(57)【要約】【課題】有効な汚泥減容化が可能な汚泥減容方法及び装置を提供すること。【解決手段】下水あるいは産業排水を生物的処理槽で処理した後、沈降分離槽３で汚泥を分離し、分離した汚泥を前段リアクター１３で１ＭＰａ未満の低圧の汚泥ジェットによりフロック状の余剰汚泥を分散・微細化し、後段リアクター１９で３ＭＰａ以上の汚泥のキャビテーション・ジェットでバクテリア細胞を損傷・破細し、その後生物的処理槽２に戻すと、微細化・可溶化した汚泥は、生物処理槽中のバクテリアにより活発に捕食されるようになり、最終的には余剰汚泥が減容できる。【選択図】    図２
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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、該分離した汚泥を前段でフロック状の余剰汚泥を分散・微細化する前段の工程と、後段でバクテリア細胞を損傷・破細する後段の工程を経た後、生物的処理工程または曝気処理工程に戻すことを特徴とする汚泥の減容方法。
【請求項２】
前記余剰汚泥を分散・微細化する前段の工程では噴射圧力を１ＭＰａ未満のジェットとして汚泥を噴射し、前記バクテリア細胞を損傷・破細する後段の工程では噴射圧力を３ＭＰａ以上の汚泥のキャビテーション・ジェットとすることを特徴とする請求項１記載の汚泥の減容方法。
【請求項３】
前記前段と後段の汚泥のジェット処理工程の少なくともいずれかは汚泥中に汚泥のジェットを吹き込むことを特徴とする請求項１又は２記載の汚泥の減容方法。
【請求項４】
下水あるいは産業排水を生物的処理を行う生物的処理槽（あるいは曝気処理を行う曝気処理槽）と、該生物的処理（あるいは曝気処理）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前段で低圧噴射のジェット処理を行い、後段で汚泥を前記前段より高圧で噴射するキャビテーション・ジェット処理を行う汚泥減容装置と、該キャビテーション・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ことを特徴とする汚泥の減容装置。
【請求項５】
前記汚泥の低圧ジェット処理と高圧のキャビテーション・ジェット処理を行う汚泥減容装置の少なくともいずれかのジェット処理は汚泥噴射ノズルから汚泥中に汚泥のジェットを吹き込むことを特徴とする請求項４記載の汚泥の減容装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水処理及び産業用排水処理に関して、余剰汚泥の減容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】
活性汚泥を減容化する従来の廃水処理システムとしては、処理槽内の活性汚泥の一部をオゾンやその他の酸化剤、酸・アルカリによって処理した後、活性汚泥処理槽に導入して無機化する方法等が既に提案されている。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）。
【０００４】
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。
【０００５】
図９は、関連特許公報を挙げるまでもなく古くから使用されている廃水処理システムの一例を示すものである。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が沈降され、上澄み液１０４が放流され、沈降した余剰汚泥１０５は返送ライン１０６から生物処理槽１０２に戻される。余剰汚泥１０５の増加分は、抜き出しライン１１０から排出され処分される。
【０００６】
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には余剰汚泥１０５を加圧するポンプ１０７と加圧した余剰汚泥をノズル１０８からリアクター１０９に吹き出して、吹き出し汚泥１０５のキャビテーション・ジェットを作り出している。リアクター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。
【０００７】
このようなリアクター１０９中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内へ戻すとバクテリアが活性化し、汚泥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。
