JP2006142302A - 嫌気性処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】汚泥と基質の良好な接触を妨げず、汚泥層全体を処理に際して有効に活用し、ＣＯＤ負荷が高い場合にあっても、安定した処理ができる嫌気性処理方法と、その処理方法を実施する処理装置を提供する。
【解決手段】有機性廃水または廃棄物をガス・液・固液分離部を多段に有する上向流嫌気性汚泥床処理装置により嫌気処理する方法において、前記装置本体側壁との角度が３５度以下であるガス、液及び固液分離部を装置の上部５０％の範囲内に取り付け、かつ、被処理原水を直接、若しくは希釈処理を行うことにより、流入水の通水速度を１〜５ｍ／ｈとする有機性廃水または廃棄物の嫌気性処理方法、及びその装置。前記ガス、液及び固液分離部は、各占有面積が装置断面積の２分の１以上となる邪魔板により形成されるのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種の工場、下水、し尿、畜産業施設等から排出される有機性の廃水又は有機性の廃棄物等を対象として、これ等の廃棄物等を無害化する嫌気性汚泥床処理方法及び装置に関し、更に詳しくは、特に、ガス・液・固液分離部（以下、「ＧＳＳ」とも記す）を多段に有する上向流嫌気性汚泥床処理方法及び処理装置に関する。

有機性の廃水あるいは有機性の廃棄物等は、嫌気性処理によって分解処理されることがある。
このような分解処理方法として、例えば、上向流嫌気性汚泥床法（以下、「ＵＡＳＢ」とも記す）が挙げられ、この処理法は、近年普及してきた方法で、メタン菌等の嫌気性菌をグラニュール状に造粒化することにより、リアクター内のメタン菌の濃度を高濃度に維持できるという特徴があり、このため、廃水中の有機物の濃度が相当程度に高い場合であっても、効率よく処理することができることが知られている。
上記の処理法を具現化した装置にあっては、重クロム酸カリウムを酸化剤として用いて測定したＣＯＤ_Cr（以下、単に「ＣＯＤ」とも記す）の容積負荷が１０〜１５ｋｇ／ｍ³ ／ｄの廃水、廃棄物であっても、高率よく運転できるという特徴のあることが認められている。

有機性廃水および有機性廃棄物を対象とした嫌気性処理に用いる嫌気性菌としては、環境温度により大きく分けて２種類の菌が挙げられる。例えば、環境温度が３０〜３５℃の中温度域を至適温度とする中温嫌気性菌、５０〜５５℃の高温域を至適温度とする高温嫌気性菌等が挙げられる。
一方、これらの嫌気性菌の機能を利用した、上向流嫌気性汚泥床法（ＵＡＳＢ）の場合、分解しようとする有機物の負荷量が高くなると（例えば、ＣＯＤ容積負荷が１５ｋｇ／ｍ³ ／ｄ以上）、発生するガス量が多くなる。
この際、リアクター内からのガス抜きを随時確実に行うことが不可欠となり、ガス排出時の吹き出し等により、グラニュール状の汚泥の流出が目立つ様になり、リアクター内にグラニュール状の汚泥を留めておくことが難しくなる。

このような状態になった場合の処理対策として、処理装置それ自体を多段にし、発生ガスを分散して系外に排出する方法が提案されている。
図２は、このような提案の一例で、多段にした場合の嫌気性処理装置の例を模式図で示すものである（非特許文献１）。

図２において、装置の下端に原水流入管１を接続した筒状のリアクター２の内部に複数の邪魔板３を配設し、スラッジゾーンを区分した各スラッジゾーン４ａ〜４ｅを、それぞれの所定の箇所に配して多段に形成している。
各スラッジゾーン４ａ〜４ｅの各上端コーナには、ＧＳＳ部５（５ａ、５ｂ）を形成し、そのＧＳＳ部５の内部で反応が始まると、反応ガスがＧＳＳ部５に集積する。各気相部５ａには、発生ガス回収配管６が接続している。さらに、発生ガス回収配管６は、外部の水封槽７に通じている。
この文献においては、リアクター２の側壁と邪魔板３の角度、通水速度及び原水の希釈操作についての記載は無く、リアクター２の側壁と邪魔板３の角度は、文献の図面では５６度となっている。なお、前記の角度は、邪魔板３が下向きであるから、側壁に対して上向きの大きい角度と下向きの小さい角度の２つがあるが、この場合小さい方の角度で表わす。

