TWI784103B - 廢水處理用之厭氧氨氧化菌（Ａｎａｍｍｏｘ）菌群保持用載體以及厭氧氨氧化菌群附著體及使用該附著體之廢水處理裝置 - Google Patents

廢水處理用之厭氧氨氧化菌（Ａｎａｍｍｏｘ）菌群保持用載體以及厭氧氨氧化菌群附著體及使用該附著體之廢水處理裝置 Download PDF

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Abstract

本發明係以提供一種可大幅縮短用於獲得氮去除速度1kg-N/m3 /day之起動期間的厭氧氨氧化菌菌群保持用載體、厭氧氨氧化菌菌群附著體及廢水處理裝置為目的。 解決手段為，本發明之厭氧氨氧化菌菌群保持用載體係以包含碳粒子為特徵，碳粒子宜為石墨粒子，特佳為各向同性石墨粒子；又，仄他電位宜為-35mV以上0mV以下，前述碳粒子的平均粒徑宜為2μm以上1000μm以下。

Description

廢水處理用之厭氧氨氧化菌（Ａｎａｍｍｏｘ）菌群保持用載體以及厭氧氨氧化菌群附著體及使用該附著體之廢水處理裝置
本發明係有關於一種用於廢水處理之厭氧氨氧化菌菌群保持用載體、厭氧氨氧化菌菌群附著體及使用該附著體之廢水處理裝置。
生活廢水、產業廢水、農業廢水所含之氮及磷(phosphorous)會滯留於自然界的封閉水域而造成優養化。存在於日本全國約2200處的汙水處理場當中無法充分實施氮處理者約為100處左右(參照下述非專利文獻1)。
作為廢水中所含之氮的處理法，有觸媒分解法、直接燃燒法、次氯酸注入法、生物分解法等，尤其是1～1000ppm程度之氨性氮的分解，若考量成本方面係大多活用生物分解法(下述專利文獻1)。此藉由生物分解的廢水處理方法係一種使微生物附著於固定化載體而由微生物分解廢水中所含之有機物或氮的方法，係經過所謂硝化與氮去除(以下有稱為脫氮)的程序來進行處理。然而，就此反應，有在脫氮步驟中需要供氫體(添加甲醇)，或在硝化步驟中必須增加曝氣量等課題。
因此，近年來作為新穎的氮去除法，有人提出一種利用藉由厭氧氨氧化菌菌群之厭氧氨氧化反應來進行氮處理的手法。若為使用此厭氧氨氧化菌菌群的氮處理法，可於厭氧環境中進行處理，而且可壓低屬供氫體之有機物的供給，而有可縮減曝氣量或甲醇添加量的優點。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2003-53382號公報 [非專利文獻]
[非專利文獻1]日經商業(2015年12月28日/2016年1月4日合併號)
[發明所欲解決之課題]
然而，上述厭氧氨氧化菌菌群其分裂時間(增倍時間)為10日左右，生長速度極為緩慢，因此用於獲得氮去除速度1kg-N/m3 /day的起動時間需時6個月左右，其中氮去除速度係定義為每日每單位體積所產生的氨性氮量。就此種裝置，係要求使用者方的起動時間為1個月以內，因此，僅使用厭氧氨氧化菌菌群，有無法滿足使用者的要求之課題。
本發明係有鑑於上述實情，而以提供一種可大幅縮短用於獲得氮去除速度1kg-N/m3 /day之起動期間的厭氧氨氧化菌菌群保持用載體、厭氧氨氧化菌菌群附著體及廢水處理裝置為目的。 [解決課題之手段]
本發明為達成上述目的，而以使用碳粒子作為菌類之載體為特徵。 [發明之效果]
