JP3723216B2 - 濃縮遠心分離装置及びスラッジ最少化方法 - Google Patents
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Description
本発明の濃縮遠心分離装置および本発明のスラッジ最少化方法は、廃水浄化工場(以後、廃水処理工場と言う)において生じたスラッジの量の最少化または減少、脱水の改善、スラッジおよび廃棄物バイオマスの嫌気性メタン発酵中並びに廃水の嫌気性浄化中のバイオガス生成の促進に役立つ。
廃水のバイオ浄化方法においては、比較的多量のスラッジが生じる。この場合、これらのスラッジの取扱いおよび経済的利用には問題を伴なうことが多い。廃水の嫌気性バイオ浄化においては、少なくとも2つの型のスラッジが発生する。第一のスラッジは、導入された廃水の第一沈降または沈殿によって生じるスラッジであって、急激な分解が行なわれるスラッジであり、第二の型のスラッジは廃水のバイオ浄化工程後に生じる活性化余剰スラッジである。ここでは微生物混合物が主な役割を果たすが、これらの微生物は廃水浄化中に生じるものである。どちらの型の微生物の数も、除去された不純物の数に依るものであり、また浄化中のプロセスのパラメーターにも依る。どちらの型のスラッジも大部分の廃水処理工場、特に大規模処理工場において、嫌気性メタン発酵によって加工処理される。有機物質の嫌気性メタン発酵は、嫌気性条件下において、微生物の混合培養物がバイオ分解可能な有機物質を段階的に分解するプロセスである。この分解の最終生成物は、メタン、二酸化炭素、二酸化硫黄(sulfan)、窒素、水素、その結果生じたバイオマス、および安定有機物質(それ以上分解できない残留物)である。
嫌気性分解プロセスに影響を与える最も重要な要因としては、基質の組成(特定の生産およびバイオガスの分解を決定するもの)、栄養素の存在、pH値、緩衝容量、および温度である。このプロセスの経済的採算性は、加工処理される物質の乾燥物質濃度(固体物質濃度)に依る。この理由から、出発物質は濃縮プロセスに付されることが多く、これは機械的に(特に遠心分離、圧搾など)、あるいは重力によって行なわれる。
嫌気性分解が良好に進行するためには、一連の有機栄養素の存在が重要である。一連の成長要因(再生産要因)の存在も、ビタミンおよび酵素と同様に重要である。嫌気性分解には、特に加水分解酵素が重要である。これらの酵素は、多数の物質、例えば固体高分子有機物質でさえも分解または還元することができる。これらの物質には、微生物自体によって合成されるものもあり、系以外から添加されなければならないものもある。
スラッジ、廃水、およびその他の様々な有機物質の嫌気性メタン発酵中のバイオガス生成のシミュレーションに関する研究所またはベンチ試験の可能性については、CZ−PS242979号に記載されている。この特許に開示された方法は下記から成っている。すなわち発酵させられる物質がこのプロセスに入れられる。あるいは場合には嫌気性反応器によって、研究所の廃水浄化装置とは別に調製された刺激物質であって、加工処理される物質の有機乾燥物質に依って、0.1〜10重量%、好ましくは5重量%の機械的または物理的に処理された微生物含有バイオマス懸濁液が直接このプロセスに入れられる。
当技術の現在の状態によるバイオマス懸濁液の溶解処理(細胞の機械的物理的破壊)において、これらの微生物の細胞の内容物は一部解放される。
微生物細胞またはその他の生物細胞の内容物は、細胞壁および/または細胞膜の破壊の間に溶液中に放出される(細胞溶解物とも呼ばれる)が、有機物質のバイオ分解プロセスに、促進または刺激作用をもたらす。細胞溶解物は一方では細胞の死滅によって自然に生じる(自己分解)。他方では加水分解酵素の助けを借りる。これらは、発酵バクテリアによって、さらには物理化学的方法あるいは機械的方法によって、微生物またはその他の生物の人工的分解または解離によって溶液中に放出される。
細胞溶解物は、一方では微生物の機能および成長に刺激を与え、他方ではこれは有機物質の分解に直接必要な一連の酵素を含んでいる。この溶解物は、ある種のバクテリアの機能性あるいは操作性に刺激を与え、これによって水素と二酸化炭素、酢酸、プロピオン酸等を転換および/または放出する。このほかに、細胞溶解物は、有機物質の分解を強め、嫌気性メタン生成プロセスにおいてバイオガス生成を増加させる。この結果、生じるスラッジ総量の減少と、バイオガス生成の増加をもたらす。同様に、細胞溶解物は活性化タンクを用いた場合に、余剰活性化スラッジの生成にも有意な影響を与えうる。
当技術の現在の状態に従って研究所規模の量で細胞溶解物を調製することは、これに必要な設備およびエネルギーの量の点で費用がかかる。このことは、細胞分解または破壊に関するこれまで知られている方法にも当てはまる。例えば特に機械的方法(粉砕、磨砕、圧搾)、音波処理(超音波処理)、キャビテーション、反復凍結融解、加熱による破壊などである。
CZ−PS242979号に記載されている。当技術の現在の状態による前記方法には、特に次のような欠点がある。細胞溶解物を別に調製すること、すなわち実際の浄化または処理装置以外での調製が必要であるということである。既に前記されているように、この方法は研究所規模にのみ適している。工業的規模の方法に変えるには大きな空間が必要であり、高いエネルギー費用、投資費用および追加の人件費が必要なので実際的ではない。従ってこの方法は、例えば何トンもの量の循環的な凍結融解スラッジには経済的にも技術的にも有用ではない。
出発点としてCZ−PS242979号に記載されている、当技術の状態の場合、工業的規模の条件下に生じるスラッジの量を、より費用がかからず、より経済的な方法で有意に減少させることが本発明の目的である。
この目的の達成は、請求の範囲の請求項1に記載の特徴を有する濃縮遠心分離装置及び請求項45に記載のスラッジ最少化方法によって為される。
上記請求項1に記載の発明は廃水スラッジ、特に余剰スラッジの濃縮の為の濃縮遠心分離装置を提供する。この濃縮遠心分離装置は、その構成において、廃水スラッジに含まれている生物、特に微生物、の細胞を少なくとも一部、濃縮中に溶解させるための少なくとも1つの溶解装置が設けられるように設計されている。
上記請求項1に記載の発明の濃縮遠心分離装置によって、廃水処理工場で生じるスラッジは有意に減少する。さらには、微生物の細胞が濃縮遠心分離装置において溶解されるという事実から、この濃縮遠心分離装置を大規模に利用できるようにもなる。
