(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水を処理槽に導入し、ここで曝気処理することによって、被処理水中の窒素化合物を酸化する生物学的硝化処理装置において、
処理槽内に、間隔をおいて配置される複数の板材から構成された充填材モジュールを縦方向に液体通路が形成されるように複数充填し、
これら充填材モジュール間の間隙にランダムに折れ曲がった線材が絡み合った網目状をなし全体として板状に成形された網目状充填材を縦方向および横方向に配置し、
網目状充填材で水平方向および垂直方向に隣接した複数の充填材モジュールを仕切るとともに、複数充填された充填材モジュールの下方から曝気することを特徴とする生物学的硝化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
上記充填材モジュールは、平板材と波板材を交互に積層して形成されており、この平板材及び波板材は、不織布で構成されることを特徴とする生物学的硝化装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置において、
上記網目状充填材は、その空隙率が９０％以上であることを特徴とする生物学的硝化装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の装置において、
上記網目状充填材は、０．５〜３ｍｍ径の線材で構成することを特徴とする生物学的硝化装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の装置において、
処理槽内の水あるいは処理槽から流出する処理水のｐＨを計測するｐＨメータと、
処理槽にｐＨ調整剤を添加するｐＨ調整剤添加装置と、
を有し、
処理槽内の水あるいは処理槽から流出する処理水のｐＨが所定範囲に入るようにｐＨ調整剤を添加することを特徴とする生物学的硝化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排水中のアンモニア態窒素あるいは有機態窒素を硝酸態窒素や亜硝酸態窒素に酸化して硝化する生物学的硝化装置、特に処理槽内に充填材を充填した浸漬濾床タイプのものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、湖沼や湾等の閉鎖性水域における富栄養化防止の観点から、排水中の窒素を除去することが求められており、窒素の排出規制が一部地域で実施されている。
【０００３】
排水中の窒素の除去方法には、（ｉ）微生物の硝化脱窒作用を利用する微生物法、（ｉｉ）アンモニアと塩素の反応を利用する不連続点塩素処理法、（ｉｉｉ）高ｐＨでのアンモニアの水中からの放出を利用するアンモニアストリッピング法、（ｉｖ）イオン交換樹脂を利用したイオン交換法、等が知られている。ここで、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）はアンモニウム塩のみが対象であり、また（ｉｖ）はアンモニウム塩、硝酸塩、亜硝酸塩が対象になる。一方、（ｉ）の微生物法は、アンモニウム塩の他、有機態窒素、硝酸塩、亜硝酸塩が除去可能であり、かつ二次汚染の心配のない窒素ガスとして排水中の窒素を除去でき、さらにランニングコストが比較的安いというメリットもある。そこで、各種の窒素含有排水からの窒素の除去方法として、広く採用されている。
【０００４】
ここで、この微生物法による窒素除去について、簡単に説明する。この微生物法は、排水中のアンモニア態窒素および有機態窒素を一旦硝酸または亜硝酸にまで酸化する硝化工程と、硝酸または亜硝酸を窒素ガスに還元する脱窒工程からなっている。そして、硝化工程、脱窒工程では、次のような反応が進行する。
【０００５】
（硝化工程）
ＮＨ4+＋１．５Ｏ2→ＮＯ2-＋Ｈ2０＋２Ｈ+      （１）
ＮＯ2-＋０．５Ｏ2→ＮＯ3-      （２）
（脱窒工程）
２ＮＯ2-＋６Ｈ+（水素供与体）→Ｎ2＋２Ｈ2Ｏ＋２ＯＨ-      （３）
２ＮＯ3-＋１０Ｈ+（水素供与体）→Ｎ2＋４Ｈ2Ｏ＋２ＯＨ-      （４）
ここで、上述の硝化工程における（１）（２）の反応は、好気的条件下において進行する反応であり、（１）（２）の反応に関与する代表的な硝化細菌として、Nitrosomonas、Nitrobacterがそれぞれあげられる。
【０００６】
一方、脱窒工程における（３）（４）の反応は、嫌気的条件下において進行する反応であり、この反応は通性嫌気性細菌であるPseudomonas、Micrococcus、Hyphomicrobium、Thiobacillus等によるといわれている。
