JP2014087720A - 気体熱回収装置及び気体熱回収装置付き水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱エネルギーの無駄を効果的に防止でき、また水処理装置に供給する気体中の酸素濃度を高めて効率的に好気性微生物による有機物の分解処理を図ることができる気体熱回収装置及び気体熱回収装置付き水処理装置を提供すること。
【解決手段】気体送気装置１０と、気体送気装置１０から送気配管２０を通して送気される気体を用いて水処理を行う水処理装置３０と、送気配管２０に熱交換体７３を取り付けて送気中の気体の熱を回収する気体熱回収装置７０とを具備する。気体熱回収装置７０によって従来大気中に放熱していた送気気体中の熱を回収でき、熱エネルギーの無駄を効果的に防止できる。また気体熱回収装置７０によって送気配管２０内を送気中の気体の熱が吸熱されてその気体の温度が下がり、水処理装置３０に供給される気体の気体密度、即ち酸素密度（酸素濃度）が上昇し、効率的に好気性微生物による有機物の分解処理を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、汚水処理槽等の処理槽中の処理対象水に気体を供給して処理する水処理装置に関し、特に供給する気体から熱を回収する気体熱回収装置及び気体熱回収装置付き水処理装置に関するものである。

従来、例えば家庭や工場から排出された汚水は、下水処理場の汚水処理装置に送られ、沈砂池でゴミや砂が取り除かれた後に、最初沈殿池で泥が沈められてその上澄み水が好気処理槽（又は嫌気処理槽と好気処理槽）に導入され、好気処理槽において空気が吹き込まれて曝気されながら好気性微生物によって処理対象水中の有機物が分解される（嫌気処理槽では少量の空気によって攪拌されながら嫌気性微生物によって有機物が分解される）。

好気処理槽から排出された水は最終沈殿池において汚泥が沈殿され、きれいになった上澄み水が消毒タンクに送られて塩素によって消毒された後、河川や海に放流される。

ところで好気処理槽には、電動機によって駆動される気体送気装置から曝気用の大量の空気が供給される。汚水処理装置は通常２４時間運転のため、気体送気装置も２４時間運転するが、送気される空気は前記電動機やそのブロワの回転によって暖められ、常時７０℃程度の温度に維持される。

特開平８−３１８２８９号公報

しかしながら上記従来の汚水処理装置には、以下のような問題があった。
（１）気体送気装置から送気される空気が高温に加熱されると、気体送気装置と好気処理槽間をつなぐ送気配管も高温になり、火傷の恐れが生じる。このため従来、送気配管の外周はこれを遮温カバーで覆うこととしている。また処理水量が多い下水処理場では、例えばφ１，０００ｍｍ〜１，５００ｍｍ口径の送気配管が１５０ｍ近く設置されるが、この送気配管を加熱した熱は全て空気中に無駄に放散されていた。

（２）気体送気装置で高温に加熱された空気は、単位体積当たりの酸素密度が低くなる。このため同一の風量を好気処理槽に送気しても、送気空気が低温の場合に比べて、好気性微生物に供給できる酸素の絶対量が少なくなり、好気性微生物による有機物の分解処理の効率が低下する。これを防止するためにはより多くの空気を気体送気装置から送り出さなければならないが、そうすると運転コストが増加してしまう。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、熱エネルギーの無駄を効果的に防止することができ、また水処理装置に供給する気体中の酸素濃度を高めて効率的に好気性微生物による有機物の分解処理を図ることができる気体熱回収装置及び気体熱回収装置付き水処理装置を提供することにある。

本発明は、原動機によって駆動される気体送気装置と前記気体送気装置から送気される気体を用いて水処理を行う水処理装置との間を連結する送気配管に熱交換体を取り付け、この熱交換体によって前記送気配管内を流れる気体の熱を回収する気体熱回収装置にある。気体熱回収装置の具体的構成としては、例えば熱交換体を送気配管の外周面に取り付けてこの熱交換体に冷媒を流し、これによって送気配管内を流れる気体の熱を吸熱し、吸熱した冷媒からヒートポンプで熱を回収する構成が好ましい。

