JP6883992B2 - 排水処理方法および排水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、排水処理方法および排水処理装置に関する。より詳しくは、アンモニア態窒素を高濃度で含有する排水を処理するのに適した排水処理方法等に関する。

従来、アンモニア態窒素を含有する排水を処理し、下水道や公共の水域に放流するために、活性汚泥による硝化・脱窒反応を利用し、アンモニア態窒素を窒素ガスまで還元処理する活性汚泥処理が用いられている。活性汚泥処理に使用される処理装置として、硝化槽内に膜モジュールを浸漬した浸漬型膜分離装置が知られている。浸漬型膜分離装置は、設備がコンパクトである、処理済みの排水（処理水）が清澄である、濃縮槽が不要であるなど、多数のメリットを有する。

また、浸漬型膜分離装置では、硝化菌を含む活性汚泥を硝化槽内に高濃度に保持できるため、被処理水中のアンモニア態窒素を活性汚泥により好気条件下で効率よく硝化できる。硝化処理を受けた被処理水は膜モジュールで濾過される。膜モジュールには、膜モジュールから濾過水を導出する濾過水配管が接続されており、膜モジュールでの濾過後の処理水は、濾過水配管を流れて膜モジュール外に導出される。活性汚泥は膜を透過できず、硝化槽内に残存するため、硝化槽内の活性汚泥を６〜２０ｇ／Ｌの高濃度に保持できる。このため、汚泥を沈殿により分離し、上清を処理水として得る標準活性汚泥法を適用した装置と比べて、浸漬型膜分離装置では、硝化槽の容積に対して、高負荷のアンモニア態窒素含有排水処理が可能である。

しかしながら、実際の排水処理では、アンモニア態窒素濃度が極めて高い廃水が一時的に流入することがあり、活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度が瞬間的に上昇することがある。高濃度のアンモニア態窒素は亜硝酸酸化細菌の働きを阻害し、活性汚泥中に亜硝酸態窒素が蓄積しやすくなる。この結果、非特許文献１に示されるように、蓄積した亜硝酸態窒素が、脱窒細菌などの働きを阻害することが知られている。そのため、活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度を低く抑えた運転管理が必要である。

一般的には、活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度が上昇した際には、硝化槽への排水の供給を停止し、アンモニア態窒素濃度が硝化により低下してから排水供給を再開することがある。

特許文献１には、硝化槽内の被処理水の窒素酸化物濃度又はアンモニア濃度を検出し、これらの濃度を所定範囲に維持するように散気空気量を制御する方法が開示されている。また、特許文献２には、硝化槽内の活性汚泥を採取し、採取した活性汚泥の酸素消費速度の経時変化量を測定し、その測定結果に基づいて、前記硝化槽に散気する散気空気量を制御し、効率的にアンモニア態窒素を除去する方法が開示されている。

特許文献３には、高濃度のアンモニア態窒素を含有する廃水から、まず、アンモニアストリッピング法により、アンモニア態窒素等をある程度削減し、その後、生物学的硝化脱窒を実施する方法が開示されている。

特許文献４には、アンモニア態窒素がアルカリ性であり、亜硝酸態窒素が酸性である点に着目し、硝化槽内のｐＨ低下に合わせ原水の供給量を増加させ、アンモニア態窒素濃度を最適化する方法が開示されている。

生物学的脱窒素法に関する研究（II）、下水道協会誌 Ｖｏｌ．７、Ｎｏ．５、ｐ１８〜２８、１９７０

特開２００１−２５９６８９号公報 特開２００５−１０３３８１号公報 特開２００３−０５３３８３号公報 特開２００３−０２４９８３号公報

硝化槽への排水の供給を停止する方法は、停止している間に排水を蓄積しておく流量調整槽が必要になるため、大きな初期投資と広い設置場所が必要になる。特許文献１および特許文献２の方法は、被処理水の窒素酸化物濃度又はアンモニア濃度、あるいは活性汚泥の酸素消費速度を検出するために複雑な機構の自動分析計が必要となるため、初期投資や運転管理の煩雑さが増してしまう。また、特許文献３の方法は、必要な空気量や硝化槽容量が増大してしまう課題があり、初期投資とランニングコストが増加してしまう。さらに、特許文献４の方法は、ｐＨが二酸化炭素や温度などの影響を受けやすいことから、非常に難しい制御であると言える。

そこで、本発明は、アンモニア態窒素を高濃度で含有する排水を、比較的小さな設備投資とランニングコストで、かつ簡便な制御により処理するための技術を提供することを主な目的とする。

