JP7133359B2 - 窒素処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、廃水の窒素処理方法に係り、特に、廃水に含まれているアンモニア性窒素を生物学的に酸化して亜硝酸性窒素を生成する窒素処理方法に関する。

窒素成分を含む廃水は、閉鎖性水域の富栄養化を招き、水質汚染を引き起こす一因となっている。そのため、一部の下水処理施設や廃水処理施設では、廃水に含まれている窒素成分を微生物を利用して分解除去する窒素処理が行われている。

従来、窒素成分を含む廃水を生物学的に窒素処理する方法としては、硝化処理と脱窒処理とを組み合わせて行う硝化脱窒処理が広く用いられてきた。硝化脱窒処理では、被処理水中に含まれているアンモニア性窒素が硝化細菌によって硝酸性窒素にまで酸化された後、硝酸性窒素が脱窒細菌によって分子状窒素に変換されている。

一方、近年では、嫌気性アンモニア酸化（アナモックス（ＡＮＡＭＭＯＸ：Anaerobic Ammonium Oxidation））法の実用化も進められている。嫌気性アンモニア酸化法は、アンモニアと亜硝酸とを嫌気性アンモニア酸化細菌によって共脱窒する方法である。嫌気性アンモニア酸化法によると、被処理水中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とが、嫌気性アンモニア酸化反応によって、分子状窒素と若干の硝酸性窒素とに変換される。

嫌気性アンモニア酸化反応は、独立栄養性である嫌気性アンモニア酸化細菌がアンモニアを水素供与体として行う反応であるため、メタノール等の有機物を供給する必要が無く、運転コストが抑制される利点がある。また、亜硝酸性窒素を硝酸性窒素にまで酸化する必要が無いため、曝気に関わるコストも削減される。また、嫌気性アンモニア酸化細菌は高い脱窒速度を示す一方で増殖量が少ないため、処理効率を損なわず設備規模を縮小することが可能であり、余剰汚泥の量が少なくなるという利点もある。

窒素成分を含む廃水は、多くの場合、アンモニア性窒素を含有している。一方、嫌気性アンモニア酸化反応では、アンモニウムイオンと亜硝酸イオンとが約１：１．３の比率で反応する。そのため、嫌気性アンモニア酸化法では、アンモニア性窒素の一部を亜硝酸性窒素にまで酸化させておく亜硝酸型硝化が、嫌気性アンモニア酸化反応の前に予め行われている。

嫌気性アンモニア酸化法による窒素処理の方式は、亜硝酸型硝化と嫌気性アンモニア酸化とを一槽で行う単槽式と、亜硝酸型硝化を行うアンモニア酸化槽と嫌気性アンモニア酸化を行うアナモックス反応槽を用いる二槽式とに大別される。

単槽式としては、低酸素濃度に制限した曝気の下で行うＣＡＮＯＮ法、低酸素濃度の条件に制限して行うＯＬＡＮＤ法、硝化細菌群を付着固定化した担体の内部に嫌気性アンモニア酸化細菌を増殖させて行うＳＮＡＰ法、半回分方式で行うＳＢＲ法等がある。

また、二槽式としては、被処理水の全量をアンモニア酸化槽に導入してアンモニア性窒素の一部を部分亜硝酸化するワンパス式や、被処理水の一部をアンモニア酸化槽に導入してアンモニア性窒素の全部を亜硝酸化し、残部を迂回させてから合流させるバイパス式がある。

一般に、亜硝酸型硝化には、硝化細菌群を含む微生物汚泥が用いられている。硝化細菌群は、通常、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素にまで酸化するアンモニア酸化細菌（ammonium oxidizing bacteria：ＡＯＢ）と、亜硝酸性窒素を硝酸性窒素にまで酸化する亜硝酸酸化細菌（nitrate oxidizing bacteria：ＮＯＢ）との混成である。そのため、いずれの処理方式においても、亜硝酸型硝化の進行を制御し、アンモニア性窒素の酸化を亜硝酸性窒素までの部分酸化に留め、亜硝酸性窒素の生成量ないし生成速度を維持しながら運転を行うことが求められる。

従来、硝化細菌群を用いた亜硝酸型硝化は、亜硝酸性窒素の濃度を安定に維持して運転を続けるのが容易でないことが知られている。通常の水質では、亜硝酸酸化細菌が増殖し易いため、多くの場合、アンモニア酸化細菌が生成した亜硝酸性窒素が硝酸性窒素にまで速やかに酸化され、亜硝酸性窒素までの部分酸化に留めることが困難である。そこで、亜硝酸性窒素の濃度を制御する手法について、種々の検討がなされている。

例えば、特許文献１には、硝化槽の曝気風量を調節して硝化を亜硝酸型に制御する硝化方法が開示されている。また、特許文献２には、硝化槽を第一硝化槽と第二硝化槽の２槽に分けて、第一硝化槽の被処理水の遊離アンモニア濃度が亜硝酸酸化細菌の活性を阻害する濃度以上となるように第一硝化槽の硝化条件を維持するアンモニア性窒素含有排水の硝化方法が開示されている。

また、特許文献３には、アンモニア酸化細菌を優先的に集積させた亜硝酸型硝化担体を製造する方法であって、汚泥を、微生物を固定化するためのモノマ又はプレポリマのいずれかに包括固定化した後、３０～８０℃で加熱処理する方法や、微生物を固定化するためのモノマ又はプレポリマのいずれかを、汚泥の存在下で３０～８０℃で１時間以上加熱処理しながら重合する方法が開示されている。

特許第５２９２６５９号公報 特開２００５－１３１４５２号公報 特許第３７８８６０１号公報

特許文献１や特許文献２に開示されるように、溶存酸素やアンモニア性窒素の濃度を調節して亜硝酸性窒素の濃度を調整する技術がある。しかしながら、特許文献１のように曝気風量のみを調節する手法や、特許文献２のように阻害濃度を維持する手法は、制御の応答性や正確性が低いという問題がある。また、原水のアンモニア性窒素の濃度が低下した場合、遊離アンモニアの濃度も低下するため、阻害濃度の維持が不確実になる問題もある。一時的或いは局所的にでも、溶存酸素濃度が高くなったり、遊離アンモニア濃度が低くなったりすると、亜硝酸酸化細菌の活性が強く現れるため、亜硝酸性窒素の濃度を安定に維持するのが困難である。

また、特許文献１～３に記載された手法では、硝化処理中の亜硝酸酸化細菌の活性を積極的に制御することができないため、偶発的ないし突発的に亜硝酸性窒素や硝酸性窒素の濃度変動が生じた場合に、亜硝酸酸化活性の変化に迅速に対応できず、影響が拡大し易いことが問題となる。亜硝酸酸化活性の変化に対する対応能力が低い場合、安定な窒素処理のために窒素負荷を低く設定する必要が生じたり、多量の硝酸性窒素が生成した硝化処理後に流量や水質の大規模な調整が必要になったりするので、全体的な処理効率が低下したり、設備規模が大型化したりする。

そこで、本発明は、アンモニア性窒素を生物学的に酸化して亜硝酸性窒素を生成する亜硝酸型の硝化処理において、硝酸性窒素の蓄積を速やかに解消し、亜硝酸性窒素の濃度を安定させて処理を続けることができる窒素処理方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明に係る窒素処理方法は、廃水に含まれる窒素成分を生物学的に処理する窒素処理方法であって、被処理水に含まれるアンモニア性窒素を微生物汚泥によって酸化して亜硝酸性窒素を生成する硝化処理工程を含み、前記硝化処理工程において、前記被処理水又は処理された処理水のアンモニア性窒素の濃度、亜硝酸性窒素の濃度、及び、硝酸性窒素の濃度のうち、一以上を連続的に計測し、前記被処理水又は前記処理水の硝酸性窒素の濃度が所定値以上の上昇を生じたとき、又は、所定時間にわたって上昇を続けたとき、前記被処理水のｐＨをｐＨ８．５以上ｐＨ９．５以下の目標値に高くする制御を行い、前記被処理水又は前記処理水の硝酸性窒素の濃度が所定値以上の上昇を生じていないとき、及び、所定時間にわたって上昇を続けていないとき、前記被処理水のｐＨをｐＨ７以上ｐＨ８．２以下の目標値にする制御を行う。

本発明によれば、アンモニア性窒素を生物学的に酸化して亜硝酸性窒素を生成する亜硝酸型の硝化処理において、硝酸性窒素の蓄積を速やかに解消し、亜硝酸性窒素の濃度を安定させて処理を続けることができる。

窒素処理に用いられる廃水処理装置の一例を示す模式図である。 窒素処理に用いられる廃水処理装置の変形例を示す模式図である。 窒素処理に用いられる廃水処理装置の変形例を示す模式図である。 窒素処理に用いられる廃水処理装置の変形例を示す模式図である。 窒素処理における窒素成分の濃度変化の結果を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る窒素処理方法について、図を参照しながら説明する。なお、以下の各図において共通する構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。

