JP5197223B2

JP5197223B2 - 水処理システム

Info

Publication number: JP5197223B2
Application number: JP2008206297A
Authority: JP
Inventors: 卓巳小原; 正彦堤; 伸行足利; 勝也山本; 博田村; 和彦納田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2028-08-08
Also published as: JP2010042327A; WO2010016268A1

Description

本発明は、有機性廃水の水処理システムに関し、特に、有機性廃水の脱窒及び脱硫処理
を行う水処理システムに関する。

有機性廃水の水処理方法は大きく嫌気性処理と好気性処理に分けられる。

嫌気性処理は、空気の供給が必要なく低コストで、また汚泥の発生量が少ない、バイオ
ガスからエネルギーを回収できるというメリットがある。一方、発生するバイオガス中に
は硫化水素、メタン等の未処理で大気に放出できないガスが発生し、ガスの処理が必要で
あること、また、好気処理に比べると有機物の処理性能（ＢＯＤ、ＣＯＤ等）が劣り、例
えばＢＯＤが１０ｍｇ／Ｌ以下など、処理目標値が厳しい場合には、嫌気性処理のみでは
目標水質の達成が難しいという課題がある。

これに対して、好気性処理は嫌気性処理に比べ、酸素の供給が必要であり、汚泥の発生
量が多いことからコストはかかるものの、比較的良好な水質を得られるというメリットが
ある。この双方のメリットを活かすために前段に嫌気性処理、後段に好気性処理を組み合
わせた水処理システムが考案されている。

また、このような水処理システムでは、近年、富栄養化の原因物質である窒素の除去が
求められる場合が多くなってきており、更に、嫌気性処理を行った場合、廃水中には多く
の場合硫黄分を含むため、嫌気性の微生物である硫酸還元菌による働きにより、バイオガ
ス中に硫化水素が発生する。硫化水素は腐食性のガスであり、機器や構造物の腐食の原因
になること、また、人体にとっても有害のガスであるため、安定的に脱硫処理を行うこと
は必要不可欠なものとなっている。

そこで、従来の前段に嫌気性処理、後段に好気性処理を組み合わせた水処理システムで
は、図４のような構成で水中の窒素除去とガス中の硫化水素の脱硫処理が行われるのが一
般的であり、水中の窒素の除去は、原水中の窒素成分（主成分としてはアンモニアもしく
は有機態窒素）を好気性処理槽で硝化菌の働きによって、亜硝酸性または硝酸性の窒素に
変換し、それを前段の脱窒槽に循環させることで、脱窒菌が亜硝酸性または硝酸性窒素を
無害な窒素ガスまで還元することにより、水中の窒素が除去される。尚、この脱窒反応の
過程で、水素供与態として有機物が必要となるが、この有機源が不足する場合は、メタノ
ールなどの有機源を脱窒槽に投入する必要が生じる場合がある。

また、ガス中の硫化水素の脱硫処理は、嫌気性処理により発生した硫化水素を含むバイ
オガスを脱硫塔に導入し、酸化鉄を主成分とする脱硫剤と反応させて除去を行う乾式脱硫
法か、アルカリ液に吸収させて除去するアルカリ吸着法により行われる。

しかしながら、図４のような構成で水中の窒素除去とガス中の硫化水素の脱硫処理を行
う場合、１）脱窒の性能が得られない場合、メタノールなどの有機源を新たに添加する必
要がある、２）脱硫処理が乾式脱硫法である場合、主成分を酸化鉄とする脱硫剤を定期的
に交換しなければならない、脱硫剤のコスト及び脱硫剤の廃棄コストが高い、３）脱硫処
理がアルカリ吸収法である場合、水酸化ナトリウムなどのアルカリ剤にはバイオガス中の
炭酸ガスにも反応するため多量の薬剤が必要となり、薬品コストが高いという問題がある
。

そこで、嫌気性処理により生じるバイオガスの脱硫を、硫黄脱窒菌による微生物反応を
利用することにより、廃水中の脱窒を同時に行うことも検討されている。（例えば、特許
文献１参照。）
特開２０００−１８９９９５号公報

