JP3736428B2 - 汚水の処理方法及び処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可溶化法により余剰汚泥の発生を抑制して、発生量の減容化が可能な汚水の処理方法および処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
下水などの汚水の活性汚泥法などの生物処理工程からは、多量の汚泥が発生しており、この汚泥の処理処分が現在最大の問題となっている。従来、これらの汚泥は、脱水助剤を添加して脱水機で脱水された後、埋め立てあるいは焼却により処分されている。しかしながら、埋め立て処分する場合には、処分地の減少による処理費の高騰という問題がある。また、焼却処分の場合も大規模なものについては、焼却炉の負担、焼却灰の処分等の問題があり、いずれもユーザーにとって大きな負担となっている。
【０００３】
従来より、余剰汚泥の減容化を図る方法として嫌気性消化（メタン発酵）法が知られているが、この方法では、長い滞留時間を必要とするためにタンクが巨大化してしまう。また、その割には減容化効果は大きくないため、結局、消化後に残留する消化汚泥を脱水して処分しなければならなかった。
【０００４】
汚泥の減容化のために、種々の方法が提案されており、例えば、特開平９−２５３６８４号公報には、引き抜き汚泥を嫌気性発酵工程にて可溶化した後、活性汚泥系に返送して、汚泥発生量を抑制する方法が記載されている。また、特開平１１−９０４９３号公報には、高温好気性細菌から産出される酵素による消化と、熱変性との双方を促進し得る温度に可溶化槽内を設定し、その中で汚泥を可溶化した後、曝気槽に返送することによって余剰汚泥を減容化する方法が記載されている。
【０００５】
特開平７−１１６６８５号公報に記載されているのは、オゾンを添加することにより汚泥の細胞壁を破壊して可溶化し、次いで好気槽にて汚泥の減容化を行なう方法であり、特許２１３２６２２号公報では、熱アルカリ処理を施すことにより可溶化を進めた後、曝気槽に返送することで汚泥の減容化をねらっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の方法のうち、嫌気性発酵処理のみによる汚泥の可溶化（特開平９−２５３６８４号公報）では、充分な可溶化率を得るためには長い滞留時間が必要であり、可溶化タンクの巨大化が避けられない。
【０００７】
高温好気性細菌の産出する酵素による汚泥の可溶化（特開平１１−９０４９３号公報）では、加熱のためのコストおよび好気性条件を維持するための曝気コストに起因してランニングコストが増大する。
【０００８】
また、オゾン酸化による汚泥の可溶化（特開平７−１１６６８５号公報）では、オゾン酸化槽での発泡トラブルのおそれがあり、排オゾン処理の必要性が生じる。しかも、オゾン発生機やオゾン添加コストが高額であるために、イニシャルコストが高く、ランニングコストの増大も伴うことになる。
【０００９】
さらに、加温アルカリ処理による可溶化（特許２１３２６２２号）では、多量の薬剤が必要なため薬剤コストが高く、加温のためのコストも要するのでランニングコストの増大が生じる。
【００１０】
このように、いずれの方法を用いても、可溶化タンクを巨大化することなく、低ランニングコストで汚泥の減容化を図ることができなかった。
【００１１】
そこで本発明は、可溶化タンクの小型化を可能にするとともに、発生汚泥量を著しく減少させることが可能な汚水の処理方法を提供することを目的とする。
【００１２】
また本発明は、低ランニングコストでタンクの小型化が可能であるとともに、発生汚泥量を著しく減少させることが可能な汚水の処理装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、汚水を生物処理する工程と、前記生物処理後の汚水を固液分離して処理水および返送汚泥を得る工程と、前記返送汚泥の一部から引き抜き汚泥を得る工程と、前記引き抜き汚泥を常温、常圧、嫌気、無酸素または微好気条件下、ｐＨ７．５〜８．９、滞留時間３〜２４時間にてアルカリ処理する工程と、前記アルカリ処理後の汚泥を、直ちに常温、常圧、嫌気、無酸素または微好気条件下、ｐＨ７．０〜７．８、滞留時間１〜３日にて生物学的に可溶化分解する工程と、前記可溶化された汚泥を前記生物処理系に返送する工程とを具備する汚水の処理方法を提供する。
