(57)【要約】【課題】亜硝酸酸化細菌の活性を選択的に抑制し、亜硝酸型硝化反応を低コストで効率良く安定して行うことができる廃水処理方法及び廃水処理装置を提供する。【解決手段】本発明の廃水処理方法は、アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌が固定化された硝化担体１４を用いたアンモニア性廃水の廃水処理方法であって、硝化槽４２中の前記アンモニア性廃水を前記アンモニア酸化細菌で亜硝酸に酸化する亜硝酸酸化工程と、前記アンモニア性廃水中の硝酸性窒素濃度又は亜硝酸性窒素濃度の何れか一方を測定する工程と、前記硝酸性窒素濃度が上昇又は前記亜硝酸性窒素濃度が減少する前に前記硝化槽４２への前記アンモニア性廃水の供給を止める工程と、前記アンモニア性廃水中の前記硝化担体１４を曝気処理する曝気工程と、からなることを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌が固定化された硝化担体を用いたアンモニア性廃水の廃水処理方法であって、
硝化槽中の前記アンモニア性廃水を前記アンモニア酸化細菌で亜硝酸に酸化する亜硝酸酸化工程と、
前記アンモニア性廃水中の硝酸性窒素濃度又は亜硝酸性窒素濃度の何れか一方を測定する工程と、
前記硝酸性窒素濃度が上昇又は前記亜硝酸性窒素濃度が減少する前に前記硝化槽への前記アンモニア性廃水の供給を止める工程と、
前記アンモニア性廃水中の前記硝化担体を曝気処理する曝気工程と、
からなることを特徴とする廃水処理方法。
【請求項２】
前記曝気工程は、前記亜硝酸酸化工程を開始した後２０日から１４０日後であって、かつ、曝気時間を１２時間から２４時間行うことを特徴とする請求項１に記載の廃水処理方法。
【請求項３】
前記曝気工程は、前記アンモニア性廃水中にメタンを曝気することを特徴とする請求項１又は２に記載の廃水処理方法。
【請求項４】
前記メタンは、脱窒処理した窒素と少なくとも同等のモル量を供給することを特徴とする請求項３に記載の廃水処理方法。
【請求項５】
アンモニア性廃水を硝化処理するアンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌が固定化された硝化担体と、
前記硝化担体を用いてアンモニア性廃水の硝化反応を行う硝化槽と、
前記アンモニア性廃水中の硝酸性窒素濃度又は亜硝酸性窒素濃度の何れか一方を測定するアンモニア測定手段と、
前記アンモニア性廃水中の前記硝化担体を曝気処理する曝気手段と、
前記アンモニア測定手段の測定値に基づいて、前記硝酸性窒素濃度が上昇又は前記亜硝酸性窒素濃度が減少する前に前記硝化槽への前記アンモニア性廃水の供給を止めて、前記硝化担体の曝気処理を行なう制御手段と、
を備えたことを特徴とする廃水処理装置。
【請求項６】
前記曝気手段は、前記亜硝酸酸化工程を開始した後２０日から１４０日後であって、かつ、曝気時間を１２時間から２４時間行うことを特徴とする請求項５に記載の廃水処理装置。
【請求項７】
前記硝化槽は、前記アンモニア性廃水の貯水槽と並列に接続した第１及び第２硝化槽からなり、
前記貯水槽と前記第１及び第２硝化槽の間で、前記アンモニア性廃水の供給を制御するバルブを備え、
前記制御手段は、前記第１硝化槽の前記アンモニア性廃水の供給を止めて前記硝化担体の曝気処理を行う間に、前記第２硝化槽へ前記アンモニア性廃水の供給を行って亜硝酸硝化工程を行う切り替え制御する信号を前記バルブに送信することを特徴とする請求項５又は６に記載の廃水処理装置。
【請求項８】
前記曝気手段は、前記アンモニア性廃水中にメタンを曝気することを特徴とする請求項５ないし７の何れか一項に記載の廃水処理装置。
【請求項９】
前記メタンは、脱窒処理した窒素と少なくとも同等のモル量を供給することを特徴とする請求項８に記載の廃水処理装置。
【請求項１０】
前記硝化槽は、槽内の前記硝化担体の一部を回収して曝気処理してから返流する曝気槽を備えたことを特徴とする請求項５又は６に記載の廃水処理装置。
【請求項１１】
前記曝気槽は、前記硝化槽から排出された処理水にメタンを溶解させるメタン曝気槽を備え、
前記メタン曝気槽は、メタン溶解処理水を前記曝気槽に供給することを特徴とする請求項１０に記載の廃水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に亜硝酸型硝化反応による廃水処理方法及び廃水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃水や下水を微生物で処理する生物学的処理は、物理化学的処理と比べて、コスト、環境負荷等を低減できるため、一般に広く採用されている。
生物学的処理を用いて窒素化合物を含む廃水を処理する方法として、好気性条件下において、まず、アンモニア酸化細菌によりアンモニアを亜硝酸へ酸化し、次いで、亜硝酸酸化細菌により亜硝酸から硝酸へと酸化する硝化工程と、嫌気性条件下において、脱窒細菌により亜硝酸及び硝酸を窒素ガスへと還元する脱窒工程からなる硝化脱窒法が知られている。しかし、アンモニア酸化細菌の増殖速度は、亜硝酸酸化細菌の１／１０と遅く、硝化反応が長期化していた。
【０００３】
この硝化脱窒法をさらに効率化する方法として亜硝酸型硝化反応がある。亜硝酸型硝化反応は、前述の硝化脱窒法において、硝化工程をアンモニア酸化細菌による亜硝酸までの酸化で停止させている。その後、亜硝酸を脱窒細菌によって窒素まで還元している。この亜硝酸型硝化反応は、アンモニアを亜硝酸に効率的に酸化される反応と同時に、亜硝酸が硝酸に酸化される反応のみを抑制することが必要となる。
【０００４】
