JP7581742B2 - 有機性排水の嫌気性処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、有機性排水を、嫌気反応槽と内圧式管状膜とを有した嫌気性処理装置により処理する嫌気性処理方法に関するものであり、特に、嫌気性処理装置の立上げに際して嫌気反応槽に種汚泥を投入する嫌気性処理方法に関する。

有機性排水を嫌気性条件下でメタン発酵処理する嫌気反応槽と、該嫌気反応槽の汚泥を膜濾過して処理水を得る槽外に設置された中空糸膜分離装置とを備えた嫌気性処理装置により有機性排水を処理する嫌気性処理方法が特許文献１に記載されている。

嫌気反応槽の立上げに際して種汚泥として食品工場、飲料工場などの高負荷排水処理で使用される嫌気グラニュール汚泥を投入する場合、汚泥の活性は高いものの、粒径が大きく、内圧式管状膜内の流路を閉塞させてしまう問題があった。また、粒子の細かい下水処理場の嫌気消化汚泥や食品廃棄物の湿式メタン発酵汚泥などを種汚泥として用いた場合には、内圧式管状膜を閉塞させることは少ないものの、活性が低く、立上げに要する期間が長くなってしまう問題があった。

特許文献２には、嫌気性処理装置の立上げに際して、該嫌気反応槽に種汚泥を添加する嫌気性処理方法において、該種汚泥として、少なくとも一部を破砕した嫌気グラニュールを用いること、及びこの破砕にカッター付き水中ポンプを用いることが記載されている。

特開２０１３－５６３２１号公報 特開２０１５－７７５３４号公報

本発明は、嫌気反応槽の立上げに際して、内圧式管状膜の流路閉塞を起こすことなく速やかに槽負荷を高めることができる有機性排水の嫌気性処理方法を提供することを課題とする。

本発明の有機性排水の嫌気性処理方法は、有機性排水を嫌気性条件下でメタン発酵処理する嫌気反応槽と、該嫌気反応槽の汚泥を膜濾過して処理水を得る槽外に設置された内圧式管状膜とを備えた嫌気性処理装置により有機性排水を処理する嫌気性処理方法において、該嫌気性処理装置の立上げに際して、該嫌気反応槽に種汚泥を投入する立上げ工程を有しており、該種汚泥の少なくとも一部が嫌気反応槽外に設置された破砕ポンプで破砕処理された嫌気グラニュールであり、該破砕ポンプは、スリットを有したグリッドが内蔵され、該グリッドの手前で回転刃により破砕しながら送液する構造の破砕ポンプであり、該スリットのスリット幅は、管状膜のチューブラ内径の１／３以下の幅であることを特徴とする。

本発明の一態様では、内圧式管状膜の内径が３～１０ｍｍであり、前記スリット幅は０．２ｍｍ以上である。

本発明の一態様では、前記嫌気グラニュールを嫌気反応槽に投入した後、槽内液と共に嫌気反応槽外に流出させ、前記破砕ポンプに供給して破砕した後、嫌気反応槽に返送する。

嫌気反応槽の立上げに際して、種汚泥として、管状膜のチューブラ内径の１／３以下の幅のスリットを有したグリッドが内蔵され、該グリッドの手前で回転刃により破砕しながら送液する構造の破砕ポンプで破砕した嫌気グラニュールを嫌気反応槽に投入することにより、管状膜の閉塞を起こすことなく、速やかに槽負荷を高めることができる。

実施の形態に係る嫌気性処理装置の構成図である。 実施の形態に係る嫌気性処理装置の構成図である。 膜モジュールへの通水方法を示す説明図である。

図１を参照して実施の形態に係る有機性排水の嫌気性処理方法について説明する。

図１は嫌気性処理方法が適用される嫌気性処理装置の一例を示すものであり、嫌気グラニュールが配管１、破砕ポンプ２、配管３を通って嫌気反応槽４に投入可能とされている。配管１には希釈水が配管１ａから導入可能とされている。嫌気反応槽４には被処理有機性排水が配管５によって流入する。

