(57)【要約】【課題】熱交換器の詰まりの問題を解消でき、消化引抜汚泥から通年で熱エネルギーを回収できる汚泥消化処理システムを提供する。【解決手段】投入汚泥Ｗ１を消化槽２により嫌気性消化処理し、その処理した汚泥を消化引抜汚泥Ｗ２として消化槽２から消化引抜汚泥路１０を通して排出する汚泥消化処理システム１において、消化引抜汚泥Ｗ２から熱回収する第１熱交換器１１と、消化槽２内の消化汚泥を所定の温度に加温する加温用熱源７と、加温用熱源７により熱を媒介するための高温水槽８と、消化槽２内の消化汚泥と熱交換する第２熱交換器６と、第２熱交換器６で熱交換した加温水熱媒Ｃ１を回収する低温水槽９と、低温水熱媒回路１３側が第１熱交換器１１に接続されるヒートポンプ１２と、を備え、ヒートポンプ１２の高温水熱媒回路１４を介して消化引抜汚泥Ｗ２から熱エネルギーを回収する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
投入汚泥を消化槽により嫌気性消化処理し、その処理した汚泥を消化引抜汚泥として消化槽から消化引抜汚泥路を通して排出する汚泥消化処理システムにおいて、
前記消化引抜汚泥から熱回収する第１熱交換器と、
前記消化槽内の消化汚泥を所定の温度に加温する加温用熱源と、
前記加温用熱源により熱を媒介するための高温水槽と、
前記消化槽内の消化汚泥と熱交換する第２熱交換器と、
前記第２熱交換器で熱交換した媒体を回収する低温水槽と、
低温水熱媒回路側が前記第１熱交換器に接続されるヒートポンプと、
を備え、
前記ヒートポンプの高温水熱媒回路を介して前記消化引抜汚泥から熱エネルギーを回収することを特徴とする汚泥消化処理システム。
【請求項２】
前記加温用熱源と前記高温水槽と前記第２熱交換器と前記低温水槽とが介設される加温水熱媒循環路を備え、
前記ヒートポンプの高温水熱媒回路の下流側が前記高温水槽を介して前記加温水熱媒循環路に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の汚泥消化処理システム。
【請求項３】
前記加温用熱源と前記高温水槽と前記第２熱交換器と前記低温水槽とが介設される加温水熱媒循環路を備え、
前記ヒートポンプの高温水熱媒回路の下流側が前記低温水槽を介して前記加温水熱媒循環路に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の汚泥消化処理システム。
【請求項４】
前記ヒートポンプにおいて、
前記低温水熱媒回路における低温水熱媒出口温度と低温水熱媒入口温度は、温度差を５〜１０℃としてそれぞれ５〜３０℃、１０〜３５℃の範囲に設定され、
前記高温水熱媒回路における高温水熱媒出口温度が６０〜９０℃の範囲に設定されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の汚泥消化処理システム。
【請求項５】
前記第１熱交換器はスパイラル式熱交換器であって、
前記消化引抜汚泥の流路幅が１４〜２０ｍｍの範囲に設定され、
前記消化引抜汚泥の流路には、該流路に対向し合う隔壁板を隔間するディスタンスピースが設けられていないことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の汚泥消化処理システム。
【請求項６】
前記消化槽で発生した消化ガスを利用して得られた廃熱の熱エネルギーと、前記消化引抜汚泥から回収した熱エネルギーとにより、前記消化槽内の消化汚泥を加温するための加温エネルギーの全量をまかなうことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の汚泥消化処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汚泥消化処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
下水処理場等の汚泥処理において、汚泥の減容化や再生エネルギーとしての消化ガスを有効利用するため嫌気性消化方式が採用されている。嫌気性消化方式は汚泥の中の有機物を嫌気性微生物を利用して嫌気性発酵させて分解する方式であり、有機物を有機酸に分解し、最終的にはメタンガスにまで分解する。嫌気性消化方式は有機物の処理方式としては活性汚泥での好気性酸化方式に比べエネルギー消費が少なく効率的な方式といわれている。嫌気性消化方式は、滞留時間が１５日〜３０日と長いため大きな敷地面積が必要になることと、嫌気性消化菌の消化温度を中温消化で３５℃〜４０℃程度、高温消化で５０℃〜５５℃程度に一定に保つ必要がある等の点から、日本では比較的大きな下水処理場等で採用されている。
