JP2014133210A - 有機性廃水の嫌気処理方法及び嫌気性処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】有機性廃水を、混合槽において撹拌しながらメタン発酵を行う撹拌メタン発酵工程と、該撹拌メタン発酵工程から排出された汚泥含有撹拌メタン発酵処理水を、プラグフロー方式の発酵槽において撹拌を行わないでメタン発酵を行う仕上メタン発酵工程と、該仕上メタン発酵工程から排出された汚泥含有仕上メタン発酵処理水から、汚泥とメタン発酵処理水とを分離回収する汚泥分離工程と、該汚泥分離工程で分離回収した汚泥の一部又は全部を、前記撹拌メタン発酵工程又は仕上メタン発酵工程に返送する汚泥返送工程と、を備えた有機性廃水の嫌気性処理方法を提案する。
【選択図】図3
Description
よって、C1化合物を主成分とする有機性廃水を対象とする嫌気性廃水処理では、自己造粒性を持たない微生物である粒状のメタン発酵菌(Methanosarcinaなど)が優占化して、汚泥粒径が0.5mm以上のグラニュール汚泥を形成し維持することができないため、メタン発酵槽から微細な汚泥が流出し、汚泥量の維持が困難であるという課題を抱えていた。
4CH3OH →3CH4+HCO3 −+H++H2O ・・・式(2)
例えば、生成する炭酸を中和するアルカリ剤を添加することが考えられる。しかし、pH緩衝能の低い廃水、例えばCODCr(二クロム酸カリウムによる酸素要求量)に対してMアルカリ度が20%以下である廃水では、pH調整剤としてアルカリ剤を添加すると、メタン発酵工程流入部のpHがメタン発酵菌の活性維持に適したpH領域を超えて上昇してしまうため、かえってメタン発酵菌の活性が低下することになる。
しかし、前者の場合には、アルカリ剤として一般的に用いられている水酸化ナトリウムを添加する場合と比較すると、薬品コストが過大となるため、実用化は困難であった。
他方、後者の場合は、循環水量が多量となるため循環ポンプ動力が増大してしまうばかりか、メタン発酵法としてUASB法を採用した場合、LVの過大な増加を伴い、C1化合物を基質で優占化する自己造粒性を持たないメタン発酵菌が流出量も増加するため、槽内に維持できる汚泥量が減少し、処理が悪化するという問題があった。この際、上昇流速を汚泥が流出しないようにするためには、上向流嫌気性処理槽の設置面積を大きくする必要があり、過大な設備となってしまう。
本発明の実施形態の一例に係る有機性廃水の嫌気性処理方法(「本嫌気性処理方法」と称する)は、被処理水としての有機性廃水を、混合槽において、撹拌しながらメタン発酵を行う撹拌メタン発酵工程と、該撹拌メタン発酵工程から排出された汚泥含有撹拌メタン発酵処理水を、プラグフロー方式の発酵槽において、撹拌を行わないでメタン発酵を行う仕上メタン発酵工程と、該仕上メタン発酵工程から排出された汚泥含有仕上メタン発酵処理水から、汚泥とメタン発酵処理水とを分離回収する汚泥分離工程と、該汚泥分離工程で分離回収した汚泥の一部又は全部を、前記撹拌メタン発酵工程又は仕上メタン発酵工程に返送する汚泥返送工程と、を備えた有機性廃水の嫌気性処理方法である。
本処理方法の被処理水(原水)である有機性廃水は、メタノール、ホルムアルデヒド、ギ酸などのC1化合物を含有することが特徴である。
CODCrに対してMアルカリ度が10%以下の廃水は、pH緩衝能が低いという特徴を備えているが、本処理方法によれば、このようにpH緩衝能が低い廃水であっても、メタン発酵菌の活性維持に適したpH領域(6.5〜7.8)に反応槽内を維持することができ、効率良くメタン発酵させることができる。
本工程では、被処理水としての有機性廃水を、混合槽において撹拌しながらメタン発酵を行う。
