JP7163172B2 - 汚泥可溶化方法及び汚泥可溶化装置 - Google Patents

Description

本発明は、汚泥可溶化方法及び汚泥可溶化装置に関する。

下水処理における生物処理の前段で発生する初沈汚泥、生物処理で生じる余剰汚泥、嫌気性消化処理で生じる消化汚泥、さらにはこれらの混合汚泥を例えば嫌気性消化処理するような場合に、前段で可溶化処理が行なわれる。

特許文献１には、所定の加温状態で汚泥に含まれる有機物の細胞膜を破壊して有機成分を効果的に減少させることを目的とする熱化学的に細胞を破壊する装置が開示されている。

当該装置は、内側槽の周囲に環状槽を備えた反応器と、反応器に下水汚泥を供給する汚泥ポンプと、汚泥ポンプで搬送される下水汚泥に苛性ソーダを注入する計量ポンプと、苛性ソーダが注入された下水汚泥のｐＨ値を検出するｐＨ値測定装置を備えて構成され、ｐＨ値測定装置により検出された下水汚泥のｐＨ値に基づいて苛性ソーダの注入量を調整するべく計量ポンプがフィードバック制御されている。

ＤＥ１０３４７４７６号

上述した従来のアルカリ薬剤添加装置では、アルカリ薬剤と汚泥の反応が進むと、弱酸性の溶解性物質が生成され、溶解性物質によりアルカリが中和されるようになる。そのため、アルカリ薬剤の添加直後はｐＨ値が上昇するが、直ぐにｐＨが低下するようになる。

そのため、アルカリ薬剤を添加した後の汚泥のｐＨ値をアルカリ薬剤の添加量の指標とする場合には、アルカリ薬剤の添加量が過大になり、維持管理費が増大するという問題があった。特に、原汚泥のｐＨ値が低い汚泥に対してはアルカリ薬剤の添加量が過剰になりやすい傾向にある。また、ｐＨ計を用いる場合には定期的に消耗部品の交換が必要となり、設備の維持コストも嵩むようになる。

また、嫌気性消化処理においては、投入される汚泥を全量可溶化しなくても嫌気性消化処理を良好に行なえ、原汚泥に対する汚泥の可溶化率の調整が重要であるとの知見を得ている。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、嫌気性消化処理の前段においてアルカリ薬剤の過剰な添加を抑制しながらも効果的に汚泥の可溶化処理が可能な汚泥可溶化方法及び汚泥可溶化装置を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による汚泥可溶化方法の第一特徴構成は、汚泥を嫌気性消化処理する前段で実行され、嫌気性消化処理の対象となる汚泥を薬剤の添加を含む所定の可溶化条件で可溶化処理する汚泥可溶化方法であって、原汚泥の粘度Ｐｏ、可溶化後の汚泥の粘度Ｐａとして、以下の数式で定義される汚泥粘度減少率Ｒ：
Ｒ＝（Ｐｏ－Ｐａ）／Ｐｏ
が、予め求めた前記汚泥粘度減少率と汚泥の可溶化率の相関関係に基づいて前記汚泥の可溶化率が目標可溶化率となるように設定された目標減少率となるように前記可溶化条件における薬剤の添加量を調整する点にある。

本願発明者は鋭意試験研究を重ねた結果、汚泥粘度減少率と汚泥の可溶化率との間に一定の相関関係があることを見出した。その結果、当該相間関係に基づいて可溶化率が目標可溶化率となるように、上述した数式で求まる汚泥粘度減少率Ｒを調整することにより、薬剤の過剰投入などの過剰な可溶化条件で可溶化処理することなく、効率的に汚泥を可溶化することができるようになるという新知見を得ることができた。

