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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-08
(45)【発行日】2022-11-16
(54)【発明の名称】有機性排水の処理方法及び有機性排水の処理装置
(51)【国際特許分類】
C02F 3/12 20060101AFI20221109BHJP
C02F 3/30 20060101ALI20221109BHJP
C02F 11/06 20060101ALI20221109BHJP
【ＦＩ】
C02F3/12 S
C02F3/30 Z
C02F11/06 A
C02F11/06 B
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2019038807
(22)【出願日】2019-03-04
(65)【公開番号】P2020142168
(43)【公開日】2020-09-10
【審査請求日】2021-08-04
(73)【特許権者】
【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】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100120112
【氏名又は名称】中西 基晴
(74)【代理人】
【識別番号】100112634
【弁理士】
【氏名又は名称】松山 美奈子
(72)【発明者】
【氏名】大野 克博
(72)【発明者】
【氏名】楠本 勝子
【審査官】片山 真紀
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－００１１３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－２６０４９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－１２２６８２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ０２Ｆ ３／００－３４、１１／００－２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
有機性排水を活性汚泥槽で生物処理した後、汚泥と処理水とに分離し、分離した汚泥の一部を、嫌気槽に導入して、鉄の存在下で微曝気処理して、汚泥を分解し、再基質化させた後、処理後の汚泥を当該活性汚泥槽に返送し、当該再基質化された汚泥を当該活性汚泥槽で再び生物処理し、
分離した汚泥の一部を、微曝気処理せずに余剰汚泥として汚泥処理する、
ことを特徴とする有機性排水の処理方法。
【請求項2】
前記活性汚泥槽は、無酸素槽と好気槽とを含み、前記嫌気槽で微曝気処理した後の汚泥を当該無酸素槽に返送することを特徴とする、請求項１に記載の有機性排水の処理方法。
【請求項3】
前記嫌気槽における微曝気処理は、下記条件：（１）前記嫌気槽の酸化還元電位が－３５０ｍＶ以上－２５０ｍＶに低下したときに曝気する、
（２）前記嫌気槽の酸化還元電位が－５０ｍＶ以上＋３０ｍＶ以下に上昇したときに曝気しない
により制御されることを特徴とする請求項１又は２に記載の有機性排水の処理方法。
【請求項4】
前記嫌気槽の鉄濃度が４０ｍｇ／Ｌ以上となるように、鉄を添加することを特徴とする、請求項１～３のいずれか１に記載の有機性排水の処理方法。
【請求項5】
請求項１～４のいずれか１に記載の有機性排水の処理方法を実施する処理装置であって、
有機性排水を生物処理する活性汚泥槽と、
当該活性汚泥槽からの生物処理後の有機性排水を、汚泥と処理水とに分離する固液分離槽と、
当該固液分離槽からの汚泥の一部を、鉄の存在下で微曝気処理する嫌気槽と、
当該固液分離槽から当該嫌気槽へと、汚泥を搬送する汚泥搬送ラインと、
当該嫌気槽からの微曝気処理後の汚泥を、当該活性汚泥槽に返送する汚泥返送ラインと、
当該固液分離槽からの汚泥の一部を余剰汚泥として貯留する汚泥貯留槽と、
を具備する有機性排水の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、有機汚泥の発生を抑制することができる有機性排水の処理方法及び装置に関する。
【背景技術】
【0002】
汚泥減容化プロセスのうち物理化学的処理としては、オゾン酸化処理、酸化剤処理、アルカリ処理、超音波処理、電解処理、熱処理、叩解処理などがあり、余剰汚泥を可溶化して再基質化することで余剰汚泥の減容化を図っている。物理化学的処理では、単位汚泥当たりから生じる不活性な有機物量が多くなること、水処理工程における有機物負荷が高くなること、処理水質に影響を生じること、などの問題がある。
