JP4376245B2 - 余剰汚泥の可溶化システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、細胞壁破砕による余剰汚泥の可溶化するシステム及び方法に関する。

従来、有機性排水を処理する方法として、活性汚泥法が広く知られている。
活性汚泥法による排水処理は、有機物を微生物に一旦取り込ませ、微生物を沈殿させて、上層の有機物の除去された水を放流するものである。
しかし、微生物に取り込まれた有機物は、一部は微生物内で分解されて活動エネルギーとなって消滅するが、半分は微生物の増殖に用いられ余剰汚泥となる。この余剰汚泥の大部分は、細菌や真菌で占められており、これらは非常に強固な細胞壁によって外側が補強されている。

細胞壁は、細菌や真菌の形を一定に保ち、外圧や浸透圧の変化などの、外界の環境の変化に対応させるものである。この細胞壁に一定の堅さを与えているものが、難分解性高分子有機物であるペプチドグリカンである。該ペプチドグリカンは格子構造で、菌全体を袋状に覆っている。ペプチドグリカンは多糖グルカン鎖を縦糸に、ペプチドの側鎖を横糸にして、格子状に織り上げた三次元的な網目構造をしている。なお、グラム陽性菌では、細胞壁の４０％から７０％がペプチドグリカンである。グラム陰性菌では、細胞壁のうち、ペプチドグリカンの割合は数％であり、外膜と、該外膜の内側に裏打ちされたペプチドグリカンとで、細胞壁が形成されている。

このように、強固な細胞壁を分解して余剰汚泥を可溶性の有機物にしてしまうことは困難であった。
そこで、余剰汚泥を可溶化・減容化する手法として、オゾン処理法（特許文献１参照）、好熱菌利用法（特許文献２参照）、超音波法（特許文献３参照）、及びミル法（特許文献４参照）等が試みられている。
特開平０９−２３４４９７号公報 特開平０９−２３４０６０号公報 特開２００２−３６１２８１号公報 特開平１１−３００３９３号公報

しかし、上記余剰汚泥可溶化・減容化法は、得られる効果と比べて、イニシャルコスト、ランニングコストが嵩むので、普及に歯止めがかかっていた。
こういった状況から、低コスト化を実現する余剰汚泥処理技術の開発が要請されている。
本発明では、上記のような状況に鑑み、余剰汚泥処理コストが大幅に削減され、さらに、既設の施設を利用することができ、労力を含め大幅なコスト削減が可能となる余剰汚泥の可溶化システムを提案する。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、余剰汚泥に可溶化剤を投入することで前記余剰汚泥の細胞壁を分解し易い状態とするために、前記余剰汚泥を貯溜する、可溶化槽と、前記余剰汚泥中の細胞壁を断片化する、細胞壁破砕装置と、を含む、余剰汚泥の可溶化システムであって、前記細胞壁破砕装置は、長手方向が略水平に配置された円筒状のケースと、前記余剰汚泥を前記ケース内へと圧送するためのポンプと、を備え、前記ケースは、吐出口近傍において管径を縮小する絞り部と、該絞り部と前記吐出口との間で急激に管径を拡大する拡径部と、を形成した、前記余剰汚泥を前記ポンプから前記ケース内に流入させるラバルノズルを、長手方向両端部に有し、前記ケースは、前記余剰汚泥を前記ケース内から排出する排出口を、長手方向中央部に有し、前記ケースには、長手方向両端部が外筒と内筒との二重管構造に構成されることにより、前記外筒と前記内筒との間に前記余剰汚泥の流路が形成されており、前記細胞壁破砕装置は、前記余剰汚泥を、前記ケース内の長手方向中央部に向けて接線方向に、前記ラバルノズルを通じて流入させることにより、前記余剰汚泥の旋回流を該ケースの長手方向中央部にて対向する二方向から衝突させ、前記余剰汚泥中の細胞壁を断片化するものである。

