栄養塩除去活性汚泥法におけるオゾン処理による余剰汚泥減量化

栄養塩除去活性汚泥法におけるオゾン処理による余剰汚泥減量化

〜Waste sludge reduction by ozone treatment for nutrient removal activated sludge processes〜

土木工学専攻  ２号  石渡  圭

Kei Ishiwatari

1.研究背景および目的

有機性排水の処理方法として一般的に用いられて いる活性汚泥法だが、排水処理の過程で余剰汚泥と 呼ばれる産業廃棄物の排出が伴う。この余剰汚泥の 処分地不足や汚泥処理コストの問題から余剰汚泥減 量化の技術が望まれ、多くの減量化に関する実験が 行われている。オゾンを用いた余剰汚泥減量化技術 はでは、余剰汚泥として系外へ排出されていた汚泥 をオゾンの強力な酸化力により破壊し、有機物へと 変換し再び生物処理を行うことで余剰汚泥の削減を 行う。しかし、有機物に加え窒素・リンといった栄 養塩類をも同時に除去するプロセスについてオゾン 汚泥減量法を適用させた研究例は少ない。また、研 究室における過去の実験から窒素除去に対し悪影響 を及ぼす可能性が示されている。

そこで本研究では、窒素除去を行う硝化細菌のオ ゾン処理に対する耐性を調べ、その結果を元に窒 素・リン同時除去プロセスである

UCT

プロセスにオ ゾン汚泥減量法を適用させた際の活性汚泥の挙動・

処理水質の変動について調査する事を目的とする。

2.オゾン処理に対する硝化細菌の耐性 2-1

実験方法

  室内規模

UCT

プロセス(図

1)は亜硝酸生成菌に対

するオゾン処理の耐性を調査する実験では

RUN1、

硝酸生成菌のオゾン処理に対する耐性を調べる実験 では

RUN2

に示す運転条件・流入水組成(表

1、2)で

運転を行った。

嫌気槽 無酸素槽 好気槽 HRT Ae-HRT SRT day

RUN1 2.5 6.5 9.2 5.2 16

RUN2 2.5 3.5 4.5 8.4 3.6 15

L hour

実験区分

図

1  UCT

プロセス概略および運転条件

表１ RUN1 流入水組成    表

2 RUN2

流入水組成

有機原水 0.3L/day無機原水 29.7L/day 有機原水 0.3L/day無機原水 29.7L/day  (g/L) (mg/L)  (g/L) (mg/L)

Poly-Pepton  25 MgSO₄ 150 CH₃COOH  30 MgSO₄ 150

CH3COOH   5 H₃PO4 20 Yeast Extract 8 H3PO4 20

Yeast Extract 8 NaHCO3 100 NaCl 5 NaHCO3 300

NaCl 5 KHCO3 65 CaCl₂・2H₂O 2.5 KHCO₃ 130

CaCl₂・2H₂O 2.5  微量金属塩         (NH₄)₂SO₄ 117 微量金属塩      

RUN2 RUN1

UCT

プロセスの好気槽から採取した混合液を処理 水で２倍に希釈し供試活性汚泥を作成し、それを所 定時間、オゾンと接触させた。オゾン接触の際には 発泡による混合液の流出を防ぐためシリコーン系の

消泡剤を

100ppm添加した。

その後、 その混合液を pH

制御装置（pH 7.6 に制御）を備えた恒温（30 度に制 御）回分反応器に移し変え、基質である(NH

₄)2SO4

な いし

NaNO2

を加え、 定時間隔で混合液試料を採取し、

反応液中の窒素化合物（NH

₄-N,NO2-N,NO3-N）の濃度

変化を測定し、

RUN1

では

NH4-N、RUN2

では

NO2-N

の酸化速度を求める事によりそれぞれの硝化菌のオ ゾン処理に対する耐性を調査した。オゾン接触に用 いたオゾン発生機は、純酸素を紫外線で照射する方 式である。また、NH

