(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物の代謝を利用した有機性廃水処理工程で発生する余剰汚泥に対して処理を行い、かつ前記廃水中に含まれる窒素及び／又はリンをリン酸マグネシウムアンモニウムの形態で系外に取り出す工程を有する処理方法において、前記余剰汚泥に対して嫌気性消化処理を行い、かつその処理工程でマグネシウム源を添加して前記汚泥中に含まれるリン又はリンと窒素からリン酸マグネシウムアンモニウムを生成せしめ、生成したリン酸マグネシウムアンモニウムを消化汚泥から分離し回収する工程と、リン酸マグネシウムアンモニウム除去後の消化汚泥の濃縮分離水または消化汚泥の脱水ろ液の内少なくとも１つにマグネシウム源及びｐＨ調整剤を添加、混合することにより、対象液中よりリン酸マグネシウムアンモニウムを生成し回収する工程とを有することを特徴とする有機性廃水の処理方法。
【請求項２】
前記嫌気性消化−リン酸マグネシウムアンモニウム生成工程においてマグネシウム源及びｐＨ調整剤を添加することによりリン酸マグネシウムアンモニウムの形成を促進させる手段、前記工程で回収したリン酸マグネシウムアンモニウムを前記消化汚泥の濃縮分離水又は脱水ろ液からのリン酸マグネシウムアンモニウムの生成工程の反応タンク内に添加することによりリン酸マグネシウムアンモニウムの形成を促進させる手段のうちの少なくとも１つの手段を行うことを特徴とする請求項１に記載の有機性廃水の処理方法。
【請求項３】
前記嫌気性消化−リン酸マグネシウムアンモニウム生成処理を行う反応槽内のマグネシウムイオン濃度及びｐＨのうちの１つ以上の項目の値を指標として、該反応槽に添加するマグネシウム源及びｐＨ調整剤の添加量を調整することを特徴とする請求項２に記載の有機性廃水の処理方法。
【請求項４】
有機性廃水の処理方法が、最初沈殿池、好気性微生物による生物処理反応工程、最終沈殿池の順に進行する処理方法であって、最初沈殿池で分離した汚泥と最終沈殿池で分離した汚泥からの余剰汚泥に対して別々の反応槽を用いて嫌気性消化処理を施し、前記余剰汚泥についての嫌気性消化処理について前記嫌気性消化−リン酸マグネシウムアンモニウム生成工程を採用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の有機性廃水の処理方法。
【請求項５】
微生物の代謝を利用した有機性廃水処理工程で発生する余剰汚泥に対して処理を行い、かつ前記廃水中に含まれる窒素及び／又はリンをリン酸マグネシウムアンモニウムの形態で系外に取り出す工程を行う有機性廃水の処理装置において、前記余剰汚泥に対して嫌気性消化処理を行い、かつその処理工程でマグネシウム源を添加して前記汚泥中に含まれるリン又はリンと窒素からリン酸マグネシウムアンモニウムを生成せしめ、生成したリン酸マグネシウムアンモニウムを消化汚泥から分離し回収する分離装置と、リン酸マグネシウムアンモニウム除去後の消化汚泥の濃縮分離水または消化汚泥の脱水ろ液の内少なくとも１つにマグネシウム源及びｐＨ調整剤を添加する装置、及び混合する手段を有し、対象液中よりリン酸マグネシウムアンモニウムを生成する反応槽、分離回収装置を有することを特徴とする有機性廃水の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水処理場、し尿処理場、または各種廃水処理施設等において、活性汚泥法に代表される微生物反応処理を介して有機性廃水を処理するシステムに係わり、更に詳しくは、し尿や浄化槽汚泥の消化脱離液、汚泥の消化液、化学工場排水などの高濃度の有機物、リン及び窒素を含有する廃水から、リン等をリン酸マグネシウムアンモニウム（以後ＭＡＰと略記する）結晶として除去するとともに、該ＭＡＰ結晶を回収する技術において、純度の高い良質のＭＡＰ結晶を効率良く回収する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一般的な脱窒、脱リンの同時処理方法としては、嫌気無酸素好気法などの生物学的処理方法や、嫌気好気法、凝集沈殿法、アルミナ吸着法等を組み合わせた方法等がある。