(57)【要約】【課題】汚水からの一酸化二窒素(N2O)の放出を抑制する汚水処理方法及び汚水処理装置を提供する。【解決手段】汚水を固定床型炭素繊維存在下で曝気処理に供する工程を含み、該炭素繊維に集積した微生物により一酸化二窒素の発生を抑制する、汚水処理方法。【選択図】図１
2014205136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚水を固定床型炭素繊維存在下で曝気処理に供する工程を含み、該炭素繊維に集積した微生物により一酸化二窒素の発生を抑制する、汚水処理方法。
【請求項２】
汚水を、筒体と該筒体外周面に法線方向に張り出して配置した炭素繊維とを含む固定床型微生物担体存在下で曝気処理に供する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
曝気処理後の流出水を汚泥と処理水とに分離する工程を含む、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
汚水が畜舎汚水である、請求項１〜３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
汚水を曝気処理に供する固定床型炭素繊維充填処理槽を備え、該炭素繊維に集積した微生物により一酸化二窒素の発生を抑制する、汚水処理装置。
【請求項６】
固定床型炭素繊維充填処理槽が、筒体と該筒体外周面に法線方向に張り出して配置した炭素繊維とを含む固定床型微生物担体を充填した処理槽である、請求項５記載の装置。
【請求項７】
曝気処理後の流出水を汚泥と処理水に分離する沈殿槽を含む、請求項５又は６記載の装置。
【請求項８】
汚水が畜舎汚水である、請求項５〜７のいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば畜舎汚水、下水等の有機性汚水の処理方法及び当該方法に使用される汚水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
家畜排泄物起源の温室効果ガス(GHG)発生は、農業系排出量の約26％の寄与があるとされており、削減への期待が大きい。日本の家畜排泄物管理区分においては、GHGであるメタン(CH4)及び一酸化二窒素(N2O)の主たる排出源の1つに汚水浄化が挙げられている。特に、N2Oの地球温暖化係数は二酸化炭素の298倍であると報告されている(気候変動に関する政府間パネル(IPCC) 第4次評価報告書)ことから、汚水浄化におけるN2O発生抑制技術の開発はGHG発生量削減に大きく貢献するものと考えられる。
【０００３】
従来において、汚水処理から発生するN2Oの発生要因としては、硝化過程においては、溶存酸素不足、有機物の過負荷、短い汚泥滞留時間(SRT）、毒性物質の存在、低水温、及び高アンモニア性窒素(NH4-N)条件が指摘されており、また脱窒過程においては、投入汚水の炭素率(C/N)が低い条件、pHが低い条件、及び酸化還元電位(ORP)が高い条件が指摘されている(花木ら(2001), 水環境学会誌, 24(7), pp. 473-476；Kampschreurら(2009), Water Research, 43(17), pp. 4093-4103；及び増田ら(2009), 水環境学会誌， 32(3)， pp. 147-152）。このように、N2Oの発生因子が多岐に渡る一方で、処理水中にNOX-Nの蓄積が認められた場合にN2Oの発生が増大することが報告されている(花木ら(2001), 水環境学会誌, 24(7), pp. 473-476；及びKampschreurら(2009), Water Research, 43(17), pp. 4093-4103)。
【０００４】
ところで、従来において、汚水浄化処理は、例えば活性汚泥法により行われている。
標準活性汚泥法は、最初沈殿、曝気、最終沈殿の順から成る処理方式で、最初沈殿で先ず重力沈降によって物理的な処理が行われ、次いで、得られた上澄み液を曝気槽に投入する。曝気槽では活性汚泥によって好気的な微生物処理が行われ、有機物が分解される。最終沈殿では、活性汚泥を沈降させ、曝気槽へ汚泥の一部を返送することにより、汚泥濃度が調整される。また、最終沈殿後の上澄み液が処理水となる。浄化処理において、当該標準活性汚泥法が一般的な処理手法として用いられている。しかしながら、曝気槽の汚泥濃度の調整や沈殿槽から曝気槽への汚泥返送量の調整等の運転管理が必要である。また、窒素成分は、硝化までは進んでも脱窒が十分に行われず亜硝酸イオンや硝酸イオンが蓄積する場合が多い。報告によれば、大気中へのN2O放出は、当該亜硝酸イオン蓄積が一因とされている。また、標準活性汚泥法では、投入窒素の5％程度がN2Oとして大気中に放出すると推測されている(日本国温室効果ガスインベントリ報告書2012年4月)。
