JPH0231898A - 下水汚泥の嫌気性消化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 この発明は、下水汚泥の嫌気性消化方法に関するもので
ある。

背景技術 下水処理場で発生する汚泥は、通常約２％の固形分濃度
の状態で排出される。この排出する汚泥の量を減量する
対策の１つとして、従来より汚泥を消化槽に導いてメタ
ン発酵させる方法が行なわれている。

しかしながら、このような従来の方法では、発酵速度が
遅く、かつ汚泥が稀薄な濃度であるため、大きな容量の
消化槽が必要であり、また、消化率が高々４０〜５０％
であるため、消化により発生した消化ガスのかなりの部
分が、この汚泥の加熱に消費される結果となり、経済性
が極めて低かった。

汚泥消化技術において改善すべき第１の点は。

消化槽の小型化であり、第２の点はプロセス内での熱収
支の改善と消化ガス発生率の向上である。

最近では、固形分濃度的２％の汚泥を４〜６％にまで濃
縮する試みがなされている。このような濃縮により、消
化槽の容積を小さくすると共に熱投を改善して、消化ガ
ス発電によるエネルギー回収を可能にしている。しかし
ながら、このような濃縮方法によっても、経済的な効率
はなお不充分であり、さらに−層の性能向上が望まれて
いる。

メタン発酵の能率向上を図る方法として、５０〜５５℃
の高温で発酵を行う方法と、メタン発酵の前に汚泥を予
め加熱処理しておく方法が知られている。前者の方法で
は１通常の３５℃でのメタン発酵の場合の２〜２．５倍
の発酵速度が得られる。後者の場合では、生汚泥を前も
って１２０〜１８０℃の温度で加熱処理しておくことに
よって、消化率を通常の場合の５０〜６０％増しに向上
させることができると言われている。これらの方法は、
汚泥消化の能率を向上させる方法としては極めて有効な
方法である。しかしながら、汚泥の濃度が４〜６％の場
合には、加熱に多量の熱量が必要となるので、３５℃程
度に加温するのが限度であった。したがって、５０〜５
５℃の温度でメタン発酵を行なったり、生汚泥を予め１
２０〜１８０℃に加熱したりすることは、大量の熱量が
必要になることから通常の下水処理場では行なうことが
できなかった。

発明の要約 この発明の目的は、消化率、すなわち消化ガス発生率を
向上させるとともに、消化槽の容積を小型化することの
できる嫌気性消化方法を提供することにある。

この発明の嫌気性消化方法は、従来の希薄濃度の汚泥の
代りに脱水汚泥を用いる事を特徴とするものであって、
生汚泥を少くとも１０％以上の固形分濃度に脱水し、脱
水した生汚泥を消化汚泥に添加して均一に混練し、混線
した汚泥を所定の温度でメタン発酵させるものである。

この発明において、生汚泥の脱水は好ましくは１５％以
上、更に好ましくは２０％以上の固形分濃度でなされる
。

この発明において６脱水した生汚泥は、消化汚泥に添加
する前に、１２０〜１８０’Ｃの温度で加熱処理される
ことが好ましい。

この場合、メタン発酵は発酵速度の大きい５０〜５５℃
の高温発酵領域で行うのが特に好ましい。

またこの発明は、メタン発酵を酸生成工程とメタン生成
工程とに分離して行なういわゆる二相嫌気性消化方法に
も適用し得る。この場合、生汚泥を１０％以上の固形分
濃度に脱水し、脱水した生汚泥を酸生成発酵後の消化汚
泥に添加して均一に混練し、混練した汚泥を酸生成発瀞
させ５次に酸生成発酵の生成物をメタン生成槽に導いて
メタンを生成させる。すなわち酸生成発酵の生成物は、
酸生成発酵後の消化汚泥を脱水機でろ過することにより
脱離液として分離する。得られた脱離液中に含まれる酸
生成発酵の生成物は、メタン発酵槽の中で固定化した生
体触媒と接触することによってメタン生成発酵をさせる
。

