JP4145049B2 - 有機性固形物の処理装置及びその処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機性固形物、例えば、下水処理場、屎尿処理場から生じる汚泥あるいは食品工場、化学工場などから排出される有機性固形物を、好熱菌を用い生物学的反応を利用して処理する装置及びその処理方法に関し、特に、発電に伴う排熱を有効に利用して全体の熱効率を上げる、いわゆるコジェネレーションを利用した有機性固形物の処理装置及びその処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来より、この種の有機性廃水の一般的な処理方法として、まず、好気性消化法、嫌気性メタン発酵法などの好気性または嫌気性の微生物分解により有機性廃水中の有機成分を生物学的に消化して、有機物を炭酸ガス、メタンガスなどのガス成分にまで分解し、次いでかかる生物学的消化により生じた微生物バイオマス（微生物菌体が主体）及び未処理の残存汚泥を含んだ処理液を沈殿槽などで固液分離して上澄としての処理水と濃縮液（汚泥）を得、その汚泥は適宜の方法で処理されている。たとえば、図４に示すように、生物処理槽４１に導入された下水などの有機性廃水が、生物処理槽４１において好気性条件にて、微生物による酸化分解反応である生物酸化によって、二酸化炭素もしくは水などの無機物に分解され、生物処理槽４１にて処理された廃水は、沈殿槽４２にて処理水Ｃと汚泥Ｄに固液分離され、汚泥Ｄの一部は微生物源として生物処理槽４１に返送されるとともに、残りの汚泥は余剰汚泥Ｅとして処理されているのが一般的である。
【０００３】
ところが、この場合、沈殿槽４２で固液分離した有機性汚泥を含む沈殿固形物濃縮液（汚泥）は、濃縮、消化、脱水、コンポスト化、焼却といった行程を経て処理されるため、このような処理に費用と手間がかかり好ましくなかった。
【０００４】
このため、できるだけ汚泥のでない処理方法として、例えば、特開平９−２７６８８７号公報には、「活性汚泥処理槽と、活性汚泥処理後の汚泥を固液分離するための固液分離装置と分離汚泥の一部を活性汚泥処理槽へ返送する汚泥返送手段と、残りの汚泥を４０〜１００℃に加温するための加温装置と、加温した汚泥を活性汚泥処理槽に返送するための汚泥返送手段とを有する装置を用いて有機性汚水を処理する方法」が記載されている。この公報に記載されたように、加温装置で汚泥の可溶化を行うことにより余剰汚泥の減容化を行うことは可能であるが、そのためには汚泥を加熱するための熱源が必要である。そのための熱源として、従来は蒸気が一般に利用されていたので、汚泥の加温のためだけに特別に蒸気発生装置が必要であり、装置の運転コストの上昇を招いていた。
【０００５】
そこで、エネルギーの有効利用を図る観点から、可溶化のための熱源として膨大な発電排熱を利用することが考えられる。例えば、特開平８−２４８９９号公報には、コジェネレーションシステムを利用した有機性廃棄物処理設備が提案されている。同公報に記載された発明は、食品工場や下水処理施設などで発生する有機性廃棄物を消化処理して生成されるメタンガスの有効利用を図るとともに、処理設備全体の熱効率を向上させ得る有機性廃棄物処理設備を提供することを目的としている。同公報に記載された有機性廃棄物処理設備の概略構成を図５に基づいて説明する。図５において、４３は有機性廃棄物の受入槽、４４はその濃縮槽である。濃縮槽４４で濃縮された有機性廃棄物は、消化槽４５の消化処理によって減量化されるとともにメタンガスを生成させ、このメタンガスをガスエンジン４６において燃焼して電気を作り出してこの電気を他設備に供給し、ガスエンジン４６から排出された排ガスの廃熱を廃熱ボイラ４７で回収して蒸気を発生し、この蒸気は消化槽４５から排出される残留物４８の乾燥などに利用されている。また、この設備は蓄熱槽４９を有し、熱交換器５０から排出された温水を経路５１を経て蓄熱槽４９の下部に導入し、蓄熱槽４９の上部から経路５２を経て温水を取り出す構成が記載されている。
【０００６】
ところで、コジェネレーションによる発電排熱をそのまま利用する場合の問題として、発電需要の変動による負荷変動を避けられないという欠点がある。極端な場合、夜間になれば発電需要が殆どゼロになり、有効な熱源も得られなくなる。図６に典型的な電力需要の変動を示すが、時刻０：００〜７：００頃の間と１８：３０〜２４：００頃の間では、ほぼ電力需要はゼロである。しかし、好熱菌により有機性固形物の可溶化を行う場合、好熱菌の活性を確保するためには、常に高温の温度範囲（例えば、５０〜９０℃）を保持するために一定量以上の熱が必要であり、全く熱が供給されないような状況下では、温度が低下して好熱菌の活性が低下し、最悪の場合は好熱菌が死滅することもある。この結果、有機性固形物の可溶化が安定して行えなくなる。このようなことを避けるためには負荷変動の平準化を図る必要がある。そこで、蓄熱槽のような蓄熱機器にコジェネレーションによる発電排熱を利用して得た熱源を蓄え、必要に応じて蓄えた熱を取り出すことが考えられるが、上記公報に記載された蓄熱槽４９は、槽下部に温水を導入して上部から排出する構造であるため、上下の温度差による自然対流が形成され、蓄熱槽内の温水の温度分布がほぼ均一化され、安定して十分に高い温度の熱水が得られないという欠点がある。蓄熱槽内の温水の温度分布の均一化を避けるために蓄熱槽内の構造を複雑化したり、あるいは蓄熱槽を高温槽と低温槽に分割する方法は設備コストの上昇を招くので避ける必要がある。
【０００７】
さらに、上記公報に記載された有機性廃棄物処理設備のコジェネレーションシステムでは、運転によって蓄熱槽周囲のラインの流れを変える必要があり、弁の切替等、運転方法のみならず、装置も複雑になっていた。
【０００８】
本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、負荷変動の影響を極力低減し、エネルギーの有効利用を図り、エクセルギーロスが少なく、比較的簡単な構成の熱源供給手段を備えた有機性固形物の処理装置及びその処理方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、温水を蓄えた蓄熱槽を備え、発電に伴う排熱を利用して蓄熱槽内の温水を昇温して高温水を得、この高温水を可溶化処理装置の熱源として使用することにより、コジェネレーションによる熱源の負荷変動を極力平準化し、エネルギーの有効利用を図ることができる。この結果、好熱菌による有機性固形物の可溶化を、低コストで、効率的に且つ安定して行うことが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、有機性固形物を好熱菌により可溶化するための可溶化処理装置を有する有機性固形物の処理装置において、温水を蓄えた蓄熱槽を備え、発電に伴う排熱を利用して上記蓄熱槽内の温水を昇温して高温水を得、この高温水を可溶化処理装置の熱源として使用することを特徴とする有機性固形物の処理装置をその要旨とする。
【００１１】
可溶化処理装置では、好熱菌（例えば、好気性好熱菌であるバチルス・ステアロサーモフィラス等の菌体を添加してもよい）によって汚泥等の有機性固形物の分解が行われるが、酵素分解（例えば、プロテアーゼ、リパーゼ、グリコシターゼなどを単独または組み合わせて添加したもの）などの種々の方法と組み合わせて実施してもよい。
【００１２】
可溶化処理装置における可溶化条件としては、好熱菌が分泌する汚泥可溶化酵素と熱による可溶化を促進するために、例えば、以下のような条件を採用することができる。
（１）温度：５０〜９０℃、好ましくは５５〜７５℃、より好ましくは６０〜７０℃
（２）汚泥濃度：１０００mg／リットル以上、好ましくは３０００mg／リットル以上、より好ましくは５０００〜２５０００mg／リットル
