窒素除去装置
【課題】ＤＨＳリアクター及び硫黄脱窒槽を組合わせて使用し、硝化性に優れ、かつ有機物及び窒素を連続的、かつ容易に除去可能な窒素除去装置の提供を課題とする。
【解決手段】窒素除去装置１は、下水二次処理水３に含まれる残存有機物を分解し、除去するとともに、アンモニア性窒素を硝化し、酸化態窒素に転換する硝化反応槽２と、硝化処理水４から窒素ガス５を除去する硫黄脱窒槽６とを主に具備し、下水二次処理水３の有機物除去、硝化処理、及び脱窒処理を連続的に行うことができる。ここで、硝化反応槽２は、多孔質性素材からなるスポンジ状のろ床本体８を用いて形成された散水型多孔質ろ床の一種であるＤＨＳリアクターが使用され、低Ｃ／Ｎ比の硝化処理水４を排出することができる。
【解決手段】窒素除去装置１は、下水二次処理水３に含まれる残存有機物を分解し、除去するとともに、アンモニア性窒素を硝化し、酸化態窒素に転換する硝化反応槽２と、硝化処理水４から窒素ガス５を除去する硫黄脱窒槽６とを主に具備し、下水二次処理水３の有機物除去、硝化処理、及び脱窒処理を連続的に行うことができる。ここで、硝化反応槽２は、多孔質性素材からなるスポンジ状のろ床本体８を用いて形成された散水型多孔質ろ床の一種であるＤＨＳリアクターが使用され、低Ｃ／Ｎ比の硝化処理水４を排出することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素除去装置に関するものであり、特に、有機物、アンモニア性窒素、及びリン等を含む下水二次処理水等の汚水を処理する所謂「高度処理」に利用可能な窒素除去装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、一般家庭から排出される生活排水、或いは各種工場等から排出される産業廃水（排水）などの汚水は、河川に放流する前に、予めこれら汚水に含まれる有害物質等を除去する下水処理が行われる。しかしながら、通常の下水処理では、未だ有機物が残存していたり、アンモニア性窒素を主とする窒素化合物、或いはリン化合物が残っていることが多く、一般的な「下水処理」ではこれらを完全に除去することができないことが知られている。
【０００３】
そして、これらのアンモニア性窒素等を多量に含む処理水を、河川や湖沼等の閉鎖性水域に放出することは、当該水域を富栄養化させることになり、水質汚染や生息する生物等の生態系の破壊を引き起こす可能性が高くなる。そこで、汚水等を好気性活性汚泥法によって一次的に処理した処理水を、さらに浄化する処理を行い、上述の有機物及びアンモニア性窒素等の除去をする高度処理が行われている。このとき、高度処理は、汚水に含まれる有機物を分解し、除去するとともに、アンモニア性窒素を酸化態窒素に硝化する硝化反応槽と、硝化された酸化態窒素を窒素ガスに変換する脱窒槽とによって二段階の処理が行われ、それぞれの槽において処理対象物が効率的に除去されている。
【０００４】
ここで、硝化反応槽は、その方式の違いによって二種類に大別することができ、具体的には生物膜法及び活性汚泥法に分類することができる。そして、生物膜法の例としては、例えば、回転板接触方式、接触曝気方式、散水ろ床方式などがあり、一方、活性汚泥法の例としては、例えば、長時間曝気方式、標準活性汚泥方式などが知られている。ここで、硝化処理のために利用される硝化反応槽の一部をなすろ材（ろ床）は、除去性能や除去条件等に応じて種々のものが開発されている。例えば、ポリマー加工ゼオライト、特殊木炭、及びポリエチレングリコールなどが知られている。しかしながら、これらのろ材は、一般に硝化反応で作用する微生物を、可能な限り高濃度で固着し続けることが求められ、また、種々の条件によってどのような態様或いは形態のものが有機物にとっても最善の分解作用を発揮するか否かについては明確でないことも多い。ここで、上記硝化反応槽において行われる一般的な反応は、下記の式（１）に示すように、アンモニア性窒素を酸化態窒素に転換することが行われている。
（１）ＮＨ４＋ ＋ ２Ｏ２ → ＮＯ３− ＋ Ｈ２Ｏ ＋ ２Ｈ＋
【０００５】
ここで、上記式（１）に示すように、アンモニア性窒素を酸化態窒素に転換するためには、酸素の存在が必要不可欠であり、一般的な浸漬型の硝化反応槽では、微生物が接触するろ床に対し、送風機によって強制的に水中に酸素（空気）を送るエアレーションを行い、微生物の働きを活性化させている。
【０００６】
これに対し、エアレーションを必要とせず、かつろ床に固着した微生物群の坦持を確実なものとすることが可能な硝化反応槽が提案されている。具体的に説明すると、多孔質性の素材（例えば、発泡ポリウレタン樹脂等）を用いたスポンジ状の物体を断面が三角形や四角形等の多角形状にカットし、カーテンのように吊下げ支持し、その上部から処理対象水（下水二次処理水等）を滴下し、ろ床の下端に設けられた排出口から処理水を回収するＤＨＳリアクター（Ｄｏｗｎ−ｆｌｏｗ Ｈａｎｇｉｎｇ Ｓｐｏｎｇｅ Ｒｅａｃｔｏｒ）を硝化反応槽として用いるものが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
これによると、上部に設けられた導入口から導入（滴下）された処理対象水は、ろ床であるスポンジ状の物体の中を伝い、徐々に下方へと流れ落ちる。このとき、当該ろ床は多孔質性を有するため、その空隙の中に多くの空気（酸素）が進入しやすいため、流下の際に処理対象水は多くの空気（酸素）と接触する。その結果、従来の方式のような強制的（人為的）なエアレーションが不要となる。さらに、従来の方式と比べ、１０倍以上の微生物濃度を有する微生物群を当該スポンジのろ床内に担持することができ、これにより、排出口から未処理の有機物が排出されることがほとんどない。
【０００８】
一方、酸化態窒素を窒素ガスに転換し、処理対象水から窒素を除去するための脱窒槽としては、例えば、従属栄養型脱窒槽等を用いることができる。ここで、従属栄養型脱窒槽は、上記の硝化反応槽によって生成された硝化処理された硝化処理水に対して行われるものであり、主に下記の式（２）に示される反応が行われる。ここで、酸化態窒素を窒素ガスに転換するためには、下記式（２）に示すように、電子供与体としてメチルアルコールのような有機物を硝化処理水に添加する必要がある。また、その他の処理方法として、地下水や飲料水等を処理するために硫黄脱窒槽を利用するものを知られている。
（２）６ＮＯ３− ＋ ５ＣＨ３ＯＨ
→ ３Ｎ２↑ ＋ ５ＣＯ２↑ ＋ ７Ｈ２Ｏ ＋ ６ＯＨ−
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２８５６９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記した従属栄養型脱窒槽による脱窒処理の場合、その前段階として硝化反応槽によって処理された硝化処理水に対し、メチルアルコール等の有機物を添加する必要があった。すなわち、硝化反応槽において、一度、有機物を除去しているにもかかわらず、再び、窒素ガスを回収するために適量の有機物を加える必要があった。特に、有機物の供給が多過ぎた場合、酸化態窒素との反応によって消費されなかった有機物が余剰し、従属栄養型脱窒槽から排出される処理水に混在することになる。そのため、前段階の硝化反応槽による有機物の除去が無駄になることがあった。一方、有機物の供給が少なすぎた場合、該有機物を完全に消費したとしても、尚、酸化態窒素が残留することとなり、硝化処理水から窒素を完全に除去することができないことになる。そのため、従属栄養型脱窒槽の使用は、供給する有機物の量を厳密に設定する、或いはこれらを循環させる循環比の設定を適切に行う必要があった。
