JP2002177994A - 有機性汚泥の消化処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 消化槽の有機物負荷を従来よりも高めること
ができ、また有機性汚泥からの資源回収をより進めるこ
とができる有機性汚泥の消化処理方法及び装置を提供す
る。 【解決手段】ＶＳが２％を越える高濃度の有機性汚泥
を、熱アルカリ前処理槽１においてｐＨ１０以上の条件
で処理することにより有機物を可溶化する。このとき生
成するアンモニアを適宜のアンモニア除去装置５で液か
ら分離除去したうえ、アンモニア濃度の低下した前処理
汚泥を嫌気性消化槽２でメタン発酵させる。アンモニア
によるメタン発酵阻害がなくなるため、また高濃度の汚
泥を従来より高ｐＨで前処理して有機物可溶化率を上げ
るため、メタン発酵の効率が上がり、また有価資源であ
るメタンとアンモニアを個別に回収できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱アルカリ前処理
を利用した有機性汚泥の消化処理方法及び装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】下水処理場などから発生する有機性汚泥
の処理方法のひとつとして、嫌気性消化処理法が知られ
ている。この方法は、有機性汚泥を嫌気性消化槽でメタ
ン発酵させることにより有機物を分解すると同時に、有
価資源であるメタンガスを回収することができる利点が
ある。

【０００３】本発明者は、この嫌気性消化槽の前段に熱
アルカリ前処理槽を設置して有機性汚泥を熱アルカリ処
理することにより、有機物の可溶化を促進して嫌気性消
化槽における処理能力を向上させる方法を先に開発し、
既に特許第２１３６８２６号、２１３８３７２号、２１
３８７６４号などを始め多数の特許を取得済みである。

【０００４】しかしこの方法で有機物の可溶化を促進し
ても、処理すべき有機性汚泥の濃度が高くなり過ぎると
嫌気性消化が完全に行えなくなる。このため従来は有機
性汚泥のＶＳ（汚泥中の全有機物濃度）を２％未満に抑
えた運転がなされており、嫌気性消化槽の有機物負荷を
２ｋｇ／ｍ³・日以上とすることは困難であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記した従来
の問題点を解決して、嫌気性消化槽の有機物負荷を従来
よりも更に高めることができ、また有機性汚泥からの資
源回収をより進めることができる有機性汚泥の消化処理
方法及び装置を提供するためになされたものである。

【０００６】この課題を解決するために本発明者は検討
を重ねた結果、嫌気性消化槽におけるメタン発酵を阻害
する要因の一つである液中のアンモニアに着目した。ア
ンモニアは特に遊離態アンモニアがメタン発酵の阻害に
なるといわれている。そして有機性汚泥のＶＳを従来よ
りも高め、かつ熱アルカリ前処理槽のｐＨを１０以上と
することにより、熱アルカリ前処理槽あるいはその後段
においてアンモニアガスを発生させ、アンモニアを液か
ら分離できることを発見した。合わせてｐＨを１０以上
とすることにより、汚泥中有機物の可溶化率も向上する
ことを発見した。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の有機性汚泥の消
化処理方法は上記の知見に基づいて完成されたものであ
って、ＶＳが２％を越える高濃度の有機性汚泥を、熱ア
ルカリ前処理槽においてｐＨが１０以上の条件下で処理
することにより有機物を可溶化するとともに、その熱ア
ルカリ前処理槽あるいはその後段でアンモニアガスを発
生させ、このアンモニアガスを液から分離除去したう
え、前処理汚泥を嫌気性消化槽でメタン発酵させること
を特徴とするものである。なお、熱アルカリ前処理槽の
温度を、３５〜１００℃とすることが好ましく、嫌気性
消化槽のｐＨ％を、７〜８．５とすることが好ましい。
またアンモニアガスの分離は、嫌気性雰囲気ガスによる
ガスパージ、吸引、気液接触の何れかの手段により行う
ことができる。