（３）ｐＨ：６〜９好ましくは７〜８．５より好ましくは７〜８
（４）環境：好気条件または微好気条件
（５）滞留時間：可溶化率と汚泥の分解程度に基づく水力学的滞留時間（ＨＲＴともいう）に基づいて決定する。ＨＲＴは、流入液量と反応槽の有効容積に基づいて求められるもので、次の関係式で表される。
【００１３】
ＨＲＴ＝反応槽容積（リッター）／単位時間当たりの流入液量（リッター/hr）
本発明によれば、可溶化処理装置において好熱菌により有機性固形物の可溶化が行われるので、可溶化による有機性固形物の減量とともに好熱菌により溶解性有機物が分解されて無機化されるので、可溶化処理液のＢＯＤを低くすることができる。この結果、可溶化処理液が生物処理装置等により処理される場合は、生物処理装置への負荷が低減され、処理水質が向上する。
【００１４】
可溶化処理装置でのＨＲＴが短いと、有機性固形物の十分な可溶化が行われないので、ＨＲＴは３時間以上が好ましい。また、ＨＲＴが短いと、有機物が十分に分解されず（無機化されず）、生物処理装置等へ供給される処理液のＢＯＤを低くできないので好ましくない。一方、可溶化処理装置でのＨＲＴが長いと、好熱菌の生育を阻害する物質が蓄積するのと、可溶化処理装置の容積も大きくする必要が生じるので好ましくない。この点で、可溶化処理装置での可溶化のための水力学的滞留時間は、３時間以上とするのが好ましく、有機物の無機化の観点から、１日〜８日とすることがより好ましい。
【００１５】
可溶化処理装置内の可溶化処理液のｐＨは、好熱菌の生育に適した６〜９の範囲にするのが好ましく、また、汚泥可溶化酵素の分泌並びに活性に適した７〜８．５の範囲にするのがより好ましく、７〜８の範囲にするのがさらに好ましい。
【００１６】
可溶化処理装置内の可溶化処理液の温度は、好熱菌の生育に適した５５〜７５℃に制御するのが好ましい。この場合、可溶化温度が低いと、好熱菌の活性が不十分となり、十分に高い可溶化率を得ることができないことがある。一方、可溶化温度が高すぎると、熱による物理化学的な熱分解が進行しても、好熱菌の活性が低下するので、高い可溶化率を得ることができず、場合によっては、好熱菌なしの場合より低い可溶化率になることもある。そこで、６０〜７０℃で好熱菌による微生物処理で汚泥を可溶化することにより、極めて高い可溶化率を得ることができる。
【００１７】
有機性固形物の固形物濃度が１〜１０％（含水率９０〜９９％）、好ましくは２〜４％（含水率９６〜９８）のものを可溶化槽に投入するのが好ましい。有機性固形物を上記濃度に濃縮することで、好熱菌の生育に好適な栄養条件が得られるので、可溶化処理が効率的に行われ、可溶化処理装置の小型化が可能になるからである。
【００１８】
蓄熱槽内の温水を昇温して可溶化槽温度より高い温度の高温水を得るために、発電に伴う排熱によって発生させた蒸気または熱水（例えば、９０〜１００℃）を蓄熱槽内上部の温水に直接通入することによって蓄熱槽内上部に高温水部分を得る方法であれば、蓄熱槽内上部が最も温度が高いので、槽内下部から上部への温水の自然対流が生じにくく、蓄熱槽内上部には高温部が形成され、蓄熱槽内下部には低温部が形成されるという明確な温度成層が蓄熱槽内に得られるので、可溶化槽を加温するのに十分に温度の高い温水を蓄熱槽に蓄えることができる。
【００１９】
また、可溶化処理装置に有機性固形物を供給する経路に熱交換器を設け、この熱交換器において蓄熱槽内上部から取り出した高温水と有機性固形物の熱交換を行い、昇温後の有機性固形物を可溶化処理装置に供給し、降温後の低温水を蓄熱槽下部に返送する方法であれば、高温用と低温用の複数の蓄熱槽を設けることなく、１台の蓄熱槽で高温部と低温部の蓄熱が可能である。
【００２０】
さらに、蓄熱槽内上部から取り出した高温水を直接可溶化処理装置に通入し、可溶化処理装置内の可溶化された処理液を蓄熱槽下部に返送する方法であれば、熱交換のための熱交換器が不要で、蓄熱槽の一部を可溶化処理装置としても機能させうるので、可溶化処理装置の容積を小さくすることが可能である。
【００２１】
そして、蓄熱槽下部と蓄熱槽頂部とを連絡する連絡管を設け、この連絡管の途中に排水管を接続する方法であれば、蓄熱槽内の水位を一定に保ち、低温水のみを適宜排出することが可能である。
【００２２】
また、有機性廃水を生物処理するための生物処理装置を有し、生物処理装置で発生した有機性固形物を可溶化処理装置に供給することもできる。生物処理装置における処理は好気性処理でも、嫌気性処理でもよく、これらを組み合わせたものでもよい。さらに、硝化脱窒処理でも、脱リン処理でもよく、種々の生物処理が適用可能である。
【００２３】
さらに、生物処理装置で処理された処理液を固液分離装置で処理水と汚泥に分離し、該汚泥の一部を生物処理装置に返送するとともに、残りの汚泥を可溶化処理装置で好熱菌により可溶化した後に、この可溶化処理液を生物処理装置に返送することもできる。固液分離装置とは、例えば、沈殿装置、浮上分離装置、遠心分離装置、膜分離装置のごときものをいう。
【００２４】
また、可溶化処理装置における処理汚泥量を低減するために、固液分離装置から可溶化処理装置に至る経路に濃縮装置を設けることもできる。
【００２５】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の有機性固形物の処理装置の一実施例の概略構成図である。
【００２６】
図１に示すように、有機物を含有する原廃水Ａが経路１を経て生物処理槽２に導入され、生物処理槽２にて有機性廃水である原廃水が好気性生物処理される。３は加圧空気を吐出する散気管、４はブロワである。なお、好気性生物処理とは、生物酸化によって有機物が二酸化炭素もしくは水などの無機物に分解されることをいい、用いられる好気性微生物は、下水浄化のための活性汚泥法において用いられるグラム陰性またはグラム陽性桿菌、例えば、シュードモナス属およびバチルス属であり、これらの接種菌体は、通常の下水浄化処理プラントから得られるものである。この場合、生物処理槽２の温度は、１０〜５０℃、通常は、２０〜３０℃の温度範囲となるように操作するが、より効率よく処理するには、高温の方が好ましく、例えば、下水余剰汚泥から分離した中温菌を用いる場合には、３５〜４５℃の温度範囲で操作するようにする。いずれにしても、微生物による酸化分解反応が効率よく十分に生じうるように、上記温度範囲の中から最適な温度条件を選択して操作するようにする。なお、この場合、生物処理槽２としては、バッチ式または連続式のいずれでも使用可能である。
【００２７】
ここで、生物処理槽２として、好気性生物処理あるいは嫌気性生物処理のいずれの方式のものも適用できる。上記実施例のような好気性生物処理に用いられる曝気処理装置は、曝気手段を具備するものであれば、上記実施例のような散気方式の他に機械曝気方式でもよい。曝気処理は、好気性消化分解が許容されるよう、好ましくは、０．１〜０．５ｖｖｍ（ｖｖｍ＝曝気量／曝気槽容量／min.）の通気量で室温下にて実施されるが、負荷によっては、これを上回る通気量で、より高温にて処理してもよい。被処理液は、好ましくは、５．０〜８．０のｐＨに調整されるとよい。また、曝気処理装置には、好気的消化分解を促進するために、酵母等の微生物や、フロック形成を促進するための硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、塩化第二鉄、硫酸第一鉄などの凝集剤を添加してもよい。好気性生物処理には、曝気処理装置以外の好気的処理の可能な装置を使用することもできる。また、嫌気性生物処理に用いられる装置としては、槽内の液を循環することにより攪拌する方法、生成ガスを循環曝気することにより攪拌する方法、攪拌翼などの攪拌機を設置する方法、活性微生物固定手段を有する方法など、活性微生物と処理対象有機性廃液とを効率的に接触させる手段を具備したものであれば、使用可能である。発電で得た電力を、好気性生物処理に用いられる曝気手段の空気圧送用電力または嫌気性生物処理に用いられる撹拌手段の駆動用電力として用いることで、電力需要と同一の場所で発電し、しかも発電排熱を可溶化処理のための熱源としてエネルギーの有効利用を図ることができる。
