JP5602898B2 - 有機性排水処理装置および処理方法 - Google Patents
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Description
なお、本明細書において、「低濃度有機性排水」とは、CODcr値が1000mg/L以下の有機性排水をいう。「所定の温度」とは、好ましくは20〜35℃、下水水温と発生ガスの熱エネルギ−から判断するとより好ましくは20〜25℃の範囲である。「酸発酵処理」とは、有機物中の多糖や蛋白質、脂質などの高分子物質がまず、単糖やアミノ酸、その他の単位構成分子に加水分解され、その後、酢酸、プロピオン酸等の揮発性脂肪酸や乳酸、コハク酸、更にはエタノ−ルなどのアルコ−ル類、水素、二酸化炭素などに分解される一連の処理を含む。酸生成に関与する微生物は通性嫌気菌である。「メタン発酵処理」とは、ORPが−330mV以下の範囲で行なう嫌気性生物学的処理をいう。「発酵ガス」とは、主にCO2ガスであり、一部H2ガスを含む。
酵工程において発生する発酵ガスを混合工程において混合水から分離することができる。そのため、発酵ガスがメタン発酵処理工程に流入し、スカムを発生させるのを防ぐことができる。
例えば、最初沈殿池汚泥の場合、酸発酵処理におけるHRTを2日とすると、酸発酵槽の温度20℃で、S−CODcr/CODcr比は0.15〜0.20(−)、VFA(asCODcr)/S−CODcr比は0.3〜0.4、酸発酵槽の温度25℃で、S−CODcr/CODcr比は0.15〜0.20(−)、VFA(asCODcr)/S−CODcrは0.55〜0.65となる。一方、UASBの濃縮汚泥の場合、酸発酵処理におけるHRTを2日とすると、酸発酵槽の温度20℃で、S−CODcr/CODcr比は0.10〜0.20(−)、VFA(asCODcr)/S−CODcr比は0.13〜0.20、酸発酵槽の温度25℃で、S−CODcr/CODcr比は0.10〜0.20(−)、VFA(asCODcr)/S−CODcr比は0.35〜0.45となる。このように、最初沈殿池汚泥、UASB槽の濃縮汚泥共に酸発酵槽の温度が高くなると酸生成菌の活性が上がるため、HRTは短縮され、水温20℃で最適HRTは2〜3日、水温25℃で最適HRTは1〜2日、水温30℃で最適HRTは0.5〜1.5日となる。UASB槽の濃縮汚泥は排水中の有機物がUASB槽で嫌気性菌により一部分解された後のものなので、最初沈殿池汚泥とUASB槽では、濃縮汚泥のS−CODcr/CODcr比、VFA(asCODcr)/S−CODcr比は、共にUASB槽の濃縮汚泥の方が小さい値になる。
なお、有機性排水処理装置101について記載した理由と同様の理由から、流入下水1と酸発酵処理水4’とを混合した後の混合水は、SS濃度を2000mg/L以下にすることが好ましく、特に1000mg/L以下にすることが好ましい。
一方で、年間を通して外気温が15℃以上の温暖化地域(例えば、日本では四国南部、九州南部等、海外では東南アジア、インド、ブラジル等)では、下水をメタン発酵処理すると、メタン発酵処理槽(例えばUASB槽)の温度は、15〜20℃以上になる場合が多く、メタン発酵処理槽内での汚泥の蓄積は少なくなる。しかし、このような地域でも、気象条件の変化により冬期での急激な気温低下や流入SS濃度変化によりUASB槽内に汚泥が蓄積する場合が考えられる。また、メタン発酵処理での発生ガス量を増やす目的で、UASB槽内に残存した有機物の一部を酸発酵処理することは有効な方法である。以上のような場合には、第2の実施の形態に係る有機性排水処理装置102(図3)を適用する。
なお、UASB槽の水温は気温の影響を受け、月単位の長いスパンで変化する。したがって、第1の開閉装置としてのバルブ51、第3の開閉装置としてのバルブ53、第4の開閉装置としてのバルブ54の開閉は、常に自動制御により行なう必要はなく、手動により開閉可能なものであってもよい。同様に、第2の開閉装置としてのバルブ52も必要に応じて手動により開閉可能であってもよい。
