JP2012532746A

JP2012532746A - 排水汚泥処理システム

Info

Publication number: JP2012532746A
Application number: JP2012519702A
Authority: JP
Inventors: デシャゾー，ユージーン，エフ．
Original assignee: ノワテクノロジーインコーポレイテッド
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-12-20
Also published as: WO2011005883A2; SG177517A1; EP2451752A2; WO2011005883A3; CA2768176A1; ZA201200043B; CO6430452A2; CN102471111A; KR20120120106A; MA33415B1; IL217451A0; BR112012000298A2; CL2012000007A1; EA201200085A1; US20110162258A1

Abstract

排水汚泥処理システムは、自治体の排水処理場から直接汚泥を受け取り、廃棄物のない低温低圧プロセスを使用して処理する。このプロセスは、汚泥を乾燥させ、バイオディーゼル供給原料になる油、プロセスの加熱に使用されるセルロース／鉱物、及びプロセスで再利用される水に分離する。
【選択図】図１

Description

政府権益の記載
なし

１．発明の背景
本発明は、一般には、望ましくない廃棄物を残さずに、排水汚泥を処理して望ましい産物にするプロセスに関する。特に、このプロセスは、汚泥を乾燥させ、化学反応及び物理反応の使用により、汚泥を油、水、及びセルロース／鉱物に分離することに関する。

２．下水は、住宅、機関、病院、商業施設、及び産業施設から生じる。未処理の流入水（下水）は、下水管を介して廃棄されるトイレ、風呂、シャワー、台所、シンク等からの家庭排液を含む。多くの地域では、下水は、産業及び商業からの排液も含む。したがって、自治体の排水は、住宅、商業、及び産業の廃液放出を含むと共に、嵐での流出水を含み得る。

従来の下水処理は、一次処理、二次処理、及び三次処理と呼ばれる３つの段階を含む。第1に、固形物が排水流から分離される。次に、熔解している生物学的物質が、固有の水由来の微生物を使用することにより、漸進的に固形物に変換される。最後に、生物固形物は中和されてから、廃棄又は再利用され、処理済み水は、化学的又は物理的に殺菌することができる（例えば、ラグーン及び微細濾過により）。最後の流出水は、小川、河川、湾、ラグーン、若しくは湿地に廃棄することができ、又はゴルフ場、緑道、若しくは公園の灌漑に使用することができる。十分に清潔な場合、地下水涵養又は農業目的で使用することもできる。

排水処理プロセスで蓄積された汚泥は、安全且つ効率的に処理し廃棄しなければならない。消化の目的は、固形物に存在する有機物の量及び病原性微生物の数を低減することである。最も一般的な処理選択肢としては、嫌気性消化、好気性消化、及び堆肥化が挙げられる。

排水固形物方法の選択は、生成される個大の量及び他の場所固有の状況に依存する。しかし、一般には殆ど、堆肥化が小規模用途に適用され、好気性消化が続き、最後に、大規模自治体用途に嫌気性消化が適用される。

現在、処理プロセスの産物を、プロセス内の１つ又は複数の加熱ステップの燃料として使用することにより、排水汚泥を経済的に処理できることが分かっている。本発明のプロセス終了時に、有用なすべての材料−油、セルロース、及び鉱物−が捕捉されているように、排水汚泥を処理できることもさらに分かっている。最も重要なことに、焼却、埋め立て、又は他の様式で廃棄すべき物が残らず、本発明のシステムを真にゼロ廃棄プロセスにするように、排水汚泥を処理できることがさらにまた分かった。

本発明の実施形態によれば、プロセスの終了時、油、セルロース、及び鉱物が捕捉されており、焼却、埋め立て、又は他の様式で廃棄すべき物が実質的に残らないような、排水汚泥を処理する廃棄物ゼロの方法が提供される。

本発明の別の実施形態によれば、
ａ−固形排水汚泥を処理場から湿汚泥貯蔵ビンに移すステップであって、上記排水汚泥は、固形物約２０〜４５重量％を含む、湿汚泥貯蔵ビンに移すステップと、
ｂ−排水汚泥を固形物約９０％まで乾燥させ、乾燥させた排水汚泥を粉砕し、乾燥させ粉砕した汚泥を混合反応機に移るステップと、
ｃ−混合反応機内で、乾燥させ粉砕した汚泥を溶媒と混合し、加熱して、炭化水素又はセルロースの粘性懸濁及び懸濁した鉱物を生成するステップと、
ｄ−液体と固形物とを分離するステップと、
ｅ−分離された液体を溶媒の沸点及び残留水の沸点まで加熱してから、蒸発した溶媒及び残留水を収集するステップと、
ｆ−溶媒のない油を貯蔵タンクに移すステップと、
ｇ−蒸発した溶媒及び残留水を凝縮させ、溶媒から水を分離するステップと、
ｈ−分離された溶媒及び残留水をステップ（ｃ）の混合反応機に移すステップと
を含むプロセスが提供される。

