JP5217778B2 - 余剰汚泥の粉砕方法、余剰汚泥減容化方法及び余剰汚泥の粉砕装置 - Google Patents
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Description
本発明は、有機性排水を生物学的に処理する際に発生する余剰汚泥を粉砕する余剰汚泥の粉砕方法、余剰汚泥減容化方法及び余剰汚泥の粉砕装置に関するものである。
有機性産業排水（以下、「被処理水」又は「有機性排水」という。）の処理には、活性汚泥処理法が用いられている。図１に示すように、活性汚泥処理法は、活性汚泥を有するばっ気槽１内に被処理水を供給し、空気で曝気することにより、活性汚泥の生物学的作用で被処理水中の有機物を分解処理する方法である。この活性汚泥処理法では、有機物が生物学的に分解処理されるのに伴い、増殖した微生物が汚泥として大量に発生する。この大量に発生した汚泥は沈殿槽２等で分離回収され、その一部は生物処理工程（例えば、ばっ気槽１等）に送られるが、残部は余剰汚泥として処分される。
余剰汚泥の処分方法としては、その余剰汚泥を濃縮して脱水した後に焼却や埋め立てにより廃棄処分する方法が行われている。また、埋め立てによる廃棄処分においては、産業廃棄物の埋立処分場の確保が難しく、しかも引き取りコストも年々高騰している。焼却による廃棄処分においては、余剰汚泥の含水率が高いために余剰汚泥を焼却するための燃料費が嵩み、さらに、排出ガスや焼却灰の処理が必要であり、近年は環境問題等から焼却処理自体が困難になってきているのが現状である。このようなコスト面や環境等の配慮から廃棄処分以外の手段が求められ、種々提案されている。
その一つの手段として、余剰汚泥をできるだけ減容化し、廃棄処分量を少なくする余剰汚泥減容化方法がある。この余剰汚泥減容化方法は、余剰汚泥を生物学的に処理するのに適した状態に改質（ここでいう改質は、「可溶化」ともいう。）した後に生物処理槽に返送して生物学的に分解処理させるものである（特許文献１、２を参照。）。なお、余剰汚泥を生物学的に処理するのに適した状態に改質するとは、余剰汚泥の殆どを構成する微生物を粉砕することである。
余剰汚泥減容化方法としては、例えば、（１）湿式ミルで余剰汚泥をすりつぶす方法が検討されている。また（２）磁性粒子を有する余剰汚泥に磁場を与えてその磁性粒子を振動又は移動させ、その余剰汚泥を粉砕する方法が提案されている。
しかしながら、（１）の湿式ミルで余剰汚泥を物理的にすりつぶす方法においては、かなりの摩擦抵抗に抗して高速で回転するのに多くのエネルギーコストを必要とし、また、ボールミルの場合は処理後の余剰汚泥との分離に手間がかかるという問題があった。そして、（２）の磁性粒子を有する余剰汚泥に磁場を与えてその磁性粒子を振動又は移動させる方法においては、粉砕効率が十分とは言えない嫌いがあった。その特許文献２の、段落００２６には処理部は撹拌機能を備えるものであってもよい旨の記載はあるが、該撹拌機能の具体的構造については何ら記載されていない。
特開平２−２１１２９９号公報
特開２００６−７４９号公報
A New Method for Reduction of Excess Sludge by Using Ferrite Particles ：M. Kabir, M.Suzuki and N.Yoshimura，Japanese Journal of Water Treatment Biology Vol.43 No:4，pp. 189-197 (2007)
