(57)【要約】【課題】脱水のための設備コスト及びランニングコストが安価である汚泥の脱水方法および汚泥脱水装置を提供する。【解決手段】消化汚泥を６０℃以上に０．５時間以上加熱した後、高分子凝集剤を添加して凝集し、凝集汚泥を脱水する汚泥の脱水方法および汚泥脱水装置。高分子凝集剤は疎水基を有すること、疎水基を有する高分子凝集剤はＤＡＭ系高分子凝集剤であること、及び加熱温度が６０〜８０℃であり、加熱時間が０．５〜５時間であることが好ましい。消化汚泥を加熱した後、常温に戻さずに凝集させてもよく、常温に戻してから凝集させてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
消化汚泥を６０℃以上に０．５時間以上保持した後、高分子凝集剤を添加して凝集し、凝集汚泥を脱水する汚泥の脱水方法。
【請求項２】
請求項１において、高分子凝集剤は疎水基を有する高分子凝集剤であることを特徴とする汚泥の脱水方法。
【請求項３】
請求項２において、前記疎水基を有する高分子凝集剤はＤＡＭ系高分子凝集剤であることを特徴とする汚泥の脱水方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、加熱温度が６０〜８０℃であり、加熱時間が０．５〜５時間であることを特徴とする汚泥の脱水方法。
【請求項５】
消化汚泥が導入される滞留時間０．５時間以上の加熱槽と、
加熱槽に付設された加熱槽内の消化汚泥を６０℃以上に加温する加熱手段と、
加熱槽から排出された消化汚泥を高分子凝集剤により凝集して凝集汚泥を得ると共に凝集汚泥を脱水する凝集脱水手段と
を備えた汚泥脱水装置。
【請求項６】
消化汚泥が導入される滞留時間０．５時間以上の加熱槽と、
加熱槽に付設された加熱槽内の消化汚泥を６０℃以上に加温する加熱手段と、
加熱槽から排出された消化汚泥を高分子凝集剤により凝集して凝集汚泥を得る凝集槽と、
該凝集槽から排出された凝集汚泥を脱水する脱水手段と
を備えた汚泥脱水装置。
【請求項７】
請求項５又は６において、高分子凝集剤は疎水基を有する高分子凝集剤であることを特徴とする汚泥脱水装置。
【請求項８】
請求項７において、前記疎水基を有する高分子凝集剤はＤＡＭ系高分子凝集剤であることを特徴とする汚泥脱水装置。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれかにおいて、加熱温度が６０〜８０℃であり、加熱時間が０．５〜５時間であるよう制御する手段を有することを特徴とする汚泥脱水装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、嫌気性消化槽より排出される消化汚泥（消化液と呼ばれる場合もある）の脱水方法および汚泥脱水装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下水の最初沈殿汚泥や余剰汚泥、あるいは、家畜の糞尿や食品残渣をはじめとする有機性廃棄物の嫌気発酵によるバイオガス発電など、嫌気性消化より発生するメタンの再生可能エネルギーとしての活用が拡大している。嫌気性消化によって発酵を終えた残渣は、消化汚泥として排出される。この消化汚泥は、脱水処理を経て埋め立てや焼却処分されるのが一般的である。
【０００３】
消化汚泥の脱水方法としては、高分子凝集剤で凝集し、脱水機で脱水する方法が一般的に行われている。しかし、消化汚泥は、難脱水性であるため、含水率が高く、脱水ケーキ発生量が多い。そのため、含水率低減による脱水ケーキの減量化技術が求められている。
【０００４】
特許文献１には、消化汚泥を遠心脱水した後、１３０〜１８０℃に加熱加圧し、次いで再度遠心脱水する方法が記載されている。
【０００５】
特許文献２には、消化汚泥を凝集処理し、この凝集汚泥を濃縮機で濃縮した後、スクリュープレス等の脱水機で脱水する方法であって、脱水機を加熱することにより、脱水される濃縮汚泥を間接加熱しながら脱水する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５５−１１６５００号公報
