(57)【要約】本発明は、リン及び窒素を含有する排水からリン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結晶を効率よく回収する方法及び装置を提供することを目的とする。かかる課題の解決手段として、有機性排水の生物処理システムで生成する汚泥混合液を、嫌気性消化槽で処理することによって汚泥の消化を行うと共に、該嫌気性消化槽にマグネシウム源を添加することによって、該嫌気性消化槽内でＭＡＰの結晶粒子を生成及び成長させ、該嫌気性消化槽からＭＡＰ結晶を含む汚泥混合液を引き抜き、該引き抜き汚泥混合液からＭＡＰ結晶粒子を含む固形物を分離及び回収し、ＭＡＰ結晶粒子が分離回収された後の汚泥混合液の一部を嫌気性消化槽に戻すことを特徴とする汚泥処理方法に関する。
2003086990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性排水の生物処理システムで生成する汚泥混合液を、嫌気性消化槽で処理することによって汚泥の消化を行うと共に、該嫌気性消化槽にマグネシウム源を添加することによって、該嫌気性消化槽内でリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶粒子を生成及び成長させ、該嫌気性消化槽からリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶を含む汚泥混合液を引き抜き、該引き抜き汚泥混合液からリン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子を含む固形物を分離及び回収し、リン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子が分離回収された後の汚泥混合液の一部を嫌気性消化槽に戻すことを特徴とする汚泥処理方法。
【請求項２】
引き抜き汚泥混合液からリン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子を含む固形物を分離及び回収する工程を、液体サイクロンによって行う請求項１に記載の方法。
【請求項３】
嫌気性消化槽に添加するマグネシウム源が水酸化マグネシウム又は酸化マグネシウムである請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
マグネシウム源として、水酸化マグネシウム又は酸化マグネシウムを海水又は井水に溶解した溶液を嫌気性消化槽に添加する請求項３に記載の方法。
【請求項５】
リン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子が分離回収された後の汚泥混合液の嫌気性消化槽への返送量が、嫌気性消化槽への汚泥混合液の投入量の０．５〜４倍量であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
有機性排水の生物処理システムで生成する汚泥混合液を受容して、汚泥の消化を行うと共にリン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子の生成・生長を行う嫌気性消化槽；該嫌気性消化槽にマグネシウム源を供給するマグネシウム源供給装置；嫌気性消化槽から、汚泥混合液を取り出すための汚泥引抜き管；汚泥引抜き管を通して嫌気性消化槽から取り出された汚泥混合液を受容して、リン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子を含む固形物を分離及び回収するための固液分離装置；固液分離装置から回収されるリン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子が分離回収された後の汚泥混合液の一部を嫌気性消化槽に戻すための配管；を具備することを特徴とする汚泥処理装置。
【請求項７】
固液分離装置が液体サイクロンである請求項６に記載の装置。
【請求項８】
晶析法によって被処理液中の被除去イオンを除去する方法であって、被除去イオンを含む被処理水を晶析反応槽に導入し、晶析反応槽に、被処理水中の被除去イオンと反応して難溶性の塩を形成するイオンを供給して被除去イオンの難溶性塩の結晶粒子を成長させ、次に反応液を固液分離して成長した結晶粒子を分離回収し、成長した結晶粒子が分離回収された後の反応液の一部を、晶析反応槽に戻すことを特徴とする液中イオンの除去方法。
【請求項９】
被除去イオンを含む被処理水を受容して、被除去イオンの難溶性の塩を形成させる晶析反応槽；晶析反応槽に、被処理水中の被除去イオンと反応して難溶性の塩を形成するイオンを供給する塩形成イオン供給装置；晶析反応槽から、反応後の反応液を取り出すための反応液排出管；反応液排出管を通して晶析反応槽から取り出された反応液を固液分離して、成長した結晶粒子を分離回収するための固液分離装置；固液分離装置から回収される成長結晶粒子が分離回収された後の反応液の一部を、晶析反応槽に戻すための配管；を具備することを特徴とする晶析反応装置。
【請求項１０】
有機性排水の生物処理システムで生成する汚泥混合液を、酸発酵槽で酸発酵処理した後、粒子熟成槽においてマグネシウム源を添加してリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶粒子を成長させ、次に嫌気性消化槽で処理することによって汚泥の消化及びリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶粒子を成長を行い、該嫌気性消化槽からリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶を含む汚泥混合液を引き抜き、該引き抜き汚泥混合液からリン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子を含む固形物を分離及び回収し、リン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子が分離回収された後の汚泥混合液の一部を酸発酵槽に供給すると共に、分離回収されたリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶粒子を粒子熟成槽に供給することを特徴とする汚泥処理方法。