そこで、本発明者らは前記（２）の磁性粒子を有する余剰汚泥に磁場を与えてその磁性粒子を振動又は移動させる方法にさらに改良を加えて粉砕効率を向上することを課題とし、薬品類を使用せずに低エネルギーで微生物の粉砕を行える余剰汚泥の粉砕方法、余剰汚泥減容化方法及び余剰汚泥の粉砕装置を提供することを目的とする。
本発明の余剰汚泥の粉砕方法は、磁性粒子を有する余剰汚泥に磁性撹拌子を投入して、磁場を与えて前記磁性粒子および磁性撹拌子を振動又は移動させ、前記余剰汚泥を粉砕するものである。
本発明の余剰汚泥減容化方法は、有機性排水を生物処理槽で生物学的に処理して処理液とし、該処理液を清澄水と余剰汚泥とに分離し、分離された余剰汚泥に磁性粒子及び磁性撹拌子を投入し、該磁性粒子を有する余剰汚泥に磁場を与えて前記磁性粒子及び磁性撹拌子を振動又は移動させて前記余剰汚泥を粉砕し、粉砕された余剰汚泥を前記生物処理槽に戻すものである。
本発明の余剰汚泥の粉砕装置は、磁性粒子を有する余剰汚泥を収容する容器と、該容器に投入できる磁性撹拌子と、磁場を与えて前記磁性粒子および磁性撹拌子を前記容器の一側内面に引き寄せながら振動又は移動させることができる磁場変動手段とからなるものである。
本発明の余剰汚泥の粉砕方法、余剰汚泥減容化方法及び余剰汚泥の粉砕装置は、日本全国では余剰汚泥の処理に１トン当たり平均およそ2万円がかかっており、家庭排水処理による年間発生される余剰汚泥はおよそ4000万トンであるからそのうちわずか１％の余剰汚泥の減容化でも年間80億円の費用が削減できる計算になることから、経済的に大きな可能性を持っていることがわかる。
本発明の余剰汚泥の粉砕装置の一実施例を添付図面に基づいて、以下に説明する。
図１は本発明の活性汚泥法の処理手順の一例を示す概略図である。
図１に示すように、活性汚泥処理法は、活性汚泥（Ｘｍｇ／Ｌ）を有するばっ気槽１内に被処理水（排水濃度Ｃ１ｍｇ／Ｌ、排水量Ｑ１Ｌ／日）を供給し、空気で曝気することにより、活性汚泥の生物学的作用で被処理水中の有機物を分解処理する方法である。この活性汚泥処理法では、有機物が生物学的に分解処理されるのに伴い、増殖した微生物が汚泥として大量に発生する。この大量に発生した汚泥は沈殿槽２等で分離回収され上澄み水は処理水（処理水濃度Ｃ０ｍｇ／Ｌ、処理水量Ｑ０Ｌ／日）として放流される。その一部は生物処理工程（例えば、ばっ気槽１等）に返送汚泥として返送汚泥ライン１３送られるが、残部は余剰汚泥ΔＸとして処分される。
図１は本発明の活性汚泥法の処理手順の一例を示す概略図である。
図１に示すように、活性汚泥処理法は、活性汚泥（Ｘｍｇ／Ｌ）を有するばっ気槽１内に被処理水（排水濃度Ｃ１ｍｇ／Ｌ、排水量Ｑ１Ｌ／日）を供給し、空気で曝気することにより、活性汚泥の生物学的作用で被処理水中の有機物を分解処理する方法である。この活性汚泥処理法では、有機物が生物学的に分解処理されるのに伴い、増殖した微生物が汚泥として大量に発生する。この大量に発生した汚泥は沈殿槽２等で分離回収され上澄み水は処理水（処理水濃度Ｃ０ｍｇ／Ｌ、処理水量Ｑ０Ｌ／日）として放流される。その一部は生物処理工程（例えば、ばっ気槽１等）に返送汚泥として返送汚泥ライン１３送られるが、残部は余剰汚泥ΔＸとして処分される。
図２は本発明の余剰汚泥の粉砕装置の回転方式磁気−フェライト処理システムを示す説明図である。
図２に示すように、本発明の余剰汚泥の粉砕装置３は、磁性粒子４を有する余剰汚泥５を収容する容器６と、該容器６に投入できる磁性撹拌子７と、磁場を与えて前記磁性粒子４および磁性撹拌子７を前記容器６の一側内面に引き寄せながら振動又は移動させることができる磁場変動手段８とからなる。
前記容器６は、磁場に影響を与えない材料から形成され、磁性撹拌子７の振動又は移動に支障を生じない直径の逆円錐台形の容器である。
