JP5620188B2 - 嫌気性消化方法 - Google Patents
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Description
本発明は、下水汚泥、産業廃棄物処理設備などから発生する汚泥、鶏糞などの畜産廃棄物の有機物を含有する汚泥、および、浮遊固形物（ＳＳ）を多量（５０００ｍｇ／Ｌ以上）に含んだ有機性排水を固定床により嫌気性消化する嫌気性消化方法に関する。
従来、嫌気性消化方法としては、消化槽に下水汚泥などを投入して嫌気性消化により減容処理する方法が知られている。この方法は、消化槽の内部にガス攪拌または機械攪拌の手段を備え、下水汚泥などに特別の前処理を施すことなくそのまま投入して、攪拌手段によって完全に混合させることにより嫌気性消化させる方法である。
嫌気性消化方法の一例としては、閉塞、担体の槽外への流出などがなく、担体に固定したメタン菌と、汚泥との接触効率の向上を図るとともに、汚泥消化の反応を高めることを目的として、汚泥を、有機物含有固形物を含む少なくとも流動性のある高濃度スラリーに調質して、その汚泥を流動媒体とし、真比重２．０以上でかつ平均粒径２．０〜５．０ｍｍφである担体を流動せしめることにより形成される流動床を有する嫌気性消化槽で消化する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
嫌気性消化方法の他の例としては、流動床法の長所でもある消化日数の大幅短縮を維持しつつ、必要な流動化エネルギーを節減することを目的として、特許文献１に開示されている方法に加えて、流動停止時間と、流動時間との比を３０以下とし、流動床を間欠流動運転する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
嫌気性消化方法の他の例としては、消化日数を短縮でき、かつ、高い反応効率が得られる上に、安価なプロセスを提供することを目的として、生物付着担体を用いる嫌気性流動床バイオリアクターにおいて、消化日数１０日以内で１次処理することにより、嫌気性流動床内の浮遊汚泥にメタン菌群を流出させ、次いで、このメタン菌群を利用した浮遊汚泥型の嫌気性バイオリアクターを用いて２次処理する方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
しかしながら、上述した従来の嫌気性消化方法は、供給汚泥と生物付着担体の接触効率を向上させる目的で、担体を流動させるために、ポンプ容量が大きくなるので、処理コストが高くなるという問題があった。
また、担体が流動することによって、担体の表面で生育したメタン菌が剥離してしまうとともに、担体同士が接触するため、担体自体が摩耗するという問題があった。
さらに、流動による担体の摩耗を低減するためには、担体に強度が求められるので、使用可能な担体が限定されてしまい、空隙率の大きな担体を用いることができなくなり、結果として、処理効率が低下するという問題があった。
また、担体が流動することによって、担体の表面で生育したメタン菌が剥離してしまうとともに、担体同士が接触するため、担体自体が摩耗するという問題があった。
さらに、流動による担体の摩耗を低減するためには、担体に強度が求められるので、使用可能な担体が限定されてしまい、空隙率の大きな担体を用いることができなくなり、結果として、処理効率が低下するという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、固定床の下層を構成する生物付着担体からなる固定層を閉塞させることなく、汚泥を均一に分散させることによって、汚泥と、生物付着担体に保持されたメタン菌との接触効率を向上して、汚泥の消化反応速度を向上するとともに、生物付着担体の摩耗を防止する嫌気性消化方法を提供することを目的とする。
本発明の嫌気性消化方法は、下水または廃液を沈殿操作して得られる沈殿汚泥、あるいは、畜産廃棄物汚泥からなる汚泥および浮遊固形物を５０００ｍｇ／Ｌ以上含んだ有機性排水を、粘土系の材料を焼結してなる球状の多孔質体からなる生物付着担体を用いた固定床により生物学的処理する嫌気性消化方法であって、前記固定床の上層にある汚泥を間欠的に攪拌するとともに、前記固定床に供給された汚泥の一部を、前記固定床の上層から抜き取り、その抜き取った汚泥を、前記固定床の下層を構成する生物付着担体からなる固定層へ供給し、平均粒径が４．０ｍｍ以上の球状の多孔質体からなる生物付着担体を用いることによって、前記固定層を流動させず、また閉塞させることなく、汚泥を均一に分散させるように、前記固定床において前記汚泥を循環させることを特徴とする。
前記固定床の全容積に対する前記生物付着担体の充填率は３０〜７０％であることが好ましい。
前記生物付着担体は、真比重が１．５〜４．０ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。
前記生物付着担体は、平均粒径が４．０ｍｍ〜１５．０ｍｍであることが好ましい。
前記生物付着担体は、空隙率が４０〜７０％であることが好ましい。
前記固定床において前記汚泥を循環させる速度は０．１ｍ／ｈｒ〜１０ｍ／ｈｒであることが好ましい。
