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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】P2024002682
(43)【公開日】2024-01-11
(54)【発明の名称】嫌気性処理装置及び嫌気性処理方法
(51)【国際特許分類】
C02F 3/28 20230101AFI20231228BHJP
【ＦＩ】
C02F3/28 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022102025
(22)【出願日】2022-06-24
(71)【出願人】
【識別番号】591030651
【氏名又は名称】水ｉｎｇ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000523
【氏名又は名称】アクシス国際弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】松林 未理
(72)【発明者】
【氏名】蒲池 一将
(72)【発明者】
【氏名】新庄 尚史
【テーマコード（参考）】
4D040
【Ｆターム（参考）】
4D040AA02
4D040AA12
4D040AA32
4D040AA61
(57)【要約】
【課題】乳酸を高濃度に含有する排水の処理性能の向上が可能な嫌気性処理装置及び嫌気性処理方法を提供する。
【解決手段】有機酸を含有し、該有機酸のうち５０質量％以上が乳酸を占める排水を導入し、排水中の乳酸を嫌気的に分解して酢酸及びプロピオン酸を含む一次処理液を生成する乳酸分解槽１１０と、一次処理液を導入し、一次処理液をメタン発酵処理して二次処理液を生成するメタン発酵槽１２０と、メタン発酵槽１２０内の二次処理液を乳酸分解槽１１０内へ返送する返送手段１０４と、排水又は一次処理液に単糖類、二糖類以上の多糖類、タンパク質のいずれかを含む副基質を添加する副基質添加手段１８０、１９０と、を備えることを特徴とする嫌気性処理装置である。
【選択図】図１
【解決手段】有機酸を含有し、該有機酸のうち５０質量％以上が乳酸を占める排水を導入し、排水中の乳酸を嫌気的に分解して酢酸及びプロピオン酸を含む一次処理液を生成する乳酸分解槽１１０と、一次処理液を導入し、一次処理液をメタン発酵処理して二次処理液を生成するメタン発酵槽１２０と、メタン発酵槽１２０内の二次処理液を乳酸分解槽１１０内へ返送する返送手段１０４と、排水又は一次処理液に単糖類、二糖類以上の多糖類、タンパク質のいずれかを含む副基質を添加する副基質添加手段１８０、１９０と、を備えることを特徴とする嫌気性処理装置である。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
有機酸を含有し、該有機酸のうち５０質量％以上が乳酸を占める排水を導入し、前記排水中の前記乳酸を嫌気的に分解して酢酸及びプロピオン酸を含む一次処理液を生成する乳酸分解槽と、
前記一次処理液を導入し、前記一次処理液をメタン発酵処理して二次処理液を生成するメタン発酵槽と、
前記メタン発酵槽内の前記二次処理液を前記乳酸分解槽内へ返送する返送手段と、
前記排水又は前記一次処理液に単糖類、二糖類以上の多糖類、タンパク質のいずれかを含む副基質を添加する副基質添加手段と、
を備えることを特徴とする嫌気性処理装置。
前記一次処理液を導入し、前記一次処理液をメタン発酵処理して二次処理液を生成するメタン発酵槽と、
前記メタン発酵槽内の前記二次処理液を前記乳酸分解槽内へ返送する返送手段と、
前記排水又は前記一次処理液に単糖類、二糖類以上の多糖類、タンパク質のいずれかを含む副基質を添加する副基質添加手段と、
を備えることを特徴とする嫌気性処理装置。
【請求項2】
前記メタン発酵槽内に、バイオフィルム形成菌、メタン発酵菌及び共生微生物を担持する担体を備えることを特徴とする請求項１に記載の嫌気性処理装置。
【請求項3】
前記副基質添加手段は、
前記排水に前記副基質を添加可能な副基質添加ラインと、
前記メタン発酵槽内に導入される前記一次処理液に前記副基質を添加可能なバイパスラインと
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の嫌気性処理装置。
前記排水に前記副基質を添加可能な副基質添加ラインと、
前記メタン発酵槽内に導入される前記一次処理液に前記副基質を添加可能なバイパスラインと
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の嫌気性処理装置。
【請求項4】
前記排水は、前記排水中のＣＯＤｃｒに対して炭素数３以下の有機酸が２０～８０％を占める排水であり、前記副基質は、前記排水中のＣＯＤｃｒに対して１～２０％を占めるように添加されることを特徴とする請求項１又は２に記載の嫌気性処理装置。
【請求項5】
前記乳酸分解槽の液中ｐＨが５．０～７．５の範囲であり、前記メタン発酵槽の液中ｐＨが６．５～８．２の範囲であり、前記乳酸分解槽の液中ｐＨが前記メタン発酵槽の液中ｐＨよりも低いことを特徴とする請求項１又は２に記載の嫌気性処理装置。
【請求項6】
前記単糖類が、グルコース又はフルクトースを含み、前記二糖類以上の多糖類が、スクロース、オリゴ糖、でんぷんのいずれかを含み、前記タンパク質が、アミノ酸を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の嫌気性処理装置。
【請求項7】
有機酸を含有し、有機酸のうち５０質量％以上が乳酸を占めており、単糖類、二糖類以上の多糖類、タンパク質のいずれかを含む副基質を含有する排水中の乳酸を乳酸分解槽で嫌気的に分解して酢酸及びプロピオン酸を含む一次処理液を生成する乳酸分解処理と、
前記一次処理液をメタン発酵処理して二次処理液を生成するメタン発酵処理と、
メタン発酵菌及び共生微生物を含む二次処理液を前記乳酸分解処理へ返送する返送処理と、
を有することを特徴とする嫌気性処理方法。
前記一次処理液をメタン発酵処理して二次処理液を生成するメタン発酵処理と、
メタン発酵菌及び共生微生物を含む二次処理液を前記乳酸分解処理へ返送する返送処理と、
を有することを特徴とする嫌気性処理方法。
【請求項8】
前記副基質が、前記排水中のＣＯＤｃｒに対して１～２０％を占めるように前記排水に含有されていることを特徴とする請求項７に記載の嫌気性処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は排水の嫌気性処理装置及び嫌気性処理方法に関する。
【背景技術】
【0002】
有機性廃棄物を、メタン発酵を用いて嫌気性処理する方法は、活性汚泥法等の好気性処理に比べると曝気のためのエネルギーが不要であり運転コストが低いこと、嫌気性処理後の消化液が生物学的に安定していること、嫌気性処理で得られる消化ガス（メタンガス）をエネルギーとして利用できることなど、多くのメリットがある。そのため、近年では厨芥、残飯、食品及び飲料品の製造残渣、下水汚泥、有機性の排水処理汚泥、家畜糞尿などの有機性廃棄物を対象とした嫌気性処理装置の需要が増加している。
【0003】
しかしながら、有機性廃棄物と一口に言ってもその中に含まれる有機物は排出源に応じて大きく変動する。このため、有機性廃棄物中に含まれる有機物の種類に応じて適切な嫌気性処理装置の設計及び運転が必要になる。このような背景から、これまで有機性廃棄物の種類に応じた各種の嫌気性処理装置が提案されており、その改良が続けられてきた。
【0004】
