(57)【要約】【課題】生物学的アンモニア性窒素除去を効率的に行う廃水処理装置を提供する。【解決手段】  カラム２０は、アルカリで脱リグニン処理された草本系バイオマスである充填材２００が充填されている。脱窒反応槽１００は、内部にカラム２０が仕切り１１０の上に、垂直向きに複数配置される。脱窒反応槽１００は、下部に被処理水投入バルブ１６０が配置されて、上部に処理水取得バルブ１８０が配置されて、上向流式に被処理水が供給される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリで脱リグニン処理された草本系バイオマスが充填され通水性を有するカラムが内部に、鉛直方向に配置され、下部から上向流式に被処理水が供給される脱窒反応槽を備える
ことを特徴とする廃水処理装置。
【請求項２】
前記草本系バイオマスは、
水温・水質の変動に対し適正な充填率に圧縮、加圧成形される
ことを特徴とする請求項１に記載の廃水処理装置。
【請求項３】
前記草本系バイオマスが葦属（Ｐｈｒａｇｍｉｔｅｓ）である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の廃水処理装置。
【請求項４】
前記葦属の前記カラムへの充填率は２５％〜６５％である
ことを特徴とする請求項３に記載の廃水処理装置。
【請求項５】
前記草本系バイオマスがもみ殻である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の廃水処理装置。
【請求項６】
前記もみ殻の前記カラムへの充填率は１５％〜４５％である
ことを特徴とする請求項５に記載の廃水処理装置。
【請求項７】
前記カラムは、脱窒に伴う酸化還元電位が所定電圧以上で推移する場合に交換される
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の廃水処理装置。
【請求項８】
前記酸化還元電位により、前記被処理水の適正な接触滞留時間を調整する
ことを特徴とする請求項７に記載の廃水処理装置。
【請求項９】
アルカリで脱リグニン処理された草本系バイオマスが充填され、
前記草本系バイオマスが水温・水質の変動に対し適正な充填率に圧縮、加圧成形される
ことを特徴とする廃水処理装置用のカラム。
【請求項１０】
アルカリで脱リグニン処理をした草本系バイオマスを微生物の担体として被処理水と接触させて脱窒する
ことを特徴とする廃水処理方法。
【請求項１１】
前記草本系バイオマスが葦属（Ｐｈｒａｇｍｉｔｅｓ）である
ことを特徴とする請求項９に記載の廃水処理方法。
【請求項１２】
前記被処理水が廃棄物埋立地浸出水である
ことを特徴とする請求項１０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、廃水処理装置、カラム、及び廃水処理方法に係り、特に生物学的脱窒を行うための廃水処理装置、カラム、及び廃水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から廃水処理施設では、主に微生物を利用して廃水（被処理水）中の亜硝酸性窒素、硝酸性窒素を易分解性有機物の共存下において還元し、ガス態として除去する（以下、「脱窒」という。）、生物学的脱窒方法が用いられている。
【０００３】
従来の微生物を利用した脱窒方法として、特許文献１を参照すると、排水中のアンモニア性窒素を好気性独立栄養細菌である硝化菌で硝化処理する硝化塔と、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素を嫌気性細菌である脱窒菌で脱窒処理する脱窒塔とを有する生物学的硝化脱窒装置を用いた窒素含有排水の処理方法であって、硝化脱窒処理に伴い生成する二酸化炭素が溶解した硝化脱窒処理後の処理水を前記硝化塔に供給し、前記処理水に溶解する二酸化炭素を前記硝化菌の増殖に必要な無機炭素源とすることを特徴とする窒素含有排水の処理方法が記載されている（以下、従来技術１とする。）。
従来技術１によれば、特別な装置を使用することなく硝化菌の増殖に必要な無機炭素を供給可能で、処理コストの安い窒素含有排水の処理方法を提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−６２６５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、従来技術１のように生物学的アンモニア性窒素除去方法を、廃棄物埋立地浸出水のように微生物のエネルギー源となる易分解性有機物やリン酸態リンが少ない廃水に用いる場合には、水素供与体としてメタノール、リン源としてリン酸を追加して使用する必要があった。
しかしながら、メタノールやリン酸等の薬剤を添加する場合、廃水処理のコストがかかるという問題があった。
