(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
独立栄養性脱窒、従属栄養性脱窒および化学的酸素要求量の除去を同時に進行させることを可能とする廃水処理方法であって、
多種類の微生物を交ぜて成長させるために反応槽に水を注入するステップと、
窒素含有廃水を反応槽に導入し、流出水を反応槽から排出するステップと、
単一の反応槽内で微生物の作用によって攪拌作業を行ないながら硝化反応、独立栄養性脱窒反応、従属栄養性脱窒反応および化学的酸素要求量の除去を同時に進行させるステップを含み、
微生物は、硝化菌、２００９年８月２１日付けで韓国生命工学研究所遺伝子銀行に寄託された寄託番号がＫＣＴＣ  １１５５１ＢＰである独立栄養性脱窒菌、および、従属栄養性脱窒菌を含み、
反応槽内の酸素溶解濃度は、０．１から０．５ｍｇ／Ｌであり、
硝化反応は、硝化菌の作用によってアンモニア態窒素を亜硝酸態窒素に酸化させ、独立栄養性脱窒反応は、独立栄養性脱窒菌の作用によってアンモニア態窒素から亜硝酸態窒素に電子を提供し、窒素および硝酸態窒素を生成させ、従属栄養性脱窒反応は、従属栄養性脱窒菌の作用によって硝酸態窒素および化学的酸素要求量を消耗することを特徴とする廃水処理方法。
【請求項２】
微生物は、反応槽内で浮遊成長することを特徴とする請求項１に記載の廃水処理方法。
【請求項３】
反応槽は、硝化反応に必要な酸素が導入されることを特徴とする請求項１に記載の廃水処理方法。
【請求項４】
硝化反応、独立栄養性脱窒反応、従属栄養性脱窒反応および化学的酸素要求量の除去は、均一な攪拌によって反応槽内で進行することを特徴とする請求項１に記載の廃水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素含有廃水処理技術に関し、詳しくは同一の反応槽内で硝化、独立栄養性脱窒、従属栄養性脱窒および化学的酸素要求量の除去を同時に進行させることを可能とする廃水処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生活排水、牧畜業及び養殖業排水、ごみ埋立地から滲出した水および工業廃水は大量の有機態窒素およびアンモニア態窒素を含有している。現今、窒素含有廃水を処理する方法の中では、生物硝化の脱窒方法が最も業界に汎用されているだけでなく、経済的である。
【０００３】
従来の生物硝化の脱窒反応は図１に示すとおりである。まず硝化段階のステップは、微生物の働きによって有機態窒素をアンモニア化させ（Ａｍｍｏｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、かつ水を加え、（ｐＨによって）ＮＨ4+またはＮＨ3に分解させ、続いてアンモニア態窒素（ＮＨ4+‐Ｎ）を亜硝酸態窒素（ＮＯ2-‐Ｎ）に酸化させ、続いて亜硝酸態窒素を硝酸態窒素（ＮＯ3-‐Ｎ）に酸化させる。この段階において、酸素を水に溶解させることによってアンモニア態窒素および亜硝酸塩に電子を提供するため、エネルギーを大量消費することが避けられない。続いて脱窒段階のステップは、嫌気性従属栄養脱窒菌が有機炭素源の代謝によってＮＯ3-をＮＯ2-に還元させ、続いてＮ2ＯおよびＮ2に連続還元させ、そののち大気中に拡散させる。しかし、一般の窒素含有廃水は有機炭素源が足りない。脱窒菌の働きを促進するために外部から炭素源を添加する必要がある。言い換えれば、生物硝化の脱窒方法はエネルギーを消費し、炭素源を添加する必要があるためコストが高くつくだけでなく、従属栄養細菌によって脱窒反応を進行させる際に大量の汚泥が堆積するため、厖大な汚泥処理費が必要である。また、硝化段階および脱窒段階は水に溶解する酸素の需要量が異なるため、業界は好気性硝化および嫌気性脱窒に対し異なるシステムを別々に設置しなければならない。従って経済効率があまりよくない。
【０００４】
