JP4242137B2 - 膜分離メタン発酵方法 - Google Patents
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- Separation Of Suspended Particles By Flocculating Agents (AREA)
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は膜分離メタン発酵方法に関し、カルシウムスケールの生成を防止する技術に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図２に示すように、メタン発酵処理方法においては、高濃度有機性排水１をメタン発酵槽２で嫌気性の条件下で１０日から３０日間発酵させ、高濃度有機性排水１に含まれた有機汚濁物をメタンガスと水などに分解し、メタン発酵槽２の消化汚泥を付帯設備の汚泥脱水装置（図示省略）で脱水し、汚泥脱水装置の脱離液をメタン発酵処理液として取り出す。このメタン発酵処理液は相当量の有機汚濁成分を含んでおり、公共水域には放流できないので、生物反応槽３へ導いて活性汚泥処理して有機汚濁成分を基準値以下にまで低減し、沈殿槽４で沈殿分離した後に上澄液を処理水として放流している。
【０００３】
ところで、メタン菌などの嫌気性菌は粒子径が小さいので重力分離では十分に固液分離することができず、汚泥脱水装置の脱離液が流入する生物反応槽３での流入汚濁負荷量が多くなるために、生物反応槽３の槽容量を大きくする必要があった。このため、近年では、メタン発酵槽２でのメタン菌などの嫌気性菌の濃度を高めて発酵日数の短縮および発酵槽容量のコンパクト化を図るために、消化汚泥を膜分離装置で膜分離して膜透過液をメタン発酵処理液として取り出す膜分離メタン発酵法が行われている。この膜分離メタン発酵法では膜分離によって嫌気性菌が系外へ流出することなく槽内に残るので、メタン発酵が安定するだけでなく、消化汚泥中の菌濃度を高く維持して発酵速度を速めることができる。
【０００４】
この技術分野の技術文献としては例えば特許文献１に記載するものがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−３８４９９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高濃度有機性排水中にカルシウムイオンが多く含まれる場合には、膜分離装置の膜表面に炭酸カルシウムがスケールとして析出し、スケールの成長によって膜が目詰まりして膜透過液を取り出すことが出来なくなる。
【０００７】
炭酸カルシウムの生成は以下の反応による。
【０００８】
【化１】
【０００９】
【化２】
ところで、一般に水は緩衝力を有し、化１式においてはｐＨ４．８以上のアルカリ度と、ｐＨ８．９以下の酸度の緩衝力を有しているので、水のｐＨが中性から酸性域であれば水中の二酸化炭素はフリーの炭酸ガスか重炭酸イオンとなっているので、重炭酸カルシウムの形態で溶解し、炭酸カルシウムは生じないが、ｐＨがアルカリ域になると炭酸イオンの比率が増加して炭酸カルシウムとなる。この炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）は水に難溶の物質で１５ｍｇ／Ｌ程度の溶解度であり、溶解度を越えるとスケールを形成する。したがって、高濃度有機性排水中にカルシウムイオンが多く含まれる場合には炭酸イオンの比率を減少させるためにｐＨを低下させる必要がある。
【００１０】
ところで、炭酸カルシウムの飽和溶液は溶解度積において化３式に示す関係が成立する。
【００１１】
【化３】
このため、Ｃａ２＋の濃度［Ｃａ２＋］とＣＯ３ ２−の濃度［ＣＯ３ ２−］は反比例し、［ＣＯ３ ２−］はアルカリ度とｐＨの関数であるので、アルカリ度とＣａ２＋の濃度がわかれば飽和溶液として安定状態となるｐＨ値が決まる。
【００１２】
