JP5441787B2 - 有機性廃水の処理方法及び処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、下水等の有機性廃水を活性汚泥処理し、活性汚泥処理過程で排出される初沈汚泥と余剰汚泥とをメタン発酵処理する有機性廃水の処理方法及び処理装置に関する。

下水等の有機性廃水の処理方法としては、従来より、有機性廃水から初沈汚泥を取り除いて活性汚泥処理を行い、活性汚泥処理後の処理液から余剰汚泥を取り除いて排水処理している。また、有機性廃水の活性汚泥処理過程で排出される、初沈汚泥や余剰汚泥をメタン発酵処理して、汚泥の減容化を図ることも行われている。

例えば、下記特許文献１には、初沈汚泥と余剰汚泥とを必要に応じて濃縮し、次いで、加熱処理した後、メタン発酵処理することが開示されている。

特開２００３−３０５４９８号公報（段落番号００３０、図１参照）

初沈汚泥は、繊維などの難分解性成分を大量に含む汚泥であることから、初沈汚泥を加熱処理してもメタン発酵処理に適した状態に改質できず、メタン発酵処理効率を殆ど向上できなかった。

このため、上記特許文献１のように、初沈汚泥と余剰汚泥との混合汚泥を加熱処理した場合、加熱処理効果の少ない成分（難分解性成分）も加熱処理を施すことになるので、加熱エネルギーを無駄に要し、熱エネルギーの利用効率が悪く、処理コストが嵩む問題があった。また、メタン発酵処理効率が十分ではなく、汚泥の減容化が十分ではなかった。

よって、本発明の目的は、有機性廃水を活性汚泥処理する過程で排出される初沈汚泥と余剰汚泥とを、効率よくメタン発酵処理して汚泥の減容化を図ることが可能な有機性廃水の処理方法及び処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するにあたり、本発明の有機性廃水の処理方法は、有機性廃水から初沈汚泥を除去する初沈汚泥除去工程と、初沈汚泥が除去された有機性廃水を活性汚泥処理する活性汚泥処理工程と、活性汚泥処理後の処理液から余剰汚泥を除去する余剰汚泥除去工程と、前記初沈汚泥及び前記余剰汚泥をメタン発酵槽に導入してメタン発酵処理するメタン発酵処理工程とを有する有機性廃水の処理方法であって、前記余剰汚泥を６０〜９０℃で可溶化処理し、前記可溶化処理された余剰汚泥の熱を利用して、直接的又は間接的に前記初沈汚泥を加熱すると共に、前記初沈汚泥を３０〜４０℃で３〜４日酸発酵処理し、前記可溶化処理された余剰汚泥と、前記酸発酵処理された初沈汚泥とを混合して混合汚泥とし、該混合汚泥を前記メタン発酵槽に導入することを特徴とする。

本発明における、初沈汚泥は、下水などの有機性廃水の処理施設の最初沈殿槽等における沈殿汚泥をいう。初沈汚泥は、繊維などの難分解性成分を主に含む汚泥であり、加熱処理しても殆ど分解しないが、３０〜４０℃で３〜４日酸発酵処理することにより、メタン発酵され易い性状に改質される。また、余剰汚泥は、微生物などの有機物を主に含む汚泥であり、加熱処理することで、微生物の細胞膜等が破壊されて、メタン発酵され易い性状に改質される。
本発明の有機性廃水の処理方法によれば、初沈汚泥、余剰汚泥をそれぞれ別々に、初沈汚泥に対しては酸発酵処理し、余剰汚泥に対しては６０〜９０℃で可溶化処理するので、各々の汚泥に適した処理が個別に行われ、初沈汚泥及び余剰汚泥を、効率よくメタン発酵処理され易い性状に改質でき、汚泥の改質処理に要する熱エネルギーや処理時間を低減できる。そして、メタン発酵槽には、メタン発酵処理され易い性状に改質された汚泥を供給できるので、汚泥のメタン発酵効率が向上して最終汚泥の排出量を低減でき、汚泥の減容化に優れている。

本発明の有機性廃水の処理方法は、前記メタン発酵槽から発生したバイオガスを熱源として前記余剰汚泥を加熱し、次いでその余熱を利用して前記混合汚泥を加熱することが好ましい。

