JP4703728B2 - 微生物を含む廃棄物の流れの急速な非平衡の減圧 - Google Patents

Description

本発明は、排水の処理に関するものである。特に、本発明は、微生物の細胞崩壊、スラッジ粒子の縮小及び有効な溶性有機物の増加により向上する嫌気的及び好気的温浸方法に関するものである。さらに、本発明は、排水処理中に細胞物質から間隙水を除去する方法に関するものである。

汚水は、住宅、商業施設、工場及び公共施設からの液体及び水により運ばれる廃棄物と、地下水と、表面水と、時としての暴風水とよりなる。「排水」なる語と「汚水」なる語は、しばしば互換的に用いられる。汚水の構成は、その起源と廃棄物を運ぶ水の量とによる。専ら居住社会のみから生ずる汚水は、排泄物と、入浴水と、洗浄水と、台所の廃棄物とよりなる。他の廃棄物は、田舎／農業の源、及び／又は工業施設若しくは商業施設から生ずる。

現代の汚水処理は、一般に、第１、第２、第３の三つの段階に分かれる。これらの段階の各々でスラッジが発生するが、スラッジは処分され又は種々の目的に使用される。スラッジは、汚水の液体流から除去された半液状体である。スラッジは、汚水と工場操業との特質により、量と性質とが異なる。第１の処理からのスラッジは、通常９５％の含湿量を有する固体である。汚水処理からの蓄積された固体物質ないしスラッジは、乾状態で５０〜７０ポンド／人／年、湿状態で約１トン／年に達する。スラッジは、極めて腐敗しやすいものであり、生物学的に安定させ、適当な方法で処分しない限り、重大な汚染源となる。生物学的な安定化は、嫌気的又は好気的な温浸により達成される。温浸後、スラッジ乾燥床が通常用いられる。

現代の汚水処理工場においては、真空フィルタ、遠心分離機、ベルトプレスその他の装置によるスラッジの機械的脱水が広く行われている。多くの種類のスラッジは、チャンバフィルタプレス、ベルトフィルタプレスその他の従来の脱水装置により脱水することが困難である。したがって、脱水の能力を向上させるために、事前の調整が必要である。従来、このような調整は、一般に、凝集剤として作用する一つ又はいくつかの化学物質を加えることにより行われている。調整により行われてきた脱水の能力は、形成されるフロック粒子の量と、大きさと、特にその構造と安定性とに強く依存する。残念ながら、このような凝集剤の使用はやや高価な方法であり、したがって、凝集剤は特に節約して使用することが望ましいものと考えられている。

前記ベルトプレスへの送入に先立って行われるスラッジの脱水の試みに関する大きな問題の一つは、生物の間隙構造内に大量の水が保持されているということである。一般に、ベルトプレスは、細胞膜から外側の水を抜き取るに過ぎない。ベルトプレスは、細胞膜内に蓄積された間隙水を抜き取るという点では一般に効果がない。その結果、ベルトプレスは、スラッジから大量の水を除去するという効果を有していなかった。スラッジから水を十分に除去するためには、排水スラッジにおける細胞膜内に蓄積された間隙水に手を付けることが必要であろう。

従来、脱水方法に関する種々の特許が与えられている。例えば、２０００年１０月１５日、Ｇ．グリースンに与えられたアメリカ特許第６，１０１，７３８号は、スラッジに加圧された空気を送入することによりスラッジを脱水するようにしたスラッジ脱水装置を開示している。空気は、スラッジから水を剥ぎ取り、これにより、捕獲されている固体全体を増加させるという働きをなす。加圧された空気は、ベルトプレスの表面を通して該ベルトプレス上に蓄積されたスラッジに吹き込まれる。

