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特許7200248有機性排水処理方法及び有機排水処理装置
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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】2022-12-23
(45)【発行日】2023-01-06
(54)【発明の名称】有機性排水処理方法及び有機排水処理装置
(51)【国際特許分類】
   C02F 3/30 20230101AFI20221226BHJP
   C02F 3/28 20230101ALI20221226BHJP
   C02F 3/12 20230101ALI20221226BHJP
   C02F 11/04 20060101ALI20221226BHJP
【FI】
C02F3/30 Z
C02F3/30 A
C02F3/30 B
C02F3/28 Z
C02F3/28 A
C02F3/28 B
C02F3/12 V
C02F11/04 A
C02F11/04 Z
【請求項の数】 11
(21)【出願番号】P 2020532146
(86)(22)【出願日】2019-03-05
(86)【国際出願番号】 JP2019008566
(87)【国際公開番号】W WO2020021755
(87)【国際公開日】2020-01-30
【審査請求日】2021-06-07
(31)【優先権主張番号】P 2018139265
(32)【優先日】2018-07-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(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】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(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】米山 豊
(72)【発明者】
【氏名】片岡 直明
(72)【発明者】
【氏名】高橋 惇太
【審査官】片山 真紀
(56)【参考文献】
【文献】特開2013-176746(JP,A)
【文献】特開2015-131271(JP,A)
【文献】特開2013-126665(JP,A)
【文献】特開2012-061435(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】
CODCr値が200mg/L以下の低濃度有機性排水を固液分離し、固液分離水と固液分離汚泥に分ける固液分離工程、
当該固液分離汚泥に、当該固液分離水の一部を混合し、発酵ガスを除去する混合脱気工程、
当該混合脱気工程で発酵ガスが除去された脱気混合水を上向流式メタン発酵槽にてメタン発酵処理するメタン発酵処理工程、
メタン発酵処理水を当該固液分離水の残部と混合して、好気性生物処理する好気性生物処理工程、及び
当該メタン発酵処理工程からのメタン発酵汚泥と、当該好気性生物処理工程からの余剰汚泥の全量と、を脱水処理する汚泥処理工程
を備える有機性排水処理方法。
【請求項2】
前記固液分離工程において、ろ材を充填したろ過装置を用いて固液分離を行い、ろ過装置を定期的に洗浄し、得られる洗浄排水を前記固液分離水の一部と混合して前記混合脱気工程に供する、請求項1に記載の有機性排水処理方法。
【請求項3】
前記固液分離汚泥を混合脱気工程に供する前に酸発酵処理する酸発酵処理工程をさらに含む、
請求項1又は2に記載の有機性排水処理方法。
【請求項4】
前記メタン発酵処理工程は、上向流嫌気性汚泥床を有する上向流式メタン発酵装置にて実施される、請求項1~3のいずれか1に記載の有機性排水処理方法。
【請求項5】
前記好気性生物処理は、生物学的窒素処理である、請求項1~のいずれか1項に記載の有機排水処理方法。
【請求項6】
前記メタン発酵処理工程に供される前記脱気混合水は、CODCr値が200mg/L以上600mg/L以下に調整された脱気混合水である、請求項1~のいずれか1項に記載の有機排水処理方法。
【請求項7】
CODCr値が200mg/L以下の低濃度有機性排水を固液分離し、固液分離水と固液分離汚泥に分ける固液分離槽、
当該固液分離汚泥に、当該固液分離水の一部を混合し、発酵ガスを除去する混合脱気槽、
発酵ガスが除去された脱気混合水をメタン発酵処理する上向流式メタン発酵槽、
メタン発酵処理水を当該固液分離水の残部と混合して、好気性生物処理する好気性生物処理槽、及び
メタン発酵槽からのメタン発酵汚泥と、好気性生物処理槽からの余剰汚泥の全量とを脱水処理する脱水槽
を備える有機性排水処理装置。
【請求項8】
前記固液分離槽は、ろ材を充填したろ過装置である、請求項7に記載の有機性排水処理装置。
【請求項9】
前記固液分離汚泥を混合脱気槽に供する前に酸発酵処理する酸発酵槽をさらに含む、
請求項7又は8に記載の有機性排水処理装置。
【請求項10】
前記メタン発酵槽は、上向流嫌気性汚泥床を有する上向流式メタン発酵槽である、請求項7~9のいずれか1に記載の有機性排水処理装置。
【請求項11】