本実施形態に係る窒素処理方法は、廃水（被処理水）に含まれる窒素成分を生物学的な処理により脱窒する方法に関する。この窒素処理方法は、被処理水に含まれるアンモニア性窒素を微生物汚泥によって酸化して亜硝酸性窒素を生成する亜硝酸型の硝化処理工程を少なくとも含んでいる。

本実施形態に係る窒素処理方法では、硝化処理工程における硝酸性窒素の生成量をオンラインで計測し、硝酸性窒素の濃度が上昇したとき、被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御を行う。ｐＨ制御により被処理水のｐＨを高くすると、遊離アンモニアの濃度が増大するため、感受性が低いアンモニア酸化細菌と比較して、亜硝酸酸化細菌の活性が大きく阻害される。そのため、硝酸性窒素の蓄積を速やかに解消して、亜硝酸性窒素の濃度を安定させることができる。

なお、本明細書において、計測に関わる「オンライン」との用語は、処理槽や流路から被処理水又は処理水の一部を採取して計測機器に送り込み連続的に計測を行うことを意味する。「連続的な計測」や「オンラインの計測」は、被処理水の処理中に実質的に常時、連続的に行われることを意味するが、測定周期やサンプリング間隔は一般的な適宜の範囲で行うことが可能であり、計測機器上では時間間隔が空いていてもよい。

図１は、窒素処理に用いられる廃水処理装置の一例を示す模式図である。
本実施形態に係る窒素処理方法は、図１に示されるような廃水処理装置１００で実施することができる。図１に示す廃水処理装置１００は、アンモニア酸化槽１と、微生物汚泥２と、散気装置３と、ｐＨ調整装置４と、イオンセンサ５ａと、ｐＨセンサ５ｂと、溶存酸素（Dissolved Oxygen：ＤＯ）センサ５ｃと、アナモックス反応槽６と、微生物汚泥７と、制御装置８と、を備えている。

廃水処理装置１００は、窒素成分を含む廃水（被処理水）を嫌気性アンモニア酸化法によって窒素処理する装置であり、亜硝酸型硝化と嫌気性アンモニア酸化とを個別の反応槽で行う二槽式とされている。廃水処理装置１００では、亜硝酸酸化細菌による硝酸性窒素の生成を抑制するために、ワンパス式のアンモニア酸化槽１において、オンラインの計測に基づき被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御を行うことができる。

被処理水としては、例えば、下水処理施設、半導体工場、金属精錬所、薬品製造施設、畜産業施設等の事業場から排出される廃水が挙げられる。廃水は、アンモニア性窒素の他に、リン、炭素、重金属類等の栄養塩を含んでいてもよい。また、廃水は、アンモニア酸化槽１で行う硝化処理の前に、活性汚泥処理、従属栄養性脱窒細菌による脱窒処理、脱リン処理等が行われてもよい。

アンモニア酸化槽１は、被処理水に含まれているアンモニア性窒素を亜硝酸性窒素に酸化する亜硝酸型の硝化処理を行う処理槽である。アンモニア酸化槽１には、被処理水を生物学的に処理するために微生物汚泥２が保持される。また、アンモニア酸化槽１には、被処理水を曝気するための散気装置３や、イオンセンサ５ａ、ｐＨセンサ５ｂ、溶存酸素センサ５ｃが備えられ、配管を介してｐＨ調整装置４が接続される。

微生物汚泥２は、細菌や原生生物等を含む汚泥であり、硝化細菌群を含んでいる。通常、硝化細菌群は、ニトロソモナス（Nitrosomonas）属、ニトロソコッカス（Nitrosococcus）属、ニトロソスピラ（Nitrosospira）属、ニトロソロブス（Nitrosolobus）属等に分類されるアンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）と、ニトロバクター（Nitrobactor）属、ニトロスピナ（Nitrospina）属、ニトロコッカス（Nitrococcus）属、ニトロスピラ（Nitrospira）属等に分類される亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）との混成である。

微生物汚泥２は、図１において、流動床担体に固定化されている。但し、アンモニア酸化槽１で用いる微生物汚泥は、担体の内部に包括固定化されている状態、担体の表面に包括固定化されている状態、担体に付着固定化されている状態、自己造粒によるグラニュールを形成している状態、及び、水中に浮遊した浮遊汚泥の状態のうち、いずれの状態であってもよい。また、固定化された微生物汚泥は、固定床、流動床及び移動床のいずれの形態で用いられてもよい。

担体の材料としては、モノ（メタ）アクリレート類、ジ（メタ）アクリレート類、トリ（メタ）アクリレート類、テトラ（メタ）アクリレート類、ウレタン（メタ）アクリレート類、エポキシ（メタ）アクリレート類、ポリビニルアルコール、ビニロン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、アクリルアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、アラミドやナイロン等のポリアミド、ポリエステル、レーヨン、ガラス、活性炭等の適宜の材料を使用することができる。

担体の形状は、立方体状、直方体状、板状、球状、円盤状、円筒状、多孔質状、スポンジ状、繊維状、布状、コイン状、レンコン状、菊花状等の適宜の形状とすることができる。担体の大きさは、特に制限されるものではなく、例えば、３ｍｍ角等とすることができる。

散気装置３は、例えば、気泡を発生するディフューザや散気管、空気を供給する送風機、空気を圧縮するコンプレッサ、送風機からディフューザや散気管に空気を送る送気管等によって構成される。被処理水についての曝気量は、一定に制御してもよいし、アンモニア性窒素の濃度、亜硝酸性窒素の濃度等に応じて、目的の硝化率となるように可変制御してもよい。但し、本実施形態では、オンラインの計測に基づくｐＨ制御で亜硝酸性窒素の濃度を安定させるため、曝気量について精密な制御を行う必要はない。

ｐＨ調整装置４は、硝化処理される被処理水のｐＨを調整するために備えられる。ｐＨ調整装置４は、例えば、ｐＨ調整剤を貯留するｐＨ調整剤タンク、ｐＨ調整剤をアンモニア酸化槽１に供給する薬注ポンプ等によって構成される。ｐＨ調整剤としては、例えば、炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウム等のアルカリ性ｐＨ調整剤を用いることができる。

イオンセンサ５ａは、被処理水のアンモニア性窒素の濃度、亜硝酸性窒素の濃度、及び、硝酸性窒素の濃度のうち、一以上を計測するために備えられている。イオンセンサ５ａとしては、イオン電極式、吸光光度式、イオンクロマト式等の適宜の計測器を用いることができる。窒素成分の濃度は、硝化処理中に実質的に常時、連続的に計測されるが、計測器の測定周期やサンプリング間隔は特に制限されるものではない。

イオンセンサ５ａとしては、オンラインの計測を簡便に行える点から、イオン電極式の計測器が好ましく用いられる。イオン電極式の計測器としては、例えば、隔膜式、液膜式、固体膜式、ガラス膜式等の計測器が挙げられる。イオンセンサ５ａとしては、アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素又は硝酸性窒素の濃度を個別に計測する複数のセンサを備えてもよいが、図１に示すように、アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素の濃度を一括して計測するマルチイオンセンサを備えることが好ましい。

イオンセンサ５ａは、アンモニア酸化槽１の下流に設置し、硝化処理された処理水のアンモニア性窒素の濃度、亜硝酸性窒素の濃度、及び、硝酸性窒素の濃度のうち、一以上を計測してもよい。また、アンモニア酸化槽１の上流には、原水の窒素成分の濃度を計測するために、同等の機能を有するイオンセンサを設置することができる。アンモニア酸化槽１や、その下流又は上流に設置するイオンセンサは、アンモニア酸化槽１で生じる硝酸性窒素の量を求め得る限り、任意のイオン種の組み合わせや種類数で窒素成分を検出してよい。

ｐＨセンサ５ｂは、被処理水のｐＨを計測するために備えられている。ｐＨセンサ５ｂとしては、ガラス電極式、金属電極式、半導体式、比色式等の適宜の計測器を用いることができる。被処理水のｐＨは、硝化処理中に実質的に常時、連続的に計測されるが、計測器の測定周期やサンプリング間隔は特に制限されるものではない。ｐＨセンサ５ｂは、アンモニア酸化槽１の下流に設置し、処理水のｐＨを計測してもよい。

溶存酸素センサ５は、被処理水の溶存酸素濃度を計測するために備えられる。通常、硝化処理される被処理水の溶存酸素濃度は、０．５ｍｇ／Ｌ以上４．０ｍｇ／Ｌ以下の範囲に制御され、亜硝酸型硝化が目的の硝化率となるように調節される。

アナモックス反応槽６は、被処理水に含まれているアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを嫌気性アンモニア酸化反応によって共脱窒する処理槽である。アナモックス反応槽６には、被処理水を生物学的に処理するために嫌気性アンモニア酸化細菌を含む微生物汚泥７が保持される。また、アナモックス反応槽６には、被処理水を攪拌する攪拌装置や、被処理水にｐＨ調整剤を供給するｐＨ調整装置を備えることができる。