【００２８】
ついで、このように生物処理槽２で処理された処理水Ｂは、増殖した生物（汚泥）とともに経路５を経て固液分離装置としての沈殿槽６に導入されて固液分離され、固液分離された上澄液Ｃは放流先の放出基準に従い、必要であれば、硝化脱窒もしくはオゾン処理などの三次処理を施し、河川放流または修景用水などとして利用される。
【００２９】
一方、沈殿槽６で分離された有機性固形物である汚泥Ｄの一部は、経路７を経て経路１に合流して原廃水Ａとともに生物処理槽２に導入されるようになっている。なお、経路７を経て送られる汚泥量は生物処理槽２での微生物の保持量により決定される。
【００３０】
さらに、沈殿槽６で分離された残りの汚泥Ｅは、経路８を経て可溶化槽９に導入される。可溶化槽９では、高温条件で好気的に好気性好熱菌により有機性固形物の可溶化が行われる。この場合、高温条件にて用いられる好気性微生物の接種菌体（好熱菌）は、例えば、従来の好気性消化槽から微生物を培養することによって得られるものである。また、可溶化槽９の最適温度は、好ましくは、５０〜９０℃の温度範囲となるような条件で操作するが、その高温処理対象である汚泥Ｅに含まれる有機性固形物を分解する好熱菌の種類によって異なるものであり、例えば、下水余剰汚泥から分離した好熱菌の場合には、微生物（好熱菌）の分泌する酵素による可溶化反応と熱による物理化学的な熱分解の両作用が同時に効率よく十分に生じうるように、高温条件における温度を５５〜７５℃の温度範囲、酵素活性の点から最も好ましくは６０〜７０℃で操作するようにする。いずれにしても、微生物（好熱菌）の分泌する酵素による可溶化反応と熱による物理化学的な熱分解の両作用が同時に効率よく十分に生じうるように、微生物の種類に応じて、５０〜９０℃の温度範囲となるように設定すればよい。なお、好気性好熱菌としては、例えば、バチルスステアロサーモファイラスＳＰＴ２−１〔FERM P-15395〕があげられ、６０〜７０℃で可溶化処理を行うのが好ましい。
【００３１】
また、可溶化槽９で好気的に微生物処理するための装置としては、従来の散気管を具備してなるものであれば、使用可能である。この場合、可溶化槽としては、バッチ式、または連続式のいずれでも使用可能である。
【００３２】
このように、可溶化槽９で可溶化された処理液Ｆは、経路１０を経て経路１に合流して原廃水Ａとともに生物処理槽２に導入されて生物処理が行われる。
【００３３】
経路８と経路１０との間にわたり熱回収のための再生器（熱交換器）１１が設置されている。
【００３４】
１２はガスエンジンまたはガスタービンエンジンであり、エンジン１２で発電器１３を駆動して電気を作り、この電気はブロワ４の駆動用電力および他の装置の電力源として利用されている。エンジン１２から排出された高温の排ガス１４と低温水１５を熱交換器１６で熱交換して蒸気または熱水を得、この蒸気または熱水１７を蓄熱槽１８内上部の温水に直接通入する。その結果、蓄熱槽１８の上部には可溶化槽内温度より高い温度の高温水の部分１９が形成され、蓄熱槽１８の下部には低温水の部分２０が形成されるという明確な温度成層が得られる。なお、高温の排ガス１４に代えてエンジン１２を冷却した後の温度の高い冷却水を用いてもよい。
【００３５】
蓄熱槽１８内上部の高温水は経路２１を経て連続的あるいは間欠的に引き抜かれ、熱交換器２２において経路８を経て送られてくる汚泥と熱交換が行われ、汚泥の加熱が行われる。加熱後の汚泥は可溶化槽９に送られ、高温条件で好気的に汚泥の可溶化が行われる。熱交換器２２で熱交換後の低温水は経路２３を経て蓄熱槽１８の下部に返送される。以後、経路２１を経て引き抜かれる高温水の熱量に対して蓄熱槽１８に供給される蒸気または熱水１７の量が多い場合は、蓄熱槽１８内の高温水の部分１９が広がり、逆に、経路２１を経て引き抜かれる高温水の熱量に対して蓄熱槽１８に供給される蒸気または熱水１７の量が少ない場合は、蓄熱槽１８内の高温水の部分１９が狭くなる。いずれの場合でも、蓄熱槽内上部には高温部１９が形成され、蓄熱槽内下部には低温部２０が形成されるという状態が維持される。
【００３６】
蓄熱槽１８は、単なるタンクであるから、製造コストが比較的安価で、複雑な制御は不要である。エンジン１２の起動時および停止時にも特別な操作をしなくても、ただ蓄熱槽１８を公知の保温手段（例えば、断熱材による蓄熱槽の被覆）で保温するだけで、上部の高温部と下部の低温部という２層併存状態を維持することができる。さらに、経路２１と２３を経て流通する水は閉鎖システムで循環しているので、経路２３の低温水を熱交換器１６に供給される低温水として利用することもできる。２４はポンプである。
【００３７】
図２は、熱交換器２２がなく、蓄熱槽１８内の上部高温水を経路２５を経て直接可溶化槽９に通入し、可溶化槽９内の可溶化された処理液を経路２６を経て蓄熱槽１８の下部に戻す点が図１と異なり、他の構成は図１と同じである。このように、可溶化槽９内の可溶化された処理液を経路２６を経て蓄熱槽１８の下部に戻すことで、蓄熱槽１８の一部を可溶化処理装置としても機能させることができるので、可溶化槽９の容量を小さくすることが可能である。蓄熱槽１８下部の可溶化された処理液は、経路２７を経て経路１に合流して原廃水Ａととも生物処理槽２に導入されて生物処理が行われる。
【００３８】
図３は、蓄熱槽１８の下部と頂部とを連絡する連絡管２８を設け、この連絡管２８の途中に排水管２９を接続した構成を示す。この場合、経路３０を経て排出される高温水の量と経路３１を経て返送される低温水の量が等しくて水面３２の高さが排水管２９の高さに一致すると、蓄熱槽１８と排水管２９との間で水の移動は行われない。図３の構成は図１及び図２の両実施例に適用可能である。なお、図２に適用した場合には、排水管２９から排出される液は有機物を含んでいるので、生物処理槽２に供給されるようにするのが好ましい。
【００３９】
また、経路３０を経て排出される高温水の量が経路３１を経て返送される低温水の量より多い場合、水面３２の高さが排水管２９の高さより低くなるので、蓄熱槽１８と排水管２９との間で水の移動は行われず、蓄熱槽１８内に通入される蒸気または熱水１７により高温水の量が増加し、蓄熱槽内水位が図３に示す位置に復旧するまで蓄熱槽１８内の低温水は排水管２９を経て排出されることはない。
【００４０】
しかし、経路３０を経て排出される高温水の量が経路３１を経て返送される低温水の量より少ない場合、水面３２の高さが排水管２９の高さより高くなるので、排水管２９を経て蓄熱槽１８内の低温水が排出され、蓄熱槽１８内の水面３２の高さを低くするような動作が行われる。
【００４１】
このように、排出されるのは低温水の部分２０の低温水だけで、高温水１９が直接排出されることはなく、蓄熱槽１８内に常に高温水を保持することができる。
【００４２】
次に、スラリー（懸濁固形物、汚泥）の供給量、スラリー中の固形物の可溶化量およびエンジンの出力と効率、ならびに熱交換器の交換熱量、蓄熱槽の仕様についての試算例を、図１を参照しながら説明する。
（１）本発明の場合
（前提条件）
ａ．可溶化槽９へのスラリー投入量 １５０トン/日(６２５０kg／hr×２４hr）
ｂ．スラリーの固形物濃度 ２％
ｃ．可溶化槽９への固形物投入量 ３トン／日（１５０トン／日×２％）
ｄ．スラリーの可溶化槽９における滞留時間 １日
ｅ．固形物可溶化量 １トン／日
ｆ．可溶化槽９における可溶化温度 ６５℃
ｇ．エンジン１２の稼働時間 ８時間／日
ｈ．エンジン１２の出力 １３０kW
（エンジン１２の発電効率３０％、コジェネレーションの総合熱効率８０％）