前記容器６を形成する磁場に影響を与えない材料としては、たとえばポリ塩化ビニル樹脂、ポリカーカーボネート樹脂あるいはアクリル樹脂などの硬質プラスチックが好適に使用することができる。
前記磁性粒子４は、磁性体からなる微粒子であれば使用できるが、50μm以下の球形のフェライト粒子が最適である。
図２に示すように、本発明の余剰汚泥の粉砕装置３は、磁性粒子４を有する余剰汚泥５を収容する容器６と、該容器６に投入できる磁性撹拌子７と、磁場を与えて前記磁性粒子４および磁性撹拌子７を前記容器６の一側内面に引き寄せながら振動又は移動させることができる磁場変動手段８とからなる。
前記容器６は、磁場に影響を与えない材料から形成され、磁性撹拌子７の振動又は移動に支障を生じない直径の逆円錐台形の容器である。
前記容器６を形成する磁場に影響を与えない材料としては、たとえばポリ塩化ビニル樹脂、ポリカーカーボネート樹脂あるいはアクリル樹脂などの硬質プラスチックが好適に使用することができる。
前記磁性粒子４は、磁性体からなる微粒子であれば使用できるが、50μm以下の球形のフェライト粒子が最適である。
図４は磁性撹拌子概略図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
前記磁性撹拌子７は、たとえば磁性体を有した丸い撹拌子(材料：フリープラスチック；中に磁性体９としてユニクロプレート120 幅1.5cmが入っている）が安定した回転が得られ効果的であり、磁性撹拌子７および磁性粒子４間に余剰汚泥５が上手く入る込むための切り込み１０を円周囲に入れることができる。
前記磁性撹拌子７は、たとえば磁性体を有した丸い撹拌子(材料：フリープラスチック；中に磁性体９としてユニクロプレート120 幅1.5cmが入っている）が安定した回転が得られ効果的であり、磁性撹拌子７および磁性粒子４間に余剰汚泥５が上手く入る込むための切り込み１０を円周囲に入れることができる。
図５は回転子の平面図である。
前記磁場変動手段８は、たとえば円盤テーブル状の回転子１１の一つを用意し、前記回転子１１上に永久磁石１２を２個対向状に固定させ、回転子１１を図示しないモータによって回転数２０〜５００ [rpm]、特に好ましくは90[rpm]で回転させることができる。
もちろん、電磁コイルを使用して磁場変動を生じさせてもよい。
前記磁場変動手段８は、たとえば円盤テーブル状の回転子１１の一つを用意し、前記回転子１１上に永久磁石１２を２個対向状に固定させ、回転子１１を図示しないモータによって回転数２０〜５００ [rpm]、特に好ましくは90[rpm]で回転させることができる。
もちろん、電磁コイルを使用して磁場変動を生じさせてもよい。
（実施例１）
次に、本発明の余剰汚泥の粉砕装置の実験のために作製した余剰活性汚泥減容化に使用する回転方式磁気―フェライト処理システムは、下記の寸法・形状の通りである。
磁性撹拌子７としては、φ13.0 cm、(材料：フリープラスチック；中に磁性体９としてユニクロプレート120 幅1.5cmが入っている）
容器６としては容量870ml、φ17cm×5cｍ、汚泥量としては200ml、磁性粒子４としてはフェライト粒径 50μm以下、50g、
回転子１１の磁石の磁束密度 30−50 [mT]、回転子１１の回転数 90[rpm]
次に、本発明の余剰汚泥の粉砕装置の実験のために作製した余剰活性汚泥減容化に使用する回転方式磁気―フェライト処理システムは、下記の寸法・形状の通りである。
磁性撹拌子７としては、φ13.0 cm、(材料：フリープラスチック；中に磁性体９としてユニクロプレート120 幅1.5cmが入っている）
