JP5387310B2 - 水処理装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、水処理装置及び方法に関する。

下記特許文献１には、硫酸イオンを含む有機性排水の嫌気性処理方法が開示されている。この排水処理方法は、硫酸イオンを含む有機性排水をメタン発酵処理（嫌気性処理）するに際して、処理槽（発酵槽）の発生ガスを脱硫槽で脱硫した後、処理槽に戻すことにより発生ガス中の硫化水素濃度を低下させるものである。このような排水処理方法によれば、処理槽におけるメタン菌の活性の低下を抑制することができる。

特開平０５−００７８９４号公報

ところで、上記脱硫槽には、乾式のものと湿式のもの（生物処理も含む）とがあるが、何れも運転コストが高いと共に、湿式のものは余剰汚泥が多く発生するため、この余剰汚泥の処理にもコストがかかるという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、有機性排水を従来よりも低コストで処理することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、水処理装置に係る第１の解決手段として、原水としての有機性排水に当該有機性排水のＢＯＤ（Biochemical Oxygen Demand）に当量する硫酸イオンを添加する硫酸イオン添加装置と、前記硫酸イオンが添加された有機性排水を嫌気性処理する嫌気性反応槽と、該嫌気性処理槽の処理水を酸化処理する酸化反応槽とを具備する、という手段を採用する。

水処理装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、酸化反応槽は、好気性微生物が配置された気層部と該気層部の下に配置された液層部とからなる好気性反応槽であり、気層部に上方から嫌気性反応槽の処理水を供給し、液層部に下方から空気を供給する、という手段を採用する。

水処理装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、酸化反応槽の処理水の一部を嫌気性反応槽に循環水として戻す、という手段を採用する。

水処理装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段において、硫酸イオン添加装置は、硫酸イオンを発生させる硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）を有機性排水に添加する、という手段を採用する。

水処理装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４いずれかの解決手段において、原水としての有機性排水が当該有機性排水のＢＯＤに当量する硫酸イオンよりも少ない量の硫酸イオンを含むものである場合、硫酸イオン添加装置は、有機性排水のＢＯＤに当量する硫酸イオンに不足する硫酸イオンを有機性排水に添加する、という手段を採用する。

また、本発明では、水処理方法に係る第１の解決手段として、原水としての有機性排水に当該有機性排水のＢＯＤ（Biochemical Oxygen Demand）に当量する硫酸イオンを添加する硫酸イオン添加工程と、該硫酸イオン添加工程を経た有機性排水を嫌気性処理する嫌気性処理工程と、嫌気性処理工程の処理水を酸化処理する酸化処理工程とを有する、という手段を採用する。

水処理方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、酸化処理工程は、好気性微生物が配置された気層部と液層部とを上下に配置した好気性反応槽において、気層部に上方から嫌気性反応槽の処理水を供給し、液層部に下方から空気を供給して行う、という手段を採用する。

水処理方法に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、酸化処理工程における処理水の一部を嫌気性処理工程に循環水として戻す、という手段を採用する。

水処理方法に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段において、硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）によって硫酸イオンを有機性排水に添加する、という手段を採用する。

水処理方法に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４いずれかの解決手段において、原水としての有機性排水が当該有機性排水のＢＯＤに当量する硫酸イオンよりも少ない量の硫酸イオンを含むものである場合、有機性排水のＢＯＤに当量する硫酸イオンに不足する硫酸イオンを有機性排水に添加する、という手段を採用する。

本発明によれば、嫌気性処理によって収率良く硫化水素（Ｈ_２Ｓ）を発生させることができ、また当該硫化水素（Ｈ_２Ｓ）を酸化処理によって有価物である硫黄（Ｓ）を収率良く得ることができるので、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）を脱硫槽で脱硫する従来技術よりも有機性排水を低コストで処理することが可能である。

本発明の一実施形態に係る水処理装置Ａのシステム構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る水処理装置Ａは、図１に示すように、調整槽１、嫌気性反応槽２、好気性反応槽３（酸化反応槽）、ＢＯＤ計測器４、硫酸ナトリウム添加装置５及び空気供給装置６から構成されている。このような水処理装置Ａは、外部から供給される原水Ｘ1（硫酸イオンを含む有機性排水）のＢＯＤ（生物化学的酸素要求量；Biochemical Oxygen Demand）が事業所の排水基準あるいは環境基準以下となるように処理するものである。

