JP5100091B2

JP5100091B2 - 水処理方法

Info

Publication number: JP5100091B2
Application number: JP2006314019A
Authority: JP
Inventors: 典子吉良; 司朗井上
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2026-11-21
Also published as: JP2008126143A

Description

本発明は、アンモニアを含む各種用排水、例えば上下水道、し尿、ごみの最終処分場浸出水、各種産業排水等中のアンモニア濃度を効果的に低減することができる水処理方法に関するものである。

アンモニア低減を目的とする用排水処理技術には、各種の物理化学的処理や生物的処理技術が開発され、実際に使用されてきている。一般的にアンモニアの低減は、これを最終的に安全な窒素ガスに転換した上で大気中に放散することで行われる。しかし、多くの場合、転換速度が遅すぎて大規模な反応槽が必要となって設備コストが嵩んだり、逆に転換速度は速いが外部から与える必要のあるエネルギー・資源量が多大でランニングコストが高くついたりと、満足できるものがない状況である。

そのような状況の中で、生物的な硝化・脱窒法が最も多用されている。この方法では、アンモニア含有排水は好気的条件で処理され、アンモニアは自栄養性細菌である亜硝酸菌（代表種：Nitrosomonas）によって亜硝酸に転換された後に、同じく自栄養性細菌である硝酸菌（代表種：Nitrobacter）によって硝酸に転換される。その後、嫌気的条件で処理されて、有機物を水素供与体とする他栄養性脱窒細菌によって、硝酸が窒素ガスに転換される。このプロセスは現在最も広く利用されているが、硝化の段階で多量の酸素が消費されることから大きな曝気動力が必要となること、脱窒の段階で水素供与体としてのメタノール等の有機物の添加量が多量必要になること等に起因してランニングコストが高くつく問題があり、加えて、硝化・脱窒の転換速度が小さいため、設備コスト上にも問題がある。

このような状況から、永年高効率の生物的な窒素除去法の開発が望まれていたところ、嫌気性アンモニア酸化法:anaerobic ammonium oxidation と呼ばれる高効率プロセスが提案され（非特許文献１参照）、各方面で実用化開発が盛んに進められている（特許請求の範囲および明細書全体を通して、この方法をAnammox 法と記し、この方法に用いる菌をAnammox 菌と記す）。このプロセスでは、原水中のアンモニアの約半分だけが亜硝酸まで酸化され、この亜硝酸と残りのアンモニアがほぼ同量、嫌気条件の脱窒反応槽へ供給され、自栄養性のAnammox菌により、アンモニアが水素供与体、亜硝酸が水素受容体となる脱窒反応が起こされ、両者が窒素ガスに転換されて除去される。このAnammox菌による脱窒反応の化学量論式は下記の様に提案され（非特許文献１参照）、実験的にも確認されている（非特許文献２参照）。

特許文献１には、Anammox法の脱窒槽内に遅分解性固形有機物を添加し、該槽内に副生する硝酸性窒素を従属性（他栄養性）脱窒微生物により脱窒する方法が開示されている。添加有機物は分解の遅い固形の有機物であれば良く、従属性脱窒微生物の細胞合成の炭素源としての有機物と、従属性脱窒徹生物の呼吸反応に必要な水素供与体としての有機物であれば良い。
M.Straus，E.van Gerven，J.G. Kuenen，"Effects of aerobic and microaerobic conditions on anaerobic ammonium oxidizing sludge", Appl. Microbiol. Biotechnol.，vol.50, p.589−596,（1997）古川憲治、「嫌気性アンモニア酸化（Anammox）の発見とその後の研究開発動向」、水環境学会誌、vo1.27, No.7, p.2−7,（2004）特開２００４−２８３７５８号公報

