JP5733785B2 - 排水処理方法及び排水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、窒素含有排水の生物処理時に発生する亜酸化窒素ガス（Ｎ_２Ｏ）が大気中へ拡散することを抑制する排水処理方法及び排水処理装置に関するものである。

生活排水や工場排水などの排水中に含まれるアンモニア性窒素は、排水の放流先となる湖沼や内湾などの閉鎖性水域における溶存酸素の低下や富栄養化現象の原因になる。このため、多くの排水処理設備では硝化処理が行われている（例えば特許文献１参照）。この硝化処理とは、反応槽内の排水に投入した、若しくは、排水中に元々存在する微生物を利用して、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素や硝酸性窒素に硝化する処理のことを意味する。

このような硝化処理では、微生物活動や反応槽の運転条件などの変化によって、反応副生成物として亜酸化窒素ガス（Ｎ_２Ｏ）が発生することが知られている。亜酸化窒素ガスは温室効果ガスであり、その温室効果は二酸化炭素ガスの約３１０倍と非常に高い。また、亜酸化窒素ガスは、フロンガスと同様、成層圏のオゾン層を破壊するオゾン層破壊ガスとしても問題視されている。このため、大気中への亜酸化窒素ガスの拡散を抑制することが地球環境保護の観点から急務となっている。

特開平６−６３５８８公報

高度処理施設設計マニュアル、ｐ２２５−２５２、日本下水道協会、平成６年 嫌気−無酸素−好気法運転管理マニュアル（案）、東京都下水道サービス、平成９年３月、ｐ２１−ｐ５３

硝化工程は、以下に示す化学反応式（１）及び化学反応式（２）によりアンモニアが酸化されて亜硝酸となる工程と、以下に示す化学反応式（３）により亜硝酸が酸化されて硝酸となる工程と、を含む。また、以下に示す化学反応式（１）により生成されたＮＨ_２ＯＨは、以下に示す化学反応式（２）により酸化されてＮＯ_２ ^-となるが、ＮＨ_２ＯＨの一部は、以下に示す化学反応式（４）により酸化されてＮ_２Ｏとなる。

ＮＨ_３＋Ｏ_２＋２e^-＋２Ｈ^＋→ＮＨ_２ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ …（１）
ＮＨ_２ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＮＯ_２ ^-＋５Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（２）
ＮＯ_２ ^-＋０．５Ｏ_２→ＮＯ_３ ^- …（３）
ＮＨ_２ＯＨ＋０．５Ｏ_２→０．５Ｎ_２Ｏ＋１．５Ｈ_２Ｏ …（４）

このような硝化反応を促進するためには、排水中に１．５ｍｇ／Ｌ程度の溶存酸素が残存していることが必要である（非特許文献１及び非特許文献２参照）。このため、硝化工程では、ブロアからのエア送気により曝気を行い、必要な溶存酸素量を確保するようにしている。しかしながら、溶存酸素量を指標とするＤＯ制御では、溶存酸素濃度（ＤＯ）を所定値（例えば１．５ｍｇ／Ｌ）以上に維持するために、曝気量が過剰になる傾向がある。Ｎ_２Ｏは溶解度が高いため、上記化学反応式（４）により生成されるＮ_２Ｏは槽内水中に溶存し得るが、曝気量が過剰となった場合には、溶存しているＮ_２Ｏが大気中に拡散してしまう。

一方、曝気量が不足した場合には、化学反応式（１）〜（３）からなる硝化工程に必要な酸素量が確保できないために、硝化反応が十分に進行せず、槽内水中にＮＯ_２ ^-が蓄積する。この結果、下記の化学反応式（５）又は化学反応式（６）の反応が生じ、排水処理工程における硝化率が低下して、Ｎ_２Ｏ転換率が上昇することによって、大気中にＮ_２Ｏが拡散することがある。なお、化学反応式（５）及び化学反応式（６）のうち、何れの反応が進行するかは活性汚泥の性状に依存する。

