JP4184661B2 - 廃棄物処理プロセス - Google Patents
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Description
(発明の分野)
本発明は、有機性廃棄物の処理のためのプロセスおよびシステムの改良に関し、特に、生物学的処理プロセスを使用するシステムにおいて正味のバイオソリッド(biosolids)生成を減少させるプロセスおよびシステムの改良に関する。
【0002】
(発明の背景)
有機性廃棄物の生物学的処理によって環境的に受け入れ可能な排液(effluents)を生成するために、多くのプロセスが開発されてきた。生物学的な廃棄物処理プロセスにおいては、廃棄物の有機性成分を、水性の排液(aqueous effluent)から分離可能な形態に変換するために、廃水が活性バイオソリッド(すなわち、生きた微生物を含むバイオソリッド)と接触される。しかしながら、これらのプロセスは、通常、主に微生物や他の水中バイオソリッドから成る大量のスラッジを生成する。これらは、その後、焼却、陸上または海中への廃棄等の方法あるいは他の化学的、生物学的または機械的なプロセスによって、更なる処理に晒され処分されなければならない。
【0003】
バイオソリッドの更なる生物学的処理から成るスラッジ消化は、処分前のスラッジの容積を減少するために広く使用されている。この方法の主な欠点は、長い留置時間を必要とし、その結果、大きな処理システムが必要になるという点である。スラッジ消化の効率を向上させるために、多くのプロセスが提案されてきた。例えば、米国特許第3,547,814号および米国特許第3,670,887号では、スクリーニングによって汚水から嫌気性の固体が最初に除去され、残存する廃棄物が酸素を含むガスおよび活性スラッジと接触される。
【0004】
スラッジを処理する他の技術は、バイオソリッド生成の実質的な減少を伴って固体の自動酸化の度合いを増大させる広域エアレーションを含む。残念ながら、酸化率は、一般に非常に低いため、実質スラッジ生成において十分な効果を得ることができない。更に、これらのシステムに関しては、大きなサイズの工場および動作コストがかかり、広域エアレーションは非現実的且つ非経済的になる。
【0005】
米国特許第4,246,099号は、活性スラッジ処理によって生成されるバイオソリッドを減少して安定させるために、好気/嫌気プロセスの組み合わせを開示している。1つのプロセスにおいて、都市の処理工場からのスラッジは、生物分解可能な揮発性浮遊固体を部分的に減少するために、最初に、好気処理状態下で、酸素を含むガスと接触され、その後、スラッジを部分的に安定させるために嫌気的に消化される。自熱好気性消化(ATAD)と称される熱好気性消化が使用される。この場合、消化薬は、例えば約45℃乃至75℃の高温または好熱性の範囲で作用された。有機化合物を生物学的に可溶化し且つスラッジ固体を安定させるために、好気性ステップが使用される。プロセスの組み合わせは、スラッジ中のバイオソリッドを、消化領域に導入される生物分解可能な揮発性浮遊固体の40%未満まで減少させるといわれる。
【0006】
米国特許第4,026,793号は、38℃乃至46℃の範囲内の温度に維持される容器内で消化を行うことによって生物分解可能な有機スラッジ中の固体内容物を減少させる好気性消化プロセスを開示している。
【0007】
欧州特許出願EP0936190号は、生物学的処理ステップから分離された固体を湿式空気酸化に晒して、バイオソリッドまたは固体廃棄物の生物分解性を向上させ、これを生物学的反応器に戻すプロセスを開示している。化学処理ステップは、空気や純酸素等の酸化ガスの使用、80℃乃至200℃の範囲の温度および1乃至40気圧での処理を伴う。反応のpHは1乃至11の範囲にあり、反応時間は10乃至180分の範囲にある。酸化体は、廃棄物の見積もられたCODに基づく化学量論比で、廃棄物混合物に添加される。その結果、一般に、実際に必要以上の量の試薬を使用することになる。また、湿式空気酸化(WAO)スキームは、高価であり、制御および操作が困難である。例えば、廃棄物の組成が変化するにつれて、手に負えない(recalcitrant)廃棄物をうまく処理するために、反応温度および圧力を高めることが必要になる。したがって、工場設備は、予期される最も高い圧力および温度条件に適するように構成されなければならない。また、WAOプロセス構成は、固体生成の制御において生物学的反応器に再循環される全てのスラッジを意識しない。
【0008】
米国特許第5,948,275号は、WAOプロセスへのバイオソリッドの再循環でバイオソリッドを処理するためにWAOを使用することを開示している。そのような処理の主な目的は、WAOプロセスによってバイオソリッドをガスに変換することである。また、生物学的な処理のために、部分的に酸化された廃液を抽出する可能性も開示されている。
【0009】
米国特許第5,965,096号および米国特許第5,972,226号は、複数の酸化体を使用して、WAOプロセスにおいてバイオソリッドおよび有機物の混合物を破壊することを開示している。酸化体は、混合物のCODに対する化学量論比で添加される。
【0010】
米国特許第6,126,838号は、酸化ステップの外側における触媒の連続的な再形成を用いて高強度有機性廃棄物流れの酸化に触媒作用を及ぼすために、フェントン試薬を使用することを開示している。
【0011】
先の特許において、本件出願人は、化学的な加水分解または化学的な酸化ステップを使用して細胞材料および無変化有機化合物の生物分解性を向上させる改良されたスラッジ消化プロセスを開示した。米国特許第4,915,840号は、都市のゴミのための好気性処理におけるスラッジ低減の向上を開示している。スラッジの低減は、バイオソリッドの一部および無変化有機物を酸または塩基と接触させて、高分子有機物質を加水分解し、廃棄物流れ中の無機物質を溶解することによって制御される。この加水分解の助けによって、細胞構造の高分子成分が変更されて、基本的にこれらが可溶性になり、これにより、生物学的反応器内で好熱性腐敗を行う生物学的に活性な有機物の能力が高まる。
【0012】
米国特許第5,141,646号は、迅速な消化のためにスラッジをATADに直接充填するプロセスを開示する。休止時間中に沈殿した一部は、その後、ATAD反応容器から除去され、強い酸または塩基溶液を用いた処理のために化学加水分解ユニットに充填される。加水分解された流れは、流入するスラッジと混合された後、ATADに直接に供給される。
【0013】
