JP6797787B2 - 有機性廃水処理装置およびその立ち上げ方法 - Google Patents
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Description
特許文献1においては、メタン発酵微生物群を保持するために固定床を設置しているが、設備費用を要するだけでなく、無終端水路の水流に対して固定床が抵抗となるため流動性を悪化させたり、固定床間隙が閉塞することで処理性能が低下することが懸念される。
特許文献2においては、汚泥保持手段としてろ過膜を用いた固液分離が行われ、ろ過膜の平均孔径0.1〜0.5μmが好ましいとされている。しかし、この処理方式は、非常に高い固液分離機能を有しているが、設備費用が非常に高価になるだけでなく、廃液をろ過膜に通過させるためのポンプ運転に必要な動力も多大となる欠点がある。
特許文献10においては、汚泥保持手段として沈澱池を用いた固液分離が行われている。しかし、生物反応槽は嫌気性ではなく好気性条件下で運転され、仕上げ槽やスカム破砕装置は設けられていない。
特許文献16では、汚泥保持手段として仕上げ槽と沈澱池が設けられている。しかし、メタン発酵槽は無終端水路ではなく、スカム破砕装置は設けられていない。
特許文献1においては、嫌気性無終端水路の撹拌方式について特に明示されていない。
特許文献3においては、好気性無終端水路であるオキシデーションディッチの撹拌方式について、槽外駆動式のプロペラ撹拌機と、水路内で活性汚泥が沈澱しないように底部流速が0.1m/sec以上が必要とされることが記載されているが、具体的な撹拌機の条件について記載されていない。
特許文献7では、好気性無終端水路であるオキシデーションディッチの撹拌装置として、水中式推進装置等からなる攪拌装置を備えることが記載されているが、撹拌しながら曝気するエアレーターも備えている。
特許文献1においては、特にスカム破砕装置は設けられていない。一般に、油脂などを含む廃水処理では、脂質の分解に伴い高級脂肪酸が生成することで発泡し、スカムが生成される。水面に浮上したスカムは水中のメタン発酵菌と接触しないため、分解効率が低下する。さらに、多量のスカムが発生するとガスラインへの流入に伴い、機器の故障原因となる。
特許文献6では、無終端水路内でスカムを除去することが記載されているが、スカム破砕装置については記載されていない。
特許文献14では、無終端水路においてを除去することが記載されているが、回収したスカムを破砕して無終端水路に返送することは記載されていない。
一般にメタン発酵処理の立ち上げは3〜6か月の長期間を要するとされている。
特許文献4においては、運転立ち上げ時に易分解性の原料を廃水に投入することが記載されているが、処理対象の廃水のみで立ち上げる方法についての記載がない。また、種汚泥を投入することで短期間で立ち上げを行えることは公知であるが、具体的な種汚泥の条件については明確に記載されていない。
本発明の好ましい態様は、前記仕上げ槽の上部開口を覆うことでバイオガスを回収する覆い部材をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記無終端水路および前記仕上げ槽で生成されたバイオガスを発電装置に導入する配管およびブロアをさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記無終端水路内に設置され、前記原水を無終端水路内で循環させる複数の撹拌機をさらに備え、前記複数の撹拌機の所要動力の合計を前記無終端水路の容量で割り算して得られる撹拌動力は、0.1W/m3以上、10W/m3以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る有機性廃水処理装置の立ち上げ方法は、無終端水路とは別の嫌気性反応槽から得た活性状態のメタン発酵菌を含む種汚泥を、前記無終端水路に投入することにより立上げ時間の短縮が可能となる。
