JP2009148675A - 有機酸生成装置及び有機酸生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有機酸の生成効率の向上を図ることができる有機酸生成方法及び有機酸生成装置を提供する。
【解決手段】有機酸生成装置５０は、生汚泥を導入し、酸生成菌により発酵させて有機酸を生成する装置である。この装置５０は、生汚泥を導入し嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる酸発酵槽２と、酸発酵槽２に導入される前の汚泥を、５０℃以上の温度に加熱処理する加熱処理槽５，６と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、汚泥から有機酸を生成する有機酸生成装置及び有機酸生成方法に関するものである。

従来、このような分野の技術として、流入下水を最初沈殿池に導入し、この最初沈殿池に鉄又はアルミニウム系の無機凝集剤か有機高分子凝集剤を添加して固液分離し、沈降した汚泥を酸発酵槽に移送しｐＨ調整して有機酸を生成する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３０１４９９号公報

しかしながら、上記技術にあっては、有機酸の生成効率が十分ではなく、この種の有機酸生成技術においては、更なる生成効率の向上が求められている。そこで、本発明は、有機酸の生成効率の向上を図ることができる有機酸生成方法及び有機酸生成装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、有機酸の生成効率が不十分であるのは、酸発酵槽へ導入される汚泥にはメタン菌が生息しているため、酸生成菌により有機酸が生成されても、汚泥中のメタン菌によりメタン発酵が進行し生成された有機酸が消費されてしまうことが原因であることを見出した。更に、本発明者らは、上記メタン発酵により消費される有機酸を抑えるべく汚泥中のメタン菌を不活化するためには、５０℃以上の温度で汚泥を加熱処理することが効果的であることを見出した。

そこで、本発明の有機酸生成装置は、汚泥から有機酸を生成する有機酸生成装置において、汚泥を導入し、１５℃以上４０℃以下の発酵温度で嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる酸発酵槽と、酸発酵槽に導入される前の汚泥を、５０℃以上の温度に加熱処理する加熱処理手段と、を備えたことを特徴とする。

この有機酸生成装置によれば、酸発酵槽に導入される前の汚泥が、加熱処理手段によって５０℃以上の温度で加熱されることで、その汚泥中のメタン菌が不活化される。このような状態の汚泥が酸発酵槽に導入されるので、酸発酵槽内においては、メタン菌の活性が抑えられ、メタン発酵で消費されてしまう有機酸を減らすことができる。その結果、酸発酵槽から最終的に得られる有機酸が増加するので、有機酸の生成効率が向上される。

この場合、加熱処理手段は、下水から得られる生汚泥を、酸発酵槽に導入される前に加熱処理してもよい。また、加熱処理手段は、酸発酵槽から排出され再び当該酸発酵槽に返送される発酵汚泥を、酸発酵槽に再び導入される前に加熱処理してもよい。

また、本発明の有機酸生成方法は、汚泥から有機酸を生成する有機酸生成方法において、汚泥を酸発酵槽に導入し、１５℃以上４０℃以下の発酵温度で嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる発酵工程と、酸発酵槽に導入される前の汚泥を、５０℃以上の温度に加熱処理する加熱処理工程と、を備えたことを特徴とする。

この有機酸生成装置によれば、酸発酵槽に導入される前の汚泥が、加熱処理工程において５０℃以上の温度で加熱されることで、その汚泥中のメタン菌が不活化される。このような状態の汚泥が酸発酵槽に導入されるので、発酵工程においては、酸発酵槽内におけるメタン菌の活性が抑えられ、メタン発酵で消費されてしまう有機酸を減らすことができる。その結果、酸発酵槽から最終的に得られる有機酸が増加するので、有機酸の生成効率が向上される。

本発明の有機酸生成方法及び有機酸生成装置によれば、有機酸の生成効率の向上を図ることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る有機酸生成装置及び有機酸生成方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１に示す排水処理設備１００は、例えば下水処理場等に採用され、下水に対して生物学的リン除去及び生物学的窒素除去を含む高度処理を行う設備である。この排水処理設備１００は、最初沈殿池１０、生物処理槽２０、最終沈殿池３０を備えると共に、本発明の実施形態に係る有機酸生成装置５０を備えている。