２０００年４月１８日、Ｆ．Ｄ．デスキンズに与えられたアメリカ特許第６，０５１，１３７号は、第１段階の処理を行った汚水を脱水する方法を開示しており、この方法は汚水に活性ポリマー等の凝結剤又は凝集剤を混入するステップを含む。続いて、汚水は、汚水の広範な混合乱流を含む状況で混合され凝集され、これにより汚水の一部はリサイクルされて混合と凝集が行われる。汚水のｐＨは、基本のｐＨ範囲に化学的に調整される。汚水は砂床に移され、該砂床にて汚水中の凝集固体が汚水中の液体から分離される。砂床の上面に位置する凝集された固体は、続いて空気により乾燥される。

１９９９年１０月５日、Ａ．バーに与えられたアメリカ特許第５，９６１，８２７号は、濾過水圧を形成する装置に接続された少なくとも一つのスラッジ入口を有するフィルタ部分を備えたスラッジチャンバを含むスラッジ脱水装置を開示している。スラッジチャンバは、機械的脱水圧を作るために相互に押圧される圧力板により形成されている。調整コンテナを形成すると共に連続スラッジ送りに接続されているフィルタ部分を含む予備脱水段階がある。

１９９９年３月２３日、アンドリューズ等に与えられたアメリカ特許第５，８８５，４４５号は、スラッジを脱水するためのベルトプレスを開示している。このプレスは、該プレスの重力ベルト部の物理的動作を監視するためのカメラを含む。数値制御装置は、重力ベルト部の物理的動作を制御するために該ベルト部から受けた電磁放射を利用している。

１９９８年６月２３日、Ｆ．Ｄ．デスキンズに与えられたアメリカ特許第５，７７０，０５６号は、後に発行されたアメリカ特許第６，０５１，１３７号に関連するものであり、汚水に凝結剤又は凝集剤を加えることにより第１段階の処理済みの汚水を脱水する方法を開示している。

１９９４年１１月２２日、Ｓ．ゲイヤーに与えられたアメリカ特許第５，３６６，６２２号は、スラッジ懸濁液に凝集剤を加えることを含むスラッジの脱水方法を開示している。送りポンプと脱水装置との間に圧力管が配設されている。汚水を脱水装置に送る間、所望の位置にて凝集剤を加えることができるようにするために、該圧力管に沿っていくつかの注入ポイントが配設されている。

１９８８年８月３０日、Ｈ．Ｆ．デービスに与えられたアメリカ特許第４，７６７，５３７号は、スラッジのフロック粒子に付着する窒素ガスの微細な泡を発生させるように処理済のスラッジに硝酸塩イオンを加えることによるスラッジの脱水を開示している。これは粒子の密度の低下を引き起こし、これが粒子をシックニングタンクの上部へ浮かせることになる。この方法は、スラッジを上側の濃層と下側の自由水層とに分離させる。

本発明者は、生物学的固体の廃棄スラッジを処理する方法に関するいくつかの先行アメリカ特許の発明者でもある。特に、１９９７年６月３日に発行されたアメリカ特許第５，６３５，０６９号が開示する生物学的固体の廃棄スラッジを処理する方法は、スラッジの温度を上昇させるようにスラッジに酸化物を含む化学物質とスルファミン酸とを混合するステップと、該スラッジを１０１．３ｋＰａｇ（１４．７ｐ．ｓ．ｉ．ｇ．）よりも大きな圧力まで加圧するステップと、当該加圧されたスラッジを排出するステップとを含む。このスラッジは、５〜８５％の含水量を有する。酸化物を含む化学物質とスルファミン酸は、スラッジと反応してスラッジの温度を５０〜４５０℃に上昇させる。加圧されたスラッジは、制限オリフィスを通過させ又は低圧のチャンバに送入させる。蒸発した液体成分は、凝縮され、方法の一部として使用される。