【請求項１１】
引き抜き汚泥混合液からリン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子を含む固形物を分離及び回収する工程を、液体サイクロンによって行う請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
嫌気性消化槽に添加するマグネシウム源が水酸化マグネシウム又は酸化マグネシウムである請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
マグネシウム源として、水酸化マグネシウム又は酸化マグネシウムを海水又は井水に溶解した溶液を嫌気性消化槽に添加する請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
リン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子が分離回収された後の汚泥混合液の嫌気性消化槽への返送量が、嫌気性消化槽への汚泥混合液の投入量の０．５〜４倍量であることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
有機性排水の生物処理システムで生成する汚泥混合液を受容して、酸発酵により汚泥の処理を行う酸発酵槽；該酸発酵槽から排出される汚泥混合液にマグネシウム源を添加してリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶粒子を成長させる粒子熟成槽；該粒子熟成槽にマグネシウム源を供給するマグネシウム源供給装置；該粒子熟成槽から排出される汚泥混合液を受容して、汚泥の消化及びリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶粒子を成長を行う嫌気性消化槽；該嫌気性消化槽から汚泥混合液を取り出すための汚泥引き抜き管；該汚泥引抜き管を通して嫌気性消化槽から取り出された汚泥混合液を受容してリン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子を含む固形物を分離及び回収するための固液分離装置；固液分離装置から回収されるリン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子が分離回収された後の汚泥混合液の一部を酸発酵槽に供給するための配管；固液分離装置から回収されるリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶粒子を粒子熟成槽に供給するための配管；を具備することを特徴とする汚泥処理装置。
【請求項１６】
固液分離装置が液体サイクロンである請求項１５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、下水処理場や各種廃水処理施設等において有機性排水又は汚泥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。
背景技術
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の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。ＭＡＰ処理とは、アンモニアを含む被処理水にマグネシウム源及びｐＨ調整剤を加えて反応させることによって、被処理水中のリンをＭＡＰ粒子として晶析させて除去するというものである。
これらの処理方法の中で、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、また、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。これに対して、ＭＡＰ処理法は、先の二法に比べて運転操作の煩雑さは少なく、特にリンの回収を安定的に行える上、回収されるＭＡＰ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。
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、マグネシウム源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」と略記する）と微細なＭＡＰ粒子が生成され、これがＭＡＰ反応槽からリークするために、ＭＡＰ回収率が６０〜７０％程度に低下する場合がある；（３）急速ＭＡＰ反応は、約４００ｍｇ／Ｌ以上のＳＳが液中に混在すると、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等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が律速となる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などの問題点がある。