特許文献１（特開２０１８－０１５６９１号公報）には、化学工場などから排出されるメタノールやホルムアルデヒドなどの低分子有機物を主成分とする有機性廃水では、グラニュール汚泥を形成しにくく、維持しにくいという問題を背景として、嫌気性反応槽の立ち上げ運転期間を短縮した有機性廃水の嫌気性処理方法を提供することを課題とする発明が記載されている。具体的には、嫌気性微生物を担持することができる担体を保持する嫌気性反応槽と、当該嫌気性反応槽に投入するための嫌気性微生物が付着している馴致担体を調製する馴致担体調製用嫌気性反応槽と、を具備することを特徴とする有機性廃水の嫌気性処理装置が記載されている。特許文献１に記載の有機性廃水の嫌気性処理装置によれば、嫌気性微生物が付着している馴致担体を投入するため、担体表面に高いメタン生成活性度を有する生物膜が形成されやすく立ち上げ期間の短縮を行うことができるとされる。
【0005】
特許文献２（特開２０１７－１５４０８２号公報）には、油脂は、嫌気性処理条件下で生分解されにくいといった問題があることに鑑み、嫌気性処理における高級脂肪酸の分解効率を高めた嫌気性排水処理装置を提供することを課題とする発明が記載されている。具体的には、油脂を含む排水を導入し、処理菌により油脂を分解して酸を含む一次処理水を生成する酸生成槽と、一次処理水を導入し、処理菌によりメタン発酵して二次処理水を生成する反応槽と、を備え、反応槽から排出される処理菌を酸生成槽に返送する返送手段及び／又は酸生成槽を有する、嫌気性排水処理装置が記載されている。
【0006】
特許文献３（特開２００５－１６１１７３号公報）には、廃水中にたんぱく質が存在すると、嫌気的条件下で次第に低分子化し、その際に、たんぱく質中の有機性窒素が無機化してアンモニアが発生することで、メタン菌の活性が低下するという問題を解決するための発明が記載されている。具体的には、たんぱく質含有排水をメタン発酵処理する方法において、該たんぱく質含有排水を乳酸発酵してｐＨを低下せしめ、該排水中のたんぱく質を凝固して分離したのちに、該分離水をメタン発酵処理することを特徴とするたんぱく質含有排水のメタン発酵処理方法が記載されている。
【0007】
特許文献４（特開２０１０－０４２３５２号公報）には、酢酸が高濃度に含まれる廃水や酸発酵処理水がメタン発酵槽に流入した場合、高濃度の酢酸に接触する流入部で阻害が起こる可能性があることを背景に、改良された嫌気性処理装置が記載されている。具体的には、グラニュール汚泥及び／又は担体を充填した、ガス・液・固分離装置を多段に有する上向流嫌気性処理装置を用いて有機性廃水を生物学的に処理する嫌気性処理装置において、前記グラニュール汚泥及び／又は担体の界面より上方に配置し、かつ、最上段に設置されたガス・液・固分離部よりも下方に配置した循環水の取水口から上向流嫌気性処理装置内の水を循環水として引き抜き、前記循環水を上向流嫌気性処理装置の底部及び／又は原水流入箇所及び／又は当該上向流嫌気性処理装置の前段処理装置に循環させることを特徴とする嫌気性処理装置が記載されている。当該嫌気性処理装置によれば、上向流嫌気性処理装置内の最上段に設置されたガス・液・固分離部でのガス・液・固分離性能を維持したまま循環水の水量を増加させることができ、これにより、原水中の高濃度では阻害のある酢酸等の物質の希釈、処理水のアルカリ度を供給、さらに循環水量の増加によるグラニュール汚泥及び／又は担体の流動化を促進することができるとされている。
【0008】
特許文献５（特開２０１８－００８２０３号公報）には、食品廃棄物を処理対象とした湿式メタン発酵設備に関する発明が記載されている。具体的には、食品廃棄物を処理してメタンガスを得るための、酸発酵槽及びメタン発酵槽を有する、２槽発酵の湿式メタン発酵設備であって、酸発酵槽の発酵液のｐＨが３から４であり、酸発酵槽に存在する酸発酵菌の８０％以上が乳酸菌である、湿式メタン発酵設備が記載されている。この湿式メタン発酵設備により、酸発酵槽に存在する酸発酵菌の大部分が乳酸菌となり、酸発酵槽で生成する有機酸が乳酸となる。そして、酸発酵槽で乳酸が多量に生成し、メタン発酵槽において、それを栄養源としたＷＷＥ１門の真正細菌を優先菌としたメタン発酵液の発酵効果により、メタンガスの生成量が増加することで、安定的に多量のメタンガスが回収可能となると推論されている。
【0009】
特許文献６（特開２０１４－０２４０３２号公報）には、低水温の条件においては、電子産業工場やパルプ製造工場、化学工場等から排出される有機物を主成分とする排水を嫌気処理することが困難であったという問題を解決することを課題とする発明が記載されている。当該発明は、有機物を含有する排水をゲル状の担体の存在下で嫌気性生物処理を行うことを特徴とする。これにより、水温３５℃未満の低水温の条件においても高負荷で安定してメタン発酵する嫌気性生物処理を行うことができるとされている。また、当該発明は特に、半導体製造工場等から排出されるテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）やメタノール等の有機物を含有する排水の処理に好適であるとされている。
【0010】
特許文献７（特開２００８－２７９３８４号公報）には、グラニュール汚泥の維持、増殖が困難であった蒸発凝縮水を被処理液とする高負荷高速処理を長期に渡り、安定的に継続するための発明が記載されており、グラニュール汚泥が保持されメタン発酵が行われる反応槽と、パルプ製造工程から排出される蒸発凝縮水を反応槽に導入する被処理液路と、製紙工程から排出され澱粉を含む澱粉含有廃液を反応槽または被処理液路の途中に供給する澱粉廃液路と、を含む製紙排水の嫌気性処理装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】特開２０１８－０１５６９１号公報
【特許文献2】特開２０１７－１５４０８２号公報
【特許文献3】特開２００５－１６１１７３号公報
【特許文献4】特開２０１０－０４２３５２号公報
【特許文献5】特開２０１８－００８２０３号公報
【特許文献6】特開２０１４－０２４０３２号公報
【特許文献7】特開２００８－２７９３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
排水の中には、食品製造系排水等のように乳酸の濃度が高い排水がある。また、上記の特許文献にも記載されているように有機性廃棄物を処理する過程で乳酸を含有する排水が生成する場合もある。乳酸は上記の特許文献にも記載されているようにメタン発酵処理する方法が知られている。
【0013】
しかしながら、乳酸を高濃度に含有する排水に対して上記の特許文献に記載されているような嫌気性処理装置を用いて処理しても十分な処理性能が達成困難な場合がある。
【0014】
上記事情に鑑み、本発明は、乳酸を高濃度に含有する排水の処理性能の向上が可能な嫌気性処理装置及び嫌気性処理方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討したところ、乳酸を含む排水に対し、単糖類、二糖類以上の多糖類、タンパク質のいずれかを含む副基質を含有させることが有効であるとの知見を得た。
【0016】
以上の知見に基づき、本発明は一側面において、有機酸を含有し、該有機酸のうち５０質量％以上が乳酸を占める排水を導入し、排水中の乳酸を嫌気的に分解して酢酸及びプロピオン酸を含む一次処理液を生成する乳酸分解槽と、一次処理液を導入し、一次処理液をメタン発酵処理して二次処理液を生成するメタン発酵槽と、メタン発酵槽内の二次処理液を乳酸分解槽内へ返送する返送手段と、排水又は一次処理液に単糖類、二糖類以上の多糖類、タンパク質のいずれかを含む副基質を添加する副基質添加手段と、を備える嫌気性処理装置である。
【0017】
本発明に係る嫌気性処理装置は一実施態様において、メタン発酵槽内に、バイオフィルム形成菌、メタン発酵菌、及び共生微生物を担持する担体を備える。
