JP7200248B2 - 有機性排水処理方法及び有機排水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機性排水処理方法及び有機排水処理装置に関し、特に、生活排水、下水等の低濃度有機性排水をメタン発酵処理し、その処理水を好気性生物処理する省エネルギー型生物学的処理プロセスを用いる有機性排水の処理方法および装置に関する。

有機性排水をメタン発酵処理する技術は、有機性排水を好気性生物処理する技術に比べて、（１）汚泥発生量が少ない、（２）ブロワなどの電気代が不要なためランニングコストがかからない、（３）発生したメタンガスを有効利用できる、等のメリットがあるため、近年、ＣＯＤ_Cr濃度２０００ｍｇ／Ｌ～３０００ｍｇ／Ｌの高濃度有機性排水を対象に普及している。メタン発酵処理としては、ＵＡＳＢ（Up-flow Anaerobic Sludge Blanket：上向流嫌気性汚泥床）法、固定床法、流動床法等がある。特に、ＵＡＳＢ法は、嫌気性微生物の自己造粒機能を利用して、沈降性の優れたグラニュール汚泥を反応槽内に高濃度に保持できるため、ＣＯＤ_Cr負荷１０ｋｇ／ｍ³／ｄ～３０ｋｇ／ｍ³／ｄなどの高負荷での処理が可能となるため、国内国外を問わず、有機性排水をメタン発酵処理する方法として最も普及している。

ブラジル、インド、東南アジア等の温暖化地域においては、下水等のＣＯＤ_Cr濃度４００ｍｇ／Ｌ～１０００ｍｇ／Ｌの中濃度有機性排水を対象とし、好気性生物処理（具体的には活性汚泥処理）の前処理としてＵＡＳＢ法により処理（以下「ＵＡＳＢ処理」と略す。）するケースが見られる。しかし、日本のように冬期の気温が０℃～１０℃に下がる地域では、処理対象である下水の温度も５℃～１５℃と低くなるため、ＵＡＳＢ槽内の温度も５～１５℃と低温になり、ＵＡＳＢ槽内の嫌気性菌の活動が抑制され、ＵＡＳＢ槽内に懸濁物質（Suspended Solids、以下「ＳＳ」と略する。）が溜まり、ＵＡＳＢ処理ができない状態となる。また、下水等のＣＯＤ_Cr濃度４００ｍｇ／Ｌ～１０００ｍｇ／Ｌの低濃度有機性排水をＵＡＳＢ処理する場合、嫌気性菌の活動を活性化させるためにＵＡＳＢ槽を加温する必要があり、多量のエネルギーを必要とするため、ＣＯＤ_Cr濃度１０００ｍｇ／Ｌ～３０００ｍｇ／Ｌの高濃度有機性排水をＵＡＳＢ処理する場合に比べ経済的ではない。これらの理由により、寒冷地では、下水等のＣＯＤ_Cr濃度４００ｍｇ／Ｌ～１０００ｍｇ／Ｌの低濃度有機性排水をＵＡＳＢ処理することができなかった。

この改良案として、本発明者らは、メタン発酵槽内の水温１８℃以上では、嫌気性生物を用いて被処理水をメタン発酵処理して、メタンガスを含む発生ガス、メタン発酵処理水及びメタン発酵処理汚泥を得るメタン発酵処理工程と、好気性生物を用いて前記メタン発酵処理水を生物学的酸化分解処理して好気性生物処理水及び好気性生物処理汚泥を得る好気性生物処理工程と、前記好気性生物処理汚泥の一部又は全部を酸発酵処理して酸発酵処理汚泥を得る酸発酵処理工程と、前記酸発酵処理汚泥を、混合脱ガス槽で発酵ガスを分離した後、前記メタン発酵処理工程の入り口側に、前記メタン発酵処理工程におけるスカムの発生を抑制するために供給する工程と、を備える有機性排水の処理方法を提案した（特許文献１）。特許文献１では、メタン発酵槽内の水温が１３℃以上１８℃未満では、前記メタン発酵処理汚泥の一部又は全部を、酸発酵処理工程の入り口側に供給すること、メタン発酵槽内の水温が１３℃未満では、最初沈殿池において被処理水（原水）を分離水と分離汚泥に分離し、分離汚泥或いは該分離汚泥を濃縮した濃縮分離汚泥を、好気性生物処理汚泥の一部とともに酸発酵処理して酸発酵処理汚泥を得、酸発酵処理汚泥を前記分離水と共にメタン発酵処理工程の入り口側に供給することも提案している。

また、ＣＯＤ_Cr濃度１０００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度有機性排水にＵＡＳＢ法を適用すると、ＵＡＳＢ処理水の溶存メタン量が多くなるため、ＵＡＳＢ処理水を大気解放すると、溶存メタンは大気中にメタンガスとして放散されてしまう。メタンガスは強力な温室効果ガスの一つとして知られており、その温室効果は二酸化炭素の約２１倍であるといわれている。溶存メタンの放散による地球温暖化に与える影響は大きい。この改良案として、本発明者らは、有機性排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で処理されたメタン発酵処理水を好気性生物処理する浸漬型の反応槽と、前記反応槽中の混合液を固液分離する固液分離装置とを備え、前記メタン発酵処理槽は、該メタン発酵処理槽中の前記メタン発酵処理水に溶存したメタンが大気中に放散するのを防止する蓋部と、前記溶存メタンが大気中に放散するのを防止した状態を保ちながら、前記メタン発酵処理水を前記反応槽に供給する供給部とを有し、前記反応槽は、脱窒処理をする無酸素槽と好気性生物処理する好気槽を有し、前記メタン発酵処理槽が有する供給部は、前記メタン発酵処理水を前記無酸素槽に供給し、前記メタン発酵処理槽の下流であって、前記反応槽の上流に設けられた溶存メタン回収槽を備え、前記溶存メタン回収槽は、該溶存メタン回収槽内の前記メタン発酵処理水に、二酸化炭素、窒素、空気、不活性ガスの内の１の気体または２以上の混合気体を吹き込む気体吹込装置と、前記気体の吹き込みにより回収されたメタンガスを前記無酸素槽に供給する供給部を有する有機性排水処理装置を提案している（特許文献２）。

