(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアおよび亜硝酸性窒素を含有する排液を脱窒槽の下部から脱窒槽内へ供給する排液の供給工程と、
脱窒槽内においてアンモニアを電子供与体とし、かつ亜硝酸を電子受容体として脱窒反応を行う独立栄養性脱窒微生物のグラニュールと前記排液を接触させて生物学的に脱窒処理する生物学的処理工程と、
処理液を脱窒槽の上部から排出する排出工程とを有する脱窒方法であって、
供給工程前にメタン菌グラニュールの核を充填率３０〜５０％（容積）で脱窒槽内に充填する核充填工程と、
核が充填された脱窒槽内へ独立栄養性脱窒微生物を含有する液を供給し、酸素、有機物を供給しないで嫌気状態に維持して核の表面に独立栄養性脱窒微生物を増殖させ、独立栄養性脱窒微生物のグラニュールを形成するグラニュール形成工程と
を有する脱窒方法。
【請求項２】
処理液の少なくとも一部を、脱窒槽の下部から脱窒槽内へ供給する循環工程を有する請求項１記載の脱窒方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア性窒素を電子供与体とし、かつ亜硝酸性窒素を電子受容体として反応させて窒素ガスを生成させる独立栄養性脱窒微生物を利用した脱窒方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排液中に含まれるアンモニア性窒素は河川、湖沼および海洋などにおける富栄養化の原因物質の一つであり、排液処理工程で効率的に除去する必要がある。一般に、排液中のアンモニア性窒素は硝化工程と脱窒工程の２段階の生物反応によって窒素ガスにまで分解される。具体的には、硝化工程でアンモニア性窒素がアンモニア酸化細菌によって亜硝酸性窒素に酸化され、この亜硝酸性窒素が亜硝酸酸化細菌によって硝酸性窒素に酸化される。次に脱窒工程でこれらの亜硝酸性窒素および硝酸性窒素が従属栄養性細菌である脱窒菌により、有機物を電子供与体として利用しながら窒素ガスにまで分解される。例えば、特開平７−２９００８号や特開平１０−６６９９４号にその具体的方法が開示されている。
【０００３】
このような従属栄養性の脱窒菌を利用する従来の生物学的窒素除去では、脱窒工程において電子供与体としてメタノールなどの有機物を多量に必要とし、また硝化工程では多量の酸素が必要である。このため、従来の生物学的窒素除去はランニングコストが高い。
【０００４】
ところで近年、独立栄養性の脱窒微生物群を利用した新しい脱窒方法が知られている（Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ  １４２（１９９６），ｐ２１８７−２１９６）。この方法では、アンモニア性窒素を電子供与体、亜硝酸性窒素を電子受容体とする独立栄養性微生物を利用し、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを反応させて脱窒する。この方法は有機物の添加は不要であるため、従属栄養性微生物の場合と比べてコストを低減できる。また独立栄養性の微生物は収率が低く、汚泥の発生量が従属栄養性微生物と比較すると著しく少ないので、余剰汚泥の発生量を抑えることができる。さらに、従来の硝化脱窒で観察されるＮ2Ｏの発生がなく、環境に対する負荷を低減できる。
【０００５】
しかし独立栄養性の微生物を用いて排液を処理するには、さまざまな問題点がある。例えば、独立栄養性の脱窒微生物は収率が低い分、増殖速度も低い。したがって長期にわたる処理においては、この微生物を処理槽内に保持する工夫が必要である。またこの微生物を用いた場合、高濃度の汚泥を集積するには長時間を必要とする。さらにこの微生物は酸素に対する感受性が高く、低濃度の酸素でも阻害を受けて脱窒活性が低下する。また高濃度の亜硝酸によっても同様に阻害を受ける。
【０００６】
