(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる有機酸生成方法において、
前記汚泥を嫌気的に発酵させ前記有機酸を含んだ発酵汚泥を得る発酵工程と、
前記発酵汚泥を固液分離し、前記有機酸を含む液体成分を固体成分から分離して得る固液分離工程と、
前記固液分離工程で分離された前記固体成分を可溶化処理して可溶化汚泥を得る可溶化工程と、
前記可溶化汚泥を発酵させるために、前記可溶化汚泥を前記発酵工程に返送する返送工程と、を備え、
前記固液分離工程の前に、前記発酵汚泥に凝集剤を添加し前記発酵汚泥中のリン成分を不溶化させる凝集工程と、
前記返送工程の前に、前記可溶化汚泥から不溶成分を除去する不溶成分除去工程と、を更に備えたことを特徴とする有機酸生成方法。
【請求項２】
汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる有機酸生成装置において、
前記汚泥を嫌気的に発酵させ前記有機酸を含んだ発酵汚泥を得る発酵槽と、
前記発酵汚泥を固液分離し、前記有機酸を含む液体成分を固体成分から分離して得る固液分離装置と、
前記固液分離装置で分離された前記固体成分を可溶化処理して可溶化汚泥を得る可溶化槽と、
前記可溶化汚泥を発酵させるために、前記可溶化汚泥を前記発酵槽に返送する返送手段と、を備え、
前記固液分離装置の前段に設けられ、前記発酵槽で得られた前記発酵汚泥に凝集剤を添加し前記発酵汚泥中のリン成分を不溶化させる凝集槽と、
前記返送手段の前段に設けられ、前記可溶化汚泥から不溶成分を除去する不溶成分除去槽と、を更に備えたことを特徴とする有機酸生成装置。
【請求項３】
請求項２に記載の有機酸生成装置と、
排水を導入し、前記有機酸生成装置で得られる有機酸を用いて前記排水を生物処理する生物処理槽と、を備えたことを特徴とする排水処理設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる有機酸生成方法、有機酸生成装置、及びそれらを利用する排水処理設備に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、河川や海、湖沼などの富栄養化による藻類やアオコの異常発生を防止すべく、生物処理法による下水の脱窒あるいは脱リン処理が行われている。そして、このような下水処理方法として、下記特許文献１に記載の技術が知られている。この特許文献１に記載の方法では、脱窒あるいは脱リン処理に必要な有機源を供給するために、有機酸生成装置によって下水汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を含む発酵汚泥を得ている。この発酵汚泥には発酵処理によって溶出したリン成分が含まれるので、このリン成分を除去した後、発酵汚泥が有機源として生物処理槽に供給される。
【０００３】
ところで、このような有機酸生成装置においては、有機源を効率よく供給しながら、生物処理法における被処理水の脱リン処理、脱窒処理を効率よく行わせるために、有機酸の生成量が多いことが望まれる。
【特許文献１】特開２００３−１１７５８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の方法では、有機酸からのリン成分除去により生物処理槽における処理水のリン成分を低減させることは考慮されているが、有機酸の生成量向上については十分に考慮されているとは言えない。従って、この種の有機酸生成方法及び装置においては、有機酸の生成量の更なる向上が求められている。
【０００５】