同第二の特徴構成は、汚泥を嫌気性消化処理する前段で実行され、嫌気性消化処理の対象となる汚泥を薬剤の添加を含む所定の可溶化条件で可溶化処理する汚泥可溶化方法であって、汚泥に薬剤を添加して可溶化処理する第１可溶化工程と、前記薬剤が添加された汚泥を所定温度に加温して可溶化処理する第２可溶化工程を含み、汚泥粘度減少率Ｒが、
原汚泥の粘度Ｐｏ、第１可溶化工程後の汚泥の粘度Ｐａａとして、以下の数式で定義される第１汚泥粘度減少率Ｒ１：
Ｒ１＝（Ｐｏ－Ｐａａ）／Ｐｏ
及び原汚泥の粘度Ｐｏ、第２可溶化工程後の汚泥の粘度Ｐａｂとして、以下の数式で定義される第２汚泥粘度減少率Ｒ２：
Ｒ２＝（Ｐｏ－Ｐａｂ）／Ｐｏ
で定義され、前記第１汚泥粘度減少率Ｒ１または前記第２汚泥粘度減少率Ｒ２が、予め求めた前記汚泥粘度減少率と汚泥の可溶化率の相関関係に基づいて前記汚泥の可溶化率が目標可溶化率となるように設定された目標減少率となるように、前記第１可溶化工程における前記薬剤の添加量を調整する点にある。

本願発明者は鋭意試験研究を重ねた結果、汚泥粘度減少率と汚泥の可溶化率との間に一定の相関関係があることを見出した。その結果、当該相間関係に基づいて可溶化率が目標可溶化率となるように、上述した数式で求まる第１汚泥粘度減少率Ｒ１または第２汚泥粘度減少率Ｒ２を調整することにより、薬剤の過剰投入などの過剰な可溶化条件で可溶化処理することなく、効率的に汚泥を可溶化することができるようになるという新知見を得ることができた。

同第三の特徴構成は、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記薬剤がアルカリ薬剤である点にあり、汚泥にアルカリ薬剤を添加することにより汚泥に含まれる有機物の細胞膜が破壊され、可溶化されるようになる。

同第四の特徴構成は、上述の第三の特徴構成に加えて、前記可溶化条件に、さらに前記アルカリ薬剤と汚泥の混合強度が含まれる点にある。

汚泥とアルカリ薬剤の混合強度を高めることにより、可溶化が促進されるようになる。混合強度とは汚泥に含まれる有機物とアルカリ薬剤との接触確率をいい、例えば回転撹拌羽根型攪拌機であれば、撹拌羽根の回転速度など、汚泥とアルカリ薬剤との撹拌状態を調整することにより混合強度を高めることができる。

本発明による汚泥可溶化装置の第一の特徴構成は、汚泥を嫌気性消化処理する嫌気性消化処理装置の前段に配置され、嫌気性消化処理の対象となる汚泥を所定の可溶化条件で可溶化処理する汚泥可溶化装置であって、汚泥に薬剤を添加して可溶化する第１可溶化装置と、前記薬剤が添加された汚泥を所定温度に加温して可溶化する第２可溶化装置と、前記第１可溶化装置に薬剤を添加する薬剤添加装置と、第１可溶化装置の前段と第１可溶化装置または前記第２可溶化装置の後段に設置された粘度計と、を含み、原汚泥の粘度Ｐｏ、第１可溶化工程後の汚泥の粘度Ｐａａとして、以下の数式で定義される第１汚泥粘度減少率Ｒ１：
Ｒ１＝（Ｐｏ－Ｐａａ）／Ｐｏ
または原汚泥の粘度Ｐｏ、第２可溶化工程後の汚泥の粘度Ｐａｂとして、以下の数式で定義される第２汚泥粘度減少率Ｒ２：
Ｒ２＝（Ｐｏ－Ｐａｂ）／Ｐｏ
が目標減少率となるように前記第１可溶化工程における前記薬剤の添加量を調整する制御部を備え、前記制御部は、予め求めた前記汚泥粘度減少率と汚泥の可溶化率の相関関係に基づいて前記汚泥の可溶化率が目標可溶化率となる前記汚泥粘度減少率を前記目標減少率に設定するように構成されている点にある。