そこで微生物の槽内滞留時間を長くするため、微生物を担体に担持させる等、微生物を生物膜として生育させることが試みられている。例えばＷａｔｅｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ（ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．８，ｐ１９５５−９６２，１９９７）には、焼結グラスビーズを担体とした流動床反応装置であって、亜硝酸濃度を下げるために反応器上部の嫌気水を循環する技術が開示されている。しかし、上記担体は直径が３〜５ｍｍの焼結グラスビーズであるため、次のような問題点がある。
１）リアクター容積あたりの汚泥保持量が少ない。これは付着する汚泥量は担体の表面積に比例するためである。容積当たりの汚泥保持量をさらに高くするためには、担体の径はより小さい方が好ましい。
２）肥大化した生物膜が剥離した場合、剥離した微生物が反応器外に排出されるため、反応器内の汚泥量は担体の表面積に付着しうる汚泥量より増えることはない。
３）肥大化した生物膜が剥離しない場合、微生物が付着した担体が浮上・流出することがある。大量に流出した場合、槽内に保持される生物量が減少するために、脱窒処理に支障をきたす。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、独立栄養性脱窒微生物を利用して排液中の窒素を効率的に除去することができる脱窒方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の脱窒方法である。
（１）  アンモニアおよび亜硝酸性窒素を含有する排液を脱窒槽の下部から脱窒槽内へ供給する排液の供給工程と、
脱窒槽内においてアンモニアを電子供与体とし、かつ亜硝酸を電子受容体として脱窒反応を行う独立栄養性脱窒微生物のグラニュールと前記排液を接触させて生物学的に脱窒処理する生物学的処理工程と、
処理液を脱窒槽の上部から排出する排出工程とを有する脱窒方法であって、
供給工程前にメタン菌グラニュールの核を充填率３０〜５０％（容積）で脱窒槽内に充填する核充填工程と、
核が充填された脱窒槽内へ独立栄養性脱窒微生物を含有する液を供給し、酸素、有機物を供給しないで嫌気状態に維持して核の表面に独立栄養性脱窒微生物を増殖させ、独立栄養性脱窒微生物のグラニュールを形成するグラニュール形成工程と
を有する脱窒方法。
（２）  処理液の少なくとも一部を、脱窒槽の下部から脱窒槽内へ供給する循環工程を有する上記（１）記載の脱窒方法。
【０００９】
本発明の脱窒方法では、排液の供給工程において、アンモニアおよび亜硝酸性窒素を含有する排液を脱窒槽の下部から脱窒槽内へ供給する。そして生物学的処理工程において脱窒槽内で排液を生物学的に脱窒処理する。さらに、排出工程において処理液を脱窒槽の上部から排出する。脱窒槽内では、アンモニアを電子供与体とし、かつ亜硝酸を電子受容体として脱窒反応を行う独立栄養性脱窒微生物のグラニュールが保持されており、生物学的処理工程としてアンモニア性窒素および亜硝酸性窒素を含む排液を嫌気状態で独立栄養性脱窒微生物のグラニュールと接触させて脱窒処理が行われる。脱窒処理においては、溶存酸素、有機物等の阻害物質は実質的に存在しない系で処理を行うのが好ましい。
【００１０】
本発明の脱窒装置には、脱窒槽と、アンモニアおよび亜硝酸性窒素を含有する排液を脱窒槽の下部へと供給する供給路と、脱窒槽の上部から処理液を排出する処理液排出路を設けることができる。このとき、脱窒槽内にはアンモニアを電子供与体とし、かつ亜硝酸を電子受容体として脱窒反応を行う独立栄養性脱窒微生物のグラニュールが充填される。脱窒槽は従来公知のものを使用できる。また脱窒槽の下部に散水口を設け、供給路がこの散水口に連絡するようにもできる。処理液排出路には、脱窒微生物のグラニュールと処理水と発生ガスとを分離する分離装置を設けてもよい。さらに、本発明の脱窒装置においては、排出した処理液の少なくとも一部を脱窒槽の下部へと循環させる循環路を有することが好ましい。
【００１１】