本発明の有機性廃水の処理方法は、前記可溶化処理された余剰汚泥の熱を利用して、直接的又は間接的に前記初沈汚泥を加熱して酸発酵処理することが好ましい。

上記各態様によれば、熱エネルギーの有効利用を図ることができ、より小さい熱エネルギーで有機性廃水を処理することができる。

また、本発明の有機性廃水処理装置は、有機性廃水から初沈汚泥を除去する第１固液分離槽と、前記初沈汚泥を酸発酵処理する酸発酵処理槽と、初沈汚泥が除去された有機性廃水を活性汚泥処理する曝気槽と、活性汚泥処理後の処理液から余剰汚泥を除去する第２固液分離槽と、前記余剰汚泥を加熱して可溶化処理する可溶化処理槽と、前記酸発酵処理された初沈汚泥と、前記可溶化処理された余剰汚泥とを混合して混合汚泥を調製する汚泥混合槽と、前記混合汚泥をメタン発酵処理するメタン発酵槽と、前記メタン発酵槽から発生するバイオガスを燃焼して熱源を生成するボイラーと、前記ボイラーの熱を利用して前記余剰汚泥及び前記混合汚泥を加熱する加熱手段と、前記第１固液分離槽と前記酸発酵処理槽との間の経路又は前記酸発酵処理槽に設けられた第１熱交換器とを備え、前記可溶化処理後の余剰汚泥の少なくとも一部が、前記第１熱交換器を経由して前記初沈汚泥と熱交換した後、前記汚泥混合槽に導入するように構成されていることを特徴とする。

本発明の有機性廃水処理装置によれば、初沈汚泥は酸発酵処理槽で酸発酵処理され、余剰汚泥は可溶化処理槽で可溶化処理された後、酸発酵処理後の初沈汚泥及び可溶化処理後の余剰汚泥が汚泥混合槽内で混合されてメタン発酵槽に供給される。このように、初沈汚泥及び余剰汚泥は、各々の汚泥に適した処理が、酸発酵処理槽、可溶化処理槽にて個別に行われるので、初沈汚泥及び余剰汚泥を、効率よくメタン発酵処理され易い性状に改質してメタン発酵槽に供給でき、汚泥の改質処理に要する熱エネルギーや処理時間を低減できる。そして、メタン発酵槽には、メタン発酵され易い性状に改質された汚泥を供給できるので、汚泥のメタン発酵効率が向上して最終汚泥の排出量を低減でき、汚泥の減容化に優れている。

本発明の有機性廃水処理装置は、前記加熱手段として、前記第２固液分離槽と前記可溶化処理槽との間の経路又は前記可溶化処理槽に設けられた第２熱交換器と、前記汚泥混合槽と前記メタン発酵槽との間の経路に設けられた第３熱交換器とを備え、前記ボイラーから生成した熱源の少なくとも一部が、前記第２熱交換器を経由して前記余剰汚泥と熱交換した後、前記第３熱交換器を通過して前記混合汚泥と熱交換するように構成されていることが好ましい。この態様によれば、熱の利用効率が高く、より小さい熱エネルギーで有機性廃水を処理することができる。

本発明によれば、初沈汚泥及び余剰汚泥に対して、各々の汚泥に適した処理を個別に行い、両者を混合してメタン発酵槽に供給するので、初沈汚泥及び余剰汚泥を効率よくメタン発酵処理され易い性状に改質でき、改質処理に要する熱エネルギーや処理時間を低減できる。そして、メタン発酵槽には、メタン発酵され易い性状に改質された汚泥を供給できるので、汚泥のメタン発酵効率が向上して最終汚泥の排出量を低減でき、汚泥の減容化に優れている。

本発明の有機性廃水処理装置の概略図である。

本発明の有機性廃水処理装置の一実施形態について、図１を用いて説明する。

図１に示すように、下水等の有機性廃水の供給源から伸びた配管Ｌ１が、第１固液分離槽１に接続している。

本実施形態における第１固液分離槽１は、下水等の有機性廃水の処理装置における最初沈殿槽であって、有機性廃水中の繊維成分などの固形物を固液分離して、初沈汚泥と分離液とに分離する処理槽である。第１固液分離槽１としては、有機性廃水を固液分離できるような構成を有するものであれば特に限定はなく、重力沈澱槽等の固液分離装置を広く利用できる。

