JP6774341B2

JP6774341B2 - 窒素除去システムおよび窒素除去方法

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Publication number: JP6774341B2
Application number: JP2017002670A
Authority: JP
Inventors: 武田　茂樹; 茂樹武田
Original assignee: Metawater Co Ltd
Current assignee: Metawater Co Ltd
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2020-10-21
Anticipated expiration: 2037-01-11
Also published as: JP2018111061A

Description

本発明は、窒素除去システムおよび窒素除去方法に関し、特には、嫌気性アンモニア酸化細菌（Anammox細菌）を用いた窒素除去システムおよび窒素除去方法に関するものである。

従来、曝気下において、亜硝酸型硝化細菌と嫌気性アンモニア酸化細菌との２種の優占種、または、亜硝酸型硝化細菌と、アンモニア以外の溶解性窒素を分解しアンモニアとする好気性細菌と、嫌気性アンモニア酸化細菌との３種の優占種を含む微生物膜を表面部に担持させた担体を流動させることにより、嫌気性アンモニア酸化反応を利用して被処理水から脱窒を行う生物学的窒素除去方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この生物学的窒素除去方法では、亜硝酸型硝化細菌を用いたアンモニアの亜硝酸型硝化反応と、嫌気性アンモニア酸化細菌を用いた嫌気性アンモニア酸化反応とを同時にバランス良く起こすことにより、窒素を効率的に除去している。

ここで、嫌気性アンモニア酸化反応とは、嫌気性アンモニア酸化細菌を利用した生物反応であり、嫌気性条件下において、アンモニア性窒素を電子供与体とし、亜硝酸性窒素を電子受容体として、窒素ガスを生成する反応である。そのため、嫌気性アンモニア酸化反応を利用した生物学的窒素除去を実用的レベルで実施するためには、被処理水中に含まれているアンモニアの亜硝酸型硝化反応による亜硝酸の生成量を高めつつ、硝酸型硝化反応を抑止することにより、嫌気性アンモニア酸化反応に必要なアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを確保する必要がある。

そこで、特許文献１に記載の生物学的窒素除去方法では、嫌気性アンモニア酸化反応を行う反応槽における曝気量を制御することにより、嫌気性アンモニア酸化反応に必要なアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを確保していた。具体的には、特許文献１に記載の生物学的窒素除去方法では、直列接続した多段反応槽において被処理水の脱窒を行う場合に、所定の位置よりも上流側の区画においては硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）濃度、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ濃度）およびアンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）濃度に基づいて曝気量の増減制御を行い、所定の位置よりも下流側の区画においてはＮＯ_３−Ｎ濃度、ＮＯ_２−Ｎ濃度およびＮＨ_４−Ｎ濃度に基づいて曝気のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことにより、簡素な制御で嫌気性アンモニア酸化反応を良好に進行させていた。

特許第５９３２６３９号公報

しかし、上流側では曝気量の増減制御を行い、下流側では曝気のＯＮ−ＯＦＦ制御を実施する上記従来の技術では、曝気のＯＮ−ＯＦＦ制御がなされる下流側の区画において亜硝酸型硝化反応と嫌気性アンモニア酸化反応とを同時にバランス良く起こすことができず（曝気のＯＮ時には亜硝酸型硝化反応が優勢になる一方で曝気のＯＦＦ時には嫌気性アンモニア酸化反応が優勢になり）、全体として窒素除去速度を十分に高めることができなかった。