本発明において処理の対象となる被処理液である排液はアンモニア性窒素および亜硝酸性窒素を含む液である。排液は、有機物および有機性窒素を含んでいてもよいが、これらは脱窒処理前に予めアンモニア性窒素になる程度まで分解しておくことが好ましい。排液は無機物を含んでいてもよい。また排液はアンモニア性窒素を含む液と亜硝酸性窒素を含む液を混合したものであってもよい。具体的には、アンモニア性窒素を含む液をアンモニア酸化微生物の存在下に好気性処理を行い、アンモニア性窒素の一部、好ましくはその１／２を亜硝酸に部分酸化したものを排液として脱窒処理に供することができる。
【００１２】
一般的には、排液として下水、し尿、嫌気性消化脱離液等のアンモニア性窒素、有機性窒素および有機物を含む排液が処理対象となる場合が多い。この場合、これらを好気性または嫌気性処理して有機物を分解し、有機性窒素をアンモニア性窒素に分解し、さらに部分亜硝酸化を行った液を本発明の脱窒処理に供することが好ましい。具体的には、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素の割合はモル比でアンモニア性窒素１に対して亜硝酸性窒素０．５〜２、好ましくは１〜１．５とするのが好ましい。排液中のアンモニア性窒素および亜硝酸性窒素の濃度はそれぞれ５〜１０００ｍｇ／Ｌ、５〜２００ｍｇ／Ｌであることが好ましいが、処理水を循環して希釈すればこの限りではない。
【００１３】
本発明で脱窒に用いる微生物は、アンモニア性窒素を電子供与体とし、亜硝酸性窒素を電子受容体として反応させて窒素ガスを生成させる独立栄養性の脱窒微生物である。このような微生物は、汚泥中にアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を含み、有機物および酸素を含まない排液を供給して嫌気状態に維持することにより、自然発生的に増殖させることができる。このような系では有機物を分解する有機物分解菌や、亜硝酸を硝酸化する硝酸生成菌、あるいは硝酸と有機物を反応させて脱窒する従属栄養性の脱窒菌は増殖せず、上記の独立栄養性の脱窒微生物が優勢となる。
【００１４】
本発明においては、独立栄養性の脱窒微生物はグラニュール状で使用される。ここでグラニュールは、平均粒径が０．２５〜３ｍｍ、好ましくは０．２５〜２ｍｍ程度、平均比重が１．０１〜２．５、好ましくは１．１〜２．０であることが望ましい。グラニュールの粒度が小さいほど比表面積が大きくなるので、高い汚泥濃度を維持し、脱窒処理を効率よく行う点で好ましい。
【００１５】
グラニュールは、脱窒性微生物自身の密なフロックを形成する特性を用い、上記のような方法によって増殖させ、自己造粒させることにより得ることができる。ただし、微生物自身のみでグラニュールを形成するには比較的長期間を要するので、核を添加して得られる脱窒性微生物のグラニュールを使用する。具体的には、核となる物質を添加し、その核の周りに脱窒性微生物の生物膜を形成させることにより付着させたグラニュールなどである。核として、微生物グラニュールを用いる。
【００１６】
核として用いられる微生物グラニュールとしては、メタン菌グラニュールを用いる。メタン菌グラニュールは、ＵＡＳＢ（Ｕｐｆｌｏｗ Ａｎａｅｒｏｂｉｃ Ｓｌｕｄｇｅ Ｂｌａｎｋｅｔ；上向流嫌気性スラッジブランケット）法もしくはＥＧＳＢ（Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｇｒａｎｕｌａｒ Ｓｌｕｄｇｅ Ｂｅｄ；膨張粒状汚泥床）法でメタン発酵が行われているメタン発酵槽で使用されているものを適用できる。これらはグラニュールをそのままの状態、またはその破砕物を担体として適用できる。独立栄養性の脱窒微生物はこのような微生物グラニュールに付着しやすく、脱窒微生物のグラニュールの形成に要する時間が短縮される。また、核として非生物的な材料を用いる場合よりも経済的である。
【００１８】
