JP2006088057A - アンモニア含有水の処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 硝化槽で亜硝酸型硝化を行って、その後の脱窒処理により、残留窒素のない良好な水質の処理水を得る。
【解決手段】 硝化槽の生物担体としてスポンジ状の生物担体を用いると共に、硝化槽を３〜５ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・日の窒素負荷で運転することにより、原水中のアンモニア性窒素の約６割を亜硝酸性窒素に酸化するアンモニア含有水の処理方法。この硝化液をＡＮＡＭＭＯＸ菌により脱窒処理することにより、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とをほぼ完全に反応させて、残留窒素の殆どない良好な処理水を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アンモニア含有水をアンモニア酸化細菌の存在下に曝気して硝化する方法に係り、特に、この硝化槽において、アンモニア含有水中のアンモニア性窒素の約６割を亜硝酸性窒素に酸化することにより、アンモニア性窒素を電子供与体とし、亜硝酸性窒素を電子受容体とする脱窒細菌による脱窒処理の原水として好適な硝化液を得るアンモニア含有水の処理方法に関する。

排水中に含まれるアンモニア性窒素は河川、湖沼及び海洋などにおける富栄養化の原因物質の一つであり、排液処理工程で効率的に除去する必要がある。一般に、排水中のアンモニア性窒素は、アンモニア性窒素をアンモニア酸化細菌により亜硝酸性窒素に酸化し、更にこの亜硝酸性窒素を亜硝酸酸化細菌により硝酸性窒素に酸化する硝化工程と、これらの亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素を従属栄養性細菌である脱窒菌により、有機物を電子供与体（酸素受容体）として利用して窒素ガスにまで分解する脱窒工程との２段階の生物反応を経て窒素ガスにまで分解される。電子供与体である有機物としては、メタノール、酢酸などの生分解性有機物を人為的に添加する場合と、排水中に含まれるＢＯＤ成分を利用する場合とがある。

このような硝化脱窒処理では、アンモニア性窒素を酸化するために必要な曝気動力が運転コストのうちの大部分を占めている。

曝気のためのコストを低減する方法として、硝酸性窒素を生成させず、亜硝酸性窒素を生成させ、亜硝酸性窒素を脱窒する方法が考えられるが、従来においては、硝化工程において安定的に亜硝酸性窒素を生成させる亜硝酸型硝化を行うことが困難であった。即ち、硝化工程における硝化細菌を含む活性汚泥は、通常、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素に酸化する細菌類（Nitrosomonas sp.）と、亜硝酸性窒素を硝酸性窒素に酸化する細菌類（Nitrobacter sp.）とが混在しているため、アンモニア性窒素を選択的に亜硝酸性窒素に酸化することは非常に難しい。

一方、近年、アンモニア性窒素を電子供与体とし、亜硝酸性窒素を電子受容体とする独立栄養性微生物（以下「ＡＮＡＭＭＯＸ菌」と称す場合がある。）を利用し、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを反応させて脱窒する方法が提案された。この方法であれば、有機物の添加は不要であるため、従属栄養性の脱窒菌を利用する方法と比べて、コストを低減することができる。また、独立栄養性の微生物は収率が低く、汚泥の発生量が従属栄養性微生物と比較すると著しく少ないので、余剰汚泥の発生量を抑えることができる。更に、従来の硝化脱窒法で観察されるＮ_２Ｏの発生がなく、環境に対する負荷を低減できるといった特長もある。

このＡＮＡＭＭＯＸ菌を利用する生物脱窒プロセスは、Strous, M, et al., Appl. Microbiol. Biotecnol., 50, p.589-596 (1998)に報告されており、以下のような反応で、１当量のアンモニア性窒素を１．３倍当量の亜硝酸性窒素と反応させて窒素ガスに分解する生物反応である。
NH₄ ⁺+1.32NO₂ ^-+0.066HCO₃ ^-+0.13H⁺
→1.02N₂+0.26NO₃ ⁻+0.066CH₂O_0.5N_0.15+2.03H₂O ………（１）

