汚泥処理システム
【課題】汚泥成分の伝熱面への付着による熱交換効率の低下が生じることなく、また、汚泥による流路の目詰まりも生じることなく汚泥を効果的に熱処理することができる汚泥処理システムを提供する。
【解決手段】汚泥を反応器１４により所定の圧力下で加熱して熱処理する。この反応器１４による熱処理前の汚泥に対し予熱装置１３で予熱を行う。この予熱装置１３は、反応器１４への汚泥の供給路上に連結された直接熱交換器部１５と、反応器１４からの熱処理後の汚泥の排出路上に連結された蒸発器部１６とを一体化したもので、これらの内部は反応器１４内より低い圧力に保持される。直接熱交換器部１５に導入された熱処理前の汚泥は、排出路により蒸発器部１６に導入された熱処理後の汚泥から生じる蒸気と直接的に接触することにより予熱される。
【解決手段】汚泥を反応器１４により所定の圧力下で加熱して熱処理する。この反応器１４による熱処理前の汚泥に対し予熱装置１３で予熱を行う。この予熱装置１３は、反応器１４への汚泥の供給路上に連結された直接熱交換器部１５と、反応器１４からの熱処理後の汚泥の排出路上に連結された蒸発器部１６とを一体化したもので、これらの内部は反応器１４内より低い圧力に保持される。直接熱交換器部１５に導入された熱処理前の汚泥は、排出路により蒸発器部１６に導入された熱処理後の汚泥から生じる蒸気と直接的に接触することにより予熱される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機物を多く含む汚泥を熱処理して、減容化を図った汚泥処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、有機物を多く含む汚泥をメタン生成菌等の嫌気性微生物の働きにより嫌気性発酵させ、消化ガスを回収する処理方法が多く用いられている。この場合、嫌気性微生物の処理対象となるのは主として比較的低分子の有機物であるため、下水処理などによって生じる余剰汚泥などの難分解の有機性汚泥を嫌気性処理により処理しようとすると、汚泥が溶解するのに時間がかかり、装置の大型化や処理効率の悪化を招いていた。
【０００３】
そこで、余剰汚泥などの難分解性の有機性汚泥を処理する際に、予め可溶化処理を施し、嫌気性微生物による消化処理を短時間で効率的に行なわせる方法が提案されている。可溶化処理には、高温高圧水の持つ非常に高い反応性を利用した水熱処理法が注目され、そのための手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上記提案における水熱可溶化処理装置は、第１熱交換器と第２熱交換器とを有しており、これらの熱交換器は、液滞留部と、熱交換部を夫々有している。熱交換部は複数のチューブと放熱用フィンが積層された構造であり、液滞留部は有機性汚泥が水熱反応処理に要する時間だけ滞留可能な容量を有する。有機性汚泥は、第１熱交換器の熱交換部に送られ、予備加熱される。予備加熱により中温高圧となった汚泥は第２熱交換器の熱交換部に導入され、この熱交換部にて加熱ガスにより加熱される。加熱された汚泥は高温高圧の水熱可溶化汚泥として排出され、前記第１の熱交換器の水熱反応空間（熱交換部及び液滞留部からなる）に導入される。この水熱反応空間で水熱可溶化反応した汚泥は、熱交換部にて冷却され、低温高圧の水熱可溶化汚泥として排出される。すなわち、第２の熱交換器の水熱反応空間、及び第１の熱交換器の水熱反応空間では有機性汚泥は高温高圧条件下に晒され、水熱可溶化反応がおこる。
【０００５】
このような装置において、第１の熱交換器では、熱処理前の汚泥と熱処理後の汚泥を、熱交換部において高圧のままで伝熱面（複数のチューブや放熱用フィンなど）を介して熱交換する。この第１の熱交換器で予熱された汚泥は第２の熱交換器において、その熱交換部において加熱ガスにより加熱され、この熱交換部を含む水熱反応部で汚泥の可溶化処理をされるというものであった。
【特許文献１】特開２００５−２５４１６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来技術では、加温前汚泥と加温後汚泥の熱交換を、熱交換部における複数のチューブと積層された放熱用フィンによる伝熱面を介して行っている。このため、例えば、汚泥によるたんぱく質の凝固物や炭酸カルシウムなどの水和物が伝熱面に付着すると熱交換効率が下がってしまう。また、汚泥による流路の目詰まりが懸念される。
【０００７】
本発明の目的は、汚泥成分の伝熱面への付着による熱交換効率の低下が生じることなく、また、汚泥による流路の目詰まりも生じることなく汚泥を効果的に熱処理することができる汚泥処理システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による汚泥処理システムは、汚泥を所定の圧力下で加熱して熱処理する反応器と、前記反応器への汚泥の供給路上に連結された直接熱交換器部と、前記反応器からの熱処理後の汚泥の排出路上に連結された蒸発器部とを一体化し、これらの内部は前記反応器内より低い圧力に保持され、前記直接熱交換器部に導入された熱処理前の汚泥を、前記排出路により前記蒸発器部に導入された熱処理後の汚泥から生じる蒸気を直接的に接触させて加熱する予熱装置とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明では、予熱装置は、前記汚泥の供給路上及び熱処理後汚泥の排出路上に複数段直列に連結され、これら複数の予熱装置の内部圧力を、前記反応器から見て下流方向になるに従って順次低く設定した構成としてもよい。
【００１０】
本発明は、予熱装置が複数段直列に連結された熱処理後汚泥の排出路上の、任意の２つの予熱装置間に設置され、内部圧力が、前記反応器から見て上流側の予熱装置から自己を含め下流側の予熱装置に向かって順次低くなるように設定され、前記上流側予熱装置から導入された熱処理後汚泥から、上流側との圧力差によって蒸気を生じさせ、かつ、この蒸気を前記上流側予熱装置の直接熱交換器部に供給するための配管を有する蒸発器を備えた構成でもよい。
【００１１】
本発明は、反応器により熱処理され、前記予熱装置の蒸発器部を経て排出される熱処理後汚泥を嫌気性処理する嫌気性処理装置を備えた構成でもよい。
【００１２】
本発明では、嫌気性処理装置から発生する消化ガスを、反応槽に対する加熱源設備の燃料に用いるとよい。
【００１３】
本発明は、前記予熱装置の蒸発器部を経て排出される熱処理後汚泥を嫌気性処理に適した温度に調整する温度調整装置を備えた構成でもよい。
【００１４】
本発明では、温度調整装置は、予熱装置より低い内部圧力に設定され、この予熱装置の蒸発器部を経て排出された熱処理後の汚泥を導入し、予熱装置との内部圧力差により蒸気を発生させて汚泥温度を低下させる蒸発器で構成するとよい。
【００１５】
本発明では、温度調整装置は、予熱装置の熱処理後汚泥排出部から嫌気性処理装置への管路に連結されて、この管路に流れる排出汚泥に対し熱処理されていない汚泥を混合させる装置でもよい。
【００１６】
本発明では、反応器は、熱処理された汚泥から、固形分が分離された液分を、予熱装置の蒸発器部に前記排出路を通して供給するように構成してもよい。
【００１７】
本発明は、液分と分離された熱処理後の汚泥の固形分を、嫌気性処理装置に供給する配管を有する構成でもよい。
【００１８】
本発明は、液分と分離された熱処理後の汚泥の固形分を濃縮する濃縮機を有し、かつ濃縮により生じた液分を温度調節用の蒸発器を経て嫌気性処理装置に供給する配管を有するように構成してもよい。
【００１９】
本発明では、反応器における熱処理は、６０℃〜３７４℃の間の加熱処理または加熱加圧処理であればよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、構造が簡素で、汚泥の付着による熱交換効率の低下や流路の目詰まり、さらには故障が生じ難く、汚泥を効果的に熱処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明による汚泥処理システムの一実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２２】
図１はこの実施の形態の構成を示すブロック図である。図１に示す汚泥処理システムは、処理対象の有機物を多く含む汚泥１１を濃縮する濃縮機１２、濃縮された汚泥の予熱装置１３、予熱された汚泥を所定の圧力下で加熱して熱処理する反応器１４を有する。
【００２３】
予熱装置１３は、例えば、特開２００７−２１３００号公報で示すように、共通の容器内の上部に直接熱交換器部１５を配置し、下部に蒸発器部１６配置してこれらを一体化し、下部の蒸発器部１６で発生した高温蒸気を、上部の直接熱交換器部１５に導入された汚泥に直接接触させ加温して予熱するものである。
【００２４】
この直接熱交換器部１５の入口部は、濃縮機１２と移送ポンプ１８を介して連結し、出口部は移送ポンプ１９を介して反応器１４と連結している。すなわち、直接熱交換器部１５は、反応器１４への汚泥の供給路上に連結されている。また、蒸発器部１６の入口部は、移送弁２０を介して反応器１４の熱処理後汚泥排出部と連結し、出口部は後続の嫌気性処理装置２２に到る配管と連結している。すなわち、蒸発器部１６は、反応器１４からの熱処理後の汚泥の排出路上に連結されている。
【００２５】
予熱装置１３に対しては加圧用のコンプレッサ２４及びレリーフ弁２５（設定圧以上になると開く機構の圧力調整弁）が設けられており、予熱装置１３の内部圧力（直接熱交換器部１５及び蒸発器部１６に共通の内部圧力）は、反応器１４内より低い圧力に保持されている。したがって、予熱装置１３の直接熱交換器部１５に導入された熱処理前の汚泥は、前記排出路から蒸発器部１６に導入された熱処理後の汚泥から生じる蒸気により直接的に加熱される。
【００２６】
反応器１４は、予熱装置１３から導入された予熱後の汚泥を所定の圧力下で加熱して熱処理し、液状化させるものである。そのために、この反応器１４には、加熱源設備であるボイラ２７から生じた高温蒸気が昇圧設備２８により所定圧力に昇圧されて供給され、汚泥を加熱加圧する。この他、加熱用としてヒータ２３が設けられている。ボイラ２７の燃料には、嫌気性処理装置（以下、消化槽として説明する）２２から、その消化反応により生じるメタンを含むバイオガス（消化ガス）を用いるとよい。この場合、バイオガスは脱硫装置２９により脱硫してボイラ２７に供給し燃焼させる。
【００２７】
消化槽２２は、投入された汚泥を嫌気性菌の働きによりバイオガスに転換するもので、予熱装置１３を経て排出される排出汚泥を導入すべく、その入口部は、蒸発器部１６の出口部と移送弁３０、温度調整装置としての蒸発器３１、移送ポンプ３２を介して連結している。上記温度調整装置としての蒸発器３１は、予熱装置１３を経て排出される排出汚泥を嫌気性処理に適した温度に調整するもので、予熱装置１３より低い内部圧力に設定され、この予熱装置１３を経て排出された高温の汚泥を導入し、予熱装置１３との内部圧力差により蒸気を発生させて汚泥温度を適正温度まで低下させる。発生した蒸気は圧力調整弁３３を介して真空ポンプ３４により導出し、所内熱源などに利用すればよい。
【００２８】
なお、消化槽２２に投入された汚泥の、バイオガスに転換された残りの固形分は、脱水機３５により脱水された後に、焼却または埋立処理される。
【００２９】
上記構成において、汚泥１１は予熱装置１３の直接熱交換器部１５を通って、熱処理用の反応器１４に導入される。熱処理後の汚泥は、予熱装置１３の蒸発器部１６に導入され、この蒸発器部１６を通った汚泥は後続の消化槽２２に導入される。消化槽２２で発生したメタンガスを多く含むガス成分はガス配管により脱硫設備２９を通った後にボイラ２７に供給され、燃焼される。消化槽２２で処理された汚泥の残りの固形分は脱水処理後廃棄される。
【００３０】
以下、詳細に説明する。汚泥１１（温度２０℃とする）は、先ず、濃縮機１２により含水率９７％以下に濃縮される。この濃縮汚泥は、移送ポンプ１８により、予熱装置１３の上部に構成された直接熱交換器部１５に導入される。一方、この直接熱交換器部１５と下部に一体構成された蒸発器部１６には、反応器１４から、後述する熱処理により高温高圧となった熱処理後の汚泥が導入される。
