JP5288559B2 - 硝化装置及び生物学的硝化脱窒装置 - Google Patents

Description

本発明は、生物処理法を用いて窒素含有排水を処理する硝化装置及び生物学的硝化脱窒装置に関する。

排水中に含まれる窒素は、富栄養化現象の原因とされ、排水中の窒素を除去する技術が多く開発されている。この一つである微生物を利用して排水中の窒素を除去する生物学的窒素除去方法も、従来からよく使用されており、順送法、ＡＯ（Ａｎａｅｒｏｂｉｃ−Ｏｘｉｃ）法、Ａ２Ｏ（Ａｎａｅｒｏｂｉｃ−Ａｎｏｘｉｃ−Ｏｘｉｃ）及びＵＡＳＢ（Ｕｐｆｌｏｗ Ａｎａｅｒｏｂｉｃ Ｓｌｕｄｇｅ Ｂｌａｎｋｅｔ）−ＤＨＳ（Ｄｏｗｎｆｌｏｗ Ｈａｎｇｉｎｇ Ｓｐｏｎｇｅ Ｃｕｂｅ）法などの循環法を含め多くのプロセスが提案さている。生物学的窒素除去方法は、好気性細菌である硝化細菌により排水中のアンモニア体窒素を、亜硝酸体又は硝酸体窒素にまで酸化する硝化工程と、嫌気性細菌である脱窒細菌を用いて硝酸体、亜硝酸体窒素を窒素に還元する脱窒工程とからなり、ここで使用する装置も種々の形態のものが開発されている。

好気性細菌である硝化細菌により排水中のアンモニア体窒素を、亜硝酸体又は硝酸体窒素にまで酸化する硝化装置において、硝化反応に必要な酸素は、ブロアー等を介して供給されるのが一般的である。従来の硝化装置では、供給する空気量は、アンモニア体窒素負荷の最大値に合わせて供給されていたため、アンモニア体窒素の負荷が低下したときは、ブロワ等の動力が無駄となるとし、空気供給量を制御し硝化処理する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００１−８７７８５号公報

特許文献１に記載の技術は、硝化槽内の硝化反応の進行状況を、採取ポンプ、センサ等を用いて測定し、演算器、制御器を介してブロワの回転数を制御することで、硝化槽へ送る空気量（曝気風量）を調整するものである。このように硝化槽へ送り込む空気量を適正量に制御することは、動力の低減等につながり好ましい方法であるが、一方で複数の機器、装置が別途必要となる。

硝化装置に対しては、特許文献１に見られるように硝化反応を高度に制御したいと言う要求がある一方で、簡単な構成で安価な装置としたいと言う要求もある。このような硝化装置としては、例えばブロワ等を使用することなく、硝化反応に必要な酸素を供給できる装置、方法を備える硝化装置が考えられるけれども、現在までのところこのような硝化装置は開発されていない。

本発明の目的は、外部から強制的に空気を送り込むことなく硝化反応に必要な酸素を供給可能で、安価な硝化装置及び生物学的硝化脱窒装置を提供することである。

本発明は、窒素を含有する排水を好気性細菌である硝化細菌により硝化処理する、内部に硝化細菌を固定化させる担体を保有する横置き薄型の硝化槽と、前記硝化槽が満水となったとき、前記硝化槽内の前記排水を短時間内に排出し前記担体を大気中に露出させる回分排出手段と、を備え、前記排水の充填と排出とを交互に繰り返しながら硝化処理する硝化装置であって、前記担体が一枚のスポンジ担体からなり、前記スポンジ担体は、厚さが８０ｍｍ以下であり、かつスポンジ担体の厚さ方向と前記硝化槽の深さ方向とが一致するように設置され、前記硝化槽に対して、空気を巻き込むように排水を供給することで排水に浸かっている前記担体部分が嫌気状態となることを抑制することを特徴とする硝化装置である。