上述した従来の方法に対し、嫌気性アンモニア酸化法（Ａｎａｅｒｏｂｉｃ  Ａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ,  ＡＮＡＭＭＯＸ）が徐々に発展し成熟してきた。例えば米国特許第５，０７８，８８４号は、嫌気環境下で独立栄養脱窒菌の作用によって直接ＮＨ4+からＮＯ2-に電子を提供し、窒素を生成させることによって水中の総窒素を除去し、かつ水中のＮＨ4+が多過ぎ、ＮＯ2-が足りない場合、一部分のＮＨ4+をＮＯ2-に酸化させ、そののち上述の反応を進行させる方法を掲示した。しかし、ＮＨ4+を酸化させるには、好気環境下で進行しなければならないため、この嫌気性アンモニア酸化法は、ＮＨ4+をＮＯ2-に酸化させ、ＮＨ4+およびＮＯ2-に窒素を生成させるために二つ以上のシステムを設置するか、或いはこの二つの反応に必要な微生物を異なる中間物質に別々に付着させることが必要である。従って、この嫌気性アンモニア酸化法は設置コストが高くつき、メンテナンスの複雑度が高いだけでなく、土ごと水中の化学的酸素要求量を除去することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，０７８，８８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の主な目的は、従属栄養性脱窒、独立栄養性脱窒および化学的酸素要求量の除去を同時に進行させることを可能とする廃水処理方法を提供することである。そのうち硝化反応、独立栄養性脱窒反応、従属栄養性脱窒反応および化学的酸素要求量の除去は同一の反応槽内で進行することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するために、本発明による独立栄養性脱窒、従属栄養性脱窒および化学的酸素要求量の除去を同時に進行させることを可能とする廃水処理方法は、同一の反応槽内で微生物の作用によって攪拌作業を行ないながら硝化反応、独立栄養性脱窒反応、従属栄養性脱窒反応および化学的酸素要求量の除去を進行させることである。そのうち微生物は硝化菌、独立栄養性脱窒菌および従属栄養性脱窒菌を含む。硝化反応は、硝化菌の作用によってアンモニア態窒素を亜硝酸態窒素に酸化させる。独立栄養性脱窒反応は、独立栄養性脱窒菌の作用によって直接アンモニア態窒素から亜硝酸態窒素に電子を提供し、窒素および硝酸態窒素を生成させる。従属栄養性脱窒反応は、従属栄養性脱窒菌の作用によって硝酸態窒素および化学的酸素要求量を消耗する。
【０００８】
独立栄養性脱窒菌は、嫌気的アンモニア酸化細菌（Ａｎａｅｒｏｂｉｃ  ａｍｍｏｎｉｕｍ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｂａｃｔｅｒｉａ）にすることが可能である。嫌気的アンモニア酸化細菌はプランクトマイセス（Ｐｌａｎｔｏｍｙｃｅｔｅｓ）に分類され、ラテン語名がＫｕｅｎｅｎｉａ  ｓｔｕｔｔｇａｒｔｉｅｎｓｉｓのグラム陰性菌である。韓国生命工学研究所遺伝子銀行(Ｋｏｒｅａｎ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｔｙｐｅ  Ｃｕｌｔｕｒｅｓ,  ＫＣＴＣ)における寄託番号はＫＣＴＣ  １１５５１ＢＰ、寄託日付は２００９年８月２１日付である。
【０００９】
上述した微生物は、反応槽内で浮遊成長することが可能である。反応槽は酸素を導入し、酸素溶解濃度を０．１から０．５ｍｇ／Ｌの間に維持することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来の生物硝化の脱窒反応を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態による独立栄養性脱窒、従属栄養性脱窒および化学的酸素要求量の除去を同時に進行させることを可能とする廃水処理装置を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態による独立栄養性脱窒、従属栄養性脱窒および化学的酸素要求量の除去を同時に進行させることを可能とする廃水処理装置においてのアンモニア態窒素の濃度変化および除去効率の百分率を表示する模式図である。