前記固定床から前記生物付着担体と接触した汚泥を流出させて、その汚泥を、後段の完全混合槽に導入し、前記汚泥を均一に攪拌、混合することにより、前記汚泥を生物学的処理することにより、前記汚泥を生物学的処理することが好ましい。
前記固定床の汚泥供給管または前記固定床の下層を構成する固定層の下部に、前記固定床で発生した消化ガスまた窒素ガスを供給し、前記消化ガスまた前記窒素ガスにより前記生物付着担体を攪拌できるようにしておくことが好ましい。
前記固定層の下部に供給する前記消化ガスまた前記窒素ガスの供給速度は５〜４０ｍ／ｈｒであることが好ましい。
本発明の嫌気性消化方法によれば、固定床の上層から汚泥の一部を抜き取り、その抜き取った汚泥を、固定床の下層を構成する生物付着担体からなる固定層へ供給し、固定床において汚泥を循環させる。本発明では、平均粒径が４．０ｍｍ以上の球状の多孔質体からなる生物付着担体を用いることによって、固定層を流動させず、また閉塞させることなく、汚泥を均一に分散させることができる。これにより、汚泥と、生物付着担体に保持されたメタン菌との接触効率が向上するとともに、固定層を通過する際に汚泥に含まれる固形物の微細化が進むから、汚泥の消化反応速度が向上する。また、固定床内の固定層にメタン菌が保持され、そこでメタン菌が増殖することから、高負荷での運転が可能となり、その結果、固定層を構成する生物付着担体に高濃度でメタン菌が保持され、そこでメタン菌が増殖する。さらに、生物付着担体に高濃度に保持され、そこで増殖したメタン菌の一部が剥離して、そのメタン菌が汚泥中に供給されるので、固定床の後段に完全混合槽を設けた場合、その完全混合槽においてもメタン発酵が維持され、生物学的処理が進行する。また、汚泥の流れによって生物付着担体が流動することがないから、生物付着担体同士が擦れ合って、生物付着担体が摩耗するのを防止できる。
本発明の嫌気性消化方法の実施の形態について説明する。
なお、この実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
なお、この実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
図１は、本発明の嫌気性消化方法に用いられる嫌気性消化装置の一実施形態を示す概略構成図である。
この実施形態の嫌気性消化装置１０は、固定床２０と、これに接続された完全混合槽３０とから概略構成されている。
固定床２０は、汚泥を収容して消化処理を行う処理槽２１と、生物付着担体２２と、汚泥供給管２３と、汚泥流出管２４と、汚泥循環管２５と、循環ポンプ２６と、攪拌機２７、ガス供給管２９とから概略構成されている。
完全混合槽３０は、固定床２０から流出させた汚泥を収容して消化処理を行う処理槽３１と、汚泥排出管３２と、攪拌機３３とから概略構成されている。
この実施形態の嫌気性消化装置１０は、固定床２０と、これに接続された完全混合槽３０とから概略構成されている。
固定床２０は、汚泥を収容して消化処理を行う処理槽２１と、生物付着担体２２と、汚泥供給管２３と、汚泥流出管２４と、汚泥循環管２５と、循環ポンプ２６と、攪拌機２７、ガス供給管２９とから概略構成されている。
完全混合槽３０は、固定床２０から流出させた汚泥を収容して消化処理を行う処理槽３１と、汚泥排出管３２と、攪拌機３３とから概略構成されている。
固定床２０において、多数の球状の生物付着担体２２が、処理槽２１の下部に充填されている。また、生物付着担体２２からなる固定層２８が固定床２０の下層を構成している。
汚泥供給管２３は、処理槽２１の外部から内部に汚泥を供給（導入）するためのものであって、その先端に設けられたノズル２３ａが固定層２８内に配置されている。
汚泥流出管２４は、固定床２０の上層から、その外部（詳細には、完全混合槽３０）に汚泥を流出させるためのものであって、処理槽２１の上部を基端として完全混合槽３０の処理槽３１まで設けられている。
汚泥供給管２３は、処理槽２１の外部から内部に汚泥を供給（導入）するためのものであって、その先端に設けられたノズル２３ａが固定層２８内に配置されている。
汚泥流出管２４は、固定床２０の上層から、その外部（詳細には、完全混合槽３０）に汚泥を流出させるためのものであって、処理槽２１の上部を基端として完全混合槽３０の処理槽３１まで設けられている。
汚泥循環管２５は、固定床２０の上層から汚泥の一部を抜き取り、その抜き取った汚泥を固定層２８に均一に供給するためのものであって、処理槽２１の上部を基端として汚泥供給管２３まで設けられており、処理槽２１の外部において汚泥供給管２３に接続されている。
また、汚泥循環管２５の途中には、固定床２０の上層から汚泥の一部を抜き取り、その抜き取った汚泥を固定層２８に供給するための循環ポンプ２６が設けられている。
攪拌機２７は、固定床２０の上層にある汚泥を攪拌するためのものであって、処理槽２１の上部に設けられ、その攪拌羽根２７ａが処理槽２１の上部（固定床２０の上層）に配置されている。
また、汚泥循環管２５の途中には、固定床２０の上層から汚泥の一部を抜き取り、その抜き取った汚泥を固定層２８に供給するための循環ポンプ２６が設けられている。
