特開2018-196885(P2018-196885A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特開2018-196885下水処理汚泥の嫌気性消化方法及び装置
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2018-196885(P2018-196885A)
(43)【公開日】2018年12月13日
(54)【発明の名称】下水処理汚泥の嫌気性消化方法及び装置
(51)【国際特許分類】
   C02F 11/04 20060101AFI20181116BHJP
【FI】
   C02F11/04 AZAB
【審査請求】有
【請求項の数】1
【出願形態】OL
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2018-170326(P2018-170326)
(22)【出願日】2018年9月12日
(62)【分割の表示】特願2014-181336(P2014-181336)の分割
【原出願日】2014年9月5日
(71)【出願人】
【識別番号】000001063
【氏名又は名称】栗田工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100086911
【弁理士】
【氏名又は名称】重野 剛
(74)【代理人】
【識別番号】100144967
【弁理士】
【氏名又は名称】重野 隆之
(72)【発明者】
【氏名】埜村 誠
(72)【発明者】
【氏名】中島 史朗
【テーマコード(参考)】
4D059
【Fターム(参考)】
4D059AA04
4D059AA05
4D059BA12
4D059BA28
4D059BA29
4D059BE01
4D059BE31
4D059BE37
4D059BE42
4D059BJ00
4D059CC01
4D059CC03
4D059CC04
4D059DA01
4D059DA02
4D059DA03
4D059DA08
4D059DA21
4D059DA22
4D059DA24
4D059DA25
4D059DA34
4D059DA35
4D059DA46
4D059DA70
4D059EA05
4D059EA06
4D059EA20
4D059EB11
(57)【要約】
【課題】槽内撹拌・混合型の反応槽において、分散菌が優占種となるように環境を整え、メタンガス生成量を高め、かつ濃度(分圧)を高めることができる下水処理汚泥の嫌気性消化方法及び装置を提供する。
【解決手段】下水処理場において、最初沈澱池で沈降した初沈汚泥及び/又は生物処理反応槽から引き抜かれた余剰汚泥よりなる下水処理汚泥を、嫌気性消化槽3にて嫌気性消化処理する下水処理汚泥の嫌気性消化方法及び装置において、該嫌気性消化槽3に導入される汚泥又は嫌気性消化槽について温度、pH,ORP,Mアルカリ度及び揮発性脂肪酸濃度の少なくとも1つの水質指標値を測定し、少なくとも1つの水質指標値が所定範囲を逸脱したときFe,Cu,Zn,Mg,Mn,K,Ca,Ni,Mo,Se,S,V,Cr,I及びCoの少なくとも1種を含む添加物を添加する。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
下水処理場において、最初沈澱池で沈降した初沈汚泥及び/又は生物処理反応槽から引き抜かれた余剰汚泥よりなる下水処理汚泥を、嫌気性消化槽にて所定の温度に保って嫌気性消化処理する下水処理汚泥の嫌気性消化方法において、
該嫌気性消化槽に導入される汚泥又は嫌気性消化槽に、Fe,Cu,Zn,Mg,Mn,K,Ca,Ni,Mo,Se,S,V,Cr,I及びCoの少なくとも1種を含む添加物を添加する下水処理汚泥の嫌気性消化方法であって、
前記嫌気性消化槽に導入される汚泥の温度又は前記嫌気性消化槽内の温度を測定し、
この温度が設定温度よりも低いときに前記添加物を添加することを特徴とする下水処理汚泥の嫌気性消化方法。
【請求項2】
下水処理場において、最初沈澱池で沈降した初沈汚泥及び/又は生物処理反応槽から引き抜かれた余剰汚泥よりなる下水処理汚泥を、嫌気性消化槽にて所定のpH範囲に保って嫌気性消化処理する下水処理汚泥の嫌気性消化方法において、
該嫌気性消化槽に導入される汚泥又は嫌気性消化槽に、Fe,Cu,Zn,Mg,Mn,K,Ca,Ni,Mo,Se,S,V,Cr,I及びCoの少なくとも1種を含む添加物を添加する下水処理汚泥の嫌気性消化方法であって、
前記嫌気性消化槽に導入される汚泥のpH又は前記嫌気性消化槽内のpHを測定し、
このpHが設定値よりも高いときに前記添加物を添加することを特徴とする下水処理汚泥の嫌気性消化方法。
【請求項3】
下水処理場において、最初沈澱池で沈降した初沈汚泥及び/又は生物処理反応槽から引き抜かれた余剰汚泥よりなる下水処理汚泥を、嫌気性消化槽にて所定のORP範囲に保って嫌気性消化処理する下水処理汚泥の嫌気性消化方法において、
該嫌気性消化槽に導入される汚泥又は嫌気性消化槽に、Fe,Cu,Zn,Mg,Mn,K,Ca,Ni,Mo,Se,S,V,Cr,I及びCoの少なくとも1種を含む添加物を添加する下水処理汚泥の嫌気性消化方法であって、
前記嫌気性消化槽に導入される汚泥のORP又は前記嫌気性消化槽内のORPを測定し、
