JP2004034000A

JP2004034000A - 余剰汚泥の発生量を低減する汚泥処理方法及び装置

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Publication number: JP2004034000A
Application number: JP2002198593A
Authority: JP
Inventors: Takuya Kobayashi; 小林　琢也; Shigeki Yamashita; 山下　茂樹; Toshihiro Tanaka; 田中　俊博; Takeshi Otsu; 大津　健史
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2002-07-08
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2022-07-08
Also published as: JP3977174B2

Abstract

【課題】超音波処理又は超音波処理とその他の化学的もしくは物理的処理を組み合わせて余剰汚泥の発生量を効果的に低減できる汚泥処理方法及び装置を提供する。
【解決手段】有機性廃水の生物処理工程で発生する有機性汚泥の処理方法において、有機性汚泥を濃縮し、次いでこの濃縮汚泥に嫌気性消化処理を行い、嫌気性消化処理後の汚泥を、固形物の一部又は全量を１〜１０％まで濃縮するように固液分離を行い、濃縮汚泥を超音波処理し、該超音波処理した汚泥を前記の嫌気性消化処理工程に返送することを特徴とする汚泥処理方法。及びその装置。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水や有機性の産業排水などの有機性廃水の生物処理技術に関し、特に該生物処理で副生する余剰汚泥の発生量を削減できる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
下水や有機性の産業排水は、通常生物処理法で処理されており、幅広く行われている。有機性廃水の生物処理法は優れた処理方法であるが、その過程で大量の余剰汚泥が発生し、日本全体では年間１０００万ｔ以上となっている。通常、余剰汚泥は脱水後埋め立や焼却処分されているが、その処理コストは年々増加しており、排水処理全体のコストを上昇させる原因の一つとなっているため、余剰汚泥の低減が大きな課題となっている。この状況の下、汚泥を嫌気性消化し、メタンガスを回収する技術が注目されている。嫌気性消化ではメタン生成菌の働きにより、汚泥や廃棄物中の有機物をメタンガスとして回収するため、不要な余剰汚泥を資源として利用できる可能性があり、その有用性から様々な研究が進められている。
【０００３】
有機性廃水の処理から発生する汚泥は、処理の受け入れの段階で出る初沈汚泥と生物処理で出る余剰汚泥に分けることができる。一般に、初沈汚泥は流入排水から最初沈殿池で固液分離されたものの総称である。初沈汚泥にはセルロースなどの繊維質の有機物が含まれており、初沈汚泥に対し嫌気性消化処理を行うと高いメタン回収率が得られることが知られている。これに対し、余剰汚泥は活性汚泥処理の過程で廃水中の有機物を処理することで増殖した微生物が多く含まれているため、余剰汚泥をメタン発酵処理した場合、余剰汚泥は分解されにくく、メタンの回収率が低いという問題点があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この解決方法として、余剰汚泥を微細化又は液化することでメタン回収率を向上させる試みが行われている。汚泥を微細化する方法としてミルによる破砕、好熱菌による液化、オゾンによる液化などがある。これらの中で本発明者等は、先に提案された、汚泥に超音波処理を行うことにより汚泥を微細化する「余剰汚泥の処理方法」に基づき、汚泥の液化処理を行ったところメタンの回収率が約２割向上することを見出した。しかし、単純に嫌気性消化処理前の汚泥を超音波処理することは、エネルギー効率が悪く、超音波処理に必要なエネルギーは、メタン回収によって得られるエネルギーよりも大きくなってしまった。
