(57)【要約】【課題】低コストで効果的に汚泥量を減少させる汚泥処理装置と方法を提供すること。【解決課題】分離槽６で沈降分離した汚泥固形分と分離した上澄み水５をプランジャポンプ３で高圧水として高圧ホース１５を通じて、汚泥含有水槽２の壁面に設置した高圧水噴出用ノズル１１から汚泥中にキャビテーション・ジェット１３として吹き込み、キャビテーションの作用によって汚染水中の有害微生物は分解する。上澄み水５中には固形分が極めて少なく、高圧水噴出用のノズル１１にはエロージョン（壊食）が生じにくくなるし、ノズル１１の噴出孔における閉塞も生じにくい。また、ノズル１１から汚泥含有水槽２内の汚泥１中に吹きこまれた上澄み水５は、汚染水中での激しいキャビテーションの衝撃圧生成作用によって、汚泥１中の有害微生物の細胞が部分分解される。また、キャビテーション気泡の崩壊時には、断熱圧縮作用によって水中に局所的な高温高圧場が作り出され、熱分解作用ないしＯＨラジカル等による強い酸化作用によっても汚染水中の有害微生物が死滅する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水処理施設又は産業廃棄物処理施設において生じる汚泥を処理する装置であって、
生物処理する汚泥含有水槽と該汚泥含有水槽からの汚泥含有水を集めて汚泥を沈降分離する汚泥沈降分離槽と該汚泥沈降分離槽の上澄み水を取り出して溜める上澄み水槽と該上澄み水槽からの上澄み水を取り出して加圧する加圧ポンプと該加圧された上澄み水を汚泥含有水槽中の汚泥含有水にキャビテーション・ジェットとして噴出する汚泥含有水槽壁面に設けられた高圧水ノズルとを備えた汚泥処理装置。
【請求項２】
高圧水ノズルは、その噴出孔の出口に拡大空洞部を設けるとともに、該拡大空洞部の形状が円錐形又は釣り鐘形であることを特徴とする請求項１記載の汚泥処理装置。
【請求項３】
高圧水ノズルは、その噴出孔の出口の拡大空洞部の上流側の高圧水供給流路との間に下流側に向けて径が収縮する勾配を有する接続部を有することを特徴とする請求項１記載の汚泥処理装置。
【請求項４】
下水処理施設又は産業廃棄物処理施設において生じる汚泥を含有する汚泥含有水を生物処理する汚泥含有水槽と該汚泥含有水槽からの汚泥含有水を集めて汚泥を沈降分離する汚泥沈降分離槽を備えた汚泥処理装置を用いる汚泥処理方法であって、
汚泥沈降分離槽の上澄み水を分離して、該上澄み水を加圧して汚泥含有水槽に設けたノズルから汚泥中に吹き込み、キャビテーション・ジェットを発生させることで汚泥含有水槽内の汚泥の分散・微細化・可溶化による減容と沈降分離を促進させることを特徴とする汚泥処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水処理施設における余剰泥汚の減容化法に係わり、特にウォータージェットにより発生するキャビテーションを利用した技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
下水や産業廃棄物は、活性汚泥法による無害化処理が一般に行われている。この活性汚泥の主要成分は微生物（バクテリア）であり、活性汚泥法は微生物の分解能力を利用するものである。
【０００３】
活性汚泥法で得られる汚泥は、最終的には脱水されて固形分として焼却処分される。また前記脱水後の水は海洋あるいは河川へ放流される。最近になって、汚泥処理のプロセスにおいて余剰汚泥量を減らす試みが行われるようになってきている。余剰汚泥量を減らす方法としては、例えば汚泥中のバクテリアや有機物を強制的に分散・微細化・可溶化し、他の微生物に補食させて、汚泥の排出量を少なくする方法がある。
【０００４】
微生物の分解法として、次のようにいくつかの方法が提案されている。
▲１▼オゾン法
▲２▼超音波（キャビテーション）法
▲３▼ミルによる微粉砕法
【０００５】
前記▲１▼のオゾン法は、高効率であるが、コンプレッサや酸素製造装置等の補機類、更に活性炭等による残留オゾンの後処理が必要であり、これらの補助的な装置を設けるために設備が大規模になるという問題がある。また、オゾンは人体に有害であり、作業者の健康にも配慮する必要がある。
【０００６】
前記▲２▼の超音波法は、超音波キャビテーションを利用する方法であるが、エネルギーコストが高いことに加えて、設備のスケールアップが難しく大容量の処理には向かないという問題がある。
