JP3425953B2 - 下水処理装置及び方法 - Google Patents

下水処理装置及び方法

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、一般に、都市下水を処理するための装置及
び方法に関する。より詳細には、本発明は、脱水工程か
らの廃液、並びに、下水処理場全体からの廃液の中のア
ンモニアの量を減少させる技術に関する。
発明の背景 ローマの水路の時代から、現在の宇宙飛行の時代ま
で、下水の処理は、人類が病気にかかる割合を減少させ
ると共に、都市の如き人工密度の高い地域、及び、宇宙
船の中に、より快適な環境を提供してきた。特に、都市
下水の処理は、発達しており十分な特徴を有している。
図１に示す代表的な都市下水処理設備は、下水原液
（流入液）10を受け入れ、最初に、その下水原液を幾つ
かの一次処理プロセスの中の１つによって処理して、一
次処理汚泥11及び沈殿液12を発生させる。次に、上記沈
殿液を曝気槽13の中で好気性消化によって消化させ、そ
のような好気性消化された液を幾つかの二次処理プロセ
スの中の１つによって二次処理して、生物汚泥14及び処
理水15を発生させる。次に、上記一次処理汚泥及び生物
汚泥（それぞれ、11及び14）を消化させて、消化汚泥16
を発生させる。この消化プロセスは、メタンの形態のエ
ネルギを産出し、また、窒素含有化合物（例えば、アミ
ン基を有するアミノ化合物）をアンモニアに転化させ
る。このアンモニアは、水溶液の中に排出される。消化
汚泥16は、脱水設備17に対する流入液であり、約３重量
％の固形物を含んでいる。脱水設備17は、２つの廃液を
排出する。第１の廃液18は、１％よりも少ない固形物を
含んでおり、第２の廃液19は、約20重量％の固形物を含
んでいる。固形物含有率の低い第１の脱水廃液18は、☆
☆☆固形物を含む第２の廃液19の全量の約７−1/2倍で
ある。また、固形物含有率が低い第１の脱水廃液18は、
約1,000ppmの高濃度のアンモニアを含んでいる。固形物
含有率が低くアンモニアを含む第１の脱水廃液18は、廃
水処理設備の一次処理部分に再循環され、一方、固形物
を含む第２の廃液19は、一般に、埋め立てに用いること
ができるようになっている。上記二次処理部分は、固形
物を脱水設備17に供給するための固形物ドレーンと、周
囲環境に排出するか、あるいは、周囲環境に排出される
前に更に処理することのできる、メイン廃液20とを有し
ている。
通常の下水処理場における困難な問題の１つは、第１
の脱水廃液18の中にアンモニアが存在することである。
高い濃度（アンモニアが1,000ppm程度）においては、第
２の廃液19は、流入する下水廃液10と混合され、これに
より、メイン廃液、沈殿廃液、及び、二次処理された水
（二次処理水）の中のアンモニア水の濃度をかなりの程
度まで高める。高いアンモニア濃度は、消化作用に必要
とされるバクテリアに有害な影響を与えるので、好気性
消化作用が阻害される。従って、二次処理の後に更に処
理を行わないと、アンモニアが周囲環境に排出され、そ
の結果、藻類が成長し、天然水が腐敗することになる。
下水処理に関する最近の法制化（海洋投棄禁止法（Oc
ean Dumping Ban Act）、及び、大気浄化法（Clean
Air Act）を含む）を促進する環境的な関心の高まり
は、通常の下水処理方法の変更又は改善を行い、新しい
基準を満たさなければならないことを強制している。ま
た、河口域及び内陸水の栄養分の負荷を減少させるため
の解決策が求められている。
Fassbenderの米国特許第5,221,486号（'486特許）に
よれば、アンモニアは、例えば、硝酸塩の如き酸化され
た窒素化合物の存在の下で、水溶液から除去することが
でき、その際には、上記水溶液は、約300℃乃至約600℃
まで加熱され、更に、水性すなわち超臨界相を維持する
ように加圧される。これにより、窒素ガスの形態で窒素
が放出され、また、50ppmよりも低い濃度のアンモニア
を含む水流が放出される。更に、STORS and NitRem
（Sludge−to−Oil Conversion and Nitrogen Remo
val for Waste Water Treatment Plants）と題す
るAG Fassbenderの論文（1991年８月11日のAWWA/WPCF
Residuals Management Conferenceで発表された）
の図１には、脱水設備からのアンモニアを含む第２の水
流を、上記'486特許のプロセスに送って、アンモニアを
除去することが示されている。上記水流を最低温度であ
る300℃まで加熱するためには、莫大な量の熱エネルギ
が必要とされるであろうことは、下水処理の当業者には
直ちに理解されよう。従って、本発明の概念以前には、