なお、硫酸イオンを含む有機性排水である原水Ｘ1は、例えば食品製造排水、パルプ製造排水あるいは下水である。このような原水Ｘ1は、５０〜２０００ｍｇ-ＢＯＤ／Ｌの有機物（≒ＢＯＤ）を含むと共に、５０〜３０００ｍｇ-ＳＯ_４／Ｌの硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）を含む排水である。このような原水Ｘ1における硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）の含有量は、後述する嫌気性反応槽２内の硫酸還元反応、つまり原水Ｘ1に含まれる有機成分と硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）とを過不足なく反応させて硫化水素（Ｈ_２Ｓ）化するために必要な量に対して不足する量である。

調整槽１は、外部から供給された原水Ｘ1と硫酸ナトリウム添加装置５から供給された硫酸ナトリウム水溶液Ｘ2とを混合・攪拌する所定容量の容器であり、混合・攪拌後の混合水Ｘ3を嫌気性反応槽２に排出する。

嫌気性反応槽２は、嫌気性微生物であるメタン菌が汚泥床２ａとして内部に設けられた反応槽であり、下部から注入された上記混合水Ｘ3及び後述する循環水Ｘ7をメタン生成菌の作用によってメタン発酵（嫌気性処理）するものである。

この嫌気性反応槽２では、メタン生成菌の作用によって原水Ｘ1に含まれる有機成分が分解されてメタンガス（ＣＨ_４）と二酸化炭素（ＣＯ _２ ）とが主に発生するが、メタン生成菌と共生する硫酸還元菌の作用によって上記混合水Ｘ3に含まれる硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）が硫酸還元処理されて硫化水素（Ｈ_２Ｓ）が生成される。このような嫌気性反応槽２では、このような硫化水素（Ｈ_２Ｓ）が溶け込んだ上記上澄み液が中間処理水Ｘ4として上部から取り出されて好気性反応槽３に排水される。

なお、この嫌気性反応槽２における処理条件は、ｐＨ５〜８（最適値：ｐＨ６）、温度１５〜４０℃（最適値：３０℃）、また圧力は反応槽の保持液深相当（最適値：０．０５ＭＰａ）である。

好気性反応槽３は、好気性微生物が汚泥床３ａとして配置された気層部３ｂ（上部）と該気層部３ｂの下に配置された液層部３ｃ（下部）とからなり、気層部３ｂに上方から上記中間処理水Ｘ4が供給され、また中間処理水Ｘ4によって下部に溜まった液層部３ｃに下方から空気供給装置６の空気Ｘ5が供給されるようになっている。このような好気性反応槽３では、中間処理水Ｘ4が上方からシャワー状に落下して汚泥床３ａを通過する一方、液層部３ｃを曝気（ばっき）した空気Ｘ5が下方から汚泥床３ａを通過する。

この汚泥床３ａでは、上記中間処理水Ｘ4に含まれる硫化水素（Ｈ_２Ｓ）と空気Ｘ5に含まれる酸素（Ｏ_２）とが硫化物酸化反応を起こして硫黄（Ｓ）と水（Ｈ_２Ｏ）とが生成される。このような好気性反応槽３は、上記硫黄（Ｓ）と水（Ｈ_２Ｏ）とを含む液層部３ｃの上澄み液が処理済水Ｘ6として外部に排出する一方、液層部３ｃの下部から取り出した処理水を上記循環水Ｘ7として嫌気性反応槽２の下部に供給する。

この好気性反応槽３における処理条件は、ｐＨ４〜８（最適値：ｐＨ６）、温度１５〜４０℃（最適値：３０℃）、また圧力は反応槽の保持液深相当（最適値：０．０５ＭＰａ）である。

