JP2007190492A - 窒素含有排水の処理方法および処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＮＡＭＭＯＸ微生物による脱窒処理水中に残留する硝酸性窒素や亜硝酸性窒素を更に高度に除去して、高水質の処理水を得る。
【解決手段】窒素含有排水を、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脱窒微生物であるＡＮＡＭＭＯＸ微生物の作用により脱窒処理した後、水素ガスを電子供与体、亜硝酸性窒素および／または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により、ＡＮＡＭＭＯＸ反応で副生する硝酸性窒素を脱窒処理し、この処理水をＡＮＡＭＭＯＸ微生物による脱窒処理工程に循環させる。得られる処理水のｐＨが８．８〜９．４になるようにｐＨ調整することにより、脱窒効率を高める。
【選択図】図１

Description

本発明は窒素含有排水の処理方法および処理装置に係り、特に、窒素含有排水中の窒素を、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脱窒微生物の作用により脱窒処理した後、水素ガスを電子供与体、亜硝酸性窒素および／または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により脱窒処理する方法および装置に関する。

排水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、排水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。

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。

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脱窒微生物（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Ｎ_２Ｏ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。

この独立栄養性脱窒微生物（以下「ＡＮＡＭＭＯＸ微生物」と称す場合がある。）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その約１．３倍量の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。この生物脱窒反応は、一般的にＡＮＡＭＭＯＸ反応と呼ばれている。

しかし、ＡＮＡＭＭＯＸ反応では窒素の大部分が窒素ガスにまで変換される一方で、原水中のアンモニア性窒素１モルに対して０．２６モルの硝酸性窒素が副生する。この硝酸性窒素は、独立栄養性細菌の菌体合成の際の反応生成物と考えられているが、この硝酸性窒素の副生により、原水中の窒素濃度が高い場合は、処理水中の硝酸性窒素濃度が排水基準値を超えてしまうこととなる。また、アンモニア性窒素に対して反応当量よりも過剰量の亜硝酸性窒素が原水中に含まれる場合は、処理水中に亜硝酸性窒素が残留してしまう。

特開２００２−３６１２８５号公報には、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物による脱窒処理後、残留する硝酸性窒素や亜硝酸性窒素を、従属栄養性脱窒微生物により脱窒処理する方法が記載されている。しかし、従属栄養性脱窒微生物による脱窒処理には、メタノール、エタノール、酢酸などの有機物を水素供与体として添加する必要があり、このような処理を組み合わせることは、有機物の添加が不要なＡＮＡＭＭＯＸ反応を利用することの利点が損なわれる。また、後段に従属栄養型脱窒槽を設けるために、装置構成が複雑になるという欠点もある。

なお、電子供与体として有機物の替わりに水素ガスを用い、独立栄養性脱窒微生物により脱窒処理を行う方法が、例えば特開昭５７−２０１５９４号公報等に提案されており、この方法であれば、有機物を添加することなく脱窒処理を行うことができる。また、この方法において、水素ガスの利用効率を高めて処理コストを低減するべく、水素ガスをガス透過性膜を介して被処理水中に供給し、膜の被処理水側表面に付着、増殖させた独立栄養性脱窒微生物により効率的な脱窒処理を行う方法が特許第２９０１３２３号公報に提案されている。

しかし、この方法では、水素ガスの溶解工程を必要とし、このために処理速度が遅く、また水素ガスの溶解のために圧縮機を用いるため電気代が高いという点、また高価な水素ガスを多量に用いるためコストが高く、危険度も高いという点が大きな欠点として挙げられる。

なお、従来において、ＡＮＡＭＭＯＸ反応と、水素ガスを電子供与体とする独立栄養性脱窒微生物による脱窒処理とを組み合わせる提案はなく、更には、その場合において、装置構成の簡素化、脱窒処理効率の向上についての検討はなされていない。
特開２００２−３６１２８５号公報 特開昭５７−２０１５９４号公報 特許第２９０１３２３号公報 Strous, M, et al., Appl. Microbiol. Biotechnol., 50, p.589-596 (1998)

本発明は上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物による脱窒処理水中に残留する硝酸性窒素や亜硝酸性窒素を更に高度に除去して、高水質の処理水を得る窒素含有排水の処理方法および処理装置を提供することを目的とする。

本発明はまた、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物を利用した脱窒処理における処理効率を格段に高める窒素含有排水の処理方法および処理装置を提供することを目的とする。