【０００８】また本発明の有機性汚泥の消化処理装置
は、ＶＳが２％を越える高濃度の有機性汚泥をｐＨが１
０以上の条件下で処理する熱アルカリ前処理槽と、この
熱アルカリ前処理により発生するアンモニアガスを前処
理汚泥から分離除去するアンモニア除去装置と、アンモ
ニアガスを分離除去した後の前処理汚泥をメタン発酵さ
せる嫌気性消化槽とからなることを特徴とするものであ
る。なおアンモニア除去装置を、その前後にガスシール
を備えたものとすることができる。

【０００９】上記した本発明の有機性汚泥の消化処理方
法及び装置によれば、嫌気性消化槽におけるメタン発酵
の阻害要因であるアンモニアをその前段で液中から除去
することができるのでメタン発酵菌の活性が高まり、嫌
気性消化槽における有機物負荷を従来よりも大幅に高め
ることができる。しかも、有機性汚泥からメタンガスと
ともにアンモニアガスも回収することができるから、資
源回収の観点から見ても大きな利点がある。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を示す。
図１において、１は熱アルカリ前処理槽、２は嫌気性消
化槽である。下水処理場から発生する初沈汚泥、余剰汚
泥や、食品工場等から発生する蛋白含有汚泥などの有機
性汚泥は、ポンプ等によってまず熱アルカリ前処理槽１
に流入する。なお、以下に示すように汚泥の種類によっ
て各槽の好ましい条件が異なるが、これは初沈汚泥では
炭水化物が主成分であり、余剰汚泥（蛋白含有汚泥も同
様）では蛋白質が主成分であるためである。

【００１１】前記したように、従来は流入する有機性汚
泥(流入汚泥)のＶＳを２％未満に抑えていたのである
が、本発明ではＶＳが２％を越える高濃度の有機性汚泥
を、熱アルカリ前処理槽１に流入させる。一般に高濃度
汚泥ほど消化した場合にアンモニア濃度が高くなりメタ
ン発酵反応への阻害が顕著となるが、本発明においては
アンモニア除去装置を設けるため、より高濃度の有機性
汚泥を対象にするほど、通常の高濃度消化処理方法と比
較して、メタン発酵反応における効果が大きくなる。従
って濃縮の容易な初沈汚泥の場合にはＶＳを３％以上と
し、余剰汚泥の場合にはＶＳを２％以上とすることが好
ましい。

【００１２】また本発明では、流入汚泥のＶＳを従来よ
りも高めたことと関連して、熱アルカリ前処理槽１のｐ
Ｈを従来よりも高い１０以上とする。初沈汚泥の場合に
はｐＨを１０〜１２程度、余剰汚泥の場合にはｐＨを１
０〜１１程度とすることが好ましい。このようなｐＨが
維持されるように、ＮａＯＨ等のアルカリが熱アルカリ
前処理槽１内に添加される。また適宜の加熱手段によっ
て、熱アルカリ前処理槽１は３５〜１００℃に加熱され
る。具体的には、初沈汚泥の場合には３５℃程度、余剰
汚泥の場合には７０℃程度が好ましい。

【００１３】このような条件で有機性汚泥を熱アルカリ
処理すると、有機性汚泥中の有機物は従来と同様に可溶
化されるのであるが、それと同時にアンモニア性窒素が
生成する。そこでこのアンモニア性窒素を、アンモニア
除去装置５によりアンモニアガスとして液から分離除去
する。このアンモニアガスは有価資源として、例えば汚
泥処理場の脱硝などに再利用することができる。

【００１４】アンモニアガスの分離方法としては、種々
の方法が考えられる。例えば図２に示すように、熱アル
カリ前処理槽１の内部に溜まったアンモニアガスあるい
は汚泥中のアンモニア態窒素を、不溶性嫌気性の例えば
窒素ガスパージにより取り出す方法がある。ここで空気
の代わりに嫌気性の窒素ガスを用いたのは、後段の嫌気
性消化槽２が好気的雰囲気となり、嫌気性菌の活性低下
を招くことを防止するためにおこなうものである。従っ
て一般的には初期に空気等の不溶性好気性雰囲気ガスを
封入しても長期間の運転により嫌気性雰囲気が形成され
るため、長期的にみればこれらのガスを用いることは可
能である。