【０００３】
従来、消化温度を保つ方式としては、消化ガスを燃料として蒸気ボイラーで蒸気を発生させて直接消化タンクに吹き込む方式又は温水ボイラーで温水を作り、消化タンクの汚泥と熱交換器で熱交加温する方法が一般的である。このとき消化温度に昇温するエネルギーは冬期（たとえば１０℃を５０℃に昇温）が大きく、夏期（たとえば２８℃を５０℃に昇温）が小さく、春・秋期（たとえば１７℃を５０℃に昇温）がその中間程度というように季節によって異なり、夏期は冬期の約半分程度のエネルギーとなる。
【０００４】
この加温され一定の消化温度にされた消化汚泥は、消化タンクで消化した後はそのまま脱水設備に送られてしまい、年間一定の熱エネルギーを保有している消化引抜汚泥の熱エネルギーは今までほとんど再利用されていなかった。しかし、消化引抜汚泥から熱エネルギーを回収して、消化槽の加温エネルギーに変換できれば、必要加温エネルギーの省エネルギー化が可能となり、消化ガスのより一層の有効利用が可能となる。なお、消化槽の加温エネルギーは、概ね、投入汚泥の温度を消化温度に加温するエネルギーに、消化タンクや配管の放散熱量を加えた分のエネルギーである。
【０００５】
消化引抜汚泥から熱エネルギーを回収する技術として、従来、高温消化において、消化引抜汚泥と消化タンク投入汚泥とを熱交換器により熱エネルギーの回収を行う技術が知られている。その例を図４に示す。図４において、消化槽３１には、先ず、槽内の消化汚泥の加温手段として、消化汚泥循環路３２と第２熱交換器３３とが付設されている。第２熱交換器３３は、消化汚泥循環路３２と加温水熱媒循環路３４との間に介設されている。加温水熱媒循環路３４は、たとえば加温用熱源３５と高温水槽３６と低温水槽３７とを繋ぐ循環路として構成されている。以上により、消化汚泥循環路３２を流れる消化汚泥が第２熱交換器３３により加温され、消化槽３１内の消化汚泥が一定の消化温度を保つように加温される。
【０００６】
そして、消化引抜汚泥から熱エネルギーを回収する技術として、投入汚泥路３８と消化引抜汚泥路３９との間に第１熱交換器４０が介設されている。図４では第１熱交換器４０を複数設けた場合を示している。これにより、消化引抜汚泥の熱エネルギーが、第１熱交換器４０によって、投入汚泥管路３８を流れる投入汚泥の加温エネルギーとして利用される。
【０００７】
なお、嫌気性消化方式の処理システムにおいて、消化槽の加温手段の従来例としては、特許文献１に記載のものが挙げられる。また、消化引抜汚泥から熱エネルギーを回収する技術の従来例としては、特許文献２に記載のものが挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−３６７８１号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６７６４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図４に示した第１熱交換器４０を用いた技術では、消化処理前の汚泥である投入汚泥に含まれるし渣や投入汚泥濃度が高い場合はその高粘度によって第１熱交換器４０内の流路が詰まりやすいという問題がある。また、投入汚泥の温度が例えば夏期と冬期とで大きく異なるため、冬期以外では温度差が取れず熱回収が少なくなり、夏期では熱回収が難しいという問題がある。
【００１０】
本発明はこのような問題を解決するために創案されたものであり、熱交換器の詰まりの問題を解消でき、消化引抜汚泥から通年で熱エネルギーを回収できる汚泥消化処理システム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】
【００１１】