本発明のさらなる実施形態によれば、液体と固形物とを分離するステップは、フィルタプレス内で実行され、
ｉ−セルロース−鉱物混合物を上記フィルタプレスから収集するステップと、
ｊ−上記セルロース−鉱物混合物を乾燥させ、溶媒を除去して収集するステップと、
ｋ−ステップ（ｃ）においてプロセス内の収集された溶媒を再利用するステップと、
ｌ−乾燥させたセルロース／鉱物混合物を炉に移し、ステップ（ｂ）、（ｃ）、及び（ｅ）のうちの少なくとも１つにおいて、炉からの熱を使用するステップと
をさらに含む。

本発明の別の実施形態によれば、ステップ（ｆ）からの油は、おおよそ８０％が脂肪酸であり、おおよそ６５重量％がＣ１６及びＣ１８であり、硫黄が実質的にない。

本発明のさらに別の実施形態によれば、プロセスは、未消化汚泥から約１８重量％の油及び消化汚泥から約１１重量％の油を抽出する。

本発明の別の実施形態によれば、液体と固形物とを分離するステップは、抽出された油、残留溶媒、及び微量の水を含む濾過液を生成する。

プロセスフロー図の部分１である。プロセスフロー図の部分２である。プロセスフロー図の部分３である。

本発明を説明する前に、特定の用語を定義することが有利である。以下の定義が、本願全体を通して使用されることを理解されたい。

定義
用語「排水汚泥」及び「汚泥」は、排水処理プロセスで蓄積される汚泥を意味する。

用語「溶媒」は、別の物質を熔解させることが可能な物質を意味する。

用語「濾過液」は、濾過された液体又は気体を意味する。

用語「スクリュー供給機」は、生産プロセスで材料を計量可能な、体積スクリュー供給機又は重量スクリュー供給機等のスクリュー供給機を意味する。

用語「フィルタプレス」は、濾過布及びプレートを使用して、固形物と液体とを分離する機械を意味する。

用語「バイオディーゼル供給原料」は、バイオ燃料の生産に使用される有機材料を意味する。

用語「約」及び「おおよそ」は、絶対値からの１５％以下の逸脱を意味する。

用語「実質的に」は、プラス又はマイナス１０％を意味する。

用語「貯蔵タンク」は、産物の貯蔵に使用される任意の機器を意味する。

用語「％」は、別に指定がなければ、重量パーセントを指す。

排水汚泥処理システムは、自治体の排水処理場から直接汚泥を受け取り、有用な産物に変換し、後に廃棄物を残さない。これは、低温低圧プロセスである。

自治体の固形物廃棄物（１０１）が、処理場から湿汚泥貯蔵ビン（１０３）に移される。貯蔵ビン（１０３）内には、固形物２０〜４５重量％がある。汚泥は、第１のスクリュー供給機（１０５）により乾燥機（１０７）に移され、乾燥機（１０７）内で、固形物９０％まで乾燥させる。乾燥中、液体は蒸気（１０９）として除去される。次に、乾燥させた汚泥を粉砕機（１１１）で粉砕する。乾燥させ粉砕された汚泥は、乾燥供給貯蔵ビン（２０３）に移される。乾燥粉砕汚泥は、スクリュー供給機（２０５）により経路（１００１Ａ）に沿って経路（１００１Ｂ）に、そして混合反応機（１１３）に移される。

溶媒が、第１のポンプ（１１５）であるポンプを介して汚泥を混合反応機（１１３）に添加する。混合反応機（１１３）内で、混合物が混合され、加熱される。結果として生成される材料は、粘性炭化水素及び／又は懸濁したセルロース及び鉱物である。結果として生成される溶液は、ポンプ（２１５）によりフィルタプレス（１１７）にポンプ注入され、フィルタプレス内で、濾過液と固体とが分離される。濾過液は、抽出された油、残留溶媒、及び微量の水を含み、貯蔵タンク（１１９）に送られる。濾過液は、第２のポンプ（２１５）を介して経路（２００５Ａ）に沿って経路（２００５Ｂ）に、そして熱交換機（１２１）にポンプ注入される。濾過液は、溶媒の沸点及び残留水の沸点まで加熱されてから、フラッシュドラム（１２３）に入る。フラッシュドラム（１２３）内で、溶媒及び残留水が蒸発し、真空ポンプ（１２５）を介して除去される。溶媒のない油が、フラッシュドラム（１２３）から収集され、第３のポンプ（３１５）により貯蔵タンク（１２７）に移され、バイオディーゼル供給原料として輸送する準備ができる。