本発明は、有機酸の生成量の向上を図ることができる有機酸生成方法、有機酸生成装置、及び排水処理設備を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の有機酸生成方法は、汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる有機酸生成方法において、汚泥を嫌気的に発酵させ有機酸を含んだ発酵汚泥を得る発酵工程と、発酵汚泥を固液分離し、有機酸を含む液体成分を固体成分から分離して得る固液分離工程と、固液分離工程で分離された固体成分を可溶化処理して可溶化汚泥を得る可溶化工程と、可溶化汚泥を発酵させるために、可溶化汚泥を発酵工程に返送する返送工程と、を備え、固液分離工程の前に、発酵汚泥に凝集剤を添加し発酵汚泥中のリン成分を不溶化させる凝集工程と、返送工程の前に、可溶化汚泥から不溶成分を除去する不溶成分除去工程と、を更に備えたことを特徴とする。
【０００７】
この有機酸生成方法では、発酵工程で得られた発酵汚泥中の固体成分が固液分離工程で分離され、可溶化工程で可溶化される。そして、可溶化によって得られた可溶化汚泥は返送工程によって上記の発酵工程に戻され、汚泥と一緒に再び発酵される。この場合、発酵工程においては、汚泥よりも発酵されやすい可溶化汚泥が、有機酸の原料の一部として加わることになるので、発酵工程における発酵反応が効果的に進行する。従って、発酵工程における汚泥及び可溶化汚泥の滞留時間を短くすることができる。
【０００８】
ここで、有機酸を生成する発酵工程においては、通常、汚泥及び可溶化汚泥から有機酸が生成する有機酸発酵反応と、生成した有機酸がメタン生成菌によってメタンに変化するメタン発酵反応とが並行して進行する。ところが、上記有機酸生成方法において、発酵工程における汚泥及び可溶化汚泥の滞留時間を短くすると、メタン生成菌の増殖が抑えられ、上記メタン発酵反応が抑制される。従って、メタンに変化してしまう有機酸が少なく抑えられ、その結果として、この有機酸生成方法では、有機酸の生成量を向上させることができる。
【０００９】
また、本発明の有機酸生成方法は、固液分離工程の前に、発酵汚泥に凝集剤を添加し発酵汚泥中のリン成分を不溶化させる凝集工程と、返送工程の前に、可溶化汚泥から不溶成分を除去する不溶成分除去工程と、を備えている。
【００１０】
この場合、凝集工程で発酵汚泥に凝集剤が添加されて発酵汚泥中のリン成分が不溶化し、不溶化したリン成分は、固液分離工程により固体成分として液体成分から分離されるので、液体成分中のリン成分が低減される。一方、分離された固体成分は可溶化工程で可溶化され、この可溶化汚泥からは、不溶成分除去工程により不溶化したリン成分が不溶成分として除去される。従って、返送工程においてリン成分が少ない可溶化汚泥が発酵工程に返送されることになり、発酵工程で得られる発酵汚泥中のリン成分も少なくなる。以上の結果として、この有機酸生成方法では、リン成分が少ない液体成分を、有機源として得ることができる。
【００１１】
また、本発明の有機酸生成装置は、汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる有機酸生成装置において、汚泥を嫌気的に発酵させ有機酸を含んだ発酵汚泥を得る発酵槽と、発酵汚泥を固液分離し、有機酸を含む液体成分を固体成分から分離して得る固液分離装置と、固液分離装置で分離された固体成分を可溶化処理して可溶化汚泥を得る可溶化槽と、可溶化汚泥を発酵させるために、可溶化汚泥を発酵槽に返送する返送手段と、を備え、固液分離装置の前段に設けられ、発酵槽で得られた発酵汚泥に凝集剤を添加し発酵汚泥中のリン成分を不溶化させる凝集槽と、返送手段の前段に設けられ、可溶化汚泥から不溶成分を除去する不溶成分除去槽と、を更に備えたことを特徴とする。
【００１２】