従来、アンモニア酸化細菌を優占的に集積し、亜硝酸酸化細菌を抑制した亜硝酸型硝化担体を製造する方法として特許文献１〜３の方法を挙げることができる。
特許文献１に開示の硝化担体は、耐熱性菌であるＢａｃｉｌｌｕｓを含む汚泥を内部に包括固定化した固定化微生物担体を４０℃以上、１３０℃以下に加熱処理している。この加熱担体を用いて生物学的処理を行っている。
【０００５】
特許文献２に開示の硝化担体は、アンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌を含む複合微生物に対して、ｐＨを６．０以下の範囲で酸処理し、この複合微生物の集積汚泥を付着固定化担体、包括固定化担体、グラニュール担体のいずれかに製造している。
【０００６】
特許文献３に開示の硝化担体は、アンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌を含む複合微生物の汚泥を坦体材料に付着して形成される付着固定化担体、包括固定化担体、グラニュール担体をｐＨ９以上のアルカリ水によって洗浄して製造している。
これらの方法により、亜硝酸までの酸化反応に留めることができる亜硝酸型硝化担体を効率的に製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３００９３１号公報
【特許文献２】特開２００８−２７２６１０号公報
【特許文献３】特開２０１０−５５１７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、亜硝酸型硝化担体を加熱処理する場合には、硝化担体を所定温度で所定時間加熱するため、保温性の高い容器を用意しなければならない。
また亜硝酸型硝化担体を酸又はアルカリ水を用いて処理する場合には、酸又はアルカリの薬液が別途必要となるほか、この薬液に対して耐食性の高い反応容器を用意しなければならない。
【０００９】
このため、従来の亜硝酸型硝化担体の製造には設備コストがかかるという問題があった。
そこで、上記従来技術の問題点を解決するため、本発明は、亜硝酸酸化細菌の活性を選択的に抑制し、亜硝酸型硝化反応を低コストで効率良く安定して行うことができる廃水処理方法及び廃水処理装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の廃水処理方法は、アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌が固定化された硝化担体を用いたアンモニア性廃水の廃水処理方法であって、硝化槽中の前記アンモニア性廃水を前記アンモニア酸化細菌で亜硝酸に酸化する亜硝酸酸化工程と、前記アンモニア性廃水中の硝酸性窒素濃度又は亜硝酸性窒素濃度の何れか一方を測定する工程と、前記硝酸性窒素濃度が上昇又は前記亜硝酸性窒素濃度が減少する前に前記硝化槽への前記アンモニア性廃水の供給を止める工程と、前記アンモニア性廃水中の前記硝化担体を曝気処理する曝気工程と、からなることを特徴としている。
【００１１】
これにより、亜硝酸酸化工程で所定の硝酸性窒素濃度又は亜硝酸性窒素濃度で停止した後、硝化槽内を曝気するだけの簡易な方法でアンモニア酸化細菌を活性化し、亜硝酸酸化細菌の活性を選択的に抑制して死滅させることができる。また、従来の加温、薬液を用いたアンモニア酸化細菌の活性化と比べて、亜硝酸型硝化反応による廃水処理設備の低コスト化を図ることができる。
【００１２】
この場合において、前記曝気工程は、前記亜硝酸酸化工程を開始した後２０日から１４０日後であって、かつ、曝気時間を１２時間から２４時間行うことを特徴としている。
これにより、硝酸性窒素濃度が増加又は亜硝酸性窒素濃度が減少する前に硝化担体の曝気を効率的に行うことができる。
【００１３】
また、前記曝気工程は、前記アンモニア性廃水中にメタンを曝気することを特徴としている。
これにより硝化担体中のアンモニア酸化細菌は、アンモニアの代替物となるメタンを酸化させてメタノールを生成し、エネルギーを獲得することにより、自己分解反応による死滅を軽減することができる。従って、アンモニア酸化細菌と比べて亜硝酸酸化細菌の死滅が促進して、硝化担体中の亜硝酸酸化細菌の割合を削減することができる。
【００１４】
前記メタンは、脱窒処理した窒素と少なくとも同等のモル量を供給することを特徴としている。
これによりメタンの供給量の適性化が図れ、アンモニア酸化細菌の死滅を効果的に軽減することができる。
【００１５】
本発明の廃水処理装置は、アンモニア性廃水を硝化処理するアンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌が固定化された硝化担体と、前記硝化担体を用いてアンモニア性廃水の硝化反応を行う硝化槽と、前記アンモニア性廃水中の硝酸性窒素濃度又は亜硝酸性窒素濃度の何れか一方を測定するアンモニア測定手段と、前記アンモニア性廃水中の前記硝化担体を曝気処理する曝気手段と、前記アンモニア測定手段の測定値に基づいて、前記硝酸性窒素濃度が上昇又は前記亜硝酸性窒素濃度が減少する前に前記硝化槽への前記アンモニア性廃水の供給を止めて、前記硝化担体の曝気処理を行なう制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【００１６】
これにより、亜硝酸酸化工程で所定の硝酸性窒素濃度又は亜硝酸性窒素濃度で停止した後、硝化槽内を曝気するだけの簡易な方法でアンモニア酸化細菌を活性化し、亜硝酸酸化細菌の活性を選択的に抑制して死滅させることができる。また、従来の加温、薬液を用いたアンモニア酸化細菌の活性化と比べて、亜硝酸型硝化反応による廃水処理設備の低コスト化を図ることができる。
