JP4572504B2

JP4572504B2 - 生物脱窒方法

Info

Publication number: JP4572504B2
Application number: JP2003080541A
Authority: JP
Inventors: 元之依田
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP2004283758A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素を含有する原水を脱窒槽に供給し、該脱窒槽内の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して脱窒反応を行う独立栄養性脱窒微生物と接触させて生物学的に脱窒する方法に係り、特に、この方法において、脱窒槽で副生する硝酸性窒素を従属栄養性脱窒微生物で脱窒することにより、残留窒素の少ない高水質の処理水を得る生物脱窒方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排液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。
【０００３】
しかし、このような従来の硝化脱窒法では、脱窒工程において電子供与体としてメタノールなどの有機物を多量に必要とし、また硝化工程では多量の酸素が必要であるため、ランニングコストが高いという欠点がある。
【０００４】
これに対して、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（自己栄養細菌）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。
【０００５】
この独立栄養性脱窒微生物（以下「ＡＮＡＭＭＯＸ微生物」と称す場合がある。）による脱窒処理は、以下のようなＡＮＡＭＭＯＸ反応で進行する。
ＮＨ_４ ^＋＋１．３２ＮＯ^２−→Ｎ_２＋０．２６ＮＯ_３ ⁻＋２Ｈ_２Ｏ
【０００６】
ＡＮＡＭＭＯＸ微生物は絶対嫌気性微生物であり、微量の酸素で阻害を受けること、有機物が残留していると阻害を受けること、特に硫化水素が発生するような絶対嫌気性条件下では著しい阻害を受けることが知られている。しかしながら、排水中のアンモニア性窒素や有機性窒素の１／２を亜硝酸性窒素に硝化させるだけで、硝酸性窒素にまで酸化する必要がなく、酸素供給の点からも省エネルギー的であり、またこれまでの従属栄養性脱窒微生物の硝酸呼吸による脱窒反応のように水素供与体を必要とすることもないので、外部からメタノール等の水素供与体の添加が不要であること、更には独立栄養性脱窒微生物であることから、菌体転換率が小さく、余剰汚泥の発生量も極めて小さいなどの大きな利点があるため、効率的な排水処理プロセスとして期待されている。
【０００７】
ＡＮＡＭＭＯＸ微生物はガスの発生と穏やかな上向流の条件下で粒状のグラニュール（以下「ＡＮＡＭＭＯＸグラニュール」と称す場合がある。）を形成することが知られており、グラニュール形成により高負荷条件での運転が可能となる。従って、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物のグラニュール化は重要であり、グラニュール化を加速して確実に行うために種々の担体の適用や、立上げの初期に嫌気グラニュールや脱窒菌グラニュールを担体として利用することが提案されている（特開２００２−３４６５９３号公報）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−３４６５９３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述のＡＮＡＭＭＯＸ反応式から明らかなように、ＡＮＡＭＭＯＸ反応では１モルのアンモニア性窒素（ＮＨ_４ ^＋）と約１．３２モルの亜硝酸性窒素（ＮＯ_２ ⁻）との反応で反応生成物として１モルの窒素（Ｎ_２）が除去され、０．２６モルの硝酸性窒素（ＮＯ_３ ⁻）が残留するため、理論的な窒素除去率は最高８７％（２８／（１４＋１４×１．３）＝０．８７）である。即ち、硝酸性窒素の残留のために、窒素除去率の面で限界がある。
【００１０】
