JP4004766B2

JP4004766B2 - 水熱反応を利用する余剰汚泥生物処理方法

Info

Publication number: JP4004766B2
Application number: JP2001315095A
Authority: JP
Inventors: 宗孝石川; 定瞭村上; 久司宮川
Original assignee: 株式会社テクノフロンティア
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: JP2003117597A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排水処理により発生する汚泥中の有機物の完全な消滅或いは大幅な減量を可能とする、水熱反応を利用した、排水の生物処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排水処理の方法としては、生物処理法が最も一般的であり、下水や家庭排水、工場排水、家畜糞尿排水等は殆どすべてこの方法で行なわれている。生物処理では主体が微生物であるため、増殖微生物などが余剰汚泥として発生する。そのため、メタン発酵など嫌気的処理により汚泥の減量化が図られているが、完全に消滅させることはできず、その多くが脱水後焼却処理や埋め立て処理されているのが現状である。
【０００３】
そこで、従来から水を高温高圧の状態にして汚泥の有機物と反応させる、いわゆる水熱反応を利用した余剰汚泥の処理方法が幾つか提案されている。ここで高温高圧の状態は、水の臨界点(374℃、22ＭＰa)を越える超臨界水状態と、臨界点以下の亜臨界水状態があり、前者では代表的には 450℃〜600℃、25ＭＰa〜50ＭＰa、後者では代表的には 300℃〜360℃、９ＭＰa〜19ＭＰaの範囲が用いられる。
【０００４】
この水熱反応を利用した従来からの余剰汚泥の処理方法には、大きく分けて、１)汚泥の液状化(肥料化・飼料化利用)、２)汚泥の油化(燃料利用)及び３)汚泥の分解減容化の３つがある。従来からの汚泥の減容化法である湿式酸化は、脱水汚泥を触媒添加した前記超臨界水条件下で酸素や過酸化水素などの酸化剤と反応させ、炭酸ガスやアンモニアなどに酸化処理させるので、多量の触媒や超高温など過酷な条件が必要であり、エネルギー的、コスト的にも引き合わないものである。さらに、超臨界水は誘電率が低く無機塩類の析出が著しく、反応器やパイプ系閉塞、有害な触媒使用など、多くの問題を抱えている。
【０００５】
水熱反応を利用する余剰汚泥の処理方法の難点を解決する方法として、特開2000-218295号公報に次の方法が開示されている。即ち、図６に示すように曝気槽１と固液分離槽２よりなる生物処理装置に水熱反応装置３が付加された方法であり、水熱反応装置内で亜臨界状態(320℃、12.1ＭＰa)と大量の水(およそ 90〜99％程度)の存在下で、汚泥中の有機成分をバクテリアが処理し易いように分解し、この処理液を既設の曝気槽１で分解消滅させるものである。汚泥は、その大部分が微生物細胞であり、その他植物性、動物性の微細なものも含まれる。そして、水熱反応により、排水や汚泥の生物処理に利用するバクテリアが処理し易いように、汚泥中の難生分解性物質を糖やアミノ酸(或いはその分子の一部がさらに分解したもの)などの易生分解性物質に分解し、得られた処理液を、生物処理工程、例えば活性汚泥法の曝気槽に返送し、ここで、バクテリアにより分解・資化させるものである。
【０００６】
