JP4206504B2 - 嫌気性処理法及び嫌気性処理法装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はUASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket ;上向流嫌気性汚泥床)方式嫌気性処理装置や固定床型嫌気性処理装置による排水の嫌気性処理に当り、装置から発生するバイオガス(嫌気ガス)をより有効に利用するための嫌気性処理法及び嫌気性処理法装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
食品排水などの産業排水の処理には嫌気性処理法が適用されている。
【0003】
嫌気性処理は、嫌気条件下において、酸生成菌により排水中の有機物を有機酸に変換する酸生成工程と、生成した有機酸を嫌気条件下においてメタン生成菌によりメタンに分解するメタン生成工程の2工程からなる。この嫌気性処理装置には、酸生成工程とメタン生成工程とを別の槽内で行う2槽方式のものと、これらを単一の槽で行う1槽方式のものとがある。
【0004】
2槽方式の嫌気性処理装置は、主に酸生成槽及び嫌気槽で構成され、嫌気槽の入口側にはアルカリ添加手段が設けられている。即ち、メタン生成菌の好適pHは6〜8であるため、嫌気槽の流入水にはアルカリを添加してpH調整を行う。また、嫌気槽入口に脱炭酸槽を設ける場合もあり、この場合、この脱炭酸槽では、酸生成槽の流出水を曝気して脱炭酸処理し、アルカリを消費する炭酸を予め除去することにより、アルカリ添加手段でのアルカリ添加量の低減を図るようにしている。
【0005】
嫌気槽の処理水は一部が酸生成槽に返送され、残部は系外へ排出され、更に好気性処理装置などで高度処理が行われる。
【0006】
この嫌気槽から酸生成槽への処理水返送は、酸生成菌の返送(汚泥を返送して酸生成槽内の汚泥量を維持することにより、酸生成反応が安定し、水量や負荷変動に対応できる。)と、原水の希釈(原水の濃度が高いと微生物阻害を起こすため、返送処理水で希釈する。)と、酸生成槽のpH調整(メタン生成工程の処理水にはメタン生成反応で生成したCO2の一部がHCO3の形で溶解しているので、これを酸生成槽に戻して有機酸と反応させることにより、酸生成槽のpHの低下を防止でき、酸生成効率を高めることができる。)とを目的として行われる。従って、この処理水返送は、原水の水質、その他の処理条件等に応じて実施され、原水の有機物濃度によっては、酸生成槽への返送が行われないこともある。一般に、高濃度の原水を処理する場合ほど、この処理水返送量は多くなる。
【0007】
一方、1槽方式の嫌気性処理装置では、嫌気槽内液を抜き出して再びこの嫌気槽に戻す循環ラインが設けられ、この循環ラインに脱炭酸槽及びアルカリ添加手段を設けることができる。
【0008】
嫌気性処理法は、活性汚泥などの好気性処理と比較して余剰汚泥の発生が少ない、動力消費量が小さいなどの利点がある上に、嫌気槽から発生するバイオガスは、メタンを50〜90%程度含むため、ボイラーなどの燃料として有効利用できるという優れた特長を有する。
【0009】
ところで、このバイオガスをコジェネレーションシステム等の発電用燃料に使用する場合、発生したバイオガス中のメタン(CH4)ガス濃度がほぼ一定に維持され、バイオガスによる発熱量(カロリー)が安定していることが、当該バイオガスを燃料として適用する設備の安定かつ効率的な運転のために、非常に重要である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、嫌気槽から発生するバイオガスのメタン含有率は原水の水質や運転状況によって大きく変動する。即ち、例えば、通常、70〜80%程度のメタン含有率のバイオガスが発生している場合であっても、有機物負荷量が増大すると、炭酸ガス濃度が上昇し、相対的にメタンガス含有率が低下してメタンガス含有率50%程度になってしまう場合もある。このような場合には、発電機の効率が低下し、また、エンジンが効率良く稼働できないことがあり、メタンガス含有率の変化に応じて点火のタイミング等の調整が必要となっているのが現状である。