このような核に脱窒微生物を担持させてグラニュールを形成するには、アンモニア性窒素および亜硝酸性窒素を含む液中で独立栄養性の脱窒微生物汚泥を増殖させる系、あるいはこれにより増殖した汚泥を用いて脱窒処理を行う系に核を投入して処理を行い、核の周りに脱窒微生物が付着してグラニュールを形成する方法があげられる。具体的には、核充填工程において核を脱窒槽内に充填する。そして、グラニュール形成工程において核が充填された脱窒槽内へ独立栄養性脱窒微生物を含有する液を供給し、核の表面に独立栄養性脱窒微生物を増殖させることができる。
【００１９】
本発明においては、槽内に微生物を高濃度に保持するために独立栄養性脱窒微生物のグラニュールを固定床として用いることもできるが、グラニュールとの接触頻度を高めるために、流動床として用いることが好ましい。脱窒槽のグラニュールの充填量は固定床状態に保つ場合で１０〜９０容量％、流動床状態を保つ場合は１０〜７５容量％程度とすることができる。グラニュールで流動床を形成するには排液を循環して上向流で通液することができる。この場合、循環工程として、排出工程の処理液の少なくとも一部を脱窒槽の下部から脱窒槽内へ供給して、排液と混合して上向流で通液させることができる。このように上向流で処理した処理液を、脱窒槽の下部から槽内へ供給させることによって処理液を循環させることにより、槽内へ流入する亜硝酸性窒素が希釈される。その結果、槽内の亜硝酸性窒素濃度を、脱窒処理や独立栄養性脱窒微生物の発育に阻害を与える濃度より低く保つことができる。また、上向流速を大きくすることができるため、排液とグラニュールとの接触頻度が高くなり、槽内のグラニュールに排液を均一に接触させる効果もある。
流動床の場合、排液と循環水の混合比は、混合後の亜硝酸性窒素濃度が１０〜３００ｍｇ−Ｎ／Ｌ、好ましくは１０〜１００ｍｇ−Ｎ／Ｌとなるように設定する。グラニュールの展開率は１〜３容量倍、好ましくは１．１〜２容量倍とすることができる。
【００２０】
上記のようにして脱窒処理を行うと、独立栄養性脱窒微生物に排液中のアンモニア性窒素および亜硝酸性窒素が吸収され、生物学的に反応して窒素ガスに転換され脱窒される。このとき独立栄養性脱窒微生物はグラニュールであるため、従来の浮遊型で微生物を保持する方法と比較して、槽内の汚泥の密度が局部的に大きくなる、すなわち、微生物が密集して存在する。微生物が密集することにより生物膜中に酸素濃度勾配が生じ、生物膜の内部ではアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素の共存および完全嫌気性という独立栄養性脱窒微生物に適した環境が保たれる。内部の嫌気性は、外部から酸素の混入があっても保たれる。その結果、グラニュールは活性の高い状態で保持され、汚泥量あたりの窒素除去能力は高く保たれる。
このように本発明の脱窒方法においては、酸素による阻害を防止できるので、従来の浮遊型や生物膜厚が小さい場合と比較して、窒素除去能力が低下することがなく、効率よく処理を行うことができる。
【００２１】
上記の反応により生成する処理水は担持汚泥と分離することにより取り出される。流動床の場合は上向流で通水するだけで容易に分離することができる。微生物は増殖速度が遅いので、通常は排出の必要はないが、大量に付着しすぎると、処理中に剥離して処理水とともに流出するので必要により後処理として固液分離を行うことも可能である。
上記の脱窒処理を行った処理液はそのまま排出することができるが、脱窒反応の過程で硝酸性窒素が生成する場合があるので、この場合には従来の従属栄養性脱窒微生物を利用する脱窒処理を行うことができる。
【００２２】
なお、上記の処理において脱窒微生物のグラニュールが肥大化した場合、それらを粉砕することが好ましい。粉砕後のグラニュールは、担体などの核などを添加する必要はなく、そのまま脱窒槽内へ戻すことができる。粉砕の手段としては、カッター付きポンプや撹拌機などの機械的手段や、超音波による手段を採用できる。また、槽内に浮上したグラニュールは連続的に回収して粉砕してもよく、あるいは処理系外に回収した後、まとめて粉砕する処理を断続的に行うことができる。粉砕されたグラニュールは脱窒槽内へと戻され、脱窒処理に供される。