【０００８】
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、汚泥の減容を行う方法が開示されている。
【０００９】
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。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−２０６０８８号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開平０９−２７６８８７号公報
【００１２】
【特許文献１】
特開平１１−１５６３９８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前記図９に示す技術には、以下のような課題がある。すなわち、一回の汚泥処理で汚泥の分散・微細化・可溶化が効率良く進まないときには何巡もの循環を行わねばならず、これに相当する量だけウォータージェット処理する必要が生じて、運用コスト（ランニングコスト）がかさむようになる。また、高圧ポンプ１０７等の設備コスト（イニシャルコスト）も高くなり、経済的なメリットが出にくい。
【００１４】
また、特開平０９−２７６８８７号公報記載の方法で高温処理すると、汚泥の減容は進むが、バクテリアの一部が損傷し、破損が生じて体液が溶出する問題点がある。
【００１５】
さらに、特開平１１−１５６３９８号公報の汚泥をキャビテーションにより可溶化するだけでは、十分に汚泥の減容化ができないことがある。
【００１６】
本発明の課題は、上記した問題を解決し、新規で有効な汚泥減容化が可能な汚泥減容方法及び装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために、本発明においては次のような手段を採用する。
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、該分離した汚泥を前段でフロック状の余剰汚泥を分散・微細化する前段の工程と、後段でバクテリア細胞を損傷・破細する後段の工程を経た後、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である。
【００１８】
前記余剰汚泥を分散・微細化する前段の工程では噴射圧力を１ＭＰａ未満のジェットとして汚泥を噴射し、前記バクテリア細胞を損傷・破細する後段の工程では噴射圧力を３ＭＰａ以上の汚泥のキャビテーション・ジェットとすることができる。
また、前記前段と後段の汚泥のジェット処理工程の少なくともいずれかは汚泥中に汚泥のジェットを吹き込む方法を採用しても良い。
【００１９】
請求項４記載の発明は、下水あるいは産業排水を生物的処理を行う生物的処理槽（あるいは曝気処理を行う曝気処理槽）と、該生物的処理（あるいは曝気処理）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前段で低圧噴射のジェット処理を行い、後段で汚泥を前記前段より高圧で噴射するキャビテーション・ジェット処理を行う汚泥減容装置と、該キャビテーション・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である。
【００２０】
【作用】
本発明では、まず汚泥減容装置（リアクター）の前段の工程で低圧汚泥のジェット処理を行うと、余剰汚泥のマクロな分散・混合が生じて、不均等な分離状態やフロック状態が解消する。これは、せん断、渦および乱れ等のジェットの流体力学的な作用による。次に、汚泥減容装置の後段では高圧のジェット処理により汚泥のミクロな微細化・可溶化が生じる。これは、主として高圧ジェット中のキャビテーションの作用による。このため生物処理槽へ戻った微細化・可溶化した汚泥は、生物処理槽中のバクテリアにより活発に捕食されるようになり、最終的には余剰汚泥が減容できる。
【００２１】
本発明は、単に二段の減容化処理をすることにあるのではなく、次の二点の処理に特徴がある。
▲１▼汚泥減容装置の前段での低圧汚泥ジェットで、フロック状態のバクテリアと有機物を破細すること。
▲２▼汚泥減容装置の後段でのキャビテーションジェット処理で、▲１▼の減容化処理で分散したバクテリアを部分可溶化すること。
このように前記▲１▼と▲２▼の減容化処理を、この順に行うプロセスが、本発明の最大の特徴点である。