また本発明は、前記硝化装置において、前記回分排出手段がサイホンであることを特徴とする。

また本発明は、前記硝化装置と、脱窒細菌により硝酸体窒素及び亜硝酸体窒素を窒素に還元する脱窒装置と、を備えることを特徴とする生物学的硝化脱窒装置である。

本発明によれば、硝化槽が横置き薄型であるので、内部に保有する担体の比表面積が大きく、空気と接触しやすい。さらに硝化槽が満水となったとき、硝化槽内の排水を短時間内に排出し硝化槽内の担体を大気中に露出させる回分排出手段を備え、硝化槽は、排水の充填と排出とを交互に繰り返しながら硝化処理するので、硝化槽内、担体が自然と好気状態に維持され、硝化反応に必要な酸素をブロワなどで強制的に送り込む必要がない。また硝化槽が薄型であるので、担体を保持するフレームが不要か又は簡単なフレームでよい。これらにより硝化装置を安価に製造することができる。特に、担体を一枚のスポンジ担体で構成すると充填率を高くすることができるので、装置をコンパクト化することができる。一方で、空隙率が小さいため空気との接触が問題となるが、スポンジ担体の厚さを８０ｍｍ以下とし、空気を巻き込むように排水を供給することで空気との接触を高め嫌気状態を抑制することができる。

また本発明によれば、回分排出手段がサイホンであるので、構造が簡単でかつ安価である。これにより硝化装置を安価に製造することができる。

本発明によれば、生物学的硝化脱窒装置は、前記硝化装置と、脱窒細菌により硝酸体窒素及び亜硝酸体窒素を窒素に還元する脱窒装置と、を含み構成されるので、装置構成が簡単で安価である。

本発明の第１実施形態としての硝化装置１の概略的構成を示す図である。 本発明の第２実施形態としての生物学的硝化脱窒装置２０の概略的構成を示すプロセスフロー図である。

図１は、本発明の第１実施形態としての硝化装置１の概略的構成を示す図である。硝化装置１は、好気性細菌である硝化細菌により排水中のアンモニア体窒素を硝酸体窒素、亜硝酸体窒素に酸化するＳＳＢリアクタ３（サイホン方式スポンジ回分反応器：Ｓｉｐｈｏｎ Ｓｐｏｎｇｅ Ｂａｔｃｈ−Ｒｅａｃｔｏｒ）と、ＳＳＢリアクタ３で処理された排水を一気に排出するサイホン５を有する。

ＳＳＢリアクタ３は、横置き薄型の硝化槽であり、上面が完全に開放されたリアクタ本体７内にスポンジ担体９が充填されている。ＳＳＢリアクタ３は、リアクタ本体７を横置き薄型とすることで、内部に充填するスポンジ担体９の厚さを薄くし、スポンジ担体９の比表面積を大きくする。これによりスポンジ担体９の内部まで好気状態に維持することができる。ＳＳＢリアクタ３は、横置き薄型であれば、形状は特に限定されないけれども、例示すれば、形状は矩形で高さ：幅：長さが１：２：１０程度である。

スポンジ担体９は、硝化細菌を固定化させる部材であり、一般に使用されているウレタン、セルロースなどのスポンジを使用することができる。スポンジ担体９は、リアクタ本体７の底面１１から少し持ち上げられた状態で設置されており、これによりスポンジ担体９の底面１３も完全に空気と接触することが可能となる。スポンジ担体９は厚さが薄いので、従来の塔型の硝化塔に比べスポンジ担体９に加わる重量が非常に少なく、変形しにくい。このためスポンジ担体９を保持するフレームが不要又は必要な場合であっても簡単なフレームでよい。スポンジ担体９は、必ずしも一枚のスポンジで構成する必要はなく、複数枚のスポンジで構成してもよい。この場合、隣り合うスポンジ間に空間を設けることが好ましい。本願発明者らの経験上、スポンジ担体９の中心部まで好気状態が保たれるのは、空気接触面から４０ｍｍ程度であるので、装置が大型化しスポンジ担体９の厚さが８０ｍｍを超えるような場合は、スポンジ担体９を複数のスポンジ担体９で構成し、一枚のスポンジ担体９の厚さが８０ｍｍを超えないようにすることが好ましい。より好ましいスポンジ担体９の厚さは２０〜４０ｍｍである。

