JP3664398B2 - 有機性廃水及び汚泥の処理方法及び処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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及び汚泥を処理するシステムに係わり、更に詳しくは、し尿や浄化槽汚泥の消化脱離液、汚泥の消化液、化学工場排水などの高濃度の有機物、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（以下「ＭＡＰ」ともいう）結晶として除去するとともに、該ＭＡＰ結晶を回収する技術において、純度の高い良質のＭＡＰ結晶を効率良く回収する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一般的な脱窒、脱リンの同時処理方法としては、嫌気無酸素好気法などの生物学的処理方法や、嫌気好気法、凝集沈殿法、アルミナ吸着法等を組み合わせた方法等がある。また、近年、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を回収する処理法等も試みられている。これらの処理方法の内、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、嫌気好気法と凝集沈殿法等を組み合わせた方法は、処理工程が煩雑な上に薬品代をはじめとするランニングコストが大きいという問題があった。ＭＡＰ処理法は、先の２法に比べて運転操作の煩雑さは少なく、特にリンの回収を安定的に行える上、回収されるＭＡＰは優れた肥料としての付加価値があり、資源の有効利用の点からも優れたリン及び窒素の除去技術といえる。
【０００３】
しかし、ＭＡＰ法の場合も、（１）ｐＨ調整剤としての水酸化ナトリウムや添加剤としての塩化マグネシウム等の薬品コストが大きい、（２）３０分程度の短時間において急速にＭＡＰを晶析させる（「急速ＭＡＰ反応」と略記する）と、微細なＭＡＰ粒子が生成され、ＭＡＰ反応槽の処理水中に微細ＭＡＰ粒子が同伴され、ＭＡＰ回収率が６０〜７０％程度に低下する場合がある、（３）急速ＭＡＰ反応は、約１０００ｍｇ／リットル以上のＳＳが液中に混在するとＳＳがＭＡＰ晶析物と絡み合い、純度の高いＭＡＰ結晶としての回収が困難である、（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においては、嫌気性消化工程においてすでにＭＡＰ反応が行われており、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ため、消化汚泥に混在した状態で、回収されないまま汚泥とともに処分されているなどの問題点が存在する。
【０００４】
そこで、本発明者らは上述した従来の問題を解決すべく、特許出願「特願２０００−２３１６３３」（特開平２００２−０４５８８９−特許文献１）、「特願２００２−１８６１７９」、及び「特願２００２−１１６２５７」等において開示した、「有機性廃水の処理方法及び処理装置」により、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。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分を除いた余剰汚泥との混合汚泥（「混合余剰汚泥」ともいえる）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。該発明を実施することにより、廃水中からのリン回収効率を大幅に高めることが可能となった。そこで、本発明者らはさらに該発明を改善すべく詳細に検討した結果、ＭＡＰとしてのリン回収率のさらなる向上と安定化を可能にすることに成功した。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−０４５８８９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来技術の問題点の解決及び、先の特許出願「特願２０００−２３１６３３」（特開２００２−０４５８８９）、「特願２００２−１８６１７９」、及び「特願２００２−１１６２５７」等の発明をさらに向上させることを目的とする。すなわち、本発明は、有機性廃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、例えばし尿や浄化槽汚泥の消化脱離液、汚泥の消化液、化学工場排水などの高濃度の有機物、リン及び窒素を含有する廃水に対して、嫌気性処理工程を採用し、かつ、リンをリン酸マグネシウムアンモニウム結晶として除去するＭＡＰ処理法において、リンの除去及び回収効率を大幅に改善する技術を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下に示す手段により上記課題を解決することができた。
