JP4417087B2

JP4417087B2 - 腐植を用いた汚泥減量化方法およびその装置

Info

Publication number: JP4417087B2
Application number: JP2003405493A
Authority: JP
Inventors: 邦威鈴木
Original assignee: エンザイム株式会社
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2023-12-04
Also published as: JP2005161233A

Description

本発明は、活性汚泥法によって発生する余剰汚泥の減量化方法に関し、詳しくは腐植を用いた汚泥減量化方法およびその装置に関する。

畜産場の糞尿や洗浄水、生活排水、工場排水などの有機性排水を処理する方法として、活性汚泥法が普及している。活性汚泥法の基本的な装置構成は、図９に示すように、調整槽１、曝気槽２、沈殿槽３および汚泥槽４からなる。まず、調整槽１で濃度、ｐH、流入量などが調節された有機性排水は、活性汚泥の存在する曝気槽２に受け入れられる。曝気槽２にて、数時間〜数日間の曝気処理を受けると、排水は活性汚泥の生物作用と凝集作用によって汚泥と水との懸濁液に変わる。この懸濁液を沈殿槽３に導く。そこで、汚泥は沈降分離され、一方、上澄み液である処理水は滅菌後、系外へ放流される。沈降した汚泥は、その一部を返送汚泥として曝気槽２へ戻され、残りの汚泥は、余剰汚泥として汚泥槽４に一定期間貯められた後、適宜処理される。

余剰汚泥が生じる理由は、以下のとおりである。活性汚泥法では、活性汚泥中に棲息する微生物が有機性排水中の有機物を栄養源として摂取すると、有機物の異化反応が起こり、CO₂、H₂Oとエネルギー（ATP)が生成される。この段階では、有機物は異化反応によって分解消滅する。しかし、前記微生物は、異化反応で得たエネルギー（ATP)と有機物とから新たに有機物を生合成する。この増分が余剰汚泥となる。

余剰汚泥は、曝気処理すると、有機物の異化反応や自己酸化によるCO₂、H₂Oへの無機化で、ある程度の減量化を見込める。それでも余剰汚泥の処理と処分が問題になっている。また、余剰汚泥を長期間放置すると、悪臭の原因になる。余剰汚泥の最も簡便な処分方法は、脱水ケーキ化して、焼却や埋立て処分することである。しかし、これらの処分は、設備費や運転費などのコストが高い上、環境上好ましくない。

活性汚泥処理プロセスの中で余剰汚泥を削減する方法として、オゾン酸化法、酸・アルカリ熱処理法、超音波処理法などの方法も開発されている。しかし、これらの方法は、余剰汚泥中に棲息する微生物の細胞壁を粉砕、可溶化するため、細胞から栄養分が流出する。その結果、排水に細胞からの栄養分が加わってBOD、COD、N、Pなどが増し、再度の生物処理が必要となる。

本発明の目的は、従来の活性汚泥法で発生する余剰汚泥を減量化する方法とその装置を提供することにある。

本発明者は、上記課題を鋭意検討した結果、以下の発明により解決できることを見出した。すなわち、本発明は、有機性排水を活性汚泥の存在下で曝気処理し、曝気後の排水を汚泥と処理水とに分離し、汚泥の少なくとも一部を腐植の存在下で反応させ、得られる腐植汚泥の少なくとも一部を腐植および微小動物の存在下で反応および捕食させることからなる、腐植を用いた汚泥減量化方法を提供するものである。

なお、前記曝気後の排水から分離された汚泥の少なくとも一部は、直に腐植および微小動物の存在下で反応および捕食させてもよい。また、前記腐植の存在下で反応させて得られる腐植汚泥の少なくとも一部を、曝気処理用に返送してもよい。

本発明は、また、有機性排水を活性汚泥の存在下で曝気する曝気手段と、曝気後の排水を汚泥と処理水とに分離する分離手段と、汚泥の少なくとも一部を腐植の存在下で反応させる腐植リアクターと、腐植化した汚泥を腐植および微小動物の存在下で反応および捕食させる腐植化汚泥槽とからなる、腐植を用いた汚泥減量化装置を提供するものである。前記分離手段は、汚泥と処理水とを分離できるものであれば特に制限なく使用できるが、沈殿槽または膜分離機であることが好ましい。前記微小動物は、例えばミミズである。

