JP7177269B2 - 改良されたリン回収プロセス及びプラント - Google Patents
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Description
・当該細菌を揮発性脂肪酸(VFA)の存在下において嫌気的条件(O2又はNO3/NO2を有しないこと)にさらすこと。これにより、(ortho-Pとしての)貯蔵されているPの放出、及びPHA(ポリヒドロキシアルカン酸)に転換されるVFAの取り込みが引き起こされる。嫌気的条件の期間中には、Mgもまた放出される。
・当該細菌を、PHAが消費され、かつ、PO4-P(及びMg)が取り込まれ、ポリPとして細胞内部に貯蔵される好気的条件にさらすこと、
・EBPRプラントにおいて、汚泥は大抵の場合、周囲温度(これは気候及び季節に依存して5℃~40℃であり得る、しかし、一般には10~20℃である)でこれらの嫌気的及び好気的なサイクルを介して循環され、これにより、EBPR細菌の成長をもたらすこと、
・適切に設計され、管理されると、最終結果が、廃水からのPの取り込み、及びPが細胞塊の内部に蓄積している汚泥である。得られたバイオマス材料の典型的なP含有量が、非EBPR汚泥についての1.5%と比較して、乾燥重量に基づいて5%前後である。
・「水ライン」対「汚泥ライン」:廃水処理科学において、技術者及び科学者は、水ライン又は汚泥ラインのどちらかに特化することが一般的である。この特化は、これら2つの異なった処理ラインにおいて大抵の場合に適用される異なる科学及び技術の結果である。
・「生物学的」対「熱化学的」:生物学的廃水処理、とりわけBio-Pプロセス(EBPR汚泥の生成において適用されるようなプロセス)は、微生物学及び化学の詳細な理解を必要とする。対照的に、汚泥処理、とりわけ、熱加水分解を応用する高度処理は、熱力学及び熱化学の詳細な理解を必要とする。
上述の目的及び他の目的は、下記のようにして本発明によって解決される。
(a)接触タンクにおいて、前記バイオマス材料を、混合汚泥(mixed sludge)を生成させるために、工程(g)からの液体濃縮物流(好ましくは高温の液体濃縮物流)(g2)と一緒にして接触させる工程、
(b)シックナーユニットにおいて、工程(a)の前記混合汚泥を、P及びMgのレベルが低下している濃縮された濃厚化汚泥生成物(concentrated thickened sludge product)(b1)と、P及びMgに富む液体濃縮物(b2)とに分離する工程、
(c)前記濃厚化汚泥生成物(b1)を、i)バイオガス流と消化汚泥生成物(digested sludge product)とを生成させ、前記バイオガスを回収するために、及びii)有機的に結合したPを有機物の生物学的分解によって可溶性Pに転換し、それによりPの可能な全体的な回収率を増大させるために、嫌気的消化槽における嫌気的消化段階に供する工程、
(d)第1の脱水段階において、前記消化汚泥生成物を、固体粒子を含有する第1の消化汚泥生成物(d1)と、PO4-P及びNH4-Nに富む液体濃縮物(d2)とに分離する工程、
(e)工程(b)からの、P及びMgに富む前記液体濃縮物(b2)と、工程(d)からの、PO4-P及びNH4-Nに富む前記液体濃縮物(d2)とを、リン酸塩を生成させるためのリン酸回収プロセスに移す工程、
(f)工程(d)からの前記第1の消化汚泥生成物(d1)を熱加水分解ユニットにおける熱加水分解段階に供して、前記第1の消化汚泥生成物(d1)の前記固体粒子を少なくとも部分的に可溶性有機物に転換し、それにより、消化され、かつ熱加水分解された汚泥生成物(f1)を形成させ、また、有機結合P及び化学結合Pの一部を可溶性Pに転換し、それにより、Pの可能な全体的回収率を増大させる工程(加水分解された汚泥は典型的には低いpH(例えば、3~6.5など、典型的には5~6)を有しており、このことは、化学的に沈殿させたPのいくつかの可溶化、例えば、FePO4、AlPO4、CaPO4、MgPO4、アパタイト無機物及び類似無機物などを可溶化させることに寄与し得る)、