【0018】
本発明に係る嫌気性処理装置は別の一実施態様において、副基質添加手段は、排水に副基質を添加可能な副基質添加ラインと、メタン発酵槽内に導入される一次処理液に副基質を添加可能なバイパスラインとを備える。
【0019】
本発明に係る嫌気性処理装置は更に別の一実施態様において、排水は、排水中のＣＯＤｃｒに対して炭素数３以下の有機酸が２０～８０％を占める排水であり、副基質は、排水中のＣＯＤｃｒに対して１～２０％を占めるように添加される。
【0020】
本発明に係る嫌気性処理装置は更に別の一実施態様において、乳酸分解槽の液中ｐＨが５．０～７．５の範囲であり、メタン発酵槽の液中ｐＨが６．５～８．２の範囲であり、乳酸分解槽の液中ｐＨがメタン発酵槽の液中ｐＨよりも低い。
【0021】
本発明に係る嫌気性処理装置は更に別の一実施態様において、単糖類が、グルコース又はフルクトースを含み、二糖類以上の多糖類が、スクロース、オリゴ糖、でんぷんのいずれかを含み、タンパク質が、アミノ酸を含む。
【0022】
本発明は別の一側面において、有機酸を含有し、有機酸のうち５０質量％以上が乳酸を占めており、単糖類、二糖類以上の多糖類、タンパク質のいずれかを含む副基質を含有する排水中の乳酸を乳酸分解槽で嫌気的に分解して酢酸及びプロピオン酸を含む一次処理液を生成する乳酸分解処理と、一次処理液をメタン発酵処理して二次処理液を生成するメタン発酵処理と、メタン発酵菌及び共生微生物を含む二次処理液を乳酸分解処理へ返送する返送処理と、を有する嫌気性処理方法である。
【0023】
本発明に係る嫌気性処理方法は一実施態様において、副基質が、排水中のＣＯＤｃｒに対して１～２０％を占めるように排水に含有されている。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、乳酸を高濃度に含有する排水の処理性能の向上が可能な嫌気性処理装置及び嫌気性処理方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明に係る嫌気性処理装置の第一構成例を示す模式図である。
【図2】本発明に係る嫌気性処理装置の第二構成例を示す模式図である。
【図3】本発明に係る嫌気性処理装置の第三構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
（１．排水）
従来技術では、乳酸を高濃度で含有する排水を嫌気性処理すると、酢酸及びプロピオン酸が残留しやすく、ＣＯＤｃｒ除去率が低下しやすいという問題がある。本発明に係る嫌気性処理装置の一実施形態によれば、乳酸を高濃度で含有する排水に対しても優れたＣＯＤｃｒ除去率を達成することができる。従って、本発明が処理対象とする排水は一実施形態において、有機酸を含有し、有機酸のうち５０質量％以上が乳酸を占める排水に対して優れた処理性能を発揮することができる。排水は、有機酸のうち７０質量％以上が乳酸を占めていてもよいし、８０質量％以上が乳酸を占めていてもよい。排水中の各種有機酸の濃度はＨＰＬＣ（高速液体クロマトグラフ法）（ＪＩＳ Ｋ０１２４：２０１１、ＪＩＳ Ｋ０２１４：２０１３）により測定可能である。
従来技術では、乳酸を高濃度で含有する排水を嫌気性処理すると、酢酸及びプロピオン酸が残留しやすく、ＣＯＤｃｒ除去率が低下しやすいという問題がある。本発明に係る嫌気性処理装置の一実施形態によれば、乳酸を高濃度で含有する排水に対しても優れたＣＯＤｃｒ除去率を達成することができる。従って、本発明が処理対象とする排水は一実施形態において、有機酸を含有し、有機酸のうち５０質量％以上が乳酸を占める排水に対して優れた処理性能を発揮することができる。排水は、有機酸のうち７０質量％以上が乳酸を占めていてもよいし、８０質量％以上が乳酸を占めていてもよい。排水中の各種有機酸の濃度はＨＰＬＣ（高速液体クロマトグラフ法）（ＪＩＳ Ｋ０１２４：２０１１、ＪＩＳ Ｋ０２１４：２０１３）により測定可能である。
【0027】
また、本発明が処理対象（基質）とする排水は一実施形態において、排水中のＣＯＤｃｒ（二クロム酸カリウムによる酸素要求量）に対して炭素数３以下の有機酸が２０～８０％を占める。排水は、排水中のＣＯＤｃｒに対して炭素数３以下の有機酸が４０～８０％を占めてもよく、典型的には５０～８０％を占める。
【0028】
本発明において、炭素数３以下の有機酸は、乳酸（Ｃ3Ｈ6Ｏ3）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、酢酸（ＣＨ3ＣＯＯＨ）、及びプロピオン酸（Ｃ3Ｈ6Ｏ2）を指す。排水中のＣＯＤｃｒに対する炭素数３以下の有機酸の濃度は、以下の手順により求める。まず、排水中のＣＯＤｃｒ（単位：ｍｇ／Ｌ）をＪＩＳ Ｋ０１０２：２０１６に規定される蓋付き試験管を用いた吸光光度法に準拠して求める。また、乳酸、ギ酸、酢酸、及びプロピオン酸の排水中の濃度をＨＰＬＣによりそれぞれ求め、これらの有機酸の濃度（単位：ｍｇ／Ｌ）に対して酸素換算係数を乗ずることでＣＯＤｃｒに換算する。酸素換算係数は乳酸：０．９３６、ギ酸：０．３４３、酢酸：１．０１、プロピオン酸：１．４６とする。例えば、排水中の乳酸濃度が１０００ｍｇ／Ｌの場合、ＣＯＤｃｒに換算した乳酸の値は９３６ｍｇ／Ｌとなる。乳酸、ギ酸、酢酸、及びプロピオン酸のＣＯＤｃｒ換算値の合計を、排水のＣＯＤｃｒで除することで、排水中のＣＯＤｃｒに対する炭素数３以下の有機酸の割合が求められる。
【0029】
本発明が処理対象とする排水のＣＯＤｃｒの下限は、特に制限はないが、例えば、メタン発酵槽が担体を有する場合は、５００ｍｇ／Ｌ以上とすることができ、１，０００ｍｇ／Ｌ以上とすることもでき、２，０００ｍｇ／Ｌ以上とすることもできる。また、メタン発酵槽が担体を有しない場合は、ＣＯＤｃｒが低すぎるとグラニュールが崩壊してしまう可能性があるため、３，０００ｍｇ／Ｌ以上とすることが好ましい。本発明が処理対象とする排水のＣＯＤｃｒの上限は、特に制限はないが、例えば、２０，０００ｍｇ／Ｌ以下とすることができ、１５，０００ｍｇ／Ｌ以下とすることもでき、１０，０００ｍｇ／Ｌ以下とすることもできる。
【0030】
本発明が処理対象とする排水の具体例としては、乳酸系飲料排水、乳酸菌製造設備等からの乳酸系排水、し尿、浄化槽汚泥等からの乳酸系汚泥、生ごみメタン発酵の可溶化液が挙げられる。
【0031】
（２．副基質）
有機酸のうち５０質量％以上が乳酸を占める排水に対して副基質を添加することにより、酸発酵槽でバイオフィルムを形成するAnaerolinea属、Rectinema属等のバイオフィルム形成菌の増殖が促進され、バイオフィルム形成菌の増殖によりメタン発酵槽内での担体へ付着するバイオフィルム形成菌の付着量が増える。その結果、メタン発酵槽内においてメタン菌と共生関係を構築する微生物が担体に付着し、これによりバイオフィルム形成菌とメタン菌共生微生物とが安定して形成されることで、Methanosaeta属等のメタン生成古細菌を多数維持しながら排水をメタン発酵処理することが可能となるため、排水の処理性能が向上する。
有機酸のうち５０質量％以上が乳酸を占める排水に対して副基質を添加することにより、酸発酵槽でバイオフィルムを形成するAnaerolinea属、Rectinema属等のバイオフィルム形成菌の増殖が促進され、バイオフィルム形成菌の増殖によりメタン発酵槽内での担体へ付着するバイオフィルム形成菌の付着量が増える。その結果、メタン発酵槽内においてメタン菌と共生関係を構築する微生物が担体に付着し、これによりバイオフィルム形成菌とメタン菌共生微生物とが安定して形成されることで、Methanosaeta属等のメタン生成古細菌を多数維持しながら排水をメタン発酵処理することが可能となるため、排水の処理性能が向上する。
