(57)【要約】【課題】窒素成分及び有機物を含む廃水を低コストで効率的に処理する窒素処理方法を提供する。【解決手段】廃水に含まれる窒素成分を脱窒する窒素処理方法であって、被処理水に含まれるアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを微生物汚泥によって分子状窒素に変換する嫌気性アンモニア酸化処理工程を含み、嫌気性アンモニア酸化処理工程において、微生物汚泥が固定化されている充填材（例；担体、グラニュール）が保持された固定床型リアクタを用いて被処理水を処理する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃水に含まれる窒素成分を脱窒する窒素処理方法であって、
被処理水に含まれるアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを微生物汚泥によって分子状窒素に変換する嫌気性アンモニア酸化処理工程を含み、
前記嫌気性アンモニア酸化処理工程において、前記微生物汚泥が固定化されている充填材が保持された固定床型リアクタを用いて前記被処理水を処理する窒素処理方法。
【請求項２】
前記微生物汚泥が、アンモニア性窒素を水素供与体としてアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを共脱窒する嫌気性アンモニア酸化細菌と、前記被処理水に含まれる有機物を分解する従属栄養性微生物と、を含む請求項１に記載の窒素処理方法。
【請求項３】
前記微生物汚泥が、担体に包括固定化されている状態、担体に付着固定化されている状態、又は、自己造粒によるグラニュールを形成している状態である請求項１に記載の窒素処理方法。
【請求項４】
前記固定床型リアクタが、無酸素条件下で前記被処理水を処理する請求項１に記載の窒素処理方法。
【請求項５】
前記嫌気性アンモニア酸化処理工程の前に、被処理水に含まれるアンモニア性窒素を微生物汚泥によって酸化して亜硝酸性窒素を生成する硝化処理工程を含む請求項１に記載の窒素処理方法。
【請求項６】
前記嫌気性アンモニア酸化処理工程の前に、アンモニア性窒素を含む被処理水と、亜硝酸性窒素を含む溶液とを混合して前記固定床型リアクタに導入し、混合された前記被処理水を処理する請求項１に記載の窒素処理方法。
【請求項７】
前記嫌気性アンモニア酸化処理工程において、前記固定床型リアクタで処理された処理水を、前記充填材の下方に開口した流入口から前記固定床型リアクタ内に流入させて、前記充填材を物理洗浄する請求項１に記載の窒素処理方法。
【請求項８】
前記被処理水の全窒素の濃度が１０ｍｇ／Ｌ以上１５０ｍｇ／Ｌ以下である請求項１に記載の窒素処理方法。
【請求項９】
前記被処理水の生物化学的酸素要求量が３００ｍｇ／Ｌ以下である請求項１に記載の窒素処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃水の窒素処理方法に係り、特に、廃水に含まれる窒素成分を生物学的に脱窒する窒素処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒素成分を含む廃水は、閉鎖性水域の富栄養化を招き、水質汚染を引き起こす一因となっている。そのため、一部の下水処理施設や廃水処理施設では、廃水に含まれている窒素成分を微生物を利用して分解除去する窒素処理が行われている。
【０００３】
従来、窒素成分を含む廃水を生物学的に窒素処理する方法としては、硝化処理と脱窒処理とを組み合わせて行う硝化脱窒処理が広く用いられてきた。硝化脱窒処理では、被処理水中に含まれているアンモニア性窒素が硝化細菌によって硝酸性窒素にまで酸化された後、硝酸性窒素が脱窒細菌によって分子状窒素に変換されている。
【０００４】
一方、近年では、嫌気性アンモニア酸化（アナモックス（ＡＮＡＭＭＯＸ：Anaerobic Ammonium Oxidation））法の実用化も進められている。嫌気性アンモニア酸化法は、アンモニアと亜硝酸とを嫌気性アンモニア酸化細菌によって共脱窒する方法である。嫌気性アンモニア酸化法によると、被処理水中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とが、嫌気性アンモニア酸化反応によって、分子状窒素と若干の硝酸性窒素とに変換される。
【０００５】
嫌気性アンモニア酸化反応は、独立栄養性である嫌気性アンモニア酸化細菌がアンモニアを水素供与体として行う反応であるため、メタノール等の有機物を供給する必要が無く、運転コストが抑制される利点がある。また、亜硝酸性窒素を硝酸性窒素にまで酸化する必要が無いため、曝気に関わるコストも削減される。また、嫌気性アンモニア酸化細菌は高い脱窒速度を示す一方で増殖量が少ないため、処理効率を損なわず設備規模を縮小することが可能であり、余剰汚泥の量が少なくなるという利点もある。
【０００６】
窒素成分を含む廃水は、多くの場合、アンモニア性窒素を含有している。一方、嫌気性アンモニア酸化反応では、アンモニウムイオンと亜硝酸イオンとが約１：１．３の比率で反応する。そのため、嫌気性アンモニア酸化法では、アンモニア性窒素の一部を亜硝酸性窒素にまで酸化させておく亜硝酸型硝化が、嫌気性アンモニア酸化反応の前に予め行われている。
【０００７】
嫌気性アンモニア酸化法による窒素処理の方式は、亜硝酸型硝化と嫌気性アンモニア酸化とを一槽で行う単槽式と、亜硝酸型硝化を行うアンモニア酸化槽と嫌気性アンモニア酸化を行うアナモックス反応槽を用いる二槽式とに大別される。
【０００８】
単槽式としては、低酸素濃度に制限した曝気の下で行うＣＡＮＯＮ法、低酸素濃度の条件に制限して行うＯＬＡＮＤ法、硝化細菌群を付着固定化した担体の内部に嫌気性アンモニア酸化細菌を増殖させて行うＳＮＡＰ法、半回分方式で行うＳＢＲ法等がある。
【０００９】
