JP4916308B2

JP4916308B2 - 下水汚泥の処理

Info

Publication number: JP4916308B2
Application number: JP2006516461A
Authority: JP
Inventors: エドマンズステファニー; ダグラスギルバートポール; エリックトールボットロバート; アサーディマノチャー; ヴィンターペーター
Original assignee: ロディアユーケイリミテッド
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2024-06-21
Also published as: AU2004249502B2; US7638056B2; AU2004249502A1; GB0314363D0; JP2007520330A; JP2011005491A; CA2529956C; RU2006101555A; WO2004113237A1; EP1646586A1; US20060243674A1; RU2318738C2; CA2529956A1

Description

本発明は下水汚泥の処理方法及び該方法によって処理された汚泥に関する。

生下水の処理では一般に（大きな固形物及び粗粒を除去する）濾過工程の後に水性相が好気細菌作用を受けて生分解性物質を除去する工程が行われる。この後者の工程では本質的に濃縮された細菌集団である”活性化汚泥”が関与する。生分解性物質は水性相を河川のような水流に排出する前に除去する必要があり、さもないと河川中で該物質の細菌分解が行われると溶存酸素を消費して魚を死に至らし、悪臭を発生させ、そして一般的な環境悪化を生じさせる。生分解物質の分解中は、細菌の成長及び増殖が起こり、処理を要する細菌汚泥が蓄積する。

随意的に、過剰の汚泥は嫌気性条件下で“消化”することができる。この条件下では本質的に細菌は新しい条件で再平衡してメタンを生成してバイオマスが減少するが、最終的には削減できない過剰汚泥が残り、処理を要する。処理方法には、埋立てや海上処理のような多くの処理があるが、何れも環境上の理由により好ましくない。代替的には、過剰汚泥は焼却（コスト高）や農地に散布することができる。後者の場合は汚泥を肥料／土壌改良剤として使用することができるので利点がある。

残念なことに、上記汚泥は高濃度の病原体を含有し得るので、そのときは、汚泥を消毒して存在する病原性生物を許容し得る環境及び衛生レベルまで減少させてから、殺菌された汚泥を土地に散布することが必要となる。病原リスクを定量化するのに用いられる指標生物は大腸菌である。英国の衛生条項を遵守するために、慣例型の処理汚泥では汚泥中の大腸菌レベルを９９％（すなわち、対数減少値が２）削減しなければならず、処理された下水汚泥中の大腸菌の最大許容レベルは乾燥汚泥１グラム（ｇｄｓ）当たり１０⁵である。英国における強化型の処理汚泥ではサルモネラ菌が存在してはならず、大腸菌のレベルは９９．９９９９％（すなわち、対数減少値が６）以上削減しなければならない。強化型の処理下水汚泥中の大腸菌の最大許容レベルは乾燥汚泥１グラム当たり１０³である。同様の法規制が欧州全体及び米国において将来的に採用されることが予測される。

細菌の減少は石灰処理（煩雑で、かなりの資本投資を必要とし、取り扱い上の問題が生じる。）、熱処理（コストが非常に高い）、又は細菌レベルが所要の制限値に下がるまで汚泥を貯蔵室内に単に放置しておく等の種々の方法で達成することができる。後者については、貯蔵室の容量不足のために殆どの下水処理事業に伴う非常に多量の汚泥を必要時間貯蔵することが通常はできない。十分な容量を設置することはスペースを考慮すると非現実的であるか、又は大きな資本支出を必要とする。

理論的には、汚泥の細菌含有量を減少する代替的な方法は殺菌剤を適用することであろう。しかしながら、これまで評価されてきた殺菌剤では細菌含有量を許容レベルにまで減少させるのに比較的長時間がかかり、殆どの下水処理事業の資源を超える貯蔵需要を生むことが分かった。

本発明者は下水汚泥へのリン含有化合物（特にホスホニウム塩）の使用が汚泥の病原体含有量に対して２以上の対数減少値に相当する減少をもたらし得ることを見出した。

従って、本発明は下水汚泥の病原体含有量を減少させるための該汚泥の処理方法を提供する。該方法は：
（ａ）前記汚泥に有効量のリン含有化合物を添加する工程；及び
（ｂ）前記汚泥に存在する病原体の量を２以上の対数減少値に相当する量減少させるのに充分な時間前記リン含有化合物と前記汚泥の接触を維持する工程と；
を含む。

