JP6532718B2 - 水処理装置および水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、嫌気性アンモニア酸化細菌を用いた水処理装置および水処理方法に関する。

従来、被処理水中の窒素成分を生物学的に除去する方法として、嫌気性アンモニア酸化細菌を用いた嫌気性アンモニア酸化処理が知られている。嫌気性アンモニア酸化処理は、嫌気条件下で、独立栄養性脱窒菌である嫌気性アンモニア酸化細菌の働きにより、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を窒素ガスに変換して、被処理水の窒素成分を除去する方法である。嫌気性アンモニア酸化処理は、窒素除去のために通常広く用いられている硝化脱窒法による処理と比べて、メタノール等の有機分（水素供与体）の添加を必要とせず、また曝気による酸素供給量を減らすことができ、さらには汚泥発生量の削減も可能となる点で、有効な処理方法である。一方、嫌気性アンモニア酸化細菌は増殖速度が遅いため、嫌気性アンモニア酸化処理においては、処理効率を高める点から、反応槽内に嫌気性アンモニア酸化細菌をできるだけ高濃度で保持することが重要になる。例えば特許文献１には、嫌気性アンモニア酸化細菌を担体に固定させたりグラニュール化して反応槽中に保持し、嫌気性アンモニア酸化処理を行うことが開示されている。

特開２００５−３２４１３２号公報

嫌気性アンモニア酸化処理においては、処理を効率的に行う点から、嫌気性アンモニア酸化細菌の反応槽からの流出を抑制しつつ、嫌気性アンモニア酸化細菌と被処理水との接触効率を高めるようにすることが好ましい。そのため、反応槽内での水の流れを適切に制御することがより重要になる。

本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、嫌気性アンモニア酸化処理を行う反応槽を有し、長期にわたり、反応槽内での水の流れを好適に制御することができる水処理装置を提供することにある。また本発明は、窒素含有被処理水を嫌気性アンモニア酸化細菌と接触させる嫌気性アンモニア酸化処理を行う際に、長期にわたり、水の流れを好適に制御することができる水処理方法を提供することも目的とする。

上記課題を解決することができた本発明の水処理装置とは、窒素含有被処理水を嫌気性アンモニア酸化細菌と接触させて嫌気性アンモニア酸化反応を行う反応槽を有し、反応槽内に、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする水流制御部材が設けられているところに特徴を有する。本発明の水処理装置は、反応槽内に、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする水流制御部材が設けられているため、水流制御部材表面への菌体の付着が抑制され、水流制御部材による機能、すなわち反応槽内での水の流れの制御に係る機能を、長期にわたり発揮させることができる。

本発明の水処理装置において、水流制御部材への菌体の付着を抑制して、嫌気性アンモニア酸化処理の処理効率を高める点から、水流制御部材を整流材に適用することが好ましい。この場合、反応槽内には、水流制御部材よりも下流側に、嫌気性アンモニア酸化細菌が保持されるようにすることが好ましく、これにより、水流制御部材を整流材として機能させることができる。その結果、整流材として機能する水流制御部材の表面への菌体の付着が抑えられ、これによる整流作用が長期にわたり発揮され、被処理水と嫌気性アンモニア酸化細菌との接触効率を長期にわたって高く維持することが可能となる。

水流制御部材を整流材として用いる場合、上記効果は上向流式の反応槽において特に有効に発揮される。例えば上向流式の反応槽で整流材の一部が目詰まりを起こすと、当該目詰まり部分の上部（下流側）で上向きの被処理水の流れがうまく形成されず、短絡が起こりやすくなる。その結果、槽内全体を有効に使用できなくなり、嫌気性アンモニア酸化処理性能が低下するおそれがある。しかし、上向流式の反応槽に、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする整流材を設けることにより、整流材での菌体による目詰まりが起こりにくくなり、長期にわたり嫌気性アンモニア酸化処理を安定して行うことが可能となる。

嫌気性アンモニア酸化細菌は、担体に固定されて反応槽内に保持されている、または、グラニュール化されて反応槽内に保持されていることが好ましい。これにより、嫌気性アンモニア酸化処理を効率的に行うことができる。

