JPWO2005049511A1

JPWO2005049511A1 - リン酸マグネシウムアンモニウムの生成・回収方法及び装置

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Publication number: JPWO2005049511A1
Application number: JP2005515635A
Authority: JP
Inventors: 萩野　隆生; 隆生萩野; 府中　裕一; 裕一府中; 倫子池田
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2007-06-07
Anticipated expiration: 2024-11-18
Also published as: JP4516025B2; WO2005049511A1; EP1698595A4; CN100412013C; EP1698595A1; CN1894167A

Abstract

有機性廃水の生物学的処理システムの中で、有機物、リン及び窒素を含有する廃水から、リン等をＭＡＰ結晶として効率良く回収するとともに、生物学的脱窒・脱リン法の処理性能を大幅に改善する方法及び装置を提供する。本発明は、微生物代謝を利用した有機性廃水の生物学的処理工程で発生する汚泥を処理する方法であって、該汚泥に、通性嫌気性菌による酸発酵を主体とする生物学的処理を行って汚泥からリン酸イオンとアンモニアイオンを溶出させると共に、該汚泥にマグネシウム源を添加することにより、溶出したリン酸イオン及びアンモニウムイオンよりリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を生成させ、生成したリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を含む汚泥からリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離することを特徴とする汚泥の処理方法及び該方法を実施するための装置に関する。

Description

本発明は、下水処理場や各種廃水処理施設等において有機性廃水を処理するシステムに係わり、更に詳しくはリン及び窒素を含有する廃水から、リン等をリン酸マグネシウムアンモニウム（Magnesium Ammonium Phosphate：頭文字をとって「ＭＡＰ」とも呼ばれる：化学式はMgNH₄PO₄・6H₂O）の結晶として効率良く回収する方法、及び装置に関するものである。

２１世紀を迎え、廃水処理技術は、単に水を浄化するだけではなく、浄化した水を資源として回収する必要性が増してきている。こうした中で、下水などの有機性廃水からリンを除去・回収する技術が生まれている。

リンの除去法は、薬品凝集沈殿法が開発・実用化され、実績も得てきたが、薬品コストや大量の汚泥発生のために、実設備での導入は敬遠される傾向にある。１９７０年代に入って、生物学的なリン除去法として、活性汚泥におけるリン過剰摂取に着目した嫌気−好気法や、窒素との同時除去を目指した方法が開発され、実用化されている。なかでも嫌気無酸素好気法は、微生物の代謝作用をたくみに利用し、増殖する微生物の細胞内にリンを多量に蓄積させることができるので、日本国内においても広く普及している。しかし、嫌気無酸素好気法は、水質の変化や季節変動に伴う外部環境の変化により、処理性能が安定しない等の問題があり、このような場合には、凝集沈殿法等を組み合わせた方法が必要になることもある。その結果、処理工程が煩雑なことと、薬品代等のランニングコストが高いことが問題になっている。

一方、廃水からリンを回収する試みとして、１９７０年代にリンをリン酸アパタイトとして析出させる接触脱リン法や晶析法が開発された。近年では、し尿処理や下水処理の工程で発生する返流水や嫌気性消化脱離液等を対象として、ＭＡＰ晶析法等が試みられている。ＭＡＰ晶析法とは、水中でリン酸イオン、アンモニウムイオン、マグネシウムイオンが等モルずつ反応してMgNH₄PO₄の６水塩の結晶（ＭＡＰ結晶）を生成する現象を利用したものである。ＭＡＰ結晶の生成反応を下式に示す。

通常の下水汚泥では、マグネシウムイオンに比べてリン酸イオン、アンモニウムイオンの濃度が高いことが一般的であるが、そのような廃水にマグネシウムイオンを添加して、ｐＨを中性付近からアルカリ性付近とすることによりＭＡＰの結晶が生成する。そして、成長したＭＡＰ結晶粒子を反応系から引き抜くことで、廃水中からリンを除去すると共に、アンモニウムイオンの一部も除去することができる。

ＭＡＰ晶析法は、運転操作の煩雑さが少なく、特にリンの回収を安定的に行える。回収されるＭＡＰは、重量にして１３％のリンを含む上に、優れた肥料であるという付加価値があり、資源の有効利用の点から、優れたリン及び窒素の除去・回収技術といえる。

しかし、ＭＡＰ晶析法の場合も、（１）ｐＨ調整剤としての水酸化ナトリウムやＭｇ源として添加する塩化マグネシウム等の薬品コストが高い；（２）３０分程度の短い滞留時間で急速にＭＡＰを晶析させる（以下、「急速ＭＡＰ反応」と呼ぶ）と、微細なＭＡＰ粒子が生成され、ＭＡＰ反応槽から流出する処理水中に微細ＭＡＰ粒子が同伴されて排出されるため、ＭＡＰ回収率が６〜７割程度に低下する；（３）急速ＭＡＰ反応は、約１０００mg/L以上のＳＳが液中に混在すると、ＳＳがＭＡＰ晶析物と絡み合うために、純度の高いＭＡＰ結晶として回収できない；（４）ＭＡＰ処理工程の前段に嫌気性消化工程等を採用している場合は、嫌気性消化工程においてすでにＭＡＰ反応が起こっている。このため、生成されたＭＡＰ粒子はそのままでは有機性ＳＳとの分離が困難であるので、回収されないまま汚泥と混在した状態で処分されている；などの問題点が存在する。

