(57)【要約】【課題】本発明は、実用的、省スペース、安価な汚泥の粉砕方法、及び粉砕装置を提供することを目的とする。【解決手段】囲壁内の汚泥を回転羽根２０により回転させ、囲壁１０の側壁に形成された貫通孔１１ａから汚泥を排出する際に、回転羽根２０により剪断する汚泥の粉砕方法；及びそれを実施するための装置であって、囲壁１０と汚泥を回転させる回転羽根２０とを具備し、囲壁１０の側壁に貫通孔１１ａが形成されている汚泥の粉砕装置。【選択図】　　　図１
2004033825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
囲壁内の汚泥を回転羽根により回転させ、囲壁の側壁に形成された貫通孔から汚泥を排出する際に、回転羽根により剪断することを特徴とする汚泥の粉砕方法。
【請求項２】
囲壁と汚泥を回転させる回転羽根とを具備し、囲壁の側壁に貫通孔が形成されていることを特徴とする汚泥の粉砕装置。
【請求項３】
前記囲壁が回転羽根とは逆方向に回転することを特徴とする請求項２に記載の汚泥の粉砕装置。
【請求項４】
汚泥を囲壁に供給する供給ノズルと、囲壁の外部に設けられ、囲壁に形成された貫通孔から排出された汚泥を回収する槽と、槽内の粉砕された汚泥を粉砕装置の外部に排出する排出ノズルと、囲壁内の圧力を検知する圧力計と、囲壁内の圧力を調整するバルブ付きノズルとを具備することを特徴とする請求項２又は３に記載の汚泥の粉砕装置。
【請求項５】
前記貫通孔がスリットであることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の汚泥の粉砕装置。
【請求項６】
前記回転羽根がタービン形状であることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の汚泥の粉砕装置。
【請求項７】
前記囲壁と回転羽根とのクリアランスが０．１〜３．０ｍｍであることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の汚泥の粉砕装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排水処理施設等から発生する有機物を含有する汚泥の粉砕方法、及び粉砕装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、下水処理場等の排水処理施設から発生する生汚泥や生物処理槽由来の余剰汚泥等の有機物を含有する汚泥は、濃縮及び／又は脱水後、産業廃棄物として焼却や埋立て等により処理されてきた。しかし、産業廃棄物として焼却する場合は、有機物を含有する汚泥を燃焼する過程で、水分の蒸発に多くの熱量が必要となり経済的でない。また、産業廃棄物として埋立てする場合は、埋立地の確保が困難であり、かつ、汚泥の減容化が必要である。
【０００３】
近年、汚泥の減容化方法として、嫌気性消化法や好気性消化法によって処理する方法が提案されている。これらの方法のうち嫌気性消化法は、嫌気性微生物の働きにより、汚泥中の有機物を最終的にメタンガスと炭酸ガスにまで分解する方法で、有機物を分解するのに酸素を必要としないため曝気が不要であり、また、エネルギーを回収できるため経済的に優れた方法である。しかしながら、嫌気性微生物による汚泥の分解速度は非常に遅く、３０日程度の滞留時間が必要となるため、大型の消化槽が必要となり、更に、３０日を費やしても減容化率は５０〜６０％に過ぎないといった問題点がある。また、好気性消化法は、有機物の分解に酸素を必要とするため運転費用がかかることに加え、嫌気性消化法に比べれば短いが、２０日程度の滞留時間が必要であり、同様に減容化率は５０〜６０％に過ぎないといった問題点がある。
【０００４】
そこで減容化率を向上させる目的で、嫌気性消化や好気性消化の前に汚泥を粉砕することによって、生分解性を向上させ生物処理による分解速度を高める方法が提案されている。例えば、汚泥を粉砕する方法として、湿式媒体攪拌式ミル処理（特公平４−１５０４０号公報参照）や超音波、ホモジナイザー、ミキサー等による機械的処理の他、オゾン処理、アルカリ処理、熱処理等が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般的に知られているボールミル処理や湿式媒体攪拌式ミル処理による粉砕では、処理装置内に発生したキャビテーションにより、被処理物の粉砕効率が著しく低下するばかりでなく、発生したキャビテーションを系外に除去することが難しく、かつ、媒体の磨耗により微量ながら媒体の成分の流失、及び磨耗により粉砕効率が経時的に低下するため好ましくないのが現状である。