JPH10290996A - 水の脱窒処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素供与体として水素ガスを供給する脱窒法
により硝酸性又は亜硝酸性窒素含有廃水を処理する際
に、供給水素ガスの利用率を高めて効率よく脱窒しうる
装置を提供すること。 【解決手段】 硝酸性窒素及び／又は亜硝酸性窒素を含
有する水の脱窒処理装置であって、脱窒槽１が、その底
部に水素ガスを供給する電解槽３と、ガス排出配管１５
と、気相圧力検知器７と、脱窒槽頂部の混合ガスを底部
へ循環するガス循環配管６とを有し、気相圧力検知器７
の測定値が所定の下限値に達したとき制御装置１６によ
り電解槽３からの水素ガスの供給を開始させ、所定の上
限値に達したら水素ガスの供給を停止させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、硝酸性窒素及び／
又は亜硝酸性窒素を含有する水を生物学的又は化学的に
処理する脱窒処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】硝酸性窒素を含有する廃水としては、金
属表面処理で排出される硝酸洗浄廃水や発電所からの高
濃度アンモニア廃水などが挙げられる。また、数年前か
ら地下水の硝酸汚染が問題となり、井戸水を取水する浄
水場では硝酸性窒素あるいは亜硝酸性窒素の除去が深刻
な問題となっている。水道水中の硝酸性窒素あるいは亜
硝酸性窒素は、メトヘモグロビン血症の原因物質である
とともに発癌性物質であるニトロソアミンの前駆物質と
されているが、近年の水道統計では国内の浄水場数の５
％近くが硝酸性窒素５ppm 以上の原水を取水している。

【０００３】硝酸性窒素及び／又は亜硝酸性窒素を含有
する水の脱窒処理方法としては、従来、生物学的脱窒
法、イオン交換法や逆浸透膜法などが知られている。生
物学的脱窒処理法は、微生物の浄化作用を利用して水中
の窒素化合物を除去する経済的な水処理方法であり、中
心的な廃水の窒素処理技術として位置づけられている。
この脱窒処理には、下記の（１）式又は（２）式に示す
ように、硝酸又は亜硝酸を還元するための水素が必要で
ある。 ２ＮＯ₃ ^- ＋５Ｈ₂ → Ｎ₂ ＋４Ｈ₂ Ｏ＋２ＯＨ^- ・・・（１） ２ＮＯ₂ ^- ＋３Ｈ₂ → Ｎ₂ ＋２Ｈ₂ Ｏ＋２ＯＨ^- ・・・（２）

【０００４】しかしながら、従来の生物学的脱窒法にお
いては、汚泥の発生、処理水水質のコントロールの難し
さが問題となり、また、廃水中の有機物濃度が少ない場
合には、水素供与体として酢酸やメタノールなどの有機
物を原水に添加して処理するが、硝酸性及び亜硝酸性窒
素を完全に除去するには、窒素除去に必要な反応当量の
２〜３倍の過剰な有機物を供給する必要があり、必然的
に脱窒槽からの流出水に有機物が残留する。したがっ
て、脱窒槽の後段に再曝気槽を設けて残留有機物の処理
を行う方式が採られている。

【０００５】また、イオン交換法は、使用している樹脂
の交換容量に限界があり、一定の時間間隔で樹脂の再生
が必要となることや水中に含まれる硝酸性窒素以外のイ
オンも同時に除去してしまうなど、水道水の製造には必
ずしも適当ではない。他方、逆浸透膜法は、再生操作が
ないため、再生薬剤の処理問題は生じないが、逆浸透膜
で濃縮された濃厚液の処理が新たな問題となる。濃厚液
には、硝酸性窒素などが高濃度で存在するため別途処理
することが必要であるばかりか、逆浸透装置にかけた原
水の２０〜３０％近い水量の濃厚液が排出される。この
ように、飲料水を対象とする硝酸性窒素除去方式は、幾
つか検討されているものの、まだ、解決すべき問題が多
いと同時に処理コストの大幅な増加を招くものである。

