(57)【要約】【課題】  メタン回収効率および汚泥減量化効率が高く、余剰汚泥を減量化でき、処理水のリン成分濃度を低下させる汚水処理システムを得る。【解決手段】  本発明の汚水処理システムは、汚水を固液分離する第１沈殿槽13と、生物反応槽15、活性汚泥を固液分離する第２沈殿槽5と、余剰汚泥を浮遊物と水分とに分離して濃縮する浮上装置を含む浮上濃縮設備14とを備えたもので、浮上濃縮設備に導入される余剰汚泥の一部を分岐して、前記余剰汚泥を再基質化する汚泥改質手段と、汚泥中に空気等の微細気泡を吹き込む曝気手段と、再基質化された汚泥を泡と液に分離する汚泥分離槽を有し、これらで循環系を構成した汚泥改質・分離装置を17設け、再基質化された分離汚泥と分離液をそれぞれ個別に処理するものである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入した汚水を物理的操作により固液分離する第１沈殿槽等の一次処理設備と、活性汚泥による生物処理により溶解性有機物を生物分解する生物反応槽および生物処理後の処理水と活性汚泥を固液分離する第２沈殿槽を備えた二次処理設備と、前記第２沈殿槽から排出される余剰汚泥を浮遊物と水分とに分離する浮上装置を含む浮上濃縮設備とを備えた汚水処理システムにおいて、
前記浮上濃縮設備に導入される余剰汚泥の一部を分岐し、前記余剰汚泥を物理的あるいは化学的操作により再基質化させる汚泥改質手段と、前記余剰汚泥中に空気等の微細気泡を吹き込む曝気手段と、前記再基質化された汚泥を泡と液に分離する汚泥分離槽とを有した汚泥改質・分離装置を用い、
前記汚泥分離槽の上部に分離した再気質化分離汚泥を、前記浮上装置の上部分離汚泥層、脱水設備、嫌気性消化設備、またはリン回収設備のいずれかに移送し、前記汚泥分離槽の下部に分離した再基質化分離液を前記浮上装置の下部分離液層または返流水として前記一次処理設備の前段もしくは前記二次処理設備の前段に移送し、汚泥と液を個別に処理することを特徴とする汚水処理システム。
【請求項２】
流入した汚水を物理的操作により固液分離する第１沈殿槽等の一次処理設備と、活性汚泥による生物処理により溶解性有機物を生物分解する生物反応槽および生物処理後の処理水と活性汚泥を固液分離する第２沈殿槽を備えた二次処理設備と、前記第２沈殿槽から排出される余剰汚泥を物理的あるいは化学的操作により再基質化する汚泥改質手段とを備えた汚水処理システムにおいて、
前記汚泥改質手段に汚泥中に空気等の微細気泡を吹き込む曝気手段と、再基質化された汚泥を泡と液に分離する汚泥分離槽とを加えた汚泥改質・分離装置を用い、
前記汚泥分離槽の上部に分離した再基質化分離汚泥を、脱水設備、嫌気性消化設備、またはリン回収設備のいずれかに移送し、前記汚泥分離槽の下部に分離した再基質化分離液を前記返流水として前記一次処理設備の前段もしくは前記二次処理設備の前段に移送し、汚泥と液を個別に処理することを特徴とする汚水処理システム。
【請求項３】
前記汚泥改質手段は、ミル破砕方式、超音波方式、キャビテーション方式、回転ディスク方式による物理的汚泥改質手段、オゾン方式、過酸化水素等の酸化剤による化学的汚泥改質手段、電解方式、超臨界方式による物理化学的汚泥改質手段、あるいは高温微生物による生物的汚泥改質手段の少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１または２記載の汚水処理システム。
【請求項４】
前記生物反応槽での微生物反応を表す活性汚泥数学モデルを用いて処理水質を計算する水質シミュレータソフトを搭載した計算・制御装置と、前記一次処理設備および前記二次処理設備の少なくとも一方から汚水処理の制御パラメータを設定する上で必要な情報となる水質データをサンプリングして蓄積するデータ蓄積装置とを備え、前記水質シミュレータの水質計算結果に基づいて前記汚泥改質手段の運転操作量あるいは余剰汚泥量を制御することを特徴とする請求項１または２記載の汚水処理システム。
