有機酸生成方法、有機酸生成装置、及び排水処理設備
【課題】有機酸の生成率を向上しつつ、エネルギーの節約を図ることができる有機酸生成方法、有機酸生成装置及びこれを用いた排水処理設備を提供する。
【解決手段】有機酸生成装置１は、発酵汚泥ＳのｐＨを測定するｐＨセンサ３１と、発酵汚泥ＳのＯＲＰを測定するＯＲＰセンサ３３と、発酵汚泥ＳのｐＨを上下させるｐＨ調整装置３５と、発酵汚泥Ｓを曝気処理する曝気装置３６と、発酵汚泥ＳのｐＨ及びＯＲＰを、それぞれ予め設定された所定の目標範囲内に維持するように制御する制御部３９と、を備えている。この制御部３９は、ｐＨ測定値とＯＲＰ測定値とに基づいて、ｐＨ調整装置３５と曝気装置３６とを操作する。
【解決手段】有機酸生成装置１は、発酵汚泥ＳのｐＨを測定するｐＨセンサ３１と、発酵汚泥ＳのＯＲＰを測定するＯＲＰセンサ３３と、発酵汚泥ＳのｐＨを上下させるｐＨ調整装置３５と、発酵汚泥Ｓを曝気処理する曝気装置３６と、発酵汚泥ＳのｐＨ及びＯＲＰを、それぞれ予め設定された所定の目標範囲内に維持するように制御する制御部３９と、を備えている。この制御部３９は、ｐＨ測定値とＯＲＰ測定値とに基づいて、ｐＨ調整装置３５と曝気装置３６とを操作する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる有機酸生成方法、有機酸生成装置及び排水処理設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、河川や海、湖沼などの富栄養化による藻類やアオコの異常発生を防止すべく、生物処理法による下水の脱窒あるいは脱リン処理が行われており、この生物処理法で用いられる有機物を得るために、下水汚泥を嫌気的に発酵させる方法が知られている。このような下水汚泥を原料とした有機酸発酵処理で有機酸を生成させ、生成された有機酸を生物処理法の有機源として有効利用することができる。
【０００３】
このような汚泥の有機酸発酵処理において、生物処理法で用いられる有機酸の生成率を高めるためには、発酵中における汚泥の温度を適正化することが必要であり、下記非特許文献１には、予め定めた一定温度下において下水汚泥の発酵を効率よく行う旨が記載されている。
【非特許文献１】前凝集と担体を用いた下水高度処理システムの実用化に関する調査研究，「２００１年度 下水道新技術研究所年報」，財団法人 下水道新技術推進機構，２００２年１０月，２／２巻，Ｐ１３１−１３６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、有機酸の原料である下水汚泥の温度は、夏期には高くなり冬期には低くなるといったように、季節や天候の影響を受けて変化する。よって、非特許文献１の方法においては、発酵中の下水汚泥を一定温度に維持するために、導入される下水汚泥の温度に応じて発酵槽内を加温したり冷却したりする必要があるので、加温や冷却に係るエネルギーを大量に要する。
【０００５】
そこで、本発明は、有機酸の生成率を向上しつつ、エネルギーの節約を図ることができる有機酸生成方法、有機酸生成装置及びこれを用いた排水処理設備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】
【０００６】
本発明の有機酸生成方法は、汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる有機酸生成方法において、発酵中の汚泥のｐＨ及びＯＲＰを測定し、得られたｐＨの測定値とＯＲＰの測定値とに基づいて、発酵中の汚泥のｐＨを上下させる操作と発酵中の汚泥を曝気処理する操作とを行うことにより、発酵中の汚泥のｐＨを予め設定された所定のｐＨ目標範囲内に維持し、且つ、発酵中の汚泥のＯＲＰを予め設定された所定のＯＲＰ目標範囲内に維持するように、発酵中の汚泥のｐＨ及びＯＲＰを制御することを特徴とする。
【０００７】
この有機酸生成方法によれば、発酵中の汚泥のｐＨ及びＯＲＰ（酸化還元電位）の測定値に基づいて、発酵中の汚泥のｐＨ及びＯＲＰが、ｐＨを上下させる操作と曝気処理する操作とによって、それぞれ所定の目標範囲内に維持される。従って、発酵中の汚泥における酸生成活性とメタン生成活性との好ましいバランスを維持することができる。これにより、有機酸発酵反応により生成する有機酸の量とメタン発酵反応によってメタンガスに変化してしまう有機酸の量との収支が最適化され、最終的な有機酸の生成率が向上する。このように、有機酸の生成率を向上するための制御において、汚泥の加温や冷却のためのエネルギーを要しないので、エネルギーを節約することができる。
【０００８】
また、この場合、ｐＨ目標範囲の下限値はｐＨ４．０以上、上限値はｐＨ６．５以下の値に設定され、ＯＲＰ目標範囲の下限値は、−３００ｍＶ以上の値に設定されることが好適である。このようなｐＨ目標範囲及びＯＲＰ目標範囲が設定されれば、発酵中の汚泥において、酸生成活性とメタン生成活性との好ましいバランス維持することができる。
【０００９】
また、この場合、ＯＲＰの測定値がＯＲＰ目標範囲の下限値未満であり、且つｐＨの測定値がｐＨ目標範囲の下限値以上である場合は、発酵中の汚泥に酸性剤を添加し、ＯＲＰの測定値がＯＲＰ目標範囲の下限値未満であり、且つｐＨの測定値がｐＨ目標範囲の下限値未満である場合は、発酵中の汚泥に曝気処理を行い、ＯＲＰの測定値がＯＲＰ目標範囲内であり、且つｐＨの測定値がｐＨ目標範囲の下限値未満である場合は、発酵中の汚泥にアルカリ剤を添加し、ＯＲＰの測定値がＯＲＰ目標範囲内であり、且つｐＨの測定値がｐＨ目標範囲の上限値よりも大きい場合は、発酵中の汚泥に酸性剤を添加することが好ましい。
【００１０】
このような有機酸生成方法においては、発酵中の汚泥にアルカリ剤が添加されるとｐＨが上がり、酸性剤が添加されるとｐＨが下がる。また、発酵中の汚泥の曝気処理を行うと、汚泥のＯＲＰが上がる。したがって、ｐＨの測定値やＯＲＰの測定値が、目標範囲を外れた場合に上記のような操作を適宜選択して行うようにすることで、目標範囲内に維持させるようなフィードバック制御が可能である。
【００１１】
また、本発明の有機酸生成装置は、汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる有機酸生成装置において、発酵中の汚泥のｐＨを測定するｐＨ測定手段と、発酵中の汚泥のＯＲＰを測定するＯＲＰ測定手段と、発酵中の汚泥のｐＨを上下させるｐＨ調整手段と、発酵中の汚泥を曝気処理する曝気手段と、発酵中の汚泥のｐＨ及びＯＲＰを、それぞれ予め設定された所定の目標範囲内に維持するように制御する制御手段と、を備え、制御手段は、ｐＨ測定手段で得られたｐＨの測定値とＯＲＰ測定手段で得られたＯＲＰの測定値とに基づいて、ｐＨ調整手段と曝気手段とを操作することを特徴とする。
【００１２】
この有機酸生成装置によれば、発酵中の汚泥のｐＨ及びＯＲＰの測定値に基づいて、発酵中の汚泥のｐＨ及びＯＲＰが、ｐＨを上下させる操作と曝気処理する操作とによって、それぞれの所定の目標範囲内に維持される。従って、発酵中の汚泥における酸生成活性とメタン生成活性との好ましいバランスを維持することができる。これにより、有機酸発酵反応により生成する有機酸の量とメタン発酵反応によってメタンガスに変化してしまう有機酸の量との収支が最適化され、最終的な有機酸の生成率が向上する。このように、有機酸の生成率を向上するための制御において、汚泥の加温や冷却のためのエネルギーを要しないので、エネルギーを節約することができる。
