(57)【要約】【課題】余分な添加剤や処理工程を必要とせず、低コストで亜硝酸型硝化を効率的に行うことができる方法を提供すること。【解決手段】硝化槽を第一硝化槽１と第二硝化槽２の２槽に分けて、アンモニア性窒素含有排水を第一硝化槽１および第二硝化槽２の順に通過させるとともに、第一硝化槽１の被処理水の遊離アンモニア濃度が亜硝酸酸化細菌の活性を阻害する濃度以上となるように第一硝化槽の硝化条件を維持する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニア性窒素を含有する排水を硝化槽に供給してアンモニア酸化細菌の存在下に曝気して硝化処理する方法であって、硝化槽を第一硝化槽と第二硝化槽の２槽に分けて、アンモニア性窒素含有排水を第一硝化槽および第二硝化槽の順に通過させるとともに、第一硝化槽の被処理水の遊離アンモニア濃度が亜硝酸酸化細菌の活性を阻害する濃度以上となるように第一硝化槽の硝化条件を維持することを特徴とするアンモニア性窒素含有排水の硝化方法。
【請求項２】
第一硝化槽の被処理水の遊離アンモニア濃度が１０ｍｇ／Ｌ以上であることを特徴とする請求項１記載のアンモニア性窒素含有排水の硝化方法。
【請求項３】
第一硝化槽が菌体を担持する担体を備えていることを特徴とする請求項１または２記載のアンモニア性窒素含有排水の硝化方法。
【請求項４】
第二硝化槽の後方に沈澱槽を設け、沈澱槽で分離した汚泥を第一硝化槽に返送することを特徴とする請求項１、２または３記載のアンモニア性窒素含有排水の硝化方法。
【請求項５】
原水であるアンモニア性窒素含有排水の一部を第二硝化槽に通入することを特徴とする請求項１、２、３または４記載のアンモニア性窒素含有排水の硝化方法。
【請求項６】
第一硝化槽と第二硝化槽が交互に位置するとともに、それぞれの槽が２槽以上の多段となるように配したことを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のアンモニア性窒素含有排水の硝化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニア性窒素の生物学的処理方法に関し、特に、排水中に含まれる高濃度のアンモニア性窒素を生物学的に除去する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下水、屎尿、産業廃水等に含まれるアンモニア性窒素は、放流先の湖沼や内湾等の閉鎖性水域における溶存酸素の低下や富栄養化現象の原因とされている。従来、これらの廃水中から窒素成分を除去する窒素除去技術としては、微生物を利用した生物学的な硝化・脱窒処理が行われている。生物学的な硝化・脱窒処理は、独立栄養菌である硝化細菌のアンモニア酸化力と亜硝酸酸化力を利用して、廃水中のアンモニア性窒素を好気性状態で亜硝酸性窒素を経て硝酸性窒素まで酸化する。その後、従属栄養細菌である脱窒細菌の働きで廃水中の有機物を電子供与体として硝酸性窒素を嫌気状態で窒素ガスに還元することにより、廃水中のアンモニア性窒素を除去するものである。
【０００３】
この生物学的な硝化は、一般にアンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌が共同で行う酸化作用により、アンモニアが亜硝酸を経て硝酸にまで酸化されるが、何らかの理由で亜硝酸酸化細菌の活動が抑制されると亜硝酸の酸化速度は低下し、被処理液に亜硝酸が蓄積するようになる。前者は硝酸型硝化と呼ばれ、後者は亜硝酸型硝化と呼ばれている。
【０００４】
この硝化反応とこれに続く脱窒プロセスは次式に示すとおりである。
【０００５】
ＮＨ4+＋３／２Ｏ2 →  ＮＯ2-＋Ｈ2Ｏ＋２Ｈ+        （１）
ＮＯ2-＋１／２・Ｏ2  →  ＮＯ3-                   （２）
２ＮＯ2-＋６Ｈ  → Ｎ2＋２Ｈ2Ｏ＋２ＯＨ-          （３）