₄-N

の測定には電量滴定法（次 亜臭素酸酸化法）を、また、NO

₂-N

と

NO3-N

の測定 はイオンクロマトグラフを用いた。

2-2

実験結果

オゾン処理に対する亜硝酸生成菌の耐性

アンモニア酸化速度を調べた回分実験例を図

2

に 示す。この実験例からわかるように、消費オゾン量 の増加と共に

NH4-N

の酸化が進まなくなっているこ とが確認できる。また、消費オゾン量を多くした場

合（図

2ｂ）には、NO2-N

の蓄積が見られなくなった。

このことから、硝酸生成菌は亜硝酸生成菌に比べオ ゾンに対する耐性が強いと推定される。また、

TOTAL-N

に注目すると、曝気時間の経過とともに増

加しているのがわかる。これは汚泥自己酸化よるも のと考えられる。

図

3

は、消費オゾン量とアンモニア酸化速度の関 係を示したものである。この図から消費オゾン量約

0.08（g-O3/g-SS）付近にてアンモニア酸化はほぼ完

全に停止すると考えられる。なお測定値を直線で回 帰させたときの重決定係数は約

0.86

となった。

嫌気槽 無酸素槽

返送汚泥 120L/d 循環汚泥 60L/d

流入水 30L/d

好気槽 余剰汚泥 0.7L/d

図

2

曝気時間と窒素化合物の増減(亜硝酸生成菌)

図

3

消費オゾン量と硝化速度の関係(亜硝酸生成菌) オゾン処理に対する硝酸生成菌の耐性

亜硝酸酸化速度を調べた回分実験例を図

4に示す。

硝酸生成菌の活性が失われるまでの消費オゾン量は、

亜硝酸生成菌のそれに比べ大幅に多い。このことか ら、硝酸生成菌のほうが亜硝酸生成菌よりもオゾン への耐性が強いことが確認できた。消費オゾン量

0.61(g-O3/g-SS)の実験ではTOTAL-N

に変動がみられ

るが、これは発泡が激しく、それが測定に影響した ためだと思われる。また、消費オゾン量が少ない場

合

TOTAL-N

が減少していたが、これは好気的脱窒に

よるものと考えられる。

図

4

曝気時間と窒素化合物の増減(硝酸生成菌)

消費オゾン量と亜硝酸酸化速度の相関を図

5

に示 す。消費オゾン

0.8(g-O3/g-SS)付近にて亜硝酸酸化は

ほぼ完全に停止すると考えられる。なお測定値を直 線で回帰した時の重決定係数は約

0.59

となった。

図

5

消費オゾン量と硝化速度の関係(硝酸生成菌)

3.オゾンを用いた余剰汚泥減量化実験

3-1

実験方法

以上のような回分実験の結果を踏まえて、窒素・

リンの同時除去を行う室内規模

UCT

プロセスを２系 列並列運転させ、その一方(実験系(図

6)と呼称)に対

して、好気槽汚泥をローラーポンプにより

2L/day

引 き抜き、亜硝酸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。

  この様な連続実験を行い、オゾン処理を行わない 系列(対照系と呼称)と活性汚泥の挙動・処理水質を比 べる事でオゾン汚泥減量法の効果を調査した。

図

6

オゾン汚泥減量法を組み込んだ

UCT

プロセス

(実験系)

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

6.5L オゾン処理 2L/d

余剰汚泥 0.7L/d (a)0.0(g-O3/g-SS) (b)0.083(g-O3/g-SS)

100 2030 4050 60

0 50 100 150 200 250 airation (min)

Nitrogen (mg / L)

NH4-N NO3-N NO2-N TOTAL

0 10 20 30 40 50 60

0 50 100 150 200 250 airation(min)

Nitrogen(mg/L)

0 10 20 30 40 50 60

0 50 100 150 200 250 airation (min)

Nitrogen (mg / L)

0 2 4 6 8 10

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

消費オゾン量(g - O3 / g - SS) 硝化速度(mg - N / g - SS・ h)

Y = -62.494 X + 4.893 R2 = 0.863

0 10 20 30 40 50

0 50 10 0

15 0

20 0

25 0 airation(min)