被処理水としての有機性廃水を、混合槽において、撹拌しながらメタン発酵を行うことにより、混合槽内を均一の反応場とすることができるため、例えば撹拌しながらアルカリ剤を添加することにより、該アルカリ剤とメタン発酵によって発生する炭酸とを即座に反応させて中和することができる。よって、被処理水のpH緩衝能が低くても、メタン発酵菌の活性維持に適したpH領域(6.5〜7.8)に槽内を維持することができる。
これらアルカリ剤、金属陽イオン、栄養塩類及び微量元素は、撹拌メタン発酵工程を行う反応槽内に添加してもよいし、該反応槽の前段に調整槽を設けて該調整槽内で予め被処理水を調整した後に前記反応槽槽に供給するようにしてもよい。また、原水を反応槽に供給する配管内にて添加及び混合して、前記反応槽槽に供給するようにしてもよい。
前記栄養塩としては、メタン発酵に必要な栄養塩類として、例えば窒素やリンなどを挙げることができる。
前記微量元素としては、例えば鉄、コバルト、ニッケルなどを挙げることができる。
但し、未分解の有機物が60%以上残存すると、次の仕上メタン発酵工程で発生した炭酸によって適切なpH域よりも低下することになってしまうため、未分解の有機物の残存率が50%未満であるのが好ましく、反応時間の長期化の抑制及び装置の小型化を考慮すると、中でも10〜50%、その中でも20%以上或いは40%未満であるのがより一層好ましい。
但し、後述するように、図5に示すように、撹拌メタン発酵槽と仕上メタン発酵槽とが一体となり、撹拌メタン発酵槽の処理水が仕上メタン発酵槽内に流入するように構成されたものでもよい。
本工程では、前記撹拌メタン発酵工程から排出された汚泥含有撹拌メタン発酵処理水を、プラグフロー方式の発酵槽において、撹拌を行わないでメタン発酵を行う。
中でも、混合槽流出水に残存した有機分を分解するのに必要な水理学的滞留時間を持たせることができる構成のものが好ましい。
この際、邪魔板により形成される気液固分離手段は、槽の内壁部に1つ設けられていてもよいし、また、上下方向に2段以上設けられていてもよいし、特に好ましくは3段以上設けられているのが好ましい。また、気液固分離手段を、槽の内壁部に2段以上設ける場合には、図に示すように、対向する位置に交互に設けるのが好ましい。
汚泥分離工程では、前記仕上メタン発酵工程から排出された汚泥含有仕上メタン発酵処理水を分離処理して汚泥とメタン発酵処理水とを分離回収する。
さらに言えば、嫌気性処理においては、溶存硫化物が存在することがあり、陽イオンと硫化物を生成する場合がある。硫化物が過剰にメタン発酵槽内に蓄積すると、メタン発酵菌への阻害、メタン発酵槽内の汚泥流動不良、腐食・スケールなどの問題を引き起こす恐れがある。そのため、硫化物存在下で溶解している陽イオンが好ましい。また、メタン発酵菌の栄養塩としての必要性や、薬品コストから、特にMg2+、Ca2+が好ましい。
このようにガス分離手段を備えた汚泥回収槽にて、発生したバイオガスを分離回収しつつ、ガス脱離メタン発酵処理水を汚泥と処理液に分離するのが好ましい。
内部にガス分離手段を備えた汚泥回収槽にて汚泥を回収することにより、メタン発酵槽で残存した有機物が汚泥回収槽内に流入して汚泥回収槽内でメタンガスなどのバイオガスが発生したとしても、当該バイオガスをガス分離手段で回収することができるから、汚泥の浮上・流出を抑制することができ、安定運転が可能となる。
本工程では、前記汚泥分離工程で分離回収した汚泥の一部又は全部を、前記撹拌メタン発酵工程に返送する。仕上メタン発酵工程の汚泥の一部を前記撹拌メタン発酵工程に返送してもよい。
