JP2005131478A - 含窒素有機性廃棄物の処理装置及び処理方法 - Google Patents

含窒素有機性廃棄物の処理装置及び処理方法 Download PDF

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玲朋 加藤
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友章 大村
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洋 水谷
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Abstract

【課題】 メタン発酵を伴う含窒素有機性廃棄物の処理において、処理施設のコンパクト化が図れるとともに、メタノールの使用が大幅に低減・不要化できる廃棄物処理システムを提供する。
【解決手段】 含窒素有機性廃棄物をメタン発酵するためのメタン発酵槽と、該メタン発酵槽からのメタン発酵処理物を曝気処理するための曝気処理手段と、該曝気処理手段からの曝気処理液の一部又は全部を該メタン発酵槽に戻す返送ラインとを含む含窒素有機性廃棄物の処理装置であって、該メタン発酵槽内を隔壁により少なくとも2以上の撹拌混合部に分離して、各撹拌混合部の間を流下する処理液が上流から下流へ押出流れによって移動する含窒素有機性廃棄物の処理装置、並びに、該メタン発酵槽からのメタン発酵処理物を貯留する消化汚泥貯留槽を含み、曝気処理液の一部又は全部を該メタン発酵槽若しくは該消化汚泥貯留槽の少なくとも一方に返送する含窒素有機性廃棄物の処理装置。
【選択図】 図1

Description

本発明は、含窒素有機性廃棄物の処理装置及び含窒素有機性廃棄物の処理方法に関する。
生ごみ等の有機性廃棄物を処理する方法として、メタン発酵する技術が知られている(例えば、特許文献1等)。メタン発酵の処理対象となる被処理物が、タンパク質等の窒素源を多量に含む場合、メタン発酵に伴って発生した主にNH4−N(アンモニア態窒素)がメタン発酵槽内に蓄積し、NH4−N阻害により有機性廃棄物の処理が困難になる。よって、図3に示すように、メタン発酵槽212内におけるNH4−N阻害を回避するためには、メタン発酵槽の後段に固液分離装置214を設置してNH4−Nの多い分離液を系外に排出し、固形物をメタン発酵槽212に返送することが行われる。ここでの分離液はそのまま排出することは出来ず、処理を行ってから排出する必要がある。そして従来、この窒素分を含む分離液処理のために、後段に別途水処理設備(主に生物学的脱窒素処理)、具体的には硝化・脱窒槽215が必要となっていた。
しかしながら、この生物学的脱窒素処理は、滞留時間が3日程度と長く、硝化槽,脱窒素槽等による設備面積が大きくなることなどの欠点を有しており、結果として例えば処理システムのイニシャルコストが嵩むこと等が問題となっていた。
また、この分離液はC/N比が極端に低く、すなわちBOD成分が低いため、NH4−Nを生物学的脱窒素処理方式にて処理する場合、メタノール等のC成分を別途添加しなければならなかった。よって、生物学的脱窒素処理では、特に窒素濃度の高い生ごみ処理液はメタノール使用量が膨大となる欠点を有しており、結果として処理システムのランニングコストが嵩むことが問題となっていた。
特開2003−94021号公報
本発明者らは、上記問題点に鑑み、メタン発酵を伴う含窒素有機性廃棄物の処理において、脱窒素槽が不要となり処理施設のコンパクト化が図れるとともに、脱窒用のメタノールの使用が大幅に低減・不要化できるため、イニシャルコストやランニングコストが低減可能な廃棄物処理システムを開発すべく、鋭意検討した。
その結果、本発明者らは、メタン発酵に脱窒(窒素除去)機能を備えたシステムとして、消化汚泥を固液分離した後、分離液を曝気(硝化)し、その全部又は一部を特定構造のメタン発酵槽等へ返送することで脱窒を行うシステムによって、かかる課題が解決されることを見出した。本発明は、かかる見地より完成されたものである。
