有機性排水処理装置および処理方法
【課題】メタン発酵処理により発生し、メタン発酵処理水中に溶存したメタンを、大気中に放散することなく容易に処理できる有機性排水処理装置および方法を提供する。
【解決手段】有機性排水処理装置１０１は、有機性排水をメタン発酵処理するメタン発酵処理槽１０と；メタン発酵処理槽１０で処理されたメタン発酵処理水２を満たして、該メタン発酵処理水２を好気性生物処理する、浸漬型の反応槽２０と、反応槽２０中の混合液３を固液分離する固液分離装置３０とを備える。メタン発酵処理槽１０は、該メタン発酵処理槽１０中のメタン発酵処理水２に溶存したメタンが大気中に放散するのを防止する蓋部と、前記溶存メタンが大気中に放散するのを防止した状態を保ちながら、メタン発酵処理水２を反応槽２０に供給する供給部１３とを有する。
【解決手段】有機性排水処理装置１０１は、有機性排水をメタン発酵処理するメタン発酵処理槽１０と；メタン発酵処理槽１０で処理されたメタン発酵処理水２を満たして、該メタン発酵処理水２を好気性生物処理する、浸漬型の反応槽２０と、反応槽２０中の混合液３を固液分離する固液分離装置３０とを備える。メタン発酵処理槽１０は、該メタン発酵処理槽１０中のメタン発酵処理水２に溶存したメタンが大気中に放散するのを防止する蓋部と、前記溶存メタンが大気中に放散するのを防止した状態を保ちながら、メタン発酵処理水２を反応槽２０に供給する供給部１３とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水、産業排水等の有機性排水を、メタン発酵処理した後に好気性生物処理する有機性排水処理装置および有機性排水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業排水などの高濃度の有機性排水を、メタン発酵処理した後に好気性生物処理する技術は、従来の好気性生物処理を単独で行なう技術と比較すると、（１）汚泥発生量が少ない、（２）メタンガスを回収し熱エネルギーとして有効利用できる、等のメリットがあり、近年普及している。メタン発酵処理方法としては、特にＵＡＳＢ（Up-flow Anaerobic Sludge Blanket）法が普及している。しかし、ＵＡＳＢ法を適用する場合、一般的には排水の有機物濃度はＣＯＤｃｒ２０００ｍｇ／Ｌ以上が対象となる。これは、有機性排水の有機物濃度が低いと、メタン発酵を担う微生物の活性を維持するために、ＵＡＳＢ槽内の温度を最適温度（３５℃）にする加温エネルギ−をメタン発酵処理で発生するバイオガスで賄うことができなくなることや、グラニュール汚泥の維持のため通水速度を０．５〜２．０ｍ／ｈに維持すること、などの制約条件があるためである。
【０００３】
一方で、ブラジル、インド、東南アジア等の温暖化地域においては、下水などの低濃度の有機性排水（例えばＣＯＤｃｒ４００〜１０００ｍｇ／Ｌ）をＵＡＳＢ処理するケースがみられるようになってきた。図１４に低濃度の有機性排水をメタン発酵処理および好気性生物処理する装置２０１の例を示す。まず、ＵＡＳＢ槽１０’でＵＡＳＢ処理を行い、排水中の易分解性有機物をメタンガスに分解し回収する。ＵＡＳＢ処理水２には、ＵＡＳＢ処理では分解できない有機物が残存する。そのため、後段の反応槽２０’と沈殿池３０を用いて好気性生物処理を行い、これらの残存有機物を仕上げ処理する。なお、低濃度の有機性排水は、高濃度の有機性排水に比べて同一有機物量（濃度×水量）において水量が多くなる。そのため、低濃度の有機性排水をＵＡＳＢ処理した場合、発生するＣＨ４、ＣＯ２ガスがＵＡＳＢ処理水２中に溶存する量は、高濃度の有機性排水に比べて多くなる。その結果、ＵＡＳＢ処理水２が大気と接触していると、溶存メタンの一部は大気中に放散される（図１５参照）。また、後段の好気性生物処理において、反応槽２０’を構成する曝気槽２１ａから残存する溶存メタンが曝気空気とともに大気中に放散される（図１６参照）。
【０００４】
図１７に、水温と水に対するメタンの溶解度との関係を示す。ここでのメタンと二酸化炭素の分圧は前者が０．７５ａｔｍ、後者が０．２５ａｔｍである。水温が低くなるとメタンの水に対する溶解度は高くなる。水温２０℃における水に対するメタンの溶解度は２４．８（ｍＬ−ＣＨ４／Ｌ−水）である。生活排水（ＣＯＤｃｒ４００ｍｇ／Ｌ）を２０℃でＨＲＴ１０ｈにて処理した場合、発生メタンガスの４０〜６０％がＵＡＳＢ処理水に溶存メタンとして溶解することになる。メタンガスは強力な温室効果ガスの一つとして知られており、その温室効果はＣＯ２の約２１倍であると言われている。溶存メタンの放散による地球温暖化に与える影響は大きい。
【０００５】
溶存メタンを扱う従来技術として、特許文献１に開示された技術がある。特許文献１では、溶存メタン含有排水に含まれる溶存メタンを物理的作用である物質移動作用により効率良く回収できる方法、および装置を提供している。すなわち、気相中に配置した多孔質性の保水部材の上部から溶存メタン含有排水を供給して気液接触させ、該溶存メタン含有排水から気相への物質移動作用により、前記溶存メタン含有排水に含まれる溶存メタンをガス化して回収する溶存メタン回収方法、および装置を提供する。この従来技術では、低コストで溶存メタンを回収できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１６８２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のとおり、メタン発酵処理水中の溶存メタンが大気中に放散するのを防止する必要性は高い。しかし、特許文献１の従来技術では、物理的な気液放散操作を行なっているため、溶存メタンの回収率を高めようとすると、吹込空気量が増えて回収するメタンガスの濃度が低くなり、別途排ガスの処理が必要となる。
そこで本発明は、メタン発酵処理により発生し、メタン発酵処理水中に溶存したメタンを、大気中に放散することなく容易に処理できる有機性排水処理装置および有機性排水処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明の第１の態様に係る有機性排水処理装置１０１は、例えば図１〜３に示すように、有機性排水をメタン発酵処理するメタン発酵処理槽１０と；メタン発酵処理槽１０で処理されたメタン発酵処理水２を好気性生物処理する、浸漬型の反応槽２０と、反応槽２０中の混合液３を固液分離する固液分離装置３０とを備える。メタン発酵処理槽１０は、該メタン発酵処理槽１０中のメタン発酵処理水２に溶存したメタンが大気中に放散するのを防止する蓋部１１と、前記溶存メタンが大気中に放散するのを防止した状態を保ちながら、メタン発酵処理水２を反応槽２０に供給する供給部１３とを有する。
なお、「有機性排水」は、食品工場排水のような高濃度有機性排水であっても、生活排水のような低濃度有機性排水であってもよい。本明細書において、「高濃度有機性排水」とは、ＣＯＤｃｒ値が１０００ｍｇ／Ｌ以上の排水をいい、「低濃度有機性排水」とは、ＣＯＤｃｒ値が１０００ｍｇ／Ｌ以下の排水をいう。これは、溶存メタンの影響が大きい有機性排水の濃度範囲として定義したものである。「放散するのを防止する」とは、放散を完全に防ぐ場合に限られず、放散を抑制する場合も含まれる。「メタン発酵処理槽」とは、ＯＲＰが−３３０ｍＶ以下の範囲で嫌気的処理をする槽をいう。「好気性生物処理する反応槽」とは、ＯＲＰが＋５０ｍＶ〜１００ｍＶ以上の範囲で好機的処理をする槽をいう。
【０００９】
このように構成すると、メタン発酵処理により生じたメタンであって、メタンガスとして回収されずに処理水中に溶存するメタンが、メタン発酵処理槽外に放散するのを防ぐことができる。さらに、該溶存メタンを、大気中に放散することなく反応槽に移送し、該反応槽において、二酸化炭素と水に酸化分解することができる。
なお、低濃度有機性排水を処理した場合のメタン発酵処理水は、高濃度有機性排水を処理した場合のメタン発酵処理水に比べて、より多くの溶存メタンを含む。よって、本発明は、低濃度有機性排水に対してより高い効果を奏する。例えば、ＣＯＤｃｒ値が４００〜１０００ｍｇ／Ｌの流入下水に効果的である。
【００１０】
本発明の第２の態様に係る有機性排水処理装置１０２は、上記本発明の第１の態様に係る排水処理装置１０１において、例えば図４〜７に示すように、反応槽４０は、脱窒処理をする無酸素槽４１と好気性生物処理する好気槽２１ｂを有する。無酸素槽４１と好気槽２１ｂは、好気槽２１ｂで処理された好気性処理水が、好気槽２１ｂから無酸素槽４１内に流入する構成を有する。メタン発酵処理槽１０が有する供給部１３は、メタン発酵処理水２を無酸素槽４１に供給する。
なお、本明細書において、「好気性処理水」とは、反応槽（好気槽または曝気槽）において好気性生物処理された処理水を指す。「無酸素槽」とは、ＯＲＰが−５０ｍＶ〜−２００ｍＶの範囲で生物学的窒素除去法において脱窒素を行うために分子状酸素はないが、硝酸イオンなどの結合型酸素は存在している状態（無酸素性の状態）である槽をいう。「好気槽」とは、ＯＲＰが５０ｍＶ〜１００ｍＶ以上（特に硝化反応が伴う場合は＋２００ｍＶ〜４００ｍＶ）の範囲で好気的処理をする槽をいう。
【００１１】
このように構成すると、メタン発酵処理水に含まれる溶存メタンが、放散により失われることなく反応槽に移送される。反応槽の好気槽では、硝化菌によりＮＨ４−ＮがＮＯ２−Ｎ、ＮＯ３−Ｎに酸化され、硝化液が生成される。溶存メタンを含むメタン発酵処理水と硝化液を無酸素槽に流入させることにより、無酸素槽では、溶存メタンの酸化により生じた中間生成物（メタノ−ル等）を脱窒処理の水素供与体として利用し、硝化液を脱窒処理することができる。このように、溶存メタンを脱窒処理に有効活用することができる。
通常、生物学的窒素処理では、含有するアンモニアを好気槽で硝化し亜硝酸や硝酸に変換する。その後、無酸素槽で亜硝酸や硝酸を脱窒処理し、窒素ガスが除去される。この脱窒処理は、排水中に含まれる有機物中の水素供与体を利用して行われる。しかし、メタン発酵処理後のメタン発酵処理水に含まれる有機物は少ない。そのため、メタン発酵処理水を生物学的窒素処理しようとすると、無酸素槽において脱窒処理に利用する水素供与体が不足する。本発明は、この水素供与体不足を解消し、無酸素槽における脱窒処理を良好に行なうことができる。
【００１２】
本発明の第３の態様に係る有機性排水処理装置１０３は、上記本発明の第２の態様に係る排水処理装置１０２において、例えば図８、９に示すように、メタン発酵処理槽１０の下流であって、反応槽４０の上流に設けられた溶存メタン回収槽７０を備える。溶存メタン回収槽７０は、溶存メタン回収槽７０内のメタン発酵処理水２に、二酸化炭素、窒素、空気、不活性ガスの内の１の気体または２以上の混合気体を吹き込む気体吹込装置７１と、前記気体の吹き込みにより回収されたメタンガスを無酸素槽４１に供給する供給部７２を有する。
【００１３】
このように構成すると、溶存メタン回収槽に二酸化炭素、窒素、空気、不活性ガスといったメタンガス以外の気体を吹き込むことにより、溶存メタンをメタン発酵処理水から追い出し、メタンガスとして回収することができる。さらに、溶存メタンの場合は、無酸素槽に供給するメタンの量はメタン発酵処理水の量で決まってしまうのに対し、メタンガスとして回収した場合は、無酸素槽に供給するメタンの量を調節することができる。
【００１４】
本発明の第４の態様に係る有機性排水処理装置１０３は、上記本発明の第２の態様に係る排水処理装置１０２において、例えば図８、１０に示すように、メタン発酵処理槽１０の下流であって、反応槽４０の上流に設けられた溶存メタン回収槽８０を備える。溶存メタン回収槽８０は、高低差によりメタン発酵処理水２を自然流下させ、前記自然流下に起因する脱気により回収したメタンガスを無酸素槽４１に供給する供給部８２を有する。
【００１５】
このように構成すると、メタン発酵処理水の自然流下により、溶存メタン回収槽内に負圧が生じる。これにより、溶存メタンがメタン発酵処理水から脱気するので、メタンガスとして回収することができる。さらに、溶存メタンの場合は、無酸素槽に供給するメタンの量はメタン発酵処理水の量で決まってしまうのに対し、メタンガスとして回収した場合は、無酸素槽に供給するメタンの量を調節することができる。
【００１６】
本発明の第５の態様に係る有機性排水処理装置１０４は、上記本発明の第２の態様に係る排水処理装置１０２において、例えば図１１に示すように、メタン発酵処理水２が、メタン発酵処理槽１０から無酸素槽４１まで移動する際にメタン発酵処理槽１０内に生ずる気相部を吸引する吸引装置４６をさらに備える。吸引装置４６は、前記気相部を吸引することにより回収したメタンガスを無酸素槽４１に供給する供給部４７を有する。
【００１７】
このように構成すると、吸引装置４６の吸引により、メタン発酵処理槽１０内がより負圧となり、メタン発酵処理水に溶存するメタンが、槽外に放散するのをより防止できる。さらに、溶存メタンの場合は、無酸素槽に供給するメタンの量はメタン発酵処理水の量で決まってしまうのに対し、メタンガスとして回収した場合は、無酸素槽に供給するメタンの量を調節することができる。
【００１８】
本発明の第６の態様に係る有機性排水処理装置１０５は、上記本発明の第１の態様に係る排水処理装置１０１において、例えば図１２に示すように、メタン発酵処理槽１０の下流であって、反応槽２０の上流に設けられたメタン酸化槽９０を備える。メタン酸化槽９０は、メタン酸化菌が固定化された担体を有する。
【００１９】
このように構成すると、メタン酸化槽内に固定化したメタン酸化菌を有することができる。そのため、メタン酸化菌の量を多くすることができ、結果としてメタンを酸化する槽の大きさをコンパクトにできる。