【０００７】
また、このような微生物を利用した窒素除去に利用する処理槽として、微生物を処理槽内に浮遊させる浮遊式のものと、微生物を担体上に保持する浸漬濾床式のものとがある。浸漬濾床式の処理槽は、浮遊式の処理槽に比べ、槽内の微生物濃度を高く維持することができ、このため窒素負荷を高くすることが可能である。さらに、浸漬濾床式の処理槽は、沈殿槽から汚泥を返送し処理槽内の微生物濃度を管理する浮遊式に比べ運転管理が容易であるという利点を持つ。このため、浸漬濾床式の処理槽が生物学的窒素除去装置に広く利用されている。
【０００８】
例えば、特開平８−１６４４００号公報には、浸漬濾床式の生物学的硝化装置が示されている。この公報では、浸漬濾床を構成する微生物の担体として、不織布を利用している。すなわち、平板状の不織布と、波板状の不織布を交互に積層して形成した充填材モジュールを処理槽内に充填している。このような浸漬濾床式の生物学的硝化装置により、処理槽における微生物濃度を高濃度に保ち、効果的な硝化処理が行える。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、硝化反応は、上述のように、
ＮＨ4+＋１．５Ｏ2→Ｎｏ2-＋Ｈ2０＋２Ｈ+      （１）
ＮＯ2-＋０．５Ｏ2→ＮＯ3-      （２）
という反応であり、１モルのＮＨ4+が硝化される際に２モルのＨ+が発生する。このため、場合によっては硝化反応の進行に伴って硝化処理水のｐＨが大幅に低下することもある。一方、硝化を行う硝化細菌は、その活性がｐＨの影響を強く受け、ｐＨ７．０〜８．５という比較的狭い範囲で活性が高く、ｐＨ５以下では増殖できないという特性を持つ。従って、処理槽内におけるｐＨを硝化細菌の活性が高い範囲内に制御することが必要である。
【００１０】
一方、硝化におけるｐＨ変化は、被処理水のＮＨ4+濃度及びアルカリ度によって決定される。すなわち、被処理水のアルカリ度がＮＨ4+濃度と比較して小さい場合には、硝化処理によってｐＨは大きく低下する。例えば、半導体製造工程から排出されるアンモニア態窒素を含む排水にあっては、半導体部品を純水によって洗浄した際に排出されるアンモニア態窒素含有排水であるから、アルカリ度が比較的小さい。従って、ｐＨの低下を防止するためにアルカリ剤の添加が必要となる。そこで、通常の場合処理槽に流入する排水に予め水酸化ナトリウムなどのアルカリ剤を添加し処理槽におけるｐＨの低下を防止していた。
【００１１】
ところが、上述の特開平８−１６４４００号公報に記載されているような浸漬濾床式の処理槽では、処理槽内の水の流れがプラグフローに近いものになる。このため、処理槽の被処理水導入側においてｐＨが高く、処理水流出側において、ｐＨが低くなり、処理槽内のｐＨを全体として好適な範囲に収めるのは困難であった。従って、処理槽内における硝化細菌の活性を十分なものに維持することができず、十分な硝化処理が行えないという問題点があった。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、処理槽内のｐＨを所定範囲内に収め、効果的に硝化処理が行える生物学的硝化装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被処理水を処理槽に導入し、ここで曝気処理することによって、被処理水中の窒素化合物を酸化する生物学的硝化処理装置において、処理槽内に、間隔をおいて配置される複数の板材から構成された充填材モジュールを縦方向に液体通路が形成されるように複数充填し、これら充填材モジュール間の間隙にランダムに折れ曲がった線材が絡み合った網目状をなし全体として板状に成形された網目状充填材を縦方向および横方向に配置し、網目状充填材で水平方向および垂直方向に隣接した複数の充填材モジュールを仕切るとともに、複数充填された充填材モジュールの下方から曝気することを特徴とする。
【００１４】
このように、本発明によれば、縦方向の網目状充填材により、処理槽内を仕切っている。これによって、処理槽内における縦方向の流れを助長することができ、処理槽内の混合状態を改善して処理槽内の水の流れを完全混合に近いものにすることができる。そこで、処理槽内において、ｐＨの分布が発生し、硝化細菌の活動が阻害されることを防止することができる。
【００１５】
すなわち、硝化細菌は、ｐＨが７〜８．５程度の範囲でその活動が十分なものになる。処理槽内の混合状態がほぼ完全混合に近くないと、槽の入り口側でｐＨが高すぎたり、出口側でｐＨが低すぎたりし、処理槽内全体において硝化細菌を十分に活動させることができない。従って、処理槽に対する窒素の容積負荷を高くすることができない。
