JP2005144368A - 有機性廃棄物処理システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 有機性廃棄物を嫌気性発酵させてメタンガスを発生させるためのメタン発酵槽1の後段に、メタンガスを発生させた後の消化液を固液分離するための固液分離設備2を設け、かつこの固液分離設備2の後段に、固形分を除去した、窒素分と塩素イオンとを含む廃水を電解処理して、塩素イオンから次亜塩素酸系の強酸化物質を生成させ、この強酸化物質の酸化作用によって廃水中の窒素分を除去するための電解槽3を設けるとともに、メタン発酵槽1の前段に、当該メタン発酵槽1に鉄イオンを供給するための鉄イオン供給手段4を設けた有機性廃棄物処理システムである。
【選択図】 図1
Description
生物処理設備における生物学的脱窒素法の例としては、例えば硝化菌の作用によって廃水中のアンモニウム塩を亜硝酸塩に、亜硝酸塩を硝酸塩に酸化する硝化処理と、脱窒菌の作用によって、亜硝酸塩や硝酸塩を窒素などのガス状生成物に還元して除去する脱窒素処理とを組み合わせたものなどを挙げることができる。
請求項3記載の発明は、メタン発酵槽中の水分の一部、または固液分離手段で固形分を除去した廃水の一部を鉄電解槽に供給して電気分解に用いる請求項2記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項5記載の発明は、廃水処理設備の後段に、廃水を濃縮して塩素イオン濃度を高めるための濃縮手段を設け、濃縮手段で濃縮した廃水を電解槽またはその前段に返送する請求項4記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項7記載の発明は、固液分離設備で除去した固形分を含む濃縮物をさらに脱水処理するための機械的脱水装置を設け、この機械的脱水装置で脱水処理して得た水分を電解槽、廃水処理設備、またはこのいずれかの前段に供給する請求項4記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項9記載の発明は、メタン発酵槽の前段に、有機性廃棄物を可溶化処理するための可溶化調整槽を設けた請求項1記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項11記載の発明は、固液分離設備で廃水を除去した後の、固形分を含む濃縮物を可溶化調整槽、メタン発酵槽、またはこのいずれかの前段に供給する請求項9記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項13記載の発明は、塩水として海水を用いる請求項12記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項14記載の発明は、電解槽またはその前段に、消泡剤を供給するための消泡剤供給手段を接続した請求項1記載の有機性廃棄物処理システムである。
請求項5記載の発明によれば、濃縮手段において廃水を濃縮して、し尿などに元々含まれている塩素イオンの濃度を、電解槽において廃水を電解処理して、前記の反応機構によって窒素分を除去するのに必要かつ十分な濃度に高めた状態で、電解槽またはその前段に供給することができる。このため、電解槽に必要な塩素イオンを別途補給することなしに、電解槽での電解処理によって窒素分を除去することが可能である。また濃縮手段から出る廃水は塩素イオン濃度が低減されているため、当該濃縮手段の後段側に、塩素イオン除去のための設備を別途、設けることなしに、廃水をそのままで放流できるという利点もある。
請求項10記載の発明によれば、固液分離設備で固形分を除去した廃水の一部、または電解槽で電解処理した廃水の一部を可溶化調整槽またはメタン発酵槽に供給して、これら槽中の有機性廃棄物を適度な濃度に希釈することができる。このため、主にたんぱく質に起因する、メタン菌の阻害因子であるアンモニア(NH3)の濃度の上昇を抑えて、メタン発酵槽におけるメタンガスの発生効率を向上することができる。
