汚泥可溶化装置及び汚泥可溶化方法
【課題】余剰汚泥の可溶化を促進することで、消化率のさらなる向上及び固形物のより一層の減量を可能とする汚泥可溶化装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、濃縮汚泥からメタン発酵用の可溶化汚泥を形成するための汚泥可溶化装置であって、濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換によって、濃縮汚泥を加熱し、かつ可溶化汚泥を冷却する熱交換器と、この加熱された濃縮汚泥の流れの中に、この流れと対向するように高温高圧水蒸気を噴出することによって、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を形成する可溶化手段とを備えることを特徴とする汚泥可溶化装置である。熱交換器としては、二重管式熱交換器を用いてもよい。また、熱交換器として、多管式熱交換器を用い、可溶化手段によりこの多管式熱交換器の複数の管のそれぞれに、高温高圧水蒸気が噴出するよう構成してもよい。
【解決手段】本発明は、濃縮汚泥からメタン発酵用の可溶化汚泥を形成するための汚泥可溶化装置であって、濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換によって、濃縮汚泥を加熱し、かつ可溶化汚泥を冷却する熱交換器と、この加熱された濃縮汚泥の流れの中に、この流れと対向するように高温高圧水蒸気を噴出することによって、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を形成する可溶化手段とを備えることを特徴とする汚泥可溶化装置である。熱交換器としては、二重管式熱交換器を用いてもよい。また、熱交換器として、多管式熱交換器を用い、可溶化手段によりこの多管式熱交換器の複数の管のそれぞれに、高温高圧水蒸気が噴出するよう構成してもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水等の廃水処理設備から生じる汚泥の消化に供される可溶化汚泥を形成するために好適に用いられる汚泥可溶化装置、及び汚泥可溶化方法に関する。
【０００２】
下水等の有機性廃水の活性汚泥による廃水処理設備から生じる余剰汚泥は、脱水・焼却して減量後に埋め立て処分されてきた。しかし、汚泥の大量化に伴ない、焼却後の灰を処分する埋立地の確保が年々困難な状況となっている。余剰汚泥の建設資材などへの再利用も行なわれているものの、経済性、流通システムなどの課題により、社会全体に広がるには至っていない。
【０００３】
一方、近年、地球環境保護への意識の高まりから、廃棄物のリサイクルやエネルギー回収等を推進する資源循環型社会システムへの転換が求められている。そこで、下水や工場排水等の活性汚泥を用いた廃水処理設備から生じる余剰汚泥からエネルギー（電気、熱、燃料）を回収する基礎技術として、従来から利用されてきたメタン発酵などの嫌気性消化処理が再び見直されつつある。また、嫌気性消化処理によるエネルギー回収・発電を、民活を利用したＰＦＩ事業の形で進める自治体が増加している。このような消化処理を用いることにより、メタン発酵から生じたメタンを回収し、燃焼させることによって発電を行うことが可能である。また、余剰汚泥を分解・消化することによって、固形物を減量することができる。
【０００４】
従来から用いられている汚泥消化設備の一般的なプロセスフローを、図４に示す。図４の汚泥消化設備は、濃縮装置５０、消化槽５１、加温用ボイラ５２、脱水装置５３及び発電機５４を備える。活性汚泥を用いた廃水処理設備における最終沈殿池で沈殿した活性汚泥は、一部が返送汚泥として生物処理層に戻され、残りが余剰汚泥として、遠心濃縮機、浮上濃縮機などの濃縮装置５０により、２〜５％程度の固形分濃度にまで濃縮される。廃水処理設備における最初沈殿池で沈殿した生汚泥もまた、上記同様に濃縮される。これらの濃縮された汚泥は、消化槽５１に蓄えられ、ここで加温用ボイラ５２によって適温（通常５４〜５７℃）に加熱されて、酸生成菌による酸発酵及びメタン生成菌によるメタン発酵を含む嫌気性消化処理に供され、主成分としてメタンを含む消化ガスを発生する。
【０００５】
この嫌気性消化処理で生じた消化汚泥（消化液）は、例えば、べルトプレス脱水機からなる脱水装置５３によって脱水処理される。脱水汚泥は、トラックで下水処理施設外の処理場へ搬出され、他方の脱水分離液は、返流水として最初沈殿池の入口側に返送される。一方、消化槽５１からの消化ガスは、脱硫塔で硫化水素が除去された後、ガスホルダーに蓄えられ、必要に応じて、発電機５４を駆動するためのガスエンジンに燃料として供給される。発電機５４から得られた電力は、一般的な電力として利用するために設備外に送電され、あるいは加温用ボイラ５２を駆動するための電力としても用いられる。すなわち、このような余剰汚泥消化設備によって、余剰汚泥からの固形物を減量すると同時に、消化ガスをエネルギー源として利用することができる。
【０００６】
しかし、食品廃棄物、家畜糞尿などの生ゴミの消化槽でのメタン発酵による消化率（有機物分解率）は約９０〜９５％である一方、上記のような汚泥消化設備での汚泥のメタン発酵による消化率は約５０％にとどまっている。これは、活性汚泥を用いた廃水処理設備から得られる余剰汚泥の、メタン発酵の前段階である酸発酵による可溶化速度が小さいためであると考えられている。従って、濃縮された余剰汚泥を消化槽に供給する前段階で、余剰汚泥の可溶化を促進することによって、余剰汚泥からの固形物のより一層の減量及び消化ガスのさらなる増量（消化率の向上）を可能とするような技術の開発が要求されている。ここでの余剰汚泥の「可溶化」とは、汚泥の細胞群内部の水分及び有機分が水に溶解する状態になることを意味する。
【０００７】
また、メタン発酵などの嫌気性消化処理を利用した発電施設では、人件費等のコスト削減の観点から、運転資格の不要な簡易ボイラでの加熱による２４時間連続の無人運転設備が普及している。しかし、上述のように汚泥消化設備でのメタン発酵による消化率（ガス化率）は、汚泥の可溶化速度が小さいことから約５０％にとどまっている。結果として、このような嫌気性消化処理を利用した発電施設では、発電効率が低いため、事業の採算をとるのが困難となっている。従って、このような事業の採算性の観点からも、運転資格が不要である簡易かつ安価な汚泥加熱（安価な装置を用いた無人運転による汚泥加熱）と、汚泥の可溶化の促進による消化率の向上（汚泥の可溶化促進によるガス化率の向上）とを同時に達成可能な汚泥可溶化のための装置の開発が、強く求められている。
【０００８】
なお、特開２００７−１１７８０１号公報には、有機性廃棄物を高温メタン発酵処理するに際し、ほぼ一定のある温度設定値で安定してメタン発酵を行うことが可能なメタン発酵処理方法が、開示されている。当該文献のメタン発酵処理方法は、有機性廃棄物を高温可溶化処理する工程、及びこの可溶化処理物と冷却媒体との熱交換により可溶化処理物を冷却する工程を含んでいる。このメタン発酵処理方法は、発酵温度の変動を出来る限り小さくすることによって、安定したメタン発酵を可能とする技術に関するが、汚泥の高温可溶化装置としては、高温・高圧の状態下で汚泥を可溶化するためのタンクであるリアクター、及び可溶化処理物としての可溶化汚泥を貯留し、消化槽に連続投入するためのタンクであるフラッシュタンクを備えた複雑な装置のみが例示されている。また、特許第３８０８４７５号には、消化汚泥を濃縮するための濃縮機が介設された加温塔、消化槽で発生する消化ガスの燃焼炉、及びこの燃焼熱により高温高圧水蒸気を発生させる熱交換器を備え、加熱塔内で濃縮した消化汚泥を高温高圧水蒸気に直接接触させて加温することを特徴とする嫌気性消化システムが開示されている。当該文献の嫌気性消化システムは、消化槽から得られた消化汚泥を濃縮し、高温高圧水蒸気で加温してから消化槽に循環することによって、消化率の向上を図る技術に関する。しかし、当該文献には、廃水処理装置から回収された余剰汚泥などの消化槽に送られる前の汚泥の加熱・可溶化処理については、何ら具体的に説明されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１１７８０１号公報
【特許文献２】特許第３８０８４７５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、これらの不都合に鑑みてなされたものであり、濃縮された余剰汚泥を消化槽に供給する前段階において余剰汚泥の可溶化を促進することで、余剰汚泥からの固形物のより一層の減量及び消化率のさらなる向上を可能とし、かつ、安価な装置を用いた無人運転によって汚泥を加熱・可溶化することができる汚泥可溶化装置、及び汚泥可溶化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】