【００１６】
本発明によれば、上述のように処理槽内全体を硝化細菌に至適なｐＨにすることができ、これによって処理槽における硝化をより効果的に行うことができる。
【００１７】
さらに、網目状充填材を用いることによって、気泡を細分化することができるので、窒素化合物の酸化に必要な酸素の溶解効率を高めることができる。
【００１８】
また、本発明は、上記充填材モジュールは、平板材と波板材を交互に積層して形成されており、この平板材及び波板材は、不織布で構成されることを特徴とする。このような充填材モジュールは、硝化細菌の担体として好適であり、処理槽内における硝化細菌の保持量を大きくして、処理能力を高めることができる。
【００１９】
また、本発明は、上記網目状充填材は、その空隙率が９０％以上であることを特徴とする。このように、網目状充填材の空隙率を高くすることによって、処理槽内のデッドスペースを減少して、十分な処理が行える。
【００２０】
また、本発明は、処理槽内の水あるいは処理槽から流出する処理水のｐＨを計測するｐＨメータと、処理槽にｐＨ調整剤を添加するｐＨ調整剤添加装置と、を有し、処理槽内の水あるいは処理槽から流出する処理水のｐＨが所定範囲に入るようにｐＨ調整剤を添加することを特徴とする。このように、処理槽に直接ｐＨ調整剤を添加することによって、処理槽内のｐＨを硝化細菌に至適なｐＨ範囲に調整できる。特に、本発明の処理槽は、その内部がよく混合されているため、ｐＨ調整剤の添加によって、処理槽内全体を至適ｐＨに調整することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に好適な実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１および図２は、実施形態の構成を示す図であり、図１は全体構成を示すブロック図、図２は処理槽１４の平面図である。例えば、ＬＳＩや液晶表示装置の製造工場のウェット処理プロセスから排出されるアンモニア態窒素を含有する排水は、原水槽１０に導入貯留される。そして、原水槽１０内の排水は、原水ポンプ１２により、処理槽１４の底部に流入される。
【００２３】
この処理槽１４の内部には、硝化細菌などの担体となる濾床が充填されるが、本実施形態では、ほぼ立方体形状の不織布からなる充填材モジュール１６と、これら充填材モジュール間に配置される板状の網目状充填材１８からなる濾床が採用されている。また、この充填材モジュール１６及び網目状充填材１８からなる濾床の下方には、空気分散材層２０が設けられている。さらに、処理槽１４の底部には、複数の散気管２２が配置される。従って、この散気管２２から散気することで、処理槽１４内の槽内処理水が曝気処理される。一方、処理槽１４の上部には越流堰２６が設けられ、ここを介し処理水が排出される。
【００２４】
また、処理槽１４の内部の出口付近の水のｐＨを検出するｐＨメータ２８が設けられている。そして、このｐＨメータ２８の検出値に応じて、アルカリ剤タンク３０からのアルカリ剤を処理槽の底部に供給するアルカリ剤注入ポンプ３２が制御されるようになっている。
【００２５】
ここで、処理槽１４にはその底部から原水が供給されるが、この処理槽１４内には散気管２２から気泡が供給されており、処理槽１４内の水は常に曝気攪拌されている。特に、濾床の底部には、空気分散材層２０が設けられており、処理槽１４内に供給された気泡は、この空気分散材層２０によって、細分化され水中への溶解が促進される。これによって、処理槽１４内は、常に好気的雰囲気に維持されている。
【００２６】
空気分散材層２０は、プラスチック性のネット（網）をパイプ状に形成したものを多数積み重ねて構成することが好ましい。さらに、空気分散材層２０は、図示を省略した格子状の支持材などによって保持している。なお、空気分散材層２０を処理槽の底部に直接形成してもよい。
【００２７】
そして、この空気分散材層２０の上方に多数配置される充填材モジュール１６は、平板状の不織布を複数所定間隔をおいて積層して構成されている。例えば、図３に示すように、不織布からなる平板１６ａを同じく不織布からなるスペーサ１６ｂを介し複数枚積層して全体として立方体形状としたものが好適である。ここで、このスペーサ１６ｂは、図における上下方向にのびる短冊状のもので、これによって充填材モジュール１６は、多数の断面四角形の通路を有するものになる。平板１６ａは、その厚みが１〜５ｍｍ程度であり、平板１６ａ同士の間隔（スペーサの長さ）は５〜２０ｍｍ程度ある。また、充填材モジュール１６は、各辺が０．５〜２ｍ程度の立方体または直方体である。なお、スペーサ１６ｂは、平板１６ａを所定間隔に維持できればよいため、円柱状の突起など各種の形状のものであってもよい。スペーサ１６ｂを円柱状の突起にした場合、槽内処理水は平板１６ａに平行な面内において、上下左右に移動できることになる。