根據本發明，可發揮可大幅縮短用於獲得氮去除速度1kg-N/m3 /day之起動期間等優良的效果。
[實施發明之形態]
本發明之厭氧氨氧化菌菌群保持用載體(以下有僅稱為載體)係以包含碳粒子為特徵。此載體亦可為碳粒子凝聚而成的凝聚體。 若為上述構成，則厭氧氨氧化菌菌群更容易附著於厭氧氨氧化菌菌群保持用載體，而能夠大幅縮短用於獲得氮去除速度1kg-N/m3 /day之起動期間。
作為上述碳粒子，可舉出石墨、活性碳、碳黑、碳奈米管、富勒烯等的粒子，宜為容易獲得適於菌體附著之粒子大小的石墨粒子。作為由石墨構成的粒子，有人造石墨粒子、天然石墨粒子，進而作為人造石墨粒子，可舉出各向同性石墨粒子、各向異性石墨粒子。基於載體的強度或氣孔利於菌體的附著之觀點等，宜為石墨，特佳為各向同性石墨；再者，石墨粒子與碳奈米管等相比具有可大量及廉價地製作的優點。
包含上述碳粒子之厭氧氨氧化菌菌群保持用載體的表觀仄他電位(以下僅稱為仄他電位)宜為-35mV以上0mV以下。 若將載體的仄他電位規範為-35mV以上0mV以下，則厭氧氨氧化菌菌群更容易附著於載體。 此外，上述仄他電位更佳為-30mV以上，再更佳為 -20mV以上。 另外，本案中所稱載體的仄他電位，係指以下方式所測得的值。 (1)在50ml水中添加1g載體 (2)以藥匙攪拌1分鐘後，使用超音波洗淨機(AS ONE製超音波洗淨機ASU-10)以頻率40Hz、功率240W攪拌5分鐘。 (3)攪拌後立即將1ml的(2)填充於浸漬槽，利用仄他電位測定裝置(Malvern公司製Ztasizer Nano-ZS90)，使用波長633nm的紅色雷射實施測定。此外，測定時的pH為7。測定係進行3次，以其平均值作為載體的仄他電位。
上述碳粒子的平均粒徑宜為2μm以上1000μm以下，較佳為2μm以上500μm以下，更佳為8μm以上200μm以下。 藉由將上述碳粒子的平均粒徑設為上述範圍，厭氧氨氧化細菌群便更容易附著於載體。
上述碳粒子彼此亦可藉由黏結劑固定。 如此，若碳粒子彼此藉由黏結劑固定，則可進一步提升載體在水中的強度，可防止經固定之碳粒子在水中的崩解，而能夠進一步發揮上述之作用效果。作為上述黏結材，可舉出聚乙烯醇(PVA)。
本發明係以將上述之厭氧氨氧化菌菌群附著體配置於廢水處理槽內為特徵。 若使用上述厭氧氨氧化菌菌群附著體，則可大幅縮短氮去除速度達既定值前的起動期間，而且厭氧氨氧化菌菌群可順利地處理廢水，而能夠提供一種處理能力優良的廢水處理裝置。
本發明另一構成係以上述之厭氧氨氧化菌菌群附著體，與在碳粒子上附著有硝化細菌的硝化細菌附著體配置於同一廢水處理槽中為特徵。以分別使屬厭氧性之厭氧氨氧化菌菌群與屬好氧性之硝化細菌群在適度的溶氧量下作用為特長的本構成係稱SNAP法。 若為此種構成，可藉由硝化細菌使氨性氮的一部分轉換成亞硝酸性氮，同時藉由厭氧氨氧化菌菌群由氨性氮與亞硝酸性氮轉換成氮氣。如此，若由硝化細菌擔負廢水處理反應的一部分，則可更順利地進行厭氧氨氧化反應。
本發明係以廢水處理部與廢物貯存部係分離為特徵，該廢水處理部係使上述之厭氧氨氧化菌菌群附著體攪拌流動而進行廢水處理，該廢物貯存部係貯存厭氧氨氧化活性消失，厭氧氨氧化菌菌群脫落的碳粒子。 若廢水處理部與廢物貯存部分離，廢水處理部中便僅存在維持厭氧氨氧化活性的厭氧氨氧化菌菌群附著體。從而，可進一步提升廢水處理裝置的處理能力。
