JP4620383B2 - メタン醗酵処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、食品工業等の有機性廃水に代表される産業廃水、又は下水、し尿等の廃水処理をメタン醗酵処理してメタンガス，炭酸ガスなどに分解する方法に関する。
食品工業等の産業廃水等の廃水処理や、有機性汚泥、生ごみ等の有機性廃棄物の処理法として、活性汚泥処理法に比べて省エネルギーであり、新たにバイオガスとしてメタンガスをエネルギーとして生み出すメタン醗酵処理法が注目され、実用化されている。
メタン醗酵処理には、嫌気性消化やＵＡＳＢと呼ばれる上向流嫌気性汚泥床法が普及している。ＵＡＳＢ法と呼ばれるメタン醗酵処理では、有機性廃棄物の有機物は２段階の分解過程を経て、メタンガスや水，炭酸ガスになる。すなわち、有機性廃棄物の有機物は酸発酵過程で、酢酸のような低級脂肪酸に分解され、次にこの脂肪酸は、メタン細菌によってメタンガスに分解されて、有機性廃棄物中の有機物の分解が完結する。
現在のメタン醗酵処理は、上向流嫌気性スラッジブランケット法（ＵＡＳＢ法）が主流である。このＵＡＳＢ法では、メタン生成菌を中心とする嫌気性微生物をグラニュールと呼ばれる顆粒を大粒子化して自己化造粒させ、原水を上向流で供給して槽内にスラッジブランケットゾーンを形成させる処理法である。
グラニュールを大粒子化すると表面積が小さくなり、形成させることで該グラニュールの固液分離性を向上させ、槽内に多量の微生物を高密度に保持することができる。
ところでこのようなＵＡＳＢ法による嫌気性微生物処理法には、従来の技術には以下のような問題点がある。
（１） グラニュールを大粒子化すると沈降性が高くなり、強く圧されて結果として槽下部にグラニュールが圧密されてデッドスペースができる。
（２） グラニュールを大粒子化すると表面積が小さくなり、処理速度が遅くなって高負荷がかけられない。
（３） 装置は比較的安価であるが、それでも現在のところ工業的規模での装置では数千万円〜数億円の費用がかかり、これをより安価にできれば望ましい。
（１） グラニュールを大粒子化すると沈降性が高くなり、強く圧されて結果として槽下部にグラニュールが圧密されてデッドスペースができる。
（２） グラニュールを大粒子化すると表面積が小さくなり、処理速度が遅くなって高負荷がかけられない。
（３） 装置は比較的安価であるが、それでも現在のところ工業的規模での装置では数千万円〜数億円の費用がかかり、これをより安価にできれば望ましい。
本発明は、以上のことから以下の課題を解決するものとした。
本発明が解決しようとする課題は、処理の効率化を図ることである。すなわち、処理速度を高速化し高負荷を実現する。また現在の工業的規模の装置に比べて安価な装置を市場に提供する。
上記の課題を解決するために本発明では以下の構成を採用するものとした。
すなわち．嫌気性槽に、その槽内の下方から２段以上の乱流反応層を形成し、更にその上部に清澄ゾーンとしての層流層を形成し、槽の下部から上部にいたるように原水を通流してＵＡＳＢ法のメタン醗酵処理を実現し上記目的（課題）の解決を図る。
より具体的には、スラッジブランケット型のメタン醗酵処理方法であって、顆粒状態のグラニュールを乱流状態で滞留させる乱流反応層を反応槽の槽内に下方から２段以上に縦型に積層して形成し、更にその上部にグラニュールと清澄水を分離する層流層を形成し、層流層の下方の乱流反応層から上向するグラニュールを含有する処理水のうちの清澄水を層流層の上方から槽外部に溢流させると共に、グラニュールを乱流反応層に戻し、更に、層流層上部の自由水面から隔壁によって構造的に隔離された槽中央の自由水面から最下段の乱流反応層にわたって設けられた縦型の第一貫通筒内に下降流を形成すると共に、最下段の乱流反応層から上記槽中央の自由水面にわたって最下段以外の乱流反応槽と連通することなく設けられた第二貫通筒にガスを含む水を流し、最下段の乱流反応層からその上の乱流反応層ついで層流層の順に廃水を上向流で通水することを特徴とする。