また本発明は、原動機によって駆動される気体送気装置と、前記気体送気装置から送気される気体を用いて水処理を行う水処理装置と、前記気体送気装置と水処理装置間を連結する送気配管と、前記送気配管に熱交換体を取り付けてこの送気配管内を流れる気体の熱を回収する気体熱回収装置とを具備してなる気体熱回収装置付き水処理装置にある。

上記気体熱回収装置や気体熱回収装置付き水処理装置のように構成すれば、従来大気中に放熱していた送気気体中の熱を回収でき、熱エネルギーの無駄が効果的に防止され、この装置を含む施設全体の運転コストを低減することができる。
また一般に気体送気装置と水処理装置間をつなぐ送気配管は、室内に露出して設置されているので、その外周に熱交換体を取り付けることは容易に行える。つまり気体熱回収装置の設置は容易に行える。
また送気配管内を送気中の気体の熱が気体熱回収装置によって吸熱されて気体の温度が下がり、水処理装置に供給される気体の気体密度、即ち酸素密度（酸素濃度）が上昇し、効率的に好気性微生物による有機物の分解処理を図ることができる。

また本発明は、前記水処理装置が処理対象水を収容する処理槽を有し、前記気体送気装置から送気された気体によって前記処理槽内の処理対象水を攪拌処理することが好ましい。
処理槽としては、好気性微生物によって処理対象水中の有機物を分解する好気処理槽もしくはアンモニア性窒素を硝化させる好気処理槽でもよく、嫌気性微生物によって処理対象水中の有機物を分解する嫌気処理槽もしくは硝酸性窒素の脱窒素を行う嫌気処理槽でもよく、また、微生物のリン放出を促進する嫌気処理槽であってもよい。さらには微生物による処理を行わないで単に引き抜いた汚泥を攪拌する貯留槽であってもよい。嫌気処理槽内の処理対象水を撹拌するために供給される気体は少量なので、その気体の酸素濃度が上昇しても、嫌気性微生物による処理にはほとんど影響を与えない。一方、好気処理槽内の処理対象水を曝気・撹拌するために供給される気体は大量なので、その気体の酸素濃度が上昇することによる好気性微生物による処理には大きな影響を与える。つまり本発明は、嫌気処理槽と好気処理槽の両者を有し、両者に対して気体送気装置から送気される気体を供給して両者の処理対象水を攪拌処理する構成の気体熱回収装置付き水処理装置に用いても好適な構成となっている。

また本発明は、前記水処理装置が好気性微生物によって処理される処理対象水を収容する好気処理槽を有し前記気体送気装置から送気された気体によって前記好気処理槽内の処理対象水を曝気・攪拌処理する構成であり、さらに前記好気処理槽に送気される気体の酸素濃度を測定する測定手段と、前記測定手段によって測定された酸素濃度が所定値となるように前記気体送気装置による送気気体量と前記気体熱回収手段による熱回収量の少なくとも何れか一方を制御する制御手段とを有することが好ましい。
このように気体送気装置から送気される送気気体量と、気体熱回収手段によって回収される熱回収量のいずれか一方または両方を制御することで、好気処理槽に供給される酸素量を常に最適な状態に維持できる。酸素濃度を測定する測定手段としては、例えば酸素濃度センサが考えられるが、温度センサを用いてもよい。温度センサの場合は、例えば制御手段によって気体の温度に対する気体密度を求め、気体密度から酸素濃度を求めるなどの方法を用いる。

本発明によれば、熱エネルギーの無駄を効果的に防止することができる。また水処理装置に供給する気体中の酸素濃度を高めて効率的に好気性微生物による有機物の分解処理を図ることができる。