しかしながら、特許文献１のような硫黄脱窒反応を効率的に行うためには、水中の窒素
量（硝酸性窒素量）とバイオガス中の硫黄量のバランスが重要であり、この窒素と硫黄の
バランスによっては、脱硫が十分進まない場合、また所望の窒素除去率が得られない場合
がある。特に水処理系の硝化反応が水温の低下などの影響で進まなかった場合は、脱硫性
能まで悪化してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、硫黄酸化細菌による硫黄酸化反応と硫黄脱窒細菌による硫黄脱窒反
応とを組み合わせることにより、安定的な脱硫及び脱窒を行うことができる水処理システ
ムを提供することを目的とする。

本発明の水処理システムは、有機性廃水が供給され嫌気性処理を行う嫌気性処理槽と、
嫌気性処理槽で処理された嫌気性処理水が供給され好気性処理を行う好気性処理槽とを有
し有機性廃水処理を行う水処理システムにおいて、硫黄脱窒菌が付着する担体と、下部か
ら嫌気性処理槽から生じる硫化水素を含むガスを導入する第１の導入手段と、上部から好
気性処理槽から生じる亜硝酸性窒素または硝酸性窒素を含む好気性処理水を導入する第２
の導入手段とを有する硫黄脱窒リアクタと、前記ガス中の硫化水素濃度を測定する硫化水
素濃度測定手段と、前記ガスの導入量を測定するガス流量測定手段と、前記好気性処理水
中の硝酸濃度を測定する硝酸濃度測定手段と、前記好気性処理水の導入量を測定する好気
性処理水流量測定手段と前記硫化水素濃度測定手段と前記ガス流量測定手段と前記硝酸濃
度測定手段と前記好気性処理水流量測定手段との出力に基づき、好気性処理水中に含まれ
る硝酸性窒素（ｇN）／ガス中に含まれる硫黄分（ｇS）の比が0.7以上となるように前記
好気性処理水の導入量を制御する制御手段とを具備したことを特徴とする。

本発明の水処理システムは、有機性廃水が供給され嫌気性処理を行う嫌気性処理槽と、
嫌気性処理槽で処理された嫌気性処理水が供給され好気性処理を行う好気性処理槽とを有
し有機性廃水処理を行う水処理システムにおいて、硫黄脱窒菌が付着する担体と、下部か
ら嫌気性処理槽から生じる硫化水素を含むガスを導入する第１の導入手段と、上部から好
気性処理槽から生じる亜硝酸性窒素または硝酸性窒素を含む好気性処理水を導入する第２
の導入手段とを有する硫黄脱窒リアクタとを具備し、前記好気性処理水中に含まれる硝酸
性窒素（ｇN）／前記ガス中に含まれる硫黄分（ｇS）の比が0.7〜1.0となるように前記好
気性処理水を導入することを特徴とする。

上述したように、本発明の水処理システムは、硫黄酸化細菌による硫黄酸化反応と硫黄
脱窒細菌による硫黄脱窒反応とを組み合わせることにより、安定的な脱硫及び脱窒を行う
水処理システムを提供することができる。また、硫黄脱窒細菌による硫黄脱窒反応に必要
な亜硝酸性窒素または硝酸性窒素を含む好気性処理水を供給することにより、安定的な脱
硫及び脱窒を行う水処理システムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、第１の実施の形態の水処理システムの構成図である。図１の水処理システムは
、有機性廃水を嫌気性処理する嫌気性処理槽１と、嫌気性処理槽１で処理された嫌気性処
理水を好気性処理する好気性処理槽２と、好気性処理槽２で処理された好気性処理水の一
部と後述する硫黄脱窒リアクタ４からの硫黄脱窒処理水を沈殿処理し上澄み水を最終処理
水として排出する沈殿池３と、嫌気性処理槽１からの硫化水素を含有するバイオガスと好
気性処理槽２からの好気性処理水の一部を導入してバイオガス中の硫化水素の脱硫処理と
処理水中の窒素除去とを行う硫黄脱窒リアクタ５とを有する。

