排水処理装置及び排水処理方法
【課題】アンモニアの亜硝酸化を優占的かつ安定的に行なうと共に、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）の放出が抑えられた排水処理装置及び排水処理方法を提供する。
【解決手段】排水１２を貯留し、排水中のアンモニアを酸化処理する反応手段の例である反応槽１０と、排水を反応槽に回分供給する排水供給手段の例である排水供給管１４と、反応槽に貯留された排水の上澄み液を槽外に排出する液排出手段の例である上澄み液排出管１６と、槽外からエア（大気）を供給する酸素供給手段の例であるエア供給器２０と、検出手段の例としてｐＨ検出センサ、溶存酸素検出センサ、及びアンモニア濃度検出センサと、排水の回分供給制御等を担う制御装置５０とを備えている。
【解決手段】排水１２を貯留し、排水中のアンモニアを酸化処理する反応手段の例である反応槽１０と、排水を反応槽に回分供給する排水供給手段の例である排水供給管１４と、反応槽に貯留された排水の上澄み液を槽外に排出する液排出手段の例である上澄み液排出管１６と、槽外からエア（大気）を供給する酸素供給手段の例であるエア供給器２０と、検出手段の例としてｐＨ検出センサ、溶存酸素検出センサ、及びアンモニア濃度検出センサと、排水の回分供給制御等を担う制御装置５０とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニア酸化細菌を用いた排水処理装置及び排水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
排水中のアンモニアは、生物学的にはアンモニア酸化細菌と呼ばれる独立栄養性細菌（有機物を菌体合成に用いず、二酸化炭素・炭酸塩（無機物）を固定して菌体を合成する細菌）が亜硝酸に酸化し、引き続き、亜硝酸を亜硝酸酸化細菌と呼ばれる独立栄養性細菌が硝酸に酸化することで消費される。この２つの反応には酸素の供給が必要不可欠であり、この２つの反応の進行度合いは、それぞれの細菌の生理生態特性に基づいている。
【０００３】
ここで、亜硝酸から硝酸への酸化反応を止め、優占的にアンモニアを亜硝酸に酸化することができれば、例えば排水処理する処理施設の運転動力の約４５％を占める、酸素供給に要するブロワーの運転コストを約２５％削減することが可能となる。そのため、亜硝酸に酸化された段階で酸化反応を止める亜硝酸化（もしくはショートカット型窒素除去）の安定した実現に向けた様々の試みがなされている。このような亜硝酸化技術の基本的な例として、硝化の過程の後半で起きる亜硝酸酸化を抑制して亜硝酸の蓄積を図るため、アンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）と亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）の生理学的な違いを利用して、ＡＯＢを反応槽内に優占的に棲息させる技術が知られている。
【０００４】
ＡＯＢを優占的に棲息させる技術としては、例えば、（1）溶存酸素濃度の調整、（2）ｐＨ調整による遊離アンモニア・亜硝酸濃度の調整、（3）温度の調整などによる方法が提案されている。具体的には、前記（1）では、ＡＯＢとＮＯＢの酸素に対する親和性の違いを利用し、溶存酸素濃度を低濃度に調整して亜硝酸を蓄積させる方法がある。前記（2）では、ｐＨを８以上にして排水中の遊離アンモニア濃度を上昇させることで、ＮＯＢの活性を抑制する方法がある。また、前記（3）では、温度を高くすると相対的にＡＯＢの増殖速度がＮＯＢの増殖速度に対して高くなることを利用してＡＯＢを優占化し、亜硝酸を蓄積させる方法がある。これら以外にも、従来から亜硝酸化に関する技術については種々検討がなされている。
【０００５】
更に、例えば、効率のよい亜硝酸化のため、硝化槽内の溶存酸素濃度に時間的濃度勾配又は場所的濃度勾配を設けることで、硝化を亜硝酸型に制御する排水の硝化方法も開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
アンモニアを亜硝酸に酸化するアンモニア酸化細菌（ammonia-oxidizing bacteria；AOB）としては、亜硝酸菌が知られており、亜硝酸菌として区分される生物は、ベータプロテオバクテリアやガンマプロテオバクテリアなどを主とする細菌が知られている。
【０００７】
一方、近年では、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）が温室効果ガスとして問題視されているが、アンモニアの亜硝酸化を行なう際に、Ｎ２Ｏは多く放出されるといわれている。
【０００８】
また、増殖速度が高いとされるNitrosomonas属が優占したバイオフィルムは、高い亜硝酸化率を示す一方、Nitrosospira属が優占したバイオフィルムでは低い亜硝酸化率を示すことが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−３３７８７号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Terada A, Lackner S, Kristensen K, Smets BF: Inoculum effects on community composition and nitritation performance of autotrophic nitrifying biofilm reactors with counter-diffusion geometry. Environmental Microbiology (2010) 12 (10) 2858-2872.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来から試みられている技術のうち、溶存酸素濃度を調整する前記（1）の技術では、増殖速度の低いＡＯＢが優占してしまうと溶存酸素の制御及び遊離アンモニアの制御による亜硝酸の蓄積はほとんどみられない。ｐＨ調整で遊離アンモニアや亜硝酸濃度を調整する前記（2）の技術では、長期運転する場合に持続性に課題がある。また、温度調整による前記（3）の技術においては、ＡＯＢとＮＯＢの相対増殖速度の差が顕著に現れるのは３５℃以上の温度域であり、適用できる排水種も限られるばかりか、通常の排水の温度は２０℃以下に過ぎず、３５℃の温度領域にするにはエネルギーをかけなければならないため現実的でない。
【００１２】
従来から種々の検討がなされてはいるものの、いずれの技術も一長一短があり、長期運転に適した安定な亜硝酸化は実現されていないのが実情である。
【００１３】
また、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）は、二酸化炭素（ＣＯ２）の温室効果を１とした場合、２９６と見積もられ、極めて高い温室効果ポテンシャルを有している。更に、Ｎ２Ｏは一酸化窒素（ＮＯ）と共にオゾン層を破壊することも報告されており、オゾン層破壊の最大の原因ともいわれている。そのため、Ｎ２Ｏの放出の少ないシステムの確立が求められている。
【００１４】
以上のように、近年では、亜硝酸化の安定的な達成と温室効果ガスである亜酸化窒素の放出量削減が重要な技術的課題となっている。
【００１５】
本発明は、上記の状況に鑑みなされたものであり、アンモニアの亜硝酸化を優占的かつ安定的に行なうと共に、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）の放出が抑えられた排水処理装置及び排水処理方法を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、硝化細菌のうちアンモニア酸化細菌に着目し、複数存在し得るアンモニア酸化細菌はアンモニアを亜硝酸に酸化するという同様の機能を有するが、同機能を有する細菌でも、特に増殖速度の速いアンモニア酸化細菌が優占しやすい排水環境を保つようにすることが、アンモニアを優占的に亜硝酸化するのに有利であり、またそのようなアンモニア濃度範囲ではＮ２Ｏの放出が抑制されるとの知見を得、かかる知見に基づいて達成されたものである。
【００１７】
前記目的を達成するために、第１の発明である排水処理装置は、
＜１＞ 供給された排水中に少なくとも２種のアンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を浮遊させて溶存酸素の存在下、前記アンモニア酸化細菌により排水中のアンモニア（ＮＨ３）を酸化反応させる反応手段と、前記排水を前記反応手段に回分供給する排水供給手段と、前記反応手段に供給された排水中に酸素を供給して溶存させる酸素供給手段と、前記反応手段の排水の上澄み液を排出する液排出手段と、前記排水中に存在する少なくとも２種の前記アンモニア酸化細菌のうち、アンモニア濃度が高くなるにつれて増殖速度が速くなるアンモニア酸化細菌が優占するアンモニア濃度の範囲に、前記排水中のアンモニア濃度が維持されるように、少なくとも前記排水供給手段による回分供給を制御する回分制御手段と、を設けて構成されたものである。
【００１８】
すなわち、本発明では、アンモニアを亜硝酸化するという同じ機能を持つアンモニア酸化細菌の中から、アンモニア濃度との関係で特に高い増殖能（増殖速度が速い）を持つアンモニア酸化細菌を選択し、このようなアンモニア酸化細菌に適したアンモニア濃度を維持して該アンモニア酸化細菌が排水中を優占する環境に制御する。
【００１９】
第１の発明においては、溶存酸素の存在下、アンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を浮遊させてアンモニア酸化細菌により排水中のアンモニアを酸化反応させるにあたり、該アンモニア酸化反応を従来から行なわれてきた排水の連続供給下で行なうのではなく、排水供給手段により排水を回分供給し、排水中のアンモニア濃度の変動を制御（例えば酸化反応で消費されるアンモニア濃度を引き上げて所望濃度を維持）して、アンモニア濃度が高くなるにつれて増殖速度が速くなるアンモニア酸化細菌が優占するアンモニア濃度の範囲に排水中のアンモニア濃度を維持することで、排水中のアンモニアを優占的に亜硝酸に酸化し、一方で硝酸化を防ぐと共に、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）が放出される量の抑制が図れる。
【００２０】
ここで、アンモニア酸化細菌には、アンモニア濃度で増殖速度が異なるものが混在しており、一般に、ニトロソモナス属（Nitrosomonas属）、ニトロソスピラ属（Nitrosospira属）、ニトロソコッカス属（Nitrosococcus属）、ニトロソロバス属（Nitrosolobus属）などが含まれる。後述する排水処理方法においても同様である。
【００２１】
＜２＞ 前記＜１＞に記載の第１の発明に係る排水処理装置において、反応手段の排水中のアンモニア濃度を検出する検出手段、反応手段の排水のｐＨを検出する検出手段、及び反応手段の排水中の溶存酸素濃度を検出する検出手段から選ばれる少なくとも１つの検出手段を更に備え、回分制御手段において、少なくとも１つの検出手段により検出された検出値がアンモニア濃度の低下を示す閾値に達したときに、酸素供給手段による酸素の供給を停止すると共に、反応手段中の反応後の排水の上澄み液を液排出手段により排出し、排出終了後には未反応の排水が反応手段に供給されるように自動制御することができる。
【００２２】
排水中の液性状は、排水中のアンモニア濃度や溶存酸素濃度、排水のｐＨの変化を監視することで捉えることが可能であり、これらを検出する検出手段を設けることで、回分制御手段において、検出された検出値に基づいて該検出値がアンモニア濃度の低下を示す閾値に達したときに、酸素供給手段による酸素の供給を停止すると共に、反応手段中の反応後の排水の上澄み液を液排出手段により排出し、排出終了後に未反応の排水を反応手段に供給するように、排水中のアンモニア濃度を所望濃度に制御することができる。
【００２３】
＜３＞ 前記＜１＞又は前記＜２＞に記載の第１の発明に係る排水処理装置では、回分制御手段は、排水供給手段が回分供給する回数の増減により、アンモニア濃度とアンモニア酸化細菌の増殖速度との関係から、少なくとも２種含まれるうちの２種のアンモニア酸化細菌の一方と他方とで増殖速度が等しくなるアンモニア濃度が一致する点におけるアンモニア濃度を超える濃度範囲に、排水中のアンモニア濃度が維持されるように制御することができる。
【００２４】
例えば二次元座標軸の、一方の軸（例えば横軸）をアンモニア濃度とし、他方の軸（例えば縦軸）をアンモニア酸化細菌の増殖速度としたときの関係線（例えば増殖曲線）において、前記２種のアンモニア酸化細菌の一方の関係線と他方の関係線とが交差する交差点におけるアンモニア濃度を超える濃度範囲に、排水中のアンモニア濃度を維持するような制御を行なうことができる。
【００２５】
前記「２種のアンモニア酸化細菌の一方と他方とでアンモニア濃度が一致する点」とは、アンモニア酸化細菌の増殖速度が等しくなるアンモニア濃度が同濃度であることを示し、例えば上記のような増殖曲線でみた場合、２種のうち、アンモニア濃度の低い領域（例えばアンモニア濃度＜１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ）で急速な増殖傾向を示す一方のアンモニア酸化細菌の増殖曲線と、アンモニア濃度が比較的高い領域（例えばアンモニア濃度≧１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ）で増殖速度が速くなる他方のアンモニア酸化細菌の増殖曲線とが例えば図３のように交差する交差点をさす。
【００２６】
アンモニア濃度で増殖速度が異なる２種のアンモニア酸化細菌を含み、その両方のアンモニア酸化細菌の増殖速度が等しくなるアンモニア濃度が等しいときの該アンモニア濃度を超える濃度範囲、すなわち該アンモニア濃度より高いアンモニア濃度の範囲に排水中のアンモニア濃度が維持されると、アンモニア濃度が高い環境で増殖速度が速くなるアンモニア酸化細菌を優占させることができる。これにより、アンモニアの亜硝酸化を優占的に行なうことができる。
【００２７】