本発明者らは上述した従来の問題を解決する手段として、廃水中のリンを効率良くＭＡＰとして回収する技術を提案した（特開２００２−４５８８９号）。ここで提案された方法の概要を図４に示す。有機性排水１は、最初沈殿池２で固液分離されて汚泥混合液３（初沈汚泥）が分離除去された後、生物反応槽４で生物処理がなされる。生物反応槽４から排出される活性汚泥混合液５は、最終沈殿池６で固液分離されて、処理水７が取り出されると共に、汚泥混合液８（余剰汚泥）が回収される。このような有機性排水処理システムから発生する汚泥混合液３及び８を、嫌気性消化槽５１に導入する。嫌気性消化槽５１にマグネシウム源５５を供給して、消化槽５１内で嫌気菌による汚泥中の有機物の消化を行うと共に、ＭＡＰ生成反応を進行させてＭＡＰ結晶粒子を生成せしめる。得られたＭＡＰ結晶粒子を含む汚泥混合液を、液体サイクロンなどのＭＡＰ回収装置５２で処理して生成したＭＡＰ結晶粒子５６を分離回収する。ＭＡＰ結晶粒子が分離された後の汚泥混合液５７は、脱水装置５３に導入してＳＳ分を脱水ケーキ５８として回収する。脱水装置によって得られる分離水５９は、次に第二晶析槽５４に導入して、マグネシウム源６０及びｐＨ調整剤６１を添加、混合することにより再びＭＡＰ粒子６２を生成・回収する。ＭＡＰ粒子が回収された後の脱離液６３は、最初沈殿槽２に戻すことができる。この方法によれば、嫌気性消化槽内での一段目のＭＡＰ生成・回収工程において、分離水中に混入してしまうＭＡＰの微細粒子や未反応のリンを、第二晶析槽での二段目のＭＡＰ生成工程で晶析・結晶成長させて回収することで、排水中のリン回収効率を大幅に高めることが可能となった。
本発明者らは、さらにかかる方法を詳細に検討した結果、その経済的あるいは操作の容易性などの点からいうと、ＭＡＰ回収率の向上と安定化、生成ＭＡＰの高純度化、薬品使用量の低減化、及び処理システムの簡略化に関して、さらに向上させることが必要であることが分かった。
発明の開示
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決し、特開２００２−４５８８９号で提案した方法を更に改良することを目的とする。すなわち、本発明は、有機性排水又は汚泥処理システムの中で、特に有機物、窒素、リンを含有する廃水、例えば、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又は汚泥に対して、嫌気性処理を行うと共に被処理水中のリンをリン酸マグネシウムアンモニウム結晶として除去するＭＡＰ処理法において、薬剤の使用量を大幅に低減化するとともに、窒素及びリンの除去効率を大幅に向上且つ安定化し、更に生成ＭＡＰの高純度化を可能にし、且つ処理システムの簡略化を可能にする方法及び装置を提供する。
本発明は、上記課題を以下に示す手段によって解決する。
１．  有機性排水の生物処理システムで生成する汚泥混合液を、嫌気性消化槽で処理することによって汚泥の消化を行うと共に、該嫌気性消化槽にマグネシウム源を添加することによって、該嫌気性消化槽内でリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶粒子を生成及び成長させ、該嫌気性消化槽からリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶を含む汚泥混合液を引き抜き、該引き抜き汚泥混合液からリン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子を含む固形物を分離及び回収し、リン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子が分離回収された後の汚泥混合液の一部を嫌気性消化槽に戻すことを特徴とする汚泥処理方法。
２．  引き抜き汚泥混合液からリン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子を含む固形物を分離及び回収する工程を、液体サイクロンによって行う上記第１項に記載の方法。
３．  嫌気性消化槽に添加するマグネシウム源が水酸化マグネシウム又は酸化マグネシウムである上記第１項又は第２項に記載の方法。
４．マグネシウム源として、水酸化マグネシウム又は酸化マグネシウムを海水又は井水に溶解した溶液を嫌気性消化槽に添加する上記第３項に記載の方法。
５．  リン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子が分離回収された後の汚泥混合液の嫌気性消化槽への返送量が、嫌気性消化槽への汚泥混合液の投入量の０．５〜４倍量であることを特徴とする上記第１項〜第４項のいずれかに記載の方法。
発明を実施するための最良の形態
以下に、本発明の実施の形態を図１に基づいて説明する。
図１は、最初沈殿池２、曝気槽などのような生物反応槽４及び最終沈殿池６からなる有機性排水処理システムから排出される濃縮汚泥を、本発明の一態様に係る処理方法によって処理して、汚泥の消化とＭＡＰの生成回収によるリンの除去とを行うプロセスの全体像を示すブロック図である。有機性排水処理システムにおいて、処理対象の有機性排水１は、最初沈殿池２で固液分離されて汚泥混合液３（初沈汚泥）が分離除去された後、生物反応槽４で生物処理がなされる。生物反応槽４から排出される活性汚泥混合液５は、最終沈殿池６で固液分離されて、処理水７が取り出されると共に、汚泥混合液８（余剰汚泥）が回収される。このような有機性排水処理システムから発生する汚泥混合液３及び８は、汚泥濃縮装置９で濃縮された後、嫌気性消化槽１０に導入されて、酸発酵及びメタン発酵などによる有機性汚泥の嫌気性消化が行われる。汚泥濃縮装置９からの脱離液２０は最初沈殿池に戻すことができる。嫌気性消化槽１０では、また、マグネシウム源１１が供給されて、被処理水中のリン及びアンモニアと反応することでＭＡＰ粒子が晶析反応によって生成・成長する。
嫌気性消化槽１０において、有機性汚泥の嫌気性消化及びＭＡＰ粒子の生成・成長を行った後、消化槽１０から汚泥混合液又は排水（以下、汚泥混合液という）を引き抜き、ＭＡＰ回収装置１３で、ＭＡＰ粒子を汚泥混合液から分離・回収する。ＭＡＰ回収装置１３としては、液体サイクロンなどを用いることができるが、鉱山分野で利用されている浮遊選鉱などの鉱山分野技術を利用することもできる。
