JP6460935B2

JP6460935B2 - 排水の嫌気発酵処理方法、嫌気発酵処理用の微生物担体、及び嫌気発酵処理装置

Info

Publication number: JP6460935B2
Application number: JP2015145279A
Authority: JP
Inventors: 創生田; 穣森田; 小林　茂樹; 茂樹小林; 一洋美川; 直樹安部; 正広後藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2035-07-22
Also published as: JP2017023943A

Description

本発明は、排水の嫌気発酵処理方法、嫌気発酵処理用の微生物担体、及び嫌気発酵処理装置に関する。

嫌気発酵処理は、好気処理のような曝気が不要で低コストな水処理技術である（特許文献１参照）。この嫌気発酵処理は、高有機物濃度の排水の処理には有効であるが、中低有機物濃度の排水に対してはその効果は限定的である。このため、良好な処理水質を得るためには嫌気発酵処理の後段に好気処理が必要であった。

特開２０１３−２４０７６８号公報

しかし、電力事情が良好でない地域では、恒常的に好気処理を行うための電力を得ることが困難であり、嫌気発酵処理にのみにより良好な処理水質にすることが求められている。

そこで、本発明は、嫌気発酵処理のみで良好な処理水質を得ることが可能な排水の嫌気発酵処理方法、嫌気発酵処理用の微生物担体、及び嫌気発酵処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る排水の嫌気発酵処理方法は、第１には、反応槽内部に配置された固定ろ床よりも低くなる前記反応槽の位置から排水を供給し、前記反応槽内の微生物からなる汚泥により前記排水を嫌気発酵処理しつつ前記反応槽上部から処理水を排出する排水の嫌気発酵処理方法において、前記処理水を固液分離して前記汚泥を回収するとともに前記汚泥を固めて微生物担体を形成して前記固定ろ床の上部に配置することを特徴とする。

上記方法において、固定ろ床よりも上の領域にある排水を有効に嫌気発酵処理する微生物はその領域に多く存在する。しかし、その微生物からなる汚泥は処理水とともに排出されてしまう。

しかし、上記方法によれば、処理水から固液分離して回収した汚泥を原料とした微生物担体の見かけの比重を排水よりも高くすることができる。これにより、当該微生物担体を固定ろ床の上部に配置しても、微生物担体が処理水とともに排出されなくなり、固定ろ床よりも上の領域にある排水の嫌気発酵処理を有効に行う微生物の漏出を防止して、排水の嫌気発酵処理を効率的かつ安定的に行うことができる。

第２には、前記固定ろ床よりも上となる領域における前記排水の有機物濃度は、ＴＯＣ濃度で１ｍｇ／Ｌ以上１００ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする。
上記方法により、当該有機物濃度において有効に嫌気発酵処理する微生物は排水の固定ろ床よりも上となる領域において高密度に存在するため、これを回収して微生物担体として元に戻すことにより排水の嫌気発酵処理を効率的に行うことができる。

第３には、前記処理水を沈殿槽に導入して前記汚泥を前記沈殿槽に沈殿させることにより前記固液分離を行うことを特徴とする。
上記方法により、電力を必要とせず、簡易な方法で汚泥を回収することができる。

本発明に係る嫌気発酵処理用の微生物担体は、第１には、反応槽内部に配置された固定ろ床よりも低くなる前記反応槽の位置から排水を供給し、前記反応槽内の微生物からなる汚泥により前記排水を嫌気発酵処理しつつ前記反応槽上部から処理水を排出し、前記処理水を固液分離して前記汚泥を回収するとともに前記汚泥を固めて形成したことを特徴とする。

上記構成により、処理水から固液分離して回収した汚泥を原料とした微生物担体の見かけの比重を排水よりも高くすることができる。これにより、当該微生物担体を固定ろ床の上部に配置しても、微生物担体が処理水とともに排出されなくなり、固定ろ床よりも上の領域にある排水の嫌気発酵処理を有効に行う微生物の漏出を防止して、排水の嫌気発酵処理を効率的かつ安定的に行うことができる。

