JP2001300595A - 水処理システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】水処理システムのシステム効率を飛躍的に改善
する。 【解決手段】回転式のタービン翼Ｔ１及び燃焼器ＣＣを
具備するガスタービン１を備え、タービン翼Ｔ１の回転
動力によって駆動される回転式のコンプレッサ翼Ｃ１か
ら吐出される空気ａを浄化対象個所である曝気槽２に導
くと共に、タービン翼Ｔ１からの排気を熱を必要とする
個所である乾燥チャンバ３に導くように構成したので、
高速回転動力をターボ型の空気圧縮機に導入して圧縮空
気を得、一方、廃熱は熱消費の多い汚泥乾燥のような熱
処理を要する個所に用いることによって燃料の持つエネ
ルギを無駄なく有効に活用することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種汚水の水処理
などに好適に利用される水処理システムに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】水系の環境を保全するために、その水系
に空気を吹き込み、微生物の生息によって有機物を分解
し、水を浄化することは古くから一般的に行われてい
る。これは、各種動力により空気ブロワを駆動する過程
と、ブロワによって得られた圧縮空気を処理対象水系に
細かい泡状にして吹き込む（エアレーション）過程と、
泡と接した水に酸素を溶解させることにより、好気性微
生物を繁殖させ、有機物を分解する過程とからなる。こ
のように水系内に有機物が多数存在している場合は、さ
かんに空気（酸素）の泡を吹き込み、活性を高めた好気
性微生物の塊（活性汚泥）を形成させ、この活性を維持
することで、有機物の分解を促進し、水系の浄化を実現
することができる。このエアレーションの形態は様々な
ものが提案され、より多くの溶存酸素を得るためのノズ
ル形態等の開発が進められている。

【０００３】一方、対象水系の浄化が進むと活性汚泥内
の有機物の残存量も減少するが、二酸化珪素に代表され
る無機物は分解されずに残存する。そこで、浄化が進み
沈殿した汚泥は焼却処理されることが一般的に行われて
いる。焼却処理の前には、脱水→乾燥の処理をすること
が一般的である。また、焼却には、より高温で溶融しガ
ラス化する処理も行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来は、エ
アレーションはエアレーションとして処理され、汚泥乾
燥は別のプロセスで行われていた。このため、次のよう
な不具合があった。

【０００５】先ず、エアレーションで採用されているブ
ロワの駆動には電力かディーゼルエンジンを主とした内
燃機関が用いられていた。そして、ブロワをモータ駆動
する場合は、電力の利用効率は高いものの、発電所では
廃熱が有効に利用できないため、燃料から末端利用個所
までの総合エネルギ効率と言う観点から見れば、モータ
に至る所ですでに36%程度に下がっているという問題が
あった。一方、熱機関を動力源として用いる場合は、熱
サイクルの理論限界から、最もエネルギ効率の高いディ
ーゼルエンジンでも、40%を得ることは難しい。加え
て、ディーゼルエンジンでは、小型にできないというべ
つの問題があった。

【０００６】更に、水の浄化には上述したように汚泥乾
燥も不可避なものであるが、ここにおいてもエアレーシ
ョンとは別途に乾燥処理のためだけのエネルギが投入さ
れるのが一般的である。

【０００７】したがって、エアレーションから汚泥処理
までを含めた総合的なエネルギ供給の観点から見ると、
従来のシステムにはエネルギ消費が多く、大量の無駄が
存在する問題があることが明らかになった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の水処理システムは、回転式のタービン翼
及び燃焼器を具備するガスタービンを備え、前記タービ
ン翼の回転動力によって駆動される回転式のコンプレッ
サ翼（昇圧が１ｋｇｆ／ｃｍ２以下のものも含む）から
吐出される空気をノズル等を介して浄化対象個所に曝気
空気等として導くと共に、前記タービン翼からの排気を
汚泥乾燥のような熱処理を要する個所に導くようにした
ことを特徴とするものである。

【０００９】しかして、高速回転動力が容易に取出せる
ガスタービンは、小型で大きな出力が得られるが、その
一方で、ピストン型の内燃機関に比べて、エネルギ効率
が低く、廃熱が多くなるという特性を有していた。

【００１０】そこで、高速回転動力をターボ型の空気圧
縮機に導入して圧縮空気を得、一方、廃熱は熱消費の多
い汚泥乾燥のような熱処理を要する個所に用いることに
よって、燃料の持つエネルギを無駄なく有効に活用する
ことが可能となる。