この水熱反応装置は、通常、活性汚泥装置のように汚泥を発生する生物処理装置に付属して設置し、その水熱反応装置で得られた処理液を、元の活性汚泥処理装置の曝気槽や接触曝気槽に返送して、再度生物分解に供するものである。更に、活性汚泥処理装置などの生物処理装置から発生した余剰汚泥を、嫌気処理装置など他の生物処理装置で処理する場合に、嫌気処理装置などに水熱反応装置を付属して設け、ここで予め水熱処理してから嫌気処理装置に投入することもできる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の亜臨界条件下においては、水熱反応自体が高温高圧で行なわれるため、そのために多大なエネルギーの投入を必要とする。また、従来の反応条件下では、分解反応が進みすぎることにより生じる無定形炭素などの無機浮遊固形物(以下無機ＳＳと略する場合もある)の発生量が多く、再度の生物処理において障害となり、最終的に脱水して系外に出さなければならない浮遊固形物(以下ＳＳと略する場合もある)の量が増加することになる。また、従来のように水熱反応の処理液を元の曝気槽に返送し生物処理すると、元の曝気槽の負荷が上昇するので、生物処理能力に余裕がないため適用困難な場合があった。
【０００８】
本発明は、反応条件に検討を加えることで、エネルギー投入量の軽減をはかり、かつ、前記無定形炭素などの無機ＳＳの発生量を減少させることにより最終的な廃棄物を消滅ないしは減少させることを目的とする。また、工場の排水処理施設等の場合、すでに曝気槽の処理能力に余裕のないことが多く、従来技術の適用が難しい場合もあるので、これを解決するための方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、(１)排水の生物処理装置で発生する汚泥を水熱反応装置に送り込み、汚泥中の難生分解性有機物を水熱反応により易生分解性物質に分解処理する余剰汚泥処理法において、水熱反応処理を従来の亜臨界条件下より温和な、温度 140℃以上 200℃未満の範囲、圧力 0.4ＭＰa以上 2.0ＭＰa以下の範囲の反応条件下で処理し、その処理液を別に設置する好気性生物反応槽で好気性処理した後、その処理液を該生物処理装置に返送または処理水として放流することを特徴とする、水熱反応を利用する余剰汚泥生物処理方法、(２)好気性生物反応槽の前工程として固液分離装置を設け、処理液のうち、固体含有量の少ない液を該生物反応槽に供給し、固体含有量の多い液を既設の生物処理装置及び/または水熱反応装置及び/または脱水処理装置へ送り、処理することを特徴とする上記(１)に記載の水熱反応を利用する余剰汚泥生物処理方法、(３)前記好気性生物反応槽の後工程として固液分離装置を設け、処理液は放流するとともに、濃縮された汚泥スラリーは水熱反応装置及び／または脱水処理装置へ送り処理することを特徴とする(１)〜(２)のいずれかに記載の水熱反応を利用する余剰汚泥生物反応処理方法、(４)前記水熱反応装置において、被処理液と処理液の熱交換をすることを特徴とする上記(１)〜(３)に記載の水熱反応を利用する余剰汚泥生物処理方法である。
【００１０】
本発明で用いられる水熱処理は後段で生物膜処理を行なうことを前提としており、したがって水熱処理単独の場合より温和な条件を適用しても系全体の処理能力は劣らないばかりか、逆に高温高圧処理の場合に課題であった炭化があまり進まないため処理後の水の性状が優れているという効果を有している。
【００１１】
本発明者らは、ＳＳが生物処理に充分適した程度に分解され、かつ炭化が抑制される条件として 140℃以上 200℃未満、更には 145℃以上 195℃以下が好ましいことを見出し、後段の生物反応と合わせることで処理後の環境汚染物質の量を著しく低減させることを可能とした。また、これらの装置は従来の反応装置に比べてコンパクトなため、既設の処理装置の後段への追加が容易であり、新たな設置スペースを大掛かりに確保する必要もない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の図を用いてさらに詳細に説明する。
【００１３】
