JPS63162098A - 有機性廃水の嫌気性処理法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、有機性廃水の嫌気性処理法に係わり、特に
担体に付着した微生物を用いたものにおいて、メタン生
成菌の占有率を高く維持してメタンの収率を高めるよう
にした有機性廃水の嫌気性処理法に関する。

〔従来の技術〕

有機性廃水の嫌気性処理法は、下水処理の余剰活性汚泥
、し尿のほかに、食品、化学等の産業廃水の処理に広く
利用されている。それは、好気性処理法と比較して、消
費エネルギーが少なく、また余剰汚泥発生債が少ないと
いう大きな利点があるからである。

嫌気性処理法は、主に２つの反応からなることが知られ
ている。すなわち、まず第一に廃水中の有機物が通性嫌
気性液化菌群（腐敗隋群）の作用により酢酸、プロピオ
ン酸、酪酸などの揮発性有機酸にする酸生成反応が行わ
れ、次いで第二に生成した揮発性有機酸がメタン生成菌
によって、メタンに転換するガス化反応（メタン生成反
応）が行われる。処理方式にはこれら２つの主反応を一
槽内で同時に行う混相嫌気処理法と、同一槽内で二相に
分けたり、別々の槽で反応を段階的に行う、いわゆる二
相嫌気処理法とがある。

また、処理方式を生物膜を形成した微生物を用いる方法
と、生物膜を形成することなく懸濁した微生物を用いる
方法とに大別することもできる。生物膜とは、固体表面
上あるいは菌体の集合物上に、菌体が付着増殖した結果
、得られる連続した微生物層である。生物膜を形成した
微生物を用いる方法としては、反応槽内で担体に付着し
て生物膜を形成した微生物が流動するもの（流動床式嫌
気性処理法）、反応槽内で担体に付着して生物膜を形成
した微生物が、又は、担体なしに自己集塊してペレット
を形成した微生物がスラッジブランケットを形成し、廃
水がそのスラッジブランケットに上向流で通水されるも
の（ＵＡＳＢ、上向流スラッジブランケット法）反応槽
内に砕石やプラスチックなどの担体を充填し、これらの
表面に生物膜を形成し、担体を静止状態に置きながら上
向流、下向流又は横流で通水する方法。いずれの処理方
式も廃水中の有機物を微生物によって嫌気的に分解する
ことによって廃水処理を行うと共に、生成したメタンガ
スをエネルギーとして回収しようとするものである。

しかしながら、生物膜中の微生物の組成をコントロール
することができずメタンガスの生成量が減少したり、あ
るいは生成が完全に停止することがあった。その原因の
１つとして、廃水中の硫酸イオンが、嫌気性条件下で硫
酸塩還元菌（以下ＳＲＢと略すこともある）により、有
機物の酸化に伴なって硫化水素に還元され、その硫化水
素がメタン生成量（以下ＭＰＢと略すこともある）に対
して強い毒性を示すためであると言われている。またも
う１つの原因として、ＳＲＢとＭＰＢが、電子供与体で
ある水素をめぐって競合した結果、水素に対して親和性
の大きなＳＲＢが、これをより効率的に消費してしまう
ためであるとも言われている。しかしながら近年、酢酸
な資化できるＳＲＢが発見されたことにより、酢酸をめ
ぐってＭＰＢとＳＲＢが競合することが明らかになった
。特に、廃水の嫌気性処理においては、有機物の７０％
以上が酢酸を経由してメタンに転換されるため、この酢
酸をめぐるＭＰＢとＳＲＢとの競合は、実用上非常に重
要な意味を持っている。すなわち、両者の競合の結果、
場合によっては、ＭＰＢがＳＲＢによって反応槽内かも
、駆送されてしまうことも考えられる。一方、懸濁した
微生物を用いる方法では、硫酸還元菌の酢酸に対する親
和性は、メタン生成組直よりも強く、しかも最大増殖速
度も５ＲＢＯ方がＭＰＢより大きい。したがってこの方
法では、５Ｏ１−を含む廃水を嫌気性処理して、メタン
ガスを得ることは困難である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の従来の生物膜を形成した微生物を用いた嫌気性処
理法においても、ＭＰＢとＳＲＢの競合をコントロール
する操作因子が不明であつたため、両者の競合をコント
ロールすることができず、メタン生成量が減少する問題
点があった。