【００１１】
上記課題を解決するためになされた本発明の第一の態様は、
濃縮汚泥からメタン発酵用の可溶化汚泥を形成するための汚泥可溶化装置であって、
濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換によって、濃縮汚泥を加熱し、かつ可溶化汚泥を冷却する熱交換器と、
この加熱された濃縮汚泥の流れの中に、この流れと対向するように高温高圧水蒸気を噴出することによって、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を形成する可溶化手段と
を備えることを特徴とする汚泥可溶化装置である。
【００１２】
当該汚泥可溶化装置によれば、熱交換器を用いて、濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換を行うことから、外部からエネルギーを加えることなく効率的に、可溶化手段への供給原料に適した温度（例えば６０℃前後）まで濃縮汚泥を加熱することができ、同時に、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥をメタン発酵に適した温度である５０℃以上６０℃以下にまで確実に冷却することができる。また、当該汚泥可溶化装置によれば、この可溶化手段への供給原料に適した温度にまで加熱された濃縮汚泥の流れの中に、対向方向から高温高圧水蒸気を噴出することによって、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を形成する可溶化手段を備えることから、このような可溶化手段は、圧力容器（密閉容器）ではなく大気開放容器であるため、運転資格が必要なく、安価かつ安全な連続無人運転によって、加熱・可溶化された汚泥を形成することができる。当該汚泥可溶化装置においては、この１００℃以上に加熱された可溶化汚泥の形成が、高温高圧水蒸気の噴出により濃縮汚泥の一部に大気圧以上の動圧を発生させると同時に、高温高圧水蒸気の顕熱と凝縮潜熱とを用いて加熱を促進し、かつ、水蒸気の凝縮衝撃により濃縮汚泥の分解を促進することによって行われることから、形成された可溶化汚泥の消化率を向上させることができると共に、汚泥から生じる固形物量を飛躍的に減量することが可能となる。
【００１３】
当該汚泥可溶化装置に備えられた熱交換器として、二重管式の熱交換器を用いることができる。このような二重管式の熱交換器を用い、濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換を行うことによって、効率的な熱伝達が可能となり、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を確実に５０℃以上６０℃以下にまで冷却することができると同時に、濃縮汚泥を可溶化手段への供給原料に適した温度まで十分加熱することができる。
【００１４】
当該汚泥可溶化装置は、熱交換器として多管式の熱交換器を用い、上記可溶化手段により、この多管式熱交換器の複数の管のそれぞれに高温高圧水蒸気が噴出するよう構成されていてよい。多管式熱交換器の複数の管内に、可溶化手段への供給原料に適した温度まで加熱された濃縮汚泥の流れが存在する場合に、それらの管のそれぞれに、可溶化手段により高温高圧水蒸気が対向方向から噴出されることによって、十分に加熱・可溶化された汚泥を効率的に形成することができる。
【００１５】
当該汚泥可溶化装置における可溶化手段からの高温高圧水蒸気の噴出速度は、これと対向する濃縮汚泥の流速の５倍以上１００倍以下であることが好ましい。このような大きな相対速度で、濃縮汚泥の流れに対向方向から高温高圧水蒸気を噴出することによって、水蒸気の動圧効果による加熱及び水蒸気の凝縮衝撃による汚泥の可溶化を、より一層促進することが可能となる。
【００１６】
当該汚泥可溶化装置に供給される濃縮汚泥は、典型的には、活性汚泥による廃水処理装置から回収された余剰汚泥を濃縮したものを含む。例えば、下水や工場排水などの活性汚泥による廃水処理装置からの余剰汚泥を濃縮したものを、当該汚泥可溶化装置で処理することによって、加熱・可溶化された汚泥の消化率を高めると共に、固形物量を効果的に減量することが可能となり、エネルギー効率の向上及び環境への負荷の低減を達成することができる。
【００１７】
当該汚泥可溶化装置に供給される濃縮汚泥は、活性汚泥による廃水処理装置から回収された余剰汚泥を濃縮したものに加えて、メタン発酵後の一部が消化された汚泥を再濃縮したものを含んでいてもよい。このように、メタン発酵後の一部が消化された汚泥を再濃縮し、汚泥可溶化装置に供給するための濃縮汚泥として再度利用することによって、最終的に処分される固形物量をさらに減らし、それによって汚泥の利用効率を一層高めることができる。
【００１８】
当該汚泥可溶化装置と、汚泥を脱水することによって汚泥可溶化装置に供給するための濃縮汚泥を形成する濃縮装置と、汚泥可溶化装置によって形成された可溶化汚泥に対してメタン発酵を含む消化処理を行う消化槽とを組み合わせることによって、汚泥処理システムを構築することができる。このような汚泥処理システムは、上記の汚泥可溶化装置を備えていることから、濃縮装置で濃縮された余剰汚泥を消化処理するための消化槽に供給する前段階で、余剰汚泥の可溶化を促進し、それによって余剰汚泥からの固形物の減量及び消化率の向上を同時に達成し、また、安価な装置を用いた無人運転で汚泥を効率的に加熱・可溶化することが可能となる。
【００１９】
上記課題を解決するためになされた本発明の第二の態様は、
メタン発酵用の可溶化汚泥を形成するための汚泥可溶化方法であって、
活性汚泥による廃水処理装置から回収された余剰汚泥を濃縮したものを含む濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換を行うことによって、濃縮汚泥を加熱する工程と、
この加熱された濃縮汚泥の流れの中に、この流れと対向するように高温高圧水蒸気を噴出することによって、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を形成する工程と、
この１００℃以上に加熱された可溶化汚泥の流れと濃縮汚泥の流れとの熱交換を行うことによって、可溶化汚泥を５０℃以上６０℃以下にまで冷却する工程と
を有することを特徴とする汚泥可溶化方法である。
【００２０】
当該汚泥可溶化方法によれば、活性汚泥による廃水処理装置から回収された余剰汚泥を濃縮したものを含む濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換を行うことによって、濃縮汚泥を加熱する工程を有することから、外部からエネルギーを加えることなく効率的に、可溶化汚泥形成工程への供給原料に適した温度（例えば６０℃前後）まで濃縮汚泥を加熱することができる。また当該汚泥可溶化方法は、この加熱された濃縮汚泥の流れの中に、この流れと対向するように高温高圧水蒸気を噴出することによって、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を形成する工程を有することから、このような高温高圧水蒸気の噴出手段は圧力容器（密閉容器）ではなく大気開放容器であってよいため、運転資格が必要なく、安価かつ安全な連続無人運転によって、加熱・可溶化された汚泥を形成することができる。また、当該汚泥可溶化装置によれば、この１００℃以上に加熱された可溶化汚泥の流れと濃縮汚泥の流れとの熱交換を行うことによって、可溶化汚泥を５０℃以上６０℃以下にまで冷却する工程を有することから、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥をメタン発酵に適した温度にまで確実に冷却することができる。当該汚泥可溶化方法においては、可溶化汚泥形成工程において、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥の形成が、高温高圧水蒸気噴出により濃縮汚泥の一部に大気圧以上の動圧を発生させると同時に、高温高圧水蒸気の顕熱と凝縮潜熱とを用いて加熱を促進し、かつ、水蒸気の凝縮衝撃により濃縮汚泥の分解を促進することによって行われることから、形成された可溶化汚泥の消化率を向上させることができると共に、汚泥から生じる固形物量を顕著に減量することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明の汚泥可溶化装置及び汚泥可溶化方法によれば、濃縮された余剰汚泥を消化槽に供給する前段階において、高温高圧水蒸気噴出による動圧効果と水蒸気の凝縮衝撃とによる汚泥の可溶化を促進にすることで、余剰汚泥からの固形物のより一層の減量及び消化率のさらなる向上、並びに安価かつ簡易な連続無人運転による汚泥の加熱・可溶化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る汚泥可溶化装置を示す模式的断面図である。