ｉ．経路８のスラリーの再生器１１の冷端温度と温端温度 ２０℃と５５℃
ｊ．経路１０のスラリーの再生器１１の冷端温度と温端温度 ２５℃と６０℃
ｋ．経路８のスラリーの熱交換器２２の冷端温度と温端温度 ５５℃と６５℃
ｍ．経路２３の低温水の温度 ６０℃
ｎ．経路２１の高温水の温度 ９５℃
（計算）
▲１▼ 蓄熱槽１８の大きさ
・ 熱交換器２２における交換熱量
（６５−５５）℃×６２５０kg/hr×１kcal/kg℃
＝０．０６２５×１０6kcal/hr
・ 蓄熱量 ０．０６２５×１０6kcal/hr×１６hr／日＝１.0×１０6kcal/日
・ 蓄熱槽の高温水と低温水の温度差＝９５℃−６０℃＝３５℃
・ 蓄熱槽の最小容積
１.0×１０6kcal/日×１日／（３５℃×１kcal/kg℃）≒２８６００kg
スラリーの密度を１０3kg/ｍ3とすれば、蓄熱槽の最小容積は２８．６ｍ3 となる。
▲２▼ 熱交換器２２の対数平均温度差
〔(９５−６５)−(６０−５５)〕／ｌｎ〔(９５−６５)／(６０−５５)〕
＝１４．０℃
（２）蓄熱槽内の水温の分布が均一である比較例
前提条件の中でａ〜ｍは上記本発明と同じであるとする。蓄熱槽内の水温の分布が均一であるとしても、蓄熱槽内の水温は時間とともに変化するので、熱交換器２２出口の低温水の温度は６０℃になるように制御し、蓄熱槽ではエンジンの稼働中は水温は９５℃まで上昇し、エンジンの停止中は水温は７５℃まで低下すると仮定する。
（計算）
▲１▼ 蓄熱槽１８の大きさ
・ 熱交換器２２における交換熱量は、本発明の場合と同じで、０．０６２５×
１０6kcal/hrである。
・ 蓄熱量は、本発明の場合と同じで、１０6kcal/日である。
・ 蓄熱槽の温度
蓄熱槽の平均水温は、（９５＋７５）℃／２＝８５℃
蓄熱槽内の水の平均温度差は、８５−７５＝１０℃
・ 蓄熱槽の最小容積
１０6kcal/日×１日／（１０℃×１kcal/kg℃）＝１０００００kg
スラリーの密度を１０3kg/ｍ3とすれば、蓄熱槽の最小容積は１００ｍ3となる。
▲２▼ 熱交換器２２の対数平均温度差
熱交換器２２では、温度が最も低いとき（７５℃）でも熱交換できなければならない。従って、対数平均温度差は、
〔(７５−６５)−(６０−５５)〕／ｌｎ〔(７５−６５)／(６０−５５)〕
＝７．２℃
（３）試算例の検討
以下の表１に、試算結果に基づく蓄熱槽と熱交換器の諸元の比較を示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
本発明のように蓄熱槽内に明確な温度成層が得られるように不均一な温度分布を形成すれば、温度分布が均一である蓄熱槽より容積の非常に小さい蓄熱槽を使用することが可能である。
【００４５】
また、熱交換器の伝熱面積は、（交換熱量）／（対数平均温度差×熱伝達率）で求められるので、熱伝達率を一定であると仮定すれば、熱交換器の伝熱面積は、対数平均温度差に逆比例するので、本発明によれば、熱交換器をも小さくすることが可能である。
【００４６】
このように、本発明によれば、蓄熱槽および熱交換器ともに大幅にコンパクト化することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明は上記のとおり構成されているので、次の効果を奏する。
【００４８】
請求項１記載の発明によれば、負荷変動の影響を極力低減し、エネルギーの有効利用を図り、エクセルギーロスが少なく、比較的簡単な構成の熱源供給手段を備えた有機性固形物の処理装置を提供することができる。この結果、好熱菌による有機性固形物の可溶化を、低コストで行うことが可能となる。
【００４９】
また、蓄熱槽内上部には高温部が形成され、蓄熱槽内下部には低温部が形成されるという明確な温度成層が蓄熱槽内に得られるので、十分に温度の高い温水を蓄熱槽に蓄えることができる。この結果、安定して可溶化槽に熱を供給することができ、好熱菌による有機性固形物の可溶化も安定する。しかも、直接に熱水または蒸気を投入するために、蓄熱槽内に伝熱管等の装置が不要となり、蓄熱槽を小さくすることが可能であるから、低コストの設備となる。且つ、伝熱管が不要となるために、通常必要な伝熱面の清掃等のメンテナンス作業が不要となる。
【００５０】
請求項２記載の発明によれば、高温用と低温用の複数の蓄熱槽を設けることなく、１台の蓄熱槽で高温部と低温部の蓄熱が可能である。この結果、さらに低コストの装置が可能となる。
【００５１】
請求項３記載の発明によれば、熱交換のための熱交換器が不要で、蓄熱槽の一部を可溶化処理装置としても機能させうるので、可溶化処理装置の容積を小さくすることが可能である。また、熱交換器をなくしたために、これに係る保守作業が不要となる。
【００５２】
請求項４記載の発明によれば、蓄熱槽内の水位を一定に保ち、蓄熱槽内に常に高温水を保持することができる。
【００５３】
請求項５記載の発明によれば、処理水質が向上するという効果がある。
【００５４】
請求項６記載の発明によれば、効率的で低コストの有機性固形物の処理方法を提供することができる。
【００５５】
請求項６〜９記載の発明によれば、安定して供給される高温水により、好熱菌による有機性固形物の可溶化も安定して行われるという効果がある。
【００５６】
請求項１０記載の発明によれば、処理水質が向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有機性廃水処理装置の一実施例の概略構成図である。
【図２】本発明の有機性廃水処理装置の別の実施例の概略構成図である。
【図３】本発明の有機性廃水処理装置の蓄熱槽と、その蓄熱槽の下部と頂部を連絡する連絡管と、連絡管に接続した排水管とを拡大して示す概略構成図である。
【図４】従来の有機性廃水処理装置の概略構成図である。
【図５】従来の別の有機性廃水処理装置の概略構成図である。
【図６】電力需要の変動を示す図である。
【符号の説明】
１、５、７、８、１０、２１、２３、２５、２６、２７、３０、３１…経路
２…生物処理槽
３…散気管
４…ブロワ
６…沈殿槽
９…可溶化槽
１１…再生器
１２…エンジン
１３…発電器
１４…高温の排ガス
１５…低温水
１６、２２…熱交換器
１７…蒸気または熱水
１８…蓄熱槽
１９…高温水の部分
２０…低温水の部分
２４…ポンプ
２８…連絡管
２９…排水管
３２…水面
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機性固形物、例えば、下水処理場、屎尿処理場から生じる汚泥あるいは食品工場、化学工場などから排出される有機性固形物を、好熱菌を用い生物学的反応を利用して処理する装置及びその処理方法に関し、特に、発電に伴う排熱を有効に利用して全体の熱効率を上げる、いわゆるコジェネレーションを利用した有機性固形物の処理装置及びその処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来より、この種の有機性廃水の一般的な処理方法として、まず、好気性消化法、嫌気性メタン発酵法などの好気性または嫌気性の微生物分解により有機性廃水中の有機成分を生物学的に消化して、有機物を炭酸ガス、メタンガスなどのガス成分にまで分解し、次いでかかる生物学的消化により生じた微生物バイオマス（微生物菌体が主体）及び未処理の残存汚泥を含んだ処理液を沈殿槽などで固液分離して上澄としての処理水と濃縮液（汚泥）を得、その汚泥は適宜の方法で処理されている。たとえば、図４に示すように、生物処理槽４１に導入された下水などの有機性廃水が、生物処理槽４１において好気性条件にて、微生物による酸化分解反応である生物酸化によって、二酸化炭素もしくは水などの無機物に分解され、生物処理槽４１にて処理された廃水は、沈殿槽４２にて処理水Ｃと汚泥Ｄに固液分離され、汚泥Ｄの一部は微生物源として生物処理槽４１に返送されるとともに、残りの汚泥は余剰汚泥Ｅとして処理されているのが一般的である。