図1は本発明の有機性廃水処理装置の一実施形態を模式的に示す平面図であり、図2は、有機性廃水処理装置の概要図である。本発明は、30℃〜40℃を至適温度とした中温メタン発酵処理、50℃〜60℃を至適温度とした高温メタン発酵処理など、すべての温度範囲の嫌気性処理に適用することができる。
好気条件であるオキシデーションディッチでは、酸素供給のために散気管などのブロアなどを利用して空気を吹き込むため、空気による強い上昇流による撹拌が可能である。
一方、嫌気条件であるメタン発酵では、有機物分解に伴うメタンガスが発生するものの上昇流による撹拌は、オキシデーションディッチにおける空気撹拌と比較して、水路全体において弱い。そのため適切な撹拌動力により、原水を水路内で水平方向(流下方向)に流動させることで、よどみ部分をなくすことが必要である。また、流下方向に流動させることで生成したスカムを嫌気性反応槽内に蓄積させることなく、スカムをスカム破砕装置に送ることが可能となる。
嫌気性反応槽1には、2つのスカム破砕装置30が設けられている。各スカム破砕装置30は、無終端水路2水面に浮上しているスカムを回収するスカム回収装置としてのトラフ31と、スカムを貯留するスカム貯留槽33と、スカム貯留槽33内に配置されたスカムポンプ36と、トラフ31とスカム貯留槽33とを接続するスカム移送ライン38と、スカム貯留槽33と嫌気性反応槽1とを接続するスカム戻りライン39を備えている。トラフ31は、無終端水路2内に水面とほぼ同じ高さに配置されており、かつ無終端水路2を横切るように配置されている。図1に示す実施形態では、2つのスカム破砕装置30が設けられているが、1つのスカム破砕装置30のみが設けられてもよい。
無終端水路の水面に浮いたスカムをトラフ31で回収し、回収したスカムをスカム貯留槽33内に一時貯留する。スカム貯留槽33内のスカムは、スカムポンプ36に吸い込まれ、スカムポンプ36内を通過することによって破砕される。破砕されたスカムは、スカムポンプ36によりスカム戻りライン39を通って無終端水路2に戻される。このように、スカム貯留槽33内のスカムをスカムポンプ36で破砕しながら無終端水路2に返送することで、スカムに含まれる微細気泡が分離し、スカムを無終端水路2内の原水中に溶解させることができる。これにより、原水中のメタン発酵菌とスカムの接触が改善して、スカムの分解が進行してバイオガス発生量を増大することが可能となる。
仕上げ槽20は、無終端水路2と沈澱槽25との間に配置される。無終端水路2から流出した被処理水は仕上げ槽20に移送され、さらに沈澱槽25に移送される。仕上げ槽20内の被処理水の滞留時間が短すぎると、仕上げ槽20でのバイオガス回収が不十分となり、バイオガスの回収率の低下、後段の沈澱槽25でのバイオガス発生による汚泥の浮上が起こる。一方、仕上げ槽20内の被処理水の滞留時間が長すぎると過大な設備となる。そのため、仕上げ槽20内の被処理水の滞留時間は、2時間以上、24時間以下が好ましく、4時間以上、12時間以下がさらに好ましい。
また、バイオガスを放出したのちに被処理水を沈澱槽25へ流入させることで、汚泥浮上を抑制し、沈降性を向上することができる。
沈澱槽25は矩形でも円形でも、汚泥を水から分離できれば形状は問わない。汚泥分離性を向上するため、沈澱槽25内に櫛状のピケットフェンス(図示せず)を設置することが望ましい。沈澱槽25が円形の場合は、ピケットフェンスを回転させることで汚泥分離性を向上させることができる。横流式の沈澱槽25であればピケットフェンスを沈澱槽25に固定してもよい。
無終端水路2と沈澱槽25を組み合わせることで、無終端水路2内の汚泥濃度を高くすることが可能となり、より高負荷処理が可能となり、装置のコンパクト化を図ることができる。
さらに、無終端水路2と沈澱槽25の間に仕上げ槽20を設けることで、固液分離性能を向上させるだけではなく、バイオガス回収率を向上させることが可能となる。
既に設置されている他のラグーンから採取した種汚泥を、無終端水路2内の固形物濃度(TS;Total Sludge)が、0.5%以上、5%以下となるように無終端水路2に投入する。固形物濃度TSは公定法による測定が好ましいが、赤外線水分計を用いた分析結果を用いてもよい。
