JP3800990B2

JP3800990B2 - 有機性汚泥の嫌気性消化法とその装置

Info

Publication number: JP3800990B2
Application number: JP2001168112A
Authority: JP
Inventors: 昭渡辺; 俊博田中
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2001-06-04
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2021-06-04
Also published as: JP2002102896A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機性汚泥の嫌気性消化に係り、特に、下水等の有機性排水の処理場から発生する汚泥や、食品残さ、家畜糞尿等の有機汚泥からメタンを回収をする嫌気性消化法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術を、図４を用いて説明する。
図４は、下水処理場で行われている汚泥処理システムの一例であり、初沈汚泥１と余剰汚泥２は、濃縮槽３で濃度４〜５％に濃縮された後、消化槽４に送られ、嫌気性微生物の働きにより、炭酸ガスとメタンガスを主成分とするバイオガス７に分解される。消化後の汚泥は、汚泥貯槽５に導入され、ベルトプレス等の脱水機６で脱水され、脱離液８は曝気槽に送られ、脱水ケーキ９は廃棄処分されていた。
嫌気性消化は、汚泥や家畜糞尿等の濃厚な有機性汚泥を低コストで処理する方法として適用されており、生成するメタンは、エネルギー源としての利用価値が高い。しかし、有機性汚泥の種類によっては分解率が低く、回収できるメタンも少ない場合がある。そのため、従来は酵素や液化能力の高い高温微生物等を利用した生物学的液化処理や、熱やオゾン、酸、アルカリ剤等を使った物理化学的液化処理、ボールミルやホモジナイザー等を使った機械的液化処理により有機性汚泥を液化し、メタン回収率を上げることが検討されている。
【０００３】
有機性汚泥からメタン回収率を上げる手段として、前述のような生物学的液化処理や物理化学的／機械的液化処理を、単独、複数あるいは同時に行うことで、有機性汚泥の液化率を上げることが検討されてきたが、汚泥の液化率が低かったり、液化に要するコストの割にメタンの回収率が低いなど、いずれも実用化には至っていない。特に、下水処理の場合、性状の異なる初沈汚泥と、余剰汚泥が発生するため、単独の液化方法では、高い液化率が得られない場合があった。
一方、図４の従来法では、消化槽の滞留時間が２０〜３０日程度要することから、広い設置スペースが必要であり、維持管理の面でも問題があった。また、消化汚泥は脱水性が悪く、脱水用のポリマを多量に使用することから、経済性の面でも問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、有機性汚泥を、その分解特性にあった方法で液化することで、低コストで効率的に液化・分解して高い液化率が得られ、有用なメタンガスを得ることができ、また、設置ペースの低減や汚泥の分離性や脱水性を改善し、汚泥脱水用のポリマ代を大幅に低減することができる有機性汚泥の嫌気性消化法とその装置を提供することを課題とする。
なお、本発明で液化率とは、下記式数１に示すように、固形物由来のＣＯＤｃｒ．濃度と液化処理により増加した溶解性ＣＯＤｃｒ．濃度の比率として定義した。また、「溶解性」とは、孔径１．０μｍのろ紙のろ液の分析値を示す。
【数１】