【００１１】
一方、硫黄脱窒槽は、上述の従属栄養型脱窒槽のように有機物を供給する必要がなく硝化処理水の処理も比較的容易であった。しかしながら、係る硫黄脱窒槽は、前述したように、主として地下水や飲料水等の有機物／酸化態窒素の比（Ｃ／Ｎ比）が低い水質のものに主に用いられ、下水の二次処理水等の有機物の比率が比較的高い水質のものに適用されることはほとんどなかった。
【００１２】
そこで、本発明は、上記実情に鑑み、硝化反応槽として、高い有機物除去性能を有するＤＨＳリアクターを使用し、さらに脱窒槽として硫黄脱窒槽を使用し、これらを組合わせることにより、硝化性に優れ、かつ有機物や浮遊物質等の除去、及び窒素の除去を連続的、かつ容易に行うことが可能な窒素除去装置の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するため、本発明にかかる窒素除去装置は、「有機物及びアンモニア性窒素を含有する処理対象水を好気性微生物の分解作用及び硝化作用を利用し、前記有機物を分解及び除去、及び、前記アンモニア性窒素の酸化態窒素への硝化を実施する硝化反応槽と、前記硝化反応槽によって硝化された前記酸化態窒素を含有する硝化処理水に、電子供与体として機能する硫黄成分を主とする硫黄処理剤を接触させ、前記硝化処理水に含まれる前記酸化態窒素を窒素ガスに転換する脱窒処理を行う硫黄脱窒槽と」を主に具備して構成されている。
【００１４】
したがって、本発明の窒素除去装置によれば、有機物及びアンモニア性窒素を含む処理対象水に対し、硝化処理を行う硝化反応槽と、該硝化反応槽を経て排出された硫黄脱窒槽とを組合わせることにより、有機物及び窒素の除去を比較的容易に行うことができる。これにより、従来の従属栄養型脱窒槽に比べ、酸化態窒素から窒素ガスへの転換処理を行う際に有機物を供給する必要がなく、これらの供給処理や供給する有機物量の循環比を調整するなどの煩雑な処理を行う必要がない。
【００１５】
さらに、本発明にかかる窒素除去装置は、上記構成に加え、「前記硝化反応槽は、前記処理対象水を導入する導入口、処理した前記硝化処理水を排出し、前記導入口の下方に設けられた排出口、及び前記好気性微生物を担持可能な複数の空隙を有する多孔質性素材によって形成され、前記導入口に吊下支持または充填され、前記導入口及び前記排出口の間を連結し、前記導入口から導入された前記処理対象水を前記排出口まで流下させることによって、前記有機物を分解及び除去するとともに、前記アンモニア性窒素から前記酸化態窒素へ転換させるための多孔質ろ床本体を備える散水型多孔質ろ床が利用される」ものであっても構わない。
【００１６】
したがって、本発明の窒素除去装置によれば、硝化処理を行う硝化反応槽として、散水型多孔質ろ床が利用される。ここで、散水型多孔質ろ床としては、前述したＤＨＳリアクター等を用いることが可能である。これにより、硝化反応槽において、有機物をほぼ完全に除去することができ、また硝化率をほぼ１００％にすることができる。その結果、硝化反応槽から排出される硝化処理水は、低Ｃ／Ｎ比のものとなるため、係る硝化処理水をそのまま硫黄脱窒槽に導入することができる。すなわち、従来は地下水等の高い水質の処理対象水（硝化処理水）のみしか処理することのできなかった硫黄脱窒槽に対し、下水二次処理水等の比較的有機物の多いものを硝化処理した硝化処理水であっても硫黄による脱窒処理を行うことが可能となる。
【００１７】
さらに、本発明の窒素除去装置によれば、上記構成に加え、「前記硝化反応槽及び前記硫黄脱窒槽の間に設けられ、前記硝化反応槽から排出される前記硝化処理水を前記硫黄脱窒槽に送液する送液ポンプをさらに具備し、前記硫黄脱窒槽は、下端近傍に設けられ、前記送液ポンプによって送液された前記硝化処理水を導入するための二次導入口、上端近傍にそれぞれ設けられ、脱窒処理によって発生した窒素ガスを排出する窒素ガス排出口、及び、前記脱窒処理後の処理水を排出する処理水排出口と、各々連結した脱窒処理空間が内部に形成された略筒形状の脱窒槽本体と、前記脱窒処理空間の少なくとも一部に充填され、前記硝化処理水に対して電子供与体として機能する前記硫黄系処理剤と」を具備して主に構成されている。
【００１８】
したがって、本発明の窒素除去装置によれば、硝化反応槽から送液ポンプを介して送液される硝化処理水が硫黄脱窒槽の下端近傍の二次導入口から導入され、上端近傍に設けられた窒素ガス排出口或いは処理水排出口を通じてそれぞれ分離して排出される。ここで、硝化処理水は硫黄脱窒槽の下端から導入されているため、内部の脱窒処理空間に少なくとも一部が充填された電子供与体として機能する硫黄系処理剤とは必然的に接触することになる。これにより、下記の式（３）による反応でガスが発生する。
（３） ＮＯ３− ＋５／８Ｓ２Ｏ３２− ＋ １／８Ｈ２Ｏ
→ １／２Ｎ２↑ ＋ ５／４ＳＯ４２− ＋ １／４Ｈ＋
【００１９】
反応槽は、前記処理対象水を導入する導入口、処理した前記硝化処理水を排出し、前記導入口の下方に設けられた排出口、及び前記好気性微生物を担持可能な複数の空隙を有する多孔質性素材によって形成され、前記導入口及び前記排出口の間を連結し、前記導入口から導入された前記処理対象水を前記排出口まで滴下させることによって、前記有機物を分解処理するとともに、前記アンモニア性窒素の前記酸化態窒素へ転換させるためのろ床本体を備える散水型多孔質ろ床を用いる」ものであっても構わない。
【００２０】
ここで、硝化反応槽とは、下水二次処理水等の処理対象水に含まれるアンモニア性窒素を酸素及び微生物等の作用を利用して、硝酸イオン等の酸化態窒素に転換可能な反応を行うものである。ここで、硝化反応槽の方式等の詳細については、既に説明したため、省略するものの、例えば、散水ろ床方式のＤＨＳリアクターを採用することが可能である。これにより、硝化反応槽の上部から導入された処理対象水は、ＤＨＳリアクターの一部としてカーテン状に吊下げ支持されたスポンジ状のろ床を伝搬して徐々に下方の排出口に到着する。これにより、導入口から導入され、滴下によって徐々に排出口まで到達した処理対象水は、多孔質性のろ床によって空気を多量に含むことになり、さらに微生物の作用によって含まれる有機物をほぼ完全に除去することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の効果として、上記に説明したように、硝化反応槽として、散水型多孔質ろ床の一種であるＤＨＳリアクターを採用することにより、排出口から排出される硝化処理水は、有機物をほとんど有することがなく、高度な下水二次処理水等の処理を行うことが可能である。特に、従来の方式のように強制的に酸素（空気）を送るエアレーションの必要がなく、省エネルギー及び低コスト化を図ることができるようになる。
【００２２】
