JP2005144368A - 有機性廃棄物処理システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 大掛かりな酸化鉄充てん塔等の設備を用いずに、嫌気性発酵によって発生するガス中の硫化水素ガスの濃度を極力、低減できる上、環境条件の違いによって廃水の性状が異なっても、常に一定以上の、脱窒素処理の処理能力を維持できる、新規な有機性廃棄物処理システムを提供する。
【解決手段】 有機性廃棄物を嫌気性発酵させてメタンガスを発生させるためのメタン発酵槽1の後段に、メタンガスを発生させた後の消化液を固液分離するための固液分離設備2を設け、かつこの固液分離設備2の後段に、固形分を除去した、窒素分と塩素イオンとを含む廃水を電解処理して、塩素イオンから次亜塩素酸系の強酸化物質を生成させ、この強酸化物質の酸化作用によって廃水中の窒素分を除去するための電解槽3を設けるとともに、メタン発酵槽1の前段に、当該メタン発酵槽1に鉄イオンを供給するための鉄イオン供給手段4を設けた有機性廃棄物処理システムである。
【選択図】 図1

Description

この発明は、家庭などから出る生ゴミやし尿、浄化槽汚泥、あるいは畜産農家などから出る家畜糞尿などの有機性廃棄物を嫌気性発酵させてメタンガスを発生させるための有機性廃棄物処理システムに関するものである。
近年、家庭などから出る生ゴミやし尿、浄化槽汚泥、畜産農家などから出る家畜糞尿などの有機性廃棄物をメタン菌の作用によって嫌気性発酵させてメタンガスを発生させ、それを燃料として発電、給湯等に使用したり、燃料電池の水素源として利用したりすることが行われる(例えば特許文献1参照)。
特開2000−167523号公報(請求項1、第0009欄〜第0014欄)
嫌気性発酵によって発生するガスは、およそ50〜70体積%のメタンガスの他に、50〜30体積%の二酸化炭素ガス、そして数百〜数千ppm程度の微量の硫化水素ガスを含んでいるため、当該ガスを上記のように燃料や水素源として使用するには、例えば酸化鉄充てん塔等の大掛かりな設備によって脱硫処理して硫化水素ガスの濃度をできるだけ低減する必要がある。このためシステムの全体が大掛かりになって、広い設置スペースが必要となったり、システムの運転コストやメンテナンスコストが高くついたりするといった問題がある。
また、メタンガスを発生させた後の消化液を固液分離して得られた廃水中には高濃度の窒素分が含まれているため、通常はかかる廃水を、生物学的脱窒素法を利用した種々の脱窒素処理設備(生物処理設備)において脱窒素処理し、次いで高度処理設備において目標放流水質に合わせて高度処理(3次処理)したのち河川等に放流している。
生物処理設備における生物学的脱窒素法の例としては、例えば硝化菌の作用によって廃水中のアンモニウム塩を亜硝酸塩に、亜硝酸塩を硝酸塩に酸化する硝化処理と、脱窒菌の作用によって、亜硝酸塩や硝酸塩を窒素などのガス状生成物に還元して除去する脱窒素処理とを組み合わせたものなどを挙げることができる。
有機性廃棄物処理システムに搬入される有機性廃棄物からメタンガスを発生させた後の消化液を固液分離して得られる廃水の性状は、例えば地域や季節その他、環境条件の違いによって異なるのが一般的である。しかし生物学的脱窒素法を利用した生物処理設備を含む有機性廃棄物処理システムにおいては、廃水の性状が異なると、有機物と窒素とのバランスが崩れて、菌による硝化力や脱窒素力が低下し、それによって生物処理設備における脱窒素処理の処理能力が低下するという問題もある。
この発明の目的は、大掛かりな酸化鉄充てん塔等の設備を用いずに、嫌気性発酵によって発生するガス中の硫化水素ガスの濃度を極力、低減することができる上、環境条件の違いによって廃水の性状が異なっても、常に一定以上の、脱窒素処理の処理能力を維持することができる、新規な有機性廃棄物処理システムを提供することにある。
請求項1記載の発明は、有機性廃棄物を嫌気性発酵させてメタンガスを発生させるためのメタン発酵槽と、メタン発酵槽でメタンガスを発生させた後の消化液を固液分離するための固液分離設備と、固液分離設備で固形分を除去した、窒素分と塩素イオンとを含む廃水を電解処理して窒素分を除去するための電解槽と、上記メタン発酵槽またはその前段に鉄イオンを供給するための鉄イオン供給手段とを備えることを特徴とする有機性廃棄物処理システムである。
請求項2記載の発明は、鉄イオン供給手段として、水中での、鉄電極を用いた電気分解によって鉄イオンを溶出させる鉄電解槽を用いた請求項1記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項3記載の発明は、メタン発酵槽中の水分の一部、または固液分離手段で固形分を除去した廃水の一部を鉄電解槽に供給して電気分解に用いる請求項2記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項4記載の発明は、電解槽の後段に、電解処理した廃水をさらに生物処理および高度処理するための廃水処理設備を設けた請求項1記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項5記載の発明は、廃水処理設備の後段に、廃水を濃縮して塩素イオン濃度を高めるための濃縮手段を設け、濃縮手段で濃縮した廃水を電解槽またはその前段に返送する請求項4記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項6記載の発明は、電解槽に、槽内での電解によって発生したガスを廃水処理設備に供給して、ガス中の塩素によって廃水を殺菌処理するためのガス供給路を接続した請求項4記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項7記載の発明は、固液分離設備で除去した固形分を含む濃縮物をさらに脱水処理するための機械的脱水装置を設け、この機械的脱水装置で脱水処理して得た水分を