一実施形態においては、２以上の対数減少値が２４時間で達成される。

好ましくは、前記汚泥に存在する病原体の量を対数減少値で３以上、より好ましく４以上させるのに充分な時間リン含有化合物と前記汚泥の接触を維持する。

病原体は細菌であってもよい。

好ましくは、汚泥は嫌気性消化（当業者に知られた方法である。）を工程（ａ）の前に受ける。

好ましくは、リン含有化合物はホスホニウム化合物であり、特にテトラキス（ヒドロキシオルガノ）ホスホニウム塩又は式（Ｉ）の化合物である。
［Ｒ’Ｒ’’（ＣＨ₂ＯＨ）₂ Ｐ⁺］_n Ｘ^- 式（Ｉ）
（式中、
ｎはＸの原子価であり；
Ｒ’及びＲ’’は同一の又は異なるものでよく、アルキル、ヒドロキシアルキル、アルケニル又はアリール基から選択され；
Ｘはアニオンである。）

Ｒ’及びＲ’’は好ましくは長さが炭素原子数で１〜２０個である。

Ｘは好ましくは塩素イオン、硫酸イオン、リン酸イオン、酢酸イオン、シュウ酸イオン及び臭素イオンよりなる群から選択される。

最も好ましくは、ホスホニウム化合物は硫酸テトラキス（ヒドロキシメチル）ホスホニウムである。

代替的に、ホスホニウム化合物は、例えば塩化テトラキス（ヒドロキシメチル）ホスホニウム、臭化テトラキス（ヒドロキシメチル）ホスホニウム、リン酸テトラキス（ヒドロキシメチル）ホスホニウム、酢酸テトラキス（ヒドロキシメチル）ホスホニウム又はシュウ酸テトラキス（ヒドロキシメチル）ホスホニウムとすることができる。

代替的に、リン含有化合物は式（ＩＩ）に示すようなアルキル置換ホスフィン、例えばトリス（ヒドロキシメチル）ホスフィンとすることができる。
（ＣＨ₂ＯＨＲ₂）Ｐ式（ＩＩ）
（式中、各Ｒは同一の又は異なるもので良く、アルキル、ヒドロキシアルキル、アルケニル又はアリール基から選択される。）

本発明の方法の工程（ａ）にて汚泥に添加されるべきリン含有化合物の量は好適には最大で１０，０００ｍｇ／Ｌであり、好ましくは１００〜２，５００ｍｇ／Ｌであり、特には２００〜１，０００ｍｇ／Ｌである。

代替的に、汚泥に添加されるべきリン含有化合物の量は乾燥固体重量に対して表現することができる。好適には、添加すべき量は乾燥固体の最大約３０重量％である。好ましくは、添加すべきリン含有化合物の量は乾燥固体の０．１〜２０重量％とすることができ、例えば０．１〜１０重量％（例えば０．２〜５重量％又は０．４〜２重量％）とすることができる。

本発明の方法の工程（ｂ）は１秒〜１４日の期間に亘って実施することができる。例えば、６〜２４時間、１〜６時間、１〜６０分、１〜６０秒又は１〜１５秒である。

リン含有化合物の添加速度及び混合速度は本方法の有効性を最大化するに当たり重要である。有効性を最大化するために、両者は実際上できる限り短くすべきであり、接触時間を最大化すべきである。自然重力による下水汚泥の沈殿を伴う方法では、工程（ｂ）は好ましくは６〜２４時間である。処理された汚泥が”汚泥ケーキ”を製造するために例えば遠心分離器又はフィルタープレスによって随意的に脱水される場合は、工程（ｂ）は好ましくは１５秒〜２４時間実施される。”汚泥ケーキ”は液状汚泥よりもかなり高い固体含有量を有する。ポリ塩化ジアリル−ジメチルアンモニウム、ポリアミン、カチオン性ポリアクリルアミド及びアニオン性ポリアクリルアミドのような脱水助剤を”汚泥ケーキ”の製造に利用することができる。