攪拌機２７は、固定床２０の上層にある汚泥を攪拌するためのものであって、処理槽２１の上部に設けられ、その攪拌羽根２７ａが処理槽２１の上部（固定床２０の上層）に配置されている。
ガス供給管２９は途中で２つに分岐されている。２つに分岐されたガス供給管２９の一方は、汚泥供給管２３の途中に接続されている。２つに分岐されたガス供給管２９の他方は、その先端にノズル２９ａが設けられ、ノズル２９ａが固定層２８内に配置されている。
ガス供給管２９は、固定層２８が汚泥に含まれる固形物などで閉塞し、汚泥循環管２５によって循環された汚泥（循環汚泥）が固定層２８内に均一に分散せずに偏流（チャンネリング）を起こし、処理性能が低下した場合、固定床２０で発生した消化ガス、または、固定床２０とは別体のガス供給源からの窒素ガスを、汚泥供給管２３または固定床２０の下層を構成する固定層２８の下部に供給し、それらのガスにより、固定層２８を構成する生物付着担体２２を攪拌するためのものである。
ガス供給管２９は、固定層２８が汚泥に含まれる固形物などで閉塞し、汚泥循環管２５によって循環された汚泥（循環汚泥）が固定層２８内に均一に分散せずに偏流（チャンネリング）を起こし、処理性能が低下した場合、固定床２０で発生した消化ガス、または、固定床２０とは別体のガス供給源からの窒素ガスを、汚泥供給管２３または固定床２０の下層を構成する固定層２８の下部に供給し、それらのガスにより、固定層２８を構成する生物付着担体２２を攪拌するためのものである。
汚泥排出管３２は、完全混合槽３０の上層から、その外部に消化処理後の汚泥を排出させるためのものであって、処理槽３１の上部に設けられている。
攪拌機３３は、処理槽３１内の汚泥を均一に攪拌するためのものであって、その処理槽３１の上部に設けられ、その攪拌羽根３３ａが処理槽３１の中央部に配置されている。
攪拌機３３は、処理槽３１内の汚泥を均一に攪拌するためのものであって、その処理槽３１の上部に設けられ、その攪拌羽根３３ａが処理槽３１の中央部に配置されている。
次に、この嫌気性消化装置１０を用いた嫌気性消化方法を説明する。
まず、固定床２０の外部から処理対象である汚泥４１を、汚泥供給管２３を介して、処理槽２１内に供給する。汚泥は、下水または廃液を沈殿操作して得られる沈殿汚泥、あるいは、畜産廃棄物汚泥からなるものである。
ここで、汚泥供給管２３を介して処理槽２１内に供給される汚泥４１は、汚泥供給管２３の先端に設けられたノズル２３ａから、固定層２８に均一に供給される。このとき、固定層２８を構成する多数の生物付着担体２２に直接、接触するように、ノズル２３ａから汚泥４１が吐出される。
まず、固定床２０の外部から処理対象である汚泥４１を、汚泥供給管２３を介して、処理槽２１内に供給する。汚泥は、下水または廃液を沈殿操作して得られる沈殿汚泥、あるいは、畜産廃棄物汚泥からなるものである。
ここで、汚泥供給管２３を介して処理槽２１内に供給される汚泥４１は、汚泥供給管２３の先端に設けられたノズル２３ａから、固定層２８に均一に供給される。このとき、固定層２８を構成する多数の生物付着担体２２に直接、接触するように、ノズル２３ａから汚泥４１が吐出される。
処理槽２１における汚泥４１の消化では、処理槽２１内の汚泥４１の温度を、好ましくは３０〜３８℃に調節する。ただし、汚泥４１の温度は、５０〜５５℃であってもよい。
処理槽２１内への供給汚泥量が所定量に達した後、固定床２０の外部からの汚泥４１の供給を停止する。固定床２０に供給された汚泥４１の一部を、固定床２０の上層から抜き取り、その抜き取った汚泥４１を、汚泥循環管２５および汚泥供給管２３を介して、固定層２８に均一に供給し、固定床２０において汚泥４１を循環させる。すなわち、処理槽２１内の汚泥４１を、固定層２８→固定床２０の上層→固定層２８→固定床２０の上層→・・・の順に循環させる。これにより、汚泥４１が固定層２８を通過する。より詳細には、汚泥４１が、固定層２８を構成する多数の生物付着担体２２の間を通過する。
ただし、固定床２０における汚泥４１の循環は、汚泥４１の流れによって、生物付着担体２２が流動しない程度に、非常にゆっくり行われる。
すなわち、汚泥４１を、固定床２０の上層から固定層２８へ循環させる速度（空塔速度）は０．１ｍ／ｈｒ〜１０ｍ／ｈｒであることが好ましく、より好ましくは０．１２ｍ／ｈｒ〜３ｍ／ｈｒである。
汚泥４１を循環させる速度がこの範囲内であれば、本発明で用いられる粒径の生物付着担体２２においては、通常、汚泥４１が固定層２８を閉塞することがなく、汚泥４１がほぼ均一に固定層２８内に分散し、ほとんど偏流（チャンネリング）を起こすことがない。また、生物付着担体２２にメタン菌が高濃度に保持され、汚泥４１の消化効率が向上するとともに、汚泥４１の流れによって生物付着担体２２が流動することがないので、生物付着担体２２同士が擦れ合って、生物付着担体２２が摩耗することがない。
すなわち、汚泥４１を、固定床２０の上層から固定層２８へ循環させる速度（空塔速度）は０．１ｍ／ｈｒ〜１０ｍ／ｈｒであることが好ましく、より好ましくは０．１２ｍ／ｈｒ〜３ｍ／ｈｒである。
