JP4438178B2

JP4438178B2 - 水処理システム

Info

Publication number: JP4438178B2
Application number: JP2000123276A
Authority: JP
Inventors: 壽三谷; 英文斎藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-04-24
Filing date: 2000-04-24
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2020-04-24
Also published as: JP2001300595A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種汚水の水処理などに好適に利用される水処理システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水系の環境を保全するために、その水系に空気を吹き込み、微生物の生息によって有機物を分解し、水を浄化することは古くから一般的に行われている。これは、各種動力により空気ブロワを駆動する過程と、ブロワによって得られた圧縮空気を処理対象水系に細かい泡状にして吹き込む（エアレーション）過程と、泡と接した水に酸素を溶解させることにより、好気性微生物を繁殖させ、有機物を分解する過程とからなる。このように水系内に有機物が多数存在している場合は、さかんに空気（酸素）の泡を吹き込み、活性を高めた好気性微生物の塊（活性汚泥）を形成させ、この活性を維持することで、有機物の分解を促進し、水系の浄化を実現することができる。このエアレーションの形態は様々なものが提案され、より多くの溶存酸素を得るためのノズル形態等の開発が進められている。
【０００３】
一方、対象水系の浄化が進むと活性汚泥内の有機物の残存量も減少するが、二酸化珪素に代表される無機物は分解されずに残存する。そこで、浄化が進み沈殿した汚泥は焼却処理されることが一般的に行われている。焼却処理の前には、脱水→乾燥の処理をすることが一般的である。また、焼却には、より高温で溶融しガラス化する処理も行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来は、エアレーションはエアレーションとして処理され、汚泥乾燥は別のプロセスで行われていた。このため、次のような不具合があった。
【０００５】
先ず、エアレーションで採用されているブロワの駆動には電力かディーゼルエンジンを主とした内燃機関が用いられていた。そして、ブロワをモータ駆動する場合は、電力の利用効率は高いものの、発電所では廃熱が有効に利用できないため、燃料から末端利用個所までの総合エネルギ効率と言う観点から見れば、モータに至る所ですでに36%程度に下がっているという問題があった。一方、熱機関を動力源として用いる場合は、熱サイクルの理論限界から、最もエネルギ効率の高いディーゼルエンジンでも、40%を得ることは難しい。加えて、ディーゼルエンジンでは、小型にできないというべつの問題があった。
【０００６】
更に、水の浄化には上述したように汚泥乾燥も不可避なものであるが、ここにおいてもエアレーションとは別途に乾燥処理のためだけのエネルギが投入されるのが一般的である。
【０００７】
したがって、エアレーションから汚泥処理までを含めた総合的なエネルギ供給の観点から見ると、従来のシステムにはエネルギ消費が多く、大量の無駄が存在する問題があることが明らかになった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の水処理システムは、回転式のタービン翼及び燃焼器を具備するガスタービンを備え、前記タービン翼の回転動力によって駆動される回転式のコンプレッサ翼（昇圧が１ｋｇｆ／ｃｍ２以下のものも含む）から吐出される空気をノズル等を介して浄化対象個所に曝気空気等として導くと共に、前記タービン翼からの排気を汚泥乾燥のような熱処理を要する個所に導くようにしたものであって、送り元から汚泥を導入し、送り先から乾燥汚泥を落下させる構成の乾燥チャンバを有し、この乾燥チャンバが前記熱を必要とする個所であるとともに、前記タービン翼からの排気を、前記乾燥チャンバの送り先側からチャンバ内に導入することを特徴とするものである。