この有機酸生成装置では、発酵槽で得られた発酵汚泥中の固体成分が固液分離装置で分離され、可溶化槽で可溶化される。そして、可溶化によって得られた可溶化汚泥は返送手段によって上記の発酵槽に戻され、汚泥と一緒に再び発酵される。この場合、発酵槽には、汚泥よりも発酵されやすい可溶化汚泥が、有機酸の原料の一部として導入されることになるので、発酵槽における発酵反応が効果的に進行する。従って、発酵槽における汚泥及び可溶化汚泥の滞留時間を短くすることができる。
【００１３】
ここで、有機酸を生成する発酵槽内においては、通常、汚泥及び可溶化汚泥から有機酸が生成する有機酸発酵反応と、生成した有機酸がメタン生成菌によってメタンに変化するメタン発酵反応とが並行して進行する。ところが、上記有機酸生成方法において、発酵工程における汚泥及び可溶化汚泥の滞留時間を短くすると、メタン生成菌の増殖が抑えられ、上記メタン発酵反応が抑制される。従って、メタンに変化してしまう有機酸が少なく抑えられ、その結果として、この有機酸生成装置では、有機酸の生成量を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の有機酸生成装置は、固液分離装置の前段に設けられ、発酵槽で得られた発酵汚泥に凝集剤を添加し発酵汚泥中のリン成分を不溶化させる凝集槽と、返送手段の前段に設けられ、可溶化汚泥から不溶成分を除去する不溶成分除去槽と、を備えている。
【００１５】
この場合、凝集槽で発酵汚泥に凝集剤が添加されて発酵汚泥中のリン成分が不溶化し、不溶化したリン成分は、固液分離装置により固体成分として液体成分から分離されるので、液体成分中のリン成分が低減される。一方、分離された固体成分は可溶化槽で可溶化され、この可溶化汚泥からは、不溶成分除去槽で不溶化したリン成分が不溶成分として除去される。従って、リン成分が少ない可溶化汚泥が返送手段によって発酵槽に返送されることになり、発酵槽で得られる発酵汚泥中のリン成分も少なくなる。以上の結果として、この有機酸生成装置では、リン成分が少ない液体成分を、有機源として得ることができる。
【００１６】
また、本発明の排水処理設備は、上記の有機酸生成装置と、排水を導入し、有機酸生成装置で得られる有機酸を用いて排水を生物処理する生物処理槽と、を備えたことを特徴とする。この排水処理設備によれば、有機酸生成装置における有機酸の生成量が向上されるので、この有機酸を用いた排水の生物処理が効率よく行われる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の有機酸生成方法、有機酸生成装置、及び排水処理設備によれば、有機酸の生成量の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る有機酸生成方法、有機酸生成装置、及び排水処理設備の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１９】
（第１実施形態）
図１に示す排水処理設備１００は、下水処理場に採用されているもので、下水に対して、生物的窒素除去及び生物的リン除去を含む高度処理を行う設備である。図に示すように、排水処理設備１００は、最初沈殿池３、生物処理槽５、最終沈殿池７と共に有機酸生成装置１を備えている。
【００２０】
排水処理設備１００には、下水処理場の図示しない沈砂池で比較的粒径が大きい固形物が沈降分離され、布、空き缶、ビニール類等の篩渣がスクリーンにて除去され、ポンプ井よりポンプアップされた流入下水が、ラインＬ１を通じて導入される。ラインＬ１からの流入下水は、最初沈殿池３に導入され、重力沈降により最初沈殿池３の底部に沈降する生汚泥とそれ以外の上澄み液とに分離される。ここで分離された生汚泥は図示しない汚泥掻寄機で汚泥溜まり部３ａに掻き寄せられて、一部はラインＬ１１を通じて有機酸生成装置１に送られ、残りは、余剰汚泥とともに図示しない汚泥処理槽に送られて処理される。上澄み液は被処理水としてラインＬ２を通じて生物処理槽５に送られる。詳細は後述するが、有機酸生成装置１は、この生汚泥を発酵処理し、例えば、酢酸、プロピオン酸、酪酸といった有機酸を含んだ発酵液をラインＬ２０から排出する。
