JP3654789B2

JP3654789B2 - 汚泥処理方法及び装置

Info

Publication number: JP3654789B2
Application number: JP10096499A
Authority: JP
Inventors: 昌浩多田羅; 芳孝東郷
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 1999-04-08
Filing date: 1999-04-08
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2019-04-08
Also published as: JP2000288594A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は汚泥処理方法及び装置に関し、とくに下水処理場や廃水処理設備から排出される余剰汚泥を嫌気性消化槽で処理する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
下水処理場や化学工場、食品工場等の廃水処理設備において、好気性微生物を使った活性汚泥法が広く使われている。活性汚泥法は、エアレーション（曝気）により廃水中の好気性微生物に廃水中の有機物の一部分を酸化分解させると共に残部分を栄養として同化させることにより、廃水を処理する方法である。そのため活性汚泥法では、有機物を資化し増殖した多種多様の好気性微生物で構成される大量の余剰汚泥（以下、単に汚泥ということがある。）が発生する。汚泥発生量が少ない活性汚泥法として生物膜法、長時間曝気法等が開発されているが、汚泥を全く排出しない活性汚泥法は存在しない。
【０００３】
汚泥は産業廃棄物として処理・処分する必要があり、従来多くの汚泥は脱水あるいは焼却後に埋立処分されている。しかし埋立処分は、処分地の確保が困難になるにつれて処分費用が高騰し、また焼却時に放出される二酸化炭素やダイオキシンが地球温暖化や環境汚染の原因となる問題点がある。このため汚泥の減量等を目的として、処分前に汚泥を嫌気性消化槽で処理する方法が普及している。
【０００４】
また最近では、汚泥を熱処理又はオゾン処理で可溶化したのち活性汚泥槽で処理する方法も開発されている。この方法では、熱処理又はオゾン処理後の汚泥を活性汚泥槽で処理することにより約１／３を生物的に酸化分解できる。未分解の汚泥は、新たに下水処理場等から排出される汚泥と共に再び熱処理又はオゾン処理し活性汚泥槽へ戻して処理する。このサイクルを繰り返すことにより、排出が予想される汚泥量の３倍量を熱処理又はオゾン処理すれば、理論的には汚泥の増加を最小化できる。
【０００５】
さらに汚泥を再利用する観点から、汚泥を高温（800℃程度）で溶融し煉瓦などにリサイクルする方法も開発されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の前記熱処理又はオゾン処理で汚泥を可溶化したのち活性汚泥槽で処理する方法は、可溶化のための加熱、オゾンの供給及び活性汚泥槽の曝気用に多大なエネルギーを要するため、汚泥処理のランニングコストが嵩む問題点がある。オゾン処理の場合は高価なオゾン発生装置等を必要とするので、設備費も高くなる。また通常の熱による可溶化処理では、汚泥の約30％程度しか可溶化することができないので、未分解の汚泥が大量に残り処理効率が悪いという問題点もある。
【０００７】
前記溶融した汚泥をリサイクルする方法も、溶融のため大きなエネルギーを必要とし、しかも専門的な知識を有する管理者を配置する必要があるので、汚泥処理のランニングコストが嵩む問題点がある。このためリサイクルした煉瓦などは価格が高く利用が難しくなっている。
【０００８】