【００１３】
また、本発明の排水処理設備は、上記の有機酸生成装置と、排水を導入し、有機酸生成装置で得られる有機酸を用いて排水を生物処理する生物処理槽と、を備えたことを特徴とする。この排水処理設備では、大量のエネルギーを要することなく上記有機酸生成装置から、排水の脱窒及び脱リン処理に必要な有機酸が効率よく得られるので、排水の処理が効率よく行われる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の有機酸生成方法、有機酸生成装置及び排水処理設備有機酸によれば、有機酸の生成率を向上しつつ、エネルギーの節約を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る有機酸生成方法、有機酸生成装置、及び排水処理設備の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１に示す排水処理設備１００は、下水処理場に採用されているもので、下水に対して、生物的窒素除去及び生物的リン除去を含む高度処理を行う設備である。図に示すように、排水処理設備１００は、最初沈殿池３、生物処理槽５、最終沈殿池７と共に有機酸生成装置１を備えている。
【００１７】
排水処理設備１００には、下水処理場の図示しない沈砂池で比較的粒径が大きい固形物が沈降分離され、布、空き缶、ビニール類等の篩渣がスクリーンにて除去され、ポンプ井よりポンプアップされた流入下水が、ラインＬ１を通じて導入される。ラインＬ１からの流入下水は、最初沈殿池３に導入され、重力沈降により最初沈殿池３の底部に沈降する生汚泥とそれ以外の上澄み液とに分離される。ここで分離された生汚泥は図示しない汚泥掻寄機で汚泥溜まり部３ａに掻き寄せられて、一部はラインＬ１１を通じて有機酸生成装置１に送られ、残りは、余剰汚泥とともに図示しない汚泥処理槽に送られて処理される。上澄み液は被処理水としてラインＬ２を通じて生物処理槽５に送られる。詳細は後述するが、有機酸生成装置１は、この生汚泥を発酵処理し、例えば、酢酸、プロピオン酸、酪酸といった有機酸を含んだ発酵液をラインＬ２０から排出する。
【００１８】
生物処理槽５は、嫌気―無酸素―好気法による生物処理を行う処理槽であり、嫌気槽５ａ、無酸素槽５ｂ、好気槽５ｃをこの順に備えている。ラインＬ２から嫌気槽５ａに導入された上澄み液である被処理水は、嫌気槽５ａ、無酸素槽５ｂ、好気槽５ｃの順に送られながら、それぞれの槽で嫌気性処理、無酸素処理、好気性処理が行われた後、ラインＬ３を通じて最終沈殿池７に送られる。このとき、ラインＬ２０を通じて、有機酸生成装置１から有機酸を含む発酵液が嫌気槽５ａに供給されることで、生物処理槽５における被処理水の脱窒反応及び脱リン反応が促進されることになる。また、好気槽５ｃには、散気装置５ｄが設けられており、送風機５ｅから送り込まれた空気により好気槽５ｃ内の被処理水を曝気する。また、好気槽５ｃの滞留液は、循環ポンプ５ｆによりラインＬ４を通じて無酸素槽５ｂに送られ、循環導入されている。ここで、ラインＬ２０から発酵液が無酸素槽５ｂに供給されてもよい。
【００１９】
最終沈殿池７に送られた生物処理水は、浮遊する活性汚泥を沈降分離させた後、ラインＬ５を通じて排出される。排出されたこの処理水は、図示しない設備において三次処理や滅菌処理が行われた後、河川等に放流される。最終沈殿池７で沈降した活性汚泥は、活性汚泥溜まり部７ａからラインＬ６を通じて排出される。排出された活性汚泥の一部は、ラインＬ７を通じて生物処理槽５の嫌気槽５ａに返送され、残りは、図示しない設備における汚泥処理工程を経て処理される。
【００２０】
上記の有機酸生成装置１について、更に詳細に説明する。有機酸生成装置１は、上述の通り、流入下水から分離された生汚泥を原料とし、生汚泥中の有機物を酸生成菌によって嫌気的に発酵させて、有機酸を得る装置である。図１に示すように、有機酸生成装置１は、汚泥貯留槽２３、酸発酵槽２７、濃縮槽４３、及び発酵液貯留槽４９を備えている。原料となる生汚泥は、ラインＬ１１を通じて装置１に導入され、まず汚泥貯留槽２３に一旦貯留され、汚泥貯留槽２３に設けられた汚泥撹拌機２５によって撹拌される。撹拌されて均一な汚泥濃度となった生汚泥は、ラインＬ１２を通じて酸発酵槽２７に導入される。
【００２１】
なお、この汚泥貯留槽２３は無くてもよく、ラインＬ１１からの生汚泥が直接酸発酵槽２７に導入されてもよい。また、汚泥貯留槽２３に導入される生汚泥の汚泥濃度が低すぎる場合には、別途汚泥濃縮槽で前濃縮した後に汚泥貯留槽２３又は酸発酵槽２７に導入することが好ましい。
【００２２】
酸発酵槽２７は、導入された生汚泥を発酵処理し有機酸を生成させる槽である。この酸発酵槽２７は、槽内に滞留する発酵汚泥Ｓを撹拌する酸発酵攪拌機２９、発酵汚泥ＳのｐＨを測定するｐＨセンサ（ｐＨ測定手段）３１、及び発酵汚泥ＳのＯＲＰ（酸化還元電位）を測定するＯＲＰセンサ（ＯＲＰ測定手段）３３を備えている。更に、酸発酵槽２７は、槽内に酸性剤（例えば、塩酸）又はアルカリ剤（例えば、水酸化ナトリウム）を投入して発酵汚泥ＳのｐＨを調整するｐＨ調整装置（ｐＨ調整手段）３５、及び発酵汚泥Ｓを曝気処理してＯＲＰを調整するための曝気装置（曝気手段）３６を備えている。曝気装置３６は、酸発酵槽２７内の底部に設けられて空気を吐き出す散気装置３６ａと、この散気装置３６ａへの空気供給装置として機能する送風機３６ｂとを有している。なお、この曝気装置３６に代えて、オゾン等の酸化性のガスを発酵汚泥Ｓに吹き込む装置を用いてもよい。
【００２３】
ｐＨセンサ３１、ＯＲＰセンサ３３は、制御部３９に接続されており、ｐＨ測定値、ＯＲＰ測定値をそれぞれ電気信号に変換して制御部３９に送信する。また、ｐＨ調整装置３５、及び曝気装置３６は、制御部３９に接続され、この制御部３９によって制御されている。詳細は後述するが、制御部３９は、ｐＨセンサ３１及びＯＲＰセンサ３３から得られたｐＨ測定値及びＯＲＰ測定値の情報に基づいて、ｐＨ調整装置３５、及び曝気装置３６を操作することで、発酵汚泥ＳのｐＨ及びＯＲＰといった発酵条件を適切に制御している。そして、酸発酵槽２７内では、制御された発酵条件下において、酸生成菌が発酵汚泥Ｓ中の有機物を分解し有機酸を生成する有機酸発酵反応が進行する。そして、この発酵反応によって生成した有機酸を含む発酵汚泥が、ラインＬ１４を通じて濃縮槽４３に送られる。
【００２４】
濃縮槽４３は円形断面をなしており、槽の下部で回転する掻き寄せブレード４７ａを有する掻寄機４７を備えている。ラインＬ１４を通じて濃縮槽４３に導入された発酵汚泥は重力沈降によって固液分離される。この固液分離によって重力沈降した固体成分の一部は、濃縮汚泥としてラインＬ１６を通じてポンプＰ２によって酸発酵槽２７に返送されて再び発酵処理される。上記重力沈降した固体成分の残りは、余剰汚泥としてラインＬ１７を通じて設備１００外に排出され、酸発酵槽２７で発生する発酵残渣等と一緒に、図示しない設備によって焼却処理あるいは消化処理される。なお、ここでは、重力沈降による固液分離を行う濃縮槽４３に代えて、分離膜で固液分離を行う膜分離槽を採用してもよい。
【００２５】
