JP5536894B2 - 順時間欠的なオゾン投入による余剰汚泥の消化方法 - Google Patents

Description

本発明は、処理場において生成される副生成物の余剰汚泥の量を減少させるために行われる標準的な好気性の生物学的な汚泥消化方法に順次的なオゾンを適用することにより、標準的な方法と比較して短時間かつ低費用で汚泥を安定化することができる汚泥消化方法に関する。

汚泥は汚水処理場において、操業時に、副生成物として生成される。生成された汚泥の除去は、適用困難性および処理時間に関し、処理場における最も困難な技術的課題の一つをもたらす。

余剰汚泥の除去の間、生物学的安定化と体積の減少との両方が必要である。先行技術によれば、余剰汚泥の安定化および体積の減少は、生物学的、化学的および熱的なプロセスによって、可能である。

先行技術によると、一般的に汚泥は、生物学的な、嫌気性および好気性の消化をうけ、引き続いて脱水される。好気性および嫌気性の消化槽における汚泥の安定化には、例えば、約１５日から３０日程度の長期間を要する。これは現在の技術水準において未だ解決されておらず、継続的に生成される余剰汚泥は重大な問題となっている。リン処理高度処理施設の場合には、生物学的に吸収されたリンが再放出されるため嫌気性の消化を使用できず、このような処理場は好気性のプロセスに大きく依存する。この技術的課題を解決するには、処理場の設置費用が非常に高価な水準に上昇する。また、自然環境保護のためには処理場が必須であるが、今日までに開発された技術では所望の状況にまで解決策が見出されていない。

加えて、余剰汚泥の貯蔵と利用に関する規制が厳格化されるにつれ、汚泥の体積減少について関心が集まっている。この点において、強力な酸化剤であるオゾンが汚泥の処理および体積減少の両面において際立っている。

オゾンによる消化は２つの機構によって行われる。最初に細菌の細胞壁が破壊され、次に細胞内容物の鉱化（ｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ）が起こる。オゾンによる処理を他の分解プロセスよりも優れたものとする点は、その適当な費用と高い分解能力である。それ故、オゾンによる汚泥の処理は、世界中で普及しつつある。

先行技術において、オゾンによる汚泥の消化に関して多くのリサーチが行われている。これらのリサーチにおいては、処理場の様々な部分、例えば生物反応槽、汚泥上清、返送活性汚泥ラインや汚泥処理ユニット、への継続的なオゾンの適用が、その沈降能力、脱水力、余剰汚泥体積の減少、ｐＨ、硝化および脱窒化のプロセス、汚泥の微生物フロックのサイズ、水質に関する影響が調査されている。（Ｙａｓｕｉ ａｎｄ Ｓｈｉｂａｔａ， １９９４； Ｇｏｅｌ ｅｔ．ａｌ．， ２００４； Ｂｏｈｌｅｒ ａｎｄ Ｓｉｅｇｒｉｓｔ， ２００４； Ｄｙｔｃｚａｋ ｅｔ．ａｌ．， ２００６； Ｍ．Ｗｅｅｍｅａｓ ｅｔ．ａｌ．， ２０００； Ｐａｒｋ ｅｔ．ａｌ．， ２００２； Ｐａｕｌ ａｎｄ Ｄｅｂｅｌｌｅｆｏｎｔａｉｎｅ， ２００７； Ｍｉｎｅｓ ｅｔ．ａｌ．， ２００９； Ｓｏｎｇ ｅｔ．ａｌ．， ２００３）

先行技術においては、これら全ての研究に共通する点は、試料の継続的なオゾン処理である。しかし、オゾンは高価であるため、これは、深刻なまでの上昇した設置および運用の費用をもたらした。

効率を損なわず、より適当な費用によるプロセスの開発に対するニーズは、継続的なオゾン投入よりもはるかに経済的で効率的なプロセスの開発をもたらした。これが本発明の主題である、余剰汚泥消化のための順時（ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ）間欠的な（ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ）オゾン処理プロセスである。

（発明の要旨）
本発明によって開発された順次間欠的なオゾン処理によれば、大量に生成される余剰汚泥を、とても短い接触時間において、大量に、最小限のオゾン処理によって、消化および安定化することができる。

本発明によって開発された方法により、汚水処理場における大きな課題の一つである余剰汚泥を除去することができる。加えて、余剰汚泥の除去に必要な時間の大幅な短縮は、高い資本投資および運営費用に対する解決策をもたらす。

