(57)【要約】【課題】  煩雑な操作や制御系も少なく、安全でコストが安く汚泥の減容効果に優れた汚泥処理装置を提供する。【解決手段】  有機性汚水及び／又は有機性固形物を生物処理槽１１で生物学的に浄化処理した後に発生する汚泥を処理する電気分解式汚泥処理装置であり、該電極の陰極表面にポリピロールを担持する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性汚水及び／又は有機性固形物を生物処理槽で生物学的に浄化処理した後に発生する汚泥を処理する電気分解式汚泥処理装置であり、該装置に用いられる電極の陰極表面にポリピロールを担持することを特徴とする汚泥処理装置。
【請求項２】
電極間の電流が１〜２０ｍＡ／ｃｍ2となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の汚泥処理装置。
【請求項３】
電極下部からばっ気攪拌することを特徴とする請求項１又は２記載の汚泥処理装置。
【請求項４】
電極を生物処理槽に直接挿入することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の汚泥処理装置。
【請求項５】
電極の陰極と陽極の間に間隙が設けられたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の汚泥処理装置。
【請求項６】
陰極として、焼成された黒鉛質カーボン材料が用いられたことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の汚泥処理装置。
【請求項７】
陰極の表面に多孔性金属板が取り付けられたことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の汚泥処理装置。
【請求項８】
陰極として金属板を用い、該金属板の表面に直接ポリピロール被膜を形成させたことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項記載の汚泥処理装置。
【請求項９】
電極により処理される汚泥溶液に、導電剤が５０ｐｐｍ〜２５％の濃度となるように添加されることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項記載の汚泥処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排水の生物学的処理工程で発生する汚泥の処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、下水や産業排水などの排水処理工程において、主に好気性微生物により排水中の溶解性有機成分を除去することが行われている。この処理工程において、排水の浄化に伴って溶解性有機成分を餌に微生物が増殖し所謂汚泥が発生することになる。したがって、排水中の有機成分が多いほど多くの汚泥が発生することになる。
【０００３】
近年、処理場の能力不足は処理場の設置スペースの問題から、排水処理装置の更なる小型化や汚泥の処理に伴うランニングコストの高騰や臭い等の衛生面の問題、更には汚泥処分場の不足から汚泥を減容化する技術が求めらている。この汚泥を処理する技術としては、オゾン処理のような物理化学的処理、ミルによる物理的処理、酵素による分解、高熱性微生物による生物学的処理など様々な処理方法が考案されている。しかし、いずれの処理方式においてもイニシャルコストやランニングコストの問題、作業性の問題や安全性の問題など問題点を有する。
【０００４】