【0011】
本発明は上記従来の問題点を解決し、嫌気槽から発生するバイオガス中のメタンガスの割合をほぼ一定に保つことができる嫌気性処理法及び嫌気性処理法装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の嫌気性処理法は、嫌気槽に導入される水を必要により脱炭酸した後、アルカリを添加してpH調整した後、水に含まれる有機物を嫌気槽で生物分解する嫌気性処理法において、嫌気槽から発生するガスのメタンガス濃度、炭酸ガス濃度又は発熱量を計測し、この計測結果に基いて、下記(1)及び/又は(2)の制御方法により、前記脱炭酸による脱炭酸量とpH調整後の前記pH値との少なくとも一方を制御して、該嫌気槽から発生するガス中のメタンガス濃度を所定濃度とすることを特徴とする。
(1) 前記計測結果より、嫌気槽から発生するガスの炭酸ガス濃度が増加(メタンガス濃度が低減)する傾向にある場合は嫌気槽に導入される水の調整pH値を高くし、逆に該炭酸ガス濃度が低減(メタンガス濃度が増加)する傾向にある場合は嫌気槽に導入される水の調整pH値を低くする。
(2) 前記計測結果より、嫌気槽から発生するガスの炭酸ガス濃度が増加(メタンガス濃度が低減)する傾向にある場合は嫌気槽に導入される水の脱炭酸量を増加し、逆に該炭酸ガス濃度が低減(メタンガス濃度が増加)する傾向にある場合は嫌気槽に導入される水の脱炭酸量を低減する。
本発明の嫌気性処理法装置は、原水が導入される酸生成槽と、該酸生成槽の流出水が導入される脱炭酸槽と、該脱炭酸槽の流出水をpH調整するpH調整手段と、pH調整された液が導入され、メタン生成菌により前記酸生成槽で生成した有機酸が嫌気条件下メタンに分解される嫌気槽とを備える嫌気性処理法装置において、前記嫌気槽から発生するガスのメタンガス濃度、炭酸ガス濃度又は発熱量を計測する手段と、この計測結果に基いて、下記(1)及び/又は(2)の制御方法により、前記脱炭酸槽における脱炭酸量とpH調整手段による調整pH値との少なくとも一方を制御して、該嫌気槽から発生するガス中のメタンガス濃度を所定濃度とする手段とを備えることを特徴とする。
(1) 前記計測結果より、嫌気槽から発生するガスの炭酸ガス濃度が増加(メタンガス濃度が低減)する傾向にある場合はpH調整手段の調整pH値を高くし、逆に該炭酸ガス濃度が低減(メタンガス濃度が増加)する傾向にある場合はpH調整手段の調整pH値を低くする。
(2) 前記計測結果より、嫌気槽から発生するガスの炭酸ガス濃度が増加(メタンガス濃度が低減)する傾向にある場合は脱炭酸槽における脱炭酸量を増加し、逆に該炭酸ガス濃度が低減(メタンガス濃度が増加)する傾向にある場合は脱炭酸槽における脱炭酸量を低減する。
【0013】
本発明では、嫌気槽から発生するガス中のメタンガス濃度が一定となるように制御しても良く、このメタンガス濃度が所定範囲となるように制御しても良い。
【0014】
嫌気槽から発生するバイオガスは、メタン(CH4)ガスと炭酸ガス(CO2)が主成分であり、通常、両ガスでバイオガス全体の99%を占める。場合によっては、ガス中の水素ガスが多くなることもあるが、この場合でも水素ガス含有率は数%以下であり、バイオガスはメタンと炭酸ガスで構成されていると考えてよい。
【0015】
従って、バイオガス中のメタン又はCO2の濃度を一定とすることにより、バイオガスの発熱量を一定にすることができる。
【0016】
このバイオガスのCO2濃度は、嫌気槽に導入される水のpH値を制御することにより、また、嫌気槽に導入される水に含まれる炭酸量を制御することにより増減できる。炭酸量の制御は、アルカリ剤の添加量低減のために脱炭酸槽を設置している嫌気性処理装置においては、その脱炭酸槽を利用して行うことができる。
【0017】
即ち、例えば、脱炭酸槽の曝気量を増やすなどして脱炭酸量を増加させると、嫌気槽流入水の炭酸成分濃度及びバイオガスのCO2濃度が低減する。逆に、この脱炭酸量を低減するとバイオガスのCO2濃度が増加する。
【0018】
