JP2007296499A

JP2007296499A - 排水処理法

Info

Publication number: JP2007296499A
Application number: JP2006128833A
Authority: JP
Inventors: Akira Era; 彰恵良
Original assignee: Organo Corp; Japan Organo Co Ltd
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2007-11-15

Abstract

【課題】流動床式の窒素含有排水処理工程を改善する。
【解決手段】本発明によって提供される窒素含有排水の処理方法の一例は、窒素含有排水に含まれるアンモニア態窒素や有機態窒素を硝化菌により硝酸態窒素や亜硝酸態窒素へと酸化する硝化工程と、硝化工程の処理水に水素供与体を添加することでその処理水を嫌気条件下に晒し、脱窒菌によって硝酸態窒素等を窒素へと還元して窒素を除去する脱窒工程と、脱窒工程において残留した水素供与体を好気性微生物により分解する再曝気工程とを有し、脱窒工程において第1の孔を有する多孔質からなる第1の流動担体を被処理水中に流動させ、再曝気工程において第1の孔より大きい第2の孔を有する多孔質からなる第２の流動担体を被処理水中に流動させ、第１の孔は、脱窒菌が棲息しうると共に脱窒菌が第1の流動担体の奥深くに入り込まないように形成され、第2の孔は、脱窒菌を捕食する原生動物が棲息しうるように形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒素を含む排水の処理に関し、特に窒素を微生物を用いる硝化脱窒処理に関する。

従来より、排水中の窒素を除去する方法として、生物学的窒素除去が用いられている。生物学的脱窒とは、嫌気性細菌である脱窒菌の無酸素状態における硝酸呼吸を利用して、窒素を除去するものである。生物学的脱窒においては、まず、排水を好気条件下で硝化処理して排水中のアンモニア態窒素を亜硝酸態窒素や硝酸態窒素とする。（亜硝酸態窒素や硝酸態窒素は、単に硝酸態窒素又は硝酸と呼ばれることもある。）続いて、硝化処理された処理水に、メタノールなどの水素供与体を添加して無酸素状態にすることにより、脱窒処理を行う。そして、この生物学的脱窒素処理等の生物処理においては、微生物を浮遊させた状態で処理を行う浮遊式の活性汚泥法や、槽内に充填・固定された微生物保持用充填材を利用する固定床式、槽内に投入されて流動する３〜１０ｍｍ程度の大きさの流動担体を利用する流動床式がある。

流動床式では、微生物が流動担体表面で増殖しながら硝化や脱窒を行うと共に、微生物が流動担体表面から適宜剥離していくため、処理能力が長期間に渡って安定的に維持されると共に、処理水中の汚泥量も概ね安定するという特徴を有する。流動床式は、浮遊式のように広大な沈殿池を必要としないことや、固定式のように充填材に過剰に付着した汚泥を排出するための逆洗を必要としないことから、設置面積及び処理能力の点で、優れた方式と言える。

特許第３０１９１２７号公報の段落０００６，段落００１７及び図１には、脱窒・硝化をこの順番で行い、脱窒槽および硝化槽にポリビニルフォルマールからなる流動担体を投入し、硝化処理水中の浮遊物は沈殿池を用いて沈降除去する窒素除去装置が記載されている。

特開２００１−２５９６８３号公報の要約には、流動床式の硝化槽および脱窒槽を備える窒素除去装置であって、該窒素除去装置の排水に、無機凝集剤や高分子凝集剤を加えて、凝集沈殿を行うことによってリンを除去する窒素除去装置が記載されている。
特許第３０１９１２７号公報特開２００１−２５９６８３号公報