また、米国特許第5,492,624号は、有機性廃棄物の処理のためのプロセスを開示している。このプロセスにおいては、’840特許または’646特許で使用された化学加水分解ステップの代わりに化学酸化ステップが使用される。化学酸化は、有機材料の化学的酸素要求量(COD)を実質的に減少させ、効率を向上させて、ATAD反応容器における全酸化要求を低下させる。プロセスは、化学的な加水分解を促進するために必要な酸や塩基の添加によって生じる大量の溶解固体を形成しない。溶解された固体は、バイオソリッド処理ステップおよび存在するかもしれない他の下流側の処理プロセスに悪影響を及ぼす可能性がある。このプロセスの他の利点は、ATADにおける温度上昇によってもたらされる可溶化が化学酸化ステップの前に行われ、したがって、従来技術に存在する冗長性や効率の悪さが回避される。化学的な酸化ステップは、手に負えない(recalcitrant)成分を酸化するために、しばしば、大気圧下での廃棄物の沸点を超える温度で行われる。必要な温度は、流込体の組成が変化するにつれて、広い範囲にわたって変動する。そのような場合、化学酸化装置は、処理中に生じると予想される最高の温度および圧力に適するように構成される。
【0014】
生物学的処理処理プロセスに関する技術を再検討すれば分かるように、スラッジ生成を減少させ或いは最小限に抑えて好気性処理によって生じる過度のスラッジを安定させるために、多くの方法が提案されてきた。これらのプロセスの大部分は、かなり複雑になり、その結果、動作コストおよび資本コストがかなり高くなる。更に、スラッジ生成を排除すること、すなわち、「ゼロスラッジシステム」を達成することは勿論のこと、初期の有機物の投入に基づいて、殆どの生物学的処理プロセスを変更して実質的なスラッジ減少を経済的に行うことは極めて難しい。確かに、後者の目標は、しばしば求められるが、脱水およびその後の焼却といった高価な物理的分離プロセスの介在がなければ、殆ど達成されない。
【0015】
(発明の概要)
生物学的処理プロセス中に生成されるスラッジを減少するためのプロセスおよびシステムが開示されている。本発明の一形態は、有機性酸化物の生物学的処理のための方法に関する。この方法においては、有機性廃棄物を生物学的な消化に晒した後、バイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部が化学処理ユニットに送られる。この場合、混合物は、化学処理ユニット内において、高い酸化/還元電位(ORP)で、少なくとも1つの酸化剤と接触される。酸化/還元電位は、バイオソリッド/有機体混合物のORPを監視し且つORPを所定の高いレベルに維持するために必要に応じて混合物に酸化剤を添加することにより制御される。化学処理ユニット内のバイオソリッド/有機体混合物のORPを十分高いレベルすなわち0mVまたはそれ以上に維持することによって、高度に調整された廃液を生成することができ、これによって、調整された廃液をその後に更なる生物学的な消化に晒す際の生物分解性が実質的に向上する。
【0016】
任意の1つの理論に限定されないが、ORPは、混合物中の酸化剤の活性に直接に関連するものであるため、酸化プロセスを誘導するためにORPを使用すると、使用される特定の酸化剤とは無関係に廃液の質をより効果的に制御できると考えられている。また、ORPに基づいて化学酸化剤を調整すると、化学量論評価にしたがって酸化剤が添加される際に生じる多くの問題、例えば、反応温度および圧力を連続的に調整して流込体の成分変化に適応させる必要があるという問題、廃棄物の酸化度合いを過小評価する危険性、化学廃物を減少させるということを排除できると考えられている。
【0017】
本発明のこの形態によれば、有機性廃棄物の生物学的処理のためのプロセスであって、
(a)生物学的反応器に有機性廃棄物を供給し、有機性廃棄物を生物学的な消化に晒すことによって、有機性廃棄物の少なくとも一部を、澄んだデカントと、バイオソリッドと無変換有機物との混合物に変換するステップと、
(b)化学処理ユニット内で、バイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部を、少なくとも1つの酸化剤と接触させるステップと、
(c)化学処理ユニット内のバイオソリッドと無変換有機物との混合物の酸化還元電位(ORP)を監視するとともに、酸化剤の濃度を調整することによって、混合物のORPを0mVよりも大きく維持して、バイオソリッドおよび無変換有機物を調整された廃液に変換するステップと、
(d)前記調整された廃液を前記生物学的反応器に戻すステップと、
を備えたプロセスが提供される。
【0018】
本発明のこの形態の一実施例においては、バイオソリッド/有機体混合物のORPレベルが監視されるとともに、酸素ガス等の1つの化学酸化体が廃棄混合物に添加されて、ORPが所望のレベルに維持される。
【0019】
他の実施例においては、バイオソリッド/有機体混合物のORPが監視され、酸素、過マンガン酸塩、過酸化物等の化学酸化体と、硫酸鉄、過酸化物、酸または塩基等の化学触媒との組み合わせが添加されて、ORPが所望のレベルに維持される。
【0020】
本発明の他の実施例においては、バイオソリッド/有機体混合物のORPが監視され、ヒドロキシラジカルを生成するために水溶性混合物の電気分解(電解)が使用され、ORPが所望のレベルに維持される。
【0021】
本発明の他の実施例においては、より効果的なスラッジの低減を促進するために、バイオソリッド/有機体混合物のORPが連続的なステップで調整される。バイオソリッド/有機体混合物は、混合物のORPを約0mVまたはそれ以上に調整するために、第1の酸化剤と接触される。その後、バイオソリッド/有機体混合物のORPは、混合物が反応している間に混合物のORPを約+200mVまたはそれ以上に調整するために、第2の酸化剤と接触される。
【0022】
更なる他の実施例において、バイオソリッド/有機体混合物のORPは、ここで開示された任意のプロセスにしたがって酸化剤を添加することによって約+500mVまたはそれ以上に調整され、ほぼ1気圧の圧力で還流される。
【0023】
また、本発明は、様々な化学的および物理的処理プロセスを生物学的処理システムに統合して、正味ゼロのスラッジ生成に近づくように正味スラッジ生成を実質的に減少させることに関する。本発明のこの形態の実施例において、システム実質成長率を約0.05day−1よりも小さく維持し、あるいは、活性有機物の呼吸率を増加させる様々な方法は、ORPを基本とする化学酸化制御と統合される。システム実質成長率を約0.05day−1よりも小さく維持することによって、生物学的システムにおけるバイオソリッドの生成が最小になり、これによって、システムを通じた炭素の再循環が最小になる。