電解槽、廃水処理設備、またはこのいずれかの前段に供給する請求項4記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項8記載の発明は、電解槽の前段に、固液分離手段で固形分を除去した廃水を濃縮して塩素イオン濃度を高めるための濃縮手段を設け、濃縮手段で濃縮した廃水を電解槽に供給する請求項1記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項9記載の発明は、メタン発酵槽の前段に、有機性廃棄物を可溶化処理するための可溶化調整槽を設けた請求項1記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項10記載の発明は、固液分離設備で固形分を除去した廃水の一部、または電解槽で電解処理した廃水の一部を可溶化調整槽、メタン発酵槽、またはこのいずれかの前段に供給する請求項9記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項11記載の発明は、固液分離設備で廃水を除去した後の、固形分を含む濃縮物を可溶化調整槽、メタン発酵槽、またはこのいずれかの前段に供給する請求項9記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項12記載の発明は、電解槽またはその前段に、塩水を供給するための塩水供給手段を接続した請求項1記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項13記載の発明は、塩水として海水を用いる請求項12記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項14記載の発明は、電解槽またはその前段に、消泡剤を供給するための消泡剤供給手段を接続した請求項1記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項1の構成では、鉄イオン供給手段からメタン発酵槽に供給した鉄イオン(Fe2+またはFe3+)を硫化水素と反応させることによって、FeSやFeとして沈殿させてガス中から除去することができる。このため請求項1記載の発明によれば、大掛かりな酸化鉄充てん塔等の設備を用いずに、嫌気性発酵によって発生するガス中の硫化水素ガスの濃度をより確実に、しかも極力、低減することができる。
また、鉄イオン供給手段から供給した鉄イオンは凝集剤としての作用も有するため、次工程である固液分離設備での固液分離性能を向上することもできる。また、鉄イオンの凝集剤としての作用によって、廃水中に溶存しているリン分(PO−P)を凝集、沈殿させて除去することもできる。しかも鉄イオンは、メタン菌の活性を向上する作用も有するため、メタン発酵槽におけるメタンガスの発生効率をこれまでより向上することもできる。
メタン発酵後の消化液は、メタン発酵において有機物が分解されて生物学的脱窒素処理工程に必要な有機物が不足しており、生物処理して窒素を除去するためにはメタノールなどの有機物を添加する必要がある。これに対し、固液分離設備の後段に設けた電解槽での電解処理では、メタノールなどを添加することなしに、窒素を、安定して除去することが可能である。
また、環境条件の違いによって有機性の廃水の性状が異なっても、固液分離設備の後段に設けた電解槽での電解処理の条件などを調整することで、有機性廃棄物処理システム全体としての脱窒素処理の処理能力を常に一定以上に維持することも可能である。しかも電解槽の容積は、硝化槽や脱窒素槽に比べて大幅に小さくすることができるため、有機性廃棄物処理システムをより一層、小型化することも可能である。
請求項2記載の発明によれば、水中に浸漬した鉄電極に通電して電気分解させるだけで、いつでも任意の時点で、所定量の鉄イオンを溶出させてメタン発酵槽に供給することができる。このため、例えばガス中の硫化水素ガスの濃度を測定し、その結果に基づいて鉄電極への通電と、それに伴う鉄イオンの溶出とを自動制御して、ガス中の硫化水素ガスの濃度を一定範囲に維持することなどが可能である。
請求項3記載の発明によれば、メタン発酵槽中の水分の一部、または固液分離手段で固形分を除去した廃水の一部を鉄電解槽に供給して電気分解に使用しており、鉄電解槽に必要な水分を別途補給することなしに、鉄電解槽での電気分解によって鉄イオンを溶出させることができる。このため、メタン発酵槽中の有機性廃棄物の濃度が低下してメタン菌の活性が低下するのを防止して、メタン発酵槽におけるメタンガスの発生効率を向上することなどが可能である。
請求項4記載の発明によれば、電解槽で電解処理した廃水を廃水処理設備においてさらに生物処理し、次いで目標放流水質に合わせて高度処理(3次処理)して、例えばトリハロメタンのような有害物質を除去したのち河川等に放流することができる。
請求項5記載の発明によれば、濃縮手段において廃水を濃縮して、し尿などに元々含まれている塩素イオンの濃度を、電解槽において廃水を電解処理して、前記の反応機構によって窒素分を除去するのに必要かつ十分な濃度に高めた状態で、電解槽またはその前段に供給することができる。このため、電解槽に必要な塩素イオンを別途補給することなしに、電解槽での電解処理によって窒素分を除去することが可能である。また濃縮手段から出る廃水は塩素イオン濃度が低減されているため、当該濃縮手段の後段側に、塩素イオン除去のための設備を別途、設けることなしに、廃水をそのままで放流できるという利点もある。
請求項6記載の発明によれば、廃水処理設備の任意の位置に、電解槽で発生したガスを、ガス供給路を通して供給して、ガス中の塩素によって廃水を殺菌処理できるため、処理能力の高度化、処理システム全体としての安定性、および信頼性を向上することができる。また電解槽で発生する不要なガスの処理を省略できる上、当該ガスを有効利用できるという利点もある。