【０００５】
本発明は、このような従来方法の問題点などに鑑みてなされたものであり、超音波処理又は超音波処理とその他化学的もしくは物理的処理を組み合わせて、余剰汚泥の発生量を効果的に低減できる汚泥処理方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題の解決法として考案されたものであり、以下に示す知見から着想されたものである。すなわち、１）嫌気性消化処理後の汚泥を超音波処理で液化して嫌気性消化槽に戻すと、メタンガスの回収率が増加すること。２）超音波処理単独ではエネルギー的に不利であるが、汚泥濃度が高いほど液化量が増えること。３）超音波処理汚泥を加温することで液化率が大幅に向上すること。４）超音波処理汚泥にオゾンなどの酸化剤を添加すると液化率が向上すること。５）超音波処理汚泥にアルカリを添加することで液化率が向上すること。
【０００７】
すなわち、本発明は、以下に示す手段によって前記課題を解決した。
（１）有機性廃水の生物処理工程で発生する有機性汚泥の処理方法において、有機性汚泥を濃縮し、次いでこの濃縮汚泥に嫌気性消化処理を行い、嫌気性消化処理後の汚泥を、固形物の一部又は全量を１〜１０％まで濃縮するように固液分離を行い、濃縮汚泥を超音波処理し、該超音波処理した汚泥を前記の嫌気性消化処理工程に返送することを特徴とする汚泥処理方法。
（２）有機性廃水の生物処理工程で発生する有機性汚泥の処理方法において、有機性汚泥を濃縮し、次いでこの濃縮汚泥に嫌気性消化処理を行い、嫌気性消化処理後の汚泥を、固形物の一部又は全量を１〜１０％まで濃縮するように固液分離を行い、濃縮汚泥を超音波処理し、該超音波処理した汚泥を化学的液化処理工程又は加温処理工程を行ったのち、前記の嫌気性消化処理工程に返送することを特徴とする汚泥処理方法。
（３）前記汚泥の化学的液化処理工程が、オゾン、過酸化水素又は酸から選ばれる酸化剤及びアルカリ剤を添加し、汚泥を液化する処理であることを特徴とする前記（２）記載の汚泥処理方法。
【０００８】
（４）有機性廃水の生物処理工程で発生する有機性汚泥を濃縮する汚泥濃縮槽、濃縮された汚泥を消化汚泥とメタンガスに変換する嫌気性消化槽、該消化汚泥を脱離液と濃縮汚泥に分離する固液分離装置、該濃縮汚泥を液化する超音波反応槽、及び超音波処理汚泥を嫌気性消化槽へ返送する手段を有することを特徴とする汚泥処理装置。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
なお、発明の実施の形態及び実施例を説明する全図において、同一機能を有する構成要素には同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
図１及び２は、有機性廃水生物処理施設から発生した余剰汚泥を処理するフローを示す図である。
図１において、有機性汚泥１は汚泥濃縮機８に供給されて濃縮され、嫌気性消化槽９に供給される。嫌気性消化槽９は３０〜７０℃に加温され、嫌気性消化反応により発生したメタンガス７は回収される。消化汚泥２は固液分離装置１０に供給され、脱離液３と濃縮汚泥４に分離される。濃縮汚泥４は超音波反応槽１１に供給され、超音波処理される。
