JP4192079B2 - 汚泥処理装置及び汚泥処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、排水の活性汚泥処理施設から発生する有機性汚泥を減量化する汚泥処理装置、並びに、汚泥処理方法に関する。
活性汚泥処理プロセスは、生活排水やＢＯＤを含んだ産業排水処理として最も普及している排水処理プロセスである。今循環型社会の構築が叫ばれる中、余剰汚泥を大量に発生させる活性汚泥処理プロセスが大きな転換期を迎えている。
従来、余剰汚泥は、濃縮後、機械的に脱水され、乾燥・焼却、埋立廃棄、海洋投棄等によって処理されてきたが、その処理コストは高額である。その上、埋立廃棄による土壌汚染、乾燥・焼却による大気汚染、海洋投棄による海洋汚染といった環境破壊の原因ともなっている。そしてこれらの余剰汚泥の廃棄は、近年埋立地の確保や海洋投棄が困難となり、余剰汚泥の減量化要請が強くなってきている。
このような背景の中で、有機性の余剰汚泥を減量化する方法として、種々の方法が提案されている。
その中で、発生した余剰汚泥を湿式媒体攪拌式ミル処理による破砕で可溶化しＢＯＤ成分に変え再度生物処理を行い、減量を図る方式がある(例えば特許文献１参照)。また、有機物を含有する汚泥を湿式媒体攪拌式ミル処理によって破砕するに際し、破砕のための媒体として真比重が５．０以上のビーズを用いる方法が提案されている(例えば特許文献２参照)。これらの方法では、比重の大きい破砕ビーズを用いて、破砕効率を上げており、汚泥の微細化の効率がやや向上するものの、ＣＯＤ等処理水質が改善されていない。また、砂や毛髪等の異物による目詰まり、又は閉塞等という問題が残っている。
活性汚泥処理プロセスは、余剰汚泥を大量に発生させる。その余剰汚泥は、焼却、埋立廃棄、海洋投棄等によって処理されてきたが、土壌汚染、大気汚染、海洋汚染といった環境破壊の原因ともなっている。そして、近年これらの余剰汚泥の廃棄は、埋立地の確保や海洋投棄が困難となり、余剰汚泥の減量化要請が強くなってきている。
特開平１１−３００３９３号公報 （特許請求の範囲、段落番号［０００５］） 特開平１１−１５６３９４号公報 （特許請求の範囲、段落番号［０００９］）
本発明者等は、上記問題を解決するために種々検討しているうちに、外部の活性汚泥処理施設で発生する有機性の余剰汚泥を減量化する方法として、湿式ボールミルを用いて余剰汚泥を破砕・可溶化すると共に、破砕・可溶化された汚泥とメディアとの分離を遠心分離により行い、分離された可溶化汚泥を曝気処理することにより効率良く汚泥を減量化できることを知得し、本発明を完成するに到った。
従って本発明の目的とするところは、上記問題を解決した汚泥処理装置並びに汚泥処理方法を提供することにある。
上記目的を達成する本発明は、以下に記載するものである。
〔１〕 可溶化汚泥の好気性曝気処理を行う反応槽と、前記反応槽で好気性曝気処理して生成した反応槽汚泥と外部の活性汚泥処理施設で発生する余剰汚泥とを混合する混合槽と、混合槽から送られる反応槽汚泥と余剰汚泥との混合液を固液分離する固液分離槽と、固液分離槽で分離した汚泥を可溶化する可溶化装置とを設けてなる汚泥処理装置であって、前記可溶化装置が、前記固液分離槽で分離した汚泥を連続して破砕・可溶化できる構造を持つと共に、破砕・可溶化された汚泥とメディアとの分離に分離用のセパレータを持たず遠心分離による分離機構を持つ湿式ボールミルからなる汚泥処理装置。
