JP3871531B2 - 有機性廃棄物の処理方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水、産業排水などの有機性汚水を生物学的に処理する工程における余剰汚泥、下水生汚泥、厨芥などの生分解性有機性廃棄物を、きわめて簡単な装置で省エネルギ的に大幅に減少できる新規技術に関する。
【０００２】
【従来の技術と問題点】
下水、産業排水、し尿、ごみ埋立汚水などの活性汚泥処理施設から、大量の有機性汚泥（余剰汚泥、生汚泥など）が毎日発生しており、日本全体で年間１０００万トンを上回る。この余剰汚泥の処理処分が最大の問題点になっている。有機性汚泥は難脱水性であるため、多量の脱水助剤（ポリマーなど）を添加し、汚泥脱水機で水分８５％程度に脱水し、脱水ケーキを埋立処分するか、又は焼却処分しているが、脱水助剤コスト、脱水ケーキの埋立場所不足、焼却灰の処分場所の不足、焼却設備費、焼却用重油コストの高さなどの多くの問題点を抱えている。
【０００３】
このような問題を解決するため、図３のような人為的加熱と好熱菌による可溶化手段を適用する、汚泥可溶化技術などが種々提案されている。なお、図３においては、汚水２０は活性汚泥曝気槽２１で酸素含有ガス（図示せず）の供給下に処理され、活性汚泥混合液２２は沈殿槽２３で沈殿分離され、上澄み水は処理水２４として排出され、沈殿汚泥２５の大部分は返送汚泥２６として活性汚泥曝気槽２１に返送され、残りの引き抜き汚泥２７は培養好熱菌２８を添加されて可溶化槽２９で加熱源３０による加熱により好熱性処理がなされる。処理された汚泥である可溶化汚泥３１は活性汚泥曝気槽２１に戻される。
好熱菌による汚泥可溶化技術は、次の文献にその詳細が報告されている。
ａ）桂、長谷川、三浦：好熱性微生物を利用した余剰汚泥が発生しない活性汚泥プロセス：水環境学会誌、第２１巻第６号、３６０−３６６（１９９８）
ｂ）長谷川：好熱性細菌による汚泥削減化技術：工業技術会主催「汚泥の無発生化、減容化、削減化技術の最先端」講習会資料（２００年５月１６日開催）。
【０００４】
この汚泥可溶化技術は、有機性汚水の活性汚泥処理工程から、余剰汚泥発生量より多い量の活性汚泥を引き抜き、別個に培養した好熱菌を添加し、スチームなどの加熱手段で温度を６５℃程度に加熱し、好熱菌の作用により汚泥を可溶化した後、活性汚泥処理工程に返送する方法である。これらの文献によれば、活性汚泥を好熱菌によって可溶化するには、別個に培養した好熱菌を汚泥に添加し、かつ汚泥温度を好熱菌の活動に適した温度（６５℃程度）に加温するための、スチームなどの外部熱源が不可欠であることが明記されている。
しかし、好熱菌による汚泥減量化技術は、スチームなどによる汚泥加熱コストが高く、そのためにボイラが必要で、加温した汚泥から熱を回収するための熱交換器を設けたりしなければならず、設備費がアップすること、汚泥を加熱するために生じる熱交換器のスケールトラブルなどの欠点もあった。
【０００５】
従来周知の有機性汚泥の「好気性消化法」は、汚泥を単一槽の曝気槽に供給し、酸素含有ガスで１５〜２０日間程度ときわめて長時間曝気し、汚泥の生物酸化分解と微生物の内生呼吸が起きるようにして、汚泥を減量化する方法である。好気性消化法において、汚泥は機械的濃縮をされずにそのまま供給されるので、生物酸化による昇温効果が非常に少ない状態で運転される。酸素含有ガスの供給量は、溶存酸素が１〜２ｍｇ／リットル程度の好気状態になれるように大量に供給される。
【０００６】
好気性消化法は、２０日という長時間の曝気でも、分解されない汚泥が大量に残り、汚泥減量化率が最大でも５０％程度しか得られないという欠点があること、大きな曝気槽容積と、多量の曝気動力が必要であるという致命的欠点があるため、日本の下水処理場ではほとんど実施した例が無く、見捨てられた方法になっている。このため、日本の下水処理場では、曝気が不要でメタンガスが回収できる嫌気性消化法が採用されるのが通常である。
【０００７】
