(57)【要約】【課題】有機物を含む排水を処理することにより硫化水素を得る。【解決手段】水処理施設は、処理槽１０を有する。処理槽１０には、第１導入管２０から有機物を多く含む排水が、第２導入管３０から硫酸イオンを含む海水が導入される。そして、処理槽１０内の環境を、硫酸呼吸を行う硫酸還元細菌が優占種となる環境に保つと、有機物が分解されるとともに、硫化水素が生じる。生じた硫化水素は、脱硫装置６０で脱硫して水素としてから回収する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理槽に、有機物を含む処理対象となる排水を導入し、
前記処理槽内を、硫酸呼吸を行う硫酸還元細菌が優占種となる環境とすべく、前記処理槽内に硫酸イオンを含む処理用水を導入するとともに、前記処理槽内を嫌気的な雰囲気に保つことで、
前記硫酸還元細菌に、前記排水に含まれる有機物から硫化水素を生じさせる、
排水の処理方法。
【請求項２】
前記処理槽内を、前記硫酸還元細菌が優占種となる環境にすべく、前記処理槽内を、ＯＰＲが−１００ｍＶ以下の還元的雰囲気に保つ、
請求項１記載の排水の処理方法。
【請求項３】
前記排水を、そのＢＯＤ濃度が５００ｍｇ／ｌ以上のものとする、
請求項１記載の排水の処理方法。
【請求項４】
前記処理用水として海水を用いる、
請求項１記載の排水の処理方法。
【請求項５】
前記処理槽内における有機物と硫酸イオンの重量比を、前記硫酸イオンの量が、前記排水のＢＯＤの量の１０％以上となるように保つ、
請求項１記載の排水の処理方法。
【請求項６】
前記処理槽から生じた硫化水素に対して脱硫を行うことで、水素を取出す、
請求項１記載の排水の処理方法。
【請求項７】
前記処理槽から生じた硫化水素を酸化して、前記硫化水素から水と硫酸イオンを得る、
請求項１記載の排水の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水処理技術、より詳細には有機物を含む排水を処理するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
下水、畜産排水、屠場排水、食品加工排水などの有機物をふんだんに含んだ排水は、環境面の配慮からそのまま河川等の外部の系に放流することはできない。実際、これら排水は、厳しい法律の規制の下、水処理施設による処理を経てから外部の系に放流されている。
水処理施設による排水の処理で主体的な役割を果たすのは曝気槽である。曝気槽は、好気的な雰囲気に保たれており、その内部は好気性菌が優占種となる。優占種となった好気性菌は、排水中の有機物を分解し、排水を外部の系に放流することのできるものに変える。従来の水処理施設で、曝気槽が主体的な役割を果たすようにされているのは、排水の処理を嫌気的な雰囲気で行うと、そこでは嫌気性菌が優占種となってしまうためである。嫌気性菌は、排水の処理を十分に進行させられない場合が多く、また、悪臭の原因となる硫化水素を生じる場合がある。
このような理由により、現在では、嫌気的な雰囲気で排水を処理することを極力避け、好気的な雰囲気で排水を処理するというのが、排水を処理する際の常識となっている。
【０００３】
ところで、嫌気性菌が優占種となるような嫌気的な雰囲気で排水の処理を行った場合には、上述したように硫化水素が生じる場合がある。硫化水素は従来、その悪臭から嫌われており、その発生を極力抑えるべきであるとされている。
しかしながら、本願出願人の考えでは、硫化水素は価値を有する場合がある。硫化水素からは、簡単な工程によって水素を取出すことが可能であるが、この水素は例えば燃料や、燃料電池の材料として価値を持つ。
排水の処理は、低コストで行う方が好ましい。他方、排水の処理に伴って、有価な材料を入手できることは、排水の処理を低コスト化するのと同様の意味を持つ。
したがって、本願出願人は、排水を処理するにあたって硫化水素を取出すことができれば、それは有意義であるとの結論に到った。
【０００４】
しかしながら、排水を処理する場合において嫌気的な雰囲気に環境が傾いた場合に硫化水素が生じることがあるのは事実であるが、硫化水素は常に生じるわけではない。