この発明は、ＭＰＢとＳＲＢの競合をコントロールして
、反応槽内のＭＰＢの占有率を高め、以ってメタンを効
率よく生成する方法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の有機性廃水の嫌気性処理法は、５ｏｉ−を含
む有機性廃水を、反応槽内で生物膜を形成した微生物と
嫌気性下に接触させる嫌気性処理法において、反応槽内
の酢酸濃度を８ｍ９／１以上に維持することを特徴とす
る有機性廃水の嫌気性処理法である。

有機性廃水としては、下水の好気性処理において発生す
る余剰活性汚泥、し尿、その他食品、化学等の産業廃水
またはその活性汚泥処理の余剰汚泥が主な対象となるが
、これに限定されない。反応槽内で生物膜を形成した微
生物と嫌気性下に接触させる嫌気性処理法としては、流
動床式嫌気性処理法、上向流スラッジブランケット法、
固定床式嫌気性処理法などを採用することができる。

流動床式嫌気性処理法を採用する場合、生物膜の核とな
る担体としては、砂、活性炭、ガラス、セラミックスな
どの細粒が使用でき、粒径は０．３　ｒｍ以下が好まし
い。担体に微生物が付着すると、見かけ密度が減少する
ので担体の比重は１．１以上が好ましい。

上向流スラッジプランケット法を採用する場合は、前述
のような担体を用いることもできるが、単に廃水中に含
まれる不活性な固形物や通常、種汚泥として廃水と混合
する消化汚泥中の不活性な固形物が担体となることが多
い。固定床式嫌気性処理法を採用する場合は、前述のよ
５な担体のほか、ラッシッヒリング、プラスチック波板
などを固定用に用いることができる。

次に、本発明を実施するために好適な処理フローを第１
図に示す。第１図は、二相流動床式嫌気性処理法の系統
図である。１は酸生成反応槽、２はメタン生成反応′！
曹、３Ａ、４Ａは担体粒子、３Ｂ、４Ｂは流動床を示す
。有機性廃水は管５から酸生成反応１日へ上向流で導入
される。酸生成反応槽１の流出水の一部は管６Ａを経由
して、原水と共に酸生成反応槽１に再導入され循環する
ことによって担体粒子３Ａは展開されて流動床３Ｂを形
成する。流出水の残部は管６Ｂを経由してメタン生成反
応槽２へ上向流で導入される。メタン生成反応槽２の流
出水の一部は管７Ａを経由して、酸生成反応槽ｌの流出
水と共にメタン生成反応槽２に再導入され循環すること
によって担体粒子４Ａは展開されて流動床４Ｂを形成す
る。メタン生成反応ｔ４２の流出水の残部は系外に排出
される。

有機性廃水が酸生成反応槽１に導入されると、通性嫌気
性液化菌群（腐敗ｍ群）の作用により、有機物は、酢酸
、プロピオン酸、酪酸などの揮発性有機酸に転換される
。次に、この流出水はメタン生成反応槽２に導入され、
メタン生成直によって揮発性有機酸はメタンガスに転換
される。

メタン生成反応槽２においては、流動床を形成している
担体粒子の表面に生物膜が形成されており、生物膜内に
は、メタン生成菌（ＭＰＢ）のほかと、硫酸塩還元菌（
ＳＲＢ）も存在している。揮発性有機酸、特に酢酸をめ
ぐってＭＰＢとＳＲＢは競合関係にあるので、Ｍ　Ｐ　
Ｂの増殖速度をＳＲＢのそれより大きくし、ＭＰＢを優
占種としなげればならない。したがって、本発明におい
ては、このメタン生成反応槽２内の酢酸濃度な５ｒｒｑ
／１以上に維持する。メタン生成反応槽２の流出水の一
部は、酸生成反応１日１の流出水の共にメタン生成反応
槽２へ再導入され循環しているので、いわゆる完全混合
の状態になっており、メタン生成反応槽２内の酢酸濃度
は、流出水の酢酸濃度を測定する二とによって知ること
ができる。この測定は、ガスクロマトグラ　］フィーな
どの常法により行うことができるし、酢酸が流出水のＴ
ＯＣ（全有機炭素量）の大半を占める場合は、ＴＯＣ計
を用いて行うこともできる。

メタン生成反応槽２内の酢酸濃度が８■／ｌより小さく
なったならば、酸生成反応槽１からメタン生成反応槽２
へ流入する水量を増加して、負荷を高め、メタン生成反
応槽２内の酢酸濃度を上げる。又、反応槽２の温度を下
げることによっても、酢酸の残留濃度を上昇させること
ができる。温度を下げるには、通常原水を熱交換器で３
５℃前後で加温してから反応槽に導入しているので、加
温の程度を加減すればよい。酢酸濃度８ｖｘｉ／１以上
にするための汚泥負荷の目安としては、０．４５　ｇ−
ＣＯＤ／Ｊ７−ＶＳ　５−ｄａｙ以上である。この汚泥
負荷は、流動床における汚泥濃度が通常２０〜３ｏｋｇ
−ＶＳＳ／−であるので、槽負荷としては９〜１４１ｑ
−ＣＯＤ／−・ｄａｙ程度以上に相当する。

