(57)【要約】【課題】リアクタ内における流体力学的な不安定現象が生じるのを防ぎ、安定で静粛な運用を可能にする新規で有効な汚泥の減容方法及び装置を提供すること。【解決手段】ノズル２からキャビテーション・ジェット３とリアクタ４の天井面の間に、キャビテーション・ジェット３に対する屋根のような板状のプロテクタ５を設けることで、プロテクタ５とリアクタ４天井面の間に空気だまりが入り込んでも、鎖状渦糸（吸い込み渦）が発生しない。また、この板状プロテクタ５を下に凸の形状とすることで、プロテクタ５の下面に溜まった空気泡もすぐに浮上する。そのため、キャビテーション・ジェット３が爆発的に膨張することがなくなって、振動や騒音の増大を未然に防げるようになる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水あるいは産業排水を生物的処理工程または曝気処理工程で処理した後、沈降分離工程で汚泥を分離し、該分離した汚泥を加圧してキャビテーション・ジェットとして汚泥中のバクテリア細胞を損傷・破細するキャビテーション処理工程を経た後、生物的処理工程または曝気処理工程に戻す汚泥の減容方法において、
キャビテーション処理工程における空気だまり又は空気層とキャビテーション・ジェットの間を遮断し、空気だまり又は空気層とキャビテーション・ジェット間に生じる吸い込み渦の生成を防止することを特徴とする汚泥の減容方法。
【請求項２】
下水あるいは産業排水の生物的処理を行う生物処理槽または曝気処理を行う曝気処理槽と、該生物的処理または曝気処理後の汚泥を沈降分離処理する沈降分離槽と、該沈降分離槽で分離した汚泥を高圧で噴射するキャビテーション・ジェットノズルを有するリアクタと、該リアクタでキャビテーション・ジェット処理を行った後の汚泥を生物処理槽へ返送する返送ラインを備えた汚泥の減容装置において、
キャビテーション・ジェットノズルとリアクタ天井面の間のキャビテーション・ジェットに接触しない位置に、キャビテーション・ジェットノズルからの汚泥噴射方向に沿って、キャビテーション・ジェット発達域よりも長い板状の遮断プレートを配置することを特徴とする汚泥の減容装置。
【請求項３】
下水あるいは産業排水の生物的処理を行う生物処理槽または曝気処理を行う曝気処理槽と、該生物的処理または曝気処理後の汚泥を沈降分離処理する沈降分離槽と、該沈降分離槽で分離した汚泥を高圧で噴射するキャビテーション・ジェットノズルを有するリアクタと、該リアクタでキャビテーション・ジェット処理を行った後の汚泥を生物処理槽へ返送する返送ラインを備えた汚泥の減容装置において、
キャビテーション・ジェットノズルからの噴射汚泥によるキャビテーション発達域よりも下流のリアクタ壁面に、キャビテーション・ジェットノズルからの汚泥噴射方向に直交する方向に伸びる堰き止めプレートをキャビテーション・ジェットに接触しない位置まで延設したことを特徴とする汚泥の減容装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水や産業廃水を生物処理する結果生じる余剰汚泥を、キャビテーション・ジェット法によって減容する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
下水や産業廃水の多くは、活性汚泥を用いた活性汚泥処理槽において生物的処理が行われている。しかしながら、活性汚泥処理槽内で繁殖したバクテリアなどが余剰の活性汚泥となって生成するため、廃水処理システムの系外に抜き出さなくてはならず、抜き出した汚泥の処分が問題となっている。抜き出した余剰の活性汚泥は、脱水してから、あるいは脱水・焼却して灰の状態にしてから、埋立処分される場合が多いが、この処理方法では多くの手間や高額の費用を要する。また埋立地が年々不足してきていることから、余剰の活性汚泥を減容化することにより、余剰汚泥を破水処理システムの系外に抜き出す必要のない廃水処理システムの開発が求められている。
【０００３】
下水や廃水を生物（バクテリア）的に処理する施設から生じる余剰汚泥を減容（量）する代表的な技術にはオゾン（Ｏ3）法やキャビテーション・ジェット法があり、両者は既に試験段階を経て商用運転に入っている。
【０００４】
そのうち、代表的なものは、被処理水中のＢＯＤ同化により繁殖する活性汚泥量よりも多い量の活性汚泥を好気性処理系から抜き出し、抜き出した汚泥をオゾン処理した後に好気性処理系に導入する方法がある（特開平６−２０６０８８号公報）。
【０００５】