本発明は、従来の活性汚泥法による排水処理方法および装置に、腐植リアクターおよび腐植化汚泥槽の二段階の腐植化工程を付加したものである。本発明は、有機性排水を活性汚泥の存在下で曝気処理して、曝気後の排水を汚泥と処理水とに分離し、汚泥の少なくとも一部を腐植の存在下で反応させ、得られる腐植汚泥を処理系全体に配給して系内を循環させることにより、汚泥の腐植濃度を高める。この腐植化された汚泥は、CO₂、H₂Oに無機化されて消耗するので減量する。さらに、腐植は微小動物に捕食されるので減量化される。本発明の方法は、従来法と違って、余剰汚泥に棲息する微生物に対して、細胞壁の破砕、可溶化など刺激を与えないので、微生物が細胞内に保有しているBOD、COD、N、Pなどの栄養分の放出がなく、再度の生物処理を要しない。さらに、腐植化汚泥槽では、腐植汚泥周辺に微生物や微小動物を多種多様に増殖させるので、これらの生物による捕食作用あるいは食物連鎖が汚泥減量化に寄与する。したがって、本発明の減量化方法およびその装置によれば、単純な設備で容易に減量化が達成される。

以下に、添付の図面を用いて本発明の方法および装置を詳しく説明する。図１は、本発明の第一の実施態様に係わる汚泥減量化装置の概略図である。図１の装置は、曝気槽２および沈殿槽３を備えた従来の活性汚泥法処理装置に、腐植リアクター５および腐植化汚泥槽６を付設している。

図１において、調整槽（図示せず）にてｐH、濃度などの調整された有機性排水は、活性汚泥を含有する曝気槽２に送られて、活性汚泥による生物作用や凝集作用を受ける。本発明の方法に適用される有機性排水の由来は、畜産場から出る糞尿や洗浄水、生活排水、下水、澱粉処理加工排水、惣菜加工排水、ゼラチン排水、糖加工原料排水などの食品工場排水などである。

曝気槽２に導入される活性汚泥中に含まれる微生物は、従来公知のものを特に制限なく使用できる。曝気槽２における生物反応を、図３および４の模式図を用いて説明する。排水中の有機物は、活性汚泥中の微生物によってCO₂、H₂O、NH₃などの無機物に分解されるとともに、エネルギー（ATP）を作り出す（以下、(1)異化反応と呼ぶ）。さらに、前記微生物は、生じたATPと有機物とから、ポリフェノール、キノン、アミノ酸、キノイドなどを生合成する（以下、(2)同化反応と呼ぶ、図３）。この生合成物は、活性汚泥内微生物の細胞成分や分泌物となる。一部の生合成物は、自己酸化反応によってCO₂、H₂Oとなって消失する（以下、(3)自己酸化反応と呼ぶ）。

次いで、曝気後の排水を沈殿槽３において汚泥と処理水に沈降分離する。汚泥の汚泥濃度は、通常、４０００〜８０００mg/lである。汚泥の一部は、返送汚泥として曝気槽２に返送し、残部は余剰汚泥として腐植リアクター５に送る。一方、処理水は、適宜、滅菌して系外に放流する。

腐植リアクター５は、腐植の生物的作用により汚泥を腐植汚泥に変換する一種のバイオリアクターである。図２に屋外型腐植リアクターの概略を示す。腐植リアクター５の中段に、腐植ペレットと担持体との組み合わせ９を装填している。該組み合わせ９は、通常、担持体の上部に腐植ペレットが載るように配置されている。また、図２のように腐植リアクター５中段を埋めるように装填してもよく、あるいは、リアクター中段に懸垂するように装填してもよい。担持体の下方に散気手段１０を備え、散気できるようになっている。散気手段１０は、ブロワー１１などの外部の送気手段と連通している。