また、汚泥のコンポスト化の原理を利用した「高温好気発酵法」による生ごみ、有機性汚泥の分解、無機化方法が知られている。この方法は、槽内に木材チップ、籾殻などを充填しておき、これを緩やかに攪拌しながら空気を供給し、水分が少ない生ごみ、有機性汚泥をすこしずつ供給し、生物酸化して無機化し、かつ生物酸化熱によって投入有機性固形物中の水分を蒸発させる技術である。（たとえば第３２回日本水環境学会年会講演集ｐ４６１−（平成１０年度）：李、千葉、高温好気発酵法による豚舎廃棄物の長期運転時の処理特性）
【０００８】
しかし、この技術は、投入した有機性廃棄物の水分を蒸発させて乾燥することが不可欠であるので、投入した有機物のほぼすべてを生物酸化して酸化熱を発生させないと、水分蒸発潜熱をまかなうことができない。そのため、投入する有機性廃棄物の水分量を極力少なくする必要があり、汚泥の水分が多い場合は、機械脱水機で脱水したケーキを供給するか、又は水分が９５％以上の汚泥をそのまま供給する場合は、汚泥量を非常に少なくし、かつ廃油（植物性油など）を補給しなければ酸化熱が不足し、水分を蒸発させることができないという欠点があった。しかも高温好気発酵槽からの排ガスのアンモニア臭が強烈であり、脱臭装置が不可欠である難点があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決し、一切人為的加熱手段を用いることなく、省エネルギ的に、かつ短時間で汚泥などの有機性廃棄物を減量化できる新技術を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、高濃度汚泥の酸素含有ガスによる曝気処理を新規な態様で適用することにより、上記課題を達成できることを見いだした。
すなわち、本発明は下記の構成からなるものである。
【００１１】
（１）固形物濃度２％以上に濃縮した有機性汚泥などの有機性廃棄物を、多段式通気機械攪拌槽に供給し、槽内が嫌気的条件にならないための最小限の酸素含有ガスを通して供給有機物の生物酸化熱によって槽内温度を供給物温度より４０℃以上昇温させるとともに、多段式通気機械攪拌槽の後段槽から前段槽へ流出汚泥を循環することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
（２）前記多段式通気機械攪拌槽の後段槽から引き抜いた流出汚泥に超音波等の物理的可溶化を行った後に多段式通気機械攪拌槽に返送することを特徴とする前記（１）記載の有機性廃棄物の処理方法。
【００１２】
（３）有機性汚泥などの有機性廃棄物を固形物濃度２％以上に濃縮する機械的濃縮装置と、槽内が嫌気的条件にならないための最小限の酸素含有ガス供給手段を備え、前記濃縮された有機性廃棄物の生物酸化熱によって槽内温度を供給物温度より４０℃以上昇温させる多段式通気機械攪拌槽を有し、前記多段式通気機械攪拌槽の後段槽から前段槽へ流出汚泥を循環する配管を設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理装置。
（４）前記多段式通気機械攪拌槽の後段槽からの流出汚泥を導入する物理的可溶化装置、及び該物理的可溶化装置から多段式通気機械攪拌槽の前段槽へ可溶化処理汚泥を送る返送配管を有することを特徴とする前記（３）記載の有機性廃棄物の処理装置。
【００１３】
すなわち、本発明のポイントは、固形物濃度２％以上に濃縮した有機性汚泥のような有機性廃棄物を多段式通気機械攪拌槽に供給し、槽内が嫌気的条件にならないための最小限の酸素含有ガスを供給して生物酸化させることにより、外部から人為的加温することなく、槽内温度を供給物温度より４０〜５０℃上昇させ、この結果好熱菌が自然増殖している生物酸化が行われるので、外部から別個に培養した好熱菌を添加する必要なく、有機物汚泥のような有機性廃棄物を酸化分解して有機性ＳＳを減少せしめて、最終段の多段式通気機械攪拌槽流出物の有機性固形物濃度を０．５％程度に顕著に減少することにある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１を参照して本発明の実施の形態を詳しく説明する。説明の簡便化のために、有機性廃棄物、例えば有機性汚泥１として余剰活性汚泥を例に挙げて説明する。
