JP4293529B2 - 有機性廃水の処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、有機性汚泥を排出する方法に関し、例えば、下水処理場、屎尿処理場などの下水処理プロセス、食品工場、化学工場などの製造プロセスから排出される有機性汚泥を含有する有機性廃水を生物反応により処理する方法に関する。

従来より、かかる有機性廃水を処理する方法としては、活性汚泥法と呼ばれる好気性生物処理法が、最も一般的に実施されている。この方法は、例えば図２に示すように、有機性廃水貯留槽１から生物反応槽３に導入された下水などの有機性廃水が、生物反応槽３において好気性条件にて、微生物による酸化分解反応である生物酸化によって、二酸化炭素もしくは水などの無機物にまで分解される方法である。そして、生物反応槽３にて処理された有機性廃水は、固液分離槽５にて処理水３０１と汚泥３０２に固液分離され、汚泥３０２の一部は微生物源として生物反応槽３に返送されるとともに、残りの汚泥は余剰汚泥３０３として廃棄等の処理をされているのが一般的である。

このため、できるだけ余剰汚泥を排出しない処理方法として、近年、余剰汚泥を可溶化反応処理槽で可溶化して、可溶化した汚泥を生物反応槽にもどし、再び生物処理する方法が提案されている。例えば、汚泥を高温好気状態の可溶化反応処理槽で好熱菌により可溶化し、その液を生物反応槽に戻すことで、活性汚泥法において、余剰汚泥を減溶化する技術が開示されている（例えば特許文献１）。可溶化反応処理槽部分に投入する汚泥を濃縮機などを利用して、水分率９９％以下にすることで可溶化反応処理槽の大きさを小さくできる技術が開示されている（例えば特許文献２）。

しかし、特許文献１のような汚泥の可溶化方法では、完全に溶けない物質が生物反応槽で難分解性物質として蓄積されてくる。この蓄積物は、可溶化した汚泥を生物反応槽に戻す方法において固液分離後の処理水の化学的酸素要求量いわゆるＣＯＤや透視度などの水質を悪化させる原因の１つとなっている。特許文献２では、可溶化処理反応槽を小さくするために、可溶化反応処理槽の前に濃縮機を入れている。その際脱水しやすくするために、高分子凝集剤などの凝集剤を入れることがあるが、そのような場合には高分子凝集剤自体が有機物であるために、生物処理をするための負荷が高くなることがあった。

また、一般的に溶質を溶媒に溶かした液は、粘度が高くなるため、汚泥を可溶化した際にも、菌などが液にとけるので、液の粘度が上がり、膜での濾過には高粘度のために適さないと思われてきた。

特開平９−１０７９１号公報 特開平１１−２３５５９８号公報

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解消し、有機性廃水の生物処理に伴って発生する余剰汚泥の発生量を顕著に減少させることが可能な新規な有機性廃水の処理方法を提供することを目的とする。

本発明者は、有機性廃水の生物処理に伴って発生する汚泥を可溶化反応処理槽で可溶化し、可溶化液を膜濾過装置で膜濾過し、膜濾過液を生物反応槽で生物処理し、膜濃縮液は、可溶化反応処理槽内で濃縮される方法により余剰汚泥発生量を顕著に減少させることが可能であることを見出し、本発明を完成させた

すなわち、本発明は、下記のとおりである。
１）有機性廃水を生物反応槽にて生物処理し、発生する汚泥を可溶化反応処理槽で中高温の微生物処理をするとともに、該可溶化反応処理槽中の液の少なくとも一部を該液に気体を混入させつつ、精密濾過膜と限外濾過膜を直列に組み合わせてなり、前者の透過液が後者の供給液となる膜濾過装置に送り、該膜濾過装置により膜濾過液と膜濃縮液に分離し、膜濾過液は前記生物反応槽に戻し、膜濃縮液は該可溶化反応処理槽に戻すことを特徴とする有機性廃水の処理方法。
２）膜濾過装置が、膜濾過液を吸引するポンプを有することを特徴とする１）記載の有機性廃水の処理方法。

生物処理とは、下水などの廃水中の汚濁物質を生物学的作用により分解、安定化する処理のことであり、好気性処理と嫌気性処理に区別される。一般的に有機物は、生物処理により酸素呼吸・硝酸呼吸・発酵過程などで分解されて、ガス化されるか、微生物の体内に取り込まれ、汚泥として除去される。窒素（硝化脱窒法）やりん（生物学的リン除去法）の除去処理もできる。このような生物処理を行う槽を生物反応槽という。