この処理方法は、抜き出した汚泥にオゾン含有ガスを反応させ、汚泥を酸化分解して可容化し、生物的に分解可能な有機物（ＢＯＤ）に変換した後、好気性処理系で無機化して汚泥の減容化を図ろうとするものである。このとき、オゾン処理で生じたＢＯＤから別の活性汚泥が生成するため、廃水中のＢＯＤの同化により繁殖する量よりも多い量の汚泥をオゾン処理することが必要になる。
【０００６】
図１２は、従来技術の廃水処理システムの一例を示すものである。なお、この方式は関連特許公報を挙げるまでもなく、古くから広く一般的に使われている。
【０００７】
図１２に示す廃水処理システムでは、原水１０１が生物処理槽１０２に導入されて活性汚泥処理された後、沈降分離槽１０３で余剰汚泥１０５を沈降させ、上澄み液１０４を放流し、沈降した余剰汚泥１０５を返送ライン１０６から生物処理槽１０２に戻す。増量した分に相当する余剰汚泥は抜き出しライン１１２から系外へ排出される。
【０００８】
このとき沈降分離槽１０３から抜き出した余剰汚泥１０５を生物処理槽１０２の入口へ戻す返送ライン１０６に分岐ライン１１１を設け、該分岐ライン１１１には余剰汚泥１０５を加圧するポンプ１０７と加圧した余剰汚泥１０５をノズル１０８からリアクタ１０９内に吹き出して、吹き出し汚泥１０５のキャビテーション・ジェット１１０を作り出している。リアクタ１０９でのキャビテーション処理が済んだ汚泥１０５は生物処理槽１０２へ返送される。
【０００９】
このようなリアクタ１０９内でキャビテーション処理を行えば、原理的には汚泥１０５が分散・微細化して可溶化し、生物処理槽１０２内へ戻るとバクテリアが活性化し、汚泥１０５を活発に捕食するようになるため、結果的に余剰汚泥１０５の発生量が減少する。
【００１０】
また、特開平０９−２７６８８７号公報には、図示しないが高温ガスを生物処理槽に供給することで、汚泥を減容する方法が開示されている。
【００１１】
さらに、特開平１１−１５６３９８号公報には、好気性処理した汚泥をキャビテーションにより可溶化して、より汚泥の分解性を高める方法が開示されている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平６−２０６０８８号公報
【００１３】
【特許文献２】
特開平９−２７６８８７号公報
【００１４】
【特許文献３】
特開平１１−１５６３９８号公報
【００１５】
【非特許文献１】
中村・麻生・佐藤「ウォータジェットを用いた下水汚泥減量化の検討」噴流工学、２００１年、第１８巻、第１号、Ｐ３５−３８
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
前記図１２に示す技術及び特開平１１−１５６３９８号公報に示す技術はキャビテーションにより汚泥を可溶化して汚泥の減容化を図る方法であるが、汚泥のキャビテーション処理に由来する騒音や振動が発生して、騒音公害の原因になる問題点がある。
【００１７】
図１４に模式的なスケッチとして示したように、リアクタ１０９内に加圧汚泥１０５をノズル１０８から吹き込み、キャビテーション・ジェット１１０を発生させると、次のような汚泥１０５の流動現象が生じる。
【００１８】
ａ）リアクタ１０９の壁面近くを汚泥１０５の逆流１１４が生じてノズル１０８の近くでキャビテーション・ジェット１１０に流入する巻き込み流１１５が生じて循環渦となる流動
ｂ）キャビテーション・ジェット１１０において、キャビテーションクラウド（雲）が断片的に分裂することに起因する不規則な流れの方向変化による流動
ｃ）キャビテーション・ジェット１１０自体の旋回流１１６による流動
【００１９】
一方、図１３に示すように、キャビテーション・ジェット１１０は一種の脱気現象であって、リアクタ１０９内には空気だまり１１８が生じやすくなる。この空気だまり１１８が、上記ａ）とｂ）の流動による作用によって不安定で不規則に位置を変え、キャビテーション・ジェット１１０の上部に来ることがある。そのとき、上記ｃ）の旋回流１１６やキャビテーション・ジェット１１０の界面の渦１１９の作用によって、空気だまり１１８を起点として、細くて旋回する空気柱である「鎖状渦糸」（一種の吸い込み渦）１２０が発生し、キャビテーション・ジェット１１０中に流入する。「鎖状渦糸」１２０がキャビテーション・ジェット１１０の中に流入した瞬間に、キャビテーション・ジェット１１０は爆発的に変化する。すなわち、キャビテーション・ジェット１１０が急激に膨張する。こうして、リアクタ１０９内に激しい圧力変動が発生し、激しい騒音とリアクタの１０９の振動が発生する。
【００２０】