すなわち、本発明の第1は、含窒素有機性廃棄物をメタン発酵するためのメタン発酵槽と、該メタン発酵槽からのメタン発酵処理物を曝気処理するための曝気処理手段と、該曝気処理手段からの曝気処理液の一部又は全部を該メタン発酵槽に戻す返送ラインとを含む含窒素有機性廃棄物の処理装置であって、該メタン発酵槽内を隔壁により少なくとも2以上の撹拌混合部に分離して、各撹拌混合部の間を流下する処理液が上流から下流へ押出流れによって移動することを特徴とする含窒素有機性廃棄物の処理装置を提供するものである。隔壁分離されたメタン発酵槽内の各撹拌混合部によって、脱窒工程とメタン発酵工程が分離され、両反応が効率的に進行する。
ここで、前記返送ラインは、前記曝気処理液を少なくとも2以上の前記撹拌混合部へ供給するように分岐して接続されている態様も可能である。これにより、返送先の負荷が平準化でき安定した運転が可能となり、メタン発酵槽内の部分的な過負荷を防止することができる。本発明では通常、前記メタン発酵槽からのメタン発酵処理物を固液分離するための固液分離手段を前記曝気処理手段の前段に備え、該固液分離手段で分離された分離液を曝気処理手段に送る。
本発明の第2は、含窒素有機性廃棄物をメタン発酵するためのメタン発酵槽と、該メタン発酵槽からのメタン発酵処理物を貯留する消化汚泥貯留槽と、該消化汚泥貯留槽からの消化汚泥を曝気処理するための曝気処理手段と、該曝気処理手段からの曝気処理液を該メタン発酵槽および該消化汚泥貯留槽へ戻す返送ラインとを含む含窒素有機性廃棄物の処理装置であって、該曝気処理液の一部又は全部を該メタン発酵槽若しくは該消化汚泥貯留槽の少なくとも一方に返送することを特徴とする含窒素有機性廃棄物の処理装置を提供するものである。メタン発酵槽へ曝気処理液を返送すると、絶対嫌気状態であるため最大の脱窒効果が得られる。一方、消化汚泥貯留槽へ曝気処理液を返送すると、脱窒効果の他に、メタン発酵槽への返送量低減によりメタン発酵槽における滞留時間確保および汚泥濃度保持(希釈率低減)が可能となる。これにより、処理システム全体のメタン発酵の効率化および安定化が図れる。また、前記曝気処理液の一部又は全部を、前記メタン発酵槽および前記消化汚泥貯留槽の両方に返送することも可能である。
また、本発明では、前記メタン発酵槽の前段に、含窒素有機性廃棄物を可溶化する可溶化槽を設けるとともに、前記返送ラインは、前記曝気処理液を該可溶化槽、該メタン発酵槽および該消化汚泥貯留槽へ戻すラインとすることもできる。この場合、曝気処理液の一部又は全部は、可溶化槽、メタン発酵槽および消化汚泥貯留槽の少なくとも1つに返送するが、これら3つの槽にそれぞれ返送することも可能である。
さらに、上記の態様では、前記可溶化槽で可溶化処理された有機性廃棄物を、前記消化汚泥貯留槽へ投入する配管ラインが設けられている態様も好ましい。ここでは、該配管ラインを通じて可溶化槽内の液を一部、消化汚泥貯留槽へ投入する。これにより、可溶化槽内の可溶化液に含まれる有機分により、消化汚泥貯留槽における脱窒効果が高まる。本発明では通常、前記消化汚泥貯留槽からのメタン発酵処理物を固液分離するための固液分離手段を前記曝気処理手段の前段に備え、該固液分離手段で分離された膜分離液を曝気処理手段に送る。
本発明の第3は、含窒素有機性廃棄物をメタン菌の存在下にメタン発酵させてメタン及びメタン発酵処理物を得る工程と、該メタン発酵処理物に酸素を含むガスを吹き込んで曝気処理する曝気処理工程と、曝気処理後のメタン発酵処理物の一部又は全部を該メタン発酵工程に戻す返送工程とを含み、前記メタン発酵における運転条件として、有機物負荷/硝酸態窒素負荷の比が4以上であり、硝酸態窒素濃度が3000mgN/L以下とすることを特徴とする含窒素有機性廃棄物の処理方法を提供するものである。運転監視項目としてpHおよび酸化還元電位(ORP)に加えて、有機物負荷(VS,CODcr等)および窒素負荷(NH4-N,NO3-N)を制御することにより、メタン発酵槽内の適正な条件を保持して、効率的なシステムの稼動が実現できる。具体的には、有機物負荷/硝酸態窒素負荷の比が4以上、好ましくは27以上であり、硝酸態窒素濃度が3000mgN/L以下、好ましくは1500mgN/L以下である。なお、脱窒素における酸化還元電位は、−400〜−150mVとなるように曝気空気量及び循環液量を制御することが好ましい。