ＮＨ_２ＯＨ＋ＮＯ_２ ^-→Ｎ_２Ｏ＋Ｈ_２Ｏ＋ＯＨ^- …（５）
Ｈ_２＋ＮＯ_２ ^-→０．５Ｎ_２Ｏ＋０．５Ｈ_２Ｏ＋ＯＨ^- …（６）

以上のことから、窒素含有排水の生物処理時に発生するＮ_２Ｏガスが大気中へ拡散することを抑制する技術の提供が期待されている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、窒素含有排水の生物処理時に発生するＮ_２Ｏガスが大気中へ拡散することを抑制する排水処理方法及び排水処理装置を提供することにある。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る排水処理方法は、窒素含有排水の流れ方向に沿って配列された複数段の硝化槽において、アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌とを含む硝化菌を利用して窒素含有排水中に含まれるアンモニア性窒素を段階的に硝化する硝化ステップを含み前記複数段の硝化槽における最終段の硝化槽から所望の水質の処理水を排出する排水処理方法であって、前記硝化ステップの前に、前記複数段の硝化槽における各硝化槽の窒素含有排水においてアンモニア酸化細菌活性が亜硝酸酸化細菌活性と同等または同等以下に維持され、かつ、前記最終段の硝化槽から排出される処理水が所望の水質に維持されるような各硝化槽の窒素含有排水における酸化還元電位の範囲を、各硝化槽における曝気量を調整しながら行う実験による実験データの蓄積により各硝化槽について導出し、導出した各酸化還元電位の範囲を各硝化槽における目標酸化還元電位の範囲として各硝化槽に設定する設定ステップを含み、前記硝化ステップは、前記各硝化槽の曝気量を調整することによって、前記各硝化槽の窒素含有排水におけるそれぞれの酸化還元電位が、前記各硝化槽の目標酸化還元電位の範囲内になるように制御する制御ステップを含むことを特徴とする。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る排水処理装置は、窒素含有排水の流れ方向に沿って配列された、アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌とを含む硝化菌を利用して窒素含有排水中に含まれるアンモニア性窒素を段階的に硝化して、所望の水質の処理水とする複数段の硝化槽と、各硝化槽の曝気量を調整する曝気量制御装置と、各硝化槽の酸化還元電位を検出する検出装置と、前記検出装置により検出された酸化還元電位に基づいて前記曝気量制御装置を制御することによって各硝化槽の曝気量を調整して、各硝化槽の酸化還元電位が、前記複数段の硝化槽における各硝化槽についてそれぞれ設定された目標酸化還元電位の範囲内になるように、制御する制御装置と、を備え、前記目標酸化還元電位は、前記最終段の硝化槽から排出される処理水が所望の水質に維持されるような各硝化槽の窒素含有排水における酸化還元電位の範囲を、各硝化槽における曝気量を調整しながら行う実験による実験データの蓄積により各硝化槽について導出した酸化還元電位であることを特徴とする。

本発明に係る排水処理方法及び排水処理装置によれば、窒素含有排水の生物処理時に発生するＮ_２Ｏガスが大気中へ拡散することを抑制できる。

図１は、本発明の一実施形態である排水処理装置の構成を示す模式図である。 図２は、各硝化槽の酸化還元電位の制御が適切に行われた場合における槽内状態を示す模式図である。 図３は、各硝化槽の酸化還元電位の制御が適切に行われていない場合における槽内状態を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である排水処理装置の構成及びその動作（排水処理方法）について説明する。

〔排水処理装置の構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である排水処理装置の構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である排水処理装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である排水処理装置は、無酸素槽１、複数段の硝化槽２ａ〜２ｄ（第１〜第４槽），硝化液循環経路３、固液分離槽４、及び汚泥返送経路５を備える。無酸素槽１には、窒素含有処理原水（以下、処理原水と略記）が流入する。無酸素槽１では、無酸素条件下で処理原水中に含まれる亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素が窒素ガスに還元される。硝化槽２ａ〜２ｄは、処理原水の流れ方向に沿って直列に配列されている。各硝化槽には、無酸素槽１から流出した処理原水が流入する。