【０００３】
ところが、この場合、沈殿槽４２で固液分離した有機性汚泥を含む沈殿固形物濃縮液（汚泥）は、濃縮、消化、脱水、コンポスト化、焼却といった行程を経て処理されるため、このような処理に費用と手間がかかり好ましくなかった。
【０００４】
このため、できるだけ汚泥のでない処理方法として、例えば、特開平９−２７６８８７号公報には、「活性汚泥処理槽と、活性汚泥処理後の汚泥を固液分離するための固液分離装置と分離汚泥の一部を活性汚泥処理槽へ返送する汚泥返送手段と、残りの汚泥を４０〜１００℃に加温するための加温装置と、加温した汚泥を活性汚泥処理槽に返送するための汚泥返送手段とを有する装置を用いて有機性汚水を処理する方法」が記載されている。この公報に記載されたように、加温装置で汚泥の可溶化を行うことにより余剰汚泥の減容化を行うことは可能であるが、そのためには汚泥を加熱するための熱源が必要である。そのための熱源として、従来は蒸気が一般に利用されていたので、汚泥の加温のためだけに特別に蒸気発生装置が必要であり、装置の運転コストの上昇を招いていた。
【０００５】
そこで、エネルギーの有効利用を図る観点から、可溶化のための熱源として膨大な発電排熱を利用することが考えられる。例えば、特開平８−２４８９９号公報には、コジェネレーションシステムを利用した有機性廃棄物処理設備が提案されている。同公報に記載された発明は、食品工場や下水処理施設などで発生する有機性廃棄物を消化処理して生成されるメタンガスの有効利用を図るとともに、処理設備全体の熱効率を向上させ得る有機性廃棄物処理設備を提供することを目的としている。同公報に記載された有機性廃棄物処理設備の概略構成を図５に基づいて説明する。図５において、４３は有機性廃棄物の受入槽、４４はその濃縮槽である。濃縮槽４４で濃縮された有機性廃棄物は、消化槽４５の消化処理によって減量化されるとともにメタンガスを生成させ、このメタンガスをガスエンジン４６において燃焼して電気を作り出してこの電気を他設備に供給し、ガスエンジン４６から排出された排ガスの廃熱を廃熱ボイラ４７で回収して蒸気を発生し、この蒸気は消化槽４５から排出される残留物４８の乾燥などに利用されている。また、この設備は蓄熱槽４９を有し、熱交換器５０から排出された温水を経路５１を経て蓄熱槽４９の下部に導入し、蓄熱槽４９の上部から経路５２を経て温水を取り出す構成が記載されている。
【０００６】
ところで、コジェネレーションによる発電排熱をそのまま利用する場合の問題として、発電需要の変動による負荷変動を避けられないという欠点がある。極端な場合、夜間になれば発電需要が殆どゼロになり、有効な熱源も得られなくなる。図６に典型的な電力需要の変動を示すが、時刻０：００〜７：００頃の間と１８：３０〜２４：００頃の間では、ほぼ電力需要はゼロである。しかし、好熱菌により有機性固形物の可溶化を行う場合、好熱菌の活性を確保するためには、常に高温の温度範囲（例えば、５０〜９０℃）を保持するために一定量以上の熱が必要であり、全く熱が供給されないような状況下では、温度が低下して好熱菌の活性が低下し、最悪の場合は好熱菌が死滅することもある。この結果、有機性固形物の可溶化が安定して行えなくなる。このようなことを避けるためには負荷変動の平準化を図る必要がある。そこで、蓄熱槽のような蓄熱機器にコジェネレーションによる発電排熱を利用して得た熱源を蓄え、必要に応じて蓄えた熱を取り出すことが考えられるが、上記公報に記載された蓄熱槽４９は、槽下部に温水を導入して上部から排出する構造であるため、上下の温度差による自然対流が形成され、蓄熱槽内の温水の温度分布がほぼ均一化され、安定して十分に高い温度の熱水が得られないという欠点がある。蓄熱槽内の温水の温度分布の均一化を避けるために蓄熱槽内の構造を複雑化したり、あるいは蓄熱槽を高温槽と低温槽に分割する方法は設備コストの上昇を招くので避ける必要がある。
【０００７】
さらに、上記公報に記載された有機性廃棄物処理設備のコジェネレーションシステムでは、運転によって蓄熱槽周囲のラインの流れを変える必要があり、弁の切替等、運転方法のみならず、装置も複雑になっていた。
【０００８】
本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、負荷変動の影響を極力低減し、エネルギーの有効利用を図り、エクセルギーロスが少なく、比較的簡単な構成の熱源供給手段を備えた有機性固形物の処理装置及びその処理方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、温水を蓄えた蓄熱槽を備え、発電に伴う排熱を利用して蓄熱槽内の温水を昇温して高温水を得、この高温水を可溶化処理装置の熱源として使用することにより、コジェネレーションによる熱源の負荷変動を極力平準化し、エネルギーの有効利用を図ることができる。この結果、好熱菌による有機性固形物の可溶化を、低コストで、効率的に且つ安定して行うことが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、有機性固形物を好熱菌により可溶化するための可溶化処理装置を有する有機性固形物の処理装置において、温水を蓄えた蓄熱槽を備え、発電に伴う排熱を利用して上記蓄熱槽内の温水を昇温して高温水を得、この高温水を可溶化処理装置の熱源として使用することを特徴とする有機性固形物の処理装置をその要旨とする。
【００１１】
可溶化処理装置では、好熱菌（例えば、好気性好熱菌であるバチルス・ステアロサーモフィラス等の菌体を添加してもよい）によって汚泥等の有機性固形物の分解が行われるが、酵素分解（例えば、プロテアーゼ、リパーゼ、グリコシターゼなどを単独または組み合わせて添加したもの）などの種々の方法と組み合わせて実施してもよい。
【００１２】
可溶化処理装置における可溶化条件としては、好熱菌が分泌する汚泥可溶化酵素と熱による可溶化を促進するために、例えば、以下のような条件を採用することができる。
（１）温度：５０〜９０℃、好ましくは５５〜７５℃、より好ましくは６０〜７０℃
（２）汚泥濃度：１０００mg／リットル以上、好ましくは３０００mg／リットル以上、より好ましくは５０００〜２５０００mg／リットル
（３）ｐＨ：６〜９好ましくは７〜８．５より好ましくは７〜８
（４）環境：好気条件または微好気条件
（５）滞留時間：可溶化率と汚泥の分解程度に基づく水力学的滞留時間（ＨＲＴともいう）に基づいて決定する。ＨＲＴは、流入液量と反応槽の有効容積に基づいて求められるもので、次の関係式で表される。
【００１３】
ＨＲＴ＝反応槽容積（リッター）／単位時間当たりの流入液量（リッター/hr）
本発明によれば、可溶化処理装置において好熱菌により有機性固形物の可溶化が行われるので、可溶化による有機性固形物の減量とともに好熱菌により溶解性有機物が分解されて無機化されるので、可溶化処理液のＢＯＤを低くすることができる。この結果、可溶化処理液が生物処理装置等により処理される場合は、生物処理装置への負荷が低減され、処理水質が向上する。
【００１４】
可溶化処理装置でのＨＲＴが短いと、有機性固形物の十分な可溶化が行われないので、ＨＲＴは３時間以上が好ましい。また、ＨＲＴが短いと、有機物が十分に分解されず（無機化されず）、生物処理装置等へ供給される処理液のＢＯＤを低くできないので好ましくない。一方、可溶化処理装置でのＨＲＴが長いと、好熱菌の生育を阻害する物質が蓄積するのと、可溶化処理装置の容積も大きくする必要が生じるので好ましくない。この点で、可溶化処理装置での可溶化のための水力学的滞留時間は、３時間以上とするのが好ましく、有機物の無機化の観点から、１日〜８日とすることがより好ましい。
【００１５】
可溶化処理装置内の可溶化処理液のｐＨは、好熱菌の生育に適した６〜９の範囲にするのが好ましく、また、汚泥可溶化酵素の分泌並びに活性に適した７〜８．５の範囲にするのがより好ましく、７〜８の範囲にするのがさらに好ましい。
