WO2002088033A1 - Procede et dispositif permettant de reduire le volume de boues excedentaires - Google Patents

Description

明細書 余剰汚泥の減容化方法及び装置 発明の分野

本発明は各種有機性汚水を生物的に処理する際に発生する余剰汚泥を減容化す る余剰汚泥の減容化方法及びこの方法を用いた余剰汚泥の減容化装置に関するも のである。

発明の背景

各種産業排水及び生活廃水として排出される有機性廃水は、 主に活性汚泥法な どの生物学的方法で処理されている。 この処理過程では微生物が活発に増殖する ため余剰汚泥が大量に生成されるために、 その処分が問題になる。 このような余 剰汚泥の処分方法としては、 一部において土壌改良材として利用することゃコン ボスト材料として利用することがおこなわれているが、 根本的な解決にまだ至つ ておらず、 殆どの場合は、 余剰汚泥を脱水処理した後に産業廃棄物として焼却や 埋め立てなどの方法で処理しているのが現状である。

しかし、 近時においては、 上記の焼却処分については、 焼却に伴うダイォキシ ンなどのいわゆる環境ホルモンなどの有害物質の発生が懸念され、 また埋め立て 処分の場合にも、 経時的に有害物質の浸出問題が懸念される傾向が強くなつてい る。 従って、 より根本的な解決方法として、 処分すべき余剰汚泥自体を減容化す る技術が求められ、 このための提案も多数されてきている。

その中で、 コストが比較的安く、 制御しやすい方法として特許第 2806495号、 特開平 11-128975号、 特願平 11-218022号等の方法がある。 これらは、 余剰汚泥 にアルカリを添加した後に超音波を照射するものである。

しかしながら、 従来の技術で述べた特開平 11 - 128975号に示されたものは、 可 溶化された余剰汚泥を生物処理工程に返送するときの中和コストを考慮して、 ¾ 局 pH10.5以下で行うようにしているが、 この方法では期待される可溶化の効果 を得ることが困難である。

従来の技術で述べた特願平 11-218022号に示されたものは、 中和処理をェ 夫して、 pHを 1 2〜1 3まで高めて、 可溶化効果を向上させているが、 超音波 による処理時間がまだ長く、 出力が比較的に高いためコスト高につながり、 また、 微生物の資化性 （微生物の分解に利用されやすさ） に関しても満足できる効果が 得られ難く、 実用に支障がでる場合がある。 これらの技術に関して、 低い超音波 出力でかつ短い作用時間によって、 要求された溶解効果、 特に微生物に資化され 易い効果が得られるように、 コスト削減と効果を向上させる技術改良が強く求め られている。

発明の概要 本発明は、 従来の方法よりも可溶化能力が高く、 ト一タルコストが安く、 設備 の小型化を図ることができる余剰汚泥の可溶化処理方法及び装置を提供すること を目的とする。

本発明の請求項 1記載の余剰汚泥の減容化方法は、 有機性廃水に微生物処理を 施すことにより生ずる余剰汚泥に、 可溶化剤を添加し、 超音波を作用させ、 減圧 膨張処理を施した後に、 再び微生物処理を施すことにより、 前記余剰汚泥の容積 を減少させることを特徴とする。

当該方法によれば、 減圧膨張処理により高い可溶化が図られ、 特に高い微生物 資化性が得られ、 高い減容化が実現される。

本発明に基づく他の余剰汚泥の減容化方法は、 前記可溶化剤が、 アルカリ、 又 は溶菌剤、 又はこれらの組み合わせであることを特徴とする。

当該方法によれば、 アルカリはタンパク質の溶解に寄与し、 中和されれば環境 に無害であり、 更に生物処理系では炭酸ガスの溶け込みによる p Hの低下を防止 すること及び p Hの調整ができるという利点がある。 アルカリ剤としては、 例え ば、 N a O H、 K O H、 M g ( O H) ₂、 C a (O H) ₂などを使用することが できるが、 p Hを高めることができれば他の化合物を使用することもできる。 また、 溶菌剤は微生物の細胞壁を破壊するという作用を発揮する。 溶菌剤の種 類として様々なものがあるが、 菌体を分解できるものならば種類は問わない。 例 えば、 過酸化水素、 次亜塩素ソーダ一、 オゾンなとが挙げられる。

