JP7111300B2 - 有機性排水処理装置および有機性排水処理方法 - Google Patents
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Description
また、無酸素槽603で脱窒を行う脱窒細菌は、脱窒反応の電子供与体として有機物を必要とするとともに、有機物を利用して増殖する従属栄養細菌である。そのため、脱窒細菌を用いて脱窒を行うと、必然的に大量の余剰活性汚泥が発生してしまうという問題があった。
[有機性排水処理装置]
図1は、本実施形態に係る有機性排水処理装置1の概要を説明する説明図である。図2は、本実施形態に係る有機性排水処理装置1の構成を説明する概略構成図である。
本実施形態に係る有機性排水処理装置1は、生活排水、産業排水、下水、またはこれらのうちの少なくとも1つを用いて混合した排水などの有機物および窒素成分を含む有機性排水を高度に処理する装置である。
図1に示すように、本実施形態に係る有機性排水処理装置1は、第1処理手段20と、第2処理手段30とを有する。
産業排水とは、農林漁業(第一次産業)、鉱工業(第二次産業)からの排水をいう。
下水とは、生活排水が主体で、これに産業排水や場合によって雨水などが加わったものをいう。
なお、本明細書においては、埋立処分場からの浸出水も有機性排水として扱うことができる。
有機物は、有機化合物とも呼ばれており、炭素原子間の共有結合を基本として構成される化合物をいう。
窒素成分としては、遊離アンモニア(NH3)、アンモニウムイオン(NH4 +)、アンモニア性窒素(NH4-N)、亜硝酸性窒素(NO2-N)、硝酸性窒素(NO3-N)が挙げられる。アンモニア性窒素とは、アンモニアの形になっている窒素をいい、亜硝酸性窒素とは、亜硝酸の形になっている窒素をいい、硝酸性窒素とは、硝酸の形になっている窒素をいう。
高度に処理するとは、前記した有機物を除去することに加えて、前記した窒素成分を除去(脱窒)することをいう。
本実施形態に係る有機性排水処理装置1では後記する手段を有しているため、有機性排水中の有機物の濃度の高低や窒素成分の濃度の高低に関わらず処理できる。
有機性排水処理装置1は、第1処理手段20の前段に第1処理手段20への有機性排水の流入量を調整する流量調整槽10を設けることができる。なお、流量調整槽10は必要に応じて設けることができるものであり、設けなくてもよい。
図2に示すように、流量調整槽10から第1処理手段20への有機性排水の流入量の調整は、例えば、流量調整槽10と第1処理手段20の間に設けられた流量調整槽ポンプP2の出力を調整することで行うことができる。流量調整槽10への有機性排水の流入は、有機性排水処理場施設との間に設けられたポンプP1で行うことができる。流量調整槽10は有機性排水を攪拌する攪拌機11を備えていてもよい。また、本実施形態においては、流量調整槽10の前段に有機性排水中の土砂などを沈殿させて除く沈砂池(図示せず)を設けることができる。
第1処理手段20では、前記した有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに膜ろ過を行って膜ろ過水を得る。つまり、第1処理手段20によって、有機性排水中に含まれている有機物の大部分を分解することができ、メタンを生成することができる。メタン発酵とは、様々な微生物による有機物の分解反応と、メタン生成古細菌が最終的にメタンを生成する反応との総称である。なお、第1処理手段20で生成されたメタンはバイオガスとして回収され、電気や熱の生成に用いられる。また、膜ろ過を行うので、膜ろ過水に浮遊物質が含まれることもない。有機物や浮遊物質は、第2処理手段30において活性汚泥の発生源となる。つまり、第2処理手段30に脱窒細菌が含まれている場合に活性汚泥が発生し易くなる。そのため、この第1処理手段20で有機物や浮遊物質をなるべく多く分解したり除去したりするのが好ましい。