また、近年、し尿処理や下水処理場の脱水工程で発生する返流水や嫌気性消化脱離液等を対象として、ＭＡＰ処理等も試みられている。これらの処理方法の内、嫌気無酸素好気法は、水質の変化や季節変動に伴う外部環境の変化により、処理性能が安定しない等の問題があり、嫌気好気法と凝集沈殿法等を組み合わせた方法は、処理工程が煩雑な上に薬品代をはじめとするランニングコストが大きく問題であった。ＭＡＰ処理法は、先の２法に比べて運転操作の煩雑さは少なく、特にリンの回収を行える上、回収されたＭＡＰ造粒物は優れた肥料としての付加価値があり、資源の有効利用の点からも優れたリン及び窒素の除去技術といえる。
【０００３】
しかし、ＭＡＰ法の場合も、▲１▼ｐＨ調整剤としての水酸化ナトリウムや、添加剤としての塩化マグネシウム等の薬品コストが大きい、▲２▼１時間未満程度の短時間で急速にＭＡＰ晶析させる（急速ＭＡＰ反応と略記す）と微細なＭＡＰ粒子が生成され、ＭＡＰ反応槽からリークし、ＭＡＰ回収率が約６〜７割程度に低下する場合がある、▲３▼急速ＭＡＰ反応は、約４００ｍｇ／リットル以上のＳＳが対象液中に混在すると、ＳＳがＭＡＰ晶析物と絡み合い、純度の高いＭＡＰ結晶として回収できない、▲４▼ＭＡＰ処理工程の前段に嫌気性消化工程を採用している場合においては、嫌気性消化工程において、汚泥中の溶解性マグネシウム律速となるＭＡＰ反応が、反応槽内ですでに行われており、生成されたＭＡＰ粒子は、そのままではＳＳとの分離が困難であるため、消化汚泥に混在した状態で回収されないまま、汚泥とともに処分されている等の問題点である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来技術の問題点を解決することを目的とする。すなわち、本発明は、リン及び窒素を含有する有機性廃水の処理システムのうち、リン及び窒素の一部をリン酸マグネシウムアンモニウム（ＭＡＰ）結晶として除去するとともに、該ＭＡＰ結晶を回収する技術において、純度の高い良質のＭＡＰ結晶を生成させ、ＭＡＰ回収率を飛躍的に向上させるとともに、ＭＡＰ回収重量当りの薬品使用コストを大幅に軽減し、効率良くＭＡＰを回収する方法及び装置を提供することを課題とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、長年にわたる調査、研究の結果、微生物の代謝を利用した有機性廃水処理方法において、その処理工程で発生する余剰汚泥に対して嫌気性消化処理を行うと共に、ＭＡＰ生成反応を生起させ、その嫌気性消化処理−ＭＡＰ生成工程で汚泥中に生成するＭＡＰ粒子を汚泥から分離し、回収する工程（「消化ＭＡＰ工程」ともいう）を組み入れることによって、ＭＡＰを効率良く回収し、資源の有効利用の点からも優れたリン及び窒素の除去が可能となることを見出した。
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
【０００６】
本発明は、下記に示す手段によって上記課題を解決することができた。