【００２０】
本発明の第７の態様に係る有機性排水処理装置１０６は、上記本発明の第１の態様に係る排水処理装置１０１において、例えば図１３に示すように、メタン発酵処理槽１０の下流であって、反応槽４０の上流に設けられたメタン酸化槽９０を備える。メタン酸化槽９０は、メタン酸化菌が固定化された担体を有し、反応槽２０で処理され固液分離装置３０で固液分離された好気性処理水４を槽内に流入させる流入部を有する。
【００２１】
このように構成すると、メタン酸化槽９０では、メタン発酵処理水中に含まれる溶存メタンが好気性処理水中に含まれる溶存酸素により酸化される。さらに、好気性処理水中に含まれる硝化により生じた硝酸や亜硝酸が、溶存メタンの酸化により生じた中間生成物（メタノ−ル等）の存在により良好に脱窒処理される。
【００２２】
本発明の第８の態様に係る有機性排水処理方法は、例えば図１に示すように、有機性排水１をメタン発酵処理するメタン発酵処理工程と；前記メタン発酵処理工程で処理されたメタン発酵処理水２に溶存したメタンを好気性生物処理する生物処理工程と；前記メタン発酵処理工程後、前記メタンが大気中に放散するのを防止した状態でメタン発酵処理水２を前記生物処理工程に供給する工程とを備える。
【００２３】
このように構成すると、メタン発酵処理工程により生じたメタンであって、メタンガスとして回収されずに処理水中に溶存するメタンが、大気中に放散するのを防ぐことができる。さらに、該溶存メタンを、大気中に放散することなく生物処理工程に移送し、該生物処理工程において、二酸化炭素と水に酸化分解することができる。
【００２４】
本発明の第９の態様に係る有機性排水処理方法は、上記本発明の第８の態様に係る排水処理方法において、例えば図４に示すように、前記生物処理工程は、脱窒処理をする脱窒処理工程と好気性生物処理する好気処理工程とを有する。前記生物処理工程は、好気処理工程での好気性処理水を脱窒処理工程に供給する工程を有する。メタン発酵処理水２を前記生物処理工程に供給する工程では、メタン発酵処理水２を前記生物処理工程の脱窒処理工程に供給する。前記好機処理工程では、メタン発酵処理水２に含まれるアンモニアから硝化液を生成する。前記脱窒処理工程では、前記メタン発酵処理水中の溶存メタンの酸化により生じた有機物を用いて、前記硝化液を脱窒処理する。
【００２５】
このように構成すると、メタン発酵処理水に含まれる溶存メタンが、放散により失われることなく脱窒処理工程に移送される。好気処理工程では、硝化菌によりＮＨ４−ＮがＮＯ２−Ｎ、ＮＯ３−Ｎに酸化され、硝化液が生成される。溶存メタンを含むメタン発酵処理水と硝化液を脱窒処理工程に移送することにより、脱窒処理工程では、溶存メタンの酸化により生じた中間生成物（メタノ−ル等）を脱窒処理の水素供与体として利用し、硝化液を脱窒処理することができる。このように、溶存メタンを脱窒処理に有効活用する方法となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、メタン発酵処理により発生し、メタン発酵処理水中に溶存したメタンを、大気中に放散することなく容易に処理することができる。よって、メタンが大気中に放散するのを防止して、地球温暖化対策に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０１の構成図である。
【図２】ＵＡＳＢ槽１０の概略図である。
【図３】反応槽２０および沈殿池３０の概略図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０２の構成図である。
【図５】反応槽４０および沈殿池３０の概略図である。
【図６】反応槽５０および沈殿池３０の概略図である。
【図７】反応槽６０および沈殿池３０の概略図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０３の構成図である。
【図９】溶存メタン回収槽７０の概略図である。
【図１０】溶存メタン回収槽８０の概略図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０４の構成図である。
【図１２】本発明の第５の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０５の構成図である。
【図１３】本発明の第６の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０６の構成図である。
【図１４】有機性排水をメタン発酵処理および好気性生物処理する従来の装置２０１の構成図である。
【図１５】従来のＵＡＳＢ槽１０’の概略図である。
【図１６】従来の反応槽２０’および沈殿池３０の概略図である。
【図１７】水温と、メタンの水に対する溶解度との関係を示すグラフである。
【図１８】実施例１〜４、比較例１〜４で用いた流入下水性状の表（表１）を示す図である。
【図１９】実施例１、比較例１の実験条件の表（表２）を示す図である。
【図２０】実施例１、比較例１の実験結果の表（表３）を示す図である。
【図２１】実施例２、比較例２の実験条件の表（表４）を示す図である。
【図２２】実施例２、比較例２の実験結果の表（表５）を示す図である。
【図２３】実施例３、比較例３の実験条件の表（表６）を示す図である。
【図２４】実施例３、比較例３の実験結果の表（表７）を示す図である。
【図２５】実施例４、比較例４の実験条件の表（表８）を示す図である。
【図２６】実施例４、比較例４の実験結果の表（表９）を示す図である。
【図２７】実施例５、比較例５の実験条件の表（表１０）を示す図である。
【図２８】実施例５、比較例５の実験結果の表（表１１）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一または相当する部分には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。また、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。特に、メタン発酵処理には、ＵＡＳＢ法、固定床法、流動床法のいずれも適用できる。以下の実施の形態では、メタン発酵処理に最も適しているＵＡＳＢ法を例にとり説明する。
【００２９】
本発明の有機性排水処理装置および有機性排水処理方法は、メタン発酵処理で回収されずに処理水中に溶存するメタンが大気中に放散されるのを防ぐという目的を、溶存メタンがメタン発酵処理槽外に放散するのを防止した状態で溶存メタンを後段の好気性生物処理に移送し、好気性生物処理において処理するという構成により実現した。
【００３０】
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０１について説明する。有機性排水処理装置１０１は、メタン発酵処理槽としてのＵＡＳＢ槽１０、反応槽２０、固液分離装置としての沈殿池３０を備える。図１に示すように、有機性排水１は、まず、ＵＡＳＢ槽１０においてメタン発酵処理される。次に、メタン発酵処理水としてのＵＡＳＢ処理水２は、反応槽２０において好気性生物処理される。反応槽２０から流出する混合液３は、沈殿池３０において固液分離され、上澄液（好気性処理水４）は塩素滅菌等が施された後放流される。
【００３１】
図２にＵＡＳＢ槽１０を示す。ＵＡＳＢ槽１０は、上部に蓋部１１を有し、内部にＧＳＳ（気固液分離部）１２を有する。さらに、ＵＡＳＢ処理水２を移送するための、供給部としての配管１３を有する。ＵＡＳＢ槽１０では、有機性排水１中の易分解性有機物が、メタン発酵微生物群で構成される汚泥床１４にてメタンガスと二酸化炭素に分解される。発生したメタンガス等は、ＧＳＳ１２を経由して回収され、有効利用される。
【００３２】
しかし、一部のメタンガスはＵＡＳＢ処理水２中に溶け込み、溶存メタンとして存在する。この溶存メタンは、ＵＡＳＢ処理水２表面から放出して、大気中に放散する可能性がある。このため、ＵＡＳＢ槽１０は、上部に蓋部１１を有し、溶存メタンがＵＡＳＢ槽１０内から大気中に放散するのを防止する。なお、蓋部１１は、ＵＡＳＢ槽１０を完全に密閉してもよく、または、溶存メタンが大気中へ放散するのを防止することを妨げない程度の隙間のある密閉であってもよい。すなわち、蓋部１１は、ＵＡＳＢ槽１０内のガスが槽外へ流出するのを防止できればよく、槽内が負圧の場合等、槽外から槽内に大気が流入する隙間があってもよい。具体的には、蓋部１１としてＵＡＳＢ槽１０の上部をボルトで固定した蓋で覆ってもよい。
【００３３】
さらに、ＵＡＳＢ処理水２は、溶存メタンが大気中に放散するのを防止した状態で反応槽２０に移送される。すなわち、図２に示すように、ＵＡＳＢ槽１０の有する配管１３を経由して、ＵＡＳＢ処理水２は大気と接触することなく反応槽２０に移送される。このように、ＵＡＳＢ槽１０は、ＵＡＳＢ処理水２中に含まれる溶存メタンが槽外に放散するのを防ぎながら、ＵＡＳＢ処理水２を反応槽２０に移送することができる。なお、ＵＡＳＢ槽１０の供給部として、配管１３に替えて蓋を備えた水路を用いてもよい。また、ＵＡＳＢ槽１０と反応槽２０を隣接させて設置した場合、供給部は、ＵＡＳＢ処理水２がＵＡＳＢ槽１０から流出する部位となる。
【００３４】
反応槽２０には、浸漬型処理槽を用いることが好ましい。「浸漬型」とは、処理槽内に処理液を満たした状態で、空気、酸素富化空気、または純酸素等を供給して、好気性生物処理する活性汚泥処理や生物膜処理を意味する。すなわち、処理反応が処理液中に浸漬した状態で行なわれる処理法をいう。浸漬型の好気性生物処理の具体例としては、浮遊性好気性生物処理（連続式活性汚泥処理、回分式活性汚泥処理、オキシデ−ション法、生物膜処理等）、流動床型生物処理（包括固定化法、結合固定化法等）が挙げられる。
したがって、例えば、散水ろ床のような、ろ材に処理液を散水させて大気中の酸素と接触させる生物膜処理は含まない。散水ろ床のような処理の場合、処理槽内における気体の占める割合が高いため（ろ材以外の空間における気液の比率は、気体が６０〜９５％、液体が４０〜５％）、ＵＡＳＢ処理水２に含まれる溶存メタンが、メタン酸化菌により分解される前に、物理的に容易にＵＡＳＢ処理水２から放散し、大気中に排出されてしまう。このため、メタンの排出を防止するには、別途メタンを処理する設備が必要となり好ましくない。
なお、「処理液を満たした状態」とは、必ずしも処理液で処理槽をいっぱいにした状態を意図するものではない。処理液が処理槽内に滞留しているか、または処理槽内を流動しているかに関わらず、少なくとも処理槽内に処理液が溜まっている状態であればよい。また、「空気、酸素富化空気、または純酸素等」とは、処理液中に酸素を供給し酸化反応を可能とするガス状の酸化剤であればよい。
【００３５】
好気性生物処理の一例として、図３に示す反応槽２０と沈殿池３０を用いて、ＵＡＳＢ処理水２を活性汚泥処理する場合を説明する。反応槽２０は、好気性生物処理する曝気槽（すなわち好気槽）２１ａ、槽内に酸素を供給する曝気ライン２２を有する。さらに、槽内のガスが大気中に放散するのを防止する蓋部２３を有する。ＵＡＳＢ処理水２は、ＵＡＳＢ槽１０から配管１３を経由して曝気槽２１ａに供給される。配管１３の出口は、曝気槽２１ａの水面下になるように配置する。さらに、配管１３の出口は、曝気槽のより底部に近い位置に設置されることが好ましい。例えば有効水深５ｍの曝気槽の場合、曝気槽底部から１ｍ以内、好ましくは５０ｃｍ以内の位置が良い。すなわち、ＵＡＳＢ処理水２に含まれる溶存メタンが曝気槽２１ａ中により長く滞留するようにすることが好ましい。さらに、溶存メタンが、曝気槽２１ａにおいて生物的に分解される速度と、曝気槽２１ａから物理的に放散する速度を考慮すると、放散速度の方が速い。よって、曝気槽２１ａの上部に、蓋部２３（またはカバー）を設置し、溶存メタンが槽外に放散するのを防ぐことが好ましい。こうすることにより、ＵＡＳＢ処理水２中に含まれる溶存メタンは、メタン酸化菌により効率的に酸化分解され、物理的放散によるメタン放出を防ぐことができる。なお、ＵＡＳＢ処理水２に含まれる溶存メタンは、曝気槽２１ａにおいて活性汚泥中に存在するメタン酸化菌により水と二酸化炭素に分解される。このように、有機性排水処理装置１０１は、ＵＡＳＢ処理水２中に含まれる溶存メタンを大気中に放散することなく、曝気槽２１ａのメタン酸化菌により酸化分解し無機化することができる。
【００３６】
図３に沈殿池３０を示す。沈殿池３０は、沈殿槽３１と返送汚泥ポンプ３２を有する。
沈殿地３０では、反応槽２０から流出した混合液３を、上澄液である好気性処理水４（すなわち活性汚泥処理水４）と沈殿する活性汚泥５に分離する。沈殿した活性汚泥５の一部は、返送汚泥ポンプ３２により、返送汚泥５として曝気槽２１ａへ返送される。好気性処理水４は、消毒処理等が施された後放流される。
なお、上記のとおり、混合液３は、好気性処理水４と活性汚泥５を含む混合液である。本明細書において、混合液３中に含まれる好気性処理水を指す場合も、好気性処理水４と称する。すなわち、好気性処理水４とは、反応槽（曝気槽または好気槽）において好気性生物処理された処理水を指す。
【００３７】
