(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物を含有する廃水を生物処理する生物処理槽中の酸化還元電位を±０ｍＶ以上、および溶存酸素濃度を１ｍｇ／Ｌ以下となるように前記生物処理槽において前記廃水を曝気する、廃水の処理方法において、前記廃水または前記生物処理槽へ、硝酸塩を添加し脱窒反応を活性化させ、アルカリを添加し硝化反応を活性化させ、前記生物処理槽内の代謝に必要な量の窒素が循環する状態にすることにより、前記廃水中の有機物を分解し、前記生物処理槽中に、脱窒菌、窒素固定菌、硝化菌がいる、廃水の処理方法。
【請求項２】
前記生物処理槽では、前記脱窒菌により、廃水中のＢＯＤを分解して亜硝酸イオン（ＮＯ２−）、硝酸イオン（ＮＯ３−）から窒素ガス（Ｎ２）を生成する脱窒反応と、前記窒素固定菌により、前記窒素ガス（Ｎ２）からアンモニア（ＮＨ３）を生成する窒素固定反応と、前記アンモニアは処理液中でアンモニウムイオン（ＮＨ４＋）となり、前記硝化菌により、前記アンモニウムイオン（ＮＨ４＋）から亜硝酸イオン（ＮＯ２−）、硝酸イオン（ＮＯ３−）を生成する硝化反応とが並行して行われ、前記生物処理槽内で窒素（Ｎ）が循環利用される、請求項１に記載の廃水の処理方法。
【請求項３】
有機物を含有する廃水を生物処理する生物処理槽中の酸化還元電位を±０ｍＶ以上、および溶存酸素濃度を１ｍｇ／Ｌ以下となるように前記生物処理槽において前記廃水を曝気する、廃水処理システムであって、
前記廃水を生物処理するとともに内部に脱窒菌、窒素固定菌、硝化菌がいる前記生物処理槽と、前記廃水または前記生物処理槽へ脱窒反応を活性化する硝酸塩を添加する硝酸塩添加手段と、前記廃水または前記生物処理槽へ硝化反応を活性化するアルカリを添加するアルカリ添加手段とを備え、前記生物処理槽内の代謝に必要な量の窒素が循環する状態にすることにより、前記廃水中の有機物を分解する、単一槽の処理槽で処理できる廃水処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業廃水、生活廃水、し尿などの廃水の処理方法、および廃水処理システムに関する。
本願は、２０１３年６月１３日に、国際出願されたＰＣＴ／ＪＰ２０１３／０６６３９３号、に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工業廃水、生活廃水、し尿などの廃水の処理方法として、生物処理が有効であることが知られている。なかでも、活性汚泥法は最も広く採用されている（例えば非特許文献１）。
活性汚泥法は、廃水を曝気槽（好気槽）で曝気し、活性汚泥中の好気性微生物の酸素呼吸により廃水中の有機物（以下、「ＢＯＤ」という。）を分解して、廃水を処理する方法である。【０００３】
廃水には、ＢＯＤ以外にも、有機態窒素（例えばタンパク質、アミノ酸、尿素等）、アンモニア態窒素、亜硝酸態窒素、硝酸態窒素などの窒素や、リンが含まれている場合があり、これらを除去する必要があるケースもある。
ＢＯＤ、窒素、リンが含まれている廃水を処理する方法としては、代謝が異なる微生物を運転条件の異なる槽において処理する方法である硝化脱窒法、嫌気・好気法（ＡＯ法）、嫌気・無酸素・好気法（Ａ２Ｏ法）、嫌気・硝化内生脱窒法（ＡＯＡＯ法）などが知られている（例えば非特許文献２）。
また、ＢＯＤ、窒素が含まれている廃水を処理する方法としては、溶存酸素濃度を１ｍｇ／Ｌ以下に制御し、代謝の異なる微生物を単一槽において処理する方法が提案されている（例えば特許文献１、２）。【０００４】
また、処理槽の能力増強技術として、担体法、接触酸化法、揺動床法などの生物膜処理法が知られている。生物膜処理法は、人工のろ材（例えば担体、ろ床、揺動床等）に曝気槽内微生物を付着させ、曝気槽内の微生物数を増やすことで、処理能力増強を図る技術である。【０００５】
ところで、活性汚泥中の細菌は水中において細胞外多糖（Extra cellular polysaccharides, EPS）を産生し、他の細菌・微生物も含めて特徴ある構造が形作られること（バイオフィルムの形成）が知られている（例えば非特許文献３）。バイオフィルムの特徴の一例を下記に示す。
（ｉ）バイオフィルム中のＥＰＳは微生物により産生されるので、その組成、すなわち、物理的・化学的性質はさまざまに変化する。
（ii）バイオフィルム内では、周りの環境と比べ、桁違いに高密度で（棲息密度の高い閉鎖的コロニーが形成される）微生物が棲息し、恒常性（微生物において、その内部環境を一定の状態に保つ働き）が保たれ易くなる。
（iii）バイオフィルム内の酸素濃度やイオン濃度は、水チャネルからの距離、バイオフィルム表面からの距離で異なり、μｍオーダーで酸素濃度勾配やイオン濃度勾配を形成している。そのため、多様なニッチ（生態的地位）が生み出され、異なった代謝系の微生物（例えば好気性微生物と嫌気性微生物など）のμｍオーダーレベルでの棲み分けが可能となる。
（iv）バイオフィルムは内部の微生物の薬剤に対する抵抗性を上昇させたり、重金属や有機溶媒の毒性からの保護性を高めたりするなど、さまざまな刺激に対する微生物の防護・保護機能も有する。
（ｖ）バイオフィルム内では、多種類の微生物が代謝産物、エネルギー、情報を互いにやり取りし、単独の微生物にはない機能を生み出す（単一種では代謝しないものも代謝可能となるなど）と同時に、多種多様な環境変化にも対応可能となる。
（vi）バイオフィルム内部の微生物は、表面の微生物に比べ増殖速度が小さい。