容器６としては容量870ml、φ17cm×5cｍ、汚泥量としては200ml、磁性粒子４としてはフェライト粒径 50μm以下、50g、
回転子１１の磁石の磁束密度 30−50 [mT]、回転子１１の回転数 90[rpm]
本発明の余剰汚泥の粉砕装置により、余剰汚泥を構成する微生物の細胞壁を粉砕するためには、磁性粒子（フェライト粒子）の形状・サイズ・粉砕に使う容器に対する容量比率などを詳細に検討するために、粉砕装置単独で基礎的な実験を行なった。
まず磁性撹拌子７を使用せずに実験した結果、非特許文献１の実験結果にあるように、50μm以下の球形の磁性粒子（フェライト粒子）が本発明に最適であると知られている。
まず磁性撹拌子７を使用せずに実験した結果、非特許文献１の実験結果にあるように、50μm以下の球形の磁性粒子（フェライト粒子）が本発明に最適であると知られている。
図３は磁性粒子によって作られる隙間の模式図である。
磁性粒子４の粒径は図３の模式図にあるように、直径Dの磁性粒子による隙間の値はD(√3/2−１)の関係式より微生物(サイズ10μm)を捕獲するため50μm未満のものを使うと効率が向上することが判明した。たとえば、上記の非特許文献１の汚泥減容化システムにおいて、磁性粒子の粒径が200μm場合は４時間の磁気―フェライト処理の結果、活性汚泥を構成する微生物の生菌率は10％にまで減少したが、粒径が50μm未満のものの場合において、同じ時間で生菌率は1％にまで減少した。このことからも、本発明に最適な磁性粒子は50μm未満のものだとわかる。
磁性粒子４の粒径は図３の模式図にあるように、直径Dの磁性粒子による隙間の値はD(√3/2−１)の関係式より微生物(サイズ10μm)を捕獲するため50μm未満のものを使うと効率が向上することが判明した。たとえば、上記の非特許文献１の汚泥減容化システムにおいて、磁性粒子の粒径が200μm場合は４時間の磁気―フェライト処理の結果、活性汚泥を構成する微生物の生菌率は10％にまで減少したが、粒径が50μm未満のものの場合において、同じ時間で生菌率は1％にまで減少した。このことからも、本発明に最適な磁性粒子は50μm未満のものだとわかる。
さらに、最適な磁性粒子４（フェライト粒子）を選び、磁性撹拌子７の形状などを調べた後、その磁性粒子４を有した余剰汚泥５に磁場を1h以上かけても余剰汚泥を構成する微生物の生菌率に変化がみられなかったため、余剰汚泥５・磁性粒子４の衝突をさらに効率良くさせる必要があり、磁性撹拌子７を容器に入れることで粉砕を可能にする。
そして好ましい磁性撹拌子７の形状を調べるために試行錯誤の末、磁性体９を有した丸い撹拌子が効果的であることがわかった。また、磁性撹拌子７および磁性粒子４（フェライト粒子）間に余剰汚泥５が上手く入る込むための切り込み１０を外周囲に入れることになった。
磁性粒子４を有した余剰汚泥５に磁性撹拌子７を入れて、余剰汚泥５を構成する微生物の殺菌・可溶化を実施するには磁性粒子４に磁性撹拌子７を近づけ、余剰汚泥５・磁性粒子４との衝突を積極的に起こさせる必要がある。そのため、前記の汚泥に磁場を加える必要がある。
そして好ましい磁性撹拌子７の形状を調べるために試行錯誤の末、磁性体９を有した丸い撹拌子が効果的であることがわかった。また、磁性撹拌子７および磁性粒子４（フェライト粒子）間に余剰汚泥５が上手く入る込むための切り込み１０を外周囲に入れることになった。
磁性粒子４を有した余剰汚泥５に磁性撹拌子７を入れて、余剰汚泥５を構成する微生物の殺菌・可溶化を実施するには磁性粒子４に磁性撹拌子７を近づけ、余剰汚泥５・磁性粒子４との衝突を積極的に起こさせる必要がある。そのため、前記の汚泥に磁場を加える必要がある。