この目標に到達するため、異なるアプローチを用いた。本アプローチにおいては、汚泥消化槽における細菌培養物の倍加時間を考慮して、順次間欠的な態様でオゾン処理を投与した。本アプローチでは、汚泥を、２分、３分、４分、６分間、オゾン処理し、引き続いて、残存する活性培養物が分解されたバイオマスを消費するために、２４時間曝気した。この間、細菌培養物が放出された物質を消費する一方、さらなるバイオマスが産生される。産生されたバイオマスは次回のオゾン処理によって再び酸化される。このプロセスが汚泥が安定化されるまで順次的に４回またはそれ以上繰り返される。

その上、生成した消化された汚泥は細菌学的に無菌状態であり、リンを豊富に含んでおり、それゆえ、肥料として有用であり得、消化された汚泥から収益がもたらされ得、これにより運営費用を削減することができる。

上清に残存するＣＯＤ値の比較グラフ ６分間のオゾン処理の後に上清に残存するＣＯＤ値と対照群との比較グラフ ２分、３分、４分間試料におけるＭＬＳＳ値の比較グラフ ＭＬＳＳに対する累積オゾン投入量の影響 ４分、６分間オゾン処理試料の上清に残存するＣＯＤ値の比較 ４分、６分間オゾン処理試料のＭＬＳＳ値の比較 ４分、６分間オゾン処理試料のＭＬＶＳＳ値の比較

本発明によって開発された、順時間欠的なオゾン投入による汚泥消化方法によれば、汚水処理場において継続的に大量に生成される余剰汚泥を、短時間の間欠的オゾン処理技術によって、極めて短時間に最小限のオゾンを用いて、大部分を消化することにより、安定化する。

本発明の主題である、本プロセスの適用における最も高い効率を得るために、２セットの実験を行った。本プロセスの最も高い効率の適用を決定するためのこれらの実験の詳細を下記に説明する。

本実験で用いた汚泥の日齢は２−４日であり、ＭＬＳＳ（活性汚泥浮遊物質）値は、これを希釈することにより２．３ｇ／Ｌに調整された。この汚泥のＭＬＶＳＳ（活性汚泥有機性浮遊物質）値は、１．９ｇ／Ｌで一定となるようにした。

培養液中に存在する溶解性ＣＯＤ（化学的酸素要求量）による干渉を阻止するため、汚泥をｐＨ７のリン酸緩衝溶液（０．０１３Ｍ ＫＨ_２ＰＯ_４／Ｋ_２ＨＰＯ_４）を用いて遠心により洗浄し、洗浄した汚泥の上清を除き、緩衝溶液を用いてペレットを３００ｍＬに希釈した。この方法は、溶解性ＣＯＤが、バイオマスのみに由来することを目的とした。この手順は、対照および並行群についても同様に適用された。

本実験においては、作動圧力５ ｂａｒｓ、ガス流量１０−１４０ ｌ／ｈのオゾン発生装置を用いた。汚泥中のオゾンガスの分布を向上させるため、オゾン放出ユニットの末端にスパージャを設置した。時間を通じて溶液に加えられたオゾンガスの量を、（２５ｍｌの試料に関して、）分光光度的に引かれた検量線に基づく標準測定法８０２１（ＤＰＤ塩素インジケーター）法によって測定した。

本実験の分析においては、蒸発残留物（ＴＳ−ＭＬＳＳ）は、標準測定法（２５４０Ｂ）（ＡＰＨＡ，１９９８）を用いて、化学的酸素要求量（ＣＯＤ）は、ＨＡＣＨ ８０００（ＵＳ ＥＰＡ 認可）法に基づいて、Ｈａｃｈ Ｌａｎｇｅ ｋｉｔを用いて決定し、浮遊物質強熱減量（ＶＳＳ−ＭＬＶＳＳ）は、ＥＰＡ ２５４０ ｓｏｌｉｄｓ ｍｅｔｈｏｄｓ に基づいて決定した。総リンは、ＥＰＡ Ｍｅｔｈｏｄ ３６５．４によって分析し、オルトリンは、ＥＰＡ ３６５．３ ｍｅｔｈｏｄによって分析した。水に溶解したオゾンは、標準測定法８０２１（ＤＰＤ塩素インジケーター）によって分析した。