遠心分離、浮上濃縮、スクリーン分離などの機械的濃縮手段を用いる機械的濃縮装置２で、固形物濃度２％以上（好ましくは３％以上）に濃縮した余剰活性汚泥である濃縮汚泥３を多段式通気機械攪拌槽（以下「攪拌槽」ともいう）５に供給し、槽５内をモータ６で機械的に攪拌しながら酸素含有ガス（空気、酸素富化空気、純酸素）７を少量供給し、２〜４日程度曝気する。
【００１５】
この結果、従来技術に開示されているような、別個に培養した好熱菌を外部から添加する手段、外部からスチームなどによる人為的加温をする手段を一切適用することなく、槽５内温度が汚泥の自己酸化熱によって容易に４０℃以上上昇することを見出した。温度がこの温度に上昇した段階では、好熱菌が自然増殖しているので、外部から別個に培養した好熱菌を添加するという煩雑な操作は必要ない。
【００１６】
なお、濃縮汚泥を曝気する酸素含有ガス７としては、空気で十分であるが、酸素富化ガス、純酸素を使用すると、排出ガスの持ち去る熱量が減少し、攪拌槽５の温度を上昇させやすいので、さらに好ましい。攪拌槽５の温度は非常に重要であり、温度が５０℃未満であると、消化率（処理汚泥ＳＳ／供給有機物ＳＳ）が大きく悪化してしまうが、本発明者等は、流入汚泥固形物濃度が２〜４％の場合、この攪拌槽５（滞留日数３日）に滞留する過程で、槽５内温度が人為的加熱を行うことなく、生物酸化熱だけで４０℃以上上昇して、その温度は周囲温度（常温）にもよるが、６０〜７５℃以上に上昇し、有機性汚泥１が酸化分解されてＳＳが減少し、最終段の攪拌槽（好気性消化槽）５の流出汚泥（流出物）９の固形物濃度は、０．５％程度と顕著に減少することを実験的に確認した。
【００１７】
本発明においては、汚泥濃度が高濃度で粘性が高く、流動性が悪い条件で、少量の空気７を送りながら生物酸化することが重要であるので、機械的に汚泥を強く攪拌しながら少量の空気７で曝気することが重要である。少量の空気曝気だけでは汚泥が流動しないため、攪拌手段を取ることが必要である。攪拌は、攪拌翼による攪拌以外にポンプ循環法でも良い。特に、モータ部６が水中に浸漬される水中攪拌機が、モータ６発熱を液温上昇に使えるので最適である。
【００１８】
本発明によれば、驚くべきことに供給物の温度が２０℃程度の常温でも、供給汚泥濃度が２％の場合、外部からヒーター、スチームなどで一切加温することなく、有機物の生物酸化熱だけの効果によって、槽内温度が５０℃以上に著しく上昇（供給汚泥濃度が３％の場合は、槽内温度が７０℃以上に上昇）することが見出された。この原因は、本発明は「高温好気発酵法」と異なり、水分を蒸発させる必要は全くないので水分蒸発潜熱は不要であり、液温を上昇させるための顕熱だけでよいので、槽５内温度を容易に上昇できるためである。
【００１９】
ここで、上記の汚泥温度が、汚泥中の有機物が生物酸化されて、無機化されるまでの過程中で発生する自己酸化熱によって４０℃以上昇り、６０〜７０℃程度に上昇する現象を定量的に説明すると、次のようになる。
攪拌槽による汚泥の分解率を３５％、発熱量を４，５００ｃａｌ／ｋｇ・ＤＳ、供給汚泥温度を２０℃とすると、含水率９５％の汚泥１０００ｋｇ、すなわち、水分量９５０ｋｇ、５０ｋｇＤＳを、空気を曝気する好気性反応槽である攪拌槽５で生物酸化すると、発生する自己酸化熱、すなわち発熱量Ｑは、Ｑ＝５０×０．３５×４５００＝７８，７５０ｋｃａｌになる。
一方、２０℃の汚泥１ｋｇを５５℃上昇するのに必要な熱量は５２，２５０ｋｃａｌなので、攪拌槽を７５℃に上昇させ、攪拌槽から外気への自然放熱を考慮しても、７５℃に維持するのに十分の自己酸化熱を発生することが分かる。
【００２０】
なお、厨芥などの易生分解性有機性廃棄物を、攪拌槽５に供給することによって、生物酸化熱発生量が大きく向上し、さらに昇温効果が向上し、８０℃以上に液温を上昇できるので、さらに好ましい。厨芥は粉砕後、厨芥粉砕物８としてそのまま投入してよい。この結果、汚泥１、厨芥粉砕物８などの固形物は、高温状態で効果的に生物学的に酸化分解し、ＳＳの大部分が液化して固形物がほとんど消滅する。
【００２１】
攪拌槽５は好気性消化槽の作用をするものであるが、槽５への供給空気７の量は、槽５内が嫌気的条件にならない量を供給する。
空気７を多量に供給すると、空気７供給量が過剰になり、排ガス量が多くなるため、排ガスの持ち出す熱量が多くなり、昇温効果が減少する。排ガス量を少なくするために、曝気ガスとしては空気７以外に酸素富化空気、純酸素を使用しても良い。攪拌槽５からの放熱を極力少なくするために、保温工事を施工しておくことが好ましい。
