JP5390031B2 - アンモニウム含有廃水の生物学的処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、曝気槽内でのアンモニウム含有廃水、特に７から２５℃の間の冷廃水の生物学的処理方法であって、その槽内で廃水中に含有されるアンモニウム（ＮＨ_４）が所与の酸素濃度で窒素元素（Ｎ_２）に転換され、転換の際に発生した余剰汚泥が少なくとも部分的に汚泥消化に供され、その間に汚泥の有機成分がガスに変換され、その際、続いて汚泥が汚泥脱水に供され、汚泥から分離された高度窒素含有性の温汚泥水、特に５００〜２０００ｍｇ／ｌの窒素濃度および約２５〜３９℃の温度を有する汚泥水が、続いて脱アンモニア槽に供給され、その槽内で汚泥水中に含有される窒素化合物（ＮＨ_４、有機性窒素）が脱アンモニアによって窒素元素（Ｎ_２）に変換される方法に関する。

冒頭に挙げた方式の、すでに実施されている方法の場合、概して多くの工業廃水を有する地域廃水が、最初沈殿槽、曝気槽および最終沈殿槽から成る設備で処理される。その廃水は、季節に応じて７〜２５℃の温度および約３０〜７０ｍｇ／ｌの窒素濃度を有し、スクリーン設備および最初沈殿槽から成る最初の機械的処理の後に、曝気槽に導入される。

曝気槽では、廃水の本来の生物学的処理が行われる。ここで、アンモニウム（ＮＨ_４）、亜硝酸（ＮＯ_２）および硝酸（ＮＯ_３）のような、廃水中で結合している窒素化合物が硝化／脱窒によって窒素元素（Ｎ_２）に転換され、その窒素元素は無害の最終産物として周囲空気中に放出される。硝化の際に、アンモニウムは酸素によって中間産物である亜硝酸を経て硝酸に酸化される。続く脱窒では、硝酸が第１の還元ステップで亜硝酸に、第２の還元ステップで窒素に還元される。

生物学的な硝化／脱窒は、高い酸素要求量に伴う高いエネルギー消費という欠点を有する。加えて、脱窒の際に有機炭素が消費され、そのことが、さらなる処理プロセスおよび汚泥の性質に不利に作用する。

曝気槽内での廃水の生物学的処理後に、廃水−汚泥混合物が設備の最終沈殿槽に導入され、そこでは、水が汚泥から分離され、その際、分離された水が最終沈殿槽から排出されて処分され、汚泥は、部分的に返送汚泥として曝気槽に返送され、部分的に余剰汚泥として消化槽に供給される。消化槽内で、または消化槽に輸送する間に、汚泥は約４０℃の温度に加熱される。汚泥を消化する間に、最終沈殿槽からの余剰汚泥および廃水から最初沈殿槽内に引き抜かれた汚泥の有機成分が、ガス（メタン）に変換される。含有される窒素は、汚泥中に残留し、今や典型的には５００〜２０００ｍｇ／ｌの高い窒素濃度で存在する。この高度窒素含有汚泥は、消化槽内での汚泥消化後に汚泥脱水機、例えば遠心分離機に供給される。汚泥の脱水後の水相は、窒素を含有し、約２５〜３９℃の温度を有する。この温かい高度窒素含有汚泥水は、続いて脱アンモニア槽に供給され、一方で汚泥水から分離された汚泥は処分される。

脱アンモニア槽では、汚泥水中に含有される窒素化合物（ＮＨ_４、有機性窒素）が脱アンモニアによって窒素元素（Ｎ_２）に変換され、その窒素元素は周囲空気中に放出される。続いて、脱アンモニアの際に発生した余剰汚泥は、汚泥処理に供される。

脱アンモニアは、生物学的窒素除去のための、特に高アンモニウム濃度の廃水を処理するための効率的な方法である。懸濁したバイオマスの生物学的脱アンモニアの際に、２種類の細菌群が関与し、一方は、アンモニウムを亜硝酸に転換する好気性アンモニウム酸化細菌（ＡＯＢ）であり、もう一方は、嫌気的にアンモニウムを酸化して窒素元素を産生する細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）、特にプランクトミセス門細菌であり、その細菌は予め産生した亜硝酸を使ってこのステップを実行する。