嫌気性処理槽１では、有機性排水（食品工場からの排水、養豚場からの糞尿排水、都市
下水など）が導入され、嫌気性処理が行われ、有機性排水中の有機物を加水分解菌、酸生
成菌、メタン生成菌の働きにより、メタンガスまで分解することにより、排水中の有機分
の大部分を除去する。この時、嫌気性処理で生じるバイオガスはメタンを主成分とし、二
酸化炭素を含んだガスであるが、原水中に硫黄分が含まれる場合は、嫌気性細菌の一種で
ある硫酸還元菌の働きにより還元され、バイオガス中に硫化水素が生成される。

尚、嫌気性処理には、嫌気性ろ床法、ＵＡＳＢ法（Upflow Anaerobic Sludge Blanket
：上向流式汚泥ブランケット法）、ＥＧＳＢ法（Expanded Granular Sludge Bed：膨張粒
状汚泥床法）、ＩＣリアクタ、嫌気性流動床法など既に公知の技術を用いることができる
。

好気性処理槽２では、嫌気性処理槽１で処理された嫌気性処理水が導入され、好気性処
理が行われ、嫌気性処理で除去しきれなかった有機物が好気性微生物の働きにより二酸化
炭素まで分解される。また、硝化菌の働きにより原水中の窒素分が亜硝酸（NO2-）又は硝
酸（NO3-）まで酸化される。

尚、好気性処理には、活性汚泥法や散水ろ床法、回転円盤法、接触曝気法など既に公知
の技術を用いることができる。

硫黄脱窒リアクタ４の形状は、図２に示す構成となっている。硫黄脱窒リアクタ４の内
部には、生物が付着するための充填材５が充填されており、上部からは好気性処理槽２か
らの硝酸化窒素又は亜硝酸性窒素が含まれる好気性処理水を散水し、下部からは嫌気性処
理槽１からの硫化水素が含まれるバイオガスを導入し、更に下部から酸素（空気）を導入
されている。尚、図２においては、バイオガス配管中に酸素を供給する構成とすることで
、バイオガスと酸素を混合して導入することになり、後述する硫黄酸化細菌による硫黄酸
化反応を効率的に行うことができる。

また、充填材５としては、微生物が付着しやすくガスが通気できる空隙があるものであ
ればどのようなものであってもよく、例えば、円筒中空状のプラスチックを充填したもの
であってもよい。

上記のように構成された硫黄脱窒リアクタ４では、硫黄脱窒細菌による硫黄酸化反応と
硫黄酸化細菌による硫黄酸化反応により、バイオガスに含まれる硫化水素の脱硫と好気性
処理水に含まれる硝酸化窒素又は亜硝酸性窒素の除去が行われる。

以下、硫黄脱窒リアクタ４における反応について説明する。

硫黄脱窒リアクタ４では以下の反応が進行する。

１）硫化水素を含むガスの液中への溶解
２）硫黄脱窒細菌による硫黄脱窒反応
5 HS- ＋ 8 NO3- ＋ 3 H+ → 5 SO4 2- ＋ 4 N2 ＋ 4 H2O （１）
S0 ＋ 2 NO2- → N2 ＋ SO4 2- （２）
5 S0 ＋ 6 NO3- ＋ 2 H2O → 5 SO4 2- ＋ 3 N2 ＋ 4 H+ （３）
３）酸素を供給した場合、硫黄酸化細菌による硫黄酸化反応
2 H2S ＋ O2 → 2 S0 ＋ 2 H2O （４）
2 S0 ＋ 3 O2 ＋ 2 H2O → SO4 2- ＋ 4 H+ （５）
つまり、硫黄脱窒リアクタ４内にバイオガスを吹き込むことによりバイオガス中の硫化
水素が液中に溶け込み、更に酸素濃度が１〜２％程度になるよう硫黄脱窒リアクタ内に空
気を吹き込むことにより、酸素が液中に溶け込む。そして、溶存酸素濃度が高いリアクタ
の下段部では硫黄酸化細菌による硫黄酸化反応が生じ硫化水素が元素状硫黄または硫酸塩
に酸化される。

