JP4743099B2

JP4743099B2 - 消泡方法及び消泡制御装置

Info

Publication number: JP4743099B2
Application number: JP2006331119A
Authority: JP
Inventors: 豊森
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: JP2008142604A

Description

本発明は、メタン発酵後のメタン発酵廃液を活性汚泥にて処理する過程で発生する泡を消泡する消泡方法及び消泡制御装置に関する。

近年、生ごみや下水の余剰汚泥などの有機性廃棄物をメタン発酵し、メタンガスとしてエネルギーを回収する方法が省資源、循環型社会形成の一環として採用されている。

メタン発酵では有機物をメタンと炭酸ガスに分解するが、１００％分解されるわけではなく、発酵廃液中には高濃度の有機成分が残っている。また、発酵廃液中には、発酵残渣もしくはメタン発酵槽で増殖した菌体としての汚泥があり、この汚泥中には高濃度の窒素成分が含まれる。また、有機物の分解生成物であるアンモニアも高濃度に含まれる。従って、そのまま下水道や河川に放流することができず、有機物と窒素成分を分解除去する処理が必要である。

図６は、従来のメタン発酵処理システムの要部構成を示す模式図である。同図に示すメタン発酵処理システムは、有機性廃棄物１００をメタン発酵させるメタン発酵槽１１０と、メタン発酵槽１１０から排出されるメタン発酵廃液１０１が流入し活性汚泥により浄化処理を行う活性汚泥槽１２０と、活性汚泥を固液分離し処理水を得る固液分離装置１３０とから構成される。メタン発酵廃液１０１には有機物に加えてアンモニアを主体とする窒素分が含まれている。メタン発酵槽１１０で発生したメタンガス１０２はエネルギー資源として使用される。活性汚泥槽１２０において、間欠曝気式活性汚泥法を実施して有機物と窒素とを除去することが知られている（例えば、特許文献１参照）。間欠曝気式活性汚泥法では、活性汚泥槽１２０を空気曝気する好気工程と曝気停止する嫌気工程とが時間的に区分して交互に行われる。

活性汚泥槽１２０では、主に好気工程において活性汚泥が発泡する現象が起こるため、この発泡を抑えるために散水を行ったり（例えば、非特許文献１参照）、消泡剤を注入したりするための消泡機構を設置する場合が多い。メタン発酵廃液１０１はもともと発泡性を有した廃液であるため、上述の消泡機構は必須の設備となる。
特開平４−１０４８９６号公報『下水道施設計画・設計指針と解説後編２００１年度版Ｐ１０３社団法人日本下水道協会』

ところで、活性汚泥槽１２０に消泡剤を注入する際に、発泡による活性汚泥槽１２０からの汚泥流出が起こらないように、発泡度合いの変動を見込んで消泡剤を過剰に注入したり、過剰に散水したりするようにしている。

しかしながら、消泡剤の過剰注入はコスト増となるばかりでなく、活性汚泥中の酸素溶解効率を低下させてしまい、曝気動力が増加してしまう問題がある。また、散水の過剰投与は散水用水を無駄に消費する一方、発泡による活性汚泥槽１２０からの汚泥の流出が起こらないように発泡度合いの変動を見込んだ散水量を決定することはコスト増となるといった問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、消泡剤の過剰注入や過剰な散水を防止することができ、活性汚泥槽における発泡状況の急激な変動にも迅速に対応可能な消泡方法及び消泡制御装置を提供することを目的とする。

本発明の消泡方法は、好気工程と嫌気工程とを交互に繰り返してメタン発酵廃液を活性汚泥により処理する活性汚泥槽における消泡方法であって、好気工程開始時の消泡剤注入量を今回のサイクルに対して予め決定された基準注入量から開始し、その後は前記活性汚泥槽の発泡状況に応じて消泡剤注入量を増減し、今回のサイクルでの消泡剤注入速度と前のサイクルでの消泡剤注入速度とを比較し、今回のサイクルでの消泡剤注入速度が前のサイクルでの消泡剤注入速度よりも大きい場合は、次のサイクルでの基準注入量を増加させ、今回のサイクルでの消泡剤注入速度が前のサイクルでの消泡剤注入速度よりも小さい場合は、次のサイクルでの基準注入量を減少させることを特徴とする。