上記課題解決のため、本発明者らは、鋭意検討した結果、活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度が上昇した場合でも、活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度、ｐＨ及び水温から算出される指標値Ｘを一定値以下に制御すること、より具体的には活性汚泥にｐＨ調整剤を添加して前記指標値Ｘを一定値以下に抑えることで、高アンモニア含有排水を安定に処理できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、以下の［１］〜［１０］を提供するものである。
［１］ アンモニア態窒素を含有する排水を活性汚泥および固液分離により処理する方法であって、
前記活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度、ｐＨ及び水温から下記式により算出される指標値Ｘが１０以下となるように、前記活性汚泥にｐＨ調整剤を添加する手順を含む、排水処理方法。

（式中、「ＮＨ₄ ⁺−Ｎ」は、アンモニア態窒素濃度を示し、
Ｔは、水温を示す。）
［２］ 前記排水が、５００ｍｇ／Ｌを超えるアンモニア態窒素を含有する、［１］の排水処理方法。
［３］ 前記排水が、無酸素槽と好気槽との間を循環される、［１］又は［２］の排水処理方法。
［４］ 前記ｐＨ調整剤が、酢酸、塩酸、クエン酸、重曹及び水酸化ナトリウム水溶液からなる群から選択されるいずれか一以上である、［１］〜［３］のいずれかの排水処理方法。
［５］ 前記固液分離が、膜分離によるものである、［１］〜［４］のいずれかの排水処理方法。
［６］ アンモニア態窒素を含有する排水の処理する装置であって、
活性汚泥処理槽と、
固液分離膜と、
前記活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度、ｐＨ及び水温の測定部と、
前記活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度、ｐＨ及び水温から下記式により指標値Ｘを算出するデータ収集部と、

（式中、「ＮＨ₄ ⁺−Ｎ」は、アンモニア態窒素濃度を示し、
Ｔは、水温を示す。）
指標値Ｘが１０以下となるように、前記活性汚泥にｐＨ調整剤を添加するｐＨ制御部と、
を備える、排水処理装置。
［７］ 前記排水が、５００ｍｇ／Ｌを超えるアンモニア態窒素を含有する、［６］の排水処理装置。
［８］ 前記活性汚泥処理槽が、無酸素槽と好気槽とを含んでなり、
前記排水を該無酸素槽と該好気槽との間で循環させる手段を備える、［６］又は［７］の排水処理装置。
［９］ 前記ｐＨ調整剤が、酢酸、塩酸、クエン酸、重曹及び水酸化ナトリウム水溶液からなる群から選択されるいずれか一以上である、［６］〜［８］のいずれかの排水処理装置。
［１０］ 前記固液分離膜が配設された膜分離槽を備える、［６］〜［９］のいずれかの排水処理装置。

本発明により、アンモニア態窒素を高濃度で含有する排水を、比較的小さな設備投資とランニングコストで、かつ簡便な制御により処理するための技術が提供される。

本発明の第一実施形態に係る排水処理装置の構成を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る排水処置装置の構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための好適な形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。

図１に、本発明に係る排水処理装置の一例を示す。本実施形態に係る排水処理装置は、アンモニア態窒素を含有する排水の処理する装置であって、無酸素槽１と好気槽２とを含む活性汚泥処理槽と、固液分離膜モジュール３、曝気手段４、撹拌手段５、循環手段６を備える。この排水処理装置は、無酸素槽１と好気槽２との間で、活性汚泥を循環させて無酸素・好気サイクルを設けることによって、硝化・脱窒菌による排水の生物学的窒素処理を行うものである。

本発明に係る排水処理装置および排水処理方法における被処理水は、高濃度のアンモニア態窒素を含有する汚水であり、有機物、炭酸塩、亜硝酸性窒素、およびその他の物質を含んでいても良い。
被処理水は、例えば１００〜１５００ｍｇ／Ｌ、５００〜１５００ｍｇ／Ｌ、あるいは１０００〜１５００ｍｇ／Ｌのアンモニア態窒素を含有していてもよい。
被処理水の具体例としては、し尿、畜舎排水、嫌気性消化の脱水ろ液、ゴミ浸出水、および肥料工場排水などがあげられる。

排水処理装置は、アンモニア態窒素センサ７、ｐＨセンサ８及び水温センサ９と、測定されたアンモニア態窒素濃度、ｐＨ及び水温から下記式により指標値Ｘを算出するデータ収集部１０と、指標値Ｘが１０以下となるように活性汚泥にｐＨ調整剤を添加するｐＨ制御部（不図示）とを備える。