【特許文献２】特開２０１６−１０７２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１による方法は、１３０〜１８０℃という高温加熱処理を加圧下で行うものであり、加熱にかかる費用が膨大であると共に、耐圧反応槽が必要など設備面での費用も増大する。特許文献２の方法では事前に濃縮する設備が必要であるが、嫌気性消化汚泥は沈降分離性が悪く、濃縮するためには高分子凝集剤による凝集処理が不可欠である。また、間接加熱機構が組み込まれたスクリュープレス等の特殊な脱水機が必要である。
【０００８】
本発明は、脱水のための設備コスト及びランニングコストが安価である汚泥の脱水方法および汚泥脱水装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の汚泥の脱水方法は、消化汚泥を６０℃以上に０．５時間以上加熱した後、高分子凝集剤を添加して凝集し、凝集汚泥を脱水する汚泥の脱水方法である。
【００１０】
本発明の汚泥の脱水装置は、消化汚泥が導入される滞留時間０．５時間以上の加熱槽と、加熱槽に付設された加熱槽内の消化汚泥を６０℃以上に加温する加熱手段と、加熱槽から排出された消化汚泥を高分子凝集剤により凝集して凝集汚泥を得ると共に凝集汚泥を脱水する凝集脱水手段とを備えたものである。
【００１１】
本発明の汚泥の脱水装置は、消化汚泥が導入される滞留時間０．５時間以上の加熱槽と、加熱槽に付設された加熱槽内の消化汚泥を６０℃以上に加温する加熱手段と、加熱槽から排出された消化汚泥を高分子凝集剤により凝集して凝集汚泥を得る凝集槽と、該凝集槽から排出された凝集汚泥を脱水する脱水手段とを備えたものである。
【００１２】
本発明の一態様では、高分子凝集剤は疎水基を有する高分子凝集剤である。
【００１３】
本発明の一態様では、前記疎水基を有する高分子凝集剤はＤＡＭ系高分子凝集剤である。
【００１４】
本発明の一態様では、加熱温度が６０〜８０℃であり、加熱時間が０．５〜５時間である。
【発明の効果】
【００１５】
嫌気性消化液（汚泥）は、嫌気性細菌の代謝物由来の比較的分子量の大きい（数万以上程度）タンパク質を多量に含んでいる。タンパク質は立体構造を有しており、立体構造の中に水分子を抱え込んでいる。タンパク質は水分子が内在したままカチオン性の高分子凝集剤に取り込まれやすい為、消化液の凝集汚泥は含水率が高くなりやすい。
【００１６】
本発明では、消化汚泥がタンパク質を多く含んでいることに着目し、タンパク質が少なくとも部分的に変性する６０℃以上、例えば６０〜８０℃に加熱し、変性したタンパク質を含む消化汚泥に対し、高い脱水効果を発揮する高分子凝集剤を用いて凝集し、脱水する。これにより、含水率の低い脱水汚泥を得ることができる。
【００１７】
本発明では、消化汚泥の加熱温度が６０〜８０℃程度と低いと共に、加熱時に加圧することが不要であるため、加熱に要する加熱費用及び設備費用を抑えることができる。また、凝集剤として高分子凝集剤のみを用いれば足りるため、薬品コストも安価となる。
【００１８】
本発明では、消化汚泥を濃縮処理することなく直接凝集処理するので、消化汚泥の濃縮設備が不要であり、設備費用を抑えることができる。また、脱水機も間接加熱機構が不要であり、有機汚泥脱水に一般的に用いられる脱水機、例えば、遠心脱水機、ベルトプレス、スクリュープレスなどを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一例を示すフロー図である。
【図２】実施例及び比較例の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
【００２１】
本発明では、図１（ａ）のように、消化汚泥を６０℃以上、好ましくは６０〜８０℃に加熱した後、高分子凝集剤を添加し、凝集し、凝集汚泥を脱水する。また、図１（ｂ）のように、加熱槽で加熱された消化汚泥を凝集槽に導入し、凝集処理した後、脱水機に導入し、脱水ケーキを取り出す。脱水排水は系外に排出し、別途処理する。
【００２２】
消化汚泥としては、食品廃棄物または下水汚泥を原料とした嫌気消化槽から排出される消化液（細胞外高分子物質を主成分としたタンパク質を多量に含む汚泥；０．４５μｍフィルターで濾過した溶解性のタンパク質のローリー法により分析した濃度として３８６ｍｇ／Ｌ以上程度）などが例示される。この消化汚泥の含水率は、通常８０〜９０ｗｔ％程度である。
