JP2001137887A - 嫌気性生物処理方法 - Google Patents

嫌気性生物処理方法

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JP2001137887A
JP2001137887A JP31964899A JP31964899A JP2001137887A JP 2001137887 A JP2001137887 A JP 2001137887A JP 31964899 A JP31964899 A JP 31964899A JP 31964899 A JP31964899 A JP 31964899A JP 2001137887 A JP2001137887 A JP 2001137887A
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methane
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Naoki Abe
直樹 安部
Yasuyuki Yagi
康之 八木
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Hitachi Plant Technologies Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Abstract

(57)【要約】 【課題】 負荷変動等の外乱に対して耐性があり、か
つ、高負荷処理が可能な2相式の嫌気性生物処理方法を
実現すること 【解決手段】 酸生成槽12とメタン生成槽14とから
なる2相式の嫌気性生物処理方法において、酸生成槽1
2での反応温度を50〜60℃、メタン生成槽14での
反応温度を30〜40℃とし、好ましくはメタン生成槽
14で得られた処理水の一部を酸生成槽12に返送する
とともに、酸生成槽12でのpHを5.5〜6.5の範囲
に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は有機性の廃水を嫌気
的な条件下で生物学的に処理する嫌気性生物処理方法に
係り、特に酸生成部とメタン生成部とからなる2相式の
嫌気性生物処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】嫌気性生物処理による有機物の分解反応
は、有機物を酸生成細菌によって分解して有機酸を生成
する酸生成反応と、生じた有機酸をメタン生成細菌によ
って分解してメタンガスにするメタン生成反応がある。
反応槽内ではこれらの反応が順次進行して、廃水中の有
機物がメタンガスと炭酸ガスに分解されていく。各反応
にはそれぞれ好適なpHが存在し、酸生成反応ではpH
5.5〜6.5、メタン生成反応では7〜8が好適なpH
の範囲である。
【0003】このため各反応のpHをそれぞれ好適な条
件に保持するために、酸生成部とメタン生成部とを分離
した2相式の嫌気性生物処理方法が行われている。ま
た、この2相式の嫌気性生物処理方法では、反応温度を
を30〜40℃に維持して行う中温醗酵法と、反応温度
をを50〜60℃に維持して行う高温醗酵法とが知られ
ている。
【0004】これらの中温醗酵法と高温醗酵法には、そ
れぞれ利点と欠点があり、中温醗酵法は負荷変動等の外
乱に対して耐性が比較的あるが、負荷が安定した条件で
は処理効率が比較的小さいという欠点がある。一方、高
温醗酵法は前記中温醗酵法とは逆に負荷が安定した条件
では高負荷処理が可能であるが、負荷変動等の外乱に対
して耐性が劣り、急激な負荷変化や阻害性物質の流入に
よって処理性能が悪化した場合、回復に長期間を要する
という欠点があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
従来技術の中温醗酵法と高温醗酵法のそれぞれの欠点を
改善して、負荷変動等の外乱に対して耐性があり、か
つ、高負荷処理が可能な2相式の嫌気性生物処理方法を
提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は酸生成部とメタン生成部とからなる2相
式の嫌気性生物処理方法において、前記酸生成部での反
応温度を50〜60℃、メタン生成部での反応温度を3
0〜40℃とすることを特徴とする。
【0007】また、本発明は前記メタン生成部で得られ
た処理水の一部を前記酸生成部に返送するとともに、酸
生成部でのpHを5.5〜6.5の範囲に制御することを
特徴とする。
【0008】以下、本発明を為すに至った技術背景を説
明する。本発明者は2相式の嫌気性生物処理方法におけ
る酸生成反応とメタン生成反応の挙動を調べた。その結
果、酸生成反応においては処理効率が反応温度によって
大きく変化し、中温醗酵では低く、高温醗酵では高くな
