JP4503418B2 - 塩類を含有する有機性廃水の処理方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機性廃水のメタン発酵処理に係り、特に、化学工場、食品工場などの各種工場より排出される高濃度の塩類を含む有機性廃水を対象とし、これをメタン発酵処理で安定的に処理可能な有機性廃水の処理方法及び装置に関する。

有機性廃水或いは有機性の廃棄物等をメタン発酵により分解して処理するメタン発酵処理法は、活性汚泥法等の好気性処理に比べると曝気のためのエネルギーが不要であり、余剰汚泥が少なく、発生するバイオガスからエネルギーを回収できるため、省エネルギーの点で優れている。しかし、メタン生成菌又はメタン発酵菌は増殖量が少なく、沈降性が悪いので微生物が処理水と共に流出しやすい。そのため、メタン発酵処理に用いる発酵槽内の微生物濃度を上げることが困難であった。更にコストや敷地等の面で問題点を抱えていた。

微生物濃度の高い高効率型の発酵槽として、上向流嫌気性汚泥床法（Ｕｐｆｌｏｗ Ａｎａｅｒｏｂｉｃ Ｓｌｕｄｇｅ Ｂｌａｎｋｅｔ Ｐｒｏｃｅｓｓ 以後「ＵＡＳＢ」と記す）がある。これは、近年普及してきた方法で、メタン菌等の嫌気性菌をグラニュール状に造粒化することにより、リアクター内のメタン菌の濃度を高濃度に維持できるという特徴があり、その結果、廃水中の有機物濃度が相当高い場合でも効率よく処理できる。

しかしながら、化学工場廃水や食品工場廃水、畜産廃棄物を処理した廃水、貝類等生物由来廃棄物処理廃水等の有機性廃水には、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム等の塩類が高濃度に含まれている場合がある。 一般的に、適度な濃度の塩類はメタン発酵処理を促進させ、良好な処理を可能とするが、高濃度の塩類はメタン菌の生物反応を阻害する。例えば、ナトリウムイオンの場合、濃度が、１００〜２００ｍｇ／リットルの範囲では、メタン菌の生物反応を促進するが、８０００ｍｇ／リットル以上では、強い阻害作用を与える。

このような塩類を含有する有機性廃水を処理する方法として、特許文献１には、逆振浸透膜による脱塩処理と電気透析による脱塩処理などを組み合わせた方法が開示されている。逆浸透法は、半透膜で仕切られた室内の塩類水に浸透圧以上の機械的圧力を加えて、半透膜を通して水を室外に出すことにより脱塩した水を得るという方法である。
また、特許文献２には、塩類を含有した有機性廃棄物を脱塩処理した後、メタン発酵処理する方法が開示されている。

特開平１０−２７２４９５号公報 特開２００２−２７３４８８号公報

ところが、上記の脱塩処理方法は塩類除去を目的とした方法であって、有機物は分解されず、濃縮された塩類の処理が困難となっていた。更に、逆浸透法や電気透析法では、カルシウムスケールが発生しやすいという課題があった。
そのため、良好なメタン発酵処理を行うためだけに、メタン発酵処理工程の前段に前記脱塩処理工程を設けることは、処理工程が複雑になるばかりか、濃縮塩類の処理という新たな問題を発生させることとなる。

また、ただ単純に工業用水や市水（水道水、井戸水）等によって、高濃度塩類を含む有機性廃水を希釈することは、処理水量の増加により、メタン発酵処理装置が大きくなるばかりか、メタン発酵処理の後段の処理、例えば活性汚泥処理や、凝集沈澱処理、ろ過等の装置も大きくなり、効率的な方法とはいえない。

本発明は、上記のような従来の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、上記の問題点を解決した、すなわちメタン生成活性が低下することなく、安定した処理が可能な、高濃度塩類を含む有機性廃水の処理方法及び装置を提供することにある。

本発明者等は、上記の課題を解決すべく鋭意研究を行い、高濃度の塩類を含有する有機性廃水のメタン発酵処理を行うためのメタン発酵処理装置で処理される被処理水、すなわち前記有機性廃水と希釈水の混合原水の導電率を２０ｍＳ／ｃｍ以下とすれば、メタン発酵処理装置内の塩類濃度に基づいてメタン生成活性が低下することなく、安定したメタン発酵処理が継続できることを見出し、かかる知見に基づいて本発明を完成するに至った。