現状では、従来において硫化水素の発生が忌み嫌われてきたこともあり、硫化水素の発生を許容し、且つ硫化水素の取出しを安定して実現するための技術というのは存在していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明は、以上の課題を解決せんとするものであり、有機物を有する排水を処理するにあたって、硫化水素を安定的に取出せるような排水の処理技術を提供することを、その課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するための本願発明は、以下のようなものである。
本願発明は、処理槽に、有機物を含む処理対象となる排水を導入し、前記処理槽内を、硫酸呼吸を行う硫酸還元細菌が優占種となる環境とすべく、前記処理槽内に硫酸イオンを含む処理用水を導入するとともに、前記処理槽内を嫌気的な雰囲気に保つことで、前記硫酸還元細菌に、前記排水に含まれる有機物から硫化水素を生じさせる、排水の処理方法である。
本発明の排水の処理方法では、処理槽内を嫌気的な雰囲気に保つことにより、好気性菌が優占種とならないようにする。また、排水の処理を行うのに伴って、硫化水素を安定的に発生させるため、硫酸イオンを含む処理用水を処理槽内に導入することとしている。こうすることにより、処理槽内は、硫酸呼吸を行う硫酸還元細菌が優占種となる環境となり、硫酸還元細菌は、硫酸イオンの中に含まれる酸素（即ち、結合酸素）を用いて呼吸をして、有機物から硫化水素を安定的に作り出す。
つまり、本発明の排水の処理方法は、硫酸還元細菌が消費する有機物と、硫酸イオンとを処理槽内に供給することで、硫酸還元細菌に硫化水素を安定的に発生させようとするものである。
なお、硫酸呼吸とは、分子状態の酸素ではなく、硫酸イオンに含まれている酸素原子を用いて微生物が行う呼吸であり、そのような呼吸を行う細菌を硫酸還元細菌と呼ぶ。また、本発明における硫酸還元細菌は、処理槽内に管理者が積極的に投入することも可能であるが、硫酸還元細菌は有機物を含む排水の中に普通に存在しているため、硫酸還元細菌が生息し易い環境に処理槽内の環境を保ってやれば、硫酸還元細菌を積極的に投入せずとも、排水の中に含まれていた硫酸還元細菌が勝手に増殖し、処理槽内で優占種となる。
【０００７】
本発明では、上述したように、処理槽内を、硫酸還元細菌が優占種となる環境にする。そのため、処理槽内は、嫌気的雰囲気に保つことが必要となる。それは、処理槽内が好気的雰囲気であると、呼吸にあたって分子状態の酸素を用いる好気性細菌が優占種となり、硫酸還元細菌が減ってしまうか、或いは硫酸還元細菌の活性が落ちてしまうからである。
硫酸還元細菌は、分子状態の酸素があるとその数或いは活性が著しく減じる偏性嫌気性細菌であるため、処理槽内における分子状態の酸素を減らすのが硫酸還元細菌を優占種にするには必要となるので、硫酸還元細菌が優占種となるようにするには、更に、前記処理槽内を還元的雰囲気に保つのがよい。例えば、硫酸還元細菌が優占種となるようにするには、前記処理槽内を、ＯＰＲ（酸化還元電位）が−１００ｍＶ以下の還元的雰囲気に保つようにするとよい。この範囲の還元的雰囲気に保たれた環境は、上述したような理由で、硫酸還元細菌が生息するのに都合がよい。ＯＲＰを−１００ｍＶ以下の環境とすると、略確実に硫酸還元細菌が処理槽内において優占種となるが、ＯＲＰが−２００ｍＶ以下になるようにすると、硫酸還元細菌が処理槽内において優占種になる上にその活性がより高くなることが期待できる。
【０００８】
排水は、上述のように有機物を含むものとされる。それが満たされるのであれば、排水はどのようなものでもよく、例えば、下水、畜産排水、屠場排水、食品加工排水とすることができる。
排水は、そのＢＯＤ濃度が５００ｍｇ／ｌ以上のものとすることができる。この程度の濃度で有機物を含む排水を用いれば、硫化水素をより安定的に発生させることができる。
【０００９】
処理用水は、上述のように、硫酸イオンを含むものとされる。それが満たされるのであれば、処理用水はどのようなものでもよく、例えば、海水、石膏排水、製紙工場排水、温泉排水（例えば、硫黄泉の温泉排水）を処理用水として用いることができる。