【0032】
副基質としては、単糖類、二糖類以上の多糖類、タンパク質のいずれかを含む物質が用いられる。単糖類には、グルコース又はフルクトース等が含まれる。二糖類以上の多糖類には、スクロース、オリゴ糖、でんぷん等が含まれる。タンパク質には、アミノ酸等が含まれる。副基質は、乳酸菌製造工場で得られる乳酸系排水や、炭水化物又は糖又はタンパク質を含有する食品系廃棄物等を利用することができる。
【0033】
副基質の排水への添加量が少なすぎると所定の効果が得られず、多すぎると酸発酵に必要な滞留時間が増加する場合がある。一実施態様においては、副基質は、排水中のＣＯＤｃｒに対して１～２０％を占めるように添加されることが好ましい。これにより、バイオフィルムを形成させるバイオフィルム形成菌の増殖を促進させることができ、メタン発酵槽内で浮遊する担体への汚泥付着量を増加させることができる。担体への汚泥付着量が増加することにより、メタン発酵槽処理における共生微生物の存在量が増大するため、排水を安定的に処理できる。副基質は、排水中のＣＯＤｃｒに対して５～２０％を占めるように排水に添加されることがより好ましく、排水中のＣＯＤｃｒに対して１０～２０％を占めるように排水に添加されることが更に好ましい。
【0034】
基質である乳酸を含む排水に対し、副基質を添加する場合には、排水に対し、栄養塩又は微量元素を更に添加することが好ましい。栄養塩は、例えばアンモニア、リン、マグネシウムなど、微量元素は例えばカリウム、カルシウム、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、硫黄などが該当する。単糖類、二糖類以上の多糖類、タンパク質を含む副基質の添加に加えて栄養塩又は微量元素を排水に更に添加することで、排水中の乳酸を酢酸およびプロピオン酸に分解する例えばAneromusa属が、酸発酵処理において優先的に働くため、排水の安定的な処理が可能となる。栄養塩又は微量元素は、排水のＣＯＤｃｒに対して０．００１％～２％、より好ましくは０．００１％～１％添加できる。
【0035】
（３．乳酸分解槽）
乳酸分解槽では、排水中の乳酸を嫌気的に分解して酢酸及びプロピオン酸を含む一次処理液を生成する乳酸分解処理を行う。乳酸を高濃度に含有する排水をメタン発酵槽単独で処理すると、酢酸及びプロピオン酸が残留しやすく、十分なＣＯＤｃｒ除去率が得られない場合がある。本実施形態によれば、メタン発酵槽の前段に、乳酸発酵槽が設けられるため、排水をメタン発酵槽単独で処理する場合に比べて、二次処理液に含まれる酢酸及びプロピオン酸の残留量を低減でき、十分なＣＯＤｃｒを得ることができる。また、乳酸分解時の中間生成物である酢酸及びプロピオン酸をスムーズにメタンに分解することが可能になるため、乳酸を高濃度で含有する排水に対するＣＯＤｃｒ除去率を有意に向上させることができる。
乳酸分解槽では、排水中の乳酸を嫌気的に分解して酢酸及びプロピオン酸を含む一次処理液を生成する乳酸分解処理を行う。乳酸を高濃度に含有する排水をメタン発酵槽単独で処理すると、酢酸及びプロピオン酸が残留しやすく、十分なＣＯＤｃｒ除去率が得られない場合がある。本実施形態によれば、メタン発酵槽の前段に、乳酸発酵槽が設けられるため、排水をメタン発酵槽単独で処理する場合に比べて、二次処理液に含まれる酢酸及びプロピオン酸の残留量を低減でき、十分なＣＯＤｃｒを得ることができる。また、乳酸分解時の中間生成物である酢酸及びプロピオン酸をスムーズにメタンに分解することが可能になるため、乳酸を高濃度で含有する排水に対するＣＯＤｃｒ除去率を有意に向上させることができる。
【0036】
乳酸分解槽内は、限定的ではないが、Pelobacter属、Veillonella属、Pseudo-flavonifractor属、Anaeromusa Desulfovibrio属、Clostridium属（乳酸分解菌）、Desulfovibrio属（硫酸還元細菌）等の酸発酵菌及びその他の嫌気性菌を含むことができる。後述するメタン発酵槽からの抽出液を返送することで更に、Syntrophobacter属、Syntrophaceticus属等の微生物も処理に寄与する。Syntrophobacter属、Syntrophaceticus属等は、メタン発酵槽内の二次処理液を返送することで、メタン生成古細菌等のメタン発酵菌及びSyntrophaceae属、Geobacter属、Syntrophorahabdus属、Pelotomaculum属、Syntrophomonas属、Syntrophobacter属などの共生微生物との共生関係が構築されるため、乳酸発酵槽内において、プロピオン酸の酢酸への分解処理を安定して行うことができる。また、メタン生成古細菌が直接利用できないプロピオン酸を酢酸に変換することで、後段でのメタン発酵処理をより安定・高速で行うことが可能となる。
【0037】
乳酸分解槽では乳酸を酢酸まで分解することを主たる目的としているため、乳酸分解槽の液中ｐＨはメタン発酵槽の液中ｐＨよりも低くすることが好ましい。具体的には、乳酸分解槽の液中ｐＨの上限値は７．５以下とすることが好ましい。一方で、乳酸分解槽の液中ｐＨが低すぎると、水素発酵が進みやすい状況になる。例えば、排水中には、乳酸の前段物質である糖質基質が流入することがある。糖質基質から乳酸が生成される乳酸発酵では乳酸生成に伴いｐＨが４～５程度まで低下する。そこで、乳酸発酵槽の液中ｐＨの下限値は５．０以上とすることが好ましく、６．０以上とすることがより好ましい。よって、乳酸分解槽の液中ｐＨは５．０～７．５であることが好ましく、６．０～７．５であることがより好ましい。排水への副基質添加により増大し処理を安定化させる働きを持つバイオフィルム形成菌及び共生微生物の至適ｐＨは５．０～６．０であるところ、乳酸分解槽における液中ｐＨは、メタン発酵槽よりもこの至適ｐＨに近い。このため、乳酸分解槽においてメタン発酵菌及び共生微生物がその能力をより発揮できる。
【0038】
乳酸分解槽のｐＨを上げるために乳酸分解槽にアルカリ剤を添加してもよいが、乳酸分解槽にアルカリを添加するとメタン発酵槽のｐＨも高くなり、別途一次処理液のｐＨ中和が必要になるため非効率的であることがある。メタン発酵槽では、メタンガス発生量が増えて、二酸化炭素の比率が下がることや有機酸が分解される過程でアルカリ度が増えてｐＨが高くなる。そのため、アルカリ剤を添加せずに、メタン発酵槽からｐＨの高い液を乳酸分解槽に返送することでｐＨが調整するようにすることで、二次処理液ｐＨの上昇を招くこともなく効率的にｐＨを好適な範囲に維持することができる。
【0039】
乳酸分解槽から流出する一次処理液中の酢酸に対するプロピオン酸のモル比は、低いほうが好ましい。当該モル比が低いということは酢酸に分解されるプロピオン酸の比率が高いことを意味するからである。乳酸から生成されるプロピオン酸と酢酸の比率は酸化還元電位（ＯＲＰ）と相互関係にあるため、乳酸分解槽内の液又は一次処理液のＯＲＰの監視制御を行うことで処理状況を推測することができる。酢酸に対するプロピオン酸のモル比が低くなるほど、当該ＯＲＰは低くなる傾向にある。そこで、乳酸分解槽内の液、望ましくは乳酸分解槽から流出する一次処理液のＯＲＰは－１００ｍＶ以下を示すことが好ましく、－２００ｍＶ以下を示すことがより好ましい。当該ＯＲＰに下限は特に設定されないが、低すぎるとメタン発酵を介して後処理で好気性処理を行う場合に曝気風量が多くなるといった懸念もあるため、－５００ｍＶ以上であることが好ましい。
【0040】
乳酸分解槽のその他の運転条件は、例えば、以下のように設定することができる。
・滞留時間：３～１５時間、好ましくは４～８時間