また、アンモニア性窒素の硝化反応もほぼ１００％実施することができるため、硝化処理水には該アンモニア性窒素はほとんど含まれていない。そのため、係る低Ｃ／Ｎ比の硝化処理水を用いれば、シンプルかつ運転性に優れた硫黄脱窒槽による窒素除去が可能となる。その結果、係るＤＨＳリアクターによる硝化反応槽及び硫黄脱窒槽を組合わせることにより、有機物の除去、アンモニア性窒素の硝化、及び酸化態窒素の窒素ガス化を連続的に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本実施形態の窒素除去装置１について、図１及び図２に基づいて説明する。ここで、図１は本実施形態の窒素除去装置の概略構成を模式的に示す説明図であり、図２はろ床本体８の構成、及び硝化処理の概念を模式的に示した説明図である。ここで、本実施形態の窒素除去装置１は、処理対象水として、一般的な排水を好気性活性汚泥法で処理した浄化槽処理水に塩化アンモニウム及び炭酸水素ナトリウムを予め規定した量ずつ添加し、調整した下水二次処理水３を処理するものについて例示する。なお、窒素除去装置１には植種として活性汚泥を用いた。また、本実施形態の窒素除去装置１は、室温１０℃〜２０℃の温度範囲の元で処理されている。ここで、下水二次処理水３が本発明の処理対象水に相当する。
【００２４】
本実施形態の窒素除去装置１について詳述すると、図１に示すように、下水二次処理水３に含まれる有機物を分解し、除去するとともに、アンモニア性窒素を硝化し、酸化態窒素に転換するための硝化反応槽２と、硝化反応槽２によって処理された硝化処理水４から窒素ガス５を除去する硫黄脱窒槽６とを具備して主に構成されている。
【００２５】
さらに、詳細に説明すると、硝化反応槽２は、下水二次処理水３を上部から導入する導入口７と、導入口７の一端と接続し、導入された下水二次処理水３を徐々に流下させるスポンジ状のろ床本体８と、ろ床本体８の下端近傍に設けられ、ろ床本体８を流下することによって下水二次処理水３に含まれる有機物が除去され、さらにアンモニア性窒素が酸化態窒素に転換された硝化処理水４を排出する排出口９とを主に具備して構成されている。ここで、ろ床本体８は、複数の空隙を有する発泡性ウレタン樹脂を材質として用い、断面多角形状（ここでは、三角形状）になるようにカットされた複数の三角柱スポンジ８ａ（断面積：０．５０平方センチメートル、幅：２０センチメートル、孔径：０．５６ミリメートル）を利用し、これらを互いの上下の辺同士が僅かに離間した間隔を保って塩化ビニル樹脂板８ｂを接着し、カーテン状に配して構成されている（図２参照）。そして、ろ床本体８の上端１０が導入口７と連結されることにより、該ろ床本体８は、導入口７に吊下支持された状態となる。その結果、スポンジ間隙容積が３．０リットル、全高１６５センチメートルのＤＨＳリアクターが形成される。
【００２６】
また、この発泡ウレタン樹脂は、軟らかい素材によって形成されているため、表面を押圧することによって、容易に潰れ、該押圧を解除することによって元の状態に容易に戻ることができるものである。なお、吊下支持されたろ床本体８に風などが当たり、ろ床本体８の下端１１側が移動することを防ぐため、下端１１の一部と排出口９との一部を連結し、風による移動を抑制するものであっても構わない（図示しない）。また、下水二次処理水３を導入口７に導くために、市販の送液ポンプ（図示しない）を備えるものであっても構わない。
【００２７】
そのため、下水二次処理水３が上方から導入された場合、多孔質性（換言すれば、スポンジ状）のろ床本体８の内部に該下水二次処理水３が徐々に浸透するとともに、三角形状の骨格を伝いながら流下することになる（図２矢印Ａ及び矢印Ｂ参照）。このとき、ゆっくりと流下する間に周囲の酸素Ｏと接触し、十分な酸素Ｏを内部に取込むことになる。そして、スポンジに予め付着されている好気性微生物１２は、この下水二次処理水３と接触することによって、下水二次処理水３に含まれる残存有機物１３を分解し、二酸化炭素や水などに転換させるとともに、アンモニア性窒素を前述の式（１）に従って酸化態窒素へ転換を図ることができる。
【００２８】
一方、硫黄脱窒槽６は、硝化反応槽２によって処理された硝化処理水４を導入するための二次導入口１４と、脱窒処理によって発生した窒素ガス５を排出するための窒素ガス排出口１６と、脱窒処理された処理水１７を外部に排出するための処理水排出口１８との三カ所の入出口を備え、さらにそれぞれの入出口１４，１６，１８と連結した脱窒処理空間１９が内部に形成された略筒形状の脱窒槽本体２０と、該脱窒処理空間１９に充填される硫黄系処理剤２１と、窒素ガス排出口１６をガス配管２２を介して連結され、発生した窒素ガス５をトラップし、硫黄脱窒槽６へ外部より酸素（空気）を入れないためのトラップ２４とを具備して構成されている。また、硝化反応槽２と硫黄脱窒槽６との間には、処理された硝化処理水４を硫黄脱窒槽６の下端側から導入し、上端側から強制的に排出するための送液用の送液ポンプ２５が取付けられている。
【００２９】
次に、本実施形態の窒素除去装置１を利用した下水二次処理水３の窒素除去の一例について説明する。はじめに、硝化反応槽２の導入口７から調整された下水二次処理水３を導入する。これにより、前述した作用によって、下水二次処理水３に含まれる有機物及びアンモニア性窒素が好気性微生物１２の作用によって分解され、硝酸イオン等の酸化態窒素へ転換される。
【００３０】
なお、本実施形態の窒素除去装置１の硝化反応槽２における下水二次処理水３の処理状況に係る流入（導入）前及び流出（排出）後の各測定値に表１に示す。ここで、この硝化反応槽２の運転開始から２５７日目までは、２０ｍｇＮ／Ｌ、２５８日目以降は４０ｍｇＮ／Ｌの割合で塩化アンモニウムを添加するものとした。また、ＨＲＴ（水理学的滞留時間）は、運転開始から８５日目までは２ｈｒ、一方、８６日以降は１ｈｒとなるようにした。さらに、運転開始から３４６日目までは、室温２０℃、３４７日目から４３７日目は室温１５℃になるように制御し、４３８日目以降は室温の制御を行わず冬季における温度（室温１５℃以下）で実施を行った。
【００３１】
【表１】
【００３２】
これによると、硝化反応槽２の排出口９から排出される硝化処理水４の全ＢＯＤは、室温の際によらず１〜２ｍｇ／Ｌであることが示され、硝化処理水４の水質が極めて安定していることが確認された。また、表１によれば、平均ＢＯＤ／ＣＯＤｃｒが処理前の下水二次処理水３で０．３３であるのに対し、硝化処理水４では０．１４であることが示されてた。すなわち、硝化処理水４の中には、好気性微生物１２による分解が困難な有機物のみが残存し、これらの好気性微生物１２によって分解可能とされる有機物は当該硝化反応槽２でほとんど消費したことが示される。これにより、硝化処理水４に含まれる有機物の残存量は極めて低いことが確認された。
【００３３】
また、下水二次処理水３の平均全窒素は、６３ｍｇＮ／Ｌであり、その内、アンモニア性窒素は３５ｍｇＮ／Ｌであった。そして、前述したように運転開始から２５８日目以降に塩化アンモニウムの添加量を倍にし、下水二次処理水３に含まれるアンモニア性窒素の含有率を増加させたものの、平均で３ｍｇＮ／Ｌの値を示し、このアンモニア性窒素の除去率は９０％以上の高い成績を示した。なお、アンモニア性窒素の除去率は硝化反応槽２の周囲の室温が変化しても、すなわち、冬季等の室温１５℃以下の条件であってもほとんど変化することがなく、硝化反応槽２のろ床本体８に吸着した好気性微生物１２の活動が１５℃以下の低温であっても発揮できることが確認された。さらに、表１に示されるように、亜硝酸性窒素の存在はほとんど確認されず、硝酸性窒素として確認された。すなわち、アンモニア性窒素は完全に酸化していることを示している。これにより、導入口７から排出口９に流下する間にスポンジ状のろ床本体８の中で酸素と十分に接触し、好気性微生物１２による分解反応が十分行われていることが示された。
【００３４】