【００２１】
生物処理槽５は、嫌気―無酸素―好気法による生物処理を行う処理槽であり、嫌気槽５ａ、無酸素槽５ｂ、好気槽５ｃをこの順に備えている。ラインＬ２から嫌気槽５ａに導入された上澄み液である被処理水は、嫌気槽５ａ、無酸素槽５ｂ、好気槽５ｃの順に送られながら、それぞれの槽で嫌気性処理、無酸素処理、好気性処理が行われた後、ラインＬ３を通じて最終沈殿池７に送られる。このとき、ラインＬ２０を通じて、有機酸生成装置１から有機酸を含む発酵液が嫌気槽５ａに供給されることで、生物処理槽５における被処理水の脱窒反応あるいは脱リン反応が促進されることになる。また、好気槽５ｃには、散気装置５ｄが設けられており、送風機５ｅから送り込まれた空気により好気槽５ｃ内の被処理水を曝気する。また、好気槽５ｃの滞留液は、循環ポンプ５ｆによりラインＬ４を通じて無酸素槽５ｂに送られ、循環導入されている。ここで、ラインＬ２０から発酵液が無酸素槽５ｂに供給されてもよい。
【００２２】
最終沈殿池７に送られた生物処理水は、浮遊する活性汚泥を沈降分離させた後、ラインＬ５を通じて排出される。排出されたこの処理水は、図示しない設備において三次処理や滅菌処理が行われた後、河川等に放流される。最終沈殿池７で沈降した活性汚泥は、活性汚泥溜まり部７ａからラインＬ６を通じて排出される。排出された活性汚泥の一部は、ラインＬ７を通じて生物処理槽５の嫌気槽５ａに返送され、残りは、図示しない設備における汚泥処理工程を経て処理される。
【００２３】
上記の有機酸生成装置１について、更に詳細に説明する。有機酸生成装置１は、上述の通り、流入下水から分離された生汚泥を原料とし、生汚泥中の有機物を酸生成菌によって嫌気的に発酵させて、有機酸を得る装置である。図１に示すように、有機酸生成装置１は、汚泥貯留槽２３、酸発酵槽２７、濃縮槽（固液分離装置）４３、発酵液貯留槽４９、及び可溶化槽５１を備えている。原料となる生汚泥は、ラインＬ１１を通じて装置１に導入され、まず汚泥貯留槽２３に一旦貯留され、汚泥貯留槽２３に設けられた汚泥撹拌機２５によって撹拌される。撹拌されて均一な汚泥濃度となった生汚泥は、ラインＬ１２を通じて酸発酵槽２７に導入される。なお、この汚泥貯留槽２３は無くてもよく、ラインＬ１１からの生汚泥が直接酸発酵槽２７に導入されてもよい。また、汚泥貯留槽２３に導入される生汚泥の汚泥濃度が低すぎる場合には、別途汚泥濃縮槽で前濃縮した後に汚泥貯留槽２３又は酸発酵槽２７に導入することが好ましい。
【００２４】
酸発酵槽２７は、導入された生汚泥を発酵処理し有機酸を生成させる槽である。この酸発酵槽２７は、槽内に滞留する発酵汚泥Ｓを撹拌する酸発酵攪拌機２９、発酵汚泥ＳのｐＨを測定するｐＨセンサ３１、発酵汚泥Ｓの酸化還元電位を測定するＯＲＰセンサ３３、及び槽内に酸性剤（例えば、塩酸）又はアルカリ剤（例えば、水酸化ナトリウム）を投入して発酵汚泥ＳのｐＨを調整するｐＨ調整装置３５を備えている。また、図示しないが、酸発酵槽２７は、発酵汚泥Ｓの酸化還元電位を調整するための空気供給装置を備えてもよい。酸発酵槽２７では、これらのｐＨセンサ３１及びＯＲＰセンサ３５から得られた情報に基づいて、槽内のｐＨ等の発酵条件が適切に制御され、酸生成菌が発酵汚泥Ｓ中の有機物を分解して有機酸を生成する有機酸発酵反応が進行する。そして、有機酸を含んだ発酵汚泥は、ラインＬ１４を通じて濃縮槽４３に送られる（発酵工程）。なお、酸発酵槽２７の適切な発酵条件とは、例えば、ＯＲＰ約−３００〜−２００ｍＶ、ｐＨ約４〜６．５である。