そこで、本発明者らは上述した従来の問題を解決すべく、廃水中のリンを効率良くＭＡＰとして回収する技術を提案した（特開２００２−４５８８９号公報、国際出願ＰＣＴ／ＪＰ０３／０４９０９参照）。すなわち、有機性廃水処理工程において発生する余剰汚泥（一般的には、最初沈殿池において沈降分離した初沈汚泥と、最終沈殿池において沈降分離した活性汚泥から返送汚泥を除いた余剰汚泥を混合したものを意味する。）に対して嫌気性消化処理を行い、かつ該工程においてマグネシウム源を供給して反応槽内にＭＡＰを積極的に生成せしめ、生成したＭＡＰを消化汚泥から分離し回収する工程を有する有機性排液の処理方法と処理装置を提案した。この方法を実施することにより、廃水中からのリン回収率を大幅に高めることが可能となった。

しかしながら、これらの技術では、薬剤コストの低減と特別なリアクターを不要にした利点があるが、反応時間として２５日程度の長い日数を要するという問題があった。そこで、本発明者らは更に研究を重ね、特に汚泥の嫌気性消化処理を前提としない排水処理システムにおいて、汚泥や廃水中のリンをＭＡＰとして効率良く回収する技術を確立した。

本発明は、上述した従来技術の問題点の解決を行うことを目的とする。すなわち、本発明は、有機性排水処理システムの中で、リン及び窒素を含有する廃水から、リン等をＭＡＰ結晶として効率良く回収すると共に、生物学的脱窒・脱リン法の処理性能を大幅に改善する方法及び装置を提供することを課題とする。つまり、本発明は、安価な薬剤コストに加えてリン回収のための反応時間を短縮し且つ合理的な有機性排水処理システムを提供するものである。

従来のＭＡＰ回収技術では、薬剤コストの低減と特別なリアクターが不要であるという利点があるが、反応時間として２５日程度の長い時間を要するという欠点がある。この欠点を解消するため、本発明者らは更に工夫・検討を行い、汚泥の嫌気性消化処理を前提としない排水処理システムにおいて、汚泥や廃水中のリンを３００〜１０００μmのサイズの顆粒状のＭＡＰとして効率良く回収する技術を確立することに成功した。

本発明は、以下の手段によって上記課題を解決することを可能とするものである。

１．微生物代謝を利用した有機性廃水の生物学的処理工程で発生する汚泥を処理する方法であって、該汚泥に、通性嫌気性菌による酸発酵を主体とする生物学的処理を行って汚泥からリン酸イオンとアンモニアイオンを溶出させると共に、該汚泥にマグネシウム源を添加することにより、溶出したリン酸イオン及びアンモニウムイオンよりリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を生成させ、生成したリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を含む汚泥からリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離することを特徴とする汚泥の処理方法。

２．（Ａ）リン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離した後の汚泥を脱水工程に導く工程；及び／又は（Ｂ）リン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離した後の汚泥を有機性廃水の生物学的処理工程に戻すと共に、有機性廃水の生物学的処理工程で発生する汚泥を脱水する工程を有する上記第１項記載の汚泥の処理方法。

３．リン酸マグネシウムアンモニウム粒子を含む汚泥から分離されたリン酸マグネシウムアンモニウム粒子、又はリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離した後の汚泥を、リン酸マグネシウムアンモニウム粒子の生成工程に戻す上記第１項又は第２項記載の汚泥の処理方法。

４．微生物の代謝を利用した有機性廃水の生物学的処理工程で発生する汚泥を処理する装置であって、該汚泥に、通性嫌気性菌による酸発酵を主体とする生物学的処理を行って汚泥からリン酸イオンとアンモニアイオンを溶出させると共に、該汚泥にマグネシウム源を添加することにより、溶出したリン酸イオン及びアンモニウムイオンよりリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を生成させるリン酸・アンモニウムイオン溶出兼リン酸マグネシウムアンモニウム生成槽；該リン酸・アンモニウムイオン溶出兼リン酸マグネシウムアンモニウム生成槽で生成したリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を含む汚泥からリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離する分離装置；を具備することを特徴とする汚泥の処理装置。

５．前記分離装置で得られるリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離した後の汚泥を、前記リン酸・アンモニウムイオン溶出兼リン酸マグネシウムアンモニウム生成槽に戻す返送手段を具備する上記第４項に記載の装置。

