(57)【要約】【課題】消化槽内で発生する消化ガス全量を発電等に有効活用でき、省エネルギーを推進可能に構成した生物反応槽の加温システムを提供する。【解決手段】投入された排水や有機汚泥を消化菌によって嫌気性処理を行う消化槽３と、消化槽３から排出される消化汚泥を一次貯留する汚泥貯留槽５と、汚泥貯留槽５との間で熱交換して消化汚泥中から熱回収する第１の熱交換器１５と、第１の熱交換器１５との間でヒートポンプサイクルを構成し、第１の熱交換器１５で回収された熱により消化槽３内の消化汚泥を所定温度に加温する第２の熱交換器１９とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
投入された排水や有機汚泥を消化菌によって嫌気性処理を行う生物反応槽と、
前記生物反応槽から排出される消化汚泥中から熱回収する第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器との間でヒートポンプサイクルを構成し、第１の熱交換器で回収された熱により前記生物反応槽内の汚泥を所定温度に加温する第２の熱交換器と、
を備えたことを特徴とする生物反応槽の加温システム。
【請求項２】
請求項１に記載の生物反応槽の加温システムにおいて、
前記生物反応槽から排出される消化汚泥を一次貯留する汚泥貯留槽を備え、
前記第１の熱交換器は前記汚泥貯留槽との間で熱交換して消化汚泥中から熱回収することを特徴とする生物反応槽の加温システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の生物反応槽の加温システムにおいて、
前記消化槽から排出される脱離液から熱を回収する第３の熱交換器を備え、
前記第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器および／または第３の熱交換器との間でヒートポンプサイクルを構成し、第１の熱交換器および／または第３の熱交換器で回収された熱により前記生物反応槽内の汚泥を所定温度に加温することを特徴とする生物反応槽の加温システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の生物反応槽の加温システムにおいて、
前記第１の熱交換器により熱回収された後の消化汚泥を脱水する脱水機と、
前記脱水機から排出される脱水汚泥を乾燥させる乾燥機と、
前記生物反応槽で発生する消化ガスを燃焼させ、前記乾燥機の脱水汚泥を乾燥させるための蒸気を発生させる消化ガスボイラと、
を備えたことを特徴とする生物反応槽の加温システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物処理を行う廃水処理や汚泥処理において生物反応を活性化させるために生物反応槽を加温する加温システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
下水汚泥や排水の嫌気性処理を行う際に、嫌気性菌は通常３５〜３６℃程度で最も活性が高くなることが知られている。このため、汚泥や排水を処理する嫌気性処理槽（消化槽）が３５〜３６℃程度を保持するように加温するようにしている。加温方法として、ヒータ線を消化槽内または消化槽の周囲に配設して電気加熱する方法がある。
【０００３】
また、嫌気性処理では、嫌気性菌であるメタン菌による嫌気性発酵によって汚泥や排水中に含まれる有機物が分解して消化ガスを発生させる。消化ガスはメタンガスを主成分としており、発生したメタンガスを回収、燃焼させて嫌気性処理槽の加温に使用する技術もある（例えば、特許文献１，２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５７−４２４００号公報
【特許文献２】特開昭６０−２１６８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、メタンガスの発生量は被処理物の有機物濃度とメタン菌による有機物の分解率で決まるので、回収されるメタンガスの量は不安定となる。このため、一般的な下水汚泥の消化槽でのメタン発酵では発生した消化ガスの７割程度が消化槽の加温に使用されているに過ぎない。その結果、消化槽によるメタン発酵では、エネルギー消費が少なくてメタンガスエネルギーが得られるという長所があるにも拘わらず、従来、得られたメタンガスを他のエネルギー源として有効活用することは困難であった。
【０００６】