本発明の課題は、リアクタ内における流体力学的な不安定現象が生じるのを防ぎ、安定で静粛な運用を可能にする新規で有効な汚泥の減容方法及び装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するために、本発明においては次の様な手段を採用する。
請求項１記載の発明は、下水あるいは産業排水を生物的処理工程または曝気処理工程で処理した後、沈降分離工程で汚泥を分離し、該分離した汚泥を加圧してキャビテーション・ジェットとして汚泥中のバクテリア細胞を損傷・破細するキャビテーション処理工程を経た後、生物的処理工程または曝気処理工程に戻す汚泥の減容方法において、キャビテーション処理工程における空気だまり又は空気層とキャビテーション・ジェットの間を遮断し、空気だまり又は空気層とキャビテーション・ジェット間に生じる吸い込み渦の生成を防止する汚泥の減容方法である。
【００２２】
請求項２記載の発明は、下水あるいは産業排水の生物的処理を行う生物処理槽または曝気処理を行う曝気処理槽と、該生物的処理または曝気処理後の汚泥を沈降分離処理する沈降分離槽と、該沈降分離槽で分離した汚泥を高圧で噴射するキャビテーション・ジェットノズルを有するリアクタと、該リアクタでキャビテーション・ジェット処理を行った後の汚泥を生物処理槽へ返送する返送ラインを備えた汚泥の減容装置において、キャビテーション・ジェットノズルとリアクタ天井面の間のキャビテーション・ジェットに接触しない位置に、キャビテーション・ジェットノズルからの汚泥噴射方向に沿って、キャビテーション・ジェット発達域よりも長い板状の遮断プレートを配置する汚泥の減容装置である。
【００２３】
請求項３記載の発明は、下水あるいは産業排水の生物的処理を行う生物処理槽または曝気処理を行う曝気処理槽と、該生物的処理または曝気処理後の汚泥を沈降分離処理する沈降分離槽と、該沈降分離槽で分離した汚泥を高圧で噴射するキャビテーション・ジェットノズルを有するリアクタと、該リアクタでキャビテーション・ジェット処理を行った後の汚泥を生物処理槽へ返送する返送ラインを備えた汚泥の減容装置において、キャビテーション・ジェットノズルからの噴射汚泥によるキャビテーション発達域よりも下流のリアクタ壁面に、キャビテーション・ジェットノズルからの汚泥噴射方向に直交する方向に伸びる堰き止めプレートをキャビテーション・ジェットに接触しない位置まで延設した汚泥の減容装置である。
【００２４】
【作用】
本発明によれば、以下の３つの作用のいずれかによって、鎖状渦糸（吸い込み渦）がキャビテーション・ジェットへ流入することがなくなる。
【００２５】
▲１▼空気だまりがキャビテーション・ジェットの上部に流入しても、キャビテーション・ジェットの乱れの伝播を遮断をしているので、鎖状渦糸（吸い込み渦）が発生しない。
▲２▼空気だまりがキャビテーション・ジェットに近づかない。
▲３▼キャビテーション・ジェットの上部に空気だまりが生じても、浮力あるいは強制的な吸い出しによって、空気だまりがリアクタの外へ搬出される。
【００２６】
そのため、キャビテーション・ジェットが爆発的に膨張することがなくなって、振動や騒音の増大を未然に防げるようになる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
図１２に示すキャビテーション・ジェット法を実施する汚泥処理システムは本発明の実施の形態のリアクタが用いられる汚泥処理システムである。
【００２８】
本発明になるキャビテーション・ジェット法で処理された汚泥は、生物処理槽へ返送され曝気処理されることで、結果的に生成汚泥が減容することになる。
【００２９】
図１と図２（図１のＡ−Ａ線矢視図）は、それぞれ本発明の一実施例のリアクタ４の軸方向及び半径方向の断面図を示したものである。円筒型のリアクタ４の入口部の中心に加圧汚泥１をリアクタ４内に噴射するノズル２が設けられており、このノズル２を通じて加圧汚泥１がキャビテーション・ジェット３に変化し、リアクタ４内に吹き込まれる。
【００３０】
キャビテーション・ジェット３とリアクタ４の天井面の間には、平板状のプロテクタプレート５を張り出すように設けている。このプロテクタプレート５は、キャビテーション・ジェット３における有効キャビテーション域（キャビテーション３が発達している領域）に接触することなく、また長さＬｃの有効キャビテーション域よりも長くなるように設置する。また、プロテクタプレート５の幅は、設置位置のリアクタ４の幅とほぼ同一幅にする。
【００３１】
後述するが、この板状のプロテクタプレート５はリアクタ４内の空気だまり８（図３）に吸い込み渦が生じるのを防ぎ、リアクタ４の静粛運用を達成するためのものである。
【００３２】