また、電気分解による汚泥の処理方法が数多く考案されており、電解処理とオゾン酸化を併用したり（例えば、特許文献１）、交流電気分解と過酸化水素の併用したり（例えば、特許文献２）、電解槽に塩化物を添加する方法（例えば、特許文献３）がある。このように通常の電気分解処理では十分な効果が得られないため、二次的な処理を加えているのが大半である。このように電気分解に二次的な処理を加えることによって、処理フローが煩雑になることで制御系も複雑になり作業性が低下するとともに、コストも高騰することが問題点として上げられる。
【０００５】
また、ポリピロールと同様の導電性ポリマーであるポリアニリンは溶存酸素と接触することにより活性酸素が発生し、殺菌できることが見出されている（例えば、特許文献４参照）。しかし、この中で示されている通電量では汚泥の殺菌効果としては不十分なものであった。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１５０１８３公報（第１頁）
【特許文献２】特開２００１−１４９９９８号公報（第１頁）
【特許文献３】特開２００２−１２６７８２号公報（第１頁）
【特許文献４】特開平１０−９９８６３号公報（第１頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは煩雑な操作や制御系も少なく、安全でコストが安く汚泥の減容効果に優れた汚泥処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１記載の汚泥処理装置は、有機性汚水及び／又は有機性固形物を生物処理槽で生物学的に浄化処理した後に発生する汚泥を処理する電気分解式汚泥処理装置であり、該装置に用いられる電極の陰極表面にポリピロールを担持したものである。
上記ポリピロールの作用メカニズムは必ずしも明らかにはなっていないが、ポリアニリンと同様に水中の溶存酸素と反応し、活性酸素を発生させているものと考えられる。しかし、全く別の活性物質が発生している可能性もある。この活性物質により汚泥の細胞膜が破壊され、汚泥が死滅して細胞質が溶出してくる。この細胞質は再び正常な微生物に貪食され、一部は再び汚泥が再合成されるが大部分は炭酸ガスと水にまで分解される。電極下部からは常時ばっ気攪拌することにより溶存酸素を供給するとともに電極表面の付着を防止し、効果の持続を図っている。
【０００９】
請求項２記載の汚泥処理装置は、請求項１記載の汚泥処理装置であって、電極間の電流が１〜２０ｍＡ／ｃｍ2となるように設定されている。電流が１ｍＡ／ｃｍ2以下では汚泥の分解量は非常に少なく十分な汚泥減容効果が得られない。また、２０ｍＡ／ｃｍ2以上にしても、それほど減容効果は変わらなくランニングコストが高くなるので適当ではない。本装置は電極を生物処理槽に直接挿入することができる。
【００１０】
請求項３記載の汚泥処理装置は、請求項１又は２記載の汚泥処理装置であって、電極下部からばっ気攪拌することを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の汚泥処理装置は、請求項１〜３の何れか１項記載の汚泥処理装置であって、電極を生物処理槽に直接挿入することを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の汚泥処理装置は、請求項１〜４の何れか１項記載の汚泥処理装置であって、電極の陰極と陽極の間に間隙が設けられたことを特徴とする。
【００１３】
請求項６記載の汚泥処理装置は、請求項１〜５の何れか１項記載の汚泥処理装置であって、陰極として、焼成された黒鉛質カーボン材料が用いられたことを特徴とする。
【００１４】
請求項７記載の汚泥処理装置は、請求項１〜６の何れか１項記載の汚泥処理装置であって、陰極の表面に多孔性金属板が取り付けられたことを特徴とする。
【００１５】
請求項８記載の汚泥処理装置は、請求項１〜７の何れか１項記載の汚泥処理装置であって、陰極として金属板を用い、該金属板の表面に直接ポリピロール被膜を形成させたことを特徴とする。
【００１６】
