(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性汚水を好気性生物処理により浄化する方法において、該好気性生物処理から出る活性汚泥の一部にカチオン界面活性剤を添加したものを曝気して、活性汚泥に気泡を付着させて浮上分離し、浮上した活性汚泥に超音波を照射し、該照射汚泥を前記の好気性生物処理工程又は別個の好気性生物処理工程もしくは嫌気性消化処理工程に供給して生物学的に分解することを特徴とする有機性汚水の生物処理における余剰汚泥の減量化方法。
【請求項２】
有機性汚水を好気性生物処理により浄化する装置において、有機性汚水を好気性生物処理する好気性生物処理槽、該好気性生物処理槽から出る活性汚泥の一部にカチオン界面活性剤を添加したものを導入して、曝気により活性汚泥に気泡を付着させて浮上分離する浮上分離装置、該浮上分離装置からの浮上活性汚泥に超音波を照射する超音波照射装置、及び該超音波照射装置からの照射汚泥を生物学的に分解するために前記好気性生物処理槽又は別個の好気性生物処理槽もしくは嫌気性消化処理槽に供給する供給管を有することを特徴とする有機性汚水の生物処理における余剰汚泥の減量化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、下水、産業排水などの有機性汚水を生物学的に処理する技術に関し、特に有機性汚水を生物学的に処理する工程から発生する余剰汚泥量をほぼゼロにできる新規な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
下水、産業排水、屎尿、ごみ埋め立て汚水などの有機性汚水を活性汚泥法で生物学的に処理する活性汚泥法装置から大量の有機性汚泥（余剰汚泥、生汚泥など）が毎日発生しており、その量は日本全体で年間１０００万トンを上回る。有機性汚水の活性汚泥法ではこの余剰汚泥の処理、処分が最大の問題となっている。この余剰汚泥のような有機性汚泥は難脱水性であるため、多量の脱水助剤（ポリマーなど）を添加し、汚泥脱水機で水分８５％程度に脱水し、この脱水ケーキを埋め立て処分するか、又は焼却処分しているが、脱水助剤使用のコスト、脱水ケーキの埋め立て場所不足、焼却灰の処分場所の不足、焼却設備費用、焼却用重油コストの高さなど、多くの問題点を抱えている。
このような問題を解決するための方法として、有機性汚泥にオゾンを作用させて有機性汚泥の酸化分解による可溶化を行う「オゾンを利用した汚泥減量化法」が提案されている。この技術は、排水の活性汚泥処理工程から余剰汚泥発生量よりも多い量の活性汚泥を引き抜き、それをオゾン酸化した後、酸化したものをそのまま活性汚泥処理工程に返送する方法である。
【０００３】
その他に活性汚泥をアルカリ剤で加水分解させて汚泥の生分解性を向上させる方法、活性汚泥を加熱して細胞を破壊する方法（水環境学会誌、２１巻６号、３６０頁―：好熱性微生物を利用した活性汚泥プロセス）、活性汚泥をミルで破砕する方法、活性汚泥を高圧ポンプ吐出口に設けた内径１〜２ｍｍ程度のノズルから板に対して高速噴射するウオータージェット法（麻生ほか；汚泥減量化システムの基礎検討；第３７回下水道研究発表会講演集、第４８２〜４８４頁、２０００年）、汚泥に超音波を照射して可溶化した後、嫌気性消化する方法（土木学会第４１回年次学術講演会、昭和６１年１１月、第９１５頁〜）、汚泥に超音波を照射して好気性生物処理して汚泥を分解減量化する技術などが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記した汚泥の減量化するための各種方法においては、実用上種々の問題があり、例えばオゾンを利用する方法ではオゾンの生成効率がかなり低いためにコスト高となる欠点があり、アルカリ剤で加水分解する方法では多量のアルカリ剤を必要とし、処理後の中和の問題があり、ミルや高圧ポンプを用いる方法ではきわめて大きな機械的エネルギーが必要であり、騒音発生の問題もある。これに比して、超音波を用いる方法は、小型な装置でよく、エネルギー効率もよいが、処理効率が悪いという欠点があった。
本発明は、汚泥の減量化をはかる上で、エネルギー必要量が少ないという点で優れている超音波を用いる方法を採用した場合においてさらに処理効率がよい方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の手段により前記の課題を解決した。
（１）有機性汚水を好気性生物処理により浄化する方法において、該好気性生物処理から出る活性汚泥の一部にカチオン界面活性剤を添加したものを曝気して、活性汚泥に気泡を付着させて浮上分離し、浮上した活性汚泥に超音波を照射し、該照射汚泥を前記の好気性生物処理工程又は別個の好気性生物処理工程もしくは嫌気性消化処理工程に供給して生物学的に分解することを特徴とする有機性汚水の生物処理における余剰汚泥の減量化方法。
【０００６】
