JPWO2014017466A1 - 溶存ガス除去装置、ならびに有機性被処理物の生物処理装置および生物処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この生物処理方法では、まず、有機性廃棄物からし渣(固形物)を除去した後、有機物や窒素を除去する生物処理手段において生物処理を行う。前記生物処理手段において回収される余剰汚泥を濃縮し、厨芥等の分解され易い有機性廃棄物を破砕したものと混合槽にて混合することで、ガス回収のための有機性被処理物を得る。次いで、前記混合槽から水分量を調整した有機性被処理物をメタン発酵槽に導入し、メタン発酵を行う。メタン発酵によって生じた消化汚泥は脱水し、得られた脱水ろ液は前記生物処理手段に戻し、さらに生物処理を行う(例えば、特許文献1、2)。
この技術によれば、メタン発酵により発生したメタンガスは、発電設備等に送ることで、処理場内の電力供給の燃料として有効に利用できる。また、消化汚泥の脱水で生じた脱水ケーキは、コンポスト化することで、肥料等として有効利用できる。
これら一連の過程では、有機物が分解してガス化するため、有機性被処理物が減容化される。また、メタン発酵は、燃料として利用可能な消化ガスが回収できるうえ、多大な電力を消費する曝気が不要であり、余剰汚泥の発生量が少ないことから、有機性被処理物の生物処理方法として省エネルギーの観点で優れている。
そこで、特許文献2ではまた、高い負荷がかかっても酸敗状態に陥らずに安定してガスを回収する生物処理方法として、有機性被処理物をメタン発酵するメタン発酵槽と、前記メタン発酵槽で発生する消化ガスの水素分圧を測定する水素分圧測定手段と、前記水素分圧測定手段の測定結果に応じて前記消化ガスから水素ガスを除去する水素ガス除去手段と、消化ガスから水素ガスを除去して得た残留ガスを前記メタン発酵槽へ還流させるガス還流手段と、を備えたメタン発酵装置を用いる方法について提案されている。
前記方法では、メタン発酵槽内において、ガス化菌の活性を低下させる水素ガスの分圧を下げることで、有機性被処理物に含まれる溶存水素ガス濃度が低くなる。その結果、ガス化菌の活性が低下することが抑制され、安定してメタンガスを回収することが可能となる。
(3)前記(1)または(2)の溶存ガス除去装置において、前記監視手段が、前記生物処理中の前記有機性被処理物または前記生物反応槽から排出される処理水のpHの値を測定するpH監視手段、前記生物処理中の前記有機性被処理物または前記生物反応槽から排出される処理水に含まれる有機酸濃度の値を測定する有機酸濃度監視手段、前記生物処理によって前記生物反応槽で発生する消化ガスの発生量の値、および前記消化ガスが含有するガスのうち1種以上の前記消化ガスに対する濃度の値を測定するガス監視手段からなる群から選ばれる少なくとも1種であってもよい。
(4)前記(1)から(3)のいずれかの溶存ガス除去装置において、前記生物反応槽内の前記有機性被処理物に浸漬され前記溶存ガスを透過する分離膜を有するガス分離手段と、前記ガス分離手段の前記分離膜の二次側を減圧するように構成されてなる減圧手段と、を有していてもよい。
(5)前記(1)から(3)のいずれかの溶存ガス除去装置において、前記生物反応槽から前記有機性被処理物を取り出し、前記生物反応槽に返送して循環させるように構成されてなる循環手段と、前記循環手段により循環している前記有機性被処理物に浸漬され前記溶存ガスを透過する分離膜を有するガス分離手段と、前記ガス分離手段の前記分離膜の二次側を減圧するように構成されてなる減圧手段と、を有していてもよい。
(6)前記(1)から(5)のいずれかの溶存ガス除去装置において、前記消化ガスの主成分がメタンガスであってもよい。
(7)前記(1)から(6)のいずれかの溶存ガス除去装置において、前記溶存ガスは水素ガスまたは二酸化炭素ガスであってもよい。
(8)前記(1)から(7)のいずれかの溶存ガス除去装置において、前記ガス除去手段により除去した前記溶存ガスを貯留するガス貯留手段を有していてもよい。
(10)前記(9)の有機性被処理物の生物処理装置において、前記生物反応槽が、嫌気性細菌を担持させた保持担体を備えていてもよい。
(11)前記(9)または(10)の有機性被処理物の生物処理装置において、槽内に微生物を含む活性汚泥を有し前記溶存ガス除去装置が処理した被処理液中の溶存物質を生物処理するよう構成されてなる活性汚泥処理槽と、前記被処理水から前記活性汚泥を膜分離により分離する固液分離型膜ろ過手段とを備えた前記膜分離活性汚泥処理装置槽に供給するよう構成されていてもよい。
(14)前記(13)の有機性被処理物の生物処理方法において、前記評価値は、前記有機性被処理物または前記生物反応槽から排出される処理水のpHを測定した値で、前記しきい値は、酸性を表すpHの値のうちいずれかの値であってもよい。