【図４】本発明の一実施形態による独立栄養性脱窒、従属栄養性脱窒および化学的酸素要求量の除去を同時に進行させることを可能とする廃水処理方法においてのＣＯＤの濃度変化および除去効率の百分率を表示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明による廃水処理方法は、少なくとも硝化菌、独立栄養脱窒菌および従属栄養脱窒菌の作用によって効果を発揮する。そのうち硝化菌および従属栄養脱窒菌はいずれも従来の生物硝化脱窒方法による廃水処理場において大量に繁殖しているため、非常に獲得しやすい。独立栄養性脱窒菌は通常自然界中の水または活性化汚泥に存在しているが、数は非常に少ないため、培養する必要がある。本発明者は活性化汚泥を植種源とし、汚水処理所の連続攪拌槽反応器（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｓｔｉｒｒｅｄ  Ｔａｎｋ  Ｒｅａｃｔｏｒ,  ＣＳＴＲ）に培養環境を作って独立栄養脱窒菌を培養する。培養過程において高濃度のアンモニア態窒素を含有した廃水を反応器に注入し、かつ空気を導入することによって酸素溶解を高めれば、反応器内の既存の硝化菌が酸素溶解によって電子を獲得し、硝化反応を進行させ、アンモニア態窒素を亜硝酸塩に酸化させることが可能である。空気を導入するならば、硝化作用を促進することが可能なだけでなく、攪拌動力を供給することが可能である。水中の酸素溶解濃度は、０．１から０．５ｍｇ／Ｌの間に維持することが推奨され、０．２から０．３ｍｇ／Ｌに維持されればより好ましい。導入された空気量があまり多くないため、水中の酸素溶解濃度が明らかに上昇することはない。アンモニア態窒素は硝化過程において酸素溶解が足りないため、一部分の硝化反応のみが起こる。このとき硝化反応が硝酸塩を生成させるステップに至るまで持続できず、亜硝酸塩を生成させるステップに至ると停止する。従って、水中のアンモニア態窒素および亜硝酸塩が充分であれば、独立栄養性脱窒菌がアンモニア態窒素と亜硝酸塩によって脱窒反応を進行させ、成長することが可能である。三、四ヶ月が経過すれば独立栄養性脱窒菌の培養が完成する。培養が完成した独立栄養性脱窒菌はＫｕｅｎｅｎｉａ  ｓｔｕｔｔｇａｒｔｉｅｎｓｉｓと鑑定され、かつプランクトマイセス（Ｐｌａｎｔｏｍｙｃｅｔｅｓ）に分類されるグラム陰性菌である。韓国生命工学研究所遺伝子銀行(Ｋｏｒｅａｎ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｔｙｐｅ  Ｃｕｌｔｕｒｅｓ，  ＫＣＴＣ)における寄託番号はＫＣＴＣ  １１５５１ＢＰ、寄託日付は２００９年８月２１日付である。この独立栄養性脱窒菌は、嫌気環境下で直接アンモニア態窒素から亜硝酸塩に電子を提供し、反応を起こして窒素および硝酸態窒素を生成させることが可能である。
【００１２】
培養が完成した独立栄養性脱窒菌は、硝化菌および従属栄養性脱窒菌とともに同一の反応槽内で窒素含有廃水の浄化を進めることが可能である。本発明による廃水処理方法は、多種類の微生物を交ぜて成長させるために反応槽に水を注入するステップと、窒素含有廃水を反応槽に導入し、流出水を反応槽から排出するステップと、単一の反応槽内で微生物の作用によって攪拌しながら、硝化反応、独立栄養性脱窒反応、従属栄養性脱窒反応および化学的酸素要求量の除去を同時に進行させるステップと、を含む。そのうちの微生物は硝化菌、独立栄養脱窒菌、従属栄養脱窒菌を含む。