真空ポンプ（１２５）から蒸発した溶媒および残留水の排出物及び上流プロセスから経路（２００３Ａ）に沿い経路（２００３Ｂ）に続く排気ラインが集められ、全体が（１２９）で示される溶媒回収システムに送られる。第２の熱交換機（２２１）内で、蒸気が再び液体状態に凝縮する。次に、液体は経路（２００１Ａ）に沿って経路（２００１Ｂ）に、そして濃縮／分離機（１３１）に移動し、濃縮／分離機（１３１）は、水を溶媒から除去する。水及び溶媒は両方とも、プロセス内で再利用するために戻される。

セルロース及び鉱物は、第４のポンプ（４１５）により濃縮／分離機（１３１）から溶媒生成タンク（１３３）に移動する。濃縮／分離機（１３１）から排気された蒸気は、活性炭容器（１３５）に進み、次に、溶媒生成タンク（１３３）内に進む。新鮮な溶媒も溶媒生成タンク（１３３）に添加される。湯（１３９）も、再利用するために、濃縮／分離機（１３１）から除去される。

フィルタプレス（１１７）に戻り、セルロース／鉱物混合物が収集され、乾燥機（１４１）に送られ、乾燥機（１４１）内で、溶媒が除去され、回収される。セルロース／鉱物混合物は、貯蔵タンク（３０３）に進む。第３のスクリュー供給機（３０５）は、セルロース／鉱物を経路（２００７Ａ）に剃って経路（２００７Ｂ）に、そしてプロセスのための熱を提供する炉（１４３）に運ぶ。オプションとして、残っている灰をさらなる副産物回収（１４５）に向けて処理することができ、又は代替として、灰は、さらに処理せずに副産物として使用される。

窒素タンク（１４７）は、第５のポンプ（５１５）を使用して、窒素を経路（１００１Ａ）に沿って経路（１００１Ｂ）に、そして混合反応機（１１３）、濾過液タンク（１１９）、乾燥機（１４１）、及び乾燥セルロースビン（３０３）に移動させる。

好ましくは、システムは、さらなる分離を利用せず、むしろ、セルロース／鉱物混合物は、入ってきた汚泥を乾燥させる代替の燃料炉内の燃料として使用される。油は、１９，０００Ｂｔｕ／ポンドのエネルギー値を有し、セルロース／鉱物混合物は、７０００Ｂｔｕ／ポンドのエネルギー値を有する。

油は、バイオディーゼルの完全な原料となるように凝縮される。油は、８０％脂肪酸（６５％がＣ１６及びＣ１８）であり、硫黄を殆ど有さない。油は、さらなる処理なしで燃料油として使用することもできる。

プロセスは、未消化汚泥から１８重量％の油及び消化された汚泥から１１重量％の油を抽出する。絶乾汚泥１ポンド（４５３．５９ｇ）から、１１〜１８％の油、５０〜６０％のセルロース、及び３０％の鉱物が取れる（プロセスはセルロースと鉱物とを分離する必要はないが）。

プロセスの乾燥ステップは、プロセスのエネルギーコストの約４５％を費やす。プロセスは洗浄ステップを利用しないため、乾燥コストが最低限に抑えられることに留意されたい。

本発明のプロセスの終了時、有用なすべての材料−油、セルロース、及び鉱物−は、捕捉されている。最も重要なことに、焼却、埋め立て、又は他の様式で廃棄すべき物が残らず、本発明のシステムを真にゼロ廃棄プロセスにする。

以下の実施例は、例示を目的としたものであり、本発明の限定を示すものではない。

プロセス設計基準及び仮定

試験工場運転パラメータ
混合／反応機は、持続時間３時間のバッチ毎に乾燥ベースで２０ｌｂ（９０％の固形物を含む乾燥ＭＳＷ２２．２ｌｂ）を処理するようなサイズであった^＊＊。シフト中に処理された乾燥固形物４０ポンドは、推定で３７．５％又は１５ポンドの油を含む。９５％の回収率でおおよそ２ガロンの油を、毎日８時間の運転中に生産すべきである。