微生物汚泥７は、図１において、流動床担体に固定化されている。但し、微生物汚泥７は、担体の内部に包括固定化されている状態、担体の表面に包括固定化されている状態、担体に付着固定化されている状態、自己造粒によるグラニュールを形成している状態、及び、水中に浮遊した浮遊汚泥の状態のうち、いずれの状態で用いられてもよい。また、固定化された微生物汚泥は、固定床、流動床及び移動床のいずれの形態で用いられてもよい。

アナモックス反応槽６における担体の形状、材料、大きさは、アンモニア酸化槽１の担体と同様にすることができる。アナモックス反応槽６は、無酸素ガスにより被処理水を循環させるガスリフト型の反応槽や、被処理水の上向流でグラニュールを形成させる上向流汚泥床型の反応槽や、担体等の充填材を用いた固定床型リアクタ等としてもよい。

制御装置８は、ｐＨ調整装置４や散気装置３の制御を行う。制御装置８は、イオンセンサ５ａやｐＨセンサ５ｂからの信号を受け、オンラインで計測された水質の計測値に基づいて、アンモニア酸化槽１へのｐＨ調整剤の供給量を制御する。また、溶存酸素センサ５ｃからの信号を受け、オンラインで計測された溶存酸素濃度の計測値に基づいて、散気装置３による曝気量を制御することができる。

制御装置８は、ｐＨ調整剤の供給量や曝気量を、例えば、ＰＩＤ制御、時分割制御等の適宜の制御法で制御する。ｐＨ調整剤の供給量や曝気量は、イオンセンサ５ａやｐＨセンサ５ｂに加え、アンモニア酸化槽１の下流にセンサを設置してフィードバック制御してもよいし、アンモニア酸化槽１の上流にセンサを設置してフィードフォワード制御を組み合わせてもよい。

次に、本実施形態に係る窒素処理方法の一例について、廃水処理装置１００における窒素処理を例として具体的に説明する。

嫌気性アンモニア酸化法による窒素処理は、被処理水に含まれるアンモニア性窒素を微生物汚泥によって酸化して亜硝酸性窒素を生成する硝化処理工程と、硝化処理工程において処理された被処理水に含まれるアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを嫌気性アンモニア酸化反応によって分子状窒素に変換する嫌気性アンモニア酸化処理工程と、を含む方法によって行うことができる。

通常、嫌気性アンモニア酸化処理工程で処理される被処理水は、嫌気性アンモニア酸化細菌が基質とするアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素との比率が、１：１．３付近まで予め亜硝酸化されている必要がある。アンモニア酸化槽１で亜硝酸酸化細菌が生成する硝酸性窒素は、嫌気性アンモニア酸化細菌の基質とならないため、アナモックス反応槽６に流入する被処理水は、硝酸性窒素の濃度が低いことが好ましい。

しかし、アンモニア酸化槽１で硝化処理に関与する硝化細菌群の活性は、水温、窒素成分濃度、溶存酸素濃度、ｐＨ等に影響され易いことが知られている。一般に、水温が低い場合、アンモニア性窒素や亜硝酸性窒素の濃度が低い場合、溶存酸素濃度が高い場合、ｐＨが低い場合等に、アンモニア酸化細菌と比較して亜硝酸酸化細菌の活性が強く現れる傾向がある。

亜硝酸酸化細菌の活性が強くなると、アンモニア酸化細菌が変換した亜硝酸性窒素が速やかに硝酸性窒素にまで酸化されるため、アンモニア酸化槽１から流出する処理水は、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素との比率が不安定になる。亜硝酸型硝化が不安定になり、硝化率が目標値から乖離すると、嫌気性アンモニア酸化反応も不安定化するため、最終的な窒素除去率が低下することになる。

そこで、本実施形態に係る窒素処理方法では、硝化処理工程において、硝化処理されている被処理水又は硝化処理された処理水の窒素成分の濃度をオンラインで連続的に計測し、被処理水や処理水の硝酸性窒素の濃度が上昇したとき、硝化処理されている被処理水のｐＨを高くして、亜硝酸酸化細菌の活性が抑制された状態を維持する。

被処理水のアンモニア性窒素の濃度は、硝化活性の阻害を避ける観点等からは、１ｍｇ／Ｌ以上１０００ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。また、亜硝酸酸化細菌の活性の抑制による効果を極大化する観点からは、本来高い窒素除去率を達成するのが困難な低濃度の範囲がより好ましい。具体的には、被処理水のアンモニア性窒素の濃度は、１０ｍｇ／Ｌ以上１５０ｍｇ／Ｌ以下であることがより好ましい。

被処理水は、全窒素の濃度やアンモニア性窒素の濃度が高い場合には、硝化処理工程の前に、嫌気性アンモニア酸化処理された処理水等で予め希釈することができる。また、微生物汚泥を馴養する必要がある立ち上げ時には、はじめに、希釈した被処理水を流入させてから、徐々に全窒素の濃度やアンモニア性窒素の濃度を高くして被処理水を通水することができる。

硝化処理工程は、硝化細菌群を保持するアンモニア酸化槽１において、好気条件下、必要に応じてアルカリの添加やｐＨの調整を実施しながら行う。被処理水の水温は、１０℃以上４０℃以下であることが好ましい。また、被処理水のｐＨは、少なくとも、ｐＨ６以上ｐＨ１０以下であることが好ましい。被処理水のｐＨは、アンモニア酸化槽１への流入時には、通常、中性付近であるが、アンモニア性窒素の亜硝酸化が進むほど酸性側に低下していく。

廃水処理装置１００では、アンモニア酸化槽１に流入する被処理水（原水）のアンモニア性窒素の濃度や、亜硝酸性窒素の濃度を、アンモニア酸化槽１の上流側で予め計測することができる。そして、アンモニア酸化槽１では、硝化処理されている被処理水のアンモニア性窒素の濃度、亜硝酸性窒素の濃度、及び、硝酸性窒素の濃度のうち、一以上が、イオンセンサ５ａによってオンラインで計測される。

原水のアンモニア性窒素の濃度と、アンモニア酸化槽１で計測されるアンモニア性窒素の濃度と亜硝酸性窒素の濃度の和との差分や、原水の亜硝酸性窒素の濃度と、アンモニア酸化槽１で計測される亜硝酸性窒素の濃度との差分は、アンモニア酸化槽１で生成した硝酸性窒素の量に相当すると見做すことができる。また、硝化処理された処理水の濃度をアンモニア酸化槽１の下流で計測する場合も、同様に見做すことができる。

一方、原水が硝酸性窒素を実質的に含有していない場合には、アンモニア酸化槽１で計測される被処理水の硝酸性窒素の濃度は、アンモニア酸化槽１で生成した硝酸性窒素の量に相当すると見做すことができる。また、硝化処理された処理水の濃度をアンモニア酸化槽１の下流で計測する場合も、同様に見做すことができる。

したがって、アンモニア酸化槽１で生成した硝酸性窒素の量をイオンセンサ５ａによるオンラインの計測で常時監視し、硝酸性窒素の濃度が上昇したとき、被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御を行うことができる。但し、アンモニア酸化槽１における硝酸性窒素の濃度は、通常、定常時であっても僅かに変動しており、一時的な濃度上昇や濃度低下を不定期に繰り返すことがある。そのため、ｐＨ制御は、硝酸性窒素の濃度が有意に上昇し、一時的な変動ではなく半永続的な変化となるときに行うことが好ましい。

具体的には、被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御は、硝化処理されている被処理水又は硝化処理された処理水の硝酸性窒素の濃度が所定値以上の上昇を生じたとき、或いは、硝化処理されている被処理水や硝化処理された処理水の硝酸性窒素の濃度が所定時間にわたって上昇を続けたときに開始することが好ましい。濃度上昇の大きさを指標とする場合、急激な濃度上昇に適切に対応できるし、濃度上昇の持続時間を指標とする場合、緩慢な濃度上昇に適切に対応できる。これらの開始条件は、重畳的に用いてもよい。

ｐＨ制御を開始する具体的な条件としては、硝酸性窒素の濃度上昇の大きさを指標とする場合、窒素負荷等にもよるが、硝酸性窒素の濃度が２ｍｇ／Ｌ以上の上昇を生じたとき、３ｍｇ／Ｌ以上の上昇を生じたとき、４ｍｇ／Ｌ以上の上昇を生じたとき、５ｍｇ／Ｌ以上の上昇を生じたとき等が好ましい。このような大きさの上昇であれば、通常の一定した被処理水の水質の下で、一時的な変動として生じることが少ないため、ｐＨ制御を必要な時期に限定することができる。

また、ｐＨ制御を開始する具体的な条件としては、硝酸性窒素の濃度上昇の持続時間を指標とする場合、水理学的滞留時間等にもよるが、硝酸性窒素の濃度が２日間（４８時間）にわたって上昇を続けたとき、４日間（９６時間）にわたって上昇を続けたとき、６日間（１４４時間）にわたって上昇を続けたとき、８日間（１９２時間）にわたって上昇を続けたとき、１０日間（２４０時間）にわたって上昇を続けたとき等が好ましい。このような長さの上昇であれば、一時的な変動として生じることが少ないため、ｐＨ制御を必要な時期に限定することができる。

