JPH0811240B2 - 下水汚泥の嫌気性消化方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 この発明は、下水汚泥の嫌気性消化方法に関するもの
である。

背景技術 下水処理場で発生する汚泥は、通常約２％の固形分濃
度の状態で排出される。この排出する汚泥の量を減量す
る対策の１つとして、従来より汚泥を消化槽に導いてメ
タン発酵させる方法が行なわれている。

しかしながら、このような従来の方法では、発酵速度
が遅く、かつ汚泥が稀薄な濃度であるため、大きな容量
の消化槽が必要であり、また、消化率が高々40〜50％で
あるため、消化により発生した消化ガスのかなりの部分
が、この汚泥の加熱に消費される結果となり、経済性が
極めて低かった。

汚泥消化技術において改善すべき第１の点は、消化槽
の小型化であり、第２の点はプロセス内での熱収支の改
善と消化ガス発生率の向上である。最近では、固形分濃
度約２％の汚泥を４〜６％にまで濃縮する試みがなされ
ている。このような濃縮により、消化槽の容積を小さく
すると共に熱収を改善して、消化ガス発電によるエネル
ギー回収を可能にしている。しかしながら、このような
濃縮方法によっても、経済的な効率はなお不充分であ
り、さらに一層の性能向上が望まれている。

メタン発酵の能率向上を図る方法として、50〜55℃の
高温で発酵を行う方法と、メタン発酵の前に汚泥を予め
加熱処理しておく方法が知られている。前者の方法で
は、通常な35℃でのメタン発酵の場合の２〜2.5倍の発
酵速度が得られる。後者の場合では、生汚泥を前もって
120〜180℃の温度で加熱処理しておくことによって、消
化率を通常の場合の50〜60％増しに向上させることがで
きると言われている。これらの方法は、汚泥消化の能率
を向上させる方法としては極めて有効な方法である。し
かしながら、汚泥の濃度が４〜６％の場合には、加熱に
多量の熱量が必要となるので、35℃程度に加温するのが
限度であった。したがって、50〜55℃の温度でメタン発
酵を行なったり、生汚泥を予め120〜180℃に加熱したり
することは、大量の熱量が必要になることから通常の下
水処理場では行なうことができなかった。

発明の要約 この発明の目的は、消化率、すなわち消化ガス発生率
を向上させるとともに、消化槽の容積を小型化すること
のできる嫌気性消化方法を提供することにある。

この発明の嫌気性消化方法は、従来の希薄濃度の汚泥
の代りに脱水汚泥を用いる事を特徴とするものであっ
て、生汚泥を少くとも10％以上の固形分濃度に脱水し、
脱水した生汚泥を消化汚泥に添加して均一に混練し、混
練した汚泥を所定の温度でメタン発酵させるものであ
る。

この発明において、生汚泥の脱水は好ましくは15％以
上、更に好ましくは20％以上の固形分濃度でなされる。

この発明において、脱水した生汚泥は、消化汚泥に添
加する前に、120〜180℃の温度で加熱処理されることが
好ましい。

この場合、メタン発酵は発酵速度の大きい50〜55℃の
高温発酵領域で行うのが特に好ましい。

またこの発明は、メタン発酵を酸生成工程とメタン生
成工程とに分離して行なういわゆる二相嫌気性消化方法
にも適用し得る。この場合、生汚泥を10％以上の固形分
濃度に脱水し、脱水した生汚泥を酸生成発酵後の消化汚
泥に添加して均一に混練し、混練した汚泥を酸生成発酵
させ、次に酸生成発酵の生成物をメタン生成槽に導いて
メタンを生成させる。すなわち酸生成発酵の生成物は、
酸生成発酵後の消化汚泥を脱水機でろ過することにより
脱離液として分離する。得られた脱離液中に含まれる酸
生成発酵の生成は、メタン発酵槽の中で固定化した生体
触媒と接触することによってメタン生成発酵をさせる。

ここで酸生成発酵とは汚泥中の有機物から、有機酸、
アルコールおよび炭酸ガス等を生成する発酵をいう。こ
の二相嫌気性消化方法においても生汚泥を予め加熱処理
し、高温で発酵を行わせるならば性能は一層向上する。