脱窒工程を流動床式によって行う場合、孔径５０〜２０００μｍのように、比較的孔径の大きな担体を脱窒槽に採用すると、脱窒を行う微生物が孔の奥深くまで入り込むとともに、被処理水中の酸化態窒素および水素供与態も担体内部まで拡散しやすいため、結果として担体内部での窒素ガス発生が起こり易い。このように、担体内部での窒素ガス発生が生じると、担体が水面へ浮かび上がってしまい、流動不良の状態となり、処理性能が著しく低下する。一旦浮上した担体を再度液中へ吸い込んで流動させるためには、過大なエネルギーが必要である。この問題を解決するために、大きなドラフトチューブを回転させ、遠心力によって水流を形成させるとともに、担体内部のガスを脱泡するという手法も考えられるが、必要なエネルギーが大きくなる場合があった。

一方、孔径が５０μｍ以下となる、比較的孔径の小さい担体を使用した場合には、脱窒菌が担体の奥深くまで入り込むことがないため、上記のような問題は発生せず、担体は脱窒槽の中で良好な流動性を保つことができる。しかし、孔径が小さいと、孔の中に、脱窒菌を捕食する原生動物（これらの大きさは概ね５０μｍ以上である）が生息することができなくなる。その結果、原生動物の捕食による汚泥発生量の削減効果が得られなくなり、微生物由来のＳＳ（Suspended Solids，水中に浮遊又は懸濁している直径２ｍｍ以下の粒子状物質）発生量が増加する。増殖した微生物は、フロック化しにくく、白濁し、分散した状態で処理水中へ流出するため、後段のＳＳ除去設備でのＳＳ除去が困難になり、必要な凝集剤の量が増えかねない。

かかる問題を解決するため、発明者が鋭意検討した結果、脱窒工程において、比較的孔径の小さな孔を有する多孔質からなる第１の流動担体を用いて脱窒を行うと共に、脱窒工程後に残留した残留水素供与体を好気性微生物により分解する工程において、比較的孔径の大きな孔を有する多孔質からなる第２の流動担体を、再曝気槽に流動させることにより、上記の問題を解決することができることを見出した。
ここで、第１の流動担体の孔は、脱窒菌が棲息しうるものの、担体の奥深くまで入り込めない程度の大きさに形成されることが好ましい。また、第２の流動担体の孔は、脱窒菌を捕食する原生動物が棲息しうるような大きさに形成されることが好ましい。

本発明によれば、脱窒工程において孔径の小さな流動担体を採用することにより、脱窒菌が担体の奥深くまで入り込むことが困難になると共に、担体内部への酸化態窒素および水素供与態の拡散が起こり難くなる。このため、ガス発生に伴う担体の浮上や流動不良が起こり難くなり、低い攪拌動力でも良好な担体流動を確保することができ、結果として、脱窒能力を安定的に持続させることができる。脱窒工程において使用する担体の孔径は、脱窒菌の大きさを考慮すると、５０μｍ以下であることが好ましく、より好適には、１〜５０μｍであることが好ましい。

さらに本発明によれば、脱窒工程後の工程において、脱窒菌を捕食する原生動物が棲息しうる大きさの孔を備える多孔質からなる第２の流動担体を、再曝気槽に流動させるため、このような原生動物を担体に棲息させることができる。すると、脱窒槽から流出し分散した脱窒菌を、この原生動物が捕食するため、脱窒菌由来の汚泥発生量が大きく低減することになる。さらに、第２の流動担体から剥落するフロックは、これが比較的粗大であるため、汚泥の凝縮性・沈降性が大きく向上する。従って、ＳＳ除去設備における凝集剤の量を減らすことができ、沈殿槽の大きさを小さく抑えることができる。工程において使用する担体の孔径は、原生動物の大きさを考慮すると、５０μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは５０〜５００μｍであることが好ましい。