同第二の特徴構成は、上述の第一の特徴構成に加えて、前記第１可溶化装置は、汚泥と薬剤を撹拌する撹拌機構を備えた混合装置で構成され、前記制御部は、前記薬剤の添加量の調整に加えて前記撹拌機構による混合強度を調整する点にある。

以上説明した通り、本発明によれば、嫌気性消化処理の前段においてアルカリ薬剤の過剰な添加を抑制しながらも効果的に汚泥の可溶化処理が可能な汚泥可溶化方法及び汚泥可溶化装置を提供することができるようになった。

汚泥可溶化装置の説明図 汚泥粘度減少率と可溶化率の相関関係を示す特性図 汚泥可溶化方法のフローチャート

以下、本発明による汚泥可溶化方法及び汚泥可溶化装置を説明する。
［汚泥可溶化装置の構成］
図１には、汚泥可溶化装置１が示されている。汚泥可溶化装置１は、撹拌混合機構１２を備えた汚泥混合装置１０と、汚泥混合装置１０にアルカリ薬剤を投入する薬剤投入機構２０と、薬剤が投入された汚泥を搬送途中で所定時間加熱する熱交換器３０と、加熱された汚泥を所定時間貯留する貯留槽４０と、を備えて構成されている。

更に、汚泥混合装置１０に原汚泥を供給する第１汚泥ポンプ２と、貯留槽４０に貯留された汚泥を嫌気性消化設備に搬送する第２汚泥ポンプ４を備えており、汚泥混合装置１０の上流に第１粘度計ＰＭ１が設けられ、汚泥混合装置１０と熱交換器３０の間に第２粘度計ＰＭ２が設けられ、さらに熱交換器３０の下流側に第３粘度計ＰＭ３が設けられている。

第１汚泥ポンプ２によって汚泥混合装置１０に供給された原汚泥は、薬剤投入機構２０からアルカリ薬剤が添加されて数分の間、撹拌混合され、さらに熱交換器３０を介して数分の間約５０℃に加熱された後に貯留槽４０に投入され、貯留槽４０で貯留された後に第２汚泥ポンプ４によって消化設備に搬送される。

撹拌混合機構１２は回転軸に指示された撹拌羽根と回転軸を回転駆動するモータを備えて構成され、モータの回転数を調節することにより汚泥混合装置１０に供給された原汚泥とアルカリ薬剤との撹拌強度を調整可能に構成されている。

下水処理における生物処理の前段で発生する初沈汚泥、生物処理で生じる余剰汚泥、嫌気性消化処理で生じる消化汚泥、さらにはこれらの混合汚泥で、所定の含水率（本実施形態では約９０～９８％）に濃縮された汚泥が原汚泥となる。嫌気性消化設備ではメタン発酵菌により嫌気性条件下でメタン発酵が行なわれ、発生したメタンガスが再生エネルギーガスとして利用される。

薬剤投入機構２０は、アルカリ薬剤の薬剤貯留槽２２と、アルカリ薬剤の供給管２４と、供給管２４にアルカリ薬剤を送る薬剤ポンプ２６を備えている。アルカリ薬剤として苛性ソーダが好適に用いられる。汚泥とアルカリ薬剤が撹拌混合されることにより汚泥が可溶化、つまり汚泥に含まれる有機物細胞膜が破壊され、後段の嫌気性消化処理に適した性状の汚泥となる。

薬剤ポンプ２６を制御する制御部５０がさらに設けられ、第１から第３粘度計ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の出力が制御部５０に入力されている。制御部５０はマイクロコンピュータなどの電子回路で構成され、各粘度計の出力に基づく所定の演算処理が行なわれ、その結果に基づいて薬剤ポンプ２６の回転数またはストローク数、つまりアルカリ薬剤の添加量が調整される。