本発明は、有機性排水処理システムの中で、特に有機物、窒素、リンを含有する廃水から、リンを回収するシステムにおいて、以下のような効果を発揮することができる。
（１）高純度ＭＡＰとしてリンを回収できる。具体的には、純度７０％以上、最高純度で９２％のＭＡＰとしてリンを回収することができる。
（２）有機物中に含まれるリンの多く、具体的には３５％以上を回収することができる。
（３）汚泥の嫌気性消化処理（滞留日数２５日程度）を採用しない処理システムにも適応できる。さらに、汚泥消化槽が既に設置されているシステムにおいても、消化槽でのＭＡＰ生成を抑制する結果になるので消化槽自体の維持管理が容易になる。
（４）使用する薬品量が従来型ＭＡＰ回収装置と比較して少ない（何故ならばｐＨ中性領域で反応を進行させるために、アルカリの添加が必要最小限に抑えられるから）。
（５）生物学的脱窒・脱リンの処理性能が向上する、
（６）生物学的処理システムから排出される汚泥の減量化が計れる。
（７）脱水ケーキを焼却・溶融する場合には、リンが原因となる飛灰トラブルが回避できる。

本発明の処理装置の一実施形態のフロー図である。本発明の処理装置の別の実施形態のフロー図である。特願２０００−２３１６３３号に記載の実施形態のフロー図である。従来の処理装置の一実施形態のフロー図である。

各図面において、符号はそれぞれ以下の意味を有する。
１流入水
２最初沈殿池流出水
３生物学的水処理反応槽流出水
４処理水
５初沈汚泥
６余剰汚泥
７濃縮汚泥
８リン酸・アンモニウムイオン溶出兼ＭＡＰ生成槽流出汚泥
９回収ＭＡＰ
１０ＭＡＰ脱離汚泥
１１最初沈殿池
１２生物学的水処理反応槽
１３最終沈殿池
１４流出水
１５返送汚泥
２１汚泥濃縮装置
２２リン酸・アンモニウムイオン溶出兼ＭＡＰ生成槽
２３ＭＡＰ分離回収機
２４汚泥脱水装置
２５ＭＡＰ生成槽
３１脱水ケーキ
３２脱水ろ液

本発明の実施形態を図１、図２に従って説明する。図１及び図２は本発明の一実施形態であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。なお、本発明でいう「余剰汚泥」は、有機性廃水処理工程で発生するすべての汚泥を対象とする。

有機性排水（流入水）１は最初沈殿池１１に導入され、沈殿し易い浮遊物質が沈降・分離される。固液分離後の上澄水２は、生物学的水処理反応槽１２に導かれ、ＢＯＤや窒素、リン等が浄化される。生物学的水処理反応槽１２には、好気性微生物の活動に必要な酸素を供給するための空気供給供給装置が配備されているのが一般的である。この反応槽は単一槽でも良いが、一般的には複数の槽から構成することが好ましい。近年の廃水処理では、ＢＯＤだけではなく、窒素やリンも効率的に浄化する方法が実施されている。具体的には、一部の槽を嫌気状態にして生物代謝機能を人為的に制御する手段がとられているが、この制御手段は循環式硝化脱窒素法や嫌気−無酸素−好気法などと言われている。本発明に置いては、このような形態の嫌気−無酸素−好気槽を生物学的水処理反応槽１２として用いることもできる。

生物学的水処理反応槽１２の流出水３は、最終沈殿池１３に導入され、固液分離される。固液分離後の上澄水は処理水４として系外に排出される。固液分離された汚泥のうち一部は、返送汚泥１５として生物学的水処理反応槽１２に戻されて、これによって生物学的水処理反応槽１２の菌体量が維持される。また、残りの汚泥は、余剰汚泥６として最初沈殿池１１で固液分離された初沈汚泥５とともに汚泥濃縮装置２１に送られる。

汚泥濃縮装置２１は、沈殿方式でも機械濃縮方式でもよく、さらには溶解性リンやアンモニアと結合しない限り薬品を添加する方式でもよく、基本的には初沈汚泥５と余剰汚泥６とを濃縮できれば良い。このようにして得られた濃縮汚泥７は、リン酸・アンモニウムイオン溶出兼ＭＡＰ生成槽２２に導入される。濃縮汚泥７は、超音波処理またはオゾン処理を行った後にリン酸・アンモニウムイオン溶出兼ＭＡＰ生成槽２２に導入してもよい。

嫌気条件下における一般的な汚泥の分解は２段階に分けて捉えることができる。第１段階として、まず高分子有機物の加水分解が起こり、単糖、アミノ酸などが生成し、それらが有機酸やアルコール、Ｈ₂、ＣＯ₂などに分解される（酸発酵）。その後、第２段階に入ると、絶対嫌気性菌による反応が起こる。

酸発酵によって汚泥中の有機物質を酢酸やプロピオン酸などの有機酸に分解する際に、リンやアンモニアの溶出が生じる。リンの溶出は、加水分解によるリン酸の放出と、酸性代謝産物（有機酸や硝酸、硫酸）によるリン酸カルシウムの可溶化および硫化水素によるリン酸第二鉄の溶解などによる。またアンモニアの溶出は、たんぱく質の通性嫌気性菌群による分解に伴うアンモニア放出、すなわちたんぱく質が分解して生成したアミノ酸からの脱カルボキシル、脱アミノによるアンモニア生成などによる。