各硝化槽には、散気装置６とＯＲＰ計７とが備えられている。散気装置６は、ブロア（Ｂ）８から供給される空気を利用して、各硝化槽内に貯留されている活性汚泥に対し散気を行う。詳しくは後述するが、各硝化槽では、好気条件下で処理原水中に含まれるアンモニア性窒素が亜硝酸性窒素及び硝酸性窒素に硝化されると共に処理原水中に含まれるリンが活性汚泥中に取り込まれる。ＯＲＰ計７は、各硝化槽内の酸化還元電位（ＯＲＰ）を測定する装置である。ＯＲＰ計７は、測定された酸化還元電位の値を制御装置９に入力する。

散気装置６には曝気量制御装置１０が設けられている。曝気量制御装置１０は、空気流量制御弁などによって構成され、制御装置９からの制御信号に従って各硝化槽の曝気量を個別に制御する。最下流の硝化槽２ｄには、溶存酸素濃度（ＤＯ）を測定するための検出装置１１が設けられている。検出装置１１は、測定された溶存酸素濃度の値を制御装置９に入力する。硝化液循環経路３は、無酸素槽１と最下流の硝化槽２ｄとを接続する配管であり、硝化槽２ｄ内の硝化液を無酸素槽１に循環する。

固液分離槽４には、最下流の硝化槽２ｄから流出した処理原水が流入する。固液分離槽４では、処理原水が分離液４ａと活性汚泥４ｂとに分離される。固液分離槽４の側壁には、図示しない配管が接続されており、図示しない配管を介して消毒処理された分離液４ａを系外に排出できるように構成されている。また、固液分離槽４の底部には、汚泥返送経路５が接続されており、固液分離槽４の底部に堆積した活性汚泥４ｂを無酸素槽１と硝化槽２ｂ，２ｃとに返送できるように構成されている。これにより、無酸素槽１及び硝化槽２ｂ，２ｃ内の生物量を所定量に維持することができる。

〔硝化工程〕
次に、硝化槽２ａ〜２ｄにおいて行われる硝化工程について説明する。

無酸素槽１からの処理原水は順次、硝化槽２ａから硝化槽２ｄへと送られ、各硝化槽内において、好気性条件下で活性汚泥中の好気性微生物である硝化菌により処理原水中のアンモニア性窒素（ＮＨ_３）が亜硝酸性窒素（ＮＯ_２ ^-）や硝酸性窒素（ＮＯ_３ ^-）に硝化処理される（化学反応式（１）〜（３））。硝化菌は、主に、化学反応式（１），（２）を促進するアンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）と、化学反応式（３）を促進する亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）とを含む。

ＮＨ_３＋Ｏ_２＋２e^-＋２Ｈ^＋→ＮＨ_２ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ …（１）
ＮＨ_２ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＮＯ_２ ^-＋５Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（２）
ＮＯ_２ ^-＋０．５Ｏ_２→ＮＯ_３ ^- …（３）

これらの各菌の活性が、アンモニア酸化細菌活性＞亜硝酸酸化細菌活性となる条件下では、化学反応式（３）の反応が速やかに進行しないため、処理原水中にＮＯ_２ ^-が蓄積して、下記の化学反応式（５）又は化学反応式（６）の反応により、Ｎ_２Ｏが生成されやすくなる。一方、アンモニア酸化細菌活性≦亜硝酸酸化細菌活性となる条件下では、化学反応式（３）の反応が速やかに進行するため、上記Ｎ_２Ｏの生成反応は進行し難くなる。なお、本明細書中において、活性とは、単位汚泥量あたりの酸化速度のことを意味する。

