JP2018083139A - 有機性排水の処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な方法によりメタン発酵槽の処理能力を回復させる方法を提供する。【解決手段】有機物を含有する排水を、メタン発酵槽に通水して嫌気性処理を行う処理方法であって、すでに運転されている前記メタン発酵槽における処理能力が低下した場合に、前記メタン発酵槽の揮発性脂肪酸濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以下となるように、該メタン発酵槽から排出される処理水を該メタン発酵槽の前段部に返送することにより前記処理能力を回復させる。【選択図】図２

Description

本発明は、有機物を含有する排水をメタン発酵槽に通水して嫌気性処理を行う処理方法に関し、より詳細には、有機物を分解する能力の低下したメタン発酵槽の処理能力を回復させる方法に関するものである。

有機物を含有する排水（以下、有機性排水と略記することがある）の処理方法として、メタンガスの回収、再利用が可能な嫌気処理法が広く産業排水の処理方法として広く用いられている。なかでも沈降性が良好なグラニュールを形成させ、有機性排水を上向流で通水し、高負荷高速処理を行うＵＡＳＢ法（Ｕｐ−ｆｌｏｗ Ａｎａｅｒｏｂｉｃ Ｓｌｕｄｇｅ Ｂｌａｎｋｅｔ；上向流嫌気性汚泥床法）は、特に中〜高濃度の排水を処理する方法として発展してきた。このUASB法を発展させたものとして、高さの高い反応槽を用いて、さらに高流速で通水し、高負荷で嫌気性処理を行うＥＧＳＢ法（Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｇｒａｎｕｌａｒ Ｓｌｕｄｇｅ Ｂｅｄ；膨張汚泥床法）も実用化されている。

また、有機性排水の処理方法として、固定床担体や流動床担体を使用する方法も用いられている。固定床担体を使用する方法は、生物膜を保持する支持床を反応槽内部に固定し、その表面に生育する微生物を利用して生物学的に排水を処理するものである。一方、流動床担体を使用する方法は、比重や大きさを調整した担体を反応槽内部で流動させて、担体に生物を増殖させて、当該担体に担持された微生物を利用して生物学的に排水を処理するものである。

いずれの方法においても、メタン発酵槽へ流入する有機物量の増大による過負荷や負荷変動などによって有機物を分解する能力が低下することがある。また、メタン発酵槽内の温度やｐＨの変化など、運転条件によって有機物を分解する能力が低下することがある。

有機物の分解が停滞すると嫌気性処理の過程で生じる中間生成物である揮発性脂肪酸がメタン発酵槽に徐々に蓄積する。揮発性脂肪酸はメタン発酵菌によりメタンガスと二酸化炭素に分解される。しかしながら、揮発性脂肪酸はメタン発酵菌の活性を阻害する物質でもあるため、高濃度に蓄積すると処理能力の低下を引き起こすことになる。

特許文献１には、担体を保持する反応槽で嫌気性処理する方法において、一定の処理能力に達した反応槽の処理能力が低下した際に、担体に担持された微生物の増殖を促進させて処理能力を改善するために、メタン発酵菌のグラニュールを担体１Ｌあたり１〜９００ｇ添加する方法が記載されている。この方法は、微生物の絶対量を増やし、メタン発酵槽の処理能力を改善する方法である。

しかし、特許文献１に記載の方法では、実設備で実施する際には大量のグラニュールが必要となることから、そのコストやグラニュールの入手経路の確保、即応の困難さなどに課題がある。また、グラニュールを添加する際は設備の全運転または一部運転を停止する必要があることから作業が煩雑であり、設備の処理能力に影響を与えるおそれもある。

特開２０１４−１００６７８号公報

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、簡便な方法によりメタン発酵槽の処理能力を回復させる方法を提供することを目的とするものである。