【図２】図２は、本発明の図１とは別の実施形態に係る汚泥可溶化装置を示す模式的断面図である。
【図３】図３は、本発明に係る汚泥可溶化装置を用いた汚泥処理システムのプロセスフロー図である。
【図４】図４は、従来の汚泥消化設備のプロセスフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、適宜図面を参照しつつ本発明の実施の形態を詳説する。
図１に示された第一の実施形態に係る汚泥可溶化装置１は、主に、二重管式熱交換器２及び可溶化手段３を有する。
【００２４】
二重管式熱交換器２は、横断面円形の外管５と、外管５の内側に間隔をおいて同心状に挿入された横断面円形の内管４とを有する。内管４及び外管５の材質は、特に限定されないが、例えばアルミニウム押出形材製が用いられる。内管４の両端部は外管５の両端部よりも外側に突出している。内管４及び外管５のサイズは、プロセスの処理容量等によって制限なく設計することが可能であるが、標準規格として設定されているサイズから選択するのが安価であり好ましい。
【００２５】
活性汚泥を用いた廃水処理設備における最終沈殿池から得られる余剰汚泥は、公知の濃縮装置により、通常固形分濃度が約２〜５％程度になるまで濃縮され、濃縮汚泥が形成される。この濃縮汚泥が、汚泥可溶化装置１のフィードとして、二重管式熱交換器２の内管４の一方の端部から送入される（図中Ａ）。濃縮汚泥Ａは、内管４の一方の端部において、一般的に１５℃以上３０℃以下程度の温度及び２５０ｋＰａ以上３５０ｋＰａ以下程度の圧力を有する。濃縮汚泥Ａは、内管４中を流れるにつれて、後述する可溶化手段３から送出された可溶化汚泥の流れ（図中Ｂ）と対向的に熱交換することによって、徐々に加熱される。このように加熱された濃縮汚泥Ａは、内管４の他方の端部に至る時点で（可溶化手段３にフィードとして提供される時点で）、例えば５０℃以上７０℃以下程度の温度を有する。
【００２６】
一方、後述の可溶化手段３から送出された可溶化汚泥Ｂは、二重管式熱交換器２の外管５の一方の端部（内管４の出口側）から送入される。可溶化汚泥Ｂは、外管５の一方の端部において、例えば１１０℃以上１４０℃以下程度の温度及び２００ｋＰａ以上３００ｋＰａ以下程度の圧力を有する。可溶化汚泥Ｂは、外管５中を流れるにつれて、濃縮汚泥Ａの流れと対向的に熱交換することによって、徐々に冷却される。このように冷却された可溶化汚泥Ｂは、外管５の他方の端部に至る時点で（下流の消化槽にフィードとして提供される前の時点で）、メタン発酵に適した温度である５０℃以上６０℃以下程度の温度を有する。
【００２７】
可溶化手段３は、エジェクタ（高温高圧水蒸気噴出部）６、高温高圧水蒸気供給部７、及び可溶化汚泥送出部８を有する。可溶化手段３において、二重管式熱交換器２の内管４から供給された濃縮汚泥Ａに、これと対向する方向から、エジェクタ６を通じて高温高圧水蒸気の流れ（図中Ｃ）が高速で噴出・吹き込みされる。ここでの高温高圧水蒸気は、例えば１５０℃以上２００℃以下の温度及び６００ｋＰａ以上９００ｋＰａ程度の圧力を有する。濃縮汚泥Ａは、高温高圧水蒸気Ｃが高速で吹き込まれることによって、その一部に大気圧以上の動圧が発生し、それと同時に高温高圧水蒸気の顕熱と凝縮潜熱とによって加熱が促進され、上述のように１１０℃以上１４０℃以下程度の温度及び２００ｋＰａ以上３００ｋＰａ以下程度の圧力を有する状態となって、可溶化汚泥Ｂの流れが形成される。形成された可溶化汚泥Ｂは、可溶化汚泥送出部８から送出され、二重管式熱交換器２の外管５に供給される。また濃縮汚泥Ａに高温高圧水蒸気Ｃを高速で吹き込むことによって、水蒸気の凝縮衝撃により汚泥の細胞群の分解・可溶化が促進される。高温高圧水蒸気Ｃの噴出速度（吹き込み速度）は、これと対向する濃縮汚泥Ａの流速の５倍以上１００倍以下であることが好ましい。このような大きな相対速度で、濃縮汚泥Ａの流れに対向する方向から高温高圧水蒸気Ｃを噴出することによって、水蒸気の動圧効果による加熱及び水蒸気の凝縮衝撃（キャビテーション）による汚泥の可溶化を一層促進することができ、ひいては下流の消化槽における消化率の向上及び固形物の減量を達成することが可能となる。
【００２８】
本実施形態の汚泥可溶化装置によれば、外部からエネルギーを加えることなく、効率的に可溶化手段への供給原料に適した温度（例えば５０℃以上７０℃以下程度）まで濃縮汚泥を加熱することができると同時に、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥をメタン発酵に適した温度である５０℃以上６０℃以下まで確実に冷却することが可能となる。また、この汚泥可溶化装置では、可溶化手段が、圧力容器（密閉容器）ではなく大気開放容器であるため、運転資格が必要なく、安全な２４時間連続の無人運転によって、加熱・可溶化された汚泥を低コストで形成することができる。特に、２４時間連続の無人運転が可能であることから、消化槽の加熱用ボイラーを簡易・小型化することができ、消化設備の建設費及び運営のための人件費を削減することができる。さらに、この汚泥可溶化装置では、高温高圧水蒸気の高速吹き込みによって汚泥の加熱・可溶化を大幅に促進することができるため、形成された可溶化汚泥の消化率の一層の向上と、汚泥から生じる固形物量の飛躍的な減量とを同時に達成することが可能となる。
【００２９】
図２に示された第二の実施形態に係る汚泥可溶化装置１０は、主に、多管式熱交換器１１及び可溶化手段１２を有する。なお、本実施形態においては、多管式熱交換器１１と可溶化手段１２の構造の一部（後述する高温高圧水蒸気噴出部１７の一部）とは、単一の筐体内に形成されている。
【００３０】
多管式熱交換器１１は、主に、円筒形の外筒内に複数の管１３、その周囲部（空隙）１４、及び複数のバッフル１５を有する。管１３は、横断面円形であり、略均一な間隔で多数配設される。管１３の材質は、特に限定されないが、例えばアルミニウム押出形材製が用いられる。また、内管１３のサイズは、プロセスの処理容量等によって制限なく設計することが可能であるが、標準規格として設定されているサイズから選択するのが安価であり好ましい。
【００３１】
廃水処理設備で得られた余剰汚泥から形成された濃縮汚泥は、汚泥可溶化装置１０のフィードとして、多管式熱交換器１１の管１３の各々の一方の端部から送入される（図中Ａ）。濃縮汚泥Ａは、管１３の一方の端部において、一般的に１５℃以上３０℃以下程度の温度及び２５０ｋＰａ以上３５０ｋＰａ以下程度の圧力を有する。濃縮汚泥Ａは、管１３中を流れるにつれて、後述する可溶化手段１２で高温高圧水蒸気によって処理された可溶化汚泥の流れ（図中Ｂ）と対向的に熱交換することによって、徐々に加熱される。このように加熱された濃縮汚泥Ａは、可溶化手段１２から高温高圧水蒸気の高速吹き込みを受ける直前の時点で、例えば５０℃以上７０℃以下程度の温度を有する。
【００３２】
一方、後述の可溶化手段１２で高温高圧水蒸気によって処理された可溶化汚泥Ｂは、管１３の各々の他方の端部から送出された後、逆方向への流れを形成するように、管１３の周囲部１４内に送入される。可溶化汚泥Ｂは、可溶化手段１２から高温高圧水蒸気の高速吹き込みを受け加熱・可溶化された時点で、例えば１１０℃以上１４０℃以下程度の温度及び２００ｋＰａ以上３００ｋＰａ以下程度の圧力を有する。可溶化汚泥Ｂは、複数のバッフル１５によって整流されながら周囲部１４内を流れるにつれて、濃縮汚泥Ａの流れと熱交換することによって、徐々に冷却される。このように冷却された可溶化汚泥Ｂは、周囲部１４の排出箇所に至る時点で（下流の消化槽にフィードとして提供される前の時点で）、メタン発酵に適した温度である５０℃以上６０℃以下程度の温度を有する。
【００３３】