また、廃水の処理に際して、小さい設置面積で被処理水を処理することができ、薬注タンクや薬注ポンプを必要としない廃水処理装置が求められていた。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上述の課題を解消することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の廃水処理装置は、アルカリで脱リグニン処理された草本系バイオマスが充填され通水性を有するカラムが内部に、鉛直方向に配置され、下部から上向流式に被処理水が供給される脱窒反応槽を備えることを特徴とする。
本発明の廃水処理装置は、前記草本系バイオマスは、水温・水質の変動に対し適正な充填率に圧縮、加圧成形されることを特徴とする。
本発明の廃水処理装置は、前記草本系バイオマスが葦属（Ｐｈｒａｇｍｉｔｅｓ）であることを特徴とする。
本発明の廃水処理装置は、前記葦属の前記カラムへの充填率は２５％〜６５％であることを特徴とする。
本発明の廃水処理装置は、前記草本系バイオマスがもみ殻であることを特徴とする。
本発明の廃水処理装置は、前記もみ殻の前記カラムへの充填率は１５％〜４５％であることを特徴とする。
本発明の廃水処理装置は、前記カラムは、脱窒に伴う酸化還元電位が所定電圧以上で推移する場合に交換されることを特徴とする。
本発明の廃水処理装置は、前記酸化還元電位により、前記被処理水の適正な接触滞留時間を調整することを特徴とする。
本発明のカラムは、アルカリで脱リグニン処理された草本系バイオマスが充填され、前記草本系バイオマスが水温・水質の変動に対し適正な充填率に圧縮、加圧成形されることを特徴とする。
本発明の廃水処理方法は、アルカリで脱リグニン処理をした草本系バイオマスを微生物の担体として被処理水と接触させて脱窒することを特徴とする。
本発明の廃水処理方法は、前記草本系バイオマスが葦属（Ｐｈｒａｇｍｉｔｅｓ）であることを特徴とする。
本発明の廃水処理方法は、前記被処理水が廃棄物埋立地浸出水であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、アルカリで脱リグニン処理をした草本系バイオマスを用いることで、メタノールやリン酸などの薬剤を添加する必要がなく廃水処理の費用を下げられ、薬注タンクや薬注ポンプを必要としない廃水処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る廃水処理装置１の外観の写真である。
【図２】本発明の実施の形態に係る廃水処理装置１の平面図及び側面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るカラム２０への植物体の充填を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るカラム２０への植物体の充填の工程を示す概念図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る実施例１の可溶化率を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態に係る実施例２の廃水処理装置１、２、３、４の構成の概要を示す概念図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る実施例２の上向流式反応槽および横流式反応槽の比較結果を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る実施例３の脱窒に及ぼす充填率の影響を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る実施例４の従来のメタノール脱窒法との脱窒結果の比較を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態に係る実施例４の亜硝酸・硝酸性窒素濃度と酸化還元電位との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施の形態に係る実施例５の廃水処理装置５、６、７、８の構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係る実施例５の結果を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態に係る実施例５の廃水処理装置５の脱窒結果を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施の形態に係る実施例５の廃水処理装置７の脱窒結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜実施の形態＞
〔廃水処理装置１の構成〕
図１〜図２を参照して、本発明の実施の形態に係る廃水処理装置１の構成について説明する。図１（ａ）は廃水処理装置１の側面の写真、図１（ｂ）は廃水処理装置１の平面の写真である。また、図２（ａ）は廃水処理装置１の平面図、図２（ｂ）は廃水処理装置１の側面図である。
廃水処理装置１は、本発明の実施の形態に係る生物学的アンモニア性窒素除去方法を実現するための装置の一例である。廃水処理装置１は、脱窒反応槽１００に、被処理水投入バルブ１６０、処理水取得バルブ１８０、及び汚泥引き抜きバルブ１９０が備えられている。また、脱窒反応槽１００内部には、カラム２０が複数配置され、このカラム２０を支持する仕切り１１０が備えられている。