一方、濃縮槽４３で上澄みとして分離された発酵液はラインＬ１５を通じて発酵液貯留槽４９へ送られ、この発酵液貯留槽４９内で一旦貯留された後、ラインＬ２０を通じて、有機酸を含む発酵液として排出される。そして、前述のとおり、ラインＬ２０を通じて排出されたこの発酵液は、嫌気−無酸素−好気法の有機源として生物処理槽５に供給される。なお、この発酵液貯留槽４９を省略して、濃縮槽４３からの発酵液を生物処理槽５に直接供給してもよい。
【００２６】
このような排水処理設備１００においては、生物処理槽５での被処理水の脱リン処理、脱窒処理を効率よく行わせるために、有機酸生成装置１における有機酸の生成率を向上することが必要である。この装置１において、発酵汚泥Ｓには、酸生成菌ばかりでなくメタン生成菌も含まれているので、酸発酵槽２７の発酵汚泥Ｓ中では、酸生成菌が汚泥を有機酸に変化させる有機酸発酵反応と、生成した有機酸をメタン生成菌がメタンガスに変化させてしまうメタン発酵反応とが同時に進行する。このため、有機酸の生成率を向上するためには、有機酸発酵反応の活性（酸生成活性）とメタン発酵反応の活性（メタン生成活性）とのバランスを調整し、有機酸発酵反応で生成される有機酸の量と、メタン発酵反応で消費される有機酸の量との収支において、出来るだけ前者の有機酸の量を多く、後者の有機酸の量を少なくすることが好ましい。
【００２７】
ここで、酸生成活性及びメタン生成活性は、発酵汚泥Ｓの温度ばかりではなく、ｐＨ及びＯＲＰといった条件にも依存する。従って、上記のような好ましい活性のバランスを達成するためには、発酵汚泥ＳのｐＨを所定のｐＨ目標範囲内に維持すると共に、発酵汚泥ＳのＯＲＰを所定のＯＲＰ目標範囲内に維持する必要がある。
【００２８】
具体的には、発酵汚泥ＳのＯＲＰが−３００ｍＶ以下と嫌気度が高い場合や、発酵汚泥ＳのｐＨが６．５以上の場合はメタン生成活性が高すぎる。また、発酵汚泥ＳのｐＨが４．０以下の場合は酸生成活性が低すぎる。従って、発酵汚泥ＳのｐＨ目標範囲は、下限値がｐＨ４．０以上で、上限値がｐＨ６．５以下となるように設定し、ＯＲＰ目標範囲は下限値が−３００ｍＶ以上になるように設定することが好ましい。そして、ｐＨとＯＲＰとの双方が、それぞれ上記目標範囲内に維持されるように制御すればよい。なお、発酵汚泥Ｓの嫌気度が低くなりすぎることで有機酸発酵反応が阻害される不具合を避けるため、ＯＲＰ目標範囲の下限値は、−２００ｍＶ以下になるように設定することが好ましい。
【００２９】
以上のような考察に基づいて、有機酸生成装置１においては、発酵汚泥ＳのｐＨとＯＲＰとの双方を所定の目標範囲内に維持するため、制御部３９による制御が行われる。以下、有機酸生成装置１の制御部３９によって実行される具体的な処理について、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００３０】
まず、酸発酵槽２７において高い有機酸の生成率を得るための、発酵汚泥ＳのｐＨの範囲、及びＯＲＰの範囲が、それぞれ、ｐＨ目標範囲、ＯＲＰ目標範囲として設定される（Ｓ２０２）。上述の通り、ｐＨ目標範囲の下限値をＰ１、上限値をＰ２とすれば、４．０≦Ｐ１＜Ｐ２≦６．５を満たすようなＰ１，Ｐ２を採用することが好ましい。従って、ここでは、Ｐ１＝４．５，Ｐ２＝５．５を採用し、ｐＨ４．５以上かつ５．５以下の範囲をｐＨ目標範囲として設定する。また、上述の通り、ＯＲＰ目標範囲の下限値をＯＲＰ１とすれば、−３００ｍＶ≦ＯＲＰ１≦−２００ｍＶとなるようなＯＲＰ１を採用することが好ましい。従って、ここでは、ＯＲＰ１＝−２５０ｍＶを採用し、−２５０ｍＶ以上の範囲を、ＯＲＰ目標範囲として設定する。なお、ここでのＯＲＰ目標範囲には、下限値のみが存在し、上限値は設けないこととする。
【００３１】
次に、制御部３９は、ＯＲＰセンサ３３で測定された発酵汚泥ＳのＯＲＰ測定値と、ｐＨセンサ３１で測定された発酵汚泥ＳのｐＨ測定値とを、電気信号として取得する（Ｓ２０４，Ｓ２０６）。次に、制御部３９は、取得したＯＲＰ測定値と、ＯＲＰ目標範囲の下限値ＯＲＰ１との大小比較によって、このＯＲＰ測定値が、ＯＲＰ目標範囲内であるか否かを判断する（Ｓ２０８）。ここで、ＯＲＰ測定値がＯＲＰ１以上の場合、即ち、ＯＲＰ測定値がＯＲＰ目標範囲内である場合には、後述するＳ２２０に処理を進める。逆に、ＯＲＰ測定値がＯＲＰ１未満の場合、即ち、ＯＲＰ測定値がＯＲＰ目標範囲外である場合には、取得したｐＨ測定値と、ｐＨ目標範囲の下限値Ｐ１との大小比較が行われる（Ｓ２１０）。ここで、ｐＨ測定値がＰ１以上であれば、制御部３９は、ｐＨ調整装置３５に対して駆動信号を送信し、酸発酵槽２７内に酸性剤を添加させる（Ｓ２１２）。また、このＳ２１０においてｐＨ測定値がＰ１未満であれば、制御部３９は、曝気装置３６に対して駆動信号を送信し、酸発酵槽２７内に空気を送り込ませて発酵汚泥Ｓの曝気処理を行わせる（Ｓ２１４）。
【００３２】
上記Ｓ２０８において、ＯＲＰ測定値がＯＲＰ目標範囲内である場合は、ｐＨ測定値と、ｐＨ目標範囲の上限値Ｐ１，下限値Ｐ２との大小比較によって、ｐＨ測定値がｐＨ目標範囲内であるか否かを判断する（Ｓ２２０）。ここで、Ｐ１≦ｐＨ測定値≦Ｐ２が満たされる場合、即ち、ｐＨ測定値がｐＨ目標範囲内である場合には、制御を継続しない場合を除き（Ｓ２３０）、再び処理をＳ２０４へ戻す。逆に、Ｐ１≦ｐＨ測定値≦Ｐ２が満たされない場合、即ち、ｐＨ測定値がｐＨ目標範囲外である場合には、ｐＨ測定値と、ｐＨ目標範囲の下限値Ｐ１との大小比較が行われる（Ｓ２２２）。そして、ｐＨ測定値がＰ１未満であれば、制御部３９は、ｐＨ調整装置３５に対して駆動信号を送信し、酸発酵槽２７内にアルカリ剤を添加させる（Ｓ２２４）。逆に、ｐＨ測定値がＰ１以上であれば、制御部３９は、処理を上記Ｓ２１２に進め、酸発酵槽２７内にアルカリ剤を添加させる（Ｓ２１２）。その後は、制御を継続しない場合を除き（Ｓ２３０）、再び処理をＳ２０４へ戻し、上述の処理を繰り返しながら、発酵汚泥ＳのｐＨ及びＯＲＰの制御を継続する。
【００３３】
以上のような制御部３９の処理に基づく、酸発酵槽２７内のｐＨ及びＯＲＰの変化について、図３を参照しながら説明する。図３は、発酵汚泥ＳのｐＨ及びＯＲＰを表すグラフであり、横軸が発酵汚泥ＳのｐＨ、縦軸が発酵汚泥ＳのＯＲＰを示している。そして、図３には、発酵汚泥ＳのｐＨとＯＲＰとが双方とも目標範囲内の場合（ｐＨが４．５以上５．５以下、且つ、ＯＲＰが−２５０ｍＶ以上の範囲）が、領域Ａ１として示されている。
【００３４】
また、図中に示される直線Ｂは、発酵汚泥ＳのｐＨとＯＲＰとの相関関係を表すｐＨ／ＯＲＰ相関直線である。すなわち、発酵汚泥ＳのｐＨとＯＲＰとの間にも相関関係があり、発酵汚泥Ｓにアルカリ剤又は酸性剤が添加された場合には、発酵汚泥ＳのｐＨの変化に伴って、ＯＲＰもこの相関直線Ｂに沿って変化することになる。
【００３５】
有機酸生成装置１の酸発酵槽２７内において、発酵汚泥ＳのＯＲＰ測定値がＯＲＰ目標範囲の下限値−２５０ｍＶ未満であり、ｐＨ測定値がｐＨ目標範囲の下限値４．５以上（図３の領域Ａ２，Ａ３で表される状態）である場合、上述した制御部３９の処理によれば、発酵汚泥Ｓに酸性剤が添加される（図２のＳ２１２）。この酸性剤の添加によって、発酵汚泥ＳのｐＨが低下すると共に、ＯＲＰが上昇することになる。すなわち、この変化を図３のグラフ上で表すと、発酵汚泥Ｓの状態は、領域Ａ２又は領域Ａ３から相関直線Ｂに沿って左上に移動し、領域Ａ１に近づくことになる。また、この変化によって、発酵汚泥Ｓが、後述する領域Ａ４又は領域５で表される状態になる場合もあるが、この場合には後述するような処理を経由して、最終的に領域Ａ１に近づくことになる。