上記示したように、ＤＨＳリアクターを硝化反応槽２として採用することにより、強制的なエアレーションを必要とすることなく、ほとんど維持管理を行うことなく高い有機物除去性能と、アンモニア性窒素を硝酸性窒素（酸化態窒素）に酸化する優れた硝化性能とを具備することができる。その結果、排出口９から排出される硝化処理水４は、酸化態窒素に対して有機物がほとんど含有していない、すなわち、低Ｃ／Ｎ比の処理水とすることができる。そのため、後述する硫黄脱窒槽６による窒素除去の処理が可能となる。
【００３５】
その後、送液ポンプ２５を介して硫黄脱窒槽６の下端近傍の二次導入口１４を通って脱窒処理空間１９に硝化処理水４は送出される。ここで、脱窒処理空間１９には、硝化処理水４に対し、電子を供与する電子供与体として機能する硫黄を主成分とする硫黄系処理剤２１が充填されている。そして、下端近傍の二次導入口１４から脱窒処理空間１９に送られた硝化処理水４は、送液ポンプ２５の送圧によって脱窒処理空間１９の中をゆっくりと上方に押上げられる。このとき、硫黄系処理剤２１と接触することにより、係る反応が脱窒処理空間１９内で行われ、酸化態窒素（硝酸性窒素）と硫黄成分とが反応し、窒素ガス５が発生する。そして、発生した窒素ガス５を硫黄脱窒槽６の上端近傍に設けられた窒素ガス排出口１６を通して外部に排出する。なお、窒素ガス排出口１６から延設されたガス配管２２の途中には発生した窒素ガス５をトラップし、硫黄脱窒槽６へ外部より空気（酸素を入れないためのトラップ２４が設けられている。一方、硫黄によって窒素ガス５の除去された処理水１７は、処理水排出口１８を通して外部に排出される。ここで、排出される処理水１７は、前述した硝化処理水４から窒素ガス５の成分が除去されたものであり、硫黄脱窒槽６において従来のように有機物等の添加がなされたものではない。そのため、安定した水質の処理水１７として外部にそのまま排出しても特に問題がない。
【００３６】
ここで、本発明の窒素除去装置１において処理可能な処理対象水（下水二次処理水３）の水温、ｐＨ、有機物濃度、及びアンモニア性窒素の濃度を例示すると、水温は１０〜３０℃、ｐＨは７〜８．５の範囲のものを対象とすることができ、処理対象水に含まれる有機物濃度は、０〜５０ｍｇＢＯＤ／Ｌ、０〜１００ｍｇＣＯＤｃｒ／Ｌ、アンモニア性窒素の濃度は１００ｍｇＮ／Ｌ以下のものとすることができる。なお、ｐＨが上記規定の範囲に該当しない場合には、周知のｐＨ調整剤を利用して係る範囲になるように調整することも可能である。
【００３７】
そして、硝化反応槽２は、上記実施例において、ＨＲＴを１〜２ｈｒの範囲にするものを示したが、全体の処理時間を考慮し、１〜３ｈｒの範囲に設定することが好ましい。また、硫黄脱窒槽６の処理時間も同様に、処理時間及び窒素ガス６の除去率を考慮し、２〜１０ｈｒの範囲で設定されることが好適である。そして、硝化反応槽２から排出される硝化処理水４は、有機物濃度を３ｍｇＢＯＤ／Ｌ以下にすることができ、さらに、アンモニア性窒素濃度も５ｍｇＮ／Ｌ以下に抑えたものとすることができる。
【００３８】
一方、硫黄脱窒槽６から排出される処理水１７は、従来の従属栄養型脱窒槽のように電子供与体としての有機物を加える必要がないため、有機物濃度は変化することがなく、３ｍｇＢＯＤ／Ｌ以下のままにすることができる。そして、硝化反応槽２によって転換された酸化態窒素（または、硝酸性窒素）の濃度とアンモニア性窒素濃度との合計を５ｍｇＮ／Ｌ以下にすることができる。
【００３９】
上記に説明したように、本実施形態の窒素除去装置１によれば、エアレーションの不要なＤＨＳリアクターを硝化反応槽２として用い、低Ｃ／Ｎ比の硝化処理水４を排出することができ、さらに、低Ｃ／Ｎ比の処理対象水に適し、かつ脱窒処理を比較的簡易に行うことのできる硫黄脱窒槽６を用いることにより、下水二次処理水３の有機物除去、硝化、脱窒を連続的に行うことができる。これにより、従来に比べ、窒素除去装置１の操作及び管理の簡易化、及び窒素除去処理に要する維持コストを削減することができる。また、外部に排出される処理水１７は、有機物及び窒素が除去されているため、排出先の河川や湖沼等が富栄養化することがなく、生態系や自然環境を破壊するおそれがない。
【００４０】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００４１】
すなわち、本実施形態の窒素除去装置において、ＤＨＳリアクターを硝化反応槽２として用いて説明したがこれに限定されるものではなく、硫黄脱窒槽６で処理可能な低Ｃ／Ｎの硝化処理水４を排出可能なものであれば特に限定されるものではない。しかしながら、低コスト及びエアレーション不要で安定した水質で下水二次処理水３を処理できるＤＨＳリアクターが特に好適と思われる。また、本実施形態において、残存有機物を含む下水二次処理水３を処理するものを示したがこれに限定されるものではなく、その他有機物を含む処理水を処理するものであっても構わない。
【００４２】
また、本実施形態の窒素除去装置１において採用したＤＨＳリアクターは、三角柱状のスポンジから形成されたろ床本体８を主として構成しているが、係るＤＨＳリアクターのろ床本体８の形状、及びサイズ等は特に限定されない。処理対象水の種類、成分、ＨＲＴ等に応じて適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】窒素除去装置の概略構成を模式的に示す説明図である。
【図２】ろ床本体の構成、及び硝化処理の概念を模式的に示した説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 窒素除去装置
２ 硝化反応槽（散水型多孔質ろ床）
３ 下水二次処理水（処理対象水）
４ 硝化処理水
５ 窒素ガス
６ 硫黄脱窒槽
７ 導入口
８ ろ床本体
９ 排出口
１２ 好気性微生物
１３ 残存有機物（有機物）
１４ 二次導入口
１７ 処理水
１９ 脱窒処理空間
２０ 脱窒槽本体
２１ 硫黄系処理剤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素除去装置に関するものであり、特に、有機物、アンモニア性窒素、及びリン等を含む下水二次処理水等の汚水を処理する所謂「高度処理」に利用可能な窒素除去装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、一般家庭から排出される生活排水、或いは各種工場等から排出される産業廃水（排水）などの汚水は、河川に放流する前に、予めこれら汚水に含まれる有害物質等を除去する下水処理が行われる。しかしながら、通常の下水処理では、未だ有機物が残存していたり、アンモニア性窒素を主とする窒素化合物、或いはリン化合物が残っていることが多く、一般的な「下水処理」ではこれらを完全に除去することができないことが知られている。
【０００３】
そして、これらのアンモニア性窒素等を多量に含む処理水を、河川や湖沼等の閉鎖性水域に放出することは、当該水域を富栄養化させることになり、水質汚染や生息する生物等の生態系の破壊を引き起こす可能性が高くなる。そこで、汚水等を好気性活性汚泥法によって一次的に処理した処理水を、さらに浄化する処理を行い、上述の有機物及びアンモニア性窒素等の除去をする高度処理が行われている。このとき、高度処理は、汚水に含まれる有機物を分解し、除去するとともに、アンモニア性窒素を酸化態窒素に硝化する硝化反応槽と、硝化された酸化態窒素を窒素ガスに変換する脱窒槽とによって二段階の処理が行われ、それぞれの槽において処理対象物が効率的に除去されている。
【０００４】