請求項２においては、可溶化剤を投入することにより、余剰汚泥の細胞壁を分解し易い状態とする、可溶化工程と、前記可溶化工程の後に、前記余剰汚泥に高圧から常圧への圧力変化を与えて放出させることにより、前記余剰汚泥の前記細胞壁を破裂させる、第一の断片化工程と、前記第一の断片化工程の後に、前記余剰汚泥を旋回させることにより、前記余剰汚泥の前記細胞壁をせん断力により脆い状態とする、脆化工程と、前記脆化工程の後に、前記余剰汚泥の旋回流を二方向から衝突させることにより、前記余剰汚泥中の細胞壁を断片化する、第二の断片化工程と、を含むものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、可溶化剤によって細胞壁が分解し易い状態でポンプより圧送されてきた余剰汚泥を、ラバルノズルにより急速に大気開放することで、余剰汚泥の硬い細胞壁に大きな圧力変化を与え、細胞壁を断片化して細胞壁片とすることができる。また、この細胞壁片を、ケース内で旋回させて、余剰汚泥に遠心力を加えることにより、余剰汚泥表面にせん断力を生じさせることができ、細胞壁が擦られて脆い状態とすることができる。さらに、余剰汚泥の旋回流を流路に沿ってスムーズに流し、対向する二方向から衝突させることで、効率よく余剰汚泥を破砕することができる。よって、余剰汚泥の可溶化システムのイニシャルコスト、ランニングコストを低く抑えることができる。

請求項２においては、可溶化工程で、可溶化剤によって細胞壁が分解し易い状態となった余剰汚泥を、第一の断片化工程で、急速に大気開放することで、余剰汚泥の硬い細胞壁に大きな圧力変化を与え、細胞壁を断片化して細胞壁片とすることができる。また、脆化工程で、この細胞壁片を旋回させて、余剰汚泥に遠心力を加えることにより、余剰汚泥表面にせん断力を生じさせることができ、細胞壁が擦られて脆い状態とすることができる。さらに、第二の断片化工程で、余剰汚泥の旋回流を対向する二方向から衝突させることで、効率よく余剰汚泥を破砕することができる。よって、余剰汚泥の可溶化方法におけるコストを低く抑えることができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例に係る余剰汚泥の可溶化システムの全体的な構成を示す図、図２は細胞壁破砕装置の正面図、図３は細胞壁破砕装置の側面図、図４はラバルノズルを示す図、図５は電気泳動によるたんぱく質の分子量を示す図である。

まず、本実施例に係る余剰汚泥の可溶化システムの全体的な構成について説明する。
図１に示すように、余剰汚泥の可溶化システムは、余剰汚泥の細胞壁を分解し易い状態に変化させる可溶化剤としてのアルカリ剤１、及び細胞壁分解酵素２を投入する可溶化槽３と、余剰汚泥の細胞壁を断片化する細胞壁破砕装置４と、可溶化された余剰汚泥を高速酸化分解菌群により分解させるバイオリアクター槽５とで構成される。

可溶化槽３においては、余剰汚泥に可溶化剤１、２を投入することで、余剰汚泥を可溶化する。
ここで、『可溶化』とは、余剰汚泥に含まれる強固な細胞壁を、やわらかくして破砕し易い状態とさせることをいう。
細胞壁破砕装置４においては、可溶化槽３で可溶化された余剰汚泥が投入されて、該余剰汚泥の細胞壁を破砕する。
バイオリアクター槽５においては、可溶化槽３で可溶化されて、細胞壁破砕装置４で細胞壁を断片化された余剰汚泥が投入されて、該余剰汚泥の細胞壁を高速酸化分解菌群、すなわち自己分解菌により消滅させる。

上記可溶化槽３、細胞壁破砕装置４及びバイオリアクター槽５を通じた余剰汚泥は、放流水として排出することができる。
なお、バイオリアクター槽５を通過した余剰汚泥を、高濃度バイオ処理槽（図示略）を通過させてから、放流水として排出させる構成としてもよい。
高濃度バイオ処理槽は、バイオリアクター槽５での余剰汚泥を、高濃度バイオ処理するものであり、固液分離膜が内装されている。
そして、このように処理する放流水を再利用する段階において、放流水に含まれる難解性高分子物質を、酵素により微生物が吸収しやすい低分子可溶物質に変換することができる。

可溶化槽３においては、化学的処理、及び生化学的処理によって、余剰汚泥の生物細胞を可溶化する。
可溶化槽３内の槽底部には、曝気管２５を設置し、ブロワ等により高圧空気をダクトを介して供給し、水中に放出された空気の気泡の浮上にともなう旋回流（循環水流）を槽内に発生させることで、気泡による排水の曝気を行い、微生物による有機物の酸化分解を行なう構成としている。
そして、前記可溶化槽３では、余剰汚泥に可溶化剤としてアルカリ剤１、及び細胞壁分解酵素２を投入する。前記アルカリ剤１は、可溶化補助剤として機能するものであり、アルカリ剤１で余剰汚泥をアルカリ性にしたうえで、アルカリ性で高活性を示す細胞壁分解酵素２を添加し、細胞膜を可溶化させる。
この過程で、余剰汚泥をアルカリ性とすることにより、余剰汚泥の細胞壁中の細胞質成分が溶出して、利用可能なＢＯＤ源となり、さらに、細胞壁中の細胞質成分が膨潤して、一部に亀裂ができる。
また、アルカリ性で高活性を示す細胞壁分解酵素２を、アルカリ性の余剰汚泥に添加することにより、亀裂の入った細胞壁を効率的に可溶化することができる。すなわち、アルカリ剤１と細胞壁分解酵素２を入れることで、効果的な可溶化を行なうことができる。