本発明の第4は、含窒素有機性廃棄物をメタン菌の存在下にメタン発酵させてメタン及びメタン発酵処理物を得る工程と、該メタン発酵処理物に酸素を含むガスを吹き込んで曝気処理する曝気処理工程と、曝気処理後のメタン発酵処理物の一部又は全部を該メタン発酵工程に戻す返送工程とを含み、前記メタン発酵工程における運転条件として、メタン発酵液に遺伝子工学的手法による微生物検出法を用いることを特徴とする含窒素有機性廃棄物の処理方法を提供するものである。遺伝子工学的手法による微生物検出法として具体的には、PCR法を用いた微生物の定量が好適に挙げられ、ターゲット遺伝子としては、例えばメタン生成細菌(メタン菌)の16SrRNA等、脱窒素細菌のnirS等が挙げられる。これらの細菌の比率は、メタン/脱窒で通常10-3以上、望ましくは10-1以上である。メタン生成細菌の個数は通常103個/100mL以上、望ましくは104個/100mL以上である。このような遺伝子工学的手法による微生物検出法を用いることで、脱窒菌とメタン菌の両数の比率を適切な値に保ち、廃棄物の処理システムの安定運転を行うことができる。
本発明では通常、前記メタン発酵工程からのメタン発酵処理物を固液分離するための固液分離工程を上記曝気処理工程の前段で実施し、該固液分離工程で分離された分離液を曝気処理工程で曝気処理する。
以上のような本発明の処理装置によれば、メタン発酵槽、場合によっては可溶化槽あるいは消化汚泥貯留槽を脱窒素槽として併用することで、設置する水槽分の容積等の低減により、処理施設全体のコンパクト化が図れる。同時に、メタン発酵槽内の汚泥、場合によっては消化汚泥あるいは可溶化液、を脱窒のための水素供与体として利用するため、外部からのメタノール等の添加が大幅に低減・不要化できる。従って、本発明の処理システムを用いれば、イニシャルコストやランニングコスト共に削減が可能である。
また、本発明の処理方法によれば、メタン発酵槽における硝酸態窒素によるメタン発酵阻害の有効な防止を目的に、各槽への硝酸態窒素負荷条件(CODcr/NOx-N比,NOx-N濃度)を考慮した脱窒およびメタン発酵処理が可能となる。さらに、遺伝子工学的手法を用いれば、マクロ的な指標ではなく、脱窒素細菌数やメタン生成細菌数の定量測定が可能であり、より一層ダイレクトに槽内における反応状態を制御・監視することができる。
以下、本発明に係る含窒素有機性廃棄物の処理方法について、添付図面を参照しながら、その具体的な実施形態を詳細に説明する。図1は実施の形態(その1)におけるメタン発酵槽内の概略構成を示すものであり、図2は実施の形態(その2)における処理システム全体を示すものである。
本発明で処理対象とする含窒素有機性廃棄物は、有機性あるいはアンモニア性の窒素を含む有機性廃棄物であり、廃液状のもの、固液の混合物等、種々の形態で存在する。具体的には、廃液の例として、し尿、し尿と浄化槽汚泥の混合物、下水、農村集落排水汚泥や食品加工廃液、海産物加工廃液、焼酎廃液、大豆絞り粕廃液などがあげられ、軟弱な固形分を含み若しくはスラリー状を呈し、含水量が高く、化学的には窒素(N)分を多く含んでいるのが特徴である。さらに、生ごみ、家畜糞尿等も本発明では、含窒素有機性廃棄物の範疇に含む。
「曝気処理手段」とは、曝気処理を行なうための手段であり、実施の形態において具体的には「硝化槽」の形態で具体化される。もっとも、他の装置機器であっても、同等の機能を発揮できるものは、これらに限らず、本発明の目的に反しない限り採用することができる。
「曝気処理」とは、一般には水と空気とを接触させて、酸素を供給して好気性微生物による汚濁物質の分解を促したり、溶存しているガスを除去したり、溶存物質を酸化する処理である。本発明に係る有機性廃水処理装置においては、曝気処理とは、有機性廃水に空気を吹き込むことにより、有機性廃水中のアンモニウムイオン(NH4 +)を亜硝酸イオン(NO2 -)に酸化し、亜硝酸イオン(NO2 -)を硝酸イオン(NO3 -)に酸化することである。なお、曝気処理に伴って、槽内の撹拌も結果的に行われることが一般的である。
