(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素含有排液を処理槽に導入して生物汚泥と混合する工程と、
槽内液を曝気して硝化および脱窒を同時に行う曝気工程と、
曝気を停止するとともに処理槽に基質を導入して嫌気状態で脱窒を行う嫌気工程と、
槽内液の一部を処理液として排出する工程と
を含むサイクルを繰返す回分式の硝化脱窒方法において、
サイクル終了時のＯＲＰ値またはサイクル中の最低ＯＲＰ値が設定値の下限値より低い場合は次のサイクルの基質添加量を減少させ、サイクル中の最低ＯＲＰ値が設定値の上限値より高い場合は基質添加量を増加させ、サイクル終了時の硝酸濃度が１０〜８０ｍｇ／ｌとなるように制御することを特徴とする硝化脱窒方法。
【請求項２】
請求項１において、排出された処理液を、生物汚泥を含んだまま貯留する方法。
【請求項３】
請求項１または２において、排出された処理液を、さらにＵＦ膜処理する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒素含有排液を導入し、生物汚泥（活性汚泥）の存在下に曝気工程および嫌気工程を交互に行って、生物学的に硝化脱窒を行うようにした回分式の硝化脱窒方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回分式の硝化脱窒方法では、単一の処理槽に被処理液（窒素含有排液）を導入し、曝気工程において曝気することにより硝化菌の作用によってアンモニア性窒素を硝酸性窒素に酸化し、嫌気工程において嫌気状態に維持することにより脱窒菌の作用によって、硝酸性窒素を窒素ガスに還元して生物学的に硝化脱窒を行っている。この方法は１個の処理槽で硝化と脱窒を行えるため、被処理液が間欠的に発生する系では有利である。
【０００３】
上記の方法では曝気工程において、ＤＯ（溶存酸素）を０．１ｍｇ／ｌ以下とし、通常の好気的な生物処理と比較して還元的な条件で曝気すると、硝化反応と脱窒反応が同時に進行し、硝化反応により生成した硝酸が脱窒反応で消費される反応が顕著に発生する。このため嫌気工程で脱窒すべき硝酸は曝気工程で消費されなかった硝酸だけとなり、嫌気工程で処理する量が少なくなる。これに応じて嫌気工程で添加する基質（例えばメタノール）の使用量も少なくなる。
【０００４】
上記の処理では被処理液中の窒素除去が主な目的であるため、曝気工程はアンモニア性窒素を可能な限り多く硝化するための条件で行われ、嫌気工程は生成した硝酸性窒素を可能な限り多く脱窒するための条件で行われる。可能な限り多くの硝酸性窒素を脱窒するためには、過剰量の基質を添加し、残留する基質は後曝気により除去することが広く行われている。
【０００５】
しかし過剰の基質の添加は処理コストを高くするので、これを解消するために、過不足なく基質を添加する試みがなされている。過不足なく基質を添加するためには、サイクル終了時点における硝酸濃度を０に近づけるように基質添加量を制御することによって可能になる。この場合、硝酸濃度はＯＲＰ（酸化還元電位）値と相関するため、サイクル終了時のＯＲＰ値を測定し、この値が０付近になるように次のサイクルの基質添加量を制御することにより、サイクル終了時の硝酸濃度を０付近に調整することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上記の硝化脱窒方法の処理液はそのまま放流することができず、通常さらに後処理が行われる。後処理として例えばＵＦ（限外濾過）膜処理を行う場合、中継槽、ＵＦ原水槽等に滞留するが、その際硝化脱窒処理液中に含まれる生物汚泥の内生呼吸によってＢＯＤ成分が溶出し、最終処理液の水質が低下する。