ること、また、外乱、特に負荷変動に対する耐性は反応
温度の影響を余り受けず、中温醗酵・高温醗酵とも同程
度であることを見出した。一方、メタン生成反応におい
ては処理効率が反応温度の影響を余り受けず、中温醗酵
・高温醗酵とも同程度の性能を示すこと、また、外乱に
対する耐性は反応温度によって大きく変化し、中温醗酵
では比較的耐性があり、高温醗酵では耐性が劣ることを
見出した。
【0009】本発明は上記の知見に基づき、酸生成部で
は処理効率が高く、かつ、外乱に対する耐性が中温醗酵
と同程度である高温醗酵を採択して反応温度を50〜6
0℃とし、一方、メタン生成部では処理効率が高温醗酵
と同程度であり、かつ、外乱に対する耐性が優れている
中温醗酵を採択して反応温度を30〜40℃とすること
によって、前記の目的を達成するものである。
【0010】
【発明の実施の形態】図1は本発明の実施の形態を示す
装置系統図である。本装置は主として原水槽10、酸生
成槽12、メタン生成槽14、処理水槽16によって構
成されており、これらの各槽に管路18、20、22、
24、26、28が接続されている。また、酸生成槽1
2にはpH計30が設置されており、このpH計30の
検出値に基づいて苛性ソーダ溶液を注入するための管路
32が管路18に接続されている。
【0011】本発明が対象とする有機性の廃水は、例え
ば有機性の物質を溶解した廃水、有機性の固形物を含有
した廃水、有機性の汚泥を高濃度に含むスラリ、あるい
はこれらの混合物であり、以下の説明では原水と称す
る。
【0012】原水槽10に一旦貯留された原水は、管路
18から酸生成槽12に供給され、ここで酸生成反応を
受ける。酸生成槽12には図示されない加熱手段が設け
られており、槽内の反応温度を50〜60℃に保持す
る。このため、酸生成槽12には高温下で活性のある高
温酸生成細菌が優先的に増殖し、この高温酸生成細菌の
作用によって原水中の有機物質は可溶化された後、酢酸
やプロピオン酸などの有機酸になる。有機酸の生成によ
って槽内液のpHが低下し、これを放置すると高温酸生
成細菌の活性も低下する。
【0013】このため、槽内液のpHが酸生成反応に好
適な範囲である5.5〜6.5となるように制御する。す
なわち、酸生成槽12に設置したpH計30の検出値に
基づいて、槽内液のpHが上記範囲内の設定値となるよ
うに、苛性ソーダ溶液を管路32から注入するように制
御する。
【0014】高温酸生成細菌は有機物質の分解速度が速
く、かつ、反応温度とpHを適正に維持した場合には増
殖速度も速いので、負荷変化等の外乱によって処理性能
が一時的に悪化した場合でも、回復が速い。このため、
高温酸生成細菌による高温醗酵は処理効率がよく、処理
の安定性にも優れている。
【0015】高温酸生成細菌による高温醗酵をより一層
効率よく行うためには、酸生成槽12内に高温酸生成細
菌を高濃度に保持する必要がある。このためには、高温
酸生成細菌を高濃度に付着、増殖させた担体を槽内に充
填して、この担体の固定床又は流動床を形成し原水と担
体とを接触させる方法や、高温酸生成細菌のスラッジ・
ブランケットゾーンを形成して原水をこのゾーンに対し
て上向流で通過させるUASB法を用いることが好まし
い。
【0016】前記酸生成槽12での酸生成処理水は、管
路20からメタン生成槽14に流入し、ここでメタン生
成反応を受ける。メタン生成槽14には図示されない加
熱手段が設けられており、槽内の反応温度を30〜40
℃に保持する。このため、メタン生成槽14には中温下
で活性のある中温メタン生成細菌が優先的に増殖し、こ
の中温メタン生成細菌の作用によって酸生成処理水中の
有機酸は主としてメタンガスと炭酸ガスに分解される。
これらの発生ガスは管路28から槽外へ排出され、例え
ば前記した加熱手段の熱源などに利用される。
【0017】メタン生成槽14におけるメタン生成反応
の好適なpH範囲は7〜8である。メタン生成反応では
有機酸が分解して消費され、アルカリイオンが残留する
ためpHが上昇する。前記のように、酸生成処理水はp
Hが5.5〜6.5に保持されてメタン生成槽14に流入
するので、この酸生成処理水がメタン生成反応によって
pHが上昇すると、通常は都合よくpHが7〜8の範囲
に納まる。このため、正常な運転が維持されている場合
には格別のpHの制御操作を必要としない。ただし、外
乱によってpHが一時的に好適な範囲を逸脱する場合が
考えられるので、このような事態に備えてメタン生成槽
14にもpH制御手段を設けることが好ましい。
【0018】メタン生成槽14では前記のように反応温
度が30〜40℃の中温に保持されるが、反応温度が5
0〜60℃の高温醗酵に比べて、加熱に要するエネルギ
ーが少なくて済む。特に夏期においてはメタン生成槽1
4からの放散熱量を、前記50〜60℃に加熱されてメ
タン生成槽14に流入する酸生成処理水の過剰分の熱量