また、酸素が硫黄酸化細菌により消費されるため、リアクタの上段部では、溶存酸素が
存在しない領域が生じる。ここでは、硫黄脱窒菌が硝酸を利用して、硫黄脱窒反応を行い
、ガス中の硫化水素の脱硫処理が行われる。

このようにして、バイオガス中の硫化水素は、液中に溶け込み、リアクタ内で硫黄脱窒
細菌、または硫黄酸化細菌により、元素状硫黄（S0）又は硫酸塩（SO4 2-）まで酸化され
、ガス中の硫化水素は除去される。

一方で、生成する元素状硫黄は白色の固形物であり、リアクタ内に蓄積する。また、残
りは硫黄脱窒処理水中に排出され、沈殿池３に送られ、沈殿池３で沈降分離される。リア
クタ内に元素状硫黄が蓄積するのは、微生物を付着させるために設置される充填材に捕捉
されるためである。充填材が閉塞してくると、バイオガスの通気が困難になるため、間欠
的に洗浄し、元素状硫黄と微生物を充填材より剥離させ、沈殿池に送り、沈降させること
により処理する。充填材の洗浄は、別途洗浄用の配管ラインを設け上部から高圧水を噴霧
する方法やリアクタ内に水を満水にし、空気を使って数分程度バブリングし、充填材から
固形分を剥離させ、洗浄液は沈殿池３に排出するなどの方法により洗浄する。硫酸塩は硫
黄脱窒処理水中に排出され、沈殿池３に送られ、処理水とともに排出される。

水中の硝酸性窒素、亜硝酸性窒素は、硫黄脱窒菌による働きにより、窒素ガス（N2）に
還元され気相側に放出され、水中より除去される。一方、処理ガスにおいては、ガス中の
硫化水素は除去され、バイオガス中のメタン、二酸化炭素の成分と脱窒に生じた窒素ガス
が排出される。この脱硫処理されたガスは、ボイラ燃料や発電機のエネルギー源として、
利用できる。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態では、図４の従来システムと比較する
と、生物処理で脱硫をおこなうため、従来システムの脱硫にかかるコストを大幅に低減で
き、また、新たな有機物添加を行うことなく脱窒を行うことができるため、低コストで水
中の窒素の除去ができ、更に、特に排水中の窒素に対する硫黄の割合が高い場合は、窒素
除去率を高くとることができる。

また、従来の硫黄脱窒システムと比較すると、好気性処理槽での硝酸濃度にかかわらず
、安定的な脱硫が可能である。例えば、水温低下の影響などにより、好気性処理槽での硝
化菌の働きが悪くなり、硝酸への酸化反応が進まなくなった場合でも（４）式、（５）式
に示す硫黄酸化細菌による反応により、ガス中の硫化水素が硫酸に変換されるため、安定
的な脱硫が可能である。

更に、硫黄酸化細菌のみを利用した生物脱硫と比較すると、必要な酸素供給量が少なく
なり、水中の窒素の脱窒も同時に行えるというメリットがある。

次に、硫黄脱窒リアクタ４における硫黄脱窒反応に必要な好気性処理水の散水量につい
て述べる。硫黄脱窒反応により安定的に硫化水素を除去するためには、バイオガス中の硫
黄分に対して好気性処理水中の窒素を十分に供給することが必要となる。

例えば、100Nm3/日のバイオガス中に300ppmの硫化水素ガスが含まれており、好気性処
理水の硝酸性窒素が20mgN/Lの場合、硫黄脱窒反応に必要な理論散水量は以下で計算でき
る。

除去したいガス中の硫黄量は、
100×300/10 6×32/22.4＝0.042ｋｇ/日
となる。1モルの硫黄の物質量：32g、標準状態で1モルの気体の体積：22.4L
これを除去するために必要な窒素量は、（１）式により計算すると、
0.042×0.7＝0.03kgN/日
となる。5HS-に含まれる硫黄分（5×32）／8NO3-に含まれる窒素分(8×14)＝0.7
よって、必要な散水量は、
0.03/20×1000＝1.5ｍ3/日
と計算できる。

