(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥処理プロセスより発生する返流水から、りんおよび一部のアンモニア性窒素をりん酸マグネシウムアンモニウム粒子として回収した後、残留するアンモニア性窒素を生物学的に硝化し、その処理水に生汚泥を加えて、水処理系とは関係しないＢＯＤを使って脱窒を行なうとともに、脱窒の際に硝酸性窒素を５〜１０ｍｇ／リットル存在させることを特徴とする汚泥処理系返流水の処理方法。
【請求項２】
脱窒プロセスに担体を用いて、窒素除去を行うことを特徴とする請求項１記載の汚泥処理系返流水の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、汚泥処理プロセスより発生する返流水に含有する窒素、りんを効率良く処理し、水処理系の処理水質の安定および向上をねらった汚泥処理系返流水の処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
下水処理場にて発生する多量の有機性汚泥は、濃縮、消化、脱水などの工程を経て処理され、各処理プロセス中で発生する分離液は、通常水処理系に返流される。この返流水中には、ＢＯＤ、アンモニア性窒素、オルトりん態りんが高濃度に含まれており、返流水にともなう負荷が水処理系の処理水質の悪化の原因となっている。
【０００３】
特に窒素とりんの同時除去を行なっている施設では、返流水によるアンモニア性窒素、オルトりん態りん負荷により、水処理系のＢＯＤが不足し、脱窒、りん除去が悪化するケースが少なくない。
【０００４】
その対策として、ＢＯＤ要求量の高いりんについては、特公平７−１２４７７号公報に開示されている技術により、返流水中のりんを９５％以上回収することができ、水処理系のりん負荷を約４０％カットすることができる。特公平７−１２４７７号公報に開示されている技術とは、アンモニウムイオンを多量に含むし尿，産業排水などからりんを効率良く除去する方法に関するものであり、排水中のりんをりん酸マグネシウムアンモニウム粒子として結晶化させるというものである。一方、アンモニア性窒素については、本出願人の一部が先に提案した特願平７−２４１３６５号、特願平７−３３０１３３号における２つの技術によりアンモニア性窒素を硝酸性窒素に９０％程度硝化することができる技術が完成している。特願平７−２４１３６５号における技術とは、りんを含む高濃度アンモニア性窒素の処理方法に関するものであり、りんおよびアンモニア性窒素排水から、りんと一部のアンモニア性窒素をりん酸マグネシウムアンモニウム粒子として回収してから、残る高濃度アンモニア性窒素をＭＡＰ担体を利用した高速生物学的硝化法により処理する方法である。また、特願平７−３３０１３３号における技術とは、高濃度アンモニア性窒素の硝化方法に関するものであり、生物学的な硝化において、菌の付着媒体として繊維担体を用い、担体を投入した硝化槽のＭＬＤＯを制御することによって、担体の硝化能力を最大限に引き出す運転方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
下水処理のりん、窒素同時除去法として代表的なＡ2 Ｏ法は、嫌気槽−無酸素槽−好気槽の順に反応タンクが並べられ、原水がその順に流れるプロセスであり、最初沈殿池（以下、初沈という）はその前に置かれている。ここに硝化後の返流水を戻し、初沈内のＢＯＤと脱窒菌により脱窒することが、特願平７−２４１３６５号および特願平７−３３０１３３号に記載されている。これらの特許は水処理系のアンモニア性窒素負荷削減について検討したものであるが、抜本的な水処理系の水質向上を考えたとき、窒素負荷削減を考えなければならない。そうしたときに再度プロセスを見直すと、初沈−嫌気槽−無酸素槽−好気槽に並んだＡ2 Ｏのプロセスにおいて、初沈に硝化後の返流水を戻すと、初沈内の溶解性ＢＯＤを使って脱窒が起こるため、水処理系のＢＯＤ量が減少する。次の嫌気槽はりん除去に関係するが、りん除去性能は、嫌気槽におけるりんの放出量と関係があり、一般的にりんの放出量が多い方がりんの処理性が安定するとされている。りんの放出量は供給できるＢＯＤ量と関係し、りん１に対し、約２０倍のＢＯＤが必要とされている。