【０００５】
間欠曝気法は、上記標準活性汚泥法の変法であり、標準活性汚泥法が連続曝気による処理であるのに対し、処理過程において部分的に曝気を停止させることで、酸素の供給をストップさせて無酸素状態とし、脱窒を促進させる手法である。間欠曝気法によれば、N2Oの発生をかなり抑えることが可能であると報告されている一方で、N2Oの発生が増大したケースも報告されている。また、当該手法は一時的に曝気を停止することで有機物分解能が低下する可能性がある。そのため、標準活性汚泥法よりも大きい処理槽が必要である。さらに、各畜産農家濃度に合った曝気ON、OFF時間の調整が必要である。
【０００６】
回分式活性汚泥法もまた上記標準活性汚泥法の変法であり、通常、標準活性汚泥法が最終沈殿池を設けて処理を行うのに対し、1つの処理槽で全ての処理工程を終わらせる手法である。すなわち、回分式活性汚泥法は、汚水の投入、曝気処理、曝気停止による汚泥沈降、固液分離された上澄み液の処理水としての排出の4工程を1つの処理槽で繰り返して行う手法である。回分式活性汚泥法も間欠曝気法と同様にN2Oの発生を抑えることが可能であると報告されている。しかしながら、回分式活性汚泥法では汚水の連続供給ができず、また曝気時間に制限があるため、大きな処理槽が必要となるといった問題が存在する。さらに、汚水量や水温等の変化に合わせて曝気や汚泥沈殿時間を容易に変更できるが、一方で管理者の知識及び能力が要求されるというデメリットがある。
【０００７】
N2O発生測定を行った報告によれば、連続式嫌気好気回分式活性汚泥法において、N2Oが投入窒素の0.5％以上発生したことが報告されている(Itokawa, H.ら(2001), Water Research, 35(3), pp. 657-664)。また、連続式活性汚泥法において、N2Oが投入窒素の0.2〜1.5％発生したことが報告されている(Noda, N.ら(2003), Water Science and Technology 48(11-12), pp. 363-370)。
【０００８】
このように、従来法による汚水処理においては、十分にN2Oの発生を抑制することができなかった。
一方、炭素繊維を含有する微生物担体を用いた汚水の浄化方法が、従来において知られている。
【０００９】
特許文献１は、ポリ塩化ビニリデン、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン及び炭素繊維から選択される少なくとも1種の繊維並びにアクリル繊維を、基幹に多数のU字形ループを形成させるように直立した微生物担体、及び当該微生物担体を充填した処理槽を用いて曝気処理を行う汚水浄化方法を開示する。
【００１０】
特許文献２は、生物膜を保持する接触濾材として炭素繊維から成る単糸開繊房状濾材を接触曝気槽に設置した汚水処理装置、及び当該汚水処理装置を用いた汚水処理方法を開示する。
【００１１】
特許文献３は、嫌気性処理槽と、鉛直方向に長い形状を有し、嫌気性処理槽内に固定された支持体と、支持体に一部が固定され、鉛直方向に複数配列された炭素繊維等から形成される紐状濾材と、嫌気性処理槽内で、鉛直上方に汚水を循環させる汚水循環部とを有する水処理装置を開示する。
【００１２】
特許文献４は、空中又は水中において一定の形態を保持できる程度の硬さを有する棒状の支持体と、支持体から斜め方向に張り出した複数の炭素繊維等の繊維部材を螺旋状に配置することで懸濁固形物等汚泥を効率的に捕集できる水処理部材と、支持体の長軸方向が処理水の流れる方向となるように形成された嫌気性処理槽とを有する浄化槽、並びに当該浄化槽を用いた水処理方法を開示する。
【００１３】
特許文献５は、予めサイジング剤が除去されたPAN系の炭素繊維フィラメントによって生物膜担体が形成されると共に、生物膜担体は、柔軟性及び可撓性に富む極細の多数の炭素繊維フィラメントが結束されたり圧縮されたり編まれたり織られたりして、水中に設置した場合には、多数の各炭素繊維フィラメントが水中でばらけて露出し、泳動することにより、大きな微生物付着表面積を確保する成形体に形成され、当該成形体は、炭素繊維フィラメントによって形成されたストランド基幹部に対して、複数本の炭素繊維フィラメントから成る炭素繊維ストランドを連結一体化することによってほうき状に形成されたほうき型ストランド成形体から構成された、接触酸化式水浄化装置における接触濾材を開示する。