（１）嫌気性処理工程を組み入れた有機性廃水又は汚泥処理システムであり、該嫌気性消化工程において汚泥中に発生するリン酸マグネシウムアンモニウムを系外に取り出すリン酸マグネシウムアンモニウム分離工程を有する処理方法であって、該リン酸マグネシウムアンモニウム分離工程において汚泥中に分散するリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を除去した後のリン酸マグネシウムアンモニウム脱離汚泥に対する汚泥減量化工程、該リン酸マグネシウムアンモニウム分離工程において分離したリン酸マグネシウムアンモニウム濃縮懸濁液に対してマグネシウムイオンを含む溶液を混合又は接触させるリン酸マグネシウムアンモニウム−マグネシウム溶液接触工程、該リン酸マグネシウムアンモニウム−マグネシウム溶液接触工程後の該リン酸マグネシウムアンモニウム濃縮懸濁液を含む液体からリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を回収する工程、及び回収された固形状のリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を取り除いた後のリン酸マグネシウムアンモニウム脱離後懸濁液を、前記嫌気性消化工程又はその前段に戻す工程を有することを特徴とする有機性廃水及び汚泥の処理方法。
【０００８】
（２）リン酸マグネシウムアンモニウム脱離汚泥に対する汚泥減量化工程において該汚泥から分離した濃縮分離液又は脱水ろ液を、リン酸マグネシウムアンモニウム−マグネシウム溶液接触工程に導入することでリン酸マグネシウムアンモニウム粒子、マグネシウム溶液由来のマグネシウムイオン、及び濃縮分離液または脱水ろ液由来のリン酸イオンが、同時に接触することを特徴とする前記（１）に記載の有機性廃水及び汚泥の処理方法。
（３）汚泥中のリン酸マグネシウムアンモニウムを回収する手段として、液体サイクロン、ふるいやスクリーン状の分離体、沈殿分離装置、及びリン酸マグネシウムアンモニウム洗浄装置の内少なくとも１つを使用することを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の有機性廃水及び汚泥の処理方法。
【０００９】
（４）有機性廃水又は汚泥処理システムの構成装置として、嫌気性消化反応槽を有し、該嫌気性消化反応槽には少なくとも原水供給管と消化汚泥排出管が接続し、該嫌気性消化反応槽に直接又は間接的にマグネシウム源の供給を行うことが可能なフローで構成され、該嫌気性消化反応槽から排出された汚泥又は該嫌気性消化反応槽内の汚泥から比重が大きい粒子を優先的に濃縮分離する固液分離装置を配備し、該固液分離装置により分離した粒子を多く含むスラリー状又は固形状物質に対して、マグネシウムイオン溶液又はマグネシウムイオン溶液と濃縮分離液あるいは脱水ろ液由来のリン酸イオンを接触させる装置及び、マグネシウムイオン溶液と接触後の粒子を固形物として回収する装置を含み、粒子と接触後のマグネシウムイオン溶液を直接的または間接的に前記嫌気性消化反応槽に導入することを特徴とする有機性廃水及び汚泥の処理装置。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面にしたがって説明する。図１は本発明の一実施形態であり、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
図１において、有機性廃水処理システムから排出される初沈汚泥５と余剰活性汚泥６は、汚泥濃縮装置２１で濃縮分離され、濃縮汚泥７は投入汚泥混合槽２２に導かれる。投入汚泥混合槽２２には、濃縮汚泥７の他に、ＭＡＰ−Ｍｇ接触槽２５においてＭＡＰ粒子の大部分を取り除かれ、かつマグネシウムイオンが多く残留するＭＡＰ脱離汚泥１５、及び必要に応じてマグネシウム源１７、またはＭＡＰ濃縮装置２４で濃縮されたＭＡＰ濃縮汚泥１４の一部が導入される。
