JP3846131B2

JP3846131B2 - 澱粉製造排水の嫌気性処理方法

Info

Publication number: JP3846131B2
Application number: JP31010099A
Authority: JP
Inventors: 幹夫北川; 洋二福山
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: JP2001129590A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は澱粉製造排水を嫌気性処理する方法に関し、特に馬鈴薯から澱粉を製造する工程から排出される高濃度排水（デカンター排水）の処理に適した澱粉製造排水の嫌気性処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
馬鈴薯から澱粉を製造する際に排出される排水は、未回収の微細澱粉粒子や破砕した薯滓、析出した蛋白質を主成分とするＳＳが５００〜５０００ｍｇ／ｌ含まれ、ＢＯＤは２０００〜３００００ｍｇ／ｌの高濃度排水であり、ＢＯＤ負荷量は１日当たり数千ｋｇ以上に達し、非常に汚濁負荷量の多い排水である。また、澱粉製造期間は年間数ケ月間と短期間に集中している。
【０００３】
従来の澱粉製造排水の処理方法は、活性汚泥処理に代表される好気性処理が主流であるが、非常に負荷量が多いことから大容量の曝気槽、好気性ラグーンを必要とし、多大な建設費、維持管理費となっている。さらに、発生する余剰汚泥処理や、排水貯槽、曝気槽等から発生する臭気対策が大きな課題となっている。
好気性処理に代る方法としては嫌気性処理がある。この嫌気性処理法の中には、排水の全体を消化槽に滞留させて嫌気性消化（メタン発酵）を行う嫌気性消化法があるが、長い滞留時間を必要とするため大容量の消化槽を必要とするという問題点がある。
【０００４】
最近、これらの処理法の問題点を解決するため、ＵＡＳＢ（ＵｐｆｌｏｗＡｎａｅｒｏｂｉｃＳｌｕｄｇｅＢｌａｎｋｅｔ・・・・上向流式嫌気性スラッジブランケット）方式、流動床方式、固定床方式などに代表される高負荷型嫌気性処理の適用が検討されている。この方法は嫌気性微生物をスラッジブランケット、固定床等に高密度で集積した汚泥に、主として溶解性ＢＯＤを含む被処理液を高負荷かつ高流速で接触させることにより効率よく有機物を分解する方法である。ところが、この方法で澱粉製造排水を処理する場合、高濃度排水を無希釈または低希釈倍率で処理すると、除去性能が低下するため、高濃度排水の嫌気性処理は困難である。
【０００５】
その原因を調べたところ、高濃度排水中に含まれる蛋白質から嫌気性処理の過程で発生するアンモニア性窒素によるメタン生成菌の阻害により、メタン生成菌の活性が低下することが原因であることがわかった。アンモニア性窒素がメタン生成菌に与える影響は、ガス状のアンモニア性窒素濃度が１０ｍｇ／ｌ付近の低濃度にても発生する。そこで、窒素濃度の高い排水を嫌気性処理する際、嫌気性処理槽内に槽内液中のアンモニア性窒素が解離し、ガス状の窒素とならないように槽内液のｐＨを中性付近、好ましくは中性以下に調整するとともに、排水を希釈し窒素濃度を低減する方法が行われる。
【０００６】
デカンター排水の場合、排水中の窒素の大部分は、馬鈴薯に含まれている蛋白質に起因し、含有窒素濃度はＣＯＤ_Cr濃度の約１０％に達し、澱粉製造工程の差にもよるが、全窒素として３０００〜５０００ｍｇ／ｌである。この蛋白質態窒素（有機態窒素）の大部分は嫌気性処理反応時に分解されてアンモニア性窒素に転換するため、嫌気性処理槽内のｐＨが７．５以上である場合、アンモニア性窒素が解離してガス状のアンモニアが発生する。そこで反応槽内のｐＨをアンモニアの解離が少ない７．５以下（好ましくは解離が生じない７以下）に設定する必要がある。しかし、反応槽内のｐＨを７以下に調整するには多量の塩酸を必要とし、ｐＨを低下させた場合、低ｐＨにより解離した有機酸や硫化水素の影響が生じる可能性もある。従ってデカンター排水処理の場合、嫌気性処理槽内に流入する排水の全窒素濃度を約５００ｍｇ／ｌ以下になるように、他の窒素濃度の低い排水や工水、井水等で希釈し、メタン反応槽内のｐＨが高まっても、発生するガス状のアンモニア性窒素濃度を低下させている。