【０００７】
前記▲３▼の粉砕法は、「ビーズ」と呼ばれる小さな球体を入れたドラムを回転させるミル内に微生物を入れておいて、微生物を球体で微粉砕する方法である。この粉砕法も、やはりエネルギーコストが高い問題と処理時間が長くかかるという問題がある。
【０００８】
これらの微生物の分解法の中で、設備的に最もシンプルで、特殊な薬剤も使わない方法は超音波法であるが、超音波法以外の方法で大量の激しいキャビテーションを作り出せる合理的な手法があれば、汚泥処理用として有力である。
【０００９】
図８〜図１０には、従来の超音波法によるキャビテーションを利用して汚泥処理を行う方法を示す。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図８は超音波振動子３１が生物処理槽（汚泥含有水槽）２中の汚泥１を超音波振動（矢印３２）させる様子を説明する概略図である。この超音波振動子３１を用いる超音波法は、振動子３１の先端のみのキャビテーション３３に依存しているため、超音波振動の有効領域が小さい。また超音波振動子３１の先端に生じる超音波流３４もエネルギーが小さく、全域にキャビテーション３３の威力が伝わらない。また超音波法はエネルギーコストが大きいため、スケールの大きな設備には不向きである。
【００１１】
図９は、清水タンク３７からの清水３８をプランジャポンプ３を用いて高圧水として高圧ホース１５を介して生物処理槽（汚泥含有水槽）２の壁面に装着されたノズルマウント１０及びその先端に取り付けられた高圧水噴出用のノズル１１から生物処理槽（汚泥含有水槽）２の汚泥含有水中にウォータージェットとして吹き込み、ウォータージェットにキャビテーション１６を発生させて汚泥中で可溶化を行わせようとするものである。
【００１２】
この方式によると清水３８で生物処理槽（汚泥含有水槽）２中の汚泥１が希釈されるので、汚泥１の可溶化が進んでも汚泥水の全体の量が清水３８が加わる分増えるため、十分な容量を備えた生物処理槽（汚泥含有水槽）２を用意する必要があること、及び清水３８を常に補給する必要があるのでコストが高くなる問題点がある。
【００１３】
図１０に示す例は図９の装置の欠点である設備費の増加を防ぐために、図９の生物処理槽（汚泥含有水槽）２からの汚泥含有水３９をポンプ４１で汲み上げて一旦汚泥水タンク４０に溜めておき、該汚泥水タンク４０からプランジャポンプ３を用いて高圧水として高圧ホース１５を介して生物処理槽（汚泥含有水槽）２の壁面に装着されたノズルマウント１０及びその先端に取り付けられた高圧水噴出用のノズル１１から生物処理槽（汚泥含有水槽）２の汚泥含有水中にウォータージェットとして吹き込み、ウォータージェットにキャビテーション１６を発生させて汚泥１中でキャビテーションによる処理、すなわち汚泥の分散・微細化及び可溶化を行うものである。この図１０に示す方法では生物処理槽（汚泥含有水槽）２の汚泥水３９をそのまま高圧水噴出用のノズル１１から噴出するため、ノズル１１のエロージョン変形量が大きくなり、ノズル１１の損耗が激しくなる。
【００１４】
本発明の課題は、上記した従来技術の問題点を解決し、新規で低コストで効果的に汚泥量を減少させる汚泥処理装置と方法を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記した問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。
【００１６】
汚泥中に高圧水を高圧水噴出用ノズルからキャビテーション・ジェットとして吹き込み、キャビテーションの作用によって汚泥中の有害微生物は分解する。キャビテーション・ジェットを固体面（ターゲットプレート）に衝突させると、有害微生物が固体面に激突することで、その分解が更に効果的に行われる。
【００１７】
汚泥中に吹き込む水は、分離槽で汚泥固形分と分離した上澄み水を循環使用する。上澄み水をウォータージェットとして吹き込んだ汚泥水は生物処理槽（汚泥含有水槽）から抜き出され、分離槽に送られ、ここで上澄み水と濃縮した汚泥固形分に分離される。濃縮した汚泥固形分は、分離槽の底から抜き出される。一方、分離した上澄み水は、ポンプで汲み上げられた後、フィードタンクへ一時的に貯えられ、フィルタを通して異物を取り除いた後、プランジャポンプへ送られる。このプランジャポンプでは所定の圧力（例えば２〜９ＭＰａの範囲内で選定）まで上澄み水を加圧し、高圧ホースを通じて、生物処理槽（汚泥含有水槽）内に設置したノズルへ送給される。
