JP3909329B2 - 排水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機物を含む排水を処理する装置に関し、特に、発生するバイオガス（メタンガスおよび炭酸ガス）によって、槽内液を攪拌しながら嫌気性生物処理により発酵処理を行う上向流嫌気性処理槽を有する排水処理装置に関する。

有機分を比較的多く含む排水の処理装置として、上向流嫌気性汚泥床（ＵＡＳＢ: Upflow Anaerobic Sludge Bed）や膨張汚泥床（ＥＧＳＢ: Expanded Granular Sludge Bed）を用いた上向流嫌気性生物処理装置が知られている。

この種の上向流嫌気性生物処理装置は、メタン菌を主体とする嫌気性微生物が自己凝集して微粒子化した汚泥（グラニュールと称する。）を槽内に貯留し、処理液を槽の底部から供給する。発酵によって発生するバイオガス（メタンガスおよび炭酸ガス）によるガスリフト効果でグラニュールは膨潤するため、処理液とグラニュールとの接触時間を多くとることができ、コンパクトな設備でも高負荷の排水を処理することができる利点を有している。

反面、この種の装置は、発生するバイオガスによるガスリフト効果によるグラニュールの攪拌を行うため、低負荷排水の場合は、バイオガスの発生量が少なく、ガスリフト効果が不十分で適用が難しい。このようにバイオガスの発生量が比較的少ない場合にも効果的なガスによる処理液の攪拌を行う技術として特許文献１に記載されている技術が知られている。

この技術は、バルブの切り替え操作により、発生するバイオガスのガス圧を利用して処理槽内部の処理液を一時的に貯留タンクへと貯留し、処理槽内のガス圧を低下させてから、貯留タンク内の貯留液を処理槽へと返送することで貯留液による処理槽内の処理液攪拌を行うものである。
特開２００３−２９０７９６号公報

しかしながら、この技術では、貯留タンクや多数の切り替え弁を併設する必要があるため、処理設備が大型化してしまうという欠点がある。さらに、貯留液の返送による処理槽内の攪拌は間欠的に行われる一時的なものであり、コンパクトな設備において処理液とグラニュールの接触時間を十分に確保することは難しい。

そこで本発明は、バイオガス発生量の少ない低負荷排水を処理する場合でも十分なガスリフト効果を得ることが可能な上向流嫌気性生物処理装置を有する排水処理装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る嫌気性排水処理装置は、処理水中の有機物を低分子有機酸へと分解する酸生成槽と、この酸生成槽で処理した処理水を嫌気性生物処理する上向流嫌気性生物処理槽を備える嫌気性排水処理装置において、酸生成槽から嫌気性生物処理槽への処理液搬送ラインを流れる処理液中に、酸生成槽または嫌気性生物処理槽で発生したバイオガスの一部を混合して気液混相流状態で嫌気性生物処理槽の下部へと導く混相流形成手段と、混相流形成手段を介して嫌気性生物処理槽の下部に導入されるバイオガスの流量を調整する調整手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、バイオガスの一部が、酸生成槽から排出される処理液に混合され、気液混相流状態で嫌気性生物処理槽の下部へと導かれる。バイオガスは気液混相流状態、すなわち、処理液中に微細な泡として混合された状態で生物処理槽の下部へと投入される。つまり、バイオガスを循環利用する。投入されたバイオガスは、グラニュールと良好に混合し、グラニュールを攪拌する。

上記混相流形成手段では、嫌気性生物処理槽で発生したバイオガスに酸生成槽で発生したバイオガスの一部を混合するとよい。また、上記混相流形成手段は、エジェクタであるとよい。すなわち、処理液の流路を絞り、流速を上げて静圧を低下させることにより、バイオガスを吸引しつつ、バイオガスと処理液を良好に混合して気液混相流を形成する。

本発明によれば、嫌気性生物処理槽の下部へとバイオガス・処理液の気液混相流を導入することで、バイオガスを微細な気泡の状態で、槽内に均一に供給することができる。このため、嫌気性生物処理槽下部に存在するグラニュールを良好に攪拌し、ガスリフト効果を促進して、グラニュールを膨潤させ、グラニュールと処理液との接触効率を高め、処理性能を高めることができる。槽内で発生するバイオガスのみで十分なガスリフト効果が得られる場合には、バイオガスの循環量を減らせばよく、低負荷排水から高負荷排水まで同一の設備で処理が可能となる。また、混相流形成手段のみの追加ですむため、設備の変更が簡単ですみ、既存の設備の改変も容易である。