請求項９記載の汚泥処理装置は、請求項１〜８の何れか１項記載の汚泥処理装置であって、電極により処理される汚泥溶液に、導電剤が５０ｐｐｍ〜２５％の濃度となるように添加されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、通常の電解処理に加えて、ポリピロール電極による活性物質の生成により、より多くの汚泥を分解することが可能になり、従来法のようにオゾン、過酸化水素や塩化物を併用することなく処理でき、作業の煩雑性もなくランニングコストを少なくすることができる。また、電極下部からばっ気することにより、通電性能が落ちることもなく長期間安定した性能を維持することができる。
【００１８】
さらに、汚泥分解が電極近傍の局所的な反応であるため安全性が高く、生物処理槽に直接電極を挿入して汚泥を減容することが可能である。したがって、汚泥分解槽のような付帯設備を追加することなく、現状の処理槽に簡単に追加導入することができ、イニシャルコストも安くできる。
このように、本装置を導入することによって汚泥の発生が減少することから、水処理装置の小型化、水処理作業環境の改善、汚泥処分費の削減ひいては廃棄物の削減による環境問題の改善に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を図面を参照しながら説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。図１および図２は本発明の汚泥処理装置を組み込んだ排水処理工程の例を図示したものである。図１はポリピロール電極３３を挿入した汚泥分解槽３１を別途設けて返送汚泥を処理するものであり、図２は生物処理槽１１に直接ポリピロール電極３３を挿入したものである。
【００２０】
図１のように排水は、生物処理槽１１で好気性微生物の浄化作用により浄化され一部は汚泥に転換される。一般的にはこの生物処理槽１１の前に流量を調整する流量調整槽、固形物や無機物等の夾雑物を除去して貯留する貯留槽が設けられる。貯留槽で固液分離され溶解性の有機物を含んだ上澄水が生物処理槽１１に移送される。
【００２１】
また、有機性の固形物が大半を占めるようなディスポーザ処理排水などは無機物等を沈砂槽であらかじめ除去した後に、有機性固形物を含んだ状態で生物処理槽１１に流入させてもよい。生物処理槽１１では散気管１２から空気を送り込みばっ気し、好気性微生物の作用により排水を浄化する。処理に伴い汚泥が発生し生物処理槽１１内のＳＳ（懸濁物質）が徐々に上昇する。この生物処理の方式としては活性汚泥法や生物膜法があるがいずれの方式でもよい。
【００２２】
沈殿槽２１では、汚泥と液分を固液分離し、上澄水は放流される。沈殿槽２１に堆積した汚泥は返送管により汚泥分解槽３１へ送られる。汚泥分解槽３１ではポリピロール電極３３表面で発生する活性物質や各種活性イオンの作用により微生物の細胞膜の破壊による汚泥の分解死滅や難分解性物質の分解による可溶化が起こる。
【００２３】
汚泥分解槽３１には汚泥溶液中の溶存酸素を確保するため、通常、散気管３２が取り付けらればっ気を行う。散気管はポリピロール電極３３の下部からばっ気することにより、電極表面に汚泥やカルシウム分や燐酸塩などの不純物が付着することを防止し、電極間の電流値が経時的に低下することを防いでいる。この効果は散気管からの空気と液分と汚泥のような固形物が存在する状態で攪拌ことでそれらの相乗効果により、より高い洗浄効果を発揮する。
【００２４】
ポリピロール電極３３は陽極と陰極から構成されており、陽極としてはチタン板、チタン板の表面に白金やイリジウムのような貴金属をコートしたもの、チタン板に二酸化鉛をコートしたもの、カーボン板、フェルトなど炭素系材料、フェライト板、鉄、銅、アルミニウムなど一般的に電気分解に用いられる電極であればいずれの電極でも良い。好適にはチタン板の表面に白金やイリジウムのような貴金属をコートしたものや二酸化鉛をコートしたものが用いられる。陰極はポリピロールが担持できる素材ならばいずれの材質でもかまわない。例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン板などの炭素材料やステンレス板、銅板、ニッケル板が好適に用いられる。