また、特許文献１（「嫌気性処理方式および装置」）に記載されている、ガス、液、固液分離部を多段に有する上向流嫌気性汚泥床処理装置（本明細書の図２参照）においては、区分スラッジゾーン４ａ〜４ｅに原水を分注し、各区分スラッジゾーン毎に、そこで発生するガスを回収できるため、リアクターの単位断面積当たりの発生ガス量が少なくなり、同時に、流入原水を分注するため、各ＧＳＳ部の液の線流速（通水速度）も小さくなり、特に、最上段のＧＳＳ部におけるリアクターの単位面積当たりのガス量、通水速度が小さくなるため、グラニュール汚泥の系外への流出量が非常に少なくなると言うことができる。
特許文献１では、リアクター２の側壁と邪魔板３の角度は図面では約５０度であり、通水速度を低くすることの効果について記載されている。
Ｇ．Lettinga(1995)Anaerrobic digestion and wastewater treatment-system.Antonie van Leeuwenhoek 67:3-28 特開平１１−２０７３８４号公報

しかしながら、多段化した上向流嫌気性汚泥床法（ＵＡＳＢ）の装置にあっては、なお、以下に記載するような、問題点がある。
（ａ）ＧＳＳの設置角度が緩やかな場合には、ＧＳＳ直上部に堆積汚泥によるデッドスペースが生じ、リアクター内の汚泥層全体を必ずしも有効に使えない。
（ｂ）ＧＳＳを装置下部まで取り付けた場合、汚泥層の良好な流動を妨げ、汚泥と基質の接触が不十分もしくは不良となる。
（ｃ）通水速度が低い場合には、短絡流が生じるために、また、通水速度が高い場合には、汚泥の流出につながるために、処理結果を悪化させる原因となる。

（ｄ）区分スラッジゾーンに原水を分注する方法の場合、流入原水を分注することにより、各ＧＳＳの液の線流速も小さくなり、各区分のスラッジゾーンにおける良好な流動状態が得られないため、汚泥と基質の良好な接触がなされない。
このような実情に鑑み、本発明は、汚泥層の良好な流動状態、即ち、汚泥と基質の良好な接触を妨げず、汚泥層全体を処理に際して有効に活用することにより、ＣＯＤ負荷が高い場合にあっても、安定した処理を行うことのできる嫌気性処理方法と、この処理方法を効果的に実施することができる処理装置の提供を目的とする。

本発明は、以下に記載する手段によって前記課題を解決した。
（１）有機性廃水または廃棄物をガス、液及び固液分離部を多段に有する上向流嫌気性汚泥床処理装置により、嫌気処理する方法において、前記装置本体側壁との角度が３５度以下である該ガス、液及び固液分離部を装置の上部５０％の範囲内に取り付け、かつ、被処理原水を直接、若しくは希釈処理を行うことを特徴とする有機性廃水または廃棄物の嫌気性処理方法。

（２）ガス、液及び固液分離部を多段に有する上向流嫌気性汚泥床処理装置において、装置本体側壁との角度が３５度以下である該ガス、液及び固液分離部を装置の上部５０％の範囲内に取り付け、直接、若しくは希釈処理を行った被処理原水を流入する供給管を設けたことを特徴とする嫌気性処理装置。
（３）各占有面積が装置断面積の２分の１以上となる邪魔板により形成されるガス、液及び固液分離部を有することを特徴とする前記（２）記載の嫌気性処理装置。

本発明においては、上記の非特許文献１及び特許文献１の開示とは異なり、「リアクター２の側壁と邪魔板３のなす角度を３５度以下とし、原水を処理水の循環液や系外から供給する希釈水等により、必要に応じて適宜希釈を行ない、一貫して、流入水のリアクター２内部における装置断面積基準の通水速度が１〜５ｍ／ｈとなるように調節する」ことにより、汚泥層の良好な流動状態を創り出すこと、及び、グラニュール汚泥の増殖に絶大な効果がある。

