JP3893545B2

JP3893545B2 - Anaerobic digestion of sludge or ginger urine

Info

Publication number: JP3893545B2
Application number: JP13443196A
Authority: JP
Inventors: 榮一田代
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-04-30
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2016-04-30
Also published as: JPH09295000A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水処理場や屎尿処理場等で発生する汚泥や、屎尿処理場へ搬入される生屎尿の消化を促進させる方法に係わり、汚泥や生屎尿中にシャボンの木の抽出液を添加して処理するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
下水処理場や屎尿処理場等に流入する排水や屎尿は、最終的に処理水と汚泥に分離され、処理水は河川等に放流される。一方、汚泥は、脱水後に焼却や埋め立て処分されることもあるが、未だ多くの有機物を含有しているので脱水後の容積を減少させるために、汚泥消化槽等で嫌気性細菌により分解してＢＯＤ成分を減少させ、その後に脱水して焼却や埋め立てされる場合が多い。これに対し、生屎尿の場合は、ＢＯＤ成分が１万ppm 以上も含まれているので、これを嫌気性消化してＢＯＤ成分を減少させてから曝気槽に送ることが一部で行われている。
【０００３】
以下、主として下水処理場で発生する汚泥の消化について説明する。嫌気性消化とは、上記したように汚泥或いは生屎尿中の有機物を嫌気性細菌や微生物の働きによって、酵素を触媒として、▲１▼酸性発酵期、▲２▼酸性減退期、▲３▼アルカリ性発酵期の３段階を経て分解することを言う。この有機物分解を消化と言い、▲１▼は主として糖類、溶解性澱粉、繊維素、溶解性窒素化合物が分解し、有機酸、硫化水素、大量の炭酸ガス、窒素及び重炭酸塩を生成し、ｐＨは6.８〜5.１程度まで低下する。▲２▼の段階では、窒素化合物が分解し、酸度が減少するとともにアンモニア性窒素が増加し、ｐＨが6.６〜6.８程度まで上昇する。▲３▼の段階では、主として蛋白質、アミノ酸、油脂等の難分解質が分解し、ｐＨが上昇して7.０〜7.４程度に達し、ガス中のメタン含有量が多くなり、汚泥は安定した粗粒となる。最終ガス発生量の９０％のガスが発生するまでの汚泥消化に要する日数は、消化温度によって異なる。消化温度が４０℃以下を中温消化帯、４０℃以上を高温消化帯と言い、両者の差異は主として消化に与かる嫌気性菌や微生物の違いによる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、嫌気性細菌は好気性細菌と異なり有機物分解速度が極めて遅く、消化には数十日（設計では５０日、現実は３５日程度）を要する。一方、発生する汚泥量は極めて多く、下水道の場合、１万人規模の町で１０〜２０ｍ³／日、１００万人規模の都市では２０００〜４０００ｍ³／日も発生すると言われている。従って、汚泥を完全に消化するには、極めて大型の消化槽を多数必要とする。現在、消化効率の良い卵型消化槽が開発され、また４０℃以上に加温する高温消化法が採用されるなど種々改良が加えられているが、改良は頭打ちの状態にある。
【０００５】
そこで本発明者は、現有の消化槽や消化操作をそのまま利用し、嫌気性細菌や微生物の活性を向上させて消化効率を向上させることに着目して研究を続け、本発明を完成させた。尚、消化の程度はガスの発生量で推測される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、好気性細菌や微生物の活性化に効果があったシャボンの木の抽出液を、汚泥中にある特定の割合で添加することを最大の特徴とする。即ち、汚泥にシャボンの木の抽出液を添加する、添加量に応じてガスの発生量は増加するが、添加量がある一定量を越えると逆に低下し、遂には無添加の場合よりも減少することを見いだした。また、添加量は消化温度に依存することを見いだして本発明を完成させたものでをある。
【０００７】
キラヤサポニンは、トルペノイドサポニンの一種で、シャボンの木をアルコールで抽出したものに約２％（天然サポニンとして約４％）含まれている。この抽出液には、２０％程度の糖類と１％強の粗蛋白が含まれている。キラヤサポニンは、その生理活性により、微生物の反応促進作用やストレス緩和作用を示すとともに、油脂分解作用や酸素溶解効率の向上効果をもたらす。尚、好気処理では排水量に対しシャボンの木の抽出液を0.５〜４ppm 、油分（ノルマルヘキサン抽出物）が多い排水で１０ppm 程度の添加で十分な効果が生じている。一方、嫌気処理では、酸素溶解は不要であるし、汚泥中には油脂分も少ない。結局、キラヤサポニンの生理活性作用が重要と思われる。しかし、サポニンは抗菌作用を有している。従って、あまり高濃度だと、逆に細菌の活性を削ぐおそれがある。
【０００８】
一方、本発明者は種々の経験から、微生物の生理活性に影響を与えるのはキラヤサポニンのみではなく、シャボンの木の抽出液に含まれる他の成分、ことに糖類や粗蛋白も影響を与えていると思われる。これは、シャボンの木の抽出液を処理してキラヤサポニン濃度を4.５％（天然サポニンとして約１０％）に高めたものを２種類試作し、その微生物に対する効果を測定したところ、前記抽出液よりも効果が劣っていることが判明した。即ち、高濃度サポニンの一種は、糖類が約１５％、粗蛋白が0.５％含まれており、他の一種は糖類が約３０％、粗蛋白が約1.５％含まれていた。そして、この２種類の液をキラヤサポニンが２％（なるように希釈して排水処理（活性汚泥）に供したところ、前者は余り効果がなく、後者は前記抽出液と同程度あるいはそれより幾分劣る程度の効果しか得られなかった。もし、キラヤサポニンの生理活性が１００％であるとすると、このような結果にはならない。これは、他の成分の働きもあるものと推察された。サポニンと同程度の極めて低い濃度で劇的な生理活性作用を示すものは、酵素以外に考えられない。粗蛋白中には、この酵素或いは酵素類似物質が含まれているものと推察される。