図１０に従来の低濃度有機性排水をＵＡＳＢ処理と好気性生物処理を併用して処理する場合の処理フローを示す。有機性排水１１１はＵＡＳＢ槽１０３に上向流で通水され、ＵＡＳＢ槽１０３では易分解性の有機物が分解される。ＵＡＳＢ処理水１１５は、好気性生物処理１０４により仕上げ処理され、好気性生物処理水１１７は放流される。一方、ＵＡＳＢ槽１０３からの濃縮汚泥１１６（運転条件によっては排泥しない場合あり）と好気性生物処理（通常は活性汚泥法が利用される）の余剰汚泥１１８は、汚泥処理工程１０５に導入され処理される。一般的な流入下水のＣＯＤ_Cr濃度は４００ｍｇ／Ｌ以上６００ｍｇ／Ｌ以下であり、ＳＳ濃度で１６０ｍｇ／Ｌ以上２４０ｍｇ／Ｌ以下であるが、合流式下水道で雨水の影響が出た場合などは流入下水のＣＯＤ_Cr濃度は２００ｍｇ／Ｌ以下、ＳＳ濃度は１００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度となる。下水のＵＡＳＢ処理は通水速度０．５ｍ／ｈ以上０．６ｍ／ｈ以下で設計されているので、同一ＣＯＤ_Cr負荷で比較すると有機物濃度が低下すればＵＡＳＢ槽の容量を大きくする必要があり、建設費が増大することになる。

特開2013-176746号公報 特開2012-61435号公報

上記のように下水水温対策、溶存メタン対策を講じた場合でも、合流式下水道の雨天時、下水管渠が埋設していない開放系下水水路を有する地域、工場廃水の混入比率の高い地域及び下水管渠に不明水が多く流入する地域等では、流入下水ＣＯＤ_Cr濃度が２００ｍｇ／Ｌ以下と低い場合がある。このような低濃度有機性排水の流入下水を直接、ＵＡＳＢメタン発酵処理する場合、通常の下水濃度の場合に比べて処理対象量を少なくするか、槽の容量を大きくする必要があった。

そこで本発明は、処理対象量を少なくしたり、槽の容量を大きくしたりする必要なく、ＣＯＤ_Cr値が２００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度有機性排水を処理する方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、以下の低濃度有機性排水の処理方法及び装置が提供される。
［１］ＣＯＤ_Cr値が２００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度有機性排水を固液分離し、固液分離水と固液分離汚泥に分ける固液分離工程、
当該固液分離汚泥に、当該固液分離水の一部を混合し、発酵ガスを除去する混合脱気工程、
当該混合脱気工程で発酵ガスが除去された脱気混合水を上向流式メタン発酵槽にてメタン発酵処理するメタン発酵処理工程、及び
メタン発酵処理水を当該固液分離水の残部と混合して、好気性生物処理する好気性生物処理工程を備える有機性排水処理方法。
［２］前記固液分離汚泥を混合脱気工程に供する前に酸発酵処理する酸発酵処理工程をさらに含む、前記［１］に記載の有機性排水処理方法。
［３］前記メタン発酵処理工程は、上向流嫌気性汚泥床を有する上向流式メタン発酵装置にて実施される、前記［１］又は［２］に記載の有機性排水処理方法。
［４］前記好気性生物処理は、生物学的窒素処理である、前記［１］～［３］のいずれか１項に記載の有機排水処理方法。
［５］前記メタン発酵処理工程に供される混合水は、ＣＯＤ_Cr値が２００ｍｇ／Ｌ以上６００ｍｇ／Ｌ以下に調整された混合水である、前記［１］～［４］のいずれか１項に記載の有機排水処理方法。
［６］ＣＯＤ_Cr値が２００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度有機性排水を固液分離し、固液分離水と固液分離汚泥に分ける固液分離槽、
当該固液分離汚泥に、当該固液分離水の一部を混合し、発酵ガスを除去する混合脱気槽、
発酵ガスが除去された脱気混合水をメタン発酵処理する上向流式メタン発酵槽、及び
メタン発酵処理水を当該固液分離水の残部と混合して、好気性生物処理する好気性生物処理槽を備える有機性排水処理装置。
［７］前記固液分離汚泥を混合脱気槽に供する前に酸発酵処理する酸発酵槽をさらに含む、
前記［６］に記載の有機性排水処理装置。
［８］前記メタン発酵槽は、上向流嫌気性汚泥床を有する上向流式メタン発酵槽である、前記［６］又は［７］に記載の有機性排水処理装置。
［９］前記好気性生物処理槽は、生物学的窒素処理槽である、前記［６］～［８］のいずれか１項に記載の有機排水処理装置。