本発明はまた、このＡＮＡＭＭＯＸ微生物による脱窒処理水の脱窒処理を行うことによる装置構成の複雑化を解消し、簡易な装置及び操作により効率的な脱窒処理を行う窒素含有排水の処理方法および処理装置を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）の窒素含有排水の処理方法は、窒素を含有する排水を生物学的脱窒処理する窒素含有排水の処理方法において、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脱窒微生物の作用により脱窒処理する第一の独立栄養型脱窒工程と、該第一の独立栄養型脱窒工程の処理水を水素ガスを電子供与体、亜硝酸性窒素および／または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により脱窒処理する第二の独立栄養型脱窒工程と、該第二の独立栄養型脱窒工程の処理水を前記第一の独立栄養型脱窒工程に返送する処理水循環工程とを有することを特徴とする。

請求項２の窒素含有排水の処理方法は、請求項１において、前記第一の独立栄養型脱窒工程の処理水の一部を生物学的脱窒処理水として系外へ排出すると共に、残部を前記第二の独立栄養型脱窒工程に送給することを特徴とする。

請求項３の窒素含有排水の処理方法は、請求項１又は２において、前記第二の独立栄養型脱窒工程は、被処理水と水素ガスとを、膜を介して接触させる水素ガス供給工程を含むことを特徴とする。

請求項４の窒素含有排水の処理方法は、請求項３において、前記膜の被処理水側表面に微生物を付着、増殖せしめることにより該膜の被処理水側で微生物反応を行うことを特徴とする。

請求項５の窒素含有排水の処理方法は、請求項１ないし４のいずれか１項において、前記第二の独立栄養型脱窒工程またはその前段に、該第二の独立栄養型脱窒工程の処理水のｐＨが８．８〜９．４になるようにｐＨ調整するｐＨ調整工程を有することを特徴とする。

請求項６の窒素含有排水の処理方法は、請求項１ないし５のいずれか１項において、前記第一の独立栄養型脱窒工程に導入される水のｐＨが６．５〜８．０となるようにｐＨ調整するｐＨ調整工程を有することを特徴とする。

請求項７の窒素含有排水の処理方法は、請求項１ないし６のいずれか１項において、前記窒素含有排水中のアンモニア性窒素に対する亜硝酸性窒素の割合が１．３モル倍以下であることを特徴とする。

本発明（請求項８）の窒素含有排水の処理装置は、窒素を含有する排水を生物学的脱窒処理する窒素含有排水の処理装置において、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脱窒微生物の作用により脱窒処理する第一の独立栄養型脱窒手段と、水素ガスを電子供与体、亜硝酸性窒素および／または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により脱窒処理する第二の独立栄養型脱窒手段と、該第二の独立栄養型脱窒手段の処理水を前記第一の独立栄養型脱窒手段に返送する処理水循環手段とを有することを特徴とする。

請求項９の窒素含有排水の処理装置は、請求項８において、前記第一の独立栄養型脱窒手段の処理水の一部を生物学的脱窒処理水として系外へ排出する手段と、残部を前記第二の独立栄養型脱窒手段に送給する手段とを有することを特徴とする。

請求項１０の窒素含有排水の処理装置は、請求項８又は９において、前記第二の独立栄養型脱窒手段は、被処理水と水素ガスとを、膜を介して接触させる水素ガス供給手段を含むことを特徴とする。

請求項１１の窒素含有排水の処理装置は、請求項１０において、前記膜の被処理水側表面に微生物を付着、増殖せしめることにより該膜の被処理水側で微生物反応を行うことを特徴とする。

請求項１２の窒素含有排水の処理装置は、請求項８ないし１１のいずれか１項において、前記第二の独立栄養型脱窒手段またはその前段に、該第二の独立栄養型脱窒手段の処理水のｐＨが８．８〜９．４になるようにｐＨ調整するｐＨ調整手段を有することを特徴とする。

請求項１３の窒素含有排水の処理装置は、請求項８ないし１２のいずれか１項において、前記第一の独立栄養型脱窒手段に導入される水のｐＨが６．５〜８．０となるようにｐＨ調整するｐＨ調整手段を有することを特徴とする。

請求項１４の窒素含有排水の処理装置は、請求項８ないし１３のいずれか１項において、前記窒素含有排水中のアンモニア性窒素に対する亜硝酸性窒素の割合が１．３モル倍以下であることを特徴とする。

請求項１５の窒素含有排水の処理装置は、請求項８ないし１４のいずれか１項において、前記第一の独立栄養型脱窒手段の処理水が導入される循環槽を有し、該循環槽内に前記第二の独立栄養型脱窒手段が設けられていることを特徴とする。

請求項１６の窒素含有排水の処理装置は、請求項１５において、前記循環槽は、前記窒素含有排水が導入される原水導入部と、前記第一の独立栄養型脱窒手段の処理水が導入される処理水導入部と、前記原水導入部と処理水導入部との間に設けられた前記第二の独立栄養型脱窒手段を保持する脱窒処理部とを有し、前記処理水導入部から前記脱窒処理部を経て前記原水導入部に水が流通可能とされており、前記原水導入部の水を前記第一の独立栄養型脱窒手段に送給する手段と、前記処理水導入部の水を生物学的脱窒処理水として系外へ排出する手段とを有することを特徴とする。