そこで、本発明は、窒素除去速度に優れる窒素除去システムおよび窒素除去方法を提供することを目的とする。

この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の窒素除去システムは、窒素含有排水から窒素を除去する窒素除去システムであって、第１反応槽と、前記第１反応槽の下流側に直列接続された第２反応槽とを備え、前記第１反応槽および前記第２反応槽は、それぞれ、反応槽内を曝気する曝気装置を有し、前記第１反応槽および前記第２反応槽には、それぞれ、亜硝酸型硝化細菌と嫌気性アンモニア酸化細菌との少なくとも２種を優占種として含む微生物膜を担持させた担体が充填されており、前記第２反応槽内に有機炭素を添加する炭素源供給機構と、前記第１反応槽の曝気量および前記第２反応槽の曝気量を制御する制御装置とを更に備え、前記制御装置は、前記第１反応槽では、第１反応槽から流出する第１反応槽流出水のアンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）濃度、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）濃度および硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）濃度の一つ以上を計測し、下記（ａ）と（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ａ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｄ）単独および下記（ｅ）単独からなる群より選択される何れかの基準を用いて曝気量の調整を行い、前記第２反応槽では、第２反応槽から流出する第２反応槽流出水のアンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）濃度、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）濃度および硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）濃度の一つ以上を計測し、下記（ａ）と（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ａ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｄ）単独および下記（ｅ）単独からなる群より選択される何れかの基準を用いて曝気量の調整を行うことを特徴とする。
（ａ）ＮＯ_３−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させる。
（ｂ）ＮＯ_２−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させる。
（ｃ）ＮＨ_４−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を増加させる。
（ｄ）ＮＯ_３−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させ、ある設定値以下になったら曝気量を増加させる。
（ｅ）ＮＯ_２−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させ、ある設定値以下になったら曝気量を増加させる。
このように、有機炭素を第２反応槽に添加すると共に第２反応槽でも曝気量の増減制御を実施することにより、第２反応槽で曝気のＯＮ−ＯＦＦ制御を実施した場合と比較して、窒素除去速度を向上させることができる。

ここで、本発明の窒素除去システムは、前記窒素含有排水が有機炭素を含有し、前記炭素源供給機構が前記窒素含有排水を前記第２反応槽に添加することが好ましい。有機炭素源として窒素含有排水を使用すれば、メタノール等の有機炭素源を別途準備して添加する場合と比較し、低コストで窒素除去が可能になるからである。

なお、炭素源供給機構が窒素含有排水を第２反応槽に添加する場合、前記第２反応槽の容積は前記第１反応槽の容積よりも大きいことが好ましい。第２反応槽の容積を大きくすれば、担体投入率、有機物負荷および溶解性窒素負荷を容易に調整することができるからである。

また、本発明の窒素除去システムは、前記第１反応槽および前記第２反応槽における有機物負荷が、それぞれ、１１０ｍｇ−ＢＯＤ／ｍ^２−担体／時間以上または４０ｍｇ−ＴＯＣ／ｍ^２−担体／時間以上であることが好ましい。有機物負荷を上記範囲内にすれば、担体上に生物膜を良好に形成して窒素除去速度を更に向上させることができるからである。

更に、本発明の窒素除去システムは、前記第１反応槽および前記第２反応槽における溶解性窒素負荷が、それぞれ、２．５ｇ／ｍ^２−担体／日以上１１．５ｇ／ｍ^２−担体／日以下であることが好ましい。溶解性窒素負荷を上記範囲内にすれば、嫌気性アンモニア酸化反応を良好に進めることができるからである。

また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の窒素除去方法は、窒素含有排水から窒素を除去する窒素除去方法であって、亜硝酸型硝化細菌と嫌気性アンモニア酸化細菌との少なくとも２種を優占種として含む微生物膜を担持させた担体が充填された第１の反応槽において、曝気下、嫌気性アンモニア酸化反応を利用して脱窒を行う第１脱窒工程と、前記第１反応槽の下流側に直列接続され、且つ、亜硝酸型硝化細菌と嫌気性アンモニア酸化細菌との少なくとも２種を優占種として含む微生物膜を担持させた担体が充填された第２の反応槽において、曝気下、嫌気性アンモニア酸化反応を利用して脱窒を行う第２脱窒工程とを含み、前記第２脱窒工程では、前記第２反応槽内に有機炭素を添加しつつ脱窒を行い、前記第１脱窒工程および前記第２脱窒工程では、それぞれ、各反応槽から流出する反応槽流出水のアンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）濃度、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）濃度および硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）濃度の一つ以上を計測し、下記（ａ）と（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ａ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｄ）単独および下記（ｅ）単独からなる群より選択される何れかの基準を用いて曝気量の調整を行うことを特徴とする。
（ａ）ＮＯ_３−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させる。
（ｂ）ＮＯ_２−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させる。
（ｃ）ＮＨ_４−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を増加させる。
（ｄ）ＮＯ_３−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させ、ある設定値以下になったら曝気量を増加させる。
（ｅ）ＮＯ_２−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させ、ある設定値以下になったら曝気量を増加させる。
このように、有機炭素を第２反応槽に添加すると共に第２反応槽でも曝気量の増減制御を実施することにより、第２反応槽で曝気のＯＮ−ＯＦＦ制御を実施した場合と比較して、窒素除去速度を向上させることができる。

ここで、本発明の窒素除去方法は、前記窒素含有排水が有機炭素を含有し、前記第２脱窒工程では、前記窒素含有排水を前記第２反応槽に添加することが好ましい。有機炭素源として窒素含有排水を使用すれば、メタノール等の有機炭素源を別途準備して添加する場合と比較し、低コストで窒素除去が可能になるからである。