本発明においては、装置本体側壁との取り付け角度が３５度以下、且つ、各占有面積が装置断面積の１／２以上となる邪魔板により形成される、ガス・液・固液分離部を有し、これ等のガス、液および固液分離部を装置の上部５割の区分に取り付け、原水を直接、あるいは希釈操作を施すことにより、流入水の通水速度を１〜５ｍ／ｈとすることにより、汚泥層の良好な流動状態、即ち、汚泥と基質の良好な接触を妨げず、汚泥層全体を処理に対して有効に活用することにより、高いＣＯＤ負荷においても、安定した処理を行うことができる嫌気性処理方法と、これを実施する処理装置を提供することができ、高い有機物負荷の上向流嫌気性汚泥床法（ＵＡＳＢ）の運転において、常時安定した有機物の処理成果が得られるので、極めて有益である。

本発明の実施の形態を、図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されない。
図１は、嫌気性処理方法を実施するのに好ましい本発明の上向流嫌気性処理装置の一形態の概要を例示した図である。
図１において、リアクター２の上方部は実質閉塞状態にあり、下端部には原水送液管１が接続する。
リアクター２の内部、左右両側壁には、相対向する据え付け位置を互いにずらした邪魔板３の一方の端部（リアクター２の側壁側）を固設し、他方の端部を反対側の側壁方向に向かって斜めに下降しながら伸長する邪魔板３を設置している。

この邪魔板３は、上下方向位置に２箇所、左右交互に設置され、リアクター２の側壁との間に、それぞれ鋭角状となる区分スラッジゾーン４ａ、４ｂを形成する。
リアクター２の側壁と邪魔板３との為す角度θは、３５度以下の鋭角とされ、占有面積が装置断面積の１／２以上とされている。
３５度を越える角度の場合には、スラッジゾーン４ａ、４ｂの邪魔板３にグラニュール汚泥が沈積して流動性が不十分となり、３０Ｋｇ／ｍ^３／ｄ以上の高負荷処理は困難となる。
なお、邪魔板の占有断面積がリアクター断面積の１／２以下だと、発生ガスの捕捉が不十分となり、気液固の分離に不具合が生じる。つまりリアクターの中心よりガスが上方へ抜けてしまい、後記のＧＳＳ部５にガスを十分に集積させることができなくなる。
区分スラッジゾーン４ａ、４ｂの上部は、ＧＳＳ部５を形成している。このＧＳＳ部５（５ａ、５ｂ）は、リアクター２の上部側半分の位置に設置する。
反応が始まると、発生ガスが集積する気相部５ａには、外部と通じる発生ガス回収配管６の排出口を設けている。

なお、気相部５ａから接続されている発生ガス回収配管６の吐出口は、水を充填した水封槽７の水中内で開口している。
開口位置は、水圧が異なる適宜な水深位にあり、水封槽７には発生ガス回収配管６から吐出されたガス流量を測定するガスメータ８を設けてある。ガスメータ８の先には、斯様に吐出されたガスを再利用する、図示しない所定の利用施設が設けられている。
また、リアクター２の上端には、上澄液を排出する処理水配管９が開口している。

リアクター２は、嫌気性菌からなるグラニュール汚泥を投入して使用する。本発明の対象となる嫌気性処理は、３０℃〜３５℃を至適温度とした中温メタン発酵処理、５０℃〜５５℃を至適温度とした高温メタン発酵処理など、全ての温度範囲の嫌気性処理を対象としている。
嫌気性菌からなるグラニュール汚泥を投入し、有機性廃棄物などを含んだ原水を原水送液管１からリアクター２ヘ導入する。
原水を処理水の循環液や系外から供給する希釈水等により、必要に応じて適宜希釈を行い、流入水のリアクター２内部における通水速度が、１〜５ｍ／ｈとなるように調節する。

