JP7398601B1 - 有機性排水処理装置および有機性排水処理方法 - Google Patents

有機性排水処理装置および有機性排水処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】膜分離メタン発酵槽で有機性排水を嫌気処理したとき、膜ろ過水中に溶存するメタン量の低減を図り、回収メタン量の増大を図ることができる有機性排水処理装置および有機性排水処理方法を提供する。【解決手段】浮遊物質、有機物および窒素成分を含む有機性排水Ｗ1を嫌気条件下でメタン発酵するとともに、精密ろ過膜または限外ろ過膜を用いて膜ろ過を行って膜ろ過水Ｗ2を得る第１処理装置２０と、第１処理装置２０の後段側に設けられ、膜ろ過水Ｗ2中の溶存メタンの一部を除去して回収する真空脱気装置３２を備えた第２処理装置３０と、第２処理装置３０の後段側に設けられ、後処理する第３処理装置４０とを、備える。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、有機性排水を高度に処理すると共に、バイオガスの回収量の増大を図る有機性排水処理装置および有機性排水処理方法に関する。
現在、生活排水、産業排水、下水、またはこれらのうちの少なくとも１つを用いて混合した排水などの有機物および窒素成分を含んだ有機性排水（以下、これらを総称して単に「有機性排水」と呼称する）は、活性汚泥法に代表される好気性微生物を用いる方式で処理されることが多い。活性汚泥法は、微生物を水中に浮遊させた状態で用いる方法である。活性汚泥は、有機性排水に空気を吹き込み、攪拌することにより、有機性排水中の有機物を利用して種々の微生物が繁殖し、凝集性のあるフロックを形成したものである。活性汚泥には、細菌類、原生動物、後生動物などの微生物のほかに、非生物性の無機物や有機物が含まれている。
ここで、活性汚泥法による下水処理（有機性排水処理）は、実用化されてから約百年が経過しており、標準活性汚泥法や循環式硝化脱窒法などの様々な手法が開発されている。
標準活性汚泥法は、下水中の有機物を活性汚泥により酸化分解するためのエアレーションタンク（曝気（ばっき）槽）と、活性汚泥を重力分離するための沈殿池とを組み合わせたプロセスにより下水を処理する技術である。
循環式硝化脱窒法は、生物反応槽を無酸素槽（脱窒槽）と、好気槽（硝化槽）との順に配置し、好気槽の硝化混合液の一部を無酸素槽へ循環して処理する方式で、生物学的に窒素を除去する技術である。
従来の活性汚泥法、例えば、前記した循環式硝化脱窒法には、好気槽（硝化槽）で大量の空気と動力を用いて曝気を行う必要があり、多大なエネルギーを必要とするという問題があり、これを解決する技術としてエネルギー消費量および余剰活性汚泥の発生量を少なくすることができる一槽式アナモックス処理装置を備えた有機性排水処理装置が提案されている（特許文献１）。
特開２０１９－２５４３８号
しかしながら、特許文献１の技術において、膜分離メタン発酵槽（嫌気性ＭＢＲ）の後段で主として窒素除去目的で一槽式アナモックス処理装置を設置するような場合、導入された嫌気性膜ろ過水中にはバイオガスとしてメタンガスが溶存されているので、メタンガスを効率よく回収することができない、という問題がある。
すなわち、嫌気性膜ろ過水に含まれるアンモニアの約半量を亜硝酸態窒素に酸化するために後段側において、空気曝気処理を行う場合には、溶存されているメタンが曝気空気とともに大気に拡散され、結果として温室効果の高いメタンガスを大気に放出してしまうからである。
本発明は、膜分離メタン発酵槽（嫌気性ＭＢＲ）で有機性排水を嫌気処理したとき、嫌気性膜ろ過水中に溶存するメタン量の低減を図り、回収メタン量の増大を図ることができる有機性排水処理装置および有機性排水処理方法を提供することを目的とする。
本発明の第１態様に係る有機性排水処理装置は、浮遊物質、有機物および窒素成分を含む有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに、膜ろ過を行って膜ろ過水を得る第１処理装置と、
前記第１処理装置の後段側に設けられ、前記膜ろ過水中の溶存メタンの一部を除去して回収する真空脱気装置を備えた第２処理装置と、
前記第２処理装置の後段側に設けられ、後処理する第３処理装置とを、備え、
前記真空脱気装置は、第２処理槽の上部気相部を閉塞して密閉状態とする閉塞部と、前記閉塞部の上方側に鉛直軸方向に立設された脱気用外筒と、前記脱気用外筒の内部に一端部が膜ろ過水中に配され、他端部が脱気用外筒内の上部ガス溜まり内に配される内筒と、前記脱気用外筒の頂部に接続され、真空ポンプが介装されたメタン回収ラインと、からなることを特徴とする。
本発明の第２態様に係る有機性排水処理方法は、浮遊物質、有機物および窒素成分を含む有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに膜ろ過を行って膜ろ過水を得る第１処理工程と、
前記第１処理工程で得られた前記膜ろ過水中の溶存メタンの一部を除去して回収する真空脱気装置を備えた第２処理工程と、
前記第２処理工程で得られた処理水を後処理する第３処理工程とを、有し、
前記第２処理工程において、
前記真空脱気装置が、第２処理槽の上部を閉塞して密閉状態とする閉塞部と、前記閉塞部の上方側に鉛直軸方向に立設された脱気用外筒と、前記脱気用外筒の内部に一端部が膜ろ過水中に配され、他端部が脱気用外筒内の上部ガス溜まり内に配される内筒と、前記脱気用外筒の頂部に接続され、真空ポンプが介装されたメタン回収ラインとからなり、所定の真空度で膜ろ過水中の溶存メタンを回収することを特徴とする。
本発明によれば、嫌気性膜ろ過水中の溶存メタン量の低減を図ることができると共に、バイオガスであるメタンの回収量の増大を図ることができる。
本実施形態に係る有機性排水処理装置の概要を示す説明図である。 第１実施形態にかかる有機性排水処理装置の概略構成図である。 第１実施形態にかかる第２処理装置の概略構成図である。 第２実施形態にかかる有機性排水処理装置の概略構成図である。 担体を示す斜視図である。 第３実施形態にかかる有機性排水処理装置の概略構成図である。 第４実施形態にかかる有機性排水処理装置の概略構成図である。 第５実施形態にかかる有機性排水処理装置の概略構成図である。 本実施形態に係る有機性排水処理方法の内容を説明するフロー図である。 本実施形態に係る他の有機性排水処理方法の内容を説明するフロー図である。
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
［有機性排水処理装置］
図１は、本実施形態に係る有機性排水処理装置１００の概要を説明する説明図である。
本実施形態に係る有機性排水処理装置１００は、例えば生活排水、産業排水、下水、またはこれらのうちの少なくとも１つを用いて混合した排水などの有機物および窒素成分を含む有機性排水Ｗ1を高度に処理する装置である。
図１に示すように、本実施形態に係る有機性排水処理装置１００は、第１処理装置２０と、第２処理装置３０と、第３処理装置４０とを有する。
ここで、生活排水とは、例えば炊事、洗濯、入浴などの一般的な人間の生活に伴って生じ、排出される水をいう。生活排水には、し尿や雨水が含まれていることもある。
産業排水とは、農林漁業（第一次産業）、鉱工業（第二次産業）からの排水をいう。
下水とは、生活排水が主体で、これに産業排水や場合によって雨水などが加わったものをいう。なお、本明細書においては、埋立処分場からの浸出水も有機性排水として扱うことができる。
有機物は、有機化合物とも呼ばれており、炭素原子間の共有結合を基本として構成される化合物をいう。
窒素成分としては、遊離アンモニア（ＮＨ3）、アンモニウムイオン（ＮＨ4 +）、アンモニア性窒素（ＮＨ4－Ｎ）、亜硝酸性窒素（ＮＯ2－Ｎ）、硝酸性窒素（ＮＯ3－Ｎ）が挙げられる。アンモニア性窒素とは、アンモニアの形になっている窒素をいい、亜硝酸性窒素とは、亜硝酸の形になっている窒素をいい、硝酸性窒素とは、硝酸の形になっている窒素をいう。
高度に処理するとは、前記した有機物を除去することに加えて、前記した窒素成分を除去（脱窒）することをいう。
本実施形態に係る有機性排水処理装置では後記する手段を有しているため、有機性排水中の有機物の濃度の高低や窒素成分の濃度の高低に関わらず処理できる。