本嫌気性処理方法は、例えば、撹拌手段を備えた混合槽を有する撹拌メタン発酵槽と、該撹拌メタン発酵槽から供給される汚泥含有撹拌メタン発酵処理水をメタン発酵する発酵槽であって、撹拌手段を備えないプラグフロー方式の反応槽を有する仕上メタン発酵槽と、仕上メタン発酵槽から供給される汚泥含有仕上メタン発酵処理水を、汚泥とメタン発酵処理水とに分離回収する汚泥分離槽と、汚泥分離槽で分離回収した汚泥を、撹拌メタン発酵槽に供給する汚泥返送管と、を備えた有機性廃水の嫌気性処理装置(「本嫌気性処理装置」と称する)を使用することで実施することができる。
この際、例えば仕上げ槽の天井部にガス排出機構を設けることで、被処理水の流れが上向流から下降流に移行する際に、バイオガスはそのまま浮上して外気に放出されるため、該ガス排出機構で収集することができる。
本明細書において「X〜Y」(X,Yは任意の数字)と表現する場合、特にことわらない限り「X以上Y以下」の意と共に、「好ましくはXより大きい」或いは「好ましくはYより小さい」の意も包含する。
また、「X以上」(Xは任意の数字)或いは「Y以下」(Yは任意の数字)と表現した場合、「Xより大きいことが好ましい」或いは「Y未満であることが好ましい」旨の意図も包含する。
いずれの実施例・比較例でも、調製槽の水温が37℃となるように加温した。
また、栄養塩として、リン酸及びアンモニア塩を使用し、微量元素として鉄、コバルト、ニッケルの塩化物を使用した。
運転は、原水量を30L/dで4週間運転した。
メタン発酵槽には、予めメタノール基質であるクラフトパルプ工場のメタン発酵槽で馴致した汚泥を投入した。
実施例・比較例の結果は表1にまとめた。
比較例1は、図1に示すように、調整槽と、容量10LのUASBタイプのメタン発酵槽からなる装置を使用して行い、メタン発酵槽流出水の一部を、循環水としメタン発酵槽の流入部に戻した。
メタン発酵槽は、邪魔板(内壁との角度30°)からなる気液固分離手段を槽の内壁部に上下方向に3段に備えたものであった。
この際、アルカリ剤としての水酸化ナトリウムを、メタン発酵槽流出水のpHが7.0となるように調整槽に注入すると共に、メタン発酵槽流入水のpHが6.5〜7.8となるようにメタン発酵槽流出水の循環を原水量の4倍の水量で行った。
また、金属陽イオンとして2価のカルシウム及びマグネシウムの塩化物を、それぞれ原水量あたり2mg−Ca/L、3mg−Mg/Lとなるように調整槽に注入した。
比較例2は、図2に示すように、調整槽と、容量10LのUASBタイプのメタン発酵槽と、回収槽としての沈殿池とからなる装置を使用して行い、メタン発酵槽流出水の一部は、循環水としてメタン発酵槽の流入部に戻した。
メタン発酵槽は、邪魔板(内壁との角度30°)からなる気液固分離手段を槽の内壁部に上下方向に3段に備えたものであった。
この際、アルカリ剤としての水酸化ナトリウムを、メタン発酵槽流出水のpHが7.0となるように調整槽に注入すると共に、メタン発酵槽流入水のpHが6.5〜7.8となるようにメタン発酵槽流出水の循環を原水量の4倍の水量で行った。
また、金属陽イオンとして2価のカルシウム及びマグネシウムの塩化物を、それぞれ原水量あたり2mg−Ca/L、3mg−Mg/Lとなるように調整槽に注入した。
沈殿池で沈降分離した汚泥は、原水量の1倍の水量でメタン発酵槽に返送した。
実施例1では、図3に示すように、容量3Lの機械式撹拌機を備えた混合槽と、容量3LのUASBタイプの仕上げ槽と、回収槽としての沈殿池とからなる装置を使用して行い、沈殿池で分離回収した汚泥は、原水量の1倍の水量で混合槽に返送した。
仕上げ槽は、邪魔板(内壁との角度30°)からなる気液固分離手段を槽の内壁部に上下方向に3段に備えたものであった。