前記好気性生物処理槽は、生物学的窒素処理槽である、請求項7~10のいずれか1項に記載の有機排水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、有機性排水処理方法及び有機排水処理装置に関し、特に、生活排水、下水等の低濃度有機性排水をメタン発酵処理し、その処理水を好気性生物処理する省エネルギー型生物学的処理プロセスを用いる有機性排水の処理方法および装置に関する。
【背景技術】
【0002】
有機性排水をメタン発酵処理する技術は、有機性排水を好気性生物処理する技術に比べて、(1)汚泥発生量が少ない、(2)ブロワなどの電気代が不要なためランニングコストがかからない、(3)発生したメタンガスを有効利用できる、等のメリットがあるため、近年、CODCr濃度2000mg/L~3000mg/Lの高濃度有機性排水を対象に普及している。メタン発酵処理としては、UASB(Up-flow Anaerobic Sludge Blanket:上向流嫌気性汚泥床)法、固定床法、流動床法等がある。特に、UASB法は、嫌気性微生物の自己造粒機能を利用して、沈降性の優れたグラニュール汚泥を反応槽内に高濃度に保持できるため、CODCr負荷10kg/m3/d~30kg/m3/dなどの高負荷での処理が可能となるため、国内国外を問わず、有機性排水をメタン発酵処理する方法として最も普及している。
【0003】
ブラジル、インド、東南アジア等の温暖化地域においては、下水等のCODCr濃度400mg/L~1000mg/Lの中濃度有機性排水を対象とし、好気性生物処理(具体的には活性汚泥処理)の前処理としてUASB法により処理(以下「UASB処理」と略す。)するケースが見られる。しかし、日本のように冬期の気温が0℃~10℃に下がる地域では、処理対象である下水の温度も5℃~15℃と低くなるため、UASB槽内の温度も5~15℃と低温になり、UASB槽内の嫌気性菌の活動が抑制され、UASB槽内に懸濁物質(Suspended Solids、以下「SS」と略する。)が溜まり、UASB処理ができない状態となる。また、下水等のCODCr濃度400mg/L~1000mg/Lの低濃度有機性排水をUASB処理する場合、嫌気性菌の活動を活性化させるためにUASB槽を加温する必要があり、多量のエネルギーを必要とするため、CODCr濃度1000mg/L~3000mg/Lの高濃度有機性排水をUASB処理する場合に比べ経済的ではない。これらの理由により、寒冷地では、下水等のCODCr濃度400mg/L~1000mg/Lの低濃度有機性排水をUASB処理することができなかった。
【0004】
この改良案として、本発明者らは、メタン発酵槽内の水温18℃以上では、嫌気性生物を用いて被処理水をメタン発酵処理して、メタンガスを含む発生ガス、メタン発酵処理水及びメタン発酵処理汚泥を得るメタン発酵処理工程と、好気性生物を用いて前記メタン発酵処理水を生物学的酸化分解処理して好気性生物処理水及び好気性生物処理汚泥を得る好気性生物処理工程と、前記好気性生物処理汚泥の一部又は全部を酸発酵処理して酸発酵処理汚泥を得る酸発酵処理工程と、前記酸発酵処理汚泥を、混合脱ガス槽で発酵ガスを分離した後、前記メタン発酵処理工程の入り口側に、前記メタン発酵処理工程におけるスカムの発生を抑制するために供給する工程と、を備える有機性排水の処理方法を提案した(特許文献1)。特許文献1では、メタン発酵槽内の水温が13℃以上18℃未満では、前記メタン発酵処理汚泥の一部又は全部を、酸発酵処理工程の入り口側に供給すること、メタン発酵槽内の水温が13℃未満では、最初沈殿池において被処理水(原水)を分離水と分離汚泥に分離し、分離汚泥或いは該分離汚泥を濃縮した濃縮分離汚泥を、好気性生物処理汚泥の一部とともに酸発酵処理して酸発酵処理汚泥を得、酸発酵処理汚泥を前記分離水と共にメタン発酵処理工程の入り口側に供給することも提案している。
【0005】
また、CODCr濃度1000mg/L以下の低濃度有機性排水にUASB法を適用すると、UASB処理水の溶存メタン量が多くなるため、UASB処理水を大気解放すると、溶存メタンは大気中にメタンガスとして放散されてしまう。メタンガスは強力な温室効果ガスの一つとして知られており、その温室効果は二酸化炭素の約21倍であるといわれている。溶存メタンの放散による地球温暖化に与える影響は大きい。この改良案として、本発明者らは、有機性排水をメタン発酵処理するメタン発酵処理槽と、前記メタン発酵処理槽で処理されたメタン発酵処理水を好気性生物処理する浸漬型の反応槽と、前記反応槽中の混合液を固液分離する固液分離装置とを備え、前記メタン発酵処理槽は、該メタン発酵処理槽中の前記メタン発酵処理水に溶存したメタンが大気中に放散するのを防止する蓋部と、前記溶存メタンが大気中に放散するのを防止した状態を保ちながら、前記メタン発酵処理水を前記反応槽に供給する供給部とを有し、前記反応槽は、脱窒処理をする無酸素槽と好気性生物処理する好気槽を有し、前記メタン発酵処理槽が有する供給部は、前記メタン発酵処理水を前記無酸素槽に供給し、前記メタン発酵処理槽の下流であって、前記反応槽の上流に設けられた溶存メタン回収槽を備え、前記溶存メタン回収槽は、該溶存メタン回収槽内の前記メタン発酵処理水に、二酸化炭素、窒素、空気、不活性ガスの内の1の気体または2以上の混合気体を吹き込む気体吹込装置と、前記気体の吹き込みにより回収されたメタンガスを前記無酸素槽に供給する供給部を有する有機性排水処理装置を提案している(特許文献2)。
【0006】