【０００７】
このＢＯＤ成分について検討を加えたところ、低分子で生物分解性が良好であり、脱窒の基質として利用できることがわかった。またし尿等の一般の窒素含有排液中にも、脱窒に利用できる生物分解性の良好な低分子のＢＯＤ成分が含まれている。従って嫌気工程終了時点において、これらの低分子のＢＯＤ成分によって脱窒できる程度の硝酸を残留させると、メタノール等の基質の添加量はさらに少なくすることができる。
【０００８】
内生呼吸によって生成する低分子のＢＯＤ成分の量は処理系によって異なるが、それにより脱窒できる硝酸の量として、例えば２０〜６０ｍｇ／ｌの硝酸を嫌気工程の終了時点で残留させると、内生呼吸によって生成するＢＯＤ成分が脱窒に使用されるため、最終処理液の水質が改善されるほか、嫌気工程で添加する基質の量も少なくなる。
【０００９】
一方、処理液を取出した後の槽内液中に残留する硝酸は、新しい被処理液と混合したときに脱窒され、これにより被処理液中の低分子のＢＯＤ成分の分解に使用される。従ってサイクル終了時点で上記程度の硝酸を残留させることにより、基質添加量の削減によりコスト低下のために有用である。
【００１０】
このようにサイクル終了時点における硝酸濃度を上記のように２０〜６０ｍｇ／ｌに制御できれば、処理コストを低下させることができるが、上記範囲に制御することは困難である。前述の通りＯＲＰ値は硝酸濃度に相関しているが、硝酸濃度１０ｍｇ／ｌ以上の場合のＯＲＰの変化は小さいので、サイクル終了時のＯＲＰ値を測定してこの値の変化時点、例えば硝酸濃度１０ｍｇ／ｌの時点を下限として、基質添加量を増加しても、その上限の基質添加量を制御することは困難である。
【００１１】
図３はサイクル終了時のＯＲＰ値と残留硝酸濃度の関係図であり、硝酸濃度１０ｍｇ／ｌ以下の領域ではＯＲＰ値の変化が大きいが、１０ｍｇ／ｌ以上の領域ではＯＲＰ値の変化は小さく、ＯＲＰ値の測定により硝酸濃度を１０ｍｇ／ｌ以上の特定範囲に制御することは困難であることがわかる。
【００１２】
本発明の目的は、上記問題点を解決するため、生物汚泥の内生呼吸により生成する低分子のＢＯＤ成分あるいは被処理液中に含まれる低分子のＢＯＤ成分を利用して脱窒を行うことができ、これにより脱窒に必要な基質の添加量を少なくして、処理コストを低下させることができる硝化脱窒方法を提案することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の硝化脱窒方法である。
（１）  窒素含有排液を処理槽に導入して生物汚泥と混合する工程と、
槽内液を曝気して硝化および脱窒を同時に行う曝気工程と、
曝気を停止するとともに処理槽に基質を導入して嫌気状態で脱窒を行う嫌気工程と、
槽内液の一部を処理液として排出する工程と
を含むサイクルを繰返す回分式の硝化脱窒方法において、
サイクル終了時のＯＲＰ値またはサイクル中の最低ＯＲＰ値が設定値の下限値より低い場合は次のサイクルの基質添加量を減少させ、サイクル中の最低ＯＲＰ値が設定値の上限値より高い場合は基質添加量を増加させ、サイクル終了時の硝酸濃度が１０〜８０ｍｇ／ｌとなるように制御することを特徴とする硝化脱窒方法。
（２）  上記（１）において、排出された処理液を、生物汚泥を含んだまま貯留する方法。
（３）  上記（１）または（２）において、排出された処理液を、さらにＵＦ膜処理する方法。
【００１４】