、作　　用〕 メタン生成反応槽内の酢酸濃度を８■／ｌ以上に維持す
ることにより、メタン生成菌の増殖速度を、硫酸塩還元
菌のそれよりも大きくし、メタン生成菌を優占種とする
ことができる。

〔実　施　例〕

直径５（ｍ高さ１００ｃｒｒ１の円筒カラム（総容量３
．２７）に、　平均粒径０．３５ａの天然ゼオライトを
約６４０ｒｎｌ装填し、原水を上向流で通水して、処理
水の一部をカラムに循環することによって担体の流動を
行い、展開率３０〜５０％の流動床を形成した。原水は
、第１表の組成の基質を水道水で希釈し、酢酸イオン濃
度を４００η／ｌ、硫酸イオン濃度を４００ｍＩ！／ｌ
とした。

第　　１　　表 運転Ａでは、０．３４　ｊｊ−ＣＯＤ／’？−ＶＳＳ−
ｄａｙ　（０，１３ｇ−ＴＯＣ／、！ｉ’−ＶＳ　Ｓ　
−ｄａｙ　）以下の汚泥負荷で原水を通水し、その後運
転Ｂでは通水量を徐々に増加させて、０．７７１−ＣＯ
Ｄ／ｇ−ＶＳ　５−ｄａｙ　（０，２９１−π℃／１−
ＶＳＳ−ｄａｙ　）以下の汚泥負荷で通水した。なお、
負荷は流出水のＴＯＣ濃度が運転Ａでは１゜５１ＮＦＴ
ＯＣ／ｌ程度、運転Ｂでは１０■−Ｔ　ＯＣ７１以上に
なるようにコントロールした。流出水のＴＯＣ濃度は、
反応槽が完全混合型であるため、反応槽内のＴＯＣ濃度
と同じであり、酢酸濃度としては、運転Ａでは、３．７
５１ｎＦ酢酸／ｌ運転Ｂでは、２５キ一酢酸／！以上で
ある。

運転人及び運転Ｂにおける原水ＴＯＣ濃度、流出水ＴＯ
Ｃ濃度、及びメタン菌に利用されたＴＯＣ（メタンガス
生成量と溶存メタン量とから換算したもの）の経時変化
を第２図に示す。

第２図から、運転Ａでは、時間の経過とともにＴＯＣ（
酢酸）のメタンに転換される割合が減少していることが
わかる。また、運転Ｂでは、通水量を増加させて負荷を
高めたため、残留酢酸濃度が高くなり、その結果、相対
的にＴＯＣ（酢酸）のメタン生成菌に利用される割合が
上昇している。

運転Ａと運転Ｂにおけるメタン菌及び硫酸還元菌に資化
された酢酸の量を比較すると第２表のとおりである。

第　　２　　表 第２表から運転Ａでは、初期にはメタン生成菌に資化さ
れる酢酸の割合は、硫酸塩還元菌に資化される酢酸の割
合より多いけれども、後期にはその割合は逆転してしま
うことがわかり、また、通水量を増加させてカラム内の
残留酢酸濃度を高めた運転Ｂでは、メタン生成菌に資化
される酢酸の割合は増加してくることがわかる。

次にカラム内のメタン生成菌（ＭＰＢ）及び硫酸塩還元
ＩＩＩ（ＳＲＢ）の菌体量の推移を第３図に示す。菌体
量は次のようにして求めた。まずカラム全体のメタン生
成最大速度γｍａｘＭ（ｊｊ−Ｃ／ｄａｙ　）及びカラ
ム全体の硫酸還元最大速度γｍａ　Ｘ　Ｂ（９−Ｃ／ｄ
ａｙ）は、運転Ａ及びＢの期間中、約２週間に一度の割
合で通水を一時停止し、カラム内に酢酸ナトリウム及び
硫酸ナトリウムを適量づつ添加して回分実験を行い測定
した。また、γｒｎａ　ＸＭ及びｒ　ｒｎａ　ＸＢはそ
れぞれＭＰＢの菌体量ＸＭ（，９−ＶＳＳ　）及びＳＲ
Ｂの菌体量ｘｓ（ｇ−ｖｓｓ＞に比例すると考えられる
のでの、０式が成り立つ。

