JP2005095811A

JP2005095811A - 有機性廃棄物の処理方法および処理装置

Info

Publication number: JP2005095811A
Application number: JP2003334742A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Fujiwara; 茂樹藤原; Yasuhiko Kihara; 泰彦木原
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; JFE Engineering Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; JFE Engineering Corp
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】投入汚泥の由来、性状に関係なく、酸発酵処理後の汚泥を可溶化することにより、少ない動力によって汚泥中の生物細胞を破壊し、処理後の汚泥中に含まれる固形物を低減させ、汚泥発生量の低減と得られた可溶化物を有効利用できる。
【解決手段】有機性廃棄物を酸発酵処理する方法において、前可溶化処理工程２において予め可溶化処理した有機性廃棄物を酸発酵処理工程３へ移送して酸発酵処理すると共に、酸発酵処理工程３内の汚泥の少なくとも一部を可溶化処理工程４に移送して可溶化処理し、次いで、可溶化処理後の汚泥の少なくとも一部を酸発酵処理工程３内へ返送する。
【選択図】図１

Description

この発明は、畜糞、生し尿、下水汚泥、浄化槽汚泥、合併浄化槽汚泥、農集汚泥、厨芥等の有機性廃棄物処理から発生する汚泥量を削減するための、有機性廃棄物の処理方法および処理装置に関するものである。

従来、水分を多く含む有機性廃棄物の発酵処理としては概ね嫌気性消化法が用いられてきた。嫌気性消化法は、メタンガスとして廃棄物中の有機物からのエネルギー回収が可能なこと、汚泥発生量削減が可能であることなどから、広く行われている。

従来法においては、厨芥等、比較的分解し易い有機性廃棄物については５０％以上の分解率が得られているが、廃水処理から発生する汚泥の処理に適用した場合、投入固形物の分解率が４０％程度と低かった。分解率が低い原因としては、廃水処理から発生する汚泥が微生物体であり、細胞壁に守られていることが考えられている。そのため、廃水処理から発生する汚泥の処理を行うために、消化槽へ投入する前に物理化学的な可溶化処理を行う方法が多種提案されている。

例えば、特許文献１には、余剰汚泥を汚泥分解工程で分解した後、超音波処理を行うことによって、汚泥の分解効率を向上させることが開示されている（従来技術１）。また、オゾン処理や熱処理、ボールミルを用いた粉砕処理などが検討されている（従来技術２）。さらに、特許文献２には、固形有機物質を含む排液を酸発酵させ、酸発酵後の排液を固液分離し、固形成分を物理化学的手法を用いて易分解性に改質し、酸発酵槽に返送することによって、汚泥の分解効率を向上させる処理方法が開示されている（従来技術３）。

特開２００２−３３６８９８号公報特開平９−２０６７８６号公報

しかしながら、従来技術１は、微生物の集合体である余剰汚泥の処理には効果的であるが、最初沈殿池から発生する初沈汚泥や畜糞、厨芥などが混合した汚泥の場合には、これら易分解性有機物の分解にエネルギーが消費される結果、その効果が分散されてしまう。また、従来技術２も、同様の理由により、投入エネルギーに見合う可溶化処理効果が得られなかった。さらに、従来技術３では、酸発酵汚泥を固液分離した後に、固形成分のみを改質しているが、可溶化と酸発酵とを繰り返すことによって、酸発酵汚泥が微細化し、粒子径が小さくなるため、次のような問題が生じていた。すなわち、固液分離に膜やろ布を用いる場合は、目詰まりし易くなって、洗浄頻度や汚泥移送に関わる所要電力の増大を招いていた。また、重力濃縮や遠心分離を用いる場合には、粒子径を大きくするための凝縮剤の添加が必要であった。

従って、この発明の目的は、投入汚泥の由来、性状に関係なく、酸発酵処理後の汚泥を可溶化することにより、少ない動力によって汚泥中の生物細胞を破壊し、処理後の汚泥中に含まれる固形物を低減させ、汚泥発生量の低減と得られた可溶化物を有効利用できる、有機性廃棄物の処理方法および処理装置を提供するものである。

請求項１に記載の発明は、有機性廃棄物を酸発酵処理する方法において、前可溶化処理工程において予め可溶化処理した有機性廃棄物を酸発酵処理工程へ移送して酸発酵処理すると共に、酸発酵処理工程内の汚泥の少なくとも一部を可溶化処理工程に移送して可溶化処理し、次いで、可溶化処理後の汚泥の少なくとも一部を前記酸発酵処理工程内へ返送することに特徴を有するものである。