汚泥中に存在する病原体は好適には：
・細菌（例えば、大腸菌（Escherichia coli）、サルモネラ菌（Salmonella spp.）、シゲラ菌（Shigella spp.）、コレラ菌（Vibrio cholerae）、セレウス菌（Bacillus cereus）、リステリア菌（Listeria monocytogenes）、カンピロバクター（Campylobacter spp）及びペスト菌（Yersinia pestis））；
・ウイルス（例えば、ロタウイルス、カルシウイルス、Ｆ群アデノウイルス及びアストロウイルス）；
・原生動物（例えば、エントアメーバ（Entamoeba spp.）、ジアルジア（Giardia spp.）、大腸バランチジウム（Balantidium coli）及びクリプトスポリジウム（Cryptosporidium spp.））；並びに
・寄生虫及びその卵（例えば、回虫（Ascaris lumbricoides）、鞭虫（Trichuris trichiura）、ズビニ鉤虫（Ancylostoma duodenale）、糞線虫（Strongyloides stercoralis）のような線虫；例えば、住血吸虫（Schistosoma spp.）のような吸虫;及び、例えば、無鉤条虫（Taenia saginata）及び有鉤条虫（Taenia solum）のような条虫）；
よりなる群から選択される。

好ましくは、本発明に係る方法は汚泥中に存在する病原体を対数減少値で２〜６減少させる。

対数減少値が２であるということは汚泥中に存在する病原体の９９％が排除されるということである。このようにして処理された汚泥は”慣例型の処理汚泥”と呼ぶ。対数減少値が６であるということは汚泥中に存在する病原体の９９．９９９９％が排除されるということである。このようにして処理された汚泥は”強化型の処理汚泥”と呼ぶ。

本発明は更に、上述した方法に従って処理された下水汚泥を提供する。

本発明は以下の実施例によって例証される。

実施例では下水汚泥を処理するのに用いたリン含有化合物はロディア・コンシューマー・スペシャリティズ社（Rhodia Consumer Specialties Limited）から入手可能な７５％ｗ／ｗ硫酸テトラキス（ヒドロキシメチル）ホスホニウムとした。本明細書では、該製品を以降”ホスホニウム塩”と呼ぶ。

比較として、下水汚泥を慣例の殺菌化合物であるジブロモ−ニトリロ−プロピオンアミド（ＤＢＮＰＡ）で処理した。各実施例にて、観察された細菌は大腸菌であった。

１．１方法論
殺生剤の性能を評価するのに採用した方法論は定量的縣濁試験（ＱｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎＴｅｓｔ（ＱＳＴ））によった。ここではＱＳＴ培地として無菌嫌気性消化汚泥を用い、事前に汚泥から分離した大腸菌培養物で戻し接種する。このようにして、所定の細菌チャレンジについて一貫の化学的環境（減菌汚泥）を使用することができ、試験間に整合性を与えることが可能となる。

１．２微細物学的評価
１２１℃で２０分間オートクレーブで処理することによって生汚泥サンプルから無菌汚泥を調製した。ＱＳＴにて使用する大腸菌株は生汚泥サンプルから隔離していた。

ＱＳＴは以下のようにして実施した。
・無菌汚泥（１９ｍＬ）を公称容量３０ｍＬのプラスチック製のスクリューキャップ型無菌ユニバーサルボトルへ計量分配した。
・トリプトースソイブロス中４４℃で培養した１６時間培養物を遠心分離（１４，５００ｒｐｍで１０分間）して無菌リン酸緩衝液（０．２Ｍ、ｐＨ７．２）中で再縣濁させて調製した大腸菌の洗浄細胞縣濁液０．５ｍＬを各サンプルへ添加し、２０ｍＬのＱＳＴ培地中で最終的な細胞濃度である約１０⁸個／ｍＬを与えるのに接種材料は０．５ｍＬで充分だった。
・０．５ｍＬをＱＳＴ培地に添加すると（最終的な体積２０ｍＬ）殺生剤の所望の最終濃度が達成されるような濃度に、候補となる処理薬品の新鮮な保存溶液を無菌リン酸緩衝液（０．２Ｍ、ｐＨ７．２）中で調製した。
・ＱＳＴ培地を充分に混合し、試験中２２℃に保持した。
・試験の合間には、汚泥を良く混合し、サンプル（１．０ｍＬ）をＱＳＴ培地から採取して、マッコンキーブロスを含有する希釈シリーズの第一チューブに接種した。この際、希釈シリーズへ運ばれた残留殺生剤を不活性化させるためにチオ硫酸ナトリウム（５．０ｇ／Ｌ）を足した。上記操作は二回行った。
・連続希釈（１０倍ずつの希釈）の残りをマッコンキーブロス中のみで実施し、４４℃で１６時間培養した。終点はパープルからイエローへの色彩変化を示し、濁度が上昇したシリーズ中の最大希釈の時点とした。