ここで、細胞壁分解酵素２とは、例えば、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ、メイセラーゼ、マセロチーム、又はアクセラーゼ等であり、各材料を組合せることで、より効果的に細胞壁を分解することもできる。
このようにして、アルカリ剤１と可溶化酵素２とによって、余剰汚泥の細胞壁を分解し易い状態とする。
可溶化槽３で可溶化された余剰汚泥は、ポンプ６にて吸引され、流入管７から細胞壁破砕装置４まで送られる。

細胞壁破砕装置４においては、物理的処理によって、余剰汚泥の細胞壁を破砕する。
前記細胞壁破砕装置４で、加圧された余剰汚泥は、ラバルノズル１２の急拡径部２３によりその圧が一気に開放されることで細胞壁が破裂し、破裂により断片化した細胞壁内部の細胞質が放出される。このようにして、余剰汚泥は利用可能なＢＯＤ源となる。
細胞壁破砕装置４によって、細胞壁が破砕された余剰汚泥は、排出管８を通ってバイオリアクター槽５に流入する。

なお、細胞壁破砕装置４における破砕処理は、一回に限定されるものでなく、複数回行なうこともできる。すなわち、破砕を行なった処理物を、再度細胞壁破砕装置４に戻して、破砕処理を繰り返すことで、余剰汚泥の細胞壁をより確実に破砕することができる。また、細胞壁破砕装置４における破砕処理を行なった処理物を、再度可溶化槽３に戻して、再度可溶化処理することもできる。

バイオリアクター槽５においては、生物的処理によって、余剰汚泥の生物細胞を消滅させる。
前記バイオリアクター槽５では、可溶化槽３で可溶化されて、細胞壁破砕装置４で細胞壁が破砕された余剰汚泥を投入して、余剰汚泥の細胞壁を高速酸化分解菌群、すなわち自己分解菌により消滅させる。
バイオリアクター槽５内の槽底部には、曝気管２６を設置し、ブロワ等により高圧空気をダクトを介して供給し、水中に放出された空気の気泡の浮上にともなう旋回流（循環水流）を槽内に発生させることで、気泡による排水の曝気を行い、微生物による有機物の酸化分解を行なう構成としている。なお、ヘパフィルターを利用して、空気取入れ口をフィルターすることにより、大気中からの雑菌を防ぐことができる。これにより、有用菌のみの安定した処理が可能となる。
また、バイオリアクター槽５においては、中和剤２４の投入による、該余剰汚泥の中和処理が行なわれた後、酸化分解菌により、余剰汚泥が酸化分解される。
バイオリアクター槽５で処理された処理水は、ポンプ９によって汲み上げられ、排出管１０を通って原水槽２２に流入する。そして最終的には、放流水として排出する。

次に、細胞壁破砕装置４について、詳細に説明する。
細胞壁破砕装置４は、余剰汚泥を吸入して加圧するためのポンプ６と、長手方向に床面と略水平となるように支持部１９に支持され、当該長手方向中央部に排出口１５を設けた円筒状ケース１１と、前記ケース１１の長手方向両端部に配設されたラバルノズル１２・１２・１２・１２とで構成される。このラバルノズル１２・１２・１２・１２は、前記ポンプ６によって加圧された余剰汚泥をケース１１内側に円周接線方向に吐出するノズルであって、吐出口２０に急拡径部２３を有するものである。

ポンプ６によって、可溶化槽３から汲み上げられて加圧され、流入管７を通過した余剰汚泥は、前記流入管７より短径で、前記流入管７にバルブ１３・１３・・を介して接続された導入管１４・１４・・を通過して、細胞壁破砕装置４に流入する。
細胞壁破砕装置４の、ケース１１の長手方向両端部に配設されたラバルノズル１２・１２・１２・１２より該ケース１１内へ流入した余剰汚泥は、ケース１１内を旋回しながらケース１１の長手方向中央部で衝突して、ケース１１の長手方向中央部により設けられた排出口１５に落下してケース１１外部に排出され、排出管１６を通って、バイオリアクター槽５に流入する。

