JP4818474B1 - 汚泥処理装置、排水処理装置、汚泥処理方法および排水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】次亜塩素酸水溶液などの薬剤を使用することなく汚泥を削減することが可能な汚泥処理装置およびこれを用いた排水処理装置、並びに、汚泥処理方法および排水処理方法の提供。
【解決手段】下水や工場排水等の有機物を含む排水を微生物により有機物分解する生物処理槽としての曝気槽２と、曝気槽２で処理された水と汚泥との混合物を汚泥と処理水とに分離するための沈殿槽３と、沈殿槽３により分離した汚泥に水撃装置８により水撃圧を加えて曝気槽２へ返送する返送手段としての汚泥返送路４とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機物を含む排水を微生物により有機物分解することにより発生した汚泥を削減する汚泥処理装置およびこれを用いた排水処理装置、並びに、汚泥処理方法および排水処理方法に関する。

有機物を含む排水の処理法として、活性汚泥法が知られている。活性汚泥法では、好気性微生物が棲息する活性汚泥を曝気槽に供給し、十分な空気を送り込むとともに、この曝気槽に有機物を含む排水を投入することで、排水中に含まれる有機物を活性汚泥中に棲息する好気性微生物に捕食させる。また、曝気槽で処理された水は活性汚泥とともに沈殿槽に流下され、活性汚泥と処理水とに分離され、活性汚泥は返送汚泥として曝気槽へ戻される。

ここで、好気性微生物は曝気槽で大量に増殖するため、すべてを返送すると活性汚泥が増えすぎるため、一部の活性汚泥は定期的に沈殿槽から引き抜かれ、余剰汚泥として廃棄処理される。引き抜かれた余剰汚泥は脱水装置により脱水されて脱水ケーキとされ、焼却処理されるか、処分場等に廃棄処理されるが、この余剰汚泥の処理コストは高いため、余剰汚泥の削減が望まれている。

従来、このような汚泥を削減する装置として、例えば特許文献１には、有機性排水を生物処理する生物処理槽と、生物処理した処理液を固液分離する固液分離槽と、固液分離して得られた汚泥の細胞を破砕化処理する超音波処理装置と、固液分離槽の後段に分離膜を内蔵した膜分離槽を設け、超音波処理装置により細胞を破砕化処理した汚泥を膜分離槽で処理する排水処理装置が開示されている。また、特許文献２には、圧力を高めた汚泥をノズルから噴出させ、汚泥の細胞を破壊して可溶化する方法が提案されている。

特開２００８−９３５０８号公報 特許第３６６８０３号公報

ところが、特許文献１の超音波処理装置により細胞を破砕化処理する方法は実現されておらず、十分に破砕化処理が行われていないと思われる。また、特許文献２に記載の方法では、汚泥含有処理水を３０ＭＰａ以上の圧力に上げるための動力が大きく、大掛かりな設備が必要になる。

そこで、本発明においては、大きな動力を必要とせず、物理的に汚泥を削減することが可能な汚泥処理装置およびこれを用いた排水処理装置、並びに、汚泥処理方法および排水処理方法を提供することを目的とする。

本発明の汚泥処理装置は、有機物を含む排水を生物処理槽にて微生物により有機物分解することにより発生した汚泥に水撃圧を加えて生物処理槽へ返送する返送手段を有するものである。また、本発明の汚泥処理方法は、有機物を含む排水を生物処理槽にて微生物により有機物分解することにより発生した汚泥に水撃圧を加えて生物処理槽へ返送することを特徴とする。

これらの発明によれば、汚泥に水撃圧を加えることで、水撃作用により汚泥中の難分解性の微生物細胞膜が破壊され、生物処理槽へ返送されると、易分解性の細胞内物質が再び微生物の餌として容易に有機物分解される。なお、水撃（水鎚、水槌、ウォーターハンマー）作用とは、導管内の水流を急に締め切ったときに、水流の慣性によって導管内に衝撃水圧が発生する現象である。