本発明によれば、ＣＯＤ_Cr値が２００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度有機性排水に対しても安定した上向流式メタン発酵処理が可能となる。また、従来は、低濃度有機性排水を処理するためには、上向流式メタン発酵処理槽は大容量が必要であったが、本発明の処理方法によれば小型の上向流式メタン発酵処理槽で十分に処理することができるため、設備の建設コストの低減や、設置面積のコンパクト化が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る処理フローを示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る処理フローを示す説明図である。 上向流嫌気性汚泥ろ床法（ＵＡＳＢ）を実施することのできるメタン発酵槽の構成を示す概略断面図である。 上向流嫌気性汚泥ろ床法（ＵＡＳＢ）を実施することのできるメタン発酵槽の別の構成を示す概略断面図である。 上向流嫌気性汚泥ろ床法（ＵＡＳＢ）を実施することのできるメタン発酵槽のまた別の構成を示す概略断面図である。 図５に示すメタン発酵槽が具備するスカム捕集枠の上面図である。 ＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度とＵＡＳＢ槽容量の関係を示すグラフである。 実施例の実験結果を示すグラフである。 ＵＡＳＢ槽への流入水（混合脱気水）のＣＯＤ_Cr濃度と高濃度汚泥界面との関係を示すグラフである。 従来の有機性排水処理方法の処理フローを示す説明図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

本発明は、ＣＯＤ_Cr値が２００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度有機性排水を固液分離し、固液分離水と固液分離汚泥に分ける固液分離工程、当該固液分離汚泥に、当該固液分離水の一部を混合し、発酵ガスを除去する混合脱気工程、当該混合脱気工程で発酵ガスが除去された脱気混合水を上向流式メタン発酵槽にてメタン発酵処理するメタン発酵処理工程、及びメタン発酵処理水を当該固液分離水の残部と混合して、好気性生物処理する好気性生物処理工程を備える有機性排水処理方法、及びＣＯＤ_Cr値が２００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度有機性排水を固液分離し、固液分離水と固液分離汚泥に分ける固液分離槽、当該固液分離汚泥に、当該固液分離水の一部を混合し、発酵ガスを除去する混合脱気槽、発酵ガスが除去された脱気混合水をメタン発酵処理する上向流式メタン発酵槽、及びメタン発酵処理水を当該固液分離水の残部と混合して、好気性生物処理する好気性生物処理槽を備える有機性排水処理装置を提供する。

本発明により処理される有機性排水は、ＣＯＤ_Cr値が２００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度有機性排水であり、さらにＳＳが１２０ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましく、ＳＳが１００ｍｇ／Ｌ以下であることがより好ましい。また、ＣＯＤ_Cr／ＳＳが１．５以上３以下の範囲であることが好ましく、１．５以上２．５以下の範囲であることがより好ましい。本発明で処理できる低濃度有機性排水としては、たとえば、下水などの生活排水、特に雨水等で希釈された下水を好ましく挙げることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る処理フローを示す説明図である。本発明の有機性排水処理方法は、ＣＯＤ_Cr値が２００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度有機性排水１１を固液分離し、固液分離水１２と固液分離汚泥１３に分ける固液分離工程１、当該固液分離汚泥１３に、当該固液分離水１２の一部を混合し、発酵ガスを除去する混合脱気工程２、当該混合脱気工程２で発酵ガスが除去された脱気混合水１４を上向流式メタン発酵槽にてメタン発酵処理するメタン発酵処理工程３、及びメタン発酵処理水１５を当該固液分離水１２の残部と混合して、好気性生物処理する好気性生物処理工程４を備える。有機性排水１１は、固液分離工程１で分離され、固液分離水１２の一部は混合脱気工程２に送られ、残りは好気性生物処理工程４に送られる。混合脱気工程２では、固液分離汚泥１３と固液分離水１２の一部が所定の流量比で混合され、メタン発酵処理工程３に供されるための最適なＣＯＤ_Cr値、ＳＳ濃度に調整される。混合脱気工程２で形成される脱気混合水は、メタン発酵処理工程３に供給され、メタン発酵処理された処理水１５は、好気性生物処理工程４に送られる。メタン発酵処理により形成される汚泥は、汚泥処理工程５に送られる。

図２は、本発明の第２実施形態に係る処理フローを示す説明図である。第２実施形態は、図１に示す処理フローにおいて、固液分離汚泥１３を混合脱気工程２に供する前に酸発酵処理する酸発酵処理工程６をさらに含み、混合脱気工程２には酸発酵処理水１９が供給される。酸発酵処理として、固液分離汚泥に酸生成菌を添加すると有機酸発酵処理の効率が向上するので好ましい。

以下、図１及び図２における各工程及び各工程で用いられる装置を詳細に説明する。

＜固液分離工程＞
有機性排水１１は、固液分離工程１にて、固液分離汚泥１３と、固体成分が除去された固液分離水１２と、に分離される。固液分離工程１は、通常の固液分離装置、たとえば、上向流又は下向流のろ過槽、重力沈降槽（薬注なし）、凝集沈殿槽（薬注あり）、スクリーン分離装置、ＤＦ（ディスクフィルター）分離装置、液体サイクロン等を制限なく用いて行うことができる。特に、ＣＯＤ_Cr濃度２００ｍｇ／Ｌ以下、ＳＳ濃度１００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度有機性排水の固液分離には、空隙率の高いプラスチックろ材を用いる上向流ろ過方式が適している。有機性排水を一定時間通水すると、ろ過装置のろ過抵抗が上昇するので定期的に洗浄を行い、ろ過抵抗を下げてから通水を再開する。洗浄工程で発生する洗浄排水は、洗浄水量によるがＳＳ濃度５００ｍｇ／Ｌ以上２０００ｍｇ／Ｌ以下程度となり、この洗浄排水も濃縮排水として利用する。ろ過を洗浄するための洗浄水としては、有機性排水、メタン発酵処理工程３で生じるメタン発酵処理水、好気性生物処理工程４で生じる好気性処理水等を利用することができる。水バランスを考慮すると、有機性排水処理フロー内の工程水を利用することが望ましい。