ここで、硝化反応槽は、その方式の違いによって二種類に大別することができ、具体的には生物膜法及び活性汚泥法に分類することができる。そして、生物膜法の例としては、例えば、回転板接触方式、接触曝気方式、散水ろ床方式などがあり、一方、活性汚泥法の例としては、例えば、長時間曝気方式、標準活性汚泥方式などが知られている。ここで、硝化処理のために利用される硝化反応槽の一部をなすろ材（ろ床）は、除去性能や除去条件等に応じて種々のものが開発されている。例えば、ポリマー加工ゼオライト、特殊木炭、及びポリエチレングリコールなどが知られている。しかしながら、これらのろ材は、一般に硝化反応で作用する微生物を、可能な限り高濃度で固着し続けることが求められ、また、種々の条件によってどのような態様或いは形態のものが有機物にとっても最善の分解作用を発揮するか否かについては明確でないことも多い。ここで、上記硝化反応槽において行われる一般的な反応は、下記の式（１）に示すように、アンモニア性窒素を酸化態窒素に転換することが行われている。
（１）ＮＨ４＋ ＋ ２Ｏ２ → ＮＯ３− ＋ Ｈ２Ｏ ＋ ２Ｈ＋
【０００５】
ここで、上記式（１）に示すように、アンモニア性窒素を酸化態窒素に転換するためには、酸素の存在が必要不可欠であり、一般的な浸漬型の硝化反応槽では、微生物が接触するろ床に対し、送風機によって強制的に水中に酸素（空気）を送るエアレーションを行い、微生物の働きを活性化させている。
【０００６】
これに対し、エアレーションを必要とせず、かつろ床に固着した微生物群の坦持を確実なものとすることが可能な硝化反応槽が提案されている。具体的に説明すると、多孔質性の素材（例えば、発泡ポリウレタン樹脂等）を用いたスポンジ状の物体を断面が三角形や四角形等の多角形状にカットし、カーテンのように吊下げ支持し、その上部から処理対象水（下水二次処理水等）を滴下し、ろ床の下端に設けられた排出口から処理水を回収するＤＨＳリアクター（Ｄｏｗｎ−ｆｌｏｗ Ｈａｎｇｉｎｇ Ｓｐｏｎｇｅ Ｒｅａｃｔｏｒ）を硝化反応槽として用いるものが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
これによると、上部に設けられた導入口から導入（滴下）された処理対象水は、ろ床であるスポンジ状の物体の中を伝い、徐々に下方へと流れ落ちる。このとき、当該ろ床は多孔質性を有するため、その空隙の中に多くの空気（酸素）が進入しやすいため、流下の際に処理対象水は多くの空気（酸素）と接触する。その結果、従来の方式のような強制的（人為的）なエアレーションが不要となる。さらに、従来の方式と比べ、１０倍以上の微生物濃度を有する微生物群を当該スポンジのろ床内に担持することができ、これにより、排出口から未処理の有機物が排出されることがほとんどない。
【０００８】
一方、酸化態窒素を窒素ガスに転換し、処理対象水から窒素を除去するための脱窒槽としては、例えば、従属栄養型脱窒槽等を用いることができる。ここで、従属栄養型脱窒槽は、上記の硝化反応槽によって生成された硝化処理された硝化処理水に対して行われるものであり、主に下記の式（２）に示される反応が行われる。ここで、酸化態窒素を窒素ガスに転換するためには、下記式（２）に示すように、電子供与体としてメチルアルコールのような有機物を硝化処理水に添加する必要がある。また、その他の処理方法として、地下水や飲料水等を処理するために硫黄脱窒槽を利用するものを知られている。
（２）６ＮＯ３− ＋ ５ＣＨ３ＯＨ
→ ３Ｎ２↑ ＋ ５ＣＯ２↑ ＋ ７Ｈ２Ｏ ＋ ６ＯＨ−
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２８５６９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記した従属栄養型脱窒槽による脱窒処理の場合、その前段階として硝化反応槽によって処理された硝化処理水に対し、メチルアルコール等の有機物を添加する必要があった。すなわち、硝化反応槽において、一度、有機物を除去しているにもかかわらず、再び、窒素ガスを回収するために適量の有機物を加える必要があった。特に、有機物の供給が多過ぎた場合、酸化態窒素との反応によって消費されなかった有機物が余剰し、従属栄養型脱窒槽から排出される処理水に混在することになる。そのため、前段階の硝化反応槽による有機物の除去が無駄になることがあった。一方、有機物の供給が少なすぎた場合、該有機物を完全に消費したとしても、尚、酸化態窒素が残留することとなり、硝化処理水から窒素を完全に除去することができないことになる。そのため、従属栄養型脱窒槽の使用は、供給する有機物の量を厳密に設定する、或いはこれらを循環させる循環比の設定を適切に行う必要があった。
【００１１】
一方、硫黄脱窒槽は、上述の従属栄養型脱窒槽のように有機物を供給する必要がなく硝化処理水の処理も比較的容易であった。しかしながら、係る硫黄脱窒槽は、前述したように、主として地下水や飲料水等の有機物／酸化態窒素の比（Ｃ／Ｎ比）が低い水質のものに主に用いられ、下水の二次処理水等の有機物の比率が比較的高い水質のものに適用されることはほとんどなかった。
【００１２】
そこで、本発明は、上記実情に鑑み、硝化反応槽として、高い有機物除去性能を有するＤＨＳリアクターを使用し、さらに脱窒槽として硫黄脱窒槽を使用し、これらを組合わせることにより、硝化性に優れ、かつ有機物や浮遊物質等の除去、及び窒素の除去を連続的、かつ容易に行うことが可能な窒素除去装置の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するため、本発明にかかる窒素除去装置は、「有機物及びアンモニア性窒素を含有する処理対象水を好気性微生物の分解作用及び硝化作用を利用し、前記有機物を分解及び除去、及び、前記アンモニア性窒素の酸化態窒素への硝化を実施する硝化反応槽と、前記硝化反応槽によって硝化された前記酸化態窒素を含有する硝化処理水に、電子供与体として機能する硫黄成分を主とする硫黄処理剤を接触させ、前記硝化処理水に含まれる前記酸化態窒素を窒素ガスに転換する脱窒処理を行う硫黄脱窒槽と」を主に具備して構成されている。
【００１４】
したがって、本発明の窒素除去装置によれば、有機物及びアンモニア性窒素を含む処理対象水に対し、硝化処理を行う硝化反応槽と、該硝化反応槽を経て排出された硫黄脱窒槽とを組合わせることにより、有機物及び窒素の除去を比較的容易に行うことができる。これにより、従来の従属栄養型脱窒槽に比べ、酸化態窒素から窒素ガスへの転換処理を行う際に有機物を供給する必要がなく、これらの供給処理や供給する有機物量の循環比を調整するなどの煩雑な処理を行う必要がない。
【００１５】
さらに、本発明にかかる窒素除去装置は、上記構成に加え、「前記硝化反応槽は、前記処理対象水を導入する導入口、処理した前記硝化処理水を排出し、前記導入口の下方に設けられた排出口、及び前記好気性微生物を担持可能な複数の空隙を有する多孔質性素材によって形成され、前記導入口に吊下支持または充填され、前記導入口及び前記排出口の間を連結し、前記導入口から導入された前記処理対象水を前記排出口まで流下させることによって、前記有機物を分解及び除去するとともに、前記アンモニア性窒素から前記酸化態窒素へ転換させるための多孔質ろ床本体を備える散水型多孔質ろ床が利用される」ものであっても構わない。
【００１６】