なお、細長い下降流のための上記第一貫通筒の上部が臨む槽中央の自由水面は、層流層上部の自由水面から隔壁により構造的に隔離される。この隔壁は平面四角形のボックスによりその内外を隔てる形式で作ることができる。
また、より良い構成として、請求項１のメタン醗酵処理方法において、最下段の乱流反応層より上の乱流反応層には、この層の上部から下部に処理水を戻すように第三貫通筒を設けたことを特徴とした。
このようにすることで、各層各室には他の層の水との混合がおこらず、したがって各層の種類の異なる菌が混じらずに、好ましい反応を行わせることができる。
また上記方法をより良く実施するために、上記発明において第二貫通筒に上向きにガス流を吹き込むようにした。
更に、上記方法をより良く実施するために、槽下部に流入させる処理廃水を間欠的に流入させるようにした。
また更に、上記方法を更により良く実施するために、縦型乱流反応層を下方から２段〜４段に積層形成し、原水を上向流で通水するようにした。
また、上記方法を実施するためのスラッジブランケット型のメタン醗酵処理装置は、メタン醗酵処理槽の槽上部に、グラニュールと清澄水を分離する層流層と、その層流層の下方に縦型に２段以上積層形成した乱流反応層と、槽中央の上部から槽下部に処理水を戻す縦型の第一貫通筒と、槽中央の自由水面に槽最下部の乱流反応層から反応水を上向流で流す縦型の第二貫通筒と、槽最下段（乱流反応層の下側）に設けられた原水流入管と、層流層の槽上部に設けられた処理水を溢流式で槽外部に排水する溢流堰と、を有するように構成した装置が提供される。
この装置は、特に、縦型各段の乱流反応層の槽中央に上方に向かって凸形に設けられた円錐型の第一隔壁と、この第一隔壁の外側に狭い流路を形成するように囲んで設けられた逆円錐型の第二隔壁とを有するように構成された槽であることを特徴とする。
更に上記装置は、縦型貫通筒に、槽中央に上方に向かって凸形に設けられた円錐型の第一隔壁と、この第一隔壁の外側に狭い流露を形成するように囲んで設けられた逆円錐型の第二隔壁と、を有する下方に向けてガスを吹き込むガス吹き込み管を設けたことを特徴とする。
本発明によれば、処理の効率化を図ることができる。特にグラニュールブランケット型のメタン醗酵処理では、有機性廃棄物のタンパク質がメタン醗酵処理で分解されるとその構成元素の窒素はアンモニアとして嫌気性汚泥に蓄積され、上述のようにアンモニア濃度が高くなると有機物をメタンガスと炭酸ガスおよび水に分解するメタン生成菌の活動が遊離アンモニアの毒性により低下する。しかし本発明によれば廃水，処理水の移動が従来のグラニュールブランケット型メタン醗酵処理よりも高速になって、アンモニアの蓄積が少なくなり、アルカリ化による弊害が抑制されるという効果も奏される。
そして、第一乱流層，第二乱流層，層流層の間の水の混合が基本的にないので、各層の異なる菌の成育が好ましく行われる。
また、処理速度の高速化による高負荷を実現できるので小型の装置で大量処理ができるという効果が奏される。
更に、処理の効率化・高速化を図ることができるので、現在の工業的規模の装置に比べて大幅に安価で、エネルギー回収率の高い装置を市場に提供することができる。
以下に、本発明を更に詳細に説明する。
実施形態１
図１は本発明の実施形態１を示した図であり、この図において、１は円筒状又は角筒状のメタン醗酵槽であり、槽１の下部から下記構造の乱流反応層２（下段の第一乱流層２０１，上段の第二乱流層２０２）が縦型に２段設けられ、また、槽１上段の第二乱流層２０２の上に下記構造の層流層３が設けられている。
図１は本発明の実施形態１を示した図であり、この図において、１は円筒状又は角筒状のメタン醗酵槽であり、槽１の下部から下記構造の乱流反応層２（下段の第一乱流層２０１，上段の第二乱流層２０２）が縦型に２段設けられ、また、槽１上段の第二乱流層２０２の上に下記構造の層流層３が設けられている。