サイホン５は、ＳＳＢリアクタ３内の排水を間欠的に排出するための回分排出手段である。回分排出手段は、ＳＳＢリアクタ３に排水が供給されているときは排水を漏洩させることなく貯水可能で、ＳＳＢリアクタ３内が満水となったとき、ＳＳＢリアクタ３内の排水を一気に排出する装置である。本実施形態において、満水とは、スポンジ担体９の上面１５よりも僅かに高い水位である。このためＳＳＢリアクタ内３が満水となるとスポンジ担体９は完全に排水中に没する。満水の水位は、満水状態において、スポンジ担体９が排水中に完全に埋没する水位ならば、可能な限り低いことが好ましい。また、スポンジ担体９の上面１５の位置は、排水が零れない範囲でリアクタ本体７の上端に近い方が、リアクタ本体７を小型化できるので好ましい。

サイホン５は、排水流入口とは反対側のＳＳＢリアクタ３の端部に取り付けられている。サイホン５の入口１７は、リアクタ本体７の底面１１近傍に位置し、この位置はスポンジ担体９の底面１３とリアクタ本体７の底面１１との間であり、出口１９はリアクタ本体７の底面よりも低く、サイホン５は、ＳＳＢリアクタ３内が満水となったとき排水を排出するように取付けられている。

上記硝化装置１は、次のように動作する。排水は、サイホン５とは反対側のＳＳＢリアクタ本体７の端部からＳＳＢリアクタ３内に供給される。ＳＳＢリアクタ３に供給された排水は、ＳＳＢリアクタ３内に貯水され、水位を上昇させる。ＳＳＢリアクタ３内が満水となるとサイホン５は、一気にＳＳＢリアクタ３内の排水を外部へ排出する。硝化装置１は、連続的に排水を受け入れ、ＳＳＢリアクタ３内に排水を貯水（充填）し、ＳＳＢリアクタ３内が満水となると排水をサイホン５を介して排出する動作を繰り返しながら、この過程で硝化処理する。排水が満水となるまでの時間と排出時間との比は、６０：０．５〜３程度である。

ＳＳＢリアクタ３内の排水がサイホン５を介して排出されると、スポンジ担体９は、完全に大気中に露出し空気と接触する。ＳＳＢリアクタ３に供給する排水を、ＳＳＢリアクタ本体７より少し上部から落下させるように供給することで、排水は空気を巻き込みながらＳＳＢリアクタ３に供給される。供給される排水はＳＳＢリアクタ本体７に溜まり、徐徐に水位を上昇させる。水位がスポンジ担体９の底面１３の高さに達するまでは、スポンジ担体９は完全に大気中に露出しており、十分に空気と接触する。さらに水位が上昇すると、スポンジ担体９の下部は、排水に浸かるけども排水は、空気を巻き込みながら供給されるため、排水に浸かっている部分も完全は嫌気状態とはならない。スポンジ担体９のうち排水に浸かっていない中間部から上部は大気中に露出した状態である。さらに水位が上昇し、満水となるとスポンジ担体９は、完全に排水中に埋没してしまい、空気との接触は排水に含まれる空気のみとなるが、ＳＳＢリアクタ３内が満水となると直ちに、短時間内に排水がサイホン５を介して排出されるので、スポンジ担体９は再度、大気中に露出する。これらによりスポンジ担体９は、好気状態が維持され、硝化反応に必要な酸素が確保される。排水中のアンモニア体窒素は、この過程においてスポンジ担体９に固定化された硝化細菌により硝化処理される。

