JP7247699B2

JP7247699B2 - 有機性排水の生物処理方法

Info

Publication number: JP7247699B2
Application number: JP2019058826A
Authority: JP
Inventors: 繁樹藤島
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2023-03-29
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: JP2020157221A

Description

本発明は、生活排水、下水、食品工場やパルプ工場をはじめとした広い濃度範囲の有機性排水処理に利用することができる有機排水の生物処理方法に関するものであり、詳しくは、有機性排水を好気処理した後、嫌気処理してメタン発酵させる有機性排水の生物処理方法に関する。

嫌気処理は、好気処理に比べ、汚泥発生量の削減に加え、曝気動力の削減、メタンとしてのエネルギー回収が可能といった利点がある。
メタン回収をより効率的に行うためには槽容積負荷を高める必要があるが、その場合はメタン発酵槽の有機酸濃度が過度に高くなり有機酸によるメタン生成菌の失活（酸敗）が発生しやすい。酸敗が発生するとメタン生成菌による有機酸の分解速度が低下し、しかも活性回復まで長期間を要するため、ますます有機酸が蓄積するという悪循環が発生してしまう。
メタン生成菌が直接分解できる有機物（メタン生成菌の基質有機物）以外の有機物のうち、酸生成菌の基質となる易分解性有機物（炭水化物、タンパク質、脂質など）は、まず酸生成菌により有機物を有機酸まで低分子化し、次いでメタン生成菌により有機酸がメタンまで分解する。そのため原水中の、酸生成菌基質の易分解性有機物の濃度が高い場合は特に有機酸濃度が高くなりやすく、前述の通り酸敗が発生しやすい。
なお、酸生成菌基質の易分解性有機物の濃度が高い原水を処理する場合、有機酸の生成に伴って酸生成菌が大増殖し、酸生成菌はメタン生成菌により消費されないため余剰汚泥として排出され、汚泥発生量が増えてしまい、嫌気処理の利点が損なわれる。
そのため、適用できる排水種や有機物濃度に制限があり、酸生成が発生しやすい排水の場合、酸生成菌とメタン生成菌のバランスが崩れて酸敗による運転停止に至る可能性があるので設計負荷を下げて運転する必要がある。

特許文献１には、原水を好気性生物処理槽に供給して好気処理し、該好気性生物処理槽からの処理水をメタン発酵槽に導入する有機性排水の生物処理方法が記載されている。メタン発酵槽の前段に好気性生物処理槽を設けて好気性生物処理することにより、溶解性有機物を短時間で分散状態の菌体、即ち、微細なＳＳへと変換し、後段のメタン発酵槽への溶解性有機物負荷を低減し、生成した分散菌をメタン発酵槽で嫌気性原生動物に捕食させることにより、ＳＳの可溶化促進、処理水質の向上及びメタン生成量の増加を図ることができる。

特開２０１３－２０８５５６号公報

本発明は、原水を嫌気処理してメタンを生成させる有機性排水の生物処理方法において、酸敗を抑制しつつ効率的にメタン生成を行うことを目的とする。

本発明の有機性排水の生物処理方法は、有機性排水を分散菌の存在下に一過式で好気処理して排水中の溶解性有機物（Ｓ．ＣＯＤｃｒ）から菌体を発生させ、分散菌を含む第一生物処理水を得て、次いで該第一生物処理水を嫌気処理してメタンガスと第二生物処理水を得る有機性排水の生物処理方法において、有機性排水のＳ．ＣＯＤｃｒに対する第一生物処理での除去Ｓ．ＣＯＤｃｒの比率（Ｓ．ＣＯＤ除去率）が４０重量％以上となり、かつ、第一生物処理での全ＣＯＤｃｒ除去率が１０～５０重量％かつ除去Ｓ．ＣＯＤｃｒに対する生成菌体ＣＯＤｃｒ比率が４０重量％以上となるように処理を行うことを特徴とする。

