JP2021146279A - 有機廃水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多量の汚泥を取り換える必要なく、汚泥性状を回復する、有機廃水処理方法を提供すること。【解決手段】有機廃水を活性汚泥槽に供給し、前記有機廃水を処理する有機廃水処理方法であって、前記活性汚泥槽のＢＯＤ汚泥負荷（Ｆ／Ｍ比）がＦＡとなるように前記有機廃水を前記活性汚泥槽に供給するステップＡと、前記活性汚泥槽のＢＯＤ汚泥負荷（Ｆ／Ｍ比）がＦＢ（ただし、ＦＡ＞ＦＢとする）となるように前記有機廃水を前記活性汚泥槽に供給するステップＢとを有し、前記ステップＡから前記ステップＢへ移行し、その後に前記ステップＢから前記ステップＡへ逆に移行する工程を有し、前記工程前の前記活性汚泥槽の溶存酸素濃度（ＤＯ０）と、前記工程後の前記活性汚泥槽の溶存酸素濃度（ＤＯ１）が、ＤＯ１＞ＤＯ０かつＤＯ１＞０．３ｐｐｍを満たすまで前記工程を繰り返す、有機廃水処理方法を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、生活排水や産業廃水などの有機性廃水を処理するにあたって好適に採用することができる有機性廃水の処理方法に関するものである。

標準活性汚泥法では、廃水が活性汚泥に添加される。これらの廃水中に存在する溶解性有機物は、活性汚泥中の微生物にとっての栄養として機能する。結果として、活性汚泥中の微生物は、好気性処理プロセスにおいて有機物を分解する。通常、汚泥の増殖および成長は、有機物質の濃度および酸素の入手可能性に依存する。適切な量の酸素を伴う、より高濃度の有機物があれば、汚泥のより早い成長という結果につながる。
活性汚泥は膜処理において、例えば、膜分離活性汚泥法などで使用される。膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ）は、その設置面積の小ささ、より高い出力、より高濃度の混合懸濁物質（ＭＬＳＳ）で稼働できるため、標準活性汚泥法よりも有利である。ＭＢＲは、膜を用いて固液分離しており、大規模な沈殿槽が不要である。
高有機物負荷の処理における課題として、微生物の急速な増殖によるＭＬＳＳの増大があげられる。高濃度のＭＬＳＳに対処するためには、より多くの溶存酸素（ＤＯ）が汚泥に供給される必要があるが、これは電力費の増加につながる。また同時にＭＬＳＳの増大には、粘度の増大が伴うため、より多くの空気量を供給しても、酸素伝達が非効率的になる（非特許文献１、２）これらの条件は、汚泥ろ過性の減少、有機生分解性の減少、または細胞外高分子物質（ＥＰＳ）の増大により、汚泥性状の劣化につながる可能性がある。この種の汚泥によって稼働するＭＢＲは、膜ファウリングを発生しやすく、膜の膜間差圧（ＴＭＰ）が増大する可能性がある。
ＭＢＲの運転時は、有機物負荷の変動に適応および対応できることもまた重要である。汚泥が全体の有機物量の急増と、負荷が低減する期間と、の両方に対応することができなければならない。特許文献１では、流入する有機物負荷に従って汚泥の曝気を調整するシステムについて記載している。曝気は連続的でなく断続的であり、流入する汚水の変動に対応する。必要なときにだけ曝気を増大することにより、消費電力を節約することができる。この手法は、多くの場合、実際の処理施設で生じる系の変動に対応できる。
特許文献２で記載されるような異なる槽を有する多段階式の系は、有機物負荷の急激な変動および不十分な処理容積に対処するように設計された。好気性微生物が固定された流動担体を収容する担体槽をＭＢＲ槽の前に設けることにより、ＭＢＲ槽での有機物負荷を低減することができる。ＭＢＲ槽中のＭＬＳＳは、所望の条件で、過剰な酸素の必要性なしに維持できる。
特許文献３は、連続する２段階の処理を伴うバッチ操作を採用している。有機廃水が第１の生物処理槽に投入され、次いで停止されるが、一方で曝気により生物処理が継続される。この第１の槽内の汚泥は、第２の槽に注入され、生物処理プロセスを完了するために曝気される。汚泥は沈殿により分離でき、上清を排出する。