本発明の他の実施例に基づく余剰汚泥の減容化装置は、 有機性廃水を微生物処 理することにより生じた余剰汚泥に、 可溶化剤を添加する手段と、 超音波を作用 させる超音波付与手段と、 当該超音波付与手段の下流側に設けられて前記余剰汚 泥に減圧膨張処理を施す減圧膨張手段とを備えたことを特徴とする。

当該実施例に基づけば、 減圧膨張手段により高い可溶化が図られ、 特に高い微 生物資化性が得られ、 高い減容化が実現される。

本発明のさらに他の実施例に基づく余剰汚泥の減容化装置は、 前記減圧膨張手 段がホモジナイザーであることを特徴とする。

当該実施例に基づけば、 超音波とアル力リ等の可溶化剤により微生物の細胞壁 を破壊し、 減圧膨張によって傷つけられた細胞の中身の漏出を促進し、 可溶化剤 による更なる反応で微生物に利用されやすい物質に変化させることが可能である。 なお、 ホモジナイザーにかける圧力が高いほど、 減圧膨張による可溶化効果が高 くなるが、 装置の製造コストとランニングコストなどを考慮して最適な操作条件 を決定すればよい。

本発明のさらに他の実施例に基づく余剰汚泥の減容化装置は、 前記超音波付与 手段と前記減圧膨張手段とが別装置であり、 これらの超音波付与手段と減圧膨張 手段とが直接又は他の装置を介して直列に接続されていることを特徴とする。 当該実施例によれば、 超音波付与手段と減圧膨張手段とが別装置なのでそれそ れの装置の性能を最大限発揮させるように設計することができる。 更に、 超音波 付与と減圧膨張との各処理の操作条件を自由にそれぞれ独立に最適に制御できる。 本発明のさらに他の実施例に基づく余剰汚泥の減容化装置は、 前記超音波付与 手段と前記減圧膨張手段との機能を併せ持つ一の装置として構成されていること を特徴とする。

当該実施例によれば、 超音波付与手段と減圧膨張手段とがーの装置として構成 されているので、 装置の大きさを最小限に抑えるように設計をすることができる。 また、 装置全体のコストを低減でき、 装置の制御も簡単に行うことができる。 本発明のさらに他の実施例に基づく余剰汚泥の減容化装置は、 前記超音波付与 手段が超音波振動子を含み、 前記減圧膨張手段が、 当該超音波振動子の下流に流 れに交差するように配置された、 多数の貫通孔が形成された板状体を含むことを 特徴とする。 当該実施例によれば、 流れに対応して配置された板状体 （多孔板） により、 減 圧膨張作用が発揮され、 高い可溶化が図られる。

本発明のさらに他の実施例に基づく余剰汚泥の減容化装置は、 前記超音波付与 手段と前記減圧膨張手段との間に、 流れを遮るように受流板状体を介装したこと を特徴とする。

当該実施例によれば、 介装された受流板状体により、 超音波のキヤビテ一ショ ン効果を高め、 溶液の流れを変更して、 混合を促進するので、 前記板状体 （多孔 板） の子 L径を大きくしても、 高い可溶化が図られる。 図面の簡単な説明 図 1は、 本発明の実施の形態の余剰汚泥の減容化方法を示す図である。

図 2は、 本発明の実施の形態の余剰汚泥の減容化装置を示す概略図である。 図 3は、 本発明の実施の形態の余剰汚泥の減容化装置を示す概略図である。 図 4は、 本発明の実施の形態の余剰汚泥の減容化装置を示す概略図である。 図 5は、 本発明の実施の形態の余剰汚泥の減容化装置を示す概略図である。 好ましい実施態様の詳細な説明 以下、 図に従って、 本発明の実施形態を説明する。