（流量調整槽１０）
有機性排水処理装置１００は、第１処理装置２０の前段に第１処理装置２０への有機性排水Ｗ1の流入量を調整する流量調整槽１０を設けることができる。なお、流量調整槽１０は必要に応じて設けることができるものであり、設けなくてもよい。
（第１実施形態）
図２Ａは、第１実施形態にかかる有機性排水処理装置１００Ａの構成を説明する概略構成図である。
図２Ａに示すように、本実施形態にかかる有機性排水処理装置１００Ａは、浮遊物質、有機物および窒素成分を含む有機性排水Ｗ1を嫌気条件下でメタン発酵するとともに、精密ろ過膜または限外ろ過膜を用いて膜ろ過を行って膜ろ過水Ｗ2を得る第１処理装置２０と、第１処理装置２０の後段側に設けられ、膜ろ過水Ｗ2中の溶存メタンの一部を除去して回収する真空脱気装置３２を備えた第２処理装置３０と、第２処理装置３０の後段側に設けられ、後処理する第３処理装置４０とを、備える。
流量調整槽１０から第１処理装置２０への有機性排水の流入量の調整は、例えば、流量調整槽１０と第１処理装置２０との間に設けられた流量調整槽ポンプＰ1の出力を調整することで行うことができる。流量調整槽１０への有機性排水の流入は、有機性排水処理場施設との間に設けられたポンプ（図示せず）で行うことができる。流量調整槽１０は有機性排水Ｗ1を攪拌する攪拌機１１を備えていてもよい。Ｍ1は撹拌機１１を駆動するモータ等の駆動装置である。
なお、符号５０は最終沈殿槽、符号Ｗ1は有機性排水、Ｗ2は膜ろ過水、Ｗ3はメタン除去処理水、Ｗ4処理水、Ｗ5は放流水、符号Ｌ1は流入ライン、Ｌ2～Ｌ5は排水又は処理水を移送する排水ライン、Ｌ6は流出ラインを、Ｂ1～Ｂ2はブロア、Ｐ1～Ｐ5はポンプを各々示している。
（第１処理装置２０）
第１処理装置２０は、前記した有機性排水Ｗ1を嫌気条件下でメタン発酵するとともに膜ろ過を行って膜ろ過水Ｗ2を得る装置である。つまり、第１処理装置２０によって、有機性排水Ｗ1中に含まれている有機物の大部分を分解することができ、メタン（ＣＨ4）を生成することができる。
ここで、メタン発酵とは、様々な微生物による有機物の分解反応と、メタン生成古細菌が最終的にメタン（ＣＨ4）を生成するメタン生成反応との総称である。
この第１処理装置２０で発生した発生メタンはバイオガスＧ1としてバイオガス排出ラインＬ11を介して別途回収される。回収されたメタンは、図示しないガスホルダに貯蔵され、電気や熱の生成に用いられる。また、膜ろ過を行うので、膜ろ過水Ｗ2に浮遊物質が含まれることもない。有機物や浮遊物質は、第３処理装置４０において活性汚泥の発生源となる。つまり、第３処理装置４０に脱窒細菌が含まれている場合に活性汚泥が発生し易くなる。そのため、この第１処理装置２０で有機物や浮遊物質をなるべく多く分解したり除去したりするのが好ましい。
メタンの生成は、メタン生成古細菌（メタン生成アーキア）による働きで行われる。メタン生成古細菌とは、嫌気条件でメタンを生成する微生物群の総称であり、その全ては古細菌に分類される。メタン生成古細菌は、嫌気条件下、複数種の微生物によって有機物が完全に分解されて生成した水素、二酸化炭素、ギ酸、酢酸、メチルアミン類などを基質としてメタンを生成する。メタンの生成プロセスについて複数提案されているが、天然において多量のメタンが生成する可能性があるプロセスとして、次の２つの式（１）、式（２）が挙げられている。
ＣＨ3ＣＯＯ-＋Ｈ+＋ＯＨ-→ＣＨ4＋ＣＯ2＋ＯＨ-…（１）
ＣＯ2＋８Ｈ+＋８ｅ-→ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ…（２）
本実施形態では、水素資化性メタン生成古細菌や酢酸資化性メタン生成古細菌などを用いることができる。本実施形態で用いることのできるメタン生成古細菌としては、例えば、Methanobacterium属、Methanobrevibacter属、Methanosphaera属、Methanothermus属、Methanococcus属、Methanolacinia属、Methanomicrobium属、Methanogenium属、Methanospirillum属、Methanoculleus属、Methanoplanus属、Methanosarcina属、Methanolobus属、Methanococcoides属、Methanothrix(Methanosaeta)属、Methanoregula属、Methanolinea属、Methanohalophilus属、Methanohalobium属、Methanocorpusculum属などが挙げられる。なお、本実施形態においてはこれらに限定されることなく、メタンを生成できる細菌であればどのようなものも用いることができる。メタン生成古細菌および前記した有機物を分解する様々な微生物は、既存の消化タンクなどから容易に得ることができる。
第１処理装置２０としては、膜ろ過を行う膜モジュール２２を備えた膜分離メタン発酵槽２０ａを用いることが好ましい。このような構成とすることで、有機性排水処理装置１００Ａは、従来の活性汚泥法に係る装置と比較してコンパクト化でき、建設費用を低コスト化できる。また、活性汚泥法のように大量の酸素（空気）で曝気する必要がないので、エネルギー消費量を少なくでき、ランニングコストを低くできる。
膜分離メタン発酵槽２０ａは、懸濁性嫌気性菌（メタン生成古細菌を含む）を保持するメタン発酵槽、または嫌気性グラニュール汚泥を保持するメタン発酵槽とすることができる。なお、懸濁性嫌気性菌とは、グラニュール（粒状）を形成しない嫌気性菌を意味している。
前者のメタン発酵槽内における嫌気性菌の保持は、例えば、単に有機性排水中に嫌気性菌を懸濁させておくことや、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）系のプレポリマーを用いて所定の大きさに作製したゲル担体に嫌気性菌を付着固定化させておくことなどで行うことができる。付着固定化すると、膜ろ過において膜へのファウリングを生じ難くすることができる。
また、後者のメタン発酵槽における嫌気性グラニュール汚泥とは、嫌気性菌の自己凝集（aggregation）と造粒（granulation）する性質を利用して形成された粒状化汚泥をいう。嫌気性グラニュール汚泥に含まれるグラニュールとは、一般的に粒径が例えば０．２ｍｍ以上の大きさで形成されたものをいうが、本実施形態ではこれに限定されるものではなく、粒径が０．２ｍｍ未満のものであっても造粒体を形成していればグラニュールとして扱うことができる。嫌気性グラニュール汚泥とした場合も、膜ろ過において膜へのファウリングを生じ難くすることができる。
嫌気条件は、外部から空気が流入しない密閉構造の槽を用いて処理を行うことで作り出すことができる。嫌気条件とするため、必要に応じて槽の気相（ヘッドスペース）に二酸化炭素（ＣＯ2）や窒素（Ｎ2）ガスなどを導入してもよい。ここで導入するＣＯ2やＮ2ガスは、有機性排水処理装置１００Ａで生成したものを用いることができる。
膜ろ過としては、例えば精密ろ過（Microfiltration；ＭＦ）膜、限外ろ過（Ultrafiltration；ＵＦ）膜、ナノろ過（Nanofiltration；ＮＦ）膜、逆浸透（Reverse Osmosis；ＲＯ）膜のうちの少なくとも一つを用いて行うことができる。このようにすると、所定の大きさの有機物は透過できないので、後述する第３処理装置４０における活性汚泥の発生量を少なくすることができる。
本実施形態では、前記した中でも、ＭＦ膜またはＵＦ膜を用いるのが好ましい。ＭＦ膜やＵＦ膜を用いてろ過すると、固形の有機物だけでなく、メタン生成古細菌などの微生物を含まない有機性排水（膜ろ過水）を後述する第３処理装置４０に供給することができる。つまり、ＭＦ膜やＵＦ膜を用いることによって、有機性排水処理装置１００Ａは、第１処理装置２０からのメタン生成古細菌の流失を防ぎ、第１処理装置２０内におけるメタン生成古細菌の生細胞数を高く維持できる。本実施形態では、孔径が例えば１μｍ以下のＭＦ膜を用いるのがより好ましい。このようにすると、ＮＦ膜やＲＯ膜を用いる場合と比較して、ろ過に使用する膜ろ過ポンプＰ2の動力を抑えることができる。
