JP4593229B2 - 嫌気性処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、嫌気性処理方法及びそれに使用されるメタン生成菌用栄養剤に関する。
嫌気性処理は、し尿や産業廃水等の有機性廃水を処理するために広く行われている。嫌気性処理としては、例えば、グラニュール状の汚泥を用いたＵＡＳＢ（Upflow Anaerobic Sludge Blanket）法が知られている（例えば、特許文献１）。
嫌気性処理では、廃液中の有機物が酸生成菌によって有機酸に分解され、生成した有機酸がメタン生成菌によってメタンガスと炭酸ガスに分解される。ここで、嫌気性処理の際には、処理能力を表す指標としてＣＯＤ容積負荷、メタン化活性、処理水の揮発性有機酸（ＶＦＡ）濃度等が使用されている。通常、ＵＡＳＢ法による嫌気性処理では、１０〜３０ｋｇ−ＣＯＤｃｒ／ｍ３／ｄでの処理が可能であり、処理水のＶＦＡ濃度を２００ｐｐｍ以下にすることができる。また、メタン化活性は、ガス発生速度で２〜６ｍＬ／ｇ−ＶＳＳ／ｈｒが通常である。
一方、廃水の種類によっては、通常の処理を行っただけではこのような処理能力に達しない場合もあるが、毒性物質の影響、微量栄養源の不足等のように理由が明確な場合もある。例えば、産業廃水の場合は、廃水中の窒素及びリンが不足するケースがあるので、窒素及びリンを含有する栄養剤を添加することが知られている。
特開平８−１４１５９０号公報
しかしながら、毒性物質の影響、微量栄養源の不足等の問題を克服したとしても、廃水の種類によっては、依然として所望の処理能力に達しない場合がある。
そこで、本発明は、有機性廃水に対する処理能力の向上が図れる嫌気性処理方法及びそれに用いるメタン生成菌用栄養剤を提供することを目的とする。
本発明者らは上記目的を達成するために、処理能力の高い嫌気性処理システムに着目し、その嫌気性処理システムについて検討した。そして、メタン化活性が約３０ｍＬ／ｇ−ＶＳＳ／ｈｒと非常に高い活性を示す嫌気性処理システムが存在し、そこでは処理対象となる有機性廃水の中に、大豆等のたんぱく質含有物質からアミノ酸を製造するアミノ酸製造工場からの廃水が含まれることを見出した。さらに本発明者らは鋭意検討した結果、アミノ酸製造工場の廃水を分析し、かかる廃水中にはアミノ酸が比較的多く含有されていることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の嫌気性処理方法は、メタン生成菌により有機性廃水を嫌気性処理する方法であって、有機性廃水にアミノ酸を含む食品廃液を添加して嫌気性処理を行い、上記食品廃液は、たんぱく質含有物質を原料として目的の生産物を製造する際の廃液であり、１Ｌ中に１００，０００〜１５０，０００ｍｇの範囲でアミノ酸を含むことを特徴とする。
本発明の嫌気性処理方法では、メタン生成菌により有機性廃水を嫌気性処理する際に、有機性廃水にアミノ酸を添加することで、有機性廃水に対する処理能力の向上が図れる。
なお、本発明の嫌気性処理方法により、上記効果が得られる理由は定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、有機性廃水の種類によっては、廃水中に含まれる有機物の種類が少ないために、嫌気性菌（特に、メタン生成菌）の栄養源が不足しその活性が低くなると考えられる。本発明では、有機性廃水にアミノ酸を添加することで、かかるアミノ酸がメタン生成菌の栄養源となり、メタン生成菌の活性が向上し、有機性廃水に対する処理能力を向上させることができると考えられる。
なお、本発明の嫌気性処理においては、アミノ酸を含む食品廃液を使用する。アミノ酸を含む食品廃液には、多種のアミノ酸が含有されており、それらのアミノ酸がメタン生成菌の栄養源として相乗的に作用し、メタン生成菌の活性がさらに向上する。また、食品廃液は、安価であり、嫌気性処理の際のコストを低水準に保つことができる。