【０００７】
しかしこのように低濃度に希釈する方法では装置が大型化かつ複雑化し、嫌気性処理のメリットが活かせない。
澱粉製造排水処理は余剰汚泥処理や臭気対策から、好気性処理よりも嫌気性処理の方が有利であることは明らかではあるが、蛋白質の多い高濃度排水（デカンター排水）を適切に処理する方策の確立が望まれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、嫌気性処理に必要な熱量および薬剤を有効に利用して、メタン生成菌の活性を低下させることなく、澱粉製造排水を高濃度の状態で高負荷かつ高速で効率よく嫌気性処理することができる澱粉製造排水の処理方法を提案することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の澱粉製造排水の嫌気性処理方法である。
（１）澱粉製造排水を嫌気性処理する方法において、
被処理水を加熱変性および等電点処理して溶解性の蛋白質を変性して析出させ、
固液分離により固形分を分離し、
分離液を高負荷型嫌気性処理する
ことを特徴とする澱粉製造排水の嫌気性処理方法。
（２）固液分離に先立って、酸性領域で凝集性を有する凝集剤を添加して凝集処理により析出した蛋白質その他の固形分を凝集させる
ことを特徴とする上記（１）記載の澱粉製造排水の嫌気性処理方法。
（３）加熱処理の温度が６０〜９０℃であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の澱粉製造排水の嫌気性処理方法。
【００１０】
本発明で処理対象となる澱粉製造排水は、澱粉を含む植物から澱粉を分離して製造する工程から排出される排水である。このような澱粉製造排水としては、馬鈴薯澱粉製造工程から排出される排水が典型的であるが、くず、その他の植物からの澱粉製造排水であってもよい。馬鈴薯澱粉製造工程から排出される排水としては、ＢＯＤ３００００ｍｇ／ｌ付近、有機態窒素４０００ｍｇ／ｌ付近の高濃度のデカンター排水と、ＢＯＤ２０００ｍｇ／ｌ付近、有機態窒素１５０ｍｇ／ｌ付近のハイドロサイクロン排水に大別される。有機態窒素はほとんどが蛋白質であり、デカンター排水に多く含まれている。
【００１１】
本発明ではこのうち高濃度のデカンター排水のみを処理してもよく、また両者を混合して処理してもよいが、デカンター排水から蛋白質を析出させて分離し、分離水をハイドロサイクロン排水で低希釈して嫌気性処理するのが好ましい。
【００１２】
本発明では上記の澱粉製造排水、特に高濃度の蛋白質を含むデカンター排水を、加熱変性および等電点処理することにより蛋白質を析出させる。加熱変性は６０〜９０℃に加熱することにより蛋白質を変性させ、不溶性の蛋白質として析出させることができる。等電点処理は被処理水に含まれる蛋白質の等電点（ｐＨ３．５〜５）となるように酸を加えてｐＨ調整し、蛋白質を析出させる。加熱変性では７０℃で５０％、８０℃で６０％、９０℃で６５％の蛋白質が析出して除去される。また等電点処理により蛋白質を析出させる場合、ｐＨ５で３０％、ｐＨ４で４５％、ｐＨ３．５で５０％の蛋白質が析出して除去される。低ｐＨにするには多量の酸を必要とし、高温にするには多量の熱量を必要とするが、両者を併用することにより、使用薬剤量および熱量を少なくして効率よく析出を行うことができる。例えばｐＨ５、７０℃で７５〜８０％の蛋白質を析出させて除去することができる。
【００１３】
加熱には後の嫌気性処理で発生するメタンガスを使用することができ、例えばガスを燃焼させて蒸気を発生させ、これを被処理液に吹込んで加熱することができる。嫌気性処理ではメタン生成菌の活性を高めるために嫌気性処理槽を加熱しているが、本発明ではこの加熱をその前の工程で行うことにより、蛋白質の変性を行って析出させ、これを分離することができる。同様に澱粉製造排水の処理では、アンモニア性窒素によるメタン生成菌の阻害を防止するために酸注入によるｐＨ調整が必要であるが、本発明ではこれも嫌気性処理工程の前の段階で行って蛋白質を析出させることができる。
【００１４】