図 1に、 本発明の実施の形態に係る余剰汚泥の減容化方法を含む廃水の処理方 法のフロー工程図の一例を示す。 図 1において、 有機廃水の原水 1は初期沈殿地 2、 流量調整池 3を経て、 生物処理槽 4に流入して微生物により処理された後に 最終沈殿池 5で固液分離して、 処理水 6と汚泥 （返送汚泥 7、 余剰汚泥 8 ) とな る。 その汚泥の一部分を返送汚泥 7として生物処理槽に返送すると共に他部は余 剰汚泥 8として汚泥濃縮槽 1 0を経て又は経由せずに、 汚泥可溶化工程 D V 1 1 に導入し、 余剰汚泥 8を可溶化及び分解処理を行う。 可溶化された可溶化汚泥 9 は廃水処理工程の流量調整槽 3又は生物処理槽 4、 又はこれらの両方に返送して 、 生物処理槽 4中の微生物により可溶化汚泥 9を分解する。 汚泥可溶化工程 D V 1 1では、 投入された余剰汚泥 8は超音波の振動子の作用 を受け、 更にホモジナイザーの減圧膨張作用を受けて、 可溶化処理される。 汚泥可溶化工程 D V 1 1は超音波付与手段としての機能と減圧膨張手段である ホモジナイザ一としての機能を備えている。 その構造を図 2、 図 3、 図 4、 図 5 に示す。

図 2及び図 3に示すものは、 超音波付与手段と減圧膨張手段 （ホモジナイザー ) とを分離して構成し直列に接続したものである。 図中 1 2は超音波付与手段の 一部としての超音波振動子、 1 3は超音波処理タンク、 1 4はポンプ、 1 5は減 圧膨張処理タンク、 1 6は減圧膨張手段としてのホモジナイザ一である。

図 4と図 5に示すものは超音波付与手段と減圧膨張手段 （ホモジナイザー） と の機能を併せ持つ一の装置としたものである。 これらの各手段を別部品として製 造した後に、 ボルトナット等の締結具により組み立てたものも、 前記一の装置と いう概念に含まれるものとする。

図 4に示すものは、 多孔板 2 6を超音波振動子 2 2の超音波作用方向の直前に 設置して、 超音波の作用を受けた余剰汚泥が超音波の直進波とポンプの圧力によ り多孔板 2 6に送られるようにしている。

この構造を採用したので、 多孔板 2 6の一次側では圧力が高いが、 多孔板 2 6 の二次側の圧力が大気圧に近いため、 多孔板 2 6を通過した液体はすぐに大気圧 に近い圧力に下がる。 その圧力差で余剰汚泥中の菌体は急激な減圧により膨張し 、 超音波の微細的な高周波のキヤビテ一シヨン作用を受けた菌体は液体本体の膨 張作用を受け、 破壊された細胞壁が更に膨張作用で細胞内部の内容物の漏出が促 進されて、 アルカリなどの溶解剤の作用を受け、 微生物に分解されやすい物質に なる。 また、 アルカリの溶解剤の作用と超音波の作用により傷を付けられた細胞 壁が減圧膨張により破壊され、 内容液の漏出が促進される。

図 5に示すものは、 超音波振動子 2 2の直前に受流板状体 2 7を置いたもので める。

この構造を採用したので、 超音波の作用を受けた溶液が受流板状体 2 7により 高圧に維持され、 その後に受流板状体 2 7の脇の通路を通って、 セル （多孔板 2 6 ) の出口から減圧を受け、 膨張作用を受け、 細胞壁の破壊と内容物の漏出が促 進される。

なお、 セルの出口は多孔板、 少孔板、 単円孔でもよい。 その中、 少孔板と単円 孔は詰まりにくいため、 微生物菌体以外の溶解できない異物が混入された場合で も工程の前段階で異物除去工程がなくても済み、 操作を安定的に行うことができ る。 目詰まりと減圧膨張効果を総合的に考えると、 少孔板が望ましい。

