JP2005288371A

JP2005288371A - 排水処理方法

Info

Publication number: JP2005288371A
Application number: JP2004109307A
Authority: JP
Inventors: Tetsushi Suzuki; 哲史鈴木
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-04-01
Filing date: 2004-04-01
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】硫黄および窒素を含有する有機性排水を嫌気性生物処理する排水処理方法において、簡単な構成で低コストで脱硫処理を行える排水処理方法を提供する。
【解決手段】嫌気反応槽１処理後の処理液を脱窒槽２へと導入して脱窒槽２と硝化槽３間で循環させることで脱窒処理を行う際に、嫌気反応槽１で発生した硫化水素を含むバイオガスをラインＬ１０より脱窒槽２へと導入する。脱窒槽２内では硫黄酸化細菌の働きで嫌気反応槽処理水中の硫化水素と硝酸性窒素が反応して脱窒が進行する。この反応で嫌気反応槽処理水中の硫化水素濃度が減少するが、導入されたバイオガスから硫化水素が溶解することでさらに反応が進行して、バイオガスの脱硫処理と被処理液の脱窒処理が同時進行する。さらに、バイオガス中の有機性ガスが脱窒槽２内の脱窒菌の栄養源となることで、脱窒効率の向上が図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は有機性排水を生物処理する排水処理方法に関し、特に、硫黄および窒素を含有する有機性排水を嫌気性生物処理により処理する処理方法に関する。

食品工場や生活排水、農業集落排水等の有機性排水を処理する方法として、嫌気性微生物を用いて生物処理する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この嫌気性生物処理では、有機物はメタンガスを含むバイオガスへと分解される。このバイオガスは、ボイラー等の燃料などとして有効に資源化される。

ところで、排水中に硫黄分が含まれている場合、嫌気性処理において硫酸還元反応により硫化水素（Ｈ_２Ｓ）が生成されることがある。このＨ_２Ｓはバイオガスとともに処理系から排出されるが、Ｈ_２Ｓは悪臭源となるほか、配管、ガスタンク等を腐食する性質を有するため、別に脱硫系を設けて除去する必要がある。
特開平１１−５７６７４号公報

食品製造排水、例えばビール製造排水には、窒素分とともに硫黄分が含有されている。排水中の硫黄分は嫌気性生物処理による還元反応でＨ_２Ｓになり、その濃度はバイオガス中のＨ_２Ｓ濃度で数千ppmを超える高濃度になりうる。このように、Ｈ_２Ｓ濃度が高くなると、従来の乾式、湿式の脱硫装置では、装置が大型化したり、必要な薬品量が増大してランニングコストがかさむといった問題点がある。この結果、バイオガスの資源化に伴うコストも増大してしまう。

そこで本発明は、硫黄および窒素を含有する有機性排水を嫌気性生物処理する排水処理方法において、簡単な構成で低コストで脱硫処理を行える排水処理方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る排水処理方法は、硫黄および窒素を含有する有機性排水を生物処理する排水処理方法であって、有機性排水を嫌気性生物処理により処理した後、嫌気性生物処理により発生したバイオガスを導入しながら生物脱窒処理を行うことで、被処理液の脱窒処理とバイオガスの脱硫処理を同時に行うことを特徴とする。

生物脱窒処理において、バイオガスを導入しながら、生物脱窒処理を行うことで、被処理液中に存在している硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）とバイオガスから処理液へと溶け込んだＨ_２Ｓとが硫黄酸化最近の働きにより以下の反応によって分解される。

５Ｈ_２Ｓ＋６ＮＯ_３ ⁻＋２Ｈ_２Ｏ→３Ｎ_２＋５ＳＯ_４ ^２−＋１４Ｈ^＋
これにより、脱窒・脱硫処理を一度で行うことができる。また、バイオガス中のメタンガス等の有機性ガスの一部も脱窒処理における有機源として使用される。

こうして生物脱窒処理を行ったあとに、硝化処理を行うことで、安定的に処理を行うことができる。

本発明によれば、嫌気性生物処理により得られたＨ_２Ｓを含むバイオガスを導入しながら生物脱窒処理を行うことで、被処理液の脱窒処理とバイオガスの脱硫処理を同時に行うことができる。このため、バイオガス中のＨ_２Ｓ濃度を低減することができ、さらに脱硫が必要な場合でも脱硫処理に伴うコストを低減できる。さらに、有機物濃度が低い被処理液の場合でもバイオガス中のＨ_２Ｓ、有機性ガスを利用して脱窒反応を進行させることができるので、脱窒処理の処理効率も向上する。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る排水処理方法を実施する排水処理施設１００の概略構成図である。この排水処理施設１００は、例えば、食品工場から排出される排水を処理するものである。

排水処理施設１００は、嫌気反応槽１と、脱窒槽２と、硝化槽３と、脱硫設備４と、再利用設備５とを備えている。

嫌気反応槽１は、嫌気性微生物により有機性成分をメタンガスや炭酸ガス等に分解するためのものであり、ＥＧＳＢ式やＵＡＳＢ式の上向流式嫌気性処理槽等、種々の型式のものを用いることができる。

