JPH05345200A

JPH05345200A - 有機性汚泥の処理方法

Info

Publication number: JPH05345200A
Application number: JP2016093A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Tomita; 美穂富田; Tomoaki Inagaki; 智亮稲垣; Atsushi Miyata; 篤宮田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1992-04-01
Filing date: 1993-02-08
Publication date: 1993-12-27
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: JP2659895B2

Abstract

(57)【要約】有機性汚泥特に下水汚泥を効率良く十分に可溶化した上
で、嫌気性消化処理する。【目的】有機性汚泥の高効率な可溶化処理により、嫌
気性消化で高負荷な運転が行なえ、かつ消化率を向上さ
せてメタンガス回収を増加させつつ有機性汚泥を大幅に
減少させることができる有機性汚泥の処理方法を提供す
る。【構成】有機性汚泥をアルカリ性にするとともに有機
性汚泥の温度を50〜100℃に維持することによって、有
機性汚泥中の有機物を可溶化させる熱アルカリ処理を行
ない、熱アルカリ処理後の有機性汚泥をpH7.3 〜9.2 の
アルカリ性のpHで20〜60℃の温度で嫌気性消化処理す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、有機性汚泥の処理方
法、特に下水汚泥等の有機性汚泥を可溶化した後に嫌気
性消化処理する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】下水処理場より大量に発生する汚泥の処
理・処分は重要な社会問題となっている。有機性汚泥の
嫌気性消化は、埋め立て時の安定化、無害化、減容化、
脱水性の向上等の処理性の向上と有価資源としてのメタ
ンガスの回収が可能であり、後者については現代社会の
消費生活に起因する汚泥有機成分の質的変化による回収
メタンガスの増大とそのガス発電技術の発達により有用
な処理法として下水処理等において採用され、その多く
が消化温度中温（約37℃) で一相式の反応槽で運転され
ている。ところが現状では、消化率が低く、汚泥量の減
容化とメタンガスの回収率が不十分であることから、研
究レベルにおいてはそれらの改善を目的として嫌気性消
化の前段で(1) アルカリを添加して可溶化を促進させる
(アルカリ添加法) ことにより、或いは(2) 熱をかけて
可溶化を促進させ (加熱法) 、嫌気性消化処理する方法
が検討されてきた。これらの方法の概要は次の通りであ
る。

【０００３】まず、(1) のアルカリ添加法はアルカリ処
理槽において有機性汚泥に一定量のアルカリを添加しな
がら攪拌した後、処理後の有機性汚泥に返送汚泥を添加
し、酸で中和し、嫌気性消化槽で嫌気性消化する方法で
あるが、以下の欠点を有している。アルカリを添加しても常温では十分な可溶化が期待
できない。従って、添加アルカリのコストに見合う効果
が得られない。可溶化率が低いと十分な嫌気性消化がで
きない。常温では、アルカリ添加によって有機性汚泥の粘性
が高くなり、攪拌時等の流動性が著しく悪化する。従っ
て、攪拌動力コストが増加するばかりか汚泥とアルカリ
を均一に混合することが極めて困難となり、局所的に可
溶化率を上げても全体的に可溶化率を上げることができ
ない。汚泥とアルカリを均一に混合することが極めて困
難となり、pH測定を安定して行なえず、pHによる制御は
不可能に近い。また、アルカリ処理槽及び嫌気性消化槽
に至る配管中で有機性汚泥の流れが悪く、閉塞の原因と
なるなど、取扱性が極めて悪い。 pH制御をせず一定量のアルカリを添加しても、汚泥
のpH緩衝作用によりpHは大きく変動（下降）し、初期の
添加によってpHをアルカリとしても、汚泥濃度が高い場
合などは処理後にはpHが中性付近まで下がってしまうの
で十分な可溶化率を達成し得ない。一般に汚泥濃度は変
動するので、pH制御を行なわない従来方法では前述の理
由のために、ある一定の可溶化率を得る為のアルカリ添
加量を定めるのが困難であり、有機性汚泥の濃度変動に
対応できない。次に(2) の加熱法は、加熱槽において有機性汚泥を60℃
程度に加熱しながら攪拌した後、嫌気性消化槽で嫌気処
理する方法であるが、下水汚泥など生物由来の有機性汚
泥に適用した場合、有機性汚泥中のタンパク質が熱変性
を起して加えたエネルギーに見合う程の可溶化率が得ら
れない欠点があった。また(1),(2) の方法によっても回
収されるメタンガスはメタン割合がせいぜい60〜70％程
度であり、有機性汚泥によってはＨ₂Ｓガスも消化ガス
中に含まれるため、ガス発電に供給しても効率が悪く、
また脱硫装置等も必要となっていた。このように、従来
法においては種々の欠点があり、有機性汚泥の可溶加率
も10〜30％と低く、このため消化率はせいぜい50％止ま
りであり、消化ガスの利用も難しく有機性汚泥を嫌気性
処理することによる優位性の確保にまでは至っていな
い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】嫌気性消化の段階の可
溶化を促進し、且つ酸醗酵及びメタン醗酵を促進するこ
とにより、消化率を向上させ、メタンの回収量を増加さ
せるにある。この点で、本願発明の課題は、本出願人が
先に出願した特願平３−123142号と基本的には同一であ
る。然し、特願平３−123142号の発明は、消化率の向上
と消化率の向上に見合うメタン回収の向上等に大きく寄
与するものの、消化による減少有機物当りのメタン生成
量又はメタン割合は従来の消化法と同程度であり、ま
た、一般的に効率的と言われる嫌気性消化のpHである中
性にするため、熱アルカリ処理後に塩酸等の中和剤が多
く必要であった。