可溶化手段１２は、高温高圧水蒸気送路１６及び高温高圧水蒸気噴出部１７を有する。この高温高圧水蒸気噴出部１７は、多管式熱交換器１１の複数の管１３のそれぞれに、高温高圧水蒸気送路１６を通じて高温高圧水蒸気が噴出・吹き込みされるよう構成されている。すなわち、可溶化手段１２においては、多管式熱交換器１１の複数の管１３の各々に、高温高圧水蒸気噴出部１７が挿通されている。濃縮汚泥Ａへの高温高圧水蒸気の流れ（図中Ｃ）の供給は、高温高圧水蒸気送路１６を経由した高温高圧水蒸気が高温高圧水蒸気噴出部１７を通じ、濃縮汚泥Ａと対向する方向から高速で吹き込まれることによって行われる。ここでの高温高圧水蒸気は、第一の実施形態と同様、例えば１００℃以上２００℃以下の温度（対応する圧力は１００ｋＰａ程度以上１６００ｋＰａ程度以下の圧力）を有する。濃縮汚泥Ａは、高温高圧水蒸気Ｃが高速で吹き込まれることによって、その一部に大気圧以上の動圧が発生し、それと同時に高温高圧水蒸気の顕熱と凝縮潜熱とによって加熱が促進され、１１０℃以上１４０℃以下程度の温度（対応する圧力は１００ｋＰａ程度以上４００ｋＰａ程度以下の圧力）有する状態となって、可溶化汚泥Ｂの流れが形成される。形成された可溶化汚泥Ｂは、管１３の端部から送出された後、管１３の周囲部１４内に送入され、濃縮汚泥Ａとの熱交換に供される。また、上述のように、濃縮汚泥Ａに高温高圧水蒸気Ｃを高速で吹き込むことによって、水蒸気の凝縮衝撃により汚泥の細胞群の分解・可溶化が促進される。高温高圧水蒸気Ｃの噴出速度は、これと対向する濃縮汚泥Ａの流速の５倍以上１００倍以下であることが好ましい。このような大きな相対速度で、濃縮汚泥Ａの流れに対向方向から高温高圧水蒸気Ｃを供給することによって、第一の実施形態の場合と同様に、水蒸気の動圧効果による加熱及び水蒸気の凝縮衝撃（キャビテーション）による汚泥の可溶化を一層促進することができ、ひいては下流の消化槽における消化率の向上及び固形物の減量を達成することが可能となる。
【００３４】
本実施形態の汚泥可溶化装置によれば、上記第一の実施形態の場合と同様の効果が得られる。また、本実施形態の汚泥可溶化装置では、多管式熱交換器の複数の管の各々に、可溶化手段からの高温高圧水蒸気が噴出するよう構成されていることによって、十分に加熱・可溶化された汚泥を効率的に形成することが可能である。
【００３５】
図３の汚泥処理システム２０のプロセスフローは、最初沈殿池２１、生物処理槽２２及び最終沈殿池２３からなる廃水処理設備、濃縮装置２４、汚泥可溶化装置２５、消化槽２６、並びに脱水装置２７を有する汚泥処理システムにおける処理のフローである。
【００３６】
下水等の廃水は、最初沈殿池２１に流入し、この最初沈殿池２１において沈殿しやすい浮遊物が沈殿除去され、次いで生物処理槽２２において好気性微生物の作用により廃水中の有機物などが分解除去され、その後、最終沈殿池２３にて活性汚泥を沈殿させ、清浄化された上澄み水が処理水として外部に放流される。最初沈殿池２１、生物処理槽２２及び最終沈殿池２３は、廃水処理設備を構成している。最初沈殿池２１からの固形物を回収することで得られた生汚泥（最初沈殿池汚泥）は、無加温のまま直接消化槽２６に供給される。
【００３７】
最終沈殿池２３で沈殿した活性汚泥は、その一部が返送汚泥として生物処理槽２２に戻される一方、残りの余剰汚泥が減容化のため、例えば遠心濃縮機，浮上濃縮機などの濃縮装置２４に送られ、固形物濃度が２〜５％程度となるまで濃縮される。このようにして得られた濃縮汚泥は、本発明による汚泥可溶化装置２５に供給され、加熱かつ可溶化された汚泥が生成される。この可溶化汚泥は、生汚泥（最初沈殿池汚泥）と共に消化槽２６へ供給され、ここで酸生成菌やメタン生成菌等の嫌気性細菌の作用による高温嫌気性消化処理されることによって、メタン約６０％、二酸化炭素約４０％の混合ガスである消化ガスが生成される。この消化ガスは、脱硫された後、発電用の燃料として利用される。消化槽２６には、メタン発酵に適した温度を維持するためにボイラーが併設される。ただし、この汚泥処理システムは、２４時間連続の無人運転が可能な本発明による汚泥可溶化装置２５を含んで構成されているため、消化槽の加熱用ボイラーを簡易・小型化することができ、消化設備に関する建設費及び人件費を削減することができる。
【００３８】
消化槽２６における高温嫌気性消化処理で生じた消化液（一部消化汚泥）は、例えばべルトプレス脱水機からなる脱水装置２７で脱水処理されることによって、脱水汚泥が形成される。この脱水汚泥は、廃棄処分される一方、脱水によって消化液から分離された脱水分離液（脱水ろ液）は、返流水として最初沈殿池２１の入口側に返送される。また、消化槽２６から得られた消化液（一部消化汚泥）の一部分は、濃縮装置２４に戻され、再度濃縮され、後続の処理にかけられる。
【００３９】
本実施形態の汚泥処理システムによれば、本発明に係る汚泥可溶化装置を備えていることから、濃縮された余剰汚泥を消化処理（嫌気性処理）するための消化槽に供給する前の段階で、高温高圧水蒸気を用いて余剰汚泥の加熱・可溶化を促進し、それによって余剰汚泥からの固形物の減量及び消化率の向上を同時に達成し、さらには、安価な装置を用いた無人運転で汚泥を効率的に加熱・可溶化することが可能である。また、この汚泥処理システムに含まれる汚泥可溶化装置は、２４時間連続の無人運転が可能であることから、消化槽の加熱用ボイラーを簡易・小型化することができ、消化設備に関する諸経費を大幅に削減することができる。
【００４０】
本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。例えば、二重管式の熱交換器を用い、この熱交換器の複数の管のそれぞれに、可溶化手段からの高温高圧水蒸気が噴出するよう構成してもよい。また、バッフルを有する多管式の熱交換器を用い、熱交換器と可溶化手段が分離した構造体としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の汚泥可溶化装置及び方法によれば、余剰汚泥からの固形物のより一層の減量及び消化率のさらなる向上、並びに安価かつ簡易な連続無人運転による汚泥の加熱・可溶化が可能となるため、工場や地方自治体の下水処理場の廃水処理設備に併設された消化処理を利用した発電施設等において、好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１ 汚泥可溶化装置
２ 熱交換器
３ 可溶化手段
４ 内管
５ 外管
６ エジェクタ（高温高圧水蒸気噴出部）
７ 高温高圧水蒸気供給部
８ 可溶化汚泥送出部
１０ 汚泥可溶化装置
１１ 熱交換器
１２ 可溶化手段
１３ 管
１４ 周囲部
１５ バッフル
１６ 高温高圧水蒸気送路
１７ 高温高圧水蒸気噴出部
２０ 汚泥処理システム
２１ 最初沈殿池
２２ 生物処理槽
２３ 最終沈殿池
２４ 濃縮装置
２５ 汚泥可溶化装置
２６ 消化槽
２７ 脱水装置
５０ 濃縮装置
５１ 消化槽
５２ 加温用ボイラ
５３ 脱水装置
５４ 発電機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水等の廃水処理設備から生じる汚泥の消化に供される可溶化汚泥を形成するために好適に用いられる汚泥可溶化装置、及び汚泥可溶化方法に関する。
【０００２】
下水等の有機性廃水の活性汚泥による廃水処理設備から生じる余剰汚泥は、脱水・焼却して減量後に埋め立て処分されてきた。しかし、汚泥の大量化に伴ない、焼却後の灰を処分する埋立地の確保が年々困難な状況となっている。余剰汚泥の建設資材などへの再利用も行なわれているものの、経済性、流通システムなどの課題により、社会全体に広がるには至っていない。
【０００３】
一方、近年、地球環境保護への意識の高まりから、廃棄物のリサイクルやエネルギー回収等を推進する資源循環型社会システムへの転換が求められている。そこで、下水や工場排水等の活性汚泥を用いた廃水処理設備から生じる余剰汚泥からエネルギー（電気、熱、燃料）を回収する基礎技術として、従来から利用されてきたメタン発酵などの嫌気性消化処理が再び見直されつつある。また、嫌気性消化処理によるエネルギー回収・発電を、民活を利用したＰＦＩ事業の形で進める自治体が増加している。このような消化処理を用いることにより、メタン発酵から生じたメタンを回収し、燃焼させることによって発電を行うことが可能である。また、余剰汚泥を分解・消化することによって、固形物を減量することができる。
【０００４】
従来から用いられている汚泥消化設備の一般的なプロセスフローを、図４に示す。図４の汚泥消化設備は、濃縮装置５０、消化槽５１、加温用ボイラ５２、脱水装置５３及び発電機５４を備える。活性汚泥を用いた廃水処理設備における最終沈殿池で沈殿した活性汚泥は、一部が返送汚泥として生物処理層に戻され、残りが余剰汚泥として、遠心濃縮機、浮上濃縮機などの濃縮装置５０により、２〜５％程度の固形分濃度にまで濃縮される。廃水処理設備における最初沈殿池で沈殿した生汚泥もまた、上記同様に濃縮される。これらの濃縮された汚泥は、消化槽５１に蓄えられ、ここで加温用ボイラ５２によって適温（通常５４〜５７℃）に加熱されて、酸生成菌による酸発酵及びメタン生成菌によるメタン発酵を含む嫌気性消化処理に供され、主成分としてメタンを含む消化ガスを発生する。
【０００５】