(15)前記(13)の有機性被処理物の生物処理方法において、前記評価値は、前記有機酸濃度の1日あたりの増加量で、前記しきい値は、50mg−COD/L/日であってもよい。
(16)前記(13)の有機性被処理物の生物処理方法において、前記評価値は、前記消化ガス発生量の1時間あたりの減少量で、前記しきい値は、30体積%であってもよい。
(17)前記(12)から(16)のいずれかの有機性被処理物の生物処理方法において、前記生物反応槽の気相部から前記メタンガスを回収し、前記メタンガスと、前記処理中の有機性被処理物から回収した溶存ガスを混合する工程を有し、前記溶存ガスは水素ガス、またはメタンガスを含有していてもよい。
(18)前記(12)から(17)のいずれかの有機性被処理物の生物処理方法において、前記生物反応槽で発生する消化ガスの主成分がメタンガスであってもよい。
(19)前記(18)の有機性被処理物の生物処理方法において、前記溶存ガスは水素ガスまたは二酸化炭素ガスであってもよい。
また、本発明の一態様の有機性被処理物の生物処理装置を用いれば、生物反応槽において酸敗状態に陥ることを抑制する効果が高く、安定して目的のガスを得ることができる。
本発明の一態様の有機性被処理物の生物処理方法によれば、高度な分離機能を有する分離膜を使用しなくても、生物反応槽において酸敗状態に陥ることを抑制する効果が高く、安定して目的のガスを得ることができる。
[生物処理装置および溶存ガス除去装置]
以下、本発明の第1実施形態に係る溶存ガス除去装置の一例である溶存ガス除去装置20を有する生物処理装置100について、図1に基づいて説明する。
生物処理装置100は、嫌気性条件下において有機性被処理物に対して生物処理を行うことによって消化ガス(バイオガス)を発生させる装置である。ここで生物処理とは、後述するように、微生物等の生物により物質(被処理物)に化学変化等の反応を起こさせる処理を指す。生物処理装置100は、図1に示すように、水分を含む有機性被処理物1を生物処理してガス(消化ガス)を発生させる生物反応槽10と、生物反応槽10に付設される溶存ガス除去装置20とを有する。
なお、生物反応槽10は、有機性被処理物1を生物処理できる槽であれば前記構造及び後述するような微生物を用いたUASBリアクターには限定されない。
前記保持担体としては、生物付着性の高い微生物担持機構を有する担体を用いることができる。例えば、比表面積の高い多孔質体からなる担体、微生物の付着し易い素材からなる担体、または微生物の付着し易い素材で形成された前記多孔質体からなる担体等が挙げられる。前記保持担体としては、発泡プラスチックまたは炭素繊維等を用いてもよい。
保持担体を使用する場合、生物反応槽10の内部に保持担体を設置した後に、嫌気性微生物等の微生物を生物反応槽10内に供給して前記保持担体に付着させてもよく、予め微生物を付着させた保持担体を生物反応槽10の内部に設置してもよい。
監視手段22としては、上述のpHや物質の濃度や量を測定することができる測定装置(監視装置、監視部)等が挙げられる。
本実施形態では、監視手段22として、生物反応槽10内における処理中の有機性被処理物1のpHを監視するpH監視手段(pH監視装置、pH監視部)26と、生物反応槽10で発生する消化ガス4の発生量またはガス組成を監視するガス監視手段(ガス監視装置、ガス監視部)28と、を有している。
pH監視手段26としては、例えば、電極式pHセンサー等が挙げられる。
ガス監視手段28としては、消化ガス4のガス組成を監視する手段として、消化ガス4の1以上の特定の成分について濃度を測定する手段、特定の成分がある濃度以上であった際にその成分の存在を検知する手段などを用いることができる。例えば、湿式ガスメータ、メタンガス検知器または二酸化炭素濃度計等が挙げられる。
監視手段22としては、これらpH監視手段、ガス監視手段および有機酸濃度監視手段からなる群から選ばれる少なくとも1種を用いてもよい。pH監視手段またはガス監視手段を用いることで、有機性被処理物1の処理状況の測定および監視が容易である。監視手段22は、少なくとも2種を設けることで処理状況をより正確に判別できる。本実施形態ではpH監視手段26およびガス監視手段28の2種を設けている。
分離膜としては、気体選択透過性分離膜を用いてもよく、これを用いることで水素ガス、アンモニアガスまたはメタンガス等の有用なガスを高濃度で分離、回収することが容易になる。分離膜としては気体選択透過性中空糸膜を用いてもよく、ガスの分離、回収がより容易となる。気体選択透過性中空糸膜としては、例えば、ポリウレタン製の非多孔質分離層を有する三層複合中空糸膜等を用いることができる。