【００１５】また図３に示すように、熱アルカリ前処理
槽１の内部に溜まったアンモニアガスを、ブロワ３で吸
引する方法する方法を採用することもできる。この方法
によれば、アンモニアガスを単独で取り出せるが、気液
界面の接触面積が小さくなる場合にはアンモニア除去が
十分に行えず律速になる場合がある。

【００１６】さらに図４に示すように、気液接触により
アンモニアガスを取り出すこともできる。図４の方法で
は、熱アルカリ処理槽１から流出した前処理汚泥を、多
段式の流路に沿って流下させつつ下方から吹き込まれる
嫌気性雰囲気ガス等と接触させ、ガス（アンモニアガス
+嫌気性雰囲気ガス）と前処理汚泥とを分離することが
できる。しかし図2〜図４の方法によると、アンモニア
の液中からの分離により熱アルカリ前処理槽１のｐＨが
低下し、本来の目的である汚泥中有機物の可溶化率が低
下する欠点もある。

【００１７】そこでさらに望ましい分離方法として、図
５〜図７に示すようにアンモニア除去装置５の前後にＵ
字状のガスシール４を設ける方法がある。図５の例では
中間部分に設けられたアンモニア除去装置５から、アン
モニアガスをブロワ３でパージする。図６の例ではアン
モニアガスをブロワ３で吸引する。さらに図７の例で
は、アンモニア除去装置５として気液接触装置を用い、
アンモニアガスを気液接触により分離する。これらの方
法によれば、アンモニア除去に伴うｐＨ低下の影響が熱
アルカリ前処理槽１に及びにくい利点がある。なお、図
１ではこれらの種々の分離手段をアンモニア除去装置５
として示した。当然このようにアンモニア除去装置を設
ける場合には、熱アルカリ前処理槽と同等あるいはそれ
以上の温度とする方がアンモニア除去が効率的に進むた
め、ジャケット水等による加温を考える。またアンモニ
ア除去装置のｐHはアンモニア除去の影響により、熱ア
ルカリ前処理槽のｐHよりも低くなる。

【００１８】図２、図４、図５、図７の例においては、
窒素等の嫌気性雰囲気ガスを用いてガスパージを行なう
ため、このガスの流れを図８に示すような閉鎖循環系と
し、別途分離されたアンモニアを吸収する吸収槽を設け
ることが望ましい。

【００１９】このようにしてアンモニアガスが分離除去
された前処理後の汚泥は、従来と同様に嫌気性消化槽２
に送られ、メタン発酵される。しかし従来とは異なり、
液中から予めアンモニアが除去されているために嫌気性
消化槽２においてメタン発酵が阻害されることはなく、
流入汚泥のＶＳを従来よりも高めたにもかかわらず、効
率よくメタン発酵が行われる。このとき発生したメタン
ガスは、有価資源として回収される。

【００２０】なお効率よくメタン発酵を進行させるため
には、嫌気性消化槽２のｐＨ％を、７〜８．５としてお
くことが好ましい。より詳細には、初沈汚泥の場合には
７．０〜７．８程度、余剰汚泥の場合には７．８〜８．
１程度とすることが望ましい。温度は中温発酵の場合に
は３５℃程度、高温発酵の場合には５５℃程度とする。
このように嫌気性消化槽２のｐＨは特別な操作を行わな
くとも自然に下がる。その理由は、メタン発酵により生
成する炭酸ガスが液中に溶解し、消化汚泥を酸性側に移
行させるためである。