前記課題を解決するために本発明は、投入汚泥を消化槽により嫌気性消化処理し、その処理した汚泥を消化引抜汚泥として消化槽から消化引抜汚泥路を通して排出する汚泥消化処理システムにおいて、前記消化引抜汚泥から熱回収する第１熱交換器と、前記消化槽内の消化汚泥を所定の温度に加温する加温用熱源と、前記加温用熱源により熱を媒介するための高温水槽と、前記消化槽内の消化汚泥と熱交換する第２熱交換器と、前記第２熱交換器で熱交換した媒体を回収する低温水槽と、低温水熱媒回路側が前記第１熱交換器に接続されるヒートポンプと、を備え、前記ヒートポンプの高温水熱媒回路を介して前記消化引抜汚泥から熱エネルギーを回収することを特徴とする。
【００１２】
この汚泥消化処理システムによれば、従来のように消化引抜汚泥と投入汚泥との間で熱交換する構造において、投入汚泥に含まれるし渣や投入汚泥濃度が高い場合はその高粘度によって熱交換器内の流路が詰まるという問題を生ずることなく、消化引抜汚泥から熱エネルギーを効率的に回収できる。
また、夏期と冬期とで投入汚泥の温度が異なっても消化槽内の消化汚泥の温度は一定のため、ヒートポンプの各設定温度を適宜な値に設定することで、通年で熱エネルギーを回収することができる。
【００１３】
また、本発明は、前記加温用熱源と前記高温水槽と前記第２熱交換器と前記低温水槽とが介設される加温水熱媒循環路を備え、前記ヒートポンプの高温水熱媒回路の下流側が前記高温水槽又は前記低温水槽を介して前記加温水熱媒循環路に接続されていることを特徴とする。
【００１４】
この汚泥消化処理システムによれば、消化引抜汚泥から回収した熱エネルギーを加温水冷媒循環路の加温水熱媒に与えることができ、その分、消化槽内の消化汚泥を加温する熱源の熱発生量を節約できる。
【００１５】
また、本発明は、前記ヒートポンプにおいて、前記低温水熱媒回路における低温水熱媒出口温度と低温水熱媒入口温度は、温度差を５〜１０℃としてそれぞれ５〜３０℃、１０〜３５℃の範囲に設定され、前記高温水熱媒回路における高温水熱媒出口温度が６０〜９０℃の範囲に設定されていることが好ましい。
【００１６】
また、本発明は、前記第１熱交換器はスパイラル式熱交換器であって、前記消化引抜汚泥の流路幅が１４〜２０ｍｍの範囲に設定され、前記消化引抜汚泥の流路には、該流路に対向し合う隔壁板を隔間するディスタンスピースが設けられていないことが好ましい。
【００１７】
また、本発明は、前記消化槽で発生した消化ガスを利用した発電から得られた廃熱の熱エネルギーと、前記消化引抜汚泥から回収した熱エネルギーとにより、前記消化槽内の消化汚泥を加温するための加温エネルギーの全量をまかなうことが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、熱交換器内の流路の詰まりが低減されるとともに、通年で均一な熱回収効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る汚泥消化処理システムの構成図である。
【図２】熱交換器の一例を示す外観斜視図（一部破断）である。
【図３】ヒートポンプの概略構成図である。
【図４】従来の汚泥消化処理システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１を参照して本発明に係る汚泥消化処理システム１の構成を説明する。汚泥消化処理システム１は、投入汚泥路３を介して投入汚泥Ｗ１が投入される消化槽２を備える。投入汚泥Ｗ１としては、例えば下水汚泥や浄化槽汚泥等の有機性汚泥、食品廃棄物、生ごみ、畜産糞尿等である。消化槽２において投入汚泥Ｗ１は、嫌気性のメタン発酵菌によりメタン発酵（消化処理）する。メタン発酵に伴い、消化槽２から主にＣＨ４、ＣＯ２からなる消化ガスＧが発生する。消化ガスＧの全てを消化ガス発電等の再生エネルギーとして有効利用することが可能となる。本実施形態では、後記する加温用熱源７又は発電用の燃料として供給される。消化槽２の運転温度は中温消化で３５〜４０℃程度、高温消化では５０〜５５℃程度に適宜設定される。
【００２１】
消化槽２には、槽内の消化汚泥の加温手段として、消化汚泥循環路４と、加温水熱媒Ｃ１が循環する加温水熱媒循環路５と、消化汚泥循環路４と加温水熱媒循環路５との間に介設される熱交換器（以降、これを第２熱交換器という）６とが付設されている。消化汚泥循環路４は消化槽２との間で消化汚泥が一方向に循環するように設けられている。加温水熱媒循環路５は、前記第２熱交換器６と加温用熱源７と高温水槽８と低温水槽９とを備えている。高温水槽８は、加温用熱源７により熱を媒介するための水槽である。高温水槽８は上流側に加温用熱源７が位置し、下流側に第２熱交換器６が位置するように設けられる。低温水槽９は、第２熱交換器６で熱交換した媒体（加温水熱媒Ｃ１）を回収する水槽である。低温水槽９は上流側に第２熱交換器６が位置し、下流側に加温用熱源７が位置するように設けられる。高温水槽８内の温度はたとえば７０〜８０℃程度に設定され、低温水槽９内の温度はたとえば６０〜７０℃程度に設定されている。