２段の乱流（反応）層２の各段は、上方に向かって凸形に設けられた円錐型の第一隔壁２０１１，２０２１と、この第一隔壁の外側に狭い流路２０３１，２０３２を形成するように囲んで設けられた逆円錐型の第二隔壁２０１２，２０２２とを有するように設けられ、下段の第一乱流層２０１から上段の第二乱流層２０２へは狭い流路２０３１を通して上向流で処理水を流し、そして上段の第二乱流層２０２から層流層３へは狭い流路２０３２を通して上向流で処理水を流すようになっている。
また、槽１中央部の処理水自由水面付近には、本例では中央に平板直方体状の区画隔壁５０１を有する平面四角形のボックス隔壁５が自由水面から上方に突出するように設けられて、周囲から隔離された各独立の２コの室が形成されている。
そしてこのうちのボックス隔壁内の一室には、自由水面付近の反応水を槽１最下部（第一乱流層２０１）に下降させる縦細長の第一貫通筒４が設けられていると共に、第一乱流層２０１上部の反応水がこのボックス隔壁内の一室に上昇されるように縦細長の第二貫通筒６が設けられている。これにより、第一乱流層２０１の水は上記ボックス隔壁内の一室との間で循環し、他の層の水とはボックス隔壁外側の自由水面にいたる経路以外には混合しないように構成されている。
このボックス隔壁内一室の水は、第二貫通筒６からガスを含んだ水が上昇するため、ボックス隔壁外側の自由水面よりも高くなり（リフトアップされ）、図示はしていないが、この第二貫通筒６内にガス（及び／又は水）供給管を接続した場合には、上記自由水面高さは一層高くなる。
そしてこのようなガスあるいは水の供給により原水，処理水の流通速度が大きくなり、多孔性の構造をなしているグラニュールと水の接触効率が向上して処理速度が向上し高負荷反応が実現できる。
またボックス隔壁内のもう一つの室は、ボックス隔壁内の一室及びボックス隔壁外側とは水面下も自由水面も隔離され、第二乱流層と連通されている。これによりこのボックス隔壁内のもう一つの室は袋小路となっていて、水の一部は第二乱流層との間で循環する。
７は、槽１最下部の同一高に多数設置された原水流入（供給）管であり、原水の噴出し方向を下方に向けて設けられている。
８は、槽上部の自由水面上の泡を消泡させるスプレー管であり、この槽１から外部に排水された水、あるいはこの槽１のさらに設けられることがある最終沈殿池からの処理水などの綺麗な水がスプレーされる。
９は溢流堰であり、層流層自由水面の水を溢流方式で槽１外部に排出するように設けられている。
実施形態２
本例は図３に示され、図から分かるように、第二乱流層２０２の上部自由水面からこの第二乱流層２０２の室内下部に反応水を戻す第三貫通筒１０を設けたことを特徴とし、他の構造は実施形態１と同じである。
実施形態２
本例は図３に示され、図から分かるように、第二乱流層２０２の上部自由水面からこの第二乱流層２０２の室内下部に反応水を戻す第三貫通筒１０を設けたことを特徴とし、他の構造は実施形態１と同じである。
本例によれば、第二乱流層２０２内の水の混合が促進されて同層内の菌による反応がより良くなる。
槽の大きさ：円筒形直径 １１２ｍｍ
槽の高さ １５２０ｍｍ
槽の容量 １５Ｌ
である実施形態１の装置を、
入口水ＣＯＤｃｒ・・・１００００ｍｇ／Ｌ
入口水ｐＨ・・・５．５〜６．８
処理水ｐＨ・・・６．８〜７．４
処理水循環率・・・５０％
汚泥濃度・・・５５０００ｍｇ／Ｌ
ＭＬＶＳＳ・・・８７．０％
の条件で運転した。
槽の高さ １５２０ｍｍ
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である実施形態１の装置を、
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入口水ｐＨ・・・５．５〜６．８
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処理水循環率・・・５０％
汚泥濃度・・・５５０００ｍｇ／Ｌ
ＭＬＶＳＳ・・・８７．０％
の条件で運転した。
この実施例におけるＣＯＤｃｒ除去率とＴＬＰ型容積負荷の関係を測定した結果を図２のグラフに示した。この図から分かるように本実施例は、負荷の減少が著しく低いことが分かる。