図10に従来の低濃度有機性排水をUASB処理と好気性生物処理を併用して処理する場合の処理フローを示す。有機性排水111はUASB槽103に上向流で通水され、UASB槽103では易分解性の有機物が分解される。UASB処理水115は、好気性生物処理104により仕上げ処理され、好気性生物処理水117は放流される。一方、UASB槽103からの濃縮汚泥116(運転条件によっては排泥しない場合あり)と好気性生物処理(通常は活性汚泥法が利用される)の余剰汚泥118は、汚泥処理工程105に導入され処理される。一般的な流入下水のCODCr濃度は400mg/L以上600mg/L以下であり、SS濃度で160mg/L以上240mg/L以下であるが、合流式下水道で雨水の影響が出た場合などは流入下水のCODCr濃度は200mg/L以下、SS濃度は100mg/L以下の低濃度となる。下水のUASB処理は通水速度0.5m/h以上0.6m/h以下で設計されているので、同一CODCr負荷で比較すると有機物濃度が低下すればUASB槽の容量を大きくする必要があり、建設費が増大することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開2013-176746号公報
【文献】特開2012-61435号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
上記のように下水水温対策、溶存メタン対策を講じた場合でも、合流式下水道の雨天時、下水管渠が埋設していない開放系下水水路を有する地域、工場廃水の混入比率の高い地域及び下水管渠に不明水が多く流入する地域等では、流入下水CODCr濃度が200mg/L以下と低い場合がある。このような低濃度有機性排水の流入下水を直接、UASBメタン発酵処理する場合、通常の下水濃度の場合に比べて処理対象量を少なくするか、槽の容量を大きくする必要があった。
【0009】
そこで本発明は、処理対象量を少なくしたり、槽の容量を大きくしたりする必要なく、CODCr値が200mg/L以下の低濃度有機性排水を処理する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】
【0010】
本発明によれば、以下の低濃度有機性排水の処理方法及び装置が提供される。
[1]CODCr値が200mg/L以下の低濃度有機性排水を固液分離し、固液分離水と固液分離汚泥に分ける固液分離工程、
当該固液分離汚泥に、当該固液分離水の一部を混合し、発酵ガスを除去する混合脱気工程、
当該混合脱気工程で発酵ガスが除去された脱気混合水を上向流式メタン発酵槽にてメタン発酵処理するメタン発酵処理工程、及び
メタン発酵処理水を当該固液分離水の残部と混合して、好気性生物処理する好気性生物処理工程を備える有機性排水処理方法。
[2]前記固液分離汚泥を混合脱気工程に供する前に酸発酵処理する酸発酵処理工程をさらに含む、前記[1]に記載の有機性排水処理方法。
[3]前記メタン発酵処理工程は、上向流嫌気性汚泥床を有する上向流式メタン発酵装置にて実施される、前記[1]又は[2]に記載の有機性排水処理方法。
[4]前記好気性生物処理は、生物学的窒素処理である、前記[1]~[3]のいずれか1項に記載の有機排水処理方法。
[5]前記メタン発酵処理工程に供される混合水は、CODCr値が200mg/L以上600mg/L以下に調整された混合水である、前記[1]~[4]のいずれか1項に記載の有機排水処理方法。
[6]CODCr値が200mg/L以下の低濃度有機性排水を固液分離し、固液分離水と固液分離汚泥に分ける固液分離槽、
当該固液分離汚泥に、当該固液分離水の一部を混合し、発酵ガスを除去する混合脱気槽、
発酵ガスが除去された脱気混合水をメタン発酵処理する上向流式メタン発酵槽、及び
メタン発酵処理水を当該固液分離水の残部と混合して、好気性生物処理する好気性生物処理槽を備える有機性排水処理装置。
[7]前記固液分離汚泥を混合脱気槽に供する前に酸発酵処理する酸発酵槽をさらに含む、
前記[6]に記載の有機性排水処理装置。
[8]前記メタン発酵槽は、上向流嫌気性汚泥床を有する上向流式メタン発酵槽である、前記[6]又は[7]に記載の有機性排水処理装置。
[9]前記好気性生物処理槽は、生物学的窒素処理槽である、前記[6]~[8]のいずれか1項に記載の有機排水処理装置。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、CODCr値が200mg/L以下の低濃度有機性排水に対しても安定した上向流式メタン発酵処理が可能となる。また、従来は、低濃度有機性排水を処理するためには、上向流式メタン発酵処理槽は大容量が必要であったが、本発明の処理方法によれば小型の上向流式メタン発酵処理槽で十分に処理することができるため、設備の建設コストの低減や、設置面積のコンパクト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】本発明の第1実施形態に係る処理フローを示す説明図である。
図2】本発明の第2実施形態に係る処理フローを示す説明図である。
図3】上向流嫌気性汚泥ろ床法(UASB)を実施することのできるメタン発酵槽の構成を示す概略断面図である。
図4】上向流嫌気性汚泥ろ床法(UASB)を実施することのできるメタン発酵槽の別の構成を示す概略断面図である。
図5】上向流嫌気性汚泥ろ床法(UASB)を実施することのできるメタン発酵槽のまた別の構成を示す概略断面図である。