他方、前記嫌気性消化槽で汚泥を処理する方法は、嫌気状態で汚泥を分解するので曝気が不要であり、最終生成物として発生するメタンガスからエネルギーが回収できる利点を有する。しかし従来の嫌気性消化処理は、汚泥の処理に長時間を要し、しかも分解処理効率が低いという問題点が指摘されている。これは汚泥の主成分である微生物の細胞壁にペプチドグリカン、ペクチン質、セルロース等の難分解物質が多量に含まれているからである。従って継続的に発生する汚泥を嫌気性消化槽で処理する場合、消化日数が例えば30日以上必要となるため、その消化日数分の汚泥を滞留するための大型の嫌気性消化槽と広大な敷地スペースとが必要となる問題も生じる。
【０００９】
近年、産業廃棄物の排出量が年々増加するなかで、汚泥の占める割合は45.5％（平成５年度）と最も高い。汚泥は含水率が高く腐敗しやすいため、効率的な汚泥減容化技術の開発が重要な課題となっている。
【００１０】
そこで本発明の目的は、ランニングコストを低く抑えつつ汚泥を短時間で効率的に処理できる方法及び装置を提供するにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、アルカリ添加と加熱とにより汚泥を可溶化する技術に注目した。汚泥は殆どが微生物であり、微生物の細胞壁はペプチドグリカン、ペクチン質、セルロース等の難分解物質を多量に含んでいる。そのため汚泥をそのまま処理しようとしても、細胞壁が細胞内の有機物を保護するような形となり、分解できないか、あるいは分解に時間がかかる。汚泥を嫌気性消化槽で処理する前にアルカリを添加して加熱すれば、汚泥中の微生物細胞を破壊することができ、消化処理の効率向上と時間短縮とが期待できる。
【００１２】
しかしアルカリ添加と加熱とにより汚泥を可溶化する場合、消化処理前に酸を添加して汚泥を中和すると、中和で生じた大量の塩が嫌気性微生物の活性を低下させるおそれがある。例えばナトリウム（Na⁺）濃度が7,000mg／リットル以上になるとメタン発酵の反応速度を50％程度阻害するといわれている（燃料及燃焼、第51巻、第４号、1986年、益田信夫ら、「メタン発酵の基礎と応用（４）」）。汚泥の嫌気性消化処理を安定的に且つ高効率で行なうためには、単に汚泥を可溶化するだけでは足りず、嫌気性微生物の活性を阻害する塩の濃度を低く抑える必要がある。
【００１３】
本発明者は、汚泥中の微生物細胞を破壊でき、しかも汚泥中の塩濃度を嫌気性微生物の活性が阻害されない程度に抑え得る嫌気性消化処理技術の研究開発の結果、本発明の完成に至った。
【００１４】
図１の実施例を参照するに、本発明の汚泥処理方法は、汚泥30を嫌気性消化槽４で処理する前に含水率 80 〜 90 ％に脱水し、脱水した汚泥31をアルカリ38の添加と所定時間の加熱とにより可溶化したのち、酸39の添加により中和すると共に脱水時の分離水により希釈して中和時に生じる塩の濃度を嫌気性消化槽４内に保持した嫌気性微生物が活性を示す値に調整してなるものである。
【００１５】
好ましくは、脱水した汚泥31をアルカリ濃度0.05〜1.0Ｎとし、温度50〜80℃において可溶化する。
【００１６】
また図１を参照するに、本発明の汚泥処理装置は、汚泥30を含水率 80 〜 90 ％に脱水する脱水装置１、脱水した汚泥31をアルカリ38の添加と所定時間の加熱とにより可溶化する可溶化装置２、可溶化した汚泥32を酸39の添加で中和すると共に脱水装置１の分離水で希釈して中和時に生じる塩の濃度を嫌気性微生物が活性を示す値とする中和装置３、及び中和され塩濃度が調整された汚泥33を嫌気性微生物により消化する嫌気性消化槽４を備えてなるものである。
【００１７】