上記第１固液分離槽１の初沈汚泥の排出口からは、配管Ｌ２が伸びて初沈汚泥貯留槽２に接続している。初沈汚泥貯留槽２は、第１固液分離槽１から送られてくる初沈汚泥を貯留し、また、後段の酸発酵処理槽３への初沈汚泥の供給量を調整するための機能を有している。

初沈汚泥貯留槽２の後段には、酸発酵処理槽３が配置されており、熱交換器Ｑ１が介装された配管Ｌ３を介して連結している。酸発酵処理槽３は、有機物を、槽内の嫌気性菌の作用により酸性発酵して、酢酸、酪酸、プロピオン酸などの有機酸を生成して酸発酵処理するための処理槽である。酸発酵処理槽３から配管Ｌ４が伸びて、後段の汚泥混合槽４に連結している。なお、熱交換器Ｑ１を酸発酵処理槽３に設けて、酸発酵処理槽３内を加熱するようにしてもよい。熱交換器Ｑ１としては、特に限定は無い。例えば、熱交換器の内部に構成されたらせん状の配管内を初沈汚泥が通過し、らせん状の配管外に加熱された余剰汚泥が通過して熱交換されるスパイラル式などの熱交換器を好ましく用いることができる。

また、上記第１固液分離槽１の分離液の排出口からは、配管Ｌ５が伸びて曝気槽５に連結している。曝気槽５は、初沈汚泥が除去された有機性廃水（分離液）を、槽内に存在する微生物の作用によって活性汚泥処理し、有機物や窒素成分などを除去する処理槽である。曝気槽５としては、槽内に微生物を含む活性汚泥が滞留し、微生物の作用によって下水の活性汚泥処理ができる処理槽であれば特に限定はない。

曝気槽５の後段には、第２固液分離槽６が配置されており、配管Ｌ６を介して連結している。第２固液分離槽６は、曝気槽５にて活性汚泥処理された有機性廃水（以下、活性汚泥処理水という）を、余剰汚泥と分離処理液とに固液分離する処理槽である。第２固液分離槽６としては、活性汚泥処理水を固液分離できるような構成を有するものであれば特に限定はなく、重力沈降槽、膜分離装置、遠心分離装置等広く利用できる。

上記第２固液分離槽６の分離処理液の排出口からは、配管Ｌ７が伸びて、図示しない排水系に連結している。また、余剰汚泥の排出口からは、配管Ｌ８が伸びて余剰汚泥貯留槽７に接続している。

余剰汚泥貯留槽７は、第２固液分離槽６から送られてくる余剰汚泥を貯留する貯留槽であり、余剰汚泥貯留槽７に貯留された余剰汚泥の一部は、返送配管Ｌ１６を通して曝気槽５へ返送汚泥として返送され、残部は後段の可溶化処理槽８に供給される。また、余剰汚泥貯留槽７は、後段の可溶化処理槽８への余剰汚泥の供給量を調整するための機能を有している。

余剰汚泥貯留槽７の後段には、可溶化処理槽８が配置されており、熱交換器Ｑ２が介装された配管Ｌ９を介して連結している。可溶化処理槽８は、余剰汚泥を可溶化処理するための処理槽であって、断熱構造をなすものであればよく、特に限定は無い。また、攪拌機等を備えて、槽内の余剰汚泥に剪断力を加えることができるように構成されていてもよい。熱交換器Ｑ２は、上述した熱交換器Ｑ１と同様のものを用いることができる。なお、熱交換器Ｑ２を可溶化処理槽８に設けて、可溶化処理槽８内を加熱するようにしてもよい。

可溶化処理槽８からは、配管Ｌ１０が伸びて、上述した熱交換器Ｑ１を通って可溶化処理槽８の後段に配置された汚泥混合槽４に連結している。

汚泥混合槽４は、酸発酵処理槽３から送られてくる酸発酵処理された初沈汚泥（以下、改質初沈汚泥ともいう）と、可溶化処理槽８から送られてくる可溶化処理された余剰汚泥（以下、改質余剰汚泥ともいう）とを混合して貯留し、後段のメタン発酵槽９への混合汚泥の供給量を調整するための機能を有している。

