オゾン汚泥減量処理の窒素除去への影響

オゾン汚泥減量処理の窒素除去への影響

～ Influence of Sludge Ozonation on Nitrogen Removal ～

土木工学専攻

11

号 出野 貴章

Takaaki Ideno

１ 研究背景および目的

余剰汚泥発生量が多いという活性汚泥法の欠点 を解決する方法として、返送汚泥の一部をオゾン 処理する方法が提案されている。しかし、この方 法を栄養塩除去活性汚泥法に適用した場合に、硝 化菌がオゾン処理で死滅するので、動力学的見地 から窒素除去の悪化が危惧される。本研究では、

栄養塩除去活性汚泥法の一つである

UCT

プロセ スにオゾン汚泥減量法を適用した際の窒素除去へ の影響を実験的に調査した。

2

オゾン処理を組込んだ場合の窒素除去への影響

2-1

実験方法

実験装置を図

1、流入水組成を表1

に示す。室 内規模

UCT

プロセスを二系列並列運転させ、その 一方 (実験系と呼称)に対して、好気槽汚泥をロー ラーポンプで

2L/day

引き抜き、亜硝酸生成菌の活 性が完全に失われる消費オゾン量

0.1(g-O3/g-SS)

となるようオゾン処理した後にローラーポンプで 再び装置に戻す操作を行った。これらのローラー ポンプはシーケンサを用いたタイマー制御を行っ た。また、オゾン処理する際の発泡に対しては消 泡剤の装置内への蓄積を避けるため、プロペラを 高速回転させる事で泡の流出を防ぐ消泡装置を備 えたオゾン処理装置を用いた。

図１ オゾン処理を組込んだ

UCT

プロセス(実験系)

表

1 流入水組成

この様な

2

系列の実験装置を好気槽容量

6.5L(R UN1)、4.5L(RUN2)の2

つの場合について運転し、

窒素除去への影響を調べた。オゾン処理に用いた オゾナイザ－は純酸素を紫外線で照射する方式で ある.

2-2

実験結果と考察

2-2-1 RUN１の実験結果

実験系での運転結果を図

2

に示す。実験開始後

10

日過ぎから処理水に

NH4-N

が残留する不安定 な状態が続いたが、

Fe

を含む微量金属塩を数回に 分けて添加する事で安定したアンモニア酸化を得 る事が出来た。この事より不安定なアンモニア酸 化は

Fe

の不足によるものと考えられる。また、運 転日数

30

日過ぎから硝化形態が亜硝酸蓄積型へ と変化した。対照系では、期間を通して安定した 窒素除去が行われていた。

図２流出水窒素濃度の経日変化(実験系)

Poly-Pepton 25g/L MgSO4 150 mg/L CH₃CH₂COOH 2.5g/L H3PO₄ 20mg/L CH₃COOH 2.5g/L NaHCO₃ 100mg/L Yeast Extract 8g/L KHCO₃ 65mg/L NaCl2 5g/L

CaCl2・2H₂O 2.5 g/L 微量金属塩

有機原水0.3L/day 無機原水29.7L/day

0 5 10 15 20 25 30 35

0 16 32 48

窒素化合物（mg/L）

運転日数（day）

系列4 NO3-N NO2-N NH4-N 嫌気槽 無酸素槽

返送汚泥 120L/d 循環汚泥 60L/d

流入水30L/d

2.5L 2.5L 好気槽

オゾン処理 2L/d

余剰汚泥 0.7L/d

RUN1=6.5L RUN2=4.5L

流入TOTAL-N

2-2-2 RUN2

の実験結果

実験系における運転結果を図

3

に示す。

RUN１

と同様に運転日数

20～35

日頃に若干不安定なア ンモニア酸化となったが、

Fe

の追加を行わずにア ンモニア酸化性能が回復し、その後は安定した窒 素除去が行われた。また、RUN1 から続いている 亜硝酸蓄積型の改善はなく、硝化形態の変化につ いては今後詳しく調査する必要がある。対照系に 関しては安定した窒素除去が行われた。

図３ 流出水窒素濃度の経日変化(RUN2 実験系)

2-2-3 RUN1、RUN2

の考察

好気槽規模の小さな

RUN2

の運転では、余剰汚 泥引き抜き率

Gw

とオゾン処理率

Goz

の和で求ま る

Gｔ値が0.6/day

と計算されるが、この条件で も硝化が行われたことから硝化菌の最大増殖速度 はこの値よりも高いことになる。多くの文献では、

硝化菌の最大増殖速度は

0.3～0.4/day

とされてお り、我々の得た値はこれに比べ大きいことになる。

この原因として、①オゾン処理液中に硝化菌の増 殖を高める因子が含まれている②硝化菌が嫌気槽 でも増殖を行う③実際の硝化菌の最大増殖速度は 文献値よりも大きい、の三つが考えられ、これら の可能性の可否を調べるために、以下の実験(RU