ここで、食品廃液とは、大豆、サトウキビ、とうもろこし、キャッサバ等のたんぱく質含有物質を原料とし目的の生産物（例えば、食品、化学物質（医薬品を含む）。）を製造する際の廃液であればよい。
また、本発明の嫌気性処理においては、上記アミノ酸は、脂肪族アミノ酸、芳香族アミノ酸及び酸性アミノ酸からなる群より選ばれる少なくとも１種であることとしてもよい。また、この場合、上記脂肪族アミノ酸は、グリシン、アラニン、バリン、ロイシン、及びイソロイシンからなる群より選ばれる少なくとも１種であることとしてもよいし、上記芳香族アミノ酸は、フェニルアラニン、及びチロシンのうちの少なくとも１種であることとしてもよいし、上記酸性アミノ酸は、アスパラギン酸、及びグルタミン酸のうちの少なくとも１種であることとしてもよい。また、前記アミノ酸は、イミノ酸、オキシアミノ酸、含硫黄アミノ酸及び塩基性アミノ酸からなる群より選ばれる少なくとも１種であることとしてもよい。
本発明によれば、有機性廃水に対する処理能力の向上が図れる嫌気性処理方法及びそれに用いるメタン生成菌用栄養剤を提供することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。なお、以下の説明においては、同一の要素には同一の符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図１は、本発明の嫌気性処理方法を適用する嫌気性処理システムの構成を示す概略図である。
嫌気性処理システム１は、原水調整槽１０、酸生成槽２０及び上向流式嫌気性処理槽３０を備えている。なお、嫌気性処理システム１において、メタン生成菌は、嫌気性処理槽３０内の汚泥中に含まれている。
原水調整槽１０は、原水流入管Ｌ１を通って流入される有機性廃水の原水を貯水して流量を調整するものである。なお、原水調整槽１０は、原水を貯水するだけでなく、水量及び水質（有機性廃水の濃度、ｐＨ）を調整することも可能である。原水調整槽１０から排出される有機性廃水は、送水管Ｌ２を通って酸生成槽２０に流入する。酸生成槽２０は、酸生成菌により有機性廃水に含まれる有機物を酢酸等の有機酸に分解する。酸生成槽２０から排出される有機性廃水は、送水管Ｌ３を通って嫌気性処理槽３０に流入する。
嫌気性処理槽３０は、有機性廃水を上向きに流動させてメタン生成菌を含むグラニュール状の汚泥（以下、「グラニュール汚泥」と称す）Ｇからなる汚泥層３２に通すことによって、有機性廃水を嫌気性処理する。嫌気性処理槽３０は、筒状の側壁を含む有底容器を有する。この嫌気性処理槽３０の下部には、送水管Ｌ３に連絡しており有機性廃水を嫌気性処理槽３０内に流入させる流入部３１が設けられている。流入部３１は、例えば、長手方向に均一に穴部が設けられた送水管である。また、嫌気性処理槽３０の下部には、有機性廃水を嫌気性処理するグラニュール汚泥Ｇからなる汚泥層３２が形成されている。
嫌気性処理槽３０では、その下部に設けられた流入部３１から有機性廃水を内部に導入することによって上向きの流動を生じさせ、汚泥層３２に有機性廃水を通して、メタン生成菌により有機性廃水を嫌気性処理する。これにより、汚泥層３２の上方には、嫌気性処理された有機性廃水を含む液層３３が形成される。液層３３の処理水には、嫌気性処理によって発生したガス（例えば、メタンガス、炭酸ガス）が含まれる。
嫌気性処理槽３０の上部には、嫌気性処理槽３０を密閉するカバー３４が設けられている。カバー３４は、液層３３の液面よりも上方であって嫌気性処理槽３０の側壁３５の上端よりも下方に位置する。カバー３４の中央部には、処理水からガスを分離するための分離槽３６が設けられている。分離槽３６は、その上端部がカバー３４から突出し、その下端部が液層３３内に含まれるように配置されている。
分離槽３６の下端部には、処理水を分離槽３６の内部に導入する導入口が形成されている。この導入口に処理水を導くために、分離槽３６の下方には、分離槽３６の底部に沿った導入板３７が設けられている。導入板３７には、導入口の下方において、導入口に導入されなかった処理水及び汚泥槽３２から浮上したグラニュール汚泥Ｇを下方に返送するための返送口が形成されている。
