JP5846037B2 - スクリュープレスにおける圧入圧力一定制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、有機性汚泥に脱水助剤を添加してスクリュープレスで脱水処理する方法の改良に関し、特に、脱水助剤にバイオマスを用いて、バイオマスの添加率を制御することにより、スクリュープレスに供給する圧入圧力を一定に制御するスクリュープレスにおける圧入圧力一定制御方法に関する。

従来、難ろ過性の有機物を含有する下水等の汚泥は、凝集剤を添加して懸濁物質のフロックを形成させて固液分離を行ない、脱水ケーキの含水率の低減を図っている。この難ろ過性の汚泥を濃縮・脱水させる装置としては、外筒スクリーンに内設したスクリュー軸を回転させてろ過面を再生しながら、濃縮・脱水するスクリュープレスが良く知られている。
汚泥に脱水助剤を添加して脱水ケーキの含水率を低減させる技術も公知であり、運転開始後に汚泥濃度に基づいて古紙添加率と薬注率を制御し、所定時間後にケーキ含水率に基づいて古紙添加率と薬注率を制御して、所定の含水率のケーキを得る技術が特許文献１に記載している。

また、特許文献２に記載のように、膨張粉砕処理した剪定枝、枯草、籾殻等の植物廃棄物を脱水助剤として汚泥に混合し、低含水率の脱水ケーキを得る技術がある。

特開２００９−２２００８５号公報 特開２００６−７６６号公報

従来のスクリュープレスは、粘性の少ないろ過性の良い汚泥に対しては、スクリュー軸の回転数を制御することにより、過負荷防止と均一な含水率のケーキが得られるものであるが、難ろ過性の汚泥に対しては、ろ過室の容積を減少させて濃縮脱水すると、早期に外筒スクリーンのろ過面が目詰まりする。また、急激に圧搾すると汚泥がろ液とともに外筒スクリーンから排出され、ろ液を懸濁させる恐れがある。

脱水ケーキの含水率に基づいて古紙添加率と薬注率を制御する方法は、まず薬注率で制御し、薬注率が上下限値となった場合に古紙添加率を増減させるので、凝集剤のランニングコストが大きなものとなる。また、脱水機の最終段である脱水ケーキの含水率を基に制御を行うので、添加率を増減させた結果（ケーキ含水率の増減）がでるのが遅れるという問題がある。

汚泥に脱水助剤として植物性繊維を混合する技術は公知である。汚泥の性状は季節や天候、時間等で刻々と変動しており、この変動に応じて脱水助剤を添加することが重要となる。

この発明は、流入する下水汚泥の性状変動に対応し、凝集スラリーの供給圧力に応じて脱水助剤添加率を制御することによって、薬注率を増加させることなく、低含水率の脱水ケーキを生成するスクリュープレスにおける圧入圧力一定制御方法を提供する。

この発明の制御方法は、汚泥に脱水助剤を添加した調質汚泥を外筒スクリーンの始端部に供給し、回転するスクリュー軸で外筒スクリーンの後端側に搬送しながら外筒スクリーンからろ液を分離して、外筒スクリーンの終端部から脱水ケーキを取り出す際に、外筒スクリーンの始端部に供給される汚泥の圧入圧力を一定に制御するスクリュープレスにおいて、木質系または食品系のバイオマスを脱水助剤に使用して、予めスクリュープレスに圧入する基準圧力、基準圧力の最大値である最大基準圧力、基準圧力の最小値である最小基準圧力と、段階的に増減させる脱水助剤の供給量幅を設定し、スクリュープレスの圧入圧力を測定して、この計測値が、予め設定した最小基準圧力より低い場合、脱水助剤の供給量を供給量幅だけ増加させ、予め設定した最大基準圧力より高い場合は、脱水助剤の供給量を供給量幅だけ減少させ、予め設定した基準圧力の範囲内の場合は、脱水助剤の供給量を維持するもので、汚泥の性状変動に対して安定した脱水ケーキを排出できる。また、発熱量の高い脱水ケーキを生成することができ、環境配慮型の制御方法となる。