【化１】ＣＯ₂＋４Ｈ₂→ ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ・・・ (1) の反応により、二酸化炭素のガス分圧を高めて消化汚泥
中への二酸化炭素の溶解を促進させ、溶解した二酸化炭
素の還元によりメタンガス生成を促進させる方法がある
が、この方法は、外部から二酸化炭素を吹込む工程が必
要になるのみでなく、二酸化炭素を吹込む為に消化ガス
中のメタン割合が低くなり、ガス分離膜等を利用してメ
タン割合を上げる等の工程も必要であった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】従って、本発明の目的は
前述の欠点を解消し、可溶化を促進させて嫌気性消化処
理する極めて有効な有機性汚泥の処理技術を提供するに
ある。本発明の他の目的は、消化率の高い嫌気性消化処
理を行なって、汚泥量を減容化し、メタンガスを高効率
で回収するにある。本発明のさらに他の目的は、嫌気性
消化処理における中和剤を大幅に削減し、又は不要と
し、メタンガスの回収量を増加させ、メタンガス割合が
高く、硫化水素割合の低い消化ガスを生成させ、燃料電
池等のガス発電機に供する有機性汚泥の処理技術を提供
するにある。

【０００６】本発明の第１の見地においては、有機性汚
泥をアルカリ性にするとともに有機性汚泥の温度を50〜
100 ℃に維持することによって、有機性汚泥中の有機物
を可溶化させる熱アルカリ処理を行ない、熱アルカリ処
理後の有機性汚泥を pH 7.3〜9.2 のアルカリ性のpHで2
0〜60℃の温度で嫌気性消化処理することを特徴とする
有機性汚泥の処理方法である。

【０００７】熱アルカリ処理は、有機性汚泥をアルカリ
混和槽でアルカリ性にした後、管型熱アルカリ処理槽で
50〜100 ℃に維持して、有機性汚泥中の有機物を可溶化
させることが好ましい。

【０００８】さらに、本発明は第２の見地においては、
有機性汚泥をアルカリ性にするとともに、有機性汚泥の
温度を50〜100 ℃に維持することによって、有機性汚泥
中の有機物を可溶化させる熱アルカリ処理を行ない、熱
アルカリ処理後の有機性汚泥を固液分離した分離液を、
pH7.3 〜9.2 のアルカリ性のpHで20〜60℃の温度で嫌気
性消化処理することを特徴とする有機性汚泥の処理方法
である。

【０００９】熱アルカリ処理後の有機性汚泥又は熱アル
カリ処理後の有機性汚泥を固液分離した分離液は、固定
化担体を充填した担体充填嫌気性消化槽で嫌気性消化処
理することが好ましい。

【００１０】

【解決手段の詳細な説明】図１は本発明の基本的な一実
施例を示すフローシートであり、本発明の第１の見地の
工程は、アルカリ貯留槽１と、熱アルカリ処理槽２と、
pH調整槽３と、嫌気性消化槽４と、沈殿槽５と、ガスホ
ルダー６と、ボイラー又はガス発電機７と、酸貯留槽12
とを有する。本発明の第２の見地の工程は、熱アルカリ
処理槽２とpH調整槽３との間に固液分離槽10が付加され
ている。

【００１１】図２は本発明の他の実施例を示すフローシ
ートであり、図１の熱アルカリ処理槽２の代りにアルカ
リ混和槽８と、管型熱アルカリ処理槽９とが入って構成
されている。

