JP5004427B2

JP5004427B2 - メタン発酵消化液の処理方法

Info

Publication number: JP5004427B2
Application number: JP2005070062A
Authority: JP
Inventors: 修濱本; 隆之丸本; 晴敏佐々木
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2025-03-11
Also published as: JP2006247583A

Description

本発明は、水処理施設で生じる汚泥やメタン発酵の消化液を容易に固液分離し、処理する方法に関する。

水処理施設から発生する高含水率濃縮汚泥（重力沈降汚泥あるいは遠心濃縮汚泥、消化液など）の処理方法は脱水、乾燥、炭化、焼却、熔融など多伎にわたって開発され、また、実用化されている。また、メタン発酵消化液（本明細書では、単に「消化液」ということもある）も単に液肥として散布する利用法だけでなく、乾燥・ペレット化して固形肥料とする方法などが開発されている。
これらの処理プロセス中で、初段となる脱水工程では、従来、無機系（ポリ鉄、塩鉄、ポリ塩化アルミニウムなど）および／又は高分子系（高分子凝集剤）の凝集剤、凝集助剤を用いる必要があった。即ち、薬剤なしでは固形分の凝集が起こらず、ベルトプレス脱水機などを用いると直ぐに濾布の目詰まりを起こすため脱水は事実上不可能であった。

これに対し、近年の一連の開発の結果、下水汚泥等については菌叢の改善などで、また、消化液についてはｐＨの調節などで実際に無薬注脱水を行うことも可能になってきた。
しかし、菌叢改善は温度、酸素濃度、ｐＨ等の細かい調整が必要であるとともに、一般的な技術として全ての汚泥に対して適用できるものではなかった。ｐＨを調製する場合でも、凝集剤を使わずに済ませると、多量の酸やアルカリの消費が必要とされ、また、汚泥や消化液は分散している固形物濃度が大きく、その分だけ薬剤使用量は一般の水処理と比べて著しく大きくなる傾向にある。

一方、汚泥の電解酸化は以前から臭気除去等汚泥調質の一方法として行われていた（非特許文献１参照）。しかし、従来の電極（陽極）は、例えば単なる貴金属系（チタン基材に白金等が被覆された電極など）のものなどであり、この種の電極では、塩素ガスが発生しやすくなり、特に汚泥や消化液中に塩化物濃度の大きい場合（例えば０．５Ｍ）、塩素ガス発生が主要な陽極反応となり、その結果、親水性化合物に対する疎水化効果は出にくいことが多い。即ち、塩素ガスの酸化力では汚泥等の親水性化合物に対して固液分離効果を発現しにくく、そのため、無薬注の固液分離を容易に行うまでには至っていなかった。
廃棄物学会「電解汚泥を用いた下水臭気除去の基礎研究」廃棄物学会論文誌１４巻、２号、１０２〜１０８頁、２００３年

塩素でなく、酸素を発生する場合は発生期の酸素によって固形分中の親水基が分解を受け、比較的容易に、短時間に固液分離性が向上し、無薬注脱水ができるようになる。その結果として、プロセスの経済性が大きく向上すると共に、固液分離した固分の用途も拡大する。（例えば堆肥化など）
従って、本発明の目的は陽極で酸素活性種を発生させて、被処理物を酸化あるいは直接陽極上で電解酸化することによって固形物の親水性部分を酸化分解して、疎水性の度合を大きくし、結果的に無薬注で脱水処理を可能とする方法を見出すことにある。

斯かる実情に鑑み、本発明者は鋭意研究を行ったところ、汚泥やメタン発酵消化液等を、マンガン酸化物を担持させた電極を用いて陽極酸化処理すれば、固液分離が容易にできることを見出し本発明を完成した。

即ち本発明は、次の方法を提供するものである。

＜１＞メタン発酵消化液を、マンガン酸化物を担持させた電極を用いて陽極酸化処理した後、固液分離することを特徴とするメタン発酵消化液の処理方法。

＜２＞電極が、格子状又は板状である＜１＞記載の処理方法

＜３＞陽極酸化処理が、流動するメタン発酵消化液に陽極を浸漬し、隔膜を介して陰極を設置して行われることを特徴とする＜１＞又は＜２＞記載の処理方法。

＜４＞メタン発酵消化液の陽極酸化処理物に薬剤を注入することなく、固液分離する＜１＞、＜２＞又は＜３＞記載の処理方法。

＜５＞固液分離後、更に、乾燥及び塊状化することを特徴とする＜１＞〜＜４＞の何れか１項記載の処理方法。

＜６＞固液分離後、更に、乾燥及び溶融、又は焼却することを特徴とする＜１＞〜＜４＞の何れか１項記載の処理方法。
＜７＞前記陽極酸化処理時のみかけの電流密度が１０〜３００ｍＡ／ｃｍ ^２である＜１＞〜＜６＞の何れか１項記載の処理方法。
＜８＞固液分離を、ベルトプレス法を用いて行うことを特徴とする＜１＞〜＜７＞の何れか１項記載の処理方法。