【0024】
生物学的反応器内で生成されるバイオソリッド/有機体混合物の一部を分離するとともに、それを生物学的反応器へと再循環させることによってシステム実質成長率を制御することを含む、システム実質成長率を維持する様々な方法が開示されている。また、成熟した細胞を生物学的反応器に添加するとともに、生物学的反応器の流込体に酵素を添加することにより、バイオソリッドの呼吸率を高めて細胞生成を操作することを含む、システム実質成長率を制御する他の方法が使用されても良い。
【0025】
本発明の前述した形態が達成されるような態様が詳細に理解されるよう、本発明のいくつかの実施例に基づいて、本発明について詳細に説明する。添付図面には例が図示されている。本発明は好ましい実施例に関して説明されているが、好ましい実施例は、本発明をその実施例に限定することを意図するものではなく、本発明の思想および範囲から逸脱することなく開示された本発明に様々な置換および変更を成すことができることは言うまでもない。
【0026】
(詳細な説明)
この開示内容で使用されているように、「生物学的処理プロセス」または「生物学的処理」は、例えば好気性処理、嫌気性処理、通性処理を含むこの技術分野で知られた任意の生物学的処理プロセスを意味する。
【0027】
好気性プロセスは、酸素の存在下で生じる生物学的処理プロセスであり、例えば米国特許第5,492,624号および米国特許第4,915,840号に記載されているような自熱好気性消化(ATAD)プロセスを含んでいる。
【0028】
嫌気性プロセスは、酸素ガスの不存在下における有機物や無機物の生物学的な分解を含んでおり、バイオソリッドを消化するために最も一般的に使用されているが、高強度可溶性廃棄物を安定させる懸濁浮遊固体接触法においても使用される。
【0029】
通性プロセスは、微生物が酸素の存在または不存在に対して不活性である有機物や無機物の生物学的分解を含む。従来、通性プロセスにおいて、そのような組織内の反応物は加熱も混合もされなかったが、バイオソリッドを消化するために必要な時間を減らすために、加熱懸濁浮遊成長法(heated, suspended-growth process)が使用されても良い。
【0030】
この開示内容で使用されるように、「呼吸」はバイオソリッドにおける細胞の代謝活動の尺度であり、具体的には、バイオソリッドがプロセスの流れの中にある有機物質をガス状に変換する割合の尺度である。好気性組織において、呼吸は、バイオソリッドによって摂取される酸素の割合によって、あるいは、二酸化炭素および他のガスが形成される割合によって測定されても良い。呼吸を測定する他の手段が好気性プロセスおよび通性プロセスにおいて利用できる。
【0031】
この開示内容で使用されるように、「化学的酸素要求量」(COD)は、組み合わされたバイオソリッドと有機性廃棄物の流れを二酸化炭素に変換するために理論的に必要な酸素の量の表示である。
【0032】
この開示内容で使用されるように、バイオソリッド/有機体混合物等の混合物の「酸化還元電位」(ORP)は、酸化反応または還元反応を引き起こすための混合物電位の尺度である。ORPは、起電力の単位、一般にはミリボルト(mV)で表わされる。この場合、プラスの量は、酸化反応を引き起こす傾向を示しており、マイナスの量は、還元反応を引き起こす傾向を示している。
【0033】
この開示内容で使用されているように、「電解」とは、水溶性の流れの一部にわたって起電電位を与えることによってヒドロキシラジカルを形成するための水の分離のことである。本発明において、電解水は、廃棄物の流れに加えられても良く、あるいは、廃棄物の流れの一部が直接に電解されても良い。
【0034】
本発明は、基本的に、スラッジが実質的にゼロの生産(zero net sludge production)を用いて有機性廃棄物の流れを二酸化炭素および他のガスに変換するために、一体化されたシステムで生物学的な処理および化学的な処理を使用する。一般に、本発明に係る廃棄物の生物学的な処理のためのプロセスは、有機性廃棄物を所定時間だけ生物学的な消化に晒し、また、バイオソリッドとカバーされていない有機物質との混合物の少なくとも一部を化学処理ユニットへ搬送し、搬送された混合物は、化学処理ユニット内で少なくとも1つの酸化剤に接触される。その後、調整された廃液は、生物学的処理プロセスに戻される。プロセスは、化学処理プロセスを最適化して制御するために、特定のパラメータを監視し、これによって、高度に調整された廃液を生成する。この高度に調整された廃液は、その後、生物学的な反応容器に戻されて更に処理される。
【0035】
図1乃至図11は、本発明の選ばれた実施例を示している。しかしながら、特に示さない限り、記載された特定の内容は、単なる一例であって制限的であることを意味しないのは言うまでもない。また、監視点、酸化体格納容器、流量制御および均等化のための装置の位置やタイプといった一定の特徴については、明瞭のため、省略する。本発明のシステムおよびプロセスにおける構成および組み合せは、当業者に知られている。また、選ばれた実施例は連続するプロセスとして示されているが、本発明は、関連技術において良く知られた技術によって、バッチプロセス及び半連続プロセス、並びに様々な反応容器構造に簡単に適用することができる。
【0036】
図1に示されるように、本発明のこの形態の好ましい実施例において、有機物質を含む水溶性の廃棄物流れ11は、化学処理ユニット40から戻された廃液43と混合する。これらの2つの流れ11、43は、混合装置28内で混合されて、流込体(支流、影響種(influent))21を形成することが好ましい。混合装置28は、インライン静的ミキサ、または、この技術分野で知られた任意の適当な混合装置であっても良い。その後、流込体21は、生物学的処理のため、生物学的反応器20に排出される。生物学的反応器20には、圧縮空気22として酸素を供給することが好ましい。圧縮空気は、酸素によって最大で約50%まで濃縮されることが最も好ましい。有機物質の微生物分解によって生じるガスは、過剰空気とともに、更なる処理(図示せず)または大気への通気(図示せず)のため、生物学的反応器20から収集されても良い。バイオソリッドおよび未反応有機物質を含む反応物質23は、好ましくは重力沈殿タンク30に排出される。この重力沈殿タンク30において、バイオソリッドおよび処理された廃液は、その異なる比重により、2つまたはそれ以上の層に分離される。この技術分野で知られた他の固体分離プロセス、例えば薄膜分離、加圧濾過(dissolved air filtration(DAF))、キャビテーションエアー濾過(CAF)、バラスト凝集反応(ballasted flocculation reactor(BFR))を使用しても良い。生物容器内で生じる過剰な泡は、更なる処理(図示せず)のため、化学処理ユニット40に直接に送られる。沈殿タンク30内の澄んだ上側層は、廃液31として引き出される。廃液31は、排出されても良く、あるいは、更なる処理(図示せず)に晒されても良い。バイオソリッドおよび未反応有機物を含む下側層は、バイオソリッド/有機物流れ34として引き出される。幾つかの用途において、生物学的反応器20および沈殿タンク30の機能は、1つのユニットによって達成されても良い。
