JP5149717B2 - 脱窒処理方法及び脱窒処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、被処理水中に含まれる硝酸イオン、亜硝酸イオンを脱窒菌により窒素に還元する脱窒処理方法及び脱窒処理装置に関する。
近年、水処理、特に排水処理の分野においては、微生物の生理活性を利用して排水中の汚濁物質を無害な物質に変化させて処理を行う生物化学的な水処理が多用されている。一般的な生物処理法として活性汚泥法が主流であるが、通常の活性汚泥法においては、槽内の微生物濃度の高濃度化が困難であり負荷を高く取ることができないため、大きな敷地面積が必要であること、生物の管理が難しくバルキング等の処理性能悪化を生じやすいこと、大規模な沈殿設備が必要であること、余剰汚泥等の廃棄物発生量が多いことなどが問題視されてきた。これらの問題を解決する技術として、活性汚泥の固液分離を膜により行う方法、スポンジや高分子担体等の微生物を付着させて処理を行う方法、微生物が自己造粒した比重の高い塊、いわゆるグラニュールを利用して処理を行う方法等が開発されてきた。中でもグラニュールを使用する方法は槽内に多量の微生物を保持しうるため、単位体積当たりの反応速度が速く、固液分離も容易なため注目されてきている。
窒素を含有した排水の処理においても同様に、生物化学的な水処理が適用される。例えば、アンモニア性窒素含有排水の処理としては、好気性条件下において、アンモニア酸化細菌および亜硝酸酸化細菌等によりアンモニウムイオンを亜硝酸イオン、硝酸イオンにまで硝化した後に、嫌気性条件及び水素供与体の存在下において、脱窒菌により亜硝酸イオン、硝酸イオンを窒素ガスにまで還元する方法がある。この際、水素供与体としては排水中に含まれている有機物等が利用できるが、水素供与体が不足する場合には外部より供給することが必要となる。このとき水素供与体は排水中の窒素濃度を元に供給量が決定され、その供給量に基づいて、水素供与体が連続的に添加される。
このうち、脱窒菌により亜硝酸イオン、硝酸イオンを窒素ガスにまで還元する脱窒処理においては、活性汚泥法の他に、脱窒菌の濃度を高め、且つ固液分離を容易にするために、スポンジやゲル状の担体を添加し、脱窒処理を行う方法がある。また、脱窒菌自体を自己造粒させて比重の高い塊、すなわちグラニュールを形成して、槽内の脱窒菌の濃度を飛躍的に高め、脱窒処理を行う方法もある。グラニュール化した脱窒菌を使用する処理方法においては、高濃度の脱窒菌を槽内に保持することができるため、槽あたりの処理速度は担体を添加した処理方法と比較しても速く、担体が不要であるため低コスト化が可能となる。さらに、グラニュールの比重が高く沈降速度が速いため、固液分離が容易である等の利点を有している。このようなグラニュールの形成は、嫌気性メタン発酵、上向流式スラッジブランケットリアクター（USB）、半回分式リアクター（SBR）で確認されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
半回分式リアクターにおいては、脱窒槽が完全混合型であって、１つの脱窒槽で、被処理水の流入、酸素供給および被処理水と脱窒菌との接触、脱窒菌の沈降、処理水の排出、といった4つの工程を経ることによって処理が行われる。しかし、被処理水の流入と処理水の排出が共に短時間で行われるため、処理流量の変動が大きくなり、装置には大きな流量調整槽が必要となる。そのため、小規模の装置においては簡便で有利な装置となり得るが、中〜大規模の装置に適用することは困難である。また、上向流式スラッジブランケットリアクターを用いた場合には、非常に高い処理速度が得られるものの、特殊な形状の脱窒槽を用いるため、設備コストが高くなる。また、装置の構成上、脱窒槽内部の攪拌を十分に行うことができないため、被処理水のpHコントロールが困難となり、カルシウム等を含んだ被処理水においてはスケールの発生やグラニュール中に無機物が蓄積するなどの問題点を有している。
こういった問題を解決するためには従来から多くの装置で利用されている完全混合型の脱窒槽を利用し、被処理水を連続流入（及び連続排出）させる装置構成とすることが望ましいが、このような装置構成における脱窒菌のグラニュール形成に関する報告はこれまでにない。
そこで、本発明は、被処理水に含まれる硝酸イオン、亜硝酸イオンを脱窒菌により窒素に還元する脱窒処理において、完全混合型の脱窒槽に被処理水を連続流入させながら、脱窒菌をグラニュール化させることを目的とする。
本発明は、完全混合型の脱窒槽に被処理水を連続供給すると共に、水素供与体を供給し、被処理水中に含まれる硝酸イオン、亜硝酸イオンを脱窒菌により窒素に還元する脱窒処理方法であって、前記脱窒槽内での被処理水の水理学的滞留時間における脱窒槽内での水素供与体の濃度が経時的に変化するように、且つ前記水理学的滞留時間における脱窒槽内での水素供与体の最大濃度と最小濃度との差が、前記脱窒菌の自己造粒化を誘導する濃度差となるように、前記脱窒槽に水素供与体を供給する。
