JP2007326016A - 生物学的廃水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ディスポーザー排水などの処理負荷の大きい排水の処理方法。
【解決手段】生ごみのディスポーザー処理排水を含む排水を下水処理場で処理する前に、発生原である建築物や小規模住宅地において、他の各種排水とディスポーザー排水とを分別収集し、各種排水を前処理沈殿槽、好気曝気槽、嫌気沈殿槽の順で処理し、ディスポーザー排水を別途消化槽によってメタン醗酵処理を行って消化汚泥と分離水とに分離し、該分離水を上記一般排水の処理液と合流して三相並存槽及び魚類の養殖槽を経て、処理浄化する。
三相並存槽は、上層から下層へと酸素濃度勾配を形成して、好気性菌、嫌気性菌、通性好気性菌の三相共存条件を形成して、小分子有機物、無機塩類の分解と共に嫌気性菌により生成したアンモニア、硫化水素などの悪臭物質を無臭化する。
養殖槽において、植物育成と魚類養殖により硝酸塩、リン酸塩を消費させて、既存の下水処理施設の処理負担を軽減する。
【選択図】なし

Description

本発明は、生物学的廃水処理方法に関し、特に集合住宅や小規模住宅地などの小型汚水浄化システム内に処理槽を設置し、これらの居住空間で生じた各種の排水を、五つの段階を構成するそれぞれ五つの水槽で処理して後、既存の下水処理設備に流入させることにより既存の下水処理設備の負荷を低減する処理方法に関する。

通常、都市インフラ整備が発達すれば、水源の供給及び排出は何れも相当容易になり、往々にして廃水を河川又は海に排出するが、これらの河川の汚水の出所由来は多種多様で複雑であるため、それを処理するのに必要なコスト及び規模は膨大である。通常、ディスポーザーは家庭で生じた生ごみのごみ収集車による回収を不要にすることで環境衛生の向上に役立つ技術として期待されているものの、家庭のディスポーザーから放出される排水をそのまま下水処理工場に放出して処理すると、通常メタン発酵槽のような装置を増設する必要がある。これらのディスポーザーによる生ごみ排水を直接下水道に放出すると、既存の下水処理場にとって処理負荷が過大となり、ディスポーザーの普及を妨害する一方、また多数の下水処理場では、発生した初期沈澱した汚泥及び凝集沈殿汚泥（余剰汚泥）を消化槽に投入してメタン発酵処理を行う必要があるが、消化槽内の凝集沈殿汚泥から溶出するリンはまさに放流水の水質悪化又は高度処理負荷の増大をもたらす原因となっている。なおこの時、生成された消化ガスは主に消化槽の加温に用いられる。
もし、これらの処理に当たって、先行処理を行えば、汚水処理を容易にすると同時に、環境を汚染から守られる。例えば、日本特開2002-86124号公報で記述した微生物製剤とオゾン及び、高性能水中エアレータ等の処理システムにより生ごみディスポーザー排水を処理する方法は、生ごみのディスポーザー排水を沈殿池で固液分離し、そして下水処理場又は自家用の浄化処理施設等で処理する技術として周知されている。また、日本特開平8-39092号公報、日本特開平10-323685号公報には、曝気槽の後端に設置された最終沈殿池から分離された余剰汚泥を消化槽に投入することで汚泥の減量化を図る技術が記載されている。このため、如何にして大型建築物や小規模住宅地で生ごみのディスポーザー排水を浄化処理可能なシステムを構築するかが、急務となっている。
特開2002-86124号公報 特開平8-39092号公報 特開平10-323685号公報