したがって、本発明の窒素除去装置によれば、硝化処理を行う硝化反応槽として、散水型多孔質ろ床が利用される。ここで、散水型多孔質ろ床としては、前述したＤＨＳリアクター等を用いることが可能である。これにより、硝化反応槽において、有機物をほぼ完全に除去することができ、また硝化率をほぼ１００％にすることができる。その結果、硝化反応槽から排出される硝化処理水は、低Ｃ／Ｎ比のものとなるため、係る硝化処理水をそのまま硫黄脱窒槽に導入することができる。すなわち、従来は地下水等の高い水質の処理対象水（硝化処理水）のみしか処理することのできなかった硫黄脱窒槽に対し、下水二次処理水等の比較的有機物の多いものを硝化処理した硝化処理水であっても硫黄による脱窒処理を行うことが可能となる。
【００１７】
さらに、本発明の窒素除去装置によれば、上記構成に加え、「前記硝化反応槽及び前記硫黄脱窒槽の間に設けられ、前記硝化反応槽から排出される前記硝化処理水を前記硫黄脱窒槽に送液する送液ポンプをさらに具備し、前記硫黄脱窒槽は、下端近傍に設けられ、前記送液ポンプによって送液された前記硝化処理水を導入するための二次導入口、上端近傍にそれぞれ設けられ、脱窒処理によって発生した窒素ガスを排出する窒素ガス排出口、及び、前記脱窒処理後の処理水を排出する処理水排出口と、各々連結した脱窒処理空間が内部に形成された略筒形状の脱窒槽本体と、前記脱窒処理空間の少なくとも一部に充填され、前記硝化処理水に対して電子供与体として機能する前記硫黄系処理剤と」を具備して主に構成されている。
【００１８】
したがって、本発明の窒素除去装置によれば、硝化反応槽から送液ポンプを介して送液される硝化処理水が硫黄脱窒槽の下端近傍の二次導入口から導入され、上端近傍に設けられた窒素ガス排出口或いは処理水排出口を通じてそれぞれ分離して排出される。ここで、硝化処理水は硫黄脱窒槽の下端から導入されているため、内部の脱窒処理空間に少なくとも一部が充填された電子供与体として機能する硫黄系処理剤とは必然的に接触することになる。これにより、下記の式（３）による反応でガスが発生する。
（３） ＮＯ３− ＋５／８Ｓ２Ｏ３２− ＋ １／８Ｈ２Ｏ
→ １／２Ｎ２↑ ＋ ５／４ＳＯ４２− ＋ １／４Ｈ＋
【００１９】
反応槽は、前記処理対象水を導入する導入口、処理した前記硝化処理水を排出し、前記導入口の下方に設けられた排出口、及び前記好気性微生物を担持可能な複数の空隙を有する多孔質性素材によって形成され、前記導入口及び前記排出口の間を連結し、前記導入口から導入された前記処理対象水を前記排出口まで滴下させることによって、前記有機物を分解処理するとともに、前記アンモニア性窒素の前記酸化態窒素へ転換させるためのろ床本体を備える散水型多孔質ろ床を用いる」ものであっても構わない。
【００２０】
ここで、硝化反応槽とは、下水二次処理水等の処理対象水に含まれるアンモニア性窒素を酸素及び微生物等の作用を利用して、硝酸イオン等の酸化態窒素に転換可能な反応を行うものである。ここで、硝化反応槽の方式等の詳細については、既に説明したため、省略するものの、例えば、散水ろ床方式のＤＨＳリアクターを採用することが可能である。これにより、硝化反応槽の上部から導入された処理対象水は、ＤＨＳリアクターの一部としてカーテン状に吊下げ支持されたスポンジ状のろ床を伝搬して徐々に下方の排出口に到着する。これにより、導入口から導入され、滴下によって徐々に排出口まで到達した処理対象水は、多孔質性のろ床によって空気を多量に含むことになり、さらに微生物の作用によって含まれる有機物をほぼ完全に除去することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の効果として、上記に説明したように、硝化反応槽として、散水型多孔質ろ床の一種であるＤＨＳリアクターを採用することにより、排出口から排出される硝化処理水は、有機物をほとんど有することがなく、高度な下水二次処理水等の処理を行うことが可能である。特に、従来の方式のように強制的に酸素（空気）を送るエアレーションの必要がなく、省エネルギー及び低コスト化を図ることができるようになる。
【００２２】
また、アンモニア性窒素の硝化反応もほぼ１００％実施することができるため、硝化処理水には該アンモニア性窒素はほとんど含まれていない。そのため、係る低Ｃ／Ｎ比の硝化処理水を用いれば、シンプルかつ運転性に優れた硫黄脱窒槽による窒素除去が可能となる。その結果、係るＤＨＳリアクターによる硝化反応槽及び硫黄脱窒槽を組合わせることにより、有機物の除去、アンモニア性窒素の硝化、及び酸化態窒素の窒素ガス化を連続的に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本実施形態の窒素除去装置１について、図１及び図２に基づいて説明する。ここで、図１は本実施形態の窒素除去装置の概略構成を模式的に示す説明図であり、図２はろ床本体８の構成、及び硝化処理の概念を模式的に示した説明図である。ここで、本実施形態の窒素除去装置１は、処理対象水として、一般的な排水を好気性活性汚泥法で処理した浄化槽処理水に塩化アンモニウム及び炭酸水素ナトリウムを予め規定した量ずつ添加し、調整した下水二次処理水３を処理するものについて例示する。なお、窒素除去装置１には植種として活性汚泥を用いた。また、本実施形態の窒素除去装置１は、室温１０℃〜２０℃の温度範囲の元で処理されている。ここで、下水二次処理水３が本発明の処理対象水に相当する。
【００２４】
本実施形態の窒素除去装置１について詳述すると、図１に示すように、下水二次処理水３に含まれる有機物を分解し、除去するとともに、アンモニア性窒素を硝化し、酸化態窒素に転換するための硝化反応槽２と、硝化反応槽２によって処理された硝化処理水４から窒素ガス５を除去する硫黄脱窒槽６とを具備して主に構成されている。
【００２５】
さらに、詳細に説明すると、硝化反応槽２は、下水二次処理水３を上部から導入する導入口７と、導入口７の一端と接続し、導入された下水二次処理水３を徐々に流下させるスポンジ状のろ床本体８と、ろ床本体８の下端近傍に設けられ、ろ床本体８を流下することによって下水二次処理水３に含まれる有機物が除去され、さらにアンモニア性窒素が酸化態窒素に転換された硝化処理水４を排出する排出口９とを主に具備して構成されている。ここで、ろ床本体８は、複数の空隙を有する発泡性ウレタン樹脂を材質として用い、断面多角形状（ここでは、三角形状）になるようにカットされた複数の三角柱スポンジ８ａ（断面積：０．５０平方センチメートル、幅：２０センチメートル、孔径：０．５６ミリメートル）を利用し、これらを互いの上下の辺同士が僅かに離間した間隔を保って塩化ビニル樹脂板８ｂを接着し、カーテン状に配して構成されている（図２参照）。そして、ろ床本体８の上端１０が導入口７と連結されることにより、該ろ床本体８は、導入口７に吊下支持された状態となる。その結果、スポンジ間隙容積が３．０リットル、全高１６５センチメートルのＤＨＳリアクターが形成される。
【００２６】
また、この発泡ウレタン樹脂は、軟らかい素材によって形成されているため、表面を押圧することによって、容易に潰れ、該押圧を解除することによって元の状態に容易に戻ることができるものである。なお、吊下支持されたろ床本体８に風などが当たり、ろ床本体８の下端１１側が移動することを防ぐため、下端１１の一部と排出口９との一部を連結し、風による移動を抑制するものであっても構わない（図示しない）。また、下水二次処理水３を導入口７に導くために、市販の送液ポンプ（図示しない）を備えるものであっても構わない。
【００２７】