また、有機性排水処理装置101(図1)および有機性排水処理装置102(図3)では、バルブ51、52、53、および移送ポンプ61、62、63は省略されている。
ここで、UASB槽内温度が適正な場合とはUASB水温15℃以上、好ましくは20℃以上として設定する。適正なUASB槽内汚泥界面高さとは、有効水深5mの場合、汚泥界面高さ2.0〜3.0m(有効水深の40〜60%)が適正といえる。汚泥界面高さが3.5m(有効水深の70%)以上になった場合は、濃縮汚泥を酸発酵処理する必要がある。
UASB槽内温度は、槽底部から1.0m、槽底部から3mの箇所2箇所に温度計を設置し、その平均温度が適正温度範囲かどうかを判断することが好ましい。汚泥界面高さはMLSS濃度計(光電式)等を用いて測定する。
酸発酵に関与する酸生成菌は、通性嫌気性菌である。よって、図7に示すように、酸発酵槽20において汚泥の撹拌の代わりに空気g2を吹き込み、汚泥の撹拌と同時に酸発酵処理を進める。酸発酵処理により空気中の酸素は消費され、二酸化炭素が生成される。酸発酵槽20からの排ガスg3をメタン発酵処理槽40の後段に配置された溶存メタン回収槽70に吹き込み、メタン発酵処理水6中の溶存メタンを追い出しメタンガスを含む混合ガスg4として回収する。なお、空気g2の代わりに酸素を含有する気体を用いてもよい。
図9の表1に本実施例に用いた原水の性状を示す。平均値を見ると、SS濃度162mg/L、CODcr402mg/L、S−CODcr96mg/L、BOD165mg/L、S−BOD39mg/Lであった。
図10の表2に本実施例で用いた装置の仕様を示す。メタン発酵には、UASB槽(有効容量940L)を用いた。酸発酵には、酸発酵槽(有効容量60L)を用いた。UASB槽本体は鋼板製であり、GSS部分は透明塩ビ製である。UASB槽内の温度調整はバンドヒーターと温度コントローラーを用いて行なった。酸発酵槽内の撹拌は撹拌機で行なった。酸発酵槽内の温度調整は、UASB槽と同様にバンドヒーターと温度コントローラーを用いて行なった。
図11の表3に実施例1と比較例1の条件を示す。実施例1、比較例1ともに原水水量2.82m3/d、UASB槽のHRT8h、UASB槽内温度10〜20℃(Run1−1:20℃、Run1−2:15℃、Run1−3:10℃)の条件で実験を行なった。実施例1のRun1−1(UASB水温20℃)では、図8に示す有機性排水処理装置201の処理フローを用いた。Run1−2(UASB水温15℃)、Run1−3(UASB水温10℃)では、図1に示す有機性排水処理装置101の処理フローを用いた。最初沈殿池(固液分離装置)の水面積負荷は32.5m3/m2/d、最初沈殿池からの濃縮汚泥量は0.030m3/d、濃縮汚泥濃度は20000mg/Lであった。酸発酵槽の温度は、25℃、HRTは2dとした。比較例1のRun1−1〜Run1−3では、図8に示す有機性排水処理装置201の処理フローを用いた。
一方で、実施例1ではRun1−2(UASB水温15℃)から、原水を固液分離装置としての最初沈殿池に供給して固液分離し、濃縮汚泥を酸発酵槽に供給した。酸発酵槽は水温25℃、HRT2dの条件で、酸発酵処理した後、固液分離装置の分離水と混合後UASB槽に供給した。その結果、UASB槽内温度が10〜15℃に低下した期間においても、ガス発生量の顕著な低下は見られず、メタン発酵処理は良好に行なわれた(実験経過後60日目:191L/d、実験経過後120日目:191L/d、実験経過後180日目:160L/d)。さらに、UASB槽内の未分解SS分の増加はなく、汚泥界面の上昇は見られなかった(実験経過後60日目:2.7m、実験経過後120日目:2.7m、実験経過後180日目:2.8m)。