また、 前記受流板状体 2 7は平板でも円弧板等の他の形でも構わない。 受流板 状体 2 7を設置することが望ましいが特殊の場合では受流板状体 2 7を設置なく てもある程度の効果が得られる。

このように、 本発明の実施の形態に係る余剰汚泥の減容化方法及び装置によれ ば、 アルカリ条件で超音波の作用を受けた後にホモジナイザーの作用を受け、 又 は同時に作用を受けて、 可溶化効果を高めることができる。 即ち、 超音波の作用 とホモジナイザ一の作用を相乗させることにより微生物細胞の可溶化効果を高め ることができる。 ここでホモジナイザーとは加圧した状態で多孔板を通って、 瞬 間的に減圧して、 微生物の細胞を破壊または破壊された細胞から内容物を漏出さ せる作用を有する装置を指す。

アル力リと超音波の作用で微生物の細胞壁を破壊したり、 傷を付けたりした後 に、 その細胞の内容物を細胞外に漏出させ更に微生物に利用されやすい物質に変 換するように分解することが重要である。 この過程を促進するには一部可溶化さ れた液体の圧力を上げて瞬間的に減圧することにより細胞が膨張し、 細胞壁に傷 が付いた細胞及び破壊された細胞内の内容物が細胞外に漏出され、 アル力りの作 用を受け、 微生物にとって分解されやすい物質になる。

アル力リと超音波の作用で汚泥液体の粘度が大きくなり、 液体内のミクロン的 な物質移動の抵抗が増加し、 一部可溶化された細胞と液体本体 (アル力リ液)との 間の混合性が悪化し、 更なる分解による可溶化が困難になり、 可溶化の効果が高 く得られない場合がある。 このような原因を解決するために、 ホモジナイザーを 用いて処理すれば相乗効果が得られる。 なお、 前記アルカリを用いたが、 他の溶 菌剤を用いても同様な作用効果が得られる。

そして、 可溶化された汚泥は生物処理工程の前工程に返送され、 他の微生物に 分解され、 余剰汚泥の減容化が図られる。 以下に、 本発明の余剰汚泥の減容化方法及び装置を実施例にを参照しながら より詳細に説明する。

(実施例 1 )

以下の条件で有機排水を好気性微生物処理した際に得られた汚泥 (食品工場)の 可溶化試験を行った。

汚泥濃度： 10050 mg/リットル、 pH6.3

pH調整剤： NaOH

可溶初期 pH： 1 2

超音波周波数： 19Hz、 出力 400W、 滞留時間 l min (精電舍電子工業株式会社 製の装置使用）

可溶化の指標は、 汚泥を遠心分離 (4000rpm、 10分間)で遠心分離し、 その回収 液を 150°Cにおける、 ニクロム酸カリウムによる酸素消費量 (CODJ の測定方法 ( J I S K 0 1 0 2に準拠） ） を用いて、 計測した汚泥中の COD濃度の上昇 により判断した。 当該測定は、 H A C H社製の比色計と C O Dリアクタとを使用 した。

表 1

A：ホモジナイザ一だけ、

B ：アルカリホモジナイザー、

C：アルカリ超音波、

D ：アルカリ超音波 +直列型ホモジナイザー (図 3 )、

E ：アルカリ超音波 +—体型多孔板ホモジナイザー (図 4 )、

F ：アルカリ超音波十一体型少孔板ホモジナイザー (図 5 )。

表 1に上記食品工場の余剰汚泥を用いて可溶化の結果を示す。 ホモジナイザー はそれそれ図 3、 図 4、 図 5に示した構造のものをそれそれ用いた。 図 3、 図 4 の多孔板は直径 1.5mm、 開孔率は 38%で、 図 5は少孔型で孔径 4.5mmの貫通孔 を 6つを有する。 比較のためにホモジナイザーを使用しない場合、 ホモジナイザ 一だけ及びアルカリ条件でのホモジナイザーの場合の結果を比較のために示す。 ホモジナイザーに液を送るポンプの圧力は 4.0— 6.0kgf/cm²であった。