上記分離槽３６と導入板３７との配置関係によって、汚泥層３２を通過し上向きに流動している処理水は、導入板３７と分離槽３６との間に形成された導入路３８に、液層３３の液面側から流入する。その際に、処理水に含まれるガスは、カバー３４と液面との間に出ていくため、分離槽３６、カバー３４、側壁３５及び液面によって画される空間は、ガス溜り部３９となる。ガス溜り部３９に溜ったガスは、例えば、側壁３５側から嫌気性処理槽３０外に排出される。上記導入路３８を通った処理水の一部は、導入口から分離槽３６内に流入し、他の部分は、導入板３７の返送口から下方に流れる。
分離槽３６内に流入した処理水は、分離槽３６の側壁からあふれ出て、分離槽３６、カバー３４及び側壁３５によって形成される領域に溜るため、その領域は、処理水溜り部４０となる。処理水溜り部４０には処理水の一部を酸生成槽２０に返送する処理水返送路Ｌ４と、他の部分を排水する排水管Ｌ５とが接続されている。
また、嫌気性処理システム１は、アミノ酸添加装置５０を更に備える。アミノ酸添加装置５０は、グラニュール汚泥Ｇに含まれるメタン生成菌を活性化するためのアミノ酸を有機性廃水に添加する。
アミノ酸添加装置５０は、アミノ酸をアミノ酸添加管Ｌ６を通して酸生成槽２０に投入する。ここで、アミノ酸としては、脂肪族アミノ酸、芳香族アミノ酸及び酸性アミノ酸からなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましく、脂肪族アミノ酸、芳香族アミノ酸及び酸性アミノ酸の混合物であることが好ましい。
上記脂肪族アミノ酸としては、具体的には、グリシン（Ｇｌｙ）、アラニン（Ａｌａ）、バリン（Ｖａｌ）、ロイシン（Ｌｅｕ）、イソロイシン（Ｉｌｅ）が挙げられる。上記芳香族アミノ酸としては、具体的には、フェニルアラニン（Ｐｈｅ）、チロシン（Ｔｙｒ）が挙げられる。上記酸性アミノ酸としては、具体的には、アスパラギン酸（Ａｓｐ）、グルタミン酸（Ｇｌｕ）が挙げられる。
また、アミノ酸としては、上述したアミノ酸以外のイミノ酸、オキシアミノ酸、含硫黄アミノ酸、塩基性アミノ酸等であってもよい。
上記アミノ酸は、粉末状、溶液状のいずれの形態でも使用できる。なお、溶液状である場合には、アミノ酸の含有量は溶液１Ｌ中に１００，０００〜１５０，０００ｍｇであることが好ましい。
上記アミノ酸としては、アミノ酸を含む食品廃液を使用してもよい。ここで、食品廃液とは、大豆、サトウキビ、とうもろこし、キャッサバ等のたんぱく質含有物質を原料とし目的の生産物（例えば、食品、化学物質（医薬品を含む）。）を製造する際の廃液であればよい。さらに、食品廃液としては、上記たんぱく質含有物質の酸加水分解液、各製造工程の副生液も使用できる。
上記食品廃液としては、好適なものとして、各種アミノ酸製造廃液、味噌製造廃液、調味料製造廃液等が挙げられる。また、食品廃液としては、例えば、生産物がアミノ酸である場合、大豆フレーク等を塩酸加水分解してアミノ酸液が製造されるが、その製造の際に副生する滓、この滓からアミノ酸を単離する際の副生液も使用できる。
上記食品廃液に含まれるアミノ酸としては、上述した各種のアミノ酸が好ましく、メタン生成菌を十分に活性化させる観点から、食品廃液１Ｌ中に１００，０００〜１５０，０００ｍｇの範囲でアミノ酸を含んでいることが好ましい。また、上記食品廃液の形態としては、溶液状、スラリー状、ケーキ状等のいかなる形態でもよい。
上述したアミノ酸はメタン生成菌用栄養剤となるが、このメタン生成菌用栄養剤には必要に応じてアミノ酸以外に窒素やリンなどを含有する物質がさらに含有されていてもよい。
次に、上記嫌気性処理システム１を用いた有機性廃水の処理について説明する。
原水流入管Ｌ１を通して、有機性廃水を原水調整槽１０に流入させ有機性廃水を原水調整槽１０に貯水する。