【００１４】
特許文献６は、含酸素基を導入した炭素繊維の周りに好炭素菌の層を固定化し、好炭素菌の周りに微生物を固定化して、固定化微生物と、難分解性有機物を含む排水とを接触させることによって、難分解性有機物を分解して排水を浄化することを含む排水浄化方法を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平10-276777号公報
【特許文献２】特開2000-325973号公報
【特許文献３】特開2012-91115号公報
【特許文献４】特開2011-147886号公報
【特許文献５】特許第2954509号公報
【特許文献６】特許第3328700号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述のように、汚水処理においてN2Oの放出を抑制することができれば、GHG発生量削減に大きく貢献するものと期待される。しかしながら、従来法による汚水処理においては、十分にN2Oの発生を抑制することができなかった。
【００１７】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑み、汚水からのN2Oの放出を抑制することができる汚水処理方法及び汚水処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、NOX-Nの蓄積が少ない処理を目指して活性汚泥法とは異なる手法として生物膜法に着目し、且つ構造的に担体の配置を工夫することにより炭素繊維を微生物担体として用いて汚水処理を行うことで、汚水からのN2Oの放出を抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１９】
本発明は以下を包含する。
（１）汚水を固定床型炭素繊維存在下で曝気処理に供する工程を含み、該炭素繊維に集積した微生物により一酸化二窒素(N2O)の発生を抑制する、汚水処理方法。
（２）汚水を、筒体と該筒体外周面に法線方向に張り出して配置した炭素繊維とを含む固定床型微生物担体存在下で曝気処理に供する、（１）記載の方法。
（３）曝気処理後の流出水を汚泥と処理水とに分離する工程を含む、（１）又は（２）記載の方法。
（４）汚水が畜舎汚水である、（１）〜（３）のいずれか１記載の方法。
（５）汚水を曝気処理に供する固定床型炭素繊維充填処理槽を備え、該炭素繊維に集積した微生物により一酸化二窒素(N2O)の発生を抑制する、汚水処理装置。
（６）固定床型炭素繊維充填処理槽が、筒体と該筒体外周面に法線方向に張り出して配置した炭素繊維とを含む固定床型微生物担体を充填した処理槽である、（５）記載の装置。
（７）曝気処理後の流出水を汚泥と処理水に分離する沈殿槽を含む、（５）又は（６）記載の装置。
（８）汚水が畜舎汚水である、（５）〜（７）のいずれか１記載の装置。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、汚水処理において、汚水からの一酸化二窒素(N2O)の発生を抑制する一方で、汚水を浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明における固定床型炭素繊維充填処理槽の一例を示す模式図である。
【図２】本発明に係る汚水処理装置の一例を示す模式図である。
【図３】実施例１における炭素繊維充填好気性バイオリアクターの模式図である。
【図４】実施例１におけるコントロールとしての活性汚泥リアクターの模式図である。
【図５】運転130日〜136日における(a)炭素繊維リアクターと(b)活性汚泥リアクターから発生したNH3、N2O及びCH4のガス濃度変化を示すグラフである。経過時間0(hrs)〜168(hrs)は、運転130日目から136日目までの経過時間である。
【図６】運転131日目における(a)炭素繊維リアクターと(b)活性汚泥リアクターの汚水投入後における水質及び発生ガス濃度の変化の典型例を示すグラフである。
【図７】炭素繊維リアクターにおける菌叢解析結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００２３】