（１）微生物の代謝を利用した有機性廃水処理工程で発生する余剰汚泥に対して処理を行い、かつ前記廃水中に含まれる窒素及び／又はリンをリン酸マグネシウムアンモニウムの形態で系外に取り出す工程を有する処理方法において、前記余剰汚泥に対して嫌気性消化処理を行い、かつその処理工程でマグネシウム源を添加して前記汚泥中に含まれるリン又はリンと窒素からリン酸マグネシウムアンモニウムを生成せしめ、生成したリン酸マグネシウムアンモニウムを消化汚泥から分離し回収する工程と、リン酸マグネシウムアンモニウム除去後の消化汚泥の濃縮分離水または消化汚泥の脱水ろ液の内少なくとも１つにマグネシウム源及びｐＨ調整剤を添加、混合することにより、対象液中よりリン酸マグネシウムアンモニウムを生成し回収する工程とを有することを特徴とする有機性廃水の処理方法。
【０００７】
（２）前記嫌気性消化−リン酸マグネシウムアンモニウム生成工程においてマグネシウム源及びｐＨ調整剤を添加することによりリン酸マグネシウムアンモニウムの形成を促進させる手段、前記工程で回収したリン酸マグネシウムアンモニウムを前記消化汚泥の濃縮分離水又は脱水ろ液からのリン酸マグネシウムアンモニウムの生成工程の反応タンク内に添加することによりリン酸マグネシウムアンモニウムの形成を促進させる手段のうちの少なくとも１つの手段を行うことを特徴とする前記（１）に記載の有機性廃水の処理方法。
（３）前記嫌気性消化−リン酸マグネシウムアンモニウム生成処理を行う反応槽内のマグネシウムイオン濃度及びｐＨのうちの１つ以上の項目の値を指標として、該反応槽に添加するマグネシウム源及びｐＨ調整剤の添加量を調整することを特徴とする前記（２）に記載の有機性廃水の処理方法。
（４）有機性廃水の処理方法が、最初沈殿池、好気性微生物による生物処理反応工程、最終沈殿池の順に進行する処理方法であって、最初沈殿池で分離した汚泥と最終沈殿池で分離した汚泥からの余剰汚泥に対して別々の反応槽を用いて嫌気性消化処理を施し、前記余剰汚泥についての嫌気性消化処理について前記嫌気性消化−リン酸マグネシウムアンモニウム生成工程を採用することを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の有機性廃水の処理方法。
【０００８】
（５）微生物の代謝を利用した有機性廃水処理工程で発生する余剰汚泥に対して処理を行い、かつ前記廃水中に含まれる窒素及び／又はリンをリン酸マグネシウムアンモニウムの形態で系外に取り出す工程を行う有機性廃水の処理装置において、前記余剰汚泥に対して嫌気性消化処理を行い、かつその処理工程でマグネシウム源を添加して前記汚泥中に含まれるリン又はリンと窒素からリン酸マグネシウムアンモニウムを生成せしめ、生成したリン酸マグネシウムアンモニウムを消化汚泥から分離し回収する分離装置と、リン酸マグネシウムアンモニウム除去後の消化汚泥の濃縮分離水または消化汚泥の脱水ろ液の内少なくとも１つにマグネシウム源及びｐＨ調整剤を添加する装置、及び混合する手段を有し、対象液中よりリン酸マグネシウムアンモニウムを生成する反応槽、分離回収装置を有することを特徴とする有機性廃水の処理装置。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
以下に示す基本フローからなる有機性廃水の処理プロセスは、上記の課題を解決するために提案するものである。
すなわち、微生物の代謝を利用した有機性廃水の処理方法において、前記生物処理工程で発生する余剰汚泥に対して嫌気性消化処理を行うと共に、廃水中に含まれる窒素及び／又はリンからリン酸マグネシウムアンモニウム（ＭＡＰ）を生成させ、前記嫌気性消化処理工程において汚泥中に生成したＭＡＰ粒子を汚泥から分離し、回収する工程（嫌気性消化−リン酸マグネシウムアンモニウム生成工程、「消化ＭＡＰ工程」）を組み入れることで、従来までは廃棄物として汚泥とともに処理、または処分されていたＭＡＰを回収し、有効利用することが可能となる。
【００１０】