膜ろ過に用いる膜は、塩素化ビニル樹脂（ＣＰＶＣ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などで形成されたものを用いることができる。膜ろ過に用いる膜の形態は、平膜、管状膜、中空糸膜（内径が例えば５ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以下の管状膜）のいずれも採用することができる。
以上に説明した第１処理装置２０として用いられる膜分離メタン発酵槽（嫌気性ＭＢＲ）としては、例えば、クロスフロー型嫌気性膜バイオリアクター（Membrane Bioreactor；ＭＢＲ）、浸漬型嫌気性ＭＢＲ（槽別置型）や浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）などを用いることができる。なお、図２Ａには、浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）２１を例示している。
クロスフロー型嫌気性ＭＢＲは、メタン発酵させるメタン発酵槽と、汚泥を膜で分離する膜分離装置とを独立して設置し、膜分離装置の膜モジュール内部に高い圧力を加えて汚泥を流して膜ろ過を行うものである。
浸漬型嫌気性ＭＢＲ（槽別置型）と浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）２１は、膜ろ過ポンプＰ2で吸引することによって膜分離、すなわち膜ろ過を行うものである。浸漬型嫌気性ＭＢＲ（槽別置型）は、メタン発酵槽と膜分離装置とを独立して設置したものであり、浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）２１は、メタン発酵槽内に膜分離装置を設置したものである。
本実施形態では、前記したいずれの膜分離メタン発酵槽も採用可能であるが、図２Ａに示すように、浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）２１を採用するのが好ましい。これは浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）２１を採用すると、槽内に膜モジュール２２を収めるので、設置面積が減り、装置をよりコンパクト化できるからである。また、浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）２１を採用すると、ポンプ（膜ろ過ポンプＰ2）の設置数を少なくすることができる。そのため、有機性排水処理装置１００は、建設費用やランニングコストを低コスト化でき、さらに省エネルギー化できる。なお、浸漬型嫌気性ＭＢＲ（槽別置型）を採用した場合、浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）２１と比較すると、膜の洗浄が容易になる。
第１処理装置２０として用いる膜分離メタン発酵槽（嫌気性ＭＢＲ）のメタン発酵槽２０ａを生物反応器の形式でみると、有機性排水中に含まれる浮遊物質が少ない排水に対しては、完全混合法、流動床法、嫌気性接触法、嫌気性濾床法等を挙げることができる。また、浮遊物質が多い排水（固形物廃棄物）を対象とする場合には、例えば完全混合法、嫌気性接触法、嫌気性バッフル反応器（Ａｎａｅｒｏｂｉｃ Ｂａｆｆｌｅｄ Ｒｅａｃｔｏｒ：ＡＢＲ）法等を挙げることができるが本発明はこれに限定されるものではない。
第１処理装置２０には、メタン生成古細菌の活性を維持することを目的として、カルシウム、マグネシウム、鉄、ニッケル、コバルト、カリウム、ナトリウム、亜鉛、セレン、タングステン、モリブデン、銅、マンガン、アルミニウムなどの無機塩（金属）を添加する装置（図示せず）を設けることができる。また、第１処理装置２０には、水温を調節するための加熱装置（図示せず）を設けることができる。当該加熱装置は、第１処理装置２０で得られたメタンガスを燃焼させて得られた熱や電気を利用することができる。第１処理装置２０には、ｐＨ計、溶存炭酸ガス計、温度計などのセンサＳｒ１を設けることができる。なお、センサは、計測対象ごとに個別に設けられるものである。
（第２処理装置３０）
図２Ｂに第２処理装置の概略構成図を示す。第２処理装置３０は、第１処理装置２０の後段側に設けられ、膜ろ過水Ｗ2中の溶存メタンの一部を除去して回収処理する真空脱気装置３２を備えたメタン回収処理装置である。
図２Ｂに示すように、この第２処理装置３０は、膜ろ過水Ｗ2が流入する第２処理槽３１と、真空脱気装置３２とから構成される。
この真空脱気装置３２は、第２処理槽３１の上部を閉塞して密閉状態とする閉塞部３１ａと、閉塞部３１ａの上方側に鉛直軸方向に立設された脱気用外筒（以下「外筒」という）３３と、脱気用外筒３３の内部に一端部３４ａが第２処理槽３１内の膜ろ過水Ｗ2中に配され、他端部３４ｂが脱気用外筒３３内の上部ガス溜まりＳ内に配される内筒３４と、外筒３３の頂部に接続され、真空ポンプＶＰが介装されたメタン回収ラインＬ12とから構成される。なお、外筒３３の底部側側面にはメタン除去処理水Ｗ3を後処理する第３処理装置４０に移送する排出ラインＬ4が接続されている。
このような真空脱気装置３２を用いて、真空ポンプＶＰを駆動し、ガス溜まりＳ内を所定の真空度（Ｘ）に保つようにすることで、第２処理槽３１内の膜ろ過水Ｗ2を吸い上げて内筒３４の内部を上昇させ、内筒３４の他端部３４ｂからオーバーフローさせて、外筒３３と内筒３４との間に落下させる。この際、真空ポンプＶＰにより減圧処理されていることで膜ろ過水Ｗ2に溶存している溶存メタンがガスとして気液分離され、メタンが除去されたメタン除去処理水Ｗ3を落下させている。このメタン除去処理水Ｗ3は外筒３３の側面に設けた排出ラインＬ4から第３処理装置４０に送られる。ここで、本発明で脱気処理とは、真空ポンプＶＰを使用して液体（膜ろ過水Ｗ2）にかかる圧力を下げて、溶存ガス（メタンガスなど）を気液分離して放出させることをいう。なお、真空ポンプＶＰは、例えば水封式とし、モータは防爆仕様としている。
その後、分離・回収された回収メタンガスであるバイオガスＧ2は、メタン回収ラインＬ12を介して除去され、バイオガス排出ラインＬ11側のバイオガスＧ1と合流（Ｇ＝Ｇ1＋Ｇ2）される。
ここで、本実施形態では、下水（流入水質：ＢＯＤ２００ｍｇ／Ｌ、ＣＯＤCr ４４０ｍｇ／Ｌ、ＳＳ２００ｍｇ／Ｌ、全窒素３３ｍｇ／Ｌ）を水温２０℃で、膜分離メタン発酵槽として浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）でメタン発酵処理して得た膜ろ過水を対象とし、真空脱気装置３２における真空度（ＶＤ：ｖａｃｕｕｍ ｄｅｇｒｅｅ）としては、例えば３０ｋＰａ（≒０．３気圧）の条件下の場合では、膜ろ過水Ｗ2に溶存するメタンの脱気・回収割合は約７５％となる。また、真空度（ＶＤ）が例えば２０ｋＰａ（≒０．２気圧）条件下では、膜ろ過水Ｗ2に溶存するメタンの脱気・回収割合は約８５％になる。
また、第２処理槽３１内の膜ろ過液Ｗ2の比重を１．０とし、真空脱気装置３２における真空度を例えば３０ｋＰａとする場合には、第２処理槽３１の上部気相部圧力を大気圧としたとき、第２処理槽３１の水面（ＷＬ）から内筒３４の他端部３４ｂまでの高さ（Ｈ1）を約７．３ｍとすることで、溶存メタンの７５％を回収することができる。この際、上部ガス溜まりＳのフリーボード部の高さ（Ｈ2）は消泡等の空間を考慮して２ｍ程度としている。
さらに、第２処理槽３１の上部気相部圧力を例えば４ｋＰａとしたときには、第２処理槽３１の水面（ＷＬ）から内筒３４の他端部３４ｂまでの高さ（Ｈ1）を約７．７ｍとすることで、溶存メタンの７５％を回収することができる。この際、上部ガス溜まりＳのフリーボード部の高さ（Ｈ2）は２ｍ程度としている
また、真空脱気装置３２における真空度が２０ｋＰａ（≒０．２気圧）とする場合には、第２処理槽３１の上部気相部圧力を大気圧としたとき、第２処理槽３１の水面（ＷＬ）から内筒３４の他端部３４ｂまでの高さ（Ｈ1）を約８．３ｍとすることで、溶存メタンの８５％を回収することができる。
さらに、第２処理槽３１の上部気相部圧力を例えば４ｋＰａとしたときには、第２処理槽３１の水面（ＷＬ）から内筒３４の他端部３４ｂまでの高さ（Ｈ1）を約８．７ｍとすることで、溶存メタンの８５％を回収することができる。