【００２８】
さらに、充填材モジュール１６は、図４に示すように、平板材１６ａと、波板材１６ｃを交互に積層して構成することも好適である。この充填材モジュール１６によれば、図における上下方向に細長い通路が形成される。この充填材モジュール１６の大きさ、平板１６ａ同士の間隔などは、図３のものとほぼ同様である。また、波板１６ｃは、その波の周期が１０〜５０ｍｍ程度である。
【００２９】
このような充填材モジュール１６は、不織布で構成されている。この不織布は、細菌の付着育成に非常に適しており、不織布の充填材モジュールを利用することで、処理槽内の硝化細菌量を多くして、処理能力を大きくすることができる。
【００３０】
また、不織布に繊維状活性炭を混合したものも使用することができ、このような不織布の充填材モジュールを使用すると、硝化細菌の保持量をさらに高めることができる。
【００３１】
そして、複数の充填材モジュール１６を充填する際に各充填材モジュールの間隙には、縦方向に網目状充填材１８が充填されている。この網目状充填材１８は、図５に示すように、ランダムに折れ曲がった線材が絡み合ったへちま状のものであり、全体としては板状に成形されている。ここで、線材はプラスチック材料（例えば、ポリプロピレン）で形成され、その直径は０．５〜３ｍｍ程度である。そして、網目状充填材１８の縦横の大きさは、充填材モジュール１６と同一に形成され、厚みは３０〜５０ｃｍ程度である。また、この網目状充填材１８の空隙率は、９０％以上であり、処理水や気泡が流通可能である。このように網目状充填材１８の空隙率を高くすることで、この網目状充填材１８の流通抵抗が小さくなり、充填材１８の内部を処理水や気泡が自由に流通することができるとともに、この充填材１８が目詰まりし、ここがデッドスペースになることを防止できる。なお、強度や流通の抵抗を考慮すると、空隙率は９５％以下とすることが好ましい。
【００３２】
ここで、網目状充填材１８の流通抵抗は上述のごとく非常に小さいので、散気管２２からの気泡により、処理槽１４内が曝気攪拌されると、網目状充填材１８が配置されている部分が水の自由通路となり、全体の攪拌効果が高くなる。すなわち、縦方向の網目状充填材１８が配置されてなく、相隣り合う充填材モジュール１６同士が密着して配置されている場合、充填材モジュール１６が図２、図３に示したごとく板材を積層して構成されたものであり、これを縦方向に液体通路が形成されるように充填されているために、処理槽１４内において被処理水の流れが主として縦方向の流れとなり、プラグフローに近いものになる。一般的に排水の生物学的処理において、流れがプラグフローになることは問題はない。しかし、硝化処理において、処理槽１４内の流れがプラグフローになると、末端側（この例では上部）において、槽内のｐＨが非常に低くなり、ここにおける硝化作用が阻害される。一方、原水に多量のアルカリ剤を添加すると、入り口側のｐＨが高くなりすぎる。本実施形態においては、縦方向に網目状充填材１８が配置されており、これによって、槽内水はこの網目状充填材１８の内部を自由に移動できるので、上下方向の槽内水の攪拌混合が促進され、これによってｐＨの分布による悪影響を防止できる。なお、本実施形態では水平方向にも上記と同様の構造の網目状充填材１９を配置してあるが、水平方向の網目状充填材１９は省略してもよい。但し、網目状充填材を水平方向にも配置することによって攪拌混合がより促進されるとともに、水平方向の網目状充填材１９は、気泡の細分化の機能もあるので、望ましくは水平方向にも配置した方がよい。。
【００３３】
さらに、本実施形態では、ｐＨメータ２８により計測した槽内水のｐＨに基づき、ｐＨ調整剤であるアルカリ剤（ＮａＯＨ）の添加量を制御する。特に、アルカリ剤は、直接処理槽１４に供給され、処理槽１４内は完全混合に近い流れになっている。そこで、処理槽１４内全体に渡って、槽内水を至適ｐＨ（例えば、７．５近辺）に保持することができ、処理槽１４内の全体において、好適な硝化処理が行える。
【００３４】