従って、ＡＮＡＭＭＯＸ菌を利用する生物脱窒処理において、処理対象となる原水は、１当量のアンモニア性窒素と１．３倍当量の亜硝酸性窒素を含む水であることが好ましく、このような水を得るためには、アンモニア性窒素を含む排水をアンモニア酸化細菌の存在下に曝気して好気性処理を行い、アンモニア性窒素の約６割を亜硝酸性窒素に部分酸化することが望まれる。従って、この場合には、排水中のアンモニア性窒素をアンモニア酸化細菌により処理するにあたり、アンモニア性窒素の約６割を酸化すること、しかも、硝酸性窒素にまで酸化することなく、酸化を亜硝酸性窒素で止める亜硝酸型硝化を行う必要がある。

しかしながら、前述の如く、アンモニア性窒素を選択的に亜硝酸性窒素に酸化する亜硝酸型硝化を行うことは困難であり、まして、アンモニア性窒素の所定量のみをアンモニア性窒素に酸化することは非常に難しい。硝化槽の溶存酸素（ＤＯ）濃度を制御することにより、亜硝酸型硝化が達成できるとの知見も報告されているが、実用上、硝酸性窒素の生成をほぼ完全に抑制することはできていない。これは、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素に酸化する細菌類（Nitrosomonas sp.）と、亜硝酸性窒素を硝酸性窒素に酸化する細菌類（Nitrobacter sp.）は殆ど同様の棲息環境で増殖するため、ｐＨやＤＯなどを多少変化させても通常の硝化槽の運転条件の範囲内では、選択的に亜硝酸酸化細菌を抑制することは困難であることに起因している。

一方、特開２０００−６１４９４号公報には、硝化槽当たりのアンモニア性窒素負荷を１．５〜２．５ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・日に維持すると共に、硝化槽内のアンモニア性窒素濃度を２５０〜５５０ｍｇ／Ｌに維持することにより、亜硝酸型硝化反応が保持できると記載されている。しかしながら、この方法では、アンモニア態窒素濃度を２５０ｍｇ／Ｌ以下に処理することができず、後段で脱窒処理を行って硝化液中の硝酸性窒素及び亜硝酸性窒素をほぼ完全に除去できたとしても、硝化液に残存しているアンモニア態窒素は、そのまま脱窒処理水中に残留することになり、排水処理としては不完全である。
特開２０００−６１４９４号公報 Strous, M, et al., Appl. Microbiol. Biotecnol., 50,p.589-596 (1998)

本発明は上記従来の問題点を解決し、硝化槽で亜硝酸型硝化を行って、その後の脱窒処理により、残留窒素のない良好な水質の処理水を得ることができるアンモニア含有水の処理方法を提供することを目的とする。

本発明のアンモニア含有水の処理方法は、アンモニア性窒素を含有する原水を生物担体が投入された硝化槽に導入して処理する方法において、該生物担体としてスポンジ状の生物担体を用いると共に、該硝化槽を３〜５ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・日の窒素負荷で運転することにより、該原水中のアンモニア性窒素の約６割を亜硝酸性窒素に酸化することを特徴とする。

なお、本発明において、上記「約６割」とは、一般に、５０〜７０モル％の範囲を包含する。

本発明に従って、スポンジ状の生物担体を用いて、３〜５ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・日という大きな窒素負荷で硝化槽を運転することにより、硝酸性窒素の生成を抑えた上で、原水中のアンモニア性窒素の約６割を亜硝酸性窒素に酸化することができる。この硝化液をＡＮＡＭＭＯＸ菌により脱窒処理することにより、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とをほぼ完全に反応させて、残留窒素の殆どない良好な処理水を得ることができる。

本発明において、スポンジ状の生物担体を用いることは、本発明による亜硝酸型硝化の維持のために重要である。即ち、浮遊菌体を用いる場合では硝化槽のＤＯ濃度を厳密に一定濃度（例えば、１．０ｍｇ／Ｌ以下程度）に制御しないと、亜硝酸酸化細菌が増殖して硝酸性窒素が増加し、最終的には硝酸型の硝化反応になってしまうが、実際の排水では、原水の流入水量、窒素濃度が時々刻々と変動するため、硝化槽内のＤＯを厳密に制御することは実用上は困難であり、亜硝酸型の硝化を長期間にわたって維持することは困難である。