【００１２】図３は本発明の他の実施例を示すフローシ
ートであり、図１の嫌気性消化槽４と沈殿槽５の代りに
担体充填嫌気性消化槽11が入って構成されている。

【００１３】図１に示す工程において、有機性汚泥は先
ず熱アルカリ処理槽２に投入され、pHが 7.5〜12.5にな
るように制御してアルカリ貯留槽１からアルカリが添加
され、かつ有機性汚泥の温度が50〜100 ℃になるように
加温され、可溶化される。熱アルカリ処理槽２にて処理
された有機性汚泥は、そのままか或いは一旦固液分離槽
10で固液分離され、分離液としてpH調整槽３へ供給さ
れ、pH調整槽３にて酸貯留槽12からの酸で pH7.3〜9.2
に調整された後、返送汚泥と共に嫌気性消化槽４に送ら
れる。熱アルカリ処理汚泥と返送汚泥を混合して、嫌気
性消化槽に投入させた場合の嫌気性消化槽のpHが pH7.3
〜9.2 になる場合には、pH調整槽３でのpH調整操作は不
必要である。嫌気性消化槽４では、pH7.3 〜9.2 のアル
カリ性のpHで20〜60℃の消化温度で攪拌することにより
嫌気性消化が行なわれ、メタンガスを含む消化ガスはガ
スホルダー６に貯留されるとともに、嫌気性消化槽４か
らの消化汚泥は沈殿槽５に送られる。また、当然のこと
ながら、易分解性の有機性汚泥であって、熱アルカリ処
理がなくても嫌気性消化処理過程で可溶化が期待できる
場合には、熱アルカリ処理槽２を設けず、嫌気性消化槽
４のpHを7.3 〜9.2 として嫌気性消化処理しても良い。

【００１４】嫌気性消化槽４では、消化汚泥pHが7.3 〜
9.2 のアルカリ側であるので、溶解した二酸化炭素はHC
O₃ ^-及びCO₃ ^2-のイオンに解離し、液中のCO₂、HC
O₃ ^-、CO₃ ^2-濃度の総和を中性に比べて高く維持するこ
とが可能である。ここで、一般にメタン生成菌によるメ
タンガス生成反応は次の(1) 式と(2) 式で示される。

【化２】従って、本発明においては(2) 式の他に、溶解した二酸
化炭素は、(1) 式の経路でメタンガスに還元される。ま
た従来、嫌気性消化処理においては、プロピオン酸の蓄
積がメタン醗酵を阻害すると云われているが、これは
(3) 式に示す反応において生成するＨ₂が(3) 式の反応
を担う Syntrophbactsr 等のプロピオン酸分解菌の活性
を阻害する為と云われている。然し、本発明では、(1)
式においてCO₂の溶解量が多いので、Ｈ₂の存在量が不
足し、(1) 式の反応の律速となっている為、Ｈ₂が(3)
式において阻害の原因とはならないので、プロピオン酸
の蓄積なく処理できる利点を有する。さらに、必要に応
じて不足量のＨ₂ガスをＨ₂ガス送入装置13を用いて、
嫌気性消化槽４の消化汚泥又は雰囲気ガス中に吹込むこ
とにより、さらに(1) 式によるメタン生成をさらに促進
させることも可能である（図１の仮想線参照）。また、
Ｈ₂、ＣＯ₂利用性のメタン生成菌は、消化槽滞留時間
を短くしても流出することなく増殖できるので、消化槽
容積を小さくすることが可能になる。この様にして、嫌
気性消化槽４から発生する消化ガス中のメタン割合が増
加すると共に、嫌気性消化槽４での消化による消化後の
減少有機物当りの生成メタンガス量が増加する。従って
本発明によれば、消化時間の短縮化により消化槽容積を
小さくでき、また、消化ガス中のメタン割合が増加する
ことにより、ボイラー燃焼、ガス発電、燃料電池等の効
率化を図ることができ、また、減少有機物当りの生成メ
タンガス量が増加するので、同程度の消化率の嫌気性消
化処理を行なったとしてもメタンガスの回収量が増加す
ると云う両メリットが得られる。さらに消化ガスを燃料
電池等に供する場合に問題となる硫化水素ガスは、(4)
式, (5) 式に示すようにアルカリ性下で解離し、溶解量
が増加する傾向を示し、消化汚泥はアルカリ性であるた
め発生せず、消化ガス中に存在しない。ここで下水余剰
汚泥を本発明の熱アルカリ処理をした後、各pHで嫌気性
消化処理した場合の消化ガス中のメタン割合、及び減少
有機物当りの生成メタンガス量を図４及び図５に各々示
す。本図に示すように、消化pHが7.3 以上であると、メ
タン割合とメタン生成率を高く維持することが可能とな
る。但し、図６に示すように消化pHが9.2 より高くなる
と消化率が著しく低下する為、メタンガス発生倍率が減
少する。また、図１に仮想線で示すように、一たん生成
した消化ガスを熱アルカリ処理槽２へ通せば熱アルカリ処理槽の攪拌が出来、ＣＯ₂の溶け込みを促進させ、メタン割合を増加させることができる。この場合は、ＣＯ₂の溶け込みを考慮して、熱アルカリ
処理温度を70℃以下とする方が望ましい。さらに、ここ
で発生した消化ガスは、ボイラー又は燃料電池等のガス
発電機７に供され、熱エネルギーや電気エネルギーへ変
換される。