【００１３】
窒素含有廃水中のアンモニア態窒素は、硝化菌の作用および酸素の供給によって硝化反応が起こり、亜硝酸態窒素に酸化する。独立栄養性脱窒反応は、独立栄養性脱窒菌の作用によって直接アンモニア態窒素から亜硝酸態窒素に電子を提供し、窒素および硝酸態窒素を生成させる。従属栄養性脱窒反応は、従属栄養性脱窒菌の作用によって硝酸態窒素および化学的酸素要求量を消耗し、かつ窒素を生成させる。これらの反応は同時に反応槽内で攪拌することによって均一に進行する。上述した反応によって窒素含有廃水中のアンモニア態窒素および化学的酸素要求量を確実に除去し、浄化目的を達成することが可能である。
【００１４】
そのうちの硝化菌、独立栄養性脱窒菌および従属栄養性脱窒菌は、反応槽内で均一に攪拌されることで浮遊成長する。上述した反応は連続攪拌槽反応器に限らず、連続回分反応器内（Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ  Ｂａｔｃｈ  Ｒｅａｃｔｏｒ,  ＳＢＲ）で進行することが可能である。
【００１５】
システム中の酸素溶解濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下である場合、硝化菌による硝化反応が不十分であるが、システム中のアンモニア態窒素が充分であり、亜硝酸態窒素が独立栄養性脱窒反応によって迅速に消耗されるため、硝化反応に伴って生成する亜硝酸態窒素は比較的低い濃度に終始維持される。従って、システム中の硝化反応を一定の速度で持続させることが可能である。
【００１６】
以下、本発明の構造および特徴を下記実施形態に基づいて説明する。本発明は、下記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
【００１７】
（第一実施形態）
図２に示すように、本発明による独立栄養性脱窒、従属栄養性脱窒および化学的酸素要求量の除去を同時に進行させることを可能とする廃水処理装置１０は、連続攪拌槽反応器（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｓｔｉｒｒｅｄ  Ｔａｎｋ  Ｒｅａｃｔｏｒ,  ＣＳＴＲ）であり、かつ反応槽１２、微生物、複数の空気散布器１４、空気散布モーター１６および沈殿池１８を備える。
【００１８】
微生物は、硝化菌、独立栄養性脱窒菌および従属栄養性脱窒菌を含み、かつ反応槽１２内に均一に攪拌されることで浮遊成長する。空気散布器１４は、反応槽１２内の底部に配置される。空気散布モーター１６は空気散布器１４に接続されるため反応槽１２の液面下に空気を輸送し、酸素溶解濃度を高めることが可能である。沈殿池１８は反応槽１２に連接される。空気散布器１４および空気散布モーター１６は硝化反応に必要な酸素を適切に供給することが可能なだけでなく、攪拌動力を提供することによって反応を均一に進行させることが可能である。
【００１９】
処理待ちの窒素含有廃水は直接反応槽１２内に導入され、反応後、沈殿池１８に流入し、浮遊微粒子の沈殿を行なう。沈殿池１８は上層液が外部に排出され、部分の汚泥が管路２０によって反応槽１２に戻る。廃水処理装置１０は、水力滞留時間（Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  Ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ  Ｔｉｍｅ,  ＨＲＴ）が２４時間であり、汚泥滞留時間（Ｓｌｕｄｇｅ  ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ  ｔｉｍｅ, ＳＲＴ）が１８日間であり、水中の酸素溶解濃度が０．２から０．３ｍｇ／Ｌである。流入水の汚染物濃度、流出水の汚染物濃度及び汚染物の除去率は図３および図４に示すとおりである。図３に示すように、流入水のアンモニア態窒素濃度は９００から１１００ｍｇ−Ｎ／Ｌの間である。廃水処理装置によって処理された後、流出水のアンモニア態窒素濃度は４４から２０８ｍｇ−Ｎ／Ｌの間であるため、アンモニア態窒素の除去率が７８から９５％に達する。図４に示すように、流入水の化学的酸素要求量は６１８から８３３ｍｇ／Ｌの間であり、流出水の化学的酸素要求量は２０８から４３５ｍｇ／Ｌの間であるため、除去率が４６から６３％に達する。つまり、廃水処理装置は水中のアンモニア態窒素および化学的酸素要求量を同時に除去することが可能である。