上述した各問題点に鑑み、本発明の目的は、下水処理場の余剰汚泥を消化槽に投入することなく、生ごみのディスポーザー排水を受け入れて余剰汚泥部分の有機物量をメタン発酵により処理して、既存の下水処理場の処理負荷を増大することなく生ごみのディスポーザー排水の処理を可能にすると共に、消化槽も余剰汚泥からリンが溶出する生ごみディスポーザー排水を避けることができる、集合住宅などの大型建築物や小規模住宅地で実施可能な生ごみのディスポーザー排水浄化処理システムを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、生ごみのディスポーザー排水を下水処理場に流入させて処理する前に、集合住宅や小規模住宅地で生ごみのディスポーザー排水を浄化処理できるシステムを構築する方法である。
該方法は、建築物や小規模住宅地にそれぞれ簡易な本発明の処理設備を設置して、居住空間で生じた各種の異なる排水を配管方式によりそれぞれ居住域から収集して、これらの処理設備において、A.前処理沈殿槽、B.好気曝気槽、C.嫌気沈殿槽、D.三相並存槽、E.養殖槽、の五つの水槽を用いて五段階の浄化作業を行い、
且つ微生物を培養する生物分解法を用いて汚水の浄化及び化合物の分解を行う工程を含み、それぞれ五つの水槽で五段階の処理及び浄化作業を行って後、既存の下水処理設備に収集して処理及び浄化作業を行うシステムである。

本発明に係わる生物学的廃水処理施設において用いられた生物学的処理システムは、主に微生物を利用して廃水中の生物学的に分解可能な物質を処理するシステムであって、分解作用に酸素が必要か否かによって、好気式生物学的処理及び嫌気式生物学的処理に大別される。好気式生物学的処理方法には、活性汚泥法、散水濾床法、オキシデーションディッチ法（酸化溝法）及び曝気ラグーン法等多様な種類があり、主な原理は廃水中の有機物質を酸化代謝物に変換することである。嫌気式生物学的処理は、無酸素状態下で有機物の分解を行うことである。その作用は二段階に分けることができ、第1段階は酸化段階で、酸生成菌の作用で、有機酸、アンモニア及び二酸化炭素に変換する。第2段階はメタン化段階で、メタン化菌の作用で更に有機酸をメタン化し、二酸化炭素、硫化水素、酸素ガス及び窒素ガスに変換させる。嫌気法は高濃度廃水の処理に適し、且つ脱窒素することができ、必要な空間が比較的大きい反面、曝気する必要がなく攪拌するのみで良いため、比較的少ないエネルギー又は人力で操業することができる。嫌気／好気システムは、ただケルダール窒素を硝酸塩に変換することに止まり、総窒素の除去効果は比較的低く、総窒素の除去率の向上を図るなら、リンの除去効果への影響は免れない。

本発明の方法を順調に行わせるために、三相（好気性菌、嫌気性菌、通性好気性細菌）並存の生物変換法を用い、嫌気的処理により生成されたアンモニア及び硫化水素などの悪臭を酸化処理で順調に排除した。一方、脱硝・脱リンが両立できない問題点は、生物的浄化水槽において硝酸塩及びリン酸塩を生物成長に必要な栄養物質に変換させてから養殖池に注入することで解決した。生物的浄化水槽の植物を魚類の飼料へ転換することができる。養殖池に養殖されている魚類は、水処理の生物学的安全性を反映することができ、同時に一部の検査指標になる。当然、より弱い魚及びうなぎを生物指標にすることで、本発明方法の安定性を向上させることができる。
本発明に係わる生物学的廃水処理施設は、生ごみのディスポーザー排水を下水処理場に流入させて処理する前に、集合住宅や小規模住宅地に処理水槽を設置し、配管方式により居住空間で生じた各種の異なる排水と生ごみのディスポーザー排水とをそれぞれ分別収集して、処理負荷の大きいディスポーザー排水を消化槽に投入してメタン醗酵処理を行ない、脱水汚泥と分離液に分離して得られる浄化水と他の各種の異なる排水を、A.前処理沈殿槽、B.好気曝気槽、C.嫌気沈殿槽の順で処理して得られる処理水に合流させて、次のD.三相並存槽、E.養殖槽との処理浄化工程を行ない、これらの微生物を培養する生物分解法を用いて、汚水浄化及び化合物の分解を行なう施設である。
以下、本発明に係わる生物学的廃水処理施設の五段階浄化作業工程に必要な槽体の機能について個別に説明する。

