(57)【要約】【課題】余剰汚泥の効果的な可溶化を図り、その可溶化汚泥を生物処理槽に返流することにより、生物処理槽で水と炭酸ガスに分解し、可及的に余剰汚泥が発生しないようにしたり、減量化できる汚泥の処理方法を提供すること。【解決手段】排水処理施設より生じる余剰汚泥に前処理を行い、汚泥の粘度を低下させた後、加水処理分解酵素を添加することにより余剰汚泥を可溶化するようにする。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排水処理施設より生じる余剰汚泥に前処理を行い、汚泥の粘度を低下させた後、加水分解酵素を添加することにより余剰汚泥を可溶化することを特徴とする汚泥の処理方法。
【請求項２】
前処理として、酸を余剰汚泥に添加し、加熱処理を行うことを特徴とする請求項１記載の汚泥の処理方法。
【請求項３】
加水分解酵素として、タンパク質分解酵素及び／又は細胞壁分解酵素を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の汚泥の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、汚泥の処理方法に関し、特に、下水処理場や産業排水等の排水処理分野において、生物処理により処理する排水より発生する余剰汚泥を、効果的に、かつ簡易に可溶化するようにした汚泥の処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、排水処理施設から発生する余剰汚泥は、濃縮され、機械式の脱水装置にかけられ、この脱水装置から排出された脱水ケーキはコンポスト等としてリサイクルされる場合もあるが、大半は産業廃棄物として直接埋め立てられるか、若しくは焼却された後埋め立てされている。
しかし、近年、国内の産業廃棄物の埋め立て可能地が減少しているため、余剰汚泥の処分は排水処理分野では極めて重大な問題となってきている。
【０００３】
ところで、排水処理施設から発生する余剰汚泥の約５０％はタンパク質で、残りが主に糖類と不定形高分子であることから、タンパク質分解酵素を用いることにより、汚泥の可溶化は可能と考えられる。
【０００４】
そして、例えば、特許第３１７６５６３号に係る発明では、汚泥由来の微生物の中で、特にバチルス・ステアロサーモフィラス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ　ｓｔｅａｒｏｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓ）から分泌されるタンパク質分解酵素を用いて、汚泥の中の可溶化を行うようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、余剰汚泥は微生物体で形成され、一般的に微生物は一部のタンパク質を細胞表層等に露出しているものの、大半は、頑強な細胞壁で守られた細胞膜や細胞質に存在しており、さらに、汚泥は粘度が高いことから、円滑な酵素反応が進みにくい性状であるといえる。
【０００６】
したがって、タンパク質分解酵素を直接、前記余剰汚泥に添加しても汚泥可溶化効果は小さく、大半の細胞質や細胞膜中のタンパク質は酵素の分解効果を受けずに残留するものとなっている。
【０００７】
ちなみに、上記特許第３１７６５６３号に係る発明においても、微生物中のタンパク質を直接分解できないため、可溶化効率が極めて悪く、水理学的滞留時間が３〜２４時間、好ましくは１５〜２０時間程度でバチルス・ステアロサーモフィラスの酵素活性がピークとなると記載されているが、実施設において長期汚泥可溶化運転を行った結果、タンパク質分解酵素が効果的に汚泥構成微生物細胞膜及び原形質内のタンパク質を基質として利用できていないため、水理学的滞留時間が２．６日、汚泥循環率が２．４と極めて可溶化に長期間を要するという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の汚泥の処理方法の有する問題点に鑑み、余剰汚泥の効果的な可溶化を図り、その可溶化汚泥を生物処理槽に返流することにより、生物処理槽で水と炭酸ガスに分解し、可及的に余剰汚泥が発生しないようにしたり、減量化できる汚泥の処理方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の汚泥の処理方法は、排水処理施設より生じる余剰汚泥に前処理を行い、汚泥の粘度を低下させた後、加水分解酵素を添加することにより余剰汚泥を可溶化することを特徴とする。