即ち本発明は、下記の構成によって前記の課題を解決することができる。
（１）高濃度の塩類を含有する高濃度有機性廃水をメタン発酵処理工程で処理し低濃度有機性廃水を好気性処理する有機性廃水の処理方法であって、該高濃度有機性廃水はＣＯＤｃｒが１０００ｍｇ／リットル以上、該低濃度有機性廃水はＣＯＤｃｒが１０００ｍｇ／リットル未満であり、該メタン発酵処理工程に設置された導電率計の値に応じて、該高濃度有機性廃水を該低濃度有機性廃水の一部により希釈して導電率が２０ｍＳ／ｃｍ以下の混合廃水とした後に、該混合廃水をメタン発酵処理することを特徴とする塩類を含有する有機性廃水の処理方法。
（２）前記混合廃水に生物処理に必要な栄養剤を添加した後に導電率測定を行うことを特徴とする前記（１）記載の有機性廃水の処理方法。

（３）高濃度の塩類を含有するＣＯＤｃｒが１０００ｍｇ／リットル以上である高濃度有機性廃水をメタン発酵処理するメタン発酵処理装置と、ＣＯＤｃｒが１０００ｍｇ／リットル未満である低濃度有機性廃水を好気性処理する好気性処理装置と、該メタン発酵処理装置に、該低濃度有機性廃水の一部を該メタン発酵処理装置に導入し、該高濃度有機性廃水を該低濃度有機性廃水の一部により希釈して導電率が２０ｍＳ／ｃｍ以下の混合廃水とするための配管と、該混合廃水の導電率を測定する導電率計とを備えたことを特徴とする塩類を含有する有機性廃水の処理装置。
（４）前記混合廃水に生物処理に必要な栄養剤を添加する栄養剤の供給手段を前記導電率計の設置位置よりも前に備えたことを特徴とする前記（３）記載の有機性廃水の処理装置。

本発明によれば、有機性廃水の処理方法は、高濃度の塩類を含有する有機性廃水を処理するメタン発酵処理工程を有するものであり、メタン発酵処理工程に設置された導電率計の値に応じて、希釈水をメタン発酵工程に導入すると共に、前記有機性廃水と希釈水の混合原水の導電率を２０ｍＳ／ｃｍ以下とすることで、メタン生成活性が低下することなく、安定した処理が可能となった。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
なお、実施の形態および実施例を説明する全図において、同一機能を有する構成要素は同一の符号を付けて説明する。
本発明におけるメタン発酵処理工程としては、有機物を投入して消化させる嫌気性消化、溶解性の有機物を嫌気性処理する上向流汚泥床法（例えばＵＡＳＢ法、ＥＧＳＢ法）、流動床法、固定床法などの高負荷嫌気性処理が挙げられるが、いずれの方式であってもよい。また、メタン発酵工程は、酸発酵とメタン発酵を一つの槽で行う一槽式でも、両反応を別々の反応槽で行う二槽式でも、どちらでもよい。このため、本発明は、メタン発酵工程を含む嫌気性処理工程を行う方法及び装置のすべてに適用されるものである。

図１は、本発明にかかる塩類を含有する有機性廃水の処理方法を行う処理装置の第１の実施態様を示す概略図である。
一般的に、食品工場、化学工場等では、高濃度の有機物を含む廃水系統と、低濃度の有機物を含む廃水系統からなる場合があり、高濃度有機物処理には、メタン発酵処理を、低濃度有機性廃水処理には好気性処理を行うことが多い。

図１の例では、高濃度の塩類を含有した高濃度有機性廃水１と、低濃度の塩類を含有した低濃度有機性廃水（好気性処理工程の原水）２とがある。なお、ここでは、高濃度塩類濃度はおよそ導電率で１０ｍＳ／ｃｍ以上、高濃度有機物濃度はおよそＣＯＤｃｒで１０００ｍｇ／リットル以上とし、低濃度とは、およそＣＯＤｃｒで１０００ｍｇ／リットル未満の濃度を示す。

高濃度塩類を含有した高濃度有機性廃水１はメタン発酵処理工程でメタン発酵される。メタン発酵処理工程に用いられるメタン発酵処理装置３は、メタン発酵槽、ガスホルダー等からなり、場合によって、原水の調整槽、酸発酵槽を設置する（図示しない）。メタン発酵槽は、嫌気性菌を投入して使用する。上向流式のメタン発酵処理装置３では、嫌気性菌からなるグラニュール汚泥を投入する。本発明の対象となる嫌気性処理は、３０〜３５℃を至適温度とした中温メタン発酵処理、５０〜５５℃を至適温度とした高温メタン発酵処理の温度範囲の嫌気性処理を対象としている。メタン発酵槽における至適ｐＨは、酸発酵とメタン発酵槽を一槽で行う一槽式の場合は、６．５〜７．５、両者を別々の反応槽で行う二槽式の場合は、酸発酵槽で４〜６、メタン発酵槽で７．０〜８．８である。嫌気性菌を維持するためには、上記の温度管理とｐＨ管理が極めて重要であり、従来は、メタン発酵槽内やメタン発酵の原水、処理水等の温度、ｐＨを検出して、その値をフィードバック或いはフィードフォワードして各制御を行っていた。

