JP2000512906A - 間欠放流式長時間曝気工程を用いた廃水処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 間欠放流式長時間曝気（ＩＤＥＡ）プロセスであって、単一反応器内で、曝気段階、沈殿段階及び放流段階が、この順に、連続して、繰り返し行われること、流入廃水は、該反応器の底部にその横方向に広がって供給され、該反応器中をゆっくりと拡散せしめられること、そして処理された廃水は、放流段階において間欠的に排出されることを特徴とする廃水処理プロセスが提供される。本発明のプロセスに従えば、嵐の天候条件下におけると同様、乾期及び雨期の天候条件下においても、廃水をバイパスすることなく、効果的に処理することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 間欠放流式長時間曝気工程を用いた廃水処理方法 技術分野 本発明は、廃水中の有機物のみならず窒素とリンをも除去するための廃水処理 方法に関する。更に詳しくは、本発明は、単一反応器で、曝気、沈殿及び放流の ３段階がこの順に、連続して繰り返されるサイクル手順を含む間欠式放流長時間 曝気工程（Intermittently Decanted Extended Aeration，IDEA）を使用した廃 水処理方法に関する。 背景技術 従来、廃水処理プラントは、通常、廃水中の有機物と浮遊物の除去を目的とし ていた。従って、従来の廃水処理においては、多くの無機栄養素、即ち窒素（Ｎ ）やリン（Ｐ）は未処理のまま湖や沼地に放流されていた。このことは、湖や沼 地の富栄養化をもたらし、それは、クリーンな水資源を提供し、生態系を保全す ることを困難にせしめる。例えば、廃水処理プラントにおいては、有機物質の除 去率は、８０％以上であるのに対し、窒素やリンは効果的に除去されず、廃水と 共に放流されていた。このように窒素やリンを含有する廃水が湖や沼地に放出さ れると、藻類の過度の増殖を引き起こし、良質の水資源を提供することを困難に せしめる。その結果、廃水処理のコストを増大せしめ、廃水を浄化するための高 度処理が更に要求される。 従って、廃水の中に存在する多様な栄養素の除去技法が種々提案されている。 これらは、窒素の除去法、リンの除去法、そして窒素とリンの同時除去法に大別 される。 従来の廃水処理方法は、窒素除去のための微生物による硝化（nitrification ）と脱窒（denitrification）のサイクルプロセスを使用し、リン除去のための 微生物を用いて嫌気性及び酸素欠乏の条件下で溶出したリンを好気性条件下で過 剰摂取させて除去する嫌気−好気法の基本原理を用いて行われている。 例えば、窒素とリンの同時除去法として知られるバルデンホ（Bardenpho）プ ロセス、嫌気−好気法（Ａ／Ｏプロセス）及びリンの生物学的処理法として知ら れるＡ₂／Ｏプロセスがある。また、アルミニウムや石灰のような一般的な凝集 剤を使用する化学的沈殿法や、アンモニアストリッピング（Ammonia-stripping ）法のような廃水処理プロセスもある。 しかしながら、上述の従来法には、それぞれ、その運転特性に伴う短所がある 。 そのような短所を表１に要約した。 表１ 上記の表１に記載された従来法の短所を排除し、有機物質のみならず窒素やリ ンを高効率で除去するための方法を開発するために詳細に渡る研究を行った結果 、本発明を完成するに至った。 発明の開示 従って、本発明の目的は、間欠放流式長時間曝気（Inntermittently Decanted Extended Aeration；IDEA）法を用いた廃水処理プロセスであって、単一反応器 で、曝気、沈殿及び放流の３段階が、この順で連続的に繰り返され、処理の全期 間に渡り、流入廃水が、反応器の底部に、横方向に広がって供給され、そして該 反応器中をゆっくりと拡散せしめられ、一方、処理された廃水が、放流期にのみ 、間欠的に排出されることを特徴とする廃水処理プロセスを提供することにある 。 本発明のまた他の目的は、単一反応器で曝気、沈殿及び放流の３段階が、この 順で、連続的に繰り返されるＩＤＥＡ法を用いた廃水処理プロセスであって、該 曝気段階が、曝気段階の間に供給されるべき酸素量を調節することにより、外部 炭素源を供給しながら少量の酸素により行われる第１曝気段階と、多量の酸素に より行われる第２曝気段階を含むことを特徴とする廃水処理プロセスを提供する ことにある。 