汚泥４１を循環させる速度がこの範囲内であれば、本発明で用いられる粒径の生物付着担体２２においては、通常、汚泥４１が固定層２８を閉塞することがなく、汚泥４１がほぼ均一に固定層２８内に分散し、ほとんど偏流（チャンネリング）を起こすことがない。また、生物付着担体２２にメタン菌が高濃度に保持され、汚泥４１の消化効率が向上するとともに、汚泥４１の流れによって生物付着担体２２が流動することがないので、生物付着担体２２同士が擦れ合って、生物付着担体２２が摩耗することがない。
汚泥４１を循環させる速度が０．１ｍ／ｈｒ未満では、固定層２８内を通過する汚泥４１の流速が非常に遅いため、固定層２８内全体を汚泥４１が通過せず、偏流（チャンネリング）を起こし、消化効率が低下することがある。一方、汚泥４１を循環させる速度が１０ｍ／ｈｒを超えると、生物付着担体２２から剥離するメタン菌量が増加し、メタン菌が高濃度に保持され難くなり、汚泥４１の消化効率が低下するおそれがある。また、汚泥４１の流れによって生物付着担体２２が流動することにより、生物付着担体２２同士が擦れ合って、生物付着担体２２が摩耗するおそれがある。さらに、循環ポンプ２６の消費エネルギーが増大する。
固定床２０の全容積、すなわち、処理槽２１の全容積に対する生物付着担体２２の充填率は３０〜７０％であることが好ましく、より好ましくは４０〜６０％である。
生物付着担体２２の充填率がこの範囲内であれば、処理槽２１内の汚泥４１と生物付着担体２２は、完全に処理槽２１上部で分離され、汚泥循環管２５内に生物付着担体２２が回り込むことが防止される。また、汚泥４１と、生物付着担体２２に保持されたメタン菌との接触効率が向上し、汚泥４１の消化効率が向上する。
生物付着担体２２の充填率が３０％未満では、処理槽２１内の汚泥４１と、生物付着担体２２に保持されたメタン菌との接触効率が低下し、汚泥４１の消化効率が低下するおそれがある。一方、生物付着担体２２の充填率が７０％を超えると、汚泥４１と生物付着担体２２が完全に処理槽２１上部で分離されず、汚泥循環管２５内に生物付着担体２２が回り込み、循環ポンプ２６で生物付着担体２２が破損するおそれがある。
生物付着担体２２の充填率がこの範囲内であれば、処理槽２１内の汚泥４１と生物付着担体２２は、完全に処理槽２１上部で分離され、汚泥循環管２５内に生物付着担体２２が回り込むことが防止される。また、汚泥４１と、生物付着担体２２に保持されたメタン菌との接触効率が向上し、汚泥４１の消化効率が向上する。
生物付着担体２２の充填率が３０％未満では、処理槽２１内の汚泥４１と、生物付着担体２２に保持されたメタン菌との接触効率が低下し、汚泥４１の消化効率が低下するおそれがある。一方、生物付着担体２２の充填率が７０％を超えると、汚泥４１と生物付着担体２２が完全に処理槽２１上部で分離されず、汚泥循環管２５内に生物付着担体２２が回り込み、循環ポンプ２６で生物付着担体２２が破損するおそれがある。
生物付着担体２２としては、粘土系の材料を焼結してなる球状の多孔質体が用いられる。粘土系の材料としては、カオリン、ベントナイト、麦飯石などが挙げられる。
生物付着担体２２は、真比重が１．５〜４．０ｇ／ｃｍ３であることが好ましく、より好ましくは１．６〜２．７ｇ／ｃｍ３である。
生物付着担体２２の真比重がこの範囲内であれば、汚泥４１の流れによって生物付着担体２２が流動することがないので、生物付着担体２２同士が擦れ合って、生物付着担体２２が摩耗することがない。また、生物付着担体２２の空隙率を所定の範囲にすることができるので、メタン菌を生物付着担体２２に高濃度に保持させることができる。
生物付着担体２２は、処理槽２１内の汚泥４１と、完全に処理槽２１の上部で分離され、汚泥循環管２５内に生物付着担体２２が回り込むことが防止されることで、循環ポンプ２６で生物付着担体２２が破損されない。また、完全混合槽３０に生物付着担体２２が流出しないので、処理槽２１内にメタン菌を高濃度に保持させることができる。
生物付着担体２２の真比重がこの範囲内であれば、汚泥４１の流れによって生物付着担体２２が流動することがないので、生物付着担体２２同士が擦れ合って、生物付着担体２２が摩耗することがない。また、生物付着担体２２の空隙率を所定の範囲にすることができるので、メタン菌を生物付着担体２２に高濃度に保持させることができる。
生物付着担体２２は、処理槽２１内の汚泥４１と、完全に処理槽２１の上部で分離され、汚泥循環管２５内に生物付着担体２２が回り込むことが防止されることで、循環ポンプ２６で生物付着担体２２が破損されない。また、完全混合槽３０に生物付着担体２２が流出しないので、処理槽２１内にメタン菌を高濃度に保持させることができる。
生物付着担体２２の真比重が１．５ｇ／ｃｍ３未満では、汚泥４１の流れによって生物付着担体２２が流動することにより、生物付着担体２２同士が擦れ合って、生物付着担体２２が摩耗するおそれがある。また、生物付着担体２２は、処理槽２１内の汚泥４１と、完全に処理槽２１の上部で分離されず、汚泥循環管２５内に生物付着担体２２が回り込み、循環ポンプ２６で生物付着担体２２が破損されるおそれがある。一方、生物付着担体２２の真比重が４ｇ／ｃｍ３を超えると、通常の粘土系の安価な材料では製作できず、経済面から実用的でなくなる。