本発明は、上記のような実情に鑑みて、消化槽内で発生する消化ガス全量を発電等に有効活用でき、省エネルギーを推進可能に構成した生物反応槽の加温システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は、投入された排水や有機汚泥を消化菌によって嫌気性処理を行う生物反応槽と、前記生物反応槽から排出される消化汚泥中から熱回収する第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器との間でヒートポンプサイクルを構成し、第１の熱交換器で回収された熱により前記生物反応槽内の汚泥を所定温度に加温する第２の熱交換器と、を備えたことを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の他の態様では、前記生物反応槽から排出される消化汚泥を一次貯留する汚泥貯留槽を備え、前記第１の熱交換器は前記汚泥貯留槽との間で熱交換して消化汚泥中から熱回収することを特徴としている。
【０００９】
さらに本発明の他の態様では、前記消化槽から排出される脱離液から熱を回収する第３の熱交換器を備え、前記第２の熱交換器は、前記第１の熱交換器および／または第３の熱交換器との間でヒートポンプサイクルを構成し、第１の熱交換器および／または第３の熱交換器で回収された熱により前記生物反応槽内の汚泥を所定温度に加温することを特徴としている。
【００１０】
さらに本発明の他の態様では、前記第１の熱交換器により熱回収された後の消化汚泥を脱水する脱水機と、前記脱水機から排出される脱水汚泥を乾燥させる乾燥機と、前記生物反応槽で発生する消化ガスを燃焼させ、前記乾燥機の脱水汚泥を乾燥させるための蒸気を発生させる消化ガスボイラと、を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明における生物反応槽の加温システムによれば、生物反応槽の加熱は消化汚泥からヒートポンプサイクルによって回収した熱を使用することができる。その結果、生物反応槽（メタン発酵槽）で発生する消化ガス（メタンガス）を発電用エンジンや後段プロセスの汚泥乾燥や汚泥焼却等のエネルギーとして有効活用することが可能となり、嫌気性発酵の省エネルギー性を生かしつつ、さらにメタンガスエネルギーを汚泥乾燥や汚泥焼却のエネルギーとして有効活用することで化石燃料の消費を抑え、バイオマス由来のエネルギーを活用することで環境負荷を削減できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る生物反応槽の加温システムの第１実施形態を示す構成図。
【図２】従来の消化槽加温方法による実施例のエネルギー収支を示す。
【図３】本発明による実施例のエネルギー収支を示す。
【図４】本発明に係る生物反応槽の加温システムの第２実施形態を示す構成図。
【図５】本発明に係る生物反応槽の加温システムの第３実施形態を示す構成図。
【図６】本発明に係る生物反応槽の加温システムの第４実施形態を示す構成図。
【図７】本発明に係る生物反応槽の加温システムの第５実施形態を示す構成図。
【図８】本発明に係る生物反応槽の加温システムの第６実施形態を示す構成図。
【図９】本発明に係る生物反応槽の加温システムの第７実施形態を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明に係る生物反応槽の加温システムの第１実施形態を示している。
【００１４】
本発明に係る第１実施形態は、下水等の配水中の余剰汚泥を取り込んで嫌気性微生物処理を実行して消化させる消化槽３と、消化槽３で生成された消化汚泥を貯留する汚泥貯留槽５と、汚泥貯留槽５に一旦貯留された消化汚泥中から水分を取り除く脱水機７と、脱水された脱水汚泥を乾燥させる乾燥機９と、消化槽３で発生した消化ガスを燃焼させて乾燥機９で脱水汚泥を乾燥させるための蒸気を発生させる消化ガスボイラ１１とを備えている。
【００１５】
一方、ヒートポンプサイクルを構成する熱循環システムとして、循環する冷媒を膨張させる膨張弁１３と、汚泥貯留槽５の消化汚泥が循環するコイル１５ｂを備え消化汚泥中から熱を回収する第１の熱交換器１５と、第１の熱交換器１５で回収された熱により加温された冷媒を圧縮させる圧縮機１７と、消化槽３との間で温水を循環させるコイル１９ａ，１９ｂを備え圧縮された冷媒により温水を加温する第２の熱交換器１９と、汚泥貯留槽５と第１の熱交換器１５との間で汚泥を循環させる汚泥循環ポンプ２１と、消化槽３と第２の熱交換器１９との間で温水を循環させる温水ポンプ２３とを備えている。
【００１６】
次に、第１実施形態の作用を説明する。
【００１７】
消化槽３では、投入された余剰汚泥が嫌気性細菌であるメタン発酵菌の働きにより生物処理される。このように、余剰汚泥が消化槽３内で嫌気性消化処理されることにより、余剰汚泥中の有機物が分解し、メタンガスを主成分とする消化ガスと、投入された余剰汚泥の固形物が体積比で半分程度まで減量された消化汚泥とに分離される。
【００１８】