具体的には、スクリュープレスに圧入する調質汚泥の圧入圧力を一定時間ごとに測定し、圧入圧力の計測値が予め設定した基準圧力より低い場合、脱水助剤の供給量を供給量幅だけ増加させ、調質汚泥の圧入圧力が基準圧力の範囲内に上昇するまでこの操作を繰り返すと共に、圧入圧力の計測値が予め設定した基準圧力より高い場合、脱水助剤の供給量を供給量幅だけ減少させ、調質汚泥の圧入圧力が基準圧力の範囲内に下降するまでこの操作を繰り返すので、圧入ポンプやスクリュープレスの複雑な制御を必要とせず、構成が簡素であり、処理量の増加、脱水ケーキの含水率を低減できる。凝集剤の使用量を削減できるので、コストの削減が可能となる。

脱水助剤を供給量幅だけ増加あるいは減少させて、脱水助剤の供給量が最大供給量あるいは最小供給量に達する場合、警報を発するか運転を停止するので、安全運転が可能である。

また、バイオマスに綿状処理を施して、バイオマスの植物繊維を細分化すると、繊維が汚泥に馴染みやすくなり、真の含水率を低減することが可能となる。

本発明は、スクリュープレスへの圧入圧力を一定に制御するので、汚泥の性状変動に対して安定した脱水ケーキを排出できる。圧入ポンプやスクリュープレスの複雑な制御を必要とせず、バイオマスの添加量のみで圧入圧力を制御するので、構成が簡素であり、処理量の増加、脱水ケーキの含水率を低減できる。凝集剤の使用量を削減できるので、コストの削減が可能となる。バイオマスを使用するので、発熱量の高い脱水ケーキを生成でき、環境に配慮した制御方法である。

この発明に係る脱水機の運転制御システムである。 同じく、スクリュープレスの縦断面図である。 同じく、運転制御システムのフローチャートである。 同じく、脱水ケーキ含水率・乾ケーキ処理量と脱水助剤添加率の実験データである。

図１はこの発明に係る脱水機の運転制御システムであって、汚泥供給管１と脱水助剤供給管２を汚泥調整槽３に連結している。汚泥調整槽３には汚泥供給管１から供給する汚泥と、脱水助剤供給管２から供給する脱水助剤とを攪拌混合するための攪拌装置４を設けている。

脱水助剤は粉砕して脱水助剤貯留槽５に貯留しており、必要に応じて供給装置６で脱水助剤供給管２を介して汚泥調整槽３に供給する。供給装置６は設備や脱水助剤に応じてベルト式、スクリュー式等適宜選択してもよい。

本実施例では、脱水助剤として未利用バイオマスを用いている。未利用バイオマスとは、そのままの状態では利用価値が低く、通常は廃棄物として処分されているものである。具体的には、木質系の籾殻、間伐材等や、食品系の茶粕、食物残渣等の植物性廃棄物がある。

添加するバイオマスによっては、汚泥調整槽３に供給する前に、汚泥に馴染みやすい形状・性状となるよう前処理を施してもよい。具体的には、破砕処理あるいは膨張軟化処理等がある。膨張軟化処理とは、バイオマスを高圧下で所定時間保持した後、圧力を急激に解放させることにより、圧縮されていた流体及びバイオマスの細胞膜内に含まれていた水分などの流体が爆発的に膨張し、バイオマスの細胞膜を破砕する現象である。一方、粘結材として関与していた、生物体由来の水溶性高分子も加水分解が進行し、低粘度になり、粘結力も低下して流動性が増加する。バイオマスのそれぞれの状態における特徴的な性質を利用して廃棄物を加水分解して低分子化する処理である。
バイオマスを膨張軟化処理して細胞自体を破壊することにより、親水性に富み、分散性に優れ、汚泥との混合がきわめて容易となる。

特に硬度の高いバイオマスの場合、膨張軟化処理を施した後、さらに綿状処理を施してもよい。バイオマスの植物繊維を細分化することにより、繊維が汚泥に馴染みやすくなり、真の含水率を低減することが可能である。

バイオマスの比重は汚泥より軽いため、汚泥調整槽３にて汚泥とバイオマスを攪拌混合する。汚泥調整槽３内でバイオマスと汚泥は均等に混合された調質汚泥となる。攪拌装置４はバイオマスと汚泥を均等に攪拌混合するものであれば何でもよく、本実施例では撹拌翼を用いている。