＜混合脱気工程＞
固液分離工程１にて分離された固液分離汚泥１３と、固液分離水１２の一部とは、混合脱気工程２に送られて、混合され、固液分離汚泥１３から発生する発酵ガスが除去される。混合脱気工程２は、混合機構及び脱気機構を具備する混合脱気槽を用いて行うことができる。混合脱気工程２では、濃縮排水１３と固液分離水１２の一部とを混合して、混合水から発酵ガスを分離除去する。脱気機構は、発酵ガスを分離するガス分離手段を備えていることが好ましい。発酵ガスとは、主にＣＯ₂ガスであり、一部Ｈ₂ガスを含むこともある。発酵ガスがメタン発酵処理工程３で用いられるメタン発酵槽に流入すると、汚泥の浮上が促進されるため、汚泥と嫌気性生物が十分に接触しないうちに汚泥が浮上することになり、メタン発酵処理槽内でスカムの発生が促されることになる。そこで、メタン発酵処理工程３の前工程で、予め濃縮排水中の発酵ガスを分離除去することにより、メタン発酵処理工程３でのスカムの発生を抑制することができる。

ここで、発酵ガスを分離するガス分離手段としては、例えば、汚泥を含む濃縮排水と固液分離水の一部とを混合する混合槽に、混合した濃縮排水と固液分離水の一部（以下「混合水」ともいう。）を一時的に滞留させる間に大気と接触させることにより、混合水から発酵ガスを分離除去できるようにした構成を挙げることができる。さらに、混合水を迂流、自然流下、オーバーフロー等させて、含有する発酵ガスの分離を促進させるようにしてもよい。また、混合脱気槽内部に撹拌機を設けてもよい。混合脱気槽内での水理学的滞留時間（ＨＲＴ：Hydraulic Retention Time）は５分以上３０分以内、好ましくは１０分以上１５分以内とすることができる。

混合脱気工程２における固液分離工程１からの固液分離汚泥１３と固液分離水１２の一部との混合の好適比率は、下記式により求めることができる。

本発明の処理方法において、脱気混合水１４のＣＯＤ_Cr濃度（ｍｇ／Ｌ）C3は２５０ｍｇ／Ｌ以上６００ｍｇ／Ｌ以下、脱気混合水１４のＳＳ濃度（ｍｇ／Ｌ）X3は１００ｍｇ／Ｌ以上３００ｍｇ／Ｌ以下に調整することが好ましい。固液分離汚泥１３及び固液分離水１２の混合比率は、脱気混合水のＣＯＤ_Cr濃度（ｍｇ／Ｌ）及びＳＳ濃度（ｍｇ／Ｌ）が上記範囲内となるように調整することができる。

＜メタン発酵処理工程＞
混合脱気工程２から供給された脱気混合水１４を、メタン発酵処理工程３においてメタン発酵処理する。メタン発酵処理とは、ＯＲＰが－４００ｍＶ以下の範囲で行なう嫌気性生物学的処理であり、嫌気性微生物によって有機物をメタンガスと二酸化炭素まで分解し、発生したメタンガスをエネルギーとして有効利用できるようにする処理である。メタン発酵処理工程３において、メタンガスを含む発生ガス、メタン発酵処理水１５及びメタン発酵処理汚泥１６を形成させる。メタン発酵処理水１５は、メタン発酵処理水供給管を通じて好気性生物処理工程４に供給される。メタン発酵処理汚泥１６は、メタン発酵処理汚泥排出管を通じて汚泥処理工程５に供給される。発生ガスは、図１及び２には示さないが、発生ガス排出管を通じて発生ガス処理装置に供給される。

メタン発酵処理工程３は、上向流式メタン発酵装置、たとえばＵＡＳＢ槽（Upflow Anaerobic Sludge Blanket：上向流嫌気性汚泥ろ床）、ハイブリッド型ＵＡＳＢ槽（ＵＡＳＢ槽上部に充填剤を充填した固定床を設け、ＧＳＳ（Gas Solid Separator：固液分離装置）構造を簡略化した槽）、及び流動床槽などを用いて行うことができる。本明細書では、メタン発酵処理に最も適しているＵＡＳＢ槽を例として説明する。

上向流嫌気性汚泥ろ床法（ＵＡＳＢ）は、嫌気性微生物の集塊作用を利用して活性の高い菌体をグラニュール（直径２～３ｍｍの粒状汚泥、糸状性の酢酸資化性メタン生成属細菌を中心とする緻密なフロック）として反応槽に大量に保持する方法で，反応槽の下部から脱気混合水を注入して嫌気状態で脱気混合水中の有機物を分解させる方法である。上向流嫌気性汚泥ろ床法（ＵＡＳＢ）は、嫌気性微生物の自己造粒機能を利用して沈降性の優れたグラニュール汚泥を槽内に高濃度で保持できるため、ＣＯＤ_cr負荷を高めることができる。しかも、通常の嫌気性処理に比べて、比較的低濃度の脱気混合水にも適用できるうえ、高速の処理が可能で、且つ曝気を必要としないため、わずかな電力で運転でき、副産物として大量のメタンガスを生成することができる。その反面、低濃度の脱気混合水の場合には、ＣＯＤ_cr負荷を高くとるために、多量の脱気混合水を槽内に供給する必要があり、この水流によってメタン発酵槽内の汚泥床が系外に流出してしまう場合がある。そこで、メタン発酵槽内の汚泥床を高濃度に維持するためには、メタン発酵槽への通水量を制限するのが好ましい。ＵＡＳＢ槽内のグラニュール汚泥を維持させるためには、通水速度は０．５ｍ／ｈ以上２．０ｍ／ｈ以下が好ましく、０．７５ｍ／ｈ以上１．５ｍ／ｈ以下がより好ましい。したがって、ＵＡＳＢ法をＣＯＤ_cr２００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度有機排水の嫌気性処理に適用した場合、通水速度を下げる必要があるため、ＣＯＤ_cr負荷は０．３ｋｇ／ｍ³／ｄ～０．５ｋｇ／ｍ³／ｄと低くなる。