請求項１７の窒素含有排水の処理装置は、請求項１６において、前記原水導入部と前記脱窒処理部との間、及び、前記処理水導入部と前記脱窒処理部との間の一方に、下端が循環槽底面から離隔した仕切壁が設けられ、他方に、上端が水面下に没している仕切壁が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物による脱窒処理で得られた処理水（以下「ＡＮＡＭＭＯＸ処理水」と称す場合がある。）を、更に、水素ガスを電子供与体、亜硝酸性窒素および／または硝酸性窒素を電子受容体とする独立栄養性脱窒微生物（以下「水素酸化微生物」と称す場合がある。）で脱窒処理し、更にその処理水（以下「水素還元処理水」と称す場合がある。）をＡＮＡＭＭＯＸ微生物により脱窒処理することにより、有機物を添加することなく、ＡＮＡＭＭＯＸ反応で副生する硝酸性窒素や、残留する亜硝酸性窒素を高度に除去して高水質の処理水を得ることができる。

即ち、前述の如く、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物による脱窒処理では、ＡＮＡＭＭＯＸ処理水に硝酸性窒素や亜硝酸性窒素が残存してしまうという欠点が挙げられる。

硝酸性窒素の生物脱窒手段としては、メタノール、エタノール、酢酸などの有機物を還元剤（電子供与体）として添加して従属栄養性脱窒微生物により生物的に脱窒処理する方法があるが、この方法では、これら有機物を炭素源とする微生物群が増殖して余剰汚泥が発生するという欠点がある上に、ＡＮＡＭＭＯＸ反応による脱窒処理と組み合わせた場合、反応槽内の菌叢を大幅に変化させる；脱窒処理水中の残留有機物が脱窒処理の阻害要因となる；などの恐れがある。これに対して、水素ガスを電子供与体とする脱窒処理であれば、水素ガスを利用する水素酸化微生物が主体となるので、余剰汚泥の発生や処理水の汚染を大幅に抑制できるが、処理速度が遅い；電気代が高い；高価な水素ガスを多量に用いるためコストが高く、危険度も高い；という欠点がある。

これらの問題点を解消するために、本発明では、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物による第一の脱窒処理の後処理として水素酸化微生物による第二の脱窒処理を設け、第一の脱窒処理によるＡＮＡＭＭＯＸ処理水に含まれる硝酸性窒素を第二の脱窒処理により亜硝酸性窒素に還元し、この水素酸化微生物による脱窒処理で生成した亜硝酸性窒素をＡＮＡＭＭＯＸ微生物による第一の脱窒処理においてアンモニア性窒素との反応で脱窒処理することにより、窒素濃度の極めて低い処理水を得る。

前述の如く、従属栄養性脱窒微生物による脱窒処理では、余剰汚泥が発生するという欠点がある上に、ＡＮＡＭＭＯＸ反応による脱窒処理と組み合わせた場合、反応槽内の菌叢を大幅に変化させる；脱窒処理水中の残留有機物が脱窒処理の阻害要因となる；などの恐れがある。これに対して、水素ガスを電子供与体とする脱窒処理であれば、水素ガスを利用する水素酸化微生物が主体となるので、余剰汚泥の発生や処理水の汚染を大幅に抑制でき、ＡＮＡＭＭＯＸ処微生物による脱窒処理系内での脱窒処理として好適に使用することができるため、ＡＮＡＭＭＯＸ反応系内に容易に組み込むことにより、装置構成の簡易化を図ることもできる。

従来のように水素酸化微生物による脱窒処理を単独で行うと、前述のように処理速度、コスト、安全面の問題が大きかったが、本発明では第一の脱窒処理において窒素濃度を大きく低減したＡＮＡＭＭＯＸ処理水に対して、水素酸化微生物による第二の脱窒処理を適用する上に、後述の如く、この第二の脱窒処理では、硝酸性窒素を亜硝酸性窒素に還元するだけで良いため、この第二の脱窒処理で処理に要する水素ガス、電力は従来よりはるかに低減され、水素酸化微生物による脱窒処理の問題は大きく改善される。

本発明においては、ＡＮＡＭＭＯＸ処理水の一部を生物学的脱窒処理水として系外へ排出すると共に、残部を第二の脱窒処理に供することが好ましく、これにより、ＡＮＡＭＭＯＸ処理水中の硝酸性窒素を水素酸化微生物により亜硝酸性窒素に変更し、この水素還元処理水中の亜硝酸性窒素をＡＮＡＭＭＯＸ微生物により更に除去して十分に窒素濃度を低減した水を処理水として取り出すことができる（請求項２，９）。