〔２〕 可溶化汚泥の好気性曝気処理を行う反応槽と、前記反応槽で好気性曝気処理して生成した反応槽汚泥と外部の活性汚泥処理施設で発生する余剰汚泥とを混合する混合槽と、混合槽から送られる反応槽汚泥と余剰汚泥との混合液を固液分離する固液分離槽と、固液分離槽で分離した汚泥を可溶化する可溶化装置とを設けてなる汚泥処理装置において、可溶化装置の湿式ボールミルにより固液分離槽で分離した汚泥を破砕・可溶化すると共に、破砕・可溶化された汚泥とメディアとの分離を遠心分離により行い、分離された可溶化汚泥を反応槽へ導入し、曝気処理することにより汚泥を減量化する汚泥処理方法。
〔３〕 反応槽において、可溶化汚泥を好気性曝気処理すると共に硝化処理する〔２〕に記載の汚泥処理方法。
〔４〕 反応槽において可溶化汚泥を曝気処理した後、混合槽において無酸素条件下での運転により脱窒処理を行う〔２〕に記載の汚泥処理方法。
〔５〕 反応槽にて曝気処理された反応槽汚泥と、固液分離槽で分離した汚泥とを混合槽で混合する〔２〕に記載の汚泥処理方法。
〔６〕 固液分離を膜分離により行う〔２〕に記載の汚泥処理方法。
本発明の汚泥処理方法によれば、汚泥を減量化すると共に、ＣＯＤの減少及び脱窒素処理も行われる。本発明の汚泥処理装置は既設処理設備と独立しているため、既設処理設備の状況(負荷、窒素除去の有無等)に依存することが無い。また、本発明の汚泥処理装置による処理により既設処理設備に影響を与える懸念も少ない。
なお、本発明の汚泥処理方法は物理的な汚泥の破砕のみのプロセスであるため、減量しきれなかった汚泥は廃棄物としてではなくコンポスト等充分に有効利用できる。
本発明の汚泥処理装置は、使用する湿式ボールミルとして、メディアと処理物の分離にセパレータを用いず遠心分離による分離機構を持つ構造のものを採用しているので、砂や毛髪等の異物による目詰まり、又は閉塞等が防止できる。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の汚泥処理装置は、汚泥減量を実施する設備を、他の排水処理施設とは分離して新たに独立して設置する方式を採用している。
本発明の汚泥処理装置から排出される処理水、未減量化分の汚泥は既設の水処理施設に戻さないことを基本とし、即ち放流できるレベルの処理水質までＢＯＤを低減させ、また減量化できなかった汚泥は、脱水、堆肥化等を行い、施設外へ搬出することにより、既設の水処理施設の運転に影響をさせないことを基本としている。
図１は、本発明の汚泥処理装置における運転フローの一例を示す概略図である。
図１において、１０は反応槽であり、後述する可溶化汚泥を好気性生物処理するためのものである。１１は混合槽であり、反応槽１０で好気性曝気処理されて生成した反応槽汚泥と、本装置外の他の排水の活性汚泥処理施設から発生する余剰汚泥とを混合するものである。１２は固液分離槽であり、混合槽１１から送られる、反応槽汚泥と余剰汚泥との混合液を固液分離するためのものである。
汚泥と処理水を分離する固液分離槽１２は、重力沈澱方式、浮上分離方式、膜分離方式等、分離方式に特に限定はないが、高ＭＬＳＳ(活性汚泥浮遊物質)濃度の運転を可能にし、維持管理の容易さから、膜分離方式を使用することが望ましい。
１３は、汚泥の可溶化装置(湿式ボールミル)である。従来の湿式ボールミルの構造では、攪拌メディアと処理物の分離に櫛、スリット等のセパレータ(分離構造)などを使用している。この従来の湿式ボールミルでは、繊維等の夾雑物を含んだ汚泥の破砕においてセパレータが閉塞を起こす虞があることから、本発明で使用する湿式ボールミルにはメディアと処理物の分離にセパレータを用いず遠心分離による分離機構を持つ構造とし、閉塞を防止することができる構造の湿式ボールミルを使用する。