この嫌気性消化処理で生じた消化汚泥（消化液）は、例えば、べルトプレス脱水機からなる脱水装置５３によって脱水処理される。脱水汚泥は、トラックで下水処理施設外の処理場へ搬出され、他方の脱水分離液は、返流水として最初沈殿池の入口側に返送される。一方、消化槽５１からの消化ガスは、脱硫塔で硫化水素が除去された後、ガスホルダーに蓄えられ、必要に応じて、発電機５４を駆動するためのガスエンジンに燃料として供給される。発電機５４から得られた電力は、一般的な電力として利用するために設備外に送電され、あるいは加温用ボイラ５２を駆動するための電力としても用いられる。すなわち、このような余剰汚泥消化設備によって、余剰汚泥からの固形物を減量すると同時に、消化ガスをエネルギー源として利用することができる。
【０００６】
しかし、食品廃棄物、家畜糞尿などの生ゴミの消化槽でのメタン発酵による消化率（有機物分解率）は約９０〜９５％である一方、上記のような汚泥消化設備での汚泥のメタン発酵による消化率は約５０％にとどまっている。これは、活性汚泥を用いた廃水処理設備から得られる余剰汚泥の、メタン発酵の前段階である酸発酵による可溶化速度が小さいためであると考えられている。従って、濃縮された余剰汚泥を消化槽に供給する前段階で、余剰汚泥の可溶化を促進することによって、余剰汚泥からの固形物のより一層の減量及び消化ガスのさらなる増量（消化率の向上）を可能とするような技術の開発が要求されている。ここでの余剰汚泥の「可溶化」とは、汚泥の細胞群内部の水分及び有機分が水に溶解する状態になることを意味する。
【０００７】
また、メタン発酵などの嫌気性消化処理を利用した発電施設では、人件費等のコスト削減の観点から、運転資格の不要な簡易ボイラでの加熱による２４時間連続の無人運転設備が普及している。しかし、上述のように汚泥消化設備でのメタン発酵による消化率（ガス化率）は、汚泥の可溶化速度が小さいことから約５０％にとどまっている。結果として、このような嫌気性消化処理を利用した発電施設では、発電効率が低いため、事業の採算をとるのが困難となっている。従って、このような事業の採算性の観点からも、運転資格が不要である簡易かつ安価な汚泥加熱（安価な装置を用いた無人運転による汚泥加熱）と、汚泥の可溶化の促進による消化率の向上（汚泥の可溶化促進によるガス化率の向上）とを同時に達成可能な汚泥可溶化のための装置の開発が、強く求められている。
【０００８】
なお、特開２００７−１１７８０１号公報には、有機性廃棄物を高温メタン発酵処理するに際し、ほぼ一定のある温度設定値で安定してメタン発酵を行うことが可能なメタン発酵処理方法が、開示されている。当該文献のメタン発酵処理方法は、有機性廃棄物を高温可溶化処理する工程、及びこの可溶化処理物と冷却媒体との熱交換により可溶化処理物を冷却する工程を含んでいる。このメタン発酵処理方法は、発酵温度の変動を出来る限り小さくすることによって、安定したメタン発酵を可能とする技術に関するが、汚泥の高温可溶化装置としては、高温・高圧の状態下で汚泥を可溶化するためのタンクであるリアクター、及び可溶化処理物としての可溶化汚泥を貯留し、消化槽に連続投入するためのタンクであるフラッシュタンクを備えた複雑な装置のみが例示されている。また、特許第３８０８４７５号には、消化汚泥を濃縮するための濃縮機が介設された加温塔、消化槽で発生する消化ガスの燃焼炉、及びこの燃焼熱により高温高圧水蒸気を発生させる熱交換器を備え、加熱塔内で濃縮した消化汚泥を高温高圧水蒸気に直接接触させて加温することを特徴とする嫌気性消化システムが開示されている。当該文献の嫌気性消化システムは、消化槽から得られた消化汚泥を濃縮し、高温高圧水蒸気で加温してから消化槽に循環することによって、消化率の向上を図る技術に関する。しかし、当該文献には、廃水処理装置から回収された余剰汚泥などの消化槽に送られる前の汚泥の加熱・可溶化処理については、何ら具体的に説明されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１１７８０１号公報
【特許文献２】特許第３８０８４７５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、これらの不都合に鑑みてなされたものであり、濃縮された余剰汚泥を消化槽に供給する前段階において余剰汚泥の可溶化を促進することで、余剰汚泥からの固形物のより一層の減量及び消化率のさらなる向上を可能とし、かつ、安価な装置を用いた無人運転によって汚泥を加熱・可溶化することができる汚泥可溶化装置、及び汚泥可溶化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】
【００１１】
上記課題を解決するためになされた本発明の第一の態様は、
濃縮汚泥からメタン発酵用の可溶化汚泥を形成するための汚泥可溶化装置であって、
濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換によって、濃縮汚泥を加熱し、かつ可溶化汚泥を冷却する熱交換器と、
この加熱された濃縮汚泥の流れの中に、この流れと対向するように高温高圧水蒸気を噴出することによって、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を形成する可溶化手段と
を備えることを特徴とする汚泥可溶化装置である。
【００１２】
当該汚泥可溶化装置によれば、熱交換器を用いて、濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換を行うことから、外部からエネルギーを加えることなく効率的に、可溶化手段への供給原料に適した温度（例えば６０℃前後）まで濃縮汚泥を加熱することができ、同時に、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥をメタン発酵に適した温度である５０℃以上６０℃以下にまで確実に冷却することができる。また、当該汚泥可溶化装置によれば、この可溶化手段への供給原料に適した温度にまで加熱された濃縮汚泥の流れの中に、対向方向から高温高圧水蒸気を噴出することによって、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を形成する可溶化手段を備えることから、このような可溶化手段は、圧力容器（密閉容器）ではなく大気開放容器であるため、運転資格が必要なく、安価かつ安全な連続無人運転によって、加熱・可溶化された汚泥を形成することができる。当該汚泥可溶化装置においては、この１００℃以上に加熱された可溶化汚泥の形成が、高温高圧水蒸気の噴出により濃縮汚泥の一部に大気圧以上の動圧を発生させると同時に、高温高圧水蒸気の顕熱と凝縮潜熱とを用いて加熱を促進し、かつ、水蒸気の凝縮衝撃により濃縮汚泥の分解を促進することによって行われることから、形成された可溶化汚泥の消化率を向上させることができると共に、汚泥から生じる固形物量を飛躍的に減量することが可能となる。
【００１３】
当該汚泥可溶化装置に備えられた熱交換器として、二重管式の熱交換器を用いることができる。このような二重管式の熱交換器を用い、濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換を行うことによって、効率的な熱伝達が可能となり、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を確実に５０℃以上６０℃以下にまで冷却することができると同時に、濃縮汚泥を可溶化手段への供給原料に適した温度まで十分加熱することができる。
【００１４】
当該汚泥可溶化装置は、熱交換器として多管式の熱交換器を用い、上記可溶化手段により、この多管式熱交換器の複数の管のそれぞれに高温高圧水蒸気が噴出するよう構成されていてよい。多管式熱交換器の複数の管内に、可溶化手段への供給原料に適した温度まで加熱された濃縮汚泥の流れが存在する場合に、それらの管のそれぞれに、可溶化手段により高温高圧水蒸気が対向方向から噴出されることによって、十分に加熱・可溶化された汚泥を効率的に形成することができる。
【００１５】
当該汚泥可溶化装置における可溶化手段からの高温高圧水蒸気の噴出速度は、これと対向する濃縮汚泥の流速の５倍以上１００倍以下であることが好ましい。このような大きな相対速度で、濃縮汚泥の流れに対向方向から高温高圧水蒸気を噴出することによって、水蒸気の動圧効果による加熱及び水蒸気の凝縮衝撃による汚泥の可溶化を、より一層促進することが可能となる。
【００１６】
当該汚泥可溶化装置に供給される濃縮汚泥は、典型的には、活性汚泥による廃水処理装置から回収された余剰汚泥を濃縮したものを含む。例えば、下水や工場排水などの活性汚泥による廃水処理装置からの余剰汚泥を濃縮したものを、当該汚泥可溶化装置で処理することによって、加熱・可溶化された汚泥の消化率を高めると共に、固形物量を効果的に減量することが可能となり、エネルギー効率の向上及び環境への負荷の低減を達成することができる。