種汚泥は、嫌気性ラグーンから採取した汚泥が好ましく、同じ原水を処理する既設の嫌気性ラグーンから採取した汚泥がより好ましい。
種汚泥の採取は、嫌気性ラグーンの原水投入から流下方向にHRTで5日以上40日以下に相当するエリアで行う。HRTが5日未満だと汚泥に含まれる未分解有機物の割合が多く、HRTが40日を越えると非活性な汚泥が多い。HRTで5日以上40日以下のエリアで採取された汚泥には、嫌気性反応に必要なメタン発酵菌が活性の高い状態で保持されている。
原水を処理している既設の嫌気性ラグーンに堆積している汚泥を、適切な位置から採取して新規に設置する無終端水路に種汚泥として投入することで、通常3〜6か月を要する立ち上げ運転を45日以下で完了することが可能となる。
ここで立ち上げ運転とは、設計条件に到達するまでの運転、もしくは原水を全量受け入れるまでの運転を示す。
また、立ち上げ時の運転管理方法として、バイオガス中のメタン濃度を測定し、メタン濃度が60%以上に維持されるように負荷調整を行う。負荷は、有機物負荷であり、原水中の有機物の濃度に、原水の流量を乗算することで算出される。上述した負荷調整は、無終端水路2に流入する原水の流量を調整することによって行われる。メタン濃度の測定が困難な場合は、バイオガスの組成がメタンと二酸化炭素でほぼ100%となることに基づき、バイオガス中の二酸化炭素濃度が40%以下に維持されるように負荷調整を行ってもよい。
以下の比較例および実施例では、CODCr(二クロム酸カリウムによる酸素要求;Chemical Oxygen Demand)が約75,000mg/LのPOMEを原水とした。POMEは、反応槽内の水温が中温メタン発酵に適した条件となるように、40〜50℃に自然冷却してから反応槽に投入した。反応槽に流入する原水の流量は160m3/日から開始し、5日ごとに240m3/日,320m3/日,400m3/日,480m3/日,560m3/日、最終的に設計条件の31日目に635m3/日とした。
比較例1で使用された反応槽は、一般的に普及している覆い部材なしの嫌気性ラグーンであった。反応槽の容量は32,000m3、設計条件での水理学的滞留時間は50日であった。素掘りに近い構造であるため建設費は安いが、発生したバイオガスは大気放出していてエネルギー回収は行われていない。
スカム破砕装置、仕上げ槽、沈澱槽は、設置しなかった。
種汚泥は別の嫌気性ラグーンの全面から採取した汚泥であり、上記反応槽内の固形物濃度が1%となるように種汚泥を反応槽内に投入した。
設計条件で原水を通水した31日目から45日目の平均CODCr除去率は55%であった。反応槽の水面の全体にはスカムが浮上していた。
比較例2で使用された反応槽は、容量12,000m3のトラック型の無終端水路であった。無終端水路の上部開口はバイオガス回収のための覆い部材で覆われており、嫌気性条件下でメタン発酵を行った。複数の低動力撹拌機を無終端水路内に設置して、無終端水路内で原水を循環させた。複数の低動力撹拌機の所要動力の合計を無終端水路の容量で割り算することで得られる撹拌動力は、5W/m3であった。
スカム破砕装置、仕上げ槽は設置しなかった。
無終端水路からの流出水は直接沈澱槽に送られ、沈澱槽にて汚泥を水から分離し、分離した汚泥の一部を無終端水路に返送した。
種汚泥は、既設の他の嫌気性ラグーンの全面から採取した汚泥であり、無終端水路2内の固形物濃度が2%となるように種汚泥を無終端水路内に投入した。
設計条件で原水を導入した31日目から45日目の平均CODCr除去率は72%であった。除去CODCrあたりのメタン回収率は85%であった。無終端水路2の水面の全体にはスカムが浮上していた。
実施例1で使用された反応槽は、図1および図2に示す容量12,000m3のトラック型の無終端水路2であった。無終端水路2の上部開口はバイオガス回収のための覆い部材5で覆われており、嫌気性条件下でメタン発酵を行った。複数の低動力撹拌機12を無終端水路内に設置して、無終端水路内2で原水を循環させた。複数の撹拌機12の撹拌動力は5W/m3であった。