次に、送水管Ｌ２を通して有機性廃水を酸生成槽２０に流入させる。そして、酸生成槽２０において、有機性廃水に含まれる有機物は、酸生成菌によって酢酸等の有機酸に分解される。また、酸生成槽２０には、アミノ酸添加管Ｌ６を通してアミノ酸又はアミノ酸を含む食品廃液を添加する。そうすると、有機性廃水にアミノ酸が混合され、アミノ酸が添加された有機性廃水が調製される。なお、アミノ酸を含む食品廃液に有機物が含まれていても、本実施形態においては酸生成槽２０においてかかる有機物は分解される。
酸生成槽２０へアミノ酸を添加する際には、嫌気性処理の処理能力を向上させるために、アミノ酸又はアミノ酸を含む食品廃液はスラリー状又は溶液状の形態で添加することが好ましい。アミノ酸として溶液状のアミノ酸を含む食品廃液を添加する場合、食品廃液１Ｌ中に１００，０００〜１５０，０００ｍｇの範囲でアミノ酸を含んでいる食品廃液を、有機廃水に対して０．６ｋｇ／ｍ３／ｄ以上の割合で、一日に１回又は複数回に分けて投入することが好ましい。このような条件で、食品廃液を添加することで、メタン生成菌を十分に活性化することができ、嫌気性処理の処理能力を向上させることができる。
アミノ酸が添加された有機性廃水は、送水管Ｌ３及び流入部３１を通って嫌気性処理槽３０内に導入される。流入部３１から流入した有機性廃水は、嫌気性処理槽３０を上向きに流動して汚泥層３２を通過する。これにより、有機性廃水が嫌気性処理される。すなわち、有機性廃水中の有機酸が、グラニュール汚泥Ｇに含まれるメタン生成菌などの嫌気性菌によってメタンや炭酸ガスなどに変換される。また、本実施形態においては、流入部３１から流入した有機性廃水にアミノ酸が含まれており、そのアミノ酸はメタン生成菌の栄養源となり、メタン生成菌を活性化させる。
嫌気性処理された有機性廃水である処理水は、ガス溜り部３９にガスを放出しつつ導入路３８に流入する。そして、ガスの含有量が低減された処理水が分離槽３６の下端部から分離槽３６内に流入する。分離槽３６に流入した処理水は、処理水溜り部４０に排出される。この処理水溜り部４０に溜った処理水は、処理水返送路Ｌ４を通って酸生成槽２０に返送されるとともに、排水管Ｌ５を通って排水される。なお、排水管Ｌ５を通って排水された処理水は、更に好気性処理などを施した後に又は直接系外に排水される。
処理対象の有機性廃水としては特に限定されないが、本発明の嫌気性処理方法は廃水中に含まれる有機物の種類が少ない廃水に対して特に有効である。すなわち、本発明の嫌気性処理方法は、具体的には、パルプ工場、製紙工場、製糖工場等から排出される有機性廃水を処理する際に特に有効である。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。アミノ酸添加装置５０の接続位置は特に限定されず、例えば、送水管Ｌ３又は流入部３１に接続されていてもよい。また、本実施形態においてアミノ酸は酸生成槽２０に添加されたが、原水調整槽１０又は嫌気性処理槽３０に添加されてもよい。
また、本発明の嫌気性処理方法は、所定期間アミノ酸によりメタン生成菌を活性化させる活性化工程と、活性化工程により活性化したメタン生成菌により有機性廃水を嫌気性処理する嫌気性処理工程とを有してもよい。この方法によれば、所定期間、継続的又は断続的にメタン生成菌にアミノ酸を作用させることで、メタン生成菌が十分に活性化する。そして、メタン生成菌が活性化した後、有機性廃水を嫌気性処理することでさらなる処理能力の向上が図れる。
以下、本発明の内容を、実施例を用いて更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
先ず、大豆フレーク等のたんぱく質含有物質の塩酸加水分解物からアミノ酸を単離する際の副生液を、アミノ酸を含む食品廃液として準備した。なお、かかる食品廃液には、アミノ酸が１４２，０００ｍｇ／Ｌ含まれており、主要なアミノ酸として、脂肪族アミノ酸（Ｉｌｅ，Ｌｅｕ，Ｖａｌ）、芳香族アミノ酸（Ｐｈｅ，Ｔｙｒ）及び酸性アミノ酸（Ｇｌｕ）が含まれていることが確認された。上記アミノ酸を含む食品廃液の水質分析値を表１に、成分分析値を表２に、示す。なお、各成分の濃度は、各項目ごとに適宜測定方法を変えて測定した。