（vii）細菌は、例えば窒素・リンなどの栄養不足状態、酸素不足などのストレスを受けると、ＥＰＳの生産量が増加する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「活性汚泥法の改善増強技術」、１９７９年１１月１日、科学技術開発センター発行、第１章活性汚泥法の改善対策、１−１〜１−３頁
【非特許文献２】建設省都市局下水道部監修「下水道施設計画・設計指針と解説  後編  １９９４年版」、平成６年１０月２５日、社団法人日本下水道協会発行、第５章水処理施設、１２６〜１３９頁
【非特許文献３】「バイオフィルム入門−環境の世紀の新しい微生物像−」、２００５年１０月１７日、日本微生物生態学会  バイオフィルム研究部会、Ｉ章微生物の棲み場所としてのバイオフィルム、Ｉ章１〜１０頁
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５９−９０６９６号公報
【特許文献２】特開２０１１−５３５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、活性汚泥法の場合、通常、曝気槽のＢＯＤ容積負荷を０．３〜０．８ｋｇ−ＢＯＤ／ｍ３・ｄ程度、溶存酸素濃度を１〜２ｍｇ／Ｌ程度で運転管理するため、曝気槽容量を大きくし、多量の空気（酸素）供給が必要であり、ブロワ等の電力消費が大きい。しかも、活性汚泥法では、大量の余剰汚泥が発生し、余剰汚泥の処理費用（脱水費用・乾燥費用・産廃処分費用など）も嵩む。
また、活性汚泥法では、形成されたフロックの内部や曝気槽の撹拌が行き届かないデッドスペースなどの嫌気部分において、嫌気性微生物の呼吸（硫酸塩呼吸）や発酵により少量のＢＯＤが分解される。この時、有機酸、アルコール、硫化水素など、臭気の原因となる物質が発生する。
さらに、活性汚泥法では、急激な負荷変動（特に上昇）や、廃水中にＢＯＤ成分変化などにより、曝気槽の溶存酸素濃度が低くなった場合などにおいて、バルキングが起こることがある。一旦、バルキングが発生すると汚泥が沈殿しにくくなり、曝気槽下流に位置する沈殿槽にて、処理水を汚泥と固液分離するのが困難となる。【０００９】
硝化脱窒法、ＡＯ法、Ａ２Ｏ法、ＡＯＡＯ法などにより廃水を処理する場合、ＢＯＤ、窒素、リンを処理する微生物の代謝（呼吸）が異なるため、これらを全て処理するためには、処理槽として嫌気槽、無酸素槽、好気槽が必要となる。そのため、処理槽の設置面積が大きくなり、運転管理が煩雑になる。
また、特許文献１、２に記載の溶存酸素濃度１ｍｇ／Ｌ以下での生物処理方法では、原水条件や運転条件の小さな変化により、処理性が崩れやすく、処理性維持と運転継続が困難であった。さらに特許文献１、２に記載の方法では、単一槽においてＢＯＤと窒素の処理について記載されているが、ＢＯＤに対して窒素の量が少ない、或いは含まれていない廃水の処理については、記載されていない。また、リンも含まれる場合の単一槽におけるＢＯＤ、窒素、リンの同時除去については、記載されていない。
また、生物膜処理法は、ろ材（固定床、流動担体、揺動繊維ろ材など）に処理槽中の微生物を付着させることにより処理槽中の微生物量を増加させることで処理性を増強できる。しかし、１つのろ材に異なる代謝の微生物を付着したとしてもその処理槽が好気槽であれば、嫌気性の微生物数の作用を同時に増強することは困難である。そのため、ＢＯＤ、窒素、リンが含まれている廃水を処理する場合、生物膜処理法を採用することで各処理槽の容量を小さくすることはできても、処理槽の数を減らすことはできない。【００１０】
また、従来の水処理技術において、上述したバイオフィルムの特徴の中でも微生物の凝集性、高密度保持性などは、活性汚泥法や生物膜処理法に利用されてきたが、代謝の異なる微生物の共生を利用した水処理技術は存在しない。【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ＢＯＤを含む廃水を処理する場合、処理能力の増強、消費電力および余剰汚泥量の削減、臭気発生およびバルキングの抑制を同時に達成でき、しかも安定した運転の継続と処理性維持が可能である廃水の処理方法、および廃水処理システムを提供することを目的とする。
また、ＢＯＤを含み、かつ窒素およびリンのいずれかまたはその両方を含む廃水を処理する場合でも、単一の処理槽で処理できる廃水の処理方法、および廃水処理システム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】
【００１２】
本発明では、微生物に産生されるＥＰＳによって構成されるバイオフィルム（微生物の共同体）に着目した。ここで、生物処理槽内におけるバイオフィルムとは、処理槽壁面などの固体表面と水が接する部分に形成されるもののみを指すのではなく、処理槽内液中全体的に形成されるものも指し、後者は処理槽内で浮遊分散状態にある。
バイオフィルム内では、異なった代謝系の微生物（例えば好気性微生物と嫌気性微生物など）が共生可能となることから、バイオフィルムを利用すれば、１つの処理槽でもＢＯＤ、窒素、リンの全てを同時に処理できるとの着想に至った。
また、生物処理槽内において、代謝の異なる微生物を効果的に共生させるバイオフィルムとしては、標準活性汚泥法で微生物がストレスを感じた時に産生し、粘性バルキングの原因になる粘性の高いＥＰＳによって構成されるバイオフィルムよりも、微生物が硝酸塩呼吸時に産生するＥＰＳによって構成されるバイオフィルム（以下「硝酸塩呼吸時のバイオフィルム」という。）の方が適していることを発見した。
