JP5075907B2

JP5075907B2 - 水処理設備

Info

Publication number: JP5075907B2
Application number: JP2009269400A
Authority: JP
Inventors: 一郎山野井; 剛武本; 伊智朗圓佛; 秀之田所
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: JP2011110501A

Description

本発明は、水処理において生物反応槽より生成する一酸化二窒素を回収する水処理設備に関する。

温暖化問題が顕在化するなか、下水処理プロセスから発生する一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）が二酸化炭素の３１０倍の温室効果があるため、問題視されるようになってきた。Ｎ₂Ｏの排出量は、下水処理場全体の温室効果ガス排出量の１０％に相当する。しかし、現在のところ発生した一酸化二窒素の回収，除去処理は行われておらず、大気中に放出しているのが実情である。

一酸化二窒素は、下水処理プロセスの窒素除去の過程で発生する。窒素除去方法として、例えば循環式硝化脱窒法がある。

循環式硝化脱窒法は、前段に嫌気槽、後段に好気槽を配置し、硝化工程が進行する好気槽の硝化液を前段の嫌気槽に送水する。好気槽では、ブロワにより酸素が供給される。好気槽に流入した下水中には、アンモニア性窒素（ＮＨ₄−Ｎ）が含まれ、好気槽中の硝化菌により亜硝酸性窒素（ＮＯ₂−Ｎ）を経て硝酸性窒素（ＮＯ₃−Ｎ）に酸化される。硝化工程で生成したＮＯ₂−ＮあるいはＮＯ₃−Ｎは嫌気槽に流入すると、脱窒菌により原水中の有機物を水素供与体として窒素（Ｎ₂）に還元される。Ｎ₂ガスが大気に放出されることで下水中の窒素が除去される。

Ｎ₂Ｏは、脱窒過程，硝化過程のいずれでも生成するが、〔非特許文献１〕によれば、主たる生成源は脱窒過程と言われている。

上述したように、硝化工程で生成したＮＯ₂−ＮあるいはＮＯ₃−Ｎが嫌気槽に流入すると、脱窒菌により窒素に還元される。Ｎ₂Ｏは脱窒過程の中間生成物として生成する。生成するＮ₂Ｏは溶存態で、通常はＮ₂ガスへ速やかに還元される。その際、微細なＮ₂ガス気泡が生成するが、その周囲には溶存態のＮ₂Ｏ（以下、溶存Ｎ₂Ｏ）が存在しており、Ｎ₂ガス気泡のパージ効果により、Ｎ₂ガス気泡内に気相のＮ₂Ｏが取り込まれる。この気泡を、以下、Ｎ₂Ｏ内包微細気泡と呼ぶ。

還元反応が阻害される場合、すなわち脱窒不良時には、溶存Ｎ₂Ｏが増加する。還元反応が阻害される原因としては、硝化槽からの高濃度の溶存酸素の流入、流入下水の有機物濃度の不足などが挙げられる。脱窒不良時には、嫌気槽の酸化還元電位が上昇するため、〔非特許文献２〕では、この酸化還元電位をＮ₂Ｏ生成の指標とする方法を提案している。

Ｎ₂Ｏの主たる生成源は嫌気槽であるが、大気中への主たる放出源は好気槽である。好気槽へは、嫌気槽で還元されずに残留した溶存Ｎ₂Ｏが流入する。また、Ｎ₂Ｏ内包微細気泡は浮上速度が小さく、その多くが嫌気槽の水面に到達しないため、大部分は好気槽へ流入する。好気槽では、散気装置で生成した気泡に、溶存Ｎ₂Ｏと微細気泡中の気相のＮ₂Ｏが取り込まれ、水面から大気中に放出される。〔非特許文献３〕では、溶存態Ｎ₂Ｏのパージは２０分程度で完了すると報告している。