本発明の更なる目的及び優位点は、明細書の残余の部分を読めば明らかになる であろう。 図面の簡単な説明 図１は、曝気（aeration）段階を示す模式図である。 図２は、沈殿段階（sludge settlement）を示す模式図である。 図３は、放流段階（effluent decanting）を示す模式図である。 図４は、本発明に従った反応器の平面図である。 発明の詳細な説明 本発明は、生物学的酸化と懸濁固形物の分離という二つの処理過程が分離され た反応器で引き続いて行われる、従来の連続的な定常状態での生物学的方法とは 異なり、生物学的な酸化と懸濁固形物の分離の二つの過程が、単一の反応器内で 、インターバルを置いて交互に行われ、該単一反応器内における工程が、曝気（ aeration）段階、沈殿（sludge settlement）段階、放流（effluent decanting ）段階の３段階からなるサイクル処理を含む間欠放流式長時間曝気（IDEA）法を 含む。 本発明の方法に従えば、流入廃水は、処理の全期間に渡り、反応器の底部に、 それを横切るように供給され、そして（反応器中を）ゆっくり拡散せしめられ、 処理された廃水は、間欠的に排出される。従って、本発明に従ったプロセスは、 廃水の流入を間欠的に調節し、処理工程のサイクルが、流入(filling)、曝気(ae ration)、沈殿(sludge settlement)、放流（draw）の４段階からなるシーケンシ ャル・バッチ（sequencing batch）プロセス、又は流入−放出（fill-and-draw ）プロセスとは異なる。 本発明の他の例に従えば、単一反応器内で、曝気、沈殿及び放流段階の３つの 段階が、この順で、連続的に繰り返し行われる廃水処理のサイクル手続が提供さ れる。ここで、該曝気段階は、外部炭素源が廃水と共に供給されつつ少量の酸素 によって行われる第１曝気段階と、多量の酸素によって行われる第２曝気段階を 含む。 一般に、廃水処理過程において、嫌気性条件下、硝酸又は亜硝酸を窒素ガスへ と脱窒し、リンの放出を引き起こすために必要な炭素源が、生活廃水中には不十 分であるため、硝化と脱窒のサイクルを最適には行い難い。また、沈殿及び放流 段階の後で曝気段階をスタートさせる時、反応器中の嫌気性条件を好気性条件に すぐ転換することは困難であるため、反応器中の反応は、硝化又は脱窒に偏向し 易い。従って、硝化−脱窒のサイクル手順は、曝気段階に供給される酸素の量を 調節して一時的な曝気期を行い、その後、外部炭素源を反応器に添加することに より最適に行ない得る。 本発明の望ましい例により、酸素供給の調節及び外部炭素源の添加を含むプロ セスを表２に要約した。 表２ 添付された図面を参考にして、本発明を、段階別に詳細に説明する。 （１）曝気段階（図１参照） 一般に、この段階においては、反応器内に存在する微生物による有機物の酸化 過程を介して化学的酸素要求量（ＣＯＤ）及び生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ） が減少せしめられる。窒素及びリン除去の中間段階である遊離アンモニウムの硝 化及びリンの過剰摂取も又、供給された酸素を利用することによって起こる。 本発明の望ましい例に従えば、曝気段階は、第１と第２の曝気期を含む。 第１曝気期は、曝気段階全体の１０〜４０％を占める。この期では、効果的な 脱窒を引き起こすことができる外部炭素源が廃水と共に供給され、そして以下に 述べる第２期のために供給される酸素（量）の３０〜５０％が供給される。この 期では、全酸素供給装置の３０〜５０％程度のみが稼動せしめられる。前段階で ある沈殿及び放流段階においては、スラッジの沈殿層は、嫌気性の状態に保持さ れているため、嫌気性の状態から好気性の状態に転換するのには幾分の時間がか かる。それが故に、第１期の間中、反応器の内部状態は嫌気性の状態に保持され 、その結果、このような嫌気性の状態において、外部炭素源の供給と相俟って、 脱窒がより活性になされる。望ましくは、該外部炭素源は、メタノール、エタノ ール、グルコース、酢酸塩及びメタンからなる群から選択され得る。外部炭素源 の濃度は、ＣＯＤ換算で、約１００〜２００mg/Lの範囲である。 