また、電解槽で電解処理した廃水を可溶化調整槽に供給する場合は、上記2つの効果に加えて、廃水中に含まれる次亜塩素酸系の強酸化物質の酸化作用によって有機物の可溶化をさらに促進できるため、メタンガスの発生効率をより一層、向上することができる。
この例の有機性廃棄物処理システムは、前記のように家庭などから出る生ゴミやし尿、浄化槽汚泥、畜産農家などから出る家畜糞尿などの有機性廃棄物OWをメタン菌の作用によって嫌気性発酵させてメタンガスを発生させるためのメタン発酵槽1と、メタンガスを発生させた後の消化液を固液分離するための固液分離設備2と、固液分離設備で固形分(汚泥)SLを除去した、窒素分と塩素イオンとを含む廃水を電解処理して窒素分を除去するための電解槽3と、上記メタン発酵槽1に鉄イオンを供給するための鉄イオン供給手段としての鉄電解槽4と、電解槽3で電解処理後の廃水をさらに処理するための廃水処理設備5とを備えている。廃水処理設備5で処理した廃水は河川等に放流される。
また固液分離設備2としては、例えば機械的脱水装置、沈殿槽、膜分離装置などを挙げることができる。また固液分離設備2は、これらの装置を2種以上組み合わせて構成しても良い。特に消化液中の固形分が多い場合は、機械的脱水装置と膜分離装置とを組み合わせて、機械的脱水装置で大部分の固形分を除去後、膜分離装置で細かな固形分を除去するようにするのが好ましい。
図2は、上記機能を有する電解槽3の一例を示している。図の電解槽3は、固液分離設備2から供給された廃水ECを収容するための槽本体30を備えるとともに、当該槽本体30内に一対の電極31、32を配設し、かつ槽本体30の、図において左側の上部に、固液分離設備2からの配管33、左側の下部に、廃水処理設備5への配管34を接続したものである。
(カソード側)
NO3 −+6H2O+8e−→NH3+9OH− (1)
(アノード側)
2Cl−→Cl2+2e− (2)
H2O+Cl2⇔HClO+H++Cl− (3)
(アノード側+カソード側)
2NH3+3HClO→N2↑+3HCl+3H2O (4)
なお電極は、図の例のようにカソード側、アノード側ともに1枚ずつでなく、複数枚を、交互に配列しても良い。また槽本体30内を、陽イオン交換膜を用いてカソード側とアノード側に隔てても良い。
このうち測定手段S1としては、残留塩素濃度測定手段、酸化還元電位測定手段、pH測定手段、またはアンモニア濃度測定手段を挙げることができる。測定手段S1は1種単独で使用しても良いし、2種以上を併用しても構わない。
そして制御手段Cは、直流電源Dを作動させて、電極31、32を介して廃水ECに所定の電流を流して、電解処理を開始する。それとともに制御手段Cは、測定手段S1による、廃水ECの性状の測定を開始し、電解処理が進んで廃水ECが所定の性状に達した時点、具体的には窒素分がなくなった時点で直流電源Dを停止させて電解処理を終了する。これにより、前述したように電解処理されて電解槽3から出る廃水ECの水質を常に一定に保つことが可能となる。
例えば廃水EC中の残留塩素濃度は、当該廃水EC中に窒素分が存在している間、前記の反応機構によって次亜塩素酸イオンなどが消費され続けるため、電解処理を続けても低い値に留まっているが、窒素分がなくなると急激に上昇する。このため測定手段S1として残留塩素濃度測定手段を用いて、残留塩素濃度が急激に上昇を開始した時点を検知することで、廃水ECが所定の性状に達したの知ることができる。
さらにアンモニア濃度測定手段によれば、廃水EC中の窒素分の濃度を直接的に測定することができるため、窒素分がなくなった時点を検知することで、廃水ECが所定の性状に達したの知ることができる。
以上の操作を繰り返すことにより、廃水ECを連続的に電解処理することができる。なお、廃水ECを電解槽3の槽本体30内に流入させるとともに、電解処理後の廃水ECを槽本体30から流出させるためには、その自重を利用して自然に流下させるのが好ましいが、設置スペースなどの関係で自然流下が難しい場合は、例えば配管33に送出ポンプを設けて、廃水ECを強制的に流通させるようにしても良い。