＜４＞ 前記＜１＞〜前記＜３＞のいずれか１つに記載の第１の発明に係る排水処理装置においては、アンモニア酸化細菌としてニトロソモナス属とニトロソスピラ属とを含む活性汚泥を用いることが好ましく、この場合、回分制御手段において、ニトロソモナス属の増殖速度がニトロソスピラ属の増殖速度を超えてニトロソモナス属が排水中を優占する濃度領域に、排水中のアンモニア濃度を維持するように制御することが好ましい。
【００２８】
アンモニア酸化細菌の中でも、アンモニア濃度の比較的高い場合に増殖速度が速いニトロソモナス属と、アンモニア濃度の比較的低い場合に増殖速度が速いニトロソスピラ属とを含む活性汚泥を用いて構成することができ、この場合、回分制御手段において、ニトロソモナス属の増殖速度がニトロソスピラ属の増殖速度を超えてニトロソモナス属が排水中を優占する濃度領域に、排水中のアンモニア濃度を維持されるので、アンモニアの亜硝酸化が優占的に行なわれる環境が形成される。
【００２９】
＜５＞ 前記＜１＞〜前記＜４＞のいずれか１つに記載の第１の発明に係る排水処理装置では、排水中のアンモニア濃度は、１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上であることが好ましい。
アンモニア濃度を１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上に維持することで、アンモニア濃度が比較的高い範囲で増殖速度がより速くなるアンモニア酸化細菌が優占するので、アンモニアの亜硝酸化をより優占的に行なうことができる。
【００３０】
＜６＞ 前記＜１＞〜前記＜５＞のいずれか１つに記載の第１の発明に係る排水処理装置において、酸素を流通すると共に一端が排水中に配置された供給配管と、供給配管の前記一端に取り付けられ、酸素を排水中に拡散する拡散手段とを有する酸素供給手段を設けた構成が好ましい。
【００３１】
排水中に酸素を供給する場合に拡散手段を設け、酸素が排水中に拡散されることで、酸素を排水中に溶存させやすく、拡散手段から供給された酸素の気泡で排水が掻き回されるので、活性汚泥を排水中に浮遊させやすくなる。これにより、アンモニアの酸化反応を促すことができる。
このような観点から、排水中に配置される拡散手段は、反応手段の排水の液面から底面までの高さの液面から３／４より底面側に配置されていることが好ましい。
【００３２】
また、第２の発明である排水処理方法は、
＜７＞ 反応槽に供給された排水中に酸素を供給する酸素供給工程と、排水中に少なくとも２種のアンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を浮遊させて、溶存酸素の存在下、前記アンモニア酸化細菌により前記排水中のアンモニアを酸化反応させる反応工程と、前記排水中に存在する少なくとも２種の前記アンモニア酸化細菌のうち、アンモニア濃度が高くなるにつれて増殖速度が速くなるアンモニア酸化細菌が優占するアンモニア濃度の範囲に、前記排水中のアンモニア濃度が維持されるように、前記反応槽に供給される排水の回分供給を調節する回分調節工程と、を設けて構成されたものである。
【００３３】
第２の発明においては、溶存酸素の存在下、アンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を浮遊させてアンモニア酸化細菌により排水中のアンモニアを酸化反応させるにあたり、前記第１の発明と同様に排水を連続供給しながらアンモニア酸化するのではなく、反応槽に排水を回分供給し、回分供給することにより、排水中のアンモニア濃度の変動を制御（例えば酸化反応で消費されるアンモニア濃度を引き上げて所望濃度を維持）して、アンモニア濃度が高くなるにつれ増殖速度が速くなるアンモニア酸化細菌が優占するアンモニア濃度の範囲に、排水中のアンモニア濃度を維持することで、排水中のアンモニアを優占的に亜硝酸に酸化し、一方で硝酸化を防ぐと共に、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）が放出される量が抑制される。
【００３４】
＜８＞ 前記＜７＞に記載の第２の発明に係る排水処理方法において、更に、排水中のアンモニア濃度、ｐＨ、及び溶存酸素濃度から選ばれる少なくとも１つを検出する検出工程を設けて構成することができる。この場合、回分調節工程において、検出工程で検出された検出値がアンモニア濃度の低下を示す閾値に達したときに、反応後の排水の上澄み液を排出し、排出終了後には未反応の排水が供給されるように調節することができる。
【００３５】
排水中のアンモニア濃度や溶存酸素濃度、排水のｐＨの変化から、排水中の液性状を把握することが可能なため、排水の回分供給にあたって、検出された検出値に基づいて該検出値がアンモニア濃度の低下を示す閾値に達したときに、反応後の排水の上澄み液を排出し、排出終了後には未反応の排水を供給することで、排水中のアンモニア濃度を所望濃度に維持することができる。
【００３６】
＜９＞ 前記＜７＞又は前記＜８＞に記載の第２の発明に係る排水処理方法において、回分調節工程は、回分供給する回数の増減により、アンモニア濃度とアンモニア酸化細菌の増殖速度との関係から、少なくとも２種含まれるうちの２種のアンモニア酸化細菌の一方と他方とで増殖速度が等しくなるアンモニア濃度が一致する点におけるアンモニア濃度を超える濃度範囲に、排水中のアンモニア濃度を維持することが好ましい。なお、「２種のアンモニア酸化細菌の一方と他方とでアンモニア濃度が一致する点」に関しては既述した通りである。
【００３７】
前記排水処理装置と同様に、例えば二次元座標軸の、一方の軸（例えば横軸）をアンモニア濃度とし、他方の軸（例えば縦軸）をアンモニア酸化細菌の増殖速度としたときの関係線（例えば増殖曲線）において、前記２種のアンモニア酸化細菌の一方の関係線と他方の関係性とが交差する交差点におけるアンモニア濃度を超える濃度範囲に、排水中のアンモニア濃度を維持するようにしてもよい。
【００３８】
アンモニア濃度で増殖速度が異なる２種のアンモニア酸化細菌を含み、その両方のアンモニア酸化細菌の増殖速度が等しくなるアンモニア濃度が等しいときの該アンモニア濃度を超えるアンモニア濃度の範囲に、排水中のアンモニア濃度を維持するので、アンモニア濃度が比較的高い環境で増殖しやすいアンモニア酸化細菌が排水中を優占し、アンモニアの亜硝酸化を優占的に行なうことができる。
【００３９】
＜１０＞ 前記＜７＞〜前記＜９＞のいずれか１つに記載の第２の発明に係る排水処理方法において、アンモニア酸化細菌としてニトロソモナス属とニトロソスピラ属とを含み、回分調節工程において、ニトロソモナス属の増殖速度がニトロソスピラ属の増殖速度を超えてニトロソモナス属が排水中を優占する濃度領域に、排水中のアンモニア濃度を維持することが好ましい。
【００４０】
既述のように、比較的高いアンモニア濃度の範囲で増殖速度が速いニトロソモナス属と、比較的低いアンモニア濃度の範囲で増殖速度が速いニトロソスピラ属とを含む活性汚泥を用いた場合、回分調節工程において、ニトロソモナス属の増殖速度がニトロソスピラ属の増殖速度を超えてニトロソモナス属が排水中を優占する濃度領域に排水中のアンモニア濃度を維持するので、アンモニアの亜硝酸化が優占的に行なえる。
【００４１】
＜１１＞ 前記＜７＞〜前記＜１０＞のいずれか１つに記載の第２の発明に係る排水処理方法において、排水中のアンモニア濃度は、１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上であることが好ましい。
増殖速度の速いアンモニウム酸化細菌は、比較的アンモニア濃度の高い濃度範囲で増殖しやすいが、１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上のアンモニア濃度の範囲では、このようなアンモニア酸化細菌の増殖速度が保たれるので、アンモニアの亜硝酸化をより優占的に行なうことができる。
【００４２】
＜１２＞ 前記＜７＞〜前記＜１１＞のいずれか１つに記載の第２の発明に係る排水処理方法において、酸素供給工程で酸素を排水中に供給する場合に、酸素を流通すると共に一端に拡散手段が取り付けられた供給配管を拡散手段が排水中に位置するように配置し、拡散手段から酸素を供給して排水中に酸素の溶存状態を形成することが好ましい。
【００４３】
拡散手段を付設して排水中に拡散されるように酸素を供給することで、酸素を排水中に溶存させやすくなるほか、拡散手段から供給された酸素の気泡で排水が掻き回されるので、活性汚泥を排水中に浮遊させやすくなる。これにより、アンモニアの酸化反応を促すことができる。第２の発明においても、排水中に配置される拡散手段は、反応槽中の排水の液面から底面までの高さの液面から３／４より底面側に配置されることが好ましい。
【発明の効果】
【００４４】
本発明によれば、アンモニアの亜硝酸化を優占的かつ安定的に行なうと共に、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）の放出が抑えられた排水処理装置及び排水処理方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態に係る排水処理装置の構成を示す概略図である。
【図２】（Ａ）は、排水を回分供給するＳＢＲ型リアクター（排水処理装置）の概略構成とＮＨ４＋濃度領域を示し、（Ｂ）は、排水を連続供給する従来型のＣＳＴＲ型リアクター（排水処理装置）の概略構成とＮＨ４＋濃度領域を示す図である。
【図３】ＮＨ４＋濃度に対するNitrosomonas europaea及びNitrosospira sp. AVの増殖速度の変化を表す増殖理論曲線を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る排水処理装置の回分供給制御を行なう回分制御ルーチンを示す流れ図である。
【図５】本発明の実施形態における排水を回分供給する場合のＮＨ４＋、ＮＯ２−、ＮＯ３−、ＤＯの変化を示すグラフである。
【図６】ＳＢＲ型リアクターとＣＳＴＲ型リアクターとにおける排水の経時での水質変化を示すグラフである。
【図７】ＳＢＲ型リアクター及びＣＳＴＲ型リアクターの各リアクターの排水中に棲息する細菌種の割合を比較して示すグラフである。
【図８】ＳＢＲ型リアクター及びＣＳＴＲ型リアクターの各リアクターの排水におけるＮＨ４＋濃度と細菌増殖速度の関係を示すグラフである。
【図９】ＳＢＲ型リアクター及びＣＳＴＲ型リアクターの各リアクターから放出されるＮ２Ｏ量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
本発明の排水処理装置及び排水処理方法に係る実施形態を図１〜図９を参照して説明する。
【００４７】
本実施形態は、排水を貯留して酸化反応させる反応槽に検出器としてｐＨ電極、溶存酸素電極、及びアンモニア電極を取り付け、これらから検出された検出値に基づいて排水を反応槽に回分供給することで排水処理を行なうようにしたものである。また、本実施形態では、アンモニア酸化細菌として、ニトロソモナス・ユーロピア（Nitrosomonas europaea；ニトロソモナス（Nitrosomonas）属）と、ニトロソスピラ sp. AV（Nitrosospira sp. AV；ニトロソスピラ（Nitrosospira）属）との２種のアンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を用いている。
【００４８】
図１に示すように、本実施形態の排水処理装置１００は、排水１２を貯留し、排水中のアンモニアを酸化処理する反応手段の例である反応槽１０と、排水を反応槽に回分供給する排水供給手段の例である排水供給管１４と、反応槽に貯留された排水の上澄み液を槽外に排出する液排出手段の例である上澄み液排出管１６と、槽外からエア（大気）を供給する酸素供給手段の例であるエア供給器２０と、検出手段の例としてｐＨ検出センサ、溶存酸素検出センサ、及びアンモニア濃度検出センサと、排水の回分供給制御等を担う制御装置５０とを備えている。
【００４９】
反応槽１０は、処理しようとする排水１２を一時的に貯留できる構造を有しており、貯留さている排水中にニトロソモナス・ユーロピア及びニトロソスピラ sp. AVの２種のアンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を浮遊させた状態にして、アンモニアを酸化処理するものである。
【００５０】
反応槽１０には、排水を外部から供給するための排水供給管１４が取り付けられており、制御装置５０からの信号にしたがって回分供給できるようになっている。この排水供給管１４には、制御装置５０と電気的に接続されて排水の回分供給を行なうための供給用ポンプＰ１が取り付けられている。この供給用ポンプＰ１を駆動することにより、反応槽１０内に排水供給できる位置に配設された一端（供給端）から排水が供給されるようになっている。また、排水供給管１４の他端は、図示しない排水貯留槽に接続されている。
【００５１】
反応槽１０中に貯留される排水は、アンモニア酸化反応させるにあたり、図２（Ｂ）に示すような従来の連続供給を行なう方法によるのではなく、貯留されている排水の一部を反応後に一旦排出し、排出分を追加的に供給する回分供給（間欠供給）を行なうことによって、一定以上のアンモニア濃度が保たれるようにする。このとき、排水中のアンモニア濃度は、安定的に１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上であることが好ましく、３５ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上であることがより好ましく、５０ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上であることが更に好ましい。該アンモニア濃度が１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上であると、反応槽内の排水中のアンモニアが枯渇ないし枯渇に近い程度に減少していないため、アンモニアの亜硝酸化を効率よく行なうことができる。すなわち、排水中のアンモニア濃度が上記範囲の比較的高めの濃度範囲に維持されることで、図３に示すように、増殖速度の速いアンモニア酸化細菌（特に好塩性・耐塩性のニトロソモナス属）が優占する排水環境に維持することができる。
【００５２】