ＡＮＡＭＭＯＸ反応で生成する硝酸性窒素を除去するために、原水に有機物や水素などの電子供与体を添加して、ＡＮＡＭＭＯＸ脱窒槽内で通常の脱窒反応をも行う方法が考えられる。しかしながら、前述の如く、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物は、有機物により阻害を受け、また硫化水素によっても阻害を受ける上に、増殖速度が遅いため、有機物や水素を添加することは、従属栄養性細菌の増殖に負けてＡＮＡＭＭＯＸ微生物が減少し、ＡＮＡＭＭＯＸ反応が生じなくなるなどの問題がある。このようなことから、有機物や水素などの電子供与体を添加することにより、ＡＮＡＭＭＯＸ反応を維持したまま硝酸性窒素の脱窒を行うためには、アンモニア性窒素濃度や亜硝酸性窒素濃度等をモニターしながら、電子供与体の注入量や条件制御を極めて厳密に行う必要があり、これを実際に行うことは非常に困難である。
【００１１】
本発明は上記従来の問題点を解決し、このような厳密な薬注制御や条件制御を必要とすることなく、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物の活性を維持した上で、ＡＮＡＭＭＯＸ脱窒槽内で生成した硝酸性窒素を従属栄養性脱窒微生物により脱窒することにより、残留窒素の少ない高水質処理水を得る生物脱窒方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の生物脱窒方法は、アンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素を含有する原水を脱窒槽に供給し、該脱窒槽内の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して脱窒反応を行う独立栄養性脱窒微生物と接触させて生物学的に脱窒する方法において、前記脱窒槽に遅分解性固形有機物を添加し、該槽内に副生する硝酸性窒素を従属栄養性脱窒微生物により脱窒する方法であって、該遅分解性固形有機物がメタン菌グラニュール及び／又はポリ−３−ヒドロキシ酪酸系生分解性プラスチックスであることを特徴とする。
【００１３】
メタノールなどの溶解性の有機物を、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物のグラニュールを形成したＡＮＡＭＭＯＸ脱窒槽に添加すると、従属栄養性脱窒微生物がＡＮＡＭＭＯＸグラニュールの表面に付着増殖し、これがＡＮＡＭＭＯＸ微生物の増殖速度を上回るため、グラニュール中のＡＮＡＭＭＯＸ微生物の菌体量が減少して活性が低下する。本発明者は、このような問題を回避するために鋭意検討を進めた結果、ＡＮＡＭＭＯＸ脱窒槽に固形の遅分解性有機物を投入して、その表面に従属栄養性脱窒微生物を付着増殖させることが有効であることを見出し、本発明を完成させた。
【００１４】
ＡＮＡＭＭＯＸ脱窒槽内に遅分解性固形有機物を共存させると、従属栄養性脱窒微生物は、これらの固形有機物表面に付着し、溶出した有機物を固形有機物表面で速やかに使用して、直ちにＮＯ_３ ⁻−Ｎの脱窒反応を進行させることができる。なお、食品残渣などは固形有機物ではあるが易分解性廃棄物であるため、溶解性有機物と同様の問題があり、好ましくない。
【００１５】
本発明に従って、ＡＮＡＭＭＯＸ脱窒槽に遅分解性の固形有機物を添加した場合には、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物には直接有機物負荷がかからないので、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物の純度及び活性を維持することができ、ＡＮＡＭＭＯＸ反応と通常の脱窒反応とを併行させることにより、処理水中の硝酸性窒素濃度を低下させることができ、これにより、残留窒素を低減して良好な処理水を得ることができる。
【００１６】
遅分解性固形有機物としては、メタン菌グラニュール、或いは、ポリ−３−ヒドロキシ酪酸系生分解性プラスチックスを用いることができ、これらは連続的又は間欠的に脱窒槽に添加することが好ましいが、特に、本発明では、脱窒槽内のグラニュールを間欠的に引き抜き、メタン菌グラニュールを間欠的に投入することにより、槽内のグラニュール中でＡＮＡＭＭＯＸ微生物を徐々に増殖させることも可能であり、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物の有効な増殖方法としての副次的な効果も得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の生物脱窒方法の実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の生物脱窒方法の実施に好適な脱窒槽の一例を示す系統図である。
【００１９】
