JPS585118B2 - ユウキセイハイスイノ セイブツガクテキダツチソホウ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アンモニア性窒素、あるいは有機性窒素など
の窒素化合物を多量に含む有機性廃水の生物学的膜窒素
法に関するものである。

従来、これらの有機性廃水は、散水濾床法、活性汚泥法
などの一連の生物学的好気性処理によって処理され、河
川、湖沼、海域に放流されていたが、このような高級処
理技術を適用し、汚濁物質である有機物（ＢＯＤ源）お
よび浮遊物質を水質規正値以下になるように処理しても
、最近の水質汚濁は期待に反して一画に改善されず、広
域的な自然環境の汚濁は深く、根強く進行しつつある。

このように各所から排出される有機性廃水について処理
施設が完備されつつあるにもかかわらず自然水域の汚濁
が解消されないのは、従来の散水濾床法、活性汚泥法な
どの高級処理技術では、廃水中に含まれている栄養塩類
を除去する機能が著しく欠如しているからである。

従来、有機性廃水の高級処理技術として採用されている
活性汚泥処理法は、標準法および各種の変法を含めて、
溶解性および浮遊性の有機物と、浮遊物質が対象とされ
、これらの汚濁物質を効率よくかつ高速に除去すること
を目的として開発、改善されてきたが、この方法の最大
の欠点は、自然水域の富栄養化の原因物質である栄養塩
類、すなわち窒素、リンを除去する機能が非常に弱いと
いうことである。

したがって、高級処理方法で除去されなかった窒素、リ
ンが自然水域に放流されると、これらを栄養源として自
栄養性の植物プランクトン、すなわち藻類が異常に増殖
し、湖沼における「水の華」あるいは海域における「赤
潮」という現象になって現われる。

これらの藻類は生物の宿命として生命を終え、体内の有
機物をすべて水中に溶出してしまうために、一連の好気
性処理によってほぼ完全に除去されたはずの有機物によ
る酸素要求を再び造り出し、廃水を処理した意義を喪失
してしまう結果となる。

このような藻類の異常増殖に基因する新手の汚濁の根源
を除去するために各所で生物学的な脱窒素法が研究され
るようになり、各種の処理方法が開発されつつあり、ま
た提案もされている。

本発明者らも、富栄養化防止に関連して生物学的膜窒素
法に関する研究開発を行ない、特にＢＯＤも高くかつ窒
素化合物も濃厚に含まれる有機性廃水からの生物学的膜
窒素に威力を発揮する新規な方法を提供した。

すなわち、第１図に示したように第−脱窒素工程１、硝
化工程２、第二脱窒素工程５、分離工程７の四つの主要
因子からなり、窒素化合物を含んだ廃水をまず第−脱窒
素工程１へ導入し、ここで硝化工程２の混合液を硝化液
返送管３を経て返送されてくる、いわゆる硝化混合液と
混合される。

硝化混合液中に含まれているＮ０２−ＮあるいはＮｏ３
−Ｎは、第−脱窒素工程１内で水素供与体としてのＢＯ
Ｄ源を多量に含有している廃水と一定時間混合され、脱
窒集菌の生物還元作用によってＮ２ガスにまで還元され
、第一段階での脱窒素は終了する。

硝化液の循環量は廃水のＢＯＤ（水素供与体）／ＮＨ４
−Ｈによって決定されるが、一般的には原廃水量に対し
て２〜３倍の処理例が多い。

第−脱窒素工程１の流出水液には、原廃水中に含まれて
いるＮＨ４−Ｎが第−脱窒素工程１で生物学的な作用を
全くうけずにそのままの濃度で含まれているので、これ
を硝化工程２に導入し、曝気により酸素を供給しながら
活性汚泥中に野生的に生息しているニトロゾモナス（Ｎ
ｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ）、ニトロバクタ−（Ｎｉｔｒ
ｏｂａｃｔｅｒ）の生物学的酸化作用によってＮ０２−
ＮあるいはＮ０３−Ｎにまで酸化する。

硝化工程２で硝化菌によるＮＨ４−Ｎの酸化が行なわれ
ると、次に示すような生物学的反応によって混合液中に
水素イオンが放出されてくるので、混合培養液のｐＨが
低下し、硝化菌の活性はそのために劣化して、完全な硝
化が行なわれなくなる。