【００３６】
また、発酵汚泥ＳのＯＲＰ測定値がＯＲＰ目標範囲の下限値−２５０ｍＶ未満であり、ｐＨ測定値がｐＨ目標範囲の下限値４．５未満（図３の領域Ａ４で表される状態）である場合には、発酵汚泥Ｓに対して曝気処理が行われる（図２のＳ２１４）。この曝気処理によって、嫌気度が下がり発酵汚泥ＳのＯＲＰが上昇することになる。すなわち、この変化を図３上のグラフ上に表すと、発酵汚泥Ｓの状態は、領域Ａ４から後述する領域Ａ５へと移動する。そして、発酵汚泥Ｓが領域Ａ５にある状態からは、後述するようにアルカリ剤が添加され（図２のＳ２２４）、その結果、領域Ａ１に近づくことになる。
【００３７】
また、発酵汚泥ＳのＯＲＰ測定値がＯＲＰ目標範囲内であり、ｐＨ測定値がｐＨ目標範囲の下限値４．５未満（図３の領域Ａ５で表される状態）である場合には、発酵汚泥Ｓにアルカリ剤が添加される（図２のＳ２２４）。このアルカリ剤の添加によって、発酵汚泥ＳのｐＨが上昇すると共に、ＯＲＰが低下することになる。すなわち、この変化を図３のグラフ上に表すと、発酵汚泥Ｓの状態は、領域Ａ５から相関直線Ｂに沿って右下に移動し、領域Ａ１に近づくことになる。また、この変化によって、発酵汚泥Ｓが領域Ａ４或いはＡ２で表される状態になる場合もあるが、それらの場合には前述した処理を経由して、最終的に領域Ａ１に近づくことになる。
【００３８】
また、発酵汚泥ＳのＯＲＰ測定値がＯＲＰ目標範囲内であり、ｐＨ測定値がｐＨ目標範囲の上限値５．５よりも大きい状態（図３の領域Ａ６で表される状態）である場合には、発酵汚泥Ｓに酸性剤が添加される（図２のＳ２１２）。この酸性剤の添加によって、発酵汚泥ＳのｐＨが低下すると共に、ＯＲＰが上昇することになる。すなわち、この変化を図３のグラフ上で表すと、発酵汚泥Ｓの状態は、領域Ａ６から相関直線Ｂに沿って左上に移動し、領域Ａ１に近づくことになる。
【００３９】
以上のように、制御部３９による処理によれば、ｐＨ測定値及びＯＲＰ測定値が目標範囲を外れた場合にも、発酵汚泥ＳのｐＨ及びＯＲＰが目標範囲（図３の領域Ａ１で表される状態）に近づくように、酸性剤の添加、アルカリ剤の添加、及び曝気処理が行われる。制御部３９によるこのようなｐＨ及びＯＲＰのフィードバック制御によって、発酵汚泥ＳのｐＨ及びＯＲＰが目標範囲内に維持される。その結果、発酵汚泥Ｓにおける酸生成活性とメタン生成活性とのバランスが最適に維持されるので、有機酸生成装置１における有機酸の生成率を向上することができる。このように、有機酸の生成率を向上するための制御において、発酵汚泥Ｓの加温や冷却が不要であり、加温／冷却のためのエネルギーを要しないので、エネルギーを節約することができる。また、排水処理設備１００では、大量のエネルギーを要することなく、有機酸生成装置１から、排水の脱窒及び脱リン処理に必要な有機酸が効率よく生物処理槽５に供給されるので、排水の処理が効率よく行われる。
【００４０】
また、この有機酸生成装置１では、ＯＲＰがＯＲＰ目標範囲よりも低い場合であっても、ｐＨがある程度高い状態（図３の領域Ａ２，Ａ３で表される状態）にあっては、曝気処理を用いずに、酸性剤の添加によってＯＲＰを目標範囲に調整している。従って、このような制御によれば、発酵汚泥Ｓの曝気処理の頻度を少なくすることができる。曝気処理では、発酵汚泥Ｓ中の酸生成菌の一部が液面に浮上し機能しなくなってしまうといった問題が発生するが、有機酸生成装置１によれば、そのような問題を抑制することができる。また、曝気処理の頻度が少なくなることから、有機酸生成装置１によれば、曝気による酸生成菌の活性低下も抑制することができる。その結果、発酵汚泥Ｓにおける酸生成活性の低下を頻繁に招くことなく、発酵汚泥ＳのｐＨ及びＯＲＰを調整することができる。
【００４１】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、有機酸生成装置１に導入される有機酸の原料としての汚泥は、最初沈殿池３で発生する汚泥に限られず、最終沈殿池７で発生する汚泥であってもよいし、最初沈殿池３の汚泥と最終沈殿池７の汚泥とを併用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る排水処理設備の一実施形態を示す図である。
【図２】有機酸生成装置における発酵汚泥のｐＨ及びＯＲＰの制御のフロー図である。
【図３】発酵汚泥のｐＨ及びＯＲＰを表すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１…有機酸生成装置、５…生物処理槽、３１…ｐＨセンサ（ｐＨ測定手段）、３３…ＯＲＰセンサ（ＯＲＰ測定手段）、３６…曝気装置（曝気手段）、３９…制御部（制御手段）、１００…排水処理設備。
【技術分野】
【０００１】
本発明は汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる有機酸生成方法、有機酸生成装置及び排水処理設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、河川や海、湖沼などの富栄養化による藻類やアオコの異常発生を防止すべく、生物処理法による下水の脱窒あるいは脱リン処理が行われており、この生物処理法で用いられる有機物を得るために、下水汚泥を嫌気的に発酵させる方法が知られている。このような下水汚泥を原料とした有機酸発酵処理で有機酸を生成させ、生成された有機酸を生物処理法の有機源として有効利用することができる。
【０００３】
このような汚泥の有機酸発酵処理において、生物処理法で用いられる有機酸の生成率を高めるためには、発酵中における汚泥の温度を適正化することが必要であり、下記非特許文献１には、予め定めた一定温度下において下水汚泥の発酵を効率よく行う旨が記載されている。
【非特許文献１】前凝集と担体を用いた下水高度処理システムの実用化に関する調査研究，「２００１年度 下水道新技術研究所年報」，財団法人 下水道新技術推進機構，２００２年１０月，２／２巻，Ｐ１３１−１３６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、有機酸の原料である下水汚泥の温度は、夏期には高くなり冬期には低くなるといったように、季節や天候の影響を受けて変化する。よって、非特許文献１の方法においては、発酵中の下水汚泥を一定温度に維持するために、導入される下水汚泥の温度に応じて発酵槽内を加温したり冷却したりする必要があるので、加温や冷却に係るエネルギーを大量に要する。
【０００５】
そこで、本発明は、有機酸の生成率を向上しつつ、エネルギーの節約を図ることができる有機酸生成方法、有機酸生成装置及びこれを用いた排水処理設備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】
【０００６】
本発明の有機酸生成方法は、汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる有機酸生成方法において、発酵中の汚泥のｐＨ及びＯＲＰを測定し、得られたｐＨの測定値とＯＲＰの測定値とに基づいて、発酵中の汚泥のｐＨを上下させる操作と発酵中の汚泥を曝気処理する操作とを行うことにより、発酵中の汚泥のｐＨを予め設定された所定のｐＨ目標範囲内に維持し、且つ、発酵中の汚泥のＯＲＰを予め設定された所定のＯＲＰ目標範囲内に維持するように、発酵中の汚泥のｐＨ及びＯＲＰを制御することを特徴とする。