【００１１】
カラム２０は、内部に植物体等の充填材２００を充填し、被処理水（廃水）から植種された／又は植種液中の脱窒菌又はセルロース分解菌を付着させ、脱窒を行わせる、例えば円筒状のカラムである。この脱窒菌又はセルロース分解菌の植種液としては、下水処理場の初沈汚泥殿、活性汚泥、嫌気性消化汚泥、河川底質、土壌抽出液を直接又は希釈して用いることができる。
カラム２０の側面は、充填材２００が流出しない程度のメッシュの網目や孔が複数開けられており、被処理水を内部に滲入させることができる。
充填材２００は、後述するように植物体がプレスされて充填されるため、自重と圧密により下部ほど空隙が減少し、脱窒に有効な嫌気的環境が自然に形成される。このカラム２０への充填材２００の充填の詳細については後述する。
【００１２】
脱窒反応槽１００は、例えば、ステンレスやチタン等の耐腐食性の素材で作成された円筒状の反応槽である。脱窒反応槽１００は、例えば、長手方向が重力方向と同じ垂直方向になるよう配置され、内部に垂直にカラム２０を複数載置する。この上で、脱窒反応槽１００は、例えば、下面が封止されて被処理水を保持し、上面が解放されて大気に接するように構成される。
脱窒反応槽１００は、仕切り１１０が配置され、この上に充填材が充填されたカラム２０が複数配置される。この際、仕切り１１０が複数配置されて、カラム２０が複数段に配置されてもよい。図２は、仕切り１１０を２つ用いて、カラム２０を２段に配置した例である。
また、脱窒反応槽１００は、下部に被処理水投入バルブ１６０及び汚泥引き抜きバルブ１９０が備えられ、上部に処理水取得バルブ１８０が備えられている。これにより、脱窒反応槽１００は、上向流式反応槽を構成する。
【００１３】
仕切り１１０は、カラム２０を支持するための、メッシュや孔の空いた耐腐食性の素材の板等である。仕切り１１０は、脱窒反応槽１００の底面から所定距離だけ上方に固定される。また、仕切り１１０を複数配置する場合には、カラム２０の高さに合わせて固定してもよい。
この仕切り１１０の下部に沈殿汚泥が貯留され、上部に載置されたカラム２０内で脱窒反応を進行させる。なお、仕切り１１０を用いない構成や、カラム２０を上部から吊すような構成も可能である。
【００１４】
被処理水投入バルブ１６０は、脱窒を行うための廃水（原水）等の被処理水を、脱窒反応槽１００内に投入又は停止するためのバルブである。加えて、被処理水投入バルブ１６０により、開閉量を変更して被処理水の投入量を調整してもよい。
【００１５】
処理水取得バルブ１８０は、脱窒を終えた処理水を採取するためのバルブである。この処理水は、別途、別の廃水処理装置に投入されてもよい。
【００１６】
汚泥引き抜きバルブ１９０は、被処理水中の汚泥や脱窒反応槽から発生して沈殿する汚泥を引き抜くためのバルブである。図２に示したように、被処理水投入バルブ１６０は、仕切り１１０の下部に備えられており、被処理水の投入の勢いにより、汚泥引き抜きバルブ１９０から沈殿した汚泥を効率的に取り出すことが可能となる。
【００１７】
また、廃水処理装置１は、下記の実施例２に係る図６で示すように、被処理水槽４０、ポンプ５０、被処理水ライン６０等を接続することができる。さらに、後述するように、植物体等の充填材を脱窒反応槽１００、１０１等に直接充填することもできる。
【００１８】
（上向流式反応槽の構成）
上述したように、脱窒反応槽１００は、カラム２０又は植物体等の充填材が、長手方向が重力に対する垂直方向に配置される、上向流式に構成することが好適である。これは、上向流式の方が被処理水の大気との接触面積が小さくなり、結果として嫌気的環境が維持されやすくなるためである。
実際に、後述する実施例２に示すように、水平に廃水を流す横流式である廃水処理装置３及び廃水処理装置４（図６）と、上向流式の廃水処理装置１及び廃水処理装置２の脱窒効果を比較した結果、上向流式が高い脱窒能を示した。
【００１９】
また、上述したように、脱窒反応槽１００は、被処理水投入バルブ１６０が脱窒反応槽１００の下部に備えられ、処理水取得バルブ１８０が脱窒反応槽１００の上部に備えられている。これは、上述したように、カラム２０の下部には、脱窒に有効な嫌気的環境が自然に形成されているため、酸素を含む埋立地浸出水の硝化処理水を被処理水として下部から流入させることが好適なためである。さらに、上向流式に構成すると、液面上昇効果により充填材を含む浮遊物質の沈降速度が減少して目詰まりがおこりにくく、下部の汚泥引き抜きバルブ１９０により、沈殿汚泥を除去しやすくなる。
このため、脱窒反応槽１００は、被処理水を下から上へ流す上向流式反応槽として構成することが脱窒に効果的となる。
【００２０】
なお、カラム２０及び脱窒反応槽１００の形状等は、円筒形に限らず、楕円筒、方柱、多角形柱等の各種形状を用いることができる。
また、脱窒反応槽１００を円盤上に配置し、回転させて遠心力を重力の代わりにかけるような構成も可能である。これにより、汚泥を遠心力で除去しやすくなるという効果も得られる。