又，較佳具有將構成載體之碳粒子隨時或間歇性地供給至上述廢水處理槽的碳粒子供給部。若將碳粒子隨時或間歇性地供給至廢水處理槽，則其會成為新的載體而供厭氧氨氧化菌菌群附著，因此可進一步提升廢水處理裝置的處理能力。 具體而言，只要構成為如在廢水處理部的上方設置貯存有碳粒子的貯存槽，並由此貯存槽隨時或每隔既定時間使碳粒子朝廢水處理部落下即可。 以下，依實施例說明本發明，惟本發明非限定於下述實施例。 [實施例1]
於本實施例1中，係使用如圖1所示之廢水處理裝置。由圖1可知，該廢水處理裝置具有反應槽1，此反應槽1具有：廢水處理部4，係進行廢水處理；及廢物貯存部5，係供貯存厭氧氨氧化活性消失，厭氧氨氧化菌菌群脫落的碳粒子(以下有稱為廢物)。如此，透過設置廢物貯存部5，便可抑制廢物滯留於廢水處理部4而造成廢水處理部4之處理能力變差的情形。又，其為對反應槽1，由廢水流入部2供給廢水，另一方面由處理水流出部3流出處理水之構造。此外，於圖1中，6為附著有厭氧氨氧化菌菌群的碳粒子(厭氧氨氧化菌菌群附著體)，7為厭氧氨氧化菌菌群脫落的碳粒子，9為攪拌機。
於此，上述廢水處理部4與上述廢物貯存部5係由遮蔽板8分離，此遮蔽板8係以愈朝下方使上述廢物貯存部5變得愈細(成漸細狀)的方式傾斜配置。採用此種構成係基於以下所示原因。使上述廢水處理裝置運轉時，則如圖2所示，其上方存在維持厭氧氨氧化活性之厭氧氨氧化菌菌群附著體的塊體31；另一方面，其下方則存在厭氧氨氧化活性消失而厭氧氨氧化菌菌群脫落的碳粒子30。上述碳粒子30，可藉由按壓水面而使其通過由遮蔽板8所形成的下端開口部8a，而由廢水處理部4移動至廢物貯存部5。此時，下端開口部8a如果較大，則不僅碳粒子30，連厭氧氨氧化菌菌群附著體的塊體31也會移動至廢物貯存部5。為防止此種事態發生，係使遮蔽版8傾斜而縮小下端開口部8a。藉此，可確保廢物貯存部5的大小，並同時抑制厭氧氨氧化菌菌群附著體的塊體31移動至廢物貯存部5。
於圖1所示廢水處理裝置中，在反應槽1(容積：1.55L)中投入石墨粒子20ml(填充率為1.3體積%)、厭氧氨氧化菌菌群78ml(填充率為5.0體積%)後，對反應槽1裝滿測試用廢水。上述石墨粒子為TOYO TANSO公司製各向同性石墨粒子，係仄他電位-9.1mV，平均粒徑40μm者，使其懸浮於水中而使用。
此外，上述石墨粒子的平均粒徑係依以下所示方法測定。 又，本案中碳粒子的平均粒徑係指依以下方法所測得的值。 (1)對燒杯倒入60cc純水，投入5mg石墨粒子 (2)將2ml界面活性劑聚環氧乙烷(聚氧乙烯(10)辛基苯基醚)朝(1)之燒杯滴下 (3)對(2)之燒杯以超音波洗淨機(AS ONE製超音波洗淨機ASU-10)進行超音波處理5分鐘 (4)使用HORIBA製Partica LA-950V2，根據碳測定條件實施粒徑測定。
再者，為促進厭氧氨氧化菌菌群的生長，而將下述表1及表2所示2種微量元素對每1000ml測試用廢水各添加1ml。進而，上述測試用廢水係將下述表3所示無機合成廢水(T-N954mg/L)以自來水稀釋或提高濃度而調整成T-N100～1300mg/L。T-N係指總氮濃度，於此， T-N=[NH4 -N]+[NO3 -N]+[NO2 -N]。