返流水の脱窒のため、供給できるＢＯＤ量が減り、りん放出量に影響を及ぼすかもしれないが、初沈の後、原水が最初に流入する嫌気槽はＢＯＤ濃度が比較的高く維持できるので、その影響は少ないものと思われる。しかし、その後の無酸素槽における脱窒処理については、返流水の脱窒、りんの放出によるＢＯＤ消費が続き、反応タンクでのＢＯＤが不足し、脱窒プロセスが不安定で、処理水における窒素（ＮＯX−Ｎ）濃度が高くなることが考えられる。脱窒槽のＢＯＤを確保するため、生汚泥の注入や、メタノールの注入などが必要となる。すなわち、水処理系のＢＯＤの不足が問題となっていた。
【０００６】
また、初沈内でも脱窒が期待できるのは、沈降汚泥が堆積する汚泥ピットのみであり、その滞留時間はあまりにも短すぎるものと考えられる。さらに、脱窒に作用する微生物量が少ないことからも、初沈における脱窒はかなり難しいと考えられる。
【０００７】
また、返流水中のりんの除去は、特公平７−１２４７７号公報に開示の技術により９５％以上のりんを回収し、返流水のりん負荷を下げることができる。その効果は、りん濃度が高い脱水ろ液で得られるが、汚泥処理方式の違いにより、りんを効率的に回収できない場合もある。返流水には生汚泥系のものと、余剰汚泥系のものが存在し、生汚泥系のものはＢＯＤが高く、余剰汚泥系のものは水処理系の運転方法にもよるが、汚泥中にアンモニア性窒素とオルトりん態りんが高濃度に含まれる。これらを別途に濃縮し、消化−脱水する方法（図４参照）と、濃縮前に混合し、一緒に濃縮−消化−脱水する方法（図５参照）があるが、前者の方法では消化槽でアンモニア性窒素、りんを吐き出すだけなのに対して、後者の方法では生汚泥と余剰汚泥を混合した時点からの各プロセス、流路内でアンモニア性窒素、りんを吐き出す。後者の図５に示すフローでは、生汚泥と余剰汚泥を均一に混合するため、中間槽が設けられるが、その中間槽で吐き出すりんが問題となっている。この生汚泥と余剰汚泥の混合により、生汚泥がＢＯＤを供給し、余剰汚泥に含まれるＮＯX −ＮがそのＢＯＤによりほとんど消費され、ＢＯＤの菌体内取り込みにともないりんの放出が生じる。中間槽で吐き出すりん濃度は２０〜３０ｐｐｍと低い濃度であるが、分離液の流量が多い。また、この現象によるアンモニア性窒素の放出は少なく、りんの回収を対象とした特公平７−１２４７７号公報に示される技術も、りん濃度２０ｐｐｍ、アンモニア性窒素濃度２０ｐｐｍ程度ではりん除去率２５％程度であり、効率が悪い。すなわち、この濃縮分離液はりん回収ができず水量が多いため、りん負荷にすると大半が水処理系に返流される形となってしまい、水処理系のＢＯＤ不足を招くという問題があった。
【０００８】
ところで、図４に示すフローについて説明すると、流入水は、最初沈殿池１で比重の重い成分を沈降させ、生物反応槽２１で生物処理した後、最終沈殿池３にて活性汚泥を沈降させ、固液分離を行なって放流される。これが水処理系と呼ばれる本ラインである。
【０００９】
汚泥処理系は最初沈殿池１で沈降する汚泥ほぼ全量と最終沈殿池３で沈降する汚泥の一部の余剰汚泥処理に該当する。最初沈殿池１で沈降した生汚泥２は、重力濃縮槽２３で濃縮され、濃縮生汚泥２４あるいは濃縮生汚泥２５として引き抜かれる。重力濃縮槽２３での分離液２６は、流入水と混合されて最初沈殿池１に戻される。
【００１０】
一方、最終沈殿池３で分離された汚泥の一部の余剰汚泥４として加圧浮上槽５で浮上濃縮され、浮上濃縮汚泥６は濃縮生汚泥２４と一緒に消化タンク１７に入る。加圧浮上槽５で固液分離される分離液２２は、流入水と混ざり、最初沈殿池１に戻る。
【００１１】
消化タンク１７で減量化された消化汚泥９は、濃縮生汚泥２５と混合される場合もあり、脱水機１０で脱水される。脱水ろ液１１は流入水と混ざって、最初沈殿池１に戻される。
【００１２】