このＡＮＡＭＭＯＸ脱窒槽１は、内部にＡＮＡＭＭＯＸ微生物のグラニュール汚泥床２が形成され、下部に原水の流入配管３が接続されている。脱窒槽１の上部にはガスセパレーター４が設けられ、このガスセパレーター４から、生成ガス（Ｎ_２）の排出配管５が接続されている。また、槽上部には処理水の排出配管６と処理水の一部を循環水として脱窒槽下部に戻すポンプＰを備える循環配管７が引き出されている。８は、脱窒槽１内に炭酸ガスを吹き込むための配管であり、９はｐＨ計である。
【００２０】
原水は、配管７からの循環水と共に配管３から脱窒槽１の下部に導入される。脱窒槽１に導入された原水は、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物のグラニュール汚泥床２を上向流で上昇する間に、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物により生物脱窒処理され、処理水が配管６より系外へ排出される。また、処理水の一部は配管７より循環される。
【００２１】
本発明においては、このような生物脱窒処理において、脱窒槽１に遅分解性固形有機物を添加し、槽内に副生する硝酸性窒素を従属栄養性脱窒微生物により脱窒する。添加する遅分解性固形有機物は、分解の遅い固形の有機物であり、メタン菌グラニュール（以下「従属性グラニュール」と称す場合がある。）或いは、ポリ−３−ヒドロキシ酪酸（ＰＨＢ）生分解性プラスチックスを用いることができる。これらの遅分解性固形有機物は１種を単独で用いても良く、２種を併用しても良い。
【００２２】
これらの遅分解性固形有機物の大きさ、形状には特に制限はなく、粒状、破砕状、シート状、棒状、その他の異形形状で良いが、大きさについては、取り扱い性、分離性等の面から、粒径ないし最大長さ部分が１〜１０ｍｍ程度であることが好ましい。
【００２３】
遅分解性固形有機物の添加箇所としては特に制限はなく、脱窒槽１に直接添加しても良く、また、原水に添加して原水中に分散させて脱窒槽１に導入しても良いが、固形物であるため、脱窒槽１に直接投入することが好ましい。
【００２４】
遅分解性固形有機物は、運転開始時に一度に添加しても良いが、好ましくは運転中に連続的又は間欠的に添加する。
【００２５】
遅分解性固形有機物の添加量は、原水の水質、脱窒槽の仕様や運転条件等によっても異なるが、添加量が少な過ぎると遅分解性固形有機物を添加したことによる本発明の硝酸性窒素の脱窒効果を十分に得ることができず、逆に多過ぎるとＡＮＡＭＭＯＸ微生物の割合が不足して、本来のＡＮＡＭＭＯＸ反応による脱窒を行うことができない。従って、連続添加の場合には、従属性グラニュールであれば、ＳＲＴ（全汚泥÷投入汚泥）が１００〜１０００日になるように添加し、それ以外の生分解性プラスチックスの遅分解性固形有機物であれば、ＡＮＡＭＭＯＸ反応により副生するＮＯ_３−Ｎに対して固形性ＣＯＤ_Ｃｒとして１〜５倍程度添加することが好ましい。また、間欠添加の場合には、連続添加に換算した場合に上記添加量となるように、従属性グラニュールであれば、ＳＲＴが１００〜１０００日になるように添加し、それ以外の生分解性プラスチックスの遅分解性固形有機物であれば、ＡＮＡＭＭＯＸ反応により副生するＮＯ_３−Ｎに対して固形性ＣＯＤ_Ｃｒとして１〜５倍程度を３〜３０日間に１回の頻度で添加することが好ましい。
【００２６】
なお、遅分解性固形有機物として従属性グラニュールを添加する場合、脱窒槽内のグラニュールを間欠的に引き抜き、従属性グラニュールを間欠的に投入することが好ましく、従属性グラニュール中に、従属栄養性微生物が死滅・分解した空隙にＡＮＡＭＭＯＸ微生物が付着増殖して槽内のグラニュール中のＡＮＡＭＭＯＸ微生物を増殖させることができる。この場合、引き抜き量と投入量とはほぼ同量とすることが好ましい。
【００２７】
本発明の生物脱窒方法において、処理対象となる原水は、アンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素を含む水であり、有機物及び有機性窒素を含むものであってもよいが、これらは脱窒処理前に予めアンモニア性窒素になる程度まで分解しておくことが好ましく、また、溶存酸素濃度が高い場合には、必要に応じて溶存酸素を除去しておくことが好ましい。原水は無機物を含んでいてもよい。また、原水はアンモニア性窒素を含む液と亜硝酸性窒素を含む液を混合したものであってもよい。例えば、アンモニア性窒素を含む排水をアンモニア酸化微生物の存在下に好気性処理を行い、アンモニア性窒素の一部、好ましくはその１／２を亜硝酸に部分酸化したものを原水とすることができる。更には、アンモニア性窒素を含む排水の一部をアンモニア酸化微生物の存在下に好気性処理を行い、アンモニア性窒素を亜硝酸に酸化し、アンモニア性窒素を含む排水の残部と混合したものを原水としても良い。