上記課題は、有機物を含有する排水を、メタン発酵槽に通水して嫌気性処理を行う処理方法であって、すでに運転されている前記メタン発酵槽における処理能力が低下した場合に、前記メタン発酵槽の揮発性脂肪酸濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以下となるように、該メタン発酵槽から排出される処理水を該メタン発酵槽の前段部に返送することにより前記処理能力を回復させることを特徴とする有機性排水の処理方法を提供することによって解決される。

このとき、前記メタン発酵槽から排出される処理水を該メタン発酵槽の前段部の酸生成槽に返送することが好ましい。

また、前記メタン発酵槽から排出される処理水を、該メタン発酵槽に流入する配管に返送することが好ましい。

前記メタン発酵槽に担体を添加し、該担体に担持された嫌気性微生物により前記排水を処理することが好ましい。このとき、前記担体がポリビニルアルコールゲル担体であることが好ましい。

本発明によれば、簡便にメタン発酵槽の処理能力を回復させることができる。

メタン発酵槽を備えた処理装置の一例を示すブロック図である。 メタン発酵槽の前段に酸生成槽を備えた処理装置の一例を示すブロック図である

本発明は、有機物を含有する排水をメタン発酵槽に通水して嫌気性処理を行う処理方法に関する。ここで、本明細書における排水とは、下水や各種工場などから発生した原水及びそれを前処理した液のことをいう。一方、処理水とはメタン発酵槽で処理された液のことをいう。

メタン発酵槽の処理能力の低下は、運転条件の変動で起こることが多く、主にメタン発酵槽へ流入する有機物量が増大するなど負荷が変動したときに起こる。また、メタン発酵槽内の温度やｐＨの変化などで微生物の活性に対して有機物量が多くなったときにも起こる。メタン発酵槽の処理能力が低下すると嫌気性処理の中間生成物である揮発性脂肪酸が蓄積する。この揮発性脂肪酸はメタン発酵の阻害物であり、高濃度に蓄積するとメタン発酵菌の活性が大きく低下する。特に揮発性脂肪酸の中でもプロピオン酸の分解は、熱力学的に不利であるため、反応律速になり蓄積されやすい。

本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、すでに運転されているメタン発酵槽における処理能力が低下した場合に、メタン発酵槽の揮発性脂肪酸濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以下となるように、該メタン発酵槽から排出される処理水を該メタン発酵槽の前段部に返送することにより処理能力を回復させることを見出した。これにより、負荷や排水量を低下させることなく、メタン発酵菌の活性を回復させ、処理能力を回復させることができる。

本発明の処理方法では、メタン発酵槽の揮発性脂肪酸濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以下となるようにメタン発酵槽から排出される処理水を該メタン発酵槽の前段部に返送する。このとき、メタン発酵槽の上部から処理水を排出し、当該排出された処理水をメタン発酵槽の下部から導入することが好ましい。

本発明の処理方法においては、揮発性脂肪酸濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以下となるように返送しなければ、メタン発酵菌の活性を回復させ、処理能力を十分に改善させることができない。メタン発酵槽の揮発性脂肪酸濃度が８００ｍｇ／Ｌ以下となるように返送することが好ましく、６００ｍｇ／Ｌ以下となるように返送することがさらに好ましい。メタン発酵槽の処理能力が回復した後であれば、処理水の返送を通常の運転条件に戻すことも可能である。

メタン発酵槽の負荷は特に限定されず、５〜５０ｋｇ−ＣＯＤ_Ｃｒ／ｍ^３・日と高負荷がかかった状態からでも処理能力を回復させることができる。

メタン発酵槽の前段部に返送する処理水の流量は、メタン発酵槽の揮発性脂肪酸濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以下となる流量であれば特に限定されない。しかしながら、メタン発酵槽の揮発性脂肪酸濃度を効率良く下げる観点から、メタン発酵槽に流入される液の流量に対して、２倍以上の流量でメタン発酵槽の前段部に処理水を返送することが好ましく、３倍以上の流量で返送することがより好ましい。一方、ポンプの運転費用など設備費の観点から、１５倍以下の流量でメタン発酵槽の前段部に処理水を返送することが好ましく、１０倍以下の流量で処理水を返送することがより好ましい。