図３に、上向流嫌気性汚泥ろ床法（ＵＡＳＢ）を実施することのできるメタン発酵槽３０の構成を示す。

メタン発酵槽３０は、その内部に、汚泥床３２と、気固分離部（ＧＳＳ）３３と、メタン発酵処理水を分離する越流堰３４と、を備える。メタン発酵槽３０の上部には、覆蓋３５と、メタンガス排出管３７と、を備える。気固分離部（ＧＳＳ）３３は、汚泥床３２の上方にて越流堰３４の中央部を貫通して設けられ、気体（メタンガス）を汚泥床３２から分離して、メタンガス排出管３７に送るように構成されている。メタン発酵槽３０の底部には、混合脱気工程２からの脱気混合水を供給する脱気混合水供給管３６が接続されている。メタン発酵槽３０の下方側壁には、メタン発酵処理汚泥１６を移送するメタン発酵処理汚泥排出管３９が接続されている。メタン発酵槽３０の上方側壁には、越流堰３４内に流入するメタン発酵処理水１５を好気性生物処理工程４に送るメタン発酵処理水供給管３８が接続されている。

メタン発酵槽３０においては、混合脱気工程２からの脱気混合水１４がメタン発酵槽３０の底部から流入し、汚泥床３２すなわち下部に沈殿しているグラニュールの層に均一に拡散して、脱気混合水１４に含まれている有機物や、酸発酵により生成した溶解性有機物、酢酸・プロピオン酸等の有機酸は、メタン発酵槽３０内の嫌気性菌によってメタンガスと二酸化炭素ガスに分解される。そして、これらの発生ガスとグラニュールは、メタン発酵処理水１５とともに浮上し、気固分離部（ＧＳＳ）３３及び越流堰３４によって、発生ガス（メタンガス）、メタン発酵処理汚泥（グラニュール）１６、メタン発酵処理水１５などに分離される。発生ガスは、発生ガス排出管３７を通じて発生ガス処理装置に供給され、エネルギー源として利用される。メタン発酵処理水１５は、メタン発酵処理水供給管３８を通じて好気性生物処理工程４に供給されて、好気性生物処理される。メタン発酵処理汚泥１６は、メタン発酵処理汚泥排出管３９を通じて汚泥処理工程５に供給されて減容化されて系外に排出される。

本発明の処理方法の対象となる低濃度有機性排水をＵＡＳＢ処理する場合には、汚泥床（スラッジゾーン）３２を確保するために通水速度が制限され、ＣＯＤ_cr容積負荷は０．３ｋｇ／ｍ³／ｄ以上０．５ｋｇ／ｍ³／ｄ以下と低い有機物負荷となる。一方、食品産業排水のような高濃度有機性排水のＵＡＳＢ処理では、ＣＯＤ_cr容積負荷は１０ｋｇ／ｍ³／ｄ以上２０ｋｇ／ｍ³／ｄ以下と高い有機物負荷となる。すなわち、低濃度有機性排水は、高濃度有機性排水に比べ、有機物負荷が１／１０乃至１／２０程度低く、嫌気性菌の密度が低くなり、汚泥床３２のグラニュール汚泥の粒径は０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下と小さなものになる。このように低濃度有機性排水をＵＡＳＢ処理する場合には、グラニュ－ル汚泥の沈降速度と流入ＳＳの沈降速度の差が、高濃度有機性排水に適用されている従来のＵＡＳＢグラニュ－ル汚泥に比べて小さいため、流入するＳＳ濃度、排水の性状によっては、メタン発酵槽３０内でのスカムの発生量が多くなり、メタン発酵槽３０内の汚泥の維持が困難になる可能性がある。そのため、以下の２つの改善方法のいずれかを採用することが好ましい。

（１）沈降性のよい粒径０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ以上０．７ｍｍ以下の砂やゼオライト、活性炭等の担体を、汚泥床容量に対して１％以上１０％以下、好ましくは５％以上７％以下の割合で汚泥床に添加する。
（２）有機性排水に由来する脱気混合水に、Ｆｅ塩を好ましくは１ｍｇ／Ｌ（ａｓＦｅ）以上２０ｍｇ／Ｌ（ａｓＦｅ）以下、より好ましくは５ｍｇ／Ｌ（ａｓＦｅ）以上１０ｍｇ／Ｌ（ａｓＦｅ）以下の割合で添加する。

前記（１）の方法では、担体に嫌気性菌を付着させることで、汚泥床における嫌気性菌の割合を高めることが可能となる。

前記（２）の方法では、Ｆｅ塩以外にＣａ塩なども適用することができる。

メタン発酵槽３０内の水温は、１８℃以上であることが好ましく、特に２０℃以上、中でも特に２０℃以上３０℃以下が好ましい。

また、メタン生成の段階で中心的役割を果たすメタン生成菌は、中性付近のｐＨを好むため、ｐＨ６以上８以下に調整することが好ましい。

また、メタン生成細菌には、活性温度によっていくつかの種類に分類されるが、本処理方法では、活性温度が２０℃以上３０℃以下のメタン生成菌を用いることが好ましい。

図４に、メタン発酵処理装置の変形例としてのメタン発酵槽４０を示す。図３と同じ構成部材には同じ符号を使用し、説明を割愛する。

メタン発酵槽４０は、図３に示したメタン発酵槽３０と対比すると、メタン発酵槽４０内部に気固分離部（ＧＳＳ）３３を設けず、気体を透過しない材料からなる屋根材４１でメタン発酵槽４０の上部を密閉被覆し、屋根材４１とメタン発酵槽４０との接続部分にガス排気口４２を設け、このガス排気口４２に発生ガス排出管３７を連結して発生ガスを排出可能とした構成を備える。但し、ガス排気口４２を設ける位置は任意に設計可能である。例えば屋根材４１のいずれかに設けてもよいし、メタン発酵槽４０の上部に設けてもよい。