可溶化とは、水不溶物であった有機物が微生物による生分解や熱処理による熱分解等を受け、低分子化等の変化の結果水にとける様になることである。可溶化反応処理槽で中高温の微生物処理とは、中高温の温度がかかっている状態で上記の可溶化が微生物による酵素反応で起こっていることを指す。温度として、好ましくは、４０〜７０℃である。

膜濾過装置とは、濾過膜と配管とポンプ等を組み合わせて濾過できるしくみにした装置を指す。ここでいうポンプとは、液を送るポンプや空気を送るエアーポンプも含まれる。
限外濾過膜とは、分画分子量５００〜１００万程度の孔径の濾過膜を指す。精密濾過膜とは、０．０１マイクロメートルから１０マイクロメートル程度の平均膜孔径の濾過膜を指す。

有機性廃水の生物処理に伴って発生する汚泥を可溶化反応処理槽で可溶化し、可溶化液を膜濾過装置で膜濾過し、膜濾過液を生物反応槽で生物処理し、膜濃縮液は、可溶化反応処理槽内で濃縮する方法により余剰汚泥発生量を顕著に減少させることが可能である。
また、固液分離後の処理水の水質も放流可能な水質を保つことが可能である。

以下、本発明について、特にその好ましい形態を中心に、具体的に説明する。

本発明に用いる、生物反応槽は、好気性生物処理あるいは嫌気性生物処理のいずれの方式も適用できる。一般的には、かかる有機性廃水を処理する方法としては、活性汚泥法と呼ばれる好気性生物処理法が、最も一般的に実施されている。

本発明を、図１で説明する。有機性廃水貯留槽１から生物反応槽３に導入された下水などの有機性廃水が、生物反応槽３において好気性条件にて、微生物による酸化分解反応で

ある生物酸化によって、二酸化炭素もしくは水などの無機物に分解される方法である。そして、生物反応槽３にて処理された廃水は、固液分離槽５にて処理水３０１と汚泥３０２に固液分離され、汚泥３０２の一部は微生物源として生物反応槽３に返送される。

生物反応槽に返送される汚泥の一部を中高温の微生物処理による可溶化反応処理槽に送る。本発明の中高温での微生物処理は、４０〜７０℃が好ましい。この方法は、中高温の嫌気性処理、好気性処理のいずれでも適用できる。好気性にするためには、該可溶化反応処理槽の中に空気を入れ、可溶化反応処理槽の液を曝気できれば、何でも良い。例えば、ブロアーで可溶化反応処理槽中に空気を管で導入しても良い。本発明で使用する濾過膜は、中空糸膜状、平膜状、など何でも良いが、中空糸膜状のものが目詰まり物質の洗浄が逆洗により行ないやすく好ましい。膜の材質は、ポリエチレン系、ポリアクリロニトリル系、ポリスルホン系、ポリフッ化ビニリデン系、酢酸セルロース系など様々なものが適用できるが、温度や液により膜の材質を使い分けることが効果的である。耐熱性、薬品洗浄の耐性からポリスルホン系およびポリフッ化ビニリデン系が特に好ましい。濾過膜は、膜同士を束ねたり、のり巻き状に巻いたり、端部を接着材によりシールして膜モジュールという濾過膜の一次側と２次側とを隔離した形にして使用する。膜モジュールの形は、スパイラル型、中空糸膜型、管状型及びプレート型のいずれでも良い。先に述べた理由で中空糸膜型がより好ましい。本発明で使用する膜濾過装置とは、濾過膜の１次側入り口配管と出口配管と２次側の出口配管を備え、1次側と２次側に差圧を与える手段を持つ装置をいう。

例えば、本実施例での膜濾過装置は、ポリスルホン系の膜材質を使用した中空糸膜型モジュールを使用し、中空糸膜モジュールの1次側入り口配管と出口配管と２次側出口配管を備え、１次側の入り口配管には、膜モジュールに液を送るためのポンプと1次側出口配管には、バルブを備え、1次側と２次側に差圧を与える手段を持つ装置とした。さらに、１次側に膜モジュールに液を送る際に気体を混入させる方法は、膜濾過装置の１次側に液を送るポンプと膜モジュールの間に、エアーポンプを備え、液体に対して、気体を混入させる。例えば、図．１では、９のラインの途中に配管のエアーポンプ１０を入れる。気体を混入させることにより、膜モジュールの入り口に汚泥などが詰まりにくくなり、膜面でも膜目詰まり物質の付着を妨げ、膜濾過速度を高く保つことができる。可溶化反応処理槽の液に膜濾過装置に液があるときも気体を混入させることは、生物処理の観点から好ましい。好気反応の場合は、膜濾過装置内でも好気条件となり、生物反応する時間が長く取れる。また、嫌気反応の場合は、可溶化槽内で発生するガスを使用したり、酸素以外の気体を使用すれば、絶えず嫌気状態を保つことができ、嫌気反応が進む。また、可溶化槽内で発生した気体を使用すれば、気体を発生させる装置を改めて備えなくて良く、コストダウンにも寄与する。