【０００９】
キラヤサポニン、粗蛋白のいずれがより効果があるかは不明であるが、いずれにしても、これらを含有する前記シャボンの木の抽出液そのものを使用して、汚泥の消化を行わせたところ、中温域、高温域とも、ガス（メタンガス）の発生量が無添加の場合に比べて大幅な増加が見られた。究極のトータルガス発生量は、汚泥中の有機物含有量から決まっており、ガス発生量が増加することは、消化期間の短縮を意味する。従って、消化装置内における汚泥の回転率が速くなり、引いては装置の小型化が可能にくなる。また、現有装置では、より大量の汚泥が処理できることが可能になる。
【００１０】
ところで、シャボンの木の抽出液の添加によりガス発生量は、例えば、中温域の場合は５ppm 添加するだけで約３０％増加し、１０ppm では６０％増加した。しかし、その後は増加の割合が減少し、２０ppm では約４０％の増加にとどまった。これは、サポニンの添加量の増加に伴って酸生成菌が増加して必要以上に低級脂肪酸を生成させたため、メタン発酵が阻害されてされたものと推察される。或いは、サポニンの抗菌作用に起因するものとも思われる。シャボンの木の抽出液の高濃度の添加によるメタン発酵の阻害の割合は、汚泥の温度が高くなるほど顕著に現れる。即ち、高温域では、５ppm の添加でガス発生量は約３６％増加し、１０ppm では９０％増加したが、２０ppm の添加では、逆に無添加の場合よりも約２５％減少した。尚、シャボンの木の抽出液の添加コストを考慮した場合、ガス発生量が無添加の場合と比べて３０％増加すれば採用には十分な理由があるとされるが、増大の一途を辿る汚泥の処理に対する設備の増強コストを考慮すれば、１０％程度の増加でもその効果は大きいものと思われる。
【００１１】
従って、上記結果から、ガス発生量を１０％増加させるには、中温域では前記シャボンの木の抽出液の場合で約２ppm 〜３０ppm 添加すれば良いことになる。また、３０％増加させるには、５ppm 〜２５ppm 添加すれば良いことになる。また高温域の場合は、ガス発生量を１０％増加させるのに1.５ppm 〜１７ppm 、３０％増加させるには、４ppm 〜１４ppm 添加すれば良いことになる。また何れの場合も、コストを考慮すれば２〜１０ppm の添加で、ガス発生量を１０〜６０％（高温域では９０％）増加させることができる。尚、これらは回分式のテスト結果であるが、実際の装置では汚泥は連続的に投入されるので、トータル発生量の増加はこれより悪くなるが、それでも１０ppm 添加で４０％程度増加する。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。容量５Ｌ（リットル、以下同じ）の実験用嫌気性消化槽を４組用意し、いずれにも下水処理場から採取した生汚泥２Ｌと消化汚泥２Ｌを投入した。そして、１つの嫌気性消化槽には何も添加せず、他の３つの嫌気性消化槽には、それぞれシャボンの木の抽出液（キラヤサポニン1.９％（天然サポニンとして約４％）、糖類（全糖）２1.６％、粗蛋白1.１％を含む）を汚泥量に対して５ｍｇ／Ｌ（５ppm ）、１０ｍｇ／Ｌ（１０ppm ）、２０ｍｇ／Ｌ（２０ppm ）添加した。この４つの汚泥混合物を、３８℃（中温消化）に保ちながら、３０日間ゆっくり攪拌を続けた。各消化槽について、発生するガス量（ｍＬ／日）を毎日測定した。その合計量を表１に示す。

【００１３】
表１からは、シャボンの木の抽出液を添加したものは、ガスの発生量が増加していることがわかる。但し、高温消化の場合、２０ppm では逆に減少している。これは、この嫌気性消化槽ではｐＨが他の場合よりも低くなっており、その影響と思われる。即ち、一般的に低級脂肪酸が2000ppm 以上蓄積されるとメタン発酵が阻害され、ガス発生は停止すると言われている。従って、サポニンの添加量が多くなると、中温域、高温域をとわず酸生成菌が活性化し、必要以上に低級脂肪酸を生成させたため、酸性発酵とメタン発酵との動的平行が取れなくなり、脂肪酸が高濃度に蓄積してガス発生に障害をもたらすものと推察される。このことは、高温域の場合ほど顕著である。これは、同じメタン発酵菌でも、中温菌の場合は酸に対する分解能が大きいが、高温菌では分解能が劣るためと推察される。
【００１４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の汚泥或いは生屎尿の嫌気性消化方法は、嫌気性消化工程中において、シャボンの木の抽出液を添加して消化を行わせるものである。そして、特に汚泥量に対して中温域で２ppm 〜３０ppm 、高温域で1.５ppm 〜１７ppm 添加して消化を行わせるものである。
【００１５】
そのため、消化時に発生するメタンガス量が無添加の場合に比べて約４割以上も増加し、消化が大幅に促進されたことが判る。しかも、消化槽その他の装置及び処理操作は従来と全く同じであり、コストは添加剤のみであり、トータル処理費用は大幅に減少する。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for promoting the digestion of sludge generated at a sewage treatment plant, a sewage treatment plant, etc., and ginger urine carried into a sewage treatment plant, and a soap tree extract is added to the sludge or ginger urine And what to process.
[0002]
[Prior art]