Figure 02_image001
Figure 02_image003
Figure 02_image005
處理運轉係藉由使流量與濃度緩緩上升而使氮負荷(T-N負荷)增大。其係滯留時間為8～20h、測試用廢水T-N濃度(以下簡稱為氮濃度)取100～1300mg/L時的運轉。 氮負荷Lv的計算如下： Lv=(C×Q)/(V×1000) Lv：氮負荷(kg-N/m3 /day) C：測試用廢水T-N(mg/L) Q：流量(L/day) V：反應器容積(L)
將對上述測試用廢水進行處理的結果示於圖3。氮去除速度係指T-N氮去除速度。自運轉開始起至第8日係以氮去除速度0.08～0.10kg-N/m3 /day大致平穩地變化。下述(1)式所示之氮去除率從運轉初始為67.2～90.7%，可看出為極高。
δ=((C0-C1)/C0)×100・・・(1) δ：氮去除率(%) C0：測試用廢水T-N(mg/L) C1：處理水T-N(mg/L)
又，從11至15日氮去除速度緩緩地上升，第18日以後，可確認氮去除速度急遽上升。甚而，可看出在運轉第21日氮去除速度為0.55kg-N/m3 /day，第26日氮去除速度為1.06kg-N/m3 /day，第32日氮去除速度為1.50kg-N/m3 /day。如此，由於在第26日氮去除速度超過1.0kg-N/m3 /day，可知若為本發明，則可將起動期間縮短至1個月以下。 又，在第18日可確認判斷為紅褐色顆粒的塊體，甚而可確認產生的氮氣附著於石墨粒子而向系統外流出的現象。再者，亦可看出以90日左右達成氮去除速度被視為極優良的3.0kg-N/m3 /day。此外，圖9表示厭氧氨氧化菌菌群附著體的表觀仄他電位測定結果。仄他電位測定係以與載體之表觀仄他電位測定方法同樣的方法進行。仄他電位的值為-26.6mV。由於厭氧胺氧化菌附著前之載體的仄他電位為-9.1mV，可知係載體上附著厭氧氨氧化菌菌群而使仄他電位發生變化。 [實施例2]
以與上述實施例1同樣的方式，探討載體的仄他電位(未附著有菌體之狀態下的仄他電位)與實驗開始後第90日之厭氧氨氧化活性的關係。將其結果示於圖4。此外，仄他電位係藉由改變碳粒子的粒徑分布來調整。由圖4可知，可看出仄他電位只要為-35～0mV，較佳為-30～0mV，更佳為-20～0mV即可。 又，由於係以與上述實施例1同樣的方式探討石墨粒子(碳粒子)的平均粒徑與實驗開始後第90日之厭氧氨氧化活性的關係，而將其結果示於圖5。由圖5可知，可看出碳粒子的平均粒徑只要為2～1000μm，較佳為2～500μm，更佳為8～200μm即可。 [實施例3]
以PVA黏結平均粒徑20μm的石墨粒子而作成厭氧氨氧化菌菌群保持用載體。除將此載體填充於圖6所示廢水處理裝置外，係以與上述實施例1同樣的方式進行處理運轉。圖6中，係對具有與圖1同樣之機能者附加同一編號。又，圖6中，15為厭氧氨氧化菌菌群附著體，17為分離部。