【００１６】
可溶化処理装置内の可溶化処理液の温度は、好熱菌の生育に適した５５〜７５℃に制御するのが好ましい。この場合、可溶化温度が低いと、好熱菌の活性が不十分となり、十分に高い可溶化率を得ることができないことがある。一方、可溶化温度が高すぎると、熱による物理化学的な熱分解が進行しても、好熱菌の活性が低下するので、高い可溶化率を得ることができず、場合によっては、好熱菌なしの場合より低い可溶化率になることもある。そこで、６０〜７０℃で好熱菌による微生物処理で汚泥を可溶化することにより、極めて高い可溶化率を得ることができる。
【００１７】
有機性固形物の固形物濃度が１〜１０％（含水率９０〜９９％）、好ましくは２〜４％（含水率９６〜９８）のものを可溶化槽に投入するのが好ましい。有機性固形物を上記濃度に濃縮することで、好熱菌の生育に好適な栄養条件が得られるので、可溶化処理が効率的に行われ、可溶化処理装置の小型化が可能になるからである。
【００１８】
蓄熱槽内の温水を昇温して可溶化槽温度より高い温度の高温水を得るために、発電に伴う排熱によって発生させた蒸気または熱水（例えば、９０〜１００℃）を蓄熱槽内上部の温水に直接通入することによって蓄熱槽内上部に高温水部分を得る方法であれば、蓄熱槽内上部が最も温度が高いので、槽内下部から上部への温水の自然対流が生じにくく、蓄熱槽内上部には高温部が形成され、蓄熱槽内下部には低温部が形成されるという明確な温度成層が蓄熱槽内に得られるので、可溶化槽を加温するのに十分に温度の高い温水を蓄熱槽に蓄えることができる。
【００１９】
また、可溶化処理装置に有機性固形物を供給する経路に熱交換器を設け、この熱交換器において蓄熱槽内上部から取り出した高温水と有機性固形物の熱交換を行い、昇温後の有機性固形物を可溶化処理装置に供給し、降温後の低温水を蓄熱槽下部に返送する方法であれば、高温用と低温用の複数の蓄熱槽を設けることなく、１台の蓄熱槽で高温部と低温部の蓄熱が可能である。
【００２０】
さらに、蓄熱槽内上部から取り出した高温水を直接可溶化処理装置に通入し、可溶化処理装置内の可溶化された処理液を蓄熱槽下部に返送する方法であれば、熱交換のための熱交換器が不要で、蓄熱槽の一部を可溶化処理装置としても機能させうるので、可溶化処理装置の容積を小さくすることが可能である。
【００２１】
そして、蓄熱槽下部と蓄熱槽頂部とを連絡する連絡管を設け、この連絡管の途中に排水管を接続する方法であれば、蓄熱槽内の水位を一定に保ち、低温水のみを適宜排出することが可能である。
【００２２】
また、有機性廃水を生物処理するための生物処理装置を有し、生物処理装置で発生した有機性固形物を可溶化処理装置に供給することもできる。生物処理装置における処理は好気性処理でも、嫌気性処理でもよく、これらを組み合わせたものでもよい。さらに、硝化脱窒処理でも、脱リン処理でもよく、種々の生物処理が適用可能である。
【００２３】
さらに、生物処理装置で処理された処理液を固液分離装置で処理水と汚泥に分離し、該汚泥の一部を生物処理装置に返送するとともに、残りの汚泥を可溶化処理装置で好熱菌により可溶化した後に、この可溶化処理液を生物処理装置に返送することもできる。固液分離装置とは、例えば、沈殿装置、浮上分離装置、遠心分離装置、膜分離装置のごときものをいう。
【００２４】
また、可溶化処理装置における処理汚泥量を低減するために、固液分離装置から可溶化処理装置に至る経路に濃縮装置を設けることもできる。
【００２５】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の有機性固形物の処理装置の一実施例の概略構成図である。
【００２６】
図１に示すように、有機物を含有する原廃水Ａが経路１を経て生物処理槽２に導入され、生物処理槽２にて有機性廃水である原廃水が好気性生物処理される。３は加圧空気を吐出する散気管、４はブロワである。なお、好気性生物処理とは、生物酸化によって有機物が二酸化炭素もしくは水などの無機物に分解されることをいい、用いられる好気性微生物は、下水浄化のための活性汚泥法において用いられるグラム陰性またはグラム陽性桿菌、例えば、シュードモナス属およびバチルス属であり、これらの接種菌体は、通常の下水浄化処理プラントから得られるものである。この場合、生物処理槽２の温度は、１０〜５０℃、通常は、２０〜３０℃の温度範囲となるように操作するが、より効率よく処理するには、高温の方が好ましく、例えば、下水余剰汚泥から分離した中温菌を用いる場合には、３５〜４５℃の温度範囲で操作するようにする。いずれにしても、微生物による酸化分解反応が効率よく十分に生じうるように、上記温度範囲の中から最適な温度条件を選択して操作するようにする。なお、この場合、生物処理槽２としては、バッチ式または連続式のいずれでも使用可能である。
【００２７】
ここで、生物処理槽２として、好気性生物処理あるいは嫌気性生物処理のいずれの方式のものも適用できる。上記実施例のような好気性生物処理に用いられる曝気処理装置は、曝気手段を具備するものであれば、上記実施例のような散気方式の他に機械曝気方式でもよい。曝気処理は、好気性消化分解が許容されるよう、好ましくは、０．１〜０．５ｖｖｍ（ｖｖｍ＝曝気量／曝気槽容量／min.）の通気量で室温下にて実施されるが、負荷によっては、これを上回る通気量で、より高温にて処理してもよい。被処理液は、好ましくは、５．０〜８．０のｐＨに調整されるとよい。また、曝気処理装置には、好気的消化分解を促進するために、酵母等の微生物や、フロック形成を促進するための硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、塩化第二鉄、硫酸第一鉄などの凝集剤を添加してもよい。好気性生物処理には、曝気処理装置以外の好気的処理の可能な装置を使用することもできる。また、嫌気性生物処理に用いられる装置としては、槽内の液を循環することにより攪拌する方法、生成ガスを循環曝気することにより攪拌する方法、攪拌翼などの攪拌機を設置する方法、活性微生物固定手段を有する方法など、活性微生物と処理対象有機性廃液とを効率的に接触させる手段を具備したものであれば、使用可能である。発電で得た電力を、好気性生物処理に用いられる曝気手段の空気圧送用電力または嫌気性生物処理に用いられる撹拌手段の駆動用電力として用いることで、電力需要と同一の場所で発電し、しかも発電排熱を可溶化処理のための熱源としてエネルギーの有効利用を図ることができる。
【００２８】
ついで、このように生物処理槽２で処理された処理水Ｂは、増殖した生物（汚泥）とともに経路５を経て固液分離装置としての沈殿槽６に導入されて固液分離され、固液分離された上澄液Ｃは放流先の放出基準に従い、必要であれば、硝化脱窒もしくはオゾン処理などの三次処理を施し、河川放流または修景用水などとして利用される。
【００２９】
一方、沈殿槽６で分離された有機性固形物である汚泥Ｄの一部は、経路７を経て経路１に合流して原廃水Ａとともに生物処理槽２に導入されるようになっている。なお、経路７を経て送られる汚泥量は生物処理槽２での微生物の保持量により決定される。
【００３０】
さらに、沈殿槽６で分離された残りの汚泥Ｅは、経路８を経て可溶化槽９に導入される。可溶化槽９では、高温条件で好気的に好気性好熱菌により有機性固形物の可溶化が行われる。この場合、高温条件にて用いられる好気性微生物の接種菌体（好熱菌）は、例えば、従来の好気性消化槽から微生物を培養することによって得られるものである。また、可溶化槽９の最適温度は、好ましくは、５０〜９０℃の温度範囲となるような条件で操作するが、その高温処理対象である汚泥Ｅに含まれる有機性固形物を分解する好熱菌の種類によって異なるものであり、例えば、下水余剰汚泥から分離した好熱菌の場合には、微生物（好熱菌）の分泌する酵素による可溶化反応と熱による物理化学的な熱分解の両作用が同時に効率よく十分に生じうるように、高温条件における温度を５５〜７５℃の温度範囲、酵素活性の点から最も好ましくは６０〜７０℃で操作するようにする。いずれにしても、微生物（好熱菌）の分泌する酵素による可溶化反応と熱による物理化学的な熱分解の両作用が同時に効率よく十分に生じうるように、微生物の種類に応じて、５０〜９０℃の温度範囲となるように設定すればよい。なお、好気性好熱菌としては、例えば、バチルスステアロサーモファイラスＳＰＴ２−１〔FERM P-15395〕があげられ、６０〜７０℃で可溶化処理を行うのが好ましい。
