(57)【要約】【課題】実施が容易で経済性に優れ、しかも比較的短い滞留時間で効率良く窒素の除去を行える方法を提供する。【解決手段】純石鹸抽出液貯留槽６には、純石鹸から抽出した石鹸抽出液を貯留してある。窒素分を含む河川水等の被処理水が貯留された流量調整槽１および脱窒処理槽２内に純石鹸抽出液貯留槽６から石鹸抽出液を流入させ、被処理水中の成分と金属石鹸を構成することで脱窒素菌を積極的に増殖させて、被処理水中の窒素分を除去する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素分を含む被処理水が貯留された処理水槽内に石鹸から抽出した石鹸抽出液を流入させ、
被処理水中の成分と金属石鹸を構成することで脱窒素菌を発生させて、被処理水中の窒素分を除去することを特徴とする水中の窒素除去方法。
【請求項２】
処理槽内を流れる被処理水に対して継続して石鹸抽出液を流入させることを特徴とする請求項１に記載の水中の窒素除去方法。
【請求項３】
石鹸抽出液は廃油から製造された廃油石鹸から抽出したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の水中の窒素除去方法。
【請求項４】
脱窒素に用いる石鹸抽出液の有機炭素濃度が被処理水の窒素含有量（ｍｇ／リットル）に対し、ＴＯＣ（ｍｇ／リットル）で５０％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水中の窒素除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素分を含む水、例えば湖沼等の閉鎖性水域に流入する河川水等を被処理水として、その被処理水に含まれる窒素分を除去する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、下水道施設の発展・普及とともに河川の水は一見綺麗となり、その清浄化は進んでいるものの、河川の流入先である湖沼および内海などの閉鎖性水域では富栄養化現象が起き、依然として水質の汚濁化は進行している。
【０００３】
これは、流入河川水にわずかに含まれている窒素およびリン分が閉鎖性水域内部に流入して蓄積され、富栄養化の原因となり、水質の汚濁を引き起こしているものである。
【０００４】
窒素はアンモニア形態として、リンはリン酸石灰や苦土として、それぞれに農業用肥料に含まれていて、畑に散布され、地下土壌に浸透し、長時間かけて窒素およびリンとして徐々に湧水に溶け込んで小水路から河川を通じ最終的に湖沼あるいは内海などの閉鎖性水域に流入する。
【０００５】
流入河川の水質は元々湧水であるので、低ＢＯＤで且つ空気と長時間触れるために高ＤＯ水となり、窒素は安定した硝酸形態（ＮＯ3−Ｎ）で存在している。リン分もわずかではあるが一緒に混入しており、形態はリン酸態リン（ＰＯ4−Ｐ）あるいは遊離ＰやＳＳ依存Ｐのかたちで存在するので、全リン（Ｔ−Ｐ）で表示されることが多い。
【０００６】
しかし、窒素およびリンは水中の濃度の如何にかかわらず生物（特に植物）の育成に必要不可欠な成分であるので、藻類などの育成に寄与するが、必要量は少なく過剰に蓄積されると富栄養化現象を起こし、水質汚濁の大きな原因となることが良く知られている。
【０００７】
窒素を除去する方法としては、例えば硝化液循環法と称されるものが一般廃水処理技術のなかで確立されており、広く下水道処理などで使われている。
【０００８】
問題となっている閉鎖性水域に流入する河川に含まれる窒素分は硝酸態窒素で且つ水質は高ＤＯの好気性水であるために、下水道などで用いている窒素除去法は使用できず、その解決策が求められている。
【０００９】
また、近年に至り、窒素の除去について種々の化学薬品類を使用した方法が提唱されており、例えば炭化水素で炭素数が少ないもの（６程度）から多いもの（２２程度）までの各種脂肪酸類やアルコール類を中心とした窒素除去促進剤や窒素除去剤を使用した方法が提案されている。
【００１０】
より具体的には、水処理工業界で進められている窒素除去あるいは窒素除去のための促進法として、脂肪酸等の水素供与体を用いることが特許文献１〜４等にて提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−２６３６８５号公報
【特許文献２】特開２００３−２６５１７０号公報
【特許文献３】特開２００４−９８０４１号公報