従って、本発明を公知のＳＳ除去装置と組み合わせると、全体として、装置の小型化、処理水水質の向上、及び、薬品量・汚泥発生量の減少に伴うランニングコストの低減を図ることができる。
本発明と組み合わせるＳＳ除去装置は、沈降式・加圧浮上式など特に制限されないが、本発明は、超高速凝集沈殿法によるＳＳ除去との組み合わせに最適である。
超高速凝集沈殿法では、混和槽で被処理水に凝集剤と沈降促進剤を混入することでフロックの沈降速度を増大させ、沈殿槽においてＳＳを高速に沈殿分離する。沈殿汚泥は、サイクロンによる遠心分離等により沈降促進剤と汚泥に分離され、分離汚泥は改めて濃縮槽で再濃縮される。
超高速凝集沈殿法では、分離汚泥の沈降速度が小さくなることが多く、被処理水に含まれるＳＳの量が多くなると、分離汚泥の濃縮のために大きな濃縮槽が必要になる場合がある。このような場合には、凝集沈殿を高速で行うことができ、装置を小型化できるという超高速凝集沈殿法の特長を十分に発揮することができない。そのため、生物処理の後段に当該超高速凝集沈殿法を適用する場合、ＳＳ濃度が500 mg/l以下、好ましくは300 mg/l 以下、より好ましくは50〜100 mg/lの被処理水に対して特に有効である。

しかし本発明によれば、処理後の排水のＳＳは粗大なフロック状であり、また、SS濃度を減少させることができるため、ＳＳ除去の方法として超高速凝集沈殿法にもよく適合し、超高速凝集沈殿法の特長である高速な凝集沈殿という利益を享受することができる。

再曝気槽では、好気性微生物に酸素を供給するために、曝気を行なう必要があるが、この際に、被処理水中の二酸化炭素が大気中に放出される。すると、被処理水のｐＨが徐々に上昇することとなるが、被処理水中にカルシウムイオンが含まれる場合は、ｐＨの上昇は次のような問題を生ずることがある。すなわち、ｐＨが上昇すると、被処理水のカルシウムイオンと、水素供与体が分解されて生成した炭酸イオンとが結合して、炭酸カルシウムが発生し、これが再曝気槽の流動担体の表面に付着し、担体の比重が上昇するために、流動性が著しく悪化し、処理性能が低下する。さらに、流動担体の表面に炭酸カルシウムが付着することにより、流動担体に原生動物が棲息し難くなってしまい、結果として原生動物による脱窒菌の捕食量が減少し、処理水中のＳＳ濃度の上昇を招く可能性がある。

そこで、処理対象の排水にカルシウムイオンが含まれている場合は、再曝気槽において、被処理水中のｐＨを監視し、ｐＨが所定の値よりも上昇した場合は、処理水に酸を加えてｐＨを下げるようにすることが好ましい。

本発明は、その具体的態様の一つに、次のような窒素含有排水の処理方法を含む。この方法は、
・前記窒素含有排水に含まれるアンモニア態窒素及び／又は有機態窒素を硝化菌により硝酸態窒素及び／又は亜硝酸態窒素へと酸化する硝化工程と、
・前記硝化工程の処理水に水素供与体を添加することで前記硝化工程の処理水を嫌気条件下におき、脱窒菌によって前記硝酸態窒素及び／又は前記亜硝酸態窒素を窒素へと還元して、前記窒素を除去する脱窒工程と、
・前記脱窒工程において残留した前記水素供与体を好気性微生物により分解する再曝気工程と、
を有し、
・前記脱窒工程において、第1の孔を有する多孔質からなる第1の流動担体を被処理水中に流動させ、
・前記再曝気工程において、前記第1の孔より大きい第2の孔を有する多孔質からなる第２の流動担体を被処理水中に流動させ、
・前記第1の孔は、前記脱窒菌が棲息しうると共に、前記脱窒菌が前記第1の流動担体の奥深くに入り込まないように形成され、
・前記第2の孔は、前記脱窒菌を捕食する原生動物が棲息しうるように形成される、
ことを特徴とする。