第１の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０１は、図３に示す反応槽２０と沈殿地３０（固液分離装置）を備え連続式活性汚泥法を行なう装置として説明したがこれに限られない。例えば、固液分離装置として反応槽を兼用する回分式活性汚泥法であってもよい。また、固液分離装置として沈殿池の代わりに生物膜を用いる膜分離活性汚泥法（Membrane Bioreactor：ＭＢＲ）であってもよい。ＭＢＲの場合は、生物膜を備えた膜分離装置を、沈殿池に代えて反応槽外に設置するか、または反応槽内に設置し固液分離を行なう。生物学的窒素処理において、処理水のＮＯｘ−Ｎ濃度が１０ｍｇ／Ｌ以上になると沈殿池で脱窒素による汚泥浮上の問題が起こる。しかし、ＭＢＲを適用した場合は汚泥の固液分離を膜で行なうため、前記問題は起こらない。また、固液分離装置には、浸漬型固定床方式などで使用する生物膜ろ過装置も含まれる。すなわち、好気性処理が浸漬型固定床方式などの場合は、好気性生物を固定化するため、後段の沈殿池等を除くこともある。その場合は、生物膜ろ過装置が固液分離を行なう固液分離装置となる。
【００３８】
図４を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０２について説明する。有機性排水処理装置１０２は、図１の有機性排水処理装置１０１において、反応槽２０に替えて、反応槽４０を備える。ＵＡＳＢ槽１０および沈殿地３０は、同一であるため説明を省略する。
【００３９】
図５に反応槽４０を示す。反応槽４０は、曝気槽である好気槽２１ｂの前段に無酸素槽４１を有する。具体的には、槽を仕切板４４により仕切り、連続して１つの無酸素槽４１と３つの好気槽２１ｂ、すなわち無酸素槽４１／好気槽２１ｂ／好気槽２１ｂ／好気槽２１ｂとなるように構成する。無酸素槽４１は、水中攪拌機４２を有し、好気槽２１ｂは、曝気槽２１ａと同様に曝気ライン２２を有する。さらに、無酸素槽４１は、溶存メタンが槽内から大気中に放散するのを防止する蓋部４３を有することが好ましい。
【００４０】
一般的に、メタン発酵処理では、排水中の易分解性有機物が分解されてメタンガスとして除去・回収される一方で、排水中に蛋白質などの有機物が含まれていると、これらが分解されてＮＨ４−Ｎがメタン発酵処理水中に残存することになる。このＮＨ４−Ｎを含むメタン発酵処理水では、ＢＯＤ／ＮＨ４−Ｎ比は低くなり、後段の好気性生物処理において、ＮＨ４−Ｎの硝化反応（アンモニア性窒素の酸化）が進行する。なお、好気性生物処理が活性汚泥処理の場合、硝化反応が進行し活性汚泥処理液中のＮＯｘ−Ｎ濃度が高くなると、反応槽後の沈殿池において脱窒反応による汚泥浮上などの問題が発生する。
さらに、窒素規制の厳しい地域では、メタン発酵処理後の好気性生物処理において生物学的窒素処理を適用するケースがある。この場合では、後述するように脱窒工程において水素供与体が不足するためメタノールなどの外部基質を添加する必要があり、ランニングコストがかかるといった問題が発生していた。
【００４１】
有機性排水処理装置１０２の反応槽４０では、好気槽２１ｂでの溶存メタンの酸化分解とともに、好気槽２１ｂと無酸素槽４１を用いて生物学的窒素処理を行なう。生物学的窒素処理は、硝化菌によりアンモニアを亜硝酸、硝酸に酸化する硝化工程と、亜硝酸、硝酸を脱窒菌により窒素ガスに変換する脱窒工程に分けられる。硝化工程は好気槽２１ｂで処理され、脱窒工程は無酸素槽４１で処理される。具体的には、図５に示すように好気槽２１ｂで硝化された硝化液を含む混合液３を循環ポンプ４５を用いて無酸素槽４１に戻し、ＵＡＳＢ処理水２と混合し脱窒処理を行なう。
【００４２】
脱窒処理は、排水中に含まれる有機物中の水素供与体を利用して行われる。したがって、生物学的窒素処理では、通常、処理前の原水（有機物を含む排水）を無酸素槽に供給して水素供与体として利用した後、好気槽に移送する。しかし、メタン発酵処理では、易分解性の有機物が絶対嫌気性菌（偏性嫌気性菌）によりメタンガスに変換される。そのため、メタン発酵処理水に含まれる有機物が少ない。よって、メタン発酵処理水に対して生物学的窒素処理を行なおうとすると、無酸素槽において脱窒用の水素供与体が欠乏するといった問題が生ずる。こうした問題を解決するため、本願の有機性排水処理装置１０２では、メタン発酵処理水（ＵＡＳＢ処理水２）に含まれる溶存メタンを脱窒用の水素供与体として利用する。なお、メタン酸化菌は、メタンを分解する過程で、以下のとおり、中間生成物としてメタノール等の有機物を生成することが知られている。
ＣＨ４ → ＣＨ３ＯＨ → ＨＣＨＯ → ＨＣＯＯＨ → ＣＯ２
出典：加藤暢夫著、植田光義編著：微生物機能の開発 第２章 環境を守る微生物 ｐ．３９〜ｐ．４３ 京都大学学術出版会（２００８年）
さらに、メタン酸化処理ではメタン負荷が高い場合や酸素供給が不十分な場合、メタン酸化菌によりメタンが二酸化炭素と水までに分解されず、中間生成物（メタノール等）の状態で止まることがある。
【００４３】
本発明では、この中間生成物（主にメタノール）が水素供与体として作用したものと考えられる。すなわち、好気槽２１ｂで硝化菌によりＮＨ４−ＮがＮＯ２−Ｎ、ＮＯ３−Ｎに酸化される。この硝化液を含む混合液３を循環ポンプ４５により無酸素槽４１に戻し、ＵＡＳＢ処理水２と混合する。混合液３中には、溶存酸素（ＤＯ）が含まれる。無酸素槽４１では、ＵＡＳＢ処理水２に含まれる溶存メタンが混合液３中に含まれる溶存酸素（ＤＯ）によりメタン酸化される。しかし、メタンの量に対し酸素供給が不十分なため、酸化されたメタンは中間生成物（メタノール等）として存在すると考えられる。この中間生成物が、脱窒用の水素供与体として作用し、無酸素槽４１において脱窒処理が進行したと考えられる。
実際にメタン酸化処理において、メタンが二酸化炭素と水までに分解されず、中間生成物（メタノール等）の状態で止まる場合とは、具体的にはＤＯレベルでは、０．５〜１ｍｇ／Ｌ以下である。メタン負荷は、水温１６℃では、０．１〜０．２ｍｇＣＨ４／ｇＭＬＶＳＳ／ｄ以上、水温２０℃では、０．１３〜０．２６ｍｇＣＨ４／ｇＭＬＶＳＳ／ｄ以上、水温２５℃では、０．２６〜０．４５ｍｇＣＨ４／ｇＭＬＶＳＳ／ｄ以上が目安となる。
有機性排水処理装置１０２では、溶存メタンの酸化により生じたと考えられるメタノール等の中間生成物により、脱窒用の水素供与体不足分を十分に補強できる。よって、沈殿池３０において汚泥浮上の問題が生ずるのを防止することができる。また、外部基質を添加する必要もないため、従来の装置に比べランニングコストを削減することができる。さらに、循環ポンプ４５を用いると、混合液３の戻す量を調整しやすいといった利点もある。
【００４４】
例えば、ＣＯＤｃｒ４００ｍｇ／Ｌの下水を水温２０℃、ＨＲＴ１０ｈの条件でＵＡＳＢ処理した場合、ＣＯＤｃｒ除去率５０％では、除去ＣＯＤｃｒの半分がメタンガスとして回収でき、残りの半分がＵＡＳＢ処理水に溶存する。したがって、溶存メタンガスのＣＯＤｃｒ濃度は約１００ｍｇ／Ｌとなる。一方、ＵＡＳＢ処理水は、溶解性ＢＯＤ４０ｍｇ／Ｌ、溶解性ＣＯＤｃｒ１００ｍｇ／Ｌ、ＮＨ４−Ｎは３０ｍｇ／Ｌ前後となり、溶存メタンを含むＵＡＳＢ処理水溶解性ＢＯＤは１２０ｍｇ／Ｌ（ＢＯＤ／ＣＯＤｃｒ＝０．８とする。）となる。ＵＡＳＢ処理水ＢＯＤ／ＮＨ４−Ｎ＝４．０となり、生物学的窒素処理するのに十分な水素供与体が供給可能となる。このように、図５に示す反応槽４０を用いた本実施の形態では、溶存メタンを有効利用することができる。
【００４５】
なお、膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ）を用いてメタン発酵処理水を処理する場合であって膜分離装置を反応槽４０内に設置する場合は、好気槽２１ｂの最終処理槽に膜分離装置を設置すればよい（反応槽５０、６０においても同様）。
【００４６】
図６を参照して、反応槽５０を説明する。有機性排水処理装置１０２では、図５に示す反応槽４０に替えて、図６に示す反応槽５０を用いてもよい。反応槽５０では、好気槽２１ｂの前段に無酸素槽４１を設けて、無酸素槽４１／好気槽２１ｂ／無酸素槽４１／好気槽２１ｂと交互にしてステップ脱窒できるように配置し、生物学的窒素処理を行なう。このように構成すると、動力を必要とする循環ポンプ４５（図５参照）を設けることなく生物学的窒素処理が可能となる。溶存メタンを含んだＵＡＳＢ処理水２は、無酸素槽４１にそれぞれ供給する。このようにして、好気槽２１ｂで硝化処理を、無酸素槽４１で脱窒処理を行なう。すなわち、好気槽２１ｂの溶存酸素と硝化液を含む混合液３が直後の無酸素槽４１に流入し、さらに溶存メタンを含むＵＡＳＢ処理水２と混合され脱窒処理を行なう。好気槽２１ｂと無酸素槽４１の槽数は、それぞれ２槽以上とすることが好ましく、さらに、好気性処理水４のＴ−Ｎ（Total Nitrogen：全窒素）濃度レベルに応じて槽数を設定することが好ましい。なお、最終処理槽は、好気槽２１ｂとする。最終処理槽の好気槽２１ｂでは、残存有機物の仕上げ処理等を行なう。また、図６に示すように、好気槽２１ｂに蓋部４３を設けると、未分解の溶存メタンが槽内から大気中に放散するのを防止することができ好ましい。槽内のガス等（排ガス）は、別途排ガス処理装置（不図示）に配管などを介して供給することが好ましい。排ガス処理方法としては、生物学的脱臭処理、薬液洗浄、活性炭等の物理学的処理がある。
【００４７】
図７を参照して、反応槽６０を説明する。有機性排水処理装置１０２では、図５に示す反応槽４０に替えて、図７に示す反応槽６０を用いてもよい。反応槽６０では、槽の先頭に好気槽２１ｂを設けて、好気槽２１ｂ／無酸素槽４１／好気槽２１ｂ／無酸素槽４１／好気槽２１ｂとなるように配置し、生物学的窒素処理を行なう。このように構成すると、動力を必要とする循環ポンプ４５（図５参照）を設けることなく生物学的窒素処理が可能となる。なお、溶存メタンを含んだＵＡＳＢ処理水２は、無酸素槽４１にそれぞれ供給する。このようにして、好気槽２１ｂで硝化処理を無酸素槽４１で脱窒処理を行なう。好気槽２１ｂと無酸素槽４１の槽数は、それぞれ２槽以上とすることが好ましく、さらに、好気性処理水４のＴ−Ｎ濃度レベルに応じて槽数を設定することが好ましい。なお、最終処理槽は、好気槽２１ｂとする。
【００４８】
図８を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０３について説明する。有機性排水処理装置１０３は、図４の有機性排水処理装置１０２において、ＵＡＳＢ処理槽１０と反応槽４０（５０、６０）との間に溶存メタン回収槽７０を備える。溶存メタン回収槽７０内にＵＡＳＢ処理水２の一部または全部を通過させ（実線矢印）、溶存メタン回収槽７０内のＵＡＳＢ処理水２中にメタンガス以外の気体を吹き込む。ＵＡＳＢ処理水２から放出したメタンガスを含む混合ガス（点線矢印）を回収し、反応槽４０（５０、６０）の無酸素槽４１に吹き込む。メタンガスの回収・吹き込みには、ブロワやファンといった装置（不図示）を用いる。
【００４９】
図９に溶存メタン回収槽７０を示す。溶存メタン回収槽７０は、メタンガス以外の気体を吹き込む気体吹込装置としてのガス吹込ライン７１、メタンガスを含む混合ガスを無酸素槽４１に供給する供給部としての配管７２を有する。溶存メタン回収槽７０は気泡搭型であり、溶存メタン回収槽７０内にＵＡＳＢ処理水２を滞留させ、下部よりメタンガス以外の気体を吹き込んで溶存メタンを追い出すことにより、メタンを回収する。なお、メタンガス以外の気体とは、二酸化炭素、窒素、空気、その他不活性ガス、または、これら２以上の混合気体が好ましく、特に二酸化炭素と窒素が好ましい。有機性排水処理装置１０３では、ＵＡＳＢ処理水２中に含まれる溶存メタンを気体状態のメタンガスとして無酸素槽４１に供給するので、吹き込むメタンガスの量を調整することができる。
【００５０】
溶存メタン回収槽７０に替えて、図１０に示す溶存メタン回収槽８０を用いてもよい。溶存メタン回収槽８０は、メタンガスを含む混合ガスを無酸素槽４１に供給する供給部としての配管８２を有する。溶存メタン回収槽８０は、高低差を利用してＵＡＳＢ処理水２の自然流下が可能なように槽を傾斜させ、槽内を仕切板８１で仕切った多段槽構成となっている。自然流下により槽内に負圧が生じ、溶存メタンが脱気される。または、溶存メタン回収槽８０は、槽内に階段状の段差を設けて高低差を作り、自然流下が可能なカスケード構造としてもよい。具体的には、ＵＡＳＢ処理水２を移送する水路に高低差を設けさらに蓋を備えてもよい。
【００５１】
図１１を参照して、本発明の第４の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０４について説明する。有機性排水処理装置１０４は、図４の有機性排水処理装置１０２において、さらに、吸引装置としてのブロワ４６を備える。ブロワ４６は、メタンガスを含む混合ガスを無酸素槽４１に供給する供給部としての配管４７を有する。有機性排水処理装置１０４では、ＵＡＳＢ処理槽１０の配管１３内の気相部をブロワを用いて吸引し、溶存メタンの一部をメタンガスとして回収する。該回収メタンガスを無酸素槽４１に吹き込む。なお、ＵＡＳＢ処理槽１０本体内の気相部をブロワにより吸引する構成としてもよい。有機性排水処理装置１０４では、処理水中に含まれる溶存メタンを気体状態のメタンガスとして無酸素槽４１に供給するので、吹き込むメタンガスの量を調整することができる。また、ブロワの吸引により、配管１３を含むＵＡＳＢ処理槽１０内がより負圧となり、溶存メタンがＵＡＳＢ処理槽１０外へ放出するのをより防止することができる。
【００５２】
図１２を参照して、本発明の第５の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０５について説明する。有機性排水処理装置１０５は、図１の有機性排水処理装置１０１において、さらに、メタン酸化槽９０を備える。