ここで酸生成発摩とは汚泥中の有機物から、有機酸、ア
ルコールおよび炭酸ガス等を生成する発酵をいう、この
二相嫌気性消化方法においても生汚泥を予め加熱処理し
、高温で発酵を行わせるならば性能は一層向上する。

以上の二相消化方式を採用する事によって粘稠な生汚泥
と種汚泥の混線条件を緩和させ、メタン発酵の能率を一
１向上させる事が出来る。

汚泥の固形分濃度が４〜６％以上になると粘度が急激に
高くなり、１０％を越えると攪拌機付きの通常のメタン
発酵槽では攪拌動力の消費量が過大になり経済性を失う
、さらに１５％を越えると一般的な攪拌器では攪拌が不
可能になる。このため、従来より実用的な濃度としては
、４〜６％以下であると考えられてきた。したがって、
従来は、固形分濃度１０％以上の生汚泥を用いて、メタ
ン発酵を行なうということはなされておらず、このよう
なことは不可能であると考えられていた。

本発明者は、固形分２０％以上の生汚泥であっても、菌
体濃度を十分に高くシ、かつ生汚泥に菌体をむらなく均
一に混合することによって、メタン発酵が効率良く行な
えることを見い出した。すなわち、この発明は、濃度の
高い種汚泥、すなわち消化汚泥中に少量の高濃度の生汚
泥を添加し。

これを均一に混合して、消化槽中で一定の温度に保つこ
とによりメタン発酵を行なっている。

この発明に従かえば、少くとも１０％以上の固形分濃度
に脱水した生汚泥を用いているため、従来よりも小さな
容量の消化槽にすることができる。

また従来と同程度の容量の消化槽を用いた場合には、従
来よりも多量の生汚泥を消化することができる。

またこの発明に従えば、汚泥の固形分濃度が高いので、
加熱すべき水分量が従来よりも少なくなる。したがって
、熱収支の点で従来は実用化されなかった汚泥の熱処理
法とか高温発瀞法を採用することが出来る。

下水処理場には、消化ガス発電の設備が設けられている
場合がある。この発明に従えば、この発電システムから
生じた排熱を用いて、汚泥を加熱することが可能になる
ので、このような処理場においてこの発明は特に有用な
ものとなる。

好適な実施例の説明 Ｆｉｌｌ　ａｎｄ　Ｄｒａｗ法の実験 Ｆｉｌｌ　ａｎｄ　Ｄｒａｗ法によって、この発明を検
計した。

種汚泥としては、５０〜５５℃で消化させたものを固形
分濃度１５％に脱水して用いた。生汚泥としては、固形
分濃度２１％に脱水したものを用いた。熱処理汚泥とし
ては、生汚泥を約１７０”Ｃで３０分間加熱処理したも
のを用いた。

実施例１ 内容積約１０１００Ｏのガス排出口＆設けた完全密閉型
の実験用ニーダに１種汚泥２００ｇと生汚泥２．６ｇを
入れて窒素ガスでニーダのポット内を置換した０次いで
、５分間混線を行なった後、ニーダを５３℃の恒温水槽
中につけて静置した。

発生した消化ガスを捕集層に集めて、翌日にガス発生量
とメタン含有率を測定した１次いで、二ダのポットの中
から２．６ｇの汚泥を抜き取り、新たに２．６ｇの生汚
泥を加えて、再び５分間混練した。この操作を毎日１回
繰返した。実験は１６日間継続して行なった。第１図に
はガス発生量を、第２図には発生したガスのメタン含有
率を示す。

比較例１ ３００ｍｇの三角フラスコに、２００ｇの種汚泥と、２
．６．の生汚泥とを入れて、窒素ガスでフラスコ内を置
換しながらガラス棒で汚泥を攪拌し混合した。消化ガス
抜出し口の付いたゴム栓でこの三角フラスコに蓋をし、
５３℃の恒温水槽につけて静置した０発生した消化ガス
を捕集層に集めて、その翌日にメタン含有率を測定した
１次いで、フラスコの中から２．６ｇの汚泥を抜き取り
。