このORPが設定値よりも高いときに前記添加物を添加することを特徴とする下水処理汚泥の嫌気性消化方法。
【請求項4】
下水処理場において、最初沈澱池で沈降した初沈汚泥及び/又は生物処理反応槽から引き抜かれた余剰汚泥よりなる下水処理汚泥を、嫌気性消化槽にて所定のMアルカリ度の範囲に保って嫌気性消化処理する下水処理汚泥の嫌気性消化方法において、
該嫌気性消化槽に導入される汚泥又は嫌気性消化槽に、Fe,Cu,Zn,Mg,Mn,K,Ca,Ni,Mo,Se,S,V,Cr,I及びCoの少なくとも1種を含む添加物を添加する下水処理汚泥の嫌気性消化方法であって、
前記嫌気性消化槽に導入される汚泥のMアルカリ度又は前記嫌気性消化槽内のMアルカリ度を測定し、
このMアルカリ度が設定値よりも低いときに前記添加物を添加することを特徴とする下水処理汚泥の嫌気性消化方法。
【請求項5】
下水処理場において、最初沈澱池で沈降した初沈汚泥及び/又は生物処理反応槽から引き抜かれた余剰汚泥よりなる下水処理汚泥を、嫌気性消化槽にて所定の揮発性脂肪酸濃度範囲となるよう嫌気性消化処理する下水処理汚泥の嫌気性消化方法において、
該嫌気性消化槽に導入される汚泥又は嫌気性消化槽に、Fe,Cu,Zn,Mg,Mn,K,Ca,Ni,Mo,Se,S,V,Cr,I及びCoの少なくとも1種を含む添加物を添加する下水処理汚泥の嫌気性消化方法であって、
前記嫌気性消化槽に導入される汚泥の揮発性脂肪酸濃度又は前記嫌気性消化槽内の揮発性脂肪酸濃度を測定し、
この揮発性脂肪酸濃度が設定値よりも低いときに前記添加物を添加することを特徴とする下水処理汚泥の嫌気性消化方法。
【請求項6】
請求項1ないし5のいずれか1項において、前記下水処理汚泥を濃縮してから前記嫌気性消化槽に導入することを特徴とする下水処理汚泥の嫌気性消化方法。
【請求項7】
下水処理場の最初沈澱池で沈降した初沈汚泥及び/又は生物処理反応槽から引き抜かれた余剰汚泥よりなる下水処理汚泥を所定の温度,pH,ORP,Mアルカリ度及び揮発性脂肪酸濃度の範囲に保って嫌気性消化処理する嫌気性消化槽を有する下水処理汚泥の嫌気性消化装置において、
該嫌気性消化槽に導入される汚泥又は嫌気性消化槽に、Fe,Cu,Zn,Mg,Mn,K,Ca,Ni,Mo,Se,S,V,Cr,I及びCoの少なくとも1種よりなる添加物を添加する添加手段を備えた下水処理汚泥の嫌気性消化装置であって、
前記嫌気性消化槽に導入される汚泥又は前記嫌気性消化槽内液の温度、pH,ORP,Mアルカリ度及び揮発性脂肪酸濃度の少なくとも1つの水質指標値を測定する測定手段と、
該測定手段で測定した少なくとも1つの水質指標値が所定範囲を逸脱したときに前記添加手段を作動させる制御手段と
を備えたことを特徴とする下水処理汚泥の嫌気性消化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は下水処理汚泥を嫌気性消化処理する方法及び装置に係り、特にメタンガス等の資源ガスの発生量を多くすることができる下水処理汚泥の嫌気性消化方法及び装置に関する。
【背景技術】
【0002】
下水処理場には、流入する汚水に含まれる固形物を沈殿させる最初沈澱池、好気性微生物の活動によって水中の有機物を浄化するエアタンク(曝気槽)、エアタンクで浄化が終わった汚泥混合水を沈殿処理して好気性微生物を含んだ汚泥フロックを回収すると共に清澄水を得るための最終沈澱池が設けられるのが一般的である。
【0003】
最初沈澱池で沈殿した汚泥を初沈汚泥(または生汚泥)と呼ぶ。この初沈汚泥は、水処理系において再利用されることがなく、適宜、系外に排出される。
【0004】
最終沈澱池で沈殿した汚泥の一部は、エアタンクに返送され再度利用されるが、余剰の汚泥は適宜、系外に排出される。この排出する汚泥を、余剰汚泥と呼ぶ。
【0005】
初沈汚泥や余剰汚泥は、重力濃縮槽や機械濃縮装置によってその濃度を高めた後、脱水機に送られ、脱水処理によって水分量を低減せしめたあと、焼却されたり、埋め立てされたり、また農地還元に用いられたりする。
【0006】
初沈汚泥や余剰汚泥を減容させるために、嫌気性消化槽を設置し、嫌気性微生物の活動によって汚泥の分解を行ない、減容させることも行われている。この嫌気性消化槽では、有機物の分解によって消化ガス(炭酸ガスやメタンガス)が発生する。このメタンガスは可燃性であり、かつカロリーが高いことから、ボイラーの燃料に用いられたり、発電機に供給して発電用の燃料として利用されたり、ガスを精製して販売されることもある。
【0007】
嫌気性消化槽は、その環境を整えることで大量の有機物を処理することが可能であるが、その活動は緩やかであり、有機物消費には時間を要する。これは、嫌気性微生物は、好気性微生物のように取り込んだ有機物を自身で水と炭酸にまで分解するのではなく、嫌気性消化槽内の嫌気性消化工程には複数の段階(嫌気プロセス)があり、それぞれの工程を担う微生物群が混在し、消化工程は、分解副生成物をリレーしながら分解する連鎖系で成り立っているためである。
【0008】
この連鎖系では、酸生成菌による酸生成反応で、酢酸が生成する。この酢酸から、メタン生成菌によってメタンガスが生成する。
【0009】
この連鎖系の反応を速めるために、消化槽内を高温に保ち、消化速度を高めると共に、設備の小型を図ることがある。即ち、メタン生成菌(種)は、37℃付近の中温帯又は55℃付近の高温帯において効率よく生育する。そのため、嫌気性槽の温度を37℃付近の中温又は55℃付近の高温に保つことが行われている。