［汚泥可溶化方法の詳細］
本発明による汚泥可溶化方法は、汚泥を嫌気性消化処理する前段で実行され、嫌気性消化処理へ投入される可溶化汚泥がメタン発酵されるのに必要な汚泥の可溶化率を維持するために嫌気性消化処理の対象となる汚泥を薬剤の添加を含む所定の可溶化条件で可溶化処理する汚泥可溶化方法で、主に上述の制御部５０により薬剤の添加処理が実行される。

つまり、原汚泥の粘度Ｐｏ、可溶化後の汚泥の粘度Ｐａとして、以下の数式で定義される汚泥粘度減少率Ｒ：Ｒ＝（Ｐｏ－Ｐａ）／Ｐｏが目標減少率となるように前記可溶化条件を調整するように処理される。原汚泥の粘度Ｐｏとは上述した第１粘度計ＰＭ１で測定された粘度である。また可溶化後の汚泥の粘度Ｐａとは上述した第２粘度計ＰＭ２または第３粘度計ＰＭ３で測定された粘度である。

更に具体的に説明すると、汚泥可溶化方法は、汚泥に薬剤を添加して可溶化処理する第１可溶化工程と、薬剤が添加された汚泥を所定温度に加温して可溶化処理する第２可溶化工程を含み、汚泥粘度減少率Ｒが、原汚泥の粘度Ｐｏ、第１可溶化工程後の汚泥の粘度Ｐａａとして、以下の数式で定義される第１汚泥粘度減少率Ｒ１：Ｒ１＝（Ｐｏ－Ｐａａ）／Ｐｏ、及び、原汚泥の粘度Ｐｏ、第２可溶化工程後の汚泥の粘度Ｐａｂとして、以下の数式で定義される第２汚泥粘度減少率Ｒ２：Ｒ２＝（Ｐｏ－Ｐａｂ）／Ｐｏで定義され、第１汚泥粘度減少率Ｒ１または第２汚泥粘度減少率Ｒ２が目標減少率となるように調整される可溶化条件に、第１可溶化工程における薬剤の添加量が含まれる。また、可溶化条件に、アルカリ薬剤と汚泥の混合強度が含まれる。

さらに、制御部５０の内部メモリには、予め求められた汚泥粘度減少率と汚泥の可溶化率の相関関係を示すテーブルデータが格納されており、制御部５０は、当該相関関係に基づいて汚泥の可溶化率が目標可溶化率となる汚泥粘度減少率を目標減少率に設定するように構成されている。

汚泥に薬剤を添加して可溶化する第１可溶化工程と、その後に加熱して可溶化する第２可溶化工程を経て可溶化される。その際に、第１可溶化工程における第１汚泥粘度減少率Ｒ１が目標減少率となるように薬剤の添加量が調整され、または、第２可溶化工程における第２汚泥粘度減少率Ｒ２が目標減少率となるように薬剤の添加量が調整されることにより、薬剤の過剰投入が回避され、効率的に可溶化できるようになる。ここで、熱交換器３０において加温温媒体の温度は一定であり、熱交換器３０を流通する第１可溶化工程を経た可溶化汚泥の熱交換器３０内の通過時間も一定であるため、第２可溶化工程における汚泥の可溶化の条件は一定である。従って、第１汚泥粘度減少率Ｒ１だけを指標としても第２可溶化工程を経た可溶化汚泥の可溶化率を目標とする可溶化率に維持することができる。

さらに、上述した汚泥とアルカリ薬剤の混合強度を高めることにより、可溶化が促進されるようになる。混合強度とは汚泥に含まれる有機物とアルカリ薬剤との接触確率をいい、例えば撹拌混合機構１２の撹拌羽根の回転数を調整し、汚泥とアルカリ薬剤との撹拌状態を調整することにより混合強度を高めることができる。

本願発明者は、嫌気性消化処理には投入する汚泥の可溶化率が重要であること、及び、汚泥粘度減少率と汚泥の可溶化率との間に一定の相関関係があることを見出した。その結果、当該相間関係に基づいて汚泥粘度減少率を調整することにより、過剰な薬剤の投入などの過剰な可溶化処理を行なわずに汚泥の可溶化率を目標とする可溶化率に調性できるようになる。