【００３１】
ここで、予熱装置１３の一体型容器の内部圧力は、コンプレッサ２４及びレリーフ弁２５により２０２ｋＰａに設定されている。すなわち、レリーフ弁２５は設定圧以上になると開く機構の弁であるので、その設定圧を２０２ｋＰａとすることにより、容易に内部圧力を調整できる。この内部圧力は、反応器１４の内部圧力より低く設定されている。周知のように、飽和蒸気圧と水温との間には図８で示すような関係がある。このため、蒸発器部１６に導入された高温（２２０℃とする）で、蒸発器部１６の内部圧力より高圧の熱処理後の汚泥は、周囲圧力の低下により１２０℃になるまで蒸気を発生させながら減温する。この蒸発熱を、上部の直接熱交換器部１５において熱処理前の汚泥に直接接触させる。このことにより、熱処理前の汚泥は２０℃から（１２０−α）℃（αは、熱損失分で１〜５℃程度）まで加温され、予熱される。
【００３２】
予熱装置１３で予熱された汚泥は、移送ポンプ１９により、反応器１４に導入される。反応器１４にはボイラ２７より得られる高温蒸気が昇圧器２８により昇圧され、供給されている。また、その他の熱源としてヒータ２９で加温することにより、反応器１４内は２２０℃，２．３ＭＰａまで昇温昇圧される。このような高温高圧環境下での加圧熱水処理（以下、水熱処理と呼ぶ）により、高分子の固形性有機物は低分子化され、液状化する。例えば、下水処理場の生物反応槽からの引抜汚泥である余剰汚泥を対象とした場合、水熱処理により汚泥の固形分の７０〜８０％が液分へと変換する。
【００３３】
このように熱処理後の液状化した２２０℃の高温汚泥は、反応器１４と予熱装置１３との内部圧力差により、移送弁２０を開操作することにより移送され、蒸発器部１６に導入される。蒸発器部１６に導入された汚泥は、２．３ＭＰａから２０２ｋＰａまで減圧されることにより気化し、熱を奪われて、前述のように２２０℃から１２０℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、前述のように、直接熱交換器部１５において熱処理前の汚泥と直接接触して汚泥を（１２０−α）℃まで加温し、予熱する。
【００３４】
蒸発器部１６で１２０℃まで減温された汚泥は、蒸発器部１６と、その排出側に連結された別の蒸発器３１との圧力差により、移送弁３０を開操作することにより蒸発器３１に導入される。蒸発器３１は、真空ポンプ３４と圧力調整弁３３により７４ｋＰａまで減圧しておく。このため、蒸発器３１に導入された１２０℃の汚泥は、上記圧力差により、後続する消化槽２２での嫌気性処理に好適な温度４０℃まで減温される。
【００３５】
この４０℃に減温された汚泥は、移送ポンプ３２により蒸発器３１から移送され、消化槽３２に投入される。そして、消化槽３２において嫌気性菌の働きによりバイオガスに転換される。このようにして消化槽３２で発生したメタンを６０％以上含むバイオガスは脱硫設備２９で硫化水素が除去された後、ボイラ２７で燃やされる。ボイラ２７で発生した蒸気の少なくとも一部は、前述のように汚泥の熱処理の加温に利用される。もちろん、他の熱源として利用することもできる。なお、バイオガスに転換された後の残りの固形分は脱水機３５により脱水された後に、焼却または埋立処理される。
【００３６】
このように、熱処理後の汚泥が気化する際の蒸気と熱処理前の汚泥とを、伝熱面を介さず直接接触させるため、従来の熱処理前の汚泥と熱処理後の汚泥を伝熱面を介して熱交換する熱交換器に比べ、高い熱交換効率を得られろ。この場合、外部から供給する熱量としては、反応器１４において汚泥を、（１２０−α）℃から２２０℃までの１００℃上昇させるのに必要な熱量のみでよく、２００℃分の加温が可能である。また、構造が簡単で故障の生じにくい熱交換装置とすることが可能である。
【００３７】
また、熱処理により、汚泥が低分子化され微生物に利用されやすい成分になっているため、熱処理しない場合に比べ、メタンガスの発生量を増加させることができる。また、低分子化されていることから、分解速度が速くなるため、消化日数（消化槽の滞留時間）も従来の１／３程度まで削減できる。すなわち、従来の消化槽の約１／３の容積で処理が可能となる。また、２２０℃の熱処理により、汚泥が脱水されやすくなっており、かつ固形分が液分に分解されていることにより、発生汚泥量は熱処理しない場合に比べ７０〜８０％削減され、廃棄汚泥の発生量を大幅に削減することができる。
【００３８】
なお、各部の汚泥温度は上記実施の形態に限定されるものではなく、熱処理後の汚泥から発生する気化熱によって、熱処理前の汚泥が加温されるものであればよい。すなわち、亜臨界状態である３７４℃以下の温度範囲であれば、どのような温度を対象としたものであってもよい。
【００３９】
また、反応器１４に対し水熱処理用の蒸気を昇圧器２８から直接吹き込むのではなく、直接熱交換器部１５から反応器１４への配管中（移送ポンプ１９の下流側）に蒸気を吹き込んで、移送途中の汚泥を加温する構成であってもよい。
【００４０】
さらに、反応器１４に対する熱源としては、消化ガスをボイラ２７により燃焼した際の蒸気に限らず、バイオガスにより発電機を稼動した場合に生じる排熱、例えば、ガスタービンの排気などであってもよく、また、脱水後の汚泥を焼却処理する場合にはその焼却炉のガスを使うものであっても良い。
【００４１】
次に、図２で示す実施の形態を説明する。
【００４２】
この実施の形態では、図１の実施の形態に比べ、予熱装置１３における内部圧力調整部分が異なっている。すなわち、図１のように予熱装置１３における内部圧力の調整をコンプレッサ２４及びレリーフ弁２５によって調節するのではなく、図２で示すように、圧力調整弁３７を設け、これを開放することにより、予熱装置１３における内部圧力を大気圧とした。このため、蒸発器部１６では、反応器１４から導入される熱処理後の汚泥を、大気圧に基く１００℃まで減温し、その際に生じる蒸気を直接熱交換器部１５において熱処理前の汚泥に直接接触させ、（１００−α）℃に加温し予熱する。
【００４３】
予熱装置１３で予熱された汚泥は、移送ポンプ１９により、反応器１４に導入される。反応器１４に導入された汚泥は、高温高圧環境下で水熱処理され、高分子の固形性有機物は低分子化され、１８０℃の液状化した汚泥となる。このように熱処理により液状化した１８０℃の高温汚泥は、反応器１４と予熱装置１３との内部圧力差により、蒸発器部１６に導入されて気化し、熱を奪われて、前述のように大気圧に基く１００℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、前述のように、直接熱交換器部１５において熱処理前の汚泥と直接接触して（１００−α）℃まで加温し、予熱する。
【００４４】
この１００℃まで減温された汚泥は、蒸発器部１６の排出側に連結された蒸発器３１に導入され、圧力差により、後続する消化槽２２での嫌気性処理に好適な温度４０℃まで減温される。これ以後の動作は、図１で示した実施の形態と同じであり説明は省略する。
【００４５】
このように、図２で示した構成とすることにより、余分の機器が不要となり、より故障の少ないシステムとすることができる。
【００４６】
なお、消化槽２２での嫌気性処理に好適な温度４０℃への減温は、真空ポンプ３４を使って減圧することにより、減温するものとしているが、別途冷却器を設けて、減温するものであってもよいし、より低温の水との熱交換によってもよい。
【００４７】
次に、図３で示す実施の形態を説明する。
【００４８】
この実施の形態では、図１の実施の形態に比べ、反応器１４から、熱処理された汚泥の固形分を取り出すようにした構成が異なる。すなわち、反応器１４の底部には熱処理された汚泥の固形分がたまるので、その底部に引き抜き弁３８を有する固形分引き抜き装置３９を連結し、反応器１４に固液分離機能を持たせている。固液分離され、固形分引き抜き装置３９により反応器１４から引き抜かれた熱処理後汚泥の固形分は、移送ポンプ４０を有する配管により消化槽２２に供給される。また、固液分離された熱処理後汚泥の液分は、予熱装置１３の蒸発器部１６に排出管路を通して供給される。すなわち、図３の構成は、反応器１４の下方から固形分を引き抜く機構３８，３９を備え、液分は予熱装置１３の蒸発器部１６に導入する構成である。
【００４９】
ここで、熱処理後の汚泥の固液分離は、反応器１４の底部に連結した引き抜き弁３８により間欠的に固体分を引抜くことにより行われる。熱処理汚泥の沈降性は良好であり、固体分は下方に沈降する。反応器１４の上澄み部分である液分は予熱装置１３の蒸発器部１６に導入される。この蒸発器部１６を含む予熱装置１３の容器内の圧力は２０２ｋＰａに調整しておく。このことにより、熱処理後汚泥の液分は１２０℃まで減温される。
【００５０】
予熱装置１３の蒸発器部１６に導入された熱処理後汚泥の液分は、固液分離により減少した固形分の体積分（減った体積をβ：０．２〜０．３とする）だけ、蒸発器部１６で減圧する際の温度上昇分の蒸気量が少なくなり、熱処理前汚泥に対する直接熱交換器部１５での予熱量は低下する。このため、その分、図１の実施の形態の場合と比べて直接熱交換器部１５から流出する汚泥の温度上昇は小さくなる。すなわち、直接熱交換器部１５から流出する汚泥の温度は（１２０−α）×（１−β）℃となる。このため、反応器１４に外部から供給する必要熱量は大きくなる。しかし、反応器１４から予熱装置１３の蒸発器部１６を含む排出流路の目詰まりは少なくなり、安定したシステムとすることが可能となる。
【００５１】
予熱装置１３の蒸発器部１６から流出する液分は蒸発器３１に導入され、４０℃付近に減温された後、消化槽２２に投入される。固液分離により反応器１４から引き抜かれた固体分は、４０℃付近に減温された液分とともに、前述のように消化槽２２に投入される。その他の作用は図１の実施の形態と同様であり説明は省略する。
【００５２】
この実施の形態によれば、熱処理後の溶液が気化する際の蒸気を、熱処理前の汚泥に、伝熱面を介さずに直接接触させるため、従来型の熱交換器より高い熱交換効率を得られ、約１００℃上昇させるのに必要な熱量のみで２００℃分の加温が可能である。また、予熱のために蒸発器部１６を通して排出される熱処理後汚泥の液分は、固形分があらかじめ除去されているため移送管や移送弁等の流路のつまりが少ないシステム構成とすることができる。
【００５３】
なお、固液分離は重力沈降のみで可能であり、新たな装置（膜、遠心濃縮）、高分子凝集剤などの薬品を投入しないため、安価なコストで実現可能である。もちろん、固液分離は遠心分離、膜分離により行うものであってもよい。ただし、膜分離に利用する膜は金属膜のような高温耐性のある膜でなくてはならない。また、固液分離した固形分は、消化槽２２に投入することに限らず、その一部を再度熱処理するために、前段に設置した濃縮機１２の後段に返送してもよい。また、消化槽２２で処理せずそのまま脱水処理してもよい。
【００５４】
次に、図４に示す実施の形態を説明する。
【００５５】
この実施の形態では、直接熱交換器部１５と蒸発器部１６とを一体構成した予熱装置１３を多段（図の例では３段）に設置したものである。すなわち、複数の予熱装置（３台の予熱装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃとする）は、それらの直接熱交換器部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが、濃縮機１２の出口部から反応器１４の入口部に到る汚泥の供給路上に直列に連結され、また、それらの蒸発器部１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃが、反応器１４の出口部から蒸発器３１の入口部に到る熱処理後汚泥の排出路上に複数段直列に連結されている。
【００５６】