表 1からわかるようにホモジナイザーを使用しない場合より使用した場合では 顕著な可溶化効果が得られた。 また、 ホモジナイザーだけの場合ではあまり顕著 な可溶化効果が得られないことがわかった。 なお、 多孔板型より少孔板型の方が やや劣っているが、 超音波だけの場合に比較すれば顕著な効果が確認された。 ま た、 図に示したように、 分離直列型より一体型の方がよい結果が得られる点は興 味深い。 これは直進流などに抵抗があることが寄与すると考えられる。 何れにし ても表 1ではホモジナイザーの減圧膨張作用を受けた汚泥は CODが変化するこ とが確認された。

(実施例 2 )

図 1に示したフロー工程に従って、 同じ食品工場の排水を原水とした生物処理 実験を行った。 実験は常温、 アルカリ条件 (初期 PH12)において超音波及びホモジ ナイザーで溶解を促進した液の pHを調整しないで流量調整槽に送り込んで、 生 物学的な処理の効果を確認した。 その結果を表 2に示す。

その他の試験条件は以下の通りである。

原水流量： 50 リットル/日、

原水 BOD : 1050 mg/リットル

原水流量調整槽： 50リツトル

生物処理槽： 70リットル

可溶化工程への汚泥量： 余剰汚泥量の 3.2倍

可溶化剤： NaOH

超音波の照射時間： 1分間

表 2

0 A B C D E F

B O D(mg/l) 7.5 7.5 7.2 7.3 7.3 7.6 7.4 処理水質 C O D(mg/l) 7.5 8 10 12 14 14.2 14.1

S S (mg/l) 11 11 11.5 11.4 11.3 11.2 11.3

P H 7.2 7.2 7.3 7.3 7.3 7.3 7.3

B O D汚 g転換率

0.44 0.42 0.31 0.14 0.04 0.02 0.02 (ff-SS/g-B OD) 0は図 1のフローに可溶化工程を除いた実験装置を用いた実験であり、 他の符 号の説明は表 1と同じである。

表 2に示したように、 4.0"6.0kgf/cm²の圧力範囲におけるホモジナイザ一のみ の可溶化は可溶化工程のない場合とほぼ同じ結果であり、 汚泥減容化効果がない ことが明らかである。 アルカリホモジナイザーの場合では顕著な減容化効果が現 れたものの期待された効果が得られない。 アル力リ超音波ではかなりの減容化効 果があるものの、 B O Dの汚泥転換率がまだ 0.14であった。 一方、 アルカリ条 件で超音波の作用を受けた後にホモジナイザーの作用を受けた場合は何れでもァ ルカリ超音波の場合より汚泥の発生量が著しく少なく、 処理水質も殆ど差がなか つた。

上記表 2に示す各実験結果について、 表 1と比べてみると、 CODを可溶化指 標とした可溶化評価ではアル力リ超音波にホモジナイザーを付加した場合では可 溶化効果があるものの、 汚泥の転換率を指標とした汚泥減容化評価に関してはホ モジナイザーの効果が著しく大きいことがわかった。 これはホモジナイザーによ る菌体の細胞壁から内容物の漏出が促進され更なる分解により生物処理しやすく なることが寄与したと考えられる。 これらの結果から、 汚泥の減容化効果に及ぼ すアルカリ超音波とホモジナイザーの相乗効果は大きいことが確認された。 以上説明したように、 本発明に基づく余剰汚泥の減容化方法によれば、 アル力 リ条件で超音波を作用させた後にホモジナイザーの減圧膨張作用を作用させ、 又 は同時に作用させることにより、 可溶化効果を高めることができる。 すなわち、 超音波の作用とホモジナイザ一の作用を相乗させることにより微生物細胞の可溶 化効果を高めることができる。