(g)第2の脱水段階において、前記消化され、かつ熱加水分解された汚泥生成物(f1)を、第2の消化され、かつ加水分解された汚泥生成物(g1)と、揮発性脂肪酸(volatile fatty acids、VFA)に富み、かつ前記さらに放出されたP及び任意選択でコロイド状有機物を含有する液体濃縮物流(好ましくは高温の液体濃縮物流)(g2)とに分離する工程、
(h)工程(g)に由来する前記液体濃縮物(g2)の少なくとも一部を工程(a)に、例えば、工程(a)の接触タンクにリサイクルする工程。
・放出反応槽のサイズを小さくすることが可能であること、
・可溶性形態へのリンの改善された放出。
・前記液体濃縮物(g2)の少なくとも一部を、ケーク生成物と、固形物含有量が低下している液体濃縮物流とに分離すること、
及び
・前記ケーク生成物を工程(c)の嫌気的消化段階にリサイクルすること
を含む。
・前記液体濃縮物をストルバイト形成反応槽において結晶化プロセスに供する工程、
・前記ストルバイト形成反応槽において形成されるストルバイト結晶を、沈降技術又はサイクロン技術によって単離する工程
を含む。
・P(PO4-P)及びMgに富む、分離工程(b)からの液体濃縮物、すなわち、シックナーユニットからの液体濃縮物、
・PO4-P及びNH4-Nに富む、工程(d)における第1の脱水段階からの液体濃縮物。
・加えて、重要な成分(PO4-P、NH4-N、Mg)の1つに富むならば、シックナーユニット又は他のユニットからのいくつかの内部の流れを加えることが可能である。
・さらなるMgを前記ストルバイト形成反応槽に加える工程、及び/又は
・塩基又は酸を前記ストルバイト形成反応槽に加える工程
を含む。
・脱ガス:脱ガスにより、CO2が水から除去され、pHが上昇する;
・ストルバイト形成反応槽:結晶化反応槽は、化学物質間の十分な接触と、結晶が成長するための時間とを可能にする。常に1つの化学物質が存在し、しかし、Mgの存在が最大のストルバイト形成のために限定的であるので、この化学物質が加えられる。また、必要ならば、いくらかのpH制御を実行することができる;
・形成されたストルバイトが、沈降技術又はサイクロン技術又は類似技術を使用して液体から分離される。処理された液体濃縮物流はストルバイト形成後、ポリシング(polishing)のために上流側廃水処理プラントに返送される。
・前記バイオマス材料と、第2の脱水ユニットからのリサイクル流、すなわち、下流側の第2の脱水ユニットからのリサイクル流とを受け入れ、それにより混合汚泥を生成させるための接触タンク、
・前記混合汚泥を濃厚化し、かつ、それにより、濃縮された濃厚化汚泥生成物と、P(PO4)及びMgに富む液体濃縮物流とを生成させるためのシックナーユニット、
・前記濃縮された濃厚化汚泥生成物を消化し、それにより、バイオガス流と、消化汚泥生成物とを生成させるための嫌気的消化槽、
・前記消化汚泥生成物を脱水し、それにより、第1の消化汚泥生成物と、PO4-P及びNH4-Nに富む液体濃縮物流とを生成させるための第1の脱水ユニット、
・P及びMgに富む前記液体濃縮物と、PO4-P及びNH4-Nに富む前記液体濃縮物とを受け取り、それによりストルバイトを生成させるためのストルバイト反応槽、
・前記第1の消化汚泥生成物を加水分解し、それにより、消化され、かつ熱加水分解された汚泥生成物を生成させるための熱加水分解ユニット、