嫌気反応槽４は撹拌機４ａを備えている。嫌気反応槽４内の液は、嫌気反応槽４の下部から、循環ポンプ６及び循環ポンプ６が介設される配管７によって抜き出され、内圧式管状膜８の一次側に供給可能とされている。内圧式管状膜８は、管状膜８ａを備えており、配管７からの液は内圧式管状膜８の一次側を通り抜け、その間に水分が管状膜８ａを一次側から二次側に透過する。管状膜８ａを透過しなかった一次側の濃縮水は、配管９を通って嫌気反応槽４に返送される。

二次側に透過した透過水は、処理水として配管１０を通って処理水槽１１に流入し、該処理水槽１１から配管１２を通って取り出される。

管状膜８ａを逆洗するために、処理水槽１１内の水が配管１３及び逆洗ポンプ１４によって配管１０を通じて内圧式管状膜８の二次側に供給可能とされている。

嫌気反応槽４の立上げ（運転開始）に際しては、嫌気グラニュールを破砕ポンプ２で破砕した後、配管３から嫌気反応槽４内に導入する。この際、必要に応じ、希釈水を嫌気グラニュールに添加する。次いで、嫌気反応槽４内に所定量の有機性排水を配管５によって流入させる。

破砕ポンプ２としては、後述の通り、特定スリット幅のスリットを有したものが用いられている。嫌気グラニュールを投入した後は、撹拌機４ａによって槽内水を撹拌する。

なお、このように嫌気グラニュールを投入した後に、図２のように、配管２０によって嫌気反応槽４内の下部から槽内水を取り出し、破砕ポンプ２で破砕して配管３によって嫌気反応槽４に戻すようにしてもよい。図２のその他の構成は図１と同一であり、同一符号は同一部分を示している。

以下、本発明の好適な条件について説明する。

＜種汚泥（嫌気グラニュール）＞
嫌気グラニュールとしては、酢酸除去活性として０．１ｋｇＣＯＤｃｒ／ｋｇＶＳＳ／ｄ以上、好ましくは０．２ｋｇＣＯＤｃｒ／ｋｇＶＳＳ／ｄ以上を有する嫌気グラニュール汚泥を用いることが好ましい。グラニュールの粒径に制約はないが、食品、飲料工場などの排水処理施設で良好に処理が行われているという点で、平均粒径０．５～５ｍｍ、特に１．５～３ｍｍの嫌気グラニュールが好ましい。

種汚泥の投入後の槽内汚泥濃度が１０，０００～４０，０００ｍｇ／Ｌ（１～４％）、好ましくは２０，０００～３０，０００ｍｇ／Ｌ（２～３％）になるように種汚泥を投入するのが好ましい。

＜嫌気反応槽＞
嫌気反応槽の温度は２５～４０℃または４５～６０℃、好ましくは３０～３８℃、または５０～５８℃である。立上げ時のＣＯＤｃｒ槽負荷は１～３ｋｇ／ｍ^３／ｄで開始し、最終的には５～２０ｋｇ／ｍ^３／ｄ、好ましくは６～１２ｋｇ／ｍ^３／ｄまで段階的に高めていくのが好ましい。槽内ｐＨは６．５～８．０、好ましくは６．８～７．４であり、必要に応じて槽外の内圧式管状膜８への汚泥循環ライン（膜から嫌気反応槽への戻りの配管9）にＮａＯＨ、ＮａＨＣＯ_３などのアルカリ剤やＨＣｌなどの酸剤を添加してｐＨ調整を行う。

＜内圧式管状膜（膜モジュール）＞
内圧式管状膜は、直径（内径）３ｍｍ～１０ｍｍのチューブラが内部に複数充填された膜モジュールである。汚泥は各チューブラの内部を流れる。透過水がチューブラ外に浸み出し、各チューブラから浸み出した透過水が集められ、膜モジュールから処理水として排出される。膜の細孔径は０．０１～１μｍ、特に０．０３～０．１μｍが好ましい。