【特許文献４】特表２００５−６６４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、脂肪酸等の水素供与体を水中に添加する方法は、添加する薬剤の費用が膨大になるばかりでなく、窒素除去率を高めるためには数十時間から数日間にわたる長時間滞留が必要で、維持管理にも手間と時間がかかり、実用化の上でなおも課題を残している。
【００１３】
また、脂肪酸などの水素供与体と脱窒素菌とをろ材の中に封じ込めて脱窒効果を得るようにしたいわゆる包括固定床法の生物ろ過装置においても、基本的には上記と同様の課題を有している。
【００１４】
さらに、水中で使用する架台や濾材などに高級飽和脂肪酸を予めコーティングしておき、その高級脂肪酸と被処理水とを接触させることで脱窒を行うようにした方法では、比較的高い窒素除去率が期待できる反面、高級脂肪酸のコーティングに手間と費用がかかるだけでなく、脱窒効果の長期持続性に欠け、なおも改善の余地を残している。
【００１５】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、実施が容易で経済性に優れ、しかも比較的短い滞留時間で効率良く窒素除去を行えるようにした方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
ここで、本発明の理解にあたって主要な用語を下記のように定義しておく。
【００１７】
（１）石鹸抽出液：
石鹸から抽出された液体で、石鹸の成分である脂肪酸ナトリウムまたは脂肪酸カリウムを含むものをいう。
【００１８】
（２）石鹸：
基本的には、動植物油とアルカリ分である水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムとでつくられたものをいう。脂肪酸ナトリウム（Ｎａ）および脂肪酸カリウム（Ｋ）で成分の９５％以上を占める。他に添加物を一切含まないものを無添加石鹸または純石鹸と称する。
【００１９】
（３）石鹸の種類：
固形石鹸や粉石鹸はナトリウム石鹸で、液体石鹸はカリウム石鹸である。固形石鹸は鹸化法で、粉石鹸はスプレー乾燥法で、液体石鹸は中和法でそれぞれつくられる。
【００２０】
（４）金属石鹸：
石鹸洗浄後の廃液に含まれる石鹸成分が金属イオンであるマグネシウム（Ｍｇ）イオンやカルシウム（Ｃａ）イオンと結び付き、界面活性力を失ったものをいう。一般的には石鹸カスと呼ばれる。
【００２１】
（５）界面活性剤：
水と油を混ぜ合わせる働きをもつ物質のことで、石鹸も界面活性剤の一種である。分子の一端の親油基が油に、もう一端の親水基が水にそれぞれなじむ性質を持つ。
【００２２】
（６）ＴＯＣ：
Ｔｏｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃａｒｂｏｎの略で、総有機炭素量を示す。単位はｍｇ／リットルである。石鹸抽出液のなかの有機炭素量を示し、液の濃度指標に使われる。
【００２３】
（７）通性菌：
好気性および嫌気性どちらの雰囲気でも生きられる微生物をいう。地球上の水の中ならどこにでも数多く存在している。
【００２４】
（８）エマルジョン：
互いに混じり合わない二種の液体で、一方が他の液体中に微粒子状で分散しているものをいう。水中に油滴の分散する牛乳などの乳濁液。現在では英語読みの「エマルション」が正しい読み方とされ、「エマルジョン」はドイツ語読みの常用語とされる。
【００２５】
（９）ＤＯ値：
水中に溶け込んでいる酸素の量を表す。単位はｍｇ／リットル。
【００２６】
（１０）嫌気性：
通常はＤＯ値が２ｍｇ／リットル未満である水の状態を表す。
【００２７】
（１１）好気性：
通常はＤＯ値が２ｍｇ／リットル以上である水の状態を表す。
【００２８】
（１２）窒素除去：
形態は別にして、水に含まれる窒素を水中から取り除くこと。
【００２９】
（１３）脱窒素：
窒素除去と同義語で、略して単に脱窒と呼ぶこともある。
【００３０】
（１４）カルボキシル基：
−ＣＯＯＨで表される１価の酸基。カルボキシル基を有する有機化合物をカルボン酸という。
【００３１】
（１５）脱窒反応：
ＮＯ3−→ＮＯ2−→ＮＯ→Ｎ2Ｏ→Ｎ2  で表され、通常酸素のない条件下で起きる還元反応をいう。
【００３２】
（１６）ＨＲＴ：
滞留時間をいう。
【００３３】
本発明者等は種々の実験を繰り返し行った結果、湖沼等の閉鎖性水域に流入する河川水に含まれる窒素の除去には、石鹸の抽出液が有効であることを見出した。
【００３４】