以上の二層消化方式を採用する事によって粘稠な生汚
泥と種汚泥の混練条件を緩和させ、メタン発酵の能率を
一層向上させる事が出来る。

汚泥の固形分濃度が４〜６％以上になると粘度が急激
に高くなり、10％を越えると撹拌機付きの通常のメタン
発酵槽では撹拌動力の消費量が過大になり経済性を失
う。さらに15％を越えると一般的な撹拌器では撹拌が不
可能になる。このため、従来より実用的な濃度として
は、４〜６％以下であると考えられてきた。したがっ
て、従来は、固形分濃度10％以上の生活泥を用いて、メ
タン発酵を行なうということはなされておらず、このよ
うなことは不可能であると考えられていた。

本発明者は、固形分20％以上の生汚泥であっても菌体
濃度を充分に高くし、かつ生汚泥に菌体をむらなく均一
に混合することによって、メタン発酵が効率良く行なえ
ることを見い出した。すなわち、この発明は、濃度の高
い種汚泥、すなわち消化汚泥中に少量の高濃度の生汚泥
を添加し、これを均一に混合して、消化槽中で一定の温
度に保つことによりメタン発酵を行なっている。

この発明に従がえば、少くとも10％以上の固形分濃度
に脱水した生汚泥を用いているため、従来よりも小さな
容量の消化槽にすることができる。また従来と同程度の
容量の消化層を用いた場合には、従来よりも多量の生汚
泥を消化することができる。

またこの発明に従えば、汚泥の固形分濃度が高いの
で、加熱すべき水分量が従来よりも少なくなる。したが
って、熱収支の点で従来は実用化されなかった汚泥の熱
処理法とか高温発酵法を採用することが出来る。

下水処理場には、消化ガス発電の設備が設けられてい
る場合がある。この発明に従えば、この発電システムか
ら生じた排熱を用いて、汚泥を加熱することが可能にな
るので、このような処理場においてこの発明は特に有用
なものとなる。

好適な実施例の説明 Fill and Draw法の実験 Fill and Draw法によって、この発明を検討した。

種汚泥としては、50〜50℃で消化させたものを固形分
濃度15％に脱水して用いた。生汚泥としては、固形分濃
度21％に脱水したものを用いた。熱処理汚泥としては、
生汚泥を約170℃で30分間加熱処理したものを用いた。

実施例１ 内容積約1000mlのガス排出口を設けた完全密閉型の実
験用ニーダに、種汚泥200gと生汚泥2.6gを入れて窒素ガ
スでニーダのポット内を置換した。次いで、５分間混練
を行なった後、ニーダを53℃の恒温水槽中につけて静置
した。発生した消化ガスを捕集瓶に集めて、翌日にガス
発生量とメタン含有率を測定した。次いで、ニーダのポ
ットの中から2.6gの汚泥を抜き取り、新たに2.6gの生汚
泥を加えて、再び５分間混練した。この操作を毎日１回
繰返した。実験は16日間継続して行なった。第１図には
ガス発生量を、第２図には発生したガスのメタン含有率
を示す。

比較例１ 300mlの三角フラスコに、200gの種汚泥と、2.6gの生
汚泥とを入れて、窒素ガスでフラスコ内を置換しながら
ガラス棒で汚泥を撹拌し混合した。消化ガス抜出し口の
付いたゴム栓でこの三角フラスコに蓋をし、53℃の恒温
水槽につけて静置した。発生した消化ガスを捕集瓶に集
めて、その翌日にメタン含有率を測定した。次いで、フ
ラスコの中から2.6gの汚泥を抜き取り、2.6gの生汚泥を
新たに加えて再びガラス棒で撹拌した混合した。この操
作を毎日１回繰返した。実験は16日間行なった。得られ
た結果を、第１図および第２図に示す。

実施例２ 実施例１において用いた生汚泥の代わりに、熱処理汚
泥を用い、実施例１と同様にしてガス発生量および発生
したガスのメタン含有率を測定した。結果を第１図およ
び第２図に示す。

比較例２ 比較例１において用いた生汚泥の代わりに、熱処理汚
泥を用いて、比較例１と同様にして熱処理汚泥を種汚泥
中に混合し消化させてガス発生量とメタン含有率を測定
した。得られた結果を第１図および第２図に示す。

第１図に示されるように、実験用ニーダを用いて充分
に汚泥を混合した実施例１は、撹拌が十分ではない比較
例１よりもはるかに高いガス発生量を示した。このガス
発生量は、汚泥の有機物1gあたりのガス発生量である。
実施例１のガス発生量は、従来の低い濃度で行なわれて
いる消化の場合のガス発生量とほぼ同じレベルであっ
た。