Nitrogen(mg/L)

NO2 NO3 TOTAL

0 10 20 30 40 50

0 50 100 150 200 250 airation(min)

Nitrogen(mg/L)

0 10 20 30 40 50

0 50 100 150 200 250 airation(min)

Nitrogen(mg/L)

(a)0.0(g-O3/g-SS) (b)0.612(g-O3/g-SS)

0 2 4 6 8 10

0 0.2 0.4 0.6 0.8

消費オゾン量(g - O3 / g - SS) 硝化速度(mg - N / g - SS・ h)

Y = -6.078 X + 4.514 R2 = 0.592

表

3

流入水組成

有機原水 0.3L/day 無機原水 29.7L/day

 (g/L) (mg/L)

Poly-Pepton  25 MgSO4 150

CH3COOH    2.5 H3PO4 20

CH3CH2COOH 2.5 NaHCO3 100

Yeast Extract 8 KHCO3 65

NaCl 5 CaCl2・2H2O 2.5 微量金属塩

3-2

実験結果 余剰汚泥減量効果

  本実験における余剰汚泥は好気槽汚泥を

0.7L/day

引き抜いたものである。すなわち余剰汚泥減量効果 の評価は

MLSS

濃度の変化を用いて行う。実験系・

対照系の

MLSS

濃度の経日変化の様子を図

7

に示す、

実験系におけるオゾン処理は運転日数

5

日目から開 始した。実験系では実験が進むにつれ

MLSS

濃度が 減少していき運転日数

55

日では実験当初の約半分に なった。対照系では逆に徐々に

MLSS

濃度が増加し た、また対照系では沈殿槽での汚泥の蓄積が見られ た事から実際の

MLSS

濃度は測定値よりも若干高い 値になっているものと考えられる。汚泥焼却後の残 留物を表す

ASH

の経日変化を図

8

に示す。

ASH

も実 験系では実験が進むにつれ減少していき、最終的に は実験当初の約

1/5

の値となった。 この事よりオゾン 汚泥減量法を用いる事で余剰汚泥の排出量を削減で き、同時に最終的な残留物も大幅に削減できた事と なる。まとめを表

4

に示す。

図

7 MLSS

濃度の経日変化

図

8 ASH

濃度の経日変化

表

4

余剰汚泥発生量の比較

発生余剰汚泥 焼却後残留物 発生余剰汚泥 焼却後残留物

0日目 2.221 0.414 2.107 0.392

28日目 1.152 0.081 1.944 0.319

57日目 1.047 0.088 2.465 0.380

実験系 対照系

g / day g / day

汚泥沈降性に対する効果

実験系・対照系共に運転開始直後はフロックに糸 状菌が多く存在し

SV

が

100付近の沈降性の悪い活性

汚泥であった。 実験系では実験が進むにつれ

SV

の値 が次第に減少し沈降性の回復が見られた、一方対照 系では実験期間を通して沈降性が回復する事は無か った。また、実験系・対照系の汚泥を位相差顕微鏡 にて撮影したものを写真

1〜4

に示す。この写真から も実験系において糸状菌が減少したことがわかる。

写真

1

実験系(0 日)   

写真

2

対照系(0 日)

写真

3

実験系(46 日)    写真

4

対照系(46 日) 窒素除去に対する影響

  実験系・対照系における流出水窒素濃度の経日変 化をそれぞれ図

9、図10

に示す。実験系では運転日 数

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、実験を通して 亜硝酸蓄積型の窒素除去となったが、先の硝酸生成 菌のオゾン処理に対する耐性を調べる実験から今回 の実験で設定したオゾン消費量は硝酸生成菌の活性 を失うものではなかった。よってオゾン処理ではな い違う原因により亜硝酸蓄積型の窒素除去になった ものと考えられる。対照系では実験期間を通して安 定した硝酸蓄積型の窒素除去を得る事が出来た。

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 実験日数(day)

ASH(g/L) 実験系

対照系 0

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 実験日数(day)