具体的には上記湿式ボールミルとしては、本発明者等の属する研究グループが先に出願した特許(特願２００３−３０８９７)に記載された「遠心分離タイプのメディア攪拌型湿式粉砕機」を使用できる。
上記反応槽１０、混合槽１１、固液分離槽１２及び可溶化装置１３は、Ｌ１〜Ｌ９からなる輸送手段で連結される。なお、図１の例における輸送手段としては、配管、樋(とい)及びポンプ等を用いることができる。
本例の汚泥処理装置を用いた汚泥処理方法は、上記反応槽１０、混合槽１１及び固液分離槽１２の３槽と、可溶化装置１３との間で汚泥を循環することにより、流入汚泥分に相当するＢＯＤをガス化させ、汚泥の減量、消滅を図ることを意図した汚泥処理方法である。
好気性曝気処理を行う反応槽１０には、可溶化装置１３で処理された可溶化汚泥がラインＬ９を介して供給される。反応槽１０は高ＢＯＤ容積負荷の運転に伴い、高い酸素溶解効率の散気装置での散気が要求される。このことから、図１には記載していないが、攪拌機能を持った曝気装置を使用することが望ましい。
この攪拌機能を持った曝気装置としては、三井鉱山(株)製の軸流攪拌散気装置、商品名「三井ダイナフォイルエアレータ」などが使用できる。反応槽１０では大部分のＢＯＤに起因するＣＯＤを分解、無機化させ、更に硝化反応を行わせている。
本装置外の他の排水の活性汚泥処理施設から発生する有機性の余剰汚泥を受けいれる混合槽１１には、前記余剰汚泥がラインＬ１より投与される。また、前記反応槽１０にて曝気処理された反応槽汚泥は、ラインＬ２を介して混合槽１１に投与される。この投与された反応槽汚泥は、前記排水の活性汚泥処理施設から発生する有機性の余剰汚泥と混合される。
混合槽１１及び後記する固液分離槽１２での汚泥処理は、処理水のＣＯＤの改善を意図している。この汚泥処理においては、濾液ＣＯＤの汚泥による吸着(従って汚泥全体のＣＯＤの変化はないが、汚泥中の濾液ＣＯＤは、混合槽と固液分離槽の前後で減少する)が期待される。
また、混合槽１１を無酸素化することにより、窒素除去も可能になる。尚、混合槽１１における混合攪拌は、機械式攪拌を用いても又は曝気による攪拌でも良い。ただし、曝気による攪拌の場合、無酸素条件下での攪拌においてＮＯｘ−Ｎの脱窒反応を行うには、曝気における溶存酸素濃度(ＤＯ)を０．５ｍｇ／Ｌ以下とすることが好ましい。
固液分離槽１２には、混合槽１１からラインＬ３を介して、反応槽汚泥と余剰汚泥との混合液が供給される。固液分離槽１２における汚泥と処理水の分離では、膜分離方式を採用し、膜として浸漬膜を採用することが好ましい。この分離方式においては、高ＭＬＳＳ運転(ＭＬＳＳ濃度１００００ｍｇ／Ｌ以上)とする場合、高いＢＯＤ容積負荷の運転が可能になる。
例えば、使用する浸漬膜の平均孔径が０．２５μｍの運転は、通常膜透過流速０．１５ｍ3／ｍ2・日で実施され、一定流量で吸引される。混合槽１１の水位レベルが高位置になると、バルブ(図１には記載していない)が開き必要分だけ系外に処理水がラインＬ４から放出される。
次に、固液分離槽１２に設置したポンプ(図１には記載していない)により循環汚泥を、ラインＬ６を介して混合槽１１へ供給する。この循環汚泥供給は、混合槽１１と固液分離槽１２間でＭＬＳＳ濃度の差が生じないよう充分な循環量で行う。また、混合槽１１及び固液分離槽１２を循環する汚泥のＭＬＳＳ濃度が１２０００ｍｇ／Ｌになるように汚泥(未減量化汚泥)をラインＬ７より引き抜き、汚泥濃度を調整する。図１の例では混合槽１１と固液分離槽１２は分離しているが、１槽に合併しても良い。