しかし、スポンジ状の断片を生物担体として利用することにより、硝化槽のＤＯを厳密に制御しなくても、硝化槽を通常の曝気撹拌状態に保持するのみで、硝酸性窒素の生成を、原水中のアンモニア性窒素の約１％程度に抑えて、安定な亜硝酸型硝化を行うことができる。これは、スポンジ状の断片を生物担体として用いた場合には、硝化槽内のＤＯが３〜４ｍｇ／Ｌ程度になった場合でも、担体に付着した生物膜の内部にまでＤＯが到達することができず、このため、亜硝酸酸化細菌の活動、増殖が抑制されることにより、亜硝酸型硝化が維持されることによる。

なお、本発明を適用しても、硝化液中には、３〜７ｍｇ／Ｌ程度の硝酸性窒素が検出されることから、亜硝酸酸化細菌は系内の生物群の中で全く増殖できない、或いは死滅した訳ではなく、単にその活動、増殖が抑制されているのみであると判断される。

また、本発明では、このように亜硝酸型硝化条件が維持されている硝化槽を、３〜５ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・日の高負荷で運転することにより、アンモニア性窒素の約６割のみを亜硝酸性窒素に酸化し、約４割のアンモニア性窒素をそのまま残すことができ、このような割合でアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を含む硝化液は、ＡＮＡＭＭＯＸ菌による脱窒処理の原水として好適である。

なお、以下において、本発明により原水中のアンモニア性窒素の約６割を亜硝酸性窒素に酸化する亜硝酸型硝化を「部分亜硝酸型硝化」と称す場合がある。

本発明において、硝化槽内の残留アンモニア性窒素濃度は５０ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上となるように調節することが好ましく、これにより、亜硝酸酸化細菌の活動をより一層確実に阻害して、長期に亘り安定かつ効率的に部分亜硝酸型硝化を行うことができる。即ち、同じ濃度のアンモニア性窒素が存在した場合、亜硝酸酸化細菌はアンモニア酸化細菌よりもアンモニア性窒素からの阻害を強く受けるため、このような条件を維持することにより、亜硝酸型硝化を安定化させることができる。

本発明において、硝化槽から流出する亜硝酸性窒素を含む硝化液は、更に、ＡＮＡＭＭＯＸ菌により脱窒処理することが好ましい。

本発明のアンモニア含有水の処理方法によれば、硝化槽において安定な部分亜硝酸型硝化を行って、原水中のアンモニア性窒素の約６割を亜硝酸性窒素に酸化することができる。この硝化槽で得られたアンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素を含む硝化液は、ＡＮＡＭＭＯＸ菌による脱窒処理に適しており、硝化液をＡＮＡＭＭＯＸ菌で脱窒処理することにより、残留窒素濃度が著しく低減された高水質処理水を得ることができる。

以下に本発明の窒素含有排水の処理方法の実施の形態を詳細に説明する。

本発明においては、硝化槽に生物担体としてスポンジ状の生物担体を投入し、３〜５ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・日の窒素負荷でアンモニア含有水の硝化処理を行うことにより、原水中のアンモニア性窒素の約６割を亜硝酸性窒素に酸化する部分亜硝酸型硝化を行う。

本発明で用いるスポンジ状の生物担体としては特に制限はなく、ポリウレタンフォーム、ポリビニルアルコール発泡体等を用いることができる。このスポンジ状の生物担体は、前述の亜硝酸型硝化の維持効果を得るために、気孔率１０〜９０％、嵩比重０．８〜１．５ｇ／ｃｍ^３で、寸法（一辺の大きさ又は粒径）０．１〜２０ｍｍ程度であることが好ましい。

また、このようなスポンジ状の生物担体の投入量には特に制限はないが、硝化槽の有効容積に対して５〜４０体積％程度とすることが好ましい。

このようなスポンジ状の生物担体は、硝化槽内の曝気流により流動して原水と効率的に接触することができ、高い硝化効率を得ることができる。なお、硝化槽の流出口側には、スポンジ状の生物担体の流出防止のためのスクリーン等の担体の流出防止手段を設けておくことが好ましい。