【００１０】
ここで、図３に超音波強度と液化率の関係を示す。図３は各濃度の超音波により液化処理したときの汚泥液化量を求めたものであるが、グラフより汚泥濃度が高いほど液化量が高いことが分かる。従って、超音波反応槽１１に供給する濃縮汚泥４の濃度を高くすることで液化量が増加し、効率よく液化汚泥を得ることができる。
以上の知見より、濃縮汚泥４の濃度は１〜１０％、好ましくは４〜８％に濃縮することが好ましい。このため固液分離槽１０で汚泥が所定濃度に達しないときは、固液分離槽１０と超音波反応槽１１の間に別の汚泥濃縮機を設けることが必要である。
【００１１】
超音波発振機の消費エネルギー量は被処理液量に対し１０〜４００ｋＪ／リットルであること、超音波ホーン断面積あたりの消費エネルギーは３０Ｗ／ｃｍ^２以上であることが望ましい。
超音波反応槽１１から流出した超音波処理汚泥５は、嫌気性消化槽９に返送される。超音波処理汚泥５は超音波による微細化、液化が進行しているため、消化汚泥２よりも生分解性が高く、嫌気性消化槽９に返送することでメタンガス発生量が増加する効果が期待できる。
【００１２】
ここで、図２について述べると、超音波反応槽１１から流出した超音波処理汚泥５が十分微細化・液化せず、嫌気性消化槽９でのメタンガス発生量が増加しない場合、超音波処理汚泥５を汚泥液化槽１２に供給し、微細化・液化を進行させることが可能である。
汚泥液化槽１２では化学的処理としてオゾン、過酸化水素などの酸化剤、アルカリ剤の添加により汚泥の液化処理が行われる。また加温処理で汚泥の液化処理が行われる。これらの処理はそれぞれ単独で行うよりも、超音波処理と組み合わせることで液化率が向上する。この理由として超音波処理で汚泥が微細化するので、化学的処理では汚泥と薬品の接触がより効率的に起きること、加温処理では熱の伝わり方が均一になることが考えられる。
【００１３】
汚泥液化槽１２から流出した液化処理汚泥６は嫌気性消化槽９に返送される。液化処理汚泥６は消化汚泥２と比較して難分解性の有機物が微細化、液化されてメタン生成菌が利用しやすい形態となったため、メタンの回収率が高くなったと考えられる。
図１、２のように消化汚泥に対し循環処理を行うと、嫌気性消化槽９には菌体が利用できない無機物が蓄積する可能性があるため、汚泥中の無機物含率に応じて適宜消化汚泥を排出すると良い。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明を図面を参照しながら実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものでない。
【００１５】
実施例１
以下に実施例１の説明を行う。図４は、有機性廃水の生物処理工程から排出された余剰汚泥を本発明により処理したフローである。本実施例では、下水の活性汚泥処理工程から排出された余剰汚泥について処理を行った。余剰汚泥１は汚泥濃縮機８で濃縮し、嫌気性消化槽９に供給された。濃縮した余剰汚泥の蒸発残留物（ＴＳ）濃度は４％、強熱減量（ＶＳ）濃度は３．６％、ＣＯＤＣｒ濃度は５％、供給量は３３リットル／ｄであった。嫌気性消化槽９には超音波処理汚泥５も８．３リットル／ｄで供給した。濃縮余剰汚泥と超音波処理汚泥５の混合汚泥の嫌気性消化槽９における滞留時間は２４日であった。消化汚泥２は固液分離装置１０に供給され、濃縮汚泥４と脱離液３に分離された。濃縮汚泥４の濃度は４％で超音波反応槽１１に供給した。
【００１６】