【００２５】
濃縮槽４３は円形断面をなしており、槽の下部で回転する掻き寄せブレード４７ａを有する掻寄機４７を備えている。ラインＬ１４を通じて濃縮槽４３に導入された発酵汚泥は重力沈降によって固液分離される（固液分離工程）。この固液分離によって重力沈降した固体成分の一部は、濃縮汚泥としてラインＬ１６を通じ可溶化槽５１に導入され、固体成分の残りは、余剰汚泥としてラインＬ１７を通じて設備１００外に排出され、酸発酵槽２７で発生する発酵残渣等と一緒に、図示しない設備によって焼却処理あるいは消化処理される。なお、ここでは、重力沈降による固液分離を行う濃縮槽４３に代えて、例えば浸漬膜分離装置といった膜分離装置を採用してもよい。
【００２６】
可溶化槽５１に導入された濃縮汚泥は、可溶化（液化）処理されて液化する（可溶化工程）。液化された汚泥（以下「可溶化汚泥」という）は、ライン（返送手段）Ｌ１８を通じ、ポンプ（返送手段）Ｐ２によって酸発酵槽２７に返送され再び発酵処理される（返送工程）。この可溶化槽５１における可溶化処理としては、例えば、オゾン処理、アルカリ処理、酸処理、超音波処理、加熱処理、ミル等を用いた機械的な細胞破壊処理といった方法を用いることができる。また、これらの処理方法を複数組み合わせて行ってもよい。ここで、酸処理又はアルカリ処理を行った場合には、酸発酵槽２７の急激なｐＨ変化を抑えるため、可溶化汚泥を中和処理した後に酸発酵槽２７に供給することが好ましい。
【００２７】
一方、濃縮槽４３で上澄みとして分離された発酵液は、ラインＬ１５を通じて発酵液貯留槽４９へ送られ、この発酵液貯留槽４９内で一旦貯留された後、ラインＬ２０を通じて、有機酸を含む発酵液として排出される。そして、前述のとおり、ラインＬ２０を通じて排出されたこの発酵液は、嫌気−無酸素−好気法の有機源として生物処理槽５に供給される。なお、この発酵液貯留槽４９を省略して、濃縮槽４３からの発酵液を生物処理槽５に直接供給してもよい。
【００２８】
このような排水処理設備１００においては、生物処理槽５での被処理水の脱リン処理及び脱窒処理を効率よく行わせるために、有機酸生成装置１における有機酸の生成量を向上することが必要である。この装置１において、発酵汚泥Ｓには、酸生成菌ばかりでなくメタン生成菌も含まれているので、酸発酵槽２７の発酵汚泥Ｓ中では、酸生成菌が汚泥を有機酸に変化させる有機酸発酵反応と、生成した有機酸をメタン生成菌がメタンガスに変化させてしまうメタン発酵反応とが同時に進行する。従って、最終的な有機酸の生成量向上のためには、有機酸発酵反応の進行だけでなく、メタン発酵反応の抑制についても考慮する必要がある。
【００２９】
ここで、この種の有機酸生成装置で生汚泥を有機酸発酵させる場合、酸発酵槽における滞留時間は、２〜７日程度に設定されるのが通常である。ところが、有機酸生成装置１においては、有機酸の原料として、ラインＬ１２からの生汚泥ばかりでなく、ラインＬ１８からの可溶化汚泥も酸発酵槽２７に導入される。そして、可溶化汚泥は生汚泥よりも発酵されやすいので、生汚泥のみが酸発酵槽２７に導入される場合に比較して、酸発酵槽２７内の有機酸発酵反応が効果的に進行することになる。従って、この有機酸生成装置１においては、酸発酵槽２７における滞留時間を、例えば１〜５日といったように短く設定しても有機酸発酵反応が十分に進行する。一方、滞留時間が短くなることで、酸発酵槽２７内のメタン生成菌の増殖が抑えられ、メタン発酵反応が抑制される。従って、酸発酵槽２７においてメタンに変化してしまう有機酸が少なく抑えられ、その結果として、この有機酸生成装置１では、有機酸の生成量を向上させることができる。そして、このように、有機酸生成装置１における有機酸の生成量が向上され、有機酸が生物処理槽５に効率よく供給されるので、排水処理設備１００では、排水の脱窒及び脱リン処理が効率よく行われる。