【請求項５】
前記曝気手段の空気供給源は、オゾンを発生させる原料となる高濃度酸素を生成するＰＳＡ酸素富化装置のパージ排気ガスとすることを特徴とする請求項１または２記載の汚水処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水処理工程において発生する余剰汚泥を減量化するとともに、嫌気性消化におけるガス（メタン）発生効率を向上する。さらには余剰汚泥中に取り込んだリン成分を濃縮して処理系から分離して処理することにより、処理水の水質を良好に維持あるいは向上することのできる汚水処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
汚水の処理法として活性汚泥法は処理性能が高いため水処理分野において広く利用されている。この浄化原理は微生物が汚水中の有機物を餌として分解・除去する作用によるため微生物が増殖し、処理の結果として余剰汚泥が発生する。しかしながら、この汚泥の最終処分量は全産業廃棄物最終処分量に対する割合が高く、国内においては最終処分場の残余容量が極めて少ないこともあり多大なコスト負担になっている。このような状況から汚泥をできるだけ少なくすることが望まれており、各種手段を用いた汚泥の濃縮や汚泥減量法の導入が実施されている。
汚泥濃縮の果たす役割は、水処理施設で発生した低濃度の汚泥を濃縮し、その後に続く汚泥の嫌気性消化や汚泥脱水を効果的に機能させることである。濃縮する汚泥には、第１沈殿槽で発生する第１沈殿槽汚泥と第２沈殿槽で発生する余剰汚泥がある。重力濃縮しにくい余剰汚泥は浮上濃縮槽で濃縮するケースが増加しつつある（例えば、非特許文献１参照）。
従来の第１の汚水処理方法として、浮上濃縮設備を含むものがある。その構成例を図３に示す。図において、１は起泡装置、２は起泡助剤、３は空気、４は起泡用水、５は第２沈殿槽、６は余剰汚泥、７は混合装置、８は高分子凝集剤、９は浮上装置、１０は分離汚泥、１１は嫌気性消化槽、１２は分離液、１３は第１沈殿槽、１４は浮上濃縮設備である。浮上濃縮設備（常圧浮上方式）１４は、起泡装置１と混合装置７および浮上装置９等から構成される。
流入水は、第１沈殿槽１３において固形物を沈澱させ、つぎに生物反応槽15で処理され、処理液が第２沈殿槽において固液分離される。分離液は処理水16として系外に放流される。一方、沈降した汚泥は一部が生物反応槽１５の前段に返送される。残部が余剰汚泥６として引き抜かれ浮上濃縮設備１４で処理された後、嫌気性消化槽１１に送られ処理される。
浮上濃縮設備１４ではつぎのように処理される。
（１）先ず、起泡装置１により起泡助剤２及び空気３を混合した起泡用水４を機械攪拌し、常圧下で微細気泡を生成させる。（２）つぎに混合装置７により、微細気泡を余剰汚泥６中に混合させるとともに、高分子凝集剤８を添加して固形物を吸着させ、結合力の強いフロックと気泡の固形物を形成させる。（３）浮上装置９により、フロックと気泡の汚泥固形分は浮上分離されてかき取られた後、汚泥中の微細気泡が機械攪拌により脱気された分離汚泥１０となる。
分離汚泥１０は後段の嫌気性消化槽１１に送られる。一方、分離液１２は浮上装置下方から引き抜かれて第１沈殿槽１３の前段に返流されている。
嫌気性消化槽１１では、有機物を嫌気性微生物の働きで低分子化し、液化し、ガス化する。
この結果、汚泥量の減少と質の安定化、または衛生面の安全性を図ることができる。また、汚泥量が減少することにより、脱水、焼却等の後続における処理設備容量の縮小化が可能となる。さらには、嫌気性消化の副産物として生成するメタンを主成分とした消化ガスは、脱硫後、汚泥消化タンクの加温や焼却炉の補助燃料として利用されるほか、消化ガス発電への利用等も行われる。