式(1)から明らかなように、Anammox菌による脱窒段階では、アンモニアと亜硝酸として脱窒反応槽に供給された窒素成分は大部分窒素ガスに転換されて、最終的には大気へ無害なガスとして放散されるが、一部は硝酸まで酸化されてしまう。理想的に式(1)の反応が完結したとしても、窒素量基準で示せば、（１．０＋ｌ．３２＝）２．３２ｋｇから（１．０２×２＝）２．０４ｋｇの窒素ガスが生成し、０．２６ｋｇの硝酸が生成するから、１００×０．２６／２．３２＝１１．２％の窒素分が液中に残留することになる。この硝酸化した窒素分については、Anammox法を適用できないので、処理水の総窒素濃度の規制に合致しない場合には、Anammox処理水に対して、更に嫌気的条件の処理槽を設けて、従来の有機物を水素供与体とする他栄養性脱窒細菌によって、硝酸を窒素ガスに転換させる必要がある。この他栄養性脱窒細菌による硝酸の脱窒を後段に設ける従来法のAnammox処理フローを、図２に示す。この処理方法はプロセスのシンプル性、設備・運転コストの低廉性に課題がある。

本発明は、Anammox反応槽への流入水中のＢＯＤ（排水中の有機物）量を残存させることによって、Anammox反応槽内に他栄養性脱窒菌も共存させ、Anammox反応で生成した硝酸イオンを同一槽内で並行的に他栄養性脱窒菌の作用で窒素ガスに転換するものである。

すなわち、本発明による水処理方法は、ＢＯＤとアンモニアを含む原水を曝気によるＢＯＤの低減処理に付す工程と、次いでアンモニアの亜硝酸化処理に付す工程と、次いでAnammox菌による嫌気性アンモニア酸化処理に付す工程を含む水処理方法において、嫌気性アンモニア酸化処理工程の前段で、ＢＯＤがAnammox槽入口で設定値より高くなった場合はＢＯＤ調整槽の曝気量を増加させ、逆にＢＯＤが低くなった場合は曝気量を抑えることにより、ＢＯＤを必要な量残存させることでAnammox菌に他栄養性脱窒菌を共存させ、嫌気性アンモニア酸化反応により生成する硝酸イオンを他栄養性脱窒菌の作用で低減する反応を嫌気性アンモニア酸化反応と並行的に行うことを特徴とするものである。

本発明は、Anammox反応槽内にAnammox菌と従来型の他栄養性脱窒薗を共存させることが基本的な特徴の一つである。

本発明では、Anammox工程の前段でＢＯＤを必要な量残存させることでAnammox菌に他栄養性脱窒菌を共存させ、嫌気性アンモニア酸化反応により生成する硝酸イオンを他栄養性脱窒菌の作用で低減する反応を嫌気性アンモニア酸化反応と並行的に行えるので、後段に他栄養性脱窒槽を設ける必要がなく、有価な水素供与体の添加も不要となることから、プロセスの機器構成がシンブルになると共に、設備・運転コストの低廉化が可能となる。

図２に、ＢＯＤとアンモニアを含む原水をＢＯＤの低減処理に付す工程と、次いでアンモニアの亜硝酸化処理に付す工程と、次いでAnammox工程を含む従来の水処理方法を示す。

Anammox法の適用化開発は進んでいるが、実用規模での実績は未だ報告されていない。その要因としては、図２に示すように、従来の基本フローはやや複雑であることが挙げられる。すなわち、従来法では、アンモニアの部分亜硝酸化の前にＢＯＤ成分がほぼ完全に除去されるので、Anammox反応槽に流入する水にはＢＯＤが殆んど含まれない。このことは、Anammox反応槽内に、従来型の他栄養性脱窒菌の基質となる亜硝酸は存在するが、細胞合成の炭素原としての有機物と、他栄養性脱窒菌の呼吸反応に必要な水素供与体としての有機物が存在しないことを意味し、他栄養性脱窒菌が増殖してAnammox菌を凌駕することを防止する上では安全であるが、式（1）に従って生成する硝酸イオンを残すことになり、それに対応するためにプロセスが複雑化することが避けられない。