本発明によれば、メタン発酵消化液を酸素発生陽極で電解処理することにより、無薬注での良好な脱水が可能となる。

本発明の方法は、メタン発酵消化液を、マンガン酸化物を担持させた電極を用いて陽極酸化処理した後、固液分離することを特徴とする。
以下、本発明を詳細に説明する。

１、電極
本発明には、マンガン酸化物を担持させた電極（陽極）を用いる。好ましい態様としては、金属基材、例えばチタンなどを基材として、その表面に酸化皮膜による電気抵抗が生じないように貴金属塗布（焼結、電着など）し、さらに、マンガン塩を被覆して酸化処理又は燒結処理したものが挙げられる。なお、完全な還元性雰囲気下の電気炉内での熱処理などによってチタン、マンガン両相を十分に密着させることができれば貴金属塗布を行わなくともよい。形状としては板状、格子状（板に破線状の切れ目を入れて引き延ばした「エクスパンドメタル」など）線状などが好ましい。大きさは特に限定されないが、一極板あたり数百ｃｍ²から数ｍ²好ましく、特にハンドリング性と均一な電位分布を維持するという観点から数千ｃｍ²が好ましい。なかでも１〜３０００ｃｍ²が特に好ましい。
マンガン塩としては、硝酸や酢酸などの水溶性塩が好ましく、その被覆方法としては、貴金属メッキした電極基材の水溶液中への浸漬、あるいは塗布法などが挙げられる。マンガン酸化物の被覆厚は、０．０１〜１００μｍが好ましく、さらに０．１〜１０μｍが好ましい。（剥離防止と導電性の兼ねあいになる。）
陰極は、特に限定されないが、白金系、鉄・ニッケル系などの水素過電圧が小さい極板等を用いることが所要電力を小さくする上で好ましい。

２、酸化処理槽
本発明に用いる酸化処理槽としては、陽極室と陰極室を有するものが好ましく、両極室間を隔膜（微多孔膜、イオン交換膜などが挙げられるが、両極液の分離性、導電性の点でイオン交換膜、特に陽イオン交換膜が好ましい。）で分離したものが、処理効率の向上のため好ましい。図１に複極式電解処理槽の例を示す。

送泥、送液はポンプあるいは重力落下方式等で行うことが好ましい。本電解槽は電気的に直列化した方が電力の取り扱いが容易かつ効率的（電圧を上げて、電流を小さくする。）であり、そのため複極式の電解槽とすることが好ましい。このとき極板の一方をマンガン酸化物担持陽極（酸素発生用）、他方を白金担持陰極（水素発生用）とすれば、極板そのものを複極仕切板および電極として使用できる。

３、処理条件
上記槽にかける電力は、例えば、見かけの電流密度（平板とみなした見かけの単位表面積あたりの電流値）として１０〜３００ｍＡ／ｃｍ²が好ましく、特に２０〜２００ｍＡ／ｃｍ²が好ましく、電圧は、その電流を流すための成り行き値（定電流電解）となる。
処理時の温度は、高い方が処理効果が大きく好ましいが、特に昇温のために新たにエネルギーを投入しなくとも、十分、処理は可能である。なお、高温メタン発酵の消化液は５５℃であり、この場合は、温度的に良好な酸化処理を行うことができる。

４、後処理
汚泥や消化液の電解処理物は、無薬注のまま、例えばベルトプレス脱水機にかけられ、固液分離される。このときの固側の含水率は７０〜８５重量％である。これを必要に応じて、乾燥処理し、ペレット化して保存性と運搬性に優れた固形燃料にするか、あるいは、バイオマス燃料として必要な場合、助燃剤を加えて焼却する方法を採ってもよい。（含水率７７〜７８％以下の汚泥は一般に自燃する。）乾燥装置は直接加熱型、間接型ともに良好に使用できる。ペレット化はダイス押出式やブリケット式等が好ましく使用できる。焼却炉は流動床式だけでなく、粉末状の乾燥汚泥を噴霧式に燃焼させることもでき、特にこの方法では経済的で安定した燃焼と蒸気回収が可能となる。