CH3COO-+H++OH- → CH4+CO2+OH-
CO2+8H++8e- → CH4+2H2O
膜分離メタン発酵槽は、懸濁性嫌気性菌(メタン生成古細菌を含む)を保持するメタン発酵槽、または嫌気性グラニュール汚泥を保持するメタン発酵槽とすることができる。なお、懸濁性嫌気性菌とは、グラニュール(粒状)を形成しない嫌気性菌を意味している。
浸漬型嫌気性MBR(槽別置型)と浸漬型嫌気性MBR(一体型)21は、膜ろ過ポンプP4で吸引することによって膜分離、すなわち膜ろ過を行う。浸漬型嫌気性MBR(槽別置型)は、メタン発酵槽と膜分離装置とを独立して設置したものであり、浸漬型嫌気性MBR(一体型)21は、メタン発酵槽内に膜分離装置を設置したものである。
なお、第3処理手段25は前記したものに限定されず、CO2を除去できればどのようなものも用いることができる。
第2処理手段30では、第1処理手段20で得られた膜ろ過水に含まれている窒素成分を嫌気性アンモニア酸化(anaerobic ammonium oxidation;Anammox、アナモックス)反応により脱窒する。アナモックス反応は、嫌気条件下でアナモックス細菌がNH4-NとNO2-Nとを基質としてN2を生成する反応であり、次のような反応式1が示されている。
1.0NH4 ++1.32NO2 -+0.066HCO3 -+0.13H+ →
1.02N2+0.26NO3 -+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O
・NaNO2:0~300mg/L
・NH4Clまたは(NH4)2SO4:0~300mg/L
・KH2PO4:54mg/L
・KHCO3:125mg/L
・Micro Fe/EDTA♯1:1mL/L
(♯1の組成:FeSO4・7H2O 9g、EDTA・2Na 5g)
本実施形態においては、図2に示すように、一槽式アナモックス槽31を用いるのが好ましい。一槽式アナモックス槽31を用いると二槽式アナモックス槽(図示せず)の場合と比較して省スペース化や建設費用の低コスト化を図ることができる。
なお、二槽式アナモックス槽を用いると、アナモックス細菌とアンモニア酸化細菌とを別個の槽で管理できることから、各細菌の管理や反応の制御が容易である。また、二槽式アナモックス槽を用いると、アンモニア酸化細菌で生成したNO2-Nを含む膜ろ過水のNO2 -濃度と流量を調節してアナモックス反応を行う槽に導入することができるので、NH4-NとNO2-Nとのモル比を前記したものとし易い。
アナモックス細菌およびアンモニア酸化細菌は増殖に有機物を利用しない独立栄養細菌であるので、膜ろ過水に溶解性の有機物が含まれていたとしても大量に増殖することはない。そのため、本実施形態では、アナモックス細菌およびアンモニア酸化細菌に由来する活性汚泥の生成量を低減できる。
一方、脱窒細菌は有機物を電子供与体にしてNO3-NをN2に変換するが、有機物を利用して増殖する従属栄養細菌である。そのため、本実施形態では、脱窒細菌に由来する活性汚泥は生成されるものの、前述した第1処理手段20で既に有機物の大部分がメタンに分解されており、膜ろ過水に残存している有機物の濃度は低くなっている。従って、本実施形態では、従来の活性汚泥法と比較すると脱窒細菌が増殖してなる活性汚泥の生成量を低減できる。また、本実施形態においては、第2処理手段30において、脱窒細菌をはじめとする従属栄養細菌の増殖が抑えられることから、アナモックス細菌の優占化を図ることができる。そのため、アナモックス細菌の高濃度化と、効率的なアナモックス反応とを行うことができる。なお、本実施形態においては、脱窒細菌によるNO3 -からN2への変換を十分に行わせるため、メタノール以外の有機物を添加することができる。