【００２３】
消化汚泥の加熱温度は、タンパク質変性させるために６０℃以上とする。また、加熱コストを抑制するために、加熱温度は好ましくは８０℃以下とする。加熱時間は０．５時間以上、例えば０．５〜５時間、特に０．５〜３時間が好ましい。なお、加熱時間とは消化汚泥が６０℃以上に保持されている時間のことであり、初期加熱時の低温の時間帯は含まれない。
【００２４】
消化汚泥を加熱するには、温水で加熱しても良く、蒸気など高温ガスにより加熱しても良い。温水で加熱するには例えば加熱槽から槽内液を一部取り出して熱交換器に通液し温水と熱交換することで加熱することができる。
【００２５】
加熱するための熱源は、例えば、以下が例示されるが、これらに限定されない。
（イ）  消化槽で発生するメタンガスを用いてボイラー加熱する。
（ロ）  重油を用いてボイラー加熱する。
（ハ）  プラント系内に排熱がある場合は（例えば発電機から排出される排温水）、その排熱を用いて加熱しても良い。
（ニ）  予熱（例えば６０℃までの加熱）にプラント系内の排熱を用いて、その後、設定温度（例えば８０℃）に達しない分の加熱分は、例えば消化槽から発生したメタンガスの一部を用いてボイラー加熱をしても良い。
（ホ）  予熱（例えば６０℃までの加熱）にプラント系内の排熱を用いて、その後、設定温度（例えば８０℃）に達しない分の加熱分は例えば重油を用いてボイラー加熱をしても良い。
（ヘ）  またガスで加熱するには例えば加熱槽内にガス吹込み手段を浸漬して高温ガスを吹き込むことで加熱することができる。
【００２６】
この加熱条件によって、消化汚泥中に多分に含まれるタンパク質は変性し立体構造が崩れる。立体構造が崩れることで立体構造中に含まれていた水分はタンパク質の立体構造の外に出る。また、立体構造が崩れることで、内側に折りたたまれていた疎水基がタンパク質の表面上に出てくると考えられる。この加熱条件は比較的低温で加熱時間も短いことから、従来技術と比較して加熱処理にかかるコストを削減することが出来る。
【００２７】
このように加熱された汚泥に対しメタクリル酸アミノアルキルエステル系、アクリル酸アミノアルキルエステル系、ポリビニルアミジン系などの高分子凝集剤で効果を発揮できるが、好ましくは疎水基を有する高分子凝集剤を添加する。これにより、変性したタンパク質同士が結合した塊を含む凝集フロックが形成されるため、含水率の低い脱水ケーキを得ることができる。
【００２８】
水溶性高分子凝集剤の中でも疎水基を有する高分子凝集剤は、親水基を有する高分子凝集剤よりも、加熱処理された消化汚泥の含水率低減効果が高い。タンパク質は通常立体構造をとっており、内側に水分子を抱えている。タンパク質が変性すると立体構造が崩れ、ほどけて紐状となるため、立体構造内部に含まれていた水分子が外に放出され、また、内側の疎水基が表面に出てくるため、変性したタンパク質は水分子を抱え込みにくくなると推定される。変性したタンパク質は変性していないタンパク質よりも、疎水基を有する高分子凝集剤に結合しやすい。その結果、脱水ケーキの含水率を著しく低減することが出来ると考えられる。
【００２９】
疎水基を有する高分子凝集剤としては、ＤＡＭ（アルキルアミノメタクリレート四級塩重合物）系高分子凝集剤が好適である。
【００３０】
消化汚泥への高分子凝集剤の添加量は、０．５〜４．０％／ＴＳ特に１．０〜３．０％／ＴＳ程度が好適である。
【００３１】
なお、加熱した消化汚泥を冷却せずに高分子凝集剤を添加してもよく、降温させて（例えば常温に戻して）から高分子凝集剤を添加してもよい。
【００３２】
凝集処理により生じた凝集汚泥は、脱水機によって脱水される。脱水機には間接加熱機構が不要である。脱水機としては、遠心脱水機、スクリュープレス、ベルトプレス、電気浸透脱水機など各種のものを用いることができる。遠心脱水機を用いる場合は図１（ａ）、その他の脱水機の場合は図１（ｂ）のフローとするのが好ましい。
【００３３】
本発明の汚泥の脱水方法は、加熱温度が６０〜８０℃程度と比較的低温であり、加熱時間が３０分〜５時間程度と短時間であることから、加熱処理に必要なコストを抑えることができる。