【００１７】
当該汚泥可溶化装置に供給される濃縮汚泥は、活性汚泥による廃水処理装置から回収された余剰汚泥を濃縮したものに加えて、メタン発酵後の一部が消化された汚泥を再濃縮したものを含んでいてもよい。このように、メタン発酵後の一部が消化された汚泥を再濃縮し、汚泥可溶化装置に供給するための濃縮汚泥として再度利用することによって、最終的に処分される固形物量をさらに減らし、それによって汚泥の利用効率を一層高めることができる。
【００１８】
当該汚泥可溶化装置と、汚泥を脱水することによって汚泥可溶化装置に供給するための濃縮汚泥を形成する濃縮装置と、汚泥可溶化装置によって形成された可溶化汚泥に対してメタン発酵を含む消化処理を行う消化槽とを組み合わせることによって、汚泥処理システムを構築することができる。このような汚泥処理システムは、上記の汚泥可溶化装置を備えていることから、濃縮装置で濃縮された余剰汚泥を消化処理するための消化槽に供給する前段階で、余剰汚泥の可溶化を促進し、それによって余剰汚泥からの固形物の減量及び消化率の向上を同時に達成し、また、安価な装置を用いた無人運転で汚泥を効率的に加熱・可溶化することが可能となる。
【００１９】
上記課題を解決するためになされた本発明の第二の態様は、
メタン発酵用の可溶化汚泥を形成するための汚泥可溶化方法であって、
活性汚泥による廃水処理装置から回収された余剰汚泥を濃縮したものを含む濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換を行うことによって、濃縮汚泥を加熱する工程と、
この加熱された濃縮汚泥の流れの中に、この流れと対向するように高温高圧水蒸気を噴出することによって、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を形成する工程と、
この１００℃以上に加熱された可溶化汚泥の流れと濃縮汚泥の流れとの熱交換を行うことによって、可溶化汚泥を５０℃以上６０℃以下にまで冷却する工程と
を有することを特徴とする汚泥可溶化方法である。
【００２０】
当該汚泥可溶化方法によれば、活性汚泥による廃水処理装置から回収された余剰汚泥を濃縮したものを含む濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換を行うことによって、濃縮汚泥を加熱する工程を有することから、外部からエネルギーを加えることなく効率的に、可溶化汚泥形成工程への供給原料に適した温度（例えば６０℃前後）まで濃縮汚泥を加熱することができる。また当該汚泥可溶化方法は、この加熱された濃縮汚泥の流れの中に、この流れと対向するように高温高圧水蒸気を噴出することによって、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を形成する工程を有することから、このような高温高圧水蒸気の噴出手段は圧力容器（密閉容器）ではなく大気開放容器であってよいため、運転資格が必要なく、安価かつ安全な連続無人運転によって、加熱・可溶化された汚泥を形成することができる。また、当該汚泥可溶化装置によれば、この１００℃以上に加熱された可溶化汚泥の流れと濃縮汚泥の流れとの熱交換を行うことによって、可溶化汚泥を５０℃以上６０℃以下にまで冷却する工程を有することから、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥をメタン発酵に適した温度にまで確実に冷却することができる。当該汚泥可溶化方法においては、可溶化汚泥形成工程において、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥の形成が、高温高圧水蒸気噴出により濃縮汚泥の一部に大気圧以上の動圧を発生させると同時に、高温高圧水蒸気の顕熱と凝縮潜熱とを用いて加熱を促進し、かつ、水蒸気の凝縮衝撃により濃縮汚泥の分解を促進することによって行われることから、形成された可溶化汚泥の消化率を向上させることができると共に、汚泥から生じる固形物量を顕著に減量することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明の汚泥可溶化装置及び汚泥可溶化方法によれば、濃縮された余剰汚泥を消化槽に供給する前段階において、高温高圧水蒸気噴出による動圧効果と水蒸気の凝縮衝撃とによる汚泥の可溶化を促進にすることで、余剰汚泥からの固形物のより一層の減量及び消化率のさらなる向上、並びに安価かつ簡易な連続無人運転による汚泥の加熱・可溶化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る汚泥可溶化装置を示す模式的断面図である。
【図２】図２は、本発明の図１とは別の実施形態に係る汚泥可溶化装置を示す模式的断面図である。
【図３】図３は、本発明に係る汚泥可溶化装置を用いた汚泥処理システムのプロセスフロー図である。
【図４】図４は、従来の汚泥消化設備のプロセスフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、適宜図面を参照しつつ本発明の実施の形態を詳説する。
図１に示された第一の実施形態に係る汚泥可溶化装置１は、主に、二重管式熱交換器２及び可溶化手段３を有する。
【００２４】
二重管式熱交換器２は、横断面円形の外管５と、外管５の内側に間隔をおいて同心状に挿入された横断面円形の内管４とを有する。内管４及び外管５の材質は、特に限定されないが、例えばアルミニウム押出形材製が用いられる。内管４の両端部は外管５の両端部よりも外側に突出している。内管４及び外管５のサイズは、プロセスの処理容量等によって制限なく設計することが可能であるが、標準規格として設定されているサイズから選択するのが安価であり好ましい。
【００２５】
活性汚泥を用いた廃水処理設備における最終沈殿池から得られる余剰汚泥は、公知の濃縮装置により、通常固形分濃度が約２〜５％程度になるまで濃縮され、濃縮汚泥が形成される。この濃縮汚泥が、汚泥可溶化装置１のフィードとして、二重管式熱交換器２の内管４の一方の端部から送入される（図中Ａ）。濃縮汚泥Ａは、内管４の一方の端部において、一般的に１５℃以上３０℃以下程度の温度及び２５０ｋＰａ以上３５０ｋＰａ以下程度の圧力を有する。濃縮汚泥Ａは、内管４中を流れるにつれて、後述する可溶化手段３から送出された可溶化汚泥の流れ（図中Ｂ）と対向的に熱交換することによって、徐々に加熱される。このように加熱された濃縮汚泥Ａは、内管４の他方の端部に至る時点で（可溶化手段３にフィードとして提供される時点で）、例えば５０℃以上７０℃以下程度の温度を有する。
【００２６】
一方、後述の可溶化手段３から送出された可溶化汚泥Ｂは、二重管式熱交換器２の外管５の一方の端部（内管４の出口側）から送入される。可溶化汚泥Ｂは、外管５の一方の端部において、例えば１１０℃以上１４０℃以下程度の温度及び２００ｋＰａ以上３００ｋＰａ以下程度の圧力を有する。可溶化汚泥Ｂは、外管５中を流れるにつれて、濃縮汚泥Ａの流れと対向的に熱交換することによって、徐々に冷却される。このように冷却された可溶化汚泥Ｂは、外管５の他方の端部に至る時点で（下流の消化槽にフィードとして提供される前の時点で）、メタン発酵に適した温度である５０℃以上６０℃以下程度の温度を有する。
【００２７】
可溶化手段３は、エジェクタ（高温高圧水蒸気噴出部）６、高温高圧水蒸気供給部７、及び可溶化汚泥送出部８を有する。可溶化手段３において、二重管式熱交換器２の内管４から供給された濃縮汚泥Ａに、これと対向する方向から、エジェクタ６を通じて高温高圧水蒸気の流れ（図中Ｃ）が高速で噴出・吹き込みされる。ここでの高温高圧水蒸気は、例えば１５０℃以上２００℃以下の温度及び６００ｋＰａ以上９００ｋＰａ程度の圧力を有する。濃縮汚泥Ａは、高温高圧水蒸気Ｃが高速で吹き込まれることによって、その一部に大気圧以上の動圧が発生し、それと同時に高温高圧水蒸気の顕熱と凝縮潜熱とによって加熱が促進され、上述のように１１０℃以上１４０℃以下程度の温度及び２００ｋＰａ以上３００ｋＰａ以下程度の圧力を有する状態となって、可溶化汚泥Ｂの流れが形成される。形成された可溶化汚泥Ｂは、可溶化汚泥送出部８から送出され、二重管式熱交換器２の外管５に供給される。また濃縮汚泥Ａに高温高圧水蒸気Ｃを高速で吹き込むことによって、水蒸気の凝縮衝撃により汚泥の細胞群の分解・可溶化が促進される。高温高圧水蒸気Ｃの噴出速度（吹き込み速度）は、これと対向する濃縮汚泥Ａの流速の５倍以上１００倍以下であることが好ましい。このような大きな相対速度で、濃縮汚泥Ａの流れに対向する方向から高温高圧水蒸気Ｃを噴出することによって、水蒸気の動圧効果による加熱及び水蒸気の凝縮衝撃（キャビテーション）による汚泥の可溶化を一層促進することができ、ひいては下流の消化槽における消化率の向上及び固形物の減量を達成することが可能となる。
