(57)【要約】【課題】好気状態のような多量の曝気を必要とすることなく、ｐ−トルイル酸を有機化合物に分解することが可能な水処理方法等を提供する。【解決手段】本発明の水処理方法は、ｐ−トルイル酸を含む水を微好気状態において生物学的処理する微好気処理工程を備える。本発明の水処理装置は、ｐ−トルイル酸を含む水を微好気状態において生物学的処理する微好気処理槽１０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ−トルイル酸を含む水を微好気状態において生物学的処理する微好気処理工程を備えた水処理方法。
【請求項２】
前記微好気処理工程で生物学的処理された水を嫌気状態において生物学的処理する後段嫌気処理工程をさらに備えた、請求項１に記載の水処理方法。
【請求項３】
前記後段嫌気処理工程で生物学的処理された水の一部を前記微好気処理工程に戻す第１循環工程をさらに備えた、請求項２に記載の水処理方法。
【請求項４】
前記微好気処理工程で生物学的処理する前に、ｐ−トルイル酸を含む水を嫌気状態において生物学的処理する前段嫌気処理工程をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理方法。
【請求項５】
前記微好気処理工程で生物学的処理された水の一部を、前記前段嫌気処理工程に戻す第２循環工程をさらに備えた請求項４に記載の水処理方法。
【請求項６】
ｐ−トルイル酸を含む水を微好気状態において生物学的処理する微好気処理槽を備えた水処理装置。
【請求項７】
前記微好気処理槽で生物学的処理された水を嫌気状態において生物学的処理する後段嫌気処理槽をさらに備えた、請求項６に記載の水処理装置。
【請求項８】
ｐ−トルイル酸を含む水を嫌気状態において生物学的処理する前段嫌気処理槽をさらに備え、前記微好気処理槽は前記前段嫌気処理槽から供給される水を処理する、請求項６又は７に記載の水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水処理方法及び水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中の有機化合物を水及び二酸化炭素にまで完全分解することなく分解処理する方法として、嫌気性条件下で生物学的処理する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２３９９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
難分解性物質であるｐ−トルイル酸を含む被処理水の生物学的処理方法が種々知られている。一般に、ｐ−トルイル酸を含む被処理水は好気状態において生物学的処理されることが多い。しかしながら、好気状態にするには曝気に必要な動力がかなり大きくなるため、省エネルギー化してランニングコストを下げることが求められている。一方で、ｐ−トルイル酸を嫌気状態において生物学的処理しようとする試みもあるが、現実には全く分解できていない。本発明は、好気状態のような多量の曝気を必要とすることなく、ｐ−トルイル酸を有機化合物に分解することが可能な水処理方法等を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らが嫌気状態でｐ−トルイル酸を分解すべく実験を行っていたところ、予想よりも大幅に早くｐ−トルイル酸が分解されている傾向が確認された。そのため、注意深く実験の状況を確認したところ、微量の空気が意図せず混入してしまっていたことがわかった。そこで、この現象を確認すべく、完全に密閉された状態で一定の微好気処理を施した実験を行ったところ、数時間でｐ−トルイル酸が分解されている傾向があることを見いだして本発明に想到した。
【０００６】
本発明に係る水処理方法は、ｐ−トルイル酸を含む水を微好気状態において生物学的処理する微好気処理工程を備える。
【０００７】
本発明によれば、ｐ−トルイル酸を、水及び二酸化炭素にまで分解することなく、有機化合物に分解することができる。
【０００８】
ここで、この水処理方法は、前記微好気処理工程で生物学的処理された水を嫌気状態において生物学的処理する後段嫌気処理工程をさらに備えることができる。
これによれば、ｐ−トルイル酸の分解により生じた有機化合物を生物学的処理してメタンガス等を介してエネルギーとして回収することができる。
【０００９】