ニトロゾモナスによる生物酸化反応： ＮＨ４＋＋１．５Ｏ２−ＮＯ２−＋Ｈ２Ｏ＋２Ｈ＋・・
・（１）ニトロバクタ−による生物酸化反応 ＮＨ４＋＋２Ｏ２−ＮＯ３−＋Ｈ２Ｏ＋２Ｈ＋・・・（
２）したがって硝化を完全に行なわせ、流入したＮＨ４
−ＮをすべてＮ０２−Ｎか、あるいはＮ０３−Ｎに酸化
させるためには、硝化菌が増殖するに適したｐＨ範囲６
．０〜８．２に調整する必要があり、このために硝化工
程２にｐＨ調整器４を設置して消石灰あるいは苛性ソー
ダなどのアリカリ剤を添加できるようになっている。

この場合のｐＨ調整範囲は硝化型式を亜硝酸型かあるい
は硝酸型のいずれにするかによって異なるが、極く一般
的には亜硝酸型の硝化型式ではｐＨ７，８〜８．２、硝
酸型の硝化型式ではｐＨ６，５〜７．２の範囲に調整す
る。

次いで硝化工程２の流出液は混合液の状態で、一部を前
記のように第−脱窒素工程１へ返送し、他部を第二脱窒
素工程５に導入し、ここで混合液中のＮ０２−Ｎあるい
はＮ０３−Ｎは脱窒集菌の生物還元作用によって最終的
にＮ２ガスにまで分解され、第−脱窒素工程１、硝化工
程２、第二脱窒素工程５までの処理工程で流入廃水中に
含まれていたＮＨ４−Ｎあるいは有機態窒素などの窒素
化合物はほとんど完全に除去される。

第二脱窒素工程５での脱窒素反応にも当然水素供与体と
しての有機物（ＢＯＤ源）の存在することが必須の要件
であるが、原廃水中に含まれている水素供与体は硝化工
程までの処理範囲で脱窒集菌およびＢＯＤ酸化菌によっ
てほとんど分解されてしまうので、第二脱窒素工程５で
は水素供与体としての有機炭素源を特に添加する必要は
ないが、より高速に脱窒素するためには添加しなければ
ならない。

したがって有機炭素源貯槽６を設けて第二脱窒素工程５
に流入してくるＮ０２−ＮあるいはＮ０３−Ｎの濃度に
対応する有機炭素源を添加するように考慮が払われてい
る。

このように人為的に有価物としての水素供与体を添加す
る場合には、その経済性、利用効率の観点からメタノー
ルが最適であり、次のような反応によってＮ０２−Ｎ。

Ｎ０３−Ｎは生物学的にＮ２ガスに還元される。

第二脱窒素工程５の流出液、すなわちほとんど完全に脱
窒素され、かつＢＯＤを除去された廃水は活性汚泥と混
合された状態で分離工程７、例えば沈澱池へ流入し、活
性汚泥は濃縮されて汚泥返送管８を経由して第−脱窒素
工程１に返送され、この処理系内で繰り返し使用される
。

一方、分離工程７における分離水は連続的に系外へ流出
される。

この新しい生物学的脱窒床法は、それまでの方法では全
く期待できないような次のような優れた利点、特色をも
っている。

（１）原廃水中に含まれるＢＯＤ成分のほとんどは、第
−脱窒素工程で脱窒素菌に利用され、硝化工程から循環
される混合液中のＮ０２−ＮあるいはＮ０３−Ｎを脱窒
素する際に水素供与体として有効に利用される。

したがって、外部から添加する水素供与体（メタノール
、酢酸など）の量を著しく節減することができる。

（２）このことはとりもなおさず、第−脱窒素工程で原
廃水中に含まれているＢＯＤ物質が亜硝酸呼吸、硝酸呼
吸によって酸化分解されることを意味し、硝化工程への
ＢＯＤ負荷は軽減され、硝化工程に供給すべき酸素量も
それだけ少なくてすみ、動力費が著しく節減される。

（３）原廃水中に含まれているＮＨ４−Ｎは第−脱窒素
工程で生成される脱窒集水によって稀釈されることにな
り、それに対応して硝化工程に蓄積されるＮ０２−Ｎあ
るいはＮ０３−Ｎの濃度は低くなり、かつ第−脱窒素工
程でＮ０２−Ｎ。