この混相流形成手段としてエジェクタを用いると、簡単な構成で気液混相流を良好に形成することができる。また、通常の処理液返送に要する以外に混合のための余分な動力源を必要とせず、混合部に可動部が存在しないため、メンテナンスも簡便になる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る排水処理装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。本排水処理装置１００は、処理槽として酸生成槽１０と、ＵＡＳＢタイプの嫌気反応槽（嫌気性生物処理槽）２０とを有している。酸生成槽１０と嫌気反応槽２０の下部は、処理液搬送ライン３０で接続されており、この搬送ライン３０上には、上流側（酸生成槽１０側）から搬送用の電動ポンプ３２と、エジェクタ３４が配置されている。そして、搬送ライン３０の下流端は、嫌気反応槽２０内に配置される散気管であるディストリビュータ２２に接続されている。

酸生成槽１０の上部には、処理対象となる排水を導入する導入ライン１２が接続される。嫌気反応槽２０の液相上部には、処理水を排出する排出ライン２４が接続されており、この排出ライン２４からは処理水を酸生成槽１０へ返送する循環ライン１４が分岐している。

酸生成槽１０、嫌気反応槽２０の気相部からはガス排出ライン１６、２６がそれぞれ延びて下流部で合流している。そして、この排出ライン２６からは、ガス循環ライン４０が分岐され、エジェクタ３４に接続されている。ガス循環ライン４０上には、流量計４２と電磁弁４４、逆止弁４６が配置されている。

図２は、ディストリビュータ２２の配置を示す概略図である。複数本の配管（図では４本）が平行に延びており、配管上には気液混合液を嫌気反応槽２０内へと導入するための導入孔２２ａが多数配置されている。導入孔２２ａは通常の散気管に比べて比較的大きな直径（数ｍｍ程度）を有している。各配管上の導入孔２２ａは、嫌気反応槽２０の断面内で気液混合液ができるだけ均一に導入されるよう配置されている。

図３は、エジェクタ３４の構造を示す概略断面図である。このエジェクタ３４は、搬送ライン３０上に配置され、ノズル３４１とディフューザ３４２を備える。ノズル３４１の近傍にガス循環ライン４０の出口３４３が配置される。

次に、本実施形態の動作を説明する。処理対象となる有機性排水は、導入ライン１２から酸生成槽１０へと導入される。酸生成槽１０では、槽内の酸生成菌によってこの有機性排水中の有機物を分解し、有機酸を生成する（酸生成工程）。有機酸の一部は、循環ライン１４から酸生成槽１０に流入した微量のグラニュールにより分解され、メタンガスと炭酸ガスとを主成分とするバイオガスが発生する。このバイオガスは、ガス排出ライン１６から槽外へと排出される。

次いで、電動ポンプ３２の動力により有機性排水を酸生成槽１０から搬送ライン３０へ導き、嫌気反応槽２０へと移送する。ここで、酸生成槽１０で発生したバイオガスと後述するように嫌気反応槽２０で発生したバイオガスとがガス循環ライン４０を介してエジェクタ３４へと供給され、搬送ライン３０を流れる有機性排水と混合される。

エジェクタ３４内では、有機性排水は断面積の小さなノズル３４１によって増速され、エジェクタ３４２に向かって噴出される。この噴出によってノズル３４１の周囲の圧力が低下するため、これに連なるガス循環ライン４０の出口３４３からバイオガスが吸引される。吸引されたバイオガスは、ノズル３４１から噴出された有機性排水と良好に混合し、気液混相流状態でディストリビュータ２２へと導かれる。このとき、バイオガスは有機性排水中で微細な気泡の状態で存在する。