本実施形態に係る有機性排水処理装置1は、図1および図2に示すように、第1処理手段20から回収した汚泥を脱水する脱水設備40を備えていてもよい。脱水設備40としては、例えば、遠心分離機、ベルトプレス脱水機、スクリュープレス脱水機などを用いることができる。脱水設備40で脱水された脱水汚泥は搬出され、焼却したり、最終処分場で埋立てに使われたりするなど適宜処理される。図2に示すように第1処理手段20から脱水設備40への汚泥の搬送はこれらの間に設けられたポンプP3で行うことができる。
次に、本実施形態に係る有機性排水処理方法について説明する。
本実施形態に係る有機性排水処理方法は、生活排水、産業排水、下水、またはこれらのうちの少なくとも1つを用いて混合した排水などの有機物および窒素成分を含む有機性排水を高度に処理する方法である。本実施形態に係る有機性排水処理方法は、前述した本実施形態に係る有機性排水処理装置1で好適に実施することができるので、有機性排水処理装置1を例にして以下の説明を行う。従って、本実施形態に係る有機性排水処理方法と本実施形態に係る有機性排水処理装置1とで共通する構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図4に示すように、本実施形態に係る有機性排水処理方法は、第1処理工程S1と、第2処理工程S2とを含み、これらの工程についてはこの順で行う。
第1処理工程S1は、前記した有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに膜ろ過を行って膜ろ過水を得る工程である。この第1処理工程S1は、有機性排水処理装置1における第1処理手段20で行うことができる。従って、第1処理工程S1で処理された膜ろ過水には、有機物の濃度が低くなり、浮遊物質も含まれていない。そのため、後段の第2処理工程S2では当該膜ろ過水による余剰活性汚泥の発生量を低減できる。
第2処理工程S2は、膜ろ過水に含まれている窒素成分を嫌気性アンモニア酸化反応(アナモックス反応)により脱窒する工程である。この第2処理工程S2は、有機性排水処理装置1における第2処理手段30で行うことができる。このとき、必要に応じて膜ろ過水に含まれているNH4-Nの一部をアンモニア酸化細菌で酸化させ、NO2-Nを生成することができる。本実施形態においては、NH4-Nの約半分をNO2-Nに変換するだけでよいので、従来の活性汚泥法におけるNH4-Nの全量をNO2-Nに硝化する反応と比較して、接触させる空気量を約半分にできる。従って、前記したように、本実施形態においては、NH4-NをNO2-Nに硝化するのに必要な曝気動力および電気量等を約半分に低減できる。
また、一槽式アナモックス槽31が、内径3~30mm、長さ3~30mmであり、両端が開口した中空筒からなる担体32を含むことが好ましい。このようにすると、担体32の外側にはアンモニア酸化細菌が保持されるので、一槽式アナモックス槽31に通気した空気などに由来する溶存酸素が消費される。そのため、担体32の内側は嫌気条件となり易い。従って、担体32の内側32bはアナモックス細菌が増殖し易く、保持も行い易いものとなる。また、担体32の内側32bはアナモックス細菌による嫌気性アンモニア酸化反応を好適に行うことができる。
図2に示す構成の有機性排水処理装置1を用いて下水を処理した。図2に示すように、この有機性排水処理装置1は、第1処理手段20として膜分離メタン発酵槽を用い、第2処理手段30として一槽式アナモックス槽31(以下、単に「アナモックス槽31」という)を用いた。なお、膜分離メタン発酵槽として具体的には、浸漬型嫌気性MBR(一体型)21(以下、単に「嫌気性MBR21」という)を用いた。嫌気性MBR21の前段には、下水を移送するためのポンプP1を介して流量調整槽10が設けられている。流量調整槽10では、沈砂池(図示せず)から過剰量の下水を汲み上げて常時オーバーフローさせることによって、常に新鮮な下水を嫌気性MBR21に供給できるようにした。
流量調整槽10から嫌気性MBR21に供給される有機性排水の水質は下記のとおりである。ここで、SSは浮遊物質の量を表し、CODcrは二クロム酸カリウムによる酸素要求量を表し、BODは生物化学的酸素要求量を表し、T-Nは全窒素量を表し、T-Pは全リン量を表す。