超音波による粉砕では、装置自体から発生する微振動による騒音、超音波発生装置の寿命の問題、大容量の超音波による粉砕装置の製作が難しい等の諸問題が存在するため実用的でない。ホモジナイザー及びミキサーによる粉砕では、微細粒子（５μｍ未満）までの粉砕が困難であり、有機物を含有する汚泥の粉砕方法として実用的とは言いがたい。オゾンによる粉砕では、オゾン発生装置自体が非常に高価であるため、規模の大きな施設でなければ採算が合わないばかりでなく、オゾン処理に必要な装置の占有面積が大きく実用的とは言いがたい。アルカリ処理による粉砕では、廃液処理が煩雑になり実用的とは言いがたい。
従って、実用的、省スペース、安価な汚泥の粉砕方法、及びそれを実施する装置の提案が望まれているのが現状である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、実用的、省スペース、安価な汚泥の粉砕方法、及び粉砕装置を提供することを目的とする。
即ち、本発明の汚泥の粉砕方法は、囲壁内の汚泥を回転羽根により回転させ、囲壁の側壁に形成された貫通孔から汚泥を排出する際に、回転羽根により剪断することを特徴とする。
本発明の汚泥の粉砕装置は、囲壁と汚泥を回転させる回転羽根とを具備し、囲壁の側壁に貫通孔が形成されていることを特徴とする。
また、上記囲壁が回転羽根とは逆方向に回転することが好ましい。
また、汚泥を囲壁に供給する供給ノズルと、囲壁の外部に設けられ、囲壁に形成された貫通孔から排出された汚泥を回収する槽と、槽内の粉砕された汚泥を粉砕装置の外部に排出する排出ノズルと、囲壁内の圧力を検知する圧力計と、囲壁内の圧力を調整するバルブ付きノズルとを具備することが好ましい。
また、上記貫通孔がスリットであることが好ましい。
また、上記回転羽根がタービン形状であることが好ましい。
また、上記囲壁と回転羽根とのクリアランスが０．１〜３．０ｍｍであることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の処理対象となる汚泥としては、主として有機物から構成される汚泥であり、例えば、下水、農村集落排水、有機系の産業排水等を活性汚泥処理施設等の生物学的排水処理施設で処理する際に発生する生汚泥や余剰汚泥、これらを嫌気性消化した際に発生する嫌気性消化汚泥の他、それらの混合汚泥及び濃縮汚泥等が挙げられる。
また、汚泥の濃度は流動性を示す濃度以下であれば如何なる濃度であっても差し支えない。また、流動性を示さない濃度の場合でも、清水、処理水、原水等で希釈した後、流動性を示す濃度にすれば用いることができる。このときの汚泥の濃度としては、８質量％以下であることが好ましく、更に１〜７質量％の範囲が好ましく、特に１．５〜６質量％が好ましい。汚泥濃度が８質量％を越えた場合、汚泥の流動性が殆ど無くなり、ポンプで囲壁内に汚泥を搬送する際に、過剰なエネルギーを要するため好ましくない。逆に、汚泥濃度が１質量％未満の場合、汚泥の処理量に対して運転費、設備費が高くなり経済的でない。
【０００８】
本発明の汚泥の粉砕方法、及び粉砕装置は、回転羽根により汚泥を回転することにより圧力エネルギーを得て、それを速度エネルギーに変換し、加速された汚泥が貫通孔から排出される際に、回転羽根により剪断されることを特徴とする。
【０００９】
本明細書において、圧力エネルギーとはベルヌーイの定理で表されるように単位体積当たりに蓄えられるエネルギーである。このエネルギーは、回転羽根や圧縮等の方法により得られるものである。また、速度エネルギーとは、汚泥に与えられた圧力エネルギーが急激に開放されると、他のエネルギーに変換され（エネルギー保存の法則）、このエネルギーのうち速度に変換されることにより得られるエネルギーである。
【００１０】
圧力エネルギーを得る方法としては、上述したように、回転羽根や圧縮等の方法により得ることができるが、圧力エネルギーは流量と速度の二乗に正比例する（ニュートンの第二法則による）ことから、流量が大きくなると莫大な圧力エネルギーが必要となる。現在、工業的に莫大な圧力エネルギーを得られる設備は非常に高価なため実用的とは言い難い。従って、安価な回転羽根により圧力エネルギーを得ることが好ましい。