【００１０】
この汚泥の処理方法は、排水処理施設より生じる余剰汚泥は微生物体で形成され、その約５０％はタンパク質で、頑強な細胞壁で守られた細胞膜や細胞質に存在していても、前処理にて汚泥の粘度を低下させ、また、細胞壁も一定の分解を受け、断片化し、その後加水分解酵素を添加するようにしているから、酵素反応を円滑に進みやすくすることができ、短時間内にて余剰汚泥を効果的に可溶化することができる。
【００１１】
この場合において、前処理として、酸を余剰汚泥に添加し、加熱処理を行うようにすることができる。
【００１２】
これにより、余剰汚泥に酸を添加した後、加熱する前処理によって、頑強な細胞壁で守られた微生物主体の余剰汚泥は、細胞壁が一定の分解を受け、断片化し、さらには、汚泥中の粘性物質も分解され、粘度を簡易に低下させて、次工程の加水分解酵素による加水分解を促進することができる。
【００１３】
また、加水分解酵素として、タンパク質分解酵素及び／又は細胞壁分解酵素を用いることができる。
【００１４】
これにより、タンパク質分解酵素及び／又は細胞壁分解酵素を加水分解酵素として用いているので、細胞膜中に存在しているタンパク質や、酸加熱処理により影響を受けない頑強なタンパク質、さらには細胞壁断片が固形分として残留していても確実に分解し、可溶化を促進することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の汚泥の処理方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１〜図５に、本発明の汚泥の処理方法の一実施例を示す。
この汚泥の処理方法は、有機性排水を処理する排水処理施設で発生した余剰汚泥を、移送管１を経て、加熱装置２１及び酸添加装置２２からなる前処理槽２に移送し、この前処理槽２において、加熱装置２１により汚泥を加熱するとともに、酸添加装置２２により酸を添加するようにする。
そして、前処理槽２で前処理された汚泥は、移送管３を経て、酵素添加装置４１、攪拌装置４２及び槽内のｐＨ調節装置４３からなる酵素処理槽４に移送され、酵素処理槽４において、酵素添加装置４１により酵素が添加され、攪拌装置４２によって酵素処理槽４内が攪拌される。さらに、ここでは、酵素の至適ｐＨになるように、ｐＨセンサーとアルカリ添加装置からなるｐＨ調節装置４３により、ｐＨが調節される。
そして、酵素処理槽４で酵素処理が行われた汚泥は、移送管５を経て、再度水処理系に戻される。
【００１７】
移送管１を経て前処理槽２に移送される余剰汚泥は、微生物体で構成され、一般的に微生物は一部のタンパク質を細胞表層等に露出しているものの、大半は、頑強な細胞壁で守られた細胞膜や細胞質に存在する。
したがって、タンパク質分解酵素を直接汚泥に添加しても一定の汚泥可溶効果化が認められるが、本来、細胞質や細胞膜中にタンパク質の大半が存在するため、酵素の分解効果を十分に受けることはない。
【００１８】
また、この汚泥は粘性が高く、粘性が高い溶液中では、酵素活性が低下する。これは、粘性が低い溶液中では基質と酵素の特定部位が衝突し、分解産物、すなわち、生成物質が生じるが、高粘度溶液では、基質と酵素の特定部位の衝突頻度が減少し、結果的に酵素活性が低く抑えられるためである。
【００１９】
そこで、前処理槽２で細胞壁を破砕し、さらには、汚泥の粘性を低下させ、酵素活性を上げるための前処理として、前処理槽２で余剰汚泥に酸を添加し、必要に応じて、加熱処理を行う。
この場合、酸の添加量は、酸添加装置２２で移送管１を経て移送される余剰汚泥の容積に対して一定量添加するようにする。
添加する酸は、特に限定されるものではなく、硫酸、塩酸、酢酸等の酸を用いることができるが、好ましくは、価格的に安価な濃硫酸を用いるようにする。添加量は１０〜１８ｍｏｌ／ｌの濃硫酸を、汚泥１，０００ｍｌに対して１〜１０ｍ１程度、好ましくは、１〜５ｍｌ添加する。
【００２０】
酸の添加に並行して、加熱装置２１により加熱処理を行う。
この場合の加熱温度は、特に限定されるものではないが、加熱温度６０〜９０℃で、加熱時間３０分〜２時間程度が望ましい。
【００２１】
移送管１を経て前処理槽２に流入する汚泥濃度（本明細書において、以下、「ＭＬＳＳ」という場合がある。）は、５，０００から２０，０００ｍｇ／ｌで、前述の酸添加量、加熱温度・時間で所期の効果が得られる。
【００２２】
