JP4581211B2

JP4581211B2 - 生物学的脱窒装置

Info

Publication number: JP4581211B2
Application number: JP2000306403A
Authority: JP
Inventors: 和也小松
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2000-10-05
Filing date: 2000-10-05
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2020-10-05
Also published as: JP2002113491A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は上向流汚泥床（ＵＳＢ：ＵｐｆｌｏｗＳｌｕｄｇｅＢｌａｎｋｅｔ）方式の生物学的脱窒装置に係り、特に、脱窒反応塔内の脱窒菌の粒状化汚泥（グラニュール）の浮上、流出を防止すると共に、脱窒反応塔内での残留有機物の酸化分解も可能とした生物学的脱窒装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
反応塔内に脱窒菌を高濃度で保持することができ、これにより処理効率の向上、装置の小型化が可能な生物学的脱窒装置として、グラニュールを利用したＵＳＢ方式の生物学的脱窒装置が提案されている。
【０００３】
ＵＳＢ方式の生物学的脱窒装置は、脱窒菌の付着担体を用いることなく、反応塔内に脱窒菌を高濃度の粒状に凝集させたグラニュールの汚泥床を形成し、原水（有機性廃水）を反応塔下部から導入してこのグラニュールと接触させて原水中の硝酸性窒素、亜硝酸性窒素を分解し、脱窒処理水を反応塔上部の固気液分離部から取り出すものである。
【０００４】
この際、脱窒反応に必要な有機物（通常メタノール）を原水に注入するが、脱窒反応を速やかに完了させるためには、理論上必要な有機物量よりも過剰に注入する必要があり、一般には理論量の約１．２倍（Ｎ濃度の約３倍）程度の有機物量となるように注入する。脱窒反応塔内において、原水に注入した有機物は脱窒された硝酸性窒素、亜硝酸性窒素の量に見合った量だけ消費されるが、原水中には前述の如く理論量より過剰の有機物を注入しているため、脱窒処理水中には脱窒反応で消費されなかった余剰の有機物が残留しており、ＢＯＤ、ＣＯＤが高く、当該水をこのまま放流することができない。従って、このような生物学的脱窒装置にあっては、脱窒反応で除去されずになお残留するメタノール等の有機物を除去する目的で、脱窒反応塔の後段に再曝気槽を設ける必要があり、この再曝気槽の容量が脱膣反応塔に比べて非常に大きいことが問題となっていた。
【０００５】
この問題を解決するために、特許第２５４０１５０号公報には、反応塔内のグラニュール汚泥床の中間位置に散気手段を設けて酸素を吹き込むことにより、汚泥床の散気手段下部を脱窒部とし、上部を脱窒部で除去されなかった残留有機物の酸化分解部とし、この酸化分解部で残留有機物を除去するようにした生物学的脱窒装置が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなＵＳＢ方式生物学的脱窒装置における脱窒反応では、基質の汚泥への転換率が高いため、反応塔内の脱窒菌グラニュールは肥大化し易い。グラニュールが肥大化すると、反応によって生成する窒素ガスをグラニュール内部に包含しやすくなる。そして、窒素ガスを内包することにより比重が低下したグラニュールは浮上し、反応塔上部に堆積するようになり、本来、反応塔下部で汚泥床を形成すべきグラニュールの多くが反応塔上部に移行すると、反応塔下部から導入された原水中の硝酸性窒素、亜硝酸性窒素を反応塔内にて効率よくグラニュールと接触させて処理することができなくなり、処理が不安定となる。また、浮上したグラニュールが処理水とともに流出することによって、反応塔内に脱窒菌を高濃度で保持することができなくなり、処理効率が低下する。
【０００７】
従って、生物学的脱窒装置の処理効率を安定に維持し、高水質の処理水を得るためには、この反応塔内のグラニュールの浮上、流出を防止する必要がある。
【０００８】