また、この水処理方法は、前記後段嫌気処理工程で生物学的処理された水の一部を前記微好気処理工程に戻す第１循環工程をさらに備えることができる。
【００１０】
これによれば、後段嫌気処理工程からの微生物が微好気工程に供給されるので、微好気処理工程においてｐ−トルイル酸を分解する微生物を維持し易くなる。
【００１１】
また、この水処理方法は、前記微好気処理工程で生物学的処理する前に、ｐ−トルイル酸を含む水を嫌気状態において生物学的処理する前段嫌気処理工程をさらに備えることができる。
【００１２】
これによれば、水中の易分解性有機化合物を分解しておくことができ、微好気工程に供給される水中の易分解性有機化合物の濃度が下がる。したがって、微好気工程において供給する酸素を効率よくｐ−トルイル酸の分解に利用させることが可能となる。
【００１３】
また、この水処理方法は、前記微好気処理工程で生物学的処理された水の一部を、前記前段嫌気処理工程に戻す第２循環工程をさらに備えることができる。
【００１４】
これによれば、微好気処理工程で生物学的処理された水に有機化合物（中間代謝物質）が含まれる場合に、これらの有機化合物を前段嫌気処理工程においてメタン発酵などに利用できる。
【００１５】
本発明に係る水処理装置は、ｐ−トルイル酸を含む水を微好気状態において生物学的処理する微好気処理槽を備える。
【００１６】
この水処理装置は、前記微好気処理槽で生物学的処理された水を嫌気状態において生物学的処理する後段嫌気処理槽をさらに備えることができる。
【００１７】
また、この水処理装置は、ｐ−トルイル酸を含む水を嫌気状態において生物学的処理する前段嫌気処理槽をさらに備えることができ、前記微好気処理槽は前記前段嫌気処理槽から供給される水を処理することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、好気状態のような多量の曝気を必要とすることなく、ｐ−トルイル酸を有機化合物に分解することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水処理装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る水処理装置の概略構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る水処理装置の概略構成図である。
【図４】実施例１におけるｐ−トルイル酸の除去率と、供給酸素量との関係を示すグラフである。
【図５】実施例２におけるｐ−トルイル酸の除去率の時間変化を示すグラフである。
【図６】実施例３におけるｐ−トルイル酸の酸生成槽の酸化還元電位の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照しながら本発明による水処理装置の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２１】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る水処理装置の概略構成図である。本実施形態の水処理装置１００は、微好気処理槽１０、メタン発酵部（後段嫌気処理槽）２０を備えている。
【００２２】
微好気処理槽１０は、ラインＬ１を介してｐ−トルイル酸を含む排水を受け入れる。微好気処理槽１０は、ブロア１０ａ及び散気管１０ｂを備えており、槽内の水を微好気状態に維持する。
微好気状態とは、酸素を含むガスの供給下において、溶存酸素量が０以上０．３ｍｇ／Ｌ以下の状態である。そのため、溶存酸素量（ＤＯ）０ｍｇで酸化還元電位（ＯＲＰ）０ｍＶ以下、例えば溶存酸素量０ｍｇ／ｌ、ＯＲＰ−１００ｍＶは一般的には嫌気状態であるが、酸素含有ガスを供給していれば微好気状態とする。微好気状態とする方法の一つは、ラインＬ１を介して供給される水中のｐ−トルイル酸１ｇに対して０．７〜１．１ｇの酸素が水中に溶解されるように、酸素供給手段（例えばブロア１０ａ）を駆動して槽内に酸素を含むガス（例えば空気）を供給することである。
【００２３】
微好気処理槽１０の内部には微生物が収容されており、微好気処理槽１０は槽内の水を微好気条件下で生物学的処理する。微好気条件下で水を生物学的処理すると、水中のｐ−トルイル酸が微生物により他の有機化合物に分解される。微好気処理槽１０内に、微生物の保持のために、ウレタンやＰＶＡ、ポリオレフィンなどの一般的な担体を配置することができる。さらに、ｐ−トルイル酸分解菌を培養して固定した担体を用いてもよい。また、担体や接触材は、微生物が固定できれば、形態は立方体、直方体、円柱状、円筒状、ひも状などいずれでもよい。