【００２０】
（第二実施形態）
同様に連続攪拌槽反応器を採用し、ＨＲＴを２４時間、ＳＲＴを１８日間、水中の酸素溶解濃度を０．２から０．３ｍｇ／Ｌの間に設定する場合、流入水および流出水の汚染物濃度は次のとおりである。
【００２１】
【表１】
0005629448.tif 000002
【００２２】
このシステムは総窒素の除去率が４９．２％である。計算結果によってそのうちの４４．２％の総窒素は独立栄養性脱窒菌の作用によって窒素に還元され、大気に拡散する。残りの５％は従属栄養性脱窒菌の作用によって大気に拡散する。廃水中の総窒素は主に独立栄養性脱窒菌の作用によって除去されるため、従属栄養脱窒菌の作用のみに頼る従来の方法と比べて本発明による廃水処理方法は、汚泥量を大幅に減少させ、後続の汚泥処理にかかるコストを削減し、有機炭素源の需要量を確実に減少させることが可能である。化学的酸素要求量（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｏｘｙｇｅｎ  ｄｅｍａｎｄ,  ＣＯＤ）の除去率は３３．４％である。そのうちの３０．０％は従属栄養性脱窒菌によって消耗され、残りの３．４％は別種類の従属栄養細菌によって消耗される。
【００２３】
（第三実施形態）
連続攪拌槽反応器を採用し、ＨＲＴを２４時間、ＳＲＴを１８日間、水流の酸素溶解濃度を０．２から０．３ｍｇ／Ｌの間に設定する場合、流入水および流出水の汚染物濃度は次のとおりである。
【００２４】
【表２】
0005629448.tif 000003
【００２５】
このシステムは総窒素の除去率が６０．９％である。計算結果によってそのうちの５４．７％の総窒素は独立栄養性脱窒菌の作用によって窒素に還元され、大気に拡散する。残りの６．２％は従属栄養性脱窒菌の作用によって大気に拡散する。ＣＯＤの除去率は４２．９％である。そのうちの１９．７％は従属栄養性脱窒菌によって消耗され、残りの２３．２％は別種類の従属栄養細菌によって消耗される。
【００２６】
本発明は、同一の反応槽内で硝化反応、独立栄養性脱窒反応および従属栄養性脱窒反応を進行させることが可能であるため、窒素含有廃水中のアンモニア態窒素、亜硝酸態窒素、硝酸態窒素および化学的酸素要求量を確実に除去することが可能となる。硝化菌、独立栄養性脱窒菌および従属栄養性脱窒菌は反応槽内に均一に攪拌されることで浮遊成長するため、二つ以上の反応槽を設置するか、付着成長に用いる二つ以上の中間物質を提供する必要はない。従って、設置コストを確実に削減し、操作およびメンテナンスを簡単にすることが可能である。廃水中の総窒素の多くは独立栄養性脱窒菌の作用によって除去されるため、本発明は汚泥量および有機炭素源の需要量を大幅に減少させることが可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１０：廃水処理装置、  １２：反応槽、  １４：空気分布器、  １６：空気分布モーター、  １８：沈殿池、  ２０：管路。
【受託番号】
【００２８】
ＫＣＴＣ  １１５５１ＢＰ
【図１】
0005629448.tif 000004
【図２】
0005629448.tif 000005
【図３】
0005629448.tif 000006
【図４】
0005629448.tif 000007