請求項２に記載の発明は、有機性廃棄物を酸発酵処理する方法において、酸発酵処理工程内の汚泥の少なくとも一部を可溶化処理工程に移送して可溶化処理し、次いで、可溶化処理後の汚泥の少なくとも一部を前記酸発酵処理工程内へ返送することに特徴を有するものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、可溶化処理手段は、超音波処理およびアルカリ処理の少なくとも１つであることに特徴を有するものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３の少なくとも１つに記載の発明において、超音波処理における超音波の振幅は、５μｍから５０μｍであることに特徴を有するものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４の少なくとも１つに記載の発明において、酸発酵処理工程における処理温度は、１５℃以上であることに特徴を有するものである。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５の少なくとも１つに記載の発明において、酸発酵処理工程における酸発酵処理時間は、１２時間から１２０時間の範囲であることに特徴を有するものである。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６の少なくとも１つに記載の発明において、可溶化処理工程で処理する汚泥の量は、未処理汚泥の０．２５倍から５倍であることに特徴を有するものである。

請求項８に記載の発明は、請求項１から７の少なくとも１つに記載の発明において、可溶化処理工程における超音波照射時に消費する電力量は、未処理汚泥１ｍ³あたり、２ｋＷｈから２０ｋＷｈであることに特徴を有するものである。

請求項９に記載の発明は、嫌気性状態で未処理汚泥を発酵させて有機物を分解する酸発酵処理槽を具備する酸発酵処理装置において、可溶化処理装置を備え、前記酸発酵処理槽内の汚泥の少なくとも一部は、前記可溶化処理装置に移送されて可溶化処理され、可溶化処理後の汚泥の少なくとも一部は、前記酸発酵処理槽内に返送されることに特徴を有するものである。

請求項１０に記載の発明は、嫌気性状態で未処理汚泥を発酵させて有機物を分解する酸発酵処理槽を具備する酸発酵処理装置において、可溶化処理装置と前可溶化処理装置とを備え、前記前可溶化処理装置によって予め可溶化処理された有機性廃棄物は、前記酸発酵処理槽に移送されて酸発酵処理されると共に、前記酸発酵処理槽内の汚泥の少なくとも一部は、前記可溶化処理装置に移送されて可溶化処理され、次いで、可溶化処理後の汚泥の少なくとも一部は、前記酸発酵処理槽内へ返送されることに特徴を有するものである。

請求項１１に記載の発明は、請求項９または１０に記載の発明において、可溶化処理装置は、超音波照射工程およびアルカリ添加工程の少なくとも１つを具備することに特徴を有するものである。

請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の発明において、超音波照射工程における超音波の振幅は、５μｍから５０μｍであることに特徴を有するものである。

請求項１３に記載の発明は、請求項９から１２の少なくとも１つに記載の発明において、酸発酵処理槽における処理温度は、３０℃以上であることに特徴を有するものである。

請求項１４に記載の発明は、請求項９から１３の少なくとも１つに記載の発明において、酸発酵処理槽における処理時間は、１２時間から１２０時間の範囲であることに特徴を有するものである。

請求項１５に記載の発明は、請求項９から１４の少なくとも１つに記載の発明において、可溶化処理装置で処理する汚泥の量は、未処理汚泥の０．２５倍から５倍であることに特徴を有するものである。

請求項１６に記載の発明は、請求項９から１５の少なくとも１つに記載の発明において、可溶化処理装置において超音波照射時に消費する電力量は、未処理汚泥１ｍ³あたり、２ｋＷｈから２０ｋＷｈであることに特徴を有するものである。

この発明によれば、従来方法と比較して汚泥の発生量を３０％抑制し、有機酸など、溶解性の有機物量を増加させることができる。また、嫌気性消化の前処理としてこの発明を実施すると、メタンガス回収量を３０％増加することができ、下水汚泥処理に関わる費用、エネルギーを削減することができる。

次に、この発明の一実施態様を、図面を参照しながら説明する。

図１は、この発明の有機性廃棄物の処理方法を示す工程図である。

図１において、１は、未処理汚泥、２は、前可溶化処理工程、３は、酸発酵処理槽を有する酸発酵処理工程、４は、可溶化処理工程である。

未処理汚泥１は、前可溶化処理工程２に移送され、前可溶化処理を受ける。前可溶化処理工程２では、超音波処理およびアルカリ処理の少なくとも１つによって汚泥を可溶化する。アルカリ処理に使用するアルカリ剤は、特に規定するものではないが、取り扱いの容易性やコストの観点から水酸化ナトリウムが望ましい。前可溶化処理を受けた汚泥は、酸発酵処理工程３に送られ、酸発酵処理を受ける。図２に示すように、汚泥の性状に応じて前可溶化処理工程２を省略することができる。