本発明に係る汚水処理方法(以下、「本方法」と称する)は、汚水を固定床型(例えば、円筒形の支持体に固定した)炭素繊維存在下で曝気処理に供する方法である。具体的には、曝気処理により、固定床型炭素繊維を固定した支持体(円筒)内及びその周囲に浮遊する好気性微生物により、硝化反応が促進される。一方、支持体(円筒形)の外側に取り付けられた炭素繊維の内部に主に嫌気性微生物を集積及び担持させることにより、N2Oの発生を抑制した処理が可能である。当該微生物を使用して汚水中の有機物及び窒素を除去する。本方法によれば、汚水中の有機物及び窒素を効率的に処理する一方で、例えば従来の活性汚泥法と比較して、汚水からの一酸化二窒素(N2O)の発生を有意に抑制することができる。特に、本処理構造を有する固定床型炭素繊維充填処理槽を用いることにより、活性汚泥法では集積することが困難な嫌気性微生物を高濃度に炭素繊維に保持させることで、集積した微生物による硝化及び脱窒反応が同時に進行し、N2Oの発生を有意に抑制することができる。
【００２４】
ここで、汚水としては、限定されるものではないが、例えば畜舎汚水、下水等が挙げられる。畜舎汚水とは、例えば豚舎や牛舎等の糞尿や洗浄水を含む汚水を意味する。畜舎汚水には、例えば硝化反応(好気条件下でのアンモニウムイオンから亜硝酸イオン、硝酸イオンへの酸化)を行う硝化細菌及び脱窒反応(硝酸イオンから窒素ガスへの還元)を行う脱窒細菌が存在する。畜舎汚水中のこのような微生物を固定床型炭素繊維充填処理槽に集積及び担持させることで、硝化及び脱窒反応が同時に進行し、当該汚水中のアンモニウムイオンが窒素ガスへと変換され、窒素を系外へ放出し、N2Oの発生を抑制することができる。
【００２５】
本方法では、汚水を、そのまま曝気処理に供することができる。あるいは曝気処理前に、汚水を、機械式や重力沈殿等による固液分離に供し、得られた液分を流入水として曝気処理に供することもできる。機械式による固液分離法としては、例えば圧搾や篩別が挙げられる。圧搾では、スクリュープレス又はロールプレスを使用する。スクリュープレスは、円筒内に取り付けたスクリューを回転させて、内部の間隙や排出口を縮小することにより圧力を高め、円筒に設けた小孔又は間隙から液汁を排除する装置である。また、ロールプレスは、相対する2本のロールに材料を挟み、固形物と液汁を分離する装置である。一方、篩別は、篩面を用いて粉粒体を粒径の大小に分別する操作を意味し、固定篩、回転篩、振動篩等を使用する。固定篩は、濾網面が固定されたものである。回転篩は、濾網が円筒状になっており、回転軸を傾斜させて回転させ、円筒内部に生じる篩渣(分離固形物)は傾斜軸に従って下方に移動し排除される仕組みである。振動篩は、濾網をわずかに傾斜させ、クランク機構による往復又は円弧運動、偏心軸による旋回運動、振動モータによるスプリングで支持した濾網の共振等により振動を与え、篩渣を排除する仕組みとなっている装置である。
【００２６】
一方、曝気処理を行う槽として、固定床型炭素繊維充填処理槽を準備する。ここで、固定床型炭素繊維(微生物担体)とは、槽内に充填するか若しくは流動しないように固定させた炭素繊維(微生物担体)を意味する。また、固定床型炭素繊維充填処理槽は、当該固定床型炭素繊維を充填した、又は流動しないように固定させた処理槽を意味する。
【００２７】
本発明における固定床型炭素繊維充填処理槽の一例を図１に示す。図１に示すように、本発明における固定床型炭素繊維充填処理槽は、例えば円筒形リアクターの中心部にメッシュ筒(支持体)に取り付けた炭素繊維(微生物担体)を固定した固定床型バイオリアクターとする。本技術は、炭素繊維を微生物担体として、円筒形の外側に配置させることにより、連続曝気条件下でも、好気部位及び嫌気部位が形成され、N2Oの発生を抑えながら窒素除去を行うことができることを特長とした処理装置である。微生物担体としては、炭素繊維以外に繊維状の担体を用いることができるが、特に炭素繊維が好ましい。炭素繊維は、例えばスプリング・フィールド有限会社等から市販されているものであってよい。汚水中の微生物を集積できるように、炭素繊維の繊維径としては、例えば3〜20μm、特に7〜8μmの範囲とすることが好ましい。微生物担体の構造としては、メッシュ筒の外側に担体が張り出した状態とすることにより、接触曝気とならないように、直接、曝気が担体に当たらない構造とすることで、担体からの生物膜の剥離を抑制するとともに、酸素供給を抑制することができる。この構造により、担体の生物膜の形成が促進され、担体において嫌気性微生物が増殖する。また、担体に付着していない浮遊微生物は、曝気による酸素供給により好気性微生物の増殖を促進させ、有機物の分解、硝化反応を起こす。生物化学的酸素要求量(BOD)負荷は、0.1〜0.5kg/m3/dayが好ましい。従って、炭素繊維を処理槽内に接触曝気することがないように配置充填することで、嫌気性微生物の増殖を促し、N2Oの発生を抑制させることを特長とする処理装置を作製する。例えば筒体(支持体)と該筒体外周面に法線方向に張り出して配置した炭素繊維とを含む固定床型微生物担体(微生物集積部材)として処理槽内に充填することができる。