汚泥減容化プロセスのうち生物学的処理としては、消化処理、好熱性細菌処理、微生物／酵素処理、嫌気好気生物処理、自己酸化処理、食物連鎖処理などがあり、処理槽内の滞留時間や酸素有無を主なパラメータとして積極的に余剰汚泥の発生量の抑制や嫌気的分解・好気的分解を図っている。生物学的処理では、消化処理の場合には大きな消化槽を使用するために敷地面積が必要となること、微生物／酵素処理の場合には担体を使用するために初期コストが高いこと、食物連鎖処理の場合には高等生物相の安定的な維持が困難となること、などの問題がある。嫌気好気生物処理は、既設槽の改良による対応が可能で、主に下等生物からなる菌叢の維持を行うため、上述の問題を解決できる。
嫌気好気生物処理の一つであるOSAプロセス（Oxic Anaearobic Process）は、汚泥を好気性雰囲気下で生物処理した後に得られる余剰汚泥を嫌気性雰囲気下で滞留させ、その後当該余剰汚泥を生物処理に再度供する方法である（特許文献１及び２）。OSAプロセスにおいては、細胞外高分子化合物（EPS）の高次構造を構成する補因子の一つであるFe(III)がFe(II)に還元されることでEPSの崩壊が起こることが汚泥発生量低減の要因の一つであることが報告されている（非特許文献１）。
汚泥減容化プロセスのうち生物学的処理としては、消化処理、好熱性細菌処理、微生物／酵素処理、嫌気好気生物処理、自己酸化処理、食物連鎖処理などがあり、処理槽内の滞留時間や酸素有無を主なパラメータとして積極的に余剰汚泥の発生量の抑制や嫌気的分解・好気的分解を図っている。生物学的処理では、消化処理の場合には大きな消化槽を使用するために敷地面積が必要となること、微生物／酵素処理の場合には担体を使用するために初期コストが高いこと、食物連鎖処理の場合には高等生物相の安定的な維持が困難となること、などの問題がある。嫌気好気生物処理は、既設槽の改良による対応が可能で、主に下等生物からなる菌叢の維持を行うため、上述の問題を解決できる。
嫌気好気生物処理の一つであるOSAプロセス（Oxic Anaearobic Process）は、汚泥を好気性雰囲気下で生物処理した後に得られる余剰汚泥を嫌気性雰囲気下で滞留させ、その後当該余剰汚泥を生物処理に再度供する方法である（特許文献１及び２）。OSAプロセスにおいては、細胞外高分子化合物（EPS）の高次構造を構成する補因子の一つであるFe(III)がFe(II)に還元されることでEPSの崩壊が起こることが汚泥発生量低減の要因の一つであることが報告されている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特許第4841850号公報
【文献】米国特許7,569,147号明細書
【非特許文献】
【0004】
【文献】WATER ENVIRONMENT RESERCH, January 2018, p42-47,
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
これまで報告されているOSAプロセスにおける嫌気性雰囲気の制御パラメータは、酸化還元電位（ORP）、水理学的滞留時間（HRT）、汚泥滞留時間（SRT）、活性汚泥浮遊物質（MLSS）及び鉄濃度であり、これらのパラメータを成立させるための大きな槽容積や装置及び長い滞留時間が必要であった。
本発明は、従前のOSAプロセスを実施するために必要であった大きな槽容積や装置及び長い滞留時間を不要とすることができる有機性排水の処理方法及び装置を提供することを目的とする。
本発明は、従前のOSAプロセスを実施するために必要であった大きな槽容積や装置及び長い滞留時間を不要とすることができる有機性排水の処理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】
【0006】
本発明は、OSAプロセスにおける嫌気性雰囲気の制御パラメータに鉄濃度及び酸素供給速度を追加して、再基質化反応速度を制御することで、余剰汚泥の発生量を低減させ、嫌気槽のHRTやSRTを短縮し、嫌気槽の必要容量を縮小する。ここで「再基質化」とは、生物学的な水処理過程で発生した有機汚泥の一部を、物理化学的、生化学的な手段によって可溶化を促進させ、生物学的に酸化分解が可能な状態にまで低分子化させることである。
本発明の有機性排水の処理方法及び装置の具体的態様は以下のとおりである。
［１］有機性排水を活性汚泥槽で生物処理した後、汚泥と処理水とに分離し、
当該汚泥の一部を、嫌気槽に導入して、鉄の存在下で微曝気処理して、汚泥を分解し、再基質化させた後、処理後の汚泥を当該活性汚泥槽に返送し、当該再基質化された汚泥を当該活性汚泥槽で再び生物処理することを特徴とする有機性排水の処理方法。
［２］前記活性汚泥槽は、無酸素槽と好気槽とを含み、
前記嫌気槽で微曝気処理した後の汚泥を当該無酸素槽に返送することを特徴とする、上記［１］に記載の有機性排水の処理方法。
［３］前記嫌気槽における微曝気処理は、下記条件：
（１）前記嫌気槽の酸化還元電位が－３５０ｍＶ以上－２５０ｍＶに低下したときに曝気する、
（２）前記嫌気槽の酸化還元電位が－５０ｍＶ以上＋３０ｍＶ以下に上昇したときに曝気しない
により制御されることを特徴とする、上記［１］又は［２］に記載の有機性排水の処理方法。
［４］前記嫌気槽の鉄濃度が４０ｍｇ／Ｌ以上となるように、鉄を添加することを特徴とする、上記［１］～［３］のいずれか１に記載の有機性排水の処理方法。