ＭＡＰ回収装置１３においてＭＡＰ粒子１４が分離除去された汚泥混合液１５の一部は、汚泥脱水装置１６に導入されて、脱水処理にかけられた後、脱水ケーキ等の廃棄物１７として系外に排出される。脱水装置から排出される脱水濾液１９は、最初沈殿槽２に戻すことができる。図１に示す本発明の一態様にかかるプロセスにおいて重要なポイントは、ＭＡＰ粒子の分離除去後の汚泥混合液１５の一部を嫌気性消化槽１０に戻すことである。液体サイクロンなどのＭＡＰ回収装置でＭＡＰ粒子を分離除去した後の汚泥混合液中には、わずかではあるが、ＭＡＰ回収装置で分離除去しきれない径１００μｍ程度の微細なＭＡＰ粒子が残存する。これを嫌気性消化槽１０に戻すことによって、消化槽１０内においてＭＡＰの種粒子（種晶）として供することができる。本発明者らの研究により、このように嫌気性消化槽１０において微細なＭＡＰ種粒子を存在させてＭＡＰの晶析反応を進行させることにより、さらに生成ＭＡＰ粒子の平均粒子径を大きくしたり、均一化することができることがわかった。
本発明者らが様々な実験を繰り返したところ、ＭＡＰ回収装置１３から消化槽１０への汚泥混合液返送量は、嫌気性消化槽１０へ投入する汚泥混合液の量に対して、０．５〜４倍量とすることが適切であることが分かった。汚泥混合液の返送量が投入量の０．５倍量以下では生成粒子径に変化が見られず、また４倍量以上としてもそれ以上の改善効果が見られない。
嫌気性消化槽１０内でのＭＡＰの回収率を高めるためには、純度が高く粒子径が大きいＭＡＰ粒子の比率を高める必要がある。そのためには、できるだけＭＡＰ晶析に適した条件を嫌気性消化槽１０内に作り上げる必要がある。そのためには、嫌気性消化槽内の撹拌機構として、消化槽内を効率的に均一化するとともに、比重の大きいＭＡＰ粒子が槽底部の引き抜き管近傍に集まりやすくなるような形態のものを採用することが好ましい。、例えば、卵形及び亀甲形の消化槽において、槽中央にドラフトチューブ、ドラフトチューブ内にエアリフトポンプを装備し、ドラフトチューブ内の上昇流から旋回流を生じさせるような撹拌方法が、ＭＡＰ粒子を成長・熟成させる撹拌方式として比較的有効である。汚泥の引き抜き管は、嫌気性消化槽１０の底部に沈降した比重の大きいＭＡＰ粒子が集まりやすい部分に接続することが望ましい。
嫌気性消化槽１０から引き抜かれた汚泥混合液１２は、ＭＡＰ回収装置１３として比重差を利用した固液分離装置によって処理することにより、ＭＡＰ粒子１４を中心とした固形物とそれ以外の液体、即ち汚泥混合液１５とに分離することができる。特に、固液分離装置として液体サイクロンを使用すると、ＭＡＰ粒子などの固形物と汚泥混合液との固液分離を容易に行うことができる。ＭＡＰ結晶粒子を主体とする固形物は、必要ならば更に他の夾雑物と分離することにより、回収した固形物中のＭＡＰ純度をさらに高めることが可能である。ＭＡＰ粒子が取り除かれた汚泥混合液１５は、一部を汚泥脱水装置１６に導いて脱水処理を行う。この時点で、汚泥混合液中に混在するＭＡＰ粒子は大幅に減少しているので、脱水処理後の脱水ケーキ１７を廃棄物として処理した場合においても、脱水ケーキ中のリン含率は比較的低く、リンのリサイクルの観点からも有効である。しかしながら、上述したように、液体サイクロンなどの固液分離装置で処理した後の汚泥混合液には粒径約１００μｍ以下の微細なＭＡＰ粒子の一部が残留しているので、汚泥脱水装置１６に送る汚泥混合液以外の残りの汚泥混合液は、嫌気性消化槽１０に槽上部から戻すことにより、微細なＭＡＰ粒子が種粒子として晶析反応に供されて嫌気性消化槽１０内で成長して、粒径１００μｍ以上の固液分離が容易なレベルまで大きくすることが可能になる。
嫌気性消化槽１０に投入するマグネシウム源としては、水に難溶性のマグネシウム化合物を用いることが好ましい。
本発明者らは、純度の高いＭＡＰ粒子を均一に成長させて、ＭＡＰ粒子の回収率を高く維持する条件についてさまざまな検討を行ったところ、嫌気性消化槽のように滞留時間が非常に長い槽においてＭＡＰ生成反応を均一に生じさせるためには、マグネシウムイオン濃度を低くすることが重要であることを見出した。ＭＡＰ生成の反応を下記の化学反応式（１）に示す。
2003086990.tif 000003
このＭＡＰ生成反応を進行させる嫌気性消化槽では、有機性汚泥を嫌気性処理しているので、ＭＡＰ反応に関与するアンモニウムイオンは常に大過剰の状態にある。したがって、マグネシウム源を嫌気性消化槽１０のように滞留時間の長い槽、言い換えれば非常に大きな槽に添加する際に、溶解度の高いマグネシウム塩として添加してしまうと、局部的にマグネシウムイオンが過剰になり、部分的にＭＡＰ反応が著しく進むところと、マグネシウムイオン濃度が低くＭＡＰ反応の進みにくい部分が生じる。その結果、生成ＭＡＰ粒子の粒子径に大きな違いがみられる。図２に、嫌気性消化槽へ供給するマグネシウム源として、溶解度の高い塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２−６Ｈ２Ｏ）を使用してＭＡＰ生成反応を進行させた場合と、水に難溶性の水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）２）を使用した場合での、生成ＭＡＰ粒子の粒子径分布を観察した結果を示す。図２より、塩化マグネシウムを使用した場合には、粒子径が小さいものから大きいものまで幅広く分布しており且つ不均一であるのに対して、水酸化マグネシウムを使用した場合には、粒子径の大きい側にシフトしており且つ分布が狭くなっているのが分かる
また、さらに重要なことは、局部的にマグネシウムイオンが高く、ＭＡＰ反応が急速に進む場合は、ＭＡＰ生成時にＳＳ（汚泥）を取り込み、生成ＭＡＰの純度を下げる傾向も見られた。嫌気性消化槽１０のように数十日程度の滞留時間がある場合では、ゆっくりと熟成させることによって純度の高いＭＡＰ粒子を成長させることができる。そのためには、液中のマグネシウムイオン濃度を適正レベル以下に下げ、反応速度を下げて、ゆっくりと平衡状態にもっていくことが重要であり、そのために、マグネシウム源として難溶性のマグネシウム化合物を用いることが好ましい。