嫌気反応槽４から槽内液を好ましくはチューブラ内の流速０．５～２ｍ／ｓｅｃ、特に好ましくは０．８～１．５ｍ／ｓｅｃで流す。処理水の膜透過流束（フラックス）は好ましくは０．１～０．８ｍ／ｄ、特に好ましくは０．２～０．５ｍ／ｄである。

１０～６０分の濾過に対し、５～３０秒間、フラックス４～１０ｍ／ｄで処理水による逆洗を行うことが好ましい。

また、１～８時間毎に膜モジュールの通泥方向を反転することで、内圧式管状膜入口に付着した反応槽内からの汚泥、無機分の析出物、膜面からの剥離物などの付着物を除去して、流路閉塞を防止し、安定した濾過性能を保つことができる。

膜モジュールを複数用いる際は、モジュールを直列、並列のいずれ、または両方の配置で用いてよいが、直列に配置する際はモジュール間に粗大な固形粒子が蓄積しないように、通泥方向を反転する際に、モジュール間の接続配管中の汚泥がモジュールを介さずに嫌気反応槽に返送されるような構成とするのが好ましい。

図３は２個の膜モジュール８Ａ，８Ｂを直列に接続した場合の通水方法の一例を示すものであり、（ａ）は各膜モジュール８Ａ，８Ｂに順方向に被処理液を流通させ、（ｂ）は各膜モジュール８Ａ，８Ｂに（ａ）とは反対方向に被処理液を流通させた状態を示している。図中の太実線は液が矢印の方向に流れている配管を示し、細実線は液が流れていない配管を示している。図３（ａ）に示す順方向通水と、図３（ｂ）に示す逆方向通水とを交互に行うことにより、膜モジュール８Ａ，８Ｂの入り口付近に付着した付着物を、通水方向切替によって、膜モジュール内を通過させることなく、配管側に流出させ除去することができ、付着物による膜モジュールの流路閉塞を防止し、安定した濾過性能を保つことができる。

＜破砕ポンプ＞
上記の通り、嫌気反応槽の立上げ時に、嫌気グラニュールを破砕ポンプ２により破砕して嫌気反応槽４に投入する。嫌気グラニュールを反応槽外の水槽で一旦溜めて、水槽内に設置したカッター付水中ポンプで循環破砕したうえで、グリッドやスクリーンを通して嫌気反応槽に投入してもよいが、グリッドが内蔵され、該グリッドの手前で回転刃により破砕しながら送液する構造の破砕ポンプを通過させて嫌気反応槽に投入することで、効率よく破砕及び反応槽への投入を行うことができる。

破砕ポンプ内のグリッドとしては、パンチングメタルや、平織網、綾織網のようなメッシュを用いることもできるが、グラニュール破砕時に閉塞し難い点からスリットタイプが好ましい。嫌気反応槽４の運転時に管状膜内の流路を閉塞させないように、スリット幅は管状膜の各チューブラ内径の１／３以下とする。破砕操作時にスリットの閉塞を生じさせないために、スリット幅は、０．２ｍｍ以上、好ましくは０．８ｍｍ以上とするのがよい。破砕ポンプには嫌気グラニュールに適宜水を添加して汚泥濃度２～４％で供給することが好ましい。

また、図２のように、嫌気グラニュールを嫌気反応槽４に投入した後、破砕ポンプ２に循環してさらに破砕を繰り返す場合、この循環破砕は、内圧式管状膜（膜モジュール）８に通泥した際のモジュール差圧（膜モジュールでの圧力損失）の経時的な上昇が見られなくなるまで行うことが好ましい。

