JP4939940B2 - 微生物の懸濁液中で粒子状有機物質を粉砕する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明はキャリア媒体、特に生物学的下水処理場の汚水又は汚泥中における、微生物の懸濁液中で粒子状の有機物質を粉砕する方法及び装置に関する。

汚水が、いわゆる活性汚泥法を用いた産業用及び市営の生物学的下水処理場において処理される場合、バクテリア懸濁液の形態の汚泥が生体分解性物質の代謝作用のためバクテリアによって生成される。この汚泥は法律及び経済的制限により、限られた度合いしか農業用に堆積、燃焼、又は利用できないため、汚泥の低減、又は防止までもが益々重要になっている。

過去数年間にわたり、汚泥中の有機体の機械的な細胞分解（崩壊）は廃棄物低減のための一方法として探求されて来ている。汚泥の分解の目的は、汚泥中に含まれる微生物の少なくとも一部分の細胞壁を破壊し、原形質体を解放することである。

本質的に、この細胞分解の目的は二つの要素から成る。一方では、加速され強化された分解による嫌気性の汚泥処理を改善することである。細胞分解は容易に分解可能な細胞内の水の放出を生じるため、加速は加水分解の機械的サポートに基づく。更に通性嫌気性微生物は分解されねばならず、さもないとそれは嫌気性腐敗プロセスを部分的に復活させ、腐敗した汚泥中の有機物質残留成分の部分的な原因となる。細胞分解はそれらを強化された分解にさらすために役立つ。

もう一方で、同分解は内部の炭素源としてタンパク質や多糖類のような有機物質を含む、細胞内の水の利用を可能にするためである。それによる目的は泥の量と腐敗期間を減らし、使用可能なエネルギー用に生成されるバイオガスの量を増加させることである。更なる利点は、例えば泥の沈降特性の改善と同様に、浮遊した泥及び糸状バクテリアの破壊である。

従来の機械的分解方法は非特許文献１の論文において与えられている。同論文によれば、大規模の技術的使用に適するのは主として、
―撹拌機ボールミル
―高圧ホモジナイザー
―超音波ホモジナイザー
である。

一方で、撹拌機ボールミルにおいて、細胞分解は硬質ガラス又はセラミックのボールで一杯の円筒形ミリング室内でボールの回転により生じ、超音波及び高圧ホモジナイザーにおいては細胞分解のためにキャビテーション・プロセスが利用される。

機械的分解のための従来の方法は、微生物の細胞壁の分割を起こす力を生じるキャビテーション・プロセス発生のための金銭的及びエネルギーの消費が非常に高いという共通点を有する。それは高圧及び超音波ホモジナイザーの製作ならびに操作と保守の両方について当てはまる。一方で高圧ホモジナイザーについては、非常に大きなポンプ容量を要する非常に高い圧力を発生する必要があり、超音波法は音極に供給するために非常に多量の電気エネルギーを要する。この状況におけるキャビテーション特性の利用の更なる欠点は装置及び材料の剥離が生じることであり、それが超音波音極などの特に摩耗に強い構成部品のために、例えばチタン等の高価な材料が使用されなければならない理由である。

キャビテーション特性を発生するためのエネルギー消費及び装置の出費を減らすため、より古い未公開の特許文献１による独国出願特許において既に、有機物質の分解のために、装置及びエネルギー技術的に高価な超音波又は高圧の分解装置を使用せず、代わりにいわゆるラバル・ノズルと呼ばれる最初に狭い断面を有し、次に拡がって行く断面を有するノズルを通じて懸濁液を圧力下で輸送することが示唆されている。断面を狭くすることにより、圧力がキャリア物質、すなわち水の蒸気圧未満のレベルまで下がるように懸濁液の流速は加速され、一方でその後に拡がって行く断面を通過するとき、圧力補償の結果として崩壊性キャビテーション気泡が発生する。

キャビテーション特性を伴う方法を通じた、このような懸濁液の処理はある程度の成功をもたらし、それはバイオガスのより多い生成と汚泥部分の低減に関する限り成功しているが、しかしながらこれらの結果がこれまで疑いなく解明出来なかった流路内のせん断応力、キャビテーション気泡の発生及び内破、又は他の影響によるかどうかは確実に明確化することが出来ない。いずれにしても、キャビテーション気泡の内破のような仕方の発生及び崩壊は、基本的に局部的な影響しか持たない。それは本来細胞の破壊を起こすことはなく、従って微生物の分解を生じない。