なお鉄イオン供給手段としては、上記鉄電解槽4に代えて、例えば鉄を含む水溶性の塩やその水溶液、あるいは鉄粉などをメタン発酵槽1に定量ずつ供給する手段などを採用することもできる。
このうち生物処理設備5aとしては、従来同様の構成を有するものを採用することができる。
このうち反応槽51の底部には、槽外部に設けたポンプGP1から、図中に短い破線の矢印で示すように、槽内の廃水ECに、硝化反応に必要な酸素を含む空気を吹き込むための配管を接続してある。また反応槽51の底部には散気装置RAを設置してあり、上記ポンプGP1から空気を送り込むと散気装置RAが作動して、槽内の廃水ECをかく拌するようにもしてある。反応槽51内には硝化菌と脱窒菌が収容される。
さらにかく拌槽52には、槽外部に設けたポンプGP2によって、図中に長い破線の矢印で示すように、天部から槽内のガスを取り出して、底部から再び槽内の廃水EC中に吹き込むように循環させることで、当該槽内の廃水ECをかく拌するための配管を接続してある。かく拌槽には脱窒菌が収容される。また反応槽51とかく拌槽52には、図中に二点鎖線の矢印で示すように、槽内の廃水ECにメタノールMeなどの有機物を供給するための配管も接続してある。
(脱窒素工程)
ポンプGP1を停止した状態で廃水ECを投入するともに、必要に応じて、脱窒菌の栄養分として少量のメタノールMeなどを供給すると、反応槽51内が嫌気的雰囲気となって脱窒菌が活性化し、当該脱窒菌の作用によって、亜硝酸塩や硝酸塩が窒素などのガス状生成物に還元されて廃水EC中から除去される。
亜硝酸塩や硝酸塩が除去された時点で廃水ECの投入とメタノールMeなどの供給を停止すると、脱窒菌の活性が低下する。そこでポンプGP1を作動させて、廃水EC中に空気を吹き込むとともに、散気装置RAを作動させて廃水ECをかく拌して曝気させると、反応槽51内が好気的雰囲気となって硝化菌が活性化する。そしてこの硝化菌の作用によって、廃水EC中の窒素分(有機物中の窒素やアンモニウム塩中の窒素)が、ポンプGP1によって吹き込まれた空気中の酸素と反応して主に亜硝酸塩に、さらにその一部が硝酸塩に酸化される。
図4は、生物処理設備5aの他の例を示している。図の生物処理設備5aは、電解槽3から高度処理設備5bへ向かう廃水ECの流れ(図中に実線の矢印で示す)に沿って順に脱窒素槽54と、硝化槽55と、二次脱窒素槽56と、再曝気槽37とを備え、前処理設備1で前処理した廃水ECを希釈水Wで希釈しながら処理する標準脱窒素処理方式のものである。
さらに脱窒素槽54と二次脱窒素槽56にはそれぞれ、槽外部に設けたポンプGP4によって、図中に長い破線の矢印で示すように、天部から槽内のガスを取り出して、底部から再び槽内の廃水EC中に吹き込むように循環させることで、両槽54、56内の廃水ECをかく拌するための配管を接続してある。両槽54、56には脱窒菌が収容される。また両槽54、56には、図中に二点鎖線の矢印で示すように、槽内の廃水ECにメタノールMeなどを供給するための配管も接続してある。
電解槽3で電解処理した廃水ECを所定の流量で、脱窒素槽54を通して硝化槽55に供給するとともに、必要に応じて硝化槽55に希釈水Wを供給し、かつ脱窒素槽54にメタノールMeなどを供給しながら、当該硝化槽55で出た余剰分の廃水ECの大部分を脱窒素槽54に戻す操作を連続して行うと、まず硝化槽55内で、廃水EC中の窒素分(有機物中の窒素やアンモニウム塩中の窒素)が、ポンプGP3によって吹き込まれた空気中の酸素と、硝化菌の作用によって反応して亜硝酸塩に、さらには硝酸塩に酸化される。
また硝化槽55で出た余剰分の廃水ECのうち、脱窒素槽54に戻されなかった一部を、次工程である二次脱窒素槽56に送るとともに、必要に応じて二次脱窒素槽56に、脱窒菌の栄養分として少量のメタノールMeなどを供給すると、当該槽内で、脱窒菌によって仕上げの脱窒素処理が行われる。すなわち廃水EC中に残存する亜硝酸塩や硝酸塩が、脱窒菌の作用によって窒素などのガス状生成物に還元されて廃水EC中から除去される。