本発明の排水処理装置は、有機物を含む排水を微生物により有機物分解する生物処理槽と、生物処理槽にて発生した汚泥に水撃圧を加えて生物処理槽へ返送する返送手段とを有するものである。また、本発明の排水処理方法は、有機物を含む排水を生物処理槽にて微生物により有機物分解すること、有機物分解により発生した汚泥に水撃圧を加えて生物処理槽へ返送することを特徴とする。これらの発明によれば、生物処理槽にて発生した汚泥に水撃圧を加えることで、水撃作用により汚泥中の難分解性の微生物細胞膜が破壊され、生物処理槽へ返送されると、易分解性の細胞内物質が再び微生物の餌として容易に有機物分解される。

本発明によれば、生物処理槽にて発生した汚泥に水撃圧を加え、生物処理槽へ返送することにより、易分解性の細胞内物質が微生物の餌として容易に有機物分解されるので、最終的な余剰汚泥が減量されるため、余剰汚泥の処理コストを削減することが可能となる。

本発明の実施の形態における排水処理装置のブロック図である。 図１の切換バルブの作動位置を示す説明図である。 図１の水撃装置の概略構成図である。 図３の弁室の拡大断面図である。 臨界速度と水撃圧との関係を示す図である。 キルン式熱風乾燥機の一例を示す概略構成図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 複数の水撃装置を並列に設けた排水処理装置の主要部を示す図である。 アキュムレータに代えて供給タンクを設置した排水処理装置の主要部を示す図である。

図１は本発明の実施の形態における排水処理装置のブロック図、図２は図１の切換バルブの作動位置を示す説明図、図３は図１の水撃装置の概略構成図、図４は図３の弁室の拡大断面図である。

図１において、本発明の実施の形態における排水処理装置１は、下水や工場排水等の有機物を含む排水（原水）を微生物により有機物分解する生物処理槽としての曝気槽２と、曝気槽２で処理された水と汚泥との混合物を汚泥と処理水とに分離するための沈殿槽３と、沈殿槽３により分離した汚泥を曝気槽２へ返送する返送手段としての汚泥返送路４とを有する。

なお、曝気槽２および沈殿槽３については周知であるため、詳細な説明を省略するが、曝気槽２は、好気性微生物が棲息する活性汚泥が供給され、かつ十分な空気が送り込まれており、排水中に含まれる有機物が活性汚泥中に棲息する好気性微生物により捕食されることで、有機物を含む排水を有機物分解するものである。

汚泥返送路４の途中には、ポンプ５、アキュムレータ６、切換バルブ７および水撃装置８が設けられている。ポンプ５は、沈殿槽３から汚泥を引き抜いて水撃装置８へ送り込むためのものである。アキュムレータ６は、水撃装置８により発生する水撃圧を吸収することにより、ポンプ５に水撃圧の影響を受けないようにするためのものである。なお、ポンプ５は、より確実に水撃圧の影響を受けないようにするため、「非定容積型ポンプ」を使用することが望ましい。

切換バルブ７は、図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す３つの位置に切換可能な三方切換弁である。同図（ａ）は、水撃装置８を作動させる際に選択する位置であり、アキュムレータ６側Ａと水撃装置８側Ｂとが連通する位置である。同図（ｂ）は、後述する水撃装置８の排水弁８３のロックを解除（静圧力を開放）する際に選択する位置であり、水撃装置８の導水側Ｂと排水側Ｃとが連通する位置である。同図（ｃ）は、水撃装置８を作動させない際に選択する位置であり、アキュムレータ６側Ａと水撃装置８の排水側Ｃとが連通する位置である。

水撃装置８は、図３に示すように導水管８０、弁室８１、排水管８２、排水弁８３、排水弁調整ねじ８４およびストッパ８５を有する。排水弁８３は、下方に設けられた回転軸８３ａによって弁室８１内の下流側に回動可能に支持されている。