特に、半導体製造工程からの排水には、フッ素が含まれる場合が多く、このフッ素は水酸化カルシウム等のカルシウム化合物を利用して除去される。そこで、硝化処理の対象となる排水には、フッ素除去に用いられたカルシウム化合物に由来するカルシウムイオンが多量に含まれている場合が多い。このような排水を処理するに当たり、従来のプラグフローの硝化処理装置では硝化槽の出口において槽内水のｐＨが７前後になるように処理槽の入口でアルカリ剤を原水に添加すると、原水のｐＨが高くなりすぎ充填材の表面に例えば水酸化カルシウムが析出し目詰まりが発生するという問題がある。さらに、析出した水酸化カルシウムが剥離して処理槽１４から流出すると、その際に硝化細菌が一緒に流出する。硝化細菌は、その増殖速度が非常に遅いため、このような流出により処理槽１４内における硝化細菌の量が十分な量に維持できず処理が十分行えなくなる。
【００３５】
本実施形態では、上述のように、アルカリ剤を直接処理槽１４に供給すると共に、処理槽１４内の混合状態がほぼ完全混合になるように改善した。このため、水酸化カルシウムの析出も抑制することができ、上述のような問題も解決される。なお、水酸化カルシウムだけではなく、炭酸カルシウムやリン酸カルシウムも析出することがあるが、これらについても同様のことがいえる。
【００３６】
【実施例】
有効容積０．３ｍ3の処理槽１４（浸漬濾床式硝化槽）を利用して、ＬＳＩ製造工場の排水についての硝化処理を行った。図１に示したように、原水と曝気空気は処理槽１４の底部から供給し、曝気空気供給量は、５０ＮＬ（ノルマル・リットル）／ｍｉｎとした。
【００３７】
原水水質は、以下の通りであった。
【００３８】
ｐＨ：０．５〜１．５
ＮＨ4−Ｎ（アンモニア態窒素）：平均約５０ｍｇ／Ｌ
ＴＯＣ（全有機炭素）：０．５〜２．０ｍｇ／Ｌ
Ｃａ（カルシウム）：２５０〜４００ｍｇ／Ｌ
Ｒｕｎ１では縦方向の網目状充填材１８を取り去って充填材モジュール同士を密着させ、横方向の網目状充填材１９のみとした。Ｒｕｎ２では、図１に示すように、縦方向の網目状充填材１８を配置した。また、いずれの場合も、ｐＨメータ２８のｐＨが７．０〜７．５になるように、アルカリ剤を原水に添加してｐＨ調整を行った。
【００３９】
Ｒｕｎ１、２の各処理槽１４に硝化処理が行われている下水処理場の汚泥を投入し、一晩曝気を行い、その後アンモニア態窒素の容積負荷を平均０．５ｋｇＮ／ｍ3／ｄになるように原水を処理槽１４に供給した。そして、硝化率（アンモニア態窒素除去率）が９０％以上になった場合に、容積負荷が０．５ｋｇＮ／ｍ3／ｄずつ上がるように原水供給量を増加させた。
【００４０】
Ｒｕｎ１では、４週間の処理を行ったときに、容積負荷が１．０ｋｇＮ／ｍ3／ｄであり、硝化率は７５〜８０％であった。そして、その後の運転によっても、硝化率は上昇せず、従って容積負荷を増やすことができなかった。このとき、処理槽１４に供給する原水のｐＨは、１０以上になっていた。すなわち、このＲｕｎ１では、処理槽１４内の流れがプラグフローに近く、処理槽１４内にｐＨの分布が発生する。これによって、処理槽１４の下部では、ｐＨが高すぎ、硝化細菌の活性が落ち、従って容積負荷を上昇できなかったものと考えられる。
【００４１】
一方、Ｒｕｎ２では、４週間の処理を行ったときに、容積負荷が２．０ｋｇＮ／ｍ3／ｄであり、硝化率が７５〜８０％であった。その後、運転を継続することによって、硝化率が上がり、容積負荷をさらに上昇することができた。また、処理槽１４へ流入する原水のｐＨは、８．５程度であった。
【００４２】
このように、Ｒｕｎ２においては、処理槽１４内において、混合状態が良好であり、処理槽１４内において、ｐＨの分布がほとんどできなかったものと考えられる。これによって、処理槽１４内全体のｐＨが硝化細菌に至適であるため、十分な硝化能力があり、容積負荷を上昇できたものと推察される。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、処理槽内におけるｐＨ分布の発生を抑制し、処理槽内全体における硝化細菌の働きを十分なものにできる。従って、処理槽内において、十分な硝化処理が行え、窒素の容積負荷を上昇することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図２】  図１に示した処理槽の平面図である。
【図３】  充填材モジュールの一例を示す図である。
【図４】  充填材モジュールの他の例を示す図である。
【図５】  網目状充填材の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０  原水槽、１４  処理槽、１６  充填材モジュール、１８，１９  網目状充填材、２０  空気分散材層、２２  散気管。
【図１】
0003678531.tif 000002
【図２】
0003678531.tif 000003
【図３】
0003678531.tif 000004
【図４】
0003678531.tif 000005
【図５】
0003678531.tif 000006