好気性アンモニウム酸化細菌（ＡＯＢ）は、その物質変換に関して嫌気性アンモニウム酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）の１０倍の新生細菌質量を産生する。したがって、汚泥システム中の汚泥の滞留時間は、少なくとも緩徐増殖性の嫌気性アンモニウム酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）が増加できる長さでなければならない。

硝化／脱窒に対して、脱アンモニアの場合は酸素の半分だけが必要であり、言うならば窒素除去のエネルギー消費が半分である。脱アンモニアは、有機炭素が必要とされない独立栄養プロセスである。それゆえに、その他の処理プロセスがより安定になる。

１段階または２段階の生物学的な脱アンモニア方法は、ＷＯ２００７／０３３３９３Ａ１（特許文献１）、ＥＰ０３２７１８４Ｂ１（特許文献２）およびＷＯ００／０５１７６Ａ１（特許文献３）から公知である。

脱アンモニアの際に、特に、嫌気性アンモニウム酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）のはるかに長い世代時間が不利であることが分かっており、その世代時間は、好気性アンモニウム酸化細菌（ＡＯＢ）の１０〜１５倍である。そのため、槽内の汚泥または細菌の滞留時間が十分に長い場合のみ、安定なシステムを形成することができる。他方でこれは、大きな反応容積およびそれに対応して設計された槽を必要とする。

さらに、技術的規模での嫌気性アンモニウム酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）の増殖にとって基礎となるのは、十分に高い廃水温度（＞２５℃）である。しかしながら、廃水の加熱は、エネルギーを非常に浪費し、そのために前記方法は、低温の廃水の場合、経済的に使用または実施することが不可能である。

その上、生成した亜硝酸を好気条件下で硝酸に転換する細菌群（ＮＯＢ）の存在が不利であることが分かっている。この細菌群は、嫌気性アンモニウム酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）の１０分の１の世代時間を有する。

前記理由から、脱アンモニアの利用は、高い窒素濃度を同時に有する温廃水流に限定される。低い窒素濃度を有する冷廃水の場合、脱アンモニアの利用に、経済的に合理的でない非常に大きな反応容積が必要となるであろう。通例の硝化設備は、すでに、典型的には１５〜２０日齢の汚泥を確保しなければならない槽容積を必要とする。脱アンモニアの利用のためには、この槽容積をさらに１０〜１５倍に拡大しなければならないであろう。

その上、ＥＰ０５０３５４６Ｂ１（特許文献４）から、代謝活性な硝化細菌集団が貯留タンク内で培養され、そのタンクからバイオマスが連続的または断続的に生物学的処理ステップに移行され、その際、高い窒素負荷を有する返送物質流が貯留タンク内に導入される、硝化／脱窒による廃水処理方法が公知である。

ＷＯ２００７／０３３３９３Ａ１ ＥＰ０３２７１８４Ｂ１ ＷＯ００／０５１７６Ａ１ ＥＰ０５０３５４６Ｂ１

本発明は、アンモニウム含有廃水、特に２５℃未満の温度を有する冷廃水を処理するための、改良された、経済的に実施可能な方法を提供するという課題に基づく。

この課題は、本発明によれば請求項１の特徴に基づく方法によって解決される。本発明のさらなる形態は、従属請求項から読み取ることができる。

したがって、本発明により汚泥水の脱アンモニアの際に発生する余剰汚泥を曝気槽内に供給し、曝気槽内で１．０ｍｇ／ｌ未満の低酸素濃度に調整することによって、まず廃水中に含有されるアンモニウム（ＮＨ_４）が好気性酸化細菌（ＡＯＢ）によって亜硝酸（ＮＯ_２）に転換され、続いて嫌気性酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）、特にプランクトミセス門細菌によってアンモニウム（ＮＨ_４）および亜硝酸（ＮＯ_２）が窒素元素（Ｎ_２）に転換される方法であって、この脱アンモニアの際に曝気槽内で発生した余剰汚泥が、汚泥消化に供される前に、嫌気性アンモニウム（ＮＨ_４）酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）を大部分含有する重い汚泥相と、軽い汚泥相とに分離され、その際、重い汚泥相が、曝気槽に返送され、軽い汚泥相が、余剰汚泥として汚泥消化に供される方法が提供される。