生物付着担体２２は、平均粒径が４．０ｍｍ〜１５．０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは５．０ｍｍ〜１０．０ｍｍである。
生物付着担体２２の平均粒径がこの範囲内であれば、汚泥４１が固定層２８を閉塞させることなく、汚泥４１を固定層２８に均一に分散させることができるので、処理槽２１内の汚泥４１と、生物付着担体２２に保持されたメタン菌との接触効率が向上し、汚泥４１の消化効率が向上する。さらに、生物付着担体２２は、処理槽２１内の汚泥４１と、完全に処理槽２１の上部で分離され、汚泥循環管２５内に生物付着担体２２が回り込むことが防止されるので、循環ポンプ２６で生物付着担体２２が破損されない。
生物付着担体２２の平均粒径がこの範囲内であれば、汚泥４１が固定層２８を閉塞させることなく、汚泥４１を固定層２８に均一に分散させることができるので、処理槽２１内の汚泥４１と、生物付着担体２２に保持されたメタン菌との接触効率が向上し、汚泥４１の消化効率が向上する。さらに、生物付着担体２２は、処理槽２１内の汚泥４１と、完全に処理槽２１の上部で分離され、汚泥循環管２５内に生物付着担体２２が回り込むことが防止されるので、循環ポンプ２６で生物付着担体２２が破損されない。
生物付着担体２２の平均粒径が４．０ｍｍ未満では、汚泥４１が固定層２８を閉塞させ、ブリッジングが発生したり、汚泥４１が固定層２８で偏流（チャンネリング）を起こすおそれがある。また、生物付着担体２２は、処理槽２１内の汚泥４１と、完全に処理槽２１の上部で分離されず、汚泥循環管２５内に生物付着担体２２が回り込み、循環ポンプ２６で生物付着担体２２が破損されるおそれがある。
一方、生物付着担体２２の平均粒径が１５．０ｍｍを超えると、生物付着担体２２の表面積が小さくなり、処理槽２１内の汚泥４１と、生物付着担体２２に保持されたメタン菌との接触効率が低下し、汚泥４１の消化効率が低下するおそれがある。また、汚泥４１に含まれる固形物が、生物付着担体２２の間を通過しても、生物付着担体２２間の間隔が大きすぎるために、その固形物の微細化が進まなくなることがある。
一方、生物付着担体２２の平均粒径が１５．０ｍｍを超えると、生物付着担体２２の表面積が小さくなり、処理槽２１内の汚泥４１と、生物付着担体２２に保持されたメタン菌との接触効率が低下し、汚泥４１の消化効率が低下するおそれがある。また、汚泥４１に含まれる固形物が、生物付着担体２２の間を通過しても、生物付着担体２２間の間隔が大きすぎるために、その固形物の微細化が進まなくなることがある。
生物付着担体２２は、空隙率が３０〜７０％であることが好ましく、より好ましくは４０〜６０％である。
生物付着担体２２の空隙率がこの範囲内であれば、生物付着担体２２にメタン菌が高濃度に保持され、汚泥４１の消化効率が向上する。
生物付着担体２２の空隙率が３０％未満では、生物付着担体２２にメタン菌が高濃度に保持され難くなり、汚泥４１の消化効率が低下するおそれがある。一方、生物付着担体２２の空隙率が７０％を超えると、生物付着担体２２の強度が低下し、時間の経過に伴って、生物付着担体２２が摩耗したり、破損したりすることがある。
生物付着担体２２の空隙率がこの範囲内であれば、生物付着担体２２にメタン菌が高濃度に保持され、汚泥４１の消化効率が向上する。
生物付着担体２２の空隙率が３０％未満では、生物付着担体２２にメタン菌が高濃度に保持され難くなり、汚泥４１の消化効率が低下するおそれがある。一方、生物付着担体２２の空隙率が７０％を超えると、生物付着担体２２の強度が低下し、時間の経過に伴って、生物付着担体２２が摩耗したり、破損したりすることがある。
処理槽２１内において、汚泥４１の循環は、通常、常時、連続的に行う。ただし、好ましくは、処理槽２１内への汚泥の供給が短時間の場合は停止する。
その理由は、処理槽２１において、汚泥４１が循環されている時、処理槽２１内の汚泥４１は非常に良く混合されており、完全混合状態に近い。この場合、新たに処理槽２１内へ汚泥が供給されると、処理槽２１のレベルは一定であるので、供給された汚泥量と等しい汚泥量が、処理槽２１から流出し、完全混合槽３０に供給される。この時、処理槽２１における汚泥の滞留時間が非常に短いため、ほとんど処理されない汚泥の一部が処理槽２１から流出する。汚泥４１の循環を停止すると、処理槽２１では、固定層２８に供給された汚泥４１が、処理槽２１の上部へ上昇する速度が遅いため、汚泥４１の攪拌が緩やかとなり、押し出し流れ（ピストン流れ）の状態になり、ほとんど処理されていない汚泥の流出が防止され、処理槽２１で処理された汚泥のみが流出するので、処理効率の向上が望める。
その理由は、処理槽２１において、汚泥４１が循環されている時、処理槽２１内の汚泥４１は非常に良く混合されており、完全混合状態に近い。この場合、新たに処理槽２１内へ汚泥が供給されると、処理槽２１のレベルは一定であるので、供給された汚泥量と等しい汚泥量が、処理槽２１から流出し、完全混合槽３０に供給される。この時、処理槽２１における汚泥の滞留時間が非常に短いため、ほとんど処理されない汚泥の一部が処理槽２１から流出する。汚泥４１の循環を停止すると、処理槽２１では、固定層２８に供給された汚泥４１が、処理槽２１の上部へ上昇する速度が遅いため、汚泥４１の攪拌が緩やかとなり、押し出し流れ（ピストン流れ）の状態になり、ほとんど処理されていない汚泥の流出が防止され、処理槽２１で処理された汚泥のみが流出するので、処理効率の向上が望める。