上記の計算のとおり、散水される好気性処理水が完全に硝酸性窒素まで酸化されている
場合の液中の硝酸性窒素（mgN）とガス中の硫黄分（mgS）の比は（１）式により、0.7で
ある。

よって、硫化水素を安定的に除去するためには、散水量を多めにとって、液中の硝酸性
窒素（mgN）とガス中の硫黄分（mgS）の比を0.7〜１程度にするのがよいと考えられる。

また、図２のような構成でリアクタ内に酸素が供給する場合は、硝酸性窒素の流入量は
少なくてすむ。

酸素を供給した場合、（１）〜（５）式の反応が平行して行われる。安定したガスの脱
硫を維持しつつ、脱窒効率を保持するために３割程度を硫黄酸化細菌で脱硫し、残りの７
割は硫黄脱窒菌により、脱硫するよう設計すると、概ね（１）式の理論量の７割程度、す
なわち０．５（mgN/mg-ガス中S）の散水とすれば、硫黄脱窒反応を行うのに十分な窒素量
は供給される。

このため、硫黄脱窒反応のみで硫黄脱窒リアクタを構築する場合は液中の硝酸性窒素（
mgN）とガス中の硫黄分（mgS）0.7以上、硫黄酸化反応との組み合わせで硫黄脱窒リアク
タを構築する場合は、0.5〜1の散水量となるようリアクタの設計、運転管理を行うことに
より、安定的に硫化水素の脱硫及び窒素の除去が可能となる。

また、液中の硝酸性窒素（mgN）とガス中の硫黄分（mgS）0.7以上（0.7〜1.0）とし、
硫黄脱窒細菌により硫黄脱窒反応のみで脱硫・脱窒処理を行うときは、硫黄酸化細菌及び
酸素の供給が不要となると共に脱窒の効率が向上するという効果も有する。但し、液中の
硝酸性窒素（mgN）は、好気性処理槽での硝化反応が水温の低下などの影響で進まなかっ
たときは、減少する。筆者らの経験では、硝化菌の活性が落ちた場合、硝酸性窒素が３０
％程度減少する場合があった。このような場合でも、硫黄脱窒菌のみで脱硫を安定的に行
うには、散水量として１．０程度とするほうが好ましい。

尚、前記の散水量であるが、食品工場などの排水処理で原水の発生量、濃度がほとんど
変化ない場合は、最初に決定した値でほとんど変化させる必要がない。但し、季節変動が
あれば、季節に応じて変更させることが望ましい。都市下水など水質・水量の変動がある
場合は、あらかじめ日間変動、時間変動を抑えて、その値に応じて変動させるか、脱硫を
安定的に行うために、散水量を最大の硫黄負荷時にあわせて、決定するのが望ましい。

このように散水量を決定することにより次のようなの効果を得ることができる。散水量
を理論的に決めることにより、設計上におけるガスや水の配管径や散水装置の仕様を決定
でき、装置の設計コストを最適化できる。また、散水を水のヘッド差ではなく、ポンプに
より行う場合は、無駄な散水を防ぐことにより、ポンプの動力コストの低減ができる。

次に、第２の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図３は、第２の実施の形態の硫黄脱窒リアクタの構成図である。第２の実施の形態の硫
黄脱窒リアクタ６と第１の実施の形態の硫黄脱窒リアクタ４との相違点は、バイオガス中
の硫化水素濃度、好気性処理水中の硝酸濃度を計測器にて計測もしくは、サンプリングし
てガス分析及び水質分析する点と、その結果に基づいて酸素（空気）の供給を制御するよ
うにする点であり、他の構成については第１の実施の形態と同様である。

先に述べたように、［散水される好気性処理水中に含まれる硝酸性窒素（ｇN）］／［
バイオガス中に含まれる硫黄分（ｇS）］の比が0.7であれば、硫黄脱窒細菌による硫黄脱
窒反応のみで硫化水素の脱硫を行うことができる。