独国特許出願公開第１０２ １４ ６８９Ａ１号明細書 Ｎ．ディヒトゥル（Ｎ．Ｄｉｃｈｔｌ）、Ｊ．ミュラー（Ｊ．Ｍｕｅｌｌｅｒ）、Ｅ．エングルマン（Ｅ．Ｅｎｇｌｍａｎｎ）、Ｆ．Ｗ．ギュンテルト（Ｆ．Ｗ． Ｇｕｅｎｔｈｅｒｔ）、Ｍ．オスワルド（Ｍ．Ｏｓｓｗａｌｄ）、「流通下水における汚泥の分解−現状のレビュー」（"Ｄｅｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｖｏｎ Ｋｌａｅｒｓｃｈｌａｍｍ−ｅｉｎ ａｋｔｕｅｌｌｅｒ Ｕｅｂｅｒｂｌｉｃｋ" ｉｎ "Ｋｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｚ Ａｂｗａｓｓｅｒ"）、１９９７年（４４）、第１０号、１７２６〜１７３８頁以下

この背景に基づき、本発明の目的は材料とエネルギーにおいて同じように低い消費で、細胞の破壊に関して微生物の集中的な分解を可能にする手段を提供することにある。

本発明によれば、この解決策は請求項１の特徴を有する方法において見出される。

本発明の更なる目的は請求項８による、この方法の実行のための装置である。

更なる有益な実施形態は従属項において見出される。

本発明によれば、この分解効果は流体力学的手段により達成される。本発明は従って、閉ざされた流路、特にパイプライン内で懸濁液を運ぶ過程で、懸濁液のキャリア媒体、すなわち水の流速が、キャビテーション気泡が生じて直ちに崩壊するだけでなく、活性室を出ると直ちに再び凝縮する液相が実際に完全に蒸気へと変換されるために、圧力が蒸気圧未満のレベルまで減少するように加速される活性室を形成する考えに基づいている。

液相が蒸気相に変換する間の膨大な体積増加のため、該媒体の流速は同じ度合いで加速する。その結果は液相の搬送物、すなわち蒸気流と共に一掃されるバクテリア及び他の粒子が極度の加速力を受け、それらはその直後に蒸気が液相へと凝縮すると共に減速力へと戻る。粒子、特にプラズマ及び細胞膜の向い側にある細胞核の慣性の結果として、微生物の破壊とそれらの内容物の解放なしに、汚泥のフロックの構造変化及び膜表面の特性変化から既に影響を受けている、微生物を取り囲んでいるキャリア媒体の集合体の状態変化により力が粒子に作用する。特に、破裂を起こさない程度の慣性力を通じて微生物の膜表面を引き伸ばすことにより、慣性力が細胞膜の破裂及び従って細胞の破壊を最終的に起こす前に、界面活性物質は既に微生物から分離されることができる。

キャリア媒体の流速を操作することにより、大きなフロックの破壊から糸状のバクテリアが完全に細胞分解する迄の破壊に及ぶ、活性室内での懸濁液の各種処理方法を選択できることは特に有益である。

本発明は図面を参照して以下に更に詳細に説明される。

本発明の−物理的意味における−本質的特徴は、流路を通じて処理される懸濁液の輸送過程において形成される活性室である。図１に懸濁液が外部のエネルギー／時間Ｐ_ｅｌを用い、周囲圧力ｐ_０においてポンプ１により、どのようにして容器の休止（初期速度ｕ≒０）から、パイプライン２を通じて分解装置の活性室３へと実際に運ばれるかが系統的に示されている。この活性室３において、キャリア媒体、すなわち水は流速ｕ及び周囲圧力ｐ_０において隣接する流路４へと排出される以前に、その集合体の状態変化により極度の加速及び減速段階を施される。

本発明は細かい蒸気泡及び通常のキャビテーションがもはや活性室内に形成できず、むしろ直後に蒸気の凝縮によって減速に戻る加速の効果によりそれらが作用するように、キャリア媒体の搬送物、すなわち微生物の全表面に衝突する、完全な蒸気流への移行が達成されるために、活性室３の入口領域における流速ｕの増加に努める。微生物の内側に作用する加速及び減速効果のこの組合せの結果、それらの細胞膜は最後に破壊され細胞プラズマ及び細胞核の双方が解放される。