なお、窒素含有排水を第２反応槽に添加する場合、前記第２反応槽の容積は前記第１反応槽の容積よりも大きいことが好ましい。第２反応槽の容積を大きくすれば、担体投入率、有機物負荷および溶解性窒素負荷を容易に調整することができるからである。

また、本発明の窒素除去方法は、前記第１反応槽および前記第２反応槽における有機物負荷を、それぞれ、１１０ｍｇ−ＢＯＤ／ｍ^２−担体／時間以上または４０ｍｇ−ＴＯＣ／ｍ^２−担体／時間以上とすることが好ましい。有機物負荷を上記範囲内にすれば、担体上に生物膜を良好に形成して窒素除去速度を更に向上させることができるからである。

更に、本発明の窒素除去方法は、前記第１反応槽および前記第２反応槽における溶解性窒素負荷を、それぞれ、２．５ｇ／ｍ^２−担体／日以上１１．５ｇ／ｍ^２−担体／日以下とすることが好ましい。溶解性窒素負荷を上記範囲内にすれば、嫌気性アンモニア酸化反応を良好に進めることができるからである。

本発明によれば、窒素除去速度に優れる窒素除去システムおよび窒素除去方法を提供することができる。

本発明に従う窒素除去システムの一例の概略構成を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
ここで、本発明の窒素除去システムおよび窒素除去方法は、少なくともアンモニア性窒素を含有し、任意に亜硝酸性窒素、硝酸性窒素および有機性窒素などのその他の窒素を更に含有し得る窒素含有排水の処理に用いることができる。具体的には、本発明の窒素除去システムおよび窒素除去方法は、特に限定されることなく、例えば、下水、し尿、食品排水、工場排水、その他の産業排水等の窒素含有排水の処理に用いることができる。
なお、本発明の窒素除去システムおよび窒素除去方法で処理される窒素含有排水は、有機物などの有機炭素を更に含有していることが好ましい。

（窒素除去システム）
図１に、本発明の窒素除去システムの一例の概略構成を示す。図１に示す窒素除去システム１００は、一次処理装置１０と、一次処理装置１０の下流側に設けられた第１反応槽２０と、第１反応槽２０の下流側に設けられた第２反応槽３０と、曝気装置のブロア２２，３２の動作を制御する制御装置４０とを備えている。

＜一次処理装置＞
ここで、一次処理装置１０からは、被処理水としての窒素含有排水が流出する。具体的には、図１に示す窒素除去システム１００では、少なくともアンモニア性窒素および有機炭素を含有する窒素含有排水が一次処理装置１０から流出する。なお、一次処理装置としては、特に限定されることなく、例えば浮上ろ材を用いて固液分離を行う固液分離槽等の任意の固液分離装置などが挙げられる。

そして、一次処理装置１０から流出した窒素含有排水は、第１ポンプ１１を用いて第１反応槽２０へと送られる。また、一次処理装置１０から流出した窒素含有排水は、第２ポンプ１２を用いて第２反応槽３０へも送られる。具体的には、図１に示す窒素除去システム１００では、第２ポンプ１２を使用して一次処理装置１０から送出された窒素含有排水は、第１反応槽から流出した第１反応槽流出水と混合された後に第２反応槽３０へと供給される。
なお、窒素含有排水は、第２反応槽３０内へと直接供給されてもよい。また、窒素含有排水は、第１ポンプ１１および／または第２ポンプ１２を使用せずに自然流下によって第１反応槽２０および／または第２反応槽３０へと送られてもよい。

＜第１反応槽＞
第１反応槽２０は、撹拌装置２１と、ブロア２２および散気管２３で構成される曝気装置と、センサ２４とを備えている。また、第１反応槽２０内には、微生物膜を担持させた複数の担体２５が充填されている。そして、第１反応槽２０では、第１ポンプ１１を使用して一次処理装置１０から送出された窒素含有排水が脱窒処理される。

ここで、撹拌装置２１は、攪拌翼などの、第１反応槽２０内を撹拌する装置である。そして、第１反応槽２０では、撹拌装置２１による撹拌および曝気装置による曝気により担体２５が槽内を良好に流動する。