以下、本発明を実施例及び比較例により更に具体的に説明する。
実施例１及び比較例１
図１に示した運転フローで汚泥減量の効果を調べる試験を行った。供給汚泥は、食品排水処理施設から発生する有機性汚泥を使用し、この汚泥の濃度は５０００ｍｇ／Ｌ、処理量は４００〜９００Ｌ／日であった。
装置は反応槽１０(槽容量０．５ｍ3)、混合槽１１(槽容量０．５ｍ3)及び固液分離槽１２(槽容量０．８ｍ3)からなる３槽と、可溶化装置１３、即ち湿式ボールミル[三井鉱山(株)ＳＣ−２２０Ｘ]からなる。固液分離槽１２には浸漬膜(平均孔径０．２５μｍ)を設置した。
混合槽１１は、通常用いられる散気装置で曝気した。
固液分離槽１２の運転は膜浸透流速０．１５ｍ3／ｍ2・日で実施し、本テストでは本プロセスの汚泥が膜の吸引に与える影響も考察できるよう、停止することなく一定流量で吸引し、膜透過液を混合槽１１へ戻す運転を基本とし、混合槽１１の水位レベルが高になり設定値になるとバルブが開き必要分だけ系外に処理水が放出される機構とした。また膜の吸引側に圧力センサーを設置し(図１には記載していない)、吸引圧の変化も常時記録できるようにした。混合槽１１と固液分離槽１２間はポンプによる循環を、混合槽１１と固液分離槽１２間でＭＬＳＳ濃度の差が生じないよう充分な循環量で行った。
比較例１は、可溶化装置を使用せず単なる循環させた運転とし、実施例１は、可溶化装置への循環を実施した運転を行った。運転期間は実施例１及び比較例１それぞれ４５日ずつ実施した。
実施例１での可溶化装置には、「遠心分離タイプのメディア攪拌型湿式粉砕機」の三井鉱山(株)製の湿式ボールミル(型式ＳＣ２２０／７０−ｘ、ロータピンつきロータ φ２０２×４３、ケーシング内容積２．６５Ｌ)を使用した。
実施例１の事前試験として、汚泥可溶化に関する前湿式ボールミルの基本性能(ローター周速の影響、装置内滞留時間の影響、使用ボール径との関係、ボール材質による影響等)及び、装置の安定性(摩耗、ボールの流失)を把握するための試験を実施し、その結果、メディアはガラスビーズ φ０．３ｍｍを使用し、ロータ周速１３．１ｍ／ｓとする湿式ボールミルの運転条件を見出した。
この事前試験から、φ０．３ｍｍのガラスビーズを装置内容量の７０％充填させ、ロータ周速１３．１ｍ／ｓ、装置内滞留時間１．２ｍｉｎの条件で実施した。
表１に比較例１、表２に実施例１の運転結果を示した。ここで示した結果は、それぞれの運転開始後３０日経過した後の水質分析値(データ数四点)の平均値である。又、表３はそれぞれの運転におけるＭＬＳＳ濃度、ＣＯＤcr濃度、Ｔ−Ｎ濃度の減量率を示した。
Figure 0004192079
Figure 0004192079
Figure 0004192079
 表４に実施例における反応槽１１と混合槽１２の窒素成分の分析結果を示した。水質データは、表１〜表３と同様、運転の３０日経過後のデータ(データ数四点)の平均化したものである。
Figure 0004192079
 表４の結果より。濾液ＮＯｘ−Ｎ濃度が増加し全液Ｔ−Ｎ濃度(全液Ｋｊ−Ｎ濃度＋濾液ＮＯｘ−Ｎ濃度)が減少していることから、反応槽においても硝化が進んでいることが示された。反応槽では可溶化処理後の反応であるため、硝化や脱窒が起こらない懸念があったが、全液Ｔ−Ｎ濃度が混合槽よりも減少し、濾液ＮＯｘ濃度が増加していることから硝化及び脱窒が起こっていることがわかる。本実施例においては反応槽、混合槽及び固液分離槽においては、攪拌又は膜分離付着汚泥の除去等に曝気運転を行ったが、全液Ｔ−Ｎ濃度が減少していることから、プロセス系内に無酸素状況下の部分が一時的に若しくは連続的に発生していたと推測される。