中空糸膜モジュールは、複数の中空糸膜(分離膜)が束ねられた中空糸膜束と、前記中空糸膜束の少なくとも一方の端部と連通するように設けられた集気管とを有する。この中空糸膜モジュールの構造は、各々の中空糸膜を透過して分離されたガスが集気管を介して回収されるように構成されてなるものである。中空糸膜モジュールは、中空糸膜束の両方の端部にそれぞれ集気管が設けられたものでもよく、中空糸膜束の一方の端部のみに集気管が設けられ、他方の端部が封止されたものでもよい。また、中空糸膜束をループ状に折り返し、それら両方の端部が1つ集気管に連通するように接続されたものでもよい。
減圧手段32は、ガス分離手段30の分離膜の二次側を減圧できるものであれば特に限定されず、例えば、吸引ポンプ等が挙げられる。例えば、ガス分離手段30が、中空糸膜束の端部に集気管が連結された中空糸膜モジュールの場合、前記集気管と減圧手段32を接続することで、集気管を介して中空糸膜の内部が減圧される。
ガス貯留手段34としては、分離、回収したガスを貯留できるものであれば特に限定されず、アルミバッグまたは圧力容器等であってもよい。
生物処理装置100では、例えば、生物反応槽10内に生物処理に利用する微生物を収容した状態で、被処理物流入口12から有機性被処理物1を流入させることで、生物反応槽10内において有機性被処理物1の生物処理が行われる。生物処理によって発生した消化ガス4は、生物反応槽10の上部のガス排出口16から排出されてガス貯留手段34に貯留され、生物処理後の処理水は、処理水流出口14から排出されて次工程(図示せず)へと導かれるようになっている。
また、pH監視手段26とガス監視手段28によって、生物反応槽10内における処理中の有機性被処理物1のpHと、生物反応槽10で発生する消化ガス4の発生量またはガス組成を監視することで、生物反応槽10内での有機性被処理物1の処理状況が監視される。そして、pH監視手段26およびガス監視手段28の監視結果、すなわち監視手段が測定した値またはその値から求めた評価値に応じて、ガス除去手段24によって有機性被処理物1に含まれる溶存ガス2が分離除去されるようになっている。例えば、有機性被処理物1のpHを評価値とし、この評価値が所定のしきい値に達したとき、または消化ガス4の発生量もしくは目的のガス濃度を評価値とし、またはこれらの発生量もしくはガス濃度から求めた値を評価値とし、評価値が所定のしきい値に達したしたときに、減圧手段32が稼動され、生物処理を妨げる溶存ガス2がガス分離手段30によって分離除去される。ガス分離手段30によって除去された溶存ガス2は、ガス貯留手段34に貯留される。
本実施形態の有機性被処理物の生物処理方法は、水分を含む有機性被処理物を生物処理して消化ガスを発生させる方法である。以下、その一例として、前記生物処理装置100を用いた生物処理方法について説明する。
本実施形態の生物処理とは、微生物等の生物により物質に化学変化等の反応を起こさせる処理を指す。本実施形態では反応を起こさせる物質(被処理物)は有機性被処理物1である。有機性被処理物1としては、例えば、農業、畜産業、水産業、食品業等の各種分野における廃水、下水、し尿、浄化槽汚泥または下水汚泥等の水分を含む有機性被処理物が挙げられる。有機性被処理物1の重量全体に対して水分の占める割合(水分率)は、75重量%以上であってもよい。有機性被処理物1の水分率は、最大で水分がその重量のうち大半(100重量%近く、例えば95〜99重量%)を占める場合まで考えられる。すなわち前記水分率は75〜95重量%、75〜99重量%等が考えられる。
本実施形態の生物処理方法は、メタン発酵または水素発酵に適用してもよい。メタン発酵では溶存ガス2が増加してCOD負荷(COD濃度、溶存ガス2の酸化剤による酸化に必要とされる酸素の濃度で、ここでは溶存ガス2のそれぞれの組成から必要とされる酸素濃度を求め合計したものを指すとする)が高くなると酸敗状態に陥りやすく、一旦酸敗状態に陥ると容易に回復できないが、本実施形態では溶存ガス2を除去するガス除去手段24を設けていることでこの問題が解決されている。そのため、本実施形態の生物処理方法はメタン発酵に適用するのが特によい。本実施形態の生物処理方法は、生物反応が多段にわたる複雑な有機性被処理物の生物処理に特に有効である。
生物処理に利用する微生物は、生物反応槽10内で処理する有機性被処理物1に新たに加えてもよく、有機性被処理物1内に元から存在する微生物を利用してもよい。
有機性被処理物1を生物処理した処理水3は、処理水流出口14から排出して次工程に導く。生物反応槽10内で発生した消化ガス4は、上部のガス排出口16から排出し、ガス分離手段30によって分離除去した溶存ガス2と共にガス貯留手段34に回収して貯留する。