特に、海水は、硫酸イオンを多く含んでおり（海水には、一般に、２７００ｍｇ／ｌ程度の硫酸イオンが含まれる。）、無尽蔵に存在し、且つその調達のコストを低く抑えることが可能なものであるので、本発明で用いるに都合が良い。上に例に挙げたその他の処理用水も、調達が楽であり、調達のコストを低く抑えられる場合には、適宜選択すればよい。
処理槽内における硫酸イオンは、硫酸還元細菌が有機物の分解を行う際に硫酸イオン中の結合酸素を消費することを考慮し、硫酸イオンが不足しない程度の量が供給されるのがよい。例えば、本発明では、前記処理槽内における有機物と硫酸イオンの重量比を、前記硫酸イオンの量が、前記排水のＢＯＤの量の１０％以上となるように保つようにすることができる。硫酸イオンは、排水のＢＯＤの量の１０％〜２００％程度あれば十分である。
【００１０】
処理槽から生じた硫化水素からは、容易に水素（ガス）を取出すことができる。現在水素は、石炭と水蒸気を高温条件化で反応させることによって生産されることが多いが、それに必要なエネルギーは膨大であり、そのコストはかなりのものである。本発明では、処理すべき排水から硫酸還元細菌の力を用いて取出した硫化水素から水素を取出すことができるので、水素を得るためのコストを低減させられる。
つまり、本発明は、前記処理槽から生じた硫化水素に対して脱硫を行うことで、水素を取出すようなものとしてもよい。この場合、脱硫は、処理槽から生じた硫化水素に対してそのまま行ってもよく、他の施設に硫化水素を運んでから行ってもよい。
硫化水素から水素を取出さない場合には、例えば、前記処理槽から生じた硫化水素を酸化して、前記硫化水素から水と硫酸イオンを得るようにすることもできる。この場合、硫化水素から取出した硫酸イオンは、処理用水に混ぜて処理槽に戻すようにしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好ましい一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
この実施形態では、本発明における排水の処理方法を、図１に示した水処理設備にて実行することとしている。
【００１３】
水処理設備は、処理槽１０を備えている。
処理槽１０は、気密に構成されており、後述するように、その内部を嫌気的な雰囲気に保てるようにされている。
処理槽１０には、その内部に排水を導入するための第１導入管２０と、その内部に処理用水を導入するための第２導入管３０が接続されている。
必ずしも必要ではないが、この実施形態の第１導入管２０には、上流に濃縮槽２１を備えた濃縮物導入管２２が接続されている。濃縮槽２１は、排水のうち有機物の混入の比率が低い希薄排水を濃縮するものである。濃縮槽２１の内部では、例えば、バッチ式に濃縮槽２１に導入される希薄排水を放置し、沈殿や凝集材によって沈殿させることによってスラッジ状の濃縮物２３が生成されるようになっている。生成された濃縮物２３は、濃縮物導入管２２を経て第１導入管２０に送られ、排水に混入されて処理槽１０に導入されるようになっている。濃縮槽２２を適当に稼動させることにより、排水における有機物の混入の程度を適当に保つことができる。このような濃縮槽２２は、排水に含まれる有機物の量が少ない場合や、排水に含まれる有機物の量が変動し易い場合に有用である。
必ずしも必要というわけではないが、この実施形態では、処理用水を導入するための第２導入管３０に、脱気槽３１が設けられている。脱気槽３１は、処理用水に溶け込んでいる酸素を脱気し、処理用水を導入した後の処理槽１０の内部を嫌気性に保つために役立つものである。処理用水が、海水である場合などには、処理用水には酸素が熔け込んでいる場合が多い。そのような場合には、脱気槽３１を設けた方がよい。
【００１４】
処理槽１０には、また、排水管４０が接続されている。排水管４０は、処理槽１０で処理された排水を外部に排出するためのものである。処理槽１０で処理された処理済排水は、ここから外部の系へ排出される。なお、処理済排水を外部の系に排出する前に更に処理するための公知の仕組みが、処理槽１０の後段に設けられていても当然構わない。
