JP3845515B2 - 排水中の窒素及びリンの除去システムならびに除去方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水、し尿などの窒素やリン化合物を含む生活排水もしくは産業排水から窒素およびリンを同時に除去することのできる、排水中の窒素及びリンの除去システムならびに除去方法に関し、とくにその長期、安定運転に関する。
【０００２】
【従来の技術】
しばしば閉鎖性水域における富栄養化の問題が提起されているが、その主な原因物質に窒素とリンとがあげられている。そして従来、窒素を除去するのに生物学的脱窒法が、リンを除去するのに化学的凝集法が利用されていた。しかし、化学的凝集法には薬品を多量に使用し多量の汚泥が発生するという欠点があるために、最近になって嫌気性−好気性活性汚泥法が生物学的な窒素およびリンの除去方法として注目されるようになった。
【０００３】
生物学的脱窒法は、硝化菌および脱窒素菌を利用して蛋白質や尿素に由来する有機性窒素をアンモニア化、硝化、脱窒し、窒素ガスとして放出、除去するものである。一方、生物学的脱リン法においてリンはリン酸の形で関与しガス化しないので、汚泥中のリン蓄積細菌が高濃度にリンを摂取することを利用する。すなわち、リン蓄積細菌は、嫌気性、好気性の両雰囲気を経験することにより、溶存酸素も硝酸性窒素などの結合酸素も存在しない絶対嫌気性ゾーン中において、汚泥有機物を優先的に摂取してリンを放出し、続く好気性ゾーン中において、摂取した細菌内有機物を代謝し増殖するとともに、前記の放出したリンよりも過剰のリンを摂取する。生物学的脱リン法は、このリンを過剰に含んだ汚泥を余剰汚泥として系外に取り出し、リンの除去を行うものである。
【０００４】
前記の生物学的脱窒法と生物学的脱リン法とを利用した嫌気性−無酸素性（絶対嫌気性）−好気性活性汚泥法の代表的な一例を図２に示す。なお、以下の説明において、無酸素性ゾーンは分子状酸素は溶存しないがＮＯｘなどの結合酸素が存在する領域であって、いわゆる通性嫌気性領域を、嫌気性ゾーンは分子状酸素も前記の結合酸素も存在しない絶対嫌気性領域をいう。生物学的硝化脱窒法は、好気性の硝化菌と通性嫌気性の脱窒菌との性質の異なるバクテリア群が順次働く機構として説明されている。
【０００５】
さて、図２記載の従来プロセスは、リンの放出工程である嫌気性生物処理ゾーン２２、脱窒工程である無酸素性生物処理ゾーン２３、空気配管２５から空気を吹き込んで硝化とリンの過剰摂取とが行われる好気性生物処理ゾーン２４、硝化処理により生成した硝酸性窒素を含む処理液（硝化液）の一部を無酸素生物処理ゾーン２３に戻す硝化液循環系２６、汚泥を分離する固液分離装置２７、および分離汚泥返送系２８から構成されている。処理後の水は、分離水排出配管２９から系外に取り出される。２１は排水供給管であり、３０は汚泥排出管である。しかし、この方法で返送される硝化液は処理する排水の１ないし３倍にも達していた。また、例えば下水処理においては１４ないし１８時間の処理が必要であって、これは標準活性汚泥法の約２倍の処理時間である。そして、リン除去に欠くことのできない嫌気性生物処理ゾーン２２でのリンの放出が、返送汚泥に含まれる硝酸性窒素中の結合酸素や排水中に含まれる溶存酸素により阻害されることがあった。
【０００６】
従来法として例えば特公昭６１−３３６３８号公報には、窒素およびリン酸塩を含む有機性排水から窒素およびリンを同時に除去する手段、すなわち、先頭に嫌気性生物処理ゾーンをおき、続いて好気性生物処理ゾーンと無酸素性生物処理ゾーンとを１単元として複数配列し、最終を除く各無酸素性生物処理ゾーンに排水をステップ供給する方法が記載されている。しかし、前記のように先頭の嫌気性生物処理ゾーンには、排水中には溶存酸素が、返却汚泥中に硝酸性窒素が含まれていて十分なリンの放出が行われない可能性がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