なお、真空ポンプＶＰの圧力(又は真空)は、外筒３３上部気相部Ｓ又はメタン回収ラインＬ12に設けた圧力指示調節器（ＰＩＣ）で調整している。
なお、第２処理槽３１の水面（ＷＬ）から内筒３４の他端部３４ｂまでの高さ（Ｈ1）は、第２処理槽３１内の膜ろ過水Ｗ2の例えば比重、内筒３４の内面の上昇流に対する例えば抵抗等により、適宜調整する。
このように、真空ポンプＶＰにより所定の真空度（例えば３０ｋＰａ）に保つことで、第２処理槽３１内の膜ろ過水Ｗ2は真空で吸い上げられ、内筒３４内を上昇し、内筒３４の他端部３４ｂからオーバーフローして外筒３３と内筒３４との間に落下する。膜ろ過水Ｗ2の溶存ガスであるメタンガスはこの筒内の減圧下で気液分離されて除去される。その後メタンが除去されたメタン除去処理水Ｗ3は第３処理装置４０に排出ラインＬ4を介して送られる。
本実施形態では好ましい例示として真空度を２０ｋＰａと３０ｋＰａとの例示をしたが、本発明における真空度はこれらに限定されるものではなく、例えば１０ｋＰａから５０ｋＰａとすることができる。
また、内筒３４を上昇する膜ろ過水Ｗ2の上昇部流速（Ｆ1）は、例えば０．３ｍ／秒以下（好ましくは０．２ｍ／秒）とし、内筒３４と外筒３３との間のメタン除去処理水Ｗ3の下降部流速（Ｆ2）は、例えば０．１ｍ／秒以下（好ましくは０．０７ｍ／秒）とするのが好ましい。
これは、下降部線速（Ｆ2）があまりにも早い場合には、折角気液分離されたメタンガスが下降流に引き込まれ、後段の第３処理装置４０に送られ、回収メタン量が損失するので、これを防止するようにしている。
このため、上昇部流速（Ｆ1）が例えば０．３ｍ／秒以下０．１５ｍ／秒以上、下降部流速（Ｆ2）が０．１ｍ／秒以下０．０５ｍ／秒以上とするように、外筒の径と内筒の径及び、内筒と外筒との間の隙間径を設定することが好ましい。
（第３処理装置４０）
第３処理装置４０は、メタン除去処理水Ｗ3をその地域における放流規制に適した状態とする後処理装置であり、例えばメタン除去処理水に含まれている窒素成分を嫌気性アンモニア酸化反応により脱窒するアナモックス処理装置、メタン除去処理水を曝気処理することで酸化還元電位を上げて酸化し且つ残存ＢＯＤ成分を除去する曝気処理装置や生物膜ろ過処理装置などを挙げることができる。
本実施形態では、メタンが除去されたメタン除去処理水Ｗ3を後処理装置としてアナモックス処理するアナモックス処理装置を設置している。
ここで、アナモックス処理装置は、メタン除去処理水Ｗ3に含まれている窒素成分を嫌気性アンモニア酸化（anaerobic ammonium oxidation；Ａｎａｍｍｏｘ、アナモックス）反応により脱窒する。アナモックス反応は、嫌気条件下でアナモックス細菌がＮＨ4－ＮとＮＯ2－Ｎとを基質としてＮ2を生成する反応であり、次のような反応式（３）が示されている。
１．０ＮＨ4 +＋１．３２ＮＯ2 -＋０．０６６ＨＣＯ3 -＋０．１３Ｈ+→
１．０２Ｎ2＋０．２６ＮＯ3 -＋０．０６６ＣＨ2Ｏ0.5Ｎ0.15＋２．０３Ｈ2Ｏ…（３）
アナモックス細菌は、Bacteria界Planctomycetes門Brocadiales目に帰属される細菌を用いることができる。アナモックス細菌は現在のところ純粋培養がなされていないため、系統分類には全て“Candidatus”が付けられている。本実施形態で用いることのできるアナモックス細菌として、具体的には、Candidatus Brocadia、Candidatus Kuenenia、Candidatus Jettenia、Candidatus Anammoxoglobus、Candidatus Scalindua、Candidatus Anammoximicrobiumなどが挙げられる。なお、本実施形態においては分類名や学名に限定されることなく、アナモックス反応ができる細菌であればどのようなものも用いることができる。アナモックス細菌は、既存の廃水処理装置から採取した活性汚泥や余剰活性汚泥を種汚泥とし、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を含む培地または下水などの有機性排水で長期間培養することによって得ることができる。また、アナモックス細菌は、下記組成のアナモックス培地で前記した種汚泥を培養することで得ることもできる。
〔アナモックス培地の組成〕
・ＮａＮＯ2：０～３００ｍｇ／Ｌ
・ＮＨ4Ｃｌまたは（ＮＨ4）2ＳＯ4：０～３００ｍｇ／Ｌ
・ＫＨ2ＰＯ4：５４ｍｇ／Ｌ
・ＫＨＣＯ3：１２５ｍｇ／Ｌ
・Ｍｉｃｒｏ Ｆｅ／ＥＤＴＡ♯１：１ｍＬ／Ｌ
（♯１の組成：ＦｅＳＯ4・７Ｈ2Ｏ ９ｇ、ＥＤＴＡ・２Ｎａ ５ｇ）
前記反応式（３）に示すように、アナモックス反応を行うメタン除去処理水に含まれているＮＨ4－ＮとＮＯ2－Ｎとは、モル比が約１：１～１：１．５であるのが好ましく、約１：１．３２であるのがより好ましい。しかしながら、原水である有機性排水や膜ろ過水の状態にもよるが、膜ろ過水のＮＨ4－Ｎの含有量は高い一方で、ＮＯ2－Ｎの含有量は低い場合が多く、モル比が前記したものにならないことが多い。そのため、メタン除去処理水に含まれているＮＨ4－Ｎの一部を硝化細菌（アンモニア酸化細菌）で酸化させ、ＮＯ2－Ｎを生成するのが好ましい。これは、膜ろ過水中のＮＨ4－Ｎの一部をＮＯ2－Ｎに変換するので、「部分亜硝酸化」などと呼ばれている。すなわち、本実施形態では“嫌気性”アンモニア酸化反応（アナモックス反応）を行うものであるが、メタン除去処理水について酸素を全く含まない状態とする必要はない。本実施形態では、膜ろ過水に含まれているＮＨ4－Ｎの一部をアンモニア酸化細菌がＮＯ2－Ｎに変換するのに必要な程度の酸素を含ませておくことができる。つまり、前記した“嫌気性”とは、第３処理装置４０を完全に嫌気条件とすることを意味するものではなく、単にアナモックス反応が行われる条件が（すなわち、アナモックス反応が行われる限られた一部の範囲が）嫌気条件であればよいことを示すものである。
従って、第３処理装置４０中のメタン除去処理水Ｗ3に部分亜硝酸化を行うのに十分な酸素が含まれていない場合、図２Ａに示すように、ブロワＢ2を使用して曝気を行うことができる。第３処理装置４０中の槽内液の酸素濃度は、溶存酸素計ＤＯＳ（図示せず）で測定することができる。
部分亜硝酸化は原理上、ＮＨ4－Ｎの約半分をＮＯ2－Ｎに変換するだけでよいので、従来の活性汚泥法におけるＮＨ4－Ｎの全量をＮＯ2－Ｎに硝化する反応と比較して、接触させる空気量を約半分にできる。従って、本実施形態においては、ＮＨ4－ＮをＮＯ2－Ｎに硝化するのに曝気動力を用いる場合は、従来の活性汚泥法と比較して、必要な曝気動力を半分に削減できる。そのため、このような場合における電気量などのエネルギー消費量も約半分に低減できる。
アンモニア酸化細菌としては、例えば、Nitrosomonas属、Nitrosococcus属、Nitrosospira属、Nitrosolobus属、Nitrosovibrio属などに属する細菌を用いることができるが、これらに限定されない。
ＮＯ2－Ｎの生成は、アナモックス反応を行う槽と同じ槽で行ってもよいし、別の槽で行ってもよい。なお、ＮＯ2－Ｎの生成とアナモックス反応を同じ槽で行うものを「一槽式アナモックス槽」といい、別の槽で行うものを「二槽式アナモックス槽」という。
本実施形態においては、図２Ａに示すように、一槽式アナモックス槽４１を用いるのが好ましい。一槽式アナモックス槽を用いると二槽式アナモックス槽（図示せず）の場合と比較して省スペース化や建設費用の低コスト化を図ることができる。
なお、二槽式アナモックス槽を用いると、アナモックス細菌とアンモニア酸化細菌とを別個の槽で管理できることから、各細菌の管理や反応の制御が容易である。また、二槽式アナモックス槽を用いると、アンモニア酸化細菌で生成したＮＯ2－Ｎを含む膜ろ過水のＮＯ2 -濃度と流量を調節してアナモックス反応を行う槽に導入することができるので、ＮＨ4－ＮとＮＯ2－Ｎとのモル比を前記したものとし易い。
アナモックス反応ではＮＯ3－Ｎが少量生成される。そのため、第３処理装置４０には、生成したＮＯ3－Ｎを還元してＮ2にする脱窒細菌が含まれているのが好ましい。このようにすると、最終的にアナモックス細菌と脱窒細菌とにより、有機性排水に含まれていたＮＨ4 +やＮＨ4－Ｎの大部分を環境に害のないＮ2に変換できる。