下水設備の廃水からアンモニアを適正な費用効果で除去
するという問題が残っていた。
発明の概要 本発明は、都市下水処理の実務を改善し、下水設備廃
水の中のアンモニアの量を大幅に減少させる。本発明
は、基本的には、都市下水を指向するものであるが、他
の同様な廃水処理の実務を本発明に従って変更すること
ができることは、廃水処理の当業者には理解されよう。
本発明のプロセスは、以下の３つの主要な工程を備えて
いる。（１）第１の工程は、一次処理汚泥及び生物汚泥
を一次消化処理することなく脱水し、脱水された濃縮物
（centrate）すなわち脱水濃縮物と、脱水された汚泥す
なわち脱水汚泥とを生じさせる工程である。上記脱水濃
縮物は、消化処理されておらず、低濃度のアンモニアを
含んでいるので、固形物含有率が低い第１の廃水18とは
区別される。また、上記脱水汚泥は、固形物、及び、ま
だアンモニアに転化していない窒素化合物を含んでいる
ので、消化処理されていて固形物含有率が高い第２の廃
水とは区別される。上記脱水濃縮物は、廃水処理場の一
次処理部分へ循環され、そこでメインの下水廃水と混合
される。（２）第２の工程は、固形物を液体から分離す
る手段に、上記脱水汚泥を送給し、高濃度のアンモニア
を含む水流を生じさせる工程である。（３）第３の工程
は、水熱プロセスを用いて、上記水流からアンモニアを
除去する工程である。
本発明の方法は、既存の方法及び他の従来技術に比較
して、幾つかの利点を有している。第１に、脱水設備か
らの脱水濃縮物の中のアンモニア濃度は、固形物含有率
が低い、予備消化処理された脱水設備からの廃水の中の
アンモニア濃度（最大1,000ppm）よりもかなり低い（30
−50ppm）。上記脱水濃縮物は、約50ppmから約1,000ppm
のアンモニア濃度を有することができるが、予備消化処
理及び加熱処理、あるいは、窒素化合物をアンモニアに
転化させる他の処理を避けて、約30ppmから約50ppmの好
ましいアンモニア濃度を維持することが好ましい。第２
に、上記'486特許の方法においては、上記Fassbenderの
論文に記載されるように下水の全量を加熱するのではな
く、下水の全量の７分の１よりも少ない量を加熱して、
脱水汚泥からアンモニアを除去している。第３に、総て
の処理は、水性のすなわち超臨界な相で行うことがで
き、その結果、機器の寸法及びコストにおける利点が生
ずる。循環流すなわちリサイクル流の中のアンモニア量
が減少して、通常の下水処理方法に比較して25倍程度低
くなり、固形物含有率が高い脱水された廃水だけを処理
するので、本発明のプロセスは、極めて実際的な費用対
効果比を有する下水アンモニアの減少方法を提供する。
本発明の主題は、本明細書の結言部分に特に記載され
且つ明確にクレームされている。しかしながら、操作す
なわち運転の体系及び方法、並びに、その利点及び目的
は、以下の記載、及び、同様の参照番号で同様の要素を
示している図面を参照することにより、より良く理解さ
れよう。
図面の簡単な説明 図１は、従来技術の廃水処理プロセスの概略的なフロ
ーダイアグラムである。
図２は、本発明に従って変更された廃水処理プロセス
の概略的なフローダイアグラムである。
好ましい実施例の説明 図２に示す本発明は、都市下水を処理するための装置
及び方法である。本発明の方法は、以下の工程を備えて
いる。
（ａ）消化処理されていない、廃水処理場からの汚泥原
水を脱水して、約75ppmよりも低いアンモニア濃度を有
する脱水濃縮物22と、窒素化合物を含み、大部分が固形
物である脱水汚泥24とを生成させる工程。
（ｂ）廃水処理場の一次処理部分に上記脱水濃縮物22を
循環させるか、あるいは、特にこれに限定するものでは
ないが、限外濾過を含む他の何等かの手段において上記
脱水濃縮物22を処理し、第１の脱水濃縮物を周囲環境に
排出する工程。
（ｃ）上記脱水汚泥24を処理して、250ppmよりも低い
（50ppmよりも低いのが好ましい）濃度のアンモニアを
含む第１の排出物25と、上記窒素化合物から生じた高濃
度のアンモニアを含む第２の排出物26とを生成させる工
程。
（ｄ）上記高濃度のアンモニアを含む第２の排出物を水
熱プロセス27によって処理し、窒素ガスの形態の窒素を
排出させると共に、250ppmよりも低い（50ppmよりも低
いのが好ましい）アンモニア濃度を有する水性のすなわ
ち超臨界的な相の流れ28を排出させる工程。
消化処理されていない脱水濃縮物22のアンモニア濃度
は、75ppmあるいはそれ以上になることがあるが、1ppm
よりも高く約50ppmよりも低いのが好ましく、約30ppmと
約50ppmとの間の濃度であるのが最も好ましい。
脱水汚泥24は、水熱プロセス27へ直接送給することが
できる。そのようなプロセスを省略した場合には、固形