【００２８】
本実施形態の汚泥可溶化装置によれば、外部からエネルギーを加えることなく、効率的に可溶化手段への供給原料に適した温度（例えば５０℃以上７０℃以下程度）まで濃縮汚泥を加熱することができると同時に、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥をメタン発酵に適した温度である５０℃以上６０℃以下まで確実に冷却することが可能となる。また、この汚泥可溶化装置では、可溶化手段が、圧力容器（密閉容器）ではなく大気開放容器であるため、運転資格が必要なく、安全な２４時間連続の無人運転によって、加熱・可溶化された汚泥を低コストで形成することができる。特に、２４時間連続の無人運転が可能であることから、消化槽の加熱用ボイラーを簡易・小型化することができ、消化設備の建設費及び運営のための人件費を削減することができる。さらに、この汚泥可溶化装置では、高温高圧水蒸気の高速吹き込みによって汚泥の加熱・可溶化を大幅に促進することができるため、形成された可溶化汚泥の消化率の一層の向上と、汚泥から生じる固形物量の飛躍的な減量とを同時に達成することが可能となる。
【００２９】
図２に示された第二の実施形態に係る汚泥可溶化装置１０は、主に、多管式熱交換器１１及び可溶化手段１２を有する。なお、本実施形態においては、多管式熱交換器１１と可溶化手段１２の構造の一部（後述する高温高圧水蒸気噴出部１７の一部）とは、単一の筐体内に形成されている。
【００３０】
多管式熱交換器１１は、主に、円筒形の外筒内に複数の管１３、その周囲部（空隙）１４、及び複数のバッフル１５を有する。管１３は、横断面円形であり、略均一な間隔で多数配設される。管１３の材質は、特に限定されないが、例えばアルミニウム押出形材製が用いられる。また、内管１３のサイズは、プロセスの処理容量等によって制限なく設計することが可能であるが、標準規格として設定されているサイズから選択するのが安価であり好ましい。
【００３１】
廃水処理設備で得られた余剰汚泥から形成された濃縮汚泥は、汚泥可溶化装置１０のフィードとして、多管式熱交換器１１の管１３の各々の一方の端部から送入される（図中Ａ）。濃縮汚泥Ａは、管１３の一方の端部において、一般的に１５℃以上３０℃以下程度の温度及び２５０ｋＰａ以上３５０ｋＰａ以下程度の圧力を有する。濃縮汚泥Ａは、管１３中を流れるにつれて、後述する可溶化手段１２で高温高圧水蒸気によって処理された可溶化汚泥の流れ（図中Ｂ）と対向的に熱交換することによって、徐々に加熱される。このように加熱された濃縮汚泥Ａは、可溶化手段１２から高温高圧水蒸気の高速吹き込みを受ける直前の時点で、例えば５０℃以上７０℃以下程度の温度を有する。
【００３２】
一方、後述の可溶化手段１２で高温高圧水蒸気によって処理された可溶化汚泥Ｂは、管１３の各々の他方の端部から送出された後、逆方向への流れを形成するように、管１３の周囲部１４内に送入される。可溶化汚泥Ｂは、可溶化手段１２から高温高圧水蒸気の高速吹き込みを受け加熱・可溶化された時点で、例えば１１０℃以上１４０℃以下程度の温度及び２００ｋＰａ以上３００ｋＰａ以下程度の圧力を有する。可溶化汚泥Ｂは、複数のバッフル１５によって整流されながら周囲部１４内を流れるにつれて、濃縮汚泥Ａの流れと熱交換することによって、徐々に冷却される。このように冷却された可溶化汚泥Ｂは、周囲部１４の排出箇所に至る時点で（下流の消化槽にフィードとして提供される前の時点で）、メタン発酵に適した温度である５０℃以上６０℃以下程度の温度を有する。
【００３３】
可溶化手段１２は、高温高圧水蒸気送路１６及び高温高圧水蒸気噴出部１７を有する。この高温高圧水蒸気噴出部１７は、多管式熱交換器１１の複数の管１３のそれぞれに、高温高圧水蒸気送路１６を通じて高温高圧水蒸気が噴出・吹き込みされるよう構成されている。すなわち、可溶化手段１２においては、多管式熱交換器１１の複数の管１３の各々に、高温高圧水蒸気噴出部１７が挿通されている。濃縮汚泥Ａへの高温高圧水蒸気の流れ（図中Ｃ）の供給は、高温高圧水蒸気送路１６を経由した高温高圧水蒸気が高温高圧水蒸気噴出部１７を通じ、濃縮汚泥Ａと対向する方向から高速で吹き込まれることによって行われる。ここでの高温高圧水蒸気は、第一の実施形態と同様、例えば１００℃以上２００℃以下の温度（対応する圧力は１００ｋＰａ程度以上１６００ｋＰａ程度以下の圧力）を有する。濃縮汚泥Ａは、高温高圧水蒸気Ｃが高速で吹き込まれることによって、その一部に大気圧以上の動圧が発生し、それと同時に高温高圧水蒸気の顕熱と凝縮潜熱とによって加熱が促進され、１１０℃以上１４０℃以下程度の温度（対応する圧力は１００ｋＰａ程度以上４００ｋＰａ程度以下の圧力）有する状態となって、可溶化汚泥Ｂの流れが形成される。形成された可溶化汚泥Ｂは、管１３の端部から送出された後、管１３の周囲部１４内に送入され、濃縮汚泥Ａとの熱交換に供される。また、上述のように、濃縮汚泥Ａに高温高圧水蒸気Ｃを高速で吹き込むことによって、水蒸気の凝縮衝撃により汚泥の細胞群の分解・可溶化が促進される。高温高圧水蒸気Ｃの噴出速度は、これと対向する濃縮汚泥Ａの流速の５倍以上１００倍以下であることが好ましい。このような大きな相対速度で、濃縮汚泥Ａの流れに対向方向から高温高圧水蒸気Ｃを供給することによって、第一の実施形態の場合と同様に、水蒸気の動圧効果による加熱及び水蒸気の凝縮衝撃（キャビテーション）による汚泥の可溶化を一層促進することができ、ひいては下流の消化槽における消化率の向上及び固形物の減量を達成することが可能となる。
【００３４】
本実施形態の汚泥可溶化装置によれば、上記第一の実施形態の場合と同様の効果が得られる。また、本実施形態の汚泥可溶化装置では、多管式熱交換器の複数の管の各々に、可溶化手段からの高温高圧水蒸気が噴出するよう構成されていることによって、十分に加熱・可溶化された汚泥を効率的に形成することが可能である。
【００３５】
図３の汚泥処理システム２０のプロセスフローは、最初沈殿池２１、生物処理槽２２及び最終沈殿池２３からなる廃水処理設備、濃縮装置２４、汚泥可溶化装置２５、消化槽２６、並びに脱水装置２７を有する汚泥処理システムにおける処理のフローである。
【００３６】
下水等の廃水は、最初沈殿池２１に流入し、この最初沈殿池２１において沈殿しやすい浮遊物が沈殿除去され、次いで生物処理槽２２において好気性微生物の作用により廃水中の有機物などが分解除去され、その後、最終沈殿池２３にて活性汚泥を沈殿させ、清浄化された上澄み水が処理水として外部に放流される。最初沈殿池２１、生物処理槽２２及び最終沈殿池２３は、廃水処理設備を構成している。最初沈殿池２１からの固形物を回収することで得られた生汚泥（最初沈殿池汚泥）は、無加温のまま直接消化槽２６に供給される。
【００３７】
最終沈殿池２３で沈殿した活性汚泥は、その一部が返送汚泥として生物処理槽２２に戻される一方、残りの余剰汚泥が減容化のため、例えば遠心濃縮機，浮上濃縮機などの濃縮装置２４に送られ、固形物濃度が２〜５％程度となるまで濃縮される。このようにして得られた濃縮汚泥は、本発明による汚泥可溶化装置２５に供給され、加熱かつ可溶化された汚泥が生成される。この可溶化汚泥は、生汚泥（最初沈殿池汚泥）と共に消化槽２６へ供給され、ここで酸生成菌やメタン生成菌等の嫌気性細菌の作用による高温嫌気性消化処理されることによって、メタン約６０％、二酸化炭素約４０％の混合ガスである消化ガスが生成される。この消化ガスは、脱硫された後、発電用の燃料として利用される。消化槽２６には、メタン発酵に適した温度を維持するためにボイラーが併設される。ただし、この汚泥処理システムは、２４時間連続の無人運転が可能な本発明による汚泥可溶化装置２５を含んで構成されているため、消化槽の加熱用ボイラーを簡易・小型化することができ、消化設備に関する建設費及び人件費を削減することができる。
【００３８】
消化槽２６における高温嫌気性消化処理で生じた消化液（一部消化汚泥）は、例えばべルトプレス脱水機からなる脱水装置２７で脱水処理されることによって、脱水汚泥が形成される。この脱水汚泥は、廃棄処分される一方、脱水によって消化液から分離された脱水分離液（脱水ろ液）は、返流水として最初沈殿池２１の入口側に返送される。また、消化槽２６から得られた消化液（一部消化汚泥）の一部分は、濃縮装置２４に戻され、再度濃縮され、後続の処理にかけられる。
【００３９】