曝気装置は、ブロア２２から送られてくる空気等の酸素含有気体を第１反応槽２０の下部に設けられた散気管２３から散気する装置である。

センサ２４は、第１反応槽２０から流出する第１反応槽流出水について、アンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）濃度、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）濃度および硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）濃度の一つ以上を計測する濃度計を含んでいる。なお、センサ２４は、ＤＯ計、ＢＯＤ測定装置および酸化還元電位計などを更に含んでいてもよい。また、センサ２４の設置位置は第１反応槽２０内に限定されるものではない。

担体２５は、亜硝酸型硝化細菌と嫌気性アンモニア酸化細菌との少なくとも２種を優占種として含む微生物膜を担持している。そして、担体２５としては、特に限定されることなく、例えば、発泡性の吸水性ポリウレタンなどを用いることができる。また、第１反応槽２０への担体投入率は、特に限定されることなく、例えば４〜５５ｍ^２／ｍ^３とすることが好ましい。
なお、担体２５には、ＢＯＤ酸化細菌やアンモニア以外の溶解性窒素を分解しアンモニアとする好気性細菌などが更に担持されていてもよく、少なくともＢＯＤ酸化細菌が更に担持されていることが好ましい。また、担体２５に担持された微生物膜においては、通常、亜硝酸型硝化反応に寄与する亜硝酸型硝化細菌が優占種として外側に存在し、該亜硝酸型硝化細菌に取り囲まれる形態で嫌気性アンモニア酸化反応に寄与する嫌気性アンモニア酸化細菌が優占種として内側に存在している。このような微生物膜の担体への担持は、例えば、担体の表面に、それらの菌を含む汚泥を少量付着させた後、その担体を、下水等の溶解性窒素を含有する水を収容した槽に投入して、数日間放置し、菌を増殖させることにより行うことができる。

＜第２反応槽＞
第２反応槽３０は、第１反応槽２０に直列接続されており、第２反応槽３０では、第１反応槽流出水と第２ポンプ１２を使用して一次処理装置１０から送出された窒素含有排水との混合液が脱窒処理される。即ち、図１に示す窒素除去システム１００では、第２ポンプ１２は、有機炭素を含む窒素含有排水を第２反応槽３０内に添加する炭素源供給機構として機能する。
そして、第２反応槽３０は、撹拌装置３１と、ブロア３２および散気管３３で構成される曝気装置と、センサ３４とを備えている。また、第２反応槽３０内には、微生物膜を担持させた複数の担体３５が充填されている。

ここで、撹拌装置３１は、攪拌翼などの、第２反応槽３０内を撹拌する装置である。そして、第２反応槽３０では、撹拌装置３１による撹拌および曝気装置による曝気により担体３５が槽内を良好に流動する。

曝気装置は、ブロア３２から送られてくる空気等の酸素含有気体を第２反応槽３０の下部に設けられた散気管３３から散気する装置である。

センサ３４は、第２反応槽３０から流出する第２反応槽流出水について、アンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）濃度、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）濃度および硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）濃度の一つ以上を計測する濃度計を含んでいる。なお、センサ３４は、ＤＯ計、ＢＯＤ測定装置および酸化還元電位計などを更に含んでいてもよい。また、センサ３４の設置位置は第２反応槽３０内に限定されるものではない。

担体３５は、亜硝酸型硝化細菌と嫌気性アンモニア酸化細菌との少なくとも２種を優占種として含む微生物膜を担持している。そして、担体３５としては、特に限定されることなく、例えば、発泡性の吸水性ポリウレタンなどを用いることができる。また、第２反応槽３０への担体投入率は、特に限定されることなく、例えば４〜５５ｍ^２／ｍ^３とすることが好ましい。
なお、担体３５には、ＢＯＤ酸化細菌やアンモニア以外の溶解性窒素を分解しアンモニアとする好気性細菌などが更に担持されていてもよく、少なくともＢＯＤ酸化細菌が更に担持されていることが好ましい。また、担体３５に担持された微生物膜においては、通常、亜硝酸型硝化反応に寄与する亜硝酸型硝化細菌が優占種として外側に存在し、該亜硝酸型硝化細菌に取り囲まれる形態で嫌気性アンモニア酸化反応に寄与する嫌気性アンモニア酸化細菌が優占種として内側に存在している。このような微生物膜の担体への担持は、上述した担体２５と同様にして行うことができる。