【００１５】図２に示す工程においては、図１の熱アル
カリ処理槽２の代りにアルカリ混和槽８及び管型熱アル
カリ処理槽９を用いるもので、アルカリ混和槽８にて有
機性汚泥にアルカリを添加攪拌し、この有機性汚泥をそ
の温度が50〜100 ℃になるように加温しつつ管型熱アル
カリ処理槽９に通して、有機性汚泥中の有機物を可溶化
させる。温度は 100℃以下では高いほど汚泥の粘性が低
下し、可溶化率が上昇する。 100℃以上では、汚泥圧力
が１気圧以上となり、可溶化率が高くなるが、装置構造
上の問題を有する。この場合、有機性汚泥濃度が高いと
きは管型熱アルカリ処理槽として通常は二重管式熱交換
器を用いるが、できれば加温効率の良いプレート型熱交
換器等を熱アルカリ処理槽として用いることが望まし
く、もし、熱処理のみでこの管型熱アルカリ処理槽を用
いると、装置内でメタン発酵等の嫌気性消化が始まり、
CH₄、CO₂のガスが多量に発生するので実質熱処理槽体
積が激減し、また、プレート型の熱交換器を用いた場合
交換器内でガスが詰り (デッドスペースが増加し) 、充
分な処理効果を達成できない。本発明においては、熱ア
ルカリ処理段階ではCH₄の発生はなく (メタン菌は生息
しない）、CO₂は発生しても汚泥がアルカリ性であるの
で、殆んど溶け込む。但し、温度が70℃以上ではＣＯ₂
の溶け込み量が少なくなり、発生ガス体積を無視できな
くなるので、その場合には70℃以下とする必要がある。
この他、有機性汚泥に流動性を与えるためにアルカリ混
和槽８で有機性汚泥の温度を50℃程度に保つことが必要
であり、50℃以上に加温をしないとpH制御の不安定化、
配管等の目詰りの原因となる。また、この工程では、図
９に示すように管型熱アルカリ処理槽９の出口の有機性
汚泥のpHはアルカリ混和槽８でのpHよりも低くなり、そ
の程度は、滞留時間、有機性汚泥の種類と濃度により異
なるので、管型熱アルカリ処理槽９にて所定のアルカリ
性となるようにアルカリ混和槽８でアルカリを投入す
る。このように管型の処理槽を用いることにより、有機
性汚泥に均一の処理時間を与え、可溶化率を上げること
が可能となる。

【００１６】図３に示す工程においては、図１の嫌気性
消化槽４と沈殿槽５の代りに担体充填嫌気性消化槽11を
用いる。そもそも嫌気性消化を促進させるためには、嫌
気性菌を高濃度に保持する必要があり、そこで担体を用
いることにより嫌気性菌を固定化、集積させることが可
能となる。これにより、熱アルカリ処理によって可溶化
された有機性汚泥は、高濃度の嫌気性菌により高効率に
嫌気性消化される。熱アルカリ処理後の有機性汚泥を対
象とした嫌気性消化処理において消化率を70％とする場
合には、嫌気性消化槽４の滞留時間として７日を要し、
かつ所定の沈殿槽５の滞留時間が必要であるのに対し、
担体充填嫌気性消化槽11を用いることで、４，５日と大
幅に短縮される。また熱アルカリ処理後の有機性汚泥を
固液分離して得られる分離液を担体充填嫌気性消化槽11
に供することにより、熱アルカリ処理後の有機性汚泥を
そのまま担体充填嫌気性消化槽11に供するよりも、短い
滞留時間で同程度の消化率を達成したり、処理水を清浄
化することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を実施例につきさらに詳細に説
明する。