特開２００６−７１３２号公報 特許第５５７５３１６号 特開２０１６−１３５０９号公報

Ｅｎｖｉｒｏｎ Ｓｃｉ Ｔｅｃｈｎｏｌ、４３：８５６１−８５６５（２００９） Ｊ Ｂｉｏｓｃｉ Ｂｉｏｅｎｇ、１２１：５５０-５５６（２０１６）

処理プロセスの間、汚泥状態は、有機物負荷および廃水の性状の急変のために急速に変動し得る。特許文献１のようなシステムは、定常的で緊密なシステムの監視を必要とする。このため、システムに突然の障害が生じた場合、または汚泥中の微生物組成に変化があった場合に、変化に対して即座に応答することが必要とされる。高い有機物負荷を取り扱う特許文献２および３のような多段階式の処理設計は、大規模な設置面積およびより大きい容積の汚泥を必要とする。汚泥の状態が劣化すると、汚泥の入れ換えにより、大量の廃棄物が生成される。
生物処理システムで、活性汚泥を用いて高い有機物負荷の処理を実施するときに、汚泥を回復させる有効な方法が必要となる。回復方法は、汚泥品質が劣化したときに回復させ、さらに劣化が生じる前に良好な汚泥状態を維持するよう機能するものでなければならない。
本発明の発明者らは、高い有機物量を有する廃水の供給を調整することが、汚泥がこの高い有機物負荷を処理することにより劣化したときに、汚泥の性状を回復させることに役立ち得ることを見出した。

上述した課題を解決するために、本発明の有機廃水処理方法は以下のいずれかから成る。
（１）有機廃水を活性汚泥槽に供給し、前記有機廃水を処理する有機廃水処理方法であって、前記活性汚泥槽のＢＯＤ汚泥負荷（Ｆ／Ｍ比）がＦ_Ａとなるように前記有機廃水を前記活性汚泥槽に供給するステップＡと、前記活性汚泥槽のＢＯＤ汚泥負荷（Ｆ／Ｍ比）がＦ_Ｂ（ただし、Ｆ_Ａ＞Ｆ_Ｂとする）となるように前記有機廃水を前記活性汚泥槽に供給するステップＢとを有し、前記ステップＡから前記ステップＢへ移行し、その後に前記ステップＢから前記ステップＡへ逆に移行する工程を有し、前記工程前の前記活性汚泥槽の溶存酸素濃度（ＤＯ_０）と、前記工程後の前記活性汚泥槽の溶存酸素濃度（ＤＯ_１）が、ＤＯ_１＞ＤＯ_０かつＤＯ_１＞０．３ｐｐｍを満たすまで前記工程を繰り返す、有機廃水処理方法。
（２）前記工程が、（ＤＯ_１―ＤＯ_０）≧０．１ｐｐｍを満たすまで繰り返される、（１）記載の有機廃水処理方法。
（３）前記ＤＯ_０が０．２ｐｐｍより大きい、（１）又は（２）記載の有機廃水処理方法。
（４）前記活性汚泥槽中で処理される活性汚泥のろ紙ろ過性が、１５ｍＬ／５分以上となるまで前記工程を繰り返す、（１）〜（３）のいずれか一項記載の有機廃水処理方法。
（５）前記工程が、Ｆ_Ｂ＝０となることを含む、（１）〜（４）のいずれか一項記載の有機廃水処理方法。
（６）前記ステップＡの曝気量（Ｖ_Ａ）と、前記ステップＢの曝気量（Ｖ_Ｂ）が、Ｖ_Ｂ＞Ｖ_Ａの関係を満たす、（１）〜（５）のいずれか一項記載の有機廃水処理方法。
（７）前記活性汚泥槽中の被処理水と、前記活性汚泥とを、分離するための膜ろ過プロセスが含まれる、（１）〜（８）のいずれか一項記載の有機廃水処理方法。

本発明によれば、多量の汚泥を取り換える必要なく、汚泥性状を回復する、有機廃水処理方法を提供することができる。

本発明の有機廃水処理方法の例を示す略図である。 従来の有機処理廃水処理方法での活性汚泥槽中の溶存酸素、ろ紙ろ過性、ＣＯＤ除去率を表すグラフである。 本発明の有機処理廃水処理方法での活性汚泥槽中の溶存酸素を表すグラフである。 本発明の有機処理廃水処理方法での活性汚泥槽中のろ紙ろ過性を表すグラフである。 本発明の有機処理廃水処理方法での活性汚泥槽中のＣＯＤ除去率を表すグラフである。