酸の添加と加熱処理により強い酸化作用、すなわち、余剰汚泥に対して脱水作用を呈し、化合物、特に有機化合物から、水素と酸素を２：１の割合で奪い、汚泥中の粘性物質を脱水分解し、同様に、有機化合物で構成されている微生物の保護膜である細胞壁、細胞膜も一部脱水分解され、一部細胞質が細胞質外に溶出する。このような作用は、酸の添加のみでもある程度可能であり、また、酸の添加後にミル等により機械的に細胞壁を破砕したり、オゾンを添加して酸化作用を高めるなど、酸を添加した後、加熱処理する以外の方法を組み合わせることも可能である。
この溶出により、５〜２０％程度汚泥が可溶化するが、細胞膜中に存在しているタンパク質や、酸加熱処理により影響を受けない頑強なタンパク質、さらには細胞壁断片が固形分として残留する。この残留成分をさらに分解するため、汚泥は移送管３を経て酵素処理槽４に移送される。
【００２３】
ここで、酵素処理槽４に移送される汚泥は、直接移送されてもよいが、さらに、固液分離槽を移送管３の途中に設け、沈殿分離した汚泥を酵素処理槽４に移送するようにすると、可溶化効果を高めることができ、より好ましい。
なお、固液分離された汚泥は、水道水若しくは処理水を、沈殿分離された汚泥容量の１〜３倍量程度添加するのが望ましい。
この沈殿分離後、水道水若しくは処理水の添加により沈殿分離前の汚泥濃度と比較し、１／１．５〜１／５程度、さらに粘度を下げることができるため、次工程の酵素処理を円滑に実施することができる。
【００２４】
酵素処理槽４では、酵素添加装置４１により、酵素処理槽４内の酵素濃度が一定になるように随時酵素が添加される。
ここでは、使用する酵素処理槽のｐＨを添加酵素の至適ｐＨに調節するｐＨセンサーとアルカリ剤添加装置からなるｐＨ調節装置４３を設置し、攪拌装置４２によりこれらが攪拌される。
酵素剤添加装置により添加する酵素剤としては、加水分解酵素、特にタンパク質分解酵素及び細菌の細胞壁を分解するグルカナーゼ系の酵素が有効である。
食品、皮革、繊維等の工業向けに多種販売されている産業用市販酵素剤の使用により有効な可溶化効果が得られる。添加する酵素剤はグルカナーゼ、タンパク質分解酵素それぞれ単一でもよいが、２種以上の組み合わせも有効である。
【００２５】
この加水分解酵素としては、タンパク質分解酵素及び細菌の細胞壁を分解するグルカナーゼ系酵素が有効である。
特に有効な酵素を出す起源微生物として、タンパク質分解酵素としては、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ　ｎｉｇｅｒ、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ　ｓａｉｔｏｉ、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ　ｎｉｇｅｒ、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ　ｏｒｙｚａｅ、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ　ｍｅｌｌｅｕｓ、Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍ　ｄｕｐｏｎｔｉ、Ｒｈｉｚｏｐｕｓ　ｎｉｖｅｕｓ、Ｒｈｉｚｏｐｕｓ　ｄｅｌｅｍａｒ、Ｂａｃｉｌｌｕｓ　ｓｕｂｔｉｌｉｓ、Ｂａｃｉｌｌｕｓ　ｓｔｅａｒｏｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓ、Ｂａｃｉｌｌｕｓ　ｌｉｃｈｅｎｉｆｏｍｉｓ、Ｂａｃｉｌｌｕｓ　ｔｈｅｒｍｏｐｒｏｔｅｏｌｙｔｉｃｕｓ、Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓ　ｇｒｉｓｅｕｓ、Ｐａｐａｙａ　ｃａｒｉｃａ、糸状菌等がある。
また、有効なグルカナーゼ系の酵素を出す起源微生物としては、Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ．ｓｐ、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ　ｎｉｇｅｒ、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ　ｓｐ、Ｒｈｉｚｏｃｔｏｎｉａ　ｓａｌａｎｉ、Ｈｕｍｉｃｏｌａ　ｉｎｓｏｌｅｎｓ、Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ、Ａｒｔｈｒｏｂａｃｔｅｒ　ｓｐ．等がある。
【００２６】
