JP4335065B2 - 有機性廃水又は汚泥の処理方法及び装置 - Google Patents

Description

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又は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又は汚泥から、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）の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、ＭＡＰ結晶を効率良く生成させる方法及び装置に関するものである。

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処理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く問題であった。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。汚泥の嫌気性処理工程においてＭＡＰを回収する従来法の一例を図２に示す。

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）1時間未満程度の短時間で急速にＭＡＰ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反応槽からリークし、ＭＡＰ回収率が６〜７割程度に低下する場合がある、（３）急速ＭＡＰ反応は、約４００ｍｇ／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結晶として回収できない、（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、汚泥中の溶解性マグネシウム塩律速となるＭＡＰ反応が反応槽内ですでに行われており、生成されたＭＡＰ粒子はそのままでは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ある。

そこで、本発明者らは上述した従来の問題を解決すべく、特開２００２−４５８８９号公報（特許出願番号「２０００−２３１６３３」）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と、消化汚泥の濃縮分離水又は該汚泥の脱水ろ液にマグネシウム源及びｐＨ調整剤を添加、混合することによりＭＡＰを生成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、排水中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回収率の向上と安定化、生成ＭＡＰの高純度化、薬品使用量の低減化、及び処理システムの簡略化に関してさらに向上させることを可能にすることに努力した。

本発明は、上述した従来技術の問題点の解決及び特開２００２−４５８８９号公報（特許出願番号「２０００−２３１６３３」）の発明をさらに向上させることを課題とする。すなわち、本発明は、有機性排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、薬剤の使用量を軽減化するとともに、窒素、及びリンの除去効率を大幅に改善するとともに、特開２００２−４５８８９号の発明において実現した処理性能を、ＭＡＰ回収率の向上と安定化、生成ＭＡＰの高純度化、薬品使用量の低減化において、更に向上させるとともに処理システムの簡略化を行う技術に関するものである。

本発明者らは、特開２００２−４５８８９号の発明で開示したリン回収プロセスを更に改良すべく、Ｍｇ源として消化槽に添加するＭｇ含有水として様々な種類の液体またはスラリーを使用して検討を重ねてきた。その中で、該システムの立ち上げ時において迅速かつ効率良くシステム立上げを行えること、できるだけ安価な薬品コストで処理性能を維持すること、高純度で分離性が高くハンドリング性が高いＭＡＰ粒子の割合を高く維持すること等がシステムの運転維持管理上非常に重要であると考え、これらの点を新たな課題としてシステムの改良を行ってきた。

すなわち、本発明は、効率良くシステムを立ち上げることができ、低薬品コストで処理性能を維持することができ、高純度で高分離性かつ高ハンドリング性のＭＡＰ粒子の生成および回収を高く維持することができる有機性廃水又は汚泥の処理方法及び装置を提供することを課題とする。なお、本明細書では、有機性汚泥を単に「汚泥」という。

本発明は、以下に示す方法又は装置により上記の課題を解決することができた。
（１）有機性廃水又は汚泥を嫌気性消化処理し、該嫌気性消化工程でマグネシウム源を添加して、廃水又は汚泥中のリン又はリンと窒素から生成させたリン酸マグネシウムアンモニウムを生成させる生成工程、及び生成したリン酸マグネシウムアンモニウムを系外に取り出す工程を有する処理方法において、リン酸マグネシウムアンモニウム生成工程立上げ時のマグネシウム源として、水に対して易溶解性マグネシウム化合物溶液を添加し、リン酸マグネシウムアンモニウム生成工程が所定の期間経過した後に、マグネシウム源として水に対して難溶性であるマグネシウム化合物のスラリー状又は粉体での添加に切り替えることを特徴とする有機性廃水及び汚泥の処理方法。
（２）前記易溶解性マグネシウム化合物溶液として、水酸化マグネシウムを塩酸又は硫酸で溶解し、ｐＨ４．５〜６．９に調整して使用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）有機性廃水又は汚泥を嫌気性消化処理し、該嫌気性消化工程でマグネシウム源を添加して、廃水又は汚泥中のリン又はリンと窒素から生成させたリン酸マグネシウムアンモニウムを生成させ、生成したリン酸マグネシウムアンモニウムを系外に取り出す工程を有する有機性廃水及び汚泥の処理装置において、該嫌気性消化工程の前段にマグネシウム源混合槽を有し、該混合槽に水酸化マグネシウムを塩酸又は硫酸で溶解し、ｐＨ４．５〜６．９に調整して易溶解性マグネシウム化合物溶液を調製する機構と、該易溶解性マグネシウム化合物溶液を添加する機構と、リン酸マグネシウムアンモニウム生成工程が所定の期間経過した後に、マグネシウム源として水に対して難溶性であるマグネシウム化合物のスラリー状又は粉体で添加する機構とを有することを特徴とする有機性廃水及び汚泥の処理装置。