さらに溶存酸素濃度１ｍｇ／Ｌ以下での処理性維持は、原水条件や運転条件の小さな変化に対応することが困難であったが、硝酸塩及びアルカリの添加により、原水条件や運転条件の大きな変動に対しても安定した運転の継続と処理性維持が可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。【００１３】
すなわち、本発明は以下の態様を有する。
［１］  有機物を含有する廃水を生物処理する生物処理槽中の酸化還元電位を±０ｍＶ以上、および溶存酸素濃度を１ｍｇ／Ｌ以下となるように前記生物処理槽において前記廃水を曝気する、廃水の処理方法において、前記廃水または前記生物処理槽へ、硝酸塩を添加し脱窒反応を活性化させ、アルカリを添加し硝化反応を活性化させ、前記生物処理槽内の代謝に必要な量の窒素が循環する状態にすることにより、前記廃水中の有機物を分解し、前記生物処理槽中に、脱窒菌、窒素固定菌、硝化菌がいる、廃水の処理方法。
［２］  前記生物処理槽では、前記脱窒菌により、廃水中のＢＯＤを分解して亜硝酸イオン（ＮＯ２−）、硝酸イオン（ＮＯ３−）から窒素ガス（Ｎ２）を生成する脱窒反応と、前記窒素固定菌により、前記窒素ガス（Ｎ２）からアンモニア（ＮＨ３）を生成する窒素固定反応と、前記アンモニアは処理液中でアンモニウムイオン（ＮＨ４＋）となり、前記硝化菌により、前記アンモニウムイオン（ＮＨ４＋）から亜硝酸イオン（ＮＯ２−）、硝酸イオン（ＮＯ３−）を生成する硝化反応とが並行して行われ、前記生物処理槽内で窒素（Ｎ）が循環利用される、［１］に記載の廃水の処理方法。
［３］  有機物を含有する廃水を生物処理する生物処理槽中の酸化還元電位を±０ｍＶ以上、および溶存酸素濃度を１ｍｇ／Ｌ以下となるように前記生物処理槽において前記廃水を曝気する、廃水処理システムであって、
前記廃水を生物処理するとともに内部に脱窒菌、窒素固定菌、硝化菌がいる前記生物処理槽と、前記廃水または前記生物処理槽へ脱窒反応を活性化する硝酸塩を添加する硝酸塩添加手段と、前記廃水または前記生物処理槽へ硝化反応を活性化するアルカリを添加するアルカリ添加手段とを備え、前記生物処理槽内の代謝に必要な量の窒素が循環する状態にすることにより、前記廃水中の有機物を分解する、単一槽の処理槽で処理できる廃水処理システム。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の廃水の処理方法、および廃水処理システムによれば、ＢＯＤを含む廃水を処理する場合、処理能力の増強、消費電力および余剰汚泥量の削減、臭気発生およびバルキングの抑制を同時に達成でき、しかも安定した運転の継続と処理性維持が可能である。
また、本発明の廃水の処理方法、および廃水処理システムによれば、ＢＯＤを含み、かつ窒素およびリンのいずれかまたはその両方を含む廃水を処理する場合でも、単一の処理槽で処理できる。
また、既存の活性汚泥法を用いた設備であれば、運転しながら（処理性を維持しながら）の転換が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の廃水処理システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】廃水が生物処理されるメカニズムを示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の廃水処理システムの一例を示す概略構成図である。この例の廃水処理システム１は、調整槽１０と、生物処理槽（以下、単に「処理槽」ともいう。）２０と、沈殿槽３０と、硝酸塩添加手段４１と、アルカリ添加手段４２と、廃水流路５１と、移送流路５２と、処理水流路５３と、余剰汚泥流路５４と、返送汚泥流路５５とを具備する。
【００１７】
調整槽１０は、廃水の流量等を調整する槽であり、廃水を貯留する槽本体１１と、廃水を処理槽２０に供給するポンプ１２とを備える。
槽本体１１としては、廃水を貯留できるものであれば特に制限されないが、例えば廃水タンクなどが挙げられる。
【００１８】
処理槽２０は、調整槽１０から供給された廃水を生物処理する槽であり、廃水を貯留する槽本体２１と、空気を供給し処理槽内を曝気する曝気手段２２とを備える。
曝気手段２２は、散気装置２２ａと、ブロア２２ｂと、空気供給管２２ｃと、マノメータ２２ｄと、流量計２２ｅとを備える。散気装置２２ａは、槽本体２１の底部に配置されている。ブロア２２ｂは、散気装置２２ａに空気を供給する。空気供給管２２ｃは、散気装置２２ａとブロア２２ｂとを接続している。マノメータ２２ｄおよび流量計２２ｅは、散気装置２２ａとブロア２２ｂとの間に設けられている。
槽本体２１としては、廃水を貯留できるものであれば特に制限されないが、硝酸塩やアルカリによって劣化しにくい材質のものが好ましい。
曝気手段２２としては、廃水を曝気できるものであれば特に制限されず、例えば公知の曝気装置などを用いることができる。
【００１９】
沈殿槽３０は、処理槽２０にて廃水を生物処理して得られる処理水と汚泥（微生物群）とを固液分離する槽であり、処理水および汚泥を貯留する槽本体３１と、分離された汚泥を掻き寄せる掻き寄せ機３２と、汚泥の一部を処理槽２０に返送するポンプ３３とを備える。
槽本体３１の構造については特に制限されない。
掻き寄せ機３２としては、汚泥を掻き寄せることができるものであれば、特に制限されない。
【００２０】
この例の硝酸塩添加手段４１は、処理槽２０において廃水に硝酸塩をバッチ或いは連続で添加する手段である。
硝酸塩添加手段４１としては、廃水に硝酸塩を添加できるものであれば特に制限されない。