【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、有機性汚泥を、嫌気性消化するに際し、該有機性汚泥を生物学的液化工程で液化し、次いで、物理化学的及び／又は機械的液化工程で液化処理した後、固液分離して、液状物を嫌気性消化し、該固液分離した固形物の一部を生物学的液化工程に循環すると共に、他の一部を系外に排出することを特徴とする有機性汚泥の嫌気性消化法としたものである。
前記嫌気性消化法において、嫌気性消化は、ＵＡＳＢ法で行うことができる。
また、本発明では、有機性汚泥を嫌気性消化する処理装置において、該有機性汚泥を生物学的に液化処理する処理槽と、該処理液をさらに液化処理する物理化学的及び／又は機械的液化処理装置と、該液化処理後の処理液を固液分離する固液分離装置と、該固液分離後の分離液を嫌気性消化する消化装置と、前記固液分離後の固形物の一部を、前記生物学的液化処理槽に循環する経路とを有する有機性汚泥の嫌気性消化処理装置としたものである。
前記嫌気性消化する消化装置は、ＵＡＳＢリアクターを用いることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
下水汚泥等の有機性汚泥には、様々な物質が混在している。下水処理により発生する初沈汚泥と余剰汚泥の場合、汚泥に含まれる個々の有機成分の比率は大きく異なり、初沈汚泥は、主にトイレットペーパーに由来するセルロース分が多いのに対して、余剰汚泥は、微生物に由来する蛋白質を多く含んでいる。そのため、初沈汚泥と余剰汚泥に対して有効な液化方法は、それぞれ異なる。
すなわち、初沈汚泥に含まれるセルロース分は、熱やアルカリには安定であるのに対して、余剰汚泥は、蛋白質が主成分であるため熱やアルカリにより容易に液化される。また、微生物による分解性も異なり、嫌気性消化による消化率は、初沈汚泥が７０％程度であるのに対して、余剰汚泥は３０〜４０％程度であり、初沈汚泥の方が微生物による分解を受け易いという特徴がある。
【０００７】
本発明では、前述のような分解特性の違いを考慮して、有機性汚泥を効率的かつ経済的に液化することを可能とするものである。また、循環処理は、物理化学的／機械的処理により液化しないまでも、生物分解しやすくなった汚泥を再度、生物学的液化処理に循環することで、より高い液化率を得ることができる。
有機性汚泥中の固形物の液化やその低分子化には、様々な種類の微生物が関与しており、有機性汚泥の主要な構成成分である炭水化物は、単糖類や低級脂肪酸に、蛋白質はペプチドやアミノ酸、脂肪酸に、脂肪は脂肪酸やグリセリンに分解される。
本発明における生物学的液化工程では、固形物の液化とそれら液化物の低分子化を目的としたものである。生物学的液化工程の運転条件としては、滞留時間は０．５日〜１０日、好ましくは２日〜６日程度、温度条件は２５℃〜８０℃、好ましは３５℃〜７０℃程度、ｐＨは４．５〜１０．０、好ましくは５．５〜８．０程度で運転すると良い。
【０００８】
前述の運転条件は、対象とする有機性汚泥の性状により最適値に設定すれば良く、例えば温度条件としては、炭水化物主体の有機性汚泥の場合は、３５℃程度の中温温度域で液化が進行しやすく、蛋白質主体の有機性汚泥の場合は、５０℃〜６５℃の高温温度域で液化が進行しやすくなる。
一方、前述の条件以外にも、窒素やりん、各種の微量金属も、生物学的液化の効果を大きく左右する。特に、窒素は微生物細胞の合成に不可欠であり、有機物に対する窒素の比率（有機物／窒素）が低い場合、生物学的液化効果は低下し、特に投入する有機物濃度が高い場合には、その影響は顕著になる。そのため、対象とする有機性汚泥の窒素含有率が低い場合には、し尿や余剰汚泥などを添加して、窒素含有率を調整すると良い。ちなみに、有機物：窒素＝１０〜２０：１の範囲にするのが良い。
【０００９】
物理化学的／機械的液化工程は、生物学的液化処理では液化しにくい、有機性固形物の液化を促進するために行うものである。有機性汚泥のメタン醗酵では、固形物の微細化や液化が全体の反応を律速していることから、それらを物理化学的及び／又は機械的液化作用により微細化・液化することにより、メタン醗酵の高速化と効率化を促進できる。
なお、本発明で使用できる物理化学的液化処理は、熱、オゾン、酸又はアルカリ剤を用いた公知の処理方法を単独で、又は併用して用いることができ、また、機械的液化処理としては、ボールミルやホモジナイザー、超音波処理等の公知の処理方法を用いることができる。
本発明では、液化した有機性汚泥を分解性の低い固形物と分解性の高い液状物に分けることにより、ＵＡＳＢ法などの高速メタン醗酵法の適用が可能となり、設置面積の大幅な低減が可能となる。また、固液分離した物理化学的／機械的液化処理後の分離濃縮汚泥の一部を、生物学的液化処理工程に循環することで、該分離濃縮汚泥の生物学的液化工程での液化効率を上げることが可能となる。系外に排出する汚泥量は、生物学的液化工程の汚泥濃度が一定になるように、非液化汚泥量分を引抜くと良い。
【００１０】
固液分離後の分離水のＳＳ濃度は、ＵＡＳＢリアクタ等に高濃度のＳＳが流入すると処理が不安定となるため、同リアクタに導入する分離液あるいは酸醗酵液のＳＳ濃度は、３０００mｇ／Ｌ以下、好ましくは１０００ｍｇ／Ｌ以下にすると良い。
