JP2005538825A - スラッジグラニュールにより廃水を処理する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、有機栄養素を含む廃水を処理する方法に関する。本発明によれば、第一の工程において廃水をスラッジグラニュールへと送り、処理すべき廃水の供給後に、該スラッジグラニュールを、酸素を含んでいるガスの存在下で流動化し、そして第三の工程において、該スラッジグラニュールを沈降工程で沈降させる。こうすることにより、有機栄養素だけでなく、場合により窒素化合物及びフォスフェートも効率的に除去することができる。

Description

本発明は、有機栄養素を含む廃水の処理のための方法に関する。本方法においては、廃水を微生物を含んでいるスラッジ粒子と接触させ、酸素を含んでいるガスを該スラッジ粒子へと送り、更に、該スラッジ粒子を沈降させて、有機栄養素を除いた廃水を放出する。

そのような方法は、例えば、米国特許第３，８６４，２４６号から、当技術分野において既知である。生物学的酸素要求量（ＢＯＤ）の高い廃水をスラッジフロックと混合する。そのようにして得られるスラッジフロックを含有する廃水を、酸素（空気）と接触させる。条件を選択することにより、スラッジフロック（すなわち、バイオマス粒子）の生長が大きくなり、これにより沈降特性が改善されている。こうすることにより、生物分解を提供する微生物（特に、細菌）を廃水から分離するために必要な時間を短くしている。

沈降速度が改善されたにもかかわらず、既知の方法には、この方法を実行するには比較的大きい表面積を必要とする、すなわち、大規模な浄水系が望ましくない規模の空間を占めるという欠点がある。

本発明の目的は、既知の方法と比較して小さい空間を占めながら、この方法を改良することである。
この目的のために、本発明にしたがった方法は、
− 第一の工程において、廃水をスラッジグラニュールへと送り、
− 処理すべき廃水の供給後に、第二の工程において、酸素を含んでいるガスを導入し、ここで該グラニュールは流動化した状態であり、そして
− 第三の工程である沈降工程において、該スラッジグラニュールを沈降させる
ことを特徴とする。

これによりこの方法を比較的限られた反応器体積中で実施することが可能となる。こうすることにより、空間の占有を五分の一まで減らすことができる。反応条件を選択することにより、（スラッジフロックとは対照的に）優れた沈降特性をもつスラッジグラニュールの形成が促進される。更に、第一の工程における条件は酸素が除かれており、酸素が添加されないことから、実際には嫌気性である。第一の工程においては、スラッジグラニュールが、供給された廃水から有機栄養素を吸収して、有機栄養素がポリベータヒドロキシブチレートなどのポリマーの形態中の微生物の内部に貯蔵される。第一の工程において酸素を供給すべき場合には、有機栄養素の貯蔵を妨げるような量であってはならない。第二の工程においては、貯蔵された有機栄養素の分解が好気性条件下で起こる。加えて、この好気性第二工程により、場合によって存在するアンモニウムをナイトレートへと分解することができる。また、第二の工程においては、スラッジグラニュールの内部は嫌気性であり、この場所で、貯蔵された有機栄養素がナイトレートを利用して分解される。これにより窒素ガスが生成され、廃水中のＮ含量が効果的に低減される。分解すべきＮ化合物の排除のため、第二の工程における酸素濃度は、５ｍｇ／ｍｌ未満、好ましくは２ｍｇ／ｍｌ未満である。このようにして、窒素化合物除去のための前置き型又は後置き型の反応器の使用を避けることができ、あるいは、反応器の浄水能力を縮小することができる。このことは、コストの節約を意味している。また、本発明により、フォスフェートを排除することが可能となる。この目的のために、第一の工程ではない工程において、また、好ましくは第二の工程の最後又は第三の工程の初めに、スラッジグラニュールを取り出す。驚くべきことに、偶然にも、本発明の条件下においてはフォスフェートを蓄積する微生物は競合して排除されることはない。本発明にしたがった方法のために必要とされる微生物はずべて、浄水プラントのスラッジ中に見付けられる。これら微生物は、条件を特定することにより確実にスラッジグラニュールの重要部分を構成することから、単離する必要がない。本発明にしたがった条件は、米国特許第３，８６４，２４６号から知られるような条件にしたがって得られるスラッジフロックよりも、有意に大きく、密度の高いスラッジグラニュールを形成させる（図１を参照のこと）。このスラッジグラニュールは、（既知のスラッジフロックについておよそ１ｍ／ｈであるのと対照的に）＞１０ｍ／ｈの沈降速度と、＜３５ｍｌ／ｇのスラッジ体積指数とを有する。スラッジ体積指数は、１時間の沈降後に１グラムのバイオマスが吸収する体積である。廃水のその後の部分を浄化するためには、工程１〜３（１サイクル）を繰り返す。本発明は、下水の処理に非常に適している。