薬液添加量を調整する薬剤ポンプ２６の回転数またはストローク数、及び、混合強度を調整する撹拌混合機構１２のモータの回転数の調整量は、計測された粘度減少率と目標粘度減少率との偏差量を基準とするフィードバック制御により決定される。

図２には、汚泥粘度減少率と可溶化率の相関関係を示す特性図が示されている。図中、第１汚泥粘度減少率Ｒ１が黒丸印で示され、第２汚泥粘度減少率Ｒ２が黒三角印で示されている。つまり、黒丸印により汚泥混合装置１０における可溶化率と汚泥粘度減少率の相関関係が示され、黒三角印により熱交換器３０における可溶化率と汚泥粘度減少率の相関関係が示されている。なお、汚泥の可溶化率はＣＯＤｃｒを指標として求める方法やＶＴＳを指標として求める方法など既知の方法で求めればよい。

汚泥混合装置１０を通過した汚泥に対する第１汚泥粘度減少率Ｒ１が、可溶化率２０％に対応した約５０％となるように薬剤の添加量が調整されると、その後熱交換器３０を通過した汚泥に対する第２汚泥粘度減少率Ｒ２が最終の目標可溶化率３５％に対応した約８０％になる。

制御部５０は、第１汚泥粘度減少率Ｒ１が過渡的な目標可溶化率２０％に対応した約５０％となるように薬剤の添加量を調整する、または第２汚泥粘度減少率Ｒ２が最終の目標可溶化率３５％に対応した約８０％となるように薬剤の添加量を調整するように構成されている。即ち、第１汚泥粘度減少率Ｒ１及び第２汚泥粘度減少率Ｒ２の双方に基づいて薬剤の添加量を調整してもよいが、第１汚泥粘度減少率Ｒ１及び第２汚泥粘度減少率Ｒ２の何れか一方に基づいて薬剤の添加量を調整してもよい。

図３には、制御部５０により実行される汚泥可溶化制御の手順が示されている。制御部５０は、各粘度計ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３から検出された粘度データを入力すると（Ｓ１）、上述した数式に基づいて第１汚泥粘度減少率Ｒ１、及び、第２汚泥粘度減少率Ｒ２を算出し（Ｓ２）、それらが目標粘度減少率に達したか否かを判断し（Ｓ３）、達していなければ（Ｓ３，Ｎ）、薬液添加量を増加調整するとともに（Ｓ４）、混合強度を高めるべく撹拌混合機構１２のモータの回転数またはソレノイドのストローク数を高める。

目標粘度減少率に到達していれば（Ｓ３，Ｙ）、目標粘度減少率が予め設定された許容範囲を超過しているか否かが判断され、適正であれば（Ｓ６，Ｎ）、ステップＳ１に戻り、許容範囲を超過していれば（Ｓ６，Ｙ）、薬液添加量を減少調整するとともに（Ｓ４）、混合強度を弱めるべく撹拌混合機構１２のモータの回転数またはソレノイドのストローク数を低下させる。

上述した実施形態は本発明の一態様であり、該記載により本発明が限定されるものではなく、薬剤添加量と混合強度の何れか一方のみを調整してもよく、アルカリ薬剤の種類、熱交換器の加温媒体の温度、貯留槽、制御部による制御態様などは本発明の作用効果が奏される範囲で適宜変更設計可能であることはいうまでもない。

１：汚泥可溶化装置
２：第１汚泥ポンプ
４：第２汚泥ポンプ
１０：汚泥混合装置
１２：撹拌混合機構
２０：薬剤投入機構
３０：熱交換器
４０：貯留槽
ＰＭ１：第１粘度計
ＰＭ２：第２粘度計
ＰＭ３：第３粘度計

Claims (6)