気体熱回収装置付き水処理装置１の全体概略構成図である。 下水処理装置３０−２の要部概略構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる気体熱回収装置付き水処理装置１の全体概略構成図である。この気体熱回収装置付き水処理装置１は下水処理場内に設置される。この気体熱回収装置付き水処理装置１は、複数組（３組）の気体送気装置１０と、気体送気装置１０の吐出管１５を連結する送気配管２０と、送気配管２０から供給される空気（気体）によって処理対象水の浄化処理を行う複数組（３組、図では１組のみ示す）の下水処理装置（汚水処理装置、水処理装置）３０と、前記送気配管２０中を流れる空気の熱を回収する気体熱回収装置７０と、各下水処理装置３０に供給される空気中の酸素濃度が所定値になるように制御する制御手段８０とを具備して構成されている。

気体送気装置１０は、電動機Ｍによってタービンブロワを回転駆動し、外気取入口１１から取り入れた空気を圧縮して吐出管１５に送気する構成を有している。各気体送気装置１０は制御手段８０からの制御信号によって運転がコントロールされる。各気体送気装置１０の吐出管１５は何れも１つの送気配管２０に接続されている。気体送気装置１０はこの例では３組示しているが、必要とされる送気風量等に応じて、他の複数組または１組設置して構成しても良い。

下水処理装置３０はこの例では４槽の好気処理槽（エアレーションタンク）３１−１〜４を具備している。下水処理装置３０は実際には下水を導入する最初沈殿池から浄化した水を河川等に放流するまでの設備全体が含まれるが、図ではその内の好気処理槽３１−１〜４の部分のみを要部として図示している。各好気処理槽３１−１〜４の底面付近にはそれぞれ曝気装置３３が設置されており、前記送気配管２０（その枝管２３）から分岐した分岐管２５が接続されている。最初の好気処理槽３１−１には大きなゴミや砂が取り除かれた下水が最初沈殿池から導入される。各好気処理槽３１−１〜４間を仕切る側壁下部には開口３５が設けられ、上流側の好気処理槽３１−１から下流側の好気処理槽３１−４に向けて処理対象水が移動するようになっている。最も下流側の好気処理槽３１−４には排出口３７が設けられ、排出口３７から排出された処理水は最終沈殿池、消毒タンクを経て、河川や海などに放流される。

送気配管２０は、気体送気装置１０の吐出管１５を接続する本管２１と、本管２１の途中から分岐する３本の枝管２３とを具備している。各枝管２３は各下水処理装置３０に導かれ、枝管２３からさらに４本の分岐管２５が分岐し、それらの先端に前記曝気装置３３を接続している。図１では１組の下水処理装置３０が示されているが、別の枝管２３にも同様の下水処理装置（図示を省略）がそれぞれ設置されている。処理水量が多い下水処理場では、前述のようにφ１，０００ｍｍ〜１，５００ｍｍ口径の本管２１が１５０ｍ近く設置されている。

気体熱回収装置７０としてこの例ではヒートポンプを用いており、その冷媒配管７１中に熱交換体７３を設けている。熱交換体７３は送気配管２０の外周に直接取り付けることで、高温となる送気配管２０から効率的に熱を回収することができる。また前述のように送気配管２０は一般に長大な距離を有しているので、熱の回収は長距離にわたって行うことが可能となる。また一般に送気配管２０は室内に露出して設置されているので、その外周に熱交換体７３を取り付けることは容易に行える。つまり気体熱回収装置７０の設置は容易で、また容易に大量の熱を回収することができる。気体熱回収装置７０で回収された熱は、下水処理場内の冷暖房や給湯やその他の各種設備に利用できる。なお気体熱回収装置７０の設置位置は、送気配管２０中の図示の位置以外の位置であっても良い。