メタン発酵とは、有機性廃水を分解するメタン生成細菌などの生物を用いて、有機物を嫌気的に分解する処理である。「メタン発酵槽」では、有機性廃水中に含まれるC成分、H成分等の一部はメタンガス化され、系外に排出される。メタン発酵槽では、温度、pH等は、有機性廃液等の含窒素有機性廃棄物からメタンを生成するメタン生成細菌が生息できる環境に設定する。メタン発酵槽では、メタン生成細菌により、供給された有機性廃棄物がメタン発酵され、メタン,二酸化炭素,硫化水素などを含むバイオガスが発生し、発酵後の残渣として消化汚泥が発生する。得られたバイオガスを、燃料等として利用してもよい。ここで、メタン菌の例としては、Methanobacterium、Methanobacillus、Methanococcus、Methanosarcina、Methanobacterium、Methanobacillus、Methanococcus、Methanosarcina属などの絶対嫌気性菌が好適に挙げられる。
「固液分離手段」は、一般的に「固液分離装置」として実現される。もっとも、他の装置機器であっても、同等の機能を発揮できるものは、これらに限らず、本発明の目的に反しない限り採用することができる。「固液分離装置」は、例えば、精密濾過膜または限外濾過膜等の膜を用いる膜分離手段,遠心脱水機等の機械分離手段,沈殿槽等の沈降重力分離手段である。
硝化槽の後流では、高度処理工程を行うことができる。「高度処理装置」は、処理対象となる液を物理的または化学的手法等により高度処理するための装置である。高度処理方式の例としては、凝集分離処理方式、砂ろ過処理方式、活性炭吸着処理方式を挙げることができる。これらは、本発明の目的に反しない限り採用することができる。
以下に添付図面に示した実施の形態を参照しながら、本発明に係る含窒素有機性廃棄物の処理装置及び含窒素有機性廃棄物の処理方法をさらに詳細に説明する。
実施の形態(その1)
本実施の形態では、含窒素有機性廃棄物の処理装置において、メタン発酵槽内を隔壁により少なくとも2以上の撹拌混合部に分離して、各撹拌混合部の間を流下する処理液が上流から下流へ押出流れによって移動するメタン発酵槽とするものである。図1(a)に、本実施の形態に係るメタン発酵槽の概略構成を示す。
含窒素有機性廃棄物の処理装置100としては、メタン発酵槽102の他、メタン発酵槽102からのメタン発酵処理物を曝気処理するための曝気処理手段(図示省略)と、該曝気処理手段からの曝気処理液112の一部又は全部を該メタン発酵槽102に戻す返送配管ライン130とを含む。また、通常はメタン発酵槽102からのメタン発酵処理物を固液分離するための固液分離手段(図示省略)を曝気処理手段の前段に備え、固液分離手段で分離された分離液を曝気処理手段に送る。各撹拌混合部121には、通常それぞれに撹拌器が設置されていて、含窒素有機性廃棄物110と返送される曝気処理液112を撹拌混合する。
このようなメタン発酵槽102では、隔壁120で分離されたメタン発酵槽内の各撹拌混合部121によって、脱窒工程とメタン発酵工程が分離され、両反応が効率的に進行する。
本実施の形態のメタン発酵槽102では、含窒素有機性廃棄物110を供給した撹拌混合部121から順次、後流の撹拌混合部121へと流下させるが、前流の撹拌混合部では、脱窒素反応が主に進行する。下記に、脱窒素反応の反応式(1)、(1')を示す。
そして、後流の撹拌混合部では、メタン発酵が主に進行する。メタン発酵は、メタン発酵菌によって下記反応式(2)によって進行する。
上記脱窒素反応は、無酸素状態あるいは低DO状態で、亜硝酸態窒素あるいは硝酸態窒素を窒素ガスへと変換(還元)する反応である。この反応では、脱窒素細菌の呼吸源として、水素供与体(有機物、式中のH2)が必要となる。生物学的脱窒素処理では、1段目の撹拌混合部で流入水である含窒素有機性廃棄物に含まれるBODでもって脱窒を行わせ(約80%脱窒)、2段目以降の撹拌混合部でメタノール添加により残りの脱窒を行う。本実施の形態では、硝酸態窒素を含む液を、無酸素状態の撹拌混合部へ投入することで、脱窒を行わせている。
本実施の形態では、メタン発酵槽102内で脱窒反応およびメタン発酵の2つの反応が同時進行している。単一槽で複数の反応を進行させる場合、完全混合反応槽(CSTR)よりも隔壁で仕切られた反応槽を用いることで、各反応をセパレートすることが可能であり、反応を効率化することができる。すなわち、メタン発酵槽102の上流側で主に脱窒反応、下流側で主にメタン発酵が進行する。
