JP7150899B2 - 嫌気性処理装置及び嫌気性処理方法 - Google Patents
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Description
有機酸を含有し、有機酸のうち50質量%以上が乳酸を占める排水を導入し、排水中の乳酸を嫌気的に分解して酢酸及びプロピオン酸を含む一次処理液を生成するための乳酸分解槽と、
乳酸分解槽から流出する一次処理液を導入し、一次処理液をメタン発酵処理して二次処理液を生成するためのメタン発酵槽であって、水素資化性メタン発酵菌を含有するメタン発酵槽と、
メタン発酵槽中の水素資化性メタン発酵菌を乳酸分解槽に返送するための返送系統と、
を備えた嫌気性処理装置である。
有機酸を含有し、有機酸のうち50質量%以上が乳酸を占める排水中の乳酸を乳酸分解槽で嫌気的に分解して酢酸及びプロピオン酸を含む一次処理液を生成する工程1と、
工程1で得られる一次処理液を、水素資化性メタン発酵菌を含有するメタン発酵槽中でメタン発酵処理して二次処理液を生成する工程2と、
を含み、
工程1は、メタン発酵槽から乳酸分解槽に返送される水素資化性メタン発酵菌の存在下で実施する嫌気性処理方法である。
従来技術では、乳酸を高濃度で含有する排水を嫌気性処理すると、酢酸及びプロピオン酸が残留しやすく、CODcr除去率が低下しやすいという問題があった。しかしながら、本発明に係る嫌気性処理装置の一実施形態によれば、乳酸を高濃度で含有する排水に対しても優れたCODcr除去率を達成することができる。従って、本発明が処理対象とする排水は一実施形態において、有機酸を含有し、有機酸のうち50質量%以上が乳酸を占める排水に対して優れた処理性能を発揮することができる。排水は、有機酸のうち70質量%以上が乳酸を占めていてもよいし、80質量%以上が乳酸を占めていてもよい。排水中の各種有機酸の濃度はHPLC(高速液体クロマトグラフ法)(JIS K0124:2011、JIS K0214:2013)により測定可能である。
乳酸分解槽では、排水中の乳酸を嫌気的に分解して酢酸及びプロピオン酸を含む一次処理液を生成する工程1を行うことができる。
乳酸を高濃度に含有する排水をメタン発酵槽単独で処理すると、酢酸及びプロピオン酸が残留しやすく、十分なCODcr除去率が得られない。これは、以下の理由によると考えられる。乳酸は、プロピオン酸に分解された後(例:C6H12O6→4/3CH3CH2COOH+2/3CH3COOH+2/3CO2+2/3H2O)、酢酸を経てメタンへ分解される。表1に、プロピオン酸及び酢酸がメタンへと分解されるときの反応式、化学反応に関与する細菌の種類及び自由エネルギーの変化を例示的に示す。表1の(3)の反応式から分かるように、プロピオン酸の酢酸への酸化反応は自由エネルギーの観点から進行しにくい。そして、プロピオン酸は酢酸に分解されるときに水素が発生するため、メタン発酵槽内の水素分圧が高くなると、(3)の反応式に示す化学反応が更に進行しにくくなる。
・滞留時間:3~15時間、好ましくは4~8時間
・水温:30~35℃、好ましくは32~35℃
・攪拌:機械攪拌
乳酸分解槽の後段に設置されるメタン発酵槽では、工程1で得られる一次処理液を、水素資化性メタン発酵菌を含有するメタン発酵槽中でメタン発酵処理して二次処理液を生成する工程2を行うことができる。
一次処理液には酢酸が含まれている。また、乳酸分解槽で分解できなかったプロピオン酸も含まれている。このため、メタン発酵槽では酢酸からメタンへの分解反応が行われ(例:表1の(1)の反応式)、また、プロピオン酸のメタンへの分解反応も行われる(例:表1の(4)及び(5)の反応式)。従って、メタン発酵処理には、水素資化性メタン発酵菌の他、水素資化性ではないメタン発酵菌(酢酸資化性メタン発酵菌、ギ酸資化性メタン発酵菌、メタノール資化性メタン発酵菌など)やプロピオン酸酸化細菌が寄与する。メタン発酵槽でも水素が発生し得るが、乳酸分解槽において予めプロピオン酸の酢酸への分解が行われているため、メタン発酵槽に対するプロピオン酸の負荷は小さく、メタン発酵槽内での分解反応を大きく阻害することはない。
・滞留時間:2~8時間、好ましくは5~8時間
・水温:30~35℃、好ましくは32~35℃
・攪拌:メタンガスが発生することによるガス攪拌