【００１８】
【作用】
本発明によれば、キャビテーション・ジェット処理された汚泥水の分離槽において、汚泥固形分を沈降分離した上澄み水中には固形分が極めて少なく、高圧水噴出用のノズルにはエロージョン（壊食）が生じにくくなるし、前記ノズルの噴出孔における閉塞も生じにくい。また上澄み水は、ノズルから汚泥中に吹きこまれ、汚染水中で激しいキャビテーションを伴うウォータージェットとなる。このキャビテーションの衝撃圧生成作用によって、フロック状となっている汚泥が分散・微細化したり、さらに、汚泥微生物の細胞が部分分解される。
【００１９】
また、キャビテーション気泡の崩壊時には、断熱圧縮作用によって水中に局所的な高温高圧場が作り出され、熱分解作用ないしＯＨラジカル等による強い酸化作用によっても汚泥が可溶化する。
【００２０】
汚泥含有水槽内の汚泥は、吹き込まれた上澄み水のキャビテーション・ジェットによって強力に攪拌されるため、キャビテーション・ジェットによる有害菌の駆除にも貢献する。
【００２１】
【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、本発明の実施の形態である汚泥の処理装置の全体系統図である。汚泥の処理装置は汚泥１を満たした生物処理槽（汚泥含有水槽）２と該汚泥含有水槽２に高圧水を送るためのプランジャポンプ３とプランジャポンプ３に汚泥含有水槽２から取り出した汚泥含有水から上澄み水５を分離供給するための分離槽６と上澄み水タンク７及びそれらの流体供給用の汲み上げポンプ９、汚泥含有水槽２の側壁に装着されたノズルマウント１０及びその先端に取り付けられた高圧水噴出用のノズル１１等からなる。
【００２２】
ノズル１１から汚泥含有水槽２内の汚泥１に上澄み水５のキャビテーション・ジェット１３が吹き出され、キャビテーションの気泡１６の崩壊時に生じる衝撃圧の作用で、汚泥１中の微生物が部分分解される。
【００２３】
微生物が部分分解された汚泥含有水は汚泥含有水槽２から取り出されて分離槽６に供給され、濃縮汚泥１４と上澄み水５に分離される。分離された上澄み水５は汲み上げポンプ９により汲み上げられ、上澄み水タンク７に一時的に貯えられる。上澄み水タンク７内の上澄み水５は、プランジャポンプ３により所定の圧力（１〜２０ＭＰａ）まで加圧されて、高圧水として高圧ホース１５を通じて
汚泥含有水槽２の側壁に装着された高圧水噴出用のノズル１１から汚泥１中に噴出される。
【００２４】
ノズル１１から汚泥１中に上澄み水５のキャビテーション・ジェット１３が吹き出されると、キャビテーションの気泡崩壊時に生じる衝撃圧の作用で、汚泥１中の微生物が部分分解される。このキャビテーション・ジェット１３の乱れと貫通力は非常に強く、汚泥含有水槽２内の汚泥１中に大規模な循環流れを作り出し、汚泥１と気泡１６との混合が促進されて、キャビテーションの影響は、汚泥水中の全域に及ぶようになる。汚泥含有水槽２の底部からは、処理済みの汚染水が抜き出され、分離槽６へと送られる。キャビテーション・ジェット１３で処理された汚泥含有水はかなり分離しやすくなり、分離槽６内で沈澱した濃縮汚泥１４は排出管１７から抜き出される。
【００２５】
一方、分離槽６内の上澄み水５は汚泥含有水槽２に送られて再びキャビテーション・ジェット１３として再利用される。汚泥含有水槽２内でキャビテーション・ジェット１３による処理が施された濃縮汚泥１４は、破壊された微生物の細片が主体であって、これを排出管１７から抜き出して図示しない微生物リアクターへ供給すると、破細片や溶出物となって補食しやすいためか、微生物群の処理能力が高まり、従来技術に比べて、最終的な汚泥排出量を減らすことができる。
【００２６】