本発明において「硝酸」は「亜硝酸」および「塩」を含む意味に用いられる。本発明において処理の対象となる窒素含有排液は、窒素化合物を含有する排液であり、主として有機性窒素および／またはアンモニア性窒素化合物を含有する排液が一般的であるが、さらに硝酸性窒素を含有する排液も対象に含まれる。このような排液としては、し尿、下水、食品排水、肥料製造排水などがあげられる。
【００１５】
本発明においてこれらの排液を処理する処理槽は、被処理液を間欠的に導入して生物汚泥の存在下に曝気工程と嫌気工程を交互に行う回分式の処理槽である。生物汚泥は通常の回分式の硝化脱窒装置で用いられている生物汚泥であって、アンモニア性窒素を硝酸性窒素に酸化する硝化菌、および硝酸性窒素を窒素ガスに還元する脱窒細菌を含み、通常は下水処理汚泥等を種汚泥として馴養される。基質としてはメタノールが一般に用いられるが、脱窒菌の基質となるものであれば他のものでもよい。
【００１６】
処理槽は曝気工程において硝化と脱窒を同時に行う程度の曝気量で処理槽内を曝気するとともに、嫌気工程において曝気を停止して緩やかに攪拌するようにその曝気量を調整できるものを用いる。曝気工程と嫌気工程の切換はＤＯの検出により行うことができるが、予め定めた標準曝気時間に基づいてタイマーで切換えることもできる。
【００１７】
処理槽内にはＯＲＰ計を設けて混合液のＯＲＰ値を検出し、演算制御装置により各サイクル終了時のＯＲＰ値または各サイクル中の最低ＯＲＰ値を測定し、その値により基質添加量を増減するように構成する。
【００１８】
本発明の硝化脱窒方法は、まず処理槽に窒素含有排液を導入し生物汚泥と混合する。このような処理槽において曝気工程と嫌気工程を交互に行うと、典型的には曝気工程では被処理液中の有機物が有機物分解細菌の作用により分解され、有機性窒素はアンモニア性窒素に分解される。一方硝化菌の作用によりアンモニア性窒素は硝酸性窒素に酸化される。そして嫌気工程では曝気の停止により酸素が遮断された状態で、脱窒菌が硝酸中の酸素を利用して有機物を分解し、脱窒が行われる。
【００１９】
曝気工程において、ＤＯ値が０．１ｍｇ／ｌ以下の好気性条件であって、通常の好気的な生物処理と比較して還元的な雰囲気を維持するように曝気を行うと、硝化と脱窒が同時に進行し、硝化が行われるとともに発生した硝酸も消費される。このため曝気工程の終期において存在する硝酸の量が少なくなり、脱窒工程で必要となる基質の量も少なくなる。ただし、曝気量を抑えすぎると雰囲気が極端に還元的になり、脱窒処理の前提となる硝化の速度が低下するので、硝化が進行する程度の曝気条件を選択する。
【００２０】
上記のように曝気量を制御することにより、曝気工程における硝化と脱窒が同時に起こり、曝気により生成した硝酸が効率よく消費され、曝気工程終期に残留する硝酸の量は少なくなる。曝気工程の進行により硝化が進行すると、ＤＯ値が上昇する。
【００２１】
この段階で曝気装置の停止により曝気工程を終了して、嫌気工程に移り、基質を添加して脱窒を行う。曝気工程の終了は予め設定した標準時間によることもできるが、ＤＯ値が所定値以上に達したときに終了するのが好ましい。嫌気工程では曝気工程で生成した硝酸が還元されて脱窒が進行する。このとき基質として添加された有機物が消費される。この嫌気工程では残留する硝酸が少ないため、基質の使用量も少なくなる。
【００２２】
嫌気工程の終了により、処理液の一部を排出し、新たに被処理液を導入し、上記操作を繰返す。処理液は固液分離し、分離液は必要により後処理を行った後放流し、あるいは再利用する。分離汚泥は一部を返送汚泥として処理槽に返送し、残部を系外に排出する。固液分離としてＵＦ膜による分離が行われる。