・pH:7.1~7.8(平均7.4)
・SS:150~310mg/L(平均200mg/L)
・CODcr:310~510mg/L(平均400mg/L)
・BOD:110~250mg/L(平均165mg/L)
・T-N:25~50mg/L(平均35mg/L)
・T-P:2.0~6.5mg/L(平均4.0mg/L)
なお、嫌気性MBR21およびアナモックス槽31は、25℃の温水をジャケットに通液し、25℃でそれぞれ処理を行った。
アナモックス槽31には、事前に単一窒素原としてNH4-N濃度で250mgN/L(なお、Nは窒素の含有量であることを示している)を含む人工排水を供給した。このようにすることで、ポリプロピレン樹脂製の担体32(内径約5mm、長さ約5mmの中空円筒)の外側の表面に好気性アンモニア酸化細菌を、内側の表面にアナモックス細菌をそれぞれ付着させ、増殖させた。
その結果、嫌気性MBR21でろ過した膜ろ過水の水質と、アナモックス槽31で処理した処理水の水質とは以下のようになった。なお、水質は、SS、BOD、T-N、NH4-Nを測定した。
これに対し、実施例1では滞留時間8時間(従来法の約半分)の大きさの反応槽で、従来法よりも優れた水質の処理水(処理水のBODが<5mg/L、T-Nが<10mg/L)を得ることができた。
嫌気性MBR21内には、メタン生成古細菌として、Methanosaeta属、Methanoregula属、Metahnobacterium属、Methanospirillum属、Methanolinea属が検出され、細菌としては、Firmicutes、Bacteroidetes、Proteobacteria、Chloroflexi、Synergistetes、Actinobacteria、Candidate division TM-7、Acidobacteria、Verrucomicrobia、Chlorobi、Planctomycetesが検出された。
一槽式アナモックス槽31内には、アナモックス細菌として、Candidatus Kuenenia、Candidatus Brocadiaが検出され、アンモニア酸化細菌として、Nitrosomonas属、Nitrobacter属、Nitrospira属が検出された。
食品廃棄物の懸濁液を図2に示す構成の有機性排水処理装置1で処理した。
実施例2においては、流量調整槽10(有効液容量:1m3)、嫌気性MBR21(有効液容量:6m3、MLSS:6000~8000mg/L)、アナモックス槽31(有効液容量:1m3)、沈殿池50(有効液容量:約100L)とした。
なお、実施例2における嫌気性MBR21には、槽内液を攪拌するための攪拌翼と、これを回転させるためのモータとを設けたが(いずれも図示せず)、CO2除去装置は設けなかった。
また、流量調整槽10から沈殿池50までの処理工程は、液温度30℃にほぼ保たれた。加温が必要なときは、前記した各槽内に設置した熱交換器に50℃の温水を流した。
流量調整槽10における食品廃棄物の懸濁液の性状は下記のとおりである。ここで、BOD、T-N、T-Pは前記と同様であり、TSはtotal solids(蒸発残留物)を表し、VSはvolatile solids(強熱減量)を表す。なお、VSは、蒸発残留物を600±25℃、30~40分間強熱灰化したとき揮散する物質をいい、主に有機物質量の目安となる。
・pH:3.8~4.5(平均4.0)
・TS:18000~22000mg/L(平均20000mg/L)
・VS:16200~19800mg/L(平均18000mg/L)
・BOD:11700~14300mg/L(平均13000mg/L)
・T-N:600~800mg/L(平均700mg/L)
・T-P:69~85mg/L(平均77mg/L)
嫌気性MBR21からは、メタン濃度約62%、CO2濃度約38%のバイオガスが12.5m3N/日発生した。