加熱して蛋白質を析出させた反応液は被処理水または蒸気発生用給水と熱交換して熱を回収し、析出工程の加熱を効率よく行うことができる。このほか後工程の嫌気性処理では高温で行うことが好ましいので残留する熱はそのまま嫌気性処理で利用することができる。この場合嫌気性処理の適温よりも高い温度に加熱したときは、ハイドロサイクロン排水のような他の低濃度排水と混合して希釈し、降温するとともに、残留する蛋白質濃度を低く調整することができる。このような希釈は次の固液分離後に行うのが好ましい。蛋白質の析出に酸を添加する等電点処理を行った後、そのまま中和することなく嫌気性処理を行うと、アンモニア性窒素が残留する場合でも、効率よく嫌気性処理を行うことができる。
【００１５】
蛋白質を析出した反応液は固液分離により蛋白質の分離を行うが、固液分離に先立って凝集処理により析出した蛋白質その他の固形分を凝集させてフロック化するのが好ましい。凝集処理に際しては凝集剤を添加して攪拌し、微細に分散した固形分を凝集させることができる。凝集剤としてはアニオン性凝集剤とカチオン性凝集剤の併用が好ましく、特にトリポリリン酸およびキトサンを主体とする凝集剤が好ましい。また等電点処理を行った後のｐＨ領域で凝集性をもつ凝集剤を用いるのが好ましい。
【００１６】
固液分離は被処理液から蛋白質を含む固形分を分離するもので、デカンター型遠心分離機が適しているが、他の分離板型遠心分離機、加圧浮上分離、沈降分離、ろ布等を用いたろ過分離装置などが使用可能である。高負荷型嫌気性処理では溶解性ＢＯＤが処理の対象となり、固形物は除去されなければならないが、蛋白質の分離の際他の固形物も除去される。分離した蛋白質は栄養価が高いため、必要により乾燥を行い、家畜／家禽等の飼料に有効利用でき、また肥料としての活用もできる。
【００１７】
分離液はアンモニア性窒素の阻害が生じない濃度に蛋白質が除去されている場合はそのまま嫌気性処理を行うことができるが、残留蛋白質濃度が高い場合は他の低濃度排水、工水、井水等で希釈し、嫌気性処理装置へ通水し嫌気性処理を行う。嫌気性処理としては、ＵＡＳＢ、流動床、固定床等を利用した高負荷型嫌気性処理を行う。高負荷型嫌気性処理はメタン生成菌を高濃縮した状態で嫌気性処理槽に保持し、被処理液と高負荷かつ高速で接触させて短時間で嫌気性処理を行う方式の処理方法である。
【００１８】
ＵＡＳＢ式はメタン生成菌を含む汚泥を高濃縮して形成したグラニュール汚泥からなるスラッジブランケットに被処理液を上向流で高速に通液して接触させ処理する方式のものである。流動床式は砂等の担体に汚泥を担持させて流動床を形成し、被処理液と接触させる方式のものである。固定床式は担体に汚泥を形成した固定床に被処理液を通液して接触させる方式のものである。いずれも汚泥を高濃度の状態で保持することにより、高負荷かつ高速での処理を可能とする。
【００１９】
嫌気性処理は酸生成菌により有機物を有機酸に分解する酸生成工程と、メタン生成菌により有機酸をメタンに分解するメタン生成工程とからなるが、本発明ではこれらを同時に行う一相式でもよく、また別々に行う二相式でもよい。いずれの場合もメタン生成菌を利用する嫌気性処理は３０〜３８℃、好ましくは３５〜３６℃で嫌気状態に保つことにより、メタン生成菌の活性を高くして効率よく処理を行うことができる。
【００２０】
嫌気性処理工程における負荷は５〜３０ｋｇ−ＣＯＤ_Cr／ｍ³・ｄａｙ、好ましくは１０〜１５ｋｇ−ＣＯＤ_Cr／ｍ³・ｄａｙとすることができる。被処理液のアンモニア性窒素は５００ｍｇ−Ｎ／ｌ以下、好ましくは４００ｍｇ−Ｎ／ｌ以下とするのが好ましく、これより高い場合は前述のように他の低濃度排水、あるいは工業用水その他の希釈水により希釈するのが好ましい。これができない場合、あるいは希釈後も上記濃度を超える場合には嫌気性処理工程におけるｐＨを６．６〜７．５、好ましくは６．８〜７．０に維持することによりメタン生成菌の活性を高く維持することができる。蛋白質析出工程における酸注入で不足する場合にはさらに酸を注入することができる。
【００２１】
嫌気性処理により澱粉その他の溶解性有機物が分解され、メタンおよび炭酸ガスが発生する。ここで発生するガスは回収して加熱のための燃料として利用することができる。処理液はそのまま、または必要により中和して下水道等に放流する場合があるが、一般的には他の低濃度排水とともに好気性処理することにより、残留する有機物を分解する。