汚泥混合槽４の後段には、熱交換器Ｑ３が介装された配管Ｌ１１を介して連結したメタン発酵槽９が配置されている。熱交換器Ｑ３は、上述した熱交換器Ｑ１と同様のものを用いることができる。

メタン発酵槽９は、槽内に供給された混合汚泥をメタン菌等の嫌気性微生物の作用で嫌気処理し、メタンガス等のバイオガスに分解する処理槽である。メタン発酵槽９には、槽内の発酵液を攪拌する攪拌装置（図示しない）が配置されている。また、メタン発酵槽９の下方には、メタン発酵液の引き抜き配管Ｌ１２が伸びて、図示しない汚泥処理系に連結している。また、メタン発酵槽９の上部からは、バイオガス取出し用の配管Ｌ１３が伸びて、ガスホルダ１０に接続している。

ガスホルダ１０に貯留されたバイオガスは、配管Ｌ１４を介して連結した蒸気ボイラー１１に供給して燃焼し、循環経路Ｌ１５内を流通する熱媒体を加熱する。そして、蒸気ボイラー１１で加熱された熱媒体は、熱交換器Ｑ２、熱交換器Ｑ３の順に通って、余剰汚泥、混合汚泥の順にそれぞれ加熱した後、再び蒸気ボイラー１１に返送される。

次に、本発明の有機性廃水の処理方法について、図１に示す処理装置を用いた場合を例に挙げて説明する。

まず、有機性廃水の供給源から送られてくる下水等の有機性廃水を、第１固液分離槽１に供給し、有機性廃水中の繊維成分などの固形物を固液分離して、初沈汚泥と分離液とに分離する。この初沈汚泥の水温は、外気温度により異なるが、およそ１０〜２０℃である。また、初沈汚泥の排出量は、処理対象となる有機性廃水の性状や各種処理条件により異なるが、後述する余剰汚泥との固形分比率で、初沈汚泥：余剰汚泥＝６：４〜５：５であることが多い。

初沈汚泥を除去した有機性廃水（分離液）は、配管Ｌ５を通して曝気槽５に送り、ここで活性汚泥処理して有機物や窒素成分などを除去する。そして、曝気槽５から配管Ｌ６を通して活性汚泥処理水を引き抜き、第２固液分離槽６に送って余剰汚泥と分離処理液とに固液分離する。この余剰汚泥の水温は、外気温度により異なるが、およそ１０〜２０℃である。

分離処理液は、配管Ｌ７を通して図示しない排水系に送り、そのまま、あるいは、必要に応じて薬品等を添加して浄化処理した後、系外に排水する。

余剰汚泥は、配管Ｌ８を通して余剰汚泥貯留槽７に送り、ここで一時的に貯留する。槽内に貯留された余剰汚泥の一部は、返送配管Ｌ１６を通して曝気槽５へ返送し、活性汚泥処理に供する。また、配管Ｌ９から一定量ずつ引き抜き、熱交換器Ｑ２にて、蒸気ボイラー１１によって加熱された熱媒体と熱交換して加熱する。熱交換器Ｑ２では、余剰汚泥が６０〜９０℃、好ましくは７０〜８０℃に加熱されるように、余剰汚泥の流量、熱媒体の流量を調整する。

熱交換器Ｑ２で所定温度に加熱した余剰汚泥は、可溶化処理槽８に送り、６０〜９０℃、好ましくは７０〜８０℃の温度下で、１〜４時間、好ましくは２〜３時間可溶化処理を行う。また、可溶化処理中は、槽内に貯留された余剰汚泥を攪拌するなど剪断力を加えてもよい。余剰汚泥は微生物などの有機物を主に含む汚泥であり、このようにして可溶化処理を行うことにより、微生物の細胞質等が破壊されて、メタン発酵処理され易い性状に改質される。また、流動性が生じて配管内を流通し易くなる。