水撃装置８は、初期状態では排水弁８３が開いており、導水管８０から汚泥を含む水が入ってくると、その運動エネルギーにより排水弁８３を閉じさせる。この排水弁８３が閉じたときにストッパ８５に密着するように、排水弁８３には、図４に示すように複数枚の調整板８３ｂを設けて、その重量が調整されている。また、排水弁調整ねじ８４は、排水弁８３が開いたときの傾斜角度θを調整するためのものであり、排水弁８３が当接する先端部分には緩衝用のクッション８４ａが設けられている。

排水弁８３が閉じると、導水管８０内の流水の運動量によって水撃作用が起き、弁室８１内の汚泥に水撃圧が加えられ、汚泥中の難分解性の微生物細胞膜が破壊される。そして、水撃圧が弁室８１内から導水管８０内へ抜けると、排水弁８３は再び開き、上記過程が繰り返される。処理後の汚泥は、排水管８２から曝気槽２へ返送される。

なお、通常、水撃装置８が作動するときの切換バルブ７は、図２の（ａ）に示す位置にあるが、水撃圧の反動（反作用）のタイミングによっては排水弁８３が閉じたままになることがある。その場合、排水弁８３に静圧がかかり、排水弁８３は動かなくなるので、図２の（ｂ）に示す静圧を解放する位置に切換バルブ７を操作する。また、水撃装置８のメンテナンスなどで停止する場合は、切換バルブ７を図２の（ｃ）に示す位置にし、返送汚泥をバイパスさせることが可能である。

本実施形態における排水処理装置１では、原水が曝気槽２により生物処理された後、沈殿槽３により分離された汚泥を、汚泥返送路４により水撃装置８を通じて曝気槽２へ返送する。このとき、汚泥を含む水がポンプ５により曝気槽２から引き抜かれ、水撃装置８の導水管８０へ導かれる。

ここで、水撃装置８の動作について詳細に説明する。排水弁８３が開いている状態で、水の速度がＶａ（臨界速度）に達したとき、排水弁８３は閉じる方向に動き始める。すると、さらに水流の動圧を受けて排水弁８３は加速的に閉じる動きをする。そして弁が閉じた瞬間、水流は完全に停止する。このとき、大きな水撃圧（Ｐａ）が発生する。

以下に理論的に説明する。
質量ｍの物質が加速度ａで動いているときの力Ｆは、
Ｆ＝ｍ×ａ（ニュートンの運動方程式）
で表わされる。
ここで、微小時間（Δｔ）の間に、微小速度変化（Δｖ）したときの加速度は、
ａ＝Δｖ÷Δｔ
で表わされるので、
Ｆ＝ｍ×ａ＝ｍ×Δｖ÷Δｔ
となる。

上式を変形すると
Ｆ×Δｔ＝ｍ×Δｖ
となる。
すなわち、導水管８０内（ここでは、アキュムレータ６から水撃装置８まで）の水の質量をｍとすると、水の速度が短時間（Δｔ）でゼロとなるときの運動量変化（ｍ×Δｖ）は、水に加えられた力積（Ｆ×Δｔ）に等しいことを意味する。

したがって、排水弁８３に働く力（Ｆ）は、
Ｆ＝ｍ×Δｖ÷Δｔ
となり、
速度変化Δｖ（≒Ｖａ）より、
Ｆ≒ｍ×Ｖａ÷Δｔ
となる。

これにより、Δｖ（≒Ｖａ）が大きく、Δｔが小さいほど、排水弁８３に働く力（Ｆ）は大きくなることが分かる。この水に加えられた力（Ｆ）は、水撃圧（Ｐａ）という形で圧力波となって、水の中を音速で伝わって行く。このとき導水管８０（アキュムレータ６から水撃装置８まで）に入っている汚泥の細胞膜が破壊される。