1. 汚泥を嫌気性消化処理する前段で実行され、嫌気性消化処理の対象となる汚泥を薬剤の添加を含む所定の可溶化条件で可溶化処理する汚泥可溶化方法であって、
   原汚泥の粘度Ｐｏ、可溶化後の汚泥の粘度Ｐａとして、以下の数式で定義される汚泥粘度減少率Ｒ：
   Ｒ＝（Ｐｏ－Ｐａ）／Ｐｏ
   が、予め求めた前記汚泥粘度減少率と汚泥の可溶化率の相関関係に基づいて前記汚泥の可溶化率が目標可溶化率となるように設定された目標減少率となるように前記可溶化条件における薬剤の添加量を調整する汚泥可溶化方法。
2. 汚泥を嫌気性消化処理する前段で実行され、嫌気性消化処理の対象となる汚泥を薬剤の添加を含む所定の可溶化条件で可溶化処理する汚泥可溶化方法であって、
   汚泥に薬剤を添加して可溶化処理する第１可溶化工程と、前記薬剤が添加された汚泥を所定温度に加温して可溶化処理する第２可溶化工程を含み、
   汚泥粘度減少率Ｒが、
   原汚泥の粘度Ｐｏ、第１可溶化工程後の汚泥の粘度Ｐａａとして、以下の数式で定義される第１汚泥粘度減少率Ｒ１：
   Ｒ１＝（Ｐｏ－Ｐａａ）／Ｐｏ
   及び原汚泥の粘度Ｐｏ、第２可溶化工程後の汚泥の粘度Ｐａｂとして、以下の数式で定義される第２汚泥粘度減少率Ｒ２：
   Ｒ２＝（Ｐｏ－Ｐａｂ）／Ｐｏ
   で定義され、前記第１汚泥粘度減少率Ｒ１または前記第２汚泥粘度減少率Ｒ２が、予め求めた前記汚泥粘度減少率と汚泥の可溶化率の相関関係に基づいて前記汚泥の可溶化率が目標可溶化率となるように設定された目標減少率となるように、前記第１可溶化工程における前記薬剤の添加量を調整する汚泥可溶化方法。
3. 前記薬剤がアルカリ薬剤である請求項１または２記載の汚泥可溶化方法。
4. 前記可溶化条件に、さらに前記アルカリ薬剤と汚泥の混合強度が含まれる請求項３記載の汚泥可溶化方法。
5. 汚泥を嫌気性消化処理する嫌気性消化処理装置の前段に配置され、嫌気性消化処理の対象となる汚泥を所定の可溶化条件で可溶化処理する汚泥可溶化装置であって、
   汚泥に薬剤を添加して可溶化する第１可溶化装置と、前記薬剤が添加された汚泥を所定温度に加温して可溶化する第２可溶化装置と、前記第１可溶化装置に薬剤を添加する薬剤添加装置と、第１可溶化装置の前段と第１可溶化装置または前記第２可溶化装置の後段に設置された粘度計と、を含み、
   原汚泥の粘度Ｐｏ、第１可溶化工程後の汚泥の粘度Ｐａａとして、以下の数式で定義される第１汚泥粘度減少率Ｒ１：
   Ｒ１＝（Ｐｏ－Ｐａａ）／Ｐｏ
   または原汚泥の粘度Ｐｏ、第２可溶化工程後の汚泥の粘度Ｐａｂとして、以下の数式で定義される第２汚泥粘度減少率Ｒ２：
   Ｒ２＝（Ｐｏ－Ｐａｂ）／Ｐｏ
   が目標減少率となるように前記第１可溶化工程における前記薬剤の添加量を調整する制御部を備え、
   前記制御部は、予め求めた前記汚泥粘度減少率と汚泥の可溶化率の相関関係に基づいて前記汚泥の可溶化率が目標可溶化率となる前記汚泥粘度減少率を前記目標減少率に設定するように構成されている汚泥可溶化装置。
6. 前記第１可溶化装置は、汚泥と薬剤を撹拌する撹拌機構を備えた混合装置で構成され、
   前記制御部は、前記薬剤の添加量の調整に加えて前記撹拌機構による混合強度を調整する請求項５記載の汚泥可溶化装置。
   

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