【００２１】
〔カラム２０の製造方法〕
次に、図３と図４とを参照して、本発明の実施の形態に係るアンモニア性窒素除去方法に用いるカラム２０の製造方法について説明する。
図３に示すように、カラム２０には、バイオマス担体である植物体を充填材２００として充填する。
この際、カラム２０に用いる充填材２００は、脱窒に必要な炭素源・燐源や細菌の付着担体となるセルロースを含む各種の植物体を用いることが可能である。
特に、この植物体として、後述するように、アルカリ処理された葦を用いることが好適である。
【００２２】
（充填材２００の構成）
より具体的に説明すると、充填材２００に用いる植物体としては、草本系のバイオマスである雑草、稲藁、もみ殻、葦等を用いることが可能である。また、植物体として、木質系のバイオマスである間伐材、剪定材、樹皮、木片、廃材、木チップ、オガクズ、鉋屑、割り箸、古畳、古紙、廃パルプを固定したもの等を用いることもできる。
このうち、本実施形態に係る充填材２００としては、特に草本系のバイオマスとして、アルカリ処理された葦属（Ｐｈｒａｇｍｉｔｅｓ）の茎等を用いることが好適である。葦は、硬さ、表面積の大きさ等が、脱窒の充填材として好適である。特に、葦は窒素・燐を大量に吸収して生長するため、収穫による再利用は環境浄化に繋がる。また、葦は、価格や入手の容易さ等においても優れている。
以下では、本実施形態の廃水処理装置１においては、アルカリ処理された葦の茎を充填材２００に使用する例について説明する。
アルカリ処理をした草本系のバイオマス担体である充填材２００を、カラム２０に充填することで、脱窒菌、セルロース分解菌などが表面に付着し、これら有用微生物の働きにより易分解性有機物、リン酸態リン等が溶出することで廃水中の硝酸・亜硝酸態窒素の還元除去が可能となる。
【００２３】
（充填材２００のアルカリ処理）
本発明者らが、鋭意研究を行ったところ、アルカリ処理により脱リグニン化した充填材２００の充填されたカラム２０を用いることで、従来より脱窒性能を飛躍的に高めることに成功し、本発明を完成させた。
充填材２００のアルカリ処理は、例えば、アルカリ溶液に植物体を浸して攪拌した後、ｐＨを中性に近づけるように洗浄することで脱リグニン化する。このように、アルカリ処理による脱リグニン化を行うことで、充填材２００の可溶化を促進させ、反応槽での溶存有機物の濃度を高め、より高い脱窒性能を確保することができる。また、リグニンは微生物が分解し難いので、これを減少させることで、充填材２００が微生物の栄養源となりやすくなる。また、攪拌により、微生物が付着する表面積が増えて、担体としての機能を向上させることができる。
具体的なアルカリ処理としては、充填材２００に葦を使う場合は、以下のような処理を行うことができる。たとえば、水槽に５〜１０ｃｍにカットした乾燥葦の茎を、０．５Ｍ水酸化ナトリウム水溶液に１０％（ｗ／ｖ）となるよう投入する。その後、水酸化ナトリウム水溶液の温度を４０℃程度に保ちながら、投入した葦を２時間程度撹拌する。次に、アルカリ処理を行った葦を水酸化ナトリウム水溶液と同量の中性の水に浸し、１時間程度撹拌した後、脱水して洗浄する。この操作を脱水液のｐＨが８．０以下になるまで５〜６回繰り返し行うことで、水酸化ナトリウムの微生物への影響をなくすことができる。
このアルカリ処理の具体的な効果については、後述する実施例１で説明する。
【００２４】
（本発明の実施の形態に係る充填材のカラム２０への充填工程）
次に、図４により、本発明の実施の形態に係る充填材のカラム２０への充填工程について説明する。
まず、図４（ａ）のように、乾燥された葦を５〜１０ｃｍにカットした後、後述するアルカリ処理により葦に含まれるリグニンを可溶化して除去する。これにより、セルロースやヘミセルロース分解菌又は脱窒菌等の有用微生物が、葦のセルロース等の有機物を資化しやすくすることができる。
次に、図４（ｂ）に示すように、脱リグニン処理をした葦を充填材としてカラム２０に入れ、プレス機等で圧縮、加圧成形されて充填される。後述するように、充填材の圧縮率を変化させることで、脱窒性能を変化させられる。この際、水温・水質の変動に対し安定した脱窒能が得られる適正な充填率を選択可能である。また、圧縮、加圧成形されて充填されることにより、カラム２０を備えた廃水処理装置１を小型化することができる。さらに、充填材２００は、圧密により下部ほど空隙が減少して脱窒に好適な嫌気性環境を実現しやすくなる。充填材２００を充填した後、カラム２０の上下は、蓋等で封止することが好適である。
図４（ｃ）に、この圧縮された充填材２００が充填されたカラム２０の外観を示す。
図４（ｄ）に、脱窒反応槽１００に配置、装填されたカラム２０の平面の写真を示す。円筒状のカラム２０を用いることで、適度な隙間をもってカラム２０を複数、脱窒反応槽１００に装填することができる。これにより、脱窒の反応性や効率を高めることが可能となる。また、カラム２０の交換もしやすくなるという効果が得られる。
【００２５】