【００１７】
この場合において、前記曝気手段は、前記亜硝酸酸化工程を開始した後２０日から１４０日後であって、かつ、曝気時間を１２時間から２４時間行うことを特徴としている。
これにより、硝酸性窒素濃度が増加又は亜硝酸性窒素濃度が減少する前に硝化担体の曝気を効率的に行うことができる。
【００１８】
前記硝化槽は、前記アンモニア性廃水の貯水槽と並列に接続した第１及び第２硝化槽からなり、前記貯水槽と前記第１及び第２硝化槽の間で、前記アンモニア性廃水の供給を制御するバルブを備え、前記制御手段は、前記第１硝化槽の前記アンモニア性廃水の供給を止めて前記硝化担体の曝気処理を行う間に、前記第２硝化槽へ前記アンモニア性廃水の供給を行って亜硝酸硝化工程を行う切り替え制御する信号を前記バルブに送信することを特徴としている。
これにより、亜硝酸型硝化反応を連続的に行い、アンモニア性廃水を効率的に処理することができる。
【００１９】
前記曝気手段は、前記アンモニア性廃水中にメタンを曝気することを特徴としている。
これにより硝化担体中のアンモニア酸化細菌は、アンモニアの代替物となるメタンを酸化させてメタノールを生成し、エネルギーを獲得することにより、自己分解反応による死滅を軽減することができる。従って、アンモニア酸化細菌と比べて亜硝酸酸化細菌の死滅が促進して、硝化担体中の亜硝酸酸化細菌の割合を削減することができる。
【００２０】
前記メタンは、脱窒処理した窒素と少なくとも同等のモル量を供給することを特徴としている。
これによりメタンの供給量の適性化が図れ、効率的にアンモニア酸化細菌の死滅を効果的に軽減することができる。
【００２１】
前記硝化槽は、槽内の前記硝化担体の一部を回収して曝気処理してから返流する曝気槽を備えたことを特徴としている。
これにより、亜硝酸型硝化反応を連続的に行い、アンモニア性廃水を効率的に処理することができる。また、処理槽を小型化することができ、廃水処理装置全体の省スペース化を図ることができる。
【００２２】
前記曝気槽は、前記硝化槽から排出された処理水にメタンを溶解させるメタン曝気槽を備え、前記メタン曝気槽は、メタン溶解処理水を前記曝気槽に供給することを特徴としている。
これにより硝化担体中のアンモニア酸化細菌は、アンモニアの代替物となるメタンを酸化させてメタノールを生成し、エネルギーを獲得することにより、自己分解反応による死滅を軽減することができる。従って、アンモニア酸化細菌と比べて亜硝酸酸化細菌の死滅が促進して、硝化担体中の亜硝酸酸化細菌の割合を削減することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の廃水処理方法によれば、亜硝酸酸化工程で所定の硝酸性窒素濃度又は亜硝酸性窒素濃度で停止した後、硝化槽内を曝気するだけの簡易な方法でアンモニア酸化細菌を活性化し、亜硝酸酸化細菌の活性を選択的に抑制して死滅させることができる。また、従来の加温、薬液を用いたアンモニア酸化細菌の活性化と比べて、亜硝酸型硝化反応による廃水処理設備の低コスト化を図りつつ、安定した亜硝酸型硝化反応が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の廃水処理装置の説明図である。
【図２】実験装置の構成概略の説明図である。
【図３】実験で用いた合成廃水の組成を示す説明図である。
【図４】第１の廃水処理実験による廃水処理時間と廃水中の各窒素濃度との関係を示したグラフである。
【図５】第２の廃水処理実験による廃水処理時間と廃水中の各窒素濃度との関係を示したグラフである。
【図６】変形例１の廃水処理装置の説明図である。
【図７】変形例２の廃水処理装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の廃水処理方法及び廃水処理装置の実施形態について、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
まず、本実施形態で扱う亜硝酸型の硝化担体について説明する。亜硝酸型硝化担体は、湖沼や河川や海の底泥、又は下水や工業廃水の処理場の活性汚泥のように、多数の微生物が混在する複合微生物系の汚泥を微生物供給源として製造される。特にアンモニア酸化細菌や亜硝酸酸化細菌等の硝化細菌を多く含む汚泥を微生物供給源とすることが望ましい。
【００２６】
亜硝酸型硝化担体は、アンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌を含む硝化性能を有する複合微生物系の汚泥を担体材料に付着させて形成される付着固定化担体、複合微生物系の汚泥を担体材料に包括させて形成される包括固定化担体、又は、複合微生物系の汚泥の自己造粒力により形成される硝化グラニュール担体を用いることができる。
【００２７】
付着固定化に用いられる担体材料としては、ポリビニルアルコール、アルギン酸、エチレングリコール系のゲルや、セルロース、ポリエステル、ポリプロピレン、塩化ビニル等のプラスチック担体を好適に使用することができる。また、担体材料の形状としては、球形や円筒形、多孔形状、立方体形状、ハニカム形状等の整形をおこなったものを好適に使用できる。
【００２８】
また、包括固定化に用いられる担体材料としては、モノメタクリレート類、モノアクリレート類、ジメタクリレート類、ジアクリレート類、トリメタクリレート類、トリアクリレート類、テトラアクリレート類、ウレタンアクリレート類、エポキシアクリレート類、その他、ポリビニルアルコール、アクリルアミド、光硬化性ポリビニルアルコール、光硬化性ポリエチレングリコール、光硬化性ポリエチレングリコールポリプロピレングリコールプレポリマ等を使用できる。