＜制御装置＞
制御装置４０は、ブロア２２を制御して第１反応槽２０の曝気量を制御する。また、制御装置４０は、ブロア３２を制御して第２反応槽３０の曝気量も制御する。
具体的には、制御装置４０は、第１反応槽２０では、第１反応槽２０から流出する第１反応槽流出水のアンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）濃度、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）濃度および硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）濃度の一つ以上をセンサ２４で計測し、下記（ａ）と（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ａ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｄ）単独および下記（ｅ）単独からなる群より選択される何れかの基準を用いて曝気量の調整を行う。
また、制御装置４０は、第２反応槽３０では、第２反応槽３０から流出する第２反応槽流出水のアンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）濃度、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）濃度および硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）濃度の一つ以上をセンサ３４で計測し、下記（ａ）と（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ａ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｄ）単独および下記（ｅ）単独からなる群より選択される何れかの基準を用いて曝気量の調整を行う。
（ａ）ＮＯ_３−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させる。
（ｂ）ＮＯ_２−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させる。
（ｃ）ＮＨ_４−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を増加させる。
（ｄ）ＮＯ_３−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させ、ある設定値以下になったら曝気量を増加させる。
（ｅ）ＮＯ_２−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させ、ある設定値以下になったら曝気量を増加させる。

なお、本発明において、（ａ）〜（ｅ）の「ある設定値」は、原水の性状に応じて所望の処理水性状および所望の窒素除去速度などが得られる値を予備実験により求めることで設定することができる。

そして、上述した構成を有する窒素除去システム１００では、有機炭素を含む窒素含有排水を第２反応槽３０内に添加し、且つ、第１反応槽２０および第２反応槽３０の双方において上述した基準に基づく曝気量の増減制御を実施しているので、第１の反応槽で曝気量の増減制御を行い、有機炭素を添加しない第２反応槽で曝気のＯＮ−ＯＦＦ制御を実施する場合と比較して、窒素除去速度を向上させることができる。

なお、有機炭素を第２反応槽３０内に添加すると共に上述した曝気量の制御を実施することで窒素除去速度を向上させることができる理由は、明らかではないが、以下の通りであると推察される。
即ち、第２反応槽への有機炭素の添加を実施せず、且つ、第２反応槽で曝気のＯＮ−ＯＦＦ制御を実施した場合には、第２反応槽において、ＢＯＤ酸化細菌などの従属栄養細菌量が少ないことに起因して担体の微生物膜が薄くなるとともに、曝気時には、好気性従属栄養細菌(ＢＯＤ酸化細菌)によるＤＯ消費がほとんど期待できない。従って、担体に担持された微生物膜内に無酸素域を確保できなくなる。そのため、曝気時には、ＮＯ_２−Ｎが消費されず、バルクのＮＯ_２−Ｎ濃度は増加する。一方、無曝気状態では、生物膜全域が無酸素域となり、曝気時に生成して残留したＮＯ_２−Ｎが嫌気性アンモニア酸化反応により消費される。そして、第２反応槽においてこれらの反応（アンモニアの亜硝酸型硝化反応と嫌気性アンモニア酸化反応）が交互に繰り返し行われるため、窒素除去速度が十分には向上しない。
一方、第２反応槽への有機炭素の添加を実施し、且つ、第２反応槽で上記制御（曝気量の増減制御）を実施した場合には、従属栄養細菌量が多いことに起因して担体の微生物膜が厚くなる。また、アンモニアの亜硝酸型硝化反応に加えて、有機炭素の酸化にもＤＯが消費される。従って、担体に担持された微生物膜内に無酸素域が確保される。そのため、アンモニアの亜硝酸型硝化反応と嫌気性アンモニア酸化反応とを同時に進行させ、窒素除去速度を十分に向上させることができる。

（窒素除去方法）
また、本発明の窒素除去方法は、特に限定されることなく、上述した窒素除去システム１００などの本発明の窒素除去システムにおいて実施することができる。

そして、本発明の窒素除去方法は、亜硝酸型硝化細菌と嫌気性アンモニア酸化細菌との少なくとも２種を優占種として含む微生物膜を担持させた担体が充填された第１の反応槽において、曝気下、嫌気性アンモニア酸化反応を利用して脱窒を行う第１脱窒工程と、第１反応槽の下流側に直列接続され、且つ、亜硝酸型硝化細菌と嫌気性アンモニア酸化細菌との少なくとも２種を優占種として含む微生物膜を担持させた担体が充填された第２の反応槽において、曝気下、嫌気性アンモニア酸化反応を利用して脱窒を行う第２脱窒工程とを含む。
また、本発明の窒素除去方法は、第２脱窒工程では、第２反応槽内に有機炭素を添加しつつ脱窒を行い、第１脱窒工程および第２脱窒工程では、それぞれ、各反応槽から流出する反応槽流出水のアンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）濃度、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）濃度および硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）濃度の一つ以上を計測し、下記（ａ）と（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ａ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｄ）単独および下記（ｅ）単独からなる群より選択される何れかの基準を用いて曝気量の調整を行う。
（ａ）ＮＯ_３−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させる。
（ｂ）ＮＯ_２−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させる。
（ｃ）ＮＨ_４−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を増加させる。
（ｄ）ＮＯ_３−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させ、ある設定値以下になったら曝気量を増加させる。
（ｅ）ＮＯ_２−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させ、ある設定値以下になったら曝気量を増加させる。