また、水撃圧発生直後、水に加えられた力（Ｆ）の反動（反作用）により、瞬間的に排水弁８３近傍の水は負圧状態となる。このとき、排水弁８３は自重により開く動きをする。すると、再び水が流れ出し、徐々に速度を増して水の速度が臨界速度（Ｖａ）に達したとき、再び排水弁８３は閉じて水撃圧（Ｐａ）が発生する。水撃装置８は、このような状態を無限に繰り返す（図５参照。）。

ここで、ポンプ圧力（ΔＰ）と流速（Ｖ）の関係は、次式で表わされる（配管が直管の場合）。
ΔＰ＝λ×γ×Ｖ²×Ｌ÷（２×ｇ×Ｄ）
但し、λ：配管の摩擦抵抗、γ：水の密度、ｇ：重力加速度、Ｌ：配管長さ、Ｄ：配管径である。

実際の配管では、エルボやバルブなどの抵抗が付加されるが、ポンプ圧力と配管条件が決まれば、水の流速は一義的に決まる。このときの流速が、この配管条件での最大流速（Ｖｍａｘ）となる。水撃圧が発生する臨界速度（Ｖａ）をできるだけ、この最大流速（Ｖｍａｘ）に近づけるように水撃サイクルｔａを長くすれば、水撃圧（Ｐａ）が大きくなり、また汚泥処理能力も大きくなる。

このＶａ、Δｔは、排水弁８３の重量（Ｗ）と弁室設置角度（α）、排水弁取付角度（θ）を調整することによって変えることができる。排水弁調整ねじ８４でθを大きくすればＶａは大きく、すなわち水撃圧Ｐａも大きくなるが、大きくし過ぎると排水弁８３が動かなく（閉じなく）なる。また、αを大きくすれば、排水弁８３の戻り（開き）が早くなる（最大９０°）。排水弁８３の重量は、調整板８３ｂの枚数を増減することにより調整することができる。なお、本実施形態においては、水撃圧Ｐａ＝０．５〜１ＭＰａ、排水弁作動時間Δｔ＝０．０５〜０．１秒（昇圧速度Ｐａ／Δｔ＝５〜２０ＭＰａ／秒）、弁室設定角度α＝２０〜４０°、排水弁取付角度θ＝６０°〜８０°、水撃サイクルｔａ＝１〜３秒としている。

このように、本実施形態における排水処理装置１では、極めて単純な排水弁８３の開閉による水撃圧で、汚泥中の難分解性の微生物細胞膜が破壊され、曝気槽２へ返送されると、易分解性の細胞内物質が好気性微生物の餌として容易に有機物分解されるため、最終的な余剰汚泥が減量され、余剰汚泥の処理コストを削減することが可能である。また、既設の排水処理装置に対しても、水撃装置８を通じて曝気槽２へ返送する返送手段を有する汚泥処理装置を増設することで、同様の効果を得ることが可能である。

また、この排水処理装置１では、排水弁の作動時間（Δｔ）を小さくするほど大きな水撃圧が得られる。水撃装置８では、ポンプ５の圧力（ΔＰ）の１０倍程度の水撃圧を得ることができるので、０．１ＭＰａ程度の低圧のポンプで汚泥の可溶化処理が可能である。また、この排水処理装置１では、汚泥の可溶化に薬剤を使用しないので、曝気槽の生物処理機能に悪影響を与えることがない。

また、図１に示すように、この排水処理装置１による処理後の汚泥のうち、一部（例えば９０％）を曝気槽２へ返送し、残りの一部（例えば、１０％）をベルトプレス式、スクリュー式その他の脱水装置９により処理する構成とすることも可能である。本実施形態における排水処理装置１では、水撃装置８により汚泥中の難分解性の微生物細胞膜が破壊されているので、脱水装置９では細胞内の水分まで脱水することが可能であり、汚泥の水分を容易に８０％程度まで脱水することが可能である。

そして、脱水装置９により分離された液分は、排水処理装置１０により処理される。排水処理装置１０としては、資源回収装置、曝気槽２への循環装置や、別の生物処理槽などを用いることができる。