しかし、特許第２５４０１５０号公報に記載される装置では、残留有機物の問題は解決されるが、浮上グラニュールの問題が考慮されていないため、グラニュール汚泥床の内部を曝気することで、グラニュールが過度に微細化されて多量に巻き上げられる結果、反応塔上部の固気液分離部の負荷が著しく増加する。そして、このために、固気液分離が困難となってグラニュールが処理水中に流出し、処理水ＳＳ濃度が高くなるという問題がある。
【０００９】
また、グラニュール汚泥床内の汚泥の一部を有機物の酸化分解に供するため、脱窒反応のみを行わせる従来のＵＳＢ方式の生物学的脱膣装置に比べ、許容される窒素負荷量が低下するため、装置自体を大きくしなければならないという問題もある。
【００１０】
本発明は上記従来の問題点を解決し、反応塔内で肥大化して浮上し易くなったグラニュールの沈降性を改善すると同時に、反応塔の固気液分離部の負荷を著しく増加させることなく、従って、処理水ＳＳ濃度を高めることなく、かつ高い窒素除去効率を維持しながら残留有機物の酸化分解を行うことが可能な生物学的脱窒装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の生物学的脱窒装置は、硝酸性窒素及び／又は亜硝酸性窒素を含む有機性排水を反応塔の下部から導入し、該反応塔内で脱窒菌が高濃度に凝集したグラニュールと接触させ、該反応塔上部より処理水を取り出す生物学的脱窒装置において、該反応塔内のグラニュールの汚泥床の上方に流体を供給する流体供給手段を設けると共に、該反応塔内の該流体供給手段による流体供給部の上部又は下部に、細孔を有する仕切板を設け、該仕切板上に微生物固定化担体を装填した生物学的脱窒装置であって、該流体供給手段が酸素含有ガスを吹き込む散気管であり、該仕切板の細孔が、前記粒状化汚泥の粒径よりも大きく、前記微生物固定化担体の粒径よりも小さいことを特徴とする。
【００１２】
本発明では、ガスを内包することにより汚泥床の上部に浮上したグラニュールを、流体供給手段で供給される流体により物理的攪乱を与えることで微細化し、気泡を剥離させて沈降性を改善する。
【００１３】
この流体供給手段を汚泥の内部に設けるとグラニュールが過度に微細化されて巻き上げられ、処理水中にＳＳとして流出するようになるが、汚泥床の上部に設けることにより、浮上グラニュールのみを選択的に破砕して再び沈降させることができる。
【００１４】
この流体供給手段として酸素含有ガスを供給する散気管を設けた場合には、散気による物理的攪乱でグラニュールを効果的に微細化し、気泡を剥離させて沈降させると共に、反応塔の散気管よりも上方部分を再曝気槽として機能させ、残留有機物の酸化分解を行うことができる。即ち、この場合には、反応塔の散気管よりも上方の部分を浮上グラニュールの破砕のみならず、脱窒処理水の再曝気のための部分として有効に利用することができる。
【００１５】
さらに、流体供給手段による流体供給部の上部又は下部に、細孔を有する仕切板を設け、この仕切板上に微生物固定化担体を設けた場合には、この担体に固定された微生物により効率的な好気性生物処理を行える。
【００１６】
なお、以下において、反応塔内の流体供給手段による流体供給部よりも上方の部分を「汚泥破砕部」と称す場合がある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の生物学的脱窒装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
図１は参考例に係る生物学的脱窒装置の実施の形態を示す系統図である。
【００１９】
１は、脱窒反応塔であり、下部は下方に縮径する円錐形状部となっており、その上部が円筒状となっている。原水（硝酸性窒素及び／又は亜硝酸性窒素を含む有機性排水）は反応塔１の下部から塔内に導入されて塔内を上向流で流れ、処理水は塔上部から取り出される。この反応塔１の内部にはグラニュールの汚泥床２が形成される。グラニュールの汚泥床２は通常、反応塔容積の４〜６割を占め、図示した如く反応塔１の下部に形成される。図１の装置では、この汚泥床２の原水が上向流で通水されている状態における汚泥床２の上部界面２Ａよりも上方の位置に空気を散気する散気管３が設けられている。なお、反応塔１の上部には従来の脱窒反応塔と同様、固気液分離手段４が設けられている。５は原水の貯槽（調整槽）、６は原水槽、７は処理水槽、８は隔壁である。
【００２０】
