(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニア性窒素を含有する廃液を間欠曝気槽に供給し、前記廃液に対して空気曝気と曝気停止とを交互に繰り返し、空気曝気による好気工程と、曝気停止による嫌気工程とを１サイクルとした間欠曝気処理を行う窒素含有廃液の処理方法において、
１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数、間欠曝気処理の１サイクルに要する時間及び、嫌気工程時における窒素含有廃液の供給量を、前記間欠曝気槽内のアンモニア性窒素濃度に応じて決定し、
１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数は、窒素含有廃液のアンモニア性窒素濃度を、間欠曝気処理槽での窒素含有廃液の滞留時間と予め定めた間欠曝気槽内の上限アンモニア性窒素濃度との積で割った値以上となるように決定し、
間欠曝気処理の１サイクルに要する時間は、１日あたりの間欠曝気処理に要する時間を、前記算出した１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数で割った値とし、
嫌気工程時における窒素含有廃液の供給量は、１日あたりの前記間欠曝気処理槽への窒素含有廃液の供給量を、前記算出した１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数で割った値とすることを特徴とする窒素含有廃液の処理方法。
【請求項２】
前記窒素含有廃液のアンモニア性窒素濃度は、前記窒素含有廃液の電気伝導率から算出する請求項１に記載の窒素含有廃液の処理方法。
【請求項３】
１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数を、下式（１）に基づいて算出した値以上となるように設定し、間欠曝気処理の１サイクルに要する時間を、下式（２）に基づいて算出して設定し、嫌気工程時における窒素含有廃液の供給量を、下式（３）に基づいて算出して設定する請求項２に記載の窒素含有廃液の処理方法。
【数１】
0004835580.tif 000012
（式中、ＥＣ１は窒素含有廃液の電気伝導率であり、ＨＲＴは滞留時間であり、（ＮＨ４＋）ｍａｘは間欠曝気槽内の上限アンモニア性窒素濃度であり、Ｔ１は１日あたりの間欠曝気処理に要する時間であり、Ｖ１は１日あたりの間欠曝気槽への窒素含有廃液の供給量であり、ａ、ｂは定数である。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニア性窒素を含有する廃液を生物化学的に処理し、窒素ガスとして除去する窒素含有廃液の処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
栄養源の一つである窒素は、廃液中に於いてアンモニアとして含まれており、高濃度で排出すると富栄養化の原因となることから下水道法により排出基準が定められている。窒素除去法としては、生物を利用した循環式硝化脱窒法と呼ばれる処理方法が開発されている。特に高濃度で窒素を含む廃液としては、し尿、畜産廃液、メタン発酵処理後の消化液等がある。
【０００３】
ここで、メタン発酵は、生ごみ等や下水の余剰汚泥などの有機性廃棄物をメタン発酵し、メタンガスとしてエネルギーを回収する方法であって、省資源、循環型社会形成の一環として注目されており、この時排出される消化液には、高濃度の有機物やアンモニアが含まれていることから、廃液処理技術の開発も種々検討されている。
【０００４】
上記のメタン発酵後の消化液の処理方法としては、活性汚泥処理法の一つである間欠曝気式活性汚泥処理（以下、「間欠曝気処理」と記載する）が広く用いられている。
【０００５】
間欠曝気処理とは、上記窒素含有廃液に対し空気曝気と曝気停止を交互に繰り返し、アンモニアと有機物とを、活性汚泥に培養させた微生物の食物として利用して分解除去する処理方法であって、アンモニア性窒素を、好気状態で硝化菌により亜硝酸窒素や硝酸性窒素に酸化させる硝化反応（好気工程）と、硝化反応で得られた亜硝酸性窒素や硝酸性窒素を、嫌気状態で脱窒菌の作用により還元して窒素ガスにまで分解する脱窒反応（嫌気工程）とからなる２段階の生物反応によって、窒素含有廃液中のアンモニアを窒素ガスとして除去する方法である。
【０００６】