（２）有機性汚水を好気性生物処理により浄化する装置において、有機性汚水を好気性生物処理する好気性生物処理槽、該好気性生物処理槽から出る活性汚泥の一部にカチオン界面活性剤を添加したものを導入して、曝気により活性汚泥に気泡を付着させて浮上分離する浮上分離装置、該浮上分離装置からの浮上活性汚泥に超音波を照射する超音波照射装置、及び該超音波照射装置からの照射汚泥を生物学的に分解するために前記好気性生物処理槽又は別個の好気性生物処理槽もしくは嫌気性消化処理槽に供給する供給管を有することを特徴とする有機性汚水の生物処理における余剰汚泥の減量化装置。
【０００７】
本発明は、前記した従来技術のうち超音波照射法の改良技術であり、超音波とは、人間の耳の可聴周波数（約１０ＫＨＺ以上）を持つ音波又は弾性波と定義される。
本発明は、従来の超音波照射法による汚泥減量化法の欠点（超音波照射のための所要エネルギーが多い）を解決できる技術を提供するもので、超音波処理対象汚泥の固形物濃度に適正範囲が存在すること、及び超音波と過酸化水素などの化学酸化剤の酸化力を複合的に利用すると省エネルギー的に汚泥を可溶化できることを見いだして完成された新規な余剰汚泥減量化システムを提供する。
【０００８】
すなわち、本発明者の研究によれば、図１に示すように、有機性汚水の活性汚泥による処理において、沈殿槽から沈殿汚泥（固形物濃度１以下）の一部を分岐して、カチオン界面活性剤を添加して常圧で曝気し、汚泥に気泡を付着させ浮上濃縮し、汚泥の固形物濃度を高めたのち、気泡が付着した汚泥に対し超音波を照射すると、同一の超音波出力において汚泥細胞の破壊効果、言い換えると汚泥可溶化効果が向上することを見いだした。その際の汚泥固形物濃度には適正範囲が存在し、濃度１〜５％が適正範囲であり、更に好ましい範囲は２〜３％であった。濃度が５％を超えると濃度が高くなりすぎ、汚泥スラリの粘度が高くなり、流動性が悪化するために、汚泥への超音波照射の効果が不均一になる。また、固形物濃度が１％未満であると、固形物濃度が低くすぎ、超音波のエネルギーが固形物の可溶化作用以外に無駄に消費される。
また、過酸化水素、塩素、次亜塩素酸、過硫酸イオン、過炭酸、オゾンなどの化学酸化剤を少量添加してから超音波照射すると、超音波照射電力消費量が大幅に減少し、省エネルギー化ができることを実験的に見いだした。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明を具体的に説明する。
図１に本発明を有機性汚水の活性汚泥処理施設に適用した例を示す。図１では、有機性汚水１を好気性微生物によって浄化する活性汚泥処理工程（生物脱リン法、生物学的硝化脱窒素法のように嫌気部を付帯するものも含む意味）の活性汚泥曝気槽２に入れて処理し、同槽２から活性汚泥混合液３を沈殿槽４に導いて活性汚泥を沈殿させ、沈殿槽４の上澄み水を処理水５として取り出しており、沈殿槽４の沈殿汚泥６の大部分を返送汚泥７として前記曝気槽２に返送している。
本発明により、前記沈殿槽４の沈殿汚泥の一部を分岐汚泥８として引き抜き、これにカチオン界面活性剤（カチオン系高分子凝集剤も広義のカチオン界面活性剤である）９を添加して浮上濃縮槽１０で沈殿汚泥を浮上分離し、汚泥固形物濃度を１％以上に高める。浮上濃縮槽１０で浮上分離した浮上濃縮汚泥１１は次に超音波照射槽１３で超音波を照射する。また、浮上濃縮槽１０の底に溜まる分離液１２は前記曝気槽２に送る。
【００１０】
この方法は、加圧溶解空気浮上法、遠心濃縮法よりも動力消費量が少ないという利点があるほか、浮上スカムには気泡が付着しているので、これを超音波照射槽に供給して超音波を照射すると、気泡が超音波を反射して汚泥細胞を効果的に破壊するため汚泥可溶化効果が向上することが認められた。
また、カチオン界面活性剤が汚泥に吸着し、汚泥のゼータ電位が低下し凝集した状態で超音波照射すると、汚泥に対する超音波作用が効果的に働き、可溶化効果が向上することが認められた。適正超音波周波数は、周波数が高すぎると汚泥可溶化効果が悪化することが認められ、１０〜１００ＫＨＺ、より好ましくは１５〜５０ＫＨＺが好適である。超音波照射の時間は極めて短時間で充分であり、数分程度でよい。したがって超音波照射槽は非常に小さくてよい。
【００１１】
次に、酸化剤と超音波とを併用する技術について、図２により説明する。
図２において、沈殿槽４からの沈殿汚泥６の一部８は、酸化剤１４が添加されて超音波照射槽１３に入り、超音波が照射される。その後照射されて可溶化された汚泥は曝気槽２に戻される。なお、曝気槽２から直接ポンプ吸引して過酸化水素、過硫酸イオンなどの酸化剤を添加して超音波照射してもよい。ただし、曝気槽２の沈殿汚泥よりも希薄であるので、ポンプ吸引流量を増加させる必要がある。
【００１２】
活性汚泥に少量の化学酸化剤を添加してから超音波を照射すると、少ない超音波出力でも活性汚泥の可溶化率、言い換えれば生分解性が顕著に向上する効果が起きるメカニズムの詳細は明らかでないが、次のように推定される。