また、汚泥の消化処理の途中で、攪拌機２７によって、固定床２０の上層にある汚泥４１を間欠的に攪拌することが好ましい。これにより、固定床２０の上層に形成したスカムと呼ばれる、汚泥からなるスポンジケーキ状のものを破壊し、汚泥４１の消化によって発生したガスを抜けやすくする。
攪拌機２７により汚泥４１を攪拌する頻度は、５分〜１時間毎であることが好ましい。また、１回当たりの攪拌時間は、１分〜５分であることが好ましい。さらに、処理槽２１への汚泥の供給が行われている間、汚泥４１の循環が停止されている場合には、攪拌機２７による攪拌は、押し出し流れを維持するために、停止することが好ましい。
また、固定床２０における汚泥４１の循環、すなわち、汚泥４１の消化処理が進行した後、固定床２０から汚泥４１を流出させて、その汚泥４１を、完全混合槽３０の処理槽３１内に導入させる。そして、攪拌機３３によって、処理槽３１内の汚泥４２を均一に攪拌、混合することにより、処理槽２１内の固定層２８に高濃度に保持されたメタン菌から一部剥離したメタン菌によって、汚泥４２を生物学的処理する。
処理槽３１における汚泥４２の消化では、処理槽３１内の汚泥４２の温度を、好ましくは３０〜３８℃に調節する。ただし、ただし、汚泥４２の温度は、５０〜５５℃であってもよい。
処理槽３１内において、汚泥４２を常時、均一に攪拌する。
処理槽３１内において、汚泥４２を常時、均一に攪拌する。
この実施形態の嫌気性消化方法によれば、固定床２０の上層から汚泥４１の一部を抜き取り、その抜き取った汚泥４１を、固定床２０の下層を構成する生物付着担体２２からなる固定層２８へ均一に供給し、固定床２０において汚泥４１を循環させるので、汚泥４１と、生物付着担体２２に高濃度に保持されたメタン菌との接触効率が向上するとともに、固定層２８を通過する際に汚泥４１に含まれる固形物の微細化が進むから、汚泥４１の消化反応速度が向上する。
また、生物付着担体２２として、上記の真比重、平均粒径、空隙率を有するものを用いることにより、固定層２８を閉塞させることなく、汚泥４１を固定層２８に均一に分散させることができるので、生物付着担体２２に高濃度のメタン菌を保持することができ、メタン発酵の律速となっているメタン菌濃度が改善され、汚泥４１の消化効率が向上し、ひいては、汚泥４１の消化反応速度が向上する。したがって、従来、汚泥の消化に４〜３０日要していたのに対して、消化時間を１〜２日に短縮することができる。これにより、消化装置の設備費を大幅に削減することができる。
また、汚泥４１を非常にゆっくりと循環させるので、循環ポンプ２６の容量を従来の１／５０〜１／１００にすることができ、循環ポンプのイニシャルコスト、ランニングコストを大幅に削減することができる。
また、汚泥４１を非常にゆっくりと循環させるので、汚泥４１の流動によって生物付着担体２２が流動することがないから、生物付着担体２２同士が擦れ合って、生物付着担体２２が摩耗するのを防止できる。
また、汚泥４１を非常にゆっくりと循環させるので、汚泥４１の流動によって生物付着担体２２が流動することがないから、生物付着担体２２同士が擦れ合って、生物付着担体２２が摩耗するのを防止できる。
さらに、固定床２０にて処理した汚泥４１を、さらに、完全混合槽３０で処理することにより、より効率的に消化を行うことができる。
以下、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
「実施例１」
図１に示した消化装置１０と同様の装置を用いて、汚泥の消化を行った。
固定床２０の処理槽２１としては、容量が２Ｌ（リットル）のものを用いた。
固定床２０における生物付着担体２２としては、粘土系の材料を焼結しており、真比重が１．７ｇ／ｃｍ３、粒径が約１０ｍｍ、空隙率が約５０％の球状の多孔性セラミックスボールを用いた。
固定床２０において、処理槽２１の全容積に対する生物付着担体２２の充填率を約５０％とした。
処理槽２１に、下水処理場の初沈汚泥と余剰汚泥の混合汚泥（混生汚泥）で、汚泥濃度（ＴＳ）１８，５００ｍｇ／Ｌ、有機物含有量（ＶＴＳ）７４％の汚泥を、１日当たり１Ｌ（リットル）供給し、処理槽２１内の汚泥４１の温度を３５℃に調節し、固定床２０の上層から汚泥４１の一部を抜き取り、その抜き取った汚泥４１を固定層２８に供給し、消化日数２日で、汚泥４１の消化を行った。
また、処理槽２１内において、汚泥４１を循環させる速度を、４Ｌ／ｈｒとした。
シナガワ社製の湿式ガスメーターにより、汚泥４１の消化反応中に発生した、投入汚泥１Ｌ（リットル）当たりのガスの量を測定し、汚泥４１の汚泥濃度（ＴＳ）、汚泥４１の消化率を算出した。結果を表１に示す。
また、湿式のレーザ回折散乱式粒径分布測定法により、処理後の汚泥４１に含まれる固形物の平均粒径を測定した。結果を表２に示す。
図１に示した消化装置１０と同様の装置を用いて、汚泥の消化を行った。