【００２９】
また、硝化細菌はその粘性により、自己造粒力によりグラニュールを形成させて担体として利用することができる。なお、グラニュールの形成は、自己造粒力のみで形成されるものの他に、他の細菌が形成したグラニュールの外周に付着する形で構成されたグラニュールも含まれる。
【００３０】
このような亜硝酸型硝化担体の製造方法は、例えば、微生物と高分子材料の混合物をシート状にし、これを細かく切断することによって角形の担体を製造するシート成形法を用いることができる。この他、微生物と高分子材料の混合物を数ミリ径のビニールチューブ内に注入して重合させながら押し出し、これを一定の長さに切断して円柱形の担体を製造するチューブ成形法や、微生物と高分子材料の混合物を別の液体内に滴下し、球形の担体を製造する滴下造粒法を用いても良い。
【００３１】
本発明の亜硝酸型硝化担体の亜硝酸型の硝化性能を確認するために、以下の方法による第１の廃水処理実験を行った。
図２は、実験装置の構成概略の説明図である。同図における各槽内は透視した状態を示している。図示のように実験装置１０は、反応槽１２を備え、この反応槽１２の内部に多数の硝化担体１４が投入されている。反応槽１２は、原水配管１６を介して原水タンク１８に接続されている。原水タンク１８には、下水を模擬した合成廃水が貯留されており、原水配管１６上の原水ポンプ２０を駆動することによって、原水タンク１８内の合成廃水が原水配管１６を介して反応槽１２に送液されている。
【００３２】
反応槽１２には、調整液配管２２を介して調整液タンク２４が接続されている。調整液配管２２には調整液ポンプ２６が配設されており、この調整液ポンプ２６を駆動することによって調整液タンク２４内のｐＨ調整液が反応槽１２に送液される。
【００３３】
反応槽１２の内部には、エアポンプ管２８が配設されている。このエアポンプ管２８が図示しない送気手段に接続されており、この送気手段によってエアポンプ管２８の下端からエアが送気される。エアポンプ管２８にエアが送気されることによりエアポンプ管２８の下端からエアが散気され、曝気撹拌が行われる。すなわち、エアポンプ管２８の下端から散気された気泡が上昇することによって、硝化担体１４が槽内を流動して撹拌が行われるとともに、硝化担体１４にエアが供給されて生物処理が行われる。
【００３４】
また、反応槽１２の内部には、ｐＨ電極３０が配設されている。ｐＨ電極３０は、ｐＨ調節器３２に接続されており、反応槽１２内のｐＨを測定できるようになっている。ｐＨ調節器３２は調整液ポンプ２６に接続されており、ｐＨ電極３０の測定値に基づいて調整液ポンプ２６の駆動が制御される。すなわち、反応槽１２内が所定のｐＨとなるように、調整液ポンプ２６が駆動され、反応槽１２にｐＨ調整液が供給される。これにより反応槽１２内を所望のｐＨに制御することができる。処理された廃水は、反応槽１２の側面上部に設けた流出管（不図示）から処理水として流出される。
【００３５】
本実験で、供試される硝化担体１４は、下水処理場の余剰汚泥をポリエチレングリコール系のプレポリマと混合し、重合開始剤として過硫化カリウムを添加して重合し、３ｍｍ角の立方体に整形して使用した。なお、担体の汚泥の含有量は２Ｗ／Ｖ％とし、プレポリマ含有量は１０Ｖ／Ｖ％になるように包括固定化したものを使用した。なお担体は、この他にも前述の付着固定化担体、硝化グラニュール担体を用いてもよい。
【００３６】
得られた微生物担体は水道水を満たした反応槽１２へ１０Ｖ／Ｖ％になるように投入し、０時間、１２時間、２４時間、４８時間曝気処理し、亜硝酸型硝化担体を製造した。曝気風量は、１分間当たりに反応槽１２の２倍の容積相当（通常の硝化反応よりも過剰）の空気を吹き込んだ。
【００３７】
本実験で供試される廃水は、下水を模擬した図３に示す合成廃水を使用し、アンモニア性窒素濃度として４０ｍｇ／Ｌになるように調整して使用した。反応槽１２に合成廃水を満たしてから実験を開始した。
【００３８】
実験装置１０における廃水の水理学的滞留時間は３時間とし、反応槽１２内の溶存酸素（ＤＯ；Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ  Ｏｘｙｇｅｎ）濃度が低いとそれにより亜硝酸型硝化になりうるので、吹き込む曝気量を多くし、反応槽１２内の溶存酸素濃度を４．０ｍｇ／Ｌ以上に保持して廃水処理を行った。
【００３９】
なお、実験装置１０における反応槽１２内のｐＨが高いと、それにより亜硝酸型硝化になりうるので、反応槽内のｐＨを７．５に調整して廃水処理を行った。
また、実験装置１０における反応槽１２内の水温が高いと、それにより亜硝酸型硝化になりうるので、反応槽内の水温を２０℃に調整して廃水処理を行った。
【００４０】
第１の廃水処理実験の結果を図４に示す。図４は、第１の廃水処理実験による廃水処理時間と廃水中の各窒素濃度との関係を示したグラフであり、（Ａ）は曝気処理していない（曝気時間０）場合を示し、（Ｂ）は１２時間曝気処理した場合を示し、（Ｃ）は２４時間曝気処理した場合を示し、（Ｄ）は４８時間曝気処理した場合を夫々示している。
【００４１】
なお、各グラフの○は原水のアンモニア性窒素濃度を示し、●は処理水のアンモニア性窒素濃度を示し、▲は処理水の亜硝酸性窒素濃度を示し、■は処理水の硝酸性窒素濃度を示している。
【００４２】
図４（Ａ）に示すように、曝気処理しない場合（曝気時間０）の廃水処理では、実験開始後、亜硝酸性窒素濃度及び硝酸性窒素濃度がいずれも上昇したが、亜硝酸性窒素濃度は直ちに減少した。その後は硝酸性窒素濃度が高いことから亜硝酸酸化細菌が活性化している。このように開始から１０日目頃にはアンモニア酸化活性と同時に亜硝酸酸化活性が立ち上った。