水に対して難溶性のマグネシウム化合物としては、例えば、水酸化マグネシウム、酸化マグネシウムなど、工業的に利用できるものであれば何でも良い。
上記に説明したように、液中のマグネシウムイオン濃度を適正レベル以下に下げ、ＭＡＰ生成の反応速度を下げて、ゆっくりと平衡状態にもっていくためには、難溶性のマグネシウム化合物を水中に分散した状態で嫌気性消化槽１０に供給することで、局部的にマグネシウム濃度が高い部分を形成させないようにすることが好ましい。このような目的で難溶性のマグネシウム化合物を分散させる分散媒としては、水の他に、海水や井水を使用することができる。特に、海水や井水にはマグネシウムイオンが含まれているので、これをＭＡＰ生成反応のマグネシウム源として有効利用することができ、外部から供給するマグネシウム化合物の使用量を抑えることができる。したがって、特に排水処理施設が沿岸部や山間部にある場合などには、マグネシウム化合物の分散媒として、容易に入手できる海水や井水を用いることが好ましい。
本発明は、上記に説明した方法を実施するための装置にも関する。即ち、本発明の他の態様は、有機性排水の生物処理システムで生成する汚泥混合液を受容して、汚泥の消化を行うと共にリン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子の生成・生長を行う嫌気性消化槽；該嫌気性消化槽にマグネシウム源を供給するマグネシウム源供給装置；嫌気性消化槽から、汚泥混合液を取り出すための汚泥引抜き管；汚泥引抜き管を通して嫌気性消化槽から取り出された汚泥混合液を受容して、リン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子を含む固形物を分離及び回収するための固液分離装置；固液分離装置から回収されるリン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子が分離回収された後の汚泥混合液の一部を嫌気性消化槽に戻すための配管；を具備することを特徴とする汚泥処理装置に関する。また、本発明は、固液分離装置が液体サイクロンである上記に記載の装置にも関する。
なお、上記に記載した本発明の技術思想は、有機排水の生物処理設備から排出される汚泥混合液からのＭＡＰの回収だけでなく、晶析反応を利用した種々の液中イオンの回収に適用することができる。即ち、本発明の他の態様は、晶析法によって被処理液中の被除去イオンを除去する方法であって、被除去イオンを含む被処理水を晶析反応槽に導入し、晶析反応槽に、被処理水中の被除去イオンと反応して難溶性の塩を形成するイオンを供給して被除去イオンの難溶性塩の結晶粒子を成長させ、次に反応液を固液分離して成長した結晶粒子を分離回収し、成長した結晶粒子が分離回収された後の反応液の一部を、晶析反応槽に戻すことを特徴とする液中イオンの除去方法に関する。かかる方法により、成長した結晶粒子が分離回収された後の反応液中に残存する、固液分離で分離しきれなかった微細結晶粒子が晶析反応槽に供給され、これが種晶粒子となって晶析反応が行われることにより、生成する結晶粒子の平均粒子径を大きくしたり、均一化することができる。
上記の本発明の他の態様にしたがって、例えば、下水の２次処理水や汚泥処理系からの返流水などの廃水にカルシウムを添加してリン酸カルシウム（Ｃａ３（ＰＯ４）２）やヒドロキシアパタイト（Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２：ＨＡＰ）の結晶を析出させることによって廃水中のリン酸イオンを除去したり、フッ素イオンを多く含む半導体工場の廃水にカルシウムを添加してフッ化カルシウム（ＣａＦ２）の結晶を析出させることによって廃水中のフッ素イオンを除去したり、或いは地下水を原水とする用水、排水、ゴミ侵出水などに対して、ｐＨ調整剤や炭酸源を添加して炭酸カルシウムの結晶を析出させることによって被処理水中のカルシウムイオンを除去したり、または炭酸イオンを多く含む硬水にカルシウムイオンを添加して炭酸カルシウムの結晶を析出させることによって硬度を低下させることができる。更には、水道水に炭酸イオンを添加して炭酸マンガンの結晶を析出させることによって水道水中の不純物であるマンガンを除去することができる。いずれの分野においても、本発明によれば、晶析反応によって生成・成長させる結晶粒子の平均粒子径を大きくしたり又は均一化することができる。
また、本発明は、上記の方法を実施するための装置にも関する。即ち、本発明の他の態様は、被除去イオンを含む被処理水を受容して、被除去イオンの難溶性の塩を形成させる晶析反応槽；晶析反応槽に、被処理水中の被除去イオンと反応して難溶性の塩を形成するイオンを供給する塩形成イオン供給装置；晶析反応槽から、反応後の反応液を取り出すための反応液排出管；反応液排出管を通して晶析反応槽から取り出された反応液を固液分離して、成長した結晶粒子を分離回収するための固液分離装置；固液分離装置から回収される成長結晶粒子が分離回収された後の反応液の一部を、晶析反応槽に戻すための配管；を具備することを特徴とする晶析反応装置に関する。
更に、本発明は、汚泥処理のための嫌気性消化槽の前段として酸発酵槽を配置する汚泥処理プロセスにも適用することができる。有機汚泥の嫌気性消化は、主として酸発酵とメタン発酵とによって進行する。即ち、汚泥中の有機成分が酸発酵菌の働きによって分解されて、乳酸、酪酸、プロピオン酸、酢酸などの有機酸が生成し、これらの酸が次にメタン発酵菌の働きによって分解される。当該技術においては、反応槽の設置スペース上の問題や運転操作の簡便性などの理由のために一般には単一の嫌気槽内で酸発酵とメタン発酵の両方を行わせているが、生物学的には、まず酸発酵槽で有機汚泥の酸発酵処理を行い、次に嫌気槽でメタン発酵を行わせるのが効率的且つ理想的である。本発明の他の態様は、このような酸発酵槽−嫌気槽という構成の汚泥処理プロセスにおいて、汚泥の消化処理とＭＡＰの生成・成長とを極めて効率的に行う方法を提供する。