嫌気性消化処理後の汚泥は消化汚泥として汚泥貯留槽５に一旦貯留される。貯留された消化汚泥は、第１の熱交換器１５内に配設されたコイル１５ｂと汚泥貯留槽５の間を汚泥循環ポンプ２１によって循環する。熱交換器１５内では、膨張弁１３を開けることで循環する冷媒が蒸発し、循環される消化汚泥から熱を奪い、消化汚泥の温度が低下する。こうして、第１の熱交換器１５内で消化汚泥中の熱が回収される。
【００１９】
蒸発した冷媒は圧縮機１７で圧縮されて液化し、その際に熱を放出する。放出された熱によって第２の熱交換器１９と消化槽３とを循環する温水が加温され、これによって消化槽３内の余剰汚泥が加熱されて嫌気性消化処理を行うために必要な３５〜３６℃程度の温度に保持される。例えば、第２の熱交換器１９では、温水が７５℃程度まで加熱され、温水ポンプ２３によって７５℃の温水がコイル１９ａを介して消化槽３内の余剰汚泥を加熱して消化を促進させる。加熱に供した温水は５５℃程度まで温度が低下しているが、第２の熱交換器１９に戻され、コイル１９ｂを介して再び７５℃程度に加熱される。このような温度循環を繰り返して消化槽３内の余剰汚泥がほぼ３６℃程度の温度に維持される。一方、液化した冷媒は再び膨張弁１３で膨張蒸発し消化汚泥から熱を奪い、以下同じ動作を繰り返す。
【００２０】
汚泥貯留槽５内で熱交換された後の消化汚泥は、脱水機７に送られて脱水処理される。脱水後の脱水汚泥は乾燥機９に送られ、乾燥された後、乾燥汚泥として排出される。
【００２１】
嫌気性消化処理で発生したメタンガスを主成分とする消化ガスは、消化ボイラ１１の燃料として使用される。なお、消化ガスボイラ１１には、補助燃料として重油も使用されている。
【００２２】
このように、本発明の実施形態では、消化槽３から引き抜かれた消化汚泥を一旦汚泥貯留槽５で受け、汚泥貯留槽５と第１の熱交換器１５との間で消化汚泥を循環させる。第１の熱交換器１５では汚泥から汚泥の保有する熱を吸収し、ヒートポンプサイクルで温度を上げ、消化槽３内の汚泥を第２の熱交換器１９で加温するようにしている。
【００２３】
ヒートポンプの仕事係数（ＣＯＰ）は最近の技術進歩により概ね３〜６程度あり、本発明のように回収熱源すなわち消化汚泥の温度は３５℃前後と高温の熱源を用いるためＣＯＰは６近くなる。
【００２４】
ＣＯＰが６と言うことは、１ｋＷの電力をヒートポンプに与えることで６ｋＷの熱エネルギーが得られることになり大変効率の良い加温が実現できる。
【００２５】
ちなみに重油を燃焼させて加温する場合の燃料費と本発明によるヒートポンプの電力費を比較すると本発明による電力費は重油を用いた場合の１／２〜１／３に低減させることが可能となる。
【００２６】
図２は従来の消化槽加温方法によるエネルギー収支を、図３は本発明の実施形態によるエネルギー収支をそれぞれ示している。
【００２７】
図２に示すように、従来では、消化ガスは消化槽３を加温するボイラ燃料としてのみ使用されている。消化槽加温ボイラはフィードバック制御により運転されているので、発生する消化ガスの量の変動によって不安定な運転となる。このため、使用される消化ガスの量に余裕を持たせた運転をせざるを得ず、余剰な消化ガスが多く発生する。この余剰な消化ガスは全て廃棄されていた。また、消化汚泥を乾燥させるための乾燥機用ボイラは、重油を燃料として運転されていた。
【００２８】
一方、図３に示すように、本発明の実施形態では、消化ガスは全て、乾燥機用ボイラの燃料として使用されており、消化槽３の加温はヒートポンプサイクルの利用によって賄っている。従って、消費エネルギーとしては、ヒートポンプサイクルを稼働させるだけの電力と、乾燥機用ボイラの運転に補助的に使用される重油だけで良い。図２と図３を比較すると、従来例と本発明の例とでは、消費エネルギーが半分以下に減少されていることが分かる。また、消化ガスを全量利用し消化ガス発生量の変動は重油を補助として賄うため消化ガスの余剰分を廃棄する無駄を省くこともできる。
【００２９】
図４は本発明に係る生物反応槽の加温システムの第２実施形態を示している。なお、図１と同一部材には同一番号を付している。
【００３０】
図４に示す第２実施形態は、汚泥貯留槽５内に配設されたコイル１５ａ内に冷媒を通過させ、コイル１５ａを介して直接、消化汚泥中の熱を回収する点で図１に示す第１実施形態と相違する。
【００３１】
図５は本発明に係る生物反応槽の加温システムの第３実施形態を示している。なお、図１と同一部材には同一番号を付している。
【００３２】
図５に示す第３実施形態は、汚泥貯留槽５内に配設されたコイル１５ａ内に冷媒を通過させ、コイル１５ａを介して直接、消化汚泥中の熱を回収する点、および消化槽３内に配設されたコイル１９ａ内に冷媒を通過させ、コイル１９ａを介して直接、消化槽３内の消化汚泥を加温する点で図１に示す第１実施形態と相違する。
【００３３】
図６は本発明に係る生物反応槽の加温システムの第４実施形態を示している。なお、図１と同一部材には同一番号を付している。
【００３４】