ここで、図1(b)に示すように、返送配管ライン130は、曝気処理液112を少なくとも2以上の撹拌混合部121へ供給するように分岐して接続されている態様も可能である。これにより、返送先の各撹拌混合部121での負荷が平準化でき安定した運転が可能となり、結果としてメタン発酵槽102内の部分的な過負荷を防止することができる。
すなわち、メタン発酵の阻害因子として窒素阻害がある。曝気処理液112には窒素分(主に硝酸態窒素)が含まれ、これをメタン発酵槽102内の1箇所に投入すると窒素阻害が生じる恐れがある。このため、曝気処理液112の投入を複数箇所から行うことで、この窒素阻害を抑制することができる。
図1(c)には、メタン発酵槽の入口側から出口側に向けての酸化還元電位(ORP)の概略を示す。
実施の形態(その2)
本実施の形態では、含窒素有機性廃棄物の処理装置において、メタン発酵槽と曝気処理手段の間に、メタン発酵槽からのメタン発酵処理物を貯留する消化汚泥貯留槽を設ける。そして、曝気処理手段からの曝気処理液をメタン発酵槽および消化汚泥貯留槽へ戻す返送ラインが設置され、該曝気処理液の一部又は全部をメタン発酵槽若しくは消化汚泥貯留槽の少なくとも一方に返送するものである。通常、消化汚泥貯留槽からのメタン発酵処理物を固液分離するための固液分離手段を曝気処理手段の前段に備え、固形分離手段で分離された分離液を曝気処理手段に送る。
図2(a)に、本実施の形態に係る処理装置のシステム構成の一例を示す。本含窒素有機性廃棄物の処理装置は、主要な構成機器として、メタン発酵槽202、消化汚泥貯留槽203、固液分離装置204、硝化槽205、高度処理装置206を含む。固液分離装置204からの分離液は、硝化槽205に送られる。硝化槽205では、分離液に空気を吹込み、酸素を供給し、好気性微生物による汚濁物質の分解を促したり、溶存しているガスを除去したり、BODやアンモニア態窒素を酸化する処理を行なう。酸素供給の方法には、例えば、水面をタービン翼やロータなどでかき混ぜる機械攪拌方式や、水中に空気を吹き込むことで気泡からガスを溶解させる散気方式等がある。曝気操作には、処理を担う微生物の環境要因として好気状態を保ち、酸素供給するほかに液体を混合させる役割もある。
メタン発酵槽202へ曝気処理液を返送すると、絶対嫌気状態であるため最大の脱窒効果が得られる。一方、消化汚泥貯留槽203へ曝気処理液を返送すると、脱窒効果の他に、メタン発酵槽202への返送量低減によりメタン発酵槽における滞留時間確保および汚泥濃度保持(希釈率低減)が可能となる。これにより、処理システム全体のメタン発酵の効率化および安定化が図れる。また、曝気処理液の一部又は全部を、処理対象物の特性や運転条件に合わせて、メタン発酵槽および消化汚泥貯留槽の両方に適量を返送することも可能である。
また、本実施の形態では、メタン発酵槽202の前段に、含窒素有機性廃棄物を可溶化する可溶化槽201を設けるとともに、返送ラインは、曝気処理液を可溶化槽201、メタン発酵槽202および消化汚泥貯留槽203へ戻すラインとすることができる。この場合、曝気処理液の一部又は全部は、可溶化槽201、メタン発酵槽202および消化汚泥貯留槽203の少なくとも1つに返送する。
曝気処理液の返送先の条件として、脱窒が可能な槽であることが必要である。
第1に、メタン発酵槽202へ返送する場合、槽内が絶対嫌気状態であるため、最大の脱窒効果が得られる。この際、実施の形態(その1)で示したような隔壁で仕切られたメタン発酵槽を用いることが望ましく、返送箇所を各撹拌混合部へ複数化して、負荷を平準化することが好ましい。
第2に、消化汚泥貯留槽203へ返送する場合、槽内が低DO状態であるため脱窒が進行する。また、メタン発酵槽へ返送しないので、メタン発酵槽202での滞留時間を長く確保することができる。更に汚泥濃度(菌体濃度)を高濃度に保持することができ、メタン発酵の高効率化が可能である。
第3に、可溶化槽201へ返送する場合、豊富なBOD源があるため脱窒が進行する。また、生ごみのような高TS廃棄物処理の場合、希釈効果による可溶化および流動性促進が可能である。
