JP7247713B2

JP7247713B2 - 有機性排水の生物処理装置

Info

Publication number: JP7247713B2
Application number: JP2019068249A
Authority: JP
Inventors: 和也小松
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2023-03-29
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: JP2020163327A

Description

本発明は、揮発性物質や臭気の発生する物質を含む有機性廃水を生物処理するのに好適な生物処理装置に係り、特に微生物発電装置を採用した有機性排水の生物処理装置に関する。

揮発性物質や臭気の発生する物質を含む有機性排水を生物処理する場合、通常は臭気を防止するため、完全混合の反応槽を使用する。しかし、完全混合の反応槽では反応速度が極端に小さくなるために、滞留時間が長い大きな反応槽が必要である。また、完全混合の反応槽でも水の片流れや部分的な曝気強度の差などから、臭気物質の揮発を完全に防止するのは難しい。
反応速度を上げ槽容積を小さくするため、複数の反応槽を直列接続した多段反応槽等が用いられる。しかし、この場合、第１槽目の反応槽では臭気物質の分解が終了していないため、残存している臭気物質の一部が曝気によって揮発して臭気が発生したり、有毒物質が揮散する。プラグフロー型の反応槽の場合も同様である。

微生物を用いた発電装置として、特許文献１～３には、微生物を保持する導電性充填材をアノード室内全体に存在させるとともに、アノード室とカソード室とを隔てる非導電性膜を、アノード室とカソード室とにそれぞれ配置される電極と密着させた微生物発電装置が記載されている。

特開２００９－１５２０９１号公報特開２０１０－３３８２３号公報特開２００９－２２４１２８号公報

本発明は、揮発性物質や臭気の発生する物質を含む有機性排水であっても、臭気の発生や有害物質の揮発なく、処理することができる有機性排水の生物処理装置を提供することを目的とする。

本発明の有機性排水の生物処理装置は、直列に接続された第１ないし第ｎ（ｎは２以上）の生物処理槽を備え、各槽内で処理を行う有機性排水の生物処理装置において、少なくとも第１生物処理槽は、微生物を保持し電子供与体である有機物を含む原水が供給されるアノード室と、該アノード室に対しイオン透過性を有した非導電性膜を介して隔てられ、電子受容体が供給されるカソード室とを備えた微生物発電装置であり、少なくとも最終生物処理槽は好気性生物処理槽である。

本発明の一態様では、前記有機性排水は、揮発性物質または臭気の発生する物質を含む有機性排水である。

本発明の一態様では、前記微生物発電装置以外の生物処理槽は、汚泥浮遊反応槽又は担体流動反応槽である。

本発明の一態様では、前記好気性生物処理槽の処理水及び／又は汚泥の一部を前記微生物発電装置に返送する手段を備える。

本発明の一態様では、酸素を含有する前記好気性生物処理槽の排ガスの少なくとも一部を前記微生物発電装置のカソード室に供給する手段を備える。

本発明の一態様では、前記微生物発電装置がエアカソードを備え、酸素を含有するカソード室の排ガスの少なくとも一部を前記好気性生物処理槽に供給する手段を備える。

微生物発電装置は、有機性排水を曝気することなく、密閉されたアノード室にて処理できるため、微生物発電装置から揮発性物質が排気中に揮散することがない。被処理水由来または生物反応により生成した揮発性物質や臭気原因物質又は臭気性物質は、微生物発電装置において酸化分解されて少なくとも揮発性物質や臭気原因物質又は臭気性物質を含まない物質にまで分解されるため、放散して排ガスとして系外排出されることがない。

なお、電極表面に形成される生物膜で処理を行う微生物発電装置は、極低濃度のＢＯＤ除去には不向きであるため、多段生物処理槽の最終槽に微生物発電装置を設置すると大きな反応槽が必要となり、場所、コストの点で不利になる。これらの点を考慮して、本発明では、最終段生物処理槽を好気処理槽とする。これにより、効率的、かつ、臭気発生及び揮発性物質の揮発のない生物処理が可能となる。

本発明の生物処理装置によれば、揮発性物質や臭気の発生する物質を含む有機性排水であっても、臭気の発生や有害物質の揮発なく、処理することができる。

実施の形態に係る有機性排水の生物処理装置の概略図である。実施の形態に係る有機性排水の生物処理装置の概略図である。実施の形態に係る有機性排水の生物処理装置に用いられる微生物発電装置の模式的な縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明の有機性排水の生物処理装置の実施の形態を詳細に説明する。

図１は第１の実施の形態に係る有機性排水の生物処理装置を示している。

この有機性排水の生物処理装置は、第１微生物発電装置１１及び第２微生物発電装置１２と、好気性生物処理槽１３と、沈殿槽１４とを有する。

原水は、原水配管１０を介して第１微生物発電装置１１のアノード室４に供給され、発電微生物による生物処理が行われ、第１処理水が得られ、第１処理水が配管１５を介して第２微生物発電装置１２のアノード室４に供給される。第２微生物発電装置１２で得られた第２処理水が配管１６を介して好気性生物処理槽１３に供給され、散気管１３ａから曝気されることにより好気性生物処理される。好気性生物処理水は、好気性生物処理槽１３に設けられたスクリーン１３ｂを通って配管１７に流出し、その一部は配管１８を介して原水配管１０に返送される。好気性生物処理水の残部は、配管１７から沈殿槽１４に導入され、上澄水が処理水として流出する。沈殿槽１４で沈殿した汚泥は、余剰汚泥として沈殿槽１４の底部から排出される。