實驗的結果，以1個月即達成氮去除速度1.25kg-N/m3 /day，於運轉第173日(將照片示於圖6)達成最大氮去除速度5.95kg-N/m3 /day。由以上可看出，縱為本實施例3之構成，仍能以高速對厭氧氨氧化菌菌群進行處理。 此外，圖7中，其構成為如下方存在維持厭氧氨氧化活性之厭氧氨氧化菌菌群附著體的塊體31，另一方面上方存在厭氧氨氧化活性消失之厭氧氨氧化菌菌群附著體的塊體30，與圖2者相比，塊體30與塊體31的上下關係顛倒。如此加以考量，而將分離部7配置於廢水處理裝置的上部。 [實施例4]
不僅使用附著有厭氧氨氧化菌菌群之載體，亦使用附著有硝化細菌之載體(採用所謂的SNAP法)，就1槽式之硝化脫氮加以探討。將實驗條件示於下述。此外，作為廢水處理裝置，係使用與上述第1實施例之實施例1相同者。
(1) 1槽式硝化脫氮裝置規格 反應器：1.1L 厭氧氨氧化菌菌群附著體的填充率：5體積% 硝化細菌附著體的填充率：5體積% 控制溫度：25℃ 曝氣量(使用氮氣/空氣的比為1/9的混合氣體)：1L/min
(2) 運轉條件 合成廢水處理(將下述表4之合成廢水稀釋處理成40mg/L) 滯留時間　6～8h
作為厭氧氨氧化菌菌群附著體，係使用上述實施例1中運轉結束後者。 作為硝化細菌附著體，係使用以下述表4之合成廢水NH4 -N200mg/L進行培養而附著有硝化細菌之載體。曝氣係使用氮氣/空氣的比為1/9的混合氣體，並將溶氧量調整成1mg/L以下。
Figure 02_image007
就實驗的結果，於運轉第20日氮去除率達穩定，獲得氮去除率50～62%。研判藉由硝化細菌附著體使氨性氮的一部分轉換成亞硝酸性氮，並藉由厭氧氨氧化菌菌群附著體使氨性氮與亞硝酸性氮轉換成氮氣。此外，圖9表示硝化菌菌群附著體的表觀仄他電位測定結果。仄他電位測定係以與載體之表觀仄他電位測定方法同樣的方法進行。仄他電位的值為-10mV。由於硝化菌菌群附著前之載體的仄他電位為-30.9mV，可知係載體上附著附著菌群而使仄他電位發生變化。 [實施例5]
實施例4中，若長時間運轉則石墨粒子的一部分會流出至系統外，而導致處理速度下降。因此，於本實施例5中探討定期補充石墨粒子。實施例4的運轉結束後，以石墨粒子全年補充率0.01重量%、0.1重量%、1重量%、2重量%、5重量%此5系列使廢水處理裝置運轉。所稱石墨粒子全年補充率，係指若補充例如1重量%，則對1.1L之裝置全年補充11g的石墨粒子。具體而言，係將11g的石墨粒子分成12次每個月各補充11/12g。其他的運轉條件係與實施例4相同。將運轉1年後的氮去除率示於下述表5。
Figure 02_image009
由表5可知，可看出若為試料2、3、4、5時，去除率的標準差穩定，尤其是試料3、4、5者，去除率的標準差極為穩定。從而，可知石墨粒子全年補充率較佳為0.1重量%以上，特佳為1重量%以上。 此外，石墨粒子的追加非限定於採SNAP法之情形，亦可適用於僅使用實施例1～實施例3所示之厭氧氨氧化菌菌群附著體的情形。 [實施例6]
使用平均粒徑為5μm的活性碳(和光純藥製粉末活性碳 製品碼037-02115)作為載體，以與實施例1同樣的方法進行處理運轉。載體的仄他電位為-21.5mV。於運轉後1個月氮去除速度為1.07kg-N/m3 /day。厭氧氨氧化菌菌群附著體的仄他電位為-24.3mV。 [比較例1]
使用僅採用PVA之載體的厭氧氨氧化菌菌群担持體，以與實施例1同樣的方法進行處理運轉。氮去除速度於運轉後3個月後仍僅為0.2kg-N/m3 /day。 [比較例2]