脱窒槽２は、嫌気状態で処理液中の硝酸塩又は亜硝酸塩を窒素ガスに還元して除去する脱窒素菌を槽内に保持しており、硝化槽３は、好気状態でアンモニア性窒素を硝酸塩又は亜硝酸塩に酸化する硝化細菌を槽内に保持している。硝化槽３には図示していないが、空気または酸素を曝気する曝気装置を備えている。

脱硫設備４は、ガス中の硫黄成分（硫化水素、亜硫酸ガス等）を除去する乾式または湿式の脱硫装置を備えている。再利用設備５は、ガスホルダーのほか、ボイラー等を備えている。

嫌気反応槽１には、被処理水を導入するラインＬ１が接続され、脱窒槽２とは、処理液を搬送するラインＬ２と、発生ガス（バイオガス）を搬送するラインＬ１０とで接続されている。

脱窒槽２と、硝化槽３とは処理液を循環させるラインＬ３、Ｌ４で相互に接続されており、脱窒槽２と脱硫設備４とは発生ガスを搬送するラインＬ１１で接続されている。脱硫設備４は、さらにガス搬送ラインＬ１２で再利用設備５と接続される。硝化槽３にはさらに、処理水を排出するラインＬ５が接続される。

次に、この実施形態の動作、つまり、本発明に係る排水処理方法について具体的に説明する。

窒素分、硫黄分をともに含む比較的低濃度の有機性排水はラインＬ１から嫌気反応槽１へと導入される。嫌気反応槽１では、槽内の嫌気性微生物によって有機性成分がメタンガス・炭酸ガス等に分解される。このとき、硫黄分は以下の硫酸還元反応によって固形硫黄分または硫化水素へと分解される。そして、反応した硫化水素の一部は気液平衡により処理液中に溶解する。

ＳＯ_４ ^２−＋４Ｈ_２→Ｓ^２−＋４Ｈ_２Ｏ
４Ｈ_２＋２Ｏ_２→４Ｈ_２Ｏ
ＳＯ_４ ^２−＋３Ｈ_２→Ｓ^０＋２Ｈ_２Ｏ＋２ＯＨ⁻
こうして有機性成分の大部分が分解された処理液はラインＬ２を通して直接脱窒槽２へと送られる。また、嫌気反応槽１で発生した硫化水素・メタンガス・炭酸ガスからなるバイオガスもまた、ラインＬ１０を通して脱窒槽２へと導入される。

脱窒槽２では、嫌気状態において、脱窒菌により以下の反応にしたがって、硝酸性窒素（硝酸イオン、亜硝酸イオン）が窒素ガスへと還元される。

２ＮＯ_２ ⁻＋６Ｈ^＋→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋２ＯＨ⁻
２ＮＯ_３ ⁻＋１０Ｈ^＋→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋２ＯＨ⁻
この反応においては、硝酸性窒素の３倍以上のＢＯＤ成分が必要とされる。しかしながら、処理液中の有機分は嫌気反応槽１における処理で分解除去されているため、脱窒槽２へと導入される処理液中のＢＯＤ成分は低いレベルにとどまっている。本発明においては、処理液中に溶解している硫化水素を用いて硫黄酸化細菌による脱窒反応が起こる。また、バイオガスを導入することで、硫化水素が連続供給されるため、処理液中のＢＯＤ濃度が低い状態でも好適に反応を進行させることを可能としている。このため、別途栄養源を追加する必要がなく、処理コストの低減が図れる。

すなわち、処理水中に溶解している硫化水素および導入されたバイオガスから溶け込んだ硫化水素が硝酸性窒素との間で、硫黄酸化細菌による以下の反応が進行し、硝酸性窒素の還元と、硫化水素の酸化反応が起こる。

５Ｈ_２Ｓ＋６ＮＯ_３ ⁻＋２Ｈ_２Ｏ→３Ｎ_２＋５ＳＯ_４ ^２−＋１４Ｈ
これにより、バイオガスからの脱硫処理と処理液の脱窒処理を同時に行うことができる。バイオガス中の成分のうち、硫化水素はメタンガスより溶解度が高いうえ、上記反応によって消費されることもあり、処理液中へと溶解しやすいが、資源化において必要とされるメタンガスは処理液中への溶解度がもともと低いため、脱窒菌の栄養源として消費される一部を除いて、その大部分が脱窒槽２を通過する。

脱窒槽２で処理された処理液は、ラインＬ３により硝化槽３へと搬送される。硝化槽３では、好気状態で硝化菌によって、以下の反応により、処理液中のアンモニア性窒素（ＮＨ_４ ^＋）が硝酸性窒素へと酸化される。

２ＮＨ_４ ^＋＋３Ｏ_２→２ＮＯ_２ ⁻＋２Ｈ_２Ｏ＋４Ｈ^＋
２ＮＯ_２ ⁻＋Ｏ_２→２ＮＯ_３ ⁻
こうして処理した処理液をラインＬ４により脱窒槽２へと返送して脱窒槽２と、硝化槽３間で循環させることにより、被処理液中の硝酸性窒素とアンモニア性窒素の両方を最終的に窒素ガスへと分解して除去する。循環を繰り返して窒素分を十分に除去したら、ラインＬ５から下水道へと放流されるか、後続の別の処理施設へと送られる。