第２曝気段階では、外部炭素源の供給が中断され、全酸素供給装置が稼動する 。結果として、反応器内の状態が酸素欠乏／嫌気性状態から好気性状態に変わる ことになる。反応器内の状態が好気性状態に変わると、沈殿及び放流段階の間、 沈殿したスラッジ層内における嫌気性の状態の下で放出されたオルト−ホスフェ ート形態のリンをポリリン酸塩蓄積微生物（poly-phosphate accumulating bact eria；PAB）が過剰摂取し、そしてリンは、スラッジ廃棄により除去される。 また、酸素供給にて、廃水の混合は十分になされるため、付加的な攪拌装置又 は攪拌反応器を使用することなく、即ち酸素欠乏／嫌気性攪拌工程を要さずに、 窒素及びリンの除去を行うことができる。従って、本発明の方法によれば、より 経済的な廃水処理プロセスが提供される。 第２期の好気性の状態において、反応器に供給された酸素を利用する微生物に よる有機物の酸化を通じてＣＯＤ及びＢＯＤが減少せしめられ、そしてＮＨ₃− Ｎの硝化が活性に行われ、ＮＯ₂−Ｎ及びＮＯ₃−Ｎが生成する。このようにして 生成した亜硝酸及び硝酸は、引き続く沈殿及び放流段階、並びに次の周期におけ る曝気の第１期で脱窒反応を通じて除去される。 反応器内を完全に混合された均質状態にするためにエアレーター又はディフュ ーザーを使用することができる。所望ならば、付加的な攪拌装置を具備すること もできる。 また、本技術分野にて知られているように、反応器に石灰、明礬、塩化第二鉄 、塩化第一鉄、硫酸第二鉄及び硫酸第一鉄のような化学的な凝集剤を添加して、 廃水中のリン成分と沈殿物を形成させ、リンの除去効率を増大せしめても良い。 スラッジ（反応微生物）の廃棄は、曝気段階の間中継続しても良いし、又は所 定の短時間のみ行なっても良い。望ましくは、スラッジの廃棄は、スラッジが活 性化状態にある第２期の終端で、短時間（すなわち、１〜５分）行われるのが良 い。廃棄されたスラッジは、独立したスラッジ濃縮及び脱水装置にて処理され得 る。 一般に、上述したスラッジの廃棄は、次の３つの大きな役割を果たす。第一に 、曝気段階におけるスラッジはリンを過剰摂取した微生物を含むため、スラッジ と共にリンを除去することができる。第二に、スラッジの廃棄は、本プロセスの オペレーション・デザイン及び制御のパラメーターの一つである固形物の滞留時 間（ＳＲＴ）を調整する役割を果たす。第三に、廃棄されるべきスラッジ量を調 整することにより、反応器内の活性汚泥の塊状物形成を防止することができる。 曝気の第１期及び第２期の時間は、流入廃水の性状、及び立地状況、特に反応 器内のスラッジの沈殿特性に基き、本プロセスの設計過程を通じて決定される。 供給される酸素の量は、水中の溶存酸素（dissolved oxygen）の濃度が第１期で は、最大０．３〜０．５mg/L、第２期では、最大１．５〜３．０mg/Lを保持する ように決定される。（２）沈殿段階（図２参照） 沈殿段階開始と共に、反応器内への曝気が中断される。活性汚泥が均一に沈殿 し始め、その後、徐々に溶存酸素の濃度が低下し、反応器内は好気性状態から嫌 気性状態になる。その結果、流入廃水を有機炭素源とし、曝気段階において生成 したＮＯ₂、ＮＯ₃を電子受容体として、微生物による脱窒反応が行われる。望ま しくは、この段階において、沈殿段階の進行に伴なって形成されるスラッジ層内 へ流入する廃水に対して酢酸塩、プロピオン酸塩、吉草酸塩、グルコースのよう な揮発性脂肪酸を炭素源として添加すれば、揮発性の高い脂肪酸の効果でもって 、ＰＡＢ微生物がリンを放出することを促進することができる。供給される炭素 源の濃度は、ＣＯＤ換算で、約１５０〜３００mg/Lの範囲である。このような微 生物からのリン放出を極大化するために、沈殿段階の後半と放流段階で、揮 発性の炭素源を流入廃水と共に供給することが望ましい。 沈殿段階の目的は、沈殿スラッジの層の上に清澄な上澄水を形成し、次なる放 流段階における処理された廃水の排出を円滑にすることに加え、脱窒及びスラッ ジ層内におけるリンの放出である。 （３）放流段階（図３を参照） 沈殿段階が終わると、清澄な上澄水が形成される。上述の処理された清澄な廃 水の放流は、廃水中に浮遊している残渣及びスカムを取り除くようにデザインさ れた流出水デカンタを用いて行うことができる。典型的には、放流段階は、流出 水デカンタの水面下への降下に始まる。