【０００６】そのため、最近、生物学的脱窒法における
水素供与体として有機物ではなく、水素ガスを供給する
方法（例えば、特開平４−９４７９９号公報、特開平４
−３４９９９６号公報、特開平８−３９０９５号公報参
照）、さらには、水素添加触媒の存在下に水素ガスを供
給して化学的に還元除去する方法（例えば、特開平６−
１５４７８６号公報、特開平７−３２８６５１号公報、
特開平８−８９９６１号公報参照）が提案されている。
しかしながら、水素ガスをボンベで現場に貯蔵するに
は、引火、爆発等の危険に対し、細心の注意をはらわな
ければならず、また、水素ガスを購入するため、運転コ
ストも高いものとなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記の従来
技術の問題点を解消し、水素供与体として水素ガスを供
給する生物学的脱窒法又は水素添加触媒の存在下に水素
ガスにより還元する化学的脱窒法により硝酸性又は亜硝
酸性窒素含有水を処理する際に、供給水素ガスの利用率
を高めて効率よく脱窒しうる装置を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、脱窒に必要な
水素ガスを脱窒槽内に間歇的に供給するとともに、脱窒
槽内の水素混合ガスを脱窒槽の底部へ循環させることに
よって上記課題を解決しうるとの知見に基づいて完成し
たものである。

【０００９】すなわち、本発明の脱窒処理装置は、硝酸
性窒素及び／又は亜硝酸性窒素を含有する水の脱窒処理
装置において、脱窒槽が、その底部に水素ガスを供給す
る水素ガス供給手段と、ガス排出配管と、気相圧力検知
手段と、脱窒槽頂部の混合ガスを底部へ循環するガス循
環配管とを有し、気相圧力検知手段の測定値に応じて水
素ガス供給手段からの水素ガスの間歇的供給を制御する
制御装置を設けたことを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の脱窒装置は、硝酸性窒素
及び／又は亜硝酸性窒素を含有する水を脱窒槽内に水素
ガスを供給して脱窒処理することにより、硝酸性窒素及
び／又は亜硝酸性窒素を窒素ガスまで分解させ、除去す
るものである。以下、説明を簡明にするため、単に硝酸
性窒素を含有する水として説明する。本発明の脱窒装置
において、脱窒槽は密閉式脱窒槽であるか、又は水封式
ホルダーで上部が覆われた脱窒槽であってよく、脱窒槽
内には脱窒菌が付着した接触材又は水素添加触媒が充填
されている。また、脱窒槽の底部に接続する水素ガス供
給手段は、水素ガスボンベあるいは水の電気分解装置で
あってよい。電気分解装置は、隔膜電解槽であるのが好
ましい。

【００１１】水素ガスを利用する脱窒反応は、前記の反
応式（１）及び（２）で示したように、脱窒による発生
窒素ガス量に対して５倍又は３倍の水素ガス量を消費す
るので、脱窒槽の気相部の圧力は徐々に低下する。した
がって、この気相の圧力を検知し、脱窒槽頂部の気相圧
力が所定の下限値に達したとき、水素ガスの供給を開始
させ、気相の圧力が所定の上限値に達したとき、水素ガ
スの供給を停止させる制御装置を設けて、水素ガスを間
歇的に供給する。本発明の脱窒装置において、気相圧力
検知手段としては、例えば、微差圧力計、レベルセンサ
などを用いることができる。

【００１２】また、気相の圧力変化を差圧で感知し、水
素ガスの減少量又は保持量を算出して水素ガス供給手段
から水素ガスが自動的に間歇的に供給される構成とし、
脱窒槽頂部の気相部水素ガス分圧が上限値となった時点
で供給を停止することもできる。水素ガス供給手段は、
気相部水素ガス分圧の上限値又は下限値を検知して停止
と供給を繰り返すように制御装置に設定しておくことが
できる。また、脱窒槽頂部に設けられるガス排出配管に
水素モニタを設置し、排出ガス中の水素ガス濃度を実測
して水素ガス濃度の上限又は下限を確認し、水素ガスの
停止と供給を繰り返すこともできる。