また、前記脱窒処理方法において、前記水理学的滞留時間における脱窒槽内での水素供与体の最大濃度と最小濃度との差が、５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上となるように、前記脱窒槽に水素供与体を供給することが好ましい。
また、前記脱窒処理方法において、前記水理学的滞留時間における脱窒槽内での水素供与体の最小濃度が最大濃度に対して１／２以下であることが好ましい。
また、前記脱窒処理方法において、前記脱窒槽に水素供与体を間欠的に供給することが好ましい。
また、前記脱窒処理方法において、硝酸イオン、亜硝酸イオンの濃度に対して、脱窒処理に必要な水素供与体の供給量を基準とし、前記基準値より少ない量の水素供与体を前記脱窒槽に供給する第１供給工程と、前記基準値より多い量の水素供与体を前記脱窒槽に供給する第２供給工程とを組み合わせて、前記脱窒槽に水素供与体を供給することが好ましい。
また、前記脱窒処理方法において、水素供与体の供給停止時間は、水素供与体の供給時間の５０％よりも長いことが好ましい。
また、前記脱窒処理方法において、前記第１供給工程における水素供与体の供給時間は、前記第２供給工程における水素供与体の供給時間の５０％よりも長いことが好ましい。
また、前記脱窒処理方法において、水素供与体の供給及び停止のサイクルを複数回行う場合、１サイクルの時間は前記水理学的滞留時間の５０％より短いことが好ましい。
また、前記脱窒処理方法において、前記第１供給工程及び前記第２供給工程のサイクルを複数回行う場合、１サイクルの時間は前記水理学的滞留時間の５０％より短いことが好ましい。
また、前記脱窒処理方法において、前記水理学的滞留時間における脱窒槽内での水素供与体の最小濃度が１００ｍｇＴＯＣ／Ｌ以下であることが好ましい。
また、前記脱窒処理方法において、前記水素供与体は、メタノール、エタノール、イソプロパノール、酢酸、水素ガス、アセトン、グルコース、エチルメチルケトンから選択されることが好ましい。
また、本発明は、完全混合型の脱窒槽と、前記脱窒槽に被処理水を連続供給する被処理水供給手段と、前記脱窒槽に水素供与体を供給する水素供与体供給手段と、を有し、前記脱窒槽内で被処理水中に含まれる硝酸イオン、亜硝酸酸イオンを脱窒菌により窒素に還元する脱窒処理装置であって、前記水素供与体供給手段は、前記脱窒槽内での被処理水の水理学的滞留時間における脱窒槽内での水素供与体の濃度が経時的に変化するように、且つ前記水理学的滞留時間における脱窒槽内での水素供与体の最大濃度と最小濃度との差が、前記脱窒菌の自己造粒化を誘導する濃度差となるように、前記脱窒槽に水素供与体を供給する。
本発明によれば、完全混合型の脱窒槽に被処理水を連続流入させながら、脱窒菌をグラニュール化させることができ、装置の小型化又は低コスト化が可能となる。
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
図１は、本実施形態に係る水処理装置の一例を示す概略構成図である。図１に示すように、水処理装置１は、フッ素処理装置１０と、硝化装置１２と、脱窒装置１４とを備える。本実施形態は、硝酸イオン、亜硝酸イオンを含有した被処理水の脱室処理方法及び脱窒処理装置に関するものであるが、例えば、半導体工場排水等の電子産業排水等には、フッ素及びアンモニア性窒素含有排水として排出されることが多く、このような場合には、上記のようにフッ素処理装置１０によりフッ素を除去し、硝化装置１２によりアンモニア性窒素を硝酸若しくは亜硝酸まで硝化させる必要がある。
アンモニア性窒素は、アンモニア、アンモニウム化合物、アミン系化合物、例えばテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド、モノエタノールアミン、その他アミノ酸等の有機性窒素化合物に起因するものである。フッ素は、フッ酸やフッ素化合物等に起因するものである。なお、フッ素処理装置１０の構成及びフッ素除去方法、硝化装置１２の構成及び硝化方法について、下記にその一例を説明するが、装置構成及び方法はこれに制限されるものではない。
フッ素処理装置１０は、被処理水槽と、反応槽と、沈殿槽とを備える。被処理水槽の出口と反応槽の入口、反応槽の出口と沈殿槽の入口とは配管により接続されている。
硝化装置１２は、被処理水槽と、硝化槽とを備える。フッ素処理装置１０の沈殿槽の出口と硝化装置１２の被処理水槽の入口、硝化装置１２の被処理水槽の出口と硝化槽の入口とは配管により接続されている。