【0037】
バイオソリッド/有機物流れ34は、既知のサイズのバイオソリッド粒子分布をバイオソリッド/有機物流れ36内に形成してその後の処理の効率を向上させるために、粒子サイズ縮小ユニット35に通される。粒子サイズの縮小については更に後述する。
【0038】
バイオソリッド/有機物流れ36は化学処理ユニット40に排出され、この化学処理ユニット40において、バイオソリッドおよび未反応有機物質が部分的に酸化される。化学処理プロセスは、廃棄物の分解可能性を高め、有機物質が二酸化炭素へと無機物化される割合を高める。本発明において、廃液43の量および生物学的プロセスの最適化は、必要に応じて廃液43のORPを監視し且つ酸化体42を添加して選択されたORPを維持することによって制御される。ORPモニタ45および流量コントローラ46は、これらの目的に適した任意の装置を備えている。そのような様々な装置がこの技術分野において知られている。ORPは制御パラメータとして使用されるため、ORPモニタ45および流量コントローラ46は、添加される特定の酸化体とは無関係に自動的に動作されても良い。このようなやり方にしたがって、混合物の見積もられたCODに対して所定の割合で化学酸化体を添加するのではなく、化学的な活性についてのリアルタイムな測定に応じて化学酸化体を添加することができる。比較的高い温度で酸化剤を使用すると、バイオソリッド中の細胞材料および有機物は、更に可溶性の形態へと変化し、その結果、更に容易に生物分解可能となる。選択されたORPレベルに制御することによって、化学薬品の添加割合を変化させることができ、これによって、有機物を最適な度合いに可溶化して、排液の質を制御するとともに、酸化剤対CODの化学量論比を制御することによって許容されるよりも有効に化学薬品の使用割合を減らすことができる。
【0039】
ORPは、0mVまたはそれ以上に維持されることが好ましい。ORPは、+200mVまたはそれ以上に維持されることが特に好ましい。好ましいORP範囲における酸化の好ましい反応状態は、ほぼ中性のpHと、約120℃乃至約300℃の比較的高い温度と、約2ATM乃至約10ATMの比較的高い圧力とを含んでいる。最適な処理効率を達成するために、廃棄物の流れのORPが増大するにつれて、低い温度および圧力を使用しても良い。例えば、約+500mVおよびそれ以上のORP値で、混合物を大気圧で還流させることにより、バイオソリッド/有機体混合物の生物分解性が効果的に高められても良い。当業者であれば分かるように、留置時間等の他のパラメータは、反応状態、所望の排液質、処理を受ける廃棄物流れの性質に応じて変化する。
【0040】
例えば圧縮空気、酸素濃縮空気、酸素ガス、過マンガン酸塩、過酸化物、あるいは、幾つかの他のヒドロキシラジカル生産体を含む廃棄物処理に適した任意の化学酸化体を使用しても良い。酸化体42は、圧縮空気、酸素濃縮空気、あるいは、酸素ガスであることが好ましい。酸化体42は、約50%まで酸素で濃縮された圧縮空気であることが更に好ましい。
【0041】
しかしながら、酸化体42は、化学酸化体の組み合わせによって構成されていても良い。複数の酸化体を使用すると、大きな自由度をもって廃棄物を処理することができる。酸化体は、存在するかもしれない廃棄物の特定の範囲に対して最も経済的な処理方式を与えるように選択される。更に、ORPは、使用される特定の酸化体とは無関係に制御されても良いため、化学酸化体の異なる組み合わせ或は酸化体と触媒との異なる組み合わせ(例えば、硫酸鉄、過酸化物、pH調整等)は、流れ込む廃棄物流れ11の変化や廃液31の要件に適応するように置き換えられても良い。
【0042】
また、酸化体42は、水を電気分解してヒドロキシラジカルを生成することによって現場で形成されても良い。電気分解は、単独で使用されても良く、あるいは、廃棄物流れのORPを所望のレベルまで高めるために他の化学酸化体と組み合わせて使用されても良い。水は、接触チャンバ内の電極の列にわたって直流電流を供給することにより、電気分解されることが好ましい。
【0043】
化学処理ユニット40での処理後、結果として調整された廃液43は、好ましくは、プロセスの先頭に戻されて、ここで水溶性の廃棄物流れ11と混合され、更なる処理のために生物学的反応器20に排出される。随意的に、廃液43が生物学的反応器20に戻される前に、砂や他の重い無生物粒子が廃液43から取り除かれても良い。あるいは、砂や他の重い無生物粒子を生物学的反応器20内に蓄積することもできる。濃縮された砂や他の重い無生物粒子は、砂除去法(degritting)または無機砂除去技術(図示せず)を使用する化学的な処理ステップの後に取り除かれる。
【0044】
図2は、連続的ステップで2つの酸化体を使用する化学処理プロセスを示している。バイオソリッド/有機物流れ36は、第1の化学反応容器50に排出される。ORPモニタ55および流量コントローラ56を使用して反応容器50への酸化体52の添加を制御することにより、反応物53のORPは、約0mVまたはそれ以上に制御される。酸化体52は、圧縮空気、酸素濃縮空気、または、酸素ガスであることが好ましい。酸化体52は、約50%まで酸素で濃縮された圧縮空気であることが最も好ましい。他の反応条件は、図1の化学処理ステップで述べたと同様である。
【0045】
第1の化学反応容器50の内容物は、廃液53として引き出され、その後、酸化体61と混合される。この混合は、流込体62を形成する混合装置68で行われることが好ましい。流込体62は、その後、第2の化学反応容器60に排出される。反応混合物のORPは、+200mVまたはそれ以上に制御されることが好ましい。酸化体62(61)は、廃水処理に適した任意の化学酸化体であっても良い。酸化体62(61)は、過マンガン酸塩、過酸化物、あるいは、酸化反応のための触媒/イニシエータとして役立つ幾つかの他のヒドロキシラジカル生産体の水溶液から成ることが好ましい。酸化体62(61)は、過酸化物溶液であることが最も好ましい。他の好ましい反応条件は、図1の化学処理プロセスで述べた条件と同じである。第2の化学反応容器60の内容物は、廃液63として引き出され、生物学的反応器20での処理のために処理システムの先頭に戻される。