【００２５】
ポリピロールの担持方法は、特に限定されず、例えば、適当な溶剤にポリピロールを溶解あるいは分散させ、基材に含浸させ溶剤を揮発させる方法、電極表面でピロールを電解重合させる方法やポリピロールをアクリル系、ウレタン系、メラミン系などの樹脂に分散塗布する方法などで作製することができる。
【００２６】
また、上記陰極として金属板を用い、金属板の表面にピロールを電解重合するなどの方法で、直接ポリピロール被膜を形成することも可能である。この場合、金属板の作用により、ポリピロールに対する電子の供給が良好になり処理効率が向上する点で好ましい。
【００２７】
陽極と陰極は一定間隔で配置される。電極間距離は１〜３０ｍｍ程度が好ましい。電極間距離は電流値に影響を及ぼすので狭い方がランニングコストの面で好ましい。しかし、あまり間隔が狭いと汚泥等の固形物が隙間に詰まり汚泥分解効果が経時的に低下する。
また、陽極と陰極の間にイオン透過性の隔膜（電池用のセパレーターなど）を配して、電極同士が接触しないようにして貼り合わせてもよい。
【００２８】
さらに、通電性を良好にするために白金線やメッシュのようなものを電極面に貼り合わせてもよい。ポリピロール電極は直流電源に接続される。通電は連続的でも間欠的でもかまわない。通常連続的に電解した場合カルシウム等の付着物によって通電量の低下が見られるが、本システムではばっ気による剥離効果が高いとともに、ポリピロールの作用により非常に付着しにくい結果が得られている。排水中のカルシウム等のカチオンの量が非常に多い場合には間欠に通電してもよい。また、通電量は電極間の電流が１〜２０ｍＡ／ｃｍ2となるように設定することが好ましい。
【００２９】
このとき、電流が１ｍＡ／ｃｍ2以下では汚泥の分解量は非常に少なく十分な汚泥減容効果が得られないことがある。また、２０ｍＡ／ｃｍ2以上にしても、それほど減容効果は変わらなくランニングコストが高くなる傾向があるので適当ではない。汚泥分解槽で分解された溶液は再び生物処理槽へ移送される。汚泥分解槽で可溶化された有機物は生物処理槽で好気性微生物により処理されて、二酸化炭素と水に分解され所謂無機化される。一部は再び汚泥に再合成される。このサイクルを循環することにより見かけ上汚泥が発生しないシステムを構築することができる。
【００３０】
図２はポリピロール電極３３を直接生物処理槽１１に挿入したものである。この場合は生物処理槽１１の中で汚泥の分解、無機化、再合成が進む。これは、ポリピロール電極３３から発生する活性物質は非常に寿命が短かいため、電極近傍の局所的に汚泥の分解が進むと考えられる。したがって、生物処理槽に直接電極を挿入した場合でも、反応が局所的であるので、正常な微生物を保持した状態で反応が進むことから、汚泥の分解から無機化、再合成の一連の反応を単一槽の中で実現することが可能になる。
【００３１】
これに対して、次亜塩素酸や酵素剤の投入やオゾンの投入などは局所的に反応させることが非常に難しいとともに毒性の残留（持続）が起こりやすいために単一槽での処理には適さない。図２の方式は特に活性汚泥法に対して有効である。
【００３２】
本発明において用いられる電極が、例えば図３に示すように、陽極４１の両側にスペーサー４２を介して、陰極４３が取り付けられ、陰極４３と陽極４１の間に汚泥溶液が通過可能な間隙４４が設けられたものであると、汚泥溶液が間隙４４を通過する際にも汚泥分解が可能となり、陰極４３の外表面の全面が汚泥の分解に寄与することができる点で好ましい。上記間隙４４としては、狭すぎると汚泥が詰まりやすくなり、広すぎると電極間の電流が小さくなりすぎて分解性能が不十分になりやすいので、１〜３０ｍｍであることが好ましく、ランニングコストの点で３〜１０ｍｍであることがより好ましい。