従来は、図２（Ｂ）に示すような装置を用いて排水を連続供給しながら排水中のアンモニアの亜硝酸化を行なう場合、排水は一定量が供給されてその分が排出されるため、排水中に存在するアンモニア濃度（ＮＨ４＋濃度）も、図２（Ｂ）に示すように、低濃度の領域（例えば１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ未満）で一定値を示す。ところが、図３に示されるように、アンモニア酸化細菌の中でもアンモニア濃度によって増殖速度の推移が大きく異なる傾向があり、連続供給している場合のアンモニア濃度では、ニトロソスピラ sp. AV（Nitrosospira sp. AV；ニトロソスピラ属）が優占することになり、排水中のアンモニア酸化細菌の増殖が少なく、硝酸化を抑えたアンモニアの亜硝酸化が行えない。また、亜酸化窒素の放出も多い。これに対し、図２（Ａ）に示すような装置を用い、排水を回分供給して排水中のアンモニアの亜硝酸化を行なうようにすると、図２（Ａ）に示すように、排水中のアンモニア濃度（ＮＨ４＋濃度）を高濃度の領域（例えば１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上）に維持することが可能になる。回分供給による場合のアンモニア濃度では、図３に示されるように、ニトロソモナス・ユーロピア（Nitrosomonas europaea；ニトロソモナス属）が優占することになり、排水中にアンモニア酸化細菌が増殖しやすく、アンモニアを優占的に亜硝酸化し亜硝酸を蓄積できる一方、硝酸化が抑えられ、亜酸化窒素の放出も低減される。
このように、本発明では、増殖速度の速いアンモニア酸化細菌の増殖が促されるアンモニア濃度を安定的に維持することが重要であり、こうすることで、アンモニアの亜硝酸化が優占し、亜酸化窒素の放出も抑えられる。
【００５３】
なお、図３では、Nitrosomonas属はアンモニアに対する基質の親和性が低いが増殖速度が高く、Nitrosospira属はその逆の生理学的特性を有するという特徴を利用している。
【００５４】
また、反応槽１０には、アンモニア酸化反応を終えた後に、貯留されている排水の上澄み液を槽外に排出するための上澄み液排出管１６が取り付けられている。この上澄み液排出管１６の一端は、貯留されている排水に対するアンモニア酸化反応が終了した後、排水の回分供給にあたって排水中のアンモニア濃度を所望とする濃度範囲に維持するのに必要な量の上澄み液が分離される位置に固定されている。このように配置することにより、上澄み液を分離し再び排水を回分供給した際に、貯留されている排水を所定のアンモニア濃度に維持することができる。
【００５５】
この上澄み液排出管１６には、排液用ポンプＰ２が取り付けられている。この排液用ポンプＰ２を駆動することにより、所定量の上澄み液を排出できる位置に配設された一端から排水を吸い上げ、他端から槽外に排出することができる。
【００５６】
エア供給器２０は、エア（酸素を含む大気；Ａｉｒ）を流通すると共に、一端が排水１２中に位置する供給配管１８と、この供給配管の一端に取り付けられ、酸素を排水１２中に拡散する散気板（拡散手段）１９とを有している。
【００５７】
供給配管１８を流通してきたエアは、散気板１９に設けられた孔から細かい気泡として排水中に導入され、エアの一部は排水中を上昇しながら液中に取り込まれる。このとき、液中に取り込まれなかった気泡（エア）は、排水中を上昇することで排水中に浮遊する活性汚泥を広く拡散することができる。これにより、排水全体にアンモニア酸化細菌を浮遊させることができ、アンモニアの酸化反応を効率よく進行させることができる。
【００５８】
拡散手段の一例として用いた散気板は、エアを小さい気泡にして液中に散在させ得る構造を有するものであれば、いずれの形状のものでもよい。例えば、二次元に孔が配列あるいはランダム形成された構造や多孔質構造を有する板状体であってもよい。また、散気板のほか、供給配管１８の一旦を複数本に分岐して槽内の複数箇所から供給されるようにしてもよい。
【００５９】
エア供給器２０を構成する供給配管１８の他端には、大気中の空気を供給配管１８に導入するエア供給源を担うエア供給用ポンプＰ３が接続されている。このエア供給用ポンプＰ３は、制御装置５０と電気的に接続されたＤＯコントローラー３０に電気的に接続されている。ＤＯコントローラー３０には、排水中の溶存酸素（ＤＯ）の濃度を検出するためのＤＯ電極２２が電気的に接続されており、ＤＯ電極２２から排水中の溶存酸素濃度を取り込むことができる。このＤＯ電極２２とＤＯコントローラー３０とによって溶存酸素（ＤＯ）検出センサ４１が構成されている。
【００６０】
エア供給用ポンプＰ３は、ＤＯ電極２２から取り込まれた溶存酸素濃度をもとに制御装置５０からの信号を受けてＤＯコントローラー３０により駆動が制御され、溶存酸素濃度に応じてエア供給器２０から排水中にエアを供給することができるようになっている。
【００６１】
本実施形態の反応槽１０には、排水の性状を検出する検出手段として、上記のＤＯ検出センサのほか、ｐＨ電極２４を備え、排水のｐＨを検出するｐＨ検出センサ４３が配設されている。
ｐＨ電極２４は、排水１２に浸漬して設けられ、制御装置５０と電気的に繋がるｐＨコントローラー３４と電気的に接続されている。ｐＨ電極２４により排水中の水素イオン濃度をｐＨコントローラー３４に取り込むことでｐＨ値を検出することができる。
【００６２】
また、反応槽１０には、上記のほかに他の検出手段として、アンモニア電極２６を備え、排水中のアンモニア濃度を検出するアンモニア濃度検出センサ４５が配設されている。
アンモニア電極２６は、排水１２に浸漬して設けられ、制御装置５０と電気的に繋がるＮＨ４＋モニタリングシステム３６と電気的に接続されている。アンモニア電極２６により排水中のアンモニウムイオン（ＮＨ４＋）の濃度をＮＨ４＋モニタリングシステム３６に取り込むことでアンモニア濃度を検出することができる。
【００６３】
また、反応槽１０には、供給用ポンプＰ４を備え、排水を中和するための中和液（本実施形態では炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）水溶液）を供給する供給配管２８が、その一端が排水中に位置するようにして取り付けられている。この供給配管２８の他端には、ＮａＨＣＯ３水溶液が貯留された中和液貯留タンク３２が接続されている。また、供給配管２８に設けられている供給用ポンプＰ４は、ｐＨコントローラー３４と電気的に接続されており、排水中のｐＨ値の程度に応じて駆動がｐＨコントローラー３４を介して制御されるようになっている。
【００６４】
反応槽に供給される排水は、少なくとも２種のアンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥が水に浮遊する状態にあるものであればよい。排水処理中の排水の温度としては、１５℃〜３７℃であることが好ましい。
【００６５】
中和液としては、ＮａＨＣＯ３水溶液のほか、アルカリ性を示す化合物の水溶液を好適に使用することができる。中和液として、例えば水酸化ナトリウムや水酸化カリウムの希薄水溶液などであってもよい。
【００６６】
供給用ポンプＰ１、排出用ポンプＰ２、エア供給用ポンプＰ３、ＤＯコントローラー３０、ｐＨコントローラー３４、ＮＨ４＋モニタリングシステム３６等は、制御装置５０と電気的に接続されており、制御装置５０によって動作タイミングが制御されるようになっている。この制御装置５０は、反応槽１０への排水の回分供給、エアの供給、及び回分供給にあわせて行なうエアの供給停止、上澄み液の排出などをコントロールし、反応槽でアンモニアの酸化反応を行なう際の回分供給制御を担うものである。
【００６７】
以下、制御装置５０による制御ルーチンについて、本実施形態の排水処理装置における排水の回分供給制御により、排水中のアンモニア濃度を所定の濃度範囲に制御する回分供給制御ルーチンを中心に図４を参照して説明する。
【００６８】
図４は、反応槽に取り付けられた溶存酸素（ＤＯ）検出センサ、ｐＨ検出センサ、及びアンモニア濃度検出センサにより検出されたＤＯ値、ｐＨ値、アンモニア濃度値に基づいて、排水のアンモニア酸化反応の継続、停止、反応停止後の回分供給等を行なって、排水中のアンモニア濃度が所定値以上（本実施形態では１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上）に維持されるように制御する回分制御ルーチンを示すものである。
【００６９】
本ルーチンが実行されると、ステップ１００において、まず反応槽１０中に貯留されている排水の液量が適量を維持していることを確認した後、排水中のアンモニアの酸化反応を行なうにあたり必要な溶存酸素（ＤＯ）を確保し、排水を掻き回して活性汚泥を排水中に浮遊させるため、次のステップ１２０において、エア供給用ポンプＰ３を駆動する。エア供給用ポンプＰ３の駆動により、エアを供給するエア供給管１８から排水中にエアの供給が開始される。これにより、排水中のアンモニアのアンモニア酸化細菌による酸化反応を開始する。
【００７０】
このとき、エアは排水１２中における槽底部（底面から液高さの３／４以深の位置）に配置された散気板１９から小さい気泡として供給される。これにより、供給されたエア中の酸素が排水中に溶け込むと共に、気泡が液面まで上昇することで活性汚泥等が沈降して不均一にならないように、排水を掻き回すことができる。
【００７１】
ステップ１４０において、ｐＨ電極２４を備えたｐＨ検出センサ４３により、排水１２のｐＨ値が検出される。ｐＨが検出されると、ステップ１６０において、検出されたｐＨ値が、所定値Ｓ以下（例えばｐＨ≦７．０）であるか否かが判定される。ステップ１６０において、ｐＨ値が所定値Ｓ以下に低下していると判定されたときには、アンモニアの酸化反応（NH4+ + 1.5O2 → NO2-+ H2O + 2H+）で生じたプロトン量が多く、アンモニアの酸化反応に支障を来たす範囲であるので、次のステップ１８０において、供給用ポンプＰ４を駆動し、ｐＨを上げる中和液として、中和液貯留タンク３２からＮａＨＣＯ３水溶液を供給する。
【００７２】
酸化処理される排水のｐＨとしては、６．５〜８．５の範囲にあることが好ましく、より好ましくは７．０〜８．０の範囲である。
ｐＨは、ｐＨ電極（山形東亜ＤＫＫ（株）製）を用いて２５℃で測定される値である。
【００７３】
また、ステップ１６０において、ｐＨ値が所定値Ｓを超えていると判定されたときには、アンモニアの酸化反応で生じたプロトン量が未だ少なく、アンモニアの酸化反応に支障を来たすおそれが低いため、そのままアンモニアの酸化を継続し、ステップ２００に移行する。
【００７４】
次に、ステップ２００において、排水１２中の溶存酸素（ＤＯ）の時間当たりの濃度上昇量が所定値Ｔ（例えば０．７５ｍｇ／Ｌ・ｈ）を超えているか否かが判定される。ステップ２００において、ＤＯの濃度上昇量が所定値Ｔを超えていると判定されたときには、既に排水中のアンモニアが枯渇ないし枯渇に近い状態に達しており、排水の一部を回分供給してアンモニア濃度を高める必要があるため、ステップ２２０において、エア供給管１８からのエアの供給を停止する。
【００７５】
前記ＤＯの時間当たりの濃度上昇量は、０．１ｍｇ／Ｌ・ｈ以下であることが好ましく、アンモニアの酸化反応が効率よく行なわれている点で、０ｍｇ／Ｌ・ｈであることが好ましい。
【００７６】
ステップ２００において、ＤＯの時間当たりの濃度上昇量が所定値Ｔ以下であると判定されたときには、排水中のアンモニアが酸化により枯渇ないし枯渇に近い状態に未だ達していないため、回分供給により排水を入れ替える必要がないので、ステップ３００に移行する。
【００７７】
続いて、ステップ３００において、排水１２中のＤＯ濃度が所定値Ｕを超えているか否かが判定され、排水中のＤＯ値が所定値Ｕ（例えば１．５ｍｇ／Ｌ）を超えていると判定されたときには、排水中のアンモニアの酸化に必要な溶存酸素量が確保されているので、ステップ３２０において、エア供給管１８からのエアの供給を停止する。これにより、エアの供給に伴なう電力量の軽減が図れ、エネルギー効率上有利である。
【００７８】
排水中のＤＯ値は、排水中のアンモニアの酸化が効率よく行なわれる点で０．７５〜１．５ｍｇ／Ｌの範囲にあることが好ましい。
【００７９】
ステップ３００において、排水１２中のＤＯ値が未だ所定値Ｕ以下であると判定されたときには、エア供給管１８からのエアの供給を継続したまま、アンモニア酸化反応させ、再びステップ２００に戻る。
【００８０】
このように、反応槽内の排水のＤＯ濃度を監視している。ＤＯ電極はＤＯコントローラ３０に接続されているため、上記のように、ＤＯ濃度が所定の下限値以下になるとエア供給用ポンプＰ３がオンされ、エアが供給される。逆に、ＤＯ濃度はオンラインで検出データを蓄積することが可能であり、ＤＯ濃度が所定の上限値に達する、あるいは時間当たりのＤＯ濃度の上昇量が所定値を超えるようなときには、エア供給用ポンプＰ３はオフされる。
【００８１】
特に上記ルーチン内のステップのように、時間当たりのＤＯ濃度の上昇量は、排水に間欠曝気する反応槽（リアクター）の１サイクルを考えると、図５に示されるように、アンモニアが酸化を受けて反応槽内のアンモニア濃度が１５ｍｇ−Ｎ／Ｌ未満に達し枯渇状態（時間［Time］５が経過）になると、急激にＤＯ濃度が上昇することが確認されている。そのため、排水の回分供給制御は後述の実施例に示すようにアンモニア酸化処理する１サイクルをタイマーにより時間制限して行なう方法も可能であるが、本ルーチンのように、ＤＯ濃度の時間当たりの上昇量から１サイクルの修了を決定することが可能である。このようにすることで、リアルタイムでの排水の回分供給が可能であり、またフレキシブルに１サイクル時間を決定することができることになり、拡張性が非常に高い。
【００８２】
次に、ステップ３４０において、排水１２中に存在するアンモニウムイオンの濃度（ＮＨ４＋濃度）が所定値Ｎ未満に達しているか否かが判定される。
【００８３】
ステップ３４０において、排水中のＮＨ４＋濃度が所定値Ｎ未満であると判定されたときには、アンモニア酸化処理を行なっている排水中に含まれるアンモニアの量が少なく、排水の回分供給により排水の一部を入れ替えて、反応槽中の排水のアンモニア濃度を高める必要があるため、ステップ２４０に移行する。このように、ＮＨ４＋濃度が所定値Ｎ未満（例えば１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ未満）になると、酸化効率が悪くなるばかりか、あまり増殖能の高くないNitrosospira属が優占し、増殖能の高いNitrosomonas属が優占する排水環境が得られない。