図２は、下水あるいは産業用排水の生物処理システムに対して、本発明を適用した実施形態を、系統図として表したものである。基本的構成要素は、汚泥槽（生物処理槽）２、沈降分離槽６及びキャビテーション・ジェット１３による処理を行うリアクタ２９である。生物処理の済んだ活性汚泥は、生物処理槽２から沈降分離槽６へと移り、ここで清浄な上澄み水５と砂等の固形残渣を多く含む余剰汚泥１４へと分離する。上澄み水５の大半は配水管１７より放流されるが、一部はジェット用給水２６として抜き出され、高圧ポンプ３で所定の圧力まで加圧され、ノズル１１を通じてキャビテーション・ジェット１３として、リアクタ２９内の余剰汚泥中に吹き込まれる。一方、余剰汚泥１４もその一部が抜き出されて、余剰汚泥供給路３１を経てリアクタ２９内に送給され、キャビテーション・ジェット１３による処理が行われる。また、余剰汚泥１４の残りは返送ライン３３を経て生物処理槽２に戻される。リアクタ２９の内部において、キャビテーション・ジェット１３は周囲の余剰汚泥１４と激しく混合し、リアクタ２９内の余剰汚泥１４はキャビテーションによる衝撃圧力とＯＨラジカル等の酸化作用等によって、分散・微細化をして可溶化して、返送ライン３４を通じて生物処理槽２内へと戻る。
【００２７】
図３は、キャビテーション・ジェット１３を作り出すためのノズル１１の一例であって、その構造の断面図を示している。高圧水は高圧水ホース１０を通りノズル１１の先端へと導かれ、ノズル１１の径収縮部（しぼり流路）１１ａで減圧・加速されて、気泡１６を含んだウオータージェットが噴出孔１１ｂから汚泥含有水槽２内の汚泥１中に吹き出されてキャビテーション・ジェット１３となる。
【００２８】
径収縮部１１ａの縮流作用によって、噴出孔１１ｂから気体が微細な気泡１６として連続的に分離し、キャビテーション・ジェット１３の内部へ流入する。噴出孔１１ｂの先端には、釣り鐘形をした拡大空洞部１１ｃが延設されている。この拡大空洞部１１ｃ内において、キャビテーション・ジェット１３の廻りには循環渦１９が生じる。この循環渦１９の作用で、キャビテーション・ジェット１３には圧力変動が生じて、また汚泥１中の気泡核がキャビテーション・ジェット１３中に供給されるなどして、結局、キャビテーション・ジェット１３においてキャビテーションが促進される。
【００２９】
図３に示す実施の形態におけるノズル１１では、キャビテーション・ジェット１３の外部から、乱れや圧力変動を与えたり、また気泡１６の核を汚泥１中に供給するタイプであるが、本発明の他の実施の形態のノズル２１の断面図を図４に示す。
【００３０】
図４に示すノズル２１は、キャビテーション・ジェット１３の内部からキャビテーションを促進するタイプである。高圧水ホース１５（図１）とノズル噴出孔２１ｂの間は、図２に示すノズル１１のような径収縮部（しぼり流路）１１ａが無く、強い縮流の作用によって、噴出孔２１ｂの入口には空洞部（Ｃａｖｉｔｙ）が生じる。この空洞部からは、気体が微細な気泡１６として連続的に分離し、キャビテーション・ジェット１３の内部へ流入する。この微細な気泡１６が、キャビテーションの気泡核（Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｎｕｃｌｅｉ）であって、ジェット１３中に流入することから流入核（Ｉｎｆｌｏｗ−ｎｕｃｌｅｉ）と呼ぶべきタイプのものである。キャビテーション・ジェット１３の内部に流入した気泡１６の核は、キャビテーション・ジェット１３の中で爆発的に成長し、キャビテーションを活性化する。
【００３１】
図５は、本発明の図１、図３に示す実施の形態におけるキャビテーション・ジェット法によるエネルギーコストと図８に示す超音波振動子３１を用いて図示しない生物処理槽（汚泥含有水槽）中の汚泥を超音波振動させる超音波法におけるエネルギーコストを比較したグラフである。図１、図３に示す本発明の実施の形態のエネルギーコストＥの比較値（Ｅ／Ｅ＊）は０．１９であって、従来技術（図８）の超音波法に比べて大幅なエネルギーコストの低減が認められた。
ここで、Ｅはエネルギーコストであり、Ｅ＊は従来技術（図８）におけるエネルギーコストである。
【００３２】
図６は、本発明の図１、図３に示す実施の形態におけるキャビテーション・ジェット法による汚泥減容率Ｋと図８に示す超音波振動子３１を用いて図示しない生物処理槽（汚泥含有水槽）中の汚泥を超音波振動させる超音波法における汚泥減容率Ｋ＊を相対値として比較したものである。図６の縦軸の汚泥減容率の比は、図８に示す従来技術における汚泥減容率Ｋ＊で割ることによって、相対値として表したものであり、本発明の実施の形態での汚泥減容率Ｋ（相対比Ｋ／Ｋ＊＝０．９６）は従来技術の汚泥減容率Ｋ＊に比べれば僅かに劣るが、ほぼ同等とみなして良い。これによって、本発明のキャビテーション・ジェット法が、汚泥１中の微生物分解処理にも有効であることが明らかになった。微生物の分解が進めば、汚泥１を含む汚泥含有水槽２の微生物による補食が促されることにもなるので、微生物主体の汚泥においては、汚泥量の減容が実現する。