・前記消化され、かつ熱加水分解された汚泥生成物を脱水し、それにより、第2の消化され、かつ加水分解された汚泥生成物と、揮発性脂肪酸(VFA)、可溶化P及び任意選択でコロイド状有機物に富む液体濃縮物流とを生成させるための第2の脱水ユニット、及び
・揮発性脂肪酸(VFA)、可溶化P及び任意選択でコロイド状有機物に富む前記液体濃縮物の少なくとも一部を、前記バイオマス材料との接触のための前記接触タンクに導くための導管。
・揮発性脂肪酸(VFA)、可溶化P及びコロイド状有機物に富む前記液体濃縮物流をケーク生成物と、固形物含有量が低下しているが、可溶化Pを含有する液体濃縮物流とに分離するための分離ユニット、好ましくはディスク遠心分離機、
・前記ケーク生成物を前記嫌気的消化槽に導くための導管又は輸送手段。
・バイオマス材料が前記廃水処理プラントにおいて生じるバイオマス材料入口導管と、下流側に設置される第2の脱水ユニットからのリサイクル流導管であって、VFA及び可溶化P及び任意選択でコロイド状有機物に富む液体濃縮物流を搬送するリサイクル流導管とを受け入れるために適合化される接触タンクを据え付ける工程、
・前記接触タンクにおいて生じる混合汚泥を濃厚化するためのシックナーユニットを据え付ける工程、
・前記シックナーユニットにおいて生じる濃縮された濃厚化汚泥生成物を消化するための嫌気的消化槽を据え付ける工程、
・前記嫌気的消化槽において生じる消化汚泥生成物を脱水するための第1の脱水ユニットを据え付ける工程、
・前記シックナーユニットからの、P及びMgに富む液体濃縮物を輸送するための第1の導管を据え付ける工程、
・前記第1の脱水ユニットからの、P及びNH4-Nに富む液体濃縮物を輸送するための第2の導管を据え付ける工程、
・ストルバイトを生成させるためのストルバイト反応槽であって、Pに富む、又はNH4-Nに富む前記液体濃縮物を含有する前記第1及び第2の導管のどれでも入口として受け入れるように適合化されるストルバイト反応槽を据え付ける工程、
・前記第1の脱水ユニットにおいて生じる第1の汚泥生成物を加水分解するための熱加水分解ユニットを据え付ける工程、
・前記熱加水分解ユニットにおいて生じる消化され、かつ熱加水分解された汚泥生成物を脱水するための前記第2の脱水ユニットを据え付ける工程、
・VFA及び可溶化P及び任意選択でコロイド状有機物に富む前記液体濃縮物流を前記接触タンクにリサイクルするためのリサイクル流導管を据え付ける工程。
・本接触プロセスでは、リン酸の一部が、労力をほとんど用いることなく除去される。 本接触プロセスではまた、汚泥からのMgも除去され、このことにより、消化槽におけるストルバイト形成の危険性が低減される。
・P放出のために要求されるVFAが、熱加水分解後の最終脱水からの濃縮物(流れ)によって提供される。VFAは失われるのではなく、消化期間中にバイオガスにさらに転換されるPHAに転換される。
・本プロセスは一次汚泥の添加の有無にかかわらず働くことができ、その結果、いくつかの他のプロセスのような一次汚泥の発酵に依拠していない。
・本プロセスでは、接触タンクの効率を改善し、かつ、より短いHRTを可能にする熱がリサイクルされる。
・本プロセスでは、嫌気的消化に起因するP放出、及び熱加水分解プロセスの結果としてのさらなるP放出と同様に、Pが(嫌気的)接触タンクにおけるEBPR汚泥の嫌気的生物活性の結果として放出される。
・全体として、本プロセスでは、リン酸の可溶化が最大化され、回収され得るPの量が、生汚泥(WAS)に存在するPの50%以上を回収することによって増大する。
・本プロセスでは、ストルバイト形成の可能性をともに個々に欠く2つの別個の濃縮物が生じる。しかしながら、組み合わされると、それらはストルバイト形成のためのすべての成分を有する。