以下、図１を用いて本発明について詳しく説明するが、本発明の内容はこの図の態様に限定されるものではない。
本発明の有機廃水処理方法は、図１に示されるように、有機成分を含有する有機廃水２を貯留槽１に供給し、送液ポンプ３を介して活性汚泥槽４に供給し、有機廃水を活性汚泥処理し、膜分離装置５によって膜ろ過処理して浄化水を取り出す膜分離活性汚泥処理方法において実施される。空気は、散気管８を通してブロワ７から供給され、活性汚泥中の微生物による有機物の好気性生分解や、膜表面の洗浄に使用される。ろ過ポンプ６はろ過水を取り出すために使用できる。汚泥は排出装置９を介して活性汚泥槽４から定期的に排出される。

有機廃水２は活性汚泥処理される有機成分を含有する廃水であり、一般的には生活排水や産業廃水などを示す。これを活性汚泥槽４に供給するが、活性汚泥槽４には、微生物を含有する汚泥が収容されており、この微生物が有機物の分解菌として作用し、生物処理を行う。また、汚泥に含まれる微生物は、細菌類、酵母、カビを含む真菌類など、有機物などの分解に寄与するもので、土壌、堆肥、汚泥など、自然界から集積培養及び馴養によって取得される。またこの馴養液から分解に関与する主要な微生物群を単離して用いることも可能である。
活性汚泥槽４には、その他、微生物の生育に必要な成分が収容されていなければならない。そのため、例えば窒素、リン、カリウム、ナトリウム、マグネシウムその他の金属塩が廃水中に含まれていない場合は、必要に応じて活性汚泥槽４に添加する。活性汚泥槽４における有機廃水の滞留時間は、通常１〜２４時間の間であるが、有機化学成分の性質に応じて変動する。

活性汚泥槽４に設けられている膜分離装置５としては、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜などを用いて形成されたモジュールを用いることができる。経済性の観点からは、ろ過速度が高くコンパクト化が可能で、メンテナンスが容易である精密ろ過膜、限外ろ過膜を用いたモジュールが好ましい。膜の形状は平膜、中空糸膜等のものが用いられる。モジュールの形態も浸漬型、槽外設置型、特に限定されないが、浸漬型の場合は、曝気装置や撹拌装置との組合せ、配置により、ファウリング物質がうまく除去できるような形状であることが好ましい。また、膜分離装置５におけるろ過方法としては、クロスフロー方式や全量ろ過方式があるが、特に限定されるものではない。

ろ過膜は、多孔質膜または、多孔質膜と機能層を組み合わせた複合膜である。多孔質膜に使用される材料として、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリエーテル、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデンが好ましい。複合膜は、これら材料が形成する多孔質層と、シリコーン、ポリブタジエン、ポリアクリロニトリルブタジエンのなどのゴム、架橋ポリマーを含む機能層とで構成される。

浄化水を取り出す方法としては、図１で示すようにろ過ポンプ６を用いて取り出す方法が一般的ではあるが、水頭差を用いて重力によるろ過を行っても良い。
活性汚泥槽４において活性汚泥処理を行うには、微生物が有機物を分解するために必要な酸素を供給する必要がある。浸漬型の膜分離装置では、ブロワ７を用いて散気装置８を通して、膜分離装置５の下部から空気を供給する。この空気は微生物が有機物を分解するために利用されるだけでなく、膜に付着したファウリング成分の剥離にも利用される。具体的な運転方法としては、散気装置８からの噴出空気で膜分離装置を常に洗浄を行い、一定間隔で膜ろ過工程と膜ろ過休止工程（洗浄工程）を繰り返すことにより、膜面に付着したファウリング成分を洗浄工程で剥離させて、ファウリングを抑制する方法が一般的である。さらに酸素が必要であれば、生物反応用ブロワを用いて生物反応用散気装置を通して、空気を供給する。