好ましくは、嫌気性消化槽４で生じる消化ガスにより温水をつくるボイラー７を設け、前記温水により可溶化装置１及び／又は嫌気性消化槽４を加熱する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の汚泥処理装置の一実施例を示す。本発明では、下水処理場等から排出された汚泥30を可溶化処理する前に、脱水装置１で脱水する。脱水装置１は例えば天日乾燥による乾燥床、又は真空脱水機、遠心分離機、フィルタープレス（過圧脱水機）等である。脱水装置１の上流側に汚泥濃縮タンク等を設け、脱水処理前に汚泥を濃縮してもよい。脱水の程度は、含水率を低くするほど後述する可溶化装置２の小型化が可能であるが、とくに制限はない。可溶化処理の操作性から、脱水後の汚泥31（以下、脱水汚泥31ということがある。）の含水率を80〜90％とすることが望ましい。
【００１９】
脱水汚泥31を可溶化装置２へ送り、アルカリ38を添加したのち加熱する。汚泥31にアルカリ38を加えて加熱すれば、汚泥31中の微生物の細胞壁は変性・溶解し、細胞が破壊されて細胞内の有機物が可溶化する。可溶化する細胞内の有機物は、通常の有機性廃水と同様の成分がほとんどであるため、従来の嫌気性消化槽４で容易に分解できる。また難分解性の細胞壁も分解容易な有機物に変性・溶解するので、嫌気性消化槽４で分解可能である。しかもアルカリ38の添加と加熱とによる可溶化処理は、汚泥31のSS（浮遊物質、Suspended Solids）濃度にかかわらず汚泥31を高度に可溶化できる。
【００２０】
図示例の可溶化装置２は、汚泥31を貯留する可溶化槽23と、可溶化槽23の下端側から汚泥を引き抜き上端側ヘ戻す汚泥循環ライン13及び循環ポンプ14と、循環ライン13上の汚泥を加熱する汚泥加熱装置21とを有する。汚泥31の加熱装置21による加熱温度は高いほど後述の可溶化率が高くなり、温度を高くするほどアルカリ38の使用量を減らすことができる。しかし使用エネルギーや使用設備費などを考慮した場合、温度50〜80℃において可溶化することが望ましい。ただし、可溶化装置２の構成は図示例に限定されない。
【００２１】
脱水汚泥31の可溶化に必要なアルカリ38の濃度を検討するため、容積５リットルの７槽のジャーファーメンターにそれぞれ含水率80％に調整した脱水汚泥31を投入し、そのうち６槽にそれぞれ最終濃度が0.005、0.01、0.05、0.2、0.5、１Ｎとなるように水酸化ナトリウム（NaOH）を加え、各槽の汚泥31を循環しつつ70℃に維持してVSS（揮発性固形物、Volatile Suspended Solids）可溶化率の経時変化の実験を行なった。実験結果を図２のグラフに示す。
【００２２】
図２のグラフから分かるように、70℃において６時間処理すればアルカリ38の濃度１Ｎで汚泥31をほぼ100％可溶化でき、0.5Ｎでは80％程度、0.2Ｎでは70％程度、0.05Ｎでは60％程度それぞれ可溶化できることが確認できた。従来の加熱のみによる可溶化処理では汚泥の約30％程度しか可溶化できなかったのに対し、NaOHの濃度を0.05Ｎ以上とすれば汚泥31の60％以上を可溶化できる。可溶化効率とランニングコストを考慮して、NaOHの濃度は0.05〜0.5Ｎとすることが望ましい。
【００２３】
また図２のグラフから、70℃に加熱した場合、汚泥31の可溶化反応は６時間程度でほぼ完了し、それ以上加熱時間を長くしても汚泥31の可溶化率はそれほど上昇しないことが確認できた。従って本発明では、可溶化処理時間が比較的短く、汚泥31も脱水により減容されているので、可溶化装置２の小型化を図ることができる。
【００２４】
可溶化処理に用いるアルカリ38はNaOHに限定されず、他のアルカリ38を用いることができる。ただし可溶化処理に適するアルカリ38の濃度は、処理対象の汚泥31及び使用するアルカリ38の種類に応じて変更する必要があり、上述したNaOHの場合と同様の実験により定めることができる。本発明者は更なる実験の結果、通常の場合は汚泥31にアルカリ38を最終濃度が0.05〜1.0Ｎとなるように添加し50〜80℃において６〜10時間加熱処理を行なえば、汚泥31を60％程度以上可溶化できることを確認した。