図４の平面図に示すように、回転子１１の一つを用意し、前記の回転子１１に永久磁石１２のＮ・Ｓ極を対向させて固定させ、回転子１１を図示しないモータによって回転させることにした。回転速度は速ければ速いほど磁場変動手段としての効率が向上し、電力も少なくて済むが、一定の速さを超えると磁性粒子４・磁性撹拌子７は回転子１１の永久磁石１２の回転についていかず、余剰汚泥５の可溶化は上手くいかない。種々の実験を実施した結果、本装置にモータの回転速度は90[rpm]が望ましいとわかった。
たとえば、回転速度が40rpmの場合の実験結果として、汚泥を構成する微生物の殺菌率は90％しかなかったのに、回転速度を90rpmと同一条件で調べた結果90−99％の殺菌率が可能であった。
たとえば、回転速度が40rpmの場合の実験結果として、汚泥を構成する微生物の殺菌率は90％しかなかったのに、回転速度を90rpmと同一条件で調べた結果90−99％の殺菌率が可能であった。
（実施例２）
次いで上記実施例１で用いた回転方式磁気―フェライト処理システムを、図１に処理手順の一例を示す超ミニ排水処理プラントに組み込んで標準活性汚泥法という運転法を用いて本発明手法の有無による汚泥減容化の評価を行なった。そのための実験条件は、下記の通りである。
人工排水COD：40ｍｇ/L
流入量：3.36L/日
標準MLSS：200ｍｇ/L
BOD-MLSS負荷：0.2
BOD−容積負荷：0.4
汚泥に行なう磁気―フェライト処理の時間：１h
処理システム運転時間：4h/日
次いで上記実施例１で用いた回転方式磁気―フェライト処理システムを、図１に処理手順の一例を示す超ミニ排水処理プラントに組み込んで標準活性汚泥法という運転法を用いて本発明手法の有無による汚泥減容化の評価を行なった。そのための実験条件は、下記の通りである。
人工排水COD：40ｍｇ/L
流入量：3.36L/日
標準MLSS：200ｍｇ/L
BOD-MLSS負荷：0.2
BOD−容積負荷：0.4
汚泥に行なう磁気―フェライト処理の時間：１h
処理システム運転時間：4h/日
活性汚泥法による排水処理の基本的な流れは図１のようになる。調整された排水（排水濃度Ｃ１ｍｇ／Ｌ、排水量Ｑ１Ｌ／日）はばっ気槽１へ連続的に流入される。ばっ気槽１に活性汚泥が入っており、酸素が供給される。そこで、微生物と混合接触して酸化分解が行われ、酸化分解処理水は沈殿槽２に送られる。同時に、少量の汚泥も流れてくる。沈殿槽２では活性汚泥が自然沈殿され、上澄み水は処理水（処理水濃度Ｃ０ｍｇ／Ｌ、処理水量Ｑ０Ｌ／日）として放流され、活性汚泥は返送汚泥として返送汚泥ライン１３を通ってばっ気槽１に返送される。増殖分は余剰活性汚泥ΔＸとして引き抜かれ、処分される。余剰活性汚泥の発生量ΔＸを図１の記号を用いて表すと下記（１）の式のようになる。
そこで、ゼロ・エミッションのため、一部の返送汚泥W（W =ΔＸ/(1- h);ｈ処理された汚泥の活性汚泥への転換率）に物理・化学あるいは物理化学処理を行い、汚泥の微生物を殺菌・可溶化し、 その殺菌された汚泥を未処理の活性汚泥に生物分解させることで減容化を目指している。実施例１で用いた回転方式磁気―フェライト処理システムは返送汚泥ライン１３の途中に挿入され、１日に4時間を余剰汚泥の処理を行ない、本発明の有無における汚泥減容化を調べた。
生物処理槽２の容量が6.72Ｌの二台の超ミニプラントを用いて余剰汚泥の減容化に回転方式磁気―フェライト処理の効果を調べた。そのうち、一台のミニプラントをコントロールとして観察し、もう一台の返送汚泥に1日に４時間、回転方式磁気−フェライト処理を行なった。回転方式磁気−フェライト処理の有無におけるそれぞれの生物処理槽内の活性汚泥濃度（ＭＬＳＳ）の変化を定期的に測定し、ＭＬＳＳ値の変化より本発明の効果を評価した。