そして、可溶化処理槽８から改質余剰汚泥を、配管Ｌ１０を通して一定量ずつ引き抜き、熱交換器Ｑ１を通過させて汚泥混合槽４に送る。

一方、初沈汚泥は、配管Ｌ２を通して初沈汚泥貯留槽２に送り、ここで一時的に貯留する。そして、槽内に貯留された初沈汚泥を、配管Ｌ３から一定量ずつ引き抜き、熱交換器Ｑ１にて、上述した改質余剰汚泥と熱交換して加熱する。可溶化処理槽８から引き出された改質余剰汚泥は、流動性が高いので、熱交換器内の配管をスムーズに流通する。また、改質余剰汚泥の水温は、およそ６０〜９０℃であるので、初沈汚泥と改質余剰汚泥とを熱交換することにより、初沈汚泥は加熱される。熱交換器Ｑ１では、初沈汚泥が２５〜４５℃、好ましくは３０〜４０℃に加熱されるように、初沈汚泥の流量、改質余剰汚泥の流量を調整する。なお、改質余剰汚泥との熱交換のみでは初沈汚泥を所望の温度まで加熱できない場合は、ヒータ等の補助熱源を設置して、これらの補助熱源で不足する加熱量を補ってもよい。

熱交換器Ｑ１で所定温度に加熱した初沈汚泥は、酸発酵処理槽３に送り、３０〜４０℃で、３〜４日日行う。また、酸発酵処理中は、槽内に貯留された初沈汚泥を攪拌するなど剪断力を加えてもよい。初沈汚泥は、繊維などの難分解性成分を主に含む汚泥であり、加熱処理しても殆ど分解しないが、酸発酵処理することにより、初沈汚泥がメタン発酵処理され易い性状に改質される。

そして、酸発酵処理槽３から改質初沈汚泥を配管Ｌ４を通して一定量ずつ引き抜き、汚泥混合槽４に送る。

汚泥混合槽４では、酸発酵処理槽３から送られてくる改質初沈汚泥と、可溶化処理槽８から送られてくる改質余剰汚泥とを混合し、必要に応じて破砕、粉砕等の処理を行う。そして、配管Ｌ１１から槽内の混合汚泥を一定量ずつ引き抜き、熱交換器Ｑ３にて、余剰汚泥との熱交換後の熱媒体と熱交換して混合汚泥を加熱した後、メタン発酵槽９へ送る。熱交換器Ｑ３では、混合汚泥が４０〜５０℃、好ましくは５０〜６０℃に加熱されるように、混合汚泥の流量を調整する。

メタン発酵槽９では、嫌気性微生物の作用により、供給された混合汚泥を嫌気処理して、メタンガス等のバイオガスに分解する。メタン発酵後の発酵液は、配管Ｌ１２を通して図示しない汚泥処理系に送り、必要に応じて薬品等を添加して脱水処理、焼却処理などして処理する。また、メタン発酵によって生成したバイオガスは、ガスホルダ１０で回収し、蒸気ボイラー１１で燃焼して循環経路Ｌ１５を流通する熱媒体（高圧水蒸気など）を加熱する。蒸気ボイラー１１で加熱された熱媒体は、熱交換器Ｑ２にて余剰汚泥を所定温度まで加熱したのち、熱交換器Ｑ３にて、その余熱で混合汚泥を所定温度まで加熱し、蒸気ボイラー１１に返送される。蒸気ボイラーに返送された熱媒体は、蒸気ボイラー１１で再び加熱されて、循環経路Ｌ１５を流通して余剰汚泥、混合汚泥を加熱する。

本発明の有機性廃水の処理方法によれば、初沈汚泥、余剰汚泥をそれぞれ別々に、初沈汚泥に対しては酸発酵処理槽３にて酸発酵処理し、余剰汚泥に対しては可溶化処理槽８にて可溶化処理するので、各々の汚泥に適した処理が個別に行われ、初沈汚泥及び余剰汚泥を、効率よくメタン発酵処理され易い性状に改質でき、改質処理に要する熱エネルギーや処理時間を低減できる。そして、メタン発酵槽９には、メタン発酵処理され易い性状に改質された汚泥を供給できるので、汚泥のメタン発酵効率が向上して最終汚泥の排出量を低減でき、汚泥の減容化に優れている。