また、図５に示すフローについて説明すると、最初沈殿池１で沈降した生汚泥２と最終沈殿池３で分離された汚泥の一部である余剰汚泥４は、脱窒槽である中間槽７で混合され、常圧浮上槽２７で浮上濃縮される。分離された分離液１４は流入水と混ぜられ、最初沈殿池１に戻される。一方、濃縮汚泥６は消化タンク１７で減量化され、脱水機１０で脱水される。分離液の脱水ろ液１１は流入水と混ぜられ、最初沈殿池１に戻される。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような課題を解決するものであって、本発明の要旨は、汚泥プロセスより発生する返流水から、りんおよび一部のアンモニア性窒素をりん酸マグネシウムアンモニウム粒子として回収した後、残留するアンモニア性窒素を生物学的に硝化し、その処理水に生汚泥を加えて、水処理系とは関係しないＢＯＤを使って脱窒を行なうとともに、脱窒の際に硝酸性窒素を５〜１０ｍｇ／リットル存在させることを特徴とする汚泥処理系返流水の処理方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面により説明する。先ず、図１に示す汚泥処理系では、最初沈殿池１において沈殿した生汚泥２と、最終沈殿池３に沈殿した余剰汚泥４を加圧浮上槽５にて浮上させた濃縮汚泥６が発生する。濃縮汚泥６と生汚泥２は、脱窒槽７にて返流硝化液８と混合され、脱窒が起こる。なお、ここでいう返流硝化液８とは、消化汚泥９を脱水機１０により脱水した後の脱水ろ液１１から、りんおよび一部のアンモニア性窒素をりん酸マグネシウムアンモニウムとして回収した後、残留するアンモニア性窒素を生物学的に硝化した後の処理水のことである。なお、脱水機１０により消化汚泥９を前記脱水ろ液１１とスラッジ１５に分離する。脱窒槽７からの返流脱窒液１２には、アンモニア性窒素、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素がほとんど存在しない状態である。ただし、再浮上槽１３での汚泥からのりんの吐き出しを抑制するため、５〜１０mg／リットルの硝酸性窒素を残しておくことが必要である。脱窒における硝酸性窒素のコントロールは、脱窒槽にＯＲＰ電極を入れ、ＯＲＰ値の相対的変化から見ることができ、りんの吐き出しを抑制するには、ＯＲＰ値を−５〜−２５０ｍｖに制御することが好ましい。硝酸性窒素がない場合、またはＢＯＤが過剰に残存する場合では再浮上槽１３において、汚泥からのりんの吐き出しが生じ、分離液１４のラインで水処理系に返される。分離液１４のラインのりんの回収は、りん濃度が低いため、造粒脱りん装置では困難である。
【００１５】
脱窒槽７からの返流脱窒液１２は再浮上槽１３にて再濃縮され、再濃縮汚泥１６は消化タンク１７に導かれる。消化タンク１７では、汚泥の減量化が生じるが、同時にアンモニア性窒素、オルトりん態りんの吐き出しも生じる。再浮上槽１３にてりんの吐き出しを生じた場合、この消化タンク１７での吐き出し分が少なくなり、回収量も少なくなるため、好ましくない。
【００１６】
減量化され、アンモニア性窒素、りんを高濃度に含む消化汚泥９は脱水機１０にて順次脱水される。このとき生じた脱水ろ液１１には、アンモニア性窒素、りんが多量に含まれ、造粒脱りん装置１８にてりんと一部のアンモニア性窒素を回収する。その処理水（造粒脱りん水１９）は、硝化槽２０に導かれ、微生物によりアンモニア性窒素が、硝酸性窒素に硝化される。この硝酸性窒素を高濃度に含む硝化液は返流硝化液８として前記したように脱窒槽７にて、余剰汚泥４の濃縮汚泥６と生汚泥２と混合され、硝酸性窒素は無害な窒素ガスへ転換される。使われた汚泥は消化タンク１７で汚泥消化され、脱水されて汚泥返流水となり、汚泥処理系を循環する。水処理系（最初沈殿池１−生物反応槽２１−最終沈殿池３）の工程に戻るのは、窒素２０mg／リットル、りん１０mg／リットル以下の低負荷に処理した分離液１４と加圧浮上槽５からの分離液２２のみとなる。
【００１７】
図１に示す汚泥処理系では、生汚泥２と、濃縮された余剰汚泥４を脱窒槽７に入れる方式を採っている。これは、汚泥濃度を高め、脱窒槽７の容量を小さくするためである。余剰汚泥４をそのまま脱窒槽７に入れれば、消化タンク１７の前の汚泥濃縮は、加圧浮上槽５でまかなえるため、再浮上槽１３は必要なくなる。しかし、余剰汚泥４をそのまま濃縮せずに脱窒に用いると、脱窒槽７の容量が大きくなる。そこで、水処理系とは切り離した形で、脱窒菌の馴養が行なえる担体法がクローズアップされる。担体法は脱窒槽に担体を投入し、無酸素状態で撹拌流動させるものであり、担体への汚泥の付着を助けるため、余剰汚泥の一部を流入させ、担体と汚泥を併用して脱窒を行なっても良い。