すなわち、過酸化水素、過硫酸イオンなどの酸化剤が共存した状態で超音波を照射すると、超音波振動は水に対してある瞬間は減圧力、次の瞬間には圧縮力として働きかけ、超音波振動を加えている間この作用を繰り返す。この繰り返しの中で水に減圧力が作用すると、水中にほとんど真空の空洞が発生し、水に溶け込んでいる気体（酸素、二酸化炭素等）を吸着してキャビテーション気泡が発生する。次の瞬間、水には圧縮力が作用しその気泡は大きな力で圧縮される。この時気泡は断熱圧縮状態になり、気泡内は高温高圧になり、ついには押しつぶされてもとの分子状に砕け散ってしまう。この時、過酸化水素などの酸化剤分子及び水分子から強力な酸化力を持ったヒドキシラジカルが多量に発生するのではないか。
さらに、その気泡が消滅する際に、今まで気泡を囲んでいた酸化剤分子、水分子が気泡が消えた跡に突進し互いに衝突するので、ラジカルを含んだ強衝撃性音波を水中に発生するのではないか。この強力な衝撃波とラジカルの強力な酸化作用が複合的に作用して、活性汚泥細胞壁が効果的に破壊され活性汚泥が可溶化されるのではないかと推定される。
【００１３】
図１及び図２の超音波処理後の汚泥を、活性汚泥曝気槽に流入させ、ＢＯＤ活性を有する活性汚泥の存在下で好気性生物処理すると、該改質処理汚泥が曝気槽内の既存の活性汚泥（好気性微生物）によって炭酸ガスと水に分解することが認められた。
なお、図１では改質汚泥を有機性汚水の浄化を行う活性汚泥曝気槽に返送する例を示したが、超音波処理汚泥を汚水の生物処理工程とは別個に設けた好気性微生物が存在する曝気槽に供給して原水の浄化工程とは切り離して、改質汚泥の生物分解・減容化を行うようにしても当然よい。または、改質処理汚泥を嫌気性消化槽（図示せず）に供給して、嫌気性菌によって生物分解してもかまわないことは言うまでもない。
【００１４】
【実施例】
以下実施例により本発明を具体的に説明する。ただし本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。
【００１５】
実施例１
図１に示す本発明の工程にしたがって団地下水を対象にして処理し、本発明の実証試験を行った。前記団地下水の水質を第１表に示す。また、その処理における実験条件を第２表に示す。
【００１６】
【表１】
0003775654.tif 000002
【００１７】
【表２】
0003775654.tif 000003
【００１８】
上記仕様の装置において、濃縮方法、濃縮汚泥濃度を変化させた後、超音波を照射し余剰汚泥発生量の減少効果を比較した。
図１のフローシートに示す工程にしたがって６ヶ月間の実験の結果、上記（１）〜（４）の汚泥について超音波処理を行った結果、余剰活性汚泥の発生量について調べてその結果を第３表に示した。
【００１９】
【表３】
0003775654.tif 000004
【００２０】
第３表によれば、（１）の方法で濃縮した汚泥が最も余剰汚泥発生量が少なかった。なお、本発明を適用しない通常の活性汚泥法における余剰汚泥発生量は、下水１ｍ３  当たり１０５〜１１０ｇ・ｓｓであった。
参考例１
実施例１の方法で沈殿汚泥を濃縮せずに、それに過酸化水素を０．３ｇＨ２Ｏ２／ｋｇ・汚泥ｓｓ添加した後、第４表に示す条件で超音波を照射した。
【００２１】
【表４】
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【００２２】
この条件での余剰汚泥発生量は下水１ｍ3 当たり７．９ｇ・ｓｓであり、過酸化水素の添加によって超音波発生エネルギーを大きく減少できることが認められた。
比較例１
実施例１において過酸化水素だけを添加し、超音波処理を行わない場合の余剰汚泥発生量は、下水１ｍ3 当たり９２〜９８ｇ・ｓｓであり、通常の活性汚泥法の余剰汚泥発生量と有意な違いは認められなかった。つまり過酸化水素単独の汚泥減容化効果はほとんどなかった。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
（１）活性汚泥をカチオン界面活性剤添加の浮上濃縮法で濃縮した後、超音波照射することによって、汚泥減容化効果が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のカチオン界面活性剤添加の浮上濃縮後、超音波照射の手段を活性汚泥処理施設へ適用した場合の概略説明図を示す。
【図２】  化学酸化剤添加後、超音波照射の手段を活性汚泥処理施設へ適用した場合の概略説明図を示す。
【符号の説明】
１  有機性汚水
２  活性汚泥曝気槽
３  活性汚泥混合液
４  沈殿槽
５  処理水
６  沈殿汚泥
７  返送汚泥
８  分岐汚泥
９  カチオン界面活性剤
１０  浮上濃縮槽
１１  浮上濃縮汚泥
１２  分離液
１３  超音波照射槽
１４  酸化剤
【図１】
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【図２】
0003775654.tif 000007