・本プロセスは非常に効率的なエネルギー収支をもたらす。 熱加水分解段階において供給される熱は、高温の濃縮物の一部を返送して消化槽に戻すことによって(一部が)再使用される。このことは消化槽の余分なエネルギー要求を減らし、さらには、有機物を返送することによって、バイオガスの生成が増大する。
・本プロセスでは、汚泥の脱水性が強く改善され、処分する必要がある汚泥ケークの量が少なくなる:このことは(湿潤物基準で)ケークの処分費用を低下させ、かつケークの発熱量を増大させる。
・本プロセスでは、汚泥に存在するすべての化合物(例えば、有機物、窒素、リン、マグネシウムなど)が最大量にまで使用され、有価生成物に転換される。
・全体として、本プロセスは、既存の廃水処理プラントにおいて統合することが比較的簡便であり、かつ直截的であり、かつ容易である。本概念により、様々な付加要素が既存の設備基盤に適用される。先行技術による技術は通常、はるかにより複雑であり、別個又は多数の消化段階、多数のストルバイト反応槽などを必要とする。
図2に提供されるスキームに従うプロセスが実施される。上流側WWTP(図示せず)において生じ、0.8~2%のDSを含有する廃棄活性汚泥(waste activated sludge、WAS)流1が、その貯蔵されたPの放出のために1時間~3時間の滞留時間を有する接触タンク3に入る。このために、揮発性脂肪酸(VFA)としての可溶性CODと、可溶性Pとを含有する液体濃縮物流20のリサイクル流20’もまた、接触タンク3に加えられる。任意選択で、例えば、上流側WWTPからの、多くの場合には2~5%のDSを有する一次汚泥流2’もまた、接触タンク3に加えられる。P放出と一緒に、Mgもまた、WASから放出される。
Claims (13)
- リン酸をバイオマス材料から回収するための方法であって、下記の工程:
(a)接触タンクにおいて、前記バイオマス材料を、混合汚泥を生成させるために、工程(g)からの液体濃縮物流(g2)と一緒にして接触させる工程、
(b)シックナーユニットにおいて、工程(a)の前記混合汚泥を、P及びMgのレベルが低下している濃縮された濃厚化汚泥生成物(b1)と、P及びMgに富む液体濃縮物流(b2)とに分離する工程、
(c)前記濃縮された濃厚化汚泥生成物(b1)を、バイオガス流と消化汚泥生成物とを生成させ、前記バイオガスを回収するために、嫌気的消化槽における嫌気的消化段階に供する工程、
(d)(第1の脱水段階において)前記消化汚泥生成物を、固体粒子を含有する第1の消化汚泥生成物(d1)と、PO4-P及びNH4-Nに富む液体濃縮物(d2)とに分離する工程、
(e)工程(b)からの、P及びMgに富む前記液体濃縮物(b2)と、工程(d)からの、PO4-P及びNH4-Nに富む前記液体濃縮物(d2)とを、リン酸塩を生成させるためのリン酸回収プロセスに移す工程、
(f)工程(d)からの前記第1の消化汚泥生成物(d1)を熱加水分解ユニットにおける熱加水分解段階に供して、前記第1の消化汚泥生成物(d1)の前記固体粒子を少なくとも部分的に可溶性有機物に転換し、それにより、熱加水分解された汚泥生成物(f1)を形成させる工程、
(g)第2の脱水段階において、前記消化され、かつ熱加水分解された汚泥生成物(f1)を、第2の消化され、かつ熱加水分解された汚泥生成物(g1)と、揮発性脂肪酸(VFA)、可溶化P、及び任意選択でコロイド状有機物に富む液体濃縮物流(g2)とに分離し;前記液体濃縮物(g2)の少なくとも一部を、ケーク生成物と、固形物含有量が低下している液体濃縮物流とに分離し;前記ケーク生成物を、工程(c)の嫌気的消化段階にリサイクルする、工程、
(h)工程(g)に由来する前記液体濃縮物流(g2)の少なくとも一部を工程(a)にリサイクルする工程