排水処理設備１００にあっては、下水処理場の粗目スクリーンにて粗大な木切れ等が除去され、沈砂池で比較的粒径が大きい固形物が沈降分離され、布、空き缶、ビニール類等の篩渣がスクリーンにて除去され、ポンプ井よりポンプアップされた流入下水が、ラインＬ１を通じて最初沈殿池１０に導入される。ラインＬ１からの流入下水は、大部分が嫌気性の状態で導入されるため、メタン菌が生殖している。このため、後述する有機酸生成装置５０で酸発酵処理を行う際には、メタン菌の活性を抑制する必要が生じてくる。

この流入下水は、ラインＬ１より最初沈殿池１０に導入され、重力沈降により最初沈殿池１０の底部に沈降する生汚泥とそれ以外の上澄み液とに分離される。この最初沈殿池１０は、重力沈降分離が十分に行われる表面積負荷を要した容量に構成されている。ここで分離された生汚泥は図示しない汚泥掻寄機で汚泥溜まり部に掻き寄せられて、ラインＬ１１を通じて有機酸生成装置５０に送られる。一方、上澄み液は被処理水としてラインＬ２を通じて生物処理槽２０に送られる。詳細は後述するが、有機酸生成装置５０は、ラインＬ１１からの生汚泥を酸発酵し、例えば、酢酸、プロピオン酸、酪酸といった有機酸を含んだ有機酸溶液を、ラインＬ２０を通じて生物処理槽２０に供給する。

生物処理槽２０は、嫌気・無酸素・好気（ステップＡ２Ｏ）法と呼ばれる活性汚泥法による生物処理を行う槽であり、嫌気槽２０ａ、無酸素槽２０ｂ、好気槽２０ｃ、無酸素槽２０ｄ、好気槽２０ｅをこの順に備えている。ラインＬ２から嫌気槽２０ａに導入された上澄み液である被処理水は、嫌気槽２０ａ、無酸素槽２０ｂ、好気槽２０ｃ、無酸素槽２０ｄ、好気槽２０ｅの順に送られながら、それぞれの槽で嫌気性処理、無酸素処理、好気性処理、無酸素処理、好気性処理が行われる。そして、この嫌気槽２０ａに、有機酸生成装置５０からラインＬ２０を通じて有機酸溶液が供給されることで脱リンが促進され、好気槽２０ｃの滞留液が無酸素槽２０ｂに導入され、また、好気槽２０ｅから循環ラインＬ３ｂを通じて硝化液が無酸素槽２０ｂに導入されることで生物学的脱窒が促進される。なお、この生物処理槽２０では、ラインＬ２からの被処理水が、無酸素槽２０ｄにも導入される。

生物処理槽２０からラインＬ３ａを介して最終沈殿池３０に送られた生物処理水は、浮遊する活性汚泥を沈降分離させた後、ラインＬ５を通じて排出され、図示しない設備において三次処理や滅菌処理が行われた後、河川等に放流される。沈降した活性汚泥の一部は返送汚泥としてラインＬ４を通じて嫌気槽２０ａに導入され、残りは、余剰汚泥として汚泥処理槽６０に送られて処理される。

上記有機酸生成装置５０は、加圧浮上濃縮槽１、加熱処理槽６、酸発酵槽２、濃縮槽３をこの順にラインＬ６，Ｌ７ａ，Ｌ７ｂ，Ｌ８を介して備えている。さらに、装置５０は、濃縮槽３の分離液側にラインＬ９を介して貯留槽４を、分離汚泥側にラインＬ１０を介して加熱処理槽５を各々備えている。この加熱処理槽５には、ラインＬ１２を介して酸発酵槽２が接続され、貯留槽４には、上記ラインＬ２０を介して上記生物処理槽２０の嫌気槽２０ａが接続され、さらに、濃縮槽３の排出側にはラインＬ１３が接続されている。

