特許 7268448 有機性排水の生物処理システム及び生物処理方法

(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】2023-04-25

(45)【発行日】2023-05-08

(54)【発明の名称】有機性排水の生物処理システム及び生物処理方法

(51)【国際特許分類】

   C02F 3/34 20230101AFI20230426BHJP

【ＦＩ】

C02F3/34 Z

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019068250

(22)【出願日】2019-03-29

(65)【公開番号】P2020163328

(43)【公開日】2020-10-08

【審査請求日】2022-01-31

(73)【特許権者】

【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】小松 和也

【審査官】山崎 直也

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２００７／０３７２６１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－２３９９２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２００５－０１０５３０２（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０２Ｆ ３／２８－ ３／３４

Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／０２９７

８／０８－ ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１種の易分解性有機物と少なくとも１種の遅分解性有機物を含有する有機性排水が順次に通水されるように設置された、生物膜を有する第１ないし第ｎ（ｎは２以上）の生物処理装置を備えた有機性排水の生物処理システムであって、
各生物処理装置は、前記有機性排水が通水される複数のアノード室を備えた微生物発電装置であり、該微生物発電装置の負極表面に前記生物膜が付着しており、
各生物処理装置は、被処理水が直列又は並列に通水される複数の室を備えており、
前記第１生物処理装置からの流出水の一部を該第１生物処理装置の流入側に返送する返送手段を設けた有機性排水の生物処理システム。

【請求項2】

前記第２以降の生物処理装置に、各生物処理装置からの流出水の一部を当該生物処理装置の流入側に返送する返送手段を設けた請求項１に記載の有機性排水の生物処理システム。

【請求項3】

前記微生物発電装置は、
槽体（１）と、
該槽体（１）内に複数枚のイオン透過性非導電性膜（２）が平行に配置されることによって交互に区画されている、カソード室（３）とアノード室（４）と、
該カソード室（３）内において、該イオン透過性非導電性膜（２）に接するように配置された正極５と、
該アノード室（４）内に配置された、導電性材料で構成された前記負極（６）と
を有する請求項１又は２に記載の有機性排水の生物処理システム。

【請求項4】

前記カソード室（３）は空室であり、酸素含有ガスが通気される請求項１ないし３のいずれか１項に記載の有機性排水の生物処理システム。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれかの有機性排水の生物処理システムを用いた、少なくとも１種の易分解性有機物と少なくとも１種の遅分解性有機物を含有する有機性排水の生物処理方法であって、
少なくとも前記第１生物処理装置からの流出水の一部を該第１生物処理装置の流入側に返送する有機性排水の生物処理方法。

【請求項6】

前記第２以降の生物処理装置への流入水に含まれる遅分解性有機物の全有機物に占める比率が３０ｗｔ％以上である場合、各生物処理装置の流出水の一部を当該生物処理装置の流入側に返送する請求項５に記載の有機性排水の生物処理方法。

【請求項7】

前記易分解性有機物が炭素数４以下の低級脂肪酸及び／又は炭素数４以下の低級アルコールである請求項５又は６に記載の有機性排水の生物処理方法。

【請求項8】

各生物処理装置内の通水ＬＶを１０～５０ｍ／ｈｒとする請求項５～７のいずれか１項に記載の有機性排水の生物処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、有機性排水の生物処理システム及び生物処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

固定床式の嫌気性生物処理装置は、後段での固液分離および汚泥返送なしで槽内に菌体を保持し、安定した処理を行うことができる。しかし、生物処理槽が微生物発電装置のような、生物処理槽内で曝気を行わず、かつ、メタン発酵のように処理に伴うガス発生がない生物処理槽では、槽内はプラグフローに近い形になる。その場合、生物処理に伴い生成するＣＯ_２やＮＨ_３などにより槽内で局所的にｐＨが変化して、生物処理に適したｐＨ条件を外れ、処理性能が低下してしまう。そのため、生物処理装置の処理水の一部を循環することで、槽内を完全混合に近づけ、ｐＨを均一化させることが行われている。