図２は、本実施形態に係る脱窒装置の構成の一例を示す模式図である。図２に示すように、脱窒装置１４は、脱窒槽１６と、酸化槽１８と、沈殿槽２０と、被処理水流入管２２、汚泥返送管２４、処理水取出管２６ａ，２６ｂ，２６ｃ、水素供与体供給装置２８、ｐＨ調整装置３０、とを備える。被処理水流入管２２は、脱窒槽１６に被処理水を供給するための流路である。図１に示す硝化装置１２の硝化槽の出口と図２に示す脱窒槽１６の被処理水供給口とは、被処理水流入管２２により接続されている。脱窒槽１６の処理水出口と酸化槽１８の入口とは処理水取出管２６ａにより接続され、酸化槽１８の出口と沈殿槽２０の入口とは処理水取出管２６ｂにより接続され、沈殿槽２０の処理水出口には、処理水取出管２６ｃが接続されている。沈殿槽２０の汚泥排出口と脱窒槽１６の汚泥流入口とは、ポンプ２３を介して、汚泥返送管２４により接続されている。脱窒槽１６内には槽内の水の攪拌を行う攪拌装置３２が設けられている。
水素供与体供給装置２８は、脱窒槽１６に水素供与体を供給するものであり、水素供与体が収容される水素供与体タンク３４、水素供与体を脱窒槽１６に送水するポンプ３６、水素供与体の流路となる水素供与体流入管３８、ポンプ３６の駆動を制御し、水素供与体の供給量をコントロールする制御装置４０とを備える。水素供与体タンク３４の出口と脱窒槽１６の水素供与体供給口とは、ポンプ３６を介して、水素供与体流入管３８により接続されている。ポンプ３６と制御装置４０とは電気的に接続されている。
ｐＨ調整装置３０は、脱窒槽１６内の被処理水のｐＨを調整するものであり、塩酸等の酸剤又は水酸化ナトリウム等のアルカリ剤等のｐＨ調整剤が収容されるｐＨ調整剤タンク４２と、ｐＨ調整剤を脱窒槽１６に送水するポンプ４４と、ｐＨ調整剤の流路となるｐＨ調整剤流入管４６と、脱窒槽１６内の被処理水ｐＨ値を測定するｐＨセンサ４８と、ポンプ４４の駆動を制御し、ｐＨ調整剤の供給量をコントロールする制御装置５０とを備える。ｐＨ調整剤タンク４２の出口と脱窒槽１６のｐＨ調整剤供給口とは、ポンプ４４を介して、ｐＨ調整剤流入管４６により接続されている。ｐＨセンサ４８と制御装置５０、制御装置５０とポンプ４４とは電気的に接続されている。
次に、本実施形態に係る水処理方法及び水処理装置１の動作について説明する。まず、フッ素及びアンモニア性窒素を含有する被処理水を図１に示すフッ素処理装置１０の被処理水槽に送液する。該被処理水槽にて被処理水の流量及び濃度を平均化し、ｐＨを調整した後、被処理水をフッ素処理装置１０の反応槽に送液する。また、反応槽にカルシウム化合物を供給する。そして、フッ素処理装置１０の反応槽で、被処理水中のフッ素とカルシウム化合物とを反応させ、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）を生成させる。ここで、被処理水中のフッ素の処理効率を上げるために、カルシウム化合物と共に、凝集剤をフッ素処理装置１０の反応槽に供給して、上記生成するフッ化カルシウムをフロック化させてもよい。そして、フッ素処理装置１０の沈殿槽で（フロック化した）フッ化カルシウムを含む被処理水の個液分離を行い、被処理水からフッ素（及びフッ化カルシウム）を除去する。
また、フッ素処理装置１０は、反応槽を複数備えるものであってもよい。例えば、第１反応槽と第２反応槽とを備え、第１反応槽でフッ素及びアンモニア性窒素を含有する処理水とカルシウム化合物とを反応させて、フッ化カルシウムを生成させ、第２反応槽で凝集剤を添加してフッ化カルシウムをフロック化させてもよい。なお、反応槽には槽内の水の撹拌を行う撹拌機構が設けられてもよい。
フッ素処理装置１０の反応槽に供給するカルシウム化合物は、フッ素をフッ化カルシウムとして折出できるものであれば特に制限されるものではなく、例えば、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）２）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）等が挙げられる。また、凝集剤としては、例えば、ポリ塩化アルミニウムや硫酸アルミニウム等の無機系凝集剤や陰イオン性ポリマー等の有機高分子凝集剤等を用いることができる。
次に、フッ素が除去されたアンモニア性窒素を含有する被処理水を図１に示す硝化装置１２の被処理水槽に送液する。該被処理水槽にて被処理水の流量及び濃度を平均化し、ｐＨを調整した後、被処理水を硝化槽に送液する。硝化槽には、担体に硝化菌を含む微生物膜を担持させてなる微生物担持担体が充填されている。また、硝化槽には、空気導入管（不図示）が接続されており、硝化槽内の被処理水に空気を供給することができる構造になっている。そして、硝化槽で、微生物担持担体の硝化菌の働きにより、被処理水中のアンモニア性窒素を硝酸性窒素、亜硝酸性窒素に硝化させる。ここで、硝化菌は、被処理水中に含まれるアンモニア性窒素を亜硝酸性窒素に硝化する独立栄養性細菌のアンモニア酸化細菌、亜硝酸性窒素を硝酸性窒素に硝化する独立栄養性細菌の亜硝酸酸化細菌等である。
