JP5211769B2 - 有機性廃液の生物処理方法及び処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機性廃液を嫌気性微生物を含む汚泥の存在下で嫌気性消化し、消化汚泥を濃縮して嫌気性消化槽に返送する生物処理方法及び処理装置に係り、特に、消化汚泥を効率的に濃縮して処理効率を高める方法及び装置に関する。

有機性汚泥、し尿、食品工場廃水等のスラリー状の高濃度有機性廃液（有機性汚泥）を嫌気性微生物の存在下に消化処理して有機物を分解する方法は古くから行われている。しかし、従来の消化処理法は、２日間以上という長い滞留時間を必要とするにもかかわらず、汚泥有機物の分解率が低いという問題点がある。

こうした問題点を解決するために、特許文献１には、有機性廃液を消化処理した後の消化汚泥を遠心濃縮し、濃縮汚泥を消化槽に返送する消化処理方法が記載されている。この方法では、消化槽の負荷量を減少させることなく、汚泥の消化槽内での滞留時間を増加させることによって、有機物分解率を向上させ、汚泥の減量率を高めることができる。即ち、濃縮汚泥を消化槽に返送することにより、ＨＲＴ（水理学的滞留時間）はそのままで、ＳＲＴ（固形物滞留時間）を長く設定することができ、有機性廃液中の分解速度が遅い固形分をも分解することが可能となり、高い有機物分解率を得ることができる。

また、特許文献２には、このように、消化汚泥を遠心濃縮し、濃縮汚泥を消化槽に返送するに当たり、消化汚泥に凝集剤を添加する方法が記載されている。この特許文献２には、消化汚泥に添加する凝集剤の種類についての記載はなされていないが、一般に消化汚泥の濃縮効率を高めるための凝集剤としては、添加量が少なくて済み、また、凝集剤由来の汚泥発生量が少ないという点から、高分子凝集剤が用いられている。
特許第２６４１００９号公報 特開平８−２８１２９７号公報

しかしながら、消化汚泥に凝集剤を添加して濃縮し、濃縮汚泥を消化槽に返送する消化処理法において、凝集剤として高分子凝集剤を用いた場合には、次のような問題が起こる。

（１） 消化処理での有機物分解率が高くなると、有機物の分解に伴い生成する不活性な溶解性有機物が消化汚泥中に増加し、これらの溶解性有機物の荷電中和に高分子凝集剤が消費されることで、効率的な濃縮を行うために必要な凝集剤添加量が増大する。

（２） 消化処理での有機物分解率が高くなると、有機性廃液中の硫黄に由来する硫化水素の発生量が増加し、消化ガスの処理や利用にあたって、ガス中の硫化水素の除去（脱硫）に必要な薬剤などが増加する。

（３） 濃縮汚泥の返送で、消化槽でのＳＲＴを長くして汚泥減量率を高めると、有機性廃液中の窒素、リン、マグネシウムに由来する液中のアンモニウムイオン、リン酸イオン、マグネシウムイオンの濃度が増加し、消化汚泥の濃縮で排出される分離液中で、ＭＡＰ（リン酸マグネシウムアンモニウム）が析出し、分離液配管の閉塞といった障害を引き起こす。

本発明の目的は、上記従来の問題点を解決し、消化汚泥の濃縮時の高分子凝集剤添加量の低減、消化ガス中の硫化水素濃度の低減、脱離液におけるＭＡＰの析出抑制を同時になした上で、有機物分解率を向上させ、汚泥の減量率を高めることができる有機性廃液の生物処理方法及び処理装置を提供することにある。