【００８４】
以上のように、ＮＨ４＋濃度を直接モニタリングすることにより、１サイクルの終点をフレキシブルに変更することが可能である。排水中のアンモニアが枯渇した後にも運転が行なわれるのを防ぐので、無駄な酸素供給（エア供給用ポンプの駆動）のための電力消費を省くことが可能である。
【００８５】
ステップ２４０では、排出用ポンプＰ２を駆動し、エアの供給停止で排水に生じた上澄み液を上澄み液排出管１６の一端から吸い上げて、反応槽外に排出する。本実施形態では、図１の反応槽１０中の破線で示される位置まで上澄み液が排出されるようになっている。
【００８６】
ステップ３４０において、排水１２中のＮＨ４＋濃度が所定値Ｎ以上であると判定されたときには、排水中にアンモニアが多く残存しており、継続してアンモニアを酸化反応させることができるので、ステップ２００に戻って同様のステップを繰り返す。
【００８７】
ステップ２４０で反応槽中に貯留されている排水中の上澄み液の排出が終了した後、次のステップ２６０において、供給用ポンプＰ１を駆動し、排出後に反応槽中に残っている活性汚泥を含む排水に追加して、再びアンモニアを含む排水を供給する。
【００８８】
そして、排水を反応槽１０の所定量まで供給した後、本ルーチンを終了する。
本発明においては、反応槽に貯留されている排水に対して上記のルーチンを行なうことによって、アンモニア酸化処理の１サイクルを終了し、このルーチンを繰り返し継続することによって、所望とする量の排水の酸化処理を行なうことができる。
【実施例】
【００８９】
以下、本発明についてより実施例を示して更に具体的に説明する。但し、本発明は、その主旨を越えない限り、以下に示す実施例に限定されるものではない。
【００９０】
（実施例１）
図２に示すような、運転条件の異なる２つのリアクターを用意した。すなわち、
本発明の排水処理装置として、図２（Ａ）に示す構造を有し、排水を回分供給する間欠型（ＳＢＲ型）リアクター１１０と、対比するための比較用装置として、図２（Ｂ）に示すように排水を連続供給する従来型の連続型（ＣＳＴＲ型）リアクター２００とを用意した。これら２つのリアクターを用い、２種類のアンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）をそれぞれ優占化させることを試みた。
なお、リアクター１１０は、検出手段及び中和液貯留タンク３２等を設けていないこと以外は図１に示す装置とほぼ同様に構成されている。ここで、図１に示す装置と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００９１】
運転条件が異なる２つのリアクターには、最終的に同量の排水が供給されるようにし、リアクター内に流入する窒素負荷も等しくなっている。運転条件の唯一の相違は、排水を反応槽１０に流入する形式を間欠（回分）又は連続とした点である。
【００９２】
ＳＢＲ型リアクター１１０では、アンモニア態窒素（ＮＨ４＋−Ｎ）６００ｍｇ−Ｎ／Ｌの人工排水のうち、まずリアクター容積（５Ｌ）の１／３の容積になるように、供給用ポンプＰ１を駆動して、人工排水を排水供給管１４から流入させた。その後、供給用ポンプＰ１が停止され、人工排水の流入を停止した。停止した状態で６．５時間、エア供給管１８に取り付けられた散気板１９から空気（エア）を排水１２中に供給（曝気）した。その後、空気の供給（曝気）を停止し、排水が固液分離して得られた、リアクター容積（反応槽１０の容積）中の１／３分の容積に相当する上澄みを、排液用ポンプＰ２を駆動して上澄み液排出管１６から流出した。これを１サイクルとし、１サイクルに要する時間を８時間に設定した。このとき、酸化処理される排水の温度は２８℃とした。
【００９３】
この１サイクル（８時間）における運転条件を下記表１に示す。そして、この１サイクルを１日に３サイクル繰り返すことにより、この２つのリアクターを約１年間運転させた。このときに各リアクター内に棲息する微生物群の群集構造、亜硝酸化能、亜酸化窒素放出量の評価を行なった。
なお、１サイクル中における排水の流入、流出量は、５Ｌの容積の１／３であるため、１日で５Ｌ分の排水が流入して酸化処理されることになる。
【００９４】
ＳＢＲ型リアクター１１０に空気が供給されているときには、ＮＨ４＋−Ｎが完全に酸化された状態（０ｍｇ−Ｎ／Ｌ）を想定すると、次のサイクルでは、人工排水の流入が完了した時点でＮＨ４＋−Ｎ濃度は２００ｍｇ−Ｎ／Ｌになる。つまり、図３の増殖曲線に示されるように、このようなＮＨ４＋−Ｎ濃度ではNitrosomonas属の方がNitrosopira属よりも増殖速度が速いため、優占的に増殖が行なわれるものと考えられる。
【００９５】
一方、ＣＳＴＲ型リアクター２００では、６００ｍｇ−Ｎ／Ｌのアンモニア態窒素（ＮＨ４＋−Ｎ）である人工排水を５Ｌ／ｄａｙの速度で連続的に通水する。ここで、人工排水が流入する負荷は１日で５Ｌ分であり、ＳＢＲ型リアクターと同じ条件となる。このとき、ＣＳＴＲ型リアクター２００内のＮＨ４＋−Ｎ濃度は、極めて低くなる（１０ｍｇ−Ｎ／Ｌ以下）ため、図３の増殖曲線に示されるように、このような低濃度域では増殖速度はNitrosopira属の方がNitrosomonas属よりも高くなるため、Nitrosopira属が優占的に増殖すると考えられる。
【００９６】
下記表１に示す運転条件で２つのリアクターを約１年間運転させた場合に評価した結果を図６〜図９に示す。
まず、各リアクターにおける水質変化を図６に示す。図６に示すように、ＳＢＲ型リアクター１１０及びＣＳＴＲ型リアクター２００のいずれも、初期（２０日）には亜硝酸の蓄積がみられた。しかしながら、それ以降継続していくと、ＳＢＲ型リアクター１１０では亜硝酸の蓄積がみられ、１００日後に到達しても安定した亜硝酸の蓄積が観察された。これに対して、ＣＳＴＲ型リアクター２００では、５０日目から亜硝酸が完全に消費されるようになり、硝酸の蓄積がみられ、亜硝酸の蓄積は全くみられなかった。
この結果は、同じ排水を処理した場合でも、排水を回分供給するか連続供給するかの流入方式の違いによって、全く異なる亜硝酸蓄積能を示すことを示唆している。
【００９７】
次に、各リアクターの菌叢を蛍光ｉｎ-ｓｉｔｕハイブリダイゼーション法を適用して観察をしたところ、図７に示されるように、図３（理論曲線）に示すアンモニア酸化細菌と同じ優占種が存在していることが確認された。つまり、ＳＢＲ型リアクター１１０においては速い増殖速度を有するNitrosomonas属が、ＣＳＴＲ型リアクター２００においては増殖速度が遅いNitrosospira属が優占化していた。
【００９８】
また、得られた微生物群の生理生態特性を調べるために、各動力学パラメータを算出し、それぞれのリアクター内に棲息するアンモニア酸化細菌の増殖曲線を引き、これを図８に示す。図８は、本実施例の各リアクターにおけるアンモニア細菌の増殖速度を示す。
増殖曲線の傾向は、図３で理論的に求めた増殖曲線とほぼ一致しており、安定した亜硝酸化を裏付けるものであった。これにより、リアクターに間欠的に排水を供給する回分供給制御を行なうことで、排水中のアンモニア濃度を時間的に変動させることが可能になり、よって増殖速度の速いアンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）であるNitrosomonas属を選択的に優占させ、優占的に亜硝酸化することができる。
【００９９】
これに留まらず、アンモニア濃度を増殖曲線においてNitrosomonas属が優占する濃度条件に設定さえすれば、Nitrosomonas属の優占が期待され、高い亜硝酸化能が得られるものと考えられる。
【０１００】
次に、それぞれのリアクターから放出される亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）の量を図９に示す。
ガス態Ｎ２Ｏで示されるＮ２Ｏの放出量は、排水を連続供給する従来のＣＳＴＲ型リアクター２００では溶存酸素（ＤＯ）濃度が０．５ｍｇ／Ｌ，１．０ｍｇ／Ｌの場合に顕著に検出されているのに対して、回分供給するＳＢＲ型リアクター１１０においては、Ｎ２Ｏの放出量が極めて少ないことが確認された。
Ｎ２Ｏの放出量のリアクター内のＤＯ濃度への依存性を考察すると、亜硝酸化が達成しやすいアンモニア濃度が低いときにＮ２Ｏの放出が増大することが示唆された。ＣＳＴＲ型リアクターでの微生物群の亜酸化窒素放出ポテンシャルは、ＳＢＲ型リアクターのそれと比較すると、１４〜４２倍の放出量に相当するものであった。
以上から、ＳＢＲ型リアクター１１０においてNitrosomonas属が優占化した微生物群の方が、温室効果ガスである亜酸化窒素の放出量を大幅に削減できることが示唆された。
【０１０１】
【表１】
【符号の説明】
【０１０２】
１０・・・反応槽
１２・・・排水
１４・・・排水供給管
１６・・・上澄み液排出管
１９・・・散気板
２０・・・エア供給器
２２・・・溶存酸素（ＤＯ）電極
２４・・・ｐＨ電極
２６・・・アンモニア電極
５０・・・制御装置
１００，１１０・・・排水処理装置（リアクター）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニア酸化細菌を用いた排水処理装置及び排水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
排水中のアンモニアは、生物学的にはアンモニア酸化細菌と呼ばれる独立栄養性細菌（有機物を菌体合成に用いず、二酸化炭素・炭酸塩（無機物）を固定して菌体を合成する細菌）が亜硝酸に酸化し、引き続き、亜硝酸を亜硝酸酸化細菌と呼ばれる独立栄養性細菌が硝酸に酸化することで消費される。この２つの反応には酸素の供給が必要不可欠であり、この２つの反応の進行度合いは、それぞれの細菌の生理生態特性に基づいている。
【０００３】
ここで、亜硝酸から硝酸への酸化反応を止め、優占的にアンモニアを亜硝酸に酸化することができれば、例えば排水処理する処理施設の運転動力の約４５％を占める、酸素供給に要するブロワーの運転コストを約２５％削減することが可能となる。そのため、亜硝酸に酸化された段階で酸化反応を止める亜硝酸化（もしくはショートカット型窒素除去）の安定した実現に向けた様々の試みがなされている。このような亜硝酸化技術の基本的な例として、硝化の過程の後半で起きる亜硝酸酸化を抑制して亜硝酸の蓄積を図るため、アンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）と亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）の生理学的な違いを利用して、ＡＯＢを反応槽内に優占的に棲息させる技術が知られている。
【０００４】
ＡＯＢを優占的に棲息させる技術としては、例えば、（1）溶存酸素濃度の調整、（2）ｐＨ調整による遊離アンモニア・亜硝酸濃度の調整、（3）温度の調整などによる方法が提案されている。具体的には、前記（1）では、ＡＯＢとＮＯＢの酸素に対する親和性の違いを利用し、溶存酸素濃度を低濃度に調整して亜硝酸を蓄積させる方法がある。前記（2）では、ｐＨを８以上にして排水中の遊離アンモニア濃度を上昇させることで、ＮＯＢの活性を抑制する方法がある。また、前記（3）では、温度を高くすると相対的にＡＯＢの増殖速度がＮＯＢの増殖速度に対して高くなることを利用してＡＯＢを優占化し、亜硝酸を蓄積させる方法がある。これら以外にも、従来から亜硝酸化に関する技術については種々検討がなされている。
【０００５】
更に、例えば、効率のよい亜硝酸化のため、硝化槽内の溶存酸素濃度に時間的濃度勾配又は場所的濃度勾配を設けることで、硝化を亜硝酸型に制御する排水の硝化方法も開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
アンモニアを亜硝酸に酸化するアンモニア酸化細菌（ammonia-oxidizing bacteria；AOB）としては、亜硝酸菌が知られており、亜硝酸菌として区分される生物は、ベータプロテオバクテリアやガンマプロテオバクテリアなどを主とする細菌が知られている。
【０００７】
一方、近年では、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）が温室効果ガスとして問題視されているが、アンモニアの亜硝酸化を行なう際に、Ｎ２Ｏは多く放出されるといわれている。
【０００８】
また、増殖速度が高いとされるNitrosomonas属が優占したバイオフィルムは、高い亜硝酸化率を示す一方、Nitrosospira属が優占したバイオフィルムでは低い亜硝酸化率を示すことが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−３３７８７号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Terada A, Lackner S, Kristensen K, Smets BF: Inoculum effects on community composition and nitritation performance of autotrophic nitrifying biofilm reactors with counter-diffusion geometry. Environmental Microbiology (2010) 12 (10) 2858-2872.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来から試みられている技術のうち、溶存酸素濃度を調整する前記（1）の技術では、増殖速度の低いＡＯＢが優占してしまうと溶存酸素の制御及び遊離アンモニアの制御による亜硝酸の蓄積はほとんどみられない。ｐＨ調整で遊離アンモニアや亜硝酸濃度を調整する前記（2）の技術では、長期運転する場合に持続性に課題がある。また、温度調整による前記（3）の技術においては、ＡＯＢとＮＯＢの相対増殖速度の差が顕著に現れるのは３５℃以上の温度域であり、適用できる排水種も限られるばかりか、通常の排水の温度は２０℃以下に過ぎず、３５℃の温度領域にするにはエネルギーをかけなければならないため現実的でない。