水流制御部材は粒状であり、反応槽内に粒状の水流制御部材が複数充填されて層形成されていることが好ましい。粒状の水流制御部材を複数充填して層形成した場合、粒状の水流制御部材の間で被処理水の流れが滞りやすくなるところ、当該粒状の水流制御部材をＡｌ₂Ｏ₃を主成分とする材料から構成することにより、水流制御部材の表面への菌体の付着が抑制され、粒状の水流制御部材の間での閉塞が防止されやすくなる。

本発明はまた、窒素含有被処理水を嫌気性アンモニア酸化細菌と接触させて嫌気性アンモニア酸化反応を行う水処理方法であって、被処理水を、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする水流制御部材と接触させることにより、被処理水の流れを制御する水処理方法も提供する。本発明の水処理方法によれば、水流制御部材表面への菌体の付着が抑制され、水流制御部材によって被処理水の流れを長期にわたり好適に制御することができる。また、被処理水を、水流制御部材と接触させた後、嫌気性アンモニア酸化細菌と接触させるようにすれば、水流制御部材が整流材として機能し、被処理水と嫌気性アンモニア酸化細菌との接触効率を長期にわたって高く維持することができる。

本発明の水処理装置によれば、嫌気性アンモニア酸化処理を行う反応槽内に、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする水流制御部材が設けられているため、水流制御部材表面への菌体の付着が抑制され、長期にわたり、反応槽内での水の流れを好適に制御することができる。また本発明の水処理方法によれば、嫌気性アンモニア酸化処理を行う際に、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする水流制御部材を用いることにより、水流制御部材表面への菌体の付着が抑制され、被処理水の流れを長期にわたり好適に制御することができる。

本発明の水処理装置の構成例を表す。

本発明は、窒素含有被処理水を嫌気性アンモニア酸化細菌と接触させて嫌気性アンモニア酸化反応を行う反応槽を備えた水処理装置と、窒素含有被処理水を嫌気性アンモニア酸化細菌と接触させて嫌気性アンモニア酸化反応を行う水処理方法に関する。本発明によれば、嫌気性アンモニア酸化処理を行う際に、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする水流制御部材を用いることにより、水流制御部材表面への菌体の付着が抑制され、被処理水の流れを長期にわたり好適に制御することができる。

本発明では、窒素含有被処理水を嫌気性アンモニア酸化細菌と接触させて嫌気性アンモニア酸化反応を行う。嫌気性アンモニア酸化処理を行う反応槽には嫌気性アンモニア酸化細菌を含有する被処理水が保持されており、被処理水を嫌気性アンモニア酸化細菌と接触させることにより、嫌気性アンモニア酸化反応による処理を行うことができる。

窒素含有被処理水は、少なくともアンモニア性窒素を含有しており、さらに亜硝酸性窒素を含有していることが好ましい。窒素含有被処理水がアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素の両方を含有していれば、嫌気性アンモニア酸化細菌の働きにより、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を窒素ガスに変換して、被処理水中の窒素成分を除去することができる。

嫌気性アンモニア酸化処理では、例えば、下記の物質収支式で表される反応が起こると考えられており、１当量のアンモニア性窒素と１．３２当量の亜硝酸性窒素とが反応して窒素分子が生成し、被処理水中の窒素成分がガスとして除去される。
ＮＨ₄ ⁺＋１．３２ＮＯ₂ ^-＋０．０６６ＨＣＯ₃ ^-＋０．１３Ｈ⁺
→ １．０２Ｎ₂＋０．２６ＮＯ₃ ^-＋０．０６６ＣＨ₂Ｏ_0.5Ｎ_0.15＋２．０３Ｈ₂Ｏ

被処理水中に含まれる亜硝酸性窒素の量が少ない場合などは、被処理水中のアンモニア性窒素の一部を亜硝酸化しておくことが好ましく、これにより被処理水中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素の含有比を適正な範囲に調整することができる。例えば、被処理水を亜硝酸化細菌（アンモニア酸化細菌）と接触させる前処理を行うことで、被処理水中のアンモニア性窒素の一部を亜硝酸性窒素に変換することができる。