第一の工程においては、廃水を好ましくはスラッジグラニュールのベッドへ送り、このスラッジグラニュールは第三の工程において沈降して、スラッジグラニュールのベッドを形成する。

これにより、微生物をより高濃度の有機栄養素に曝露することが可能となり、グラニュールの生長が促進される。
好ましい態様にしたがえば、廃水を、ベッドの流動化を避けるような速度でスラッジグラニュールのベッドへ送る。

現在既に処理された廃水が処理すべき廃水と混ざることは大部分は避けられることから、これにより、微生物を可能である最も高い濃度の栄養素に曝露することが可能となり、こうすることにより、既に述べたようにグラニュールの生長が促進される。“流動化を避ける”という用語は、ベッドが流動化していないこと、及び／又は、廃水を導入した結果、混合が最大でベッドの高さの２５％まで起こることを意味すると理解すべきである。廃水は、例えば、直接か又は、廃水がベッド表面を妨害し得る力を制限するための手段を用いて、ベッド上に吹付けてもよい。いずれにしても、混合はベッドの高さの最大２５％まで、好ましくは１５％未満で起こるものとする。スラッジグラニュールのベッドの頂部側から導入する代わりに、好ましくは、廃水を下から導入してもよい。特に後者の場合は、ベッドの流動化が起きないように供給速度を制限するものとする。どちらの場合も、スラッジグラニュールの間に依然として存在する浄化された水を、以下に説明するように、有効なやり方で、すなわち、廃水と浄化した（栄養素を除去した）廃水とを殆ど又はまったく混合させないで、置換し放出することが可能である。また、原則として、廃水をパイプを介してスラッジグラニュールのベッドへと導入することも可能である。

好ましい態様にしたがえば、栄養素を除去した廃水の少なくとも一部分を、少なくとも部分的な沈降の後、第三の工程において放出することができる。
栄養素を除いた廃水を、処理すべき新しい廃水を加える前に除去するということは、必要とする反応器体積がより小さく、微生物を含んでいるスラッジグラニュールが、可能性である最も高い濃度の栄養素と接触することを意味する。このことは、スラッジグラニュールの形成のためには好都合である。反応器中の液体の高さは、例えば、沈降したスラッジグラニュールのベッドの高さの２倍であり、好ましくは１．５倍以下、例えば１．２倍である。

好ましい態様にしたがえば、栄養素を除去した廃水の少なくとも一部分を、第一の工程において廃水をスラッジグラニュールのベッドへ送っている間に放出する。
この場合、栄養素を除去した廃水の放出は、好ましくは、スラッジグラニュールのベッドへ送られる廃水による置換の結果である。

したがって、新しい廃水の追加と処理済み廃水の放出の両方が、単一の操作により実現される。これは低い資本支出で達成することができる。制御技術（必要とする測定値が少ない）と運転コストに関しては、更なる節約が可能である。更に、スラッジグラニュール中の微生物が曝露される栄養素の濃度が可能な限り高くなるように、処理済み廃水を処理すべき廃水と混合することを避け、その結果、既に述べたスラッジグラニュールの形態が生長するという利点が提供される。置換された処理済み廃水は、好ましくは、ベッドの頂部側で放出する。置換することにより、形成される可能性のあるすべてのフロックが反応器から流し出される。したがって、廃水はベッドの底部を介して導入するのが有利である。

重要な態様は、廃水をベッドの空隙体積の５０〜１１０％、好ましくは８０〜１０５％、最も好ましくは９０〜１００％の量で導入する態様である。
このようにして、スラッジグラニュールの形態のバイオマスを、可能である最も小さい反応器体積で最適に利用する。

廃水の導入の後、好ましくは、第二工程を始める前に間隔をおく。
こうすることにより、廃水からの栄養素の吸収が促進され、良好な沈降特質をもつスラッジグラニュールの形成の一助となる。望ましければ、この間隔の間に混合してもよい。