従来の第２の汚水処理方法として、余剰汚泥を貯留した反応容器内にオゾンを吹き込んで汚泥を再基質化することにより生物分解性を高め、それを再び生物反応槽15に戻すことによって汚泥中の有機物を生物酸化し、余剰汚泥量を減量させる方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。このときの汚泥減量化システムフローは図４のようになっている。図４において、２８はオゾン反応槽、２０はオゾン発生装置、２３は排オゾン分解器、２９は散気装置である。
第２沈殿槽５から引き抜かれた余剰汚泥６がオゾン反応槽２８に貯留され、オゾン発生装置２０により生成したオゾン化ガスがオゾン反応槽の底部に設置された散気装置２９により槽内に注入されて余剰汚泥を酸化分解する。水中に未溶解の有害な排オゾンガスは槽の上部で気液分離され、排オゾン分解器２３で無害化されて大気中に放出される。オゾン処理により再基質化された汚泥は全て生物反応槽１５に戻される。この折、活性汚泥中のＭＬＳＳ成分は大部分が生物由来の有機物であることから、酸化力の強いオゾンにより生物体を構成する細胞壁や細胞膜が破壊され、細胞中から有機酸や糖などが放出される。こうした作用により汚泥は易生物分解性となり、生物反応槽15に戻ると無機物にまで分解され汚泥がなくなる。
【非特許文献１】下水道施設計画・設計指針と解説  後編  -2001年版- P361〜380
【特許文献１】特許第２９７３７６１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、従来の余剰汚泥を浮上濃縮により分離する方法では、第１沈殿槽で発生した第１沈殿槽汚泥に比べて、嫌気性消化におけるガス（メタン）発生効率が低く、メタンガスの回収率および汚泥減量化効率が低い。また脱水工程においても有機物濃度が高いため脱水効率も悪い。このような状況から汚泥処理にかかるコストやそれに伴うエネルギが莫大なものになっている。したがって、ガス（メタン）発生効率を向上させるとともに、第２沈殿槽から引き抜かれる余剰汚泥量はできるだけ減量化することが望まれる。
また、分離液中に生物難分解性の有機物や高濃度のリン成分が含まれているため、一次処理設備等に返流した際、処理水水質に悪影響を与える場合がある。このため、分離液中の有機物を易生物分解化するとともにリン成分の濃度を低下させることが望ましい。
また、従来の余剰汚泥を改質処理し汚泥を減量化する方法では、再基質化された余剰汚泥の殆どを生物反応槽に戻すことにより、余剰汚泥中のリン成分が回収されないので、処理水中のリン成分の濃度が上昇する等の悪影響が生じる。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、汚泥固形分を含む分離汚泥の嫌気性消化におけるガス（メタン）発生効率を高めて、メタン回収効率を高めるとともに汚泥減量化効率を促進する。また、分離液中の有機物の易生物分解性を高めることにより余剰汚泥発生量を減量化する。さらには分離汚泥中にリン成分を吸着させて濃縮することにより分離液中のリン成分濃度を低下させて処理水水質の向上に寄与することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、  流入した汚水を物理的操作により固液分離する第１沈殿槽等の一次処理設備と、活性汚泥による生物処理により溶解性有機物を生物分解する生物反応槽および生物処理後の処理水と活性汚泥を固液分離する第２沈殿槽を備えた二次処理設備と、前記第２沈殿槽から排出される余剰汚泥を浮遊物と水分とに分離する浮上装置を含む浮上濃縮設備とを備えた汚水処理システムにおいて、前記浮上濃縮設備に導入される余剰汚泥の一部を分岐し、前記余剰汚泥を物理的あるいは化学的操作により再基質化させる汚泥改質手段と、前記余剰汚泥中に空気等の微細気泡を吹き込む曝気手段と、前記再基質化された汚泥を泡と液に分離する汚泥分離槽とを有した汚泥改質・分離装置を用い、
前記汚泥分離槽の上部に分離した再気質化分離汚泥を、前記浮上装置の上部分離汚泥層、脱水設備、嫌気性消化設備、またはリン回収設備のいずれかに移送し、前記汚泥分離槽の下部に分離した再基質化分離液を前記浮上装置の下部分離液層または返流水として前記一次処理設備の前段もしくは前記二次処理設備の前段に移送し、汚泥と液を個別に処理するものである。