【００２１】以上に述べたように、本発明によれば流入
汚泥のＶＳを従来より高めたにもかかわらず効率よくメ
タン発酵が行われるので、嫌気性消化槽２における有機
物負荷を、従来の２ｋｇ／ｍ³・日から３ｋｇ／ｍ³・日
以上にまで大幅に高めることができる。またこの方法を
応用すれば２段直列の嫌気性消化槽がある場合にその間
にアンモニア除去装置５を設けて後段の嫌気性消化を活
性化させることが可能である。あるいは嫌気性消化槽２
から流出する消化汚泥の一部をアンモニア除去装置５に
循環させてアンモニアの除去を促進させ、嫌気性消化を
活性化させることが可能である。

【００２２】以上に説明した実施形態では、図１に示す
ように熱アルカリ前処理槽１から自然流下により後段の
アンモニア除去装置５に導き、アンモニアを除去した後
の前処理汚泥を全て嫌気性消化槽２に自然流下させた。
しかし図９や図１０に示すように、アンモニア除去装置
５と熱アルカリ前処理槽１との間でポンプ等によって汚
泥の一部を循環させることもできる。このように前処理
汚泥からアンモニアを除去することにより、熱アルカリ
前処理槽１におけるアンモニウム塩，アンモニウムイオ
ン，非解離アンモニアの平衡がより非解離アンモニア側
へ移行し、アンモニア除去装置においてより多量のアン
モニアガスの分離が可能となる。アンモニア除去装置５
は図９のように熱アルカリ前処理槽１の後段において
も、図１０のように熱アルカリ前処理槽１と並列に設け
ても良い。

【００２３】

【実施例】以下に本発明の実施例を示す。用いた実験装
置は、１Ｌ容量の熱アルカリ前処理槽と１０Ｌ容量の嫌
気性消化槽に、アンモニア除去装置を組み合わせたもの
である。まず下水処理場の余剰汚泥を遠心濃縮してＶＳ
が３％に濃縮された有機性汚泥とし、ｐＨ１０．５、温
度７０℃に制御された熱アルカリ前処理槽に１日に１Ｌ
の割合で入れて処理した。この時アンモニア除去装置に
おいて1日当り４００ｍｇ−Nのアンモニアガスが発生し
たのでこれを分離回収した。

【００２４】このようにして得られた前処理汚泥を、ｐ
Ｈ８．０、温度３７℃に制御された嫌気性消化槽に入れ
て消化日数１０日間で処理したところ、メタン発酵が効
率よく進行し、有機物の消化率は５６％であった。また
１０Ｌ／日のメタンガスと、１Ｌ／日の炭酸ガスとが回
収された。１０Ｌ容量の嫌気性消化槽における有機物負
荷は１日当たり３０ｇであり、これは通常用いられる単
位に換算すると３ｋｇ／ｍ³・日となる。

【００２５】次に、同じ実験装置を用いて同じ負荷でア
ンモニアを分離させない従来法による試験を行った。下
水処理場の余剰汚泥をＶＳが３％になるよう調整し、ｐ
Ｈ１０．５、温度７０℃に制御された熱アルカリ前処理
槽に１日に１Ｌの割合で入れて処理したが、熱アルカリ
前処理ではガスの発生は全くなかった。この前処理汚泥
を、ｐＨ８．０、温度３７℃に制御された嫌気性消化槽
に入れて１０日間メタン発酵処理した。この場合の有機
物の消化率は４０％であった。また７．０Ｌ／日のメタ
ンガスと、０．７Ｌ／日の炭酸ガスとが回収された。ア
ンモニア除去装置がないことでメタンガスの発生が少な
かったのはアンモニア阻害による結果だと判断できる。

【００２６】さらに、同じ実験装置を用いて余剰汚泥Ｖ
Ｓ２％２ｋｇ／ｍ³・日の低負荷（低濃度）でアンモニ
アを分離させない従来法による試験を行った。ｐＨ９．
０、温度７０℃に制御された熱アルカリ前処理槽に１日
に１Ｌの割合で入れて処理したが熱アルカリ前処理では
ガスの発生は全くなかった。この前処理汚泥とｐＨ８．
０、温度３７℃に制御された嫌気性消化槽に入れて１０
日間メタン発酵処理した。この場合の有機物消化率は５
０％であった。また５．８Ｌ／日のメタンガスと０．５
８Ｌの炭酸ガスが回収された。