また、本発明の処理方法では、濾過速度を高く保つために、逆洗を適用したほうが良い。逆洗とは、濾過速度の低下を極力抑制するための膜の洗浄方法であり、この方法は、膜の濾過液側に濾過時とは逆の濾過圧をかけて、膜濾過液側から膜濃縮液側に液を流して、膜濃縮液側の膜表面に付着した目詰まり物質を除く方法である。さらに、逆洗の時に膜に対する目詰まり物を洗浄する薬剤を投入しても良い。膜濾過装置には、逆洗可能な設備、例えば膜モジュールの濾過液側から圧力がかけられるように逆洗ポンプと逆洗時薬剤を添加できる装置を付加した方が好ましい。膜濾過装置での膜濾過液は、生物反応槽に戻し、膜濃縮液は、可溶化反応処理槽に戻す。膜濃縮液には、膜を透過できない好熱菌や酵素が存在し、可溶化反応処理槽で再利用される。本発明では、図３のように、生物反応槽に返送される液の一部を中高温の微生物処理による可溶化反応可能な装置に送るところまでは、図１と同様であるが、図３のように濾過液側から吸引ポンプ１６などで濾過液を吸引することが好ましい。膜濾過液を得て、得た膜濾過液は、生物反応槽に戻す。濾過膜を透過しない濃縮液は、可溶化反応処理槽内に返送される。

本発明の実施例では、図５に示すように、膜濾過装置として１段目に精密濾過膜を設置し、２段目に限外濾過膜を設置することが好ましい。それぞれから発生する膜濃縮液はまとめて膜濾過装置の膜濃縮液として、可溶化反応処理槽に戻すようにした。２段目の限外濾過の膜濾過液は、濾過膜装置の膜濾過液として生物反応槽にもどす。

濾過膜の孔径は、限外濾過膜の場合は、分画分子量５００〜１００万程度の孔径ものを指し、精密濾過膜の場合０．０１マイクロメートルから１０マイクロメートル程度の平均膜孔径のものを指す。分画分子量とは、膜が特定の阻止率で阻止できる最小の分子量を意味する。本発明では特定の阻止率として９０％が用いた。分画分子量を測定する際の標準物質としては、ポリエチレングリコールやデキストラン、球状タンパクなどが用いられる。

本発明において、限外濾過膜は、可溶化反応処理槽内の酵素の濃縮に有効に使用される。一般的に酵素は、数千から数十万の分子量である。従って、限外濾過膜は酵素を阻止できる分画分子量１，０００〜１００，０００程度である事が好ましい。さらに好ましくは、分画分子量５，０００〜５０，０００程度である。さらに好ましくは、６，０００〜１０，０００である。あまり小さいと、濾過速度が小さくなる傾向があり、大きすぎても、酵素が抜けやすくなる。酵素が濃縮できると可溶化処理反応槽において酵素による可溶化反応が進む効果がある。精密濾過膜は、菌体を濃縮できる。一般に菌体の大きさは、０．２マイクロメートルから数マイクロメートルであるので、精密濾過膜の平均膜孔径は、０．１マイクロメートルから１マイクロメートルが好ましい。あまり小さいと、濾過速度が小さくなる傾向があり、大きすぎても、菌体が抜けやすい。菌体を可溶化処理反応槽において濃縮できると菌体による可溶化が進む効果がある。精密濾過膜の平均膜孔径とは、ＡＳＴＭ Ｆ３１６−８６の「泡立ち点試験及び平均流量細孔試験による薄膜フィルタ細孔径の特定標準試験方法による測定」で平均流量の細孔の圧力から求めた細孔径のことを指す。