ＢＯＤ計測器４は、上記調整槽１における原水Ｘ1のＢＯＤを定期的あるいは不定期に計測する計測器であり、計測値を硫酸ナトリウム添加装置５に出力する。このＢＯＤ計測器４は、例えばＪＩＳに規定された溶存酸素の量を評価する比較的精度が高い測定方法あるいはバイオセンサーを用いた簡易的な測定方法等に基づいてＢＯＤを測定する。また、測定タイミングは、所定日数毎の定期的なタイミングあるいは食品製造排水、パルプ製造排水あるいは下水等の原水Ｘ1の種類が変更される不定期なタイミングの何れであっても良く、適宜適切なタイミングに設定される。

硫酸ナトリウム添加装置５は、硫酸塩の一種である硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）の水溶液（硫酸ナトリウム水溶液）を硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）として調整槽１に供給する。この硫酸ナトリウム添加装置５は、硫酸ナトリウム水溶液の調整槽１への添加量、ＢＯＤ及び硫酸イオン量を食品製造排水、パルプ製造排水あるいは下水等の原水Ｘ1の種類毎に登録した原水テーブルを予め記憶しており、当該添加量テーブルに基づいて実際に処理する原水Ｘ1の種類に対応する添加量の硫酸ナトリウム水溶液を調整槽１に供給する。

すなわち、原水Ｘ1に含まれる有機成分と硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）とが嫌気性反応槽２において過不足なく反応して硫化水素（Ｈ_２Ｓ）化するために必要な硫酸イオン量Ｍ0、また原水Ｘ1にもともと含まれる硫酸イオン量Ｍ1とすると、硫酸ナトリウム添加装置５は、硫酸イオン量Ｍ0から硫酸イオン量Ｍ1を差し引いた量Ｍ2（＝Ｍ0−Ｍ1）、つまり硫酸イオン量Ｍ0に対する硫酸イオン量Ｍ1の不足分の硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）に相当する硫酸ナトリウム水溶液を調整槽１に供給する。

ＢＯＤは原水Ｘ1の種類（食品製造排水、パルプ製造配排水、一般下水、等々）毎に予め見積もることができるので、硫酸ナトリウム添加装置５には上記固定量が原水Ｘ1の種類毎に予め記憶されている。また、空気供給装置６は、空気を液層部３ｃの下部に所定圧で送り込むブロワである。

次に、このように構成された水処理装置Ａの動作についてさらに詳しく説明する。
本水処理装置Ａが稼働すると、ＢＯＤ計測器４は予め設定されたタイミングで調整槽１に貯留された原水Ｘ1のＢＯＤを計測し、その計測値を硫酸ナトリウム添加装置５に出力する。この結果として、硫酸ナトリウム添加装置５は、原水Ｘ1のＢＯＤに応じた、つまりＢＯＤに対して化学的に当量となる硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）が原水Ｘ1に添加されるように、硫酸ナトリウム水溶液Ｘ2を調整槽１に供給する。

なお、硫酸ナトリウム添加装置５は、原水テーブルに登録された原水Ｘ1のＢＯＤがＢＯＤ計測器４の計測結果と大幅に異なる場合には警報を発生して、この事態を水処理装置Ａの管理者に知らせる。

調整槽１は、このようにして硫酸ナトリウム添加装置５から供給された硫酸ナトリウム水溶液Ｘ2を原水Ｘ1と混合・攪拌し、その結果得られた混合水Ｘ3を嫌気性反応槽２に出力する。
なお、周知のように、硫酸塩の一種である硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）は、水溶性であり、水に溶けることによってナトリウムイオン（Ｎａ^＋）と硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）とに分解する。

そして、このような混合水Ｘ3が流入する嫌気性反応槽２では、汚泥床２ａのメタン生成菌の作用によって有機成分がメタン発酵（嫌気性処理）してメタンガス（ＣＨ_４）と二酸化炭素（ＣＯ_４）とが発生すると共に、同じく汚泥床２ａに上記メタン生成菌と共生する硫酸還元菌の作用によって上記硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）が硫酸還元処理されて硫化水素（Ｈ_２Ｓ）が生成される。すなわち、嫌気性反応槽２内では、有機成分である炭水化物が硫酸還元菌の作用によって硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）と反応して二酸化炭素（ＣＯ_２）、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）及び水（Ｈ_２Ｏ）に変化する。