また、脱水装置９により脱水された固形分は、乾燥装置１１により乾燥する構成とすることも可能である。なお、脱水直後の汚泥（脱水汚泥）に対しては、ミキサ１２により乾燥汚泥（乾粉）を均一に混合してから乾燥装置１１による乾燥を行うことが望ましい。ミキサとしては、例えば特許第３６５０３８０号公報に記載されている大量混合処理が可能な管路ミキサなどを使用することが望ましい。

このようなミキサ１２により乾燥汚泥が均一に混合された汚泥は粘性が下がるので、乾燥装置１１として通常のキルン式熱風乾燥機を使用することが可能である。ミキサ１２により混合する乾燥汚泥は、乾燥装置１１により乾燥された汚泥の返送乾粉を用いることができる。

なお、脱水汚泥の水分が８０％、乾燥汚泥の水分が１０％の場合の混合割合と混合後の水分を表１に示す。

混合後の水分は低いほど粘性が低くなるが、乾燥汚泥の混合量が増加し、乾燥装置１１が大型となる。逆に、混合後の水分が高いと粘性は高くなってしまうので、脱水汚泥と乾燥汚泥の混合割合は１：２〜１：３、混合後の水分は２５％〜４５％、より好ましくは３０％〜４０％とすることが望ましい。

なお、脱水汚泥と乾燥汚泥の混合後の水分３０％〜４０％の汚泥は、乾燥装置１１の入口側では、玉（ダマ）になりやすく，乾燥装置１１の内面にリフタを設置しても、汚泥が付着してリフト効果が少ない。そこで、入口側にリフタを設置せず、乾燥が進んで、水分が少なくなる領域、すなわち粘性が下がった領域（水分２０％程度の領域）からリフタを設置する構造とすることが望ましい。

図６は乾燥装置１１としてのキルン式熱風乾燥機の一例を示す概略構成図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図６に示すキルン式熱風乾燥機２０では、攪拌軸２１に設けられている乾燥機入口側の攪拌羽根２２の直径を大きくし、キルン２３の内面との隙間を小さくすることにより、キルン２３の内面に汚泥が付着するのを防止している。一方、乾燥機出口側では、攪拌羽根の直径を小さくし、キルン２３内面との隙間にリフタ２４を設置している。また、乾燥機入口側から出口側に向かうにつれて攪拌羽根２２の本数を増やし、乾燥機内の汚泥の拡散を促進して乾燥しやすくしている。

前述のように、本実施形態における排水処理装置１の水撃装置８により細胞膜が破壊された汚泥は可溶化され、曝気槽２へ戻すと、易分解性の細胞内物質は再び微生物により分解可能となるが、難分解性の微生物細胞膜を含む一部の汚泥については余剰汚泥として引き抜いて脱水装置９により脱水し、乾燥装置１１により乾燥して、バイオ燃料として再利用することが好ましい。

汚泥細胞膜の主要物質である「ペプチドグリカン」が細胞の強度を保持し、浸透圧による細胞破壊を防いでいる。そのため、細胞膜を破壊された汚泥を脱水した後の固形分は、細胞膜を多く含む汚泥が多く、乾燥して燃料とするのが良い。脱水した後の液分は「生物処理槽」に戻しても良いが、有用資源（リンなど）が多く含まれているので、資源回収するのが望ましい。

また、図１の例では、水撃装置８を１つ設けた構成であるが、図７に示すように複数の水撃装置８を並列に設ける構成とすることも可能である。

図７に示すように水撃装置８を複数（図示例では、１ｍ³／ｍｉｎを５ライン）設置することにより、衝撃圧を分散している。アキュムレータ６は鉄製の円筒タンクとし、タンク容量は返送汚泥量が１分間滞留する大きさ（５ｍ³）としている。水撃装置８の下流側は、５ラインの排水管を合流し、流量調整弁１３で脱水装置９に０．５ｍ³／ｍｉｎ、残り４．５ｍ³／ｍｉｎを曝気槽に返送するようにしている。このような構成では、水撃装置８と各配管は密閉されているので、水撃音を緩和するために装置全体を水中に設置することもできる。