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の脱窒方法によれば、独立栄養性脱窒微生物はグラニュールとして脱窒槽内に保持された状態で脱窒処理が行われるため、効率的に排液中の窒素を除去することができる。すなわち微生物をグラニュール状にさせることにより、容積あたりの微生物濃度が高まり、リアクターの容積を小さくすることができる。また、グラニュールを用いて生物膜の厚さを厚くし、溶存酸素等の阻害性物質に対する耐性を高めることができる。その結果、汚泥量あたりの脱窒活性を高めることができる。また脱窒処理中において厳密な酸素除去も不要になる。
さらに、上向流で脱窒処理を行うと、排液とグラニュールとの接触頻度が高くなり、排液をグラニュールに均一に接触させることができるので、脱窒効率が高くなる。
また処理水を再度槽内へ循環させることにより、槽内の亜硝酸性窒素濃度を所定濃度以下に維持できる。したがって微生物による処理が阻害を受けにくい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面により説明する。
図１は実施形態の脱窒方法を示すフロー図である。図１において、１は脱窒装置、２は脱窒槽である。
【００２６】
脱窒装置１では、脱窒槽２の下部に、独立栄養性脱窒微生物含有液の供給路Ｌ1と排液供給路Ｌ2とが循環路Ｌ4を介して連絡している。脱窒槽２の上部から、処理液排出路Ｌ3が延びている。また、脱窒槽２の上部にはガスセパレーター３が設けられており、ガスセパレーター３からガス排出路Ｌ5が延びている。処理液排出路Ｌ3からは循環路Ｌ4が延びて、脱窒槽２の下部に連絡している。
【００２７】
脱窒装置１を用いた脱窒処理について述べる。まず、脱窒槽２内に破砕したメタン菌グラニュールを充填率３０〜５０％（容積）で充填する。その後、独立栄養性脱窒微生物含有液を供給路Ｌ1から、排液を排液供給路Ｌ2から脱窒槽２内へ供給する。処理液は脱窒槽２の上部から処理液排出路Ｌ3から系外へと排出する。また処理液の一部は、処理液排出路Ｌ3から延びる循環路Ｌ4を介して、脱窒槽２の下部から脱窒槽２内へと循環供給される。なお、処理液はガスセパレーター３の下部から引き抜いて、脱窒槽２の下部へ供給して循環させてもよい。
【００２８】
この脱窒方法においては、最初に脱窒槽２内に充填されていたメタン菌グラニュールが核となり、後に脱窒槽２内へ供給される独立栄養性脱窒微生物がその核の周りに付着してグラニュール４を形成する。
脱窒槽２では循環液路Ｌ4を通して液を循環し、上向流通液して脱窒微生物のグラニュール４の流動床を形成することにより、排液とグラニュール４の接触頻度を大きくして脱窒反応を効率よく行う。ここでは酸素、有機物を供給しないように嫌気状態に維持する。独立栄養性脱窒微生物の作用によりアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素が反応して窒素ガスが生成し、脱窒処理が行われる。
【００２９】
なお上記実施の形態においては排液を直接脱窒槽２へ供給しているが、亜硝酸性窒素を含まない排液の場合、排液を亜硝酸化した後脱窒処理することが好ましい。この場合、排液を亜硝酸化槽へ供給し、亜硝酸化槽内へ空気を供給して曝気し、槽内のアンモニア酸化菌の作用によりアンモニア性窒素を部分的に亜硝酸化する。そして、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素の割合が好ましい値の範囲内になるように処理し、脱窒処理へ供する。
【００３１】
処理液は、その後、後脱窒処理に供することもできる。例えば、メタノール等の基質と汚泥とを混合し、従属栄養性の脱窒菌の作用により脱窒槽２で生成する硝酸性窒素を窒素ガスに転換して後脱窒してもよい。後脱窒後、処理液は固液分離装置へと導入され固液分離処理されてもよい。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
実施例１