【００２２】
加温用熱源７はたとえば温水ボイラー又は消化ガス発電からのコジェネされた温水等であり、前記したように消化槽２で発生した消化ガスＧがこの温水ボイラー又は消化ガス発電等の燃料として供給される。第２熱交換器６は、例えば後記する第１熱交換器１１と同じスパイラル式熱交換器である。
以上により、消化汚泥循環路４を流れる消化汚泥が第２熱交換機６により加温されることにより、消化槽２内の消化汚泥が所定の温度に加温される。
【００２３】
消化槽２で消化処理された汚泥は、消化引抜汚泥Ｗ２として消化槽２から消化引抜汚泥路１０を通して排出される。消化引抜汚泥Ｗ２は、図示しない消化汚泥貯槽に貯えられたうえで、或いは直接、図示しない汚泥脱水機に送出されて脱水処理される。
【００２４】
以上の構成からなる汚泥消化処理システム１は、消化引抜汚泥路１０に設けられる熱交換器（以降、これを第１熱交換器という）１１と、低温水熱媒回路１３側が第１熱交換器１１に接続されるヒートポンプ１２と、を備えており、ヒートポンプ１２の高温水熱媒回路１４側を介して消化引抜汚泥Ｗ２から熱エネルギーを回収することを主な特徴とする。本実施形態では、第１熱交換器１１が消化引抜汚泥路１０に対し直列に複数（３つ）設けられている場合を例示しているが、その数は限定されない。
【００２５】
第１熱交換器１１は、図２に示すように、両流体が共に渦巻流として流れるスパイラル式熱交換器からなる。第１熱交換器１１は、円筒形状のハウジング１１Ａの内部に、一対の渦巻き状の隔壁板１１Ｂ,１１Ｃが流路間隔を空けて互いに隣り合うように配された構造であり、消化引抜汚泥Ｗ２の渦巻き状の流路１５と低温水熱媒Ｃ２の渦巻き状の流路１６とが径方向において交互に形成される。消化引抜汚泥Ｗ２、低温水熱媒Ｃ２は２つの流入口１１Ｄのそれぞれからハウジング１１Ａ内に流入し、２つの流出口１１Ｅのそれぞれから流出する。
【００２６】
消化引抜汚泥Ｗ２の流路１５の流路幅Ｌ１は詰まりにくくするため低温水冷媒Ｃ２の流路１６の流路幅Ｌ２よりも大きく設定されている。流路幅Ｌ１は１４〜２０ｍｍの範囲に設定されていることが好ましい。また、流路１６に対向し合う隔壁板１１Ｂ、１１Ｃには、両者を連結して流路幅を保持するように隔間するためのディスタンスピース（連結片）１７が設けられている。このディスタンスピース１７は、消化引抜汚泥Ｗ２の流路１５には、詰まりにくくするため設けられておらず、低温水熱媒Ｃ２の流路１６のみに設けられている。
以上により、低温水熱媒Ｃ２が第１熱交換器１１によって消化引抜汚泥Ｗ２から熱エネルギーを回収する。
【００２７】
図１において、ヒートポンプ１２は、３つの第１熱交換器１１に対してそれぞれ設けられている。ヒートポンプ１２は、図３に示すように、冷媒Ｃ４を循環させる冷媒循環路２１と、冷媒循環路２１に介設される圧縮機２２、凝縮器２３、膨張弁２４、蒸発器２５とを備えており、蒸発器２５の一次側に低温水熱媒回路１３が形成され、凝縮器２３の二次側に高温水熱媒回路１４が形成されている。冷媒Ｃ４は、圧縮機２２と膨張弁２４とにより圧縮と膨張が繰り返されて冷媒循環路２１を循環する。冷媒Ｃ４は、蒸発器２５において低温水熱媒回路１３を循環する低温水熱媒Ｃ２から熱エネルギーを回収し、圧縮機２２により回収した熱エネルギーが高められた後、凝縮器２３において高温水熱媒回路１４を循環する高温水熱媒Ｃ３によって熱エネルギーが回収される。
【００２８】
図１に示すように、本実施形態の高温水熱媒回路１４は加温水熱媒循環路５の高温水槽８に接続されている。なお、高温水熱媒回路１４は加温水熱媒循環路５の低温水槽９に接続される場合もある。
【００２９】
