(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素成分を含有する被処理水を好気性条件下で硝酸、亜硝酸に酸化する汚泥浮遊式の硝化槽と、この硝化槽で得られる硝化処理液を膜分離して、固形物を除去する膜分離装置と、この膜分離装置で得られる透過水が水素供与体とともに流入され、嫌気的条件下で脱窒処理する上向流スラッジブランケットタイプの脱窒処理槽と、を有する生物学的窒素除去装置において、
前記硝化槽の水のランゲリア指数が０以下となるように硝化槽内のｐＨを維持することを特徴とする生物学的窒素除去方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素成分を含有する被処理水を生物学的に硝化脱窒処理する生物学的窒素除去方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、窒素成分を含有する排水から窒素を除去する処理方法として、生物学的硝化脱窒処理法が利用されている。
【０００３】
このような生物学的硝化脱窒処理法において、硝化槽及び脱窒槽を浮遊式とした場合には、まず被処理水を硝化槽に供給し、ここで浮遊汚泥とともに曝気処理して、好気性条件下の硝化処理を行う。次に、硝化処理液を汚泥と共に脱窒槽に供給すると共に、水素供与体を添加し、ここで嫌気性条件下の脱窒処理を行う。そして、脱窒処理液を沈殿槽に供給し、ここで固液分離を行い、上澄水を処理水として放流し、沈殿汚泥を硝化槽に返送する。また、沈殿汚泥の一部は余剰汚泥として系外に排出する。
【０００４】
この処理方法の問題点は、硝化菌の増殖速度が脱窒菌のそれに比べて遅いので、硝化菌を高濃度に保持できず、硝化槽に対する負荷を大きくできない点にある。すなわち、硝化菌及び脱窒菌を含んだ沈殿汚泥の一部を余剰汚泥として排出するため、処理系内の汚泥中における硝化菌を十分な濃度に維持できない。
【０００５】
これを改善する方法として、硝化槽及び脱窒槽の後に、それぞれ沈殿槽を設ける方法がある。しかし、この方法では沈殿槽の数が多くなること、及び硝化槽の後段の沈殿槽において沈殿分離が難しいという問題がある。すなわち、硝化菌からなる硝化単独ではフロックができにくく、沈殿分離しにくくなる。
【０００６】
さらに、硝化槽及び脱窒槽に充填材を充填して、汚泥を生物膜として保持する付着式の方法もある。しかし、硝化菌は充填材に付着しにくく、やはり硝化槽において高濃度に汚泥を保持できない。また、アンモニアが硝酸に酸化されるのでｐＨが変化するが、充填材がある場合には原水流入口に近い部分と遠い部分とで硝化槽中にｐＨの分布ができ、硝化槽内全体を硝化菌に最適なｐＨに維持することができず、これが硝化に悪影響を及ぼす。さらに、排水中にカルシウムが含まれている場合には、ｐＨが高い部分にカルシウム化合物（炭酸カルシウムやリン酸ヒドロキシアパタイトなど）のスケールが発生しやすく、これが原因で充填材の目詰まりが起きやすいという問題がある。
【０００７】
さらに、硝酸性窒素の処理方法として、上向流スラッジブランケット法が開発されている。これは、主に硝酸性窒素を含有する排水と水素供与体とを上向流で通水し、槽内に保持されているグラニュールと呼ばれる凝集集塊化し高濃度に保持された脱窒菌で、高効率に脱窒する方法である。
【０００８】
この方法では、硝酸性窒素を含む被処理排水中のＳＳ（浮遊性固形物）が多いと、ＳＳに伴われてグラニュールが流出したり、ＳＳの方が沈殿してグラニュールが流出してしまったり、ＳＳによってグラニュールが破壊されてしまったりする。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来より各種の生物学的窒素除去装置が提案されているが、それぞれ一長一短があり、十分効率的な処理を行うことができなかった。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、排水中の窒素成分を効率的に除去可能な生物学的窒素除去方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、窒素成分を含有する被処理水を好気性条件下で硝酸、亜硝酸に酸化する汚泥浮遊式の硝化槽と、この硝化槽で得られる硝化処理液を膜分離して、固形物を除去する膜分離装置と、この膜分離装置で得られる透過水が水素供与体とともに流入され、嫌気的条件下で脱窒処理する上向流スラッジブランケットタイプの脱窒処理槽と、を有する生物学的窒素除去装置において、前記硝化槽の水のランゲリア指数が０以下となるように硝化槽内のｐＨを維持する。