脱窒−硝化プロセスにより生物学的窒素除去を行っている工場排液処理場の汚泥を植種汚泥として用いた。嫌気性条件下でアンモニアと亜硝酸を含む無機培地中で回分培養により独立栄養性脱窒微生物が存在することを確認し、約１年半集積した汚泥を試験に供した。
【００３３】
独立栄養性脱窒微生物の核として、高濃度有機排液を処理していたメタン菌を家庭用ジューサーミキサーで破砕し、粒径０．２５〜１．２５ｍｍ、平均比重１．１のメタン菌グラニュールを用いた。
図１に示す脱窒装置を用いて脱窒処理を行った。脱窒槽は内径１００ｍｍ、容積６．４Ｌで上部にガスセパレーターを有する。
【００３４】
上記のようにして用意したメタン菌グラニュールを脱窒槽内に充填率２５％（容積）で充填した。排液および独立栄養性脱窒微生物の含有液を脱窒槽の下部から注入し、処理水は脱窒槽の上部から排出した。処理水の一部を引き抜いて排液と独立栄養性脱窒微生物の含有液と混合し、脱窒槽の下部から供給することによって、処理液を循環させた。排液の流入速度は１５０〜８５０ｍＬ／ｈとした。独立栄養性脱窒微生物含有液は１〜１００ｍｇＭＬＳＳ／Ｌの濃度で、５０〜５００ｍＬ／ｈの速度で添加した。循環流速は上向流速が０．５〜１．５ｍ／ｈとなるように調整した。
【００３５】
表１に示す培地を排液として脱窒槽へ注入する前に窒素曝気により溶存酸素を除去して０．０ｍｇ／Ｌ以下として、ｐＨは７．５に調整した。アンモニア窒素濃度、亜硝酸性窒素濃度は実験期間中５０〜３００ｍｇＮ／Ｌの範囲で変更した。アンモニアおよび亜硝酸の除去速度の経日変化を図２に示す。
【００３６】
【表１】
0004224951.tif 000002
【００３７】
図２の結果からわかるように、運転開始から約５０日間、亜硝酸は処理されたが、アンモニアは処理されず逆に増加した。これはメタン菌グラニュールによる従属栄養脱窒反応および菌体の自己消化反応であると考えられる。
運転開始後５０日を経過した後は、アンモニアと亜硝酸ともに除去され、除去速度は徐々に上昇した。メタン菌グラニュールの自己消化反応が終了し、独立栄養性脱窒微生物による脱窒反応が優先して起こったためと考えられる。
運転開始後１０８日目に独立栄養性脱窒微生物含有液の添加を止めた（図中、点線で示す）。しかし、その後もアンモニアと亜硝酸の除去速度は上昇した。これはメタン菌グラニュールの表面に付着した独立栄養性脱窒微生物が、その表面において増殖したためと考えられる。
【００３８】
比較例１
実施例１と同様にして脱窒処理を行った。ただし、核としてメタン菌グラニュールの代わりに粒径５０〜１００μｍで、かつ平均比重２．０の粒状活性炭を脱窒槽内へ充填し、排液を供給する前に、独立栄養性脱窒微生物を３０００ｍｇＭＬＳＳ／Ｌの濃度で含む含有液を１Ｌ注入した。ついで、排液の供給を行って脱窒処理を開始した。処理液は、脱窒槽上部に設けられたガスセパレーターの下部から引き抜いて、脱窒槽２内へ供給する排液と混合して循環させた。循環流速は上向流速が１．０〜３．０ｍ／ｈとなるように調整した。アンモニアおよび亜硝酸の除去量の経時変化を図３に示す。
【００３９】
図３の結果からわかるように、添加した独立栄養性脱窒微生物は、徐々に粒状活性炭に付着し、運転開始約３ヵ月後（図中、点線で示す）には、独立栄養性脱窒微生物のグラニュールの形成が観察できた。その後、安定して処理速度が上昇した。すなわち、粒状活性炭を核としてグラニュール化した独立栄養性脱窒微生物が増殖していることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の脱窒方法のフロー図である。
【図２】実施例１の結果を示すグラフである。
【図３】比較例１の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１  脱窒装置
２  脱窒槽
３  ガスセパレーター
４  グラニュール
【図１】
0004224951.tif 000003
【図２】
0004224951.tif 000004
【図３】
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