(57)【要約】【課題】本発明は浄化槽内の汚水中の有機分を直接酸化により浄化処理する方法に関し、設備の低コスト化を図ることを目的とする。【解決手段】浄化槽１２からの酸素やオゾンなどの酸化剤を含んだ汚水を取出し通路１９よりポンプ２０を経て、キャビテーション発生器１６に導入する。キャビテーションに伴う局所的な高温・高圧により汚水中の有機物の直接酸化を行う。また、キャビテーション発生器１６を通過後の汚水は浄化槽１２に還流させ、浄化槽１２内を攪拌器２２により攪拌し、キャビテーション発生器１６におけるキャビテーションによる直接酸化の効果を浄化槽１２内の汚水に隈なく及ばしめる。【選択図】　図１
2004141731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚水中の有機分を直接酸化により浄化処理するために、汚水に酸化剤を混入下でキャビテーションを発生させ、キャビテーションと酸化剤により汚水中の有機物の酸化を行うことを特徴とする汚水浄化方法。
【請求項２】
汚水中の有機分を直接酸化により浄化処理するために、浄化槽内の汚水を攪拌しつつ、酸化剤の混入下において浄化槽からの汚水にキャビテーションを発生させた後に浄化槽に還流し、キャビテーションと酸化剤により汚水中の有機物の酸化を行うことを特徴とする汚水浄化方法。
【請求項３】
浄化槽内の有機分を直接酸化により浄化処理するための汚水処理装置において、浄化槽からの汚水を酸化剤の混入下で加圧する加圧汚水流形成手段と、酸化剤を混入した加圧された汚水の流れにキャビテーションを発生せしめるキャビテーション発生器と、キャビテーション発生器からの汚水を浄化槽に還流する還流通路と、浄化槽内での汚水の攪拌手段とを具備したことを特徴とする汚水浄化装置。
【請求項４】
処理すべき汚水の流入口と、処理された汚水の排出口と、前記流入口と排出口とを結ぶ汚水流路と、前記汚水流路に設けられた沈砂池と、沈砂池の下流における前記汚水流路上の浄化槽と、浄化槽からの汚水を酸化剤の混入下で加圧する加圧汚水流形成手段と、酸化剤を混入した加圧された汚水の流れにキャビテーションを発生せしめるキャビテーション発生器と、キャビテーション発生器からの汚水を浄化槽に還流する還流通路と、浄化槽内での汚水の攪拌手段と、浄化槽の下流における汚水流路上に設置された固液分離槽とを備えたことを特徴とする汚水浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は浄化槽内の汚水中の有機分を直接酸化により浄化処理する方法、装置及びシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
国若しくは地方公共団体などにおいて下水道からの汚水浄化は現在活性汚泥法によるものが主流である。活性汚泥法においては最初沈殿地からの汚水を曝気槽に導き、曝気槽でのエアレーション（曝気）下で汚水中の有機成分を好気性微生物によって捕食凝集させることにより固層化し、固層化された汚泥を最終沈殿地において分離し、分離された汚泥の一部は微生物源として曝気槽に戻し、余剰汚泥は乾燥の上焼却している。
【０００３】
活性汚泥法においては汚水中の有機分を凝集させることにより固液分離回収し、固相化された有機分を沈殿分離し焼却処分する方式であった。そのため、焼却のため大量のエネルギの消費が必要であり、一説によれば国若しくは地方公共団体による生ごみなどを含めた公的な廃棄処分において汚泥の焼却処分のためにおおよそ半分にも及ぶエネルギコスト（燃料コスト）をかけているといわれている。
【０００４】
活性汚泥法によらない処理（汚泥中の有機成分除去のため固液分離を伴わない処理）として所謂超臨界水酸化法が提案されている（特許文献１参照）。この超臨界水酸化法においては温度が６６０〜７００℃、圧力が約２５Ｍｐａといった高温・高圧の反応槽に汚水を導き汚水中の有機分を直接酸化により処理している。即ち、このような高温・高圧の状態では液体でも気体でもない、超臨界水液体状態が得られ、この状態では水分子は激しい運動を繰り返しており、ここに酸素を送り込むことにより、汚水中における有機物を瞬時に酸化・分解せしめ得るとされる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−９０４９４号公報
