離汚泥が脱窒槽7に返送されるが、このような場合、亜硝酸イオンセンサーは脱窒槽7に設けても良く(図2の6Aの位置)、また、脱窒槽7の処理液を沈殿槽8に送給する配管に設けても良く(図2の6Bの位置)、また、沈殿槽8に設けても良く(図2の6Cの位置)、沈殿槽8からの処理水排出配管(図2の6Dの位置)に設けても良い。
【0029】
本発明の生物脱窒方法において、処理対象となる原水は、アンモニア性窒素及び亜硝酸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く、また、溶存酸素濃度が高い場合には、必要に応じて溶存酸素を除去しておくことが好ましい。原水は無機物を含んでいてもよい。また、原水はアンモニア性窒素を含む液と亜硝酸性窒素を含む液を混合したものであってもよい。例えば、アンモニア性窒素を含む排水をアンモニア酸化微生物の存在下に好気性処理を行い、アンモニア性窒素の一部、好ましくはその1/2を亜硝酸に部分酸化したものを原水とすることができる。更には、アンモニア性窒素を含む排水の一部をアンモニア酸化微生物の存在下に好気性処理を行い、アンモニア性窒素を亜硝酸に酸化し、アンモニア性窒素を含む排水の残部と混合したものを原水としても良い。
【0030】
一般的には、下水、し尿、嫌気性硝化脱離液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、これらを好気性又は嫌気性処理して有機物を分解し、有機性窒素をアンモニア性窒素に分解し、さらに部分亜硝酸化或いは、一部についての亜硝酸化を行った液を原水とすることが好ましい。
【0031】
原水のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素の割合はモル比でアンモニア性窒素1に対して亜硝酸性窒素0.5〜2、特に1〜1.5とするのが好ましい。原水中のアンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素の濃度はそれぞれ5〜1000mg/L、5〜200mg/Lであることが好ましいが、処理水を循環して希釈すればこの限りではない。
【0032】
原水の生物脱窒条件としては、例えば反応槽内液の温度が10〜40℃、特に20〜35℃、pHが5〜9、特に6〜8、溶存酸素濃度が0〜2.5mg/L、特に0〜0.2mg/L、BOD濃度が0〜50mg/L、特に0〜20mg/L、窒素負荷が0.1〜10kg−N/m3・day、特に0.2〜5kg−N/m3・dayの範囲とするのが好ましい。
【0033】
図1に示す如く、UASB反応槽1内にグラニュール汚泥を形成する場合、微生物だけではグラニュール形成に期間を要するので、核となる物質を添加し、その核の周りにANAMMOX微生物の生物膜を形成させることが望ましい。この場合、核として、例えば微生物グラニュールや非生物的な単体を挙げることができる。
【0034】
核として用いられる微生物グラニュールとしては、メタン菌グラニュール等の嫌気性微生物や従属栄養性脱窒菌グラニュール等を挙げることができる。メタン菌グラニュールは、UASB法もしくはEGSB法でメタン発酵が行われているメタン発酵槽で使用されているものを適用できる。また、従属栄養性脱窒グラニュールは、UASB又はEGSB等の通常の脱窒槽で利用されるものを適用できる。これらのグラニュールはそのままの状態で、又はその破砕物として用いることができる。独立栄養性脱窒微生物はこのような微生物グラニュールに付着しやすく、グラニュールの形成に要する時間が短縮される。また、核として非生物的な材料を用いるよりも経済的である。
【0035】
核として用いられる非生物的な材料としては、例えば、活性炭、ゼオライト、ケイ砂、ケイソウ土、焼成セラミック、イオン交換樹脂等、好ましくは活性炭、ゼオライト等よりなる、粒径50〜200μm、好ましくは50〜100μmで、平均比重1.01〜2.5、好ましくは1.1〜2.0の担体を挙げることができる。
【0036】
このようにして形成されるANAMMOX微生物のグラニュール汚泥は、平均粒径が0.25〜3mm、好ましくは0.25〜2mm、より好ましくは0.25〜1.5mm程度、平均比重が1.01〜2.5、好ましくは1.1〜2.0であることが望ましい。グラニュールの粒度が小さいほど比表面積が大きくなるので、高い汚泥濃度を維持し、脱窒処理を効率よく行う点で好ましい。
【0037】
なお、本発明は、原水の生物脱窒処理を行う定常運転時のみならず、脱窒槽の立ち上げ運転時の汚泥培養にも有効である。即ち、脱窒槽の立ち上げに際し、脱窒槽内の脱窒液又は処理液の亜硝酸性窒素濃度が下限値を下回った場合に原水流入量を増加させてゆくことにより、ANAMMOX微生物の処理能力を徐々に高め、脱窒槽内に汚泥を効率的に増殖させてゆくことができる。
【0038】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【0039】
実施例1
図1(a)に示すUSB反応槽に、下水処理水にアンモニア及び亜硝酸を添加してNH4−N濃度200mg/L、NO2−N濃度250mg/Lに調整した合成排水(pH7.5)を原水として通液した。
【0040】
反応槽は内径20cm、高さ約65cmのPVCカラム(容量約20L)であり、内部には平均粒径0.9mmのメタン菌グラニュールを約10Lと、ANAMMOX微生物を含む汚泥を約2L(約4.2g−VSS)充填した。反応槽は30℃に制御された恒温室に設置した。
【0041】