脱窒細菌としては、例えば、Pseudomonas denitrificans、Pseudomonas aeruginosa、Pseudomonas stutzeri、Pseudomonas mendocina、Comamonas testosteroni、Paracoccus denitrificans、Alcaligenes faecalisなどを用いることができるが、これらに限定されない。脱窒細菌による処理は、第３処理装置４０とは別の装置（槽）で行うようにしてもよい。
なお、アンモニア酸化細菌と脱窒細菌は、既存の廃水処理装置から採取した活性汚泥や余剰活性汚泥から容易に得ることができる。
アナモックス細菌およびアンモニア酸化細菌は増殖に有機物を利用しない独立栄養細菌であるので、メタン除去処理水に溶解性の有機物が含まれていたとしても大量に増殖することはない。そのため、本実施形態では、アナモックス細菌およびアンモニア酸化細菌に由来する活性汚泥の生成量を低減できる。
一方、脱窒細菌は有機物を電子供与体にしてＮＯ3－ＮをＮ2に変換するが、有機物を利用して増殖する従属栄養細菌である。そのため、本実施形態では、脱窒細菌に由来する活性汚泥は生成されるものの、前述した第１処理装置２０で既に有機物の大部分がメタンに分解されており、メタン除去処理水に残存している有機物の濃度は低くなっている。従って、本実施形態では、従来の活性汚泥法と比較すると脱窒細菌が増殖してなる活性汚泥の生成量を低減できる。また、本実施形態においては、第３処理装置４０において、脱窒細菌をはじめとする従属栄養細菌の増殖が抑えられることから、アナモックス細菌の優占化を図ることができる。そのため、アナモックス細菌の高濃度化と、効率的なアナモックス反応とを行うことができる。なお、本実施形態においては、脱窒細菌によるＮＯ3 －からＮ2への変換を十分に行わせるため、メタノール以外の有機物を添加することができる。
一槽式アナモックス槽４１は、内径が例えば３～３０ｍｍ、長さが例えば３～３０ｍｍであり、両端が開口した中空筒からなる担体４２を含むことが好ましい。
図３は、この担体４２の斜視図を示している。このような担体４２を用いることにより、担体４２の外側４２ａにはアンモニア酸化細菌が保持されることとなるので、一槽式アナモックス槽４１に通気した空気などに由来する溶存酸素が消費される。そのため、担体４２の内側４２ｂは嫌気条件となり易い。従って、担体４２の内側４２ｂはアナモックス細菌が増殖し易く、保持も行い易いものとなる。
また、担体４２の内側４２ｂはアナモックス細菌による嫌気性アンモニア酸化反応を好適に行うことができる。
本実施形態においては、より好適なアナモックス細菌の増殖・保持とアナモックス細菌による嫌気性アンモニア酸化反応とを行わせる観点から、中空筒の担体４２の内径は例えば５～１５ｍｍとするのが好ましく、例えば長さは５～１５ｍｍとするのが好ましい。
中空筒は円柱状が好ましいが、三角柱状、四角柱状など任意の形状とすることができる。担体４２は、例えばポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）樹脂などの任意の樹脂で形成することができる。なお、担体４２の外径は特に限定されない。担体４２の投与量は、一槽式アナモックス槽４１の容積に対して容積比で、例えば、１０～３０％とすることができ、好ましくは２０％とすることができるが、これに限定されない。
また、担体４２を投入した一槽式アナモックス槽４１は、空気吹き込みおよび機械攪拌のうちの少なくとも一方の装置で膜ろ過水が供給された槽内液を攪拌し、槽内液の溶存酸素濃度を例えば０．５ｍｇ／Ｌ以下に制御することが好ましい。このようにすると、担体４２の外側に保持させたアンモニア酸化細菌に対しては必要最小限度から適度な濃度でＯ2を供給することができ、部分亜硝酸化を行わせることができる。また、前記したように、本実施形態においては、担体４２の表面に保持されたアンモニア酸化細菌によってＯ2が消費される。従って、本実施形態では、担体４２の内側４２ｂに保持させたアナモックス細菌に対しては嫌気条件を保つことができ、アナモックス反応を行わせることができる。つまり、溶存酸素濃度を前記したように制御すると、アナモックス細菌によるアナモックス反応に重大な影響を与えることなく、アンモニア酸化細菌による部分亜硝酸化を行うことができる。なお、槽内液の溶存酸素濃度は前記した効果をより確実に得るため、０．３ｍｇ／Ｌ以下に制御することがより好ましい。
第３処理装置４０には、アナモックス細菌、アンモニア酸化細菌、脱窒細菌などの活性を維持することを目的として、例えばカルシウム、マグネシウム、鉄、ニッケル、コバルト、カリウム、ナトリウム、亜鉛、セレン、タングステン、モリブデン、銅、マンガン、アルミニウムなどの無機塩（金属）を添加する装置（図示せず）を設けることができる。
また、第３処理装置４０には、水温を調節するための加熱装置（図示せず）を設けることができる。当該加熱装置は、第１処理装置２０で得られたメタンガスを燃焼させて得られた熱や電気を利用することができる。第３処理装置４０には、ｐＨ計、溶存酸素計ＤＯＳ、アンモニアセンサ、硝酸センサ、温度計などの各種センサＳｒ２を設けることができる。なお、センサは、計測対象ごとに個別に設けられるものであるが、図２Ａでは図示の関係で１つのみ図示している。
第３処理装置４０の後段側には、最終沈殿槽５０を設置して、最終沈降させて放流水Ｗ5として外部へ放流している。なお、最終沈殿槽５０の底部からは第３処理装置４０に汚泥を返送する返送汚泥ポンプＰ4が介装されている。
第３処理装置４０の窒素除去装置としては、アナモックス処理装置を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。他の汚水処理方法としては、例えば標準活性汚泥法、循環式硝化脱窒法、循環硝化脱窒型膜分離活性法、嫌気好気活性汚泥法、嫌気無酸素好気法等を挙げることができるが、本発明はこれに限定されるものではない。
［試験例］
有機性排水処理装置１００Ａを用いて、下水（流入水質：ＢＯＤ２００ｍｇ／Ｌ、ＣＯＤCr４４０ｍｇ／Ｌ、ＳＳ２００ｍｇ／Ｌ、全窒素３３ｍｇ／Ｌ）を用いて、処理量として４，０００ｍ3／日の下水を水温１７℃、２０℃、２５℃の各水温で処理したときを試算した。なお、単位消費電力量は０．４ｋＷｈ／ｍ3である。その結果を下記表１に示す。
Figure 0007398601000002
［表１］に示すように、従来技術のような真空脱気装置を設置しない場合、メタン発生ガスであるバイオガスＧ1（Ｉ「メタン発生量（Ｎｍ3-ＣＨ4／日）」）は、１７℃のときが１９０Ｎｍ3-ＣＨ4／日、２０℃のときが２４０Ｎｍ3-ＣＨ4／日、２５℃のときが３１０Ｎｍ3-ＣＨ4／日であった。
これに対して、真空脱気装置３２を備えた第２処理槽３１を設置した場合、メタン回収ガスＧ2（II「メタン回収量（Ｎｍ3-ＣＨ4／日）」）は、１７℃のときが８０Ｎｍ3-ＣＨ4／日、２０℃のときが７５Ｎｍ3-ＣＨ4／日、２５℃のときが７０Ｎｍ3-ＣＨ4／日であった。
この結果、表１に示すように、（Ｉ）のメタン発生量に（II）メタン回収量を合わせた場合、合計メタン量は１７℃のときが２７０Ｎｍ3-ＣＨ4／日、２０℃のときが３１５Ｎｍ3-ＣＨ4／日、２５℃のときが３８０Ｎｍ3-ＣＨ4／日であった。
なお、温度が高い場合に、メタン回収量が少ないのは、第１処理装置での溶存メタン量が少ないことによる。
以上より、真空脱気装置３２を備えた第２処理槽３１を設置した場合、第１処理装置での溶存メタンが効率よく回収され、合計の回収メタン量の増大を図ることができることを確認した。
なお、温度が低い（１７℃）場合がメタンの溶解度が上がるので、温度が高い（２５℃）場合に比べて溶存メタン量が増えているので、回収量は増大している（８０Ｎｍ－ＣＨ4／日）。
（第２実施形態）
図３は、第１実施形態にかかる有機性排水処理装置１００Ｂの構成を説明する概略構成図である。なお、第１実施形態と同一構成の部材については、同一符号を付して重複した説明は省略する。