【0003】

一方、分解速度の異なる易分解性有機物と遅分解性有機物とを含有する有機性排水を生物膜を用いた生物処理槽で処理する場合、易分解性有機物を分解する微生物が担体表面に優占的に付着増殖して、遅分解性有機物を分解するような微生物は保持されないため、遅分解性有機物の処理が一向に進まないことがある。そこで、生物処理槽を直列に複数設け、易分解性有機物が除去された被処理水が流入する後段の生物処理槽で遅分解性有機物の除去を行うようにすることがある（例えば、特許文献１）。

【0004】

しかし、微生物発電装置のような、生物処理槽内で曝気を行わず、かつ、メタン発酵のように処理に伴い発生するガスもない生物処理槽で、上記理由から最後段の流出水の一部を最前段に循環して装置全体を完全混合に近づけようとすると、各槽で易分解性有機物を分解する微生物が増殖してしまい、遅分解性有機物の分解が進まなくなってしまうという問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１２－２３９９２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、有機物が、易分解性有機物及び遅分解性有機物など生物による分解速度が異なる有機物を含有する場合であっても、安定して生物処理することができる有機性排水の生物処理システム及び生物処理方法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】

【0007】

本発明の有機性排水の生物処理システムは、被処理水が順次に通水されるように設置された、生物膜を有する第１ないし第ｎ（ｎは２以上）の生物処理装置を備えた有機性排水の生物処理システムであって、各生物処理装置は、被処理水が直列又は並列に通水される複数の室を備えおり、前記第１生物処理装置からの流出水の一部を該第１生物処理装置の流入側に返送する返送手段を設けたものである。

【0008】

本発明の有機性排水の生物処理方法は、かかる本発明の有機性排水の生物処理システムを用いた有機性排水の生物処理方法であって、少なくとも前記第１生物処理装置からの流出水の一部を該第１生物処理装置の流入側に返送する。

【0009】

本発明の一態様では、第２以降の生物処理装置においても、各生物処理装置からの流出水の一部を当該生物処理装置の流入側に返送する。好ましくは第２以降の生物処理装置への流入水に含まれる遅分解性有機物の全有機物に占める比率が３０ｗｔ％以上である場合、各生物処理装置の流出水の一部を当該生物処理装置の流入側に返送する。

【0010】

本発明の一態様では、前記生物処理装置は、プラグフロー通水方式の嫌気性生物処理装置である。

【0011】

本発明の一態様では、前記生物処理装置は、複数のアノード室を備えた微生物発電装置である。

【0012】

本発明の一態様では、各生物処理装置内の通水ＬＶを１０～５０ｍ／ｈｒとする。

【発明の効果】

【0013】

本発明の有機性排水の生物処理システム及び方法によると、少なくとも第１生物処理装置の流出水の一部を該第１生物処理装置の流入側に返送するので、原水が易分解性有機物を多く含んでいる場合でも、第１生物処理装置で易分解性有機物が十分に生物処理される。そのため、第２生物処理装置以降への流入水中の易分解性有機物濃度が低くなり、遅分解性有機物を分解する微生物が十分に増殖し、遅分解性有機物も十分に分解されるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施の形態に係る生物処理システムの構成図である。

【図2】実施の形態に係る微生物発電装置の模式的な縦断面図である。

【図3】実施の形態に係る微生物発電装置の模式的な縦断面図である。

【図4】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】

【0015】

以下、図面を参照して本発明の有機性排水の生物処理システム及び生物処理方法の実施の形態を詳細に説明する。

【0016】

本発明の生物処理システム及び生物処理方法が処理対象とする原水としては、少なくとも１種の易分解性有機物と少なくとも１種の遅分解性有機物を含有する有機性排水が好適である。

【0017】

易分解性有機物としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸などの炭素数４以下の低級脂肪酸のほか、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの炭素数４以下の低級アルコールが例示される。

【0018】

遅分解性有機物としては、ＴＭＡＨ、ＤＭＳＯ、フェノール、テレフタル酸、ベンゼン、デンプンなどが例示される。

【0019】

このような易分解性有機物及び遅分解性有機物を含む有機性排水としては、電子産業排水、化学工場排水、製薬排水などが例示されるが、これらに限定されない。

【0020】

図１は本発明の有機性排水の生物処理システムの概略的な構成を示すフロー図である。

【0021】

この実施の形態では、生物処理装置として第１，第２及び第３の微生物発電装置１１，１２，１３が設置されている。ただし、微生物発電装置の設置段数はこれに限定されるものではなく、２又は４以上（好ましくは５以下）であってもよい。また、微生物発電装置以外のプラグフロー通水方式の嫌気性生物処理装置を用いてもよい。