ＵＡＳＢ処理水２に含まれる溶存メタンをメタン酸化菌により処理しようとする場合、活性汚泥処理のような浮遊方式で行なうと生物量が少ないため、処理槽を大きくする必要がある。この対策として、メタン酸化菌を担体に固定化して処理してもよい。図１２では、メタン酸化菌を固定化した担体を有するメタン酸化槽９０に、溶存メタンを含んだＵＡＳＢ処理水２を槽底部から供給し、さらに、槽内に酸素を供給するためのガス吹込ラインを用いて空気を底部から供給し、溶存メタンを処理する。溶存メタンは、固定化されたメタン酸化菌により水と二酸化炭素に分解される。なお、ＵＡＳＢ処理水２の供給量は一部あるいは全量のいずれでも良い。全量をメタン酸化槽９０に供給する場合は、図１２の反応槽２０はなくてもよい。
有機性排水処理装置１０５では、メタン酸化槽９０がメタン酸化菌を固定化した担体を有することにより、メタン酸化菌の量を多くでき、結果として溶存メタンを酸化する槽の大きさをコンパクトにすることができる。なお、メタン酸化槽９０で使用する固定化担体には、軽石、活性炭、プラスチックろ材等が使用できる。表面に凹凸のある性状の担体が生物付着性に適しており好ましい。担体の大きさは５〜２０ｍｍ、好ましくは７〜１２ｍｍが良い。
【００５３】
図１３を参照して、本発明の第６の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０６について説明する。有機性排水処理装置１０６は、図１の有機性排水処理装置１０１において、さらに、空気を吹き込まないメタン酸化槽９０を備える。メタン酸化槽９０は、メタン酸化菌および脱窒菌を固定化した担体を有する。さらに、メタン酸化槽９０は、反応槽２０で処理され沈殿地３０で固液分離された好気性処理水４をメタン酸化槽９０に供給する供給部としての配管を有する。有機性排水処理装置１０６では、メタン酸化槽９０に、溶存メタンを含んだＵＡＳＢ処理水２と好気性処理水４を、槽底部から供給する。を多く含み、さらに溶存酸素４〜８ｍｇ／Ｌが含まれている。メタン酸化槽９０では、メタン酸化菌により、ＵＡＳＢ処理水２に含まれる溶存メタンが酸化される一方で、好気性処理水４中に含まれる硝化液（亜硝酸、硝酸性窒素含む）が脱窒菌により脱窒処理される。なお、ＵＡＳＢ処理水２の供給量は一部あるいは全量のいずれでも良い。有機性排水処理装置１０６では、メタン酸化槽９０に浮遊体の菌ではなく固定化した菌を用いることにより、メタン酸化菌および脱窒菌の量を多くでき、結果として槽の大きさをコンパクトにすることができる。
【００５４】
上記の実施の形態では、溶存メタンを生物学的窒素処理に有効活用する装置の例を説明した。しかし、溶存メタンの量は、溶存する液体の水量、水温、ＣＨ４とＣＯ２のガス組成比により左右される。そのため、上記の実施の形態において、好気槽４１での脱窒に水素供与体として利用するには不十分となる場合がある。このような場合は、ＵＡＳＢ槽１０で発生したメタンガスのうち、ＵＡＳＢ処理水２に溶存せず、メタンガスとして回収されたものの一部を無酸素槽４１に供給しても良い。
【実施例】
【００５５】
以下に、本発明の実施例を説明する。しかし、本発明の実施例は以下の実施例に制限されるものでない。実施例１〜４、および比較例４では、有機性排水として図１８の表１に示す流入下水を使用して、ＵＡＳＢ槽（有効容量９４０Ｌ）と反応槽としての活性汚泥槽（有効総容量９４０Ｌ）を用いて実験を行なった。各例では、溶存メタンが大気中に放散するのを防止した状態で、ＵＡＳＢ処理水（メタン発酵処理水）を浸漬型の反応槽に移送し、生物処理を行なった。一方で、比較例１〜３では、溶存メタンが大気中に放散するのを防止することなく、すなわちＵＡＳＢ処理水が大気と接触した状態で、浸漬型の反応槽に移送し、生物処理を行なった。
【００５６】
［実施例１／比較例１］
図１９の表２に実験条件を示す。図１に実施例１で用いた装置の構成を示す。水温１８〜２９℃、水量３３３Ｌ／ｄ（ＵＡＳＢ処理、活性汚泥処理ともにＨＲＴは８時間）で実験を行った。
図２０の表３に溶存メタン濃度の測定結果を示す。なお、溶存メタン濃度は、ヘッドスペ−スＧＣ（ガスクロマト）法により測定した。実施例１では、ＵＡＳＢ槽内では２６．６ｍＬ−ＣＨ４／Ｌ、ＵＡＳＢ処理水２（活性汚泥原水）では２６．３ｍＬ−ＣＨ４／Ｌ、活性汚泥処理水４では０ｍＬ−ＣＨ４／Ｌであった。一方で、比較例１では、ＵＡＳＢ槽内では２６．６ｍＬ−ＣＨ４／Ｌ、ＵＡＳＢ処理水２（活性汚泥原水）では５．９ｍＬ−ＣＨ４／Ｌ、活性汚泥処理水４では０ｍＬ−ＣＨ４／Ｌであった。実施例１では、溶存メタンがＵＡＳＢ処理水２から大気中に放散されることなく、活性汚泥処理により無機化されている。
【００５７】
［実施例２／比較例２］
図２１の表４に実験条件を示す。図４、５に実施例２で用いた装置の構成を示す。比較例２では、図４の装置において、ＵＡＳＢ処理水２を大気と接した状態で無酸素槽４１に供給した。
図２２の表５に実験結果を示す。ＵＡＳＢ処理水２のＮＨ４−Ｎ２６ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ３４ｍｇ／Ｌに対し、実施例２の活性汚泥処理水４では、ＮＨ４−Ｎ５ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ１０ｍｇ／Ｌであった。比較例２の活性汚泥処理水４では、ＮＨ４−Ｎ５ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ２５ｍｇ／Ｌであった。実施例２では、無酸素槽４１での脱窒素が良好に行なえているため、Ｔ−Ｎ除去率が７０．６％であるのに対し、比較例２では、好気槽２１ｂで硝化は進んでいるが、無酸素槽４１での脱窒素が水素供与体不足のため、Ｔ−Ｎ除去率が２６．５％であった。
【００５８】
［実施例３／比較例３］
図２３の表６に実験条件を示す。図４、６に実施例３で用いた装置の構成を示す。比較例３では、図４の装置において、ＵＡＳＢ処理水２を大気と接した状態で無酸素槽４１に供給した。
図２４の表７に実験結果を示す。ＵＡＳＢ処理水２のＮＨ４−Ｎ２８ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ３９ｍｇ／Ｌに対し、実施例３の活性汚泥処理水４では、ＮＨ４−Ｎ６ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ１０ｍｇ／Ｌであった。比較例３の活性汚泥処理水４では、ＮＨ４−Ｎ６ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ２５ｍｇ／Ｌであった。実施例３では、無酸素槽４１での脱窒素が良好に行なえているため、Ｔ−Ｎ除去率が７４．４％であるのに対し、比較例３では、好気槽２１ｂで硝化は進んでいるが、無酸素槽４１での脱窒素が水素供与体不足のため、Ｔ−Ｎ除去率が３５．９％であった。
【００５９】
［実施例４／比較例４］
図２５の表８に実験条件を示す。図１３に実施例４で用いた装置の構成を示す。メタン酸化槽９０の実験機として、直径６０ｍｍ、高さ１．５ｍの塩化ビニ−ル製透明カラムを用いた。ろ材として園芸用軽石（以後軽石と記す）を０．９４Ｌ充填した。ろ材（軽石）は粒径５〜１５ｍｍのものを使用した。空隙率は４８％であった。該透明カラムに、通気無しで、ＵＡＳＢ処理水２と活性汚泥処理水４を１．６：１の割合で供給した。一方で、比較例４では、該透明カラムに通気有りでＵＡＳＢ処理水２のみを供給した。
図２６の表９に実験結果を示す。比較例４（平均水温２５℃）では、透明カラムへの流入水はＴ−Ｎ４２ｍｇ／Ｌ、ＮＨ４−Ｎ２６．３ｍｇ／Ｌであるのに対し、透明カラムからの流出水はＴ−Ｎ４０．９ｍｇ／Ｌ、ＮＨ４−Ｎ２２．５ｍｇ／Ｌであり、脱窒処理に関し、流入水、流出水の性状の変化はほとんどない。
実施例４（平均水温２５℃）では、透明カラムへの流入水はＴ−Ｎ３７．７ｍｇ／Ｌ、ＮＨ４−Ｎ１７ｍｇ／Ｌ、ＮＯ３−Ｎ１１ｍｇ／Ｌに対し、透明カラムからの流出水はＴ−Ｎ２８．６ｍｇ／Ｌ、ＮＨ４−Ｎ１５．９ｍｇ／Ｌ、ＮＯ３−Ｎ０．６ｍｇ／Ｌであり、脱窒素処理により、Ｔ−Ｎ除去率２４．１％の結果が得られた。
【００６０】
［実施例５／比較例５］
図２７の表１０に実験条件を示す。図４、５に実施例５で用いた装置の構成を示す。実施例５では、食品製造排水のＵＡＳＢ処理水２を、溶存メタンが大気中に放散するのを防止した状態で、無酸素槽に流入させた。比較例５では、溶存メタンが大気中に放散するのを防止することなく、すなわちＵＡＳＢ処理水２を大気と接触した状態で、無酸素槽に流入させた。
図２８の表１１に実験結果を示す。ＵＡＳＢ処理水２のＮＨ４−Ｎ２８ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ３７ｍｇ／Ｌに対し、実施例５の活性汚泥処理水４では、ＮＨ４−Ｎ０．５ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ８．５ｍｇ／Ｌであった。比較例５の活性汚泥処理水４では、ＮＨ４−Ｎ０．５ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ２２ｍｇ／Ｌであった。実施例５では、無酸素槽４１での脱窒素が良好に行なえているため、Ｔ−Ｎ除去率が７７．０％であるのに対し、比較例５では、好気槽２１ｂで硝化は進んでいるが、無酸素槽４１での脱窒素が水素供与体不足のため、Ｔ−Ｎ除去率４０．５％であった。このように食品製造排水の処理においても、高いＴ−Ｎ除去率が得られた。
【符号の説明】
【００６１】
１ 有機性排水
２ ＵＡＳＢ処理水、メタン発酵処理水
３ 混合液
４ 好気性処理水、活性汚泥処理水
５ 活性汚泥、返送汚泥
１０、１０’ ＵＡＳＢ槽、メタン発酵処理槽
１１、２３、４３ 蓋部
１２ ＧＳＳ
１３、４７、７２、８２ 配管、供給部
１４ 汚泥床
２０、２０’、４０、５０、６０ 反応槽
２１ａ 曝気層
２１ｂ 好気層
２２ 曝気ライン
３０ 固液分離装置、沈殿池
３１ 沈殿槽
３２ 返送汚泥ポンプ
４１ 無酸素槽
４２ 水中攪拌機
４４、８１ 仕切板
４５ 循環ポンプ
４６ ブロワ
７０、８０ 溶存メタン回収槽
７１ ガス吹込ライン
９０ メタン酸化槽
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６ 有機性排水処理装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水、産業排水等の有機性排水を、メタン発酵処理した後に好気性生物処理する有機性排水処理装置および有機性排水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業排水などの高濃度の有機性排水を、メタン発酵処理した後に好気性生物処理する技術は、従来の好気性生物処理を単独で行なう技術と比較すると、（１）汚泥発生量が少ない、（２）メタンガスを回収し熱エネルギーとして有効利用できる、等のメリットがあり、近年普及している。メタン発酵処理方法としては、特にＵＡＳＢ（Up-flow Anaerobic Sludge Blanket）法が普及している。しかし、ＵＡＳＢ法を適用する場合、一般的には排水の有機物濃度はＣＯＤｃｒ２０００ｍｇ／Ｌ以上が対象となる。これは、有機性排水の有機物濃度が低いと、メタン発酵を担う微生物の活性を維持するために、ＵＡＳＢ槽内の温度を最適温度（３５℃）にする加温エネルギ−をメタン発酵処理で発生するバイオガスで賄うことができなくなることや、グラニュール汚泥の維持のため通水速度を０．５〜２．０ｍ／ｈに維持すること、などの制約条件があるためである。
【０００３】
一方で、ブラジル、インド、東南アジア等の温暖化地域においては、下水などの低濃度の有機性排水（例えばＣＯＤｃｒ４００〜１０００ｍｇ／Ｌ）をＵＡＳＢ処理するケースがみられるようになってきた。図１４に低濃度の有機性排水をメタン発酵処理および好気性生物処理する装置２０１の例を示す。まず、ＵＡＳＢ槽１０’でＵＡＳＢ処理を行い、排水中の易分解性有機物をメタンガスに分解し回収する。ＵＡＳＢ処理水２には、ＵＡＳＢ処理では分解できない有機物が残存する。そのため、後段の反応槽２０’と沈殿池３０を用いて好気性生物処理を行い、これらの残存有機物を仕上げ処理する。なお、低濃度の有機性排水は、高濃度の有機性排水に比べて同一有機物量（濃度×水量）において水量が多くなる。そのため、低濃度の有機性排水をＵＡＳＢ処理した場合、発生するＣＨ４、ＣＯ２ガスがＵＡＳＢ処理水２中に溶存する量は、高濃度の有機性排水に比べて多くなる。その結果、ＵＡＳＢ処理水２が大気と接触していると、溶存メタンの一部は大気中に放散される（図１５参照）。また、後段の好気性生物処理において、反応槽２０’を構成する曝気槽２１ａから残存する溶存メタンが曝気空気とともに大気中に放散される（図１６参照）。
【０００４】
図１７に、水温と水に対するメタンの溶解度との関係を示す。ここでのメタンと二酸化炭素の分圧は前者が０．７５ａｔｍ、後者が０．２５ａｔｍである。水温が低くなるとメタンの水に対する溶解度は高くなる。水温２０℃における水に対するメタンの溶解度は２４．８（ｍＬ−ＣＨ４／Ｌ−水）である。生活排水（ＣＯＤｃｒ４００ｍｇ／Ｌ）を２０℃でＨＲＴ１０ｈにて処理した場合、発生メタンガスの４０〜６０％がＵＡＳＢ処理水に溶存メタンとして溶解することになる。メタンガスは強力な温室効果ガスの一つとして知られており、その温室効果はＣＯ２の約２１倍であると言われている。溶存メタンの放散による地球温暖化に与える影響は大きい。
【０００５】