また、二槽式としては、被処理水の全量をアンモニア酸化槽に導入してアンモニア性窒素の一部を部分亜硝酸化するワンパス式や、被処理水の一部をアンモニア酸化槽に導入してアンモニア性窒素の全部を亜硝酸化し、残部を迂回させてから合流させるバイパス式がある。
【００１０】
従来、嫌気性アンモニア酸化細菌の純粋培養系が確立された例はなく、嫌気性アンモニア酸化法には、主として、馴化をさせた汚泥や、種汚泥を集積培養した汚泥が用いられている。嫌気性アンモニア酸化細菌は、増殖速度が極めて遅いため、被処理水の有機物濃度が高いと、増殖速度が速い従属栄養性微生物が優占増殖し、嫌気性アンモニア酸化細菌が繁殖し難くなる。そこで、嫌気性アンモニア酸化法による窒素処理について、被処理水に含まれている有機物を予め除去ないし希釈する対策が検討されている。
【００１１】
例えば、特許文献１には、廃水に含まれる有機物の濃度をメタン発酵によって減少させる処理、アンモニア態窒素をアナモックス細菌によって窒素ガスに変換する処理、及び、アンモニア態窒素の硝化及び硝酸態窒素・亜硝酸態窒素の脱窒を行う活性汚泥処理のいずれかを、廃水の有機物濃度に基づいて施す廃水処理方法が記載されている。
【００１２】
また、特許文献２には、非凝集性細菌によって好気的に有機物を除去し、加圧浮上分離処理を用いて固液分離を行った後、アンモニア性窒素の一部を亜硝酸性窒素に酸化し、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を含む非処理水を独立栄養性脱窒細菌により脱窒処理する排水処理方法が記載されている。
【００１３】
また、特許文献３には、無酸素槽において廃水中の有機物を除去し、亜硝酸を生成させた後、亜硝酸とアンモニアから嫌気的に脱窒させた処理水を生成し、この処理水に残存するアンモニアを酸化させてから、無酸素槽に返送して循環させる廃水処理方法が記載されている。無酸素槽では、亜硝酸呼吸又は硝酸呼吸で廃水中の有機物が除去されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許第５８６２０８２号公報
【特許文献２】特許第５１８６４２０号公報
【特許文献３】特許第３８５８２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
嫌気性アンモニア酸化反応を利用して廃水の窒素処理を行うとき、嫌気性アンモニア酸化反応の前に活性汚泥処理等を行い、被処理水の有機物濃度を低下させておくと、有機物濃度が低くなった非処理水中で嫌気性アンモニア酸化細菌が繁殖し易くなるため、嫌気性アンモニア酸化反応の活性が安定し、比較的高い窒素除去率を得ることができる。
【００１６】
しかし、特許文献１の方法では、事前に廃水のケルダール態窒素濃度やＣＯＤ／Ｎ比を分析する必要があるため、処理装置の運転が煩雑になるし、メタン発酵処理槽等の処理槽を併設した場合に、設備が大型化したり、設備コストが増大したりする。また、特許文献２の方法では、有機物を分解した後に、固液分離処理を行う必要があるため、処理装置の設備コストや運転コストが高くなるし、設備の小型化が妨げられる場合がある。
【００１７】
特許文献３の方法では、無酸素槽における亜硝酸呼吸や硝酸呼吸で有機物が除去されるが、無酸素槽に返送される処理液の亜硝酸濃度や硝酸濃度が低下した場合に、有機物の分解が不十分になる虞がある。無酸素槽に返送される処理液は、亜硝酸濃度や硝酸濃度が硝化率や窒素除去率に左右されるため、原水の有機物濃度ないしＣ／Ｎ比が高い場合等に、有機物を処理しきれない可能性がある。
【００１８】
そこで、本発明は、窒素成分及び有機物を含む廃水を低コストで効率的に処理する窒素処理方法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】
【００１９】
前記課題を解決するために本発明に係る窒素処理方法は、廃水に含まれる窒素成分を脱窒する窒素処理方法であって、被処理水に含まれるアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを微生物汚泥によって分子状窒素に変換する嫌気性アンモニア酸化処理工程を含み、前記嫌気性アンモニア酸化処理工程において、前記微生物汚泥が固定化されている充填材が保持された固定床型リアクタを用いて前記被処理水を処理する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、窒素成分及び有機物を含む廃水を低コストで効率的に処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】窒素処理に用いられる廃水処理装置の一例を示す模式図である。
【図２】窒素処理に用いられる廃水処理装置の他の例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態に係る窒素処理方法について、図を参照しながら説明する。なお、以下の各図において共通する構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２３】
本実施形態に係る窒素処理方法は、廃水（被処理水）に含まれる窒素成分を生物学的な処理により脱窒する方法に関する。この窒素処理方法は、被処理水に含まれるアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを微生物汚泥によって分子状窒素に変換する嫌気性アンモニア酸化処理工程を少なくとも含んでいる。
【００２４】
本実施形態に係る窒素処理方法では、嫌気性アンモニア酸化処理工程において、微生物汚泥が固定化されている充填材が保持されている固定床型リアクタを用いて被処理水を処理する。固定床型リアクタによると、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性微生物と、を処理槽内の異なる領域に、それぞれ繁殖させることができる。そのため、被処理水に窒素成分に加えて有機物が含まれていても、単槽で効率的に処理することができる。