汚泥調整槽３で脱水助剤と混合した調質汚泥は、圧入ポンプ７により調質汚泥供給管８を介して凝集混和槽９に圧送される。圧入ポンプ７の後段には計測器１０（流量計、濃度計）を配設している。調質汚泥供給管８には凝集剤供給管１１が連結されており、凝集剤溶解槽１２から凝集剤供給ポンプ１３により凝集剤（高分子凝集剤、無機凝集剤）が供給される。凝集剤供給ポンプ１３の後段には凝集剤の供給量を計測するための流量計１４を配設している。なお、凝集剤供給管１１は凝集混和槽９に接続してもよい。

調質汚泥供給管８の計測器１０で計測した調質汚泥の固形物量と、凝集剤供給管１１の流量計１４で計測した凝集剤の供給量を比較し、調質汚泥の固形物量に応じた凝集剤供給量を凝集剤供給ポンプ１３により供給するよう制御する。本実施例では、凝集剤供給量は調質汚泥供給量に比例して増減するように予め設定している。

凝集混和槽９には調質汚泥と凝集剤とを攪拌混合するための攪拌装置１５を設けている。調質汚泥と凝集剤は凝集混和槽９で撹拌混合され、強力なフロックを生成する。脱水助剤が凝集フロック同士を繋いで強力なフロックとなった凝集スラリーは、凝集スラリー供給管１６を経てスクリュープレス２０に圧入供給される。凝集スラリー供給管１６にはスクリュープレス２０に圧入供給される凝集スラリーの圧入圧力を計測するための圧力計１７を配設している。

図２はスクリュープレスの縦断面図であって、スクリュープレス２０は架台２１の前後のフレーム２２，２３間に、周部にろ過面を有する外筒スクリーン２４にスクリュー羽根２５を巻き掛けたスクリュー軸２６を内設している。外筒スクリーン２４の内部に配設したスクリュー軸２６は始端側から終端側に向かってテーパー状にその径を増大させ、外筒スクリーン２４とスクリュー軸２６を延伸方向に向かって相対的な間隔を減少させるようにしている。そして、スクリュー軸２６の前端部には汚泥の供給管２７が連結しており、供給管２７は外筒スクリーン２４の始端側に開孔したスクリュー軸２６の供給孔２８に連通させている。スクリュー軸２６の後端部にはスクリュー駆動軸２９が連結しており、スクリュー駆動軸２９には駆動用のスプロケット３０を嵌着している。このスプロケット３０をスクリュー駆動機（図示せず）で駆動させ、スクリュー軸２６を回転させる。供給孔２８から供給された汚泥は、スクリュー羽根２５によって始端側から終端側に向かって移送され、外筒スクリーン２４からろ液を分離させながら濃縮・脱水するようになっている。必要に応じて外筒スクリーン２４は回動自在としても良い。

そして、上記スクリュープレス２０において、脱水処理を行った直後の汚泥（脱水ケーキ）を外部へ排出する脱水ケーキ排出部３１には、排出される脱水ケーキに背圧を作用させるためのテーパーコーン状のプレッサー（押圧板）３２が備えられている。このプレッサー３２は、エアーシリンダあるいは油圧シリンダ等のごとき流体圧シリンダ３３によって軸方向（図２において左右方向）へ往復動自在に設けられている。

スクリュープレス２０は凝集スラリーを連続的に脱水処理できるもので、ベルト型脱水機や遠心脱水機等の従来の連続式脱水機と比較して、サイズが小さくコンパクトであり、電動機容量も小さく省電力である。
スクリュープレス２０はろ過室内を最適圧力に維持することで、安定的なろ過作用を発揮でき、最適含水率で連続脱水を行うことができる。

本発明に係る運転制御方法は、スクリュープレス２０を安定して運転するために、スクリュープレス２０に供給される汚泥等の圧入圧力を一定に制御することを基本としている。
そこで、圧入圧力を一定にするために、スクリュープレス２０に供給される凝集スラリーの固液物量を制御すべく脱水助剤の供給量を制御するものである。