【００１３】

【実施例】次に、図面を参照して実施例に基づいて本発
明を具体的に説明する。図１は、本発明の第一の実施例
を示す生物学的脱窒装置の系統図である。図１に示した
生物学的脱窒装置は、主として密閉式の脱窒槽１と曝気
槽２と水の電解槽３とから成る。脱窒槽１には脱窒菌が
付着した接触材１０が充填されており、硝酸性窒素を含
有する被処理液は、原水供給ポンプ４により脱窒槽１の
底部から流入する。電解槽３で水の電気分解によって発
生した水素ガスは、水素ガス供給配管８により脱窒槽１
の底部から導入される。水素ガス供給手段として、隔膜
電解槽を用いた場合には、陰極部からの水素ガス発生と
同時に陽極部から酸素ガスが発生する。この酸素ガスを
酸素ガス供給配管９を介して後段の曝気槽２に供給する
ことにより、脱窒槽流出液を嫌気性雰囲気から好気性雰
囲気に回復させて飲料水に好適なものとし、脱窒槽流出
液中に含まれる有機物を分解除去することができる。

【００１４】また、脱窒槽１の気相部に連結されたガス
循環配管６からガスブロワやエゼクタなどのガス循環装
置５により、水素混合ガスが脱窒槽１の底部に送気さ
れ、未利用の水素ガスが利用に供される。脱窒槽１で
は、水素ガスを水素供与体として前記の式（１）に示し
た脱窒反応が進行し、硝酸性窒素は窒素ガスに分解さ
れ、処理液は脱窒処理水排出定量バルブ１３を介して曝
気槽２に流入する。脱窒槽１では、硝酸性窒素の分解に
伴い窒素ガスの発生と水素ガスの消費が行われるが、前
述のように脱窒反応では水素ガスの消費量が窒素ガス発
生量の５倍であるため、気相部の圧力は徐々に減少す
る。この圧力の変動を脱窒槽１に付加した気相圧力検知
器７で検出する。

【００１５】気相部の圧力が所定の下限値に達した時点
で水素ガス供給配管８から水素ガスが脱窒槽１に供給さ
れ、所定の上限値に達した時点でガス供給が停止され
る。この水素ガスの供給・停止は、気相部圧力の所定の
下限値と上限値の間で制御装置１６によって自動的に制
御される。

【００１６】自動ガス排出弁１２は、脱窒反応で発生し
た窒素ガスを排出し、気相部のガス組成を常に一定範囲
に保つために設置するもので、気相圧力が所定の下限値
に達して電解槽３が作動した後、一定時間開放するか、
又はガス排出配管１５に付加した水素モニタ１４で排出
ガスの水素ガス濃度を測定し、水素ガス濃度が、例えば
２０〜５０％に到達した時点で自動ガス排出を停止する
方法を採ることもできる。こうして、脱窒槽１の気相部
は水素ガス濃度の高いガスで置換され、ガス循環装置５
により脱窒槽１の底部へと循環され、脱窒処理に消費さ
れる。上記のような操作により、水素ガスの供給を間歇
的に行うとともに、供給された水素ガスを循環させるこ
とにより、水素ガスの利用率が著しく向上し、供給した
水素ガスを１００％近く利用することが可能となり、水
素ガスの供給量を著しく減少して高い脱窒効果を達成す
ることができる。

【００１７】図２は、本発明の第二の実施例を示す生物
学的脱窒装置の系統図である。図２に示した生物学的脱
窒装置は、ガス循環装置としてエゼクタ２０を用い、気
相部の水素混合ガスを原水の一部又は全部と一緒に脱窒
槽１の底部に導入する構成とした点で図１に示した生物
学的脱窒装置とは相違する。さらに、上記の第一及び第
二の実施例において、水素ガス供給配管８をガス循環配
管６に連結して、水素ガスを気相部の水素混合ガスと一
緒にガス循環装置５により脱窒槽１の底部へ供給するこ
ともできる。