制御手段８０は、前記枝管２３に取り付けた測定手段８１から酸素濃度の測定値信号を入力すると共に、前記気体送気装置１０と気体熱回収装置７０に制御信号を出力する構成となっている。測定手段８１は枝管２３内を流れる空気中の酸素濃度（即ち好気処理槽３１−１〜４に送気される空気中の酸素濃度）を測定してその測定値を制御手段８０に出力する。制御手段８０から気体送気装置１０に出力される制御信号は、気体送気装置１０を駆動する電動機Ｍの回転数などを制御する。また制御手段８０から気体熱回収装置７０に出力される制御信号は、気体熱回収装置７０によって回収する熱量等を制御する。

以上のように構成された気体熱回収装置付き水処理装置１の運転を開始して気体送気装置１０を起動すると、外気取入口１１から取り入れた空気が圧縮されて吐出管１５に送気される。吐出管１５に吐出された送気空気（送気気体）は、気体送気装置１０を構成する電動機Ｍやブロワの回転等によって暖められて常時７０℃程度の温度になっており、そのまま送気配管２０に導入される。

送気配管２０に導入されてその中を下流側に流れていく送気空気は、気体熱回収装置７０の熱交換体７３において熱が回収され、空気の温度が低下して例えば２０℃になり、一方気体熱回収装置７０にはその分の熱が回収される。回収された熱は、前述のように下水処理場内の施設の冷暖房や給湯、下記する消化タンクの保温などに利用される。これによって気体送気装置１０で発生し、従来大気中に放熱して無駄になっていた送気空気中の熱を回収・利用できる。一方気体熱回収装置７０によって冷却された送気配管２０内の送気空気は、その体積が減少して空気密度、即ち酸素密度（単位体積当たりの酸素の量、酸素濃度）が上昇する。

熱交換体７３において温度が低下した送気空気は、本管２１から枝管２３に分岐して各下水処理装置３０に導かれ、さらに各枝管２３から分岐管２５に分岐し、それらの先端に接続した各曝気装置３３から送気空気が吐出され、これによって各好気処理槽３１−１〜４内の処理対象水が曝気・攪拌され、上流側の好気処理槽３１−１から下流側の好気処理槽３１−４に向けて送られる処理対象水中の細かい浮遊物や有機物が好気性微生物によって分解され沈殿し易い汚泥に変わり、好気処理槽３１−４の排出口３７から排出されて次の工程に送られる。各好気処理槽３１−１〜４に供給される曝気空気は、前述のように酸素濃度が高められているので、効果的に好気性微生物による有機物の分解処理が行われる。例えばこの例のように、７０℃の空気を５０℃低下させて２０℃にすると、空気密度は約１．２倍になるので、同一空気量であれば供給される酸素量が約１．２倍になる。逆に酸素量を従来と同じにするのであれば、供給する空気量を約２割低減することができる。

一方測定手段８１は、好気処理槽３１−１〜４に供給される送気空気の酸素濃度を測定し、その測定値信号を制御手段８０に送信する。制御手段８０は入力した測定値信号から求めた現在の測定酸素濃度を、予め設定しておいた設定酸素濃度に近づけるように、前記気体送気装置１０と気体熱回収装置７０の少なくとも何れか一方を制御する。即ち例えば制御手段８０に入力された測定酸素濃度が設定酸素濃度よりも高い場合は、制御手段８０は気体送気装置１０にブロワの回転数を設定回転数（酸素濃度が設定酸素濃度の時の回転数）よりも少なくなるように制御する。これによって各好気処理槽３１−１〜４に供給される曝気空気中の酸素の総量を所望の量に設定できる。別の方法として、制御手段８０に入力された測定酸素濃度が設定酸素濃度よりも高い場合は、制御手段８０は気体熱回収装置７０によって回収する熱量を低減するように制御する。これによって空気密度の上昇幅を小さくし、各好気処理槽３１−１〜４に供給される曝気空気中の酸素濃度を所望の濃度（設定酸素濃度）に設定できる。