この際、アルカリ剤としての水酸化ナトリウムを、メタン発酵槽流出水のpHが7.0となるように混合槽に注入した。また、金属陽イオンとして2価のカルシウム及びマグネシウムの塩化物を、それぞれ原水量あたり2mg−Ca/L、3mg−Mg/Lとなるように混合槽に注入した。
実施例2では、図4に示すように、容量3Lの機械式撹拌機を備えた混合槽と、容量3LのUASBタイプの仕上げ槽と、回収槽としての沈殿池とからなる装置を使用して行い、沈殿池で分離回収した汚泥は、原水量の1倍の水量で混合槽に返送した。
仕上げ槽は、邪魔板(内壁との角度30°)からなる気液固分離手段を槽の内壁部に上下方向に3段に備えたものであった。
この際、アルカリ剤としての水酸化ナトリウムを、メタン発酵槽流出水のpHが7.0となるように混合槽に注入した。
この際、金属陽イオンとして2価のカルシウム及びマグネシウムの塩化物を、それぞれ原水量あたり2mg−Ca/L、3mg−Mg/Lとなるように混合槽に注入した。
これは、C1化合物を含有する有機性廃水を、撹拌しながらメタン発酵を行うことにより、混合槽内に均一の反応場を形成することができ、これによって、アルカリ剤とメタン発酵によって発生する炭酸とを即座に反応させて中和することができるから、被処理水のpH緩衝能が低くても、メタン発酵槽内のpHを、メタン発酵菌の活性維持に適したpH領域(6.5〜7.8)に維持することができたものと考えることができる。また、混合槽では、UASBタイプの反応槽と比較すると、循環ポンプが不要となり動力を削減できると共に、グラニュール汚泥の流出抑止のためにLVを一定値以下とする必要がないため、設備の設置面積を小さくすることもできたと考えられる。また、撹拌メタン発酵工程に続いて仕上メタン発酵工程を行うことで、混合槽における撹拌メタン発酵工程では、有機物を完全に分解する必要がないため、混合槽の容量を小さくでき、省スペースを図ることができたとも考えられる。
Claims (4)
- 炭素数が1である化合物を含有する有機性廃水の嫌気性処理方法において、
前記有機性廃水を、混合槽において撹拌しながらメタン発酵を行う撹拌メタン発酵工程と、該撹拌メタン発酵工程から排出された汚泥含有撹拌メタン発酵処理水を、プラグフロー方式の発酵槽において撹拌を行わないでメタン発酵を行う仕上メタン発酵工程と、該仕上メタン発酵工程から排出された汚泥含有仕上メタン発酵処理水から、汚泥とメタン発酵処理水とを分離回収する汚泥分離工程と、該汚泥分離工程で分離回収した汚泥の一部又は全部を、前記撹拌メタン発酵工程又は仕上メタン発酵工程に返送する汚泥返送工程と、を備えた有機性廃水の嫌気性処理方法。 - 前記撹拌メタン発酵工程では、前記有機性廃水を撹拌しながらアルカリ剤を添加してメタン発酵を行う請求項1記載の有機性廃水の嫌気性処理方法。
- 仕上メタン発酵工程から排出された汚泥含有仕上メタン発酵処理水に、2価以上の価数を持つ金属陽イオンを加えた後、汚泥とメタン発酵処理水とを分離回収することを特徴とする請求項1又は2に記載の有機性廃水の嫌気性処理方法。
- 炭素数が1である化合物を含有する有機性廃水の嫌気性処理装置であって、
撹拌手段を備えた混合槽を有する撹拌メタン発酵槽と、
該撹拌メタン発酵槽から供給される汚泥含有撹拌メタン発酵処理水をメタン発酵する発酵槽であって、撹拌手段を備えないプラグフロー方式の反応槽を有する仕上メタン発酵槽と、
仕上メタン発酵槽から供給される汚泥含有仕上メタン発酵処理水を、汚泥とメタン発酵処理水とに分離回収する汚泥分離槽と、
汚泥分離槽で分離回収した汚泥を、撹拌メタン発酵槽乃至仕上メタン発酵槽に供給する汚泥返送管と、
を備えた有機性廃水の嫌気性処理装置。
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