本発明において、水素酸化微生物による脱窒処理に当たり、ＡＮＡＭＭＯＸ処理水と水素ガスとを、膜を介して接触させ、水素ガスを膜を透過させてＡＮＡＭＭＯＸ処理水中に供給することにより、効率的に水素ガスを供給することができる（請求項３，１０）。この際、膜の被処理水側に水素酸化微生物を付着、増殖させておくことにより、被処理水側の膜面で効率的な脱窒処理を行える（請求項４，１１）。

また、水素酸化微生物による脱窒処理は、その処理水のｐＨが８．８〜９．４となるような条件で行うことにより、硝酸性窒素から亜硝酸性窒素への転換率を高めることができることから、水素酸化微生物による脱窒処理工程又はその前段で、処理水のｐＨが８．８〜９．４となるようにｐＨ調整することが好ましい（請求項５，１２）。

即ち、水素酸化微生物による脱窒処理は、硝酸性窒素を亜硝酸性窒素を経て窒素にまで還元するものであるが、硝酸性窒素を窒素にまで還元するには、亜硝酸性窒素から窒素に還元するために余分な水素を投入する必要があり、全体の処理効率が非常に悪く、また、そのための水素ガスコストも高くつく。これに対して、この脱窒処理を処理水のｐＨが８．８〜９．４となるような条件下で行うと、水素酸化微生物による脱窒反応を亜硝酸性窒素の段階で止めることができ、処理効率が格段に高くなると共に水素ガスの使用量を低減することができる。しかして、水素酸化微生物による脱窒処理で生成した亜硝酸性窒素は、ＡＮＡＭＭＯＸ反応によるアンモニア性窒素の脱窒処理に用いることができ、水素酸化微生物による脱窒処理とＡＮＡＭＭＯＸ微生物による脱窒処理とを組み合わせることによる効果を有効に得ることができる。

なお、本発明において、このように水素酸化微生物による硝酸性窒素の還元を亜硝酸性窒素で止める場合であっても、ＡＮＡＭＭＯＸ処理水中の一部の亜硝酸性窒素の窒素ガスへの脱窒や一部硝酸性窒素の窒素ガスへの脱窒も起こり得ることから、この工程も脱窒処理工程と言える。

また、本発明においては、このようにｐＨ調整された水素還元処理水を原水と共にＡＮＡＭＭＯＸ反応に供することから、第一の脱窒処理に供される水のｐＨが６．５〜８．０となるようにｐＨ調整することが好ましく、これにより、ＡＮＡＭＭＯＸ反応効率を高めることが好ましい（請求項６，１３）。

このように、水素還元処理水中の亜硝酸性窒素をＡＮＡＭＭＯＸ反応に供する本発明では、第一の脱窒処理に供される原水中のアンモニア性窒素に対する亜硝酸性窒素の割合は、１．３モル倍以下で、前述のＡＮＡＭＭＯＸ反応当量よりもアンモニア性窒素が多いことが好ましく、これにより、水素還元処理水中の亜硝酸性窒素をＡＮＡＭＭＯＸ反応で高度に脱窒処理することができる（請求項７，１４）。

本発明の窒素含有排水の処理装置は、ＡＮＡＭＭＯＸ処理水が導入される循環槽を有し、この循環槽内に第二の独立栄養型脱窒手段が設けられていることが好ましく（請求項１５）、特に、この循環槽は、原水が導入される原水導入部と、ＡＮＡＭＭＯＸ処理水が導入される処理水導入部と、原水導入部と処理水導入部との間に設けられた第二の独立栄養型脱窒手段を保持する脱窒処理部とを有し、処理水導入部から脱窒処理部を経て原水導入部に水が流通可能とされており、原水導入部の水を第一の独立栄養型脱窒手段に送給する手段と、処理水導入部の水を生物学的脱窒処理水として系外へ排出する手段とを有することが好ましく（請求項１６）、この場合において、循環槽内の原水導入部と脱窒処理部との間、及び、処理水導入部と脱窒処理部との間の一方に、下端が循環槽底面から離隔した仕切壁が設けられ、他方に、上端が水面下に没している仕切壁が設けられていることが好ましい（請求項１７）。

このような窒素含有排水の処理装置であれば、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物による脱窒処理と水素酸化微生物による脱窒処理とを組み合わせた、簡易でコンパクトな装置を提供することができる。

以下に図面を参照して本発明の窒素含有排水の処理方法及び処理装置の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の窒素含有排水の処理装置の実施の形態を示す系統図である。