〔参考例〕
参考例で使用した装置概略図を図１に示す。図１において、３が生物反応槽、５が固液分離槽、６が返送汚泥ラインである。６の返送汚泥ラインから分岐して送液ライン７を経て、可溶化反応処理槽に液を送る。８が可溶化反応処理槽、８１がばっ気装置からのエアー配管であり、これを可溶化反応装置とする。１０がエアーポンプで、１１が膜濾過装置である。本実施例において、生物反応槽３に流入する有機性廃水は、ＢＯＤ濃度２００ｍｇ／Ｌであった。該有機性廃水は、肉エキス：ペプトン＝１：１（重量比）とし、ＢＯＤ濃度：窒素濃度：リン濃度＝１００：５：１になるように更に無機塩類を添加したモデル液を使用した。ＢＯＤ濃度とは、１リットル（Ｌ）の水中の有機物が微生物の働きによって分解されるときに消費される酸素の量で、河川の有機汚濁を測る代表的な指標であり、日本工業規格、工場排水試験方法Ｋ０１０２．２１によって測定した。有機性廃水は流入量７０Ｌ／ｄａｙで生物反応槽３に供給した。生物反応槽の容量は２０Ｌであった。生物反応槽３から流出した液は、固液分離槽５に送られる。固液分離槽としてはここでは沈降分離法による固液分離槽を用い、上澄み液と汚泥に分けた。固液分離槽５で沈降分離した汚泥は、一部返送汚泥として生物反応槽３に返送される。また、一部の汚泥は、７の送液ラインを通り、浮遊物質（ＳＳ）１重量％で０．８Ｌ／ｄａｙの流量で可溶化反応処理槽８に送られる。可溶化反応処理槽８には、ばっ気装置からのエアー配管８１で０．０５Ｌ／分のエアーを送り、６０℃の温度が保てるように、保温措置のために可溶化反応処理槽８のジャケットに温水をいれておいた。可溶化反応処理槽８を通った液は、送液ライン９の経路上にポンプ（図示せず）を設置し、エアーポンプからは、１０Ｌ／ｍｉｎエアーを送りながら、膜濾過装置１１に送った。固液分離槽５で分離された汚泥はポンプで適宜可溶化反応処理槽８に送られるものとした。膜濾過装置１１での膜濃縮液は、膜濾過装置濃縮液ライン１２を通り、可溶化反応処理槽８に送る。膜濾過液は、膜濾過液ライン１３をとおり、生物反応槽３に送液した。膜分離装置の連続運転条件は、膜濾過液量は、０．８Ｌ／ｄａｙであった。膜濃縮液量３Ｌ／ｈｒで可溶化反応処理槽８に送った。膜濾過装置に使用した濾過膜モジュールは、ポリスルホン製の中空糸型限外濾過膜である旭化成（株）製、ＳＬＰ−１０５３（膜面積０．１ｍ^２）を使用した。分画分子量は１０，０００である。この状態で、１０日間の連続運転を行った。

結果は、表１のとおりである。
表１は、実験開始日を１日目として、５日目以降を定常状態として、５〜１０日目の平均した各値を記載した。
定常状態での可溶化反応処理槽８に入る液のＳＳは、１２，０００ｍｇ／Ｌであったが、膜濾過液のＳＳは、０ｍｇ／Ｌであった。膜濾過液のＢＯＤは、３０ｍｇ／Ｌであった。

固液分離後の処理水の透視度は、３０度。
固液分離後の処理水の化学的酸素要求量ＣＯＤは、８ｍｇ／Ｌであった。
浮遊物質（ＳＳ）は、日本工業規格、工場排水試験方法Ｋ１０２．１４．１により測定した。
ＣＯＤは、日本工業規格、工場排水試験方法Ｋ１０２．１４．１により測定した。
ＢＯＤは日本工業規格、工場排水試験方法Ｋ０１０２．１７により測定した。
透視度は、日本工業規格、工場排水試験方法Ｋ１０２．９により測定した。

〔比較例１〕
比較例１で使用した装置概略図を図２に示す。図２において、３が生物反応槽、５が固液分離槽、６が返送汚泥ラインであり、一般的な生物処理装置である。
生物反応槽３に流入する有機性廃水は、ＢＯＤ濃度２００ｍｇ／Ｌ。有機性廃水は、実施例１と同じ組成のものを使用した。有機性廃水は、７０Ｌ／ｄａｙで生物反応槽に供給した。生物反応槽３の容量は２０Ｌであった。生物反応槽３から流出した液は、固液分離槽５に送られる。固液分離槽５で沈降分離した汚泥は、一部返送汚泥として、生物反応槽３に返送される。