【００２２】
本発明では嫌気処理工程で行う加熱をその前の工程で行って被処理水を加熱することにより蛋白質を析出させて分離することができ、これにより嫌気性処理におけるアンモニア性窒素濃度を低くしてメタン生成菌の活性を高く、維持し効率よく嫌気性処理を行うことができる。
【００２３】
また本発明ではアンモニア性窒素による阻害を防止するために嫌気性処理工程で添加すべき酸を前工程に添加することにより、蛋白質を析出させて除去することができ、これによりアンモニア性窒素の生成量を少なくして嫌気性処理の効率を高くすることができる。そして固液分離のための凝集剤として酸性領域で凝集性を有する凝集剤を用いることにより、酸を中和することなく嫌気性工程に移ることができ、アンモニア性窒素の残留量が多い場合でもメタン生成菌の活性を高く維持して嫌気性処理を行うことができる。
【００２４】
上記の加熱による蛋白質の変性と酸添加による等電点処理を併用することにより、熱量および薬剤の使用量を少なくして、蛋白質の除去率を高くすることができ、さらに効率よく嫌気性処理を行うことができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上の通り本発明によれば、加熱変性および等電点処理により蛋白質を除去して嫌気性処理を行うようにしたので、嫌気性処理に必要な熱量および薬剤を有効に利用してメタン生成菌の活性を低下させることなく、澱粉製造排水を高濃度の状態で高負荷かつ高速で効率よく嫌気性処理することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面により説明する。
図１は実施形態の澱粉製造排水処理方法を示すフロー図である。
【００２７】
図１において、１は蛋白質析出槽、２は熱交換器、３は凝集槽、４は固液分離機、５は嫌気性処理槽、６は好気性処理槽、７は脱水機、８はガス貯槽、９はボイラである。被処理水は馬鈴薯澱粉製造排水であり、デカンター排水のような高濃度排水１１、およびハイドロサイクロン排水のような低濃度排水１２の処理を組合せて行うようにされている。
【００２８】
処理方法は高濃度排水１１を蛋白質析出槽１に導入し、蒸気１３を吹込んで加熱して蛋白質を変性させるとともに、酸１４を注入して等電点処理を行い蛋白質を析出させる。加熱と酸の注入はどちらか一方でもよいが、両方を行うことにより、少ない熱量および少ない薬剤量で効率よく蛋白質を析出させることができる。蛋白質が析出した反応液１５は熱交換器２を通って給水１６と熱交換して冷却され凝集槽３に導入される。給水１６はボイラ９に送られ、ガス貯槽８からの燃料ガス１７の燃焼により加熱されて蒸気１３を発生し、濃縮水１８は排出される。
【００２９】
凝集槽３では凝集剤１９を添加し、攪拌機２１で攪拌して凝集を行い、フロックを生成させる。ここではｐＨ調整剤を注入してもよいが、できるだけ等電点処理のｐＨで凝集する凝集剤を用いるのが好ましい。凝集を行った反応液２２は固液分離機４で固液分離し、分離液２３は嫌気性処理槽５に導入して嫌気性処理を行う。分離固形分２４は脱水機７において脱水し、回収蛋白質２５を得る。固液分離機としてはデカンター型の固液分離機が用いられるが、他の固液分離機でもよい。
【００３０】
嫌気性処理槽５へ反応液２３を導入する際、低濃度排水１２の一部を混合して、所定の蛋白質濃度、温度、ｐＨとなるように希釈する。嫌気性処理槽５はＵＡＳＢ式のものでスラッジブランケット５ａが形成されているが、流動床式、固定床式等の他の高負荷型嫌気性処理槽でもよい。嫌気性処理槽５で高流速で嫌気性処理を行うことにより、被処理水に含まれていた澱粉その他の有機物は酸生成菌により有機酸に分解され、さらにメタン生成菌によりメタンに分解される。蛋白質はすでに大部分が除去されているので、生成するアンモニア性窒素の量は少なく、メタン生成菌の活性は高く維持される。
【００３１】
嫌気性処理槽５で発生するメタンガスを含む生成ガス２６はガス貯槽８に貯留され、蒸気発生用の燃料ガス１７として利用される。嫌気性処理槽５の嫌気性処理水２７は、低濃度排水１２の一部とともに好気性処理槽６に送られ、ここで導入される空気２８により好気性処理されて処理水２９として排出される。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３３】