【００２７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の有機性
汚泥の消化処理方法及び装置によれば、従来は２ｋｇ／
ｍ³・日程度にとどまっていた嫌気性消化槽の有機物負
荷を、３ｋｇ／ｍ³・日程度まで大幅に引き上げること
ができる。またこれとともに、有機性汚泥から多量のメ
タンガス及びアンモニアガスを回収することができるか
ら、資源回収の観点や地球温暖化防止の観点からも優れ
た効果がある。特に前にガスシールを備えたアンモニア
除去装置を用いれば、熱アルカリ前処理槽からのアンモ
ニアガス発生が抑制されるため、熱アルカリ前処理槽で
ｐＨが低下することがなく、汚泥中有機物の可溶化率の
低下を防止できる利点がある。また特に後にガスシール
を備えたアンモニア除去装置を用いれば、アンモニア除
去装置で発生したアンモニアガスの嫌気性消化槽への移
動・再溶解を抑制するとともに、嫌気性消化槽で発生し
た消化ガスのアンモニア除去装置への移動を抑制して消
化ガスのより完全な回収が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の工程を示すブロック図である。

【図２】ガスパージによるアンモニア分離方法を示す説
明図である。

【図３】吸引によるアンモニア分離方法を示す説明図で
ある。

【図４】気液接触によるアンモニア分離方法を示す説明
図である。

【図５】ガスシールとガスパージを組み合わせたアンモ
ニア分離方法を示す説明図である。

【図６】ガスシールと吸引を組み合わせたアンモニア分
離方法を示す説明図である。

【図７】ガスシールと気液接触を組み合わせたアンモニ
ア分離方法を示す説明図である。

【図８】アンモニア除去装置とアンモニア吸収装置によ
るアンモニア分離・回収方法を示す説明図である。

【図９】アンモニア除去装置の配置例を示すブロック図
である。

【図１０】アンモニア除去装置の他の配置例を示すブロ
ック図である。

【符号の説明】

１ 熱アルカリ前処理槽、２ 嫌気性消化槽、３ ブロ
ワ、４ ガスシール、５ アンモニア除去装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4D011 AA15 AA16 AA20 AB07 AD03 AD10 4D059 AA04 AA05 AA08 BA12 BF14 BK12 BK15 DA01 EB05 EB06 EB20

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＶＳが２％を越える高濃度の有機性汚泥
   を、熱アルカリ前処理槽においてｐＨが１０以上の条件
   下で処理することにより有機物を可溶化するとともに、
   その熱アルカリ前処理槽あるいはその後段においてアン
   モニアガスを発生させ、このアンモニアガスを液から分
   離除去したうえ、前処理汚泥を嫌気性消化槽でメタン発
   酵させることを特徴とする有機性汚泥の消化処理方法。
2. 【請求項２】 熱アルカリ前処理槽の温度を、３５〜１
   ００℃とした請求項１記載の有機性汚泥の消化処理方
   法。
3. 【請求項３】 嫌気性消化槽のｐＨを、７〜８．５とし
   た請求項１記載の有機性汚泥の消化処理方法。
4. 【請求項４】 アンモニアガスの分離を、嫌気性雰囲気
   ガスによるガスパージ、吸引、気液接触の何れかの手段
   により行う請求項１記載の有機性汚泥の消化処理方法。
5. 【請求項５】 ＶＳが２％を越える高濃度の有機性汚泥
   をｐＨが１０以上の条件下で処理する熱アルカリ前処理
   槽と、この熱アルカリ前処理により発生するアンモニア
   ガスを前処理汚泥から分離除去するアンモニア除去装置
   と、アンモニアガスを分離除去した後の前処理汚泥をメ
   タン発酵させる嫌気性消化槽とからなることを特徴とす
   る有機性汚泥の消化処理装置。
6. 【請求項６】 アンモニア除去装置が、その前後にガス
   シールを備えたものである請求項５記載の有機性汚泥の
   消化処理。