本発明の一態様では、前記第一生物処理での生成菌体ＣＯＤｃｒが、前記第二生物処理において５０重量％以上が分解する。

本発明の一態様では、前記第一生物処理のＨＲＴが５日以下、前記第二生物処理のＳＲＴが１０日以上である。

本発明の一態様では、前記有機性排水の一部を前記第二生物処理に直接に導入する。

本発明の一態様では、前記第一生物処理のＤＯを０．５ｍｇ／Ｌ以下とする。

本発明の一態様では、前記有機性排水のＳ．ＣＯＤｃｒが前記有機性排水の全ＣＯＤｃｒの０．５倍以上である。

本発明の一態様では、前記有機性排水の全ＣＯＤｃｒ濃度が５０００ｍｇ／Ｌ以上である。

本発明の一態様では、前記有機性排水のＳ．ＣＯＤｃｒのうちメタン菌の基質有機物が５０重量％以下である。

本発明の一態様では、第一生物処理において酸素供給手段が、発泡しないものを含む。

本発明の一態様では、第二生物処理が１段の嫌気性反応槽で処理するものである。

本発明では、有機性排水に含まれる溶解性有機物の所定量以上を第一生物処理において分散菌、即ち、微細なＳＳへと変換する。これにより第二生物処理における嫌気反応（酸生成、メタン生成など）の反応速度のうち最も遅いのが分散菌の可溶化（酸生成菌による分散菌の死骸からの有機酸生成）となるため、第二生物処理において有機酸濃度の急激な上昇を抑制することができ、酸敗を防止することができる。また第二生物処理においてメタン生成菌の活性が低いなどの理由で有機酸が所定以上に蓄積されてしまったときは分散菌の可溶化が止まるためそれ以上有機酸が増えなくなり有機酸濃度の上昇を抑制できる。
本発明は、有機性排水の有機物濃度が高く、特にメタン生成菌の基質有機物（メタン生成菌が直接分解できる有機酸、アルコール）ではなく酸生成菌基質の易分解性有機物（炭水化物、タンパク質、脂質など）の濃度が高い場合でも相当量以上は分散菌を経由して有機酸をゆるやかに生成するため酸敗を防ぐことができる。そして従来技術では酸生成菌の大量発生が要因となり汚泥発生量が増加する問題が懸念されるが本発明では分散菌を経由するため酸生成菌の急激な発生を抑えられ汚泥発生量が過度に増加することが抑制される。
さらには第一生物処理において溶解性有機物をなるべく完全分解せず二酸化炭素として大気中に拡散しないよう大部分を分散菌として系内に保持することで第二生物処理におけるメタン回収率を高めることができる。また完全分解を要さないため通常の好気処理よりも酸素供給量が少なく供給動力を低減できる。

加えて、嫌気処理では時間がかかる油脂も分散菌化できるので、従来の嫌気処理では回収が困難だった食品工場排水中の油分からもメタン生成が可能となる。

このようにして、本発明により、有機性排水の効率的な生物処理が可能になり、排水処理時に発生する汚泥の大幅な減量化、高負荷運転による処理効率の向上、安定した処理水質の維持、及びメタン生成量の増加等を図ることができる。

実施の形態に係る有機性排水の生物処理方法を示すフロー図である。実施の形態に係る有機性排水の生物処理方法を示すフロー図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

本発明は、高濃度、低ＳＳ排水の有機性排水を処理する場合に好適である。具体的には、原水中の全ＣＯＤｃｒ濃度が５０００ｍｇ／Ｌ以上、特に１００００ｍｇ／Ｌ以上、例えば１００００～５００００ｍｇ／Ｌであり、原水中のＳ．ＣＯＤｃｒ／全ＣＯＤｃｒ比が０．５以上、特に０．６以上であることが好ましい。また、原水のＳ．ＣＯＤｃｒ成分の大部分がメタン生成細菌が直接利用可能な基質有機物であると、本発明の効果が小さくなる。本発明は、原水のＳ．ＣＯＤｃｒのうちメタン生成菌の基質有機物が５０重量％以下でありメタン生成菌が直接利用できない酸生成菌の基質となる易分解性有機物（炭水化物、たんぱく質、脂質等）が多く存在する有機性排水を処理する場合に好適である。