【００１８】図３は、本発明の第三の実施例を示す生物
学的脱窒装置の系統図である。図３に示した生物学的脱
窒装置は、水素ガス供給配管８をガス循環配管６に連結
したこと及び脱窒槽１の上部が水封式ホルダー２１で覆
われている点で、第一及び第二の実施例と相違する。脱
窒反応の進行により脱窒槽１内の圧力が徐々に低下する
と、水封式ホルダー２１が降下する。水封式ホルダー２
１に付けたレベルセンサ２２により圧力の低下度合いを
感知し、圧力が所定の下限値に達したとき、制御装置１
６により電解槽３の運転が開始されると同時にガス排出
配管１５が一定時間開放される。排出ガス中の水素ガス
が所定の濃度になったとき、ガス排出配管１５が閉鎖さ
れ、水封式ホルダー２１が元の位置に戻り、レベルセン
サ２２が上限値を検知すると、電解槽３の運転が停止さ
れる。このように、脱窒槽１の気相圧力の変動により水
封式ホルダー２１が上下することにより、レベルセンサ
２２が水位の変動、すなわち気相圧力の変動を感知し、
制御装置１６により電解槽３の作動・停止を行い、水素
ガスの供給を間歇的に行うことができる。なお、図３に
示した装置の脱窒槽に、第一及び第二の実施例と同様に
曝気槽を連結することもできる。

【００１９】図４は、硝酸ナトリウム試薬を窒素濃度と
して３０ｍｇ／リットルに調整した模擬液を用いて水素
ガスによる脱窒特性を回分試験で調べた気相部水素ガス
濃度及び水中の硝酸性窒素濃度の経時変化を示すグラフ
である。脱窒汚泥濃度１６００ｍｇ／リットルの条件で
約１時間処理すると、硝酸性窒素は殆ど分解され、これ
に伴って水素ガス濃度が減少し、気相部の圧力が低下す
る。

【００２０】図１〜図３に示した脱窒装置における脱窒
槽１内には、脱窒菌が付着した接触材１０が充填されて
いるが、この接触材の代わりに水素添加触媒の充填層を
備えた構成としても、上記各実施例と同様に水素ガス利
用効率のよい脱窒を行うことができる。水素添加触媒と
しては、特に制限はなく、例えばＣｕ／Ｐｄ触媒、Ｃｕ
／Ｐｔ触媒、Ｃｕ／Ｒｈ触媒などが挙げられる。

【００２１】なお、脱窒菌が付着した接触材を充填した
脱窒槽を有する脱窒装置による生物学的脱窒処理は、原
水中に含まれる有機物中の水素が脱窒反応に必要な量に
満たない場合に好適である。また、水素添加触媒を用い
た脱窒槽は、原水の有機物濃度にかかわらず、好適に適
用することができる。

【００２２】実施例１ 図１に示した本発明の生物学的脱窒装置で脱窒槽容量２
０リットル規模、気相部容積５リットルのものを用い
て、硝酸性窒素１５ｍｇ／リットルの地下水を硝酸性窒
素容積負荷２０ｍｇ−Ｎ／Ｌ・ｈの条件で連続通水して
図５に示す気相部の水素ガス分圧の制御設定で処理を行
った。このときの原水及び処理水の硝酸性窒素濃度を測
定し、結果を図６に示す。図６から分かるように、この
制御条件で連続処理することにより地下水中に含有され
る硝酸性窒素が２〜３ｍｇ／リットル（除去率８５〜９
０％）にまで除去できた。なお、電解槽として隔膜電解
槽を用い１回２時間、電流密度２ＫＡ／ｍ² で水の電気
分解を行い、供給した水素ガスは、硝酸性窒素除去に必
要な反応当量の１．１倍としたが、この連続処理期間を
通じて安定した処理結果が確認できた。図１に示した生
物学的脱窒装置における脱窒菌を付着した接触材の代わ
りに、Ｃｕ／Ｐｄ触媒の充填層を有する脱窒槽を備えた
本発明の脱窒装置を用いて上記と同様な実験を行っても
同様に良好な結果が得られた。