【００３３】
本発明における陰極には、カーボンペーパー、カーボンクロス、フェルト、カーボン板、カーボンマットなどの炭素系材料が用いられるが、これらの炭素系材料が焼成された黒鉛質カーボン材料であると、材料中のバインダー成分、サイジング成分などの有機成分が焼成分解され、有機成分の劣化による陰極の部分剥離などを防止できる点で好ましい。
【００３４】
更に上記陰極の表面に多孔性金属板が取り付けられていると、通電性が向上する点で好ましい。多孔性金属板としては、メッシュ、パンチングメタル、エクスパンドメタルなどが挙げられ、用いられる材料としては、例えば、ステンレス、銅、白金などが挙げられるが、耐食性など耐久性の点でステンレスが好ましい。
【００３５】
本発明の汚泥処理装置において、電極により処理される汚泥溶液に、導電剤が５０ｐｐｍ〜２５％の濃度となるように添加される場合には、通電性が更に向上する点で好ましい。上記導電剤の濃度が５０ｐｐｍに満たない場合は、通電性向上の効果が不十分になりやすく、２５％ではほぼ飽和状態となる。より好ましくは１００ｐｐｍ〜５％である。導電剤の具体例としては、例えば、塩化ナトリウム、塩化カリウム、硫酸ナトリウム、硝酸カリウム、過塩素酸ナトリウム、グリセロリン酸カルシウムなどの金属塩が挙げられ、中でも塩化ナトリウムや硫酸ナトリウムが好適である。次に具体的な実施例について説明する。
【実施例】
【００３６】
（実施例１）＜汚泥分解試験（バッチ）＞
活性汚泥（ＳＳ濃度：３５００ｍｇ／ｌ）１０００ｍｌをビーカーに入れ、ばっ気攪拌した。その中に図３に示すような、電極面積が６０ｃｍ2のポリピロール電極３３を浸漬し、５ｍＡ／ｃｍ2で２３時間通電した。陰極４３としては黒鉛質カーボン平板にピロールを電解重合して７ｍｇ／ｃｍ2を担持した。陽極４１としては白金コートしたチタン板を用い、その両側にスペーサー４２として長さ１０ｍｍのプラスチックパイプ（外径１０ｍｍ、内径５ｍｍ）を介して、上記陰極４３をプラスチック製のネジ４５を用いて取り付け、間隙４４が１０ｍｍのポリピロール電極３３を作製した。
（比較例１）
電極を挿入しないもの（ばっ気のみ）、０．１ｍＡ／ｃｍ2通電したもの、ポリピロールを担持していない以外は実施例と同様に作製した電極を用いたもの（カーボン電極）を評価した。
評価結果は以下に示した。
（評価結果）
２３時間後のＳＳの減少量
実施例１：２．３７ｇ
比較例１：
ばっ気のみ：０．２４ｇ
０．１ｍＡ／ｃｍ2通電：０．４６ｇ
カーボン電極：１．１２ｇ
以上のようにポリピロール電極は比較例に比べて有意に汚泥を分解した。
【００３７】
（実施例２）＜汚泥分解試験（連続試験）＞
図１と同様の装置を準備した。ただし、沈殿槽２１は生物処理槽１１と一体にして、下部で連通するような構造とした。生物処理槽１１の容量：１４Ｌ、沈殿槽２１の容量：６Ｌ、汚泥分解槽３１の容量：３．５Ｌとした。排水としては、ニンジン：１８ｇ、キャベツ：１８ｇ、バナナの皮：１０ｇ、りんご：１０ｇ、グレープフルーツの皮：１０ｇ、鳥の骨湯通し：８ｇ、小魚湯通し：１０ｇ、茶殻：４ｇ、米飯：１０ｇをディスポーザで粉砕し、水で１Ｌにしたもの（ＳＳ濃度：約１２０００ｍｇ／Ｌ）を１日１回投入した。汚泥分解槽３１には生物処理槽１１から汚泥を３．５Ｌ引抜き、２４時間通電処理後再び生物処理槽１１に戻す操作を繰り返した。ポリピロール電極３３は面積を３６０ｃｍ2にする以外は実施例１と同様に作製した。
（比較例２）
汚泥分解槽３１にポリピロール電極３３を挿入しない以外は実施例２と同様の条件で行った。
評価結果を以下に示した。
（評価結果）
実験開始後２５日目の生物処理槽ＳＳ濃度
実施例２：４１００ｍｇ／Ｌ、比較例２：６７００ｍｇ／Ｌ
実験開始後２５日目の放流水のＴＯＣ濃度：