【発明が解決しようとする課題】
超臨界水酸化法は汚水中の有機成分の直接酸化により現在の主流の汚水処理方法における活性汚泥化、即ち、固液分離工程を省くことができる。しかしながら、直接酸化のため温度が６６０〜７００℃、圧力が約２５Ｍｐａといった高温・高圧の反応槽が必要であり、大量の汚水処理のためには、設備コストが嵩むだけでなくランニングコストも嵩み、処理コストが著しく高いという問題点があった。
【０００６】
この発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、低コストの設備によって汚水の直接酸化による浄化を可能とすることを目的とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、汚水中の有機分を直接酸化により浄化処理するために、汚水に酸化剤を混入下でキャビテーションを発生させ、キャビテーションと酸化剤により汚水中の有機物の酸化を行うことを特徴とする汚水浄化方法が提供される。
【０００８】
請求項１の発明の作用・効果を説明すると、空気や酸素やオゾンなどの気体状酸化剤を混入させた汚水中にキャビテーションが生じせしめられ、汚水中に酸化剤を含んだ気泡が大量に形成される。この気泡は瞬時に崩壊に至るがその際に５，０００〜数万度、圧力は１，０００〜数万気圧といった高温・高圧条件が生成され、気泡に酸化剤を含むことから有機物の直接酸化に有効な条件が醸成され、有機物を瞬間的に無機物に分解することができる。また、キャビテーションに伴い発生する４０ＫＨｚに達する超音波は有機物中の細胞膜に作用し直接破壊するような作用を達成しうる。このようなキャビテーション下での酸化作用により従来の活性汚泥法における汚泥の固液分離処理を伴うことなく有機物の分解が可能であり、また、超臨界水酸化処理のような高温・高圧の反応槽が不要なことから設備が相対的に小型化し建設費の節約を図ることができる。また汚泥の発生を伴わないことから焼却工程が不要若しくは焼却工程の負担が少なくなり、この点でもエネルギコストの低減を図ることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、汚水中の有機分を直接酸化により浄化処理するために、浄化槽内の汚水を攪拌しつつ、酸化剤の混入下において浄化槽からの汚水にキャビテーションを発生させた後に浄化槽に還流し、キャビテーションと酸化剤により汚水中の有機物の酸化を行うことを特徴とする汚水浄化方法が提供される。
【００１０】
請求項２の発明の作用・効果を説明すると、請求項１に記載の発明と同様にキャビテーションによる汚泥の直接酸化を行うことができるとともに、浄化槽の全体の汚水の浄化が可能となる。即ち、キャビテーションによる汚水の直接酸化を行いうる領域はキャビテーションによる気泡の直近の極めて限定的な領域（直径数ミクロンといわれている）であるが浄化槽からの汚水を循環させながらキャビテーションの作用を受けせしめると共に浄化槽内の汚水の攪拌を行うことによりキャビテーションによる酸化効果を最終的には浄化槽内の汚水の全体に及ばしめることができるため、浄化槽内の汚水の実質的全体の浄化を行うことができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、浄化槽内の有機分を直接酸化により浄化処理するための汚水処理装置において、浄化槽からの汚水を酸化剤の混入下で加圧する加圧汚水流形成手段と、酸化剤を混入した加圧された汚水の流れにキャビテーションを発生せしめるキャビテーション発生器と、キャビテーション発生器からの汚水を浄化槽に還流する還流通路と、浄化槽内での汚水の攪拌手段とを具備したことを特徴とする汚水浄化装置が提供される。
