(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニア性窒素を含有する原水を、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する脱窒微生物の作用により亜硝酸性窒素の存在下に脱窒する第１の脱窒工程と、
第１脱窒工程の流出液を、有機物又は無機物を電子供与体とし、亜硝酸性窒素又は硝酸性窒素を電子受容体とする脱窒微生物の作用により有機物又は無機物の存在下に脱窒する第２の脱窒工程とを有する生物脱窒処理方法であって、
第１の脱窒工程及び第２の脱窒工程に使用する脱窒槽は、共にガスリフト型反応槽又はＵＳＢ型反応槽であり、
第２の脱窒工程の流出液を固液分離し、分離水を排出すると共に、分離汚泥を第１の脱窒工程へ返送することを特徴とする生物脱窒処理方法。
【請求項２】
アンモニア性窒素を含有する原水を受け入れ、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する脱窒微生物の作用により亜硝酸性窒素の存在下に脱窒する第１の脱窒槽と、
第１の脱窒槽の流出液を受け入れ、有機物又は無機物を電子供与体とし、亜硝酸性窒素又は硝酸性窒素を電子受容体とする脱窒微生物の作用により有機物又は無機物の存在下に脱窒する第２の脱窒槽と、
第２の脱窒槽の流出液を分離水と分離汚泥とに固液分離する手段と、
前記分離水を排出する手段と、
前記分離汚泥を第１の脱窒槽へ返送する汚泥返送手段とを備える生物脱窒処理装置であって、
前記第１の脱窒槽及び第２の脱窒槽は、共にガスリフト型反応槽又はＵＳＢ型反応槽であることを特徴とする生物脱窒処理装置。
【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含有する原水を、アンモニアを電子供与体とし、亜硝酸イオンを電子受容体とする脱窒微生物を含む汚泥を保持する脱窒槽内において亜硝酸性窒素の存在下に生物脱窒する工程を有する生物脱窒処理方法及び装置に関する。
【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、湖沼及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、排水中のアンモニア性窒素は、アンモニア性窒素をアンモニア酸化細菌により亜硝酸性窒素に酸化し、更にこの亜硝酸性窒素を亜硝酸酸化細菌により硝酸性窒素に酸化する硝化工程と、これらの亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素を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て窒素ガスにまで分解する脱窒工程との２段階の生物反応を経て窒素ガスにまで分解される。
【０００３】
しかし、このような従来の硝化脱窒法では、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ため、ランニングコストが高いという欠点がある。
【０００４】
これに対して、近年、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する独立栄養性微生物（自己栄養細菌）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方法が提案された。この方法であれば、有機物の添加は不要であるため、従属栄養性の脱窒菌を利用する方法と比べて、コストを低減することができる。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。更に、従来の硝化脱窒法で観察されるＮ２Ｏの発生がなく、環境に対する負荷を低減できるといった特長もある。
【０００５】
この独立栄養性脱窒微生物（ＡＮＡＭＭＯＸ微生物）を利用する生物脱窒プロセスは、Strous,  M,  et  al.,  Appl.  Microbiol.  Biotechnol.,  50,  p.589-596  (1998)  に報告されており、以下のような反応でアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素が反応して窒素ガスに分解されると考えられている。
【０００６】
【化１】
0004867098.tif 000002
【０００７】
図２は独立栄養性脱窒微生物を用いた脱窒方法を示す系統図である。アンモニア性窒素（ＮＨ４−Ｎ）及び亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）を含む原水は、独立栄養性微生物の汚泥を保持した脱窒槽（第１の脱窒槽）１に導入され、ここにおいてＮＨ４−ＮがＮ２ガスに還元されて除去される。この脱窒槽１から流出した液は、固液分離器３により固液分離され、分離水は処理水として取り出され、分離汚泥は脱窒槽１に返送される。なお、余剰の汚泥は排出される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記図２の生物脱窒処理方法においては、ＮＯ２−Ｎを電子受容体として用いて原水中のＮＨ４−Ｎを酸化している。しかしながら、約１２％のＮはこの反応によってＮＯ３−Ｎにまで酸化される。このＮＯ３−Ｎにまで酸化された窒素は、独立栄養性脱窒微生物による脱窒工程では除去されないことになる。