なお、本発明の窒素除去方法において、曝気量の調整は、制御装置を用いて行ってもよいし、手動で行ってもよい。

そして、本発明の窒素除去方法では、上述した本発明の窒素除去システムと同様に、有機炭素を第２反応槽内に添加し、且つ、第１反応槽および第２反応槽の双方において上述した基準に基づく曝気量の増減制御を実施しているので、第１の反応槽で曝気量の増減制御を行い、有機炭素を添加しない第２反応槽で曝気のＯＮ−ＯＦＦ制御を実施する場合と比較して、窒素除去速度を向上させることができる。

なお、本発明の窒素除去システムおよび窒素除去方法では、被処理水である窒素含有排水のＯＲＰ（酸化還元電位）を−１５０ｍＶ以下とした状態で脱窒を行うことが好ましい。
また、被処理水である窒素含有排水は、アルカリ性となるよう調整した状態で脱窒処理されることが好ましく、ｐＨを７．３〜８．５にした状態で脱窒処理されることがより好ましい。

更に、本発明の窒素除去システムおよび窒素除去方法では、第２反応槽の容積が第１反応槽の容積よりも大きいことが好ましい。第２反応槽の容積を大きくすれば、担体投入率、有機物負荷および溶解性窒素負荷を容易に調整することができるからである。
なお、第２反応槽の容積は、第１反応槽の容積の１．４倍以上２．０倍以下であることが好ましく、１．６倍以上１．８倍以下であることがより好ましい。

また、嫌気性アンモニア酸化反応を良好に進める観点からは、本発明の窒素除去システムおよび窒素除去方法では、第１反応槽および第２反応槽に流入する溶解性窒素の負荷（溶解性窒素負荷）が、それぞれ、２．５〜１１．５ｇ／ｍ^２−担体／日であることが好ましい。

更に、本発明の窒素除去システムおよび窒素除去方法では、第１反応槽および第２反応槽における有機物負荷を、それぞれ、１１０ｍｇ−ＢＯＤ／ｍ^２−担体／時間以上または４０ｍｇ−ＴＯＣ／ｍ^２−担体／時間以上とすることが好ましい。通常、独立栄養細菌である嫌気性アンモニア酸化細菌を用いた嫌気性アンモニア酸化反応においては、有機物の流入を低減することが求められる。しかし、本発明においては、有機物負荷を上記範囲内にすることで、担体の微生物膜厚を十分に確保し、アンモニアの亜硝酸型硝化反応と嫌気性アンモニア酸化反応との双方を同時にバランス良く起こすことができるからである。なお、第１反応槽および第２反応槽における有機物負荷は、８０ｍｇ−ＴＯＣ／ｍ^２−担体／時間以上とすることがより好ましい。

以上、本発明の窒素除去システムおよび窒素除去方法について説明したが、本発明の窒素除去システムおよび窒素除去方法は上述した構成に限定されるものではない。
具体的には、例えば、上述した一例では第１反応槽および第２反応槽を別々の水槽として設けたが、各反応槽は一つの水槽内に窒素含有排水の流通を完全には遮断しない隔壁を設けることにより区画形成されたものであってもよい。また、第２反応槽の後段には追加の反応槽が更に設けられていてもよい。なお追加の反応槽を設ける場合、当該反応槽においては、有機炭素を添加しつつ第２反応槽と同様の曝気量の増減制御を実施することが好ましい。
また、第２反応槽に添加する有機炭素は、メタノール等であってもよい。但し、コストの観点からは有機炭素を含む窒素含有排水であることが好ましい。