【００２１】
この例のアルカリ添加手段４２は、処理槽２０において廃水にアルカリをバッチ或いは連続で添加する手段である。
アルカリ添加手段４２としては、廃水にアルカリを添加できるものであれば特に制限されない。
【００２２】
廃水流路５１は、廃水が調整槽１０から処理槽２０へ供給される流路である。
移送流路５２は、処理槽２０にて生物処理された処理水と汚泥の混合液が、処理槽２０から沈殿槽３０へ移送される流路である。
処理水流路５３は、沈殿槽３０にて固液分離された処理水が、沈殿槽３０から系外へ排出される流路である。
余剰汚泥流路５４は、沈殿槽３０にて固液分離された汚泥の一部が、余剰汚泥として沈殿槽３０から系外へ排出される流路である。
返送汚泥流路５５は、沈殿槽３０にて固液分離された汚泥の一部が、返送汚泥として沈殿槽３０から処理槽２０へ返送される流路である。
【００２３】
図１に示す廃水処理システム１を用いた廃水の処理方法は、下記の工程（ａ）〜（ｃ）を有する。
工程（ａ）：調整槽１０にて廃水の流量や濃度を均一化する工程。
工程（ｂ）：調整槽１０から供給された廃水を処理槽２０にて生物処理する工程。
工程（ｃ）：沈殿槽３０にて、処理水と汚泥の混液を処理水と汚泥とに固液分離する工程。
【００２４】
＜廃水＞
本発明において処理される廃水としては、有機性廃水であれば特に限定されず、工業廃水、生活廃水、し尿などが挙げられる。また、廃水には、ＢＯＤのほかに、窒素、リンなどが含まれていてもよい。
【００２５】
＜工程（ａ）＞
工程（ａ）では、調整槽１０にて廃水の流量や負荷成分および負荷濃度をできるだけ均一化する。
【００２６】
＜工程（ｂ）＞
工程（ｂ）では、廃水に硝酸塩添加手段４１より硝酸塩を添加し、アルカリ添加手段４２よりアルカリを添加する。さらに、硝酸塩およびアルカリが添加された廃水を処理槽２０において酸化還元電位を±０ｍＶ以上、溶存酸素濃度（ＤＯ）を１ｍｇ／Ｌ以下となるように、曝気手段２２にて曝気する（以下、「低曝気」ともいう。）。これにより、廃水が生物処理される。廃水が生物処理されるメカニズムを、図２を参照しながら説明する。
なお、酸化還元電位は、酸化還元電位計（例えば株式会社堀場製作所製の「Ｄ−１３」）を用い、液温２５℃で測定される。溶存酸素濃度は、溶存酸素濃度計（例えば株式会社堀場製作所製の「ＯＭ−５１」）を用い、液温２５℃で測定される。
【００２７】
本発明において、廃水の生物処理は、下記４段階により達成される。代謝の活性化（活性汚泥法からの転換の場合は、代謝経路の変換）は、大きく分けて下記の第１段階〜第３段階の３段階から成る。図２では、下記の前段階として、活性汚泥法である好気処理を設けた例となっているが、本発明は、好気処理がない場合も成り立つ。
第１段階：脱窒反応の活性化（活性汚泥法からの転換の場合には、酸素呼吸から硝酸塩呼吸への誘導）
第２段階：窒素固定反応の活性化
第３段階：硝化反応の活性化
【００２８】
脱窒反応が活性化（硝酸塩呼吸による脱窒）されると（活性汚泥法からの転換の場合には、代謝経路が酸素呼吸から硝酸塩呼吸へ移行されると）、下記の第４段階により第１段階〜第３段階の反応は同時並行的に進行する。
第４段階：硝酸塩呼吸時に形成された硝酸塩呼吸時のバイオフィルムでの微生物の共生（生体間の共生）
【００２９】
（前段階）
活性汚泥法では、大半の部分が好気雰囲気であり、微生物はＢＯＤの分解を酸素呼吸により行っている。ただし、フロックの内部などのごく一部の嫌気部分では、硫酸塩呼吸や発酵などによりＢＯＤが分解される。
（第１段階）
廃水に硝酸塩を添加し、処理槽中の酸化還元電位を±０ｍＶ以上、溶存酸素濃度を１ｍｇ／Ｌ以下となるように曝気すると、処理槽内の微生物は、硝酸塩呼吸により廃水中のＢＯＤを分解する（廃水中のＢＯＤを有機炭素源とした脱窒反応活性化）。
活性汚泥法から転換する場合には、廃水に硝酸塩を添加し、処理槽中の酸化還元電位を±０ｍＶ以上、溶存酸素濃度を１ｍｇ／Ｌ以下となるように曝気を変更すると、酸素呼吸から硝酸塩呼吸へ誘導される。具体的には、大部分である好気部分の微生物は、酸素呼吸から硝酸塩呼吸へ誘導され、ごく一部の嫌気部分の微生物は、硫酸塩呼吸および発酵から硝酸塩呼吸へ誘導される。
【００３０】
硝酸塩呼吸を行う（硝酸塩呼吸に誘導された）微生物（脱窒菌など）は、図２に示すように、ＢＯＤを分解して亜硝酸イオン（ＮＯ２−）や硝酸イオン（ＮＯ３−）から窒素ガス（Ｎ２）を生成する（脱窒反応）。このとき、アルカリ（炭酸（Ｈ２ＣＯ３）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ３−）など）も生成され、後述する硝酸塩呼吸時のバイオフィルムも形成される。
前記脱窒菌としては、Flavobacteriaceae，Sphingobacteriaceae，Rhodocyclaceae，Flexibacteraceae， Comamonadaceaeなどに属するものがある。
なお、菌によっては、ＢＯＤを分解するとともに、専ら、亜硝酸イオン（ＮＯ２−）から窒素ガス（Ｎ２）を生成するものもある。
【００３１】
（第２段階）
脱窒反応により生成した窒素ガス（Ｎ２）は、微生物（窒素固定菌など）によりアンモニアへと変換される（窒素固定反応の活性化）。この反応により生成したアンモニア（ＮＨ３）は、水中でイオン化されてアンモニウムイオン（ＮＨ４＋）となる。
前記窒素固定菌としては、Rhodocyclaceae,Rhodobacteriaceae,Rhodospirillaceaeなどに属するものがある。