本実施の形態では、更に可溶化槽201で可溶化処理された有機性廃棄物を、前記消化汚泥貯留槽203へ投入する配管ラインが設けられている態様が可能である。図2(b)に、本実施の形態に係る処理装置のシステム構成の他の一例を示す。ここでは、配管ライン210を通じて可溶化槽201内の液を一部、消化汚泥貯留槽203へ投入する。可溶化槽201内の可溶化液には、豊富なBODが含まれる。この可溶化液を一部、消化汚泥貯留槽へバイパスで移送することにより、消化汚泥貯留槽203における脱窒効果を高めることが可能である。
実施の形態(その3)
本発明の処理方法では、含窒素有機性廃棄物をメタン生成細菌の存在下にメタン発酵させてメタン及びメタン発酵処理物を得る工程と、該メタン発酵処理物に酸素を含むガスを吹き込んで曝気処理する曝気処理工程と、曝気処理後のメタン発酵処理物の一部又は全部を該メタン発酵工程に戻す返送工程とを含む。また、通常、メタン発酵工程からのメタン発酵処理物を固液分離するための固液分離工程を上記曝気処理工程の前段で実施し、固液分離工程で分離された分離液を曝気処理工程で曝気処理する。
脱窒およびメタン発酵の反応では、有機物負荷(CODcr)と硝酸態窒素負荷(NO3-N)が重要となる。CODcr/NO3-N比が低い(4以下)場合,硝酸態窒素によるメタン発酵阻害が生じる。また,NO3-N濃度が高い(3000mg-N/L以上)場合、脱窒反応が優先的に進行しメタン発酵阻害が生じる。このように硝酸態窒素負荷条件(CODcr/NO3-N比,NO3-N濃度)によりメタン発酵の阻害が生じ得る。
本実施の形態では、メタン発酵における同時脱窒プロセスの運転条件として、有機物負荷(CODcr)/硝酸態窒素負荷(NO3-N)の比が4以上、好ましくは27以上であり、硝酸態窒素(NO3-N)濃度が3000mgN/L以下、好ましくは1500mgN/L以下である。
図4に、メタン発酵槽におけるこれらの比と濃度の関係を示す図を示す。A領域では、メタン生成および脱窒素が共に困難であり、B領域では、脱窒素のみが可能である。C領域では、脱窒素の他、メタン生成も可能であり、D領域では、脱窒素およびメタン生成が共に十分進行する条件である。
本実施の形態における処理方法では、運転監視項目としてpHおよび酸化還元電位(ORP)に加えて、有機物負荷(VS,CODcr等)および窒素負荷(NH4-N,NO3-N)を制御することにより、メタン発酵槽内の適正な条件を保持して、効率的なシステムの稼動が実現できる。
図5に、メタン発酵における同時脱窒プロセスのシステムの概略構成図を示す。
メタン発酵槽301は、単槽タイプで撹拌機が備えられており、液は固液分離装置306により汚泥分と分離液に分離する。分離液は、硝化槽302の曝気部303に供給されて曝気処理した後、後流の沈澱部304に送られる。硝化槽302から排出される液の一部は、硝化液としてメタン発酵槽301前流に返送される。
このシステムを用いて、メタン発酵同時脱窒素を行った際の運転条件および試験結果を表1に示す。槽内における滞留時間(HRT)は、通常15日以上、好ましくは30日以上である。表1の例1では、COD負荷を変化させても、メタン発酵同時脱窒素が良好に行われた。例2では、濃度や比の関係からは良好な処理条件であることが分かったが、滞留時間を10日程度に短縮するとメタン発酵が十分行われなかった。なお、図6には運転日数に対するメタン発酵同時脱窒の運転データを示し、図6(a)はメタンガス発生量、図6(b)はNOx-N量をプロットした図である。
実施の形態(その4)
本実施の形態の処理方法では、実施の形態(その3)と同様に、メタン生成細菌存在下のメタン発酵工程と、固液分離工程と、曝気処理工程と、曝気処理後のメタン発酵処理物の一部又は全部を該メタン発酵工程に戻す返送工程とを含む。そして、メタン発酵工程における運転条件として、メタン発酵液に遺伝子工学的手法による微生物検出法を用いる。
遺伝子工学的手法による微生物検出法として具体的には、PCR法を用いた微生物の定量が好適に挙げられ、ターゲット遺伝子としては、例えばメタン生成細菌の16SrRNA等、脱窒素細菌のnirS等が挙げられる。これらの細菌の比率は、メタン生成細菌/脱窒素細菌で通常10-3以上、望ましくは10-1以上である。メタン生成細菌の個数は通常103個/100mL以上、望ましくは104個/100mL以上である。このような遺伝子工学的手法による微生物検出法を用いることで、脱窒素細菌とメタン生成細菌の両数の比率を適切な値に保ち、廃棄物の処理システムの安定運転を行うことができる。