を含む方法。 - 前記バイオマス材料が、EBPR(強化生物学的P除去)プロセスから生じる湿潤活性汚泥(WAS)であり、前記WASが、0.5~3.0%のDS(乾燥固形物)を含有する、請求項1に記載の方法。
- 工程(g)の前記第2の脱水段階に由来する前記液体濃縮物流(g2)の少なくとも一部を、工程(c)の前記嫌気的消化段階にリサイクルすることをさらに含む、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記バイオマス材料を生成させるために、嫌気的段階を含む上流側廃水処理プロセスにおける生物学的P除去及び/又は生物学的N除去を助けることにおいて、前記第2の脱水段階からの前記液体濃縮物(g2)の少なくとも一部、又は固形物含有量が低下している前記液体濃縮流の少なくとも一部を使用することをさらに含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。
- 1時間~3時間の前記接触工程(a)の前記接触タンクでの滞留時間を提供することをさらに含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。
- 工程(a)の前記接触タンクに、工程(b)の前記シックナーユニットからのオーバーフロー、及び/又は一次汚泥を加えることをさらに含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。
- リン酸塩を工程(e)において生成させるための前記リン酸回収プロセスが、少なくとも下記のプロセス工程:
・前記液体濃縮物をストルバイト形成反応槽において結晶化プロセスに供する工程、
・前記ストルバイト形成反応槽において形成されるストルバイト結晶を、沈降技術又はサイクロン技術によって単離する工程
を含む、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。 - CO2を前記液体濃縮物から除去し、それによりpHを上昇させるための脱ガス工程をさらに含む、請求項7に記載の方法。
- 前記ストルバイトの結晶化を増強するために、下記の工程:
・さらなるMgを前記ストルバイト形成反応槽に加える工程、
及び/又は
・塩基又は酸を前記ストルバイト形成反応槽に加える工程
をさらに含む、請求項7又は8に記載の方法。 - リン酸をバイオマス材料から回収するためのプラントであって、
・前記バイオマス材料と、第2の脱水ユニット(16)からのリサイクル流とを受け入れ、それにより混合汚泥を生成させるための接触タンク(3)、
・前記混合汚泥を濃厚化し、かつ、それにより、濃縮された濃厚化汚泥生成物と、P(PO4)及びMgに富む液体濃縮物流とを生成させるためのシックナーユニット(5)、
・前記濃縮された濃厚化汚泥生成物を消化し、それにより、バイオガス流と、消化汚泥生成物とを生成させるための嫌気的消化槽(8)、
・前記消化汚泥生成物を脱水し、それにより、第1の消化汚泥生成物と、PO4-P及びNH4-Nに富む液体濃縮物流とを生成させるための第1の脱水ユニット(10)、
・P及びMgに富む前記液体濃縮物と、PO4-P及びNH4-Nに富む前記液体濃縮物とを受け取り、それによりストルバイトを生成させるためのストルバイト形成反応槽(22)、
・前記第1の消化汚泥生成物を加水分解し、それにより、消化され、かつ熱加水分解された汚泥生成物を生成させるための熱加水分解ユニット(14)、
・前記消化され、かつ熱加水分解された汚泥生成物を脱水し、それにより、第2の消化され、かつ熱加水分解された汚泥生成物と、揮発性脂肪酸(VFA)、可溶化P及び任意選択でコロイド状有機物に富む液体濃縮物流とを生成させるための第2の脱水ユニット(16)、