【００２４】
メタン発酵部２０は、酸生成槽２２、及び、反応槽２４を主として備える。酸生成槽２２は、微好気処理槽１０で生物学的処理された水をラインＬ２を介して受け入れる。酸生成槽２２は、槽内の水を嫌気状態に維持し、内部に収容する酸生成菌により水中の有機物を分解して、低級脂肪酸を生成する。
【００２５】
反応槽２４は、酸生成槽２２で生物学的処理された水をラインＬ３を介して受け入れる。反応槽２４は、槽内の水を嫌気状態に維持し、内部に収容するメタン生成菌を含むグラニュール２４Ｇの作用により低級脂肪酸を分解してメタンを生成する。反応槽２４には、生物学的処理を終えた排水を後段に移送するラインＬ４が接続されている。
【００２６】
続いて、本実施形態に係る水処理装置１００にて行われる水処理方法を説明する。まず、ラインＬ１を介して、ｐ−トルイル酸を含む水を微好気処理槽１０に供給し、ブロア１０ａ及び散気管１０ｂを利用して微好気処理槽１０内の水を微好気状態に維持しつつ生物学的処理する（微好気処理工程）。これにより、水中のｐ−トルイル酸が中間代謝物質に分解される。
【００２７】
続いて、微好気処理槽１０で生物学的処理を受けた水をラインＬ２を介して酸生成槽２２に供給して嫌気状態下で生物学的処理する。微好気処理槽１０で酸素が十分に消費されることで酸生成槽２２以降では嫌気状態下にできる。これにより、水中の中間代謝物質が低級脂肪酸に分解される。さらに、酸生成槽２２で生物学的処理を受けた水をラインＬ３を介して反応槽２４に供給して、嫌気状態下で生物学的処理をする。これにより、水中の低級脂肪酸が二酸化炭素とメタンに分解される（後段嫌気処理工程）。これらの工程により得られたメタンは、例えばエネルギー源として有効に利用できる。
【００２８】
本実施形態によれば、微好気処理槽１０において微好気条件下で生物学的処理をしている。したがって、好気処理のようにｐ−トルイル酸を二酸化炭素と水にまで分解してしまうことなく、ｐ−トルイル酸を分解して中間生成物質を得ることができる。これにより、酸生成槽２２及び反応槽２４での嫌気処理（後段嫌気処理工程）において反応中間生成物質をメタン発酵してメタンを得ることができ、有機系廃棄物の有効利用が可能となる。
【００２９】
なお、本実施形態において、ラインＬ１を介して供給される水は、ｐ−トルイル酸以外の有機物を含むことができるが、微好気処理槽１０において効率よくｐ−トルイル酸の分解を行う観点から、ｐ−トルイル酸に比べて生物処理されやすい易分解性有機物（例えば、有機酸及びアルコールなど）を実質的に含まない、例えば、ｐ−トルイル酸以外の有機物の質量濃度がｐ−トルイル酸の質量濃度の１０分の１以下、酢酸濃度が１ｍｇ／Ｌ以下、ＢＯＤが１００ｍｇ／Ｌ以下等で酸素の利用効率を高くすることができる。これにより、供給する酸素を効率よくｐ−トルイル酸の生物処理に利用しやすい。
【００３０】
また、酸生成槽２２の水の酸化還元電位は、−１００ｍＶ以下とすることが好ましい。微好気処理槽１０の曝気条件によっては、酸生成槽２２内の水の酸化還元電位を−１００ｍＶ以下にすることが困難な場合がある。その場合は、図１に点線に示すように、反応槽２４の排水をラインＬ５を介して酸生成槽２２に戻すことによって、酸生成槽２２における酸化還元電位を低く維持することが容易となる。
【００３１】
（第２実施形態）
続いて、図２を参照して、本発明の第２実施形態に係る水処理装置２００について説明する。本実施形態に係る水処理装置２００が、第１実施形態に係る水処理装置１００と異なる点は、反応槽２４で処理された水を微好気処理槽１０に戻すラインＬ６を備え、一部の水が循環される（第１循環工程）点である。
【００３２】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。ラインＬ１を介して流入する水中に、酢酸、テレフタル酸、安息香酸、及びメタノールなどの、ｐ−トルイル酸に比べて易分解性の有機化合物が含まれていると、微好気処理槽１０に供給する酸素の大部分が易分解性有機化合物の生物学的処理に消費されて、ｐ−トルイル酸の分解率が低くなる場合があった。また、易分解性有機化合物に消費される酸素の量を考慮して、微好気処理槽１０での曝気量を増やすと、酸生成槽に供給される水の酸化還元電位が高くなって、酸生成及びその後段でのメタン発酵が不安定になる場合がある。
【００３３】