また、pH調整手段の調整pH値を高くすると、嫌気槽における炭酸成分の溶解量が増加するため、バイオガスのCO2濃度は低減する。逆に、この調整pH値を低くすると、バイオガスのCO2濃度が増加する。
【0019】
本発明では、バイオガスのCH4濃度、CO2濃度又は発熱量に対応して、脱炭酸槽の脱炭酸量とpH調整手段の調整pH値の少なくとも一方を制御して、バイオガス中のCO2濃度を一定とすることによりCH4濃度を一定とし、バイオガスの発熱量を一定にすることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の嫌気性処理法及び嫌気性処理法装置の実施の形態例を詳細に説明する。
【0021】
図1は本発明の嫌気性処理法の実施の形態を示す嫌気性処理装置の系統図である。
【0022】
図1に示す嫌気性処理装置は、2槽式のものであり、食品工場排水、紙パルプ工場排水などの産業排水、下水、し尿、汚泥、有機性廃棄物などの有機物含有排水等の原水は、まず、酸生成槽1に導入され、嫌気条件下に酸生成菌と混合されることにより、液中の有機物が酢酸、プロピオン酸、乳酸などの有機酸に変換される。この酸生成槽1では、有機酸の生成によりpHが低下し、通常、槽内pHは4〜6となる。この酸生成槽1の滞留時間は通常の場合、2〜48時間程度である。
【0023】
酸生成槽1の流出水は次いで脱炭酸槽2に導入される。この脱炭酸槽2では、ブロワ3により曝気が行われ、これにより脱炭酸(ストリッピング)が行われる。
【0024】
脱炭酸槽2の流出水は、中和槽4でpH調整された後、嫌気槽7に導入される。この中和槽4には、pH計5とこれに連動するNaOH水溶液等のアルカリの薬注ポンプ6よりなるアルカリ添加手段(pH調整手段)が設けられており、アルカリの添加により、液pHは、メタン生成菌の好適pHであるpH6〜8程度に調整される。
【0025】
中和槽4でpH調整された液は嫌気槽7に導入され、メタン生成菌により、酸生成槽1で生成した有機酸が嫌気条件下メタンに分解される。この嫌気槽1の滞留時間は通常、5〜72時間程度である。
【0026】
嫌気槽7の処理水のうちの一部は必要に応じて酸生成菌の返送、原水の希釈、pH調整の目的で、酸生成槽1に返送され、残部は系外へ排出されて好気性処理等の高度処理に供される。
【0027】
嫌気槽7で生成するバイオガスは、ガスホルダ8を経て系外へ排出され、発電機等の燃料として使用される。
【0028】
図1に示す装置では、このガスホルダ8へのガス移送配管に、計測器9が設けられており、この計測器9の計測結果に基いて制御器10で、pH計5の設定pH(pH調整値)及びブロワ3の空気曝気量の制御を行う。
【0029】
この計測器9としては、具体的には、可燃性ガスセンサー(燃料ガス計)、炭酸ガス計、炭酸ガス用ガス検知管等を用いることができる。
【0030】
この計測器9の計測結果から、バイオガス中のCO2濃度即ち、CH4濃度が変動する傾向があると判断された場合には、次の(1)及び/又は(2)の制御を行って、バイオガス中のCO2濃度ないしCH4濃度を一定に保つ。
【0031】
(1) 脱炭酸槽2での脱炭酸量を制御する。脱炭酸槽2での脱炭酸量が多く、嫌気槽6に流入する液の炭酸成分が少ないと、バイオガス中のCO2濃度も低減し、相対的にCH4濃度が増加するため、バイオガス中のCO2濃度が増加(CH4濃度が低減)する傾向にある場合には、脱炭酸槽2の脱炭酸量を増加する。逆に、バイオガス中のCO2濃度が低減(CH4濃度が増加)する傾向にある場合には、脱炭酸槽2の脱炭酸量を低減する。この脱炭酸槽2の脱炭酸量の増減には、曝気量の増減又は曝気のON/OFF操作を行えば良く、従って、制御器9でブロワ3による空気送給量又は空気送給の有無を制御する。また、脱炭酸効率は、脱炭酸槽2のpHを低くすると、例えば、pH4.8以下の低pH領域とすると高くなるため、酸生成槽1のpHが4.8以下になるように嫌気槽7からの返送液量を設定したり、酸生成槽1に酸を添加したりして、脱炭酸槽2の流入液のpHを低下させて脱炭酸効率を高め、これにより脱炭酸量を高めることもできる。