【００２２】
本発明の重要ポイントは、汚泥濃度を２％以上に高めた状態で、攪拌槽５に少量の酸素含有ガス７を曝気し、生物酸化熱によって槽内温度を供給物温度より４０℃以上昇温させる点であり、汚泥濃度が希薄な余剰汚泥を、本発明の攪拌槽５に供給しても、生物酸化熱発生量が少なく、温度上昇効果が非常に少なく、人為的加熱を行わないと汚泥分解・液化効果が減少してしまう。
また、攪拌槽５を多段にすることが重要であり、単段にすると汚泥ＳＳ減量効果が減少する。この原因は、単段では供給有機物１のショートパスが多いこと、高温度で汚泥を分解する好熱菌が系外に流出してしまうためである。段数は３段から５段で十分であり、これ以上段数を増やしても効果の向上は少ない。
また、後段の攪拌槽５から汚泥を前段の攪拌槽５に循環させることが重要である。すなわち、後段ほど汚泥ＳＳが減少しているので、前段の消化槽５の汚泥ＳＳ濃度が減少し、粘性が下がるので機械攪拌動力が削減でき、かつ後段に多量に増殖している好熱菌が前段に供給されるので、第１段の攪拌槽５での有機物酸化が速やかに進み、昇温速度が増加する。
【００２３】
また、汚泥１の液化・無機化の過程で、汚泥１中に含まれていたリンおよび窒素成分が、リン酸イオンおよびアンモニウムイオンとして液側に溶出するので、攪拌槽（好気性消化槽）５内又は流出物（流出汚泥）５にＣａまたはＭｇを添加すると、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウムアンモニウム沈殿が析出するので、これを固液分離し、リンを肥料として有価なリン資源として回収できる。
なお、図１において、４は機械的濃縮装置２の分離水であり、１０は循環汚泥である。
【００２４】
攪拌槽５から流出する汚泥はＳＳが大幅に減少しているので、
１）そのまま凝集剤を添加して汚泥脱水機（固液分離装置）１１で脱水する、
２）下水などの汚水の生物処理施設に供給する、
３）図２のように超音波処理などの物理的可溶化装置１４で汚泥可溶化処理を行い、可溶化処理汚泥を循環汚泥として返送配管により通気機械攪拌槽５に返送し、可溶化汚泥を生物学的に分解する、
などの処置をとればよい。
【００２５】
３）の方法を適用すると、有機物を１００％消滅できる。
すなわち、図２に示すように、攪拌槽５で分解されなかった汚泥を引き抜き、高温度条件で超音波処理などの物理的可溶化装置１４で汚泥可溶化処理を行うと、汚泥の細胞壁が破壊され、汚泥の生分解性が非常に向上する。この可溶化汚泥１５を返送配管で通気機械攪拌槽５に循環返送すると、可溶化汚泥が生物分解を受け、ＳＳが減少する。したがって供給した有機性汚泥１及び厨芥粉砕物７をすべて分解できる。なお、図２において、１２は固液分離手段１１の分離液である。
【００２６】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００２７】
実施例１
下水の余剰活性汚泥を対象に、図１の工程に基づいて本発明の実証試験を行った。第１表に試験条件を示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
以上の試験条件で１ヶ月試験を行った。
この結果、１０日後から、系は安定し、定常状態になった。定常状態での槽温度は第１槽７１℃、第２槽７５℃、第３槽７８℃であり、生物酸化熱だけで槽温度を高温度に維持できた。
第１槽流出汚泥ＳＳ濃度は１８０００ｍｇ／リットル、第２槽流出汚泥ＳＳ濃度は９７００ｍｇ／リットル、最終段槽流出汚泥のＳＳ濃度は４８００ｍｇ／リットルであり、供給汚泥ＳＳ濃度４２０００ｍｇ／リットルの８８．６％が減少した。
【００３０】
比較例１
実施例１において、汚泥循環をやめた以外、同一条件にして運転した。この結果、槽内の温度上昇効果がやや悪化し、第１槽６５℃、第２槽６８℃、第３槽７０℃であった。最終段槽流出汚泥のＳＳ濃度は８８００ｍｇ／リットル、汚泥ＳＳ減少率は７９％であった。
【００３１】
比較例２