リン酸・アンモニウムイオン溶出兼ＭＡＰ生成槽２２（以下「反応槽２２」ともいう）では、通性嫌気性菌による酸発酵を主体とする生物学的処理が行われる、即ち、通性嫌気性菌群による有機物分解の第１段階、すなわち酸発酵などの手段によって、汚泥からリンとアンモニアを溶出させると共に、生成したリン酸イオンとアンモニウムイオンからＭＡＰが合成され、ここが本発明方法の中核をなす。

絶対嫌気性であるメタン菌の成長が極めて遅いのに対し、通性嫌気性菌群の成長は速いので、滞留日数２０日前後というメタン発酵に比べて、２時間から７日間程度、好ましくは５時間〜６０時間の短期間で処理を行うことが可能である。ただし、反応槽２２の通気条件や温度条件により通性嫌気性菌の中に一部絶対嫌気性菌が発生し、リン酸やアンモニウムイオンの溶出反応に関与する場合があるが、基本的には通性嫌気性菌によるリン酸・アンモニウムイオン溶出を想定して反応槽２２を用いる。

本発明において、「通性嫌気性菌による酸発酵を主体とする生物学的処理が行われる」とは、「絶対嫌気性菌による処理を主体としない」ことを意味し、以下のように説明することができる。通常の嫌気性消化処理において滞留日数２５日程度の消化槽内では絶対嫌気性のメタン生成菌が主体となってプロピオン酸等の有機酸をメタンに分解するが、本プロセスにおいては滞留日数も比較的短く、必要に応じて通気を行うことから、主体となる微生物群は通性嫌気性菌であると思われる。しかし、運転条件によっては一部メタン生成菌などの絶対嫌気性菌の発生も考えられる。この意味を込めて、上記では「絶対嫌気性菌による処理を主体としない」という表現を用いた。これは言い換えれば、「実質的に絶対嫌気性菌のみによる嫌気性処理工程を組み込まない」と表現することもできる。本反応槽による処理システムの目的はあくまで「有機物を分解して有機酸や溶解性リンを多くする」ことで、その生成した有機酸をさらに分解してメタンを発生させることではない。ただ、一部発生した絶対嫌気性菌によってメタンが生成されることがあるが、それは問題にならない。なぜならば、メタン発酵の進行は、リン酸やアンモニウムイオンの溶出を促進する方向にあり、ＭＡＰの生成を妨げるものでは全くないからである。

勿論、本発明では有機物質分解の効率化を図るために、必要に応じてｐＨ調整剤を適度に添加したり、温度調節、適度の撹拌、及び適度のエアレーション等を行うことができる。

さらに、リン酸とアンモニアイオンの溶出方法として、汚泥減量化で利用されているオゾン、超音波、電気化学的処理等の物理化学処理を採用しても良く、酸発酵に代表される生物学的反応と、これら物理化学的反応を併用しても良い。

このようにして、汚泥に取り込まれているＳＳ（suspended solid：懸濁固形分）性リンやＳＳ性窒素を、リン酸態リンやアンモニア性窒素という溶存状態に変成することができる。この時同時に、該反応槽２２内において汚泥の中で分離性が良く、純度の高いＭＡＰを生成させるよう反応槽内の条件を調整する。具体的には、水酸化マグネシウムや塩化マグネシウム等のＭｇ源の添加やＭＡＰ結晶を成長させるための緩やかな撹拌、更には種晶として、後段の回収ＭＡＰ９のうちの一部の循環を実施しても良い。

酸発酵に際しては、酢酸やプロピオン酸等の有機酸が多く生成されるため、アルカリ成分を補給することによりアルカリ成分不足による酸発酵効率の低下を防ぐことができる。先に述べた水酸化マグネシウムはアルカリ源でもあり、ＭＡＰ生成反応に用いられるＭｇ源であり、一石二鳥の効果がある。また、従来のＭＡＰ脱リン法では、ｐＨを８．０〜９．０の領域に維持するためにアルカリ剤等を添加することが多いが、本プロセスはｐＨ７．０前後を想定しているため、ｐＨ調整剤等の薬品使用量を低減できる。

添加したＭｇは、酸発酵した汚泥に含まれるリン酸イオンに対して等モルでＭＡＰを生成するので、Ｍｇの添加量としては、リン酸イオンに対して等モルから２倍モルの範囲が適当である。リン酸イオンの低減とＭｇの利用効率の両方の点を勘案すると、１．１倍モルから１．４倍モルがＭｇの最適な添加量である。

Ｍｇ源を添加してＭＡＰを生成させる際には、ｐＨは重要な条件である。酸発酵にとってもＭＡＰ生成にとっても、酸性域はあまり好ましくなく、どちらかというとアルカリ性の方が好ましい。しかし、ｐＨが高すぎると、過飽和度が上昇し、結晶化を促す力が強く作用するあまり、微細ＭＡＰの生成につながる恐れがある。ｐＨは６．８〜７．７の範囲にあることが好ましく、更には７．１〜７．４の間であればより好ましい。

