WO2014167952A1 - 有機性排水の生物処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

　有機性排水を嫌気処理した後、第１好気槽で好気処理し、次いで第２好気槽において原生動物や後生動物に細菌を捕食させる有機性排水の生物処理方法及び装置において、第２好気槽において原生動物や後生動物を優占化させ、嫌気処理由来の難凝集性ＳＳを削減することを目的とする。嫌気性生物処理工程では、好気性生物処理工程全体のＣＯＤｃｒ容積負荷が１０ｋｇ／ｍ^３／ｄ以下、かつ溶解性ＣＯＤｃｒ容積負荷が５ｋｇ／ｍ^３／ｄ以下となるように嫌気処理し、第１好気処理水ＳＳの第２好気槽の担体への負荷が１５ｋｇ－ＳＳ／ｍ^３－担体／ｄ以下となるように第１好気槽で好気性処理する。

Description

有機性排水の生物処理方法および装置

　本発明は、生活排水、下水、食品工場やパルプ工場をはじめとした広い濃度範囲の有機性排水処理に利用することができる有機性排水の生物処理方法および装置に関するものであり、詳しくは、処理水質を悪化させることなく、処理効率を向上させ、かつ、余剰汚泥発生量の低減が可能な有機性排水の生物処理方法及び装置に関するものである。

　有機性排水を生物処理する場合に用いられる活性汚泥法は、処理水質が良好で、メンテナンスが容易であるなどの利点から、下水処理や産業廃水処理等に広く用いられている。しかしながら、運転に用いられるＢＯＤ容積負荷は０．５～０．８ｋｇ／ｍ^３／ｄ程度であるため、広い敷地面積が必要となる。また、分解したＢＯＤの２０～４０％が菌体すなわち汚泥へと変換されるため、大量の余剰汚泥処理も問題となる。

　嫌気処理は、酸素が不要で、エネルギーをメタンとして回収できる生物処理で、発生汚泥量が少ないのが特徴である。また、ＣＯＤｃｒ容積負荷５ｋｇ／ｍ^３／ｄ以上の高負荷処理も可能で、排水処理設備をコンパクト化することができる。しかしながら、嫌気処理では、到達水質が好気処理より悪く、放流水質によっては、好気生物処理による後処理が必要になる。また、嫌気処理で発生する嫌気性細菌由来のＳＳは微細のため、凝集加圧浮上や凝集沈殿でＳＳを除く場合は薬注量が膨大になる。

　生物処理のＳＳには非凝集性の細菌が多く含まれているが、これらは、原生動物や後生動物が捕食することで除去、フロック化することが可能である。特許文献１には、有機性排水を嫌気処理した後、第１好気槽で好気処理し、さらに第２好気槽で好気処理する方法であって、第１好気槽で非凝集性の細菌により有機物を処理し、第２好気槽で固着性原生動物に補食除去させることで余剰汚泥の減量化を図るようにした有機性排水の生物処理方法が記載されている。

特開２００９－２０２１１５

　上記特許文献１の有機性排水の生物処理方法では、第２好気槽内の原生動物や後生動物は嫌気性細菌を捕食することは可能であるが、嫌気処理後の好気処理で原生動物や後生動物を優占化させ、嫌気処理由来の難凝集性ＳＳを削減する方法については開示されていない。これは、嫌気処理後の好気処理における、微小動物の安定した維持方法が確立していないことと、エサとなる細菌(嫌気性細菌及び好気性細菌)と微小動物の比率が適切に維持されていないためである。

　本発明は、有機性排水を嫌気処理した後、第１好気槽で好気処理し、次いで第２好気槽において原生動物や後生動物に細菌を捕食させる有機性排水の生物処理方法及び装置において、第２好気槽において原生動物や後生動物を優占化させ、嫌気処理由来の難凝集性ＳＳを削減することを目的とする。