生物反応槽における有機性被処理物1の水理学的滞留時間は、生物処理に用いる生物反応槽の構成および微生物等の種類によっても異なり、これらに合わせて生物処理の効率が最良となるよう試行により適宜選択してよい。前記水理学的滞留時間は、処理中に変動させてもよく、一定としてもよい。
除去対象となる溶存ガス2としては、生物処理の種類によっても異なるが、例えば、酸素ガス、二酸化炭素ガス、窒素ガス、水素ガスまたはメタンガス等が挙げられる。なお、有機性被処理物1から除去する溶存ガス2には、有機性被処理物1に溶存していた消化ガスが含まれていてもよい。
例えば、メタン発酵における除去対象の溶存ガス2としては、メタン発酵を妨げる水素ガスおよび二酸化炭素ガスが挙げられる。メタン発酵の場合、有機性被処理物1から除去する溶存ガス2には、有機性被処理物1に溶存していたメタンガスが含まれていてもよい。また、水素発酵における除去対象の溶存ガス2としては、水素発酵を妨げる二酸化炭素ガスが挙げられる。水素発酵の場合、有機性被処理物1から除去する溶存ガス2には、有機性被処理物1に溶存していた水素ガスが含まれていてもよい。
溶存ガス除去装置20は、監視手段22が測定した値に応じて動作するよう構成されてなる。監視手段の測定した値に応じて動作するとは、溶存ガス除去装置20が監視手段22から直接信号を受け取って運動を開始する場合、監視手段22からの信号を受け取った別の処理装置等(図示せず)からその信号に応じて溶存ガス除去装置20が運動を開始する場合、別の処理装置等により信号を分析した値に基づいて溶存ガス除去装置を運動させる場合、または、装置の操作者が監視手段22の測定した値を確認し、手動でガス除去装置20を動作させる場合等を広く含む。
そのため、処理状況を監視する方法は、処理中の有機性被処理物または生物反応槽から排出される処理水のpHの値を測定する方法、処理中の有機性被処理水または生物反応槽から排出される処理水に含まれる有機酸濃度の値を測定する方法、生物反応槽で発生するガスの発生量の値を測定する方法、および、前記消化ガスが含有するガスのうち1種以上の前記消化ガスに対する濃度の値を測定する(言い換えると、消化ガスの組成を監視する)方法からなる群から選ばれる少なくとも1種であってもよい。
具体的には、メタン発酵であれば、有機性被処理物1のpHが酸性を示した時、すなわちしきい値である7未満を示した時に、ガス除去手段24を稼動させてもよい。有機性被処理物1が酸性となったときに、水素ガスやメタンガスの濃度上昇が認められるためである。また、pHのしきい値を、酸性を示す約4〜7の値とし、例えばpHのしきい値を6.5または6として、有機性被処理物1のpHがその値以下になったときを目安としてガス除去手段24を稼動させてもよい。特に、pHのしきい値を5の値とし、有機性被処理物1のpHがその値以下となったときにガス除去手段24を稼動させてもよい。
有機性被処理物1の前記pHが前記しきい値以下となったときにガス除去手段24を稼動させ、有機性被処理物1に含まれる溶存二酸化炭素ガスを除去することで、有機性被処理物1のpHを前記生物処理に適した範囲に制御でき、生物処理をより安定して行うことができる。前記生物処理後の処理水3のpHを監視する場合も同様である。
例えば、メタン発酵であれば、消化ガス4中の水素分圧が10−4atm〜10−6atmの範囲を逸脱したときにガス除去手段24を稼動させてもよい。この操作により、有機性被処理物1に含まれる溶存水素ガスが除去されることで、生物処理における生物反応の熱力学バランスが改善され、有機酸の分解をより促進することができる。
例えば、メタン発酵を妨げる溶存ガス2が存在しない場合のメタンガスを含有する消化ガスの発生量の理論的な値は、有機性被処理物の含有炭素量や処理環境によって適宜予測される。しかし、生物処理に伴ってメタン発酵を妨げる溶存ガス2が増加すると、その存在により、メタンガスの発生量は減少していく。ここで、ガス監視手段28によってメタンガスの発生量を測定し、その単位時間あたりの発生量を評価値とする。この評価値が、前記予測される発生量(理論的な値)の75%以下まで低下したときにガス除去手段24を稼動させてもよく、メタンガスの発生量が85%以下まで低下したときにガス除去手段24を稼動させてもよりよい。この操作により、有機性被処理物1に含まれる溶存水素ガスが除去されることで、生物処理における生物反応の熱力学バランスが改善され、有機酸の分解をより促進することができ、メタンガスの発生効率が高まる。
メタン発酵において監視する有機酸としては、乳酸、酢酸、ギ酸、プロピオン酸、イソ酪酸または酪酸等が挙げられ、特にプロピオン酸濃度を監視してもよい。