このｐＨをｐＨｓとし、実ｐＨとの差Ｉ＝ｐＨ−ｐＨｓをラングリアインデックスと言い、カルシウムイオンがスケールを形成するか否かの判断に使用しており、Ｉ＞０ならばスケールが生成し、Ｉ≦０ならばスケールは生成しない。
【００１３】
このｐＨｓは次式で求める。
ｐＨｓ＝（９．３＋Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）
Ａ：全固形物、Ｂ：水温、Ｃ：カルシウム硬度、Ｄ：アルカリ度
係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは表１〜３において決定する。
【００１４】
【表１】
【００１５】
【表２】
【００１６】
【表３】
本発明は上記した課題を解決するものであり、メタン発酵槽における炭酸カルシウムの析出を防止し、カルシウムスケールによる目詰まりを防止できる膜分離メタン発酵方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の本発明の膜分離メタン発酵方法は、高濃度有機性排水をメタン発酵槽でメタン発酵処理するのに際して、メタン発酵槽の消化汚泥を膜分離して膜透過液をメタン発酵処理液として取り出し、膜透過液の一部に凝集剤を添加して膜透過液中のカルシウムイオンを凝集分離し、脱カルシウムした凝集分離液を濃度調整液としてメタン発酵槽へ供給して炭酸カルシウムの析出を抑制するものである。
【００１８】
上記した構成により、濃度調整液の添加によってメタン発酵槽内のカルシウムイオン濃度およびｐＨを炭酸カルシウムの発生を抑制できる値に低減し、炭酸カルシウムの濃度をその溶解度以下に維持することで、炭酸カルシウムが膜面にスケールとして析出することを防止する。
【００２０】
また、凝集剤として炭酸ソーダを添加し、カルシウムイオンを不溶性の塩である炭酸カルシウムとなし、凝集した炭酸カルシウムの凝集フロックを固液分離して脱カルシウムした凝集分離液をメタン発酵槽へ循環させることで系内のカルシウムイオンを除去するとともに、濃度調整液の必要量を系内において確保することができる。
請求項２に記載の本発明の膜分離メタン発酵方法は、濃度調整液量の供給量はラングリアインデックスを指標として決定し、決定した濃度調整液量をメタン発酵槽へ供給することで、炭酸カルシウムの発生を抑制できる値にメタン発酵槽の消化汚泥のカルシウムイオン濃度およびｐＨを低減するものである。
【００２１】
請求項３に記載の本発明の膜分離メタン発酵方法は、凝集分離に際して、凝集剤を添加した凝集反応液を膜分離するものである。
上記した構成において、炭酸カルシウムを凝集剤の添加によって凝集フロック化することで膜の目詰まりを抑制しながら膜で分離することができ、凝集フロックを含む凝集液を膜で固液分離することにより、凝集汚泥濃度を高くして濃縮率の向上によって凝集汚泥を減容化でき、次工程の凝集汚泥の処分における負荷を軽減できる。また、炭酸カルシウムの凝集フロックは径が小さいので、重力沈殿する場合には高分子凝集剤を補助的に添加する必要があるが、膜分離することで高分子凝集剤の添加が不要となり、処理費用を低減できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１において、高濃度有機性排水１１はメタン発酵槽１２で嫌気性の条件下で１０日から３０日間発酵させ、高濃度有機性排水１１に含まれた有機汚濁物をメタンガスと水などに分解する。メタン発酵槽１２の消化汚泥はメタン膜分離槽１３において槽浸漬型膜分離装置（図示省略）等で膜分離し、膜透過液をメタン発酵処理液として取り出し、濃縮した消化汚泥をメタン発酵槽１２へ返送し、メタン発酵槽１２から余剰汚泥を取り出す。メタン発酵槽１２とメタン膜分離槽１３は別体として表示したが、メタン発酵槽１２に槽浸漬型膜分離装置を浸漬する構成とすることも可能である。
【００２３】