MLSS(g/L)

実験系 対照系

図

9

流出水窒素濃度の経日変化(実験系)

図

10

流出水窒素濃度の経日変化(対照系) 亜硝酸生成菌増減に関するシミュレーション   先の亜硝酸生成菌のオゾン処理に対する耐性を調 べた実験結果に基づき、monod 式を用い亜硝酸生成 菌の増減のシミュレーションを今回の実験条件で行 った結果を図

11

に示す。シミュレーション結果は今 回の実験結果とは異なり、オゾン処理を始めると直 ちに亜硝酸菌の減少が始まり、亜硝酸生成菌は消滅 し流出水に大量の

NH4-N

が残留する結果となった。

この結果の相違は亜硝酸生成菌がオゾン処理で活性 を失ったものの時間が経過し活性を取り戻した可能 性を示唆する。この可能性を確かめるため消費オゾ

ン量

0.1(g-O3/g-SS)でオゾン処理を行った後に 1020

分の硝化速度測定回分実験を行い亜硝酸生成菌の活 性の回復があるか調査した。 その結果を図

13

に示す。

オゾン処理後長時間経っても亜硝酸生成菌の活性が 回復する事は無かった。この事よりシミュレーショ ンと実験結果の相違はシミュレーション使用の際に 設定した最大増殖速度の値が実際よりも低かった為 ではないかと考えられる。

図

11

亜硝酸生成菌増減のシミュレーション

7 . 0 :

2 :

1 :

24 . 0 :

15 . 0 :

1 :

3 . 0 :

/ 1

4 :

) (

G :

余剰汚泥量 オゾン処理量 オゾンによる死滅  

増殖収率 自己分解定数 飽和定数 最大増殖速度  

⊿

濃度 流出水

    

⊿

⊿

亜硝酸生成菌量     

⊿

E L YA

bA K

dt SNH XBA

K YA SNH SNH

NH SNH

SNH SNH

SNH

E L bA G

dt XBA SNH XBA

K XBA SNH

XBA XBA

XBA XBA

図

12

シミュレーション条件

図

13

亜硝酸生成菌の活性回復

4.結論

・亜硝酸生成菌、硝酸生成菌のオゾン処理に対する 耐性は大きく異なり、亜硝酸生成菌は消費オゾン

量約

0.08(g-O3/g-SS)で、硝酸生成菌は

約

0.8(g-O3/g-SS)で活性を失う。また高い消費オゾ

ン量では亜硝酸生成菌の活性が回復する事は無か った。

・今回の実験ではオゾン汚泥減量法を用いることに よる余剰汚泥減量効果は発生余剰汚泥量に対して

は約

50%、焼却後の残留物に対しては約80%とな

り、大幅な減量化に成功した。

・糸状細菌はオゾン処理によりすみやかに、そして 完全に死滅する。この事からバルキング問題の解 決策としてオゾン処理は効果的であると言える。

・今回の実験条件オゾン汚泥減量法を用いる事で窒 素除去にもたらす悪影響は極めて少なかった。し かし、水温等に大きく左右される硝化菌の増殖速 度を把握する事が必要である。

<参考文献>

(1)T.Fukase and H.Yasui(1997):An activated sludge process without excess sludge production.

Wat.Sci.Tec 36.11,163-170

(2)荒川・田中:オゾン汚泥減容化プロセスでの窒素の

挙動に関する研究. エバラ時報

NO.217,3-10

0 5 10 15 20 25 30 35

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

運転日数(day)

Nitrogen(mg/L)

NH4 NO2

NO3 TOTAL

5 流入TOTAL-N 0

5 10 15 20 25 30 35

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

運転日数(day)

Nitrogen(mg/L)

NH4 NO2

NO3 TOTAL

流入TOTAL-N

0 20 40 60 80 100 120

0 5 10 15 20 25 30

運 転日数(day )

mg / L

亜硝酸生成菌量 流出水NH4濃度

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

airation(hour)

Nitrogen(mg/L)

NH4-N NO2-N

NO3-N TOTAL-N