例えば、メタン発酵であれば、しきい値を50mg−COD/L/日、すなわち1日あたり、1LあたりのCODの増加量が50mgとする。この際、処理中の有機性被処理物1または処理後の処理水3のプロピオン酸濃度が50mg−COD/L/日以上に増加したときにガス除去手段24を稼動させる。また、しきい値を75mg−COD/L/日としてもよく、前記プロピオン酸濃度が75mg−COD/L/日以上に増加したときにガス除去手段24を稼動させてもよい。この操作により、有機性被処理物1に含まれる溶存水素ガスが除去されることで、生物処理における生物反応の熱力学バランスが改善され、有機酸の分解をより促進することができ、生物反応槽10内で発生する消化ガス4中の主成分であるメタンガスの発生効率が高まる。
具体的には、ガス除去手段24によって処理中の有機性被処理物1から除去された溶存ガス2が、水素ガス、またはメタンガスのいずれかを含有する場合、除去した溶存ガス2と、ガス排出口16を通じて生物反応槽10の気相部から回収した消化ガス4とを混合して利用することができる。このとき、溶存ガス中の水素ガス、またはメタンガスの含有割合が20体積%以上であると有価ガスとしてより有益なものとなる。
X=(Y−Z)/Y×100 ・・・(I)
ただし、式(I)中、XはCOD除去率(%)、Yは生物反応槽に供給する前の有機性被処理物のCOD(g−COD/L/日)、Zは処理水のCOD(g−COD/L/日)である。
[生物処理装置および溶存ガス除去装置]
以下、本発明の第2実施形態に係る溶存ガス除去装置である溶存ガス除去装置20Aを有する生物処理装置200について、図2に基づいて説明する。図2における図1と同じ部分は同符号を付して説明を省略する。
生物処理装置200は、図2に示すように、水分を含む有機性被処理物1を生物処理してガスを発生させる生物反応槽10と、生物反応槽10に付設される溶存ガス除去装置20Aとを有する。すなわち、生物処理装置200は、溶存ガス除去装置20の代わりに溶存ガス除去装置20Aを有する以外は、生物処理装置100と同じである。
ガス除去手段24Aは、生物反応槽10から有機性被処理物1を取り出し、生物反応槽10に返送して循環させる循環手段36と、循環手段36により循環している有機性被処理物1に浸漬されるように設置され、溶存ガス2を透過する分離膜を有するガス分離手段30と、ガス分離手段30の分離膜の二次側を減圧する減圧手段32と、を有する。すなわち、ガス除去手段24Aは、生物反応槽10の外部を循環させている有機性被処理物1から溶存ガス2を除去するようにガス分離手段30が設けられている以外は、ガス除去手段24と同じである。
溶存ガス除去装置20Aは、大型の生物反応槽10の場合等、生物反応槽10の内部に分離膜を大量に設置するのが困難な場合でも効率よく溶存ガス除去ができる点で有効である。
循環手段36によって生物反応槽10から有機性被処理物1を取り出す箇所と、有機性被処理物1を返送する箇所は、生物反応槽10における任意の箇所にすることができるが、溶存ガスを効率良く除去して回収できる箇所を選択してもよい。
例えば、この例のように生物反応槽10をUASBリアクターとする場合は、溶存ガスの除去効率の点から、生物反応槽10の上方から有機性被処理物1を取り出し、生物反応槽10の下方に有機性被処理物1を返送してもよい。
生物処理装置200では、生物処理装置100と同様にして有機性被処理物1の生物処理が行われる。生物処理によって発生した消化ガス4は、生物反応槽10の上部のガス排出口16から排出されてガス貯留手段34に貯留され、生物処理後の処理水は、処理水流出口14から排出されて次工程へと導かれるようになっている。また、循環手段36によって、生物反応槽10内の有機性被処理物1が生物反応槽10の外部で循環されている。
また、第1の実施形態と同様、pH監視手段26とガス監視手段28によって、生物反応槽10内での有機性被処理物1の処理状況が監視(pHまたはガスが含有する物質の濃度等の値が測定)され、その監視結果に応じて、ガス除去手段24Aによって、循環されている有機性被処理物1に含まれている溶存ガス2が分離除去されるようになっている。
前記生物処理装置200を用いた生物処理方法は、生物処理装置100を用いる場合と同様にして行うことができ、好ましい態様も同じである。
メタン発酵の場合、生物反応槽10内で発生する消化ガス4中のメタンガス濃度が、40体積%以上であることが好ましく、55体積%以上であってもよい。すなわち、消化ガス4中のメタンガス濃度が前記下限値以上となるようにCOD負荷等を設定し、監視手段22の監視結果によってガス除去手段24Aを稼動させて生物処理を行ってもよい。具体的には、監視手段22によって測定した消化ガスの発生量について、演算装置等の制御手段(図示せず)によって一時間あたりの消化ガスの値を求め、その値が一時間前と比べて40体積%以上、より好ましくは30体積%以上減少した場合には、ガス除去手段24Aを稼動させることが好ましい。