溶存メタンを扱う従来技術として、特許文献１に開示された技術がある。特許文献１では、溶存メタン含有排水に含まれる溶存メタンを物理的作用である物質移動作用により効率良く回収できる方法、および装置を提供している。すなわち、気相中に配置した多孔質性の保水部材の上部から溶存メタン含有排水を供給して気液接触させ、該溶存メタン含有排水から気相への物質移動作用により、前記溶存メタン含有排水に含まれる溶存メタンをガス化して回収する溶存メタン回収方法、および装置を提供する。この従来技術では、低コストで溶存メタンを回収できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１６８２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のとおり、メタン発酵処理水中の溶存メタンが大気中に放散するのを防止する必要性は高い。しかし、特許文献１の従来技術では、物理的な気液放散操作を行なっているため、溶存メタンの回収率を高めようとすると、吹込空気量が増えて回収するメタンガスの濃度が低くなり、別途排ガスの処理が必要となる。
そこで本発明は、メタン発酵処理により発生し、メタン発酵処理水中に溶存したメタンを、大気中に放散することなく容易に処理できる有機性排水処理装置および有機性排水処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明の第１の態様に係る有機性排水処理装置１０１は、例えば図１〜３に示すように、有機性排水をメタン発酵処理するメタン発酵処理槽１０と；メタン発酵処理槽１０で処理されたメタン発酵処理水２を好気性生物処理する、浸漬型の反応槽２０と、反応槽２０中の混合液３を固液分離する固液分離装置３０とを備える。メタン発酵処理槽１０は、該メタン発酵処理槽１０中のメタン発酵処理水２に溶存したメタンが大気中に放散するのを防止する蓋部１１と、前記溶存メタンが大気中に放散するのを防止した状態を保ちながら、メタン発酵処理水２を反応槽２０に供給する供給部１３とを有する。
なお、「有機性排水」は、食品工場排水のような高濃度有機性排水であっても、生活排水のような低濃度有機性排水であってもよい。本明細書において、「高濃度有機性排水」とは、ＣＯＤｃｒ値が１０００ｍｇ／Ｌ以上の排水をいい、「低濃度有機性排水」とは、ＣＯＤｃｒ値が１０００ｍｇ／Ｌ以下の排水をいう。これは、溶存メタンの影響が大きい有機性排水の濃度範囲として定義したものである。「放散するのを防止する」とは、放散を完全に防ぐ場合に限られず、放散を抑制する場合も含まれる。「メタン発酵処理槽」とは、ＯＲＰが−３３０ｍＶ以下の範囲で嫌気的処理をする槽をいう。「好気性生物処理する反応槽」とは、ＯＲＰが＋５０ｍＶ〜１００ｍＶ以上の範囲で好機的処理をする槽をいう。
【０００９】
このように構成すると、メタン発酵処理により生じたメタンであって、メタンガスとして回収されずに処理水中に溶存するメタンが、メタン発酵処理槽外に放散するのを防ぐことができる。さらに、該溶存メタンを、大気中に放散することなく反応槽に移送し、該反応槽において、二酸化炭素と水に酸化分解することができる。
なお、低濃度有機性排水を処理した場合のメタン発酵処理水は、高濃度有機性排水を処理した場合のメタン発酵処理水に比べて、より多くの溶存メタンを含む。よって、本発明は、低濃度有機性排水に対してより高い効果を奏する。例えば、ＣＯＤｃｒ値が４００〜１０００ｍｇ／Ｌの流入下水に効果的である。
【００１０】
本発明の第２の態様に係る有機性排水処理装置１０２は、上記本発明の第１の態様に係る排水処理装置１０１において、例えば図４〜７に示すように、反応槽４０は、脱窒処理をする無酸素槽４１と好気性生物処理する好気槽２１ｂを有する。無酸素槽４１と好気槽２１ｂは、好気槽２１ｂで処理された好気性処理水が、好気槽２１ｂから無酸素槽４１内に流入する構成を有する。メタン発酵処理槽１０が有する供給部１３は、メタン発酵処理水２を無酸素槽４１に供給する。
なお、本明細書において、「好気性処理水」とは、反応槽（好気槽または曝気槽）において好気性生物処理された処理水を指す。「無酸素槽」とは、ＯＲＰが−５０ｍＶ〜−２００ｍＶの範囲で生物学的窒素除去法において脱窒素を行うために分子状酸素はないが、硝酸イオンなどの結合型酸素は存在している状態（無酸素性の状態）である槽をいう。「好気槽」とは、ＯＲＰが５０ｍＶ〜１００ｍＶ以上（特に硝化反応が伴う場合は＋２００ｍＶ〜４００ｍＶ）の範囲で好気的処理をする槽をいう。
【００１１】
このように構成すると、メタン発酵処理水に含まれる溶存メタンが、放散により失われることなく反応槽に移送される。反応槽の好気槽では、硝化菌によりＮＨ４−ＮがＮＯ２−Ｎ、ＮＯ３−Ｎに酸化され、硝化液が生成される。溶存メタンを含むメタン発酵処理水と硝化液を無酸素槽に流入させることにより、無酸素槽では、溶存メタンの酸化により生じた中間生成物（メタノ−ル等）を脱窒処理の水素供与体として利用し、硝化液を脱窒処理することができる。このように、溶存メタンを脱窒処理に有効活用することができる。
通常、生物学的窒素処理では、含有するアンモニアを好気槽で硝化し亜硝酸や硝酸に変換する。その後、無酸素槽で亜硝酸や硝酸を脱窒処理し、窒素ガスが除去される。この脱窒処理は、排水中に含まれる有機物中の水素供与体を利用して行われる。しかし、メタン発酵処理後のメタン発酵処理水に含まれる有機物は少ない。そのため、メタン発酵処理水を生物学的窒素処理しようとすると、無酸素槽において脱窒処理に利用する水素供与体が不足する。本発明は、この水素供与体不足を解消し、無酸素槽における脱窒処理を良好に行なうことができる。
【００１２】
本発明の第３の態様に係る有機性排水処理装置１０３は、上記本発明の第２の態様に係る排水処理装置１０２において、例えば図８、９に示すように、メタン発酵処理槽１０の下流であって、反応槽４０の上流に設けられた溶存メタン回収槽７０を備える。溶存メタン回収槽７０は、溶存メタン回収槽７０内のメタン発酵処理水２に、二酸化炭素、窒素、空気、不活性ガスの内の１の気体または２以上の混合気体を吹き込む気体吹込装置７１と、前記気体の吹き込みにより回収されたメタンガスを無酸素槽４１に供給する供給部７２を有する。
【００１３】
このように構成すると、溶存メタン回収槽に二酸化炭素、窒素、空気、不活性ガスといったメタンガス以外の気体を吹き込むことにより、溶存メタンをメタン発酵処理水から追い出し、メタンガスとして回収することができる。さらに、溶存メタンの場合は、無酸素槽に供給するメタンの量はメタン発酵処理水の量で決まってしまうのに対し、メタンガスとして回収した場合は、無酸素槽に供給するメタンの量を調節することができる。
【００１４】
本発明の第４の態様に係る有機性排水処理装置１０３は、上記本発明の第２の態様に係る排水処理装置１０２において、例えば図８、１０に示すように、メタン発酵処理槽１０の下流であって、反応槽４０の上流に設けられた溶存メタン回収槽８０を備える。溶存メタン回収槽８０は、高低差によりメタン発酵処理水２を自然流下させ、前記自然流下に起因する脱気により回収したメタンガスを無酸素槽４１に供給する供給部８２を有する。
【００１５】
このように構成すると、メタン発酵処理水の自然流下により、溶存メタン回収槽内に負圧が生じる。これにより、溶存メタンがメタン発酵処理水から脱気するので、メタンガスとして回収することができる。さらに、溶存メタンの場合は、無酸素槽に供給するメタンの量はメタン発酵処理水の量で決まってしまうのに対し、メタンガスとして回収した場合は、無酸素槽に供給するメタンの量を調節することができる。
【００１６】
本発明の第５の態様に係る有機性排水処理装置１０４は、上記本発明の第２の態様に係る排水処理装置１０２において、例えば図１１に示すように、メタン発酵処理水２が、メタン発酵処理槽１０から無酸素槽４１まで移動する際にメタン発酵処理槽１０内に生ずる気相部を吸引する吸引装置４６をさらに備える。吸引装置４６は、前記気相部を吸引することにより回収したメタンガスを無酸素槽４１に供給する供給部４７を有する。
【００１７】
このように構成すると、吸引装置４６の吸引により、メタン発酵処理槽１０内がより負圧となり、メタン発酵処理水に溶存するメタンが、槽外に放散するのをより防止できる。さらに、溶存メタンの場合は、無酸素槽に供給するメタンの量はメタン発酵処理水の量で決まってしまうのに対し、メタンガスとして回収した場合は、無酸素槽に供給するメタンの量を調節することができる。
【００１８】
本発明の第６の態様に係る有機性排水処理装置１０５は、上記本発明の第１の態様に係る排水処理装置１０１において、例えば図１２に示すように、メタン発酵処理槽１０の下流であって、反応槽２０の上流に設けられたメタン酸化槽９０を備える。メタン酸化槽９０は、メタン酸化菌が固定化された担体を有する。
【００１９】
このように構成すると、メタン酸化槽内に固定化したメタン酸化菌を有することができる。そのため、メタン酸化菌の量を多くすることができ、結果としてメタンを酸化する槽の大きさをコンパクトにできる。
【００２０】
本発明の第７の態様に係る有機性排水処理装置１０６は、上記本発明の第１の態様に係る排水処理装置１０１において、例えば図１３に示すように、メタン発酵処理槽１０の下流であって、反応槽４０の上流に設けられたメタン酸化槽９０を備える。メタン酸化槽９０は、メタン酸化菌が固定化された担体を有し、反応槽２０で処理され固液分離装置３０で固液分離された好気性処理水４を槽内に流入させる流入部を有する。
【００２１】
このように構成すると、メタン酸化槽９０では、メタン発酵処理水中に含まれる溶存メタンが好気性処理水中に含まれる溶存酸素により酸化される。さらに、好気性処理水中に含まれる硝化により生じた硝酸や亜硝酸が、溶存メタンの酸化により生じた中間生成物（メタノ−ル等）の存在により良好に脱窒処理される。
【００２２】
本発明の第８の態様に係る有機性排水処理方法は、例えば図１に示すように、有機性排水１をメタン発酵処理するメタン発酵処理工程と；前記メタン発酵処理工程で処理されたメタン発酵処理水２に溶存したメタンを好気性生物処理する生物処理工程と；前記メタン発酵処理工程後、前記メタンが大気中に放散するのを防止した状態でメタン発酵処理水２を前記生物処理工程に供給する工程とを備える。
【００２３】
このように構成すると、メタン発酵処理工程により生じたメタンであって、メタンガスとして回収されずに処理水中に溶存するメタンが、大気中に放散するのを防ぐことができる。さらに、該溶存メタンを、大気中に放散することなく生物処理工程に移送し、該生物処理工程において、二酸化炭素と水に酸化分解することができる。
【００２４】
本発明の第９の態様に係る有機性排水処理方法は、上記本発明の第８の態様に係る排水処理方法において、例えば図４に示すように、前記生物処理工程は、脱窒処理をする脱窒処理工程と好気性生物処理する好気処理工程とを有する。前記生物処理工程は、好気処理工程での好気性処理水を脱窒処理工程に供給する工程を有する。メタン発酵処理水２を前記生物処理工程に供給する工程では、メタン発酵処理水２を前記生物処理工程の脱窒処理工程に供給する。前記好機処理工程では、メタン発酵処理水２に含まれるアンモニアから硝化液を生成する。前記脱窒処理工程では、前記メタン発酵処理水中の溶存メタンの酸化により生じた有機物を用いて、前記硝化液を脱窒処理する。
【００２５】
このように構成すると、メタン発酵処理水に含まれる溶存メタンが、放散により失われることなく脱窒処理工程に移送される。好気処理工程では、硝化菌によりＮＨ４−ＮがＮＯ２−Ｎ、ＮＯ３−Ｎに酸化され、硝化液が生成される。溶存メタンを含むメタン発酵処理水と硝化液を脱窒処理工程に移送することにより、脱窒処理工程では、溶存メタンの酸化により生じた中間生成物（メタノ−ル等）を脱窒処理の水素供与体として利用し、硝化液を脱窒処理することができる。このように、溶存メタンを脱窒処理に有効活用する方法となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、メタン発酵処理により発生し、メタン発酵処理水中に溶存したメタンを、大気中に放散することなく容易に処理することができる。よって、メタンが大気中に放散するのを防止して、地球温暖化対策に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０１の構成図である。
【図２】ＵＡＳＢ槽１０の概略図である。
【図３】反応槽２０および沈殿池３０の概略図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０２の構成図である。
【図５】反応槽４０および沈殿池３０の概略図である。
【図６】反応槽５０および沈殿池３０の概略図である。
【図７】反応槽６０および沈殿池３０の概略図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０３の構成図である。
【図９】溶存メタン回収槽７０の概略図である。
【図１０】溶存メタン回収槽８０の概略図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０４の構成図である。
【図１２】本発明の第５の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０５の構成図である。
【図１３】本発明の第６の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０６の構成図である。
【図１４】有機性排水をメタン発酵処理および好気性生物処理する従来の装置２０１の構成図である。
【図１５】従来のＵＡＳＢ槽１０’の概略図である。
【図１６】従来の反応槽２０’および沈殿池３０の概略図である。