【０００７】
この有機酸生成方法によれば、発酵中の汚泥のｐＨ及びＯＲＰ（酸化還元電位）の測定値に基づいて、発酵中の汚泥のｐＨ及びＯＲＰが、ｐＨを上下させる操作と曝気処理する操作とによって、それぞれ所定の目標範囲内に維持される。従って、発酵中の汚泥における酸生成活性とメタン生成活性との好ましいバランスを維持することができる。これにより、有機酸発酵反応により生成する有機酸の量とメタン発酵反応によってメタンガスに変化してしまう有機酸の量との収支が最適化され、最終的な有機酸の生成率が向上する。このように、有機酸の生成率を向上するための制御において、汚泥の加温や冷却のためのエネルギーを要しないので、エネルギーを節約することができる。
【０００８】
また、この場合、ｐＨ目標範囲の下限値はｐＨ４．０以上、上限値はｐＨ６．５以下の値に設定され、ＯＲＰ目標範囲の下限値は、−３００ｍＶ以上の値に設定されることが好適である。このようなｐＨ目標範囲及びＯＲＰ目標範囲が設定されれば、発酵中の汚泥において、酸生成活性とメタン生成活性との好ましいバランス維持することができる。
【０００９】
また、この場合、ＯＲＰの測定値がＯＲＰ目標範囲の下限値未満であり、且つｐＨの測定値がｐＨ目標範囲の下限値以上である場合は、発酵中の汚泥に酸性剤を添加し、ＯＲＰの測定値がＯＲＰ目標範囲の下限値未満であり、且つｐＨの測定値がｐＨ目標範囲の下限値未満である場合は、発酵中の汚泥に曝気処理を行い、ＯＲＰの測定値がＯＲＰ目標範囲内であり、且つｐＨの測定値がｐＨ目標範囲の下限値未満である場合は、発酵中の汚泥にアルカリ剤を添加し、ＯＲＰの測定値がＯＲＰ目標範囲内であり、且つｐＨの測定値がｐＨ目標範囲の上限値よりも大きい場合は、発酵中の汚泥に酸性剤を添加することが好ましい。
【００１０】
このような有機酸生成方法においては、発酵中の汚泥にアルカリ剤が添加されるとｐＨが上がり、酸性剤が添加されるとｐＨが下がる。また、発酵中の汚泥の曝気処理を行うと、汚泥のＯＲＰが上がる。したがって、ｐＨの測定値やＯＲＰの測定値が、目標範囲を外れた場合に上記のような操作を適宜選択して行うようにすることで、目標範囲内に維持させるようなフィードバック制御が可能である。
【００１１】
また、本発明の有機酸生成装置は、汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる有機酸生成装置において、発酵中の汚泥のｐＨを測定するｐＨ測定手段と、発酵中の汚泥のＯＲＰを測定するＯＲＰ測定手段と、発酵中の汚泥のｐＨを上下させるｐＨ調整手段と、発酵中の汚泥を曝気処理する曝気手段と、発酵中の汚泥のｐＨ及びＯＲＰを、それぞれ予め設定された所定の目標範囲内に維持するように制御する制御手段と、を備え、制御手段は、ｐＨ測定手段で得られたｐＨの測定値とＯＲＰ測定手段で得られたＯＲＰの測定値とに基づいて、ｐＨ調整手段と曝気手段とを操作することを特徴とする。
【００１２】
この有機酸生成装置によれば、発酵中の汚泥のｐＨ及びＯＲＰの測定値に基づいて、発酵中の汚泥のｐＨ及びＯＲＰが、ｐＨを上下させる操作と曝気処理する操作とによって、それぞれの所定の目標範囲内に維持される。従って、発酵中の汚泥における酸生成活性とメタン生成活性との好ましいバランスを維持することができる。これにより、有機酸発酵反応により生成する有機酸の量とメタン発酵反応によってメタンガスに変化してしまう有機酸の量との収支が最適化され、最終的な有機酸の生成率が向上する。このように、有機酸の生成率を向上するための制御において、汚泥の加温や冷却のためのエネルギーを要しないので、エネルギーを節約することができる。
【００１３】
また、本発明の排水処理設備は、上記の有機酸生成装置と、排水を導入し、有機酸生成装置で得られる有機酸を用いて排水を生物処理する生物処理槽と、を備えたことを特徴とする。この排水処理設備では、大量のエネルギーを要することなく上記有機酸生成装置から、排水の脱窒及び脱リン処理に必要な有機酸が効率よく得られるので、排水の処理が効率よく行われる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の有機酸生成方法、有機酸生成装置及び排水処理設備有機酸によれば、有機酸の生成率を向上しつつ、エネルギーの節約を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る有機酸生成方法、有機酸生成装置、及び排水処理設備の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１に示す排水処理設備１００は、下水処理場に採用されているもので、下水に対して、生物的窒素除去及び生物的リン除去を含む高度処理を行う設備である。図に示すように、排水処理設備１００は、最初沈殿池３、生物処理槽５、最終沈殿池７と共に有機酸生成装置１を備えている。
【００１７】
排水処理設備１００には、下水処理場の図示しない沈砂池で比較的粒径が大きい固形物が沈降分離され、布、空き缶、ビニール類等の篩渣がスクリーンにて除去され、ポンプ井よりポンプアップされた流入下水が、ラインＬ１を通じて導入される。ラインＬ１からの流入下水は、最初沈殿池３に導入され、重力沈降により最初沈殿池３の底部に沈降する生汚泥とそれ以外の上澄み液とに分離される。ここで分離された生汚泥は図示しない汚泥掻寄機で汚泥溜まり部３ａに掻き寄せられて、一部はラインＬ１１を通じて有機酸生成装置１に送られ、残りは、余剰汚泥とともに図示しない汚泥処理槽に送られて処理される。上澄み液は被処理水としてラインＬ２を通じて生物処理槽５に送られる。詳細は後述するが、有機酸生成装置１は、この生汚泥を発酵処理し、例えば、酢酸、プロピオン酸、酪酸といった有機酸を含んだ発酵液をラインＬ２０から排出する。
【００１８】
生物処理槽５は、嫌気―無酸素―好気法による生物処理を行う処理槽であり、嫌気槽５ａ、無酸素槽５ｂ、好気槽５ｃをこの順に備えている。ラインＬ２から嫌気槽５ａに導入された上澄み液である被処理水は、嫌気槽５ａ、無酸素槽５ｂ、好気槽５ｃの順に送られながら、それぞれの槽で嫌気性処理、無酸素処理、好気性処理が行われた後、ラインＬ３を通じて最終沈殿池７に送られる。このとき、ラインＬ２０を通じて、有機酸生成装置１から有機酸を含む発酵液が嫌気槽５ａに供給されることで、生物処理槽５における被処理水の脱窒反応及び脱リン反応が促進されることになる。また、好気槽５ｃには、散気装置５ｄが設けられており、送風機５ｅから送り込まれた空気により好気槽５ｃ内の被処理水を曝気する。また、好気槽５ｃの滞留液は、循環ポンプ５ｆによりラインＬ４を通じて無酸素槽５ｂに送られ、循環導入されている。ここで、ラインＬ２０から発酵液が無酸素槽５ｂに供給されてもよい。
【００１９】
最終沈殿池７に送られた生物処理水は、浮遊する活性汚泥を沈降分離させた後、ラインＬ５を通じて排出される。排出されたこの処理水は、図示しない設備において三次処理や滅菌処理が行われた後、河川等に放流される。最終沈殿池７で沈降した活性汚泥は、活性汚泥溜まり部７ａからラインＬ６を通じて排出される。排出された活性汚泥の一部は、ラインＬ７を通じて生物処理槽５の嫌気槽５ａに返送され、残りは、図示しない設備における汚泥処理工程を経て処理される。
【００２０】