反応槽は、被処理水と嫌気性アンモニア酸化細菌とを接触させることができるものであれば、その形状等は特に限定されない。なお、反応槽は、被処理水の供給部と、処理水の排出部を有することが好ましい。反応槽は、被処理水と嫌気性アンモニア酸化細菌との接触効率を高めるために、機械式撹拌装置等の撹拌手段を設けたり、被処理水の供給部と処理水の排出部を繋ぐ循環ラインを設けてもよい。後者の場合、排出部から排出された処理水の一部を被処理水の供給部に返送することにより、被処理水を反応槽と循環ラインとの間を循環させ、嫌気性アンモニア酸化細菌との接触頻度を高めることができる。なお、反応槽内の被処理水には、嫌気性アンモニア酸化細菌の増殖環境を整える点から、空気等の分子状酸素（Ｏ₂）を含有するガスが供給されないことが好ましく、従って、反応槽には散気装置が設けられないことが好ましい。

反応槽内において、嫌気性アンモニア酸化細菌は、分散状態で被処理水中に浮遊していてもよく、グラニュール化（粗粒化）していてもよい。また、嫌気性アンモニア酸化細菌は担体に固定されていてもよく、この場合、嫌気性アンモニア酸化細菌は担体に包括固定されていてもよく、担体表面に付着固定されていてもよい。担体は、反応槽に固定されていても、反応槽内で非固定とされていてもよい。担体としては、繊維製品（不織布、織布、紐等）、プラスチック、スポンジ、炭化物、ゲル体等を用いることができる。なお、嫌気性アンモニア酸化細菌は増殖速度が遅いことから、処理を効率的に行う点から、嫌気性アンモニア酸化細菌が反応槽内で高濃度に保持されることが好ましい。従って、嫌気性アンモニア酸化細菌は、グラニュール化されて反応槽内に保持されているか、担体に固定されて反応槽内に保持されていることが好ましい。

反応槽内には、水流制御部材が設けられる。水流制御部材としては、反応槽内の被処理水の流れを均一にするための整流材、反応槽内で被処理水の流れを変えるためのバッフル板やガイド板、反応槽内の水をオーバーフローさせる越流堰、反応槽内で充填物を支持し被処理水を透過させる支持材、反応槽から担体等の流出を防止し処理水を分離するスクリーン、反応槽内で汚泥等の固形分を沈降させる傾斜板等が挙げられる。水流制御部材を設けることにより、被処理水と嫌気性アンモニア酸化細菌との接触効率を高めたり、あるいは、反応槽からの嫌気性アンモニア酸化細菌の流出量を低減したりすることができる。

本発明においては、これらの水流制御部材の少なくとも１つを、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする材料から構成する。そして、被処理水をＡｌ₂Ｏ₃を主成分とする水流制御部材と接触させることにより、被処理水の流れを制御する。本発明者らが検討したところ、嫌気性アンモニア酸化細菌が保持された反応槽では、水流制御部材をＡｌ₂Ｏ₃を主成分とする材料から構成することにより、当該部材に菌体（嫌気性アンモニア酸化細菌）が付着しにくくなることが明らかになった。例えば、他の無機材料から構成された水流制御部材を用いた場合と比べて、明らかに菌体の付着が起こりにくくなる。このような結果が得られたことの理由は定かではないが、水流制御部材が、金属や塩等と比べて水中での安定性が高い（反応性が低い）セラミック材料から構成されていること、またセラミック材料の中でもＡｌ₂Ｏ₃は嫌気性アンモニア酸化細菌が付着しにくい等電点を有していること、すなわち、嫌気性アンモニア酸化細菌がＡｌ₂Ｏ₃に対して静電的に付着しにくいことが考えられる。