原水を0.04L/hr(1L/day)の通水量でポンプにより反応槽に通液し、処理水のうち原水量の5倍を循環水としてポンプにより反応槽の底部に循環した。
【0042】
処理水のNO2−N濃度は連続的に測定した。
【0043】
処理水のNO2−N濃度の設定上限値を10mg−N/Lとし、設定下限値を3mg−N/Lとし、処理水のNO2−N濃度の測定値が設定下限値を下回る場合には原水の流入量を10%増加させることにより立ち上げ運転を行った。
【0044】
その結果、2回に1回の頻度で処理水のNO2−N濃度の測定値が設定下限値を下回り、原水の流入量を増加させてゆくことができ、この立ち上げ運転開始から、80日間で実用的な負荷を得ることができた。
【0045】
このときの処理水NO2−N濃度の経時変化及び負荷の経時変化を図3(a),(b)に示す。
【0046】
実施例2
実施例1で立ち上げ運転が終了した後のUSB反応槽に、NH4−N濃度500mg/L、NO2−N濃度650mg/Lに調製した合成排水を原水とし、原水流入量の基準値を1.04L/hr(25L/day)として通液した。処理水のNO2−N濃度は連続的に測定した。
【0047】
処理水のNO2−N濃度の設定上限値を10mg−N/Lとし、設定下限値を3mg−N/Lとし、処理水のNO2−N濃度の測定値が設定上限値を上回る場合は、原水の流入量を基準値よりも10%増加させ、設定下限値を下回る場合には原水の流入量を基準値に戻すことにより処理を行った。その他の条件は実施例1と同様とした。
【0048】
このときの処理水の水質の経時変化及び原水ポンプの作動信号は図4に示す通りであり、処理水NO2−N濃度の上昇により原水流入量が低減され、その後処理水NO2−N濃度の低減により原水流入量が基準値に戻されることで安定な処理が行えた。
【0049】
比較例1
実施例1において、原水の流入量の調節を行わず、基準値で一定の流入量としたこと以外は同様にして処理を行った。
【0050】
その結果、図5に示す如く、NO2−N濃度の上昇によりANAMMOX微生物が阻害され、経時により処理率は著しく低下した。
【0051】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の生物脱窒方法及び生物脱窒装置によれば、ANAMMOX微生物による生物脱窒処理において、脱窒槽内のANAMMOX微生物の活性低下ないし処理率の低下を早期に検知し、ANAMMOX微生物の活性ないし処理能力に応じて原水流入量を適正に制御することにより、安定かつ効率的な生物脱窒を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の生物脱窒装置の実施の形態を示す系統図である。
【図2】 本発明の生物脱窒装置の他の実施の形態を示す系統図である。
【図3】 図3(a)は実施例1における立ち上げ運転時の処理水NO2−N濃度の経時変化を示すグラフであり、図3(b)は同負荷の経時変化を示すグラフである。
【図4】 実施例2における処理水水質の経時変化及び原水ポンプの作動信号を示すグラフである。
【図5】 比較例1における処理水水質の経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
1 USB反応槽
3 気液固分離装置
6 亜硝酸イオンセンサー設置部
7 脱窒槽
8 沈殿槽
Claims (4)
- アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を含有する原水を、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独立栄養性脱窒微生物の作用により生物脱窒する脱窒槽に導入して生物脱窒する方法において、
該脱窒槽内の脱窒液又は該脱窒槽から流出する処理液の亜硝酸性窒素濃度を測定し、この測定値が、予め設定された上限値を超える場合には、該脱窒槽に流入する原水の流量を減少させ、該測定値が予め設定された下限値を下回る場合には、該脱窒槽に流入する原水の流量を増加させるように、該脱窒槽に流入する原水の流量を調節する生物脱窒方法であって、
該上限値がNO 2 −N濃度で1〜90mg−N/Lで設定されることを特徴とする生物脱窒方法。 - 請求項1において、前記下限値がNO 2 −N濃度で0.01〜40mg−N/Lで設定されることを特徴とする生物脱窒方法。
- アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を含有する原水の流入口と、処理液の流出口とを有し、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脱窒微生物の作用により生物脱窒する脱窒槽と、
該脱窒槽内の脱窒液又は該脱窒槽から流出する処理液の亜硝酸性窒素濃度を測定する亜硝酸性窒素濃度測定手段と、
該亜硝酸性窒素濃度測定手段の出力信号に基づいて、亜硝酸性窒素濃度の測定値が、予め設定された上限値を超える場合には、該脱窒槽に流入する原水の流量を減少させ、該測定値が予め設定された下限値を下回る場合には、該脱窒槽に流入する原水の流量を増加させるように、該脱窒槽に流入する原水の流量を調節する手段と
を備える生物脱窒装置であって、
該上限値がNO 2 −N濃度で1〜90mg−N/Lで設定されることを特徴とする生物脱窒装置。 - 請求項3において、前記下限値がNO 2 −N濃度で0.01〜40mg−N/Lで設定されることを特徴とする生物脱窒装置。
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