本発明の基本構成は、図１に示すように曝気槽１、固液分離槽２、水熱反応装置３及び生物反応槽４より構成される。固液分離槽２で分離して濃縮された汚泥をラインＬ４より引き抜いて、引抜き汚泥とする。その一部が被処理汚泥としてラインＬ７を経由して水熱反応装置３に送液され、ここで汚泥中の難生分解性物質が易生分解性の低分子物質群に変換処理され、得られた処理液を、ラインＬ８を経由して生物反応槽４へ送り、微生物機能により代謝分解し、ラインＬ９より曝気槽１に返送される。
【００１４】
引抜き汚泥の一部は、返送汚泥として、ラインＬ５を経由して曝気槽に返送される。また更に引抜き汚泥量が多ければ、余剰汚泥として系外に排出する。但し、本発明の場合、水熱反応装置の能力が不足すれば余剰汚泥が発生するが、水熱反応装置が十分な能力を持っていれば、通常は、従来に言ういわゆる余剰汚泥は発生しない。また、汚泥中の鉱物質などの無機物や、脱水素や脱酸素により生じた微量の炭素粒子などは、最終的に処理水中の微量成分として、または、固液分離槽などから系外に除去する必要がある。
【００１５】
本発明の方法において、水熱反応器の形式としては攪拌槽及び/または管型反応器が使用されるが、処理水質等を考慮すると滞留時間の分布が少ない管型反応器がより好ましい。
【００１６】
本発明の方法において、加熱・昇温の方法としては蒸気による直接加熱、間接加熱、電熱による加熱等適宜選択することができる。
【００１７】
本発明の方法において、水熱反応の条件は、ＳＳが生物処理に充分適した程度に分解され、かつ炭化が抑制される条件であることが好ましく、具体的には 140℃以上 200℃未満、更には 145℃以上 195℃以下が好ましい。
【００１８】
本発明の方法において、好気性生物反応槽の形式としては、活性汚泥法、生物膜法等の通常の生物処理法が可能であるが、処理能力の面より特に生物膜法が好ましい。特に、空間的余裕がない場合ほど生物膜法のメリットが生かされる。
【００１９】
本発明において、生物反応槽として固定床式反応槽を使用する場合、図２に示すように生物反応槽４の前処理工程として沈降槽５を設け、水熱反応装置３で未分解の汚泥を分離した後、生物反応槽４に供給することができる。一方、分離された汚泥スラリーは既設の生物処理装置及び/または水熱反応装置に返送し、必要により脱水処理することもできる。
【００２０】
別の実施形態として、生物処理装置に生物膜濾過法を使用する場合の例を図３を用いて説明する。排水はＬ１より、例えば発泡プラスチックを濾材とする生物膜濾過槽７で処理される。処理を開始して一定時間経過後、濾材層に蓄積した汚泥を除去するための、いわゆる逆洗を行なう。逆洗の排水は逆洗排水汚泥濃縮槽８に集められる。通常７は複数個設置されるので各槽の逆洗の時刻を少しずつずらして、排水の発生量が平準化するように行なう。８で濃縮された汚泥はラインＬ７より水熱反応装置３に送られる。これ以降の工程は図１と同様である。
【００２１】
この構成は、排水の生物処理を行なうにあたり、通常の曝気槽に代えて、水熱処理液と同様の方法で生物処理を行なうことを特徴とするものであり、生物処理を行なった上澄みはそのまま放流することが可能である。
【００２２】
本発明において排水の水質(ＢＯＤ(生物化学的酸素要求量)、ＳＳ等)の規制値によっては、図４に示すように、被処理液をＬ７より水熱反応装置３で処理し、処理液を生物反応槽４で処理し、この処理液をＬ14 より放流することもできる。Ｌ14 の水質のうち、ＳＳのみが規制値を超える場合で既存の生物処理装置に返送できない場合、Ｌ15 より沈降槽５に送り、ＳＳを沈降分離したあと放流することもできる。この場合、分離されたＳＳは５より取り出され、Ｌ12 を経由して再び３に返送、処理される。生物処理のできないＳＳ分は５の上部放流水中に稀薄な濃度で含まれ放出される。系のバランス上それでも蓄積する場合は脱水装置６を設置し、処理することができる。