１９９９年２月９日に発行されたアメリカ特許第５，８６８，９４２号は、病原体を含む生物学的固体のスラッジを処理する方法を開示している。この方法は、スラッジに酸化カルシウムとアンモニアと二酸化炭素とを混合し、該スラッジの温度を５０〜１４０℃に上昇させると共に該スラッジのｐＨを９．８よりも大きくなるようにするステップを含む。この方法は、該スラッジを１０１．３ｋＰａｇ（１４．７ｐ．ｓ．ｉ．ｇ．）よりも大きい圧力まで加圧し、当該加圧されたスラッジを排出するステップをも含む。このスラッジは、６５〜９４重量％の含水量を有する。当該加圧されたスラッジは、制限オリフィスを通過させ又は該スラッジの液体成分を蒸発させることにより排出される。

２０００年５月２日に発行されたアメリカ特許第６，０５６，８８０号は、生物学的固体の廃棄スラッジを処理する方法を開示しており、該方法は、スラッジに酸を混入するステップと、該スラッジに酸化物を含む化学物質を混合して該スラッジの温度を上昇させる反応を引き起こすステップと、該スラッジを１０１．３ｋＰａｇ（１４．７ｐ．ｓ．ｉ．ｇ．）よりも大きな圧力まで加圧し、該スラッジを少なくとも１５秒間当該圧力に維持するステップと、当該加圧されたスラッジを排出するステップとを含む。加圧するステップは、該スラッジを流れとしてパイプに送入することにより行われる。浸液ヒーター又は磁場を設け、スラッジがパイプを通過する際に該スラッジに直接熱を加える。

２００１年４月１０日に発行されたアメリカ特許第６，２１４，０６４号は、粉炭と汚水スラッジとより燃料製品を製造する方法を開示している。この方法においては、汚水スラッジに酸を混入すると共に酸化物を含む化学物質を混合して該スラッジの温度を上昇させる反応を引き起こす。この混合物は、少なくとも１５秒間、１０１．３ｋＰａｇ（１４．７ｐ．ｓ．ｉ．ｇ．）よりも大きな圧力まで加圧する。当該加圧されたスラッジに粉炭を混合する。続いて、この混合物を固形化する。使用される酸は、スルファミン酸である。
アメリカ特許第６，１０１，７３８号公報 アメリカ特許第６，０５１，１３７号公報 アメリカ特許第５，９６１，８２７号公報 アメリカ特許第５，８８５，４４５号公報 アメリカ特許第５，７７０，０５６号公報 アメリカ特許第５，３６６，６２２号公報 アメリカ特許第４，７６７，５３７号公報 アメリカ特許第５，６３５，０６９号公報 アメリカ特許第５，８６８，９４２号公報 アメリカ特許第６，０５６，８８０号公報 アメリカ特許第６，２１４，０６４号公報

本発明の目的は、スラッジ内の細胞膜から間隙水を除去し、スラッジ除去量を減少させるために、温浸を高め、スラッジを脱水する方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、ベルトプレス又は他の脱水装置への送入に先立って、スラッジの含水量を減少させる方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、二酸化炭素の放出を高めるために酸処理を提供する方法を提供することにある。

本発明の更なる目的は、費用効果が極めて高いスラッジの脱水方法を提供することにある。

本発明の更なる目的は、より高いパーセントの固体を与えるスラッジの脱水方法を提供することにある。

本発明の更なる目的は、二酸化炭素又はメタンの変換率を増加させるためにスラッジにおける生物の粒子サイズを減少させる方法を提供することにある。

本発明の更なる目的は、使用と据付が容易なスラッジの脱水方法を提供することにある。

本発明の上記その他の目的と利点は、添付の明細書と特許請求の範囲を読めば明らかになる。

本発明は、微生物を含む流れを処理する方法であって、次のステップよりなる。（１）微生物を含む流れをチャンバに送入し、（２）該チャンバ内の該流れを１０１．３ｋＰａｇ（１４．７ｐ．ｓ．ｉ．ｇ．）よりも大きい圧力まで加圧し、（３）当該加圧された流れに送りガスを導入し、該送りガスは当該加圧された流れの微生物に対し可溶性であり、（４）当該可溶性の送りガスを微生物内で膨張させて微生物の細胞壁を破裂させるように該流れを減圧する。