【図１７】水温と、メタンの水に対する溶解度との関係を示すグラフである。
【図１８】実施例１〜４、比較例１〜４で用いた流入下水性状の表（表１）を示す図である。
【図１９】実施例１、比較例１の実験条件の表（表２）を示す図である。
【図２０】実施例１、比較例１の実験結果の表（表３）を示す図である。
【図２１】実施例２、比較例２の実験条件の表（表４）を示す図である。
【図２２】実施例２、比較例２の実験結果の表（表５）を示す図である。
【図２３】実施例３、比較例３の実験条件の表（表６）を示す図である。
【図２４】実施例３、比較例３の実験結果の表（表７）を示す図である。
【図２５】実施例４、比較例４の実験条件の表（表８）を示す図である。
【図２６】実施例４、比較例４の実験結果の表（表９）を示す図である。
【図２７】実施例５、比較例５の実験条件の表（表１０）を示す図である。
【図２８】実施例５、比較例５の実験結果の表（表１１）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一または相当する部分には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。また、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。特に、メタン発酵処理には、ＵＡＳＢ法、固定床法、流動床法のいずれも適用できる。以下の実施の形態では、メタン発酵処理に最も適しているＵＡＳＢ法を例にとり説明する。
【００２９】
本発明の有機性排水処理装置および有機性排水処理方法は、メタン発酵処理で回収されずに処理水中に溶存するメタンが大気中に放散されるのを防ぐという目的を、溶存メタンがメタン発酵処理槽外に放散するのを防止した状態で溶存メタンを後段の好気性生物処理に移送し、好気性生物処理において処理するという構成により実現した。
【００３０】
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０１について説明する。有機性排水処理装置１０１は、メタン発酵処理槽としてのＵＡＳＢ槽１０、反応槽２０、固液分離装置としての沈殿池３０を備える。図１に示すように、有機性排水１は、まず、ＵＡＳＢ槽１０においてメタン発酵処理される。次に、メタン発酵処理水としてのＵＡＳＢ処理水２は、反応槽２０において好気性生物処理される。反応槽２０から流出する混合液３は、沈殿池３０において固液分離され、上澄液（好気性処理水４）は塩素滅菌等が施された後放流される。
【００３１】
図２にＵＡＳＢ槽１０を示す。ＵＡＳＢ槽１０は、上部に蓋部１１を有し、内部にＧＳＳ（気固液分離部）１２を有する。さらに、ＵＡＳＢ処理水２を移送するための、供給部としての配管１３を有する。ＵＡＳＢ槽１０では、有機性排水１中の易分解性有機物が、メタン発酵微生物群で構成される汚泥床１４にてメタンガスと二酸化炭素に分解される。発生したメタンガス等は、ＧＳＳ１２を経由して回収され、有効利用される。
【００３２】
しかし、一部のメタンガスはＵＡＳＢ処理水２中に溶け込み、溶存メタンとして存在する。この溶存メタンは、ＵＡＳＢ処理水２表面から放出して、大気中に放散する可能性がある。このため、ＵＡＳＢ槽１０は、上部に蓋部１１を有し、溶存メタンがＵＡＳＢ槽１０内から大気中に放散するのを防止する。なお、蓋部１１は、ＵＡＳＢ槽１０を完全に密閉してもよく、または、溶存メタンが大気中へ放散するのを防止することを妨げない程度の隙間のある密閉であってもよい。すなわち、蓋部１１は、ＵＡＳＢ槽１０内のガスが槽外へ流出するのを防止できればよく、槽内が負圧の場合等、槽外から槽内に大気が流入する隙間があってもよい。具体的には、蓋部１１としてＵＡＳＢ槽１０の上部をボルトで固定した蓋で覆ってもよい。
【００３３】
さらに、ＵＡＳＢ処理水２は、溶存メタンが大気中に放散するのを防止した状態で反応槽２０に移送される。すなわち、図２に示すように、ＵＡＳＢ槽１０の有する配管１３を経由して、ＵＡＳＢ処理水２は大気と接触することなく反応槽２０に移送される。このように、ＵＡＳＢ槽１０は、ＵＡＳＢ処理水２中に含まれる溶存メタンが槽外に放散するのを防ぎながら、ＵＡＳＢ処理水２を反応槽２０に移送することができる。なお、ＵＡＳＢ槽１０の供給部として、配管１３に替えて蓋を備えた水路を用いてもよい。また、ＵＡＳＢ槽１０と反応槽２０を隣接させて設置した場合、供給部は、ＵＡＳＢ処理水２がＵＡＳＢ槽１０から流出する部位となる。
【００３４】
反応槽２０には、浸漬型処理槽を用いることが好ましい。「浸漬型」とは、処理槽内に処理液を満たした状態で、空気、酸素富化空気、または純酸素等を供給して、好気性生物処理する活性汚泥処理や生物膜処理を意味する。すなわち、処理反応が処理液中に浸漬した状態で行なわれる処理法をいう。浸漬型の好気性生物処理の具体例としては、浮遊性好気性生物処理（連続式活性汚泥処理、回分式活性汚泥処理、オキシデ−ション法、生物膜処理等）、流動床型生物処理（包括固定化法、結合固定化法等）が挙げられる。
したがって、例えば、散水ろ床のような、ろ材に処理液を散水させて大気中の酸素と接触させる生物膜処理は含まない。散水ろ床のような処理の場合、処理槽内における気体の占める割合が高いため（ろ材以外の空間における気液の比率は、気体が６０〜９５％、液体が４０〜５％）、ＵＡＳＢ処理水２に含まれる溶存メタンが、メタン酸化菌により分解される前に、物理的に容易にＵＡＳＢ処理水２から放散し、大気中に排出されてしまう。このため、メタンの排出を防止するには、別途メタンを処理する設備が必要となり好ましくない。
なお、「処理液を満たした状態」とは、必ずしも処理液で処理槽をいっぱいにした状態を意図するものではない。処理液が処理槽内に滞留しているか、または処理槽内を流動しているかに関わらず、少なくとも処理槽内に処理液が溜まっている状態であればよい。また、「空気、酸素富化空気、または純酸素等」とは、処理液中に酸素を供給し酸化反応を可能とするガス状の酸化剤であればよい。
【００３５】
好気性生物処理の一例として、図３に示す反応槽２０と沈殿池３０を用いて、ＵＡＳＢ処理水２を活性汚泥処理する場合を説明する。反応槽２０は、好気性生物処理する曝気槽（すなわち好気槽）２１ａ、槽内に酸素を供給する曝気ライン２２を有する。さらに、槽内のガスが大気中に放散するのを防止する蓋部２３を有する。ＵＡＳＢ処理水２は、ＵＡＳＢ槽１０から配管１３を経由して曝気槽２１ａに供給される。配管１３の出口は、曝気槽２１ａの水面下になるように配置する。さらに、配管１３の出口は、曝気槽のより底部に近い位置に設置されることが好ましい。例えば有効水深５ｍの曝気槽の場合、曝気槽底部から１ｍ以内、好ましくは５０ｃｍ以内の位置が良い。すなわち、ＵＡＳＢ処理水２に含まれる溶存メタンが曝気槽２１ａ中により長く滞留するようにすることが好ましい。さらに、溶存メタンが、曝気槽２１ａにおいて生物的に分解される速度と、曝気槽２１ａから物理的に放散する速度を考慮すると、放散速度の方が速い。よって、曝気槽２１ａの上部に、蓋部２３（またはカバー）を設置し、溶存メタンが槽外に放散するのを防ぐことが好ましい。こうすることにより、ＵＡＳＢ処理水２中に含まれる溶存メタンは、メタン酸化菌により効率的に酸化分解され、物理的放散によるメタン放出を防ぐことができる。なお、ＵＡＳＢ処理水２に含まれる溶存メタンは、曝気槽２１ａにおいて活性汚泥中に存在するメタン酸化菌により水と二酸化炭素に分解される。このように、有機性排水処理装置１０１は、ＵＡＳＢ処理水２中に含まれる溶存メタンを大気中に放散することなく、曝気槽２１ａのメタン酸化菌により酸化分解し無機化することができる。
【００３６】
図３に沈殿池３０を示す。沈殿池３０は、沈殿槽３１と返送汚泥ポンプ３２を有する。
沈殿地３０では、反応槽２０から流出した混合液３を、上澄液である好気性処理水４（すなわち活性汚泥処理水４）と沈殿する活性汚泥５に分離する。沈殿した活性汚泥５の一部は、返送汚泥ポンプ３２により、返送汚泥５として曝気槽２１ａへ返送される。好気性処理水４は、消毒処理等が施された後放流される。
なお、上記のとおり、混合液３は、好気性処理水４と活性汚泥５を含む混合液である。本明細書において、混合液３中に含まれる好気性処理水を指す場合も、好気性処理水４と称する。すなわち、好気性処理水４とは、反応槽（曝気槽または好気槽）において好気性生物処理された処理水を指す。
【００３７】
第１の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０１は、図３に示す反応槽２０と沈殿地３０（固液分離装置）を備え連続式活性汚泥法を行なう装置として説明したがこれに限られない。例えば、固液分離装置として反応槽を兼用する回分式活性汚泥法であってもよい。また、固液分離装置として沈殿池の代わりに生物膜を用いる膜分離活性汚泥法（Membrane Bioreactor：ＭＢＲ）であってもよい。ＭＢＲの場合は、生物膜を備えた膜分離装置を、沈殿池に代えて反応槽外に設置するか、または反応槽内に設置し固液分離を行なう。生物学的窒素処理において、処理水のＮＯｘ−Ｎ濃度が１０ｍｇ／Ｌ以上になると沈殿池で脱窒素による汚泥浮上の問題が起こる。しかし、ＭＢＲを適用した場合は汚泥の固液分離を膜で行なうため、前記問題は起こらない。また、固液分離装置には、浸漬型固定床方式などで使用する生物膜ろ過装置も含まれる。すなわち、好気性処理が浸漬型固定床方式などの場合は、好気性生物を固定化するため、後段の沈殿池等を除くこともある。その場合は、生物膜ろ過装置が固液分離を行なう固液分離装置となる。
【００３８】
図４を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０２について説明する。有機性排水処理装置１０２は、図１の有機性排水処理装置１０１において、反応槽２０に替えて、反応槽４０を備える。ＵＡＳＢ槽１０および沈殿地３０は、同一であるため説明を省略する。
【００３９】
図５に反応槽４０を示す。反応槽４０は、曝気槽である好気槽２１ｂの前段に無酸素槽４１を有する。具体的には、槽を仕切板４４により仕切り、連続して１つの無酸素槽４１と３つの好気槽２１ｂ、すなわち無酸素槽４１／好気槽２１ｂ／好気槽２１ｂ／好気槽２１ｂとなるように構成する。無酸素槽４１は、水中攪拌機４２を有し、好気槽２１ｂは、曝気槽２１ａと同様に曝気ライン２２を有する。さらに、無酸素槽４１は、溶存メタンが槽内から大気中に放散するのを防止する蓋部４３を有することが好ましい。
【００４０】
一般的に、メタン発酵処理では、排水中の易分解性有機物が分解されてメタンガスとして除去・回収される一方で、排水中に蛋白質などの有機物が含まれていると、これらが分解されてＮＨ４−Ｎがメタン発酵処理水中に残存することになる。このＮＨ４−Ｎを含むメタン発酵処理水では、ＢＯＤ／ＮＨ４−Ｎ比は低くなり、後段の好気性生物処理において、ＮＨ４−Ｎの硝化反応（アンモニア性窒素の酸化）が進行する。なお、好気性生物処理が活性汚泥処理の場合、硝化反応が進行し活性汚泥処理液中のＮＯｘ−Ｎ濃度が高くなると、反応槽後の沈殿池において脱窒反応による汚泥浮上などの問題が発生する。
さらに、窒素規制の厳しい地域では、メタン発酵処理後の好気性生物処理において生物学的窒素処理を適用するケースがある。この場合では、後述するように脱窒工程において水素供与体が不足するためメタノールなどの外部基質を添加する必要があり、ランニングコストがかかるといった問題が発生していた。
【００４１】
有機性排水処理装置１０２の反応槽４０では、好気槽２１ｂでの溶存メタンの酸化分解とともに、好気槽２１ｂと無酸素槽４１を用いて生物学的窒素処理を行なう。生物学的窒素処理は、硝化菌によりアンモニアを亜硝酸、硝酸に酸化する硝化工程と、亜硝酸、硝酸を脱窒菌により窒素ガスに変換する脱窒工程に分けられる。硝化工程は好気槽２１ｂで処理され、脱窒工程は無酸素槽４１で処理される。具体的には、図５に示すように好気槽２１ｂで硝化された硝化液を含む混合液３を循環ポンプ４５を用いて無酸素槽４１に戻し、ＵＡＳＢ処理水２と混合し脱窒処理を行なう。
【００４２】
脱窒処理は、排水中に含まれる有機物中の水素供与体を利用して行われる。したがって、生物学的窒素処理では、通常、処理前の原水（有機物を含む排水）を無酸素槽に供給して水素供与体として利用した後、好気槽に移送する。しかし、メタン発酵処理では、易分解性の有機物が絶対嫌気性菌（偏性嫌気性菌）によりメタンガスに変換される。そのため、メタン発酵処理水に含まれる有機物が少ない。よって、メタン発酵処理水に対して生物学的窒素処理を行なおうとすると、無酸素槽において脱窒用の水素供与体が欠乏するといった問題が生ずる。こうした問題を解決するため、本願の有機性排水処理装置１０２では、メタン発酵処理水（ＵＡＳＢ処理水２）に含まれる溶存メタンを脱窒用の水素供与体として利用する。なお、メタン酸化菌は、メタンを分解する過程で、以下のとおり、中間生成物としてメタノール等の有機物を生成することが知られている。
ＣＨ４ → ＣＨ３ＯＨ → ＨＣＨＯ → ＨＣＯＯＨ → ＣＯ２
出典：加藤暢夫著、植田光義編著：微生物機能の開発 第２章 環境を守る微生物 ｐ．３９〜ｐ．４３ 京都大学学術出版会（２００８年）
さらに、メタン酸化処理ではメタン負荷が高い場合や酸素供給が不十分な場合、メタン酸化菌によりメタンが二酸化炭素と水までに分解されず、中間生成物（メタノール等）の状態で止まることがある。
【００４３】