充填材２００にアルカリ処理された葦を用いる場合、後述する実施例１で示すように、乾重ベース半減期は約１８０日となる。よって、被処理水の水質に応じて年数回の充填材２００の交換により安定した脱窒能が維持できる。
この交換のタイミングは、酸化還元電位（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ−Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ、ＯＲＰ）の変化を測定することで間接的に知ることができる。
後述する実施例４で示すように、ＯＲＰが所定電圧以下の場合には、脱窒の進行が十分であることが分かる。
逆に、ＯＲＰが所定電圧以上では、脱窒が進行していないことが分かる。このように、ＯＲＰが所定電圧以上となる場合、易分解性有機物の溶出やリンの溶出が脱窒の制限因子となっていることが考えられる。よって、ＯＲＰが所定電圧以上の状態で、所定時間、推移する場合には、カラム２０又は充填材を交換するように構成すると好適である。
また、ＯＲＰが所定電圧以上で所定時間、推移している場合には、被処理水の脱窒反応層１００内での被処理水の滞留時間を長くするよう調整することも可能である。つまり、亜硝酸・硝酸性窒素の還元に伴う所定の酸化還元電位を目安にし、被処理水が適正な接触滞留時間になるよう調整できる。この際に、滞留時間を長くしてもＯＲＰが低下しない場合は、カラム２０又は充填材を交換することが好適である。
これらのＯＲＰの所定電圧としては、後述の実施例４で示すように、アルカリ処理葦を充填材に用いた場合、例えば、−１００ｍＶ程度を用いることが好適である。
【００２６】
また、充填材２００にアルカリ処理された葦を用いる場合、廃棄物埋立地浸出水等の微生物のエネルギー源となる易分解性有機物やリン酸態リンが少ない廃水を効率的に脱窒する場合は、カラム２０への充填率は、充填率２５％〜６５％（ｖ／ｖ）程度、特に４０〜５０％（ｖ／ｖ）程度が好適である。２５％未満の場合は、硝化菌又は脱窒菌等の微生物の生育密度を十分に保つことができず、十分な脱窒能力が得られない。また、６５％よりも多い充填率にすると、空隙を十分保つことができず被処理水がカラム２０内部に浸透しないため、十分な脱窒能力が得られない。また、易分解性有機物やリン酸態リンが十分な環境では、圧縮率を３０％〜４０％（ｖ／ｖ）程度に下げても、十分な脱窒能力が得られる。
また、充填材２００として、アルカリ処理されたもみ殻を廃棄物埋立地浸出水等に用いる場合には、充填率１５％〜４５％（ｖ／ｖ）程度が好適である。
【００２７】
〔本発明の実施の形態に係る生物学的アンモニア性窒素除去方法〕
上述したように、廃棄物埋立地浸出水には易分解性有機物およびリン酸態リンが少ないため、従来から、埋立地浸出水の生物学的アンモニア性窒素除去工程では、脱窒工程において水素供与体としてメタノールおよびリン源としてリン酸を使用する。このため処理コストがかかっていた。
本発明の発明者は、上述の課題を解決するために鋭意研究を行った結果、
（１）アルカリで脱リグニン処理をした草本系のバイオマス担体である充填材２００をカラム２０に充填し、
（２）上向流式反応槽となる脱窒反応槽１００に載置し、
（２）充填材２００を微生物の担体として被処理水と接触させ、被処理水に易分解性有機物やリン酸態リンを供給させる
ことにより、カーボンニュートラルでコスト性とＣＯ2排出軽減に優れた生物学的アンモニア性窒素除去方法を完成させた。
【００２８】
本発明の実施の形態に係るアンモニア性窒素除去方法の被処理水（処理対象水）としては、含窒素無機系産業廃水、産業廃棄物埋立地浸出水、消化脱離液、若しくは低炭素／窒素比（Ｃ／Ｎ比）の有機性廃水、又はこれらの硝化処理水等を用いることができる。これらの被処理水からアンモニア性窒素を硝化、脱窒し、被処理水の全窒素濃度を著しく低減させることができる。
たとえば、本実施形態の生物学的アンモニア性窒素除去方法は、産業廃棄物の最終処分場から浸出する窒素を多く含む廃水を生物学的に処理して窒素を除去することが可能である。
具体的には、後述する実施例３で示すように、廃水処理装置１に、硝化処理が必要な埋立地浸出水を被処理水として、上向流式の廃水処理装置１で６０日間流したところ、平均脱窒率９８％の処理性能が得られた。
【００２９】
以上のように、本発明の実施の形態に係るアンモニア性窒素除去方法では、従来技術１のようにメタノールやリン酸等の薬剤を添加する必要がなく、廃水処理の費用を下げることが可能となる。
また、本発明の実施の形態に係る廃水処理装置１は、被処理水の処理に際して、メタノールやリン酸等を使用しないため、薬注タンクおよび液送ポンプを必要としない。このため、小さい設置面積で被処理水を処理することができ、廃水処理の費用を低減できる。また、分解に伴う酸化還元電位の変化を測定することで、脱窒の進行状況が把握でき維持管理が容易となる。
また、本発明の実施の形態に係る廃水処理装置１は、カーボンニュートラルである草本系等のバイオマス担体を充填材２００として用いるため、水素供与体としてメタノールを使用する場合に比べてＣＯ2排出を削減できる。