また、前記物理化学的液化処理の熱処理の場合、主に余剰汚泥や生物学的液化処理工程で増殖した微生物の液化に有効であると共に、液化した有機性汚泥の固液分離性が改善できるため、簡易な固液分離装置により固形物と液化物を分離することが可能となる。また、熱処理後の固形物は、脱水性に優れることから、脱水用のポリマ代を大幅に低減することが可能となる。
【００１１】
熱処理後の分離液は、ＵＡＳＢ法や各種のろ材を使った固定床式でメタン醗酵すると、メタン菌を高濃度で維持できるため、高速・高負荷処理が可能となり、従来法に比べて、大幅に省スペース化を図ることができる。また、固液分離後の分離液を、ＵＡＳＢリアクタ等に導入する前に、該分離液を酸醗酵処理することは、熱処理等の物理化学的／機械的液化処理で液化した有機成分中の、炭水化物や蛋白質などを酢酸などの揮発性脂肪酸に変えるので、ＵＡＳＢリアクタ等によるメタン醗酵の処理性能の安定化につながるものである。また、酸醗酵では炭酸ガスが生成されるため、後段のメタン醗酵においてバイオガス中のメタン濃度が高くなり、バイオガスを燃料電池等に適用する場合、有利となる。
さらに、酸醗酵工程にメタン醗酵工程の処理水を循環すると、処理水による希釈効果により、嫌気性微生物による各種代謝産物による阻害効果を低減できると共に、物理化学的／機械的液化処理で死滅した酸醗酵菌などの嫌気性微生物の植種源にもなるため、効率的に酸醗酵を進行することができる。
【００１２】
次に、本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１〜３は、本発明による有機性汚泥の嫌気性消化法を実施するための概略工程図である。
図１において、有機性汚泥１０は、生物学的液化工程１１に導入され、微生物の作用により液化処理される。その後、物理化学的／機械的液化工程１２に導入され、生物学的液化工程１１で残存した汚泥分及び生物学的液化工程１１で増殖した微生物が液化される。物理化学的／機械的液化処理としては、熱処理が有効である。熱処理は、主に蛋白質の液化に効果的であると共に、汚泥の脱水性や固液分離性が良くなるため、ポリマ注入率の低下や固液分離の簡易化が可能となる。熱処理の条件としては、１８０℃、３０分など、従来から検討されてきた条件で良い。
【００１３】
熱処理後の液化汚泥は、固液分離工程１３に送られ、ここで汚泥と分離液１６に分けられ、分離液１６は、酸醗酵工程１４へ、汚泥の一部は、生物学的液化槽１１に循環１８し、他の一部１９は、系外に排出される。
酸醗酵工程１４では、生物学的液化工程１１や物理化学的／機械的液化工程１２で液化した有機物が、酢酸等の低分子有機酸に転換される。このため、メタン醗酵工程１５でＵＡＳＢ等の高速高負荷リアクタを適用する場合には、安定した運転が可能となる。なお、熱処理などの物理化学的／機械的液化処理１２により、汚泥の微生物が死滅してしまう場合は、酸醗酵工程１４での反応が進まないこともあるため、メタン醗酵工程１５の処理水２１を酸醗酵工程１４に循環すると良い。
【００１４】
図２は、本発明の他の実施態様であり、初沈汚泥や余剰汚泥のように性状の異なる汚泥を処理する場合、生物的に分解性の高い初沈汚泥（有機性汚泥１、２２）は、生物学的液化工程１１に導入して液化処理し、余剰汚泥のように熱処理で液化しやすい有機性汚泥２（２３）は、物理化学的／機械的液化工程１２で直接液化処理することも効果的である。
図３は、液化処理した有機性汚泥を固液分離し、分離した固形物の一部を、生物学的液化工程１１に循環する方式において、分離汚泥を物理化学的／機械的液化工程１２とは異なる物理化学的／機械的液化処理一２（２４）により、再度液化処理する例である。ここで適用する物理化学的／機械的液化処理としては、ボールミルやホモジナイザー、超音波処理等の破砕処理が有効であり、固液分離後の残存汚泥を微細化することを特徴とする方式が有効である。
【００１５】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により具体的に説明する。
実施例１
下水初沈汚泥と余剰汚泥を用いて、熱処理（物理化学的処理）とボールミル処理（機械的処理）による汚泥の液化率とメタン転換率を比較した。表１は、実験に使用した初沈汚泥と余剰汚泥の性状及び実験条件であり、表２は、実験結果である。
表２より、液化処理としては、ボールミル処理より熱処理の方が液化率が高く有効であり、汚泥としては、初沈汚泥より余剰汚泥の方が液化し易かった。
メタン転換率は、余剰汚泥に比べて初沈汚泥の方が約２倍高かったが、初沈汚泥の場合、液化処理によるメタン転換率の増加はほとんど認められず、いずれも０．７程度であった。余剰汚泥のボールミル処理汚泥の液化率は３０％であったが、そのメタン転換率は液化処理を行わない無処理汚泥と同じであった。それに対して、熱処理汚泥のメタン転換率は０．４７であり、約１．５倍に増加した。
このように、汚泥の種類により液化処理の効果が異なるため、対象とする汚泥性状に合った液化処理を選択することが重要である。
【００１６】
【表１】