また、これら複数の予熱装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの内部圧力は、反応器１４から見て下流方向になるに従って（図示右側から左側に行くにしたがって）順次低く設定した。すなわち、反応器１４から見て最も下流側の予熱装置１３Ａ（以下、第１の予熱装置とし、右側に向って順次第２、第３の予熱装置とする）が最も内部圧力が低くなるように圧力調整する。例えば、第１の予熱装置１３Ａの内部圧力は、圧力調整弁４２及び蒸発機３１と共通の真空ポンプ３4により１９．９ｋＰａに制御する。第２の予熱装置１３Ｂの内部圧力は、圧力調整弁３７による大気開放により１００ｋＰａに制御する。第３の予熱装置１３Ｃの内部圧力は、コンプレッサ２４及びレリーフ弁２５により３６０ｋＰａに制御する。これらの圧力制御により、反応器１４から供給され、各予熱装置１３Ａ，１３Ｂ、１３Ｃから流出する蒸発後の汚泥温度をそれぞれ、６０℃、１００℃、１４０℃にコントロールできる。
【００５７】
上記構成において、汚泥１１（温度２０℃とする）は、濃縮機１２により含水率９７％以下に濃縮され、大気圧以下に減圧されている第１の予熱装置１３Ａとの圧力差により移送弁４１を介して直接熱交換器部１５Ａに導入される。この直接熱交換器部１５Ａに導入された熱処理前の汚泥は、後述するように下部の蒸発器部１６Ａで発生した蒸気により加熱され、２０℃から（６０−α１）℃（α１は、第１の予熱装置１３Ａの熱損失分）まで予熱される。
【００５８】
第１の予熱装置１３Ａで予熱された熱処理前の汚泥は第１の移送ポンプ１９Ａにより、第２の予熱装置１３Ｂの直接熱交換器部１５Ｂに導入され、後述するように下部の蒸発器部１６Ｂで発生した蒸気により加熱され、（１００−α１−α２）℃（α２は、第２の予熱装置１３Ｂの熱損失分）まで予熱される。
【００５９】
同様に、第２の予熱装置１３Ｂで予熱された熱処理前の汚泥は第２の移送ポンプ１９Ｂにより、第３の予熱装置１３Ｃの直接熱交換器部１５Ｃに導入され、後述するように下部の蒸発器部１６Ｃで発生した蒸気により加熱され、（１４０−α１−α２−α３≒１３６）℃（α３は、第３の予熱装置１３Ｃの熱損失分）まで予熱される。
【００６０】
さらに、第３の予熱装置１３Ｃで予熱された熱処理前の汚泥は第３の移送ポンプ１９Ｃにより反応器１４内に導入される。反応器１４には、後続の消化槽２２から発生したバイオガスを、脱硫装置２９及びシロキサン除去装置４２を介して燃料とする発電設備４３からの高温排熱が、昇圧器２８により１ＭＰａ付近まで昇圧され、加えられている。また、その他の熱源としてヒータ２９で加熱する。反応器１４は、これらにより、導入された汚泥を１８０℃に昇温させ水熱処理することができる。この水熱処理により、高分子の固形性有機物は低分子化され、液状化する。例えば、下水処理場の余剰汚泥を対象とした場合、水熱処理により汚泥の固形分の４０〜５０％が液分へと変換する。
【００６１】
このように熱処理後の液状化した１８０℃の高温汚泥は、反応器１４と第３の予熱装置１３Ｃとの内部圧力差により、移送弁２０Ｃを開操作することにより移送され、蒸発器部１６Ｃに導入される。蒸発器部１６Ｃに導入された汚泥は、１ＭＰａから３６０ｋＰａまで減圧されることにより気化し、熱を奪われて、前述のように１４０℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、前述のように、直接熱交換器部１５Ｃにおいて熱処理前の汚泥と直接接触して（１４０−α１−α２−α３≒１３６）℃まで加温し、予熱する。
【００６２】
１４０℃まで減温された汚泥は、第３の予熱装置１３Ｃと第２の予熱装置１３Ｂとの内部圧力差により、移送弁２０Ｂを開操作することにより移送され、蒸発器部１６Ｂに導入される。蒸発器部１６Ｂに導入された汚泥は、３６０ｋＰａから１００ｋＰａまで減圧されることにより気化し、熱を奪われて、前述のように１００℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、前述のように、直接熱交換器部１５Ｂにおいて熱処理前の汚泥と直接接触して（１００−α１−α２）℃まで加温し、予熱する。
【００６３】
１００℃まで減温された汚泥は、第２の予熱装置１３Ｂと第１の予熱装置１３Ａとの内部圧力差により、移送弁２０Ａを開操作することにより移送され、蒸発器部１６Ａに導入される。蒸発器部１６Ａに導入された汚泥は、１００ｋＰａから１９．９ｋＰａまで減圧されることにより気化し、前述のように６０℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、前述のように、直接熱交換器部１５Ｂにおいて熱処理前の汚泥と直接接触して（６０−α１）℃まで加温し、予熱する。
【００６４】
６０℃まで減温された汚泥は、蒸発器部１６Ａと、その排出側に連結された別の蒸発器３１との圧力差により、移送弁３０を開操作することにより蒸発器３１に導入され、後続する消化槽２２での嫌気性処理に好適な温度４０℃まで減温される。以後の動作は、前述の各実施の形態と同様であり、説明は省略する。
【００６５】
この実施の形態では、複数の予熱装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの直接熱交換器部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを直列につなぐ構成とすることにより、熱処理前の汚泥を約１３６℃まで予熱できるので、反応器１４では、１８０℃に昇温させる４４℃分の熱を外部から投入するのみでよい。このような１８０℃までの昇温した熱処理による可溶化率は、２２０℃まで温度を上げる場合よりも低いが、後段の消化槽２２での処理による最終的な可溶化率（汚泥の減容化率）は、８０％以上の減容化が期待できる。また、温度をあげた際に問題となる色度に関しても、２２０℃まで昇温する場合に比べると良好となる。
【００６６】
また、各予熱装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの圧力調整は、１００℃以下の温度を得る第１の予熱装置１３Ａに関しては、蒸発器１と共用の１台の真空ポンプ３４で減圧すればよく、１００℃の温度を得る第２の予熱装置１３Ｂに関しては大気圧に解放することで圧力調整するので、圧力調整用ポンプの初期投資が安い。
【００６７】
なお、予熱装置１３の連結台数は３段に限らず、２段以上であれば、何段としてもよい。ある程度の段数までは多段にすればするほど、外部からの投入エネルギーは小さくてすみ、システム全体としての熱回収率は向上する。しかし、容器やポンプ、バルブなどが複数必要となり、より複雑な構成となってしまうので、両者がバランスした台数を選択することが望ましい。
【００６８】
また、熱処理後汚泥を、６０℃から消化槽２２での処理に適する４０℃へ減温する手段については、蒸発器３１を真空ポンプ３４により減圧するものに限らず、別途冷却器により冷却するものであってもよい。また、熱処理前の２０℃の汚泥と熱処理後汚泥とを、伝熱面を介した通常の熱交換方法により、熱交換するものであってもよい。
【００６９】
次に、図５に示す実施の形態を説明する。
【００７０】
この実施の形態は、図４の実施の形態と同様に、複数（この場合も３台とする）の予熱装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが直列に連結された構成であるが、ある特定の予熱装置（図の例では２段目の予熱装置１３Ｂ）において、熱処理前の汚泥を一気に昇温するように構成している。そのために、任意の２つの予熱装置間（この場合は１３Ａ，１３Ｂ間）の熱処理後汚泥の排出路上に蒸発器４５を設置し、この蒸発器４５で生成される蒸気と発電設備４３から生じる排熱が、２段目の予熱装置１３Ｂの直接熱交換器部１５Ｂに吹き込まれるように配管を接続した構成となっている。
【００７１】
ここで、蒸発器４５の内部圧力は、反応器１４から見て上流側となる予熱装置１３Ｂから、自己を含め下流側の予熱装置１３Ａに向かって順次低くなるように設定されている。そして、上流側蒸発器部１６Ｂから導入された熱処理後汚泥から、上流側との圧力差によって生じる蒸気を、上述のように予熱装置１３Ｂの直接熱交換器部１５Ｂに供給するための配管を設けている。
【００７２】
ここで、第１、第２、第３の予熱装置１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、及び予熱装置１３Ａ、１３Ｂ間に設置された蒸発器４５との内部圧力は次のように設定されている。例えば、第１の予熱装置１３Ａは、真空ポンプ３４と圧力調整弁４２により内部圧力を１９．９ｋＰａに、蒸発器４５の内部圧力は大気開放により１００ｋＰａに、第２、第３の予熱装置１３Ｂ、１３Ｃの内部圧力は、共通のコンプレッサ２４と、異なる圧力に設定されたレリーフ弁２５、４６により、圧力を３６０ｋＰａ、１ＭＰａ付近にそれぞれ制御している。このことにより、熱処理後の汚泥の温度を、それぞれ、６０℃、１００℃、１４０℃、１８０℃にコントロールできる。
【００７３】
反応器１４では、発電設備４３からの高温排熱を昇圧器２８により２２ＭＰａ付近まで昇圧することにより、２２０℃まで昇温し、導入された汚泥を水熱処理する。
【００７４】
上記構成において、濃縮機１２により含水率９７％以下に濃縮された２０℃の汚泥１１は、第１の予熱装置１３Ａの直接熱交換器部１５Ａに導入され、下部の蒸発器部１６Ａで発生した蒸気により加熱され、２０℃から（６０−α１）℃（α１は、第１の予熱装置１３Ａの熱損失分）まで予熱される。
【００７５】
第１の予熱装置１３Ａで予熱された熱処理前の汚泥は第２の予熱装置１３Ｂの直接熱交換器部１５Ｂに導入される。この直接熱交換器部１５Ｂには、前述のように発電設備４３から生じる排熱、蒸発器４５で生じる蒸気が注入され、かつ下部の蒸発器部１６Ｂで発生した蒸気が、それぞれ汚泥と直接接触することにより、（６０−α１）℃から１４０℃まで一気に昇温される。
【００７６】
このように第２の予熱装置１３Ｂで１４０℃に予熱された熱処理前の汚泥は第３の予熱装置１３Ｃの直接熱交換器部１５Ｃに導入され、下部の蒸発器部１６Ｃで発生した蒸気により加熱され、（１８０−α３）℃（α３は、第３の予熱装置１３Ｃの熱損失分）まで予熱される。
【００７７】
さらに、第３の予熱装置１３Ｃで（１８０−α３）℃まで予熱された熱処理前の汚泥は反応器１４内に導入される。反応器１４内は前述のように２２ＭＰａ付近まで昇圧されているので、導入された汚泥を２２０℃に昇温させ水熱処理する。この水熱処理により、高分子の固形性有機物は低分子化され、液状化する。
【００７８】
このように熱処理後の液状化した２２０℃の高温汚泥は、反応器１４と第３の予熱装置１３Ｃとの内部圧力差により、蒸発器部１６Ｃに導入され、２２ＭＰａから１ＭＰａまで減圧されることにより気化し、１８０℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、直接熱交換器部１５Ｃにおいて熱処理前の汚泥と直接接触して、前述のように（１８０−α３）℃まで加温し、予熱する。
【００７９】
１８０℃まで減温された汚泥は、第３の予熱装置１３Ｃと第２の予熱装置１３Ｂとの内部圧力差により、蒸発器部１６Ｂに導入され、１ＭＰａから３６０ｋＰａまで減圧されることにより気化し、１４０℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、直接熱交換器部１５Ｂにおいて、蒸発器４５からの蒸気や発電設備４３からの排熱と共に熱処理前の汚泥と直接接触して予熱する。
【００８０】
１４０℃まで減温された汚泥は、第２の予熱装置１３Ｂと蒸発器４５の内部圧力差により、蒸発器４５に導入され、３６０ｋＰａから１００ｋＰａまで減圧されることにより気化し、１００℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、反応器１４から見て上流側となる第２の直接熱交換器部１５Ｂに吹き込まれ、上述のように、下部蒸発器部１６Ｂからの蒸気、及び発電設備４３からの排熱と共に熱処理前の汚泥と直接接触して１４０℃まで一気に昇温して予熱する。
【００８１】