・水温：３０～３５℃、好ましくは３２～３５℃
・攪拌：機械攪拌
・滞留時間：３～１５時間、好ましくは４～８時間
・水温：３０～３５℃、好ましくは３２～３５℃
・攪拌：機械攪拌
【0041】
乳酸分解槽においては、メタン発酵槽からの返送液に含まれるメタン発酵菌によりメタンが生成されることがある。また、メタン発酵槽からの返送液が乳酸分解槽に返送されることによりｐＨが上昇してメタン発酵が行われることも想定される。このため、乳酸分解槽にはバイオガスを回収するためのガス回収系統が接続されていることが好ましい。
【0042】
乳酸系排水の乳酸分解時には、上述した栄養塩や微量元素の必要添加量に留意する必要がある。その他、乳酸分解槽にｐＨ計器及び／又はガス発生量計器を設置することで、乳酸分解槽で安定処理が行われていることを確認することも可能である。
【0043】
（４．メタン発酵槽）
乳酸分解槽の後段に設置されるメタン発酵槽では、乳酸分解処理で得られる一次処理液を、メタン発酵処理して二次処理液を生成するメタン発酵処理を行うことができる。
乳酸分解槽の後段に設置されるメタン発酵槽では、乳酸分解処理で得られる一次処理液を、メタン発酵処理して二次処理液を生成するメタン発酵処理を行うことができる。
【0044】
一次処理液には酢酸が含まれている。また、乳酸分解槽で分解できなかったプロピオン酸も含まれている。このため、メタン発酵槽では酢酸からメタンへの分解反応が行われる。メタン発酵槽には、ＵＡＳＢ（上向流嫌気性汚泥床法）及びＥＧＳＢ（膨脹汚泥床法）のような上向流型の他、固定床型、流動床型及び完全混合型等の方式がある。本発明においては、何れの方式のメタン発酵槽を用いてもよいが、担体の流動を促進させる理由から、完全混合型が好ましい。
【0045】
メタン発酵槽内には、バイオフィルム形成菌、メタン発酵菌、及び共生微生物を担持する担体を備える。担体の性状としては、微生物を担持し、担体表面で微生物を繁殖させることができるものであれば特に制限無く用いることができる。乳酸等の低分子有機物を主成分とする排水においてはグラニュール汚泥の形成及び維持が難しいという問題がある。そこで、投入した担体にバイオフィルム形成菌、メタン発酵菌、及び共生微生物を付着させることで、槽内にこれらの微生物を安定的に留めておくことが可能となる。また、ＵＡＳＢやＥＧＳＢのような上向流型であれば投入したグラニュール汚泥を保持できるが、完全混合型ではグラニュール汚泥は短期間で流出してしまう。そこで担体を槽内に保持するためにスクリーンにより流出した担体を収集し、槽内に戻すことも可能である。
【0046】
担体の形状は、球状、円柱状、直方体、中空状などいずれの形状でもよいが、微生物の担持量、繁殖した微生物と排水との接触効率、メタン発酵槽内での担体の保持量などを考慮して、特に球状が好ましい。
【0047】
担体の素材は、嫌気性微生物が付着すればどのような素材でも良いが、上述の諸要件を充足することから、特に活性炭、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールなどが好ましい。メタン発酵槽内で担体が流動することで担体に付着した微生物が担体から剥離する。このため、メタン発酵槽内の液（典型的には二次処理液）を乳酸分解槽に返送することで、バイオフィルム形成菌、メタン発酵菌、及び共生微生物をメタン発酵槽内に添加することが可能である。
【0048】
メタン発酵槽内は、限定的ではないが、Anaerolinea等のバイオフィルム形成菌、MethanosaetaやMethanobacterium等のメタン生成古細菌、及びSyntrophaceae属、Geobacter属、Syntrophorahabdus属、Pelotomaculum属、Syntrophomonas属、Syntrophobacter属などの共生微生物（共生菌）、Geobacter属（酢酸資化性細菌）、Pelotomaculum属（プロピオン酸酸化細菌）及びその他の嫌気性菌を含む。本実施形態では、排水に対して副基質が添加されることによって、一次処理液中にはバイオフィルムを形成するAnaerolinea等が多く存在する。このAnaerolineaをメタン発酵槽内へ導入してメタン発酵処理することにより、Syntrophobacter属、Syntrophaceticus、メタン生成古細菌等のメタン発酵菌及び共生菌との共生関係が構築されるため、乳酸発酵槽内において、プロピオン酸の酢酸への分解処理を安定して行うことができる。また、メタン生成古細菌が直接利用できないプロピオン酸を酢酸に変換することで、後段でのメタン発酵処理をより安定・高速で行うことが可能となる。
【0049】
メタン発酵槽の液中ｐＨはメタン発酵に適した６．５～８．２とすることが好ましく、７．０～８．０とすることがより好ましい。つまり、メタン発酵に適したｐＨは乳酸分解槽における至適ｐＨよりも高い。このことも、メタン発酵槽とは別に乳酸分解槽を設置する利点である。
【0050】
メタン発酵槽内の液、望ましくはメタン発酵槽から流出する二次処理液のＯＲＰは、メタン発酵を安定して進める理由から、－２００ｍＶ以下を示すことが好ましく、－３００ｍＶ以下を示すことがより好ましい。当該ＯＲＰに下限は特に設定されないが、低すぎると後処理で好気性処理を行う場合に曝気風量が多くなるといった懸念もあるため－５００ｍＶ以上であることが好ましい。
【0051】
メタン発酵槽のその他の運転条件は、例えば、以下のように設定することができる。
・滞留時間：２～８時間、好ましくは５～８時間
・水温：３０～３５℃、好ましくは３２～３５℃
・攪拌：メタンガスが発生することによるガス攪拌
・滞留時間：２～８時間、好ましくは５～８時間
・水温：３０～３５℃、好ましくは３２～３５℃
・攪拌：メタンガスが発生することによるガス攪拌
【0052】
メタン発酵槽においては大量のメタンが生成することから、メタン発酵槽にはバイオガスを回収するためのガス回収系統が接続されていることが好ましい。
【0053】
乳酸系排水のメタン発酵時には栄養塩又は微量元素の必要添加量に留意する必要がある。栄養塩はアンモニア、リン、マグネシウムなど、微量元素はカリウム、カルシウム、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、硫黄などが該当する。
【0054】
特に、排水に炭水化物又は糖質を含む副基質を添加して乳酸発酵処理を行った場合には、鉄を利用して酢酸及びプロピオン酸に分解するAneromusa属が酸発酵において優先したことから、メタン発酵槽には栄養塩又は微量元素として典型的には鉄の添加が重要となる。鉄の添加が少なすぎるとヘムや非ヘムタンパク質などの微生物構成成分が不足し、活性が低下し、鉄の添加が多すぎると余剰汚泥が増加する場合がある。そのため、メタン発酵槽への添加量は、一実施形態では、排水のＣＯＤｃｒに対して０．００１～０．０２％とすることが好ましく、０．００１～０．０１％とすることがより好ましい。
【0055】
その他、メタン発酵槽には、ｐＨ計器及び／又はガス発生量計器を設置することで、メタン発酵槽で安定処理が行われていることを確認することも可能である。
【0056】
（５．返送系統）
本発明に係る嫌気性処理装置は、メタン発酵槽中のメタン発酵菌及び共生微生物等を含む二次処理液を乳酸分解槽に返送するための返送系統を備える。返送系統の構成は、メタン発酵槽中のメタン発酵菌、バイオフィルム形成菌、及び共生微生物等を一定量以上乳酸分解槽に返送することができれば、特に制限はない。以下に返送系統の構成を例示する。
本発明に係る嫌気性処理装置は、メタン発酵槽中のメタン発酵菌及び共生微生物等を含む二次処理液を乳酸分解槽に返送するための返送系統を備える。返送系統の構成は、メタン発酵槽中のメタン発酵菌、バイオフィルム形成菌、及び共生微生物等を一定量以上乳酸分解槽に返送することができれば、特に制限はない。以下に返送系統の構成を例示する。