図１において、ＡＮＡＭＭＯＸ反応槽１内の底部に、水を槽内に分散させて導入するための分散部材２が設けられ、上部に気固液分離部材３が設けられている。

反応槽１内の下部にＡＮＡＭＭＯＸグラニュール汚泥床が形成され、気固液分離部材３は、この汚泥床の界面よりも上位に配置されている。

この気固液分離部材３は、筒軸心方向を上下方向とした筒体３ａと、該筒体３ａの下方に配置されたテーパ部材３ｂとからなる。筒体３ａは、円筒形、角筒形、楕円筒形等のいずれでもよいが、円筒形であることが好ましい。テーパ部材３ｂは、下方から上昇してきたガスが短絡的に筒体３ａ内に流入することを防止するためのものである。

テーパ部材３ｂは、上面に堆積しようとした汚泥が側方に向って滑落するようにその上面が外周に向って下り勾配となる陣笠状の錘形とされている。このテーパ部材３ｂは、平面視において筒体３ａよりも外方にまで張り出す大きさを有している。筒体３ａの下端とテーパ部材３ｂとの間には、水を筒体３ａ内に流入させるように所定の間隙があいている。テーパ部材３ｂは、筒体３ａに対し棒状部材等を介して連結支持されている。

後述のＡＮＡＭＭＯＸ処理水取出用の配管１３は、筒体３ａ内から水を取り出すように筒体３ａ又はそれよりも内方にまで延設されている。

反応槽１内を上昇してきた気体は、テーパ部材３ｂ外周と槽１の内周との間を通って上昇し、さらに筒体３ａと槽１の内周との間を上昇し、水面に達し、大気中に離脱する。

反応槽１内を上昇してきた汚泥の一部は、テーパ部材３ｂに当って落下する。一部の汚泥は、テーパ部材３ｂと筒体３ａとの間を通って筒体３ａ内に入るが、この筒体３ａ内には気泡は全く殆ど流入せず、水は穏やかに上昇するので、汚泥は該筒体３ａ内で沈降し、テーパ部材３ｂの上面を滑落し、テーパ部材３ｂの外周縁から反応槽１の下方へ沈降していく。

このようにして、気体及び汚泥が分離された水が配管１３へ取り出される。

このＡＮＡＭＭＯＸ反応槽１から配管１３によって取り出されたＡＮＡＭＭＯ処理水は循環槽２０に導入される。この循環槽２０内は、下端が水槽底部から離隔し、上端が水面上に位置する仕切板２１と、槽底面から立設され上端が水面下に没した仕切板２２とにより、原水室（原水導入部）２３、脱窒室（脱窒処理部）２４と処理水室（処理水導入・排出部）２５とに区画されている。

原水は、原水導入配管１１を介して循環槽２２の原水室２３の上部から導入され、原水室２３の下部から配管１２を介して前記分散部材２へ供給される。この配管１２にはｐＨ計４Ａが設けられ、この配管１２内の水、即ちＡＮＡＭＭＯＸ反応槽１に送給される水のｐＨを測定し、この測定結果に基いて、循環槽２０の原水室２３に配管１６より酸又はアルカリを添加する酸・アルカリ添加手段５Ａが設けられている。

前記配管１３からのＡＮＡＭＭＯＸ処理水は処理室２５の下部へ導入され、水面付近の集水部材２６及び配管１４を経て系外へ取り出される。

循環槽２０の脱窒室２４内には膜エレメント１０が設けられ、この膜エレメント１０に水素ガスを供給する配管１５が接続されている。また、循環槽２０の仕切板２１の下部から原水室２３に流入する水素還元処理水のｐＨを測定するｐＨ計４Ｂと、このｐＨ計４Ｂの測定結果に基いて膜エレメント１０の上部に配管１７より酸又はアルカリを添加する酸・アルカリ添加手段５Ｂが設けられている。

この図１の処理装置による原水処理手順は次の通りである。

原水（アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を含む亜硝酸型硝化処理水）は、配管１１より循環槽２０の原水室２３、配管１２を経て水素還元処理水と共にＡＮＡＭＭＯＸ反応槽１の下部の分散部材２から反応槽１内に供給され、ＡＮＡＭＭＯＸ反応槽１内を上昇する間にＡＮＡＭＭＯＸ微生物により脱窒処理される。即ち、原水中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素との反応でこれらが除去され、硝酸性窒素が生成する。なお、この反応槽１に導入されるＡＮＡＭＭＯＸ被処理水は、必要に応じて、酸・アルカリ添加手段５Ａより酸又はアルカリが添加されて後述のＡＮＡＭＭＯＸ反応に好適なｐＨに調整される。

