JP4997460B2

JP4997460B2 - 廃水処理システム

Info

Publication number: JP4997460B2
Application number: JP2007116833A
Authority: JP
Inventors: 憲治古川; 太一山本
Original assignee: 国立大学法人熊本大学
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2027-04-26
Also published as: JP2008272625A

Description

本発明は、嫌気性アンモニア酸化（Anaerobic Ammonium Oxidation：Ａｎａｍｍｏｘ）プロセスを用いた窒素除去処理の前処理として、汚泥廃水の部分亜硝酸化を行う廃水処理システムに関する。

現在、湖沼や内湾などの閉鎖水域における水質改善を図る上で、廃水から適切に窒素を除去することが重要な課題となっており、従来の有機物除去に加え、窒素除去を対象とした高度処理が必要とされている。現在の下廃水から窒素を除去する方法としては、微生物の働きを活用する処理法が一般的であり、その殆どが硝化−脱窒法である。しかし、この方法を用いた場合、窒素除去を目的としない通常の生物学的廃水処理法と比べると、エネルギーおよび薬品のコストが高くなることから、さらに経済的な処理技術の開発が望まれていた。

嫌気性アンモニア酸化（Ａｎａｍｍｏｘ）反応は、従来の窒素循環系に代わる新たな窒素変換経路で、嫌気条件下でアンモニアが電子供与体、亜硝酸が電子受容体となる独立栄養性の脱窒反応である（非特許文献１）。この反応は、従来の硝化−脱窒法に比べて、硝化に要する酸素供給量を半分以下に低減することができ、脱窒のためのメタノールのような外部炭素源の添加や脱窒槽への大量の硝化液循環を必要としないことから、新規な窒素除去法の開発につながるものと期待されている。
古川憲治、「実用化に入ってきたanammox 技術」、化学工学、Vol.70, No.11,pp.608-611(2006)

上述のＡｎａｍｍｏｘ反応は、畜産廃水，し尿処理水、埋立地浸出水、バイオガス脱離液などの、高濃度のＮＨ₄ - Ｎを含有する汚泥廃水の窒素除去にも適用可能であるが、そのためには、前処理として汚泥廃水中に含有されるＮＨ₄ - Ｎの約半量をＮＯ₂ - Ｎに酸化（部分亜硝酸化）しなければならない。

従来、この高濃度のＮＨ₄ - Ｎを含有する廃水の亜硝酸化処理には、懸濁性の活性汚泥法が用いられてきた。しかし、従来の活性汚泥法では、その曝気槽内の活性汚泥濃度（ＭＬＳＳ濃度）を２〜５ｇ／Ｌ程度にしか高めることができず、硝化処理を行うには０．３〜０．５ｋｇＮ／ｍ³／ｄ程度の低い負荷しか取れず、その処理に大きなリアクタと多大な時間が必要であり、コストが高くなるという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易な構成で、活性汚泥濃度を１０ｇ／Ｌ以上の高濃度に高めることができると共に部分亜硝酸化処理を実現できる経済的な廃水処理システムを提供することにある。

本発明の廃水処理システムは、内部に揺動可能な微生物付着担体を有し、活性汚泥濃度（ＭＬＳＳ濃度）を１０ｇ／Ｌ以上に維持しつつ汚泥廃水の部分亜硝酸化処理を行う曝気槽と、曝気槽により部分亜硝酸化処理が行われた廃水の嫌気性アンモニア酸化（Ａｎａｍｍｏｘ）処理を行う窒素除去槽とを含み、曝気槽において部分亜硝酸化処理がなされた汚泥廃水の一部を、再度曝気槽に戻して循環させると共に、その循環に際して汚泥廃水を水により希釈するものである。