【００３２】
（第３段階）
第２段階で生成したアンモニウムイオン（ＮＨ４＋）、および第１段階で生成したアルカリの存在下、廃水中に酸素が溶存していると、微生物（亜硝酸菌や硝酸菌などの硝化菌）によりアンモニウムイオン（ＮＨ４＋）は亜硝酸イオン（ＮＯ２−）を経て硝酸イオン（ＮＯ３−）へ酸化される（硝化反応）。
硝化反応は、第１段階の脱窒反応で生成したアルカリにより進行するが、工程（ｂ）において硝酸塩と共にアルカリを廃水に予め添加しておくことで、硝化反応が効率よく進行する。
前記硝化菌としては、Nitrospiraceae，Nitrosomonadaceaeなどに属するものがある。
【００３３】
第３段階の硝化反応で生成した亜硝酸イオン（ＮＯ２−）、硝酸イオン（ＮＯ３−）は、第１段階において微生物の硝酸塩呼吸用の硝酸塩として用いられる。このように、本発明では、窒素（Ｎ）が、窒素ガス（Ｎ２）からアンモニウムイオン（ＮＨ４＋）を経て亜硝酸イオン（ＮＯ２−）さらに、硝酸イオン（ＮＯ３−）へと形を変えて第１段階から第３段階を循環している。
【００３４】
（第４段階）
硝酸塩呼吸時には、ＡＴＰ合成量が酸素呼吸時よりも減少する。よって、微生物はより多くの栄養素を捕集すべくＥＰＳを産生し、異なる微生物による硝酸塩呼吸時のバイオフィルム（微生物共同体）を形成する。その結果、下記（α）〜（γ）の状態に変化する。
（α）第１段階から第３段階における脱窒菌、窒素固定菌、硝化菌などをはじめとした代謝の異なる微生物が、バイオフィルム内で安定した共生状態（生体間の共生）となる。
（β）窒素（Ｎ）については、バイオフィルム内で微生物が互いに生成する窒素ガス（Ｎ２）、アンモニウムイオン（ＮＨ４＋）、硝酸イオン（ＮＯ３−）などをやりとりすることで、系内で微生物の代謝に必要な量の窒素（Ｎ）が安定して循環する状態となる（系内窒素循環）。
（γ）共生状態になった微生物群は、微生物単独では代謝し得ないものも代謝可能となることにより、廃水の処理性が上昇する（難分解性物質の分解性上昇など）。
【００３５】
廃水へ添加する硝酸塩としては、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウムなどが挙げられる。これら硝酸塩は１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
図１に示すように処理槽２０内の廃水に硝酸塩を添加する場合、硝酸塩の添加量は、処理水量に対して０．１ｍｇ−ＮＯ３−Ｎ／Ｌ以上が好ましく、０．５ｍｇ−ＮＯ３−Ｎ／Ｌ以上がより好ましい。硝酸塩の添加量が０．１ｍｇ−ＮＯ３−Ｎ／Ｌ以上であれば、第１段階において微生物を硝酸塩呼吸へ充分に誘導できる。また、硝酸塩の添加量が増えると薬品コストの増加につながるため、硝酸塩の添加量は２０ｍｇ−ＮＯ３−Ｎ／Ｌ以下が好ましく、１０ｍｇ−ＮＯ３−Ｎ／Ｌ以下がより好ましく、５ｍｇ−ＮＯ３−Ｎ／Ｌ以下がさらに好ましい。
また、処理する廃水に硝酸態窒素が０．５ｍｇ−ＮＯ３−Ｎ／Ｌ以上含まれる場合には、硝酸塩を添加せずとも安定した処理性を維持できる場合もある。
【００３６】
廃水へ添加するアルカリとしては、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸、水酸化ナトリウムなどが挙げられる。これらアルカリは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
図１に示すように処理槽２０内の廃水にアルカリを添加する場合、アルカリの添加量は、処理水量に対してＭアルカリ度で０．６ｍｇ ａｓ ＣａＣＯ３／Ｌ以上が好ましく、３ｍｇ ａｓ ＣａＣＯ３／Ｌ以上がより好ましい。アルカリの添加量がＭアルカリ度で０．６ｍｇ ａｓ ＣａＣＯ３／Ｌ以上であれば、第３段階において硝化反応が充分に進行する。また、アルカリの添加量が増えると薬品コストの増加につながるため、アルカリの添加量はＭアルカリ度で５０ｍｇ ａｓ ＣａＣＯ３／Ｌ以下が好ましい。
また、図１に示すように処理槽２０内の廃水にアルカリを添加する場合、処理槽２０および沈殿槽３０内の廃水のｐＨが６．０〜８．６となるように調整するのが好ましい。
また、原水のＭアルカリ度が５０ｍｇ ａｓ ＣａＣＯ３／Ｌ以上である場合には、アルカリを添加せずとも安定した処理性を維持できる場合もある。
【００３７】
低曝気による処理槽２０中の酸化還元電位は±０ｍＶ以上であり、溶存酸素濃度は１ｍｇ／Ｌ以下である。処理槽２０中の溶存酸素濃度が１ｍｇ／Ｌ以下であれば、脱窒菌の活性阻害がほぼ起きることがなく、また好気性微生物を酸素呼吸から硝酸塩呼吸へ誘導できる。
また、上述したように、第３段階の硝化反応には廃水中の溶存酸素が必要であるが、酸化還元電位が±０ｍＶ以上であれば、いくら低くても構わない。
よって、生物処理中は、処理槽２０中の酸化還元電位を±０ｍＶ以上、溶存酸素濃度を０．３ｍｇ／Ｌ以下となるように曝気するのが好ましく、より好ましくは酸化還元電位を±０ｍＶ以上、溶存酸素濃度を０．１ｍｇ／Ｌ以下である。
ただし、活性汚泥法から転換する場合などにおいて、微生物の代謝の活性化が十分進捗していない段階では、廃水中の溶存酸素濃度を１ｍｇ／Ｌ以上としてもよい。
【００３８】
＜工程（ｃ）＞
工程（ｃ）では、沈殿槽３０にて、生物処理された廃水を汚泥（微生物）と上澄み液（処理水）とに固液分離する。
沈殿槽３０にて固液分離された上澄み液（処理水）は、処理水流路５３を経て系外へ排出される。