被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御は、被処理水にアルカリ性ｐＨ調整剤を添加することによって行うことができる。炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウム等のアルカリ性ｐＨ調整剤は、図１に示すように、アンモニア酸化槽１に滞留する被処理水に添加してもよいし、アンモニア酸化槽１の上流等で添加してもよい。

一般的な硝化処理では、中性付近の被処理水がｐＨ調整されることなく処理されることが多い。これに対し、被処理水のｐＨをアルカリ性側に高くすると、アンモニウムイオンと水酸化物イオンとの再結合反応（平衡移動）で遊離アンモニアの濃度が高くなるため、硝化細菌群の活性が阻害される。このとき、亜硝酸酸化細菌の活性はアンモニア酸化細菌の活性よりも大きく低下するため、硝酸性窒素の生成を抑制しつつ、亜硝酸性窒素を生成させることができる。

被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御は、一回の制御当たりのアルカリ性ｐＨ調整剤の添加量や、一回の制御当たりのｐＨの上げ幅が、特に制限されるものではない。ｐＨ制御は、例えば、被処理水のｐＨをアルカリ性側の目標値に向けて徐々に高くする方法、所定の添加速度のアルカリ性ｐＨ調整剤を所定時間にわたって連続的又は間欠的に添加する方法、所定量のアルカリ性ｐＨ調整剤を一時又は時分割して添加する方法等、適宜の方法で行うことができる。

被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御は、制御を開始した後、２日（４８時間）以上１４日（３３６時間）以内の期間にわたって続けることが好ましい。このように制御を継続すると、通常の水理学的滞留時間の硝化処理において、分裂増殖している亜硝酸酸化細菌の活性を阻害し続けることができるため、硝酸性窒素の生成をより確実に抑制することができる。また、アンモニア酸化細菌を、ｐＨ制御されている被処理水中で馴化させることができるため、亜硝酸酸化活性を抑制しながらも、高いアンモニア酸化活性を保つことができる。

ｐＨ制御は、被処理水のｐＨを、一回の制御当たり、ｐＨ８以上ｐＨ１０以下の目標値に調整する制御であることが好ましい。ｐＨ８以上ｐＨ１０以下であれば、亜硝酸酸化細菌の活性が阻害される一方、アンモニア酸化細菌の活性が極端に阻害されないため、亜硝酸酸化活性を抑制しつつ、高いアンモニア酸化活性を保つことができる。硝化処理工程においては、硝酸性窒素の濃度が上昇したとき、被処理水のｐＨをｐＨ８以上ｐＨ１０以下に調整するｐＨ制御を行い、その他の時間は、ｐＨ７以上ｐＨ８．２以下かｐＨ８．０未満に調整する、又は、調整を行わないものとすることができる。

被処理水のｐＨは、一回の制御当たり、ｐＨ８．５以上ｐＨ９．５以下の目標値に調整されることがより好ましく、ｐＨ８．７以上ｐＨ９．３以下の目標値に調整されることが更に好ましい。ｐＨが高いほど、亜硝酸酸化細菌の活性がより確実に阻害されるため、硝酸性窒素の生成を微量に抑制することができる。また、ｐＨが低いほど、アンモニア酸化細菌の活性がより低下し難くなるため、高いアンモニア酸化活性を保つことができる。

被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御は、ｐＨ制御を開始した後、硝化処理されている被処理水や硝化処理された処理水の硝酸性窒素の濃度が所定値以上の上昇を生じなかったとき、或いは、ｐＨ制御を開始した後、硝化処理されている被処理水や硝化処理された処理水の硝酸性窒素の濃度が所定時間にわたって下降を続けたときに強制的に停止することもできる。濃度変化の大きさを指標とする場合、急激な濃度変化に適切に対応できるし、濃度変化の持続時間を指標とする場合、緩慢な濃度変化に適切に対応できる。これらの停止条件は、重畳的に用いてもよい。

ｐＨ制御を中止する具体的な条件としては、硝酸性窒素の濃度変化の大きさを指標とする場合、窒素負荷等にもよるが、硝酸性窒素の濃度が所定期間内に１ｍｇ／Ｌ以上の上昇を生じなかったとき、所定期間内に２ｍｇ／Ｌ以上の上昇を生じなかったとき、所定期間内に３ｍｇ／Ｌ以上の上昇を生じなかったとき等が好ましい。濃度上昇を判定する期間としては、２日、３日、４日、５日等とすることができる。このような上昇が生じていなければ、亜硝酸酸化細菌の活性が十分に抑制されていて、直ちに回復することが少ないため、ｐＨ制御を必要な時期に限定してｐＨ調整剤のコストを抑制することができる。

また、ｐＨ制御を中止する具体的な条件としては、硝酸性窒素の濃度変化の持続時間を指標とする場合、水理学的滞留時間等にもよるが、硝酸性窒素の濃度が２日間（４８時間）にわたって下降を続けたとき、３日間（７２時間）にわたって下降を続けたとき、４日間（９６時間）にわたって下降を続けたとき、５日間（１２０時間）にわたって下降を続けたとき等が好ましい。このような長さの下降であれば、亜硝酸酸化細菌の活性が十分に抑制されていて、直ちに回復することが少ないため、ｐＨ制御を必要な時期に限定してｐＨ調整剤のコストを抑制することができる。

被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御は、硝化率が所定の範囲内となるように被処理水の溶存酸素濃度を調整しながら行うことが好ましい。被処理水の溶存酸素濃度は、イオンセンサ５ａにより、被処理水のアンモニア性窒素の濃度、及び、亜硝酸性窒素の濃度のうち、一以上をオンラインで計測し、溶存酸素センサ５による計測下、曝気量を調節してフィードバック制御することができる。溶存酸素濃度を調整しながらｐＨ制御を行うと、ｐＨ制御により硝酸性窒素の蓄積が防止される範囲で適宜の硝化率にすることができるため、曝気のコストを抑制したり、硝化速度を調節したりすることができる。

硝化処理工程において、アンモニア酸化槽１で硝化処理される被処理水は、アンモニア性窒素の濃度と亜硝酸性窒素の濃度との比が１：１～１：１．５となる溶存酸素濃度に調整されることが好ましい。通常、溶存酸素濃度を約０．５ｍｇ／Ｌ以上４．０ｍｇ／Ｌ以下の範囲で加減すると、亜硝酸型硝化の硝化率が適切な範囲になる。適切な濃度比に調整すると、ワンパス式の処理の場合に、嫌気性アンモニア酸化反応が効率的に進むため、高い窒素除去率を得ることができる。

嫌気性アンモニア酸化処理工程は、嫌気性アンモニア酸化細菌を保持するアナモックス反応槽６において、無酸素条件下、必要に応じて被処理水の攪拌やｐＨの調整を実施して行う。被処理水のｐＨは、好ましくはｐＨ６．５以上ｐＨ９以下、より好ましくはｐＨ７以上ｐＨ８．２以下である。また、被処理水の水温は、好ましくは１０℃以上４０℃以下、より好ましくは１５℃以上３７℃以下である。被処理水は、硝化処理工程の後、且つ、嫌気性アンモニア酸化処理工程の前に、ｐＨの調整、有機物の分解処理、溶存酸素濃度を低減する脱気処理等が予め施されてもよい。

以上の窒素処理方法によると、硝化処理工程において、窒素成分の濃度がオンラインで連続的に計測され、硝酸性窒素の濃度が上昇したとき、被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御が行われるので、硝化処理中に増大した亜硝酸酸化活性が、常時、迅速に抑制される。そのため、被処理水に偶発的ないし突発的に硝酸性窒素の濃度変動が生じたり、亜硝酸酸化細菌が新たに混入したりした場合にも、硝酸性窒素の蓄積を速やかに解消し、亜硝酸性窒素の濃度を安定させて窒素処理を続けることができる。

また、以上の窒素処理方法によると、亜硝酸型硝化における亜硝酸性窒素の濃度が安定するため、その後に行う嫌気性アンモニア酸化の処理効率も向上し、高い窒素除去率が安定して得られる。被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御は、硝化処理中、十分な阻害強度となるように繰り返すことができるため、溶存酸素濃度やアンモニア性窒素濃度のみを調整する手法と比較して、積極的に亜硝酸酸化活性を抑制できる点で有利である。

図２は、窒素処理に用いられる廃水処理装置の変形例を示す模式図である。
本実施形態に係る窒素処理方法は、図２に示されるような廃水処理装置２００で実施することもできる。図２に示す廃水処理装置２００は、アンモニア酸化槽１と、微生物汚泥２と、散気装置３と、ｐＨ調整装置４と、イオンセンサ５ａと、ｐＨセンサ５ｂと、溶存酸素センサ５ｃと、アナモックス反応槽６と、微生物汚泥７と、制御装置８と、バイパスラインＬ１と、を備えている。

