JP2007069212A - 有機性排水の処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高濃度の有機物、リン及び窒素を含有する廃水から、リン酸マグネシウムアンモニウム結晶として除去するＭＡＰ処理法の、薬剤の使用量を低減するとともに、窒素及びリンの除去効率を大幅に改善する方法及び装置を提供する。
【解決手段】有機性排水を生物反応槽で処理し、その生物反応槽において発生した汚泥を嫌気性醗酵工程に導入し、嫌気性醗酵工程の途中または終了後生成した消化汚泥中のリン及び窒素を、リン酸マグネシウムアンモニウムの形態にして系外に取り出す工程（１）を組み入れている処理方法において、前記工程（１）の後にリン及び窒素を含有する該消化汚泥を減圧処理する減圧処理工程（２）を組み込み、前記工程（２）を経た消化汚泥を前記嫌気性醗酵工程に戻すことを特徴とする有機性排水の処理方法、及びその装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、下水処理場や各種廃水処理施設等において有機性排水を処理する方法及び装置に係わり、更に詳しくは、し尿や浄化槽汚泥の消化脱離液、汚泥の消化液、化学工場排水などの高濃度の有機物、リン及び窒素を含有する有機性排水から、リン等をリン酸マグネシウムアンモニウム結晶として除去する処理において、薬剤の使用量を軽減化するとともに、窒素及びリンの除去効率を大幅に改善する処理方法及び処理装置に関するものである。

従来の一般的な脱窒、脱リンの同時処理方法としては、嫌気無酸素好気法などの生物学的処理方法や、嫌気好気法、凝集沈殿法、アルミナ吸着法等を組み合わせた方法が多い。また、近年、し尿処理や下水処理の工程で発生する返流水や嫌気性消化脱離液等を対象として排水中のリン及び窒素をリン酸マグネシウムアンモニウム（ＭＡＰ）結晶として除去するＭＡＰ処理法等も試みられている。

しかしながら、これらの処理方法の内、嫌気無酸素好気法は、水質の変化や季節変動に伴う外部環境の変化により、処理性能が安定しない等の問題があり、嫌気好気法と凝集沈殿法等を組み合わせた方法は、処理工程が煩雑な上に薬品代をはじめとするランニングコストが大きい等の問題があった。
ＭＡＰ処理法は、先の２法に比べて運転操作の煩雑さは少なく、特にリンの回収を安定的に行える上、回収されるＭＡＰは優れた肥料としての付加価値があり、資源の有効利用の点からも優れたリン及び窒素の除去技術といえる。しかし、ＭＡＰ法の場合も、ｐＨ調整剤としての水酸化ナトリウムや添加剤として塩化マグネシウム等の薬品コストがかかる他、比較的ＳＳ濃度が小さい（３０００ｍｇ／リットル程度）場合においてのみ、正リン酸態リン濃度を約６〜７割程度除去することができる。つまり、高濃度の汚泥中に含まれる微細なＭＡＰ粒子はほとんど回収されず、汚泥とともに処分されるだけで、窒素とリンの回収技術としては問題があった。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決することを目的とする。すなわち、本発明は有機性排水処理システムの中で、特に有機物、窒素、リンを含有する有機性排水、例えばし尿や浄化槽汚泥の消化脱離液、汚泥の消化液、化学工場排水などの高濃度の有機物、リン及び窒素を含有する排水から、リン酸マグネシウムアンモニウム結晶として除去するＭＡＰ処理法において、薬剤の使用量を軽減化するとともに、窒素及びリンの除去効率を大幅に改善する処理方法及び装置を課題とするものである。