本発明（請求項１）の有機性廃液の生物処理方法は、嫌気性微生物を含む汚泥の存在下に有機性廃液を嫌気性消化処理する嫌気性消化工程と、該嫌気性消化工程の消化汚泥の一部を濃縮汚泥と分離液とに固液分離する固液分離工程と、固液分離された濃縮汚泥の一部または全部を前記嫌気性消化工程に返送する汚泥返送工程とを備える有機性廃液の生物処理方法において、固液分離に供される消化汚泥に鉄系凝集剤と高分子凝集剤とを添加する凝集処理工程を有し、前記鉄系凝集剤の添加量が、固液分離に供される汚泥の固形物あたりの鉄換算量として０．２〜１．０重量％であり、添加した該鉄系凝集剤の一部を前記消化汚泥中のリン酸イオンと反応させてリン酸鉄として析出させ、前記嫌気性消化工程において汚泥の分解に伴って生成する硫化水素と鉄系凝集剤とを反応させて硫化鉄を生成させることを特徴とする。

請求項２の有機性廃液の生物処理方法は、請求項１において、前記鉄系凝集剤を前記嫌気性消化工程から前記固液分離工程に送られる消化汚泥に添加し、前記高分子凝集剤を前記固液分離工程に添加することを特徴とする。

請求項３の有機性廃液の生物処理方法は、請求項１又は２において、前記鉄系凝集剤が塩化第二鉄であることを特徴とする。

請求項４の有機性廃液の生物処理方法は、請求項１ないし３のいずれか１項において、前記固液分離を遠心分離機により行うことを特徴とする。

本発明（請求項５）の有機性廃液の生物処理装置は、嫌気性微生物を含む汚泥の存在下に有機性廃液を嫌気性消化処理する嫌気性消化槽と、該嫌気性消化槽の消化汚泥の一部を濃縮汚泥と分離液とに固液分離する固液分離手段と、固液分離された濃縮汚泥の一部または全部を前記嫌気性消化槽に返送する汚泥返送手段とを備える有機性廃液の生物処理装置において、固液分離に供される消化汚泥に鉄系凝集剤と高分子凝集剤とを添加する凝集剤添加手段を有し、前記鉄系凝集剤の添加量が、固液分離に供される汚泥の固形物あたりの鉄換算量として０．２〜１．０重量％であり、添加した該鉄系凝集剤の一部を前記消化汚泥中のリン酸イオンと反応させてリン酸鉄として析出させ、前記嫌気性消化槽において汚泥の分解に伴って生成する硫化水素と鉄系凝集剤とを反応させて硫化鉄を生成させることを特徴とする。

請求項６の有機性廃液の生物処理装置は、請求項５において、前記鉄系凝集剤が塩化第二鉄であることを特徴とする。

請求項７の有機性廃液の生物処理装置は、請求項５又は６において、前記消化汚泥の一部と前記有機性廃液と前記鉄系凝集剤とを混合する混合槽を有し、該有機性廃液は該混合槽及び固液分離手段を経て前記嫌気性消化槽に導入されることを特徴とする。

請求項８の有機性廃液の生物処理装置は、請求項５ないし７のいずれか１項において、前記固液分離手段が遠心分離機であることを特徴とする。

本発明の有機性廃液の生物処理方法及び処理装置によれば、消化汚泥に鉄系凝集剤と高分子凝集剤とを併用添加して凝集処理することにより、消化汚泥の固液分離時の高分子凝集剤添加量の低減、消化ガス中の硫化水素濃度の低減、脱離液におけるＭＡＰの析出抑制を同時になした上で、有機物分解率を向上させ、汚泥の減量率を高めることができる。

即ち、本発明においては、消化汚泥に鉄系凝集剤を添加することにより、消化汚泥中の溶解性有機物の荷電を中和し、溶解性有機物の荷電中和に消費される高分子凝集剤量を低減することで、高分子凝集剤の必要添加量を低減することができる。また、消化汚泥に添加された鉄系凝集剤の鉄イオンは、汚泥粒子の荷電中和に用いられる他、一部は液中のリン酸イオンと結合してリン酸鉄（ＦｅＰＯ_４）として析出する。このことで、液中のリン酸イオン濃度が低下し、排出される分離液におけるＭＡＰ析出が抑制される。また、濃縮汚泥とともに嫌気性消化槽に返送された鉄は、消化槽内で汚泥の分解に伴って生成する硫化水素と優先的に結合し、硫化鉄を生成する。このことで、消化ガス中の硫化水素濃度が低減し、消化ガスの脱硫に必要な薬剤などが低減される。