加圧浮上濃縮槽１は、導入される生汚泥を加圧浮上法により濃縮分離し、濃縮された生汚泥をラインＬ７ａを通じて加熱処理槽６に送り出すと共に、残りの分離液をラインＬ１５を通じて最初沈殿池１０に返送する。加圧浮上法としては、大別して全量加圧法、部分加圧法、循環加圧法によるものがあるが、加圧浮上濃縮槽１には、生汚泥の採取量等に応じてランニングコストを低減する方法が適宜採用される。また、加圧浮上濃縮槽１に代えて重力沈降濃縮や機械濃縮を行う固液分離装置を用いてもよい。加熱処理槽６は、ラインＬ７ａから導入される濃縮生汚泥を加熱処理し（加熱処理工程）、ラインＬ７ｂを通じて酸発酵槽２に処理後の生汚泥を送り出す。

酸発酵槽２は、加熱処理槽６からの濃縮汚泥を槽内に導入し、撹拌機により撹拌しながら、汚泥中の有機物を酸生成菌により酸発酵させて有機酸を生成する（発酵工程）。酸発酵槽２の槽内の温度調整を行わない場合には、発酵温度は、導入される生汚泥の温度変化（１５〜３５℃）の影響で季節によって変化するが、発酵温度は、一般に「中温」と呼ばれる温度帯の約１５〜４０℃程度となる。従って、酸発酵槽２では、１５〜４０℃の中温で馴養された酸生成菌によって酸発酵反応が行われる。また、酸発酵槽２には、１５〜４０℃の中温で馴養されたメタン菌（一般に「中温メタン菌」と呼ばれる）も存在し得る。この酸発酵槽２で生成された有機酸溶液は、ラインＬ８を介して濃縮槽３に導入される。

濃縮槽３は、沈殿槽を構成し、酸発酵槽２で生成した有機酸溶液と酸生成菌体を含有する発酵汚泥とを分離するものである。濃縮槽３の分離液である有機酸溶液は、ラインＬ９を介して有機酸貯留槽４に送られる。また、濃縮槽３で分離された発酵汚泥は、定期的にバッチ処理で濃縮槽３底部から抜き取られ、発酵返送汚泥としてラインＬ１０を通じて発酵槽２に返送される。このような返送により、酸発酵槽２から有機酸溶液と一緒に排出された酸生成菌体を再び回収して酸発酵槽２に戻し、酸発酵槽２内の菌体濃度の低下を抑えることができる。また、濃縮槽３で分離された発酵汚泥のうちの一部は、ラインＬ１３を通じ余剰汚泥として汚泥処理槽６０へ送られ処理される。なお、ここでは、酸発酵槽２の容量が１ｍ^３であり、滞留時間が２〜４日であるのに対し、上記発酵汚泥の返送量は、毎時１８Ｌ程度である。また、濃縮槽３としては、この沈殿槽に代えて例えば膜分離槽や機械濃縮分離装置等の固液分離装置を用いることもできる。

貯留槽４は、濃縮槽３で分離された有機酸溶液を回収し一旦貯留するためのものである。貯留された有機酸溶液は、ラインＬ２０を通じて生物処理槽２０に供給され、生物処理槽２０における脱リン処理、脱窒処理の促進に利用される。なお、貯留槽４を省略し、ラインＬ９を直接ラインＬ２０に接続することも可能である。

加熱処理槽５は、ラインＬ１０を通じて再び酸発酵槽２に導入される前の返送発酵汚泥を加熱処理するものである。上述のように、濃縮槽３からは、バッチ処理で定期的に、ラインＬ１０を通じて分離された発酵汚泥が引き抜かれる。そして、引き抜かれた返送発酵汚泥は、加熱処理槽５で滞留し加熱処理（加熱処理工程）された後、ラインＬ１２，Ｌ７ｂを通じて酸発酵槽２に再び導入される。