詳述すると、スクリュープレス２０の運転が開始されると、スクリュープレス２０に供給される凝集スラリーの圧入圧力は、圧力計１７で計測されて制御装置１８に送られる。
スクリュープレス２０の運転中は、汚泥性状の変動で汚泥のろ過性が悪くなってスクリュープレス２０への負荷が増えると、凝集スラリーの圧入圧力が上昇する。一方、汚泥のろ過性が回復して、スクリュープレス２０への負荷が減少すると、凝集スラリーの圧入圧力が下降する。

一般的には、流入汚泥の性状が変動し、処理汚泥の固形物量が増加（減少）すると、スクリュープレス２０に供給する圧入圧力が大きく（小さく）なるため、圧入ポンプ７の供給量を減少（増加）させる、あるいはスクリュープレス２０内での滞留時間を短縮（延長）する等の圧入圧力を増大させるような制御を行う。しかし、高い圧力を発生させる圧入ポンプ７や大量の汚泥を固液分離するスクリュープレス２０は大型であり、制御機器の構成が複雑となる。

そこで、本発明の制御装置では、圧力計１７の計測値Ｐをあらかじめ設定した基準圧力Ｐ０と比較判断して、計測値Ｐが基準圧力Ｐ０から外れていた場合、供給装置６に指令を与えて脱水助剤の供給量を制御し、凝集スラリーの固形物量を増減させる。脱水助剤の供給量を調整することにより、圧入ポンプ７や凝集剤の薬注率を制御することなく、容易にスクリュープレス２０に供給される凝集スラリーの圧入圧力を基準圧力Ｐ０に維持することができる。
基準圧力Ｐ０は、ある程度の幅を持たせて設定することができ、圧入圧力の計測値Ｐがその設定幅内にある時は、現状を維持した状態で通常運転を継続する。

より詳しく説明すると、圧入圧力の計測値Ｐが基準圧力Ｐ０より低い場合には、制御装置１８は脱水助剤の供給装置に指令を与え、脱水助剤の供給量を増加させる。固形物量が増加した調質汚泥を圧入ポンプ７でスクリュープレス２０に供給することにより、圧入ポンプ７の吐出量やスクリュープレス２０のケーキ滞留時間等を変更せずに圧入圧力を上昇させることができる。

一方、圧入圧力の計測値Ｐが基準圧力Ｐ０より高い場合には、制御装置１８は脱水助剤の供給装置６に指令を与え、脱水助剤の供給量を減少させる。固形物量が減少した調質汚泥を圧入ポンプ７でスクリュープレス２０に供給することにより、圧入ポンプ７の吐出量やスクリュープレス２０のケーキ滞留時間等を変更せずに圧入圧力を下降させることができる。

一旦、供給装置６の供給量を変更すると、一定時間経過後に再度圧入圧力を測定し、計測値Ｐが基準圧力Ｐ０内に復帰するまで上記動作を繰り返す。

脱水助剤の供給量を決定する供給装置６の増減幅は予め設定しておく。脱水助剤の供給量の上限、下限を設定し、上限あるいは下限に達すると警報を発するか、あるいは運転を自動停止して調査ができるようにしてもよい。

図３はこの実施の形態に係る運転制御システムのフローチャートである。
Ａ．初期設定
凝集スラリーをスクリュープレス２０に圧入供給する際の基準圧力Ｐ０を設定する。本実施例では、最大基準圧力Ｐｍａｘと最小基準圧力Ｐｍｉｎの間を基準圧力Ｐ０として幅を持たせている。
脱水助剤の初期供給量Ｂ０，最大供給量Ｂｍａｘ，最小供給量Ｂｍｉｎ，段階的に増減させる供給量幅ｂを設定する。
圧入ポンプ７の定格回転数Ｎを設定する。
凝集剤添加率Ａ０（凝集剤供給ポンプ回転数、凝集剤供給量）を設定する。

Ｂ．運転開始
上記基準値Ｐ０，Ｂ０，Ａ０及び定格値Ｎにて各機器を運転する。尚、圧入ポンプ７は常時定格回転数Ｎ、凝集剤供給ポンプ１３は計測器１０の計測値に従って比例制御で運転する。