ここで、嫌気性反応槽２の処理対象である混合水Ｘ3は、硫酸ナトリウム添加装置５から調整槽１に硫酸ナトリウム水溶液が所定量添加されることにより、原水Ｘ1のＢＯＤに対して化学的に当量となる硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）を含むものである。したがって、原水Ｘ1中に含まれる有機成分と硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）とが過不足なく反応して硫化水素（Ｈ_２Ｓ）が生成される。すなわち、原水Ｘ1の硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）に含まれる硫黄（Ｓ）成分の殆どが硫化水素（Ｈ_２Ｓ）に還元される。

嫌気性反応槽２は、このような硫化水素（Ｈ_２Ｓ）が溶存する中間処理水Ｘ4（上澄み液）を好気性反応槽３に排水する。好気性反応槽３では、中間処理水Ｘ4が汚泥床３ａを上方から下方に向けて通過すると共に、空気Ｘ5が同じく汚泥床３ａを下方から上方に通過する。このような対向流として中間処理水Ｘ4と空気Ｘ5とが汚泥床３ａを通過すると、汚泥床３ａの好気性微生物の作用によって、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）が酸素（Ｏ_２）と硫化物酸化反応を起こして硫黄（Ｓ）と水（Ｈ_２Ｏ）とが生成する。

すなわち、嫌気性反応槽２内では、以下の反応式（１）に沿った酸化反応が起こる。
Ｈ_２Ｓ ＋ Ｏ_２ → ＳＯ_４ ^２− ＋ Ｈ_２Ｏ
→ Ｓ ＋ Ｈ_２Ｏ （１）

ここで、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）から転化した硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）がさらに酸化されて単独元素である硫黄（Ｓ）にまで酸化されるためには、硫化水素量に対して酸素量を最適設定する必要があるが、本実施形態では、硫酸ナトリウム添加装置５から調整槽１に硫酸ナトリウム水溶液を所定量添加することにより原水Ｘ1のＢＯＤに対して化学的に当量となる硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）が含まれているので、嫌気性反応槽２における硫化水素（Ｈ_２Ｓ）の発生量を見積もることが可能である。したがって、本実施形態では、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）の発生量に対して最適設定された量の酸素（Ｏ_２）を空気供給装置６から嫌気性反応槽２に供給することが容易である。

このような本実施形態によれば、硫酸ナトリウム添加装置５から調整槽１に硫酸ナトリウム水溶液を所定量添加することにより、嫌気性反応槽２の処理対象である混合水Ｘ3を原水Ｘ1のＢＯＤに対して化学的に当量となる硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）を含むものとするので、収率良く硫化水素（Ｈ_２Ｓ）を発生させることができる。そして、このようにして得られた硫化水素（Ｈ_２Ｓ）を好気性反応槽３によって好気性処理（酸化処理）することにより有価物である硫黄（Ｓ）を収率良く得るので、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）を脱硫槽で脱硫する従来技術よりも有機性排水を低コストで処理することが可能である。

また、本実施形態によれば、好気性反応槽３から排出された循環水Ｘ7を嫌気性反応槽２に戻すので、好気性反応槽３で硫黄（Ｓ）に変換できなかった硫化水素（Ｈ_２Ｓ）を好気性反応槽３で再度処理することが可能であり、よって硫黄（Ｓ）の収率を向上させることができる。
また、好気性反応槽３は、中間処理水Ｘ4と空気Ｘ5とが対向流として汚泥床３ａを通過するので、硫黄（Ｓ）が硫化水素（Ｈ_２Ｓ）から効率よく転化される。このような好気性反応槽３の構成によっても硫黄（Ｓ）の収率を向上させることができる。

さらに、比較的廉価な硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）を硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）の発生源として用いるので、硫酸ナトリウム水溶液を原水Ｘ1に添加して消費することによるコストを低減することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）を含む有機性排水を処理対象水（原水Ｘ1）としたが、本発明はこれに限定されるものでない。硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）を殆ど含まない処理対象水に本願発明を適用しても良い。
（２）上記実施形態では、酸化反応槽として好気性反応槽３を採用したが、本発明はこれに限定されない。好気性反応以外の原理に基づく酸化反応槽を用いても良い。