【００１１】
また、圧力エネルギーから速度エネルギーに変換する方法としては、圧力エネルギーを急激に開放することによって速度エネルギーを得ることが好ましい。これは、圧力エネルギーは流量と速度の二乗に正比例する（ニュートンの第二法則による）ことから、流量を犠牲にすることによって剪断にとって有利に働く速度にまで上げることができる。
【００１２】
本発明の汚泥の粉砕装置は、囲壁と汚泥を回転させる回転羽根とを具備し、囲壁の側壁に貫通孔が形成されていることを特徴とする。以下、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、囲壁１０と汚泥を回転させる回転羽根２０とを示した部分断面図である。回転羽根２０は回転することにより汚泥を圧縮して、囲壁１０の側壁に形成された貫通孔１１ａから汚泥を排出する際に、回転羽根２０により汚泥を剪断する。回転羽根２０としては、上述した効果を示すものであれば特に制限はないが、圧縮力が大きいことからタービン形状であることが好ましい。その具体例としては、図２に示すような各形状が挙げられる。これらの中でも、圧縮力の面から図２（ａ）、（ｂ）に示す回転羽根２０が好ましく、より好ましくは図２（ａ）に示す回転羽根２０である。
【００１３】
回転羽根２０の上部には、回転羽根２０を回転させるモーター２１、回転羽根２０とモーター２１を接続する回転軸２２、モーター２１と回転軸２２を繋ぐカップリング２３、回転軸を包むハウジング２４、回転軸２２とハウジング２４を密閉するシール部（図示略）、回転軸を受けるベアリング（図示略）、ベアリングを冷却するための冷却ノズル（図示略）が設けられている。
回転羽根２０を回転させるモーター２１としては、特に限定されるものではない。また、汚泥を十分に圧縮するために、回転羽根２０の回転する略水平方向に対して回転軸２２を垂直に保つことが重要である。この際、回転軸２２とハウジング２４は少なくとも２個以上のベアリングで軸受けを設けることが望ましい。また、ベアリングから発生した熱は、水冷式又は空冷式等の方法で除熱することが必要であるが、特に水冷式で除熱することが好ましい。
【００１４】
囲壁１０は一時的に汚泥を貯留するものであって、回転羽根２０とのクリアランスが０．１〜３．０ｍｍとなるように設けられることが好ましい。クリアランスを０．１ｍｍ未満にすると、機械加工上の精度の問題が生じ、かつ、回転軸２２のブレが生じた際、貫通孔１１ａと接触し、回転羽根２０、貫通孔１１ａ及び回転軸２２等に損傷が生じる。一方、３．０ｍｍを超えると、圧力エネルギーを有効に速度エネルギーに変換できないため、結果として剪断された汚泥の粒子径が大きくなってしまう傾向にある。
囲壁１０は、その側壁に貫通孔１１ａが形成された囲壁本体１１とホルダー１２とから構成される。囲壁本体１１としては、例えば、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、スリット形状の貫通孔１１ａが形成されたものが好ましい。これらの中でも、微細で均一な汚泥を効率的に得られることから図３（ａ）、（ｂ）に示す囲壁本体１１が好ましく、より好ましくは図３（ａ）の囲壁本体１１である。
また、囲壁本体１１としては、シャッター（図示略）を有し、そこから汚泥を排出させるものであってもよいが、高速の汚泥がシャッターに衝突すると、シャッターの磨耗が経時的に起こるため、シャッターの交換費用や交換に要する手間等が生じる。さらに、回転羽根２０表面付近では大きな速度勾配が生じ、均一な粉砕が難しくなる傾向にあるため、上述したスリットのほうが好ましい。
【００１５】
上記ホルダー１２は、図１に示すように、囲壁本体１１と回転羽根２０の回転軸２２を包むハウジング２４とを繋いでいる。この際、ホルダー１２には汚泥の供給が容易となるような開口部（図示略）を設けることが好ましい。また、開口部の占有面積は、ハウジング２４と囲壁１０の固定強度を加味しながら最大限とることが望ましい。
【００１６】
本発明の実施形態に係る汚泥の粉砕装置は、囲壁本体１１及びホルダー１２を固定してもよいし、それらを固定せずに、図１に示すように、囲壁１０の下部にモーター３１、囲壁１０とモーター３１を接続する回転軸３２、回転軸３２を包むハウジング（図示略）、回転軸３２とハウジングを密閉するシール部（図示略）、回転軸３２を受けるベアリング（図示略）、ベアリングを冷却するための冷却ノズル（図示略）を設けて、囲壁１０を回転羽根２０とは逆方向に回転させることができる。この際、囲壁１０とモーター３１とをダイレクトに接続することが望ましい。ダイレクトに接続することで安定した回転が得られる。また、回転軸３２は垂直に保つことが好ましい。また、回転軸３２は囲壁１０と少なくとも１個以上ベアリングで軸受けを設けることが望ましい。