図7に、PCR法を用いたメタン発酵同時脱窒プロセスのシステムの概略構成図を示す。
メタン発酵槽301は、単槽タイプで撹拌器が備えられており、液は固液分離装置306により汚泥分と分離液に分離する。上澄液は、硝化槽302の曝気部303に供給されて曝気処理した後、後流の沈澱部304に送られる。硝化槽302から排出される液の一部は、硝化液としてメタン発酵槽301前流に返送される。
この形態では、メタン発酵槽301内から、メタン発酵液の試料を菌数測定器305に送る。PCR法による測定器305では、ガス量と菌数が時間に対してどのように変動しているかを測定する。この測定器で得られた菌数の時間変動データに、その他の情報として、例えば硝化液NOx-N濃度、メタン発酵液VFA濃度、メタンガス発生量等を加えて、現在の運転状況を判断する。その結果を踏まえて、例えば硝化液循環量、希釈水量、生ゴミ投入量等を増減させることによって、システムの運転制御を行う。
このシステムを実際に用いて、メタン発酵同時脱窒素プロセスを行った際のメタン発酵槽301内の細菌数は、メタン生成細菌が104.7個/100mLであり、脱窒素細菌が105.1個/100mLであった。これに対して、通常のメタン発酵プロセスを行った際の細菌数は、メタン生成細菌が105.6個/100mLであり、脱窒素細菌が103.6個/100mLであった。
図8には、PCR法を用いたメタン発酵同時脱窒素プロセスにおけるメタン発酵槽内の制御手順をフロー図で示す。
先ず、菌数測定器305にて、PCR法によるメタン生成細菌および脱窒素細菌数の測定を行う。細菌数量が、メタン細菌数103個/100mL以下あるいはメタン生成細菌数/脱窒素細菌数の比が10-3以下である場合には、基質の投入停止、硝化液の投入停止を行う。該当しない場合(No)、細菌数の減少(a)として、メタン細菌数の減少速度が1日で0.3(/日)以上の場合には、基質の投入停止、硝化液の投入停止を行う。これに該当しない場合(No)、細菌数の減少(b)として、メタン細菌数の減少速度が1日で0.3(/日)以下の範囲である場合には、硝化液のみを投入停止とする。これにも該当しない場合(No)、運転を継続することが適切である。
本実施の形態のような遺伝子工学的手法を用いた運転方法によれば、脱窒菌やメタン菌の数を直接的に定量測定が可能であり、より一層ダイレクトに反応状態を監視することができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形及び変更が可能である。
本発明に係る処理装置およびシステムによれば、専用の脱窒素槽を不要とすることにより処理施設全体のコンパクト化が図れ、同時に、外部からのメタノール等の添加が低減・不要化できるので、処理システムのイニシャルコストやランニングコストが共に大幅に削減可能であり、産業上極めて大きな意義を有する。
本発明に係る含窒素有機性廃棄物の処理装置のメタン発酵槽の一態様を説明する概略構成図である。 本発明に係る含窒素有機性廃棄物の処理装置のシステム全体の一例を説明する概略構成図である。 メタン発酵を用いた従来の処理システム全体の構成を示す概略図である。 メタン発酵槽における運転処理条件を、有機物負荷/硝酸態窒素負荷の比と硝酸態窒素濃度との関係により示す図である。 メタン発酵における同時脱窒プロセスのシステムの概略構成図を示す。 運転日数に対するメタン発酵同時脱窒の運転データを示す図である。 PCR法を用いたメタン発酵同時脱窒プロセスのシステムの概略構成図である。 PCR法を用いたメタン発酵同時脱窒素プロセスにおけるメタン発酵槽内の制御手順を示すフロー図である。
符号の説明
100 含窒素有機性廃棄物処理装置
102 メタン発酵槽
110 含窒素有機性廃棄物
112 曝気処理液
120 隔壁
121 撹拌混合部
130 返送配管ライン
201 可溶化槽
202、212、301 メタン発酵槽
203 消化汚泥貯留槽
204、214、306 固液分離装置