この構成により、活性汚泥槽における実際の発泡状況に応じて消泡剤注入量を増減するので、発泡度合いの変動を見込んで消泡剤注入量を調節する場合に比べて、消泡剤の適切な注入維持が可能となり、過剰投入による弊害を防止することができる。また、今回のサイクルでの消泡剤注入速度と前のサイクルでの消泡剤注入速度とを比較し、その比較結果に基づいて次のサイクルでの基準注入量を決定するので、活性汚泥槽における発泡状況の急激な変動にも迅速に対応可能である。

また、本発明の消泡方法は、好気工程と嫌気工程とを交互に繰り返してメタン発酵廃液を活性汚泥により処理する活性汚泥槽における消泡方法であって、好気工程開始時の前記活性汚泥槽に対する散水量を今回のサイクルに対して予め決定された基準散水量から開始し、その後は前記活性汚泥槽の発泡状況に応じて散水量を増減し、今回のサイクルでの散水速度と前のサイクルでの散水速度とを比較し、今回のサイクルでの散水速度が前のサイクルでの散水速度よりも大きい場合は、次のサイクルでの基準散水量を増加させ、今回のサイクルでの散水速度が前のサイクルでの散水速度よりも小さい場合は、次のサイクルでの基準散水量を減少させることを特徴とする。

この構成により、活性汚泥槽における実際の発泡状況に応じて散水量を増減するので、発泡度合いの変動を見込んで散水量を調節する場合に比べて、散水量の適切な散水が可能となり、過剰散水による弊害を防止することができる。また、今回のサイクルでの散水速度と前のサイクルでの散水速度とを比較し、その比較結果に基づいて次のサイクルでの基準散水量を決定するので、活性汚泥槽における発泡状況の急激な変動にも迅速に対応可能である。

本発明の消泡制御装置は、好気工程と嫌気工程とを交互に繰り返してメタン発酵廃液を活性汚泥により処理する活性汚泥槽の消泡制御装置であって、好気工程において前記活性汚泥槽へ消泡剤を注入する消泡剤注入手段と、前記活性汚泥槽の泡界面を検出する泡界面検出手段と、前記消泡剤注入手段による消泡剤の注入量を、好気工程開始時は今回のサイクルに対して予め決定されている基準注入量とし、その後は前記泡界面検出手段による泡界面検出結果に応じて増減し、今回のサイクルでの消泡剤注入速度と前のサイクルでの消泡剤注入速度とを比較し、今回のサイクルでの消泡剤注入速度が前のサイクルでの消泡剤注入速度よりも大きい場合は、次のサイクルでの基準注入量を増加させ、今回のサイクルでの消泡剤注入速度が前のサイクルでの消泡剤注入速度よりも小さい場合は、次のサイクルでの基準注入量を減少させるよう再設定する制御手段と、具備したことを特徴とする。

また、本発明の消泡制御装置は、好気工程と嫌気工程とを交互に繰り返してメタン発酵廃液を活性汚泥により処理する活性汚泥槽の消泡制御装置であって、好気工程において前記活性汚泥槽へ散水して消泡させる散水手段と、前記活性汚泥槽の泡界面を検出する泡界面検出手段と、前記散水手段による散水量を、好気工程開始時は今回のサイクルに対して予め決定されている基準散水量とし、その後は前記泡界面検出手段による泡界面検出結果に応じて増減し、今回のサイクルでの散水速度と前のサイクルでの散水速度とを比較し、今回のサイクルでの散水速度が前のサイクルでの散水速度よりも大きい場合は、次のサイクルでの基準散水量を増加させ、今回のサイクルでの散水速度が前のサイクルでの散水速度よりも小さい場合は、次のサイクルでの基準散水量を減少させるよう再設定する制御手段と、を具備したことを特徴とする。