このような有機酸生成装置５０にあっては、生物処理槽２０での被処理水の脱リン処理、脱窒処理を効率よく促進するために、有機酸の生成効率を向上することが求められる。ここで、この有機酸生成装置５０に導入される生汚泥には、酸生成菌ばかりでなくメタン菌も含まれているので、酸発酵槽２では、酸生成菌が汚泥を有機酸に変化させる有機酸発酵反応と、生成した有機酸をメタン菌が消費しメタンガスに変化させるメタン発酵反応とが同時に進行する。このため、有機酸の生成効率を向上するためには、酸発酵槽２内における酸生成菌の活性は高い状態が好ましく、メタン菌の活性は低い状態が好ましい。

そこで、本発明者らは、汚泥に含まれるメタン菌の活性を抑える（不活化させる）条件を見出すため、以下に説明するような実験を行った。

まず、生ゴミを中温（約２０〜４０℃）でメタン発酵処理した際のメタン発酵汚泥を準備した。この汚泥には、２０〜４０℃で馴養された中温メタン菌が含まれている。そして、その汚泥を、４５℃、５０℃、６０℃の各温度で１０分間加熱処理したサンプルを各２００ｍＬずつ作成した。また、比較のため、このような加熱処理を施していない汚泥のサンプルも２００ｍＬ準備した。次に、各サンプルの汚泥２００ｍＬに対して酢酸ナトリウムを１．３ｇ添加した後、３７℃下（中温）で振とう培養し、メタンガスを含むガスの発生量を定期的に測定し経時変化を調べた。図２には、上記４種類のサンプルにおけるガス発生量の経時変化のデータを示している。

図２の０〜９時間目のデータに注目すると、特に、５０℃以上の加熱処理を汚泥に施すことにより、加熱処理を施さない場合に比較して、汚泥からのガス発生量が低減していることが判る。その中でも、６０℃の加熱処理を施した汚泥のサンプルにおいては、２４時間目までもガス発生量が少なく抑えられていることが判る。この現象は、生育最適温度が２０〜４０℃である中温メタン菌が、５０℃以上（特に６０℃以上）の加熱により不活化されることによるものと考えられる。

このように、有機酸生成に用いられる汚泥は、短時間だけ加熱処理することにより、汚泥中のメタン菌を不活化させることができることが判った。具体的には、汚泥を５０℃以上、より好ましくは６０℃以上の温度で、約１０分間程度の加熱処理を行うことにより、汚泥中の中温メタン菌を不活化させることができる。

ここで、加熱温度が９０℃を超えると、メタン菌ばかりでなく汚泥中の酸生成菌までも不活化されてしまう虞があるので、上記加熱温度は９０℃以下（好ましくは７０℃以下）に設定されるのが好ましい。例えば特開平９−２６７０９９号公報にも、酸生成槽の温度を常温〜９０℃（好ましくは４０〜７０℃）とする有機酸生成方法が記載されているように、汚泥温度９０℃以下（好ましくは７０℃以下）であれば、汚泥中の酸生成菌の顕著な不活化は発生しないと考えられるからである。

以上の結果より、上記加熱温度を５０℃以上９０℃以下（より好ましくは６０℃以上７０℃以下）に設定すれば、汚泥中の酸生成菌の活性を維持したままで、中温メタン菌を不活化させることができることが判る。また、加熱時間は、メタン菌を十分に不活化させる上で１０分程度必要である。

このような知見を上記有機酸生成装置５０に適用し、上記加熱処理槽（加熱処理手段）５は、ラインＬ１０から導入される発酵返送汚泥を一旦貯留し、約６０℃で約１０分間加熱処理するように構成されている。このラインＬ１０の発酵返送汚泥には、酸発酵槽２、濃縮槽３を循環する間に中温メタン菌が増殖している虞があるが、上記加熱処理槽５による加熱処理を経ることで、返送発酵汚泥中の酸生成菌の活性が維持されたまま中温メタン菌が不活化される。そして、そのような状態の発酵返送汚泥が、図１に示すように、ラインＬ１２，Ｌ７を介して再び酸発酵槽２に導入されるので、当該酸発酵槽２内では、酸発酵の活性を維持しつつメタン発酵が抑制されて、有機酸が効率的に生成される。その結果、ラインＬ２０を通じて生物処理槽２０に有機酸が効率的に供給され、生物処理槽２０における下水の処理が促進される。