河川水等の被処理水中に固形の石鹸を浸漬しておくと、石鹸から抽出された石鹸抽出液のために、初期段階では非常に効率良く窒素を除去できることを確認できた。その一方、石鹸を水中に放置しておくと、時間の経過とともにその石鹸が膨潤した状態となり、それに伴い石鹸抽出液が出なくなると同時に脱窒素効果も低下することになる。結果として、窒素の効率的な除去のためには、被処理水に対して石鹸抽出液を適量ずつ継続して流入させることが不可欠であることが判明した。
【００３５】
すなわち、本発明は、窒素分を含む被処理水が貯留された処理水槽内に石鹸から抽出した石鹸抽出液を流入させ、被処理水中の成分と金属石鹸を構成することで脱窒素菌を効率的に増殖させて、被処理水中の窒素分を除去することを特徴とする。
【００３６】
この場合において、使用する石鹸は純石鹸が望ましい。また、先に述べたような理由から、例えば水質浄化処理装置の処理槽内を流れる被処理水に対して継続して石鹸抽出液を流入させることが望ましい。
【００３７】
より望ましくは、経済性およびリサイクルの観点から、石鹸抽出液は廃油から製造された廃油石鹸から抽出したものとする。
【００３８】
さらに、脱窒素に用いる石鹸抽出液の有機炭素濃度が対象被処理水の窒素濃度（ｍｇ／リットル）に対してＴＯＣ値（ｍｇ／リットル）で５０％以上あることが望ましい。
【００３９】
なお、石鹸抽出液の流入は、前もって別の場所で抽出してあるものを処理水槽に流入させる方法のほか、石鹸から被処理水にて石鹸抽出液を直接抽出して流入させても良い。
【００４０】
したがって、本発明では、石鹸から抽出された石鹸抽出液を被処理水中に流入させて混合すると、石鹸抽出液中の脂肪酸ナトリウムまたは脂肪酸カリウムと被処理水中のマグネシウム（Ｍｇ）イオンやカルシウム（Ｃａ）イオンが結合して金属石鹸を構成し、結果として脱窒素菌を育成することで窒素除去が可能となる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、きわめて簡単且つ安価な方法でありながら比較的短い滞留時間で効率良く窒素の除去を行うことができ、窒素除去効率が飛躍的に向上する。具体的には、１０時間程度で５０％以上の窒素除去が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る窒素除去方法の第１の実施の形態を示す水処理系の概略説明図。
【図２】窒素除去率と温度の変化を示すグラフ。
【図３】本発明に係る窒素除去方法の第２の実施の形態を示す水処理系の概略説明図。
【図４】本発明に係る窒素除去方法の第３の実施の形態を示す水処理系の概略説明図。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１は本発明に係る窒素除去方法の第１の実施の形態を示し、ここでは最も一般的な水質浄化処理装置に適用した場合の例を示している。
【００４４】
同図に示すように、水質浄化処理装置は、被処理水の流入側から放流側に向かって、例えば流量調整槽１、脱窒処理槽２、ばっ気（曝気）槽３、沈殿槽４および放流槽５の順で複数の処理水槽が並設されている。そして、例えば湖沼あるいは内海等の閉鎖性水域に流入することになる河川水等が被処理水として最も上流側の流量調整槽１に流入するようになっていて、その流量調整槽１でオーバーフローした水が流量調整されながら下流側の脱窒処理槽２に流入することになる。以降は同様に、上流側の処理水槽でオーバーフローした水がその下流側の処理水槽に流入するようになっており、各処理水槽を経ることでそれぞれに所定の処理が施された水が最終の放流槽５に流入することになる。この放流槽５の水はオーバーフローするかたちで処理水として上記河川に放流されて戻されることになる。
【００４５】
つまり、図１の水質浄化処理装置に取り込まれた被処理水は、各処理水槽で一時的には滞留しながらも水質浄化処理装置全体としては所定の流速で流れを形成していることになる。
【００４６】
ここで、上記ばっ気槽３では、周知のように図示しない散気管によって水中の空気が積極的に吹き込まれて、いわゆるばっ気処理が施される。また、沈殿槽４ではいわゆる固液分離処理が促進されて、処理水槽の底部に沈殿した汚泥が適宜排出される。
【００４７】
また、図１の水質浄化処理装置には、流量調整槽１および脱窒処理槽２が共有するかたちで純石鹸抽出液貯留槽（以下、単に「貯留槽」と略称するものとする。）６が付帯している。この貯留槽６には、脱窒処理剤として、例えば別の場所にて固形の純石鹸から抽出した純石鹸抽出液（以下、単に「抽出液」と略称するものとする。）がポンプ等にて移送されて貯留されている。そして、水質浄化処理装置での被処理水の流量に対して所定の割合となるように、貯留槽６から流量調整槽１および脱窒処理槽２に向けて抽出液が流量調整されながら適量ずつ継続して流入または投入されるようになっている。この抽出液の流入または投入には、例えば重力（水頭差）を利用したり、ポンプ等を使用することができる。