【0046】
酸化剤を組み合わせて使用することにより、様々な組成の廃棄物における生物分解率を最適化することができ、これにより、生物分解性を低コストで最大限に高めることができる。酸化剤の大部分は、流込体のORPが約0mVまたはそれ以上の値になった時、すなわち、第1の化学反応容器50での処理後に添加される。これによって、対象材料の生物分解性を高めるという酸化剤の効果が促進される。
【0047】
図3は、図2の実施例に関連する本発明の実施例を示している。廃液36は第1の化学反応容器150に排出される。この第1の化学反応容器150において、廃液は、0mVまたはそれ以上の制御されたORPで処理される。化学酸化体161a、161bは、廃液36と混合されるとともに、ORPを好ましくは+200mVまたはそれ以上に制御処理する第2の化学反応容器160へと排出される。複数の酸化体の添加によって、大きな自由度をもって廃棄物を処理することができる。酸化体161a、161bは、存在するかもしれない廃棄物の特定の範囲に対して最も経済的な処理方式を与えるように選択されることが好ましい。化学酸化体の異なる組み合わせ或いは酸化体と触媒との異なる組み合わせ(例えば、硫酸鉄、過酸化物、pH調整等)は、流れ込む廃棄物流れ11の変化や廃液31の要件に適応するように161a、161bで置き換えられても良い。
【0048】
本発明の他の形態において、酸化剤は、水を電気分解してヒドロキシラジカルを生成することによって現場で形成される。電気分解は、単独で使用されても良く、あるいは、廃棄物流れのORPを所望のレベルまで高めるために他の化学酸化体と組み合わせて使用されても良い。水は、接触チャンバ内の電極の列にわたって直流電流を供給することにより、電気分解されることが好ましい。接触チャンバ80の一例が図4に示されている。チャンバ80は、シール可能な蓋体83bを有する容器83aを備えている。陰極84および陽極86はチャンバ80の内側に配置されており、各電極の一端は、シール可能な開口85を介して蓋体83bを貫通して突出している。陰極84は、互いに電気的に接続された網筒体84aと陰極棒84bとを備えている。また、陽極86は、網籠84a内に位置する円筒体である。有利な作用をもって他の形状の電極および構成を使用しても良い。陽極86および陰極84の両者は、スチール、カーボン、あるいは、他の非反応材料によって形成されることが好ましい。所望の電気分解率を十分に形成できる安定した直流電流が電源88から陰極84および陽極86に供給される。一般的な電流密度は、約20A/m2乃至約500A/m2の範囲である。水溶液の流れ81が接触チャンバ80を通じて流れると、水の分子が解離され、水素および酸素のフリーラジカル(遊離基)が形成される。これらは、主に水素ラジカルを形成するように再結合する。電気分解された廃液82は、接触セル80から引き出される。
【0049】
図5は、図3の2ステージ化学処理プロセスの実施例を示している。この実施例において、接触チャンバ80は、浄水流込体81からの水を電気分解するために使用される。電気分解された水は、酸化剤161bとして引き出され、廃液に計量して加えられる。この実施例の利点は、必要に応じて酸化剤161bが形成され、化学酸化体を保管または取り扱う際に生じる腐食、爆発、あるいは、可燃の問題が減少するという点である。
【0050】
図6は、2ステージ化学処理プロセスの他の実施例を示している。この実施例において、第1の化学反応登記350からの廃液353の一部381は、電気分解のために接触チャンバ380に転送される。電気分解された流382は、廃液353に戻されて添加される。電気分解のために引き出される廃液353の量は、廃液363のORPを一定に維持するORPモニタ365および流量コントローラ386によって制御される。
【0051】
バイオソリッド/有機体混合物は、約1気圧の圧力で混合物を還流することによって化学的に処理されることが好ましい。最適な処理効率を達成するために、廃棄物流れのORPが増大するにつれて、低い温度および圧力を使用しても良い。約+500mVおよびそれ以上のORP値で、混合物を大気圧で還流させることにより、バイオソリッド/有機体混合物の生物分解可能性が効果的に高められても良い。図7は、本発明のこの実施例に係るシステムを示している。化学酸化体461、好ましくは次亜塩素酸等の強力な酸化体、および、接触チャンバ480からの電気分解された水482は、バイオソリッド/有機物流れ436と好ましくは混合装置448内で混合されて、化学反応容器440へと排出される。予熱器470、好ましくは熱い流体として廃液443を使用する熱交換器を使用して、混合された流込体441の温度を上昇させつつ、反応廃液443を生物学的反応器20(図1)への供給のために冷却しても良い。酸化反応は、一般に、反応容器内の還流状態を維持できる十分な熱を与えるものと考えられる。幾つかの状況においては、還流を維持するために加熱が必要な場合がある。したがって、化学反応容器440は、大気還流タワー440bを有するジャケット付き湯沸し器440aを備えていても良い。加熱は、補助ヒータ490によってジャケット付き湯沸し器440aに与えられる。ORPモニタ445および流量コントローラ446、486は、約+500mVまたはそれ以上の目標レベルで反応容器内のORPを制御する。処理は、ほぼ中性のpHおよび反応内容物の大気圧下での沸点以下の温度で行われることが好ましい。当業者であれば分かるように、留置時間等の他のパラメータは、反応状態、所望の排液質、処理を受ける廃棄物流れの性質に応じて変化する。
【0052】
この発明の全ての実施例においては、細胞材料および他の有機物を可溶化して、それらが生物学的反応器内でガス状および無機物状に分解される割合を高めるために、バイオソリッド/有機物流れが化学的な酸化に晒される。pH、温度、圧力、留置時間、化学酸化体の選択を含むがこれらに限定されない化学反応の最適な状態は、呼吸計測法(respirometric method)を使用して評価される。一般に、これらの方法は、酸素の摂取割合や、バイオソリッドの既知の量における二酸化炭素の生成率を測定する。呼吸計測反応の増大は、処理される廃棄物の生物分解性が向上していることを示している。したがって、実際には、化学処理の状態は、バイオソリッドで最良の呼吸計測応答を生じるように調整される。
【0053】