請求項7記載の発明によれば、機械的脱水装置において脱水処理して得た水分には、固形分起源の炭素分が含まれているため、これを電解槽または廃水処理設備に供給することによって、当該廃水処理設備に供給する廃水中の炭素分と窒素分の比率を、生物処理による窒素分の除去に適した範囲に調整することができる。このため、廃水処理設備での生物処理の効率を向上することが可能となる。
請求項8記載の発明によれば、請求項5と同様に、濃縮手段において廃水を濃縮して、し尿などに元々含まれている塩素イオンの濃度を、電解槽において廃水を電解処理して、前記の反応機構によって窒素分を除去するのに必要かつ十分な濃度に高めた状態で、電解槽に供給することができる。このため、電解槽に必要な塩素イオンを別途補給することなしに、電解槽での電解処理によって窒素分を除去することが可能である。また濃縮手段から出る廃水は塩素イオン濃度が低減されているため、当該濃縮手段の後段側に、塩素イオン除去のための設備を別途、設けることなしに、廃水をそのままで、あるいは廃水処理設備で生物処理や高度処理をした後、放流できるという利点もある。
請求項9記載の発明によれば、メタン発酵槽の前段に設けた可溶化調整槽において、有機性廃棄物中の脂質、たんぱく質、炭水化物などの有機物をあらかじめ有機酸に可溶化(液化)した状態でメタン発酵槽に供給することができるため、当該メタン発酵槽におけるメタンガスの発生効率を向上することができる。
請求項10記載の発明によれば、固液分離設備で固形分を除去した廃水の一部、または電解槽で電解処理した廃水の一部を可溶化調整槽またはメタン発酵槽に供給して、これら槽中の有機性廃棄物を適度な濃度に希釈することができる。このため、主にたんぱく質に起因する、メタン菌の阻害因子であるアンモニア(NH)の濃度の上昇を抑えて、メタン発酵槽におけるメタンガスの発生効率を向上することができる。
とくに廃水を可溶化調整槽に供給する場合は、上記の効果に加えて、当該可溶化調整槽における有機物の濃度を薄めてその可溶化を促進できるため、メタンガスの発生効率をさらに向上することができる。
また、電解槽で電解処理した廃水を可溶化調整槽に供給する場合は、上記2つの効果に加えて、廃水中に含まれる次亜塩素酸系の強酸化物質の酸化作用によって有機物の可溶化をさらに促進できるため、メタンガスの発生効率をより一層、向上することができる。
請求項11記載の発明によれば、固液分離設備で廃水を除去した後の、固形分を含む濃縮物(汚泥)を可溶化調整槽またはメタン発酵槽に供給することによって、メタン発酵槽中の有機性廃棄物の濃度が低下してメタン菌の活性が低下するのを防止して、メタン発酵槽におけるメタンガスの発生効率を向上することができる。また濃縮物中の未分解の有機物を繰り返しメタン発酵槽に供給できるため、メタンガスの収率を向上することもできる。
請求項12、13記載の発明によれば、電解槽またはその前段に接続した塩水供給手段から、電解槽に任意に塩水を供給することができるため、例えば有機性の廃水中の塩素イオン濃度が、濃縮手段による濃縮だけでは不十分である場合でも、塩素イオン濃度を高いレベルに維持して、電解槽における窒素分の除去作用の効率が低下するのを防止することができる。また請求項13記載の発明によれば、上記塩水として無尽蔵にある海水を利用できるという利点もある。
請求項14記載の発明によれば、電解槽またはその前段に接続した消泡剤供給手段から、電解槽に任意に消泡剤を供給することができるため、電解反応によるガスの発生に伴って電解槽内に気泡が充満して、電解反応が阻害されるのを確実に防止することができる。
図1は、この発明の有機性廃棄物処理システムの、実施の形態の一例を示すブロック図である。
この例の有機性廃棄物処理システムは、前記のように家庭などから出る生ゴミやし尿、浄化槽汚泥、畜産農家などから出る家畜糞尿などの有機性廃棄物OWをメタン菌の作用によって嫌気性発酵させてメタンガスを発生させるためのメタン発酵槽1と、メタンガスを発生させた後の消化液を固液分離するための固液分離設備2と、固液分離設備で固形分(汚泥)SLを除去した、窒素分と塩素イオンとを含む廃水を電解処理して窒素分を除去するための電解槽3と、上記メタン発酵槽1に鉄イオンを供給するための鉄イオン供給手段としての鉄電解槽4と、電解槽3で電解処理後の廃水をさらに処理するための廃水処理設備5とを備えている。廃水処理設備5で処理した廃水は河川等に放流される。
上記のうちメタン発酵槽1としては、従来同様に、有機性廃棄物OWをメタン菌の作用によって嫌気性発酵させてメタンガスを発生させるとともに、発生させたメタンガスと、発酵後の消化液とを別個に槽外に取り出すことができる種々の構造を有するものを採用することができる。
また固液分離設備2としては、例えば機械的脱水装置、沈殿槽、膜分離装置などを挙げることができる。また固液分離設備2は、これらの装置を2種以上組み合わせて構成しても良い。特に消化液中の固形分が多い場合は、機械的脱水装置と膜分離装置とを組み合わせて、機械的脱水装置で大部分の固形分を除去後、膜分離装置で細かな固形分を除去するようにするのが好ましい。
電解槽3としては、廃水ECを電解処理して窒素分を除去しうる、種々の構造を有する電解槽3を採用することができ、とくに塩素イオンから次亜塩素酸系の強酸化物質を生成させて、この強酸化物質の酸化作用によって廃水中の窒素分を除去する電解槽3が好適に採用される。
図2は、上記機能を有する電解槽3の一例を示している。図の電解槽3は、固液分離設備2から供給された廃水ECを収容するための槽本体30を備えるとともに、当該槽本体30内に一対の電極31、32を配設し、かつ槽本体30の、図において左側の上部に、固液分離設備2からの配管33、左側の下部に、廃水処理設備5への配管34を接続したものである。
また槽本体30の、図において右側には、循環ポンプWP1を作動させることで、廃水ECを槽本体30の下部から取り出して上部へ還流してかく拌するための、廃水ECの循環路35を接続してある。また上記配管33、34、循環路35の途中にはそれぞれ電磁弁V1〜V3を設けてある。さらに槽本体30の天面には、電解反応によって発生するガスを、後述する廃水処理設備5に供給するためのガス供給路36を接続してある。