この間欠曝気処理には、例えば、下記特許文献１に開示されているような、単一の活性汚泥槽において、好気条件と嫌気条件とを繰り返し、時間的に区分して処理する方法等が知られている。
【０００７】
また、処理効率を向上させるにあたって様々な試みがなされており、例えば、下記特許文献２には、間欠曝気処理が行われる反応槽内のｐＨ変化を計測してその屈曲点から硝化反応の終了を検知するとともに、得られた硝化時間から原水窒素濃度を推定し、この原水窒素濃度から反応槽の窒素負荷を一定にするために原水流量を制御する窒素含有排水の処理方法が開示されている。
【特許文献１】特開平４−１０４８９６号公報
【特許文献２】特開平１１−２５３９９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
間欠曝気処理において、処理に用いる窒素含有廃液のアンモニア性窒素濃度が変動すると、窒素含有廃液中の有機物やアンモニア性窒素を分解処理しきれないばかりか、間欠曝気槽内の硝化脱窒に関与する菌や、生物処理に不可欠な微生物が阻害を受けて活性が低下してしまい、間欠曝気処理が破綻することがあった。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、処理に用いる窒素含有廃液のアンモニア性窒素濃度が変動した場合であっても、窒素含有廃液を安定して、かつ、効率よく間欠曝気処理することができる窒素含有廃液の処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の窒素含有廃液の処理方法は、
アンモニア性窒素を含有する廃液を間欠曝気槽に供給し、前記廃液に対して空気曝気と曝気停止とを交互に繰り返し、空気曝気による好気工程と、曝気停止による嫌気工程とを１サイクルとした間欠曝気処理を行う窒素含有廃液の処理方法において、
１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数、間欠曝気処理の１サイクルに要する時間及び、嫌気工程時における窒素含有廃液の供給量を、前記間欠曝気槽内のアンモニア性窒素濃度に応じて決定し、
１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数は、窒素含有廃液のアンモニア性窒素濃度を、間欠曝気処理槽での窒素含有廃液の滞留時間と予め定めた間欠曝気槽内の上限アンモニア性窒素濃度との積で割った値以上となるように決定し、
間欠曝気処理の１サイクルに要する時間は、１日あたりの間欠曝気処理に要する時間を、前記算出した１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数で割った値とし、
嫌気工程時における窒素含有廃液の供給量は、１日あたりの前記間欠曝気処理槽への窒素含有廃液の供給量を、前記算出した１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数で割った値とすることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数、間欠曝気処理の１サイクルに要する時間及び、嫌気工程時における窒素含有廃液の供給量を、間欠曝気槽内のアンモニア性窒素濃度に応じて決定するようにしたので、処理に用いる窒素含有廃液のアンモニア性窒素濃度が変動した場合であっても、窒素含有廃液を安定して、かつ、効率よく間欠曝気処理することができる。
【００１３】
また、本発明の窒素含有廃液の処理方法においては、前記窒素含有廃液のアンモニア性窒素濃度を、前記窒素含有廃液の電気伝導率から算出することが好ましい。窒素含有廃液の電気伝導率とアンモニア性窒素濃度は相関関係を有することから、窒素含有廃液の電気伝導率を測定することで、特に複雑な操作や、高価な測定機器を用いなくとも、窒素含有廃液のアンモニア性窒素濃度を算出することができ、常時監視しやすくなる。
【００１４】
また、本発明の窒素含有廃液の処理方法は、１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数を、下式（１）に基づいて算出した値以上となるように設定し、間欠曝気処理の１サイクルに要する時間を、下式（２）に基づいて算出して設定し、嫌気工程時における窒素含有廃液の供給量を、下式（３）に基づいて算出して設定することが好ましい。
【００１５】
【数１】
0004835580.tif 000002