本発明の廃水処理システムでは、曝気槽の前段において、汚泥廃水中の高濃度懸濁固形物（ＳＳ）の濾過処理を行う濾過装置を設置することが望ましい。

本発明の廃水処理システムによれば、曝気槽の内部に揺動可能な微生物付着担体を設けるようにしたので、簡易な構成で、活性汚泥濃度（ＭＬＳＳ濃度）を１０ｇ／Ｌ以上に維持しつつ、廃水中に含まれるＮＨ₄ - Ｎの約半量をＮＯ₂ - Ｎに部分亜硝酸化させることが可能となる。よって、この部分亜硝酸化された処理水を嫌気性アンモニア酸化（Ａｎａｍｍｏｘ）処理することで、効率的な窒素除去が可能となると共に、経済的な廃水処理システムを構築することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明による一実施の形態に係る廃水処理システムの概略図を表すものである。この廃水処理システムは、高濃度のＮＨ₄ - Ｎを含む汚泥廃水、例えば畜産廃水の窒素除去を行うものであり、その前処理として部分亜硝酸化処理を行うための曝気槽（揺動床リアクタ）１０を備えている。曝気槽１０の前段には汚泥廃水中の高濃度懸濁固形物（ＳＳ）の濾過処理を行うための濾過装置２０が配置されている。曝気槽１０の後段には、循環処理用のタンク（沈殿槽）３０を配置され、このタンク３０の後段にＡｎａｍｍｏｘ反応により脱窒処理を行う窒素除去槽（上向流カラム型リアクタ）４０が設けられている。

濾過装置２０の内部には繊維２１が充填されており、流入した汚泥廃水１中の高濃度懸濁固形物（ＳＳ）の約半分量を除去するようになっている。繊維２１としては例えばアクリル樹脂などを用いることができる。濾過装置２０において濾過された廃水は曝気槽１０に供給されるようになっている。

曝気槽１０は、内部に揺動可能な微生物付着担体１１を有し、これにより活性汚泥濃度（ＭＬＳＳ濃度）を１０ｇ／Ｌ以上の高濃度に維持しつつ汚泥廃水の部分亜硝酸化処理を行うものである。微生物付着担体１１は曝気槽１０内において揺動可能な形態、例えばポリエステル繊維を芯として多数のアクリル繊維を横糸として放射状に突出させた形態を有している。ここで微生物とは、廃水処理に関与する活性汚泥微生物をさす。この揺動可能な微生物付着担体１１の働きにより、曝気槽１０内の活性汚泥濃度（ＭＬＳＳ濃度）は１０ｇ／Ｌ以上となり、良好な沈降性を維持した状態を得ることができる。なお、曝気槽１０には空気１２が常に循環しており曝気状態を形成すると共に、消泡剤１３が投入され、泡立ちを抑制している。曝気槽１０において部分亜硝酸化処理がなされた廃水３はタンク３０へ供給されるようになっている。

タンク３０に蓄えられた廃水３は窒素除去槽４０へ供給されると共に、図示しないポンプによりその一部が再度曝気槽１０に戻され連続的に循環するようになっている。畜産廃水は非常に粘性が高いことから、ここでの連続処理では、水道水で希釈（３〜１０倍）を行い、流入窒素負荷に応じて０．６９〜１．３９ｖｖｍ曝気量とすることが好ましい。この循環処理を繰り返すことによって、曝気槽１０内では廃水中のＮＨ₄ - Ｎの約半量がＮＯ₂ - Ｎに部分亜硝酸化される。

窒素除去槽４０では、曝気槽１０において部分亜硝酸化処理がなされた廃水３に対してＡｎａｍｍｏｘ処理を行い、窒素の除去を行うようになっている。窒素除去槽４０には、例えば菊花状のポリエステル製不織布４１が１本充填され、そこに付着生育するＡｎａｍｍｏｘ微生物によって窒素が除去される。廃水３には高濃度のＮＯ₂ - Ｎが含まれているため、Ａｎａｍｍｏｘ反応の阻害レベル以下まで水道水で希釈することが好ましい。