このように、回転羽根２０とは逆方向に囲壁１０を回転させる機構を備えることで、更に効率的に汚泥を粉砕することができる。
【００１７】
図４は、貫通孔が形成された囲壁１０及び回転羽根２０を備えた粉砕装置の全体構造の一例である。図中符号１０は囲壁であり、汚泥を囲壁１０に供給するための供給ノズル５０及びポンプ５１が付帯している。囲壁１０の外部には、囲壁１０に形成された貫通孔から排出された汚泥を回収する槽５２と、槽内の粉砕された汚泥を粉砕装置の外部に排出するための排出ノズル５３とが設けられている。
【００１８】
供給ノズル５０は、ホルダー１２に設けられた開口部１３まで直接供給ノズル５０が届く構造とすることが好ましい。このような構造とすることで、未処理の汚泥が効率的に粉砕され運転費が低減される。
ポンプ５１としては、汚泥を吐出できるものであれば特に限定されるものではなく、渦巻きポンプ、渦巻き斜流ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプ、スクリューポンプ、一軸ねじポンプ、プランジャーポンプ、チューブポンプ等が挙げられる。
【００１９】
槽５２は、粉砕された汚泥が局所的に滞留したりしないように、回転軸２２を中心として均一に拡散するように底部が丸状とすることが望ましい。また、圧力損失を低減するため、内部を鏡面仕上げされた槽５２が望ましい。排出ノズル５３は、どの位置に設けても差し支えないが、槽上部に設けることが好ましい。
【００２０】
更に、本発明の実施形態に係る汚泥の粉砕装置は、囲壁内に発生したキャビテーションによる空気を排出させるため、囲壁内の圧力を検知する圧力計（図示略）と、囲壁内の圧力を調整するバルブ付きノズル（図示略）とを具備することが好ましい。
汚泥は液体中を高速度で移動する際に、圧力低下や温度上昇等の原因により、キャビテーションを発生する。キャビテーションが発生すると、粉砕効率が著しく低下すると同時に、囲壁内の圧力が低下或いは変動する。従って、キャビテーションの発生を検知するために、圧力計にて圧力指示の変動を検知して、それに基づいてバルブ付きノズルのバルブを開けて、囲壁外にキャビテーションを除去することができる。キャビテーションを除去した後、バルブを閉じる。この際に除去された空気（一部粉砕汚泥を含む）は、再度粉砕未処理の汚泥に戻す。
【００２１】
次に、図４に示す粉砕装置を用いて汚泥の粉砕方法について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
まず、供給ノズル５０により囲壁内に供給された汚泥を回転羽根２０により回転させる。この際の回転羽根２０の回転速度としては、３０００〜２４０００ＲＰＭが好ましい。
このように回転羽根２０により汚泥を回転することにより、囲壁１０の半径方向に遠心力が生じるとともに、囲壁から反作用の力が生じる結果、汚泥は圧縮されて圧力エネルギーを得る。
一方、囲壁１０の側壁には、図３に示すような貫通孔１１ａが形成されているため、圧力エネルギーを持った汚泥が、貫通孔１１ａが形成された位置にくると、急激に圧力エネルギーが開放されて速度エネルギーに変換される。そして、この加速された汚泥は貫通孔１１ａから排出される際に、回転羽根２０により剪断される。
このようにして剪断された汚泥は、その平均粒子径が０．５〜３０μｍと微細なため、これを微生物により消化させた場合、減容化率を向上させることができる。
【００２２】
粉砕過程において、囲壁内を加圧条件とすることが好ましい。粉砕過程等にて系内には圧力低下や温度上昇等によりキャビテーションが発生する。キャビテーションの発生は、圧力エネルギーの損失により剪断力の低下を招くため好ましくない。そこで、粉砕系内を加圧することでキャビテーションの発生を激減できるため、連続的、かつ安定した剪断力を維持することができる。
【００２３】
以上説明したように、本発明の汚泥の粉砕方法によれば、安価で実用的であり、工業的価値が非常に高い。