更に、この有機酸生成装置５０には、ラインＬ７ａから導入される濃縮生汚泥を一旦貯留し、約６０℃で約１０分間加熱処理するように構成された上記加熱処理槽（加熱処理手段）６が設けられている。この加熱処理槽６の加熱処理では、ラインＬ７ａからの濃縮生汚泥は、酸生成菌の活性が維持されたまま中温メタン菌が不活化され、その後、濃縮生汚泥はラインＬ７ｂを経て酸発酵槽２に導入される。このように、有機酸生成装置５０では、最初沈殿池１０から導入される生汚泥についても、酸発酵槽２に導入される前に中温メタン菌の不活化が行われるので、酸発酵槽２において更に有機酸生成効率を向上することができる。

また、この有機酸生成装置５０では、酸発酵槽２内を直接加熱処理するのではなく、予め加熱処理した汚泥を酸発酵槽２に導入するように、別途加熱処理槽５，６を設けている。この構成により、酸発酵槽２内の大量の汚泥を直接加熱処理する場合に比較して、消費エネルギーを低減することができる。また、加熱処理槽５，６において加熱された汚泥は、酸発酵槽２内の大量の汚泥に混合され、酸発酵槽２内の発酵温度に与える影響は小さいので、酸発酵槽２の発酵温度の管理が容易である。その結果、酸発酵槽２内では、中温の温度帯で馴養された酸生成菌による安定した酸発酵が行われる。

また、この種の有機酸生成装置では、酸発酵槽２内のｐＨや発酵温度といった発酵条件を制御することで、メタン菌の活性を抑えることも考えられるが、そのような方法に比較して、上記有機酸生成装置５０によれば、酸発酵槽２の発酵条件を制御するための制御手段を省略することができる。従って、装置及び運用を簡略化することができると共に、ｐＨ調整に必要な薬剤の節約や温度調整のための消費エネルギーの低減を図ることができる。

本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、濃縮槽３から酸発酵槽２への発酵汚泥の返送及び加熱処理槽６による加熱処理は、バッチ処理で定期的に行っているが、この返送及び加熱処理は連続的に行ってもよい。また、上記実施形態では、加熱処理手段として加熱処理槽５，６を用い、槽内で汚泥を滞留させて加熱処理しているが、加熱処理手段は、汚泥を連続的に流動させながら加熱するタイプの熱交換器等を用いてもよい。また、この加熱処理槽５及び加熱処理槽６は、何れか一方を省略してもよい。

本発明に係る有機酸生成装置の一実施形態を示す図である。 メタン発酵汚泥を各温度で加熱処理して作成した各サンプルにおけるガス発生量の経時変化を示すグラフである。

符号の説明

２…酸発酵槽、５…加熱処理槽（加熱処理手段）、６…加熱処理槽（加熱処理手段）、５０…有機酸生成装置。

Claims (4)

1. 汚泥から有機酸を生成する有機酸生成装置において、
   前記汚泥を導入し、１５℃以上４０℃以下の発酵温度で嫌気的に発酵させて前記有機酸を生成させる酸発酵槽と、
   前記酸発酵槽に導入される前の汚泥を、５０℃以上の温度に加熱処理する加熱処理手段と、を備えたことを特徴とする有機酸生成装置。
2. 前記加熱処理手段は、下水から得られる生汚泥を、前記酸発酵槽に導入される前に加熱処理することを特徴とする請求項１に記載の有機酸生成装置。
3. 前記加熱処理手段は、前記酸発酵槽から排出され再び当該酸発酵槽に返送される発酵汚泥を、前記酸発酵槽に再び導入される前に加熱処理することを特徴とする請求項１に記載の有機酸生成装置。
4. 汚泥から有機酸を生成する有機酸生成方法において、
   前記汚泥を酸発酵槽に導入し、１５℃以上４０℃以下の発酵温度で嫌気的に発酵させて前記有機酸を生成させる発酵工程と、
   前記酸発酵槽に導入される前の汚泥を、５０℃以上の温度に加熱処理する加熱処理工程と、を備えたことを特徴とする有機酸生成方法。

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