【０００９】
本発明は、ＮＯ３−Ｎにまで酸化された窒素成分も除去される、窒素除去率の高い生物脱窒処理方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１）の生物脱窒処理方法は、アンモニア性窒素を含有する原水を、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する脱窒微生物の作用により亜硝酸性窒素の存在下に脱窒する第１の脱窒工程と、第１脱窒工程の流出液を、有機物又は無機物を電子供与体とし、亜硝酸性窒素又は硝酸性窒素を電子受容体とする脱窒微生物の作用により有機物又は無機物の存在下に脱窒する第２の脱窒工程とを有する生物脱窒処理方法であって、第１の脱窒工程及び第２の脱窒工程に使用する脱窒槽は、共にガスリフト型反応槽又はＵＳＢ型反応槽であり、第２の脱窒工程の流出液を固液分離し、分離水を排出すると共に、分離汚泥を第１の脱窒工程へ返送することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明（請求項２）の生物脱窒処理装置は、アンモニア性窒素を含有する原水を受け入れ、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する脱窒微生物の作用により亜硝酸性窒素の存在下に脱窒する第１の脱窒槽と、第１の脱窒槽の流出液を受け入れ、有機物又は無機物を電子供与体とし、亜硝酸性窒素又は硝酸性窒素を電子受容体とする脱窒微生物の作用により有機物又は無機物の存在下に脱窒する第２の脱窒槽と、第２の脱窒槽の流出液を分離水と分離汚泥とに固液分離する手段と、前記分離水を排出する手段と、前記分離汚泥を第１の脱窒槽へ返送する汚泥返送手段とを備える生物脱窒処理装置であって、前記第１の脱窒槽及び第２の脱窒槽は、共にガスリフト型反応槽又はＵＳＢ型反応槽であることを特徴とするものである。
【００１２】
かかる本発明の（請求項１〜２）生物脱窒処理方法及び装置にあっては、アンモニア性窒素を含む原水は、まず第１の脱窒工程又は第１の脱窒槽において、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する独立栄養性脱窒微生物の作用を受ける。これにより、アンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素はＮ２ガスに酸化されて除去されるが、一部（例えば約１２％）の窒素はＮＯ３−Ｎに酸化される。このＮＯ３−Ｎは、第１の脱窒工程又は第１の脱窒槽では除去されず、そこから流出して第２の脱窒工程又は第２の脱窒槽に流入する。また、ＮＯ２−Ｎの一部も第１の脱窒工程又は第１の脱窒槽から流出して第２の脱窒工程又は第２の脱窒槽に流入する。この第２の脱窒工程又は第２の脱窒槽においては、有機物又は無機物（例えば硫化水素及び／又は水素）を電子供与体とし、ＮＯ２−ＮやＮＯ３−Ｎを従属栄養性脱窒微生物の作用により窒素ガスに還元して除去する。この結果、きわめて脱窒効率の高い排水処理を行うことができる。
【００１３】
請求項１〜２においては、この第２脱窒工程又は第２脱窒槽からの流出液は固液分離され、分離水は処理水として排出される。請求項１〜２の場合、この分離汚泥の少なくとも一部は第１の脱窒工程又は第１の脱窒槽に返送され、再度脱窒処理に利用される。
【００１４】
なお、この固液分離に際しては、汚泥として独立栄養性脱窒微生物による第１脱窒工程又は第１脱窒槽からの汚泥と、従属栄養性脱窒微生物による第２脱窒工程又は第２脱窒槽からの汚泥とが混ざった液を固液分離するが、第２脱窒工程又は第２脱窒槽からの汚泥は固液分離し易い性状のものであるため、第１脱窒工程又は第１脱窒槽からの汚泥のみを含む液を固液分離する場合よりも固液分離が容易である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は請求項１〜２の実施の形態を示す系統図である。
【００１６】
アンモニア性窒素（ＮＨ４−Ｎ）及び亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）を含む原水は、独立栄養性微生物の汚泥を保持した脱窒槽（第１の脱窒槽）１に導入され、ここにおいてＮＨ４−Ｎの多くがＮ２ガスに還元されて除去される。この脱窒槽１から流出した液は、第２の脱窒槽２に導入される。この第２の脱窒槽２内には、電子供与体としての有機物又は無機物が添加手段４により添加され、亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素が従属栄養性微生物の脱窒作用により窒素ガスに還元され、除去される。この第２の脱窒槽から流出した液は、固液分離器３により固液分離され、分離水は処理水として取り出され、分離汚泥は脱窒槽１に返送される。なお、余剰の汚泥は排出される。