なお、本発明の実施の形態に係る廃水処理装置及び廃水処理方法は、硝酸性窒素及び亜硝酸性窒素に限らず、他の生物学的窒素を含む各種化合物であるアンモニア性窒素を広く脱窒して除去することが可能である。
【００３０】
以下において、本発明の実施の形態に係る廃水処理装置１等を用いた生物学的アンモニア性窒素除去方法を具体的に実施例として説明する。しかしながら、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３１】
（アルカリ処理、物理的処理、及び無処理の比較）
まず、図５を参照し、実施例１として、アルカリ処理による脱リグニン化の有効性を確認した実験の結果について説明する。
具体的には、本発明の実施の形態に係るバイオマス担体の有機物の可溶化を促進するための前処理の効果について測定した。このため、乾燥葦（栃木県渡良瀬地区産）を、それぞれ、アルカリ処理（充填材２００）、未処理（充填材２１０）、加圧熱水処理（充填材２２０）、超音波処理（充填材２３０）した際の有機物の可溶化率を測定した。
充填材２００は、アルカリ処理の具体的な手順としては、未処理と同様の長さにカットした乾燥葦の茎を０．５Ｍ水酸化ナトリウム水溶液に１０％（ｗ／ｖ）となるよう投入した。水酸化ナトリウム水溶液の温度を４０℃で保ちながら、投入した葦を５０ｒｐｍで２時間撹拌する。次に、水酸化ナトリウムの微生物への影響をなくすためにアルカリ処理を行った葦の洗浄を行った。上記のアルカリ処理を行った葦を水酸化ナトリウム水溶液と同量の水道水に浸し５０ｒｐｍで１時間撹拌した後、脱水した。この操作を脱水液のｐＨが８．０以下になるまで５〜６回繰り返し行った。
充填材２１０は、充填材２００と同じ乾燥葦の茎を５〜１０ｃｍにカットして、未処理のまま、１３０ｇをそのまま用いた。
充填材２２０は、加圧熱水処理の手順として、充填材２１０と同じ未処理の葦２００ｇと水３Ｌとを圧力容器に入れ、１２５℃、６０分間オートクレーブにて蒸気加圧したものを用いた。充填材２２０の充填量は、充填材２１０と同じ１３０ｇとした。
充填材２３０は、超音波処理の手順として、充填材２１０と同じ未処理の葦２００ｇと水３Ｌとを、東京硝子器械株式会社製の超音波洗浄器（Ｆｉｎｅ  ＦＵ−１３Ｈ）に投入し、１８０分、超音波処理して用いた。充填材２３０の充填量は、充填材２１０と同じ１３０ｇとした。
【００３２】
これらの処理を行った葦をバイオマス担体として充填し、上述の実施の形態の工程の廃水処理装置１の（図２）と同様の上向流式で、実験用に小型化した内径８ｃｍ、高さ２３．５ｃｍのアクリル製の小型脱窒反応槽（有効容積は１．１８Ｌ）にそれぞれ充填した。この際の充填率は１７％とした。
これらの小型脱窒反応槽について、同一の下水汚泥により全窒素４０ｍｇ／Ｌとした人工廃水を被処理水として、滞留時間を８時間に調整し、３ヶ月間、稼働させた。
その後、投入充填材の乾重量から３ヶ月後の充填材の乾重量の差分を求めた。
【００３３】
図５は、各処理を行った充填材の、処理実験系の３ヶ月間の可溶化率を示すグラフである。可溶化率（％）は、下記の式（１）にて算出した：
可溶化率（％）＝［（投入充填材の乾重量−３ヶ月後の充填材の乾重量）×１００］／投入充填材の乾重量  ……  式（１）
図５によると、アルカリ処理を行うことで、充填材２００の分解が促進されて可溶化率が上昇し、微生物の栄養源となる易分解性有機物やリン酸態リンを効果的に供給することが可能になることが分かる。
【実施例２】
【００３４】
（上向流式反応槽および横流式反応槽の比較）
次に、図６及び図７を参照し、実施例２として、上向流式反応槽および横流式反応槽を用いて、脱窒効果を比較した実験の結果について説明する。
図６は、実施例２の装置の構成を説明した略平面の構成図である。
廃水処理装置１及び廃水処理装置２は、上述の実施の形態に係る廃水処理装置１と同様に、脱窒反応槽１００が重力に対して上向きに配置され上向流式の構成を示している。実施例２においては、廃水処理装置１には、カラム２０を用いずにアルカリ処理された充填材２００を直接充填した。また、廃水処理装置２は、廃水処理装置１と同様の構成の上向流式の構成で、未処理の充填材２１０を直接充填した。
廃水処理装置３及び廃水処理装置４は、水平方向に配置される横流式の廃水処理装置の構成である。廃水処理装置３及び廃水処理装置４の脱窒反応槽１０１は、廃水処理装置１の長手方向の両方の端面を封止して、上流側の端面に被処理水投入バルブ１６０を備え、下流側の端面に処理水取得バルブ１８０及び汚泥引き抜きバルブ１９０を備えている。廃水処理装置３及び廃水処理装置４の脱窒反応槽１０１には、図示しない空気孔が開けられている。それ以外は、廃水処理装置１及び廃水処理装置２とまったく同様であり、廃水処理装置３には充填材２００を直接充填し、廃水処理装置４には充填材２１０を直接充填した。
各廃水処理装置１〜廃水処理装置４の充填材２００又は充填材２１０の充填率は、２０％とした。
【００３５】