請求項２に記載の発明は、流入した汚水を物理的操作により固液分離する第１沈殿槽等の一次処理設備と、活性汚泥による生物処理により溶解性有機物を生物分解する生物反応槽および生物処理後の処理水と活性汚泥を固液分離する第２沈殿槽を備えた二次処理設備と、前記第２沈殿槽から排出される余剰汚泥を物理的あるいは化学的操作により再基質化する汚泥改質手段とを備えた汚水処理システムにおいて、前記汚泥改質手段に汚泥中に空気等の微細気泡を吹き込む曝気手段と、再基質化された汚泥を泡と液に分離する汚泥分離槽とを加えた汚泥改質・分離装置を用い、前記汚泥分離槽の上部に分離した再基質化分離汚泥を、脱水設備、嫌気性消化設備、またはリン回収設備のいずれかに移送し、前記汚泥分離槽の下部に分離した再基質化分離液を前記返流水として前記一次処理設備の前段もしくは前記二次処理設備の前段に移送し、汚泥と液を個別に処理するものである。
請求項３に記載の発明は、前記汚泥改質手段は、ミル破砕方式、超音波方式、キャビテーション方式、回転ディスク方式による物理的汚泥改質手段、オゾン方式、過酸化水素等の酸化剤による化学的汚泥改質手段、電解方式、超臨界方式による物理化学的汚泥改質手段、あるいは高温微生物による生物的汚泥改質手段の少なくとも１つからなるものである。
請求項４に記載の発明は、前記生物反応槽での微生物反応を表す活性汚泥数学モデルを用いて処理水質を計算する水質シミュレータソフトを搭載した計算・制御装置と、前記一次処理設備および前記二次処理設備の少なくとも一方から汚水処理の制御パラメータを設定する上で必要な情報となる水質データをサンプリングして蓄積するデータ蓄積装置とを備え、前記水質シミュレータの水質計算結果に基づいて前記汚泥改質手段の運転操作量あるいは余剰汚泥量を制御するものである。
請求項５に記載の発明は、前記曝気手段の空気供給源は、オゾンを発生させる原料となる高濃度酸素を生成するＰＳＡ酸素富化装置のパージ排気ガスとするものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１、２に記載の発明によると、汚泥固形分を含む分離汚泥の嫌気性消化におけるガス（メタン）発生効率を高めて、メタン回収効率を高めるとともに汚泥減量化効率を促進する。また、分離液中の有機物の易生物分解性を高めることにより一次処理設備あるいは二次処理設備に返流した際に、生物反応槽において有機物の無機化を促進し、余剰汚泥発生量を減量化する。さらには汚泥を再基質化させて発砲させた分離汚泥中にリン成分を吸着させて濃縮することにより、分離液へのリンの溶出を防止して処理水水質の向上に寄与することができる。
また、浮上濃縮設備などの汚泥濃縮設備を省略することも可能であるため、システムをシンプルかつ低コスト化できるとともに汚泥処理性能を大幅に改善することが可能となる。
請求項３に記載の発明によると、汚泥改質手段を汚泥の性状に応じて選択あるいは複合化させることにより、効率の高い汚泥改質手段を得ることが可能となる。
請求項４に記載の発明によると、実際の水質データを計算・制御装置に入力し、生物反応槽での微生物反応を表す活性汚泥数学モデルを用いて処理水質を予測あるいは制御を行うことにより、処理水水質を向上し、あるいは低下させることなく余剰汚泥の引抜き量や汚泥改質手段の運転操作量の最適な運用を実施することができる。さらには最小運転コストの運転操作条件を導き出し制御することも可能となる。
請求項５に記載の発明によると、排ガスを再利用することにより、新たな曝気手段を新設する必要がないので、導入・運転コストを縮減できるとともにコンパクトなシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は本発明の実施例１を示す汚水処理システムの概略構成図である。図において、17は汚泥改質・分離装置、24は循環ライン、25はデータ蓄積装置、26は水質シミュレータ、27は計算・制御装置である。以下、同じ機能のものは、同じ符号を付しているため、前出のものは説明を省略する。