N3～RUN5)を行なった。

3 オゾン処理液導入に伴う硝化への影響 3-1 RUN3

の実験方法

実験装置及び運転条件を図

4、流入水組成を表1

に示す。この実験では、実験系、対照系とも硝化 菌が装置内に存在する限界条件(余剰汚泥引き抜 き量

2.7L、好気槽6.5L)に設定した。実験系には

嫌気槽にオゾン処理液を

500ml/d

ローラーポンプ で流入させ、その硝化の挙動を対照系のそれと比 較することでオゾン処理液の硝化菌への影響を調 査した。なお、このオゾン処理は、硝化活性が完 全に失われる

1.0gO3/gSS

よりも大幅に多くオゾ ンを注入して行った。

図４ 装置図及び運転条件(RUN3 実験系、対照系)

3-2 RUN3

の実験結果

運転結果を図

5

と図

6

に示す。両系列とも実験 期間を通してほぼ同じ挙動を示した。このことか ら、オゾン処理液による硝化への影響はないと考 えられる。この実験での対照系は、オゾン汚泥減 量法の実験(RUN1 の実験系)と同一の

G

値(＝0.6) に設定して運転したが、RUN1 実験系とは異なり アンモニア酸化が不安定になった。このことは、

オゾン処理によって硝化菌の活性が完全に失われ ても、その処理液中の硝化菌の一部は、活性汚泥 中で活性を回復することを示唆している。この可 能性に関しては、RUN6 で検討を行った。

図５ 流出水窒素濃度の経日変化(RUN3 実験系)

0

5 10 15 20 25 30 35

0 13 27 42

窒素化合物（mg/L）

運転日数（day）

系列4 NO3-N NO2-N NH4-N

0 5 10 15 20 25 30 35

0 18 34 50 74

窒素化合物（mg/L）

運転日数（day）

系列5 NO3-N NO2-N NH4-N 処理液

流入水

嫌気槽 無酸素槽

返送汚泥 120L/d 循環汚泥 60L/d

30L/d

オゾン

好気槽 6.5L

2.5L 2.5L

余剰汚泥 2.7L/d

0.5L/d (実験系のみ)

流入TOTAL-N 流入TOTAL-N

図６ 流出水窒素濃度の経日変化(RUN3(5)対照系)

４．硝化菌の嫌気槽での増殖

これまでに提案されている活性汚泥法での硝化 の動力学モデルは、硝化菌は好気槽のみで増殖す ると想定している。しかし、そのように考えると、

RUN1

の結果からは硝化菌最大増殖速度が異常に 大きな値となることになる。そこで、嫌気槽、無 酸素槽でも硝化菌が増殖するのではないかと考え、

以下の実験(RUN4)を行った。

4-1 RUN4

実験方法

装置図及び運転条件を図

7、流入水組成を表1

に示す。この実験の目的のためには、理想として は、嫌気槽の全くない条件で実験系を運転するこ とが望ましい。しかし、合成下水を用いた実験の 場合、活性汚泥のバルキングを防ぐためには嫌気 槽の存在が不可欠である。そこで、硝化菌増殖へ の嫌気槽の影響が最小限になるように、嫌気槽の 容量を

0.7L

と設定した。このような実験系を硝化 菌が装置内に存在できる限界条件で連続運転し、

その硝化の挙動を、嫌気槽

5.0Ｌでの運転結果

｛RUN3 対照系(図

6)と同じ条件｝のそれと比較し

た。

図７ 実験装置図および運転条件(RUN4)

4-2 RUN4

の実験結果

運転結果を図

8

に示す。嫌気槽

0.7L

では、運転 開始と共に徐々に硝化が悪化し始め、20 日目前に は殆ど硝化が行われなくなった。25 日目以降はバ ルキングが悪化したため、一定濃度の余剰汚泥引 抜が困難となり、運転を停止した。それに対し、

嫌気槽

5.0L(図6)では、

若干不安定な時期はあるが このような運転条件でも長期間硝化が行われてい た。

このことから、嫌気槽の存在が硝化菌の増殖に 関与していると考えられる。

図８ 流出水窒素濃度の経日変化(RUN4)