（式中、「ＮＨ₄ ⁺−Ｎ」は、アンモニア態窒素濃度を示し、
Ｔは、水温を示す。）

排水は、まず無酸素槽１に供給される。そして、無酸素槽１と好気槽２とで、循環手段６によって活性汚泥を循環させる。
被処理水が有機体窒素を含む場合は、そのまま無酸素槽１に供給しても良いが、予め嫌気処理又は好気処理により有機体窒素をアンモニア性窒素に変換してもよい。また、ＢＯＤがアンモニア性窒素に対し３倍以上ある汚水の場合においても、そのまま無酸素槽１に供給しても良いが、予め、生物処理してアンモニア性窒素に対し１／２となるように低下させておくといっそうよい。

循環手段６としては、無酸素槽１と好気槽２との間に循環ポンプを設け、一方の槽から他方の槽へ活性汚泥を送液し、オーバーフローによって一方の槽へ活性汚泥が戻るようにすることが好ましい。なお、どちらの槽から送液するかは必ずしも限定されないが、好気槽から無酸素槽へ送液することが、エネルギー効率の観点から好ましい。

循環ポンプを使用する場合は、循環ポンプの回転は、インバーターや、循環ポンプの流路の開度を制御する絞り弁、循環ポンプの稼動を間欠的に行うタイマーやシーケンサー等により制御できる。循環ポンプの回転数を制御して、流量を増減させたり、稼働時間を変更したりすることによって、好気槽２内の活性汚泥の混合効率を調整できる。

好気槽２内には、曝気手段４を設けて活性汚泥に曝気することによって、活性汚泥を好気状態とする。曝気手段４は、特に限定されず、例えば孔開き管、焼結体およびスリットを有するゴム管等を好気槽内に配置し、槽外からブロワ等によって空気を送気することができる。また、酸素濃度を高めた空気や、純酸素を曝気しても構わない。

曝気を行うと、これによって活性汚泥の上昇流が生起され、好気槽２内で活性汚泥が混合される。

撹拌手段５を使用する場合は、撹拌手段５の撹拌翼の回転数は、インバーターや、回転を間欠的に行うタイマーやシーケンサー等がにより制御できる。撹拌翼の回転数を増減させたり、稼働時間を変更したりすることによって、好気槽２内の活性汚泥の混合効率を調整できる。

好気槽２には、アンモニア態窒素センサ７、ｐＨセンサ８および水温センサ９を挿入することができる。

データ収集部１０は、アンモニア態窒素センサ７、ｐＨセンサ８及び水温センサ９により測定されたアンモニア態窒素濃度、ｐＨ及び水温から指標値Ｘを算出する。

ｐＨ制御部（不図示）は、活性汚泥にｐＨ調整剤を添加して、上記指標値Ｘを１０以下となるように調整する。処理効率の観点から、指標値Ｘを０以上１０以下となるように調整することが好ましく、０．１以上７以下となるように調整することがより好ましく、０．２以上５以下となるように調整することがさらに好ましく、０．３以上３以下となるように調整することが特に好ましい。
具体的には、上記指標値Ｘが１０を超えているとき、アンモニア態窒素センサ７により測定される活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度が０〜５０ｍｇ／Ｌの場合にあっては、活性汚泥中のｐＨを７．０〜８．５に維持するようにｐＨ調整剤を添加する。
また、活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度が５０〜１００ｍｇ／Ｌの場合にあっては、活性汚泥中のｐＨを７．０〜８．０に維持するようにｐＨ調整剤を添加する。
さらに、活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度が１００〜５００ｍｇ／Ｌの場合にあっては、活性汚泥中のｐＨを７．０〜７．５に維持するようにｐＨ調整剤を添加する。
活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度が５００〜７５０ｍｇ／Ｌの場合にあっては、活性汚泥中のｐＨを７．０〜７．３に維持するようにｐＨ調整剤を添加する。
いずれの場合においても、活性汚泥中のｐＨを７．０未満とすることは、硝化・脱窒菌の活性が低下するため好ましくない。