Ｎ０３−Ｎ生物還元の結果として混合液中に解放された
水酸イオン（ＯＨ）が処理系内を循環するので、硝化工
程でのｐＨ調整用に必要なアルカリ剤も節減することが
できる。

なお、脱窒素反応によって水酸イオンが放出される生物
反応方程式は次の通りである。

亜硝酸性窒素の生物還元： ２ＮＯ２＋６Ｈ＋→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ＯＨ−・・・（
５）硝酸性窒素の生物還元： ２ＮＯ３＋１０Ｈ＋→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋２ＯＨ−・・・
（６）そしてこの新しい生物学的脱窒床法の優位性を実
験的に確認するために、数種の含窒素有機性廃水につい
て検討した結果、全般的にはこの利点が立証されたが、
ある処理条件のときに欠陥のあることが確認された。

すなわち、上記生物学的脱窒床法において、処理すべき
廃水中に含まれているＢＯＤ成分となる基質と、第二脱
窒素工程で添加する有機炭素源が化学構造的に著しく異
なる場合、特に廃水中の基質成分が水素供与体としての
有機炭素源よりも、生物学的な代謝サイクルにおいて資
化性が高いようなとき、つまり生物学的に利用されやす
いようなときには、第二脱窒素工程での脱窒素菌による
嫌気性呼吸（亜硝酸呼吸あるいは硝酸呼吸）によって有
機炭素源が利用され難くなり、酵素学的な適応にも時間
がかかり、水素供与体を添加した効果がほとんど期待さ
れないことが実験的に判明した。

この現象について細菌生理学的な観点から追究した結果
、細菌による一種のジオキシ−作用によるものであるこ
とが判明した。

細菌のジオキシ−作用とは、工場廃水のようにＢＯＤ成
分が一種類でなく複数種台まれる場合、すなわち混合基
質の場合には細菌はその代謝サイクルあるいは酵素系か
ら細菌学的に利用しやすい基質を優先的に資化し、利用
し難い基質はそのまま分解利用しないという細菌独特の
生理現象である。

このような観点から上記第１図について述べた方法を評
価してみると、処理系内で繰り返し利用される活性汚泥
は第−脱窒素工程、硝化工程、第二脱窒素工程を通じて
単一のものであり、いわゆるシングル・スラッジ・シス
テム（Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｌｕｄｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）と
なっているので、原廃水中に含まれているＢＯＤ成分が
第二脱窒素工程に添加する有機炭素源よりも細菌学的に
資化されやすい場合には、当然第二脱窒素工程に添加し
た有機炭素源を利用しないようになってしまう。

この現象を確認したのは、酢酸、プロピオン酸、酪酸な
どの低級脂肪酸（酢酸が全体の低級脂肪酸の約９０％を
占めている有機性廃水）とＮＨ４−Ｎを多量に含む有機
性廃水に適用した場合であり、第二腕窒素工程に添加し
た有機炭素源は経済性、利用効率の点からメタノールで
あるが、後述するようにメタノールはほとんど資化され
ず、脱窒素速度の加速効果は認められなかった。

一般に低級脂肪酸は細菌によって極めてよく利用される
が、メタノールは低級脂肪酸はど効率よく資化されない
。

これはメタノールの分子式ＣＨ３ＯＨをみれば分るよう
に、メタノールは一炭素有機化合物であり、細菌が生活
エネルギーと増殖エネルギーの両方を獲得するためには
メタノールのように一炭素化合物では特殊な酵素を必要
とし、メタノールを資化できる細菌はかなりせまい範囲
に限定されるからである。

本発明は、上記第１図に示した生物学的脱窒素性が有す
る欠陥を解消し、かつ処理上の制約を除去することを目
的とするものである。

本発明は、上記第１図示の生物学的脱窒素性において、
第−脱窒素工程と第二腕窒素工程を分離工程を介して二
分したことを特徴とするものである。

本発明の実施態様を図面を参照しつつ詳述すれば、第２
図において、ＮＨ４−Ｎあるいは有機態窒素などの窒素
化合物を含む有機性廃水を第−脱窒素工程２１に導入し
、硝化工程２２で硝化された硝化混合液あるいは後続す
る分離工程２９で分離された硝化液を硝化液返送管２３
を経て第−脱窒素工程２１へ返送し嫌気的条件下で両者
を一定時間攪拌混合し、原廃水中のＢＯＤ源を水素供与
体として脱窒紫菊により硝化液中のＮ０２−Ｎ、Ｎ０３
−Ｎを生物学的に還元してＮ２ガスとして大気中に放散
させる。