環境対策は益々高レベルのものが要求されている。前記の従来の嫌気性−無酸素性−好気性活性汚泥法には、標準活性汚泥法に比べて大容量の処理タンクを要し、循環する硝化液量が大きい、リンの放出が阻害されやすい等の課題が提起されていた。既設の下水処理場の設備を利用して嫌気性−無酸素性−好気性活性汚泥法を用い、窒素及びリン除去機能の改善をはかろうとしても、排水処理量が大きく低下するので容易に実施できない。そこで本発明は、効率のよい窒素およびリンの除去性能を、長期間安定して持続することのできる、かつ、既存の排水処理場の設備を利用する際にも処理能力の低下をおさえ、大量の硝化液を循環する必要のない、排水の生物学的窒素及びリン除去システム、ならびに除去方法の提供を課題に完成されたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
図１に本発明の一実施形態例のフローシートを記載したので、これを参照し課題を解決する手段である本発明を具体的に説明する。本発明は、先頭に無酸素性生物処理ゾーン４ａを、続けて嫌気性生物処理ゾーン５を設け、さらに複数の好気性生物処理ゾーン６ａ，６ｂと少なくとも１つの無酸素性生物処理ゾーン４ｂとを排水の流れの方向に交互に配列し、末尾の処理ゾーン６ｂを好気性ゾーンとする処理装置１と、処理する排水を、先頭の無酸素性生物処理ゾーン４ａ、及び前記のさらに配列した無酸素性生物処理ゾーン４ｂの一部または全部にステップ供給する排水供給配管３と、前記の処理装置１から流出する流出液中の汚泥を分離する固液分離装置２と、分離された汚泥を無酸素性生物処理ゾーン４ａに返送する汚泥返送配管系７と、いずれかの無酸素性生物処理ゾーン４において、ゾーン内の生物反応液の酸化還元電位を測定する酸化還元電位計１０と、前記の酸化還元電位が還元域を示してリン放出のおそれを生じたとき、溶存酸素または結合酸素を含む処理液を先頭を除く無酸素性ゾーンに循環する系１４と、からなることを特徴とする排水中の窒素及びリンの除去システムを提供する。前記の除去システムにおいて、先頭部に設けた嫌気性生物処理ゾーン５の容量は通過する被処理液の平均滞留時間の少なくとも１．５時間分であって、かつ処理装置１内の無酸素性生物処理ゾーン４ａ，４ｂの全容量１に対し、好気性生物処理ゾーン６ａ，６ｂの全容量を１ないし２にすることが望ましい。また、好気性生物処理ゾーン６には空気の吹込手段８を、無酸素性生物処理ゾーン４、嫌気性生物処理ゾーン５および好気性生物処理ゾーン６には、積極的攪拌手段９が設けておくとよい。
【０００９】
さらに本発明は、無酸素性生物処理ゾーン４ａと嫌気性生物処理ゾーン５とを先頭に、さらに複数の好気性生物処理ゾーン６ａ，６ｂと少なくとも１つの無酸素性生物処理ゾーン４ｂとを流れの方向に交互に配列し、末尾の処理ゾーン６ｂを好気性とする処理装置１を用い、先頭の無酸素性生物処理ゾーン４ａ、及び前記のさらに配列した無酸素性生物処理ゾーン４ｂの一部または全部に処理する排水をステップ供給して下流ゾーンを順次に流通させた後、流出液を固液分離装置２に導いて汚泥を分離し、分離された汚泥を先頭の無酸素性生物処理ゾーン４ａに返送するとともに、いずれかの無酸素性生物処理ゾーンにおいて酸化還元電位計を用いゾーン内の生物反応液の酸化還元電位を測定し、その値が還元域を示しリン放出のおそれがある場合、溶存酸素または結合酸素を含む処理液を、先頭を除く無酸素性ゾーンに循環することを特徴とする排水中の窒素及びリンの除去方法を提供する。