従来の一般的な硝化装置では、硝化槽内を好気状態に維持するためブロワなどを用いて強制的に空気を吹き込んでいるが、本硝化装置１では上記のように硝化槽内を好気状態に維持するための特別な装置は不要であり、構造も簡単で安価に製造することができる。また、硝化装置１は、横置き薄型のＳＳＢリアクタ３を採用するので装置高さを抑え、硝化装置１を小型化できる。

上記実施形態では、硝化装置１としてスポンジ担体９を用いたＳＳＢリアクタ３の例を示したけれども、硝化細菌を固定化させるための担体はスポンジ担体９に限定されるものではない。他の担体としては多孔質ゼオライトが好ましい。多孔質ゼオライトは、周知のように多数の微細な細孔を有すると共に、比表面積が大きく担体として適している。また多孔質ゼオライトは、アンモニア吸着性能に優れるのでアンモニア含有排水に好適に使用することができる。特にアンモニア濃度の低いアンモニア含有排水には好ましい。多孔質ゼオライトは、硝化槽に排水が供給されているとき、排水中のアンモニアを吸着し、排水が排出され再度排水が溜まっている最中に、吸着したアンモニアを酸化させ硝酸体窒素、亜硝酸体窒素とすることができる。排水中のアンモニアを濃縮した後、硝化させることができるので効率的に硝化処理することができる。また、多孔質ゼオライトを担体として使用すると、圧縮強度が高いので、担体を保持するためのフレームが不要となる。なお、多孔質ゼオライトは天然ゼオライトでも合成ゼオライトでも良い。

多孔質ゼオライトを所定の形状に加工し担体とするには、従来から用いられている合成ゼオライトの合成方法を用い、ゼオライトを合成するとき原料を所定の形状を有する型にして入れて合成すればよい。または、ゼオライトのパウダーを製造し、これをバインダを用いて形成した後に焼結させてもよい。

合成ゼオライトの製造方法の一例を示せば、酸化ケイ素と酸化アルミニウムを含んだ多孔質セラミックを４Ｎの水酸化ナトリウム溶液中で１００℃、２４時間加熱処理することで製造することができる。多孔質セラミックは、重量比でパーライト１００、石炭灰フライアッシュ１００〜２００、珪酸ナトリウム１０〜２０を混合し、８５０〜１２００℃で焼結させることで得ることができる。なお、合成ゼオライト及び多孔質セラミックの製造方法は、他にも多くの方法が開示されており、上記製造方法に限定されるものではない。ゼオライトの合成には、石炭灰フライアッシュを利用することができるので、発電所から発生する廃棄物を有効に利用することができる。

また上記実施形態で示したサイホン９は、構造が簡単で動作に電気等も不要であり回分排出装置としては好ましく、硝化装置１を安価に製造できる点からも好ましい回分排出装置と言える。サイホン９以外の回分排出装置としては、自動弁と水位検出器又は自動弁とタイマとの組合せを用いることできる。

図２は、本発明の第２実施形態としての生物学的硝化脱窒装置２０の概略的構成を示すプロセスフロー図である。図１に示す硝化装置１には同一の符号を付して説明を省略する。ここでは、有機物を殆ど含まないアンモニア含有排水を処理する例を示す。

生物学的硝化脱窒装置２０は、ＳＺＢリアクタ４（サイホン方式ゼオライト回分反応器：Ｓｉｐｈｏｎ Ｚｅｏｌｉｔｅ Ｂａｔｃｈ−Ｒｅａｃｔｏｒ）を有する硝化装置１とＵＡＳＢ（Ｕｐｆｌｏｗ Ａｎａｅｒｏｂｉｃ Ｓｌｕｄｇｅ Ｂｌａｎｋｅｔ）脱窒塔２４とを備える循環式の生物学的硝化脱窒装置である。排水貯槽２６内のアンモニア含有排水（以下排水と省略）は、排水ポンプ２８を介して混合槽３０へ送られる。混合槽３０へ送られた排水は、ここで循環ポンプ３２から送られる処理水と混合され、アンモニア体窒素濃度が５００ｍｇ／Ｌ以下に調整される。さらにｐＨ調整ポンプ３４を介してｐＨ調整薬品貯槽３６内に貯留されているｐＨ調整薬品、及び栄養塩ポンプ３８を介して栄養塩貯槽４０内に貯留されている栄養塩が混合槽３０に送られ撹拌機４２により混合される。ここで添加される栄養塩は、硝化細菌の増殖に必要な無機炭素源となる二酸化炭素の供給を主とするもので、炭酸水素ナトリムを主成分とする。