脱アンモニア槽から曝気槽内に余剰汚泥を導入し、それと同時に１．０ｍｇ／ｌ未満に酸素濃度を制限することによって、低い廃水温度および低い窒素濃度にかかわらず、地域および／または工業廃水の場合にも曝気槽内で脱アンモニアを利用することが初めて可能になる。脱アンモニア槽は、本発明の方法の場合、曝気槽内での脱アンモニアの際に必要な細菌、特にプランクトミセス門細菌のための増殖槽のように作用する。これによって、曝気槽内の低い廃水温度による低い増殖速度の問題が解決する。さらに、曝気槽内を低い酸素レベルに調整することによって、プランクトミセス門細菌の阻害が防止される。

さらに、脱アンモニアの際に曝気槽から発生した余剰汚泥が、続いて嫌気性アンモニウム酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）を大部分含有する重い汚泥相と、軽い汚泥相とに分離され、重い相が曝気槽に返送されることによって、曝気槽内での脱アンモニアの利用が促進される。

プランクトミセス門細菌がフロック結合体中に出現せず、より高い密度を有することにより、余剰汚泥を重い相と軽い相とに分離することができる。プランクトミセス門細菌は、約１０^１０個／ｍｌの密度で非常に密集して増殖する。軽い相を汚泥消化に供し、重い相を槽内に返送することによって、嫌気性アンモニウム酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）の緩徐増殖群を曝気槽内に蓄積することができる。例えば、余剰汚泥の非特異的引き抜きを伴う純粋な窒素除去用の、例えば高い窒素濃度を有する廃水処理用の単一汚泥システムではバイオマスの１０％未満である嫌気性アンモニウム酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）の割合を、余剰汚泥の分離または曝気槽内へのプランクトミセス門細菌の返送によって３０％よりも大きく高めることができる。これによって、槽の反応容積をそれに応じて縮小することができ、設備のプロセス安定性を上げることができる。プランクトミセス門細菌よりも重い廃水成分は、曝気槽の前に分離しなければならず、さもなければこれらの成分も同じくシステム中に蓄積されてしまう。そのような分離は、最初沈殿槽または沈殿槽内で行われ、プランクトミセス門細菌の高い沈降速度に基づき、その槽は小さな寸法にすることができる。廃水処理設備は、１段階の単一槽設備または多槽設備として作り上げることができる。

本発明の方法を用いると、嫌気性アンモニウム酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）の存在または増殖に作用する廃水温度は、もはや決定的に重要なわけではなく、その結果、温度約７℃の廃水の場合でも、依然として効率的で高いプロセス信頼性で脱アンモニアを利用することができる。

温度は、全ての細菌にほぼ等しい方式で作用する（温度が１０℃上昇する毎に転換速度がおよそ倍になる）。但し、単一槽設備での通例の脱アンモニアの場合、低温では脱アンモニアの実施がもはや経済的でなくなるほどの大きな槽容積が必要になる。

曝気槽から余剰汚泥の重い相を返送し、同時に汚泥処理の脱アンモニア槽から曝気槽に余剰汚泥を供給することによって、低い窒素濃度を有する冷廃水の場合でも槽容積を拡大する必要なしに脱アンモニアを利用する可能性が用意される。同時に、脱アンモニアの際に廃水の窒素化合物の転換に有機炭素が必要ないことによって、低い有機炭素含量で窒素除去、特に硝酸除去（脱窒）が可能になる方法が用意される。さらに、本発明の方法の場合、酸素濃度が１．０ｍｇ／ｌ未満に調整されるのに対して、通例の硝化／脱窒の場合、従来の設備で最大３．０ｍｇ／ｌの酸素濃度を用意しなければならないことから、曝気槽内で廃水に通気する際に著しく省エネルギーになる潜在性が生じる。

重い相の返送およびそれに伴う濃縮によって、硝酸生成細菌（ＮＯＢ）に対する嫌気性アンモニウム酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）の割合も嫌気性アンモニウム酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）に有利になるように変動する。これによって、硝化／脱窒のプロセスが、さらに脱アンモニアへと変動する。

汚泥処理または汚泥消化からの窒素高度含有汚泥水の脱アンモニアの後に、これは、例えば沈降によって水相（汚泥水）と汚泥相（余剰汚泥）とに分離される。水相は、まだアンモニウムおよび亜硝酸の残留物を有するので、脱アンモニア槽内で脱アンモニアによって処理された汚泥水（水相）も、汚泥の分離後に同じく曝気槽に供給することが、特に環境にやさしいと証明された。

経済的視点から、脱アンモニア槽内での脱アンモニアの際に発生する余剰汚泥および処理された汚泥水を懸濁物として曝気槽に供給することが、特に有利であると証明された。これによって、懸濁物の供給用の導管だけが必要になる。