【００４８】
この抽出液の元となる石鹸は、固形でも粉状でも良く、さらには液体であっても良いが、特に純石鹸が望ましい。要は、単なる脂肪酸ではなく純石鹸の成分である脂肪酸ナトリウム（Ｎａ）または脂肪酸カリウム（Ｋ）が含まれていれば良い。純石鹸は、脂肪酸ナトリウムおよび脂肪酸カリウムが９５％以上含まれ、他の香料などが一切含まれていないもので、周知のように親水性のカルボキシル基が結合した高級脂肪酸の「塩」の代表的な産物とも言うべきものである。そして、純石鹸の抽出液を河川水の脱窒素に使用しても自然の生態系に影響を与えることはなく、純石鹸の成分である脂肪酸ナトリウムおよび脂肪酸カリウムが後述するように被処理水中の窒素の除去に有効に作用することになる。
【００４９】
上記抽出液に代えて、先に例示した液体石鹸を用いる場合には、原液もしくは希釈液をポンプ等により流入させる。ただし、希釈する水としてはＭｇイオンやＣａイオンなどの金属イオンを含まない蒸留水または純水を使用することが望ましいが、被処理水を用いても良いものとする。なお、固形の純石鹸からの抽出液の方が液体石鹸よりもコスト的には有利である。
【００５０】
また、上記純石鹸に代えて、廃油から製造された廃油石鹸を用いると、経済性およびリサイクルの上でも好ましいものとなる。その理由は、窒素除去をもって閉鎖性水域の富栄養化を防止しながら、同時に本来は廃棄すべき物である油の処分も行えるからである。
【００５１】
なお、廃油石鹸は一般家庭での使用済み後に廃棄される天ぷら油などから手作りされた石鹸を指すが、一般家庭での手作りでは大量の製造が難しく、大規模の窒素除去設備への応用が困難である。その一方、例えば食品工場等にて業務用に使用した大量の揚げ油を利用して石鹸量産工場で造られたものも廃油石鹸と呼んでいて、いずれの場合の廃油石鹸も成分は実質的に純石鹸と何ら変わらないものが製造できる。
【００５２】
したがって、本実施の形態によれば、純石鹸から抽出した抽出液を上記流量調整槽１および脱窒処理槽２の段階で被処理水中に流入させて混合すると、石鹸抽出液はその界面活性剤としての働きで被処理水に溶け込むが、抽出液中の脂肪酸ナトリウムまたは脂肪酸カリウムと被処理水中に含まれる金属イオンであるＭｇイオンやＣａイオンが当該金属イオンを核にして結合し、金属石鹸の微粒子を構成することになる。なお、金属石鹸の微粒子は光を通さず不透明なので、抽出液を投入された被処理水は白濁化したものとなる。しかし、白濁した液体は一見エマルジョンのように思えるが、生成された金属石鹸の微粒子での白濁であって、溶け込まない二つの液体が形成するエマルジョンとは明らかに異なる。
【００５３】
このイオン結合による金属石鹸は脱窒素菌を増殖させる栄養源および核になるので、結果として図１に示すように被処理水中の窒素はＮ2ガスとなって大気中に放出され、被処理水中の窒素が除去されることになる。
【００５４】
より詳しくは、抽出液の脂肪分と有機物で構成された金属石鹸の微粒子を核として周囲に生物膜ができ、その内部に存在している通性菌（微生物）の呼吸作用により酸素が消費されて内部の水が嫌気性雰囲気となり、存在する通性菌が嫌気性の脱窒素菌に変換され、有機物（炭素源）を栄養源として活動することで、硝酸の酸素を使う還元作用をもって部分脱窒素現象を起こし、最終的に被処理水全体の脱窒作用をなすこととなる。
【００５５】
また、このような現象は、施設の壁面や仕切り部、底部ならびに施設内の脱窒処理槽などに充填された礫石やひも状ろ材などのろ材にも同じように生物膜が付着形成され、同様な部分脱窒を起こし、被処理水全体の脱窒作用を促進することになる。
【００５６】
その脱窒作用は、抽出液の濃度と水中の金属イオン濃度すなわち金属石鹸の生成量により差があらわれるものの、通常脱窒機能が低下するといわれている２０℃未満の水温においても、抽出液の濃度を調整することにより、一定の窒素除去率を維持できることが確認できた。
【００５７】
この場合において、上記抽出液の濃度指標としては、対象とする被処理水の窒素濃度（ｍｇ／リットル）に対してＴＯＣ値（ｍｇ／リットル）で５０％以上であることが望ましく、ＴＯＣ値が高いほど抽出液の濃度が高いと考えても差し支えない。
【００５８】