ここで、筒体としては、例えばプラスチック製のメッシュ状の筒体が挙げられる。例えば図１に示すように、当該メッシュ状の筒体に対して、該筒体外周面に複数(例えば4本)の炭素繊維を法線方向に張り出すように固定して配置する。さらにメッシュ状の筒体外周面に、長手方向に所定の間隔で複数段(例えば11段)で炭素繊維を配置することができる。メッシュ状の筒体外周面への炭素繊維の固定方法としては、例えば接着や溶着が挙げられる。また、処理槽内に少なくとも1以上の当該微生物担体を配置することができる。処理槽内への当該微生物担体の配置方法としては、例えば汚水(流入水)中に微生物担体全体が浸漬するように設置する方法が挙げられる。この場合、直接、散気管からの曝気が当たらないように設置することが好ましい。
【００２８】
例えば、下記の実施例における炭素繊維リアクター(図３)のように、直径15cm、高さ約120cm及び容積20L規模(有効容積10L)の円筒形カラムから成る処理槽(バイオリアクター)においては、直径5cm及び高さ55cmのメッシュ状の筒体外周面に直径7μm×幅0.5cm×長さ5cmの複数の炭素繊維を対向して、法線方向に張り出すように、且つ長手方向に5cm間隔で複数段で配置する。
【００２９】
次いで、固定床型炭素繊維充填処理槽に上述の汚水又は固液分離後の流入水を供給し、汚水又は流入水中の微生物を炭素繊維に集積させ、且つ担持させる。また当該処理槽内に空気を供給すること(通気)で、当該処理槽内で曝気処理を行う。すなわち、固定床型炭素繊維充填処理槽内は、好気条件となる。通気は、連続的に行うことが好ましい。曝気強度としては、例えば1〜6m3/m3・hが挙げられる。また、曝気処理における温度としては、例えば4〜40℃、好ましくは20〜30℃が挙げられる。さらに曝気処理におけるpHとしては、例えばpH5.8〜8.6、好ましくはpH6.0〜8.0が挙げられる。
【００３０】
曝気処理後、流出水を沈殿槽に移し、汚泥を沈殿させる。当該沈殿処理では、重力沈殿によって曝気処理後の流出水が汚泥(余剰汚泥)と処理水に分離される。汚泥はその後、一般的に脱水処理に供される。沈殿槽からの流出水は浄化された処理水となる。
【００３１】
本方法により、有意に汚水からのN2O発生を抑制できたか否かの評価は、例えばガスモニターを用いて曝気処理期間中にN2Oを測定し、N2Oの発生が有意に(例えば0.01 gN2O-N/gTN(全窒素)-load以下、好ましくは0.0005 gN2O-N/gTN-load以下)低減している場合には、本方法により汚水からのN2O発生を抑制できたと判断することができる。また、有意に汚水中の有機物及び窒素を除去できたか否かの評価は、例えば、水質指標である生物化学的酸素要求量(BOD)、浮遊物質(SS)、全窒素(TN)等について、汚水又は固液分離後の流入水と沈殿槽からの流出水(処理水)を比較することで行われる。沈殿槽からの流出水(処理水)において、汚水又は固液分離後の流入水と比較してこれらの指標が有意に低減し、例えばBODが160mg/L以下、SSが200mg/L以下、溶解性窒素化合物が100mg/L以下となっている場合には、本方法により有意に汚水を浄化できたと判断することができる。
【００３２】
以上、説明した本方法によれば、汚水から有機物及び窒素を除去し、汚水を浄化する一方で、汚水からのN2O発生を抑制できる。
【００３３】
一方、本発明に係る汚水処理装置(以下、「本装置」と称する)は、以上に説明した本方法を行うことができる装置である。本装置は、汚水を曝気処理に供する固定床型炭素繊維充填処理槽を有するものである。さらに、本装置は、汚水を固定床型炭素繊維充填処理槽に移送する移送手段、又は汚水を固液分離に供する固液分離槽と該固液分離により得られた液分(流入水)を固定床型炭素繊維充填処理槽に移送する移送手段；曝気処理後の流出水を沈殿槽に移送する移送手段；及び曝気処理後の流出水を汚泥と処理水に分離する沈殿槽等を有するものとすることができる。
【００３４】
図２は、固定床型炭素繊維充填処理槽を備える本装置の一例を示す模式図である。
図２に示すように、本装置１は、固定床型微生物担体２(筒体３と該筒体外周面に法線方向に張り出して配置した炭素繊維４とを含む固定床型微生物担体)を充填した固定床型炭素繊維充填処理槽５と、(汚水を固液分離に供する場合における)固定床型炭素繊維充填処理槽５における曝気処理前に汚水を固液分離に供する固液分離槽６と、固定床型炭素繊維充填処理槽５における曝気処理後の流出水を汚泥と処理水に分離する沈殿槽７とを備える。なお、汚水を固液分離に供しない場合には、本装置１は、固液分離槽６を備える必要がない。さらに、本装置１は、固定床型炭素繊維充填処理槽５内に通気を行う手段として空気を供給する通気ブロアー８を備える。