本発明では、かかる有機廃水処理方法において、活性汚泥槽４のＢＯＤ汚泥負荷（Ｆ／Ｍ比：Ｆｏｏｄ/Ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ ｒａｔｉｏ）Ｆ_Ａを一時的にＦ_Ｂに減少させ、元のＦ／Ｍ比Ｆ_Ａに戻す工程を有し、Ｆ／Ｍ比を減少させる前の活性汚泥槽４の溶存酸素濃度（ＤＯ_０）と、Ｆ／Ｍ比を元に戻した後の活性汚泥槽４の溶存酸素濃度（ＤＯ_１）が、ＤＯ_１＞ＤＯ_０かつＤＯ_１＞０．３ｐｐｍを満たすまで上記工程を繰り返す、ことを特徴とする。ここで、Ｆ／Ｍ比がＦ_Ａの時をステップＡ、Ｆ／Ｍ比がＦ_Ｂの時をステップＢ、Ｆ_Ａ＞Ｆ_Ｂの関係を満たす。Ｆ／Ｍ比を減少させることにより、活性汚泥槽４中の微生物は飢餓状態となり、溶存酸素の消費量が低減し、活性汚泥槽４中の溶存酸素濃度が増大し、Ｆ／Ｍ比を元に戻した時に、十分な溶存酸素が存在する中で、微生物は有機物を分解することができ、汚泥の性状が回復し、膜のファウリングを抑制できると考えられる。この時、ＤＯは検出器を使用して測定できる。
活性汚泥槽４中の微生物に必要な溶存酸素を確保するために、上記工程は（ＤＯ_１―ＤＯ_０）≧０．１ｐｐｍを満たすまで繰り返されることが好ましい。
Ｆ／Ｍ比の減少させる程度を低減するために、ＤＯ_０が０．２ｐｐｍより大きいことが好ましい。

汚泥の性状は、ろ紙ろ過性及び懸濁物質により判定される。ろ紙ろ過性は、５０ｍＬの汚泥を１μｍろ紙（型式：Ｎｏ.５Ｃ ＡＤＶＡＮＴＥＣ社製）で５分間ろ過した後にろ液を回収して測定される。汚泥のろ紙ろ過性が低下しているときは、フロックの大きさが小さく、ろ紙を容易に詰まらせる。またろ紙ろ過性の低下は、膜のファウリングおよび膜間差圧の増大に繋がる。

活性汚泥槽４中の懸濁物質を測定し、排出装置９を調整して、懸濁物質量を制御する。懸濁物質量は、有機廃水２の化学的酸素要求量（ＣＯＤ）と活性汚泥槽４のＣＯＤから、ＣＯＤ除去率を算出することで評価する。
活性汚泥槽４中の微生物に必要な溶存酸素を確保するために、上記活性汚泥槽中で処理される活性汚泥のろ紙ろ過性が１５ｍＬ／５分以上となるまで上記工程を繰り返すことが好ましく、上記工程でのＦ_Ｂが０となることが好ましく。さらに、上記ステップＡの曝気量（Ｖ_Ａ）と、上記ステップＢの曝気量（Ｖ_Ｂ）が、Ｖ_Ｂ＞Ｖ_Ａの関係を満たすことが好ましい。

（比較例１）
有機廃水２を微生物なしで貯留槽１内に収容し、１．４ｍ^３の有効貯水容量を有する活性汚泥槽４に連続的に添加し、活性汚泥槽４にブロワ７および散気装置８を介して空気供給した。この時、貯留槽１では曝気を行わなかった。活性汚泥を含有する活性汚泥槽４には、膜分離装置５が沈めてある。この操作における膜分離装置５は、有効面積１．４ｍ^２を有し、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製の平膜型の精密ろ過膜であった。操作は２５℃で実施した。ろ過ポンプ６を用いてろ過を行い、各ろ過サイクルは、９分のろ過時間および１分の休止時間を有する。膜ろ過の流動は０．６〜１．０ｍ^３／ｍ^２／日で変動させた。曝気流量は１１５Ｌ／分に設定した。
これらの実施条件下で、系のＤＯは、０．２ｐｐｍの基準値近くまで低下した（図２ａ）。ろ過性は急速に低下し（図２ｂ）、最初の１週間以内に１５ｍＬ／分未満に落ち込み、系のＣＯＤ除去でも（図２ｃ）同様の低下があった。週Ｃの開始時に、有機廃水を活性汚泥槽４に連続的に添加したので、ろ過性およびＣＯＤ除去率は、週Ｃの間、低いままの状態が続いた。これらの汚泥状態は理想的ではなく、このままろ過を続けると、膜ファウリングが生じると思われ、さらに膜間差圧の増大が観察されると考えられ、この時点で汚泥の交換が必要である。