本発明は、その具体的態様の一つに、次のような窒素含有排水の処理装置を含む。この処理装置は、
・前記窒素含有排水に含まれるアンモニア態窒素及び／又は有機態窒素を硝化菌により硝酸態窒素及び／又は亜硝酸態窒素へと酸化する硝化槽と、
・前記硝化槽の処理水に水素供与体を添加することで前記硝化工程の処理水を嫌気条件下におき、脱窒菌によって前記硝酸態窒素及び／又は前記亜硝酸態窒素を窒素へと還元して、前記窒素を除去する脱窒槽と、
・前記脱窒工程において残留した前記水素供与体を好気性微生物により分解する再曝気槽と、を有し、
・第1の孔を有する多孔質からなる第1の流動担体を前記脱窒槽中に流動させ、
・前記第1の孔より大きい第2の孔を有する多孔質からなる第２の流動担体を前記再曝気槽中に流動させ、
・前記第1の孔は、前記脱窒菌が棲息しうると共に、前記脱窒菌が前記第1の流動担体の奥深くに入り込まないように形成され、
・前記第2の孔は、前記脱窒菌を捕食する原生動物が棲息しうるように形成される、
窒素含有排水の処理装置。
ことを特徴とする。

以下、本発明の理解を助けるために、本発明の実施態様の一例を、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明を適用した排水処理施設の例である排水処理施設１０の概略を描いた図である。

排水処理施設１０は、硝化槽１０１，脱窒槽１１１，残留メタノールを除去する再曝気槽１２１，ＳＳ除去装置１３１等を備える。排水処理施設１０で処理される排水は、まず硝化槽１０１へと流入させられる。硝化槽１０１では、排水に含まれるアンモニア態窒素や有機態窒素が、硝化菌により硝酸態窒素及び／又は亜硝酸態窒素へと酸化される。硝化槽１０１は流動床式であり、その表面に硝化菌が付着生育する多数の流動担体１０３が、曝気装置１２５により生起される水流によって、槽内を流動している。流動担体１０３の材料は、特に限定されるものではなく、セルロース、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタンなどからなる多孔質体や、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールなどからなるゲル状体などが挙げられる。

硝化槽１０１においては、アンモニア態窒素などの硝化によって、ｐＨが低下する。ところが、ｐＨが低下すると、硝化菌の活性が阻害されるため、必要に応じて水酸化ナトリウムなどのアルカリ剤を添加し、槽内のｐＨを中性付近に維持するようにしている。この目的のため、硝化槽１０１には、槽内のｐＨを測定するｐＨセンサー１０７が設置され、ｐＨの低下が検出された場合には、アルカリ剤貯槽からアルカリ剤をアルカリポンプにより硝化槽１０１に供給するように構成されている。

硝化槽１０１で処理された処理水は、次に脱窒槽１１１に被処理水として導入される。脱窒槽１１１では、被処理水にメタノールを供給することにより、被処理水を嫌気条件下におくとともに、脱窒菌によって被処理水中の硝酸態窒素や亜硝酸態窒素を窒素ガスへと還元することにより、被処理水中の窒素を除去する。この還元反応に付随して、メタノールも消費される。脱窒槽１１１も、硝化槽１０１と同様に流動床式であり、多数の流動担体１１３が、攪拌装置１１５が生成する水流によって、槽内を流動している。流動担体１１３の表面には多数の孔が形成されており、その孔内に脱窒菌を棲息させることが可能である。しかし、流動担体１１３の孔は、脱窒菌が担体の奥深くまで入り込めないような大きさに形成されている。このため流動担体１１３の奥深くでは窒素ガス生成が起こらず、担体内部に窒素ガスが溜まりにくい。従って、担体内部にガスが溜まって担体が水面に浮かび上がり、流動不良の状態になることは殆どない。このため流動担体１１３は、常に良好な流動を保つことができ、脱窒槽１１１は安定した脱窒能力を長期に渡って維持することができる。流動担体１１３としては、孔径１〜２０μｍのポリビニルアルコールゲル状担体のようなものが好適である。

脱窒槽１１１においては、脱窒反応に伴ってｐＨが上昇するが、ｐＨが上昇すると、脱窒菌の活性が阻害されるため、必要に応じて塩酸などの酸を添加し、槽内のｐＨを中性付近に維持するようにしている。この目的のため、脱窒槽１１１には、槽内のｐＨを測定するｐＨセンサー１１７が設置され、ｐＨの上昇が検出された場合には、塩酸貯槽から塩酸をポンプにより脱窒槽１１１に供給するように構成されている。