ところで、高濃度の塩類を含む有機性廃棄物などの有機性廃水の場合は、上記の温度管理及びｐＨ管理だけでは不十分で、時として嫌気性菌が不活性となる場合がある。この欠点を無くすために、本発明では、メタン発酵処理工程に導電率計４を設置し、得られた導電率値を用いてメタン発酵処理工程の運転制御を行う。導電率計４を設置する場所は、メタン発酵槽内のほか、原水の調整槽、酸発酵槽、原水流入管５内、メタン発酵槽の処理水６の排出管内でもよい。これは液の導電率はメタン発酵によっては特に変わらないので、導電率計４を設置する場所は、メタン発酵槽内に限られるものではない。本発明では、これらをすべて含めたものをメタン発酵処理装置と呼んでいる。導電率は塩類の種類によって異なり、酢酸濃度１０ｗｔ％で１．５ｍＳ／ｃｍ、塩化カリウム１０ｗｔ％で１３６ｍＳ／ｃｍ、塩化ナトリウム１０ｗｔ％で１２１ｍＳ／ｃｍである。

運転制御の方法は、導電率で検出した値が所望の導電率となるように、また、所望の導電率以下となるように希釈水をメタン発酵処理工程に導入する。希釈水の導入位置は、メタン発酵処理工程の原水供給管５、原水調整槽、酸発酵槽、メタン発酵槽内でもよく、メタン発酵処理工程において、酸発酵槽、メタン発酵槽の原水流入位置に処理水６の一部を循環水として返送する場合には、循環水に供給しても良い。
メタン発酵処理工程の処理水６の全量又は一部は、好気性処理工程７に導入して更に有機物除去を行う。

本発明においては、メタン発酵処理工程の原水と希釈水を混合した混合原水の導電率を２０ｍＳ／ｃｍ以下としている。化学工場等のメタン発酵処理において、同じ廃水工程でＣＯＤｃｒの濃度変動、水量変動がないにもかかわらず、メタン活性が低下する場合があった。本発明者らが鋭意検討したところ、ＣＯＤｃｒ濃度に変動が無くても、塩類濃度が大きく変動していることに気が付いた。図２は、導電率とＣＯＤｃｒの分解率の関係を示したグラフである。導電率が高いほどＣＯＤｃｒの分解率が低下する傾向が見られ、２０ｍＳ／ｃｍで５０％以下となった。本発明では、メタン発酵処理工程に導入する原水は、希釈水による希釈によって２０ｍＳ／ｃｍ、好ましくは１０ｍＳ／ｃｍ以下にする。

本発明の第２の態様（図３参照）は、希釈水として、好気性処理工程７の原水２、及び、又は、好気性処理工程の処理水８を用いる。従来、塩類濃度が高い場合、市水及び、又は工業用水を用いる場合があった。しかしながら、これらの用水は導電率が数μＳ／ｃｍ以下と抜群の希釈効果がある一方で、水処理プロセスの全水量が増加するという問題があった。本発明のメタン発酵処理工程と好気性処理工程を併用する水処理プロセスでは、好気性処理工程の原水２を用いてメタン発酵処理工程の原水１を希釈することで、塩類濃度の低減が可能で、しかも水処理プロセス全休の水量は変化しないというメリットがある。

ところで、メタン発酵における、嫌気性菌の増殖には、Ｎ、Ｐ、Ｓ等のマクロ栄養素の他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｓｅ、Ｗ、Ｂｒなどのミクロ栄養塩が必要である。必要量は微量で、１ｇＣＯＤに対して数十〜数μｇでよい。化学工場等の高濃度廃水は、単一成分の廃水が多く、これらの廃水をメタン発酵する場合、前述のミクロ栄養塩が不足することが多かった。一方で、好気性処理の原水で多種多様な成分、特にマクロ栄養素、ミクロ栄養素が含まれている場合は、これらの廃水をメタン発酵処理工程に導入することで、処理が良好となる。
好気性処理工程の原水２及び処理水８の導電率は２０ｍＳ／ｃｍ以下、好ましくは１０ｍＳ／ｃｍ以下、より好ましくは１ｍＳ／ｃｍ以下であることが望ましい。