【００３１】
また、可溶化槽９で好気的に微生物処理するための装置としては、従来の散気管を具備してなるものであれば、使用可能である。この場合、可溶化槽としては、バッチ式、または連続式のいずれでも使用可能である。
【００３２】
このように、可溶化槽９で可溶化された処理液Ｆは、経路１０を経て経路１に合流して原廃水Ａとともに生物処理槽２に導入されて生物処理が行われる。
【００３３】
経路８と経路１０との間にわたり熱回収のための再生器（熱交換器）１１が設置されている。
【００３４】
１２はガスエンジンまたはガスタービンエンジンであり、エンジン１２で発電器１３を駆動して電気を作り、この電気はブロワ４の駆動用電力および他の装置の電力源として利用されている。エンジン１２から排出された高温の排ガス１４と低温水１５を熱交換器１６で熱交換して蒸気または熱水を得、この蒸気または熱水１７を蓄熱槽１８内上部の温水に直接通入する。その結果、蓄熱槽１８の上部には可溶化槽内温度より高い温度の高温水の部分１９が形成され、蓄熱槽１８の下部には低温水の部分２０が形成されるという明確な温度成層が得られる。なお、高温の排ガス１４に代えてエンジン１２を冷却した後の温度の高い冷却水を用いてもよい。
【００３５】
蓄熱槽１８内上部の高温水は経路２１を経て連続的あるいは間欠的に引き抜かれ、熱交換器２２において経路８を経て送られてくる汚泥と熱交換が行われ、汚泥の加熱が行われる。加熱後の汚泥は可溶化槽９に送られ、高温条件で好気的に汚泥の可溶化が行われる。熱交換器２２で熱交換後の低温水は経路２３を経て蓄熱槽１８の下部に返送される。以後、経路２１を経て引き抜かれる高温水の熱量に対して蓄熱槽１８に供給される蒸気または熱水１７の量が多い場合は、蓄熱槽１８内の高温水の部分１９が広がり、逆に、経路２１を経て引き抜かれる高温水の熱量に対して蓄熱槽１８に供給される蒸気または熱水１７の量が少ない場合は、蓄熱槽１８内の高温水の部分１９が狭くなる。いずれの場合でも、蓄熱槽内上部には高温部１９が形成され、蓄熱槽内下部には低温部２０が形成されるという状態が維持される。
【００３６】
蓄熱槽１８は、単なるタンクであるから、製造コストが比較的安価で、複雑な制御は不要である。エンジン１２の起動時および停止時にも特別な操作をしなくても、ただ蓄熱槽１８を公知の保温手段（例えば、断熱材による蓄熱槽の被覆）で保温するだけで、上部の高温部と下部の低温部という２層併存状態を維持することができる。さらに、経路２１と２３を経て流通する水は閉鎖システムで循環しているので、経路２３の低温水を熱交換器１６に供給される低温水として利用することもできる。２４はポンプである。
【００３７】
図２は、熱交換器２２がなく、蓄熱槽１８内の上部高温水を経路２５を経て直接可溶化槽９に通入し、可溶化槽９内の可溶化された処理液を経路２６を経て蓄熱槽１８の下部に戻す点が図１と異なり、他の構成は図１と同じである。このように、可溶化槽９内の可溶化された処理液を経路２６を経て蓄熱槽１８の下部に戻すことで、蓄熱槽１８の一部を可溶化処理装置としても機能させることができるので、可溶化槽９の容量を小さくすることが可能である。蓄熱槽１８下部の可溶化された処理液は、経路２７を経て経路１に合流して原廃水Ａととも生物処理槽２に導入されて生物処理が行われる。
【００３８】
図３は、蓄熱槽１８の下部と頂部とを連絡する連絡管２８を設け、この連絡管２８の途中に排水管２９を接続した構成を示す。この場合、経路３０を経て排出される高温水の量と経路３１を経て返送される低温水の量が等しくて水面３２の高さが排水管２９の高さに一致すると、蓄熱槽１８と排水管２９との間で水の移動は行われない。図３の構成は図１及び図２の両実施例に適用可能である。なお、図２に適用した場合には、排水管２９から排出される液は有機物を含んでいるので、生物処理槽２に供給されるようにするのが好ましい。
【００３９】
また、経路３０を経て排出される高温水の量が経路３１を経て返送される低温水の量より多い場合、水面３２の高さが排水管２９の高さより低くなるので、蓄熱槽１８と排水管２９との間で水の移動は行われず、蓄熱槽１８内に通入される蒸気または熱水１７により高温水の量が増加し、蓄熱槽内水位が図３に示す位置に復旧するまで蓄熱槽１８内の低温水は排水管２９を経て排出されることはない。
【００４０】
しかし、経路３０を経て排出される高温水の量が経路３１を経て返送される低温水の量より少ない場合、水面３２の高さが排水管２９の高さより高くなるので、排水管２９を経て蓄熱槽１８内の低温水が排出され、蓄熱槽１８内の水面３２の高さを低くするような動作が行われる。
【００４１】
このように、排出されるのは低温水の部分２０の低温水だけで、高温水１９が直接排出されることはなく、蓄熱槽１８内に常に高温水を保持することができる。
【００４２】
次に、スラリー（懸濁固形物、汚泥）の供給量、スラリー中の固形物の可溶化量およびエンジンの出力と効率、ならびに熱交換器の交換熱量、蓄熱槽の仕様についての試算例を、図１を参照しながら説明する。
（１）本発明の場合
（前提条件）
ａ．可溶化槽９へのスラリー投入量 １５０トン/日(６２５０kg／hr×２４hr）
ｂ．スラリーの固形物濃度 ２％
ｃ．可溶化槽９への固形物投入量 ３トン／日（１５０トン／日×２％）
ｄ．スラリーの可溶化槽９における滞留時間 １日
ｅ．固形物可溶化量 １トン／日
ｆ．可溶化槽９における可溶化温度 ６５℃
ｇ．エンジン１２の稼働時間 ８時間／日
ｈ．エンジン１２の出力 １３０kW
（エンジン１２の発電効率３０％、コジェネレーションの総合熱効率８０％）
ｉ．経路８のスラリーの再生器１１の冷端温度と温端温度 ２０℃と５５℃
ｊ．経路１０のスラリーの再生器１１の冷端温度と温端温度 ２５℃と６０℃
ｋ．経路８のスラリーの熱交換器２２の冷端温度と温端温度 ５５℃と６５℃
ｍ．経路２３の低温水の温度 ６０℃
ｎ．経路２１の高温水の温度 ９５℃
（計算）
▲１▼ 蓄熱槽１８の大きさ
・ 熱交換器２２における交換熱量
（６５−５５）℃×６２５０kg/hr×１kcal/kg℃
＝０．０６２５×１０6kcal/hr
・ 蓄熱量 ０．０６２５×１０6kcal/hr×１６hr／日＝１.0×１０6kcal/日
・ 蓄熱槽の高温水と低温水の温度差＝９５℃−６０℃＝３５℃
・ 蓄熱槽の最小容積
１.0×１０6kcal/日×１日／（３５℃×１kcal/kg℃）≒２８６００kg
スラリーの密度を１０3kg/ｍ3とすれば、蓄熱槽の最小容積は２８．６ｍ3 となる。
▲２▼ 熱交換器２２の対数平均温度差
〔(９５−６５)−(６０−５５)〕／ｌｎ〔(９５−６５)／(６０−５５)〕
＝１４．０℃
（２）蓄熱槽内の水温の分布が均一である比較例
前提条件の中でａ〜ｍは上記本発明と同じであるとする。蓄熱槽内の水温の分布が均一であるとしても、蓄熱槽内の水温は時間とともに変化するので、熱交換器２２出口の低温水の温度は６０℃になるように制御し、蓄熱槽ではエンジンの稼働中は水温は９５℃まで上昇し、エンジンの停止中は水温は７５℃まで低下すると仮定する。
（計算）
▲１▼ 蓄熱槽１８の大きさ
・ 熱交換器２２における交換熱量は、本発明の場合と同じで、０．０６２５×
１０6kcal/hrである。
・ 蓄熱量は、本発明の場合と同じで、１０6kcal/日である。