１００℃まで減温された汚泥は、蒸発器４５と第１の予熱装置１３Ａとの内部圧力差により、蒸発器部１６Ａに導入され、１００ｋＰａから１９．９ｋＰａまで減圧されることにより気化し、６０℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、直接熱交換器部１５Ｂにおいて熱処理前の汚泥と直接接触して（６０−α１）℃まで加温し、予熱する。
【００８２】
６０℃まで減温された汚泥は、高温消化槽（６０℃の高温菌による消化）に導入され、更に減容化される。以後の動作は、前述の各実施の形態と同様であり、説明は省略する。
【００８３】
この実施の形態によれば、熱処理前の汚泥は第２の予熱装置１３Ｂの直接熱交換器部１５Ｂにおいて、６０℃から一気に１４０℃まで昇温されるので、タンパク凝固の生じやすい６０℃〜１００℃の領域を一気に昇温することになり、タンパク凝固物による配管の閉塞、容器への付着が少ないシステムとすることができる。
【００８４】
また、蒸発器４５で発生する蒸気を第２の直接熱交換器部１５Ｂに吹き込む構成としたことにより、蒸発器４５の減圧時に生じた熱を有効利用することができる。
【００８５】
さらに、後段の消化槽２２を高温消化槽とすることにより、６０℃の汚泥を４０℃まで減温する必要がないため、４０℃まで温度を減温するための設備が不要となり構成を簡素化できる。
【００８６】
なお、後段の消化槽２２に高温消化槽を用いない場合は、６０℃の汚泥を４０℃まで減温する必要があるが、その場合は、図６に示すように比較的低温（２０℃）の生汚泥１１１を、消化槽２２へ供給される熱処理後の汚泥に混合させればよい。すなわち、熱処理後汚泥の温度調整装置として、予熱装置１３Ａの熱処理後汚泥排出部から消化槽２２への管路に連結されて、この管路に流れる排出汚泥に対し熱処理されていない汚泥を混合させる装置を用いればよい。
【００８７】
ここで、熱処理対象の汚泥１１を下水処理場の生物反応槽から生じる汚泥（余剰汚泥と呼ぶ）とした場合、下水処理場の生物処理前の沈殿池から生じる汚泥１１１を生汚泥と呼ぶ。生汚泥と余剰汚泥の発生量はほぼ１対１であり、予熱装置１３Ａの熱処理後汚泥排出部から流出する余剰汚泥の熱処理汚泥と濃縮後の生汚泥が配管中で混合する構成とする。
【００８８】
図６の実施の形態において、余剰汚泥の熱処理部分に関しては、図５の実施形態と同様である。図６の実施の形態では、予熱装置１３Ａの熱処理後汚泥排出部から流出する６０℃の熱処理後の汚泥を、熱処理を施さない２０℃の生汚泥１１１と１対１の割合で混合することにより、消化槽２２での処理に適した４０℃まで減温する。すなわち、生汚泥と余剰汚泥の混合汚泥（４０℃）が消化槽２２に導入される。
【００８９】
効果は以下のとおりである。
【００９０】
図６の実施の形態によれば、消化槽２２での生物分解性が比較的低い余剰汚泥を熱処理し、生物分解性が比較的高い生汚泥は熱処理しないで投入することにより、生汚泥を昇温するための設備・エネルギーを必要としないので、両方の汚泥を昇温する場合に比べ経済的である。また、生物分解性の低い余剰汚泥が熱処理されていることで、消化槽２２でのガス発生量の増大、消化槽容量の削減、廃棄汚泥量の減容化を達成することができる。
【００９１】
また、生汚泥と余剰汚泥の混合により６０℃から４０℃に減温するので、余剰汚泥を６０℃から４０℃に減温するための特別の設備を必要とせず、下水処理場の既設設備である消化槽（４０℃の中温菌による消化）を利用できる。
【００９２】
なお、対象汚泥は上記のように生汚泥と余剰汚泥の混合でなくともよく、例えば、汚泥の半分は熱処理し、半分は熱処理しないという方法をとり、熱処理した汚泥と熱処理しない汚泥の混合により、汚泥の減温を行うものであってもよい。また、混合比も１：１に限らず、どのような比で混合するものであってもよい。また、上記実施の形態では、混合を配管中で行うものとしたが、撹拌器が設置された混合槽を設け、その混合槽内で混合するものであってもよい。
【００９３】
図１乃至図４で示した蒸発器３１から生じる蒸気は、単に外部に放出するのではなく、例えば、給湯設備の熱源として用いるよう構成するとよい。このように構成すれば、余剰の熱源を有効利用することとなり、プラント全体の省エネルギーにつながる。もちろん、給湯設備に限らず、蒸発器３１から生じる蒸気や加温された汚泥が減圧される際に乗じる蒸気を冷暖房設備など、その汚泥処理プラントの付帯設備の加温・減温に利用するものであればどのようなものであってもよい。
【００９４】
次に、図７の実施形態を説明する。
【００９５】
この実施の形態では、図３で示した固液分離を含む熱処理において、液分を高速嫌気リアクタ４６により、例えば、ＵＡＳＢ（Upflow Anearobic Sludge Blanket：上向流式嫌気性汚泥ブランケット）法による処理を行い、固体分は脱水処理を行うプロセスフローとする。
【００９６】
上記構成において、反応器１４は２２０℃で水熱処理を行うことによって、下水処理場の余剰汚泥であれば固形分の７０〜８０％は可溶化するため、固形分量は熱処理をしない場合の２０〜３０％となる。この水熱処理後汚泥の固形分を引抜き弁３８で引き抜いて固液分離し、この固形分は、さらに濃縮機４８で無薬注の濃縮後、脱水器３５により脱水処理を行い、廃棄する。
【００９７】
熱処理汚泥は沈降性が高いので、無薬注の遠心濃縮で高い濃縮性を得ることができ、固形分の含水率を低くすることができるので、更に固形分の容量を削減することができる。また、濃縮機４８で生じる濃縮後の液分は蒸発器３１に導入され、この蒸発器３１で減温された後、リアクタ４６にてＵＡＳＢ処理される。一方、反応器１４から予熱装置１３に流出する液分は、その蒸発器部１６で及び蒸発器３１で減温した後、汚泥の発生がほとんどないＵＡＳＢプロセスで処理する。ＵＡＳＢプロセスではメタン生成菌が集積した粒状のグラニュールにより処理するため、一般の消化槽に比べ、短い滞留時間（容積）の処理槽で可溶化液を処理することができる。ＵＡＳＢの処理水は、水処理プロセス（例えば、下水処理場であれば、生物処理槽（曝気槽）の前に返送される）にて処理され、最終的には河川に放流される。
【００９８】
図７の実施の形態によれば、溶液分をＵＡＳＢ法により処理するため、通常の消化槽（滞留時間３０日）に比べ、容積を１／３０程度まで小さくすることができ、省スペースの汚泥処理プロセスを実現できる。また、汚泥の熱処理により、熱処理しない場合に比べ、熱処理による可溶化、沈降性向上により、廃棄汚泥の発生量を容積ベースで８０〜９０％削減することができる。さらに、反応器１４からの汚泥を無薬注で濃縮処理することにより、薬品の使用量が少なくランニングコストが安く、無機汚泥の発生量の少ないプロセスとすることができる。
【００９９】
なお、リアクタ４６によるＵＡＳＢ処理プロセスの後段に活性炭による色度処理プロセスを設けてもよい。また、色度処理プロセスはＵＡＳＢ処理の前段でもよく、さらに、活性炭処理に限らず、活性炭または凝集剤（鉄系の凝集剤）またはＯＨラジカルまたは電気分解処理などの単独もしくは組合せによる色度処理プロセスであってもよい。また、汚泥脱水後の脱離液も合わせて、色度処理するプロセスであってもよい。これにより、熱処理をした際に問題となる色度を改善できる。
【０１００】
また高速の嫌気性処理プロセスのリアクタ４６は、ＵＡＳＢプロセスに限らず、ＥＧＳＢ（Expanded Granular Sludge Bed）リアクタ、ＩＣ（Internal Circulation）リアクタなど、高負荷の有機物を処理できる高速リアクタであればどのような嫌気性処理プロセスであってもよい。また、反応器１４からの固形分の処理は、図７のように濃縮後、脱水するのではなく、濃縮後、消化槽による嫌気性処理を実施した後に脱水処理を行うものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明による汚泥処理システムの一実施の形態を示すシステム構成図である。
【図２】本発明における予熱装置の圧力調整機構を変更した実施の形態を示すシステム構成図である。
【図３】本発明における反応器に固液分離機能を持たせた実施の形態を示すシステム構成図である。
【図４】本発明における予熱装置を多段に構成した実施の形態を示すシステム構成図である。
【図５】本発明における予熱装置を多段に構成し、かつ特定の予熱装置で一気に昇温させるための構成を採用した実施の形態を示すシステム構成図である。
【図６】本発明における温度調節装置の他の例を示す実施の形態のシステム構成図である。
【図７】本発明における反応器に固液分離機能を持たせ、その液分を高速嫌気リアクタで処理する実施の形態を示すシステム構成図である。
【図８】飽和蒸気圧と水温との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１１ 処理対象の汚泥
１３ 予熱装置
１４ 反応器
１５ 直接熱交換器部
１６ 蒸発器部
２２ 嫌気性処理装置（消化槽）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機物を多く含む汚泥を熱処理して、減容化を図った汚泥処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、有機物を多く含む汚泥をメタン生成菌等の嫌気性微生物の働きにより嫌気性発酵させ、消化ガスを回収する処理方法が多く用いられている。この場合、嫌気性微生物の処理対象となるのは主として比較的低分子の有機物であるため、下水処理などによって生じる余剰汚泥などの難分解の有機性汚泥を嫌気性処理により処理しようとすると、汚泥が溶解するのに時間がかかり、装置の大型化や処理効率の悪化を招いていた。
【０００３】
そこで、余剰汚泥などの難分解性の有機性汚泥を処理する際に、予め可溶化処理を施し、嫌気性微生物による消化処理を短時間で効率的に行なわせる方法が提案されている。可溶化処理には、高温高圧水の持つ非常に高い反応性を利用した水熱処理法が注目され、そのための手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上記提案における水熱可溶化処理装置は、第１熱交換器と第２熱交換器とを有しており、これらの熱交換器は、液滞留部と、熱交換部を夫々有している。熱交換部は複数のチューブと放熱用フィンが積層された構造であり、液滞留部は有機性汚泥が水熱反応処理に要する時間だけ滞留可能な容量を有する。有機性汚泥は、第１熱交換器の熱交換部に送られ、予備加熱される。予備加熱により中温高圧となった汚泥は第２熱交換器の熱交換部に導入され、この熱交換部にて加熱ガスにより加熱される。加熱された汚泥は高温高圧の水熱可溶化汚泥として排出され、前記第１の熱交換器の水熱反応空間（熱交換部及び液滞留部からなる）に導入される。この水熱反応空間で水熱可溶化反応した汚泥は、熱交換部にて冷却され、低温高圧の水熱可溶化汚泥として排出される。すなわち、第２の熱交換器の水熱反応空間、及び第１の熱交換器の水熱反応空間では有機性汚泥は高温高圧条件下に晒され、水熱可溶化反応がおこる。
【０００５】
このような装置において、第１の熱交換器では、熱処理前の汚泥と熱処理後の汚泥を、熱交換部において高圧のままで伝熱面（複数のチューブや放熱用フィンなど）を介して熱交換する。この第１の熱交換器で予熱された汚泥は第２の熱交換器において、その熱交換部において加熱ガスにより加熱され、この熱交換部を含む水熱反応部で汚泥の可溶化処理をされるというものであった。
【特許文献１】特開２００５−２５４１６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来技術では、加温前汚泥と加温後汚泥の熱交換を、熱交換部における複数のチューブと積層された放熱用フィンによる伝熱面を介して行っている。このため、例えば、汚泥によるたんぱく質の凝固物や炭酸カルシウムなどの水和物が伝熱面に付着すると熱交換効率が下がってしまう。また、汚泥による流路の目詰まりが懸念される。
【０００７】