【0022】

図１において、原水は、中和槽３０に供給される。該中和槽３０内の被処理水は、配管３１、ポンプ３２、配管３３を介して第１微生物発電装置１１のアノード室に供給され、微生物発電反応に供される。微生物発電反応後のアノード室内の液は、配管３４へ流出し、その一部は配管３５を介して流入配管３１に返送される。

【0023】

配管３４へ流出した液の残部は、配管４１、ポンプ４２、配管４３を介して第２微生物発電装置１２のアノード室に供給され、微生物発電反応に供される。微生物発電反応後のアノード室内の液は、配管４４へ流出し、その一部は配管４５を介して流入配管４１に返送される。

【0024】

配管４４へ流出した液の残部は、配管５１、ポンプ５２、配管５３を介して第３微生物発電装置１３のアノード室に供給され、微生物発電反応に供される。微生物発電反応後のアノード室内の液は、配管５４へ流出し、その一部は配管５５を介して流入配管５１に返送される。

【0025】

配管５４へ流出した液の残部が、配管６１を介して処理水として取り出される。配管６１へ流出した処理水の一部は、配管５６を介して中和槽３０へ返送されてもよい。ただし、各アノード室内の流量に対して１／１０以下であることが好ましい。

【0026】

この実施の形態では、後述の図２，３の通り、各微生物発電装置１１～１３はカソード室を備えており、各カソード室に空気や純酸素、酸素富化空気などの酸素含有ガスが供給される。各微生物発電装置のカソードを連通して酸素含有ガスを直列または並列に供給してもよい。

【0027】

図１では、第２，第３微生物発電装置１２，１３においてもアノード室流出液の一部を流入配管４１，５１に返送しているが、流入水に含まれる遅分解性有機物の全有機物に占める比率が３０ｗｔ％以上である微生物発電装置１２及び／又は１３においてのみ、アノード室流出液を当該微生物発電装置の流入配管４１又は５１へ返送するようにしてもよい。

【0028】

次に、各微生物発電装置１１，１２，１３の構成について図２を参照して説明する。

【0029】

各微生物発電装置１１～１３においては、槽体１内に複数枚のイオン透過性非導電性膜２が平行に配置されることによってカソード室３とアノード室４とが交互に区画されている。各カソード室３内にあっては、イオン透過性非導電性膜２に接するように正極５が配置されている。

【0030】

正極（カソード）５は、導電性材料（グラファイト、チタン、ステンレスなど）で構成された立体よりなる。正極を構成する素材は、電子受容体の種類によって適宜、選択すればよい。酸素を電子受容体とする場合は白金などの酸素還元触媒を用いることが好ましく、例えばグラファイトフェルトを基材として白金を担持させるとよい。

【0031】

カソード室３内には酸素含有ガスの代りに、例えばヘキサシアノ鉄(III)酸カリウム（フェリシアン化カリウム）を含む液を供給してもよい。この場合、正極５として、安価なグラファイト電極をそのまま（白金を担持させずに）使用してもよい。

【0032】

各アノード室４内には、導電性材料（グラファイト、チタン、ステンレスなど）で構成された立体の負極６が配置されている。アノード室４内に発電微生物が保持されている。

【0033】

この実施の形態では、カソード室３内は、空室であり、ガス流入管７を介して空気などの酸素含有ガスが導入され、ガス流出管８を経て排ガスが流出する。

【0034】

カソード室３とアノード室４とを仕切るイオン透過性非導電性膜２としては、非導電性、かつイオン透過性を有するものであれば殆どのものが使用できる。イオン交換膜、紙、織布、不織布、いわゆる有機膜（精密濾過膜）、ハニカム成形体、格子状成形体等が使用できる。イオンを透過させ易くするために、厚さは１０μｍ～１ｍｍ、特に３０～１００μｍ程度の薄いものが好ましい。

【0035】

アノード室４には有機物含有液を前記ポンプ３２，４２又は５２及び配管３３，４３又は５３を介して導入し、流出配管３４，４４又は５４から反応廃液を排出させる。なお、アノード室４内は密閉され嫌気性とされる。