【0010】
従来は、発生したメタンガスを、この昇温のために燃焼していたが、近年では、上記のようにガスを有効利用するようになってきている。そのため、単にメタンガスを多く発生させるだけでなく、その質も求められるようになってきている。例えば、発電用のガスエンジン向けには、メタン濃度を高めたり、濃度を安定化させることが求められるようになってきている。
【0011】
このようなことから、下水処理場に設置される嫌気性消化槽には、メタン生成菌の活性を安定的に高く維持することが求められる。また、嫌気性消化槽に供給する有機物の、酸生成能を高めることが求められる。メタン生成菌が高い活性を持っていたとしても、嫌気プロセスにおける前段階の酸生成工程が上手くいかないと、メタンガス発生量が期待したように得られないばかりか、リレーが滞ると嫌気プロセスが次第に悪化し、処理の長期的な不調へと繋がることがある。
【0012】
嫌気性細菌の増殖はゆっくりしており、例えば汚水処理においていちど能力低下すると、菌自身の自己回復に頼った方法では、性能回復までに長い時間を要することが知られている。
【0013】
そのため、メタン生成菌の活性維持と共に、酸生成に関わる菌の活性を高め、嫌気プロセスを滞りなく行なわせるような管理方法が求められるようになってきている。
【0014】
しかしながら、従来の方法は、嫌気性消化槽のメタン生成菌の活性を良好に保つことを目的としており、これだけでは酸生成工程の安定化には繋がらず、結果として、期待したメタン発生量を得られず、発生したガス中のメタン濃度(分圧)も低い場合が多い。
【0015】
酸生成を効率的に行なわせるためには、処理環境を整え、連鎖に寄与する菌を十分に確保し、かつ、活性を保つ必要がある。酸生成に影響を及ぼす環境因子は、温度、時間、pHなどがある。温度が適正な範囲にないと、酸生成に時間を要したり、有機物の分解が途中で停止したり、リレーが適切に行われなかったりする。また、生成した有機酸によりpHが下がるので、有機物量が多量に流入し、いちどに分解反応が進んだ場合にpHが下がり過ぎ、反応が停止することがある。
【0016】
下水処理場の嫌気性消化槽は、水処理ではなく、汚泥処理の要素が強い。水処理の場合は、水中に溶解している有機物の分解が主であるのに対し、汚泥処理の場合は水中に懸濁している有機物を分解するものであり、時間的な要素が重要である。また、水処理の場合には、酸生成とメタン発酵のプロセスを分けて、別個の反応槽を設けて行なうことが多く、また一過性で処理を行なっていることが多いのに対し、汚泥処理の場合には、1つの反応槽で連鎖反応を行なわせることが多いだけでなく、汚泥を断続的に供給する場合でも、酸生成もメタン発酵も同時並行で行なわれる混合処理であることが多い。このため、消化槽に供給する汚泥の状態が嫌気プロセスに影響を及ぼしていることが多い。
【0017】
例えば、消化槽内は35℃付近や55℃付近の温度に制御されていることが多い。これに対して、供給する汚泥の温度は、夏場では30℃近くまでなることもあるが、冬場には15℃を切ってしまうこともある。15℃では、汚泥消化に関わる嫌気性細菌群の活動は、著しく低下する。特に、槽内を55℃で管理する高温消化槽では、その活性を活かして汚泥の槽内滞留時間はより短く、5日間から長くても10日間で管理されることが多いが、これはすなわち、槽内にある汚泥量に対して1/5〜1/10量を供給していることになる。実際には、消化槽で汚泥が減容していくため、仮に1/5量を供給した場合でも実は1/3量を供給したのと同じことになる。そうすると、55℃の汚泥2重量部に対し、15℃の汚泥1重量部を供給することになるので、供給した汚泥の周辺は供給した直後に急激な温度低下が起こることになる。
【0018】
このため、消化槽内に存在する菌が十分な活性をもっていないと、有機物の分解能が不安定になり、あるいは低下し、嫌気プロセスが壊れる可能性もある。したがって、供給する汚泥の温度が低い場合には、消化槽内に存在する菌の活性をより高める必要がある。
【0019】
また、嫌気性消化槽へ供給する汚泥は、下水管→最初沈澱池→汚泥濃縮槽(装置)の経路を通って流入する。この間、酸素の少ない環境に長時間晒され、流入までに接した、あるいは、下水中に入り込んだ嫌気性細菌により分解を受けていることもある。このような場合には、消化槽での有機物分解反応及びメタン発生反応はスムーズに進行する。しかしながら、この分解は、いわば成り行きで起きたことであり、人的な関与によって制御されたものではないため、様々な因子により変化する。前述のように、嫌気性消化槽内での汚泥の滞留時間は、数日〜長くても十数日でしかない。このため、予め有機酸分解を受けた汚泥が供給されているときに形成された菌相に、突然、有機酸分解を受けていない汚泥が供給されると、嫌気プロセスに支障が起き、メタン生成能が低下する。したがって、供給する汚泥の有機酸分解が進んでいない場合には、消化槽内に存在する菌の活性をより高める必要がある。
【0020】