上記のうち電極31、32は直流電源Dに接続してあり、一方をアノード、他方をカソードとして機能させて、槽本体30内に収容された廃水ECを電気分解するために用いる。このうちカソード側の電極としては、電気化学反応によって酸化態窒素を還元する機能を有する、例えば真鍮、銅、亜鉛などの、11族または12族元素を含む導電体からなる電極や、導電性の基体の表面を上記11族または12族元素を含む導電体で被覆した構造を有する電極などを挙げることができる。またアノード側の電極としては、電気化学反応によって、塩素イオンから次亜塩素酸系の強酸化物質を生成させる機能を有する、例えばTi基体の表面をPt、Pt−Irなどの貴金属で被覆した構造を有する電極(DSA電極)や、カーボン電極などを挙げることができる。
そして、固液分離設備2から供給された廃水ECに、直流電源Dから両電極31、32を介して直流電流を流すと、下記(1)〜(4)の電気化学反応を生じて、酸化態窒素を窒素ガスに変換して除去することができる。
(カソード側)
NO +6HO+8e→NH+9OH (1)
(アノード側)
2Cl→Cl+2e (2)
O+Cl⇔HClO+H+Cl (3)
(アノード側+カソード側)
2NH+3HClO→N↑+3HCl+3HO (4)
なお電極は、図の例のようにカソード側、アノード側ともに1枚ずつでなく、複数枚を、交互に配列しても良い。また槽本体30内を、陽イオン交換膜を用いてカソード側とアノード側に隔てても良い。
廃水ECの循環路35の途中には、電解処理によって変化する廃水ECの性状を調べて、電解処理の終点を検知するための測定手段S1と、処理前の廃水の塩素濃度を測定するための塩素濃度測定手段S2とを設けてある。また槽本体30内には、廃水ECの水位を調べるための水位センサS3を設けてある。
このうち測定手段S1としては、残留塩素濃度測定手段、酸化還元電位測定手段、pH測定手段、またはアンモニア濃度測定手段を挙げることができる。測定手段S1は1種単独で使用しても良いし、2種以上を併用しても構わない。
上記各部は、それぞれ図中に一点鎖線で示すように制御手段Cと接続されている。そして制御手段Cは、測定手段S1、塩素濃度測定手段S2、および水位センサS3からの出力信号に基づいて電磁弁V1〜V3を開閉し、かつ循環ポンプWP1の駆動を制御するとともに、直流電源Dの駆動を制御することによって、電解槽3を自動制御しながら廃水ECを電解処理するために機能する。また制御手段Cは、例えば図5に示すように濃縮手段6から電解槽3に、濃縮された廃水ECを返送する場合、固液分離設備2から電解槽3に流入する廃水ECの流入量と、濃縮手段6から電解槽3に流入する濃縮された廃水ECの流入量とを調整する機能も有している。
制御手段Cは、電解処理に際して、まず電磁弁V2を閉じた状態で電磁弁V1を開くことで、配管33を通して、廃水ECを電解槽3の槽本体30内に流入させる。またこの際、制御手段Cは、廃水ECが循環路35内にも流入するように、電磁弁V3をも開いておく。さらに制御手段Cは、塩素濃度測定手段S2によって塩素濃度を測定して、電解槽3内の廃水ECの塩素濃度が所定の値に足りないとき、直流電源Dによって、電極31、32を介して廃水ECに流す電流値を高めるか、あるいはシステムのオペレータに、塩水などを供給するように促す表示を行う。
また図5の場合は、電解槽3内の廃水ECの塩素濃度が所定の値となるように、固液分離設備2から電解槽3に流入する廃水ECの流入量と、濃縮手段6から電解槽3に流入する濃縮された廃水ECの流入量とを調整する。さらに、後述する図11に示すように、電解槽3に塩水供給手段91を接続している場合は、電解槽3内の廃水ECの塩素濃度が所定の値となるように、当該塩水供給手段91から塩水を供給させる。
次に水位センサS3からの出力信号によって、槽本体30内の廃水ECがあらかじめ設定した水位に達したことを検知すると、制御手段Cは、電磁弁V1を閉じて廃水ECの流入を停止するとともに、循環ポンプWP1を作動させて廃水ECのかく拌を開始する。
そして制御手段Cは、直流電源Dを作動させて、電極31、32を介して廃水ECに所定の電流を流して、電解処理を開始する。それとともに制御手段Cは、測定手段S1による、廃水ECの性状の測定を開始し、電解処理が進んで廃水ECが所定の性状に達した時点、具体的には窒素分がなくなった時点で直流電源Dを停止させて電解処理を終了する。これにより、前述したように電解処理されて電解槽3から出る廃水ECの水質を常に一定に保つことが可能となる。
廃水ECの性状と、測定手段S1による測定値との関係は下記のとおりである。
例えば廃水EC中の残留塩素濃度は、当該廃水EC中に窒素分が存在している間、前記の反応機構によって次亜塩素酸イオンなどが消費され続けるため、電解処理を続けても低い値に留まっているが、窒素分がなくなると急激に上昇する。このため測定手段S1として残留塩素濃度測定手段を用いて、残留塩素濃度が急激に上昇を開始した時点を検知することで、廃水ECが所定の性状に達したの知ることができる。
また廃水ECの酸化還元電位やpHも上記と同様の挙動を示すため、測定手段S1として酸化還元電位測定手段やpH測定手段を用いて、酸化還元電位やpHが急激に上昇を開始した時点を検知することで、廃水ECが所定の性状に達したの知ることができる。
さらにアンモニア濃度測定手段によれば、廃水EC中の窒素分の濃度を直接的に測定することができるため、窒素分がなくなった時点を検知することで、廃水ECが所定の性状に達したの知ることができる。
電解処理が終了すると制御手段Cは、循環ポンプWP1を停止させるとともに電磁弁V3を閉じた状態で、電磁弁V2を開いて、電解処理済の廃水ECを、配管34を通して槽本体30から流出させて、次工程である廃水処理設備5に送る。