具体的には、ガス除去手段24Aによって処理中の有機性被処理物1から除去された溶存ガス2が、水素ガス、またはメタンガスのいずれかを含有する場合、除去した溶存ガス2と、生物反応槽10の気相部から回収した消化ガス4とを混合して利用することができる。このとき、溶存ガス2中の水素ガス、またはメタンガスの含有割合が20体積%以上であると有価ガスとしてより有益なものとなる。
また、本実施形態の生物処理方法は、COD負荷等の負荷の変動が生じる場合でも、生物反応槽の処理状況を把握しながら溶存ガスの除去が行えるので、良好な運転効率を達成することができる。
また、本実施形態では、消化ガス中から生物処理を妨げるガスを分離除去するのではなく、有機性被処理物中に含まれる溶存ガスを分離除去するため、高度な分離機能を有する分離膜を使用しなくても充分な分離効率が得られる。
例えば、監視手段として、処理中の有機性被処理物または生物反応槽から排出される処理水に含まれる有機酸濃度を監視する有機酸濃度監視手段を備えた溶存ガス除去装置としてもよい。また、ガス除去手段によって除去して回収した溶存ガスと、生物反応槽のガス排出口から回収した消化ガスを別々に貯留するようにしてもよい。また、ガス貯留手段を有しない溶存ガス除去装置としてもよい。
また、生物反応槽において、上部から有機性被処理物を流入させ、処理水を底部から排出するようにしてもよい。
また、本実施形態は、有機性被処理物の供給と処理水の排出を連続的に行う連続式には限定されず、バッチ式としてもよい。
本実施形態の変更態様の例として、消化ガス及び溶存ガスを除いた処理液を廃液処理することがさらに好ましい。特にメタンガス発酵の場合、処理液にアンモニアなどの窒素化合物等の不純物が溶解または浮遊していることが多いため、活性汚泥処理による廃液処理を行うことが好ましい。その方法としては活性汚泥中の微生物の作用により、被処理水に含まれる汚濁物質を生物分解する生物処理法がある。この生物処理は、活性汚泥を有する活性汚泥処理槽(図示せず)を備え、溶存ガス除去装置により処理した被処理液を前記活性汚泥処理槽に供給するよう構成されてなる有機性被処理物の生物処理装置を用いて行ってもよい。生物処理は、前記被処理液を微生物を含む活性汚泥を有する活性汚泥処理槽内に投入し、この微生物により生物反応を行う。微生物としては好気性細菌を用いてもよい。この場合、好気性最近を含む活性汚泥を活性汚泥処理槽内に投入し、好気性細菌により窒素化合物を反応させることにより廃液処理を行う。
さらに前記生物処理と、活性汚泥を分離膜により固液分離して浮遊物のない処理水を得る膜処理とを組み合わせた膜分離活性汚泥処理法(MBR法)を行ってもよい。この場合、生物処理装置は、膜分離活性汚泥処理法を行うための膜分離活性汚泥処理手段を有している。膜分離活性汚泥処理手段は、前記した生物処理を行う活性汚泥処理槽と、被処理水と活性汚泥とを膜分離により分離する固液分離型膜ろ過手段(分離膜)を有している。膜分離活性汚泥処理手段は、槽内に供給された被処理水に分離膜が浸漬するように備えられた膜分離槽が設けられ、前記活性汚泥処理槽(反応槽)で生物処理を行った後の被処理水を膜分離槽に供給して膜分離を行うように構成されていてもよい(いわゆる別置型)。また、膜分離活性汚泥処理手段(膜分離活性汚泥処理槽)は、前記活性汚泥処理槽内に膜分離処理ユニットが配置されていてもよい(いわゆる一体型)。別置型と一体型のいずれの場合も、分離膜に吸引ポンプが接続され、この吸引ポンプを作動させることにより被処理水を吸引ろ過し、活性汚泥と分離することにより膜処理を行ってもよい。別置型の処理装置においては、活性汚泥処理槽(反応槽)内で被処理水を送液するためのポンプ(原水ポンプ)を作動させることにより、活性汚泥処理槽で生物処理された被処理水(生物処理水)が、活性汚泥を含んだ状態で膜分離槽に送液される。膜分離槽では、活性汚泥処理槽から送られた被処理水と活性汚泥とからなる汚泥含有処理水に対して膜処理が行われ、活性汚泥が膜面で除去され、処理水(ろ過水)が得られる。得られた処理水は系外へと排出される。
生物反応槽に供給する前の人工廃水のCODと、生物反応槽から排出される処理水のCODを、下水試験方法に準じて測定し、下式(I)によりCOD除去率を算出した。
X=(Y−Z)/Y×100 ・・・(I)
ただし、式(I)中、XはCOD除去率(%)、Yは生物反応槽に供給する前の人工廃水のCOD(g−COD/L/日)、Zは処理水のCOD(g−COD/L/日)である。
ヘッドスペース法により、生物反応槽内の人工廃水に含まれる溶存水素ガス濃度および溶存二酸化炭素ガス濃度を測定した。