メタン発酵槽１２では、濃度調整液の適量を添加することでメタン発酵槽１２の消化汚泥のカルシウムイオン濃度およびｐＨを炭酸カルシウムの発生を抑制できる値に低減し、炭酸カルシウムの濃度をその溶解度以下に維持することで、炭酸カルシウムが膜面にスケールとして析出することを防止する。
【００２４】
添加する濃度調整液量はラングリアインデックスを指標として決定し、決定した濃度調整液量をメタン発酵槽１２へ供給する。ラングリアインデックスは先に述べた手順で求める。
【００２５】
メタン発酵処理液（膜透過液）は生物反応槽１４へ導いて活性汚泥処理して有機汚濁成分を基準値以下にまで低減し、沈殿槽１５で沈殿分離した後に上澄液を処理水として放流し、沈殿汚泥を生物反応槽１４へ返送する。
【００２６】
メタン発酵処理液（膜透過液）は一部を凝集反応槽１６へ導き、凝集剤として炭酸ソーダを添加し、カルシウムイオンを不溶性の塩である炭酸カルシウムとなす。炭酸カルシウムの凝集フロックを含む凝集反応液は凝集膜分離槽１７へ導いて槽浸漬型膜分離装置（図示省略）等で膜分離し、凝集フロックの除去により脱カルシウムした凝集膜分離液を返送膜透過液（濃度調整液）としてメタン発酵槽１２へ循環させ、濃縮した凝集汚泥を産業廃棄物として廃棄する。
【００２７】
メタン発酵槽１２で生成する炭酸カルシウムは膜面に析出してスケールを形成するが、炭酸カルシウムを凝集剤の添加によって凝集フロック化することで膜の目詰まりを抑制しながら膜で分離することができ、凝集フロックを含む凝集液を膜分離することで系内のカルシウムイオンを除去するとともに、濃度調整液の必要量を系内において確保することができる。
【００２８】
また、凝集分離においては重力沈降も可能であるが、膜を使用することで凝集汚泥濃度を高くして濃縮率の向上によって凝集汚泥を減容化でき、次工程の凝集汚泥の処分における負荷を軽減できる。さらに、炭酸カルシウムの凝集フロックは径が小さいので、重力沈殿する場合には高分子凝集剤を補助的に添加する必要があるが、凝集分離に膜を使用することで高分子凝集剤の添加が不要となって処理費用を低減できる。
【００２９】
以下に本発明の実施例を説明する。
高濃度有機性排水量（ｍ３／ｄ） Ｑ１＝５０
カルシウム濃度（ｍｇ／Ｌ） Ｃａ＝１００
メタン発酵槽液温 ４４℃、表２よりＢ＝１．７
メタン発酵槽全固形物 ２％、表１よりＡ＝０．２
メタン発酵槽ｐＨ ｐＨ＝７．５
メタン発酵槽アルカリ度 ５００ｍｇ／Ｌ、表３よりＤ＝２．７
ラングリアインデックスＩ＝ｐＨ−ｐＨｓ Ｉ＝−１＋Ｃ
スケールを形成させないためには、Ｃ≦１
従って、メタン発酵槽カルシウム硬度（ｍｇ／Ｌ）は、表３よりＣ２＝２７以下カルシウム濃度（ｍｇ／Ｌ）としては、Ｃ３＝１０．８以下
以上より返送膜透過液量（ｍ３／ｄ）は、
Ｑ２＝Ｑ１×（Ｃａ−Ｃ３）／Ｃ３＝４１３
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、濃度調整液を添加してメタン発酵槽内のカルシウムイオン濃度およびｐＨを炭酸カルシウムの発生を抑制できる値に低減し、炭酸カルシウムの濃度をその溶解度以下に維持することで、メタン発酵槽における炭酸カルシウムの析出を防止し、カルシウムスケールによる目詰まりを防止でき、ラングリアインデックスを指標にして濃度調整液をメタン発酵槽へ供給することで濃度調整液の添加操作を的確に行うことができる。凝集分離により脱カルシウムした凝集分離液をメタン発酵槽へ循環させることで系内のカルシウムを除去するとともに、濃度調整液の必要量を系内において確保することができ、炭酸カルシウムを凝集フロック化することで膜の目詰まりを抑制しながら膜分離することができ、凝集フロックを含む凝集液を膜で固液分離することにより、凝集汚泥濃度を高くして濃縮率の向上によって凝集汚泥を減容化し、次工程の凝集汚泥の処分における負荷を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における膜分離メタン発酵方法を示すフローシート図である。