メタン発酵槽への返送方法としては、メタン発酵槽へ液を流入させるための配管に返送する方法が挙げられる。図１は、メタン発酵槽１０を備えた処理装置の一例を示すブロック図である。図１に示す装置では、メタン発酵槽１０から排出された処理水１２を、当該メタン発酵槽の前段に接続された配管に返送する。図１に示すように、原水と処理水の混合が容易である点から、メタン発酵槽１０から排出された処理水１２を、メタン発酵槽１０へ直接返送するのではなく、メタン発酵槽１０に流入する配管に返送することが好ましい。

また、メタン発酵槽への返送方法として、処理装置がメタン発酵槽の前段に他の処理槽を有している場合、当該他の処理槽を経由してメタン発酵槽へ排水を流入させるための配管に返送する方法も挙げられる。このとき、メタン発酵槽の前段に設置される処理槽は、酸生成槽やｐＨ調整槽などが挙げられる。原水に含まれる糖やタンパク質、アミノ酸などの有機化合物を中間生成物である揮発性脂肪酸に予め分解することができることから、メタン発酵槽の前段に酸生成槽を設置することが好ましい。

図２は、メタン発酵槽２０の前段に酸生成槽２５を設置した処理装置の一例を示すブロック図である。図２に示す装置では、メタン発酵槽２０から排出される処理水２２を該メタン発酵槽２０の前段部の酸生成槽２５に返送する。また、メタン発酵槽２０から排出された処理水２２を、酸生成槽２５へ直接返送するのではなく、メタン発酵槽２０に流入する配管に返送してもよい。

本発明のメタン発酵槽における処理方式は特に限定されず、ＵＡＳＢ法、ＥＧＳＢ法、固定床担体を使用する方法、流動床担体を使用する方法などが挙げられる。ＵＡＳＢ法やＥＧＳＢ法は比重の軽いグラニュールを用いるため、処理水を返送するとメタン発酵槽内の線速度が上昇しグラニュールが槽外に流出するおそれがある。また、固定床担体を使用する方法は固定床が閉塞し接触効率が低下し、処理性能が比較的低い。かかる観点から、比重や粒径の調整が容易で接触効率が高い流動床担体を使用する方法が好ましい。

このとき使用する担体は特に限定されないが、処理装置の管の閉塞が起こりにくく、微生物との接触効率に優れている観点から、担体がポリビニルアルコールゲル担体であることが好ましい。ポリビニルアルコールゲル担体は、多数の水酸基を有しているために親水性が高い。そのため、生体との親和性も高く、多くの微生物を担持させることができるため、効率良く処理能力を回復させることができる。

また、ポリビニルアルコールゲル担体は、スポンジなどの発泡体と異なり、外力が加わり変形したとしても容易には水分が放出されず微生物の棲息に適した環境を提供することができる。

担体の球相当径は、１〜１０ｍｍであることが好ましい。球相当径が１ｍｍ未満の場合、槽から流出してしまうおそれがある。球相当径は、２ｍｍ以上であることがより好ましい。一方、球相当径が１０ｍｍを超えると、担体の表面から内部まで距離があるため、バクテリアが内部に棲息できない、代謝物が担体外へ排出されにくいという問題が発生することがある。また、担体を流動させて使用する場合、担体の球相当径が大きすぎると流動性が低くなるため、排水との接触効率が低下し、排水処理の効率が低下する場合がある。かかる観点から、球相当径は、６ｍｍ以下であることがより好ましい。