本発明において、固液分離に供される汚泥への鉄系凝集剤添加量は、鉄換算量として汚泥の固形分当たり０．２〜１．０重量％とすることが好ましく、これにより、鉄系凝集剤由来の無機汚泥の過度の生成を抑えながら、分離液のＭＡＰ析出、及び、消化ガス中の硫化水素濃度低減をなし得、かつ、高分子凝集剤の使用量を少なくして効率的な濃縮を行うことが可能となる。

また、有機性廃液は、直接消化槽に導入する他、消化槽からの消化汚泥と共に凝集処理して固液分離した後消化槽に導入しても良く、これにより、有機性廃液中の固形分の除去と消化汚泥の固液分離とを同時に行って、処理効率の向上を図ることができる（請求項７）。

また、汚泥の固液分離手段としては、少ない凝集剤添加量で効率的な固液分離を行えることから、遠心分離機が好ましい（請求項４，８）。

以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１，２は本発明の有機性廃液の生物処理装置の実施の形態を示す系統図である。

本発明は、嫌気性微生物を含む汚泥の存在下に有機性廃液を嫌気性消化（メタン発酵）処理し、消化汚泥の一部を濃縮汚泥と分離液とに固液分離して、濃縮汚泥の一部または全部を嫌気性消化槽に返送する有機性廃液の生物処理において、消化汚泥の固液分離を鉄系凝集剤及び高分子凝集剤により凝集させた消化汚泥に対して行うことを特徴とするものである。

本発明において、処理の対象となる有機性廃液は、嫌気性消化によって処理される有機物を含有する廃液（汚泥を含む）であり、固形物を含むスラリー状のものでも、固形物を含まない液状のものでもよい。また、難生物分解性の有機物、無機物、セルロース、紙、綿、ウール、布、し尿中の固形物などが含有されていてもよい。このような有機性廃液としては下水、下水初沈汚泥、し尿、浄化槽汚泥、食品工場廃水、ビール廃酵母、その他の産業廃液、これらの廃液を処理した際に生じる余剰汚泥等の汚泥が挙げられる。

図１において、有機性廃液は、配管１１より嫌気性消化槽１に導入されて嫌気性消化（メタン発酵）処理される。嫌気性消化槽１は、嫌気性微生物を含む汚泥の存在下に、上記有機性廃液をメタン発酵により処理する槽である。嫌気性微生物を含む汚泥は酸生成菌とメタン生成菌を含む。嫌気性消化工程において、有機成分は嫌気性微生物により液化→低分子化→有機酸生成→メタン生成のステップによりメタンガスに転換される。

嫌気性消化槽１におけるメタン発酵は、３５℃付近に最適温度を有する中温メタン生成菌が増殖する３０〜４０℃、または、５５℃付近に最適温度を有する高温メタン生成菌が増殖する５０〜６０℃で行われる。高温メタン生成菌であれば、中温メタン生成菌に比べ増殖が速いため滞留時間が短くてよく、汚泥濃度を低くすることができる。従って、高温メタン生成菌は、槽内の加温に要する熱量が増えるものの、槽内汚泥濃度が一定の条件で比較すればより高い有機物負荷に対しても処理が可能となる。さらに、汚泥の粘性は温度が高いほど低くなることから、高温消化では中温消化より高い濃度でも撹拌混合の問題なく処理することができる。

嫌気性消化槽１での汚泥の滞留時間（ＨＲＴ）は５日以上、好ましくは１５〜５０日であり、有機物負荷は０．５〜５．０ｋｇ−ＶＳＳ／ｍ^３ｄａｙ、嫌気性消化槽１内のＳＳ濃度は２０，０００〜１２０，０００ｍｇ／Ｌ（２〜１２重量％）、好ましくは４０，０００〜８０，０００ｍｇ／Ｌ（４〜８重量％）である。また、嫌気性消化槽１での温度は３０〜６０℃の条件で嫌気性消化処理することができる。