ＡＮＡＭＭＯＸ処理水は筒体３ａ内に流入し、配管１３から循環槽２０の処理水室２５に導入され、処理水室２５内を上昇し、一部が配管１４より系外へ排出され、残部は仕切板２２の上端を回り込んで脱窒室２４に流入する。

この脱窒室２４に流入したＡＮＡＭＭＯＸ処理水は、配管１７からの酸又はアルカリで後述の水素還元処理に好適なｐＨにｐＨ調整され、脱窒室２４を流下する間に配管１５から供給される水素ガスの存在下、膜エレメント１０の膜面に付着、増殖した水素酸化微生物により、ＡＮＡＭＭＯＸ反応で副生した硝酸性窒素が亜硝酸性窒素に還元処理される。この水素還元処理水は、仕切板２１の下端を回り込んで原水室２３に流入し、原水と共に配管１２を経てＡＮＡＭＭＯＸ反応槽１に送給される。

このような窒素含有排水の処理装置において、原水室２３に送られる水素還元処理水のｐＨが８．８〜９．４となるように酸・アルカリ添加手段５Ｂを制御することにより、前述の如く、水素酸化微生物による還元を亜硝酸性窒素で止め、効率的な処理を行える。このｐＨが８．８未満では硝酸性窒素が窒素ガスまで還元されてしまうため好ましくなく、９．４を超えると水素還元処理が進行せず好ましくない。なお、水素酸化微生物による還元で硝酸性窒素が還元されることにより処理水のｐＨが上昇するため、このｐＨ調整には、硫酸、塩酸等の酸が用いられる。
また、排水の緩衝能により水素還元処理においてｐＨが十分に上昇しない場合には、水酸化ナトリウムや炭酸ナトリウムなどのアルカリを添加する。

また、原水は通常ｐＨ６．５〜８．０程度であり、このような原水にｐＨ８．８〜９．４の水素還元処理水が混合されることにより、ｐＨが上昇するが、ＡＮＡＭＭＯＸ反応に好適なｐＨは６．５〜８．０程度であるため、このようなｐＨになるように、酸添加手段５Ａを制御して硫酸、塩酸等の酸を添加することが好ましい。

本発明において、水素還元処理水はその全量をＡＮＡＭＭＯＸ反応に供することが好ましく、また、ＡＮＡＭＭＯＸ処理水のうち、系外へ排出する水と水素還元処理に供する水との割合については、系外への排出水量が多いと処理効率は向上するが、処理水の水質が低下する傾向にあり、逆に水素還元処理に供する水の割合が多いと処理水の水質は向上するが、処理効率が低下するため、この割合は要求される処理水水質と処理効率とを考慮して適宜決定されるが、通常の場合、ＡＮＡＭＭＯＸ処理水の４０〜６０％を系外へ排出し、残部を水素還元処理に供することが好ましい。

なお、図１は、本発明の窒素含有排水の処理装置の実施の形態の一例を示すものであり、本発明はその要旨を超えない限り、何ら図示のものに限定されるものではないが、図１に示すように、既存の処理水槽又はＡＮＡＭＭＯＸ反応槽に水素ガスを供給する膜エレメントを浸漬配置することにより、新たな反応槽を設けることなく本発明を実施することができ、好ましい。
この場合、膜エレメントは、生物汚泥と処理水とがほぼ完全に分離される領域に設けることが望ましく、従って、処理水槽がある場合には、図１に示すように、処理水槽に浸漬することが好ましい。

本発明において、水素ガス供給手段として水槽内に浸漬配置される膜エレメントのガス透過性膜としては、精密濾過（ＭＦ）膜、限外濾過（ＵＦ）膜、ナノ濾過（ＮＦ）膜、その他の膜が挙げられ、その型式としては、中空糸膜、平膜等の各種のものを採用することができる。水素ガスの供給圧力は、被処理水の脱窒対象窒素量に応じて適宜決定される。

本発明において、処理対象となる排水は窒素を含有するものであり、例えば次のようなものが挙げられる。
(1) アンモニア性窒素を含む水を亜硝酸型硝化により、アンモニア性窒素の一部を亜硝酸性窒素に変換した亜硝酸型硝化処理水
(2) アンモニア性窒素を含む水と、亜硝酸性窒素を含む水（アンモニア性窒素を含む水に含まれる亜硝酸性窒素の殆どすべてを亜硝酸性窒素に変換した亜硝酸型硝化処理水）との混合水

上記アンモニア性窒素を含む水は、有機物及び有機性窒素を含むものであっても良いが、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。原水は無機物を含んでいても良い。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た後、必要に応じて亜硝酸型硝化を行った後、本発明による脱窒処理に供することが好ましい。