Waste water and manure flowing into a sewage treatment plant, manure treatment plant, etc. are finally separated into treated water and sludge, and the treated water is discharged into rivers and the like. On the other hand, sludge may be incinerated or landfilled after dehydration, but it still contains a lot of organic matter, so in order to reduce the volume after dehydration, it is decomposed by anaerobic bacteria in a sludge digester. In many cases, the BOD component is reduced and then dehydrated and then incinerated or landfilled. On the other hand, in the case of ginger urine, the BOD component is contained in an amount of 10,000 ppm or more. Therefore, the BOD component is reduced by anaerobic digestion and then sent to the aeration tank. Yes.
[0003]
Hereinafter, digestion of sludge generated mainly in a sewage treatment plant will be described. Anaerobic digestion refers to the following: (1) Acid fermentation period, (2) Acid decline period, (3) Alkaline, using the organic matter in sludge or ginger urine as described above, using enzymes as catalysts. Decomposes through three stages of fermentation. This decomposition of organic matter is called digestion. In (1), saccharides, soluble starch, fibrin, and soluble nitrogen compounds are mainly decomposed to produce organic acids, hydrogen sulfide, a large amount of carbon dioxide, nitrogen and bicarbonate. The pH drops to about 6.8-5.1. In the step (2), the nitrogen compound is decomposed, the acidity is decreased, the ammoniacal nitrogen is increased, and the pH is increased to about 6.6 to 6.8. In the stage of (3), hardly decomposed substances such as proteins, amino acids, oils and fats are decomposed, the pH rises to about 7.0 to 7.4, the methane content in the gas increases, and the sludge Stable coarse grains. The number of days required for sludge digestion until 90% of the final gas generation amount is generated varies depending on the digestion temperature. A digestion temperature of 40 ° C. or less is referred to as an intermediate digestion zone, and a digestion temperature of 40 ° C. or more is referred to as a high temperature digestion zone, and the difference between the two is mainly due to the difference in anaerobic bacteria and microorganisms that affect digestion.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, unlike anaerobic bacteria, anaerobic bacteria have a very slow organic matter decomposition rate, and digestion takes several tens of days (50 days in design, about 35 days in reality). On the other hand, the amount of sludge generated is very large, in the case of a sewer, 10,000 people 10~20m ³ / day on a scale of town, with 100 million people scale cities are said to also occur 2000~4000m ³ / day. Therefore, in order to completely digest sludge, a large number of extremely large digesters are required. Currently, an egg-type digester with good digestion efficiency has been developed, and various improvements have been added, such as the use of a high-temperature digestion method in which the temperature is increased to 40 ° C. or higher.