各微生物発電装置１１，１２のカソード室３には空気が配管７から供給される。カソード室３からの排気は配管８を介して流出する。

図１では、好気性生物処理槽１３は担体流動反応槽であり、担体１３ｃが充填されている。好気性生物処理槽１３が、担体流動床の場合、スポンジ等の担体を３０～５０％容量となるよう投入し、反応槽流出部に担体流出防止用のスクリーン１３ｂを設けたものが好適である。

図２では、好気性生物処理槽１３は汚泥浮遊反応槽であり、担体１３ｃは充填されていない。好気性生物処理槽１３からの流出水は、全量が配管１７を介して沈殿槽１４に供給され、上澄水が処理水として取り出され、その一部は配管１８を介して原水配管１０に返送される。沈殿汚泥の一部は返送配管１９によって好気性生物処理槽１３に返送され、残部は余剰汚泥として系外に排出される。

図２の有機性排水の生物処理装置のその他の構成は図１と同一であり、同一符号は同一部分を示している。

図１，２では、有機性排水の生物処理装置は微生物発電装置１１，１２と好気性生物処理槽１３とで構成されているが、その他の処理槽を備えてもよい。

有機物の全て、もしくは大部分が揮発性物質の場合、最終生物処理槽以外の生物処理槽は微生物発電装置とすることが望ましい。

有機物に占める揮発性成分の割合が小さい場合は、前半側の約１／２を微生物発電装置、後半側の約１／２を微生物発電装置以外とするのが望ましい。例えば、全体で４槽の場合であれば、前半側２槽を微生物発電装置とし、後半側２槽を微生物発電装置以外とすることが望ましい。

原水中の有機物濃度が高い場合には（例えばＢＯＤ濃度２００ｍｇ／Ｌ以上、好ましくは１，０００ｍｇ／Ｌ以上）、微生物発電装置が効果的である。処理が進んで低濃度（例えばＢＯＤ濃度２０～２，０００ｍｇ／Ｌ、好ましくは５０～１，０００ｍｇ／Ｌ）となっている後段側の反応槽では、生物膜の形成が進みにくいので、曝気を伴う接触効率の高い浮遊法や流動床等の担体法を用いた方が効果的である。

また、微生物発電装置は、有機物のエネルギーを電気エネルギーとして取り出すため、好気性処理に比べて汚泥が増殖しにくい。そこで、立上げ時などは、最終生物処理槽の汚泥、またはＳＳを含む処理水の一部を、種菌として微生物発電装置に返送することが望ましい。

原水としては、下水、食品工場排水などの有機性廃水が例示されるが、これに限定されない。

上記実施の形態ではカソード室に空気を供給しているが、純酸素や、酸素を富化させた空気あるいは、好気性生物処理槽１３の曝気排ガス等を用いることもできる。また、酸素以外の電子受容体、例えばヘキサシアノ鉄（III）カリウム（フェリシアン化カリウム）を含む液を供給してもよい。

次に、微生物発電装置１１，１２の構成について図３を参照して説明する。

図３は微生物発電装置の概略的な構成を示す模式的断面図である。

槽体１内に複数枚のイオン透過性非導電性膜２が平行に配置されることによってカソード室３とアノード室４とが交互に区画されている。各カソード室３内にあっては、イオン透過性非導電性膜２に接するように正極５が配置されている。

なお、図３ではアノード室４及びカソード室３が複数設置されるマルチ（複層）セル型微生物発電装置が示されているが、単一セルであってもよい。

正極（カソード）５は、導電性材料（グラファイト、チタン、ステンレスなど）で構成された立体よりなる。正極を構成する素材は、電子受容体の種類によって適宜、選択すればよい。酸素を電子受容体とする場合は白金などの酸素還元触媒を用いることが好ましく、例えばグラファイトフェルトを基材として白金を担持させるとよい。

各アノード室４内には、導電性材料（グラファイト、チタン、ステンレスなど）で構成された立体の負極６が配置されている。アノード室４内に発電微生物が保持されている。

この実施の形態では、カソード室３内は、空室であり、ガス流入管７を介して空気が導入され、ガス流出配管８を経て排ガスが流出する。

カソード室３とアノード室４とを仕切るイオン透過性非導電性膜２としては、非導電性、かつイオン透過性を有するものであれば殆どのものが使用できる。イオン交換膜、紙、織布、不織布、いわゆる有機膜（精密濾過膜）、ハニカム成形体、格子状成形体等が使用できる。イオンを透過させ易くするために、厚さは１０μｍ～１ｍｍ、特に３０～１００μｍ程度の薄いものが好ましい。