本発明は、有機性廃水及び汚泥の処理において、嫌気性消化槽で生成するＭＡＰ等の無機化合物の粒子を効率よく分離、回収する技術において、該システムの立ち上げ時において迅速かつ効率良くシステム立ち上げを行えること、できるだけ安価な薬品コストで処理性能を維持すること、高純度で分離性の高くハンドリング性が高いＭＡＰ粒子の割合を高く維持すること等が実現可能となる。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す図であり、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
図１において、有機性排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２０で濃縮分離され、濃縮汚泥７はＭｇ源混合槽２１に導入される。Ｍｇ源混合槽２１では特に、システム立上げ時にはＭｇ源として易溶解性の塩化マグネシウムや水酸化マグネシウムの塩酸中和水又は水酸化マグネシウムの硫酸中和水等を汚泥供給量に連動して所定量添加し混合する。コスト的には塩化マグネシウムよりも水酸化マグネシウムを塩酸又は硫酸で中和した液体を使用する方が有利であるが、該中和Ｍｇ溶液はアルカリ側では水酸化マグネシウムが再結晶化するので、中性〜弱酸性領域で投入することが望ましい。ただ、混合する対象の混合生汚泥は通常酸発酵が始まっている場合が多く、弱酸性になっていることもあるので、多少の水酸化マグネシウム粒子が残留していても問題はない場合もある。易溶解性マグネシウムを使用するのは、局部的にマグネシウムイオンが高くなると、ＭＡＰ反応が急速に進み、ＭＡＰ生成時にＳＳ（汚泥）を取り込み、生成ＭＡＰの純度を下げる傾向が見られるのを防止するためである。立上げ期間は汚泥性状や消化槽滞留時間等によって異なるが、望ましくは５日〜６０日程度の場合が多い。

Ｍｇ源混合槽２１において良く混合された溶解性Ｍｇは、汚泥中に均一に広がり局所的な濃度勾配が少なくなる。溶解性Ｍｇ濃度が均一な消化槽投入汚泥８ほど、消化槽２２投入時に消化汚泥と接触する際のＭＡＰ過飽和度が局所的に発生する頻度が小さくなる。また、過飽和度の局所的発生を抑制する手段として消化汚泥の循環を行い、その循環流に消化槽投入汚泥８を混合する方法も有効な場合がある。立上げ期間が終了し、消化槽２２内のＭＡＰ量又はＭＡＰ総表面積量が十分大きく、消化汚泥中ＰＯ_４−Ｐが十分小さくなった状態において、添加Ｍｇ源を易溶解性Ｍｇ源から難溶解性のＭｇ源に切り替える。難溶解性のＭｇ源としては、一般的には安価で流通量が比較的大きい３５％水酸化マグネシウムスラリー等を使用する場合が多いが、廃材や副産物等利用価値が低く安価で入手できるが難溶解性であるようなＭｇ源を使用する場合もある。以後、これら比較的安価な難溶解性Ｍｇ源を使用して運転を継続することが可能であるが、ＭＡＰ粒子の純度を高めたり、粒径を大きくする等の制御を行いたい場合は、必要に応じて易溶解性Ｍｇ源の使用頻度を高めることによりＭＡＰ粒子の性状を制御することが可能になる場合がある。

ＭＡＰ粒子を含む消化汚泥９は、ＭＡＰ分離濃縮機２６において、粒径約１００μｍ以上で比重約１．５ｇ／ｃｍ^３以上のＭＡＰを主体とする粒子を多く含むＭＡＰ濃縮汚泥１５とＭＡＰ脱離汚泥１０に分離される。ＭＡＰ分離濃縮機２６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（例えば「有機性廃水及び汚泥の処理方法及び処理装置」：特願２００２−３２８３３６号に開示したようなプロセスにより）。消化汚泥９に夾雑物が残っている場合は、ＭＡＰ分離濃縮装置２６に導入する前に、夾雑物除去装置（図示せず）でこれを除去してもよい。また、ＭＡＰ分離濃縮装置２６では、ＭＡＰの他、嫌気性消化槽２２内で生成した金属硫化物の粒子も除去できる場合があるので、意図的に、該金属硫化物を分離する手段として夾雑物除去装置を用いても良い。ＭＡＰ脱離汚泥１０（夾雑物除去装置を用いた場合には夾雑物破砕汚泥を混合した汚泥）は、脱水装置２５において脱水され、脱水ケーキ１２は排出、脱水ろ液１３は最初沈殿池１７に返送される。