次いで第−脱窒素工程２１の流出液を硝化工程２２に導
入し、原廃水中のＮＨ４−Ｎあるいは有機態窒素を好気
的条件下で硝化菌の酸化作用によってＮ０２−Ｎ、Ｎ０
３−Ｎにまで酸化する。

硝化工程２２においては、必要に応じて、例えば原廃水
中に含まれる窒素化合物の濃度が大なる場合には、上記
（１）、（２）式に示した生物酸化反応によって水素イ
オン（Ｈ＋）が液中に放出される結果、硝化混合液のｐ
Ｈが硝化菌の増殖にとって最適なｐＨ範囲以下に低下す
るのでｐＨ調整器４によって自動的にアルカリ剤を添加
する。

硝化工程２２の流出混合液は分離工程２９に流入し、硝
化液と濃縮活性汚泥とに大別分離され、濃縮活性汚泥を
汚泥返送管２８を経て第−脱窒素工程２１へ返送する。

さらに、分離工程２９で分離された硝化液は第二腕窒素
工程２５へ導入され、有機炭素源貯槽６から原廃水中に
含まれる有機物の化学的構造が異なる資化性の低い有機
炭素源を添加し、さらに後続する分離工程２７から汚泥
返送管３０を経て返送される脱窒紫菊を濃厚に含む活性
汚泥と嫌気的条件下で混合され、ここで加えた有機炭素
源を十分に資化できる脱窒紫菊の作用によって残留して
いるＮ０２−Ｎ、Ｎ０３−Ｎを完全に還元分解してＮ２
ガスとして大気中に放散する。

また第二腕窒素工程２５の流出混合液は分離工程２７に
流入し、完全に脱窒素された処理水と濃縮活性汚泥とに
分離され、濃縮活性汚泥は汚泥返送管３０から再度第二
腕窒素工程２５に返送され、この処理系内で繰り返し使
用される。

一方、分離処理水（完全脱窒集水）は分離工程２７から
系外の自然水域などに放流される。

以上の方式は第２図からもわかるように、全体の処理工
程内で二種類の汚泥を使って脱窒素する生物学的処理力
であり、シュアル・スラッジ・システム（ｄｕａｌ ｓ
ｌｕｄｇｅ ｓｙｓｔｅｍ）と称することができる。

以上述べたように本発明によれば、第二腕窒素工程にお
いて添加した原廃水中の有機物より資化性の低い有機炭
素源を資化できる脱窒紫菊を優占種として増殖させるこ
とができ、原廃水中に含まれる窒素化合物を完全に除去
することができるといり極めて優れた効果を奏するもの
である。

次に本発明の実施例を示す。

実施例 １ 連続実験において、実験室的第１図および第２図示の生
物学的脱窒素性を３０℃に温度調整した恒温構内にセッ
トし、第一脱窒紫檀、硝化槽、第二腕窒素槽の容積を全
く同一とした。

この場合、流入水量をＱｍ３／日とし、濃縮活性汚泥の
返送量もすべてＱｍ３／日とし、硝化混合液を循環させ
てその循環液量を２Ｑｍ３／日とした。

したがって、両方式の第一脱窒紫檀、硝化槽、第二腕窒
素槽のそれぞれの滞留時間は２．５時間、２．５時間、
５．０時間であり、活性汚泥濃度は両方式ともＭＬＳＳ
として５４００ｐｐｍとなるように調整した。

また、第二腕窒素槽におけるメタノールの添加率は一応
ＣＨ３ＯＨ／Ｎ０２−Ｎ＝１．５となるように配慮した
。

以上の実験における原廃水の水質および処理結果は次表
の通りであった。

この表からも極めて明確にわかるように、第１図示法で
は第二腕窒素槽でメタノールがほとんど利用されないた
めに最終放流水中に多量のＮ０２−Ｎが残存し、またこ
の利用されないメタノールが放流水中に含まれるのでＢ
ＯＤも極めて高い値を示している。