本発明による基本フローの例を図１に示す。本発明では、Anammox反応槽内に、Anammox菌と従来型の他栄養性脱窒薗を共存させることが基本的な特徴の一つである。元々、Anammox菌は、従来型の硝化・脱窒プロセスの他栄養性脱窒菌の汚泥中に微量存在することが確認されており、多数者が少数者を完全に駆逐するような相互阻害性は有していない。両者に共通して適する環境条件（通性嫌気条件、ORP、温度、ｐＨなど）が与えられており、阻害物質が存在しなければ、両者の数的なバランスは、与えられる基質量と水素供与
体の量で決ってくる。Anammox菌の増殖速度は、従来の他栄養性脱窒菌より遅いので、従来の他栄養性脱窒菌優位の環境から立ち上げてAnammox菌優位の状態に持ってゆく過程では、他栄養性脱窒菌の基質となる物質あるいは呼吸に必要な物質ができるだけ少ない状態を維持することが重要であるが、一旦Anammox菌が優位な状態に到達した後では、Anammox反応槽に供給されるＢＯＤ量が制約条件となって、ＢＯＤが消費されてしまえば、それ以上の従来の他栄養性脱窒菌の増殖は妨げられる。

図１の基本フローでは、原水量の約５７％をほぼ完全に亜硝酸化処理し、残りの約４３％の原水を水とブレンドしてAnammox反応槽へ供給するフローを示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、Anammox反応槽へ流入する水のＢＯＤをモニターして、Anammox反応で生成した硝酸を従来の他栄養性脱窒菌で窒素に転換するのに必要な水素供与体量に対応するＢＯＤ値に調整できればどのような方法を採ってもよい。図１では、Anammox反応槽入口でモニターしたＢＯＤ値（実際には代用としてＴＯＣでモニターすることになる）によって、前段のＢＯＤ調整槽を制御して、必要な溶存有機物を残留させる方法を採っている。このようにAnammox反応槽への供給水中にＢＯＤを適当量残留させることにより、Anammox反応で生成する硝酸イオンを、共存する従来型の他栄養性脱窒菌の作用で脱窒でき、装置構成がシンブルとなり、コストの低廉化も可能となる。

実施例
以下に、本発明の実施例を示す。

図１に示すフローにおいて、ＮＨ_４ ^＋−Ｎ：４００ｍｇ／ＬのＢＯＤ含有排水をＢＯＤ調製工程において活性汚泥処理に付した。

次いで、アンモニアの亜硝酸化処理工程において、Anammox反応槽入口で、ＮＨ_４ ^＋−Ｎが１７２．４ｍｇ／Ｌに、ＮＯ_２ ⁻−Ｎが２２７．６ｍｇ／Ｌに近い値となるように、原水量の約５７％を完全亜硝酸化処理した。式（1）の反応によって、Ｎ分の大部分は窒素ガスに転換したが、Anammox反応槽入口でＢＯＤの存在しない水を供給した場合には、処理水中に約４４．８ｍｇ／Ｌの硝酸イオンが残留した。

次に、ＢＯＤがAnammox槽入口で設定値より高くなった場合は、ＢＯＤ調整槽の曝気量を増加させ、逆にＢＯＤが低くなった場合は曝気量を抑えた。こうして、Anammox反応槽入口でのＢＯＤ値を約１３４．３ｍｇ／Ｌとし、運転を約１ケ月継続した。その結果、処理水中の全窒素分は約１０ｍｇ／Ｌとなった。

Anammox反応槽内にAnammox菌と従来型の他栄養性脱窒薗を共存させる本発明の例を示す基本フローである。他栄養性脱窒細菌による硝酸の脱窒を後段に設ける従来のAnammox処理法を示すフローである。

Claims

ＢＯＤとアンモニアを含む原水を曝気によるＢＯＤの低減処理に付す工程と、次いでアンモニアの亜硝酸化処理に付す工程と、次いでAnammox菌による嫌気性アンモニア酸化処理に付す工程を含む水処理方法において、嫌気性アンモニア酸化処理工程の前段で、ＢＯＤがAnammox槽入口で設定値より高くなった場合はＢＯＤ調整槽の曝気量を増加させ、逆にＢＯＤが低くなった場合は曝気量を抑えることにより、ＢＯＤを必要な量残存させることでAnammox菌に他栄養性脱窒菌を共存させ、嫌気性アンモニア酸化反応により生成する硝酸イオンを他栄養性脱窒菌の作用で低減する反応を嫌気性アンモニア酸化反応と並行的に行うことを特徴とする水処理方法。