実施例１
馬鈴薯澱粉製造工程からの排水を用いて嫌気性処理を行った。澱粉製造排水は高濃度排水としてＢＯＤ２５，０００〜３０，０００ｍｇ／ｌ、有機態窒素３，７００〜４，５００ｍｇ／ｌのデカンター排水と、低濃度排水としてＢＯＤ１，０００〜２，０００ｍｇ／ｌ、有機態窒素１００〜２００ｍｇ／ｌのハイドロサイクロン排水に大別され、蛋白質（有機態窒素）の多くはデカンター排水に含まれていた。
【００３４】
有効容量５０ literの蛋白質析出槽にデカンター排水を６００ liter／日（滞留時間２時間）の液量で通液し、塩酸を添加して反応槽内ｐＨを５に調整し、また蒸気を吹き込んで槽内液温を７０℃に調整し、デカンター排水中の蛋白質を等電点処理と熱変性処理により析出させた。反応液を凝集槽に導入し、トリポリリン酸主体の高分子凝集剤と、キトサン主体の高分子凝集剤を注入して析出した蛋白質を凝集させ、デカンター型遠心分離機を用いて固液分離を行った。遠心分離機の分離液は、ＳＳ４００〜６００ｍｇ／ｌ、ＢＯＤ１８０００〜２００００ｍｇ／ｌ、有機態窒素９００〜１０００ｍｇ／ｌであり、有機態窒素は７５〜７８％除去できた。
【００３５】
分離液をハイドロサイクロン排水で２倍に希釈し、ＢＯＤ約１００００ｍｇ／ｌ、有機態窒素約５５０ｍｇ／ｌの混合液を作成し、ＢＯＤ負荷量１０ｋｇ／ｍ³／ｄ（滞留時間２４時間）でＵＡＳＢ方式の嫌気性処理槽に導入し、嫌気性処理を行った。嫌気性処理槽は水温３５℃に調整したが、槽内液のｐＨ調整は行わなかった。その結果、ｐＨ６．９〜７．２であった。嫌気性処理水のＢＯＤは４００〜７００ｍｇ／ｌ（除去率９３〜９６％）であり、処理水の全窒素は５００〜５５０ｍｇ／ｌであり、窒素の全てがアンモニア態であった。
【００３６】
参考例１
実施例１において蛋白質析出槽における酸注入を行わず、加熱変性処理のみにより蛋白質の析出を行ったところ、加熱温度と有機態窒素除去率は表１のようになった。
【００３７】
【表１】

【００３８】
参考例２
実施例１において蛋白質析出槽における熱変性を行わず、酸注入による等電点処理のみにより蛋白質の析出を行ったところ、ｐＨと有機態窒素除去率（％）は表２のようになった。
【００３９】
【表２】

【００４０】
比較例１
デカンター排水中の蛋白質除去を行わず、デカンター排水をハイドロサイクロン排水、または工水や井水を用いて希釈した後、アンモニア性窒素の阻害を生じない範囲で嫌気性処理を行うには、８倍程度には希釈する必要があった。希釈により嫌気性処理反応槽へ流入する原水ＢＯＤ濃度は１２００〜３０００ｍｇ／ｌ（ハイドロサイクロン排水で希釈した場合、ＢＯＤ３０００ｍｇ／ｌ）となった。従って、実施例と同等なＢＯＤ負荷量１０ｋｇ／ｍ³／ｄで嫌気性処理を行った場合、嫌気性処理設備の通水量当たり（排水＋希釈水量の全量）のメタンガス量は、約１／４となった。そのため、メタンガスのみを熱源として嫌気性処理反応内を加温したとき、排水や希釈水の水温によっては嫌気性処理に適した液温まで加温することができなくなり、補助熱源として灯油を用いたり、嫌気性処理水と排水、希釈水を熱交換する必要があった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の澱粉製造排水の処理方法を示すフロー図である。
【符号の説明】
１蛋白質析出槽
２熱交換器
３凝集槽
４固液分離機
５嫌気性処理槽
６好気性処理槽
７脱水機
８ガス貯槽
９ボイラ

Claims

澱粉製造排水を嫌気性処理する方法において、
被処理水を加熱変性および等電点処理して溶解性の蛋白質を変性して析出させ、
固液分離により固形分を分離し、
分離液を高負荷型嫌気性処理する
ことを特徴とする澱粉製造排水の嫌気性処理方法。
固液分離に先立って、酸性領域で凝集性を有する凝集剤を添加して凝集処理により析出した蛋白質その他の固形分を凝集させる
ことを特徴とする請求項１記載の澱粉製造排水の嫌気性処理方法。
加熱処理の温度が６０〜９０℃であることを特徴とする請求項１または２記載の澱粉製造排水の嫌気性処理方法。