液体クロマトグラフを用いて、生物反応槽内における処理中の人工廃水の有機酸濃度(mg−COD/L)を測定した。測定対象の有機酸濃度は、乳酸、酢酸、ギ酸、プロピオン酸、イソ酪酸および酪酸の濃度を合計した全有機酸濃度と、酢酸濃度と、プロピオン酸濃度とした。
生物反応槽として、ベンチスケールのUASBリアクター(高さ40cm、直径7cmの円筒形。有効容積は1.1L。)を用いた。異性化糖製造廃水を処理するUASBリアクターから採取したグラニュール0.7Lを、植種汚泥として生物反応槽に投入した。
ガス除去手段の分離膜としては、約5500本の三層複合中空糸膜(三菱レイヨン・エンジニアリング株式会社製、支持層(内層、外層)材質:ポリエチレン、中間層(脱気膜)材質:ポリウレタン、中空糸の内径:200μm、中空糸の外径280μm、膜の長さ(有効長):約360mm。)をU字状にして束ねたものを使用した。前記分離膜を、生物反応槽内の有機性被処理物中に浸漬されるように設置した。分離膜の総表面積は約1.7m2であり、生物反応槽内の膜充填率は約22%であった。減圧手段としては、エアーポンプ(イワキ、APN−110 KV−1)を使用した。
監視手段としては、生物反応槽から排出される処理水のpHを監視するpH監視手段(電極式pHセンサー、株式会社堀場製作所製)と、生物反応槽内におけるメタンガスの発生量を監視するガス監視手段(製品名「GC−14B」、株式会社島津製作所製)を使用した。
有機性被処理物としては、粉ミルクでCODを調整した人工廃水を使用した。
ガス除去手段は、メタン発酵の開始から86日目までは稼動させなかったが、87日目においてCOD負荷が35g−COD/L/日となったときに、処理水のpHが6.7となったことから、87〜97日目の運転では、エアーポンプを駆動させてガス除去を開始し、人工廃水に溶存する水素ガス、メタンガスおよび二酸化炭素ガスを除去しつつ、メタン発酵を継続した。
87日目における1時間あたりのメタンガス発生量は、380mg−COD−CH4/L/hであって、運転当初の1時間あたりのメタンガス発生量(500mg−COD−CH4/L/h)に対し、34%も低下していたが、ガス除去手段駆動後には750mg−COD−CH4/L/hに増加した。
その後、98日目〜104日目は、ガス除去手段を稼動させずにメタン発酵を行った。さらに、105日目に再びpHが6.7となったことから、ガス除去を開始し、105〜106日目はエアーポンプを駆動させて再びガス除去手段を稼動させながらメタン発酵を行った。
また、106日目における1時間あたりのメタンガス発生量は、300mg−COD−CH4/L/hであって、105日目の1時間あたりのメタンガス発生量(550mg−COD−CH4/L/h)に対し、46%も低下していたが、ガス除去手段駆動後は710mg−COD−CH4/L/hに増加した。
1日目から106日目まで、pHが7を下回って酸性条件下となってもガス除去手段を稼動させなかった以外は、実施例1と同様にしてメタン発酵を行った。
98日目〜104日目においては、実施例1および比較例1は、共にガス除去手段を稼動させず、人工廃水のCOD負荷を25g−COD/L/日に低下させたため、メタンガス発酵の処理状況が同等であった。
人工廃水のCOD負荷を50g−COD/L/日に増大させた105日目〜106日目では、75日目〜86日目と同様の傾向が見られた。具体的には、比較例1は特に酢酸が顕著に蓄積し、メタンガス発生量が大きく低下したのに対し、実施例1では有機酸の蓄積が抑えられ、COD負荷の増大に応じてメタンガス発生量が増加した。また、比較例1ではCOD除去率が低下したのに対し、実施例1ではCOD除去率の低下が抑制された。
2 溶存ガス
3 処理水
4 消化ガス
10 生物反応槽
20,20A 溶存ガス除去装置
22 監視手段
24,24A ガス除去手段
26 pH監視手段
28 ガス監視手段
30 ガス分離手段
32 減圧手段
34 ガス貯留手段
36 循環手段
100,200 生物処理装置
Claims (19)
- 水分を含む有機性被処理物を生物処理して消化ガスを発生させる生物反応槽に付設される溶存ガス除去装置であって、
前記生物反応槽内の前記有機性被処理物または前記生物反応槽から排出される処理水について、前記有機性被処理物もしくは前記処理水のpHの値、または前記有機性被処理物もしくは前記処理水が含有する物質のうち1種以上の量の値を測定する監視手段と、
前記生物反応槽内の前記有機性被処理物から生物処理を妨げる溶存ガスを除去するガス除去手段と、を有する溶存ガス除去装置。 - 前記ガス除去手段は、前記監視手段が一定時間ごとに測定した値を各評価値とし、前記評価値の経時変化が一定のしきい値を越えた際に動作するように構成されてなる、請求項1に記載の溶存ガス除去装置。