硝化菌が担持される担体は、特に制限されるものではないが、例えば、スポンジ、ゲル、プラスチック成型品等を利用することができる。具体的には、親水性のポリウレタンスポンジ、ポリビニルアルコールゲル等を利用することが好ましい。
次に、上記硝化処理された硝化処理液、すなわち、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素を含む被処理水を被処理水流入管２２を介して脱窒装置１４の脱窒槽１６に送液する。ここで、脱窒槽１６は完全混合型の脱窒槽１６であり、脱窒処理の際には、脱窒槽１６に被処理水を連続供給する。また、ポンプ３６を稼働させ、水素供与体供給装置２８の水素供与体タンク３４内の水素供与体を水素供与体流入管３８を介して脱窒槽１６に供給する。脱窒槽１６内には、脱窒菌を含む汚泥が水中に浮遊した状態で収容されており、該脱窒菌の働きによって、被処理水中の硝酸イオン、亜硝酸イオンが窒素ガスに還元される。水素供与体としてメタノールを使用した場合、被処理水中の硝酸イオン、亜硝酸イオンは、下記反応式に示す反応により、窒素ガスに還元される。
２ＮＯ２ − ＋ ＣＨ３ＯＨ → Ｎ２ ＋ ＣＯ２ ＋ Ｈ２Ｏ ＋ ２ＯＨ−
６ＮＯ３ − ＋ ５ＣＨ３ＯＨ → ３Ｎ２ ＋ ５ＣＯ２ ＋ ７Ｈ２Ｏ ＋ ６ＯＨ−
６ＮＯ３ − ＋ ５ＣＨ３ＯＨ → ３Ｎ２ ＋ ５ＣＯ２ ＋ ７Ｈ２Ｏ ＋ ６ＯＨ−
次に、処理水取出管２６ａを介して、脱窒処理により硝酸イオン、亜硝酸イオンが除去された処理水を酸化槽１８に送液し、酸化槽１８で、処理水中に残存する水素供与体等の有機物を酸化させる。次に、処理水取出管２６ｂを介して、水素供与体が除去された処理水を沈殿槽２０に送液する。そして、沈殿槽２０の下部に、被処理水中に含まれる（本実施形態では自己造粒化した）脱窒菌が汚泥として堆積し、沈殿槽２０の上部の上澄水を処理水取出管２６ｃから取り出す。また、ポンプ２３を稼働させ、沈殿槽２０の下部に堆積した汚泥を汚泥返送管２４から再度脱窒槽１６内へ返送する。なお、硝化装置１２で行う硝化処理も浮遊式の汚泥で行う場合、硝化槽へ汚泥を返送してもよい。
図３は、本発明の他の実施形態に係る脱窒装置の構成の一例を示す模式図である。脱窒装置１４においては、必ずしも沈殿槽２０を脱窒槽１６と独立して設ける必要はなく、図３に示すように、脱窒槽１６内に、下部開口の隔壁５２を設け、脱窒室５４及び沈殿室５６を形成してもよい。また、個液分離は、図２に示す沈殿槽２０、図３に示す沈殿室５６によらず、ガスソリッドセパレータ（ＧＳＳ）、膜分離装置等の任意の手段で行ってもよい。
酸化槽１８は、被処理水中に含まれる水素供与体等の有機物を微生物の働きにより酸化分解するためのものである。酸化槽１８は、図２に示すように、沈殿槽２０より上流側に設置してもよいし、沈殿槽２０より下流側に設置してもよい。
次に、水素供与体の供給方法について詳述する。通常、水素供与体は、脱窒槽１６に供給される被処理水中の硝酸イオン、亜硝酸イオンの濃度から、脱窒処理に必要な水素供与体の供給量を算出し、その量を変化させることなく連続的に脱窒槽１６に供給する。そのため、脱窒槽１６内の水素供与体の濃度は、低濃度でほぼ一定である。なお、脱窒処理を効率的に行うために、脱窒槽１６内の硝酸イオン及び亜硝酸イオンの脱窒処理に必要な水素供与体の供給量（水素供与体必要理論量）の１．２倍前後を脱窒槽１６に供給する。
しかし、本実施形態では、脱窒槽１６内の被処理水の水理学的滞留時間（ＨＲＴ）における脱窒槽１６内での水素供与体の濃度が経時的に変化するように、該水理学的滞留時間における脱窒槽１６内での水素供与体の最大濃度と最小濃度との差が、脱窒菌の自己造粒化を誘導する（グラニュール化する）濃度差となるように、脱窒槽１６に水素供与体を供給する。具体的には、制御装置４０に、水理学的滞留時間における脱窒槽１６内での水素供与体の濃度変動マップを予め記録させておき、濃度変動マップに基づいて、水素供与体の最大濃度と最小濃度との差が、脱窒菌の自己造粒化を誘導する濃度差となるように、ポンプ３６の稼働を制御し、水素供与体の供給量を調節する。すなわち、後述する水素供与体の供給−停止、水素供与体の多量供給−少量供給を行う。
ここで、脱窒槽１６内での被処理水の水理学的滞留時間における脱窒槽１６内での水素供与体の最大濃度と最小濃度との差は、５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上となるように、脱窒槽１６内に水素供与体を供給することが好ましく、１００ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上となるように、脱窒槽１６内に水素供与体を供給することがより好ましい。脱窒槽１６内での被処理水の水理学的滞留時間における脱窒槽１６内での水素供与体の最大濃度と最小濃度との差が、５０ｍｇＴＯＣ／Ｌより小さいと、脱窒菌の自己造粒化を充分に誘導することができない場合がある。