以下、本発明について実施例を用いて更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
第１ポンプ１１および第２ポンプ１２を有さず、被処理水としての窒素含有排水を自然流下させる以外は図１に示すのと同様の構成を有する窒素除去システムを準備した。なお、窒素除去システムでは、センサ２４およびセンサ３４として亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）濃度計を使用し、制御装置４０では以下の曝気量制御を行った。
た。
そして、以下の条件で窒素含有排水の処理を行い、溶解性窒素の除去速度を算出したところ、３．１ｍｇ／Ｌ／時であった。
［処理条件］
・第１反応槽容積：８．５Ｌ
・第２反応槽容積：１５Ｌ
・被処理水量（第１反応槽への流入量と第２反応槽への流入量との合計）：３．３Ｌ／時
・第１反応槽に流入させた被処理水の量：１．６５Ｌ／時
・第２反応槽に直接流入させた被処理水の量：１．６５Ｌ／時
・被処理水ＴＯＣ濃度：３１ｍｇ／Ｌ
・第１反応槽有機物負荷：１５４ｍｇ−ＴＯＣ／ｍ^２−担体／時
・第２反応槽有機物負荷：９８ｍｇ−ＴＯＣ／ｍ^２−担体／時
・被処理水溶解性窒素濃度：３０ｍｇ／Ｌ
・第１反応槽溶解性窒素負荷：３．７g−Ｎ／ｍ^２−担体／日
・第２反応槽溶解性窒素負荷：３．３ｇ−Ｎ／ｍ^２−担体／日
・処理水ＴＯＣ濃度：８．２ｍｇ／Ｌ
・処理水溶解性窒素濃度：９．１ｍｇ／Ｌ
［曝気量制御内容］
第１反応槽および第２反応槽のそれぞれにおいて、ＮＯ_２−Ｎ濃度が２．２ｍｇ／Ｌ以上になったら曝気量を減少させ、ＮＯ_２−Ｎ濃度が１．８ｍｇ／Ｌ以下になったら曝気量を増加させる。

（比較例１）
処理条件および曝気量の制御内容を以下のように変更した以外は実施例１と同様にして窒素含有排水の処理を行い、溶解性窒素の除去速度を算出したところ、１．６ｍｇ／Ｌ／時であった。
［処理条件］
・第１反応槽容積：１５Ｌ
・第２反応槽容積：１５Ｌ
・被処理水量（第１反応槽への流入量と第２反応槽への流入量との合計）：３．６Ｌ／時
・第１反応槽に流入させた被処理水の量：３．６Ｌ／時
・第２反応槽に直接流入させた被処理水の量：０Ｌ／時
・被処理水ＴＯＣ濃度：２７ｍｇ／Ｌ
・第１反応槽有機物負荷：１６０ｍｇ−ＴＯＣ／ｍ^２−担体／時
・第２反応槽有機物負荷：３０ｍｇ−ＴＯＣ／ｍ^２−担体／時
・被処理水溶解性窒素濃度：２４ｍｇ／Ｌ
・第１反応槽溶解性窒素負荷：３．４g−Ｎ／ｍ^２−担体／日
・第２反応槽溶解性窒素負荷：２．６ｇ−Ｎ／ｍ^２−担体／日
・処理水ＴＯＣ濃度：７．９ｍｇ／Ｌ
・処理水溶解性窒素濃度：１０．７ｍｇ／Ｌ
［曝気量制御内容］
第１反応槽では、ＮＯ_２−Ｎ濃度が２．２ｍｇ／Ｌ以上になったら曝気量を減少させ、１．８ｍｇ／Ｌ以下になったら曝気量を増加させる。
第２反応槽では、ＮＯ_２−Ｎ濃度が１．５ｍｇ／Ｌ以上になったら曝気を停止し、０．３ｍｇ／Ｌ以下になったら曝気を開始する。

１０一次処理装置
１１第１ポンプ
１２第２ポンプ
２０第１反応槽
３０第２反応槽
４０制御装置
２１，３１撹拌装置
２２，３２曝気装置
２２，３２ブロア
２３，３３散気管
２４，３４センサ
２５，３５担体
１００窒素除去システム