この除去方法において、いずれかの無酸素性生物処理ゾーン４ｂにおいて酸化還元電位計１０を用いてゾーン内の生物反応液の酸化還元電位を測定し、その値が還元域を示しリン放出のおそれがある場合、すなわち一般的には−２００ｍＶ以下、好ましくは−１５０ｍＶ以下になったとき、溶存酸素または結合酸素を含む処理液を先頭を除く無酸素性ゾーン４ｂに循環することが望ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明を図面を参照し実施形態例をあげながら、さらに具体的に説明する。なお、図面と説明を分かりやすくするためにゾーン数の少ないものを例示した。本発明の排水中の窒素及びリンの除去システムにおいては、排水の生物処理を実施するために、先頭に排水及び汚泥中の酸素分を還元、消費する無酸素性生物処理ゾーン４ａを、続けてリンの放出を行わせる嫌気性生物処理ゾーン５を、さらに続けて複数の好気性生物処理ゾーン６ａ，６ｂと少なくとも１つの無酸素性生物処理ゾーン４ｂとを流れ方向に交互に配列し、最終ゾーンを好気性生物処理処理ゾーン６ｂとする処理装置１を設ける。処理装置１は、通常１槽で構成され、内部が上下方向の仕切板１１により複数の処理ゾーン４ａ、５、６ａ、４ｂ、６ｂに区切られている。先頭の無酸素性生物処理ゾーン４ａに供給された排水及び汚泥は仕切板１１ａの下端を潜り抜け、ついで仕切板１１ｂの上端を溢流し、順次にこれらの繰返しにより上流から下流へ流れる。
【００１１】
先頭部に設けた嫌気性生物処理ゾーン５の容量は、通過する被処理液の平均滞留時間の少なくとも１．５時間分好ましくは２時間以上とする。短すぎると汚泥中のリンが十分に放出されないおそれがある。好気性生物処理ゾーン６ａ，６ｂには所要量の酸素を供給するために空気供給管８を通して空気を吹込んでいる。全無酸素性生物処理ゾーン４と全好気性生物処理ゾーン６の容積比率は、一般に前者１に対し好ましくは後者が１ないし２になるように設ける。これは無酸素性生物処理である脱窒反応の速度より、好気性生物処理である消化反応の速度の方が遅いためである。
【００１２】
窒素やリンを含んだ排水は、排水供給管３により、その一部が処理装置１の先頭に設けられた無酸素性生物処理ゾーン４ａに、残りの排水が下流に設けた無酸素性生物処理ゾーン４ｂにステップ供給される。処理装置１を通過して処理された汚泥を含む排水、すなわち処理水は、処理装置１の出口側から固液分離槽２へ流出し、分離された汚泥（通常スラリー）の一部は返送配管系７により先頭の無酸素性生物処理ゾーン４ａに返送され、残りの汚泥は汚泥排出配管１２により系外に取り出される。分離水も分離水排出管１３により系外に取り出される。
さて、先頭の無酸素性生物処理ゾーン４ａにおいて、供給された一部の排水や汚泥中に含まれる溶存酸素の消費と結合酸素の還元とが進み、排水中に含まれる有機物を利用して返送汚泥中の硝酸性窒素の脱窒が行われる。
【００１３】
結合酸素及び溶存酸素を放出した状態の排水は嫌気性生物処理ゾーン５に流入する。嫌気性生物処理ゾーン５においては、絶対嫌気性の条件下で汚泥中のリンが放出され、次の好気性生物処理ゾーン６ａに流入する。好気性ゾーン６ａでは無酸素性生物処理ゾーン４ａ滞留中から排水中に含まれていたアンモニア性窒素の硝化と、リンの過剰摂取とが行われる。次の無酸素性生物処理ゾーン４ｂにおいては、ステップ供給された排水中の有機物を利用して前段の好気性ゾーン６ａで生成した硝酸性窒素の脱窒が行われる。さらに次の好気性ゾーン６ｂにおいては無酸素性ゾーン４ｂからの流入水中に含まれるアンモニア性窒素の硝化とリンの過剰摂取とが行われる。以下同様にして排水は、無酸素性ゾーンと好気性ゾーンとにおいて交互に処理され、有機窒素化合物の脱窒、硝化とリンの過剰摂取とを繰り返して下流に流れる。脱窒に必要な有機物を有効に分配供給し、各ゾーンでの処理負荷を均一化するために流れ方向中間部の無酸素ゾーン４ｂにステップ供給された排水も同様にして処理される。