一般的なインライン呼吸計28が図8に示される。タイマー24は、所定のサイクルで弁27を開き、これによって、バイオソリッド/有機物流れ23の一部を装置28内に流すことができる。装置28内に存在する任意の材料は、流入する液体によって、流れ23に向かって勢い良く戻され、タイマー24が弁27を閉じる。モニタ25a、25bは、所定の時間にわたって酸素および二酸化炭素の濃度変化をそれぞれ測定してサンプリングする。したがって、プロセス条件は、濃度変化の割合を所定の限界値内に維持するように制御される。また、システム性能を調整するために、モニタ25a、25bは、流量コントローラ(図示せず)または他のプロセス制御ユニットに接続されていても良い。所定時間後、タイマー24が再び弁27を開いて、新たなサンプリングサイクルが開始される。
【0054】
本発明の他の形態は、有機性廃棄物の生物学的処理のためのプロセスに関するものである。この形態において、バイオソリッド生成率は、システム実質成長率を低く維持することによって低いレベルに制御される。システム実質成長率を約0.05day−1よりも小さく、更に好ましくは約0.01day−1乃至約0.006day−1に維持することによって、生物分解は、細胞生成に対して実質的に増大し、これによって、システムを通じた有機体炭素の再循環が最小限に抑えられる。生物分解後、結果として生じたバイオソリッド/有機体混合物が固体分離ユニットへと送られ、このユニットでバイオソリッド/有機体廃棄物が処理廃液から分離されることが好ましい。
【0055】
システム実質成長率レベルを低く維持するために、任意の適当な方法が使用されても良い。好ましくは、本発明において、分離されたバイオソリッド/有機物の一部は、システム実質成長率μnを制御するために、生物学的反応器へと戻される。システム実質成長率μnは、平均細胞保持時間すなわち「スラッジ年齢」θcの逆数である。生物学的処理システムにおける完全なバイオソリッド保持は、システムにおけるμn値を低く維持する。これは、システムに生態学的慣性を与え、その結果、観測される細胞生成Y0が低くなる。正味ゼロのバイオソリッドすなわち有機性廃棄物生成を目標とする生物学的システムにおいては、特に補助的な化学的処理または物理的な処理が使用される場合に、細胞生成を低く維持することは不可欠である。化学調整処理の目的は、対象とするバイオソリッドすなわち廃棄材料を生物分解可能にすることである。この生物分解可能材料が調整後に生物学的反応器に戻される場合、調整された廃液のCODの僅かな部分だけをバイオソリッドに変換することが最も重要である。反応容器のμn値が高い場合、Y0が高くなり、化学的に調整された材料の比較的大きな部分がバイオソリッドに戻される。そのような状態下で、有機体炭素は、基本的に全システム内で「回転」する。
【0056】
本発明のこの形態は、バイオソリッド生成にわたって強力な制御を与えて、μnを低く維持し、その結果、Y0値を低く維持する。低いY0は、生物学的反応器に戻される化学的に調整された材料中の有機体炭素の大部分がバイオソリッドに変換されず、むしろ、ガス状(例えば、二酸化炭素、メタン、水素等)に変換されてシステムから排出されることを意味している。これは、システム全体を経済的に妥当な状態に維持し、かつ、化学調整ステップの過度の使用すなわち無駄な使用を避けるために重要である。μnの値は、0.05day−1またはそれよりも小さいことが好ましい。これは、θcにおける20日以上の値に相当する。μnの値は、0.01day−1乃至0.006day−1であることが好ましい。これは、θcにおける100日乃至約150日の値に相当する。ここで説明した呼吸計測技術によってY0値が間接的に監視され、所定の細胞生成を維持するようにシステム状態が調整されても良い。
【0057】
図9は、本発明のこの形態の実施例を示している。廃棄物流れ511は、回収されたバイオソリッド533および下流側のプロセス(図示せず)から戻された廃液563と組み合わされる。流れ511、533、563は、生物学的反応器520へと排出される前に混合装置528内で混合されることが好ましい。酸素522、最も好ましくは酸素濃縮された圧縮空気が生物学的反応器520に供給される。反応容器の内容物は、流れ523として引き出され、ここでは沈殿タンク530として示される固体分離ユニットへと方向付けられる。沈殿タンク530において、バイオソリッド/有機物は、濃縮されるとともに、バイオソリッド/有機物流れ532として引き出される。澄んだ廃液は、廃液流れ531として引き出される。インライン呼吸計528は、反応器の内容物523中のバイオソリッドの呼吸活動を測定するとともに、流量コントローラ536を調整して、回収バイオソリッド533として生物学的反応器520へと戻されるバイオソリッド/有機物の量を制御し、その結果、所望のμnを維持する。バイオソリッド/有機物532の残り534は、処分され、あるいは、更なる処理に晒されることが好ましく、ここで説明した化学処理によって処理されることが最も好ましい。
【0058】
μnおよびY0の値を低く維持する好ましい方法は、前述したように、システム内にバイオソリッドを保持することによってθ−1を増大することである。Y0を制御するために使用できる他の方法は、呼吸を増やし或は細胞生成を抑えるために酵素製剤を加えること、成熟した細胞群をシステムに加えること、あるいは、この技術分野で知られた他の方法を含んでいる。この発明の関連する形態においては、生物学的反応器内でのバイオソリッドの生成を抑えるために酵素製剤が使用される。生物学的反応器の内容物に酵素製剤を添加することによって、細胞呼吸を促進させることができる。そのような促進の結果、生物分解の割合が高まる一方で、細胞生成が抑えられ、μnが効果的に減少する。
【0059】
本発明の他の形態と統合させると、酵素の添加によって、正味のバイオソリッド生成をほぼ0のレベルまで減少させることができる。本発明においてそのような促進を行うためには、酵素製剤WT−2000(アメリカ合衆国、カリフォルニア州、ニューポート・ビーチ、フォン・カルマン・アヴェニュー・4440所在のアドバンスト・バイオカタリティクス・コーポレイション)が好ましいが、同様の効果を得るために他の製剤を使用しても良い。図10は、酵素の添加およびバイオソリッドリサイクルを組み込んだ生物学的反応器システムを示している。酵素製剤691は、容器690から計量されて、好ましくは混合装置628内で混合される混合流れ611、633、663中に送られ、生物学的反応器620へと排出される。インライン呼吸計628は、反応器の廃液623の呼吸反応を監視するとともに、酵素製剤691およびバイオソリッド/有機物633が生物学的反応器620に戻される割合を調整して、μnおよびY0をその目標レベルに維持する。