1. 前処理沈殿槽
本槽は、主に廃水の前処理、すなわち懸濁固形物の沈殿に用いる。前処理は廃水中の強酸、強アルカリを中和することで、処理槽中の脆弱な生物相を保護することを含む。このほか、本槽中に花の鞘を加えて分解可能な生物性接触ろ材にすることができると同時に、花の鞘を介して槽内微生物が必要な希有元素を豊富にさせることにより、収集された生ごみのディスポーザー排水で槽内の養分と微生物相を豊富にさせることができる。

2. 好気曝気槽
本槽は、主に好気性菌による有機化合物及び無機塩類の分解に用いる。廃水中の有機化合物及び無機塩類を順調に分解させるため、同槽内に無毒、無菌の（Microbe−Lift）一般微生物を添加し、そして糖蜜を加え添加した微生物を培養繁殖する。曝気による好気的環境下で一週間繁殖させた後、廃水の注入を開始する。Microbe−Lift微生物は38種類の安定した菌株を有する製品で、曝気による好気的環境下、そのうちの15株の好気菌は成長の優勢を占めている。本槽における微生物相をより安定化させるため、本槽内に二種類の接触ろ材を添加し、糖蜜により一週間培養栽培した後の接触ろ材を観察した結果、その上に多数の細菌が生長していた。

3. 嫌気沈殿槽
本槽は、好気分解後の廃水の懸濁固形物の沈殿に用い、この他本槽の沈殿ピットは、有機化合物をさらに分解させる嫌気生物処理に兼用されうる。嫌気式生物処理は二段階からなる。第1段階は酸化段階で、酸生成菌の作用下で、有機物を有機酸、アンモニア窒素及び二酸化炭素に変化させる。第2段階はメタン化段階で、メタン化菌の作用で更に有機酸をメタン、二酸化炭素、硫化水素、水素ガス及び窒素ガスに変換させる。嫌気法は高濃度廃水を処理でき、且つ脱窒素することができる。
本槽における沈殿ピットで均一攪拌を行うことができる一方、曝気の必要がないため、必要なエネルギー又は人力は比較的少ない。このほか、好気処理された生物汚泥の微生物は初期廃水処理に寄与するため、沈殿した生物汚泥を前段の槽に返送させて循環利用することができる。該槽にて収集された生物汚泥は堆肥場又は糞処理場又は排水設備の整備等に用いることができる。そして沈殿槽の後段に水生植物槽を設置することで、本槽に残留する硝酸塩及びリン酸塩を用いて水生植物を成長させることができる。また、沈殿槽の容量の拡大又はろ過塔を設置することで、一部の次段階に使用される三相並存槽の菌糸を沈殿、ろ過させることができる。

4. 三相並存槽
本槽に流入される際には廃水中の大分子物質の大多数はすでに小分子有機物、有機化合物又は無機塩類に分解されている。廃水中の小分子有機化合物及び無機塩類を引き続き分解させるため、本槽中の通気盤は槽の略上方に位置され、本槽中の（Microbe−Lift） 一般微生物を三相並存の好気菌、嫌気菌、通性好気菌と同時に共生並存させる。上方に通気盤があるため、好気菌が比較的優勢を占めている。底部にいくほど酸素量の逐次減少につれ、通性嫌気菌、嫌気菌が次第に成長優勢を占めているため、槽中のアンモニア及び硫化水素のような嫌気性生物により生成された悪臭を持つ有機物を好気的処理した後、悪臭を持たない二酸化窒素及び二酸化硫黄等の生成物に転換させることで、本発明に係わる生物学的廃水処理施設で嫌気的処理により生成される悪臭の影響をもたらさない。又は、該三相並存槽の後段に沈殿槽及び水生植物槽を設置して、本槽の残留硝酸塩及びリン酸塩を用いて水生植物を成長させることができる。