図３は、図１及び図２における実施例の挙動を軸方向断面図として模式的に描いたものである。この実施例では、ノズル２とキャビテーション・ジェット３の上側にプロテクタプレート５を張り出すように設けているが、このプロテクタプレート５の上側でリアクタ４の天井面に空気だまり８が生じる。空気だまり８がここに生じるのは、リアクタ４内で汚泥１が逆流９するためである。
【００３３】
無対策時とは異なり、この空気だまり８とキャビテーション・ジェット３の間に、プロテクタプレート５を挿設してあるので、空気だまり８には吸い込み渦が生じることはない。従って、キャビテーション・ジェット３には、吸い込み渦に起因する不安定な挙動が生じることはない。
【００３４】
図４は、本発明の前記実施例（図１、図２）と無対策時（図１３、１４）において、騒音のレベル（音圧）を比較したものである。無対策時には、吸い込み渦に起因するキャビテーション・ジェット３の膨爆的挙動によって、８４ｄＢの騒音レベルとなった。これに対して、本実施例では、吸い込み渦由来の爆発音を抑制しているため、通所のキャビテーション・ジェット３の騒音レベルは７７ｄＢに過ぎない。
【００３５】
図５は、最も重要である汚泥減容の成績を、前記実施例（図１、２）と無対策時（図１３、１４）とで比較したものである。縦軸における汚泥減容率Ｒｒは、先行技術（図１３、１４）におけるそれＲｒ＊で割ることにより相対値として表した。したがって、無対策時においてＲｒ／Ｒｒ＊＝１．０となる。これに対して、前記実施例ではＲｒ／Ｒｒ＊＝０．９７である。前記実施例の成績は、概ね先行技術に比べて遜色のない結果といえるが、前記実施例において、わずかに成績が低下するのは、プロテクタプレート５によってキャビテーション・ジェット３中へ汚泥が再流入する挙動が抑えられたためと考えられる。
【００３６】
図６と図７（図６のＢ−Ｂ線矢視図）は、本発明における別の実施例の構成を、それぞれ円筒形リアクタ４の軸方向及び半径方向の断面図として描いたものである。有効キャビテーション域の下流部、すなわちキャビテーション・ジェット３においてキャビテーションが消滅した領域のリアクタ４の天井面に、リアクタ４の中心側へせり出すように板状の堰き止めプレート１１を設ける。この堰き止めプレート１１の高さＨは、キャビテーション・ジェット３に接触しないことが基本である。
【００３７】
本実施例では、リアクタ４の内径Ｄと堰き止めプレート１１の高さＨの関係は、Ｈ＝（３／１０）Ｄである。この堰き止めプレート１１の作用も、後述するように、空気だまり１４（図８）に由来する吸い込み渦の発生を防ぎ、キャビテーション・ジェット３に膨曝的挙動が生じないようにするためのものである。
【００３８】
図８は、図６及び図７における実施例の挙動を模式的に軸方向断面図として描いたものである。この実施例では、キャビテーション・ジェット３において、そのキャビテーションが消滅した下流域において、リアクタ４の天井面に堰き止め板１１を設けているが、リアクタ４の壁面に沿う逆流９と循環流１３が生じ、逆流９によって空気だまり１４はキャビテーション・ジェット３の近くまで運ばれるが、堰き止め板１１によって堰き止められる。また空気１５の一部は、この堰き止め板１１を乗り越えるが、堰き止め板１１の背後に生じる後流１６によって、空気１５は堰き止め板１１にトラップされる。従って、この実施例においてもリアクタ４の底部の循環流１３からは吸い込み渦は生じない。
【００３９】
図９は、本実施例（図６、図７）と無対策時（図１３、図１４）において、振動加速度αを調べてまとめた結果である。縦軸における振動加速度αは、無対策時（図１３、図１４）におけるそれで割ることにより、α／α＊として無次元化した。従って、無対策時においてα／α＊＝１．０となる。
【００４０】
図９から明らかなように、本実施例によれば、吸い込み渦に由来するキャビテーション・ジェット３の膨爆的挙動により伴う振動が抑制されるので、リアクタ４は静粛であり、その基部における振動加速度はα／α＊＝０．０３に過ぎない。以上により、本実施例によりリアクタ４の振動抑制効果が実証された。
【００４１】
【その他の実施例】
図１０及び図１１は、いずれも本発明になる汚泥減容装置の他の実施形態を示すものである。
図１０の例は、キャビテーション・ジェット３の上方の円筒形リアクタ４の壁面に吸い上げ管２２に接続したダクト２３を設け、空気塊２５を汚泥１と共にポンプ２６によって吸い上げようとするものである。吸い上げ管２２をリアクタ４の出口に設けた排出管２７に接続させて、空気塊２５を処理済み汚泥１とともに排出させる。空気塊２５の排出の調整は吸い上げ管２２に設けた調量弁２８で行う。