沈殿槽３０にて固液分離された汚泥は、返送汚泥として返送汚泥流路５５を経て処理槽２０へ返送される。また、汚泥の一部は、余剰汚泥として余剰汚泥流路５４を経て系外へ排出される。
【００３９】
＜作用効果＞
本発明によれば、硝酸塩およびアルカリを廃水に添加し、該廃水を生物処理する処理槽中の酸化還元電位を±０ｍＶ以上、溶存酸素濃度を１ｍｇ／Ｌ以下となるように低曝気するので、微生物は硝酸塩呼吸を行い、脱窒反応が充分に進行して硝酸塩呼吸時のバイオフィルムが形成される。そして、硝酸塩呼吸時のバイオフィルムにより異なった代謝系の微生物（脱窒菌、窒素固定菌、硝化菌など）の共生が可能となるため、廃水にＢＯＤと窒素が含まれていても、これらを単一の処理槽で同時に処理することができる。
また、廃水中に窒素が含まれていない場合であっても、系内窒素循環により、０．１〜２０ｍｇ−ＮＯ３−Ｎ／Ｌ程度の硝酸塩添加で安定したＢＯＤ処理ができる。
また、バイオフィルムにリン蓄積菌も共生することにより、リンの処理も同時に行うことができる。しかも、バイオフィルムは基質の吸着凝集効率が高く、効率よく廃水を処理できる。
よって、本発明であれば従来の生物学的窒素処理及びリン処理方式（硝化脱窒法、嫌気・好気法（ＡＯ法）、嫌気・無酸素・好気法（Ａ２Ｏ法）、嫌気・硝化内生脱窒法（ＡＯＡＯ法）など）に比べ処理槽の数を削減できる。
【００４０】
また、本発明であれば、急激な負荷の増減に対し、バイオフィルムが微生物に対してクッション的な役割を果たすため負荷変動に強くなる。また生物阻害物質や毒物に対しても防御の役割を果たすため生物阻害物質や毒物などに対する耐性も上がる。また、活性汚泥法では処理困難な難分解性有機物の分解も微生物同士の共生により促進される。従って、従来法（活性汚泥法）に比べ高負荷処理が可能となることから設置面積を減らすことが可能となる。さらに生物にとって過酷な状況下における耐性が強化され、バルキングも抑制できることから運転管理が容易である。
【００４１】
また、本発明であれば、処理槽中の溶存酸素濃度が１ｍｇ／Ｌ以下となるように低曝気すればよいので、消費電力を削減できる。
【００４２】
また、本発明であれば、微生物を酸素呼吸から硝酸塩呼吸に代謝を変更させるため、同じ量のＢＯＤを分解した場合のＡＴＰ合成量が減少することとなることから、余剰汚泥の発生量も削減できる。
【００４３】
また、本発明であれば、微生物の硫酸塩呼吸および発酵を抑制するため、有機酸、アルコール、硫化水素などの発生が抑制されることから、臭気の発生を軽減できる。また、硫化水素発生の抑制により、コンクリート製の水槽や水路および鋼製製缶品などの腐食・劣化も抑制できる。
【００４４】
また、本発明であれば、硝酸塩およびアルカリを廃水に添加することにより、原水条件や運転条件の大きな変動に対しても安定した運転の継続と処理性維持が可能となる。
【００４５】
また、本発明であれば、硝酸塩呼吸時のバイオフィルムが非溶解性の微細懸濁物質を捕集することにより、処理水の透視度が向上し、処理水質も改善される（処理水の浮遊物質濃度（ＳＳ濃度）が低下する）。
【００４６】
上述したように、本発明では、窒素（Ｎ）が、窒素ガス（Ｎ２）からアンモニウムイオン（ＮＨ４＋）を経て硝酸イオン（ＮＯ３−）などへと形を変えて前記第１段階から第３段階を循環している。また、第３段階の硝化反応に必要なアルカリは、第１段階の脱窒反応により生成される。よって、前記工程（ｂ）における廃水への硝酸塩およびアルカリの添加は、少なくとも廃水処理システムの運転開始時に行えばよい。すなわち、少なくとも最初に生物処理される廃水に硝酸塩およびアルカリを外部から添加すればよい。以降の生物処理においては、第１段階から第３段階を経て生成される硝酸イオン（ＮＯ３−）、曝気空気中の窒素ガス（Ｎ２）および第１段階にて生成されるアルカリが系中に存在しているので、廃水に硝酸塩およびアルカリを外部から添加しなくても、前記第４段階により第１段階〜第３段階の反応は同時並行的に進行できる場合もある。
ただし、系中の硝酸塩濃度やアルカリ濃度が低下した場合は、新たに硝酸塩やアルカリを廃水に添加してもよい。
【００４７】
＜他の実施形態＞
本発明の廃水の処理方法は、上述した方法に限定されない。上述した方法では、図１に示すように、硝酸塩およびアルカリを処理槽２０内の廃水のみに添加しているが、硝酸塩およびアルカリは処理槽２０以前（処理槽２０またはその上流）のいずれかのポイントで添加すればよい。つまり、調整槽１０内の廃水のみに硝酸塩添加手段４１から硝酸塩を添加し、アルカリ添加手段４２からアルカリを添加してもよい。また、調整槽１０内と処理槽２０内の両方の廃水に硝酸塩添加手段４１から硝酸塩を添加し、アルカリ添加手段４２からアルカリを添加してもよい。さらに、調整槽１０内の廃水に硝酸塩添加手段４１から硝酸塩を添加し、処理槽２０内の廃水にアルカリ添加手段４２からアルカリを添加してもよいし、その逆でもよい。
また、調整槽１０より更に上流側のいずれかのポイントで廃水（調整槽１０の上流側であるので、調整槽１０へ複数の廃水が流入している場合は、その内の一つ或いは複数或いは全ての廃水）に硝酸塩添加手段４１から硝酸塩を添加し、アルカリ添加手段４２からアルカリを添加してもよい。
【００４８】
また、上述した方法では、工程（ａ）として調整槽１０にて廃水の流量や濃度を均一化しているが、工程（ａ）は行わなくてもよい場合もある。
また、工程（ａ）の前段或いは工程（ａ）と工程（ｂ）の間において、大小の固形分を除去する工程（スクリーン、固形分除去装置（凝集沈殿、加圧浮上など）、沈殿槽など）等の他の工程を設ける場合もある。