即ち、本発明の他の態様は、有機性排水の生物処理システムで生成する汚泥混合液を、酸発酵槽で酸発酵処理した後、粒子熟成槽においてマグネシウム源を添加してリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶粒子を成長させ、次に嫌気性消化槽で処理することによって汚泥の消化及びリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶粒子を成長を行い、該嫌気性消化槽からリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶を含む汚泥混合液を引き抜き、該引き抜き汚泥混合液からリン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子を含む固形物を分離及び回収し、リン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子が分離回収された後の汚泥混合液の一部を酸発酵槽に供給すると共に、分離回収されたリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶粒子を粒子熟成槽に供給することを特徴とする汚泥処理方法に関する。
本発明のかかる態様に関して、図３に基づいて説明する。なお、図３において、図１と同じ構成要素については同じ参照番号で示し、説明を省略する。図３は、最初沈殿池２、曝気槽などのような生物反応槽４及び最終沈殿池６からなる有機性排水処理システムから排出される濃縮汚泥を、本発明の上記様に係る処理方法によって処理して、汚泥の消化とＭＡＰの生成回収によるリンの除去とを行うプロセスの全体像を示すブロック図である。
有機性排水処理システムの最初沈殿槽２及び最終沈殿槽６から排出される初沈汚泥３及び余剰汚泥８は、汚泥濃縮装置９で濃縮分離される。濃縮装置の脱離液２０は最初沈殿槽６に戻すことができる。汚泥濃縮装置９で濃縮された汚泥混合液は、酸発酵槽３２で酸発酵菌による汚泥中の有機成分の分解を行った後、粒子熟成槽３３で、水酸化マグネシウムや酸化マグネシウムなどのマグネシウム源３６、及び必要に応じてｐＨ調整剤３７が添加されて、ＭＡＰ粒子の成長が行われ、次に嫌気性消化槽１０でメタン発酵などの汚泥消化処理とＭＡＰ粒子の成長が行われた後、液体サイクロンなどの固液分離装置１３で成長ＭＡＰ粒子が分離回収される。分離回収された成長ＭＡＰ粒子の一部３８は、粒子熟成槽３３に供給され、また成長ＭＡＰ粒子が分離回収された後の汚泥混合液１５の一部は、酸発酵槽３２に供給される。
酸発酵槽３２では、酸発酵菌による汚泥中の有機成分の分解が行われるが、それに伴って乳酸、酪酸、プロピオン酸、酢酸等の有機酸が発生してｐＨが低下して、酸発酵の反応速度が低下若しくは停止する。しかしながら、図３に示すシステムにおいては、成長ＭＡＰ粒子が分離回収された後の汚泥混合液１５の一部が酸発酵槽３２に供給される。嫌気性消化槽１０で消化処理され、成長ＭＡＰ粒子が分離回収された後の汚泥混合液１５は、アルカリ成分を多く含んでいるので、これを酸発酵槽３２に供給することにより、酸発酵槽３２でのｐＨの低下を抑制し、酸発酵反応を持続・促進させることができる
酸発酵槽３２で処理された汚泥混合液は、次に粒子熟成槽３３に導入され、ここでマグネシウム源３６及び必要に応じてｐＨ調整剤３７を添加することによって、ＭＡＰ粒子の成長が行われる。図３に示すシステムにおいては、固液分離装置１３で分離回収された粒径約１００μｍ以上の成長ＭＡＰ粒子の一部３８が粒子熟成槽３３に供給される。粒子熟成槽３３に供給された成長ＭＡＰ粒子は、粒子熟成槽３３において種晶として作用して、このＭＡＰ種晶の表面にＭＡＰが析出して、ＭＡＰ粒子が成長する。即ち、粒子熟成槽３３においては、マグネシウム、オルトリン酸、アンモニアイオン、及び種結晶が適度に存在するので、ｐＨを中性領域に維持することでＭＡＰ粒子が成長しやすい環境を作ることができる。なお、粒子熟成槽３３でのｐＨを高くしすぎると微細なＭＡＰ粒子が多く生成し回収が困難になる。
更に、図３に示すシステムでは、上記に説明したように、成長ＭＡＰ粒子が分離回収された後の汚泥混合液１５の一部が酸発酵槽３２に供給される。この汚泥混合液１５は、固液分離装置１３で分離しきれなかった微細なＭＡＰ粒子が含まれる。これを酸発酵槽３２に供給すると、酸発酵槽３２内の酸性のｐＨ条件下で微細ＭＡＰ粒子が溶解性リンとして溶出することが分かった。したがって、図３に示すシステムでは、酸発酵槽３２で微細ＭＡＰ粒子が溶解することで、次段の粒子熟成槽３３においてＭＡＰを生成するイオンが更に大量に存在することになり、ここに成長ＭＡＰ粒子３８を種晶として導入することで、ＭＡＰ種晶の表面でのＭＡＰの晶析が更に促進され、ＭＡＰ粒子の成長をより効果的に行うことができる。
粒子熟成槽３３で成長したＭＡＰ粒子を含む汚泥混合液３４は、次に嫌気性消化槽１０に投入する。嫌気性消化槽１０の大きさは、一般に、粒子熟成槽３３に対して１０〜３０倍の容積とすることが好ましい。嫌気性消化槽１０では、２０日以上の滞留時間の間に有機物が嫌気的に分解されるのに伴い溶解性のリン、マグネシウム、アンモニアが溶出するので、更にＭＡＰ生成反応が生じてＭＡＰ粒子が成長する。嫌気性消化槽１０内ではｐＨを７．０〜７．６の中性領域に維持し、マグネシウムイオン濃度を１０〜３０ｍｇ／Ｌ程度の低レベルに維持することが、高純度かつ大粒径（φ３００μｍ以上）のＭＡＰ粒子を生成するためには望ましい。
成長したＭＡＰ粒子を多く含んだ汚泥混合液１２は、嫌気性消化槽１０の底部から抜出され、液体サイクロンなどの固液分離装置１３により、成長ＭＡＰ粒子を主体とするスラリー状の回収ＭＡＰ１４と、φ１００μｍ以上のＭＡＰ粒子をほとんど含まない汚泥混合液１５に分離される。上述したように、回収ＭＡＰ粒子の一部３８は、粒子熟成反応槽３３に導き、ＭＡＰ晶析反応を促進させるための種晶として使用する。また、成長ＭＡＰ粒子が分離された汚泥混合液１５は、一部を酸発酵槽３２に導き、残りを脱水装置１６に導入し脱水処理する。