【００１１】例えば、ガスタービンに毎秒100kJに相当
する燃料エネルギを供給すると、20kW弱の高速回転動力
と、40kW弱の熱源として利用できることになり、トータ
ルのエネルギ利用効率は60%近くを達成することができ
るので、従来の汚泥処理システムのエネルギ効率と比較
すれば飛躍的な改善につながる事となる。。

【００１２】具体的な実施の態様には、以下のようなも
のが挙げられる。

【００１３】先ず、前記コンプレッサ翼が、ガスタービ
ンに対しその軸力によって回転駆動される位置に外付け
されるものであれば、既存のガスタービンを採用し、そ
の周辺に簡単な構成を付加するだけで本発明を容易に構
成することができる。

【００１４】また、前記コンプレッサ翼が、ガスタービ
ンとは独立に併設されるタービンコンプレッサの構成要
素であり、このタービンコンプレッサのタービン翼が前
記ガスタービンのタービン翼から排気される空気によっ
て駆動され、これによってコンプレッサ翼が回転駆動さ
れるものであれば、ガスタービンとタービンコンプレッ
サとが独立して回転することができるため、タービンコ
ンプレッサを停止するガスタービンエンジンのアイドル
（待機）状態などのように、一方を停止しておく必要が
ある場合等に有効となる。

【００１５】勿論、ガスタービンそれ自体の構成要素で
あるコンプレッサ翼の容量が十分に大きい場合には、こ
のコンプレッサ翼から吐出される空気の一部を前記浄化
対象個所に導くように構成することでも有効である。

【００１６】燃焼器における燃焼効率を高めるために
は、タービン翼からの排気を燃焼器に導入される前の空
気と熱交換するレキューパレータと、このレキュパレー
タへのタービン排気の導入量を調節する調節部とを備
え、タービン排気によって予熱した空気を更に燃焼器で
加熱するようにしていることが効果的である。

【００１７】システム全体の熱効率を有効に高めるため
には、コンプレッサ翼により圧縮された空気の熱をも、
熱を必要とする個所に持ち込むように構成していること
が好ましい。

【００１８】本発明の好適な適用例としては、浄化対象
個所が、水中の有機物を分解する好気性微生物を繁殖さ
せる曝気槽であり、熱を必要とする個所が、水の浄化に
伴って沈殿する無機物に対する乾燥ないし予乾燥を行う
チャンバであるものが挙げられる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して説
明する。

【００２０】図1に示す水処理システムは、ガスタービ
ン１と、浄化対象個所である曝気槽２と、熱を必要とす
る個所である乾燥チャンバ３とから構成される。

【００２１】ガスタービン１は、回転式のタービン翼Ｔ
１とコンプレッサ翼Ｃ１との間を軸Ｓ１によって直結
し、コンプレッサ翼Ｃ１の出口から吐出される空気ｄを
燃焼器ＣＣを介してタービン翼Ｔ１の入口に導くように
構成されたもので、燃焼器ＣＣに天然ガスなどの適宜の
燃料が供給される一般的なものである。形式は遠心翼
型、軸流型など種々のものがあるが、本実施例では遠心
翼型を用いている。そして、このガスタービン１の前記
軸Ｓに軸着させて、補助のコンプレッサ翼Ｃ２を外付け
している。

【００２２】曝気槽２は、内部に水処理を要する水系が
貯留されるとともに、底壁近くにエアノズル２１を配置
し、このエアノズル２１に前記外付けのコンプレッサ翼
Ｃ２から吐出される空気ａを導くように構成されたもの
である。曝気槽２の隣接位置には沈殿槽２２，２３が配
置され、槽間が配管によって連通されている。

【００２３】乾燥チャンバ３は、内部にコンベア３１を
装備されるとともに、その入口に前記沈殿槽２２，２３
等に沈殿した汚泥ａを外コンベア３２を介して導くよう
にしたもので、入口に取り込んだ汚泥ｂを内部において
搬送可能とするとともに、前記タービン翼Ｔ１からの排
気ｃをこの乾燥チャンバ３に導いて汚泥ｂの加熱に供す
るようにしている。