下記の原水、嫌気反応槽及び内圧式管状膜を用いて以下の実施例及び比較例（嫌気反応槽の立上げ）を行った。種汚泥の添加形態は各例に記載の通りとした。

＜原水＞
電子部品製造工場の高濃度排液（ＣＯＤｃｒ濃度４０，０００ｍｇ／Ｌ）に栄養塩類として窒素、リン、および、鉄、コバルト、ニッケルなどの微量金属類を添加したもの

＜嫌気反応槽＞
槽高 ２０００ｍｍ
実容量 ２ｍ^３
温度 ３５℃

＜内圧式管状膜＞
長さ３０００ｍｍ、内径５ｍｍのＰＶＤＦ製チューブラが１０９本充填された膜面積１．６ｍ^２の長さ１ｍの膜モジュール

［参考例１］
嫌気反応槽とは別の実容量２ｍ^３の開放タンクに、飲料工場排水処理施設の嫌気グラニュール（汚泥濃度８％、ＶＳＳ／ＳＳ比９０％、平均粒径２．２ｍｍ、酢酸除去活性０．２ｋｇＣＯＤｃｒ／ｋｇＶＳＳ／ｄ）０．６ｍ^３を水で３．３倍に希釈したもの（計２ｍ^３）を溜めたうえで、タンクに浸漬したカッター付水中ポンプ（吐出量２００Ｌ／ｍｉｎ）で３０分間撹拌した後、嫌気反応槽に投入した。

種汚泥を投入した後、ＣＯＤｃｒ槽負荷２ｋｇ／ｍ^３／ｄ（原水量１００Ｌ／ｄ）から原水の流入、および、膜濾過による処理水の排出を開始し、処理水ＣＯＤｃｒ濃度を確認しながら段階的に負荷を高める（原水量を増やす）ようにして、装置の立上げを３０日間行った。膜濾過は、嫌気反応槽から膜モジュールに遠心式スラリーポンプ（循環ポンプ）により汚泥を８ｍ^３／ｈｒ（モジュール内流速として１ｍ／ｓｅｃ）で供給しながら、３０分濾過の後、１０秒間処理水による逆洗を行うサイクルを繰り返すとともに、２サイクル（約１時間）毎に通泥方向を反転するようにして行うようにした。

負荷を高めるにあたっては、処理水ＣＯＤｃｒ濃度の５日間の上昇幅が５００ｍｇ／Ｌ以下であることを基準として、表１の通り、槽負荷が１ｋｇ／ｍ^３／ｄずつ高まるように、原水量を５０Ｌ／ｄずつ増加させた。濾過時のフラックスは負荷の増加に合わせて表１のように増加させ、逆洗時のフラックスは７．２ｍ／ｄとした。槽負荷と原水量、濾過時のフラックスの推移を表１に示す。

［実施例１］
参考例１で用いたものと同じ嫌気グラニュール０．６ｍ^３を水で３．３倍に希釈しながら、幅２ｍｍのスリットタイプのグリッドを内蔵した破砕ポンプを通過させて嫌気反応槽に投入した。これ以外は参考例１と同条件とした。

［実施例２］
参考例１で用いたものと同じ嫌気グラニュール０．６ｍ^３を水で３．３倍に希釈しながら、幅２ｍｍのスリットタイプのグリッドを内蔵した破砕ポンプを通過させて嫌気反応槽に投入した。また、立上げ運転開始後、嫌気反応槽の汚泥を破砕ポンプに２ｍ^３／ｄ循環して破砕処理を継続した。これ以外は参考例１と同条件とした。

［実施例３］
参考例１で用いたものと同じ嫌気グラニュール０．６ｍ^３を水で３．３倍に希釈しながら、幅１ｍｍのスリットタイプのグリッドを内蔵した破砕ポンプを通過させて嫌気反応槽に投入した。これ以外は参考例１と同条件とした。

［比較例１］
参考例１で用いたものと同じ嫌気グラニュール０．６ｍ^３を水で３．３倍に希釈しながら、ダイヤフラムポンプで嫌気反応槽に投入した。これ以外は参考例１と同条件とした。