Ｍｇ源としては、酸発酵を阻害せず、Ｍｇ²⁺をリン酸イオンやアンモニウムイオンに対して等モル以上に添加してＭＡＰ反応を起こさせることができるものであればよく、薬品であっても、海水などの水であっても、場合によっては廃水でも適用することが可能である。晶析の原理上、リン酸やアンモニウムイオンの基質濃度が高ければ高いほどＭＡＰ生成量は増加する。薬品の中では、塩化マグネシウムは比較的溶解度が高いので、水に溶かして高濃度のＭｇとして注入することができる。コストの面では、水酸化マグネシウムが最も安価であり、更に安価な工業用の水酸化マグネシウムのスラリーを直接注入する方法がコストの上でも操作の上でも好ましい。

Ｍｇ源を注入する際には、酸発酵槽に直接注入することもできる。しかし、この方法では、部分的に急激にＭｇ濃度が上昇し、Ｍｇの過飽和度が高くなってＭＡＰ生成が瞬時に行われるので、回収しきれない微細なＭＡＰ結晶の生成につながる恐れがある。このような事情から、Ｍｇの注入は、酸発酵槽に入る手前で原汚泥に混入させる方法が、急速なＭＡＰ反応を防ぐことができ、効果的である。Ｍｇ化合物の中でも溶解度の低い水酸化マグネシウムのスラリーを原汚泥に混入した後に酸発酵槽に注入すれば、更にＭＡＰの回収率を上げるのに効果的である。ＭＡＰの回収率を上げるためには、一旦回収したＭＡＰ粒子を種晶として再度ＭＡＰ生成槽に戻し、ＭＡＰが析出する種晶の表面積を増やすことで微細ＭＡＰの生成を防ぐことが好ましい。種晶としてＭＡＰ生成槽に戻すＭＡＰ粒子は、径がφ１５０μｍ以上のものが好ましく、更にはφ２５０〜８００μｍの範囲のものが最適である。

ある下水処理場の余剰汚泥に対して、酸発酵ＭＡＰ生成プロセスのベンチスケール実験を行ったところ、下表に示すような結果が得られた。

従来法の汚泥消化処理では、滞留時間約２５日の消化槽において有機物を構成する炭素はメタンと炭酸ガスに、リンと窒素はリン酸とアンモニア性窒素に分解され、リン酸とアンモニアの一部は、消化槽の２５日の滞留時間の間にゆっくりとＭＡＰとして合成され、分離性の良いＭＡＰ粒子が生成していた。本発明者らは、有機物の分解により［ＮＨ₄ ⁺］と［ＨＰＯ₄ ^2-］が溶出し、水酸化マグネシウム等の添加により［Ｍｇ²⁺］、［ＯＨ^-］を供給された反応槽２２において、Ｍｇの過飽和度を下げる種々の工夫を行うことにより、３時間〜７日間という酸発酵の反応時間の間に分離性の良いＭＡＰを合成することに成功した。つまり、汚泥中に分離性の良いＭＡＰ粒子を合成する時間を従来法の２５日程度から、その約４分の１程度にできる方法を見出した。これにより、該反応槽２２の汚泥から容易にＭＡＰ粒子を回収することができ、汚泥消化設備を持たない施設でも、汚泥からの高効率リン回収を可能とした。

また、程よく通気等を行うことにより、汚泥中の有機物分解を酸発酵を主体とする分解反応までとし、積極的にメタン発酵にまで反応を進めないことにより汚泥中に有機酸を多く残すことができ、ＭＡＰ生成によりリン及び窒素濃度が減少した汚泥を生物学的水処理工程に戻すことにより、例えば脱窒処理の水素供与体や脱リン処理のＢＯＤ源として利用することを可能にした。消化槽のない施設において本発明が極めて有効であることは勿論であるが、本発明は、既に消化槽のある施設においても有効である。この場合、消化槽の前段でＭＡＰが除去されるため、消化槽の維持管理が容易になるという利点が生じる。また、この時、消化槽の汚泥の一部を反応槽２２に戻すことにより、酸発酵に伴うｐＨ低下を緩和することも可能になる。

さらに、消化槽のない施設においては、本発明により汚泥の減量化が図れる利点も生じる。このようにして、リン酸・アンモニアイオン溶出兼ＭＡＰ生成槽２２で効率的に生成させたＭＡＰを含む流出汚泥８は、ＭＡＰ分離回収機２３に導入される。ここでは、汚泥中のＭＡＰ粒子の約９５％以上を回収することができる。ＭＡＰ分離回収機２３としては、特願２００２−３２８３３６号や特願２００２−３２６９６８号等に記載した分離装置が望ましく、液体サイクロン、電動式のふるいやスクリーン状の分離体、沈殿分離装置、及びＭＡＰ洗浄装置や、それらを組み合わせたシステムを使用しても良い。