実施例２においては、上述の実施例１と同じ被処理水を被処理水槽４０に備え、一般的なポンプ５０により、被処理水ライン６０を、各廃水処理装置１〜廃水処理装置４に接続して処理を行い、被処理水及び処理水の平均全窒素、亜硝酸イオン、硝酸イオン、アンモニウムイオン等を島津製作所製の紫外可視分光光度計（ＵＶ−２４５０）又は島津製作所製のイオンクロマトグラフ（Ｐｒｏｍｉｎｅｎｃｅ  ＨＩＣ−ＳＰ）で測定した。
実験は、滞留時間を２４時間に調整し、３ヶ月間行い、各廃水処理装置１及び廃水処理装置２での各無機態窒素の濃度等を測定した。
【００３６】
図７に、実施例２の実験結果を示す。図７は、検体数ｎ＝２１に対して、埋立地浸出水の硝化液（秋田県環境保全センター・水処理施設、大仙市）を被処理水とした廃水の原水を被処理水とした、廃水処理装置１〜廃水処理装置４での脱窒の測定結果を、それぞれ示す。各項目のうち、ＴＮは、平均全窒素（Ｔｏｔａｌ  Ｎｉｔｒｏｇｅｎ）の平均と、最小値（ｍｉｎ）及び最大値（ｍａｘ）を示す。除去率（％）は、平均全窒素の除去率を示す。また、硝化された硝酸性窒素ＮＯ3−Ｎ、亜硝酸性窒素ＮＯ2−Ｎ、アンモニウム性窒素であるＮＨ4−Ｎについて、それぞれの測定結果を示す。
結果として、アルカリ処理を行った充填材２００を用いた廃水処理装置１が最も高い全窒素の除去能力、すなわち最も高い生物学的脱窒能を示した。また、横流式の廃水処理装置３及び廃水処理装置４に対して、上向流式の廃水処理装置１及び廃水処理装置２の方が高い脱窒能力を示し、亜硝酸性・硝酸性窒素の除去に効率的であった。
このように、アルカリ処理を行った充填材２００を用いて、被処理水を下から上へ流す上向流式の反応槽を用いることで、効果的に脱窒できる。
【実施例３】
【００３７】
（脱窒に及ぼす充填率の影響）
次に、図８を参照し、実施例３として、脱窒に及ぼす充填率の影響について実験した結果について説明する。
上述の実施例２と同様に、アルカリ処理された葦を充填材２００とし、充填率がそれぞれ２０％、２５％、４０％となるよう廃水処理装置１に直接充填して上向流式で被処理水を流して、脱窒に及ぼす充填率の影響を調べた。
実験は、実際の埋立地浸出水の酸化処理水である硝化液（秋田県環境保全センター・水処理施設、大仙市）を被処理水として用いて、設置後３日経過して安定させた後、滞留時間を２４時間に調整して、処理前と処理後の平均全窒素の濃度を測定した。
図８に示したように、充填率が高いほど全窒素の除去率は高くなり、脱窒効率に影響を与えることがわかる。このため、水温・水質の変動に対し安定した脱窒能力が得られる適正な充填率を確保するためには、充填材のアルカリ処理に加え、充填率を上げるための加圧成形が有効である。
【実施例４】
【００３８】
（本実施形態の廃水処理装置１とメタノール脱窒法の処理装置との比較）
次に、図９及び図１０を参照し、実施例４として、メタノール脱窒法との比較について実験した結果について説明する。
実施例４として、上述の実施例１のアルカリ処理を行った葦と同様に、４０ｋｇの乾燥葦の茎を５〜１０ｃｍになるよう切断し、４０℃の０．５Ｍ水酸化ナトリウム水溶液に２〜３時間浸積して脱リグニン処理を行った後、洗浄液がｐＨ８．０以下になるまで水洗浄した。この脱リグニン処理をした葦０．９ｋｇを充填材２００として、直径５ｍｍの穴を１０ｍｍ間隔で開けたカラム（直径７７ｍｍ、高さ７７２ｍｍ）に入れ、圧縮成型機で２５０ｇ／ｃｍ3までプレス加工してカラム２０を作製した。この葦が充填されたカラム２０を３３本、直径４０ｃｍ、高さ１６０ｃｍで円筒状の脱窒反応槽１００に、上下２列に配置し、上向流式の廃水処理装置１を構成した。カラム２０を３３本脱窒反応槽１００に配置したことにより、脱窒反応槽１００の充填率は４０％（ｖ／ｖ）となる。
また、比較用に、従来技術１と同様のメタノールを添加する実埋立地浸出水の水処理施設（秋田県環境保全センター・水処理施設、栗本鐵工所製）を用いて脱窒処理後の処理水を週２回の頻度で採取して水質分析を行った。
比較実験は６０日間行い、被処理水及び処理水の平均全窒素（ｍｇ／Ｌ）を測定した。全窒素の測定は島津製作所製の紫外可視分光光度計（ＵＶ−２４５０）を用いて紫外吸光光度法により行った。
また、島津製作所製のイオンクロマトグラフでＮＯ2−Ｎ、ＮＯ3−Ｎを測定し、山形東亜ＤＫＫ製のＯＲＰ計で酸化還元電位を測定した。
【００３９】
この実施例４の廃水処理装置１と、メタノール脱窒法を行う装置とに、実施例３と同様に、平均全窒素濃度：３２．５ｍｇ／Ｌの埋立地浸出水の硝化処理水を被処理水として、接触滞留時間が２４時間となるよう連続流入させながら約６０日間の実験により処理性能を確認した。
図９にこの実験の結果を示す。廃水処理装置１による処理水の全窒素濃度は平均で２．５ｍｇ／Ｌ（最小０．４ｍｇ／Ｌ〜最大６．０ｍｇ／Ｌ）であり、従来のメタノール脱窒法より低く、平均脱窒率９８％の処理性能が得られた。
図１０は、実施例４の処理水と実施例２の廃水処理装置１の亜硝酸・硝酸性窒素濃度（ＮＯ2+3−Ｎ）と酸化還元電位（ＯＲＰ）との関係を示す。横軸は山形東亜ＤＫＫ製のＯＲＰ計により処理水の採水後直ちに測定した酸化還元電位、縦軸は島津製作所製のイオンクロマトグラフで測定された亜硝酸・硝酸性窒素（ＮＯ2+3−Ｎ）の濃度（ｍｇ／Ｌ）を示す。