〔特許文献１〕には、好気槽より放出されるＮ₂Ｏを好気槽上部で回収し、嫌気槽に注入することでＮ₂へ還元し、Ｎ₂Ｏの大気への放出量を削減する方法が記載されている。循環式硝化脱窒法を例に挙げると、〔非特許文献４〕に記載のように、通常、好気槽は９時間程度の滞留時間で、３段程度の複数段で構成される。〔特許文献１〕では、Ｎ₂Ｏガスの回収効率を向上させるため、複数段の好気槽から放出されるＮ₂Ｏガスのうち、１段目の好気槽で多く放出されることに着目し、既存の好気槽の１段目に回収機構を設置している。

特開２００７−７５８２１号公報

花木ほか、"都市下水の硝化脱窒過程での亜酸化窒素の発生"、水環境学会誌、第２３巻、第１２号、pp.８０３−８１０（２０００）花木ほか、"都市下水の脱窒過程での亜酸化窒素の突発的発生"、水環境学会誌、第２４巻、第７号、pp.４７３−４７６（２００１）糸川ほか、"高負荷間欠曝気式硝化・脱窒法における有機物制限条件下でのＮ2Ｏ生成機構、第３４巻、環境工学研究論文集、pp.１９１−２０２（１９９７）日本下水道協会、"下水道維持管理指針後編−２００３年度版−"、pp.１３１（２００３）

嫌気槽より流入するＮ₂Ｏを好気槽での気泡に取り込み、好気槽の水面の上部で回収するためには、Ｎ₂Ｏ内包微細気泡の場合では、散気装置で生成した気泡と瞬間的に接触させるだけで良く、溶存Ｎ₂Ｏの場合では、多くとも２０分程度パージすればよい。しかし、〔特許文献１〕で想定する既存の好気槽では、上流側から流入してきた処理水を、散気装置で生成した気泡により攪拌し、下流側の槽に流出させる。流入してきたＮ₂Ｏ内包微細気泡と溶存Ｎ₂Ｏは、攪拌により速やかに槽内に拡散する。槽の大きさは滞留時間で３時間程度のため、回収する全気体量が多くなり、その結果、回収ポンプの電力が増加する。また、希釈されるため、Ｎ₂Ｏ濃度が低くなり、生物反応槽や、触媒などによる分解の効率が低下するといった課題があった。

Ｎ₂Ｏの回収効率を向上させるため、既存の槽に越流壁を設け、槽の滞留時間を短くした場合は、主流方向が送水方向となるため、反応液の滞留時間にばらつきが生じる。その結果、攪拌されたＮ₂Ｏの一部が散気装置による気泡に吸収されずに下流側の槽へ流出する恐れがある。

本発明の目的は、水処理において生物反応槽より生成する一酸化二窒素を効率よく回収できる水処理設備を提供することにある。

本発明の他の目的は、水処理プロセスで生成するＮ₂Ｏを高濃度で効率よく回収することができ、回収や処理に必要な動力を低減することができる水処理設備を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の水処理設備は、嫌気槽と好気槽のいずれか、又は嫌気槽と好気槽の間に設置され、反応液が鉛直方向を主流方向として流れる流路と、流路の底部に設置された流路内散気装置と、流路内から気体を回収する気体回収装置とを備えたものである。

本発明によれば、水処理プロセスで生成するＮ₂Ｏを高濃度で効率よく回収することができ、回収や処理に必要な動力を低減することができる。

本発明の実施例１である水処理設備の構成図。実施例１の水処理設備の流路２の例を示す斜視図。実施例１の水処理設備の流路２の例を示す斜視図。実施例１の水処理設備の流路２の例を示す斜視図。実施例１の水処理設備の流路２の例を示す斜視図。実施例１の水処理設備の流路２の例を示す斜視図。本発明の実施例２である水処理設備の構成図。本発明の実施例３である水処理設備の構成図。本発明の実施例４である水処理設備の構成図。本発明の実施例５である水処理設備の構成図。

本発明の各実施例を図面により説明する。

図１は本発明の実施例１の構成図である。図１は、活性汚泥により下水を処理する設備で、処理方法が循環式硝化脱窒法の場合を示している。

上流側から、嫌気槽１と、流路２と、好気槽３と最終沈殿池４が配置され、これらは流路により連通している。流路２の底部には流路内散気装置２１が設置され、ブロワ２２と連通している。好気槽３の底部には好気槽内散気装置３１が設置され、ブロワ３２と連通している。流路２の上部には気体回収口２３が設置され、気体回収装置２４と連通している。