ＭＡＰ分離回収機２３により分離・回収したＭＡＰは、リン含有有価物として肥料原料等に利用することができる。また、ＭＡＰの一部は必要に応じて、リン酸・アンモニアイオン溶出兼ＭＡＰ生成槽２２に返送し、ＭＡＰ合成の種晶として利用することができる。ＭＡＰ分離回収機２３においてＭＡＰを除去されたＭＡＰ脱離汚泥１０は、図１のように直接、汚泥脱水装置２４により脱水処理を行い脱水ケーキ３１として排出することができる。脱水ろ液３２は、最初沈殿池１１等に返流しても良い。

ところで、汚泥の種類によっては、ＭＡＰ脱離汚泥１０をそのまま脱水工程に導くと、脱水性能が低下し、多量の凝集剤等の薬剤が必要になったり、ケーキ含水率が上昇したりすることがある。このような場合には、図２に示すように、ＭＡＰ脱離汚泥１０の一部を生物学的水処理工程１２に戻すこともできる。このときには、余剰汚泥６や濃縮汚泥７の一部を汚泥脱水装置２４に導くこともできる（図示せず）。また、先に述べたようにＭＡＰ脱離汚泥１０には、従来型の標準活性汚泥処理方式の返送汚泥とは異なり、液中に含まれるリン含有率が大幅に下がっている上に、豊富に含まれる有機酸等の易分解性有機物を生物学的水処理の脱窒の水素供与体、脱リン処理のＢＯＤ源として効率良く使用できるという利点がある。ただし、この場合、汚泥脱水性能や生物学的水処理性能が向上する反面、ＭＡＰ回収率が低下する傾向にある。更に、本発明においては、ＭＡＰ脱離汚泥１０の一部をリン酸・アンモニウムイオン溶出兼ＭＡＰ生成槽２２に戻すこともできる。このようにすると、回収しきれなかった汚泥中の微小なＭＡＰ粒子が種晶の役割を果たし、成長して十分な大きさに育ちＭＡＰ粒子として回収が可能になるという利点が得られる。

本発明では、汚泥脱水装置２４に導く汚泥の種類を限定するものではなく、図１と図２とを併用する方法を取ることもできる。特に、下水処理のように夏季と冬季で原水性状や汚泥性状が異なるとき、又は工場廃水において製造品の変化により原水性状や汚泥性状が著しく変動する場合などでは、あらかじめ両方の操作ができるようしておくことが得策である。

汚泥脱水装置２４で脱水された脱水ケーキ３１は、そのまま系外に搬出しても良いし、乾燥・焼却・溶融処理を施し、減容化することもできる。特に、焼却・溶融処理する際には脱水ケーキ中のリン含有率が低下しているため、リンによる飛灰トラブルが回避できる。

上記の本発明に対して、従来の方法の例を図３及び図４に示す。図３は、特願２０００−２３１６３３号に記載の実施形態のフロー図である。ここでは、ＭＡＰ生成槽２５が嫌気性消化槽となっている。嫌気性消化槽は滞留時間が２５日と非常に長く、巨大で大掛かりな設備を要し、スペースやコストの制約が大きい。また、Ｈ₂ＳやＣＨ₄などのガス発生の問題もあり、煩雑なメンテナンスを必要とする。そのため、導入できる件数が限られる。また、図４は従来の処理装置の一実施形態のフロー図である。ここでは、嫌気性消化槽２５でのＭｇ添加を経て、嫌気性消化槽からの流出汚泥が、ＭＡＰ分離回収機を通らないで脱水機２４に導入されるフローとなっている。したがって、嫌気性消化槽内で発生したＭＡＰ粒子が回収されずに脱水ケーキ中に混入し、脱水機やコンベアに摩耗によるダメージを与える。脱離液のリン濃度は低減し、水処理への負担は軽くなるものの、消化汚泥中にはＴ−Ｐとして高濃度のリンが含まれるので、焼却時にリン飛灰トラブルの原因となる。また、このフローは鉄塩などの凝集剤を添加する方法と同様、汚泥発生量を増大させるという欠点がある。