　本発明の有機性排水の生物処理方法は、有機性排水を嫌気槽で嫌気性生物処理する嫌気性生物処理工程と、その後少なくとも２段の好気槽で好気性生物処理する好気性生物処理工程とを有する。該好気性生物処理工程では、第１好気槽において好気性細菌により生物処理して分散性細菌を生成し、該第１好気槽からの分散性細菌を含む第１好気処理水を、担体を有した第２好気槽に導入し、生物処理する。前記嫌気性生物処理工程では、前記好気性生物処理工程全体のＣＯＤｃｒ容積負荷が１０ｋｇ／ｍ^３／ｄ以下、かつ溶解性ＣＯＤｃｒ容積負荷が５ｋｇ／ｍ^３／ｄ以下となるように嫌気処理し、第１好気処理水ＳＳの第２好気槽の担体への負荷が１５ｋｇ－ＳＳ／ｍ^３－担体／ｄ以下となるように第１好気槽で好気性処理する。

　本発明の有機性排水の生物処理装置は、有機性排水を嫌気性生物処理する嫌気槽と、該嫌気槽処理水を好気処理する第１好気槽と、該第１好気槽処理水を好気処理する第２好気槽とを備える。好気性生物処理工程全体のＣＯＤｃｒ容積負荷が１０ｋｇ／ｍ^３／ｄ以下、かつ溶解性ＣＯＤｃｒ容積負荷が５ｋｇ／ｍ^３／ｄ以下となるように嫌気処理し、第１好気処理水ＳＳの第２好気槽の担体への負荷が１５ｋｇ－ＳＳ／ｍ^３－担体／ｄ以下となるように第１好気槽で好気性処理する。

　第１好気槽の担体充填率が１０％以下であり、第２好気槽の担体充填率が１０％以上であることが好ましい。

　第２好気槽の担体で優占化している微小動物がヒルガタワムシであることが好ましい。

　前記嫌気性生物処理工程が汚泥返送を行わない一過式処理であることが好ましい。

　前記第２好気槽からの第２好気処理水を凝集沈殿分離、凝集加圧浮上分離及び、膜分離の少なくとも１つによって固液分離処理することが好ましい。

　前記第１好気処理水中の溶存硫化水素濃度が５０ｍｇ－Ｓ／Ｌ以下となるように第１好気槽で好気性処理することが好ましい。

　前記第１好気槽の、担体を含む槽内液をポンプで循環することで、担体に付着した菌体の一部を剥離することが好ましい。

　本発明では、嫌気性細菌を含む分散菌を捕食、フロック化する第２好気槽において、固着性濾過捕食型微小動物の足場として担体を加え、この微小動物を安定して槽内に維持し、かつ良好な処理水質を得ることを可能とするための第１好気槽における分散菌の負荷や条件を規定したものであり、第２好気槽において原生動物や後生動物を優占化させ、嫌気処理由来の難凝集性ＳＳを削減することができる。これにより、有機性排水の効率的な生物処理が可能になり、排水処理時に発生する汚泥の大幅な減量化、高負荷運転による処理効率の向上、及び安定した処理水質の維持を実現することが可能となる。

実施の形態に係る有機性排水の生物処理方法及び装置のフローである。 実施の形態に係る有機性排水の生物処理方法及び装置のフローである。 実施の形態に係る有機性排水の生物処理方法及び装置のフローである。

　以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

　図１～３はそれぞれ本発明の実施の形態に係る有機性排水の生物処理方法及び装置のフローを示しており、有機性排水（原水）を嫌気槽１で嫌気処理し、この嫌気処理水を第１好気槽２で好気性細菌によって好気処理し、分散性細菌を生成させ、この第１好気処理水を担体３ａを有した第２好気槽３に導入し、微生物に分散性細菌を捕食させる。第１及び第２好気槽２，３には散気管が設けられている。

　以下、各槽での処理についてさらに詳細に説明する。

　有機性排水は嫌気槽１に導入され、嫌気性細菌により、有機成分(溶解性ＢＯＤ)の７０％以上、望ましくは８０％以上さらに望ましくは９０％以上が分解され、メタンと菌体へと変換される。