酸発酵処理工程３においては、図４に示した処理温度と全酸濃度との関係から２５℃と３５℃との間で急激に全酸濃度が変化していることから、処理温度は、３０℃以上とする。また、図５に示した反応時間と全酸濃度、溶解性ＣＯＤ濃度との関係から、酸発酵処理槽での反応時間は、溶解性ＣＯＤが増加する１２時間から１２０時間が望ましい。但し、反応時間を長くすると、酸発酵処理槽の容積が大きくなって建設費が増加すること、また、酸発酵処理槽内でメタン生成細菌が増殖し、生成した有機酸をガス化してしまうなどの理由から、酸発酵処理槽での反応時間は２４時間から７２時間が好ましい。

酸発酵処理を受けた酸発酵処理汚泥の少なくとも一部は、可溶化処理工程４に移送され、可溶化処理を受ける。可溶化処理工程では超音波処理およびアルカリ処理の少なくとも１つによって汚泥を可溶化する。前可溶化処理工程と可溶化処理工程とを別々に設けても構わないが、両工程を一つの可溶化処理装置で兼用することもできる。

可溶化処理工程に超音波処理を用いる場合には、超音波照射時に消費する電力量が未処理汚泥１ｍ³あたり、２ｋＷｈから２０ｋＷｈであることが望ましい。図６に示した超音波消費電力量と汚泥のＭＬＳＳ減少率との関係によると、可溶化処理には、未処理汚泥１ｍ³あたり最低２ｋＷｈの電力が必要であり、消費電力量が大きくなるほどＭＬＳＳ減少量が大きくなる。ここでＭＬＳＳ減少率は、下記（１）式で規定される。

ＭＬＳＳ減少率＝（投入汚泥のＭＬＳＳ濃度−可溶化後のＭＬＳＳ濃度）／投入汚泥のＭＬＳＳ濃度 …（１）

一方で、消費電力量が大きくなるほど、難分解性の溶解性成分が生成する。ここで、難分解性の溶解性成分とは、メタン発酵処理や好気的微生物処理によっても分解できない有機性成分であり、この発明においては、酸発酵汚泥をメタン発酵処理した後の溶解性ＣＯＤ濃度で表した（以下、難分解性成分という）。難分解性成分が多くなると、発酵後の汚泥利用や水処理に影響を及ぼすため、難分解性成分の増加量は、少ない方が望ましい。

図７に示した超音波消費電力量とメタン発酵後の溶解性ＣＯＤ濃度の関係によると、アルカリを添加した場合には、消費電力量の増加に伴って，難分解性成分が増加している。未処理汚泥１ｍ³当たりＮａＯＨ添加量２．２ｋｇ、超音波消費電力量２０ｋＷｈの条件で可溶化した場合には，無処理（アルカリなし，超音波なし）の場合と比較して約２．７倍の難分解性成分が生成した。水処理系への負荷は２〜３倍が限界であり、処理効果と難分解性成分の抑制の観点から、超音波照射時に消費する電力量は、未処理汚泥１ｍ³あたり２〜１０ｋＷｈが好ましい。

また、振幅が５μｍから５０μｍで発振される超音波振動子を用いることが望ましい。図８に示した、超音波振幅と汚泥のＭＬＳＳ減少率との関係によると、振幅２μｍではＭＬＳＳ減少率に変化は認められず、ＭＬＳＳの減少には最低５μｍの振幅が必要であり、振幅が大きいほどＭＬＳＳ減少率が大きくなる。しかし、振幅を大きくすると、超音波振動子の機械的寿命が短くなるため、経済性を考慮して超音波振動子の振幅は、２５μｍから５０μｍが好ましい。

また、可溶化処理工程４において処理する汚泥の量は、投入する未処理汚泥１の０．２５倍〜５倍の量が望ましい。この比率は、酸発酵処理槽の反応時間と可溶化処理における超音波照射時の電力消費量とによって規定される。図６で示した超音波消費電力量とＭＬＳＳ減少率との関係は、未処理汚泥に対しても、酸発酵処理汚泥に対しても同様の傾向を示す。そのため、酸発酵処理槽での反応時間４８時間、超音波照射時の消費電力量を未処理汚泥１ｍ³あたり５ｋＷｈとすると、未処理汚泥の０．２５倍にあたる汚泥量に超音波を照射する場合は、処理汚泥１ｍ³あたり２０ｋＷｈとなる。また、酸発酵処理槽での反応時間４８時間、超音波照射時の消費電力量を未処理汚泥１ｍ³あたり１０ｋＷｈとすると、未処理汚泥の５倍にあたる汚泥量に超音波を照射する場合、処理汚泥１ｍ³あたり２ｋＷｈとなり、前述の超音波照射時に消費する電力量と一致する。