混合／反応機
乾燥ベースで処理される固形物＝１０ｌｂ／バッチ
バッチ毎に添加される溶媒（ヘプタン）＝４０ｌｂ／バッチ
混合／反応機に課される乾燥供給質量（９０％固形物）
＝（１０ｌｂ／バッチ）／（９０％固形物）
＝１１．１ｌｂ／バッチ
混合／反応機に課される乾燥供給量
＝（１１．１ｌｂ／バッチ）／（２１〜３１ｌｂ／ｆｔ^３）
＝０．３５〜０．５２ｆｔ^３／バッチ
混合／反応機に添加される溶媒（ヘプタン）量
＝（４０ｌｂ／バッチ）／（２１．３ｌｂ／ｆｔ^３）
＝０．９４ｆｔ^３／バッチ
混合／反応機への合計供給量
＝乾燥ＭＳＷフィルタケーク０．３５〜０．５２ｆｔ^３＋１．８８ｆｔ^３ヘプタン
＝１．２９〜１．４６ｆｔ^３／バッチ
混合／反応機のサイズ（Ｄ＝直径＝高さ）
＝［（Π）×（Ｄ^２）］／４ × （Ｄ）＝１．２９〜１．４６ｆｔ^３
Ｄ＝［（１．２９〜１．４６）×（４）／（Π）］^１／３＝１．１８〜１．２３ｆｔ

混合／反応機は直径１．５ｆｔ×高さ２．５ｆｔであり、これは、１．０ｆｔのフリーボード間隙を含み、可変周波数駆動（ＶＦＤ）［４．４２ｆｔ^３］を備える。

発明の広い範囲
本発明について、添付図面を参照して本発明のいくつかの実施形態と併せて十分に説明したが、様々な変更及び改変が当業者に明らかであり得ることを理解されたい。そのような変更及び改変は、本発明の範囲から逸脱しない限り、添付の特許請求の範囲により規定される本発明の範囲内に含まれるものと理解すべきである。

本発明の例示的な実施形態を本明細書において説明したが、本発明は、本明細書において説明される様々な好ましい実施形態に限定されず、本開示に基づいて当業者が理解するような同等の要素、改変、省略、結合（例えば、様々な実施形態にわたる態様の）、適合、及び／又は変更を有するありとあらゆる実施形態を包含する。特許請求の範囲内の限定は、特許請求の範囲に利用される言葉に基づいて広く解釈されるべきであり、本明細書において、又は本願の審査中に説明される例に限定されず、例は、非限定的なものとして解釈されるべきである。例えば、本開示において、用語「好ましくは」は、非排他的であり、「好ましくは、〜であるが、それ（ら）に限定されない」ことを意味する。本開示において、及び本願の審査中、ミーンズプラスファンクション限定又はステッププラスファンクション限定は、特定の請求項限定に対して、以下の条件のすべてがその限定に存在する場合のみ利用される：ａ）「〜する手段」又は「〜するステップ」が明示されており、ｂ）対応する機能が明示されており、且つｃ）構造、材料、又はその構造をサポートする動作が記載されない。本開示において、及び本願の審査中、「本発明」又は「発明」という用語は、本開示内の１つ又は複数の態様を指すものとして使用し得る。本発明又は発明という用語は、重要度の識別として誤って解釈されるべきではなく、すべての態様又は実施形態にわたって適用されるものとして誤って解釈されるべきではなく（すなわち、本発明はいくつかの態様及び実施形態を有すると理解されるべきであり）、また、本出願又は特許請求の範囲を限定するものとして誤って解釈されるべきではない。本開示において、及び本願の審査中、「実施形態」という用語は、任意の態様、特徴、プロセス若しくはステップ、これらの任意の組合せ、及び／又はこれらの任意の部分等を記述するために使用し得る。いくつかの例では、様々な実施形態が重複する特徴を含み得る。本開示では、「例えば」を意味する「ｅ．ｇ．」という省略用語を用い得る。