【０００９】
しかして、高速回転動力が容易に取出せるガスタービンは、小型で大きな出力が得られるが、その一方で、ピストン型の内燃機関に比べて、エネルギ効率が低く、廃熱が多くなるという特性を有していた。
【００１０】
そこで、高速回転動力をターボ型の空気圧縮機に導入して圧縮空気を得、一方、廃熱は熱消費の多い汚泥乾燥のような熱処理を要する個所に用いることによって、燃料の持つエネルギを無駄なく有効に活用することが可能となる。
【００１１】
例えば、ガスタービンに毎秒100kJに相当する燃料エネルギを供給すると、20kW弱の高速回転動力と、40kW弱の熱源として利用できることになり、トータルのエネルギ利用効率は60%近くを達成することができるので、従来の汚泥処理システムのエネルギ効率と比較すれば飛躍的な改善につながる事となる。。
【００１２】
具体的な実施の態様には、以下のようなものが挙げられる。
【００１３】
先ず、前記コンプレッサ翼が、ガスタービンに対しその軸力によって回転駆動される位置に外付けされるものであれば、既存のガスタービンを採用し、その周辺に簡単な構成を付加するだけで本発明を容易に構成することができる。
【００１４】
また、前記コンプレッサ翼が、ガスタービンとは独立に併設されるタービンコンプレッサの構成要素であり、このタービンコンプレッサのタービン翼が前記ガスタービンのタービン翼から排気される空気によって駆動され、これによってコンプレッサ翼が回転駆動されるものであれば、ガスタービンとタービンコンプレッサとが独立して回転することができるため、タービンコンプレッサを停止するガスタービンエンジンのアイドル（待機）状態などのように、一方を停止しておく必要がある場合等に有効となる。
【００１５】
勿論、ガスタービンそれ自体の構成要素であるコンプレッサ翼の容量が十分に大きい場合には、このコンプレッサ翼から吐出される空気の一部を前記浄化対象個所に導くように構成することでも有効である。
【００１６】
燃焼器における燃焼効率を高めるためには、タービン翼からの排気を燃焼器に導入される前の空気と熱交換するレキューパレータと、このレキュパレータへのタービン排気の導入量を調節する調節部とを備え、タービン排気によって予熱した空気を更に燃焼器で加熱するようにしていることが効果的である。
【００１７】
システム全体の熱効率を有効に高めるためには、コンプレッサ翼により圧縮された空気の熱をも、熱を必要とする個所に持ち込むように構成していることが好ましい。
【００１８】
本発明の好適な適用例としては、浄化対象個所が、水中の有機物を分解する好気性微生物を繁殖させる曝気槽であり、熱を必要とする個所が、水の浄化に伴って沈殿する無機物に対する乾燥ないし予乾燥を行う前記乾燥チャンバであるものが挙げられる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００２０】
図1に示す水処理システムは、ガスタービン１と、浄化対象個所である曝気槽２と、熱を必要とする個所である乾燥チャンバ３とから構成される。
【００２１】
ガスタービン１は、回転式のタービン翼Ｔ１とコンプレッサ翼Ｃ１との間を軸Ｓ１によって直結し、コンプレッサ翼Ｃ１の出口から吐出される空気ｄを燃焼器ＣＣを介してタービン翼Ｔ１の入口に導くように構成されたもので、燃焼器ＣＣに天然ガスなどの適宜の燃料が供給される一般的なものである。形式は遠心翼型、軸流型など種々のものがあるが、本実施例では遠心翼型を用いている。そして、このガスタービン１の前記軸Ｓに軸着させて、補助のコンプレッサ翼Ｃ２を外付けしている。
【００２２】
曝気槽２は、内部に水処理を要する水系が貯留されるとともに、底壁近くにエアノズル２１を配置し、このエアノズル２１に前記外付けのコンプレッサ翼Ｃ２から吐出される空気ａを導くように構成されたものである。曝気槽２の隣接位置には沈殿槽２２，２３が配置され、槽間が配管によって連通されている。
【００２３】
乾燥チャンバ３は、内部にコンベア３１を装備されるとともに、その入口に前記沈殿槽２２，２３等に沈殿した汚泥ａを外コンベア３２を介して導くようにしたもので、入口に取り込んだ汚泥ｂを内部において搬送可能とするとともに、前記タービン翼Ｔ１からの排気ｃをこの乾燥チャンバ３に導いて汚泥ｂの加熱に供するようにしている。