ＣＯＤ_cr濃度４００ｍｇ／Ｌ以上１０００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度有機性排水は、メタン発酵処理槽（ＵＡＳＢ槽）でのＣＯＤ_cr容積負荷が１ｋｇ／ｍ³／ｄと低く、食品製造排水のような高濃度有機性排水のメタン発酵処理に比べ、発生ガスの量は少ない。そのため、図３に示した装置のような気固分離部（ＧＳＳ）３３を設けなくても、発生ガスを回収し排出することができる。

図５に、メタン発酵処理装置のさらなる変形例としてのメタン発酵槽５０を示す。図３及び図４と同じ構成部材には同じ符号を用い、説明を割愛する。

メタン発酵槽５０は、図４に示したメタン発酵槽４０と対比すると、メタン発酵槽５０内部の超流堰３４と同じ高さであって、超流堰３４の内側部分に、スカムを集めるスカム捕集枠５１を設けた構成を備える。スカム捕集枠５１は、図６に示すように、メタン発酵槽５０の対向する内壁に渡って固定するようにしてもよい。

図７に、固液分離工程１を上向流ろ過装置で通水速度一定の条件で行った場合のＵＡＳＢ槽への流入水（混合脱気水）のＣＯＤ_Cr濃度とＵＡＳＢ槽の容量との相対比を示す。ＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度１４０ｍｇ／Ｌの低濃度有機性排水の場合のＵＡＳＢ槽容量を１００とした場合の相対比較を行った。ＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度３２０ｍｇ／ＬでＵＡＳＢ槽容量３１（相対比）、ＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度６００ｍｇ／ＬでＵＡＳＢ槽容量１５（相対比）となった。このように、ＵＡＳＢ槽の流入ＣＯＤ_Cr濃度を調整することでＵＡＳＢ槽の容量を削減できることが確認できた。なお、経済性から判断すると、ＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度調整は６００ｍｇ／Ｌ以下が好ましいといえる。

＜好気性生物処理工程＞
メタン発酵処理工程３からのメタン発酵処理水１５は、固液分離工程１からの固液分離水１２の残部と混合されて、好気性生物処理工程４に送られる。好気性生物処理工程４は、溶存酸素が十分ある環境下で、好気性微生物によって、メタン発酵処理水１５と固液分離水１２との混合水中の有機性物質、アンモニア性窒素等を酸化分解する。たとえば曝気によって生物フロックを浮遊させた状態で、有機物質を生物学的酸化分解する方法（活性汚泥法）や、担体に微生物を付着増殖させて生物膜を形成させ、これを有機性排水に接触させて生物学的酸化分解する方式（生物膜法）など、公知のいずれの方法も採用可能である。本発明の処理方法では、下水などの低濃度有機性排水を好適に処理できる観点から活性汚泥法が好ましい。活性汚泥法は、活性汚泥と呼ばれるさまざまな好気性微生物や有機性物質や無機性物質などからなるゼラチン状のフロックを用いた処理方法である。

好適な好気性生物処理装置としては、公知の好気性生物処理装置であれば制限なく用いることができる。好ましくは、微生物による有機物の酸化分解によって消費される酸素を大量に供給するための曝気装置を付属した処理槽と、汚泥と処理水とを分離する汚泥沈殿槽とを備えたものを挙げることができる。

＜酸発酵処理工程＞
第２実施形態に示すように、固液分離工程１の後、混合脱気工程２の前に、固液分離汚泥１３を酸発酵処理してもよい。酸発酵処理工程６では、低濃度有機排水を固液分離工程１で濃縮した固液分離汚泥を酸発酵処理して酸発酵処理汚泥１９とする。酸発酵処理汚泥１９は、酸発酵処理汚泥供給管を通じて混合脱気工程２に送られる。

酸発酵処理は、固液分離工程１で分離された固液分離汚泥１３中の微生物が分解しにくい固形物（ＳＳ分）を酸生成菌により有機酸発酵処理し、固液分離汚泥１３中に含まれる有機物を溶解し易い低分子の有機酸（プロピオン酸、酢酸等）に変換する処理である。酸発酵処理工程６では、固液分離汚泥１３の温度、ｐＨ及びＨＲＴを調整して、固液分離汚泥１３中の有機物の酸発酵処理を進行させる。

ｐＨは４以上８以下、好ましくは５以上７以下の範囲とすることが望ましい。酸発酵処理では、固液分離汚泥中の有機物の一部を、酢酸、プロピオン酸等の有機酸に低分子化することができる。酸発酵処理において、酸生成に関与する微生物は通性嫌気菌であり、ＯＲＰが－２００ｍＶ以上５０ｍＶ以下の範囲で生育させることが好ましい。