図３に戻り、ヒートポンプ１２は、高温水熱媒回路１４における高温水熱媒出口温度Ｔ４の温度を設定することにより、圧縮機動力を自動的に調節している。低温水熱媒出口温度Ｔ２と低温水熱媒入口温度Ｔ１は、互いの温度差を５〜１０℃程度としてそれぞれ５〜３０℃、１０〜３５℃程度の範囲に設定されていることが好ましい。また、高温水熱媒出口温度Ｔ４と高温水熱媒入口温度Ｔ３は、互いの温度差が概ね１０℃程度として高温水熱媒出口温度Ｔ４が６０〜９０℃の範囲に設定されていることが好ましい。高温水熱媒出口温度Ｔ４の設定値により、高温水熱媒回路１４の下流側を加温水熱媒循環路５の低温水槽９に接続するか、或いは高温水槽８に接続するかが決定される。
【００３０】
以上のように、消化引抜汚泥Ｗ２から熱回収する第１熱交換器１１と、消化槽２内の消化汚泥を所定の温度に加温する加温用熱源７と、加温用熱源７により熱を媒介するための高温水槽８と、消化槽２内の消化汚泥と熱交換する第２熱交換器６と、第２熱交換器６で熱交換した媒体（加温水熱媒Ｃ１）を回収する低温水槽９と、低温水熱媒回路１３側が第１熱交換器１１に接続されるヒートポンプ１２と、を備え、ヒートポンプ１２の高温水熱媒回路１４を介して消化引抜汚泥Ｗ２から熱エネルギーを回収する構成とすれば、従来のように消化引抜汚泥と投入汚泥との間で熱交換する構造において、投入汚泥に含まれるし渣や投入汚泥濃度が高い場合はその高粘度によって第１熱交換器内の流路が閉塞するという問題が生ずることなく、消化引抜汚泥Ｗ２から熱エネルギーを回収できる。
また、夏期と冬期とで投入汚泥Ｗ１の温度が異なっても消化汚泥の温度は一定のため、ヒートポンプ１２の高温水熱媒出口温度Ｔ４を適宜に設定することで、通年で熱エネルギーの回収を得ることができる。
【００３１】
また、ヒートポンプ１２の高温水熱媒回路１４の下流側を高温水槽８又は低温水槽９を介して加温水熱媒循環路５に接続する構成とすれば、消化引抜汚泥Ｗ２から回収した熱エネルギーを加温水熱媒循環路５の加温水熱媒Ｃ１に与えることができ、その分、消化槽２内の処理汚泥を加温する熱源（加温用熱源７）への熱供給量を節約でき、更に、消化ガス発電等再生エネルギーへの有効利用が可能となる。
【００３２】
さらに、第１熱交換器１１がスパイラル式熱交換器である場合、消化引抜汚泥Ｗ２の流路幅Ｌ１を１４〜２０ｍｍの範囲に設定し、対向し合う隔壁板１１Ｂ，１１Ｃを連結して流路幅を保持するように隔間するディスタンスピース１７を、消化引抜汚泥Ｗ２の流路１５と低温水熱媒Ｃ２の流路１６の内で低温水熱媒Ｃ２の流路１６のみに設ける構成とすれば、流路１５において障害物が無くなることによって消化引抜汚泥Ｗ２のスムーズな流れを確保でき、第１熱交換器１１の詰まりを低減できる。
【００３３】
また、消化槽２で発生した消化ガスＧを再生エネルギーとして利用したとき、例えば消化ガスＧの全てをガス発電に利用してそのガス発電で得られる廃熱の熱エネルギーと、消化引抜汚泥Ｗ２から回収した熱エネルギーとにより、消化槽２内の消化汚泥を加温するための加温エネルギーの全量をまかなうことができる。
【００３４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明した。説明した形態では、消化引抜汚泥から回収した熱エネルギーを加温水熱媒循環路５に与えているが、消化引抜汚泥から回収した熱エネルギーを別の対象に利用することもできる。
その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で、様々な設計変更が可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１      汚泥消化処理システム
２      消化槽
４      消化汚泥循環路
５      加温水熱媒循環路
６      第２熱交換器
７      加温用熱源
８      高温水槽
９      低温水槽
１０      消化引抜汚泥路
１１      第１熱交換器
１２      ヒートポンプ
１３      低温水熱媒回路
１４      高温水熱媒回路
１５      消化引抜汚泥の流路
１６      低温水熱媒の通路
１７      ディスタンスピース
Ｔ３      高温水熱媒入口温度
Ｔ４      高温水熱媒出口温度
【図１】
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【図２】
2015213881.tif 000004
【図３】
2015213881.tif 000005
【図４】
2015213881.tif 000006