【0057】
一実施形態において、返送系統は、メタン発酵槽からの抽出液、典型的には二次処理液と共にメタン発酵菌、バイオフィルム形成菌及び共生微生物を乳酸分解槽に返送するための返送ラインを有する。すなわち、一実施形態において、メタン発酵槽からの二次処理液は乳酸発酵槽に直接供給される。二次処理液中には、メタン発酵菌、バイオフィルム形成菌及び共生微生物等が浮遊しているため、担体の有無に関わらず、抽出液を乳酸分解槽に返送することでメタン発酵菌、バイオフィルム形成菌及び共生微生物等を乳酸分解槽に返送可能となる。メタン発酵槽内の液は、完全混合型の場合に担体の流出を抑制しやすいという理由により、水位の中心よりも上方から抽出することが好ましく、水位頂部から抽出することがより好ましい。
【0058】
抽出液を乳酸分解槽に返送する際、返送ラインに担体が混入することがある。担体を抽出液と一緒に乳酸分解槽に返送するという方法も考えられるが、担体の管理が煩雑になる場合がある。一実施形態においては、返送ラインの途中で担体を抽出液から分離し、メタン発酵槽に戻すように構成することができる。例えば、メタン発酵槽からの抽出液から担体を分離するための手段（例えばスクリーンや遠心分離機）を返送ラインの途中に設ける方法がある。担体分離後の抽出液は乳酸分解槽に送ることができる。
【0059】
分離後の担体は、メタン発酵槽に戻すことができる。担体の全量をメタン発酵槽に戻してもよいが、一部を乳酸分解槽に返送できるように、担体返送ラインを設置することも可能である。排水に添加して副基質の分解に好適な共生微生物等の微生物が付着した担体を乳酸分解槽に返送することで、乳酸分解槽内の汚泥量を効果的に増加させることができ、酸発酵槽においてもメタン発酵を促進できる。従って、排水の乳酸負荷が高いときに特に有効である。
【0060】
返送ラインの途中には懸濁物質の濃縮装置を備えてもよい。例えば上記の分離手段によって担体を分離した抽出液に対し、濃縮装置を使用して共生微生物等の濃度を高めることが可能である。抽出液中の共生微生物等の濃度が高まることで、返送量の可変域を広げたり、同じ返送量で菌体量を大きく増やしたりすることができる。濃縮装置における濃縮度は、２～１０倍が良く５～１０倍程度がより好ましい。懸濁物質の濃縮装置としては、公知の任意の装置を使用可能であり、例えば遠心濃縮、浮上濃縮、ベルト濃縮、ろ過濃縮、重力濃縮等の方式の濃縮装置が挙げられる。濃度が２～５倍の場合は重力濃縮でも良いが、より濃縮度を高める場合は、遠心濃縮、浮上濃縮、ベルト濃縮、ろ過濃縮が好ましい。
【0061】
メタン発酵槽中の水素資化性メタン発酵菌を乳酸分解槽に返送する際の、共生微生物の返送量については、乳酸分解槽に流入する排水中のＣＯＤｃｒ、乳酸分解槽の大きさ等により変動するが、乳酸分解槽内の液又は乳酸分解槽から流出する一次処理液中の酢酸に対するプロピオン酸の質量濃度比が２．５以下となるように、好ましくは２．０以下となるように、より好ましくは１．５以下となるように、メタン発酵槽から乳酸分解槽への返送量を制御することが好ましい。一般に、返送量を多くすればするほど酢酸に対するプロピオン酸の質量濃度比を下げることができる。
【0062】
共生微生物はメタン発酵槽からの抽出液と共に乳酸分解槽に返送する方法が利便性の観点で有利である。この場合、乳酸分解槽に流入する排水の質量流量に対して、乳酸分解槽に返送する抽出液の質量流量（“循環比”と呼ぶ）は、抽出液中の共生微生物の濃度にもよるが、経験的には、５００≦ＣＯＤｃｒ（ｍｇ／Ｌ）／循環比≦４０００、典型的には６００≦ＣＯＤｃｒ（ｍｇ／Ｌ）／循環比≦３０００とすることで、上述した酢酸に対するプロピオン酸のモル比を達成することができる。上記の式中、ＣＯＤｃｒは乳酸分解槽に流入する排水（原水）のＣＯＤｃｒを指す。
【0063】
（６．装置構成例）
以下、図面を用いて本発明に係る嫌気性処理装置の構成例について例示的に説明する。
以下、図面を用いて本発明に係る嫌気性処理装置の構成例について例示的に説明する。
【0064】
図１には、本発明に係る嫌気性処理装置１００の第一構成例が模式的に示されている。嫌気性処理装置１００は、乳酸分解槽１１０、メタン発酵槽１２０及び担体分離装置１４０を備える。乳酸を含有する排水は、排水ライン１０１を通って乳酸分解槽１１０に流入する。排水ライン１０１には、排水に副基質を添加する副基質添加手段としての副基質添加ライン１８０が接続されている。図１に示すように、副基質添加手段として、乳酸発酵槽をバイパスして、メタン発酵槽内に導入される一次処理液に副基質を添加可能なバイパスライン１９０を更に備え、メタン発酵槽内に必要に応じて副基質を添加することで、処理性能をより向上できる。
【0065】
乳酸分解槽１１０では、乳酸分解槽１１０内に保持されている嫌気性生物の働きにより、乳酸の嫌気性分解が行われ、酢酸及びプロピオン酸を含む一次処理液が生成される。一次処理液は、乳酸分解槽１１０から流出し、一次処理液ライン１０２を通ってメタン発酵槽１２０に流入する。メタン発酵槽１２０では、メタン発酵槽１２０内に保持されている嫌気性生物の働きにより、メタン発酵処理が行われ、二次処理液が生成する。メタン発酵槽１２０内には担体１２２が保持されている。嫌気性生物による乳酸の分解を促進する観点で、攪拌機１１２によって乳酸分解槽１１０内を機械的に攪拌することが好ましい。
【0066】
乳酸分解槽１１０からの流出位置は、後段のメタン発酵槽１２０の流入高さに近づけて底部に設置することにより、配管材料費を抑えることができる。その場合配管形状も単純化できるので汚泥等による閉塞を抑止することもできる。一方、メタン発酵槽１２０についてみると、流入位置と流出位置を異なる高さに設置することで、メタン発酵槽１２０内の短絡を防止することができ、また、担体の流動が促進されるという利点が得られる。短絡防止を優先する場合は、必要に応じてメタン発酵槽１２０の流出位置を水位の中心よりも上部にしても良い。
【0067】
メタン発酵槽１２０内の流動性を上げるために、メタン発酵槽内の液を循環させるための循環ライン１０７を設置してもよい。一実施形態において、循環ライン１０７は、メタン発酵槽１２０の水位の中心よりも上方、典型的には頂部に流出口を有し、メタン発酵槽１２０の水位の中心よりも下方、典型的には底部に流入口を有する。循環ライン１０７の途中にはポンプ１０９を設置することで、循環量を制御することができる。図１において、メタン発酵槽１２０から抽出された液は下方に向かって循環ライン１０７内を流れるが、これとは逆に上方に向かって流すことも可能である。
【0068】
二次処理液は、メタン発酵槽１２０から流出し、二次処理液ライン１０３を通って担体分離装置１４０に流入する。二次処理液中に含まれる担体１２２は、担体分離装置１４０で分離される。例えば、担体分離装置１４０は、外槽１４１、外槽１４１の中に収容されている内槽１４２、及びスクリーン１４３を有する。内槽１４２の内面は曲面形状を有しており、内槽１４２に流入した二次処理液は旋回しながら、内槽１４２内を流れ、内槽１４２の側面に設けられたスクリーン１４３から流出する。二次処理液が旋回しながら内槽１４２内を流れることでスクリーン１４３の目詰まりを防止することができる。スクリーン１４３を介して内槽１４２から流出した二次処理液は外槽１４１に流入する。その後、二次処理液は外槽１４１の出口から、二次処理液ライン１０５を通って系外へ排出することができる。担体１２２は、スクリーン１４３を通過することができないため、内槽１４２の出口から排出された後、担体ライン１０６を通ってメタン発酵槽１２０に戻される。担体ライン１０６には、スクリーン１４３を通過しなかった一部の二次処理液も一緒に流れる。二次処理液が含まれている方が、二次処理液を担体１２２の搬送媒体として使用することができるので好都合である。担体ライン１０６は一次処理液ライン１０２に接続してもよい。