図11の表3に実施例2と比較例2の条件を示す。実施例2、比較例2ともに原水水量2.82m3/d、UASB槽のHRT8h、UASB槽内温度15〜25℃(Run2−1:25℃、Run2−2:20℃、Run2−3:15℃)の条件で実験を行なった。実施例2のRun2−1(UASB水温25℃)、Run2−2(UASB水温20℃)では、図8に示す有機性排水処理装置201の処理フローを用いた。Run2−3(UASB水温15℃)では、図3に示す有機性排水処理装置102の処理フローを用いた。UASB槽底部から1mの箇所にある排出汚泥管よりUASB槽内の汚泥を排出させた。UASB槽からの濃縮汚泥の排出量は0.015m3/d、濃縮汚泥濃度は40000mg/Lであった。酸発酵槽の温度は25℃、HRTは2dとした。比較例2のRun2−1〜Run2−3では、図8に示す有機性排水処理装置201の処理フローを用いた。
一方で、実施例2ではRun2−3(UASB水温15℃)になった時点で、UASB槽底部から1.0mの位置から汚泥を0.015m3/d排出させ、酸発酵槽に供給した。酸発酵槽は水温25℃、HRT2dの条件で、酸発酵処理した後、原水と混合後UASB槽に供給した。その結果、UASB槽内温度が15℃に低下した期間においても、ガス発生量の低下は見られず、メタン発酵処理は良好に行なわれた(実験経過後60日目:230L/d、実験経過後120日目:210L/d、実験経過後180日目:198L/d)。さらに、UASB槽内の未分解SS分の増加はなく、汚泥界面の上昇は見られなかった(実験経過後60日目:3.1m、実験経過後120日目:3.2m、実験経過後180日目:3.4m)。
UASB槽内温度は20℃であったため、図8に示す有機性排水処理装置201の処理フローで処理を行っていたが、UASB槽内汚泥界面の許容値を超えたため(界面4m)、実施例3では、UASB槽汚泥の一部を酸発酵処理し、流入原水と酸発酵処理水とを混合後UASB槽に供給した。すなわち、図5に示す第2の開閉装置52を開にし、UASB槽の濃縮汚泥(第2の濃縮汚泥)の移送ポンプ63、酸発酵処理水の移送ポンプ62を制御装置50を介してオン・オフ運転を行うようにした。比較例3では図8の処理フロ−のままで処理を行った。
実験開始後60日目において、実施例3では、汚泥界面は4.0mから3.5mに低下し、発生ガス量198L/日で安定した。一方、比較例3では汚泥界面は4.0mから4.5mに上昇し、UASB処理水に汚泥が流出し、処理水SS濃度が1000mg/L以上の高い数値となった。また同時にGSS部にスカムが溜まり発生ガス配管が閉塞し、GSSからのガス回収が不可能となり、発生ガスはUASB処理水と共に系外に排出されていた。
UASB槽内温度が13℃であったため、流入原水を固液分離し、濃縮汚泥(第1の濃縮汚泥)を酸発酵し、固液分離水と酸発酵処理水を混合後UASB槽に供給していた(図1に示す有機性排水処理装置101の処理フロー:すなわち、図5に示す第3の開閉装置53は開、第4の開閉装置54は閉、第1の開閉装置51は開、第2の開閉装置52は閉、移送ポンプ61、移送ポンプ62はオン・オフ運転中、移送ポンプ63はオフ)。UASB槽内汚泥界面の許容値3.8mを超えたため、実施例4では、UASB槽内汚泥濃縮汚泥(第2の濃縮汚泥)の一部を酸発酵処理し、固液分離水と酸発酵処理水と混合後UASB槽に供給した(すなわち、第2の開閉装置52を開、移送ポンプ63をオン・オフ運転)。比較例4では図1の処理フローのままで処理を行った。
実験開始後30日目において、実施例4では、汚泥界面は3.8mから3.3mに低下し、発生ガス量157L/日で安定した。一方、比較例4では、汚泥界面は3.8mから4.5mに上昇し、UASB処理水に汚泥が流出し、処理水SS濃度が3000mg/L以上の高い数値となった。また同時にGSS部にスカムが溜まり発生ガス配管が閉塞し、GSSからのガス回収が不可能となり、発生ガスはUASB処理水と共に系外に排出されていた。