その連続運転のデータとして表１の結果を得た。固液分離後の処理水の水質は、表１のように透視度は、３０度、ＣＯＤは、６ｍｇ／Ｌと良好なものの、余剰汚泥は、乾燥重量で、５〜１０日目の平均で８ｇ／ｄａｙ発生した。

〔比較例２〕
使用した装置概略図を図４に示す。図４において、３が生物反応槽、５が固液分離槽、６が返送汚泥ラインであり、一般的な生物処理装置である。６の返送汚泥ラインから分岐して、可溶化反応処理槽８に液を送る。８が可溶化反応処理槽、８１がばっ気装置からのエアー配管であり、可溶化反応処理装置にあたる。本比較例において、生物反応槽３に流入する有機性廃水は、ＢＯＤ濃度２００ｍｇ／Ｌ。有機性廃水は、参考例と同じ組成のものを使用し生物反応槽３へは７０Ｌ／ｄａｙの流入量であった。生物反応槽３の容量は２０Ｌ。生物反応槽３から流出した液は、固液分離槽５に送られる。固液分離槽５で沈降分離した汚泥は、一部返送汚泥として、生物反応槽３に返送される。また、一部の汚泥は、７の送液ラインを通り、ＳＳ濃度１重量％で２Ｌ／ｄａｙの流量で可溶化反応処理槽８に送られる。可溶化反応処理槽８には、ばっ気装置からのエアー配管８１で０．０５リットル／分のエアーを送り、６０℃の温度が保てるように、保温措置のためにジャケットに温水をいれておいた。可溶化反応処理槽８を通った液は、可溶化液返送ライン２０で生物反応槽３に戻した。

その連続運転のデータとして表１の結果を得た。固液分離後の処理水の水質は、表１のように透視度は１５度、化学的酸素要求量であるＣＯＤは、２１ｍｇ／Ｌ。余剰汚泥は、乾燥重量で、０ｇ／ｄａｙであった。

比較例１では、余剰汚泥が発生し、比較例２では、固液分離後の処理水のＣＯＤが多く残留するが、参考例では、余剰汚泥は、０ｇ／Ｌ、ＣＯＤは、８ｍｇ／Ｌと可溶化反応処理装置と膜処理装置を入れて、余剰汚泥の削減、固液分離後の処理水水質の維持になっている。

本発明は、有機性汚泥を排出する装置及び方法に関し、例えば、下水処理場、屎尿処理場などの下水処理プロセス、食品工場、化学工場などの製造プロセスから排出される有機性汚泥を含有する有機性廃水を生物反応により処理する方法であり、余剰汚泥の減量化に好適である。

参考例の処理方法を示す模式図。 従来の活性汚泥法を示す模式図。 参考例の処理方法の例を示す模式図。 比較例２の処理方法を示す模式図。 本発明の実施例の処理方法の例を示す模式図。

符号の説明

１ 有機性廃水貯留槽
２ 廃水送液ライン
３ 生物反応槽
４ 送液ライン
５ 固液分離槽
６ 返送汚泥ライン
７ 送液ライン
８ 可溶化反応処理槽
９ 送液ライン
１０ エアーポンプ
１１ 膜濾過装置
１２ 膜濾過装置濃縮液ライン
１３ 膜濾過液ライン
１４ 精密濾過膜
１５ 限外濾過膜
１６ 吸引ポンプ
２０ 可溶化液返送ライン
３１ エアー配管
８１ エアー配管

１１２ 限外濾過膜濃縮液ライン
１２１ 精密濾過膜濾過液ライン
３０１ 処理液
３０２ 汚泥
３０３ 余剰汚泥

Claims (2)

1. 有機性廃水を生物反応槽にて生物処理し、発生する汚泥を可溶化反応処理槽で中高温の微生物処理をするとともに、該可溶化反応処理槽中の液の少なくとも一部を該液に気体を混入させつつ、精密濾過膜と限外濾過膜を直列に組み合わせてなり、前者の透過液が後者の供給液となる膜濾過装置に送り、該膜濾過装置により膜濾過液と膜濃縮液に分離し、膜濾過液は前記生物反応槽に戻し、膜濃縮液は該可溶化反応処理槽に戻すことを特徴とする有機性廃水の処理方法。
2. 膜濾過装置が、膜濾過液を吸引するポンプを有することを特徴とする請求項１記載の有機性廃水の処理方法。