設備は、単一槽設備または多槽設備として設計することができる。多槽設備として設計する場合、有利な方法では廃水が曝気槽内での脱アンモニアの後に最終沈殿槽に供給され、その際、最終沈殿槽内で沈殿した汚泥を部分的に返送汚泥として曝気槽に、そして部分的に余剰汚泥として汚泥消化に供給するようにされる。

あるいは、またはそれに加えて、廃水を、曝気槽に導入する前に最初沈殿槽内で処理することができ、その際、初沈汚泥が、曝気槽または最終沈殿槽からの余剰汚泥と一緒に汚泥消化に供される。

本方法の特に有利な変形形態は、曝気槽内での廃水の脱アンモニアから生じた余剰汚泥を重い汚泥相と軽い汚泥相とに分離することをハイドロサイクロン内で実施することによっても成し遂げられる。遠心力式セパレーターとも呼ばれるハイドロサイクロンによって、余剰汚泥を、サイクロンのアンダーフローを介して槽に返送される重い相と、オーバーフローを介してシステムから排出される軽い相とに、非常に速く、信頼性の高いプロセスで分けることができる。

本発明の方法の代替的な一変形形態では、曝気槽内での廃水の脱アンモニアから生じた余剰汚泥の重い汚泥相と軽い汚泥相との分離を、遠心分離機内で実施するようにされる。遠心分離機は、慣性を利用して余剰汚泥を分離する。より高い密度を有する重い汚泥画分は、その慣性により外側に移動し、より低い密度を有する軽い汚泥画分を遠心分離機の中央に押しのける。

さらに、曝気槽内での廃水の脱アンモニアから生じた余剰汚泥の重い汚泥相と軽い汚泥相との分離を沈降によって行うことも可能である。この場合、余剰汚泥の重い相と軽い相との分離は、重力の影響下で行われる。

本発明は、様々な実施形態が可能である。さらに明らかにするために、本発明の方法を図面によって説明する。

ここに、唯一の図に簡単なシステム描写でアンモニウム含有廃水の生物学的処理設備１を示す。最初沈殿槽２、曝気槽３および最終沈殿槽４から成る設備１において概して多くの工業廃水を有する地域廃水が処理される。季節に応じて約７〜２５℃の温度および約２０〜１００ｍｇ／ｌの窒素濃度を有する廃水が、スクリーン設備５および最初沈殿槽２から成る最初の機械的処理の後に曝気槽３に導入される（矢印６）。

曝気槽３内で廃水の本来の生物学的処理が実施される。曝気槽３内の図示しない曝気装置によって廃水中の酸素濃度が１．０ｍｇ／ｌ未満に調整され、廃水中に含有される窒素化合物が少なくとも部分的に脱アンモニアによって窒素元素（Ｎ_２）に転換され、その窒素元素は、無害の最終産物として周囲空気中に放出される。

曝気槽３内での廃水の生物学的処理後に、廃水−汚泥混合物が設備１の最終沈殿槽４に供給され（矢印７）、そこで汚泥が水から沈殿される。水が最終沈殿槽４から排出され、それ以上図示しない放流水路に導入される（矢印８）。汚泥は、部分的に返送汚泥として曝気槽３に返送され（矢印９）、部分的に余剰汚泥としてハイドロサイクロン１０として設計された分離装置に供給される（矢印１１）。ハイドロサイクロン１０内では、曝気槽３内で発生した余剰汚泥が、嫌気性アンモニウム酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）を大部分含有する重い汚泥相と軽い汚泥相とに分離され、その際、重い汚泥相は曝気槽３内に返送される（矢印１２）。軽い汚泥相は、余剰汚泥として汚泥消化または消化槽１３に供給され（矢印１４）、その際、消化槽１３内には、最初沈殿槽２内で廃水から引き抜かれた汚泥も導入される（矢印１５）。