以上の操作を繰り返すことにより、廃水ECを連続的に電解処理することができる。なお、廃水ECを電解槽3の槽本体30内に流入させるとともに、電解処理後の廃水ECを槽本体30から流出させるためには、その自重を利用して自然に流下させるのが好ましいが、設置スペースなどの関係で自然流下が難しい場合は、例えば配管33に送出ポンプを設けて、廃水ECを強制的に流通させるようにしても良い。
鉄電解槽4としては、その少なくともアノード側を鉄電極とした一対の電極を有するものを用いることができる。ただし鉄電解槽4を用いて鉄電解を続けると、鉄電極の表面に酸化被膜が形成されて鉄イオンが徐々に溶出しにくくなるので、それを防止するためには、両極をともに鉄電極として、一定時間ごとに極性を入れ替えて鉄電解を行うようにするのが好ましい。この場合、陽極側の鉄電極における鉄イオンの溶出と同時に、陰極側の鉄電極の表面に付着した酸化被膜を除去できるため、鉄イオンを、廃水中により効果的に、安定して供給できるという利点がある。
また上記鉄電解槽4においては、図1中にいずれも一点鎖線の矢印で示すように、メタン発酵槽1中の水分の一部を供給して電気分解に使用するか、または固液分離設備2で固形分を除去した廃水の一部を供給して電気分解に使用するのが好ましい。この理由は先に述べたとおりである。
なお鉄イオン供給手段としては、上記鉄電解槽4に代えて、例えば鉄を含む水溶性の塩やその水溶液、あるいは鉄粉などをメタン発酵槽1に定量ずつ供給する手段などを採用することもできる。
廃水処理設備5は、図1に示すように電解処理した廃水を生物学的脱窒素法によって脱窒素処理(生物処理)するための生物処理設備5aと、生物処理した廃水を高度処理するための高度処理設備5bとで構成する。
このうち生物処理設備5aとしては、従来同様の構成を有するものを採用することができる。
例えば図3は、電解槽3から高度処理設備5bへ向かう廃水ECの流れ(図中に実線の矢印で示す)に沿って順に反応槽(硝化脱窒素槽)51と、かく拌槽(脱窒素槽)52と、再曝気槽53とを備え、電解槽3で電解処理した廃水ECを希釈せずに処理する高負荷脱窒素処理方式の生物処理設備5aを示している。
このうち反応槽51の底部には、槽外部に設けたポンプGP1から、図中に短い破線の矢印で示すように、槽内の廃水ECに、硝化反応に必要な酸素を含む空気を吹き込むための配管を接続してある。また反応槽51の底部には散気装置RAを設置してあり、上記ポンプGP1から空気を送り込むと散気装置RAが作動して、槽内の廃水ECをかく拌するようにもしてある。反応槽51内には硝化菌と脱窒菌が収容される。
また再曝気槽53の底部にも、上記ポンプGP1から、同様に短い破線の矢印で示すように、槽内の廃水ECに、再曝気のための空気を吹き込むための配管を接続してある。再曝気槽53内には好気性菌が収容される。
さらにかく拌槽52には、槽外部に設けたポンプGP2によって、図中に長い破線の矢印で示すように、天部から槽内のガスを取り出して、底部から再び槽内の廃水EC中に吹き込むように循環させることで、当該槽内の廃水ECをかく拌するための配管を接続してある。かく拌槽には脱窒菌が収容される。また反応槽51とかく拌槽52には、図中に二点鎖線の矢印で示すように、槽内の廃水ECにメタノールMeなどの有機物を供給するための配管も接続してある。
上記3つの槽51〜53を備えた図の例の生物処理設備5aにおいては、電解槽3で電解処理した廃水ECを間欠的に、反応槽51に投入することによって、当該反応槽51内で、硝化菌による硝化反応と、脱窒菌による脱窒素反応とを交互に行って窒素を除去している。その概要は下記のとおりである。
(脱窒素工程)
ポンプGP1を停止した状態で廃水ECを投入するともに、必要に応じて、脱窒菌の栄養分として少量のメタノールMeなどを供給すると、反応槽51内が嫌気的雰囲気となって脱窒菌が活性化し、当該脱窒菌の作用によって、亜硝酸塩や硝酸塩が窒素などのガス状生成物に還元されて廃水EC中から除去される。
(硝化工程)
亜硝酸塩や硝酸塩が除去された時点で廃水ECの投入とメタノールMeなどの供給を停止すると、脱窒菌の活性が低下する。そこでポンプGP1を作動させて、廃水EC中に空気を吹き込むとともに、散気装置RAを作動させて廃水ECをかく拌して曝気させると、反応槽51内が好気的雰囲気となって硝化菌が活性化する。そしてこの硝化菌の作用によって、廃水EC中の窒素分(有機物中の窒素やアンモニウム塩中の窒素)が、ポンプGP1によって吹き込まれた空気中の酸素と反応して主に亜硝酸塩に、さらにその一部が硝酸塩に酸化される。
上記の2工程を繰り返し行うことによって、単一の反応槽51内で、硝化処理および脱窒素処理を効果的に行うことができる。またこの際、図示していないが、反応槽51内のDO(Dissolved Oxygen、溶存酸素)やpH、ORP(Oxidation Reduction Potential、酸化還元電位)などに基づく制御を行うことで、両反応を安定的に進行させることもできる。
次に、硝化および脱窒素処理が終了した廃水ECをかく拌槽52に送るとともに、必要に応じて、脱窒菌の栄養分として少量のメタノールMeなどを供給すると、当該かく拌槽52内で、脱窒菌によって仕上げの脱窒素処理が行われる。すなわち廃水EC中に残存する亜硝酸塩や硝酸塩が、脱窒菌の作用によって窒素などのガス状生成物に還元されて廃水EC中から除去される。
この後、脱窒素処理が終了した廃水ECを再曝気槽53に送って、好気性菌の作用によって曝気処理して、最終的に残存したメタノールMeなどを除去することで、一連の生物学的脱窒素処理が終了する。
図4は、生物処理設備5aの他の例を示している。図の生物処理設備5aは、電解槽3から高度処理設備5bへ向かう廃水ECの流れ(図中に実線の矢印で示す)に沿って順に脱窒素槽54と、硝化槽55と、二次脱窒素槽56と、再曝気槽37とを備え、前処理設備1で前処理した廃水ECを希釈水Wで希釈しながら処理する標準脱窒素処理方式のものである。