実施例2における膜ろ過水の水質は下記のとおりである。ここで、TS、VS、BOD、T-N、NH4-N、T-Pは前記と同様である。
・pH:7.3~7.7(平均7.5)
・TS:5100~6300mg/L(平均5700mg/L)
・VS:3200~4000mg/L(平均3600mg/L)
・BOD:550~750mg/L(平均650mg/L)
・T-N:600~700mg/L(平均650mg/L)
・NH4-N:400~500mg/L(平均450mg/L)
・T-P:60~80mg/L(平均70mg/L)
沈殿池50としては、直径35cm、直胴部高さ1m、容量約100Lの容器を使用し、沈殿池50に流入する汚泥を沈降分離した。
沈殿池50の越流水(実施例2に係る有機性排水処理装置1によって処理された処理水)の水質は下記のとおりである。ここで、SS、BOD、T-N、T-Pは前記と同様である。
・pH:7.1~7.3(平均7.2)
・SS:10~20mg/L(平均15mg/L)
・BOD:10~20mg/L(平均15mg/L)
・T-N:130~170mg/L(平均150mg/L)
・T-P:55~65mg/L(平均60mg/L)
図5は、実施例3に係る有機性排水処理装置1を活性汚泥法の一つである循環式硝化脱窒法に係る有機性排水(下水)処理施設に設けた様子を示す説明図である。
図6は、前述したように、循環式硝化脱窒法に係る有機性排水(下水)処理施設の概要を示す説明図であり、ここでは比較例1として参照した。
・pH:7.5~8.5(平均8.0)
・BOD:100~300mg/L(平均200mg/L)
・T-N:700~1000mg/L(平均800mg/L)
・NH4-N:630~900mg/L(平均730mg/L)
・T-P:50~90mg/L(平均70mg/L)
・pH:7.3~7.7(平均7.5)
・BOD:10~30mg/L(平均20mg/L)
・T-N:650~850mg/L(平均760mg/L)
・NH4-N:600~800mg/L(平均700mg/L)
・T-P:50~70mg/L(平均60mg/L)
なお、アナモックス槽31は、溶存酸素濃度が0.3ppm以下になるように曝気空気量を制御して処理を行った。
アナモックス槽31からの流出水(処理水)は、沈殿池50でSS分を沈降分離し、得られた越流水を沈砂池601に供給するようにした。このようにして得られた越流水の水質は下記のとおりである。ここで、BOD、T-N、NH4-N、T-Pは前記と同様である。
・pH:7.1~7.5(平均7.3)
・BOD:5~10mg/L(平均7mg/L)
・T-N:150~250mg/L(平均200mg/L)
・NH4-N:100~200mg/L(平均150mg/L)
・T-P:40~60mg/L(平均50mg/L)
次に、従来法の循環式硝化脱窒法に係る有機性排水(下水)処理施設(比較例2)におけるエネルギー消費量と、本発明に係る有機性排水処理装置1(実施例4)におけるエネルギー消費量とを比較した。なお、実施例4におけるエネルギー消費量は、比較例2に係る装置と同程度の処理量で下水を処理する場合(下記参照)を想定して試算したものである。
・下水処理量:10000m3/日
<想定した処理性能>
・BOD:200mg/L → 20mg/L
・SS:200mg/L → 20mg/L
・T-N:33mg/L → 10mg/L
これに対し、表3に示すように、実施例4に係る装置は、全体で2773.56kWh/日の電力量が必要であり、単位消費電力は0.277kWh/m3であった。
つまり、実施例4に係る装置のエネルギー消費量は、比較例2に係る装置のエネルギー消費量の約67%であると算出された。従って、本発明に係る有機性排水(下水)処理装置および有機性排水(下水)処理方法は、従来法と比較してエネルギー消費量を少なくできることが確認された。
10 流量調整槽
20 第1処理手段
25 第3処理手段
30 第2処理手段
31 一槽式アナモックス槽(アナモックス槽)