【００１７】
第２の脱窒槽２に対し添加手段４から無機物の電子供与体として硫化水素及び／又は水素を添加できる。この硫化水素及び／又は水素として有機物の嫌気性生物処理プロセスから排出されるバイオガスを用い得る。
【００１８】
この第１の脱窒槽１としてはＵＳＢ方式又はガスリフト方式の槽を採用する。
【００１９】
ＵＳＢ（Upflow  Sludge  Bed；上向流汚泥床）方式では、原水を反応槽の下部より上向流で流入させ、汚泥をブロック化又は粒状化させて粒径０．２５〜数ｍｍのグラニュール汚泥の汚泥層（スラッジブランケット）を形成させ、反応槽中に高濃度の微生物を保持して、高負荷処理を行うことができる。
【００２０】
ガスリフト型とは、エアリフト型のことであるが、エアではなく非酸化性ガスを吹き込むので、ガスリフト型と称す。
【００２１】
図３（ａ），（ｂ）は本発明の実施に好適なＵＳＢ方式及びガスリフト式の脱窒槽の実施例を示す模式的な断面図である。図３（ａ）の脱窒槽１０は、内部にＡＮＡＭＭＯＸ微生物の汚泥床を形成してＵＳＢ方式にて脱窒を行うものであり、円筒状の反応槽１１の下部に原水が導入される。反応槽１１内の上部には固液分離器１２が設けられ、固液分離された処理水が上部の処理水流出部１３から流出する。また、処理水の一部を原水供給側に循環する循環配管１５が設けられている。
【００２２】
図３（ｂ）のガスリフト型の脱窒槽にあっては、反応槽１１内に同軸的に内筒１６が設置され、該内筒１６の下部に窒素ガスを散気する散気管１７が設けられている。窒素ガスを散気すると、エアリフトと同等の機能が発揮され、液は内筒１６内を上昇し、内筒１６の外側を下降する循環流を形成する。なお、分離器１２は気液固の分離機能を発揮する。
【００２３】
本発明の生物脱窒方法において、処理対象となる原水は、アンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素を含む水であり、有機物及び有機性窒素を含むものであってもよいが、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く、また、溶存酸素濃度が高い場合には、必要に応じて溶存酸素を除去しておくことが好ましい。原水は無機物を含んでいてもよい。また、原水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。例えば、アンモニア性窒素を含む排水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原水とすることができる。更には、アンモニア性窒素を含む排水の一部をアンモニア酸化微生物の存在下に好気性処理を行い、アンモニア性窒素を亜硝酸に酸化し、アンモニア性窒素を含む排水の残部と混合したものを原水としても良い。
【００２４】
一般的には、下水、し尿、嫌気性消化脱離液等のアンモニア性窒素、有機性窒素及び有機物を含む排水が処理対象となる場合が多いが、この場合、これらを好気性又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或いは、一部についての亜硝酸化を行った液を原水とすることが好ましい。
【００２５】
原水の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、特に１〜１．５とするのが好ましい。原水中のアンモニア性窒素及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。
【００２６】
原水の生物脱窒条件としては、例えば反応槽内液の温度が１０〜４０℃、特に２０〜３５℃、ｐＨが５〜９、特に６〜８、溶存酸素濃度が０〜２．５ｍｇ／Ｌ、特に０〜０．２ｍｇ／Ｌ、ＢＯＤ濃度が０〜５０ｍｇ／Ｌ、特に０〜２０ｍｇ／Ｌ、窒素負荷が０．１〜１０ｋｇ−Ｎ／ｍ３・ｄａｙ、特に１〜５ｋｇ−Ｎ／ｍ３・ｄａｙの範囲とするのが好ましい。
【００２７】
グラニュール汚泥を形成する場合、微生物だけではグラニュール形成に期間を要するので、核となる物質を添加し、その核の周りにＡＮＡＭＭＯＸ微生物の生物膜を形成させることが望ましい。この場合、核として、例えば微生物グラニュールや非生物的な担体を挙げることができる。
【００２８】
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等の嫌気性微生物や従属栄養性脱窒菌グラニュール等を挙げることができる。メタン菌グラニュールは、ＵＡＳＢ（Upflow  Anaerobic  Sludge  Blanket；上向流嫌気性汚泥床）法もしくはＥＧＳＢ（Expanded  Granule  Sludge  Bed；展開粒状汚泥床）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。また、従属栄養性脱窒グラニュールは、ＵＳＢ方式の通常の脱窒槽で利用されるものを適用できる。これらのグラニュールはそのままの状態で、又はその破砕物として用いることができる。独立栄養性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、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よりも経済的である。