［５］有機性排水を生物処理する活性汚泥槽と、
当該活性汚泥槽からの生物処理後の有機性排水を、汚泥と処理水とに分離する固液分離槽と、
当該固液分離槽からの汚泥の一部を、鉄の存在下で微曝気処理する嫌気槽と、
当該固液分離槽から当該嫌気槽へと、汚泥を搬送する汚泥搬送ラインと、
当該嫌気槽からの微曝気処理後の汚泥を、当該活性汚泥槽に返送する汚泥返送ラインと、
を具備する有機性排水の処理装置。
本発明において「微曝気処理」とは、嫌気槽内の汚泥中のヒドロキシラジカル量を制御するために、鉄イオンの還元反応及び自動酸化反応（Ｆｅ３＋→Ｆｅ２＋→Ｆｅ３＋）を促進する酸化還元電位に維持するように曝気のタイミングを制御して行う処理を意味し、好気処理の曝気とは異なる。
本発明の有機性排水の処理方法及び装置の具体的態様は以下のとおりである。
［１］有機性排水を活性汚泥槽で生物処理した後、汚泥と処理水とに分離し、
当該汚泥の一部を、嫌気槽に導入して、鉄の存在下で微曝気処理して、汚泥を分解し、再基質化させた後、処理後の汚泥を当該活性汚泥槽に返送し、当該再基質化された汚泥を当該活性汚泥槽で再び生物処理することを特徴とする有機性排水の処理方法。
［２］前記活性汚泥槽は、無酸素槽と好気槽とを含み、
前記嫌気槽で微曝気処理した後の汚泥を当該無酸素槽に返送することを特徴とする、上記［１］に記載の有機性排水の処理方法。
［３］前記嫌気槽における微曝気処理は、下記条件：
（１）前記嫌気槽の酸化還元電位が－３５０ｍＶ以上－２５０ｍＶに低下したときに曝気する、
（２）前記嫌気槽の酸化還元電位が－５０ｍＶ以上＋３０ｍＶ以下に上昇したときに曝気しない
により制御されることを特徴とする、上記［１］又は［２］に記載の有機性排水の処理方法。
［４］前記嫌気槽の鉄濃度が４０ｍｇ／Ｌ以上となるように、鉄を添加することを特徴とする、上記［１］～［３］のいずれか１に記載の有機性排水の処理方法。
［５］有機性排水を生物処理する活性汚泥槽と、
当該活性汚泥槽からの生物処理後の有機性排水を、汚泥と処理水とに分離する固液分離槽と、
当該固液分離槽からの汚泥の一部を、鉄の存在下で微曝気処理する嫌気槽と、
当該固液分離槽から当該嫌気槽へと、汚泥を搬送する汚泥搬送ラインと、
当該嫌気槽からの微曝気処理後の汚泥を、当該活性汚泥槽に返送する汚泥返送ラインと、
を具備する有機性排水の処理装置。
本発明において「微曝気処理」とは、嫌気槽内の汚泥中のヒドロキシラジカル量を制御するために、鉄イオンの還元反応及び自動酸化反応（Ｆｅ３＋→Ｆｅ２＋→Ｆｅ３＋）を促進する酸化還元電位に維持するように曝気のタイミングを制御して行う処理を意味し、好気処理の曝気とは異なる。
【発明の効果】
【0007】
本発明は、好気性雰囲気下での生物処理後の汚泥を、嫌気性雰囲気下でFe(III)をFe(II)へ還元させることによって細胞外高分子の高次構造を崩壊させ、適当量の空気供給を制御してFe(II)の自動酸化速度をコントロールし、Fe(II)の自動酸化から生じるヒドロキシラジカルによって細胞外高分子の低分子化反応を進行させ、再基質化反応を促進することで、標準活性汚泥法において発生する余剰汚泥の再基質化（BOD成分化）を促進させて、当該汚泥を活性汚泥槽に返送させ、無益回路（futile cycle）を促進させることで、単位投入BOD当たりの余剰汚泥の発生量低減を図るものである。
本発明によれば、嫌気槽内での再基質化反応が促進されるため、嫌気槽のHRTやSRTを短縮して、必要な槽容量を縮小することができる。
また、本発明によれば、嫌気槽内で再基質化反応が促進された汚泥が活性汚泥槽に返送されて、生物処理に供されるため、活性汚泥槽におけるメタノール等の電子供与体、、ｐＨ調整剤及び鉄系凝集剤の添加量を削減することができる。例えば、硝化脱窒プロセスにおける活性汚泥槽である脱窒槽に返送された場合は、メタノール等の電子供与体の添加量を削減することができ、返送された汚泥に含まれる鉄相当量の鉄系凝集剤及びその添加において要するｐＨ調整剤の添加量を削減することができる。
本発明によれば、嫌気槽内での再基質化反応が促進されるため、嫌気槽のHRTやSRTを短縮して、必要な槽容量を縮小することができる。
また、本発明によれば、嫌気槽内で再基質化反応が促進された汚泥が活性汚泥槽に返送されて、生物処理に供されるため、活性汚泥槽におけるメタノール等の電子供与体、、ｐＨ調整剤及び鉄系凝集剤の添加量を削減することができる。例えば、硝化脱窒プロセスにおける活性汚泥槽である脱窒槽に返送された場合は、メタノール等の電子供与体の添加量を削減することができ、返送された汚泥に含まれる鉄相当量の鉄系凝集剤及びその添加において要するｐＨ調整剤の添加量を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明の有機性排水処理方法の概略説明図である。
【図2】有機性排水がし尿・浄化槽汚泥を含む場合の本発明の処理装置の概略説明図である。
【図3】無酸素ゾーンと嫌気ゾーンとを含む嫌気槽を用いる場合の本発明の処理装置の概略説明図である。