第２には、前記固液分離により得られた前記汚泥が代謝を維持可能な最小気質濃度は、ＴＯＣ濃度で１ｍｇ／Ｌ以上１００ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする。
上記構成により、当該有機物濃度において有効に嫌気発酵処理する微生物は排水の固定ろ床よりも上となる領域において高密度に存在するため、これを回収して微生物担体として元に戻すことにより排水の嫌気発酵処理を効率的に行うことができる。

本発明に係る嫌気発酵処理装置は、前述の嫌気発酵処理用の微生物担体を用いた嫌気発酵処理装置であって、前記固定ろ床が配置されるとともに排水を貯留し、微生物からなる汚泥により前記排水を嫌気発酵処理する反応槽と、前記反応槽の前記固定ろ床よりも低い位置に新たな排水を導入して前記反応槽の上部から処理水を排出させる導入管と、を有し、前記処理水から前記汚泥を固液分離する分離手段が設けられ、前記固定ろ床の上部には、前記汚泥を固めた前記微生物担体が配置可能となっていることを特徴とする。

上記構成により、処理水から固液分離して回収した汚泥を原料として微生物担体を形成することができるが、その見かけの比重を排水よりも高くすることができる。これにより、当該微生物担体を固定ろ床の上部に配置しても、微生物担体が処理水とともに排出されなくなり、固定ろ床よりも上の領域にある排水の嫌気発酵処理を有効に行う微生物の漏出を防止して、排水の嫌気発酵処理を効率的かつ安定的に行うことが可能な嫌気発酵処理装置となる。

本発明に係る排水の嫌気発酵処理方法、嫌気発酵処理用の微生物担体、及び嫌気発酵処理装置によれば、処理水から固液分離して回収した汚泥を原料とした微生物担体の見かけの比重を排水よりも高くすることができる。これにより、当該微生物担体を固定ろ床の上部に配置しても、微生物担体が処理水とともに排出されなくなり、固定ろ床よりも上の領域にある排水の嫌気発酵処理を有効に行う微生物の漏出を防止して、排水の嫌気発酵処理を効率的かつ安定的に行うことができる。

第１実施形態の嫌気発酵処理装置の模式図である。第２実施形態の嫌気発酵処理装置の模式図である。反応槽の各位置にある汚泥の気質濃度の違いによる比気質消費速度の関係を示す図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

図１に、第１実施形態の嫌気発酵処理装置の模式図を示す。本実施形態の嫌気発酵装置１０は、反応槽１２、分離手段３４を有する。反応槽１２は、実質的に外気に遮断された円筒形の容器となっており、その内部に排水１４が蓄えられ、さらに排水１４を嫌気発酵処理する汚泥（微生物）（不図示）が混ぜられている。反応槽１２の下部は下に行くほど径が小さくなるテーパー形状になっており、その最下部から堆積汚泥２０（微生物）を取り出すことができる。

反応槽１２内において、反応槽１２の下部よりも上となる位置には多数（多段）の固定ろ床２２が配置されている。固定ろ床２２は、円形の板材であって、ワイヤー２４等により支持され高さ方向に一定の間隔で並ぶように配置されている。上部（最上段）にある固定ろ床２２ａは、ほぼ同一の高さ位置に配置されているが、それより下に配置された固定ろ床２２であって、互いに隣接するワイヤー２４の一方に取り付けられた固定ろ床２２と、他方に取り付けられた固定ろ床２２は、高さ方向で千鳥配置となるように配置されている。なお、固定ろ床２２，２２ａは、嫌気発酵処理により発生したメタンと当該メタンに取り込まれた汚泥とを分離するものであるが、後述のように嫌気発酵処理する微生物担体４６を配置することができる。

反応槽１２の上部には、反応槽１２の側壁よりも内側に外壁を有する排出部２６が形成され、排出部２６の上端からあふれ出るように処理水１８が排出される。

反応槽１２の中心には導入管２８が配置され、導入管２８は、反応槽の上部を封止する上蓋３０を貫通して排出部２６から挿通し、反応槽１２内部の下部（固定ろ床２２の下部よりも低くなる位置）において開口部を有している。そして、導入管２８は、排水１４（生活排水、工業排水等）を導入し、開口部から排水１４を供給する。

上記構成において、反応槽１２内には排水１４を機械的に撹拌する装置は有していない。よって、排水１４は、固定ろ床２２よりも下となる部分で高有機物濃度領域を形成し、それより上方に移動するにつれ有機物濃度が減少し、最上段の固定ろ床２２ａ付近では中低有機物濃度領域を形成する。