先ず、大豆フレーク等のたんぱく質含有物質の塩酸加水分解物からアミノ酸を単離する際の副生液を、アミノ酸を含む食品廃液として準備した。なお、かかる食品廃液には、アミノ酸が１４２，０００ｍｇ／Ｌ含まれており、主要なアミノ酸として、脂肪族アミノ酸（Ｉｌｅ，Ｌｅｕ，Ｖａｌ）、芳香族アミノ酸（Ｐｈｅ，Ｔｙｒ）及び酸性アミノ酸（Ｇｌｕ）が含まれていることが確認された。上記アミノ酸を含む食品廃液の水質分析値を表１に、成分分析値を表２に、示す。なお、各成分の濃度は、各項目ごとに適宜測定方法を変えて測定した。
そして、ＣＯＤｃｒが１０００〜８０００ｐｐｍと日間変動する食品工業廃水を嫌気性廃水処理している工場において、処理水のＶＦＡ濃度が１０〜８０００ｐｐｍ程度と不安定な状況下で、アミノ酸を含む食品廃液を２００１年１２月３日から０．７ｋｇ／ｍ３／ｄの割合で有機性廃水に連続添加した。図２は、実施例１におけるＣＯＤｃｒ容積負荷、処理水のＶＦＡ濃度の推移を示すグラフである。
図２に示した結果から明らかなように、添加を開始してから２週間ほどの間に、ＣＯＤｃｒ容積負荷が上がり、処理水のＶＦＡ濃度が２００ｐｐｍ以下にほぼ収まるようになり、粒状汚泥の形状も良好な形状にもどった。
（実施例２）
実施例１と同じ廃水処理設備において、実施例１におけるアミノ酸を含む食品廃液と同じ食品廃液を、２００１年１２月１８日から０．６ｋｇ／ｍ３／ｄの割合で連続添加した。図３は、実施例２におけるＣＯＤｃｒ容積負荷の推移を示すグラフである。
実施例１と同じ廃水処理設備において、実施例１におけるアミノ酸を含む食品廃液と同じ食品廃液を、２００１年１２月１８日から０．６ｋｇ／ｍ３／ｄの割合で連続添加した。図３は、実施例２におけるＣＯＤｃｒ容積負荷の推移を示すグラフである。
図３に示した結果から明らかなように、添加を開始してから除々にＣＯＤｃｒ容積負荷が上がり、添加を開始してから三ヶ月程でＣＯＤｃｒ容積負荷が６ｋｇ−ＣＯＤｃｒ／ｍ３／ｄから１８ｋｇ−ＣＯＤｃｒ／ｍ３／ｄと約３倍に増加した。また、処理水のＶＦＡ濃度は低水準に維持された。
１…嫌気性処理システム、１０…原水調整槽、２０…酸生成槽、３０…上向流式嫌気性処理槽、５０…アミノ酸添加装置。
Claims (6)
- メタン生成菌により有機性廃水を嫌気性処理する方法であって、
前記有機性廃水にアミノ酸を含む食品廃液を添加して前記嫌気性処理を行い、
前記食品廃液は、
たんぱく質含有物質を原料として目的の生産物を製造する際の廃液であり、１Ｌ中に１００，０００〜１５０，０００ｍｇの範囲で前記アミノ酸を含むことを特徴とする嫌気性処理方法。 - 前記アミノ酸は、
脂肪族アミノ酸、芳香族アミノ酸及び酸性アミノ酸からなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載の嫌気性処理方法。 - 前記脂肪族アミノ酸は、
グリシン、アラニン、バリン、ロイシン、及びイソロイシンからなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項２に記載の嫌気性処理方法。 - 前記芳香族アミノ酸は、
フェニルアラニン、及びチロシンのうちの少なくとも１種であることを特徴とする請求項２又は３に記載の嫌気性処理方法。 - 前記酸性アミノ酸は、
アスパラギン酸、及びグルタミン酸のうちの少なくとも１種であることを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載の嫌気性処理方法。 - 前記アミノ酸は、
イミノ酸、オキシアミノ酸、含硫黄アミノ酸及び塩基性アミノ酸からなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載の嫌気性処理方法。
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