図３に示すように、本実施形態の有機性排水処理装置１００Ｂは、第１の実施形態の有機性排水処理装置１００Ａにおいて、さらに流量調整槽１０に導入する有機性排水Ｗ1中の固形分を除去する除去装置として、所定目開き（例えば０．５ｍｍ～１．０ｍｍ）を有するドラムスクリーン１２を設けている。なお、分離したし渣１３は別途処理される。また、本実施形態においては、流量調整槽１０の前段に有機性排水中の土砂などを沈殿させて除く沈砂池（図示せず）を設けることができる。Ｍ2はドラムスクリーン１２を駆動するモータ等の駆動装置である。
また、図３に示すように、第１処理装置２０において、第１処理装置２０のメタン発酵で発生したＣＯ2を除去する第４処理装置２５を設けている。例えば、生活排水などの有機物および窒素成分の濃度の低い有機性排水がメタン発酵してＣＯ2が生じると、有機性排水のｐＨが下がってしまうおそれがあるが、前記した第４処理装置２５を有し、常時または適時作動させてＣＯ2を除去することにより、そのようなおそれを防ぐことができる。つまり、第４処理装置２５でＣＯ2を除去するので、有機性排水のｐＨを下がり難くすることができる。そのため、得られる膜ろ過水Ｗ2のｐＨを後段の第３処理装置４０で行うアナモックス反応に好適なｐＨ７～８．５の範囲に調整するのが容易となる。なお、有機物の濃度が高く、窒素成分（ＮＨ4－Ｎ）の濃度が低い有機性排水もあるが、そのような有機性排水においても同様の効果を得ることができる。
第４処理装置２５としては、例えば、図３に示すように、第４処理装置２５のヘッドスペースの気体を循環させることにより、膜へのファウリングを防止する膜洗浄ブロワＢ1と接続され、内部に水２７を収容した所定の大きさの容器２６を用い、この水２７にＣＯ2を吸収させて除去するＣＯ2除去装置が挙げられる。
大型装置の場合には、例えば、棚段式連続吸収塔を用いて、メタン発酵で発生したバイオガスを上向流で流す一方、水を下向流で散水させて気液接触させ、バイオガス中のＣＯ2を水に吸収させて除去する装置を採用することができる。また、ＣＯ2除去剤として、粒状消石灰を用いる充填塔タイプの装置を採用することができる。
また、第４処理装置２５としては、例えば、ＣＯ2を装置外に排出することによって除去する排出機構（図示せず）なども挙げられる。このような排出機構としては、例えば、ＣＯ2選択透過膜（促進輸送膜）などが挙げられる。ＣＯ2選択透過膜は、例えば、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）またはポリアミドアミン（ＰＡＭＡＭ）などを用いて作製したデンドリマー膜（中心から規則的に分枝した構造を持つ樹状高分子膜）を挙げることができる。また、このようなＣＯ２選択透過膜を用いる場合、吸引ポンプを用いて槽内からのＣＯ2の輸送を促してもよい。
なお、第４処理装置２５は前記したものに限定されず、ＣＯ2を除去できればどのようなものも用いることができる。
また、図３に示す他の実施形態の有機性排水処理装置１００Ｂのように、第２処理槽３１から除去されたメタンガスを回収するメタン回収ラインＬ12とバイオガスラインＬ11とが合流する合流部Ａ以前において、外筒３３内の上部ガス溜まりＳ内に回収メタンを戻す戻りガスラインＬ13を設けている。そして、真空ポンプＶＰの真空度（Ｘ）が所定の設定値（例えば３０ｋＰａ）より真空度が高いすなわち、内圧が低い場合、切換え弁Ｖを調整して、外筒３３内の上部ガス溜まりＳ内にラインＬ13でリサイクルするいわゆる「スピルバック制御」を行うようにしている。
また、真空度が低いすなわち、内圧が高い場合には、スピルバック制御を行わず、切換え弁Ｖを調整し、真空ポンプＶＰは系内のガスを、ラインＬ12によりラインＬ11側に排気するように制御する。
これに対して、真空ポンプＶＰの真空度（Ｘ）が３０ｋＰａを超える場合、ＰＩＣで判断して、バルブＶを切換え、メタンガスＧ2をリサイクルせず、バイオガス排出ラインＬ11側に排出し、バイオガスＧ1と混合してバイオガスＧ（Ｇ1＋Ｇ2）として排出する。
なお、メタン回収ラインＬ12の分岐Ｂと合流部Ａとの間において、例えばチェッキ弁を設置し、吐出側の圧力を第１処理装置２０の気相部の圧力Ｐ1（例えば４ｋＰａ）とするようにしている。
また、バイオガス排出ラインＬ11には、例えば脱硫塔を設置し、ガス中の硫化水素を除去するようにしてもよい。これにより、ガスホルダの腐食を防止するようにしている。
本実施形態では、真空脱気装置３２を一つとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数設置するようにしてもよい。この場合、後流側に連れて、真空度を高くするのが好ましい。
特に、有機性排水に発泡しやすい物質が含まれる場合には、真空度を抑えることが必要となるので、複数の真空脱気装置を備えることが好ましい。
また、１つの外筒３３の内部に、内筒３４を複数配置するようにしてもよい。
さらに、第２処理装置３０を複数（３０－１，３０－２～３０－ｎ）設けるようにしてもよい。
この際、真空度を適宜変更することで、対象の処理水によって、発泡する場合に好適となる。
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態にかかる有機性排水処理装置１００Ｃの構成を説明する概略構成図である。
図５に示すように有機性排水処理装置１００Ｃは、第１、第２実施形態における第１処理装置２０と第２処理装置３０との槽を共通とした一体型槽７１を用いている。一体型槽７１の内部には仕切り壁７２が設けられ、有機性排水Ｗ1と膜ろ過水Ｗ2とを区分けするようにしている。一体型槽７１とすることで、２つの槽とすることが不要となり、処理装置の簡素化が可能となる。
また、第１の処理装置２０の気相部からメタンをバイオガスとして回収するために、バイオガス排出ラインＬ11にブロワＢ3を設置し、そのブロワ吐出圧を例えば２～４ＫＰａとして、メタン発酵により発生した有機性排水Ｗ1からの発生メタンＧ1を回収するようにしている。なお、メタン回収ラインＬ12の真空ポンプＶＰ1は前述したのと同様に所定の真空度（例えば３０ｋＰａ又は２０ｋＰａ）で膜ろ過水Ｗ2からのメタンガスの回収をしている。
すわなち、第１実施形態で説明した第１処理装置２０を独立槽とする場合には、その気相部の圧力Ｐ1（例えば４ｋＰａ）は、通常空気の侵入を防いで、嫌気条件を確保するために、微陽圧（通常、例えば４ｋＰａ）に保って、この圧力を保つことで、バイオガス（メタン）Ｇ1をバイオガスラインＬ11の後段に設置する、例えば脱硫塔やガスホルダに押し込んでいる。したがって、本実施形態のように、前述した第１処理装置２０と第２処理装置３０との槽を一体化した一体型槽７１とする場合においても、気相部の圧力は微陽圧（通常、４ｋＰａ）に保つ必要がある。よって、バイオガス排出ラインＬ11には第３のブロワＢ3を設置し、その吐出圧を例えば４ｋＰａ以上に変更することで、発生した発生メタンＧ1の回収を図るようにしている。
本実施形態では第１処理装置２０の気相部の微陽圧の圧力として、４ｋＰａを例示したが、本発明における気相部の圧力としては、これに限定されるものではなく、例えば２ｋＰａ以上１０ｋＰａ以下、より好ましくは、４ｋＰａ以上５ｋＰａ以下とすることができる。
（第４実施形態）
図６は、第４実施形態にかかる有機性排水処理装置１０から０Ｄの構成を説明する概略構成図である。
図６に示すように有機性排水処理装置１００Ｄは、単なる曝気槽４３を設置した場合である。窒素の規制が無いような場合には、アナモックス槽４１の処理装置を設けることなく、単に曝気する再曝気槽４３を設置することができる。
（第５実施形態）
図７は、第５実施形態にかかる有機性排水処理装置１００Ｅの構成を説明する概略構成図である。
図７に示すように有機性排水処理装置１００Ｅは、第１～第４実施形態のような最終沈殿槽５０を設置しない処理方法である。
第３処理装置として、生物膜ろ過装置８０を設置している。この生物膜ろ過装置８０の内部には充填層８１が配されている。この充填層８１は、例えば砕石等の天然材料や各種プラスチック等の成形物を用いるようにしている。なお、生物膜ろ過装置８０の天井部８０ａは、覆蓋屋根付き構造として、メタン除去処理水の大気解放散布による大気への放散を防止している。また、本実施形態においては、メタン除去処理水Ｗ3は、生物膜ろ過装置８０内の上部気相部又は、生物膜付着ろ材の上部液相のいずれかに供給するようにしている。