　嫌気処理は高負荷処理を行うため、菌体を高濃度の保持する必要がある。本発明では一過式の生物処理とし、槽内に流動担体、固定担体、揺動担体、グラニュールのいずれかまたは組み合わせて設置し、菌体を保持することが望ましい。通水方式は任意であるが、上向流が望ましい。この場合、槽内に原水が均一にいきわたるよう処理水を循環して、ＬＶ（上向流の場合)を高めても良い。従来、この方式では、菌体が一部担体から剥離し分散状態で処理水中に残存し、後段の処理へ流出することが問題となっていた。しかしながら、本発明では、この嫌気性菌体を含むＳＳを第２好気槽３で微小動物に捕食させることができるので、この問題を回避することができる。また、原水が炭水化物やタンパク等の高分子の場合は、嫌気処理槽の前に酸生成槽を設けても良い。また、方式としては一過式が望ましいが、沈殿池を設け、流出した担体、汚泥を回収し返送しても良い。

　嫌気処理水は第１好気槽２で残存する溶解性ＢＯＤの７０％以上、望ましくは８０％以上さらに望ましくは９０％以上が分解され、好気性の分散菌体へと変換される。第１好気槽２のｐＨは６以上、望ましくは９以下とする。第１好気槽２へのＢＯＤ容積負荷は１ｋｇ／ｍ^３／ｄ以上、ＨＲＴ２４ｈ以下、例えば０．５ｈ～２４ｈとすることで、分散性細菌が優占化した処理水を得ることが出来る。また、ＨＲＴを短くすることでＢＯＤ濃度の薄い排水を高負荷で処理することが出来る。さらに、第２好気槽３からの汚泥の一部を返送したり、二槽以上の多段化にしても良い。

　また、第１好気槽２の滞留時間(ＨＲＴ)が最適値よりも過度に長くなると、糸状性細菌の優占化やフロックの形成につながり、第２好気槽３で捕食しされにくい細菌が生成されてしまう。そこで、第１好気槽２のＨＲＴを一定に制御するのが好ましい。最適ＨＲＴは排水により異なるため、机上試験などから、有機成分の７０～９０％を除去できるＨＲＴを求めるのが好ましい。ＨＲＴを最適値に維持する方法としては、排水量減少時に、第１好気槽２の処理水の一部を返送し、第１好気槽２に流入する水量を一定にし、第１好気槽２のＨＲＴを安定させる方法や、原水量の変動に合わせ第１好気槽２の水位を変動させる方法がある。安定させる幅は、机上試験で求めた最適ＨＲＴの０．７５～１．５倍以内に納めることが望ましい。

　分散菌を生成するためには第１好気槽２の溶存酸素濃度を０．５ｍｇ／Ｌ以上とするのが好ましいが、好気処理単独とは違い前段で嫌気処理を行う場合は溶存酸素濃度の影響をあまり受けないため、溶存酸素濃度を高くしても安定して処理可能である。また、第２好気槽３に微小動物を維持するには、嫌気処理で発生する硫化水素を第１好気槽２で酸化し５０ｍｇ－Ｓ／Ｌ以下とするのが好ましい。

　ただし、第１好気槽２に流入する硫化水素濃度が高い場合は、第１好気槽担体に硫黄酸化細菌が過剰に付着し、担体が沈降してしまう恐れがある。この場合は、第１好気槽２に水中ポンプを設置し、担体を含む槽内液をポンプで循環することで、担体に付着した過剰な菌体を剥離することが望ましい。

　次に第１好気槽２の処理水を第２好気槽３に導入し、ここで、残存している有機成分の酸化分解、分散性細菌の自己分解および微小動物による補食による余剰汚泥の減量化を行う。第２好気槽３では細菌に比べ増殖速度の遅い微小動物の働きと細菌の自己分解を利用するため、微小動物と細菌が系内に留まるような運転条件および処理装置を用いなければならない。そこで第２好気槽３に担体３ａを添加することにより、微小動物の槽内保持量を高めることが出来る流動床を形成することが望ましい。添加する担体は球状、ペレット状、中空筒状、糸状の任意であり、大きさも０．１～１０ｍｍ程度の径である。材料は天然素材、無機素材、高分子素材等任意で、ゲル状物質を用いても良い。望ましくは発泡プラスチック製の角型担体であることが望ましい。また、充填率を下げるため、担体の一部または全部を揺動担体としても良い。