なお、産業用に用いられる市販のタンパク質分解酵素では、洛東化成工業（株）のエンチロンＦＡ　ＣＯＮＣ、大和化成（株）のプロチンＰ、プロチンＡＹ、三共（株）のコクラーゼＰ、阪急バイオインダストリー（株）のオリエンターゼ２０Ａ、オリエンターゼ９０Ｎ、新日本化学工業（株）のスミチームＡＰ、スミチームＬＰＬ、スミチームＬＰ、スミチームＭＰ、スミチームＣＰ、ヤクルト薬品工業（株）のアロアーゼＡＰ−１０等がある。
また、市販のグルカナーゼ系酵素では、大和化成（株）のツニカーゼＦＭ、ノボザイム社のビスコザイム、天野エンザイム（株）のＹＬ−ＮＬアマノ等がある。
これらの製品に成分が類似しているものも当然用いることができる。
【００２７】
酵素剤の添加濃度は移送管３を経て酵素処理槽４に送られてくる汚泥の容積当たり０．０１〜０．１重量％程度とする。
また、ｐＨ調節装置４３から添加するアルカリ剤は、特に限定されるものではないが、好ましくは、水酸化ナトリウムを用いるようにする。
【００２８】
これにより、３０分〜５時間、望ましくは３時間程度、酵素処理槽４で汚泥を反応をさせ、最終的には不溶化分が５０％程度以下になるまで可溶化した後、移送管５を経由し水処理系に戻すようにする。
【００２９】
酵素処理槽４での温度調節は、使用する酵素剤の至適温度にする必要があるが、前処理槽２の余熱を利用するのが適しているが、さらに、加熱装置を追加することも有効である。
【００３０】
また、移送管５により水処理系に返流する可溶化汚泥は、ｐＨ調節装置４３により使用する酵素の至適ｐＨ調節されているが、酸若しくはアルカリ度が高い場合、水処理系に返流する前にさらに中和処理を行うことがある。
【００３１】
図１は、ＭＬＳＳ１５，０００ｍｇ／ｌで、酵素処理の前処理として１８ｍｏｌ／ｌ濃硫酸の添加量を種々変化させ、８０℃、１時間加熱処理を行った際の汚泥粘度の変化を示す。なお、汚泥粘度は、共軸二重円筒式回転粘度計を用い測定した。
カッコ内の数値は原汚泥の汚泥粘度を１００としたときの各条件での相対粘度を示す。
この実験結果より、濃硫酸の添加量が１ｍｌで原汚泥の汚泥粘度の１／１０、５ｍｌの添加で１／２０まで低下することが分かった。
これは、濃硫酸が加熱により強い酸化作用、すなわち、脱水作用を示したためで、化合物、特に有機化合物から水素と酸素を２：１の割合で奪い、汚泥中の粘性物質を脱水分解したためである。
また、同様にこの脱水分解により、有機化合物で構成されている微生物の保護膜である細胞壁、細胞膜も一部脱水分解され、一部細胞質が細胞質外に溶出する。この溶出により、２０％程度汚泥が可溶化するが、細胞膜中に存在しているタンパク質や、酸加熱処理により影響を受けない頑強なタンパク質、さらには細胞壁断片が固形分として残留する。このように汚泥粘度が低下し、基質となる成分が細胞外の酵素剤と接触しやすい状態となる。
【００３２】
この前処理後の汚泥に加水分解酵素を添加し、汚泥の可溶化を促進するが、この加水分解酵素として、タンパク質分解酵素及び細菌の細胞壁を分解するグルカナーゼ系の酵素が有効である。
【００３３】
ＭＬＳＳが１５，０００ｍｇ／ｌ、１，０００ｍｌの汚泥に酵素剤添加前の前処理として３ｍｌの１８ｍｏｌ／ｌ濃硫酸を添加し、８０℃、１時間加熱処理を行った。この前処理後、酵素を汚泥の容積当たり０．１重量％添加し、２時間恒温振とうした。ここで温度、ｐＨは各市販酵素の至適値に設定した。
【００３４】
このときのＭＬＳＳの減少度合を可溶化効果として図２に示す。
ここで、グルカナーゼ▲１▼は、Ａｒｔｈｒｏｂａｃｔｅｒ　ｓｐ．由来のグルカナーゼ系酵素、グルカナーゼ▲２▼は、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ　ｓｐ．由来のグルカナーゼ系酵素、グルカナーゼ▲３▼は、Ｂａｃｉｌｌｕｓ　ｓｕｂｔｉｌｉｓ由来のグルカナーゼ系酵素を示し、タンパク質分解酵素▲１▼は、糸状菌由来のタンパク質分解酵素、タンパク質分解酵素▲２▼は、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ　ｍｅｌｌｅｕｓ由来のタンパク質分解酵素、タンパク質分解酵素▲３▼は、Ｂａｃｉｌｌｕｓ　ｓｕｂｔｉｌｉｓ由来のタンパク質分解酵素、タンパク質分解酵素▲４▼は、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ　ｎｉｇｅｒ由来のタンパク質分解酵素を示す。
原汚泥のＭＬＳＳ値は１５，０００ｍｇ／ｌで、カッコ内の数値は、この濃度を１００としたときの各条件での相対濃度を示す。
酸を添加し、加熱処理を行うことにより、２０％程度汚泥が可溶化し、さらに酵素処理を行った場合、いずれの市販の酵素剤を用いた場合も５０％程度以下に可溶化していることから、前処理により、汚泥の粘性の低下及び基質化しやすくなったことが分かった。