工業的プロセスエンジニアリングに関しては、1995年1月30日出願の、発明の名称が「浄化工場におけるスラッジ生成物の減少装置および方法」という、本出願人のドイツ特許出願第19502856.2号に既に記載されているように実施される。この特許全体が、本明細書に参照として組込まれている。1995年7月28日出願の、発明の名称が「廃水スラッジの濃縮および促進装置」という同じ出願人のドイツ特許出願第19527784.8号をも同様に参照しており、これもこの明細書に参照として全体的に組込まれている。
従って濃縮遠心分離装置を、スラッジの濃縮並びに細胞の溶解にも同時に利用することが可能になり、これにより濃縮遠心分離装置が経済的になるという特別な利点が生じた。さらには上記請求項1に記載の本発明の濃縮遠心分離装置によって、比較的少量のスラッジの処理で細胞の連続溶解が可能になる。これにより、多量のスラッジを一度に加工処理する必要がなくなった。
上記請求項45に記載のスラッジ最少化方法は、廃水浄化処理工場における腐敗スラッジの量、あるいは場合によっては残留スラッジの量、を最小にする為のスラッジ最小化方法であって:
廃水を少なくとも1つの沈殿タンクにおいて沈殿させ、この沈殿した主スラッジを少なくとも1つの輸送装置によって少なくとも1つの嫌気性反応器に送り、さらには沈殿加工処理された廃水を好気性活性化装置へ送る工程と;
少なくとも1つの好気性活性化装置において、上記沈殿加工処理された廃水を好気性転換する工程と;
好気性転換された廃水から余剰活性化スラッジを補助沈殿タンクにおいて沈殿及び分離させ、余剰活性化スラッジを少なくとも1つの濃縮遠心分離装置において濃縮する工程と;
余剰活性化スラッジから濃縮された濃縮スラッジを少なくとも1つの嫌気性反応器において嫌気性転換する工程と;
を含んでおり、
余剰活性化スラッジに当初含まれていた微生物の細胞の量の約0.5〜50%の量が嫌気性反応器の以前における濃縮遠心分離装置での濃縮の間において溶解される、ことを特徴としている。
上述した如き本願の請求項1に記載の発明の濃縮遠心分離装置または上述した如き本願の請求項45に記載の本発明によるスラッジ最少化方法を用いることにより、廃水浄化処理工場でのスラッジ生成は有意に削減できる。微生物細胞は濃縮遠心分離装置に設けられてる少なくとも1つの溶解装置においてそれ自体溶解されるという事実によって、さらにはこれらの濃縮遠心分離装置またはスラッジ最少化方法を大規模な環境でも使用できるようになる。これにより次の利点が生じる。すなわち濃縮遠心分離装置がスラッジの濃縮のため、並びに細胞の溶解のために同時に使用されるが、このことによって濃縮遠心分離装置またはスラッジ最少化方法がより経済的になるのである。このほかに、この濃縮遠心分離装置あるいは場合によってはこのスラッジ最少化方法において、比較的少量のスラッジ処理で細胞を連続的に溶解することができ、このことから、多量のスラッジを同時に加工処理する必要がなくなる。
上述した如き本願の請求項1に記載の発明の濃縮遠心分離装置または場合によっては上述した如き本願の請求項45に記載の発明のスラッジ最少化方法において、廃水浄化処理工場外で費用のかかる細胞溶解物の調製を行なう必要がないので、費用の増加もエネルギーの増加もなく、人件費も掛からないという利点が同時に得られる。このほかに嫌気性反応器の効率または生産性が増加し、有機物質の分解が促進され、問題のある物質あるいは化合物、例えば生体異物(xenobiotica)または毒性物質がより強力に分解され、可燃性ガスの生産が増加し、エネルギーバランスシートが当技術の現在の状態に比較して改善されている。
本発明のその他の利点および特徴は、実施態様を表わす明細書および図面に基づいて明らかになる。
図面は以下のとおりである。
図1は、本発明の濃縮遠心分離装置の全体像を縦断面図で示したものである。
図2は、本発明の濃縮遠心分離装置の一部である溶解装置の第一実施態様による摩擦粉砕装置の断面図である。
図3aは、第一実施態様による摩擦粉砕装置の粉砕ディスクの外部表面を図式的に表わしたものである。
図3bは、図3a中に示されている粉砕ディスクの外部表面のもう1つの設計例を図式的に表わしたものである。
図4は、本発明の濃縮遠心分離装置の一部である溶解装置の第二実施態様による摩擦粉砕装置の断面図である。
図5は、本発明の濃縮遠心分離装置の一部である溶解装置の第三実施態様により石目やすりの断面図である。
図6は、図5の線6−6に沿う断面図である。
図7は、本発明の濃縮遠心分離装置の一部である溶解装置の第四実施態様によるローラークラッシャーの断面図である。
図7aは、図7の線7−7に沿う断面図である。
図8は、本発明の濃縮遠心分離装置の一部である溶解装置の第五実施態様による通過ドラムの断面図である。
図9は、図8の線9−9に沿う断面図である。
図10は、本発明の濃縮遠心分離装置の一部である溶解装置の第六実施態様による切断装置の断面図である。
図11は、図10の線11−11に沿う断面図である。
図12は、図10の線12−12に沿う断面図である。
図13は、本発明の濃縮遠心分離装置の一部である溶解装置の第七実施態様によるピン摩砕装置の断面図である。
図14は、図13の線14−14に沿う断面図である。
図15は、本発明のスラッジ最少化方法を用いる廃水浄化処理工場の実施態様を図式的に示したものである。
下記において、本発明は、溶解装置を用いる濃縮遠心分離装置を参照して記載される。しかしながら本発明はこれに限定されるものではなく、スラッジ含有廃水用のあらゆる適切な輸送装置を前記溶解装置と組み合わせてもよく、これらの輸送装置は、本発明の意味においては、廃水浄化処理工場内の様々ない値で用いることができる。
図1において、廃水スラッジの濃縮遠心分離装置4の全体が1として示されている。濃縮遠心分離装置4の全体1は、ハウジング2を備え、ハウジング2の内側3には濃縮遠心分離装置4が備えられている。濃縮遠心分離装置4はその内側5に、回転輸送装置としてのスネークまたはスクリューコンベヤ6と回転ジャケット7とを有する。
廃水スラッジの濃縮において、処理済みスラッジは図示されていない管または導管を経て、濃縮遠心分離装置4の入口8へ導かれる。廃水スラッジはついで、濃縮遠心分離装置4の内側5の回転スクリューコンベヤ6を通って、図1に示された矢印の方向に、後端部へ運ばれ、最後には濃縮遠心分離装置の出口9へと運ばれる。ある場合には、回転スクリューコンベヤ6は約3010回転/分の周速度で回転し、回転ジャケット7は約3000回転/分の周速度で回転する。この場合、回転スクリューコンベヤ6と回転ジャケット7の回転方向は同じである。