２ＮＯ3-＋１０Ｈ   →  Ｎ2＋４Ｈ2Ｏ＋２ＯＨ-      （４）
上記の如く、硝化・脱窒反応は亜硝酸型硝化脱窒と硝酸型硝化脱窒との２種類に分かれ、運転条件によりそのいずれかが優先して進行する。前者はアンモニア性窒素（ＮＨ4 − Ｎ）の酸化を（１）式の亜硝酸性窒素（ＮＯ2 −Ｎ）の段階でとどめておき、これを（３）式に示すように脱窒菌により脱窒する。後者は、アンモニア性窒素の酸化を（１）式を経由して（２）式の硝酸性窒素（ＮＯ3 −Ｎ）の段階まで硝化したのち、（４）式の如く 脱窒するものである。この２方式を比較した場合、前者の亜硝酸型硝化脱窒は硝化反応時の曝気量を削減することができ、ブロワーの運転動力費を大幅に低減することができるとともに、脱窒処理における水素供与体としてのメタノール等の有機物の添加量も低減することができる。さらには、硝酸性窒素まで反応させる必要がないので、硝化反応の所要時間を短縮することができる。このように、亜硝酸型硝化には有利な点が多いが、亜硝酸型硝化プロセスを安定して維持することは容易でない。そこで、亜硝酸型硝化技術に関するものとして、以下の方法が提案されている。
【０００６】
例えば、特許文献１には、曝気槽内の溶存酸素濃度を所定濃度に維持することにより、亜硝酸型硝化を優先させる活性汚泥処理方法が提案されている（従来方法１）  。
【０００７】
また、特許文献２には、活性汚泥にアンモニア酸化細菌用培地と亜硝酸酸化細菌阻害剤とを添加するアンモニア含有廃水処理方法が提案されている（従来方法２）。
【０００８】
また、特許文献３には、硝化槽内のアンモニア性窒素濃度を２５０〜５５０ｍｇ／Ｌに維持することにより亜硝酸型の硝化反応を行うアンモニア性窒素の生物学的処理方法が提案されている（従来方法３）。
【０００９】
さらに、特許文献４には、硝化槽内の溶存酸素濃度を１．５ｍｇ／Ｌ以下となるように曝気風量を調整し、アンモニア酸化細菌をグラニュールの形や、担体表面に形成された生物膜の形で硝化槽内に保持するアンモニア性窒素含有水の硝化方法が提案されている（従来方法４）。
【００１０】
そして、特許文献５には、硝化槽内の溶存酸素濃度を最大６ｍｇ／Ｌ、最小０ｍｇ／Ｌとなるように濃度勾配を設け、溶存酸素濃度が０〜０．５ｍｇ／Ｌとなる時間が硝化槽の原水滞留時間の２５〜５０％となるように、硝化槽内の溶存酸素濃度に勾配を設ける排水の硝化方法が提案されている（従来方法５）。
【００１１】
また、特許文献６には、アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌の増殖速度の差を利用する高アンモニア含有廃水の生物学的処理方法が提案されている（従来方法６）。
【特許文献１】特開平４−１２２４９８号公報
【特許文献２】特開２００１−１７０６８４号公報
【特許文献３】特開２０００−６１４９４号公報
【特許文献４】特開２００３−２４９８７号公報
【特許文献５】特開２００３−３３７８７号公報
【特許文献６】欧州特許第８２６６３９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来方法１によれば、溶存酸素濃度を低く維持することで、より酸化レベルが高いことが要求される亜硝酸酸化反応よりアンモニア酸化反応を優先的に進行させることは可能であるが、溶存酸素濃度を低くすると、アンモニア酸化反応自体が遅くなる。
【００１３】
また、従来方法２のように、亜硝酸酸化細菌阻害剤の添加は、阻害剤添加費用が必要であり、また、阻害剤が処理水中に残留すると、その毒性により他の生物に悪影響を及ぼすことがある。
【００１４】
また、従来方法３では、処理水にアンモニア性窒素が高濃度に残留しやすくなるため、その後処理工程が必要である。
【００１５】
さらに、従来方法４では、グラニュールの馴養・維持管理が必要であり、煩雑である。
【００１６】
そして、従来方法５では、溶存酸素濃度を低く維持する領域で、アンモニア酸化反応がが遅くなる。
【００１７】