【００２３】
図５は水熱反応装置３の詳細な構成の一例を示すものである、すなわち被処理水と処理水は熱交換器１０で熱交換され熱回収される。
【００２４】
【実施例】
以下に本発明の具体的な実施例について述べる。
【００２５】
[実施例１]
(処理原水：人工排水)
本実施例では有機物を大量に含んだ排水を再現するため、グルコースとペプトンの水溶液を調製して人工排水とした。ＢＯＤで 500ｍg/Lとなるように以下の濃度で調製した。
【００２６】
成分
グルコース 380ｍg/L
ペプトン(蛋白質加水分解物) 130ｍg/L
なお、以下汚染物質の濃度はすべてＢＯＤ(生分解性)、ＳＳ(非生分解性)で示す。
【００２７】
(装置)
本実施例では図１に示す基本的装置構成を採用した。
【００２８】
曝気槽１：容積５ｍ³
固液分離槽２：容積 0.5 ｍ³
水熱反応装置３：容積 10 L
生物反応槽４：容積 75 L
(実施結果)
原水(人工排水)はＢＯＤ 500ｍg/Lであり、これを曝気槽１に 10,000 kg/dayで供給した。固液分離槽２で分離された余剰汚泥は200 kg/dayでＳＳ 10,000ｍg/Lであった。これを水熱反応装置３に送り、温度 150℃、圧力 0.6ＭＰa、滞留時間１時間で水熱処理したところ、ＢＯＤ 1500ｍg/L、ＳＳ 1500ｍg/Lとなった。得られた処理液を、さらにラインＬ８を経由して生物反応槽４に送って処理したところ、ＢＯＤ 150ｍg/L、ＳＳ 2000ｍg/Lとなった。
【００２９】
この処理された液を曝気槽１に返送した場合の曝気槽の負荷は、汚泥を返送せずそのまま系外へ分離した場合に比べてわずか0.6％の増加にとどまり、従来からの装置能力でそのまま引き続き利用できることを示している。
【００３０】
[比較例１]
生物反応槽４を省略し、図６に示す従来からの装置構成とした他は実施例１と同様の条件で原水(人工排水)の処理を行なった。実施例１と同様に処理された液を曝気槽１に返送した場合の曝気槽の負荷は、汚泥を返送せずそのまま系外へ分離した場合に比べると６％の増加となり、実質的な処理能力の減殺につながることになる。
【００３１】
[実施例２]
(装置)
本実施例では沈降槽５を追加して図２に示す装置構成を採用した。
【００３２】
曝気槽１：容積５ｍ³
固液分離槽２：容積 0.15ｍ³
水熱反応装置３：容積 10 L
生物反応槽４：容積 75 L
沈降槽５：容積 15 L
(実施結果)
原水(人工排水)は実施例１のものと同じ性状、すなわちＢＯＤ 500ｍg/Lであり、これを曝気槽１に 10,000kg/dayで供給した。固液分離槽２で分離された余剰汚泥は 200kg/dayでＳＳ 10,000ｍg/Lであった。これを水熱反応装置３に送り、温度 150℃、圧力0.6ＭＰa、滞留時間１時間で水熱処理したところ、ＢＯＤ1500ｍg/L、ＳＳ 1500ｍg/Lとなった。得られた処理液を、さらにラインＬ８を経由して沈降槽５に送りＳＳを分離したところ、30kg/dayでＳＳ 10,000ｍg/L、ＢＯＤ 1500ｍg/Lの汚泥が分離され、生物反応槽４へはＢＯＤ 1500ｍg/L、ＳＳ 30ｍg/Lの処理液が 170 kg/dayだけ送られた。生物処理後、この液はＢＯＤ 150ｍg/L、ＳＳ 500ｍg/Lとなった。
【００３３】
この処理された液を曝気槽１に返送した場合の効果は実施例１とほぼ同様であるが、沈降槽５でＳＳを分離しているので生物反応槽４として固定床のものを利用できる利点がある。なお、沈降槽５で分離したＳＳ汚泥は通常直接曝気槽１に返送されるが、直接固液分離槽２や水熱反応装置３に送ってもよい。
【００３４】
[実施例３]
(装置)
本実施例では曝気槽１に代えて生物反応槽４と同様の仕組みをもつ生物膜濾過槽７を採用して図３に示す装置構成とした。
【００３５】