【００２５】
可溶化した汚泥32（以下、可溶化汚泥32ということがある。）を中和装置３へ送り、攪拌装置28で攪拌しながら酸39を添加して中和すると共に脱水装置１の分離水で希釈し、中和時に生じる塩の濃度を嫌気性微生物が活性を示す値（以下、活性塩濃度ということがある。）とする。例えば可溶化装置２でNaOHにより可溶化処理をした場合は、前述したようにNa⁺濃度が5,000mg／リットル以上になるとメタン発酵が阻害されるので、中和装置３において汚泥32中のナトリウム塩濃度を5,000mg／リットル以下とする。NaOH以外のアルカリ38の場合も、種類に応じて活性塩濃度を実験的に求めることができる。
【００２６】
本発明は、汚泥を脱水したのち可溶化処理を施すので、未脱水の汚泥を可溶化処理する場合に比し、可溶化処理時に添加するアルカリ量を減らし、中和時に生じる塩の濃度を低く抑えることができる。中和時に塩濃度が嫌気性微生物の活性塩濃度以上となった場合は、中和装置３において汚泥32に水を加えて希釈する。ただし水による希釈で中和に用いる酸の濃度を調節して中和時の塩濃度を調整することができる。希釈する場合も、脱水装置１からの分離水を希釈水として利用するので、本発明の処理装置の外部からの水の供給を必須としない。
【００２７】
なお、図示例は可溶化装置２とは独立の中和装置３を示すが、中和装置３の構成は図示例に限定されない。例えば図１の酸供給装置26、酸供給ライン27、希釈水供給ライン29を可溶化槽23に接続して中和装置３と可溶化装置２とを一体型のものとし、前記可溶化処理と前記中和・塩濃度調整処理とを同一槽内で行うことができる。
【００２８】
中和し塩濃度を調整した汚泥33（以下、中和汚泥33ということがある。）を嫌気性消化槽４へ送り、嫌気性消化槽４に保持した嫌気性微生物で消化する。本発明では、汚泥中の微生物細胞を破壊し且つ塩濃度を活性塩濃度に調整するので、嫌気性消化槽４において中和汚泥33を効率よく短時間で分解することができる。従って汚泥33を嫌気性消化槽４に滞留させる時間も短縮できるので、消化槽４をコンパクトにすることができ、設置面積も小さく抑えることができる。また消化槽４で発生する消化ガスを可溶化装置１及び／又は嫌気性消化槽４の加熱用熱源として利用できるので、本発明では外部から加えるエネルギーを最小とすることができ、汚泥処理のランニングコストが低減できる。
【００２９】
こうして本発明の目的である「ランニングコストを低く抑えつつ汚泥を短時間で効率的に処理できる方法及び装置」の提供を達成できる。
【００３０】
【実施例】
図１の汚泥処理装置では、固定床式の嫌気性消化槽４を用いている。同図の消化槽４には、例えばガラス繊維又は炭素繊維製の微生物担体を充填し、嫌気性微生物を高濃度に保持することができる。また同図の消化槽４は、下端側から汚泥を引き抜き上端側ヘ戻す汚泥循環ライン16及び循環ポンプ17と、循環ライン16上で汚泥を加熱する汚泥加熱装置22とを有し、加熱装置22で消化槽４内の汚泥を嫌気性微生物の活性に適する発酵温度、例えば中温（37℃程度）又は高温（55℃程度）に維持している。ただし本発明で用いる嫌気性消化槽４の発酵温度、浮遊床や固定床等の方式は図示例に限定されない。
【００３１】
図１では、嫌気性消化槽４で発生した消化ガスをガスライン19経由で取り出し、脱硫塔５で脱硫したのちガスメーター６経由で温水ボイラー７へ送り、温水ボイラー７の燃料として使用している。温水ボイラー７と可溶化装置２及び嫌気性消化槽４の各汚泥加熱装置21、22との間に往復温水ライン20a、20bを設け、温水ボイラー７から温水を各汚泥加熱装置21、22へ送ることにより、汚泥処理装置の外部からのエネルギー供給なしに可溶化装置１及び嫌気性消化槽４を加熱することができる。この場合、汚泥加熱装置21、22の一例は熱交換器である。