この状態で導入管２８から新たな排水１４を導入すると新たな排水１４を導入した体積分、この新たな排水１４に押し出される形で排出部２６から処理水１８（排水１４の上澄み）が排出される。新たな排水１４は高有機物濃度領域において良好な嫌気発酵処理ができる汚泥（微生物）により嫌気発酵処理がなされ、すでに高有機物濃度領域にあった排水１４は新たな排水１４により固定ろ床２２が配置された領域に押し上げられる。

固定ろ床２２が配置された領域では、汚泥（微生物）の嫌気発酵処理により発生するメタンが汚泥を取り込み、取り込まれた汚泥がメタンによる浮力により上昇して固定ろ床２２（固定ろ床２２ａ）の下面に当接する。そして固定ろ床２２の端面にメタンが到達するとメタンは自ら取り込んだ汚泥から分離して上昇し、汚泥は下降する。このように固定ろ床２２が配置された領域では、汚泥は上昇と下降を繰り返し、排水１４は例えば図中に示す流路３２に従って上昇する。

しかし、固定ろ床２２ａより上の領域（中低有機物濃度領域）にある汚泥はメタンに取りつかれるとそのまま排水１４の水面まで上昇してしまい、排出部２６から排出されてしまう。すなわち、当該汚泥は、中低有機物濃度領域において有効に嫌気発酵処理できるものであるが、その役割を十分に果たす前に処理水１８に混ざって排出されてしまうことになる。そこで、本実施形態では、処理水１８に混入して漏れ出た汚泥を分離手段３４により回収し、この汚泥から微生物担体４６を形成して反応槽１２に投入することを特徴としている。

分離手段３４は、反応槽１２に接続され排出部２６から排出された処理水１８が導入される主配管３６と、主配管３６に並列に接続された分岐配管３８と、分岐配管３８に取り付けられ、処理水１８から汚泥を固液分離する分離膜４２と、を有している。また分岐配管３８にはバルブ４０が取り付けられ、分離膜４２には固液分離した汚泥を排出する汚泥排出ライン４４が取り付けられている。分離膜４２には一定の圧力で処理水１８が導入され、分離膜４２を透過して外部に排出される透過水と、分離膜４２を透過することなく汚泥が残った濃縮水に分離される。そして濃縮水は汚泥排出ライン４４を通じて分離膜４２から取り出されるが、濃縮水から得られる汚泥が微生物担体４６の原料となる。

微生物担体４６は、分離手段３４により処理水１８から固液分離された汚泥をゲル（高分子材料）により直径１ｍｍ〜２ｍｍ程度の大きさに固めたものである。ゲルの材料は、水を通すものであって汚泥中の微生物を死滅させないものであれば、どのような材料でも適用できる。また、微生物担体４６は、排出部２６（排水１４の水面）から投入され、固定ろ床２２ａ（及び固定ろ床２２）に配置される。

ところで、排水１４の固定ろ床２２より上の領域における有機物濃度は、後述のように、ＴＯＣ（ＴｏｒｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣａｒｂｏｎ）濃度で１ｍｇ／Ｌ以上１００ｍｇ／Ｌ以下となっている。そして、有機物濃度において有効に嫌気発酵処理する汚泥は前述の領域において高密度に存在するため、これを回収して微生物担体４６として元に戻すことにより排水１４の嫌気発酵処理を効率的に行うことができる。

そして、本実施形態では、微生物担体４６の直径を１ｍｍ〜２ｍｍ程度の大きさにしているため、処理水１８から固液分離して回収した汚泥を原料とした微生物担体４６の見かけの比重を排水１４よりも高くすることができる。これにより、当該微生物担体４６を固定ろ床２２ａの上部に配置しても、微生物担体４６が処理水１８とともに排出されなくなり、固定ろ床２２ａよりも上の領域にある排水１４の嫌気発酵処理を有効に行う微生物の漏出を防止して、排水１４の嫌気発酵処理を効率的かつ安定的に行うことができる。