この間隔は、廃水から有機栄養素の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７５％、最も好ましくは少なくとも９０％を除去するのに充分に長いことが好ましい。
これにより、廃水の浄化を最適なものとしつつ、良好な沈降特質をもつスラッジグラニュールの形成に対して最大限貢献する。

好ましくは、廃水を第三の工程において導入して、その際、よりゆっくりと沈降するスラッジグラニュールを反応器から放出し、より早く沈降するスラッジグラニュールを反応器中に残す。

こうすることは、グラニュールの生長のために選択する圧力を更に増加させる。廃水の導入は、スラッジグラニュールの沈降の間に低い流速で行ってもよく、好ましくは、スラッジグラニュールの少なくとも一部分がグラニュールのベッドを形成した後に導入するが、説明したように、最も好ましくはグラニュールのベッドが形成された後に導入する。最初の二つの方法においては、第一工程と第三工程との間に重複部分が存在する。第二の方法と特に第三の方法においては、ベッドの上に沈降しているか又はその傾向がある、軽質のスラッジフロックを、廃水により置換される、栄養素を除いた水の流れにより流し去る。結果として、選択される一定の圧力が存在し、グラニュールの形態のスラッジの特徴を維持することにつながる。第三の工程において最終ベッドのすぐ上にある放出口を介して放出させるのが好ましい。

本発明を以下の例示的な態様を参照しながら説明する。ここで、図１は、本発明にしたがった方法のサイクルの間のアセテート、フォスフェート、アンモニウム、及びＮＯ_３ ⁻＋ＮＯ_２ ⁻濃度のグラフを示す。

図２ａ及びｂは、それぞれ、従来技術にしたがったスラッジフロックと、本発明にしたがったスラッジグラニュールを示す。
エアリフトリアクター（３リットル，高さ／径 ２０）に１サイクル当たり１．５リットルの廃水を送った。この廃水は、家庭廃水についての適切なモデルである。組成は、酢酸ナトリウムが６．３ｍＭ、塩化アンモニウムが３．６ｍＭ、燐酸カリウムが０．６ｍＭ、硫酸マグネシウムが０．３７ｍＭ、塩化カリウムが０．４８ｍＭ、そして微量元素が０．９ｍｌ／ｌ標準溶液であった。この反応器に、家庭排水浄化プラントからの好気性活性汚泥を接種した。この反応器を連続バッチサイクルで運転した。一サイクルは次の工程から構成されていた：
ｉ）モデル廃水１．５リットルを反応器の底部側に６０分間導入して、廃水が、沈降したグラニュールベッドを通過してプラグ流れになるようにする。
ｉｉ）１分当たり空気４リットルの流速で１１１分間通気する。
ｉｉｉ）通気を停止した後、３分間グラニュールスラッジを沈降させる。
ｉｖ）処理済モデル廃水を、反応器高さの半分の点に位置する排出口から放出する。この時点で排出口より上に存在するバイオマスはすべて、処理済み廃水とともに反応器から除去する。
ｖ）１分間の間隔をおき、その後、モデル廃水の送りを再開する。

塩基又は酸を添加することにより、反応器中のｐＨを６．５〜７．５に維持し、温度は２０℃に保持した。通気段階（ｉｉ）の間、溶解酸素の濃度はおよそ１．８ｍｇ／ｍｌに維持した。一方、こうすることにより、酸素濃度を、スラッジグラニュールの外部部分における栄養素の好気的分解のために充分に高く保持し、そしたまた一方、空気の添加のために必要とするポンピング容量は低くてよい。結局、これらの条件のもとでは、空気からの酸素の移送は非常に効率的である。また結果として、酸素の供給のために必要とされるエネルギーは殆どない。窒素化合物の分解は、これらの酸素濃度にて最適であることが示され、処理済み廃水中にはナイトレートは最小限の量しかみられなかった。

表１には、モデル廃水と処理済み廃水の平均濃度が示してある。また、平均の浄化結果も示してある。図１は、一サイクルの間のアセテート（○）、フォスフェート（△）、アンモニウム（◆）、及びナイトレートとナイトライトの合計（◇）の濃度のプロットを示す。図２ｂは、本方法により得られたスラッジグラニュールの写真を示す。得られたスラッジグラニュールは、この実験を停止した後、少なくとも３００日間は安定であった。本発明にしたがった方法は、このように信頼性のある運転の制御を可能とする。図２ａは、米国特許第３，８６４，２４６号に開示されるような沈降速度を有する典型的なスラッジフロックを示す。米国特許第３，８６４，２４６号は、いわゆる軽質スラッジを形成する糸状微生物の増殖をうまく抑制しているが、形成されたスラッジフロックはせいぜい１ｍ／ｈの沈降速度有する。対照的に、本発明にしたがったスラッジグラニュールは、非常に高い沈降速度（＞１０ｍ／ｈ）を有し、沈降が起こり得る距離は比較的短い。