固定床２０の処理槽２１としては、容量が２Ｌ（リットル）のものを用いた。
固定床２０における生物付着担体２２としては、粘土系の材料を焼結しており、真比重が１．７ｇ／ｃｍ３、粒径が約１０ｍｍ、空隙率が約５０％の球状の多孔性セラミックスボールを用いた。
固定床２０において、処理槽２１の全容積に対する生物付着担体２２の充填率を約５０％とした。
処理槽２１に、下水処理場の初沈汚泥と余剰汚泥の混合汚泥（混生汚泥）で、汚泥濃度（ＴＳ）１８，５００ｍｇ／Ｌ、有機物含有量（ＶＴＳ）７４％の汚泥を、１日当たり１Ｌ（リットル）供給し、処理槽２１内の汚泥４１の温度を３５℃に調節し、固定床２０の上層から汚泥４１の一部を抜き取り、その抜き取った汚泥４１を固定層２８に供給し、消化日数２日で、汚泥４１の消化を行った。
また、処理槽２１内において、汚泥４１を循環させる速度を、４Ｌ／ｈｒとした。
シナガワ社製の湿式ガスメーターにより、汚泥４１の消化反応中に発生した、投入汚泥１Ｌ（リットル）当たりのガスの量を測定し、汚泥４１の汚泥濃度（ＴＳ）、汚泥４１の消化率を算出した。結果を表１に示す。
また、湿式のレーザ回折散乱式粒径分布測定法により、処理後の汚泥４１に含まれる固形物の平均粒径を測定した。結果を表２に示す。
さらに、固定床２０における処理が進行した汚泥４１を、完全混合槽３０の処理槽３１内に導入し、処理槽３１内の汚泥４２の温度を３５℃に調節し、攪拌機３３によって、汚泥４２を均一に攪拌、混合することを２日間行い、汚泥４２の消化を行った。
完全混合槽３０の処理槽３１としては、容量が２Ｌ（リットル）のものを用いた。
シナガワ社製の湿式ガスメーターにより、汚泥４２の消化反応中に発生した、投入汚泥１Ｌ（リットル）当たりのガスの量を測定し、汚泥４２の汚泥濃度（ＴＳ）、汚泥４２の消化率を算出した。結果を表１に示す。
完全混合槽３０の処理槽３１としては、容量が２Ｌ（リットル）のものを用いた。
シナガワ社製の湿式ガスメーターにより、汚泥４２の消化反応中に発生した、投入汚泥１Ｌ（リットル）当たりのガスの量を測定し、汚泥４２の汚泥濃度（ＴＳ）、汚泥４２の消化率を算出した。結果を表１に示す。
「比較例１」
実施例１で処理したのと同様の汚泥を、完全混合槽の処理槽内に供給し、処理槽内の汚泥の温度を３５℃に調節し、攪拌機によって、汚泥を均一に攪拌、混合することを１０日間行い、汚泥の消化を行った。
完全混合槽の処理槽としては、容量が２Ｌ（リットル）のものを用いた。
実施例１と同様にして、汚泥の消化反応中に発生した、投入汚泥１Ｌ（リットル）当たりのガスの量を測定し、汚泥の汚泥濃度（ＴＳ）、汚泥の消化率を算出した。結果を表１に示す。
また、実施例１と同様にして、処理後の汚泥に含まれる固形物の平均粒径を測定した。結果を表２に示す。
実施例１で処理したのと同様の汚泥を、完全混合槽の処理槽内に供給し、処理槽内の汚泥の温度を３５℃に調節し、攪拌機によって、汚泥を均一に攪拌、混合することを１０日間行い、汚泥の消化を行った。
完全混合槽の処理槽としては、容量が２Ｌ（リットル）のものを用いた。
実施例１と同様にして、汚泥の消化反応中に発生した、投入汚泥１Ｌ（リットル）当たりのガスの量を測定し、汚泥の汚泥濃度（ＴＳ）、汚泥の消化率を算出した。結果を表１に示す。
また、実施例１と同様にして、処理後の汚泥に含まれる固形物の平均粒径を測定した。結果を表２に示す。
表１の結果から、実施例１の固定床２０における処理時間は、比較例１の完全混合型の処理時間の１／５にもかかわらず、実施例１の処理では、比較例１の処理と同等量のガスが発生し、比較例１の処理と同等の消化率が達成されたことが確認された。
また、実施例１では、固定床２０の後段に完全混合槽３０を設けることにより、最終的なガス発生量が３．８Ｌ／Ｌとなり、比較例１の２．５Ｌ／Ｌよりも大幅に向上することが確認された。
また、実施例１では、固定床２０の後段に完全混合槽３０を設けることにより、最終的なガス発生量が３．８Ｌ／Ｌとなり、比較例１の２．５Ｌ／Ｌよりも大幅に向上することが確認された。
表２の結果から、実施例１では、汚泥が固定層２８を通過することによって、汚泥に含まれる固形物の微細化が進んでいることが確認された。したがって、実施例１では、汚泥４１の分解が促進されていると推察される。
「実施例２」
処理槽２１に、下水処理場の初沈汚泥と余剰汚泥の混合汚泥（混生汚泥）で、汚泥濃度（ＴＳ）２２，５００ｍｇ／Ｌ、有機物含有量（ＶＴＳ）７７％の汚泥を、１日当たり２Ｌ（リットル）供給し、固定床２０の上層から汚泥４１の一部を抜き取り、その抜き取った汚泥４１を固定層２８に供給し、消化日数１日で、実施例１と同様にして、汚泥４１の消化を行った。
実施例１と同様にして、汚泥の消化反応中に発生した、投入汚泥１Ｌ（リットル）当たりのガスの量を測定し、汚泥の汚泥濃度（ＴＳ）、汚泥の消化率を算出した。結果を表３に示す。
処理槽２１に、下水処理場の初沈汚泥と余剰汚泥の混合汚泥（混生汚泥）で、汚泥濃度（ＴＳ）２２，５００ｍｇ／Ｌ、有機物含有量（ＶＴＳ）７７％の汚泥を、１日当たり２Ｌ（リットル）供給し、固定床２０の上層から汚泥４１の一部を抜き取り、その抜き取った汚泥４１を固定層２８に供給し、消化日数１日で、実施例１と同様にして、汚泥４１の消化を行った。