【００２５】
図１は、窒素処理に用いられる廃水処理装置の一例を示す模式図である。
本実施形態に係る窒素処理方法は、図１に示されるような廃水処理装置１００を使用して実施することができる。図１に示す廃水処理装置１００は、固定床型リアクタである嫌気性アンモニア酸化槽１と、微生物汚泥が固定化されている充填材２と、供給ポンプ３と、ｐＨ調整装置４と、アンモニア酸化槽５と、微生物汚泥６と、散気装置７と、処理水槽８と、洗浄用ポンプ９と、を備えている。
【００２６】
廃水処理装置１００は、窒素成分を含む廃水（被処理水）を嫌気性アンモニア酸化法によって窒素処理する装置であり、亜硝酸型硝化と嫌気性アンモニア酸化とを個別の反応槽で行う二槽式とされている。廃水処理装置１００は、嫌気性アンモニア酸化処理を行う嫌気性アンモニア酸化槽１が固定床型リアクタであるため、嫌気性である嫌気性アンモニア酸化細菌と好気性である従属栄養性微生物とを、処理槽内の異なる領域でそれぞれ繁殖させて、有機物の分解と嫌気性アンモニア酸化とを単槽で行える。
【００２７】
被処理水に有機物が含まれている場合、増殖速度が速い従属栄養性微生物が優占増殖し、増殖速度が遅い嫌気性アンモニア酸化細菌が繁殖し難くなるため、嫌気性アンモニア酸化活性が低下ないし不安定化する傾向がある。これに対し、固定床型リアクタによると、被処理水に含まれる有機物によって、処理槽内の上流側に従属栄養性微生物が繁殖し、有機物濃度が低くなる下流側に嫌気性アンモニア酸化細菌が繁殖するため、被処理水に有機物が含まれていても、処理槽内の下流側で、高活性で安定な嫌気性アンモニア酸化活性を得ることができる。
【００２８】
被処理水としては、例えば、下水処理施設、半導体工場、金属精錬所、薬品製造施設等の事業場から排出される廃水が挙げられる。廃水は、アンモニア性窒素や有機物の他に、リン、炭素、重金属類等の栄養塩を含んでいてもよい。また、廃水は、アンモニア酸化槽１で行う硝化処理の前に、活性汚泥処理、従属栄養性脱窒細菌による脱窒処理、脱リン処理等が行われてもよい。
【００２９】
嫌気性アンモニア酸化槽１は、微生物汚泥が固定化されている充填材２が保持された固定床型リアクタとされている。固定床を形成する充填材２は、筒型の処理槽内に保持され、充填材２同士の隙間に被処理水が通流する。充填材２には、嫌気性アンモニア酸化細菌を含む微生物汚泥や、従属栄養性微生物を含む微生物汚泥が固定化される。
【００３０】
嫌気性アンモニア酸化槽１は、図１において、処理槽の上部に流入口、処理槽の下部に流出口を有しており、被処理水を下向流として流す筒形の固定床型リアクタとされている。流入口には、供給ポンプ３とｐＨ調整装置４を備えた配管を介して、アンモニア酸化槽５が接続されている。アンモニア酸化槽５で処理された処理水は、必要に応じてｐＨ調整され、供給ポンプ３によって嫌気性アンモニア酸化槽１に導入される。
【００３１】
アンモニア酸化槽５は、被処理水に含まれているアンモニア性窒素を亜硝酸性窒素に酸化する亜硝酸型の硝化処理を行う処理槽である。アンモニア酸化槽５には、被処理水を生物学的に処理するために微生物汚泥６が保持される。また、アンモニア酸化槽５には、被処理水を曝気するための散気装置７が備えられる。
【００３２】
微生物汚泥６は、細菌や原生生物等を含む汚泥であり、硝化細菌群を含んでいる。通常、硝化細菌群は、ニトロソモナス（Nitrosomonas）属、ニトロソコッカス（Nitrosococcus）属、ニトロソスピラ（Nitrosospira）属、ニトロソロブス（Nitrosolobus）属等に分類されるアンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）と、ニトロバクター（Nitrobactor）属、ニトロスピナ（Nitrospina）属、ニトロコッカス（Nitrococcus）属、ニトロスピラ（Nitrospira）属等に分類される亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）との混成である。
【００３３】
微生物汚泥６は、図１において、流動床担体に固定化されている。但し、アンモニア酸化槽５で用いる微生物汚泥は、担体の内部に包括固定化されている状態、担体の表面に包括固定化されている状態、担体に付着固定化されている状態、自己造粒によるグラニュールを形成している状態、及び、水中に浮遊した浮遊汚泥の状態のうち、いずれの状態であってもよい。また、固定化された微生物汚泥は、固定床、流動床及び移動床のいずれの形態で用いられてもよい。
【００３４】
担体の材料としては、モノ（メタ）アクリレート類、ジ（メタ）アクリレート類、トリ（メタ）アクリレート類、テトラ（メタ）アクリレート類、ウレタン（メタ）アクリレート類、エポキシ（メタ）アクリレート類、ポリビニルアルコール、ビニロン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、アクリルアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、アラミドやナイロン等のポリアミド、ポリエステル、レーヨン、ガラス、活性炭等の適宜の材料を使用することができる。
【００３５】
担体の形状は、立方体状、直方体状、板状、球状、円盤状、円筒状、多孔質状、スポンジ状、繊維状、布状、コイン状、レンコン状、菊花状等の適宜の形状とすることができる。担体の大きさは、特に制限されるものではなく、例えば、３ｍｍ角等とすることができる。
【００３６】