酸発酵槽は、固液分離汚泥１３を撹拌することができる手段を備えていることが好ましい。撹拌手段としては、撹拌機を設置してもよく、空気等のガスを曝気してもよい。酸発酵槽は、酸発酵槽内を加温する手段を備えていることが好ましい。加熱用の熱源として、メタン発酵工程２から回収されたメタンガスをボイラーで蒸気に変換して利用することもできる。酸発酵処理工程６の酸発酵槽内で固液分離汚泥１３を加温することは、例えばメタン発酵処理工程２において固液分離汚泥１３を直接加温する場合に比べ、加温に必要なエネルギーを減らすことができる。また、酸発酵槽においては、固液分離汚泥１３中に含まれる固形物（ＳＳ分）の一部は、加水分解され、有機酸発酵を経て、溶解性の有機物（酢酸、プロピオン酸等）に変換されるため、これらの可溶性有機物の存在によりメタン発酵処理工程２においてメタン菌の活性を維持し、低水温の有機性排水であってもメタン発酵処理を良好に行なうことができる。酸発酵槽内の温度は、好ましくは２０℃以上３５℃以下、下水水温と発生ガスの熱エネルギーを考慮すると２０℃以上２５℃以下の範囲がより好ましい。

酸発酵処理での酸発酵槽の最適なＨＲＴは、溶解性有機物濃度（Soluble ＣＯＤ_Cr：以下「Ｓ－ＣＯＤ_Cr」と略す）および酢酸、プロピオン酸、乳酸等の有機酸の生成量により決定することが好ましい。すなわち、固形性有機物が酸発酵した割合をＣＯＤ_Crの可溶化比（Ｓ－ＣＯＤ_Cr／ＣＯＤ_Cr）と定義し、溶解性有機酸ＣＯＤ_Cr中に含有する有機酸の割合を（ａｓＣＯＤ_Cr）／Ｓ－ＣＯＤ_Cr比として定義した場合において、ＣＯＤ_Crの可溶化比及び有機酸（ａｓＣＯＤ_Cr）／Ｓ－ＣＯＤ_Cr比が一定値を示したときのＨＲＴを最適ＨＲＴとするのが好ましい。たとえば、低濃度有機排水（下水）を濃縮した場合、酸発酵槽の温度２０℃、ＨＲＴ２日乃至３日で、Ｓ－ＣＯＤ_Cr／ＣＯＤ_Cr比は０．１５（－）以上０．２０（－）以下、有機酸（ａｓＣＯＤ_Cr）／ＳＣＯＤ_Cr比は０．３以上０．４以下となり、酸発酵槽の温度２５℃、ＨＲＴ１日乃至２日では、Ｓ－ＣＯＤ_Cr／ＣＯＤ_Cr比は０．１５（－）以上０．２０（－）以下、揮発性脂肪酸（Volatile fatty acid）と溶解性有機物濃度との比はＶＦＡ（ａｓＣＯＤ_Cr）／Ｓ－ＣＯＤ_Crは０．５５以上０．６５以下となる。本発明における酸発酵処理のＨＲＴは０．５日以上３日以下、好ましくは1日以上１．５日以下程度とすることが望しい。

酸発酵槽の固液分離汚泥の撹拌は、連続的あるいは間欠撹拌にて行なうことが好ましい。酸発酵槽内のＭＬＳＳ濃度が２０００ｍｇ／Ｌ以上２００００ｍｇ／Ｌ以下の範囲であるため、汚泥を均一に撹拌するための動力がかかる。撹拌が強いと生成した有機酸が揮発あるいは酸化されて減少する。したがって、酸発酵槽の撹拌は間欠に行なうことが好ましい。たとえば１時間乃至２時間の撹拌停止後、５分乃至１５分の撹拌を行うような間欠撹拌を行なうことが好ましい。

なお、流入水のＳ－ＣＯＤ_Cr／ＣＯＤ_Cr比が高く、ＶＦＡ（ａｓＣＯＤ_Cr）／Ｓ－ＣＯＤ_Cr比が０．５以上と高い場合には酸発酵槽の設置は不要である。

以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるもではない。

表１に示す性状のＣＯＤ_Crが２００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度有機性排水（原水）を用い、図１に示す処理フローにて実証試験を行なった。

固液分離装置として、径１ｃｍ前後のプラスチックろ材を２．５ｍ充填した上向流ろ過装置（直径０．５５ｍ、高さ４ｍ、容量１ｍ³）を用いた。上向流ろ過装置の通水速度は２５０ｍ／ｄとして一定とした。ろ過抵抗が増加した段階で、上向流ろ過処理の処理水（固液分離処理水）を定期的に洗浄し（１～２回／１日）、洗浄排水（固液分離汚泥に相当する）を得た。洗浄排水と上向流ろ過処理水の一部を混合して、一定時間撹拌し脱気処理を行ったものとＵＡＳＢ流入水とした。表２に洗浄排水と上向流ろ過処理の処理水の性状を示す。

洗浄排水と上向流ろ過処理の処理水の混合比を変えてＵＡＳＢ流入水のＣＯＤ_Cr濃度（１４０ｍｇ／Ｌ乃至１４００ｍｇ／Ｌ）、ＳＳ濃度（７０ｍｇ／Ｌ乃至１０００ｍｇ／Ｌ）の調整を行ない、実験用有機性排水を調製した。ＵＡＳＢ槽（直径５０ｃｍ、高さ５ｍ、容量１０００Ｌ）を用いてメタン発酵処理実験を行った。

ＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度を１４０ｍｇ／Ｌ→３００ｍｇ／Ｌ→４５０ｍｇ／Ｌ→６００ｍｇ／Ｌ→１０００ｍｇ／Ｌと段階的に変えた場合のＵＡＳＢ処理特性の把握を行った。ＵＡＳＢ処理における通水速度は０．５ｍ／ｈで一定とし、温度は２０℃前後であった。図８に実験結果を示す。