Claims

プロセスの終了時、油、セルロース、及び鉱物が捕捉されており、焼却、埋め立て、又は他の様式で廃棄すべき物が実質的に残らないような、排水汚泥を処理する廃棄物ゼロの方法であって、
ａ−固形排水汚泥を処理場から湿汚泥貯蔵ビンに移すステップであって、前記排水汚泥は、固形物約２０〜４５重量％を含む、湿汚泥貯蔵ビンに移すステップと、
ｂ−前記排水汚泥を固形物約９０％まで乾燥させ、前記乾燥させた排水汚泥を粉砕し、前記乾燥させ粉砕した汚泥を混合反応機に移るステップと、
ｃ−前記混合反応機内で、前記乾燥させ粉砕した汚泥を溶媒と混合し、加熱して、炭化水素又はセルロースの粘性懸濁及び懸濁した鉱物を生成するステップと、
ｄ−液体と固形物とを分離するステップと、
ｅ−前記分離された液体を前記溶媒の沸点及び残留水の沸点まで加熱してから、蒸発した溶媒及び残留水を収集するステップと、
ｆ−溶媒のない油を貯蔵タンクに移すステップと、
ｇ−蒸発した溶媒及び残留水を凝縮させ、溶媒から水を分離するステップと、
ｈ−分離された溶媒及び残留水をステップ（ｃ）の混合反応機に移すステップと
を含む、方法。
前記液体と固形物とを分離するステップが、フィルタプレス内で実行され、
ｉ−セルロース−鉱物混合物を前記フィルタプレスから収集すること、
ｊ−前記セルロース−鉱物混合物を乾燥させ、溶媒を除去して収集すること、
ｋ−ステップ（ｃ）において前記プロセス内の収集された溶媒を再利用すること、並びに
ｌ−乾燥させたセルロース／鉱物混合物を炉に移し、ステップ（ｂ）、（ｃ）、及び（ｅ）のうちの少なくとも１つにおいて、前記炉からの熱を使用すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記ステップ（ｆ）からの油は、おおよそ８０％が脂肪酸である、請求項２に記載の方法。
前記ステップ（ｆ）からの油は、おおよそ６５重量％がＣ１６及びＣ１８である、請求項３に記載の方法。
前記油には硫黄が実質的にない、請求項３に記載の方法。
前記プロセスは、未消化汚泥から約１８重量％の油及び消化汚泥から約１１重量％の油を抽出する、請求項１に記載の方法。
前記液体と固形物とを分離するステップは、抽出された油、残留溶媒、及び微量の水を含む濾過液を生成する、請求項１に記載の方法。
プロセスの終了時、油、セルロース、及び鉱物が捕捉されており、焼却、埋め立て、又は他の様式で廃棄すべき物が実質的に残らないような、排水汚泥を処理する廃棄物ゼロの方法であって、
ａ−固形排水汚泥を処理場から湿汚泥貯蔵ビンに移すステップであって、前記排水汚泥は、固形物約２０〜４５重量％を含む、湿汚泥貯蔵ビンに移すステップと、
ｂ−前記排水汚泥を固形物約９０％まで乾燥させ、前記乾燥させた排水汚泥を粉砕し、前記乾燥させ粉砕した汚泥を混合反応機に移るステップと、
ｃ−前記混合反応機内で、前記乾燥させ粉砕した汚泥を溶媒と混合し、加熱して、炭化水素又はセルロースの粘性懸濁及び懸濁した鉱物を生成するステップと、
ｄ−液体と固形物とを分離するステップと、
ｅ−前記分離された液体を前記溶媒の沸点及び残留水の沸点まで加熱してから、蒸発した溶媒及び残留水を収集するステップと、
ｆ−溶媒のない油を貯蔵タンクに移すステップと、
ｇ−蒸発した溶媒及び残留水を凝縮させ、溶媒から水を分離するステップと、
ｈ−分離された溶媒及び残留水をステップ（ｃ）の混合反応機に移すステップと、
ｉ−ステップ（ｄ）からセルロース−鉱物混合物を収集するステップと、
ｊ−前記セルロース−鉱物混合物を乾燥させ、溶媒を除去して収集するステップと、
ｋ−ステップ（ｃ）において前記プロセス内の収集された溶媒を再利用するステップと、
ｌ−乾燥させたセルロース／鉱物混合物を炉に移し、ステップ（ｂ）、（ｃ）、及び（ｅ）のうちの少なくとも１つにおいて、前記炉からの熱を使用するステップと
を含み、
前記ステップ（ｆ）からの油は、おおよそ８０％が脂肪酸であり、おおよそ６５重量％がＣ１６及びＣ１８であり、
前記液体と固形物とを分離するステップは、抽出された油、残留溶媒、及び微量の水を含む濾過液を生成する、方法。