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討を行い、有機性排水中のリン及び窒素をリン酸マグネシウムアンモニウム結晶として除去するＭＡＰ処理工程に加えて減圧処理工程を付加することにより、薬剤の使用量の低減とともに、窒素及びリンの除去効率が大幅に向上することを知見し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、下記の有機性排水の処理方法及びその装置により、上記課題を解決した。
（１）有機性排水を生物反応槽で処理し、その生物反応槽において発生した汚泥を嫌気性醗酵工程に導入し、嫌気性醗酵工程の途中または終了後生成した消化汚泥中のリン及び窒素を、リン酸マグネシウムアンモニウムの形態にして系外に取り出す工程（１）を組み入れている処理方法において、前記工程（１）の後にリン及び窒素を含有する該消化汚泥を減圧処理する減圧処理工程（２）を組み込み、前記工程（２）を経た消化汚泥を前記嫌気性醗酵工程に戻すことを特徴とする有機性排水の処理方法。
（２）有機性排水を生物学的に処理する排水処理装置において、有機性排水を生物学的に処理する生物反応槽と、前記生物反応槽からの汚泥を嫌気性発酵させる嫌気性発酵槽と、前記嫌気性発酵槽にて生成した消化汚泥についての処理経路に、リン酸マグネシウムアンモニウム反応槽を経る減圧処理装置を設け、前記減圧処理装置を経た消化汚泥を前記嫌気性発酵槽に戻す経路を備えたことを特徴とする有機性排水の処理装置。

（３）有機性排水を生物学的に処理する排水処理装置において、有機性排水を流入水として供給する被処理水流入管と接続し、脱水装置への濃縮汚泥配送管を設けた最初固液分離槽と、前記最初固液分離槽の分離水排出側に設けた、前記脱水装置への濃縮汚泥配送管を有する中間分離槽、次いで生物反応槽、更に嫌気性醗酵槽への濃縮汚泥配送管を設けた最終固液分離槽と、前記脱水装置のケーキ排出側に前記嫌気性醗酵槽へのエネルギー回収手段を設置したケーキ燃焼装置と、メタンガス回収装置を設けた嫌気性醗酵槽の排出側にリン酸マグネシウムアンモニウム反応槽、さらに減圧処理装置を設け、前記減圧装置を経た消化汚泥を前記嫌気性醗酵槽に戻す経路を備えたことを特徴とする有機性排水の処理装置。

本発明によれば、有機性排水処理システムの中で、特に有機物、窒素、リンを含有する排水、例えばし尿や浄化槽汚泥の消化脱離液、汚泥の消化液、化学工場排水などの高濃度の有機物、リン及び窒素を含有する排水から、リン酸マグネシウムアンモニウム結晶として除去するＭＡＰ処理法において、薬剤の使用量を低減化するとともに、窒素、及びリンの除去効率を大幅に改善することができた。

以下、本発明の実施の形態を作用とあわせて説明する。
上記課題を解決する方法として、本発明では以下に図１及び図２に示す基本処理フローからなる有機性排水の処理方法を提案する。
すなわち、有機性排水を処理する方法であって、該排水中のリン及び窒素をリン酸マグネシウムアンモニウムの形態にして系外に取り出す工程（１）（「ＭＡＰ処理工程」という）を組み入れている方法において、リン及び窒素を含有する排水を減圧処理する工程（２）を組み込むことで、対象液中に溶存する炭酸や硫化水素等の成分を気相に排出することにより、対象液中のｐＨを高めることになる。その結果、従来対象液にｐＨ調整剤として比較的多量に添加する必要のあった水酸化ナトリウムなどの薬剤の添加量を軽減することができる。

図１において、有機性排水を流入ＳＳ固液分離槽１に導入して固形分を沈殿させ、その上澄み水を膜分離手段を備えた中間分離槽６（これは場合によっては設けなくてもよい）へ送り、沈殿した汚泥又はその濃縮汚泥は脱水装置１０へ送る。中間分離槽６で分離した分離水は、生物反応槽３へ送り、そこで例えば活性汚泥法で好気性生物反応を行わせて処理し、微生物固液分離槽５で汚泥を沈殿分離して清浄化された処理水として流出する。
この処理方法において、微生物固液分離槽５で沈殿分離された汚泥は濃縮汚泥３１として系外に出されるが、この濃縮汚泥３１はリン及び窒素をより高度に濃縮されたものとなっているので、これからリン及び窒素をリン酸マグネシウムアンモニウムの形態にして得ることができれば有価物の回収ができる。