２．６ｇの生汚泥を新たに加えて再びガラス棒で攪拌し
て混合した。この操作を毎日１回繰返した。実験は１６
日間行なった。得られた結果を。

第１図および第２図に示す。

実施例２ 実施例１において用いた生汚泥の代わりに、熱処理汚泥
を用い、実施例１と同様にしてガス発生量および発生し
たガスのメタン含有率を測定した。

結果を第１図および第２図に示す。

比較例２ 比較例１において用いた生汚泥の代わりに、熱処理汚泥
を用いて、比較例１と同様にして熱処理汚泥を種汚泥中
に混合し消化させてガス発生量とメタン含有率を測定し
た。得られた結果を第１図および第２図に示す。

第１図に示されるように、実験用ニーダを用いて十分に
汚泥を混合した実施例１は、攪拌が十分ではない比較例
１よりもはるかに高いガス発生量を示した。このガス発
生量は、汚泥の有機物１ｇあたりのガス発生量である。

実施例１のガス発生量は、従来の低い濃度で行なわれて
いる消化の場合のガス発生量とほぼ同じレベルであった
。

実施例２では、生汚泥を予め加熱処理している。

第１図に示されるように、実施例２のガス発生量は、実
施例１よりもさらに高くなっており、加熱処理により消
化率が向上し、多量のガスが発生したことがわかる。加
熱処理した汚泥を用いた比較例２との比較から、この場
合においても汚泥を十分に混合することが必要であるこ
とがわかる。

ベンチスケール実験 第３図は、この発明に従う第１の具体的な説明のための
工程図である。第３図を参照して、１０％以上に脱水し
た生汚泥は、ニーダ１中に添加される。ニーダ１には、
消化槽２から排出された消化汚泥が種汚泥として循環さ
れており、この消化汚泥中に、生汚泥が混合される。ニ
ーダ１とじては、粘度の高いものを混練することのでき
るものが使用され、たとえばコニーダ、またはリボンミ
キサ、ギロチンミキサなどが使用できる。ニーダ１で、
消化汚泥中に生汚泥を混練した汚泥は、次に消化槽２に
送られる。消化槽２では、消化が行なわれ１発生した消
化ガスが抜き出される。所定時間の消化が終わった汚泥
は、再びニーダ１に消化され、一部は廃棄される。ニー
ダ１における消化汚泥／生汚泥との混合割合は大きい方
が安定した結果かえられる。ニーダの効率にもよるが実
際には１〜２０が用いられる。

メタン発酵は、通常汚泥中の基質の有機物から有機酸や
アルコールを生成する過程と、有機酸やアルコールから
メタンを生成する過程の２つの過程を経てメタンを生成
すると言われている。生汚泥中の菌体濃度が低いか、ま
たは生汚泥と種汚泥との混合状態が不均一であり、局部
的に菌体濃度が低くなる場合には、有機酸やアルコール
の生成が優勢になり、メタン生成菌の活動が抑制される
。

メタン発酵の速度は、メタン生成過程が律速であリ、ま
たメタン生成菌はＰＨや有機酸濃度に非常に敏感である
と言われている。このため、生汚泥中のメタン生成菌の
濃度を常に高く保ち、メタン生成菌の周囲の有機酸やア
ルコールの濃度が成る限度以上にならないように生汚泥
と種汚泥とを混練することが必要である。有機酸やアル
コール濃度が過剰にならないように、生汚泥と種汚泥と
の混合に際しては、循環させる種汚泥の量を増加して菌
体の初期濃度を高めておくことが好ましい。

これによって、酸生成菌とメタン生成菌の共生関係の均
衡が保たれる。

第４図はこの発明に従う第２の具体的な説明のための工
程図であり、種汚泥との混線前に生汚泥を加熱処理する
具体例を示している。第４図を参照して、脱水した生汚
泥は、汚泥予熱器３に供給され予め加熱される。生汚泥
は次に、加熱器４内に供給され１２０〜１８０’Ｃの温
度に加熱される。

この加熱器４は、たとえば蒸気により加熱することがで
きる。このような蒸気には、下水処理場に設置されてい
る消化ガス発電の廃熱から回収した蒸気を用いることが
できる。加熱された汚泥は。