【００１５】
前記引き抜き汚泥のアルカリ処理に先だって、前記汚泥を濃縮することが好ましい。
【００１７】
またさらに、本発明は、汚水を生物処理する生物処理系と、
前記生物処理後の汚水を固液分離して、処理水および返送汚泥を得る固液分離装置と、
前記返送汚泥の一部から引き抜き汚泥を得る手段と、
前記引き抜き汚泥を常温、常圧、嫌気、無酸素または微好気条件下、ｐＨ７．５〜８．９、滞留時間３〜２４時間にてアルカリ処理するアルカリ処理槽と、
前記アルカリ処理後の汚泥を、常温、常圧、嫌気、無酸素または微好気性条件下、ｐＨ７．０〜７．８、滞留時間１〜３日にて生物学的に可溶化する生物学的可溶化槽と、
前記可溶化された汚泥を生物処理系に返送する汚泥返送手段と
を具備する汚水の処理装置を提供する。
【００１８】
本発明の処理装置において、前記アルカリ処理槽は、押し出し流れ式の処理槽であることが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の汚泥の処理方法および装置と、これを利用した汚水の処理方法および処理装置を説明する。
【００２０】
本発明にかかる汚泥可溶化装置の一例を、図１に示す。
【００２１】
図示する処理装置においては、汚泥はアルカリ処理槽１に導入される。アルカリ処理槽１内では、ｐＨ７．５〜８．９となるようにアルカリ剤２を添加して汚泥にアルカリ処理を施して、３〜２４時間滞留させる。この処理によって、汚泥を構成する種々の微生物細胞構成成分などが生物学的分解を受けやすい形に改質される。
【００２２】
アルカリ処理のためのアルカリ剤としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、炭酸ナトリウム、および炭酸水素ナトリウム等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２３】
ここで必要とされるアルカリ剤の量は、汚泥の種類、濃度、および状態等に応じて適宜決定することができる。本発明の方法においては、アルカリ処理後の汚泥は後段で生物学的に可溶化されるので、後段の生物学的可溶化槽で生物学的可溶化を進行させるｐＨ条件にする必要がある。具体的には、アルカリ処理槽１内のｐＨは７．５〜８．９程度の低ｐＨとされ、高ｐＨとする必要はない。これによって、従来の高ｐＨでのアルカリ処理のみにより汚泥を可溶化する場合と比較して、アルカリ剤を少量に抑えることが可能となるため、薬剤コストの低減を図ることができる。
【００２４】
アルカリ処理は、高温で行なってもよいが、常温でも充分な効果を得ることができ、常温にて処理することが好ましい。アルカリ処理槽１は、完全混合式、あるいは押し出し流れ式とすることができる。特に押し出し流れ式とした場合には、アルカリ剤の低減によるさらなる低コスト化、滞留時間の短縮によるタンクの小型化など、より効率的な処理も期待できるので好ましい。
【００２５】
アルカリ処理後の汚泥は、引き続いて生物学的可溶化槽３に導かれ、常温、常圧、嫌気、無酸素あるいは微好気条件下で、ｐＨ７．０〜７．８、滞留時間１〜３日にて汚泥可溶化菌の作用によりさらに可溶化が進行する。ここでいう常温とは、５〜３５℃、好ましくは１５〜３０℃である。
【００２６】
なお、アルカリ処理後の汚泥は、好気的条件に曝されると、アルカリ可溶化成分の再汚泥化が生ずるおそれがある。これを避けるため、アルカリ処理後の汚泥は、空気に触れることなく生物学的可溶化槽３へ導入することが望まれる。
【００２７】
ここで、生物学的可溶化槽３における汚泥の可溶化について、詳細に説明する。
【００２８】