【００１２】
このように、本発明では、硝化槽を汚泥浮遊式にしている。従って、上述した付着式のようなｐＨの分布の発生に基づく問題は解決される。次に、硝化処理液を膜分離することにより、沈殿や充填材への汚泥の付着が悪い硝化菌からなる硝化汚泥を効率よく分離できる。従って、この分離汚泥を硝化槽内に保持することによって、硝化槽内に硝化菌を高濃度に保持できる。さらに、膜分離の透過水にはＳＳが含まれていない。このため、上向流スラッジブランケット（ＵＳＢ）タイプの脱窒槽において、グラニュールを好適な状態に維持して処理を行うことができる。従って、窒素成分を含有する被処理水を非常に効率的に処理することができる。なお、水素供与体としては一般にメタノールが用いられるが、その他の生物分解性有機物でも良い。
【００１３】
また、膜分離手段として、浸漬膜を使用することも好適である。硝化槽内は曝気しており、ここに浸漬膜を配置すれば、下部からの曝気により膜表面の堆積物を除去できる。従って、膜分離装置において、長期間にわたり、透過水量を安定して得られる。また、透過水量が減少してきた場合には、膜を薬品（水酸化ナトリウム、塩酸、次亜塩素酸ナトリウムなど）洗浄を行えばよい。
【００１４】
そして、硝化槽内の水のランゲリア（Ｌａｎｇｅｒｌｉｅｒ）指数が０以下となるように、硝化槽内のｐＨを維持することを特徴とする。これによって、硝化槽内におけるｐＨを硝化菌に対する阻害がないように制御することができる。また、膜分離装置の膜表面に対するスケール発生を効果的に防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００１６】
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態の方法に使用する装置の全体構成を示すブロック図である。窒素（主にアンモニア性窒素）を含有する排水は、硝化槽１０に流入される。この硝化槽１０には、その下部から空気（酸素ガスや酸素富化空気でもよい）が供給されており、槽内が曝気されている。
【００１７】
また、ｐＨセンサ１２が設けられ、硝化槽１０内の混合液のｐＨを検出している。そして、このｐＨセンサ１２の検出値は、ｐＨ調整剤供給装置１４に供給されている。ｐＨ調整剤供給装置１４は、供給されるｐＨに基づき酸またはアルカリのｐＨ調整剤の硝化槽１０内への供給を制御する。
【００１８】
硝化槽１０内には、浸漬型の膜分離装置１６が設けられている。この膜分離装置１６には、吸引ポンプ１８が接続されている。そして、この吸引ポンプ１８により、膜を透過した透過水を排出することによって、汚泥を硝化槽１０内に残したまま硝化処理水を排出する。
【００１９】
吸引ポンプ１８には、上向流スラッジブランケットタイプの脱窒槽２０が接続されている。吸引ポンプ１８からの硝化処理水は、水素供与体（例えば、メタノール）が添加された後、脱窒槽２０の底部に供給される。そして、脱窒槽２０の上部から上澄み水が処理水として排出される。
【００２０】
このような装置において、硝化槽１０内は、曝気により好気性条件下に保たれる。そして、窒素含有排水が汚泥と共に曝気されることによって、汚泥中の硝化菌によりアンモニアなど排水中の窒素が硝酸または亜硝酸に硝化される。このシステムでは、硝化槽１０内の汚泥は、その槽内の膜分離装置１６により、硝化槽１０内に維持される。従って、硝化槽１０内の汚泥濃度を単独で制御することができ、硝化槽１０における汚泥を高濃度に維持することができ、硝化槽１０に対する負荷を高くすることができる。また、硝化槽は浮遊式であるため、汚泥中におけるｐＨ分布の発生を防止でき、硝化を効果的に行うことができる。さらに、硝化槽１０内における硝化汚泥は沈降性や付着性が悪いが、膜分離装置１６を利用して効果的に分離ができる。そこで、ＳＳの少ない処理水を脱窒槽２０に供給できる。
【００２１】
特に、本実施形態では、膜分離装置１６に浸漬型のものを採用している。従って、硝化槽内の曝気により膜表面の洗浄を効果的に行うことができる。また、比較的付着性の少ない硝化菌が膜分離される汚泥を形成しているため、より好適な膜分離が行われる。
【００２２】
さらに、ｐＨ調整剤供給装置１４により、ｐＨ調整剤（通常水酸化ナトリウムなど）を添加して、硝化槽１０内のｐＨを適切なものに維持するため、好適な硝化処理が行える。
【００２３】
ここで、本実施形態におけるｐＨ調整は、ランゲリア指数が０以下になるように行う。
【００２４】