散気装置７は、例えば、気泡を発生するディフューザや散気管、空気を供給する送風機、空気を圧縮するコンプレッサ、送風機からディフューザや散気管に空気を送る送気管等によって構成される。被処理水についての曝気量は、一定に制御してもよいし、アンモニア性窒素の濃度、亜硝酸性窒素の濃度等に応じて、目的の硝化率となるように可変制御してもよい。
【００３７】
ｐＨ調整装置４は、嫌気性アンモニア酸化処理される被処理水のｐＨを調整するために備えられる。ｐＨ調整装置４は、例えば、ｐＨ調整剤を貯留するｐＨ調整剤タンク、ｐＨ調整剤を被処理水に供給する薬注ポンプ等によって構成される。ｐＨ調整剤としては、例えば、炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウム等のアルカリ性ｐＨ調整剤を用いることができる。アンモニア酸化槽５で処理された処理水は、酸性化しているｐＨが中性付近に調整される。
【００３８】
嫌気性アンモニア酸化槽１は、被処理水に含まれる有機物を分解する有機物処理と、被処理水に含まれるアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を嫌気性アンモニア酸化反応によって共脱窒する嫌気性アンモニア酸化処理とを行う。有機物処理は、処理槽内の上流側（流入口側）の充填材２に保持される従属栄養性微生物によって行われる。また、嫌気性アンモニア酸化処理は、処理槽内の下流側（流出側）の充填材２に保持される嫌気性アンモニア酸化細菌によって行われる。
【００３９】
嫌気性アンモニア酸化槽１は、固定床型リアクタであるため、有機物を含む被処理水が流入すると、処理槽内の上流側で有機物濃度が高くなり、上流側に位置する充填材２上で、従属栄養性微生物が繁殖する。そして、被処理水に含まれる有機物や溶存酸素が従属栄養性微生物によって消費され、有機物濃度や溶存酸素濃度が低下した被処理水が下流側に流れる。そのため、被処理水に有機物や溶存酸素が含まれていたとしても、処理槽内の下流側に位置する充填材２上で、嫌気性アンモニア酸化細菌を確実に増殖させることができる。
【００４０】
固定床型リアクタで用いる微生物汚泥は、担体の内部に包括固定化されている状態、担体の表面に包括固定化されている状態、担体に付着固定化されている状態、又は、自己造粒によるグラニュールを形成している状態であることが好ましい。すなわち、固定床の充填材２として、担体ないしグラニュールを用いることができる。このような充填材２を処理槽に充填すると、充填材２自体が形成する充填層によって、被処理水が混合拡散し難くなる。そのため、固定床型リアクタ内を仕切る等しなくとも、有機物や溶存酸素の濃度分極を容易に生じさせることができる。
【００４１】
固定床型リアクタにおいて、被処理水の通水方向に有機物や溶存酸素の濃度分極が生じると、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性微生物のそれぞれの生息域が、処理槽内の上流側と下流側とに分離される。被処理水に有機物や溶存酸素が含まれていたとしても、処理槽内の上流側の従属栄養性微生物が有機物や溶存酸素を消費し、処理槽内の下流側で嫌気性アンモニア酸化細菌が繁殖するため、高活性で安定な嫌気性アンモニア酸化活性を得ることができる。
【００４２】
担体の充填材２は、立方体状、直方体状、板状、球状、円盤状、円筒状、多孔質状、スポンジ状、繊維状、布状、コイン状、レンコン状、菊花状等の適宜の形状とすることができる。担体としては、微生物汚泥の保持量や比表面積が大きい点、固定床型リアクタへの充填が容易な点等から、立方体状、直方体状等の樹脂ペレットの担体が特に好ましく用いられる。担体の大きさは、特に制限されるものではなく、例えば、３ｍｍ角等とすることができる。担体の材料は、アンモニア酸化槽１の担体と同様にすることができる。
【００４３】
担体の充填材２は、比重が少なくとも１ｇ／ｃｍ３未満であり、沈降性であることが好ましい。充填材２が沈降性の担体であると、固定床型リアクタに直接充填したとき、被処理水が通水されても流動し難くなる。そのため、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性微生物のそれぞれの生息域を、処理槽内の上流側と下流側とに明確に分離して、高活性で安定な嫌気性アンモニア酸化活性を得ることができる。
【００４４】
充填材２の充填率は、充填層当たり、好ましくは６０％以上、より好ましくは７０％以上、更に好ましくは８０％以上である。また、充填率は、好ましくは９０％以下である。なお、充填層の容積としては、被処理水の通水方向の有効高さで計算した見かけ容積を用いる。このような高い充填率であると、充填材２として充填された担体ないしグラニュールで被処理水が攪拌され難くなる。そのため、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性微生物のそれぞれの生息域を被処理水の通水方向に分離して、高活性で安定な嫌気性アンモニア酸化活性を得ることができる。また、充填材２の総表面積が大きくなるため、高い脱窒速度を得ることができる。
【００４５】
充填材２としては、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性微生物とを固定化した一種を固定床型リアクタに保持してもよいし、嫌気性アンモニア酸化細菌を固定化した充填材２と、従属栄養性微生物を固定化した充填材２とを、被処理水の通水方向に分けて固定床型リアクタに保持してもよい。一種の充填材２を一括して収容する場合、担体ないしグラニュールの調製は容易になるが、長時間の馴養が必要になる。これに対し、従属栄養性微生物を保持する充填材２を上流側に配置し、嫌気性アンモニア酸化細菌を保持する充填材２を下流側に配置すると、短い馴養時間で生息域を分離することができる。
【００４６】