しかしながら、本実施形態では、ラインＬ６を介して、嫌気条件下にある反応槽２４からの水が流入するので、微好気処理槽１０内にｐ−トルイル酸を分解する微生物を維持しやすくなり、ｐ−トルイル酸の分解率を高めることが可能である。また、酸素供給量を増やした場合でも、微好気処理槽内を微好気条件に維持することが容易となり、酸生成槽の酸化還元電位を−１００ｍＶ以下にすることも容易である。
【００３４】
（第３実施形態）
続いて、図３を参照して、本発明の第３実施形態に係る水処理装置３００について説明する。本実施形態に係る水処理装置３００が、第１実施形態に係る水処理装置１００と異なる点は、微好気処理槽１０が、メタン発酵部２０の反応槽２４の後段に設けられており、メタン発酵部２０が前段嫌気処理槽として機能する点である。具体的には、反応槽２４で処理された水が、ラインＬ６を介して微好気処理槽１０に供給される。
【００３５】
本実施形態によれば、まず、ｐ−トルイル酸及び易分解性有機化合物を含む水をラインＬ２を介して酸生成槽２２に供給する。酸生成槽２２は、水中の易分解性有機化合物を嫌気性条件下で生物学的処理して低級脂肪酸を生成し、反応槽２４は得られた低級脂肪酸を嫌気性条件下において生物学的処理してメタンを生成する（前段嫌気処理工程）。メタン発酵部２０ではｐ−トルイル酸はほとんど分解されないので、反応槽２４からラインＬ６を介して微好気処理槽１０に供給される水は、主たる有機化合物としてｐ−トルイル酸を含み、易分解性有機化合物の濃度は低減されている。従って、微好気処理槽１０では、曝気により供給する酸素を効率よく利用してｐ−トルイル酸の中間体への分解が可能である。
【００３６】
なお、本実施形態においては、図３に示すように、微好気処理槽１０で処理された水をラインＬ８を介してメタン発酵部２０、例えば、酸生成槽２２等に戻しても良い（第２循環工程）。この場合、微好気処理槽１０で生物学的処理された水に有機化合物（中間代謝物質）が含まれる場合に、これらの有機化合物をラインＬ８を介してメタン発酵部２０で利用できる。
【００３７】
さらに、図３に示すように、微好気処理槽１０の後段に、酸生成槽２２’及び反応槽２４’を有するメタン発酵部２０’等の嫌気処理部を更に設けて、微好気処理槽１０で生成した有機化合物を利用することも可能である。
【００３８】
本発明は上記実施形態に限定されず様々な変形態様が可能である。例えば、各槽の形式は特に限定されず、種々の形態を取ることが出来る。また、水処理対象となる水は特に限定されないが、例えば、高純度テレフタル酸の製造プロセスからの排水などがある。
また、微好気槽、酸生成槽に溶存酸素濃度の検出器（DO計）、酸化還元電位の検出器（ORP計）を取り付けて、酸素供給手段からの酸素供給量、及び／又は、反応槽２４から微好気槽や酸生成槽へ戻す水の量を制御してよい。（例えば、図１、図２参照）。
また、反応槽からの処理水の有機物濃度検出器（例えばCOD計）を取り付けて、酸生成槽へ戻す水の量を制御してよい。（例えば、図３参照）
さらに、メタン発酵部は、ＥＧＳＢ（Expanded Granular Sludge Bed）、ＵＡＳＢ（Upflow AnaerobicSludge Blanket）、担体や膜分離を用いた嫌気性処理など形式を問わない。また、メタン発酵部が酸生成槽を有さず、反応槽の中で中間代謝物を低級脂肪酸に分解してもよい。
【００３９】
また、上記実施形態では、嫌気処理部として、メタン発酵部２０を採用しているが、嫌気処理部であれば特に限定されず、例えば、水が硝酸塩などの窒素成分を有する場合には脱窒処理であることもできる。
【実施例】
【００４０】
（実施例１）
ｐ−トルイル酸を微好気条件で生物学的処理させることにより、ｐ−トルイル酸を水及び二酸化炭素にまで完全分解することなく、中間代謝物に分解できるかどうか確認した。
【００４１】
方法：ｐ−トルイル酸を４００ｍｇ／ｌの濃度で水に溶かし、さらにこの水に微量栄養塩を添加してｐＨを７に調整して原水を得た。この原水を２００ｍｌ有する５００ｍｌフラスコを４系列準備した。それぞれのフラスコに活性汚泥と粒状担体を添加し、その後Ｎ２ガスで原水を曝気してフラスコ内の空気を窒素に置換し、その後、密閉状態でＲＵＮ１〜６に所定量の空気を注入した。添加した空気量は、ＲＵＮ１〜６がそれぞれ、０．３５、０．４５、０．６０、０．６８、０．７１及び１．０６であり、空気量の単位は、ｇ−Ｏ２／ｇ−ｐ−トルイル酸である。またＲＵＮ７は完全に好気状態となるように、密閉せず大気開放とした。ＲＵＮ１〜７のフラスコを振とうしながら温度３７℃にて培養し、１日毎に原水を入れ替えた。