【００３５】
先ず、汚水を固液分離に供する場合においては、固液分離槽６に汚水を供給し、固液分離を行う。固液分離後、分離された汚泥９を系外へと排出し、一方、分離された液分を、流入水として固定床型炭素繊維充填処理槽５に供給する。固液分離槽６と固定床型炭素繊維充填処理槽５との間の流路に投入ポンプ１０(移送手段)を配置し、当該ポンプをタイマー等で一定時間毎(例えば1日1回)稼動させることで、固定床型炭素繊維充填処理槽５に流入水を当該処理槽下部から供給する。あるいは、汚水を固液分離に供しない場合には、汚水を直接、投入ポンプ１０(移送手段)により固定床型炭素繊維充填処理槽５に供給する。
【００３６】
次に、固定床型炭素繊維充填処理槽５では、下部から供給された汚水又は流入水中の微生物を炭素繊維４に集積及び担持させ、また底部から通気ブロアー８を介して通気を行うことで、曝気処理を行う。通気は連続的に行われることが好ましい。
【００３７】
固定床型炭素繊維充填処理槽５内での曝気処理終了後、一定量の液を当該処理槽上部より引き抜き、流出水として沈殿槽７に供給する。なお、固定床型炭素繊維充填処理槽５と沈殿槽７との間の流路に排出ポンプ１１(移送手段)を配置し、当該ポンプをタイマー等で一定時間毎(例えば1日1回)稼動させることで、沈殿槽７に一定量の液を供給する。例えば、一定時間毎に、沈殿槽７への流出水の供給と共に、上述の固定床型炭素繊維充填処理槽５への流入水の供給を流出水と等量で行う。
沈殿槽７では、汚泥の沈殿が行われ、余剰汚泥１２と処理水１３とを別々に系外に排出する。
【００３８】
本装置では、固定床型炭素繊維充填処理槽(曝気槽)の運転方法は、上述のように一定時間毎(例えば1日毎)に上部より一定量の液を引抜き沈殿槽に送り、一方、沈殿槽からの流出水を処理水とし、その後、当該処理槽上部より引抜き量と等量の汚水を投入する回分式か、又は常時一定量の汚水を当該処理槽下部に流入させ、当該処理槽最上部から越流する液を沈殿槽に流下させる連続処理方式のいずれかで行うことができる。
【００３９】
以上に説明する本発明によれば、従来の活性汚泥法と比較して、汚水からのN2O発生を抑制でき、且つ炭素繊維を担体として汚水中の微生物を高濃度に集積させ、微生物が炭素繊維表面に付着して保持されるため、沈殿槽からの曝気槽へ汚泥返送が不要であり、また、反応タンク内の汚泥量の調整が必要ないため、運転管理が容易であり、畜産農家に適している。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４１】
〔実施例１〕炭素繊維充填好気性バイオリアクターを用いた養豚汚水処理によるN2O発生の抑制
1. 実験方法
(1) 実験装置の概要及び運転条件
実験装置の概要を図３に示す。試験に使用した好気性バイオリアクターは、直径15cm、高さ約120cm及び容積20Lの円筒形カラムを用い、有効容積は10Lとし、リアクター下部から曝気を行う構造とした。当該リアクターには、直径5cm及び高さ55cmのメッシュ円筒の周囲に直径7μm × 幅0.5cm × 長さ5cmの炭素繊維を4方向×11段となるように取り付けたものをリアクター内に設置し、固定床型炭素繊維充填好気性バイオリアクター(以下、「炭素繊維リアクター」と称する)とした。
【００４２】
一方、図４に示すように、コントロールとして、活性汚泥処理施設の活性汚泥を種汚泥として投入した活性汚泥リアクターの運転も同時に行った。
処理方式は回分式とし、6時間に1度、汚泥を沈降させるために曝気を25分間停止させた。
【００４３】
流入水は、豚舎汚水を使用し、上記の双方のリアクターに6時間に一度、リアクター下部から約400mLの汚水を投入すると共に、リアクター上部から処理水が流出するようにした。滞留時間は双方のリアクター共に平均約6日とした。双方のリアクターにおいて、それぞれ馴養期間を経て試験を開始した。
【００４４】
処理水としてリアクターから流出した液を30分静置し、上澄み液を採水し、採取した上澄み液を水質分析に供した。
【００４５】
また、双方のリアクターの運転を20℃の恒温室で行い、曝気量は運転初期を除き1L/min(曝気強度6m3/m3・h)で試験を行った。
【００４６】
(2) 分析方法
採取した上澄み液において、生物化学的酸素要求量(BOD)を、自動測定装置(Hach Company, BOD Trak, USA)を用いて測定した。また、浮遊物質(SS)を、下水試験方法(日本下水道協会1997)に基づいて測定した。さらに、全有機炭素(TOC)及び全窒素(TN)を、全有機体炭素計(Shimadzu, Co. Ltd., TOC-V CSN, TNM-1)を用いて測定した。