ここで、脱窒槽１６内での被処理水の水理学的滞留時間における脱窒槽内での水素供与体の最小濃度は、最大濃度に対して１／２以下（０より大きく、最大濃度に対して１／２以下の範囲）であることが好ましい。上記最小濃度が最大濃度に対して１／２を超えると、脱窒菌の自己造粒化の誘導が困難となる場合がある。
本実施形態では、水素供与体を間欠的に脱窒槽１６に供給することにより、脱窒槽１６内の被処理水の水理学的滞留時間における脱窒槽１６内での水素供与体の濃度を経時的に変化させることができる。すなわち、水素供与体の供給時では、脱窒槽１６内の水素供与体の濃度を増加させ、水素供与体の供給停止時では、脱窒槽１６内の水素供与体の濃度を低下させることができるため（脱窒処理により水素供与体が消費されるため）、上記水理学的滞留時間における脱窒槽１６内での水素供与体の濃度を経時的に変化させることができる。但し、水素供与体の供給及び停止時間、水素供与体の供給量は、脱窒槽１６内での被処理水の水理学的滞留時間（ＨＲＴ）における脱窒槽１６内での水素供与体の最大濃度と最小濃度との差が、例えば、５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上となるように設定される必要がある。
水素供与体の供給停止時間は、水素供与体の供給時間の５０％より長いことが好ましい。水素供与体の供給停止時間が、水素供与体の供給時間の５０％以下であると、水素供与体の最大濃度と最小濃度との差が、例えば５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上であっても、脱窒菌の自己造粒化を充分に誘導することが困難となる場合がある。
水素供与体の供給及び停止のサイクルを複数行う場合、１サイクル（供給−停止）の時間は、水理学的滞留時間の５０％より短いこと、すなわち水理学的滞留時間に対して２サイクル以上行うことが好ましい。水理学的滞留時間に対して１サイクルしか行わないと、水素供与体の最大濃度と最小濃度との差は大きくなるが、水素供与体の濃度の高い処理水が脱窒槽１６外へ排出されるため、処理水から水素供与体を除去するための酸化槽１８の負荷が高くなると共に、処理水の水質を悪化させる場合がある。また、脱窒処理において有効に使用されない水素供与体が多くなるため、水素供与体供給量を増加させる必要があり、脱室処理のコストが高くなる場合がある。
また、本実施形態では、脱窒槽１６内の硝酸イオン及び亜硝酸イオンの濃度に対して、脱窒処理に必要な水素供与体の供給量（水素供与体必要理論量）を基準として、基準値より少ない量の水素供与体を脱窒槽１６に供給する第１供給工程と、前記基準値より多い量の水素供与体を脱窒槽１６に供給する第２供給工程とを組み合わせて、脱窒槽１６に水素供与体を供給することによっても、脱窒槽１６内の被処理水の水理学的滞留時間における脱窒槽１６内での水素供与体の濃度を経時的に変化させることができる。但し、第１供給工程及び第２供給工程での水素供与体を供給する時間及び当該時間内に供給する供給量は、脱窒槽１６内での被処理水の水理学的滞留時間（ＨＲＴ）における脱窒槽１６内での水素供与体の最大濃度と最小濃度との差が、例えば、５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上となるように設定される必要がある。
第１供給工程における水素供与体の供給時間は、第２供給工程における水素供与体の供給時間の５０％より長いことが好ましい。第１供給工程における水素供与体の供給時間が、第２供給工程における水素供与体の供給時間の５０％以下であると、水素供与体の最大濃度と最小濃度との差が、例えば５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上であっても、脱窒菌の自己造粒化を充分に誘導することが困難となる場合がある。
第１供給工程及び第２供給工程のサイクルを複数行う場合、１サイクル（第１供給工程−第２供給工程）の時間は、水理学的滞留時間の５０％より短いこと、すなわち水理学的滞留時間に対して２サイクル以上行うことが好ましい。水理学的滞留時間に対して１サイクルしか行わないと、水素供与体の最大濃度と最小濃度との差は大きくなるが、水素供与体の濃度の高い処理水が脱窒槽１６外へ排出されるため、処理水から水素供与体を除去するための酸化槽１８の負荷が高くなると共に、処理水の水質を悪化させる場合がある。また、脱窒処理において有効に使用されない水素供与体が多くなるため、水素供与体供給量を増加させる必要があり、脱室処理のコストが高くなる場合がある。