【００１７】
【表２】

【００１８】
実施例２
下水初沈汚泥を用いて、本発明による汚泥の液化効果を汚泥性状の違いについて実験した。実験は、表３の４系列であり、実験−１は、初沈汚泥を生物学的液化槽で液化した後、熱処理を行うと共に、熱処理後の分離汚泥を生物学的液化槽に循環する方式である。実験−２は、前述の方式において、熱処理後の分離汚泥を循環しない方式である。また、実験−３は、生物学的液化処理のみ行う方式であり、実験−４は、熱処理のみ行う方式であり、この実験−３と−４は比較のためのものである。
実験には、表１と同じ性状の汚泥を用いた。生物学的液化処理の実験は、有効容量１０Ｌの密閉槽を用い、滞留時間５日、温度３５℃の条件で連続実験を行った。熱処理は、有効容量２．５Ｌの攪拌付き熱分解リアクタを用いて、温度１８０℃で３０分間処理した。
【００１９】
なお、生物学的液化処理に熱処理を組込んだ本発明の実験−１では、生物学的液化処理後に該処理液を回分的に熱処理して、分離汚泥を生物学的液化槽に循環した。汚泥の脱水性は、小型ベルトプレス機により脱水し、含水率を測定した。実験結果を同じく表３に示す。
表３より、各処理方式で得られた液化率は、実験−１＞実験−２＞実験−３＞実験−４＞の順であり、循環処理を行った実験−１の液化率が最も高かった。なお、余剰汚泥を熱処理単独で液化処理した場合の液化率は、４９％と高いのに対して、初沈汚泥の場合は１８％と低かった。これは、前述のように初沈汚泥に含まれるセルロース分が、熱に対して安定であるためである。
【００２０】
脱水ケーキの含水率は、実験−３＞実験−２＞実験−１＞実験−４＞の順で高かった。実験−１や実験−２の場合、生物学的液化処理や循環処理により、初沈汚泥中のセルロース分が分解（粗繊維分の低下）するため、実験−４の熱処理単独に比べて、若干含水率が低下するものと考えられる。これに対して、生物学的液化処理のみ行った実験−３は、他の方式に比べて１０ポイント以上、含水率が高かった。また、汚泥の沈降性も熱処理を行った実験−１、実験−２、実験−４の方式が良好であった。
以上の結果を総合的に判断すると、初沈汚泥のように物理化学的／機械的に液化しにくい汚泥も、実験−１あるいは実験−２の方式で処理することにより、５日程度の滞留時間で高い液化率が得られ、固液分離性の向上や汚泥脱水用のポリマ代を大幅に低減することができる。
【００２１】
【表３】

【００２２】
実施例３
実施例２と同じ条件と方法で下水余剰汚泥を用いて、本発明による汚泥の液化効果の実験をした。実験には、表１と同じ性状の余剰汚泥を用いた。
実験結果を表４に示す。表４より、各処理方式で得られる液化率は、実験−１＞実験−２＞実験−４＞実験−３＞の順であり、循環処理を行った実験−１の液化率が最も高かった。
脱水ケーキの含水率は、熱処理を行った実験−４と本発明の実験−１、実験−２は、約７０％であったのに対して、実験−３では８５％と高く、ポリマ注入率も約２倍であった。
生物学的液化処理と物理化学的／機械的液化処理として熱処理を組込んだ本発明により、それぞれの長所短所を補いながら汚泥を高効率に液化すると共に、液化後の汚泥脱水性や沈降分離性も大幅に改善することが可能となる。
【００２３】
【表４】