【００４７】
また、採取した上澄み液を、0.45μmメンブレンフィルター(MILLIPORE, IC Millex-LH)を用いた濾過に供した後、陰イオンクロマトグラフィー(TOSOH, IC-2010, TSKgel Super IC-Anion HS)を用いて硝酸性窒素(NO3-N)及び亜硝酸性窒素(NO2-N)の濃度を測定し、陽イオンクロマトグラフィー(DIONEX, DX-120, IonPac CS12A column, USA)を用いてアンモニア性窒素(NH4-N)の濃度を測定した。
【００４８】
さらに、リアクターから発生したアンモニア(NH3)、N2O及びCH4のガス測定は、マルチガスモニター(LumaSense Technologies, Innova 1412 Multi Gas Monitor, USA)を用いて行った。pH、溶存酸素(DO)及び酸化還元電位(ORP)(山形東亜DKK, YUSBシリーズ)は、リアクターの水面下10cm付近で連続的に測定した。
【００４９】
2. 実験結果及び考察
(1) 実験装置の水質変化
下記の表１に流入水及び処理水質が安定した後(運転73〜176日）の炭素繊維リアクター処理水と活性汚泥リアクター処理水の水質の概要を示す。
【表１】
2014205136.tif 000003
【００５０】
表１に示すように、流入水のNH4-Nは平均165 mg/Lであったのに対し、炭素繊維リアクターの処理水では平均9.3 mg/Lであり、さらに炭素繊維リアクターの処理水のNO3-Nは平均14 mg/Lであった。このことから、炭素繊維リアクターでは硝化と脱窒が進行し、窒素除去が行われていたと推察された。
【００５１】
一方、活性汚泥リアクター処理水では、NH4-Nは平均21 mg/L、NO3-Nは平均183 mg/Lであり、硝化反応のみが進行していたと推察された。
【００５２】
また、双方のリアクター共に、NO2-Nの蓄積はほとんど認められなかった。
これらの結果から、炭素繊維リアクターは、活性汚泥リアクターよりも硝酸イオンの蓄積を抑制できることが示唆された。
【００５３】
(2) 実験装置のガス発生量
図５に、運転130日〜136日における(a)炭素繊維リアクターと(b)活性汚泥リアクターから発生したNH3、N2O及びCH4のガス濃度変化を示す。図５に示すように、炭素繊維リアクターでは、NH3は0.2 mg/day、N2Oは0.3 mg/day、CH4は10.0 mg/dayの発生量であるのに対し、活性汚泥リアクターでは、NH3は0.2 mg/day、N2Oは23.5 mg/day、CH4は7.1 mg/dayの発生量であった。このように、炭素繊維リアクターは、活性汚泥リアクターよりも98％以上のN2O発生を抑制可能であることが示された。
【００５４】
投入汚水窒素当たりのN2O発生量はそれぞれ、炭素繊維リアクターでは0.0003 gN2O-N/gTN-load、活性汚泥リアクターでは0.03 gN2O-N/gTN-loadであった。日本国温室効果ガスインベントリ報告書(NIR)2012年によると、豚舎汚水の浄化におけるN2O排出係数は0.05 g-N2O-N/gNとされていることから、本実施例における炭素繊維リアクターはN2O発生を大幅に削減できることが示された。
【００５５】
一方、投入汚水有機物当たりのCH4発生量は、炭素繊維リアクターでは0.0039 gCH4/gTOC、活性汚泥リアクターでは0.0029 gCH4/gTOCであった。前述のNIRにおける豚舎汚水の浄化のCH4排出係数は0.00019 g-CH4/g 有機物であり、本実施例におけるCH4発生量はやや高い値を示した。CH4の地球温暖化係数は二酸化炭素の25倍(IPCC 第4次評価報告書)であり、N2Oよりも影響は少ないものの、CH4の削減は今後の課題である。
【００５６】
温室効果ガスであるN2O及びCH4のデータを基にCO2換算すると、炭素繊維リアクターでは339.4 mg-CO2換算/day、活性汚泥リアクターでは7180.5 mg-CO2換算/dayであった。このことから、炭素繊維リアクターは活性汚泥リアクターよりも顕著に温室効果ガスを削減可能であることが示された。
【００５７】
(3) 汚水投入による実験装置の水質及び発生ガスの挙動
図６に、運転131日目における(a)炭素繊維リアクターと(b)活性汚泥リアクターの汚水投入後における水質及び発生ガスの変化の典型例を示す。図６に示すように、双方のリアクターのCH4の発生は、6時間に1度行われる汚水投入直後に高いピークを示した。汚水投入直後に一時的にDOの低下が認められ、これに伴いORPが低下したことでメタン発酵が進行したものと考えられる。