投入汚泥混合槽２２の目的は、嫌気性消化槽２３に投入すべき濃縮汚泥７を、これら種々の液体と混合し一時的に滞留させることにより、後段の嫌気性消化槽２３内での消化率の向上、ＭＡＰ生成率の向上、ＭＡＰ粒子径の拡大、消化槽内の壁面等へのＭＡＰ付着の防止等に効果を上げることである。投入汚泥混合槽２２内は撹拌機による撹拌処理、及び必要に応じて加温処理を施す場合がある。
【００１１】
投入汚泥混合槽２２において調整された消化槽投入汚泥８は、消化槽２３において嫌気的に生物分解される。同時に、嫌気的生物分解における代謝成分であるアンモニアイオン、リン酸イオン、及びマグネシウムイオンに加えて、ＭＡＰ−Ｍｇ接触槽２５や投入汚泥混合槽２２において補給されたマグネシウム源を、基質成分として消化槽２３内においてＭＡＰ粒子が晶析する。
ＭＡＰ粒子を含む消化汚泥９は、ＭＡＰ分離濃縮機２４において、粒径１００μｍ以上で比重１．５以上のＭＡＰを主体とする粒子を多く含むＭＡＰ濃縮汚泥１４とＭＡＰ脱離汚泥（１）１０に分離される。ＭＡＰ分離濃縮機としては液体サイクロン、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、それらの装置原理を組み合わせた装置等を使用することができる。ＭＡＰ脱離汚泥（１）１０は一部が消化槽２３に返送され、残りが脱水装置２６により脱水され脱水ケーキ１１となる。
【００１２】
ＭＡＰ濃縮汚泥１４はＭＡＰ−Ｍｇ接触槽２５に導入される。該ＭＡＰ−Ｍｇ接触槽２５では新たなＭｇ源１７、及び必要に応じてｐＨ調整剤を供給することにより、ＭＡＰ濃縮汚泥１４中に存在するＭＡＰ粒子の表面に新たなＭＡＰが積層される。投入汚泥混合槽２２及びＭＡＰ−Ｍｇ接触槽２５に供給するＭｇ源供給量は、後段の消化槽２３内のリンをできるだけＭＡＰとして合成し、溶解性リン濃度を極小にするのに必要な量を添加することが好ましい。当然、Ｍｇ源添加剤のコストやその他のシステムのハンドリング性も考慮して、Ｍｇ源添加量を設定するべきであることは言うまでもない。また、ＭＡＰ−Ｍｇ接触槽２５の設定ｐＨを８．５以上に高くしすぎると、有機性ＳＳが絡まったＭＡＰ粒子が形成される恐れがあり好ましくない。適正設定ｐＨとしては７．５〜８．０の範囲となる場合が多い。
【００１３】
また、該ＭＡＰ−Ｍｇ接触槽２５は、ＭＡＰ粒子の洗浄用装置とすることも可能である。例えば、ＭＡＰ分離濃縮機２４として液体サイクロン単体を採用した場合は、ＭＡＰ濃縮汚泥１４はＭＡＰ粒子以外に約２％の有機性ＳＳ成分を含むので、なるべく純粋なＭＡＰ粒子として回収をしたい場合は、該ＭＡＰ濃縮汚泥１４を洗浄する必要がある。ＭＡＰ粒子の洗浄用水として上水、処理水４、または脱水ろ液１２等にＭｇ源を添加した液体を使用し、ＭＡＰ−Ｍｇ接触槽２５に供給することにより、ＭＡＰ粒子表面上に新たなＭＡＰを析出させつつ、ＳＳを多く含むＭＡＰ濃縮汚泥１４から、ＭＡＰ粒子以外の有機性ＳＳ成分を洗い流すことが可能となる。一般的にＭＡＰ−Ｍｇ接触槽２５槽内はＭＡＰ晶析反応としてはリン律速状態であるが、特に、脱水ろ液１２にＭｇ源を添加した液体をＭＡＰ洗浄水とする場合は、脱水ろ液中に残存する溶解性リン成分が供給されることになるので、ＭＡＰの析出量が増大するとともに、返流水中のリン負荷を軽減させることにつながり効率的である。
【００１４】
このような洗浄機構を含むＭＡＰ−Ｍｇ接触槽２５としては、上向流の流動層型装置を使用することにより、ＭＡＰ粒子と洗浄水希釈汚泥との分離性が良く、また、ＭＡＰ粒子の引抜き時にＭＡＰ濃縮汚泥１４の供給を一時停止し、洗浄水のみを供給することにより、有機性ＳＳ成分をほとんど含まないＭＡＰ粒子を回収することが可能となる。
【００１５】
ＭＡＰ−Ｍｇ接触槽２５から投入汚泥混合槽２２に返流されるＭＡＰ脱離汚泥（２）１５は、マグネシウムイオン濃度が大きく、溶解性リン濃度が小さく、また嫌気性消化汚泥由来であることからＭアルカリ成分を多く含む。投入汚泥混合槽２２において、該汚泥１５、ＭＡＰ種晶源としてのＭＡＰ濃縮汚泥１４、及びさらなるＭｇ源を供給し、混合及び滞留させることにより、濃縮汚泥７の酸発酵が促進されることによる消化槽２３での消化率の向上、マグネシウム濃度の高い環境下において、ＭＡＰ粒子が多く存在することによるＭＡＰ生成の促進と大粒径化、及びＭＡＰ構成成分がＭＡＰ種晶の表面に優先的に析出しやすくなるために、消化槽内の壁面、底部、配管等にこびりつくＭＡＰが減少する効果等がある。