【図4】空気供給量（通気時間）による酸化還元電位（ORP）の変化を示すグラフである。
【図5】対照系（曝気なし）について、汚泥滞留１１６時間目の励起蛍光スペクトルの例である。
【図6】試験系（微曝気）について、汚泥滞留１１６時間目の励起蛍光スペクトルの例である。
【図7】汚泥滞留時間０時間～１１６時間にわたる対照系（曝気なし）と試験系（微曝気）の２－ヒドロキシテレフタル酸濃度の変化を示すグラフである。
【図8】Ｓ－ＣＯＤＣｒの経時変化を示すグラフである。
【図9】全糖量の経時変化を示すグラフである。
【図10】総脂質の経時変化を示すグラフである。
【図11】有機体窒素の経時変化を示すグラフである。
【図12】対照系（通気無し）の場合の鉄濃度と２－ヒドロキシテレフタル酸発生量の経時変化を示すグラフである。
【図13】試験系（微曝気）の場合の鉄濃度と２－ヒドロキシテレフタル酸発生量の経時変化を示すグラフである。
【図14】半回分試験で用いた試験装置の概略説明図である。
【図15】半回分試験によるＳＳ総量の経時変化を示すグラフである。
【図16】半回分試験によるＶＳＳ総量の経時変化を示すグラフである。
【図17】連続試験で用いた試験装置の概略説明図である。
【図18】連続試験による余剰汚泥発生量の累積値を示すグラフである。
【図19】連続試験による総汚泥発生量の累積値を示すグラフである。
【図20】連続試験によるＯＲＰと空気供給量の関係を示すグラフである。
【図21】連続試験によるＯＲＰが－２５０ｍＶ程度に低下した時に通気を開始するタイミングを予想したグラフである。
【好ましい実施形態】
【0009】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は、本発明の有機性排水処理の概略説明図である。本発明の有機性排水の処理方法は、有機性排水を活性汚泥槽１０で生物処理した後、最終沈殿槽２０で汚泥と処理水とに分離し、汚泥を、汚泥搬送ライン２２を介して嫌気槽３０に導入して、鉄の存在下で微曝気処理して、汚泥を分解し、再基質化させた後、処理後の汚泥を、汚泥返送ライン３３を介して活性汚泥槽１０に返送し、再基質化された汚泥を活性汚泥槽１０で再び生物処理することを特徴とする。図１の下方に、嫌気槽３０内部での細胞外高分子と、鉄及び空気の反応を示す。好気性雰囲気下で生物処理された汚泥は、細胞外高分子とFe(III)を含む。Fe(III)は嫌気性雰囲気下でFe(II)へ還元されることによって細胞外高分子の高次構造を崩壊させる。ここに、適当量の空気を供給すると、Fe(II)がFe(III)に酸化され、ヒドロキシラジカルが生成する。ヒドロキシラジカルは、細胞外高分子の低分子化反応を進行させ、再基質化反応を促進する。再基質化された汚泥を活性汚泥槽に返送させ、無益回路（futile cycle）を促進させる。
図２は、有機性排水がし尿・浄化槽汚泥を含む場合の本発明の処理装置の概略説明図である。し尿・浄化槽汚泥を含む有機性排水は、受入槽１から前処理・脱水設備２を経て貯留槽３に貯留される。有機性排水は、貯留槽３から活性汚泥槽１０に送られる。活性汚泥槽１０は、無酸素槽１１、好気槽１２及び凝集槽１３を含む。有機性排水は、無酸素槽１１にて脱窒処理され、好気槽１２においてｐＨ調整剤が添加され、好気性雰囲気下で生物処理される。生物処理後の汚泥には、凝集槽１３にて鉄系凝集剤が添加されて、凝集フロックが形成され、沈殿槽２０にて上澄みの処理水と沈殿する汚泥とに分離される。処理水は、活性炭処理塔４で処理され、放流槽５を経て公共の水域に放流される。沈殿槽２０からの汚泥は、沈殿槽２０底部からライン２１を介して抜き出され、汚泥の一部は汚泥搬送ライン２２を介して嫌気槽３０に送られ、汚泥の残部は汚泥貯留槽６に送られる。嫌気槽３０には、第一鉄供給手段３１、空気供給手段３２及びORP計が接続されており、嫌気槽３０内の汚泥は、鉄の存在下で微曝気処理され、図１に示すFe(III)→Fe(II)→Fe(III)の反応と、Fe(II)→Fe(III)の反応の際に生成するヒドロキシラジカルにより、細胞外高分子の低分子化反応が進行し、再基質化反応が促進される。再基質化された汚泥は、汚泥返送ライン３３を介して活性汚泥槽１０の無酸素槽１１に返送され、再び生物処理に供される。
図３は、嫌気槽３０が汚泥貯留槽を兼用し、汚泥貯留槽を含まず、嫌気槽３０が無酸素ゾーン３４と、嫌気性処理が進行する嫌気ゾーン３５と、を含む点を除いて、図２に示す装置と同じ構成である。同じ装置には同じ符号を付して説明を割愛する。
嫌気槽３０の無酸素ゾーン３４には鉄を供給する鉄供給手段３１が設けられており、嫌気ゾーン３５には空気を供給する空気供給手段３２が設けられており、無酸素ゾーン３４から嫌気ゾーン３５に汚泥の一部を供給して、当該汚泥の一部を微曝気処理に供するように構成されている。例えば、無酸素ゾーン３４と嫌気ゾーン３５を上下に配置し、沈殿槽２０底部から汚泥搬送ライン２２を介して抜き出された汚泥が無酸素ゾーン３４に送られ、嫌気ゾーン３５底部に汚泥返送ライン３３を接続させて、無酸素ゾーン３４から嫌気ゾーン３５へと汚泥が自然に沈降する構成とすることができる。汚泥返送ライン３３は、嫌気ゾーン３５と活性汚泥槽１０との間に設けられており、嫌気ゾーン３５からの汚泥を活性汚泥槽１０へ返送する。