上記の有機酸生成装置１について、更に詳細に説明する。有機酸生成装置１は、上述の通り、流入下水から分離された生汚泥を原料とし、生汚泥中の有機物を酸生成菌によって嫌気的に発酵させて、有機酸を得る装置である。図１に示すように、有機酸生成装置１は、汚泥貯留槽２３、酸発酵槽２７、濃縮槽４３、及び発酵液貯留槽４９を備えている。原料となる生汚泥は、ラインＬ１１を通じて装置１に導入され、まず汚泥貯留槽２３に一旦貯留され、汚泥貯留槽２３に設けられた汚泥撹拌機２５によって撹拌される。撹拌されて均一な汚泥濃度となった生汚泥は、ラインＬ１２を通じて酸発酵槽２７に導入される。
【００２１】
なお、この汚泥貯留槽２３は無くてもよく、ラインＬ１１からの生汚泥が直接酸発酵槽２７に導入されてもよい。また、汚泥貯留槽２３に導入される生汚泥の汚泥濃度が低すぎる場合には、別途汚泥濃縮槽で前濃縮した後に汚泥貯留槽２３又は酸発酵槽２７に導入することが好ましい。
【００２２】
酸発酵槽２７は、導入された生汚泥を発酵処理し有機酸を生成させる槽である。この酸発酵槽２７は、槽内に滞留する発酵汚泥Ｓを撹拌する酸発酵攪拌機２９、発酵汚泥ＳのｐＨを測定するｐＨセンサ（ｐＨ測定手段）３１、及び発酵汚泥ＳのＯＲＰ（酸化還元電位）を測定するＯＲＰセンサ（ＯＲＰ測定手段）３３を備えている。更に、酸発酵槽２７は、槽内に酸性剤（例えば、塩酸）又はアルカリ剤（例えば、水酸化ナトリウム）を投入して発酵汚泥ＳのｐＨを調整するｐＨ調整装置（ｐＨ調整手段）３５、及び発酵汚泥Ｓを曝気処理してＯＲＰを調整するための曝気装置（曝気手段）３６を備えている。曝気装置３６は、酸発酵槽２７内の底部に設けられて空気を吐き出す散気装置３６ａと、この散気装置３６ａへの空気供給装置として機能する送風機３６ｂとを有している。なお、この曝気装置３６に代えて、オゾン等の酸化性のガスを発酵汚泥Ｓに吹き込む装置を用いてもよい。
【００２３】
ｐＨセンサ３１、ＯＲＰセンサ３３は、制御部３９に接続されており、ｐＨ測定値、ＯＲＰ測定値をそれぞれ電気信号に変換して制御部３９に送信する。また、ｐＨ調整装置３５、及び曝気装置３６は、制御部３９に接続され、この制御部３９によって制御されている。詳細は後述するが、制御部３９は、ｐＨセンサ３１及びＯＲＰセンサ３３から得られたｐＨ測定値及びＯＲＰ測定値の情報に基づいて、ｐＨ調整装置３５、及び曝気装置３６を操作することで、発酵汚泥ＳのｐＨ及びＯＲＰといった発酵条件を適切に制御している。そして、酸発酵槽２７内では、制御された発酵条件下において、酸生成菌が発酵汚泥Ｓ中の有機物を分解し有機酸を生成する有機酸発酵反応が進行する。そして、この発酵反応によって生成した有機酸を含む発酵汚泥が、ラインＬ１４を通じて濃縮槽４３に送られる。
【００２４】
濃縮槽４３は円形断面をなしており、槽の下部で回転する掻き寄せブレード４７ａを有する掻寄機４７を備えている。ラインＬ１４を通じて濃縮槽４３に導入された発酵汚泥は重力沈降によって固液分離される。この固液分離によって重力沈降した固体成分の一部は、濃縮汚泥としてラインＬ１６を通じてポンプＰ２によって酸発酵槽２７に返送されて再び発酵処理される。上記重力沈降した固体成分の残りは、余剰汚泥としてラインＬ１７を通じて設備１００外に排出され、酸発酵槽２７で発生する発酵残渣等と一緒に、図示しない設備によって焼却処理あるいは消化処理される。なお、ここでは、重力沈降による固液分離を行う濃縮槽４３に代えて、分離膜で固液分離を行う膜分離槽を採用してもよい。
【００２５】
一方、濃縮槽４３で上澄みとして分離された発酵液はラインＬ１５を通じて発酵液貯留槽４９へ送られ、この発酵液貯留槽４９内で一旦貯留された後、ラインＬ２０を通じて、有機酸を含む発酵液として排出される。そして、前述のとおり、ラインＬ２０を通じて排出されたこの発酵液は、嫌気−無酸素−好気法の有機源として生物処理槽５に供給される。なお、この発酵液貯留槽４９を省略して、濃縮槽４３からの発酵液を生物処理槽５に直接供給してもよい。
【００２６】
このような排水処理設備１００においては、生物処理槽５での被処理水の脱リン処理、脱窒処理を効率よく行わせるために、有機酸生成装置１における有機酸の生成率を向上することが必要である。この装置１において、発酵汚泥Ｓには、酸生成菌ばかりでなくメタン生成菌も含まれているので、酸発酵槽２７の発酵汚泥Ｓ中では、酸生成菌が汚泥を有機酸に変化させる有機酸発酵反応と、生成した有機酸をメタン生成菌がメタンガスに変化させてしまうメタン発酵反応とが同時に進行する。このため、有機酸の生成率を向上するためには、有機酸発酵反応の活性（酸生成活性）とメタン発酵反応の活性（メタン生成活性）とのバランスを調整し、有機酸発酵反応で生成される有機酸の量と、メタン発酵反応で消費される有機酸の量との収支において、出来るだけ前者の有機酸の量を多く、後者の有機酸の量を少なくすることが好ましい。
【００２７】
ここで、酸生成活性及びメタン生成活性は、発酵汚泥Ｓの温度ばかりではなく、ｐＨ及びＯＲＰといった条件にも依存する。従って、上記のような好ましい活性のバランスを達成するためには、発酵汚泥ＳのｐＨを所定のｐＨ目標範囲内に維持すると共に、発酵汚泥ＳのＯＲＰを所定のＯＲＰ目標範囲内に維持する必要がある。
【００２８】
具体的には、発酵汚泥ＳのＯＲＰが−３００ｍＶ以下と嫌気度が高い場合や、発酵汚泥ＳのｐＨが６．５以上の場合はメタン生成活性が高すぎる。また、発酵汚泥ＳのｐＨが４．０以下の場合は酸生成活性が低すぎる。従って、発酵汚泥ＳのｐＨ目標範囲は、下限値がｐＨ４．０以上で、上限値がｐＨ６．５以下となるように設定し、ＯＲＰ目標範囲は下限値が−３００ｍＶ以上になるように設定することが好ましい。そして、ｐＨとＯＲＰとの双方が、それぞれ上記目標範囲内に維持されるように制御すればよい。なお、発酵汚泥Ｓの嫌気度が低くなりすぎることで有機酸発酵反応が阻害される不具合を避けるため、ＯＲＰ目標範囲の下限値は、−２００ｍＶ以下になるように設定することが好ましい。
【００２９】
以上のような考察に基づいて、有機酸生成装置１においては、発酵汚泥ＳのｐＨとＯＲＰとの双方を所定の目標範囲内に維持するため、制御部３９による制御が行われる。以下、有機酸生成装置１の制御部３９によって実行される具体的な処理について、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００３０】
まず、酸発酵槽２７において高い有機酸の生成率を得るための、発酵汚泥ＳのｐＨの範囲、及びＯＲＰの範囲が、それぞれ、ｐＨ目標範囲、ＯＲＰ目標範囲として設定される（Ｓ２０２）。上述の通り、ｐＨ目標範囲の下限値をＰ１、上限値をＰ２とすれば、４．０≦Ｐ１＜Ｐ２≦６．５を満たすようなＰ１，Ｐ２を採用することが好ましい。従って、ここでは、Ｐ１＝４．５，Ｐ２＝５．５を採用し、ｐＨ４．５以上かつ５．５以下の範囲をｐＨ目標範囲として設定する。また、上述の通り、ＯＲＰ目標範囲の下限値をＯＲＰ１とすれば、−３００ｍＶ≦ＯＲＰ１≦−２００ｍＶとなるようなＯＲＰ１を採用することが好ましい。従って、ここでは、ＯＲＰ１＝−２５０ｍＶを採用し、−２５０ｍＶ以上の範囲を、ＯＲＰ目標範囲として設定する。なお、ここでのＯＲＰ目標範囲には、下限値のみが存在し、上限値は設けないこととする。
【００３１】