無終端水路2の水面にはスカム回収装置としてのトラフ31が設けられ、回収したスカムをスカム貯留槽33に導き、スカムポンプ36で破砕してから無終端水路2に返送した。
仕上げ槽20は設けられず、無終端水路2からの流出水は直接沈澱槽25に送られた。沈澱槽にて汚泥を水から分離し、分離した汚泥の一部を無終端水路2に返送した。
種汚泥は、既設の他の嫌気性ラグーンの全面から採取した汚泥であり、無終端水路2内の固形物濃度が2%となるように種汚泥を無終端水路2内に投入した。
設計条件で原水を導入した31日目から45日目の平均CODCr除去率は81%であった。除去CODCrあたりのメタン回収率は92%であった。無終端水路2の水面にスカムはみられなかった。
実施例2では、図1および図2に示す有機性廃水処理装置が使用された。実施例2で使用された反応槽は、図1および図2に示す容量12,000m3のトラック型の無終端水路2であった。
無終端水路2の上部開口はバイオガス回収のための覆い部材5で覆われており、嫌気性条件下でメタン発酵を行った。複数の低動力撹拌機12を無終端水路内に設置して、無終端水路内2で原水を循環させた。複数の撹拌機12の撹拌動力は5W/m3であった。
無終端水路2の水面にはスカム回収装置としてのトラフ31が設けられ、回収したスカムをスカム貯留槽33に導き、スカムポンプ36で破砕してから無終端水路2に返送した。
無終端水路2からの流出水は仕上げ槽20を経由して沈澱槽25に送られた。仕上げ槽20の容量は100m3であり、仕上げ槽20での水の滞留時間は4時間であった。沈澱槽25にて汚泥を水から分離し、分離した汚泥の一部を無終端水路2に返送した。
種汚泥は、既設の他の嫌気性ラグーンの全面から採取した汚泥であり、無終端水路2内の固形物濃度が2%となるように種汚泥を無終端水路2内に投入した。
設計条件で原水を導入した31日目から45日目の平均CODCr除去率は85%であった。除去CODCrあたりのメタン回収率は99%であった。無終端水路2の水面にスカムはみられなかった。
実施例3では、図1および図2に示す有機性廃水処理装置が使用された。実施例2で使用された反応槽は、図1および図2に示す容量12,000m3のトラック型の無終端水路2であった。
無終端水路2の上部開口はバイオガス回収のための覆い部材5で覆われており、嫌気性条件下でメタン発酵を行った。複数の低動力撹拌機12を無終端水路内に設置して、無終端水路内2で原水を循環させた。複数の撹拌機12の撹拌動力は5W/m3であった。
無終端水路2の水面にはスカム回収装置としてのトラフ31が設けられ、回収したスカムをスカム貯留槽33に導き、スカムポンプ36で破砕してから無終端水路2に返送した。
無終端水路2からの流出水は仕上げ槽20を経由して沈澱槽25に送られた。仕上げ槽20の容量は150m3であり、仕上げ槽20での水の滞留時間は6時間であった。沈澱槽25にて汚泥を水から分離し、分離した汚泥の一部を無終端水路2に返送した。
種汚泥は、既設の他の嫌気性ラグーンのHRTで10日から30日に相当するエリアから採取した汚泥であり、無終端水路2内の固形物濃度が2%となるように種汚泥を無終端水路2内に投入した。
設計条件で原水を導入した31日目から45日目の平均CODCr除去率は90%であった。除去CODCrあたりのメタン回収率は99%であった。無終端水路2の水面にスカムはみられなかった。
図11は、図1および図2の有機性廃水処理装置を用いて、水中攪拌機12の攪拌動力と、原水の流速との関係を調べた実験結果を示す表である。この実験では、水中攪拌機12の攪拌動力を変えながら、無終端水路2の底部での原水の流速を測定し、かつ目視による水の流動状態を観察した。水中攪拌機12の撹拌動力は水中攪拌機12の回転速度から換算した。