【００１８】
次に、生汚泥、余剰汚泥の混合濃縮において、りんの吐き出しが問題となっているが、図２に示す返流水の硝化、脱窒プロセスを組み込んだフローでは、りんの吐き出しが解消される。図２において、最初沈殿池１で沈降した生汚泥２と最終沈殿池３で分離された汚泥の一部である余剰汚泥４は、脱窒槽である中間槽７で混合され、常圧浮上槽２７で浮上濃縮される。分離された分離液１４は流入水と混ぜられ、最初沈殿池１に戻される。一方、濃縮汚泥６は消化タンク１７で減量化され、脱水機１０で脱水される。脱水機１０により分離された脱水ろ液１１のりんを造粒脱りん装置１８によりりん酸マグネシウムアンモニウムとして回収し、残るＮＨ4 −Ｎは硝化槽２０でＮＯ3 −Ｎ、ＮＯ2 −Ｎに硝化される。その後、図５では中間槽であった水槽を脱窒槽７に改造し、ＮＯ3−Ｎが多量に含まれる返流硝化液８とＢＯＤ源である生汚泥２、脱窒菌を含む余剰汚泥４を混合して脱窒が生じ、窒素ガスに転換される。
【００１９】
以上述べた図２のフローにおいて、生汚泥２と余剰汚泥４が中間槽７で均一に混合される。従来は脱水ろ液１１がそのまま最初沈殿池１の前に戻っていたが、水処理系の窒素負荷の低減に際し、造粒脱りん装置１８と硝化槽２０が加えられ、返流硝化液８が中間槽７に戻り、中間槽７を脱窒槽として改造する。この場合、この脱窒槽（中間槽７）で硝酸性窒素を５〜１０mg／リットル程度残存させることが重要である。そうすれば、図２の分離液１４でのりん濃度が低下し、その分脱水ろ液１１のりん濃度が上昇して造粒脱りん装置でのりんの回収率が高くなり、窒素、りんの両方の負荷を低減できる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
実施例１
図１で示した汚泥処理系のフローを考え、生汚泥をＢＯＤとして、余剰汚泥を使った硝酸カリウム溶液の脱窒実験を行ない、生汚泥をＢＯＤとした脱窒プロセスが可能であるかどうかを調べた。
【００２１】
バッチ実験条件
生汚泥量 150mリットル （溶解性ＢＯＤ 1700〜2000mg／リットル）
余剰汚泥 500mリットル （汚泥濃度 5000mg／リットル）
返流水 500mリットル （硝酸性窒素 200mgN／リットル）
混合汚泥濃度 2180mg／リットル
上記条件でのバッチ実験の結果、4.8mgN／gSS・hrの脱窒速度、必要ＢＯＤ／Ｎ比 3.8〜4.4 を得た。このときの水処理系の脱窒速度が、1.3mgN／gSS・hrであり、水処理系の脱窒速度よりも若干速くなり、生汚泥と余剰汚泥を使った脱窒が可能であった。
【００２２】
本実施例によれば、汚泥処理系で発生するアンモニア性窒素を水処理系のＢＯＤ源を使わずに、汚泥処理系内にて生汚泥と余剰汚泥を使い、返流水の脱窒を行なうことにより、返流水由来の窒素負荷を２０％カットすることができる。また、造粒脱りん装置により、返流水からりんの回収を行ない、返流水由来のりん負荷を４２％カットすることができる。これにより、水処理系のりん除去、窒素除去にともなうＢＯＤ要求量の低減ができ、最初沈殿池のバイパスがなくても、処理の安定性が確保できる。窒素除去においては３０％程度の処理水質の向上が見込める。
比較例１
生汚泥と余剰汚泥を混合してから、濃縮、脱水する従来の図５に示すフローに基づいて汚泥の処理を行なった。常圧浮上槽２７の分離液１４に４０mg／リットル程度のりんの吐き出しが生じていることがわかる。これは、りんを含む余剰汚泥に濃厚なＢＯＤを持つ生汚泥が混ぜられたために、瞬時に嫌気雰囲気となり、汚泥のＢＯＤの取り込みが起こり、それとともにりんの吐き出しが生じたためである。
【００２３】
この分離液１４のりん負荷は、流入水のりん負荷に対して６０％であり、これが流入水に戻されれば、水処理系の流入水のりん負荷は、分離液分のみで１．６倍に上昇する。さらに脱水ろ液１１のりん負荷分１５％が返流水として流入水に加わるので、流入水のりん負荷は、トータル１．７５倍に増加する。
【００２４】