汚泥・改質分離装置17は加圧ポンプ18、エジェクター19、オゾン発生装置20、曝気手段21、汚泥分離槽22、排オゾン分解器23で構成されている。このようなオゾン処理を汚泥改質手段として採用する場合、汚泥分離槽22はオゾン反応槽や排オゾン分離槽を兼ねるとともに、汚泥の性状や運転条件によっては曝気手段21を省略することができる。水質シミュレータ26は計算・制御装置27の計算プログラムに予め搭載されている。
本発明が非特許文献１と異なる部分は、浮上濃縮設備と併設または代替として、汚泥改質手段と、汚泥中に空気等の微細気泡を吹き込む曝気手段と、再基質化された汚泥を泡と液に分離しやすいように分離板や分離壁等を内部に有する汚泥分離槽を有し、これらで循環系を構成した汚泥改質・分離装置を設置するとともに、汚泥分離槽内において汚泥改質手段により再基質化されたものから順次曝気手段により泡化させて上部に分離した分離汚泥を浮上濃縮設備の分離汚泥層、嫌気性消化設備、脱水装置等の汚泥処理設備あるいはリン回収設備に移送するとともに、別途泡化せずに残った分離液を浮上濃縮設備の分離液層または返流水として前記一次処理設備の前段もしくは前記二次処理設備の前段に移送することにより、それぞれ再気質化した分離汚泥と分離液とを別々に処理するようにした点である。
また、データ蓄積装置の取得データを基に水質シミュレータで生物反応槽内微生物の挙動に基づく反応速度を計算し、制御装置を介して引抜き汚泥量あるいは汚泥改質手段の運転操作量に反映させた点である。
【０００８】
つぎに、本実施例の動作について説明する。
(1)生物反応槽15の処理液は第２沈殿槽５において固液分離され、分離液は処理水16として系外に放流される。一方、沈降した汚泥は一部が生物反応槽15の前段に返送される。残部が余剰汚泥として引き抜かれ浮上濃縮設備14に送られる。さらに、この内の一部が汚泥改質・分離装置17に移送される。
(2) 浮上濃縮設備14では、前述の従来例で説明したものと同じく、起泡装置１、混合装置７、浮上装置９により、分離汚泥１０と分離液１２となる。そして、分離汚泥１０は後段の嫌気性消化槽１１に送られ、分離液１２は第１沈殿槽１３の前段に返流される。
(3)汚泥改質・分離装置17において、オゾンを利用した汚泥改質手段を採用するため、余剰汚泥は加圧ポンプ18によりエジェクター19に圧送される。エジェクター19ではノズルの前後に生じる差圧を利用してオゾン発生装置20で生成されるオゾン化ガスを引き込み余剰汚泥と効率良く混合されてオゾンの強力な酸化力により化学反応する。余剰汚泥は汚泥の細胞壁などの外殻が破壊され、内部物質が溶出して再基質化される。この中にはタンパク質等の高分子有機物等の成分が含まれており、一部発砲し易い成分も溶出する。このような発砲性物質は曝気手段21からでる微細気泡により泡となって上部空間に分離し汚泥分離槽22の上部から吐出する。このとき、細胞壁等に起因する固形分や、その他ＳＳ、リン成分の大部分は泡に吸着されて、泡と同時に浮上装置の上部に移し、分離汚泥と共に後段の嫌気性消化槽に移送されるか、または直接嫌気性消化槽やリン回収設備等に移送される。嫌気性消化槽に移送された分離汚泥は生物分解性が高まっているため、消化ガス（主にメタン）の発生効率が向上しており、同時に減量化率も向上する。また、分離汚泥中にはリン成分が濃縮されているため、リンの回収効率も改善することができる。なお、排オゾンガスは排オゾン分解器23により無害化される。