かかる構成によれば消泡剤の過剰注入や過剰な散水を防止することができ、活性汚泥槽における発泡状況の急激な変動にも迅速に対応することができる。

本発明によれば、活性汚泥槽における発泡状況に応じて消泡剤注入量又は散水量を増減すると共に基準注入量を変化させるので、適切な消泡剤注入、散水を維持可能となり、過剰投入による弊害を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る消泡制御装置を用いたメタン発酵処理システムの構成を示す模式図である。なお、消泡制御装置に係る構成を除けば、実施の形態１のメタン発酵処理システムは、図６のメタン発酵処理システムと同様の構成であるので、同一の構成要素には同一符号を付して、説明の重複を避ける。

消泡制御装置１０は、消泡剤を貯えた消泡剤貯留槽１１と、消泡剤貯留槽１１から活性汚泥槽１２０へ消泡剤を注入する消泡剤注入ポンプ１２と、活性汚泥槽１２０の発泡界面を検知する泡界面検出装置１３と、泡界面検出装置１３からの泡界面検出信号に基づいて消泡剤注入ポンプ１２の流量を調節する制御装置１４とを備えている。

消泡剤注入ポンプ１２は、制御装置１４から与える指令信号により消泡剤の注入量を制御可能に構成されている。泡界面検出装置１３は、水位検出などに用いられる電極式水位計又は超音波式水位計を用いることができるが、本発明は泡界面の検出原理は特に限定されない。制御装置１４は、ＣＰＵ、制御プログラムを記憶したＲＯＭ等の不揮発性メモリ、ＣＰＵの動作において使用されるＲＡＭ等の揮発性メモリ、泡界面検出装置１３からの泡界面検出信号を取り込む一方、消泡剤注入ポンプ１２へ指令信号を送出するインタフェース等で構成される。

本実施の形態では、好気工程開始時の消泡剤注入量を今回のサイクルに対して予め決定された基準注入量から開始し、その後は活性汚泥槽１２０の発泡状況に応じて消泡剤注入量を増減し、今回のサイクルでの消泡剤注入速度と前のサイクルでの消泡剤注入速度とを比較し、比較結果に基づいて次のサイクルでの基準注入量を決定するものとしている。すなわち、活性汚泥槽１２０の発泡状況に応じて消泡剤注入量を増減するだけでなく、必要に応じて好気工程開始時の消泡剤注入量となる基準注入量を変更することとしている。

図２は、あるサイクルでの好気工程における消泡剤注入の一例を示すタイムチャートである。制御装置１４は、好気工程開始と同時に消泡剤注入ポンプ１２を起動する。消泡剤注入ポンプ１２における起動時の消泡剤注入量は、予め設定した基準注入量Ｑ１を設定する。その後、泡界面検出装置１３からの泡界面検出信号に基づいて泡界面を監視し、泡界面に応じて消泡剤注入ポンプ１２の流量を制御して消泡剤注入量を段階的に調節する。具体的には、泡界面がＨ１レベルまで到達した時点で消泡剤注入量をＱ２に増加させる。また、泡界面がＨ２レベルに到達した時点で注入量をＱ３まで増加させる。逆に、泡界面Ｈ２レベルの検知が不能となった時点で注入量をＱ２に減少させる。その後、泡界面Ｈ１レベルの検知が不能となった時点で注入量をＱ１に減少させる。