図１は本発明の基本フロー図である。有機性排水は第一生物処理槽１に導入され、細菌により好気処理されて、Ｓ．ＣＯＤｃｒは、部分分解、完全分解（二酸化炭素として水中または大気中に放出）、分散菌に変換、未分解のいずれかとなる。そして、有機性排水のＳ．ＣＯＤｃｒに対する第一生物処理での除去Ｓ．ＣＯＤｃｒ（完全分解＋分散菌に変換）の比率（Ｓ．ＣＯＤ除去率）が４０重量％以上、望ましくは４０～８０重量％さらに望ましくは５０～７０重量％となり、かつ、第一生物処理での全ＣＯＤｃｒ除去率は１０～５０重量％、望ましくは２０～５０重量％、さらに望ましくは３０～５０重量％、かつ除去Ｓ．ＣＯＤｃｒに対する生成ＣＯＤｃｒの比率が４０重量％以上、望ましくは５０重量％以上となるような運転条件で処理することで、有機性排水のＳ．ＣＯＤｃｒの相当量を分散菌に変換する。分散菌への変換を促進しすぎると分散菌の自己消化による全ＣＯＤの完全分解まで進む割合が高くなるので、Ｓ．ＣＯＤｃｒ除去率と同時に全ＣＯＤｃｒの完全分解を最小限に抑えることが重要となる。
このように有機性排水のＳ．ＣＯＤｃｒの相当量を分散菌に変換し、かつ完全分解を抑制するためには、第一生物処理を敢えて効率を下げて運転する必要がある。よって第一生物処理の負荷が高くなりすぎないように調整するか、または第一生物処理の細菌の生物活性が高くなり過ぎないよう調整することが望ましい。負荷調整のためには、必要に応じて有機性排水を第一生物処理をバイパスして第二生物処理に供するか、第二生物処理水を第一生物処理に返送することが望ましい。また、生物活性の調整のためには第一生物処理のＤＯを０．５ｍｇ／Ｌ以下に維持すべく酸素供給量を所定値以下に調整するか、水温を２５℃以下に低下させるか、酸素供給を間欠とする。

この第一生物処理槽１からの第一生物処理水を第二生物処理槽（嫌気処理槽）２に導入し、嫌気処理する。

第一生物処理槽１のｐＨは６以上、望ましくは８以下とする。しかしながら、原水中に油分を多く含む場合は分解速度を上げるため、ｐＨを８．０以上としてもよい。

第一生物処理槽１での処理は一過式処理とする。第一生物処理槽１のＣＯＤｃｒ容積負荷を５ｋｇ／ｍ^３／ｄ以上、特に１０～２０ｋｇ／ｍ^３／ｄとする。

また、第一生物処理槽１に担体４を添加することにより、ＣＯＤｃｒ容積負荷１０ｋｇ／ｍ^３／ｄ以上の高負荷化が可能になる。添加する担体は球状、ペレット状、中空筒状、糸状、板状の任意であり、平均粒径は０．１～１０ｍｍ程度が好ましい。担体の材料は天然素材、無機素材、高分子素材等任意で、ゲル状物質を用いてもよい。

第一生物処理槽１に添加する担体の充填率が高い場合、分散菌は生成せず、細菌は担体に付着するか、糸状性細菌が増殖する。そこで、第一生物処理槽１に添加する担体の充填率を１０％以下、特に０．５～５％とすることが好ましい。これにより、有機性排水の濃度変動に影響されず、酸生成菌により可溶化しやすい分散菌の生成が可能になる。

また、第一生物処理槽１内のＤＯを１ｍｇ／Ｌ以下、特に０．５ｍｇ／Ｌ以下として、糸状性細菌の増殖を抑制すると同時に分散菌の活性を抑制し分散菌の生成やＳ．ＣＯＤｃｒの分解を調整してもよい。
ただし、第一生物処理槽１での全ＣＯＤｃｒ除去率が５０重量％を上回ったときは分解速度が高すぎると判定し、酸素供給量を低減してＤＯを０．１ｍｇ／Ｌ以下に下げてもよい。

第一生物処理槽１は高負荷での好気処理となり、曝気による発泡が懸念されるため、第一生物処理槽１に発泡しない酸素供給手段（通気撹拌、酸素透過膜など）を用いてもよい。ただし、発泡しない酸素供給手段では、酸素供給量が不足するときは不足分を補うために、曝気と併用してもよい。また、第一生物処理槽１での反応熱により水温が上昇すると、分解速度を増大させることができるため、第一生物処理槽１の水温が４５℃以上、特に４８℃以上とならない限りは、第一生物処理槽１内を冷却するには及ばない。ただし、第一生物処理槽１での全ＣＯＤｃｒ除去率が５０重量％を上回ったときは分解速度が高すぎると判定し、第一生物処理槽内を冷却してもよい。なお、第二生物処理槽２の水温が２５℃以上、特に３０℃以上を維持できる場合は加温設備を省略することができる。
第一生物処理槽１ではＨＲＴ５日以下例えば１～５日とする。ただし、第一生物処理槽１での全ＣＯＤｃｒ除去率が５０重量％を上回ったときは分解速度が高すぎると判定し、希釈水（系外からの低濃度水、水道水や第二生物処理水など）により原水希釈して、第一生物処理槽への流入流量を上げるか、または第一生物処理槽の水位を下げるなどしてＨＲＴを下げてもよい。