【００１２】
従来から種々の検討がなされてはいるものの、いずれの技術も一長一短があり、長期運転に適した安定な亜硝酸化は実現されていないのが実情である。
【００１３】
また、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）は、二酸化炭素（ＣＯ２）の温室効果を１とした場合、２９６と見積もられ、極めて高い温室効果ポテンシャルを有している。更に、Ｎ２Ｏは一酸化窒素（ＮＯ）と共にオゾン層を破壊することも報告されており、オゾン層破壊の最大の原因ともいわれている。そのため、Ｎ２Ｏの放出の少ないシステムの確立が求められている。
【００１４】
以上のように、近年では、亜硝酸化の安定的な達成と温室効果ガスである亜酸化窒素の放出量削減が重要な技術的課題となっている。
【００１５】
本発明は、上記の状況に鑑みなされたものであり、アンモニアの亜硝酸化を優占的かつ安定的に行なうと共に、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）の放出が抑えられた排水処理装置及び排水処理方法を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、硝化細菌のうちアンモニア酸化細菌に着目し、複数存在し得るアンモニア酸化細菌はアンモニアを亜硝酸に酸化するという同様の機能を有するが、同機能を有する細菌でも、特に増殖速度の速いアンモニア酸化細菌が優占しやすい排水環境を保つようにすることが、アンモニアを優占的に亜硝酸化するのに有利であり、またそのようなアンモニア濃度範囲ではＮ２Ｏの放出が抑制されるとの知見を得、かかる知見に基づいて達成されたものである。
【００１７】
前記目的を達成するために、第１の発明である排水処理装置は、
＜１＞ 供給された排水中に少なくとも２種のアンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を浮遊させて溶存酸素の存在下、前記アンモニア酸化細菌により排水中のアンモニア（ＮＨ３）を酸化反応させる反応手段と、前記排水を前記反応手段に回分供給する排水供給手段と、前記反応手段に供給された排水中に酸素を供給して溶存させる酸素供給手段と、前記反応手段の排水の上澄み液を排出する液排出手段と、前記排水中に存在する少なくとも２種の前記アンモニア酸化細菌のうち、アンモニア濃度が高くなるにつれて増殖速度が速くなるアンモニア酸化細菌が優占するアンモニア濃度の範囲に、前記排水中のアンモニア濃度が維持されるように、少なくとも前記排水供給手段による回分供給を制御する回分制御手段と、を設けて構成されたものである。
【００１８】
すなわち、本発明では、アンモニアを亜硝酸化するという同じ機能を持つアンモニア酸化細菌の中から、アンモニア濃度との関係で特に高い増殖能（増殖速度が速い）を持つアンモニア酸化細菌を選択し、このようなアンモニア酸化細菌に適したアンモニア濃度を維持して該アンモニア酸化細菌が排水中を優占する環境に制御する。
【００１９】
第１の発明においては、溶存酸素の存在下、アンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を浮遊させてアンモニア酸化細菌により排水中のアンモニアを酸化反応させるにあたり、該アンモニア酸化反応を従来から行なわれてきた排水の連続供給下で行なうのではなく、排水供給手段により排水を回分供給し、排水中のアンモニア濃度の変動を制御（例えば酸化反応で消費されるアンモニア濃度を引き上げて所望濃度を維持）して、アンモニア濃度が高くなるにつれて増殖速度が速くなるアンモニア酸化細菌が優占するアンモニア濃度の範囲に排水中のアンモニア濃度を維持することで、排水中のアンモニアを優占的に亜硝酸に酸化し、一方で硝酸化を防ぐと共に、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）が放出される量の抑制が図れる。
【００２０】
ここで、アンモニア酸化細菌には、アンモニア濃度で増殖速度が異なるものが混在しており、一般に、ニトロソモナス属（Nitrosomonas属）、ニトロソスピラ属（Nitrosospira属）、ニトロソコッカス属（Nitrosococcus属）、ニトロソロバス属（Nitrosolobus属）などが含まれる。後述する排水処理方法においても同様である。
【００２１】
＜２＞ 前記＜１＞に記載の第１の発明に係る排水処理装置において、反応手段の排水中のアンモニア濃度を検出する検出手段、反応手段の排水のｐＨを検出する検出手段、及び反応手段の排水中の溶存酸素濃度を検出する検出手段から選ばれる少なくとも１つの検出手段を更に備え、回分制御手段において、少なくとも１つの検出手段により検出された検出値がアンモニア濃度の低下を示す閾値に達したときに、酸素供給手段による酸素の供給を停止すると共に、反応手段中の反応後の排水の上澄み液を液排出手段により排出し、排出終了後には未反応の排水が反応手段に供給されるように自動制御することができる。
【００２２】
排水中の液性状は、排水中のアンモニア濃度や溶存酸素濃度、排水のｐＨの変化を監視することで捉えることが可能であり、これらを検出する検出手段を設けることで、回分制御手段において、検出された検出値に基づいて該検出値がアンモニア濃度の低下を示す閾値に達したときに、酸素供給手段による酸素の供給を停止すると共に、反応手段中の反応後の排水の上澄み液を液排出手段により排出し、排出終了後に未反応の排水を反応手段に供給するように、排水中のアンモニア濃度を所望濃度に制御することができる。
【００２３】
＜３＞ 前記＜１＞又は前記＜２＞に記載の第１の発明に係る排水処理装置では、回分制御手段は、排水供給手段が回分供給する回数の増減により、アンモニア濃度とアンモニア酸化細菌の増殖速度との関係から、少なくとも２種含まれるうちの２種のアンモニア酸化細菌の一方と他方とで増殖速度が等しくなるアンモニア濃度が一致する点におけるアンモニア濃度を超える濃度範囲に、排水中のアンモニア濃度が維持されるように制御することができる。
【００２４】
例えば二次元座標軸の、一方の軸（例えば横軸）をアンモニア濃度とし、他方の軸（例えば縦軸）をアンモニア酸化細菌の増殖速度としたときの関係線（例えば増殖曲線）において、前記２種のアンモニア酸化細菌の一方の関係線と他方の関係線とが交差する交差点におけるアンモニア濃度を超える濃度範囲に、排水中のアンモニア濃度を維持するような制御を行なうことができる。
【００２５】
前記「２種のアンモニア酸化細菌の一方と他方とでアンモニア濃度が一致する点」とは、アンモニア酸化細菌の増殖速度が等しくなるアンモニア濃度が同濃度であることを示し、例えば上記のような増殖曲線でみた場合、２種のうち、アンモニア濃度の低い領域（例えばアンモニア濃度＜１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ）で急速な増殖傾向を示す一方のアンモニア酸化細菌の増殖曲線と、アンモニア濃度が比較的高い領域（例えばアンモニア濃度≧１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ）で増殖速度が速くなる他方のアンモニア酸化細菌の増殖曲線とが例えば図３のように交差する交差点をさす。
【００２６】
アンモニア濃度で増殖速度が異なる２種のアンモニア酸化細菌を含み、その両方のアンモニア酸化細菌の増殖速度が等しくなるアンモニア濃度が等しいときの該アンモニア濃度を超える濃度範囲、すなわち該アンモニア濃度より高いアンモニア濃度の範囲に排水中のアンモニア濃度が維持されると、アンモニア濃度が高い環境で増殖速度が速くなるアンモニア酸化細菌を優占させることができる。これにより、アンモニアの亜硝酸化を優占的に行なうことができる。
【００２７】
＜４＞ 前記＜１＞〜前記＜３＞のいずれか１つに記載の第１の発明に係る排水処理装置においては、アンモニア酸化細菌としてニトロソモナス属とニトロソスピラ属とを含む活性汚泥を用いることが好ましく、この場合、回分制御手段において、ニトロソモナス属の増殖速度がニトロソスピラ属の増殖速度を超えてニトロソモナス属が排水中を優占する濃度領域に、排水中のアンモニア濃度を維持するように制御することが好ましい。
【００２８】
アンモニア酸化細菌の中でも、アンモニア濃度の比較的高い場合に増殖速度が速いニトロソモナス属と、アンモニア濃度の比較的低い場合に増殖速度が速いニトロソスピラ属とを含む活性汚泥を用いて構成することができ、この場合、回分制御手段において、ニトロソモナス属の増殖速度がニトロソスピラ属の増殖速度を超えてニトロソモナス属が排水中を優占する濃度領域に、排水中のアンモニア濃度を維持されるので、アンモニアの亜硝酸化が優占的に行なわれる環境が形成される。
【００２９】
＜５＞ 前記＜１＞〜前記＜４＞のいずれか１つに記載の第１の発明に係る排水処理装置では、排水中のアンモニア濃度は、１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上であることが好ましい。
アンモニア濃度を１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上に維持することで、アンモニア濃度が比較的高い範囲で増殖速度がより速くなるアンモニア酸化細菌が優占するので、アンモニアの亜硝酸化をより優占的に行なうことができる。
【００３０】
＜６＞ 前記＜１＞〜前記＜５＞のいずれか１つに記載の第１の発明に係る排水処理装置において、酸素を流通すると共に一端が排水中に配置された供給配管と、供給配管の前記一端に取り付けられ、酸素を排水中に拡散する拡散手段とを有する酸素供給手段を設けた構成が好ましい。
【００３１】
排水中に酸素を供給する場合に拡散手段を設け、酸素が排水中に拡散されることで、酸素を排水中に溶存させやすく、拡散手段から供給された酸素の気泡で排水が掻き回されるので、活性汚泥を排水中に浮遊させやすくなる。これにより、アンモニアの酸化反応を促すことができる。
このような観点から、排水中に配置される拡散手段は、反応手段の排水の液面から底面までの高さの液面から３／４より底面側に配置されていることが好ましい。
【００３２】
また、第２の発明である排水処理方法は、
＜７＞ 反応槽に供給された排水中に酸素を供給する酸素供給工程と、排水中に少なくとも２種のアンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を浮遊させて、溶存酸素の存在下、前記アンモニア酸化細菌により前記排水中のアンモニアを酸化反応させる反応工程と、前記排水中に存在する少なくとも２種の前記アンモニア酸化細菌のうち、アンモニア濃度が高くなるにつれて増殖速度が速くなるアンモニア酸化細菌が優占するアンモニア濃度の範囲に、前記排水中のアンモニア濃度が維持されるように、前記反応槽に供給される排水の回分供給を調節する回分調節工程と、を設けて構成されたものである。
【００３３】
第２の発明においては、溶存酸素の存在下、アンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を浮遊させてアンモニア酸化細菌により排水中のアンモニアを酸化反応させるにあたり、前記第１の発明と同様に排水を連続供給しながらアンモニア酸化するのではなく、反応槽に排水を回分供給し、回分供給することにより、排水中のアンモニア濃度の変動を制御（例えば酸化反応で消費されるアンモニア濃度を引き上げて所望濃度を維持）して、アンモニア濃度が高くなるにつれ増殖速度が速くなるアンモニア酸化細菌が優占するアンモニア濃度の範囲に、排水中のアンモニア濃度を維持することで、排水中のアンモニアを優占的に亜硝酸に酸化し、一方で硝酸化を防ぐと共に、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）が放出される量が抑制される。
【００３４】
＜８＞ 前記＜７＞に記載の第２の発明に係る排水処理方法において、更に、排水中のアンモニア濃度、ｐＨ、及び溶存酸素濃度から選ばれる少なくとも１つを検出する検出工程を設けて構成することができる。この場合、回分調節工程において、検出工程で検出された検出値がアンモニア濃度の低下を示す閾値に達したときに、反応後の排水の上澄み液を排出し、排出終了後には未反応の排水が供給されるように調節することができる。
【００３５】
排水中のアンモニア濃度や溶存酸素濃度、排水のｐＨの変化から、排水中の液性状を把握することが可能なため、排水の回分供給にあたって、検出された検出値に基づいて該検出値がアンモニア濃度の低下を示す閾値に達したときに、反応後の排水の上澄み液を排出し、排出終了後には未反応の排水を供給することで、排水中のアンモニア濃度を所望濃度に維持することができる。
【００３６】
＜９＞ 前記＜７＞又は前記＜８＞に記載の第２の発明に係る排水処理方法において、回分調節工程は、回分供給する回数の増減により、アンモニア濃度とアンモニア酸化細菌の増殖速度との関係から、少なくとも２種含まれるうちの２種のアンモニア酸化細菌の一方と他方とで増殖速度が等しくなるアンモニア濃度が一致する点におけるアンモニア濃度を超える濃度範囲に、排水中のアンモニア濃度を維持することが好ましい。なお、「２種のアンモニア酸化細菌の一方と他方とでアンモニア濃度が一致する点」に関しては既述した通りである。
【００３７】
前記排水処理装置と同様に、例えば二次元座標軸の、一方の軸（例えば横軸）をアンモニア濃度とし、他方の軸（例えば縦軸）をアンモニア酸化細菌の増殖速度としたときの関係線（例えば増殖曲線）において、前記２種のアンモニア酸化細菌の一方の関係線と他方の関係性とが交差する交差点におけるアンモニア濃度を超える濃度範囲に、排水中のアンモニア濃度を維持するようにしてもよい。
【００３８】
アンモニア濃度で増殖速度が異なる２種のアンモニア酸化細菌を含み、その両方のアンモニア酸化細菌の増殖速度が等しくなるアンモニア濃度が等しいときの該アンモニア濃度を超えるアンモニア濃度の範囲に、排水中のアンモニア濃度を維持するので、アンモニア濃度が比較的高い環境で増殖しやすいアンモニア酸化細菌が排水中を優占し、アンモニアの亜硝酸化を優占的に行なうことができる。
【００３９】