【００２３】

【発明の効果】本発明の脱窒装置を用いることにより、
脱窒反応に必要な水素供与体として水素ガスを使用し、
供給水素ガスの利用率が著しく向上し、少ない水素ガス
供給量で効率のよい脱窒を行うことができ、現場で電解
により水素ガスを生産して使用する場合には、同時に発
生する酸素を曝気処理に使用することができる。曝気処
理を行うことにより、脱窒処理水を嫌気状態から好気状
態に変えるとともに、存在しうる有機物を酸化分解する
ことができる。また、本発明による脱窒装置は、水素添
加触媒の充填槽と脱窒菌を付着した接触材の充填槽を組
合せて使用することもできる。一例として挙げられば、
水素添加触媒で亜硝酸性窒素を生成させた後、生物学的
に脱窒を行うと、後段の生物学的脱窒槽に供給する水素
ガス量は約３／５に低減できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す生物学的脱窒装置
の系統図である。

【図２】本発明の第二の実施例を示す生物学的脱窒装置
の系統図である。

【図３】本発明の第三の実施例を示す生物学的脱窒装置
の系統図である。

【図４】模擬水を処理した際の硝酸性窒素濃度及び気相
部水素ガス濃度の経時変化を示すグラフである。

【図５】実施例１における気相部の水素ガス分圧の制御
設定を示す説明図である。

【図６】実施例１における原水及び処理水の硝酸性窒素
濃度の経時変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 脱窒槽 ２ 曝気槽 ３ 電解槽 ４ 原水供給ポンプ ５ ガス循環装置 ６ ガス循環配管 ７ 気相圧力検知器 ８ 水素ガス供給配管 ９ 酸素ガス供給配管 １０ 接触材 １１ 接触材 １２ 自動ガス排出弁 １３ 脱窒処理水排出定量バルブ １４ 水素モニタ １５ ガス排出配管 １６ 制御装置 ２０ エゼクタ ２１ 水封式ホルダー ２２ レベルセンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江森 弘祥 東京都千代田区内神田１丁目１番14号 日 立プラント建設株式会社内 (72)発明者 飯田 桂一郎 東京都千代田区内神田１丁目１番14号 日 立プラント建設株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 硝酸性窒素及び／又は亜硝酸性窒素を含
   有する水の脱窒処理装置において、脱窒槽が、その底部
   に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、ガス排出配
   管と、気相圧力検知手段と、脱窒槽頂部の混合ガスを底
   部へ循環するガス循環配管とを有し、気相圧力検知手段
   の測定値に応じて水素ガス供給手段からの水素ガスの間
   歇的供給を制御する制御装置を設けたことを特徴とする
   水の脱窒処理装置。
2. 【請求項２】 脱窒槽が密閉式脱窒槽であるか、又は水
   封式ホルダーで上部が覆われた脱窒槽である請求項１記
   載の水の脱窒処理装置。
3. 【請求項３】 水素ガスの間歇的供給を制御する制御装
   置が、脱窒槽頂部の気相圧力が所定の下限値に達したと
   き、水素ガスの供給を開始させ、気相の圧力が所定の上
   限値に達したとき、水素ガスの供給を停止させるもので
   ある請求項１又は２記載の水の脱窒処理装置。
4. 【請求項４】 気相圧力が所定の下限値に達したら、制
   御装置により水素ガスの供給を開始させ、ガス排出配管
   からガスを排出させ、ガス排出配管に組み込んだ水素モ
   ニタにより排出ガス中の水素ガス濃度を測定し、水素ガ
   ス濃度が２０〜５０％に達したら自動ガス排出を停止す
   る請求項１又は２記載の水の脱窒処理装置。