超音波反応槽１１では２００Ｗの超音波発振機により、汚泥に対する超音波エネルギーが４０ｋＪ／リットルとなるように超音波処理を行った。第１表に超音波処理前後での汚泥性状を示す。超音波処理汚泥５で溶解性ＣＯＤＣｒの成分が増加しており、汚泥が液化した。また汚泥の平均粒径も小さくなっており、汚泥の微細化が進行したと考えられた。超音波反応槽１１ではバッチ方式で処理をしており、超音波発振機の運転時間は１日あたり５７分であった。
【００１７】
【表１】

【００１８】
消化汚泥２の一部２ａは、系内への無機物蓄積を防ぐために系外に排出した。消化汚泥２ａの排出量は強熱減量（ＶＳ）量にして１日あたり３８６ｇであった。投入汚泥の強熱減量（ＶＳ）量は１１８８ｇ／ｄなので、ＶＳ分解率は６７％となった。またメタンガス７の生成量は標準状態で０．４３ｍ^３／ｄであった。
【００１９】
比較例１
以下に比較例を示す。図５は比較例１のフローである。実施例１と同様に、下水の活性汚泥処理工程から排出された余剰汚泥について処理を行った。余剰汚泥１は汚泥濃縮機８で濃縮し、嫌気性消化槽９に供給された。濃縮した余剰汚泥の蒸発残留物（ＴＳ）濃度は４％、強熱減量（ＶＳ）濃度は３．６％、ＣＯＤＣｒ濃度は５％、供給量は３３リットル／ｄであった。嫌気性消化槽９における滞留時間は３０日であった。消化汚泥２の強熱減量（ＶＳ）量は４７５ｇ／ｄであった。投入汚泥の強熱減量（ＶＳ）量は１１８８／ｄなので、ＶＳ分解率は６０％であり、実施例１よりも低くなった。またメタンガス７の生成量は標準状態で０．３９ｍ^３／ｄであり、実施例１のメタン発生量よりも低い。
【００２０】
実施例２
図６は、有機性廃水の生物処理工程から排出された余剰汚泥を本発明により処理するためにこの実施例で用いたフローである。実施例２でも下水の活性汚泥処理工程から排出された余剰汚泥について処理を行った。実施例２では超音波処理汚泥５を加温処理槽１４に供給し、加温処理汚泥１３を嫌気性消化書理槽９に返送した。加温処理槽１４は７０℃に加温され、汚泥の滞留時間は３０分間に設定した。
【００２１】
余剰汚泥１は、汚泥濃縮機８で濃縮し、嫌気性消化槽９に供給された。濃縮した余剰汚泥の蒸発残留物（ＴＳ）濃度は４％、強熱減量（ＶＳ）濃度は３．６％、ＣＯＤＣｒ濃度は５％、供給量は３３リットル／ｄであった。嫌気性消化槽９には超音波処理汚泥５も８．３リットル／ｄで供給した。濃縮余剰汚泥と超音波処理汚泥５の混合汚泥の嫌気性消化槽９における滞留時間は２４日であった。消化汚泥２は固液分離装置１０に供給され、濃縮汚泥４と脱離液３に分離された。濃縮汚泥４の濃度は４％で超音波反応槽１１に供給した。
【００２２】
超音波反応槽１１では、汚泥に対する超音波エネルギーが４０Ｋｊ／リットルとなるように超音波処理を行った。第２表に超音波処理前後での汚泥性状を示す。
超音波処理汚泥５で溶解性ＣＯＤＣｒの成分が増加しており、汚泥が液化した。さらに加温処理汚泥１３は溶解性ＣＯＤＣｒ成分が増加しており、汚泥の液化量がさらに増加した。汚泥の平均粒径も小さくなっており、汚泥の微細化が進行したと考えられた。
【００２３】
【表２】

【００２４】
消化汚泥２の一部は、系内への無機物蓄積を防ぐために排出した。消化汚泥２の排出量は強熱減量（ＶＳ）量にして１日あたり３６８ｇであった。投入汚泥の強熱減量（ＶＳ）量は１１８８ｇ／ｄなので、ＶＳ分解率は６９％となった。また、メタンガス７の生成量は標準状態で０．４３ｍ^３／ｄであった。また超音波発振機の運転時間は７分であり、実施例１の超音波処理時間よりも短くなった。超音波処理と加温処理を組み合わせることで液化量が増加し、超音波処理時間を減らす効果が確認された。
【００２５】
実施例３