５ 硝化菌の最大増殖速度

5-1 RUN5

実験方法

装置図、運転条件及び流入水組成は

RUN3(対照

系)と同様である(図

4、表1)。RUN3(対照系)の運

転条件では、Gt 値

0.4

でも硝化が行なわれている ことが確認されている(図

6)。そこで本実験は、G

ｔ値

0.6/day

からスタートし、硝化が完全に行わ

れなくなるまでの

Gt

値を調査することで硝化菌 の最大増殖速度を求めた。また、

Gｔ値は好気槽容

量と余剰汚泥引抜量を変化させることで調整した。

5-2 RUN5

の実験結果

運転結果を図９に示す。

Gｔ値0.6/day、0.8/day

では、不安定な硝化ではあるが、亜硝酸が生成さ れており、硝化が行なわれている。最終的には、

Gt

値

1.0/day

で完全に硝化が起こらなくなった。

この結果から、硝化菌の最大増殖速度は(0.3-0.4/d

ay)よりも大きいことになる。しかし、RUN4

の結

果を考慮すると、硝化菌が好機槽のみで増殖する と想定していたことが原因である考えられる。

0 5 10 15 20 25 30 35

0 18 34 53 74

窒素化合物（mg/L）

運転日数（day）

系列6 NO3-N NO2-N NH4-N

0 5 10 15 20 25 30 35

0 7 14 21 28

窒素化合物（mg/L）

運転日数（day）

系列4 NO3-N NO2-N NH4-N

流入水

嫌気槽

返送汚泥 60L/d 30L/d

好気槽 6.5L 0.7L

余剰汚泥 2.7L/d

流入TOTAL-N 流入TOTAL-N

図９ 流出水窒素濃度の経日変化(RUN6)

6 オゾン処理で失われた硝化活性の回復

過去の研究で、

1.0gO3/gSS

でオゾン処理した後 に、長時間の硝化速度試験を行っても硝化は起こ らないという結果が得られ、このことより、当初 は、オゾン処理によって硝化菌の活性は完全に失 われ、その後の硝化活性の回復はないと考えられ た。しかし、

RUN3

の実験結果を踏まえると、 「オ ゾン処理によって活性が失われた硝化菌の一部は、

活性汚泥と混合状態にすることで活性が回復する」

という可能性が考えられ、以下のような回分実験

(RUN6)で検証を行った。

6-1 RUN6

の実験方法

まず、連続実験装置の運転条件を硝化が起こる 条件 (条件①と呼称)と 硝化の全く起こらない条 件(条件②と呼称)に設定し連続運転させ、二種類の 活性汚泥を培養する。

実験系では、二つの条件における実験装置の好 気第三槽から活性汚泥を１L ずつ採取し、条件① の活性汚泥を

0.1gO3/gSS

でオゾン処理を行う。

そのオゾン処理後の液体に、消泡剤を

100ppｍ加

え消泡した後に、条件②の活性汚泥と混合させる。

対照系では、純水１L と条件②の活性汚泥とを混 合させる。次に、作成した混合液を、

PH

制御装置

(7.5

に制御)を備えた恒温回分反応器(30 度に制御) に移し変え、基質である(NH

4)2SO4

を加え、17 時 間曝気させる。17 時間後、定時間隔で混合液試料 を採取し、反応液中の窒素化合物の濃度変化を測 定することで硝化速度を求め、二つの実験の比較 を行った。また、17 時間経過後に実験を開始した 理由として、予備実験で条件①のオゾン処理液と

活性汚泥の混合液を用いて硝化速度試験を行った ところ、オゾン処理液を混合した状態で硝化がお こるまでには、長時間を要することが確認されて いたためである。

6－2 RUN6

の実験結果

実験系、対照系の実験結果を図

10、11

に示す。

実験系では緩やかではあるが硝化が行われている のに対して、対照系では硝化が行われていない。

このことから、オゾン処理液中の硝化菌の活性が 多尐ではあるが回復していることが分かる。また、

予備実験の結果を踏まえると、オゾン処理液中に は硝化菌にとっての阻害物質が含まれており、そ れを活性汚泥中の硝化菌以外の微生物によって分 解され、硝化菌の活動が可能になったと考えられ る。

図

10 曝気時間と窒素化合物の増減(実験系)

図

11 曝気時間と窒素化合物の増減(対照系)

７ まとめ

①オゾン処理による余剰汚泥減量化に伴う窒素除 去への影響は動力学的予測に反して尐なかった。

②動力学では硝化菌は好気槽でのみ増殖するとし ているが、実際には嫌気槽でも増殖する。

③オゾン処理によって生成される硝化阻害物質は 活性汚泥によって分解され、失われた硝化活性は 部分的に回復する。

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 19 42 61 79 103

窒素化合物（mg/L）

運転日数（day） 系列4 NO3-N NO2-N NH4-N

10 20 30 40 50 60 70

0 60 120 180 240 300

窒素化合物（mg/L）

時間（minute）

NH4-N NO2-N + NO3-N TOTAL

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 60 120 180 240 300

窒素化合物（mg/L）

時間（minute）

NH4-N NO2-N + NO3-N TOTAL Gt値0.6 Gt値0.8 Gt値1.0

流入TOTAL-N