図１に関連する図２は、コンベヤラインｘに対する懸濁液の静圧の上昇及び下降が例示されている圧力線図を示す。圧力はポンプ１の前端において周囲圧力ｐ_０に等しいのに対して、それは活性室内でキャリア媒体の蒸気圧ｐ_Ｄ未満である圧力ｐ_ｋに下降するように、ポンプ１の電気的出力Ｐ_ｅｌに従って動作圧力ｐ_ｐに上昇する。活性室内３を出て流路４を通過した後は、懸濁液内の静圧は再び周囲圧力ｐ_０に等しい。

再度図１と関連してコンベヤラインに対する流速の線図を示す図３において、静圧の蒸気圧未満への低下の結果として蒸気流が活性室内で形成可能なように水の流速を加速することにより、活性室内への流入に際して水流の運動エネルギー／体積がどのように最大値
ρ_ｗ・ｕ_ｋ ^２／２
まで上昇するかを見ることができる。この蒸気流は、それが凝縮により隣接するパイプライン４内の運動エネルギー／体積にまで低下して戻る前に、細胞構造の粉砕又は破壊のために活用できる。ここに、ρ_ｗはキャリア媒体の密度（例えば水の場合、ρ_ｗ＝１０ｋｇ／ｍ^３）、ｕ_ｋは活性室内への流入に際しての流速を示す。

実際に本発明の基本である活性室３は流路５内に、流路５断面の極度の狭窄を生じる絞り閉塞部又はスクリーン６を配置することにより実現される（図４）。適切なポンプユニットを通じて懸濁液における圧力を増し、また絞り閉塞部の直径ｄを選定することにより、それが蒸気点未満まで低下するように、言い換えればキャリア媒体すなわち水が完全に蒸気相へと移行するように、絞り閉塞部の長さｌに沿って懸濁液の流速を加速することが可能である。

懸濁液が活性室へ流入する際の速度によって、細胞構造の破壊程度は変化する。そこから、一般的な約１４ｍ／ｓ（メートル／秒）のある程度理想的な速度ｕ_ｗ，ｉｄのための乗数として定義できる、各種の処理モードＸを推定することが可能である。これは図５による線図で例示することができる。

一般的な水の速度ｕ_ｗ，ｉｄはある程度「決定的に重要な」速度であり、それによって理論的には最初のキャビテーション特性が現れるべきであるが、しかしながらそれは実際にはおよそ倍の値、すなわちｕ_ｗ≒２８ｍ／ｓにおいて現れる摩擦及びその他のロスによるものである。これはフロック構造における変化の始まりを伴うｕ_ｗ≒２８ｍ／ｓでの水の速度における状態Ｘ＝２のみが処理ステップとして表わされ得るように、状態Ｘ＝１は決定的な速度を定義するだけであるという結論に導く。ｕ_ｗ≒４２ｍ／ｓにおける処理ステップＸ＝３は既に界面活性物質を解放し糸状のバクテリアを破壊するまでの膜の表面に対する作用を有し、一方でｕ_ｗ＞≒５０ｍ／ｓにおける処理モードＸ＝４は細胞分解、すなわち膜の破壊及び内部物質の解放の始まりを生じる。

実用のため、絞り閉塞部の開口幅ｄ及び長さｌ（図４）は、特に加速段階及び減速段階が微生物の破壊のために活用されるように選ばれる。同時にまた、エネルギー消費はｄ：ｌの比率を適切に選ぶことにより最小化できる。ｄ：ｌの比率＝１：５が良いと証明されている。

そのようなシステムの運転中に、設備内における絞り閉塞部の前端の集積領域、及びその後方の拡大領域に堆積物が形成される。図４において参照番号６の周りにこれらを示すように試みられている。騒音低減もまた生じ得るそのような断面は幾分従来のラバル・ノズルに類似している。

本発明の技術的応用の一例として、図６は概略的に汚水、汚泥等のための二段階分解プロセスの一部であるシステム１０を示す。そのような微生物の懸濁液は、その結果パイプライン１２、コンベヤ・ポンプ１３、及び本発明による活性室を含む分解装置１４を備える装置１０を通じて矢印１１の方向に運ばれる。

懸濁液中の粒度を出来る限り均一にするため、及び活性室を粗い物質から保護するために、均質化装置、例えば粉砕装置１５が分解プロセスの第一ステップとして挿入されることが望ましい。次に、懸濁液は所望される集合体の破壊及び細胞分解が本発明に従って生じる実際の分解装置１４を通ってコンベヤ・ポンプ１３により運ばれる。