205、302 硝化槽
206 高度処理装置
210 配管ライン
215 硝化・脱窒槽
303 曝気部
304 沈澱部
305 菌数測定器(PCR法)

Claims (11)

  1. 含窒素有機性廃棄物をメタン発酵するためのメタン発酵槽と、該メタン発酵槽からのメタン発酵処理物を曝気処理するための曝気処理手段と、該曝気処理手段からの曝気処理液の一部又は全部を該メタン発酵槽に戻す返送ラインとを含む含窒素有機性廃棄物の処理装置であって、該メタン発酵槽内を隔壁により少なくとも2以上の撹拌混合部に分離して、各撹拌混合部の間を流下する処理液が上流から下流へ押出流れによって移動することを特徴とする含窒素有機性廃棄物の処理装置。
  2. 前記返送ラインが、前記曝気処理液を少なくとも2以上の前記撹拌混合部へ供給するように分岐して接続されていることを特徴とする請求項1記載の含窒素有機性廃棄物の処理装置。
  3. 前記メタン発酵槽からのメタン発酵処理物を固液分離するための固液分離手段を前記曝気処理手段の前段に備え、該固液分離手段で分離された分離液を曝気処理手段に送ることを特徴とする請求項1又は2に記載の含窒素有機性廃棄物の処理装置。
  4. 含窒素有機性廃棄物をメタン発酵するためのメタン発酵槽と、該メタン発酵槽からのメタン発酵処理物を貯留する消化汚泥貯留槽と、該消化汚泥貯留槽からの消化汚泥を曝気処理するための曝気処理手段と、該曝気処理手段からの曝気処理液を該メタン発酵槽および該消化汚泥貯留槽へ戻す返送ラインとを含む含窒素有機性廃棄物の処理装置であって、該曝気処理液の一部又は全部を該メタン発酵槽若しくは該消化汚泥貯留槽の少なくとも一方に返送することを特徴とする含窒素有機性廃棄物の処理装置。
  5. 前記曝気処理液の一部又は全部を、前記メタン発酵槽および前記消化汚泥貯留槽の両方に返送することを特徴とする請求項4記載の含窒素有機性廃棄物の処理装置。
  6. 前記メタン発酵槽の前段に、含窒素有機性廃棄物を可溶化する可溶化槽を設けるとともに、前記返送ラインが、前記曝気処理液を該可溶化槽、該メタン発酵槽および該消化汚泥貯留槽へ戻すラインであり、該曝気処理液の一部又は全部をこれら各槽の少なくとも1つに返送することを特徴とする請求項4記載の含窒素有機性廃棄物の処理装置。
  7. 前記可溶化槽で可溶化処理された有機性廃棄物を、前記消化汚泥貯留槽へ投入する配管ラインが設けられていることを特徴とする請求項6記載の含窒素有機性廃棄物の処理装置。
  8. 前記消化汚泥貯留槽からのメタン発酵処理物を固液分離するための固液分離手段を前記曝気処理手段の前段に備え、該固液分離手段で分離された分離液を曝気処理手段に送ることを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載の含窒素有機性廃棄物の処理装置。
  9. 含窒素有機性廃棄物をメタン菌の存在下にメタン発酵させてメタン及びメタン発酵処理物を得る工程と、該メタン発酵処理物に酸素を含むガスを吹き込んで曝気処理する曝気処理工程と、曝気処理後のメタン発酵処理物の一部又は全部を該メタン発酵工程に戻す返送工程とを含み、前記メタン発酵工程における運転条件として、有機物負荷/硝酸態窒素負荷の比が4以上であり、硝酸態窒素濃度が3000mgN/L以下とすることを特徴とする含窒素有機性廃棄物の処理方法。
  10. 含窒素有機性廃棄物をメタン菌の存在下にメタン発酵させてメタン及びメタン発酵処理物を得る工程と、該メタン発酵処理物に酸素を含むガスを吹き込んで曝気処理する曝気処理工程と、曝気処理後のメタン発酵処理物の一部又は全部を該メタン発酵工程に戻す返送工程とを含み、前記メタン発酵工程における運転条件として、メタン発酵液に遺伝子工学的手法による微生物検出法を用いることを特徴とする含窒素有機性廃棄物の処理方法。
  11. 前記メタン発酵工程からのメタン発酵処理物を固液分離するための固液分離工程を上記曝気処理工程の前段で実施し、該固液分離工程で分離された分離液を曝気処理工程で曝気処理することを特徴とする請求項9又は10に記載の含窒素有機性廃棄物の処理方法。
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