【００２３】
本発明では上記のサイクル中ＯＲＰ計により槽内液のＯＲＰ値を検出し、各サイクル終了時すなわち嫌気工程終了時のＯＲＰ値、または各サイクル中の最低ＯＲＰ値が設定値の下限より低い場合は基質添加量を減少させ、サイクル中の最低ＯＲＰ値が設定値の上限より高い場合には基質添加量を増加させるように制御する。
【００２４】
サイクル終了時のＯＲＰ値と残留硝酸濃度との関係は図３に示す通りであり、サイクル終了時のＯＲＰ値の変化点はほぼ硝酸濃度（ＮＯx−Ｎとして）１０ｍｇ／ｌであるので、この点を下限値として基質添加量を制御すると、サイクル終了時の硝酸濃度を１０ｍｇ／ｌ以上に制御することができる。しかし硝酸濃度１０ｍｇ／ｌ以上の領域ではＯＲＰ値の変化が小さいため、サイクル終了時のＯＲＰ値により上限を設定するのは困難である。
【００２５】
図４はサイクル中の最低ＯＲＰ値とサイクル終了時の硝酸濃度（ＮＯx−Ｎとして）の関係図であり、サイクル終了時の硝酸濃度１０〜８０ｍｇ／ｌの領域において最低ＯＲＰ値が相当の傾斜で変化しており、この領域に下限および上限を設定して基質添加量が制御できることがわかる。下限値についてはサイクル終了時のＯＲＰ値の場合とは異なり、１０ｍｇ／ｌより高い場合でも設定可能である。上限値についても上記範囲の任意の値に設定することができる。
【００２６】
従って例えば硝酸濃度の下限値を２０ｍｇ／ｌと設定して、それに対応する最低ＯＲＰ値−１２０ｍＶより低くなった場合に基質添加量を減少させ、また硝酸濃度の上限値を６０ｍｇ／ｌと設定して、それに対応する最低ＯＲＰ値−５０ｍＶより高くなった場合に基質添加量を増加させれば終了時点の硝酸濃度を２０〜６０ｍｇ／ｌに制御することが可能である。
【００２７】
上記によりサイクル終了時点において残留する硝酸は、処理液として取出される場合は、後続する固液分離工程その他の後処理工程において滞留する際、例えばＵＦ膜処理における中継槽やＵＦ原水槽において滞留する際、生物汚泥の内生呼吸によって生成する低分子ＢＯＤ成分を基質として脱窒される。
【００２８】
また槽内液として残留する硝酸は、新しく投入される被処理液中の低分子ＢＯＤ成分を基質として脱窒される。従って新しい被処理液を導入した直後の槽内液は、低分子ＢＯＤ成分を基質として脱窒が進行するので、この間曝気を停止した状態を継続してもよいが、被処理液の導入とほぼ同時に曝気工程に移ってもよい。
【００２９】
上記のようにサイクル終了時に硝酸を残留させるように基質の添加量を制御することにより、内生呼吸により生成する低分子のＢＯＤ成分、および被処理液中に含まれる低分子のＢＯＤ成分が有効に利用されるので、基質添加量は少なくなり、処理コストが低くなる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は実施形態の硝化脱窒方法を示すブロック図である。
図１において、１は処理槽、２は中継槽、３はＵＦ原水槽、４はＵＦ膜装置、５は演算装置である。
【００３１】
処理槽１は内部に槽内液６を収容し、上部に被処理液路７、返送汚泥路８、アルカリ注入路９、基質導入路１０、および中部に処理液路１１が連絡している。また処理槽１の下部から上部に循環液路１２が連絡し、途中に設けられたインジェクタ１３により空気導入路１４から空気を導入して曝気を行うように構成されている。１５はＯＲＰ計、１６はＤＯ計で、それぞれ検出値を演算装置５に入力するようにされている。
【００３２】