言い換えるならば、従来の微生物化学的方法での窒素除去では、その宿命として、水温低下に比例するよう微生物（脱窒菌）の活動が鈍くなり、窒素除去率が急低下して当該窒素除去率が実質的に零（０（ゼロ））となることもあるが、本実施の形態の窒素除去でも限界があるものの、抽出液の濃度を高めることで、十分な窒素除去率を維持することが可能である。
【００５９】
ＴＯＣ値で５０ｍｇ／リットル以上あれば上記抽出液は高濃度と言えるので、高効率な脱窒素にきわめて有効である。その一方、被処理水中の窒素濃度が例えば１０ｍｇ／リットル程度である場合に、窒素除去率として例えば常温（２０℃）において５０％以上を目標とするのであれば、上記抽出液としてはＴＯＣ値で５〜１０ｍｇ／リットル程度で十分である。さらに濃度を上げることももちろん可能ではあるが、無駄に石鹸を消費することになり経済的ではない。
【００６０】
そして、本実施の形態の窒素除去方法によると、被処理水のＤＯ値すなわち被処理水が好気性であるか嫌気性であるかにかかわらず、いずれの場合にも窒素除去が可能であることが確認できた。しかし、被処理水が好気性条件にあっても窒素除去を目的として抽出液が添加されれば、部分嫌気にて部分脱窒が生ずるので、抽出液添加量と濃度によっては被処理水全体のＤＯ値が低下して、最終処理水が嫌気性になることもある。
【００６１】
河川水を被処理水として窒素除去を行った場合、嫌気性の被処理水を放流するのが問題である場合には、最終ばっ気を行い好気性とすることは容易にできる。
【００６２】
このように、本実施の形態の窒素除去方法によれば、従来困難とされていて且つ生態系に大きな影響を与えている硝酸形態の窒素に関しても、面倒な操作なしで簡単にその除去が可能となる。
【００６３】
図２には本発明者等が実験によって求めた窒素除去率と水温の変化を示す。
【００６４】
本実験での設備は図１のものと同等のものであって且つ被処理水の水量が９，６００リットル／日のもので、固形の純石鹸（１８０ｇ×１０個）から抽出した抽出液をサイフォン式の抽出液供給装置にて被処理水に継続的に投入した。ＨＲＴは１０時間とした。図２から明らかなように、窒素除去の効果が顕著に表れている。
【００６５】
図３は本発明に係る窒素除去方法の第２の実施の形態を示し、図１のものと共通する部分には同一符号を付してある。
【００６６】
この第２の実施の形態では、図１の貯留槽６に代えて純石鹸抽出液抽出装置（以下、単に「抽出装置」と略称するものとする。）７を設けた点で図１のものと異なっている。
【００６７】
ここでは、例えば抽出装置７における貯留槽の内部に撹拌装置を具備させ、固形または粉体状の純石鹸を貯留槽の内部にて純水または蒸留水と撹拌しつつ溶かして、実質的に当該抽出装置７の内部にてつくった抽出液を脱窒処理槽２に継続的に流入または投入するようにしたものである。
【００６８】
なお、純水または蒸留水を使用しているのは、抽出液そのものにＭｇイオンやＣａイオンなどの金属イオンが混入しないようにするためである。ただし、抽出液の抽出後に、長時間貯留することなくそれを直ちに使用する場合には、抽出液の抽出に被処理水を使用しても良い。
【００６９】
この場合にも先の第１の実施の形態と同様の作用効果が得られることは言うまでもない。
【００７０】
図４は本発明に係る窒素除去方法の第３の実施の形態を示し、窒素除去機能のみの設備に適用した場合の例を示している。
【００７１】
この例では、脱窒処理槽９の上流側に前処理槽８が付帯しており、例えば前処理槽８での滞留中に固液分離等の一次的な前処理が施された被処理水が下流側の脱窒処理槽９に流入することになる。そして、図１のような貯留槽６または図３の抽出装置７にて得られた抽出液を前処理槽８に継続的に流入または投入させるようにしてある。
【００７２】
この第３の実施の形態においても、窒素除去機能だけに着目すれば図１，３のものと全く同様の作用効果が得られることになる。
【００７３】
このように窒素除去機能だけを求める場合には、わざわざ前処理槽および脱窒処理水槽を準備する必要もなく、対象水路に直接抽出液を流入または投入するだけで容易に窒素除去が可能となる。
【００７４】
この場合、前述したように流水が好気性水であっても、最終処理水が嫌気性となる可能性があることを十分承知して実施する必要がある。
【符号の説明】
【００７５】
２…脱窒処理槽
６…純石鹸抽出液貯留槽
７…純石鹸抽出液抽出装置
９…脱窒処理槽
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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