このうち硝化槽55の底部には、槽外部に設けたポンプGP3から、図中に短い破線の矢印で示すように、槽内の廃水ECに、硝化反応に必要な酸素を含む空気を吹き込むための配管を接続してある。また硝化槽55には、図中に二重線の矢印で示すように、槽内の廃水ECに希釈水Wを供給して希釈するための配管も接続してある。硝化槽55内には硝化菌が収容される。
また再曝気槽37の底部にも、上記ポンプGP1から、同様に短い破線の矢印で示すように、槽内の廃水ECに、再曝気のための空気を吹き込むための配管を接続してある。再曝気槽53内には好気性菌が収容される。
さらに脱窒素槽54と二次脱窒素槽56にはそれぞれ、槽外部に設けたポンプGP4によって、図中に長い破線の矢印で示すように、天部から槽内のガスを取り出して、底部から再び槽内の廃水EC中に吹き込むように循環させることで、両槽54、56内の廃水ECをかく拌するための配管を接続してある。両槽54、56には脱窒菌が収容される。また両槽54、56には、図中に二点鎖線の矢印で示すように、槽内の廃水ECにメタノールMeなどを供給するための配管も接続してある。
上記4つの槽54〜37を備えた図の例の生物処理設備5aを用いた、生物学的脱窒素法の概要は下記のとおりである。
電解槽3で電解処理した廃水ECを所定の流量で、脱窒素槽54を通して硝化槽55に供給するとともに、必要に応じて硝化槽55に希釈水Wを供給し、かつ脱窒素槽54にメタノールMeなどを供給しながら、当該硝化槽55で出た余剰分の廃水ECの大部分を脱窒素槽54に戻す操作を連続して行うと、まず硝化槽55内で、廃水EC中の窒素分(有機物中の窒素やアンモニウム塩中の窒素)が、ポンプGP3によって吹き込まれた空気中の酸素と、硝化菌の作用によって反応して亜硝酸塩に、さらには硝酸塩に酸化される。
そして脱窒素槽54内で、メタノールMeなどを栄養分とする脱窒菌の作用によって、亜硝酸塩や硝酸塩が窒素などのガス状生成物に還元されて、廃水EC中から除去される。つまり廃水EC中から、上記一連の反応によって窒素を除去することができる。
また硝化槽55で出た余剰分の廃水ECのうち、脱窒素槽54に戻されなかった一部を、次工程である二次脱窒素槽56に送るとともに、必要に応じて二次脱窒素槽56に、脱窒菌の栄養分として少量のメタノールMeなどを供給すると、当該槽内で、脱窒菌によって仕上げの脱窒素処理が行われる。すなわち廃水EC中に残存する亜硝酸塩や硝酸塩が、脱窒菌の作用によって窒素などのガス状生成物に還元されて廃水EC中から除去される。
この後、脱窒素処理が終了した廃水ECを曝気槽37に送って、好気性菌の作用によって曝気処理して、最終的に残存したメタノールMeなどを除去することで、一連の生物学的脱窒素処理が終了する。
高度処理設備5bとしては、従来同様の構成を有するものを採用することができる。すなわち廃水ECに硫酸アルミニウムなどの凝集剤を添加して微細なSSを沈殿しやすいフロックにし、かつ色度やCODのもとになる有機物の一部とリン酸とを不溶化して分離させるための凝集分離装置、廃水ECをオゾンと接触させて殺菌処理するとともに、COD成分、とくに色度成分を酸化分解するためのオゾン酸化装置、廃水ECに残留する微細なSSを除去するための砂ろ過装置、COD成分や色度成分を高度に除去するための活性炭吸着装置などを適宜、組み合わせて高度処理設備5bを構成することができる。
また、前記のように電解槽3での電解反応によって発生するガスを、図1中に破線の矢印で示すガス供給路36を通して高度処理設備5bに送って、その任意の位置、例えば放流直前の放流ピット内に吹き込んで廃水ECと接触させることによって、当該廃水ECを、ガス中に含まれる塩素によって殺菌処理するようにしても良い。なお前記反応式(1)〜(4)では、廃水EC中の塩素イオンから生成した塩素(Cl)の全量が、次亜塩素酸の生成に消費されるように読めるが、実際にはごく微量の塩素が、窒素(N)とともに気相に移行してガス中に含まれるため、このように殺菌処理に利用することができる。
図5は、この発明の有機性廃棄物処理システムの、実施の形態の他の例を示すブロック図である。
この例の有機性廃棄物処理システムは、廃水処理設備5の後段に、当該廃水処理設備5で処理した廃水を濃縮して塩素イオン濃度を高めるための濃縮手段6を設け、この濃縮手段6において濃縮した廃水を、図中に二点鎖線の矢印で示すように電解槽3の前段に返送するようにした点が、先の図1の例と異なっている。その他の部分は図1の例と同様であるので、同一個所に同一符号を付して説明を省略する。なお図では、廃水処理設備5を1つのブロックで示しているが、この廃水処理設備5が、実際には生物処理設備5aと高度処理設備5bとを組み合わせて構成されることも、前記と同様である。
濃縮手段6としては、廃水処理設備5において処理された廃水中の塩素イオンを濃縮することができる、種々の手段を採用することができる。かかる濃縮手段6の例としては、例えば逆浸透膜(RO膜)を用いて廃水中の塩素イオン濃度を上昇させるRO膜処理、廃水を電気透析して塩素イオン濃度を上昇させる電気透析処理、廃水中から水分を蒸発させて塩素イオン濃度を上昇させる蒸発処理などを採用することができる。
上記例の有機性廃棄物処理システムにおいては、濃縮手段6を設けたことによって、電解槽3に必要な塩素イオンを別途補給することなしに、電解槽3での電解処理によって窒素分を除去できるという利点がある。また濃縮手段6から出る廃水は塩素イオン濃度が低減されているため、塩素イオン除去のための設備を別途、設けることなしに、廃水をそのまま放流できるという利点もある。
図6は、この発明の有機性廃棄物処理システムの、実施の形態のさらに他の例を示すブロック図である。