【００３４】
また、消化汚泥を、嫌気消化槽から排出されたままの状態、すなわち濃縮をせずに加熱するため、濃縮機を必要としない。そのため、設備費が抑えられ、省スペースである。また、高分子凝集剤のみを使用して凝集させるため、薬品コストも抑えることができる。さらに、脱水機としても汎用型のもので足り、設備コストが安価である。
【実施例】
【００３５】
以下の実施例及び比較例では、消化汚泥として、食品残渣嫌気性消化汚泥（含水率は表１〜３に記載）を用いた。
【００３６】
また、高分子凝集剤として次のものを用いた。
【００３７】
ＤＡＭ系高分子凝集剤：栗田工業株式会社クリファームＰＣ８９５
アミジン系高分子凝集剤：栗田工業株式会社クリフィックスＣＰ１１１
ＤＡＡ系高分子凝集剤：栗田工業株式会社クリフィックスＰＣ６８８
【００３８】
［実施例１〜３、比較例１，２］
消化汚泥を入れた三角フラスコを、ウォーターバスを用いて表１〜３に示す温度、時間加熱した。
【００３９】
表１に示す高分子凝集剤を濃度０．３ｗｔ％になるように純水に溶解させた。
【００４０】
加熱した消化汚泥を常温に戻した後、その２００ｍＬを高速ミキサーに投入し、高分子凝集剤溶解液を６０ｍＬ（高分子凝集剤として９００ｍｇ／Ｌ）添加し、直ちに４０００ｒｐｍで５秒間、強撹拌して消化汚泥と高分子凝集剤を反応させた。
【００４１】
凝集した汚泥を、濾布をセットしたブロナーロートを用いて重力濾過した。濾過後の凝集汚泥を、ケーキ型枠（３０ｍｍφ×１７．５ｍｍＨ）にスパーテラを用いて充填し、卓上プレス機を用いて面圧１．０ｋｇ／ｃｍ２、６０ｓの条件で圧搾した。その後、金属製のへらを用いて、濾布から剥離させて脱水ケーキを得た。このケーキを、１０５℃の恒温機で１２ｈ乾燥させ、含水率を求めた。各結果を表１〜３に示す。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
【表２】
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【００４４】
【表３】
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【００４５】
表１〜３の通り、加熱時間を０．５時間以上とし、加熱温度を６０〜８０℃とし、高分子凝集剤としてＤＡＭ系のものを用いることにより、含水率の低い脱水汚泥が得られる。
【００４６】
なお、９０℃よりも高温では、大型の加熱／冷却設備が必要となる上に、エネルギー効率も悪いため、６０〜８０℃が経済的である。
【００４７】
５０℃の加熱処理では、十分に脱水されず（比較例１−１）、また、６０℃の加熱処理でも加熱時間が１０分では、８０℃の加熱処理時と比較して含水率が低い（比較例２−１，２−３）。これは、変性するタンパク質の割合が小さいためであると考えられる。
【００４８】
表２の通り、６０℃又は８０℃で加熱時間が３０分以上であれば、十分な脱水効果が得られる。なお、表１〜３には示さなかったが、５時間を超えても脱水率に大きな向上は見られなかった。
【００４９】
表３の通り、疎水基を有するＤＡＭ系高分子凝集剤は、疎水基を持たない他の高分子凝集剤より脱水効果に優れる。変性タンパク質を優先的に凝集し、効果的に含水率が下がったと考えられる。
【００５０】
［実施例４、比較例４］
消化汚泥の加熱時間を０、３０、６０又は１８０分とし、加熱後直ちに高分子凝集剤としてＤＡＭ系（栗田工業株式会社クリファームＰＣ８９５）又はＤＡＡ系（栗田工業株式会社ＰＣ６８８）を添加した。その他は上記実施例３−１，３−３と同様とした。脱水汚泥の含水率を図２に示す。
【００５１】
図２の通り、消化汚泥を加熱した後、常温に戻さず、加熱後すぐに凝集させても、加熱時間が３０分以上であれば、含水率が十分に低下する。また、疎水基を有する高分子凝集剤（図中ＫＰ２０１Ｈ）の方が大きく脱水ケーキ含水率を低下させることが認められた。
【図１】
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【図２】
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