【００４３】
図４（Ｂ）に示すように、１２時間曝気処理した場合の廃水処理では、実験開始後、亜硝酸性窒素濃度が増加していることからアンモニア酸化細菌が活性化している。一方、硝酸性窒素濃度も次第に増加し始め、亜硝酸酸化細菌が活性化している。このように２０日目頃にはアンモニア酸化活性が立ち上ったのに対し、亜硝酸酸化活性は２０日目頃から上昇し始め、９０日目頃に立ち上った。
【００４４】
図４（Ｃ）に示すように、２４時間曝気処理した場合での廃水処理では、実験開始後、亜硝酸性窒素濃度が増加していることからアンモニア酸化細菌が活性化している。一方、硝酸性窒素濃度も１４０日後から増加し始め、亜硝酸酸化細菌が活性化している。このように２０日目頃にはアンモニア酸化活性が立ち上ったのに対し、亜硝酸酸化活性は１４０日目頃から上昇し始め、１９０日頃に立ち上った。
【００４５】
図４（Ｄ）に示すように、４８時間曝気処理した場合の廃水処理では、実験開始後、亜硝酸性窒素濃度が次第に増加し始め、アンモニア酸化細菌が活性化している。一方、硝酸性窒素濃度は１７０日頃から増加し始め、亜硝酸酸化細菌が活性化している。このように亜硝酸酸化活性は１７０日目頃から上昇し始めたのに対し、アンモニア酸化活性が立ち上ったのは１００日目頃であった。また、流出するアンモニア性窒素濃度は１００日以降一定の値を示し、飽和した状態となっている。
【００４６】
以上の結果から、曝気工程のタイミングとしては、図４（Ｂ）に示すアンモニア酸化細菌の硝化反応が安定して、亜硝酸性窒素濃度の高い値を比較的短時間で到達可能となる硝化反応開始後の２０日後であることが望ましい。また、図４（Ｃ）に示すように、亜硝酸酸化細菌が活性化して硝酸性窒素濃度が上昇し始める１４０日よりも前であることが望ましい。
【００４７】
次に曝気時間としては、図４（Ｂ）に示す１２時間から、図４（Ｃ）に示す４８時間までの間であることが望ましい。これは、曝気時間が１２時間よりも少ないと、アンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌が十分に死滅せず残っているためである。一方、４８時間よりも多いと、アンモニア酸化細菌の活性が遅れてしまうからである。本実験により、微生物担体を硝化反応の開始後２０日後から１４０日後であって、曝気時間を１２時間から２４時間曝気処理すると良好な亜硝酸型硝化担体が得られることを確認した。
【００４８】
次に、曝気処理により亜硝酸酸化細菌と同時にアンモニア酸化細菌の活性低下を防ぐ方法として、メタンを供給する方法について検討するために、第２の廃水処理実験を行った。
第２の廃水処理実験も図２に示す実験装置１０を用い、供試される硝化担体１４としては、第１の廃水処理実験で使用したものと同じ微生物担体を使用した。そして反応槽１２に水道水を満たし、反応槽１２へメタンガスを注入しメタン飽和溶液を作製した。その後、化学的酸素要求量（ＣＯＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｄｅｍａｎｄ）が７０ｍｇ／Ｌになるように水道水で希釈調節し、そのメタン溶液を満たした反応槽１２へ得られた微生物担体が１０Ｖ／Ｖ％となるように投入し、２４時間曝気処理し、亜硝酸型硝化担体を製造した。
【００４９】
本実験で供試される廃水は、下水を模擬した図３に示す合成廃水を使用し、アンモニア性窒素濃度として４０ｍｇ／Ｌになるように調整して使用した。反応槽１２に合成廃水を満たしてから実験を開始した。
【００５０】
また、実験装置１０における廃水の水理学的滞留時間は３時間とし、反応槽１２内の溶存酸素（ＤＯ；Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ  Ｏｘｙｇｅｎ）濃度が低いとそれにより亜硝酸型硝化になりうるので、吹き込む曝気量を多くし、反応槽１２内の溶存酸素濃度を４．０ｍｇ／Ｌ以上に保持して廃水処理を行った。
【００５１】
なお、実験装置１０における反応槽１２内のｐＨが高いと、それにより亜硝酸型硝化になりうるので、反応槽内のｐＨを７．５に調整して廃水処理を行った。
また、実験装置１０における反応槽１２内の水温が高いと、それにより亜硝酸型硝化になりうるので、反応槽内の水温を２０℃に調整して廃水処理を行った。
【００５２】
第２の廃水処理実験の結果を図５に示す。図５は第２の廃水処理実験による廃水処理時間と廃水中の各窒素濃度との関係を示したグラフであり、（Ａ）は１２時間曝気処理した場合を示し、（Ｂ）は２４時間曝気処理した場合を示し、（Ｃ）は４８時間曝気処理した場合を示している。なお、各グラフにおいて、○は原水のアンモニア性窒素濃度を示し、●は水道水で曝気処理した場合における処理水のアンモニア性窒素濃度を示し、△はメタン溶液で曝気処理した場合における処理水のアンモニア性窒素濃度を示している。
【００５３】
図５（Ａ）に示すように、窒素濃度が５ｍｇ／Ｌに達する日数は、水道水曝気の場合で約２０日後、メタン曝気の場合で約１３日後であった。
図５（Ｂ）に示すように、窒素濃度が５ｍｇ／Ｌに達する日数は、水道水曝気の場合で約２８日後、メタン曝気の場合で約２１日後であった。
図５（Ｃ）に示すように、窒素濃度が１５ｍｇ／Ｌに達する日数は、水道水曝気の場合で約４４日後、メタン曝気の場合で約３１日後であった。
【００５４】
この結果、メタン溶液で微生物担体を曝気処理することにより、アンモニア酸化活性の立ち上がりが曝気処理時間に係らず約７日から１０日速くなることを確認した。硝化担体中のアンモニア酸化細菌は、アンモニアの代替物となるメタンを酸化させてメタノールを生成し、エネルギーを獲得することにより、自己分解反応による死滅を軽減することができる。従って、アンモニア酸化細菌と比べて亜硝酸酸化細菌の死滅が促進して、硝化担体中の亜硝酸酸化細菌の割合を削減することができる。