図6図5に示すメタン発酵槽が具備するスカム捕集枠の上面図である。
図7】UASB流入水CODCr濃度とUASB槽容量の関係を示すグラフである。
図8】実施例の実験結果を示すグラフである。
図9】UASB槽への流入水(混合脱気水)のCODCr濃度と高濃度汚泥界面との関係を示すグラフである。
図10】従来の有機性排水処理方法の処理フローを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、添付図面を参照しながら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。
【0014】
本発明は、CODCr値が200mg/L以下の低濃度有機性排水を固液分離し、固液分離水と固液分離汚泥に分ける固液分離工程、当該固液分離汚泥に、当該固液分離水の一部を混合し、発酵ガスを除去する混合脱気工程、当該混合脱気工程で発酵ガスが除去された脱気混合水を上向流式メタン発酵槽にてメタン発酵処理するメタン発酵処理工程、及びメタン発酵処理水を当該固液分離水の残部と混合して、好気性生物処理する好気性生物処理工程を備える有機性排水処理方法、及びCODCr値が200mg/L以下の低濃度有機性排水を固液分離し、固液分離水と固液分離汚泥に分ける固液分離槽、当該固液分離汚泥に、当該固液分離水の一部を混合し、発酵ガスを除去する混合脱気槽、発酵ガスが除去された脱気混合水をメタン発酵処理する上向流式メタン発酵槽、及びメタン発酵処理水を当該固液分離水の残部と混合して、好気性生物処理する好気性生物処理槽を備える有機性排水処理装置を提供する。
【0015】
本発明により処理される有機性排水は、CODCr値が200mg/L以下の低濃度有機性排水であり、さらにSSが120mg/L以下であることが好ましく、SSが100mg/L以下であることがより好ましい。また、CODCr/SSが1.5以上3以下の範囲であることが好ましく、1.5以上2.5以下の範囲であることがより好ましい。本発明で処理できる低濃度有機性排水としては、たとえば、下水などの生活排水、特に雨水等で希釈された下水を好ましく挙げることができる。
【0016】
図1は、本発明の第1実施形態に係る処理フローを示す説明図である。本発明の有機性排水処理方法は、CODCr値が200mg/L以下の低濃度有機性排水11を固液分離し、固液分離水12と固液分離汚泥13に分ける固液分離工程1、当該固液分離汚泥13に、当該固液分離水12の一部を混合し、発酵ガスを除去する混合脱気工程2、当該混合脱気工程2で発酵ガスが除去された脱気混合水14を上向流式メタン発酵槽にてメタン発酵処理するメタン発酵処理工程3、及びメタン発酵処理水15を当該固液分離水12の残部と混合して、好気性生物処理する好気性生物処理工程4を備える。有機性排水11は、固液分離工程1で分離され、固液分離水12の一部は混合脱気工程2に送られ、残りは好気性生物処理工程4に送られる。混合脱気工程2では、固液分離汚泥13と固液分離水12の一部が所定の流量比で混合され、メタン発酵処理工程3に供されるための最適なCODCr値、SS濃度に調整される。混合脱気工程2で形成される脱気混合水は、メタン発酵処理工程3に供給され、メタン発酵処理された処理水15は、好気性生物処理工程4に送られる。メタン発酵処理により形成される汚泥は、汚泥処理工程5に送られる。
【0017】
図2は、本発明の第2実施形態に係る処理フローを示す説明図である。第2実施形態は、図1に示す処理フローにおいて、固液分離汚泥13を混合脱気工程2に供する前に酸発酵処理する酸発酵処理工程6をさらに含み、混合脱気工程2には酸発酵処理水19が供給される。酸発酵処理として、固液分離汚泥に酸生成菌を添加すると有機酸発酵処理の効率が向上するので好ましい。
【0018】
以下、図1及び図2における各工程及び各工程で用いられる装置を詳細に説明する。
【0019】
<固液分離工程>
有機性排水11は、固液分離工程1にて、固液分離汚泥13と、固体成分が除去された固液分離水12と、に分離される。固液分離工程1は、通常の固液分離装置、たとえば、上向流又は下向流のろ過槽、重力沈降槽(薬注なし)、凝集沈殿槽(薬注あり)、スクリーン分離装置、DF(ディスクフィルター)分離装置、液体サイクロン等を制限なく用いて行うことができる。特に、CODCr濃度200mg/L以下、SS濃度100mg/L以下の低濃度有機性排水の固液分離には、空隙率の高いプラスチックろ材を用いる上向流ろ過方式が適している。有機性排水を一定時間通水すると、ろ過装置のろ過抵抗が上昇するので定期的に洗浄を行い、ろ過抵抗を下げてから通水を再開する。洗浄工程で発生する洗浄排水は、洗浄水量によるがSS濃度500mg/L以上2000mg/L以下程度となり、この洗浄排水も濃縮排水として利用する。ろ過を洗浄するための洗浄水としては、有機性排水、メタン発酵処理工程3で生じるメタン発酵処理水、好気性生物処理工程4で生じる好気性処理水等を利用することができる。水バランスを考慮すると、有機性排水処理フロー内の工程水を利用することが望ましい。
【0020】
<混合脱気工程>