【００１６】
（式中、ＥＣ１は窒素含有廃液の電気伝導率であり、ＨＲＴは滞留時間であり、（ＮＨ４＋）maxは間欠曝気槽内の上限アンモニア性窒素濃度であり、Ｔ１は１日あたりの間欠曝気処理に要する時間であり、Ｖ１は１日あたりの間欠曝気槽への窒素含有廃液の供給量であり、ａ、ｂは定数である。）
【発明の効果】
【００１７】
本発明の窒素含有廃液の処理方法によれば、処理に用いる窒素含有廃液のアンモニア性窒素濃度が変動した場合であっても、窒素含有廃液を安定して、かつ、効率よく間欠曝気処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明について図面を用いて更に詳細に説明する。図１には、本発明の窒素含有廃液の処理に用いる処理装置の概略構成図が示されている。
【００１９】
本発明において処理対象となる窒素含有廃液とは、アンモニア性窒素を含む水であれば特に限定はないが、メタン発酵消化液は、糞尿、生ゴミ、食品加工残滓等、様々な有機性廃棄物をメタン発酵処理した際に排出される廃液であって、アンモニア性窒素濃度が大きく変動しやすいので、メタン発酵消化液は本発明の処理方法において特に好適である。
【００２０】
この処理装置は、窒素含有廃液を間欠曝気法にて硝化・脱窒処理する間欠曝気槽２０を備えている。
【００２１】
間欠曝気槽２０の底部には、空気噴出装置２１が配置されており、外部に設置したブロアＰ２を稼動させることで、間欠曝気槽２０内に酸素を含む気体（通常空気）を供給し、槽内の廃液を曝気できるように構成されている。
【００２２】
間欠曝気槽２０の上部もしくは側壁には、モータ２２と、攪拌軸２３と、攪拌羽根２４とからなる攪拌機が設けられており、攪拌羽根２４によって間欠曝気槽２０内の廃液を攪拌できるように構成されている。
【００２３】
間欠曝気槽２０は、廃液貯留槽１０から伸びる配管Ｌ１と接続している。この配管Ｌ１には、途中にポンプＰ１が配置されている。
【００２４】
上記廃液貯留槽１０としては、特に限定はなく、貯留タンクのようなものでもよく、有機性廃棄物をメタン菌等でメタン発酵処理するメタン発酵処理槽等であってもよい。この廃液貯留槽１０には、槽内に貯留された窒素含有廃液の電気伝導率ＥＣ１を測定する電気伝導計１１が配置されており、測定結果を演算機３０へ出力できるように構成されている。また、間欠曝気槽２０から伸びる配管Ｌ２は、図示しない次工程に接続している。
【００２５】
演算機３０では、電気伝導計１１で検出したデータＥＣ１に基づき、アンモニア性窒素濃度を推測し、この結果に基づいて１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数、間欠曝気処理の１サイクルに要する時間及び、嫌気工程時における窒素含有廃液の供給量を演算して、ポンプＰ１、ブロアＰ２、モータ２２の駆動を制御する。
【００２６】
図２に示すように、演算機３０には、サイクル数の演算部３１、間欠曝気処理時間の演算部３２、窒素含有廃液の供給量演算部３３とを有している。
【００２７】
次に、この廃液処理装置を用いた本発明の窒素含有廃液の処理方法について説明する。
【００２８】
間欠曝気槽２０では、まず、ブロアＰ２を作動させて、空気噴出装置２１のノズルから間欠曝気槽２０内の廃液に空気を供給して曝気処理する（好気工程）。この状態では、硝化菌（アンモニア酸化菌、亜硝酸酸化菌）の作用によって、該廃液中のアンモニア性窒素が、亜硝酸性窒素や硝酸性窒素へと酸化（硝化反応）される。そして、所定時間経過後、ブロアＰ２を停止して、空気曝気を停止させ（嫌気工程）、次いで、ポンプＰ１を作動させて、間欠曝気槽２０内に廃液貯留槽１０から窒素含有廃液を一定量供給する。その後、モータ２２を作動させて攪拌羽根２４により間欠曝気槽２０内の廃液を攪拌しながら嫌気工程を行うことで、脱窒菌による脱窒がなされて窒素含有廃液中の窒素が除去される。
【００２９】
このように、間欠曝気槽２０では、空気曝気による好気工程と、曝気停止による嫌気工程とを１サイクルとした間欠曝気処理を行い、窒素含有廃液中の有機物やアンモニアを、硝化菌及び脱窒菌の作用によって分解して処理している。
【００３０】
ところで、上述したように、処理に用いる窒素含有廃液の性状が変化し、例えば、アンモニア性窒素濃度が急増した場合、間欠曝気槽２０には、アンモニア性窒素が阻害濃度を超えて蓄積するおそれがあり、槽内の微生物の活性が低下して、間欠曝気処理効率が低下する場合がある。