【００１５】
処理槽１０には、また、ガス排出管５０が接続されている。ガス排出管５０は、処理槽１０内で生じたガスを処理槽１０内から外部に引くためのものである。ガス排出管５０は、上流側から並ぶ、第１ガスメータＧ１、脱硫装置６０、分離装置７０、第２ガスメータＧ２を経て、ガスホルダ８０に接続されている。
第１ガスメータＧ１は、そこを通過するガスの量を測定するものである。
脱硫装置６０は、処理槽１０で生じたガスに含まれる硫化水素に対して脱硫を行い、硫黄を除くものである。したがって、硫化水素は、脱硫装置６０を通過すると、水素となる。脱硫装置６０は、硫化水素６０から硫黄を除去できるものであれば公知のどのような装置を用いてもよいが、例えば、硫化水素を鉄に接触させながら加熱して、硫化鉄と水素を生じさせるような装置とすることができる。この実施形態では、そのような鉄を用いる脱硫装置６０を採用する。
分離装置７０は、脱硫装置６０により生じた水素を、他のガスから分離させるものである。処理槽１０では、硫化水素以外に二酸化炭素や或いは水蒸気が生じる。分離装置７０では、これら水素以外の気体から水素を分離させる。分離装置７０は、このような分離を行えるような周知のどのような装置をも用いることができる。例えば、ガスの密度差を利用して、或いは水への溶解度の差を利用して、水素を他の気体から分離することができる。
第２ガスメータＧ２は、そこを通過するガスの量を測定するものである。
ガスホルダ８０は、水素を貯留するためのものである。ガスホルダ８０は、例えば、圧縮して水素を貯蔵する。
なお、処理槽１０からガスホルダ８０までの間に、ガスの逆流を防ぐための弁や、処理槽１０からガスホルダ８０にガスを引くためのポンプなどを適宜設けることができるのは当然のことである。
【００１６】
次に、以上の水処理設備で実行される水処理方法について説明する。
まず、処理槽１０に、第１導入管２０から排水を、第２導入管３０から処理用水を、それぞれ導入する。排水と処理用水の処理槽１０への導入のタイミングはともに適宜決定でき、ともにバッチ式でも連続式でもよい。
第１導入管２０から導入される排水には、濃縮槽２１からの濃縮物２３が、濃縮物導入管２２を経て、混入される。この実施形態では、第１導入管２０から処理槽１０に導入される排水は、そのＢＯＤ濃度が５００ｍｇ／ｌ以上となるようにする。ＢＯＤ値は、５００ｍｇ／ｌ以上であればよく、例えば、数万ｍｇ／ｌ程度であってもよい。
処理用水は、硫酸イオンを含んでいる。この実施形態では、第２導入管３０から導入される処理用水は、海水である。海水である処理用水は、脱気槽３１で酸素を除かれてから処理槽１０に導入される。なお、処理用水は、必ずしも海水でなくてもよく、例えば、石膏排水、製紙工場排水、温泉排水であってもよい。処理用水に含まれる硫酸イオンの量は、処理槽１０における有機物と硫酸イオンの重量比が、１：０．１〜２程度の範囲になるように調整する。
【００１７】
このようにして、排水と処理用水を処理槽１０に導入し、処理槽１０内の環境を、硫酸呼吸を行う硫酸還元細菌が優占種となる環境に保つ。
具体的には、まず、処理槽１０内を、嫌気的な雰囲気に保つ。これは、処理槽１０が気密であることから、処理槽１０内で曝気を行うなどの特別なことをしなければ自動的に実現される。
また、必ずしも必要ではないが、この実施形態では、処理槽１０内を還元的雰囲気に保つこととしており、より詳細には、そのＯＰＲを−１００ｍＶ以下に保つこととしている。処理槽１０内のＯＰＲを−２００ｍＶ以下の還元的雰囲気に保つようにしてもよい。有機物の濃度が高い排水には通常、硫酸還元細菌が多く含まれているので、処理槽１０内で曝気を行わなければ普通は、処理槽１０内は還元的雰囲気に保たれる。しかしながら、処理用水には酸素が含まれている場合があるため、処理槽１０内のＯＲＰを上述の範囲に保つには、例えば、処理槽１０内のＯＰＲの値を適宜計測しつつ、処理槽１０に供給する処理用水の量を所定量以下にするように留意する。なお、上述した脱気槽３１は、処理用水から酸素を除くものであるから、処理槽１０内を還元的雰囲気に保つに寄与する。