図３において、生物処理後に固液分離された汚泥は、汚泥搬送ライン２２を介して、嫌気槽３０の無酸素ゾーン３４に送られる。汚泥の一部は無酸素ゾーン３４から嫌気ゾーン３５に送られ、図１に示す微曝気嫌気処理に供された後、汚泥返送ライン３３を介して活性汚泥槽１０の無酸素槽１１に返送され、再び生物処理に供される。
図３に示す装置によれば、限られた槽容量でも十分な汚泥滞留時間（SRT）を確保することができる。余剰汚泥（Ｑm3／day）を汚泥貯留槽（Ｖm3）に貯留し、固液界面下部より脱水用汚泥（ｑm3／day）を引き抜き、残った汚泥（Ｑ－ｑm3／day）を汚泥貯留槽の底部から順次引き抜くことになるため、汚泥分解のために与えられるSRTはＶ／ＱからＶ／（Ｑ－ｑ）に延長され得る。
図１～３に示す処理装置及び処理フローにおいて、嫌気槽３０における空気の供給量は、嫌気性雰囲気を維持できる微曝気を可能とする量であり、下記条件（１）及び（２）により制御されることが好ましい。
（１）嫌気槽の酸化還元電位（ORP）が－３５０ｍＶ以上－２５０ｍＶに低下したときに曝気する
（２）前記嫌気槽の酸化還元電位（ORP）が－５０ｍＶ以上＋３０ｍＶ以下に上昇したときに曝気しない
空気供給量は、嫌気槽の容量及び嫌気槽内の汚泥量などにより変動するが、たとえば容量１Ｌの嫌気槽に０．５Ｌの汚泥が貯留されている場合には、曝気時には３．６Ｌ／ｍｉｎ（＝約７．２ｖｖｍ）の流量で１０～１５分間供給することができる。曝気の有無を嫌気槽のＯＲＰにより制御して、嫌気槽を生化学的に還元状態として曝気しない状態でＯＲＰを－３５０ｍＶ～－２５０ｍＶまで低下させることにより、嫌気槽中に存在する鉄イオンをＦｅ３＋→Ｆｅ２＋に還元させることができる。嫌気槽中のＯＲＰが－３５０ｍＶ～－２５０ｍＶまで低下したときに曝気することにより、Ｆｅ２＋→Ｆｅ３＋の反応が生じる。
また、嫌気槽３０における鉄の濃度は、４０ｍｇ／Ｌ as Fe以上が好ましく、８０ｍｇ／Ｌas Fe以上がより好ましい。添加する鉄としては、水溶性の鉄化合物であれば特に限定されないが、たとえばポリ塩化鉄、ポリ硫酸鉄、塩化第二鉄、塩化第一鉄、硫酸鉄などを好適に挙げることができる。
図２及び３において、固液分離槽として沈殿槽２０を用いているが、固液分離槽はこれに限定されず、たとえばUF膜などの膜分離槽であってもよい。
図１は、本発明の有機性排水処理の概略説明図である。本発明の有機性排水の処理方法は、有機性排水を活性汚泥槽１０で生物処理した後、最終沈殿槽２０で汚泥と処理水とに分離し、汚泥を、汚泥搬送ライン２２を介して嫌気槽３０に導入して、鉄の存在下で微曝気処理して、汚泥を分解し、再基質化させた後、処理後の汚泥を、汚泥返送ライン３３を介して活性汚泥槽１０に返送し、再基質化された汚泥を活性汚泥槽１０で再び生物処理することを特徴とする。図１の下方に、嫌気槽３０内部での細胞外高分子と、鉄及び空気の反応を示す。好気性雰囲気下で生物処理された汚泥は、細胞外高分子とFe(III)を含む。Fe(III)は嫌気性雰囲気下でFe(II)へ還元されることによって細胞外高分子の高次構造を崩壊させる。ここに、適当量の空気を供給すると、Fe(II)がFe(III)に酸化され、ヒドロキシラジカルが生成する。ヒドロキシラジカルは、細胞外高分子の低分子化反応を進行させ、再基質化反応を促進する。再基質化された汚泥を活性汚泥槽に返送させ、無益回路（futile cycle）を促進させる。
図２は、有機性排水がし尿・浄化槽汚泥を含む場合の本発明の処理装置の概略説明図である。し尿・浄化槽汚泥を含む有機性排水は、受入槽１から前処理・脱水設備２を経て貯留槽３に貯留される。有機性排水は、貯留槽３から活性汚泥槽１０に送られる。活性汚泥槽１０は、無酸素槽１１、好気槽１２及び凝集槽１３を含む。有機性排水は、無酸素槽１１にて脱窒処理され、好気槽１２においてｐＨ調整剤が添加され、好気性雰囲気下で生物処理される。生物処理後の汚泥には、凝集槽１３にて鉄系凝集剤が添加されて、凝集フロックが形成され、沈殿槽２０にて上澄みの処理水と沈殿する汚泥とに分離される。処理水は、活性炭処理塔４で処理され、放流槽５を経て公共の水域に放流される。沈殿槽２０からの汚泥は、沈殿槽２０底部からライン２１を介して抜き出され、汚泥の一部は汚泥搬送ライン２２を介して嫌気槽３０に送られ、汚泥の残部は汚泥貯留槽６に送られる。嫌気槽３０には、第一鉄供給手段３１、空気供給手段３２及びORP計が接続されており、嫌気槽３０内の汚泥は、鉄の存在下で微曝気処理され、図１に示すFe(III)→Fe(II)→Fe(III)の反応と、Fe(II)→Fe(III)の反応の際に生成するヒドロキシラジカルにより、細胞外高分子の低分子化反応が進行し、再基質化反応が促進される。再基質化された汚泥は、汚泥返送ライン３３を介して活性汚泥槽１０の無酸素槽１１に返送され、再び生物処理に供される。
図３は、嫌気槽３０が汚泥貯留槽を兼用し、汚泥貯留槽を含まず、嫌気槽３０が無酸素ゾーン３４と、嫌気性処理が進行する嫌気ゾーン３５と、を含む点を除いて、図２に示す装置と同じ構成である。同じ装置には同じ符号を付して説明を割愛する。