【0036】

最終段の微生物発電装置１３から流出配管５４へ流出し、さらに配管６１を介して取り出される処理水の一部は、前述の通り、配管５６を介して中和槽３０に循環され、原水が希釈される。この中和槽３０には水酸化ナトリウム水溶液などのｐＨ調整剤が添加され、ｐＨが７～９に調整される。各微生物発電装置のアノード室４の温度条件は常温から中高温、具体的には１０～７０℃程度とすることが好ましい。

【0037】

アノード室流出水の循環比率は、アノード室４内が完全混合に近くなるように、有機物含有液流入量：循環水量（流量比）として１：１０以上、特に１：５０以上、原水のＢＯＤ濃度が１０，０００ｍｇ／Ｌを超えるような高濃度の場合には１：２００以上とするのが好ましい。

【0038】

本発明では、アノード室４内の通水ＬＶを１０ｍ／ｈｒ以上、例えば１０～５０ｍ／ｈｒとすることで、アノード室内を完全混合に近づけるとともに、負極表面の生物膜と原水中の基質との接触効率を高めることができる。

【0039】

アノード室４に窒素ガスなどの酸素を含有しないガスを連続的、または、間欠的に通気してもよい。負極表面にガスによる剪断力が与えられ、生物膜の過度な付着による閉塞を防ぐ効果が高まるのに加え、特にカソード室３で酸素を電子受容体とする場合などには、好気性スライムの増殖などにより性能低下に繋がる、カソード室３からアノード室４に浸透する酸素を除去する効果もある。

【0040】

正極５と負極６との間に生じた起電力により、端子２０，２１を介して外部抵抗（図示略）に電流が流れる。

【0041】

カソード室３に酸素含有ガスを通気すると共に、アノード室４に負極溶液を流通させることにより、アノード室４内では、
（有機物）＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ^＋＋ｅ^－
なる反応が進行する。この電子ｅ^－が負極６、端子２1、外部抵抗、端子２０を経て正極５へ流れる。

【0042】

イオン透過性非導電性膜２がカチオン交換膜である場合、上記反応で生じたプロトンＨ^＋は、カチオン交換膜を通って正極５に移動する。正極５では、
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－→２Ｈ_２Ｏ
なる反応が進行する。この正極反応で生成したＨ_２Ｏはカソード排ガスと共に排出される。

【0043】

イオン透過性非導電性膜２としてアニオン交換膜を用いた場合、正極５では、
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－→４ＯＨ^－
なる反応が進行する。この正極反応で生成したＯＨ^－がイオン透過性非導電性膜２としてのアニオン交換膜を透過する。

【0044】

アノード室４では、微生物による水の分解反応によりＣＯ_２が生成することにより、ｐＨが低下しようとする。そこで、ｐＨが好ましくは７～９となるようにアルカリが中和槽３０に添加される。

【0045】

図３は本発明の別の実施の形態に係る微生物発電装置を示している。上記図２に示す微生物発電装置では、各アノード室４に対し負極溶液が並列に通水されている。これに対し、図３では、各アノード室４は直列に接続されており、負極溶液は直列に通水される。図３のその他の構成は図１と同一であり、同一符号は同一部分を示している。

【0046】

本発明では、アノード室内に保持され、電気エネルギーを産生させる微生物は、電子供与体としての機能を有するものであれば特に制限されない。例えば、Saccharomyces、Hansenula、Candida、Micrococcus、Staphylococcus、Streptococcus、Leuconostoa、Lactobacillus、Corynebacterium、Arthrobacter、Bacillus、Clostridium、Neisseria、Escherichia、Enterobacter、Serratia、Achromobacter、Alcaligenes、Flavobacterium、Acetobacter、Moraxella、Nitrosomonas、Nitorobacter、Thiobacillus、Gluconobacter、Pseudomonas、Xanthomonas、Vibrio、Comamonas、Proteus（Proteus vulgaris）、Shewannell及びGeobacterの各属に属する細菌、糸状菌、酵母などを挙げることができる。このような微生物を含む汚泥として下水等の有機物含有水を処理する生物処理槽から得られる活性汚泥、下水の最初沈澱池からの流出水に含まれる微生物、嫌気性消化汚泥等を植種としてアノード室に供給し、微生物を負極に保持させることができる。発電効率を高くするためには、アノード室内に保持される微生物量は高濃度であることが好ましく、例えば微生物濃度は１～５０ｇ／Ｌであることが好ましい。