マッコンキーブロスを選択したのは、該培地は培地が酸性になるとパープルからイエローへと変化するｐＨ指示薬であるブロモクレゾールパープルを含有するからである。これは微生物生育（有機酸の生成）の有用な間接的指示薬であり、これは当初清澄な媒体の濁度が上昇しても影響を受け得ない。汚泥は浮遊物質を含有するので、希釈シリーズの最初の二つのチューブは汚泥を加えると即座に濁度が上昇する。こうして微生物生育の指標として濁度のみを使用することを阻止した。

評価に用いた殺生剤を下表に示す。

実施例１〜３
２５０〜１，０００ｍｇ／Ｌの濃度範囲でのホスホニウム塩の性能を添付図面の図１に示す。２５０と５００ｍｇ／Ｌの濃度は最初の６時間の接触時間においてはかなり平坦なｔｉｍｅ／ｋｉｌｌ（時間／殺菌）応答をもつ類似の結果を与え、その後、数が減少して４８時間以内に死滅した。

対照的に、１，０００ｍｇ／Ｌでのｔｉｍｅ／ｋｉｌｌ応答はずっと早かった。６時間の接触時間におけるｔｉｍｅ／ｋｉｌｌ応答はより進展しており、２４時間以内に死滅した。

比較のため、図２に示すように未処理の汚泥中の大腸菌レベルをゆっくりと自然に所定時間減少させた。１０⁴ｃｆｕ／ｇｄｓの低レベルの大腸菌で出発したのに死滅するのに６日間かかった。より高レベルの１０^8.5ｃｆｕ／ｇｄｓで出発すると、８日後も１０⁴ｃｆｕ／ｇｄｓまでしか減少しなかった。こうしてホスホニウム塩による処理の利点（図１）が効果的に示される。

実施例４
ＤＢＮＰＡと比較したホスホニウム塩の性能を添付図面の図３に示す。両方の殺生剤を５００ｍｇ／Ｌの等しい活性成分濃度で試験した。ＤＢＮＰＡは驚くほど弱い殺菌性能しか示さず、４８時間後にも対数減少値で２．５の数しか減少しなかった。

上述した実施例は本発明の以下の特性を実証する。
（ａ）処理に使用するホスホニウム塩の濃度を５００ｍｇ／Ｌから１，０００ｍｇ／Ｌへ増加させると性能が顕著に向上すること。
（ｂ）評価したすべての処理において死滅を達成したこと。
（ｃ）ＤＢＮＰＡの性能と比較すると、ホスホニウム塩の性能が優れていたこと。

２５０〜１，０００ｍｇ／Ｌの濃度範囲での本発明に係るホスホニウム塩の殺菌性能を表す図である。大腸菌を自然減少させたときのｔｉｍｅ／ｋｉｌｌ応答を表す図である。ＤＢＮＰＡと比較した本発明に係るホスホニウム塩の殺菌性能を表す図である。