固液分離工程1にて分離された固液分離汚泥13と、固液分離水12の一部とは、混合脱気工程2に送られて、混合され、固液分離汚泥13から発生する発酵ガスが除去される。混合脱気工程2は、混合機構及び脱気機構を具備する混合脱気槽を用いて行うことができる。混合脱気工程2では、濃縮排水13と固液分離水12の一部とを混合して、混合水から発酵ガスを分離除去する。脱気機構は、発酵ガスを分離するガス分離手段を備えていることが好ましい。発酵ガスとは、主にCO2ガスであり、一部H2ガスを含むこともある。発酵ガスがメタン発酵処理工程3で用いられるメタン発酵槽に流入すると、汚泥の浮上が促進されるため、汚泥と嫌気性生物が十分に接触しないうちに汚泥が浮上することになり、メタン発酵処理槽内でスカムの発生が促されることになる。そこで、メタン発酵処理工程3の前工程で、予め濃縮排水中の発酵ガスを分離除去することにより、メタン発酵処理工程3でのスカムの発生を抑制することができる。
【0021】
ここで、発酵ガスを分離するガス分離手段としては、例えば、汚泥を含む濃縮排水と固液分離水の一部とを混合する混合槽に、混合した濃縮排水と固液分離水の一部(以下「混合水」ともいう。)を一時的に滞留させる間に大気と接触させることにより、混合水から発酵ガスを分離除去できるようにした構成を挙げることができる。さらに、混合水を迂流、自然流下、オーバーフロー等させて、含有する発酵ガスの分離を促進させるようにしてもよい。また、混合脱気槽内部に撹拌機を設けてもよい。混合脱気槽内での水理学的滞留時間(HRT:Hydraulic Retention Time)は5分以上30分以内、好ましくは10分以上15分以内とすることができる。
【0022】
混合脱気工程2における固液分離工程1からの固液分離汚泥13と固液分離水12の一部との混合の好適比率は、下記式により求めることができる。
【0023】
【数1】
【0024】
本発明の処理方法において、脱気混合水14のCODCr濃度(mg/L)C3は250mg/L以上600mg/L以下、脱気混合水14のSS濃度(mg/L)X3は100mg/L以上300mg/L以下に調整することが好ましい。固液分離汚泥13及び固液分離水12の混合比率は、脱気混合水のCODCr濃度(mg/L)及びSS濃度(mg/L)が上記範囲内となるように調整することができる。
【0025】
<メタン発酵処理工程>
混合脱気工程2から供給された脱気混合水14を、メタン発酵処理工程3においてメタン発酵処理する。メタン発酵処理とは、ORPが-400mV以下の範囲で行なう嫌気性生物学的処理であり、嫌気性微生物によって有機物をメタンガスと二酸化炭素まで分解し、発生したメタンガスをエネルギーとして有効利用できるようにする処理である。メタン発酵処理工程3において、メタンガスを含む発生ガス、メタン発酵処理水15及びメタン発酵処理汚泥16を形成させる。メタン発酵処理水15は、メタン発酵処理水供給管を通じて好気性生物処理工程4に供給される。メタン発酵処理汚泥16は、メタン発酵処理汚泥排出管を通じて汚泥処理工程5に供給される。発生ガスは、図1及び2には示さないが、発生ガス排出管を通じて発生ガス処理装置に供給される。
【0026】
メタン発酵処理工程3は、上向流式メタン発酵装置、たとえばUASB槽(Upflow Anaerobic Sludge Blanket:上向流嫌気性汚泥ろ床)、ハイブリッド型UASB槽(UASB槽上部に充填剤を充填した固定床を設け、GSS(Gas Solid Separator:固液分離装置)構造を簡略化した槽)、及び流動床槽などを用いて行うことができる。本明細書では、メタン発酵処理に最も適しているUASB槽を例として説明する。
【0027】
上向流嫌気性汚泥ろ床法(UASB)は、嫌気性微生物の集塊作用を利用して活性の高い菌体をグラニュール(直径2~3mmの粒状汚泥、糸状性の酢酸資化性メタン生成属細菌を中心とする緻密なフロック)として反応槽に大量に保持する方法で,反応槽の下部から脱気混合水を注入して嫌気状態で脱気混合水中の有機物を分解させる方法である。上向流嫌気性汚泥ろ床法(UASB)は、嫌気性微生物の自己造粒機能を利用して沈降性の優れたグラニュール汚泥を槽内に高濃度で保持できるため、CODcr負荷を高めることができる。しかも、通常の嫌気性処理に比べて、比較的低濃度の脱気混合水にも適用できるうえ、高速の処理が可能で、且つ曝気を必要としないため、わずかな電力で運転でき、副産物として大量のメタンガスを生成することができる。その反面、低濃度の脱気混合水の場合には、CODcr負荷を高くとるために、多量の脱気混合水を槽内に供給する必要があり、この水流によってメタン発酵槽内の汚泥床が系外に流出してしまう場合がある。そこで、メタン発酵槽内の汚泥床を高濃度に維持するためには、メタン発酵槽への通水量を制限するのが好ましい。UASB槽内のグラニュール汚泥を維持させるためには、通水速度は0.5m/h以上2.0m/h以下が好ましく、0.75m/h以上1.5m/h以下がより好ましい。したがって、UASB法をCODcr200mg/L以下の低濃度有機排水の嫌気性処理に適用した場合、通水速度を下げる必要があるため、CODcr負荷は0.3kg/m3/d~0.5kg/m3/dと低くなる。
【0028】
図3に、上向流嫌気性汚泥ろ床法(UASB)を実施することのできるメタン発酵槽30の構成を示す。
【0029】