【００１２】
請求項３の発明の作用・効果を説明すると、浄化槽からの汚水は空気や酸素やオゾンなどの酸化剤を混入させつつ加圧汚水流形成手段により加圧され、加圧汚水流形成手段からの汚水にキャビテーション発生器によってキャビテーションが発生せしめられ、キャビテーションによる高温・高圧により有機物は酸化され、浄化槽に還流される。他方、浄化槽では汚水が攪拌手段により攪拌を受け、浄化槽からの汚水の取り出し、キャビテーション付与、還流、浄化槽での汚水の攪拌を繰り返すことにより浄化槽中の汚水全体にキャビテーションによる酸化作用を及ばしめ、浄化槽中の汚水の実質的全体の浄化を行うことができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、処理すべき汚水の流入口と、処理された汚水の排出口と、前記流入口と排出口とを結ぶ汚水流路と、前記汚水流路に設けられた沈砂池と、沈砂池の下流における前記汚水流路上の浄化槽と、浄化槽からの汚水を酸化剤の混入下で加圧する加圧汚水流形成手段と、酸化剤を混入した加圧された汚水の流れにキャビテーションを発生せしめるキャビテーション発生器と、キャビテーション発生器からの汚水を浄化槽に還流する還流通路と、浄化槽内での汚水の攪拌手段と、浄化槽の下流における汚水流路上に設置された固液分離槽とを備えたことを特徴とする汚水浄化システムが提供される。
【００１４】
請求項４の発明の作用・効果を説明すると、流入口からの汚水は汚水流路を介して沈砂池に導入されることにより沈砂が除去され、沈砂除去後の汚水は浄化槽に導入され、加圧汚水流形成手段により酸化剤を含有せしめられた、浄化槽からの汚水はキャビテーション発生器によりキャビテーションを惹起せしめられ、再び浄化槽に還流され、他方浄化槽では攪拌手段により汚水の攪拌が継続的に行われ、浄化槽からの汚水の取り出し、キャビテーション付与、還流、浄化槽での汚水の攪拌という一連の処理により浄化槽中の汚水はキャビテーションによる酸化作用を隈なく受け、その後固液分離槽において無機物が除去される。そのため、この発明により汚水中の有機分の固液分離工程を排除した上で有機物を直接酸化により実質的に完全に浄化しうる自己完結型の汚水浄化システムに構成することが可能となり、活性汚泥法と比較して小型化が可能でありまた従来の汚泥の焼却に要したエネルギの節約を図ることができ、しかも超臨界水酸化システムとの比較で装置コスト及びエネルギコストを低減することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施形態における汚水浄化システムの全体構成の概略を示す。この汚水浄化システムは通常の下水浄化処理システムに採用されている活性汚泥に依拠せず有機物の直接酸化を行うシステムである。活性汚泥による浄化システムでは汚水中の有機成分を曝気槽において好気性の微生物に捕食させることにより凝集せしめ、活性汚泥とすることにより沈殿させ、この沈殿物としての活性汚泥を分離し、その一部は新規な汚水のための微生物源とするも残余の部分は沈殿濃縮し、焼却処分するものである。しかしながら、この焼却に要するエネルギ（燃料消費量）は多大であり、また、曝気用電動ファンの回転駆動のためにも多大の電気エネルギを要し、エネルギコストが問題となっていた。この発明は活性汚泥法に依拠せず、換言すれば、活性汚泥化による有機物の固液分離を行わず、有機物の直接酸化により汚水の浄化を行うことを狙っている。即ち、この発明の汚水浄化システムは図１に示すように流入口２と排出口４とを結ぶ汚水流路６における沈砂池１０と、浄化槽１２と、固液分離槽１４とを構成要素として備えるが、活性汚泥化のための曝気槽や汚泥を曝気槽へ還流するための経路を有していない。浄化槽１２での有機物の直接酸化はキャビテーションにより行っており、そのための手段として後述のキャビテーション発生器１６を備えている。また、キャビテーション発生器１６へ浄化槽１２からの汚水を取出し、空気や酸素やオゾンなどの気体状酸化剤を混入しつつ加圧下で導くポンプ２０（この発明の加圧汚水流形成手段）も設置される。