可溶化処理工程４において処理する汚泥量を未処理汚泥１の５倍としても可溶化処理効果が得られるが、汚泥移送に関わる所要動力が大きくなるため、好ましくは未処理汚泥１の０．５倍〜２倍である。可溶化処理を受けた汚泥は、酸発酵処理槽に返送される。

このように、可溶化処理と酸発酵処理とを繰り返すことにより、固形物濃度の低い汚泥が処理汚泥５として得られる。

図３に示すように、図２の処理方法により得られた処理汚泥５を嫌気性消化工程６に移送して、消化ガス７と消化汚泥８とを得るようにしても良い。この他、例えば、処理汚泥５の固液分離を行い、液成分を廃水処理における脱窒用炭素源に利用し、固形成分を焼却処理、もしくは酸発酵処理後に焼却しても良い。

以下、この発明を実施例により、さらに具体的に説明する。

図２に示す、この発明の処理方法に従って有機性廃棄物を処理した。すなわち、この発明の実施例として、１Ｌの酸発酵処理槽を用い、１日２回、５００ｍｌずつ容量１Ｌの酸発酵処理槽から汚泥を引き抜き、引き抜いた汚泥のうち２５０ｍｌに５規定のＮａＯＨを２ｍｌ添加した後、超音波処理（出力１２５Ｗ、１回０．５分、振幅５０μｍ）を行って、酸発酵処理槽に返送した。可溶化処理は、１日２回実施した。酸発酵処理槽に投入した汚泥は、国内の下水道処理施設から採取した濃縮混合汚泥（ＭＬＳＳ濃度４００００ｍｇ／ｌ）とした。比較例は、容量１Ｌの酸発酵処理槽を用い、１日２回、２５０ｍｌずつ汚泥の入替を行った。酸発酵処理の温度は、３５℃とした。この実験結果を表１に示す。

表１から明らかなように、この発明の実施例によれば、可溶化処理をしない比較例と比べて、溶解性ＣＯＤ濃度は１００％、全酸濃度は６０％増加した。また、ＭＬＳＳおよびＭＬＶＳＳは約３０％減少し、汚泥の減容化が促進されたことが分かった。

図３に示す、この発明の処理方法に従って有機性廃棄物を処理した。すなわち、この発明の実施例として、国内の下水処理施設から発生した濃縮混合汚泥（ＭＬＳＳ濃度４００００ｍｇ／ｌ）を、１日２回、２５０ｍｌずつ容量１Ｌの酸発酵処理槽に投入した。この汚泥を投入する前には、投入する汚泥と等量の汚泥とを酸発酵処理槽から抜き出し、容量１０Ｌの嫌気性消化槽へ投入した。酸発酵処理槽では、５００ｍｌずつ汚泥を引き抜き、超音波処理（出力２５０Ｗ、１回０．５分、振幅５０μｍ）を行った後、酸発酵処理槽に返送した。超音波処理は、１日２回実施した。比較例は、容量１０Ｌの嫌気性消化槽を２つ用意し、比較例１には、未処理汚泥を消化槽投入前に超音波処理し、１日５００ｍｌずつ投入した。比較例１の超音波処理条件は、実施例と同条件とした。また、比較例２については、超音波処理を行わずに、消化槽へ汚泥を投入した。嫌気性消化槽および酸発酵処理槽の温度は共に３５℃とした。この実験結果を表２に示す。

表２から明らかなように、この発明の実施例によれば、可溶化処理を実施しない比較例２と比較して、消化汚泥におけるＭＬＳＳは３７％減少し、メタンガスは３３％増加した。また、未処理汚泥に超音波処理を行った比較例１と比較すると、ＭＬＳＳは３０％増加し、メタンガスは約３０％増加したことが分かった。