これに対して、乱流層を単相（一層）に設けた従来例（グラフの左側の略平行な３本）では負荷の減少が早く、大きいことが分かる。
以上のように説明される本発明は、以下のように産業上有用な発明である。
本発明によれば、処理の効率化を図ることができる。特にグラニュールブランケット型のメタン醗酵処理では、有機性廃棄物のタンパク質がメタン醗酵処理で分解されるとその構成元素の窒素はアンモニアとして嫌気性汚泥に蓄積され、上述のようにアンモニア濃度が高くなると有機物をメタンガスと炭酸ガスおよび水に分解するメタン生成菌の活動が遊離アンモニアの毒性により低下する。しかし本発明によれば廃水，処理水の移動が従来のグラニュールブランケット型メタン醗酵処理よりも高速になって、アンモニアの蓄積が少なくなり、アルカリ化による弊害が抑制され有用である。
そして、第一乱流層，第二乱流層，層流層の間の水の混合が基本的にないので、各層の異なる菌の成育が好ましく行われる。
また、処理速度の高速化による高負荷を実現できるので小型の装置で大量処理ができるという点でも有用である。
更に、処理の効率化・高速化を図ることができるので、現在の工業的規模の装置に比べて大幅に安価で、エネルギー回収率の高い装置を市場に提供することができる。
１：メタン醗酵槽
２：乱流層
２０１：第一乱流層
２０１１：第一隔壁
２０１２：第二隔壁
２０２：第二乱流層
２０２１：第一隔壁
２０２２：第二隔壁
２０３１，２０３２：狭い流路
３：層流層
４：第一貫通筒
５：ボックス隔壁
５０１：区画隔壁
６：第二貫通筒
７：原水供給管
８：スプレー管
９：溢流堰
１０：第三貫通筒
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２０１１：第一隔壁
２０１２：第二隔壁
２０２：第二乱流層
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２０３１，２０３２：狭い流路
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４：第一貫通筒
５：ボックス隔壁
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６：第二貫通筒
７：原水供給管
８：スプレー管
９：溢流堰
１０：第三貫通筒
Claims (5)
- スラッジブランケット型のメタン醗酵処理方法であって、顆粒状態のグラニュールを乱流状態で滞留させる乱流反応層を反応槽の槽内に下方から２段以上に縦型に積層して形成し、更にその上部にグラニュールと清澄水を分離する層流層を形成し、層流層の下方の乱流反応層から上向するグラニュールを含有する処理水のうちの清澄水を層流層の上方から槽外部に溢流させると共に、グラニュールを乱流反応層に戻し、更に、層流層上部の自由水面から隔壁によって構造的に隔離された槽中央の自由水面から最下段の乱流反応層にわたって設けられた縦型の第一貫通筒内に下降流を形成すると共に、最下段の乱流反応層から上記槽中央の自由水面にわたって最下段以外の乱流反応槽と連通することなく設けられた第二貫通筒にガスを含む水を流し、最下段の乱流反応層からその上の乱流反応層ついで層流層の順に廃水を上向流で通水することを特徴とするメタン醗酵処理方法。
- 請求項１において、最下段以外の乱流反応層に、この層の上部から下部に処理水を戻す第三貫通筒が設けられていることを特徴とするメタン醗酵処理方法。
- 請求項１または２において、上記第二貫通筒に上向きにガス流を吹き込むことを特徴とするメタン醗酵処理方法。
- 請求項１ないし３のいずれかにおいて、処理原水を間欠的に槽下部に流入させることを特徴とするメタン醗酵処理方法。
- 請求項１ないし４のいずれかにおいて、乱流反応層を下方から２段〜４段に積層して形成し、廃水を上向流で通水することを特徴とするメタン醗酵処理方法。
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