また、本発明の粉砕方法により粉砕された汚泥は、生分解性が向上し、各種の好気性及び嫌気性微生物による生物学的処理を行うことにより効率的に減容化することができる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
（実施例１）
図５に示す構造の粉砕装置を用いて汚泥の粉砕をした。この粉砕装置は、図２（ｂ）に示す回転羽根２０と、容量が３５０（ｍＬ）で、図３（ｂ）に示す貫通孔１１ａを有する囲壁本体１１とを具備するものである。
回転羽根２０の回転速度を２０，０００（ｒｐｍ）とし、囲壁内の圧力が０．０１（ＭＰａ）となるように圧力を調整して、囲壁内の温度を２０〜２５℃の範囲となるようにした。
処理する汚泥としては、製パン工場活性汚泥装置曝気槽より採取された汚泥（ＭＬＳＳ；５，８００ｍｇ／Ｌ）を攪拌機付ステンレス槽に２，１００（ｍＬ）入れ、供給量７００（ｍＬ／ｍｉｎ．）にて該装置に供給した。なお、符号５４は圧力計、符号５５は圧力を調整するバルブ付きノズルを示す。結果を図６に示す。
なお、図中のＤ１０とは、体積中の積分値の内１０％体積値であり、Ｄ５０とは、全体積中の積分値の内５０％体積値であり、Ｄ９０とは、全体積中の積分値の内９０％体積値である（以下、図７〜図１０においても同様とする）。
【００２５】
（実施例２）
実施例１において、回転羽根２０を図２（ａ）に示すもの、囲壁本体１１を図３（ａ）に示すものに変更した以外は、実施例１と同様にして汚泥の粉砕を行った。結果を図７に示す。
【００２６】
（実施例３）
実施例１において、回転羽根２０を図２（ａ）に示すもの、囲壁本体１１を図３（ａ）のものとし、かつ、囲壁内の圧力が０．０５（ＭＰａ）とした点以外は実施例１と同様に粉砕を行った。結果を図８に示す。
【００２７】
（実施例４）
図４に示す構造（囲壁１０が回転羽根２０とは逆方向に回転する機構）を有する粉砕装置を用いた以外は、実施例１と同様にして汚泥の粉砕を行った。結果を図９に示す。
【００２８】
（比較例）
実施例１において、汚泥の粉砕に特殊機化工業製のＴ．Ｋ．ホモミクサーＭＡＲＫＩＩ２．５型（回転羽根による回転速度により液流にて粉砕する方法）を用いた点以外は、実施例１と同様に粉砕を行った。結果を図１０に示す。
【００２９】
図６〜図１０で示すように、実施例１〜４で得られた汚泥は、比較例で得られた汚泥に比べて粒子径が小さかった。特に、実施例４（囲壁１０が回転羽根２０とは逆方向に回転する機構を備えた粉砕装置）では、微細に粉砕された汚泥を短時間で得ることができた。従って、本発明は汚泥の粉砕能力に優れていることが判明した。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、実用的、省スペース、安価な汚泥の粉砕方法、及びそれを実施する装置であり、工業的価値が非常に高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の汚泥の粉砕装置の原理を示す部分断面図である。
【図２】回転羽根の斜視図である。
【図３】囲壁本体の斜視図である。
【図４】本発明の汚泥の粉砕装置の一形態例を示す断面図である。
【図５】実施例１〜３で用いられた汚泥の粉砕装置を示す模式図である。
【図６】実施例１で得られた汚泥の経時的な粒子径を示すグラフである。
【図７】実施例２で得られた汚泥の経時的な粒子径を示すグラフである。
【図８】実施例３で得られた汚泥の経時的な粒子径を示すグラフである。
【図９】実施例４で得られた汚泥の経時的な粒子径を示すグラフである。
【図１０】比較例で得られた汚泥の経時的な粒子径を示すグラフである。
【符号の説明】
１０　囲壁
１１ａ　貫通孔
２０　回転羽根
２１　モーター
２２　回転軸
２３　カップリング
２４　ハウジング
３１　モーター
３２　回転軸
５０　供給ノズル
５１　ポンプ
５２　槽
５３　排出ノズル
５４　圧力計
５５　バルブ付きノズル
【図１】
2004033825.tif 000003
【図２】
2004033825.tif 000004
【図３】
2004033825.tif 000005
【図４】
2004033825.tif 000006
【図５】
2004033825.tif 000007
【図６】
2004033825.tif 000008
【図７】
2004033825.tif 000009
【図８】
2004033825.tif 000010
【図９】
2004033825.tif 000011
【図１０】
2004033825.tif 000012