生物膜濾過槽７：容積 0.25ｍ³×5基
逆洗排水汚泥濃縮槽８：容積 0.15ｍ³
水熱反応装置３：容積 40 L
生物反応槽４：容積 60 L
(実施結果)
原水(人工排水)は実施例１のものと同じ性状、すなわちＢＯＤ 500ｍg/Lであり、これを生物膜濾過槽７に合計で 10,000 kg/day供給した。生物膜濾過槽７で処理された上澄みはＢＯＤが 50ｍg/Lまで低下しておりそのまま放流可能であった。
【００３６】
個々の生物膜濾過槽７については運転を 23時間続けたところで原水の供給を止め、逆洗を行なった。なお、逆洗のタイミングは個々の生物膜濾過槽７について均等にしたため、4〜5時間ごとに行なわれた。
【００３７】
一回の逆洗で濾材層から除去された汚泥を含む逆洗の排水は 150 kg、ＢＯＤ 50ｍg/L、ＳＳ 2,000ｍg/Lであった。
【００３８】
逆洗排水汚泥濃縮槽８で分離された余剰汚泥は 750 kg/dayでＳＳ 2,000ｍg/Lであった。これを水熱反応装置３に送り、温度150℃、圧力0.6ＭＰa、滞留時間１時間で水熱処理したところ、ＢＯＤ 300ｍg/L、ＳＳ 300ｍg/Lとなった。得られた処理液を、さらにラインＬ８を経由して生物反応槽４に送って処理したところ、ＢＯＤ 30ｍg/L、ＳＳ 380ｍg/Lとなった。この処理された液は生物膜濾過槽７に返送された。
【００３９】
本実施例の構成では、実施例１、２のように曝気槽を設けるための広大なスペースを必要とせず、代わりにコンパクトな生物膜濾過槽７を使用するため、ビル内の飲食店などに設置して食品排水の処理を行なわせることも可能である。
【００４０】
[実施例４]
本実施例では、実施例１と同様な方法で調整したＢＯＤ 100ｍg/Lの原水(人工排水)を用いた。
【００４１】
この原水を、実施例３と同様の構成の装置で処理したところ、生物反応槽４からの排水においてＢＯＤ 10ｍg/L、ＳＳ 75ｍg/Lとなった。このように処理された液が下水道の排出基準を満たす場合、そのまま放流して公共の最終下水処理に委ねる構成としてもよい。
【００４２】
[実施例５]
実施例３のような処理水の性状では、生物反応槽４からの排水をそのまま下水道に排出することはＳＳの規制値の問題から不可な場合もある。そこで、図４に示すように沈降槽５(40 L)を設け、生物反応槽４からの排水(750 kg/day)を沈降槽５に送り、ＳＳを沈降分離した。
【００４３】
沈降分離後の上澄みはＢＯＤ 30ｍg/L、ＳＳ 30ｍg/Lとなり、放流基準値以下となった。
【００４４】
また、分離した汚泥は 13 kg/dayで、ＳＳ含量 20,000ｍg/Lであったので、そのまま水熱処理槽３に返送した。
【００４５】
[実施例６]
実施例５と同じ装置構成で、原水(人工排水)の性状をＢＯＤ 1,000ｍg/Lに変更して同様の実験を行なった。
【００４６】
沈降分離後の上澄みはＢＯＤ 60 ｍg/L、ＳＳ 30ｍg/Lとなり、放流基準値以下となった。
【００４７】
また、分離した汚泥は 27 kg/dayで、ＳＳ含量 20,000ｍg/Lであり、水熱処理槽３に返送すると装置の能力を超えるので、脱水装置６を設置し脱水処理を行ない、系外へ分離した。最終的に分離した汚泥は 2.7 kg/dayで、水分 80％であった。
【００４８】
[実施例７]
実施例１の構成において、水熱処理装置３に向かう被処理水のラインに熱交換器１０を設置し、分解処理後の高温の処理水と熱交換を行なった。
【００４９】
熱交換前後の温度変化は、被処理水が 30℃→125℃、処理水が 150℃→55℃であり、流量は 200 kg/dayで熱交換ＤＵＴＹは 3,300 kJ/hrであった。
【００５０】
[実施例８]
実施例３の構成において、水熱処理装置３に向かう被処理水のラインに熱交換器１０を設置し、分解処理後の高温の処理水と熱交換を行なった。