汚泥は、消化槽１３内で、および／または消化槽１２への輸送の際に約３５〜４０℃の温度に加熱される。消化槽１３内での汚泥消化の際に、最終沈殿槽４からの余剰汚泥の有機成分および最初沈殿槽２内の廃水から引き抜かれた汚泥の有機成分が、ガス（メタン）に変換される。含有される窒素は、汚泥中に残留し、それは、今や典型的には５００〜２０００ｍｇ／ｌの高濃度で存在する。この高度窒素含有汚泥は、消化槽１３内での汚泥消化の後に汚泥脱水機構１６、例えば遠心分離機に供給され（矢印１７）、脱水される。水相は、汚泥脱水後に窒素を含有し、約２５〜３９℃の温度を有する。温かい高度窒素含有汚泥水は、続いて脱アンモニア槽１８に供給され（矢印１９）、一方で汚泥水から分離された汚泥は処分される（矢印２０）。

脱アンモニア槽１８内で汚泥水中に含有される窒素化合物（ＮＨ_４、有機性窒素）は、脱アンモニアによって窒素元素（Ｎ_２）に変換され、その窒素元素は、周囲空気中に放出される。脱アンモニアの際に発生する余剰汚泥は、続いて曝気槽３内に導入される（矢印２１）。処理された汚泥水は、脱アンモニア後にもまだアンモニウムおよび亜硝酸の残留物を含有するので、脱アンモニア槽１８からの汚泥水も曝気槽３に供給される（矢印２２）。

Claims (8)

1. 曝気槽（３）内でのアンモニウム含有廃水、特に７から２５℃の間の冷廃水の生物学的処理方法であって、曝気槽内で廃水中に含有されるアンモニウム（ＮＨ_４）が所与の酸素濃度で窒素元素（Ｎ_２）に転換され、転換の際に発生した余剰汚泥が少なくとも部分的に汚泥消化に供され、その間に汚泥の有機成分がガスに変換され、その際、続いて汚泥が汚泥脱水に供され、汚泥から分離された高度窒素含有性の温汚泥水、特に５００〜２０００ｍｇ／ｌの窒素濃度および約２５〜３９℃の温度を有する汚泥水が、続いて脱アンモニア槽（１８）に供給され、脱アンモニア槽内で汚泥水中に含有される窒素化合物（ＮＨ_４、有機性窒素）が脱アンモニアによって窒素元素（Ｎ_２）に変換される方法において、汚泥水の脱アンモニアの際に発生した余剰汚泥が曝気槽（３）に供給され、曝気槽（３）内が１．０ｍｇ／ｌ未満の低い酸素濃度に調整されることによって、廃水中に含有されるアンモニウム（ＮＨ_４）が、まず好気性酸化細菌（ＡＯＢ）によって亜硝酸（ＮＯ_２）に転換され、続いて嫌気性酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）、特にプランクトミセス門細菌によってアンモニウム（ＮＨ_４）および亜硝酸（ＮＯ_２）が窒素元素（Ｎ_２）に転換され、その際、この脱アンモニアの際に曝気槽（３）内で発生した余剰汚泥が、汚泥消化に供される前に、嫌気性アンモニウム（ＮＨ_４）酸化細菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）を大部分含有する重い汚泥相と、軽い汚泥相とに分離され、その際、重い汚泥相が、曝気槽（３）内に返送され、軽い汚泥相が、余剰汚泥として汚泥消化に供されることを特徴とする方法。
2. 脱アンモニア槽（１８）内で脱アンモニアによって処理された汚泥水が、汚泥の分離後に曝気槽（３）に供給されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 脱アンモニアの際に脱アンモニア槽（１８）内で発生した余剰汚泥および処理された汚泥水が、懸濁物として曝気槽（３）に供給されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 曝気槽（３）内での脱アンモニア後の廃水が、最終沈殿槽（４）に供給され、その際、最終沈殿槽（４）内で沈殿した汚泥が、部分的に返送汚泥として曝気槽（３）に返送され、部分的に余剰汚泥として汚泥消化に供されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 曝気槽（３）内に導入前の廃水が、最初沈殿槽（２）内で処理され、初沈汚泥が、曝気槽（３）または最終沈殿槽（４）からの余剰汚泥と一緒に汚泥消化に供されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
6. 曝気槽（３）内で廃水の脱アンモニアから生じた余剰汚泥を重い汚泥相と軽い汚泥相とに分離することが、ハイドロサイクロン（１０）内で実施されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
7. 曝気槽（３）内で廃水の脱アンモニアから生じた余剰汚泥を重い汚泥相と軽い汚泥相とに分離することが、遠心分離機内で実施されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
8. 曝気槽（３）内で廃水の脱アンモニアから生じた余剰汚泥を重い汚泥相と軽い汚泥相とに分離することが、沈降によって行われることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。

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