【００２４】次に、本システムの作動を説明する。ガス
タービン１に取込まれた空気はコンプレッサ翼Ｃ１１で
圧縮され、燃焼器ＣＣに入って燃料と混合し、燃焼した
結果、高温の燃焼ガスとなってタービンＴ１で膨張す
る。この動力の一部は、シャフトＳ１を介してコンプレ
ッサ翼Ｃ１に伝達され、取り込んだ空気の圧縮に使用さ
れるが、残りは同軸上に配した補助のコンプレッサ翼Ｃ
２に伝えられ、ここにおける空気の圧縮に利用される。
このコンプレッサ翼Ｃ２で得られた圧縮空気ａは、曝気
槽２に設けたエアノズル２１に導かれ、エアレーション
による好気性微生物を用いた水浄化に利用される。一
方、曝気槽２やその前後に配される沈殿槽２２，２３に
は底部に汚泥ｂが沈殿し、これが前記乾燥チャンバ３に
導入されると、乾燥チャンバ３内のコンベア３１を搬送
される間にタービン翼Ｔ１から導入された排気ｃによっ
て汚泥ｂが連続的に乾燥に供される。

【００２５】なお、この図では省略してあるが、曝気槽
２や沈殿槽２２，２３の沈殿物は、かき出すように集め
られた上、槽２，２２，２３から取り出され、脱水処理
が行われる。その後に乾燥チャンバ３に投入されるのが
一般的である。

【００２６】以上のようにして、曝気槽２における水の
浄化を進行させ、乾燥チャンバ３から乾燥汚泥ｅを取り
出すことが可能となるものであるが、本実施例のように
構成すると、タービン翼Ｔ１における高速回転動力をコ
ンプレッサ翼Ｃ２に導入して曝気に必要な高圧空気ａを
得、一方、このガスタービン１における廃熱は熱消費の
多い汚泥乾燥のための乾燥チャンバ３で有効利用するこ
とができるので、燃焼器ＣＣに持ち込む燃料の保有する
エネルギを無駄なく有効に活用することが可能となる。

【００２７】例えば、ガスタービン１に毎秒100kJに相
当する燃料エネルギを供給すると、コンプレッサＣ１、
Ｃ２の駆動に供される20kW弱の高速回転動力と、乾燥チ
ャンバ３の熱量として供される40kW弱の熱源としての利
用が可能となり、燃料から末端燃料消費までのトータル
のエネルギ利用効率は60%近くを達成することができる
ものである。

【００２８】したがって、従来のこの種のシステムと比
較して、エネルギの利用効率が飛躍的に高まり、ひいて
は二酸化炭素の発生低減の役割を担うこととなる。ま
た、電力によるコンプレッサ駆動に比べると、受電設備
が省略でき、停電時などでも連続運転できるメリットも
得られることとなる。さらに、ディーゼルエンジンによ
るコンプレッサ駆動と比較しても、装置を圧倒的に小型
化することができ、配置に高い自由度を確保することが
可能となる。

【００２９】なお、本発明は、上記実施例を改良して、
以下に述べる種々の変形実施をすることができる。 ＜変形例１＞図2は、浄化対象個所である曝気槽２へ圧
縮空気ａを導くコンプレッサ翼が、前記ガスタービン１
とは独立に併設されたタービンコンプレッサ１０の構成
要素であるコンプレッサ翼Ｃ２である場合の例である。
図1と共通する部分には同一符号を付し、説明を省略し
ている（以下の変形例においても同様）。このタービン
コンプレッサ１０のタービン翼Ｔ２は、前記ガスタービ
ン１のタービン翼Ｔ１から排気される空気を導入するこ
とによって駆動され、これによってシャフトＳ２を介し
コンプレッサ翼Ｃ２が回転駆動されるようにしている。

【００３０】このような2軸型にすると、構造が複雑に
なるが、ガスタービン１の軸Ｓ１とタービンコンプレッ
サ１０の軸Ｓ２とが独立して回転できるため、コンプレ
ッサC2を停止してのアイドル状態が可能となるメリット
がある。 ＜変形例２＞図3は、浄化対象個所である曝気槽２へ圧
縮空気ａを導くコンプレッサ翼が、ガスタービン１それ
自体の構成要素であるコンプレッサ翼Ｃ１である場合の
例である。コンプレッサ翼Ｃ１の容量が十分に大きい場
合には、このコンプレッサ翼Ｃ１から吐出される空気の
一部を曝気槽２に導入しても、タービンＴ１を十分に駆
動することができるので、別途にコンプレッサ翼などを
付加する構成を不要にして部品点数やコストの削減を図
ることができる。 ＜変形例３＞図4は、タービン翼T１からの排気ｃとコン
プレッサ翼Ｃ１から出て燃焼器ＣＣに向かう空気ｄとの
熱交換を行うレキューパレータＲｅｃｕｐと、このレキ
ュパレータＲｅｃｕｐへのタービン排気ｃの導入量を調
節する振り分けバルブ等の調節部４とを備え、タービン
排気ｃによって予熱した空気ｄを燃焼器ＣＣで燃焼させ
てタービン翼Ｔ１に導入するようにしたものである。