（３）上記実施形態では、ＢＯＤ計測器４を原水Ｘ1のＢＯＤの異常を検知するために用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）を殆ど含まない処理対象水に本願発明を適用する場合、ＢＯＤ計測器４の検出結果に応じて当該検出結果が示すＢＯＤに当量する硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）の供給量を算出して原水Ｘ1に添加するようにしても良い。このような原水Ｘ1に対する硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）の添加制御によれば、原水Ｘ1のＢＯＤに応じて硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）の添加量がフィードバック制御されるので、原水Ｘ1のＢＯＤが時間的に変動する場合であっても、原水Ｘ1のＢＯＤにより正確に当量する硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）を添加することができる。したがって、硫黄（Ｓ）の収率を向上させることができる。

（４）さらには、ＢＯＤ計測器４に加えて、原水Ｘ1の硫酸イオン濃度を計測するイオン濃度計を設け、ＢＯＤ計測器４の計測値及びイオン濃度計の計測値に基づいて硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）の添加量を調節するようにしても良い。

１…調整槽、２…嫌気性反応槽、３…好気性反応槽（酸化反応槽）、４…ＢＯＤ計測器、５…硫酸ナトリウム添加装置、６…空気供給装置

Claims (10)

1. 原水としての有機性排水に当該有機性排水のＢＯＤ（Biochemical Oxygen Demand）に当量する硫酸イオンを添加する硫酸イオン添加装置と、
   前記硫酸イオンが添加された有機性排水を嫌気性処理する嫌気性反応槽と、
   該嫌気性反応槽の処理水を酸化処理する酸化反応槽と、
   硫酸イオン添加装置によって添加された有機性排水のＢＯＤに当量する硫酸イオンから見積もられる嫌気性反応槽での硫化水素の発生量に基づいて、嫌気性反応槽の処理水に溶存する硫化水素を硫黄にまで酸化するために必要な量の酸素を酸化反応槽に供給する空気供給装置と
   を具備することを特徴とする水処理装置。
2. 酸化反応槽は、好気性微生物が配置された気層部と該気層部の下に配置された液層部とからなる好気性反応槽であり、気層部に上方から嫌気性反応槽の処理水を供給し、液層部に下方から空気供給装置からの空気を供給することを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
3. 酸化反応槽の処理水の一部を嫌気性反応槽に循環水として戻すことを特徴とする請求項１または２記載の水処理装置。
4. 硫酸イオン添加装置は、硫酸イオンを発生させる硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）を有機性排水に添加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の水処理装置。
5. 原水としての有機性排水が当該有機性排水のＢＯＤに当量する硫酸イオンよりも少ない量の硫酸イオンを含むものである場合、硫酸イオン添加装置は、有機性排水のＢＯＤに当量する硫酸イオンに不足する硫酸イオンを有機性排水に添加することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の水処理装置。
6. 原水としての有機性排水に当該有機性排水のＢＯＤ（Biochemical Oxygen Demand）に当量する硫酸イオンを添加する硫酸イオン添加工程と、
   該硫酸イオン添加工程を経た有機性排水を嫌気性処理する嫌気性処理工程と、
   硫酸イオン添加工程で添加された有機性排水のＢＯＤに当量する硫酸イオンから見積もられる嫌気性処理工程での硫化水素の発生量に基づいて、嫌気性処理工程の処理水に溶存する硫化水素を硫黄にまで酸化するために必要な量の酸素を酸化反応槽に供給しつつ嫌気性処理工程の処理水を酸化処理する酸化処理工程と
   を有することを特徴とする水処理方法。
7. 酸化処理工程は、好気性微生物が配置された気層部と液層部とを上下に配置した好気性反応槽において、気層部に上方から嫌気性反応槽の処理水を供給し、液層部に下方から空気を供給して行うことを特徴とする請求項６記載の水処理方法。
8. 酸化処理工程における処理水の一部を嫌気性処理工程に循環水として戻すことを特徴とする請求項６または７記載の水処理方法。
9. 硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）によって硫酸イオンを有機性排水に添加することを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の水処理方法。
10. 原水としての有機性排水が当該有機性排水のＢＯＤに当量する硫酸イオンよりも少ない量の硫酸イオンを含むものである場合、有機性排水のＢＯＤに当量する硫酸イオンに不足する硫酸イオンを有機性排水に添加することを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の水処理方法。

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