本発明は、上記に説明した本発明の他の態様に係る方法を実施するための装置にも関する。即ち、本発明の更に他の態様は、有機性排水の生物処理システムで生成する汚泥混合液を受容して、酸発酵により汚泥の処理を行う酸発酵槽；該酸発酵槽から排出される汚泥混合液にマグネシウム源を添加してリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶粒子を成長させる粒子熟成槽；該粒子熟成槽にマグネシウム源を供給するマグネシウム源供給装置；該粒子熟成槽から排出される汚泥混合液を受容して、汚泥の消化及びリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶粒子を成長を行う嫌気性消化槽；該嫌気性消化槽から汚泥混合液を取り出すための汚泥引き抜き管；該汚泥引抜き管を通して嫌気性消化槽から取り出された汚泥混合液を受容してリン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子を含む固形物を分離及び回収するための固液分離装置；固液分離装置から回収されるリン酸マグネシウムアンモニウム結晶粒子が分離回収された後の汚泥混合液の一部を酸発酵槽に供給するための配管；固液分離装置から回収されるリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶粒子を粒子熟成槽に供給するための配管；を具備することを特徴とする汚泥処理装置に関する。
以下の実施例によって、本発明の各種形態を更に具体的に説明する。ただし、本発明は本実施例に限定されるものではない。
実施例１
本実施例は、Ａ下水処理場の汚泥を使用して、図１に示す構成の装置によって嫌気性消化及びＭＡＰ生成・回収の実験を行った。最初沈殿槽２の初沈汚泥３と最終沈殿槽６の余剰汚泥８を約１：１で混合した後、卵形の嫌気性消化槽１０により滞留日数２５日の中温嫌気性消化処理を行った。嫌気性消化槽でのＭＡＰ生成用の難溶解性マグネシウム源１１として、３５％水酸化マグネシウムを水で濃度１０％に希釈した後に投入汚泥に混合し、これを嫌気性消化槽１０に投入した。
水酸化マグネシウムの添加量は、嫌気性消化槽内のＭｇ濃度が１０〜３０ｍｇ／Ｌの範囲になるように調節した。消化槽内の撹拌方法は、ドラフトチューブ＋エアリフトによる方式を採用した。ｐＨ調整剤は使用しなかったが、実験中の槽内ｐＨは７．０〜７．６の範囲内で推移した。卵形嫌気性消化槽の底部より投入汚泥量（＝１Ｑ）の３倍量（＝３Ｑ）の汚泥１２を引き抜き、液体サイクロン１３によりＭＡＰ結晶１４を分離回収した。ＭＡＰ結晶を分離回収した後の汚泥混合液１５のうち、１Ｑは脱水処理を行い、残りの２Ｑは卵形嫌気性消化槽１０に返送した。この２Ｑの返送汚泥混合液は、投入汚泥と水酸化マグネシウムの混合液に混合した後に卵形嫌気性消化槽１０の上部から投入する方式を採用した。本実施例の結果を表１に示す。
また、従来法１として、水酸化マグネシウムの添加、液体サイクロンによるＭＡＰ回収処理を行わない以外はすべて上記の実施例と同じ条件でも試験を行った。更に、従来法２として、特開２００２−４５８８９号公報の記載にしたがい、図４に示す装置を用いて、初沈汚泥３と余剰汚泥８の混合汚泥を嫌気性消化槽５１に導入し、上記と同様にマグネシウム源５５を添加して嫌気性消化処理を行い、消化槽から引抜いた汚泥混合液をＭＡＰ回収装置（液体サイクロン）５２で処理してＭＡＰ結晶５６の分離回収を行い、ＭＡＰ結晶が分離された汚泥混合液５７を脱水処理した後、脱水濾液５９を水理学的滞留時間３５分の第二晶析槽５４に導入して再びマグネシウム源６０を溶解性Ｐに対して１．３倍のモル比で添加混合し、ｐＨ調整剤６１によりｐＨ８．５に調整することによりＭＡＰ粒子６２を生成させて回収した。これらの結果も合わせて表１に示す。
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卵形嫌気性消化槽に投入した投入汚泥の性状は、平均ＳＳ濃度が４．５％（４５ｇ／Ｌ）、平均Ｔ−Ｐ濃度が１０７０ｍｇ／Ｌであった。従来法１では消化汚泥のＳＳ濃度２．９ｇ／Ｌ、Ｔ−Ｐ濃度１０２０ｍｇ／Ｌ、ＰＯ４−Ｐ濃度３９０ｍｇ／Ｌであり、消化汚泥中には多くのＰＯ４−Ｐが残留していた。従来法２では、投入汚泥１ｍ３当り３．７ｋｇのＭＡＰ結晶を回収し、消化汚泥中のＴ−Ｐは４６０ｍｇ／Ｌであったのに対して、本発明法では投入汚泥１ｍ３当り５．１ｋｇ／ＬのＭＡＰ結晶を回収し、消化汚泥中のＴ−Ｐは３５０ｍｇ／Ｌであった。
本発明法の方が投入汚泥量当りのＭＡＰ回収量で１．４ｋｇ大きく、消化汚泥Ｔ−Ｐで１１０ｍｇ／Ｌ小さかった。また、従来法２では、汚泥中に微細なＭＡＰ粒子が残存していたために、実際に反応槽内で生成されたＭＡＰに対する回収率が小さかった。これに対して、本発明方式では、難溶性のマグネシウム源の使用、反応槽内の撹拌方法の改善、及び液体サイクロン分離後の微細ＭＡＰ粒子の返送等を行うことにより、ＭＡＰ粒子の成長を促しＭＡＰ回収率を向上させることができた。
トータルのＭＡＰ回収量としては、従来法２の方式では４．４ｋｇ／ｍ３、本発明の方式では５．１ｋｇ／ｍ３となり、本発明法の方が０．７ｋｇ／ｍ３大きくなった。また、回収したＭＡＰ粒子の純度は、従来法２では８７％であるのに対して、本発明法は９６％と９ポイント向上した。
以上の結果より、特に微細なＭＡＰが生成されやすいケースにおいて、本発明方式は非常に有効なＭＡＰ回収性能を発揮するといえる。
実施例２
また、実施例１のＡ処理場の汚泥に対して、処理場近くの地下水（Ｍｇ濃度＝４８ｍｇ／Ｌ）を３５％水酸化マグネシウムの希釈水として使用し、投入汚泥１ｍ３あたり１００Ｌの希釈水を使用する運転を行ったところ、水酸化マグネシウム使用量は１０８０ｇ／汚泥・ｍ３から９７０ｇ／汚泥・ｍ３に減少し、薬品使用コストを軽減することが可能となった。マグネシウムを含有する地下水を有効利用することで、ＭＡＰ回収をより低コストで行うことが可能になることが分かった。