本実施形態の汚泥処理システムによれば、本発明に係る汚泥可溶化装置を備えていることから、濃縮された余剰汚泥を消化処理（嫌気性処理）するための消化槽に供給する前の段階で、高温高圧水蒸気を用いて余剰汚泥の加熱・可溶化を促進し、それによって余剰汚泥からの固形物の減量及び消化率の向上を同時に達成し、さらには、安価な装置を用いた無人運転で汚泥を効率的に加熱・可溶化することが可能である。また、この汚泥処理システムに含まれる汚泥可溶化装置は、２４時間連続の無人運転が可能であることから、消化槽の加熱用ボイラーを簡易・小型化することができ、消化設備に関する諸経費を大幅に削減することができる。
【００４０】
本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。例えば、二重管式の熱交換器を用い、この熱交換器の複数の管のそれぞれに、可溶化手段からの高温高圧水蒸気が噴出するよう構成してもよい。また、バッフルを有する多管式の熱交換器を用い、熱交換器と可溶化手段が分離した構造体としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の汚泥可溶化装置及び方法によれば、余剰汚泥からの固形物のより一層の減量及び消化率のさらなる向上、並びに安価かつ簡易な連続無人運転による汚泥の加熱・可溶化が可能となるため、工場や地方自治体の下水処理場の廃水処理設備に併設された消化処理を利用した発電施設等において、好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１ 汚泥可溶化装置
２ 熱交換器
３ 可溶化手段
４ 内管
５ 外管
６ エジェクタ（高温高圧水蒸気噴出部）
７ 高温高圧水蒸気供給部
８ 可溶化汚泥送出部
１０ 汚泥可溶化装置
１１ 熱交換器
１２ 可溶化手段
１３ 管
１４ 周囲部
１５ バッフル
１６ 高温高圧水蒸気送路
１７ 高温高圧水蒸気噴出部
２０ 汚泥処理システム
２１ 最初沈殿池
２２ 生物処理槽
２３ 最終沈殿池
２４ 濃縮装置
２５ 汚泥可溶化装置
２６ 消化槽
２７ 脱水装置
５０ 濃縮装置
５１ 消化槽
５２ 加温用ボイラ
５３ 脱水装置
５４ 発電機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
濃縮汚泥からメタン発酵用の可溶化汚泥を形成するための汚泥可溶化装置であって、
濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換によって、濃縮汚泥を加熱し、かつ可溶化汚泥を冷却する熱交換器と、
この加熱された濃縮汚泥の流れの中に、この流れと対向するように高温高圧水蒸気を噴出することによって、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を形成する可溶化手段と
を備えることを特徴とする汚泥可溶化装置。
【請求項２】
上記熱交換器として二重管式熱交換器が用いられる請求項１に記載の汚泥可溶化装置。
【請求項３】
上記熱交換器として、多管式熱交換器が用いられ、上記可溶化手段によりこの多管式熱交換器の複数の管のそれぞれに、高温高圧水蒸気が噴出するよう構成されている請求項１に記載の汚泥可溶化装置。
【請求項４】
上記高温高圧水蒸気の噴出速度は、これと対向する上記濃縮汚泥の流速の５倍以上１００倍以下である請求項１、請求項２又は請求項３に記載の汚泥可溶化装置。
【請求項５】
上記濃縮汚泥が、活性汚泥による廃水処理装置から回収された余剰汚泥を濃縮したものを含む請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の汚泥可溶化装置。
【請求項６】
上記濃縮汚泥が、メタン発酵後の一部が消化された汚泥を再濃縮したものを含む請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の汚泥可溶化装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の汚泥可溶化装置、
汚泥を脱水することによって上記汚泥可溶化装置に供給するための濃縮汚泥を形成する濃縮装置、及び
上記汚泥可溶化装置によって形成された可溶化汚泥に対して、メタン発酵を含む消化処理を行う消化槽
を備える汚泥処理システム。
【請求項８】
メタン発酵用の可溶化汚泥を形成するための汚泥可溶化方法であって、
活性汚泥による廃水処理装置から回収された余剰汚泥を濃縮したものを含む濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換を行うことによって、濃縮汚泥を加熱する工程と、
この加熱された濃縮汚泥の流れの中に、この流れと対向するように高温高圧水蒸気を噴出することによって、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を形成する工程と、
この１００℃以上に加熱された可溶化汚泥の流れと濃縮汚泥の流れとの熱交換を行うことによって、可溶化汚泥を５０℃以上６０℃以下にまで冷却する工程と
を有することを特徴とする汚泥可溶化方法。
【請求項１】
濃縮汚泥からメタン発酵用の可溶化汚泥を形成するための汚泥可溶化装置であって、
濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換によって、濃縮汚泥を加熱し、かつ可溶化汚泥を冷却する熱交換器と、
この加熱された濃縮汚泥の流れの中に、この流れと対向するように高温高圧水蒸気を噴出することによって、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を形成する可溶化手段と
を備えることを特徴とする汚泥可溶化装置。
【請求項２】
上記熱交換器として二重管式熱交換器が用いられる請求項１に記載の汚泥可溶化装置。
【請求項３】
上記熱交換器として、多管式熱交換器が用いられ、上記可溶化手段によりこの多管式熱交換器の複数の管のそれぞれに、高温高圧水蒸気が噴出するよう構成されている請求項１に記載の汚泥可溶化装置。
【請求項４】
上記高温高圧水蒸気の噴出速度は、これと対向する上記濃縮汚泥の流速の５倍以上１００倍以下である請求項１、請求項２又は請求項３に記載の汚泥可溶化装置。
【請求項５】
上記濃縮汚泥が、活性汚泥による廃水処理装置から回収された余剰汚泥を濃縮したものを含む請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の汚泥可溶化装置。
【請求項６】
上記濃縮汚泥が、メタン発酵後の一部が消化された汚泥を再濃縮したものを含む請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の汚泥可溶化装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の汚泥可溶化装置、
汚泥を脱水することによって上記汚泥可溶化装置に供給するための濃縮汚泥を形成する濃縮装置、及び
上記汚泥可溶化装置によって形成された可溶化汚泥に対して、メタン発酵を含む消化処理を行う消化槽
を備える汚泥処理システム。
【請求項８】
メタン発酵用の可溶化汚泥を形成するための汚泥可溶化方法であって、
活性汚泥による廃水処理装置から回収された余剰汚泥を濃縮したものを含む濃縮汚泥の流れと可溶化汚泥の流れとの熱交換を行うことによって、濃縮汚泥を加熱する工程と、
この加熱された濃縮汚泥の流れの中に、この流れと対向するように高温高圧水蒸気を噴出することによって、１００℃以上に加熱された可溶化汚泥を形成する工程と、
この１００℃以上に加熱された可溶化汚泥の流れと濃縮汚泥の流れとの熱交換を行うことによって、可溶化汚泥を５０℃以上６０℃以下にまで冷却する工程と
を有することを特徴とする汚泥可溶化方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−９８２４９（Ｐ２０１１−９８２４９Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５２５３２（Ｐ２００９−２５２５３２）
【出願日】平成２１年１１月３日（２００９．１１．３）
【出願人】（７０８００１２４４）株式会社テクノプラン (5)
【出願人】（５００００５７１２）熱研産業株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月３日（２００９．１１．３）
【出願人】（７０８００１２４４）株式会社テクノプラン (5)
【出願人】（５００００５７１２）熱研産業株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
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