実施例および比較例
白金塗布したチタン基材エクスパンドメタル（デノラ社製）に酢酸マンガンを塗布して空気中１０００℃で燒結する操作を繰り返して、酸化マンガン層の厚さを約１μｍにしたマンガン酸化物担持陽極、白金塗布チタン基材エクスパンドメタル陰極（デノラ社製）、及び両極室を陽イオン交換膜（旭硝子社製、セレミオンＣＭＶ）で分離した縦型流通式電解槽（シングルセル）を用いて濃縮汚泥の酸化処理を行った。見かけの有効電極面積は約６００ｃｍ²（縦３０ｃｍ、横２０ｃｍ）であった。

下水活性汚泥処理施設の終沈濃縮汚泥（固形物濃度２．５ｗｔ％、１１０℃乾燥秤量による測定）およびメタン発酵消化液（固形物濃度８．２ｗｔ％）を入手し、（１）無処理のまま、（２）電流密度１００ｍＡ／ｃｍ²で１分通電、（３）同１５秒通電、（４）電流密度５０ｍＡ／ｃｍ²で３０秒通電、（５）同１５秒通電、（６）３０ｍＡ／ｃｍ²で３０秒通電、（７）白金陽極を使用し、１００ｍＡ／ｃｍ²で３０秒通電、（８）２０ｗｔ％ＰＡＣ（ポリ塩化アルミニウム）１ｗｔ％添加し無電解という各条件でベルトプレス脱水試験を行った（セキスイＳＴ型脱水機使用、処理速度を毎時３００Ｌとした）。電解処理の効果は脱水後、固形物側の含水率で評価した（低含水率ほど良好）。結果を表１に示す。なお、終沈濃縮汚泥を用いた処理は本発明の参考例である。

後処理
実施例１の実験（２）から（４）で得た下水汚泥と消化液の固形物側を混合し、乾燥試験、ペレット化試験、および燃焼（低位）熱測定を行った。
乾燥試験は内径３０ｍｍの小型管状炉（磁製管）に脱水物（固形物側）を詰めて、管外部から１００℃および２５０℃に電熱加熱して空気を毎分約３００ｍＬ流して乾燥した。１００℃の場合は約５分、２５０℃の場合は約２分で含水率７７ｗｔ％から約６５ｗｔ％まで乾燥することができた。これを厚さ１０ｍｍの金属板に径５ｍｍの穴をあけ、そこに乾燥物を詰めて、１０ｋｇの重量を懸けてペレット化した。このペレットの円柱縦方向の挫屈強度は５ｋｇ／ｃｍ²以上あり、袋詰めにして運搬するのにも十分な強度を有していた。
脱水物および乾燥物の低位発熱量はそれぞれ、１，５００ｋｃａｌ／ｋｇおよび３，８００ｋｃａｌ／ｋｇであり、脱水物も自燃するに十分な熱量を有していた。

汚泥処理、消化液の処理において、酸素発生陽極で電解処理することにより、無薬注での良好な脱水が可能になった。
また、脱水までの処理が迅速かつ、経済的に行えるようになったため、脱水物（固形物側）をさらに乾燥してペレット化して固体肥料として市場に流通させること、あるいは、バイオマス燃料として使用するプロセスも成立するようになった。
その結果、特にメタン発酵処理分野（バイオガス分野）において、その普及を大きく妨げていた消化液処理法の困難さ（液肥としての散布は、地下水の硝酸汚染を引き起こすため制限されるようになった。）を克服し、バイオガスの普及に大きく寄与できる。

複極式電解処理槽を示す図である。

符号の説明

１エンドプレート
２隔膜
３複極仕切板
４複極仕切板
５エンドプレート

Claims

メタン発酵消化液を、マンガン酸化物を担持させた電極を用いて陽極酸化処理した後、固液分離することを特徴とするメタン発酵消化液の処理方法。
電極が、格子状又は板状である請求項１記載の処理方法。
陽極酸化処理が、流動するメタン発酵消化液に陽極を浸漬し、隔膜を介して陰極を設置して行われることを特徴とする請求項１又は２記載の処理方法。
メタン発酵消化液の陽極酸化処理物に薬剤を注入することなく、固液分離する請求項１、２又は３記載の処理方法。
固液分離後、更に、乾燥及び塊状化することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の処理方法。
固液分離後、更に、乾燥及び溶融、又は焼却することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の処理方法。
前記陽極酸化処理時のみかけの電流密度が１０〜３００ｍＡ／ｃｍ ^２である請求項１〜６の何れか１項記載の処理方法。
固液分離を、ベルトプレス法を用いて行うことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項記載の処理方法。