固定床型リアクタには、充填材２である担体ないしグラニュールを直接収容してもよいし、開孔を有する容器に収容し、その容器を固定床型リアクタに投入してもよい。容器としては、例えば、ストレーナ型、コランダ型等のざる状容器を用いることができる。充填材２を容器に収容する場合、充填材２同士が接触する程度に密に充填してもよいし、充填材２同士が接触し難い疎な状態に収容してもよい。容器当たりの充填率が低いと、容器内で充填材２が流動できるため、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性微生物のそれぞれの生息域が分離し難くなるが、処理槽内の閉塞が防止される。
【００４７】
固定床型リアクタは、ピストンフロー式の処理槽であることが好ましい。ピストンフロー式であると、完全混合式の場合と比較して、被処理水が拡散混合し難くなる。均一性が高い線速度で被処理水が流れ、有機物や溶存酸素の濃度分極が生じ易くなるため、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性微生物のそれぞれの生息域を、処理槽内の上流側と下流側とに明確に分離して、高活性で安定な嫌気性アンモニア酸化活性を得ることができる。
【００４８】
固定床型リアクタは、処理槽内が、目皿、仕切板、蛇籠等によって、複数の区画に仕切られていてもよい。処理槽内が被処理水の通水方向に仕切られていると、被処理水が通水されても充填材２の位置が大きく変化しないため、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性微生物のそれぞれの生息域を明確に分離して、高活性で安定な嫌気性アンモニア酸化活性を得ることができる。また、上流側の区画の充填材２と下流側の区画の充填材２とが混合しなくなるため、攪拌装置による高速攪拌が可能になり、高い脱窒速度を得ることができる。
【００４９】
処理水槽８は、嫌気性アンモニア酸化槽１で処理された処理水を受けるために備えられる。嫌気性アンモニア酸化槽６で処理された処理水の一部は、処理水槽８に移送されて一時的に貯留される。そして、処理水槽８の処理水は、任意の時期に、洗浄用ポンプ９で嫌気性アンモニア酸化槽６に返送される。洗浄用ポンプ９は、供給ポンプ３よりも高圧に昇圧した処理水を、充填材２の下方に開口した流入口から固定床型リアクタ内に流入させて、充填材２を物理洗浄することができる。
【００５０】
次に、本実施形態に係る窒素処理方法の一例について、廃水処理装置１００を使用した嫌気性アンモニア酸化法による窒素処理を例として具体的に説明する。
【００５１】
嫌気性アンモニア酸化法による窒素処理は、被処理水に含まれるアンモニア性窒素を微生物汚泥によって酸化して亜硝酸性窒素を生成する硝化処理工程と、硝化処理工程において処理された被処理水に含まれるアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを嫌気性アンモニア酸化反応によって分子状窒素に変換する嫌気性アンモニア酸化処理工程と、を含む方法によって行うことができる。
【００５２】
一般に、嫌気性アンモニア酸化処理は、流動床型の処理槽を使用した完全混合型の流れ場で行われることが多い。従属栄養性微生物の増殖速度は、嫌気性アンモニア酸化細菌よりも速いため、被処理水に有機物が含まれていると、処理槽内で従属栄養性微生物が優占増殖し、嫌気性アンモニア酸化活性が十分に得られなかったり、嫌気性アンモニア酸化処理中に不安定化して、窒素除去率が安定しなかったりする。
【００５３】
従来、嫌気性アンモニア酸化法による窒素処理に際しては、原水に含まれる有機物を処理する目的で、予め活性汚泥処理等が行われている。しかし、活性汚泥処理等を必須の前処理として行う方法では、設備が大型化したり、設備コストが増大したりするため、嫌気性アンモニア酸化法による有利性が損なわれる場合がある。
【００５４】
また、嫌気性アンモニア酸化細菌の増殖は溶存酸素によって阻害されるところ、活性汚泥処理においては曝気が行われるため、嫌気性アンモニア酸化処理の前に、溶存酸素を脱気しておく必要がある。脱気処理は、窒素ガス等の散気、被処理水の攪拌等による強制脱気や、自然脱気によって行うことができるが、個別の調整槽等を用いて脱気処理を行う方法では、設備が複雑化したり、前処理が長時間化したりする。
【００５５】
これに対し、本実施形態に係る窒素処理方法では、嫌気性アンモニア酸化処理工程において、微生物汚泥が固定化されている充填材が充填された固定床型リアクタを用いて被処理水を処理するため、嫌気性アンモニア酸化処理の効率を原水の有機物濃度や溶存酸素濃度に影響され難くすることができる。
【００５６】
被処理水の全窒素の濃度、及び、アンモニア性窒素の濃度は、嫌気性アンモニア酸化活性の阻害を避ける観点からは、１ｍｇ／Ｌ以上１０００ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。また、固定床型リアクタの有効性を極大化する観点からは、本来高い窒素除去率を達成するのが困難な低濃度の範囲がより好ましい。具体的には、被処理水の全窒素の濃度、及び、アンモニア性窒素の濃度は、１０ｍｇ／Ｌ以上１５０ｍｇ／Ｌ以下であることがより好ましい。
【００５７】
被処理水は、全窒素の濃度やアンモニア性窒素の濃度が高い場合、嫌気性アンモニア酸化処理工程の前に、嫌気性アンモニア酸化処理された処理水等で、予め希釈することができる。また、微生物汚泥を馴養する必要がある立ち上げ時には、はじめに、希釈した被処理水を流入させてから、徐々に全窒素の濃度やアンモニア性窒素の濃度を高くして通水することができる。
【００５８】
硝化処理工程は、硝化細菌群を保持するアンモニア酸化槽５において、好気条件下、必要に応じてアルカリの添加やｐＨの調整を実施しながら行う。被処理水の水温は、１０℃以上４０℃以下であることが好ましい。また、被処理水のｐＨは、ｐＨ６以上ｐＨ１０以下であることが好ましい。被処理水のｐＨは、アンモニア性窒素の亜硝酸化が進むほど酸性側に低下していく。