（実施例１）
比較例１と同様の条件で運転を開始し、ＤＯが０．２ｐｐｍ未満に低下したときに（図３の週３）、活性汚泥槽４への有機廃水２の供給を停止した（Ｆ_Ｂ＝０）。活性汚泥槽４へのブロワ７および散気装置８を介した空気供給は維持したが、ろ過もまた停止した。これを、ＤＯが増加し、かつろ過性が１５ｍＬ／５分より大きく増大するまで行った（２〜３時間）。操作を再開するとすぐに、ＤＯは回復ステップ（図３の週４）の前に、０．２ｐｐｍ未満から０．６ｐｐｍに向上した（図４の週４の前）。また同時に、ろ過性も７〜１５ｍＬ／５分の値から２０ｍＬ／５分を超えるまで回復した（図５の週４）。この回復ステップ後に、ＣＯＤ除去率もまた、８０％から安定して９０％を超えて維持されるまでに向上した。追加の有機廃水を停止することで、活性汚泥槽４においてＦ_Ｂ＝０となり、追加の有機物の好気性生分解が止まった。結果として、ＤＯは向上し、汚泥状態を回復させることができた。

（実施例２）
実施例１の運転を継続し、週９あたりでＤＯが０．２ｐｐｍ未満に低下したが、ろ過性およびＣＯＤ除去は依然として安定して高かったため、活性汚泥槽４への有機廃水２の供給およびろ過を一定時間（２〜３時間）停止した（Ｆ_Ｂ＝０）。再開するとすぐに、ＤＯおよびろ過性は向上し、ＣＯＤ除去率は、一定時間維持されることができた。

（実施例３）
実施例２の運転を継続し、週１１でＤＯは約０．１ｐｐｍに落ち込み（図３）、ろ過性は１０ｍＬ／分に落ち込んだ（図４）が、ＣＯＤ除去率は９０％を上回ったままである（図５）。有機廃水２の供給およびろ過を一定時間停止（２〜３時間）し、再開した後に、ＤＯおよびろ過性が回復した。

１ 貯留槽
２ 有機廃水
３ 送液ポンプ
４ 活性汚泥槽
５ 膜分離装置
６ ろ過ポンプ
７ ブロワ
８ 散気装置
９ 汚泥の排出

Claims (7)

1. 有機廃水を活性汚泥槽に供給し、前記有機廃水を処理する有機廃水処理方法であって、
   前記活性汚泥槽のＢＯＤ汚泥負荷（Ｆ／Ｍ比）がＦ_Ａとなるように前記有機廃水を前記活性汚泥槽に供給するステップＡと、
   前記活性汚泥槽のＢＯＤ汚泥負荷（Ｆ／Ｍ比）がＦ_Ｂ（ただし、Ｆ_Ａ＞Ｆ_Ｂとする）となるように前記有機廃水を前記活性汚泥槽に供給するステップＢとを有し、
   前記ステップＡから前記ステップＢへ移行し、その後に前記ステップＢから前記ステップＡへ逆に移行する工程を有し、
   前記工程前の前記活性汚泥槽の溶存酸素濃度（ＤＯ_０）と、前記工程後の前記活性汚泥槽の溶存酸素濃度（ＤＯ_１）が、ＤＯ_１＞ＤＯ_０かつＤＯ_１＞０．３ｐｐｍを満たすまで前記工程を繰り返す、有機廃水処理方法。
2. 前記工程が、（ＤＯ_１―ＤＯ_０）≧０．１ｐｐｍを満たすまで繰り返される、請求項１に記載の有機廃水処理方法。
3. 前記ＤＯ_０が０．２ｐｐｍより大きい、請求項１または２に記載の有機廃水処理方法。
4. 前記活性汚泥槽中で処理される活性汚泥のろ紙ろ過性が、１５ｍＬ／５分以上となるまで前記工程を繰り返す、請求項１〜３のいずれか一項に記載の有機廃水処理方法。
5. 前記工程において、Ｆ_Ｂ＝０とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の有機廃水処理方法。
6. 前記ステップＡの曝気量（Ｖ_Ａ）と、前記ステップＢの曝気量（Ｖ_Ｂ）が、Ｖ_Ｂ＞Ｖ_Ａの関係を満たす、請求項１〜５のいずれか一項に記載の有機廃水処理方法。
7. 前記活性汚泥槽中の被処理水と、前記活性汚泥とを、分離するための膜ろ過プロセスが含まれる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の有機廃水処理方法。

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