実施例３
本実施例は、実施例１と同じＡ下水処理場の汚泥を使用して、図３に示す構成の装置により酸発酵−嫌気性消化及びＭＡＰ生成・回収の実験を行った。最初沈殿槽の初沈汚泥３と最終沈殿槽の余剰汚泥８を約１：１で混合し、遠心濃縮機９により濃縮した。濃縮汚泥を酸発酵槽３２に導入した。酸発酵槽３２には、消化汚泥からＭＡＰ粒子を除去した後のＭＡＰ脱離汚泥１５も導入した。酸発酵槽３２は、水温４０℃に加温し、槽内は撹拌機により混和し、槽内ｐＨは５．０〜５．５に制御した。ｐＨ制御はＭＡＰ脱離汚泥１５の流量制御により行なったが、酸発酵槽３２の水理学的滞留時間は１０時間以上を確保できるように槽容量を決めた。酸発酵槽３２で処理された汚泥混合液を、ＭＡＰ粒子熟成槽３３に導入した。粒子熟成槽３３には、消化汚泥からＭＡＰ回収装置で回収したＭＡＰ粒子を含むスラリー３８、水酸化マグネシウム３６、及びｐＨ調整剤３７としての塩酸又は水酸化ナトリウムを導入した。粒子熟成槽３３は、密閉型で気相のエアーを使用したエアリフトポンプにより槽内を撹拌し、槽内ｐＨは７．０〜７．３になるように制御した。粒子熟成槽３３では、水理学的滞留時間が３時間となるように、槽容量を決めた。
粒子熟成槽３３からの汚泥混合液３４（消化槽投入汚泥）を嫌気性消化槽１０に導入して、滞留日数２５日の中温消化処理を行った。嫌気性消化槽１０内は、粒子熟成槽３３での水酸化マグネシウムの添加により、マグネシウムイオンの濃度が１０〜３０ｍｇ／Ｌの範囲になるように調節した。嫌気性消化槽１０内の撹拌方法はドラフトチューブ＋エアリフトによる方式を採用した。水酸化マグネシウム以外のｐＨ調整機能を持つ添加剤は使用しなかったが、実験中の嫌気性消化槽１０内のｐＨは７．０〜７．６の範囲内で推移した。嫌気性消化槽１０の底部より投入汚泥量（＝１Ｑ）の１．５倍量（＝１．５Ｑ）の汚泥１２を引き抜き、液体サイクロン１３によりＭＡＰ結晶１４を分離回収した。回収されたＭＡＰ粒子の３０％を粒子熟成槽３３に供給し（３８）、ＭＡＰが分離された後の汚泥混合液１５の約０．５Ｑを酸発酵槽３２に供給した。ＭＡＰが分離された後の汚泥混合液１５の残りの１Ｑは、脱水装置１６に導入して脱水した。脱水処理はベルトプレス型脱水機により行った。嫌気性消化槽へ投入された汚泥混合液３４のＳＳ、ＭＡＰ粒子が分離除去された後の汚泥混合液１５のＴ−Ｐ及びＰＯ４−Ｐ、回収されたＭＡＰ１４の純度、ＭＡＰの回収率、リンの回収率を表２に示す。また、従来法として、初沈汚泥と余剰汚泥を混合濃縮したものを、嫌気性消化槽に導入し、単に汚泥の消化を行う方式の実験を合わせて行った。この結果もあわせて表２に示す。更に、上述の実施例１の装置を用いて、嫌気性消化槽への水酸化マグネシウム投入量を８００ｇ／ｍ３として実験を行なった。この結果も合わせて表２に示す。
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消化槽に投入した投入汚泥のＳＳは従来法が４．２％、実施例１の方法では４．０％、実施例３が３．２％であった。実施例３のＳＳが比較的小さいのは、酸発酵において比較的濃度が低いＭＡＰ脱離汚泥を混合していることによると考えられる。ＭＡＰとして回収できたリンは、実施例１の方法でも、消化槽投入汚泥１ｍ３あたりの５．５ｋｇ／ｍ３と良好な値であったが、実施例３では６．２ｋｇ／ｍ３と更に良好であった。また、回収したＭＡＰ粒子の純度は、実施例１の方法及び実施例３で共に９５％以上と高かった。このリン回収率を下水処理場に流入するリンに対する回収率として算出すると、実施例１の方法でも４９％と高かったが、実施例３では６１％と更に向上した。
産業上の利用の可能性
本発明は、有機性排水処理システムから排出される有機物、窒素、リンを含有する汚泥混合液を、嫌気性消化処理すると共にリンをリン酸マグネシウムアンモニウム結晶として除去するＭＡＰ処理法において、ＭＡＰ回収率を大幅に向上することができると共に、純度の高いＭＡＰを生成することができる。また、安価であるがハンドリングが困難と考えられていたＭｇ（ＯＨ）２を利用することができることから、薬品代を大幅に軽減することが可能となり、更に供給するマグネシウム化合物の分散媒として海水や井水などのマグネシウムを含む水系を使用することで薬品代を更に軽減することが可能となる。さらに、嫌気性消化槽において良質なＭＡＰを十分に回収できるので、後段の脱水ろ液からのＭＡＰ回収が不要になるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
図１は、有機性排水処理システムから排出される濃縮汚泥を、本発明の一態様に係る処理方法によって処理して、汚泥の消化とＭＡＰの生成回収によるリンの除去とを行う有機排水処理プロセスの全体像を示すブロック図である。
図２は、ＭＡＰ生成反応に投入するＭｇ源の種類による生成ＭＡＰ粒子の粒径分布の違いを示すグラフである。
図３は、本発明の他の態様に係る有機性排水処理プロセスの全体像を示すブロック図である。
図４は、従来法による有機性排水処理プロセスの全体像を示すブロック図である。
図面において、各参照符号は以下の意味を示す。
１  流入有機性排水；２  最初沈殿池；３  汚泥混合液；４  生物反応槽；５  活性汚泥混合液；６  最終沈殿池；７  処理水；８  汚泥混合液；９  汚泥濃縮装置；１０  嫌気性消化槽；１１  Ｍｇ源；１２  引き抜き汚泥；１３  ＭＡＰ回収装置；１４  回収ＭＡＰ；１５  ＭＡＰ粒子分離回収後の汚泥混合液；１６  脱水処理装置；１７  脱水ケーキ；１９  脱水濾液；２０  汚泥濃縮装置脱離液；３２  酸発酵槽；３３  粒子熟成槽；３４  嫌気性消化槽投入汚泥；成長ＭＡＰ粒子；３６  Ｍｇ源；３７  ｐＨ調整剤。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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