一方、脱窒槽２で、脱硫されたバイオガスは、ラインＬ１１により脱硫設備４へと送られる。脱窒槽２での脱硫は硫化水素を完全に除去するものではないため、硫化水素をほとんど含まないガスを必要とする場合には、さらに公知の乾式、湿式脱硫方法によって脱硫を行うとよい。なお、資源化に際して低濃度の硫化水素を含んでいても構わない場合には、脱硫設備４を要しない形式とすることができる。脱硫設備４に導入されるバイオガスは、嫌気反応槽１から排出された時点に比較して硫化水素濃度が低減されているため、このバイオガスが直接導入される場合と比べて脱硫設備４での設備を小型化することができ、薬品等を使用する場合も、その使用量を少なくすることができる。このため、脱硫処理に必要なランニングコストが少なくてすむという利点がある。

脱硫設備４で脱硫されたバイオガスは再利用設備５へと送られ、別途ボイラー燃料等として利用される。

発明者は、本発明に係る排水処理方法の有効性を確認するため、脱窒処理において嫌気反応槽１で発生したバイオガスを導入する実施例と、バイオガスを導入することなく脱窒処理を行う比較例とを比較する比較実験を行ったので、以下、その結果について述べる。

比較実験には、いずれも同一の食品製造排水を模擬した合成排水を用いた。実験に用いた合成排水のＢＯＤは２０００mg/l、ＣＯＤ_Ｃｒは３０００mg/l、であり、全窒素濃度が８０mg/l、全硫黄濃度が２０mg/lであった。これを嫌気反応槽１で、ＣＯＤ_Ｃｒ負荷２０kg-COD_Cr／m³・dの条件で嫌気性生物処理した結果、嫌気反応槽１通過後の処理水は、ＢＯＤが１３０mg/l、全窒素濃度が６０mg/l、全硫黄濃度が１０mg/lであった。また、バイオガス中の硫化水素濃度は５０００ppmであった。

実施例では、このバイオガスを脱窒槽２へと導入しつつ、処理液を脱窒槽２と硝化槽３間で循環させて、脱窒槽窒素負荷が０．７kg-N/m³・d、硝化槽窒素負荷が０．２kg-N/m³・d、硝化循環液流量が５Ｑ（Ｑは被処理水の流量）の条件で脱窒・脱硫処理を行った。一方、比較例では、バイオガスを導入しないで脱窒処理を行った。バイオガス供給以外の条件は、実施例、比較例とも同一とした。

この結果、実施例では、最終的な処理水中においては、ＢＯＤは、測定限界の１０mg/l未満であり、全窒素濃度が１０mg/l、全硫黄濃度が１０mg/lであった。また、脱窒槽２通過後のバイオガス中の硫化水素濃度は５００ppmとなった。

これに対して、比較例では、最終的な処理水中においては、ＢＯＤ、全硫黄濃度は、実施例と同一であったが、全窒素濃度は２０mg/lで、脱窒効率が実施例に及ばなかった。また、比較例ではバイオガスの脱硫は別途行う必要がある点で実施例と相違することになる。

比較実験の結果、バイオガス導入によるバイオガス自体の脱窒と、処理液の脱窒効率向上の効果が確認された。また、バイオガスからの脱硫に伴う脱窒処理水中の全硫黄濃度の増加の影響は見られなかった。これは嫌気処理水に溶解していた硫化水素が硫黄酸化細菌による脱窒反応で消費され、この消費分がバイオガス導入によって補給されたためと考えられる。これにより、本発明の有効性を確認することができた。

以上の説明では、脱窒槽と硝化槽とを別に設ける場合を例に説明したが、本発明はこのような設備に限定されるものではない。例えば、脱窒槽と硝化槽とが溢水可能な隔壁、膜等により仕切られている構造のものや、同一の槽内で曝気条件を変えることで交互に脱窒と硝化を行う施設や、オキシデーションディッチのように、処理水を流動させ、流路内に好気条件を満たす領域と嫌気条件を満たす領域を併存させる施設においても本発明は好適に適用可能である。

本発明に係る排水処理方法を実施する排水処理施設１００の概略構成図である。

符号の説明

１…嫌気反応槽、２…脱窒槽、３…硝化槽、４…脱硫設備、５…再利用設備、１００…排水処理施設、Ｌ１〜Ｌ５…処理液搬送ライン、Ｌ１０〜Ｌ１２…ガス搬送ライン。

Claims

硫黄および窒素を含有する有機性排水を生物処理する排水処理方法であって、
前記有機性排水を嫌気性生物処理により処理した後、
前記嫌気性生物処理により発生したバイオガスを導入しながら生物脱窒処理を行うことで、被処理液の脱窒処理とバイオガスの脱硫処理を同時に行うことを特徴とする排水処理方法。
前記生物脱窒処理を行ったあとに、硝化処理を行うことを特徴とする排水処理方法。