また、本実施形態では、脱窒槽１６内での被処理水の水理学的滞留時間における脱窒槽１６内での水素供与体の最小濃度は、１００ｍｇＴＯＣ／Ｌ以下であることが好ましく、１０ｍｇＴＯＣ／Ｌ〜１００ｍｇＴＯＣ／Ｌの範囲であることがより好ましい。水素供与体の最小濃度が１００ｍｇＴＯＣ／Ｌより大きいと、脱窒菌の自己造粒化を充分に誘導することが困難となる場合がある。また、水素供与体の最小濃度が１０ｍｇＴＯＣ／Ｌより小さいと、脱窒処理を効率的に行うことができず、処理水の水質を悪化させる場合がある。
なお、脱窒菌をグラニュール化させる際には、一部の金属類の添加が良好な結果をもたらす場合がある。これらは、一般的にグラニュール化促進物質として位置付けられ、イオン類としてカルシウムイオン、鉄イオン、化合物類としてフライアッシュ、酸化鉄、炭酸カルシウム等が挙げられる。このうちイオン類に関しては、脱窒処理期間に渡って、もしくは装置の立ち上げ期に連続又は間欠的に添加されることが好ましい。また、化合物類に関しては、装置立ち上げ時に汚泥の添加と共に添加されることが好ましい。
本実施形態で用いられる水素供与体は、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール、酢酸、水素ガス、アセトン、グルコース、エチルメチルケトン等が挙げられるが、これに制限されるものではなく、水素供与体として従来公知のもの全てを使用することができる。
硝酸イオン、亜硝酸イオンから窒素ガスへの還元反応は、水素供与体の種類により若干異なるが、いずれにしても硝酸イオン、亜硝酸イオンと等モルの水酸化物イオンが生成するため、浮上槽内の被処理水ｐＨは上昇する。一般的に、脱窒処理における被処理水のｐＨは８〜９の範囲に調整することが好適である。但し、水素供与体由来の炭酸イオン濃度が高くなって、被処理水中に含まれるカルシウムイオン等によるスケール発生が懸念される場合には、浮上槽内の被処理水ｐＨは６〜７．５の範囲に調整することが好ましく、６．３〜７．０の範囲に調整することがより好ましい。具体的には、ｐＨ調整装置３０のｐＨセンサ４８により被処理水のｐＨを検出し、検出したｐＨに基づいて、脱窒槽１６内の被処理水ｐＨが上記ｐＨ範囲となるように、制御装置５０によりポンプ４４を稼働させ、ｐＨ調整剤タンク４２からｐＨ調整剤を脱窒槽１６に供給し、脱窒槽１６内の被処理水のｐＨを調節する。
以上のように、完全混合型の脱窒槽に被処理水を連続供給すると共に、脱窒槽内での被処理水の水理学的滞留時間における脱窒槽１６内での水素供与体の濃度が経時的に変化するように、且つ水理学的滞留時間における脱窒槽１６内での水素供与体の最大濃度と最小濃度との差が、脱窒菌の自己造粒化（グラニュール化）を誘導する濃度差、好ましくは５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上となるように、脱窒槽に水素供与体を供給することにより、脱窒菌をグラニュール化させることができる。脱窒菌をグラニュール化させることにより、脱窒槽内の微生物濃度（汚泥濃度）を増加させることができるため、脱窒処理の処理速度の向上、装置の小型化又は低コスト化が可能となる。
以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
実施例１においては、図２に示したものと同様の装置を用い、下記表１に示す水質の被処理水を脱窒槽に連続通水した。水素供与体としてメタノールを使用し、脱窒槽内での被処理水のＨＲＴにおけるメタノールの最大濃度と最小濃度との差が５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上となるように、脱窒槽に当該メタノールを間欠的に供給した。水素供与体の供給時間と停止時間の比を１：１９に固定し、供給−停止の１サイクルの時間はＨＲＴの１／５として流入窒素負荷によってサイクル時間を変化させた。メタノールの添加量は、処理窒素量に対して３ｋｇメタノール／ｋｇ窒素とし、試験開始時には約５００ｍｇＭＬＳＳ／Ｌとなるように脱窒を行っている活性汚泥を脱窒槽に供給した。なお、脱窒槽は５０L容のダイライトタンクを利用し、有効容積を４０Ｌとした。被処理水のｐＨは、塩酸を用いて、ｐＨ６．５となるように調整した。また、脱窒槽後段に設置した沈殿槽に溜まった汚泥を脱窒槽に返送した。試験は２６日間行った。