生物学的可溶化槽３内で汚泥の可溶化に関与する微生物としては、常温、常圧、嫌気、無酸素あるいは微好気条件下で、汚泥の主要構成成分であるタンパク質および炭水化物を分解するプロテアーゼやアミラーゼなどを分泌し、なおかつ汚泥成分を栄養源とすることのできる微生物が好適であるが、特に限定されるものではない。
【００２９】
本発明者らは、生物処理糟内にて高い汚泥分解活性を有する菌株３株を単離・同定し、その至適ｐＨを調査したところ、いずれも中性〜弱アルカリ性にて活性が最大になることを見出した。具体的には、生物処理糟内ｐＨは７．０〜７．８が適切であり、生物処理糟内ｐＨが上述の値となるように前段のアルカリ処理糟ｐＨを調整することで、生物処理糟内での汚泥分解菌の活性を最大限引き出すことができることを見出した。このときの生物処理糟内のｐＨの制御は、生物処理槽のｐＨをフィードバックしてアルカリ処理槽ｐＨを制御するのが簡潔であるが、生物処理槽に別途ｐＨ調整装置を設けて制御を行なってもよい。
【００３０】
加えて、汚泥は、アルカリで前処理することにより汚泥中菌体の破壊および細胞内液の溶出が生じているので、生物学的可溶化槽３における可溶化速度は従来法に比べて飛躍的に向上する。それによって、可溶化槽内滞留時間を短縮することができ、生物学的可溶化槽３のタンク容積の小型化が達成される。
【００３１】
上述したように、本発明においては生物学的可溶化槽３内での汚泥の可溶化は、嫌気、無酸素あるいは微好気下で行なわれるため、曝気を必要としない。したがって、汚泥は何等特別な付加施設なしに処理を行なうこともできるが、反応性を高めるために簡単な撹拌機を設置してもよい。撹拌機を設置した場合においても、そのコストは曝気コストと比較すれば遙かに低く抑えられ、従来の方法と比較して、非常にシンプルで低ランニングコストのプロセスの構築が可能となる。
【００３２】
アルカリ処理槽１から生物学的可溶化槽３へ流入したアルカリ性の処理液は、この可溶化槽３で嫌気、無酸素あるいは微好気下で処理を行なうことによって、上述したように中性付近になるよう制御される。そのため、本発明においては、処理液を中和するための酸などは必要とされず、中和のための薬剤コストも不要となる。
【００３３】
上述の汚泥可溶化法を利用した本発明の汚水の処理方法および処理装置を、図面を参照して以下に説明する。
【００３４】
本発明にかかる汚水の処理装置の一例を、図２に示す。
【００３５】
図示する処理装置においては、汚水４は、まず生物処理槽５に導入されて所定時間生物処理された後、沈澱槽６に導入される。ここで、汚泥が分離されて清澄な処理水７が得られる。ここでの生物処理法としては、活性汚泥法、回転円板法、散水ろ床法、浸漬ろ床法などを採用することができるが、これらに限定されるものではない。
【００３６】
固液分離後の沈降分離汚泥８の大部分は、汚泥返送ライン１０から生物処理槽５にリサイクルされる。一方、汚泥返送ライン１０から引き抜かれた汚泥１１は、汚泥濃縮手段１２に導入され、所定濃度に濃縮された後、前述の汚泥可溶化装置に導かれる。
【００３７】
前述の汚泥可溶化装置にて可溶化処理された汚泥１３は、返送ライン１０に戻されて生物処理槽５に返送され、再度、生物処理される。この結果、可溶化された汚泥中の有機物が生物処理槽５において好気的に生物分解および無機化されることにより除去され、排出される余剰汚泥９の量が著しく減少する。
【００３８】
なお、図示する処理装置に示されるように、引き抜き汚泥１１をアルカリ処理槽１に導入する前に、予め遠心分離などの濃縮機１２によって濃縮し、液量を減じておくことが好ましい。これによって、アルカリ処理槽１内を所定ｐＨに維持するために要するアルカリ剤の量を減ずることができる。したがって、アルカリ費用をさらに削減することが可能となる。また、処理汚泥総量の減少は、アルカリ処理槽１および生物学的可溶化槽タンク３のさらなる小型化にもつながる。
【００３９】
【実施例】
以下、具体例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４０】
（実施例１）
余剰汚泥を対象に、本発明の連続処理試験を行なった。ここで用いた装置の構成を図３に示す。
【００４１】