＜１０＞ 前記＜７＞〜前記＜９＞のいずれか１つに記載の第２の発明に係る排水処理方法において、アンモニア酸化細菌としてニトロソモナス属とニトロソスピラ属とを含み、回分調節工程において、ニトロソモナス属の増殖速度がニトロソスピラ属の増殖速度を超えてニトロソモナス属が排水中を優占する濃度領域に、排水中のアンモニア濃度を維持することが好ましい。
【００４０】
既述のように、比較的高いアンモニア濃度の範囲で増殖速度が速いニトロソモナス属と、比較的低いアンモニア濃度の範囲で増殖速度が速いニトロソスピラ属とを含む活性汚泥を用いた場合、回分調節工程において、ニトロソモナス属の増殖速度がニトロソスピラ属の増殖速度を超えてニトロソモナス属が排水中を優占する濃度領域に排水中のアンモニア濃度を維持するので、アンモニアの亜硝酸化が優占的に行なえる。
【００４１】
＜１１＞ 前記＜７＞〜前記＜１０＞のいずれか１つに記載の第２の発明に係る排水処理方法において、排水中のアンモニア濃度は、１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上であることが好ましい。
増殖速度の速いアンモニウム酸化細菌は、比較的アンモニア濃度の高い濃度範囲で増殖しやすいが、１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上のアンモニア濃度の範囲では、このようなアンモニア酸化細菌の増殖速度が保たれるので、アンモニアの亜硝酸化をより優占的に行なうことができる。
【００４２】
＜１２＞ 前記＜７＞〜前記＜１１＞のいずれか１つに記載の第２の発明に係る排水処理方法において、酸素供給工程で酸素を排水中に供給する場合に、酸素を流通すると共に一端に拡散手段が取り付けられた供給配管を拡散手段が排水中に位置するように配置し、拡散手段から酸素を供給して排水中に酸素の溶存状態を形成することが好ましい。
【００４３】
拡散手段を付設して排水中に拡散されるように酸素を供給することで、酸素を排水中に溶存させやすくなるほか、拡散手段から供給された酸素の気泡で排水が掻き回されるので、活性汚泥を排水中に浮遊させやすくなる。これにより、アンモニアの酸化反応を促すことができる。第２の発明においても、排水中に配置される拡散手段は、反応槽中の排水の液面から底面までの高さの液面から３／４より底面側に配置されることが好ましい。
【発明の効果】
【００４４】
本発明によれば、アンモニアの亜硝酸化を優占的かつ安定的に行なうと共に、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）の放出が抑えられた排水処理装置及び排水処理方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態に係る排水処理装置の構成を示す概略図である。
【図２】（Ａ）は、排水を回分供給するＳＢＲ型リアクター（排水処理装置）の概略構成とＮＨ４＋濃度領域を示し、（Ｂ）は、排水を連続供給する従来型のＣＳＴＲ型リアクター（排水処理装置）の概略構成とＮＨ４＋濃度領域を示す図である。
【図３】ＮＨ４＋濃度に対するNitrosomonas europaea及びNitrosospira sp. AVの増殖速度の変化を表す増殖理論曲線を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る排水処理装置の回分供給制御を行なう回分制御ルーチンを示す流れ図である。
【図５】本発明の実施形態における排水を回分供給する場合のＮＨ４＋、ＮＯ２−、ＮＯ３−、ＤＯの変化を示すグラフである。
【図６】ＳＢＲ型リアクターとＣＳＴＲ型リアクターとにおける排水の経時での水質変化を示すグラフである。
【図７】ＳＢＲ型リアクター及びＣＳＴＲ型リアクターの各リアクターの排水中に棲息する細菌種の割合を比較して示すグラフである。
【図８】ＳＢＲ型リアクター及びＣＳＴＲ型リアクターの各リアクターの排水におけるＮＨ４＋濃度と細菌増殖速度の関係を示すグラフである。
【図９】ＳＢＲ型リアクター及びＣＳＴＲ型リアクターの各リアクターから放出されるＮ２Ｏ量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
本発明の排水処理装置及び排水処理方法に係る実施形態を図１〜図９を参照して説明する。
【００４７】
本実施形態は、排水を貯留して酸化反応させる反応槽に検出器としてｐＨ電極、溶存酸素電極、及びアンモニア電極を取り付け、これらから検出された検出値に基づいて排水を反応槽に回分供給することで排水処理を行なうようにしたものである。また、本実施形態では、アンモニア酸化細菌として、ニトロソモナス・ユーロピア（Nitrosomonas europaea；ニトロソモナス（Nitrosomonas）属）と、ニトロソスピラ sp. AV（Nitrosospira sp. AV；ニトロソスピラ（Nitrosospira）属）との２種のアンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を用いている。
【００４８】
図１に示すように、本実施形態の排水処理装置１００は、排水１２を貯留し、排水中のアンモニアを酸化処理する反応手段の例である反応槽１０と、排水を反応槽に回分供給する排水供給手段の例である排水供給管１４と、反応槽に貯留された排水の上澄み液を槽外に排出する液排出手段の例である上澄み液排出管１６と、槽外からエア（大気）を供給する酸素供給手段の例であるエア供給器２０と、検出手段の例としてｐＨ検出センサ、溶存酸素検出センサ、及びアンモニア濃度検出センサと、排水の回分供給制御等を担う制御装置５０とを備えている。
【００４９】
反応槽１０は、処理しようとする排水１２を一時的に貯留できる構造を有しており、貯留さている排水中にニトロソモナス・ユーロピア及びニトロソスピラ sp. AVの２種のアンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を浮遊させた状態にして、アンモニアを酸化処理するものである。
【００５０】
反応槽１０には、排水を外部から供給するための排水供給管１４が取り付けられており、制御装置５０からの信号にしたがって回分供給できるようになっている。この排水供給管１４には、制御装置５０と電気的に接続されて排水の回分供給を行なうための供給用ポンプＰ１が取り付けられている。この供給用ポンプＰ１を駆動することにより、反応槽１０内に排水供給できる位置に配設された一端（供給端）から排水が供給されるようになっている。また、排水供給管１４の他端は、図示しない排水貯留槽に接続されている。
【００５１】
反応槽１０中に貯留される排水は、アンモニア酸化反応させるにあたり、図２（Ｂ）に示すような従来の連続供給を行なう方法によるのではなく、貯留されている排水の一部を反応後に一旦排出し、排出分を追加的に供給する回分供給（間欠供給）を行なうことによって、一定以上のアンモニア濃度が保たれるようにする。このとき、排水中のアンモニア濃度は、安定的に１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上であることが好ましく、３５ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上であることがより好ましく、５０ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上であることが更に好ましい。該アンモニア濃度が１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上であると、反応槽内の排水中のアンモニアが枯渇ないし枯渇に近い程度に減少していないため、アンモニアの亜硝酸化を効率よく行なうことができる。すなわち、排水中のアンモニア濃度が上記範囲の比較的高めの濃度範囲に維持されることで、図３に示すように、増殖速度の速いアンモニア酸化細菌（特に好塩性・耐塩性のニトロソモナス属）が優占する排水環境に維持することができる。
【００５２】
従来は、図２（Ｂ）に示すような装置を用いて排水を連続供給しながら排水中のアンモニアの亜硝酸化を行なう場合、排水は一定量が供給されてその分が排出されるため、排水中に存在するアンモニア濃度（ＮＨ４＋濃度）も、図２（Ｂ）に示すように、低濃度の領域（例えば１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ未満）で一定値を示す。ところが、図３に示されるように、アンモニア酸化細菌の中でもアンモニア濃度によって増殖速度の推移が大きく異なる傾向があり、連続供給している場合のアンモニア濃度では、ニトロソスピラ sp. AV（Nitrosospira sp. AV；ニトロソスピラ属）が優占することになり、排水中のアンモニア酸化細菌の増殖が少なく、硝酸化を抑えたアンモニアの亜硝酸化が行えない。また、亜酸化窒素の放出も多い。これに対し、図２（Ａ）に示すような装置を用い、排水を回分供給して排水中のアンモニアの亜硝酸化を行なうようにすると、図２（Ａ）に示すように、排水中のアンモニア濃度（ＮＨ４＋濃度）を高濃度の領域（例えば１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上）に維持することが可能になる。回分供給による場合のアンモニア濃度では、図３に示されるように、ニトロソモナス・ユーロピア（Nitrosomonas europaea；ニトロソモナス属）が優占することになり、排水中にアンモニア酸化細菌が増殖しやすく、アンモニアを優占的に亜硝酸化し亜硝酸を蓄積できる一方、硝酸化が抑えられ、亜酸化窒素の放出も低減される。
このように、本発明では、増殖速度の速いアンモニア酸化細菌の増殖が促されるアンモニア濃度を安定的に維持することが重要であり、こうすることで、アンモニアの亜硝酸化が優占し、亜酸化窒素の放出も抑えられる。
【００５３】
なお、図３では、Nitrosomonas属はアンモニアに対する基質の親和性が低いが増殖速度が高く、Nitrosospira属はその逆の生理学的特性を有するという特徴を利用している。
【００５４】
また、反応槽１０には、アンモニア酸化反応を終えた後に、貯留されている排水の上澄み液を槽外に排出するための上澄み液排出管１６が取り付けられている。この上澄み液排出管１６の一端は、貯留されている排水に対するアンモニア酸化反応が終了した後、排水の回分供給にあたって排水中のアンモニア濃度を所望とする濃度範囲に維持するのに必要な量の上澄み液が分離される位置に固定されている。このように配置することにより、上澄み液を分離し再び排水を回分供給した際に、貯留されている排水を所定のアンモニア濃度に維持することができる。
【００５５】
この上澄み液排出管１６には、排液用ポンプＰ２が取り付けられている。この排液用ポンプＰ２を駆動することにより、所定量の上澄み液を排出できる位置に配設された一端から排水を吸い上げ、他端から槽外に排出することができる。
【００５６】
エア供給器２０は、エア（酸素を含む大気；Ａｉｒ）を流通すると共に、一端が排水１２中に位置する供給配管１８と、この供給配管の一端に取り付けられ、酸素を排水１２中に拡散する散気板（拡散手段）１９とを有している。
【００５７】
供給配管１８を流通してきたエアは、散気板１９に設けられた孔から細かい気泡として排水中に導入され、エアの一部は排水中を上昇しながら液中に取り込まれる。このとき、液中に取り込まれなかった気泡（エア）は、排水中を上昇することで排水中に浮遊する活性汚泥を広く拡散することができる。これにより、排水全体にアンモニア酸化細菌を浮遊させることができ、アンモニアの酸化反応を効率よく進行させることができる。
【００５８】
拡散手段の一例として用いた散気板は、エアを小さい気泡にして液中に散在させ得る構造を有するものであれば、いずれの形状のものでもよい。例えば、二次元に孔が配列あるいはランダム形成された構造や多孔質構造を有する板状体であってもよい。また、散気板のほか、供給配管１８の一旦を複数本に分岐して槽内の複数箇所から供給されるようにしてもよい。
【００５９】
エア供給器２０を構成する供給配管１８の他端には、大気中の空気を供給配管１８に導入するエア供給源を担うエア供給用ポンプＰ３が接続されている。このエア供給用ポンプＰ３は、制御装置５０と電気的に接続されたＤＯコントローラー３０に電気的に接続されている。ＤＯコントローラー３０には、排水中の溶存酸素（ＤＯ）の濃度を検出するためのＤＯ電極２２が電気的に接続されており、ＤＯ電極２２から排水中の溶存酸素濃度を取り込むことができる。このＤＯ電極２２とＤＯコントローラー３０とによって溶存酸素（ＤＯ）検出センサ４１が構成されている。
【００６０】
エア供給用ポンプＰ３は、ＤＯ電極２２から取り込まれた溶存酸素濃度をもとに制御装置５０からの信号を受けてＤＯコントローラー３０により駆動が制御され、溶存酸素濃度に応じてエア供給器２０から排水中にエアを供給することができるようになっている。
【００６１】
本実施形態の反応槽１０には、排水の性状を検出する検出手段として、上記のＤＯ検出センサのほか、ｐＨ電極２４を備え、排水のｐＨを検出するｐＨ検出センサ４３が配設されている。
ｐＨ電極２４は、排水１２に浸漬して設けられ、制御装置５０と電気的に繋がるｐＨコントローラー３４と電気的に接続されている。ｐＨ電極２４により排水中の水素イオン濃度をｐＨコントローラー３４に取り込むことでｐＨ値を検出することができる。
【００６２】
また、反応槽１０には、上記のほかに他の検出手段として、アンモニア電極２６を備え、排水中のアンモニア濃度を検出するアンモニア濃度検出センサ４５が配設されている。
アンモニア電極２６は、排水１２に浸漬して設けられ、制御装置５０と電気的に繋がるＮＨ４＋モニタリングシステム３６と電気的に接続されている。アンモニア電極２６により排水中のアンモニウムイオン（ＮＨ４＋）の濃度をＮＨ４＋モニタリングシステム３６に取り込むことでアンモニア濃度を検出することができる。
【００６３】
また、反応槽１０には、供給用ポンプＰ４を備え、排水を中和するための中和液（本実施形態では炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）水溶液）を供給する供給配管２８が、その一端が排水中に位置するようにして取り付けられている。この供給配管２８の他端には、ＮａＨＣＯ３水溶液が貯留された中和液貯留タンク３２が接続されている。また、供給配管２８に設けられている供給用ポンプＰ４は、ｐＨコントローラー３４と電気的に接続されており、排水中のｐＨ値の程度に応じて駆動がｐＨコントローラー３４を介して制御されるようになっている。