本実施形態の嫌気発酵処理装置１０では、初めのうちは、一定の有機物濃度の処理水１８が排出されるが、前述の微生物担体４６を導入していくことにより有機物濃度は低下していくことになる。そして、有機物濃度が一定の濃度以下になったときには、バルブ４０を閉めて汚泥の回収を省略することができる。

図２に、第２実施形態の嫌気発酵処理装置の模式図を示す。第２実施形態の嫌気発酵処理装置１０Ａは、分離手段３４が沈殿槽４８になっている点で第１実施形態の嫌気発酵処理装置１０と相違する。

沈殿槽４８は、排出部２６から排出された処理水１８を蓄えるとともにその上澄みを排出するものである。沈殿槽４８の底部は傾斜面４８ａになっており、その最下部に汚泥排出ライン４４が設けられている。よって、沈殿槽４８に導入された処理水１８中の汚泥５０は、前述のメタンの浮力を受けないので、徐々に沈降して底部に到達し、傾斜面４８ａを伝って汚泥排出ライン４４に到達する。

第１実施形態の分離膜４２では、分離膜４２に一定の圧力で処理水１８を印加するポンプ（不図示）、及びポンプを駆動させる電力が必要となる場合がある。また、時間経過とともに分離膜４２に目詰まりが発生する。しかし、第２実施形態の沈殿槽４８では、沈殿により処理水１８から汚泥を分離するためポンプや電力は不要であり、また常時汚泥排出ライン４４から汚泥（汚泥を高濃度に有する排水）を取り出すことにより、前述の目詰まりの問題は生じない。なお、他の分離手段３４として、水平に延びる樋（不図示）を適用し、処理水１８をこの樋に流し、樋の底面に堆積した汚泥を回収するようにしてもよい。

図３に、反応槽の各位置にある汚泥の気質濃度の違いによる比気質消費速度の関係を示す。本願発明者は、排水中の気質濃度（有機物濃度）を変化させた場合の反応槽１２の各位置における汚泥（微生物）の比気質消費速度について調査した。

本願発明者は、排水１４の水面近傍（Ａ）（中低有機物濃度領域）に浮遊する汚泥Ａと、固定ろ床２２ａの周辺（Ｂ）（中低有機物濃度領域）に浮遊する汚泥Ｂと、固定ろ床２２の下部（最下段）周辺（Ｃ）（高有機物濃度領域）に浮遊する汚泥Ｃと、反応槽１２の下部（Ｄ）（高有機物濃度領域）に堆積した汚泥Ｄと、を採取した。そして、それぞれ気質濃度が５００ｍｇＴＯＣ／Ｌの排水に投入して、有機物濃度の減少速度、すなわち比気質消費速度［ｇＴＯＣ／ｇＭＬＶＳＳ（ＭｉｘｉｅｄＬｉｑｕｏｒＶｏｌａｔｉｌｅＳｕｓｐｅｎｄｅｄＳｏｌｉｄ）−ｄａｙ］を算出した。

初期状態、すなわち気質濃度が５００ｍｇＴＯＣ／Ｌでは、汚泥Ｄが最も比気質消費速度が速く、次いで汚泥Ｃ、汚泥Ｂ、汚泥Ａの順に比気質消費速度は遅くなっている。しかし、汚泥Ｄは、気質濃度が低下するについて比気質消費速度が急激に減少し、気質濃度が２００ｍｇＴＯＣ／Ｌのところでゼロとなっている。すなわち、汚泥Ｄは、気質濃度が２００ｍｇＴＯＣ／Ｌ以下の排水中では活動が停止し、それ以上の汚泥の浄化は不可能となることを示している。同様に、汚泥Ｃは、気質濃度が１５０ｍｇＴＯＣ／Ｌ以下の排水中では活動が停止し、それ以上の汚泥の浄化は不可能となる。