【図２】従来のメタン発酵方法を示すフローシート図である。
【符号の説明】
１１ 高濃度有機性排水
１２ メタン発酵槽
１３ メタン膜分離槽
１４ 生物反応槽
１５ 沈殿槽
１６ 凝集反応槽
１７ 凝集膜分離槽
【発明の属する技術分野】
本発明は膜分離メタン発酵方法に関し、カルシウムスケールの生成を防止する技術に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図２に示すように、メタン発酵処理方法においては、高濃度有機性排水１をメタン発酵槽２で嫌気性の条件下で１０日から３０日間発酵させ、高濃度有機性排水１に含まれた有機汚濁物をメタンガスと水などに分解し、メタン発酵槽２の消化汚泥を付帯設備の汚泥脱水装置（図示省略）で脱水し、汚泥脱水装置の脱離液をメタン発酵処理液として取り出す。このメタン発酵処理液は相当量の有機汚濁成分を含んでおり、公共水域には放流できないので、生物反応槽３へ導いて活性汚泥処理して有機汚濁成分を基準値以下にまで低減し、沈殿槽４で沈殿分離した後に上澄液を処理水として放流している。
【０００３】
ところで、メタン菌などの嫌気性菌は粒子径が小さいので重力分離では十分に固液分離することができず、汚泥脱水装置の脱離液が流入する生物反応槽３での流入汚濁負荷量が多くなるために、生物反応槽３の槽容量を大きくする必要があった。このため、近年では、メタン発酵槽２でのメタン菌などの嫌気性菌の濃度を高めて発酵日数の短縮および発酵槽容量のコンパクト化を図るために、消化汚泥を膜分離装置で膜分離して膜透過液をメタン発酵処理液として取り出す膜分離メタン発酵法が行われている。この膜分離メタン発酵法では膜分離によって嫌気性菌が系外へ流出することなく槽内に残るので、メタン発酵が安定するだけでなく、消化汚泥中の菌濃度を高く維持して発酵速度を速めることができる。
【０００４】
この技術分野の技術文献としては例えば特許文献１に記載するものがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−３８４９９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高濃度有機性排水中にカルシウムイオンが多く含まれる場合には、膜分離装置の膜表面に炭酸カルシウムがスケールとして析出し、スケールの成長によって膜が目詰まりして膜透過液を取り出すことが出来なくなる。
【０００７】
炭酸カルシウムの生成は以下の反応による。
【０００８】
【化１】
【化２】
【００１０】
ところで、炭酸カルシウムの飽和溶液は溶解度積において化３式に示す関係が成立する。
【００１１】
【化３】
【００１２】
このｐＨをｐＨｓとし、実ｐＨとの差Ｉ＝ｐＨ−ｐＨｓをラングリアインデックスと言い、カルシウムイオンがスケールを形成するか否かの判断に使用しており、Ｉ＞０ならばスケールが生成し、Ｉ≦０ならばスケールは生成しない。
【００１３】
このｐＨｓは次式で求める。
ｐＨｓ＝（９．３＋Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）
Ａ：全固形物、Ｂ：水温、Ｃ：カルシウム硬度、Ｄ：アルカリ度
係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは表１〜３において決定する。
【００１４】
【表１】
【表２】
【表３】
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の本発明の膜分離メタン発酵方法は、高濃度有機性排水をメタン発酵槽でメタン発酵処理するのに際して、メタン発酵槽の消化汚泥を膜分離して膜透過液をメタン発酵処理液として取り出し、膜透過液の一部に凝集剤を添加して膜透過液中のカルシウムイオンを凝集分離し、脱カルシウムした凝集分離液を濃度調整液としてメタン発酵槽へ供給して炭酸カルシウムの析出を抑制するものである。
【００１８】