第３処理装置４０は、槽内の処理の後段に、余剰活性汚泥を沈殿させる沈殿ゾーン（図示せず）が設けられていてもよい。なお、この沈殿ゾーンは任意に設けることができるものであり、設けていなくてもよい。沈殿ゾーンは、担体４２を通過させない程度の開き目を有する金属フェンスなどで槽内を区切ることによって設けることができる。この沈殿ゾーンを設けた場合は、沈殿池を省略することができる。
（有機性排水処理装置におけるその他の設備）
本実施形態に係る有機性排水処理装置１００は、図１および図２Ａに示すように、第１処理装置２０から回収した汚泥６１を脱水して脱水汚泥６３とする脱水装置６２を備えていてもよい。脱水装置６２としては、例えば、遠心分離機、ベルトプレス脱水機、スクリュープレス脱水機などを用いることができる。脱水装置６２で脱水された脱水汚泥は搬出され、焼却したり、最終処分場で埋立てに使われたりするなど適宜処理される。図２Ａに示すように第１処理装置２０から脱水装置６２への汚泥の搬送はこれらの間に設けられたポンプ（図示せず）で行うことができる。
図２Ａに示すように、第３処理装置４０の後段には、第３処理装置４０で処理した処理水中の汚泥を沈降分離させ、沈殿させた汚泥と、上澄みのきれいな水（処理水）とに分離して、当該きれいな水（処理水）を排出する最終沈殿槽５０が設けられていてもよい。なお、この沈殿槽５０は処理水を貯留する機能も有している。
また、第１処理装置２０から生じたバイオガス（メタン）Ｇ1を外部に排出するバイオガス排出ラインＬ11管に、当該ガス管の開口端部からの空気の流入を防止するための水封器（図示せず）を設けることができる。さらに、バイオガス排出ラインＬ11には、バイオガスの生成量を計測するためのガスメータ（図示せず）を設けることができる。また、前記ガス管には、バイオガスＧ1に含まれている硫化水素を除去するための脱硫塔（図示せず）を設けることができる。水封器、ガスメータおよび脱硫塔は市販されているものを用いることができる。
本実施形態に係る有機性排水処理装置１００は、流量調整槽１０や脱水装置６２などを有している場合であっても、第１処理装置２０および第３処理装置４０を有しているので、従来の活性汚泥法（例えば、循環式硝化脱窒法）による設備と比較して設備設置面積、コストなどを低減することができる。
以上に説明した本実施形態に係る有機性排水処理装置１００Ａ～１００Ｅは、前述したように、第１処理装置２０で有機物をメタン発酵するとともに、膜ろ過を行って膜ろ過水を得ることができる。有機物はメタン発酵によって分解されメタンとＣＯ2になるので、膜ろ過水Ｗ2に含まれる有機物の濃度を低くできる。なお、膜ろ過水Ｗ2に含まれる有機物はほぼ全てが溶解性のものである。また、膜ろ過によってろ過されるので、浮遊物質については全く含まれていない状態になる。
また、第１処理装置２０からの第１処理水（膜ろ過水Ｗ2）中の溶存メタンを第２処理装置の真空脱気装置で回収処理するので、バイオガスの回収量の増大を図ることができる。
［有機性排水処理方法］
次に、本実施形態に係る有機性排水処理方法について説明する。
本実施形態に係る有機性排水処理方法は、生活排水、産業排水、下水、またはこれらのうちの少なくとも１つを用いて混合した排水などの有機物および窒素成分を含む有機性排水を高度に処理する方法である。本実施形態に係る有機性排水処理方法は、前述した本実施形態に係る有機性排水処理装置１００Ａ～１００Ｅで好適に実施することができるので、有機性排水処理装置１００Ａを例にして以下の説明を行う。従って、本実施形態に係る有機性排水処理方法と本実施形態に係る有機性排水処理装置１００Ａとで共通する構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図８は、本実施形態に係る有機性排水処理方法の内容を説明するフロー図である。図８に示すように、本実施形態に係る有機性排水処理方法は、第１処理工程Ｓ１１と、第２処理工程Ｓ１２と、第３処理工程Ｓ１３とを含み、これらの工程についてはこの順で行う。
（第１処理工程Ｓ１１）
第１処理工程Ｓ１１は、前記した有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに膜ろ過を行って膜ろ過水を得る工程である。この第１処理工程Ｓ１１は、有機性排水処理装置１００における第１処理装置２０で行うことができる。従って、第１処理工程Ｓ１１で処理されて得られた膜ろ過水Ｗ2には、有機物の濃度が低くなり、浮遊物質も含まれていない。そのため、後段の第３処理工程Ｓ１３では当該膜ろ過水Ｗ2による余剰活性汚泥の発生量を低減できる。
第１処理工程Ｓ１１は膜分離メタン発酵槽２０ａで行うのが好ましい。このようにすると、本実施形態では、従来の活性汚泥法と比較して第１処理工程Ｓ１１で用いる装置をコンパクト化でき、建設費用を低コスト化できる。また、活性汚泥法のように大量の酸素（空気）で曝気する必要がないので、ランニングコストを低コスト化できる。膜分離メタン発酵槽２０ａは、懸濁性嫌気性菌（メタン生成古細菌を含む）を保持するメタン発酵槽、または嫌気性グラニュール汚泥を保持するメタン発酵槽とすることができる。
また、図９に示すように、この第１処理工程Ｓ１１においては、発生したＣＯ2を除去する第４処理工程Ｓ１４を含むのが好ましい。この第４処理工程Ｓ１４は、有機性排水処理装置１００における第４処理装置２５で行うことができる。従って、第４処理工程Ｓ１４を行ってＣＯ2を除去するので、第１処理工程Ｓ１１（メタン発酵）におけるｐＨが６．５以下に低下することを避けると共に、膜ろ過水のｐＨを下がり難くすることができる。そのため、得られる膜ろ過水のｐＨを後段の第３処理工程Ｓ１３で行うアナモックス反応に好適なｐＨ７～８．５の範囲に調整することが容易となる。
（第２処理工程Ｓ１２）
第２処理工程Ｓ１２は、溶存メタンを回収するメタン回収工程である。
第２処理工程では、図２Ａに示す第２処理槽の上部を閉塞して密閉状態とする閉塞部３１ａと、閉塞部３１ａの上方側に鉛直軸方向に立設された脱気用外筒３３と、脱気用外筒３３の内部に一端部３４ａが膜ろ過水Ｗ2中に配され、他端部３４ｂが脱気用外筒３３内の上部ガス溜まりＳ内に配される内筒３４と、脱気用外筒３３の頂部３３ａに接続され、真空ポンプＶＰが介装されたメタン回収ラインＬ12とからなる、真空脱気装置を用いて、膜ろ過水Ｗ2中に溶存するメタンを回収する。
（第３処理工程Ｓ１３）
膜ろ過水に含まれている窒素成分を嫌気性アンモニア酸化反応（アナモックス反応）により脱窒する工程である。この第３処理工程Ｓ１３は、有機性排水処理装置１００における第３処理装置４０で行うことができる。このとき、必要に応じて膜ろ過水に含まれているＮＨ4－Ｎの一部をアンモニア酸化細菌で酸化させ、ＮＯ2－Ｎを生成することができる。本実施形態においては、ＮＨ4－Ｎの約半分をＮＯ2－Ｎに変換するだけでよいので、従来の活性汚泥法におけるＮＨ4－Ｎの全量をＮＯ2－Ｎに硝化する反応と比較して、接触させる空気量を約半分にできる。従って、前記したように、本実施形態においては、ＮＨ4－ＮをＮＯ2－Ｎに硝化するのに必要な曝気動力および電気量等を約半分に低減できる。
第３処理工程Ｓ１３は、一槽式のアナモックス槽４１で行うのが好ましい。一槽式アナモックス槽４１を用いると二槽式アナモックス槽と比較して省スペース化や建設費用の低コスト化を図ることができる。
以上に説明した本実施形態に係る有機性排水処理方法は、前述したように、第１処理工程Ｓ１で有機物をメタン発酵するとともに、膜ろ過を行って膜ろ過水を得ることができる。有機物はメタン発酵によって分解されメタン（ＣＨ4）と二酸化炭素（ＣＯ2）になるので、膜ろ過水に含まれる有機物の濃度を低くできる。なお、膜ろ過によってろ過されるので、浮遊物質については全く含まれていない状態になる。従って、後段の第３処理工程Ｓ１３では当該膜ろ過水による余剰活性汚泥の発生量を低減できる。その一方で、第１処理工程Ｓ１で処理した膜ろ過水にはＮＨ4－Ｎが多く含まれることが多いが、第３処理工程Ｓ１３でＮＨ4－Ｎを部分亜硝酸化し、ＮＨ4－Ｎの約半分をＮＯ2－Ｎに変換することができる。そして、第３処理工程Ｓ１３ではアナモックス細菌により、ＮＨ4－ＮとＮＯ2－ＮとからＮ２を生成する。本実施形態に係る有機性排水処理方法は、部分亜硝酸化で使用する空気量を従来の活性汚泥法におけるＮＨ4－Ｎの全量をＮＯ2－Ｎに硝化する反応と比較して約半分にできる。従って、本実施形態においては、ＮＨ4－ＮをＮＯ2－Ｎに硝化するのに必要な曝気動力および電気量等を約半分に低減できる。つまり、本実施形態に係る有機性排水処理方法によれば、エネルギー消費量を少なくできる。また、前記したように、第１処理工程Ｓ１で処理した膜ろ過水には有機物や浮遊物質が殆ど含まれていないので、第３処理工程Ｓ１３で従属栄養細菌である脱窒細菌がこれらをもとに増殖し難く、余剰活性汚泥の発生量を少なくできる。