2 固液分離水
3 第1の濃縮汚泥
4、4’酸発酵処理水
5、5’混合槽出口水
6 メタン発酵処理水、UASB処理水
7 第2の濃縮汚泥
8 メタン回収槽処理水
10 固液分離装置
20 酸発酵槽
30 混合槽、分配槽
40 メタン発酵処理槽、UASB槽
41 GSS(気固液分離部)
42 汚泥床
50 制御装置
51 第1の開閉装置、バルブ
52 第2の開閉装置、バルブ
53 第3の開閉装置、バルブ
54 第4の開閉装置、バルブ
61 移送装置(第1の濃縮汚泥3の移送ポンプ、移送先:酸発酵槽20)
62 移送装置(酸発酵処理水4(4’)の移送ポンプ、移送先:混合槽30)
63 移送装置(第2の濃縮汚泥7の移送ポンプ、移送先:酸発酵槽20)
70 溶存メタン回収槽
101、101’、102、103 有機性排水処理装置
201 従来のメタン発酵処理装置
g1 メタンガス
g2 空気
g3 排ガス
g4 混合ガス
h1 UASB槽における有効水深(h1=h2+h3+h4)
h2 UASB槽の濃縮汚泥を酸発酵槽へ送る配管位置(有効水深5mの場合は通常1mとする。)
h2+h3 UASB槽内における限界汚泥界面高さ(h3=2.5〜3m、有効水深5mの場合)
h4 UASB槽の上部水面から限界汚泥界面までの距離(UASB槽上部水面から汚泥界面計を用いて測定した場合の実測値)
Claims (4)
- 有機性排水を固液分離し、固液分離水と第1の濃縮汚泥に分ける固液分離装置と;
前記第1の濃縮汚泥を酸発酵処理する、所定の温度に維持された酸発酵槽と;
前記固液分離水と前記酸発酵槽で処理された酸発酵処理水を混合し、該混合水中に含まれる発酵ガスを分離する混合槽と;
発酵ガスが分離された混合槽出口水をメタン発酵処理するメタン発酵処理槽と;
前記メタン発酵処理槽の下流に設けられ、前記酸発酵槽で生成した排ガスを吹き込む溶存メタン回収槽を備える;
有機性排水処理装置。 - メタン発酵処理槽から排出された第2の濃縮汚泥を酸発酵処理する、所定の温度に維持された酸発酵槽と;
有機性排水および前記酸発酵槽で処理された酸発酵処理水を混合し、該混合水中に含まれる発酵ガスを分離する混合槽と;
発酵ガスが分離された混合槽出口水をメタン発酵処理する、前記メタン発酵処理槽と;
前記メタン発酵処理槽の下流に設けられ、前記酸発酵槽で生成した排ガスを吹き込む溶存メタン回収槽を備える;
有機性排水処理装置。 - 有機性排水を固液分離し、固液分離水と第1の濃縮汚泥に分ける分離工程と;
前記第1の濃縮汚泥を、所定の温度で酸発酵処理する酸発酵工程と;
前記固液分離水と前記酸発酵工程で処理された酸発酵処理水を混合し、該混合水中に含まれる発酵ガスを分離する混合工程と;
発酵ガスが分離された混合槽出口水をメタン発酵処理するメタン発酵処理工程と;
前記メタン発酵処理工程で処理されたメタン発酵処理水に前記酸発酵工程で生成した排ガスを吹き込むことにより、前記メタン発酵処理水に溶存したメタンを回収する回収工程を備える;
有機性排水処理方法。 - メタン発酵処理工程から排出された第2の濃縮汚泥を、所定の温度で酸発酵処理する酸発酵工程と;
有機性排水および前記酸発酵工程で処理された酸発酵処理水を混合し、該混合水中に含まれる発酵ガスを分離する混合工程と;
発酵ガスが分離された混合槽出口水をメタン発酵処理する前記メタン発酵処理工程と;
前記メタン発酵処理工程で処理されたメタン発酵処理水に前記酸発酵工程で生成した排ガスを吹き込むことにより、前記メタン発酵処理水に溶存したメタンを回収する回収工程を備える;
有機性排水処理方法。
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