上記した構成により、濃度調整液の添加によってメタン発酵槽内のカルシウムイオン濃度およびｐＨを炭酸カルシウムの発生を抑制できる値に低減し、炭酸カルシウムの濃度をその溶解度以下に維持することで、炭酸カルシウムが膜面にスケールとして析出することを防止する。
【００２０】
また、凝集剤として炭酸ソーダを添加し、カルシウムイオンを不溶性の塩である炭酸カルシウムとなし、凝集した炭酸カルシウムの凝集フロックを固液分離して脱カルシウムした凝集分離液をメタン発酵槽へ循環させることで系内のカルシウムイオンを除去するとともに、濃度調整液の必要量を系内において確保することができる。
請求項２に記載の本発明の膜分離メタン発酵方法は、濃度調整液量の供給量はラングリアインデックスを指標として決定し、決定した濃度調整液量をメタン発酵槽へ供給することで、炭酸カルシウムの発生を抑制できる値にメタン発酵槽の消化汚泥のカルシウムイオン濃度およびｐＨを低減するものである。
【００２１】
請求項３に記載の本発明の膜分離メタン発酵方法は、凝集分離に際して、凝集剤を添加した凝集反応液を膜分離するものである。
上記した構成において、炭酸カルシウムを凝集剤の添加によって凝集フロック化することで膜の目詰まりを抑制しながら膜で分離することができ、凝集フロックを含む凝集液を膜で固液分離することにより、凝集汚泥濃度を高くして濃縮率の向上によって凝集汚泥を減容化でき、次工程の凝集汚泥の処分における負荷を軽減できる。また、炭酸カルシウムの凝集フロックは径が小さいので、重力沈殿する場合には高分子凝集剤を補助的に添加する必要があるが、膜分離することで高分子凝集剤の添加が不要となり、処理費用を低減できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１において、高濃度有機性排水１１はメタン発酵槽１２で嫌気性の条件下で１０日から３０日間発酵させ、高濃度有機性排水１１に含まれた有機汚濁物をメタンガスと水などに分解する。メタン発酵槽１２の消化汚泥はメタン膜分離槽１３において槽浸漬型膜分離装置（図示省略）等で膜分離し、膜透過液をメタン発酵処理液として取り出し、濃縮した消化汚泥をメタン発酵槽１２へ返送し、メタン発酵槽１２から余剰汚泥を取り出す。メタン発酵槽１２とメタン膜分離槽１３は別体として表示したが、メタン発酵槽１２に槽浸漬型膜分離装置を浸漬する構成とすることも可能である。
【００２３】
メタン発酵槽１２では、濃度調整液の適量を添加することでメタン発酵槽１２の消化汚泥のカルシウムイオン濃度およびｐＨを炭酸カルシウムの発生を抑制できる値に低減し、炭酸カルシウムの濃度をその溶解度以下に維持することで、炭酸カルシウムが膜面にスケールとして析出することを防止する。
【００２４】
添加する濃度調整液量はラングリアインデックスを指標として決定し、決定した濃度調整液量をメタン発酵槽１２へ供給する。ラングリアインデックスは先に述べた手順で求める。
【００２５】
メタン発酵処理液（膜透過液）は生物反応槽１４へ導いて活性汚泥処理して有機汚濁成分を基準値以下にまで低減し、沈殿槽１５で沈殿分離した後に上澄液を処理水として放流し、沈殿汚泥を生物反応槽１４へ返送する。
【００２６】
メタン発酵処理液（膜透過液）は一部を凝集反応槽１６へ導き、凝集剤として炭酸ソーダを添加し、カルシウムイオンを不溶性の塩である炭酸カルシウムとなす。炭酸カルシウムの凝集フロックを含む凝集反応液は凝集膜分離槽１７へ導いて槽浸漬型膜分離装置（図示省略）等で膜分離し、凝集フロックの除去により脱カルシウムした凝集膜分離液を返送膜透過液（濃度調整液）としてメタン発酵槽１２へ循環させ、濃縮した凝集汚泥を産業廃棄物として廃棄する。
【００２７】
メタン発酵槽１２で生成する炭酸カルシウムは膜面に析出してスケールを形成するが、炭酸カルシウムを凝集剤の添加によって凝集フロック化することで膜の目詰まりを抑制しながら膜で分離することができ、凝集フロックを含む凝集液を膜分離することで系内のカルシウムイオンを除去するとともに、濃度調整液の必要量を系内において確保することができる。