本発明の第３の態様（図４参照）は、生物処理に必要な栄養剤９をメタン発酵処理工程の原水１、及び／又は希釈水に添加する。メタン発酵において、マクロ栄養素と共に、ミクロ栄養塩が必要であることは既に述べた。好気性処理工程７における活性汚泥処理等においても、好気性処理工程の原水２中に前記栄養素、特にマクロ栄養素が不足する場合には添加する必要がある。生物処理に必要なＮ、Ｐは、好気性処理でＢＯＤ：Ｎ：Ｐ＝１００：２．５〜５：０．５〜１．０、メタン発酵でＢＯＤ：Ｎ：Ｐ＝１００：０．２５〜０．５：０．０５〜０．１が至適である。通常添加したそれらの栄養素は、全量が生物反応に使用されるとは限らず、一部は余剰栄養素として、処理水８と共に流出する。本発明では、栄養剤９を添加した後の混合原水（メタン発酵処理工程の原水と希釈水を混合した液）の導電率を測定することで、栄養剤９の過剰注入を防止することが可能である。更には、メタン発酵の処理水の全量或いは一部を好気性処理工程７に導入することで、栄養剤９の有効利用を図ることもできる。

上記の本発明にかかる高濃度の塩類を含有する有機性廃水の処理工程の作用機構を説明するために使用した図面において、図３は、希釈水に好気性処理工程の処理水を用いた本発明の第２の実施態様のフロー図であり、図４は、栄養剤を好気性処理工程の原水に添加した本発明の第３の実施態様のフロー図である。

以下において、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。

実施例１
この実施例では図５の処理フローを用いて処理を行った。処理対象廃水は化学工場廃水であり、高濃度塩類を含む高濃度有機性廃水系統（以下Ａ系統とする）と、低濃度有機性廃水系統（以下Ｂ系統とする）がある。Ａ系統廃水はメタン発酵で処理、Ｂ系統廃水は活性汚泥処理（好気性処理）を行った。メタン発酵処理装置は、原水調整槽、加温槽、上向流式のＥＧＳＢ型リアクター（「ＥＧＳＢ」は、Expanded granular sludge bedの略）、処理水槽からなる。リアクター上部には、リアクター内のｐＨを管理するｐＨ計、加温槽には、リアクター内の温度を管理する温度センサー、原水調整槽には、廃水の導電率を測定する導電率計４が設置されている。原水調整槽の導電率が８ｍＳ／ｃｍ以上となると、自動的にＢ系統流入弁１０が開き、Ｂ系統の廃水の一部が原水調整槽に流入され、常に原水調整槽の導電率は８ｍＳ／ｃｍ以下となるように制御されている。

Ａ系統の廃水性状はＣＯＤｃｒ３００００ｍｇ／リットル、導電率２５ｍＳ／ｃｍ、Ｂ系統の廃水性状はＣＯＤｃｒ１０００ｍｇ／リットル、導電率４ｍＳ／ｃｍであった。Ａ系統の廃水の処理量は３５ｍ^３／ｄ、Ｂ系統の廃水の処理量は４００ｍ^３／ｄであり、Ｂ系統流入弁１０よりメタン発酵処理工程の原水調整槽に流入したＢ系統廃水量は１６０ｍ^３／ｄであった。
約６ヶ月間、上記の条件でメタン発酵処理を行ったところ、原水調整槽内の混合原水がＣＯＤｃｒ６５００ｍｇ／リットルであったに対し、処理水のＣＯＤｃｒが１５００ｍｇ／リットルとなり、ＣＯＤｃｒの除去率は７７％であった。

実施例２
実施例２では図３の処理フローを使用した。希釈水に活性汚泥処理工程の処理水８を用いた以外、実施例１と同様とした。
Ａ系統の廃水性状はＣＯＤｃｒ３００００ｍｇ／リットル、導電率２５ｍＳ／ｃｍ、活性汚泥処理水の性状はＣＯＤｃｒ５０ｍｇ／リットル、導電率４ｍＳ／ｃｍであった。Ａ系統の廃水の処理量は３５ｍ^３／ｄ、Ｂ系統流入弁１０よりメタン発酵処理工程の原水調整槽に流入した活性汚泥工程の処理水８は１６０ｍ^３／ｄであった。
約６ヶ月間、上記の条件でメタン発酵処理を行ったところ、原水調整槽内の混合原水のＣＯＤｃｒ５５００ｍｇ／リットルに対し、処理水のＣＯＤｃｒが１２５０ｍｇ／リットルであり、ＣＯＤｃｒの除去率は７７％であった。