また、必ずしも必要ではないが、この実施形態では、処理槽１０内の排水及び処理用水が混合された液体の温度を２０℃以上に保つ。２０℃以上の温度であれば硫酸還元細菌の活動が活発になるからである。もっとも、温度を２０℃程度まで上げられない場合には、排水及び処理用水の処理槽１０での滞留時間を長くすればそれでよい。
以上のような条件を保つと、排水の中に元々含まれていた硫酸還元細菌は、処理槽１０の中で優占種となり、硫酸イオンに含まれる酸素を消費しながら、排水中の有機物を分解し、硫化水素を発生する。そのときに生じる反応を化学式で表すと、以下のようになる。
ＣＸＨＹＯＺ＋ＳＯ４２−→ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋Ｈ２Ｓ
【００１８】
以上のような反応によって有機物が分解された後の排水は、排水管４０から外部の系に排出される。
【００１９】
上述の反応によって、二酸化炭素と、水と、硫化水素が生じる。これらのうち、水は基本的に排水に吸収される。
二酸化炭素と硫化水素、及び排水及び処理用水から生じた水蒸気が、ガス排出管５０を通って処理槽１０の外に出る。これらは、第１ガスメータＧ１でその量を計測されてから、脱硫装置６０に向かう。なお、第１ガスメータＧ１で、第１ガスメータＧ１を通過するガスの量（組成毎の量であってもそうでなくてもよい。）を経時的に計測することで、処理槽１０内で適切な反応が生じているか否かを監視することができる。
脱硫装置６０では、上述したように、処理槽１０から外に出た気体に含まれる硫化水素に対して脱硫が行われる。これにより、硫化水素は、水素となる。また、脱硫装置６０では、脱硫の際に上述したように用いられた鉄が、硫化水素から奪った硫黄と化合して硫化鉄となる。この硫化鉄は、空気中で自然に酸化して硫酸鉄に変化するので、これを水に溶かすと、硫酸イオンを含む水溶液ができる。この水溶液は、硫酸イオンを含むものであるから処理用水として用いることができる。図１において、脱硫装置６０から延びている破線で示された矢印は、脱硫装置６０で生じた硫化鉄に基づいて作られた硫酸イオンを、処理用水に戻すことができるということを意味するものである。
脱硫装置６０を通過した気体は、分離装置７０に導かれる。分離装置７０に導かれる気体に含まれているのは、二酸化炭素と、水蒸気と、水素である。ここで、水素は、それ以外の気体と分離される。水蒸気と、二酸化炭素は、分離装置７０から、外部の系に排出される。
分離装置７０で分離された水素は、第２ガスメータＧ２を経てガスホルダ８０に向かいそこで貯留される。第２ガスメータＧ２では、そこを通過する水素の量が経時的に計測される。第１ガスメータＧ１で組成毎のガスの計測を行っていなかったとしても、第２ガスメータＧ２で計測された水素の量と第１ガスメータＧ１で計測されたガスの量の差し引きで、処理槽１０で生じている反応の適切さを監視することができる。
【００２０】
≪変形例≫
上述の水処理設備は、処理槽１０から生じた硫化水素から水素を取出すことに主眼を置いたものであったが、取出せる水素の量がそれ程多くない場合などには、硫化水素から水素を取出すようにすると、そのために必要となる脱硫装置６０、分離装置７０、ガスホルダ８０にかかるコストが、水素を取出すことによって得られる利益を超えてしまう場合も考えられる。
そのような場合には、処理槽１０から取出した硫化水素を好気的雰囲気下で酸素により酸化して、硫化水素から水と硫酸イオン（硫酸塩）を生じさせ、硫酸イオンを、上述の実施形態の場合と同様に、処理用水に再度戻すようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態の水処理設備の構造を概略的に示す図。
【符号の説明】
【００２２】
１０  処理槽
２０  第１導入管
３０  第２導入管
４０  排水管
５０  ガス排出管
６０  脱硫装置
７０  分離装置
８０  ガスホルダ
【図１】
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