ディストリビュータ２２に導かれたバイオガス・有機性排水の混相流は、ディストリビュータ２２に設けられた多数の導入孔２２ａから嫌気反応槽２０内へと導入される。混相流状態でディストリビュータ２２の導入孔２２ａから排出された有機性排水は、混入されているバイオガスの気泡とともに、嫌気反応槽２０内を上向きに流れる。さらに、このバイオガスが形成する上向き流によって嫌気反応槽２０の下部に存在するグラニュールが膨潤される。このため、グラニュールと処理液の接触効率が高まり、処理性能を高めることができる（ガスリフト効果）。

グラニュールを形成するメタン生成菌によって有機性排水中の有機酸が分解され、メタン及び二酸化炭素が生成される。このとき、二酸化炭素は、水圧により炭酸イオンの形で有機性排水中に多量に溶解しており、嫌気反応槽２０の上部から排出される有機性排水においては、二酸化炭素が過飽和の状態になっている。嫌気反応とは、このように二酸化炭素が過飽和の状態で反応が行われることに基づく。

有機分が分解された排水は、排出ライン２４から排出される。なお、一部を酸生成槽へと返送されて循環させることで、排出される排水中の有機濃度をさらに低減する処理を行う。

嫌気反応槽２０で発生したバイオガスは一部がガス循環ライン４０により嫌気反応槽２０へと戻され、残りはガス排出ライン２６から系外へと排出され、燃料等として利用される。

ガス循環ライン４０により循環させるバイオガスの流量は、嫌気反応槽２０において処理される有機性排水の処理負荷または発生するバイオガスの量に応じて調整される。具体的には、負荷が小さく嫌気反応槽２０内で新たに発生するバイオガスの量が少ないときは、十分なガスリフト効果を確保するために循環させるバイオガスの量を多くし、負荷が大きく嫌気反応槽２０内で新たに発生するバイオガスの量が多い場合は、循環させるバイオガスの量を減らし、さらに、嫌気反応槽２０内で新たに発生するバイオガスだけで十分なガスリフト効果が得られる場合には、バイオガスの循環を停止させてもよい。

この循環バイオガス量の調整は、流量計４２で測定するガス流量が所望の流量となるよう電磁弁４４の開度を調整することで行うことができる。また、エジェクタ３４を複数設け、個々のエジェクタ３４へとバイオガスを導く供給ラインの開通・遮断を切り替えるようにしてもよい。

この実施形態によれば、バイオガスの発生量の少ない低負荷排水の場合でも、循環させたバイオガスによって十分なガスリフト効果を得ることができるので、グラニュールを十分に膨潤させることができ、グラニュールと排水の接触効率を高め、その処理能力を十分に発揮することができる。このため、低負荷排水から高負荷排水まで同一の設備により処理が可能となり、負荷変動の大きな排水処理設備に対しても上向流嫌気性生物処理装置の適用が可能となる。

バイオガスの返送にあたって、バイオガスを導入する有機性排水と混合し、気液混相流状態で嫌気反応槽２０の下部へと導くため、嫌気反応槽２０内に構造物を追加する必要がなく、また、均一で安定した上向き流を形成することができる。これにより、グラニュールを均一に膨潤させることができ、嫌気反応槽２０内で反応が不均一になるのを抑制し、安定した処理を行うことができる。

さらに、有機性排水とともに大量のＳＳ（浮遊物質）が流入した場合でも、ガスリフト効果により、このＳＳがグラニュールに付着するのを防止し、排水とともに排出することができる（wash out効果）。このため、嫌気反応槽２０へのＳＳの蓄積を防止することができ、処理能力が低下することがない。

また、ディストリビュータ２２へはバイオガスが有機性排水中に微細な気泡の状態で混入している気液混相流状態で導かれているため、嫌気反応槽２０へこの混相流を導入するためのディストリビュータ２２上の導入孔２２ａの直径は、気泡のサイズに比較して大きくすることができる。このため、嫌気反応槽２０内のグラニュールや有機性排水中のＳＳ等による導入孔２２ａの詰まりを効果的に抑制できる。

本実施形態では、エジェクタ３４を気液混相流の形成手段として用いている。エジェクタ３４は可動部を有しておらず、構造も簡単なため、メンテナンスが容易で信頼性が高く、しかも独立の動力源が不要なため、イニシャルコスト、ランニングコストとも低減できる。さらに、既存の設備に混相流を形成するためのガス循環ライン４０とエジェクタ３４を増設するだけで本実施形態への改造が可能であり、導入が容易であるという利点も有している。