図２及び図３にも示すように、ケース１１は、長手方向中央部を除いて、外筒部１７と内筒部１８・１８との二重管構造となっており、外筒部１７と内筒部１８との間に流路が形成されている。ケース１１長手方向両端部から流入する余剰汚泥は、外筒部１７と内筒部１８との間の空間を通って、ケース長手方向略中心部まで旋回しながら移動する構成となっている。
また、ケース１１の長手方向中央部には上記内筒部１８が存在せず、該ケース１１の長手方向両端部より旋回しながら移動してきた余剰汚泥は、ここで衝突して、該ケース１１長手方向中央下部に設けられた排出口１５に落下する。なお、前記排出口１５には、排出管１６が取り付けられている。

前記ラバルノズル１２・１２・１２・１２は、円筒状に形成されたケース１１の長手方向両端部において、ケース１１内側に向けて、円周の接線方向に余剰汚泥を吐出するよう設けている。本実施例においては、ケース１１両端部に上下に、合計４個のノズルが設けている。
なお、本実施例においては、ケース１１の長手方向両端部にそれぞれ２つずつのラバルノズル１２を設けて流速の向上を図っているが、ラバルノズル１２はケース１１の長手方向両端部にそれぞれ少なくとも１つ設ければ足りる。また、例えば、ケース１１の長手方向両端部に、円周上に等間隔で３個ずつ並ぶように設けて、合計６個配設して更に流速を向上させるようにしてもよい。

図３に示すように、前記ラバルノズル１２は、略鉛直方向からケース１１の長尺方向中央部へ向けて角度θだけ傾けて、該ケース１１円周の接線方向に向けて余剰汚泥を吐出するように配設されている。このようにラバルノズル１２からの余剰汚泥の吐出方向を設定することで、該ラバルノズル１２から吐出される余剰汚泥は、ケース１１内を旋回しながら、該ケース１１の長手方向中央部に向かうこととなる。
なお、上記『角度θ』は、ポンプの出力や、旋回回数によって決定される任意の角度である。

図４に示すように、前記ラバルノズル１２は、吐出口２０近傍において、管径が縮小された括れ部２１が設けられたノズルであって、該括れ部２１から吐出口２０までの間に管径が急激に増大する急拡径部２３が形成されている。
つまり、ラバルノズル１２の管径は、括れ部２１にて急激に縮小されたのち、急拡径部２３にて急激に拡大されている。これにより、ラバルノズル１２では、括れ部２１にて、余剰汚泥（流体）が加圧され、急拡径部２３にてその圧が一気に解放されることで、勢いよく高速で余剰汚泥が吐出される。ここで、高速とは５０ｍ／ｓから１５０ｍ／ｓ程度であって、好適には１００ｍ／ｓ程度であるが、速度は上記速度に限定されるものではなく、略１００ｍ／ｓとすることで、効果的な粉砕を行なうことができる。

このように構成される、余剰汚泥の可溶化システムを用いた可溶化法は、以下の工程を踏むものである。
余剰汚泥の可溶化法には、余剰汚泥に細胞壁を分解し易い状態とする可溶化剤を投入する可溶化工程と、前記余剰汚泥に高圧から常圧への圧力変化を与えて放出させることで、余剰汚泥中の細胞壁を破裂させる第一の断片化工程と、該細胞壁片をせん断力により脆い状態とする脆化工程と、該脆化させた細胞壁片を衝突させる第二の断片化工程とが含まれる。

すなわち、まず、可溶化剤１、２によって余剰汚泥に含まれる強固な細胞壁を、やわらかくして破砕し易い状態とする。
そして、余剰汚泥をラバルノズル１２により高圧から低圧に放出することで、余剰汚泥中の強固な細胞壁を破裂させて断片化する。
次に、断片化された細胞壁片を旋回させることで、余剰汚泥に遠心力が生じ、余剰汚泥表面に生じたせん断力により、細胞壁が擦られて脆い状態となる。
そして、脆化した細胞壁片を対向する二方向から高速衝突させることで、細胞壁片をさらに断片化させるのである。
そして、このようにして可溶化した細胞壁を、高速酸化分解菌群により分解させることで、効率よく余剰汚泥を減容化することができる。