【００１６】
図１において沈砂池１０は活性汚泥型の通常の下水処理システムに用いられているものと同様な構造のものが採用可能である。即ち、この種の沈砂池においては、沈砂池の底面に堆積した沈砂の掻き揚げを行うための沈砂掻揚機と、し渣を取り除くためのし渣除去機とが備えられている。
【００１７】
図２は浄化槽１２の構成をより詳細に示しており、図１の沈砂池１０からの汚水の流入口１２−１と、固液分離槽１４への汚水の排出口１２−２とを備える。浄化槽１２内には攪拌器２２（この発明の攪拌手段）が配置され、攪拌器２２の回転軸２２−１は回転駆動モータ２４に連結されており、回転駆動モータ２４により攪拌器２２を駆動することにより浄化槽１２内の液体の攪拌を行うことができる。浄化槽１２内の汚水は取出し通路１９よりポンプ２０によって吸引式に取り出され、その吸引の際、空気や酸素やオゾンなどの気体状酸化剤の混入が同時に行われる。即ち、ポンプ２０の吸引側において幾分の空気やオゾンを漏洩するように構成しておくことにより吸引汚水中に空気やオゾンなどの気体状酸化剤を混入せしめるようにすることが可能である。そして、空気やオゾンなどの気体状酸化剤と混合された汚水はキャビテーション発生器１６を通過することによってキャビテーションを生成せしめられ、還流通路２５を介して浄化槽１２に還流される。
【００１８】
図３〜図５はキャビテーション発生器１６の構成の一例を示すものである。キャビテーション発生器としては任意のものが使用可能であるが、この例は旋回流によるキャビテーション発生原理に依拠した構造のものを採用している。キャビテーション発生器１６は回転管体２６と、入口管２８と、出口管３０とを備えている。回転管体２６はロータリ型継手３２，　３４によって夫々入口、出口管２８，　３０に連結される。入口管２８は図２のポンプ２０の吐出口に接続され、出口管３０は還流通路２５に接続される。回転管体２６はプーリ３６、ベルト３８及びプーリ４０により図示しない回転駆動モータ４２に連結され、数１００ｍｉｎ−１以上といった回転数にて高速回転せしめられる。ロータリ型継手３２は回転管体２６の入口端から延びてくる接合管４４を入口管２８に回転可能に連結し、ロータリ型継手３４は回転管体２６の出口端から延びてくる接合管４６を出口管３０に回転可能に連結し、これにより、入口及び出口管２８，　３０に対する回転管体２６の回転が可能となる。更に、回転管体２６の内周には両端が閉じたパイプよりなる中心軸体４８が同芯に配置され、回転管体２６と中心軸体４８との間に環状通路５０が形成され、この環状通路５０の上流側は入口管２８に連通され、下流側は出口管３０に連通される。中心軸体４８は入口側及び出口側の端部に夫々送り羽根５２，　５４を備えており、各送り羽根５２，　５４は図４に示すように直径対称に２個ずつ設けられ、内端が中心軸体４８の外周の螺旋に沿って９０度の範囲にまで延びており、外端は回転管体２６の内周に固定される。円周方向には送り羽根５２，　５４の間に空隙Ｓが形成され、空隙Ｓの部分を液体が流通可能にされている。更に、中心軸体４８の外周面には多数の突起部５６が形成される。
【００１９】
ポンプ２０にて所定圧力に加圧された浄化槽１２からの汚水は入口管２８及び接合管４４を介して回転管体２６に矢印ｆのように導入され、回転する送り羽根５２を介して環状通路５０に流入せしめられ、液体は出口側の送り羽根５４より接合管４６を介して矢印ｇのように出口管３０に排出され、浄化槽１２に還流される。環状通路５０においては送り羽根５２の高速回転によって強力な旋回流（図５の矢印ｈ）が得られる。そして、環状通路５０への流入の際に流路径が絞られることから流速は増大し、送り羽根５２の下流側における中心軸体４８の表面には突起部５６が多数設置されているため、環状通路５０における高速の旋回流は突起部５６に激しく衝突し、液体（汚水）の流れにおける激烈な撹乱の下で、無数の乱流渦が生成される。乱流渦の近傍にはその液温での飽和蒸気圧より低い負圧により気泡（蒸気泡）が惹起される。