そこで、この濃縮汚泥３１を嫌気性発酵槽４に入れて嫌気性発酵工程を行わせると、有機物が分解してメタンガスが発生し、有機物の量が減少した消化汚泥４１が得られる。そこでは、数百〜数千のアンモニア態窒素及び正リン酸態リンを含有し、Ｍアルカリ成分や硫化水素の高い含有率を持つ消化汚泥を生成される。
その消化汚泥４１または消化工程途中の汚泥４２の全部または一部を減圧装置２に送り、減圧処理を行う。消化汚泥４１、消化途中汚泥４２は、減圧下の条件下にすると液から炭酸ガスや硫化水素、及び遊離アンモニアが放出され、それに伴って水酸イオン分が増加する。この液をＭＡＰ第１槽２１に送り、Ｍｇ源としてのＭｇＣｌ₂ 等を添加すると、水酸化ナトリウム等のｐＨ調整剤を添加しない、または少量添加するだけでＭＡＰ生成反応が進行する。ＭＡＰ第１槽２１は、ＭＡＰ粒子を形成する機能とＭＡＰ粒子を系外に分離する機能を兼ね備えている。ＭＡＰ第１槽２１を経た消化汚泥４３は、嫌気性発酵槽４に戻されて、再び嫌気性発酵工程を経る。消化汚泥４３は、減圧装置２とＭＡＰ槽２１を経る間に、液中の炭酸ガス、硫化水素、遊離アンモニア、正リン酸態リン、水酸イオン、アンモニウムイオン等の嫌気性発酵の活性を低下させる物質が減少している上、汚泥中の微生物の一部が減圧処理によるダメージを受けて分解されやすい形態となっていることから、他の微生物の分解対象となり消化汚泥４３は、汚泥４１、４２と比較して嫌気性発酵工程が進行し易く、嫌気性発酵槽４の有機物の分解率を向上させる。

このように、汚泥は嫌気性発酵槽４、減圧装置２、ＭＡＰ第１槽を循環することにより、発酵による分解率を高くすることができ、分解された炭素分はメタンガスに、窒素分、リン分はＭＡＰに、それぞれ有用な形態で回収される。さらにＭＡＰ第１槽から嫌気性発酵槽４に戻して循環させてもよい。
この場合の嫌気性発酵槽４、減圧装置２、ＭＡＰ第１槽はこの順序に限定されなくてもよく、汚泥の性状によっては例えば嫌気性発酵槽４、ＭＡＰ第１槽、減圧装置２の順に循環する場合も有効である。さらに減圧装置２から嫌気性発酵槽４に戻して循環させてもよい。また、この一連の工程において汚泥中に析出したＭＡＰ粒子の多くはＭＡＰ第１槽において回収されるが、嫌気発酵槽の有機物分解レベルによっては、汚泥中に正リン酸態リンやアンモニア態窒素が依然高濃度で存在する場合がある。そのため、ＭＡＰ粒子を取り除かれた後の消化汚泥４１は、高分子凝集剤等で凝集した後に脱水処理し、その脱水ろ液をＭＡＰ第２槽、Ｍｇ源としてのＭｇＣｌ₂ 等と、水酸化ナトリウム等のｐＨ調整剤を添加することにより脱水ろ液中の正リン酸態リンとアンモニア態窒素をＭＡＰ粒子として回収することができる。

減圧装置２に於ける減圧の条件としては、減圧の程度が大きい程、炭酸ガスや硫化水素の放出量が多くなり、効果的ではあるが、減圧のための動力が大きくなる。適切な減圧の程度としては８０〜３６０ｈｐａｓが好ましい。
一方、脱水装置１０に入った濃縮汚泥１１及び濃縮汚泥６１は脱水され、脱水汚泥はケーキ燃焼装置７に送られ、そこで燃焼し、エネルギー回収手段８により嫌気性醗酵槽４を加温して嫌気性醗酵が助長するようにすると効果的である。さらに、嫌気性醗酵槽４で発生するメタンガスはメタンガス回収手段９により回収して、それを別に燃焼させ、その燃焼熱で嫌気性醗酵槽４を加温するようにすることができる。