次に、本発明の廃水処理技術を実際に組み込んだ実験プラントの運転結果の一例について説明する。ただし、本発明は本実施例に限定されるものではない。

実施例１
本実施例はＡ下水処理場の汚泥を使用して行ったパイロットプラントによる実験例であり、フローは先に示した図１のフローと同じである。Ａ下水処理場は、嫌気無酸素好気法による活性汚泥処理を採用している。本実施例では、Ａ下水処理場から採取した初沈汚泥と余剰汚泥を約１：１で混合し、遠心濃縮機により濃縮した。濃縮汚泥は、リン酸・アンモニアイオン溶出兼ＭＡＰ生成槽２２に導入した。該槽２２は、槽底部がホッパー状であり、槽内は撹拌機により撹拌されており、槽底部から引抜いた汚泥を槽上部に連続的に循環することで槽底部のＭＡＰ粒子を槽内全体に流動させた。該槽２２のその他の条件は、水理学的滞留時間：６０時間、水温：４５度、通気量：０．１２vvm、ｐＨ：７．３、ＭＡＰ（６水塩）濃度：１．５g/Lに設定した。該槽２２に導入するＭｇ源及びｐＨ調整剤は、３５％水酸化マグネシウムスラリー及び水酸化ナトリウム溶液とした。ＭＡＰ濃度調整は、液体サイクロンにより濃縮したＭＡＰ濃縮スラリーの一部を該槽２２に返送する方式とした。ＭＡＰ分離装置２３は穴径２ｍｍの振動ふるい、液体サイクロン、回転円筒型分級洗浄機を直列に組み合わせたものを使用した。脱水機はスクリュープレス型脱水機を使用した。また、比較例として、本発明を適用しない既設プラント、即ち、最初沈殿池からの初沈汚泥５と最終沈殿池からの余剰汚泥６に関して消化処理を行わずに脱水して脱離液を最初沈殿池１１に戻すフローのプラントによる廃水の処理実験をあわせて行った。

運転開始後３０日間の処理成績を表２に示す。表２より、放流水質の特にＴ−Ｎ、Ｔ−Ｐにおいて大幅に実施例の方が処理成績が良いのがわかる。この結果の要因としては、従来方式の返流水と比較した場合の返流水中に含まれるリン及び窒素負荷の軽減、及び有機酸を比較的多く含む返流水による水処理系の脱窒、脱リン反応の効率化等が挙げられる。その上、従来方式では回収できなかったリンをＭＡＰとして回収することにより、流入下水中のリンの約４３％をＭＡＰとして回収することが可能となった。また、汚泥発生量も固形物ベースで約３割減少した。これは、実施例方式のリン酸・アンモニアイオン溶出兼ＭＡＰ生成槽２２において有機物の一部が可溶化したことと、汚泥からＭＡＰ粒子を取り除いたことに起因すると思われる。ＭＡＰ脱離汚泥１０の一部を嫌気槽に戻したところ、処理水のリン濃度は０．２〜０．６mg/Lであったものが、０．１〜０．４mg/Lまで低下する傾向があり、嫌気性菌がリン酸を放出する際に取り込む有機物として有効に利用されたことが確認された。

実施例２
次に、本発明の廃水処理技術を実際に組み込んだ他の形態の実験プラントの運転結果の一例について説明する。ただし、本発明は本実施例に限定されるものではない。本実施例はＡ食品廃水処理場の汚泥を使用して行ったパイロットプラントによる実験例であり、フローは先に示した図２のフローと同じである。Ａ処理場は、生物学的水処理工程１２として、嫌気無酸素好気法による活性汚泥処理を採用している。本実施例では、Ａ処理場から採取した初沈汚泥と余剰汚泥を約２：１で混合し、重力濃縮機により濃縮した。濃縮汚泥はリン酸・アンモニアイオン溶出兼ＭＡＰ生成槽２２に導入した。該槽２２は汚泥投入配管部に超音波処置装置が設置されており、濃縮汚泥は、超音波処理を施された後にリン酸・アンモニアイオン溶出兼ＭＡＰ生成槽２２に投入した。該槽２２は、槽底部がホッパー状であり、槽内は撹拌機により撹拌されており、槽底部から引抜いた汚泥を槽上部に連続的に循環することで槽底部のＭＡＰ粒子を槽内全体に流動させた。該槽２２のその他の条件は、水理学的滞留時間：４５時間、水温：４０度、通気量：０．１５vvm、ｐＨ：７．２、ＭＡＰ（６水塩）濃度：１．０g/Lに設定した。該槽２２に導入するＭｇ源、ｐＨ調整剤、ＭＡＰ分離装置２３、及び脱水機２４は実施例１と同じものを使用した。

また、比較例として、本発明を適用しない既設プラント、即ち、最初沈殿池からの初沈汚泥５と最終沈殿池からの余剰汚泥６に関して消化処理を行わずに脱水して脱離液を最初沈殿池１１に戻すフローのプラントによる廃水の処理実験をあわせて行った。

ＭＡＰ脱離汚泥１０は、一部を、嫌気無酸素好気槽１２の嫌気槽の入口及び無酸素槽の入口に返送し、必要に応じて各返送量を調節した。残りのＭＡＰ脱離汚泥１０は初沈汚泥５の一部と混合して、脱水機２４により脱水処理した。運転開始後３０日間の処理成績を表３に示す。表３より、実施例１と同様に放流水質の特にＴ−Ｎ、Ｔ−Ｐにおいて大幅に実施例の方が処理成績が良いのがわかる。また、本実施例では、濃縮汚泥に対して超音波処理を施したために通常より汚泥の可溶化が進行しており、溶解性のリンや窒素は増加するが、その増加分の大部分はＭＡＰとして回収されるので、処理水質のリン及び窒素濃度に悪影響を及ぼすことは無かった。流入水中のリンの約５５％をＭＡＰとして回収することが可能であった。また、汚泥発生量も固形物べースで約３５％減少した。また、ＭＡＰ脱離汚泥１０に対して初沈汚泥５の一部を添加していることから汚泥の脱水性も向上し、既設プラントの脱水ケーキと同等以上の脱水性を得ることが可能であった。