γｍａＸＭ＝ｋｍａｘＭ−ＸＭ　・・・・・・・・・・
・・・・・・・・　■ｒ　ｒｎａ　Ｘ　Ｂ　”　ｋ　Ｉ
ｎ　ａ　Ｘ　ｓ　　ゆＸＭ　・・・・・・・・・・・・
・・・・・・　■ここで、ｋｍａｘＭはＭ　Ｐ　Ｂ　置
体当りのメタン生成最大速度（１−Ｃ／ｙ−ＶＳ　Ｓ　
−ｄａｙ　）であり、ｋｍａｘ３は５ＲＢＩ体当りの硫
酸還元最大速度（，９’　−Ｃ／、９−ＶＳ　５−ｄａ
ｙ　）である。

また、ＭＰＢ及びＳＲＢの菌体量の和が全体の付着生物
量ＸＴ（，９−ＶＳ　Ｓ　）とみなせば、次式が得られ
る。

Ｘ　＝Ｘ　＋Ｘｓ　・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・■Ｍ ■〜■の式より０式が導かれる。

全付着生物量当りのメタン生成最大速度（ｒｍａｘＭ／
／ＸＴ）をＹ軸に、全付着生物量当りの硫酸還元最大速
度（γｒｎａｘＢ／ＸＴ）をＹ軸にプロットすると、前
記回分実験のデータは１つの直線に収れんし、Ｘ細切片
、Ｙ細切片がそれぞれｋｍａｘＭ・ｋｍａｘＢとなる。

また、■式／■式より０式の関係が得られる。

したがって、先に求めたγｍａＸＨ＋　ｒ　ｒｎａＸ３
及びｋｍａＸＢ（、ｋｍａｘ３の値を０式に代入し、前
記回分実験の時点におけるＭＰＢ、ＳＲＢの割合（ＸＭ
／ＸＳ）を求めることができ、別に求めておいたＸＴの
値から０式により各菌体量ＸＭ、Ｘｓを得た。

第３図から明らかなように、運転Ａでは酢酸が律速とな
りて、メタン生成醇が減少し、硫酸還元菌が増加してい
る。一方運転Ｂでは、酢酸律速は解除されているので、
両歯とも増殖しているが、増殖速度はメタン生成菌の方
が大きく、メタン生成菌が優占種になることを示してい
る。

次に第３図に示した菌体量の変化からメタン生成菌及び
硫酸塩還元菌の動力学定数を求め、これを用いて両者の
増殖曲線を描くと、第４図の通りとなる。すなわち、酢
酢濃度が８ｍ９／１以上の場合はメタン生成菌の増殖速
度は硫酸塩還元菌のそれをしのぎ、メタン生成菌が優占
種となることがわかる。なお、前述の動力学定数の決定
は、以下のとおりである。

微生物の比増殖速度μは、次のように表わすことができ
る。

ここで、　μ　：比増殖速度（ｄａｙ−’　）Ｘ：菌体
ｔ（ｇ−ＶＳＳ） Ｙ：Ｅ換率ＣＩ！−ＶＳＳ／９−Ｃ） ｒｓｕ　”基質消費速度（１−Ｃ／ｄ　ａ　ｙ　）Ｋａ
：剥離速度定数（ｄａｙ″″１） Ｋｄ：　自己分解速度定数（ｄａｙ−’）である。

一方、Ｍｏｎｏｄの式によりγ、は次のように表わすこ
とができる。

ここで　ｋｍａｘ　：　最旭度　（ｆｌ−Ｃ／１ｌ−Ｖ
Ｓ　Ｓ／ｄ　ａ　Ｙ　）Ｋｓ　　：親和定数　（雫／Ａ
’） Ｓ　　：　基質濃度　（Ｖ′ｌ） これらの式（■、■）が、ＭＰＢとＳＲＢとのいずれの
場合についても成り立つので、ＭＰＢ及びＳＲＢについ
て別々に、Ｙ、Ｋｓ、　ｋｍａｘ、Ｋａ　。

Ｋｄを求めた。まず、ｋｍａｘは前述した回分実験から
式■により、ｋｍａ　ｘｙｌ　：０．７３　、！ｉ’−
Ｃ／、！ｉ’−ＶＳＳ　−ｄａｙ　。

ｋｍａ　Ｘ５＝Ｑ、３７　、！ｉ’−Ｃ／Ｊｉ’−ｖｓ
ｓ　＊　ｄａｙ　　が得られた。また、Ｋｓも、前記回
分実験において、基質濃度と基質資化速度の関係を調べ
Ｋｓ：１３．１■−Ｃ／Ａ　（酢酸としては３２．８■
／Ａ’）、ＫＳ８＝３．８〜−Ｃ＃（同９．５η／ｌ）
が得られた。