原水又は第１処理水には、必要に応じ水酸化ナトリウム水溶液などのｐＨ調整剤が添加され、ｐＨが６～９に調整されることが好ましく、ｐＨ６．５～７．５に調整されることがさらに好ましい。アノード室の温度条件は常温から中高温、具体的には１０～７０℃程度とすることが好ましい。

アノード室４に窒素ガスなどの酸素を含有しないガスを連続的、または、間欠的に通気してもよい。負極表面にガスによる剪断力が与えられ、生物膜の過度な付着による閉塞を防ぐ効果が高まるのに加え、特にカソード室３で酸素を電子受容体とする場合などには、好気性スライムの増殖などにより性能低下に繋がる、カソード室３からアノード室４に浸透する酸素を除去する効果もある。

正極５と負極６との間に生じた起電力により、端子２０，２１を介して外部抵抗（図示しない）に電流が流れる。

カソード室３に酸素含有ガスを通気すると共に、負極溶液を流通させることにより、アノード室４内では、
（有機物）＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ^＋＋ｅ^－
なる反応が進行する。この電子ｅ^－が負極６、端子２１、外部抵抗、端子２０を経て正極５へ流れる。

イオン透過性非導電性膜２がカチオン交換膜である場合、上記反応で生じたプロトンＨ^＋は、カチオン交換膜を通って正極５に移動する。正極５では、
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－→２Ｈ_２Ｏ
なる反応が進行する。この正極反応で生成したＨ_２Ｏはカソード排ガスと共に排出される。

イオン透過性非導電性膜２としてアニオン交換膜を用いた場合、正極５では、
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－→４ＯＨ^－
なる反応が進行する。この正極反応で生成したＯＨ^－がイオン透過性非導電性膜２としてのアニオン交換膜を透過する。

本発明では、アノード室内に保持され、電気エネルギーを産生させる微生物は、電極に電子を供与する機能を有するものであれば特に制限されない。例えば、Saccharomyces、Hansenula、Candida、Micrococcus、Staphylococcus、Streptococcus、Leuconostoa、Lactobacillus、Corynebacterium、Arthrobacter、Bacillus、Clostridium、Neisseria、Escherichia、Enterobacter、Serratia、Achromobacter、Alcaligenes、Flavobacterium、Acetobacter、Moraxella、Nitrosomonas、Nitorobacter、Thiobacillus、Gluconobacter、Pseudomonas、Xanthomonas、Vibrio、Comamonas、Proteus（Proteus vulgaris）、Shewannell及びGeobacterの各属に属する細菌、糸状菌、酵母などを挙げることができる。このような微生物を含む汚泥として下水等の有機物含有水を処理する生物処理槽から得られる活性汚泥、下水の最初沈澱池からの流出水に含まれる微生物、嫌気性消化汚泥等を植種としてアノード室に供給し、微生物を負極に保持させることができる。発電効率を高くするためには、アノード室内に保持される微生物量は高濃度であることが好ましく、例えば微生物濃度は１～５０ｇ／Ｌであることが好ましい。

１槽体
２イオン透過性非導電性膜
３カソード室
４アノード室
５正極
６負極
１１，１２微生物発電装置
１３好気性生物処理槽
１４沈殿槽

Claims

直列に接続された第１ないし第ｎ（ｎは２以上）の生物処理槽を備え、各槽内で処理を行う有機性排水の生物処理装置において、
少なくとも第１生物処理槽は、微生物を保持し電子供与体である有機物を含む原水が供給されるアノード室と、該アノード室に対しイオン透過性を有した非導電性膜を介して隔てられ、電子受容体が供給されるカソード室とを備えた微生物発電装置であり、
少なくとも最終生物処理槽は好気性生物処理槽であり、前記好気性生物処理槽の処理水の一部を前記微生物発電装置に返送する手段を備える有機性排水の生物処理装置。
前記有機性排水は、揮発性物質または臭気の発生する物質を含む有機性排水である請求項１記載の有機性排水の生物処理装置。
前記微生物発電装置以外の生物処理槽は、汚泥浮遊反応槽又は担体流動反応槽である請求項１または２に記載の有機性排水の生物処理装置。
前記微生物発電装置として、第１微生物発電装置（１１）と、該第１微生物発電装置のアノード室からの第１処理水がアノード室に供給される第２微生物発電装置（１２）とを備えており、
前記好気性生物処理槽の処理水の一部が、該第１微生物発電装置（１１）に返送される請求項１ないし３のいずれかに記載の有機性排水の生物処理装置。
酸素を含有する前記好気性生物処理槽の排ガスの少なくとも一部を前記微生物発電装置のカソード室に供給する手段を備える請求項１ないし４のいずれかに記載の有機性排水の生物処理装置。
前記微生物発電装置がエアカソードを備え、酸素を含有するカソード室の排ガスの少なくとも一部を前記好気性生物処理槽に供給する手段を備える請求項１ないし５のいずれかに記載の有機性排水の生物処理装置。