廃水処理装置２００は、窒素成分を含む廃水を嫌気性アンモニア酸化法によって窒素処理する装置であり、亜硝酸型硝化と嫌気性アンモニア酸化とを個別の反応槽で行う二槽式とされている。廃水処理装置２００では、亜硝酸酸化細菌による硝酸性窒素の生成を抑制するために、バイパス式のアンモニア酸化槽１において、オンラインの計測に基づき被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御を行うことができる。廃水処理装置２００の構成は、バイパスラインＬ１を備えるバイパス式とされている点を除いて、ワンパス式の廃水処理装置１００と略同様である。

バイパスラインＬ１は、アンモニア酸化槽１の上流の区間と、アンモニア酸化槽１の下流、且つ、アナモックス反応槽６の上流の区間との間を、アンモニア酸化槽１を迂回して接続している。アンモニア酸化槽１には、被処理水の一部が導入されて硝化処理される。一方、バイパスラインＬ１が形成する流路には、残りの被処理水が所定の分配比で流される。アンモニア酸化槽１を迂回した被処理水は、不図示の調整槽等において、硝化処理された処理水に合流した後、アナモックス反応槽６に導入される。

バイパス式の廃水処理装置２００では、アンモニア酸化槽１において、被処理水に含まれるアンモニア性窒素の略全量が亜硝酸化される。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の比率は、アンモニア酸化槽１への被処理水の通水量とバイパスラインＬ１への被処理水の通水量との分配比によって調整することができる。

被処理水の分配比は、アンモニア酸化槽１を迂回した被処理水と硝化処理された処理水とが合流したとき、アンモニア性窒素の濃度と亜硝酸性窒素の濃度との比が１：１～１：１．５となるように調整されることが好ましい。被処理水の分配比は、被処理水のアンモニア性窒素の濃度、及び、亜硝酸性窒素の濃度のうち、一以上をイオンセンサ５ａによりオンラインで計測し、アンモニア酸化槽１への通水量や、バイパスラインＬ１への通水量を調節することによって制御することができる。

廃水処理装置２００では、廃水処理装置１００と同様に、アンモニア酸化槽１で生成した硝酸性窒素の量をイオンセンサ５ａによるオンラインの計測で常時監視し、硝酸性窒素の濃度が上昇したとき、被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御を行うことができる。廃水処理装置２００における硝化処理工程、嫌気性アンモニア酸化処理工程、及び、ｐＨ制御の他の条件は、廃水処理装置１００における条件と同様にすることができる。

以上の窒素処理方法によると、硝化処理工程において、窒素成分の濃度が連続的に計測され、硝酸性窒素の濃度が上昇したとき、被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御が行われるので、硝化処理中に増大した亜硝酸酸化活性が、常時、迅速に抑制される。バイパス式における亜硝酸型の硝化処理は、ワンパス式と比較して高い硝化率且つ少ない処理水量で運転されるが、被処理水に偶発的ないし突発的に硝酸性窒素の濃度変動が生じたり、亜硝酸酸化細菌が新たに混入したりした場合には、硝酸性窒素の蓄積を速やかに解消し、亜硝酸性窒素の濃度を安定させて窒素処理を続けることができる。

バイパス式においては、アンモニア酸化槽における溶存酸素濃度の低減と、アンモニア酸化槽を迂回させる水量の増加とによって、アナモックス反応槽への硝酸性窒素の流入を少なくすることができる。これに対し、アンモニア酸化槽における硝化処理でｐＨ制御を行うと、溶存酸素濃度を大きく低減しなくとも亜硝酸酸化活性が抑制されるため、アンモニア酸化槽における溶存酸素濃度を高く保ちつつ、アナモックス反応槽への硝酸性窒素の流入を抑制できる。よって、亜硝酸化の速度を高く保ち、高い窒素除去率を得ることができる。

図３は、窒素処理に用いられる廃水処理装置の変形例を示す模式図である。
本実施形態に係る窒素処理方法は、図３に示されるような廃水処理装置３００で実施することもできる。図３に示す廃水処理装置３００は、アンモニア酸化槽１と、微生物汚泥２と、散気装置３と、ｐＨ調整装置４と、イオンセンサ５ａと、ｐＨセンサ５ｂと、溶存酸素センサ５ｃと、アナモックス反応槽６と、微生物汚泥７と、制御装置８と、返送ラインＬ２と、を備えている。

廃水処理装置３００は、窒素成分を含む廃水を嫌気性アンモニア酸化法によって窒素処理する装置であり、亜硝酸型硝化と嫌気性アンモニア酸化とを個別の反応槽で行う二槽式とされている。廃水処理装置３００では、亜硝酸酸化細菌による硝酸性窒素の生成を抑制するために、アンモニア酸化槽１において、オンラインの計測に基づき被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御を行うことができる。廃水処理装置３００の構成は、返送ラインＬ２を備える点を除いて、廃水処理装置１００と略同様である。

返送ラインＬ２は、アナモックス反応槽６の下流の区間と、アンモニア酸化槽１の上流の区間との間を、アナモックス反応槽６とアンモニア酸化槽１とを迂回して接続している。返送ラインＬ２が形成する流路には、アナモックス反応槽６で嫌気性アンモニア酸化処理された処理水の一部が分配される。嫌気性アンモニア酸化処理された処理水の一部は、アンモニア酸化槽１に返送されて原水と合流し、残留しているアンモニア性窒素が亜硝酸化される。

窒素処理装置３００では、返送ラインＬ２を通じた処理水の返送によって、アンモニア酸化槽１に流入する被処理水（原水）を希釈することができる。処理水の返送量は、被処理水のアンモニア性窒素の濃度、及び、亜硝酸性窒素の濃度のうち、一以上をイオンセンサ５ａによりオンラインで計測し、アンモニア酸化槽１への通水量や返送ラインＬ２への通水量を調節することによって制御することができる。処理水の返送量は、アンモニア酸化槽１における亜硝酸性窒素の濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以下となるように制御することが好ましい。

亜硝酸性窒素の濃度が１０００ｍｇ／Ｌを大幅に超える場合、亜硝酸性窒素による阻害が加わり続けるため、低下したアンモニア酸化細菌の活性が回復しなくなる可能性がある。このような場合、返送ラインＬ２を通じて処理水を返送すると、亜硝酸性窒素の濃度が希釈されるため、高いアンモニア酸化活性や高い窒素除去率が得られる。

廃水処理装置３００では、廃水処理装置１００と同様に、アンモニア酸化槽１で生成した硝酸性窒素の量をイオンセンサ５ａによるオンラインの計測で常時監視し、硝酸性窒素の濃度が上昇したとき、被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御を行うことができる。廃水処理装置３００における硝化処理工程、嫌気性アンモニア酸化処理工程、及び、ｐＨ制御の他の条件は、廃水処理装置１００における条件と同様にすることができる。

以上の窒素処理方法によると、硝化処理工程において、窒素成分の濃度が連続的に計測され、硝酸性窒素の濃度が上昇したとき、被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御が行われるので、硝化処理中に増大した亜硝酸酸化活性が、常時、迅速に抑制される。そのため、被処理水に偶発的ないし突発的に硝酸性窒素の濃度変動が生じたり、亜硝酸酸化細菌が新たに混入したりしたとしても、硝酸性窒素の蓄積を速やかに解消し、亜硝酸性窒素の濃度を安定させて窒素処理を続けることができる。また、嫌気性アンモニア酸化処理された処理水が返送ラインＬ２を通じて返送されるため、アンモニア酸化細菌の活性を阻害する遊離アンモニアや亜硝酸性窒素の濃度が低減し、亜硝酸化の速度が高く保たれる。

図４は、窒素処理に用いられる廃水処理装置の変形例を示す模式図である。
本実施形態に係る窒素処理方法は、図４に示されるような廃水処理装置４００で実施することもできる。図４に示す廃水処理装置４００は、アンモニア酸化槽１と、微生物汚泥２と、散気装置３と、ｐＨ調整装置４と、イオンセンサ５ａと、ｐＨセンサ５ｂと、溶存酸素センサ５ｃと、アナモックス反応槽６と、微生物汚泥７と、制御装置８と、不活化装置９と、を備えている。

廃水処理装置４００は、窒素成分を含む廃水を嫌気性アンモニア酸化法によって窒素処理する装置であり、亜硝酸型硝化と嫌気性アンモニア酸化とを個別の反応槽で行う二槽式とされている。廃水処理装置４００では、亜硝酸酸化細菌による硝酸性窒素の生成を抑制するために、アンモニア酸化槽１において、オンラインの計測に基づき被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御と微生物汚泥に不活化操作を加える処理とを行うことができる。廃水処理装置４００の構成は、不活化装置９を備える点を除いて、廃水処理装置１００と略同様である。

不活化装置９は、アンモニア酸化槽１から移送された微生物汚泥２に不活化操作を加えるために備えられる。アンモニア酸化槽１に保持される微生物汚泥２の少なくとも一部は、硝化処理が行われている間に、アンモニア酸化槽１から不活化装置９に移送されて不活化操作が加えられる。或いは、アンモニア酸化槽１に保持される微生物汚泥２に、アンモニア酸化槽１において直接的に不活化操作を加えてもよい。