第一生物処理槽１の処理水（第一生物処理水）を第二生物処理槽２に導入し、ここで、残存している有機成分（有機ＳＳ、Ｓ．ＣＯＤｃｒ）、分散菌の可溶化（有機酸の生成）及び有機酸からのメタンの生成を行う。第二生物処理槽２では、生成した分散菌の５０重量％以上、特に６０重量％以上を分解することが好ましい。

第二生物処理槽２ではＳＲＴを１０日以上、特に１５日以上、例えば１５～６０日に制御することが望ましい。

また、膜分離手段を用いて膜透過水のみを第二生物処理槽２から取り出すことにより、ＳＲＴを上記の値としてもよい。その場合、図２のように、槽外に膜分離装置３を設置することが望ましい。膜としては、孔径０．１μｍ以下、特に０．０５μｍ以下のＵＦ膜又はＭＦ膜が好ましい。

第二生物処理槽２が、設置上の問題で複数必要な場合は直列とせず、並列に設置し、各処理槽に第一生物処理水を均等に分配とすることが望ましい。

また、第二生物処理槽２からの処理水（第二生物処理水）の水質が目標水質に到達しない場合は、第二生物処理水を（凝集）加圧浮上や（凝集）沈殿池などの物理化学処理、及び／又は曝気槽などで好気処理する後処理工程を行ってもよい。

第二生物処理槽２にＳ．ＣＯＤｃｒがまったく流入しないと脱水性の悪い汚泥が生成するおそれがあるため、原水（有機性排水）をパイパスして、第二生物処理槽２へ加えたりすることにより、第二生物処理槽２の負荷を調整してもよい。第二生物処理槽２のＳ．ＣＯＤｃｒ汚泥負荷は０．０５～１ｋｇ－Ｓ．ＣＯＤｃｒ／ｋｇ－ＶＳＳ／ｄ以下、特に０．１～０．５ｋｇ－Ｓ．ＣＯＤｃｒ／ｋｇ－ＶＳＳ／ｄとすることが好ましい。

［実施例１］
容量が１．８Ｌの第一生物処理槽と１６Ｌの第二生物処理槽を連結させた図１のフローの実験装置を用いて原水（合成排水）を処理した。第一生物処理槽には、ウレタンフォームよりなる担体（５ｍｍ角）を槽容積に対し５％となるように添加し、１８０ＮＬ／ｈにて曝気した。原水としては、ＳＳは添加せず、メタン菌基質有機物としてメタノールを５９００ｍｇ－ＣＯＤｃｒ／Ｌ添加し、酸生成菌基質として易分解性有機物である野菜と魚肉エキスを１７０００ｍｇ－ＣＯＤｃｒ／Ｌ添加し、その他有機物としてぶどう糖を７４００ｍｇ－ＣＯＤｃｒ／Ｌ添加して調製した、ＣＯＤｃｒ：３００００ｍｇ／Ｌ、ＢＯＤ：１７０００ｍｇ／Ｌの合成排水を用いた。

この原水を０．９Ｌ／ｄの給水量にて第一生物処理槽に供給した。第一生物処理槽のＳ．ＣＯＤｃｒ容積負荷１５ｋｇ－ＣＯＤｃｒ／ｍ^３／ｄ、ＤＯ：０．１ｍｇ／Ｌ、通気量：３Ｌ／ｍｉｎ、水温：２５℃、ＨＲＴ２ｄ、第二生物処理槽は水温３５℃、ｐＨ７．０、ＨＲＴ＝ＳＲＴ＝１８ｄの条件で運転した。

その結果、メタン生成量は６．４ＮＬ／ｄであった。また、全ＣＯＤｃｒ除去率８５重量％以上、Ｓ．ＣＯＤｃｒ除去率９５重量％以上と好気処理と同等な水質を得つつ、汚泥転換率０．０７６ｋｇ－ＶＳＳ／ｋｇ－原水ＣＯＤｃｒという非常に低い汚泥発生量を達成することができた。第二生物処理水中の有機酸濃度は１００ｍｇ／Ｌ以下であり、安定した嫌気処理が行われた。

［比較例１］
実施例１において、第一生物処理槽を用いず第二生物処理槽のみを用いて下記条件で運転した。その結果、メタン生成量は４．８ＮＬ／ｄであった。第二生物処理水中の有機酸濃度が３０００ｍｇ／Ｌ以上であり、酸敗の発生が懸念された。
＜第二生物処理槽＞
容量：１８Ｌ
ＨＲＴ＝ＳＲＴ：２０ｄ
ｐＨ：７．０
温度：３５℃
通水量：０．９Ｌ／ｄ