図７は、有機性廃水の生物処理過程から排出された余剰汚泥を本発明により処理するためにこの実施例で用いたフローである。実施例３でも下水の活性汚泥処理工程から排出された余剰汚泥について処理を行った。実施例３では超音波処理汚泥５をオゾン反応槽１６に供給し、オゾン処理汚泥１５を嫌気性消化処理槽９に返送した。オゾン反応槽１６ではオゾンガスを４．６ｇ／ｄ供給した。
【００２６】
余剰汚泥１は汚泥濃縮機８で濃縮し、嫌気性消化槽９に供給した。濃縮した余剰汚泥の蒸発残留物（ＴＳ）濃度は４％、強熱減量（ＶＳ）濃度は３．６％、ＣＯＤＣｒ濃度は５％、供給量は３３リットル／ｄであった。嫌気性消化槽９にはオゾン処理汚泥１５も８．３リットル／ｄで供給した。濃縮余剰汚泥とオゾン処理汚泥１５の混合汚泥の嫌気性消化槽９における滞留時間は２４日であった。消化汚泥２は固液分離装置１０に供給され、濃縮汚泥４と脱離液３に分離された。濃縮汚泥４の濃度は４％で超音波反応槽１１に供給した。
【００２７】
超音波反応槽１１では、汚泥に対する超音波エネルギーが４０ｋＪ／リットルとなるように超音波処理を行った。第３表に超音波処理前後での汚泥性状を示す。超音波処理汚泥５で溶解性ＣＯＤＣｒの成分が増加しており、汚泥が液化した。さらにオゾン処理汚泥１５は溶解性ＣＯＤＣｒ成分が増加しており、汚泥の液化量がさらに増加した。
【００２８】
【表３】

【００２９】
消化汚泥２の一部は、系内への無機物蓄積を防ぐために排出した。消化汚泥２の排出量は強熱減量（ＶＳ）量にして１日あたり４０４ｇであった。投入汚泥の強熱減量（ＶＳ）量は１１８８ｇ／ｄなので、ＶＳ分解率は６６％となった。また、メタンガス７の生成量は標準状態で０．４３ｍ^３／ｄであった。また超音波発振機の運転時間は２０分／日であり、実施例１の超音波処理時間よりも短くなった。超音波処理とオゾン処理を組み合わせることで液化量が増加し、超音波処理時間を減らす効果が確認された。
【００３０】
実施例４
図８は、有機性廃水の生物処理過程から排出された余剰汚泥を本発明により処理するためにこの実施例で用いたフローである。実施例４でも下水の活性汚泥処理工程から排出された余剰汚泥について処理を行った。実施例４では超音波処理汚泥５をアルカリ処理槽１８に供給し、ｐＨが１０になるように水酸化ナトリウム溶液を添加した。アルカリ処理槽１８での汚泥の滞留時間は４時間に設定した。アルカリ処理汚泥１８を嫌気性消化処理槽９に返送した。
【００３１】
余剰汚泥１は汚泥濃縮機８で濃縮し、嫌気性消化槽９に供給した。濃縮した余剰汚泥の蒸発残留物（ＴＳ）濃度は４％、強熱減量（ＶＳ）濃度は３．６％、ＣＯＤＣｒ濃度は５％、供給量は３３リットル／ｄであった。嫌気性消化槽９にはアルカリ処理汚泥１８も８．３リットル／ｄで供給した。濃縮余剰汚泥とアルカリ処理汚泥１８の混合汚泥の嫌気性消化槽９における滞留時間は２４日であった。消化汚泥２は固液分離装置１０に供給され、濃縮汚泥４と脱離液３に分離された。濃縮汚泥４の濃度は４％で超音波反応槽１１に供給した。
【００３２】
超音波反応槽１１では、汚泥に対する超音波エネルギーが４０ｋＪ／リットルとなるように超音波処理を行った。第４表に超音波処理前後での汚泥性状を示す。超音波処理汚泥５で溶解性ＣＯＤＣｒの成分が増加しており、汚泥が液化した。さらにアルカリ処理汚泥１７は溶解性ＣＯＤＣｒ成分が増加しており、汚泥の液化量がさらに増加した。汚泥の平均粒径も小さくなっており、汚泥の微細化が進行したと考えられた。
【００３３】
【表４】

【００３４】