［比較例２］
下水汚泥処理施設の嫌気消化汚泥（汚泥濃度２．４％、ＶＳＳ／ＳＳ比７５％、平均粒径４５μｍ、酢酸除去活性０．０４ｋｇＣＯＤｃｒ／ｋｇＶＳＳ／ｄ）２ｍ^３を通常の水中ポンプで嫌気反応槽に投入した。これ以外は参考例１と同条件とした。

＜結果及び考察＞
参考例１では、通泥時のモジュール差圧は濾過、逆洗の２サイクル（１時間）の間に３０～４０ｋＰａ上昇したが、通泥方向を反転する度に回復した。膜濾過サイクル時、モジュール圧上昇につれて循環ポンプの吐出量が８ｍ^３／ｈｒから６．８ｍ^３／ｈｒ前後まで低下したが、表１に示すフラックスで運転することができた。膜間差圧は初期の５ｋＰａから３０日間で４０ｋＰａまで上昇した。処理水ＣＯＤｃｒ濃度は立上げ期間を通じて５００～１，０００ｍｇ／Ｌで推移しており、５日毎に負荷を高めることができ、３０日で槽負荷８ｋｇ／ｍ^３／ｄに到達した。

実施例１では、通泥時のモジュール差圧は濾過、逆洗の２サイクル（１時間）の間に２０～３０ｋＰａ上昇したが、通泥方向を反転する度に回復した。膜濾過サイクル時、モジュール圧上昇につれて循環ポンプの吐出量が８ｍ^３／ｈｒから７．３ｍ^３／ｈｒ前後まで低下したが、表１に示すフラックスで運転することができた。膜間差圧は初期の５ｋＰａから３０日間で３０ｋＰａまで上昇した。処理水ＣＯＤｃｒ濃度は立上げ期間を通じて５００～１，０００ｍｇ／Ｌで推移しており、５日毎に負荷を高めることができ、３０日で槽負荷８ｋｇ／ｍ^３／ｄに到達した。

実施例２では、通泥時のモジュール差圧は当初、濾過、逆洗の２サイクル（１時間）の間に２０～３０ｋＰａ上昇したが、通泥方向を反転する度に回復した。膜濾過サイクル時、モジュール圧上昇につれて循環ポンプの吐出量が８ｍ^３／ｈｒから７．３ｍ^３／ｈｒ前後まで低下した。しかし、日数が経過するにつれてモジュール差圧の上昇幅は減少し、１５日目にはほぼ見られなくなり（濾過、逆洗の２サイクル（１時間）の間で２ｋＰａ以下）、循環ポンプの吐出量も８ｍ^３／ｈｒで安定した。その結果、３０日の立上げ期間を通じて表１に示すフラックスで運転することができた。この間、膜間差圧は初期の５ｋＰａから２０ｋＰａまで上昇した。処理水ＣＯＤｃｒ濃度は立上げ期間を通じて５００～１，０００ｍｇ／Ｌで推移しており、５日毎に負荷を高めることができ、３０日で槽負荷８ｋｇ／ｍ^３／ｄに到達した。

実施例３では、通泥時のモジュール差圧の上昇はほぼ見られなかった（濾過、逆洗の２サイクル（１時間）の間で２ｋＰａ以下）。循環ポンプの吐出量は常時８ｍ^３／ｈｒを維持でき、表１に示すフラックスで運転することができた。膜間差圧は初期の５ｋＰａに対し、３０日後も１５ｋＰａであった。処理水ＣＯＤｃｒ濃度は立上げ期間を通じて５００～１，０００ｍｇ／Ｌで推移しており、５日毎に負荷を高めることができ、３０日で槽負荷８ｋｇ／ｍ^３／ｄに到達した。