【００１４】
本実施形態例では、簡単にするために無酸素性ゾーン４ａ，４ｂと好気性ゾーン６ａ，６ｂとがそれぞれ２ゾーンづつの場合を説明したが、処理条件によりさらにゾーン数を増やすことができる。処理装置１全体を１槽で構成することにより、コストと占有面積を節約することができる。しかし、各ゾーンを独立槽とする連続多槽装置で構成したり、一部のゾーンごとに１槽にまとめた槽列で構成することもできる。また、仕切板１１は排水の流れをピストン流に近付けるためのものであって、必ずしも全ての仕切板がゾーンを区分するものではない。１つのゾーン中に１または複数の仕切板を設けることもできる。仕切板を水平方向に設け各ゾーンを水平方向のジグザグに区切ることもできる。
【００１５】
さらにいずれかの無酸素性生物処理ゾーンでの酸化還元電位が低下した場合には、硝酸性窒素を含んだ処理水（流出水）の一部を循環配管１４を用いて先頭を除く無酸素ゾーン４ｂに循環処理する。これは同時に硝酸性窒素の除去性能向上も期待できる。処理装置１から流出した硝酸性窒素を含む流出水は固液分離装置２に送られ、分離水と汚泥とに分離される。分離されたリンを過剰に含む汚泥は一部が余剰汚泥として系外に排出される。残りの汚泥は、返送汚泥として汚泥返送配管系７により、先頭の無酸素ゾーン４ａに戻される。固液分離装置２には、通常、沈澱池などの沈澱法が用いられるが沈澱法に限定されるものではない。
【００１６】
［参考例］
次に参考例にもとづいてプロセスを具体的に説明する。本発明の効果を確認するために本発明を用いて合流式下水処理場の初沈越流水を処理した。まず、容量が６．７ｍ3 の処理タンクを、図１に示した装置と同様に上流側から容積比１：２：４：１．５：１の比率で仕切り、先頭の無酸素性生物処理ゾーン、続く１つの嫌気性生物処理ゾーン、さらに１つの無酸素性生物処理ゾーンを間に挟んで２つの好気性生物処理ゾーンを設けた。２つの無酸素性生物処理ゾーンの全容量１に対する好気ゾーンの全容量は約２であった。そして、前記の越流水１６ｍ3 ／日を２つの無酸素ゾーンに１：１の比率でステップ供給し、かつ８ｍ3 ／日の返送汚泥を第１無酸素ゾーンに戻し、約３月間、連続運転を行った。その間、測定した越流水（排水）の全窒素濃度及び全リン濃度と固液分離装置から流出する分離水中の全窒素濃度及び全リン濃度とを図３に示した。
【００１７】
【発明の効果】
本発明では、先頭に無酸素性生物処理ゾーンと嫌気性生物処理ゾーンとを設けることにより、安定かつ十分な脱酸素状態で高効率のリン放出が可能になり、以下の過剰摂取により有利に排水中のリンを除去することができる。窒素についても無酸素性生物処理ゾーンと好気性ゾーンとを交互に設けて生物学的な硝化及び脱窒反応を行い、さらに原水をステップ流入させることで脱窒に必要な有機物を有効に分配供給することができる。また、ステップ流入により、各ゾーンでの処理窒素の負荷が低減され、効率的な処理装置を設計することができる。
【００１８】