担体の表面から内部に連通する孔の孔径は、自由にコントロールできるが、バクテリアのみが担体内部に棲息できるものが好ましい。担体の孔径は、０．１μｍ以上であることが好ましい。孔径が０．１μｍ未満の場合、バクテリアが内部に進入できないなどの問題が発生するおそれがある。孔径は、０．５μｍ以上であることがより好ましい。一方、孔径は、１００μｍ以下であることが好ましい。孔径が１００μｍを超える場合、バクテリア以外の大きな生物が侵入し効率が低下する場合がある。孔径は、５０μｍ以下であることがより好ましい。孔径は、担体のＳＥＭ写真から求めた。

担体の形状は、限定されるものではなく、立方体、直方体、円柱状、球状、マカロニ状など任意の形状をとることができる。担体の流動性や排水との接触効率を考えると球状が好ましい。

担体の比重は水よりわずかに大きく、反応槽から流失しない程度に、当該反応槽の中で揺動させることができる比重であることが好ましい。そのため、担体の比重は、１．００１以上であることが好ましく、１．００５以上であることがより好ましい。一方、比重は、１．２以下であることが好ましく、１．１以下であることがより好ましい。本発明におけるポリビニルアルコールゲル担体は、微生物の保持量を増大させることができると共に、繰り返し使用における耐久性を確保することができる観点から、アセタール化されたポリビニルアルコールゲル担体であることがより好ましい。

アセタール化されたポリビニルアルコールゲル担体は、既存の方法で得ることができるが、微生物の保持に適した構造となる点で、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）と水溶性高分子多糖類とが溶解した水溶液とを、多価金属イオンを含む水溶液中に滴下することによって球状に成形し、次いでアルデヒドを用いてアセタール化処理する方法が好ましい。中でも、グルタルアルデヒドなどのジアルデヒドを用いてアセタール化処理されたポリビニルアルコールゲル担体が好ましい。

本発明において、メタン発酵槽に投入される担体の量は特に限定されないが、通常、メタン発酵槽の槽容量に対して５〜５０容量％であることが好ましく、５〜４０容量％であることがより好ましく、１０〜３０容量％であることがさらに好ましい。また、メタン発酵槽においては、担体と排水の接触効率を高めるために担体を流動させることもできる。担体を流動させる方法としては、特に制限はないが、機械撹拌やガスを散気する方法などが挙げられる

本発明の処理方法によって処理される原水は、嫌気性微生物により処理可能な有機物を含むものであればよく、液の種類に規定はないが、具体的には、食品工場や化学工場の製造排水、一般下水等が挙げられる。また、メタン発酵槽に流入させる液のｐＨは嫌気性処理が良好に進むように６．５〜７．５程度であることが好ましい。

本発明の処理方法によって処理される原水のＣＯＤ_ｃｒ濃度は特に限定されない。しかしながら、本発明の処理方法は、ＣＯＤ_ｃｒ濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上、好ましくは、３０００ｍｇ／Ｌ以上の原水を用いた処理に適している。一方、処理される原水のＣＯＤ_ｃｒ濃度の上限は、通常、５００００ｍｇ／Ｌ以下であり、３００００ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（反応槽に充填する担体）
メタン発酵槽に投入した担体は、グルタルアルデヒドでアセタール化したポリビニルアルコールゲル担体であり、球相当径が４．０ｍｍ、比重は１．０２５、含水率は９３質量％である。

実施例１
図２に示す嫌気性排水処理装置を用い、下記に示す条件で嫌気性排水処理を実施した。図２に示す装置は酸生成槽２５及びメタン発酵槽２０を有するものである。

（装置）
原水：糖類含有排水
酸生成槽の容量：５Ｌ
メタン発酵槽の容量：５Ｌ
メタン発酵槽における担体の充填量：２０容量％（槽容積に対する）
原水のＣＯＤ_Ｃｒ濃度：５０００ｍｇ／Ｌ（ＪＩＳ Ｋ ０１０２に準拠）
（メタン発酵槽から酸生成槽へ返送する返送水の流量）／（酸生成槽へ導入する原水の流量＝１ 以下、この値を返送比と称す。