嫌気槽３０の無酸素ゾーン３４には鉄を供給する鉄供給手段３１が設けられており、嫌気ゾーン３５には空気を供給する空気供給手段３２が設けられており、無酸素ゾーン３４から嫌気ゾーン３５に汚泥の一部を供給して、当該汚泥の一部を微曝気処理に供するように構成されている。例えば、無酸素ゾーン３４と嫌気ゾーン３５を上下に配置し、沈殿槽２０底部から汚泥搬送ライン２２を介して抜き出された汚泥が無酸素ゾーン３４に送られ、嫌気ゾーン３５底部に汚泥返送ライン３３を接続させて、無酸素ゾーン３４から嫌気ゾーン３５へと汚泥が自然に沈降する構成とすることができる。汚泥返送ライン３３は、嫌気ゾーン３５と活性汚泥槽１０との間に設けられており、嫌気ゾーン３５からの汚泥を活性汚泥槽１０へ返送する。
図３において、生物処理後に固液分離された汚泥は、汚泥搬送ライン２２を介して、嫌気槽３０の無酸素ゾーン３４に送られる。汚泥の一部は無酸素ゾーン３４から嫌気ゾーン３５に送られ、図１に示す微曝気嫌気処理に供された後、汚泥返送ライン３３を介して活性汚泥槽１０の無酸素槽１１に返送され、再び生物処理に供される。
図３に示す装置によれば、限られた槽容量でも十分な汚泥滞留時間（SRT）を確保することができる。余剰汚泥（Ｑm3／day）を汚泥貯留槽（Ｖm3）に貯留し、固液界面下部より脱水用汚泥（ｑm3／day）を引き抜き、残った汚泥（Ｑ－ｑm3／day）を汚泥貯留槽の底部から順次引き抜くことになるため、汚泥分解のために与えられるSRTはＶ／ＱからＶ／（Ｑ－ｑ）に延長され得る。
図１～３に示す処理装置及び処理フローにおいて、嫌気槽３０における空気の供給量は、嫌気性雰囲気を維持できる微曝気を可能とする量であり、下記条件（１）及び（２）により制御されることが好ましい。
（１）嫌気槽の酸化還元電位（ORP）が－３５０ｍＶ以上－２５０ｍＶに低下したときに曝気する
（２）前記嫌気槽の酸化還元電位（ORP）が－５０ｍＶ以上＋３０ｍＶ以下に上昇したときに曝気しない
空気供給量は、嫌気槽の容量及び嫌気槽内の汚泥量などにより変動するが、たとえば容量１Ｌの嫌気槽に０．５Ｌの汚泥が貯留されている場合には、曝気時には３．６Ｌ／ｍｉｎ（＝約７．２ｖｖｍ）の流量で１０～１５分間供給することができる。曝気の有無を嫌気槽のＯＲＰにより制御して、嫌気槽を生化学的に還元状態として曝気しない状態でＯＲＰを－３５０ｍＶ～－２５０ｍＶまで低下させることにより、嫌気槽中に存在する鉄イオンをＦｅ３＋→Ｆｅ２＋に還元させることができる。嫌気槽中のＯＲＰが－３５０ｍＶ～－２５０ｍＶまで低下したときに曝気することにより、Ｆｅ２＋→Ｆｅ３＋の反応が生じる。
また、嫌気槽３０における鉄の濃度は、４０ｍｇ／Ｌ as Fe以上が好ましく、８０ｍｇ／Ｌas Fe以上がより好ましい。添加する鉄としては、水溶性の鉄化合物であれば特に限定されないが、たとえばポリ塩化鉄、ポリ硫酸鉄、塩化第二鉄、塩化第一鉄、硫酸鉄などを好適に挙げることができる。
図２及び３において、固液分離槽として沈殿槽２０を用いているが、固液分離槽はこれに限定されず、たとえばUF膜などの膜分離槽であってもよい。
【実施例】
【0010】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0011】
［嫌気槽におけるヒドロキシラジカル発生］
し尿処理場から入手した活性汚泥（汚泥性状は表１に記載のとおり）５００ｍＬを曝気槽（１Ｌ）に入れ、ＯＲＰが－２５０ｍＶ付近になるまで室温で無通気状態に放置した。次に、終濃度が１ｍＭとなるようにテレフタル酸を添加し、ＯＲＰが－５０ｍＶ付近になるまで３．６Ｌ／ｍｉｎ（約７ｖｖｍ）の流量で空気を約１０分間供給し、ＯＲＰを測定した。１２時間毎に１０分間の３．６Ｌ／ｍｉｎ（約７ｖｖｍ）の流量の空気供給を繰り返し、各回での空気供給量（通気時間）によるＯＲＰの変化を図４に示す。図４において、通気時間１０分は、空気供給量が総量で３６Ｌであることを意味し、「１回目」は最初の１２時間後の空気供給時、「２回目」は２４時間後の空気供給時、「８回目」は９６時間後の空気供給時を意味する。
し尿処理場から入手した活性汚泥（汚泥性状は表１に記載のとおり）５００ｍＬを曝気槽（１Ｌ）に入れ、ＯＲＰが－２５０ｍＶ付近になるまで室温で無通気状態に放置した。次に、終濃度が１ｍＭとなるようにテレフタル酸を添加し、ＯＲＰが－５０ｍＶ付近になるまで３．６Ｌ／ｍｉｎ（約７ｖｖｍ）の流量で空気を約１０分間供給し、ＯＲＰを測定した。１２時間毎に１０分間の３．６Ｌ／ｍｉｎ（約７ｖｖｍ）の流量の空気供給を繰り返し、各回での空気供給量（通気時間）によるＯＲＰの変化を図４に示す。図４において、通気時間１０分は、空気供給量が総量で３６Ｌであることを意味し、「１回目」は最初の１２時間後の空気供給時、「２回目」は２４時間後の空気供給時、「８回目」は９６時間後の空気供給時を意味する。
【表1】
【0012】
空気供給１０分後に、曝気槽から汚泥を採取し、１μｍフィルターでろ液を作製し、励起蛍光スペクトルを計測した。ＯＲＰが－２５０ｍＶ付近まで低下した後に同じ操作を行い、１０回程度繰り返した。