ここで、分離液１４と脱水ろ液１１のりん負荷を流入水のりん負荷に対する比率で見ると、前者が６０％であるのに対し、後者は１５％と低く、生汚泥と余剰汚泥と混合したことによるりんの吐き出し量が、予想以上に大きな負荷となっていることがわかる。また、この分離液１４は、オルトりん態りん濃度自体が４０mg／リットル程度であるが、水量が脱水ろ液１１の３．５倍と多い。
【００２５】
りん負荷の高いところにりんの回収装置を導入するのが常套手段であるが、この場合、りん濃度が低く、かつアンモニア性窒素濃度も２０〜３０mg／リットルと低いため、りんの回収率が２５％程度にとどまり、放出されたりんをうまく回収する手法がないのが現状である。
実施例２
余剰汚泥濃度４４００mg／リットルの汚泥に、ＮＯ3 −Ｎ１５０mg／リットル、ＢＯＤ２０００mg／リットルの生汚泥を添加し、図２に示すフローとなるように次の条件でりんの吐き出しについて調べた。分離液１４のりんの吐き出し量を抑制できれば、消化タンクでの吐き出し量が増加し、りんの回収率が高くなるはずである。
【００２６】
バッチ実験条件
生汚泥量 300mリットル （溶解性ＢＯＤ 2000mg／リットル）
余剰汚泥 800mリットル （汚泥濃度 4000mg／リットル）
返流水 500mリットル （硝酸性窒素 150mgN／リットル）
混合汚泥濃度 2750mg／リットル
上記の液を、余剰汚泥、返流水、生汚泥の順に加えた場合（硝酸性窒素存在下におけるりんの吐き出し抑制の確認と脱窒後のりんの吐き出しの確認の系）と、返流水の代わりに工業用水を加えた場合（ＢＯＤと余剰汚泥だけを加え、りんの吐き出しを確認する系）で実験を行なった。前者は、脱水ろ液を硝化し、硝酸性窒素が多量に含まれる返流水と、余剰汚泥、生汚泥を混合した図２に示すフローを想定し、後者は生汚泥と余剰汚泥が混合される従来通りの図５に示すフローを想定したものである。それぞれを無酸素状態で撹拌するため、窒素ガスによる散気撹拌を行なった。
【００２７】
上記の結果、図３に示すグラフのようなりんの吐き出しとなった。従来の図５に示すフローを想定した硝酸根のない系（□印）では、生汚泥と余剰汚泥を混合した瞬間からりんの吐き出しが生じた。一方、硝酸根のある系（△印）では、硝酸根の存在により、最初はりんの吐き出しは起こらなかったが、脱窒反応が終了してからりんの吐き出しが生じた。なお、図３中、□印は硝酸根のない系でのＰＯ４−Ｐ濃度を示す。また、△印は硝酸根のある系でのＰＯ４ −Ｐ濃度を示し、◆印はＮＯｘ −Ｎ濃度を示す。
【００２８】
このことから、図２における脱窒プロセスにおけるＯＲＰを−１０ｍｖ程度，硝酸性窒素濃度を５〜１０mg／リットルで制御して汚泥からのりんの吐き出しを阻止すれば脱水ろ液からのりん回収率の増加が見込める。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明の汚泥処理系返流水の処理方法は、汚泥処理系から発生する返流水のりんおよび、窒素を水処理系のＢＯＤ源を使わずに除去でき、かつ硝酸性窒素の残留により浮上槽でのりんの吐き出しを抑制でき、水処理系の処理の安定と水質向上をもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の汚泥処理系返流水の処理方法の第１の例を示すフロー図である。
【図２】本発明の汚泥処理系返流水の処理方法の第２の例を示すフロー図である。
【図３】りんの吐き出しと脱窒速度との関係を示すグラフである。
【図４】従来の処理方法の第１の例を示すフロー図である。
【図５】従来の処理方法の第２の例を示すフロー図である。
【符号の説明】
１ 最初沈殿池
２ 生汚泥
３ 最終沈殿池
４ 余剰汚泥
５ 加圧浮上槽
６ 濃縮汚泥
７ 脱窒槽
８ 返流硝化液
９ 消化汚泥
１０ 脱水機
１１ 脱水ろ液
１２ 返流脱窒液
１３ 再浮上槽
１４ 分離液
１５ スラッジ
１６ 再濃縮汚泥
１７ 消化タンク
１８ 造粒脱りん装置
１９ 造粒脱りん水
２０ 硝化槽
２１ 生物反応槽
２２ 分離液
２３ 重力濃縮槽
２４ 濃縮生汚泥
２５ 濃縮生汚泥
２６ 分離液
２７ 常圧浮上槽
【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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