また、従来方法６は、ケモスタット運転のため、汚泥濃度を高く保持することが困難で、処理が不安定である。
【００１８】
本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、余分な添加剤や処理工程を必要とせず、低コストで亜硝酸型硝化を効率的に行うことができる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために本発明は、硝化槽を第一硝化槽と第二硝化槽の２槽に分けて、アンモニア性窒素含有排水を第一硝化槽および第二硝化槽の順に通過させるとともに、第一硝化槽の被処理水の遊離アンモニア濃度が亜硝酸酸化細菌の活性を阻害する濃度以上となるように第一硝化槽の硝化条件を維持することを特徴としているので、第一硝化槽で亜硝酸酸化細菌の活性を阻害し、第二硝化槽で残留アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素等に硝化する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、次のような効果がある。
（１）請求項１記載の発明によれば、余分な添加剤や処理工程を必要とせず、低コストである亜硝酸型硝化の好ましい運転条件を提供することができる。また、第一硝化槽においては溶存酸素濃度を高く保持でき、アンモニア酸化反応速度が従来方法１のように遅くなる恐れがない。また、溶存酸素濃度を高く保持していても、亜硝酸酸化細菌の活性が阻害されているため、亜硝酸性窒素が優先的に生成できる。
（２）請求項２記載の発明によれば、亜硝酸型硝化のより好ましい運転条件を提供することができる。
（３）請求項３記載の発明によれば、第一硝化槽のアンモニア酸化細菌の菌体量を高濃度に保持することができる。
（４）請求項４記載の発明によれば、系内の汚泥中の亜硝酸酸化細菌の活性を抑制することができる。
（６）請求項５記載の発明によれば、原水の負荷変動に対応して一部の原水を直接第二硝化槽に通入し、負荷を分散させることができる。
（７）請求項６記載の発明によれば、原水が急激に高負荷側に変動しても、対応することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
遊離アンモニア濃度が高くなると、亜硝酸酸化細菌の活性が低下するので、アンモニア性窒素の酸化はアンモニア酸化細菌による亜硝酸性窒素の生成の段階で止められる。そのためには、第一硝化槽の被処理水の遊離アンモニア濃度が１０ｍｇ／Ｌ以上であることが好ましい。
【００２２】
また、亜硝酸型硝化のより好ましい運転条件を実現するためには、第一硝化槽および第二硝化槽の被処理水のｐＨが７以上であって、温度が２０℃以上であることが好ましい。
【００２３】
本明細書において、「アンモニア性窒素」とは「ＮＨ4+」および「ＮＨ3」中の窒素のことをいい、「ＮＨ4−Ｎ」で表す。「遊離アンモニア」とは、「ＮＨ3」をいい、アンモニウムイオンとは「ＮＨ4+」をいう。それぞれ、遊離アンモニアとアンモニウムイオンとは次式のような平衡関係にある。
【００２４】
【化１】
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遊離アンモニアの濃度は、アンモニア性窒素濃度を測定することにより、下記式により計算した。
【００２５】
【数１】
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第一硝化槽がアンモニア酸化細菌の担持担体を備えることが好ましい。第一硝化槽のアンモニア酸化細菌の菌体量を高濃度に保持することができるからである。担体の材質としては、ポリプロピレン、ポリウレタン、セルロース、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール系樹脂、アクリル系樹脂、アクリルアミド系樹脂、オレフィン系樹脂、スチレン系樹脂、ポリエーテル等の有機高分子化合物からなる、内部に網目構造を有するプラスチック担体、スポンジ担体、繊維状担体、不織布、ゲル担体、その他に多孔性無機高分子化合物、活性炭などが挙げられる。担体の比重は０．８〜１．５、細孔の孔径は１０〜１０００μｍ、空隙率は３０〜９０％、比表面積は５００〜１００００ｍ2／ｍ3、粒径は１〜２０mmのものが好ましい。