【００２２】
前記汚泥減容装置での前段と後段の減容化処理で共にキャビテーション・ジェットによる処理をすれば分散不十分なまま、後段の減容化処理を行うことになり、余分な気泡（クッション作用をするため）の流入もあり、非効率で動力ばかり多く消費することになってしまう。一方、前記前段と後段の減容化処理でキャビテーション処理をして、次に後段で分散処理をする方法は、本発明の考えとは全く逆行するもので、無意味である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明を適用した排水汚泥減容システムの構成を示すものである。生物処理槽２から出た汚泥は沈降分離槽３内に入り、ここで上澄み４と沈降する余剰汚泥５に分離される。沈降分離槽３内の上澄み４は河川や海域あるいは放水路に放流される。沈降分離槽３の底部から出た余剰汚泥５は汚泥減容装置９に入り、ここで余剰汚泥自身にキャビテーションを発生させる方式により、余剰汚泥５を分散・微細化、そして可溶化する処理が行われる。このようにしてキャビテーション処理の終了した余剰汚泥５は、生物処理槽２の入口へ返送ライン６から戻される。
【００２４】
前記汚泥減容装置９の構成は、図２の破線内に示す通りである。沈降分離槽３から出た余剰汚泥５は低圧ポンプ１０で望ましくは１ＭＰａ未満の圧力まで加圧され、低圧噴射ノズル１２を通じて、前処理リアクター１３内に吹き込まれる。この低圧で噴出する低圧ジェット１４は、汚泥中の汚泥噴流であってもキャビテーションは発生しないか、発生したとしても微弱である。この前処理リアクター１３から出た前処理済汚泥は返送ライン６を通じて、高圧ポンプ１７に送られる。この高圧ポンプ１７において、当該汚泥５は望ましくは２〜１０ＭＰａの吐出圧力で、より望ましくは３〜７ＭＰａの吐出圧力の範囲で、高圧噴射ノズル１８を通じて、リアクター１９の中へキャビテーション・ジェット２１として吹き込まれる。このキャビテーション・ジェット２１によって、余剰汚泥５は後述するようにミクロレベルで分散・微細化及び可溶化が行われ、返送汚泥として、生物処理槽２の入口へと送られる。そして、この汚泥は生物処理槽２において曝気処理される。
【００２５】
図１、図２に示す本発明の実施の形態は、汚泥減容装置９で単に前段・後段の二段の汚泥減容化処理を行うのではなく、前段では１ＭＰａ未満の圧力の低圧力噴射でキャビテーションを抑えた処理を行い、後段では３〜７ＭＰａの高圧力噴射でキャビテーションを積極活用する処理を行い、これら前・後の異なる作用を組み合わせることで新しい特有な作用を生み出そうとするものである。
【００２６】
図２に示す汚泥減容装置９は次のように運用される。
前段の低圧汚泥ジェット１４と後段のキャビテーション・ジェット２１との流量を合致させるために、低圧噴射ノズル１２の噴出口径は高圧噴射ノズル１８の噴出口径よりも大きくする。ノズル口径の選定が不適切であると、特に低圧汚泥ジェット１４の流量が少ない場合は前処理リアクター１３内が空になり、高圧ポンプ１７がトリップし、本系統の機能が停止するおそれがある。また、両ジェット１４、２１の流量のわずかな偏りを吸収するために、前処理リアクター１３の出口にバッファタンク２３を設け、このバッファタンク２３の出口から高圧ポンプ１７へ前処理済の余剰汚泥５を供給するようにする。
【００２７】
図３は、汚泥減容装置９における前処理リアクター１３内での減容化処理の結果、すなわちノズル１２を通じて吹き出す低圧汚泥のジェット（非キャビテーション・ジェット）１４中における汚泥の「マクロな分散」への変化を模式的に描いたものである。１ＭＰａ以下程度に加圧された汚泥５は、ノズル１２の噴出孔５５を通過する際に急減圧・急加速され、ジェット１４として周囲の汚泥５中に吹き出す際には強いせん断力が加圧された汚泥５に加わるようになる。噴出孔５５から吹き出した加圧された汚泥５は‘芯’の分裂５６が生じ、まず大きなフロックに分裂する。さらにせん断層由来の界面渦５７の乱れ作用や圧力変動作用によって、加圧された汚泥５の大きなフロックは微小フロック５９へと分裂して、分散するようになる。
【００２８】