【0069】
担体分離装置１４０から流出する二次処理液の一部は、二次処理液を返送処理する返送手段としての返送ライン１０４を通って乳酸分解槽１１０に返送される。二次処理液中には水素資化性メタン発酵菌が含まれていることから、乳酸分解槽１１０での水素分圧を下げ、乳酸の分解過程で生成するプロピオン酸の酢酸への分解反応を促進することができる。返送ライン１０４には、バルブ等の流量制御手段１７０を適宜設置することで、返送量を調節することができる。
【0070】
乳酸分解槽１１０及びメタン発酵槽１２０においては、メタン及び水素等のバイオガスが発生する。そこで、乳酸分解槽１１０及びメタン発酵槽１２０はそれぞれ、各槽で発生するメタン等のバイオガスを回収するためのガス回収系統１３２が接続されている。ガス回収系統１３２はバイオガス利用設備１３０に接続されており、バイオガス利用設備１３０においてバイオガスの利用が図られる。
【0071】
図２には、本発明に係る嫌気性処理装置２００の第二構成例が模式的に示されている。図２に示す嫌気性処理装置２００が図１に示す嫌気性処理装置１００と相違する点は、図２に示す嫌気性処理装置２００においては返送ライン１０４の途中に懸濁物質の濃縮装置１５０が設置されている点である。濃縮装置１５０が設置されていることにより、二次処理液中の水素資化性メタン発酵菌等の微生物濃度を高めることができる。図２に示す嫌気性処理装置２００において、図１に示す嫌気性処理装置１００と同じ符号が付された構成要素は、既に説明した通りであるため、詳細な説明を割愛する。
【0072】
図３には、本発明に係る嫌気性処理装置３００の第三構成例が模式的に示されている。図３に示す嫌気性処理装置３００が図１に示す嫌気性処理装置１００と相違する点は、図３に示す嫌気性処理装置３００が、乳酸分解槽１１０に担体１２２を返送するための担体返送ライン１０８を有する点である。担体返送ライン１０８は、担体ライン１０６に接続されており、担体ライン１０６を流れる担体１２２の一部を乳酸分解槽１１０に返送することができる。担体返送ライン１０８と担体ライン１０６の接続点に三方弁等の流量制御手段１６０を設置することで、乳酸分解槽１１０に返送する担体の量を制御してもよい。
【0073】
なお、排水ライン１０１、一次処理液ライン１０２、二次処理液ライン１０３、１０５、返送ライン１０４、担体ライン１０６、及び、担体返送ライン１０８には必要に応じて送液のためのポンプを設置することができる。
【実施例0074】
以下に本発明の実施例を比較例と共に示すが、これらの実施例は本発明及びその利点をよりよく理解するために提供するものであり、発明が限定されることを意図するものではない。以下の実験において、ＣＯＤｃｒは、ＪＩＳ Ｋ０１０２：２０１６に規定される蓋付き試験管を用いた吸光光度法に準拠して、ＨＡＣＨ製の吸光光度計により測定した。各有機酸の濃度は、ＪＩＳ Ｋ０１２４：２０１１、ＪＩＳ Ｋ０２１４：２０１３に準拠した、島津製作所製のＨＰＬＣ型式ＬＣ－２０ＡＤ（導電率検出器を使用）により測定した。
【0075】
（１．ラボ試験）
乳酸菌製造設備から排出される乳酸系排水に対するラボ試験を実施した。乳酸系排水の性状は以下の通りである。
・ＣＯＤｃｒ：５，０００ｍｇ／Ｌ
・排水中のＣＯＤｃｒに対して炭素数３以下の有機酸が占める割合：８０％
・有機酸のうち乳酸が占める割合：９０質量％以上
この乳酸系排水に対し、副基質として乳酸生成過程で発生するグルコースを、排水中のＣＯＤｃｒに対して１～２０％を占めるように添加した。
乳酸菌製造設備から排出される乳酸系排水に対するラボ試験を実施した。乳酸系排水の性状は以下の通りである。
・ＣＯＤｃｒ：５，０００ｍｇ／Ｌ
・排水中のＣＯＤｃｒに対して炭素数３以下の有機酸が占める割合：８０％
・有機酸のうち乳酸が占める割合：９０質量％以上
この乳酸系排水に対し、副基質として乳酸生成過程で発生するグルコースを、排水中のＣＯＤｃｒに対して１～２０％を占めるように添加した。
【0076】
図１に示す構成の嫌気性処理装置１００を構築し、上記の乳酸系排水に対する嫌気性処理を行った。嫌気性処理装置１００は、完全混合型の乳酸分解槽１１０及び完全混合型のメタン発酵槽１２０を備え、メタン発酵槽１２０から排出されるメタン発酵菌及び共生微生物等を含有する二次処理液は、担体分離装置１４０で担体１２２を分離した後、乳酸分解槽１１０に返送される。メタン発酵槽１２０には、酸発酵菌、メタン発酵菌、フィルム形成菌、及び共生微生物が付着した担体１２２（担体形状：球体、担体素材：ポリビニルアルコール）を使用した。
【0077】
運転条件は以下とした。
乳酸分解槽
・有効容積：１Ｌ
・槽内の液温：３５℃
・嫌気性微生物：メタン発酵槽の処理水ＳＳを投入
・槽内の液中ｐＨ：５．０～７．０（制御せず）
・ＯＲＰ：－１００～－１５０ｍＶ（制御せず）
・攪拌：機械攪拌
・滞留時間：２～５日
メタン発酵槽
・有効容積：１Ｌ
・槽内の液温：３５℃
・担体の能力：メタン生成活性度０．５ｋｇ／（ｋｇ・ｄ）以上
（メタン生成活性度は、ケルダール法で担体の窒素含有量を測定し、担体当たりのＳＳ量で評価した。）
・槽内の液中ｐＨ：７．０～８．２（制御せず）
・ＯＲＰ：－２００～－５００ｍＶ（制御せず）
・攪拌：機械攪拌
・滞留時間：２～５日
乳酸分解槽
・有効容積：１Ｌ
・槽内の液温：３５℃
・嫌気性微生物：メタン発酵槽の処理水ＳＳを投入
・槽内の液中ｐＨ：５．０～７．０（制御せず）
・ＯＲＰ：－１００～－１５０ｍＶ（制御せず）
・攪拌：機械攪拌
・滞留時間：２～５日
メタン発酵槽
・有効容積：１Ｌ
・槽内の液温：３５℃
・担体の能力：メタン生成活性度０．５ｋｇ／（ｋｇ・ｄ）以上
（メタン生成活性度は、ケルダール法で担体の窒素含有量を測定し、担体当たりのＳＳ量で評価した。）
・槽内の液中ｐＨ：７．０～８．２（制御せず）
・ＯＲＰ：－２００～－５００ｍＶ（制御せず）
・攪拌：機械攪拌
・滞留時間：２～５日
【0078】
流量を増加させる方法により、排水負荷を徐々に上昇させながら、処理水（二次処理液）のＣＯＤｃｒ及び有機酸濃度の変化を調査した。処理水に酢酸及びプロピオン酸の濃度の残留はほとんど見られなかった。その結果、１９ｋｇ－ＣＯＤｃｒ／（ｍ3・ｄ）においてＣＯＤｃｒ除去率８０％を確認した。担体の汚泥付着量は１８ｇ－ＶＳＳ／Ｌであった。経日ごとに担体の菌叢解析を行い、菌体の優占率を確認したところSyntrophobacter、Pelotomaculum等の共生微生物の優占率が全菌数のうち１～１５％程度を占めていた。
【0079】
（２．実機試験）
図１に示す構成の嫌気性処理装置１００を構築し、上記の乳酸系排水に対する嫌気性処理を行った。嫌気性処理装置１００は、完全混合型の乳酸分解槽１１０及び完全混合型のメタン発酵槽１２０を備え、メタン発酵槽１２０から排出されるメタン発酵菌及び共生微生物を含有する二次処理液は、担体分離装置１４０で担体１２２を分離した後、乳酸分解槽１１０に返送される。
図１に示す構成の嫌気性処理装置１００を構築し、上記の乳酸系排水に対する嫌気性処理を行った。嫌気性処理装置１００は、完全混合型の乳酸分解槽１１０及び完全混合型のメタン発酵槽１２０を備え、メタン発酵槽１２０から排出されるメタン発酵菌及び共生微生物を含有する二次処理液は、担体分離装置１４０で担体１２２を分離した後、乳酸分解槽１１０に返送される。
【0080】
乳酸分解槽１１０の運転条件は以下とした。