　本発明において、第２好気槽３へ導入する第１好気槽処理水中の分散性細菌が多すぎた場合、第２好気槽３において微小動物が捕食しきれず、発生汚泥量低減には繋がらない。また、分散性細菌は凝集性が悪く固液分離が困難なため、固液分離手段として沈殿、加圧浮上、膜分離のいずれかまたは併用して使用する場合においても分散性細菌が残存することを防止するように、設備に余裕を持たせる必要がある。

　そこで、本発明では、好気処理部分すなわち第１好気槽２及び第２好気槽３の全体におけるＣＯＤｃｒ容積負荷を１０ｋｇ／ｍ^３／ｄ以下（例えば１～１０ｋｇ／ｍ^３／ｄ）、溶解性ＣＯＤｃｒ容積負荷を５ｋｇ／ｍ^３／ｄ以下（例えば０．５～５ｋｇ／ｍ^３／ｄ）とし、かつ、第１好気生物処理水ＳＳの第２生物処理槽担体への負荷が１５ｋｇ－ＳＳ／ｍ^３－担体／ｄ以下（例えば１～１５ｋｇ－ＳＳ／ｍ^３－担体／ｄ）とする。これにより、微小動物に分散性細菌を確実に捕食させることができる。

　実際の処理においては、各処理槽の槽容積や担体充填率を相互に調整することにより上記条件になるように適宜設計する。

　第１好気槽２では有機物の大部分を分解し、菌体へと安定して変換しておく必要がある。そのため、第１好気槽２は図２のように担体２ａを有した流動床とすることが望ましい。第１好気槽２に添加する担体の充填率が高すぎると、分散菌は生成せず、細菌は担体に付着するか、糸状性細菌が増殖するので、第１好気槽２の担体充填率を１０％以下として第１好気処理での好気性汚泥（含水率が高い）の発生量を抑えて嫌気性汚泥（含水率が低い）の比率を高めることで汚泥の減容を図るのが好ましい。

　第２好気槽３では、微小動物を槽内に維持するために多量の足場が必要となるので、添加する担体の充填率を１０％以上、特に２０％以上とりわけ２０～４０％とすることが望ましい。ここで添加する担体は球状、ペレット状、中空筒状、糸状の任意であり、大きさは０．１～１０ｍｍ程度の径であることが好ましい。材料は天然素材、無機素材、高分子素材等任意で、ゲル状物質を用いても良い。

　図３のフローは、図２のフローにおいて、第２好気処理水を凝集槽４に導入し、凝集剤を添加して撹拌し、凝集処理し、この凝集処理水を沈殿槽５に導入し、汚泥を沈降分離するようにし、上澄水を処理水として取り出すようにしたものである。凝集剤としては、無機凝集剤とポリマー凝集剤とを併用するのが好ましい。無機凝集剤としてはＰＡＣ、塩化第二鉄、ポリ硫酸第二鉄、硫酸バンド等が好適である。その添加量は原水濃度により変動する。ポリマー凝集剤としてはアニオン系のものが好ましい。

　このような凝集沈殿処理の代わりに凝集加圧浮上、膜分離を行ってもよく、これらを組み合わせてもよい。

　嫌気性細菌を含むＳＳを捕食する微小動物として最も適しているのがヒルガタワムシであるため、図１～３のいずれにおいても、立ち上げ時にはヒルガタワムシを含む種汚泥を第２好気槽３に添加するのが好ましい。

［実施例１］
　図２のフローに従って、ＢＯＤ濃度＝１６００ｍｇ／Ｌ、ＣＯＤｃｒ濃度＝２６００ｍｇ／Ｌの有機性原水（食品工場排水）２０Ｌ／ｄを、容量が３．３Ｌの嫌気槽（ＵＡＳＢ槽）１、容量が１Ｌの第１好気槽２(汚泥返送なし)、１Ｌの第２好気槽３(汚泥返送なし)を用いて処理した。また、第１好気槽２には充填率１０％で、第２生物処理槽には充填率４０％で担体を添加した。担体としては３ｍｍ角のポリウレタン担体を用いた。