それから、該デカンタ内に上澄水が入り 込み、該デカンタは、所定の計算された量の処理された廃水を放流し得るように 適合した速度で及び高さまで下降する。 本段階が完了するまで流出水デカンタは下降し続ける。放流段階が完了すると 、水面の高さは曝気段階前の水位に戻り、それから再び他の曝気段階が始まる。 この放流段階の間中、廃水の流入と、外部炭素源の添加が継続しているので、 沈殿スラッジの層内の微生物の活性を保持でき、該沈殿スラッジの層が遮蔽幕の 役割を果たすため、微生物によるリン放出及び流入廃水、による処理された廃水 の水質悪化を防止することができる。 また、図４に示したように、本発明の反応器内部に部分立設壁を設けて、廃水 が反応器内をゆっくり流れ、そして拡散するようにすることができる。 話は変わって、先に説明した三つの段階において、最高水位（top water leve l、TWL）と最低水位（bottom water level、BWL）は、本発明のプロセス設計及 び制御するための非常に重要なパラメーターである。これらのパラメータは、工 程設計過程で決定される。また、各段階の時間及び反応器の形状、寸法、構造も 、流入廃水の性状及び廃水処理プラントの立地条件に従って、設計過程で決定さ れる。 また、本発明に従えば、乾期、雨期におけると同様、洪水時においてさえ、各 段階の時間の長さを変えることだけで、流入廃水のバイパスをすることなく通常 の処理が可能である方法が提供され得る。特定な気候条件下における本プロセス の運転方法について以下に更に詳しく説明する。 １）乾期フロー時の運転 この運転サイクルにおいては、曝気、沈殿、放流の基本的な三つの段階が良質 の流出水を得ることができるように決定される。プロセスのサイクルにおいて、 曝気時間は、処理における酸素要求量を充足させることができるように、１日当 たりの必要酸素量を供給するのに要する総曝気時間に基づいて決定されるべきで ある。沈殿及び放流段階の時間は、スラッジが適切な深さに沈殿せしめられ、ス ラッジのリークなしに清澄な流出水を排出することができるように決定されるべ きである。 ２）雨期フロー及び嵐フロー時の運転 本処理は、廃水を間欠的に放流して運転されるために、放流段階を除く全処理 期間内に、水位が上昇し続ける。雨期及び洪水フロー時に、曝気段階において水 位が過度に上昇すれば、反応器内の廃水がオーバーフローし、懸濁固形物の一部 が流出するかもしれない。しかしながら、本発明の方法に従えば、プロセスのサ イクル時間を短縮することにより、このような現象は起り得ない。従って、本方 法によれば、他の因子を変えることなく、処理サイクルの時間を調節することだ けで、雨期及び嵐フローに対処することができる。それが故に、流入廃水のバイ パスを必要としない。 サイクルの適当な時間を決定するために、電子水位監視システムを本発明のプ ロセスに用いることが望ましい。即ち、特定の水位を超えて廃水の水位が上昇し た時には、嵐切り替え検知器の作動を介してプログラム化された沈殿及び放流段 階が行われるようにする。そのような場合、流出水と共にスラッジが流出するこ とを防止するために、沈殿段階を６０分以上に保持することが望ましい。 発明の好ましい実施形態 本発明は、下記の例に基いて、更に詳しく説明される。尚、該例は、本発明を 制限することを意図するものではない。 〈例１〉 韓国科学技術研究院（KIST）従業員のアパート（大韓民国、ソウル所在）の生 活廃水を実験に使用した。用いた廃水の特性は、次記表３に記載した通りである 。特に、表３から分かるように、この廃水は、低濃度の炭素源を含有している。 直径２０cmの環状の底面を有し、最大ワーキング・ボリュームが１７Lである 反応器に、光東里下水処理プラント（大韓民国京畿道廣州郡）の好気性槽から浚 い採った試料を植種し、前記の廃水を供給した。反応器の運転サイクルは、マス ターＫ３０Ｈプログラマブル・ロジック・コントローラー（PLC、LG Electronic s製、Korea）にて制御された。 毎日、１０Lの流入廃水を反応器に供給した。曝気段階を４８分、沈殿段階を ７２分、放流段階を２４分に、それぞれ設定した。各サイクルの時間は、１４４ 分(２．４時間)、即ち、一日１０サイクルである。スラッジ滞留時間（ＳＲＴ） を制御するために、所望のＳＲＴに従い、曝気段階の最後の数分間、活性汚泥を 廃棄した。