メタン発酵槽30は、その内部に、汚泥床32と、気固分離部(GSS)33と、メタン発酵処理水を分離する越流堰34と、を備える。メタン発酵槽30の上部には、覆蓋35と、メタンガス排出管37と、を備える。気固分離部(GSS)33は、汚泥床32の上方にて越流堰34の中央部を貫通して設けられ、気体(メタンガス)を汚泥床32から分離して、メタンガス排出管37に送るように構成されている。メタン発酵槽30の底部には、混合脱気工程2からの脱気混合水を供給する脱気混合水供給管36が接続されている。メタン発酵槽30の下方側壁には、メタン発酵処理汚泥16を移送するメタン発酵処理汚泥排出管39が接続されている。メタン発酵槽30の上方側壁には、越流堰34内に流入するメタン発酵処理水15を好気性生物処理工程4に送るメタン発酵処理水供給管38が接続されている。
【0030】
メタン発酵槽30においては、混合脱気工程2からの脱気混合水14がメタン発酵槽30の底部から流入し、汚泥床32すなわち下部に沈殿しているグラニュールの層に均一に拡散して、脱気混合水14に含まれている有機物や、酸発酵により生成した溶解性有機物、酢酸・プロピオン酸等の有機酸は、メタン発酵槽30内の嫌気性菌によってメタンガスと二酸化炭素ガスに分解される。そして、これらの発生ガスとグラニュールは、メタン発酵処理水15とともに浮上し、気固分離部(GSS)33及び越流堰34によって、発生ガス(メタンガス)、メタン発酵処理汚泥(グラニュール)16、メタン発酵処理水15などに分離される。発生ガスは、発生ガス排出管37を通じて発生ガス処理装置に供給され、エネルギー源として利用される。メタン発酵処理水15は、メタン発酵処理水供給管38を通じて好気性生物処理工程4に供給されて、好気性生物処理される。メタン発酵処理汚泥16は、メタン発酵処理汚泥排出管39を通じて汚泥処理工程5に供給されて減容化されて系外に排出される。
【0031】
本発明の処理方法の対象となる低濃度有機性排水をUASB処理する場合には、汚泥床(スラッジゾーン)32を確保するために通水速度が制限され、CODcr容積負荷は0.3kg/m3/d以上0.5kg/m3/d以下と低い有機物負荷となる。一方、食品産業排水のような高濃度有機性排水のUASB処理では、CODcr容積負荷は10kg/m3/d以上20kg/m3/d以下と高い有機物負荷となる。すなわち、低濃度有機性排水は、高濃度有機性排水に比べ、有機物負荷が1/10乃至1/20程度低く、嫌気性菌の密度が低くなり、汚泥床32のグラニュール汚泥の粒径は0.1mm以上0.5mm以下と小さなものになる。このように低濃度有機性排水をUASB処理する場合には、グラニュ-ル汚泥の沈降速度と流入SSの沈降速度の差が、高濃度有機性排水に適用されている従来のUASBグラニュ-ル汚泥に比べて小さいため、流入するSS濃度、排水の性状によっては、メタン発酵槽30内でのスカムの発生量が多くなり、メタン発酵槽30内の汚泥の維持が困難になる可能性がある。そのため、以下の2つの改善方法のいずれかを採用することが好ましい。
【0032】
(1)沈降性のよい粒径0.1mm以上1.0mm以下、好ましくは0.2mm以上0.7mm以下の砂やゼオライト、活性炭等の担体を、汚泥床容量に対して1%以上10%以下、好ましくは5%以上7%以下の割合で汚泥床に添加する。
(2)有機性排水に由来する脱気混合水に、Fe塩を好ましくは1mg/L(asFe)以上20mg/L(asFe)以下、より好ましくは5mg/L(asFe)以上10mg/L(asFe)以下の割合で添加する。
【0033】
前記(1)の方法では、担体に嫌気性菌を付着させることで、汚泥床における嫌気性菌の割合を高めることが可能となる。
【0034】
前記(2)の方法では、Fe塩以外にCa塩なども適用することができる。
【0035】
メタン発酵槽30内の水温は、18℃以上であることが好ましく、特に20℃以上、中でも特に20℃以上30℃以下が好ましい。
【0036】
また、メタン生成の段階で中心的役割を果たすメタン生成菌は、中性付近のpHを好むため、pH6以上8以下に調整することが好ましい。
【0037】
また、メタン生成細菌には、活性温度によっていくつかの種類に分類されるが、本処理方法では、活性温度が20℃以上30℃以下のメタン生成菌を用いることが好ましい。
【0038】
図4に、メタン発酵処理装置の変形例としてのメタン発酵槽40を示す。図3と同じ構成部材には同じ符号を使用し、説明を割愛する。
【0039】
メタン発酵槽40は、図3に示したメタン発酵槽30と対比すると、メタン発酵槽40内部に気固分離部(GSS)33を設けず、気体を透過しない材料からなる屋根材41でメタン発酵槽40の上部を密閉被覆し、屋根材41とメタン発酵槽40との接続部分にガス排気口42を設け、このガス排気口42に発生ガス排出管37を連結して発生ガスを排出可能とした構成を備える。但し、ガス排気口42を設ける位置は任意に設計可能である。例えば屋根材41のいずれかに設けてもよいし、メタン発酵槽40の上部に設けてもよい。
【0040】
CODcr濃度400mg/L以上1000mg/L以下の低濃度有機性排水は、メタン発酵処理槽(UASB槽)でのCODcr容積負荷が1kg/m3/dと低く、食品製造排水のような高濃度有機性排水のメタン発酵処理に比べ、発生ガスの量は少ない。そのため、図3に示した装置のような気固分離部(GSS)33を設けなくても、発生ガスを回収し排出することができる。
【0041】
図5に、メタン発酵処理装置のさらなる変形例としてのメタン発酵槽50を示す。図3及び図4と同じ構成部材には同じ符号を用い、説明を割愛する。
【0042】