また、上述した方法では、工程（ｃ）として沈殿槽３０にて処理水と汚泥の混液を処理水と汚泥とに固液分離しているが、膜分離装置など汚泥と処理水との分離機能を備えるものを沈殿槽３０の代替としてもよい。なお、膜分離装置を処理槽２０内に設置する場合は、移送流路５２と返送汚泥流路５５は不要となり、処理水流路５３と、余剰汚泥流路５４は、処理槽２０から出ていく形となる。
さらに、上述した方法では、１つの処理槽２０で廃水を生物処理しているが、複数の処理槽２０を用いてもよい。上述したように、本発明であれば、ＢＯＤ、窒素、リンを含む廃水を処理する場合でも、１つの処理槽で廃水を処理できるが、複数の処理槽２０を用いてもよい。
【００４９】
また、本発明は、散水ろ床法を除く生物膜処理法（浸漬ろ床法、流動床法、固定化担体法、回転円盤法、揺動床法など）に適用できる。
生物膜処理法に本発明を適用する場合、生物膜処理槽以前（生物膜処理槽またはその上流）において廃水に硝酸塩およびアルカリを添加し、生物膜処理槽を低曝気（酸化還元電位を±０ｍＶ以上、溶存酸素濃度を１ｍｇ／Ｌ以下に）すればよい。
なお、生物膜処理法に用いるろ材の材質や形状に限定はない。
【００５０】
また、本発明は、分散菌処理法に適用できる。
分散菌処理法とは、原生動物・後生動物の実質的不存在下で、廃水中のＢＯＤを非凝集性細菌（分散菌）により酸化分解すると共に非凝集性細菌へ変換する処理法である。
原生動物・後生動物を実質的不存在とし、非凝集性細菌を優先化する方法としては、（１）分散菌製剤添加、（２）原生動物・後生動物類の不添加（返送汚泥を行わないなど）、（３）処理槽の滞留時間を原生動物・後生動物が増殖できないように設定、（４）分散菌を保持・固定できるろ材（固定ろ材、流動担体、揺動繊維ろ材）の投入または設置、（５） 上記（１）〜（４）の組み合わせ、などがある。
分散菌処理法に本発明を適用する場合、分散菌処理槽以前（分散菌処理槽またはその上流）において廃水に硝酸塩およびアルカリを添加し、生物膜処理槽を低曝気（酸化還元電位を±０ｍＶ以上、溶存酸素濃度を１ｍｇ／Ｌ以下に）すればよい。
なお、上記（４）において投入するろ材の材質や形状に限定はない。
【００５１】
また、本発明は、嫌気処理法の代替処理に適用できる。
嫌気処理装置の代替処理に本発明を適用する場合、嫌気処理槽以前（嫌気処理槽およびその上流）において廃水に硝酸塩およびアルカリを添加し、嫌気処理槽に曝気装置を取り付け、嫌気処理槽を低曝気（酸化還元電位を±０ｍＶ以上、溶存酸素濃度を１ｍｇ／Ｌ以下に）すればよい。嫌気処理槽の前段に前酸化処理槽がある場合は、前酸化処理槽以前（前酸化処理槽およびその上流）において、廃水に硝酸塩およびアルカリを添加し、前酸化処理槽および嫌気処理槽を低曝気すればよい。
なお、嫌気処理槽へろ材を投入する場合、投入するろ材の材質や形状に限定はない。
【００５２】
また、本発明は、前段に高負荷処理装置（嫌気処理法、生物膜処理法、分散菌処理法など）を置き、後段に活性汚泥処理装置や生物膜処理装置を仕上げ処理として用いる場合の、後段の代替処理に適用できる。
前段に高負荷処理装置を置いた後段生物処理装置の代替処理に本発明を適用する場合、後段生物処理槽（活性汚泥処理槽や生物膜処理槽）以前（後段生物処理槽およびその上流）において廃水に硝酸塩およびアルカリを添加し、後段生物処理槽を低曝気（酸化還元電位を±０ｍＶ以上、溶存酸素濃度を１ｍｇ／Ｌ以下に）すればよい。
なお、後段生物処理槽が生物膜処理槽である場合、投入するろ材の材質や形状に限定はない。
【実施例】
【００５３】
以下、本発明について実施例を挙げて具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。【００５４】
「実施例１」
図１に示す廃水処理システム１を用い、廃水は人口下水とし、馴致用汚泥は下水処理場の返送汚泥を用いた。調整槽１０の槽本体１１として、６０Ｌの廃水タンクを用いた。また、処理槽２０の槽本体２１の容量は１０Ｌ、沈殿槽３０の槽本体３１の容量は１０Ｌであった。
廃水タンクから、処理水量３．５Ｌ／日の条件で処理槽２０に廃水を供給し、処理槽２０内の廃水に、処理水量に対して硝酸カルシウムを２ｍｇ−ＮＯ３−Ｎ／Ｌと、濃度５質量％の炭酸水素ナトリウム水溶液を８ｍｇ ａｓ ＣａＣＯ３／Ｌ添加した。さらに、処理槽２０中の酸化還元電位を０ｍＶ以上、溶存酸素濃度を１ｍｇ／Ｌ以下となるように、曝気手段２２にて処理槽２０中を曝気して廃水を生物処理した。このとき、処理槽２０内の温度は２５℃、曝気風量は溶存酸素濃度を確認しながら調整した。引き続き、沈殿槽３０にて処理水と汚泥の混液を処理水と汚泥とに固液分離し、処理水は系外へ排出し、汚泥の一部は返送汚泥として処理槽２０に返送した。返送汚泥率は処理水量の１００％とした。余剰汚泥は、沈殿槽の汚泥界面を確認しながらバッチで系外へ排出した。
なお、硝酸カルシウムと炭酸水素ナトリウム水溶液の添加方法はバッチであり、試験期間中には添加しない時期もあった。また、処理期間中における、処理槽内の酸化還元電位は、４０〜２５０ｍＶ、溶存酸素濃度は、０．３６ｍｇ／Ｌ以下であり、平均曝気風量は２７０ＮｍＬ／ｍｉｎであった。酸化還元電位は酸化還元電位計（株式会社堀場製作所製、「Ｄ−１３」）を用いて測定し、溶存酸素濃度は溶存酸素濃度計（株式会社堀場製作所製、「ＯＭ−５１」）を用いて測定した。
廃水として用いた人口下水の薬品量および性状（水質分析結果）を表１に、廃水の処理条件（運転条件）を表２に示す。【００５５】