【００２４】
次に、本システムの作動を説明する。ガスタービン１に取込まれた空気はコンプレッサ翼Ｃ１１で圧縮され、燃焼器ＣＣに入って燃料と混合し、燃焼した結果、高温の燃焼ガスとなってタービンＴ１で膨張する。この動力の一部は、シャフトＳ１を介してコンプレッサ翼Ｃ１に伝達され、取り込んだ空気の圧縮に使用されるが、残りは同軸上に配した補助のコンプレッサ翼Ｃ２に伝えられ、ここにおける空気の圧縮に利用される。このコンプレッサ翼Ｃ２で得られた圧縮空気ａは、曝気槽２に設けたエアノズル２１に導かれ、エアレーションによる好気性微生物を用いた水浄化に利用される。一方、曝気槽２やその前後に配される沈殿槽２２，２３には底部に汚泥ｂが沈殿し、これが前記乾燥チャンバ３に導入されると、乾燥チャンバ３内のコンベア３１を搬送される間にタービン翼Ｔ１から導入された排気ｃによって汚泥ｂが連続的に乾燥に供される。
【００２５】
なお、この図では省略してあるが、曝気槽２や沈殿槽２２，２３の沈殿物は、かき出すように集められた上、槽２，２２，２３から取り出され、脱水処理が行われる。その後に乾燥チャンバ３に投入されるのが一般的である。
【００２６】
以上のようにして、曝気槽２における水の浄化を進行させ、乾燥チャンバ３から乾燥汚泥ｅを取り出すことが可能となるものであるが、本実施例のように構成すると、タービン翼Ｔ１における高速回転動力をコンプレッサ翼Ｃ２に導入して曝気に必要な高圧空気ａを得、一方、このガスタービン１における廃熱は熱消費の多い汚泥乾燥のための乾燥チャンバ３で有効利用することができるので、燃焼器ＣＣに持ち込む燃料の保有するエネルギを無駄なく有効に活用することが可能となる。
【００２７】
例えば、ガスタービン１に毎秒100kJに相当する燃料エネルギを供給すると、コンプレッサＣ１、Ｃ２の駆動に供される20kW弱の高速回転動力と、乾燥チャンバ３の熱量として供される40kW弱の熱源としての利用が可能となり、燃料から末端燃料消費までのトータルのエネルギ利用効率は60%近くを達成することができるものである。
【００２８】
したがって、従来のこの種のシステムと比較して、エネルギの利用効率が飛躍的に高まり、ひいては二酸化炭素の発生低減の役割を担うこととなる。また、電力によるコンプレッサ駆動に比べると、受電設備が省略でき、停電時などでも連続運転できるメリットも得られることとなる。さらに、ディーゼルエンジンによるコンプレッサ駆動と比較しても、装置を圧倒的に小型化することができ、配置に高い自由度を確保することが可能となる。
【００２９】
なお、本発明は、上記実施例を改良して、以下に述べる種々の変形実施をすることができる。
＜変形例１＞
図2は、浄化対象個所である曝気槽２へ圧縮空気ａを導くコンプレッサ翼が、前記ガスタービン１とは独立に併設されたタービンコンプレッサ１０の構成要素であるコンプレッサ翼Ｃ２である場合の例である。図1と共通する部分には同一符号を付し、説明を省略している（以下の変形例においても同様）。このタービンコンプレッサ１０のタービン翼Ｔ２は、前記ガスタービン１のタービン翼Ｔ１から排気される空気を導入することによって駆動され、これによってシャフトＳ２を介しコンプレッサ翼Ｃ２が回転駆動されるようにしている。
【００３０】
このような2軸型にすると、構造が複雑になるが、ガスタービン１の軸Ｓ１とタービンコンプレッサ１０の軸Ｓ２とが独立して回転できるため、コンプレッサC2を停止してのアイドル状態が可能となるメリットがある。
＜変形例２＞
図3は、浄化対象個所である曝気槽２へ圧縮空気ａを導くコンプレッサ翼が、ガスタービン１それ自体の構成要素であるコンプレッサ翼Ｃ１である場合の例である。コンプレッサ翼Ｃ１の容量が十分に大きい場合には、このコンプレッサ翼Ｃ１から吐出される空気の一部を曝気槽２に導入しても、タービンＴ１を十分に駆動することができるので、別途にコンプレッサ翼などを付加する構成を不要にして部品点数やコストの削減を図ることができる。
＜変形例３＞