制御装置１４は、好気工程が終了すると、その時点で消泡剤供給ポンプ１２を停止させるが、今回の好気工程における消泡剤の注入速度の平均値を算出し、これを前サイクルでの消泡剤の平均注入速度と比較し、今回のサイクルの平均注入速度が前サイクルでの平均注入速度よりも大きい場合は、次サイクルでの好気工程開始時の基準注入量Ｑ１を増加させる。逆に、今回のサイクルの平均注入速度が前サイクルの平均注入速度よりも小さい場合は、次サイクルでの好気工程開始時の基準注入量Ｑ１を減少させる。具体的には以下の式により、次サイクルでの好気工程開始時の基準注入量を決定する。

Ｑ１_ｎ＋1＝Ｑ１_ｎ＋α（Ｒ_ｎ−Ｒ_ｎ−１） …（１）
Ｑ１_ｎ＋1：次サイクルでの好気工程開始時の基準注入量
Ｑ１_ｎ：今回のサイクルでの好気工程開始時の基準注入量
Ｒ_ｎ：今回のサイクルでの消泡剤の平均注入速度
Ｒ_ｎ−１：前のサイクルでの消泡剤の平均注入速度
α：定数

図３に基準注入量Ｑ１を増加させる具体例を示す。制御装置１４は、各サイクルにおいて、好気工程開始から終了までの期間における注入量（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３）とその各注入量でのポンプＯＮ時間とから平均注入速度を計算して保存する。同図に示す例では、１サイクル目（Ｓ１）の消泡剤注入量に比べて、２サイクル目（Ｓ２）での消泡剤注入量が増加しており、消泡剤の平均注入速度が１サイクル目（Ｓ１）より２サイクル目（Ｓ２）の方が大きくなっている。

制御装置１４は、２サイクル目（Ｓ２）の好気工程終了後であって３サイクル目（Ｓ３）の好気工程開始前に、３サイクル目（Ｓ３）の好気工程開始時の基準注入量Ｑ１を上記数式（１）に基づいて決定する。図３に示す例では、２サイクル目の平均注入速度が１サイクル目の平均注入速度よりも大であるので、３サイクル目（Ｓ３）の好気工程開始の基準注入量Ｑ１をそれまでよりも所定量だけ増加させる。なお、逆のケースの場合は、３サイクル目（Ｓ３）の好気工程開始の基準注入量Ｑ１をそれまでよりも所定量だけ減少させる。基準注入量Ｑ１の増減幅は数式（１）の定数αによって調整する。

運転開始時の基準注入量Ｑ１はメタン発酵廃液の処理規模によって異なるが、メタン発酵廃液１ｍ^３／日を処理する場合の基準注入量は０．１〜５リットル／日である。Ｑ２、Ｑ３の注入量の設定は任意であるが、基準注入量（Ｑ１）の１〜１０倍の範囲に設定することが好ましい。

このように本実施の形態によれば、好気工程開始時の消泡剤注入量を今回のサイクルに対して予め決定された基準注入量（Ｑ１）から開始し、その後は活性汚泥槽１２０の発泡状況に応じて適切な消泡剤注入量（Ｑ２，Ｑ３）に変化させるので、消泡剤の適切な注入維持が可能となり、過剰投入による弊害（コスト増や曝気動力の増加等）を防止することができる。

また本実施の形態によれば、今回サイクルでの消泡剤注入速度と前サイクルでの消泡剤注入速度とを比較し、その比較結果に基づいて次サイクルでの好気工程開始時の基準注入量（Ｑ１）を決定するので、毎回同じ基準注入量から制御開始する場合に比べて、より迅速に対応することが可能になる。

なお、本実施の形態では、図２に示すように泡界面検知を２段階（Ｈ１、Ｈ２）に設定しているが、１段階であっても、あるいは３段階以上であっても良い。

また、本実施の形態では、消泡剤を活性汚泥槽１２０に直接投入しているが、図４に示すように、散水ポンプ１４０を用いて散水による消泡を行っている場合、散水ライン１５０に消泡剤を注入する方法を用いても良い。この場合も消泡剤注入量は上述の方法と同様に調節することが可能である。