本発明では、この中間生成物（主にメタノール）が水素供与体として作用したものと考えられる。すなわち、好気槽２１ｂで硝化菌によりＮＨ４−ＮがＮＯ２−Ｎ、ＮＯ３−Ｎに酸化される。この硝化液を含む混合液３を循環ポンプ４５により無酸素槽４１に戻し、ＵＡＳＢ処理水２と混合する。混合液３中には、溶存酸素（ＤＯ）が含まれる。無酸素槽４１では、ＵＡＳＢ処理水２に含まれる溶存メタンが混合液３中に含まれる溶存酸素（ＤＯ）によりメタン酸化される。しかし、メタンの量に対し酸素供給が不十分なため、酸化されたメタンは中間生成物（メタノール等）として存在すると考えられる。この中間生成物が、脱窒用の水素供与体として作用し、無酸素槽４１において脱窒処理が進行したと考えられる。
実際にメタン酸化処理において、メタンが二酸化炭素と水までに分解されず、中間生成物（メタノール等）の状態で止まる場合とは、具体的にはＤＯレベルでは、０．５〜１ｍｇ／Ｌ以下である。メタン負荷は、水温１６℃では、０．１〜０．２ｍｇＣＨ４／ｇＭＬＶＳＳ／ｄ以上、水温２０℃では、０．１３〜０．２６ｍｇＣＨ４／ｇＭＬＶＳＳ／ｄ以上、水温２５℃では、０．２６〜０．４５ｍｇＣＨ４／ｇＭＬＶＳＳ／ｄ以上が目安となる。
有機性排水処理装置１０２では、溶存メタンの酸化により生じたと考えられるメタノール等の中間生成物により、脱窒用の水素供与体不足分を十分に補強できる。よって、沈殿池３０において汚泥浮上の問題が生ずるのを防止することができる。また、外部基質を添加する必要もないため、従来の装置に比べランニングコストを削減することができる。さらに、循環ポンプ４５を用いると、混合液３の戻す量を調整しやすいといった利点もある。
【００４４】
例えば、ＣＯＤｃｒ４００ｍｇ／Ｌの下水を水温２０℃、ＨＲＴ１０ｈの条件でＵＡＳＢ処理した場合、ＣＯＤｃｒ除去率５０％では、除去ＣＯＤｃｒの半分がメタンガスとして回収でき、残りの半分がＵＡＳＢ処理水に溶存する。したがって、溶存メタンガスのＣＯＤｃｒ濃度は約１００ｍｇ／Ｌとなる。一方、ＵＡＳＢ処理水は、溶解性ＢＯＤ４０ｍｇ／Ｌ、溶解性ＣＯＤｃｒ１００ｍｇ／Ｌ、ＮＨ４−Ｎは３０ｍｇ／Ｌ前後となり、溶存メタンを含むＵＡＳＢ処理水溶解性ＢＯＤは１２０ｍｇ／Ｌ（ＢＯＤ／ＣＯＤｃｒ＝０．８とする。）となる。ＵＡＳＢ処理水ＢＯＤ／ＮＨ４−Ｎ＝４．０となり、生物学的窒素処理するのに十分な水素供与体が供給可能となる。このように、図５に示す反応槽４０を用いた本実施の形態では、溶存メタンを有効利用することができる。
【００４５】
なお、膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ）を用いてメタン発酵処理水を処理する場合であって膜分離装置を反応槽４０内に設置する場合は、好気槽２１ｂの最終処理槽に膜分離装置を設置すればよい（反応槽５０、６０においても同様）。
【００４６】
図６を参照して、反応槽５０を説明する。有機性排水処理装置１０２では、図５に示す反応槽４０に替えて、図６に示す反応槽５０を用いてもよい。反応槽５０では、好気槽２１ｂの前段に無酸素槽４１を設けて、無酸素槽４１／好気槽２１ｂ／無酸素槽４１／好気槽２１ｂと交互にしてステップ脱窒できるように配置し、生物学的窒素処理を行なう。このように構成すると、動力を必要とする循環ポンプ４５（図５参照）を設けることなく生物学的窒素処理が可能となる。溶存メタンを含んだＵＡＳＢ処理水２は、無酸素槽４１にそれぞれ供給する。このようにして、好気槽２１ｂで硝化処理を、無酸素槽４１で脱窒処理を行なう。すなわち、好気槽２１ｂの溶存酸素と硝化液を含む混合液３が直後の無酸素槽４１に流入し、さらに溶存メタンを含むＵＡＳＢ処理水２と混合され脱窒処理を行なう。好気槽２１ｂと無酸素槽４１の槽数は、それぞれ２槽以上とすることが好ましく、さらに、好気性処理水４のＴ−Ｎ（Total Nitrogen：全窒素）濃度レベルに応じて槽数を設定することが好ましい。なお、最終処理槽は、好気槽２１ｂとする。最終処理槽の好気槽２１ｂでは、残存有機物の仕上げ処理等を行なう。また、図６に示すように、好気槽２１ｂに蓋部４３を設けると、未分解の溶存メタンが槽内から大気中に放散するのを防止することができ好ましい。槽内のガス等（排ガス）は、別途排ガス処理装置（不図示）に配管などを介して供給することが好ましい。排ガス処理方法としては、生物学的脱臭処理、薬液洗浄、活性炭等の物理学的処理がある。
【００４７】
図７を参照して、反応槽６０を説明する。有機性排水処理装置１０２では、図５に示す反応槽４０に替えて、図７に示す反応槽６０を用いてもよい。反応槽６０では、槽の先頭に好気槽２１ｂを設けて、好気槽２１ｂ／無酸素槽４１／好気槽２１ｂ／無酸素槽４１／好気槽２１ｂとなるように配置し、生物学的窒素処理を行なう。このように構成すると、動力を必要とする循環ポンプ４５（図５参照）を設けることなく生物学的窒素処理が可能となる。なお、溶存メタンを含んだＵＡＳＢ処理水２は、無酸素槽４１にそれぞれ供給する。このようにして、好気槽２１ｂで硝化処理を無酸素槽４１で脱窒処理を行なう。好気槽２１ｂと無酸素槽４１の槽数は、それぞれ２槽以上とすることが好ましく、さらに、好気性処理水４のＴ−Ｎ濃度レベルに応じて槽数を設定することが好ましい。なお、最終処理槽は、好気槽２１ｂとする。
【００４８】
図８を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０３について説明する。有機性排水処理装置１０３は、図４の有機性排水処理装置１０２において、ＵＡＳＢ処理槽１０と反応槽４０（５０、６０）との間に溶存メタン回収槽７０を備える。溶存メタン回収槽７０内にＵＡＳＢ処理水２の一部または全部を通過させ（実線矢印）、溶存メタン回収槽７０内のＵＡＳＢ処理水２中にメタンガス以外の気体を吹き込む。ＵＡＳＢ処理水２から放出したメタンガスを含む混合ガス（点線矢印）を回収し、反応槽４０（５０、６０）の無酸素槽４１に吹き込む。メタンガスの回収・吹き込みには、ブロワやファンといった装置（不図示）を用いる。
【００４９】
図９に溶存メタン回収槽７０を示す。溶存メタン回収槽７０は、メタンガス以外の気体を吹き込む気体吹込装置としてのガス吹込ライン７１、メタンガスを含む混合ガスを無酸素槽４１に供給する供給部としての配管７２を有する。溶存メタン回収槽７０は気泡搭型であり、溶存メタン回収槽７０内にＵＡＳＢ処理水２を滞留させ、下部よりメタンガス以外の気体を吹き込んで溶存メタンを追い出すことにより、メタンを回収する。なお、メタンガス以外の気体とは、二酸化炭素、窒素、空気、その他不活性ガス、または、これら２以上の混合気体が好ましく、特に二酸化炭素と窒素が好ましい。有機性排水処理装置１０３では、ＵＡＳＢ処理水２中に含まれる溶存メタンを気体状態のメタンガスとして無酸素槽４１に供給するので、吹き込むメタンガスの量を調整することができる。
【００５０】
溶存メタン回収槽７０に替えて、図１０に示す溶存メタン回収槽８０を用いてもよい。溶存メタン回収槽８０は、メタンガスを含む混合ガスを無酸素槽４１に供給する供給部としての配管８２を有する。溶存メタン回収槽８０は、高低差を利用してＵＡＳＢ処理水２の自然流下が可能なように槽を傾斜させ、槽内を仕切板８１で仕切った多段槽構成となっている。自然流下により槽内に負圧が生じ、溶存メタンが脱気される。または、溶存メタン回収槽８０は、槽内に階段状の段差を設けて高低差を作り、自然流下が可能なカスケード構造としてもよい。具体的には、ＵＡＳＢ処理水２を移送する水路に高低差を設けさらに蓋を備えてもよい。
【００５１】
図１１を参照して、本発明の第４の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０４について説明する。有機性排水処理装置１０４は、図４の有機性排水処理装置１０２において、さらに、吸引装置としてのブロワ４６を備える。ブロワ４６は、メタンガスを含む混合ガスを無酸素槽４１に供給する供給部としての配管４７を有する。有機性排水処理装置１０４では、ＵＡＳＢ処理槽１０の配管１３内の気相部をブロワを用いて吸引し、溶存メタンの一部をメタンガスとして回収する。該回収メタンガスを無酸素槽４１に吹き込む。なお、ＵＡＳＢ処理槽１０本体内の気相部をブロワにより吸引する構成としてもよい。有機性排水処理装置１０４では、処理水中に含まれる溶存メタンを気体状態のメタンガスとして無酸素槽４１に供給するので、吹き込むメタンガスの量を調整することができる。また、ブロワの吸引により、配管１３を含むＵＡＳＢ処理槽１０内がより負圧となり、溶存メタンがＵＡＳＢ処理槽１０外へ放出するのをより防止することができる。
【００５２】
図１２を参照して、本発明の第５の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０５について説明する。有機性排水処理装置１０５は、図１の有機性排水処理装置１０１において、さらに、メタン酸化槽９０を備える。
ＵＡＳＢ処理水２に含まれる溶存メタンをメタン酸化菌により処理しようとする場合、活性汚泥処理のような浮遊方式で行なうと生物量が少ないため、処理槽を大きくする必要がある。この対策として、メタン酸化菌を担体に固定化して処理してもよい。図１２では、メタン酸化菌を固定化した担体を有するメタン酸化槽９０に、溶存メタンを含んだＵＡＳＢ処理水２を槽底部から供給し、さらに、槽内に酸素を供給するためのガス吹込ラインを用いて空気を底部から供給し、溶存メタンを処理する。溶存メタンは、固定化されたメタン酸化菌により水と二酸化炭素に分解される。なお、ＵＡＳＢ処理水２の供給量は一部あるいは全量のいずれでも良い。全量をメタン酸化槽９０に供給する場合は、図１２の反応槽２０はなくてもよい。
有機性排水処理装置１０５では、メタン酸化槽９０がメタン酸化菌を固定化した担体を有することにより、メタン酸化菌の量を多くでき、結果として溶存メタンを酸化する槽の大きさをコンパクトにすることができる。なお、メタン酸化槽９０で使用する固定化担体には、軽石、活性炭、プラスチックろ材等が使用できる。表面に凹凸のある性状の担体が生物付着性に適しており好ましい。担体の大きさは５〜２０ｍｍ、好ましくは７〜１２ｍｍが良い。
【００５３】
図１３を参照して、本発明の第６の実施の形態に係る有機性排水処理装置１０６について説明する。有機性排水処理装置１０６は、図１の有機性排水処理装置１０１において、さらに、空気を吹き込まないメタン酸化槽９０を備える。メタン酸化槽９０は、メタン酸化菌および脱窒菌を固定化した担体を有する。さらに、メタン酸化槽９０は、反応槽２０で処理され沈殿地３０で固液分離された好気性処理水４をメタン酸化槽９０に供給する供給部としての配管を有する。有機性排水処理装置１０６では、メタン酸化槽９０に、溶存メタンを含んだＵＡＳＢ処理水２と好気性処理水４を、槽底部から供給する。を多く含み、さらに溶存酸素４〜８ｍｇ／Ｌが含まれている。メタン酸化槽９０では、メタン酸化菌により、ＵＡＳＢ処理水２に含まれる溶存メタンが酸化される一方で、好気性処理水４中に含まれる硝化液（亜硝酸、硝酸性窒素含む）が脱窒菌により脱窒処理される。なお、ＵＡＳＢ処理水２の供給量は一部あるいは全量のいずれでも良い。有機性排水処理装置１０６では、メタン酸化槽９０に浮遊体の菌ではなく固定化した菌を用いることにより、メタン酸化菌および脱窒菌の量を多くでき、結果として槽の大きさをコンパクトにすることができる。
【００５４】
上記の実施の形態では、溶存メタンを生物学的窒素処理に有効活用する装置の例を説明した。しかし、溶存メタンの量は、溶存する液体の水量、水温、ＣＨ４とＣＯ２のガス組成比により左右される。そのため、上記の実施の形態において、好気槽４１での脱窒に水素供与体として利用するには不十分となる場合がある。このような場合は、ＵＡＳＢ槽１０で発生したメタンガスのうち、ＵＡＳＢ処理水２に溶存せず、メタンガスとして回収されたものの一部を無酸素槽４１に供給しても良い。
【実施例】
【００５５】
以下に、本発明の実施例を説明する。しかし、本発明の実施例は以下の実施例に制限されるものでない。実施例１〜４、および比較例４では、有機性排水として図１８の表１に示す流入下水を使用して、ＵＡＳＢ槽（有効容量９４０Ｌ）と反応槽としての活性汚泥槽（有効総容量９４０Ｌ）を用いて実験を行なった。各例では、溶存メタンが大気中に放散するのを防止した状態で、ＵＡＳＢ処理水（メタン発酵処理水）を浸漬型の反応槽に移送し、生物処理を行なった。一方で、比較例１〜３では、溶存メタンが大気中に放散するのを防止することなく、すなわちＵＡＳＢ処理水が大気と接触した状態で、浸漬型の反応槽に移送し、生物処理を行なった。
【００５６】
［実施例１／比較例１］
図１９の表２に実験条件を示す。図１に実施例１で用いた装置の構成を示す。水温１８〜２９℃、水量３３３Ｌ／ｄ（ＵＡＳＢ処理、活性汚泥処理ともにＨＲＴは８時間）で実験を行った。
図２０の表３に溶存メタン濃度の測定結果を示す。なお、溶存メタン濃度は、ヘッドスペ−スＧＣ（ガスクロマト）法により測定した。実施例１では、ＵＡＳＢ槽内では２６．６ｍＬ−ＣＨ４／Ｌ、ＵＡＳＢ処理水２（活性汚泥原水）では２６．３ｍＬ−ＣＨ４／Ｌ、活性汚泥処理水４では０ｍＬ−ＣＨ４／Ｌであった。一方で、比較例１では、ＵＡＳＢ槽内では２６．６ｍＬ−ＣＨ４／Ｌ、ＵＡＳＢ処理水２（活性汚泥原水）では５．９ｍＬ−ＣＨ４／Ｌ、活性汚泥処理水４では０ｍＬ−ＣＨ４／Ｌであった。実施例１では、溶存メタンがＵＡＳＢ処理水２から大気中に放散されることなく、活性汚泥処理により無機化されている。
【００５７】
［実施例２／比較例２］
図２１の表４に実験条件を示す。図４、５に実施例２で用いた装置の構成を示す。比較例２では、図４の装置において、ＵＡＳＢ処理水２を大気と接した状態で無酸素槽４１に供給した。