比較例１
比較例１では図６の処理フローを使用した。メタン発酵処理工程に導電率計を設置していないこと以外、実施例２と同様とした。
処理条件は３条件行った。なお、Ａ系統の廃水性状はＣＯＤｃｒ３００００ｍｇ／リットル、導電率２５ｍＳ／ｃｍであった。希釈に用いた市水は、ＣＯＤｃｒ５０ｍｇ／リットル、導電率０．２７ｍＳ／ｃｍであった。
条件１：Ａ系統廃水を市水で４倍希釈。
混合原水ＣＯＤｃｒ７５００ｍｇ／リットル、導電率６．３ｍＳ／ｃｍ
条件２：Ａ系統廃水を市水で２倍希釈。
混合原水ＣＯＤｃｒ１５０００ｍｇ／リットル、導電率１３ｍＳ／ｃｍ
条件３：Ａ系統廃水を無希釈。
混合原水ＣＯＤｃｒ３００００ｍｇ／リットル、導電率２５ｍＳ／ｃｍ

条件１で１ヶ月通水したところ、ＣＯＤｃｒの除去率は７５％であった。続いて、条件２で１ヶ月通水したところ、ＣＯＤｃｒの除去率は６５％であった。続いて条件３で通水を行ったところ、通水３日目にＣＯＤｃｒの除去率がゼロ％、バイオガスの発生量もゼロとなった。処理水の導電率は２５ｍＳ／ｃｍであったことから、塩類の影響で、嫌気性菌が死滅したと判断される。

本発明の塩類を含有する有機性廃水の処理方法及び装置は、メタン発酵処理工程での被処理水の誘電率を希釈水の混合率を調整することにより２０ｍＳ／ｃｍに維持することによって、メタン発酵槽内でのメタン生成活性を低下させることなく、安定したメタン発酵処理を可能にするので、化学工場、食品工場などの各種工場より排出される有機性廃水、畜産廃水、魚介類処理廃水、し尿やごみ浸出水などの塩類濃度の高い有機性廃水、特に化学工場や食品工場の有機性廃水の処理方法及び装置として有用である。

本発明の第１の実施態様の処理方法を実施する装置の系統的概略図である。 導電率とＣＯＤｃｒ分解率の関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施態様及び実施例２の処理方法を実施する装置の系統的概略図である。 本発明の第３の実施態様の処理方法を実施する装置の系統的概略図である。 本発明の実施例１で用いた処理方法を実施する装置の系統的概略図である。 本発明の比較例１で用いた処理方法を実施する装置の系統的概略図である。

符号の説明

１ 高濃度塩類を含有した高濃度有機性廃水
２ 好気性処理工程の原水
３ メタン発酵処理装置
４ 導電率計
５ 原水流入管
６ メタン発酵処理水
７ 好気性処理装置
８ 好気性処理水
９ 栄養剤
１０ 流入弁
１１ 市水

Claims (4)

1. 高濃度の塩類を含有する高濃度有機性廃水をメタン発酵処理工程で処理し低濃度有機性廃水を好気性処理する有機性廃水の処理方法であって、該高濃度有機性廃水はＣＯＤｃｒが１０００ｍｇ／リットル以上、該低濃度有機性廃水はＣＯＤｃｒが１０００ｍｇ／リットル未満であり、該メタン発酵処理工程に設置された導電率計の値に応じて、該高濃度有機性廃水を該低濃度有機性廃水の一部により希釈して導電率が２０ｍＳ／ｃｍ以下の混合廃水とした後に、該混合廃水をメタン発酵処理することを特徴とする塩類を含有する有機性廃水の処理方法。
2. 前記混合廃水に生物処理に必要な栄養剤を添加した後に導電率測定を行うことを特徴とする請求項１記載の有機性廃水の処理方法。
3. 高濃度の塩類を含有するＣＯＤｃｒが１０００ｍｇ／リットル以上である高濃度有機性廃水をメタン発酵処理するメタン発酵処理装置と、ＣＯＤｃｒが１０００ｍｇ／リットル未満である低濃度有機性廃水を好気性処理する好気性処理装置と、該メタン発酵処理装置に、該低濃度有機性廃水の一部を該メタン発酵処理装置に導入し、該高濃度有機性廃水を該低濃度有機性廃水の一部により希釈して導電率が２０ｍＳ／ｃｍ以下の混合廃水とするための配管と、該混合廃水の導電率を測定する導電率計とを備えたことを特徴とする塩類を含有する有機性廃水の処理装置。
4. 前記混合廃水に生物処理に必要な栄養剤を添加する栄養剤の供給手段を前記導電率計の設置位置よりも前に備えたことを特徴とする請求項３記載の有機性廃水の処理装置。

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