Claims

大腸菌を含む病原体を含有する下水汚泥の病原体含有量を減少させるための処理方法であって、
（ａ）下水汚泥に有効量のリン含有化合物を添加する工程と；
（ここで、該リン含有化合物は、硫酸テトラキス（ヒドロキシメチル）ホスホニウム、塩化テトラキス（ヒドロキシメチル）ホスホニウム、臭化テトラキス（ヒドロキシメチル）ホスホニウム、リン酸テトラキス（ヒドロキシメチル）ホスホニウム、酢酸テトラキス（ヒドロキシメチル）ホスホニウム又はシュウ酸テトラキス（ヒドロキシメチル）ホスホニウムである。）
（ｂ）該汚泥に存在する病原体の量を２以上の対数減少値に相当する量減少させ、処理された下水汚泥中の大腸菌レベルが乾燥汚泥１グラム当たり１０ ⁵ ｃｆｕ／ｇｄｓ以下となるのに充分な時間前記リン含有化合物と該汚泥の接触を維持する工程と；
を含む方法。
２以上の対数減少値が２４時間で達成される請求項１に記載の方法。
前記汚泥に存在する病原体の量を対数減少値で３以上減少させるのに充分な時間前記リン含有化合物と前記汚泥の接触を維持する請求項１に記載の方法。
前記汚泥に存在する病原体の量を対数減少値で４以上減少させるのに充分な時間前記リン含有化合物と前記汚泥の接触を維持する請求項３に記載の方法。
前記汚泥は工程（ａ）の前に嫌気性消化を受ける請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
工程（ａ）にて前記汚泥に添加されるべきリン含有化合物の量が最大で１０，０００ｍｇ／Ｌである請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
工程（ａ）にて前記汚泥に添加されるべきリン含有化合物の量が１００〜２，５００ｍｇ／Ｌである請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
工程（ａ）にて前記汚泥に添加されるべきリン含有化合物の量が２００〜１，０００ｍｇ／Ｌである請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
前記汚泥に添加されるべきリン含有化合物の量を乾燥固体重量に対して表現すると、添加すべき量は最大で乾燥固体の３０重量％である請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
前記汚泥に添加されるべきリン含有化合物の量を乾燥固体重量に対して表現すると、添加されるべきリン含有化合物の量は乾燥固体の０．１〜２０重量％である請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
前記汚泥に添加されるべきリン含有化合物の量を乾燥固体重量に対して表現すると、添加されるべきリン含有化合物の量は乾燥固体の０．１〜１０重量％である請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
前記汚泥に添加されるべきリン含有化合物の量を乾燥固体重量に対して表現すると、添加されるべきリン含有化合物の量は乾燥固体の０．２〜５重量％である請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
前記汚泥に添加されるべきリン含有化合物の量を乾燥固体重量に対して表現すると、添加されるべきリン含有化合物の量は乾燥固体の０．４〜２重量％である請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
工程（ｂ）は１秒〜１４日の期間に亘って実施される請求項１〜１３の何れか一項に記載の方法。
工程（ｂ）は６〜２４時間の期間に亘って実施される請求項１〜１３の何れか一項に記載の方法。
工程（ｂ）は１５秒〜２４時間の期間に亘って実施される請求項１〜１３の何れか一項に記載の方法。
前記汚泥中には大腸菌以外の細菌、ウイルス、原生動物及び寄生虫よりなる群から選択される病原体が更に存在する請求項１〜１６の何れか一項に記載の方法。
前記細菌が、サルモネラ菌（Salmonella spp.）、シゲラ菌（Shigella spp.）、コレラ菌（Vibrio cholerae）、セレウス菌（Bacillus cereus）、リステリア菌（Listeria monocytogenes）、カンピロバクター（Campylobacter spp）及びペスト菌（Yersinia pestis）よりなる群から選択される請求項１７に記載の方法。
前記ウイルスが、ロタウイルス、カルシウイルス、Ｆ群アデノウイルス及びアストロウイルスよりなる群から選択される請求項１７に記載の方法。
前記原生動物が、エントアメーバ（Entamoeba spp.）、ジアルジア（Giardia spp.）, 大腸バランチジウム（Balantidium coli）及びクリプトスポリジウム（Cryptosporidium spp.）よりなる群から選択される請求項１７に記載の方法。
前記寄生虫が、回虫（Ascaris lumbricoides）、鞭虫（Trichuris trichiura）、ズビニ鉤虫（Ancylostoma duodenale）、糞線虫（Strongyloides stercoralis）、住血吸虫（Schistosoma spp.）、無鉤条虫（Taenia saginata）、有鉤条虫（Taenia solum）及びこれらの卵よりなる群から選択される請求項１７に記載の方法。