図示する装置においては、容積４００ｍｌの円筒型のアルカリ処理槽１と、同型同容積の生物学的可溶化槽３とから、汚泥可溶化装置が構成される。こうした装置を用いて、いずれの処理槽も密閉状態を保ちつつ、常温、常圧条件下で曝気せずに機械的攪拌のみを行なった。供試汚泥としては、下水処理場から採取した余剰汚泥１４を用い、ＭＬＳＳが約４０ｇ／Ｌになるように調整し、４℃で保存した。この汚泥を、滞留時間６時間となるように汚泥輸送ポンプ１５にてアルカリ処理槽１へ一定時間毎、連続的に供給した。
【００４２】
アルカリ処理槽１は、ｐＨコントローラー１６によってｐＨ８．５に保たれるよう、水酸化ナトリウム２を用いて制御した。アルカリ処理槽１で処理された汚泥の一部は、汚泥輸送ポンプ２１によって引き抜き、生物学的可溶化槽３に流入させ、残りの汚泥はオーバーフローさせた。この流出汚泥２０のＭＬＳＳを供試汚泥１４のＭＬＳＳと比較することによって、アルカリ処理槽１の汚泥可溶化率を算出した。
【００４３】
生物学的可溶化槽３は、ｐＨが連続的に約７．２であることを確認できたため、特別なｐＨ調整は行なわず、滞留時間を３日間に設定して運転を行なった。生物学的可溶化槽３もアルカリ処理槽と同様に、汚泥をオーバーフローさせて水位を保った。
【００４４】
ここで流出した汚泥２３のＭＬＳＳを、アルカリ処理槽流出汚泥２０のＭＬＳＳと比較することによって、生物学的可溶化槽における汚泥可溶化率を求めた。また、汚泥２３のＭＬＳＳを供試汚泥１４のＭＬＳＳと比較することにより、本システム全体の汚泥可溶化率を求めた。
【００４５】
比較例として、アルカリ処理槽１および生物学的可溶化糟３のｐＨと、滞留時間（ＨＲＴ）とを下記表１に示すように変更させて実験を行なった。
【００４６】
その結果を、下記表１に示す。
【００４７】
【表１】

【００４８】
表１に示されるように、ｐＨ８．５、滞留時間（ＨＲＴ）６時間のアルカリ処理と、ｐＨ７．２、ＨＲＴ３日間の汚泥可溶化菌による生物処理とを施すことによって、３２．４％の可溶化率が得られた。
【００４９】
比較例１では、アルカリ処理槽１を中性に制御した実験を行なった。この場合には、中性であるためアルカリ前処理の効果が得られず、それによって生物学的可溶化槽での可溶化率も減少している。このことは、アルカリでの前処理を施すことによって、汚泥が汚泥可溶化菌の酵素による分解を受けやすい性状に改質されていることを示している。
【００５０】
比較例２では、アルカリ処理槽のｐＨを９．５とした高ｐＨ処理により、高い可溶化率が得られている。しかしながら、高ｐＨを維持するためコストの顕著な増大がみられ、また、生物学的可溶化槽のｐＨも上昇して、生物学的可溶化槽ではほとんど可溶化していない。これは、ｐＨ上昇により微生物による汚泥分解活性が低下したこと、高アルカリ処理により、汚泥中の分解可能な成分のほとんどがアルカリ処理槽で分解してしまったためと考えられる。
【００５１】
比較例３は、アルカリ処理槽のＨＲＴを短縮した実験である。アルカリを用いた前処理が不十分であるため、アルカリでの可溶化および生物学的可溶化槽での可溶化率も低下している。
【００５２】
比較例４は、前述の比較例３とは逆にアルカリ処理槽のＨＲＴを長くとったものである。ｐＨ維持のためのアルカリ消費増大によるコスト増の割には、可溶化率は上昇していない。アルカリによる汚泥の可溶化および改質は、３〜２４時間で完了すると考えられており、必要以上の長時間処理は、汚泥の緩衝作用によるｐＨ低下を抑えるためだけのアルカリの無駄な消費が増大し、コスト増大に対して得られる可溶化率はそれほど大きくならないことがわかる。
【００５３】
比較例５および６は、生物学的可溶化槽のＨＲＴを変化させたものである。短時間にした場合（比較例５）には可溶化率が低く、一方、必要以上のＨＲＴにした場合（比較例６）には、可溶化率がそれほど上昇せず、その割には必要タンク容量が著しく増大することが示されている。
【００５４】