【００１６】
以上に説明したように、嫌気性消化汚泥中に積極的にＭＡＰ粒子を発生させてそのＭＡＰ粒子を回収する技術において、システム全体を構成する各プロセスの特性を生かしたＭｇ供給ポイントと、ＭＡＰ粒子の洗浄工程の最適化を行った本発明方法を採用することにより、下水汚泥中に含有されるリン成分の大部分を、ＭＡＰとして高効率に回収することが可能であり、脱水ケーキとして系外に排出されるリンの比率を大幅に削減することが可能となる。
【００１７】
【実施例】
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。
【００１８】
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実験による実施例であり、フローは先に示した図１のフローと同じである。Ａ処理場は、嫌気好気法による活性汚泥処理を採用している。実施例のパイロットプラントでは、Ａ処理場から採取した初沈汚泥５と余剰汚泥６を約１：１で混合し、遠心濃縮機により濃縮する。濃縮汚泥７は投入汚泥混合槽２２に導入する。該投入汚泥混合槽２２には、ＭＡＰ−Ｍｇ接触槽２５からのＭＡＰ脱離汚泥（２）１５、液体サイクロンにより消化汚泥からＭＡＰ粒子を濃縮したＭＡＰ濃縮汚泥１４の一部、及び塩化マグネシウム溶液を導入する。該投入汚泥混合槽２２は滞留時間が４８時間で、水温４０度に加温し、槽内は撹拌機により混和されている。該槽にはｐＨ調整剤を添加しなかったが、ＭＡＰ濃縮汚泥１４の返送量を調整することによりｐＨはほぼ７．０に制御することが可能であった。
【００１９】
ＭＡＰ−Ｍｇ接触槽２５は、混合ゾーンとＭＡＰ堆積ゾーンに分離されており、延べ滞留時間が３時間の上向流流動層型の装置を使用した。該槽２５には液体サイクロンにより濃縮したＭＡＰ濃縮汚泥１４、及び塩化マグネシウムを脱水ろ液１２に溶解して作ったＭｇ源供給水兼ＭＡＰ洗浄水を槽底部から供給した。Ｍｇ源供給水兼ＭＡＰ洗浄水は、ＭＡＰ濃縮汚泥１４の３倍量供給した。系内に投入した全塩化マグネシウムは、濃縮汚泥７の１リットル当たりマグネシウムイオンとして３００ｍｇ添加した。槽内は５００μｍ以上に成長したＭＡＰ粒子が、ＭＡＰ堆積ゾーンのテーパーになった底部から除々に堆積し、その堆積層高さが一定レベル以内に収まるように、ＭＡＰ粒子を底部から引抜くよう制御した。ＭＡＰ粒子の引抜き時には一時的にＭＡＰ濃縮汚泥１４の供給を停止し、ＭＡＰ堆積ゾーン底部からＭｇ含有洗浄水のみを供給する操作を行った。嫌気性消化槽２３は、３５℃中温消化で、滞留時間は２５日とした。脱水機２６はスクリュープレス型脱水機を使用した。
【００２０】
また、本実施例の対照系（比較例）として、従来法の「混合濃縮＋嫌気性消化＋脱水」のプロセス（図３参照）と、「特開２００２−０４５８８９」のプロセス（図２参照）も同時に実行した。運転結果を第１表に示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
消化槽に投入した投入汚泥のＳＳは、従来法が４．２％、「特開２００２−０４５８８９」が４．０％、本実施例が２．９％であった。本実施例のＳＳが比較的小さいのは、投入汚泥混合槽２２において比較的濃度が低い汚泥等を混合していることによる。ＭＡＰとして回収できたリンは、消化槽投入汚泥１ｍ³あたり、「特開２００２−０４５８８９」５．１ｋｇ／ｍ³に対して、本発明法６．５ｋｇ／ｍ³となり本発明法の方が１．４ｋｇ／ｍ³大きくなった。また、回収したＭＡＰ粒子の純度は、「特開２００２−０４５８８９」と本実施例とはともに９５％以上であった。このリン回収率を下水処理場に流入するリンに対する回収率として算出すると、「特開２００２−０４５８８９」４９％に対して、本実施例６５％と１６％向上する結果となった。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、有機性廃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、例えば、し尿や浄化槽汚泥の消化脱離液、汚泥の消化液、化学工場排水などの高濃度の有機物、リン及び窒素を含有する廃水から、リン酸マグネシウムアンモニウム結晶として除去するＭＡＰ処理法において、（１）ＭＡＰ回収率を大幅に向上することができ、（２）純度の高いＭＡＰを生成することができ、（３）処理水質の向上、及び（４）廃棄物として排出する脱水ケーキ中のリン含有率を大幅に低下することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のフローシートである。