尚、本実施例１の運転９０日間において顕著な膜間圧力差はなく５ｋＰａ以下であった。
本実施例１では、４０〜５０％程度汚泥減量化が行えることが確認された。また、ＣＯＤの減少及び脱窒素処理も行われたことが確認された。
本実施例１で使用した汚泥処理装置は、既設処理設備と独立しているため、既設処理設備の状況(負荷、窒素除去の有無等)に依存することなく、また本汚泥減量化プロセスによる処理により既設処理設備に影響を与える懸念も少ないものであった。また、物理的な汚泥の破砕のみの汚泥処理方法であるため、減量しきれなかった汚泥も廃棄物としてではなくコンポスト等として充分に有効利用できる。
本実施例１で使用した湿式ボールミルにはメディアと処理物の分離にセパレータを用いず遠心分離による分離機構を持つ構造とし、閉塞を防止することができる構造の湿式ボールミルを使用したことから、砂や毛髪等の異物による目詰まり、又は閉塞等が防止できた。
比較例２
可溶化装置に、「スリットタイプのメディア攪拌型湿式粉砕機」の三井鉱山(株)製の湿式ボールミル(型式ＳＣ−２２０型、ロータピンつきロータ φ２０２×４３、ケーシング内容積２．９５Ｌ)を使用した以外は、実施例１と同様に、図１に示した運転フローで汚泥減量の効果を調べる試験を行った。
しかし、運転開始から約１分後、分離機構のスリットに異物が噛み込んで閉塞し、破砕機が過負荷状態に陥り、運転不能に至ってしまった。
本発明の本発明の汚泥処理装置における運転フローの一例を示す概略図である。
符号の説明
Ｌ１〜Ｌ９ 輸送手段
１０ 反応槽
１１ 混合槽
１２ 固液分離槽
１３ 可溶化装置

Claims (6)

  1. 可溶化汚泥の好気性曝気処理を行う反応槽と、前記反応槽で好気性曝気処理して生成した反応槽汚泥と外部の活性汚泥処理施設で発生する余剰汚泥とを混合する混合槽と、混合槽から送られる反応槽汚泥と余剰汚泥との混合液を固液分離する固液分離槽と、固液分離槽で分離した汚泥を可溶化する可溶化装置とを設けてなる汚泥処理装置であって、前記可溶化装置が、前記固液分離槽で分離した汚泥を連続して破砕・可溶化できる構造を持つと共に、破砕・可溶化された汚泥とメディアとの分離に分離用のセパレータを持たず遠心分離による分離機構を持つ湿式ボールミルからなる汚泥処理装置。
  2. 可溶化汚泥の好気性曝気処理を行う反応槽と、前記反応槽で好気性曝気処理して生成した反応槽汚泥と外部の活性汚泥処理施設で発生する余剰汚泥とを混合する混合槽と、混合槽から送られる反応槽汚泥と余剰汚泥との混合液を固液分離する固液分離槽と、固液分離槽で分離した汚泥を可溶化する可溶化装置とを設けてなる汚泥処理装置において、可溶化装置の湿式ボールミルにより固液分離槽で分離した汚泥を破砕・可溶化すると共に、破砕・可溶化された汚泥とメディアとの分離を遠心分離により行い、分離された可溶化汚泥を反応槽へ導入し、曝気処理することにより汚泥を減量化する汚泥処理方法。
  3. 反応槽において、可溶化汚泥を好気性曝気処理すると共に硝化処理する請求項２に記載の汚泥処理方法。
  4. 反応槽において可溶化汚泥を曝気処理した後、混合槽において無酸素条件下での運転により脱窒処理を行う請求項２に記載の汚泥処理方法。
  5. 反応槽にて曝気処理された反応槽汚泥と、固液分離槽で分離した汚泥とを混合槽で混合する請求項２に記載の汚泥処理方法。
  6. 固液分離を膜分離により行う請求項２に記載の汚泥処理方法。
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