が補うので、加熱の負荷をほとんど零にすることが可能
である。
【0019】中温メタン生成細菌は多くの種類が共存し
た集合体であり、メタン生成反応に関しては高温醗酵に
おける高温メタン生成細菌と同等レベルの反応速度を発
揮し、かつ、反応温度とpHを適正に維持した場合には
増殖速度も速いので、負荷変化等の外乱によって処理性
能が一時的に悪化した場合でも、回復が速い。このた
め、増殖速度が遅い高温メタン生成細菌に比べて、外乱
に対する処理の安定性に特に優れている。
【0020】中温メタン生成細菌による中温醗酵をより
一層効率よく行うためには、メタン生成槽14内に中温
メタン生成細菌を高濃度に保持する必要がある。このた
めには、前記酸生成槽12の場合と同様に担体を用いる
方法やUASB法を採用することが好ましい。
【0021】メタン生成槽14からの処理水は、管路2
2を介して処理水槽16に一旦貯留された後に、系外に
排出される。また、処理水槽16内の処理水の一部は管
路26から管路18内の原水と合流させ、酸生成槽12
に返送する。この処理水を返送させる操作の第1の目的
は、pHが7〜8の処理水を酸生成槽12に導入するこ
とによって、酸生成反応時のpH上昇率を抑え、pH調
整剤である前記苛性ソーダ溶液の使用量を節減すること
にある。第2の目的は、処理水を原水と合流させること
による希釈効果によって、原水の負荷変動や原水に含ま
れる阻害性物質による悪影響をやわらげ、反応環境を均
一化することにある。このような目的のために、処理水
の返送量を通常は原水流入量の1〜5倍とする。なお、
本発明は処理水の一部を返送することを必須とするもの
ではなく、状況が許せば省略することができる。
【0022】
【実験例1】図2に示すA,B,C,Dの4種の単一操
作実験を行った。実験Aは高温醗酵による酸生成、実験
Bは中温醗酵による酸生成、実験Cは高温醗酵によるメ
タン生成、実験Dは中温醗酵によるメタン生成の実験で
あり、各反応槽40A,40B,40C,40Dにはそ
れぞれ高温酸生成細菌、中温酸生成細菌、高温メタン生
成細菌、中温メタン生成細菌のブランケット・ゾーン4
2A,42B,42C,42Dを形成させ、供試水4
4,44,46,46を上向流で供給してUASB法で
運転し、処理水48A,48B,48C,48Dを得
た。
【0023】酸生成の実験A,Bでは供試水(使用原
水)44,44としてグルコースを基質とするCODcr
が5,000mg/Lの合成水を用い、メタン生成の実験
C,Dでは供試水(使用原水)46,46として酢酸、
プロピオン酸、酪酸を基質とするCODcrが5,000mg
/Lの合成水を用いた。各実験の反応槽は保温ジャケッ
トに温水を通水し、実験Aの酸生成槽40Aでは反応中
心部の温度を約55℃に、反応中心部のpHを約6.0
に制御し、実験Bの酸生成槽40Bでは反応中心部の温
度を約35℃に、反応中心部のpHを約6.0に制御し
た。また、実験Cのメタン生成槽40Cでは反応中心部
の温度を約55℃に、反応中心部のpHを約7.5に制
御し、実験Dのメタン生成槽40Dでは反応中心部の温
度を約35℃に、反応中心部のpHを約7.5に制御し
た。
【0024】上記の条件で、流入供試水の水量を数日単
位で変化させることによって、CODcrの容積負荷を変
化させ、実験A,Bでは処理水の有機酸濃度を測定して
供試水中のグルコースを基質とする有機物が有機酸に転
換した率(有機酸転換率)を調べた。また、実験C,D
では供試水と処理水のCODcrを対比してCODcrの除
去率を調べた。
【0025】図3に上記の実験結果を示す。図3の上段
のグラフは供試水のCODcr容積負荷を変化させた状況
を示しており、中段のグラフはその時の酸生成の実験
A,Bでの有機酸転換率の変化状況を示している。ま
た、下段のグラフはその時のメタン生成の実験C,Dで
のCODcr除去率の変化状況を示している。
【0026】図3から明らかなように、酸生成の実験
A,Bを比較すると、実験Aの高温醗酵では有機酸転換
率が80〜90%であるのに対し、実験Bの中温醗酵で
は有機酸転換率が75〜80%であり、高温醗酵の方が
処理性能の面で優れていることが判る。CODcr容積負
荷10kg/m3・dの運転を26日間継続した後、C
ODcr容積負荷を25kg/m3・dに増加させると、
高温醗酵、中温醗酵とも有機酸転換率が多少低下するが
負荷変動による処理性能上の顕著な悪影響は認められな
かった。
【0027】また、メタン生成の実験C,Dを比較する
と、実験Cの高温醗酵、実験Dの中温醗酵ともCODcr
容積負荷10kg/m3・dの運転ではCODcr除去率
は80〜85%であり、両者には処理性能上の差は認め
られなかった。その後、CODcr容積負荷を25kg/
3・dに増加させると、高温醗酵ではCODcr除去率