第１セットの実験においては、汚泥の消化の後、ＭＬＳＳ値およびＭＬＶＳＳ値を測定し、フラスコ中の固体を濾過して除いた後のろ液においてＣＯＤを測定した。第２セットでは、これらに加えて、酸素消費速度（ＯＣＲ）をも測定した。４分、６分間試験フラスコにおいて得られたオゾン濃度を表１に示す。また、ｇ オゾン／ ｇ バイオマスの形式については、投入したオゾンの量を、各フラスコに存在するバイオマスで除することによって、値を計算した。

実験の間、０日目以降、ＴＳおよびＶＳ（蒸発残留物および強熱減量）を、オゾン処理前とオゾン処理直後に測定し、ＣＯＤのみろ液において測定した。その後、汚泥をオービタルシェーカーにおいて７５回転／分で２４時間振とうし、２５℃で培養した。４日間の間の各日に、１日の同じ時刻に、あらかじめ決められた時間、試料をオゾン処理し、同様の分析をオゾン処理の前後において行った。

第１セットの実験
第１セットの実験において、２分、３分、４分、６分間、試料をオゾン処理した後に得られた結果を図１に示す。これらの実験の終了後、２分および３分間のオゾン処理では不十分であることが観察された。これに加えて、図２より、６分間オゾン処理後の試料の分注では、後続の日において、ほとんどＣＯＤがないことが理解される。これは、初日のオゾン処理により全てのバイオマスが死滅し、それに伴って微生物活性が失われ、その後のＣＯＤの放出がほぼ０になったことを示唆した。第１セットの実験で得られた結果の数値を表２に示す。

第１セットの実験で得られた結果は、オゾンが培養液に加えられると、細胞壁が破壊されて細胞内容物が培養液中に放出され、溶解性ＣＯＤが増加することを示唆した。その後、後続の２４時間培養の間、存在するバイオマスによってＣＯＤが消費されて培養液から除去され、後続のオゾン処理によってＣＯＤが再び放出されることが観察された。ＭＬＳＳの測定値を表した図３から、ＭＬＳＳの減少は、２分、３分、４分間のオゾン処理を受けるフラスコにおいて、適用されたオゾンに直接に比例していることが看取できる。オゾン処理の後に残存するバイオマスは、振とう期間において、放出されたＣＯＤを消費する。時間とともに培養液に残存するバイオマスが減少するにつれ、バイオマスによって消費されるＣＯＤもまた減少し、各オゾン処理の後にろ液中に放出されるＣＯＤは次第に減少する。６分間の適用では、バイオマスの分解によるＣＯＤの放出が非常に大きいが、その後、そのような大量のＣＯＤの放出はみられなかった。この挙動は２つの可能性を示す。初日のオゾン処理によって完全にバイオマスが分解され、ろ液中にＣＯＤが放出され、これを理由として、その後のオゾン処理では、さらなる放出がされなかったか、または、高いオゾン投入量によってバイオマスが完全に死滅し、その後のＣＯＤの取り込みが阻害されたか、である。

２分、３分、４分間適用における４日目終了時での適用された総オゾン投入量および得られたＭＬＳＳの減少を図４に示す。ここにおいて、４分間適用におけるＭＬＳＳの減少は適用された総オゾン投与量が６ ｍｇ／ｌにおいて止まったことが看取できる。これは、２．６５ ｇ オゾン／ｇ 除去された総バイオマスに相当する。

第２セットの実験
これらの実験は、第１セットの実験を裏付けるため、および、４分、５分間適用についての不足するデータを完全にするために行われた。図５にみられるように、４分、６分間適用において、１日目のＣＯＤの放出にはそれほどの差はない。しかし、６分間適用では、時間とともにＣＯＤの放出の増加がみられた。この状況は、６分間適用は、より多くの生きたバイオマスを破壊したことを示唆している。４分間適用における残存するより多くの活性バイオマスにより、曝気の間より多くのＣＯＤ消費がみられた。

この挙動は図７に示されたＭＬＶＳＳ測定値から理解される。４分間適用の場合、ＭＬＶＳＳの減少は３日目終了時において止まったが、一方で、６分間適用においてはまだ続いていた。図６に示されたＭＬＳＳの挙動もまた、この観察を裏付ける。４分間適用においては、３日目終了時においてＭＬＳＳは変化がなかったが、６分間適用においてはＭＬＳＳの減少がまだ続いていた。