このように、生物反応槽３において発生した汚泥の一部を嫌気性醗酵工程４に導入し、嫌気性醗酵工程の途中または終了後の消化汚泥４１に対して減圧処理を行う工程（２）と、ＭＡＰ処理工程（１）を組み入れることにより、数百〜数千のアンモニア態窒素及び正リン酸態リンを含有し、炭酸や硫化水素の高い含有率を持つ消化汚泥を生成させつつ、脱炭酸や脱硫化水素による水酸化イオンの増加に伴い、ＭＡＰ生成の進行が促進され易くなるとともに、ＭＡＰ粒子回収後の汚泥を嫌気性発酵槽に戻すことで、嫌気性発酵反応が促進される。

また、減圧処理工程（２）としては特開平７−１３６４０６号公報に開示されているような脱気装置（以後、薄膜真空脱気装置と称する）を使用することが望ましい。すなわち、真空容器内で回転する有底のふるい体の遠心力により対象液体を加速して対象液体を該真空容器内の壁面に衝突させ、対象液体中の気体を除去する方式の連続脱気装置を採用する方法を採用することにより、減圧処理による脱炭酸や脱硫化水素の効果を大幅に増すことが可能となる。
また、減圧処理工程はＭＡＰ処理工程の前後いずれであってもよい。更に、図１に示すように嫌気性醗酵工程とＭＡＰ処理工程と減圧処理工程を繰り返し行ってもよい。すなわち、嫌気性発酵工程、ＭＡＰ処理工程、減圧処理工程間の循環はそれぞれ往復させることもできる。
図２は、図１の汚泥処理系のものを排水処理系に応用したもので汚泥系のものと同様の作用効果が得られた。図２では、排水又は生物処理水１２を減圧処理槽２で処理後、ＭＡＰ反応槽２３でＭＡＰ処理する。この際、ＭＡＰ反応槽２３より減圧処理槽２に対し循環させてもよい。ＭＡＰ反応槽２３で処理した水はＭＡＰ処理水１４として、生成物はＭＡＰ生成物１５として排水される。

次に、本発明を実際に組み込んだ実験プラントの運転結果の一例について詳細に説明する。図１に実験プラントのフローを示す。
実施例１
すなわち、本発明では、流入ＳＳ固液分離槽１、活性汚泥が浮遊する生物反応槽３、微生物固液分離槽５を含む有機性排水処理システムにおいて、流入ＳＳ固液分離槽１において分離した初沈汚泥の濃縮汚泥１１、すなわち脱水性が比較的良く、高カロリーで、窒素とリンの含有率が低いＳＳ成分を、脱水装置１０により脱水処理することにより、排水処理系から多量の有機成分を取り除き、脱水ケーキをケーキ燃焼装置７において燃焼する。
また、微生物固液分離槽５において分離した余剰汚泥またはその濃縮汚泥３１、すなわち脱水性が比較的悪く、低カロリーで、窒素とリンの含有率が高い成分を、嫌気性醗酵槽４において消化し、嫌気性醗酵工程で生成する消化汚泥４１、すなわち高濃度の窒素、リン及びアルカリ成分を含有する成分からリン酸マグネシウムアンモニウムの形態でリンと窒素を回収する。

その際、有機性排水が活性汚泥が浮遊する生物反応槽３に流入する工程の前に、流入ＳＳ固液分離槽１の分離水中に残存する懸濁成分を分離する中間固液分離槽６を設け、かつ、中間固液分離槽６において分離した中間汚泥またはその濃縮汚泥６１を、脱水装置１０により脱水する工程を含むことにより、カロリーが高く、脱水性の良いＳＳ性有機物を脱水し、脱水ケーキとして排出することで水処理系外に分離する。