原水は貯槽５からポンプＰ_１により原水槽６に供給され、原水槽６の底部からポンプＰ_２により反応塔１に供給される。この原水槽６は反応塔１の処理水が流入する処理水槽７と隔壁８の下部で繋がった構造とされており、原水は処理水により希釈されて反応塔１に供給される。ＵＳＢ方式の生物学的脱窒装置では、非常に沈降速度の高いグラニュールを用いているため、反応塔１内の通水量が少なすぎると、グラニュールが沈降、圧密し、その結果、グラニュール汚泥床２が閉塞して処理効率が低下することがある。また、反応塔１内の通水量が多すぎると、固気液分離手段４での流速が高くなってしまい、効率の良い固気液分離ができなくなるという別の問題を招く。安定かつ効率的な脱窒処理を行うためには、原水の流量変動によらず反応塔１への通水量を適切な範囲で一定に保つことが望ましく、原水槽６と処理水槽７とを下部で伝通させることにより、通水量を一定に保つことが容易にできる。反応塔内のＬＶ（線流速）は０．５〜１０ｍ／ｈｒであり、特に２〜６ｍ／ｈｒが好ましい。
【００２１】
反応塔１に導入された原水は、反応塔１内の汚泥床２内を上向流で流通する過程で脱窒菌により脱窒処理され、脱窒処理水は反応塔１の上部の固気液分離手段４で分離され、処理水槽７に流入する。
【００２２】
この過程で、汚泥床２から浮上したグラニュールは、散気管３からの散気による物理的攪乱作用で微細化され、浮上したグラニュールに内包または付着していた気泡が剥離される結果、沈降性が改善されて再び沈降する。脱窒菌は酸素に晒されても死滅することはないため、この散気により、脱窒菌の活性が損なわれることはない。
【００２３】
また、この散気により、散気管３の上部で脱窒処理水中の残留有機物が酸化分解され、有機物濃度が低減されるため、脱窒反応塔１の後段に通常設けられる再曝気槽を不要とするか、或いはその負荷を低減して再曝気槽の必要容量を大幅に低減することができる。
【００２４】
このような本発明の生物学的脱窒装置において、脱窒処理される原水性状としては、ＮＯ_ｘ−Ｎ濃度：５０〜１０００ｍｇ−Ｎ／Ｌのものが挙げられ、メタノール等の水素供与体は原水ＮＯ_３−Ｎ濃度等に応じてＮ濃度の２〜３．５倍量を調整用貯槽、原水槽又は反応塔下部の配管に添加される。また、ＰＯ_４−Ｐ濃度は０．５〜３０ｍｇ−Ｐ／Ｌとなるように、必要に応じてＰとしてメタノール添加量の０．５〜１％程度のリン酸、リン酸塩等が添加される。また、Ｃａ濃度は１ｍｇ／Ｌ以上であることがグラニュールの安定維持のために好ましい。
【００２５】
また、脱窒反応塔１の運転条件や通水条件及び装置仕様等としては次のような条件を採用するのが好ましい。
［脱窒反応塔運転条件及び塔仕様］
Ｎ負荷：２〜１５ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄａｙ、特に４〜８ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄａｙ
ＢＯＤ負荷：４〜４５ｋｇ／ｍ^３／ｄａｙ、特に１０〜２４ｋｇ／ｍ^３／ｄａｙ（汚泥破砕部におけるＢＯＤ負荷：０〜４ｋｇ／ｍ^３／ｄａｙ）
散気管位置：汚泥床上部界面位置の上方、すなわち反応塔中、塔底部より塔高の５０〜９０％、特に６５〜８０％の位置
汚泥床上部界面位置：反応塔中、塔底部より塔高の２０〜７０％、特に４０〜６０％の位置
散気管と汚泥界面との距離：１０〜５０ｃｍ
汚泥床内汚泥濃度：２０，０００〜１００，０００ｍｇ／Ｌ、特に２０，０００〜６０，０００ｍｇ／Ｌ
［脱窒反応塔通水条件］
ＳＶ（原水あたり）：０．１２５〜１ｈｒ、特に０．２５〜０．６７ｈｒ
ＬＶ（循環流含む）：０．５〜１０ｍ／ｈｒ、特に２〜６ｍ／ｈｒ
ｐＨ：６．５〜９．０、特に６．５〜７．８
水温：１５〜３５℃、特に２０〜３０℃
【００２６】
また、散気管３からの散気量は、過度に少ないと、浮上グラニュールの破砕による沈降性の改善が図れず、残留有機物の酸化分解も十分に行われないが、過度に大きいと、微細化汚泥の流出の問題が生じるため、０．１〜２ｍ^３／ｍ^３−塔容量・ｍｉｎとするのが好ましい。
【００２７】
なお、図１では、散気管３から酸素含有ガスとして空気を供給しているが、その他酸素又は酸素富化空気を用いても良い。ただし、コスト、作業性の面からは空気を散気するのが好ましい。
【００２８】
本発明において、脱窒反応塔の後段に再曝気槽を設ける場合にはこの再曝気槽の後段に、沈殿槽を設けて汚泥を分離し、分離汚泥を再曝気槽に戻すことが好ましい。また、脱窒反応塔の汚泥破砕部で酸化分解を行い再曝気槽を設けない場合には、反応塔の後段に沈殿槽を設けて汚泥を分離し、分離汚泥を反応塔に返送するようにするのが好ましい。