【００３１】このようにすれば、ガスタービン１の燃料
消費を減らすことができる。特に、乾燥チャンバ３内に
汚泥ｂが入っていないか、量が少ない場合は、調節部４
を操作し、レキューパレータＲｅｃｕｐへのタービン排
気ｃの供給量を増やし、燃料を節約することができる。

【００３２】また、乾燥チャンバ３の温度があまり高く
なくても良い場合は、レキュパレータＲｅｃｕｐの後に
乾燥チャンバ３を接続してもよい。 ＜変形例４＞図5は、コンプレッサC2から吐出される圧
縮された空気ａの熱をも、熱を必要とする乾燥チャンバ
３に持ち込むために、乾燥チャンバ３の前段に予熱室３
３を設け、前記圧縮空気ａをこの予熱室３３のダクト３
３ａを通過した後に曝気槽２に導入するようにしている
ものである。

【００３３】すなわち、コンプレッサＣ２で圧縮した空
気ａは100℃前後になっていることから、これを予熱室
３３のダクト３３ａに通すことで、乾燥すべき汚泥ｂの
予熱に有効利用することができる。 ＜変形例５＞図6は、他の構成からなる乾燥チャンバ５
を示すものである。この乾燥チャンバ５は、内部にスク
リュー５１を有し、このスクリュー５１がモータ５２に
よって駆動可能とされており、送り元にホッパ５３を介
して汚泥ｂを導入し、送り先から乾燥汚泥ｅを落下させ
るようにしている。タービンからの高温排気ｃは、スク
リュー５１の送り先側からチャンバ５内に導入され、送
り元に向かって流れた後、チャンバ外に導出される。こ
れは、汚泥の乾燥度を高める必要のある送り先ほど高く
なるような温度勾配を形成するためである。チャンバ５
から導出した空気は未だ熱を有しているため、予熱器５
４，５５においてホッパ５３を通過中の汚泥ｂの予熱に
供した後に放出するようにしている。図示例では予熱器
５４，５５間に小バーナ５６ａ及びメッシュ５６bを内
設した加熱機構５６を配置し、小バーナ５６ａに補助燃
料を供給するようにしている。この加熱機構５６の上流
と下流の間を再生熱交換器５７で接続して熱交換させる
ことも有効である。

【００３４】このような乾燥チャンバ５であっても、基
本的にタービン排気が保有する熱をそのまま廃棄せずに
有効利用できる点において変わりはなく、エネルギ効率
の改善に大きく寄与し得るものである。 ＜変形例６＞図7は、乾燥過程の改良を示すものであ
る。一般に、沈殿した汚泥を掻き出した後は、濃縮→消
化→脱水→乾燥→焼却（溶融処理を含む）のプロセスを
踏む。濃縮プロセスでは、汚泥を積み上げ、その重みで
下からしみ出る水分を除くことで、より固形物に近づけ
る。消化プロセスでは、固形物に近づいた汚泥をタンク
中に入れ、嫌気性微生物でさらなる分解と減量化を行
う。脱水プロセスでは、加圧ろ過の方法もあるが、図７
のような遠心脱水装置６を用いることも有効である。こ
の脱水装置６は、軸６１に回転可能に支持され外周に孔
６２ａを多数穿孔されたドラム６２を具備し、このドラ
ム６２の軸方向端部に設けた開口６２ｂに汚泥ｂを落と
して遠心脱水するようにしたものである。軸６１の基端
部６１ａはこれと直交する軸６３に支持されていて、こ
の軸63回りにドラム６２を回転させることによって、ド
ラム６２を傾け、開口６２ｂから図6とほぼ同様に構成
された乾燥チャンバ５のホッパ５３に汚泥を落とし込む
ようにしているものである。この実施例の乾燥チャンバ
５はスクリュー５１が傾けてあり、送り先ほど高位に位
置して水分が送り元に向かって流れ落ちるようになって
いる。この実施例の場合も、図示していないがタービン
排気がチャンバ内に導入される。脱水後も汚泥には未だ
水分が含まれており、水の蒸発熱が相当大きくなるた
め、ここにガスタービン排気に含まれている熱が寄与し
得る。脱水処理は、遠心方式と共によく知られたベルト
プレス方式なども採用することができる。

【００３５】また、図示乾燥チャンバ５で乾燥された乾
燥汚泥ｅは、更に図示しない部位において焼却される。
この焼却では、汚泥自らも、これに含まれる有機物が燃
えるため、ここからも熱の発生がある。そこで、焼却施
設が近くにある場合には、この熱を導入路８を介してチ
ャンバ5内に持ち込み利用することが有効になる。その
際、チャンバ５の前後に再生熱交換器８０を配置するこ
とも勿論有効となる。