そのため、下水二次処理水３が上方から導入された場合、多孔質性（換言すれば、スポンジ状）のろ床本体８の内部に該下水二次処理水３が徐々に浸透するとともに、三角形状の骨格を伝いながら流下することになる（図２矢印Ａ及び矢印Ｂ参照）。このとき、ゆっくりと流下する間に周囲の酸素Ｏと接触し、十分な酸素Ｏを内部に取込むことになる。そして、スポンジに予め付着されている好気性微生物１２は、この下水二次処理水３と接触することによって、下水二次処理水３に含まれる残存有機物１３を分解し、二酸化炭素や水などに転換させるとともに、アンモニア性窒素を前述の式（１）に従って酸化態窒素へ転換を図ることができる。
【００２８】
一方、硫黄脱窒槽６は、硝化反応槽２によって処理された硝化処理水４を導入するための二次導入口１４と、脱窒処理によって発生した窒素ガス５を排出するための窒素ガス排出口１６と、脱窒処理された処理水１７を外部に排出するための処理水排出口１８との三カ所の入出口を備え、さらにそれぞれの入出口１４，１６，１８と連結した脱窒処理空間１９が内部に形成された略筒形状の脱窒槽本体２０と、該脱窒処理空間１９に充填される硫黄系処理剤２１と、窒素ガス排出口１６をガス配管２２を介して連結され、発生した窒素ガス５をトラップし、硫黄脱窒槽６へ外部より酸素（空気）を入れないためのトラップ２４とを具備して構成されている。また、硝化反応槽２と硫黄脱窒槽６との間には、処理された硝化処理水４を硫黄脱窒槽６の下端側から導入し、上端側から強制的に排出するための送液用の送液ポンプ２５が取付けられている。
【００２９】
次に、本実施形態の窒素除去装置１を利用した下水二次処理水３の窒素除去の一例について説明する。はじめに、硝化反応槽２の導入口７から調整された下水二次処理水３を導入する。これにより、前述した作用によって、下水二次処理水３に含まれる有機物及びアンモニア性窒素が好気性微生物１２の作用によって分解され、硝酸イオン等の酸化態窒素へ転換される。
【００３０】
なお、本実施形態の窒素除去装置１の硝化反応槽２における下水二次処理水３の処理状況に係る流入（導入）前及び流出（排出）後の各測定値に表１に示す。ここで、この硝化反応槽２の運転開始から２５７日目までは、２０ｍｇＮ／Ｌ、２５８日目以降は４０ｍｇＮ／Ｌの割合で塩化アンモニウムを添加するものとした。また、ＨＲＴ（水理学的滞留時間）は、運転開始から８５日目までは２ｈｒ、一方、８６日以降は１ｈｒとなるようにした。さらに、運転開始から３４６日目までは、室温２０℃、３４７日目から４３７日目は室温１５℃になるように制御し、４３８日目以降は室温の制御を行わず冬季における温度（室温１５℃以下）で実施を行った。
【００３１】
【表１】
【００３２】
これによると、硝化反応槽２の排出口９から排出される硝化処理水４の全ＢＯＤは、室温の際によらず１〜２ｍｇ／Ｌであることが示され、硝化処理水４の水質が極めて安定していることが確認された。また、表１によれば、平均ＢＯＤ／ＣＯＤｃｒが処理前の下水二次処理水３で０．３３であるのに対し、硝化処理水４では０．１４であることが示されてた。すなわち、硝化処理水４の中には、好気性微生物１２による分解が困難な有機物のみが残存し、これらの好気性微生物１２によって分解可能とされる有機物は当該硝化反応槽２でほとんど消費したことが示される。これにより、硝化処理水４に含まれる有機物の残存量は極めて低いことが確認された。
【００３３】
また、下水二次処理水３の平均全窒素は、６３ｍｇＮ／Ｌであり、その内、アンモニア性窒素は３５ｍｇＮ／Ｌであった。そして、前述したように運転開始から２５８日目以降に塩化アンモニウムの添加量を倍にし、下水二次処理水３に含まれるアンモニア性窒素の含有率を増加させたものの、平均で３ｍｇＮ／Ｌの値を示し、このアンモニア性窒素の除去率は９０％以上の高い成績を示した。なお、アンモニア性窒素の除去率は硝化反応槽２の周囲の室温が変化しても、すなわち、冬季等の室温１５℃以下の条件であってもほとんど変化することがなく、硝化反応槽２のろ床本体８に吸着した好気性微生物１２の活動が１５℃以下の低温であっても発揮できることが確認された。さらに、表１に示されるように、亜硝酸性窒素の存在はほとんど確認されず、硝酸性窒素として確認された。すなわち、アンモニア性窒素は完全に酸化していることを示している。これにより、導入口７から排出口９に流下する間にスポンジ状のろ床本体８の中で酸素と十分に接触し、好気性微生物１２による分解反応が十分行われていることが示された。
【００３４】
上記示したように、ＤＨＳリアクターを硝化反応槽２として採用することにより、強制的なエアレーションを必要とすることなく、ほとんど維持管理を行うことなく高い有機物除去性能と、アンモニア性窒素を硝酸性窒素（酸化態窒素）に酸化する優れた硝化性能とを具備することができる。その結果、排出口９から排出される硝化処理水４は、酸化態窒素に対して有機物がほとんど含有していない、すなわち、低Ｃ／Ｎ比の処理水とすることができる。そのため、後述する硫黄脱窒槽６による窒素除去の処理が可能となる。
【００３５】
その後、送液ポンプ２５を介して硫黄脱窒槽６の下端近傍の二次導入口１４を通って脱窒処理空間１９に硝化処理水４は送出される。ここで、脱窒処理空間１９には、硝化処理水４に対し、電子を供与する電子供与体として機能する硫黄を主成分とする硫黄系処理剤２１が充填されている。そして、下端近傍の二次導入口１４から脱窒処理空間１９に送られた硝化処理水４は、送液ポンプ２５の送圧によって脱窒処理空間１９の中をゆっくりと上方に押上げられる。このとき、硫黄系処理剤２１と接触することにより、係る反応が脱窒処理空間１９内で行われ、酸化態窒素（硝酸性窒素）と硫黄成分とが反応し、窒素ガス５が発生する。そして、発生した窒素ガス５を硫黄脱窒槽６の上端近傍に設けられた窒素ガス排出口１６を通して外部に排出する。なお、窒素ガス排出口１６から延設されたガス配管２２の途中には発生した窒素ガス５をトラップし、硫黄脱窒槽６へ外部より空気（酸素を入れないためのトラップ２４が設けられている。一方、硫黄によって窒素ガス５の除去された処理水１７は、処理水排出口１８を通して外部に排出される。ここで、排出される処理水１７は、前述した硝化処理水４から窒素ガス５の成分が除去されたものであり、硫黄脱窒槽６において従来のように有機物等の添加がなされたものではない。そのため、安定した水質の処理水１７として外部にそのまま排出しても特に問題がない。
【００３６】
ここで、本発明の窒素除去装置１において処理可能な処理対象水（下水二次処理水３）の水温、ｐＨ、有機物濃度、及びアンモニア性窒素の濃度を例示すると、水温は１０〜３０℃、ｐＨは７〜８．５の範囲のものを対象とすることができ、処理対象水に含まれる有機物濃度は、０〜５０ｍｇＢＯＤ／Ｌ、０〜１００ｍｇＣＯＤｃｒ／Ｌ、アンモニア性窒素の濃度は１００ｍｇＮ／Ｌ以下のものとすることができる。なお、ｐＨが上記規定の範囲に該当しない場合には、周知のｐＨ調整剤を利用して係る範囲になるように調整することも可能である。
【００３７】
そして、硝化反応槽２は、上記実施例において、ＨＲＴを１〜２ｈｒの範囲にするものを示したが、全体の処理時間を考慮し、１〜３ｈｒの範囲に設定することが好ましい。また、硫黄脱窒槽６の処理時間も同様に、処理時間及び窒素ガス６の除去率を考慮し、２〜１０ｈｒの範囲で設定されることが好適である。そして、硝化反応槽２から排出される硝化処理水４は、有機物濃度を３ｍｇＢＯＤ／Ｌ以下にすることができ、さらに、アンモニア性窒素濃度も５ｍｇＮ／Ｌ以下に抑えたものとすることができる。
【００３８】