グラニュールの生長に寄与する要因の一つは、可能である最も高い栄養素濃度をもつ廃水をスラッジグラニュールへと供給することである。この理由のため、反応器中の処理済み排水と新しく供給した廃水との間の混合を防ぐことは好都合である。廃水中の栄養素濃度が低く、多くのサイクル、例えば１０サイクルより多く行う場合においては、必要であれば、栄養素を廃水に添加してもよい。一つの選択肢は液体肥料を用いることであろう。

本発明は、無数のやり方で行うことができる。例えば、一つの反応器を用いる代わりに、三つの反応器を用いて異なる位相で運転するのが好都合である。すなわち、廃水を一つの反応器に送る一方で、第二の反応器において通気工程を実施し、その間に第三の反応器において沈降が起こり、場合により浄化した水を放出する。これにより、特にポンプの要求最大容量に関してポンプの資本支出は限度内に保持される。処理済み廃水は徐々に放出するが、後処理用の反応器はより小さくて充分であることから、このことはこの廃水を更なる処理に供する必要がある場合に有利である。上述の実験と比較すると、実際には反応器が比較的高くなることから、沈降はより長い時間かかることになる。このことは、供給にかかる時間が三分の一であり、通気と沈降にかかる時間がともに三分の二であることを意味する。したがって、処理すべき廃水の一時的な貯蔵のためのバッファ槽を回避して、三つのバッチ運転反応器により連続運転が可能となる。本発明をエアリフト型リアクターにより説明したが、本発明は、バブルカラムリアクターなどの任意の他のタイプの反応器を用いて実施することができる。

図１は、本発明にしたがった方法のサイクルの間のアセテート、フォスフェート、アンモニウム、及びＮＯ_３ ⁻＋ＮＯ_２ ⁻濃度のグラフを示す。 図２ａ及びｂは、それぞれ、従来技術にしたがったスラッジフロックと、本発明にしたがったスラッジグラニュールを示す。

Claims (10)

1. 廃水を微生物を含んでいるスラッジ粒子と接触させ、酸素を含んでいるガスを該スラッジ粒子へと送り、更に、該スラッジ粒子を沈降させて、有機栄養素を除いた廃水を放出することを含む、有機栄養素を含む廃水の処理のための方法であって、
   − 第一の工程において、該廃水をスラッジグラニュールへと送り、
   − 該処理すべき廃水の供給後に、第二の工程において、酸素を含んでいるガスを導入し、ここで該グラニュールは流動化した状態であり、そして
   − 第三の工程である沈降工程において、該スラッジグラニュールを沈降させる
   ことを特徴とする前記方法。
2. 第一の工程において、該廃水をスラッジグラニュールのベッドへと送り、該スラッジグラニュールが第三の工程において沈降して、スラッジグラニュールのベッドを形成することを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 該廃水を、該ベッドの流動化を避けるような速度で、スラッジグラニュールのベッドへと送ることを特徴とする、請求項２記載の方法。
4. 該栄養素を除いた廃水の少なくとも一部分を、第三の工程において少なくとも部分的に沈降した後に放出することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 該栄養素を除いた廃水の少なくとも一部分を、第一の工程において該廃水を該スラッジグラニュールのベッドへと送っている間に放出することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 該栄養素を除いた廃水の放出が、該スラッジグラニュールのベッドへと送られる廃水による置換の結果であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 該廃水を該ベッドの空隙体積の５０〜１１０％、好ましくは８０〜１０５％、最も好ましくは９０〜１００％の量で導入することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 該廃水の導入の後、該第二の工程を開始する前に間隔をおくことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 該間隔が、該廃水から該有機栄養素の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７５％、最も好ましくは少なくとも９０％を除去するのに充分に長いことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 該第三の工程において選択が行われ、その際、よりゆっくりと沈降するスラッジグラニュールを該反応器から放出し、より早く沈降するスラッジグラニュールを該反応器中に残すことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。

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