この発明の有機性廃棄物の処理方法を示す工程図である。この発明の有機性廃棄物の別の処理方法を示す工程図である。この発明の有機性廃棄物のさらに別の処理方法を示す工程図である。酸発酵処理温度と全酸濃度との関係を示すグラフである。酸発酵処理における反応時間と全酸濃度、溶解性ＣＯＤ濃度との関係を示すグラフである。超音波消費電力量とＭＬＳＳ減少率との関係を示すグラフである。超音波消費電力量とメタン発酵後の溶解性ＣＯＤ濃度との関係を示すグラフである。超音波振幅とＭＬＳＳ減少率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１：未処理汚泥
２：前可溶化処理工程
３：酸発酵処理工程
４：可溶化処理工程
５：処理汚泥
６：嫌気性消化工程
７：消化ガス
８：消化汚泥

Claims

有機性廃棄物を酸発酵処理する方法において、前可溶化処理工程において予め可溶化処理した有機性廃棄物を酸発酵処理工程へ移送して酸発酵処理すると共に、酸発酵処理工程内の汚泥の少なくとも一部を可溶化処理工程に移送して可溶化処理し、次いで、可溶化処理後の汚泥の少なくとも一部を前記酸発酵処理工程内へ返送することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
有機性廃棄物を酸発酵処理する方法において、酸発酵処理工程内の汚泥の少なくとも一部を可溶化処理工程に移送して可溶化処理し、次いで、可溶化処理後の汚泥の少なくとも一部を前記酸発酵処理工程内へ返送することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
可溶化処理手段は、超音波処理およびアルカリ処理の少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１または２に記載の有機性廃棄物の処理方法。
前記超音波処理における超音波の振幅は、５μｍから５０μｍであることを特徴とする、請求項１から３の少なくとも１つに記載の有機性廃棄物の処理方法。
前記酸発酵処理工程における処理温度は、１５℃以上であることを特徴とする、請求項１から４の少なくとも１つに記載の有機性廃棄物の処理方法。
前記酸発酵処理工程における酸発酵処理時間は、１２時間から１２０時間の範囲であることを特徴とする、請求項１から５の少なくとも１つに記載の有機性廃棄物の処理方法。
前記可溶化処理工程で処理する汚泥の量は、未処理汚泥の０．２５倍から５倍であることを特徴とする、請求項１から６の少なくとも１つに記載の有機性廃棄物の処理方法。
前記可溶化処理工程における超音波照射時に消費する電力量は、未処理汚泥１ｍ³あたり、２ｋＷｈから２０ｋＷｈであることを特徴とする、請求項１から７の少なくとも１つに記載の有機性廃棄物の処理方法。
嫌気性状態で未処理汚泥を発酵させて有機物を分解する酸発酵処理槽を具備する酸発酵処理装置において、可溶化処理装置と前可溶化処理装置とを備え、前記前可溶化処理装置によって予め可溶化処理された有機性廃棄物は、前記酸発酵処理槽に移送されて酸発酵処理されると共に、前記酸発酵処理槽内の汚泥の少なくとも一部は、前記可溶化処理装置に移送されて可溶化処理され、次いで、可溶化処理後の汚泥の少なくとも一部は、前記酸発酵処理槽内へ返送されることを特徴とする有機性廃棄物の処理装置。
嫌気性状態で未処理汚泥を発酵させて有機物を分解する酸発酵処理槽を具備する酸発酵処理装置において、可溶化処理装置を備え、前記酸発酵処理槽内の汚泥の少なくとも一部は、前記可溶化処理装置に移送されて可溶化処理され、可溶化処理後の汚泥の少なくとも一部は、前記酸発酵処理槽内に返送されることを特徴とする有機性廃棄物の処理装置。
前記可溶化処理装置は、超音波照射工程およびアルカリ添加工程の少なくとも１つを具備することを特徴とする、請求項９または１０に記載の有機性廃棄物の処理装置。
前記超音波照射工程における超音波の振幅は、５μｍから５０μｍであることを特徴とする、請求項１１に記載の有機性廃棄物の処理装置。
前記酸発酵処理槽における処理温度は、３０℃以上であることを特徴とする、請求項９から１２の少なくとも１つに記載の有機性廃棄物の処理装置。
前記酸発酵処理槽における処理時間は、１２時間から１２０時間の範囲であることを特徴とする、請求項９から１３の少なくとも１つに記載の有機性廃棄物の処理装置。
前記可溶化処理装置で処理する汚泥の量は、未処理汚泥の０．２倍から５倍であることを特徴とする、請求項９から１４の少なくとも１つに記載の有機性廃棄物の処理装置。
前記可溶化処理装置において超音波照射時に消費する電力量は、未処理汚泥１ｍ³あたり、２ｋＷｈから２０ｋＷｈであることを特徴とする、請求項９から１５の少なくとも１つに記載の有機性廃棄物の処理装置。