嫌気性消化槽１の消化汚泥は、その一部を配管１２より引き抜いて固液分離手段（図１では遠心分離機）２に送給して固液分離し、分離液を配管１３より系外へ排出すると共に、濃縮汚泥を配管１４より嫌気性消化槽１に返送する。

図１の装置では、消化汚泥を遠心分離機１に送給する配管１２に、鉄系凝集剤を添加する薬注配管１５が設けられており、また、遠心分離機２に高分子凝集剤を添加する薬注配管１６が設けられている。

本発明においては、このように、消化汚泥の固液分離に際して、汚泥を効率的に濃縮するために、鉄系凝集剤と高分子凝集剤を添加する。

鉄系凝集剤は、消化汚泥が固液分離手段２に至るまでの配管中に添加することが好ましく、この配管に混合槽を設け、そこで消化汚泥と混合するようにしてもよい。また、高分子凝集剤は、鉄系凝集剤の添加位置から消化汚泥が固液分離手段２に至るまでに配管に添加することが好ましいが、固液分離手段２として遠心分離機を用いる場合は、図１に示す如く、機内注入するのがよい。

鉄系凝集剤としては、塩化第二鉄、硫酸第二鉄、硫酸第一鉄、ポリ硫酸鉄などを用いることができるが、濃縮汚泥中に含有されて嫌気性消化槽１に返送された後、硫化水素の生成につながらないことから、塩化第二鉄が望ましい。

高分子凝集剤としては、カチオン性、または両性の高分子凝集剤が望ましい。

鉄系凝集剤及び高分子凝集剤は、それぞれ１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。

鉄系凝集剤の添加量は、鉄換算量として、固液分離に供される消化汚泥（後述の図２の場合は、消化汚泥と有機性廃液）の固形物（ＳＳ）あたり０．２〜１．０重量％とし、また、高分子凝集剤の添加量は、固液分離に供される消化汚泥（後述の図２の場合は、消化汚泥と有機性廃液）の固形物（ＳＳ）あたり０．０５〜１．０重量％とすることが好ましく、このような添加量で凝集剤を添加することにより、鉄系凝集剤由来の無機汚泥の過度の生成を抑えながら、分離液のＭＡＰ析出防止、及び消化ガス中の硫化水素濃度低減をなし得、かつ、高分子凝集剤の使用量を少なくして効率的な濃縮を行うことができ、好ましい。

固液分離手段１での固液分離で得られた分離液は、処理水としてそのまま下水等へ放流することができるが、好気性生物処理、その他の後処理を行った後放流してもよい。

なお、図１の装置において、嫌気性消化槽１でのメタン発酵処理で発生する消化ガスは、配管１７より脱硫塔４に送給され、鉄系の脱硫剤等により脱硫処理された後、配管１８より他系統に送給され、ガス中のメタンガスが有効利用される。

また、嫌気性消化槽１での無機成分や難生物分解性有機成分の蓄積を防ぐために、嫌気性消化槽１の消化汚泥または固液分離手段２の濃縮汚泥の一部を余剰汚泥として排出し、脱水、焼却、埋立等の処分を行うようにすることが好ましい。図１では、このため、消化汚泥の移送配管１２から消化汚泥の一部を配管１９より引き抜いて、脱水機３で脱水処理し、脱水ケーキを配管２０より系外へ排出する。

図２の装置は、消化汚泥を凝集処理する混合槽５を設け、この混合槽５に嫌気性消化槽１からの消化汚泥を導入すると共に、被処理有機性廃液を導入し、鉄系凝集剤を添加して消化汚泥を有機性廃液と共に凝集処理した後、配管２１より固液分離手段２に送給して固液分離する点が図１に示す装置と異なり、その他は同様の構成とされている。