以上に説明したように、添加するＭｇ源として、立上げ時は水酸化マグネシウムの塩酸中和溶液等の易溶解性Ｍｇ源を使用し、所定期間経過後に添加Ｍｇ源を水酸化マグネシウムスラリー等の安価な難溶解性Ｍｇ源に切り替えることにより、迅速かつ効率良いシステム立上げ、できるだけ安価な薬品コストでの処理性能維持、及び高純度で分離性の高くハンドリング性が高いＭＡＰ粒子の割合を高く維持すること等が可能となる。

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。

実施例及び比較例１〜３
本実施例は、Ａ下水処理場の汚泥を使用して行った実験プラント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。実施例実験プラントでは、Ａ処理場から採取した初沈汚泥と余剰汚泥を約１：１で混合し遠心濃縮機により濃縮する。嫌気性消化槽２２は、３５℃中温消化で、滞留時間は２５日とした。Ｍｇ添加量は供給汚泥１リットルあたり０．４ｇ（ａｓＭｇ）とした。また、添加Ｍｇ源はすべてＭｇとして７％を成分中に含む溶液又はスラリーを使用した。
本実験では、４系列で６ヶ月間の実験を行った。４系列の実験条件の違いは、添加するＭｇ源として立上げ〜６０日目と６１日目〜１８０日目で異なるＭｇ源を使用した点にある。第１表に４系列の実験条件の違いを示す。

４系列の実験結果より、実施例、比較例２、比較例３のＭＡＰ回収性能はほぼ同等であり、ＭＡＰ回収率：８５．９〜８６．４％、ＭＡＰ純度：８０．１〜８０．９％であった。実験開始１８０日目までＭｇ源として水マグ（水酸化マグネシウム）のみ使用した比較例１ではＭＡＰ回収率：８２．５％、ＭＡＰ純度：７２．８％で他と比較してややＭＡＰ回収性能が低下した。また、実験期間中の総薬品コストとしては、比較例３＞比較例２＞実施例＞比較例１の順であったことから、ＭＡＰ回収性能及び薬品コストの両方を考慮すると、実施例方式が最もバランス良く効率がよかった。

本発明の有機性廃水又は汚泥の処理方法及び装置は、嫌気性消化槽で生成するＭＡＰ等の無機化合物の粒子を効率よく分離、回収する技術であるから、下水処理場や各種廃水処理施設等において、高濃度の有機物、リン及び窒素を含有する廃水の処理方法及び装置として有用な技術である。

本発明の処理装置の一実施形態のフロー図である。 従来の処理装置の一実施形態のフロー図である。

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
１１ 夾雑物破砕汚泥
１２ 脱水ケーキ
１３ 脱水ろ液
１４ 濃縮装置脱離液
１７ 最初沈殿池
１８ エアレーションタンク
１９ 最終沈殿池
２０ 汚泥濃縮装置
２１ Ｍｇ源混合槽
２２ 嫌気性消化槽
２５ 脱水装置
２６ ＭＡＰ分離装置
２７ 回収ＭＡＰ

Claims (3)

1. 有機性廃水又は汚泥を嫌気性消化処理し、該嫌気性消化工程でマグネシウム源を添加して、廃水又は汚泥中のリン又はリンと窒素から生成させたリン酸マグネシウムアンモニウムを生成させる生成工程、及び生成したリン酸マグネシウムアンモニウムを系外に取り出す工程を有する処理方法において、リン酸マグネシウムアンモニウム生成工程立上げ時のマグネシウム源として、水に対して易溶解性マグネシウム化合物溶液を添加し、リン酸マグネシウムアンモニウム生成工程が所定の期間経過した後に、マグネシウム源として水に対して難溶性であるマグネシウム化合物のスラリー状又は粉体での添加に切り替えることを特徴とする有機性廃水及び汚泥の処理方法。
2. 前記易溶解性マグネシウム化合物溶液として、水酸化マグネシウムを塩酸又は硫酸で溶解し、ｐＨ４．５〜６．９に調整して使用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. 有機性廃水又は汚泥を嫌気性消化処理し、該嫌気性消化工程でマグネシウム源を添加して、廃水又は汚泥中のリン又はリンと窒素から生成させたリン酸マグネシウムアンモニウムを生成させ、生成したリン酸マグネシウムアンモニウムを系外に取り出す工程を有する有機性廃水及び汚泥の処理装置において、該嫌気性消化工程の前段にマグネシウム源混合槽を有し、該混合槽に水酸化マグネシウムを塩酸又は硫酸で溶解し、ｐＨ４．５〜６．９に調整して易溶解性マグネシウム化合物溶液を調製する機構と、該易溶解性マグネシウム化合物溶液を添加する機構と、リン酸マグネシウムアンモニウム生成工程が所定の期間経過した後に、マグネシウム源として水に対して難溶性であるマグネシウム化合物のスラリー状又は粉体で添加する機構とを有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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