上記気体熱回収装置付き水処理装置１では、処理槽として好気処理槽３１−１〜４を用いたが、本発明はこれに限られず、例えば処理槽は、嫌気処理槽でもよく、さらに微生物処理を行わないで単に汚泥を空気で攪拌する貯留槽であってもよい。図２は本発明を用いて供給される送気空気の利用例を示す下水処理装置３０−２の要部概略構成図である。

この下水処理装置３０−２は、２槽の嫌気処理槽１２０−１，２の下流側に２槽の好気処理槽１３０−１，２が設置され、さらに各嫌気処理槽１２０−１，２内には水中曝気攪拌機１２１が設置され、各好気処理槽１３０−１，２内には曝気装置１３１が設置されている。各水中曝気攪拌機１２１と曝気装置１３１には、枝管１５０から分岐した分岐管１５５が接続されている。なお枝管１５０は図１に示す枝管２３に相当し、その上流側の構成は図１に示す気体熱回収装置付き水処理装置１と同じである。

また好気処理槽１３０−２から排出される処理水は、最終沈殿池１７０と消毒タンク１８０を通して河川や海に放流される。一方最終沈殿池１７０の汚泥は濃縮タンク１９０に移送され、その後図示しない消化タンクを経て汚泥脱水機に送られ、搬出される。濃縮タンク１９０内には水中曝気攪拌機１９１が設置され、この水中曝気攪拌機１９１にも枝管１５０から分岐した分岐管１５５が接続されている。

そして例えば家庭や工場から排出された汚水は、図示しない沈砂池でゴミや砂が取り除かれた後に、図示しない最初沈殿池で泥が沈められてその上澄み水が２槽の嫌気処理槽１２０−１，２に順次送られて嫌気性微生物による有機物の処理が行われ、次に好気処理槽１３０−１，２に順次送られて好気性微生物による有機物の処理が行われ、最終沈殿池１７０において汚泥が沈殿され、きれいになった上澄み水が消毒タンク１８０に送られて塩素によって消毒された後、河川や海に放流される。一方濃縮タンク１９０においては最終沈殿池１７０及び最初沈殿池から汚泥が集められて濃度が高められ、その後消化タンクを経て汚泥脱水機に送られ、搬出される。濃縮タンク１９０においても、少量の空気が水中曝気攪拌機１９１によって放出され、濃縮タンク１９０内の汚泥が攪拌される。

なお消化タンクに入った汚泥はその中の有機物が嫌気性微生物によって分解されて消化汚泥と炭酸ガスとメタンガスに分かれるが、この消化タンク内は従来ボイラによって例えば３５℃に温められていた。そこでこのボイラに代えて、前記図１に示す気体熱回収装置７０で回収された熱を用いれば好適である。

ここで前記嫌気処理槽１２０−１，２においては、少量の空気が水中曝気攪拌機１２１によって放出され、嫌気処理槽１２０−１，２内の処理対象水が攪拌され、沈殿し易い微生物を攪拌する。本発明によれば、嫌気処理槽１２０−１，２に供給される空気中の酸素濃度も高くなるが、供給される空気量が少量なので、嫌気性微生物による有機物分解作用にはほとんど影響しない。一方で、好気処理槽１３０−１，２に供給される空気量は大量なので、その空気の酸素濃度が上昇することによる好気性微生物による有機物分解処理には大きな影響が与えられる。つまりこの例のように、嫌気処理槽１２０−１，２と好気処理槽１３０−１，２の両者を有し、両者に対して気体送気装置から送気される気体を供給して両者の処理対象水を攪拌処理する構成の水処理装置に対しても本発明を適用できる。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。例えば、気体送気装置は電動機によって駆動される構造のものに限定されず、他の各種原動機によって駆動される構造の気体送気装置であっても良い。また上記例では、水処理装置として下水処理装置を示したが、本発明は下水の他に工場排水等の他の各種汚水を処理する汚水処理装置にも適用できる。工場排水（産業排水）は水量は少ないが濃度が濃いので、大量の空気が必要で大きなブロワを用い、下水処理の場合と同様、本発明を効果的に利用できる。さらに本発明は汚水に限定されず、例えば農業用水や工業用水、さらには浄水用の処理槽等にも同様に適用できる。つまり本発明に係る水処理装置は、気体送気装置から送気配管を通して送気される気体を用いて水処理を行う水処理装置であればどのような用途に用いる水処理装置であってもよい。