ｐＨ調整剤は、酢酸、塩酸、クエン酸、重曹及び水酸化ナトリウム水溶液からなる群から選択されるいずれか一以上とできる。

ｐＨ調整剤の添加は、上述のとおりｐＨ制御部によって自動で行われることが好ましいが、手動で行ってもよい。また、アンモニア態窒素センサ７、ｐＨセンサ８および水温センサ９は、測定時のみ好気槽２へ挿入してもよいし、常時挿入したままにしてもよい。好気槽２内における指標値Ｘの上昇を自動で検知し、ただちにｐＨ調整剤を注入できることから、アンモニア態窒素センサ７、ｐＨセンサ８および水温センサ９を好気槽２に常時挿入したままにし、データ収集部１０においてアンモニア態窒素濃度、ｐＨ、水温から算出された指標値Ｘと、制御部におけるｐＨ調整剤の供給ポンプとが連動するように制御することが好ましい。また、ｐＨ調整剤は、無酸素槽１と好気槽２の両方に添加しても良いし、無酸素槽１と好気槽２との間に循環ポンプを設けた循環型の場合は、無酸素槽１と好気槽２の何れか一方に添加しても良い。

本発明に係る排水処理装置およびこれによって実施可能な排水処理方法によれば、比較的安価で簡便に測定が可能な活性汚泥中のアンモニア態窒素、ｐＨ及び水温から算出される指標値Ｘに従ってｐＨ調整剤を活性汚泥に添加することで、亜硝酸酸化細菌の働きの阻害を回避して、亜硝酸態窒素の蓄積を阻害することが可能となり、硝化・脱窒反応を良好に維持して良好な排水処理を達成できる。

上述の第一実施形態においては、装置の設置面積を小さくするため、無酸素槽１と好気槽２の２槽から構成される例を説明したが、処理槽を３槽以上用いることもできる。図２は、無酸素槽１、好気槽２、固液分離膜モジュール３が配設された膜分離槽１１の３つの処理槽を設けた例（第二実施形態）である。第二実施形態に係る排水処理装置は、循環手段６によって膜分離槽１１と無酸素槽１の間で活性汚泥を循環させることにより、活性汚泥の混合を行う。好気槽２内の活性汚泥の混合効率は、循環手段６の流量を制御することによって変えることができる。

以下、実施例により本発明の実施方法を更に詳細に説明するが、これらの実施例は、本発明の例示を目的とするものであり、本発明を限定するものではない。

［実施例１］
図２に示す試験装置を使用した。この装置は、無酸素槽１、好気槽２、膜分離槽１１および循環手段６から概略構成される。

種汚泥は、無酸素槽１に１ｍ³、好気槽２に１ｍ³をそれぞれ投入し、井戸水を無酸素槽１に２ｍ³、好気槽２に２ｍ³、膜分離槽１１に１ｍ³をそれぞれ注水した。排水供給量を１．２ｍ³／日として、無酸素槽１に導入した。排水は、化学的酸素要求量（ＣＯＤＣｒ）が４，０００ｍｇ／Ｌ前後、アンモニア態窒素濃度が１，０００ｍｇ／Ｌ前後であった。膜分離槽１１から無酸素槽１に、循環手段６により３．６ｍ³／日で送液した。無酸素槽１から好気槽２への活性汚泥の移送と、好気槽２から膜分離槽１１への活性汚泥の移送は、それぞれオーバーフローによって行った。また、循環手段６としてエアリフトポンプを使用した。

好気槽２、膜分離槽１１への曝気は、それぞれの溶存酸素濃度が２ｍｇ／Ｌ以上となるように行った。処理水は、膜分離槽１１内に設置した固液分離膜（中空糸膜）モジュール３（三菱レイヨン製ＰＶＤＦ膜エレメント（６ｍ²）を２枚使用）を通して、レベルセンサー制御により、膜分離槽１１の水位が一定となるように、処理水ポンプで抜き出しを行った。
余剰汚泥は、膜分離槽１１から、ＭＬＳＳが１５，０００ｍｇ／Ｌになるように抜き出した。

以上の条件で１ヶ月以上馴養を行い、ＨＡＣＨ社製水質測定器により計測したところ、被処理水中のアンモニア態窒素濃度が５０ｍｇ／Ｌ以下となり、硝化・脱窒反応が安定して発現しているのを確認した。この期間中、ｐＨが８．４に達することがあったが、硝化・脱窒反応に影響を与えることはなかった。このとき、指標値Ｘは５．５程度であった。
その後、被処理水中のアンモニア態窒素濃度が１，５００ｍｇ／Ｌまで上昇し、数日後には５００ｍｇ／Ｌまで降下したにも関わらず、活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度は６２０ｍｇ／Ｌ、ｐＨは８．１に達した。このとき、指標値Ｘは６４．５となり、基準値１０を超えていたため、酢酸を投入し活性汚泥のｐＨを７．０に調整して指標値Ｘを５．７に維持した。３日後には、活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度は５９ｍｇ／Ｌ、指標値Ｘは１以下となった。
その後、ｐＨ制御を停止したところ、ｐＨが７．６前後まで上昇したが、指標値Ｘは１以下を維持したため、ｐＨ調整を伴わない運転に切り替えた。

