(57)【要約】【課題】加圧反応層を利用した下水処理システムまたは上水処理システムにおける残圧を利用して発電する。【解決手段】上水、下水及び工場排水などのラインアトマイジング水処理法において、この加圧ガス化溶液を減圧開放するときの圧力差を利用して、インライン発電を実施する。特に、微生物体が酸化反応及び／又は還元反応により行う浄化機能を利用して排水を生物的に浄化する生物的浄化処理法であることが好ましく、廃圧利用インライン発電後、処理済排水を大気圧下に放流する際の圧力及び落差を利用して更に、発電する多段発電を行うことがさらに好ましい。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラインアトマイザー装置を用いたオゾンによる上水、下水及び工場排水の高度処理において、該ラインアトマイザーの加圧状態から大気圧にまで減圧するに際して、インライン発電を実施することを特徴とする水処理に伴う加圧気液の残圧を利用したことを特徴とする廃圧利用発電方法。
【請求項２】
下水及び工場排水などの被処理液をラインアトマイザー装置を介して水深圧以外の圧力を加えた状態で排水処理を行い、該加圧状態から大気圧にまで減圧するに際して、インライン発電を実施することを特徴とする該排水処理に伴う加圧気液の残圧を利用した廃圧利用発電方法。
【請求項３】
下水及び工場排水などを、水深圧以外の圧力を加えた加圧反応槽中で微生物体に浄化機能を行わせる加圧式生物的排水浄化処理法に用いられる加圧式反応槽から排出される加圧気液を減圧する過程の残圧を利用してインライン発電を実施することを特徴とする廃圧利用発電方法。
【請求項４】
前記廃圧利用インライン発電後、処理済排水を大気圧下に放流する際の圧力及び落差を利用して更に、発電する多段発電を行う請求項２または請求項３に記載の廃圧利用発電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、上水又は下水等の被処理液を、加圧状態で処理した後に大気圧にまで減圧するその残圧を利用して小水力発電、特にインライン小水力発電の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
大型下水処理場において、取り扱う排水の量は膨大であり、排水原液の導入から処理完了までには、できるだけ落差を利用して、自然流下方式が利用されている。しかし、処理済の上澄み水は、環境中、河川や湖沼等に放流するためには、ポンプアップされなければならないのが普通である。
大量に発生する放流処理済み水は、放出するためのポンプアップであっても、自然放流水面との間に、３〜５ｍの落差を設けており、近時、それらの膨大な量の放出水の有するエネルギを小水力発電としての低落差発電を行って回収することが試みられ始めている。
【０００３】
大型下水処理場は、通常、被処理排水の発生源である大都市近傍等の電力の需要地の近くに設けられる。したがって、長距離送電の必要が無いので、たとえ３〜５ｍの低落差発電で発電量の大きなものではなくともそれだけ有利な面があり、発電設備の投資金額に対して、得られる電力は少なく、単純投資回収年数も７〜１０年程度と考えられていても、クリーンエネルギーでもあり、注目されてきている。
微生物体が酸化反応及び／又は還元反応により行う浄化機能を利用して排水を生物的に浄化する生物的浄化処理としての活性汚泥法は、一部に水深圧を利用して加圧下での処理の試みもなされているが、被処理水への溶存酸素の供給がネックとなって、ほとんど普及していない。
【０００４】
本発明者は、先に、ラインアトマイザー装置を利用して排水被処理水への酸素・オゾン等を超微細気泡態として供給することによって能率的に効率的に生物的反応を起こさせるシステムを提案した（特許文献１参照）。
さらに、本発明者は、特許文献１で提案した、超微細気泡態による気液混合体を利用して被処理水中への溶存酸素の即時的補給が可能になったことを踏まえて、特許文献２では、更なる高能率・迅速な生物的反応が実現するために、水深圧以外の圧力による加圧された反応槽内での生物的反応を行わせるシステムを提案した（特許文献２参照）。