【００５５】
次に上記実験結果に基づいてなされる廃水処理装置の実施形態について説明する。
図１は本発明の廃水処理方法の説明図である。図示のように、本発明の廃水処理装置４０は、前記アンモニア性廃水を硝化処理するアンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌が固定化された硝化担体１４と、前記硝化担体１４を用いてアンモニア性廃水の硝化反応を行う硝化槽４２と、前記アンモニア性廃水中の硝酸性窒素濃度又は亜硝酸性窒素濃度の何れか一方を測定するアンモニア測定手段５０と、前記アンモニア性廃水中の前記硝化担体１４を曝気処理する曝気手段６０と、前記アンモニア測定手段５０の測定値に基づいて、前記硝酸性窒素濃度が上昇又は前記亜硝酸性窒素濃度が減少する前に前記硝化槽４２への前記アンモニア性廃水の供給を止めて、前記硝化担体１４の曝気処理を行なう制御手段７０と、を主な基本構成としている。
【００５６】
硝化槽４２は、アンモニア性廃水の貯水槽４４と配管４６を介して接続している。配管４６には廃水の流入又は停止を切替え可能なバルブ４８が設置されている。硝化槽４２の内部には、多数の亜硝酸型の硝化担体１４が投入されている。この硝化担体１４は前述の実験で使用した担体と同様のものであり、アンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌を含む硝化性能を有する複合微生物系の汚泥を担体材料に付着させて形成される付着固定化担体、複合微生物系の汚泥を担体材料に包括させて形成される包括固定化担体、又は複合微生物系の汚泥の自己造粒力により形成される硝化グラニュール担体を用いている。
【００５７】
この硝化担体１４により硝化槽４２内のアンモニア性廃水に含まれるアンモニア性窒素が亜硝酸まで酸化される。硝化槽４２で処理された処理水は、図示しない後段の脱窒反応などの脱窒槽へ供給される。
【００５８】
硝化槽４２にはアンモニア測定手段５０が設置されている。アンモニア測定手段５０は、アンモニア性廃水のアンモニア性窒素濃度と、亜硝酸性窒素濃度又は硝酸性窒素濃度のいずれか一方を測定可能な測定手段である。
【００５９】
また硝化槽４２には、曝気手段６０が設置されている。曝気手段６０は、曝気管６２と曝気ポンプ６４から構成されている。曝気管６２は曝気ポンプ６４と接続し、この曝気ポンプ６４によって曝気管６２から硝化槽４２内部へエアが散気され、曝気撹拌が行われる。曝気管６２から散気された気泡が上昇することによって、硝化担体１４が槽内を流動して撹拌が行われるとともに、硝化担体１４にエアが供給されて生物処理が行われる。また、硝化槽４２へアンモニア性廃水の供給を停止した後に、槽内を曝気することにより、亜硝酸酸化細菌を選択的に死滅させることができる。なお曝気手段６０のエアには、アンモニア酸化細菌の活性源となるアンモニアが含まれていない気体を用いている。
【００６０】
制御手段７０は、バルブ４８と、アンモニア測定手段５０と、曝気手段６０と電気的に接続している。制御手段７０は、アンモニア測定手段５０の測定値に基づいて、バルブ４８及び曝気手段６０を駆動制御している。具体的に制御手段７０は、前述の廃水処理実験の結果に基づき、硝化槽４２内の硝酸性窒素濃度が上昇又は亜硝酸性窒素濃度が減少する前に硝化槽４２へのアンモニア性廃水の供給を停止する制御信号をバルブ４８に送信する。そして、アンモニア性廃水中の硝化担体１４を曝気処理する制御信号を曝気手段６０に送信する。
【００６１】
このような構成の廃水処理装置４０は、貯水槽４４からアンモニア性廃水が硝化槽４２内に供給されると、槽内の硝化担体１４により硝化反応が行われる。硝化反応の間、アンモニア測定手段５０によってアンモニア性廃水のアンモニア性窒素濃度と、亜硝酸性窒素濃度又は硝酸性窒素濃度のいずれか一方が測定される。制御手段７０では、アンモニア測定手段５０の測定値に基づいて、硝化槽４２内の硝酸性窒素濃度が上昇又は亜硝酸性窒素濃度が減少する前に硝化槽４２への前記アンモニア性廃水の供給を停止する制御信号をバルブ４８に送信する。そして、槽内のアンモニア性廃水の供給が停止した後、アンモニア性廃水中の硝化担体１４を曝気処理する制御信号を曝気手段６０に送信する。これにより硝化槽４２内の硝化担体１４は、アンモニアの供給が枯渇してアンモニア酸化細菌が不活性となる。これに伴って亜硝酸の供給が枯渇して亜硝酸酸化細菌も不活性となる。また曝気処理によって、アンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌の自己分解反応又は従属栄養細菌による分解反応が促進して死滅する。本発明では、硝酸性窒素濃度が上昇又は亜硝酸性窒素濃度が減少する前、すなわち亜硝酸酸化細菌が活性化する前に曝気処理を行うため、硝化担体１４は亜硝酸酸化細菌に比べアンモニア酸化細菌が多い状態となる。
【００６２】
また曝気工程のタイミングは、廃水処理実験に基づいて、アンモニア酸化細菌の硝化反応が安定して、亜硝酸性窒素濃度の高い値を比較的短時間で到達可能となる硝化反応開始後の２０日後であることが望ましい。また、亜硝酸酸化細菌が活性化して硝酸性窒素濃度が上昇し始める１４０日よりも前であることが望ましい。
【００６３】