本発明の目的は、汚泥成分の伝熱面への付着による熱交換効率の低下が生じることなく、また、汚泥による流路の目詰まりも生じることなく汚泥を効果的に熱処理することができる汚泥処理システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による汚泥処理システムは、汚泥を所定の圧力下で加熱して熱処理する反応器と、前記反応器への汚泥の供給路上に連結された直接熱交換器部と、前記反応器からの熱処理後の汚泥の排出路上に連結された蒸発器部とを一体化し、これらの内部は前記反応器内より低い圧力に保持され、前記直接熱交換器部に導入された熱処理前の汚泥を、前記排出路により前記蒸発器部に導入された熱処理後の汚泥から生じる蒸気を直接的に接触させて加熱する予熱装置とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明では、予熱装置は、前記汚泥の供給路上及び熱処理後汚泥の排出路上に複数段直列に連結され、これら複数の予熱装置の内部圧力を、前記反応器から見て下流方向になるに従って順次低く設定した構成としてもよい。
【００１０】
本発明は、予熱装置が複数段直列に連結された熱処理後汚泥の排出路上の、任意の２つの予熱装置間に設置され、内部圧力が、前記反応器から見て上流側の予熱装置から自己を含め下流側の予熱装置に向かって順次低くなるように設定され、前記上流側予熱装置から導入された熱処理後汚泥から、上流側との圧力差によって蒸気を生じさせ、かつ、この蒸気を前記上流側予熱装置の直接熱交換器部に供給するための配管を有する蒸発器を備えた構成でもよい。
【００１１】
本発明は、反応器により熱処理され、前記予熱装置の蒸発器部を経て排出される熱処理後汚泥を嫌気性処理する嫌気性処理装置を備えた構成でもよい。
【００１２】
本発明では、嫌気性処理装置から発生する消化ガスを、反応槽に対する加熱源設備の燃料に用いるとよい。
【００１３】
本発明は、前記予熱装置の蒸発器部を経て排出される熱処理後汚泥を嫌気性処理に適した温度に調整する温度調整装置を備えた構成でもよい。
【００１４】
本発明では、温度調整装置は、予熱装置より低い内部圧力に設定され、この予熱装置の蒸発器部を経て排出された熱処理後の汚泥を導入し、予熱装置との内部圧力差により蒸気を発生させて汚泥温度を低下させる蒸発器で構成するとよい。
【００１５】
本発明では、温度調整装置は、予熱装置の熱処理後汚泥排出部から嫌気性処理装置への管路に連結されて、この管路に流れる排出汚泥に対し熱処理されていない汚泥を混合させる装置でもよい。
【００１６】
本発明では、反応器は、熱処理された汚泥から、固形分が分離された液分を、予熱装置の蒸発器部に前記排出路を通して供給するように構成してもよい。
【００１７】
本発明は、液分と分離された熱処理後の汚泥の固形分を、嫌気性処理装置に供給する配管を有する構成でもよい。
【００１８】
本発明は、液分と分離された熱処理後の汚泥の固形分を濃縮する濃縮機を有し、かつ濃縮により生じた液分を温度調節用の蒸発器を経て嫌気性処理装置に供給する配管を有するように構成してもよい。
【００１９】
本発明では、反応器における熱処理は、６０℃〜３７４℃の間の加熱処理または加熱加圧処理であればよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、構造が簡素で、汚泥の付着による熱交換効率の低下や流路の目詰まり、さらには故障が生じ難く、汚泥を効果的に熱処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明による汚泥処理システムの一実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２２】
図１はこの実施の形態の構成を示すブロック図である。図１に示す汚泥処理システムは、処理対象の有機物を多く含む汚泥１１を濃縮する濃縮機１２、濃縮された汚泥の予熱装置１３、予熱された汚泥を所定の圧力下で加熱して熱処理する反応器１４を有する。
【００２３】
予熱装置１３は、例えば、特開２００７−２１３００号公報で示すように、共通の容器内の上部に直接熱交換器部１５を配置し、下部に蒸発器部１６配置してこれらを一体化し、下部の蒸発器部１６で発生した高温蒸気を、上部の直接熱交換器部１５に導入された汚泥に直接接触させ加温して予熱するものである。
【００２４】
この直接熱交換器部１５の入口部は、濃縮機１２と移送ポンプ１８を介して連結し、出口部は移送ポンプ１９を介して反応器１４と連結している。すなわち、直接熱交換器部１５は、反応器１４への汚泥の供給路上に連結されている。また、蒸発器部１６の入口部は、移送弁２０を介して反応器１４の熱処理後汚泥排出部と連結し、出口部は後続の嫌気性処理装置２２に到る配管と連結している。すなわち、蒸発器部１６は、反応器１４からの熱処理後の汚泥の排出路上に連結されている。
【００２５】
予熱装置１３に対しては加圧用のコンプレッサ２４及びレリーフ弁２５（設定圧以上になると開く機構の圧力調整弁）が設けられており、予熱装置１３の内部圧力（直接熱交換器部１５及び蒸発器部１６に共通の内部圧力）は、反応器１４内より低い圧力に保持されている。したがって、予熱装置１３の直接熱交換器部１５に導入された熱処理前の汚泥は、前記排出路から蒸発器部１６に導入された熱処理後の汚泥から生じる蒸気により直接的に加熱される。
【００２６】
反応器１４は、予熱装置１３から導入された予熱後の汚泥を所定の圧力下で加熱して熱処理し、液状化させるものである。そのために、この反応器１４には、加熱源設備であるボイラ２７から生じた高温蒸気が昇圧設備２８により所定圧力に昇圧されて供給され、汚泥を加熱加圧する。この他、加熱用としてヒータ２３が設けられている。ボイラ２７の燃料には、嫌気性処理装置（以下、消化槽として説明する）２２から、その消化反応により生じるメタンを含むバイオガス（消化ガス）を用いるとよい。この場合、バイオガスは脱硫装置２９により脱硫してボイラ２７に供給し燃焼させる。
【００２７】
消化槽２２は、投入された汚泥を嫌気性菌の働きによりバイオガスに転換するもので、予熱装置１３を経て排出される排出汚泥を導入すべく、その入口部は、蒸発器部１６の出口部と移送弁３０、温度調整装置としての蒸発器３１、移送ポンプ３２を介して連結している。上記温度調整装置としての蒸発器３１は、予熱装置１３を経て排出される排出汚泥を嫌気性処理に適した温度に調整するもので、予熱装置１３より低い内部圧力に設定され、この予熱装置１３を経て排出された高温の汚泥を導入し、予熱装置１３との内部圧力差により蒸気を発生させて汚泥温度を適正温度まで低下させる。発生した蒸気は圧力調整弁３３を介して真空ポンプ３４により導出し、所内熱源などに利用すればよい。
【００２８】
なお、消化槽２２に投入された汚泥の、バイオガスに転換された残りの固形分は、脱水機３５により脱水された後に、焼却または埋立処理される。
【００２９】
上記構成において、汚泥１１は予熱装置１３の直接熱交換器部１５を通って、熱処理用の反応器１４に導入される。熱処理後の汚泥は、予熱装置１３の蒸発器部１６に導入され、この蒸発器部１６を通った汚泥は後続の消化槽２２に導入される。消化槽２２で発生したメタンガスを多く含むガス成分はガス配管により脱硫設備２９を通った後にボイラ２７に供給され、燃焼される。消化槽２２で処理された汚泥の残りの固形分は脱水処理後廃棄される。
【００３０】
以下、詳細に説明する。汚泥１１（温度２０℃とする）は、先ず、濃縮機１２により含水率９７％以下に濃縮される。この濃縮汚泥は、移送ポンプ１８により、予熱装置１３の上部に構成された直接熱交換器部１５に導入される。一方、この直接熱交換器部１５と下部に一体構成された蒸発器部１６には、反応器１４から、後述する熱処理により高温高圧となった熱処理後の汚泥が導入される。
【００３１】
ここで、予熱装置１３の一体型容器の内部圧力は、コンプレッサ２４及びレリーフ弁２５により２０２ｋＰａに設定されている。すなわち、レリーフ弁２５は設定圧以上になると開く機構の弁であるので、その設定圧を２０２ｋＰａとすることにより、容易に内部圧力を調整できる。この内部圧力は、反応器１４の内部圧力より低く設定されている。周知のように、飽和蒸気圧と水温との間には図８で示すような関係がある。このため、蒸発器部１６に導入された高温（２２０℃とする）で、蒸発器部１６の内部圧力より高圧の熱処理後の汚泥は、周囲圧力の低下により１２０℃になるまで蒸気を発生させながら減温する。この蒸発熱を、上部の直接熱交換器部１５において熱処理前の汚泥に直接接触させる。このことにより、熱処理前の汚泥は２０℃から（１２０−α）℃（αは、熱損失分で１〜５℃程度）まで加温され、予熱される。
【００３２】
予熱装置１３で予熱された汚泥は、移送ポンプ１９により、反応器１４に導入される。反応器１４にはボイラ２７より得られる高温蒸気が昇圧器２８により昇圧され、供給されている。また、その他の熱源としてヒータ２９で加温することにより、反応器１４内は２２０℃，２．３ＭＰａまで昇温昇圧される。このような高温高圧環境下での加圧熱水処理（以下、水熱処理と呼ぶ）により、高分子の固形性有機物は低分子化され、液状化する。例えば、下水処理場の生物反応槽からの引抜汚泥である余剰汚泥を対象とした場合、水熱処理により汚泥の固形分の７０〜８０％が液分へと変換する。
【００３３】
このように熱処理後の液状化した２２０℃の高温汚泥は、反応器１４と予熱装置１３との内部圧力差により、移送弁２０を開操作することにより移送され、蒸発器部１６に導入される。蒸発器部１６に導入された汚泥は、２．３ＭＰａから２０２ｋＰａまで減圧されることにより気化し、熱を奪われて、前述のように２２０℃から１２０℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、前述のように、直接熱交換器部１５において熱処理前の汚泥と直接接触して汚泥を（１２０−α）℃まで加温し、予熱する。
【００３４】
蒸発器部１６で１２０℃まで減温された汚泥は、蒸発器部１６と、その排出側に連結された別の蒸発器３１との圧力差により、移送弁３０を開操作することにより蒸発器３１に導入される。蒸発器３１は、真空ポンプ３４と圧力調整弁３３により７４ｋＰａまで減圧しておく。このため、蒸発器３１に導入された１２０℃の汚泥は、上記圧力差により、後続する消化槽２２での嫌気性処理に好適な温度４０℃まで減温される。
【００３５】
この４０℃に減温された汚泥は、移送ポンプ３２により蒸発器３１から移送され、消化槽３２に投入される。そして、消化槽３２において嫌気性菌の働きによりバイオガスに転換される。このようにして消化槽３２で発生したメタンを６０％以上含むバイオガスは脱硫設備２９で硫化水素が除去された後、ボイラ２７で燃やされる。ボイラ２７で発生した蒸気の少なくとも一部は、前述のように汚泥の熱処理の加温に利用される。もちろん、他の熱源として利用することもできる。なお、バイオガスに転換された後の残りの固形分は脱水機３５により脱水された後に、焼却または埋立処理される。
【００３６】
このように、熱処理後の汚泥が気化する際の蒸気と熱処理前の汚泥とを、伝熱面を介さず直接接触させるため、従来の熱処理前の汚泥と熱処理後の汚泥を伝熱面を介して熱交換する熱交換器に比べ、高い熱交換効率を得られろ。この場合、外部から供給する熱量としては、反応器１４において汚泥を、（１２０−α）℃から２２０℃までの１００℃上昇させるのに必要な熱量のみでよく、２００℃分の加温が可能である。また、構造が簡単で故障の生じにくい熱交換装置とすることが可能である。
【００３７】
また、熱処理により、汚泥が低分子化され微生物に利用されやすい成分になっているため、熱処理しない場合に比べ、メタンガスの発生量を増加させることができる。また、低分子化されていることから、分解速度が速くなるため、消化日数（消化槽の滞留時間）も従来の１／３程度まで削減できる。すなわち、従来の消化槽の約１／３の容積で処理が可能となる。また、２２０℃の熱処理により、汚泥が脱水されやすくなっており、かつ固形分が液分に分解されていることにより、発生汚泥量は熱処理しない場合に比べ７０〜８０％削減され、廃棄汚泥の発生量を大幅に削減することができる。
【００３８】