上記試験条件で実施した処理水を採取し、性状を分析した。また、下記方法によりＢＯＤおよび全窒素（Ｔ−Ｎ）の除去率、ＢＯＤ汚泥転換率、推定汚泥減量率を求めた。これらの結果を表３に示す。【００５６】
ＢＯＤの除去率（％）＝｛（処理前の廃水中のＢＯＤ量−処理水中のＢＯＤ量）／処理前の廃水中のＢＯＤ量｝×１００
全窒素（Ｔ−Ｎ）の除去率（％）＝｛（処理前の廃水中の全窒素量−処理水中の全窒素量）／処理前の廃水中の全窒素量｝×１００
ＢＯＤ汚泥転換率（％）＝｛（特定期間の処理槽及び沈殿槽内の汚泥増量＋特定期間の余剰汚泥引き抜き量）／特定期間の処理ＢＯＤ量｝×１００
推定汚泥減量率（％）＝（本試験中の平均ＢＯＤ汚泥転換率／活性汚泥におけるＢＯＤ汚泥転換率（４０〜５０％））×１００【００５７】
【表１】
0005936774.tif 000002
【００５８】
【表２】
0005936774.tif 000003
【００５９】
【表３】
0005936774.tif 000004
【００６０】
表１、３中、「ＢＯＤ」は生物化学的酸素要求量であり、「Ｔ−Ｎ」は全窒素であり、「Ｏｒｇ−Ｎ」は有機態窒素であり、「ＮＨ４−Ｎ」はアンモニア態窒素であり、「ＮＯ２−Ｎ」は亜硝酸態窒素であり、「ＮＯ３−Ｎ」は硝酸態窒素であり、「ＳＳ」は浮遊物質である。【００６１】
表３から明らかなように、実施例１では１つの処理槽で、ＢＯＤのほぼ１００％、窒素の約５５％を処理できた。
また、余剰汚泥を５０〜６０％減量できた。【００６２】
「実施例２」
図１に示す廃水処理システム１を用い、廃水は調味料工場の廃水とし、馴致用汚泥は下水処理場の返送汚泥を用いた。調整槽１０の槽本体１１として、６０Ｌの廃水タンクを用いた。また、処理槽２０の槽本体２１の容量は１０Ｌ、沈殿槽３０の槽本体３１の容量は１０Ｌであった。
廃水タンクから、処理水量１０Ｌ／日の条件で処理槽２０に廃水を供給し、処理槽２０内の廃水に、処理水量に対して硝酸カルシウムを１０ｍｇ−ＮＯ３−Ｎ／Ｌと、濃度５質量％の水酸化ナトリウム水溶液を処理槽２０内のｐＨが７以上となるように添加した。さらに、処理槽２０中の酸化還元電位を０ｍＶ以上、溶存酸素濃度を１ｍｇ／Ｌ以下となるように、曝気手段２２にて処理槽２０中を曝気して廃水を生物処理した。このとき、処理槽２０内の温度は２５℃、曝気風量は溶存酸素濃度を確認しながら調整した。引き続き、沈殿槽３０にて処理水と汚泥の混液を処理水と汚泥とに固液分離し、処理水は系外へ排出し、汚泥の一部は返送汚泥として処理槽２０に返送した。返送汚泥率は処理水量の１００％とした。余剰汚泥は、沈殿槽の汚泥界面を確認しながらバッチで系外へ排出した。
なお、硝酸カルシウムの添加方法はバッチであり、水酸化ナトリウムの添加方法はｐＨコントローラによる自動添加方法であり、試験期間中には添加しない時期もあった。また、処理期間中における、処理槽内の酸化還元電位は、５５〜２６１ｍＶ、溶存酸素濃度は、０．２３ｍｇ／Ｌ以下であり、曝気風量は１００〜５００ＮｍＬ／ｍｉｎであった。酸化還元電位は酸化還元電位計（株式会社堀場製作所製、「Ｄ−１３」）を用いて測定し、溶存酸素濃度は溶存酸素濃度計（株式会社堀場製作所製、「ＯＭ−５１」）を用いて測定し、ｐＨはｐＨ計（株式会社堀場製作所製、「Ｄ−２４」）を用いて測定した。
廃水として用いた調味料工場の廃水の性状（水質分析結果）を表４に、廃水の処理条件（運転条件）を表５に示す。【００６３】
上記試験条件で実施した処理水を採取し、性状を分析した。また、下記方法によりＣＯＤ（化学的酸素消費量）の除去率を求めた。これらの結果を表６に示す。【００６４】
ＣＯＤの除去率（％）＝｛（処理前の廃水中のＣＯＤ量−処理水中のＣＯＤ量）／処理前の廃水中のＣＯＤ量｝×１００【００６５】
【表４】
0005936774.tif 000005
【００６６】
【表５】
0005936774.tif 000006
【００６７】
【表６】
0005936774.tif 000007
【００６８】
表４、６中、「ＣＯＤＣｒ」は二クロム酸カリウムによる酸素要求量であり、「ＣＯＤＭｎ」は１００℃における過マンガン酸カリウムによる酸素要求量であり、「ＢＯＤ」は生物化学的酸素要求量であり、「Ｏｒｇ−Ｎ」は有機態窒素であり、「ＮＨ４−Ｎ」はアンモニア態窒素であり、「ＮＯ２−Ｎ」は亜硝酸態窒素であり、「ＮＯ３−Ｎ」は硝酸態窒素であり、「ＳＳ」は浮遊物質であり、「Ｔ−Ｎ」は全窒素であり、「ＰＯ４−Ｐ」はリン酸態リンであり、「Ｔ−Ｐ」は全リンである。【００６９】
表６から明らかなように、実施例２では１つの処理槽で、ＣＯＤＭｎの９６％以上を処理できた。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の廃水の処理方法は、ＢＯＤを含む廃水の処理方法として有用である。また、ＢＯＤを含む廃水に窒素及びリンのいずれかまたは両方が含まれる廃水の処理方法としても有用である。
【符号の説明】
【００７１】
１  廃水処理システム
１０  調整槽
１１  槽本体
１２  ポンプ
２０  生物処理槽（処理槽）
２１  槽本体
２２  曝気手段
２２ａ  散気装置
２２ｂ  ブロア
２２ｃ  空気供給管
２２ｄ  マノメータ
２２ｅ  流量計
３０  沈殿槽
３１  槽本体
３２  掻き寄せ機
３３  ポンプ
４１  硝酸塩添加手段
４２  アルカリ添加手段
５１  廃水流路
５２  移送流路
５３  処理水流路
５４  余剰汚泥流路
５５  返送汚泥流路
【図１】
0005936774.tif 000008
【図２】
0005936774.tif 000009