これらの実験から、本プロセス処理においては、アルカリ処理槽ｐＨ８．５、滞留時間（ＨＲＴ）６時間のアルカリ処理と、ｐＨ７．２、ＨＲＴ３日間の生物学的可溶化処理とによって、コンパクトで効率的な汚泥減容化プロセスの構築が可能となることが確認された。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、可溶化タンクの小型化を可能にするとともに、発生汚泥量を著しく減少させることが可能な汚水の処理方法が提供される。また本発明によれば、可溶化タンクの小型化を図り、発生汚泥量を著しく減少させることが可能な汚水の処理装置が提供される。
【００５６】
本発明により、複雑な操作、設備を用いることなく汚泥の効率的な可溶化が可能になるため、処理時間の短縮とそれに伴なう可溶化設備の小型化を図ることができる。また、微生物による汚泥の可溶化を行なうことで、アルカリ処理のための薬剤費を低減することができるのみならず、中和のための薬剤も不要となるため低コスト化につながる。また、アルカリ処理は、常温での処理で十分である。
【００５７】
さらに、汚泥の生物学的可溶化分解は、常温、常圧、嫌気、無酸素あるいは微好気条件で行なわれるので曝気は必要とせず、低ランニングコストでの運転が可能となる。こうして可溶化された汚泥を、生物処理系に返送することによって余剰汚泥の発生を著しく低減することができ、従来の汚泥脱水工程、汚泥焼却工程等を著しく小規模化することができ、場合によっては、こうした工程は不要になる。
【００５８】
本発明は、下水など汚水の生物処理工程から発生する汚泥の処理に極めて有効であり、その工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例を説明するための図。
【図２】本発明の他の例を説明するための図。
【図３】本発明の連続試験の一例を説明するための図。
【符号の説明】
１…アルカリ処理槽
２…アルカリ剤
３…生物学的可溶化槽
４…流入汚水
５…生物処理槽
６…固液分離手段
７…処理水
８…沈降分離汚泥
９…余剰汚泥
１０…返送汚泥
１１…返送汚泥ラインから引き抜かれた汚泥
１２…汚泥濃縮手段
１３…可溶化処理された汚泥
１４…供試汚泥
１５…汚泥輸送ポンプ
１６…ｐＨコントローラー
１７…ｐＨセンサー
１８…アルカリ液送ポンプ
１９…アルカリ処理槽電磁弁
２０…アルカリ処理槽流出汚泥
２１…汚泥輸送ポンプ
２２…生物学的可溶化槽電磁弁
２３…生物学的可溶化槽流出汚泥

Claims (4)

1. 汚水を生物処理する工程と、
   前記生物処理後の汚水を固液分離して処理水および返送汚泥を得る工程と、
   前記返送汚泥の一部から引き抜き汚泥を得る工程と、
   前記引き抜き汚泥を常温、常圧、嫌気、無酸素または微好気条件下、ｐＨ７．５〜８．９、滞留時間３〜２４時間にてアルカリ処理する工程と、
   前記アルカリ処理後の汚泥を、直ちに常温、常圧、嫌気、無酸素または微好気条件下、ｐＨ７．０〜７．８、滞留時間１〜３日にて生物学的に可溶化分解する工程と、
   前記可溶化された汚泥を前記生物処理系に返送する工程とを具備する汚水の処理方法。
2. 前記引き抜き汚泥のアルカリ処理に先だって、汚泥を濃縮する工程を具備することを特徴とする請求項１に記載の汚水の処理方法。
3. 汚水を生物処理する生物処理系と、
   前記生物処理後の汚水を固液分離して、処理水および返送汚泥を得る固液分離装置と、
   前記返送汚泥の一部から引き抜き汚泥を得る手段と、
   前記引き抜き汚泥を常温、常圧、嫌気、無酸素または微好気条件下、ｐＨ７．５〜８．９、滞留時間３〜２４時間にてアルカリ処理するアルカリ処理槽と、
   前記アルカリ処理後の汚泥を、常温、常圧、嫌気、無酸素または微好気性条件下、ｐＨ７．０〜７．８、滞留時間１〜３日にて生物学的に可溶化する生物学的可溶化槽と、
   前記可溶化された汚泥を生物処理系に返送する汚泥返送手段とを具備する汚水の処理装置。
4. 前記アルカリ処理槽が押し出し流れ式の処理槽であることを特徴とする請求項３に記載の汚水の処理装置。

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