濃縮遠心分離装置4の後端部の出口9には、例えばハウジング11内に溶解装置10が備えられている。
溶解装置10は、回転部分12と固定部分13とを含んでいる。溶解装置10の回転部分12および濃縮遠心分離装置4の回転ジャケット7は、駆動装置14によって駆動される。
回転スクリューコンベヤ6は、図1に示されていない第二駆動装置、例えば油圧駆動装置あるいは駆動歯車によって駆動される。
スラッジを含む溶解物を得るために、廃水浄化処理工場で通常入手しうる加工処理されたスラッジは、濃縮遠心分離装置4の回転スクリューコンベヤ6を経て、濃縮遠心分離装置4の出口9へ運ばれ、溶解装置10の内部15へ入る。生物特に微生物、例えば原生動物およびバクテリア、の細胞、および藻類・線虫類、および高等植物の成分が溶解装置10において破壊あるいは粉砕されるか、あるいは場合によっては溶解され、従ってこれらの膜および/または細胞壁が壊され、細胞内容物が環境中に放出される。
当然、スラッジに存在する細胞のすべてが溶解されるわけではないので、溶解された細胞の細胞内容物は、スラッジをさらに技術的に処理加工している間、他の生物の栄養分として役立つ。これによって一方では分解塔において、バイオガスの生成、特にメタン生成、がかなり増加し、他方では総スラッジ重量が大幅に減少する。
下記において、濃縮遠心分離装置4の一部である溶解装置10の様々な実施態様が記載される。
図2は第一実施態様の溶解装置100を示している。この溶解装置100は、濃縮遠心分離装置4の出口9に備えられている。
図2による溶解装置100の回転部分120は、濃縮遠心分離装置4の回転ジャケット7に連結されており、従ってこれは回転ジャケット7と共に回転する。溶解装置100の固定部分130は固定カップとして構成されている。図2の実施態様において、溶解装置100は、回転部分120の外側表面の一部に付けられた摩擦粉砕装置として、粉砕または磨砕ディスク161を備えている。溶解装置100の固定部分130は、同様に磨砕ディスク162を備えている。
この実施態様では、磨砕ディスク161は複数のくぼみ163を有しており、これらは好ましくは図3aによれば半径方向に向けられている。濃縮遠心分離装置4の回転スクリューコンベヤ6および回転ジャケット7の回転の結果、廃水スラッジは、矢印で示された方向に濃縮遠心分離装置4の出口9まで運ばれ、約50m/sの速度で溶解装置100の内側150へ送られる。廃水スラッジは、ここで隙間170を通過しなければならない。ここで廃水スラッジは磨砕表面164と165の間で粉砕される。従って好ましくは回転する磨砕ディスク161に備えられているくぼみ163は、特別な利点を有する。これらのくぼみ163によって溶解装置100の磨砕力およびせん断力が強められ、それが細胞溶解の増加につながるからである。
廃水スラッジが隙間170で粉砕された後、廃水スラッジは、図2に示された溶解装置100の上端部180に遠心分離力の結果集められる。溶解装置100内の廃水スラッジの高さおよび廃水スラッジの累積滞留時間は、隙間170の幅(この例では約2mm)と、ダム190の高さによって決定される。
廃水スラッジは溶解装置100を通過した後、濃縮形態で溶解装置100の出口195から出る。
図3aによれば、回転する磨砕ディスク161の表面にあるくぼみ163は、好ましくは半径方向の切欠き部として構成あるいは設計されているが、図3bによれば、半径方向に対して迎え角を示していてもよい。
この実施態様では、くぼみ163はずらして配置されるのが特に好ましい。これが意味するところは、隣接して配置されたくぼみの列141は、くぼみ163の無い区域では、隣接するくぼみの列141には途切れがないように配列されているということである。
これの利点は、高いポンプ効果と、隙間170内に大きな圧力勾配をつくることである。従ってその結果、全体的に溶解装置100の溶解効果が顕著に増加する。
いずれの場合にも、図2による溶解装置100は、多数でいてもよい。従って多段階の溶解装置100が備えられ、これにより溶解効果がさらに有意に増加する。
溶解装置100の段階の数が、必要なエネルギー消費、およびバイオガス生産との関係、すなわち換言すればエネルギー要件/切欠き部の関係によって制限されるのは言うまでもない。
このほかに、溶解装置100を損傷することもある大きな異物を保持しておくために、廃水スラッジが隙間170に入る前、あるいは濃縮遠心分離装置4の入口8の前に、篩またはフィルターが備えられてもよい。
図4において、本発明の廃水スラッジの濃縮遠心分離装置4の第二実施態様の溶解装置200が示されている。溶解装置200はこの場合、摩擦粉砕装置として、より詳しくは磨砕コーン205として構成されている。磨砕コーン205の回転外部コーン220は、濃縮遠心分離装置4の回転ジャケット7と連結されている。回転外部コーン220の粉砕または磨砕表面261には、くぼみ263が備えられている。この例の場合は、磨砕コーン205のジャケットラインの方向に向けられているようなくぼみ263が好ましい。しかしながら基本的には、くぼみ263は磨砕コーン205のジャケットラインに対して迎え角に備えられることも可能である。この実施態様ではくぼみ263は、次のように、外部コーン220の磨砕表面261の切欠き部として構成されている。すなわち隣接して配置されている切欠き部列は、切欠き部列が断続している区域では、隣接する切欠き部列には途切れがないようにずらして配置された形状に備えられるのである。
これによって同様に、よりよい溶解効果が得られる。
回転外部コーン220の反対側に固定した内部コーン230がある。これは磨砕表面262を備える。溶解装置200の内部コーン230と回転外部コーン220との間に隙間270があり、これの幅は調節装置275によって変更することができる。
ポンプ効果を改善するため、および廃水スラッジの分配を改善するために、くぼみ263の深さは、この実施態様では、くぼみ236の幅とほぼ一致するように選ばれる。特に廃水スラッジの濃縮遠心分離装置4の溶解装置200としての磨砕コーン205についての利点は、磨砕コーン205の形態でのこの型の溶解装置200を用いた場合、磨砕コーン205の内側250に入って来る廃水スラッジ内の異物からは磨砕コーン205の破壊は発生せず、むしろスプリング装置276によって受け入れることができるので、篩またはフィルターによる異物の除去は絶対に必要なわけではない。