アンモニア酸化槽１における硝化処理中、アンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌の少なくとも一部は、不活化操作によって殺菌又は静菌されるが、アンモニア酸化細菌の増殖速度は亜硝酸酸化細菌と比較して速いため、不活化操作を加えた後、アンモニア酸化細菌が優占増殖することができる。そのため、微生物汚泥２の少なくとも一部に不活化操作を加えることにより、アンモニア酸化活性を高く保ちつつ、亜硝酸酸化活性を抑制することができる。

不活化操作は、微生物を殺菌、又は、微生物の増殖を阻害する操作であって、微生物汚泥に含まれる硝化細菌群の生物活性を少なくとも一時的に低下させる操作を意味する。不活化操作としては、例えば、酸、アルカリ、有機溶媒、殺菌剤、高塩濃度溶液、アンモニア溶液、亜硝酸溶液等に微生物汚泥を接触させる操作や、加熱殺菌、放射線殺菌、ガス殺菌、物理的殺菌等を微生物汚泥に施す操作が挙げられる。

酸としては、例えば、塩酸、硫酸、酢酸、乳酸、クエン酸等や、その水溶液を用いることができる。アルカリとしては、例えば、炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム等や、その水溶液を用いることができる。

有機溶媒としては、例えば、エタノール、イソプロパノール等のアルコール、ジエチルエーテル等のエーテル類、クロロホルム等のアルデヒド類、フェノール類、ベンゼン、トルエン等のベンゼン類、酢酸エチル等のエステル類、ヘキサン等の炭化水素類、ジメチルスルホキシド、アセトン、アセトニトリル等を用いることができる。

殺菌剤としては、例えば、銀、銅、水銀等の金属、オゾン、過酸化水素、過マンガン酸カリウム、次亜塩素酸塩、クロラミン、酸化チタン等を含む溶液を用いることができる。高塩濃度溶液としては、例えば、塩化ナトリウム等を含む高張液を用いればよい。また、アンモニア溶液や亜硝酸溶液としては、５０％阻害濃度等を超える高濃度の溶液を用いればよい。

不活化操作は、酸、アルカリ、有機溶媒、殺菌剤、高塩濃度溶液、アンモニア溶液、亜硝酸溶液等に微生物汚泥を接触させる場合、不活化装置９に、これらの溶液を供給し、アンモニア酸化槽１から移送された微生物汚泥２を含む被処理水に溶液を添加する方法や、アンモニア酸化槽１の被処理水から引き揚げた微生物汚泥２を溶液に浸漬させる方法で行うことができる。

加熱殺菌としては、例えば、アンモニア酸化槽１から微生物汚泥２と共に移送された被処理水や、アンモニア酸化槽１の被処理水から引き揚げられた微生物汚泥２を加熱処理する操作が挙げられる。加熱殺菌を施す不活化操作は、不活化装置９に、熱交換式、ジャケット式等の加温装置や、蒸気加熱装置を設けることにより行うことができる。

放射線殺菌としては、例えば、アンモニア酸化槽１から微生物汚泥２と共に移送された被処理水や、アンモニア酸化槽１の被処理水から引き揚げた微生物汚泥２に、紫外線、ガンマ線、電子線等を照射する操作が挙げられる。放射線殺菌を施す不活化操作は、不活化装置９に、紫外線照射装置、ガンマ線照射装置、電子線照射装置等を設けることにより行うことができる。

ガス殺菌としては、例えば、アンモニア酸化槽１の被処理水から引き揚げた微生物汚泥２に、エチレンオキサイド、過酸化水素、ホルムアルデヒド等のガスを接触させる操作が挙げられる。ガス殺菌を施す不活化操作は、不活化装置９に、エチレンオキサイド、過酸化水素、ホルムアルデヒド等のガスを供給するガス供給装置を設けることにより行うことができる。

物理的殺菌としては、例えば、アンモニア酸化槽１から微生物汚泥２と共に移送された被処理水や、アンモニア酸化槽１の被処理水から引き揚げた微生物汚泥２に、微生物の細胞を破壊する程度の外力を作用させる操作が挙げられる。物理的殺菌を施す不活化操作は、不活化装置９に、蒸気加熱装置、乾熱装置、高圧を作用させる加圧装置、減圧装置、廃水に衝撃力を与える噴流発生装置、攪拌装置、マイクロバブルを発生する気泡発生装置、遠心分離装置、乾燥装置、超音波発生装置、微生物に高電圧を印加する高電圧発生装置等を設けることにより行うことができる。

但し、不活化操作は、これらの操作に制限されるものではなく、硝化細菌群を殺菌又は静菌することが可能な操作であれば、適宜の操作を用いることが可能である。例えば、硝化細菌群の生育環境を極端に変化させる操作や、濾過殺菌を施す操作や、その他の薬品、各種の阻害剤等に暴露させる操作等を、操作条件を調節して利用することもできる。また、不活化操作は、これらの操作の一種を単独で用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。

不活化装置９は、例えば、アンモニア酸化槽１から被処理水と共に移送された微生物汚泥２に不活化操作を加える装置としてもよいし、アンモニア酸化槽１の被処理水から引き揚げられた微生物汚泥２に被処理水とは別に不活化操作を加える装置としてもよい。処理に関わるエネルギコストや薬品等を削減できる観点からは、微生物汚泥２を被処理水から引き揚げて処理する装置が好ましい。

窒素処理装置４００は、図４に示すように、アンモニア酸化槽１と不活化装置９との間に、アンモニア酸化槽１から不活化装置９に微生物汚泥２を移送するための移送路Ｌ１０と、不活化装置９からアンモニア酸化槽１に微生物汚泥２を返送するための返送路Ｌ２０と、が備えられてもよい。

移送路Ｌ１０及び返送路Ｌ２０は、例えば、配管、ホース等によって形成し、固定化されている微生物汚泥２や、自己造粒によるグラニュールを形成している微生物汚泥２や、水中に浮遊した状態の微生物汚泥２を、被処理水ごとアンモニア酸化槽１から引き抜いて移送する構造にすることができる。移送用のポンプとしては、エアリフトポンプ、スクリューポンプ、ピストンポンプ、ホースポンプ等の形式を用いることができる。また、返送路Ｌ２０は、移送用のポンプの他、重力落下等を利用して移送を行うこともできる。

或いは、移送路Ｌ１０及び返送路Ｌ２０は、微生物汚泥２が担体の内部に包括固定化されている状態や、担体の表面に包括固定化されている状態や、担体に付着固定化されている状態や、自己造粒によるグラニュールを形成している状態である場合には、ストレーナ型、コランダ型等のざる状容器によって被処理水から引き揚げて搬送する構造にすることもできる。ざる状容器は、アンモニア酸化槽１と不活化装置９との間を自動的に移動するように設置してもよい。

廃水処理装置４００では、廃水処理装置１００と同様に、アンモニア酸化槽１で生成した硝酸性窒素の量をイオンセンサ５ａによるオンラインの計測で常時監視し、硝酸性窒素の濃度が上昇したとき、被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御を行うことができる。また、被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御とは独立に、不活化装置９を用いてアンモニア酸化槽１の微生物汚泥２に不活化操作を加えることができる。廃水処理装置４００における硝化処理工程、嫌気性アンモニア酸化処理工程、及び、ｐＨ制御の他の条件は、廃水処理装置１００における条件と同様にすることができる。

一般に、硝化細菌群は、水温が低い場合、アンモニア性窒素や亜硝酸性窒素の濃度が低い場合、溶存酸素濃度が高い場合、ｐＨが低い場合に、亜硝酸酸化細菌の活性が優位になり、アンモニア酸化細菌が生成した亜硝酸性窒素は、亜硝酸酸化細菌によって硝酸性窒素にまで速やかに酸化される。そのため、曝気量、窒素負荷、水温、滞留時間、遊離アンモニア濃度等の調節のみでは、亜硝酸性窒素が消費されて硝酸性窒素が生成され易く、硝酸性窒素の生成量を抑制しきれない場合がある。

また、アンモニア酸化槽１は、亜硝酸酸化活性が抑制されていない種汚泥を用いて立ち上げられることがある。アンモニア酸化槽１で用いられる微生物汚泥２が適切に馴養されていない状態では、亜硝酸酸化細菌の活性がアンモニア酸化細菌と比較して高いことが原因で、立ち上げ後に硝酸性窒素が蓄積され易くなる場合がある。

これに対して、廃水処理装置４００では、アンモニア酸化槽１から引き抜いた微生物汚泥２に不活化操作を加えて、アンモニア酸化細菌がアンモニア性窒素を酸化して亜硝酸性窒素を生成する活性や、亜硝酸酸化細菌が亜硝酸性窒素を酸化して硝酸性窒素を生成する活性を、一旦低下させることができる。

アンモニア性窒素の負荷が高い環境やｐＨが高い環境では、アンモニア酸化細菌は、亜硝酸酸化細菌と比較して活性の回復が速くなる。一方、亜硝酸酸化細菌は、アンモニア性窒素の負荷が高くなるほど、また、ｐＨが高くなるほど、活性の回復が遅くなる。しかし、亜硝酸酸化細菌は、アンモニア酸化細菌と比較して高い増殖速度を示すため、亜硝酸酸化細菌の活性は、不活化操作を加えた後、ある程度の時間が経過すると、アンモニア酸化細菌の活性よりも高くなる。