【００３２】
［実験例１］
廃水処理施設からのSS濃度20,000mg／リットルの余剰汚泥30を用いて、本発明の汚泥処理による効果を確認する実験を行なった。先ず脱水装置１で含水率80％に調整したのち、可溶化装置２で脱水汚泥31に濃度0.5ＮとなるようにNaOHを加えて60℃で10時間可溶化処理した。中和装置３で可溶化汚泥32に塩酸（HCl）を加えて中和したのち塩濃度を測定したところ、Na⁺濃度が約12,000mg／リットルでありNa⁺の場合の活性塩濃度5,000mg／リットルを超えていたので、汚泥に対し４倍量の水を加えて希釈した。希釈後の中和汚泥33を図５に示す原料槽40に貯えて実験に用いた。
【００３３】
本実験では、図５に示すように容積３リットルの固定床式の嫌気性消化槽４を用い、汚泥加熱装置22（図示せず）により温度を55℃に制御した。嫌気性消化槽４には、槽４内の微生物濃度を高く保つため、直径30mm、高さ600mmの４本の円筒状ガラス繊維製担体を円筒軸が鉛直方向となるように規則的に充填した。
【００３４】
原料槽40から嫌気性消化槽４へ負荷を徐々に上げながら中和汚泥33を投入し、20日で立ち上げを完了し、CODcr容積負荷約18kg／m³／day（汚泥投入量約１リットル）で定常運転に切り替えた。図３は、本実験におけるCODcr容積負荷と消化ガス発生量の経日変化のグラフを示す。また図４は、本実験におけるCODcr容積負荷の変化に応じたT-CODcr除去率及びSS除去率の変化のグラフを示す。
【００３５】
図３のグラフに示すように定常運転中の消化ガス発生量は16リットル／day程度と安定しており、メタン発酵の指標である有機酸量も30meq／リットルと低い値に保たれていたことから、中和汚泥33を安定的に消化処理できたと考えられる。また消化日数は３日程度であり、従来の嫌気性消化槽における汚泥の消化日数30日以上に比し短時間で消化できることが確認できた。図４のグラフからは、定常運転時のT-CODcr除去率は約75％、SS除去率は約70％であることが確認できた。
【００３６】
また本実験から、中和汚泥１リットル当りから80リットルの消化ガスが発生することがわかった。消化ガス中のメタン含有量は70％であったため、熱量に換算すると約480kcalであった。可溶化装置２において１リットルの汚泥を20℃から60℃まで加熱することに要する熱量は約40kcalである。このことから、可溶化装置２を適切に保温すれば、汚泥可溶化に必要な熱量はメタン発酵で得られる消化ガスの１割程度のエネルギーでほぼ補えることがわかった。
【００３７】
［実験例２］
SS濃度が23,000mg／リットルである他の廃水処理施設の余剰汚泥30を用いて、前記実験例１と同様に本発明の汚泥処理方法の効果を確認した。実験例１と同様に徐々に負荷を上げ定常運転を行ったところ、定常運転開始後30日目から有機酸量が増加する傾向が見られた。嫌気性処理槽４内の汚泥の成分を分析したところ、ニッケル、コバルト等の微量金属が不足していたため、嫌気性消化槽４にCoCl₂・6H₂O及びNiCl₂・６H₂Oをそれぞれ５mg、NaMoO₄・2H₂Oを１mg加え実験を継続したところ、有機酸量も減少し安定的な運転を回復できることが確認できた。また前記微量金属塩を加えた後３ヶ月程度安定的な運転が維持できることを確認した。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の汚泥処理方法及び装置は、汚泥を脱水したのちにアルカリ添加と加熱とにより可溶化し、中和する。可溶化した汚泥は嫌気性微生物が阻害されない塩濃度となるように希釈して嫌気性消化槽で処理するので、次の顕著な効果を奏する。