更に、脱水装置１０により脱水処理した初沈汚泥またはその濃縮汚泥１１、または中間汚泥またはその濃縮汚泥６１の脱水ケーキを燃焼させるケーキ燃焼装置７、ケーキ燃焼装置７において発生するエネルギーを回収する燃焼エネルギー回収手段８、嫌気性醗酵槽４で生成するメタンガス等を回収するメタンガス回収手段９などの手段を利用することにより、プラントのエネルギー消費量の軽減化を効率的に行う。

その上に、ＭＡＰ第１槽２１の後に、生物反応槽３において発生した汚泥の一部を嫌気性醗酵槽４に導入し、嫌気性醗酵工程の途中または終了後の消化汚泥４１に薄膜真空脱気装置を減圧装置２として使用することにより、脱炭酸や脱硫化水素による水酸化イオンの増加を行い、ＭＡＰ生成の進行を促進する。ＭＡＰ粒子回収後の汚泥は嫌気性発酵槽に戻した。
ＭＡＰ第１槽では、０．５ｍｍ以上に成長したＭＡＰ粒子を、比重比を利用して系外に取出す機構を組み込んだ。また嫌気性発酵槽４から排出される消化汚泥は脱水装置１０により脱水し、脱水ケーキは、ケーキ燃焼装置７により燃焼し、脱水ろ液はＭＡＰ第２槽により再び窒素とリンを回収した。対象水は、下水処理場に流入する汚水を利用した。

図１に示す実施例では、水質がＢＯＤ２００ｍｇ／リットル、ＳＳ１８０ｍｇ／リットル、流量が９００ｍ³ ／日の流入水に対し、処理水の水質がＢＯＤ２０ｍｇ／リットル、ＳＳ１０ｍｇ／リットルであった。また、流入ＳＳ固液分離槽１からの濃縮汚泥１１と中間分離槽６からの濃縮汚泥６１を混合したものは、ＳＳ３０ｇ／リットル、流量が３．５ｍ³ ／日であった。これを脱水装置１０で脱水した汚泥ケーキは含水率６８％、２４０ｋｇ／日であった。また、この時ＭＡＰ反応槽２１で得られたＭＡＰは１４ｋｇ／日（ＭｇＮＨ₄ ＰＯ₄ ・６Ｈ₂ Ｏとして）であった。ＭＡＰ第１槽２１に添加するｐＨ調整剤であるＮａＯＨの量は０．２ｋｇ／日であり、減圧がないＭＡＰ処理のみの場合の３．０ｋｇ／日に対して約９３％以上削減できた。ＭＡＰ第２槽に添加するｐＨ調整剤であるＮａＯＨの量は１．１ｋｇ／日であった。また、嫌気性発酵槽の有機物の消化率は、ＭＡＰ処理のみの場合が４５％に対して本発明では８５％であり、消化汚泥中の窒素、リンからのＭＡＰとしての回収率は、ＭＡＰ処理のみの場合がそれぞれ４％、３２％に対して本発明ではそれぞれ１２％、８４％であり、本発明の回収率が高かった。

実施例２
また、図２に示すように、ＭＡＰ処理を組み込んだ有機性排水の処理システムの中のＭＡＰ反応槽に対するプロセス水に対して、減圧処理槽において減圧処理を行うことにより、ＭＡＰ生成効率は高まる。
第１表にＡ工場排水の排水処理システムにおけるＭＡＰ反応槽に流入する流入水に対してＭＡＰ処理を施した場合と施さない場合の処理水質とＭＡＰ生成量の比率を示す。表に示すように、既存のＭＡＰ処理施設では、Ｍｇ添加剤、及びアルカリ剤を十分添加しているにもかかわらず、処理対象のリン、及び窒素をそれぞれ９．８ｍｇ／リットル、４１０ｍｇ／リットルまでしか処理することができなかったのに対し、本発明のフローの減圧処理工程をＭＡＰ処理工程の前段に行うことにより、Ｍｇ添加剤、及びアルカリ剤を既存設備より少なくしているにもかかわらず、処理水中のリン、及び窒素はそれぞれ２．１ｍｇ／リットル、３３０ｍｇ／リットルまで低下しており、省薬品量、高効率除去を可能にした。
ＮＨ₃ −Ｎの濃度が化学量論的なマスバランスと食い違う点に関しては、減圧処理とアルカリ処理の併用によるアンモニアストリッピングによる減少が生じている可能性があるが、現時点においては明確にわかっていない。