図5は、本発明の廃水スラッジの濃縮遠心分離装置4の第三実施態様の溶解装置300としての石目やすり305を示している。石目やすり305は、回転石目やすり表面320と固定外部ジェル330とから成る。回転石目やすり表面320は濃縮遠心分離装置4の回転ジャケット7に連結されている。図5によれば、廃水スラッジは、矢印によって示された方向に、回転スクリューギヤまたは回転スクリューコンベヤ6、および回転ジャケット7を通って石目やすり305の内部350に運ばれ、回転石目やすり表面320と固定外部シェル330の固定石目やすり表面との間の隙間370における出口開口部355から出て、そこで押し潰され、かつ粉砕される。従って廃水スラッジに含まれている細胞は、隙間370内部の高いせん断力と高圧の結果、隙間370において溶解される。これにより、これらの細胞内容物は、周囲の媒質中に放出される。
隙間370内の圧力を増すために、この例では出口395から最も遠い回転石目やすり表面320の部分325は、固定外部シェル330の方向へさらに大きく傾斜しており、出口395に最も近い回転石目やすり表面320の部分326は、固定外部シェル330の方向への傾斜はより小さく、したがってこの区域では出口開口部353から見てもう1方の側よりも幅が広い隙間370が生じる。外側へ向かって増大するこの平面または上昇部は、有意の圧力増加を生じ、これは溶解装置300の溶解効果を増す作用がある。
この実施態様において、実際にシーリングの問題が発生しないように、溶解装置300の態様を単純な構成にするのが好ましい。従って金属摩擦が起こらず、大きな粒子が脇へ逸らされ、一般に濾過手段を追加する必要がない。
図6は、図5の線6−6に沿う断面図である。溶解装置300のこの実施態様によれば、石目やすり305(sic)は、その回転石目やすり表面320に波形くぼみ363を備える。これらは好ましくは回転方向に対して迎え角を示す。この実施態様では、隙間370の幅は最も狭い点で約2mmであり、最も広い点で約10mmである。
この実施態様によれば、廃水スラッジは固定外部シェル330と、回転石目やすり表面320との間の狭い隙間370を流れるように強制される。これは、波形くぼみ363である。これにより高圧が隙間370に生じ、この高圧から非常に高いせん断力が生じるので、微生物、特にバクテリア、の膜および細胞壁が細断され、これらの細胞質が周囲の媒質に放出される。
図7は、本発明の廃水スラッジの濃縮遠心分離装置4の第四実施態様の溶解装置400としてのローラークラッシャー405を示している。
ローラークラッシャー405の回転部分402は、濃縮遠心分離装置4の回転ジャケット7に連結されており、従ってこれは回転ジャケット7と共に回転する。溶解装置400は、固定部分430で外部に対して閉鎖されているが、回転部分420と固定部分430との間に出口開口部495を備える。
回転部分420と固定部分430はどちらも開口部421と431を備える。開口部421と431にはローラー体、この例ではローラー440、が備えられている。この場合には、溶解装置400には2つのローラーセット441と442が見られる。
ローラークラッシャー405の回転部分420の回転中に、ローラー440は、回転部分420と固定部分430との間でローラーベアリングのように動く。
図7中において、回転ジャケット7と回転スクリューコンベヤ6が回転した結果、廃水スラッジは矢印で示した方向へ動き濃縮遠心分離装置4の出口9から、溶解装置400としてのローラークラッシャー405の内部450に入る、生物を含む廃水スラッジはついで、ローラー440の間の出口開口部455を通り、従ってローラー440は動いている時に廃水スラッジを互いの間に巻き込み、転がし、それによって廃水スラッジに含まれている細胞が溶解されるように廃水スラッジを押し潰す。
このように押し潰されかつ溶解された廃水スラッジは、ついで隙間470を経て次のローラーセット442へ運ばれる。ここで廃水スラッジは、ローラー440によって新たに転がされかつ押し潰される。従ってさらに多くの有機体細胞が粉砕され、その結果細胞内容物が環境へ放出される。
ローラークラッシャー405で加工処理された廃水スラッジは、その出口開口部495を経て最終的に溶解装置400を離れる。さらに廃水スラッジは必要に応じて加工処理される。
図7による廃水スラッジの濃縮遠心分離装置4の第四実施態様の溶解装置400の特別な利点は、様々な隙間470を用いることができ、得られる溶解作用に従って様々なローラーサイズを用いることができ、従ってパラメーター、すなわち隙間470の幅、ローラー440のサイズ、およびローラーセット441および442の数を変えることによって、溶解量を正確に調節することができることである。
ローラー440の表面に、図示されていないくぼみを備えることもできることは言うまでもない。これらのくぼみは半径方向に、またローラーシリンダーのジャケットラインの方向にも、あるいはまた回転方向に対して迎え角で備えられてもよい。
図7aにおいて、図7の線7−7に沿う断面図が、第一ローラーセット441および出口開口部455を示している。
図8には、本発明の廃水スラッジの濃縮遠心分離装置4の第五実施態様の溶解装置500としての通過ドラム505が示されている。
通過ドラム505は、回転部分520と固定部分530とを備えている。これらはシール501によって互いにシールされている。
溶解装置500の内部550には、通過要素561が、この例では互いに様々に異なる角度で備えられている。
その他の実施態様のように、回転部分520は濃縮遠心分離装置4の回転ジャケット7と連結されている。
回転スクリューコンベヤ6および回転ジャケット7が動いた結果、廃水スラッジは矢印で示された方向に濃縮遠心分離装置4の出口9へ運ばれ、ついで廃水スラッジは出口開口部555を通って通過ドラム505の内部550に入る。廃水スラッジとこれに含まれている微生物、例えばバクテリア、はついで、固定部分530と通過要素561との間の狭い隙間570に押し込まれる。その結果高いせん断力が生じ、従ってバクテリアとその他の微生物がこのせん断力によって細断され、これによって溶解される。従って細胞内容物が周囲媒質に放出される。
溶解装置500において加工処理された廃水スラッジは、出口開口部595から出て行き、適切な方法でさらに処理してもよい。