これに対して本発明では、第二腕窒素槽でほぼ完全にメ
タノールが資化されるので最終放流中に窒素化合物はほ
とんど含まれず、ＢＯＤ値も極めて低い値となっている
。

なお、両方式とも硝化液を循環して第一脱窒紫檀で脱窒
素反応をおこさせ、水中に水酸イオンが放出されるため
に、はとんどアルカリ剤を必要としなかった。

実施例 ２ 実施例１において、第１図示法では第二腕窒素槽でメタ
ノールが資化されず、本発明では第二腕窒素槽でメタノ
ールが確実に利用されていることを確認するために、両
方式の硝化槽から活性汚泥を採取し、回分方式による脱
窒素試験を追加してみた。

その実験結果は、第３図および第４図に示したように、
本発明では明らかにメタノールが資化され、顕著な脱窒
素反応が行なわれていることが確認された。

すなわち、第３図は対照例として第１図示法の硝化槽か
ら活性汚泥（硝化槽汚泥）を採取し、適当な濃度に調整
したのちＣＨ３０ＨＩ／Ｎ０２−Ｎ＝１．６１のメタノ
ール添加率で脱窒素試験を行なった実験結果を示したも
のであるが、これをみてもわかる通り、メタノールを添
加Ｂしても、メタノールを全く添加せず硝化槽汚泥の内
生呼吸による脱窒素反応速度Ａとほとんど近似した値を
示し、メタノールはほとんど資化されていなかった。

これに対して第４図は、本発明において第二腕窒素槽か
ら脱窒紫檀汚泥を採取し、同様に適当な濃度に調整した
のちＣＨ３ＯＨ／Ｎ０２−Ｎ＝１．４０の比率でメタノ
ールを添加した場合の実験結果を示したものであり、こ
の第４図からも明らかなように脱窒素速度Ｂは著しく加
速され、第３図示の脱窒素速度の約７．５倍の脱窒素速
度が得られ、添加したメタノールは完全に利用された。

また、この実験と並行して本発明における硝化槽から汚
泥を採取し、混合液に対して５０％の原水を添加して脱
窒素試験を行なったところ、偶然にも全く同一の脱窒素
速度恒数が得られた。

このことは、原廃水中のＢＯＤ源がほとんど酢酸によっ
て占められており、この酢酸は脱窒集菌が必要とする水
素供与体として極めてすぐれたものであることから考え
ると、本発明の卓越した効果を容易に理解することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来開発した生物学的膜窒素法の系統説明図、
第２図は本発明の実施態様を示す系統説明図、第３図お
よび第４図は汚泥中のＮ０２−Ｎと脱窒素晴間との関係
を示す線図である。 １．２１・・・・・・第−脱窒素工程、２，２２・・・
・・・硝化工程、５，２５・・・・・・第二腕窒素槽程
、３，２３・・・・・・硝化液返送管、８，２８，３０
・・・・・・汚泥返送管、７，２７，２９・・・・・・
分離工程。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 嫌気的条件下にある第−脱窒素工程、好気的条件下
   にある硝化工程、嫌気的条件下にありかつ有機炭素源を
   添加する第二脱窒素工程とからなる生物学的膜窒素法に
   より、有機物および窒素化合物を多量に含み、かつ含ま
   れる前記有機物の化学的構造が前記第二脱窒素工程で添
   加する有機炭素源のそれと異なる資化性の高い有機性廃
   水を処理するに際し、前記硝化工程と第二脱窒素工程間
   に分離工程を介在させ、前記廃水を前記第−脱窒素工程
   に導入し、後続する前記硝化工程から流出する硝化混合
   液あるいはさらに後続する前記分離工程で分離された硝
   化液を前記第−脱窒素工程に返送混合して第一段の脱窒
   素を行ない、次いで第−脱窒素工程からの流出液を前記
   硝化工程に導入して原廃水中の窒素化合物をＮ０２−Ｎ
   あるいはＮ０３−Ｎまで酸化したのち前記分離工程に導
   入して液中の菌体と硝化液とを分離し、さらにこの硝化
   液を前記第二脱窒素工程に導入し、脱窒素菌群より構成
   される活性汚泥と混合して第二段の脱窒素を行なったの
   ちこの混合液を次の分離工程に導入して脱窒素処理液と
   濃縮活性汚泥とに分離し、この濃縮活性汚泥を繰り返し
   前記第二脱窒素工程に返送することを特徴とする有機性
   廃水の生物学的膜窒素法。