このように、有機性廃液を消化汚泥と共に混合して固液分離した後の濃縮汚泥として嫌気性消化槽１に導入することにより、有機性廃液の固液分離手段を消化汚泥の固液分離手段と兼用することができ、また、有機性廃液のＳＳ濃度は、消化汚泥よりも低く、希薄なことが多いため、有機性廃液と共に混合して固液分離することにより、固液分離手段における処理汚泥量や凝集剤使用量が削減されるという点においても有利である。

この図２の装置における鉄系凝集剤及び高分子凝集剤の好適添加量、その他の好適処理条件は、図１におけると同様である。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

以下の実施例及び比較例では、図1の装置により、下水処理場の嫌気性消化汚泥（ＳＳ濃度：２１ｇ／Ｌ、ＶＳＳ／ＳＳ比：０．７０）を種汚泥として、混合生汚泥（ＳＳ濃度：平均３２ｇ／Ｌ、ＶＳＳ／ＳＳ比：０．８２）の嫌気性消化処理を行った（有機物負荷＝０．６６ｋｇ−ＶＳＳ／ｍ^３ｄａｙ）。嫌気性消化槽１は実容量１０ｍ^３であり、温度を３７℃に維持した。混合生汚泥を２５０Ｌ／ｄａｙ投入し（ＨＲＴ４０ｄａｙ）、槽内の液量を一定に保つように消化汚泥を引き抜き、遠心分離機２で濃縮して分離液を系外へ排出し、濃縮汚泥を消化槽１に返送した。また、嫌気性消化槽１内のＳＳ濃度が５００００ｍｇ／Ｌを超えないように適宜、消化汚泥の引き抜きを行い、遠心脱水機３で脱水し、脱水ケーキを系外へ排出した。嫌気性消化槽１で発生した消化ガスは、脱硫塔４にて鉄系の脱硫剤により脱硫処理を行った。

＜実施例１＞
消化汚泥を遠心分離機２で濃縮するに当たり、塩化第二鉄を、鉄換算量として、消化汚泥のＳＳあたり０．５重量％添加して遠心分離機２に導入すると共に、カチオン性高分子凝集剤（栗田工業（株）製クリフィクスＣＰ６０４）を、分離液のＳＳ濃度が１，０００ｍｇ／Ｌ以下となるような量に調整して、遠心分離機２に注入添加した。

＜実施例２＞
消化汚泥の遠心濃縮において、塩化第二鉄を、鉄換算量として、消化汚泥のＳＳあたり１．５重量％添加したこと以外は、実施例１と同様に行った。

＜比較例１＞
消化汚泥の遠心濃縮において、塩化第二鉄を添加せず、カチオン性高分子凝集剤のみを用いたこと以外は実施例１と同様に行った。

実施例１，２及び比較例１において、処理開始後３ヶ月が経過し、嫌気性消化槽内のＳＳ濃度が５０ｇ／Ｌに達した後の処理状況（平均値）を表１に示す。

表１より次のことが分かる。

鉄系凝集剤と高分子凝集剤とを併用した実施例１，２では、比較例１に比べ、消化汚泥の遠心濃縮時の高分子凝集剤の添加量を３〜５割低減することができ、添加した鉄系凝集剤の分、引き抜き汚泥量は増えるものの、汚泥中に無機物が多くなることで脱水ケーキの含水率が低下した。特に、実施例１では、比較例１に比べて有機物分解率の低下の問題はなく、従って、消化ガス量は比較例１と同程度を維持することができ、一方で脱水ケーキ量は比較例１よりも１割減少した。また、実施例１，２では、消化ガス中の硫化水素濃度が比較例１の場合の１／３０以下に低減されることで脱硫剤の交換頻度が大幅に少なくて済むようになる上に、分離液のリン酸態リン濃度も１／３０以下に低減されて、比較例１で見られた分離液配管のＭＡＰスケール生成も見られなかった。
なお、鉄系凝集剤の添加量を多くした実施例２では、高分子凝集剤の添加量を比較例１の半分程度まで低減することができたが、引き抜き汚泥量が３割程度増加し、脱水ケーキ量も増加した。また、汚泥引き抜き量が増えたことでＳＲＴが短くなり、有機物分解率が低下し、消化ガス量は１割減少したことから、鉄系凝集剤には好適添加量が存在することが分かる。