一方、汚泥Ｂは、気質濃度が２００ｍｇＴＯＣ／Ｌにおいても比気質消費速度が１．５ｇＴＯＣ／ｇＭＬＶＳＳ−ｄａｙ程度あり、気質濃度が１００ｍｇＴＯＣ／Ｌになるまで排水を浄化することができる。さらに、汚泥Ａは、気質濃度が２００ｍｇＴＯＣ／Ｌにおいても比気質消費速度が１．７ｇＴＯＣ／ｇＭＬＶＳＳ−ｄａｙ程度あり、気質濃度が１ｍｇＴＯＣ／Ｌになるまで排水を浄化することができる。よって、汚泥Ａ，Ｂは、生活排水相当の気質濃度２００ｍｇＴＯＣ／Ｌにおいて、生活排水を十分に浄化可能な比気質消費速度１．５ｇＴＯＣ／ｇＭＬＶＳＳ−ｄａｙを有しているため、排水を浄化するために有効な汚泥である。そして、このことから、反応槽１２の高さ方向において、水面近傍（Ａ）と固定ろ床２２ａ近傍（Ｂ）の間（中低有機物濃度領域）の有機物濃度は１ｍｇＴＯＣ／Ｌ〜１００ｍｇＴＯＣ／Ｌであり、この領域に１ｍｇＴＯＣ／Ｌ〜１００ｍｇＴＯＣ／Ｌを最低気質濃度（微生物が代謝を維持する有機物濃度）とする汚泥（微生物）が多数存在することがわかる。

ここで、汚泥Ａ，Ｂは、固定ろ床２２ａよりも上の領域で浮遊しているため、嫌気発酵処理により発生するメタンに取り込まれて上昇し排出部２６から排出されてしまうが、本実施形態では、処理水１８から固液分離して回収した汚泥（汚泥Ａ，汚泥Ｂ）を原料とした直径が１ｍｍ〜２ｍｍとなる微生物担体４６を反固定ろ床２２ａ（及び固定ろ床２２）に配置している。

嫌気発酵処理のみで良好な処理水質を得ることが可能な排水の嫌気発酵処理方法、嫌気発酵処理用の微生物担体、及び嫌気発酵処理装置として利用できる。

１０………嫌気発酵処理装置、１２………反応槽、１４………排水、１８………処理水、２０………堆積汚泥、２２………固定ろ床、２２ａ………固定ろ床、２４………ワイヤー、２６………排出部、２８………導入管、３０………上蓋、３２………流路、３４………分離手段、３６………主配管、３８………分岐配管、４０………バルブ、４２………分離膜、４４………汚泥排出ライン、４６……微生物担体、４８………沈殿槽、４８ａ………傾斜面。

Claims

反応槽内部に配置された固定ろ床よりも低くなる前記反応槽の位置から排水を供給し、前記反応槽内の微生物からなる汚泥により前記排水を嫌気発酵処理しつつ前記反応槽上部から処理水を排出する排水の嫌気発酵処理方法において、
前記処理水を固液分離して前記汚泥を回収するとともに前記汚泥を固めて微生物担体を形成して前記固定ろ床の上部に配置することを特徴とする排水の嫌気発酵処理方法。
前記固定ろ床よりも上となる領域における前記排水の有機物濃度は、ＴＯＣ濃度で１ｍｇ／Ｌ以上１００ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする請求項１に記載の排水の嫌気発酵処理方法。
前記処理水を沈殿槽に導入して前記汚泥を前記沈殿槽に沈殿させることにより前記固液分離を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の排水の嫌気発酵処理方法。
反応槽内部に配置された固定ろ床よりも低くなる前記反応槽の位置から排水を供給し、前記反応槽内の微生物からなる汚泥により前記排水を嫌気発酵処理しつつ前記反応槽上部から処理水を排出し、前記処理水を固液分離して前記汚泥を回収するとともに前記汚泥を固めて形成したことを特徴とする嫌気発酵処理用の微生物担体。
前記固液分離により得られた前記汚泥が代謝を維持可能な最小気質濃度は、ＴＯＣ濃度で１ｍｇ／Ｌ以上１００ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする請求項４に記載の嫌気発酵処理用の微生物担体。
請求項４または５に記載の嫌気発酵処理用の微生物担体を用いた嫌気発酵処理装置であって、
前記固定ろ床が配置されるとともに排水を貯留し、微生物からなる汚泥により前記排水を嫌気発酵処理する反応槽と、
前記反応槽の前記固定ろ床よりも低い位置に新たな排水を導入して前記反応槽の上部から処理水を排出させる導入管と、
を有し、
前記処理水から前記汚泥を固液分離する分離手段が設けられ、
前記固定ろ床の上部には、前記汚泥を固めた前記微生物担体が配置可能となっていることを特徴とする嫌気発酵処理装置。