【0032】
(2) ポンプ6によるアルカリ添加量を調整して嫌気槽流入液の調整pH値を制御する。
【0033】
嫌気槽7のpHが高いと、嫌気槽7における溶解炭酸成分量が多くなり、結果としてバイオガス中のCO2濃度は低減し、相対的にCH4濃度が増加する。このため、バイオガス中のCO2濃度が増加(CH4濃度が低減)する傾向にある場合には、調整pH値を高くし、アルカリ添加量を増やす。逆に、バイオガス中のCO2濃度が低減(CH4濃度が増加)する傾向にある場合には、調整pH値を低くし、アルカリ添加量を減らす。
【0034】
このようにして、バイオガス中のCO2濃度を一定に保つことにより、CH4濃度を一定に保ち、バイオガスの発熱量を一定に保つことが可能となる。
【0035】
本発明において、嫌気槽の形式は、浮遊式、UASB式、担体を使用する流動床式、固定床式のいずれでも良い。
【0036】
また、図1では、酸生成槽と嫌気槽との2槽式のものを示したが、酸生成槽を設けない1槽式のものであっても良い。
【0037】
この場合には、循環ラインに設けられた脱炭酸槽の脱炭酸量及び/又はpH調整手段の調整pH値を制御すれば良い。
【0038】
なお、図1では、中和槽4を設けてpH調整を行っているが、このpH調整は、脱炭酸後、嫌気槽の入口までの間で行えば良く、脱炭酸槽2から嫌気槽7へ液を移送する配管にアルカリを直接流入してpH調整しても良い。
【0039】
本発明において、バイオガス中のCO2濃度の増加(即ち、CH4濃度の低減)が認められるときに、脱炭酸槽の脱炭酸量を増加するか、調整pH値を高くしてバイオガス中のCO2濃度の増加を防止する場合、調整pH値による制御のみではアルカリ添加量の増加によりランニングコストが増大するので、アルカリ添加と脱炭酸量増大とを組み合せて行うのが好ましい。
【0040】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【0041】
実施例1,2
図1に示す装置により、ビールの仕込み系排水(CODCr:25,000mg/L)の連続通水処理を行った。
【0042】
嫌気槽7は、UASB方式の嫌気槽(φ10cm×120cmH:有効容量約7L)であり、酸生成槽1の容量は2L、脱炭酸槽2の容量は500mL、中和槽4の容量は200mLである。嫌気槽7の処理水の一部は一定量酸生成槽1に返送した。
【0043】
ビール仕込み系排水を、図2(a)に示すように流量変動(1.0〜2.9mL/min=5〜15kg−CODCr/m3 /dayに相当)を与えながら通液し、発生するバイオガス中のCO2 濃度を経時的に測定し、この結果に基き、次の条件で中和槽4における調整pH値(実施例1)又は脱炭酸槽2の脱炭酸量(実施例2)の制御を行った。
【0044】
[実施例1の場合]
バイオガス中のCO2濃度の上昇率と同じ割合だけ、中和槽4の調整pH値を高める。即ち、例えば、バイオガス中のCO2濃度が20%から25%に5ポイント上昇した場合には、調整pH値を6.5から7.2に百分率換算で5ポイント(pHのフルスケールが14であり、この14の5%としての0.7だけ)上昇させる。
【0045】
なお、このとき、脱炭酸槽2の曝気は停止している。
【0046】
[実施例2の場合]
バイオガス中のCO2濃度2%上昇を判断基準として、脱炭酸槽2の曝気のON/OFFを行った。なお、中和槽のpHは6.5となるように制御した。
【0047】
このようにして制御を行ったときのバイオガス中のCO2濃度の変化を図2(b)に示した。
【0048】
比較例1実施例1において、調整pH値の制御を行わず、中和槽4における調整pH値は約6.5で一定としたこと以外は同様に行って、バイオガス中のCO2濃度の変化を図2(b)に示した。
【0049】
図2より、本発明によれば、バイオガス中のCO2濃度が安定し、これにより常に一定のCH4濃度で発熱量の安定したバイオガスを回収することができることが明らかである。