本発明においては、前記送りガスは、二酸化炭素、空気、窒素、メタン又はその混合物である。前記減圧のステップは、送りガスを導入した前記加圧された流れをフラッシュチャンバに送入することを含む。該フラッシュチャンバからガス生成物が生成される。該ガス生成物は、該チャンバにリサイクルさせ、又は大気に排出させる。

減圧後、流れを適宜脱水する。脱水された流れを嫌気的に処理し、当該処理された流れから天然ガスを除去する。固体生成物を生成するように前記処理された流れに凝集剤を加える。続いて、排水処理工程から該固体生成物を除去することができる。

本発明においては、チャンバは、前記送りガスを前記加圧された流れの中に実質的に拡散させるに適した長さを有するパイプラインである。

図１は、本発明の好ましい実施例による方法１０を示す。本発明の方法において、微生物を含むスラッジ１２はチャンバ１４に導入される。チャンバ１４は、本発明の方法を実施するに適した長さを有するパイプラインである。チャンバ１４には送りガス１６が導入される。送りガス１６は、ポンプ１８により加圧され、又はタンクからの加圧されたガス流として供給される。ガス１６は、二酸化炭素、空気、窒素、メタン、又はその混合物である。加圧されたガスは、チャンバ１４の内部を１０１．３ｋＰａｇ（１４．７ｐ．ｓ．ｉ．ｇ．）よりも大きい圧力まで加圧するようにチャンバ１４内に導入される。送りガスは、スラッジ１２の微生物内で可溶性である。

酸２０をチャンバ１４に加えてもよい。この酸は、流れのｐＨを６．５未満に低下させるように、加圧段階でチャンバに加えられる。この酸は、スルファミン酸、硝酸、燐酸、蓚酸、塩酸又は硫酸でよい。チャンバ１４は、送りガス１６を加圧された流れの中に実質的に拡散させるに適した長さを有する。

チャンバ１４は、フラッシュチャンバ２２に開口する。フラッシュチャンバ２２は、可溶性の送りガスが微生物内で膨張して該微生物の細胞壁を破裂させるように、チャンバ１４からの流れを減圧する。特に、この圧力は、加圧された送り流を制限オリフィスに通過させ、又は単にパイプライン１４をフラッシュチャンバ２２に開口させることにより、達成される。フラッシュチャンバ２２内の圧力は、チャンバ１４内の圧力よりも小さい。

フラッシュされた流れは、送り流からガス生成物を作る。このガス生成物は、フラッシュチャンバ２２の出口２４を介して排出されて大気に逃げ、又はライン２６に沿ってチャンバ１４に戻る。フラッシュチャンバ２２から出たガスに圧力を加えるために、ライン２６にポンプ２８を配設してもよい。このように、本発明は、ガス生成物の無駄を効果的に防止する。

流れの個体／液体成分は、ライン３０を通って脱水装置３２に至る。脱水装置３２は、排水から水の実質的な成分を除去する。水は、ライン３４を通って脱水装置３２から出る。続いて、個体成分は、より小さな液体成分と共に、ライン３６を通って嫌気性ダイジェスタ３８に至る。嫌気性ダイジェスタ３８は、凝集剤を導入するためのライン４０を備えてもよい。凝集剤は、廃棄物中の個体を凝集させる。したがって、固体は、ダイジェスタ３８からライン４２を通って排出される。廃棄物の嫌気性温浸の生成物は天然ガスである。天然ガスは、イジェスタ３８からライン４４を通って排出される。

本発明においては、液体を含む微生物の流れは、１０１．３ｋＰａｇ（１４．７ｐ．ｓ．ｉ．ｇ．）よりも大きい圧力で圧縮される。続いて、ガスが微生物の流れに導入される。送りガスは、微生物の流れの中で可溶性であるという特性を有する。送りガスは、細胞壁を通して拡散する速度が速いため、細胞の間隙水と微生物の流れとの間の高い濃度偏差の結果、微生物の細胞壁を通過する。送りガスは、二酸化炭素、空気、窒素、メタン又はその組合せよりなる。