【００２８】
一般的には、下水、し尿、嫌気性硝化脱離液等のアンモニア性窒素、有機性窒素及び有機物を含む排水が処理対象となる場合が多いが、この場合、これらを好気性又は嫌気性処理して有機物を分解し、有機性窒素をアンモニア性窒素に分解し、さらに部分亜硝酸化或いは、一部についての亜硝酸化を行った液を原水とすることが好ましい。
【００２９】
原水のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素の割合はモル比でアンモニア性窒素１に対して亜硝酸性窒素０．５〜２、特に１〜１．５とするのが好ましい。原水中のアンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素の濃度はそれぞれ５〜１０００ｍｇ／Ｌ、５〜２００ｍｇ／Ｌであることが好ましいが、図１に示す如く、処理水を循環して希釈すればこの限りではない。
【００３０】
原水の生物脱窒条件としては、例えば反応槽内液の温度が１０〜４０℃、特に２０〜３５℃、ｐＨが５〜９、特に６〜８、溶存酸素濃度が０〜２．５ｍｇ／Ｌ、特に０〜０．２ｍｇ／Ｌ、ＢＯＤ濃度が０〜５０ｍｇ／Ｌ、特に０〜２０ｍｇ／Ｌ、窒素負荷が０．１〜１０ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・ｄａｙ、特に１〜５ｋｇ−Ｎ／ｍ^３・ｄａｙの範囲とするのが好ましい。ｐＨについては、必要に応じてｐＨ調整剤を添加してｐＨ調整を行う。このｐＨ調整剤としては、炭酸ガスが好ましく、図１の脱窒槽では炭酸ガスの吹き込みによりｐＨ調整を行っている。
【００３１】
グラニュール汚泥を形成する場合、微生物だけではグラニュール形成に期間を要するので、核となる物質を添加し、その核の周りにＡＮＡＭＭＯＸ微生物の生物膜を形成させることが望ましい。この場合、核として、例えば微生物グラニュールや非生物的な担体を挙げることができる。
【００３２】
核として用いられる微生物グラニュールとしては、メタン菌グラニュール等の嫌気性微生物や従属栄養性脱窒菌グラニュール等を挙げることができる。メタン菌グラニュールは、ＵＡＳＢ（Upflow Anaerobic Sludge Blanket；上向流嫌気性汚泥床）法もしくはＥＧＳＢ（Expanded Granule Sludge Bed；展開粒状汚泥床）法でメタン発酵が行われているメタン発酵槽で使用されているものを適用できる。また、従属栄養性脱窒グラニュールは、ＵＳＢ方式の通常の脱窒槽で利用されるものを適用できる。これらのグラニュールはそのままの状態で、又はその破砕物として用いることができる。独立栄養性脱窒微生物はこのような微生物グラニュールに付着しやすく、グラニュールの形成に要する時間が短縮される。また、核として非生物的な材料を用いるよりも経済的である。
【００３３】
核として用いられる非生物的な材料としては、例えば、活性炭、ゼオライト、ケイ砂、ケイソウ土、焼成セラミック、イオン交換樹脂等、好ましくは活性炭、ゼオライト等よりなる、粒径５０〜２００μｍ、好ましくは５０〜１００μｍで、平均比重１．０１〜２．５、好ましくは１．１〜２．０の担体を挙げることができる。
【００３４】
このようにして形成されるＡＮＡＭＭＯＸ微生物のグラニュール汚泥は、平均粒径が０．２５〜３ｍｍ、好ましくは０．２５〜２ｍｍ、より好ましくは０．２５〜１．５ｍｍ程度、平均比重が１．０１〜２．５、好ましくは１．１〜２．０であることが望ましい。グラニュールの粒度が小さいほど比表面積が大きくなるので、高い汚泥濃度を維持し、脱窒処理を効率よく行う点で好ましい。
【００３５】
本発明においては、槽内にＡＮＡＭＭＯＸ微生物を高濃度に保持するためにＡＮＡＭＭＯＸグラニュールを固定床として用いることもできるが、グラニュールとの接触頻度を高めるために、流動床として用いることが好ましい。脱窒槽のグラニュールの充填量は固定床状態に保つ場合で１０〜９０容量％、流動床状態を保つ場合は１０〜７５容量％程度とすることができる。グラニュールで流動床を形成するには図１に示す如く、処理水の一部を循環して上向流で通水する。このように上向流で処理した処理水を、脱窒槽の下部に循環させることにより、槽内へ流入する亜硝酸性窒素が希釈され、その結果、槽内の亜硝酸性窒素濃度を、脱窒処理やＡＮＡＭＭＯＸ微生物の発育に阻害を与える濃度より低く保つことができる。また、上向流速を大きくすることができるため、原水とグラニュールとの接触頻度が高くなり、槽内のグラニュールに原水を均一に接触させる効果もある。
【００３６】