[0005]
Therefore, the present inventor continued the research focusing on improving the activity of anaerobic bacteria and microorganisms by using the existing digester and digestion operation as they were, and completed the present invention. The degree of digestion is estimated by the amount of gas generated.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The most significant feature of the present invention is that a soap tree extract that is effective in activating aerobic bacteria and microorganisms is added at a specific ratio in the sludge. That is, when the extract of soap tree is added to the sludge, the amount of gas generated increases according to the amount added, but when the added amount exceeds a certain amount, it decreases, and finally it is lower than when no additive is added. Found to decrease. Further, the present invention has been completed by finding that the addition amount depends on the digestion temperature.
[0007]
Quillaja saponin is a kind of torpenoid saponin, which is contained in about 2% (about 4% as natural saponin) of the soap tree extracted with alcohol. This extract contains about 20% saccharide and over 1% crude protein. Quillaja saponin exhibits a microbial reaction promoting action and stress mitigating action due to its physiological activity, and also brings about an oil and fat decomposition action and an oxygen dissolution efficiency improving effect. In addition, in the aerobic treatment, a sufficient effect is produced by adding about 5 to 4 ppm of soap tree extract to the amount of wastewater and about 10 ppm of wastewater containing a large amount of oil (normal hexane extract). On the other hand, in the anaerobic treatment, oxygen dissolution is unnecessary, and sludge has less oil and fat. After all, the bioactive action of Kirayasaponin seems to be important. However, saponin has an antibacterial action. Therefore, if the concentration is too high, the activity of the bacteria may be reduced.
[0008]
On the other hand, from various experiences, the present inventor not only affects Kirayasaponin, but also other components contained in the extract of soap tree, especially sugars and crude proteins, which affect the physiological activity of microorganisms. It seems that This is the result of processing two kinds of soap bonsai extracts and increasing the quillaja saponin concentration to 4.5% (about 10% as natural saponin) and measuring the effects on the microorganisms. It turned out to be inferior to the liquid. That is, one type of high-concentration saponin contained about 15% saccharide and 0.5% crude protein, and the other type contained about 30% saccharide and about 1.5% crude protein. When these two types of liquids were used for wastewater treatment (activated sludge) after being diluted to 2% with Kirayasaponin, the former had little effect, and the latter had the same degree as or more than the above extract. Only an inferior effect was obtained.If the physiological activity of Kirayasaponin is 100%, such a result is not obtained, which is presumed to have other components as well. Nothing other than an enzyme is considered to exhibit dramatic bioactivity at an extremely low concentration similar to that of saponin, and this enzyme or enzyme-like substance is presumed to be contained in the crude protein.
[0009]
It is unclear whether Kirayasaponin or crude protein is more effective, but in any case, when using the extract of the soap tree containing these itself, digestion of sludge, Significant increases were seen in the middle and high temperature ranges compared to the case where the amount of gas (methane gas) generated was not added. The ultimate total gas generation amount is determined from the organic matter content in the sludge, and increasing the gas generation amount means shortening the digestion period. Therefore, the rotation rate of the sludge in the digestion apparatus becomes faster, so that the apparatus can be downsized. In addition, the existing apparatus can process a larger amount of sludge.