また、曝気工程は、メタンガスの供給手段（不図示）から曝気管６２にメタンガスを供給して、アンモニア性廃水中にメタンを曝気するように構成してもよい。これにより、硝化担体１４中のアンモニア酸化細菌は、アンモニアの代替物となるメタンを酸化させてメタノールを生成し、エネルギーを獲得することにより、自己分解反応による死滅を軽減することができる。従って、アンモニア酸化細菌と比べて亜硝酸酸化細菌の死滅が促進して、硝化担体１４中の亜硝酸酸化細菌の割合を削減することができる。
【００６４】
供給するメタンガス量は、脱窒処理した窒素と少なくとも同等のモル量を供給するとよい。メタンの供給量の適性化が図れ、効率的にアンモニア酸化細菌の死滅を効果的に軽減することができるからである。
【００６５】
これにより、亜硝酸酸化工程で所定の硝酸性窒素濃度又は亜硝酸性窒素濃度で停止した後、硝化槽４２内を曝気するだけの簡易な方法でアンモニア酸化細菌を活性化し、亜硝酸酸化細菌の活性を選択的に抑制して死滅させることができる。また、従来の加温、薬液を用いたアンモニア酸化細菌の活性化と比べて、亜硝酸型硝化反応による廃水処理設備の低コスト化を図りつつ、安定した亜硝酸型硝化反応を行うことが可能となる。
【００６６】
次に変形例１の廃水処理装置の実施形態について説明する。図６は変形例１の廃水処理装置の説明図である。図示のように変形例１の廃水処理装置４０Ａは、第１硝化槽４２Ａと第２硝化槽４２Ｂを備え、アンモニア性廃水の貯水槽４４に対して並列に接続させている。貯水槽４４から第１及び第２硝化槽４２Ａ，４２Ｂへ並列に分岐した配管４６Ａには、それぞれ第１及び第２バルブ４８Ａ，４８Ｂが設置されている。また、第１及び第２硝化槽４２Ａ，４２Ｂには、それぞれ第１及び第２アンモニア測定手段５０Ａ，５０Ｂと第１及び第２曝気手段６０Ａ，６０Ｂが配置されている。そして制御手段７０Ａは、第１及び第２バルブ４８Ａ，４８Ｂと、第１及び第２アンモニア測定手段５０Ａ，５０Ｂと、第１及び第２曝気手段６０Ａ，６０Ｂと電気的に接続させている。
【００６７】
このような構成の変形例１の廃水処理装置４０Ａは、先ず第１及び第２硝化槽４２Ａ，４２Ｂのいずれか一方の槽、例えば第１硝化槽４２Ａに貯留槽４４からのアンモニア性廃水が供給される。このとき第２硝化槽４２Ｂへのアンモニア性廃水の供給は停止している。そして、槽内の硝化担体１４により硝化反応が行われる。硝化反応の間、第１アンモニア測定手段５０Ａによってアンモニア性廃水のアンモニア性窒素濃度と、亜硝酸性窒素濃度又は硝酸性窒素濃度のいずれか一方が測定される。制御手段７０Ａでは、第１アンモニア測定手段５０Ａの測定値に基づいて、第１硝化槽４２Ａ内の硝酸性窒素濃度が上昇又は亜硝酸性窒素濃度が減少する前に第１硝化槽４２Ａへの前記アンモニア性廃水の供給を停止する制御信号を第１バルブ４８Ａに送信する。これに伴い第２バルブ４８Ｂを開放して第２硝化槽４２Ｂへアンモニア性廃水を供給する制御信号を第２バルブ４８Ｂに送信する。
【００６８】
そして、第１硝化槽４２Ａ内のアンモニア性廃水の供給が停止した後、アンモニア性廃水中の硝化担体１４を曝気処理する制御信号を第１曝気手段６０Ａに送信する。これにより第１硝化槽４２Ａ内の硝化担体１４は、アンモニアの供給が枯渇してアンモニア酸化細菌が不活性となる。これに伴って亜硝酸の供給が枯渇して亜硝酸酸化細菌も不活性となる。また曝気処理によって、アンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌の自己分解反応又は従属栄養細菌による分解反応が促進して死滅する。
【００６９】
第１硝化槽４２Ａの曝気処理工程の間、第２硝化槽４２Ｂでは槽内の硝化担体１４によりアンモニア性廃水の硝化反応が行われる。第２硝化槽４２Ｂの硝化反応の間、第２アンモニア測定手段５０Ｂによってアンモニア性廃水のアンモニア性窒素濃度と、亜硝酸性窒素濃度又は硝酸性窒素濃度のいずれか一方が測定される。制御手段７０Ａでは、第２アンモニア測定手段５０Ｂの測定値に基づいて、第２硝化槽４２Ｂ内の硝酸性窒素濃度が上昇又は亜硝酸性窒素濃度が減少する前に第２硝化槽４２Ｂへの前記アンモニア性廃水の供給を停止する制御信号を第２バルブ４８Ｂに送信する。これに伴い、第１硝化槽４２Ａでは、前述の曝気工程が終了しているため、第１バルブ４８Ａを開放して第１硝化槽４２Ａへアンモニア性廃水を供給する制御信号を第１バルブ４８Ａに送信する。
【００７０】
このような工程を繰り返すことによって、何れか一方の硝化槽で曝気工程によりアンモニア性廃水の硝化反応が停止していても、いずれか他方の硝化槽でアンモニア性廃水の硝化反応を行うことができ、アンモニア性廃水の硝化反応を連続的に処理することができる。
【００７１】
なお、変形例１の廃水処理装置４０Ａも図１に示す廃水処理装置４０と同様に、曝気工程のタイミングは、廃水処理実験に基づいて、アンモニア酸化細菌の硝化反応が安定して、亜硝酸性窒素濃度の高い値を比較的短時間で到達可能となる硝化反応開始後の２０日後であることが望ましい。また、亜硝酸酸化細菌が活性化して硝酸性窒素濃度が上昇し始める１４０日よりも前であることが望ましい。
【００７２】
また、曝気工程は、メタンガスの供給手段（不図示）から曝気管６２Ａ，６２Ｂにメタンガスを供給して、アンモニア性廃水中にメタンを曝気するように構成してもよい。また供給するメタンガス量は、脱窒処理する窒素と少なくとも同等のモル量を供給するとよい。
【００７３】
次に変形例２の廃水処理装置の実施形態について説明する。図７は変形例２の廃水処理装置の説明図である。変形例２の廃水処理装置４０Ｂは、硝化槽４２０に曝気槽８０を接続させている。曝気槽８０は、硝化槽４２０よりも小型の処理槽であり、槽内に曝気手段６００を設置している。また曝気槽８０には、硝化槽４２０の硝化担体１４の一部をアンモニア性廃水と共に回収する引き抜き管８２と、曝気槽８０で曝気処理した硝化担体１４の一部をアンモニア性廃水と共に硝化槽４２０へ返送する配管８４と、曝気槽８０の処理水を硝化槽４２０に戻す配管８６が接続されている。引き抜き管８２にはポンプ８１が設置されている。配管８４，８６にはそれぞれバルブ８３，８５が設置されている。