原水１００は、矢印１１で示される送水方向に流れて嫌気槽１に流入し、反応液として嫌気槽１，流路２，好気槽３で処理され、放流水１０１として放流される。好気槽３からは硝化液３３が、最終沈殿池４からは返送汚泥４１が嫌気槽１に送水される。

流路２では、流路入口２６を流路２の上方に設置し、流路出口２７を流路２の下方に設置することで、流路２の主流方向２５を鉛直方向下向きとしている。

嫌気槽１で生成したＮ₂Ｏ内包微細気泡と溶存Ｎ₂Ｏは流路２に流入する。流路２では主流方向２５が鉛直方向下向きのため、〔特許文献１〕に記載されている好気槽とは異なり、Ｎ₂Ｏは矢印１１で示す送水方向には拡散しない。そのため、２０分程度の滞留時間とすることで、好気槽３に流出するＮ₂Ｏを極力少なくすることができ、少ないブロワ２２の送風量で、Ｎ₂Ｏを回収することができる。

図１に示す例では、主流方向２５を鉛直方向下向きとしたが、上向きでもよく、紙面奥行き方向あるいは手前方向に速度成分を有するようにしても良い。

本実施例の変形例について説明する。好気槽３の底部に設置された好気槽内散気装置から放出した気体、すなわち空気の気泡に含まれる酸素は、好気槽３の反応液に溶解し、反応液内の微生物に消費される。好気槽３で硝化反応を良好に進行させるためには、好気槽３内の水面を通過する単位水面面積当りの気体流量は一定量以上必要となる。

この気体流量と比較すると、原水１００の状態にもよるが、一般的に嫌気槽１から流入するＮ₂Ｏを回収するために必要な、流路２内の水面を通過する単位水面面積当りの気体流量は、好気槽３内の水面を通過する単位水面面積当りの気体流量より少ない。したがって、本実施例では、流路２内の水面を通過する単位水面面積当りの気体流量を、好気槽３内の水面を通過する単位水面面積当りの気体流量より少なくする。その結果、ブロワ２２に必要な電力を低減できる。実施に際しては、例えば好気槽３内の水面を通過する単位水面面積当りの気体流量１０ｍ³／ｍ²／ｈｒに対して、流路２内の水面を通過する単位水面面積当りの気体流量はそれよりも小さい５ｍ³／ｍ²／ｈｒ程度が好ましい。

この例では、主流方向２５を鉛直方向下向きとしたが、上向きでもよく、紙面奥行き方向あるいは手前方向に速度成分を持っても良い。

又、本実施例では流路２を、嫌気槽１と好気槽３の外部に設置する例を示したが、嫌気槽１や好気槽３の内部に設置しても良い。このように構成した例を図２から図６に示す。

図２は、嫌気槽１の越流口を流路入口２６とし、好気槽３の内部に流路２を設置している。図３は、図２と同様に、嫌気槽１の越流口を流路入口２６とし、嫌気槽１の内部に流路２を設置している。流路２の側壁に嫌気槽１と好気槽３の間に設置された側壁を利用している。

図４は、図２と同様に、好気槽３内部に流路２を設置しており、流路２の側壁に嫌気槽１と好気槽３の間に設置された側壁を利用している。主流方向２５として紙面手前方向の速度成分があるが、流路入口２６を紙面奥側、流路出口を紙面手前側とすることで、反応液の滞留時間の分散を小さくし、Ｎ₂Ｏの一部が散気装置による気泡に吸収されずに下流側の槽へ流出することを極力防ぐことができる。

図５は、嫌気槽１の流出口が嫌気槽１の底部に設置されている場合で、この場合は、流路２の主流方向は鉛直方向上向きとなる。

図６は、流路２の底面を流路出口２７とし、流路内散気装置２１として好気槽内散気装置３１を利用している。流路出口２７が流路２の側面にある場合でも、好気槽内散気装置３１で生成した気泡を適切な形状のガイドにより流路２に導くことにより、流路内散気装置２１として、好気槽内散気装置３１を利用できる。