図1および図2の有機性廃水処理装置の立ち上げにて、被処理水中の揮発性有機酸(VFA)を測定し、無終端水路2上の覆い部材5に設置したサンプルバルブから採取したバイオガスのメタン濃度を測定した。処理の管理基準を外れたときにPOME投入量を一定にし、バイオガス中のメタン濃度60%以上に回復するまでの日数を図12の表に示す。
被処理水中のVFAが500mg/Lを超えた場合、回復に18日を要した。バイオガスのメタン濃度55%未満となった場合、回復に要した期間は12日であった。バイオガスのメタン濃度58%未満となった場合、回復に要した期間は5日であった。バイオガスのメタン濃度60%未満となった場合、回復に要した期間は3日であった。
無終端水路2からの流出水800mLをプラスチックボトルに入れ、35℃の恒温水槽にプラスチックボトルを浸漬し、バイオガス積算発生量の経時変化を確認した。開始直後よりバイオガスの発生が確認され、12時間以降、バイオガス積算発生量の傾きは小さくなり、24時間以降はほとんど発生しなかった。
2 無終端水路
2a サイドウォール
2b センターウォール
2c ガイドウォール
5 覆い部材
7 脱硫装置
8 発電装置
10 流入ライン
12 撹拌機
12a 撹拌羽根車
12b 電動機
14 ガイドレール
15 メンテナンスブリッジ
17 第1移送ライン
20 仕上げ槽
22 第2移送ライン
25 沈澱槽
27 汚泥返送ライン(汚泥返送手段)
29 汚泥返送ポンプ
30 スカム破砕装置
31 トラフ(スカム回収装置)
33 スカム貯留槽
36 スカムポンプ
38 スカム移送ライン
39 スカム戻りライン
40 覆い部材
41 開口
42 越流部
Claims (6)
- メタン菌を含む汚泥と原水が収容される無終端水路を有する嫌気性反応槽と、
前記無終端水路の上部開口を覆うことでバイオガスを回収する覆い部材と、
前記無終端水路に接続され、前記無終端水路から流出した被処理水を滞留させて前記被処理水中の未分解有機物をメタン発酵させてバイオガスとして放出させる仕上げ槽と、
前記仕上げ槽に接続され、前記仕上げ槽から流出した前記被処理水から汚泥を分離させ、メタン菌を含む汚泥を得る沈澱槽と、
前記沈澱槽から前記無終端水路まで延び、前記沈澱槽からメタン菌を含む汚泥を前記無終端水路に返送する汚泥返送手段と、
前記無終端水路の水面に浮遊するスカムを回収し、前記回収したスカムを破砕し、前記破砕されたスカムを前記無終端水路に返送するスカム破砕装置と、
を備えたことを特徴とする有機性廃水処理装置。 - 前記請求項1に記載の有機性廃水処理装置において、
前記スカム破砕装置は、前記無終端水路の水面に配置されたスカム回収装置と、前記スカム回収装置により回収されたスカムを貯留するスカム貯留槽と、前記スカム貯留槽内のスカムを吸い込むことで前記スカムを破砕するスカムポンプと、前記スカム貯留槽から前記無終端水路まで延びるスカム返送ラインとを備え、前記スカムポンプは前記スカム返送ラインに接続されていることを特徴とする有機性廃水処理装置。 - 前記請求項1又は2に記載の有機性廃水処理装置において、
前記仕上げ槽の上部開口を覆うことでバイオガスを回収する覆い部材をさらに備えたことを特徴とする有機性廃水処理装置。 - 前記請求項3に記載の有機性廃水処理装置において、
前記無終端水路および前記仕上げ槽で生成されたバイオガスを発電装置に導入する配管およびブロアをさらに備えたことを特徴とする有機性廃水処理装置。 - 前記請求項1に記載の有機性廃水処理装置において、
前記無終端水路内に設置され、前記原水を無終端水路内で循環させる複数の撹拌機をさらに備え、
前記複数の撹拌機の所要動力の合計を前記無終端水路の容量で割り算して得られる撹拌動力は、0.1W/m3以上、10W/m3以下であることを特徴とする有機性廃水処理装置。 - 前記請求項1に記載の有機性廃水処理装置であって、
前記無終端水路とは別の嫌気性反応槽から得た活性状態のメタン発酵菌を含む種汚泥を、前記無終端水路に投入することを特徴とする有機性廃水処理装置の立ち上げ方法。
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