【００３５】
また、図３に、図２の比較試験として前処理を行わず、直接市販の酵素を投入した場合の結果を示す。実験条件は、ＭＬＳＳが１５，０００ｍｇ／ｌ、１，０００ｍｌの汚泥に市販酵素を汚泥の容積当たり０．１重量％添加し、２時間恒温振とうした。ここで、温度、ｐＨは各市販酵素の至適値に設定した。
カッコ内の数値は、この濃度を１００としたときの各条件での相対濃度を示す。いずれの酵素剤も可溶化率は１０％程度で、汚泥中のごく一部の基質が分解されただけである。この傾向は、前述の市販酵素剤製品全般で同様の傾向が示された。
【００３６】
図２及び図３と同様の実験条件で、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ　ｎｉｇｅｒ由来のタンパク質分解酵素を用い、酵素剤の添加濃度と可溶化効果の関係を実験した結果を、図４に示す。
図４より、容積当たり０．０１０〜０．１００重量％程度の酵素の添加が効果的であることが分かった。
また、酵素剤の過剰な添加は、可溶化効率を悪化させる。これは、過剰に酵素剤を添加することにより、細胞残さ等に過剰投入された酵素が吸着し、ＭＬＳＳとして計測されるためと考えられる。
ここで、図４の結果は、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ由来のタンパク質分解酵素を用いたものであるが、前述の他の市販酵素剤も同様の傾向を示した。よって容積当たり０．０１０〜０．１００重量％程度の酵素剤の添加が望ましいことが分かった。
【００３７】
本発明では、前述のように汚泥に前処理を行い、酵素剤による効果的な可溶化を確認できることを示しているが、前処理には、酸を添加した後、加熱処理を行う以外に、処理の目的である粘度低下を促進し、細胞壁破砕を行う処理であれば、酸のみを添加する方法、酸添加後、加熱処理以外の方法を組み合わせること（例えば、ミル等の機械的破砕や、オゾン添加等の化学的酸化）等、種々の方法を用いることが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の汚泥の処理方法によれば、排水処理施設より生じる余剰汚泥は微生物体で形成され、その約５０％はタンパク質で、頑強な細胞壁で守られた細胞膜や細胞質に存在していても、前処理にて汚泥の粘度を低下させ、また、細胞壁も一定の分解を受け、断片化し、その後加水分解酵素を添加するようにしているから、酵素反応を円滑に進みやすくすることができ、短時間内にて余剰汚泥を、可溶化を効果的に促進することができ、排水処理施設から発生する余剰汚泥量を無、若しくは大幅に低減することが可能となる。
【００３９】
また、前処理として、酸を余剰汚泥に添加し、加熱処理を行うようにすることにより、余剰汚泥に酸を添加した後、加熱する前処理によって、頑強な細胞壁で守られた微生物主体の余剰汚泥は、細胞壁が一定の分解を受け、断片化し、さらには、汚泥中の粘性物質も分解され、粘度を簡易に低下させて、次工程の加水分解酵素による加水分解を促進することができる。
【００４０】
また、加水分解酵素として、タンパク質分解酵素及び／又は細胞壁分解酵素を用いることにより、タンパク質分解酵素及び／又は細胞壁分解酵素を加水分解酵素として用いているので、細胞膜中に存在しているタンパク質や、酸加熱処理により影響を受けない頑強なタンパク質、さらには細胞壁断片が固形分として残留していても確実に分解し、可溶化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸添加量と相対汚泥濃度の関係を示すグラフ図である。
【図２】前処理を行う場合の酵素添加による可溶化効果を示すグラフ図である。
【図３】前処理を行わない場合の酵素添加による可溶化効果を示すグラフ図である。
【図４】酵素濃度と可溶化効果の関係を示すグラフ図である。
【図５】本発明の汚泥の処理方法の一実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
１　　移送管
２　　前処理槽
２１　加熱装置
２２　酸添加装置
３　　移送管
４　　酵素処理槽
４１　酵素添加装置
４２　攪拌装置
４３　ｐＨ調節装置
５　　移送管
【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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