このように、酸化還元電位の変化を測定することで、脱窒の進行状況が把握できる。また、所定の酸化還元電位を目安に接触滞留時間を調整することで、最適な脱窒を行うことができる。
【実施例５】
【００４０】
（葦ともみとの比較）
次に、図１１〜図１４を参照し、実施例５として、バイオマス担体として同じ草本系の葦ともみ殻とを比較実験した結果について説明する。
【００４１】
図１１の廃水処理装置５は、内径７．８ｃｍ、高さ２５ｃｍ、有効容積１．２Ｌのアクリル製の小型脱窒反応槽を３段に配置した脱窒反応槽１０２に、実施例１、２と同様に、５〜１０ｃｍの大きさにカットしアルカリ処理した葦である充填材２００を、それぞれの小型脱窒反応槽に、それぞれ２００ｇずつ充填率４５％（ｖ／ｖ）になるよう直接充填した。脱窒反応槽１０２は、通過する被処理水の接触滞留時間（ＨＲＴ）が、それぞれ４、８、１２時間になるよう流量を調整した処理水取得バルブ１８２、１８１、１８０を備え、網等の仕切り１１１を備えている。その他は実施例１の小型脱窒反応槽と同様である。このようにして、廃水処理装置５を作成した。
廃水処理装置６は、実施例１、２と同様に、未処理の葦である充填材２２０を、廃水処理装置５と同様に同じ充填率で充填して、脱窒反応槽１０２に配置した構成である。
廃水処理装置７は、もみ殻を葦と同様にアルカリ処理した充填材２４０を、それぞれの小型脱窒反応槽に、それぞれ１８０ｇずつ充填率３３％（ｖ／ｖ）となるよう充填し、脱窒反応槽１０２に配置した構成である。
廃水処理装置８は、未処理のもみ殻である充填材２５０を、廃水処理装置７と同様に同じ充填率で充填して、脱窒反応槽１０２に配置した構成である。
以上４つの廃水処理装置５、６、７、８を作成し、被処理水を下から流入させる上向流式として連続実験を行った。具体的には、実際の埋立地浸出水の硝化・脱窒処理水（秋田県環境保全センター・水処理施設、大仙市）に全窒素濃度が３０ｍｇ／Ｌになるように硝酸カリウムを添加した。また、窒素／燐比が０．０５となるようリン酸二水素カリウムを添加して被処理水として用い、流量を調整して、室温２０℃で８０日間連続運転した。
【００４２】
図１２は、この実施例５の結果を示す図である。アルカリ処理を行った葦である充填材２００を充填した廃水処理装置５、及びアルカリ処理を行ったもみ殻である充填材２４０を充填した廃水処理装置７は、高い脱窒効率を示した。
これに対して、未処理の葦である充填材２１０を充填した廃水処理装置６、及び未処理のもみ殻である充填材２５０を充填した廃水処理装置８は、脱窒効率がアルカリ処理のものに比べて低かった。
また、接触滞留時間（ＨＲＴ）１２時間では、アルカリ処理もみ殻である充填材２４０を充填した廃水処理装置７の場合、処理水の平均全窒素濃度は２．２ｍｇ／Ｌで平均除去率は９２％であった。
また、アルカリ処理葦である充填材２００を充填した廃水処理装置５の場合は、処理水の平均全窒素濃度は１．７ｍｇ／Ｌ、平均除去率は９４％であった。
【００４３】
図１３は、アルカリ処理葦充填した廃水処理装置５における被処理水（原水）と処理水中の亜硝酸・硝酸性窒素濃度を示すグラフである。横軸は経過日数を示し、縦軸はＮＯ2+3−Ｎ（ｍｇ／Ｌ）を示す。点線は環境基準を示す。
図１４は、アルカリ処理を行ったもみ殻を充填した廃水処理装置７における被処理水（原水）と、処理水中の亜硝酸・硝酸性窒素濃度の経日変化を示すグラフである。横軸は経過日数を示し、縦軸はＮＯ2+3−Ｎ（ｍｇ／Ｌ）を示す。点線は環境基準を示す。
このように、アルカリ処理を行った葦又はもみ殻を充填した廃水処理装置５、７では、適正な接触滞留時間において、いずれも８０日間、亜硝酸・硝酸性窒素濃度を環境基準以下まで除去でき、かつ安定した脱窒能力が示された。
【００４４】
なお、上記実施の形態の構成及び動作は例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実行することができることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、草本系バイオマスを用いて安価で効果的に亜硝酸・硝酸性窒素を除去する廃水処理装置及び廃水処理方法を提供できるため、産業上利用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１、２、３、４、５、６、７、８  廃水処理装置
２０  カラム
４０  被処理水槽
５０  ポンプ
６０  被処理水ライン
１００、１０１、１０２  脱窒反応槽
１１０、１１１  仕切り
１６０  被処理水投入バルブ
１８０、１８１、１８２  処理水取得バルブ
１９０  汚泥引き抜きバルブ
２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０  充填材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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