ランゲリア指数（飽和指数）とは水の実際のｐＨと理論的ｐＨ（ｐＨｓ、水中の炭酸カルシウムが溶解も析出もしない平衡状態にあるときのｐＨ）との差をいい、炭酸カルシウムの皮膜形成の目安として用いられている。指数が正の値で絶対値が大きいほど炭酸カルシウムの析出が起こりやすく、ゼロであれば平衡関係にあり、負の値では炭酸カルシウム皮膜は形成されないことを示す。
【００２５】
ランゲリア指数は、水のｐＨ、カルシウムイオン濃度、総アルカリ度および溶解性物質量から、次式によって求められる。
【００２６】
ランゲリア指数＝水のｐＨ−ｐＨｓ
ｐＨｓ＝８．３１３−ｌｏｇ［Ｃａ2+］−ｌｏｇ［Ａ］＋Ｓ
ここで、
８．１３１：炭酸カルシウムの溶解係数と炭酸の第２解離定数から計算される定数
［Ｃａ2+］：  Ｃａ2+としてのカルシウム濃度、単位ｍｇ／Ｌ
［Ａ］：ＣａＣＯ3としての総アルカリ度、単位ｍｇ／Ｌ
Ｓ：次式によって求められる補正係数
Ｓ＝２√μ／（１＋√μ）
ここで、μ＝２．５×１０-5Ｓｄであり、Ｓｄは溶解性物質濃度（ｍｇ／Ｌ）である。
【００２７】
なお、ランゲリア指数は温度によっても異なる。また、佐藤威夫：用水と排水、Ｖｏｌ．１９、Ｎｏ．２、（１９７７）では簡易にランゲリア指数が算出できる図表が示されている。
【００２８】
このようにして計算されるランゲリア指数が０以下になるように硝化槽１０内のｐＨ（上述の水のｐＨ）を維持することによって、硝化槽１０内のｐＨをアルカリ度に応じて常に適切なものに維持することができる。さらに、ランゲリア指数を０以下に維持することによって、膜分離装置１６の膜表面におけるカルシウムの析出を防止して、膜分離に対する悪影響を排除することができる。なお、被処理水のＣａ2+の濃度はカルシウムイオンモニタで計測してもよいが、濃度変化が少なければ、定数としてもよい。
【００２９】
また、膜分離装置１６の分離膜としては、限外ろ過膜（ＵＦ）、精密ろ過膜（ＭＦ）などが採用される。その材質として、ポリオレフィン、酢酸セルロース、セラミックなどが挙げられる。また、膜の形状としては汚泥の閉塞に強いチューブラー型や平膜型が好適である。さらに、ろ過流速の低下防止のために定期的に薬品洗浄を行うとよい。洗浄用薬品としては、次亜塩素酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、界面活性剤、酵素、蓚酸、塩酸などが採用される。この薬品洗浄は、硝化槽１０に浸漬したまま行ってもよいが、一旦引き上げて外部で行ってもよい。また、膜分離装置１６での濾過方式として、吸引ポンプ１８を利用した吸引ろ過を採用しているが、重力によりろ過を行う重力ろ過方式を採用することも可能である。
【００３０】
また、硝化槽１０における曝気空気量はＢＯＤ負荷に対応した流量（１ｋｇ−ＢＯＤ（窒素分の硝化のための酸素要求量も含む）に対し２０〜１００Ｎｍ3程度）の他に、膜表面の閉塞を低減するために上昇攪拌流をつくる流量が必要で、例えば平膜では膜一枚当たり、１０〜１５Ｌ／分である。間欠曝気を行い、間欠的に膜表面を洗浄できるようにしてもよい。なお、吸引ポンプ１８は、自給式ポンプを採用することが好適である。
【００３１】
上向流スラッジブランケットタイプの脱窒槽２０には、膜分離後のＳＳの少ない硝化処理水が水素供与体と共に上向流で供給される。脱窒槽２０は、流入水によって攪拌が行われるだけであり、酸素の溶解はほとんどない。このため、脱窒槽２０内は嫌気的条件下に保持され、硝酸（及び／または亜硝酸）の酸素を利用して、水素供与体を酸化する脱窒処理が行われ、脱窒菌が増殖しグラニュールと呼ばれる汚泥塊が生じる。そして、このグラニュールが自重によって、脱窒槽２０の下部に滞留し、ここを水素供与体が添加された硝化処理水が通過することによって、脱窒処理が継続して行われる。グラニュールは、比較的沈降性が優れているため、上向流スラッジブランケットタイプの脱窒槽２０により、ＳＳの少ない清澄な処理水が得られる。また、脱窒槽２０内の汚泥濃度を高濃度に保つことができ、効率的な脱窒処理が行える。
【００３２】
なお、硝化槽１０及び脱窒槽２０内の汚泥は、適宜余剰汚泥として系外に除去される。本発明においては各槽を独立して余剰汚泥の排出を行うため、それぞれ汚泥の系内における滞留時間を制御することができ、硝化槽において硝化菌が少なくなってしまうことはない。
【００３３】
「第２実施形態」