【００２９】
核として用いられる非生物的な材料としては、例えば、活性炭、ゼオライト、ケイ砂、ケイソウ土、焼成セラミック、イオン交換樹脂等、好ましくは活性炭、ゼオライト等よりなる、粒径５０〜２００μｍ、好ましくは５０〜１００μｍで、平均比重１．０１〜２．５、好ましくは１．１〜２．０の担体を挙げることができる。
【００３０】
このようにして形成されるＡＮＡＭＭＯＸ微生物のグラニュール汚泥は、平均粒径が０．２５〜３ｍｍ、好ましくは０．２５〜２ｍｍ、より好ましくは０．２５〜１．５ｍｍ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。
【００３１】
本発明の生物脱窒方法は、前記の通り、嫌気性処理で見られるようなＵＡＳＢ方式又はＥＧＳＢ方式で反応槽内のＡＮＡＭＭＯＸ微生物のグラニュール汚泥を原水の上向流で展開させてグラニュール汚泥床を形成して行うのが、原水とグラニュール汚泥との接触効率を高くすることができ、好ましい。なお、処理水の一部は循環水として、反応槽の原水導入側へ戻す。
【００３２】
この場合、ＵＳＢ方式であれば循環水量は原水量の０．５〜１０倍とし、反応槽内の上向流速（原水と循環水との合計の流速）を０．５〜２ｍ／ｈｒとするのが好ましい。また、ＥＧＳＢ方式であれば循環水量は原水量の０．５〜２０倍とし、反応槽内の上向流速（原水と循環水の合計の流速）を２〜１５ｍ／ｈｒとしてグラニュール汚泥床を展開させて通液する。
【００３３】
【実施例】
以下、実施例及び比較例について説明する。
【００３４】
実施例１（第２脱窒槽の電子供与体：メタノール）
容量２Ｌの反応器内を１．５Ｌの第１の部分と０．５Ｌの第２の部分とに仕切り壁によって区画し、第１の部分を第１の脱窒槽とし、第２の部分を第２の脱窒槽とした。ＮＨ４−Ｎを約３００〜４００ｍｇ／Ｌ含有する嫌気性消化液の上澄水に約４００〜５００ｍｇ／Ｌの割合でＮＯ２−Ｎを加えて原水とした。
【００３５】
第１脱窒槽内に、脱窒汚泥から馴養した、汚泥濃度１０，０００ｍｇ／ＬのＡＮＡＭＭＯＸ微生物の汚泥を約１００ｍＬ導入した。
【００３６】
この原水を０．２Ｌ／Ｈｒの割合で第１の脱窒槽に供給し、その流出液を第２の脱窒槽に導入した。第２の脱窒槽には電子供与体としてメタノールを４５〜５０ｍｇ／Ｈｒの割合で添加した。
【００３７】
第２脱窒槽の３０分ＳＶＩは１００とした。
【００３８】
第２脱窒槽の流出液を沈殿槽で固液分離し、分離水を処理水として取り出した。分離汚泥のうちの所定量を第１脱窒槽内のＭＬＶＳＳが２５００ｍｇ／Ｌとなるように第１脱窒槽に返送した。
【００３９】
第１脱窒槽及び第２脱窒槽流出液の水質分析結果を表１に示す。
【００４０】
実施例２（第２脱窒槽の電子供与体：下水処理水）
第２脱窒槽の電子供与体として、メタノールの代わりに下水処理水を添加した他は実施例１とほぼ同様にして原水を処理した。結果を表１に示す。
【００４１】
実施例３（第２脱窒槽の電子供与体：硫化水素）
第２脱窒槽の電子供与体として、メタノールの代わりに硫化水素を４０〜５０ｍｇ／Ｈｒの割合で添加した他は実施例１とほぼ同様にして原水を処理した。結果を表１に示す。
【００４２】
比較例１
反応器内の仕切りを除去し、２Ｌの反応器を単一の処理槽として用い、図２に示す従来法に従って同一の原水を処理した。この反応器内では、実施例１〜３の第１の脱窒槽内と同一の処理が行われることになる。処理結果は表１に示す通りであった。
【００４３】
【表１】
0004867098.tif 000003
【００４４】
表１から明らかな通り、本発明例の最終処理水（第２脱窒槽流出液）のＮＯ２−Ｎ及びＮＯ３−Ｎ濃度は比較例に比べて著しく低い。また、本発明例によると、最終処理水（第２脱窒槽流出液）のＮＨ３−Ｎ濃度も比較例１に比べて低下する。これは、第２脱窒槽においてアンモニアが微生物によって酸化されるためであると考えられる。
【００４５】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によると、アンモニア性窒素を含む原水を高効率にて脱窒処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の生物脱窒方法の実施の形態を示す系統図である。
【図２】  従来例の説明図である。
【図３】  本発明の実施に好適な脱窒槽を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１  第１の脱窒槽
２  第２の脱窒槽
３  固液分離器
１１  反応槽
１２  固液分離装置
１６  内筒
１７  散気管
【図１】
0004867098.tif 000004
【図２】
0004867098.tif 000005
【図３】
0004867098.tif 000006