本発明による脱窒処理に供される排水中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素の割合は、ＡＮＡＭＭＯＸ反応当量よりも若干アンモニア性窒素が多くなるように調整した排水例えばアンモニア性窒素に対する亜硝酸性窒素の割合が１．３モル倍以下、好ましくは１．２〜１．３モル倍の排水であることが好ましく、このような排水であれば、ＡＮＡＭＭＯＸ反応で生成した硝酸性窒素を水素酸化微生物により亜硝酸性窒素に還元し、これを再びＡＮＡＭＭＯＸ反応で処理して、アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素、硝酸性窒素を極低濃度にまで除去することが可能となる。
本発明において、独立栄養性微生物は従属栄養的にも生育することができる任意化学独立栄養菌であっても構わないし、有機物を利用できない絶対化学独立栄養菌であっても構わない。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

実施例１
図１に示す装置により、下記水質の亜硝酸型硝化処理水を原水として微生物処理を行った。
（原水水質）
ＮＨ_４−Ｎ：２５０ｍｇ／Ｌ
ＮＯ_２−Ｎ：３１０ｍｇ／Ｌ
ＮＯ_３−Ｎ：０ｍｇ／Ｌ
ｐＨ：７．０

ＡＮＡＭＭＯＸ反応槽１の容積は２５Ｌ、循環槽２０の容積は５Ｌであり、循環槽２０には親水性中空糸膜エレメント（（株）クラレ製「８２５８Ａ」、膜表面積１２ｍ^２）１０を浸漬し、水素ガスを０．１０ＭＰａの供給圧で供給した。

原水の通水量は７．３Ｌ／ｈｒとし、ＡＮＡＭＭＯＸ反応槽１と循環槽２０との循環水量は７．３Ｌ／ｈｒとした。また、ｐＨ計４Ａ，４Ｂの測定ｐＨ値が表１に示す値となるように、循環槽２０にｐＨ調整のための酸を添加した。
各部の処理水の水質を調べ、結果を表１に示した。

比較例１
実施例１において、原水のＮＯ_２−Ｎを３３０ｍｇ／Ｌとし、また、膜エレメントに水素ガスを供給しない他は同様に処理を行い、各部の処理水の水質を調べ、結果を表１に示した。

比較例２
実施例１において、原水のＮＯ_２−Ｎを３３０ｍｇ／Ｌとし、また、ｐＨ計４Ａ，４Ｂの測定ｐＨ値が表１に示す値となるように循環槽２０にｐＨ調整のための酸を添加した他は同様に処理を行い、各部の処理水の水質を調べ、結果を表１に示した。

比較例３
実施例１において、ｐＨ計４Ａ，４Ｂの測定ｐＨ値が表１に示す値となるように循環槽２０にｐＨ調整のための酸を添加した他は同様に処理を行い、各部の処理水の水質を調べ、結果を表１に示した。

表１より明らかなように、ＡＮＡＭＭＯＸ微生物による脱窒処理と水素酸化微生物による脱窒処理とを組み合わせると共に処理水を循環させることにより、ＡＮＡＭＭＯＸ反応で副生する硝酸性窒素や残留する亜硝酸性窒素を高度に除去して高水質の処理水を得ることができることが分かる。

なお、比較例１では、水素還元処理が行われないため、処理水中に硝酸性窒素が多く含まれるという問題がある。水素還元処理水のｐＨを８．０とした比較例２では、水素還元処理により硝酸性窒素を窒素ガスにまで還元してしまうため（この結果、水素還元処理水のＮＯ_２−Ｎが非常に少ない。）、処理水の水質は良好であるが、水素ガス使用量が多いという問題がある。水素還元処理水のｐＨを９．６とした比較例３では、水素還元処理における硝酸性窒素の還元が不十分であり、良好な処理水水質が得られないという問題がある。

なお、実施例１において、比較例１，２よりも原水ＮＯ_２−Ｎ濃度を低くしたのは、ＡＮＡＭＭＯＸ反応で生成したＮＯ_３−Ｎが水素還元処理によりＮＯ_２−Ｎに転換され、このＮＯ_２−Ｎが原水と共にＡＮＡＭＭＯＸ反応に供されるため、この分を考慮して原水ＮＯ_２−Ｎ濃度を調整したことによる。

本発明の窒素含有排水の処理装置の実施の形態を示す系統図である。

符号の説明

１ ＡＮＡＭＭＯＸ反応槽
１０ 膜エレメント
２０ 循環槽

Claims (17)