図２に示す装置において、原水を酸生成槽２５へ流入し、当該原水に含まれるタンパク質などの有機化合物を揮発性脂肪酸に分解した。そして、酸生成槽２５で前処理された排水をメタン発酵槽２０へ流入した。メタン発酵槽２０へ流入された処理水は担体に担持された嫌気性微生物により処理される。この装置では、ＣＯＤ_Ｃｒ容積負荷５〜１５ｋｇ／ｍ^３・日として約１ヶ月運転することで、メタン発酵槽２５から得られる処理水のＣＯＤ_Ｃｒ除去率は８５％程度となる。ＣＯＤ_Ｃｒ容積負荷は原水のＣＯＤ_Ｃｒとメタン発酵槽の容積から計算した。

ＣＯＤ_Ｃｒ除去率が８５％程度と安定的に処理できていることを確認した後、メタン発酵槽のＣＯＤ_Ｃｒ容積負荷を２０ｋｇ／ｍ^３・日まで上げた。そうしたところ、メタン発酵槽２５の揮発性脂肪酸の濃度が約１４００ｍｇ／Ｌに上昇し、ＣＯＤ_Ｃｒ除去率は６０％程度まで低下した。

そこで、メタン発酵槽２５の揮発性脂肪酸の濃度が６００ｍｇ／Ｌ以下になるよう、酸生成槽２５へ流入させる原水の流量は変化させずに、メタン発酵槽２０で処理された処理水を返送比５で返送したところ、ＣＯＤ_Ｃｒ除去率は８５％以上になり、元の処理性に回復した。処理性回復後に、通常条件である返送比１に戻し、約１か月半連続運転を継続したが、処理能力の低下は起こらず、ＣＯＤ_Ｃｒ除去率は常に８５％以上と良好な値を推移した。

比較例１
実施例１と同様の装置を用いて嫌気性排水処理を実施した。そうしたところ、メタン発酵槽２５の揮発性脂肪酸の濃度が約１４００ｍｇ／Ｌに上昇し、ＣＯＤ_Ｃｒ除去率は６０％程度まで低下した。その後も、返送比１を保ったまま処理を継続した。その結果、処理能力が急激に低下した。

以上の結果から、メタン発酵槽２０から排出される処理水をメタン発酵槽２０の前段部に返送し、メタン発酵槽２０の揮発性脂肪酸濃度を１０００ｍｇ／Ｌ以下となるように運転することで、メタン発酵槽２０の処理能力が改善することが分かった。

１０、２０ メタン発酵槽
１１ 原水
１２、２２ 処理水
２４ 酸生成槽へ流入される原水
２１ 酸生成槽からメタン発酵槽に導入される排水
１３、２３ 返送される処理水
２５ 酸生成槽

Claims (5)

1. 有機物を含有する排水をメタン発酵槽に通水して嫌気性処理を行う処理方法であって、すでに運転されている前記メタン発酵槽における処理能力が低下した場合に、前記メタン発酵槽の揮発性脂肪酸濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以下となるように、該メタン発酵槽から排出される処理水を該メタン発酵槽の前段部に返送することにより前記処理能力を回復させることを特徴とする有機性排水の処理方法。
2. 前記メタン発酵槽から排出される処理水を該メタン発酵槽の前段部の酸生成槽に返送する請求項１に記載の有機性排水の処理方法。
3. 前記メタン発酵槽から排出される処理水を、該メタン発酵槽に流入する配管に返送する請求項１又は２に記載の有機性排水の処理方法。
4. 前記メタン発酵槽に担体を添加し、該担体に担持された嫌気性微生物により前記排水を処理する請求項１〜３のいずれかに記載の処理方法。
5. 前記担体がポリビニルアルコールゲル担体である請求項４に記載の処理方法。

Images