次に第１フラツシユタンク５に入れられる。ここで生汚
泥は１００℃に冷却される。第１フラツシユタンクで発
生した飽和蒸気は、汚泥予熱器１に導かれ、生汚泥の予
熱のために用いられる１次に生汚泥は、第２のフラッシ
ュタンク６に入れられ、たとえば５５℃に冷却される。

この冷却した生汚泥をニーダ１中に供給し、種汚泥とし
て循環している消化汚泥と混線する。混練した汚泥は、
次に消化槽２に送られ所定の温度、たとえば５０〜５５
℃でメタン発酵が行なわれる。

発生した消化ガスは抜出し口から取出され、所定時間の
消化を終えた汚泥は、一部が廃棄され、残りはニーダ１
に循環される。

第４図に示すような工程に基いて本ベンチスケール実験
を行なった。消化槽としては第５図に示すようなチュー
ブタイプの消化槽を用いた。第５図を参照して、ジャケ
ット１１内にはチューブ１２が設けられている。チュー
ブ１２の上端には汚泥供給ノズル１３と消化ガス排出口
１５が設けられている。ジャケット１１の底部には、汚
泥排出口１４が設けられている。加温ジャケット付きの
ニーダ１で混練された汚泥は汚泥供給ノズル１３からチ
ューブ１２内に供給される。チューブ１２内は、ジャケ
ット１１により所定の温度になるよう保たれている。チ
ューブ１２内では、消化しながら汚泥は下方に移動する
。一定期間内でチューブ１２内を移動した汚泥は、次に
汚泥排出口１４から排出される。消化により発生したガ
スはチューブ１２の頂部に設けられた消化ガス排出口１
５から排出される。

チューブ１２としては、直径１６０ｍ／＋ｓ−長さ３５
００ｍ／ｍのものを用いた。チューブ１２内の温度が５
０〜５５℃となるようにジャケット１１に温水を流して
保温した。汚泥供給ノズル１３から供給された汚泥が、
１日間でチューブ１２内を通過するように、汚泥供給ノ
ズル１２からの汚泥の供給速度を調整した。

５０〜５５℃に加温されたニーダ１では、種汚泥、すな
わち消化汚泥１２．０ｋｇに対し、固形分濃度２１％の
生汚泥をあらかじめ１６０Ｃで３０分間加熱処理したも
のを０．８４ｋｇの割合で混線し、６時間に１回の割合
で間けつ的に汚泥供給ノズル１３からチューブ１２内に
供給した。

以上のようにして、１５日間このベンチスケール実験を
行い、消化により発生したガス発生量および発生したガ
ス中のメタン含有率を測定した。

その結果、このシステムによれば、生汚泥中の有機物１
ｋｇあたり、約７５ｏｎのガスが発生した。

従来の通常の嫌気性消化では、有機物１ｋｇあたり。

約５００λのガス発生量であるので、このシステムで得
られたガス発生量はかなり高い値である。

なお、メタン含有率は約６０％であり、従来の通常の嫌
気性消化方法とほぼ同程度であった。従来の消化方法に
比べ、単位有機物あたりのガス発生量が著しく向上した
ことから、より実際に近い条件であるベンチスケール実
験からも、この発明の消化方法が優れた方法であること
が明らかである。

第６図は、大規模プラントにこの発明を適用した場合の
消化槽の一例を示す部分切欠断面図である。

この発明においては、汚泥の粘度が高いため、従来のよ
うな攪拌槽中での消化を行なうことができない、したが
って５あらかじめニーダでよく混練した後、第５図に示
したように、汚泥をチューブ中で移動させながら消化す
る方法が有効な方法の１つである。このため、大規模プ
ラントにおいては、第６図に示すような多数のチューブ
を備えた装置を用いることができる。第６図を参照して
、ジャケット２１中には複数のチューブ２２が入れられ
ている。このチューブ２２は、たとえば、直径０　、２
〜１　、０　ｍ、長さ１０〜３０ｍのものが用いられる
。ジャケット２１の底部には汚泥供給口２３が設けられ
ており、この汚泥供給口２３には各チューブ２２に対応
した汚泥分配ノズル２４が設けられている。またジャケ
ット２１の底部には。