リアクター２内では、嫌気性菌からなるグラニュール汚泥の介在によって、有機性廃棄物が分解し、分解ガスが発生する。この発生ガスは、各区分スラッジゾーン４ａ〜４ｂ上端のＧＳＳ部に、それぞれ別れて集まり、それぞれ別個に気相部５ａを形成し、発生ガス回収配管６を通って水封槽７に至る。
こうした発生ガスは、気泡を形成して水面気泡部５ｂに一時的に滞留する。水面気泡部５ｂに集合した前記気泡は、やがて破裂し、発生ガスとグラニュール汚泥とが分離し、グラニュール汚泥は当初の比重に復帰して水中に潜入し、発生したガスは、発生ガス回収配管６から水封槽７を経由して、系外に排出される。
有機物が分解して清澄になった水は、リアクター２の上端から処理水配管９を経由して系外に排出される。

各ＧＳＳ部５の気相部５ａのガス圧は、互いに異なることから、その差圧は水封槽７で調整するとよい。原水送液側に近い順に水封圧を高く保持する必要がある。ガス回収の圧力の調整は、水封槽７を使用する以外にも、多くの方法があり、例えば、圧力弁等を使用すること等も挙げられる。
本発明の嫌気性処理方法においては、各区分スラッジゾーン毎に、そこで発生する発生ガスを回収することができるため、リアクターの単位断面積当たりの発生ガス量が少なくなる。
特に、処理水を流出させる処理水配管９に最も近い所では、リアクターの単位断面積当たりのガス量が小さくなる。
そのため、グラニュール汚泥の系外流出量を極く少なくすることが可能となる。

以下において、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明は、この実施例により限定されるものではない。

実施例１
図４、図５は、多段型嫌気性処理方法の実験に用いた装置の概要を示す。
Ａ系列は、傾斜する邪魔板３を５箇取り付け、装置側壁と邪魔板３との角度（θ）を４５度とした系列（従来法）を示す。これを図５に示す。
Ｂ系列は、傾斜する邪魔板３を２箇取り付け、装置側壁と邪魔板３との角度（θ）を３０度とし、装置の下部１／２の部所には邪魔板３を取り付けない系列（本発明に基づく）を示す。これを図４に示す。
Ａ系列、Ｂ系列とも、リアクターの断面積は、０．１６ｍ^２、高さ６．２５ｍ（容量１ｍ^３）、ＧＳＳ断面積は０．１１２ｍ^２（リアクター断面積の７０％）で実験した。
原水は、リアクター２の下端に接続した原水送液管１より流入し、リアクター２上部の処理水管９より処理水を得る。

リアクター２内には、有機物を分解、浄化する際に発生したガスが集まるＧＳＳ部５を有し、その上端には外部と通じる発生ガス回収配管６の排出口を設けてある。
液相部の容量は、１ｍ^３である。各ＧＳＳ部５より発生したガスの量は、水封槽７に設けたガスメータ８で計測した。
リアクター２内の水温は、３５℃になるように温度制御されている。
原水には、糖質系廃水の酸発酵処理水（ＣＯＤ７０００ｍｇ／リットル）に、無機栄養塩類（窒素、リン等）を添加したものを用いた。
処理水を循環液として、原水と共にリアクター２へ流入させることで、通水速度を２ｍ／ｈに設定した。
原水流量と処理水循環水量の割合をＣＯＤ負荷に応じて設定した。

図６に実験経過とＣＯＤの処理成績の変化を示す。両系列とも処理水ＣＯＤ濃度を見ながら、有機物負荷量を徐々に上げた。
実験経過後、約１２０日目までは略々同じ負荷量で処理できた。
約１２０日以降、ＣＯＤ負荷が３０Ｋｇ／ｍ³ ／ｄ以上になると、Ａ系列では処理水ＣＯＤが高くなった。
傾斜する邪魔板を５個取り付け、装置側壁と邪魔板との角度を４５度としたＡ系列では、ＧＳＳ部５直上部に堆積汚泥によるデッドスペースが生じ、汚泥層全体を有効に使えないこと、また、ＧＳＳ部５を装置下部まで取り付けることで、汚泥層の良好な流動を妨げ、汚泥と基質の接触が不良となるため、処理が不安定になった。このため、ＣＯＤ負荷を２５Ｋｇ／ｍ³ ／ｄに下げた。
一方、Ｂ系列では、ＣＯＤ負荷が３５Ｋｇ／ｍ³ ／ｄにおいて、安定した処理ができた。第１表に安定状態における処理成績の比較を示す。