【００５９】
硝化処理される被処理水は、アンモニア性窒素の濃度と亜硝酸性窒素の濃度との比が１：１〜１：１．５となる溶存酸素濃度に調整されることが好ましい。通常、溶存酸素濃度を０．５ｍｇ／Ｌ以上４．０ｍｇ／Ｌ以下の範囲で加減すると、亜硝酸型硝化の硝化率が適切な範囲になる。適切な濃度比に調整すると、ワンパス式の処理の場合に、嫌気性アンモニア酸化反応が効率的に進むため、高い窒素除去率を得ることができる。
【００６０】
嫌気性アンモニア酸化処理工程は、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性微生物を保持する嫌気性アンモニア酸化槽１において、無酸素条件下、必要に応じてｐＨの調整を実施して行う。被処理水のｐＨは、好ましくはｐＨ６．５以上ｐＨ９以下、より好ましくはｐＨ７以上ｐＨ８．２以下である。また、被処理水の水温は、好ましくは１０℃以上４０℃以下、より好ましくは１５℃以上３７℃以下である。
【００６１】
被処理水の生物化学的酸素要求量（Biochemical oxygen demand：ＢＯＤ）は、固定床型リアクタである嫌気性アンモニア酸化槽１の入口において、３００ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましく、１５０ｍｇ／Ｌ以下であることがより好ましい。このようなＢＯＤであれば、通常の流量で通水している固定床型リアクタ内で有機物を十分に分解することができる。滞留時間を大きく延長しなくとも、処理槽内の下流側の有機物濃度が十分に低下するため、高活性で安定な嫌気性アンモニア酸化活性を得ることができる。
【００６２】
嫌気性アンモニア酸化処理工程では、固定床型リアクタである嫌気性アンモニア酸化槽１が、曝気を行わず溶存酸素濃度を上昇させない無酸素条件下で被処理水を処理することが好ましい。被処理水に十分な溶存酸素が残存していると、曝気を行わなくとも、処理槽内の上流側で従属栄養性微生物が増殖し易くなる。そして、溶存酸素濃度が上昇しない条件であれば、下流側に流れる被処理水の有機物濃度が低下し易くなり、処理槽内の下流側では、嫌気性アンモニア酸化細菌が増殖し易くなる。よって、このような運転によると、有機物や溶存酸素を含む硝化処理後の処理水を、予め脱気処理することなく、低コストで効率的に脱窒することができる。
【００６３】
嫌気性アンモニア酸化処理工程では、固定床型リアクタである嫌気性アンモニア酸化槽１で処理された処理水を、充填材２の下方に開口した流入口から固定床型リアクタ内に流入させて、微生物が固定化されている充填材２を物理洗浄することができる。処理水を洗浄用ポンプ９で固定床型リアクタ内に圧入することにより、充填材２が形成する充填層が微生物膜等で閉塞するのを防止することができる。
【００６４】
充填材２の物理洗浄は、被処理水を嫌気性アンモニア酸化処理する間に、所定の時間間隔で定期的に行ってもよいし、不定期に行ってもよい。物理洗浄のために必要な逆洗の展開率は、同一水温の下で処理水の線速度（Linear Velocity：ＬＶ）に依存し、担体ないしグラニュールの大きさや比重によっても異なる。そのため、展開率と線速度との関係を、使用する担体ないしグラニュール毎に、予め求めておくことが好ましい。
【００６５】
以上の窒素処理方法によると、嫌気性アンモニア酸化処理工程において、固定床型リアクタを用いるため、処理槽の上流側で有機物を分解し、処理槽の下流側で嫌気性アンモニア酸化させることができる。充填材が充填された固定床型リアクタでは、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性微生物のそれぞれの生息域が分離されるため、被処理水に有機物や溶存酸素が含まれていても、高活性で安定な嫌気性アンモニア酸化活性を得ることができる。また、固定床型リアクタは、流動床型の処理槽と比較して、微生物汚泥の保持量を高くすることができるため、処理槽の容積当たりの脱窒速度を容易に向上させることができる。よって、窒素成分及び有機物を含む廃水を効率的に処理することができる。
【００６６】
また、以上の窒素処理方法によると、従属栄養性微生物による有機物の分解活性と、嫌気性アンモニア酸化細菌による高活性で安定な嫌気性アンモニア酸化活性とを、単槽式の処理槽で利用することができる。活性汚泥処理、脱気処理等の前処理を省略したり、前処理の処理時間を短縮したりしても、固定床型リアクタのみで、有機物の分解と、嫌気性アンモニア酸化反応とを行うことができる。よって、窒素成分及び有機物を含む廃水を低コストで効率的に処理することができる。
【００６７】
図２は、窒素処理に用いられる廃水処理装置の他の例を示す模式図である。
本実施形態に係る窒素処理方法は、図２に示されるような廃水処理装置２００を使用して実施することもできる。図２に示す廃水処理装置２００は、固定床型リアクタである嫌気性アンモニア酸化槽１と、微生物が固定化されている充填材２と、供給ポンプ３と、ｐＨ調整装置４と、溶液貯槽１０と、溶液供給ポンプ１１と、を備えている。供給ポンプ３、ｐＨ調整装置４、嫌気性アンモニア酸化槽１、及び、充填材２の構成は、廃水処理装置１００と略同様である。
【００６８】
廃水処理装置２００は、窒素成分を含む廃水（被処理水）を嫌気性アンモニア酸化法によって窒素処理する装置であり、アンモニア性窒素を含む被処理水に亜硝酸性窒素を含む溶液を混合して嫌気性アンモニア酸化処理する構成とされている。廃水処理装置２００は、嫌気性アンモニア酸化槽１が固定床型リアクタであるため、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性微生物とを、処理槽内の異なる領域でそれぞれ繁殖させて、有機物の分解と嫌気性アンモニア酸化とを行うことができる。
【００６９】