さらに、ＭＡＰ除去後の消化汚泥に対して、濃縮操作、「希釈操作＋濃縮操作」、及び脱水操作等を行うことより、ＳＳの比較的小さい分離水を分離し、該分離水に対してマグネシウム源及び／又はｐＨ調整剤を添加、混合することにより、消化ＭＡＰ回収工程において回収しきれなかったリン及び窒素の一部をＭＡＰとして生成、回収する（「分離水ＭＡＰ回収工程」）ことが可能になる。分離水ＭＡＰ回収工程により、対象水中に含有されるリン、窒素等の量をさらに軽減できるとともに、有価物の回収を効率よく行うことができる。
【００１１】
また、従来法の嫌気性消化槽内において進行するＭＡＰ反応は、反応槽内のＭｇイオン濃度が律速段階となる場合が多いという知見と、Ｍｇ源を反応槽内に徐々に供給することによりＭＡＰ生成がさらに進行する現象を根拠として、ＭＡＰの生成を促進させる操作として、嫌気性消化工程を行う反応槽内に直接、又は該反応槽内の汚泥を別の槽に取り出し、その槽内に対して、マグネシウム源及びｐＨ調整剤を、必要に応じて添加する手段を採用することにより、廃水中のリン、窒素などをＭＡＰとして回収率を高めることが可能になる。この時、嫌気性消化槽内に添加するＭｇ源やｐＨ調整剤は、原汚泥中に含有されるＭｇやアルカリ度が適正量存在する場合等には、別段嫌気性消化槽内に薬剤を添加する必要は無い。
【００１２】
また、消化ＭＡＰ回収工程において回収した純度の高いＭＡＰ結晶を、分離水ＭＡＰ回収工程の反応タンク内に添加することにより、該ＭＡＰ結晶が、分離水ＭＡＰ回収工程におけるＭＡＰ形成の核として働き、ＭＡＰ反応が促進され効果的である。
【００１３】
さらに、高濃度のＳＳ分が共存する嫌気性消化槽内で、純度の高いＭＡＰ結晶を成長させるために、該槽内Ｍｇイオン濃度と該槽内ｐＨを指標として、該槽に添加するマグネシウム源及びｐＨ調整剤の添加量を調整することにより、より効率的にＭＡＰ生成反応を進行させるとともに、純度の高いＭＡＰ結晶を回収することが可能となる。
特に主に下水由来の汚泥を対象とした嫌気性消化工程においては、反応槽内のマグネシウムイオンの濃度を約１０〜３０ｍｇ／リットル程度に、反応槽内ｐＨを７．４〜７．９程度となるように、マグネシウム源及びｐＨ調整剤の添加量を調整することにより、ＭＡＰ生成効率が高まる。
Ｍｇイオンや水素イオン濃度がこれらの値よりも大幅に大きい場合は、ＭＡＰ反応が急速に進行し、数十分未満の反応時間でＭＡＰ結晶が晶析するが、このＭＡＰ結晶の中にはＳＳ成分が取り込まれる場合が多く、ＭＡＰ成分とＳＳを分離することが困難で、純度の低いＭＡＰ結晶しか回収できない。
【００１４】
純度の低いＭＡＰ結晶は、有効利用の使用用途を限定し、ＭＡＰの製品価値を大きく下げてしまうので望ましくない。本発明で採用するＭＡＰ処理において、ＳＳと混在しながら成長するＭＡＰ粒子は、長さ１〜５ｍｍの棒状で無色透明である。さらに、この結晶は比重が１．７程度で非常に沈降性が良く、結晶表面が滑らかできょう雑物と絡みにくい性質があり、汚泥中の他のＳＳ成分との分離性が高い。また、この結晶の形態は、複数回のＸ線回析（ＸＲＤ）分析結果により、９８％以上がＭＡＰ成分であることが判明している。
このように純度の高いＭＡＰ結晶が生成される理由は、嫌気性消化反応槽内の汚泥滞留時間が数十日という長い時間である点と、晶析条件を意図的にＭＡＰ反応速度を高めない条件下に設定している点にあると考えられる。
【００１５】
また、消化ＭＡＰ工程における汚泥とＭＡＰの分離操作に関しては、先に述べたように消化ＭＡＰ回収工程で発生するＭＡＰ粒子と、汚泥中の他のＳＳ成分の比重差を利用した分離操作により、ＭＡＰとＳＳ成分との分離が比較的容易に行える。具体的には、重力沈降分離や遠心分離により分離が可能である。