1. 窒素を含有する排水を生物学的脱窒処理する窒素含有排水の処理方法において、
   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脱窒微生物の作用により脱窒処理する第一の独立栄養型脱窒工程と、
   該第一の独立栄養型脱窒工程の処理水を水素ガスを電子供与体、亜硝酸性窒素および／または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により脱窒処理する第二の独立栄養型脱窒工程と、
   該第二の独立栄養型脱窒工程の処理水を前記第一の独立栄養型脱窒工程に返送する処理水循環工程と
   を有することを特徴とする窒素含有排水の処理方法。
2. 請求項１において、前記第一の独立栄養型脱窒工程の処理水の一部を生物学的脱窒処理水として系外へ排出すると共に、残部を前記第二の独立栄養型脱窒工程に送給することを特徴とする窒素含有排水の処理方法。
3. 請求項１又は２において、前記第二の独立栄養型脱窒工程は、被処理水と水素ガスとを、膜を介して接触させる水素ガス供給工程を含むことを特徴とする窒素含有排水の処理方法。
4. 請求項３において、前記膜の被処理水側表面に微生物を付着、増殖せしめることにより該膜の被処理水側で微生物反応を行うことを特徴とする窒素含有排水の処理方法。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、前記第二の独立栄養型脱窒工程またはその前段に、該第二の独立栄養型脱窒工程の処理水のｐＨが８．８〜９．４になるようにｐＨ調整するｐＨ調整工程を有することを特徴とする窒素含有排水の処理方法。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、前記第一の独立栄養型脱窒工程に導入される水のｐＨが６．５〜８．０となるようにｐＨ調整するｐＨ調整工程を有することを特徴とする窒素含有排水の処理方法。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項において、前記窒素含有排水中のアンモニア性窒素に対する亜硝酸性窒素の割合が１．３モル倍以下であることを特徴とする窒素含有排水の処理方法。
8. 窒素を含有する排水を生物学的脱窒処理する窒素含有排水の処理装置において、
   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脱窒微生物の作用により脱窒処理する第一の独立栄養型脱窒手段と、
   水素ガスを電子供与体、亜硝酸性窒素および／または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により脱窒処理する第二の独立栄養型脱窒手段と、
   該第二の独立栄養型脱窒手段の処理水を前記第一の独立栄養型脱窒手段に返送する処理水循環手段と
   を有することを特徴とする窒素含有排水の処理装置。
9. 請求項８において、前記第一の独立栄養型脱窒手段の処理水の一部を生物学的脱窒処理水として系外へ排出する手段と、残部を前記第二の独立栄養型脱窒手段に送給する手段とを有することを特徴とする窒素含有排水の処理装置。
10. 請求項８又は９において、前記第二の独立栄養型脱窒手段は、被処理水と水素ガスとを、膜を介して接触させる水素ガス供給手段を含むことを特徴とする窒素含有排水の処理装置。
11. 請求項１０において、前記膜の被処理水側表面に微生物を付着、増殖せしめることにより該膜の被処理水側で微生物反応を行うことを特徴とする窒素含有排水の処理装置。
12. 請求項８ないし１１のいずれか１項において、前記第二の独立栄養型脱窒手段またはその前段に、該第二の独立栄養型脱窒手段の処理水のｐＨが８．８〜９．４になるようにｐＨ調整するｐＨ調整手段を有することを特徴とする窒素含有排水の処理装置。
13. 請求項８ないし１２のいずれか１項において、前記第一の独立栄養型脱窒手段に導入される水のｐＨが６．５〜８．０となるようにｐＨ調整するｐＨ調整手段を有することを特徴とする窒素含有排水の処理装置。
14. 請求項８ないし１３のいずれか１項において、前記窒素含有排水中のアンモニア性窒素に対する亜硝酸性窒素の割合が１．３モル倍以下であることを特徴とする窒素含有排水の処理装置。
15. 請求項８ないし１４のいずれか１項において、前記第一の独立栄養型脱窒手段の処理水が導入される循環槽を有し、該循環槽内に前記第二の独立栄養型脱窒手段が設けられていることを特徴とする窒素含有排水の処理装置。
16. 請求項１５において、前記循環槽は、前記窒素含有排水が導入される原水導入部と、
    前記第一の独立栄養型脱窒手段の処理水が導入される処理水導入部と、
    前記原水導入部と処理水導入部との間に設けられた前記第二の独立栄養型脱窒手段を保持する脱窒処理部とを有し、
    前記処理水導入部から前記脱窒処理部を経て前記原水導入部に水が流通可能とされており、
    前記原水導入部の水を前記第一の独立栄養型脱窒手段に送給する手段と、
    前記処理水導入部の水を生物学的脱窒処理水として系外へ排出する手段とを有することを特徴とする窒素含有排水の処理装置。
17. 請求項１６において、前記原水導入部と前記脱窒処理部との間、及び、前記処理水導入部と前記脱窒処理部との間の一方に、下端が循環槽底面から離隔した仕切壁が設けられ、他方に、上端が水面下に没している仕切壁が設けられていることを特徴とする窒素含有排水の処理装置。

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