本発明の有機性廃液の生物処理装置の実施の形態を示す系統図である。 本発明の有機性廃液の生物処理装置の他の実施の形態を示す系統図である。

符号の説明

１ 嫌気性消化槽
２ 固液分離手段（遠心分離機）
３ 脱水機
４ 脱硫塔
５ 混合槽

Claims (8)

1. 嫌気性微生物を含む汚泥の存在下に有機性廃液を嫌気性消化処理する嫌気性消化工程と、該嫌気性消化工程の消化汚泥の一部を濃縮汚泥と分離液とに固液分離する固液分離工程と、固液分離された濃縮汚泥の一部または全部を前記嫌気性消化工程に返送する汚泥返送工程とを備える有機性廃液の生物処理方法において、
   固液分離に供される消化汚泥に鉄系凝集剤と高分子凝集剤とを添加する凝集処理工程を有し、
   前記鉄系凝集剤の添加量が、固液分離に供される汚泥の固形物あたりの鉄換算量として０．２〜１．０重量％であり、
   添加した該鉄系凝集剤の一部を前記消化汚泥中のリン酸イオンと反応させてリン酸鉄として析出させ、
   前記嫌気性消化工程において汚泥の分解に伴って生成する硫化水素と鉄系凝集剤とを反応させて硫化鉄を生成させることを特徴とする有機性廃液の生物処理方法。
2. 請求項１において、前記鉄系凝集剤を前記嫌気性消化工程から前記固液分離工程に送られる消化汚泥に添加し、前記高分子凝集剤を前記固液分離工程に添加することを特徴とする有機性廃液の生物処理方法。
3. 請求項１又は２において、前記鉄系凝集剤が塩化第二鉄であることを特徴とする有機性排液の嫌気性処理方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、前記固液分離を遠心分離機により行うことを特徴とする有機性廃液の生物処理方法。
5. 嫌気性微生物を含む汚泥の存在下に有機性廃液を嫌気性消化処理する嫌気性消化槽と、該嫌気性消化槽の消化汚泥の一部を濃縮汚泥と分離液とに固液分離する固液分離手段と、固液分離された濃縮汚泥の一部または全部を前記嫌気性消化槽に返送する汚泥返送手段とを備える有機性廃液の生物処理装置において、
   固液分離に供される消化汚泥に鉄系凝集剤と高分子凝集剤とを添加する凝集剤添加手段を有し、
   前記鉄系凝集剤の添加量が、固液分離に供される汚泥の固形物あたりの鉄換算量として０．２〜１．０重量％であり、
   添加した該鉄系凝集剤の一部を前記消化汚泥中のリン酸イオンと反応させてリン酸鉄として析出させ、
   前記嫌気性消化槽において汚泥の分解に伴って生成する硫化水素と鉄系凝集剤とを反応させて硫化鉄を生成させることを特徴とする有機性廃液の生物処理装置。
6. 請求項５において、前記鉄系凝集剤が塩化第二鉄であることを特徴とする有機性廃液の生物処理装置。
7. 請求項５又は６において、前記消化汚泥の一部と前記有機性廃液と前記鉄系凝集剤とを混合する混合槽を有し、該有機性廃液は該混合槽及び固液分離手段を経て前記嫌気性消化槽に導入されることを特徴とする有機性排液の嫌気性処理装置。
8. 請求項５ないし７のいずれか１項において、前記固液分離手段が遠心分離機であることを特徴とする有機性廃液の生物処理装置。

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