5. 養殖槽
本槽に流入される水中の大多数の有機物質は分解、利用され、放流水の基準に適合すべきである。しかしながら、初歩的な評価の結果、該槽の出水口の水サンプルにおける懸濁固形物、リン酸塩量、菌含有量及び透視度は、まだ排水基準に達していない。前記三相並存槽が曝気による攪拌で、前記三相並存槽の菌糸を流出させ、検査結果を汚染した可能性が考えられる。一方、本槽から排出された排出水で養殖した観賞鯉は何れも安定且つ生息していることから、水処理の生物学的安全性を反映することができ、同時にこれらの魚類は一部の検査指標になることは明らかである。
養殖槽において、三相並存槽で処理されて形成された硝酸塩、リン酸塩類は、水生植物を養殖することによって消費される。さらに、これらの水生植物を栄養源として魚類を養殖することにより、育成することによりこれらの処理水の安全性の検査指標とすることができる。

本発明に係わる生物学的排水処理施設の五段階浄化作業を経た各槽の排出水に対しそれぞれサンプリングし且つ下記の水質検査を行い、各項目の検査指標に用いる。
各項目の指標及び監視方法は、それぞれ下記の説明通りである。
（a）pH：pH値は水溶液の酸アルカリ度を測定する指標である。一般的に家庭廃水の酸アルカリ度は中性を示しているが、有機物及び微生物の増加に伴い、pH値はアルカリ性に偏りうる。
工業又は実験用水は、強酸又は強アルカリ性になりやすいため、pHに影響する最も主な原因となっている。本発明の実施例におけるpH値はガラス電極で直接測定したものである。
（b）水温：温度計で直接測定した。国家排出基準は35℃以下である。
（c）生物化学的酸素要求量：標準方法NIEA （National Institute of Environmental Analysis;台湾環境庁実験所）W510.54Bで、地表水における微生物が有機物を分解する過程で消耗すべき水中の溶存酸素の量である生物化学的酸素要求量を測定する。一般的に生物化学的酸素要求量は試料を20℃で5日間インキュベートして、キロリットル当たりの水が消耗する水中溶存酸素のミリグラム数を測定しているため、生物化学的酸素要求量は通常BOD5で表わされ、その意義は試料水が有機物による汚染状態の指標である。
（d）化学的酸素要求量：地表水体における化学酸化剤により酸化されうる物質の量を指す。一般的にはキロリットル当たりの水試料中の過マンガン酸カリウムや重クロム酸カリウムに消耗される溶存酸素のミリグラム数を測定する。化学的酸素要求量は微生物により酸化できない一部の有機物質を酸化させることができるため、通常生物化学的酸素要求量を若干上回る。

（e）透視度検査：透視度は試料水の光学的性質、色度及び濁度を表わす。透視度の検査は、透視度計に水試料を満杯にした後、外部光源が1000−2000Lux（キャンドルライト/m²）である環境下、上方より観察しながら、標識板の十字が二重に呈していることがはっきり識別できるまで底部から放水する。国家排出基準として、透視度は15センチメートル以上であるべきである。
（f）アンモニア窒素含有量：アンモニアは水中の窒素含有有機物が分解された後の生成物で、窒素含有有機物は最初に嫌気処理によりアンモニア窒素に分解されるため、アンモニア窒素含有量が高すぎると有機物が汚染されていることを示している。窒素含有有機物は最初に嫌気処理によりアンモニア窒素に分解された後、好気的処理により引き続き亜硝酸性窒素を生成し、それから次第に反応して比較的安定的な硝酸性窒素になる。硝酸性窒素は、有機物が好気分解後の主要な安定的生成物で、水の富栄養化をもたらすことにより、緑藻を過度繁殖させる。硝酸性窒素が10mg/Lを上回ると幼児にチアノーゼ症を引き起こす可能性がある。測定時、硝酸性窒素をアンモニア窒素に還元させても良く、アンモニア窒素含有量につき、アンモニア窒素系蒸留装置で蒸留した後、強アルカリ及び過マンガン酸カリウムを加えることにより、アンモニア窒素を分離させ、次いでNessler比色法でそれを測定する。