【００２９】
本発明に係る散気管は、反応塔１内の汚泥破砕部で対流が生じるように図２（ａ）に示す如く、反応塔１の一半側にのみ設けたり、図２（ｂ）に示す如く、反応塔１の中心部分のドラフト内に設けても良い。
【００３０】
即ち、図２（ａ）では、散気管３Ａは反応塔１の一半側にのみ、好ましくは、反応塔１の直径の１／５〜２／３程度の長さにわたって設けられており、散気管３Ａの上部の上昇流が他半側で下向流となる対流を生じる。また、図２（ｂ）の散気管３Ｂは、反応塔１の中央部分に設けられた、反応塔１の直径の１／５〜２／３程度の直径を有するドラフト３Ｍ内にのみ散気するように設けられており、ドラフト３Ｍ内の上昇流がその外周領域で下向流となる対流が生じる。
【００３１】
このように汚泥破砕部に対流を発生させることにより、破砕されたグラニュールが反応塔の下部の汚泥床部分に流入して沈み込むようになり、汚泥床がより一層安定する。
【００３２】
本発明においては、図３（ａ），（ｂ）（図３（ｂ）は図３（ａ）の仕切板部分の拡大図である。）に示す如く、散気管３の上方に細孔１１Ａを有する仕切板１１を設け、この仕切板１１の上に微生物担持担体１２を装填する。
【００３３】
この場合、仕切板１１の細孔１１Ａはグラニュールの粒径（通常１〜３ｍｍ）よりも大きく、担体の粒径（通常３〜３０ｍｍ）よりも小さく、好ましくは２〜２０ｍｍとされる。このような仕切板１１を設けて担体１２を装填することにより、散気管３の上方の好気部に微生物を高濃度に担持して、脱窒処理水中の残留有機物を効率的に酸化分解することが可能となる。なお、仕切板１１の細孔１１Ａはグラニュールの粒径よりも大きく担体の粒径よりも小さいため、仕切板１１によりグラニュールの流動が阻害されることはなく、また、担体１２が仕切板１１から落下することもない。
【００３４】
この担体１２としては、スポンジ、セルロース、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＰ（ポリプロピレン）等よりなる比重１〜１．３、粒径３〜３０ｍｍ程度のものが好ましく、その装填量は、反応塔１の散気管３上部の汚泥破砕部１０の容積に対して５〜５０％特に１０〜３０％とするのが好ましい。
【００３５】
なお、仕切板１１は図３に示す如く、散気管３の上方の５〜８０ｃｍ程度の位置に設けるのが好ましいが、散気管３の下方に設けても良い。これは、散気管３の上方に設けた方が、散気（又は散水）による洗浄効果で、担体やグラニュール汚泥の沈積による仕切板１１の細孔１１Ａの閉塞が防止されるためである。
【００３６】
【実施例】
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。
【００３７】
参考例１
図１に示す装置を用いて、水道水にメタノールを１，４００ｍｇ／Ｌ、ＫＮＯ_３を５００ｍｇ−Ｎ／Ｌ、Ｈ_３ＰＯ_４を１４ｍｇ−Ｐ／Ｌとなるように添加して調整した合成排水（３０℃、ｐＨ６．５）を原水として処理を行った。透明塩化ビニル製円筒反応塔１は、直径１２ｃｍ、直胴部の長さは８５ｃｍ、反応塔下部円錐部の高さは１２ｃｍであり、容積は１０Ｌである。
【００３８】
貯槽５内の原水はポンプＰ_１により原水槽６に４Ｌ／ｈｒの流量で供給され、原水槽６の底部からポンプＰ_２によりＬＶが４ｍ／ｈｒの上向流となるように、４５Ｌ／ｈｒの流量で反応塔１の下部に供給される。原水槽６は、処理水が反応塔１からオーバーフローして送られる処理水槽７と隔壁８下部で繋がっており、原水は処理水により希釈されて反応塔１に供給される。
【００３９】
反応塔１には、塔下部から７５ｃｍの高さ位置に空気を２５０ｍＬ／ｍｉｎで通気する散気管３が設けられ、上部には固気液分離手段４が設けられている。
【００４０】
反応塔１には、ステンレス鋼の酸洗排水の脱窒処理槽から得られた浮遊性の脱窒汚泥を種汚泥として投入し、上記原水により流量０．１７Ｌ／ｈｒ（硝酸性窒素負荷０．２ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄａｙ）から立ち上げ、徐々に流量を上げて１５日後に流量４．２Ｌ／ｈｒ（硝酸性窒素負荷５．０ｋｇ−Ｎ／ｍ^３／ｄａｙ）として、以後、９０日間同条件で連続処理を行った。
【００４１】