この際、第１処理工程Ｓ１と第３処理工程Ｓ１３との間において、第２処理工程Ｓ２によって、膜ろ過水Ｗ2中の溶存メタンを回収することができるので、バイオガスとしての回収率が増大する。
以上述べたように、本発明によれば、膜分離メタン発酵槽で有機性排水を嫌気処理したとき、膜ろ過水中に溶存するメタン量の低減を図り、回収メタン量の増大を図る有機性排水処理装置および有機性排水処理方法を提供することができる。
本発明は、有機性排水処理装置および有機性排水処理方法全般に利用可能である。
１００（１００Ａ～１００Ｅ） 有機性排水処理装置
１０ 流量調整槽
２０ 第１処理装置
２０ａ 膜分離メタン発酵槽
２１ 浸漬型嫌気性ＭＢＲ（一体型）
２５ 第４処理装置
３０ 第２処理装置
３１ 第２処理槽
３１ａ 閉塞部
３２ 真空脱気装置
３３ 脱気用外筒（外筒）
３４ 内筒
３４ａ 一端部
３４ｂ 他端部
４０ 第３処理装置
４１ 一槽式アナモックス槽（アナモックス槽）
４２ 担体
４３ 再曝気槽
６１ 汚泥
６２ 脱水装置
６３脱水汚泥
７１ 一体型槽
８０ 生物膜ろ過装置
８１ 充填層
Ｓ１１ 第１処理工程
Ｓ１２ 第２処理工程
Ｓ１３ 第３処理工程
Ｓ１４ 第４処理工程
Ｂ1、Ｂ2 、Ｂ3 ブロワ
Ｇ、Ｇ1、Ｇ2 バイオガス（メタン）
Ｌ1 流入ライン
Ｌ2～Ｌ5 排水ライン
Ｌ6 流出ライン
Ｌ8 汚泥返送ライン
Ｌ7、Ｌ9汚泥排出ライン
Ｌ11 バイオガス排出ライン
Ｌ12 メタン回収ライン
Ｌ13 戻りガスライン
Ｐ1～Ｐ6 ポンプ
ＶＰ、ＶＰ1 真空ポンプ
Ｓ 上部ガス溜まり
Ｗ1 有機性排水
Ｗ2 膜ろ過水
Ｗ3 メタン除去処理水
Ｗ4 処理水
Ｗ5 放流水

Claims (17)

  1. 浮遊物質、有機物および窒素成分を含む有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに、膜ろ過を行って膜ろ過水を得る第１処理装置と、
    前記第１処理装置の後段側に設けられ、前記膜ろ過水中の溶存メタンの一部を除去して回収する真空脱気装置を備えた第２処理装置と、
    前記第２処理装置の後段側に設けられ、後処理する第３処理装置と、を備え、
    前記真空脱気装置は、第２処理槽の上部気相部を閉塞して密閉状態とする閉塞部と、前記閉塞部の上方側に鉛直軸方向に立設された脱気用外筒と、前記脱気用外筒の内部に一端部が膜ろ過水中に配され、他端部が脱気用外筒内の上部ガス溜まり内に配される内筒と、前記脱気用外筒の頂部に接続され、真空ポンプが介装されたメタン回収ラインと、からなることを特徴とする有機性排水処理装置。
  2. 前記真空脱気装置の真空度が１０ｋＰａ～５０ｋＰａであることを特徴とする請求項１に記載の有機性排水処理装置。
  3. 前記第１処理装置は、発生した二酸化炭素を除去する第４処理装置を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の有機性排水処理装置。
  4. 前記第１処理装置が膜分離メタン発酵槽であることを特徴とする請求項１又は２に記載の有機性排水処理装置。
  5. 前記第１処理装置と、前記第２処理装置の第２処理槽とを一体型の槽とするとともに、前記有機性排水と前記膜ろ過水とを仕切る仕切り壁を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の有機性排水処理装置。
  6. 前記膜分離メタン発酵槽が、懸濁性嫌気性菌を保持するメタン発酵槽、または嫌気性グラニュール汚泥を保持するメタン発酵槽であることを特徴とする請求項４に記載の有機性排水処理装置。
  7. 前記第３処理装置が、
    前記膜ろ過水から溶存メタンの一部が回収・除去されたメタン除去処理水に含まれている窒素成分をアナモックス槽で嫌気性アンモニア酸化反応を行い、脱窒するアナモックス処理槽である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の有機性排水処理装置。
  8. 前記第３処理装置が、
    前記膜ろ過水から溶存メタンの一部が回収・除去されたメタン除去処理水を曝気処理する曝気処理槽である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の有機性排水処理装置。
  9. 前記第３処理装置が、
    前記膜ろ過水からメタンの一部が回収・除去されたメタン除去処理水を生物膜ろ過処理する生物膜ろ過槽である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の有機性排水処理装置。
  10. 浮遊物質、有機物および窒素成分を含む有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに膜ろ過を行って膜ろ過水を得る第１処理工程と、
    前記第１処理工程で得られた前記膜ろ過水中の溶存メタンの一部を除去して回収する真空脱気装置を備えた第２処理工程と、
    前記第２処理工程で得られた処理水を後処理する第３処理工程と、を有し、
    前記第２処理工程において、
    前記真空脱気装置が、第２処理槽の上部を閉塞して密閉状態とする閉塞部と、前記閉塞部の上方側に鉛直軸方向に立設された脱気用外筒と、前記脱気用外筒の内部に一端部が膜ろ過水中に配され、他端部が脱気用外筒内の上部ガス溜まり内に配される内筒と、前記脱気用外筒の頂部に接続され、真空ポンプが介装されたメタン回収ラインとからなり、所定の真空度で膜ろ過水中の溶存メタンを回収することを特徴とする有機性排水処理方法。
  11. 前記真空脱気装置の真空度が１０ｋＰａ～５０ｋＰａであることを特徴とする請求項１０に記載の有機性排水処理方法。
  12. 前記第１処理工程は、発生した二酸化炭素を除去する第４処理工程を含むことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の有機性排水処理方法。
  13. 前記第１処理工程を膜分離メタン発酵槽で行うことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の有機性排水処理方法。
  14. 前記膜分離メタン発酵槽が、懸濁性嫌気性菌を保持するメタン発酵槽、または嫌気性グラニュール汚泥を保持するメタン発酵槽であることを特徴とする請求項１３に記載の有機性排水処理方法。
  15. 前記第３処理工程が、
    前記膜ろ過水から溶存メタンの一部が回収・除去されたメタン除去処理水に含まれている窒素成分をアンモニア酸化細菌、アナモックス細菌、脱窒細菌によって脱窒するアナモックス処理工程である、ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の有機性排水処理方法。
  16. 前記第３処理工程が、
    前記膜ろ過水から溶存メタンの一部が回収・除去されたメタン除去処理水を曝気処理する曝気処理工程である、ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の有機性排水処理方法。
  17. 前記第３処理工程が、
    前記膜ろ過水から溶存メタンの一部が回収・除去されたメタン除去処理水を生物膜ろ過処理する生物膜ろ過工程である、ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の有機性排水処理方法。
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