・揮発性脂肪酸(VFA)、可溶化P及び任意選択でコロイド状有機物に富む前記液体濃縮物の少なくとも一部を、前記バイオマス材料との接触のために前記接触タンク(3)に導くための導管、
・揮発性脂肪酸(VFA)、可溶化P、並びにコロイド状有機物に富む前記液体濃縮物流をケーク生成物と、固形物含有量が低下している液体濃縮物流とに分離するための分離ユニット(19)、
・前記ケーク生成物を前記嫌気的消化槽に導くための導管又は輸送手段
を含むプラント。 - 揮発性脂肪酸(VFA)、可溶化P及びコロイド状有機物に富む前記液体濃縮物の少なくとも一部を前記嫌気的消化槽(8)に導くための導管をさらに含む、請求項10に記載のプラント。
- 生物学的P除去を含む既存の廃水処理プラント(WWTP)を改造する方法であって、
前記廃水処理プラントは、嫌気的ユニット、無酸素ユニット及び好気的ユニット、活性汚泥を生成させるために直列に配置された清澄器、前記好気的ユニットからの混合液を前記無酸素ユニットにリサイクルするための内部リサイクル手段、前記活性汚泥の一部を返送活性汚泥(RAS)として前記嫌気的ユニットに返送するためのリサイクル手段、並びに前記活性汚泥の一部を廃棄活性汚泥(WAS)として取り出すための手段を含み、
前記改造する方法は、下記の工程:
・バイオマス材料が前記廃水処理プラントにおいて生じるバイオマス材料入口導管と、下流側に設置される第2の脱水ユニットからのリサイクル流導管であって、VFA及び可溶化P及び任意選択でコロイド状有機物に富む液体濃縮物流を搬送するリサイクル流導管とを受け入れるために適合化される接触タンクを据え付ける工程、
・前記接触タンクにおいて生じる混合汚泥を濃厚化するためのシックナーユニットを据え付ける工程、
・前記シックナーユニットにおいて生じる濃縮された濃厚化汚泥生成物を消化するための嫌気的消化槽を据え付ける工程、
・前記嫌気的消化槽において生じる消化汚泥生成物を脱水するための第1の脱水ユニットを据え付ける工程、
・前記シックナーユニットからの、P及びMgに富む液体濃縮物を輸送するための第1の導管を据え付ける工程、
・前記第1の脱水ユニットからの、P及びNH4-Nに富む液体濃縮物を輸送するための第2の導管を据え付ける工程、
・ストルバイトを生成させるためのストルバイト反応槽であって、Pに富む、又はNH4-Nに富む前記液体濃縮物を含有する前記第1及び第2の導管のどれでも入口として受け入れるように適合化されるストルバイト反応槽を据え付ける工程、
・前記第1の脱水ユニットにおいて生じる第1の汚泥生成物を加水分解するための熱加水分解ユニットを据え付ける工程、
・前記熱加水分解ユニットにおいて生じる消化され、かつ熱加水分解された汚泥生成物を脱水するための前記第2の脱水ユニットを据え付ける工程、
・VFA及び可溶化P及び任意選択でコロイド状有機物に富む前記液体濃縮物流を前記接触タンクにリサイクルするためのリサイクル流導管を据え付ける工程、
・揮発性脂肪酸(VFA)、可溶化P及び任意選択でコロイド状有機物に富む前記液体濃縮物流をケーク生成物と、固形物含有量が低下している液体濃縮物流とに分離するための分離ユニットを据え付ける工程、
・前記ケーク生成物を前記嫌気的消化槽に導くための導管又は輸送手段を据え付ける工程
を含む、方法。 - 前記既存の廃水処理プラントがさらに、前記嫌気的ユニットの上流側に、廃水流入物を受け取り、浮遊した固形物及び有機物をそれにより捕捉し、かつ、一次汚泥をそれにより形成させるための一次清澄器を含む、請求項12に記載の既存の廃水処理プラント(WWTP)を改造する方法。
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