が急激に低下し、再びCODcr容積負荷を元の値に戻し
てもCODcr除去率は徐々に向上するが、その度合いが
緩慢であり、12日間を経過してもCODcrの除去率は
約70%と負荷急増前の除去率には到底及ばなかった。
一方、中温醗酵ではCODcr容積負荷の急増によるCO
Dcr除去率の低下は認められるが、再びCODcr容積負
荷を元の値に戻すとCODcr除去率が急速に回復した。
【0028】
【実験例2】図1に示した装置系統図と同一構成のベン
チスケールの実験装置を用いて処理実験を行った。酸生
成槽12には高温醗酵によって馴養した高温酸生成細菌
のグラニュールを、また、メタン生成槽14には中温醗
酵によって馴養した中温メタン生成細菌のグラニュール
をそれぞれ投入し、UASB法で運転した。また、各槽
とも保温ジャケットに温水を通水し、酸生成槽12では
反応中心部の温度を約55℃に制御するとともに、反応
中心部のpHを約6.0に制御し、メタン生成槽14で
は反応中心部の温度を約37℃に制御した。なお、メタ
ン生成槽14ではpH制御を実施しなかったが、後述の
各実験において反応中心部のpHはほぼ7〜8の範囲に
推移した。
【0029】供試水としてグルコースを基質とするCO
Dcrが5,000mg/Lの合成水を連続的に通水した。ま
た、処理水の返送量は、すべて流入供試水量の2倍とし
た。上記の条件で、流入供試水の水量を数日単位で変化
させることによって、CODcrの容積負荷を変化させ、
供試水と処理水のCODcrを対比してCODcrの除去率
を調べた。
【0030】また、比較のために、メタン生成槽14に
高温醗酵によって馴養した高温メタン生成細菌のグラニ
ュールを投入し、このメタン生成槽14での反応中心部
の温度を約55℃に制御した以外は上記の実験と同一の
条件で、従来法に係る高温醗酵法の実験を行った。
【0031】図4に上記の実験結果を本発明法と従来法
について併せて示す。図4の上段のグラフは供試水のC
ODcr容積負荷を変化させた状況を示しており、下段の
グラフはその時のCODcr除去率の変化状況を示してい
る。
【0032】図4から明らかなように、本発明法、従来
法とも最初の10日間のCODcr容積負荷が5kg/m
3・dの低負荷運転ではCODcr除去率は約85%であ
り、両法には処理性能上の差は認められなかった。その
後、CODcr容積負荷を2倍の10kg/m3・dに増
加すると本発明法、従来法ともCODcr除去率が約80
%に低下するが負荷変動による処理性能上の格別の悪影
響は認められなかった。
【0033】このCODcr容積負荷が10kg/m3
dの運転を14日間継続した後、CODcr容積負荷をさ
らに2.5倍のの25kg/m3・dに急増させると本発
明法、従来法ともCODcr除去率が急激に低下し、約6
5%となった。次いで、このCODcr容積負荷が25k
g/m3・dの運転を4日間継続した後、CODcr容積
負荷を再び10kg/m3・dに戻した。その結果、本
発明法ではCODcr除去率が日毎に向上し、10日間で
約80%となって負荷急増前の除去率に回復した。一
方、従来法ではCODcr除去率は徐々に向上するが、そ
の度合いが緩慢であり、10日間を経過してもCODcr
除去率は約70%と負荷急増前の除去率には到底及ばな
かった。
【0034】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、従来技
術に係る中温醗酵法と高温醗酵法のそれぞれの欠点を改
善して、負荷変動等の外乱に対して耐性があり、かつ、
高負荷処理が可能な2相式の嫌気性生物処理方法を実現
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示す装置系統図である。
【図2】本発明に係る実験例1の実験内容を説明するた
めの図である。
【図3】本発明の実験例1の結果を示すグラフである。
【図4】本発明の実験例2の結果を、従来法と比較して
示すグラフである。
【符号の説明】
10……原水槽 12……酸生成槽 14……メタン生成槽 16……処理水槽 30……pH計

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸生成部とメタン生成部とからなる2相式
    の嫌気性生物処理方法において、前記酸生成部での反応
    温度を50〜60℃、メタン生成部での反応温度を30
    〜40℃とすることを特徴とする嫌気性生物処理方法。
  2. 【請求項2】前記メタン生成部で得られた処理水の一部
    を前記酸生成部に返送するとともに、酸生成部でのpH
    を5.5〜6.5の範囲に制御することを特徴とする請求
    項1に記載の嫌気性生物処理方法。
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