さらに、該ＭＡＰ分離操作を効率よく行うための手段としては、消化ＭＡＰ回収工程、消化ＭＡＰ回収工程の前段、または消化ＭＡＰ回収工程の後段のいずれかの工程において、汚泥に対してＳＳ濃度約５０ｍｇ／リットル以下の水により該汚泥を希釈し、汚泥全体の比重を低下させることで、ＭＡＰと汚泥の比重差を利用した分離手段の分離効率が高まる。希釈水としては、該有機性廃水処理システムの処理水を使用することが効率的であり、希釈倍率としては１〜４倍程度が望ましい。
【００１６】
また、該有機性廃水処理方法が、最初沈殿池、好気性微生物による生物処理反応工程、最終沈殿池の順に進行する処理方法であって、最初沈殿池で分離した汚泥（初沈汚泥）と、最終沈殿池で分離した汚泥の一部（余剰汚泥）に対して、別々の反応槽を用いて嫌気性消化処理を施し、余剰汚泥の嫌気性消化工程においてのみ消化ＭＡＰ工程を採用することにより、さらに効率よく汚泥とＭＡＰの分離が行える。
【００１７】
そのメカニズムについて説明する。有機性廃水処理システムから発生する汚泥中のリン含率は、水処理系の処理方式により異なるが、一般的には、余剰汚泥の方が初沈汚泥よりもリン含率が大幅に高い。したがって、両汚泥に対して嫌気性消化を行う場合に発生するＭＡＰは、余剰消化汚泥の方がはるかに大きく、余剰消化汚泥のみからＭＡＰを回収することで、嫌気性消化工程全体において発生するＭＡＰ粒子の約８割以上を回収することが可能である。
しかも、初沈汚泥中には、トイレットペーパー由来の繊維状物質や、植物の種等の難消化分解性のきょう雑物が多く混入しており、それらの一部は嫌気性消化工程後も汚泥中に残留するために、汚泥とＭＡＰ粒子の分離操作に悪影響を及ぼす可能性がある。そのため、初沈汚泥由来のきょう雑物が混入していない、活性汚泥性微生物由来の余剰汚泥のみから、ＭＡＰ回収を行う方法は有効である。初沈消化汚泥の溶解性のリン及び窒素成分は、後段の分離水ＭＡＰ工程においてＭＡＰとして回収される。
【００１８】
【実施例】
次に、本発明の廃水処理技術を実際に組み込んだ実験プラントの運転結果の一例について詳細に説明する。ただし、本発明は本実施例に限定されるものではない。
【００１９】
実施例１
図１に本発明の実験プラントのブロック工程を示す。この実施例は、実際の下水処理場に流入する汚水を使用した。
水処理系は、最初沈殿池１、生物反応工程２、最終沈殿池３の順序で処理され、生物反応工程は、主として好気性微生物を使用した活性汚泥処理法を採用した。
汚泥処理系は、初沈汚泥１１を嫌気的条件下において減容化する初沈汚泥消化工程４ａに、余剰汚泥３１を嫌気的条件下において減容化する余剰汚泥消化工程４ｂに、それぞれ導入し処理を行った。いずれの消化工程も３５℃の中温消化とし、滞留日数は約２０日とした。
【００２０】
余剰汚泥消化工程４ｂにおいて、反応槽内のＭｇイオン濃度は１５ｍｇ／リットルに、ｐＨは７．８となるように、適宜Ｍｇ源及びｐＨ調整剤を供給した。余剰汚泥消化工程４ｂを経た余剰消化汚泥４ｂ１中に含まれるＭＡＰ粒子５ａ２は、高ＳＳ下ＭＡＰ回収工程５ａにおいて分離、回収される。該ＭＡＰ粒子５ａ２の一部は、後段の低ＳＳ下ＭＡＰ回収工程５ｂにおいて、ＭＡＰ反応の核として添加することで反応速度を高めている。
【００２１】
初沈汚泥消化工程４ａを経た初沈消化汚泥４ａ１と、高ＳＳ下ＭＡＰ回収工程５ａを経たＭＡＰ回収済余剰消化汚泥５ａ１は、脱水工程６において脱水処理され、脱水ケーキ６１は廃棄物として処理される。脱水工程６からの脱水ろ液６２は、後段の低ＳＳ下ＭＡＰ回収工程５ｂにおいて、ｐＨ：８．５、Ｍｇ／Ｐ比：１．３、滞留時間１５分の条件下においてＭＡＰ処理を行い、生成されたＭＡＰ粒子５ｂ２を脱水ろ液中から回収した。ＭＡＰ粒子５ｂ２回収後の脱離液５ｂ１は、水処理系の生物反応工程２の流入水と混合されて、生物反応処理を受ける。