図４は、エジェクタ３４の別の実施形態を示す概略断面図である。この実施形態では、搬送ライン３０内に流路を絞るスロットル３４４を設け、スロットル３４４の絞り部の近傍にガス循環ライン４０に繋がるガス導入管３４５の出口を設けている。この実施形態においても、スロットル３４４で増速された有機性排水の流れにより、ガス導入管３４５の出口付近の圧力を減圧してバイオガスを吸引し、有機性排水とバイオガスとを良好に混合させて気液混相流を形成する。

上記の説明では、ガス排出ライン１６と２６の合流点より下流側からガス循環ライン４０を分岐させたが、ガス循環ライン４０は、ガス排出ライン２６のガス排出ライン１６との合流点より上流側から分岐させてもよい。そのほか、酸生成槽１０または嫌気反応槽２０内で発生したバイオガスの一部を循環させる構成となっていれば足りる。

混相流の形成は、エジェクタ３４によるものに限られない。図５に示される第２の実施形態のようにブロア３６によって搬送ライン３０内を流れる有機性排水にバイオガスを投入してもよく、図６に示される第３の実施形態のように、ガス排出ライン２６上に電磁弁２７を配置し、これを閉止あるいは絞ることで、嫌気反応槽２０内のガス圧により搬送ライン３０内を流れる有機性排水にバイオガスを投入してもよい。

これらの場合には、微細な気泡が形成できるよう搬送ライン３０内へのバイオガスの導入部の形状・配置を適正化する必要がある。特に、バイオガス導入部における搬送ライン３０内の排水の流れを乱流化しておくと、導入されたバイオガスの気泡の成長を抑制し、これを破砕することができるので、微細な気泡を含む混相流の形成に効果的である。

ここでは、ＵＡＳＢタイプの嫌気反応槽を用いた排水処理装置について説明してきたが、本発明はＥＧＳＢタイプ等の他の上向流嫌気性生物処理装置に対しても好適に適用可能である。

本発明に係る排水処理装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。 図１の装置のディストリビュータの配置を示す概略図である。 図１の装置のエジェクタの構造を示す概略断面図である。 図１の装置のエジェクタの別の実施形態の構造を示す概略断面図である。 本発明に係る排水処理装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明に係る排水処理装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０…酸生成槽、１２…導入ライン、１４…循環ライン、１６…ガス排出ライン、２０…嫌気反応槽、２２…ディストリビュータ、２２ａ…導入孔、２４…排出ライン、２６…ガス排出ライン、２７…電磁弁、３０…処理液搬送ライン、３０…搬送ライン、３２…電動ポンプ、３４…エジェクタ、３６…ブロア、４０…ガス循環ライン、４２…流量計、４４…電磁弁、４６…逆止弁、１００…本排水処理装置、３４１…ノズル、３４２…エジェクタ、３４２…ディフューザ、３４３…出口、３４４…スロットル、３４５…ガス導入管。

Claims (3)

1. 処理水中の有機物を低分子有機酸へと分解する酸生成槽と、前記酸生成槽で処理した処理水を嫌気性生物処理する上向流嫌気性生物処理槽を備える排水処理装置において、
   前記酸生成槽から前記嫌気性生物処理槽への処理液搬送ラインを流れる処理液中に、前記酸生成槽または前記嫌気性生物処理槽で発生したバイオガスの一部を混合して気液混相流状態で前記嫌気性生物処理槽の下部へと導く混相流形成手段と、
   前記混相流形成手段を介して前記嫌気性生物処理槽に導入されるバイオガスの流量を調整する調整手段と、
   を備えていることを特徴とする排水処理装置。
2. 前記混相流形成手段では、前記嫌気性生物処理槽で発生したバイオガスに前記酸生成槽で発生したバイオガスの一部を混合することを特徴とする請求項１に記載の排水処理装置。
3. 前記混相流形成手段は、エジェクタであることを特徴とする請求項１または２に記載の排水処理装置。

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