嫌気性アンモニア酸化槽１は、微生物汚泥が固定化されている充填材２が充填された固定床型リアクタとされている。充填材２には、嫌気性アンモニア酸化細菌を含む微生物汚泥や従属栄養性微生物を含む微生物汚泥が固定化される。固定床を形成する充填材２は、筒型の処理槽内に保持され、充填材２の隙間に被処理水が通水し得るようになっている。
【００７０】
嫌気性アンモニア酸化槽１は、図２において、処理槽の下部に流入口、処理槽の上部に流出口を有しており、被処理水を上向流として流す筒形の固定床型リアクタとされている。上向流を流す形式によると、微生物汚泥が底部に堆積したり、微生物汚泥が生じた窒素ガスや二酸化炭素が充填層中に蓄積したりするのが抑制される。流入口には、供給ポンプ３を備えた配管を介して、被処理水が供給される。また、溶液貯槽１０が、溶液供給ポンプ１１を備えた配管を介して接続される。溶液貯槽１０には、例えば、亜硝酸ナトリウム溶液、亜硝酸カリウム溶液等、亜硝酸性窒素を含む溶液が用意される。
【００７１】
嫌気性アンモニア酸化槽１には、アンモニア性窒素や有機物を含む被処理水が、供給ポンプ３によって供給される。また、亜硝酸性窒素を含む溶液を、溶液供給ポンプ１１によって溶液貯槽１０から供給することができる。アンモニア性窒素を含む被処理水と、亜硝酸性窒素を含む溶液とは、混合されて嫌気性アンモニア酸化槽１に導入され、有機物の分解や嫌気性アンモニア酸化が行われる。
【００７２】
嫌気性アンモニア酸化槽１に供給される被処理水は、アンモニア性窒素の濃度と亜硝酸性窒素の濃度との比が１：１〜１：１．５となるように、亜硝酸性窒素を含む溶液と混合されることが好ましい。このような濃度比に調整すると、嫌気性アンモニア酸化反応が効率的に進むため、高い窒素除去率を得ることができる。亜硝酸性窒素を含む溶液の供給量は、供給される被処理水のアンモニア性窒素の濃度を予め測定して制御することが好ましい。
【００７３】
嫌気性アンモニア酸化槽１には、嫌気性アンモニア酸化槽１で処理された処理水を処理槽内に返送するための循環ラインが設けられている。循環ラインを通じて処理水の一部を返送すると、嫌気性アンモニア酸化槽１におけるアンモニア性窒素濃度や有機物濃度を希釈することができる。また、溶存酸素濃度が低い領域においては、有機物を利用する従属栄養性脱窒細菌が、処理水中に残存している硝酸性窒素を分子状窒素に還元し得るため、窒素除去率を高めることができる。
【００７４】
循環ラインによる処理水の返送は、被処理水のＢＯＤが、嫌気性アンモニア酸化槽１の入口において、３００ｍｇ／Ｌを超えるときに実施することが好ましい。このような条件で返送すると、滞留時間を大きく延長しなくとも、有機物を十分に分解することができる。このような返送を行う場合、循環ラインは、図２に示すように、被処理水の流入口に接続することが好ましい。
【００７５】
また、循環ラインによる処理水の返送は、被処理水のアンモニア性窒素の濃度が、１５０ｍｇ／Ｌを超えるときに実施することが好ましい。このような条件で返送すると、嫌気性アンモニア酸化活性を安定させて、高い窒素除去率を得ることができる。このような返送を行う場合、循環ラインは、図２に示すように、被処理水の流入口に接続してもよいし、生息域が分離する中間部に接続してもよいが、中間部に接続することが好ましい。
【００７６】
固定床型リアクタである嫌気性アンモニア酸化槽１において、上向流として通水される被処理水の線速度は、充填材２が担体である場合、２０ｍ／ｈ以下が好ましい。一方、充填材２がグラニュールである場合、２ｍ／ｈ以下が好ましい。このような線速度であると、上流側の充填材２と下流側の充填材２とが混合し難いため、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性微生物のそれぞれの生息域を、明確に分離することができる。
【００７７】
以上の窒素処理方法によると、嫌気性アンモニア酸化処理工程において、固定床型リアクタを用いるため、処理槽の上流側で有機物を分解し、処理槽の下流側で嫌気性アンモニア酸化を行うことができる。アンモニア性窒素を含む被処理水に、亜硝酸性窒素を含む溶液が混合されるため、被処理水に亜硝酸性窒素が含まれていない場合や、亜硝酸性窒素の濃度が適切でない場合にも、効率的に嫌気性アンモニア酸化処理することができる。例えば、亜硝酸型の硝化処理を省略したり、硝化処理における硝化率を任意に変更したりしても、高い窒素除去率が得られる。
【００７８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えたり、実施形態の構成の一部を他の形態に追加したり、実施形態の構成の一部を省略したりすることも可能である。
【００７９】
例えば、前記の廃水処理装置１００において、アンモニア酸化槽５は、被処理水の全量を亜硝酸型硝化するワンパス式とされているが、バイパス式とされてもよい。すなわち、被処理水の一部をアンモニア酸化槽５に導入してアンモニア性窒素の全量を亜硝酸性窒素にまで酸化し、残部を迂回させて亜硝酸型硝化せず嫌気性アンモニア酸化槽１に合流させてもよい。
【００８０】
また、前記の廃水処理装置１００を上向流で運転する方式とし、廃水処理装置２００を下向流で運転する方式としてもよい。廃水処理装置１００に、嫌気性アンモニア酸化槽１で処理された処理水を嫌気性アンモニア酸化槽１に返送するための循環ラインを設けてもよいし、廃水処理装置２００に、循環ラインを設けなくてもよい。ｐＨ調整装置４は、嫌気性アンモニア酸化槽１の供給側、及び、循環ラインのうち、いずれに設けてもよい。
【００８１】
また、前記の廃水処理装置１００，２００には、嫌気性アンモニア酸化槽１で処理された処理水をアンモニア酸化槽５に返送するための循環ラインを設けてもよい。循環ラインを通じて処理水の一部を返送すると、アンモニア酸化槽１における亜硝酸性窒素濃度を希釈することができる。
【００８２】