そのため、不活化操作を微生物汚泥に加える処理を行い、アンモニア酸化反応の活性が相対的に優位な状態を作り出すことによって、硝酸性窒素の生成を抑制することができる。特に、不活化操作を微生物汚泥に加える処理を、被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御と共に行うと、ｐＨ制御によってｐＨが高くなった環境下で不活化操作の効果が大きくなるため、より効果的に亜硝酸酸化活性を抑制することができる。

不活化操作を微生物汚泥に加える処理は、アンモニア酸化槽１から一部の微生物汚泥２を不活化装置９に引き抜いて行ってもよいし、全部の微生物汚泥２を不活化装置９に引き抜いて行ってもよい。不活化操作を加える微生物汚泥２の生物量を多くすると、微生物汚泥２の亜硝酸酸化活性が速やかに低下するため、硝酸性窒素の生成量を早期に低下させることができる。一方、生物量を少なくすると、アンモニア酸化槽１におけるアンモニア酸化活性は維持され易くなるが、微生物汚泥２の亜硝酸酸化活性が抑制され難くなり、不活化操作後には、亜硝酸酸化活性が回復し易くなる。

不活化操作を微生物汚泥に加える処理は、硝化処理中、連続的に行ってもよいし、間欠的に行ってもよい。間欠的な処理は、例えば、硝化処理の時間が所定時間を経過する毎、亜硝酸性窒素の濃度が所定値以下になったとき、硝酸性窒素の濃度が所定値以上になったとき等に行うことができる。また、不活化操作を微生物汚泥に加える処理は、ｐＨ制御と同様の条件で、硝酸性窒素の濃度が上昇したとき、ｐＨ制御と同時期に行うこともできる。また、アンモニア酸化槽１の立ち上げ時、硝化処理の前の馴養の段階で行うこともできる。

不活化操作を微生物汚泥に加える処理は、アンモニア酸化槽１の窒素負荷、汚泥量、亜硝酸性窒素の生成量、硝酸性窒素の生成量等に応じて、アンモニア酸化槽１に保持される微生物汚泥のうち、適宜の生物量の汚泥に施すことができる。微生物汚泥に加える不活化操作は、微生物を殺菌又は静菌する作用の強度や、微生物汚泥に施す時間間隔が、特に制限されるものではない。

硝化処理工程における亜硝酸性窒素の生成量は、不活化操作を加える微生物汚泥の生物量の調節、不活化操作における殺菌作用又は静菌作用の強度の調節、及び、間欠的に施す不活化操作の時間間隔の調節のうち、一以上によって調整されることが好ましい。これらのうち一以上の調節によると、ｐＨ制御や溶存酸素濃度の制御のみでは対応しきれない変動等が生じても、微生物汚泥の亜硝酸酸化活性を適切に制御することができる。

不活化操作は、硝化細菌群が完全には滅菌されず十分に静菌される程度の操作とするが、操作の種類や条件、不活化処理を行う生物量や処理環境毎に、硝化細菌群の活性を低下させる強さが異なる。そのため、用いる不活化操作について、事前に予備試験を行い、硝化細菌群の活性を低下させる強さを予め把握しておくことが好ましい。

不活化操作を加える微生物汚泥２の生物量は、アンモニア酸化槽１に保持される全体の数十％以下の生物量であることが好ましく、全体の１０％以下、数％程度の生物量であることがより好ましい。アンモニア酸化槽１から引き抜かれる微生物汚泥２が多くなるほど、アンモニア性窒素の酸化が進行し難くなるためである。アンモニア酸化槽１から微生物汚泥２を引き揚げず、アンモニア酸化槽１において不活化操作を加える場合は、この限りではない。なお、不活化操作を加える微生物汚泥２の生物量は、不活化操作毎に、同一であってもよいし、異なっていてもよい。

不活化操作における殺菌作用又は静菌作用の強度の調節は、操作の種類にもよるが、例えば、殺菌又は静菌される微生物数と相関がある各種の物理量や工業量を変更することによって行うことができる。例えば、各種の溶液に微生物汚泥を接触させる場合は、時間、濃度、ｐＨ、温度等、加熱殺菌の場合は、熱量等、放射線殺菌の場合は、線量等、ガス殺菌の場合は、時間、濃度等、物理的殺菌の場合は、時間、圧力、気圧、流速、遠心力、衝撃力、電圧、音波周波数等や、操作を加える距離、面積、密度等の変更によって強度の調節を行うことができる。

不活化操作の時間間隔の調節は、不活化操作を加える処理を間欠的に行う場合に、不活化操作同士の間の休止時間を変更することによって行うことができる。微生物汚泥に不活化操作が加えられたとき、アンモニア酸化細菌や亜硝酸酸化細菌は殺菌又は静菌されるが、被処理水のｐＨが高いほど、また、アンモニア性窒素の負荷が高いほど、亜硝酸酸化細菌と比較してアンモニア酸化細菌の増殖速度が速くなる。そのため、間欠的に繰り返す不活化操作の時間間隔を変えることによって、アンモニア酸化細菌を優占増殖させることができる。

例えば、不活化操作を加える微生物汚泥２の生物量が一定の条件下、不活化操作の時間間隔を短くし、不活化操作の頻度を多くすると、アンモニア酸化細菌や亜硝酸酸化細菌の活性の低下が早められる。アンモニア酸化槽１で、被処理水のｐＨが高い場合や、アンモニア性窒素の負荷が高い場合には、亜硝酸酸化細菌と比較してアンモニア酸化細菌の増殖速度が速くなるため、アンモニア酸化細菌の活性が相対的に回復し易くなり、亜硝酸性窒素の比率が高くなる。

一方、不活化操作を加える微生物汚泥２の生物量が一定の条件下、不活化操作の時間間隔を長くし、不活化操作の頻度を少なくすると、アンモニア酸化細菌や亜硝酸酸化細菌の活性の低下が遅くなる。このとき、アンモニア酸化槽１では、アンモニア酸化細菌の活性と亜硝酸酸化細菌の活性とに差が生じ難くなるため、亜硝酸性窒素が消費されて硝酸性窒素の比率が高くなる。

不活化操作の時間間隔は、特に制限されるものではないが、微生物汚泥２を移送するコストの観点や、活性を回復する時間を確保する観点からは、１日当たり１回から数回や、数日に１回等とすることが好ましい。但し、アンモニア酸化槽１から微生物汚泥２を引き揚げずに、アンモニア酸化槽１の中で不活化操作を加える場合は、この限りではない。なお、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素との比率は、不活化操作を加える微生物汚泥の生物量の調節と、不活化操作における殺菌作用又は静菌作用の強度の調節、又は、間欠的に施す不活化操作の時間間隔の調節との組み合わせにより調整されることがより好ましい。

不活化操作が加熱殺菌を微生物汚泥に施す操作である場合、加熱の温度は、３０℃以上９０℃以下であることが好ましく、完全な滅菌を避けつつ十分な不活化を行う観点からは、４０℃以上７０℃以下であることがより好ましい。また、微生物汚泥が担体に包括固定化されている状態である場合には、５０℃以上７０℃以下であることが好ましい。また、加熱の時間は、十分な不活化を行う観点から、１時間以上とすることが好ましく、無駄なエネルギを削減する観点からは、２週間以内とすることが好ましい。

以上の窒素処理方法によると、硝化処理工程において、窒素成分の濃度が連続的に計測され、硝酸性窒素の濃度が上昇したとき、被処理水のｐＨを高くするｐＨ制御が行われるので、硝化処理中に増大した亜硝酸酸化活性が、常時、迅速に抑制される。そのため、被処理水に偶発的ないし突発的に硝酸性窒素の濃度変動が生じたり、亜硝酸酸化細菌が新たに混入したりした場合にも、硝酸性窒素の蓄積を速やかに解消し、亜硝酸性窒素の濃度を安定させて窒素処理を続けることができる。また、不活化操作を加えることができるため、亜硝酸酸化活性を抑制するにあたり、ランニングコストが高くなる虞があるｐＨ制御の頻度を低下させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えたり、実施形態の構成の一部を他の形態に追加したり、実施形態の構成の一部を省略したりすることも可能である。

例えば、前記の廃水処理装置２００は、返送ラインＬ２や不活化装置９を備えてもよいし、前記の廃水処理装置３００は、不活化装置９を備えてもよい。或いは、前記の廃水処理装置１００，２００，３００，４００を、亜硝酸型硝化と嫌気性アンモニア酸化とを一槽で行う単槽式としてもよい。