【実施例】

【0047】

［比較例１］
７ｃｍ×２５ｃｍ×０．５ｃｍ（厚さ）のアノード室（容積８７．５ｍＬ）に、厚さ０．５ｃｍのグラファイトフェルトにステンレス線を導電性ペーストで接着して電気引出し線としたものを導電性材料として充填して負極を形成した。このアノード室の厚さ方向に対して、厚さ３０μｍのポリオレフィン製の不織布を介してカソード室を形成した。カソード室も７ｃｍ×２５ｃｍ×０．５ｃｍ（厚さ）であり、厚さ０．５ｃｍのグラファイトフェルトにステンレス線を導電性ペーストで接着して電気引出し線としたものを導電性材料として充填して正極を形成した。３Ωの抵抗で接続して、微生物発電装置（セル）を作製した。

【0048】

この微生物発電セルを図１のように３セル直列に接続して有機性排水の生物処理システムを作製した。３セル目のアノード室流出水（処理水）を処理水槽に受け、処理水槽にて、２ＮＨＣｌまたは２ＮＮａＯＨでｐＨ７．５に調整したアノード室流出水を１５２ｍＬ／ｍｉｎ（９．１Ｌ／ｈｒ）の流量で中和槽に循環し、原水と混合させつつ第１微生物発電セルのアノード室に上向流で通水した。

【0049】

中和槽から第１微生物発電セルへは、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）１，０００ｍｇＣ／Ｌ、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）１，０００ｍｇＣ／Ｌと５０ｍＭリン酸バッファおよび酵母エキスとを含む原水を１６０ｍＬ／ｈｒの流量にて供給した。

【0050】

この生物処理システムを、３５℃に制御された室内に設置した。なお、原水の通水に先立って、稼働中の微生物発電装置からの流出水を植菌として通液した。各微生物発電セルのカソード室には５０ｍＭのフェリシアン化カリウムとリン酸バッファとを含む正極溶液を７０ｍＬ／ｍｉｎの流量で供給した。

【0051】

第１、第２微生物発電セルのアノード室の流出水は、それぞれ全量を第２、第３微生物発電セルに送水した。第３微生物発電セルのアノード室流出水は、上記の通り、１５２ｍＬ／ｍｉｎを第１微生物発電セルに返送し、残部を処理水として取り出した。

【0052】

［実施例１］
比較例１と同じ装置構成で、各微生物発電セルのアノード室流出水を１５２ｍＬ／ｍｉｎ（９．１Ｌ／ｈｒ）の流量で各セルの流入配管に循環させた。つまり、第１、第２微生物発電セルのアノード室の流出液は、それぞれ分岐して１５２ｍＬ／ｍｉｎ（９．１Ｌ／ｈｒ）の流量で各セルのアノード室流入液に混合させ、第３微生物発電セルのアノード室流出液は、処理水槽の上流側で分岐して１５２ｍＬ／ｍｉｎ（９．１Ｌ／ｈｒ）の流量で第３微生物発電セルのアノード室流入液に混合させた。これにより各セルのアノード室流入水及びアノード室流出水の流量は３１２ｍＬ／ｍｉｎとなった。その他は比較例１と同一条件にて運転を行った。

【0053】

＜結果＞
比較例１、実施例１の処理水ＴＯＣ濃度の推移を図４に示す。比較例１では、立上げから３週間経過した頃から処理水ＴＯＣ濃度は１，０００～１，１００ｍｇＣ／Ｌでほぼ横這いとなり、また水質分析したところ処理水にはＴＭＡＨが残存していた。一方、実施例１では、立上げ当初は処理水ＴＯＣ濃度が比較例１より高かったが、３週間経過後も低下し続け、約２ヶ月後には２００ｍｇ／Ｌ前後で安定するようになり、水質分析したところＴＭＡＨも除去されていた。

【0054】

この実施例及び比較例により、アノード室流出水の一部を当該セルの流入水に循環させることにより、有機物除去効果が向上することが実証された。

【符号の説明】

【0055】

１ 槽体
２ イオン透過性非導電性膜
３ カソード室
４ アノード室
５ 正極
６ 負極
１１，１２，１３ 微生物発電装置
１０ 原水槽

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】