脱窒槽１１１で処理された処理水は、次に再曝気槽１２１に被処理水として導入される。脱窒槽１１１の処理水には、脱窒反応で余ったメタノールが残留しており、また、脱窒反応に伴い増殖した脱窒菌が、分散し、白濁した状態で混入している。残留メタノールは、好気性微生物により被処理水中から除去される。さらに残留メタノール除去槽１２１には、脱窒菌を捕食する原生動物が棲息しうる大きさの孔を有する多孔質からなる流動担体１２３が投入され、曝気装置１２５により生起される水流によって、槽内を流動している。これらの原生動物が、流動担体１２３と共に槽内を流動しながら被処理水中に漂う脱窒菌を捕食するため、被処理水中から脱窒菌が除去され、脱窒菌由来の汚泥発生量を大きく低減させることができる。さらに、流動担体１２３から剥落する原生動物由来のフロックは粗大であるため、汚泥の凝縮性・沈降性が大きく向上する。流動担体１２３としては、孔径に捕食動物を棲息させることが十分可能であるように、孔径１００〜２００μｍのポリウレタンスポンジ担体のようなものが好適である。

再曝気槽121では、好気性微生物に酸素を供給するための曝気により、被処理水中に含まれる二酸化炭素が大気中に放出される。すると、被処理水のｐＨが徐々に上昇することとなるが、被処理水中にカルシウムイオンが含まれる場合は、ｐＨの上昇は次のような問題を生ずることがある。すなわち、ｐＨが上昇すると、被処理水のカルシウムイオンと、メタノール分解に伴い生成した炭酸イオンとが結合して、炭酸カルシウムが発生し、これが流動担体１２３の表面に付着し、原生動物が棲息できなくなってしまう。すると、原生動物による脱窒菌の捕食量も減少し、処理水中のＳＳ濃度が上がってしまう。比重が上昇し、流動性が悪化する。

そこで、残留メタノール除去槽１２１には、槽内のｐＨを測定するｐＨセンサー１２７が設置され、ｐＨの上昇が検出された場合には、塩酸貯槽から塩酸をポンプにより残留メタノール除去槽１２１に供給し、ｐＨの上昇を抑えるように構成されている。

再曝気槽１２１で処理された処理水は、ＳＳ除去装置１３１に導入される。ＳＳ除去装置は、超高速凝集沈殿式のＳＳ除去装置である。超高速凝集沈殿式のＳＳ除去装置は、高速な固液分離・小さな設置面積という利点を有するが、SS濃度が高い排水に対しては使用できないという欠点がある。しかし再曝気槽１２１の処理水中のＳＳは粗大なフロック状であり、また、原生動物の捕食作用によりＳＳが大幅に減少しているので、超高速凝集沈殿式のＳＳ除去装置を用いてＳＳ除去を行うことが可能である。

このように、排水処理施設１０は、残留メタノール除去槽１２１に、脱窒菌を捕食する原生動物が棲息しうる流動担体を投入することで、処理水中の脱窒菌由来のＳＳ濃度上昇を心配することなく、安定的な脱窒能力を長期間維持するために最適な孔径の流動担体を脱窒槽１１１に使用することを可能とすると共に、高速な固液分離・小さな設置面積を誇る超高速凝集沈殿式のＳＳ除去装置を使用することも可能としている。

以上、本発明の実施態様の一例を説明したが、本発明の実施態様が上記の例に限られるものではないことは当然であり、本発明は、その範囲を逸脱することなく、様々な実施態様を取ることが可能である。たとえば、排水処理施設１０における硝化槽１０１は、流動床式ではなく固定床式などでもよいし、ＳＳ除去装置１３１は、超高速凝集沈殿装置ではなく、加圧浮上式や通常の沈降式などによるＳＳ除去装置としてもよい。