高度処理設備5bとしては、従来同様の構成を有するものを採用することができる。すなわち廃水ECに硫酸アルミニウムなどの凝集剤を添加して微細なSSを沈殿しやすいフロックにし、かつ色度やCODのもとになる有機物の一部とリン酸とを不溶化して分離させるための凝集分離装置、廃水ECをオゾンと接触させて殺菌処理するとともに、COD成分、とくに色度成分を酸化分解するためのオゾン酸化装置、廃水ECに残留する微細なSSを除去するための砂ろ過装置、COD成分や色度成分を高度に除去するための活性炭吸着装置などを適宜、組み合わせて高度処理設備5bを構成することができる。
この例の有機性廃棄物処理システムは、廃水処理設備5の後段に、当該廃水処理設備5で処理した廃水を濃縮して塩素イオン濃度を高めるための濃縮手段6を設け、この濃縮手段6において濃縮した廃水を、図中に二点鎖線の矢印で示すように電解槽3の前段に返送するようにした点が、先の図1の例と異なっている。その他の部分は図1の例と同様であるので、同一個所に同一符号を付して説明を省略する。なお図では、廃水処理設備5を1つのブロックで示しているが、この廃水処理設備5が、実際には生物処理設備5aと高度処理設備5bとを組み合わせて構成されることも、前記と同様である。
この例の有機性廃棄物処理システムは、固液分離設備2で除去した固形分を含む濃縮物をさらに脱水処理するための機械的脱水装置7を設け、この機械的脱水装置7で脱水処理して得た水分を、図中に二点鎖線の矢印で示すように電解槽3、または廃水処理設備5の前段のいずれかに供給するようにした点が、先の図1の例と異なっている。その他の部分は図1の例と同様であるので、同一個所に同一符号を付して説明を省略する。廃水処理設備5が、実際には生物処理設備5aと高度処理設備5bとを組み合わせて構成されることも前記と同様である。
なお機械的脱水装置7において脱水処理して得た水を、電解槽3と廃水処理設備5のいずれに供給するかは、水に含まれる固形分の量などによって適宜、選択すればよい。例えば固形分の量が多く、電解槽3の電極間や循環路などで目詰まりしやすい場合は、水を廃水処理設備5の前段に供給すればよく、それ以外の場合は電解槽3と廃水処理設備5のいずれに供給してもよい。
この例の有機性廃棄物処理システムは、電解槽3の前段に、固液分離手段2で固形分を除去した廃水を濃縮して塩素イオン濃度を高めるための濃縮手段6を設け、濃縮手段6で濃縮した廃水を電解槽3に供給するようにした点が、先の図1の例と異なっている。その他の部分は図1の例と同様であるので、同一個所に同一符号を付して説明を省略する。廃水処理設備5が、実際には生物処理設備5aと高度処理設備5bとを組み合わせて構成されることも前記と同様である。濃縮手段6としては、前記と同様のものを採用することができる。
この例の有機性廃棄物処理システムは、メタン発酵槽1の前段に、有機性廃棄物OWを可溶化処理するための可溶化調整槽8を設けた点が、先の図1の例と異なっている。その他の部分は図1の例と同様であるので、同一個所に同一符号を付して説明を省略する。廃水処理設備5が、実際には生物処理設備5aと高度処理設備5bとを組み合わせて構成されることも前記と同様である。
上記例の有機性廃棄物処理システムにおいては、可溶化調整槽8において、有機性廃棄物OW中の脂質、たんぱく質、炭水化物などの有機物(メタン源)をあらかじめ有機酸に可溶化(液化)した状態でメタン発酵槽1に供給できるため、当該メタン発酵槽1における、メタンガスの発生効率を向上できるという利点がある。
この例の有機性廃棄物処理システムは、図中にいずれも二点鎖線の矢印で示すように、固液分離設備2で固形分を除去した廃水の一部、または電解槽3で電解処理した廃水の一部を可溶化調整槽8、またはメタン発酵槽1の前段に供給するようにした点が、図8の例と異なっている。その他の部分は図8の例と同様であるので、同一個所に同一符号を付して説明を省略する。
また、電解槽3で電解処理した廃水を可溶化調整槽8に供給するようにした場合は、上記2つの効果に加えて、廃水中に含まれる次亜塩素酸系の強酸化物質の酸化作用によって有機物の可溶化をさらに促進できるため、メタンガスの発生効率をより一層、向上することができる。