（g）総固形分：総固形分は、総懸濁固形物及び溶解固形物の二種類に大別される。総固形分につき、清潔な蒸発皿で550℃の炉中で1時間乾燥して秤量した後、適量な水試料を蒸発皿に入れ、98℃のオーブンで水分を蒸発させた後、105℃に切り替え少なくとも1時間蒸発乾固し、乾燥器にて自然冷却された後、再び秤量する。総懸濁固形物の測定法は総固形分の測定法と類似しているが、ただ最初にろ紙を湿潤させた後、アルミ箔紙上に置き乾燥させ、次いで負圧式フィルターで水試料の懸濁固形物をろ過した後、蒸発乾固して秤量する。
（h）油脂含有量：家庭廃水中の油脂は、厨房又は石鹸等の洗浄剤の乳化材によってもたらされたものである。油脂含有量の測定は、ノルマルヘキサン抽出物質の含有量で表わし、水試料からノルマルヘキサンで抽出して乾燥させた固形分を指し、鉱物性及び動物性油脂が含まれる。
（i）総無機リン酸塩含有量：無機リン酸塩は、無機リン酸塩とモリブデン酸塩によりリンモリブデン酸塩を形成させ、最後に塩化錫により還元又はモリブデン酸塩で比色法により測定して得る。
（j）細菌汚染指標：細菌量は一般的にミリリットル当たりの総コロニー数又は大腸菌コロニー含有量を細菌汚染の指標とする。その検査方法は原液、10倍希釈液、100倍希釈液との三種類の濃度で測定する。

本発明に係る生物学的廃水処理施設の五段階浄化作業における各槽からの排出水をそれぞれサンプリングして水質検査を行い、好気菌、嫌気菌、通性嫌気菌が同時共生共存している三相並存槽段階の放流水におけるアンモニア窒素含有量を測定した結果、すでに国家飲用水水質規定の基準（＜10mg/L）を下回り、養殖槽の観賞コイの養殖に用いることができる。

まず、集合住宅や小規模住宅地で、配管方式により居住空間で生じた各種の異なる排水と生ごみのディスポーザー排水とをそれぞれ分別収集して、居住空間で生じた各種の排水を順に設置されたA．前処理沈殿槽、B．好気曝気槽、C．嫌気沈殿槽、D．三相並存槽、E．養殖槽の五つの水槽に流入させ、五段階の処理及び浄化作業を行い、且つD及びE槽間に沈殿槽を設置し、そして微生物培養で生物処理を行う生物分解法を用い、汚水浄化及び化合物の分解を行う。
前処理沈殿槽で初期汚泥を分離し、しかる後好気曝気槽で生物分解処理を行い、次いで嫌気沈殿槽で固液分離処理により余剰汚泥を除去することで浄化水にさせ、前記初期汚泥と共に余剰汚泥を取替、そして生ごみのディスポーザー排水を別に設置された消化槽に投入してメタン発酵処理を行うことにより、消化槽からの消化汚泥と前記余剰汚泥を同時に脱水処理して脱水汚泥及び分離液に分離させ、加熱乾燥機で脱水汚泥を加熱乾燥して乾燥汚泥にする。
上記の前処理沈殿槽、好気曝気槽、嫌気曝槽で処理した処理浄化水は、別に設置された消化槽で処理した生ごみのディスポーザー排水と合流させ、三相並存槽、養殖槽の順で処理する。
そのうち、生物処理の生物分解法技術条件として、各段階の水槽に8割量の水を満たして三日間滞留させてから処理する処理流量（即ち、4500kLx0.8÷3（滞留時間）＝1200kL/日→50kL/ hr→833ml/min）で生物処理を行った。該生物処理に必要な微生物の培養は、生物槽にて初期段階に先ず0.1％糖蜜希釈液を培地栄養液とし、各槽にそれぞれ生物製剤を注入し、次いで定量ポンプで均一槽から廃汚水を抽出し希釈して再び各生物処理槽に注入することにより、微生物菌種を培養、繁殖させ、二週間後、微生物相が安定状態に達した後、流水量の処理負荷を増大する。