なお、各部の汚泥温度は上記実施の形態に限定されるものではなく、熱処理後の汚泥から発生する気化熱によって、熱処理前の汚泥が加温されるものであればよい。すなわち、亜臨界状態である３７４℃以下の温度範囲であれば、どのような温度を対象としたものであってもよい。
【００３９】
また、反応器１４に対し水熱処理用の蒸気を昇圧器２８から直接吹き込むのではなく、直接熱交換器部１５から反応器１４への配管中（移送ポンプ１９の下流側）に蒸気を吹き込んで、移送途中の汚泥を加温する構成であってもよい。
【００４０】
さらに、反応器１４に対する熱源としては、消化ガスをボイラ２７により燃焼した際の蒸気に限らず、バイオガスにより発電機を稼動した場合に生じる排熱、例えば、ガスタービンの排気などであってもよく、また、脱水後の汚泥を焼却処理する場合にはその焼却炉のガスを使うものであっても良い。
【００４１】
次に、図２で示す実施の形態を説明する。
【００４２】
この実施の形態では、図１の実施の形態に比べ、予熱装置１３における内部圧力調整部分が異なっている。すなわち、図１のように予熱装置１３における内部圧力の調整をコンプレッサ２４及びレリーフ弁２５によって調節するのではなく、図２で示すように、圧力調整弁３７を設け、これを開放することにより、予熱装置１３における内部圧力を大気圧とした。このため、蒸発器部１６では、反応器１４から導入される熱処理後の汚泥を、大気圧に基く１００℃まで減温し、その際に生じる蒸気を直接熱交換器部１５において熱処理前の汚泥に直接接触させ、（１００−α）℃に加温し予熱する。
【００４３】
予熱装置１３で予熱された汚泥は、移送ポンプ１９により、反応器１４に導入される。反応器１４に導入された汚泥は、高温高圧環境下で水熱処理され、高分子の固形性有機物は低分子化され、１８０℃の液状化した汚泥となる。このように熱処理により液状化した１８０℃の高温汚泥は、反応器１４と予熱装置１３との内部圧力差により、蒸発器部１６に導入されて気化し、熱を奪われて、前述のように大気圧に基く１００℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、前述のように、直接熱交換器部１５において熱処理前の汚泥と直接接触して（１００−α）℃まで加温し、予熱する。
【００４４】
この１００℃まで減温された汚泥は、蒸発器部１６の排出側に連結された蒸発器３１に導入され、圧力差により、後続する消化槽２２での嫌気性処理に好適な温度４０℃まで減温される。これ以後の動作は、図１で示した実施の形態と同じであり説明は省略する。
【００４５】
このように、図２で示した構成とすることにより、余分の機器が不要となり、より故障の少ないシステムとすることができる。
【００４６】
なお、消化槽２２での嫌気性処理に好適な温度４０℃への減温は、真空ポンプ３４を使って減圧することにより、減温するものとしているが、別途冷却器を設けて、減温するものであってもよいし、より低温の水との熱交換によってもよい。
【００４７】
次に、図３で示す実施の形態を説明する。
【００４８】
この実施の形態では、図１の実施の形態に比べ、反応器１４から、熱処理された汚泥の固形分を取り出すようにした構成が異なる。すなわち、反応器１４の底部には熱処理された汚泥の固形分がたまるので、その底部に引き抜き弁３８を有する固形分引き抜き装置３９を連結し、反応器１４に固液分離機能を持たせている。固液分離され、固形分引き抜き装置３９により反応器１４から引き抜かれた熱処理後汚泥の固形分は、移送ポンプ４０を有する配管により消化槽２２に供給される。また、固液分離された熱処理後汚泥の液分は、予熱装置１３の蒸発器部１６に排出管路を通して供給される。すなわち、図３の構成は、反応器１４の下方から固形分を引き抜く機構３８，３９を備え、液分は予熱装置１３の蒸発器部１６に導入する構成である。
【００４９】
ここで、熱処理後の汚泥の固液分離は、反応器１４の底部に連結した引き抜き弁３８により間欠的に固体分を引抜くことにより行われる。熱処理汚泥の沈降性は良好であり、固体分は下方に沈降する。反応器１４の上澄み部分である液分は予熱装置１３の蒸発器部１６に導入される。この蒸発器部１６を含む予熱装置１３の容器内の圧力は２０２ｋＰａに調整しておく。このことにより、熱処理後汚泥の液分は１２０℃まで減温される。
【００５０】
予熱装置１３の蒸発器部１６に導入された熱処理後汚泥の液分は、固液分離により減少した固形分の体積分（減った体積をβ：０．２〜０．３とする）だけ、蒸発器部１６で減圧する際の温度上昇分の蒸気量が少なくなり、熱処理前汚泥に対する直接熱交換器部１５での予熱量は低下する。このため、その分、図１の実施の形態の場合と比べて直接熱交換器部１５から流出する汚泥の温度上昇は小さくなる。すなわち、直接熱交換器部１５から流出する汚泥の温度は（１２０−α）×（１−β）℃となる。このため、反応器１４に外部から供給する必要熱量は大きくなる。しかし、反応器１４から予熱装置１３の蒸発器部１６を含む排出流路の目詰まりは少なくなり、安定したシステムとすることが可能となる。
【００５１】
予熱装置１３の蒸発器部１６から流出する液分は蒸発器３１に導入され、４０℃付近に減温された後、消化槽２２に投入される。固液分離により反応器１４から引き抜かれた固体分は、４０℃付近に減温された液分とともに、前述のように消化槽２２に投入される。その他の作用は図１の実施の形態と同様であり説明は省略する。
【００５２】
この実施の形態によれば、熱処理後の溶液が気化する際の蒸気を、熱処理前の汚泥に、伝熱面を介さずに直接接触させるため、従来型の熱交換器より高い熱交換効率を得られ、約１００℃上昇させるのに必要な熱量のみで２００℃分の加温が可能である。また、予熱のために蒸発器部１６を通して排出される熱処理後汚泥の液分は、固形分があらかじめ除去されているため移送管や移送弁等の流路のつまりが少ないシステム構成とすることができる。
【００５３】
なお、固液分離は重力沈降のみで可能であり、新たな装置（膜、遠心濃縮）、高分子凝集剤などの薬品を投入しないため、安価なコストで実現可能である。もちろん、固液分離は遠心分離、膜分離により行うものであってもよい。ただし、膜分離に利用する膜は金属膜のような高温耐性のある膜でなくてはならない。また、固液分離した固形分は、消化槽２２に投入することに限らず、その一部を再度熱処理するために、前段に設置した濃縮機１２の後段に返送してもよい。また、消化槽２２で処理せずそのまま脱水処理してもよい。
【００５４】
次に、図４に示す実施の形態を説明する。
【００５５】
この実施の形態では、直接熱交換器部１５と蒸発器部１６とを一体構成した予熱装置１３を多段（図の例では３段）に設置したものである。すなわち、複数の予熱装置（３台の予熱装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃとする）は、それらの直接熱交換器部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが、濃縮機１２の出口部から反応器１４の入口部に到る汚泥の供給路上に直列に連結され、また、それらの蒸発器部１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃが、反応器１４の出口部から蒸発器３１の入口部に到る熱処理後汚泥の排出路上に複数段直列に連結されている。
【００５６】
また、これら複数の予熱装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの内部圧力は、反応器１４から見て下流方向になるに従って（図示右側から左側に行くにしたがって）順次低く設定した。すなわち、反応器１４から見て最も下流側の予熱装置１３Ａ（以下、第１の予熱装置とし、右側に向って順次第２、第３の予熱装置とする）が最も内部圧力が低くなるように圧力調整する。例えば、第１の予熱装置１３Ａの内部圧力は、圧力調整弁４２及び蒸発機３１と共通の真空ポンプ３4により１９．９ｋＰａに制御する。第２の予熱装置１３Ｂの内部圧力は、圧力調整弁３７による大気開放により１００ｋＰａに制御する。第３の予熱装置１３Ｃの内部圧力は、コンプレッサ２４及びレリーフ弁２５により３６０ｋＰａに制御する。これらの圧力制御により、反応器１４から供給され、各予熱装置１３Ａ，１３Ｂ、１３Ｃから流出する蒸発後の汚泥温度をそれぞれ、６０℃、１００℃、１４０℃にコントロールできる。
【００５７】
上記構成において、汚泥１１（温度２０℃とする）は、濃縮機１２により含水率９７％以下に濃縮され、大気圧以下に減圧されている第１の予熱装置１３Ａとの圧力差により移送弁４１を介して直接熱交換器部１５Ａに導入される。この直接熱交換器部１５Ａに導入された熱処理前の汚泥は、後述するように下部の蒸発器部１６Ａで発生した蒸気により加熱され、２０℃から（６０−α１）℃（α１は、第１の予熱装置１３Ａの熱損失分）まで予熱される。
【００５８】
第１の予熱装置１３Ａで予熱された熱処理前の汚泥は第１の移送ポンプ１９Ａにより、第２の予熱装置１３Ｂの直接熱交換器部１５Ｂに導入され、後述するように下部の蒸発器部１６Ｂで発生した蒸気により加熱され、（１００−α１−α２）℃（α２は、第２の予熱装置１３Ｂの熱損失分）まで予熱される。
【００５９】
同様に、第２の予熱装置１３Ｂで予熱された熱処理前の汚泥は第２の移送ポンプ１９Ｂにより、第３の予熱装置１３Ｃの直接熱交換器部１５Ｃに導入され、後述するように下部の蒸発器部１６Ｃで発生した蒸気により加熱され、（１４０−α１−α２−α３≒１３６）℃（α３は、第３の予熱装置１３Ｃの熱損失分）まで予熱される。
【００６０】
さらに、第３の予熱装置１３Ｃで予熱された熱処理前の汚泥は第３の移送ポンプ１９Ｃにより反応器１４内に導入される。反応器１４には、後続の消化槽２２から発生したバイオガスを、脱硫装置２９及びシロキサン除去装置４２を介して燃料とする発電設備４３からの高温排熱が、昇圧器２８により１ＭＰａ付近まで昇圧され、加えられている。また、その他の熱源としてヒータ２９で加熱する。反応器１４は、これらにより、導入された汚泥を１８０℃に昇温させ水熱処理することができる。この水熱処理により、高分子の固形性有機物は低分子化され、液状化する。例えば、下水処理場の余剰汚泥を対象とした場合、水熱処理により汚泥の固形分の４０〜５０％が液分へと変換する。
【００６１】
このように熱処理後の液状化した１８０℃の高温汚泥は、反応器１４と第３の予熱装置１３Ｃとの内部圧力差により、移送弁２０Ｃを開操作することにより移送され、蒸発器部１６Ｃに導入される。蒸発器部１６Ｃに導入された汚泥は、１ＭＰａから３６０ｋＰａまで減圧されることにより気化し、熱を奪われて、前述のように１４０℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、前述のように、直接熱交換器部１５Ｃにおいて熱処理前の汚泥と直接接触して（１４０−α１−α２−α３≒１３６）℃まで加温し、予熱する。
【００６２】
１４０℃まで減温された汚泥は、第３の予熱装置１３Ｃと第２の予熱装置１３Ｂとの内部圧力差により、移送弁２０Ｂを開操作することにより移送され、蒸発器部１６Ｂに導入される。蒸発器部１６Ｂに導入された汚泥は、３６０ｋＰａから１００ｋＰａまで減圧されることにより気化し、熱を奪われて、前述のように１００℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、前述のように、直接熱交換器部１５Ｂにおいて熱処理前の汚泥と直接接触して（１００−α１−α２）℃まで加温し、予熱する。
【００６３】
１００℃まで減温された汚泥は、第２の予熱装置１３Ｂと第１の予熱装置１３Ａとの内部圧力差により、移送弁２０Ａを開操作することにより移送され、蒸発器部１６Ａに導入される。蒸発器部１６Ａに導入された汚泥は、１００ｋＰａから１９．９ｋＰａまで減圧されることにより気化し、前述のように６０℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、前述のように、直接熱交換器部１５Ｂにおいて熱処理前の汚泥と直接接触して（６０−α１）℃まで加温し、予熱する。