また、メタン発酵槽１１０は３８℃付近で運転する中温発酵、５５℃付近で運転する高温発酵いずれのタイプの発酵槽でも良い。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。
図５は、本発明の実施の形態２に係る消泡制御装置２０を用いたメタン発酵処理システムの構成を示す模式図である。本実施の形態の消泡制御装置２０は、活性汚泥槽１２０の発泡界面を検知する泡界面検出装置１３と、散水ポンプ１５と、泡界面検出装置１３からの泡界面検出信号に基づいて散水ポンプ１５の流量を調節する制御装置１６とを備えている。なお、メタン発酵処理システムにおいて、図６のメタン発酵処理システムと同様である部分は同一符号を付してその説明は省略する。

制御装置１６は、前述した実施の形態１の制御装置１４と略同様にＣＰＵ、ＣＰＵを制御するためのプログラムを記憶したＲＯＭ等の不揮発性メモリ、ＣＰＵの動作において使用されるＲＡＭ等の揮発性メモリ、泡界面検出装置１３からの泡界面検出信号を取り込むと共に散水ポンプ１５に指令信号を送出するためのインタフェース等で構成される。

制御装置１６による散水ポンプ１５の流量調節は、前述した実施の形態１と略同様である。散水ポンプ１５による散水量の調節について、図２を援用して説明する。好気工程開始と同時に散水ポンプ１５を起動させるが、散水ポンプ１５の起動時の散水量は予め設定した基準散水量とし、泡界面がＨ１レベルまで到達した時点で散水量をＱ２に増加させる。その後、泡界面がＨ２レベルに到達した時点で散水量をＱ３まで増加させる。逆に、泡界面Ｈ２レベルの検知が不能となった時点で散水量をＱ２に減少させる。その後、泡界面Ｈ１レベルの検知が不能となった時点で散水量をＱ１に減少させる。

また、好気工程が終了すると、その時点で散水ポンプ１５を停止させるが、今回の好気工程における散水の散水速度の平均値を算出しておき、これを前サイクルの散水の平均散水速度と比較し、現サイクルの平均散水速度＞前サイクルの平均散水速度の場合、次サイクルの好気工程開始時の基準散水量を増加させる。逆に、今回のサイクルの平均散水速度＜前サイクルの平均散水速度の場合、次サイクルの好気工程開始時の基準散水量を減少させる。基準散水量の増減幅は、上記数式（１）に基づいて計算することができる。なお、運転開始時の基準散水量は１〜１０リットル／分程度に設定するのが好ましい。また、注入量Ｑ２、Ｑ３の設定は任意であるが、基準散水量の１〜１０倍の範囲に設定することが好ましい。

このように本実施の形態の消泡制御装置２０によれば、好気工程開始時の活性汚泥槽１２０に対する散水量を今回のサイクルに対して予め決定された基準散水量から開始し、その後は活性汚泥槽１２０の発泡状況に応じて散水量を増減し、今回のサイクルでの散水速度と前のサイクルでの散水速度とを比較し、その比較結果に基づいて次のサイクルでの基準散水量を決定するので、散水量の適切な制御が可能となり、過剰散水による弊害（コスト増等）を防止することができる。

本発明は、メタン発酵廃液を活性汚泥により処理するメタン発酵処理システムにおける活性汚泥槽の消泡対策に適用することができる。

本発明の実施の形態１に係る消泡制御装置を備えたメタン発酵処理システムの構成を示す模式図消泡剤注入のタイミングを示すタイムチャート上記実施の形態１において消泡剤の基準注入量を変化させる様子を示したタイムチャート上記実施の形態１に係るメタン発酵処理システムの変形例の構成を示す模式図本発明の実施の形態２に係る消泡制御装置を備えたメタン発酵処理システムの構成を示す模式図従来のメタン発酵処理システムの構成を示す模式図