・有効容積：３５ｍ3
・槽内の液温：３５℃
・嫌気性微生物：未使用担体とグラニュールを初期に投入（その他はメタン発酵槽から返送される二次処理液から供給）担体に付着している微生物は、Methanosaeta属、Methanobacterium、Geobacter属、Thermodesulfovibrio属、Syntrophobacter属等であった。
・嫌気性微生物の活性度：０．５ｋｇ／（ｋｇ・ｄ）以上
（活性度は、ケルダール法で担体の窒素含有量を測定し、担体当たりのＳＳ量で評価した。）
・槽内の液中ｐＨ：６．５～７．５の範囲であるが、常にメタン発酵槽の液中ｐＨより低かった。（メタン発酵槽のｐＨが６．５以下に低下した場合に乳酸分解槽に苛性ソーダを注入することで、菌体の活性を高めるため、また、水素発酵を防止するため、両槽のｐＨを上げた。）
・攪拌：機械攪拌
・滞留時間：３～１５ｈ
・有効容積：３５ｍ3
・槽内の液温：３５℃
・嫌気性微生物：未使用担体とグラニュールを初期に投入（その他はメタン発酵槽から返送される二次処理液から供給）担体に付着している微生物は、Methanosaeta属、Methanobacterium、Geobacter属、Thermodesulfovibrio属、Syntrophobacter属等であった。
・嫌気性微生物の活性度：０．５ｋｇ／（ｋｇ・ｄ）以上
（活性度は、ケルダール法で担体の窒素含有量を測定し、担体当たりのＳＳ量で評価した。）
・槽内の液中ｐＨ：６．５～７．５の範囲であるが、常にメタン発酵槽の液中ｐＨより低かった。（メタン発酵槽のｐＨが６．５以下に低下した場合に乳酸分解槽に苛性ソーダを注入することで、菌体の活性を高めるため、また、水素発酵を防止するため、両槽のｐＨを上げた。）
・攪拌：機械攪拌
・滞留時間：３～１５ｈ
【0081】
メタン発酵槽１２０には、水素資化性メタン発酵菌、酢酸資化性メタン発酵菌、及びプロピオン酸酸化細菌が付着した担体１２２（担体形状：球状、担体素材：ポリビニルアルコール）を使用した。メタン発酵槽１２０の運転条件は以下とした。
・有効容積：９６ｍ3
・槽内の液温：３５℃
・担体の能力：メタン生成活性度０．５ｋｇ／（ｋｇ・ｄ）以上
（活性度は、ケルダール法で担体の窒素含有量を測定し、担体当たりのＳＳ量で評価した。）
・槽内の液中ｐＨ：６．５～８．２
・攪拌：メタンガスが発生することによるガス攪拌
・滞留時間：２～８ｈ
・メタン発酵槽から乳酸分解槽に流入する排水のＣＯＤｃｒ：５００～４０００ｍｇ／Ｌ
・メタン発酵槽から乳酸分解槽へ返送する二次処理液の循環比：５～２０倍（乳酸分解槽の水位を一定に保持）
・有効容積：９６ｍ3
・槽内の液温：３５℃
・担体の能力：メタン生成活性度０．５ｋｇ／（ｋｇ・ｄ）以上
（活性度は、ケルダール法で担体の窒素含有量を測定し、担体当たりのＳＳ量で評価した。）
・槽内の液中ｐＨ：６．５～８．２
・攪拌：メタンガスが発生することによるガス攪拌
・滞留時間：２～８ｈ
・メタン発酵槽から乳酸分解槽に流入する排水のＣＯＤｃｒ：５００～４０００ｍｇ／Ｌ
・メタン発酵槽から乳酸分解槽へ返送する二次処理液の循環比：５～２０倍（乳酸分解槽の水位を一定に保持）
【0082】
流量を増加させる方法により、排水負荷を徐々に上昇させながら、処理水（二次処理液）のＣＯＤｃｒ及び有機酸濃度の変化を調査した。処理水中に酢酸及びプロピオン酸の濃度の残留はほとんど見られなかった。１９ｋｇ－ＣＯＤｃｒ／（ｍ3・ｄ）においてＣＯＤｃｒ除去率９５％を確認した。担体の汚泥付着量は４８ｇ－ＶＳＳ／Ｌであり、副基質を添加しない場合に比べて付着量も多い。経日ごとに担体の菌叢解析を行い、菌体の優占率を確認したところSyntrophobacter、Syntrophomonas、Smithella、Geobacter等の共生微生物の優占率が全菌数のうち１～１５％以上を占めており多様性に富んでいた。
【0083】
（３．回分試験）
乳酸試薬を水に溶かすことで得た乳酸含有水（乳酸濃度：５，０００ｍｇ／Ｌ、水量：５００ｍＬ）を乳酸発酵槽で嫌気性処理する回分試験を行った。この際、副基質としてグルコースを乳酸含有水のＣＯＤｃｒに対して表１に示す割合で添加した。
乳酸分解槽の運転条件は以下とした。
・有効容積：４００ｍＬ
・槽内の液温：３５℃
・嫌気性微生物：未使用担体を投入した。担体に付着している微生物は、Methanosaeta属、Methanobacterium、Geobacter属、Thermodesulfovibrio属、Syntrophobacter属等であった。
・槽内の液中ｐＨ：７．５程度(制御せず)
・乳酸分解槽からの流出液（一次処理液）のＯＲＰ：－１００～－１５０ｍＶ(制御せず)
・攪拌：機械攪拌
・滞留時間：２４時間
乳酸試薬を水に溶かすことで得た乳酸含有水（乳酸濃度：５，０００ｍｇ／Ｌ、水量：５００ｍＬ）を乳酸発酵槽で嫌気性処理する回分試験を行った。この際、副基質としてグルコースを乳酸含有水のＣＯＤｃｒに対して表１に示す割合で添加した。
乳酸分解槽の運転条件は以下とした。
・有効容積：４００ｍＬ
・槽内の液温：３５℃
・嫌気性微生物：未使用担体を投入した。担体に付着している微生物は、Methanosaeta属、Methanobacterium、Geobacter属、Thermodesulfovibrio属、Syntrophobacter属等であった。
・槽内の液中ｐＨ：７．５程度(制御せず)
・乳酸分解槽からの流出液（一次処理液）のＯＲＰ：－１００～－１５０ｍＶ(制御せず)
・攪拌：機械攪拌
・滞留時間：２４時間
【0084】
乳酸発酵槽で２４時間嫌気性処理した後の乳酸発酵槽内の液中のプロピオン酸の濃度を測定し、Methanosaeta属の優占率を確認した。Methanosaeta属の優占率は次世代シーケンシングという手法により確認し、全菌数のうち０．５％以下の検出率の場合を「×」、０．５％～５％の場合を「△」、５％以上の場合を「〇」として評価した。結果を表１に示す。
【0085】
【表1】
【0086】
本発明の実施の形態に係る嫌気性処理装置及び嫌気性処理方法によれば、有機酸のうち５０質量％以上が乳酸を占める排水に単糖類、二糖類以上の多糖類、タンパク質等の副基質を添加することにより、酸分解時の中間生成物である酢酸及びプロピオン酸をスムーズにメタンに分解することが可能になるため、乳酸を高濃度で含有する排水に対するＣＯＤｃｒ除去率を有意に向上させることができる。
【符号の説明】
【0087】
１００ 嫌気性処理装置
１０１ 排水ライン
１０２ 一次処理液ライン
１０３ 二次処理液ライン
１０４ 返送ライン
１０５ 二次処理液ライン
１０６ 担体ライン
１０７ 循環ライン
１０８ 担体返送ライン
１０９ ポンプ
１１０ 乳酸分解槽
１２０ メタン発酵槽
１２２ 担体
１３０ バイオガス利用設備
１３２ ガス回収系統
１４０ 担体分離装置
１４１ 外槽
１４２ 内槽
１４３ スクリーン
１５０ 濃縮装置
１６０ 流量制御手段
１７０ 流量制御手段
１８０ 副基質添加ライン
１９０ バイパスライン
２００ 嫌気性処理装置
３００ 嫌気性処理装置
１０１ 排水ライン
１０２ 一次処理液ライン
１０３ 二次処理液ライン
１０４ 返送ライン
１０５ 二次処理液ライン
１０６ 担体ライン
１０７ 循環ライン
１０８ 担体返送ライン
１０９ ポンプ
１１０ 乳酸分解槽
１２０ メタン発酵槽
１２２ 担体
１３０ バイオガス利用設備
１３２ ガス回収系統
１４０ 担体分離装置
１４１ 外槽
１４２ 内槽
１４３ スクリーン
１５０ 濃縮装置
１６０ 流量制御手段
１７０ 流量制御手段
１８０ 副基質添加ライン
１９０ バイパスライン
２００ 嫌気性処理装置
３００ 嫌気性処理装置
【図1】
【図2】
【図3】