生物処理を行う際、最初に培地栄養液で生物処理に必要な微生物を培養し、各槽にそれぞれ生物製剤を投入することにより微生物の菌種を培養、繁殖させ、そのうち、生物製剤の用量につき、原則的に槽ごとに糖蜜（台湾糖業株式会社製）を1ガロン投入する。嫌気処理槽の初期用量については、嫌気微生物の増殖速度が比較的緩慢であるため、２倍の量で投入する。それから半月後、1/2ガロンの生バクテリア環境浄化剤（Microbe-Lift）を追加用量として再投入する。気候の急変がある場合には、微生物の新陳代謝作用は影響を受けることで機能が低下されるため、槽ごと1/2ガロンの生バクテリア環境浄化剤（Microbe-Lift）を再追加することにより、安定した廃水分解処理に達させるようにする。そして定期的に、検査し、資材の補充、バランスするように微生物の栄養を補充することで、微生物の新陳代謝と増殖を進行せしめる。生物製剤をpH5.6〜9.0の適当な環境に保持し、且つ好気微生物の溶存酸素需要量3〜8ppm、好気15〜38℃、嫌気20〜70℃の温度を保持する。
先ず、微生物を培養する生物分解法で、配管方式により収集した集合住宅などの建築物又は小規模住宅地などの居住空間で生じた各種の異なる排水（生ごみのディスポーザー排水を含む）に対し汚水浄化及び化合物の分解を行い、順に設置された、A．前処理沈殿槽、B．好気曝気槽、C．嫌気沈殿槽、D．三相並存槽、E．養殖槽との五つの水槽にて、五段階浄化作業を行った後の水質について、48時間後測定を行った各指標は、表1に示された通りである。

また、該施設内の微生物の成長が安定した後サンプリングして分析した結果は、表2に示された通りで、処理後の水質は再利用可能であることを示している。

通常、家庭用洗浄剤を使用した廃水を受け入れる前の基本データは、概して上表2に示された通りである。本発明の施設が洗浄剤に対する耐性を測定するため、出願人は人工方式で国産の白藍色落ち防止洗剤（カラープロテクト洗剤）400グラムと2キロリットル清浄水を前処理沈殿槽に混合投入した後、処理及び浄化作業を行い、そして24、48時間後水サンプルを採集して関連項目の測定を行った結果は、表3に示された通りである。

Claims (4)

1. 集合住宅や小規模住宅地などから排出される排水を既存の下水処理設備において処理する前に、
   各種の一般排水と処理負荷の大きいディスポーザー排水とを配管系により分別収集し、
   一般排水を、前処理沈殿槽、好気曝気槽、嫌気沈殿槽を順次経由して処理し、
   ディスポーザー排水を消化槽によりメタン醗酵処理を行って、脱水汚泥と分離液に分離し、
   上記一般排水と該分離液を合流して、上層から下層へと酸素濃度勾配を形成して、好気性菌、嫌気性菌、通性好気性菌の三相共存条件を形成した三相並存槽及び植物育成と魚類養殖により硝酸塩、リン酸塩を消費させる養殖槽により処理する、
   ことを特徴とする生物学的廃水処理方法。
2. 上記各種の一般排水を予め廃水槽に収集することを特徴とする、請求項1記載の方法。
3. 前記三相並存槽及び養殖槽の間に沈殿槽を更に設置することを特徴とする、請求項1記載の方法。
4. 前記生物学的処理方法は、各段階の水槽に8割量の水を満たして三日間滞留させてから処理する処理流量で生物処理を行い、
   初期段階に先ず培地栄養液として各槽にそれぞれ生物製剤を注入し、次いで定量ポンプで均一槽から廃汚水を抽出し希釈して再び各生物的処理槽に注入することにより、微生物菌種を培養、繁殖させ、微生物相が安定状態に達した後、流水量を増大させて生物処理を行う、
   ことを特徴とする請求項1記載の方法。