【００２８】
また、凝集分離においては重力沈降も可能であるが、膜を使用することで凝集汚泥濃度を高くして濃縮率の向上によって凝集汚泥を減容化でき、次工程の凝集汚泥の処分における負荷を軽減できる。さらに、炭酸カルシウムの凝集フロックは径が小さいので、重力沈殿する場合には高分子凝集剤を補助的に添加する必要があるが、凝集分離に膜を使用することで高分子凝集剤の添加が不要となって処理費用を低減できる。
【００２９】
以下に本発明の実施例を説明する。
高濃度有機性排水量（ｍ３／ｄ） Ｑ１＝５０
カルシウム濃度（ｍｇ／Ｌ） Ｃａ＝１００
メタン発酵槽液温 ４４℃、表２よりＢ＝１．７
メタン発酵槽全固形物 ２％、表１よりＡ＝０．２
メタン発酵槽ｐＨ ｐＨ＝７．５
メタン発酵槽アルカリ度 ５００ｍｇ／Ｌ、表３よりＤ＝２．７
ラングリアインデックスＩ＝ｐＨ−ｐＨｓ Ｉ＝−１＋Ｃ
スケールを形成させないためには、Ｃ≦１
従って、メタン発酵槽カルシウム硬度（ｍｇ／Ｌ）は、表３よりＣ２＝２７以下カルシウム濃度（ｍｇ／Ｌ）としては、Ｃ３＝１０．８以下
以上より返送膜透過液量（ｍ３／ｄ）は、
Ｑ２＝Ｑ１×（Ｃａ−Ｃ３）／Ｃ３＝４１３
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、濃度調整液を添加してメタン発酵槽内のカルシウムイオン濃度およびｐＨを炭酸カルシウムの発生を抑制できる値に低減し、炭酸カルシウムの濃度をその溶解度以下に維持することで、メタン発酵槽における炭酸カルシウムの析出を防止し、カルシウムスケールによる目詰まりを防止でき、ラングリアインデックスを指標にして濃度調整液をメタン発酵槽へ供給することで濃度調整液の添加操作を的確に行うことができる。凝集分離により脱カルシウムした凝集分離液をメタン発酵槽へ循環させることで系内のカルシウムを除去するとともに、濃度調整液の必要量を系内において確保することができ、炭酸カルシウムを凝集フロック化することで膜の目詰まりを抑制しながら膜分離することができ、凝集フロックを含む凝集液を膜で固液分離することにより、凝集汚泥濃度を高くして濃縮率の向上によって凝集汚泥を減容化し、次工程の凝集汚泥の処分における負荷を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における膜分離メタン発酵方法を示すフローシート図である。
【図２】従来のメタン発酵方法を示すフローシート図である。
【符号の説明】
１１ 高濃度有機性排水
１２ メタン発酵槽
１３ メタン膜分離槽
１４ 生物反応槽
１５ 沈殿槽
１６ 凝集反応槽
１７ 凝集膜分離槽
Claims (3)
- 高濃度有機性排水をメタン発酵槽でメタン発酵処理するのに際して、メタン発酵槽の消化汚泥を膜分離して膜透過液をメタン発酵処理液として取り出し、膜透過液の一部に凝集剤を添加して膜透過液中のカルシウムイオンを凝集分離し、脱カルシウムした凝集分離液を濃度調整液としてメタン発酵槽へ供給して炭酸カルシウムの析出を抑制することを特徴とする膜分離メタン発酵方法。
- 濃度調整液量の供給量はラングリアインデックスを指標として決定し、決定した濃度調整液量をメタン発酵槽へ供給することで、炭酸カルシウムの発生を抑制できる値にメタン発酵槽の消化汚泥のカルシウムイオン濃度およびｐＨを低減することを特徴とする請求項１に記載の膜分離メタン発酵方法。
- 凝集分離に際して、凝集剤を添加した凝集反応液を膜分離することを特徴とする請求項２に記載の膜分離メタン発酵方法。
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|---|---|
| JP2004148269A JP2004148269A (ja) | 2004-05-27 |
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