本発明に基づくＢ系列では、ＣＯＤ負荷３５Ｋｇ／ｍ³ ／ｄ、ＣＯＤ除去率９０％、処理水ＶＳＳ３００〜４００ｍｇ／リットルであった。
一方、Ａ系列の従来法では、ＣＯＤ負荷２５Ｋｇ／ｍ³ ／ｄ、ＣＯＤ除去率９０％、処理水ＶＳＳ３００〜４００ｍｇ／リットルであった。
このように、本発明に基づく方法では、従来法に比べて高いＣＯＤ除去率を得ることができた。

Ｂ系列の本発明に基づく方法では、高いＣＯＤ負荷で運転しているにも拘らず、処理水ＣＯＤ処理成績は安定していた。また、処理水ＶＳＳ濃度は、従来法と略々同じであり、従来法に比べＧＳＳ部の数が少ない場合でも上向流嫌気性汚泥床法（ＵＡＳＢ）槽内におけるグラニュール汚泥量も安定していた。
これは、処理水を流出させる処理水配管９に最も近い所では、リアクターの単位断面積当たりのガス量が小さくなり、グラニュール汚泥の系外流出量が少なかったためである。
Ｂ系列を用いて、原水ＣＯＤ濃度７０００ｇ／リットル、ＣＯＤ負荷３０ｋｇ／ｍ³ ／ｄ、通水速度０．５〜７ｍ／ｈで処理を行ったときの定常状態における処理成績の比較を第２表に示す。

本発明に基づくＢ系列では、ＣＯＤ除去率８５％以上の安定した処理を行うためには、通水速度を１〜５ｍ／ｈ、好ましくはＣＯＤ除去率９０％以上とする場合には通水速度を２〜３ｍ／ｈに設定する必要がある。
これは、通水速度が１ｍ／ｈより少ない場合には、汚泥層で短絡流が生じるため、汚泥層全体を有効に使用し得ないためである。
また、通水速度が５ｍ／ｈより高い場合には、処理水のＶＳＳが１５００ｍｇ／リットル以上となり、リアクター２内の汚泥量を安定して維持できないために、処理性が悪化したことによる。

本発明の上向流嫌気性処理装置の一形態を例示した模式図。 従来の上向流嫌気性処理装置の一形態を例示した模式図。 図２の従来の上向流嫌気性処理装置の一形態に、原水を分注する方式を加味した上向流嫌気性処理装置の一形態を例示した模式図。 実験に用いた本発明の上向流嫌気性処理装置の概要を例示した模式図。 実験に用いた従来の上向流嫌気性処理装置の概要を例示した模式図。 実験経過とＣＯＤ処理成績の変化を示す図。

符号の説明

１ 原水送液管
１ａ〜１ｄ 分注管
２ リアクター
３ 邪魔板
４ａ〜４ｈ 区分スラッジゾーン
５ ＧＳＳ部
５ａ 気相部
５ｂ 気泡部
６ 発生ガス回収配管
７ 水封槽
８ ガスメータ
９ 処理水配管

Claims (3)

1. 有機性廃水または廃棄物をガス、液及び固液分離部を多段に有する上向流嫌気性汚泥床処理装置により、嫌気処理する方法において、前記装置本体側壁との角度が３５度以下である該ガス、液及び固液分離部を装置の上部５０％の範囲内に取り付け、かつ、被処理原水を直接、若しくは希釈処理を行うことを特徴とする有機性廃水または廃棄物の嫌気性処理方法。
2. ガス、液及び固液分離部を多段に有する上向流嫌気性汚泥床処理装置において、装置本体側壁との角度が３５度以下である該ガス、液及び固液分離部を装置の上部５０％の範囲内に取り付け、直接、若しくは希釈処理を行った被処理原水を流入する供給管を設けたことを特徴とする嫌気性処理装置。
3. 各占有面積が装置断面積の２分の１以上となる邪魔板により形成されるガス、液及び固液分離部を有することを特徴とする請求項２記載の嫌気性処理装置。

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