ＮＨ_２ＯＨ＋ＮＯ_２ ^-→Ｎ_２Ｏ＋Ｈ_２Ｏ＋ＯＨ^- …（５）
Ｈ_２＋ＮＯ_２ ^-→０．５Ｎ_２Ｏ＋０．５Ｈ_２Ｏ＋ＯＨ^- …（６）

一方、溶存酸素濃度が高いときには、アンモニア酸化細菌活性≦亜硝酸酸化細菌活性となりＮ_２Ｏ生成が抑制される。しかしながら、各硝化槽の溶存酸素濃度を比較すると、上流側に位置する硝化槽２ａ，２ｂでは、処理原水により持ち込まれるアンモニア性窒素（ＮＨ_３）が多いため、アンモニア酸化細菌が優先的に増殖する。すなわち、硝化槽２ａ，２ｂでは、槽内の菌活性はアンモニア酸化細菌活性＞亜硝酸酸化細菌活性となる傾向にあり、槽内のアンモニア酸化細菌が活発に酸素を消費するため、溶存酸素は低くなる傾向がある。また、硝化槽の前段では溶存酸素が低濃度の状態から高い状態へと移行する部分が存在し、アンモニア酸化菌の活性と亜硝酸酸化菌の活性のバランスが崩れやすい傾向が認められる。このような現象は亜硝酸の生成につながり好ましくない。

そこで、本発明では、制御装置９が、各硝化槽内に設置したＯＲＰ計７による連続測定データのモニタリングを行いつつ、曝気量制御装置１０によって各硝化槽の曝気量を調整することにより、各硝化槽のＯＲＰが、各硝化槽においてアンモニア酸化細菌活性を亜硝酸酸化細菌活性と同等もしくはそれ以下に維持するための目標酸化還元電位になるように、制御する。目標酸化還元電位は、各硝化槽においてアンモニア酸化細菌活性が亜硝酸酸化細菌活性と同等もしくはそれ以下に維持されるように、予め実験データの蓄積により各硝化槽について設定されている。

具体的には、制御装置９は、曝気量制御装置１０を制御することにより、図２に模式的に示すように各硝化槽（第１〜第４槽）のＯＲＰを後段に行くほど段階的に上昇させる。これにより、各硝化槽内をアンモニア酸化細菌活性≦亜硝酸酸化細菌活性となる条件に維持することができ、亜酸化窒素の発生原因となる亜硝酸が処理原水中に残存することを抑制できる。なお、図３は空気量を一定として各硝化槽のＯＲＰの制御が適切に行われていない場合を示すものであり、アンモニア酸化細菌活性が亜硝酸酸化細菌活性よりも大きい硝化槽２ｂ（第２槽）において亜硝酸酸化が追い付かず、亜硝酸が水中に残存することを示している。

このように、各硝化槽において、常にアンモニア酸化細菌活性≦亜硝酸酸化細菌活性となるように各硝化槽のＯＲＰを制御することにより、窒素含有排水の生物処理時に発生するＮ_２Ｏガスが大気中へ拡散することを抑制することができる。また、曝気量を最適に制御することにより、ブロア８の消費電力量を削減することができる。

なお、本実施形態では、曝気量を制御することによって各硝化槽のＯＲＰを制御したが、各硝化槽への酸化剤又は還元剤の添加量を制御することによって、各硝化槽のＯＲＰを制御するようにしてもよい。この場合、酸化剤としては、純酸素、オゾン、及び次亜塩素酸ナトリウムのうちの少なくとも一つ、還元剤としては、チオ硫酸ナトリウム及び硫化ナトリウムのうちの少なくとも一つを用いることができる。

また、アンモニア酸化細菌の増殖に最適なｐＨは７．０〜８．５であり、亜硝酸酸化細菌の増殖に最適なｐＨは６．０〜７．５であるため、ＯＲＰの段階的制御と合わせて、硝化槽２ａ，２ｂのｐＨを７．０以下、硝化槽２ｃ，２ｄのｐＨを７．０以上にする制御を行うことが好ましい。また、硝化槽２ｂ，２ｃでは、アンモニア酸化細菌が増殖しやすく、遅れて亜硝酸酸化細菌の増殖が進む傾向があるため、硝化槽２ｂ，２ｃに一部汚泥返送を行うことにより、好気槽前段で亜硝酸酸化菌の活性を高めることもできる。