【００３９】
（イ）汚泥を可溶化し且つ塩濃度を嫌気性微生物に適する値に調整したのち消化するので、嫌気性消化槽において汚泥を効率よく短時間で分解できる。
（ロ）汚泥を脱水処理した後に可溶化処理するので、可溶化処理時に添加するアルカリ量を減らし、中和時に生じる塩の濃度を低く抑えることができる。
（ハ）消化処理時間が短いため、継続的に発生する汚泥を消化処理する場合でも消化処理槽をコンパクトなものとし、設置面積も小さく抑えることができる。
（ニ）可溶化汚泥をメタン発酵により処理するため、メタン発酵により発生する消化ガスを利用することにより、外部からエネルギーを供給することなく汚泥の可溶化処理及び嫌気性消化処理を行うことが可能である。
（ホ）外部からの資源及びエネルギー供給を最小に抑えることができるので、汚泥処理のランニングコストを低く抑えることができる。
（ヘ）必要に応じて微量金属塩等不足している栄養塩を嫌気性消化槽に加えることにより、効率的な消化処理を長期間安定的に維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明の一実施例のブロック図である。
【図２】は、NaOH添加による汚泥の可溶化率の経時変化を示すグラフである。
【図３】は、本発明の汚泥処理方法によるCODcr容積負荷と消化ガス発生量の経日変化を示すグラフである。
【図４】は、本発明の汚泥処理方法によるCODcr容積負荷とT-CODcr除去率及びSS除去率との関係を示すグラフである。
【図５】は、本発明の汚泥処理方法の効果確認実験の説明図ある。
【符号の説明】
１…脱水装置２…可溶化装置
３…中和装置４…嫌気性消化槽
５…脱硫塔６…ガスメーター
７…温水ボイラー 10…汚泥供給ライン
11…分離水ライン 12…脱水汚泥輸送ライン
13…汚泥循環ライン 14…循環ポンプ
15…可溶化汚泥輸送ライン 16…汚泥循環ライン
17…循環ポンプ 18…処理水ライン
19…ガスライン 20…温水ライン
21…汚泥加熱装置 22…汚泥加熱装置
23…可溶化槽 24…アルカリ供給装置
25…アルカリ供給ライン 26…酸供給装置
27…酸供給ライン 28…攪拌装置
29…希釈水供給ライン 30…汚泥
31…脱水汚泥 32…可溶化汚泥
33…中和汚泥 35…消化ガス
37…温水 38…アルカリ
39…酸 40…原料槽

Claims

汚泥を嫌気性消化槽で処理する前に含水率 80 〜 90 ％に脱水し、脱水した汚泥をアルカリ添加と所定時間の加熱とにより可溶化したのち、酸添加により中和すると共に前記脱水時の分離水により希釈して中和時に生じる塩の濃度を嫌気性微生物が活性を示す値に調整してなる汚泥処理方法。
請求項１の処理方法において、前記脱水した汚泥をアルカリ濃度0.05〜1.0Ｎとし温度50〜80℃において可溶化してなる汚泥処理方法。
請求項１又は２の処理方法において、前記アルカリを水酸化ナトリウム（NaOH）とし、前記中和後のナトリウム塩濃度を5,000mg／リットル以下としてなる汚泥処理方法。
汚泥を含水率 80 〜 90 ％に脱水する脱水装置、前記脱水した汚泥をアルカリ添加と所定時間の加熱とにより可溶化する可溶化装置、前記可溶化した汚泥を酸添加で中和すると共に前記脱水装置の分離水で希釈して中和時に生じる塩の濃度を嫌気性微生物が活性を示す値に調整する中和装置、及び前記中和され塩濃度が調整された汚泥を前記嫌気性微生物により消化する嫌気性消化槽を備えてなる汚泥処理装置。
請求項４の汚泥処理装置において、前記中和装置を前記可溶化装置と共通の槽内に設けてなる汚泥処理装置。
請求項４又は５の汚泥処理装置において、前記嫌気性消化槽で生じる消化ガスにより温水をつくるボイラーを設け、前記温水により前記可溶化装置及び／又は前記嫌気性消化槽を加熱してなる汚泥処理装置。