本発明に係る嫌気性処理装置は、メタン発酵槽中の水素資化性メタン発酵菌を乳酸分解槽に返送するための返送系統を備える。返送系統の構成は、メタン発酵槽中の水素資化性メタン発酵菌を乳酸分解槽に返送することができれば、特に制限はない。以下に返送系統の構成を例示する。
以下、図面を用いて本発明に係る嫌気性処理装置の構成例について例示的に説明する。
乳酸分解槽110からの流出位置は、後段のメタン発酵槽120の流入高さに近づけて底部に設置することにより、配管材料費を抑えることができる。その場合配管形状も単純化できるので汚泥等による閉塞を抑止することもできる。一方、メタン発酵槽120についてみると、流入位置と流出位置を異なる高さに設置することで、メタン発酵槽120内の短絡を防止することができ、また、担体の流動が促進されるという利点が得られる。短絡防止を優先する場合は、必要に応じてメタン発酵槽120の流出位置を水位の中心よりも上部にしても良い。
乳酸菌製造設備から排出される乳酸系排水に対するラボ試験を実施した。乳酸系排水の性状は以下の通りである。
・CODcr:10,000mg/L
・排水中のCODcrに対して炭素数3以下の有機酸が占める割合:95質量%以上
・有機酸のうち乳酸が占める割合:90質量%以上
図5に示す構成の完全混合型のメタン発酵槽500を用意し、上記の乳酸系排水に対する処理を行った。メタン発酵槽500には、メタン発酵菌(水素資化性メタン発酵菌を含む)及び酸発酵菌が付着した担体520(担体形状:球体、担体素材:ポリビニルアルコール)を使用した。メタン発酵槽500に流入した排水は、メタン発酵槽500内で嫌気性処理を受けた後、担体を分離するためのスクリーン510を通過した後に槽外へ処理水として流出する。メタン発酵槽500の運転条件は以下とした。
・有効容積:1L
・槽内の液温:35℃
・担体の能力:メタン生成活性度0.5kg/(kg・d)以上
(メタン生成活性度は、ケルダール法で担体の窒素含有量を測定し、担体当たりのSS量で評価した。)
・槽内の液中pH:7~8.2(制御せず)
・ORP:-200~-500mV(制御せず)
・攪拌:機械攪拌
・滞留時間:2~5日
次に、図6に示すように、比較例1で使用したメタン発酵槽500の前段に、攪拌機620を備えた完全混合型の乳酸分解槽600を追加して、上記の乳酸系排水に対する嫌気性処理を行った。メタン発酵槽500の運転条件は比較例1と同様とした。乳酸分解槽600の運転条件は以下とした。
乳酸分解槽
・有効容積:1L
・槽内の液温:35℃
・嫌気性微生物:メタン発酵槽の処理水SSを投入
・槽内の液中pH:5~7(制御せず)
・ORP:-100~-150mV(制御せず)
・攪拌:機械攪拌
・滞留時間:2~5日
メタン発酵槽
・有効容積:1L
・槽内の液温:35℃
・担体の能力:メタン生成活性度0.5kg/(kg・d)以上
(メタン生成活性度は、ケルダール法で担体の窒素含有量を測定し、担体当たりのSS量で評価した。)
・槽内の液中pH:7~8.2(制御せず)
・ORP:-200~-500mV(制御せず)
・攪拌:機械攪拌
・滞留時間:2~5日
<実施例1>
図1に示す構成の嫌気性処理装置100を構築し、上記の乳酸系排水に対する嫌気性処理を行った。嫌気性処理装置100は、完全混合型の乳酸分解槽110及び完全混合型のメタン発酵槽120を備え、メタン発酵槽120から排出される水素資化性メタン発酵菌を含有する二次処理液は、担体分離装置140で担体122を分離した後、乳酸分解槽110に返送される。
・有効容積:35m3
・槽内の液温:35℃
・嫌気性微生物:未使用担体とグラニュールを初期に投入(その他はメタン発酵槽から返送される二次処理液から供給)担体に付着している微生物は、Methanosaeta属、Methanobacterium、Geobacter属、Thermodesulfovibrio属、Syntrophobacter属等であった。
・嫌気性微生物の活性度:0.5kg/(kg・d)以上
(活性度は、ケルダール法で担体の窒素含有量を測定し、担体当たりのSS量で評価した。)
・槽内の液中pH:6.5~7.5の範囲であるが、常にメタン発酵槽の液中pHより低かった。(メタン発酵槽のpHが6.5以下に低下した場合に乳酸分解槽に苛性ソーダを注入することで、菌体の活性を高めるため、また、水素発酵を防止するため、両槽のpHを上げた。)
・攪拌:機械攪拌