【００２６】
第二硝化槽の後方に沈澱槽を設け、沈澱槽で分離した汚泥を第一硝化槽に返送することが好ましい。系内の汚泥を遊離アンモニア濃度の高い第一硝化槽を通過させることにより、汚泥中の亜硝酸酸化細菌の活性を抑制することができるからである。
【００２７】
原水であるアンモニア性窒素含有排水の一部を第二硝化槽に通入することが好ましい。原水の負荷変動があっても、２槽に分注する方式であれば、その負荷変動に対応することができるからである。
【００２８】
第一硝化槽と第二硝化槽が交互に位置するとともに、それぞれの槽が２槽以上の多段となるように配することが好ましい。原水が急激に高負荷側に変動しても、対応することができるからである。
【実施例１】
【００２９】
以下に、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。図１〜図５は、本発明のアンモニア性窒素含有排水の硝化方法を実施するに好適な装置の概略配置図である。
【００３０】
図１において、１は第一硝化槽、２は第二硝化槽である。経路３を経て、槽内の遊離アンモニア濃度を亜硝酸酸化細菌の活性を阻害する濃度以上とし（１０ｍｇ／リットル）、ｐＨを８．１とし、温度を３５℃に維持するように運転されている第一硝化槽１に流入したアンモニア性窒素含有排水は、第一硝化槽１では亜硝酸酸化細菌の活性が阻害される。そして、槽内のｐＨを８．１とし、温度を３５℃に維持するように運転されている第二硝化槽２に流入したアンモニア性窒素含有排水中の残留アンモニア性窒素は亜硝酸性窒素等に硝化され、経路４を経て排出される。
【００３１】
また、第一硝化槽及び第二硝化槽のｐＨは７以上が好ましく、更には７．５〜９が好ましく、槽内の温度は２０℃以上が好ましく、更には３０〜４０℃が好ましい。
【００３２】
また、第一硝化槽の遊離アンモニア濃度は１０ｍｇ／リットル以上が好ましく、２０ｍｇ／リットル以上が更に好ましい。
【００３３】
図２において、第二硝化槽２から経路４を経て排出された被処理水は、沈澱槽５で固液分離され、分離後の汚泥は経路６を経て第一硝化槽１に返送され、汚泥中の亜硝酸酸化細菌の活性が阻害される。そして、経路７からは、亜硝酸濃度の高い処理水が排出される。
【００３４】
図３において、アンモニア性窒素含有排水は経路３を経て第一硝化槽１に通入されるとともに、その一部は経路８を経て第二硝化槽２に通入されている。このように配設することにより、原水が急激に高負荷側に変動しても、経路３と８を経て各硝化槽１と２に適正量のアンモニア性窒素含有排水を分注することにより、安定的な亜硝酸型硝化を実行することができる。
【００３５】
図４において、第一硝化槽１と第二硝化槽２が交互に位置するとともに、それぞれの槽が３槽からなるように多段に配されている。このように、第一硝化槽１と第二硝化槽２からなる亜硝酸型硝化を実現する装置が複数組から構成されることで、原水が急激に高負荷側に変動しても、経路３と９を経て各第一硝化槽１に適正量のアンモニア性窒素含有排水を分注することにより、安定的な亜硝酸型硝化を実行することができる。
【００３６】
図５は、本発明による亜硝酸型硝化と脱窒工程との組合わせ例を示したものである。アンモニア性窒素含有排水は経路１０を経て脱窒槽１１に流入するとともに、脱窒槽１１から第一硝化槽１と第二硝化槽２を経て沈澱槽５に流入する。沈澱槽５で固液分離後の汚泥は経路１２を経て第一硝化槽１に返送されるとともに経路１３を経て脱窒槽１１に返送されている。また、沈澱槽５で固液分離後の処理水の一部は経路１４を経て脱窒槽１１に返送されている。このような返送経路１２、１３、１４を有する閉ループを形成することにより、亜硝酸型硝化による脱窒率を向上することができる。