実施例２：１８ｍｇ／Ｌ、比較例２：１４ｍｇ／Ｌ
以上のように実施例は比較例に比べて有意に生物処理槽のＳＳの上昇を抑えることができた。また、放流水も比較例とほぼ同等であり、汚泥分解によって生成した溶解性有機物は生物処理槽で処理されていることが確認された。
【００３８】
（実施例３）＜汚泥分解試験（バッチ）＞
活性汚泥（ＳＳ濃度：５０００ｍｇ／ｌ）１０００ｍｌをビーカーに入れ、ばっ気攪拌した。その中に図３に示すような、電極面積が６０ｃｍ2のポリピロール電極３３を浸漬し、５ｍＡ／ｃｍ2で２３時間通電した。陰極４３としてはステンレス板にピロールを電解重合して７ｍｇ／ｃｍ2を担持した。陽極４１としては白金コートしたチタン板を用い、その両側にスペーサー４２として長さ１０ｍｍのプラスチックパイプ（外径１０ｍｍ、内径５ｍｍ）を介して、上記陰極４３をプラスチック製のネジ４５を用いて取り付け、間隙４４が１０ｍｍのポリピロール電極３３を作製した。
（比較例３）
陰極４３において、ステンレス板にポリピロールを担持しなかったこと以外、実施例３と同様の汚泥分解試験を行った。
評価結果は以下に示した。
（評価結果）
２３時間後のＳＳ減少量
実施例３：２．８１ｇ
比較例３：０．７５ｇ
以上のように実施例は比較例に比べて有意に汚泥を分解した。
【００３９】
（実施例４）＜汚泥分解試験（連続試験）＞
ポリピロール電極３３は面積を３６０ｃｍ2にしたこと以外は実施例３と同様に作製した。図１と同様の装置を準備し、ポリピロール電極３３として上記電極を用いたこと以外は実施例２と同様にして、汚泥分解試験を行った。
（比較例４）
陰極４３において、ステンレス板にポリピロールを担持しなかったこと以外実施例４と同様の汚泥分解試験（連続試験）を行った。
評価結果を以下に示した。
（評価結果）
実験開始後２５日目のＳＳ減少量
実施例４：９．４ｇ、比較例４：２．３ｇ
実験開始後２５日目の生物処理槽ＳＳ濃度
実施例４：３８００ｍｇ／Ｌ、比較例４：６２００ｍｇ／Ｌ
以上のように実施例は比較例に比べて有意に汚泥を分解し、生物処理槽のＳＳの上昇を抑えることができた。
【００４０】
（実施例５、６）＜汚泥分解試験（バッチ）＞
活性汚泥（ＳＳ濃度：８０００ｍｇ／Ｌ）１０００ｍｌ、及び汚泥溶液中の塩化ナトリウムの濃度が２００ｐｐｍ（実施例５）、及び５００ｐｐｍ（実施例６）となる量の塩化ナトリウムをビーカーに入ればっ気攪拌したこと以外は、実施例３と同様にして汚泥分解試験を行った。
（比較例５）
汚泥溶液中に塩化ナトリウムを全く添加しなかったこと以外は実施例５と同様の汚泥分解試験を行った。
評価結果は以下に示した。
（評価結果）
汚泥溶液の導電率
実施例５：（２００ｐｐｍ）０．７０ｍＳ／ｃｍ
実施例６：（５００ｐｐｍ）１．２３ｍＳ／ｃｍ
比較例５：０．２９ｍＳ／ｃｍ
２３時間後のＳＳ減少量
実施例５：（２００ｐｐｍ）２．９１ｇ
実施例６：（５００ｐｐｍ）４．８７ｇ
比較例５：１．４８ｇ
以上のように実施例は、汚泥溶液の導電率が高くなり、比較例に比べて有意に汚泥を分解した。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明にかかる汚泥処理装置を組み込んだ排水処理工程を表す説明図である。
【図２】本発明にかかる他の汚泥処理装置を組み込んだ排水処理工程を表す説明図である。
【図３】本発明にかかるポリピロール電極の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１１  生物処理槽
２１  沈殿槽
３１  汚泥分解槽
３３  ポリピロール電極
４１  陽極
４２  スペーサー
４３  陰極
４４  間隙
４５  ネジ
【図１】
2005185958.tif 000003
【図２】
2005185958.tif 000004
【図３】
2005185958.tif 000005