また上記制御手段８０では、測定手段８１によって測定された酸素濃度が所定値となるように、気体送気装置１０の送気空気量を制御するか、或いは気体熱回収装置７０の熱回収量を制御するように構成したが、気体送気装置１０の送気空気量と気体熱回収装置７０の熱回収量とを同時に制御してもよい。

また上記例では、酸素濃度を測定する測定手段８１として、空気中の酸素濃度を測定する酸素濃度計を用いたが、例えばこの測定手段８１を送気空気の温度を測定する温度計で構成し、送気空気の温度から酸素濃度を制御手段８０で演算して求めるように構成しても良い。空気中の酸素の割合は決まっているので、温度が分かれば濃度を算出できる。要は酸素濃度が測定できる測定手段であればよい。また測定手段８１の設置位置は、処理槽に送気される空気中の酸素濃度（温度を含む）を測定できる位置であれば、送気配管２０中の別の任意の位置であっても良い。

１ 気体熱回収装置付き水処理装置
１０ 気体送気装置
Ｍ 電動機（原動機）
１５ 吐出管
２０ 送気配管
２１ 本管
２３ 枝管
２５ 分岐管
３０ 下水処理装置（汚水処理装置、水処理装置）
３１−１〜４ 好気処理槽（処理槽）
３３ 曝気装置
７０ 気体熱回収装置
７１ 冷媒配管
７３ 熱交換体
８０ 制御手段
８１ 測定手段
３０−２ 下水処理装置
１２０−１，２ 嫌気処理槽（処理槽）
１２１ 水中曝気攪拌機
１３０−１，２ 好気処理槽（処理槽）
１３１ 曝気装置
１７０ 最終沈殿池
１８０ 消毒タンク
１９０ 濃縮タンク
１９１ 水中曝気攪拌機

Claims (4)

1. 原動機によって駆動される気体送気装置と前記気体送気装置から送気される気体を用いて水処理を行う水処理装置との間を連結する送気配管に熱交換体を取り付け、この熱交換体によって前記送気配管内を流れる気体の熱を回収することを特徴とする気体熱回収装置。
2. 原動機によって駆動される気体送気装置と、前記気体送気装置から送気される気体を用いて水処理を行う水処理装置と、前記気体送気装置と水処理装置間を連結する送気配管と、前記送気配管に熱交換体を取り付けてこの送気配管内を流れる気体の熱を回収する気体熱回収装置とを具備してなることを特徴とする気体熱回収装置付き水処理装置。
3. 請求項２に記載の気体熱回収装置付き水処理装置であって、
   前記水処理装置は処理対象水を収容する処理槽を有し、前記気体送気装置から送気された気体によって前記処理槽内の処理対象水を攪拌処理することを特徴とする気体熱回収装置付き水処理装置。
4. 請求項２に記載の気体熱回収装置付き水処理装置であって、
   前記水処理装置は好気性微生物によって処理される処理対象水を収容する好気処理槽を有し、前記気体送気装置から送気された気体によって前記好気処理槽内の処理対象水を曝気・攪拌処理する構成であり、
   さらに前記好気処理槽に送気される気体の酸素濃度を測定する測定手段と、
   前記測定手段によって測定された酸素濃度が所定値となるように、前記気体送気装置による送気気体量と前記気体熱回収手段による熱回収量の少なくとも何れか一方を制御する制御手段と、を有することを特徴とする気体熱回収装置付き水処理装置。

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