また、この実施形態では、蒸気ボイラー１１で加熱された熱媒体を用いて、余剰汚泥を可溶化処理に適した温度に加熱し、その余熱を利用して更に混合汚泥をメタン発酵に適した温度まで加熱すると共に、改質余剰汚泥の熱を利用して初沈汚泥を、酸発酵処理に適した温度に加熱しているので、熱の利用効率が高く、より小さい熱エネルギーで有機性廃水を処理することができる。

なお、この実施形態では、改質余剰汚泥を熱交換器Ｑ１に通して、改質余剰汚泥の熱を利用して直接的に初沈汚泥を加熱したが、例えば、熱交換器Ｑ１と可溶化処理槽８との間に熱媒体の循環経路を設け、改質余剰汚泥の熱を利用し、熱媒体を介して間接的に初沈汚泥を加熱するようにしてもよい。このようにすることで、熱の利用効率を高めて、より小さい熱エネルギーで有機性廃水を処理することができる。

１：第１固液分離槽
２：初沈汚泥貯留槽
３：酸発酵処理槽
４：汚泥混合槽
５：曝気槽
６：第２固液分離槽
７：余剰汚泥貯留槽
８：可溶化処理槽
９：メタン発酵槽
１０：ガスホルダ
１１：蒸気ボイラー

Claims (4)

1. 有機性廃水から初沈汚泥を除去する初沈汚泥除去工程と、初沈汚泥が除去された有機性廃水を活性汚泥処理する活性汚泥処理工程と、活性汚泥処理後の処理液から余剰汚泥を除去する余剰汚泥除去工程と、前記初沈汚泥及び前記余剰汚泥をメタン発酵槽に導入してメタン発酵処理するメタン発酵処理工程とを有する有機性廃水の処理方法であって、
   前記余剰汚泥を６０〜９０℃で可溶化処理し、
   前記可溶化処理された余剰汚泥の熱を利用して、直接的又は間接的に前記初沈汚泥を加熱すると共に、前記初沈汚泥を３０〜４０℃で３〜４日酸発酵処理し、
   前記可溶化処理された余剰汚泥と、前記酸発酵処理された初沈汚泥とを混合して混合汚泥とし、該混合汚泥を前記メタン発酵槽に導入することを特徴とする有機性廃水の処理方法。
2. 前記メタン発酵槽から発生したバイオガスを熱源として前記余剰汚泥を加熱し、次いでその余熱を利用して前記混合汚泥を加熱する、請求項１に記載の有機性廃水の処理方法。
3. 有機性廃水から初沈汚泥を除去する第１固液分離槽と、
   前記初沈汚泥を酸発酵処理する酸発酵処理槽と、
   初沈汚泥が除去された有機性廃水を活性汚泥処理する曝気槽と、
   活性汚泥処理後の処理液から余剰汚泥を除去する第２固液分離槽と、
   前記余剰汚泥を加熱して可溶化処理する可溶化処理槽と、
   前記酸発酵処理された初沈汚泥と、前記可溶化処理された余剰汚泥とを混合して混合汚泥を調製する汚泥混合槽と、
   前記混合汚泥をメタン発酵処理するメタン発酵槽と、
   前記メタン発酵槽から発生するバイオガスを燃焼して熱源を生成するボイラーと、
   前記ボイラーの熱を利用して前記余剰汚泥及び前記混合汚泥を加熱する加熱手段と、
   前記第１固液分離槽と前記酸発酵処理槽との間の経路又は前記酸発酵処理槽に設けられた第１熱交換器とを備え、
   前記可溶化処理後の余剰汚泥の少なくとも一部が、前記第１熱交換器を経由して前記初沈汚泥と熱交換した後、前記汚泥混合槽に導入するように構成されていることを特徴とする有機性廃水処理装置。
4. 前記加熱手段として、前記第２固液分離槽と前記可溶化処理槽との間の経路又は前記可溶化処理槽に設けられた第２熱交換器と、前記汚泥混合槽と前記メタン発酵槽との間の経路に設けられた第３熱交換器とを備え、前記ボイラーから生成した熱源の少なくとも一部が、前記第２熱交換器を経由して前記余剰汚泥と熱交換した後、前記第３熱交換器を通過して前記混合汚泥と熱交換するように構成されている、請求項３に記載の有機性廃水処理装置。