対照系は、空気を供給しなかった以外は同様の条件として、励起蛍光スペクトルを計測した。
対照系は、空気を供給しなかった以外は同様の条件として、励起蛍光スペクトルを計測した。
【0013】
テレフタル酸を共存させた系中でヒドロキシラジカルが発生する場合、下記式に示す反応が起きることが知られており、２－ヒドロキシテレフタル酸の励起蛍光スペクトル（励起波長３２０ｎｍ、蛍光波長４３０ｎｍ）が検出される。
【化1】
【0014】
対照系（曝気なし）と試験系（微曝気）について、汚泥滞留１１６時間目の励起蛍光スペクトルの例を図５（対照系）及び図６（試験系）に示す。汚泥滞留時間０時間～１１６時間にわたる対照系（w/o Air：曝気なし）と試験系（with Air：微曝気）の２－ヒドロキシテレフタル酸濃度の変化を図７に示す。
【0015】
また、試験系及び対照系について、Ｓ－ＣＯＤＣｒ、全糖量、総脂質、有機体窒素の経時変化を測定し、結果を図８～１１に示す。
【0016】
図７より、試験系（微曝気）は、対照系（曝気なし）に比べ、２－ヒドロキシラジカル生成に有意な差があることが確認できた。これより、空気供給を制御することによりヒドロシキラジカルの生成量の制御が可能であると考えられる。
【0017】
図８～図１１より、試験系（微曝気）の汚泥は、Ｓ－ＣＯＤＣｒ、全糖量、総脂質、有機体窒素が経時的に減少しており、これらの減少は対照系に比べて有意な差があることが確認できた。これより、微曝気によって発生したヒドロキシラジカルにより有機物の分解や無機化が促進されたと考えられる。
【0018】
［鉄濃度と２－ヒドロキシテレフタル酸濃度の関係］
鉄濃度で４４ｍｇ／Ｌの不溶性鉄塩を含む下水処理場活性汚泥（ＭＬＳＳ；１３５０ｍｇ／Ｌ）にＦｅＣｌ３水溶液を添加し、鉄濃度を８８ｍｇ／Ｌ、１１８ｍｇ／Ｌ、２２７ｍｇ／Ｌとした汚泥をそれぞれ１Ｌ調製した。これらを室温にて数日間放置することで還元雰囲気とした後、各汚泥を０．５Ｌずつに分け、通気しない対照系と、１２時間毎に５分間の微曝気を施す試験系として、試験を開始した。両系には、ヒドロキシラジカルを検出する化学プローブとして１ｍＭのテレフタル酸を添加した。各系の各汚泥を４８時間後、９６時間後にサンプリングし、孔径１μｍのフィルターでろ過したろ液について励起蛍光スペクトルを計測した。計測では、特に２－ヒドロキシテレフタル酸の励起蛍光スペクトル（Ｅｘ；３２０ｎｍ、Ｅｍ；４３０ｎｍ）の増加を追従した。２－ヒドロキシテレフタル酸の発生量を図１２（対照系）及び図１３（試験系）に示す。
鉄濃度で４４ｍｇ／Ｌの不溶性鉄塩を含む下水処理場活性汚泥（ＭＬＳＳ；１３５０ｍｇ／Ｌ）にＦｅＣｌ３水溶液を添加し、鉄濃度を８８ｍｇ／Ｌ、１１８ｍｇ／Ｌ、２２７ｍｇ／Ｌとした汚泥をそれぞれ１Ｌ調製した。これらを室温にて数日間放置することで還元雰囲気とした後、各汚泥を０．５Ｌずつに分け、通気しない対照系と、１２時間毎に５分間の微曝気を施す試験系として、試験を開始した。両系には、ヒドロキシラジカルを検出する化学プローブとして１ｍＭのテレフタル酸を添加した。各系の各汚泥を４８時間後、９６時間後にサンプリングし、孔径１μｍのフィルターでろ過したろ液について励起蛍光スペクトルを計測した。計測では、特に２－ヒドロキシテレフタル酸の励起蛍光スペクトル（Ｅｘ；３２０ｎｍ、Ｅｍ；４３０ｎｍ）の増加を追従した。２－ヒドロキシテレフタル酸の発生量を図１２（対照系）及び図１３（試験系）に示す。
【0019】
図１２及び１３から、鉄濃度によらずに、試験系（微曝気）の方が対照系（曝気無し）よりも２－ヒドロキシテレフタル酸の発生量が多いことがわかる。特に、鉄濃度が８８ｍｇ／Ｌ以上では汚泥滞留時間の長短によらずに、対照系の２倍以上の発生量が認められる。したがって、鉄濃度は少なくとも４４ｍｇ／Ｌ以上、好ましくは８８ｍｇ／Ｌ以上とすることにより、微曝気との相乗効果が得られたことがわかる。
【0020】
［半回分試験による汚泥減容］
図１４に示す試験装置を用いて、し尿処理場から入手した硝化脱窒汚泥（ＭＬＳＳ；１０６００ｍｇ／Ｌ、鉄濃度４０００ｍｇ／Ｌ）を試験系及び対照系の各活性汚泥槽（実効体積２．２Ｌ）に１１００ｍＬずつ投入した。次に、表２に示す組成の人工排水をＨＲＴ約１日で連続的に通液し、Ｎａ２ＣＯ３でｐＨを７．５に調整して、通気量約２Ｌ／ｍｉｎ（約１ｖｖｍ）、温度２６±１℃に維持して運転した。活性汚泥槽内の汚泥を定期的に引き抜き、同時に引き抜かれる鉄に相当する量のポリ鉄を半回分的に添加した。
対照系及び試験系の活性汚泥槽から引き抜いた２５０ｍＬの汚泥の内、１００ｍＬは各系の活性汚泥槽に返送し、５０ｍＬを各系の嫌気槽に貯留し、残りの５０ｍＬを各系の余剰汚泥として排出した。（ＳＲＴ約４４日）。
試験系の嫌気槽はタイマーを用いて１２時間毎に１０分間の空気供給３．６Ｌ／ｍｉｎ（＝約７．２ｖｖｍ）を行った。
各槽の汚泥のＳＳ量及びＶＳＳ量からＳＳ総量及びＶＳＳ総量を算出した。図１５にＳＳ総量の経時変化を示し、図１６にＶＳＳ総量の経時変化を示す。また、１日目～７日目のＳＳ総量及びＶＳＳ総量から汚泥生成速度を算出した結果を表３に示す。