【００４２】
結果：表１および図４に培養７〜８日後のＣＯＤｃｒとｐ−トルイル酸の除去率を示す。ＲＵＮ５〜６、すなわち添加酸素量／ｐ−トルイル酸量＝０．３５〜１．０６では、ｐ−トルイル酸は１００％分解された。また、ＲＵＮ１〜ＲＵＮ４でもｐ−トルイル酸は分解された。ＣＯＤｃｒの除去率は供給酸素量の多いＲＵＮ１＜ＲＵＮ２＜ＲＵＮ３＜ＲＵＮ４＜ＲＵＮ５＜ＲＵＮ６＜ＲＵＮ７の順で高くなる結果が得られた。酸素供給量を制限していないＲＵＮ７（大気開放系）ではＣＯＤｃｒ除去率が９５％となり、ｐ−トルイル酸が好気状態で二酸化炭素と水にほぼ完全に酸化分解されたことがわかる。一方でＲＵＮ５、ＲＵＮ６ではｐ−トルイル酸は１００％分解したが、ＣＯＤｃｒ除去率は３６〜４９％止まりとなり、ＣＯ２とＨ２Ｏまで完全に分解されず、中間代謝物で分解が止まることが確認された。なお、ＲＵＮ１〜７の水の溶存酸素量は、それぞれ０．０〜０．２ｍｇ／Ｌであった。
【表１】
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【００４３】
（実施例２）
第２実施形態及び図２に示す水処理装置を用いて、ｐ−トルイル酸含有排水の連続処理試験を実施した。原水は、７００ｍｇ／Ｌのｐ−トルイル酸、３００ｍｇ／Ｌのテレフタル酸、３００ｍｇ／Ｌの安息香酸、及び、１００ｍｇ／Ｌのメタノール含む。１１月２０日まではラインＬ６を介した循環を行わず、１１月２１日からラインＬ６を介した水の循環を行った。反応槽２４からラインＬ６を介した微好気処理槽１０への水の循環量は、ラインＬ１を介して微好気処理槽１０に供給される原水の供給量と同じとした。
【００４４】
図５に微好気処理槽１０におけるｐ−トルイル酸の除去率の時間変化を、図６に酸生成槽の酸化還元電位の時間変化を示す。反応槽２４から微好気処理槽１０へ処理水を循環させる前には酸生成槽２２の酸化還元電位が高めに推移し、また、ｐ−トルイル酸の除去率も１０％前後と比較的低かったが、微好気処理槽１０へ反応槽２４の処理水を循環させるように運転方法を変更した後は、酸生成槽２２の酸化還元電位が低く維持できるようになり、また、ｐ−トルイル酸の除去率も上昇した。
【００４５】
（計算例３）
第３実施形態及び図３に示す水処理プロセス、すなわち、嫌気処理＋微好気処理を行うプロセスと、好気性処理（活性汚泥処理）のみを行うプロセスとの間で、ｐ−トルイル酸を含む排水を処理する場合に必要な槽の容積、及び、曝気量を、以下のパラメータを用いて計算した。
【００４６】
（１）ｐ−トルイル酸を含む排水の条件
排水量          １００ｍ３
ＣＯＤ濃度      ４０００ｍｇ／Ｌ
ＢＯＤ濃度      １５００ｍｇ／Ｌ
ｐ−トルイル酸  ６００ｍｇ／Ｌ
【００４７】
（２）環境条件
温度  ２０℃
気圧  １気圧
空気中の酸素濃度  ２１％
酸素溶解効率  ２０％
【００４８】
（３）各プロセス固有のパラメータ
（３−ａ）嫌気処理＋後段微好気処理
嫌気処理
ＣＯＤ容積負荷  １３ｋｇ／（ｍ３・ｄ）
好気処理
ｐ−トルイル酸分解速度  ２０ｍｇ／（Ｌ・ｈｒ）
ｐ−トルイル酸質量当たり必要酸素量  ０．７〜１．１ｇ−Ｏ２／ｇ−ｐ−トルイル酸
【００４９】
（３−ｂ）好気性処理のみ（活性汚泥処理）
ＢＯＤ容積負荷  ０．５ｋｇ／（ｍ３・ｄ）
ＭＬＶＳＳ濃度  ５０００ｍｇ／Ｌ
ＢＯＤ除去率  ９０％
除去ＢＯＤの分解に利用される酸素の割合  ０．４５
汚泥の内生呼吸に利用される酸素の割合  ０．１５ｄ−１
各プロセスに必要とされる槽の容量、滞留時間、及び、曝気量を表２に示す。
【表２】
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【００５０】
嫌気処理と後段微好気処理を組み合わせたプロセスは、好気処理のみのプロセスと比較して、槽の全容積を５２％に縮小でき、曝気量も１５〜２３％に削減することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１０…微好気処理槽、２０…メタン発酵部（前段嫌気処理槽、後段嫌気処理槽）、１００、２００、３００…水処理装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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