このような乱流渦により生じた無数の気泡は圧力の回復により即座に崩壊する。このような気泡の生成−崩壊過程、即ち、キャビテーションは、汚水中の有機物を分解に役立たせることができる。即ち、キャビテーションにおける気泡の崩壊はすこぶる局部的な領域ではあるが５，０００〜数万度、１，０００〜数万気圧の超高温及び超高圧状態を生成する。そして、崩壊する気泡には酸素やオゾンなどの酸化剤が含まれており、キャビテーションにより超高温及び超高圧状態によって汚水中の有機物の効率的な直接酸化を行うことができるのである。また、キャビテーションに伴い発生する超音波も汚水中の有機物の分解（細胞膜の破壊）に寄与させることができる。そして、このようなキャビテーションを含む汚水中の有機成分の直接酸化はキャビテーション発生器１６内の気泡発生部位に直近した局所的な領域に限定されるが、高速の旋回流の突起部５６との絶え間ない衝突による強烈な撹乱作用により無数の乱流渦が環状通路５０における全領域に生じており、また浄化槽１２内の汚水は取出し通路１９を介して繰り返しキャビテーション発生器１６に導入され、キャビテーション発生器１６より還流通路２５を介して浄化槽１２に還流され、また、浄化槽１２に設置される攪拌器２２により浄化槽１２内の汚水は絶えず攪拌を受けているため浄化槽１２での汚水の滞留時間を適切に設定することにより浄化槽１２内の汚水の全体にキャビテーション発生器１６による直接酸化作用を満遍なく及ばしめることができる。
【００２０】
図２において、固液分離槽１４は活性汚泥法による浄化システムにおける最終沈砂池と同様な構造を持っており、浄化槽１２からの有機物が除去された処理水の導入通路１４−１を備える。浄化槽１２からの処理水中には有機物は含まれないが多少含有される無機物は沈殿される。固液分離槽１２の底面には往復型の掻き寄せ装置５８（例えば特開平５−２４５３０８号公報記載の汚泥掻き寄せ装置と同様な構成のもの）が設けられ、掻き寄せ装置５８の往復（矢印ａ）により沈殿物はピット６０に集められ、図示しないジェットポンプなどにより吸引・排出される。固液分離槽１４の液面には周知の回転トラフ型などのスカム回収装置６２が設けられ、固液分離槽１４の液面に浮上してきたスカムはスカム回収装置６２のスリット６２−１が横向きに回動されたときにスカム回収装置６２に回収される。処理水は排出口１４−２より放流される。
【００２１】
以上説明した実施形態では旋回流によるキャビテーション発生器１６のような流体力学的手段によりキャビテーションを発生せしめていたが、機械的手段により直接超音波を発生せしめ、超音波を汚水に伝播させることにより生ずるキャビテーションにより直接酸化を行うようにしてもよい。尚、汚水中の燐については必要に応じて凝集沈殿法や晶石法などの適当な公知の回収手段を別途設置し対策することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の汚水浄化システムの全体概略図である。
【図２】図２は図１における浄化槽及び固液分離槽の詳細断面図である。
【図３】図３はキャビテーション発生器の概略縦断面図である。
【図４】図４は図３のＩＶ−ＩＶ線に沿って表されるキャビテーション発生器の概略横断面図である。
【図５】図５は図３のＶ−Ｖ線に沿って表されるキャビテーション発生器の概略横断面図である。
【符号の説明】
２…流入口
４…排出口
６…汚水流路
１０…沈砂池
１２…浄化槽
１２−１…流入口
１２−２…排出口
１４…固液分離槽
１６…キャビテーション発生器
２０…ポンプ
２２…攪拌器
２４…回転駆動モータ
２５…還流通路
２６…回転管体
２８…入口管
３０…出口管
３２，　３４…ロータリ型継手
【図１】
2004141731.tif 000003
【図２】
2004141731.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004141731.tif 000006
【図５】
2004141731.tif 000007