32 担体
40 脱水設備
S1 第1処理工程
S2 第2処理工程
S3 第3処理工程
Claims (14)
- 浮遊物質、有機物および窒素成分を含む有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに精密ろ過膜または限外ろ過膜を用いて膜ろ過を行って膜ろ過水を得る第1処理手段と、
前記膜ろ過水に含まれている窒素成分を一槽式アナモックス槽で嫌気性アンモニア酸化反応を行い、脱窒する第2処理手段と、
を有することを特徴とする有機性排水処理装置であって、
前記第2処理手段における処理をアナモックス細菌、アンモニア酸化細菌および脱窒細菌によって行うことを特徴とする有機性排水処理装置。 - 前記第1処理手段は、発生した二酸化炭素を除去する第3処理手段を有することを特徴とする請求項1に記載の有機性排水処理装置。
- 前記第1処理手段が膜分離メタン発酵槽であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の有機性排水処理装置。
- 前記膜分離メタン発酵槽が、懸濁性嫌気性菌を保持するメタン発酵槽、または嫌気性グラニュール汚泥を保持するメタン発酵槽であることを特徴とする請求項3に記載の有機性排水処理装置。
- 前記一槽式アナモックス槽が両端が開口した中空筒からなる担体を含み、前記担体の外側には前記アンモニア酸化細菌が保持され、前記担体の内側には前記アナモックス細菌が保持されていることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の有機性排水処理装置。
- 前記担体が、内径3~30mm、長さ3~30mmであり、両端が開口した中空筒からなる担体であることを特徴とする請求項5に記載の有機性排水処理装置。
- 前記担体を投入した一槽式アナモックス槽は、空気吹き込みおよび機械攪拌のうちの少なくとも一方の手段で槽内液を攪拌し、前記槽内液の溶存酸素濃度0.5mg/L以下に制御することを特徴とする請求項5または請求項6に記載の有機性排水処理装置。
- 浮遊物質、有機物および窒素成分を含む有機性排水を嫌気条件下でメタン発酵するとともに精密ろ過膜または限外ろ過膜を用いて膜ろ過を行って膜ろ過水を得る第1処理工程と、
前記膜ろ過水に含まれている窒素成分を一槽式アナモックス槽で嫌気性アンモニア酸化反応を行い、脱窒する第2処理工程と、
を含むことを特徴とする有機性排水処理方法であって、
前記第2処理工程における処理をアナモックス細菌、アンモニア酸化細菌および脱窒細菌によって行うことを特徴とする有機性排水処理方法。 - 前記第1処理工程は、発生した二酸化炭素を除去する第3処理工程を含むことを特徴とする請求項8に記載の有機性排水処理方法。
- 前記第1処理工程を膜分離メタン発酵槽で行うことを特徴とする請求項8または請求項9に記載の有機性排水処理方法。
- 前記膜分離メタン発酵槽が、懸濁性嫌気性菌を保持するメタン発酵槽、または嫌気性グラニュール汚泥を保持するメタン発酵槽であることを特徴とする請求項10に記載の有機性排水処理方法。
- 前記一槽式アナモックス槽が両端が開口した中空筒からなる担体を含み、前記担体の外側には前記アンモニア酸化細菌が保持され、前記担体の内側には前記アナモックス細菌が保持されていることを特徴とする請求項10または請求項11に記載の有機性排水処理方法。
- 前記担体が、内径3~30mm、長さ3~30mmであり、両端が開口した中空筒からなる担体であることを特徴とする請求項12に記載の有機性排水処理方法。
- 前記担体を投入した一槽式アナモックス槽は、空気吹き込みおよび機械攪拌のうちの少なくとも一方の手段で槽内液を攪拌し、前記槽内液の溶存酸素濃度0.5mg/L以下に制御することを特徴とする請求項12または請求項13に記載の有機性排水処理方法。
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