実施例１と同様にして、汚泥の消化反応中に発生した、投入汚泥１Ｌ（リットル）当たりのガスの量を測定し、汚泥の汚泥濃度（ＴＳ）、汚泥の消化率を算出した。結果を表３に示す。
「比較例２」
実施例２で処理したのと同様の汚泥を、完全混合槽の処理槽内に供給し、処理槽内の汚泥の温度を３５℃に調節し、攪拌機によって、汚泥を均一に攪拌、混合することを１０日間行い、汚泥の消化を行った。
実施例１と同様にして、汚泥の消化反応中に発生した、投入汚泥１Ｌ（リットル）当たりのガスの量を測定した。結果を表３に示す。
実施例２で処理したのと同様の汚泥を、完全混合槽の処理槽内に供給し、処理槽内の汚泥の温度を３５℃に調節し、攪拌機によって、汚泥を均一に攪拌、混合することを１０日間行い、汚泥の消化を行った。
実施例１と同様にして、汚泥の消化反応中に発生した、投入汚泥１Ｌ（リットル）当たりのガスの量を測定した。結果を表３に示す。
表３の結果から、実施例２の固定床２０における処理時間は、比較例１の完全混合型の処理時間の１／１０であるため、固定床２０におけるガス発生量は３．４Ｌ／Ｌ、比較例２におけるガス発生量４．７Ｌ／Ｌの７２％であったが、固定床２０の後段に設けた完全混合槽３０で汚泥４２の処理を行うことにより、最終的なガス発生量が４．７Ｌ／Ｌとなり、比較例２の４．７Ｌ／Ｌとほぼ同等となることが確認された。
また、比較例２の方法による限界消化日数（最短の消化日数）は５日程度であるのに対して、実施例２の方法では、反応時間が１日であっても、生物付着担体２２に保持されたメタン菌によって、良好なメタン発酵を維持できることが判明した。
また、比較例２の方法による限界消化日数（最短の消化日数）は５日程度であるのに対して、実施例２の方法では、反応時間が１日であっても、生物付着担体２２に保持されたメタン菌によって、良好なメタン発酵を維持できることが判明した。
１０・・・消化装置、２０・・・固定床、２１・・・処理槽、２２・・・生物付着担体、２３・・・汚泥供給管、２４・・・汚泥流出管、２５・・・汚泥循環管、２６・・・循環ポンプ、２７・・・攪拌機、２８・・・固定層、２９・・・ガス供給管、３０・・・完全混合槽、３１・・・処理槽、３２・・・汚泥排出管、３３・・・攪拌機、４１，４２・・・汚泥。
Claims (9)
- 下水または廃液を沈殿操作して得られる沈殿汚泥、あるいは、畜産廃棄物汚泥からなる汚泥および浮遊固形物を５０００ｍｇ／Ｌ以上含んだ有機性排水を、粘土系の材料を焼結してなる球状の多孔質体からなる生物付着担体を用いた固定床により生物学的処理する嫌気性消化方法であって、
前記固定床の上層にある汚泥を間欠的に攪拌するとともに、
前記固定床に供給された汚泥の一部を、前記固定床の上層から抜き取り、その抜き取った汚泥を、前記固定床の下層を構成する生物付着担体からなる固定層へ供給し、平均粒径が４．０ｍｍ以上の球状の多孔質体からなる生物付着担体を用いることによって、前記固定層を流動させず、また閉塞させることなく、汚泥を均一に分散させるように、 前記固定床において前記汚泥を循環させることを特徴とする嫌気性消化方法。 - 前記固定床の全容積に対する前記生物付着担体の充填率は３０〜７０％であることを特徴とする請求項１に記載の嫌気性消化方法。
- 前記生物付着担体は、真比重が１．５〜４．０ｇ／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１または２に記載の嫌気性消化方法。
- 前記生物付着担体は、平均粒径が４．０ｍｍ〜１５．０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の嫌気性消化方法。
- 前記生物付着担体は、空隙率が４０〜７０％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の嫌気性消化方法。
- 前記固定床において前記汚泥を循環させる速度は０．１ｍ／ｈｒ〜１０ｍ／ｈｒであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の嫌気性消化方法。
- 前記固定床から前記生物付着担体と接触した汚泥を流出させて、その汚泥を、後段の完全混合槽に導入し、前記汚泥を均一に攪拌、混合することにより、前記汚泥を生物学的処理することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の嫌気性消化方法。
- 前記固定床の汚泥供給管または前記固定床の下層を構成する固定層の下部に、前記固定床で発生した消化ガスまた窒素ガスを供給し、前記消化ガスまた前記窒素ガスにより前記生物付着担体を攪拌できるようにしておくことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の嫌気性消化方法。
- 前記固定層の下部に供給する前記消化ガスまた前記窒素ガスの供給速度は５〜４０ｍ／ｈｒであることを特徴とする請求項８に記載の嫌気性消化方法。
Priority Applications (6)
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