図３は本発明の実施例２の構成図である。本実施例は、実施例１と同様に構成されているが、本実施例では、好気槽気体回収口３４が好気槽３に設けられ、好気槽気体回収口３４がブロワ２２と連通している。

上述したように、好気槽の硝化工程においてもＮ₂Ｏが生成する。本実施例では、好気槽３で生成したＮ₂Ｏをブロワ２２により回収し、流路内散気装置２１から流路２に注入している。これにより、嫌気槽１で生成し、好気槽３へ流入したＮ₂Ｏの他に、好気槽３で生成したＮ₂Ｏも気体回収装置２４で回収できる。

本実施例では、主流方向２５を鉛直方向下向きとしたが、上向きでもよく、紙面奥行き方向あるいは手前方向に速度成分を持っても良い。

本実施例では流路２を、嫌気槽１と好気槽３の外部に設置したが、嫌気槽１や好気槽３の内部に設置しても良い。

図８は、本発明の実施例３の構成図である。本実施例は、実施例１と同様に構成されているが、本実施例では、嫌気槽気体回収口１２が嫌気槽１に設けられ、嫌気槽気体回収口１２がブロワ２２と連通している。

上述したように、嫌気槽１ではＮ₂Ｏ内包微細気泡が生成する。微細気泡は浮上速度が小さいため、その多くは好気槽３へ流入するが、一部は嫌気槽１で水面に到達する。その結果、一部のＮ₂Ｏは嫌気槽１の水面から放出される。

本実施例では、嫌気槽１で生成したＮ₂Ｏをブロワ２２により回収し、流路内散気装置２１を通じて流路２に注入する。これにより、嫌気槽１で生成したＮ₂Ｏの全量を気体回収装置２４で回収できる。

本実施例では、嫌気槽１の水面から放出される気体をブロワ２２へ導入したが、実施例２の方法も同時に用いて、好気槽３の水面から放出される気体もブロワ２２に導入しても良い。

図９は、本発明の実施例４の構成図である。本実施例は、実施例１と同様に構成されているが、本実施例では、嫌気槽１に酸化還元電位計１３が設置され、酸化還元電位計１３の測定値は第一気体回収量制御部１４に送られる。第一気体回収量制御部１４は、ブロワ２２に信号を送信し、ブロワ２２の流量を制御する。

上述したように、酸化還元電位計の測定値は、嫌気槽１での脱窒の程度の指標となり、値が大きいと脱窒が進行していない。脱窒良好時にはＮ₂Ｏの生成量が減少することから、値が小さい場合にはＮ₂Ｏの回収に必要な気泡量は少なくなるため、ブロワ２２の流量を低減できる。

ブロワ２２の気体流量ｙは、酸化還元電位計１３の計測値ｘに対して、（数１）に示すような関数形としてもよく、複数のｘに対して複数のｙを対応付ける（表１）を用いても良い。

ｙ＝ａｘ＋ｂ（ａ，ｂは定数） …（数１）

本実施例では、主流方向２５を鉛直方向下向きとしたが、上向きでもよく、紙面奥行き方向あるいは手前方向に成分を持っても良い。

図１０は、本発明の実施例５の構成図である。本実施例は、実施例１と同様に構成されているが、本実施例では、嫌気槽１に溶存酸素濃度計１５が設置され、溶存酸素濃度計１５の測定値は第二気体回収量制御部１６に送られる。第二気体回収量制御部１６はブロワ２２に信号を送信し、ブロワ２２の流量を制御する。

上述したように、好気槽３から持ち込まれる硝化液３３の溶存酸素濃度が大きい場合や、原水１００の溶存酸素濃度が大きい場合は、嫌気槽１の溶存酸素濃度が向上し、脱窒反応を阻害する。溶存酸素濃度が大きくなると、脱窒反応が阻害され、嫌気槽１でのＮ₂Ｏ生成量が増加する。この場合、Ｎ₂Ｏの回収に必要な気泡量が多くなるため、ブロワ２２の流量を増加する必要がある。