図４は、汚泥減容装置９における後段の減容化処理に使用するノズル１８、すなわちキャビテーション・ジェット２１を作り出すためのノズル１８の側断面形状を示す図である。ポンプ１７で加圧された余剰汚泥５として吹き出すための先端部は、第１のセラミックスピース３４及び第２のセラミックスピース３５に分割されていて、汚泥５が流通する際に接触する部分は太線で示す特殊な耐摩耗コーティング層（例えばＣＶＤ法によるダイヤモンドコーティングにより得られる層）４０を施してある。このようにコーティングするのは、汚泥中に砂粒や錆の破片などが含まれるためである。ノズル１８の入口側の第１セラミックスピース３４は高圧の余剰汚泥５が通る汚泥供給路３７とそれに続く絞り部３８と噴出孔（上流側）３９ａからなり、ノズル出口側の第２セラミックスピース３５は、噴出孔（下流側）３９ｂとその後流側の半球体状の拡大空洞部４１からなる。この拡大空洞部４１はキャビテーション・ジェット２１の周囲の汚泥５に不安定な渦を作り出すことで、キャビテーションを促進するために、いわばキャビテーション・プロモータの役割を果たしている。両セラミックスピース３４、３５は、インロウ部４２によって精密に中心軸を合わせた状態で、外側からノズルホルダー３６により固定されている。
また、図４に示すノズル２１は前処理過程における低圧汚泥ジェット用の低圧噴射ノズル１２用としても使用可能である。
【００２９】
図５は、汚泥減容装置９のノズル１８から３ＭＰａ程度以上の噴射圧力でキャビテーション・ジェット２１として加圧された汚泥５を吹き出した際の汚泥フロック６１の変化を、模式的に描いたものである。
【００３０】
減容化処理前（図５（ａ））は、微小ながらもフロック６１の状態を保ち、様々なバクテリア６２や有機物６３が凝集体を作っている。これが、キャビテーション・ジェット処理後（図５（ｂ））には、無数のキャビテーション衝撃圧によってバクテリア６２や有機物６３が散り散りに破細され、微小物の分散体６４となる。このように汚泥減容装置６のノズル１８によるキャビテーション・ジェット２１では、容易に汚泥の分散・微細化が実現する。
【００３１】
図６は、一巡返送した場合の汚泥減容率を、先行技術（図９）と上記実施例（図１〜図４）において比較したものである。縦軸における汚泥減容率αは、先行技術（図９）における汚泥減容率α*で割ることで、相対値として表している。
【００３２】
図６から、前記実施例では汚泥減容率がα／α*＝２．７８まで向上する。これは、前記実施例において、二段階のすなわちマクロ（初段目）とミクロ（二段目）の分散処理を行い、汚泥フロックを分散・微細化した効果に他ならない。
【００３３】
図７は、消費動力（ランニングコストと置き換えることもできる）を、先行技術（図９）と前記実施例（図１〜図４）とで比較したものである。縦軸における消費動力Ｐは、先行技術（図９）における消費動力Ｐ*で割ることにより無次元化した。前記実施例ではＰ／Ｐ*＝１．１４であって、少し消費動力が増大していることがわかる。これは前記実施例において、２段階のジェット処理を行うに際し、特に前処理リアクター１３のポンプ動力が影響を及ぼしたものである。しかしながら、図６における汚泥減容率の大幅な上昇は、わずかな消費動力の増加を十分に補うものであるといえる。
【００３４】
【他の実施例】
図８は、図４と同様にキャビテーション・ジェット２１（図２）を作り出すために使用するノズル１８の他の実施例の正面図（図８（ａ））と側断面図（図８（ｂ））を示す。図４に示す形状セラミックス部材に対して、汚泥の流通路の中で損耗危険度の高い箇所に目立つ太線で示すダイヤモンドコーティング７３を施す例である。
【００３５】
図８に示す実施例は、セラミックスで成形した本体７１ａ、７１ｂを噴出孔７２の軸を通る縦断面で半割り状に二分割したものである。このようにすることで、噴出孔７２の内面に対してＣＶＤ法によってダイヤモンドコーティング処理が容易に行え、半割りセラミックス部材７１ａ及び７１ｂの合わせ面７１ｃにそれぞれコーティング層７３が施されるとシール性が良くなる。ダイヤモンドコーティング作業は噴出孔７２の内面以外はマスキングをして行う。
【００３６】
セラミックス部材７１ａ及び７１ｂが合体されて加圧された汚泥５が通る汚泥供給路７７とそれに続く絞り部７８と噴出孔７２とその後流側の半球体状の拡大空洞部７９が得られる。該拡大空洞部７９はキャビテーション・ジェット２１の周囲の汚泥５に不安定な渦を作り出すことで、キャビテーションを促進するために、いわばキャビテーション・プロモータの役割を果たしている。
また、セラミックス部材７１ａ及び７１ｂは、外周側から金属製のホールドキャップ７５によって固定する。
【００３７】