[0010]
By the way, with the addition of the soap tree extract, the amount of gas generated, for example, increased by about 30% by adding 5 ppm in the middle temperature range, and increased by 60% at 10 ppm. However, after that, the rate of increase decreased, and at 20 ppm, the increase was only about 40%. This is presumably because methane fermentation was inhibited because acid-producing bacteria increased with the increase in the amount of saponin to produce lower fatty acids than necessary. Or it may be due to the antibacterial action of saponins. The rate of inhibition of methane fermentation by the addition of a high concentration of soap tree extract becomes more pronounced as the sludge temperature increases. That is, in the high temperature range, the amount of gas generated increased by about 36% with the addition of 5 ppm and increased by 90% with the addition of 10 ppm, but on the contrary, it decreased by about 25% with the addition of 20 ppm compared with the case of no addition. In addition, considering the addition cost of the extract of soap tree, it is considered that there is a sufficient reason for adoption if the amount of gas generated increases by 30% compared to the case where no gas is added, but it continues to increase. Considering the equipment enhancement cost for the treatment of sludge, an effect of about 10% is considered to be significant.
[0011]
Therefore, from the above result, in order to increase the gas generation amount by 10%, it is sufficient to add about 2 ppm to 30 ppm in the case of the soap tree extract in the middle temperature range. Further, in order to increase by 30%, it is sufficient to add 5 ppm to 25 ppm. In the high temperature range, 1.5 ppm to 17 ppm is required to increase the amount of gas generated by 10%, and 4 ppm to 14 ppm may be added to increase the amount by 30%. In any case, the gas generation amount can be increased by 10 to 60% (90% in the high temperature region) by adding 2 to 10 ppm in consideration of cost. These are batch test results, but in actual equipment, sludge is continuously added, so the increase in total generation is worse than this, but it still increases by about 40% with the addition of 10 ppm.
[0012]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. Four sets of experimental anaerobic digesters with a capacity of 5 L (liters, the same applies hereinafter) were prepared, and 2 L of raw sludge and 2 L of digested sludge collected from a sewage treatment plant were added to each. And, nothing is added to one anaerobic digester, and the other three anaerobic digesters each have a soap tree extract (1.9% Kirayasaponin (about 4% as natural saponin), Saccharides (including 21.6% of total sugars and 1.1% of crude protein) were added at 5 mg / L (5 ppm), 10 mg / L (10 ppm), and 20 mg / L (20 ppm) with respect to the amount of sludge. The four sludge mixtures were slowly stirred for 30 days while maintaining 38 ° C. (medium digestion). For each digester, the amount of gas generated (mL / day) was measured daily. The total amount is shown in Table 1.

[0013]
It can be seen from Table 1 that the amount of gas generated is increased in the case of adding the soap tree extract. However, in the case of high-temperature digestion, it decreases at 20 ppm. This is considered to be the effect of this anaerobic digester having a lower pH than in other cases. That is, it is generally said that when lower fatty acids are accumulated in excess of 2000 ppm, methane fermentation is inhibited and gas generation is stopped. Therefore, when the amount of saponin added is increased, the acid-producing bacteria are activated regardless of the intermediate temperature range and the high temperature range, and lower fatty acids are generated more than necessary. It is presumed that fatty acids accumulate at high concentrations and hinder gas generation. This is more remarkable in the high temperature range. This is presumably because even in the same methane-fermenting bacterium, the mesophilic bacterium has a high resolution against acid, but the thermophilic bacterium has a poor resolution.
[0014]
【The invention's effect】
As described in detail above, the method for anaerobic digestion of sludge or ginger urine of the present invention is performed by adding a soap tree extract during the anaerobic digestion step. In particular, digestion is performed by adding 2 to 30 ppm in the middle temperature range and 1.5 to 17 ppm in the high temperature range with respect to the amount of sludge.
[0015]
Therefore, it can be seen that the amount of methane gas generated during digestion increased by about 40% or more compared to the case of no addition, and digestion was greatly promoted. Moreover, the digester and other devices and processing operations are exactly the same as in the prior art, and the cost is only for the additive, and the total processing cost is greatly reduced.

Claims

A method for anaerobic digestion of sludge or ginger urine, wherein an extract of soap tree is added during anaerobic digestion of sludge or ginger urine.

The method for anaerobic digestion of sludge or ginger urine according to claim 1, wherein the extract of a soap tree containing 2% of Kirayasaponin is added in an intermediate temperature range of 2 ppm to 30 ppm and in a high temperature range of 1.5 ppm to 17 ppm.