一方、分離液の一部は再度、加圧ポンプ18⇒エジェクター19⇒汚泥分離槽22⇒加圧ポンプ18を循環させる循環ライン24を設けることにより、より一層再基質化が促進され、再基質化されたものから発砲および泡に吸着して分離される。残部は浮上装置9の分離液と混合するか、もしくは、直接返流水として第１沈殿槽13の前段に移送されて再処理される。このとき、汚泥改質操作により再基質化されて生物分解性が高まっていることから、二次処理においては生物処理による無機化が促進され、結果として余剰汚泥量が減量化するといった効果が得られる。また、リン成分の大部分はすでに分離されているため、処理水質に悪影響をおよぼすことはない。
なお、汚泥の性状によっては、キャビテーション等の物理的汚泥改質手段やオゾン等の化学的改質手段を併用することなどにより、より一層の効果が得られる場合がある。
また、オゾン処理を採用する場合は、オゾンの生成原料となる酸素を濃縮するＰＳＡ酸素生成機から排出されるパージガスを曝気手段の空気供給源とすることもできる。
(4)さらに生物反応槽15のＣＯＤ、ＢＯＤ、ＴＯＣ、ＤＯ、ＭＬＳＳ、りん、窒素、水温、水量の中から状況に応じて必要な水質データをデータ蓄積装置25により取得して水質シミュレータ26に入力し、水質が低下せず余剰汚泥を最大限減量化するための最適な運転値を算出する。算出した結果は計算・制御装置27を介して引抜き汚泥量を操作する因子や、汚泥改質手段の運転操作因子とに必要な運転操作量が指令され、以上のようなフィードバック制御系が構築される。
このように、データ蓄積装置の取得データを基に水質シミュレータで生物反応槽15内微生物の挙動に基づく反応速度を計算し、制御装置を介して引抜き汚泥量あるいは汚泥改質手段の運転操作量に反映させることにより、処理水水質を向上し、あるいは低下させることなく、余剰汚泥の減量化の最適な運用を実現することができる。さらには最小運転コストの運転操作条件を導き出し制御することも可能である。
【実施例２】
【０００９】
図２は、本発明の実施例２を示す汚水処理システムの概略構成図である。本実施例は、余剰汚泥を汚泥改質・分離装置17で処理するものであり、浮上濃縮設備を併用しない場合に用いられる。動作は、実施例１の汚泥改質・分離装置の項の説明と同じである。
本実施例によれば、汚泥の改質と同時に浮上による固形物の分離と減量ができるので、設備が簡単になり、運転コストも低減できる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
本発明の汚水処理システムは効率的に有機汚泥を改質し易生物分解化するため、公共下水や、化学工場や食品工場など産業排水等の有機物除去のための微生物を利用した汚水処理全般において、汚泥の嫌気性消化プロセスを経てメタンガスを生成し、これをバイオマス資源として有効に利用することやそれに伴う汚泥の減量化を目的とした設備に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１を示す汚水処理システムの概略構成図
【図２】本発明の実施例２を示す汚水処理システムの概略構成図
【図３】従来の浮上濃縮設備を含む汚水処理システムの概略構成図
【図４】従来の汚泥改質装置を含む汚水処理システムの概略構成図
【符号の説明】
【００１２】
１  起泡装置
２  起泡助剤
３  空気
４  起泡用水
５  第２沈殿槽
６  余剰汚泥
７  混合装置
８  高分子凝集剤
９  浮上装置
10  分離汚泥
11  嫌気性消化槽
12  分離液（返流水）
13  第１沈殿槽
14  浮上濃縮設備
15  生物反応槽
16 処理水
17 汚泥改質・分離装置
18 加圧ポンプ
19 エジェクター
20 オゾン発生装置
21 曝気手段
22 汚泥分離槽
23 排オゾン分解器
24 循環ライン
25 データ蓄積装置
26 水質シミュレータ
27  計算・制御装置
【図１】
2007136276.tif 000003
【図２】
2007136276.tif 000004
【図３】
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【図４】
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