従って、本発明の窒素及びリン除去方法を利用すれば、処理槽の容量は標準活性汚泥法の容量を大きく上回ることがなく、また、既存の排水処理量を大幅に低減することなく、大量の硝化液を循環することなく、効率よく高い除去性能を長期間安定して維持することができるのである。本発明の利用により、標準活性汚泥法に準ずる容量の設備を用い、既存の排水処理量を大きく低減させることなく、大量の硝化液を循環することないで、効率よく高い除去性能を長期間安定して維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態例フローシート
【図２】 従来の嫌気性−無酸素性−好気性活性汚泥法フローシート
【図３】 実施例の原水および処理水中の窒素およびリンの経日濃度変動
【符号の説明】
１：処理装置 ２：固液分離装置
３：排水供給配管 ４：無酸素性生物処理ゾーン（ａ：先頭）
５：嫌気性生物処理ゾーン ６：好気性生物処理ゾーン（ｂ：末尾）
７：汚泥返送配管系 ８：空気の吹込手段（空気吹込管）
９：積極的攪拌手段 １０：酸化還元電位測定器 １１：仕切板
１２：汚泥排出管 １３：分離水排出管 １４：循環配管

Claims (4)

1. 先頭に無酸素性生物処理ゾーンを、続けて嫌気性生物処理ゾーンを設け、さらに複数の好気性生物処理ゾーンと少なくとも１つの無酸素性生物処理ゾーンとを排水の流れの方向に交互に配列し、末尾の処理ゾーンを好気性ゾーンとする処理装置を用い、先頭の無酸素性生物処理ゾーン、及び前記のさらに配列した無酸素性生物処理ゾーンの一部または全部に処理する排水をステップ供給して下流ゾーンを順次に流通させた後、流出液を固液分離装置に導いて汚泥を分離し、分離された汚泥を前記処理装置の先頭の無酸素性生物処理ゾーンに返送するとともに、いずれかの無酸素性生物処理ゾーンにおいて酸化還元電位計を用いゾーン内の生物反応液の酸化還元電位を測定し、その値が還元域を示しリン放出のおそれがある場合、溶存酸素または結合酸素を含む処理液を、先頭を除く無酸素性ゾーンに循環することを特徴とする排水中の窒素及びリンの除去方法。
2. いずれかの無酸素性生物処理ゾーンにおいて酸化還元電位計を用いて測定したゾーン内の生物反応液の酸化還元電位が−２００ｍＶ以下になったときに、溶存酸素または結合酸素を含む処理液を、先頭を除く無酸素性ゾーンに循環することを特徴とする請求項１に記載の排水中の窒素及びリンの除去方法。
3. 先頭に無酸素性生物処理ゾーンを、続けて嫌気性生物処理ゾーンを設け、さらに複数の好気性生物処理ゾーンと少なくとも１つの無酸素性生物処理ゾーンとを排水の流れの方向に交互に配列し、末尾の処理ゾーンを好気性ゾーンとする処理装置と、
   処理する排水を、先頭の無酸素性生物処理ゾーン、及び前記のさらに配列した無酸素性生物処理ゾーンの一部または全部にステップ供給する排水供給配管と、
   前記の処理装置から流出する流出液中の汚泥を分離する固液分離装置と、
   分離された汚泥を前記処理装置の先頭の無酸素性生物処理ゾーンに返送する汚泥返送配管系と、
   いずれかの無酸素性生物処理ゾーンにおいて、ゾーン内の生物反応液の酸化還元電位を測定する酸化還元電位計と、
   前記の酸化還元電位が還元域を示してリン放出のおそれを生じたとき、溶存酸素または結合酸素を含む処理液を先頭を除く無酸素性ゾーンに循環する系と、からなることを特徴とする排水中の窒素及びリンの除去システム。
4. 先頭に設けた嫌気性生物処理ゾーンの容量が通過する被処理液の平均滞留時間の少なくとも１．５時間分であって、かつ先頭を含む処理装置内の無酸素性生物処理ゾーンの全容量１に対し、好気性生物処理ゾーンの全容量が１ないし２であることを特徴とする請求項３に記載の排水中の窒素及びリンの除去システム。

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