【００５８】
また、炭素繊維リアクターにおいて、発生ガス測定では、CH4の発生は認められたもののNH3やN2Oは数mg/m3以下で推移していた。
【００５９】
一方、活性汚泥リアクターにおいて、DOが汚水投入後350〜360分にかけて低下しているのは、処理水がリアクターから排出される前に曝気を一時的に停止していたことによる影響である。発生ガス測定では、DO及びORPの低下時にN2Oの発生が増大していた。
【００６０】
(4) まとめ
炭素繊維リアクターは処理水中の硝酸イオン及び亜硝酸イオンの蓄積が少ない傾向にあり、脱窒が良好に進行していたと推定された。一方、活性汚泥リアクターでは、硝酸イオンの蓄積が高濃度で推移していた。NOX-Nの蓄積によってN2Oの発生量が増大するという報告があることから発生ガスの測定を行った結果、炭素繊維リアクターは、活性汚泥リアクターよりも顕著にN2Oの発生量が少ないことが確認された。このことから炭素繊維リアクターによって温室効果ガス(GHG)発生量を削減できることが明らかとなった。
【００６１】
〔実施例２〕養豚汚水処理後の炭素繊維充填好気性バイオリアクターにおける微生物の解析
実施例１における豚舎汚水処理後の炭素繊維リアクターから採取したDNAサンプルの菌叢解析を行った。その結果を図７に示す。
【００６２】
図７に示すように、1O/46の0TUsが硝酸塩還元可能な微生物の近縁種として検出された。具体的には、Paracoccus solventivorans (89％ sequence identity)、Zoogloea resiniphila (97％ sequence identity)、Zoogloea caeni (98％ sequence identity)、Ramlibacter tataouinensis (96％ sequence identity)、Hydrogenophaga pseudoflava (98％ sequence identity)、Stenotrophomonas rhizophila (91％ sequence identity)、Terrimonas ferruginea (93％ sequence identity)、Propioniciclava tarda (93％ sequence identity)、Denitrifying Fe-oxidizing bacteria(99％ and 96％ sequence identities)が検出された。また、Hydrogenophaga pseudoflavaは亜硝酸塩還元も可能な微生物として知られている。
【００６３】
さらに、4/46のOTUsは、硝酸塩をN2又はN20に転換可能な微生物の近縁種であり、Thiobacillus denitrificans (97％ sequence identity)、Hydrogenophaga pseudoflava (98％ sequence identity)、Denitrifying Fe-oxidizing bacteria (99％ and 96％ sequence identities)が検出された。
【００６４】
硝酸塩、亜硝酸塩を還元可能な微生物の近縁種が多く検出されたことから、これらの微生物の働きにより硝酸塩及び亜硝酸塩の蓄積が軽減されたものと推察される。さらに、この蓄積の軽減がpHの低下の抑制につながり、N20発生が抑制されたものと推察される。一方、硝化においては、アンモニア酸化細菌としては、Candidatus Nitrosoarchaeum limnia (96％ sequence identity)が近縁種として検出され、亜硝酸酸化細菌としては、Nitrospira sp. (98％ sequence identity)が近縁種として検出された。このように、炭素繊維リアクターには、多くの窒素転換に関与する細菌が増殖していたことが明らかとなった。
【符号の説明】
【００６５】
１：本発明に係る汚水処理装置
２：固定床型微生物担体
３：筒体
４：炭素繊維
５：固定床型炭素繊維充填処理槽
６：固液分離槽
７：沈殿槽
８：通気ブロアー
９：汚泥
１０：投入ポンプ
１１：排出ポンプ
１２：余剰汚泥
１３：処理水
【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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