【００３１】
そこで、本実施形態においては、間欠曝気槽２０内のアンモニア性窒素濃度に応じて、１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数、間欠曝気処理の１サイクルに要する時間及び、嫌気工程時における窒素含有廃液の供給量を決定する。
【００３２】
すなわち、演算機３０では、まず、サイクル数の演算部３１にて、窒素含有廃液のアンモニア性窒素濃度を、間欠曝気処理槽での窒素含有廃液の滞留時間と予め定めた間欠曝気槽内の上限アンモニア性窒素濃度との積で割った値以上となるようにして、アンモニアによる阻害が生じることなく間欠曝気処理を行うために必要な、１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数を決定する。
【００３３】
ここで、図３に、メタン発酵消化液と、アンモニウムイオン水による、アンモニア性窒素濃度と、電気伝導率との関係図を示す。このように、アンモニア性窒素濃度と電気伝導率との間には、ほぼ正の相関があり、下式（４）で近似して表すことができる。
【００３４】
【数２】
0004835580.tif 000003
（式中、［ＮＨ４＋］は、アンモニア性窒素濃度であり、ＥＣは電気伝導率であり、ａ，ｂは定数である。）
【００３５】
したがって、上記サイクル数は、廃液貯留槽１０内の窒素含有廃液の電気伝導率測定値から、下式（１）に基づいて決定することができる。
【００３６】
【数３】
0004835580.tif 000004
（式中、ＥＣ１は窒素含有廃液の電気伝導率であり、ＨＲＴは滞留時間であり、（ＮＨ４＋）maxは間欠曝気槽内の上限アンモニア性窒素濃度であり、ａ、ｂは定数である。）
【００３７】
ところで、図３から、メタン発酵消化液の場合は、ａ＝０．００３５であり、ｂ＝５．０４であった。また、アンモニウムイオン溶液の場合は、ａ＝０．００３５であり、ｂ＝０．２９であった。このように、定数ａは、窒素含有廃液の種類によらず、ほぼ一定の値を示すことが多いが、定数ｂは、窒素含有廃液が含有するＮａ、Ｃａ、Ｋ等の栄養塩類に起因するものであり、窒素含有廃液の種類によって変動しやすい。このため、少なくとも定数ｂは、窒素含有廃液毎にアンモニア性窒素濃度と電気伝導率との関係をあらかじめ調べて決定することが好ましい。
【００３８】
滞留時間（ＨＲＴ）は、５〜２０日が好ましく、６．５〜１０日がより好ましい。
上限アンモニア性窒素濃度（ＮＨ４＋）maxは、間欠曝気槽２０の処理能力等によって変動するが、安全性の観点から、１０〜１５０ｍｇ／Ｌが好ましく、１０〜１００ｍｇ／Ｌがより好ましい。
安全率は、０．７５〜１．２５が好ましく、０．８〜１.２がより好ましい。
【００３９】
次に、間欠曝気処理時間の演算部３２において、サイクル数の演算部３１で算出したサイクル数から、下式（２）に基づき、間欠曝気処理の１サイクルに要する時間を算出する。そして、算出結果に基づき、モータ２２及びブロアＰ２の操業を制御する。
【００４０】
【数４】
0004835580.tif 000005
（式中、Ｔ１は１日あたりの間欠曝気処理に要する時間である。）
【００４１】
なお、間欠曝気処理は、連続して行われることが多いため、Ｔ１は通常２４（時間）である。
【００４２】
また、窒素含有廃液の供給量演算部３３において、サイクル数の演算部３１で算出した上記サイクル数から、下式（３）に基づき、嫌気工程時における窒素含有廃液の供給量を算出する。そして、算出結果に基づき、ポンプＰ１の操業を制御する。
【００４３】
【数５】
0004835580.tif 000006
（式中、Ｖ１は１日あたりの間欠曝気槽への窒素含有廃液の供給量である。）
【００４４】
このように、この実施形態では、１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数、間欠曝気処理の１サイクルに要する時間及び、嫌気工程時における窒素含有廃液の供給量を、窒素含有廃液の電気伝導率を測定し、上式（１）〜（３）に基づいて決定するので、窒素含有廃液を間欠曝気槽に供給する前にこれらを予測して、対処することができる。そして、間欠曝気槽２０での滞留時間を変更させなくとも、間欠曝気槽２０内のアンモニア性窒素濃度を、阻害濃度以下に制御して処理することができ、長期にわたって安定し、かつ、効率よく間欠曝気処理することができる。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。