水流制御部材は、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分として含む限り、他の成分を含んでいてもよい。例えば、成形性を高めるためにバインダー等が含まれていてもよく、またＡｌ₂Ｏ₃の熱加工性を高めるために、融点降下剤等として他の無機成分が含まれていてもよい。さらに、Ａｌ₂Ｏ₃は複合酸化物として含まれていてもよい。なお、水流制御部材は、Ａｌ₂Ｏ₃を５０質量％以上の含有率で含むことが好ましく、７０質量％以上がより好ましく、８５質量％以上がさらに好ましく、９５質量％以上が特に好ましい。また、水流制御部材は、Ａｌ₂Ｏ₃のみから構成されていてもよい。

本発明によれば、水流制御部材をＡｌ₂Ｏ₃を主成分とする材料から構成することにより、水流制御部材への菌体の付着を抑えることができるが、当該効果により嫌気性アンモニア酸化処理の処理効率を高める点から、このような水流制御部材を整流材に適用することが好ましい。すなわち、反応槽内には、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする整流材が設けられることが好ましい。整流材は被処理水の供給部近傍に設けられることが好ましく、これにより、反応槽内の被処理水の流れを均一にして、被処理水と嫌気性アンモニア酸化細菌との接触効率を高めることができる。この場合、反応槽内では、整流材（水流制御部材）よりも下流側に、嫌気性アンモニア酸化細菌が保持され、被処理水を整流材（水流制御部材）と接触させた後、嫌気性アンモニア酸化細菌と接触させることとなる。整流材を、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする材料から構成することにより、整流材表面への菌体の付着が抑えられ、整流材による整流作用を長期にわたり実現することができる。その結果、被処理水と嫌気性アンモニア酸化細菌との接触効率も長期にわたり高く維持することが可能となる。

整流材を、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする材料から構成する場合、整流材への菌体の付着抑制効果は、上向流式の反応槽において特に有効に発揮される。例えば、整流材を、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする材料から構成しない場合、上向流式の反応槽で整流材の一部が目詰まりを起こすと、当該目詰まり部分の上部（下流側）で上向きの被処理水の流れがうまく形成されずに短絡が起こりやすくなる。その結果、槽内全体を有効に使用できなくなり、嫌気性アンモニア酸化処理性能が低下するおそれがある。しかし、上向流式の反応槽において、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする整流材を設けることにより、整流材での菌体による目詰まりが起こりにくくなり、長期にわたり嫌気性アンモニア酸化処理を安定して行うことが可能となる。

整流材の形状等は公知のものを採用でき、例えば、複数の開口が設けられた板（すなわち整流板）を設置してもよく、粒状の整流材を複数充填して層形成するようにしてもよい。

水流制御部材への菌体の付着抑制効果は、被処理水の流れが滞りやすい水流制御部材を用いた場合に、特にその効果が発揮される。そのような水流制御部材としては、粒状であり、反応槽内に当該粒状の水流制御部材が複数充填されて層形成しているようなものが挙げられる。粒状の水流制御部材を複数充填して層形成した場合、粒状の水流制御部材の間で被処理水の流れが滞りやすくなるところ、当該粒状の水流制御部材をＡｌ₂Ｏ₃を主成分とする材料から構成することにより、水流制御部材の表面への菌体の付着が抑制され、粒状の水流制御部材の間での閉塞が防止されやすくなる。なお、粒状の水流制御部材の形状は特に限定されず、球状、円柱状、リング状、不定形等が挙げられる。

本発明の水処理装置の構成例について、図１を参照して説明する。なお、本発明は、図１に示した実施態様に限定されない。

図１には、窒素含有被処理水１１を導入する供給部２と処理水１２を排出する排出部３を備えた反応槽１を有する水処理装置が示されている。反応槽１内には、嫌気性アンモニア酸化細菌が固定された担体４が保持されている。窒素含有被処理水１１を反応槽１内に上向流式で導入して、嫌気性アンモニア酸化細菌を固定した担体４と接触させることにより、嫌気性アンモニア酸化処理が行われる。

反応槽１には、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする水流制御部材５が設けられており、水流制御部材５よりも下流側に、嫌気性アンモニア酸化細菌を固定した担体４が保持されている。水流制御部材５は粒状であり、反応槽１内に粒状の水流制御部材５が複数充填されて層形成されている。水流制御部材５は整流材として機能し、被処理水１１が水流制御部材５を通過することにより、被処理水が嫌気性アンモニア酸化細菌を固定した担体４と均一に接触しやすくなり、処理効率を高めることができる。水流制御部材５は、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする材料から構成されているため、菌体の付着が抑制され、長期にわたり安定して整流材としての機能を発揮することが可能となる。