図１４に示す試験装置を用いて、し尿処理場から入手した硝化脱窒汚泥（ＭＬＳＳ；１０６００ｍｇ／Ｌ、鉄濃度４０００ｍｇ／Ｌ）を試験系及び対照系の各活性汚泥槽（実効体積２．２Ｌ）に１１００ｍＬずつ投入した。次に、表２に示す組成の人工排水をＨＲＴ約１日で連続的に通液し、Ｎａ２ＣＯ３でｐＨを７．５に調整して、通気量約２Ｌ／ｍｉｎ（約１ｖｖｍ）、温度２６±１℃に維持して運転した。活性汚泥槽内の汚泥を定期的に引き抜き、同時に引き抜かれる鉄に相当する量のポリ鉄を半回分的に添加した。
対照系及び試験系の活性汚泥槽から引き抜いた２５０ｍＬの汚泥の内、１００ｍＬは各系の活性汚泥槽に返送し、５０ｍＬを各系の嫌気槽に貯留し、残りの５０ｍＬを各系の余剰汚泥として排出した。（ＳＲＴ約４４日）。
試験系の嫌気槽はタイマーを用いて１２時間毎に１０分間の空気供給３．６Ｌ／ｍｉｎ（＝約７．２ｖｖｍ）を行った。
【表2】
【表3】
【0021】
試験期間が長くなるほど、試験系は対照系よりＳＳ総量及びＶＳＳ総量が減少し、ＳＳ発生速度及びＶＳＳ発生速度も遅くなっていることがわかる。通常の運転期間にまで長期化することにより、鉄の添加と微曝気とにより、汚泥生成を減少させることができると考えられる。
【0022】
［連続試験による汚泥減容］
図１７に示す試験装置を用いて、し尿処理場から入手した硝化脱窒汚泥１１００ｍＬを試験系及び対照系の各活性汚泥槽（実効体積２．２Ｌ）に投入した。次に、表２に示す組成の人工排水をＨＲＴ約１日で連続的に通液し、Ｎａ２ＣＯ３でｐＨを７．５に調整して、通気量約２Ｌ／ｍｉｎ（約１ｖｖｍ）、温度２６±１℃に維持して運転した。活性汚泥槽内の汚泥を定期的に引き抜き、同時に引き抜かれる鉄に相当する量のポリ鉄を半回分的に添加した。
図１７に示す試験装置を用いて、し尿処理場から入手した硝化脱窒汚泥１１００ｍＬを試験系及び対照系の各活性汚泥槽（実効体積２．２Ｌ）に投入した。次に、表２に示す組成の人工排水をＨＲＴ約１日で連続的に通液し、Ｎａ２ＣＯ３でｐＨを７．５に調整して、通気量約２Ｌ／ｍｉｎ（約１ｖｖｍ）、温度２６±１℃に維持して運転した。活性汚泥槽内の汚泥を定期的に引き抜き、同時に引き抜かれる鉄に相当する量のポリ鉄を半回分的に添加した。
【0023】
対照系の活性汚泥槽から引き抜いた２５０ｍＬの汚泥の内、１００ｍＬは活性汚泥槽に返送し、残りの１５０ｍＬを余剰汚泥として排出した（ＳＲＴ約１５日）。
試験系の活性汚泥槽から引き抜いた２５０ｍＬの汚泥の内、１００ｍＬは活性汚泥槽に返送し、７５～１００ｍＬを嫌気槽に貯留し、残りの５０～７５ｍＬを余剰汚泥として排出した。嫌気槽の温度は２６±１℃に維持し、ＯＲＰは１００ｍＶ以下となるように手動で制御し、ＳＲＴ（ここではＨＲＴとほぼ等しい）は約１０日～２０日の可変運転を行った。試験系の総ＳＲＴは２６日～３０日となり、対照系の約１．７～２倍となった。
試験系の活性汚泥槽から引き抜いた２５０ｍＬの汚泥の内、１００ｍＬは活性汚泥槽に返送し、７５～１００ｍＬを嫌気槽に貯留し、残りの５０～７５ｍＬを余剰汚泥として排出した。嫌気槽の温度は２６±１℃に維持し、ＯＲＰは１００ｍＶ以下となるように手動で制御し、ＳＲＴ（ここではＨＲＴとほぼ等しい）は約１０日～２０日の可変運転を行った。試験系の総ＳＲＴは２６日～３０日となり、対照系の約１．７～２倍となった。
【0024】
試験系及び対照系から排出される余剰汚泥発生量の累積値を図１８に示す。試験系の余剰汚泥発生量は、対照系の４～５割程度に削減されたことがわかる。
試験系及び対照系からの総汚泥発生量を図１９に示す。試験系の総汚泥発生量は、対照系の４～６割程度に削減されたことがわかる。
試験系及び対照系からの総汚泥発生量を図１９に示す。試験系の総汚泥発生量は、対照系の４～６割程度に削減されたことがわかる。
【0025】
試験系において、容量１Ｌの嫌気槽に０．５Ｌの汚泥を１５日間滞留させ、３．６Ｌ／ｍｉｎ（＝約７．２ｖｖｍ）の流量で空気を供給して、ＯＲＰを測定し、－５０ｍＶに到達した時点で空気の供給を停止した。結果を図２０に示す。当初のＯＲＰは－２５０ｍＶであり、空気供給によりＯＲＰが急速に上昇し続け、約１１分で－５０ｍＶに到達したので、空気供給を停止した。ＯＲＰは緩やかに低下し、通気停止後２０分程度で－１５０ｍＶ程度に落ち着くことがわかった。図４に示す通気時間とＯＲＰ値との関係に基づいて図２０の結果を外挿し、ＯＲＰが－２５０ｍＶ程度に低下した時に通気を開始するタイミングを予想したグラフが図２１である。連続運転の場合、約７００分間隔で約１０分の通気を行う微曝気処理を行うことにより、ＯＲＰを－５０ｍＶ～－２５０ｍＶの範囲に維持できると考えられる。試験系の嫌気槽内のｐＨは７．５～８．５の範囲であるから、ＯＲＰが－５０ｍＶ～－２５０ｍＶの範囲では、鉄はＦｅ２＋として存在する。Ｆｅ２＋の状態に空気を供給することにより、Ｆｅ２＋は酸化されてＦｅ３＋となり、図１に示す微曝気状態を維持することができる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】