本発明は、有機性排水処理システムの中で、特に有機物、窒素、リンを含有する有機性排水、例えばし尿や浄化槽汚泥の消化脱離液、汚泥の消化液、化学工場排水などの高濃度の有機物、リン及び窒素を含有する排水から、リン酸マグネシウムアンモニウム結晶として除去するＭＡＰ処理法において、薬剤の使用量を軽減化するとともに、窒素及びリンの除去効率を大幅に改善する処理方法及び装置として用いることができる。

本発明の有機性排水の処理方法を示すブロック図である。 本発明における、ＭＡＰ反応槽に対するプロセス水に対して、減圧処理槽において減圧処理を行う処理方法のブロック図を示す。

符号の説明

１ 流入ＳＳ固液分離槽
２ 減圧装置
３ 生物反応槽
４ 嫌気性醗酵槽
５ 微生物固液分離槽
６ 中間分離槽
７ ケーキ燃焼装置
８ エネルギー回収手段
９ メタンガス回収手段
１０ 脱水装置
１１ 濃縮汚泥
１２ 排水
１３ 減圧処理水
１４ ＭＡＰ処理水
１５ ＭＡＰ生成物
２１ ＭＡＰ第１槽
２２ ＭＡＰ第２槽
２３ ＭＡＰ反応槽
３１ 濃縮汚泥
４１、４２、４３ 消化汚泥
６１ 濃縮汚泥

Claims (3)

1. 有機性排水を生物反応槽で処理し、その生物反応槽において発生した汚泥を嫌気性醗酵工程に導入し、嫌気性醗酵工程の途中または終了後生成した消化汚泥中のリン及び窒素を、リン酸マグネシウムアンモニウムの形態にして系外に取り出す工程（１）を組み入れている処理方法において、前記工程（１）の後にリン及び窒素を含有する該消化汚泥を減圧処理する減圧処理工程（２）を組み込み、前記工程（２）を経た消化汚泥を前記嫌気性醗酵工程に戻すことを特徴とする有機性排水の処理方法。
2. 有機性排水を生物学的に処理する排水処理装置において、有機性排水を生物学的に処理する生物反応槽と、前記生物反応槽からの汚泥を嫌気性発酵させる嫌気性発酵槽と、前記嫌気性発酵槽にて生成した消化汚泥についての処理経路に、リン酸マグネシウムアンモニウム反応槽を経る減圧処理装置を設け、前記減圧処理装置を経た消化汚泥を前記嫌気性発酵槽に戻す経路を備えたことを特徴とする有機性排水の処理装置。
3. 有機性排水を生物学的に処理する排水処理装置において、有機性排水を流入水として供給する被処理水流入管と接続し、脱水装置への濃縮汚泥配送管を設けた最初固液分離槽と、前記最初固液分離槽の分離水排出側に設けた、前記脱水装置への濃縮汚泥配送管を有する中間分離槽、次いで生物反応槽、更に嫌気性醗酵槽への濃縮汚泥配送管を設けた最終固液分離槽と、前記脱水装置のケーキ排出側に前記嫌気性醗酵槽へのエネルギー回収手段を設置したケーキ燃焼装置と、メタンガス回収装置を設けた嫌気性醗酵槽の排出側にリン酸マグネシウムアンモニウム反応槽、さらに減圧処理装置を設け、前記減圧装置を経た消化汚泥を前記嫌気性醗酵槽に戻す経路を備えたことを特徴とする有機性排水の処理装置。

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