図２は、第２実施形態の方法に使用する装置の全体構成を示すブロック図である。この例では、硝化槽１０の硝化処理液は、ポンプ２２によって、硝化槽１０とは別に設けた通常の膜分離装置２４に供給される。そして、膜分離装置２４の透過水は、一旦中間タンク２６に貯留された後、ポンプ２８によって、脱窒槽２０に供給され、膜分離装置２４の濃縮水はその一部が返送汚泥として硝化槽１０に返送され、他部は余剰汚泥として系外に排出される。
【００３４】
このような構成においても、硝化槽１０からの硝化処理液から、膜分離装置２４によって、汚泥が効果的に分離される。そこで、硝化槽１０内の汚泥濃度を高濃度に維持することができる。また、ランゲリア指数に基づいたｐＨ制御を行うため、膜に対するスケールの発生も効果的に防止することができる。さらに、脱窒槽２０に流入するＳＳも少なくできるため、脱窒槽２０において流入ＳＳの悪影響が発生することを防止することができる。
【００３５】
なお、膜分離装置２４へのポンプ２２の運転方法としては、連続して膜分離を行う連続運転、または運転、休止を繰り返す間欠運転があり、いずれも採用可能である。ポンプ２２としては、吐出圧５〜２０ｋＰａのものが好適である。
【００３６】
「その他」
また、本実施形態の装置は、カルシウム及びアンモニアを多量に含む半導体装置製造工程からの排水や、排煙脱硫排水などの処理に好適である。すなわち、本実施形態では、硝化槽１０におけるカルシウム化合物の析出を防止できるため、膜分離装置１６への悪影響がない。また、排水がカルシウムを含むため、硝化槽１０におけるｐＨ調整剤（アルカリ）の添加量を比較的少なくできる。さらに、硝化処理液にカルシウムイオンが含まれているため、脱窒槽２０におけるグラニュールの生成が助長され、脱窒槽２０における汚泥濃度を高濃度に維持しやすくなるなどの効果が得られる。
【００３７】
【実施例】
＜実施例＞
上述の実施形態に示した処理装置により、ある半導体工場から排出されるアンモニア含有排水を用いて通水実験を行った。実験の仕様は以下の通りであった。
【００３８】
原水ＮＨ4−Ｎ濃度：２００ｍｇ／Ｌ
原水ＰＯ4−Ｐ濃度：２ｍｇ／Ｌ
硝化槽有効容積：２ｍ3
硝化槽溶存酸素濃度：２ｍｇ／Ｌ
膜仕様：浸漬膜、膜面積５．６ｍ2、材質はポリオレフィン
水素供与体：５０％メタノール
水素供与体添加濃度：８００ｍｇＢＯＤ／Ｌ
脱窒槽有効容積：１ｍ3
通水量を５〜２５ｍ3／ｄ、各容積負荷として硝化槽で０．５〜２．５ｋｇＮ／ｍ3／ｄ、脱窒槽で１．０〜５．０ｋｇＮ／ｍ3／ｄとした。その結果、硝化槽における単位容積当たりの最大除去速度は約２ｋｇＮ／ｍ3／ｄであった。脱窒槽では約４．５ｋｇＮ／ｍ3／ｄであった。
【００３９】
＜比較例＞
実施例と同じ排水を用い、硝化槽と脱窒槽として浮遊式のものを用い、後段に沈殿池を設置し、沈殿した汚泥を硝化槽に返送した。なお、有効容積は実施例と同じとした。
【００４０】
通水量を０．５〜１０ｍ3／ｄ、各容積負荷として硝化槽で０．０５〜１ｋｇＮ／ｍ3／ｄ、脱窒槽で０．１〜２ｋｇＮ／ｍ3／ｄとした。その結果、硝化槽における単位容積当たりの最大除去速度は約０．５  ｋｇＮ／ｍ3／ｄであった。脱窒槽では約１．７  ｋｇＮ／ｍ3／ｄであった。
【００４１】
すなわち、実施例は比較例に比べて硝化槽で４倍、脱窒槽で３倍の最大除去速度が得られた。なお、脱窒槽の最大除去速度は、脱窒槽への流入水へ硝酸を添加して調べた。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、硝化槽を汚泥浮遊式にしているため、付着式のような槽内ｐＨの分布の発生に基づく問題は解決される。また、硝化処理液を膜分離することにより、沈殿や充填材への汚泥の付着が悪い硝化菌からなる硝化汚泥を効率よく分離でき、硝化槽内に硝化菌を高濃度に保持できる。さらに、膜分離の透過水にはＳＳが含まれていないため、上向流スラッジブランケットタイプの脱窒槽において、グラニュールを好適な状態に維持して処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１実施形態の装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】  第２実施形態の装置の全体構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０  硝化槽、１２  ｐＨセンサ、１４  ｐＨ調整剤供給装置、１６，２４  膜分離装置、１８，２２，２８  ポンプ、２０  脱窒槽、２６  中間タンク。
【図１】
0004101348.tif 000002
【図２】
0004101348.tif 000003