メタン発酵槽50は、図4に示したメタン発酵槽40と対比すると、メタン発酵槽50内部の超流堰34と同じ高さであって、超流堰34の内側部分に、スカムを集めるスカム捕集枠51を設けた構成を備える。スカム捕集枠51は、図6に示すように、メタン発酵槽50の対向する内壁に渡って固定するようにしてもよい。
【0043】
図7に、固液分離工程1を上向流ろ過装置で通水速度一定の条件で行った場合のUASB槽への流入水(混合脱気水)のCODCr濃度とUASB槽の容量との相対比を示す。UASB流入水CODCr濃度140mg/Lの低濃度有機性排水の場合のUASB槽容量を100とした場合の相対比較を行った。UASB流入水CODCr濃度320mg/LでUASB槽容量31(相対比)、UASB流入水CODCr濃度600mg/LでUASB槽容量15(相対比)となった。このように、UASB槽の流入CODCr濃度を調整することでUASB槽の容量を削減できることが確認できた。なお、経済性から判断すると、UASB流入水CODCr濃度調整は600mg/L以下が好ましいといえる。
【0044】
<好気性生物処理工程>
メタン発酵処理工程3からのメタン発酵処理水15は、固液分離工程1からの固液分離水12の残部と混合されて、好気性生物処理工程4に送られる。好気性生物処理工程4は、溶存酸素が十分ある環境下で、好気性微生物によって、メタン発酵処理水15と固液分離水12との混合水中の有機性物質、アンモニア性窒素等を酸化分解する。たとえば曝気によって生物フロックを浮遊させた状態で、有機物質を生物学的酸化分解する方法(活性汚泥法)や、担体に微生物を付着増殖させて生物膜を形成させ、これを有機性排水に接触させて生物学的酸化分解する方式(生物膜法)など、公知のいずれの方法も採用可能である。本発明の処理方法では、下水などの低濃度有機性排水を好適に処理できる観点から活性汚泥法が好ましい。活性汚泥法は、活性汚泥と呼ばれるさまざまな好気性微生物や有機性物質や無機性物質などからなるゼラチン状のフロックを用いた処理方法である。
【0045】
好適な好気性生物処理装置としては、公知の好気性生物処理装置であれば制限なく用いることができる。好ましくは、微生物による有機物の酸化分解によって消費される酸素を大量に供給するための曝気装置を付属した処理槽と、汚泥と処理水とを分離する汚泥沈殿槽とを備えたものを挙げることができる。
【0046】
<酸発酵処理工程>
第2実施形態に示すように、固液分離工程1の後、混合脱気工程2の前に、固液分離汚泥13を酸発酵処理してもよい。酸発酵処理工程6では、低濃度有機排水を固液分離工程1で濃縮した固液分離汚泥を酸発酵処理して酸発酵処理汚泥19とする。酸発酵処理汚泥19は、酸発酵処理汚泥供給管を通じて混合脱気工程2に送られる。
【0047】
酸発酵処理は、固液分離工程1で分離された固液分離汚泥13中の微生物が分解しにくい固形物(SS分)を酸生成菌により有機酸発酵処理し、固液分離汚泥13中に含まれる有機物を溶解し易い低分子の有機酸(プロピオン酸、酢酸等)に変換する処理である。酸発酵処理工程6では、固液分離汚泥13の温度、pH及びHRTを調整して、固液分離汚泥13中の有機物の酸発酵処理を進行させる。
【0048】
pHは4以上8以下、好ましくは5以上7以下の範囲とすることが望ましい。酸発酵処理では、固液分離汚泥中の有機物の一部を、酢酸、プロピオン酸等の有機酸に低分子化することができる。酸発酵処理において、酸生成に関与する微生物は通性嫌気菌であり、ORPが-200mV以上50mV以下の範囲で生育させることが好ましい。
【0049】
酸発酵槽は、固液分離汚泥13を撹拌することができる手段を備えていることが好ましい。撹拌手段としては、撹拌機を設置してもよく、空気等のガスを曝気してもよい。酸発酵槽は、酸発酵槽内を加温する手段を備えていることが好ましい。加熱用の熱源として、メタン発酵工程2から回収されたメタンガスをボイラーで蒸気に変換して利用することもできる。酸発酵処理工程6の酸発酵槽内で固液分離汚泥13を加温することは、例えばメタン発酵処理工程2において固液分離汚泥13を直接加温する場合に比べ、加温に必要なエネルギーを減らすことができる。また、酸発酵槽においては、固液分離汚泥13中に含まれる固形物(SS分)の一部は、加水分解され、有機酸発酵を経て、溶解性の有機物(酢酸、プロピオン酸等)に変換されるため、これらの可溶性有機物の存在によりメタン発酵処理工程2においてメタン菌の活性を維持し、低水温の有機性排水であってもメタン発酵処理を良好に行なうことができる。酸発酵槽内の温度は、好ましくは20℃以上35℃以下、下水水温と発生ガスの熱エネルギーを考慮すると20℃以上25℃以下の範囲がより好ましい。
【0050】
酸発酵処理での酸発酵槽の最適なHRTは、溶解性有機物濃度(Soluble CODCr:以下「S-CODCr」と略す)および酢酸、プロピオン酸、乳酸等の有機酸の生成量により決定することが好ましい。すなわち、固形性有機物が酸発酵した割合をCODCrの可溶化比(S-CODCr/CODCr)と定義し、溶解性有機酸CODCr中に含有する有機酸の割合を(asCODCr)/S-CODCr比として定義した場合において、CODCrの可溶化比及び有機酸(asCODCr)/S-CODCr比が一定値を示したときのHRTを最適HRTとするのが好ましい。たとえば、低濃度有機排水(下水)を濃縮した場合、酸発酵槽の温度20℃、HRT2日乃至3日で、S-CODCr/CODCr比は0.15(-)以上0.20(-)以下、有機酸(asCODCr)/SCODCr比は0.3以上0.4以下となり、酸発酵槽の温度25℃、HRT1日乃至2日では、S-CODCr/CODCr比は0.15(-)以上0.20(-)以下、揮発性脂肪酸(Volatile fatty acid)と溶解性有機物濃度との比はVFA(asCODCr)/S-CODCrは0.55以上0.65以下となる。本発明における酸発酵処理のHRTは0.5日以上3日以下、好ましくは1日以上1.5日以下程度とすることが望しい。