【００６４】
反応槽に供給される排水は、少なくとも２種のアンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥が水に浮遊する状態にあるものであればよい。排水処理中の排水の温度としては、１５℃〜３７℃であることが好ましい。
【００６５】
中和液としては、ＮａＨＣＯ３水溶液のほか、アルカリ性を示す化合物の水溶液を好適に使用することができる。中和液として、例えば水酸化ナトリウムや水酸化カリウムの希薄水溶液などであってもよい。
【００６６】
供給用ポンプＰ１、排出用ポンプＰ２、エア供給用ポンプＰ３、ＤＯコントローラー３０、ｐＨコントローラー３４、ＮＨ４＋モニタリングシステム３６等は、制御装置５０と電気的に接続されており、制御装置５０によって動作タイミングが制御されるようになっている。この制御装置５０は、反応槽１０への排水の回分供給、エアの供給、及び回分供給にあわせて行なうエアの供給停止、上澄み液の排出などをコントロールし、反応槽でアンモニアの酸化反応を行なう際の回分供給制御を担うものである。
【００６７】
以下、制御装置５０による制御ルーチンについて、本実施形態の排水処理装置における排水の回分供給制御により、排水中のアンモニア濃度を所定の濃度範囲に制御する回分供給制御ルーチンを中心に図４を参照して説明する。
【００６８】
図４は、反応槽に取り付けられた溶存酸素（ＤＯ）検出センサ、ｐＨ検出センサ、及びアンモニア濃度検出センサにより検出されたＤＯ値、ｐＨ値、アンモニア濃度値に基づいて、排水のアンモニア酸化反応の継続、停止、反応停止後の回分供給等を行なって、排水中のアンモニア濃度が所定値以上（本実施形態では１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上）に維持されるように制御する回分制御ルーチンを示すものである。
【００６９】
本ルーチンが実行されると、ステップ１００において、まず反応槽１０中に貯留されている排水の液量が適量を維持していることを確認した後、排水中のアンモニアの酸化反応を行なうにあたり必要な溶存酸素（ＤＯ）を確保し、排水を掻き回して活性汚泥を排水中に浮遊させるため、次のステップ１２０において、エア供給用ポンプＰ３を駆動する。エア供給用ポンプＰ３の駆動により、エアを供給するエア供給管１８から排水中にエアの供給が開始される。これにより、排水中のアンモニアのアンモニア酸化細菌による酸化反応を開始する。
【００７０】
このとき、エアは排水１２中における槽底部（底面から液高さの３／４以深の位置）に配置された散気板１９から小さい気泡として供給される。これにより、供給されたエア中の酸素が排水中に溶け込むと共に、気泡が液面まで上昇することで活性汚泥等が沈降して不均一にならないように、排水を掻き回すことができる。
【００７１】
ステップ１４０において、ｐＨ電極２４を備えたｐＨ検出センサ４３により、排水１２のｐＨ値が検出される。ｐＨが検出されると、ステップ１６０において、検出されたｐＨ値が、所定値Ｓ以下（例えばｐＨ≦７．０）であるか否かが判定される。ステップ１６０において、ｐＨ値が所定値Ｓ以下に低下していると判定されたときには、アンモニアの酸化反応（NH4+ + 1.5O2 → NO2-+ H2O + 2H+）で生じたプロトン量が多く、アンモニアの酸化反応に支障を来たす範囲であるので、次のステップ１８０において、供給用ポンプＰ４を駆動し、ｐＨを上げる中和液として、中和液貯留タンク３２からＮａＨＣＯ３水溶液を供給する。
【００７２】
酸化処理される排水のｐＨとしては、６．５〜８．５の範囲にあることが好ましく、より好ましくは７．０〜８．０の範囲である。
ｐＨは、ｐＨ電極（山形東亜ＤＫＫ（株）製）を用いて２５℃で測定される値である。
【００７３】
また、ステップ１６０において、ｐＨ値が所定値Ｓを超えていると判定されたときには、アンモニアの酸化反応で生じたプロトン量が未だ少なく、アンモニアの酸化反応に支障を来たすおそれが低いため、そのままアンモニアの酸化を継続し、ステップ２００に移行する。
【００７４】
次に、ステップ２００において、排水１２中の溶存酸素（ＤＯ）の時間当たりの濃度上昇量が所定値Ｔ（例えば０．７５ｍｇ／Ｌ・ｈ）を超えているか否かが判定される。ステップ２００において、ＤＯの濃度上昇量が所定値Ｔを超えていると判定されたときには、既に排水中のアンモニアが枯渇ないし枯渇に近い状態に達しており、排水の一部を回分供給してアンモニア濃度を高める必要があるため、ステップ２２０において、エア供給管１８からのエアの供給を停止する。
【００７５】
前記ＤＯの時間当たりの濃度上昇量は、０．１ｍｇ／Ｌ・ｈ以下であることが好ましく、アンモニアの酸化反応が効率よく行なわれている点で、０ｍｇ／Ｌ・ｈであることが好ましい。
【００７６】
ステップ２００において、ＤＯの時間当たりの濃度上昇量が所定値Ｔ以下であると判定されたときには、排水中のアンモニアが酸化により枯渇ないし枯渇に近い状態に未だ達していないため、回分供給により排水を入れ替える必要がないので、ステップ３００に移行する。
【００７７】
続いて、ステップ３００において、排水１２中のＤＯ濃度が所定値Ｕを超えているか否かが判定され、排水中のＤＯ値が所定値Ｕ（例えば１．５ｍｇ／Ｌ）を超えていると判定されたときには、排水中のアンモニアの酸化に必要な溶存酸素量が確保されているので、ステップ３２０において、エア供給管１８からのエアの供給を停止する。これにより、エアの供給に伴なう電力量の軽減が図れ、エネルギー効率上有利である。
【００７８】
排水中のＤＯ値は、排水中のアンモニアの酸化が効率よく行なわれる点で０．７５〜１．５ｍｇ／Ｌの範囲にあることが好ましい。
【００７９】
ステップ３００において、排水１２中のＤＯ値が未だ所定値Ｕ以下であると判定されたときには、エア供給管１８からのエアの供給を継続したまま、アンモニア酸化反応させ、再びステップ２００に戻る。
【００８０】
このように、反応槽内の排水のＤＯ濃度を監視している。ＤＯ電極はＤＯコントローラ３０に接続されているため、上記のように、ＤＯ濃度が所定の下限値以下になるとエア供給用ポンプＰ３がオンされ、エアが供給される。逆に、ＤＯ濃度はオンラインで検出データを蓄積することが可能であり、ＤＯ濃度が所定の上限値に達する、あるいは時間当たりのＤＯ濃度の上昇量が所定値を超えるようなときには、エア供給用ポンプＰ３はオフされる。
【００８１】
特に上記ルーチン内のステップのように、時間当たりのＤＯ濃度の上昇量は、排水に間欠曝気する反応槽（リアクター）の１サイクルを考えると、図５に示されるように、アンモニアが酸化を受けて反応槽内のアンモニア濃度が１５ｍｇ−Ｎ／Ｌ未満に達し枯渇状態（時間［Time］５が経過）になると、急激にＤＯ濃度が上昇することが確認されている。そのため、排水の回分供給制御は後述の実施例に示すようにアンモニア酸化処理する１サイクルをタイマーにより時間制限して行なう方法も可能であるが、本ルーチンのように、ＤＯ濃度の時間当たりの上昇量から１サイクルの修了を決定することが可能である。このようにすることで、リアルタイムでの排水の回分供給が可能であり、またフレキシブルに１サイクル時間を決定することができることになり、拡張性が非常に高い。
【００８２】
次に、ステップ３４０において、排水１２中に存在するアンモニウムイオンの濃度（ＮＨ４＋濃度）が所定値Ｎ未満に達しているか否かが判定される。
【００８３】
ステップ３４０において、排水中のＮＨ４＋濃度が所定値Ｎ未満であると判定されたときには、アンモニア酸化処理を行なっている排水中に含まれるアンモニアの量が少なく、排水の回分供給により排水の一部を入れ替えて、反応槽中の排水のアンモニア濃度を高める必要があるため、ステップ２４０に移行する。このように、ＮＨ４＋濃度が所定値Ｎ未満（例えば１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ未満）になると、酸化効率が悪くなるばかりか、あまり増殖能の高くないNitrosospira属が優占し、増殖能の高いNitrosomonas属が優占する排水環境が得られない。
【００８４】
以上のように、ＮＨ４＋濃度を直接モニタリングすることにより、１サイクルの終点をフレキシブルに変更することが可能である。排水中のアンモニアが枯渇した後にも運転が行なわれるのを防ぐので、無駄な酸素供給（エア供給用ポンプの駆動）のための電力消費を省くことが可能である。
【００８５】
ステップ２４０では、排出用ポンプＰ２を駆動し、エアの供給停止で排水に生じた上澄み液を上澄み液排出管１６の一端から吸い上げて、反応槽外に排出する。本実施形態では、図１の反応槽１０中の破線で示される位置まで上澄み液が排出されるようになっている。
【００８６】
ステップ３４０において、排水１２中のＮＨ４＋濃度が所定値Ｎ以上であると判定されたときには、排水中にアンモニアが多く残存しており、継続してアンモニアを酸化反応させることができるので、ステップ２００に戻って同様のステップを繰り返す。
【００８７】
ステップ２４０で反応槽中に貯留されている排水中の上澄み液の排出が終了した後、次のステップ２６０において、供給用ポンプＰ１を駆動し、排出後に反応槽中に残っている活性汚泥を含む排水に追加して、再びアンモニアを含む排水を供給する。
【００８８】
そして、排水を反応槽１０の所定量まで供給した後、本ルーチンを終了する。
本発明においては、反応槽に貯留されている排水に対して上記のルーチンを行なうことによって、アンモニア酸化処理の１サイクルを終了し、このルーチンを繰り返し継続することによって、所望とする量の排水の酸化処理を行なうことができる。
【実施例】
【００８９】
以下、本発明についてより実施例を示して更に具体的に説明する。但し、本発明は、その主旨を越えない限り、以下に示す実施例に限定されるものではない。
【００９０】
（実施例１）
図２に示すような、運転条件の異なる２つのリアクターを用意した。すなわち、
本発明の排水処理装置として、図２（Ａ）に示す構造を有し、排水を回分供給する間欠型（ＳＢＲ型）リアクター１１０と、対比するための比較用装置として、図２（Ｂ）に示すように排水を連続供給する従来型の連続型（ＣＳＴＲ型）リアクター２００とを用意した。これら２つのリアクターを用い、２種類のアンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）をそれぞれ優占化させることを試みた。
なお、リアクター１１０は、検出手段及び中和液貯留タンク３２等を設けていないこと以外は図１に示す装置とほぼ同様に構成されている。ここで、図１に示す装置と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００９１】
運転条件が異なる２つのリアクターには、最終的に同量の排水が供給されるようにし、リアクター内に流入する窒素負荷も等しくなっている。運転条件の唯一の相違は、排水を反応槽１０に流入する形式を間欠（回分）又は連続とした点である。
【００９２】
ＳＢＲ型リアクター１１０では、アンモニア態窒素（ＮＨ４＋−Ｎ）６００ｍｇ−Ｎ／Ｌの人工排水のうち、まずリアクター容積（５Ｌ）の１／３の容積になるように、供給用ポンプＰ１を駆動して、人工排水を排水供給管１４から流入させた。その後、供給用ポンプＰ１が停止され、人工排水の流入を停止した。停止した状態で６．５時間、エア供給管１８に取り付けられた散気板１９から空気（エア）を排水１２中に供給（曝気）した。その後、空気の供給（曝気）を停止し、排水が固液分離して得られた、リアクター容積（反応槽１０の容積）中の１／３分の容積に相当する上澄みを、排液用ポンプＰ２を駆動して上澄み液排出管１６から流出した。これを１サイクルとし、１サイクルに要する時間を８時間に設定した。このとき、酸化処理される排水の温度は２８℃とした。
【００９３】
この１サイクル（８時間）における運転条件を下記表１に示す。そして、この１サイクルを１日に３サイクル繰り返すことにより、この２つのリアクターを約１年間運転させた。このときに各リアクター内に棲息する微生物群の群集構造、亜硝酸化能、亜酸化窒素放出量の評価を行なった。
なお、１サイクル中における排水の流入、流出量は、５Ｌの容積の１／３であるため、１日で５Ｌ分の排水が流入して酸化処理されることになる。
【００９４】
ＳＢＲ型リアクター１１０に空気が供給されているときには、ＮＨ４＋−Ｎが完全に酸化された状態（０ｍｇ−Ｎ／Ｌ）を想定すると、次のサイクルでは、人工排水の流入が完了した時点でＮＨ４＋−Ｎ濃度は２００ｍｇ−Ｎ／Ｌになる。つまり、図３の増殖曲線に示されるように、このようなＮＨ４＋−Ｎ濃度ではNitrosomonas属の方がNitrosopira属よりも増殖速度が速いため、優占的に増殖が行なわれるものと考えられる。
【００９５】
一方、ＣＳＴＲ型リアクター２００では、６００ｍｇ−Ｎ／Ｌのアンモニア態窒素（ＮＨ４＋−Ｎ）である人工排水を５Ｌ／ｄａｙの速度で連続的に通水する。ここで、人工排水が流入する負荷は１日で５Ｌ分であり、ＳＢＲ型リアクターと同じ条件となる。このとき、ＣＳＴＲ型リアクター２００内のＮＨ４＋−Ｎ濃度は、極めて低くなる（１０ｍｇ−Ｎ／Ｌ以下）ため、図３の増殖曲線に示されるように、このような低濃度域では増殖速度はNitrosopira属の方がNitrosomonas属よりも高くなるため、Nitrosopira属が優占的に増殖すると考えられる。
【００９６】
下記表１に示す運転条件で２つのリアクターを約１年間運転させた場合に評価した結果を図６〜図９に示す。
まず、各リアクターにおける水質変化を図６に示す。図６に示すように、ＳＢＲ型リアクター１１０及びＣＳＴＲ型リアクター２００のいずれも、初期（２０日）には亜硝酸の蓄積がみられた。しかしながら、それ以降継続していくと、ＳＢＲ型リアクター１１０では亜硝酸の蓄積がみられ、１００日後に到達しても安定した亜硝酸の蓄積が観察された。これに対して、ＣＳＴＲ型リアクター２００では、５０日目から亜硝酸が完全に消費されるようになり、硝酸の蓄積がみられ、亜硝酸の蓄積は全くみられなかった。