この例の有機性廃棄物処理システムは、図中にいずれも二点鎖線の矢印で示すように、固液分離設備2で廃水を除去した後の、固形分を含む濃縮物(汚泥)を、可溶化調整槽8、またはメタン発酵槽1の前段に供給するようにした点が、図8の例と異なっている。その他の部分は図8の例と同様であるので、同一個所に同一符号を付して説明を省略する。
また、上記各例の有機性廃棄物処理システムを構成する各部のうち可動部分は、メタン発酵槽1で発生させたメタンを燃料として発電機を駆動させて発電した電力や、メタンを水素源として燃料電池によって発電した電力によって駆動するようにするのが好ましい。また、可溶化調整槽8に吹き込む加熱水蒸気を発生させるための熱源や、濃縮手段6としての蒸発処理の熱源などとしても、メタン発酵槽1で発生させたメタンを燃焼させて得た熱エネルギーや、メタンをガスエンジンで燃焼させた後の排ガスの余熱エネルギーなどを利用するのが好ましい。
2 固液分離設備
3 電解槽
4 鉄電解槽(鉄イオン供給手段)
5 廃水処理設備
6 濃縮手段
7 機械的脱水装置
8 可溶化調整槽
OW 有機性廃棄物
EC 廃水
SL 汚泥
Claims (14)
- 有機性廃棄物を嫌気性発酵させてメタンガスを発生させるためのメタン発酵槽と、メタン発酵槽でメタンガスを発生させた後の消化液を固液分離するための固液分離設備と、固液分離設備で固形分を除去した、窒素分と塩素イオンとを含む廃水を電解処理して窒素分を除去するための電解槽と、上記メタン発酵槽またはその前段に鉄イオンを供給するための鉄イオン供給手段とを備えることを特徴とする有機性廃棄物処理システム。
- 鉄イオン供給手段として、水中での、鉄電極を用いた電気分解によって鉄イオンを溶出させる鉄電解槽を用いた請求項1記載の有機性廃棄物処理システム。
- メタン発酵槽中の水分の一部、または固液分離手段で固形分を除去した廃水の一部を鉄電解槽に供給して電気分解に用いる請求項2記載の有機性廃棄物処理システム。
- 電解槽の後段に、電解処理した廃水をさらに生物処理および高度処理するための廃水処理設備を設けた請求項1記載の有機性廃棄物処理システム。
- 廃水処理設備の後段に、廃水を濃縮して塩素イオン濃度を高めるための濃縮手段を設け、濃縮手段で濃縮した廃水を電解槽またはその前段に返送する請求項4記載の有機性廃棄物処理システム。
- 電解槽に、槽内での電解によって発生したガスを廃水処理設備に供給して、ガス中の塩素によって廃水を殺菌処理するためのガス供給路を接続した請求項4記載の有機性廃棄物処理システム。
- 固液分離設備で除去した固形分を含む濃縮物をさらに脱水処理するための機械的脱水装置を設け、この機械的脱水装置で脱水処理して得た水分を電解槽、廃水処理設備、またはこのいずれかの前段に供給する請求項4記載の有機性廃棄物処理システム。
- 電解槽の前段に、固液分離手段で固形分を除去した廃水を濃縮して塩素イオン濃度を高めるための濃縮手段を設け、濃縮手段で濃縮した廃水を電解槽に供給する請求項1記載の有機性廃棄物処理システム。
- メタン発酵槽の前段に、有機性廃棄物を可溶化処理するための可溶化調整槽を設けた請求項1記載の有機性廃棄物処理システム。
- 固液分離設備で固形分を除去した廃水の一部、または電解槽で電解処理した廃水の一部を可溶化調整槽、メタン発酵槽、またはこのいずれかの前段に供給する請求項9記載の有機性廃棄物処理システム。
- 固液分離設備で廃水を除去した後の、固形分を含む濃縮物を可溶化調整槽、メタン発酵槽、またはこのいずれかの前段に供給する請求項9記載の有機性廃棄物処理システム。
- 電解槽またはその前段に、塩水を供給するための塩水供給手段を接続した請求項1記載の有機性廃棄物処理システム。
- 塩水として海水を用いる請求項12記載の有機性廃棄物処理システム。
- 電解槽またはその前段に、消泡剤を供給するための消泡剤供給手段を接続した請求項1記載の有機性廃棄物処理システム。
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