【００３７】
次ぎに、本発明の方法によりアンモニア性窒素含有排水を硝化処理した場合に得られた水質と比較例の方法によりアンモニア性窒素含有排水を硝化処理した場合に得られた水質について説明する。
【００３８】
本発明の方法を適用した装置の概略構成は図１に示すとおりであって、第一硝化槽１と第二硝化槽２はそれぞれ４リットルの透明塩化ビニル樹脂製の角槽からなる。
【００３９】
また、比較例の方法を適用した装置は、８リットルの透明塩化ビニル樹脂製の角槽１槽のみからなる。
【００４０】
そして、アンモニア性窒素（ＮＨ4−Ｎ）濃度が９００ｍｇ／リットルで、ｐＨが７で、温  度が２０℃である人工アンモニア性窒素含有排水を、それぞれ６リットル／日通入した。各硝化槽においては、ｐＨ８．１、温度３５℃にコントロールした。その結果、次の表１に示すような結果が得られた。
【００４１】
【表１】
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表１に示すように、本発明の方法を適用することによって、亜硝酸型硝化を実現することができるが、比較例のように、被処理水中の遊離アンモニア濃度が低いと、亜硝酸型硝化を実現することができない。
【００４２】
次ぎに、アンモニア性窒素含有排水中の「遊離アンモニア濃度」と「ＮＯ3−ＮおよびＮＯX−Ｎ濃度」との関係を図６に示す。「ＮＯX−Ｎ」とは、「ＮＯ3−Ｎ」と「ＮＯ2−Ｎ」を合計したものをいい、図６において、記号「○」は、「ＮＯ3−Ｎ」を示し、記号「×」は、「ＮＯX−Ｎ」を示す。図６に明らかなように、遊離アンモニア濃度が高くなるに従ってＮＯ3−Ｎの濃度は低くなっており、硝化槽内で亜硝酸酸化細菌の活性が阻害されている状況を読みとることができる。すなわち、遊離アンモニア濃度を２０ｍｇ／リットルとすることで亜硝酸酸化細菌の活性は大幅に低下し、遊離アンモニア濃度を４０ｍｇ／リットル以上とすることで、ほぼ完全に亜硝酸酸化細菌の活動は停止されることが分かる。ただし、硝化槽内の遊離アンモニア濃度を必要以上に高濃度に維持すると、下流側硝化槽において硝化されずにアンモニア性窒素が残留するおそれがあるため、上流側硝化槽処理水の遊離アンモニア濃度が下流側硝化槽の硝化能力を超えないような上流側硝化槽内遊離アンモニア濃度とすることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、アンモニア性窒素含有排水をほとんど硝酸化することなく、効率よく亜硝酸化する装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のアンモニア性窒素含有排水の硝化方法を実施するに好適な装置の一実施例の概略配置図である。
【図２】本発明のアンモニア性窒素含有排水の硝化方法を実施するに好適な装置の他の実施例の概略配置図である。
【図３】本発明のアンモニア性窒素含有排水の硝化方法を実施するに好適な装置のさらに他の実施例の概略配置図である。
【図４】本発明のアンモニア性窒素含有排水の硝化方法を実施するに好適な装置のさらに他の実施例の概略配置図である。
【図５】本発明のアンモニア性窒素含有排水の硝化方法を実施するに好適な装置のさらに他の実施例の概略配置図である。
【図６】アンモニア性窒素含有排水中の「遊離アンモニア濃度」と「ＮＯ3−ＮおよびＮＯX−Ｎ濃度」との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  第一硝化槽
２  第二硝化槽
５  沈澱槽
１１  脱窒槽
【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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