この例の有機性廃棄物処理システムは、固液分離設備2で除去した固形分を含む濃縮物をさらに脱水処理するための機械的脱水装置7を設け、この機械的脱水装置7で脱水処理して得た水分を、図中に二点鎖線の矢印で示すように電解槽3、または廃水処理設備5の前段のいずれかに供給するようにした点が、先の図1の例と異なっている。その他の部分は図1の例と同様であるので、同一個所に同一符号を付して説明を省略する。廃水処理設備5が、実際には生物処理設備5aと高度処理設備5bとを組み合わせて構成されることも前記と同様である。
上記例の有機性廃棄物処理システムにおいては、機械的脱水装置7において脱水処理して得た水に含まれる固形分起源の炭素分によって、廃水処理設備5に供給する廃水中の炭素分と窒素分の比率を、生物処理による窒素分の除去に適した範囲に調整できるため、廃水処理設備5での生物処理の効率を向上できるという利点がある。
なお機械的脱水装置7において脱水処理して得た水を、電解槽3と廃水処理設備5のいずれに供給するかは、水に含まれる固形分の量などによって適宜、選択すればよい。例えば固形分の量が多く、電解槽3の電極間や循環路などで目詰まりしやすい場合は、水を廃水処理設備5の前段に供給すればよく、それ以外の場合は電解槽3と廃水処理設備5のいずれに供給してもよい。
図7は、この発明の有機性廃棄物処理システムの、実施の形態のさらに他の例を示すブロック図である。
この例の有機性廃棄物処理システムは、電解槽3の前段に、固液分離手段2で固形分を除去した廃水を濃縮して塩素イオン濃度を高めるための濃縮手段6を設け、濃縮手段6で濃縮した廃水を電解槽3に供給するようにした点が、先の図1の例と異なっている。その他の部分は図1の例と同様であるので、同一個所に同一符号を付して説明を省略する。廃水処理設備5が、実際には生物処理設備5aと高度処理設備5bとを組み合わせて構成されることも前記と同様である。濃縮手段6としては、前記と同様のものを採用することができる。
上記例の有機性廃棄物処理システムにおいては、やはり濃縮手段6を設けたことによって、電解槽3に必要な塩素イオンを別途補給することなしに、電解槽3での電解処理によって窒素分を除去できるという利点がある。濃縮手段6から出た塩素イオン濃度が低減された水は、図中に実線の矢印で示すように河川等に直接に放流してもよいし、二点鎖線の矢印で示すように廃水処理手段5の前段に供給して、廃水処理手段5において処理したのち放流してもよい。
図8は、この発明の有機性廃棄物処理システムの、実施の形態のさらに他の例を示すブロック図である。
この例の有機性廃棄物処理システムは、メタン発酵槽1の前段に、有機性廃棄物OWを可溶化処理するための可溶化調整槽8を設けた点が、先の図1の例と異なっている。その他の部分は図1の例と同様であるので、同一個所に同一符号を付して説明を省略する。廃水処理設備5が、実際には生物処理設備5aと高度処理設備5bとを組み合わせて構成されることも前記と同様である。
可溶化調整槽8としては、例えば槽内に収容した有機性廃棄物OWをかく拌しながら、当該槽内に加熱水蒸気を吹き込むなどして加熱することによって、有機性廃棄物OWの、有機酸への酸化、分解を促進することができる、従来同様の構成を有するものを採用することができる。
上記例の有機性廃棄物処理システムにおいては、可溶化調整槽8において、有機性廃棄物OW中の脂質、たんぱく質、炭水化物などの有機物(メタン源)をあらかじめ有機酸に可溶化(液化)した状態でメタン発酵槽1に供給できるため、当該メタン発酵槽1における、メタンガスの発生効率を向上できるという利点がある。
図9は、この発明の有機性廃棄物処理システムの、実施の形態のさらに他の例を示すブロック図である。
この例の有機性廃棄物処理システムは、図中にいずれも二点鎖線の矢印で示すように、固液分離設備2で固形分を除去した廃水の一部、または電解槽3で電解処理した廃水の一部を可溶化調整槽8、またはメタン発酵槽1の前段に供給するようにした点が、図8の例と異なっている。その他の部分は図8の例と同様であるので、同一個所に同一符号を付して説明を省略する。
上記例の有機性廃棄物処理システムにおいては、上記いずれかの位置から分取した廃水の一部を可溶化調整槽8またはメタン発酵槽1に供給することによって、これら槽中の有機性廃棄物を適度な濃度に希釈することができる。このため、とくに有機性廃棄物OW中にたんぱく質が多く含まれる場合に、メタン菌の阻害因子であるアンモニア(NH)の濃度の上昇を抑えて、メタン発酵槽1におけるメタンガスの発生効率を向上できるという利点がある。
とくに図の例において、廃水を可溶化調整槽8に供給するようにした場合は、上記の効果に加えて、当該可溶化調整槽8における有機物の濃度を薄めてその可溶化を促進できるため、メタンガスの発生効率をさらに向上することができる。
また、電解槽3で電解処理した廃水を可溶化調整槽8に供給するようにした場合は、上記2つの効果に加えて、廃水中に含まれる次亜塩素酸系の強酸化物質の酸化作用によって有機物の可溶化をさらに促進できるため、メタンガスの発生効率をより一層、向上することができる。
図10は、この発明の有機性廃棄物処理システムの、実施の形態のさらに他の例を示すブロック図である。
この例の有機性廃棄物処理システムは、図中にいずれも二点鎖線の矢印で示すように、固液分離設備2で廃水を除去した後の、固形分を含む濃縮物(汚泥)を、可溶化調整槽8、またはメタン発酵槽1の前段に供給するようにした点が、図8の例と異なっている。その他の部分は図8の例と同様であるので、同一個所に同一符号を付して説明を省略する。
上記例の有機性廃棄物処理システムにおいては、上記濃縮物を可溶化調整槽8またはメタン発酵槽1に供給することによってメタン発酵槽1内のメタン菌の流出を防止して、メタン菌濃度を保持することで、メタンガスの発生効率を向上できるという利点がある。また濃縮物中の未分解の有機物を繰り返しメタン発酵槽1に供給できるため、メタンガスの収率を向上することもできる。
上記各例の有機性廃棄物処理システムにおいては、塩素イオン濃度が低下して濃縮手段5による濃縮だけでは不十分である場合を考慮して、図11に示すように、電解槽3に塩水を供給するための塩水供給手段91を接続しても良い。また同図に示すように、電解槽3での電解処理時に、槽内の廃水が泡だって電解反応を阻害するのを防止するための消泡剤を供給するべく、消泡剤供給手段92を接続しても良い。
