特許:汚泥削減 特許第4818474号

Snap 2016-02-10 at 16.40.22

(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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、
(2) JP 4818474 B1 2011.11.16
10
20
30
40
50
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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2008-93508号公報
【特許文献2】特許第366803号公報
(3) JP 4818474 B1 2011.11.16
10
20
30
40
50
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【0007】
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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【発明の効果】
【0011】
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。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】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2】図1の切換バルブの作動位置を示す説明図である。
【図3】図1の水撃装置の概略構成図である。
【図4】図3の弁室の拡大断面図である。
【図5】臨界速度と水撃圧との関係を示す図である。
【図6】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7】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。
【図8】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。
(4) JP 4818474 B1 2011.11.16
10
20
30
40
50
【発明を実施するための形態】
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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8
1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。
【0021】
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
(5) JP 4818474 B1 2011.11.16
10
20
30
40
50
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。)。
【0029】
(6) JP 4818474 B1 2011.11.16
10
20
30
40
50
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。
【0030】
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(V
max)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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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
(7) JP 4818474 B1 2011.11.16
10
20
30
40
50
な管路ミキサなどを使用することが望ましい。
【0037】
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。
【0038】
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。
【表1】
【0039】
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3
0%~40%とすることが望ましい。
【0040】
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。
【0041】
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

【0042】
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。
【0043】
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。
(8) JP 4818474 B1 2011.11.16
10
20
30
40
50
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【産業上の利用可能性】
【0048】
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。
【符号の説明】
【0049】
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
(9) JP 4818474 B1 2011.11.16
10
23 キルン
24 リフタ
【要約】
【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
【図1】【図2】
【図3】
(10) JP 4818474 B1 2011.11.16
【図4】【図5】
【図6】
【図7】【図8】
(11) JP 4818474 B1 2011.11.16
10
フロントページの続き
(56)参考文献 特開2010-269203(JP,A)
特開2004-313899(JP,A)
特開2004-066057(JP,A)
特開2005-238067(JP,A)
特開2002-219376(JP,A)
(58)調査した分野(Int.Cl.,DB名)
C02F   3/12
C02F  11/00