【００６４】
６０℃まで減温された汚泥は、蒸発器部１６Ａと、その排出側に連結された別の蒸発器３１との圧力差により、移送弁３０を開操作することにより蒸発器３１に導入され、後続する消化槽２２での嫌気性処理に好適な温度４０℃まで減温される。以後の動作は、前述の各実施の形態と同様であり、説明は省略する。
【００６５】
この実施の形態では、複数の予熱装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの直接熱交換器部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを直列につなぐ構成とすることにより、熱処理前の汚泥を約１３６℃まで予熱できるので、反応器１４では、１８０℃に昇温させる４４℃分の熱を外部から投入するのみでよい。このような１８０℃までの昇温した熱処理による可溶化率は、２２０℃まで温度を上げる場合よりも低いが、後段の消化槽２２での処理による最終的な可溶化率（汚泥の減容化率）は、８０％以上の減容化が期待できる。また、温度をあげた際に問題となる色度に関しても、２２０℃まで昇温する場合に比べると良好となる。
【００６６】
また、各予熱装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの圧力調整は、１００℃以下の温度を得る第１の予熱装置１３Ａに関しては、蒸発器１と共用の１台の真空ポンプ３４で減圧すればよく、１００℃の温度を得る第２の予熱装置１３Ｂに関しては大気圧に解放することで圧力調整するので、圧力調整用ポンプの初期投資が安い。
【００６７】
なお、予熱装置１３の連結台数は３段に限らず、２段以上であれば、何段としてもよい。ある程度の段数までは多段にすればするほど、外部からの投入エネルギーは小さくてすみ、システム全体としての熱回収率は向上する。しかし、容器やポンプ、バルブなどが複数必要となり、より複雑な構成となってしまうので、両者がバランスした台数を選択することが望ましい。
【００６８】
また、熱処理後汚泥を、６０℃から消化槽２２での処理に適する４０℃へ減温する手段については、蒸発器３１を真空ポンプ３４により減圧するものに限らず、別途冷却器により冷却するものであってもよい。また、熱処理前の２０℃の汚泥と熱処理後汚泥とを、伝熱面を介した通常の熱交換方法により、熱交換するものであってもよい。
【００６９】
次に、図５に示す実施の形態を説明する。
【００７０】
この実施の形態は、図４の実施の形態と同様に、複数（この場合も３台とする）の予熱装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが直列に連結された構成であるが、ある特定の予熱装置（図の例では２段目の予熱装置１３Ｂ）において、熱処理前の汚泥を一気に昇温するように構成している。そのために、任意の２つの予熱装置間（この場合は１３Ａ，１３Ｂ間）の熱処理後汚泥の排出路上に蒸発器４５を設置し、この蒸発器４５で生成される蒸気と発電設備４３から生じる排熱が、２段目の予熱装置１３Ｂの直接熱交換器部１５Ｂに吹き込まれるように配管を接続した構成となっている。
【００７１】
ここで、蒸発器４５の内部圧力は、反応器１４から見て上流側となる予熱装置１３Ｂから、自己を含め下流側の予熱装置１３Ａに向かって順次低くなるように設定されている。そして、上流側蒸発器部１６Ｂから導入された熱処理後汚泥から、上流側との圧力差によって生じる蒸気を、上述のように予熱装置１３Ｂの直接熱交換器部１５Ｂに供給するための配管を設けている。
【００７２】
ここで、第１、第２、第３の予熱装置１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、及び予熱装置１３Ａ、１３Ｂ間に設置された蒸発器４５との内部圧力は次のように設定されている。例えば、第１の予熱装置１３Ａは、真空ポンプ３４と圧力調整弁４２により内部圧力を１９．９ｋＰａに、蒸発器４５の内部圧力は大気開放により１００ｋＰａに、第２、第３の予熱装置１３Ｂ、１３Ｃの内部圧力は、共通のコンプレッサ２４と、異なる圧力に設定されたレリーフ弁２５、４６により、圧力を３６０ｋＰａ、１ＭＰａ付近にそれぞれ制御している。このことにより、熱処理後の汚泥の温度を、それぞれ、６０℃、１００℃、１４０℃、１８０℃にコントロールできる。
【００７３】
反応器１４では、発電設備４３からの高温排熱を昇圧器２８により２２ＭＰａ付近まで昇圧することにより、２２０℃まで昇温し、導入された汚泥を水熱処理する。
【００７４】
上記構成において、濃縮機１２により含水率９７％以下に濃縮された２０℃の汚泥１１は、第１の予熱装置１３Ａの直接熱交換器部１５Ａに導入され、下部の蒸発器部１６Ａで発生した蒸気により加熱され、２０℃から（６０−α１）℃（α１は、第１の予熱装置１３Ａの熱損失分）まで予熱される。
【００７５】
第１の予熱装置１３Ａで予熱された熱処理前の汚泥は第２の予熱装置１３Ｂの直接熱交換器部１５Ｂに導入される。この直接熱交換器部１５Ｂには、前述のように発電設備４３から生じる排熱、蒸発器４５で生じる蒸気が注入され、かつ下部の蒸発器部１６Ｂで発生した蒸気が、それぞれ汚泥と直接接触することにより、（６０−α１）℃から１４０℃まで一気に昇温される。
【００７６】
このように第２の予熱装置１３Ｂで１４０℃に予熱された熱処理前の汚泥は第３の予熱装置１３Ｃの直接熱交換器部１５Ｃに導入され、下部の蒸発器部１６Ｃで発生した蒸気により加熱され、（１８０−α３）℃（α３は、第３の予熱装置１３Ｃの熱損失分）まで予熱される。
【００７７】
さらに、第３の予熱装置１３Ｃで（１８０−α３）℃まで予熱された熱処理前の汚泥は反応器１４内に導入される。反応器１４内は前述のように２２ＭＰａ付近まで昇圧されているので、導入された汚泥を２２０℃に昇温させ水熱処理する。この水熱処理により、高分子の固形性有機物は低分子化され、液状化する。
【００７８】
このように熱処理後の液状化した２２０℃の高温汚泥は、反応器１４と第３の予熱装置１３Ｃとの内部圧力差により、蒸発器部１６Ｃに導入され、２２ＭＰａから１ＭＰａまで減圧されることにより気化し、１８０℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、直接熱交換器部１５Ｃにおいて熱処理前の汚泥と直接接触して、前述のように（１８０−α３）℃まで加温し、予熱する。
【００７９】
１８０℃まで減温された汚泥は、第３の予熱装置１３Ｃと第２の予熱装置１３Ｂとの内部圧力差により、蒸発器部１６Ｂに導入され、１ＭＰａから３６０ｋＰａまで減圧されることにより気化し、１４０℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、直接熱交換器部１５Ｂにおいて、蒸発器４５からの蒸気や発電設備４３からの排熱と共に熱処理前の汚泥と直接接触して予熱する。
【００８０】
１４０℃まで減温された汚泥は、第２の予熱装置１３Ｂと蒸発器４５の内部圧力差により、蒸発器４５に導入され、３６０ｋＰａから１００ｋＰａまで減圧されることにより気化し、１００℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、反応器１４から見て上流側となる第２の直接熱交換器部１５Ｂに吹き込まれ、上述のように、下部蒸発器部１６Ｂからの蒸気、及び発電設備４３からの排熱と共に熱処理前の汚泥と直接接触して１４０℃まで一気に昇温して予熱する。
【００８１】
１００℃まで減温された汚泥は、蒸発器４５と第１の予熱装置１３Ａとの内部圧力差により、蒸発器部１６Ａに導入され、１００ｋＰａから１９．９ｋＰａまで減圧されることにより気化し、６０℃まで減温される。この減温分は高温蒸気となり、直接熱交換器部１５Ｂにおいて熱処理前の汚泥と直接接触して（６０−α１）℃まで加温し、予熱する。
【００８２】
６０℃まで減温された汚泥は、高温消化槽（６０℃の高温菌による消化）に導入され、更に減容化される。以後の動作は、前述の各実施の形態と同様であり、説明は省略する。
【００８３】
この実施の形態によれば、熱処理前の汚泥は第２の予熱装置１３Ｂの直接熱交換器部１５Ｂにおいて、６０℃から一気に１４０℃まで昇温されるので、タンパク凝固の生じやすい６０℃〜１００℃の領域を一気に昇温することになり、タンパク凝固物による配管の閉塞、容器への付着が少ないシステムとすることができる。
【００８４】
また、蒸発器４５で発生する蒸気を第２の直接熱交換器部１５Ｂに吹き込む構成としたことにより、蒸発器４５の減圧時に生じた熱を有効利用することができる。
【００８５】
さらに、後段の消化槽２２を高温消化槽とすることにより、６０℃の汚泥を４０℃まで減温する必要がないため、４０℃まで温度を減温するための設備が不要となり構成を簡素化できる。
【００８６】
なお、後段の消化槽２２に高温消化槽を用いない場合は、６０℃の汚泥を４０℃まで減温する必要があるが、その場合は、図６に示すように比較的低温（２０℃）の生汚泥１１１を、消化槽２２へ供給される熱処理後の汚泥に混合させればよい。すなわち、熱処理後汚泥の温度調整装置として、予熱装置１３Ａの熱処理後汚泥排出部から消化槽２２への管路に連結されて、この管路に流れる排出汚泥に対し熱処理されていない汚泥を混合させる装置を用いればよい。
【００８７】
ここで、熱処理対象の汚泥１１を下水処理場の生物反応槽から生じる汚泥（余剰汚泥と呼ぶ）とした場合、下水処理場の生物処理前の沈殿池から生じる汚泥１１１を生汚泥と呼ぶ。生汚泥と余剰汚泥の発生量はほぼ１対１であり、予熱装置１３Ａの熱処理後汚泥排出部から流出する余剰汚泥の熱処理汚泥と濃縮後の生汚泥が配管中で混合する構成とする。
【００８８】
図６の実施の形態において、余剰汚泥の熱処理部分に関しては、図５の実施形態と同様である。図６の実施の形態では、予熱装置１３Ａの熱処理後汚泥排出部から流出する６０℃の熱処理後の汚泥を、熱処理を施さない２０℃の生汚泥１１１と１対１の割合で混合することにより、消化槽２２での処理に適した４０℃まで減温する。すなわち、生汚泥と余剰汚泥の混合汚泥（４０℃）が消化槽２２に導入される。
【００８９】
効果は以下のとおりである。
【００９０】
図６の実施の形態によれば、消化槽２２での生物分解性が比較的低い余剰汚泥を熱処理し、生物分解性が比較的高い生汚泥は熱処理しないで投入することにより、生汚泥を昇温するための設備・エネルギーを必要としないので、両方の汚泥を昇温する場合に比べ経済的である。また、生物分解性の低い余剰汚泥が熱処理されていることで、消化槽２２でのガス発生量の増大、消化槽容量の削減、廃棄汚泥量の減容化を達成することができる。
【００９１】
また、生汚泥と余剰汚泥の混合により６０℃から４０℃に減温するので、余剰汚泥を６０℃から４０℃に減温するための特別の設備を必要とせず、下水処理場の既設設備である消化槽（４０℃の中温菌による消化）を利用できる。
【００９２】
なお、対象汚泥は上記のように生汚泥と余剰汚泥の混合でなくともよく、例えば、汚泥の半分は熱処理し、半分は熱処理しないという方法をとり、熱処理した汚泥と熱処理しない汚泥の混合により、汚泥の減温を行うものであってもよい。また、混合比も１：１に限らず、どのような比で混合するものであってもよい。また、上記実施の形態では、混合を配管中で行うものとしたが、撹拌器が設置された混合槽を設け、その混合槽内で混合するものであってもよい。
【００９３】
図１乃至図４で示した蒸発器３１から生じる蒸気は、単に外部に放出するのではなく、例えば、給湯設備の熱源として用いるよう構成するとよい。このように構成すれば、余剰の熱源を有効利用することとなり、プラント全体の省エネルギーにつながる。もちろん、給湯設備に限らず、蒸発器３１から生じる蒸気や加温された汚泥が減圧される際に乗じる蒸気を冷暖房設備など、その汚泥処理プラントの付帯設備の加温・減温に利用するものであればどのようなものであってもよい。
【００９４】
次に、図７の実施形態を説明する。
【００９５】