【００３０】
また、この有機酸生成装置１では、発酵汚泥中の固体成分が、可溶化槽５１と、酸発酵槽２７との間で繰り返し処理されるので、最終的に余剰汚泥として排出される固形物の減容化を図ることができる。
【００３１】
（第２実施形態）
図２に示すように、排水処理設備１０１は、有機酸生成装置２を備えている。この有機酸生成装置２は、濃縮槽４３の前段に設けられた凝集槽６１と、酸発酵槽２７への返送ラインＬ１８の前段に設けられた不溶成分除去槽６３と備えている。凝集槽６１では、酸発酵槽２７からラインＬ１４ａを通じて導入された発酵汚泥に、リン酸イオン（リン成分）と反応する凝集剤が添加され、発酵汚泥に含まれるリン酸イオンは凝集剤と反応して不溶性のリン酸塩に変化する（凝集工程）。なお、ここでは、凝集剤として、鉄、アルミニウム、カルシウム等の化合物を用いることができる。また、一般的に用いられる代表的な凝集剤としては、ポリ塩化アルミニウムが挙げられる。
【００３２】
その後、発酵汚泥は、ラインＬ１４ｂを通じて濃縮槽４３に導入され固液分離される。この時、発酵汚泥中のリン酸塩は重力沈降し、濃縮汚泥に含まれラインＬ１６，Ｌ１７から排出されることになる。すなわち、濃縮槽４３では、発酵汚泥からリン成分が除去されることになるので、ラインＬ１５に排出される発酵液に含まれるリン成分が少なくなる。
【００３３】
一方、濃縮槽４３からＬ１６を通じて排出される濃縮汚泥は、可溶化槽５１に導入され可溶化処理される。そして、可溶化された可溶化汚泥は、不溶成分除去槽６３に導入される。不溶成分除去槽６３では、可溶化汚泥中に含まれる不溶成分が、重力沈降によって除去される（不溶成分除去工程）。上記のリン酸塩は不溶のまま固体として可溶化汚泥に含まれているので、未溶解の汚泥と一緒に不溶成分として、ラインＬ２０から設備１０１外に排出される。このように、不溶成分除去槽６３において、酸発酵槽２７に返送される前の可溶化汚泥からリン成分が除去されるので、酸発酵槽２７に返送されるリン成分が低減されることになり、酸発酵槽２７で得られる発酵汚泥中のリン成分も少なくなる。以上の結果として、この有機酸生成装置では、リン成分が少ない発酵液を有機源として生物処理槽５に供給することができる。従って、この排水処理設備１０１によれば、生物処理槽５からのリン成分が少ない処理水が得られる。
【００３４】
なお、排水処理設備１０１において、排水処理設備１００と同一又は同等な構成については、図面に同一符号を付し、その説明は省略する。
【００３５】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、有機酸生成装置１，２に導入される有機酸の原料としての汚泥は、最初沈殿池３で発生する汚泥に限られず、最終沈殿池７で発生する汚泥であってもよいし、最初沈殿池３の汚泥と最終沈殿池７の汚泥とを併用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る排水処理設備の第１実施形態を示す図である。
【図２】本発明に係る排水処理設備の第２実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１，２…有機酸生成装置、５…生物処理槽、２７…酸発酵槽、４３…固液分離槽（固液分離装置）、５１…可溶化槽、６１…凝集槽、４１…不溶成分除去槽、１００，１０１…排水処理設備、Ｌ１８…ライン（返送手段）、Ｐ２…ポンプ（返送手段）。
【図１】
0004688713.tif 000002
【図２】
0004688713.tif 000003