混合槽３０で調整された排水は、連続的に硝化装置１へ送られる。このとき混合槽３０から硝化装置１への排水の供給は、空気を巻き込むように少し高い位置から落下させるように供給される。ＳＺＢリアクタ４内には、多孔質ゼオライトからなる担体１０が充填され、排水中のアンモニアは担体１０に吸着され、担体１０に付着する硝化細菌の作用により空気中の酸素で酸化され、硝酸イオンとなる。サイホン５は、ＳＺＢリアクタ４内が満水となると排水を一気に中間槽２２に排出する。排水が排出されるとＳＺＢリアクタ４内が空となり、満水となるまで排水が充填される。これを繰り返しながら、サイホン５は所定の間隔で硝化処理された排水を中間槽２２に排出する。

中間槽２２は、硝化装置１から間欠的に排出される硝化処理された排水を一時的に貯水するバッファタンクである。中間槽２２に送られた排水は、中間槽出口ポンプ４４を介してＵＡＳＢ脱窒塔２４へ送られる。途中、排水中に含まれる硝酸イオンに対応するメタノールがメタノール貯槽４６に連結するメタノールポンプ４８を通じて供給され、排水はメタノールと混合した状態でＵＡＳＢ脱窒塔２４へ送水される。ＵＡＳＢ脱窒塔２４は、内部にグラニュール汚泥を保有し、ＵＡＳＢ脱窒塔２４に送られた排水は、グラニュール汚泥中の脱窒細菌の作用により、硝酸イオンとメタノールとが反応し窒素ガスと炭酸ガスに分解される。これらの工程により排水中のアンモニア体窒素が窒素ガスに分解される。このとき副産物とし発生する炭酸ガスは、硝化装置１に必要な栄養塩として循環することで、栄養塩の添加を削減することができる。窒素が除去された処理水は、処理水貯槽４９に集められ、一部は循環ポンプ３２を介して混合槽３０に送られる。

１ 硝化装置
３ ＳＳＢリアクタ
４ ＳＺＢリアクタ
５ サイホン
９ スポンジ担体
１０ 担体
２０ 生物学的硝化脱窒装置
２４ ＵＡＳＢ脱窒塔

Claims (3)

1. 窒素を含有する排水を好気性細菌である硝化細菌により硝化処理する、内部に硝化細菌を固定化させる担体を保有する横置き薄型の硝化槽と、前記硝化槽が満水となったとき、前記硝化槽内の前記排水を短時間内に排出し前記担体を大気中に露出させる回分排出手段と、を備え、前記排水の充填と排出とを交互に繰り返しながら硝化処理する硝化装置であって、
   前記担体が一枚のスポンジ担体からなり、前記スポンジ担体は、厚さが８０ｍｍ以下であり、かつスポンジ担体の厚さ方向と前記硝化槽の深さ方向とが一致するように設置され、前記硝化槽に対して、空気を巻き込むように排水を供給することで排水に浸かっている前記担体部分が嫌気状態となることを抑制することを特徴とする硝化装置。
2. 前記回分排出手段がサイホンであることを特徴とする請求項１に記載の硝化装置。
3. 請求項１又は２に記載の硝化装置と、
   脱窒細菌により硝酸体窒素及び亜硝酸体窒素を窒素に還元する脱窒装置と、
   を備えることを特徴とする生物学的硝化脱窒装置。

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