以上のように、下水処理場の嫌気性消化槽での処理プロセスには特有の性質がある。そのため、メタン発生までのプロセスを安定して行わせるためには、(1)嫌気性消化槽に供給する汚泥スラリーの温度変化を測定し、それが低いときには対策を講じて菌の活性を維持させること、(2)嫌気性消化槽に供給する汚泥スラリーの分解進行状況を把握し、それが低いときには対策を講じて菌の活性を維持させることが、メタンガス生成量を高め、かつ濃度(分圧)を高めるために必要となるが、これまでこうした点に着目して管理を試みた例はなかった。さらに、メタン生成菌の菌種を、より能力の高い菌種=Methanosarcinaに移行させることが求められている。
【0021】
特開平4−300698及び特開平3−154692(特許文献1,2)には、下水、産業廃水、汚泥等の有機性廃水を嫌気性処理する方法において、嫌気性リアクタに導入される廃水に栄養塩類溶液として窒素化合物、リン酸化合物、ニッケル化合物又はコバルト化合物の溶液を廃水中の有機物濃度と処理水中の有機物濃度とに応じて添加することが記載されている。
【0022】
特開平3−165895(特許文献3)には、有機性廃液にニッケル、鉄、コバルトを添加してメタン発酵処理することが記載されている。
【0023】
特開平11−28445(特許文献4)には、生ゴミ、厨芥や、農水産廃棄物などの事業系ゴミを解破砕した後、塩化第一鉄などの鉄化合物、塩化ニッケルなどのニッケル化合物、塩化コバルトなどのコバルト化合物の少なくとも1種よりなる栄養塩類を添加し、55〜60℃で撹拌してメタン発酵処理することが記載されている。
【0024】
なお、嫌気性処理装置に対して、カルシウム化合物又は鉄塩を添加する方法が、特許第3387241(特許文献5)、及び特許第3814851(特許文献6)に記載されている。
【0025】
しかしながら、特許文献5,6は、いずれもグラニュール汚泥で形成されたスラッジブランケットに有機性排水を上向流通水する方法に関するものであり、本発明とはカルシウム化合物又は鉄塩の添加対象が異なる。また、特許文献3,4は、グラニュール内部の空隙にCaCO又はFeSを生成させて充填することでグラニュールの沈降性を高め、グラニュールの浮上流出を防止することを目的とするものであって、本発明方法とはカルシウム化合物又は鉄塩の作用が異なる。
【0026】
前述のように、嫌気性消化槽において発生したメタンガスが有効利用されるようになり、メタンガス発生量を効率的に増やすことに加えて、メタン濃度を高めること、及びメタンの濃度を安定化させることが求められるようになってきた。
【0027】
ところが、従来より採用されている、嫌気性消化槽の温度をメタン生成菌の温度帯(35℃付近又は55℃付近)に合わせる方法は、消化を促進して汚泥減容率を高めることを主目的としていることから、トータルでのメタンガス発生量を高めることはできても、メタンガスの濃度(分圧)を高めることはできなかった。
【0028】
この理由としては、以下の2つがある。
(1)メタン生成菌は、前述の連鎖系の最後に活動する菌である。メタン生成菌は、適性温度帯が限られていることに見られるように、生物学的に劣勢の菌であり、増殖速度も他の細菌に比較すると小さい。嫌気性消化槽を高温にすることで嫌気性細菌の活動が活発になり、消化速度が高められる。しかしながら、消化タンク(嫌気性消化槽)への汚泥の供給量を増加させると、嫌気性消化槽内での汚泥の滞留時間が短くなるためメタン生成菌の増殖が間に合わず、結果として期待したよりもメタンガスが生成しないことがある。例えば、消化タンクへの汚泥投入量が増えたとき、メタン生成菌の酢酸摂取量が低下すると、連鎖系における有機酸の受け渡しが滞り、系内に有機酸が残存することで有機酸生成に関わる菌の活性が低下することがある。また、有機酸生成に伴うpH低下で菌の活性が低下して、結果としてメタン濃度もメタン生成量も低下することがある。このように、温度による制御だけでは、投入汚泥量が変化し消化タンクの負荷変動があるときにメタンガスの発生量が安定しない。
(2)下水汚泥処理系におけるメタン生成菌には、主に次の2種がいる。
(i) Methanosaeta(糸状菌)
(ii) Methanosarcina(分散菌)
これらは形状(形態)が異なるだけでなく、次のような性質が報告されている。
【0029】
糸状菌:酢酸利用速度8kg/m−日、 消化必要日数20日程度
分散菌:酢酸利用速度30kg/m−日、 消化必要日数5日程度
したがって、分散菌を優占種として繁殖させることができれば、前記(1)のような環境変化・変動に対しても対応できるが、下水汚泥を「餌」とした処理環境では、糸状菌が多数であることが、数々の現場調査、研究によって判っている。
【0030】
なお、有機性排水を嫌気性反応槽に上向流通水して処理する、UASB法(Upflow Anaerobic Sludge Blanket:上向流式嫌気性汚泥床)や、EGSB法(Expanded Granular Sludge Bed:グラニュール汚泥膨張床)では、嫌気性細菌がグラニュールを形成して菌の充填密度を高め、かつ、上向流速よりも大きい沈降速度を持って流出しないようにするために、糸状菌を優占種として繁殖させることが試みられているが、本発明で対象としている嫌気性消化槽ではむしろ分散菌が優占種である方が好ましい。
【0031】
UASB法やEGSB法においても実際は、生成したグラニュールの中心部は糸状菌が優占種となって“粒子”を形成しているが、表面に近い層には分散菌が多く存在することが、数多くの実機調査や学術的研究及び実験で判っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0032】