【００３３】
図７は、本発明の実施の形態と図１０に示す汚泥水３９を直接汚泥１中に吹き込む従来技術において、ノズル１１のエロージョン変形量を比較したものである。汚泥１中には、かなりの量の砂が含まれ、これがノズル１１の噴出孔を高速で通過する際に、噴出孔が損耗する。
【００３４】
図７の縦軸における本発明の実施の形態のノズルエロージョン変形量δは、図１０に示す従来技術におけるノズルエロージョンによる変形量δ＊で割ることにより無次元化した値を示している。従来技術（図１０）に比較して本発明の実施の形態ではノズル１１の損耗量が圧倒的に少なく、本発明のノズル１１の使用寿命が長いことが明らかとなった。
【００３５】
図７に示す結果は、本発明では汚泥１中の固形分を沈降分離した後の上澄み水５を用いることにより、上澄み水５を用いない従来技術に比較して壊食（エロージョン）を引き起こす砂粒子等が極めて少なくなったためである。また、汚泥１中の固形分を沈降分離した後の上澄み水５を用いることにより、清水を大量に用いる必要もないので、コスト的にも有利である。
【００３６】
以上から、本発明のキャビテーション・ジェット法は、主要機器の耐用寿命も長く、信頼性の高いものであることが実証された。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によって得られる効果をまとめると、以下のようになる。
（１）汚泥の減容を促進する。
（２）高圧水噴出用ノズルの閉塞が起きにくいので、安定した連続運転が可能である。
（３）高圧水噴出用ノズルのエロージョンが少なく、メンテナンスに要する手間が省ける。
（４）超音波法に比べてエネルギーコストが低い。
（５）上記（１）の効果に関連し、短時間の処理が可能である。
（６）上記（１）の効果に関連し、処理量を増加させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態になる汚泥処理装置の全体系統を示す。
【図２】本発明の実施の他の形態になる汚泥処理装置の全体系統を示す。
【図３】図１の汚泥処理装置に使用するノズルの断面図を示す。
【図４】本発明の実施の形態になる汚泥処理装置に使用するノズルの断面図を示す。
【図５】本発明の実施の形態の汚泥処理装置で得られるエネルギーコストの従来技術との比較図を示す。
【図６】本発明の実施の形態の汚泥処理装置で得られる汚泥減容率の従来技術との比較図を示す。
【図７】本発明の実施の形態の汚泥処理装置で得られるノズルのエロージョンによる変形を従来技術と比較した図を示す。
【図８】従来技術と超音波法による汚泥処理装置の超音波振動子の汚泥中でのキャビテーションを説明する図である。
【図９】従来技術と超音波法による汚泥処理装置の全体系統を示す。
【図１０】従来技術と超音波法による汚泥処理装置の全体系統を示す。
【符号の説明】
１　汚泥　　　　　　　　　　　　　　　２　汚泥含有水槽（生物分解槽）
３　プランジャポンプ　　　　　　　　　５　上澄み水
６　分解槽　　　　　　　　　　　　　　７　上澄み水タンク
９　汲み上げポンプ　　　　　　　　　　１０　ノズルマウント
１１、２１　ノズル　　　　　　　　　　１１ａ　径収縮部（しぼり流路）
１１ｂ、２１ｂ　噴出孔　　　　　　　　１１ｃ　拡大空洞部
１３　上澄み水のキャビテーション・ジェット
１４　濃縮汚泥　　　　　　　　　　　　１５　高圧ホース
１６　気泡　　　　　　　　　　　　　　１７　排出管
１９　循環渦　　　　　　　　　　　　　２１　原水
２６　ジェット用給水　　　　　　　　　２９　リアクタ
３１　余剰汚泥供給路　　　　　　　　　３３、３４　返送ライン
【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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【図１０】
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