実施例３
更に、本発明の廃水処理技術を実際に組み込んだ他の形態の実験プラントの運転結果の一例について説明する。ただし、本発明は本実施例に限定されるものではない。

本実施例はＡ食品工場の廃水処理場の汚泥を使用して行ったパイロットプラントによる実験例であり、フローは先に示した図２のフローと同じである。Ａ工場の廃水処理場は嫌気無酸素好気法による活性汚泥処理を採用している。本実施例では、Ａ工場の処理場から採取した初沈汚泥と余剰汚泥を約２：１で混合し、重力濃縮機により濃縮した。濃縮汚泥は、まずオゾン処理槽（図２には図示せず）に導入され、オゾンによる可溶化処理を施した後に、リン酸・アンモニアイオン溶出兼ＭＡＰ生成槽２２に導入した。該槽２２は、槽底部がホッパー状であり、槽内は撹拌機により撹拌されており、槽底部から引抜いた汚泥を槽上部に連続的に循環することで槽底部のＭＡＰ粒子を槽内全体に流動させた。該槽２２のその他の条件は、水理学的滞留時間：４５時間、水温：４０度、通気量：０．１５vvm、ｐＨ：７．２、ＭＡＰ（６水塩）濃度：１．０g/Lに設定した。該槽２２に導入するＭｇ源、ｐＨ調整剤、ＭＡＰ分離装置２３、及び脱水機２４は実施例１と同じものを使用した。

ＭＡＰ脱離汚泥１０は、一部を嫌気無酸素好気槽１２の嫌気槽の入口及び無酸素槽の入口に返送し、必要に応じて各返送量を調節した。残りのＭＡＰ脱離汚泥１０は初沈汚泥５の一部と混合して、脱水機２４により脱水処理した。運転開始後３０日間の処理成績を表４に示す。表４より、実施例１と同様に放流水質の特にＴ−Ｎ、Ｔ−Ｐにおいて大幅に実施例の方が処理成績が良いのがわかる。また、本実施例では、濃縮汚泥に対してオゾン処理を施したために通常より汚泥の可溶化が進行しており、溶解性のリンや窒素は増加するが、その増加分の大部分はＭＡＰとして回収されるので、処理水質のリン及び窒素濃度に悪影響を及ぼすことは無かった。流入水中のリンの約４９％をＭＡＰとして回収することが可能であった。また、汚泥発生量も固形物べースで約３８％減少した。また、ＭＡＰ脱離汚泥１０に対して初沈汚泥５の一部を添加していることから汚泥の脱水性も向上し、既設プラントの脱水ケーキと同等以上の脱水性を得ることが可能であった。

本発明は、下水処理場や各種廃水処理施設等において、リン及び窒素を含有する廃水から、リン等をリン酸マグネシウムアンモニウム結晶として効率良く回収する方法、装置として有用な技術である。

Claims

微生物代謝を利用した有機性廃水の生物学的処理工程で発生する汚泥を処理する方法であって、該汚泥に、通性嫌気性菌による酸発酵を主体とする生物学的処理を行って汚泥からリン酸イオンとアンモニアイオンを溶出させると共に、該汚泥にマグネシウム源を添加することにより、溶出したリン酸イオン及びアンモニウムイオンよりリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を生成させ、生成したリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を含む汚泥からリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離することを特徴とする汚泥の処理方法。
（Ａ）リン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離した後の汚泥を脱水工程に導く工程；及び／又は（Ｂ）リン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離した後の汚泥を有機性廃水の生物学的処理工程に戻すと共に、有機性廃水の生物学的処理工程で発生する汚泥を脱水する工程を有する請求項１記載の汚泥の処理方法。
リン酸マグネシウムアンモニウム粒子を含む汚泥から分離されたリン酸マグネシウムアンモニウム粒子、又はリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離した後の汚泥を、リン酸マグネシウムアンモニウム粒子の生成工程に戻す請求項１又は２記載の汚泥の処理方法。
微生物の代謝を利用した有機性廃水の生物学的処理工程で発生する汚泥を処理する装置であって、該汚泥に、通性嫌気性菌による酸発酵を主体とする生物学的処理を行って汚泥からリン酸イオンとアンモニアイオンを溶出させると共に、該汚泥にマグネシウム源を添加することにより、溶出したリン酸イオン及びアンモニウムイオンよりリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を生成させるリン酸・アンモニウムイオン溶出兼リン酸マグネシウムアンモニウム生成槽；該リン酸・アンモニウムイオン溶出兼リン酸マグネシウムアンモニウム生成槽で生成したリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を含む汚泥からリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離する分離装置；を具備することを特徴とする汚泥の処理装置。
前記分離装置で得られるリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離した後の汚泥を、前記リン酸・アンモニウムイオン溶出兼リン酸マグネシウムアンモニウム生成槽に戻す返送手段を具備する請求項４に記載の装置。