【特許文献1】特開平4−300698
【特許文献2】特開平3−154692
【特許文献3】特開平3−165895
【特許文献4】特開平11−28445
【特許文献5】特許第3387241
【特許文献6】特許第3814851
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0033】
前述のように、下水処理場の嫌気性消化槽の中に存在する主なメタン生成菌には、Methanosaeta(糸状菌)、Methanosarcina(分散菌)の2種がある。糸状菌よりも酢酸利用速度が大きい分散菌を優先種とすることにより、嫌気性消化反応が早くなり、生成する消化ガス中のメタンガス濃度も高くなるが、従来の嫌気性消化槽では糸状菌が優先種となりがちである。この理由の一つとして、分散菌の世代寿命が短いことが挙げられる。いちど分散菌の生殖/増殖のバランスを崩してしまうと分散菌が劣勢種となってしまう。特に、嫌気性消化槽への投入汚泥量が多い場合には、分散菌が槽から押し出されてますます菌数が少なくなり、前述したようにメタン生成が律速となって有機物のリレーが滞ってしまう。
【0034】
糸状菌が優占種となり易いもう一つの理由として、Fe,Ni,Co等の添加物が不足して分散菌の活性が低下することが挙げられる。このような添加物が不足して有機酸リレープロセスが停滞していたり、酢酸消費速度が低下して活性の落ちていた環境にFe,Ni,Co等の添加物を添加することにより分散菌が優占種にシフトし、メタン生成量及びメタン生成速度が増加する。前述のように、分散菌は世代寿命が短いことから、Fe,Ni,Co等の要求量が糸状菌のそれよりも多く、したがって不足すると糸状菌が優占種となってしまう。
【0035】
嫌気性細菌は、好気性細菌と異なり菌体の増殖速度がそれほど速くないため、好気性細菌で要求されるような、大量の窒素成分を要求しない。一方、前述のように嫌気性細菌は有機物の分解をリレーして行なうが、これは逆説すれば分解できる有機物の種類が限られている、すなわち、菌自身の持つ分解酵素の種類が少ない,ということになる。また、よく知られているように、酵素を効率的に働かせるためにはFe,Co,Ni等の微量金属が必要とされる。
【0036】
実際の下水施設においては、このような微量金属が不足していることが多い。前述のように下水の嫌気性消化槽での汚泥の滞留時間は、水処理系での滞留時間と比較して明らかに短いので、菌体の入れ替わりが激しい。増殖が速くない嫌気性細菌でも、系内に保持されない限りは、微量金属の蓄積が期待できないので、必要量を適宜補充する必要がある。
【0037】
本発明は、下水処理汚泥を嫌気性消化処理する方法及び装置において、上向流通水式反応槽ではなく、槽内撹拌・混合型の嫌気性消化槽又はそれへの供給汚泥に対し、Fe,Cu,Zn,Mg,Mn,K,Ca,Ni,Mo,Se,S,V,Cr,I及びCoの少なくとも1種を含む添加物を添加することにより、分散菌が優占種となるように環境を整え、メタンガス生成量を高め、かつメタンガス濃度(分圧)を高めることができる下水処理汚泥の嫌気性消化方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0038】
本発明の下水処理汚泥の嫌気性消化方法は、下水処理場において、最初沈澱池で沈降した初沈汚泥及び/又は生物処理反応槽から引き抜かれた余剰汚泥よりなる下水処理汚泥を、嫌気性消化槽にて嫌気性消化処理する下水処理汚泥の嫌気性消化方法において、該嫌気性消化槽に導入される汚泥又は嫌気性消化槽に、Fe,Cu,Zn,Mg,Mn,K,Ca,Ni,Mo,Se,S,V,Cr,I及びCoの少なくとも1種を含む添加物を添加する方法に関する。
【0039】
本発明方法の一態様では、前記嫌気性消化槽に導入される汚泥の温度又は前記嫌気性消化槽内の温度を測定し、この温度が所定温度よりも低いときに前記添加物を添加する。
【0040】
本発明方法の一態様では、前記嫌気性消化槽に導入される汚泥のpH又は前記嫌気性消化槽内のpHを測定し、このpHが所定値よりも高いときに前記添加物を添加する。
【0041】
本発明方法の一態様では、前記嫌気性消化槽に導入される汚泥のORP又は前記嫌気性消化槽内のORPを測定し、このORPが所定値よりも高いときに前記添加物を添加する。
【0042】
本発明方法の一態様では、前記嫌気性消化槽に導入される汚泥のMアルカリ度(酸消費量)又は前記嫌気性消化槽内のMアルカリ度を測定し、このMアルカリ度が所定値よりも低いときに前記添加物を添加する。
【0043】
本発明方法の一態様では、前記嫌気性消化槽に導入される汚泥の揮発性脂肪酸濃度又は前記嫌気性消化槽内の揮発性脂肪酸濃度を測定し、この揮発性脂肪酸濃度が所定値よりも低いときに前記添加物を添加する。
【0044】
本発明方法では、前記下水処理汚泥を濃縮してから前記嫌気性消化槽に導入してもよい。
【0045】