流動床の場合、原水と循環水の混合比は、混合後の亜硝酸性窒素濃度が１０〜３００ｍｇ−Ｎ／Ｌ、好ましくは１０〜１００ｍｇ−Ｎ／Ｌとなるように設定するのが好ましく、グラニュールの展開率は１〜３容量倍、好ましくは１．１〜２容量倍とするのが好ましい。
【００３７】
【実施例】
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。
【００３８】
実施例１
図１に示すＡＮＡＭＭＯＸ脱窒槽により脱窒処理を行った。この脱窒槽は、直径１０ｃｍ、高さ７６ｃｍ、有効容量６．４Ｌの上向流カラムよりなる。このカラムにＡＮＡＭＭＯＸグラニュール（粒径０．８〜２．６ｍｍ）を約４Ｌ充填し、表１に示す合成排水を流入させた。温度は３０℃、脱窒槽のｐＨは７．５になるようにＣＯ_２ガスにて調整を行った。原水濃度は、ＮＨ_４−Ｎ＝５００ｍｇ／ＬＮＯ_２−Ｎ＝６５０ｍｇ／Ｌとし、通水負荷はＮＨ_４−Ｎとして２．０ｋｇ／ｍ^３／ｄａｙ、Ｔ−Ｎ負荷としておよそ４．６ｋｇ／ｍ^３／ｄａｙ、グラニュール汚泥床の展開率１５％の条件で実験を行った。
【００３９】
【表１】

【００４０】
この脱窒処理に当たり、１週間に１回の頻度で脱窒槽内から４０ｍＬのグラニュールを引き抜き、替わりに嫌気（メタン菌）グラニュール（粒径０．６〜１．８ｍｍ）を４０ｍＬ添加した。
【００４１】
処理水中に残留する硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）濃度と全窒素（Ｔ−Ｎ）除去率の経時変化を調べ、結果を図２，３に示した。
【００４２】
実施例２
実施例１において、グラニュールの引き抜きを行わず、嫌気グラニュールの代りにＰＨＢ系の生分解性プラスチックス（ビオグリーンペレットφ３ｍｍ：三菱ガス化学株式会社）を１００ｍＬ運転開始時に添加したこと以外は同様に処理を行って、処理水中に残留する硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）濃度と全窒素（Ｔ−Ｎ）除去率の経時変化を調べ、結果を図２，３に示した。
【００４３】
比較例１
実施例１において、グラニュールの引き抜きも嫌気グラニュールの添加も行わなかったこと以外は同様に処理を行って、処理水中に残留する硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）濃度と全窒素（Ｔ−Ｎ）除去率の経時変化を調べ、結果を図２，３に示した。
【００４４】
図２，３より明らかなように、遅分解性固形有機物を添加した実施例１，２では、比較例１に比べて残留ＮＯ_３−Ｎ濃度は大幅に低下し、またＴ−Ｎ除去率も著しく改善された。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の生物脱窒方法によれば、ＡＮＡＭＭＯＸ脱窒槽に原水を供給して脱窒処理するに当たり、厳密な薬注制御や条件制御を必要とすることなく、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物の活性を維持した上で、ＡＮＡＭＭＯＸ脱窒槽内で生成した硝酸性窒素を従属栄養性脱窒微生物により脱窒することにより、残留窒素の少ない高水質処理水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の生物脱窒方法の実施に好適な脱窒槽の一例を示す系統図である。
【図２】実施例１，２及び比較例１における処理水中の残留硝酸性窒素濃度の経時変化を示すグラフである。
【図３】実施例１，２及び比較例１における全窒素除去率の経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ＡＮＡＭＭＯＸ脱窒槽
２グラニュール汚泥床
４ガスセパレーター

Claims

アンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素を含有する原水を脱窒槽に供給し、該脱窒槽内の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して脱窒反応を行う独立栄養性脱窒微生物と接触させて生物学的に脱窒する方法において、
前記脱窒槽に遅分解性固形有機物を添加し、該槽内に副生する硝酸性窒素を従属栄養性脱窒微生物により脱窒する方法であって、該遅分解性固形有機物がメタン菌グラニュール及び／又はポリ−３−ヒドロキシ酪酸系生分解性プラスチックスであることを特徴とする生物脱窒方法。
請求項１において、前記脱窒槽に遅分解性固形有機物を連続的又は間欠的に添加することを特徴とする生物脱窒方法。