【0060】
ここで述べたように、バイオソリッドが化学反応容器内に導入される前にバイオソリッドの粒子サイズを減少することによって、化学処理率を更に向上することができる。また、粒子への酸素の搬送を増やして、粒子からの可溶性成分の溶解率を高めることによって生物学的反応器内での生物分解率を高めるために、粒子サイズの減少を使用することもできる。更に、バイオソリッド粒子が既知のサイズ分布を有している場合には、処理プロセスを更に有効に制御することができる。例えば、図11は、化学反応容器840内で更に有効な処理を行うために、流れ834中のバイオソリッド粒子を既知のサイズ分布まで減少させる機械的装置835aの使用を示している。生物学的反応器820に戻されるバイオソリッド/有機物流れ833中の粒子サイズ分布を制御するために、同様の装置835bが使用される。この技術分野では、微粒子バイオソリッドを制御されたサイズ分布まで減少させるための様々な機械的装置が知られている。当業者は、そのような装置および用途を簡単に認識できる。
【0061】
粒子サイズを減少させるために、液圧、音響、あるいは、他の手段によるキャビテーションも使用される。キャビテーションは、ヒドロキシラジカルを形成するという点で、化学処理ステップの前に、他の利点を与える。あるいは、キャビテーションは、化学処理ユニットそれ自体に使用することができる。例えば、ここで示したような酸化体および化学触媒をバイオソリッド/有機物流れ及びキャビテーションに晒される混合物に添加しても良い。キャビテーションは、酸化反応を高める状態を混合物に形成し、その結果、バイオソリッド/有機体混合物の生物分解性を向上させる。
【0062】
本発明の目的は、生物学的廃棄物処理システムからのバイオソリッド生成率を減少させてスラッジ生成を実質的にゼロにすることである。本発明は、生物学的および化学的な処理システム並びにここで述べた他のシステムの特徴を統合して、様々なパフォーマンス目標に適合するように調整可能な動作パラメータの組を提供する。この統合の目的は、COD除去またはバイオソリッド生成等の技術的な尺度、処理および処分の総費用といった経済的な尺度から見て、或いは、それら尺度の組み合わせから見て、処理システム全体にわたって最高の処理性能を生み出すことである。図11は、高度に濃縮されて手に負えない廃棄物の処理のための好ましい実施例であって、本発明の複数の形態を統合システムの状態で実施することによりこの目的を実現する実施例を示している。ブロック800Aは、前述したシステムの生物学的な処理部を示し、その殆どが図9および図10に示される。ブロック800Bは、廃液を調整して廃棄物の生物分解性を高めるために使用される化学処理プロセスであって、図8に示される前述した化学処理プロセスを示している。工場のオペレータは、呼吸計825からの呼吸反応データを、この技術分野で広く知られた従来の水質解析と組み合わせて解析し、処理工場の性能およびコストを評価するとともに、動作パラメータを修正して、廃液の質および経済性能を目標に合わせる。オペレータは、ORPモニタ865の設定値を調整して、廃液843の質を最適レベルに制御し、生物学的反応器820内でのCODの二酸化炭素への変換を促進させる。バイオソリッド/有機物リサイクル流れ833の流量は、呼吸計825での呼吸反応に応じた流量コントローラ836の制御によって調整され、これによって、μnが低く維持され、その結果、Y0が低く維持され、正味のスラッジ生成率が減少する。流量コントローラ896は、生物学的反応器820へ向かう酵素製剤891を計量して、Y0を更に抑制する。化学的な調整により、制御されたバイオソリッドのリサイクル、酵素の添加、生物分解性の向上、を組み合せて得られる効果によって、正味のバイオソリッド生成がほぼ0まで減少する。
【0063】
以上、特定の実施例に関して本発明を説明してきたが、これらの実施例は、本発明の原理および用途の単なる一例であることは言うまでもない。したがって、示された実施例に対して様々な変更を加えることができるとともに、添付のクレームによって規定されるように、本発明の思想および範囲から逸脱することなく、他の構成を考え出すことができる。
【0064】
(産業上の利用可能性)
本発明は、有機物質を含む廃水の処理に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 生物学的処理、直接モニタリング、酸化還元電位制御を備える1ステージ化学酸化プロセスにおける統合された廃棄物処理システムのブロック図である。
【図2】 各ステージでモニタリングおよび酸化還元電位制御を備える2ステージ化学酸化のブロック図である。
【図3】 第2のステージで複数の酸化体の添加を成す2ステージ化学酸化プロセスのブロック図である。
【図4】 電解接触チャンバの概略図である。
【図5】 第2のステージに電解された水を供給する2ステージ化学酸化プロセスのブロック図である。
【図6】 第1のステージの廃液の一部を直接に電気分解する2ステージ化学酸化プロセスのブロック図である。
【図7】 プロセス流れが酸化体とともに還流される1ステージ化学酸化プロセスのブロック図である。
【図8】 インライン呼吸計の概略図である。
【図9】 平均細胞保持時間の制御を備える生物反応プロセスのブロック図である。
【図10】 内生的な呼吸の直接的な促進および平均細胞保持時間の制御を含む生物反応プロセスのブロック図である。
【図11】 平均細胞保持時間を制御するバイオソリッドリサイクルを伴う生物学的反応器と、直接的なモニタリングおよび酸化還元電位の制御を伴う2ステージ化学酸化とを備える統合された廃棄物処理システムのブロック図である。
【符号の説明】
11 廃棄物流れ
20 生物学的反応器
21 流込体
22 圧縮空気
23 反応物質
28 混合装置
30 重力沈殿タンク
31 廃液
34 バイオソリッド/有機物流れ
35 粒子サイズ縮小ユニット
36 バイオソリッド/有機物流れ
40 化学処理ユニット
42 酸化剤
43 廃液
45 ORPモニタ
46 流量コントローラ
Claims (12)
- 有機性廃棄物の処理のためのプロセスにおいて、
(a)生物学的反応器に有機性廃棄物を供給し、前記有機性廃棄物を生物学的な消化に晒すことによって、前記有機性廃棄物の少なくとも一部を、澄んだデカントと、バイオソリッドと無変換有機物との混合物に変換するステップと、