下記の表１には、都市下水最初沈殿池越流水（Ｔ−Ｎ濃度；２５ｍｇ/L、ＮＨ４-Ｎ濃度；２０ｍｇ/L）を、図１に示す装置を用いて、本発明の方法により、各硝化槽２a〜２ｄのＯＲＰが、各硝化槽２a〜２ｄにおいてアンモニア酸化細菌活性≦亜硝酸酸化細菌活性を維持するのに、最適な制御範囲となるように、曝気量を調整しながら排水処理を行った際のＮ_２Ｏ排出量を示している。一方、表２には、図１に示す装置を用いて、上記細菌活性の制御は行わずに排水処理を行った際のＮ_２Ｏ排出量を示している。表１に示すように、本発明の方法によれば、Ｎ_２Ｏガスの排出量を大幅に削減することができることが確認された。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者などによりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術などは全て本発明の範疇に含まれる。

１ 脱窒槽
２ 硝化槽
３ 硝化液循環経路
４ 固液分離槽
５ 汚泥返送経路
６ 散気装置
７ ＯＲＰ計
８ ブロア
９ 制御装置
１０ 曝気量制御装置
１１ 検出装置

Claims (6)

1. 窒素含有排水の流れ方向に沿って配列された複数段の硝化槽において、アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌とを含む硝化菌を利用して窒素含有排水中に含まれるアンモニア性窒素を段階的に硝化する硝化ステップを含み前記複数段の硝化槽における最終段の硝化槽から所望の水質の処理水を排出する排水処理方法であって、
   前記硝化ステップの前に、前記複数段の硝化槽における各硝化槽の窒素含有排水においてアンモニア酸化細菌活性が亜硝酸酸化細菌活性と同等または同等以下に維持され、かつ、前記最終段の硝化槽から排出される処理水が所望の水質に維持されるような各硝化槽の窒素含有排水における酸化還元電位の範囲を、各硝化槽における曝気量を調整しながら行う実験による実験データの蓄積により各硝化槽について導出し、導出した各酸化還元電位の範囲を各硝化槽における目標酸化還元電位の範囲として各硝化槽に設定する設定ステップを含み、
   前記硝化ステップは、前記各硝化槽の曝気量を調整することによって、前記各硝化槽の窒素含有排水におけるそれぞれの酸化還元電位が、前記各硝化槽の目標酸化還元電位の範囲内になるように制御する制御ステップを含む
   ことを特徴とする排水処理方法。
2. 前記制御ステップは、各硝化槽への酸化剤又は還元剤の添加量を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の排水処理方法。
3. 前記酸化剤は、純酸素、オゾン、及び次亜塩素酸ナトリウムのうちの少なくとも一つであり、前記還元剤は、チオ硫酸ナトリウム及び硫化ナトリウムのうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項２に記載の排水処理方法。
4. 前記制御ステップは、酸又はアルカリ剤を添加することにより各硝化槽のｐＨを調整するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の排水処理方法。
5. 処理水を固液分離することによって得られた汚泥を２段目以降の硝化槽に返送するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の排水処理方法。
6. 窒素含有排水の流れ方向に沿って配列された、アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌とを含む硝化菌を利用して窒素含有排水中に含まれるアンモニア性窒素を段階的に硝化して、所望の水質の処理水とする複数段の硝化槽と、
   各硝化槽の曝気量を調整する曝気量制御装置と、
   各硝化槽の酸化還元電位を検出する検出装置と、
   前記検出装置により検出された酸化還元電位に基づいて前記曝気量制御装置を制御することによって各硝化槽の曝気量を調整して、各硝化槽の酸化還元電位が、前記複数段の硝化槽における各硝化槽についてそれぞれ設定された目標酸化還元電位の範囲内になるように、制御する制御装置と、を備え、
   前記目標酸化還元電位は、前記最終段の硝化槽から排出される処理水が所望の水質に維持されるような各硝化槽の窒素含有排水における酸化還元電位の範囲を、各硝化槽における曝気量を調整しながら行う実験による実験データの蓄積により各硝化槽について導出した酸化還元電位である
   ことを特徴とする排水処理装置。

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