図２２の表５に実験結果を示す。ＵＡＳＢ処理水２のＮＨ４−Ｎ２６ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ３４ｍｇ／Ｌに対し、実施例２の活性汚泥処理水４では、ＮＨ４−Ｎ５ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ１０ｍｇ／Ｌであった。比較例２の活性汚泥処理水４では、ＮＨ４−Ｎ５ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ２５ｍｇ／Ｌであった。実施例２では、無酸素槽４１での脱窒素が良好に行なえているため、Ｔ−Ｎ除去率が７０．６％であるのに対し、比較例２では、好気槽２１ｂで硝化は進んでいるが、無酸素槽４１での脱窒素が水素供与体不足のため、Ｔ−Ｎ除去率が２６．５％であった。
【００５８】
［実施例３／比較例３］
図２３の表６に実験条件を示す。図４、６に実施例３で用いた装置の構成を示す。比較例３では、図４の装置において、ＵＡＳＢ処理水２を大気と接した状態で無酸素槽４１に供給した。
図２４の表７に実験結果を示す。ＵＡＳＢ処理水２のＮＨ４−Ｎ２８ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ３９ｍｇ／Ｌに対し、実施例３の活性汚泥処理水４では、ＮＨ４−Ｎ６ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ１０ｍｇ／Ｌであった。比較例３の活性汚泥処理水４では、ＮＨ４−Ｎ６ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ２５ｍｇ／Ｌであった。実施例３では、無酸素槽４１での脱窒素が良好に行なえているため、Ｔ−Ｎ除去率が７４．４％であるのに対し、比較例３では、好気槽２１ｂで硝化は進んでいるが、無酸素槽４１での脱窒素が水素供与体不足のため、Ｔ−Ｎ除去率が３５．９％であった。
【００５９】
［実施例４／比較例４］
図２５の表８に実験条件を示す。図１３に実施例４で用いた装置の構成を示す。メタン酸化槽９０の実験機として、直径６０ｍｍ、高さ１．５ｍの塩化ビニ−ル製透明カラムを用いた。ろ材として園芸用軽石（以後軽石と記す）を０．９４Ｌ充填した。ろ材（軽石）は粒径５〜１５ｍｍのものを使用した。空隙率は４８％であった。該透明カラムに、通気無しで、ＵＡＳＢ処理水２と活性汚泥処理水４を１．６：１の割合で供給した。一方で、比較例４では、該透明カラムに通気有りでＵＡＳＢ処理水２のみを供給した。
図２６の表９に実験結果を示す。比較例４（平均水温２５℃）では、透明カラムへの流入水はＴ−Ｎ４２ｍｇ／Ｌ、ＮＨ４−Ｎ２６．３ｍｇ／Ｌであるのに対し、透明カラムからの流出水はＴ−Ｎ４０．９ｍｇ／Ｌ、ＮＨ４−Ｎ２２．５ｍｇ／Ｌであり、脱窒処理に関し、流入水、流出水の性状の変化はほとんどない。
実施例４（平均水温２５℃）では、透明カラムへの流入水はＴ−Ｎ３７．７ｍｇ／Ｌ、ＮＨ４−Ｎ１７ｍｇ／Ｌ、ＮＯ３−Ｎ１１ｍｇ／Ｌに対し、透明カラムからの流出水はＴ−Ｎ２８．６ｍｇ／Ｌ、ＮＨ４−Ｎ１５．９ｍｇ／Ｌ、ＮＯ３−Ｎ０．６ｍｇ／Ｌであり、脱窒素処理により、Ｔ−Ｎ除去率２４．１％の結果が得られた。
【００６０】
［実施例５／比較例５］
図２７の表１０に実験条件を示す。図４、５に実施例５で用いた装置の構成を示す。実施例５では、食品製造排水のＵＡＳＢ処理水２を、溶存メタンが大気中に放散するのを防止した状態で、無酸素槽に流入させた。比較例５では、溶存メタンが大気中に放散するのを防止することなく、すなわちＵＡＳＢ処理水２を大気と接触した状態で、無酸素槽に流入させた。
図２８の表１１に実験結果を示す。ＵＡＳＢ処理水２のＮＨ４−Ｎ２８ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ３７ｍｇ／Ｌに対し、実施例５の活性汚泥処理水４では、ＮＨ４−Ｎ０．５ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ８．５ｍｇ／Ｌであった。比較例５の活性汚泥処理水４では、ＮＨ４−Ｎ０．５ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ２２ｍｇ／Ｌであった。実施例５では、無酸素槽４１での脱窒素が良好に行なえているため、Ｔ−Ｎ除去率が７７．０％であるのに対し、比較例５では、好気槽２１ｂで硝化は進んでいるが、無酸素槽４１での脱窒素が水素供与体不足のため、Ｔ−Ｎ除去率４０．５％であった。このように食品製造排水の処理においても、高いＴ−Ｎ除去率が得られた。
【符号の説明】
【００６１】
１ 有機性排水
２ ＵＡＳＢ処理水、メタン発酵処理水
３ 混合液
４ 好気性処理水、活性汚泥処理水
５ 活性汚泥、返送汚泥
１０、１０’ ＵＡＳＢ槽、メタン発酵処理槽
１１、２３、４３ 蓋部
１２ ＧＳＳ
１３、４７、７２、８２ 配管、供給部
１４ 汚泥床
２０、２０’、４０、５０、６０ 反応槽
２１ａ 曝気層
２１ｂ 好気層
２２ 曝気ライン
３０ 固液分離装置、沈殿池
３１ 沈殿槽
３２ 返送汚泥ポンプ
４１ 無酸素槽
４２ 水中攪拌機
４４、８１ 仕切板
４５ 循環ポンプ
４６ ブロワ
７０、８０ 溶存メタン回収槽
７１ ガス吹込ライン
９０ メタン酸化槽
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６ 有機性排水処理装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性排水をメタン発酵処理するメタン発酵処理槽と；
前記メタン発酵処理槽で処理されたメタン発酵処理水を好気性生物処理する、浸漬型の反応槽と；
前記反応槽中の混合液を固液分離する固液分離装置とを備え；
前記メタン発酵処理槽は、該メタン発酵処理槽中の前記メタン発酵処理水に溶存したメタンが大気中に放散するのを防止する蓋部と、前記溶存メタンが大気中に放散するのを防止した状態を保ちながら、前記メタン発酵処理水を前記反応槽に供給する供給部とを有する、
有機性排水処理装置。
【請求項２】
前記反応槽は、脱窒処理をする無酸素槽と好気性生物処理する好気槽を有し、
前記無酸素槽と前記好気槽は、前記好気槽で処理された好気性処理水が、前記好気槽から前記無酸素槽内に流入する構成を有し、
前記メタン発酵処理槽が有する供給部は、前記メタン発酵処理水を前記無酸素槽に供給する、
請求項１に記載の有機性排水処理装置。
【請求項３】
前記メタン発酵処理槽の下流であって、前記反応槽の上流に設けられた溶存メタン回収槽を備え；
前記溶存メタン回収槽は、該溶存メタン回収槽内の前記メタン発酵処理水に、二酸化炭素、窒素、空気、不活性ガスの内の１の気体または２以上の混合気体を吹き込む気体吹込装置と、前記気体の吹き込みにより回収されたメタンガスを前記無酸素槽に供給する供給部を有する、
請求項２に記載の有機性排水処理装置。
【請求項４】
前記メタン発酵処理槽の下流であって、前記反応槽の上流に設けられた溶存メタン回収槽を備え；
前記溶存メタン回収槽は、高低差により前記メタン発酵処理水を自然流下させ、前記自然流下に起因する脱気により回収したメタンガスを前記無酸素槽に供給する供給部を有する、
請求項２に記載の有機性排水処理装置。
【請求項５】
前記メタン発酵処理水が、前記メタン発酵処理槽から前記無酸素槽まで移動する際に前記メタン発酵処理槽内に生ずる気相部を吸引する吸引装置をさらに備え；
前記吸引装置は、前記気相部を吸引することにより回収したメタンガスを前記無酸素槽に供給する供給部を有する、
請求項２に記載の有機性排水処理装置。
【請求項６】
前記メタン発酵処理槽の下流であって、前記反応槽の上流に設けられたメタン酸化槽を備え；
前記メタン酸化槽は、メタン酸化菌が固定化された担体を有する、
請求項１に記載の有機性排水処理装置。
【請求項７】
前記メタン発酵処理槽の下流であって、前記反応槽の上流に設けられたメタン酸化槽を備え；
前記メタン酸化槽は、メタン酸化菌が固定化された担体を有し、前記反応槽で処理され前記固液分離装置で固液分離された好気性処理水を槽内に流入させる流入部を有する、
請求項１に記載の有機性排水処理装置。
【請求項８】
有機性排水をメタン発酵処理するメタン発酵処理工程と；
前記メタン発酵処理工程で処理されたメタン発酵処理水に溶存したメタンを好気性生物処理する生物処理工程と；
前記メタン発酵処理工程後、前記メタンが大気中に放散するのを防止した状態で前記メタン発酵処理水を前記生物処理工程に供給する工程とを備える；
有機性排水処理方法。
【請求項９】
前記生物処理工程は、脱窒処理をする脱窒処理工程と好気性生物処理する好気処理工程とを有し、
前記生物処理工程は、好気処理工程での好気性処理水を脱窒処理工程に供給する工程を有し、
前記メタン発酵処理水を前記生物処理工程に供給する工程では、前記メタン発酵処理水を前記生物処理工程の脱窒処理工程に供給し、
前記好気処理工程では、前記メタン発酵処理水に含まれるアンモニアから消化液を生成し、
前記脱窒処理工程では、前記メタン発酵処理水中の溶存メタンの酸化により生じた有機物を用いて、前記硝化液を脱窒処理する、
請求項８に記載の有機性排水処理方法。
【請求項１】
有機性排水をメタン発酵処理するメタン発酵処理槽と；
前記メタン発酵処理槽で処理されたメタン発酵処理水を好気性生物処理する、浸漬型の反応槽と；
前記反応槽中の混合液を固液分離する固液分離装置とを備え；
前記メタン発酵処理槽は、該メタン発酵処理槽中の前記メタン発酵処理水に溶存したメタンが大気中に放散するのを防止する蓋部と、前記溶存メタンが大気中に放散するのを防止した状態を保ちながら、前記メタン発酵処理水を前記反応槽に供給する供給部とを有する、
有機性排水処理装置。
【請求項２】
前記反応槽は、脱窒処理をする無酸素槽と好気性生物処理する好気槽を有し、
前記無酸素槽と前記好気槽は、前記好気槽で処理された好気性処理水が、前記好気槽から前記無酸素槽内に流入する構成を有し、
前記メタン発酵処理槽が有する供給部は、前記メタン発酵処理水を前記無酸素槽に供給する、
請求項１に記載の有機性排水処理装置。
【請求項３】
前記メタン発酵処理槽の下流であって、前記反応槽の上流に設けられた溶存メタン回収槽を備え；
前記溶存メタン回収槽は、該溶存メタン回収槽内の前記メタン発酵処理水に、二酸化炭素、窒素、空気、不活性ガスの内の１の気体または２以上の混合気体を吹き込む気体吹込装置と、前記気体の吹き込みにより回収されたメタンガスを前記無酸素槽に供給する供給部を有する、
請求項２に記載の有機性排水処理装置。
【請求項４】
前記メタン発酵処理槽の下流であって、前記反応槽の上流に設けられた溶存メタン回収槽を備え；
前記溶存メタン回収槽は、高低差により前記メタン発酵処理水を自然流下させ、前記自然流下に起因する脱気により回収したメタンガスを前記無酸素槽に供給する供給部を有する、
請求項２に記載の有機性排水処理装置。
【請求項５】
前記メタン発酵処理水が、前記メタン発酵処理槽から前記無酸素槽まで移動する際に前記メタン発酵処理槽内に生ずる気相部を吸引する吸引装置をさらに備え；
前記吸引装置は、前記気相部を吸引することにより回収したメタンガスを前記無酸素槽に供給する供給部を有する、
請求項２に記載の有機性排水処理装置。
【請求項６】
前記メタン発酵処理槽の下流であって、前記反応槽の上流に設けられたメタン酸化槽を備え；
前記メタン酸化槽は、メタン酸化菌が固定化された担体を有する、
請求項１に記載の有機性排水処理装置。
【請求項７】
前記メタン発酵処理槽の下流であって、前記反応槽の上流に設けられたメタン酸化槽を備え；
前記メタン酸化槽は、メタン酸化菌が固定化された担体を有し、前記反応槽で処理され前記固液分離装置で固液分離された好気性処理水を槽内に流入させる流入部を有する、
請求項１に記載の有機性排水処理装置。
【請求項８】
有機性排水をメタン発酵処理するメタン発酵処理工程と；
前記メタン発酵処理工程で処理されたメタン発酵処理水に溶存したメタンを好気性生物処理する生物処理工程と；
前記メタン発酵処理工程後、前記メタンが大気中に放散するのを防止した状態で前記メタン発酵処理水を前記生物処理工程に供給する工程とを備える；
有機性排水処理方法。
【請求項９】
前記生物処理工程は、脱窒処理をする脱窒処理工程と好気性生物処理する好気処理工程とを有し、
前記生物処理工程は、好気処理工程での好気性処理水を脱窒処理工程に供給する工程を有し、
前記メタン発酵処理水を前記生物処理工程に供給する工程では、前記メタン発酵処理水を前記生物処理工程の脱窒処理工程に供給し、
前記好気処理工程では、前記メタン発酵処理水に含まれるアンモニアから消化液を生成し、
前記脱窒処理工程では、前記メタン発酵処理水中の溶存メタンの酸化により生じた有機物を用いて、前記硝化液を脱窒処理する、
請求項８に記載の有機性排水処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２０１２−６１４３５（Ｐ２０１２−６１４３５Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０８６１８（Ｐ２０１０−２０８６１８）
【出願日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【出願人】（５９１０３０６５１）水ｉｎｇ株式会社 (94)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【出願人】（５９１０３０６５１）水ｉｎｇ株式会社 (94)
【Ｆターム（参考）】
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