図８に示したノズル構造は、ＣＶＤ法によるダイヤモンドコーティングが容易である。しかし、半割りセラミックス部材７１ａ及び７１ｂを高精度に成形することが難しい。一方、図４に示すノズル構造では、セラミックスピース３４、３５の高精度加工は容易であるものの、ＣＶＤ法によって細管である噴出孔３９（３９ａ、３９ｂ）の内面まで、十分均質にダイヤモンドコーティングするのは難しい。したがって、噴出孔３９、７２の成形精度が関与するキャビテーション・ジェット２１の生成と、ノズル１８の耐久性を勘案することで、図４あるいは図８いずれかの構成を選定すればよい。
【００３８】
前段の低圧汚泥ジェット１４で汚泥５をジェット処理する代わりに、次の方法を用いることによって、フロック状の汚泥を分散・微細化することもできる。  ▲１▼大気中でノズルから高速で吹き出す汚泥のジェットを固体面に衝突させる方法。
▲２▼前処理リアクター１３の後流側に配置するバッファタンク２３に入れた汚泥５を攪拌し、強いせん断力を汚泥５に加える方法。
【００３９】
【発明の効果】
本発明を具体化することにより、次のような効果を奏する。
（１）汚泥の分散・微細化そして可溶化が効率良く進み、汚泥の減容率が向上する。
（２）沈殿槽における余剰汚泥の沈降分離性が良好になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の汚泥処理施設の系統を示す図である。
【図２】図１の汚泥減容装置の構成図である。
【図３】図２の汚泥減容装置の低圧汚泥ジェットによる作用・メカニズムを模式的に示した図である。
【図４】図２の汚泥減容装置のキャビテーション・ジェットノズルの断面図である。
【図５】図２の汚泥減容装置のキャビテーション・ジェットノズルで生じる作用・メカニズムを模式的に示した図である。
【図６】本発明の実施例の効果を実証した図である。
【図７】本発明の実施例によって生じる効果を実証した図である。
【図８】本発明になる汚泥減容装置に用いるキャビテーション・ジェットノズルの他の実施例の断面図である。
【図９】従来技術の汚泥処理施設の系統を示す図である。
【符号の説明】
１  原水                            ２  生物処理槽
３  沈降分離槽                      ４  上澄み
５  余剰汚泥                        ６  返送ライン
９  汚泥減容装置                    １０  低圧ポンプ
１２  低圧噴射ノズル                １３  前処理リアクター
１４  低圧ジェット                  １７  高圧ポンプ
１８  高圧噴射ノズル                １９  リアクター
２１  キャビテーション・ジェット    ２３  バッファタンク
３４  第１のセラミックスピース      ３５  第２のセラミックスピース
３６  ノズルホルダー                ３７  汚泥供給路
３８  絞り部                        ３９ａ  噴出孔（上流側）
３９ｂ  噴出孔（下流側）            ４０  耐摩耗コーティング層
４１  拡大空洞部                    ４２  インロウ部
５５  噴出孔                        ５６  ‘芯’の分裂
５７  界面渦                        ５９  フロック
６１  汚泥フロック                  ６２  バクテリア
６３  有機物                        ６４  分散体
７１ａ、７１ｂ  本体                ７１ｃ  合わせ面
７２  噴出孔                        ７３  コーティング層
７５  ホールドキャップ              ７７  汚泥供給路
７８  絞り部                        ７９  拡大空洞部
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  リアクター                  １１０  抜き出しライン
【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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