ガス化された微生物の流れは、続いて減圧される。細胞内の溶解された送りガスは、細胞の体積を１８３７％も増大させる。この急速な非平衡の減圧は、極めて高いせん断速度と不可逆的な細胞破裂をもたらす。これは、粒子の大きさを減少させ、間隙水を解放し、これにより微生物の流れにおける生物学的酸素要求量を増大させる。残った細胞構造は、従来の脱水装置により脱水される。排出ガスは、リアクターの前部にリサイクルされて再利用され、又は大気中に排出される。粒子サイズが小さく、栄養が豊富で、生物学的酸素要求量が高い間隙水は、集められ、リサイクルされて嫌気性ダイジェスタに戻されたときに、天然ガスの生成を３０〜４０％増加させる。

この方法から得られる固体の割合は、従来の１８〜２０％から２８％以上に増加する。さらに、天然ガスの生成が増加する。この天然ガスの生成コストは、
嫌気性ダイジェスタの経費を７年のライフサイクルにわたって正当化する。この方法は、簡単であり、脱水と全体のガス生成との両者を効果的に高める。これは、エネルギーの要件と現在の音の技術を悩ませている操作上の問題とを伴うことなく、達成される。

本発明の方法に関する実験によれば、単細胞生物はすべて破滅されるようである。蠕虫卵構造は、未処理サンプルの「グレープ」無傷構造に対する「レーズン」タイプ構造に似た卵の少なくとも５０％が破滅する。微生物粒子の平均の大きさは、６０％減少する。処理したサンプルの沈降時間は、平均１７分間増加した。処理したサンプルの微生物ブランケット高さは、未処理のサンプルよりも２２％低かった。糞便の大腸菌レベルは、低いｐＨ値（４．５未満）においてのみ減少した。本発明による実験の結果は、いくつかの結論に導く。特に、凝集を達成するための重合体要件は、粒子の直径に反比例する。微生物の小さな粒子サイズは、よりコンパクトな微生物ブランケットをもたらす。粒子が小さい程、水をはじき、よりコンパクトになるように思われる。粒子の数に対する生物の数は極めて低い。したがって、生物の細胞崩壊は必ずしも温浸を向上させるものではなく、むしろ、小さな微生物粒子を作り出すものであると信ずる。粒子の体積に対する表面積の比率は、温浸の向上に大きく寄与する。体積に対する表面積の比率が大きい程、温浸率は大きくなり、ガス生成率が大きくなり、凝集を達成するための重合体要件が大きくなる。体積に対する表面積の比率の増加は、対数（ずれ率）に正比例する。

本発明についての上述の開示と説明は、例示的かつ説明的なものである。本発明の要旨から逸脱することなく、本発明の範囲内において、例示の構成に種々の変更を加えることができる。本発明は、次の特許請求の範囲及びその法的な均等物によってのみ限定されるべきものである。

本発明の方法の概略図である。

Claims (1)

1. 微生物を含む流れをチャンバに送入し、
   該チャンバ内の該流れを１０１．３ｋＰａｇ（１４．７ｐ．ｓ．ｉ．ｇ．）よりも大きい圧力まで加圧し、
   当該加圧された流れに送りガスを導入し、該送りガスは当該加圧された流れの微生物に対し可溶性であり、
   当該可溶性の送りガスを微生物内で膨張させて微生物の細胞壁を破裂させるように該流れを減圧し、
   前記減圧された流れを嫌気的に処理し、当該処理された流れから天然ガスを除去するようにした微生物を含む流れを処理する方法において、
   前記処理は、固体生成物を生成するように前記減圧された流れに凝集剤を加え、該固体生成物を除去することを特徴とする微生物を含む流れを処理する方法。

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