中継槽２は処理液路１１から処理液を受けて貯留し、移送路１７によりＵＦ原水槽３に移送するように連絡している。ＵＦ膜装置４はＵＦ膜４ａにより濃縮液室４ｂと透過液室４ｃに分割され、濃縮液室４ｂは循環液路１８ａ、１８ｂによりＵＦ原水槽３の原水が循環し、透過液室４ｃから処理水路１９により最終処理水が取出されるようになっている。返送汚泥路８はＵＦ原水槽３から処理槽１に連絡する途中で余剰汚泥路２０を分岐している。
【００３３】
上記の装置による硝化脱窒方法は、まず処理槽１に被処理液路７からポンプＰ1により被処理液を導入するとともに、返送汚泥路８からポンプＰ2により返送汚泥を導入して、生物汚泥を含む槽内液６と混合する。そしてポンプＰ3により循環液路１２を通して槽内液６を循環して混合し、途中で弁Ｖ1を通して空気導入路１４から空気を導入し、インジェクタ１３で吸引して処理槽１内に循環することにより曝気を行う。
【００３４】
この間ＯＲＰ計１５およびＤＯ計１６によりそれぞれＯＲＰ値およびＤＯ値を測定して演算装置５に入力し、ＤＯ値が０．１ｍｇ／ｌ以下を維持するように弁Ｖ1の開度を調整し、曝気量を制御する。これにより処理槽１内では硝化と脱窒が同時に進行し、被処理液に含まれていたアンモニア性窒素（ＮＨ4−Ｎ）が硝化菌の作用により硝酸性窒素（ＮＯx−Ｎ）に硝化されるとともに、生成する硝酸は脱窒菌の作用により窒素ガス（Ｎ2）に還元されて脱窒される。
【００３５】
このような処理におけるアンモニア性窒素（ＮＨ4−Ｎ）、硝酸性窒素（ＮＯx−Ｎ）、ＯＲＰ、ＤＯの各値の変化のパターンは図２に示されている。アンモニア性窒素は曝気工程の進行とともに低下し、これと反比例的に硝酸濃度は高くなる。硝酸濃度が高くなり、別途設けたｐＨ計が低ｐＨを検出したときは、ポンプＰ4を駆動しアルカリ注入路９よりアルカリを注入して中和する。
【００３６】
アンモニア性窒素が０に近づくとＤＯ値が上昇するので、ＤＯ計１６によりその上限値を検出すると弁Ｖ1を閉じて曝気を停止し、ポンプＰ3による循環量を低下させて緩やかな攪拌に切換え、嫌気工程に移る。このときポンプＰ5を駆動して基質導入路１０からメタノール等の基質を導入し、脱窒を行う。
【００３７】
脱窒の進行により硝酸濃度が低下すると、ＯＲＰ値も低下して０に近づくので、ポンプＰ6を駆動して槽内液の一部を処理液として処理液路１１から中継槽２に引抜き、その引抜終了時点で１サイクルを終了する。この引抜終了後ポンプＰ1を駆動して被処理液を処理槽１に導入し、以下同様の操作を繰返して次のサイクルの処理が行われる。
【００３８】
上記各サイクルにおいて、ＯＲＰ値はサイクル終了時点のＯＲＰ値Ａから、次のサイクル開始後さらに低下して最低ＯＲＰ値Ｂに達したのち上昇に転じる。これは被処理液中の低分子ＢＯＤが消費されて脱窒が行われるためである。この間曝気は停止したままでもよいが、図２のように曝気を行っても消化と脱窒は進行する。
【００３９】
上記の処理におけるサイクル終了時のＯＲＰ値Ａまたはサイクル中の最低ＯＲＰ値Ｂと硝酸濃度（ＮＯx−Ｎ）との関係は図３および図４に示す通りであり、上記の処理では、これらの値が設定範囲を維持するように演算装置５により基質添加量の制御を行う。
【００４０】
すなわちサイクル終了時のＯＲＰ値Ａまたはサイクル中の最低ＯＲＰ値Ｂが下限値に達したとき、制御装置５は基質の過剰添加と判定して次回の基質の添加量を制限するようにポンプＰ5を制御する。またサイクル中の最低ＯＲＰ値Ｂが上限値に達したときは基質添加量の不足と判定し、基質の添加量を増加するように制御する。
【００４１】