その間、反応塔１では下部のポートからグラニュールが形成する汚泥床２の界面が反応塔１の下部より６０ｃｍを超えないように適宜汚泥の引抜きを行った。
【００４２】
処理開始後３０日以降の処理水の平均水質を表１に示した。
【００４３】
比較例１
参考例１において、散気管を反応塔１の下部から３０ｃｍの高さ位置に設け、高さ６０ｃｍの汚泥床の中間位置に散気するようにしたこと以外は同様にして処理を行い、同様に処理開始後３０日以降の処理水の平均水質を表１に示した。
【００４４】
比較例２
参考例１において、散気管の代りに攪拌翼を設けた反応塔を用いたこと以外は同様にして処理を行い、処理開始後３０日以降の処理水の平均水質を調べ、結果を表１に示した。
【００４５】
実施例１
参考例１において、図３に示す如く、散気管の上方５ｃｍの位置に直径５ｍｍの細孔を有する仕切板を設け、仕切板上に１０ｍｍ角のスポンジ担体（比重１．１２）を１Ｌ（汚泥破砕部容積の３０％）装填したこと以外は同様にして処理を行い、処理開始後３０日以降の処理水の平均水質を調べ、結果を表１に示した。
【００４６】
【表１】

【００４７】
表１より明らかなように、汚泥床の中部の散気（比較例１）では汚泥床内のグラニュールの半分しか脱膣反応に寄与しないため、窒素除去効率が低下する。また、ＢＯＤの低減を図ることはできるが、汚泥の流出でＳＳが悪化する。攪拌翼による攪拌（比較例２）では、高い窒素除去効率を保ちながら、汚泥の流出は防止できるが、ＢＯＤを低減することはできない。
【００４８】
これに対して、汚泥床の上部を散気することにより（参考例１）、高い窒素除去効率を保ちながら、汚泥の流出を抑えた上で、さらにＢＯＤの低減を図ることができる。特に、散気管の上方に細孔を有する仕切板を設け担体を装填することにより（実施例１）、ＢＯＤの除去を効率的に行うことができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の生物学的脱窒装置によれば、脱窒菌グラニュールの汚泥床の上部に設けた流体供給手段により、浮上グラニュールを効率的に破砕してその沈降性を高め、汚泥の流出を防止することにより、脱窒反応塔内に汚泥を高濃度に保持し、高い脱窒効率で反応を行うことができる。また、過度に微細化された汚泥の流出の問題もなく、処理水ＳＳを良好なものとすることができる。
【００５０】
しかも、流体として酸素を含有する流体を供給することで、反応塔内の流体供給手段の上方を残留有機物の酸化分解部とすることができ、後段の再曝気槽を不要とするか、或いはその負荷を大幅に軽減して再曝気槽容量を小さくした上で、良好な水質の処理水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例に係る生物学的脱窒装置を示す系統図である。
【図２】参考例に係る生物学的脱窒装置の反応塔を示す系統図である。
【図３】図３（ａ）は本発明の生物学的脱窒装置の反応塔の実施の形態を示す系統図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の要部拡大図である。
【符号の説明】
１反応塔
２汚泥床
３散気管
４固気液分離手段
５貯槽
６原水槽
７処理水槽
８隔壁
１０汚泥破砕部
１１仕切板
１２微生物担持担体

Claims

硝酸性窒素及び／又は亜硝酸性窒素を含む有機性排水を反応塔の下部から導入し、該反応塔内で脱窒菌が高濃度に凝集した粒状化汚泥と接触させ、該反応塔上部より処理水を取り出す生物学的脱窒装置において、
該反応塔内の粒状化汚泥の汚泥床の上方に流体を供給する流体供給手段を設けると共に、
該反応塔内の該流体供給手段による流体供給部の上部又は下部に、細孔を有する仕切板を設け、該仕切板上に微生物固定化担体を装填した生物学的脱窒装置であって、
該流体供給手段が酸素含有ガスを吹き込む散気管であり、
該仕切板の細孔が、前記粒状化汚泥の粒径よりも大きく、前記微生物固定化担体の粒径よりも小さいことを特徴とする生物学的脱窒装置。
請求項１において、前記仕切板は、前記散気管の上方の５〜８０ｃｍの位置に設けられていることを特徴とする生物学的脱窒装置。
請求項１又は２において、前記反応塔のＮ負荷が２〜１５ｋｇ−Ｎ／ｍ ^３／ｄａｙであり、前記散気管は、塔底部より塔高の５０〜９０％の位置に設けられており、前記汚泥床上部界面位置は、反応塔中、塔底部より塔高の２０〜７０％の位置であり、散気管と汚泥界面との距離が１０〜５０ｃｍであることを特徴とする生物学的脱窒装置。