【００２２】
この実施例では、本発明法の実験プラントとともに従来法の実験プラントも合わせて併設し、運転を行った。
従来法の実験プラントのブロック工程図を図２に示す。最終沈殿池３からの余剰汚泥３１と初沈汚泥１１は、消化工程４ｃにて消化され、混合消化汚泥４ｃ１は脱水工程６にて脱水され、脱水ケーキ６１が排出される。一方、脱水ろ液６２は、ＭＡＰ回収工程５ｂに移され、ＭＡＰ５ｂ２が回収される。脱離液５ｂ１は生物反応工程２に返送される。
従来法の実験プラントでは、初沈汚泥１１と余剰汚泥３１とを全量混合した後に、消化工程を施した。消化の条件は、本発明法と同様に３５℃、滞留日数２０日とした。混合消化汚泥４ｃ１は脱水工程６において脱水処理され、脱水ケーキ６１は廃棄物として処理した。脱水工程６からの脱水ろ液６２は、本発明法の低ＳＳ下ＭＡＰ回収工程５ｂと同様な条件ｐＨ８．５、Ｍｇ／Ｐ比１．３、滞留時間１５分の条件下においてＭＡＰ処理を行った。
その処理結果を第１表に示す。
【００２３】
【表１】
0003646925.tif 000002
【００２４】
処理水の水質としては、従来法のＴ−Ｐ，Ｔ−Ｎはそれぞれ０．９５ｍｇ／リットル、６．７ｍｇ／リットルであるのに対して、本発明法が０．６８ｍｇ／リットル、５．９ｍｇ／リットルであり、本発明法の方が良好な成績であった。薬品使用量としては、相対的に大きな差はなかった。最も重要なＭＡＰ回収率としては、従来法１００に対して本発明法が１９２で、ほぼ２倍量の回収が可能となった。この２倍という差が水処理系の処理水質と薬品添加量の差と比較して非常に大きいのは、従来法の消化工程において発生しているＭＡＰ粒子の大部分が脱水ケーキとして回収されないまま廃棄されているのに対して、本発明法ではＭＡＰ回収工程５ａにおいて大量に回収されていることが起因していると思われる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、微生物の代謝を利用した有機性廃水処理方法の、嫌気性消化処理においてＭＡＰを生成させ、そのＭＡＰを汚泥から分離し回収する消化ＭＡＰ回収工程と、ＭＡＰ除去後の消化汚泥の濃縮分離水又は消化汚泥の脱水ろ液の内少なくとも１つに対して、マグネシウム源及びｐＨ調整剤を添加混合することにより、対象液中よりＭＡＰを生成し回収する分離水ＭＡＰ回収工程の２工程を有することにより、純度の高い良質のＭＡＰ結晶を生成させ、ＭＡＰ回収率を飛躍的に向上させるとともに、ＭＡＰ回収重量当りの薬品使用コストを大幅に軽減し、効率良くＭＡＰを回収することができる。その結果、従来は廃棄物として汚泥とともに処理、または処分されていたＭＡＰを回収し、有効利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有機性廃水の処理方法を示すブロック工程図である。
【図２】従来法の有機性廃水の処理方法を示すブロック工程図である。
【符号の説明】
１      最初沈殿池
２      生物反応工程
３      最終沈殿池
４ａ    初沈汚泥消化工程
４ｂ    余剰汚泥消化工程
４ｃ    消化工程
５ａ    高ＳＳ下ＭＡＰ回収工程
５ｂ    低ＳＳ下ＭＡＰ回収工程
６      脱水工程
１１    初沈汚泥
３１    余剰汚泥
３２    返送汚泥
４ａ１  初沈消化汚泥
４ｂ１  余剰消化汚泥
４ｃ１  混合消化汚泥
５ａ１  余剰消化汚泥
５ａ２  ＭＡＰ
５ｂ１  脱離液
５ｂ２  ＭＡＰ
６１    脱水ケーキ
６２    脱水ろ液
【図１】
0003646925.tif 000003
【図２】
0003646925.tif 000004