本発明の下水処理汚泥の嫌気性消化装置は、下水処理場の最初沈澱池で沈降した初沈汚泥及び/又は生物処理反応槽から引き抜かれた余剰汚泥よりなる下水処理汚泥を嫌気性消化処理する嫌気性消化槽を有する下水処理汚泥の嫌気性消化装置において、該嫌気性消化槽に導入される汚泥又は嫌気性消化槽に、Fe,Cu,Zn,Mg,Mn,K,Ca,Ni,Mo,Se,S,V,Cr,I及びCoの少なくとも1種よりなる添加物を添加する添加手段を備えた下水処理汚泥の嫌気性消化装置であって、前記嫌気性消化槽に導入される汚泥又は前記嫌気性消化槽内液の温度、pH,ORP,Mアルカリ度及び揮発性脂肪酸濃度の少なくとも1つの水質指標値を測定する測定手段と、該測定手段で測定した少なくとも1つの水質指標値が所定範囲を逸脱したときに前記添加手段を作動させる制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0046】
本発明では、嫌気性消化槽に導入される汚泥又は嫌気性消化槽内液の温度、pH,ORP,Mアルカリ度及び揮発性脂肪酸濃度の少なくとも1つの水質指標値が所定範囲を逸脱したときに添加物を添加するので、添加物を適切に添加することができる。
【0047】
Fe,Ni,Coが、メタン生成菌の活性維持・向上に効果のあることは、様々な研究報告がなされている。この3種の金属に、さらにMnを加えると、下水処理場に設置される嫌気性消化槽内に存在している主なメタン生成菌2種Methanosaeta、Methanosarcinaの内、メタン生成速度がより高く、かつ、菌体当たりのメタンの総発生量が低い後者を優占種にシフトさせることができ、消化槽のメタンの生成能を高めることができる。
【0048】
Cu,Zn,Mg,K,Ca,Mo,Se,S,V,Cr,I,の中から選ばれる元素、または、その金属塩の、いずれか1つ,または、複数を、嫌気性消化槽に供給する汚泥に予め添加・混合する、乃至は、嫌気性消化槽に直接添加することで、酸生成に関わる細菌の酵素を活性化させることができ、酸生成能を高めることができる。例えば、Seは脂質の加水分解酵素を正常働かせるために必要な触媒となり、CuやZnはATP生成・貯蔵に必須の元素である。
【図面の簡単な説明】
【0049】
図1】本発明の実施の形態を示すフロー図である。
図2】実験方法の説明図である。
図3】実験方法の説明図である。
図4】実験結果を示すグラフである。
図5】実験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0050】
図1に示すように、本発明の好適態様においては、下水処理現場の初沈汚泥及び/又は余剰汚泥よりなる下水処理汚泥を混合槽1に導入し、添加物添加手段2によって添加物を添加する。この添加物はFe,Cu,Zn,Mg,Mn,K,Ca,Ni,Mo,Se,S,V,Cr,I,及びCoの少なくとも1種の単体又は化合物である。添加物は、嫌気性消化槽3に添加されてもよいが、Fe等が嫌気性消化汚泥に取り込まれて沈降してしまうことがあるので、嫌気性消化槽3よりも前段側において汚泥に添加されることが好ましい。混合槽2は撹拌機2aを備えることが好ましい。
【0051】
初沈汚泥及び/又は余剰汚泥よりなる汚泥を混合槽1に導入する前に濃縮装置によって濃縮してもよい。濃縮装置は、重力式濃縮槽であってもよく、遠心分離機などの機械的濃縮装置であってもよい。
【0052】
添加物が添加された汚泥を嫌気性消化槽3に導入し、必要に応じ加温し、例えば55〜60℃で適宜撹拌し、酸生成菌、メタン生成菌などの嫌気性微生物にて有機性廃棄物中の有機性物質をメタン発酵処理する。発生した消化ガスは消化ガス取出管4を介して取り出される。嫌気性消化槽3で消化処理することにより生じた嫌気性消化液を固液分離手段5に導入し、スクリーンや膜などによる濾過分離や沈降分離処理、遠心分離処理などにて脱水ケーキと分離液とに固液分離する。
【0053】
固液分離により分離された液分は混合槽1に返送される。固形分については、系外に取り出し、別途処理したり、燃料、肥料、建材などの製造に有効利用する。なお、固形分の一部を混合槽1又は嫌気性消化槽3に返送してもよい。
【0054】
上記の添加物のうち、金属は、可溶性の塩の顆粒、解砕物、粉末又は水溶液として添加されるのが好ましい。
【0055】
S,Seについては、単体の粉末又は顆粒として添加されてもよく、硫化物、セレン化物、硫酸塩、セレン酸塩の顆粒、粉末又は水溶液の形態で添加されてもよい。
【0056】
Iについてはヨウ化物の顆粒、粉末又は水溶液の形態で添加されるのが好ましい。
【0057】
なお、いずれの添加物も、水溶液として添加するのが、定量添加が容易である。また、添加物が、予め水に溶かしてイオン状になっていると、該消化槽内に存在する汚泥スラリーに混合・拡散しやすいだけでなく、目的とする嫌気性細菌に取り込まれやすいので、好ましい。
【0058】
FeやZn,Mgは反応性が高く、硫化物と結合して沈殿したり、リンと反応してMAPなどのスケールを析出してしまうことがあるので、消化槽へ直接添加する際には注意が必要である。このようなときには、FeやZn,Mgを消化槽に直接に添加するではなく、消化槽へ供給する汚泥に予め混合した後に消化槽へ供給することが好ましい。金属類はすべてをいちどに添加してもよいし、添加する順序を決めて順番に添加してもよいし、上記のような影響を考えて添加する場所を変えてもよい。
【0059】