符号の説明

１０…消泡制御装置、１１…消泡剤貯留槽、１２…消泡剤注入ポンプ、１３…泡界面検出装置、１４…制御装置、１５…散水ポンプ、１６…制御装置、２０…消泡制御装置、１００…有機性廃棄物、１０１…メタン発酵廃液、１０２…メタンガス、１１０…メタン発酵槽、１２０…活性汚泥槽、１３０…固液分離装置、１４０…散水ポンプ、１５０…散水ライン

Claims

好気工程と嫌気工程とを交互に繰り返してメタン発酵廃液を活性汚泥により処理する活性汚泥槽における消泡方法であって、
好気工程開始時の消泡剤注入量を今回のサイクルに対して予め決定された基準注入量から開始し、その後は前記活性汚泥槽の発泡状況に応じて消泡剤注入量を増減し、今回のサイクルでの消泡剤注入速度と前のサイクルでの消泡剤注入速度とを比較し、今回のサイクルでの消泡剤注入速度が前のサイクルでの消泡剤注入速度よりも大きい場合は、次のサイクルでの基準注入量を増加させ、今回のサイクルでの消泡剤注入速度が前のサイクルでの消泡剤注入速度よりも小さい場合は、次のサイクルでの基準注入量を減少させることを特徴とする消泡方法。
好気工程と嫌気工程とを交互に繰り返してメタン発酵廃液を活性汚泥により処理する活性汚泥槽における消泡方法であって、
好気工程開始時の前記活性汚泥槽に対する散水量を今回のサイクルに対して予め決定された基準散水量から開始し、その後は前記活性汚泥槽の発泡状況に応じて散水量を増減し、今回のサイクルでの散水速度と前のサイクルでの散水速度とを比較し、今回のサイクルでの散水速度が前のサイクルでの散水速度よりも大きい場合は、次のサイクルでの基準散水量を増加させ、今回のサイクルでの散水速度が前のサイクルでの散水速度よりも小さい場合は、次のサイクルでの基準散水量を減少させることを特徴とする消泡方法。
好気工程と嫌気工程とを交互に繰り返してメタン発酵廃液を活性汚泥により処理する活性汚泥槽の消泡制御装置であって、
好気工程において前記活性汚泥槽へ消泡剤を注入する消泡剤注入手段と、
前記活性汚泥槽の泡界面を検出する泡界面検出手段と、
前記消泡剤注入手段による消泡剤の注入量を、好気工程開始時は今回のサイクルに対して予め決定されている基準注入量とし、その後は前記泡界面検出手段による泡界面検出結果に応じて増減し、今回のサイクルでの消泡剤注入速度と前のサイクルでの消泡剤注入速度とを比較し、今回のサイクルでの消泡剤注入速度が前のサイクルでの消泡剤注入速度よりも大きい場合は、次のサイクルでの基準注入量を増加させ、今回のサイクルでの消泡剤注入速度が前のサイクルでの消泡剤注入速度よりも小さい場合は、次のサイクルでの基準注入量を減少させるよう再設定する制御手段と、
を具備したことを特徴とする消泡制御装置。
好気工程と嫌気工程とを交互に繰り返してメタン発酵廃液を活性汚泥により処理する活性汚泥槽の消泡制御装置であって、
好気工程において前記活性汚泥槽へ散水して消泡させる散水手段と、
前記活性汚泥槽の泡界面を検出する泡界面検出手段と、
前記散水手段による散水量を、好気工程開始時は今回のサイクルに対して予め決定されている基準散水量とし、その後は前記泡界面検出手段による泡界面検出結果に応じて増減し、今回のサイクルでの散水速度と前のサイクルでの散水速度とを比較し、今回のサイクルでの散水速度が前のサイクルでの散水速度よりも大きい場合は、次のサイクルでの基準散水量を増加させ、今回のサイクルでの散水速度が前のサイクルでの散水速度よりも小さい場合は、次のサイクルでの基準散水量を減少させるよう再設定する制御手段と、
を具備したことを特徴とする消泡制御装置。