【００７４】
また変形例２の廃水処理装置４０Ｂには、硝化反応が行われて槽内から排出された処理水の一部を曝気槽８０に戻す返流管９０が設置されている。返流管９０には、バルブ９２と、ポンプ９４と、メタン曝気槽９６が設置されている。返流管９０から曝気槽８０に供給される処理水にはアンモニア酸化細菌の活性源となるアンモニアが含まれていない。
メタン曝気槽９６は、処理水にメタンガスを曝気してメタンを溶解させた処理水を曝気槽８０に供給することができる槽である。
【００７５】
制御手段７０Ｂは、バルブ８３，８５，９２と、ポンプ８１，９４と、アンモニア測定手段５０と、曝気手段６０と電気的に接続させている（図７中の制御手段７０Ｂとバルブ８３，８５，９２、制御手段７０Ｂとポンプ８１，９４の接続線は省略している）。
【００７６】
このような構成の変形例２の廃水処理装置４０Ｂは、貯水槽４４からアンモニア性廃水が硝化槽４２０内に供給されると、槽内の硝化担体１４により硝化反応が行われる。硝化反応の間、アンモニア測定手段５０によってアンモニア性廃水のアンモニア性窒素濃度と、亜硝酸性窒素濃度又は硝酸性窒素濃度のいずれか一方が測定される。
【００７７】
曝気槽８０による曝気処理は、前述の廃水処理実験に基づき、亜硝酸酸化工程を開始した後２０日から１４０日後であって、かつ、曝気時間を１２時間から２４時間行っている。このタイミングで曝気処理が行われるように、曝気槽８０に硝化槽４２０から所定量の硝化担体１４がアンモニア性廃水と共に引き抜き管８２を介して供給されている。
【００７８】
また制御手段７０Ｂからバルブ８５，９２を開放する制御信号をバルブ８５，９２に送信する。なおバルブ８３は閉塞している。曝気槽８０には返流管９０から硝化槽４２０で酸化処理された処理水の一部が供給される。この処理水にはアンモニアが含まれていない。曝気槽８０では、処理水が配管８６を介して硝化槽４２０に供給される。これにより、曝気槽８０のアンモニア性窒素濃度は返流管９０からの処理水により希釈されて減少する。そして曝気手段６００によって曝気槽８０内の硝化担体１４を曝気処理する。曝気槽８０内の硝化担体１４はアンモニアの供給が枯渇してアンモニア酸化細菌が不活性となる。これに伴って亜硝酸の供給が枯渇して亜硝酸酸化細菌も不活性となる。また曝気処理によって、アンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌の自己分解反応又は従属栄養細菌による分解反応が促進して死滅する。その後、制御手段７０Ｂにより、バルブ８３を開放する制御信号をバルブ８３に送信して、配管８４を介して硝化担体１４と処理水を硝化槽４２０へ供給する。
【００７９】
また返流管９０に設けたメタン曝気槽９６により処理水にメタンガスを曝気してメタンを溶解させた処理水を曝気槽８０に供給することができる。これにより、曝気槽８０内の曝気処理工程において、硝化担体１４中のアンモニア酸化細菌は、アンモニアの代替物となるメタンを酸化させてメタノールを生成し、エネルギーを獲得することにより、自己分解反応による死滅を軽減することができる。従って、アンモニア酸化細菌と比べて亜硝酸酸化細菌の死滅が促進して、硝化担体１４中の亜硝酸酸化細菌の割合を削減することができる。
【００８０】
このような構成の変形例２の廃水処理装置４０Ｂによれば、硝化担体１４の一部を硝化槽４２０から引き抜いて曝気槽８０で曝気処理した後、硝化槽４２０に返流しているため、硝化槽４２０での硝化反応を停止することなく、アンモニア性廃水の硝化反応を連続的に処理することができる。また、変形例１の構成と比べて処理槽を小型化することができ、装置全体の省スペース化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、種々の工業廃水のうちアンモニア性廃水の廃水処理分野において特に有用である。
【符号の説明】
【００８２】
１０………実験装置、１２………反応槽、１４………硝化担体、１６………原水配管、１８………原水タンク、２０………原水ポンプ、２２………調整液配管、２４………調整液タンク、２６………調整液ポンプ、２８………エアポンプ管、３０………ｐＨ電極、３２………ｐＨ調節器、４０，４０Ａ，４０Ｂ………廃水処理装置、４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２０………硝化槽、４４………貯水槽、４６………配管、４８………バルブ、４８Ａ………第１バルブ、４８Ｂ………第２バルブ、５０………アンモニア測定手段、５０Ａ………第１アンモニア測定手段、５０Ｂ………第２アンモニア測定手段、６０，６００………曝気手段、６０Ａ………第１曝気手段、６０Ｂ………第２曝気手段、６２………曝気管、６４………曝気ポンプ、７０，７０Ａ，７０Ｂ………制御手段、８０………曝気槽、８１………ポンプ、８２………引き抜き管、８３………バルブ、８４………配管、８５………バルブ、８６………配管、９０………返流管、９２………バルブ、９４………ポンプ、９６………メタン曝気槽。
【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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【図７】
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