Ｃ．圧入圧力比較
凝集スラリーをスクリュープレス２０に圧入する際の圧入圧力を測定し、基準圧力Ｐ０と比較する。
圧入圧力の計測値Ｐが基準圧力Ｐ０内にある場合は、各機器の運転を現状の状態で維持する。
計測値Ｐが基準圧力Ｐ０より小さい場合は、フローチャートのＤへ移行して脱水助剤の供給量を段階的に増加させる制御を行う。
計測値Ｐが基準圧力Ｐ０より大きい場合は、フローチャートのＦへ移行して脱水助剤の供給量を段階的に減少させる制御を行う。

Ｄ．脱水助剤の最大供給量比較
上記フローチャートＣにおいて、圧入圧力の計測値Ｐが基準圧力Ｐ０より小さい場合は、圧入圧力を上昇させるために脱水助剤を増加させるべく、段階的に増加させる供給量幅ｂを加味した供給量Ｂと最大供給量Ｂｍａｘとを比較する。
変更後の脱水助剤の供給量Ｂが最大供給量Ｂｍａｘより小さい場合は、フローチャートのＥへ移行して脱水助剤の供給量を段階的に増加させる制御を行う。
変更後の脱水助剤の供給量Ｂが最大供給量Ｂｍａｘより大きくなる場合は、フローチャートのＨへ移行して、警報を発するか、あるいはスクリュープレス２０の運転を自動停止させる制御を行う。

Ｅ．脱水助剤供給量（増）
上記フローチャートＤにおいて、変更後の脱水助剤の供給量Ｂが最大供給量Ｂｍａｘより小さい場合は、脱水助剤の供給装置６を調整し、予め設定した分だけ脱水助剤の供給量を増大させる制御を行う。本実施例の供給装置６はスクリュー式であるので、スクリューの回転速度を増加させる制御を行うが、ベルト式等の他の供給装置の場合、ベルトの搬送速度を増大させる等の供給量を増大させる制御を適宜行う。

Ｆ．脱水助剤の最小供給量比較
上記フローチャートＣにおいて、圧入圧力の計測値Ｐが基準圧力Ｐ０より大きい場合は、圧入圧力を下降させるために凝集剤添加率を減少させるべく、段階的に減少させる供給量幅ｂを加味した供給量Ｂと最小供給量Ｂｍｉｎとを比較する。
変更後の脱水助剤の供給量Ｂが最小供給量Ｂｍｉｎより大きい場合は、フローチャートのＧへ移行して脱水助剤の供給量を段階的に減少させる制御を行う。
変更後の脱水助剤の供給量Ｂが最小供給量Ｂｍｉｎより小さくなる場合は、フローチャートのＨへ移行して、警報を発するか、あるいはスクリュープレス２０の運転を自動停止させる制御を行う。

Ｇ．脱水助剤供給量（減）
上記フローチャートＦにおいて、変更後の脱水助剤の供給量Ｂが最小供給量Ｂｍｉｎより大きい場合は、脱水助剤の供給装置６を調整し、予め設定した供給量幅ｂ分だけ供給量を減少させる制御を行う。

Ｈ．警報・運転停止
一定時間経過後に再度圧入圧力を測定し、計測値が基準圧力内に復帰するまで上記動作を繰り返す。脱水助剤が最大供給量あるいは最小供給量に達しても圧入圧力の計測値が基準値内に復帰しない場合は、警報を発するか、あるいはスクリュープレス２０の運転を自動停止する。

図４（ａ）は「見かけ」、（ｂ）は「真」の脱水ケーキ含水率・乾ケーキ処理量と脱水助剤添加率の実験データである。
脱水ケーキの見かけの含水率（見かけの処理量）とは、脱水助剤や凝集剤等の添加物の重量を含めた実測値であり、真の含水率（真の処理量）とは、この実測値から添加物の乾燥重量を除いた汚泥重量に対する含水率を算出した値である。
被処理液：下水汚泥
脱水助剤：膨張軟化処理を施した籾殻