　嫌気槽へのＣＯＤｃｒ容積負荷１６ｋｇ－ＣＯＤｃｒ／ｍ^３／ｄで運転したところ、嫌気槽出口では、溶解性ＣＯＤｃｒ濃度＝２６０ｍｇ／Ｌ、全ＣＯＤｃｒ濃度＝４８０ｍｇ／Ｌ、ＳＳ濃度＝１６０ｍｇ／Ｌであった。好気処理部分のＣＯＤｃｒ容積負荷は４．８ｋｇ－ＣＯＤｃｒ／ｍ^３／ｄ、溶解性ＣＯＤｃｒ負荷２．６ｋｇ／ｍ^３／ｄで運転した。第１好気槽処理水中のＳＳ濃度は２６４ｍｇ／Ｌで第２好気槽担体への負荷が１３．２ｋｇ－ＳＳ／ｍ^３－担体／ｄとなっていた。

　その結果、第２好気槽ＳＳ濃度は１６２ｍｇ／Ｌとなり、汚泥転換率は０．０６２５ｋｇ－ＳＳ／ｋｇ－ＣＯＤｃｒとなった。

［実施例２］
　図３のように凝集槽４及び沈殿槽５を設けたこと以外は実施例１と同じ条件で運転を行った。凝集剤としてＰＡＣを２００ｍｇ／Ｌ、アニオンポリマーを１ｍｇ／Ｌとなるよう添加した。その結果、処理水ＣＯＤｃｒ、ＳＳ濃度は２０ｍｇ／Ｌ以下となり良好な処理水質を達成した。

［比較例１］
　実施例２において、第２好気槽３の担体充填率を２５％とし、で第２好気槽担体への負荷が１９ｋｇ－ＳＳ／ｍ^３－担体／ｄとなったこと以外は同じ条件で運転を実施した。その結果、捕食しきれない分散性細菌の流出により、第２好気槽出口ＳＳ濃度は３９０ｍｇ／Ｌ、汚泥転換率は０．１５ｋｇ－ＳＳ／ｋｇ－ＣＯＤｃｒ(凝集剤分を除く)となった。処理水ＳＳ濃度を２０ｍｇ／Ｌ以下にするのに必要な凝集剤添加量は、ＰＡＣは４００ｍｇ／Ｌ、アニオンポリマーは２ｍｇ／Ｌまで増加した。

［比較例２］
　実施例２において、ＵＡＳＢ槽を２．６Ｌ、第２好気槽の担体充填率を５０％としたこと以外は同じ条件で運転を実施した。その結果、嫌気処理槽出口では、溶解性ＣＯＤｃｒ濃度＝５２０ｍｇ／Ｌ、全ＣＯＤｃｒ濃度＝７５０ｍｇ／Ｌ、ＳＳ濃度＝１５０ｍｇ／Ｌであった。好気処理部分のＣＯＤｃｒ容積負荷は７．５ｋｇ－ＣＯＤｃｒ／ｍ^３／ｄ、溶解性ＣＯＤｃｒ負荷５．２ｋｇ／ｍ^３／ｄで運転した。第１好気槽処理水中のＳＳ濃度は３７０ｍｇ／Ｌで第２好気槽担体への負荷が１４．８ｋｇ－ＳＳ／ｍ^３－担体／ｄとなっていた。

　その結果、捕食しきれない分散性細菌の流出により、第２好気槽出口ＳＳ濃度は４７０ｍｇ／Ｌ、汚泥転換率は０．１８ｋｇ－ＳＳ／ｋｇ－ＣＯＤｃｒ(凝集剤分を除く)となった。また、処理水ＳＳ濃度を２０ｍｇ／Ｌ以下にするのに必要な凝集剤添加量は、ＰＡＣは４００ｍｇ／Ｌ、アニオンポリマーは２ｍｇ／Ｌまで増加した。

　実施例１，２及び比較例１，２の条件及び結果を表１に示す。

　以上の実施例及び比較例からも明らかな通り、本発明によると、有機性排水の効率的な生物処理が可能になり、排水処理時に発生する汚泥の大幅な減量化、高負荷運転による処理効率の向上、及び安定した処理水質の維持を実現することができる。

　本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更が可能であることは当業者に明らかである。
　本出願は、２０１３年４月８日付で出願された日本特許出願２０１３－０８０５０４に基づいており、その全体が引用により援用される。

Claims (14)