【００１８】次の表１に示す試験条件で本発明を実施し
た。本実施例においては、処理pHの異なる熱アルカリ処
理による可溶化の後段のpH無調整が嫌気性消化に与える
効果（実施例１〜３）、熱アルカリ処理後の有機性汚泥
を担体充填嫌気性消化槽11を用いて処理した場合の効果
（実施例４）及び従来方法の嫌気性消化を中性のpHに調
整した場合の熱アルカリ処理による嫌気性消化の効果
（比較例１，２）を試験した。結果を表２に示す。表２
に示す通り、従来の熱アルカリ処理＋pH調整(pH ＝７）
嫌気性消化処理では、メタン割合が71〜72％、メタンガ
ス発生倍率が７〜８程度で若干の硫化水素が検出された
のに対し、本発明においては消化率は同程度であるが、
有機物の消化による減少量当たりのメタン生成率が増加
し、メタン割合が80％以上、メタンガス発生倍率が10以
上になると共に、硫化水素は検出されず、ガス発生の面
からの優位性が認められた。また、担体を嫌気性消化槽
に充填することにより、消化率の向上と消化脱離液性状
の清浄化が認められた。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】

【発明の効果】従来の熱アルカリ処理＋pH調整(pH 中性) 嫌気性消
化の組合せと同等に消化速度が速くなり、消化率が向上
する。熱アルカリ処理及び嫌気性消化処理において減少す
る有機物当たりのメタン生成量が増加する。との理由により投入汚泥量当たりのメタン回収
率が増加する。の理由とＣＯ₂のアルカリ性汚泥への溶解量の増
加によるCO₂のメタン化の理由により、メタン割合が増
加する。Ｈ₂Ｓが発生しない。従来法で必要とされていた嫌気性消化処理での中性
付近へのpH調整を行わない為、中和剤の酸の量を大幅に
削減し又は皆無とすることができる。また、pH調整の為
の維持、管理作業を必要としない。担体を入れることにより、消化率を向上させ、消化
脱離液の有機物濃度を低下できる。

【００２２】なお、前述の実施例は本発明の特定の例及
び数値につき説明したが、本発明の広汎な精神と視野を
逸脱することなく種々の変更と修正が可能なこと勿論で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例を示すフローシートで
ある。

【図２】図２は本発明の他の実施例を示すフローシート
である。

【図３】図３は本発明のさらに他の施例を示すフローシ
ートである。

【図４】図４は消化pHと消化ガス中のメタン割合との関
係を示す特性線図である。

【図５】図５は消化pHとと減少有機物１ｇ当りのメタン
生成量との関係を示す特性線図である。

【図６】図６は熱アルカリ処理温度と嫌気性消化処理に
於ける消化率及びガス発生率との関係の一例を示す特性
線図である。

【符号の説明】

１アルカリ貯留槽２熱アルカリ処理槽３ pH調整槽４嫌気性消化槽５沈殿槽６ガスホルダー７ボイラー又はガス発電機８アルカリ混和槽９管型熱アルカリ処理槽 10 固液分離槽 11 担体充填嫌気性消化槽 12 酸貯留槽 13 水素ガス封入装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】有機性汚泥をアルカリ性にするとともに
有機性汚泥の温度を50〜100 ℃に維持することによっ
て、有機性汚泥中の有機物を可溶化させる熱アルカリ処
理を行ない、熱アルカリ処理後の有機性汚泥を pH7.3〜
9.2 のアルカリ性の pH で20〜60℃の温度で嫌気性消化
処理することを特徴とする有機性汚泥の処理方法。
【請求項２】有機性汚泥をアルカリ混和槽でアルカリ
性にした後、管型熱アルカリ処理槽で50〜100 ℃に維持
して有機性汚泥中の有機物を可溶化させる熱アルカリ処
理を行なう請求項１記載の有機性汚泥の処理方法。
【請求項３】有機性汚泥をアルカリ性にするととも
に、有機性汚泥の温度を50〜100 ℃に維持することによ
って、有機性汚泥中の有機物を可溶化させる熱アルカリ
処理を行ない、熱アルカリ処理後の有機性汚泥を固液分
離した分離液を、pH 7.3〜9.2 のアルカリ性のpHで20〜
60℃の温度で嫌気性消化処理することを特徴とする有機
性汚泥の処理方法。
【請求項４】熱アルカリ処理後の有機性汚泥又は熱ア
ルカリ処理後の有機性汚泥を固液分離した分離液を、固
定化担体を充填した担体充填嫌気性消化槽で嫌気性消化
処理する請求項１又は３記載の有機性汚泥の処理方法。
【請求項５】請求項１〜４記載の有機性汚泥の処理方
法にて得られる消化ガスを燃料電池等のガス発電に利用
することを特徴とする有機性汚泥の処理方法。