【0050】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の嫌気性処理法及び嫌気性処理法装置によれば、嫌気槽から発生するバイオガスの発熱量を一定に保つことができ、これにより、バイオガスを燃料とする設備の運転の安定化、効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の嫌気性処理法の実施の形態を示す嫌気性処理装置の系統図である。
【図2】 図2(a)は実施例1,2及び比較例1における通液量の変化を示すグラフであり、図2(b)は同バイオガス中のCO2濃度の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
1 酸生成槽
2 脱炭酸槽
3 ブロワ
4 中和槽
5 pH計
6 ポンプ
7 嫌気槽
8 ガスホルダ
9 計測器
10 制御器
Claims (3)
- 嫌気槽に導入される水にアルカリを添加してpH調整した後、水に含まれる有機物を嫌気槽で生物分解する嫌気性処理法において、嫌気槽から発生するガスのメタンガス濃度、炭酸ガス濃度又は発熱量を計測し、この計測結果に基いて、下記(1)の制御方法により、前記pH調整後の前記pH値を制御して、該嫌気槽から発生するガス中のメタンガス濃度を所定濃度とすることを特徴とする嫌気性処理法。
(1) 前記計測結果より、嫌気槽から発生するガスの炭酸ガス濃度が増加(メタンガス濃度が低減)する傾向にある場合は嫌気槽に導入される水の調整pH値を高くし、逆に該炭酸ガス濃度が低減(メタンガス濃度が増加)する傾向にある場合は嫌気槽に導入される水の調整pH値を低くする。 - 嫌気槽に導入される水を脱炭酸した後、アルカリを添加してpH調整した後、水に含まれる有機物を嫌気槽で生物分解する嫌気性処理法において、嫌気槽から発生するガスのメタンガス濃度、炭酸ガス濃度又は発熱量を計測し、この計測結果に基いて、下記(1)及び/又は(2)の制御方法により、前記脱炭酸による脱炭酸量とpH調整後の前記pH値との少なくとも一方を制御して、該嫌気槽から発生するガス中のメタンガス濃度を所定濃度とすることを特徴とする嫌気性処理法。
(1) 前記計測結果より、嫌気槽から発生するガスの炭酸ガス濃度が増加(メタンガス濃度が低減)する傾向にある場合は嫌気槽に導入される水の調整pH値を高くし、逆に該炭酸ガス濃度が低減(メタンガス濃度が増加)する傾向にある場合は嫌気槽に導入される水の調整pH値を低くする。
(2) 前記計測結果より、嫌気槽から発生するガスの炭酸ガス濃度が増加(メタンガス濃度が低減)する傾向にある場合は嫌気槽に導入される水の脱炭酸量を増加し、逆に該炭酸ガス濃度が低減(メタンガス濃度が増加)する傾向にある場合は嫌気槽に導入される水の脱炭酸量を低減する。 - 原水が導入される酸生成槽と、該酸生成槽の流出水が導入される脱炭酸槽と、該脱炭酸槽の流出水をpH調整するpH調整手段と、pH調整された液が導入され、メタン生成菌により前記酸生成槽で生成した有機酸が嫌気条件下メタンに分解される嫌気槽とを備える嫌気性処理法装置において、
前記嫌気槽から発生するガスのメタンガス濃度、炭酸ガス濃度又は発熱量を計測する手段と、この計測結果に基いて、下記(1)及び/又は(2)の制御方法により、前記脱炭酸槽における脱炭酸量とpH調整手段による調整pH値との少なくとも一方を制御して、該嫌気槽から発生するガス中のメタンガス濃度を所定濃度とする手段とを備えることを特徴とする嫌気性処理法装置。
(1) 前記計測結果より、嫌気槽から発生するガスの炭酸ガス濃度が増加(メタンガス濃度が低減)する傾向にある場合はpH調整手段の調整pH値を高くし、逆に該炭酸ガス濃度が低減(メタンガス濃度が増加)する傾向にある場合はpH調整手段の調整pH値を低くする。
(2) 前記計測結果より、嫌気槽から発生するガスの炭酸ガス濃度が増加(メタンガス濃度が低減)する傾向にある場合は脱炭酸槽における脱炭酸量を増加し、逆に該炭酸ガス濃度が低減(メタンガス濃度が増加)する傾向にある場合は脱炭酸槽における脱炭酸量を低減する。
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