(b)化学処理ユニット内で、前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部を、少なくとも1つの酸化剤と接触させて、このバイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部の酸化還元電位を、+0mVまたはそれ以上に高め、その後、このバイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部を、少なくとも1つの第2の酸化剤と接触させて、酸化還元電位を+200mVまたはそれ以上まで高めるステップと、
(c)前記化学処理ユニット内の前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部について、その酸化還元電位を監視するとともに、前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部と接触する前記少なくとも1つの酸化剤の濃度を調整することによって、このバイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部の酸化還元電位を0mVよりも大きく維持して、前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部を、調整された廃液に変換するステップと、
(d)前記調整された廃液を前記生物学的反応器に戻すステップと、
を備えるプロセス。 - 前記第2の酸化剤として、複数の酸化剤を用いる請求項1に記載のプロセス。
- 前記少なくとも1つの酸化剤は、電気分解によって形成される酸化剤から成る請求項1に記載のプロセス。
- 有機性廃棄物の処理のためのプロセスにおいて、
(a)生物学的反応器に有機性廃棄物を供給し、前記有機性廃棄物を生物学的な消化に晒すことによって、前記有機性廃棄物のうちの少なくとも一部を、澄んだデカントと、バイオソリッドと無変換有機物との混合物に変換するステップと、
(b)化学処理ユニット内で、前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物のうちの少なくとも一部を、少なくとも1つの酸化剤と接触させて、このバイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部の酸化還元電位を、+0mVまたはそれ以上に高め、その後、このバイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部を、少なくとも1つの第2の酸化剤と接触させて、酸化還元電位を+200mVまたはそれ以上まで高めるステップと、
(c)120℃乃至300℃の温度で且つ2atm乃至10atmの圧力で、前記化学処理ユニット内の前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部について、その酸化還元電位を監視するとともに、前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部と接触する前記少なくとも1つの酸化剤の濃度を調整することによって、このバイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部の酸化還元電位を0mVよりも大きく維持して、前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部を、調整された廃液に変換するステップと、
(d)前記調整された廃液を前記生物学的反応器に戻すステップと、
を備えるプロセス。 - 前記(c)のステップは、前記酸化還元電位を+500mVまたはそれ以上に維持することから成る請求項1に記載のプロセス。
- 前記(c)のステップは、1atmの圧力で且つ前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物の大気圧下での沸点の温度以下で行われる請求項5に記載のプロセス。
- システム実質成長率を0.05day-1またはそれ以下の所定の値の範囲内に制御できる量だけ、前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも第2の部分を前記生物学的反応器に戻すことを更に備える請求項1又は4に記載のプロセス。
- 前記所定の値の範囲は、0.01day-1乃至0.006day-1である請求項7に記載のプロセス。
- 前記(b)のステップを行う前に、前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物の前記少なくとも第1の部分中のバイオソリッドの粒子サイズを減少させることを更に備える請求項1又は4に記載のプロセス。
- 前記(b)のステップは、前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物の前記少なくとも一部のキャビテーションによって行われる請求項1又は4に記載のプロセス。
- 前記(a)のステップ中に前記有機性廃棄物に酵素を添加して、細胞呼吸を促進させるとともに、細胞生成を抑制することを備える請求項1又は4に記載のプロセス。
- 有機性廃棄物の処理のためのプロセスにおいて、
(a)生物学的反応器に有機性廃棄物を供給し、前記有機性廃棄物を生物学的な消化に晒すことによって、前記有機性廃棄物のうちの少なくとも一部を、澄んだデカントと、バイオソリッドと無変換有機物との混合物に変換するステップと、
(b)化学処理ユニット内で、前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物のうちの少なくとも一部を、少なくとも1つの酸化剤と接触させるステップと、
(c)120℃乃至300℃の温度で且つ2atm乃至10atmの圧力で、前記化学処理ユニット内の前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部について、その酸化還元電位を監視するとともに、前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部と接触する前記少なくとも1つの酸化剤の濃度を調整することによって、このバイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部の酸化還元電位を0mVよりも大きく維持して、前記バイオソリッドと無変換有機物との混合物の少なくとも一部を、調整された廃液に変換するステップと、
(d)前記調整された廃液を前記生物学的反応器に戻すステップと、
を備えるプロセス。
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