また、前記の廃水処理装置１００，２００，３００，４００において、アンモニア酸化槽１の前段側には、廃水の水質や水量を調整する調整槽や、廃水に含まれている有機物を生物学的に分解する生物反応槽や、廃水に含まれている硝酸性窒素を予め脱窒する前脱窒槽等が設けられてもよい。また、後段側には、嫌気性アンモニア酸化反応で生成した硝酸性窒素を脱窒する後脱窒槽等が設けられてもよい。生物反応槽としては、例えば、活性汚泥法、散水濾床法、好気性濾床法、回転生物接触法、膜分離活性汚泥法、嫌気性濾床法、嫌気性グラニュール汚泥床法等の方式で分解を行う処理槽が挙げられる。

また、前記の廃水処理装置４００は、移送路Ｌ１０及び返送路Ｌ２０を備えず、手作業によって微生物汚泥２の移送が行われてもよい。また、前記の廃水処理装置１００，２００，３００，４００は、ｐＨ調整装置４をアンモニア酸化槽１に備えているが、ｐＨ調整装置４は、硝化処理される被処理水のｐＨを調整し得る限り、嫌気性アンモニア酸化槽１の上流等に設置してもよい。

以下、本発明の実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。

［実施例１］
はじめに、アンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）と亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）との混成である微生物汚泥が固定化された包括固定化担体を用意し、不活化操作として加熱処理（加熱殺菌）を施した。この包括固定化担体を、容積１Ｌのリアクタに容積０．１Ｌとなるように投入し、リアクタを２０℃の恒温槽内に設置した。そして、アンモニア性窒素の濃度が約４０ｍｇ－Ｎ／Ｌである原水を水理学的滞留時間が１時間となるようにリアクタに通水して窒素処理を開始した。窒素処理の開始時に被処理水のｐＨは調整せず、窒素処理中には、リアクタ内の被処理水を曝気した。

窒素処理は、微生物汚泥に適宜の時間間隔で不活化操作を加え、硝酸性窒素の濃度が３日間にわたって連続して上昇したときに、被処理水のｐＨをｐＨ８．８に連続的に調整しながら継続した。窒素処理の間、被処理水の溶存酸素濃度は２～３ｍｇ／Ｌ程度に調整し、アンモニア性窒素の濃度と亜硝酸性窒素の濃度との比が１：１～１：１．５となるように制御した。ｐＨ制御は、ｐＨ８．８に７日間にわたって調整し続けた後に中止した。

図５は、窒素処理における窒素成分の濃度変化の結果を示す図である。
図５の縦軸は、アンモニア性窒素（◆）、亜硝酸性窒素（□）、及び、硝酸性窒素（△）の濃度（ｍｇ／Ｌ）を示し、横軸は、窒素処理の時間（日）を示す。また、網掛けの領域は、ｐＨ制御の実施期間を示す。

図５に示すように、硝化処理が進行して亜硝酸性窒素の濃度が上昇するのに伴い、硝酸性窒素の濃度も次第に上昇した。１３０日前後で硝化が急激に進行し、亜硝酸性窒素の濃度と硝酸性窒素の濃度が極端に上昇したが、ｐＨ制御を行うと、アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素、及び、硝酸性窒素の濃度は、上昇前と同等の濃度に戻った。その後、２４０日前後で再び硝酸性窒素の濃度が極端に上昇したが、ｐＨ制御を行うと、元と同等の濃度に戻った。

硝化処理における硝酸性窒素の濃度は、予備試験の結果から、４週間から１０週間の周期で極端な上昇を示すと推測された。このような周期の下で、ｐＨ制御に水酸化ナトリウムの２５％溶液を用いる場合、溶液の必要量は、約０．７２Ｌ／年になると試算された。

［比較例１］
はじめに、アンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）と亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）との混成である微生物汚泥が固定化された包括固定化担体を用意し、不活化操作として加熱処理（加熱殺菌）を施した。この包括固定化担体を、容積１Ｌのリアクタに容積０．１Ｌとなるように投入し、リアクタを２０℃の恒温槽内に設置した。そして、アンモニア性窒素の濃度が約４０ｍｇ－Ｎ／Ｌである原水を水理学的滞留時間が１時間となるようにリアクタに通水して窒素処理を開始した。窒素処理の開始時に被処理水のｐＨはアルカリ性ｐＨ調整剤を添加してｐＨ８．８に調整し、窒素処理中には、リアクタ内の被処理水を曝気した。

窒素処理は、微生物汚泥に適宜の時間間隔で不活化操作を加え、硝酸性窒素の濃度とは無関係に、被処理水のｐＨをｐＨ８．８に連続的に調整しながら継続した。窒素処理の間、被処理水の溶存酸素濃度は２～３ｍｇ／Ｌ程度に調整し、アンモニア性窒素の濃度と亜硝酸性窒素の濃度との比が１：１～１：１．５となるように制御した。

窒素処理が定常に達したとき、アンモニア性窒素の濃度は１７～２１ｍｇ／Ｌ、亜硝酸性窒素の濃度は１６～２２ｍｇ／Ｌ、硝酸性窒素の濃度は１～３ｍｇ／Ｌであった。ｐＨ制御に水酸化ナトリウムの２５％溶液を用いる場合、溶液の必要量は、約２．７６Ｌ／年になると試算された。

実施例１の結果が示すように、通水を継続すると、ある時期に亜硝酸酸化活性が高くなり、硝酸性窒素が蓄積し始める。しかし、ｐＨ制御を行うと、硝酸性窒素の生成が抑制され、亜硝酸型硝化が回復することが分かる。実施例１の結果と比較例１の結果とを比較すると、亜硝酸酸化活性を抑制するにあたっては、比較例１のように連続的にｐＨを調整する必要はなく、硝酸性窒素の濃度をオンラインで計測し、硝酸性窒素の濃度が上昇したときにｐＨ制御を行えば、亜硝酸型硝化を十分に安定させることができるといえる。実施例１におけるアルカリ性ｐＨ調整剤の消費量は、比較例１の約１／４に削減されているため、コストの観点からも有効であるといえる。

１ アンモニア酸化槽
２ 微生物汚泥
３ 散気装置
４ ｐＨ調整装置
５ａ イオンセンサ
５ｂ ｐＨセンサ
５ｃ 溶存酸素センサ
６ アナモックス反応槽
７ 微生物汚泥
８ 制御装置
９ 不活化装置
Ｌ１ バイパスライン
Ｌ２ 返送ライン
Ｌ１０ 移送路
Ｌ２０ 返送路
１００ 廃水処理装置
２００ 廃水処理装置
３００ 廃水処理装置
４００ 廃水処理装置

Claims (8)

1. 廃水に含まれる窒素成分を生物学的に処理する窒素処理方法であって、
   被処理水に含まれるアンモニア性窒素を微生物汚泥によって酸化して亜硝酸性窒素を生成する硝化処理工程を含み、
   前記硝化処理工程において、前記被処理水又は処理された処理水のアンモニア性窒素の濃度、亜硝酸性窒素の濃度、及び、硝酸性窒素の濃度のうち、一以上を連続的に計測し、前記被処理水又は前記処理水の硝酸性窒素の濃度が所定値以上の上昇を生じたとき、又は、所定時間にわたって上昇を続けたとき、前記被処理水のｐＨをｐＨ８．５以上ｐＨ９．５以下の目標値に高くする制御を行い、前記被処理水又は前記処理水の硝酸性窒素の濃度が所定値以上の上昇を生じていないとき、及び、所定時間にわたって上昇を続けていないとき、前記被処理水のｐＨをｐＨ７以上ｐＨ８．２以下の目標値にする制御を行う窒素処理方法。
2. 前記硝化処理工程において、硝化率が所定の範囲内となるように前記被処理水の溶存酸素濃度を調整し、前記被処理水又は前記処理水の硝酸性窒素の濃度が上昇したとき、前記被処理水のｐＨを高くする制御を行う請求項１に記載の窒素処理方法。
3. 前記被処理水のｐＨを高くする制御を、前記硝酸性窒素の濃度が２ｍｇ／Ｌ以上の上昇を生じたとき、又は、前記硝酸性窒素の濃度が２日間にわたって上昇を続けたときに開始する請求項１に記載の窒素処理方法。
4. 前記被処理水のｐＨを高くする制御を、２日以上１４日以内の期間にわたって続ける請求項１に記載の窒素処理方法。
5. 前記被処理水のｐＨを高くする制御を開始した後、前記硝酸性窒素の濃度が２日間で１ｍｇ／Ｌ以上の上昇を生じなかったとき、又は、前記硝酸性窒素の濃度が２日間にわたって下降を続けたときに停止する請求項１に記載の窒素処理方法。
6. 前記微生物汚泥が、担体の内部に包括固定化されている状態、担体の表面に包括固定化されている状態、担体に付着固定化されている状態、又は、自己造粒によるグラニュールを形成している状態である請求項１に記載の窒素処理方法。
7. 前記硝化処理工程において、前記被処理水は、アンモニア性窒素の濃度と亜硝酸性窒素の濃度との比が１：１～１：１．５となる溶存酸素濃度に調整される請求項１に記載の窒素処理方法。
8. 前記硝化処理工程で処理される前記被処理水のアンモニア性窒素の濃度が１０ｍｇ／Ｌ以上１５０ｍｇ／Ｌ以下である請求項１に記載の窒素処理方法。

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