どの添加物が効果的であるかは、予め消化槽内の汚泥スラリーと消化槽に投入される汚泥とを混ぜた試料に添加物を添加して適正な温度の下で数日間放置し(このとき、撹拌装置によって連続、または、間欠的に緩速撹拌すると、より好ましい)、発生したガス量、メタンガス濃度(分圧)を測定する試験を行なって決めることができる。どの添加物が不足しているかは、投入汚泥が流入するまでの履歴によって異なり、季節によっても異なるので、予め上記試験を行なって決定するのが好ましい。
【0060】
適正添加量は、この試験において条件を種々変更することにより調べることもできる。なお、投入汚泥の全固形物質の重量当たり1%を超えない範囲であれば、仮に添加物が適正量よりも過剰添加されても、菌の活性には影響は出ない。
【0061】
このように添加物は1種のみ添加されてもよく、2種以上添加されてもよい。上記添加率範囲内で複数の添加物を添加するようにしてもよい。2種以上添加する場合、各添加物を混合して添加してもよく、同時に別々に添加してもよく、添加時期を異ならせて別々に添加してもよい。
【0062】
前述のように、嫌気性消化槽に供給する汚泥スラリーの温度が下がると、消化槽に流入したときに局所的な温度低下を生み、嫌気性細菌の活性が低下する。このとき、必要な元素が供給されていれば、活性度低下は最小限に抑えることができる。また、嫌気性消化槽に供給する汚泥の温度が下がっていると、下水管→最初沈澱池→汚泥濃縮槽(装置)の経路を通ってくる際に、分解を受けていないことが予想される。一般に、25℃を下回ると、嫌気性細菌の活性は著しく低下する。
【0063】
そこで、本発明では、嫌気性消化槽3に導入される汚泥の温度(例えば混合槽1内の汚泥の温度)、又は嫌気性消化槽3内の液の温度を測定し、この温度が所定値(温度)よりも低いときに添加物を添加するようにしてもよい。この場合、検出温度と該所定値との差が大きくなるほど、添加物の添加量を多くするのが好ましい。温度の閾値には制限はなく、その処理場,処理設備に合った値で、自由に設定することができるが、一般的な下水処理場の嫌気性消化槽供給汚泥の場合には、おおむね17℃が目安となる。
【0064】
嫌気性消化槽に供給する汚泥が分解を受けていないと、汚泥のpHは(有機酸生成量が少ないために)高い状態であることが多い。そこで、本発明では、嫌気性消化槽3に導入される汚泥のpH(例えば混合槽1内の汚泥のpH)、又は嫌気性消化槽3内の液のpHを測定し、このpHが所定値よりも高いときに添加物を添加するようにしてもよい。この場合、検出pHと該所定値との差が大きくなるほど、添加物の添加量を多くするのが好ましい。この所定値は6〜7の範囲で設定されるのが好ましい。
【0065】
また、嫌気性消化槽に供給する汚泥が分解を受けていないと、汚泥の酸化還元電位(ORP:Oxidation Reduction Potential)の値が高い状態であることが多い。そこで、本発明では、嫌気性消化槽3に導入される汚泥のORP(例えば混合槽1内の汚泥のORP)、又は嫌気性消化槽3内の液のORPを測定し、このORPが所定値よりも高いときに添加物を添加するようにしてもよい。この場合、検出ORPと該所定値との差が大きくなるほど、添加物の添加量を多くするのが好ましい。この所定値は−100〜0mVの範囲で設定されるのが好ましい。
【0066】
嫌気性消化槽に供給する汚泥が分解を受けていないと、汚泥中の酸消費度(M−アルカリ度)が低い場合が多い。そこで、本発明では、嫌気性消化槽3に導入される汚泥のMアルカリ度(例えば混合槽1内の汚泥のMアルカリ度)、又は嫌気性消化槽3内の液のMアルカリ度を測定し、このMアルカリ度が所定値よりも低いときに添加物を添加するようにしてもよい。この場合、検出Mアルカリ度と該所定値との差が大きくなるほど、添加物の添加量を多くするのが好ましい。この所定値は50〜200mg/L−asCaCO特に50〜150mg/L−asCaCOの範囲で設定されるのが好ましい。
【0067】
嫌気性消化槽に供給する汚泥が分解を受けていないと、汚泥中の揮発性脂肪酸濃度(VFA:Volatile Fatty Acid)が低い場合が多い。VFAは通常、酢酸とプロピオン酸と酪酸の総量である。そこで、嫌気性消化槽に供給する汚泥スラリー中のVFA濃度(例えば混合槽1内の汚泥のVFA濃度)、又は嫌気性消化槽3内の液のVFA濃度を測定し、このVFA濃度が所定値よりも低いときに添加物を添加するようにしてもよい。この場合、検出VFA濃度と該所定値との差が大きくなるほど、添加物の添加量を多くするのが好ましい。この所定値は処理場ごとによって異なり、また初沈汚泥と余剰汚泥の混合比率によっても異なるが、おおむね0〜1000mg/L特に10〜500mg/Lの範囲で設定されるのが好ましい。
【0068】
本発明では、上記の温度、pH、ORP、Mアルカリ度、VFA濃度の2以上の項目(水質指標値)について測定し、いずれか1つの項目でも前記所定値の範囲を逸脱するときに添加物を添加するようにしてもよい。
【0069】
添加物の添加制御は、自動制御で行われてもよく、手動制御で行われてもよい。
【実施例】
【0070】
以下の実施例及び比較例では、被処理汚泥(以下、原汚泥という。)として実際の都市下水処理場の初沈汚泥を用い、消化槽汚泥としてはこの下水処理場の嫌気性消化槽汚泥を用いた。原汚泥の温度は17℃、消化槽汚泥の温度は33℃である。
【0071】
[比較例1]
図2のように、原汚泥100mLと消化槽汚泥400mLとをそのまま三角フラスコ(容量:500mL)に投入した。