このうち塩水供給手段91としては、水と、その飽和濃度以上の食塩とを収容しておき、常に飽和濃度の塩水を供給できるようにしたものなどを挙げることができる。また有機性廃棄物処理システムが海浜部にある場合は、塩水として無尽蔵の海水を利用するのが好ましい。そのような塩水供給手段91としては、海水を汲み上げて固形分をろ過したのち電解槽3に供給する揚水装置などを挙げることができる。
消泡剤供給手段92としては、一定量の消泡剤を電解槽3に供給しうる装置を用いれば良い。また消泡剤としては、例えばアルコール系、シリコーン系、ポリグリコール系、ポリアクリレート系などの各種の消泡剤を挙げることができる。
また、上記各例の有機性廃棄物処理システムを構成する各部のうち可動部分は、メタン発酵槽1で発生させたメタンを燃料として発電機を駆動させて発電した電力や、メタンを水素源として燃料電池によって発電した電力によって駆動するようにするのが好ましい。また、可溶化調整槽8に吹き込む加熱水蒸気を発生させるための熱源や、濃縮手段6としての蒸発処理の熱源などとしても、メタン発酵槽1で発生させたメタンを燃焼させて得た熱エネルギーや、メタンをガスエンジンで燃焼させた後の排ガスの余熱エネルギーなどを利用するのが好ましい。
この発明は、以上で説明した実施形態に限定されるものではなく、各請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
この発明の有機性廃棄物処理システムの、実施の形態の一例を示すブロック図である。 上記例の有機性廃棄物処理システムに組み込まれる、電解槽の一例を示す概略図である。 上記例の有機性廃棄物処理システムに組み込まれる、生物処理設備の一例を示す概略断面図である。 生物処理設備の他の例を示す概略断面図である。 この発明の有機性廃棄物処理システムの、実施の形態の他の例を示すブロック図である。 この発明の有機性廃棄物処理システムの、実施の形態のさらに他の例を示すブロック図である。 この発明の有機性廃棄物処理システムの、実施の形態のさらに他の例を示すブロック図である。 この発明の有機性廃棄物処理システムの、実施の形態のさらに他の例を示すブロック図である。 この発明の有機性廃棄物処理システムの、実施の形態のさらに他の例を示すブロック図である。 この発明の有機性廃棄物処理システムの、実施の形態のさらに他の例を示すブロック図である。 上記各例の有機性廃棄物処理システムの電解槽に、塩水供給手段と消泡剤供給手段を接続した変形例を示すブロック図である。
符号の説明
1 メタン発酵槽
2 固液分離設備
3 電解槽
4 鉄電解槽(鉄イオン供給手段)
5 廃水処理設備
6 濃縮手段
7 機械的脱水装置
8 可溶化調整槽
OW 有機性廃棄物
EC 廃水
SL 汚泥

Claims (14)

  1. 有機性廃棄物を嫌気性発酵させてメタンガスを発生させるためのメタン発酵槽と、メタン発酵槽でメタンガスを発生させた後の消化液を固液分離するための固液分離設備と、固液分離設備で固形分を除去した、窒素分と塩素イオンとを含む廃水を電解処理して窒素分を除去するための電解槽と、上記メタン発酵槽またはその前段に鉄イオンを供給するための鉄イオン供給手段とを備えることを特徴とする有機性廃棄物処理システム。
  2. 鉄イオン供給手段として、水中での、鉄電極を用いた電気分解によって鉄イオンを溶出させる鉄電解槽を用いた請求項1記載の有機性廃棄物処理システム。
  3. メタン発酵槽中の水分の一部、または固液分離手段で固形分を除去した廃水の一部を鉄電解槽に供給して電気分解に用いる請求項2記載の有機性廃棄物処理システム。
  4. 電解槽の後段に、電解処理した廃水をさらに生物処理および高度処理するための廃水処理設備を設けた請求項1記載の有機性廃棄物処理システム。
  5. 廃水処理設備の後段に、廃水を濃縮して塩素イオン濃度を高めるための濃縮手段を設け、濃縮手段で濃縮した廃水を電解槽またはその前段に返送する請求項4記載の有機性廃棄物処理システム。
  6. 電解槽に、槽内での電解によって発生したガスを廃水処理設備に供給して、ガス中の塩素によって廃水を殺菌処理するためのガス供給路を接続した請求項4記載の有機性廃棄物処理システム。
  7. 固液分離設備で除去した固形分を含む濃縮物をさらに脱水処理するための機械的脱水装置を設け、この機械的脱水装置で脱水処理して得た水分を電解槽、廃水処理設備、またはこのいずれかの前段に供給する請求項4記載の有機性廃棄物処理システム。
  8. 電解槽の前段に、固液分離手段で固形分を除去した廃水を濃縮して塩素イオン濃度を高めるための濃縮手段を設け、濃縮手段で濃縮した廃水を電解槽に供給する請求項1記載の有機性廃棄物処理システム。
  9. メタン発酵槽の前段に、有機性廃棄物を可溶化処理するための可溶化調整槽を設けた請求項1記載の有機性廃棄物処理システム。
  10. 固液分離設備で固形分を除去した廃水の一部、または電解槽で電解処理した廃水の一部を可溶化調整槽、メタン発酵槽、またはこのいずれかの前段に供給する請求項9記載の有機性廃棄物処理システム。
  11. 固液分離設備で廃水を除去した後の、固形分を含む濃縮物を可溶化調整槽、メタン発酵槽、またはこのいずれかの前段に供給する請求項9記載の有機性廃棄物処理システム。
  12. 電解槽またはその前段に、塩水を供給するための塩水供給手段を接続した請求項1記載の有機性廃棄物処理システム。
  13. 塩水として海水を用いる請求項12記載の有機性廃棄物処理システム。
  14. 電解槽またはその前段に、消泡剤を供給するための消泡剤供給手段を接続した請求項1記載の有機性廃棄物処理システム。
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