【００５１】
熱交換前後の温度変化は、被処理水が 30℃→125℃、処理水が 150℃→55℃であり、流量は 750 kg/dayで熱交換ＤＵＴＹは 12,500 kJ/hrであった。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の水熱反応装置と生物反応槽の組合せは、次に示すような利点がある。
（１）水熱反応の特徴は、水と固形物の割合、及び反応の温度・圧力・時間など多くの操作因子があり、水熱反応装置と生物反応槽との反応条件の組合せに多様性があるので、処理成績に確実性がある。
（２）特に、温度・圧力条件を従来のものより低く抑えることで、投入エネルギーの低減をはかり、かつ高温で発生する無定形炭素などの無機ＳＳの発生を抑制することで最終的に除去する必要のある固形廃棄物を大幅に減量さらにはほとんど消滅させることができる。
（３）水熱処理液の生物反応槽には、高効率な生物膜反応槽等を採用することで、小型化が可能である。
（４）生物反応槽は、水熱処理液で馴養された微生物を使うので、分解効率が高く、生物反応槽が小型になるとともに既存の曝気槽に対する影響も少ない。
（５）生物反応槽の処理液をそのまま放流または混入している汚泥を除去した後放流することによって既存の曝気槽へ影響を及ぼさないようにもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を特徴づける、生物反応槽を含んだ簡単な構成の実施例を示す図である。
【図２】本発明における、沈降槽を生物反応槽の前に追加した構成の実施例を示す図である。
【図３】本発明における、生物処理装置に生物膜濾過法を使用する構成の実施例を示す図である。
【図４】本発明における、生物反応槽での処理後の排水が規制をクリアする場合に放流する構成の実施例を示す図である。
【図５】本発明の実施例における、熱回収の構成を示す図である。
【図６】従来技術の一例を示す図である。
【符号の説明】
１曝気槽
２固液分離槽
３水熱反応装置
４生物反応槽
５沈降槽
６脱水装置
７生物処理槽
８逆洗排水汚泥濃縮槽
９高圧ポンプ
10 熱交換器
11 加熱器
12 水熱反応器
13 冷却器
14 圧力調整弁
Ｌ１〜Ｌ20 配管

Claims

排水の生物処理装置で発生する余剰活性汚泥を水熱反応装置に送り込み、汚泥中の難生分解性有機物を水熱反応により易生分解性物質に分解処理する工
程を有する、余剰汚泥生物処理方法において、
該水熱反応処理を温度１４０℃以上２００℃未満の範囲、圧力０.４ＭＰa以上２.０ＭＰa以下の範囲の反応条件下で行なうことと、
該水熱処理工程ののち、その処理液を別に設置する生物膜法を用いた好気性生物反応槽で好気性処理する工程を有することと、
該好気性処理した処理液を該生物処理装置に返送または処理水として放流する工程を有する
ことを特徴とする、水熱反応を利用する余剰汚泥生物処理方法。
前記好気性生物反応槽の前工程として固液分離装置を設け、処理液のうち、固体含有量の少ない液を該生物反応槽に供給し、固体含有量の多い液を既設の生物処理装置及び/または水熱反応装置及び/または脱水処理装置へ送り、処理することを特徴とする請求項１に記載の水熱反応を利用する余剰汚泥生物処理方法。
前記好気性生物反応槽の後工程として固液分離装置を設け、処理液は放流するとともに、濃縮された汚泥スラリーは水熱反応装置及び/または脱水処理装置へ送り処理することを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の水熱反応を利用する余剰汚泥生物処理方法。
前記水熱反応装置において、被処理液と処理液の熱交換をすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水熱反応を利用する余剰汚泥生物処理方法。