このような構成により本実施の形態の廃水処理システムでは、廃水１は、まず濾過装置２０を通過して高濃度懸濁固形物（ＳＳ）の約半分量が除去される。この濾過装置２０において濾過された廃水２は、内部に揺動可能な微生物付着担体１１を有する曝気槽１０に供給され、ここで内部を旋回する。微生物付着担体１１上で活性汚泥微生物が付着、剥離を繰り返すことで、活性汚泥濃度（ＭＬＳＳ濃度）が１０ｇ／Ｌ以上の高濃度に維持されて、部分亜硝酸化処理がなされる。この部分亜硝酸化処理がなされた廃水３がタンク３０を通じて窒素除去槽４０へ供給され、Ａｎａｍｍｏｘ反応による窒素除去が行われる。

このように本実施の形態では、曝気槽内１０内に揺動可能な微生物付着担体１１を設けるようにしたので、曝気槽１０内の活性汚泥濃度（ＭＬＳＳ濃度）を１０ｇ／Ｌ以上に維持することができる。よって、廃水のＮＨ₄- Ｎ濃度とｐＨに起因するＮＨ₃ 、ＨＮＯ₂の阻害効果を活用して亜硝酸酸化細菌の活性を抑えることができ、従来の亜硝酸化処理に必須と考えられてきたｐＨ、温度、汚泥滞留時間（Sludge Retintion Time ：ＳＲＴ）の制御を行うことなく、流入する廃水中に含まれるＮＨ₄ - Ｎの約半量をＮＯ₂ - Ｎに部分亜硝酸化することができる。そして、この部分亜硝酸化処理された廃水３を直接に窒素除去槽４０に供給することによって、窒素除去槽４０での酸素の供給量を従来に比して半減し、メタノールのような外部炭素源を補填する必要のない経済的な窒素除去システムを構築することができる。

次いで、廃水処理システムの具体的な実施例について説明する。

濾過装置２０内の繊維性フィルタ２１としてバイオフィル（ＮＥＴ製）を７０個充填し、曝気槽１０内には微生物付着担体１１としてバイオフリンジ（ＢＦ，ＮＥＴ製）を使用し、前述の部分亜硝酸化処理を行った。供試汚泥は、フィル・アンド・ドロー（fill and draw ）法で馴養した活性汚泥３０ｇを用いた。

図２は活性汚泥濃度（ＭＬＳＳ濃度）と汚泥容量指標（ＳＶＩ）との経時変化を表すものである。運転開始より活性汚泥濃度（ＭＬＳＳ濃度）が徐々に増加し、１０ｇ／Ｌ以上の高濃度が続いた。高濃度の汚泥を維持しているにもかかわらず、汚泥容量指標（ＳＶＩ）は５０付近を維持し、汚泥の沈降性は極めて良好であった。

図３（Ａ）はＮＨ₄ - Ｎの容積負荷の経時変化を、図３（Ｂ）は各態窒素濃度、水温の経時変化を表すものである。原液希釈率１０倍で連続運転を開始した直後、曝気槽１０内のｐＨが９．０以上となり、硝化は見られず、アンモニア揮散が要因と考えられるＮＨ₄ - Ｎの減少が観察された。そのため、一時的に流入水のｐＨを７．５に調整したところ、硝化が見られるようになり、処理水のＮＨ₄ - Ｎ、ＮＯ₂ - Ｎ濃度が１対１となった。その後、原液希釈率を下げていき、３倍希釈においても安定して部分亜硝酸化処理を達成することができた。部分亜硝酸化処理は、３倍希釈において、処理水のＮＨ₄ - Ｎ、ＮＯ₂ - Ｎ濃度の比が１対１．６で安定した。その後、水理学的滞留時間（ＨＲＴ）を下げることにより流入ＮＨ₄ - Ｎ負荷を上昇させ、最終的にＮＨ₄ - Ｎ負荷平均１．９ｋｇ- Ｎ／ｍ³／ｄａｙにおいても、安定した部分亜硝酸化処理を達成することができた。また、全運転期間中において、処理水のＮＯ₂ - Ｎ濃度は５０ｍｇ- Ｎ／Ｌ以下であり、ＮＯ₂ -ＮからＮＯ₃ - Ｎへの酸化は抑制されていた。