【図２】比較例としての「特開２００２−０４５８８９」の方法のフローシートである。
【図３】比較例としての従来法のフローシートである。
【符号の説明】
１ 流入水
２ 最初沈殿池流出水
３ 生物反応装置流出水
４ 処理水
５ 初沈汚泥
６ 余剰汚泥
７ 濃縮汚泥
８ 消化槽投入汚泥
９ 消化汚泥
１０ ＭＡＰ脱離汚泥（１）（消化循環汚泥）
１１ 脱水ケーキ
１２ 脱水ろ液
１３ 濃縮装置脱離液
１４ ＭＡＰ濃縮汚泥
１５ ＭＡＰ脱離汚泥（２）
１６ 回収ＭＡＰ
１７ マグネシウム源
１８ 最初沈殿池
１９ エアレーションタンク
２０ 最終沈殿池
２１ 汚泥濃縮装置
２２ 投入汚泥混合槽
２３ 消化槽
２４ ＭＡＰ分離濃縮機（液体サイクロン）
２５ ＭＡＰ−Ｍｇ接触槽
２６ 脱水装置

Claims (4)

1. 嫌気性処理工程を組み入れた有機性廃水又は汚泥処理システムであり、該嫌気性消化工程において汚泥中に発生するリン酸マグネシウムアンモニウムを系外に取り出すリン酸マグネシウムアンモニウム分離工程を有する処理方法であって、該リン酸マグネシウムアンモニウム分離工程において汚泥中に分散するリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を除去した後のリン酸マグネシウムアンモニウム脱離汚泥に対する汚泥減量化工程、該リン酸マグネシウムアンモニウム分離工程において分離したリン酸マグネシウムアンモニウム濃縮懸濁液に対してマグネシウムイオンを含む溶液を混合又は接触させるリン酸マグネシウムアンモニウム−マグネシウム溶液接触工程、該リン酸マグネシウムアンモニウム−マグネシウム溶液接触工程後の該リン酸マグネシウムアンモニウム濃縮懸濁液を含む液体からリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を回収する工程、及び回収された固形状のリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を取り除いた後のリン酸マグネシウムアンモニウム脱離後懸濁液を、前記嫌気性消化工程又はその前段に戻す工程を有することを特徴とする有機性廃水及び汚泥の処理方法。
2. リン酸マグネシウムアンモニウム脱離汚泥に対する汚泥減量化工程において該汚泥から分離した濃縮分離液又は脱水ろ液を、リン酸マグネシウムアンモニウム−マグネシウム溶液接触工程に導入することでリン酸マグネシウムアンモニウム粒子、マグネシウム溶液由来のマグネシウムイオン、及び濃縮分離液または脱水ろ液由来のリン酸イオンが、同時に接触することを特徴とする請求項１に記載の有機性廃水及び汚泥の処理方法。
3. 汚泥中のリン酸マグネシウムアンモニウムを回収する手段として、液体サイクロン、ふるいやスクリーン状の分離体、沈殿分離装置、及びリン酸マグネシウムアンモニウム洗浄装置の内少なくとも１つを使用することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の有機性廃水及び汚泥の処理方法。
4. 有機性廃水又は汚泥処理システムの構成装置として、嫌気性消化反応槽を有し、該嫌気性消化反応槽には少なくとも原水供給管と消化汚泥排出管が接続し、該嫌気性消化反応槽に直接又は間接的にマグネシウム源の供給を行うことが可能なフローで構成され、該嫌気性消化反応槽から排出された汚泥又は該嫌気性消化反応槽内の汚泥から比重が大きい粒子を優先的に濃縮分離する固液分離装置を配備し、該固液分離装置により分離した粒子を多く含むスラリー状又は固形状物質に対して、マグネシウムイオン溶液又はマグネシウムイオン溶液と濃縮分離液あるいは脱水ろ液由来のリン酸イオンを接触させる装置及び、マグネシウムイオン溶液と接触後の粒子を固形物として回収する装置を含み、粒子と接触後のマグネシウムイオン溶液を直接的又は間接的に前記嫌気性消化反応槽に導入することを特徴とする有機性廃水及び汚泥の処理装置。

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