ブロワ２２の流量ｙは、溶存酸素濃度計１５の計測値ｘに対して、（数１）のような関数形としてもよいし、複数のｘに対して複数のｙを対応付ける（表２）表を用いても良い。

ｙ＝ａｘ＋ｂ（ａ，ｂは定数） …（数１）

なお、〔実施例１〕から〔実施例５〕の全ての実施例において、気体回収機構２４でのＮ₂Ｏを含む気体の回収には、吸引ポンプを用いても良く、ブロワ２２の送気エネルギーを利用しても良い。

また、気体回収装置２４で回収したＮ₂Ｏは、回収したＮ₂Ｏを含む気体を嫌気槽１などの生物反応槽へ導入して溶解、生物分解して処理しても良く、触媒装置に導入して分解しても良く、吸着装置に導入して固定しても良い。

各実施例では、水処理の例として、循環式硝化脱窒法を取り上げたが、嫌気処理から好気処理へと処理が進むプロセスであれば、いずれのプロセスでも適用可能である。また、下水処理に限定するものではなく、工業用水などの廃水処理を対象としても良い。

１嫌気槽
２流路
３好気槽
４最終沈殿池
１２嫌気槽気体回収口
１３酸化還元電位計
１４第一気体回収量制御部
１５溶存酸素濃度計
１６第二気体回収量制御部
２１流路内散気装置
２２，３２ブロワ
２３気体回収口
２４気体回収装置
２５主流方向
２６流路入口
２７流路出口
３１好気槽内散気装置
３３硝化液
３４好気槽気体回収口
４１返送汚泥

Claims

連通する嫌気槽と好気槽を有し，上流側である前記嫌気槽から，下流側である前記好気槽へ反応液を送水する水処理設備において，
前記好気槽の下流側から前記嫌気槽に反応液を循環するための循環路と、
前記嫌気槽からの反応液を前記好気槽に送る流路と、
前記嫌気槽からの反応液は鉛直方向を主流方向とする前記流路を通過して前記好気槽に送出し、
前記流路の底部に設置された流路内散気装置と，
前記流路内散気装置から放出した気体を回収する気体回収機構と，
前記嫌気槽に設置された酸化還元電位計と，
前記酸化還元電位計の計測値に基づいて前記気体回収機構による回収量を制御する気体回収量制御部とを備えたことを特徴とする水処理設備。
連通する嫌気槽と好気槽を有し，上流側である前記嫌気槽から，下流側である前記好気槽へ反応液を送水する水処理設備において，
前記好気槽の下流側から前記嫌気槽に反応液を循環するための循環路と、
前記嫌気槽からの反応液を前記好気槽に送る流路と、
前記嫌気槽からの反応液は鉛直方向を主流方向とする前記流路を通過して前記好気槽に送出し、
前記流路の底部に設置された流路内散気装置と，
前記流路内散気装置から放出した気体を回収する気体回収機構と，
前記嫌気槽に設置された溶存酸素濃度計と，
前記溶存酸素濃度計の計測値に基づいて前記気体回収機構による回収量を制御する気体回収量制御部とを備えたことを特徴とする水処理設備。
請求項１、又は請求項２記載の水処理設備において、
前記流路内散気装置に導入する気体の一部として前記気体回収機構で回収した気体を用いる
ことを特徴とする水処理設備。
請求項１から請求項３のうちの１つの水処理設備において、
前記流路内散気装置から生成した気体が前記流路内の水面を通過する単位水面面積あたりの気体流量が，
前記好気槽の底部に設置された好気槽内散気装置から放出した気体が前記好気槽内の水面を通過する単位水面面積あたりの気体流量より小さい
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの１つの水処理設備。
請求項１、又は請求項２記載の水処理設備において、
前記流路を前記嫌気槽及び前記好気槽の外部に設置したことを特徴とする水処理設備。
請求項１、又は請求項２記載の水処理設備において、
前記流路を前記嫌気槽、又は前記好気槽の内部に設置したことを特徴とする水処理設備。