実施例１において攪拌槽を単段にし、滞留時間を３日に設定し汚泥循環をやめた以外は、同一条件にして運転した。この結果、攪拌槽流出汚泥のＳＳは１５６００ｍｇ／リットルであり、ＳＳ減少率は６２．８％であった。
【００３２】
比較例３
実施例１において、固形物濃度１％の余剰活性汚泥を供給した以外は、同一条件にして運転した結果、攪拌槽の温度は３槽いずれも４０℃以下（３８〜４０℃）であった。最終段消化槽流出汚泥のＳＳ濃度は２９４００ｍｇ／リットルであり、汚泥減少率は３０％に過ぎなかった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
（１）有機物の生物酸化熱だけを利用して、人為的加熱手段を一切使用することなく、供給物温度より槽内４０℃以上昇温させることができるので、温度５０℃以上の高温度で生物酸化を進ませることができるため、有機性ＳＳの減少効果が非常に優秀で、かつ汚泥減量化のための設備費、運転費がきわめて安価になり、汚泥減量化処理を実施したいユーザーにとって、非常に有益な技術である。
（２）攪拌槽を多段化し、後段から前段に汚泥を循環することによって、好熱菌が系外に流出しにくく、供給有機物のショートパスが少ないので、減量化効果がより大きくなる。
【００３４】
（３）通気空気量が非常に少ないので、曝気動力が少なく、かつ排ガスの持ち出す熱が少ないので、さらに昇温効果が大きい。
（４）高温で生物酸化し、ＳＳが大きく減少した汚泥だけを、超音波照射などの物理的可溶化処理をすればよいので、可溶化処理コスト（処理対象ＳＳ量に比例して可溶化コストが増加する）が大きく減少する。
（５）生物酸化加熱によって高温度にした汚泥を、物理的可溶化処理工程に供給できるので、可溶化効果が大きい。温度が高いほど、超音波などによる可溶化効果が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の有機性廃棄物の処理装置の一実施態様を示すブロック図である。
【図２】 本発明の有機性廃棄物の処理装置の物理的可溶化手段を併設した態様を示すブロック図である。
【図３】 従来の余剰活性汚泥の可溶化装置の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 有機性汚泥
２ 機械的濃縮装置
３ 濃縮汚泥
４ 分離水
５ 通気機械攪拌槽
６ モータ
７ 酸素含有ガス
８ 厨芥粉砕物
９ 流出物（流出汚泥）
１０ 循環汚泥
１１ 固液分離装置
１２ 分離液
１３ 分離汚泥
１４ 物理的可溶化装置
１５ 可溶化汚泥
２０ 汚水
２１ 活性汚泥曝気槽
２２ 活性汚泥混合液
２３ 沈殿槽
２４ 処理水
２５ 沈殿汚泥
２６ 返送汚泥
２７ 引き抜き汚泥
２８ 培養好熱菌
２９ 可溶化槽
３０ 加熱源
３１ 可溶化汚泥

Claims (4)

1. 固形物濃度２％以上に濃縮した有機性汚泥などの有機性廃棄物を、多段式通気機械攪拌槽に供給し、槽内が嫌気的条件にならないための最小限の酸素含有ガスを通して供給有機物の生物酸化熱によって槽内温度を供給物温度より４０℃以上昇温させるとともに、多段式通気機械攪拌槽の後段槽から前段槽へ流出汚泥を循環することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
2. 前記多段式通気機械攪拌槽の後段槽から引き抜いた流出汚泥に超音波等の物理的可溶化を行った後に多段式通気機械攪拌槽に返送することを特徴とする請求項１記載の有機性廃棄物の処理方法。
3. 有機性汚泥などの有機性廃棄物を固形物濃度２％以上に濃縮する機械的濃縮装置と、槽内が嫌気的条件にならないための最小限の酸素含有ガス供給手段を備え、前記濃縮された有機性廃棄物の生物酸化熱によって槽内温度を供給物温度より４０℃以上昇温させる多段式通気機械攪拌槽を有し、前記多段式通気機械攪拌槽の後段槽から前段槽へ流出汚泥を循環する配管を設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理装置。
4. 前記多段式通気機械攪拌槽の後段槽からの流出汚泥を導入する物理的可溶化装置、及び該物理的可溶化装置から多段式通気機械攪拌槽の前段槽へ可溶化処理汚泥を送る返送配管を有することを特徴とする請求項３記載の有機性廃棄物の処理装置。

Images