【００４６】
図１の処理装置を用い、容積１０ｍ３の間欠曝気層を用い、窒素含有廃液として高濃度のアンモニアを含むメタン発酵消化液を用いて間欠曝気処理を行った。処理条件は、定常運転時における１日のサイクル数を６回／日とし、間欠曝気処理の１サイクルに要する時間を４時間／サイクルとし、嫌気工程時における窒素含有廃液の供給量を２３８Ｌ／サイクルとし、滞留時間を７日とし、間欠曝気槽２０の上限アンモニア性窒素濃度を３０ｍｇ／Ｌとし、１日あたりの間欠曝気槽への窒素含有廃液の供給量を１４３０Ｌ／日とした。また、この窒素含有廃液の電気伝導率とアンモニア性窒素濃度との関係図を図３に示し、下式（４’）の近似式で表すことができる。
【００４７】
【数６】
0004835580.tif 000007
（式中、［ＮＨ４＋］は、アンモニア性窒素濃度であり、ＥＣは電気伝導率である。）
【００４８】
定常運転時において、廃液貯留槽１０内の電気伝導率は８．５ｍＳ／ｃｍであった。この時のアンモニア性窒素濃度は、上式（４’）から算出して、約９８９ｍｇ／Ｌと推測できた。そして、定常運転時における間欠曝気槽２０内のアンモニア性窒素濃度は、窒素含有廃液のアンモニア性窒素濃度と滞留時間とサイクル数から、下式（５）に基づいて算出すると、２３ｍｇ／Ｌであった。
【００４９】
【数７】
0004835580.tif 000008
【００５０】
これは、設定した間欠曝気槽２０の上限アンモニア性窒素濃度を超えないため、間欠曝気処理が破綻することなく窒素含有廃液を処理することができた。
【００５１】
一方、メタン発酵処理において、窒素分を多く含む蛋白質を大量に処理したところ、窒素含有廃液中のアンモニア性窒素濃度が急増して、電気伝導率が１１ｍＳ／ｃｍに増加となった。この時のアンモニア性窒素濃度は、上式（４’）から算出すると、約１７０３ｍｇ／Ｌと推測できた。このままサイクル数や、窒素含有廃液の供給量を変化させることなく間欠曝気処理を行った場合、間欠曝気槽２０内のアンモニア性窒素濃度を上式（５）から算出すると４０ｍｇ／Ｌであった。設定した間欠曝気槽２０の上限アンモニア性窒素濃度を超えており、間欠曝気処理が破綻してしまう。
【００５２】
これに対し、下式（１’）に基づき、安全率を１．２としてサイクル数を算出したところ、サイクル数は、９．７サイクル／日以上であった。サイクル数を、９．７サイクル／日とした時の間欠曝気槽２０内のアンモニア性窒素濃度を、上式（５）から算出すると２５ｍｇ／Ｌであり、設定した間欠曝気槽２０の上限アンモニア性窒素濃度未満であった。
【００５３】
【数８】
0004835580.tif 000009
（式中、ＥＣ１は窒素含有廃液の電気伝導率であり、ＨＲＴは滞留時間であり、（ＮＨ４＋）maxは間欠曝気槽内の上限アンモニア性窒素濃度であり、ａ、ｂは定数である。）
【００５４】
そこで、窒素含有廃液の電気伝導率が１１ｍＳ／ｃｍとなったとき、１日のサイクル数を１０回に変更し、間欠曝気処理の１サイクルに要する時間を、下式（２’）から算出して２．４時間／回に変更し、嫌気工程時における窒素含有廃液の供給量を、下式（３’）から算出して１４３Ｌ／日に変更して間欠曝気処理したところ、間欠曝気処理が破綻することなく窒素含有廃液を処理することができた。
【００５５】
【数９】
0004835580.tif 000010
【００５６】
【数１０】
0004835580.tif 000011
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の窒素含有廃液の処理に用いる処理装置の概略構成図である。
【図２】演算機における、１日あたりの間欠曝気処理のサイクル数、間欠曝気処理の１サイクルに要する時間及び、嫌気工程時における窒素含有廃液の供給量の演算手順を示す機能ブロック図である。
【図３】窒素含有廃液のアンモニア性窒素濃度と電気伝導率との相関を示す図表である。
【符号の説明】
【００５８】
１０：廃液貯留槽
１１：電気伝導計
２０：間欠曝気槽
２１：空気噴出装置
２２：モータ
２３：攪拌軸
２４：攪拌羽根
３０：演算機
Ｌ１〜Ｌ２：配管
Ｐ１：ポンプ
Ｐ２：ブロア
【図１】
0004835580.tif 000013
【図２】
0004835580.tif 000014
【図３】
0004835580.tif 000015