【００３６】なお、近時においては、乾燥→焼却は、公
害（排煙処理など）の問題から、下水処理場に併設され
るのではなく、複数の下水処理場からの汚泥を受け入れ
て広域処理（焼却）するプラントが増加している。この
場合、各下水処理場は脱水処理の後、汚泥を広域処理場
に輸送することとなる。

【００３７】このようなケースでは、脱水処理の後、予
乾燥処理を加える程度にしておけば足りる。これによっ
て、脱水処理では、重量比で半分近く含まれていた水分
の大部分を除去でき、輸送重量を低減できるのみなら
ず、広域処理プラントにおいては、焼却前の予加熱が容
易になり、焼却処理時の補助燃料の消費を減らす効果に
もつながるものとなる。

【００３８】

【発明の効果】本発明の水処理システムは、以上説明し
た種々の形態によって実施され、他方式などと比べてエ
ネルギの利用効率が高まり、ひいては二酸化炭素の発生
低減に寄与し得るといった環境保護的な効果を始めとし
て、電力によるコンプレッサ駆動方式に比べて受電設備
が省略でき、コスト的なメリットや停電時などでも連続
運転が可能となる、ディーゼルエンジンによるコンプレ
ッサ駆動と比べて装置を圧倒的に小型化でき、配置の自
由度が増すなどのなどの設備稼動上の種々の実益も伴う
ものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の一実施例を示すシステム構成図。

【図2】同実施例の変形例を示す図。

【図3】同実施例の変形例を示す図。

【図4】同実施例の変形例を示す図。

【図5】同実施例の変形例を示す図。

【図6】同実施例の変形例を示す図。

【図7】同実施例の変形例を示す図。

【符号の説明】

１…ガスタービン ２…浄化対象個所（曝気槽） ３…熱を必要とする個所（乾燥チャンバ） １０…タービンコンプレッサ Ｔ１、Ｔ２…タービン翼 ＣＣ…燃焼器 Ｃ１、Ｃ２…コンプレッサ翼 Ｒｅｃｕｐ…レキュパレータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4D029 AA09 AB06 4D059 AA05 BB01 BD01 BD21 BD31 BE37 CA06 CA10 CB04 CB06 CB07

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転式のタービン翼及び燃焼器を具備する
   ガスタービンを備え、前記タービン翼の回転動力によっ
   て駆動される回転式のコンプレッサ翼から吐出される空
   気を浄化対象個所に導くと共に、前記タービン翼からの
   排気を熱を必要とする個所に導くように構成したことを
   特徴とする水処理システム。
2. 【請求項２】前記コンプレッサ翼が、ガスタービンに対
   しその軸力によって回転駆動される位置に外付けされる
   ものであることを特徴とする請求項１記載の水処理シス
   テム。
3. 【請求項３】前記コンプレッサ翼が、ガスタービンとは
   独立に併設されるタービンコンプレッサの構成要素であ
   り、このタービンコンプレッサのタービン翼が前記ガス
   タービンのタービン翼から排気される空気によって駆動
   され、これによってコンプレッサ翼が回転駆動されるこ
   とを特徴とする請求項1記載の水処理システム。
4. 【請求項４】前記コンプレッサ翼が、ガスタービンそれ
   自体の構成要素であり、当該コンプレッサ翼から吐出さ
   れる空気の一部を前記浄化対象個所に導くようにしたこ
   とを特徴とする請求項１記載の水処理システム。
5. 【請求項５】タービン翼からの排気を燃焼器に導入され
   る前の空気と熱交換するレキューパレータと、このレキ
   ュパレータへのタービン排気の導入量を調節する調節部
   とを備え、タービン排気によって予熱した空気を更に燃
   焼器で加熱するようにしていることを特徴とする請求項
   １、２、３又は４記載の水処理システム。
6. 【請求項６】コンプレッサ翼から吐出される圧縮された
   空気の熱をも、熱を必要とする個所に持ち込むように構
   成していることを特徴とする請求項１、２、３、４又は
   ５記載の水処理システム。
7. 【請求項７】浄化対象個所が、水中の有機物を分解する
   好気性微生物を繁殖させる曝気槽であり、熱を必要とす
   る個所が、水の浄化に伴って沈殿する無機物に対する乾
   燥ないし予乾燥を行うチャンバであることを特徴とする
   請求項１，２，３，４，５又は６記載の水処理システ
   ム。