曝気段階の間、アクアリウム型散気球にて反応器に空気を供給した。 供給速度は、ドワイヤ（Dewyer）流量計を使用して制御した。供給された空気の 量は、０．１〜１．０L／分であった。 放流された全流出水から、一週間に２回〜4回、同一サイクルにおける流出廃 水試料を収集し、分析に供した。溶解成分の測定のための試料は、採取直後に０ ．４５μｍのろ紙を使用してろ過し、更なる汚染を防止するために、４℃に冷却 した。全ての試料分析は、本分野の公知方法（Standard Methods、APHA、1992） に従って行った。 廃水処理の結果は、表３に記載の通りである。 〈例２〉 例１と同様な反応器を使用した。運転条件は、曝気段階：４８分を、１５分間 の第１曝気期（ＦＡＰ）及び３３分の第２曝気期（ＳＡＰ）に分割したこと、そ してＦＡＰの間、外部炭素源としてメタノールを供給し、沈殿段階の後半２４分 及び放流段階の全時間に渡り、酢酸塩を供給したこと、を除き例１と同様にした 。 全廃水中を基準として計算されたＣＯＤ換算で、添加されたメタノールは２０ ０mg/L、そしてアセテートのそれは３００mg/Lであった。 廃水処理の結果は、表３に記載の通りである。 表３ 上記の結果に示す通り、充分な炭素源を有しない家庭廃水の処理において、例 １におけるより例２における方が、全窒素及び総リンは効率的に除去された。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 リー，ヒュン・チプ 大韓民国、ソウル 120―130、セオデムン ―ク、プッカチャオ―ドン、サムホ・アパ ートメント 104―1405 (72)発明者 リー，スー・ヒュン 大韓民国、ソウル 137―049、セオチョ― ク、バンポボン―ドン、1258、バンポ・ア パートメント 90―306 (72)発明者 リー，キル・ジェ 大韓民国、ソウル 137―040、セオチョ― ク、バンポ―ドン、32―５、ハンヤン・ア パートメント ５―306

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．間欠放流式長時間曝気法を用いた廃水処理プロセスであって、単一反応器内 で曝気段階、沈殿段階及び放流段階が、その順に、連続して繰り返し行われるサ イクル処理であること、流入廃水は、プロセスの全期間に渡り、該反応器の底部 にそれを横切るように供給され、該反応器中をゆっくりと拡散せしめられること 、一方、処理された廃水は、放流段階の間だけ間欠的に放流されることを特徴と する廃水処理プロセス。 ２．前記の曝気段階が、ａ）０．３〜０．５mg/Lの溶存酸素濃度を保持するよう に供給される酸素により行われる曝気第１期、及びｂ）１．５〜３．０mg/Lの溶 存酸素濃度を保持するように供給される酸素により行われる曝気第２期を含む、 請求項１に記載のプロセス。 ３．曝気第１期の間、メタノール、エタノール、酢酸塩及びメタンからなる群か ら選択される外部炭素源が、流入廃水と共に反応器に供給される請求項２に記載 のプロセス。 ４．沈殿段階の後半部及び放流段階の間、酢酸塩、プロピオン酸塩、吉草酸塩及 びグルコースからなる群から選択される揮発性脂肪酸が、流入廃水と共に反応器 に供給される請求項２に記載のプロセス。 ５．廃水の生物学的酸化とスラッジの好気的安定化が前記の反応器内で同時に行 われる請求項１又は２に記載のプロセス。 ６．スラッジが前記の曝気段階において廃棄される請求項１に記載のプロセス。 ７．曝気第２においてスラッジが廃棄され、それによって窒素とリンが除去され る請求項２に記載のプロセス。 ８．曝気、沈殿及び放流の各段階の時間を変えることにより、嵐の天候条件下に おけるのと同様に、乾期及び雨期の天候下においても流入廃水のバイパスをする ことなく、及び使用される請求項１又は２に記載のプロセス。 ９．前記の放流段階が、廃水中に懸濁している残渣及びスカムを除去するための 装備が具備した流出水デカンタを使用して行われる請求項１又は２に記載のプロ セス。 １０．前記の反応器が部分立設壁を含む請求項１又は２に記載のプロセス。 １１．曝気段階において、石灰、明礬、塩化第二鉄、塩化第一鉄、硫酸第二鉄及 び硫酸第一鉄からなる群から選択される化学的凝集剤が前記の反応器に添加され る請求項１又は２に記載のプロセス。