1. 　有機性排水を嫌気槽で嫌気性生物処理する嫌気性生物処理工程と、その後少なくとも２段の好気槽で好気性生物処理する好気性生物処理工程とを有し、
   　該好気性生物処理工程では、第１好気槽において好気性細菌により生物処理して分散性細菌を生成し、該第１好気槽からの分散性細菌を含む第１好気処理水を、担体を有した第２好気槽に導入し、生物処理する有機性排水の生物処理方法において、
   　前記嫌気性生物処理工程では、前記好気性生物処理工程全体のＣＯＤｃｒ容積負荷が１０ｋｇ／ｍ^３／ｄ以下、かつ溶解性ＣＯＤｃｒ容積負荷が５ｋｇ／ｍ^３／ｄ以下となるように嫌気処理し、
   　第１好気処理水ＳＳの第２好気槽の担体への負荷が１５ｋｇ－ＳＳ／ｍ^３－担体／ｄ以下となるように第１好気槽で好気性処理することを特徴とする有機性排水の生物処理方法。
2. 　請求項１において、第１好気槽の担体充填率が１０％以下であり、第２好気槽の担体充填率が１０％以上であることを特徴とする有機性排水の生物処理方法。
3. 　請求項１又は２において、第２好気槽の担体で優占化している微小動物がヒルガタワムシであることを特徴とする有機性排水の生物処理方法。
4. 　請求項１ないし３のいずれか１項において、前記嫌気性生物処理工程が汚泥返送を行わない一過式処理であることを特徴とする有機性排水の生物処理方法。
5. 　請求項１ないし４のいずれか１項において、前記第２好気槽からの第２好気処理水を凝集沈殿分離、凝集加圧浮上分離及び、膜分離の少なくとも１つによって固液分離処理することを特徴とする有機性排水の生物処理方法。
6. 　請求項１ないし５のいずれか１項において、前記第１好気処理水中の溶存硫化水素濃度が５０ｍｇ－Ｓ／Ｌ以下となるように第１好気槽で好気性処理することを特徴とする有機性排水の生物処理方法。
7. 　請求項１ないし６のいずれか１項において、前記第１好気槽の、担体を含む槽内液をポンプで循環することで、担体に付着した菌体の一部を剥離することを特徴とする有機性排水の生物処理方法。
8. 　有機性排水を嫌気性生物処理する嫌気槽と、該嫌気槽処理水を好気処理する第１好気槽と、該第１好気槽処理水を好気処理する第２好気槽とを備えた有機性排水の生物処理装置において、
   　好気性生物処理工程全体のＣＯＤｃｒ容積負荷が１０ｋｇ／ｍ^３／ｄ以下、かつ溶解性ＣＯＤｃｒ容積負荷が５ｋｇ／ｍ^３／ｄ以下となるように嫌気処理し、
   　第１好気処理水ＳＳの第２好気槽の担体への負荷が１５ｋｇ－ＳＳ／ｍ^３－担体／ｄ以下となるように第１好気槽で好気性処理することを特徴とする有機性排水の生物処理装置。
9. 　請求項８において、第１好気槽の担体充填率が１０％以下であり、第２好気槽の担体充填率が１０％以上であることを特徴とする有機性排水の生物処理装置。
10. 　請求項８又は９において、第２好気槽の担体で優占化している微小動物がヒルガタワムシであることを特徴とする有機性排水の生物処理装置。
11. 　請求項８ないし１０のいずれか１項において、前記嫌気槽において、汚泥返送を行わない一過式処理が行われることを特徴とする有機性排水の生物処理装置。
12. 　請求項８ないし１１のいずれか１項において、前記第２好気槽からの第２好気処理水を凝集沈殿分離、凝集加圧浮上分離及び、膜分離の少なくとも１つによって固液分離処理することを特徴とする有機性排水の生物処理装置。
13. 　請求項８ないし１２のいずれか１項において、前記第１好気処理水中の溶存硫化水素濃度が５０ｍｇ－Ｓ／Ｌ以下となるように第１好気槽で好気性処理することを特徴とする有機性排水の生物処理装置。
14. 　請求項８ないし１３のいずれか１項において、前記第１好気槽の、担体を含む槽内液をポンプで循環することで、担体に付着した菌体の一部を剥離することを特徴とする有機性排水の生物処理装置。

Images