特許文献２における加圧反応槽としては、０．３〜３ＭＰａ程度の圧力に耐え得る容器とすることが推奨されている。
また、特許文献２で用いられるアトマイザーの例として、「オゾン反応装置」（特許文献３参照）に用いられている「撹拌装置」を挙げることができる。
なお、特許文献２では直接触れられていないが、「オゾン」を利用する場合には、下水の生物処理だけではなく、上水の浄水場におけるトリハロメタン等の除去及び排水の高度処理にも利用できるものである。この場合、加圧状態で「オゾン」処理した後は、残存オゾンを被処理液から放出させるために、一旦大気圧に戻すことが通常考えられる。
【０００５】
【特許文献１】
特願２００２−２１２５９８
【特許文献２】
特願２００３−０６００８０
【特許文献３】
特開平７−１２４５７７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、特許文献２で提案した加圧反応槽を利用した下水処理システムまたは上述の上水処理システムにおいて、加圧気液または加圧式反応槽からの気液を一旦大気圧に戻す際に、その持つ残圧を利用して発電することを提案するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の水処理に伴う加圧気液の残圧を利用した廃圧利用発電方法は、ラインアトマイザー（作動圧０．３〜５．４ＭＰａ）装置を用いたオゾンによる上水及び排水の高度処理において、該ラインアトマイザーの加圧状態から大気圧にまで減圧するに際して、インライン発電を実施することを特徴とする。下水及び工場排水などを、水深圧以外の圧力を加えた加圧反応槽中で微生物体に浄化機能を行わせる加圧式生物的排水浄化処理法に用いられる加圧式反応槽から排出される加圧気液を減圧する過程の残圧を利用してインライン発電を実施する。
さらに、前記廃圧利用インライン発電後、処理済排水を大気圧下に放流する際の圧力及び落差を利用して更に、発電する多段発電を行うことが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、特許文献２で提案した加圧反応槽における残圧を利用して、生物的排水処理と同時に発電をも行うこと、また、下水、工場の排水及び上水に加圧状態でオゾン等を作用させる高度処理の残圧を利用して発電を行うことを基本とする。
以下、主として生物的排水処理を例にして、本発明を詳細に説明する。
特許文献２に開示される加圧反応槽としては、０．３〜３ＭＰａ程度の圧力に耐え得る容器である。加圧反応槽は、加圧反応タンク、加圧反応塔であってもよい。加圧反応槽には、被処理排水原水の入口、ガス化液体の入口、処理済みの排出液体の排出口を設ける。被処理排水原水は気液圧送ポンプでアトマイザーを経由または直接加圧反応槽に供給される。
【０００９】
本発明で利用することが望ましい気液混合装置（ラインアトマイザー装置）は、ガスロック、エアロックを起こすことなく気体と液体との混合体を送給することができる気液圧送ポンプと、超音波及びキャビテーションを発生させる機能を備えたアトマイザーと、酸素および／またはオゾンを供給する装置により構成される。
アトマイザーとしては、微細（超微細）な気泡に効率的に分散・混合し、液体中に貯留させることができるものであれば、いずれの形態のものも用いられ得る。
アトマイザーとしては、例えば、スタティック型ミキサーを多段、又は機能別に並列に用いるものでも使用可能である。アトマイザーの例として、「オゾン反応装置」（特許文献３参照）に用いられている「撹拌装置」を挙げることができる。
【００１０】
その撹拌装置（気液ミキサー）は、図１に示すようなものである。図１において、チューブ１の流体流入側に、ほぼ相似形の２枚の半楕円形の翼盤２を配し、翼盤２の弦側側縁３を互いに向き合わせ、チューブの軸心に対して対称的に交差させ、交差部より流体流入側に位置する２枚の翼盤２の弦側側縁３間を、チューブの横断面をほぼ２等分する三角形の仕切板４で閉塞し、翼盤の弧状縁部（翼盤２の弦側側縁３と反対側の縁部）をチューブ１の内周壁６に固着して形成してなる変流部と、該変流部に続くチューブ１の内周壁６に、頭頂部をチューブの軸心方向に向けた半球状の頭部７と、逆載頭円錐台状の脚部８とにより一体成形された１個以上の突起物９を、チューブ１の軸芯に対して放射状に配して形成されてなる反応部とにより構成される。