ＭＬＳＳは混合液中の浮遊物質を示すのでばっ気槽１の微生物量を指すものである。両生物処理槽から一定量の活性汚泥（50ml）を採取し、乾燥させた後の微生物の重さをmg/Lの単位で示したものであるから、標準MLSSよりMLSSの値が高いとばっ気槽１の微生物量が増加したことになる。
ＭＬＳＳは混合液中の浮遊物質を示すのでばっ気槽１の微生物量を指すものである。両生物処理槽から一定量の活性汚泥（50ml）を採取し、乾燥させた後の微生物の重さをmg/Lの単位で示したものであるから、標準MLSSよりMLSSの値が高いとばっ気槽１の微生物量が増加したことになる。
図６は減容化の評価試験結果を示すグラフ図である。
実験は2007年12月10日から12月24日まで継続し、その時のMLSSの変化を図６のグラフ図に示す。２週間の観察ではコントロールとして未処理で使用した生物処理槽１の活性汚泥濃度の右上がりの増え具合に対して、処理された系のMLSS値は飽和していることがわかる。このように、薬品等を投入せずとも短時間で効率良く余剰汚泥の減容化に成功している。
実験は2007年12月10日から12月24日まで継続し、その時のMLSSの変化を図６のグラフ図に示す。２週間の観察ではコントロールとして未処理で使用した生物処理槽１の活性汚泥濃度の右上がりの増え具合に対して、処理された系のMLSS値は飽和していることがわかる。このように、薬品等を投入せずとも短時間で効率良く余剰汚泥の減容化に成功している。
これらの実験結果を基に本発明の余剰汚泥の粉砕装置を完成させ、前記磁性粒子・撹拌子を有した余剰汚泥に前記回転子90rpmによる発生する磁場を与えた場合、1hの処理時間ではおよそ90％以上の殺菌効果があり、余剰汚泥の可溶化に成功している。
１ ばっ気槽
２ 沈殿槽
３ 粉砕装置
４ 磁性粒子
５ 余剰汚泥
６ 容器
７ 磁性撹拌子
８ 磁場変動手段
９ 磁性体
１０ 切り込み
１１ 回転子
１２ 永久磁石
１３ 返送汚泥ライン
２ 沈殿槽
３ 粉砕装置
４ 磁性粒子
５ 余剰汚泥
６ 容器
７ 磁性撹拌子
８ 磁場変動手段
９ 磁性体
１０ 切り込み
１１ 回転子
１２ 永久磁石
１３ 返送汚泥ライン
Claims (6)
- 磁性粒子を有する汚泥に磁性攪拌子を投入して、該磁性攪拌子と該磁性粒子を近づけつつ、磁場を与えて前記磁性粒子および攪拌子を振動又は移動させ、前記汚泥を破砕することを特徴とする汚泥の破砕方法。
- 前記磁性攪拌子が円形であることを特徴とする、請求項１に記載の汚泥の破砕方法。
- 有機性排水を生物処理槽で生物学的に処理して処理液とし、該処理液を清澄水と汚泥とに分離し、分離された汚泥に磁性粒子及び磁性攪拌子を投入し、該磁性攪拌子と該磁性粒子を近づけつつ、該磁性粒子を有する汚泥に磁場を与えて前記磁性粒子を振動又は移動させて前記汚泥を破砕し、破砕された汚泥を前記生物処理槽に戻すことを特徴とする汚泥減容化方法。
- 前記磁性攪拌子が円形であることを特徴とする、請求項３に記載の汚泥減容化方法。
- 磁性粒子を有する汚泥を収容する容器と、該容器に投入して該磁性粒子を近づけることができる磁性攪拌子と、磁場を与えて前記磁性粒子および攪拌子を前記容器の一側内面に引き寄せながら振動又は移動させることのできる磁場変動手段とからなる汚泥の破砕装置。
- 前記磁性攪拌子が円形であることを特徴とする、請求項５に記載の汚泥の粉砕装置。
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