よって、本実施の形態では、バイオガス中の硫化水素濃度、好気性処理水中の硝酸濃度
を測定し、［散水される好気性処理水中に含まれる硝酸性窒素（ｇN）］／［バイオガス
中に含まれる硫黄分（ｇS）］の比が0.7以上であれば、硫黄脱窒リアクタに酸素を供給す
ることなく硫黄脱窒反応のみによる脱硫及び脱窒を行い、［散水される好気性処理水中に
含まれる硝酸性窒素（ｇN）］／［バイオガス中に含まれる硫黄分（ｇS）］の比が0.7未
満であれば、硫黄脱窒リアクタに酸素を供給することで硫黄脱窒反応と硫黄酸化反応との
組合せによる脱硫及び脱窒を行うように制御する。

これにより、第１の実施の形態に比べ、必要な場合のみ酸素を供給するため、空気を供
給するための動力費が小さくてすむ。また、硫黄脱窒のみで脱硫処理できる場合は、硫黄
脱窒菌のみで脱硫処理するため、脱窒の効率が向上する。更に、散水される溶液の硝酸性
窒素が少ない場合は、空気を供給し、硫黄酸化細菌の働きを利用するため、安定的に脱硫
処理を行うことができる。

また、変形例として、散水される好気性処理水の量を可変ポンプ等により制御できるよ
うに構成し、バイオガス中の硫化水素濃度及び供給量、好気性処理水中の硝酸濃度及び供
給量を測定し、［散水される好気性処理水中に含まれる硝酸性窒素（ｇN）］／［バイオ
ガス中に含まれる硫黄分（ｇS）］の比が0.7未満であれば、散水される好気性処理水の量
を増加して、［散水される好気性処理水中に含まれる硝酸性窒素（ｇN）］／［バイオガ
ス中に含まれる硫黄分（ｇS）］の比が0.7以上になるように制御しても良い。

これにより、好気性処理水中の硝酸性窒素の生成状況により、散水量を調整することに
より、安定的に硫化水素の除去が可能である。また、硫黄脱窒菌のみで脱硫処理するため
、脱窒の効率が向上し、酸素の供給手段が不要となるメリットもある。

また、本発明においては、硫黄脱窒リアクタの性能が悪化した場合に備えて、後段に乾
式脱硫、アルカリ吸収式の脱硫装置を後処理として、付加したものであってもよい。

本発明の第１の実施の形態の水処理システムの構成図本発明の第１の実施の形態の硫黄脱窒リアクタの構成図本発明の第２の実施の形態の硫黄脱窒リアクタの構成図従来の水処理システムの構成図

符号の説明

１・・・嫌気性処理槽
２・・・好気性処理槽
３・・・沈殿池
４、６・・・硫黄脱窒リアクタ
５・・・充填材

Claims

有機性廃水が供給され嫌気性処理を行う嫌気性処理槽と、嫌気性処理槽で処理された嫌気性処理水が供給され好気性処理を行う好気性処理槽とを有し有機性廃水処理を行う水処理システムにおいて、
硫黄酸化細菌と硫黄脱窒菌とが付着する担体と、下部から嫌気性処理槽から生じる硫化水素を含むガスを導入する第１の導入手段と、上部から好気性処理槽から生じる亜硝酸性窒素または硝酸性窒素を含む好気性処理水を導入する第２の導入手段と、下部から酸素を含むガスを導入する第３の導入手段とを有する硫黄脱窒リアクタを具備し、
さらに前記ガス中の硫化水素濃度を測定する硫化水素濃度測定手段と、
前記好気性処理水中の硝酸濃度を測定する硝酸濃度測定手段と、を備え、
前記硫化水素濃度測定手段と前記硝酸濃度測定手段との出力に基づき、好気性処理水中に含まれる硝酸性窒素（ｇN）／ガス中に含まれる硫黄分（ｇS）の比が0.7以下であるときに前記第３の導入手段により空気を含むガスを導入することを特徴とする水処理システム。
前記好気性処理水中に含まれる硝酸性窒素（ｇN）／前記ガス中に含まれる硫黄分（ｇS）の比が0.5〜1.0となるように前記好気性処理水を導入することを特徴とする請求項１記載の水処理システム。