これにより処理液中の硝酸濃度は例えば１０〜６０ｍｇ／ｌの設定値に維持される。
上記の処理は１サイクルを例えば３時間とし、曝気工程が約２時間、嫌気工程が約１時間、処理液の引抜と被処理液の導入がそれぞれ約１０分間程度とされる。そして槽内液の全量をＱとすると、被処理液の導入量は約Ｑ／（８〜１０）、処理液の引抜量はＱ／（３〜４）、返送汚泥量はＱ／（４〜５）程度とされる。
【００４２】
中継槽２に取出された処理液はここで一時的に貯留したのち、ポンプＰ7によりＵＦ原水槽３に移送し、ここで固液分離するとともにＵＦ膜処理に供される。すなわちＵＦ原水槽３で貯留中の脱窒処理液をポンプＰ8を駆動して加圧することにより、循環液路１８ａからＵＦ膜装置４の濃縮液室４ｂに供給してＵＦ膜４ａを通して透過液を透過液室４ｃに透過させる。
【００４３】
濃縮液室４ｂの濃縮液は循環液路１８ｂからＵＦ原水槽３に循環する。透過液は最終処理水として処理水路１９から取出される。ＵＦ原水槽３内の濃縮液はポンプＰ2により返送汚泥路８から処理槽１に返送され、余剰分は余剰汚泥として余剰汚泥路２０から排出される。
【００４４】
上記の処理において中継槽２およびＵＦ原水槽３では処理液が生物汚泥を含んだまま貯留されるため、汚泥の内生呼吸により低分子のＢＯＤ成分が溶出するが、これを基質として脱窒が行われ、残留する硝酸が有効に利用されるとともに、処理水質も高くなる。また残留槽内液６中の硝酸は被処理液と混合されたとき、被処理液中の低分子ＢＯＤ成分を基質として脱窒される。
【００４５】
このように上記の処理では、内生呼吸により生成する低分子ＢＯＤ成分または被処理液中に存在する低分子ＢＯＤ成分を基質として利用できるため、基質の添加量を少なくして、低コストでの処理が可能になる。
【００４６】
サイクル終了時の残留硝酸濃度の好ましい値はそれぞれの処理系によって異なるので、各系について実験的に好ましい値を求め、それに対応するサイクル終了時のＯＲＰ値Ａまたは最低ＯＲＰ値Ｂを図３または図４により設定することにより、それぞれの処理系に適した処理が可能になる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、サイクル終了時のＯＲＰ値またはサイクル中の最低ＯＲＰ値により基質添加量を制御するようにしたので、生物汚泥の内生呼吸により生成する低分子のＢＯＤ成分あるいは被処理液中に含まれる低分子のＢＯＤ成分を利用して脱窒を行うことができ、これにより脱窒に必要な基質の添加量を少なくして、処理コストを低下させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の硝化脱窒方法を示すブロック図である。
【図２】図１の処理のタイミング図である。
【図３】サイクル終了時のＯＲＰ値と残留硝酸濃度の関係図である。
【図４】サイクル中の最低ＯＲＰ値と残留硝酸濃度の関係図である。
【符号の説明】
１  処理槽
２  中継槽
３  ＵＦ原水槽
４  ＵＦ膜装置
５  演算装置
６  槽内液
７  被処理液路
８  返送汚泥路
９  アルカリ注入路
１０  基質導入路
１１  処理液路
１２、１８ａ、１８ｂ  循環液路
１３  インジェクタ
１４  空気導入路
１５  ＯＲＰ計
１６  ＤＯ計
１７  移送路
１９  処理水路
２０  余剰汚泥路
Ｐ1、Ｐ2…  ポンプ
Ｖ1  弁
【図１】
0003837766.tif 000002
【図２】
0003837766.tif 000003
【図３】
0003837766.tif 000004
【図４】
0003837766.tif 000005