【0072】
図3の通り、三角フラスコの口に、発生したガスを排出できるステンレス管を備えたゴム栓を挿入した。ステンレス管はステンレスチューブに接続され、内部を水で満たして内部の空気を置換したのちに別個設けた水槽中に倒立させたメスシリンダー内に導かれ、三角フラスコで発生したガスはこのメスシリンダー内で上方採取されるようになっている。
【0073】
この三角フラスコを、試験開始後に温度35〜40℃に調整された水槽で湯浴し、内部をおおよそ37℃に保つようにした。また、撹拌子及びマグネチックスターラーでフラスコ内部を撹拌できるようにした。
【0074】
7日間の試験期間中、発生したガス量をメスシリンダーで捕集したガスの体積から求めた。結果を図4に示す。また、試験終了後にメスシリンダー内に溜まったガス層から注射器を用いてガス分析用サンプルを採取し、ガスクロマトグラフィーでメタンガス濃度,炭酸ガス濃度、窒素ガス濃度、硫化水素濃度(vol%)を測定した。結果を表1に示す。
【0075】
[比較例2]
原汚泥を予め湯浴によって28℃に昇温させ、消化槽汚泥と合わせて三角フラスコに投入したこと以外は比較例1と同様にして行った。結果を図4、表1に示す。
【0076】
[実施例1]
原汚泥に対し予め
塩化第一鉄:0.1重量%
塩化ニッケル:0.001重量%
塩化コバルト:0.001重量%
塩化マンガン:0.0003重量%
を水溶液の形態で加えて1時間撹拌混合したこと以外は比較例1と同様にして行った。結果を図4、表1に示す。
【0077】
なお、金属塩水溶液は、各金属塩を5mLの水に溶解させた後、pHを6に調整したものである。
【0078】
【表1】
【0079】
[考察]
表1の通り、原汚泥に対し金属塩を添加した実施例1は、比較例1(何の前処理もせず)及び比較例2(原汚泥を予め28℃に昇温した)と比較して、ガス総発生量が多く、メタンガス濃度も高い。
【0080】
[比較例3〜5、実施例2]
原汚泥を予め以下の前処理を行なって調整した後に、いずれも湯浴で35℃に昇温した。この35℃に昇温後の原汚泥100mLと、33℃の消化槽汚泥400mLとを三角フラスコに投入したこと以外は比較例1と同様にして実験を行った。
【0081】
比較例3:35℃で24時間放置
比較例4:25℃で24時間放置
比較例5:4℃で冷蔵保存
実施例2:4℃で冷蔵保存、三角フラスコに入れて昇温後に、該・供給汚泥に対し予め
塩化第一鉄:0.1重量%
塩化ニッケル:0.001重量%
塩化コバルト:0.001重量%
塩化マンガン:0.0003重量%
を水溶液の形態で加えて撹拌混合したのち、消化槽汚泥を加えた。
【0082】
なお、金属塩水溶液は、各金属塩を5mLの水に溶解させた後、pHを7に調整したものである。
【0083】
ガス発生量及びガス組成分析結果を図5及び表2に示す。また、実験開始後、7日目におけるフラスコ内のpH、ORP、M−アルカリ度及びVFA濃度を表3に示す。
【0084】
【表2】
【0085】
【表3】
【0086】
[考察]
表2,3の通り、比較例5は比較例3,4よりもガス総発生量が少なく、発生ガス中のメタンガス濃度が低い。これは、嫌気プロセスが進んでいないためであり、pHやORPが高く、M−アルカリ度やVFA濃度が低い。
【0087】
比較例5にFe,Ni,Co,Mnの各塩を添加したものが実施例2である。この実施例2では、初期のガス発生量は比較例3,4よりも少ないが、3日後頃からの上昇率が他を引き離して、最終的なガス発生量もメタンガス濃度も高くすることができた。
【0088】
フラスコ内の汚泥の状態は、pHで把握することもできるし、ORPやM−アルカリ度、VFA濃度で把握することもできる。
【0089】
例えばこの汚泥処理系においては、閾値を
pH:7(−)
ORP:−100(mV)
M−アルカリ度:90(mg/L as CaCO
VFA:10(mg/L)
と定め、これらを逸脱したとき(pH、ORPの場合は上回ったとき、M−アルカリ度、VFA濃度の場合は下回ったとき)にFe,Ni,Co,Mnの各塩を添加すれば、メタンガス発生効果を高め、ガス発生量を多くし,かつ、メタン濃度を高くすることができる。
【符号の説明】
【0090】
1 混合槽
3 嫌気性消化槽
5 固液分離手段
図1
図2
図3
図4
図5
【手続補正書】
【提出日】2018年9月12日
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
下水処理場の最初沈澱池で沈降した初沈汚泥及び/又は生物処理反応槽から引き抜かれた余剰汚泥よりなる下水処理汚泥を所定の温度,pH,ORP,及びMアルカリ度の範囲に保って嫌気性消化処理する嫌気性消化槽を有する下水処理汚泥の嫌気性消化装置において、
該嫌気性消化槽に導入される汚泥又は嫌気性消化槽に、Fe,Cu,Zn,Mg,Mn,K,Ca,Ni,Mo,Se,S,V,Cr,I及びCoの少なくとも1種よりなる添加物を添加する添加手段を備えた下水処理汚泥の嫌気性消化装置であって、
前記嫌気性消化槽に導入される汚泥又は前記嫌気性消化槽内液の温度、pH,ORP,及びMアルカリ度の少なくとも1つの水質指標値を測定する測定手段と、
該測定手段で測定した少なくとも1つの水質指標値が所定範囲を逸脱したときに前記添加手段を作動させる制御手段と
を備えたことを特徴とする下水処理汚泥の嫌気性消化装置。