図６に示す第４実施形態は、消化槽３の入口側配管に熱交換器２５を配設し、余剰汚泥が消化槽３に投入される前段階で加温するようにしたものである。この場合、熱交換器２５としては、中心部分を冷媒が通過し、周辺部分を余剰汚泥が通過する二重配管２５ａで構成することができる。圧縮機１７で圧縮されて液化した冷媒は熱交換器２５で熱を放出し、放出された熱によって２重配管を通過する余剰汚泥は３６℃程度まで加温された後、消化槽３内に投入される。なお、汚泥貯留槽５内に配設されたコイル１５ａ内に冷媒を通過させ、コイル１５ａを介して直接、消化汚泥中の熱を回収する点は第２の実施形態と同様である。
【００３５】
上述した各実施形態においても第１実施形態と同様、消化槽３で発生する消化ガスを後段プロセスの汚泥乾燥のエネルギーとして有効活用することが可能となり、嫌気性発酵の省エネルギー性を生かしつつ、さらに消化ガスエネルギーを汚泥乾燥や汚泥焼却のエネルギーとして有効活用することで重油等の化石燃料の消費を抑え、バイオマス由来のエネルギーを活用することで環境負荷を削減できるという効果を奏する。
【００３６】
図７は本発明に係る生物反応槽の加温システムの第５実施形態を示している。なお、図１と同一部材には同一番号を付している。
【００３７】
図７に示す第５実施形態は、消化槽３の出口側配管に汚泥貯留槽５を配置することなく、直接、熱交換器２７を配設し、この熱交換器２７により消化槽３から排出される消化汚泥から熱を吸収して回収するようにしている。この場合、熱交換器２７としては、中心部分を冷媒が通過し、周辺部分を消化汚泥が通過する二重配管２７ａで構成することができる。これによって、簡単な設備によって消化汚泥中から熱を回収することが可能になる。なお、その他の構成は図１や図４に示した実施形態と同様であるため、その説明は省略する。
【００３８】
図８は本発明に係る生物反応槽の加温システムの第６実施形態を示している。なお、図１と同一部材には同一番号を付している。
【００３９】
上述した各実施形態では、熱回収は消化汚泥のみを対象としたが、図８に示す第６実施形態は、消化汚泥と共に消化槽３から排出される脱離液からも熱を回収するように構成したものである。
【００４０】
すなわち、脱離液排出配管に熱交換器２９を配設し、この熱交換器２９のコイル２９ａを汚泥貯留槽５内に配置されたコイル１５ａに接続して構成する。この場合、コイル２９ａとしては、コイル１５ａと同様、中心部分を冷媒が通過し、周辺部分を脱離液が通過する二重配管で構成することができる。
【００４１】
脱離液は消化汚泥と同様、およそ３５℃程度の熱を帯びており、従来はそのまま、水処理設備に排出されていた。本実施形態によれば、脱離液からも熱を吸収することができるので、より一層の省エネルギーを達成することができる。
【００４２】
図９は本発明に係る生物反応槽の加温システムの第７実施形態を示している。なお、図１と同一部材には同一番号を付している。
【００４３】
図９に示す第７実施形態は、消化槽３の出口側配管に汚泥貯留槽５を配置することなく、直接、熱交換器３１を配設して消化汚泥から熱を吸収して回収すると共に、この熱交換器３１は、図８に示した第６実施形態と同様、脱離液の排出配管からも熱を回収するようにしている。すなわち、熱交換器３１としては、中心部分を冷媒が通過し、周辺部分を消化汚泥が通過する二重配管で構成されたコイル３１ａと、このコイル３１ａと接続され、中心部分を冷媒が通過し、周辺部分を脱離液が通過する二重配管で構成されたコイル３１ｂで構成することができる。これによって、簡単な設備によって消化汚泥のみならず脱離液中からも熱を回収することが可能になり、さらなる省エネルギー効果を達成することが可能となる。
【００４４】
以上、上述した実施形態は、本発明を実現するための一例に過ぎない。図示は省略するが、第１実施形態〜第４実施形態において、汚泥貯留槽５は必ずしも必須の構成ではなく、消化汚泥中から熱交換器により熱が回収できる構成であれば良い。また、第１実施形態〜第４実施形態の構成に対して、消化槽３から排出される脱離液から熱を回収するように構成することも可能である。なお、上述した各実施形態は、一般的な下水汚泥の消化槽に本発明を適用した例を示したが、必ずしも下水汚泥の消化槽だけでなく、例えばＵＡＳＢやダイジェスター等のメタン発酵槽であっても良い。
【符号の説明】
【００４５】
３  消化槽
５  汚泥貯留槽
７  脱水機
９  乾燥機
１１  消化ガスボイラ
１３  膨張弁
１５  第１の熱交換器
１７  圧縮機
１９  第２の熱交換器
２１  汚泥循環ポンプ
２３  温水ポンプ
２５，２７，２９，３１  熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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