物から有用な燃料を得るという利点が減少され、脱水汚
泥24から除去される窒素化合物の量が減少する。
脱水汚泥24の処理は、種々のプロセスすなわち方法に
よって行うことができる。好ましい処理方法は、液化処
理であり、更に好ましい処理方法は、約265℃から約350
℃の高い温度において加圧下で行われる、アルカリ消化
処理である。このアルカリ消化処理は、汚泥を溶解させ
て、固形物を、例えばアセトン、アクロレイン及びグリ
セロールのようなものを含む低分子化合物から成る第１
の排出物に分解する。上記低分子化合物は再結合して、
基本的には芳香族化合物を形成することができる。ま
た、上記１の排出物は、水及び二酸化炭素を含んでお
り、これら水及び二酸化炭素を除去すると、上記汚泥の
発熱量よりも高い発熱量を有する、非水溶性の製品を得
ることができる。上記非水溶性の製品は、オイル及びチ
ャーである。アルカリ消化処理からの第２の排出物は、
約500ppmから約2,000ppmの範囲の濃度の窒素化合物（基
本的にはアンモニアである）を含む水流である。
別の好ましい処理方法は、湿式空気酸化処理であり、
この処理においては、廃水の大部分又は総ての炭素部分
は、酸化されて第１の流れになり、窒素化合物は、アン
モニアに転化する。アンモニアは、液相の第２の流れの
中に溶解する。湿式空気酸化処理からの第２の排出物の
中のアンモニア濃度は、約500ppmから約3,000ppmの範囲
の濃度である。
更に別の好ましい処理方法は、超臨界的な水による酸
化処理であって、この処理方法は、水が超臨界相にある
点の除いて、湿式空気酸化処理と同様である。
好ましい水熱プロセスは、窒素ガスの生成であり、最
も好ましい水熱プロセスは、本明細書で参照する上記'4
86特許のプロセスであって、該プロセスにおいては、上
記第２の排出物は、水性のすなわち超臨界的な相を維持
する圧力において、約300℃から約600℃の温度まで加熱
され、これにより、窒素ガスの形態の窒素を排出すると
共に、約250ppmよりも低い（約50ppmよりも低いのが好
ましい）アンモニア濃度を有する、水性のすなわち超臨
界的な相の流れ28を排出する。
本発明の装置は、都市下水を処理するための装置であ
って、以下の構成要素を備えている。
（ａ）汚泥流を脱水して、約75ppmよりも少ないアンモ
ニアを含む脱水濃縮物22、及び、固形物及び窒素化合物
を含む脱水汚泥を発生させる、脱水設備30。
（ｂ）上記脱水濃縮物を廃水処理設備の一次処理部分へ
循環させるための、循環手段。
（ｃ）上記脱水汚泥を処理して、50ppmよりも少ないア
ンモニア濃度を有する第１の排出物、及び、上記窒素化
合物から生じた高濃度のアンモニアを含む第２の排出物
を発生させるための、脱水汚泥処理手段。
（ｄ）高濃度のアンモニアを含む上記第２の排出物を水
熱処理して、窒素ガスの形態の窒素を排出すると共に、
50ppmよりも低いアンモニア濃度を有する水性のすなわ
ち超臨界な相の流れを排出するための、水熱処理手段。
上記脱水濃縮物を廃水処理設備の一次処理部分へ循環
させるための上記循環手段は、パイプ、又は、他の液体
搬送導管であるのが好ましい。設備廃水の中のアンモニ
アを減少させる効果は、上記循環手段を用いなくても達
成することができる。
上記脱水汚泥処理手段は、固形物を分離しあるいは転
化させて、第１の排出物、及び、アンモニアを含む水の
流れである第２の排出物にする、適宜な手段とすること
ができる。好ましい手段は、とくにこれらに限定するも
のではないが、液化処理手段、アルカリ消化手段、水／
空気酸化処理手段、及び、超臨界的な水による酸化処理
手段を含む。
上記第２の排出物を水熱処理する手段は、上記第２の
排出物を、水性のすなわち超臨界な相を維持する圧力に
おいて、約300℃から約600℃の温度まで加熱し、これに
より、窒素ガスの形態の窒素を排出すると共に、50ppm
よりも低いアンモニア濃度を有する水性のすなわち超臨
界な相の流れを排出する手段であるのが好ましい。
上記加熱するための手段は、電気ヒータ、化石燃料燃
焼ヒータ、太陽電池ヒータ、化学燃料燃焼ヒータを含む
適宜な手段とすることができ、そのような手段は、上記
第２の排出物を収容する容器の内部又は外部に設けるこ
とができる。
本発明の好ましい実施例を図示し且つ説明したが、本
発明の広い範囲の特徴から逸脱することなく、多くの変
形例及び変更例を実施することができることは、当業者
には理解されよう。従って、添付の請求の範囲の記載
は、本発明の真の精神及び範囲の範疇に入るそのような
総ての変形例及び変更例を網羅することを意図してい