温水人口２７および汚泥排出口２５が設けられている。

ジャケット２１の上方部には消化ガスを抜き出すための
消化ガス出口２６および温水人口２８が設けられている
。

汚泥供給口２３から供給された汚泥は、汚泥分配ノズル
２４により、それぞれのチューブ２２中に押出される。

チューブ２２中では、汚泥が徐々に押出されて上昇し、
チューブ２２の上方端では、汚泥があふれて、チューブ
２２の外壁を通り今度は下方に移動する。チューブ２２
の外壁を通り下方に移動した汚泥は、汚泥排出口２５よ
り排出されて、一部は廃棄され、残りはニーダに循環さ
れる。

汚泥は、チューブ２２中を上昇しかつチューブ２２の外
壁を伝わって下降する間に消化する。

このような方式をとることにより、短いチューブでも、
長い滞留時間を確保することができる。なお、ジャケッ
ト２１の外壁中には、温水人口２７から供給される温水
が通され、この温水は温水出口２８から出ていく、この
温水により、ジャケット２１の内部が所定の温度に保た
れるようにされている。

第６図に示すような複数のチューブを有した消化槽を用
いることにより、チューブ内での汚泥の移動速度を均一
にすることができ、短絡流のような汚泥の移動の不均一
を防止することができる。

しかしながら、第６図に示す消化槽は、この発明に用い
ることのできる消化槽の一例であって。

この発明は第６図に示す消化槽の使用に限定されるもの
ではない。

この発明は、上述したようにメタン発酵を酸生成工程と
メタン生成工程とに分離して行なう二相嫌気性消化方法
にも適用され得る。第７図は、このような二相嫌気性消
化方法にこの発明を適用した場合の具体的な説明のため
の工程図である。第７図を参照して、脱水された生汚泥
は、ニーダ３１に供給される。ここで脱水生汚泥は循環
された消化汚泥に混練される。混線された汚泥は、酸発
酵消化槽３２に送られ、メタン発酵プロセスにおける酸
生成工程のみが行なわれる６発酵後の消化汚泥の一部は
脱水機３３により脱水した後廃棄される。残りはニーダ
３１に循環される。酸生成発酵により、生汚泥中の有機
物は有機酸やアルコール、あるいは炭酸ガスなどに変換
され可溶化される。このため、酸生成工程で生成した有
機酸等は脱離液中に溶解している。脱離液は次に、メタ
ン生成発酵を行なわせるために固定化生体触媒を有する
メタン生成発酵槽４４中に供給される。ここでメタン生
成発酵が行なおれ、発生したメタンガスは取出され、メ
タン生成発酵槽３４で処理された脱離液は廃棄される。

なお酸発酵消化槽３２の構造としては第５図、第６図に
示すようなチューブタイプのものが用いられる。

さらに二相嫌気性消化方法における他の具体例としては
第４図に示すような方法で生汚泥を予め１２０〜１８０
℃の温度に加熱処理した後に、前記の二相嫌気性消化を
行うものがある。この場合発酵は５０〜５５℃の高温領
域で行う事が好ましい、こうする事によって二相嫌気性
消化の効率は一層改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、　Ｆｉｌｌ　ａｎｄ　Ｄｒａｗ法による実験
におけるガス発生量を示す図である。 第２図は、Ｆｉｌｌ　ａｎｄ　Ｄｒａｗ法による実験に
おいて発生したガスのメタン含有率を示す図である。 第３図は、この発明に従う第１の具体的な説明のための
工程図である。 第４図は、この発明に従う第２の具体的な説明のための
工程図である。 第５図は、第４図に示す工程に従うベンチスケール実験
において使用した消化槽を示す斜視図である。 第６図は、大規模プラントにこの発明を適用した場合の
消化槽の部分切欠斜視図である。 第７図は、この発明に従う第３の具体的な説明のための
工程図である６ 第８図は、この発明に従う第４の具体的な説明のための
工程図である。 ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２ 時間（日） ＦＩＧ、５ ／ ＦＩＧ、６ 手続補装置（方式） ％式％ 事件の表示 平成０１年特許原第０７７８６９号 発明の名称 下水汚泥の嫌気性消化方法 補正をする者 事件との関係　　　　　　特許出厘人 ４゜ Ｓ。 ６゜ 補正命令の日付（発送口） 平成１年７月４日 補正の対象 「明細書の図面の簡単な説明の欄」 補正の内容 ２３ページ第】３〜１４行目 「第８図は、この発明に従う第４の具体的な説明のため
の工程図である。」を削除します−Ｘ＼