図9は、図8の線9−9に沿った通過ドラム505の断面図である。
図10は、廃水スラッジの濃縮遠心分離装置4の第六実施態様の溶解装置600としての切断装置605を示している。切断装置605は、切断要素661が備えられた回転部分620を含んでいる。
回転部分620は、濃縮遠心分離装置4の回転ジャケット7と連結している。溶解装置600の固定部分630は切断要素662を備えている。これらは切断要素661の中に取付けられている。この例では、切断要素661,662はナイフとして備えられている。ナイフは横に並んで、および互いの後ろに配置されている。好ましくは配列は図12によるものである。図12は図10の線12−12に沿う断面図である。この配列は標準的配列になっている。
切断装置605の回転部分620の回転は、個々の切断要素661と662とが、互いに接触せず、互いの間に隙間670(必要に応じて調節可能である)ができるように行なわれる。
他の実施態様のように、廃水スラッジは濃縮遠心分離装置4から、濃縮遠心分離装置4の出口9へと運ばれる。廃水スラッジは、約50m/sの速度で溶解装置600の内部650へ送られる。
濃縮遠心分離装置4から来る廃水スラッジはまず、固定部分630の角度の付けられた表面651と出会う。廃水スラッジのこの衝突によって、例えばバクテリアや原生動物などの、存在する多数の微生物の細胞はもやは破壊されている。
角度の付けられた外部表面651への溶解衝突効果をさらに増すために、でこぼこした部分、例えばナイフ、ピン等の形態のものを備えてもよい。
ついで廃水スラッジは、通路652を経て切断装置本体656へ送られる。ナイフ形状の切断要素661は、この例においては、約80m/sの回転速度で回転する。ついで廃水スラッジは、切断要素661と662との間の隙間670を通り、この実施態様においては、最終的にスラッジ出口695に到達するためには、4列の切断要素662を通過しなければならない。
切断装置本体656の切断要素661および662の回転速度および設計によって、巨大なせん断力が、廃水スラッジに含まれている微生物に影響を与え、従ってそこに含まれている微生物の細胞の最大部分が細断される。これによって極端な溶解効果が切断装置605から生じ、従って廃水スラッジに含まれている細胞の大部分が溶解され、その細胞質が周囲の環境中に放出され、残存する細胞へ優れた栄養媒質が提供される。これによって、ついでバイオガス生成の増加およびスラッジ量の減少が生じる。
図11は、図10の線11−11に沿った断面図である。この図からわかることは、先行ナイフ端部のスラッジの一部が再びフィードバックされるかあるいは戻されるように設計されている末端部、この実施態様では切断装置605の回転部分620の回転方向に対し迎え角を示すナイフ端部663であるが、を伴った切断要素661または662を用いることができるということである。これによってある種のポンプ効果が遠心分離の方向に生じ、これによってせん断力とそれに伴なって溶解効果がさらに増す。
スラッジ出口695にはダム690が備えられている。ダム690の高さは調節可能であり、切断装置本体656内容物の滞留時間および溶解度も調節可能である。
図12は、図10の線12−12に沿う断面図である。この図面では、切断要素またはナイフ列641に備えられている切断要素661および662は、互いに対してずらして配置されている。
図13は、廃水スラッジの濃縮遠心分離装置4の第七実施態様の溶解装置700としてのピン磨砕装置705の断面図を示す。
このピン磨砕装置705は、他の実施態様のように、濃縮遠心分離装置4の出口9における濃縮遠心分離装置4の一部を成す不可欠要素として備えられている。溶解装置700のピン磨砕装置705は、回転部分720と固定部分730とを含んでいる。固定部分730は、シール701で外部に対してシールされている。
回転部分720は、濃縮遠心分離装置4の回転ジャケット7に連結されている。ピン磨砕装置705の回転部分720には、多数のピン761のピン列741が備えられている。これらは、固定部分730に備えられている多数のピン762のピン列741とかみ合っている。
この実施態様では、回転部分720と固定部分730には、各々3つのピン列741が備えられている。
ピン磨砕装置705は、外部に対してダム790によって閉鎖されており、ダム790はスラッジ出口795を含んでいる。
他の実施態様のように、廃水スラッジは、矢印で示された方向に、濃縮遠心分離装置4を通って濃縮遠心分離装置4の出口9へ運ばれ、ついで溶解装置700の内部750に入る。廃水スラッジはついで、個別のピン761と762との間の隙間770に強制的に入れられ、ついでピン761の回転のよって生じた大きなせん断力に付与される。ピン磨砕装置705でも、溶解装置600の切断装置605と同様、大きなせん断力が個別のピン761と762との間、あるいは場合によっては個別のピン列741の間に生じる。これらの力によって廃水スラッジに含まれている微生物の細胞を粉砕することができ、従ってこれらの内容物が周囲媒質に放出される。
溶解装置700で加工処理された廃水スラッジは、ついでスラッジ出口195を出て行き、所望であればさらに加工処理してもよい。
廃水スラッジの滞留時間および溶解量は、ダム790の高さによって調節できる。
このピン磨砕装置705の好ましい実施態様において、2つのピン列741間の距離または間隔は調節可能である。これによってさらに大きなせん断作用を生み出すことができ、それと共により高い溶解レベルも達成可能である。
図14は、図13の線14−14に沿う断面図である。
ピン磨砕装置705の形状の溶解装置700の特別な利点は、滞留時間が調節可能であること、効率を例えばピン761および762の数によって容易に調節しうること、および個別のピン761および732は必要ならば容易に取り替えられることである。
もう1つの利点は、建造に要する空間が比較的小さく、個別のピン761および762の許容差が比較的大きいことである。所望であれば、大きな異物を保持しておくために、濃縮遠心分離装置4の出口9あるいは濃縮遠心分離装置4への入口に、図13には示されていないフィルターを備えても有利であろう。大きな異物はピン761および762に損傷を与えることになるかもしれないからである。
ピン列741間に生じる高いせん断力の他に、細胞を衝突させ、かつ叩き潰すことによって溶解効果を生み出すことも可能になる。