る。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−78496（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−66200（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−74599（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C02F 11/12 C02F 9/00

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】都市下水又は同様の廃水処理設備廃水を処
    理するための方法であって、 （ａ）消化処理されていない汚泥を脱水して、1,000ppm
    よりも低いアンモニア濃度を有する脱水濃縮物と、固形
    物、並びに、窒素を含む少なくとも１つの化合物を含有
    する脱水汚泥とを生じさせる、脱水工程と、 （ｂ）前記脱水汚泥を液化処理工程により処理して、低
    いアンモニア濃度を有する第１の排出物と、前記窒素化
    合物から生じた高濃度のアンモニアを含む第２の排出物
    とを生じさせる、脱水汚泥処理工程と、 （ｃ）前記第２の排出物に水熱プロセスを加えて、窒素
    ガスの形態の窒素を生じさせると共に、低いアンモニア
    濃度を有する水性のすなわち超臨界な相の流れを生じさ
    せる、水熱処理工程とを備えることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】請求項１の方法において、前記液化処理工
    程が、アルカリ消化工程であることを特徴とする方法。
  3. 【請求項３】請求項２の方法において、前記アルカリ処
    理工程が、 （ｄ）前記第２の排出物を、加圧下で、約265℃から約3
    50℃の温度まで加熱する段階と、 （ｅ）前記汚泥を溶解させて、該汚泥の中の固形物を、
    第１の排出物、及び、窒素化合物を含む液相の流れを含
    む第２の排出物に分解する段階とを含むことを特徴とす
    る方法。
  4. 【請求項４】請求項１の方法において、前記脱水汚泥処
    理工程が、超臨界的な水による酸化工程であることを特
    徴とする方法。
  5. 【請求項５】請求項１の方法において、前記水熱プロセ
    スが、 （ｆ）前記第２の排出物の中の窒素の酸化された形態及
    び還元された形態をバランスさせる段階と、 （ｇ）前記バランスされた第２の排出物を、水性のすな
    わち超臨界的な相を維持する圧力において、約300℃か
    ら約600℃の温度まで加熱する段階と、 （ｈ）窒素ガスの形態の窒素を生じさせると共に、低い
    アンモニア濃度を有する水性のすなわち超臨界的な相の
    流れを生じさせる段階とを含むことを特徴とする方法。
  6. 【請求項６】都市下水廃水を処理するための装置であっ
    て、 （ａ）消化処理されていない汚泥を脱水して、1,000ppm
    よりも低いアンモニア濃度を有する脱水濃縮物と、固形
    物、並びに、窒素を含む少なくとも１つの化合物を含有
    する脱水汚泥とを生じさせる、脱水設備と、 （ｂ）前記脱水汚泥を液化処理工程により処理して、低
    いアンモニア濃度を有する第１の排出物と、前記窒素化
    合物から生じた高濃度のアンモニアを含む第２の排出物
    とを生じさせる、脱水汚泥処理手段と、 （ｃ）前記第２の排出物を水熱処理し、窒素ガスの形態
    の窒素を生じさせると共に、低いアンモニア濃度を有す
    る水性のすなわち超臨界的な相の流れを生じさせる、水
    熱処理手段とを備えることを特徴とする装置。
  7. 【請求項７】請求項６の装置において、前記液化処理手
    段が、アルカリ消化処理手段であることを特徴とする装
    置。
  8. 【請求項８】請求項７の装置において、前記アルカリ消
    化処理手段が、 （ｄ）第２の排出物を、加圧下で、約265℃から約350℃
    の温度まで加熱して、前記汚泥を溶解させ、前記汚泥の
    中の固形物を、第１の排出物、並びに、窒素化合物を含
    有する水性の相の流れを含む第２の排出物に分解するた
    めの、加熱手段を備えていることを特徴とする装置。
  9. 【請求項９】請求項６の装置において、前記水熱処理手
    段が、 （ｅ）前記第２の排出物を収容する容器と、 （ｆ）前記第２の排出物を、水性のすなわち超臨界な相
    を維持する圧力において、約300℃から約600の温度まで
    加熱し、窒素ガスの形態の窒素を生じさせると共に、低
    いアンモニア濃度を有する水性のすなわち超臨界な相の
    流れを生じさせる、加熱手段とを備えることを特徴とす
    る装置。
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