【0051】
酸発酵槽の固液分離汚泥の撹拌は、連続的あるいは間欠撹拌にて行なうことが好ましい。酸発酵槽内のMLSS濃度が2000mg/L以上20000mg/L以下の範囲であるため、汚泥を均一に撹拌するための動力がかかる。撹拌が強いと生成した有機酸が揮発あるいは酸化されて減少する。したがって、酸発酵槽の撹拌は間欠に行なうことが好ましい。たとえば1時間乃至2時間の撹拌停止後、5分乃至15分の撹拌を行うような間欠撹拌を行なうことが好ましい。
【0052】
なお、流入水のS-CODCr/CODCr比が高く、VFA(asCODCr)/S-CODCr比が0.5以上と高い場合には酸発酵槽の設置は不要である。
【実施例
【0053】
以下、実施例を用いて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ではない。
【0054】
表1に示す性状のCODCrが200mg/L以下の低濃度有機性排水(原水)を用い、図1に示す処理フローにて実証試験を行なった。
【0055】
【表1】
【0056】
固液分離装置として、径1cm前後のプラスチックろ材を2.5m充填した上向流ろ過装置(直径0.55m、高さ4m、容量1m3)を用いた。上向流ろ過装置の通水速度は250m/dとして一定とした。ろ過抵抗が増加した段階で、上向流ろ過処理の処理水(固液分離処理水)を定期的に洗浄し(1~2回/1日)、洗浄排水(固液分離汚泥に相当する)を得た。洗浄排水と上向流ろ過処理水の一部を混合して、一定時間撹拌し脱気処理を行ったものとUASB流入水とした。表2に洗浄排水と上向流ろ過処理の処理水の性状を示す。
【0057】
【表2】
【0058】
洗浄排水と上向流ろ過処理の処理水の混合比を変えてUASB流入水のCODCr濃度(140mg/L乃至1400mg/L)、SS濃度(70mg/L乃至1000mg/L)の調整を行ない、実験用有機性排水を調製した。UASB槽(直径50cm、高さ5m、容量1000L)を用いてメタン発酵処理実験を行った。
【0059】
UASB流入水CODCr濃度を140mg/L→300mg/L→450mg/L→600mg/L→1000mg/Lと段階的に変えた場合のUASB処理特性の把握を行った。UASB処理における通水速度は0.5m/hで一定とし、温度は20℃前後であった。図8に実験結果を示す。
【0060】
実験開始後50日目まではUASB流入水CODCr濃度140mg/L、実験開始後50日目~100日目の期間はUASB流入水CODCr濃度300mg/L、実験開始後100日目~150日目の期間はUASB流入水CODCr濃度450mg/L、実験開始後150日目~175日目の期間はUASB流入水CODCr濃度600mg/L、実験開始後175日目~200日目の期間はUASB流入水CODCr濃度750mg/L、実験開始後200日目~225日目の期間はUASB流入水CODCr濃度1000mg/Lで実験を行った。
【0061】
その結果、UASB流入水CODCr濃度450mg/L以内ではCODCr除去率60%以上の安定した処理が得られた。UASB流入水CODCr濃度600mg/LになるとCODCr除去率は55%乃至60%となり、若干低下した。図9にUASB流入水のCODCr濃度と高濃度汚泥界面(UASB槽底部からの高さ)との関係を示す。UASB槽内の汚泥濃度がMLSS20.0g/L以上を高濃度と定義し、UASB流入水CODCr濃度と高濃度汚泥界面(UASB槽底部からの高さ)を示した。UASB流入水CODCr濃度600mg/Lまでは高濃度汚泥界面はUASB槽底部から2mの位置まであったが、UASB流入水CODCr濃度750mg/L以上になると、高濃度汚泥界面は急激に低下する傾向にあった。その後、UASB流入水CODCr濃度750mg/Lになると、CODCr除去率は急激に低下し、CODCr除去率は20%となった。UASB槽の上部にスカム発生が多くみられ、系外への汚泥の流出が顕著であった。UASB流入水CODCr濃度1000mg/Lになるとさらに処理が悪化し、UASB槽内での汚泥の維持が出来なくなった。
【0062】
以上の結果より、UASB流入水CODCr濃度は600mg/L以下、好ましくは450mg/L以下が適していることが分かった。
【符号の説明】
【0063】
1:固液分離工程(固液分離装置)
2:混合脱気工程(混合脱気槽)
3:上向流メタン発酵工程(上向流メタン発酵槽)
4:好気性生物処理工程(好気性生物処理装置)
5:汚泥処理工程(脱水槽)
6:酸発酵工程(酸発酵槽)
11:低濃度有機性排水
12:固液分離水
13:固液分離汚泥
14:混合脱気水
15:メタン発酵処理水
16:メタン発酵汚泥
17:好気性生物処理水
18:好気性生物処理の余剰汚泥
19:酸発酵処理汚泥
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10