廃水浄化方法の利用のための図15に示された廃水浄化処理装置は、原廃水の入口あるいは供給側801を有する主沈殿タンク802を含んでいる。主スラッジ811はついで嫌気性反応器812に送られる。主沈殿タンク802から来る流出物は、好気性バイオ活性化装置803に送られ、この好気性バイオ活性化装置803から出る混合物は補助浄化タンク804に送られる。ここでは浄化された廃水805の沈殿あるいは分離が行なわれる。沈殿された活性化スラッジの一部806は、輸送装置としてのスラッジ戻りポンプ820で好気性バイオ活性化装置803へ戻される。余剰活性化スラッジ807は、溶解装置10の濃縮遠心分離装置4へ送られる。ここで余剰活性化スラッジ807の濃縮、および微生物の一部の細胞の溶解または破壊が行なわれる。濃縮物809は好気性バイオ活性化装置803に戻される。濃縮スラッジ810は嫌気性反応器812に送られる。嫌気性反応器812から来る反応混合物813は、濃縮あるいは脱水遠心分離装置4aへ送られる。ここで、安定化スラッジの脱水、および微生物の一部の細胞の溶解あるいは破壊が行なわれる。濃縮物817は、好気性バイオ活性化装置803へ戻され、および/またはその一部が嫌気性反応器812へ送られる。嫌気的に脱水された安定化スラッジ815は出口818を通ってごみ捨て場に行き、および/またはその一部816は、嫌気性反応器812へ戻される。
微生物の細胞の一部破壊が行なわれるこの廃水浄化装置の部分は、濃縮遠心分離装置4および脱水遠心分離装置4a、および/またはスラッジ戻りポンプ820から成る。ある場合には、溶解装置100は、摩擦粉砕装置として備えられ、回転する摩砕ディスク161および固定されている摩砕ディスク162を濃縮遠心分離装置4に有している。一方、脱水遠心分離装置4aの出口9には、切断装置605の形態の溶解装置600が備えられている。
刺激剤の調製のために、活性化スラッジと、嫌気安定化スラッジとを用いることも可能である。より詳しくはこれらのスラッジは、手近の反応器から直接、あるいは別の効率的反応器から来るものである。最初に示したケースでは、余剰活性化スラッジ807は、濃縮遠心分離装置4へ送られ、ここでスラッジの濃縮のほかに、溶解装置のバイオマス細胞の部分の破壊/溶解が行なわれる。ここで濃縮物809は好気性バイオ活性化装置803に戻され、濃縮スラッジ810は、スラッジの安定化のために嫌気性反応器812へ送られる。もう1つのケースでは、反応混合物(嫌気性安定化スラッジ)813は、脱水遠心分離装置4aへ送られる。ここではスラッジの脱水のほかに、バイオマス細胞の一部の破壊が行なわれる。濃縮物817の5〜30%の部分および/または脱水された安定化スラッジの5〜30%の部分816は、スラッジの安定化のために嫌気性反応器812へ戻される。
従って本発明によるスラッジ最少化方法を用いる廃水浄化処理工場は、別に溶解された調製物を用いる当技術の状態と比較して、工業的規模での使用の観点から、経済的に有意な程度に有利である。このようにして、好気性および嫌気性バイオ浄化方法を刺激し、これによって廃棄されるスラッジの量を減少させ、バイオガス生産を増加させることが同時に可能になる。
本発明の濃縮遠心分離装置、あるいは本発明によるスラッジ最少化方法を用いる廃水浄化処理工程の適用によって、実際には一連の技術パラメーターの全体的な改善が達成される。溶解された不純物の加工処理(嫌気性廃水浄化)、および嫌気性スラッジ安定化において、次のような結果を得ることができる:嫌気性反応器の生産高が増加すること、有機物質の分解が促進されること、安定化プロセス中の有機物質の分解も同様に促進されること(スラッジにおいては嫌気性分解の程度、廃水においては問題の多い物質、例えば種々の生体異物(zenobiotica)あるいは毒物などが分解できること)、バイオガス生産が増加すること、安定化スラッジの生産が最小限にされること、嫌気性安定化スラッジの脱水能力が高まること、通常の設計に比べてこのプロセスのエネルギー方程式も同様に改善されることなどである。
実施例 1
本発明による機能および技術的利用は、図15から理解できる。刺激剤の調製、すなわち過剰あるいは余剰活性化スラッジのバイオマス細胞の一部の分解または溶解のために主装置として、濃縮遠心分離装置4が用いられる。放出された細胞溶解物の量を測定するためには、放出された有機物質の濃度であって、流入流(余剰活性化スラッジ807)および濃縮遠心分離装置4からの排出流(濃縮スラッジ810)においてBOD5として表されたものを用いる。次の結果が得られる:
流入流(807) BOD5(放出) −140mg/l
排出流(810) BOD5(放出) −630mg/l
流入流807および排出流810を用いて、メタン生成活性テストを実施した。懸濁物質の濃度を、2つの流が同じになるように調節した。テストは同じ条件下および同じ接種材料濃度で実施された。接種材料として、バイオ反応器から生じた嫌気性安定化スラッジを用いた。バイオガス生成は、各流について、および2つの流と同じ量の全体の物質との混合物について、別々に測定した。同じ量の全体の材料のバイオガス生成は、流入流807によるものより、排出流110において約10.1%高かった。混合物の場合の生産結果は、嫌気性接種材料の負荷に依って、理論値に対して約13.3%および約31.2%の増加を生じた(非溶解材料のグラムで表わして、0.54および0.27g COD/有機部g(条件損失))。理論値は、各流各々について同量の生成ガスの値の総計を表わす。
実施例 2
単純物質での嫌気性分解に対する、細胞溶解物の刺激の影響の実証
蟻酸、酢、プロピオン酸およびグルコースとの嫌気性共発酵のメタン生成活性テストを実施した。どの場合も同量の接種材料を用いた。排出流の活性化スラッジ濃縮物(濃縮スラッジ810)の濃縮余剰物を添加して実施した一連のテストもあれば、流入流の余剰活性化スラッジ(807)を同量添加して実施した一連のテストもある。複合材料と単純物質との共発酵は、時には複合物質のある種の成分の分解力の増加を引起こす。同量のテストスラッジとグルコースとの共発酵は、分解能力の増加を示し、流入スラッジの場合は約41.8%、濃縮物の場合は約51.3%の増加があった(実際の差は約11.3%)。蟻酸との共発酵は13.5%の濃度においてのみプラスであった(実際の差は約33%)。
Claims (47)
- 余剰スラッジ(807)の濃縮の為の濃縮遠心分離装置(4)であって、