脱水助剤の供給量を増加するにしたがって、脱水ケーキ含水率は低下し、ケーキ処理量は増加している。これは、脱水助剤の重量を含めた「見かけ」だけでなく、脱水助剤の重量を除いた「真」の脱水ケーキ含水率・ケーキ処理量でも同様の傾向を示している。

これは、バイオマスに含まれる組織状物を下水汚泥に添加することにより、下水汚泥の脱水性・ろ過性が向上したためであり、脱水性能が「見かけ」だけでなく「真」でも向上する。

本発明のスクリュープレスの圧入圧力一定制御方法は、圧入ポンプやスクリュープレスの複雑な制御を必要とせずに、脱水助剤の供給量だけで容易に制御することができる。
したがって、処理原液の性状が季節や天候等で刻々と変動する下水汚泥を固液分離する各種固液分離装置、特に連続式のスクリュープレスに適用できる。
また、高価な凝集剤の過剰添加がなく、脱水助剤としてバイオマスを用いているので、発熱量の高い脱水ケーキを生成することができ、環境配慮型の制御方法である。

２０ スクリュープレス
２４ 外筒スクリーン
２６ スクリュー軸
Ｐ 圧入圧力の計測値
Ｐ０ 基準圧力
Ｂ 脱水助剤の供給量
ｂ 供給量幅
Ｂｍａｘ 最大供給量
Ｂｍｉｎ 最小供給量

Claims (4)

1. 汚泥に脱水助剤を添加した調質汚泥を外筒スクリーン（２４）の始端部に供給し、回転するスクリュー軸（２６）で外筒スクリーン（２４）の後端側に搬送しながら外筒スクリーン（２４）からろ液を分離して、外筒スクリーン（２４）の終端部から脱水ケーキを取り出す際に、外筒スクリーン（２４）の始端部に供給される汚泥の圧入圧力を一定に制御するスクリュープレス（２０）において、
   木質系または食品系のバイオマスを脱水助剤に使用して、
   予めスクリュープレス（２０）に圧入する基準圧力（Ｐ０）、基準圧力の最大値である最大基準圧力（Ｐｍａｘ）、基準圧力の最小値である最小基準圧力（Ｐｍｉｎ）と、
   段階的に増減させる脱水助剤の供給量幅（ｂ）を設定し、
   スクリュープレス（２０）の圧入圧力を測定して、
   この計測値（Ｐ）が、
   予め設定した最小基準圧力（Ｐｍｉｎ）より低い場合、脱水助剤の供給量を供給量幅（ｂ）だけ増加させ、
   予め設定した最大基準圧力（Ｐｍａｘ）より高い場合は、脱水助剤の供給量を供給量幅（ｂ）だけ減少させ、
   予め設定した基準圧力（Ｐ０）の範囲内の場合は、脱水助剤の供給量を維持する
   ことを特徴とするスクリュープレスの圧入圧力一定制御方法。
   
2. 前記スクリュープレス（２０）に圧入する調質汚泥の圧入圧力を一定時間ごとに測定し、
   圧入圧力の計測値（Ｐ）が予め設定した基準圧力（Ｐ０）より低い場合、脱水助剤の供給量を供給量幅（ｂ）だけ増加させ、調質汚泥の圧入圧力が基準圧力（Ｐ０）の範囲内に上昇するまでこの操作を繰り返すと共に、
   圧入圧力の計測値（Ｐ）が予め設定した基準圧力（Ｐ０）より高い場合、脱水助剤の供給量を供給量幅（ｂ）だけ減少させ、調質汚泥の圧入圧力が基準圧力（Ｐ０）の範囲内に下降するまでこの操作を繰り返す
   ことを特徴とする請求項１に記載のスクリュープレスの圧入圧力一定制御方法。
3. 前記脱水助剤を供給量幅（ｂ）だけ増加あるいは減少させて、脱水助剤の供給量（Ｂ）が最大供給量（Ｂｍａｘ）あるいは最小供給量（Ｂｍｉｎ）に達する場合、警報を発するか運転を停止することを特徴とする請求項１または２に記載のスクリュープレスの圧入圧力一定制御方法。
4. 前記脱水助剤は、バイオマスに綿状処理を施して、バイオマスの植物繊維を細分化したことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のスクリュープレスの圧入圧力一定制御方法。

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