［比較例２］
実施例１において、第一生物処理槽のＳ．ＣＯＤｃｒ容積負荷を１０ｋｇ－ＣＯＤｃｒ／ｍ３／ｄ、ＤＯを１ｍｇ／Ｌにそれぞれ変更して、その他は実施例１と同じ条件で運転した。その結果、メタン生成量が４．７ＮＬ／ｄであった。Ｓ．ＣＯＤｃｒ除去率ｖｓ原水が８０重量％、生成菌比率ｖｓ除去ＣＯＤｃｒが３５重量％であり、第一生物処理においてＳ．ＣＯＤｃｒが二酸化炭素として大気中に拡散したことが要因と推定された。

［実施例２～４］
実施例１において、第一生物処理の処理状況が本発明で適性とされる条件から外れたときの改善対応の検証を行った。表１の通り第一生物処理が適性条件から逸脱する状況を発生させた後、運転条件を変更してリカバリを図った。その結果、表１の通り、酸素供給またはＨＲＴの調整により改善されることが確認された。
実施例２は、生成菌比率が低下していたので、通気量を下げてＤＯ濃度を下げた。その結果、生成菌比率が回復した。
実施例３は、実施例２と同様、生成菌比率が低下していたので、間欠曝気とすることで平均ＤＯ濃度を下げた。その結果、生成菌比率が回復した。
実施例４は、容積負荷が低下して生成菌比率が低下していたので、水位を下げて容積負荷を上げた。その結果、生成菌比率が回復した。
実施例５は、ＨＲＴが短くなって容積負荷が上昇してＳ．ＣＯＤｃｒ除去率が低下していたので、原水流量を低下させてＨＲＴを長くした。その結果、容積負荷が低下してＳ．ＣＯＤｃｒ除去率が回復した。

１第一生物処理槽
２第二生物処理槽
３膜分離装置
４担体
５撹拌機

Claims

有機性排水を分散菌の存在下に一過式で好気処理して排水中の溶解性有機物（Ｓ．ＣＯＤｃｒ）から菌体を発生させ、分散菌を含む第一生物処理水を得て、次いで該第一生物処理水を嫌気処理してメタンガスと第二生物処理水を得る有機性排水の生物処理方法において、
有機性排水のＳ．ＣＯＤｃｒに対する第一生物処理での除去Ｓ．ＣＯＤｃｒの比率（Ｓ．ＣＯＤ除去率）が４０重量％以上となり、かつ、
第一生物処理での全ＣＯＤｃｒ除去率が１０～５０重量％となり、かつ除去Ｓ．ＣＯＤｃｒに対する発生した菌体としてのＣＯＤｃｒ（以下、生成菌体ＣＯＤｃｒという。）の比率が４０重量％以上となる
ように処理を行うこと、及び
前記第一生物処理での生成菌体ＣＯＤｃｒが、前記第二生物処理において５０重量％以上が分解すること
を特徴とする有機性排水の生物処理方法。
請求項１において、前記第一生物処理のＨＲＴが５日以下、前記第二生物処理のＳＲＴが１０日以上である
ことを特徴とする有機性排水の生物処理方法。
請求項１又は２において、前記有機性排水の一部を前記第二生物処理に直接に導入する
ことを特徴とする有機性排水の生物処理方法。
請求項１～３のいずれか１項において、前記第一生物処理のＤＯを０．５ｍｇ／Ｌ以下とする
ことを特徴とする有機性排水の生物処理方法。
請求項１～４のいずれか１項において、前記有機性排水のＳ．ＣＯＤｃｒが前記有機性排水の全ＣＯＤｃｒの０．５倍以上である
ことを特徴とする有機性排水の生物処理方法。
請求項１～５のいずれか１項において、前記有機性排水の全ＣＯＤｃｒ濃度が５０００ｍｇ／Ｌ以上である
ことを特徴とする有機性排水の生物処理方法。
請求項１～６のいずれか１項において、前記有機性排水のＳ．ＣＯＤｃｒのうちメタン菌の基質有機物が５０重量％以下である
ことを特徴とする有機性排水の生物処理方法。
請求項１～７のいずれか１項において、第一生物処理において酸素供給手段が、発泡しないものを含む
ことを特徴とする有機性排水の生物処理方法。
請求項１～８のいずれか１項において、第二生物処理が１段の嫌気性反応槽で処理するものである
ことを特徴とする有機性排水の生物処理方法。