Claims

窒素含有排水から窒素を除去する窒素除去システムであって、
第１反応槽と、前記第１反応槽の下流側に直列接続された第２反応槽とを備え、
前記第１反応槽および前記第２反応槽は、それぞれ、反応槽内を曝気する曝気装置を有し、
前記第１反応槽および前記第２反応槽には、それぞれ、亜硝酸型硝化細菌と嫌気性アンモニア酸化細菌との少なくとも２種を優占種として含む微生物膜を担持させた担体が充填されており、
前記第２反応槽内に有機炭素を添加する炭素源供給機構と、
前記第１反応槽の曝気量および前記第２反応槽の曝気量を制御する制御装置と、
を更に備え、
前記制御装置は、前記第１反応槽では、第１反応槽から流出する第１反応槽流出水のアンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）濃度、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）濃度および硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）濃度の一つ以上を計測し、下記（ａ）と（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ａ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｄ）単独および下記（ｅ）単独からなる群より選択される何れかの基準を用いて曝気量の調整を行い、前記第２反応槽では、第２反応槽から流出する第２反応槽流出水のアンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）濃度、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）濃度および硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）濃度の一つ以上を計測し、下記（ａ）と（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ａ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｄ）単独および下記（ｅ）単独からなる群より選択される何れかの基準を用いて曝気量の調整を行う、窒素除去システム。
（ａ）ＮＯ_３−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させる。
（ｂ）ＮＯ_２−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させる。
（ｃ）ＮＨ_４−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を増加させる。
（ｄ）ＮＯ_３−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させ、ある設定値以下になったら曝気量を増加させる。
（ｅ）ＮＯ_２−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させ、ある設定値以下になったら曝気量を増加させる。
前記窒素含有排水が有機炭素を含有し、
前記炭素源供給機構が前記窒素含有排水を前記第２反応槽に添加する、請求項１に記載の窒素除去システム。
前記第２反応槽の容積が前記第１反応槽の容積よりも大きい、請求項２に記載の窒素除去システム。
前記第１反応槽および前記第２反応槽における有機物負荷が、それぞれ、１１０ｍｇ−ＢＯＤ／ｍ^２−担体／時間以上または４０ｍｇ−ＴＯＣ／ｍ^２−担体／時間以上である、請求項１〜３の何れかに記載の窒素除去システム。
前記第１反応槽および前記第２反応槽における溶解性窒素負荷が、それぞれ、２．５ｇ／ｍ^２−担体／日以上１１．５ｇ／ｍ^２−担体／日以下である、請求項１〜４の何れかに記載の窒素除去システム。
窒素含有排水から窒素を除去する窒素除去方法であって、
亜硝酸型硝化細菌と嫌気性アンモニア酸化細菌との少なくとも２種を優占種として含む微生物膜を担持させた担体が充填された第１の反応槽において、曝気下、嫌気性アンモニア酸化反応を利用して脱窒を行う第１脱窒工程と、
前記第１反応槽の下流側に直列接続され、且つ、亜硝酸型硝化細菌と嫌気性アンモニア酸化細菌との少なくとも２種を優占種として含む微生物膜を担持させた担体が充填された第２の反応槽において、曝気下、嫌気性アンモニア酸化反応を利用して脱窒を行う第２脱窒工程と、
を含み、
前記第２脱窒工程では、前記第２反応槽内に有機炭素を添加しつつ脱窒を行い、
前記第１脱窒工程および前記第２脱窒工程では、それぞれ、各反応槽から流出する反応槽流出水のアンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）濃度、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）濃度および硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）濃度の一つ以上を計測し、下記（ａ）と（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ａ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｂ）と（ｃ）との組み合わせ、下記（ｄ）単独および下記（ｅ）単独からなる群より選択される何れかの基準を用いて曝気量の調整を行う、窒素除去方法。
（ａ）ＮＯ_３−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させる。
（ｂ）ＮＯ_２−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させる。
（ｃ）ＮＨ_４−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を増加させる。
（ｄ）ＮＯ_３−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させ、ある設定値以下になったら曝気量を増加させる。
（ｅ）ＮＯ_２−Ｎ濃度がある設定値以上になったら曝気量を減少させ、ある設定値以下になったら曝気量を増加させる。
前記窒素含有排水が有機炭素を含有し、
前記第２脱窒工程では、前記窒素含有排水を前記第２反応槽に添加する、請求項６に記載の窒素除去方法。
前記第２反応槽の容積が前記第１反応槽の容積よりも大きい、請求項７に記載の窒素除去方法。
前記第１反応槽および前記第２反応槽における有機物負荷を、それぞれ、１１０ｍｇ−ＢＯＤ／ｍ^２−担体／時間以上または４０ｍｇ−ＴＯＣ／ｍ^２−担体／時間以上とする、請求項６〜８の何れかに記載の窒素除去方法。
前記第１反応槽および前記第２反応槽における溶解性窒素負荷を、それぞれ、２．５ｇ／ｍ^２−担体／日以上１１．５ｇ／ｍ^２−担体／日以下とする、請求項６〜９の何れかに記載の窒素除去方法。