このように、水撃装置８を複数並列に設けることで、汚泥の処理量を容易に増やすことが可能である。また、複数の水撃装置８を設けることで、一つの水撃装置８の排水弁８３が動作不良となった場合であっても他の水撃装置８の排水弁８３が動作するため、排水処理が停止することはない。

また、アキュムレータ６の代りに、図８に示すようにポンプ５の圧力に相当する必要な水頭差が得られる高さの供給タンク１４を設置しても良い。これにより、前述と同様に水撃装置８を作動させることができるとともに、ポンプ５が水撃圧の影響を受けないため、安価な排水処理装置を提供することができる。

本発明の汚泥処理装置および汚泥処理方法は、有機物を含む排水を微生物により有機物分解する排水処理装置および排水処理方法の汚泥処理に有用である。

１ 排水処理装置
２ 曝気槽
３ 沈殿槽
４ 汚泥返送路
５ ポンプ
６ アキュムレータ
７ 切換バルブ
８ 水撃装置
８０ 導水管
８１ 弁室
８２ 排水管
８３ 排水弁
８４ 排水位調整ねじ
８５ ストッパ
９ 脱水装置
１０ 排水処理装置
１１ 乾燥装置
１２ ミキサ
１３ 流量調整弁
１４ 供給タンク
２０ キルン式熱風乾燥装置
２１ 攪拌軸
２２ 攪拌羽根
２３ キルン
２４ リフタ

Claims (9)

1. 有機物を含む排水を生物処理槽にて微生物により有機物分解することにより発生した汚泥に水撃圧を加えて前記生物処理槽へ返送する返送手段を有し、
   前記返送手段の途中に、弁室と、前記弁室に前記汚泥を含む水を導入する導水管と、前記弁室の下側に回動可能に支持され、前記導水管から導入される前記汚泥を含む水の運動エネルギーにより閉じ、前記弁室内の汚泥に水撃圧を加えるとともに、前記水撃圧が前記弁室から前記導水管内へ伝播すると再び開くことを繰り返す排水弁とを有する水撃装置を有する汚泥処理装置。
2. 前記水撃圧は０．５ＭＰａ以上、かつ昇圧速度５〜２０ＭＰａ／秒である請求項１記載の汚泥処理装置。
3. 前記水撃圧を加えた汚泥を脱水する脱水装置を有する請求項１または２に記載の汚泥処理装置。
4. 前記水撃圧を加えて脱水した後の汚泥を乾燥する乾燥装置を有する請求項１から３のいずれかに記載の汚泥処理装置。
5. 有機物を含む排水を微生物により有機物分解する生物処理槽と、
   請求項１から４のいずれかに記載の汚泥処理装置と
   を有する排水処理装置。
6. 有機物を含む排水を生物処理槽にて微生物により有機物分解することにより発生した汚泥に、弁室と、前記弁室に前記汚泥を含む水を導入する導水管と、前記弁室の下側に回動可能に支持され、前記導水管から導入される前記汚泥を含む水の運動エネルギーにより閉じ、前記弁室内の汚泥に水撃圧を加えるとともに、前記水撃圧が前記弁室から前記導水管内へ伝播すると再び開くことを繰り返す排水弁とを有する水撃装置により、水撃圧を加えて前記生物処理槽へ返送することを含む汚泥処理方法。
7. 前記水撃圧を加えた汚泥を乾燥することを含む請求項６記載の汚泥処理方法。
8. 前記汚泥に乾燥汚泥を混合し、水分率を２５％〜４５％に調整して前記乾燥を行うことを特徴とする請求項７記載の汚泥処理方法。
9. 有機物を含む排水を生物処理槽にて微生物により有機物分解することと、
   請求項６から８のいずれかに記載の汚泥処理方法と
   を含む排水処理方法。

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