本発明を適用した排水処理施設の例である排水処理施設１０の概略を描いた図である。

符号の説明

１０排水処理施設
１０１硝化槽
１０３流動担体
１０７ｐＨセンサー
１１１脱窒槽
１１３流動担体
１１５攪拌装置
１１７ｐＨセンサー
１２１残留メタノール除去槽
１２３流動担体
１２５曝気装置
１２７ｐＨセンサー
１３１ＳＳ除去装置

Claims

窒素含有排水の処理方法であって、
・前記窒素含有排水に含まれるアンモニア態窒素及び／又は有機態窒素を硝化菌により硝酸態窒素及び／又は亜硝酸態窒素へと酸化する硝化工程と、
・前記硝化工程の処理水に水素供与体を添加することで前記硝化工程の処理水を嫌気条件下におき、脱窒菌によって前記硝酸態窒素及び／又は前記亜硝酸態窒素を窒素へと還元して、前記窒素を除去する脱窒工程と、
・前記脱窒工程において残留した前記水素供与体を好気性微生物により分解する再曝気工程と、
を有し、
・前記脱窒工程において、第1の孔を有する多孔質からなる第1の流動担体を被処理水中に流動させ、
・前記再曝気工程において、前記第1の孔より大きい第2の孔を有する多孔質からなる第２の流動担体を被処理水中に流動させ、
・前記第1の孔は、前記脱窒菌が棲息しうると共に、前記脱窒菌が前記第1の流動担体の奥深くに入り込まないように形成され、
・前記第2の孔は、前記脱窒菌を捕食する原生動物が棲息しうるように形成される、
窒素含有排水の処理方法。
前記第1の孔は孔径５０μｍ以下であり、前記第2の孔は孔径５０μｍ以上である、請求項１に記載の方法。
前記窒素含有排水にカルシウムイオンが含まれている場合、前記再曝気工程において、該再曝気工程の処理水のｐＨを監視し、該ｐＨが所定の値よりも上昇した場合に、該除去工程の処理水に酸を加える、請求項１又は２に記載の方法。
前記再曝気工程の処理水に含有されるＳＳ（ＳｕｓｐｅｎｄｅｄＳｏｌｉｄｓ）を、超高速凝集沈殿法によって除去する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
窒素含有排水を処理する処理装置であって、
・前記窒素含有排水に含まれるアンモニア態窒素及び／又は有機態窒素を硝化菌により硝酸態窒素及び／又は亜硝酸態窒素へと酸化する硝化槽と、
・前記硝化槽の処理水に水素供与体を添加することで前記硝化工程の処理水を嫌気条件下におき、脱窒菌によって前記硝酸態窒素及び／又は前記亜硝酸態窒素を窒素へと還元して、前記窒素を除去する脱窒槽と、
・前記脱窒工程において残留した前記水素供与体を好気性微生物により分解する再曝気槽と、を有し、
・第1の孔を有する多孔質からなる第1の流動担体を前記脱窒槽中に流動させ、
・前記第1の孔より大きい第2の孔を有する多孔質からなる第２の流動担体を前記再曝気槽中に流動させ、
・前記第1の孔は、前記脱窒菌が棲息しうると共に、前記脱窒菌が前記第1の流動担体の奥深くに入り込まないように形成され、
・前記第2の孔は、前記脱窒菌を捕食する原生動物が棲息しうるように形成される、
窒素含有排水の処理装置。
前記第1の孔は孔径５０μｍ以下であり、前記第2の孔は孔径５０μｍ以上である、請求項５に記載の装置。
前記再曝気槽中に、該再曝気槽中の処理水のｐＨを監視するｐＨ計を備えると共に、該除去槽に酸を加える手段を備える、請求項５又は６に記載の装置。
前記再曝気工程の処理水に含有されるＳＳ（ＳｕｓｐｅｎｄｅｄＳｏｌｉｄｓ）を超高速凝集沈殿により除去するための、超高速凝集沈殿装置をさらに備えることを特徴とする、請求項５から７のいずれかに記載の装置。