廃水スラッジに含まれている生物の細胞を破壊するための少なくとも1つの溶解装置(10,100,200,300,400,500,600,700)が設けられている、ことを特徴としている濃縮遠心分離装置。 - 溶解装置(100,200,300)が、少なくとも1つの磨砕装置および/または石目やすり装置を備えている、ことを特徴とする請求項1に記載の濃縮遠心分離装置。
- 濃縮遠心分離装置(4)が、スラッジをスラッジ出口(9)へ運ぶ、回転輸送装置(6)および/または回転ジャケット(7)を備えており;
および/または濃縮遠心分離装置(4)がジェット遠心分離装置またはジェット分離器である、ことを特徴とする、請求項1に記載の濃縮遠心分離装置。 - 回転ジャケット(7)及び回転輸送装置(6)が異なった回転速度で回転する、ことを特徴とする請求項3に記載の濃縮遠心分離装置。
- 溶解装置(100,200)が摩擦粉砕装置として構成されている、ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 摩擦粉砕砕装置が、スラッジおよびスラッジに含まれている細胞を粉砕するための少なくとも1つ粉砕ディスク(161,162)を備えている、ことを特徴とする請求項5に記載の濃縮遠心分離装置。
- 粉砕ディスク(161)が濃縮遠心分離装置の回転ジャケット(7)と共に回転し、もう1つの静止した粉砕ディスク(162)に対して動き、ここにおいては2つの粉砕ディスク(161,162)の間の隙間(170)は調節可能であり、ここにおいてはこの隙間(170)は約0.5〜5mmの範囲にある、ことを特徴とする請求項6に記載の濃縮遠心分離装置。
- 少なくとも1つの粉砕ディスクがその粉砕表面(164,165)に、くぼみ(163)を有しており、これが半径方向に対して迎え角を示している、ことを特徴とする請求項6または請求項7に記載の濃縮遠心分離装置。
- くぼみ(163)は粉砕表面(164,165)においてくぼみの無い区域によって分離されていて、この結果として半径方向のくぼみの列が形成される、ことを特徴とする請求項8に記載の濃縮遠心分離装置。
- 隣接して配置されているくぼみの列は相互にずらされて配置されており、この結果としてくぼみの列が途切れている区域において隣接しているくぼみの列には途切れが生じていない、ことを特徴とする請求項9に記載の濃縮遠心分離装置。
- 摩擦粉砕装置にはスラッジ出口にダム(190)が設けられている、ことを特徴とする請求項6乃至請求項10のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 摩擦粉砕装置が、スラッジおよびスラッジに含まれている細胞を粉砕するための磨砕コーン(205)を備えている、ことを特徴とする請求項5に記載の濃縮遠心分離装置。
- 磨砕コーン(205)が、少なくとも1つの磨砕表面(261)を伴った回転外部コーン(220)と少なくとも1つの対向表面(262)を有する静止した内部コーン(230)とを備えている、ことを特徴とする請求項12に記載の濃縮遠心分離装置。
- 少なくとも回転外部コーン(220)がその磨砕表面(261)にくぼみ(263)を有しており、ここにおいてくぼみの幅はくぼみの深さと同じ寸法であり、そしてここにおいてはこれらのくぼみが磨砕コーン(205)のジャケットラインの方向またはこれに対する迎え角の方向に向けられている、ことを特徴とする請求項13に記載の濃縮遠心分離装置。
- くぼみは磨砕表面(261)のくぼみの無い区域によって途切れていて、この結果としてくぼみの列がジャケットラインの方向に形成される、ことを特徴とする、請求項14に記載の濃縮遠心分離装置。
- 隣接して配置されたくぼみの列は相互にずらされて配置されており、その結果として、くぼみの列が途切れている区域において隣接するくぼみの列は途切れない、ことを特徴とする請求項15に記載の濃縮遠心分離装置。
- 内部コーン及び回転外部コーン(230,220)が互いに離間して配置されており、ここにおいて離間距離(270)が回転中または静止中に調節装置(275)およびスプリング装置(276)によって調節可能である、ことを特徴とする請求項13乃至請求項16のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 溶解装置(300)が石目やすり(305)として構成されている、ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 石目やすり(305)が静止外部シェル(330)と回転石目やすり表面(320)とを備えており、ここにおいては静止外部シェル(330)と回転石目やすり表面(320)との間の隙間(370)の距離が調節可能である、ことを特徴とする請求項18に記載の濃縮遠心分離装置。
- 回転石目やすり表面(320)には波形くぼみ(363)が設けられていて、ここにおいて波形くぼみ(363)は回転石目やすり表面(320)の回転の方向に対して迎え角を示している、ことを特徴とする請求項19に記載の濃縮遠心分離装置。
- スラッジ出口(395)の方向に伸びている回転石目やすり表面(320)の部分(326)は、反対側に伸びている石目やすり(305)の部分(325)よりも、静止外部シェル(330)の壁からの間隔がより大きい、すなわち隙間(370)の幅がより広い、ことを特徴とする請求項19乃至請求項20のいずれか1項に記載の濃縮遠心装置。
- 石目やすり(305)の為のスラッジが中央に供給される、ことを特徴とする請求項18乃至請求項21のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 回転石目やすり表面(320)と静止外部シェル(330)との距離(370)が最小約2mmから最大約10mmまでである、ことを特徴とする請求項19乃至請求項21のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 溶解装置(400)がローラークラッシャー(405)として構成されている、ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- ローラークラッシャー(405)が少なくとも1つのローラーセット(441,442)を備えており、このローラーセットは静止外部シェル(430)の内壁上で円周方向に転がる、ことを特徴とする請求項24に記載の濃縮遠心分離装置。