腐植ペレットの主要成分である腐植は、土壌中の微生物による分解および生合成作用によって生物遺体、特に植物枯死体から生じる腐植質を通常１０％以上含んだ、黒色または暗褐色を呈した土壌である。腐植には、腐植内に存在する土壌微生物（主にバチルス菌などのグラム陽性菌）の生物作用によって汚泥を腐植汚泥に変える作用、汚泥を凝集させる作用、硫化水素発生の元となる硫酸還元菌を抑制する作用、悪臭成分を除去する化学作用などを有する。腐植として、腐植土EZ-901、EZ-201（エンザイム社製）などの市販のものを使用してもよい。

担持体は、腐植ペレットを担持し、微生物へのミネラル供給源となり、微生物が棲息するための構造体であって、例えば軽石である。

腐植リアクターでの反応時間は、通常、６時間〜２日であり、好ましくは１２時間〜１日である。

腐植リアクター内の反応を、図３および４を用いて説明する。腐植リアクター５の反応は、曝気槽２と同様に(1)、(2)および(3)の反応が起きる。さらに、生合成物が腐植ペレット存在下で重縮合反応し腐植に変えられる反応（以下、(4)腐植化反応と呼ぶ）が起きる。腐植のうち易分解性のものは、(1)異化反応を起こしてガス化する。また、生成した腐植は、(2)同化反応へ戻って、さらに(3)自己酸化反応を起こしてガス化する。このように、腐植リアクターでは汚泥が(2)同化反応と(4)腐植化反応との間を循環するうちに、(3)自己酸化反応および(1)異化反応を随伴して減量化される。具体的には、腐植リアクター５の設置によって、余剰汚泥は６０〜７０％に減量化された（すなわち、３０〜４０％の削減）腐植汚泥に変わる。なお、本明細書において「腐植汚泥」とは、(4)腐植化反応で生成した腐植が余剰汚泥の一部を占めているものをいう。

腐植リアクター５で生成した腐植汚泥の少なくとも一部は、腐植化汚泥槽６に導く。腐植化汚泥槽６は、図２と同様とするが浸漬型腐植リアクターとする。ただし、腐植ペレットおよび担持体９を混合状態あるいはサンドイッチ状態に充填して、微生物や微小動物が棲息しやすい容積を確保する。

微小動物は、腐植汚泥を捕食する習性を有する原生動物や後生動物を言い、具体的にはミミズ、ヤスデ、ワラジムシ、ゾウリムシ、センチュウ、ミジンコなどが挙げられる。これらの微小動物の中には、陸上で棲息するのを好むものもいる。それを水中で棲息させるには、生存できるための水分、好気条件、ｐH、有機栄養分、多種多様の細菌などの条件を整える必要がある。例えばミミズの場合、腐植はカルボキシル基成分の多い腐植が好ましく、有機物は少量で浄化が進んでいること、細菌は多種多様に棲息していること、ｐHは中性を保つことによって、常にミミズを棲息させ、汚泥減量化に役立たせる。

腐植汚泥を、腐植化汚泥槽６に、通常、７〜１０日間、好ましくは約１０日間滞留させる。

腐植化汚泥槽６における反応を図４の模式図を用いて説明する。腐植化汚泥槽６では、腐植リアクター５と同様の(1)異化、(2)同化、(3)自己酸化および(4)腐植化反応が促進され、腐植汚泥は一層減量化される。さらに、腐植化汚泥槽６に棲息するミミズなどの微小動物が、腐植汚泥を捕食する（以下、(5)捕食と呼ぶ）。ミミズは、腐植を栄養源として好むので、汚泥と共に捕食して、余剰汚泥の減量化に寄与する。

腐植化汚泥槽６では、(1)〜(4)反応および(5)捕食によって、余剰汚泥は、腐植化汚泥槽の受け入れ量の２５〜３０％に減量化される（すなわち、７０〜７５％の削減）。

結局、本発明の方法は、腐植リアクター５および腐植化汚泥槽６を含む系全体によって、余剰汚泥を１＊（０．６〜０．７）＊（０．２５〜０．３）＝０．１５〜０．２１と、約２０％まで減量化することができる（すなわち、除去率８０％）。