次に、制御部３９は、ＯＲＰセンサ３３で測定された発酵汚泥ＳのＯＲＰ測定値と、ｐＨセンサ３１で測定された発酵汚泥ＳのｐＨ測定値とを、電気信号として取得する（Ｓ２０４，Ｓ２０６）。次に、制御部３９は、取得したＯＲＰ測定値と、ＯＲＰ目標範囲の下限値ＯＲＰ１との大小比較によって、このＯＲＰ測定値が、ＯＲＰ目標範囲内であるか否かを判断する（Ｓ２０８）。ここで、ＯＲＰ測定値がＯＲＰ１以上の場合、即ち、ＯＲＰ測定値がＯＲＰ目標範囲内である場合には、後述するＳ２２０に処理を進める。逆に、ＯＲＰ測定値がＯＲＰ１未満の場合、即ち、ＯＲＰ測定値がＯＲＰ目標範囲外である場合には、取得したｐＨ測定値と、ｐＨ目標範囲の下限値Ｐ１との大小比較が行われる（Ｓ２１０）。ここで、ｐＨ測定値がＰ１以上であれば、制御部３９は、ｐＨ調整装置３５に対して駆動信号を送信し、酸発酵槽２７内に酸性剤を添加させる（Ｓ２１２）。また、このＳ２１０においてｐＨ測定値がＰ１未満であれば、制御部３９は、曝気装置３６に対して駆動信号を送信し、酸発酵槽２７内に空気を送り込ませて発酵汚泥Ｓの曝気処理を行わせる（Ｓ２１４）。
【００３２】
上記Ｓ２０８において、ＯＲＰ測定値がＯＲＰ目標範囲内である場合は、ｐＨ測定値と、ｐＨ目標範囲の上限値Ｐ１，下限値Ｐ２との大小比較によって、ｐＨ測定値がｐＨ目標範囲内であるか否かを判断する（Ｓ２２０）。ここで、Ｐ１≦ｐＨ測定値≦Ｐ２が満たされる場合、即ち、ｐＨ測定値がｐＨ目標範囲内である場合には、制御を継続しない場合を除き（Ｓ２３０）、再び処理をＳ２０４へ戻す。逆に、Ｐ１≦ｐＨ測定値≦Ｐ２が満たされない場合、即ち、ｐＨ測定値がｐＨ目標範囲外である場合には、ｐＨ測定値と、ｐＨ目標範囲の下限値Ｐ１との大小比較が行われる（Ｓ２２２）。そして、ｐＨ測定値がＰ１未満であれば、制御部３９は、ｐＨ調整装置３５に対して駆動信号を送信し、酸発酵槽２７内にアルカリ剤を添加させる（Ｓ２２４）。逆に、ｐＨ測定値がＰ１以上であれば、制御部３９は、処理を上記Ｓ２１２に進め、酸発酵槽２７内にアルカリ剤を添加させる（Ｓ２１２）。その後は、制御を継続しない場合を除き（Ｓ２３０）、再び処理をＳ２０４へ戻し、上述の処理を繰り返しながら、発酵汚泥ＳのｐＨ及びＯＲＰの制御を継続する。
【００３３】
以上のような制御部３９の処理に基づく、酸発酵槽２７内のｐＨ及びＯＲＰの変化について、図３を参照しながら説明する。図３は、発酵汚泥ＳのｐＨ及びＯＲＰを表すグラフであり、横軸が発酵汚泥ＳのｐＨ、縦軸が発酵汚泥ＳのＯＲＰを示している。そして、図３には、発酵汚泥ＳのｐＨとＯＲＰとが双方とも目標範囲内の場合（ｐＨが４．５以上５．５以下、且つ、ＯＲＰが−２５０ｍＶ以上の範囲）が、領域Ａ１として示されている。
【００３４】
また、図中に示される直線Ｂは、発酵汚泥ＳのｐＨとＯＲＰとの相関関係を表すｐＨ／ＯＲＰ相関直線である。すなわち、発酵汚泥ＳのｐＨとＯＲＰとの間にも相関関係があり、発酵汚泥Ｓにアルカリ剤又は酸性剤が添加された場合には、発酵汚泥ＳのｐＨの変化に伴って、ＯＲＰもこの相関直線Ｂに沿って変化することになる。
【００３５】
有機酸生成装置１の酸発酵槽２７内において、発酵汚泥ＳのＯＲＰ測定値がＯＲＰ目標範囲の下限値−２５０ｍＶ未満であり、ｐＨ測定値がｐＨ目標範囲の下限値４．５以上（図３の領域Ａ２，Ａ３で表される状態）である場合、上述した制御部３９の処理によれば、発酵汚泥Ｓに酸性剤が添加される（図２のＳ２１２）。この酸性剤の添加によって、発酵汚泥ＳのｐＨが低下すると共に、ＯＲＰが上昇することになる。すなわち、この変化を図３のグラフ上で表すと、発酵汚泥Ｓの状態は、領域Ａ２又は領域Ａ３から相関直線Ｂに沿って左上に移動し、領域Ａ１に近づくことになる。また、この変化によって、発酵汚泥Ｓが、後述する領域Ａ４又は領域５で表される状態になる場合もあるが、この場合には後述するような処理を経由して、最終的に領域Ａ１に近づくことになる。
【００３６】
また、発酵汚泥ＳのＯＲＰ測定値がＯＲＰ目標範囲の下限値−２５０ｍＶ未満であり、ｐＨ測定値がｐＨ目標範囲の下限値４．５未満（図３の領域Ａ４で表される状態）である場合には、発酵汚泥Ｓに対して曝気処理が行われる（図２のＳ２１４）。この曝気処理によって、嫌気度が下がり発酵汚泥ＳのＯＲＰが上昇することになる。すなわち、この変化を図３上のグラフ上に表すと、発酵汚泥Ｓの状態は、領域Ａ４から後述する領域Ａ５へと移動する。そして、発酵汚泥Ｓが領域Ａ５にある状態からは、後述するようにアルカリ剤が添加され（図２のＳ２２４）、その結果、領域Ａ１に近づくことになる。
【００３７】
また、発酵汚泥ＳのＯＲＰ測定値がＯＲＰ目標範囲内であり、ｐＨ測定値がｐＨ目標範囲の下限値４．５未満（図３の領域Ａ５で表される状態）である場合には、発酵汚泥Ｓにアルカリ剤が添加される（図２のＳ２２４）。このアルカリ剤の添加によって、発酵汚泥ＳのｐＨが上昇すると共に、ＯＲＰが低下することになる。すなわち、この変化を図３のグラフ上に表すと、発酵汚泥Ｓの状態は、領域Ａ５から相関直線Ｂに沿って右下に移動し、領域Ａ１に近づくことになる。また、この変化によって、発酵汚泥Ｓが領域Ａ４或いはＡ２で表される状態になる場合もあるが、それらの場合には前述した処理を経由して、最終的に領域Ａ１に近づくことになる。
【００３８】
また、発酵汚泥ＳのＯＲＰ測定値がＯＲＰ目標範囲内であり、ｐＨ測定値がｐＨ目標範囲の上限値５．５よりも大きい状態（図３の領域Ａ６で表される状態）である場合には、発酵汚泥Ｓに酸性剤が添加される（図２のＳ２１２）。この酸性剤の添加によって、発酵汚泥ＳのｐＨが低下すると共に、ＯＲＰが上昇することになる。すなわち、この変化を図３のグラフ上で表すと、発酵汚泥Ｓの状態は、領域Ａ６から相関直線Ｂに沿って左上に移動し、領域Ａ１に近づくことになる。
【００３９】
以上のように、制御部３９による処理によれば、ｐＨ測定値及びＯＲＰ測定値が目標範囲を外れた場合にも、発酵汚泥ＳのｐＨ及びＯＲＰが目標範囲（図３の領域Ａ１で表される状態）に近づくように、酸性剤の添加、アルカリ剤の添加、及び曝気処理が行われる。制御部３９によるこのようなｐＨ及びＯＲＰのフィードバック制御によって、発酵汚泥ＳのｐＨ及びＯＲＰが目標範囲内に維持される。その結果、発酵汚泥Ｓにおける酸生成活性とメタン生成活性とのバランスが最適に維持されるので、有機酸生成装置１における有機酸の生成率を向上することができる。このように、有機酸の生成率を向上するための制御において、発酵汚泥Ｓの加温や冷却が不要であり、加温／冷却のためのエネルギーを要しないので、エネルギーを節約することができる。また、排水処理設備１００では、大量のエネルギーを要することなく、有機酸生成装置１から、排水の脱窒及び脱リン処理に必要な有機酸が効率よく生物処理槽５に供給されるので、排水の処理が効率よく行われる。
【００４０】
また、この有機酸生成装置１では、ＯＲＰがＯＲＰ目標範囲よりも低い場合であっても、ｐＨがある程度高い状態（図３の領域Ａ２，Ａ３で表される状態）にあっては、曝気処理を用いずに、酸性剤の添加によってＯＲＰを目標範囲に調整している。従って、このような制御によれば、発酵汚泥Ｓの曝気処理の頻度を少なくすることができる。曝気処理では、発酵汚泥Ｓ中の酸生成菌の一部が液面に浮上し機能しなくなってしまうといった問題が発生するが、有機酸生成装置１によれば、そのような問題を抑制することができる。また、曝気処理の頻度が少なくなることから、有機酸生成装置１によれば、曝気による酸生成菌の活性低下も抑制することができる。その結果、発酵汚泥Ｓにおける酸生成活性の低下を頻繁に招くことなく、発酵汚泥ＳのｐＨ及びＯＲＰを調整することができる。