図４はＮＨ₄ - Ｎ濃度とＨＮＯ₂ - Ｎ濃度の経時変化を表すものである。従来の部分亜硝酸化処理は、ｐＨ、溶存酸素量（ＤＯ）、温度、ＳＲＴなどの複数の要素を制御することによってなされているが、本実施例ではこれらいずれの制御も行わずに部分亜硝酸化処理を達成することが確認された。その要因としては、ＮＨ₃- Ｎ濃度が常に０．２ｍｇ- Ｎ／Ｌ以上であったことから亜硝酸酸化細菌は阻害を受け、ＮＯ₂ - ＮからＮＯ₃ -Ｎへの酸化抑制につながったと考えられる。また、水温の低下に伴い微生物の活性は低下するが、反対に全ての細菌に対して有毒であるＨＮＯ₂ - Ｎ濃度が減少傾向となったため、水温が変動しても部分亜硝酸化処理が維持できたのではないかと推測できる。

図５はＡｎａｍｍｏｘ処理における窒素負荷と処理速度の経時変化を表すものである。窒素負荷０．６５ｋｇ−Ｎ／ｍ³／ｄａｙで運転を開始したところ、処理速度は約０．４９ｋｇ−Ｎ／ｍ³／ｄａｙとなった。その後窒素負荷を０．９０ｋｇ−Ｎ／ｍ³／ｄａｙに上昇させたが、処理速度の上昇が見られなかったため、徐々に窒素負荷を減少させた。最終的に窒素負荷０．３９ｋｇ−Ｎ／ｍ³／ｄａｙ、処理速度０．２２ｋｇ−Ｎ／ｍ³／ｄａｙで約７０日間安定した処理が行われた。

なお、処理対象としての汚泥廃水は、畜産廃水に限らず、その他、し尿処理水、埋立地浸出水、バイオガス脱離液など、高濃度のＮＨ₄ - Ｎを含むもの全般に適用できるものである。

本発明の一実施の形態に係る廃水処理システムの概略構成を表す図である。活性汚泥濃度と汚泥容量指標の経時変化を表す図である。各態窒素濃度、水温、ＮＨ₄ - Ｎ容積負荷の経時変化を表す図である。ＮＨ₃- Ｎ濃度とＨＮＯ₂ - Ｎ濃度の経時変化を表す図である。窒素負荷と処理速度の経時変化を表す図である。

符号の説明

１０…曝気槽（部分亜硝酸化リアクタ）、１１…微生物付着担体、２０…濾過装置、２１…繊維、３０…タンク、４０…窒素除去槽、４１…不織布

Claims

内部に揺動可能な微生物付着担体を有し、活性汚泥濃度（ＭＬＳＳ濃度）を１０ｇ／Ｌ以上に維持しつつ汚泥廃水の部分亜硝酸化処理を行う曝気槽と、
前記曝気槽により部分亜硝酸化処理が行われた廃水の嫌気性アンモニア酸化処理を行う窒素除去槽と
を含み、
前記曝気槽において部分亜硝酸化処理がなされた汚泥廃水の一部を、再度曝気槽に戻して循環させると共に、その循環に際して前記汚泥廃水を水により希釈する
ことを特徴とする廃水処理システム。
前記曝気槽の前段に、汚泥廃水中の高濃度懸濁固形物の濾過処理を行う濾過装置を有する
ことを特徴とする請求項１記載の廃水処理システム。
前記循環の際の水による希釈により、前記曝気槽での曝気量を所定の範囲内とする
ことを特徴とする請求項１または２に記載の廃水処理システム。
前記曝気槽での曝気量を０．６９〜１．３９ｖｖｍとする
ことを特徴とする請求項３に記載の廃水処理システム。