実施例１においては、図２に示したものと同様の装置を用い、下記表１に示す水質の被処理水を脱窒槽に連続通水した。水素供与体としてメタノールを使用し、脱窒槽内での被処理水のＨＲＴにおけるメタノールの最大濃度と最小濃度との差が５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上となるように、脱窒槽に当該メタノールを間欠的に供給した。水素供与体の供給時間と停止時間の比を１：１９に固定し、供給−停止の１サイクルの時間はＨＲＴの１／５として流入窒素負荷によってサイクル時間を変化させた。メタノールの添加量は、処理窒素量に対して３ｋｇメタノール／ｋｇ窒素とし、試験開始時には約５００ｍｇＭＬＳＳ／Ｌとなるように脱窒を行っている活性汚泥を脱窒槽に供給した。なお、脱窒槽は５０L容のダイライトタンクを利用し、有効容積を４０Ｌとした。被処理水のｐＨは、塩酸を用いて、ｐＨ６．５となるように調整した。また、脱窒槽後段に設置した沈殿槽に溜まった汚泥を脱窒槽に返送した。試験は２６日間行った。
（比較例）
比較例においては、水素供与体としてメタノールを使用し、脱窒槽に当該メタノールを連続供給した。脱窒槽内での被処理水のＨＲＴにおけるメタノールの最大濃度と最小濃度との差を５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ未満に維持した。メタノールの添加量は、処理窒素量に対して３ｋｇメタノール／ｋｇ窒素とし、試験開始時には約５００ｍｇＭＬＳＳ／Ｌとなるように脱窒を行っている活性汚泥を脱窒槽に供給した。なお、脱窒槽は５０L容のダイライトタンクを利用し、有効容積を４０Ｌとした。被処理水のｐＨは、塩酸を用いて、ｐＨ６．５となるように調整した。また、脱窒槽後段に設置した沈殿槽に溜まった汚泥を脱窒槽に返送した。試験は２６日間行った。
比較例においては、水素供与体としてメタノールを使用し、脱窒槽に当該メタノールを連続供給した。脱窒槽内での被処理水のＨＲＴにおけるメタノールの最大濃度と最小濃度との差を５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ未満に維持した。メタノールの添加量は、処理窒素量に対して３ｋｇメタノール／ｋｇ窒素とし、試験開始時には約５００ｍｇＭＬＳＳ／Ｌとなるように脱窒を行っている活性汚泥を脱窒槽に供給した。なお、脱窒槽は５０L容のダイライトタンクを利用し、有効容積を４０Ｌとした。被処理水のｐＨは、塩酸を用いて、ｐＨ６．５となるように調整した。また、脱窒槽後段に設置した沈殿槽に溜まった汚泥を脱窒槽に返送した。試験は２６日間行った。
図４は、実施例１の試験経過日数に対するＭＬＳＳ濃度の変化を示す図である。図５は、実施例１の試験経過日数に対する脱窒処理の処理速度の変化を示す図である。図４に示すように、実施例１では、日数の経過と共にＭＬＳＳ濃度が上昇し、試験開始から２６日目には、ＭＬＳＳ濃度が８０００ｍｇＭＬＳＳ／Ｌに達した。また、図５に示すように、ＭＬＳＳ濃度の上昇と共に、脱窒処理の処理速度も上昇し、試験開始から２６日目には、約２ｋｇＮ／ｍ３／ｄａｙまで達し、高い処理速度が得られることを確認した。また、実施例１では、試験開始から約２週間経過後には脱窒菌を含む汚泥のグラニュール化が確認され、約３週間後には脱窒菌を含む汚泥のほぼ全体がグラニュール化することを確認した。一方、比較例においては、試験開始から２６日目で、ＭＬＳＳ濃度が３０００ｍｇＭＬＳＳ／Ｌ程度までしか達せず、脱窒処理の処理速度も、０．６ｋｇＮ／ｍ３／ｄａｙであった。さらに、試験開始から２６日経っても、脱窒菌を含む汚泥はグラニュール化しなかった。
（実施例２）
実施例２においては、水素供与体の停止時間／供給時間を０．５，１，５，１０，２０，５０としたこと以外は、実施例１と同様の条件で脱窒処理を行った。そして、試験開始から２５日後において、脱窒槽内の脱窒菌を含む汚泥がグラニュール化しているかを以下の基準で評価し、それを表１にまとめた。
○：脱膣菌を含む汚泥全体がグラニュール化した
△：脱膣菌を含む汚泥の一部がグラニュール化した
×：脱膣菌を含む汚泥のグラニュール化が起こらなかった
実施例２においては、水素供与体の停止時間／供給時間を０．５，１，５，１０，２０，５０としたこと以外は、実施例１と同様の条件で脱窒処理を行った。そして、試験開始から２５日後において、脱窒槽内の脱窒菌を含む汚泥がグラニュール化しているかを以下の基準で評価し、それを表１にまとめた。
○：脱膣菌を含む汚泥全体がグラニュール化した
△：脱膣菌を含む汚泥の一部がグラニュール化した
×：脱膣菌を含む汚泥のグラニュール化が起こらなかった
表１から判るように、停止時間／添加時間が０（上記比較例）の場合、試験開始から２５日経過しても脱膣菌のグラニュール化は起こらなかった。また、停止時間／添加時間を１以上とすることにより、試験開始から２５日経過後には、脱膣菌を含む汚泥全体をグラニュール化させることができ、良好な結果が得られた。
（実施例３）