この結果は、同じ排水を処理した場合でも、排水を回分供給するか連続供給するかの流入方式の違いによって、全く異なる亜硝酸蓄積能を示すことを示唆している。
【００９７】
次に、各リアクターの菌叢を蛍光ｉｎ-ｓｉｔｕハイブリダイゼーション法を適用して観察をしたところ、図７に示されるように、図３（理論曲線）に示すアンモニア酸化細菌と同じ優占種が存在していることが確認された。つまり、ＳＢＲ型リアクター１１０においては速い増殖速度を有するNitrosomonas属が、ＣＳＴＲ型リアクター２００においては増殖速度が遅いNitrosospira属が優占化していた。
【００９８】
また、得られた微生物群の生理生態特性を調べるために、各動力学パラメータを算出し、それぞれのリアクター内に棲息するアンモニア酸化細菌の増殖曲線を引き、これを図８に示す。図８は、本実施例の各リアクターにおけるアンモニア細菌の増殖速度を示す。
増殖曲線の傾向は、図３で理論的に求めた増殖曲線とほぼ一致しており、安定した亜硝酸化を裏付けるものであった。これにより、リアクターに間欠的に排水を供給する回分供給制御を行なうことで、排水中のアンモニア濃度を時間的に変動させることが可能になり、よって増殖速度の速いアンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）であるNitrosomonas属を選択的に優占させ、優占的に亜硝酸化することができる。
【００９９】
これに留まらず、アンモニア濃度を増殖曲線においてNitrosomonas属が優占する濃度条件に設定さえすれば、Nitrosomonas属の優占が期待され、高い亜硝酸化能が得られるものと考えられる。
【０１００】
次に、それぞれのリアクターから放出される亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）の量を図９に示す。
ガス態Ｎ２Ｏで示されるＮ２Ｏの放出量は、排水を連続供給する従来のＣＳＴＲ型リアクター２００では溶存酸素（ＤＯ）濃度が０．５ｍｇ／Ｌ，１．０ｍｇ／Ｌの場合に顕著に検出されているのに対して、回分供給するＳＢＲ型リアクター１１０においては、Ｎ２Ｏの放出量が極めて少ないことが確認された。
Ｎ２Ｏの放出量のリアクター内のＤＯ濃度への依存性を考察すると、亜硝酸化が達成しやすいアンモニア濃度が低いときにＮ２Ｏの放出が増大することが示唆された。ＣＳＴＲ型リアクターでの微生物群の亜酸化窒素放出ポテンシャルは、ＳＢＲ型リアクターのそれと比較すると、１４〜４２倍の放出量に相当するものであった。
以上から、ＳＢＲ型リアクター１１０においてNitrosomonas属が優占化した微生物群の方が、温室効果ガスである亜酸化窒素の放出量を大幅に削減できることが示唆された。
【０１０１】
【表１】
【符号の説明】
【０１０２】
１０・・・反応槽
１２・・・排水
１４・・・排水供給管
１６・・・上澄み液排出管
１９・・・散気板
２０・・・エア供給器
２２・・・溶存酸素（ＤＯ）電極
２４・・・ｐＨ電極
２６・・・アンモニア電極
５０・・・制御装置
１００，１１０・・・排水処理装置（リアクター）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された排水中に少なくとも２種のアンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を浮遊させて溶存酸素の存在下、前記アンモニア酸化細菌により排水中のアンモニアを酸化反応させる反応手段と、
前記排水を前記反応手段に回分供給する排水供給手段と、
前記反応手段に供給された排水中に酸素を供給して溶存させる酸素供給手段と、
前記反応手段の排水の上澄み液を排出する液排出手段と、
前記排水中に存在する少なくとも２種の前記アンモニア酸化細菌のうち、アンモニア濃度が高くなるにつれて増殖速度が速くなるアンモニア酸化細菌が優占するアンモニア濃度の範囲に、前記排水中のアンモニア濃度が維持されるように、少なくとも前記排水供給手段による回分供給を制御する回分制御手段と、
を備えた排水処理装置。
【請求項２】
前記反応手段の排水中のアンモニア濃度を検出する検出手段、前記反応手段の排水のｐＨを検出する検出手段、及び前記反応手段の排水中の溶存酸素濃度を検出する検出手段から選ばれる少なくとも１つの検出手段を更に備え、
前記回分制御手段は、前記少なくとも１つの検出手段により検出された検出値がアンモニア濃度の低下を示す閾値に達したときに、前記酸素供給手段による酸素の供給を停止すると共に前記反応手段中の反応後の排水の上澄み液を前記液排出手段により排出し、排出終了後に未反応の排水を前記反応手段に供給する請求項１に記載の排水処理装置。
【請求項３】
前記回分制御手段は、前記回分供給する回数の増減により、アンモニア濃度とアンモニア酸化細菌の増殖速度との関係から、前記２種のアンモニア酸化細菌の一方と他方とで増殖速度が等しくなるアンモニア濃度が一致する点におけるアンモニア濃度を超える濃度範囲に、前記排水中のアンモニア濃度を維持する請求項１又は請求項２に記載の排水処理装置。
【請求項４】
前記活性汚泥は、前記アンモニア酸化細菌としてニトロソモナス属とニトロソスピラ属とを含み、
前記回分制御手段は、ニトロソモナス属の増殖速度がニトロソスピラ属の増殖速度を超えてニトロソモナス属が排水中を優占する濃度領域に、前記排水中のアンモニア濃度を維持する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の排水処理装置。
【請求項５】
前記排水中のアンモニア濃度は、１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上である請求項１〜請求項４のいいずれか１項に記載の排水処理装置。
【請求項６】
前記酸素供給手段は、酸素を流通すると共に一端が前記排水中に配置された供給配管と、前記供給配管の前記一端に取り付けられ、酸素を排水中に拡散する拡散手段とを有する請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の排水処理装置。
【請求項７】
反応槽に供給された排水中に酸素を供給する酸素供給工程と、
排水中に少なくとも２種のアンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を浮遊させて、溶存酸素の存在下、前記アンモニア酸化細菌により前記排水中のアンモニアを酸化反応させる反応工程と、
前記排水中に存在する少なくとも２種の前記アンモニア酸化細菌のうち、アンモニア濃度が高くなるにつれて増殖速度が速くなるアンモニア酸化細菌が優占するアンモニア濃度の範囲に、前記排水中のアンモニア濃度が維持されるように、前記反応槽に供給される排水の回分供給を調節する回分調節工程と、
を有する排水処理方法。
【請求項８】
更に、前記排水中のアンモニア濃度、ｐＨ、及び溶存酸素濃度から選ばれる少なくとも１つを検出する検出工程を有し、
前記回分調節工程は、前記検出工程で検出された検出値がアンモニア濃度の低下を示す閾値に達したときに、反応後の排水の上澄み液を排出し、排出終了後に未反応の排水を供給する請求項７に記載の排水処理方法。
【請求項９】
前記回分調節工程は、前記回分供給する回数の増減により、アンモニア濃度とアンモニア酸化細菌の増殖速度との関係から、前記２種のアンモニア酸化細菌の一方と他方とで増殖速度が等しくなるアンモニア濃度が一致する点におけるアンモニア濃度を超える濃度範囲に、前記排水中のアンモニア濃度を維持する請求項７又は請求項８に記載の排水処理方法。
【請求項１０】
前記活性汚泥は、前記アンモニア酸化細菌としてニトロソモナス属とニトロソスピラ属とを含み、
前記回分調節工程は、ニトロソモナス属の増殖速度がニトロソスピラ属の増殖速度を超えてニトロソモナス属が排水中を優占する濃度領域に、前記排水中のアンモニア濃度を維持する請求項７〜請求項９のいずれか１項に記載の排水処理方法。
【請求項１１】
前記排水中のアンモニア濃度は、１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上である請求項７〜請求項１０のいずれか１項に記載の排水処理方法。
【請求項１２】
前記酸素供給工程は、酸素を流通すると共に一端に拡散手段が取り付けられた供給配管を前記拡散手段が排水中に位置するように配置し、前記拡散手段から酸素を供給して前記排水中に酸素の溶存状態を形成する請求項７〜請求項１１のいずれか１項に記載の排水処理方法。
【請求項１】
供給された排水中に少なくとも２種のアンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を浮遊させて溶存酸素の存在下、前記アンモニア酸化細菌により排水中のアンモニアを酸化反応させる反応手段と、
前記排水を前記反応手段に回分供給する排水供給手段と、
前記反応手段に供給された排水中に酸素を供給して溶存させる酸素供給手段と、
前記反応手段の排水の上澄み液を排出する液排出手段と、
前記排水中に存在する少なくとも２種の前記アンモニア酸化細菌のうち、アンモニア濃度が高くなるにつれて増殖速度が速くなるアンモニア酸化細菌が優占するアンモニア濃度の範囲に、前記排水中のアンモニア濃度が維持されるように、少なくとも前記排水供給手段による回分供給を制御する回分制御手段と、
を備えた排水処理装置。
【請求項２】
前記反応手段の排水中のアンモニア濃度を検出する検出手段、前記反応手段の排水のｐＨを検出する検出手段、及び前記反応手段の排水中の溶存酸素濃度を検出する検出手段から選ばれる少なくとも１つの検出手段を更に備え、
前記回分制御手段は、前記少なくとも１つの検出手段により検出された検出値がアンモニア濃度の低下を示す閾値に達したときに、前記酸素供給手段による酸素の供給を停止すると共に前記反応手段中の反応後の排水の上澄み液を前記液排出手段により排出し、排出終了後に未反応の排水を前記反応手段に供給する請求項１に記載の排水処理装置。
【請求項３】
前記回分制御手段は、前記回分供給する回数の増減により、アンモニア濃度とアンモニア酸化細菌の増殖速度との関係から、前記２種のアンモニア酸化細菌の一方と他方とで増殖速度が等しくなるアンモニア濃度が一致する点におけるアンモニア濃度を超える濃度範囲に、前記排水中のアンモニア濃度を維持する請求項１又は請求項２に記載の排水処理装置。
【請求項４】
前記活性汚泥は、前記アンモニア酸化細菌としてニトロソモナス属とニトロソスピラ属とを含み、
前記回分制御手段は、ニトロソモナス属の増殖速度がニトロソスピラ属の増殖速度を超えてニトロソモナス属が排水中を優占する濃度領域に、前記排水中のアンモニア濃度を維持する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の排水処理装置。
【請求項５】
前記排水中のアンモニア濃度は、１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上である請求項１〜請求項４のいいずれか１項に記載の排水処理装置。
【請求項６】
前記酸素供給手段は、酸素を流通すると共に一端が前記排水中に配置された供給配管と、前記供給配管の前記一端に取り付けられ、酸素を排水中に拡散する拡散手段とを有する請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の排水処理装置。
【請求項７】
反応槽に供給された排水中に酸素を供給する酸素供給工程と、
排水中に少なくとも２種のアンモニア酸化細菌が優占する活性汚泥を浮遊させて、溶存酸素の存在下、前記アンモニア酸化細菌により前記排水中のアンモニアを酸化反応させる反応工程と、
前記排水中に存在する少なくとも２種の前記アンモニア酸化細菌のうち、アンモニア濃度が高くなるにつれて増殖速度が速くなるアンモニア酸化細菌が優占するアンモニア濃度の範囲に、前記排水中のアンモニア濃度が維持されるように、前記反応槽に供給される排水の回分供給を調節する回分調節工程と、
を有する排水処理方法。
【請求項８】
更に、前記排水中のアンモニア濃度、ｐＨ、及び溶存酸素濃度から選ばれる少なくとも１つを検出する検出工程を有し、
前記回分調節工程は、前記検出工程で検出された検出値がアンモニア濃度の低下を示す閾値に達したときに、反応後の排水の上澄み液を排出し、排出終了後に未反応の排水を供給する請求項７に記載の排水処理方法。
【請求項９】
前記回分調節工程は、前記回分供給する回数の増減により、アンモニア濃度とアンモニア酸化細菌の増殖速度との関係から、前記２種のアンモニア酸化細菌の一方と他方とで増殖速度が等しくなるアンモニア濃度が一致する点におけるアンモニア濃度を超える濃度範囲に、前記排水中のアンモニア濃度を維持する請求項７又は請求項８に記載の排水処理方法。
【請求項１０】
前記活性汚泥は、前記アンモニア酸化細菌としてニトロソモナス属とニトロソスピラ属とを含み、
前記回分調節工程は、ニトロソモナス属の増殖速度がニトロソスピラ属の増殖速度を超えてニトロソモナス属が排水中を優占する濃度領域に、前記排水中のアンモニア濃度を維持する請求項７〜請求項９のいずれか１項に記載の排水処理方法。
【請求項１１】
前記排水中のアンモニア濃度は、１８ｍｇ−Ｎ／Ｌ以上である請求項７〜請求項１０のいずれか１項に記載の排水処理方法。
【請求項１２】
前記酸素供給工程は、酸素を流通すると共に一端に拡散手段が取り付けられた供給配管を前記拡散手段が排水中に位置するように配置し、前記拡散手段から酸素を供給して前記排水中に酸素の溶存状態を形成する請求項７〜請求項１１のいずれか１項に記載の排水処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２４５４７９（Ｐ２０１２−２４５４７９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２０２６１（Ｐ２０１１−１２０２６１）
【出願日】平成２３年５月３０日（２０１１．５．３０）
【出願人】（５０４１３２８８１）国立大学法人東京農工大学 (595)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月３０日（２０１１．５．３０）
【出願人】（５０４１３２８８１）国立大学法人東京農工大学 (595)
【Ｆターム（参考）】
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