実験開始後５０日目まではＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度１４０ｍｇ／Ｌ、実験開始後５０日目～１００日目の期間はＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度３００ｍｇ／Ｌ、実験開始後１００日目～１５０日目の期間はＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度４５０ｍｇ／Ｌ、実験開始後１５０日目～１７５日目の期間はＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度６００ｍｇ／Ｌ、実験開始後１７５日目～２００日目の期間はＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度７５０ｍｇ／Ｌ、実験開始後２００日目～２２５日目の期間はＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度１０００ｍｇ／Ｌで実験を行った。

その結果、ＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度４５０ｍｇ／Ｌ以内ではＣＯＤ_Cr除去率６０％以上の安定した処理が得られた。ＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度６００ｍｇ／ＬになるとＣＯＤ_Cr除去率は５５％乃至６０％となり、若干低下した。図９にＵＡＳＢ流入水のＣＯＤ_Cr濃度と高濃度汚泥界面（ＵＡＳＢ槽底部からの高さ）との関係を示す。ＵＡＳＢ槽内の汚泥濃度がＭＬＳＳ２０．０ｇ／Ｌ以上を高濃度と定義し、ＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度と高濃度汚泥界面（ＵＡＳＢ槽底部からの高さ）を示した。ＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度６００ｍｇ／Ｌまでは高濃度汚泥界面はＵＡＳＢ槽底部から２ｍの位置まであったが、ＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度７５０ｍｇ／Ｌ以上になると、高濃度汚泥界面は急激に低下する傾向にあった。その後、ＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度７５０ｍｇ／Ｌになると、ＣＯＤ_Cr除去率は急激に低下し、ＣＯＤ_Cr除去率は２０％となった。ＵＡＳＢ槽の上部にスカム発生が多くみられ、系外への汚泥の流出が顕著であった。ＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度１０００ｍｇ／Ｌになるとさらに処理が悪化し、ＵＡＳＢ槽内での汚泥の維持が出来なくなった。

以上の結果より、ＵＡＳＢ流入水ＣＯＤ_Cr濃度は６００ｍｇ／Ｌ以下、好ましくは４５０ｍｇ／Ｌ以下が適していることが分かった。

１：固液分離工程（固液分離装置）
２：混合脱気工程（混合脱気槽）
３：上向流メタン発酵工程（上向流メタン発酵槽）
４：好気性生物処理工程（好気性生物処理装置）
５：汚泥処理工程（脱水槽）
６：酸発酵工程（酸発酵槽）
１１：低濃度有機性排水
１２：固液分離水
１３：固液分離汚泥
１４：混合脱気水
１５：メタン発酵処理水
１６：メタン発酵汚泥
１７：好気性生物処理水
１８：好気性生物処理の余剰汚泥
１９：酸発酵処理汚泥

Claims (11)

1. ＣＯＤ_Ｃｒ値が２００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度有機性排水を固液分離し、固液分離水と固液分離汚泥に分ける固液分離工程、
   当該固液分離汚泥に、当該固液分離水の一部を混合し、発酵ガスを除去する混合脱気工程、
   当該混合脱気工程で発酵ガスが除去された脱気混合水を上向流式メタン発酵槽にてメタン発酵処理するメタン発酵処理工程、
   メタン発酵処理水を当該固液分離水の残部と混合して、好気性生物処理する好気性生物処理工程、及び
   当該メタン発酵処理工程からのメタン発酵汚泥と、当該好気性生物処理工程からの余剰汚泥の全量と、を脱水処理する汚泥処理工程
   を備える有機性排水処理方法。
2. 前記固液分離工程において、ろ材を充填したろ過装置を用いて固液分離を行い、ろ過装置を定期的に洗浄し、得られる洗浄排水を前記固液分離水の一部と混合して前記混合脱気工程に供する、請求項１に記載の有機性排水処理方法。
3. 前記固液分離汚泥を混合脱気工程に供する前に酸発酵処理する酸発酵処理工程をさらに含む、
   請求項１又は２に記載の有機性排水処理方法。
4. 前記メタン発酵処理工程は、上向流嫌気性汚泥床を有する上向流式メタン発酵装置にて実施される、請求項１～３のいずれか１に記載の有機性排水処理方法。
5. 前記好気性生物処理は、生物学的窒素処理である、請求項１～４のいずれか１項に記載の有機排水処理方法。
6. 前記メタン発酵処理工程に供される前記脱気混合水は、ＣＯＤ_Ｃｒ値が２００ｍｇ／Ｌ以上６００ｍｇ／Ｌ以下に調整された脱気混合水である、請求項１～５のいずれか１項に記載の有機排水処理方法。
7. ＣＯＤ_Ｃｒ値が２００ｍｇ／Ｌ以下の低濃度有機性排水を固液分離し、固液分離水と固液分離汚泥に分ける固液分離槽、
   当該固液分離汚泥に、当該固液分離水の一部を混合し、発酵ガスを除去する混合脱気槽、
   発酵ガスが除去された脱気混合水をメタン発酵処理する上向流式メタン発酵槽、
   メタン発酵処理水を当該固液分離水の残部と混合して、好気性生物処理する好気性生物処理槽、及び
   メタン発酵槽からのメタン発酵汚泥と、好気性生物処理槽からの余剰汚泥の全量とを脱水処理する脱水槽
   を備える有機性排水処理装置。
8. 前記固液分離槽は、ろ材を充填したろ過装置である、請求項７に記載の有機性排水処理装置。
9. 前記固液分離汚泥を混合脱気槽に供する前に酸発酵処理する酸発酵槽をさらに含む、
   請求項７又は８に記載の有機性排水処理装置。
10. 前記メタン発酵槽は、上向流嫌気性汚泥床を有する上向流式メタン発酵槽である、請求項７～９のいずれか１に記載の有機性排水処理装置。
11. 前記好気性生物処理槽は、生物学的窒素処理槽である、請求項７～１０のいずれか１項に記載の有機排水処理装置。

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