また、前記の固定床型リアクタは、有機物や溶存酸素の濃度分極を生じる限り、被処理水を攪拌する攪拌装置を備えることができる。攪拌装置の羽根形状は、例えば、パドル翼式、アンカー翼式、リボン翼式、ゲート翼式、プロペラ翼式、糸巻形翼式等とすることができる。攪拌装置の回転速度（回転数）は、２００ｍｉｎ−１以下が好ましく、１００ｍｉｎ−１以下がより好ましい。このような緩速であると、濃度分極を維持して生息域を分離することができる。
【００８３】
また、前記の固定床型リアクタは、形状が特に制限されるものではない。例えば、円筒型、角筒型、多角筒型、多重筒型等の適宜の形状とすることができる。固定床型リアクタの有効幅（処理槽内の短辺の長さ、又は、直径）は、担体ないしグラニュールの大きさ（長辺の長さ、又は、直径）の３０倍以上の長さであることが好ましく、５０倍以上の長さであることがより好ましい。このような寸法であると、固定床型リアクタ内で担体ないしグラニュールが偏り難いため、充填層が閉塞したり、空乏な非充填部が充填層を貫通したりするのを抑制することができる。
【００８４】
固定床型リアクタに充填する充填材２同士の隙間は、非ペレット状の充填材２を固定床型リアクタに対して固定する場合、０．７ｍｍ以上であることが好ましく、３ｍｍ以上であることがより好ましい。このような寸法であると、充填材２同士が接触し難くなるため、微生物汚泥の剥離、担体の割れ、破れ等を抑制することができる。充填材２が損傷し難くなる結果、破片による充填層の閉塞も抑制される。
【００８５】
また、前記の廃水処理装置１００，２００において、嫌気性アンモニア酸化槽１やアンモニア酸化槽５の前段側には、廃水の水質や水量を調整する調整槽や、廃水に含まれている有機物を生物学的に分解する生物反応槽や、廃水に含まれている硝酸性窒素を予め脱窒する前脱窒槽等が設けられてもよい。また、後段側には、嫌気性アンモニア酸化反応で生成した硝酸性窒素を脱窒する後脱窒槽等が設けられてもよい。廃水処理装置２００の前段側には、硝酸性窒素を含む溶液を混合する混合槽が設けられてもよい。
【実施例】
【００８６】
以下、本発明の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に限定されるものではない。
【００８７】
［実施例１］
嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性微生物を含む活性汚泥との混成である微生物汚泥が固定化された包括固定化担体を用意した。この包括固定化担体を、容積０．５Ｌのリアクタに容積０．３Ｌとなるように充填し、この固定床型リアクタを２０℃の恒温槽内に設置した。そして、アンモニア性窒素の濃度が４０ｍｇ−Ｎ／Ｌ、ＢＯＤが５０ｍｇ／Ｌである原水を、アンモニア性窒素の濃度と亜硝酸性窒素の濃度との比が１：１〜１：１．５となるように硝化処理した後に、水理学的滞留時間が１時間となるようにリアクタの下部から通水した。被処理水の脱気処理や、処理水の返送は行わず、被処理水のｐＨは、通水前にｐＨ７．６に調整した。
【００８８】
窒素処理が定常に達したとき、アンモニア性窒素の濃度は０．２ｍｇ／Ｌ、亜硝酸性窒素の濃度は０．９ｍｇ／Ｌ、硝酸性窒素の濃度は６ｍｇ／Ｌであった。リアクタに充填した担体は、硝化処理されている被処理水が流入する下部側では、茶色を呈しており、従属栄養性微生物が繁殖している可能性が認められた。一方、リアクタの上部側ほど、赤色が強くなり、嫌気性アンモニア酸化細菌の繁殖が確認された。
【００８９】
［比較例１］
嫌気性アンモニア酸化細菌と従属栄養性微生物を含む活性汚泥との混成である微生物汚泥が固定化された包括固定化担体を用意した。この包括固定化担体を、容積０．５Ｌのリアクタに容積０．１Ｌとなるように投入し、この流動床型リアクタを２０℃の恒温槽内に設置した。そして、アンモニア性窒素の濃度が４０ｍｇ−Ｎ／Ｌ、ＢＯＤが５０ｍｇ／Ｌである原水を、アンモニア性窒素の濃度と亜硝酸性窒素の濃度との比が１：１〜１：１．５となるように硝化処理した後に、水理学的滞留時間が３時間となるようにリアクタの下部から通水した。被処理水の脱気処理や、処理水の返送は行わず、リアクタ内の被処理水は、担体が浮遊する程度に攪拌し、被処理水のｐＨは、通水前にｐＨ７．６に調整した。
【００９０】
窒素処理が定常に達したとき、アンモニア性窒素の濃度は１５ｍｇ／Ｌ、亜硝酸性窒素の濃度は１５ｍｇ／Ｌ、硝酸性窒素の濃度は０．６ｍｇ／Ｌであった。リアクタ内に投入した担体は、全体的に茶色を呈しており、従属栄養性微生物が繁殖している可能性が認められたが、嫌気性アンモニア酸化細菌の繁殖を示す赤色の担体は、殆ど確認されなかった。
【００９１】
実施例１と比較例１の結果が示すように、濃度分極を生じる固定床型リアクタと、完全混合となる流動床型リアクタとでは、窒素処理の効率が異なる。比較例１の流動床型リアクタでは、嫌気性アンモニア酸化細菌が十分に繁殖せず、嫌気性アンモニア酸化活性が殆ど認められなかったのに対し、実施例１の固定床型リアクタでは、嫌気性アンモニア酸化細菌が増殖して、高い窒素除去率が得られた。したがって、固定床型リアクタで嫌気性アンモニア酸化処理を行うと、被処理水に有機物が含まれていても、有機物を活性汚泥処理等によって予め除去することなく、効率的に脱窒することができるといえる。
【符号の説明】
【００９２】
１      嫌気性アンモニア酸化槽（固定床型リアクタ）
２      充填材
３      供給ポンプ
４      ｐＨ調整装置
５      アンモニア酸化槽
６      微生物汚泥
７      散気装置
８      処理水槽
９      洗浄用ポンプ
１０    溶液貯槽
１１    溶液供給ポンプ
１００  廃水処理装置
２００  廃水処理装置
【図１】
2019181378.tif 000003
【図２】
2019181378.tif 000004