以下に、実施例を示すことにより本発明を更に詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。

実施例１
図１に示すような水処理装置を用いて、嫌気性アンモニア酸化処理を行った。被処理水として下水返流水を用い、被処理水の全窒素濃度は平均６６９ｍｇ−Ｎ／Ｌ、ｐＨは平均７．６であった。反応槽は上向流式であり、被処理水の供給部側に整流材としてアルミナボール（粒径５〜８ｍｍ）が充填され、層を形成していた。整流材の下流側には、嫌気性アンモニア酸化細菌が炭化物担体に固定され、反応槽内に保持されていた。なお、アルミナボールの等電点はｐＨ７．４〜９．５程度である。被処理水は、空塔速度約１０ｍ／日で反応槽内に導入し、処理水の一部は被処理水に混ぜて反応槽に返送した。１５０日間処理を行った後に反応槽の内部を確認したところ、アルミナボールの表面にはほとんど菌体が付着していなかった。

比較例１
整流材としてガラスボール（粒径１３ｍｍ）を用いた以外は、実施例１と同様にして処理を行った。なお、ガラスボールはケイ酸塩から構成される一般的なガラスからできており、等電点はｐＨ２程度である。１５０日間処理を行った後に反応槽の内部を確認したところ、ガラスボールの表面全体に菌体が付着して、ガラスボールの間の流路が塞がれていた。また、嫌気性アンモニア酸化処理性能が実施例１よりも低下し、反応槽に導入する被処理水量を実施例１よりも落とす必要が生じた。

比較例２
整流材として貝殻を用いた以外は、実施例１と同様にして処理を行った。なお、貝殻はケイ酸カルシウムを主成分とした無機塩から主に構成されている。１５０日間処理を行った後に反応槽の内部を確認したところ、貝殻の表面の一部に菌体が付着して、貝殻の間の流路が塞がれていた。また、嫌気性アンモニア酸化処理性能が実施例１よりも低下し、反応槽に導入する被処理水量を実施例１よりも落とす必要が生じた。

本発明は、下水、し尿、下水処理やし尿処理に伴い発生するプロセス排水、食品工場、化学工場等から発生する工場排水、家畜糞尿、畜産廃棄物の処理により発生する排水等の処理に用いることができる。

１： 反応槽
２： 供給部
３： 排出部
４： 嫌気性アンモニア酸化細菌固定担体
５： 水流制御部材（整流材）

Claims (7)

1. 窒素含有被処理水を嫌気性アンモニア酸化細菌と接触させて嫌気性アンモニア酸化反応を行う反応槽を有し、
   前記反応槽内に、Ａｌ₂Ｏ₃を８５質量％以上の含有率で含む水流制御部材が設けられていることを特徴とする水処理装置。
2. 前記反応槽内において、前記水流制御部材よりも下流側に、嫌気性アンモニア酸化細菌が保持されている請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記反応槽は上向流式である請求項２に記載の水処理装置。
4. 嫌気性アンモニア酸化細菌は、担体に固定されて前記反応槽内に保持されている、または、グラニュール化されて前記反応槽内に保持されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の水処理装置。
5. 前記水流制御部材は粒状であり、前記反応槽内に粒状の水流制御部材が複数充填されて層形成している請求項１〜４のいずれか一項に記載の水処理装置。
6. 窒素含有被処理水を嫌気性アンモニア酸化細菌と接触させて嫌気性アンモニア酸化反応を行う水処理方法であって、
   前記被処理水を、Ａｌ₂Ｏ₃を８５質量％以上の含有率で含む水流制御部材と接触させることにより、被処理水の流れを制御することを特徴とする水処理方法。
7. 前記被処理水を、前記水流制御部材と接触させた後、嫌気性アンモニア酸化細菌と接触させる請求項６に記載の水処理方法。