なお、腐植リアクター５で生成した腐植汚泥の少なくとも一部を、曝気槽２に返送するようにしてもよい。こうすると、腐植リアクター５内で増殖した土壌微生物が系全体に配分される結果、系全体の活性化と汚泥の改質がなされ、系全体の防・脱臭が図れるなどの効果が得られる。

沈殿槽３に汚泥が多量累積して汚泥浮上が多いなどの場合には、沈殿槽３で発生する余剰汚泥の一部を、直に腐植化汚泥槽６に導いてもよい。

図５は、本発明の第二の実施態様に係わる汚泥減量化装置の概略図である。この実施態様は、図１の沈殿槽３の役割である活性汚泥の固液分離手段（図５では膜分離機７）を、曝気槽２内に納めたので、返送汚泥は生じない。この態様では、活性汚泥濃度を高くすることができる。活性汚泥濃度を高めると、自己酸化と腐植化が促進されるので、異化反応による有機物のCO₂、H₂Oへの無機化と捕食作用が一層進み、余剰汚泥は１５〜２０％へ減量化する。膜分離機７から出る処理水は、処理水槽８で滅菌などして放流される。

上記第一、および第二の実施態様において、腐植化汚泥槽６に貯留される減量化された汚泥は、脱水化後、適宜、処分される。汚泥の脱水性能を示す指標としてCST（Capillary Suction Time）試験がある。このＣＳＴ試験は、ろ紙上の筒に少量の汚泥を入れ毛細管吸引現象により水分が吸引され円周方向に拡大して同心円の２点間を通過する時間を測定するものである。CST値が低いと脱水性が良く、CSTが高いと脱水困難となる。本発明の方法により得られる汚泥は、全固形物濃度TS当たりのCSTが５〜１２sec/%の範囲にあり、この値は脱水性が良いことを示している。

汚泥の脱水ケーキの臭気は、通常のものより低く、かつ日数が経過してもかわらない。これは、腐植成分が汚泥の悪臭成分を化学反応で除去するともに、汚泥が腐植まで物質循環が進むと腐敗し難くなるためである。

有機物を堆肥化する際の指標として、一般に陽イオン交換量（Cation Exchange Capacity、CEC）が使われている。CECが６０meq/１００g以上であれば、堆肥として充分に使用可能となる。従来の方法は、堆肥化のための特別な装置が必要であった。本発明の方法により得られる脱水ケーキは、堆肥化装置の手を借りずに、この基準を満たす堆肥に仕上がる。堆肥は、また、土壌に還元されると、大きなｐＨ緩衝作用、キレート反応、団粒構造の形成、生理活性機能、植物病原菌の抑制、植物生育障害の防止、保肥力、保水力、排水性の改善などの効果も期待できる。したがって、堆肥は、排水中に有害な重金属を含んでいない限り、肥料および／または土壌改良剤として有用である。

なお、上記第一および第二の実施態様は、本発明の減量化装置の例示であり、その他の変更や応用は本発明の技術的範囲に属する。例えば、本発明の汚泥減量化方法および装置を回分式やバッチ式で行うものも本発明に属する。

以下、実施例および比較例を示して、本発明をより詳細に説明する。ただし、実施例は、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
〔実施例１〕
図１において、沈殿槽３から発生する汚泥濃度８０００mg/ｌの余剰汚泥を、腐植リアクター５と腐植化汚泥汚泥槽６に通して減量化した。その際、腐植リアクター５での反応時間は、１２時間とし、腐植化汚泥槽６での滞留時間は、７〜１０日間とした。

本発明の方法の汚泥減量効果を図６に示す。図６の縦軸は、沈殿槽３から抜き出した余剰汚泥濃度に対する腐植化汚泥槽６の汚泥濃度残存率を表し、一方、横軸は、好気性消化日数として、腐植化汚泥槽の運転時間を採用している。図６から腐植化汚泥槽６の汚泥残存率が約３０％（削減率７０％）を下回ったことがわかる。