本発明の他の実施例に基づく余剰汚泥の減容化方法によれば、 アル力リは夕ン パク質の溶解に寄与し、 中和されれば環境に無害であり、 更に生物処理系では炭 酸ガスの溶け込みによる p Hの低下を防止すること及び p Hの調整ができる。 ま た、 溶菌剤は微生物の細胞壁を破壊することができる。

本発明の他の実施例に基づく余剰汚泥の減容化装置によれば、 減圧膨張手段に より高い可溶化が図られ、 高い可溶化効果により、 高い減容化が実現される。 本発明の他の実施例に基づく余剰汚泥の減容化装置によれば、 超音波とアル力 リ等の可溶化剤により微生物の細胞壁を壊したり、 傷つけられた細胞を減圧膨張 により、 細胞の中身の漏出を促進し、 可溶化剤による更なる反応で微生物に利用 されやすい物質に変えることができる。

本発明の他の実施例に基づく余剰汚泥の減容化装置によれば、 超音波付与手段 と減圧膨張手段とが別装置であるのでそれぞれの装置の性能を最大限発揮させる ように設計することができ、 超音波付与と減圧膨張との各処理の操作条件を自由 にそれぞれ独立に最適に制御できる。

本発明の他の実施例に基づく余剰汚泥の減容化装置によれば、 超音波付与手段 と減圧膨張手段とがーの装置として構成されているので、 装置の大きさを最小限 に抑えるように設計をすることができ、 装置全体のコストを低減でき、 装置操作 の制御も簡単に行うことができる。

本発明の他の実施例に基づく余剰汚泥の減容化装置によれば、 流れに対応して 配置された板状体により高い可溶化が図られる。

本発明のさらに他の実施例に基づくの余剰汚泥の減容化装置によれば、 介装さ れた受流板状体により高い可溶化が図られる。

Claims

請求の範囲

1 . 有機性廃水に微生物処理を施すことにより生ずる余剰汚泥に、 可溶化剤を添 加し、 超音波を作用させ、 減圧膨張処理を施した後に、 再び微生物処理を施すこ とにより、 前記余剰汚泥の容積を減少させることを特徴とする余剰汚泥の減容化 方法。

2 . 前記可溶化剤が、 アルカリ、 又は溶菌剤、 又はこれらの組み合わせであるこ とを特徴とする請求項 1記載の余剰汚泥の減容化方法。

3 . 有機性廃水を微生物処理を施すことにより生じた余剰汚泥に、 可溶化剤を添 加する手段と、 超音波を作用させる超音波付与手段と、 当該超音波付与手段の下 流側に設けられて前記余剰汚泥に減圧膨張処理を施す減圧膨張手段とを備えたこ とを特徴とする余剰汚泥の減容化装置。

4 . 前記減圧膨張手段がホモジナイザ一であることを特徴とする請求項 3記載の 余剰汚泥の減容化装置。

5 . 前記超音波付与手段と前記減圧膨張手段とが別装置として構成され、 これら の超音波付与手段と減圧膨張手段とが直接又は他の装置を介して直列に接続され ていることを特徴とする請求項 3又は 4記載の余剰汚泥の減容化装置。

6 . 前記超音波付与手段と前記減圧膨張手段との機能を併せ持つ一の装置として 構成されていることを特徴とする請求項 3又は 4記載の余剰汚泥の減容化装置。

7 . 前記超音波付与手段が超音波振動子を含み、 前記減圧膨張手段が、 当該超音 波振動子の下流に流れに交差するように配置された、 多数の貫通孔が形成された 板状体を含むことを特徴とする請求項 6記載の余剰汚泥の減容化装置。

8 . 前記超音波付与手段と前記減圧膨張手段との間に、 流れを遮るように受流板 状体を介装したことを特徴とする請求項 6又は 7記載の余剰汚泥の減容化装置。