なお、本発明においては、より一層安定な部分亜硝酸型硝化を行うために、硝化槽内のアンモニア性窒素濃度が５０ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上となるように調節することが好ましい。

本発明においては、スポンジ状の生物担体を用い、窒素負荷を制御することにより、部分亜硝酸型硝化を安定かつ確実に行うことができるため、硝化処理条件としては、亜硝酸型硝化のための厳密な制限を行う必要はないが、好ましくは、アンモニア酸化細菌の活性を高く維持し、かつ亜硝酸酸化細菌の活性が低くなるように、硝化槽内の液ｐＨは５〜９、特に７〜８、ＤＯ濃度は０〜６ｍｇ−Ｎ／Ｌ、温度が１０〜４０℃、特に２０〜３５℃になるように制御するのが好ましい。

本発明において、このような硝化槽で部分亜硝酸型硝化を行って得られたアンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素を含む硝化液は、ＡＮＡＭＭＯＸ菌による脱窒処理に好適であり、従って、この硝化液は次いでＡＮＡＭＭＯＸ菌による脱窒処理を行うことが好ましい。この場合、硝化液中のアンモニア性窒素濃度と亜硝酸性窒素濃度との比は前述のＡＮＡＭＭＯＸ反応当量とほぼ一致するため、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素の濃度比を調節する必要はなく、そのまま、ＡＮＡＭＭＯＸ菌による脱窒反応の原水とすることができる。

ＡＮＡＭＭＯＸ菌による脱窒槽の反応槽の型式には特に制限はなく、汚泥懸濁方式の他、固定床、流動床、グラニュール法、担体添加法等の生物膜法によるものであっても良い。ＡＮＡＭＭＯＸ脱窒槽の後段には、沈殿槽、膜分離装置などの固液分離装置を設けても良い。また、ＡＮＡＭＭＯＸ脱窒槽は窒素ガスを用いたガスリフト型反応槽であっても良く、ＡＮＡＭＭＯＸ菌のグラニュール汚泥床を形成したＵＳＢ（Upflow Sludge Bed；上向流汚泥床）反応槽であっても良い。このような反応槽であれば、後段の沈殿槽を省略することができる。

ＡＮＡＭＭＯＸ菌による脱窒槽の好適な反応条件は次の通りである。
ｐＨ ：６〜９、特に６．５〜８．０
ＤＯ濃度 ：０〜２．５ｍｇ／Ｌ、特に０〜０．２ｍｇ／Ｌ
温度 ：１０〜４０℃、特に２０〜３５℃
ＢＯＤ濃度：０〜５０ｍｇ／Ｌ、特に０〜２０ｍｇ／Ｌ
窒素負荷 ：０．１〜１０ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・ｄａｙ、特に０．２〜５ｋｇ−
Ｎ／ｍ^３・ｄａｙ

このＡＮＡＭＭＯＸ菌による脱窒槽の後段には更に残留窒素を除去するための脱窒槽を設けても良いが、ＡＮＡＭＭＯＸ菌による脱窒槽の処理水の窒素除去率が例えば８０％以上と高く、残留窒素が殆どない場合には、このような後段の脱窒槽は不要である。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

実施例１
図１に示す如く、発泡ウレタンフォーム（気孔率５０％、嵩比重１．１ｇ／ｃｍ^３）を３ｍｍ角に切断したものを担体１として、硝化槽２の容量に対して３０％量投入し、底部より散気球３を用いて曝気を行った。この硝化槽２の流出口側には、担体１の流出を防止するために、スクリーン４を設けた。この硝化槽２に、定量ポンプ５により、硫酸アンモニウムを主成分とする合成排水（ＮＨ_４−Ｎとして７００ｍｇ／Ｌ）を原水として、原水槽６から連続通液して硝化処理を行った。なお、硝化槽２は温水浴槽に浸漬し、槽内温度を３０℃に維持した。また、硝化反応により、硝化槽２内液のｐＨが低下するのでｐＨ調節器を設置し、アルカリ（ＮａＯＨ）を添加して硝化槽内液のｐＨを７．５前後に維持した。硝化槽２内のＤＯ濃度は４．０ｍｇ／Ｌであった。