また、腐植化汚泥槽６から抜き出した汚泥のCSTを測定した。その結果を、図７に示す。実験は３回行った。図７の結果に示すとおり、いずれの運転においても、汚泥のCSTは、容易に脱水処理可能な数値の範囲であった。

次いで、脱水ケーキの臭気濃度を測定した。その結果を、図８に示す。本発明の方法による脱水ケーキは、無臭に近く、８日経過しても無臭のままであった。

脱水ケーキの陽イオン交換容量（CEC)は、約７０meq/１００gと高い数値を示した。この数値は、堆肥としての使用できる基準値を充分上回るものであった。

〔比較例１〕
比較のために、図１の装置から発生する余剰汚泥を腐植リアクターおよび腐植化汚泥槽に通さず、通常の曝気処理によって好気性消化させた。余剰汚泥の汚泥残存率を図６に示す。余剰汚泥は、９日後には約５０％まで減少した。しかし、その汚泥は、実施例１のものに比べて凝集性が悪く（図７）、脱水困難であった。また、脱水ケーキは、実施例１のものに比べて臭気が高く（図８）、８日経過後には腐敗して悪臭を放った。また、脱水ケーキの陽イオン交換量は、約１０meq/１００gと低く、堆肥として用いるには不十分であった。

本発明に従う、腐植を用いた汚泥減量化装置の概略図である。図１中の腐植リアクターの概略拡大図である。図１の装置の曝気槽および腐植リアクターにおける生物反応の概略図である。図１の装置の各槽で起きる汚泥増減反応を示す図である。本発明の別の実施態様における、腐植を用いた汚泥減量化装置の概略図である。実施例１において、余剰汚泥の汚泥濃度残存率と好気性消化日数との関係を示すグラフである。実施例１において、減量化した汚泥のCSTの経時変化を示すグラフである。実施例１において、減量化した脱水ケーキの臭気濃度の経時変化を示すグラフである。従来の活性汚泥法の装置の概略図である。

符号の説明

１調整槽
２曝気槽
３沈殿槽
４汚泥槽
５腐植リアクター
６腐植化汚泥槽
７膜分離機
８処理水槽
９腐植ペレットおよび担持体
１０散気手段
１１ブロワー

Claims

有機性排水を活性汚泥の存在下で曝気処理し、曝気後の排水を汚泥と処理水とに分離し、汚泥の少なくとも一部を、中段に腐植ペレットと担持体との組合せを装填し、かつ該担持体の下方に散気手段を備えた腐植リアクターに移送して腐植の存在下で６時間〜２日間反応させ、得られる腐植汚泥の少なくとも一部を、中段に腐植ペレットと担持体との組合せを混合状態あるいはサンドイッチ状態に充填して微生物や微小動物が棲息しやすい容積を確保し、かつ該担持体の下方に散気手段を備えた浸漬型の腐植汚泥化槽内に移送して腐植および微小動物の存在下で７〜１０日間反応および捕食させることからなる、腐植を用いた汚泥減量化方法。
有機性排水を活性汚泥の存在下で曝気する曝気手段と、曝気後の排水を汚泥と処理水とに分離する分離手段と、汚泥の少なくとも一部を腐植の存在下で反応させる腐植リアクターであって、その中段に腐植ペレットと担持体との組合せを装填し、かつ該担持体の下方に散気手段を備えた前記腐植リアクターと、腐植化した汚泥の少なくとも一部を腐植および微小動物の存在下で反応および捕食させる浸漬型の腐植化汚泥槽であって、その中段に腐植ペレットと担持体との組合せを混合状態あるいはサンドイッチ状態に充填して微生物や微小動物が棲息しやすい容積を確保し、かつ該担持体の下方に散気手段を備えた前記腐植汚泥化槽とからなる、腐植を用いた汚泥減量化装置。
前記腐植汚泥化槽のｐHは、中性であることを特徴とする、請求項２に記載の腐植を用いた汚泥減量化装置。
前記微小動物が、ミミズなどの後生動物から選ばれる少なくとも一種である、請求項２または３に記載の腐植を用いた汚泥減量化装置。