【００４２】
図１１に示す例は、円筒形リアクタ４内において、キャビテーション・ジェット３の上部に、下方へ、すなわちキャビテーション・ジェット３に向けて凸状の湾曲したプロテクタプレート５を設け、このプロテクタプレート５の最下部に空気だまり３３が生じるのを防ぐ。下向の凸状に湾曲したプロテクタプレート５の左右端部とリアクタ４の間には隙間を設けているため、空気泡３４はこの隙間を通じてプロテクタプレート５より上側に浮上してリアクタ４の天井部に集って空気だまり３３となる。この空気だまり３３には、キャビテーション・ジェット３の旋回成分が伝わらないので、問題となる鎖状渦糸が発生することはない。
【００４３】
上記各実施例ではリアクタは円筒形のものを図示したが、リアクタは円筒形に限らず長方体などの形状のものでも良い。
【００４４】
【発明の効果】
本発明を実施することによって、以下のような効果を奏する。
（１）リアクタ内天井面に生じる空気だまりに起因する鎖状渦糸（一種のキャビテーション現象）の発生を妨げる。
（２）鎖状渦糸の流入に伴うキャビテーション・ジェットの爆発的変化を妨げるので、リアクタから放射する騒音を抑制できる。
【００４５】
（３）上記（２）と同様に機器の信頼性に係わり、リアクタの振動レベルを低く抑えることができる。
（４）リアクタ内への空気の流入に対して特別な留意が必要なくなり、設備コスト及び運用コストを削減できる。
（５）なお、本発明を実施しても、汚泥減容の成績が低下することはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のリアクタの軸方向の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態のリアクタの半径方向の断面図（図１のＡ−Ａ線矢視図）である。
【図３】図１の汚泥減容装置における作用を描いた図である。
【図４】本発明を実施することにより生じる効果を実証した結果である。
【図５】本発明を実施することにより生じる効果を実証した結果である。
【図６】本発明の実施の形態のリアクタの軸方向の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態のリアクタの半径方向の断面図（図６のＢ−Ｂ線矢視図）である。
【図８】図６の汚泥処理装置における作用を描いた図である。
【図９】本発明を実施することにより生じる効果を実証した結果である。
【図１０】本発明になる汚泥減容装置の他の実施形態である。
【図１１】本発明になる汚泥減容装置の他の実施形態である。
【図１２】先行技術の汚泥処理システムを示す図である。
【図１３】先行技術における問題点を示す図である。
【図１４】先行技術における問題点を示す図である。
【符号の説明】
１  汚泥                            ２  ノズル
３  キャビテーション・ジェット      ４  リアクタ
５  プロテクタプレート              ８  空気だまり
９  逆流                            １１  堰き止めプレート
１３  循環流                        １４  空気だまり
１５  空気                          １６  後流
２２  吸い上げ管                    ２３  ダクト
２５  空気塊                        ２６  ポンプ
２７  排出管                        ２８  調量弁
３３  空気だまり                    ３４  空気泡
１０１  原水                        １０２  生物処理槽
１０３  沈降分離槽                  １０４  上澄み液
１０５  余剰汚泥                    １０６  返送ライン
１０７  ポンプ                      １０８  ノズル
１０９  リアクタ
１１０  キャビテーション・ジェット
１１１  分岐ライン                  １１４  逆流
１１５  巻き込み流                  １１６  旋回流
１１８  空気だまり                  １１９  渦
１２０  鎖状渦糸
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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