比較例１では、当初から通泥時のモジュール差圧が濾過、逆洗の２サイクル（１時間）の間に１００ｋＰａ以上上昇し、膜濾過サイクル時、循環ポンプの吐出量が８ｍ^３／ｈｒから４ｍ^３／ｈｒ以下に低下した。通泥方向を反転する度に回復したものの、膜間差圧はフラックス０．１７ｍ／ｄとした１１日目に６０ｋＰａを上回るようになり、膜の薬品洗浄が必要になった。次亜塩素酸ナトリウム溶液（有効塩素５００ｍｇＣｌ／Ｌ）による薬品洗浄により膜間差圧は３０～４０ｋＰａに回復したが、１６日目にフラックスを０．２０ｍ／ｄまで高めようとしたところ、膜間差圧６０ｋＰａ以上となった。再び薬品洗浄を実施したが、薬品洗浄後、膜間差圧８０ｋＰａ以上としてもフラックス０．２０ｍ／ｄで運転することはできなかった。その結果、処理水ＣＯＤｃｒ濃度は常に５００～８００ｍｇ／Ｌで推移していたが、１１日目以降、原水量を増やすことができず、３０日後もＣＯＤｃｒ槽負荷４ｋｇ／ｍ^３／ｄでの運転に留まった。

比較例２では、通泥時のモジュール差圧の上昇はほぼ見られず（濾過、逆洗の２サイクル（１時間）の間で２ｋＰａ以下）、循環ポンプの吐出量は常時８ｍ^３／ｈｒを維持できた。しかし、６日目にＣＯＤｃｒ槽負荷３ｋｇ／ｍ^３／ｄに高めたところ、処理水ＣＯＤｃｒ濃度が８００ｍｇ／Ｌ程度から１，３００ｍｇ／Ｌ以上に上昇し、その後も１２日目：１，９００ｍｇ／Ｌ、１３日目：２，４００ｍｇ／Ｌと悪化したことから、槽負荷を２ｋｇ／ｍ^３／ｄ以下に下げて処理水質を回復させる必要が生じた。その後も槽負荷を３ｋｇ／ｍ^３／ｄまで高めると、処理水ＣＯＤｃｒ濃度の上昇が見られ、３０日後もＣＯＤｃｒ槽負荷２～３ｋｇ／ｍ^３／ｄでの運転に留まった。

以上の実施例及び比較例より、本発明によると、槽外設置型の内圧式管状膜を用いた嫌気処理装置の立上げにおいて、膜の流路閉塞を起こさずに、活性が高い嫌気グラニュールを種汚泥として用いることができ、速やかに槽負荷を高められるようになることが認められる。

２ 破砕ポンプ
４ 嫌気反応槽
６ 循環ポンプ
８ 内圧式管状膜
８ａ 管状膜
１４ 逆洗ポンプ

Claims (3)

1. 有機性排水を嫌気性条件下でメタン発酵処理する嫌気反応槽と、該嫌気反応槽の汚泥を膜濾過して処理水を得る槽外に設置された内圧式管状膜とを備えた嫌気性処理装置により有機性排水を処理する嫌気性処理方法において、
   該嫌気性処理装置の立上げに際して、該嫌気反応槽に種汚泥を投入する立上げ工程を有しており、
   該種汚泥の少なくとも一部が嫌気反応槽外に設置された破砕ポンプで破砕処理された嫌気グラニュールであり、
   該破砕ポンプは、スリットを有したグリッドが内蔵され、該グリッドの手前で回転刃により破砕しながら送液する構造の破砕ポンプであり、
   該スリットのスリット幅は、管状膜のチューブラ内径の１／３以下の幅であることを特徴とする有機性排水の嫌気性処理方法。
2. 前記内圧式管状膜の内径が３～１０ｍｍであり、前記スリット幅は０．２ｍｍ以上である、請求項１の有機性排水の嫌気性処理方法。
3. 前記嫌気グラニュールを嫌気反応槽に投入した後、槽内液と共に嫌気反応槽外に流出させ、前記破砕ポンプに供給して破砕した後、嫌気反応槽に返送する、請求項１又は２の有機性排水の嫌気性処理方法。
   

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