消化汚泥２の一部２ａは、系内への無機物蓄積を防ぐために排出した。消化汚泥２の排出量は強熱減量（ＶＳ）量にして１日あたり４１６ｇであった。投入汚泥の強熱減量（ＶＳ）量は１１８８ｇ／ｄなので、ＶＳ分解率は６５％となった。また、メタンガス７の生成量は標準状態で０．４３ｍ^３／ｄであった。また超音波発振機の運転時間は４分／日であり、実施例１の超音波処理時間よりも短くなった。超音波処理とアルカリ処理を組み合わせることで液化量が増加し、超音波処理時間を減らす効果が確認された。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、廃棄物である余剰汚泥から嫌気性消化反応によりメタンガスを得ることができるので、廃棄物削減と省エネルギー効果が期待できる。また、超音波処理により従来は廃棄物として排出していた消化汚泥を嫌気性消化の炭素源として利用できるので、廃棄物の有効利用と削減効果が期待できる。
超音波処理の前に汚泥を濃縮するので、より少ない超音波エネルギーで汚泥液化量を増やす効果が期待できる。超音波処理と化学的処理や加温処理を組み合わせることで、液化処理の向上が期待でき、超音波エネルギーの節約が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の汚泥処理装置の一実施態様を説明するブロック図である。
【図２】本発明の汚泥処理装置の別の実施態様を説明するブロック図である。
【図３】超音波強度と汚泥の液化率の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例１に使用した汚泥処理装置のブロック図である。
【図５】比較例１に使用した汚泥処理装置のブロック図である。
【図６】本発明の実施例２に使用した汚泥処理装置のブロック図である。
【図７】本発明の実施例３に使用した汚泥処理装置のブロック図である。
【図８】本発明の実施例４に使用した汚泥処理装置のブロック図である。
【符号の説明】
１　　汚泥
２　　消化汚泥
２ａ　消化汚泥（系外排出）
３　　脱離液
４　　濃縮汚泥
５　　超音波処理汚泥
６　　液化処理汚泥
７　　メタンガス
８　　汚泥濃縮機
９　　嫌気性消化槽
１０　　固液分離装置
１１　　超音波発振機
１２　　液化処理槽
１３　　加温処理汚泥
１４　　加温処理槽
１５　　オゾン処理汚泥
１６　　オゾン反応槽
１７　　アルカリ処理汚泥
１８　　アルカリ処理槽

Claims

有機性廃水の生物処理工程で発生する有機性汚泥の処理方法において、有機性汚泥を濃縮し、次いでこの濃縮汚泥に嫌気性消化処理を行い、嫌気性消化処理後の汚泥を、固形物の一部又は全量を１〜１０％まで濃縮するように固液分離を行い、濃縮汚泥を超音波処理し、該超音波処理した汚泥を前記の嫌気性消化処理工程に返送することを特徴とする汚泥処理方法。
有機性廃水の生物処理工程で発生する有機性汚泥の処理方法において、有機性汚泥を濃縮し、次いでこの濃縮汚泥に嫌気性消化処理を行い、嫌気性消化処理後の汚泥を、固形物の一部又は全量を１〜１０％まで濃縮するように固液分離を行い、濃縮汚泥を超音波処理し、該超音波処理した汚泥を化学的液化処理工程又は加温処理工程を行ったのち、前記の嫌気性消化処理工程に返送することを特徴とする汚泥処理方法。
前記汚泥の化学的液化処理工程が、オゾン、過酸化水素又は酸から選ばれる酸化剤及びアルカリ剤を添加し、汚泥を液化する処理であることを特徴とする請求項２記載の汚泥処理方法。
有機性廃水の生物処理工程で発生する有機性汚泥を濃縮する汚泥濃縮槽、濃縮された汚泥を消化汚泥とメタンガスに変換する嫌気性消化槽、該消化汚泥を脱離液と濃縮汚泥に分離する固液分離装置、該濃縮汚泥を液化する超音波反応槽、及び超音波処理汚泥を嫌気性消化槽へ返送する手段を有することを特徴とする汚泥処理装置。