一方、Ｙ、Ｋａ、Ｋｄは、運転Ａ及びＢの連続実験の結
果及び文献値により、下記の式に基いて、算出した。ま
ず微小時間においては菌体量は準定常状態であるから、
０式より、次式が得られる。

γ□＝（Ｋｄ＋Ｋａ）Ｘ／Ｙ　・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・■従って、運転Ａ及びＢの連続実
験におけるＭＰＢ又はＳＲＢによる基質消費速度γ５ｕ
をＹ軸に、ＭＰＢ又はＳＲＢの菌体量ＸをＹ軸にプロッ
トすると、原点を通る直線が得られ、その直線の傾きが
、（Ｋｄ＋Ｋａ）／Ｙとなる。ＭＰＢ。

ＳＲＢの（Ｋｄ＋Ｋａ）／Ｙは、それぞれ０．１１７゜
０．１３８が得られた。

また、メタン生成菌を主体とする流動床におゆるＫｄ、
Ｋａ　はそれぞれ０．００２，０．００４ｄａｙ″″ｌ
であることは、知られている（Ｙｏｄａ、Ｍ、ｅｔ　ａ
ｌ　（１９８６）。

”Ａｎａｅｒｏｂｉｃ　Ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ　ｂｅｄ　
　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ａｓｔｅａｄｙ−ｓ
ｔａｔｅ　ｂｉｏｆｉ１ｍ″、　１３　ｔｈ　ＩＡＷＰ
ＲＣＢｉｅｎ−ｎｉａｌ　　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌ　　Ｃｏｎｆ、、　１７−２２．　Ａｕｇｕｓｔ。

Ｒｉｏ　ｄｅ　Ｊａｎｅｉｒｏ、　）。したがって、メ
タン生成菌のＹは、ｏ、ｏ　５１　ｇ−ＶＳ　Ｓ／９−
Ｃ（０，０２、ｌｉ’−ＶＳ　Ｓ７Ｊ　−酢酸）が得ら
れた。また、硫酸塩還元菌のＹ。

Ｋａ、及びＫｄはそれぞれ０．０４１１−ＶＳ　８７ｇ
　−Ｃ（ｏ、ｏ　１６　＆−ＶＳ　Ｓ／Ｉ−４酸）、０
．００４　ｄａｙ−”　、　０．００１６ｄａｙ−’が
得られた。

このようにして得られたＭＰＢ及びＳＲＢの動力学的定
数より比増殖速度μを計算し、基質濃度との関係を示し
たものが第４図である。

以上、主に二相流動床式嫌気性処理法について述べたが
、混相流動床、混相ＵＡＳＢあるいは二相ＵＡＳＢまた
は固定床の各方式の嫌気性処理法においても、本発明方
法を適用することができる。

〔効　　果〕

有機物の嫌気的分解においては、その７０％以上が酢酸
を経由するといわれている。５ＯＳ−の存在下で、メタ
ン生成菌と硫酸塩還元菌のいずれも、この酢酸を利用で
きるけれども、本発明によれば、メタン生成菌の増殖速
度を、硫酸塩還元菌のそれよりも大きくし、メタン生成
菌を優占種とすることができるので、硫酸塩還元菌によ
る硫化水素の発生を低減できるとともに、メタンガスを
効率よく生成しながら有機性廃水を処理することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施するために好適な系純図、第２
図は、本発明の一実施例の原水及び処理水の水質を示す
グラフ、第３図は本発明の一実施例における菌体量の推
移を示すグラフ、第４図はメタン生成菌及び硫酸塩還元
菌の増殖曲線を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＳＯ＾２＾−＿４を含む有機性廃水を、反応槽内
   で生物膜を形成した微生物と嫌気性下に接触させる嫌気
   性処理法において、反応槽内の酢酸濃度を８ｍｇ／ｌ以
   上に維持することを特徴とする有機性廃水の嫌気性処理
   法。
2. （２）生物膜を形成した微生物は反応槽内を流動するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第一項記載の有機性廃水
   の嫌気性処理法。
3. （３）生物膜を形成した微生物は反応槽内でスラッジブ
   ランケットを形成し、有機性廃水はスラッジブランケッ
   トを上向流で通ることを特徴とする特許請求の範囲第一
   項記載の有機性廃水の嫌気性処理法。