【００２４】
実施例４
次に、本発明によるメタン醗酵実験の実施例について記す。表１の初沈汚泥と余剰汚泥を、１：１の割合で混合（以下混合汚泥）し、前述の実験−１の方式で液化した後、重力分離により分離液を得た。この分離液を、滞留時間１日の条件で酸醗酵した後、ＣＯＤｃｒ．濃度が約５０００mｇ／Ｌになるように希釈して，ＵＡＳＢリアクタに通水し、３５℃でメタン醗酵を行った。
一方、従来法として、混合汚泥を温度３５℃、滞留時間２０日の条件で嫌気性消化した実験系を設けた。実験結果を表５に示す。表５より、本発明は、従来法に比べてメタンガス発生量が２６ポイント増え、滞留時間や汚泥脱水用ポリマ注入率は、従来法に比べて、それぞれ約７０ポイント低下し、省スペース化や経済性の面でも優れていた。
【００２５】
【表５】

【００２６】
実施例５
下水初沈汚泥と余剰汚泥を用いて、超音波処理による汚泥の液化率とメタン転換率を比較した。
実験に使用した初沈汚泥と余剰汚泥は、表１に示すとおりの性状のものである。
また、実験条件は次のとおりである。
超音波処理；汚泥１ｋｇ−ＳＳ当りのエネルギー：３ｋｗｈ／ｋｇ−ＳＳ、
周波数：２０ｋＨｚ、照射時間：６０秒、
メタン醗酵実験；下水汚泥の中温消化汚泥を種汚泥として、３５℃で２０日間の回分実験を行い、発生したメタンガス量を測定、
表６に実験結果を示す。
【００２７】
【表６】

表６より超音波による液化率は、初沈汚泥；５％−ＶＳＳに対して、余剰汚泥；３０％−ＶＳＳであり、余剰汚泥の方が液化し易かった。一方、超音波によるメタン転換率は、初沈汚泥はほとんど同じであったのに対して、余剰汚泥では１．５倍に増加した。
超音波処理では、主に汚泥中の細菌が液化される。その場合、細胞壁などの分解しにくい成分が、ボールミル処理などの他の機械的液化処理より、さらに微細化されるため、メタン転換率が高くなるものと考えられる。また、超音波処理は、機械的破砕作用と共に酸化作用があることも知られており、微細化した細菌などの汚泥成分が酸化作用を受け、質的にも変化するため、分解率が高くなるものと考えられる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、有機性汚泥である初沈汚泥と余剰汚泥を、その分解特性にあった方法で液化しており、低コストで効率的に液化・分解して高い液化率が得られると共に、設置スペースの低減や汚泥の分離性や脱水性を改善し、汚泥脱水用のポリマ（凝集剤）代を大幅に低減することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有機性汚泥の嫌気性消化法を実施するための一例を示す概略工程図。
【図２】本発明の有機性汚泥の嫌気性消化法を実施するための他の例を示す概略工程図。
【図３】本発明の有機性汚泥の嫌気性消化法を実施するための別の例を示す概略工程図。
【図４】従来の有機性汚泥の嫌気性消化法の一例を示す概略工程図。
【符号の説明】
１０：有機性汚泥、１１：生物学的液化工程、１２：物理化学的／機械的液化工程、１３：固液分離工程、１４：酸醗酵工程、１５：メタン醗酵工程、１６：分離液、１７：処理水、１８：汚泥循環、１９：廃棄汚泥、２０：バイオガス、２１：処理水循環、２２：有機性汚泥１、２３：有機性汚泥２、２４：物理化学的／機械的液化処理−２

Claims

有機性汚泥を嫌気性消化するに際し、該有機性汚泥を生物学的液化工程で液化し、次いで、物理化学的及び／又は機械的液化工程で液化処理した後、固液分離して、液状物を嫌気性消化し、該固液分離した固形物の一部を生物学的液化工程に循環すると共に、他の一部を系外に排出することを特徴とする有機性汚泥の嫌気性消化法。
前記嫌気性消化は、ＵＡＳＢ法により行うことを特徴とする請求項１記載の有機性汚泥の嫌気性消化法。
有機性汚泥を嫌気性消化する処理装置において、該有機性汚泥を生物学的に液化処理する処理槽と、該処理液をさらに液化処理する物理化学的及び／又は機械的液化処理装置と、該液化処理後の処理液を固液分離する固液分離装置と、該固液分離後の分離液を嫌気性消化する消化装置と、前記固液分離後の固形物の一部を前記生物学的液化処理槽に循環する経路とを有することを特徴とする有機性汚泥の嫌気性消化処理装置。
前記嫌気性消化する消化装置は、ＵＡＳＢリアクターであることを特徴とする請求項３記載の有機性汚泥の嫌気性消化処理装置。