酸素消費速度（ＯＣＲ）
４分、６分間適用後の残存するバイオマスの安定化状態は、ＯＣＲデータを見ることによって評価した。これらのデータを表３に示す。この表にみられるように、すべてのフラスコにおける酸素消費速度は実験期間とともに減少していた。試験フラスコにおけるＯＣＲは、対照フラスコと比較してはるかに遅い速度で進行した。特に、６分間適用のフラスコでは、実験後にはフラスコにバイオマスがほとんど残存していなかったため、最大の下落がここで観測された。フラスコ内に放出されたＣＯＤが生物学的に分解可能かどうかを決定するため、酸素の取り込みの速度が既知のバイオマス・シードを、４日間の各日において６分間のオゾン処理を行った試料の上清に加え、ＯＣＲを測定した。当該シードのｄＯ／ｄｔ値は−０．０００４ ｍｇ／ｈであり、当該シードが加えられた試料のｄＯ／ｄｔ値は−０．０００６ ｍｇ／ｈであったことから、６分間適用において放出されたＣＯＤは生物学的に分解可能であることが結論づけられた。

結果
好気性消化は、とりわけリン処理プロセスに適用される、汚泥除去技術である。生物学的に吸収されたリンが再放出されないように、そのような汚泥は嫌気状態に晒すべきではない。本実験の結果、リンが豊富な汚泥が得られる場合、これは、副次的な目的に利用し得ることが結論づけられた。実験後において、ＣＯＤだけでなく、リンもまた、培養液中に放出され得ることを考慮して、６分間オゾン処理された試料における総リンおよびオルトリンを実験後に分析した。１日目において、汚泥中の総リンは１１，３６ ｍｇ／Ｌと記録され、オゾン処理の後、オルトリンは３．６ ｍｇ／Ｌと測定された。初期には０．００６ ｇのリンが単位グラムのバイオマスに存在しており、その後、この数値は、０．００８２に増加した。このことから、オゾン処理の試験の間、それほどの量のリンは培養液中に放出されないことが理解される。

汚泥処理の重要な目的のひとつは、汚泥の殺菌であることが知られている。これについての考えを持つため、汚泥中の大腸菌の数を測定した。初期には、水中で汚泥を均質化して得られた液体において、８００コロニー／１００ｍＬの大腸菌が記録されたが、オゾン処理後にはコロニーはまったく記録されなかった。

本実験の結果、間欠的なオゾン処理技術によって、４日間という短い期間で、消化されていない汚泥の安定化および消化が達成できた。これに伴い、生成された汚泥は、大腸菌に関して殺菌されており、また、リンが富化されていることがわかった。さらに、実験から、培養液中に放出されたＣＯＤは、生物学的に分解可能であり、系に戻して再循環させることができ得ることがわかった。

得られた実験の結果に基づき、最初の３日間において、４分間と６分間のオゾン処理は、ＭＬＳＳ、ＭＬＶＳＳ、および、ＣＯＤについて、同様の結果を与えたことがわかった。しかし、６分間のオゾン処理は安定化においてより効果的であることから、最初の３日間は４分間のオゾン処理を行い、続いて、４日目において６分間のオゾン処理を行うことがより効果的であるに違いない、と結論づけられた。文献的な数値によると、好気性消化における余剰汚泥の水理学的滞留時間は、１０−１５日（２０℃）である（Ｍｅｔｃａｌｆ Ｅｄｄｙ １９９１）。この期間後において、期待されるＭＬＶＳＳの減少は約４０−５０％である。本発明において開発された、順次間欠的なオゾン投入方法によると、ＭＬＶＳＳは８４％減少し（６分間のオゾン処理）、必要な接触時間は４日間であると決定された。

参考文献

Claims (1)

1. 汚水処理場において用いられる順時間欠的なオゾン投入による好気性の汚泥消化方法であって、
   オゾンの必要量を考慮しつつ、
   好気性消化の間の曝気を停止することにより、継続的でなく間欠的に、かつ、順時的に、４日間の間、各日に、オゾンを余剰汚泥に
   投入することを特徴とし、
   ここで、各日の与えられるオゾンの投入量は、０．００１７〜０．００２１ｇ／ｇ（残存する）バイオマスである、
   好気性の汚泥消化方法。
   

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