図4は、タービン翼T１からの排気ｃとコンプレッサ翼Ｃ１から出て燃焼器ＣＣに向かう空気ｄとの熱交換を行うレキューパレータＲｅｃｕｐと、このレキュパレータＲｅｃｕｐへのタービン排気ｃの導入量を調節する振り分けバルブ等の調節部４とを備え、タービン排気ｃによって予熱した空気ｄを燃焼器ＣＣで燃焼させてタービン翼Ｔ１に導入するようにしたものである。
【００３１】
このようにすれば、ガスタービン１の燃料消費を減らすことができる。特に、乾燥チャンバ３内に汚泥ｂが入っていないか、量が少ない場合は、調節部４を操作し、レキューパレータＲｅｃｕｐへのタービン排気ｃの供給量を増やし、燃料を節約することができる。
【００３２】
また、乾燥チャンバ３の温度があまり高くなくても良い場合は、レキュパレータＲｅｃｕｐの後に乾燥チャンバ３を接続してもよい。
＜変形例４＞
図5は、コンプレッサC2から吐出される圧縮された空気ａの熱をも、熱を必要とする乾燥チャンバ３に持ち込むために、乾燥チャンバ３の前段に予熱室３３を設け、前記圧縮空気ａをこの予熱室３３のダクト３３ａを通過した後に曝気槽２に導入するようにしているものである。
【００３３】
すなわち、コンプレッサＣ２で圧縮した空気ａは100℃前後になっていることから、これを予熱室３３のダクト３３ａに通すことで、乾燥すべき汚泥ｂの予熱に有効利用することができる。
＜変形例５＞
図6は、他の構成からなる乾燥チャンバ５を示すものである。この乾燥チャンバ５は、内部にスクリュー５１を有し、このスクリュー５１がモータ５２によって駆動可能とされており、送り元にホッパ５３を介して汚泥ｂを導入し、送り先から乾燥汚泥ｅを落下させるようにしている。タービンからの高温排気ｃは、スクリュー５１の送り先側からチャンバ５内に導入され、送り元に向かって流れた後、チャンバ外に導出される。これは、汚泥の乾燥度を高める必要のある送り先ほど高くなるような温度勾配を形成するためである。チャンバ５から導出した空気は未だ熱を有しているため、予熱器５４，５５においてホッパ５３を通過中の汚泥ｂの予熱に供した後に放出するようにしている。図示例では予熱器５４，５５間に小バーナ５６ａ及びメッシュ５６bを内設した加熱機構５６を配置し、小バーナ５６ａに補助燃料を供給するようにしている。この加熱機構５６の上流と下流の間を再生熱交換器５７で接続して熱交換させることも有効である。
【００３４】
このような乾燥チャンバ５であっても、基本的にタービン排気が保有する熱をそのまま廃棄せずに有効利用できる点において変わりはなく、エネルギ効率の改善に大きく寄与し得るものである。
＜変形例６＞
図7は、乾燥過程の改良を示すものである。一般に、沈殿した汚泥を掻き出した後は、濃縮→消化→脱水→乾燥→焼却（溶融処理を含む）のプロセスを踏む。濃縮プロセスでは、汚泥を積み上げ、その重みで下からしみ出る水分を除くことで、より固形物に近づける。消化プロセスでは、固形物に近づいた汚泥をタンク中に入れ、嫌気性微生物でさらなる分解と減量化を行う。脱水プロセスでは、加圧ろ過の方法もあるが、図７のような遠心脱水装置６を用いることも有効である。この脱水装置６は、軸６１に回転可能に支持され外周に孔６２ａを多数穿孔されたドラム６２を具備し、このドラム６２の軸方向端部に設けた開口６２ｂに汚泥ｂを落として遠心脱水するようにしたものである。軸６１の基端部６１ａはこれと直交する軸６３に支持されていて、この軸63回りにドラム６２を回転させることによって、ドラム６２を傾け、開口６２ｂから図6とほぼ同様に構成された乾燥チャンバ５のホッパ５３に汚泥を落とし込むようにしているものである。この実施例の乾燥チャンバ５はスクリュー５１が傾けてあり、送り先ほど高位に位置して水分が送り元に向かって流れ落ちるようになっている。この実施例の場合も、図示していないがタービン排気がチャンバ内に導入される。脱水後も汚泥には未だ水分が含まれており、水の蒸発熱が相当大きくなるため、ここにガスタービン排気に含まれている熱が寄与し得る。脱水処理は、遠心方式と共によく知られたベルトプレス方式なども採用することができる。
【００３５】
また、図示乾燥チャンバ５で乾燥された乾燥汚泥ｅは、更に図示しない部位において焼却される。この焼却では、汚泥自らも、これに含まれる有機物が燃えるため、ここからも熱の発生がある。そこで、焼却施設が近くにある場合には、この熱を導入路８を介してチャンバ5内に持ち込み利用することが有効になる。その際、チャンバ５の前後に再生熱交換器８０を配置することも勿論有効となる。