図６の実施形態において、活性室は相応に狭い断面を有する、設計においてラバル・ノズルに類似のノズル１６の中央通路内に位置している。パイプライン１２のコンベヤ断面は狭窄した断面へと確実に狭まり、次に再び相応に拡がることが有益である。実用の目的で、ノズル１６は活性室内のプロセスにおける重力のあり得る影響を排除するために、パイプライン１２の垂直に延びている部分に位置している。

分解ノズル１６の寸法決定の一例として、計算は５〜１０％の乾燥物を伴う余分な汚泥の処理、及び運転流量

に基づくことができる。

微生物の懸濁液の搬送物処理に関して、キャリア媒体（水）の速度ｕ_ｗ，Ｂは以下のように選定される。
ｕ_ｗ，Ｂ＝Ｘ・ｕ_ｗ，ｉｄ
ここにＸは処理モードの乗数を示し、ｕ_ｗ，ｉｄはキャリア媒体の水に対して一般的な速度１４ｍ／ｓを示す。余分な汚泥の処理は、腐敗タワー（図５）における所望の生物学的効果を通常確実にする、Ｘ＝３で行なわれるべきである。このようにして選定された速度
ｕ_ｗ，Ｂ＝４２ｍ／ｓ
は、所定の運転流量

と共に、活性室の所望の直径ｄをもたらす。

ｌ＝５０ｍｍである活性室の長さは、ポンプによりシステムに供給されるエネルギーが活性室内で、搬送物（微生物）の処理のために出来る限り集中的に利用されるよう、キャリア媒体の集合体における状態変化（水→水蒸気）が活性室の全体にわたり確実にされるように決定される。

ポンプの寸法決定に関して、必要な圧力上昇Δｐはまだ液体であるρ_ｗ＝１０^３ｋｇ／ｍ^３のキャリア媒体（水）の密度を考慮に入れて、活性室の入口における動圧について次のように計算される。

次に、要求される流体出力は次のように計算される。

本計算は最後には、流体ポンプ出力は必要な入口速度ｕ_ｗ，Ｂを発生するためにだけ要求されるという理解に基づく。従って、Ｐ_ｈｙｄは活性室に入る流れの運動エネルギー／時間に等しい。

最後に、機械−流体効率η≒０．５の適用可能な流体静力学ウォームポンプでは、正味電源からポンプに取られる出力、例えば
Ｐ＝Ｐ_ｅｌ＝Ｐ_ｈｙｄ／η＝６ｋＷ
を規定することができる。

本発明によるポンプ及び活性室を伴うコンベヤラインの略図である。 活性室の領域における懸濁液の圧力挙動の図式的例示を示す。 パイプラインにおける絞り閉塞部による活性室の形成の略図を示す。 各種の処理モードの図式的例示である。 本発明による装置を含む分解システムの図を示す。

Claims (8)

1. 生物学的下水処理場の汚水又は汚泥内のキャリア媒体中に含有された微生物を粉砕する方法であって、キャリア媒体は、活性室（３）内において、キャリア媒体の圧力が当該キャリア媒体の蒸気圧未満まで減少する短期間での極度の加速により慣性力を受け、且つ、閉じた流路内を流れるキャリア媒体の減速が直後に続く方法において、
   キャリア媒体の活性室内への流入に際して、当該キャリア媒体が蒸発し次に凝縮されること、
   前記流体の運動エネルギー／体積が、前記活性室内への流入に際して最大値
   ρ_ｗ・ｕ_ｋ ^２／２
   まで上昇し、静圧の前記蒸気圧未満への低下の結果として蒸気流が活性室内で形成可能であること、ここでρ_ｗはキャリア媒体の密度であり、ｕ_ｋは活性室内への流速を表すこと、及び、
   活性室内では細かい蒸気泡が形成されず、且つ、完全な蒸気流への移行が達成されることを特徴とする方法。
2. キャリア媒体の集合体における状態変化が流速の変化によりもたらされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 流速の増大が流路の断面の狭窄により達成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 懸濁液がその後に続く複数のステップにおいて処理されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 懸濁液が同じ活性室を通って数回供給されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 懸濁液が活性室を通って垂直供給方向に下から上へと供給されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. キャリア媒体が、少なくとも５０m/secの流速ｕ_ｗを有しており、ｕ _ｗ は活性室内への流入に際しての流速以外の流速を表すことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. キャリア媒体が水であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。

Images