実施例２では、生汚泥を予め加熱処理している。第１
図に示されるように、実施例２のガス発生量は、実施例
１よりもさらに高くなっており、加熱処理により消化率
が向上し、多量のガスが発生したことがわかる。加熱処
理した汚泥を用いた比較例２との比較から、この場合に
おいても汚泥を十分に混合することが必要であることが
わかる。

ベンチスケール実験 第３図は、この発明に従う第１の具体的な説明のため
の工程図である。第３図を参照して、10％以上に脱水し
た生汚泥は、ニーダ１中に添加される。ニーダ１には、
消化槽２から排出された消化汚泥が種汚泥として循環さ
れており、この消化汚泥中に、生汚泥が混合される。ニ
ーダ１としては、粘度の高いものを混練することのでき
るものが使用され、たとえばコニーダ、またリボンミキ
サ、ギロチンミキサなどが使用できる。ニーダ１で消化
汚泥中に生汚泥を混練した汚泥は、次に消化槽２に送ら
れる。消化槽２では、消化が行なわれ、発生した消化ガ
スが抜き出される。所定時間の消化が終わった汚泥は、
再びニーダ１に添加され、一部は廃棄される。ニーダ１
における消化汚泥／生汚泥との混合割合は大きい方が安
定した結果がえられる。ニーダの効率にもよるが実際に
は１〜20が用いられる。

メタン発酵は、通常汚泥中の基質の有機物から有機酸
やアルコールを生成する過程と、有機酸やアルコールか
らメタンを生成する過程の２つの過程を経てメタンを生
成すると言われている。生汚泥中の菌体濃度が低いか、
または生汚泥と種汚泥との混合状態が不均一であり、局
部的に菌体濃度が低くなる場合には、有機酸やアルコー
ルの生成が優勢になり、メタン生成菌の活動が抑制され
る。メタン発酵の速度は、メタン生成過程が律速であ
り、またメタン生成菌はpHや有機酸濃度に非常に敏感で
あると言われている。このため、生汚泥中のメタン生成
菌の濃度を常に高く保ち、メタン生成菌の周囲の有機酸
やアルコールの濃度が或る限度以上にならないように生
汚泥と種汚泥とを混練することが必要である。有機酸や
アルコール濃度が過剰にならないように、生汚泥と種汚
泥との混合に際しては、循環させる種汚泥の量を増加し
て菌体の初期濃度を高めておくことが好ましい。これに
よって、酸生成菌とメタン生成菌の共生関係の均衡が保
たれる。

第４図はこの発明に従う第２の具体的な説明のための
工程図であり、種汚泥との混練前に生汚泥を加熱処理す
る具体例を示している。第４図を参照して、脱水した生
汚泥は、汚泥予熱器３に供給され予め加熱される。生汚
泥は次に、加熱器４内に供給され120〜180℃の温度に加
熱される。この加熱器４は、たとえば蒸気により加熱す
ることができる。このような蒸気には、下水処理場に設
置されている消化ガス発電の廃熱から回収した蒸気を用
いることができる。加熱された汚泥は、次に第１フラッ
シュタンク５に入れられる。ここで生汚泥は100℃に冷
却される。第１フラッシュタンクで発生した飽和蒸気
は、汚泥予熱器１に導かれ、生汚泥の予熱のために用い
られる。次に生汚泥は、第２のフラッシュタンク６に入
れられ、たとえば55℃に冷却される。

この冷却した生汚泥をニーダ１中に供給し、種汚泥と
して循環している消化汚泥と混練する。混練した汚泥
は、次に消化槽２に送られ所定の温度、たとえば50〜55
℃でメタン発酵が行なわれる。発生した消化ガスは抜出
し口から取出され、所定時間の消化を終えた汚泥は、一
部が廃棄され、残りはニーダ１に循環される。

第４図に示すような工程に基づいて本ベンチスケール
実験を行なった。消化槽として第５図に示すようなチュ
ーブタイプの消化槽を用いた。第５図を参照して、ジャ
ケット11内にはチューブ12が設けられている。チューブ
12の上端には汚泥供給ノズル13と消化ガス排出口15が設
けられている。ジャケット11の底部には、汚泥排出口14
が設けられている。加温ジャケット付きのニーダ１で混
練された汚泥は泥供給ノズル13からチューブ12内に供給
される。チューブ12内は、ジャケット11により所定の温
度になるように保たれている。チューブ12内では、消化
しながら汚泥は下方に移動する。一定期間内でチューブ
12内を移動した汚泥は、次に汚泥排出口14から排出さ
れ。消化により発生したガスはチューブ12の頂部に設け
られた消化ガス排出口15から排出される。