【００４１】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、有機酸生成装置１に導入される有機酸の原料としての汚泥は、最初沈殿池３で発生する汚泥に限られず、最終沈殿池７で発生する汚泥であってもよいし、最初沈殿池３の汚泥と最終沈殿池７の汚泥とを併用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る排水処理設備の一実施形態を示す図である。
【図２】有機酸生成装置における発酵汚泥のｐＨ及びＯＲＰの制御のフロー図である。
【図３】発酵汚泥のｐＨ及びＯＲＰを表すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１…有機酸生成装置、５…生物処理槽、３１…ｐＨセンサ（ｐＨ測定手段）、３３…ＯＲＰセンサ（ＯＲＰ測定手段）、３６…曝気装置（曝気手段）、３９…制御部（制御手段）、１００…排水処理設備。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる有機酸生成方法において、
発酵中の前記汚泥のｐＨ及びＯＲＰを測定し、
得られた前記ｐＨの測定値と前記ＯＲＰの測定値とに基づいて、発酵中の前記汚泥のｐＨを上下させる操作と発酵中の前記汚泥を曝気処理する操作とを行うことにより、
前記発酵中の前記汚泥のｐＨを予め設定された所定のｐＨ目標範囲内に維持し、且つ、前記発酵中の前記汚泥のＯＲＰを予め設定された所定のＯＲＰ目標範囲内に維持するように、前記発酵中の汚泥の前記ｐＨ及び前記ＯＲＰを制御することを特徴とする有機酸生成方法。
【請求項２】
前記ｐＨ目標範囲の下限値はｐＨ４．０以上、上限値はｐＨ６．５以下の値に設定され、
前記ＯＲＰ目標範囲の下限値は、−３００ｍＶ以上の値に設定されることを特徴とする請求項１に記載の有機酸生成方法。
【請求項３】
前記ＯＲＰの測定値が前記ＯＲＰ目標範囲の下限値未満であり、且つ前記ｐＨの測定値が前記ｐＨ目標範囲の下限値以上である場合は、発酵中の前記汚泥に酸性剤を添加し、
前記ＯＲＰの測定値が前記ＯＲＰ目標範囲の下限値未満であり、且つ前記ｐＨの測定値が前記ｐＨ目標範囲の下限値未満である場合は、発酵中の前記汚泥に曝気処理を行い、
前記ＯＲＰの測定値が前記ＯＲＰ目標範囲内であり、且つ前記ｐＨの測定値が前記ｐＨ目標範囲の下限値未満である場合は、発酵中の前記汚泥にアルカリ剤を添加し、
前記ＯＲＰの測定値が前記ＯＲＰ目標範囲内であり、且つ前記ｐＨの測定値が前記ｐＨ目標範囲の上限値よりも大きい場合は、発酵中の前記汚泥に酸性剤を添加することを特徴とする請求項１又は２に記載の有機酸生成方法。
【請求項４】
汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる有機酸生成装置において、
発酵中の前記汚泥の前記ｐＨを測定するｐＨ測定手段と、
発酵中の前記汚泥の前記ＯＲＰを測定するＯＲＰ測定手段と、
発酵中の前記汚泥のｐＨを上下させるｐＨ調整手段と、
発酵中の前記汚泥を曝気処理する曝気手段と、
発酵中の前記汚泥のｐＨ及びＯＲＰを、それぞれ予め設定された所定の目標範囲内に維持するように制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記ｐＨ測定手段で得られた前記ｐＨの測定値と前記ＯＲＰ測定手段で得られた前記ＯＲＰの測定値とに基づいて、前記ｐＨ調整手段と前記曝気手段とを操作することを特徴とする有機酸生成装置。
【請求項５】
請求項４に記載の有機酸生成装置と、
排水を導入し、前記有機酸生成装置で得られる有機酸を用いて前記排水を生物処理する生物処理槽と、を備えたことを特徴とする排水処理設備。
【請求項１】
汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる有機酸生成方法において、
発酵中の前記汚泥のｐＨ及びＯＲＰを測定し、
得られた前記ｐＨの測定値と前記ＯＲＰの測定値とに基づいて、発酵中の前記汚泥のｐＨを上下させる操作と発酵中の前記汚泥を曝気処理する操作とを行うことにより、
前記発酵中の前記汚泥のｐＨを予め設定された所定のｐＨ目標範囲内に維持し、且つ、前記発酵中の前記汚泥のＯＲＰを予め設定された所定のＯＲＰ目標範囲内に維持するように、前記発酵中の汚泥の前記ｐＨ及び前記ＯＲＰを制御することを特徴とする有機酸生成方法。
【請求項２】
前記ｐＨ目標範囲の下限値はｐＨ４．０以上、上限値はｐＨ６．５以下の値に設定され、
前記ＯＲＰ目標範囲の下限値は、−３００ｍＶ以上の値に設定されることを特徴とする請求項１に記載の有機酸生成方法。
【請求項３】
前記ＯＲＰの測定値が前記ＯＲＰ目標範囲の下限値未満であり、且つ前記ｐＨの測定値が前記ｐＨ目標範囲の下限値以上である場合は、発酵中の前記汚泥に酸性剤を添加し、
前記ＯＲＰの測定値が前記ＯＲＰ目標範囲の下限値未満であり、且つ前記ｐＨの測定値が前記ｐＨ目標範囲の下限値未満である場合は、発酵中の前記汚泥に曝気処理を行い、
前記ＯＲＰの測定値が前記ＯＲＰ目標範囲内であり、且つ前記ｐＨの測定値が前記ｐＨ目標範囲の下限値未満である場合は、発酵中の前記汚泥にアルカリ剤を添加し、
前記ＯＲＰの測定値が前記ＯＲＰ目標範囲内であり、且つ前記ｐＨの測定値が前記ｐＨ目標範囲の上限値よりも大きい場合は、発酵中の前記汚泥に酸性剤を添加することを特徴とする請求項１又は２に記載の有機酸生成方法。
【請求項４】
汚泥を嫌気的に発酵させて有機酸を生成させる有機酸生成装置において、
発酵中の前記汚泥の前記ｐＨを測定するｐＨ測定手段と、
発酵中の前記汚泥の前記ＯＲＰを測定するＯＲＰ測定手段と、
発酵中の前記汚泥のｐＨを上下させるｐＨ調整手段と、
発酵中の前記汚泥を曝気処理する曝気手段と、
発酵中の前記汚泥のｐＨ及びＯＲＰを、それぞれ予め設定された所定の目標範囲内に維持するように制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記ｐＨ測定手段で得られた前記ｐＨの測定値と前記ＯＲＰ測定手段で得られた前記ＯＲＰの測定値とに基づいて、前記ｐＨ調整手段と前記曝気手段とを操作することを特徴とする有機酸生成装置。
【請求項５】
請求項４に記載の有機酸生成装置と、
排水を導入し、前記有機酸生成装置で得られる有機酸を用いて前記排水を生物処理する生物処理槽と、を備えたことを特徴とする排水処理設備。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−２６０６０２（Ｐ２００７−２６０６０２Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−９１１３３（Ｐ２００６−９１１３３）
【出願日】平成１８年３月２９日（２００６．３．２９）
【出願人】（５０７０３６０５０）住友重機械エンバイロメント株式会社 (88)
【出願人】（５９１０４３５８１）東京都 (107)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２９日（２００６．３．２９）
【出願人】（５０７０３６０５０）住友重機械エンバイロメント株式会社 (88)
【出願人】（５９１０４３５８１）東京都 (107)
【Ｆターム（参考）】
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