［比較例１］
実施例１と同様の試験装置を使用し、実施例１と同様の運転条件で装置を運転した。但し、排水供給量は０．６ｍ³／日として、無酸素槽１に導入した。排水は、化学的酸素要求量（ＣＯＤＣｒ）が５，０００ｍｇ／Ｌ前後、アンモニア態窒素濃度が１，０００ｍｇ／Ｌ前後であった。膜分離槽１１から無酸素槽１に、循環手段６により１．８ｍ³／日で送液した。

２ヶ月以上運転を継続し、ＨＡＣＨ社製水質測定器により計測したところ、被処理水中のアンモニア態窒素濃度が５０ｍｇ／Ｌ以下となり、硝化・脱窒反応が安定して発現しているのを確認した。
その後、被処理水中のアンモニア態窒素濃度が１，２００〜１，４００ｍｇ／Ｌまで上昇し、活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度は２３４ｍｇ／Ｌ、ｐＨは８．１に達した。このとき、指標値Ｘは１０．３ｍｇ／Ｌとなり、硝化阻害が起こる濃度を超えていた。
ｐＨ調節をせず運転を継続したところ、５日後には、活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度は７１６ｍｇ／Ｌまで上昇値、指標値Ｘも３８．５まで高まったため、窒素除去ができなくなったと判断し、装置の運転を停止した。

１：無酸素槽、２：好気槽、３：固液分離膜モジュール、４：曝気手段、５：撹拌手段、６：循環手段、７：アンモニア態窒素センサ、８：ｐＨセンサ、９：水温センサ、１０：データ収集部、１１：膜分離槽

Claims (8)

1. 無酸素槽と好気槽とを含む活性汚泥処理槽と、固液分離膜が配設された膜分離槽と、を備える排水処理装置により、アンモニア態窒素を含有する排水を活性汚泥および固液分離により処理する方法であって、
   前記活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度、ｐＨ及び水温から下記式により算出される指標値Ｘが１０以下となるように、前記活性汚泥にｐＨ調整剤を添加する手順と、
   

   

   （式中、「ＮＨ₄ ⁺−Ｎ」は、アンモニア態窒素濃度を示し、
   Ｔは、水温を示す。）
   前記好気槽および前記膜分離槽を溶存酸素濃度が２ｍｇ／Ｌ以上となるように曝気する手順と、を含む、排水処理方法。
2. 前記排水が、５００ｍｇ／Ｌを超えるアンモニア態窒素を含有する、請求項１記載の排水処理方法。
3. 前記排水が、無酸素槽と好気槽との間を循環される、請求項１又は２に記載の排水処理方法。
4. 前記ｐＨ調整剤が、酢酸、塩酸、クエン酸、重曹及び水酸化ナトリウム水溶液からなる群から選択されるいずれか一以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排水処理方法。
5. アンモニア態窒素を含有する排水の処理する装置であって、
   無酸素槽と好気槽とを含む活性汚泥処理槽と、
   固液分離膜が配設された膜分離槽と、
   前記活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度、ｐＨ及び水温の測定部と、
   前記活性汚泥中のアンモニア態窒素濃度、ｐＨ及び水温から下記式により指標値Ｘを算出するデータ収集部と、
   

   

   （式中、「ＮＨ₄ ⁺−Ｎ」は、アンモニア態窒素濃度を示し、
   Ｔは、水温を示す。）
   指標値Ｘが１０以下となるように、前記活性汚泥にｐＨ調整剤を添加するｐＨ制御部と、
   前記好気槽および前記膜分離槽を溶存酸素濃度が２ｍｇ／Ｌ以上となるように曝気する手段と、
   を備える、排水処理装置。
6. 前記排水が、５００ｍｇ／Ｌを超えるアンモニア態窒素を含有する、請求項５記載の排水処理装置。
7. 前記排水を該無酸素槽と該好気槽との間で循環させる手段を備える、請求項５又は６に記載の排水処理装置。
8. 前記ｐＨ調整剤が、酢酸、塩酸、クエン酸、重曹及び水酸化ナトリウム水溶液からなる群から選択されるいずれか一以上である、請求項５〜７のいずれか一項に記載の排水処理装置。
   

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