実施例３においては、供給−停止の１サイクルの時間をＨＲＴの１，１／２，１／３，１／５とした以外は、実施例１と同様の条件で脱窒処理を行った。供給−停止の各サイクル時間内における脱窒槽出口の水素供与体平均濃度と、脱窒槽出口の硝酸性窒素平均濃度とを表２にまとめた。
実施例３においては、供給−停止の１サイクルの時間をＨＲＴの１，１／２，１／３，１／５とした以外は、実施例１と同様の条件で脱窒処理を行った。供給−停止の各サイクル時間内における脱窒槽出口の水素供与体平均濃度と、脱窒槽出口の硝酸性窒素平均濃度とを表２にまとめた。
サイクル時間がＨＲＴの１／３以下の場合には、脱窒槽に供給した水素供与体も有効に使われ、処理水中の硝酸性窒素も低く抑えることができた。しかし、サイクル時間がＨＲＴの１／２以上の場合には、添加した水素供与体の一部が未反応のまま流出し、それに伴って水素供与体不足となり、処理水質の悪化が確認された。
１ 水処理装置、１０ フッ素処理装置、１２ 硝化装置、１４ 脱窒装置、１６ 脱窒槽、１８ 酸化槽、２０ 沈殿槽、２２ 被処理水流入管、２３，３６，４４ ポンプ、２４ 汚泥返送管、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ 処理水取出管、２８ 水素供与体供給装置、３０ ｐＨ調整装置、３２ 攪拌装置、３４ 水素供与体タンク、３８ 水素供与体流入管、４０，５０ 制御装置、４２ ｐＨ調整剤タンク、４６ ｐＨ調整剤流入管、４８ ｐＨセンサ、５２ 隔壁、５４ 脱窒室、５６ 沈殿室。
Claims (11)
- 完全混合型の脱窒槽に被処理水を連続供給すると共に、水素供与体を供給し、被処理水中に含まれる硝酸イオン、亜硝酸イオンを脱窒菌により窒素に還元する脱窒処理方法であって、
前記脱窒槽内での被処理水の水理学的滞留時間における水素供与体の濃度が経時的に変化するように、且つ前記水理学的滞留時間における水素供与体の最大濃度と最小濃度との差が、５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上となるように、前記脱窒槽に水素供与体を供給することを特徴とする脱窒処理方法。 - 請求項１記載の脱窒処理方法であって、前記水理学的滞留時間における水素供与体の最小濃度が最大濃度に対して１／２以下であることを特徴とする脱窒処理方法。
- 請求項１記載の脱窒処理方法であって、前記脱窒槽に水素供与体を間欠的に供給することを特徴とする脱窒処理方法。
- 請求項１記載の脱窒処理方法であって、硝酸イオン、亜硝酸イオンの濃度に対して、脱窒処理に必要な水素供与体の供給量を基準とし、前記基準値より少ない量の水素供与体を前記脱窒槽に供給する第１供給工程と、前記基準値より多い量の水素供与体を前記脱窒槽に供給する第２供給工程とを組み合わせて、前記脱窒槽に水素供与体を供給することを特徴とする脱窒処理方法。
- 請求項３記載の脱窒処理方法であって、水素供与体の供給停止時間は、水素供与体の供給時間の５０％よりも長いことを特徴とする脱窒処理方法。
- 請求項４記載の脱窒処理方法であって、前記第１供給工程における水素供与体の供給時間は、前記第２供給工程における水素供与体の供給時間の５０％よりも長いことを特徴とする脱窒処理方法。
- 請求項３記載の脱窒処理方法であって、水素供与体の供給及び停止のサイクルを複数回行う場合、１サイクルの時間は前記水理学的滞留時間の５０％より短いことを特徴とする脱窒処理方法。
- 請求項４記載の脱窒処理方法であって、前記第１供給工程及び前記第２供給工程のサイクルを複数回行う場合、１サイクルの時間は前記水理学的滞留時間の５０％より短いことを特徴とする脱窒処理方法。
- 請求項１記載の脱窒処理方法であって、前記水理学的滞留時間における水素供与体の最小濃度が１００ｍｇＴＯＣ／Ｌ以下であることを特徴とする脱窒処理方法。
- 請求項１記載の脱窒処理方法であって、前記水素供与体は、メタノール、エタノール、イソプロパノール、酢酸、水素ガス、アセトン、グルコース、エチルメチルケトンから選択されることを特徴とする脱窒処理方法。
- 完全混合型の脱窒槽と、前記脱窒槽に被処理水を連続供給する被処理水供給手段と、前記脱窒槽に水素供与体を供給する水素供与体供給手段と、を有し、前記脱窒槽内で被処理水中に含まれる硝酸イオン、亜硝酸酸イオンを脱窒菌により窒素に還元する脱窒処理装置であって、
前記水素供与体供給手段は、前記脱窒槽内での被処理水の水理学的滞留時間における水素供与体の濃度が経時的に変化するように、且つ前記水理学的滞留時間における水素供与体の最大濃度と最小濃度との差が、５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以上となるように、前記脱窒槽に水素供与体を供給することを特徴とする脱窒処理装置。
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