・滞留時間:3~15h
・有効容積:96m3
・槽内の液温:35℃
・担体の能力:メタン生成活性度0.5kg/(kg・d)以上
(活性度は、ケルダール法で担体の窒素含有量を測定し、担体当たりのSS量で評価した。)
・槽内の液中pH:6.5~8.2
・攪拌:メタンガスが発生することによるガス攪拌
・滞留時間:2~8h
・メタン発酵槽から乳酸分解槽に流入する排水のCODcr:500~4000mg/L
・メタン発酵槽から乳酸分解槽へ返送する二次処理液の循環比:5~20倍(乳酸分解槽の水位を一定に保持)
乳酸試薬を水に溶かすことで得た乳酸含有水(乳酸濃度:5,000mg/L、水量:500mL)を乳酸発酵槽で嫌気性処理する回分試験を行った。この際、試験番号に応じて乳酸含有水のメタン発酵処理水を表2に示す質量割合で混合し、乳酸発酵槽に供給して嫌気性処理を行った。ここで使用したメタン発酵処理水は、上記の乳酸含有水を担体でメタン発酵処理した後の処理水であり、水素資化性メタン発酵菌を含む。
・有効容積:400mL
・槽内の液温:35℃
・嫌気性微生物:未使用担体を投入した。担体に付着している微生物は、Methanosaeta属、Methanobacterium、Geobacter属、Thermodesulfovibrio属、Syntrophobacter属等であった。
・槽内の液中pH:7.5程度(制御せず)
・乳酸分解槽からの流出液(一次処理液)のORP:-100~-150mV(制御せず)
・攪拌:機械攪拌
・滞留時間:24時間
101 排水ライン
102 一次処理液ライン
103 二次処理液ライン
104 返送ライン
105 二次処理液ライン
106 担体ライン
107 循環ライン
108 担体返送ライン
109 ポンプ
110 乳酸分解槽
120 メタン発酵槽
122 担体
130 バイオガス利用設備
132 ガス回収系統
140 担体分離装置
141 外槽
142 内槽
143 スクリーン
150 濃縮装置
160 流量制御手段
170 流量制御手段
200 嫌気性処理装置
300 嫌気性処理装置
400 嫌気性処理装置
500 メタン発酵槽
510 スクリーン
520 担体
530 攪拌機
600 乳酸分解槽
620 攪拌機
Claims (7)
- 有機酸を含有し、有機酸のうち50質量%以上が乳酸を占める排水を導入し、排水中の乳酸を嫌気的に分解して酢酸及びプロピオン酸を含む一次処理液を生成するための乳酸分解槽と、
乳酸分解槽から流出する一次処理液を導入し、一次処理液をメタン発酵処理して二次処理液を生成するためのメタン発酵槽であって、水素資化性メタン発酵菌を含有するメタン発酵槽と、
メタン発酵槽中の水素資化性メタン発酵菌を乳酸分解槽に返送するための返送系統と、
を備えた嫌気性処理装置。 - メタン発酵槽は、水素資化性メタン発酵菌を担持する担体を備える請求項1に記載の嫌気性処理装置。
- 返送系統は、メタン発酵槽中の前記担体の一部を乳酸分解槽に返送できる手段を備える請求項2に記載の嫌気性処理装置。
- 返送系統は、メタン発酵槽からの抽出液と共に水素資化性メタン発酵菌を返送するための返送ラインと、当該返送ラインの途中に設置された懸濁物質の濃縮装置とを備えており、当該濃縮装置によって水素資化性メタン発酵菌が濃縮された抽出液が乳酸分解槽に返送できるように構成されている請求項1~3の何れか一項に記載の嫌気性処理装置。
- 排水は、排水中のCODcrに対して炭素数3以下の有機酸が20~100%を占める請求項1~4の何れか一項に記載の嫌気性処理装置。
- 乳酸分解槽の液中pHが5.0~7.5の範囲であり、メタン発酵槽の液中pHが6.5~8.2の範囲であり、乳酸分解槽の液中pHがメタン発酵槽の液中pHよりも低い請求項1~5の何れか一項に記載の嫌気性処理装置。
- 有機酸を含有し、有機酸のうち50質量%以上が乳酸を占める排水中の乳酸を乳酸分解槽で嫌気的に分解して酢酸及びプロピオン酸を含む一次処理液を生成する工程1と、
工程1で得られる一次処理液を、水素資化性メタン発酵菌を含有するメタン発酵槽中でメタン発酵処理して二次処理液を生成する工程2と、
を含み、
工程1は、メタン発酵槽から乳酸分解槽に返送される水素資化性メタン発酵菌の存在下で実施する嫌気性処理方法。
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