一方、硫黄脱窒槽６から排出される処理水１７は、従来の従属栄養型脱窒槽のように電子供与体としての有機物を加える必要がないため、有機物濃度は変化することがなく、３ｍｇＢＯＤ／Ｌ以下のままにすることができる。そして、硝化反応槽２によって転換された酸化態窒素（または、硝酸性窒素）の濃度とアンモニア性窒素濃度との合計を５ｍｇＮ／Ｌ以下にすることができる。
【００３９】
上記に説明したように、本実施形態の窒素除去装置１によれば、エアレーションの不要なＤＨＳリアクターを硝化反応槽２として用い、低Ｃ／Ｎ比の硝化処理水４を排出することができ、さらに、低Ｃ／Ｎ比の処理対象水に適し、かつ脱窒処理を比較的簡易に行うことのできる硫黄脱窒槽６を用いることにより、下水二次処理水３の有機物除去、硝化、脱窒を連続的に行うことができる。これにより、従来に比べ、窒素除去装置１の操作及び管理の簡易化、及び窒素除去処理に要する維持コストを削減することができる。また、外部に排出される処理水１７は、有機物及び窒素が除去されているため、排出先の河川や湖沼等が富栄養化することがなく、生態系や自然環境を破壊するおそれがない。
【００４０】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００４１】
すなわち、本実施形態の窒素除去装置において、ＤＨＳリアクターを硝化反応槽２として用いて説明したがこれに限定されるものではなく、硫黄脱窒槽６で処理可能な低Ｃ／Ｎの硝化処理水４を排出可能なものであれば特に限定されるものではない。しかしながら、低コスト及びエアレーション不要で安定した水質で下水二次処理水３を処理できるＤＨＳリアクターが特に好適と思われる。また、本実施形態において、残存有機物を含む下水二次処理水３を処理するものを示したがこれに限定されるものではなく、その他有機物を含む処理水を処理するものであっても構わない。
【００４２】
また、本実施形態の窒素除去装置１において採用したＤＨＳリアクターは、三角柱状のスポンジから形成されたろ床本体８を主として構成しているが、係るＤＨＳリアクターのろ床本体８の形状、及びサイズ等は特に限定されない。処理対象水の種類、成分、ＨＲＴ等に応じて適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】窒素除去装置の概略構成を模式的に示す説明図である。
【図２】ろ床本体の構成、及び硝化処理の概念を模式的に示した説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 窒素除去装置
２ 硝化反応槽（散水型多孔質ろ床）
３ 下水二次処理水（処理対象水）
４ 硝化処理水
５ 窒素ガス
６ 硫黄脱窒槽
７ 導入口
８ ろ床本体
９ 排出口
１２ 好気性微生物
１３ 残存有機物（有機物）
１４ 二次導入口
１７ 処理水
１９ 脱窒処理空間
２０ 脱窒槽本体
２１ 硫黄系処理剤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物及びアンモニア性窒素を含有する処理対象水を好気性微生物の分解作用及び硝化作用を利用し、前記有機物を分解及び除去、及び、前記アンモニア性窒素の酸化態窒素への硝化を実施する硝化反応槽と、
前記硝化反応槽によって硝化された前記酸化態窒素を含有する硝化処理水に、電子供与体として機能する硫黄成分を主とする硫黄処理剤を接触させ、前記硝化処理水に含まれる前記酸化態窒素を窒素ガスに転換する脱窒処理を行う硫黄脱窒槽とを特徴とする窒素除去装置。
【請求項２】
前記硝化反応槽は、
前記処理対象水を導入する導入口、処理した前記硝化処理水を排出し、前記導入口の下方に設けられた排出口、及び前記好気性微生物を担持可能な複数の空隙を有する多孔質性素材によって形成され、前記導入口に吊下支持または充填され、前記導入口及び前記排出口の間を連結し、前記導入口から導入された前記処理対象水を前記排出口まで流下させることによって、前記有機物を分解及び除去するとともに、前記アンモニア性窒素から前記酸化態窒素へ転換させるための多孔質ろ床本体を備える散水型多孔質ろ床が利用されることを特徴とする請求項１に記載の窒素除去装置。
【請求項３】
前記硝化反応槽及び前記硫黄脱窒槽の間に設けられ、
前記硝化反応槽から排出される前記硝化処理水を前記硫黄脱窒槽に送液する送液ポンプをさらに具備し、
前記硫黄脱窒槽は、
下端近傍に設けられ、前記送液ポンプによって送液された前記硝化処理水を導入するための二次導入口、脱窒処理によって発生した窒素ガスを排出する窒素ガス排出口、及び、脱窒処理後の処理水を排出する処理水排出口とそれぞれ連結した脱窒処理空間が内部に形成された略筒形状の脱窒槽本体と、
前記脱窒処理空間の少なくとも一部に充填され、前記硝化処理水に対して電子供与体として機能する前記硫黄系処理剤と
をさらに具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒素除去装置。
【請求項１】
有機物及びアンモニア性窒素を含有する処理対象水を好気性微生物の分解作用及び硝化作用を利用し、前記有機物を分解及び除去、及び、前記アンモニア性窒素の酸化態窒素への硝化を実施する硝化反応槽と、
前記硝化反応槽によって硝化された前記酸化態窒素を含有する硝化処理水に、電子供与体として機能する硫黄成分を主とする硫黄処理剤を接触させ、前記硝化処理水に含まれる前記酸化態窒素を窒素ガスに転換する脱窒処理を行う硫黄脱窒槽とを特徴とする窒素除去装置。
【請求項２】
前記硝化反応槽は、
前記処理対象水を導入する導入口、処理した前記硝化処理水を排出し、前記導入口の下方に設けられた排出口、及び前記好気性微生物を担持可能な複数の空隙を有する多孔質性素材によって形成され、前記導入口に吊下支持または充填され、前記導入口及び前記排出口の間を連結し、前記導入口から導入された前記処理対象水を前記排出口まで流下させることによって、前記有機物を分解及び除去するとともに、前記アンモニア性窒素から前記酸化態窒素へ転換させるための多孔質ろ床本体を備える散水型多孔質ろ床が利用されることを特徴とする請求項１に記載の窒素除去装置。
【請求項３】
前記硝化反応槽及び前記硫黄脱窒槽の間に設けられ、
前記硝化反応槽から排出される前記硝化処理水を前記硫黄脱窒槽に送液する送液ポンプをさらに具備し、
前記硫黄脱窒槽は、
下端近傍に設けられ、前記送液ポンプによって送液された前記硝化処理水を導入するための二次導入口、脱窒処理によって発生した窒素ガスを排出する窒素ガス排出口、及び、脱窒処理後の処理水を排出する処理水排出口とそれぞれ連結した脱窒処理空間が内部に形成された略筒形状の脱窒槽本体と、
前記脱窒処理空間の少なくとも一部に充填され、前記硝化処理水に対して電子供与体として機能する前記硫黄系処理剤と
をさらに具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒素除去装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００８−４９２５１（Ｐ２００８−４９２５１Ａ）
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２７３３０（Ｐ２００６−２２７３３０）
【出願日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【Ｆターム（参考）】
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