- ローラーセット(441,442)が少なくとも10個のローラーを備えている、ことを特徴とする請求項25に記載の濃縮遠心分離装置。
- 溶解装置(500)が通過ドラム(505)として構成されている、ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 通過ドラム(505)が多数の通過要素(561)を備えており、これら多数の通過要素(561)は静止外部ハウジング(530)の内壁に対して、調節可能な間隔(570)をあけて、静止外部ハウジング(530)の内部で回転する、ことを特徴とする請求項27に記載の濃縮遠心分離装置。
- 溶解装置(600)が切断装置(605)として構成されている、ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 切断装置(605)が、回転切断要素列(641)、静止切断要素列(641)、およびスラッジ出口(695)のダム(690)を備えており、ここにおいてはこれらの切断要素列(641)が互いにかみ合っているが互いに接触していない、ことを特徴とする請求項29に記載の濃縮遠心分離装置。
- 静止および回転切断要素列(641)の切断要素(661,662)の隙間(670),高さおよび周方向位置は調節可能である、ことを特徴とする請求項30に記載の濃縮遠心分離装置。
- 切断要素(661,662)が約50〜100m/sの速度で回転する、ことを特徴とする請求項30乃至請求項31のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 切断要素(661,662)が約80m/s、の速度で回転する、ことを特徴とする請求項30乃至請求項31のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 切断要素列(641)が複数のナイフ(661,662)を備えており、ここにおいては隣接して配置された切断要素列(641)中の複数のナイフがずらして配置されており、その結果として、複数のナイフ(661,662)が途切れている区域では隣接した切断要素列(641)は途切れない、ことを特徴とする請求項30乃至請求項33のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 切断要素列の端部(663)が切断装置(605)の回転方向に対して迎え角を示す、ことを特徴とする請求項30乃至請求項34のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- ダム(690)の高さがスラッジ出口(695)において調節可能である、ことを特徴とする請求項30乃至請求項35のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 溶解装置(700)がピン磨砕装置(705)として構成されている、ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- ピン磨砕装置(705)が回転ピン列(741),静止ピン列(741),およびスラッジ出口(795)のダム(790)を備えており、回転および静止ピン列(741)は互いにかみ合っているが互いに接触しない、ことを特徴とする請求項37に記載の濃縮遠心分離装置。
- 静止ピンと回転ピン(761,762)との間の隙間(770)が調節可能である、ことを特徴とする請求項38に記載の濃縮遠心分離装置。
- 回転ピン列(741)が約50〜100m/sの速度で回転する、ことを特徴とする請求項38乃至請求項39のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 回転ピン列(741)が約80m/s、の速度で回転する、ことを特徴とする請求項37乃至請求項39のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 静止ピンと回転ピン(761,762)は、隣接して配置されたピン列(741)がずらされた結果としてピン列(741)中でピンが存在しない区域では隣接するピン列(741)のピンが存在する、よう配置されている、ことを特徴とする請求項38乃至請求項41のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 静止ピンと回転ピン(761,762)が回転軸に対してある角度を示す,ことを特徴とする請求項38乃至請求項42のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- ダム(790)の高さがスラッジ出口(795)において調節可能である、ことを特徴とする請求項38乃至請求項43のいずれか1項に記載の濃縮遠心分離装置。
- 廃水浄化処理工場における腐敗スラッジの量の、あるいは場合によっては残留スラッジの量、を最小にする為のスラッジ最小化方法であって、
廃水を少なくとも1つの沈殿タンク(802)において沈殿させ、この沈殿した主スラッジ(811)を少なくとも1つの輸送装置によって少なくとも1つの嫌気性反応器(812)に送り、さらには沈殿加工処理された廃水を好気性活性化装置(803)へ送る工程と;
少なくとも1つの好気性活性化装置(803)において、上記沈殿加工処理された廃水を好気性転換する工程と;
好気性転換された廃水から余剰活性化スラッジ(807)を補助沈殿タンク(804)において沈殿及び分離させ、余剰活性化スラッジ(807)を少なくとも1つの濃縮遠心分離装置(4)において濃縮する工程と;
余剰活性化スラッジ(807)から濃縮された濃縮スラッジ(810)を少なくとも1つの嫌気性反応器(812)において嫌気性転換する工程と;
を含んでおり、
余剰活性化スラッジ(807)に当初含まれていた微生物の細胞の量の約0.5〜50%の量が、嫌気性反応器(812)の以前における濃縮遠心分離装置(4)での濃縮の間において溶解される、ことを特徴とするスラッジ最少化方法。 - 嫌気性反応器(812)がメタンを含む可燃性ガスを生成する、ことを特徴とする請求項45に記載のスラッジ最少化方法。
- この方法において生じた可燃性ガスが電気の生産のために使用され、生産された電気は廃水浄化処理工場を動かすために用いられる、ことを特徴とする請求項46に記載のスラッジ最少化方法。
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