- 前記監視手段が、前記生物処理中の前記有機性被処理物または前記生物反応槽から排出される処理水のpHの値を測定するpH監視手段、前記生物処理中の前記有機性被処理物または前記生物反応槽から排出される処理水に含まれる有機酸濃度の値を測定する有機酸濃度監視手段、前記生物処理によって前記生物反応槽で発生する消化ガスの発生量の値、および前記消化スが含有するガスのうち1種以上の前記消化ガスに対する濃度の値を測定するガス監視手段からなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1または2に記載の溶存ガス除去装置。
- 前記ガス除去手段が、前記生物反応槽内の前記有機性被処理物に浸漬され、前記溶存ガスを透過する分離膜を有するガス分離手段と、前記ガス分離手段の前記分離膜の二次側を減圧するように構成されてなる減圧手段と、を有する、請求項1から3のいずれか1項に記載の溶存ガス除去装置。
- 前記ガス除去手段が、前記生物反応槽から前記有機性被処理物を取り出し、前記生物反応槽に返送して循環させるように構成されてなる循環手段と、前記循環手段により循環している前記有機性被処理物に浸漬され前記溶存ガスを透過する分離膜を有するガス分離手段と、前記ガス分離手段の前記分離膜の二次側を減圧するように構成されてなる減圧手段と、を有する、請求項1から3のいずれか1項に記載の溶存ガス除去装置。
- 前記消化ガスの主成分がメタンガスである請求項1から5のいずれか1項に記載の溶存ガス除去装置。
- 前記溶存ガスが水素ガスまたは二酸化炭素ガスである請求項6に記載の溶存ガス除去装置。
- 前記ガス除去手段により除去した前記溶存ガスを貯留するガス貯留手段を有する、請求項1から7のいずれか1項に記載の溶存ガス除去装置。
- 水分を含む有機性被処理物を生物処理して消化ガスを発生させる生物反応槽と、該生物反応槽に付設される請求項1から8のいずれか1項に記載の溶存ガス除去装置と、を有する、有機性被処理物の処理装置。
- 前記生物反応槽が、嫌気性細菌を担持させた保持担体を備える請求項9に記載の有機性被処理物の処理装置。
- 槽内に微生物を含む活性汚泥を有し前記溶存ガス除去装置が処理した被処理液中の溶存物質を生物処理するよう構成されてなる活性汚泥処理槽と、前記被処理水から前記活性汚泥を膜分離により分離する固液分離型膜ろ過手段とを備えた膜分離活性汚泥処理手段を備え、前記被処理水を前記膜分離活性汚泥処理手段に供給するよう構成されてなる請求項9または10に記載の有機性被処理物の生物処理装置。
- 水分を含む有機性被処理物を生物処理して消化ガスを発生させる工程と、
生物反応槽内の前記有機性被処理物または前記生物反応槽から排出される処理水について、前記有機性被処理物もしくは前記処理水のpHの値、または前記有機性被処理物もしくは前記処理水が含有する物質のうち1種以上を測定する工程と、
前記測定した値を評価値とし、または前記測定した値の経時変化を評価値とし、前記評価値が一定のしきい値に達した際に前記生物処理中の前記有機性被処理物から溶存ガスを除去する工程を有する、有機性被処理物の生物処理方法。 - 前記測定は、前記生物処理中の前記有機性被処理物または前記生物反応槽から排出される処理水のpH、前記生物処理中の前記有機性被処理物または前記生物反応槽から排出される処理水に含まれる有機酸濃度、前記生物処理によって前記生物反応槽で発生する消化ガスの発生量、および前記消化ガスが含有するガスのうち1種以上の前記消化ガスに対する濃度の値からなる群から選ばれる少なくとも1種を測定する、請求項12に記載の有機性被処理物の生物処理方法。
- 前記評価値は、前記有機性被処理物または前記生物反応槽から排出される処理水のpHを測定した値で、
前記しきい値は、酸性を表すpHの値のうちいずれかの値である請求項13に記載の有機性被処理物の生物処理方法。 - 前記評価値は、前記有機酸濃度の1日あたりの増加量で、
前記しきい値は、50mg−COD/L/日である請求項13に記載の有機性被処理物の生物処理方法。 - 前記評価値は、前記消化ガス発生量の1時間あたりの減少量で、
前記しきい値は、30体積%である請求項13に記載の有機性被処理物の生物処理方法。 - 前記生物反応槽の気相部から前記消化ガスを回収し、前記消化ガスと、前記処理中の有機性被処理物から回収した溶存ガスを混合する工程を有する請求項12から16いずれかに記載の有機性被処理物の生物処理方法。
- 前記生物反応槽で発生する消化ガスの主成分がメタンガスである請求項12から17のいずれか1項に記載の有機性被処理物の生物処理方法。
- 前記溶存ガスは水素ガス、または二酸化炭素ガスである請求項18に記載の有機性被処理物の生物処理方法。
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