次に、余剰汚泥の可溶化の効果について説明する。
可溶化槽３にて可溶化剤１、２を投入することで、余剰汚泥の細胞壁が膨潤軟化し、亀裂ができる状態となる。次に、細胞壁破砕装置４にて細胞壁を破裂粉砕することにより、細胞質成分が溶出して、細胞質分のたんぱく質が溶出する。このたんぱく質の分子量は、電気泳動により観察することができる。
図５は、電気泳動によるたんぱく質の分子量を観察したものであって、１〜１５に示すバンドは、たんぱく質成分が多く溶出したものほど、黄色（図５において濃い色）に変色している。変色していない１、６、１０のバンドは原水を示し、変色している２、３、４、５、７、８、９、１２、１３、１４、１５のバンドは、可溶化剤１、２添加後に、細胞壁破砕装置４にて破砕処理を行なった処理水を示している。また、変色の少ない１１のバンドは、細胞壁破砕装置４にて破砕処理を行なった後に、可溶化剤１、２を添加した処理水を示している。なお、可溶化剤の添加量は、０、２％、または０、１％、破砕処理の破砕圧力は１、５Ｍｐａ、または３Ｍｐａ、または５Ｍｐａとした。
このように、可溶化剤１、２添加後に、細胞壁破砕装置４にて破砕処理を行なうことで、細胞壁が破裂破砕され、内部の細胞質分が溶出することを、電気泳動により確認することができた。
そして、バイオリアクター槽５において、このように可溶化した余剰汚泥の細胞壁を高速酸化分解菌群、すなわち自己分解菌により消滅させることで、沈殿容積は０％近くまで減少した。

本発明の一実施例に係る余剰汚泥の可溶化システムの全体的な構成を示す図。 細胞壁破砕装置の正面図。 細胞壁破砕装置の側面図。 ラバルノズルを示す図。 電気泳動によるたんぱく質の分子量を示す図。

１ アルカリ剤
２ 細胞壁分解酵素
３ 可溶化槽
４ 細胞壁破砕装置
５ バイオリアクター槽
６ ポンプ
１１ ケース
１２ ラバルノズル
１５ 排出口
１７ 外筒部
１８ 内筒部
２０ 吐出口
２１ 括れ部

Claims (2)

1. 余剰汚泥に可溶化剤を投入することで前記余剰汚泥の細胞壁を分解し易い状態とするために、前記余剰汚泥を貯溜する、可溶化槽と、前記余剰汚泥中の細胞壁を断片化する、細胞壁破砕装置と、を含む、余剰汚泥の可溶化システムであって、
   前記細胞壁破砕装置は、長手方向が略水平に配置された円筒状のケースと、前記余剰汚泥を前記ケース内へと圧送するためのポンプと、を備え、
   前記ケースは、吐出口近傍において管径を縮小する絞り部と、該絞り部と前記吐出口との間で急激に管径を拡大する拡径部と、を形成した、前記余剰汚泥を前記ポンプから前記ケース内に流入させるラバルノズルを、長手方向両端部に有し、
   前記ケースは、前記余剰汚泥を前記ケース内から排出する排出口を、長手方向中央部に有し、
   前記ケースには、長手方向両端部が外筒と内筒との二重管構造に構成されることにより、前記外筒と前記内筒との間に前記余剰汚泥の流路が形成されており、
   前記細胞壁破砕装置は、前記余剰汚泥を、前記ケース内の長手方向中央部に向けて接線方向に、前記ラバルノズルを通じて流入させることにより、前記余剰汚泥の旋回流を該ケースの長手方向中央部にて対向する二方向から衝突させ、前記余剰汚泥中の細胞壁を断片化する、
   ことを特徴とする、余剰汚泥の可溶化システム。
2. 可溶化剤を投入することにより、余剰汚泥の細胞壁を分解し易い状態とする、可溶化工程と、
   前記可溶化工程の後に、前記余剰汚泥に高圧から常圧への圧力変化を与えて放出させることにより、前記余剰汚泥の前記細胞壁を破裂させる、第一の断片化工程と、
   前記第一の断片化工程の後に、前記余剰汚泥を旋回させることにより、前記余剰汚泥の前記細胞壁をせん断力により脆い状態とする、脆化工程と、
   前記脆化工程の後に、前記余剰汚泥の旋回流を二方向から衝突させることにより、前記余剰汚泥中の細胞壁を断片化する、第二の断片化工程と、を含む、
   ことを特徴とする、余剰汚泥の可溶化方法。