窒素負荷が３ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・ｄａｙ（ＨＲＴ＝５．５ｈｒ）を超える３５ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・ｄａｙ（ＨＲＴ＝４．８ｈｒ）の条件において、処理水のアンモニア性窒素濃度は３００〜３５０ｍｇ／Ｌ前後、亜硝酸性窒素濃度は３５０〜４００ｍｇ／Ｌ前後であった。また硝酸性窒素濃度は５〜１０ｍｇ／Ｌであり部分亜硝酸型硝化が維持できた（Ｒｕｎ１）。

硝化槽の流入水のアンモニア性窒素濃度を２５０ｍｇ／Ｌに下げ、窒素負荷を３ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・ｄａｙを超える３．５ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・ｄａｙ（ＨＲＴ＝１．７ｈｒ）としたところ、硝化槽内のアンモニア性窒素濃度が８０〜１００ｍｇ／Ｌ程度、亜硝酸性窒素濃度が１４０〜１６０ｍｇ／Ｌ程度となった。処理水の硝酸性窒素濃度は１０〜１５ｇ／Ｌと低濃度に維持され、部分亜硝酸型硝化が維持された（Ｒｕｎ２）。

上記Ｒｕｎ１及びＲｕｎ２の処理水の結果をまとめると、表１に示す通りであり、いずれの場合も、原水中のアンモニア性窒素の約６割が亜硝酸性窒素に酸化された。

実施例２
実施例１のＲｕｎ１及びＲｕｎ２で得られた処理水を、それぞれＡＮＡＭＭＯＸ菌を保持した脱窒槽に導入して脱窒処理したところ、得られた処理水中のＮＯ_２−Ｎ濃度、ＮＯ_３−Ｎ濃度及びＮＨ_４−Ｎ濃度は表２に示す通りであり、良好な処理水が得られた。

比較例１
実施例１のＲｕｎ１及びＲｕｎ２において、硝化槽の負荷を２．５ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・ｄａｙとしたこと以外はそれぞれ同様にして処理を行ったところ、いずれの場合も、原水中のアンモニア性窒素の約８０％がアンモニアのまま残留した。この硝化液を、それぞれＡＮＡＭＭＯＸ菌を保持した脱窒槽に導入して脱窒処理したところ、得られた処理水中のＮＯ_２−Ｎ濃度、ＮＯ_３−Ｎ濃度及びＮＨ_４−Ｎ濃度は表３に示す通りであり、良好な処理水は得られなかった。

比較例２
実施例１のＲｕｎ１，２において、硝化槽の負荷を６．０ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・ｄａｙとしたこと以外はそれぞれ同様にして処理を行ったところ、いずれの場合も原水の約８０％がアンモニアのまま残留した。この硝化液をそれぞれＡＮＡＭＭＯＸ菌を保持した脱窒槽に導入して脱窒処理を行ったところ、表４のように良好な処理水質は得られなかった。

実施例１で用いた硝化装置を示す概略的な構成図である。

符号の説明

１ 担体
２ 硝化槽
３ 散気球
４ スクリーン
５ 定量ポンプ
６ 原水槽

Claims (3)

1. アンモニア性窒素を含有する原水を生物担体が投入された硝化槽に導入して処理する方法において、
   該生物担体としてスポンジ状の生物担体を用いると共に、該硝化槽を３〜５ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・日の窒素負荷で運転することにより、該原水中のアンモニア性窒素の約６割を亜硝酸性窒素に酸化することを特徴とするアンモニア含有水の処理方法。
2. 請求項１において、該硝化槽内のアンモニア性窒素の残留濃度を５０ｍｇ／Ｌ以上とすることを特徴とするアンモニア含有水の処理方法。
3. 請求項１又は２において、該硝化槽から流出する硝化液を、アンモニア性窒素を電子供与体とし、亜硝酸性窒素を電子受容体とする脱窒細菌の作用により脱窒することを特徴とするアンモニア含有水の処理方法。

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