チューブ12としては、直径160m/m、長さ3500m/mのも
のを用いた。チューブ12内の温度が50〜55℃となるよう
にジャケット11に温水を流して保温した。汚泥供給ノズ
ル13から供給された汚泥が、１日間でチューブ12内を通
過するように、汚泥供給ノズル12からの汚泥の供給速度
を調整した。

50〜55℃に加温されたニーダ１では、種汚泥、すなわ
ち消化汚泥12.0kgに対し、固形分濃度21％の生汚泥をあ
らかじめ160℃で30分間加熱処理したものを0.84kgの割
合で混練し、６時間に１回の割合で間けつ的に汚泥供給
ノズル13からチューブ12内に供給した。

以上のようにして、15日間このベンチスケール実験を
行い、消化により発生したガス発生量および発生したガ
ス中のメタン含有率を測定した。その結果、このシステ
ムによれば、生汚泥中の有機物1kgあたり、約750のガ
スが発生した。従来の通常の嫌気性消化では、有機物1k
gあたり、約500のガス発生量であるので、このシステ
ムで得られたガス発生量はかなり高い値である。なお、
メタン含有率は約60％であり、従来の通常な嫌気性消化
方法とほぼ同程度であった。従来の消化方法に比べ、単
位有機物あたりのガス発生量が著しく向上したことか
ら、より実際に近い条件であるベンチスケール実験から
も、この発明の消化方法が優れた方法であることが明ら
かである。第６図は、大規模プラントにこの発明を適用
した場合の消化槽の一例を示す部分切欠断面図である。
この発明においては、汚泥の粘度が高いため、従来のよ
うな撹拌槽中での消化を行なうことができない。したが
って、あらかじめニーダでよく混練した後、第５図に示
したように、汚泥チューブ中で移動させながら消化する
方法が有効な方法の１つである。このため、大規模プラ
ントにおいては、第６図に示すような多数のチューブを
備えた装置を用いることができる。第６図を参照して、
ジャケット21中には複数のチューブ22が入れられてい
る。このチューブ22は、たとえば、直径0.2〜1.0m、長
さ10〜30mのものが用いられる。ジャケット21の底部に
は汚泥供給口23が設けられており、この汚泥供給口23に
は各チューブ22に対応した汚泥分配ノズル24が設けられ
ている。またジャケット21の底部には、温水入口27およ
び汚泥排出口25が設けられている。ジャケット21の上方
部には消化ガスを抜き出すための消化ガス出口26および
温水入口28が設けられている。

汚泥供給口23から供給された汚泥は、汚泥分配ノズル
24により、それぞれのチューブ22中に押出される。チュ
ーブ22中では、汚泥が徐々に押出されて上昇し、チュー
ブ22の上方端では、汚泥があふれて、チューブ22の外壁
を通り今度は下方に移動する。チューブ22の外壁を通り
下方に移動した汚泥は、汚泥排出口25により排出され
て、一部は廃棄され、残りはニーダに循環される。

汚泥は、チューブ22中を上昇しかつチューブ22の外壁
を伝わって下降する間に消化する。このような方式をと
ることにより、短いチューブでも、長い滞留時間を確保
することができる。なお、ジャケット21の外壁中には、
温水入口27から供給される温水が通され、この温水は温
水出口28から出ていく。この温水により、ジャケット21
の内部が所定の温度に保たれるようにされている。

第６図に示すような複数のチューブを有した消化槽を
用いることにより、チューブ内での汚泥の移動速度を均
一にすることができ、短絡流のような汚泥の移動の不均
一を防止することができる。また、複数のチューブを有
した消化槽を用い、汚泥をチューブの壁に沿って移動さ
せることにより、撹拌を行なうことができない場合で
も、メタン発酵を有効に行なうことができ、撹拌動力の
消費量が過大になり経済性を失うことも回避される。