使用平均粒徑為1100μm或者0.1μm的碳粒子作為載體，以與實施例1同樣的方法作成厭氧氨氧化菌菌群載體並進行處理運轉。於運轉後1個月氮去除速度僅為0.1kg-N/m3 /day。
(其他事項) 上述實施例1～實施例6中已就1槽式之廢水處理裝置加以說明，但不限定於此種構造，亦可如圖8所示，構成為如設置將載體與處理水分離的分離槽20，並使用回送管路19將分離之載體送回至廢水處理槽1。此外，圖8中，係對具有與圖1及圖6同樣之機能者附加同一編號。又，圖8中，18為流出載體粉碎用攪拌機。 [產業上可利用性]
本發明可利用於使用附著有厭氧氨氧化菌菌群之碳粒子的廢水處理裝置。
1‧‧‧反應槽 4‧‧‧廢水處理部 5‧‧‧廢物貯存部 6‧‧‧附著有厭氧氨氧化菌菌群的碳粒子(厭氧氨氧化菌菌群附著體) 7‧‧‧碳粒子
圖1為表示實施例1所使用之廢水處理裝置的示意圖。 圖2為表示實施例1中之廢水處理裝置的運轉情形的照片。 圖3為表示以實施例1之廢水處理裝置對廢水進行處理時之處理結果的圖。 圖4為表示載體的仄他電位與實驗開始後第90日之厭氧氨氧化活性的關係的圖。 圖5為表示石墨粒子的平均粒徑與實驗開始後第90日之厭氧氨氧化活性的關係的圖。 圖6為表示實施例3所使用之本發明之裝置的示意圖。 圖7為表示實施例3中之廢水處理裝置的運轉情形的照片。 圖8為表示本發明之廢水處理裝置的變形例的示意圖。 圖9為表示菌附著體的仄他電位與累計強度(移動粒子數)的關係的圖(a：厭氧氨氧化菌菌群附著體、b：硝化細菌附著體)。

Claims (11)

  1. 一種厭氧氨氧化菌(Anammox)菌群保持用載體，其特徵為僅由石墨粒子所構成。
  2. 如請求項1之厭氧氨氧化菌菌群保持用載體，其中上述載體的表觀仄他電位為-35mV以上0mV以下。
  3. 如請求項1之厭氧氨氧化菌菌群保持用載體，其中上述石墨粒子的平均粒徑為2μm以上1000μm以下。
  4. 一種厭氧氨氧化菌菌群附著體，其係於如請求項1之厭氧氨氧化菌菌群保持用載體附著有厭氧氨氧化菌菌群。
  5. 一種廢水處理裝置，其特徵為將如請求項4之厭氧氨氧化菌菌群附著體配置於廢水處理槽內。
  6. 一種廢水處理裝置，其特徵為廢水處理部與廢物貯存部係分離，該廢水處理部係使如請求項4之厭氧氨氧化菌菌群附著體攪拌流動而進行廢水處理，該廢物貯存部係貯存厭氧氨氧化活性消失，厭氧氨氧化菌菌群脫落而生成的石墨粒子。
  7. 一種廢水處理裝置，其特徵為如請求項4之厭氧氨氧 化菌菌群附著體，與在石墨粒子上附著有硝化細菌的硝化細菌附著體係配置於同一廢水處理槽中。
  8. 如請求項5之廢水處理裝置，其係具有隨時或間歇性地供給石墨粒子的碳粒子供給部。
  9. 如請求項2之厭氧氨氧化菌菌群保持用載體，其中上述石墨粒子的平均粒徑為2μm以上1000μm以下。
  10. 如請求項6之廢水處理裝置，其係具有隨時或間歇性地供給石墨粒子的碳粒子供給部。
  11. 如請求項7之廢水處理裝置，其係具有隨時或間歇性地供給石墨粒子的碳粒子供給部。
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