【００３６】
なお、近時においては、乾燥→焼却は、公害（排煙処理など）の問題から、下水処理場に併設されるのではなく、複数の下水処理場からの汚泥を受け入れて広域処理（焼却）するプラントが増加している。この場合、各下水処理場は脱水処理の後、汚泥を広域処理場に輸送することとなる。
【００３７】
このようなケースでは、脱水処理の後、予乾燥処理を加える程度にしておけば足りる。これによって、脱水処理では、重量比で半分近く含まれていた水分の大部分を除去でき、輸送重量を低減できるのみならず、広域処理プラントにおいては、焼却前の予加熱が容易になり、焼却処理時の補助燃料の消費を減らす効果にもつながるものとなる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の水処理システムは、以上説明した種々の形態によって実施され、他方式などと比べてエネルギの利用効率が高まり、ひいては二酸化炭素の発生低減に寄与し得るといった環境保護的な効果を始めとして、電力によるコンプレッサ駆動方式に比べて受電設備が省略でき、コスト的なメリットや停電時などでも連続運転が可能となる、ディーゼルエンジンによるコンプレッサ駆動と比べて装置を圧倒的に小型化でき、配置の自由度が増すなどのなどの設備稼動上の種々の実益も伴うものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すシステム構成図。
【図２】同実施例の変形例を示す図。
【図３】同実施例の変形例を示す図。
【図４】同実施例の変形例を示す図。
【図５】同実施例の変形例を示す図。
【図６】同実施例の変形例を示す図。
【図７】同実施例の変形例を示す図。
【符号の説明】
１…ガスタービン
２…浄化対象個所（曝気槽）
３…熱を必要とする個所（乾燥チャンバ）
１０…タービンコンプレッサ
Ｔ１、Ｔ２…タービン翼
ＣＣ…燃焼器
Ｃ１、Ｃ２…コンプレッサ翼
Ｒｅｃｕｐ…レキュパレータ

Claims

回転式のタービン翼及び燃焼器を具備するガスタービンを備え、前記タービン翼の回転動力によって駆動される回転式のコンプレッサ翼から吐出される空気を浄化対象個所に導くと共に、前記タービン翼からの排気を熱を必要とする個所に導くように構成したものであって、送り元から汚泥を導入し、送り先から乾燥汚泥を落下させる構成の乾燥チャンバを有し、この乾燥チャンバが前記熱を必要とする個所であるとともに、前記タービン翼からの排気を、前記乾燥チャンバの送り先側からチャンバ内に導入することを特徴とする水処理システム。
前記コンプレッサ翼が、ガスタービンに対しその軸力によって回転駆動される位置に外付けされるものであることを特徴とする請求項１記載の水処理システム。
前記コンプレッサ翼が、ガスタービンとは独立に併設されるタービンコンプレッサの構成要素であり、このタービンコンプレッサのタービン翼が前記ガスタービンのタービン翼から排気される空気によって駆動され、これによってコンプレッサ翼が回転駆動されることを特徴とする請求項1記載の水処理システム。
前記コンプレッサ翼が、ガスタービンそれ自体の構成要素であり、当該コンプレッサ翼から吐出される空気の一部を前記浄化対象個所に導くようにしたことを特徴とする請求項１記載の水処理システム。
タービン翼からの排気を燃焼器に導入される前の空気と熱交換するレキューパレータと、このレキュパレータへのタービン排気の導入量を調節する調節部とを備え、タービン排気によって予熱した空気を更に燃焼器で加熱するようにしていることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の水処理システム。
コンプレッサ翼から吐出される圧縮された空気の熱をも、熱を必要とする個所に持ち込むように構成していることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の水処理システム。
浄化対象個所が、水中の有機物を分解する好気性微生物を繁殖させる曝気槽であり、熱を必要とする個所が、水の浄化に伴って沈殿する無機物に対する乾燥ないし予乾燥を行う前記乾燥チャンバであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の水処理システム。