しかしながら、第６図に示す消化槽は、この発明に用
いることのできる消化槽の一例であって、この発明は第
６図に示す消化槽の使用に限定されるものではない。

この発明は、上述したようにメタン発酵を酸生成工程
とメタン生成工程とに分離して行なう二相嫌気性消化方
法にも適用され得る。第７図は、このような二層嫌気性
消化方法にこの発明を適用した場合の具体的な説明のた
めの工程図である。第７図を参照して、脱水された生汚
泥は、ニーダ31に供給される。ここで脱水生汚泥は循環
された消化汚泥に混練される。混練された汚泥は、酸発
酵消化槽32に送られ、メタン発酵プロセスにおける酸生
成工程のみが行なわれる。発酵後の消化汚泥の一部は脱
水機33により脱水した後廃棄される。残りはニーダ31に
循環される。酸生成発酵により、生汚泥中の有機物は有
機酸やアルコール、あるいは炭酸ガスなどに変換され可
溶化される。このため、酸生成工程で生成した有機産等
は脱離液中に溶解している。脱離液は次に、メタン生成
発酵を行なわせるために固定化生体触媒を有するメタン
生成発酵槽44中に供給される。ここでメタン生成発酵が
行なわれ、発生したメタンガスは取出され、メタン生成
発酵槽34で処理された脱離液は廃棄される。なお酸発酵
消化槽32の構造としては第５図、第６図に示すようなチ
ューブタイプのものが用いられる。

さらに二相嫌気消化方法における他の具体例としては
第４図に示すような方法で生汚泥を予め120〜180℃の温
度に加熱処理した後に、前記の二相嫌気性消化を行うも
のがある。この場合発酵は50〜55℃の高温領域で行う事
が好ましい。こうする事によって二相嫌気性消化の効率
は一層改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、Fill and Draw法による実験におけるガス発
生量を示す図である。 第２図は、Fill and Draw法による実験において発生し
たガスのメタン含有率を示す図である。 第３図は、この発明に従う第１の具体的な説明のための
工程図である。 第４図は、この発明に従う第２の具体的な説明のための
工程図である。 第５図は、第４図に示す工程に従うベンチスケール実験
において使用した消化槽を示す斜視図である。 第６図は、大規模プラントにこの発明を適用した場合の
消化槽の部分切欠斜視図である。 第７図は、この発明に従う第３の具体的な説明のための
工程図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】メタン発酵後の消化汚泥の一部を廃棄する
   と共に、残りを循環させ、この循環消化汚泥に生汚泥を
   添加しメタン発酵させる下水汚泥の嫌気性消化方法であ
   って、 前記生汚泥を少なくとも10％以上の固形分濃度に脱水
   し、 前記脱水した生汚泥を前記循環消化汚泥に添加して均一
   に混練し、 混練して得られた汚泥を複数本のチューブ型消化槽に分
   配供給し、 それぞれのチューブ型消化槽内で汚泥を所定の温度でメ
   タン発酵させながら前記チューブの壁に沿って移動さ
   せ、 前記移動により前記チューブ型消化槽より排出された汚
   泥の一部を廃棄し、残りを前記循環消化汚泥として前記
   排水した生汚泥と混練することを特徴とする、下水汚泥
   の嫌気性消化方法。
2. 【請求項２】前記混練して得られた汚泥を混合分配ノズ
   ルによりそれぞれのチューブ型消化槽に押出し、 それぞれのチューブ型消化槽内で汚泥を徐々に上昇させ
   ながら、その上端において汚泥を溢れさせ、 溢れた汚泥を前記チューブ型消化槽の外壁を伝わらせて
   下降させ、 下降した汚泥の一部を廃棄し、残りを前記循環消化汚泥
   として前記脱水した生汚泥と混練することを特徴とす
   る、請求項１記載の下水汚泥の嫌気性消化方法。
3. 【請求項３】前記脱水した生汚泥を120〜180℃の温度で
   加熱処理し、前記加熱処理後の生汚泥を前記消化汚泥に
   添加することを特徴とする、請求項１または２記載の下
   水汚泥の嫌気性消化方法。
4. 【請求項４】メタン発酵を、主として酸を生成する酸生
   成工程と、前記酸生成工程で生成した成分からメタンを
   生成するメタン生成工程とに分離して行ない、前記酸生
   成工程で発生した消化汚泥の一部分を前記メタン生成工
   程に送るため排出し、残りの消化汚泥を循環させ、この
   循環消化汚泥に生汚泥を添加して前記酸生成工程を行な
   う下水汚泥の二相嫌気性消化方法であって、 前記生汚泥を少なくとも10％以上の固形分濃度に脱水
   し、 前記脱水した生汚泥を前記循環消化汚泥に添加して均一
   に混練し、 混練して得られた汚泥を複数本のチューブ型消化槽に分
   配供給し、 それぞれのチューブ型消化槽内で汚泥を所定の温度で酸
   生成発酵させながら前記チューブの壁に沿って移動さ
   せ、 前記移動により前記チューブ型消化槽より排出された汚
   泥の一部分を前記メタン生成工程に送り、その残りを前
   記循環消化汚泥として前記脱水した生汚泥と混練するこ
   とを特徴とする、下水汚泥の二相嫌気性消化方法。