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、メタン発酵後の消化汚泥の一部を廃棄すると共に残
   りを循環させ、この循環消化汚泥に生汚泥を添加しメタ
   ン発酵させる下水汚泥の嫌気性消化方法であって、前記
   生汚泥を少くとも１０％以上の固形分濃度に脱水し、前
   記脱水した生汚泥を前記循環消化汚泥に添加して均一に
   混練し、前記混練した生汚泥を所定の温度でメタン発酵
   させる各工程を備える下水汚泥の嫌気性消化方法。 ２、前記脱水工程が、前記生汚泥を１５％以上の固形分
   濃度に脱水する工程を備える請求項１記載の方法。 ３、前記脱水工程が、前記生汚泥を２０％以上の固形分
   濃度に脱水する工程を備える請求項１記載の方法。 ４、前記発酵工程が、５０〜５５℃でメタン発酵させる
   工程を備える請求項１記載の方法。 ５、メタン発酵後の消化汚泥の一部を廃棄すると共に残
   りを循環させ、この循環消化汚泥に生汚泥を添加しメタ
   ン発酵させる下水汚泥の嫌気性消化方法であって、前記
   生汚泥を少くとも１０％以上の固形分濃度に脱水し、前
   記脱水した生汚泥を１２０〜１８０℃の温度で加熱処理
   し、前記加熱処理後の生汚泥を前記循環消化汚泥に添加
   して均一に混練し、前記混練した汚泥を所定の温度でメ
   タン発酵させる各工程を備える下水汚泥の嫌気性消化方
   法。 ６、前記脱水工程が、前記生汚泥を１５％以上の固形分
   濃度に脱水する工程を備える請求項５記載の方法。 ７、前記脱水工程が、前記生汚泥を２０％以上の固形分
   濃度に脱水する工程を備える請求項５記載の方法。 ８、前記発酵工程が、５０〜５５℃でメタン発酵させる
   工程を備える請求項５記載の方法。 ■■メタン発酵を酸生成プロセスとメタン生成■■セス
   とに分離して行なう二相嫌気性消化方法■■って、前記
   酸生成プロセスが、生汚泥を少く■■１０％以上の固形
   分の濃度に脱水し、前記脱■■た生汚泥を酸生成発酵後
   の消化汚泥に添加し■■一に混練し、前記混練した汚泥
   を酸生成発酵■■る各工程を備え、前記メタン生成工程
   が、前■■生成発酵の生成物を発酵してメタンを生成さ
   ■■工程を備える二相嫌気性消化方法。 １０、前記メタン生成工程が、前記酸生成発酵後■■泥
   をろ過することにより、前記酸生成発酵の■■物をろ液
   として分離し、前記酸生成発酵の生■■から固定化した
   生体触媒によってメタンを生■■せる各工程を備える請
   求項７記載の方法。 １１、前記二相嫌気性消化方法であって前記脱水■■生
   汚泥を１２０〜１８０℃の温度で加熱処理■■工程を備
   える請求項９または１０記載の方法。 １２、前記発酵工程が５０〜５５℃で発酵させる■■を
   備える請求項９、１０または１１記載の方法。 １３、前記二相嫌気性消化方法であって、前記脱水工程
   が前記生汚泥を１５％以上の固形分濃度に脱水する工程
   を備える請求項９、１０、１１または１２記載の方法。 １４、前記二相嫌気性消化方法であって、前記脱水工程
   が前記生汚扼を２０％以上の固形分濃度に脱水する工程
   を備える請求項９、１０、１１または１２記載の方法。