・ 蓄熱槽の温度
蓄熱槽の平均水温は、（９５＋７５）℃／２＝８５℃
蓄熱槽内の水の平均温度差は、８５−７５＝１０℃
・ 蓄熱槽の最小容積
１０6kcal/日×１日／（１０℃×１kcal/kg℃）＝１０００００kg
スラリーの密度を１０3kg/ｍ3とすれば、蓄熱槽の最小容積は１００ｍ3となる。
▲２▼ 熱交換器２２の対数平均温度差
熱交換器２２では、温度が最も低いとき（７５℃）でも熱交換できなければならない。従って、対数平均温度差は、
〔(７５−６５)−(６０−５５)〕／ｌｎ〔(７５−６５)／(６０−５５)〕
＝７．２℃
（３）試算例の検討
以下の表１に、試算結果に基づく蓄熱槽と熱交換器の諸元の比較を示す。
【００４３】
【表１】
本発明のように蓄熱槽内に明確な温度成層が得られるように不均一な温度分布を形成すれば、温度分布が均一である蓄熱槽より容積の非常に小さい蓄熱槽を使用することが可能である。
【００４５】
また、熱交換器の伝熱面積は、（交換熱量）／（対数平均温度差×熱伝達率）で求められるので、熱伝達率を一定であると仮定すれば、熱交換器の伝熱面積は、対数平均温度差に逆比例するので、本発明によれば、熱交換器をも小さくすることが可能である。
【００４６】
このように、本発明によれば、蓄熱槽および熱交換器ともに大幅にコンパクト化することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明は上記のとおり構成されているので、次の効果を奏する。
【００４８】
請求項１記載の発明によれば、負荷変動の影響を極力低減し、エネルギーの有効利用を図り、エクセルギーロスが少なく、比較的簡単な構成の熱源供給手段を備えた有機性固形物の処理装置を提供することができる。この結果、好熱菌による有機性固形物の可溶化を、低コストで行うことが可能となる。
【００４９】
また、蓄熱槽内上部には高温部が形成され、蓄熱槽内下部には低温部が形成されるという明確な温度成層が蓄熱槽内に得られるので、十分に温度の高い温水を蓄熱槽に蓄えることができる。この結果、安定して可溶化槽に熱を供給することができ、好熱菌による有機性固形物の可溶化も安定する。しかも、直接に熱水または蒸気を投入するために、蓄熱槽内に伝熱管等の装置が不要となり、蓄熱槽を小さくすることが可能であるから、低コストの設備となる。且つ、伝熱管が不要となるために、通常必要な伝熱面の清掃等のメンテナンス作業が不要となる。
【００５０】
請求項２記載の発明によれば、高温用と低温用の複数の蓄熱槽を設けることなく、１台の蓄熱槽で高温部と低温部の蓄熱が可能である。この結果、さらに低コストの装置が可能となる。
【００５１】
請求項３記載の発明によれば、熱交換のための熱交換器が不要で、蓄熱槽の一部を可溶化処理装置としても機能させうるので、可溶化処理装置の容積を小さくすることが可能である。また、熱交換器をなくしたために、これに係る保守作業が不要となる。
【００５２】
請求項４記載の発明によれば、蓄熱槽内の水位を一定に保ち、蓄熱槽内に常に高温水を保持することができる。
【００５３】
請求項５記載の発明によれば、処理水質が向上するという効果がある。
【００５４】
請求項６記載の発明によれば、効率的で低コストの有機性固形物の処理方法を提供することができる。
【００５５】
請求項６〜９記載の発明によれば、安定して供給される高温水により、好熱菌による有機性固形物の可溶化も安定して行われるという効果がある。
【００５６】
請求項１０記載の発明によれば、処理水質が向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有機性廃水処理装置の一実施例の概略構成図である。
【図２】本発明の有機性廃水処理装置の別の実施例の概略構成図である。
【図３】本発明の有機性廃水処理装置の蓄熱槽と、その蓄熱槽の下部と頂部を連絡する連絡管と、連絡管に接続した排水管とを拡大して示す概略構成図である。
【図４】従来の有機性廃水処理装置の概略構成図である。
【図５】従来の別の有機性廃水処理装置の概略構成図である。
【図６】電力需要の変動を示す図である。
【符号の説明】
１、５、７、８、１０、２１、２３、２５、２６、２７、３０、３１…経路
２…生物処理槽
３…散気管
４…ブロワ
６…沈殿槽
９…可溶化槽
１１…再生器
１２…エンジン
１３…発電器
１４…高温の排ガス
１５…低温水
１６、２２…熱交換器
１７…蒸気または熱水
１８…蓄熱槽
１９…高温水の部分
２０…低温水の部分
２４…ポンプ
２８…連絡管
２９…排水管
３２…水面
Claims (10)
- 有機性固形物を好熱菌により可溶化するための可溶化処理装置を有する有機性固形物の処理装置において、温水を蓄えた蓄熱槽を備え、発電に伴う排熱によって発生させた蒸気または熱水を蓄熱槽内上部の温水に直接通入することによって蓄熱槽内上部に高温水部分を得るとともに、該蓄熱槽に高温水の部分と低温水の部分とを形成し、前記高温水部分の高温水を可溶化処理装置の熱源として使用しうるように構成されていることを特徴とする有機性固形物の処理装置。
- 可溶化処理装置に有機性固形物を供給する経路に熱交換器を設け、この熱交換器において蓄熱槽内上部から取り出した高温水と有機性固形物の熱交換を行い、昇温後の有機性固形物を可溶化処理装置に供給し、降温後の低温水を蓄熱槽下部に返送することを特徴とする請求項１記載の有機性固形物の処理装置。
- 蓄熱槽内上部から取り出した高温水を直接可溶化処理装置に通入し、可溶化処理装置内の可溶化された処理液を蓄熱槽下部に返送することを特徴とする請求項１記載の有機性固形物の処理装置。
- 蓄熱槽下部と蓄熱槽頂部とを連絡する連絡管を設け、この連絡管の途中に排水管を接続した請求項１乃至３のいずれかに記載の有機性固形物の処理装置。
- 有機性廃水を生物処理するための生物処理装置を有し、生物処理装置で発生した有機性固形物を可溶化処理装置に供給することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の有機性固形物の処理装置。
- 有機性固形物を可溶化処理装置で好熱菌により可溶化する有機性固形物の処理方法において、温水を蓄えた蓄熱槽を備え、発電に伴う排熱によって発生させた蒸気または熱水を蓄熱槽内上部の温水に直接通入することによって蓄熱槽内上部に高温水部分を得るとともに、該蓄熱槽に高温水の部分と低温水の部分とを形成し、前記高温水部分の高温水を可溶化処理装置の熱源として使用することを特徴とする有機性固形物の処理方法。
- 可溶化処理装置に有機性固形物を供給する経路に熱交換器を設け、この熱交換器において蓄熱槽内上部から取り出した高温水と有機性固形物の熱交換を行い、昇温後の有機性固形物を可溶化処理装置に供給して好熱菌により可溶化し、降温後の低温水を蓄熱槽下部に返送することを特徴とする請求項６記載の有機性固形物の処理方法。
- 蓄熱槽内上部から取り出した高温水を直接可溶化処理装置に通入して可溶化処理装置の熱源として使用し、可溶化処理装置内の可溶化された処理液を蓄熱槽下部に返送することを特徴とする請求項６記載の有機性固形物の処理方法。
- 蓄熱槽下部と蓄熱槽頂部とを連絡する連絡管を設け、この連絡管の途中に排水管を接続し、蓄熱槽内の水位を一定に保ち、低温水のみを上記排水管から排出するようにしたことを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の有機性固形物の処理方法。
- 有機性廃水を生物処理するための生物処理装置を有し、生物処理装置で発生した有機性固形物を可溶化処理装置で好熱菌により可溶化することを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の有機性固形物の処理方法。
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