この実施の形態では、図３で示した固液分離を含む熱処理において、液分を高速嫌気リアクタ４６により、例えば、ＵＡＳＢ（Upflow Anearobic Sludge Blanket：上向流式嫌気性汚泥ブランケット）法による処理を行い、固体分は脱水処理を行うプロセスフローとする。
【００９６】
上記構成において、反応器１４は２２０℃で水熱処理を行うことによって、下水処理場の余剰汚泥であれば固形分の７０〜８０％は可溶化するため、固形分量は熱処理をしない場合の２０〜３０％となる。この水熱処理後汚泥の固形分を引抜き弁３８で引き抜いて固液分離し、この固形分は、さらに濃縮機４８で無薬注の濃縮後、脱水器３５により脱水処理を行い、廃棄する。
【００９７】
熱処理汚泥は沈降性が高いので、無薬注の遠心濃縮で高い濃縮性を得ることができ、固形分の含水率を低くすることができるので、更に固形分の容量を削減することができる。また、濃縮機４８で生じる濃縮後の液分は蒸発器３１に導入され、この蒸発器３１で減温された後、リアクタ４６にてＵＡＳＢ処理される。一方、反応器１４から予熱装置１３に流出する液分は、その蒸発器部１６で及び蒸発器３１で減温した後、汚泥の発生がほとんどないＵＡＳＢプロセスで処理する。ＵＡＳＢプロセスではメタン生成菌が集積した粒状のグラニュールにより処理するため、一般の消化槽に比べ、短い滞留時間（容積）の処理槽で可溶化液を処理することができる。ＵＡＳＢの処理水は、水処理プロセス（例えば、下水処理場であれば、生物処理槽（曝気槽）の前に返送される）にて処理され、最終的には河川に放流される。
【００９８】
図７の実施の形態によれば、溶液分をＵＡＳＢ法により処理するため、通常の消化槽（滞留時間３０日）に比べ、容積を１／３０程度まで小さくすることができ、省スペースの汚泥処理プロセスを実現できる。また、汚泥の熱処理により、熱処理しない場合に比べ、熱処理による可溶化、沈降性向上により、廃棄汚泥の発生量を容積ベースで８０〜９０％削減することができる。さらに、反応器１４からの汚泥を無薬注で濃縮処理することにより、薬品の使用量が少なくランニングコストが安く、無機汚泥の発生量の少ないプロセスとすることができる。
【００９９】
なお、リアクタ４６によるＵＡＳＢ処理プロセスの後段に活性炭による色度処理プロセスを設けてもよい。また、色度処理プロセスはＵＡＳＢ処理の前段でもよく、さらに、活性炭処理に限らず、活性炭または凝集剤（鉄系の凝集剤）またはＯＨラジカルまたは電気分解処理などの単独もしくは組合せによる色度処理プロセスであってもよい。また、汚泥脱水後の脱離液も合わせて、色度処理するプロセスであってもよい。これにより、熱処理をした際に問題となる色度を改善できる。
【０１００】
また高速の嫌気性処理プロセスのリアクタ４６は、ＵＡＳＢプロセスに限らず、ＥＧＳＢ（Expanded Granular Sludge Bed）リアクタ、ＩＣ（Internal Circulation）リアクタなど、高負荷の有機物を処理できる高速リアクタであればどのような嫌気性処理プロセスであってもよい。また、反応器１４からの固形分の処理は、図７のように濃縮後、脱水するのではなく、濃縮後、消化槽による嫌気性処理を実施した後に脱水処理を行うものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明による汚泥処理システムの一実施の形態を示すシステム構成図である。
【図２】本発明における予熱装置の圧力調整機構を変更した実施の形態を示すシステム構成図である。
【図３】本発明における反応器に固液分離機能を持たせた実施の形態を示すシステム構成図である。
【図４】本発明における予熱装置を多段に構成した実施の形態を示すシステム構成図である。
【図５】本発明における予熱装置を多段に構成し、かつ特定の予熱装置で一気に昇温させるための構成を採用した実施の形態を示すシステム構成図である。
【図６】本発明における温度調節装置の他の例を示す実施の形態のシステム構成図である。
【図７】本発明における反応器に固液分離機能を持たせ、その液分を高速嫌気リアクタで処理する実施の形態を示すシステム構成図である。
【図８】飽和蒸気圧と水温との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１１ 処理対象の汚泥
１３ 予熱装置
１４ 反応器
１５ 直接熱交換器部
１６ 蒸発器部
２２ 嫌気性処理装置（消化槽）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥を所定の圧力下で加熱して熱処理する反応器と、
前記反応器への汚泥の供給路上に連結された直接熱交換器部と、前記反応器からの熱処理後の汚泥の排出路上に連結された蒸発器部とを一体化し、これらの内部は前記反応器内より低い圧力に保持され、前記直接熱交換器部に導入された熱処理前の汚泥を、前記排出路により前記蒸発器部に導入された熱処理後の汚泥から生じる蒸気を直接的に接触させて加熱する予熱装置と
を備えたことを特徴とする汚泥処理システム。
【請求項２】
前記予熱装置は、前記汚泥の供給路上及び熱処理後汚泥の排出路上に複数段直列に連結され、これら複数の予熱装置の内部圧力を、前記反応器から見て下流方向になるに従って順次低く設定したことを特徴とする請求項１に記載の汚泥処理システム。
【請求項３】
前記予熱装置が複数段直列に連結された熱処理後汚泥の排出路上の、任意の２つの予熱装置間に設置され、内部圧力が、前記反応器から見て上流側の予熱装置から自己を含め下流側の予熱装置に向かって順次低くなるように設定され、前記上流側予熱装置から導入された熱処理後汚泥から、上流側との圧力差によって蒸気を生じさせ、かつ、この蒸気を前記上流側予熱装置の直接熱交換器部に供給するための配管を有する蒸発器を備えたことを特徴とする請求項２に記載の汚泥処理システム。
【請求項４】
前記反応器により熱処理され、前記予熱装置の蒸発器部を経て排出される熱処理後汚泥を嫌気性処理する嫌気性処理装置を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の汚泥処理システム。
【請求項５】
前記嫌気性処理装置から発生する消化ガスを、前記反応槽に対する加熱源設備の燃料に用いることを特徴とする請求項４に記載の汚泥処理システム
【請求項６】
前記予熱装置の蒸発器部を経て排出される熱処理後汚泥を嫌気性処理に適した温度に調整する温度調整装置を備えたことを特徴とする請求項４に記載の汚泥処理システム。
【請求項７】
前記温度調整装置は、前記予熱装置より低い内部圧力に設定され、この予熱装置の蒸発器部を経て排出された熱処理後の汚泥を導入し、前記予熱装置との内部圧力差により蒸気を発生させて汚泥温度を低下させる蒸発器を用いたことを特徴とする請求項６に記載の汚泥処理システム。
【請求項８】
前記温度調整装置は、前記予熱装置の熱処理後汚泥排出部から嫌気性処理装置への管路に連結されて、この管路に流れる排出汚泥に対し熱処理されていない汚泥を混合させる装置であることを特徴とする請求項６に記載の汚泥処理システム。
【請求項９】
前記反応器は、熱処理された汚泥から、固形分が分離された液分を、前記予熱装置の蒸発器部に前記排出路を通して供給することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の汚泥処理システム。
【請求項１０】
液分と分離された熱処理後の汚泥の固形分を、嫌気性処理装置に供給する配管を有することを特徴とする請求項９に記載の汚泥処理システム。
【請求項１１】
液分と分離された熱処理後の汚泥の固形分を濃縮する濃縮機を有し、かつ濃縮により生じた液分を温度調節用の蒸発器を経て嫌気性処理装置に供給する配管を有することを特徴とする請求項９に記載の汚泥処理システム。
【請求項１２】
前記反応器における熱処理は、６０℃〜３７４℃の間の加熱処理または加熱加圧処理であることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の汚泥処理システム。
【請求項１】
汚泥を所定の圧力下で加熱して熱処理する反応器と、
前記反応器への汚泥の供給路上に連結された直接熱交換器部と、前記反応器からの熱処理後の汚泥の排出路上に連結された蒸発器部とを一体化し、これらの内部は前記反応器内より低い圧力に保持され、前記直接熱交換器部に導入された熱処理前の汚泥を、前記排出路により前記蒸発器部に導入された熱処理後の汚泥から生じる蒸気を直接的に接触させて加熱する予熱装置と
を備えたことを特徴とする汚泥処理システム。
【請求項２】
前記予熱装置は、前記汚泥の供給路上及び熱処理後汚泥の排出路上に複数段直列に連結され、これら複数の予熱装置の内部圧力を、前記反応器から見て下流方向になるに従って順次低く設定したことを特徴とする請求項１に記載の汚泥処理システム。
【請求項３】
前記予熱装置が複数段直列に連結された熱処理後汚泥の排出路上の、任意の２つの予熱装置間に設置され、内部圧力が、前記反応器から見て上流側の予熱装置から自己を含め下流側の予熱装置に向かって順次低くなるように設定され、前記上流側予熱装置から導入された熱処理後汚泥から、上流側との圧力差によって蒸気を生じさせ、かつ、この蒸気を前記上流側予熱装置の直接熱交換器部に供給するための配管を有する蒸発器を備えたことを特徴とする請求項２に記載の汚泥処理システム。
【請求項４】
前記反応器により熱処理され、前記予熱装置の蒸発器部を経て排出される熱処理後汚泥を嫌気性処理する嫌気性処理装置を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の汚泥処理システム。
【請求項５】
前記嫌気性処理装置から発生する消化ガスを、前記反応槽に対する加熱源設備の燃料に用いることを特徴とする請求項４に記載の汚泥処理システム
【請求項６】
前記予熱装置の蒸発器部を経て排出される熱処理後汚泥を嫌気性処理に適した温度に調整する温度調整装置を備えたことを特徴とする請求項４に記載の汚泥処理システム。
【請求項７】
前記温度調整装置は、前記予熱装置より低い内部圧力に設定され、この予熱装置の蒸発器部を経て排出された熱処理後の汚泥を導入し、前記予熱装置との内部圧力差により蒸気を発生させて汚泥温度を低下させる蒸発器を用いたことを特徴とする請求項６に記載の汚泥処理システム。
【請求項８】
前記温度調整装置は、前記予熱装置の熱処理後汚泥排出部から嫌気性処理装置への管路に連結されて、この管路に流れる排出汚泥に対し熱処理されていない汚泥を混合させる装置であることを特徴とする請求項６に記載の汚泥処理システム。
【請求項９】
前記反応器は、熱処理された汚泥から、固形分が分離された液分を、前記予熱装置の蒸発器部に前記排出路を通して供給することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の汚泥処理システム。
【請求項１０】
液分と分離された熱処理後の汚泥の固形分を、嫌気性処理装置に供給する配管を有することを特徴とする請求項９に記載の汚泥処理システム。
【請求項１１】
液分と分離された熱処理後の汚泥の固形分を濃縮する濃縮機を有し、かつ濃縮により生じた液分を温度調節用の蒸発器を経て嫌気性処理装置に供給する配管を有することを特徴とする請求項９に記載の汚泥処理システム。
【請求項１２】
前記反応器における熱処理は、６０℃〜３７４℃の間の加熱処理または加熱加圧処理であることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の汚泥処理システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１０１２９３（Ｐ２００９−１０１２９３Ａ）
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７５２７１（Ｐ２００７−２７５２７１）
【出願日】平成１９年１０月２３日（２００７．１０．２３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２３日（２００７．１０．２３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]