【００１１】
この撹拌装置（ＯＨＲラインミキサーとも呼ばれる）によれば、１基で、気体と液体とを気液ミキサーに送給できれば、気液ミキサーを通過するに要する短時間内に、気泡径０．５〜３．０μｍ程度、さらには１ｎｍ〜１，０００ｎｍの超微細気泡を液体中に均一に分散混合することができる。
アトマイザーへ気体と液体とを気液圧送ポンプを用いて圧送する。その場合、気体の混合割合が３容積％以上に増加しても圧送能力が低下しないものであることが望ましい。
気体が混入した液体を圧送するポンプとして、気体の割合が増加してもその圧送能力が低下しない気液圧送ポンプであればより好ましい。そのようなポンプとして、例えば、兵神装備株式会社より市販されている「モーノポンプ」がある。
【００１２】
「モーノポンプ」は、図２に示すように、断面が長円形である雌ネジ状空間が穿たれたステーター１０内の雌ネジ状の空間内を、ピッチの大きな螺旋状で断面が円形で螺旋状をなすローター１１が回転することによって、ステーターとローターとにより形成される空隙が順次移動し、その空隙内に存在する物質が移動していくタイプの定量送給ポンプである。なお、図２の下方には、各位置におけるローターとステーターに穿たれた空間との関係が示されている。それによれば、ステーターに穿たれた空間の１ピッチがローターの螺旋の２ピッチに対応していることが判る。
「モーノポンプ」によれば、混合される気体が９０容積％以下の気液混合流体も、圧送能力の低下なしに圧送が可能であり、気体と液体との混合割合、流量を調整・変動させることが自在にできる。ローターの回転速度によって単位時間当りの送給量が調整できるものである。ローターを逆回転させることによって、逆送も可能である。
【００１３】
酸素および／またはオゾンを供給する装置としては、酸素の供給とオゾン生成とを調節できるオゾン生成機等が利用できる。例えば、誘電体上に電極を形成したオゾン発生素子と、このオゾン発生素子に高周波交流電圧を印加する高周波高電圧電源を有し、オゾン発生素子に酸素含有ガスを供給しつつ、この電源の電圧および／または周波数を調整機で操作することによりオゾンの発生量が調整可能となる。
アトマイザー中で、加圧下に溶液と所望のガスを混合し、ガス態を気泡径３００μｍ以下の超微細気泡態化することにより、気体の液体中への溶解速度を高め、溶存ガスとすると共に、残余のガス態を超微細気泡態として、分散・滞留・貯蔵することを可能にして反応槽中に高圧のまま送り込む。
【００１４】
残余のガス態を超微細気泡態として、分散・滞留・貯蔵して送り込むことにより、反応槽中で生物的反応や化学的反応で溶存ガスが費消されると、反応槽中に分散して存在する超微細気泡態から即座に溶存ガス化して補給供給され、溶存ガスの欠乏による反応の遅延を起こすことがない。
本発明は、この反応槽中の高圧の気液の持つ残圧（３〜３０ｋｇ／ｃｍ２）を利用して発電を行う。この、残圧３〜３０ｋｇ／ｃｍ２は、３０〜３００ｍの落差に相当し、３〜５ｍの低落差発電を行う従来の標準的な活性汚泥法による処理場の場合と単純に比較すれば、１０〜６０倍の発電量が得られ、費用対効果も大幅に改善される。
上水、下水及び排水の高度処理の場合には、トリハロメタン等を除去するために、主としてオゾンを含む気体を、被処理液中に、ラインアトマイザーを介して、加圧状態で送給することにより、高能率にトリハロメタン及びダイオキシン等が分解・除去されると同時に殺菌を行う。残存オゾン等が配水系に供給されることは、一般的に、望ましいことではないので、一旦大気圧にまで減圧して、脱気する場合もある。
【００１５】
残圧を利用する発電は、公知の低落差の小規模発電等の設備が転用できる。たとえば、（株）クボタのホームページでは、図３に示すような、「ラインパワー」として、インライン型の発電水車が紹介されている。また、羽根付きの回転水車の羽根に、減圧すべき気液を吹き付けることによっても、小規模発電には応用可能である。
ラインアトマイザー（作動圧力約０．１〜約５．４ＭＰａ（１〜５５ｋｇ／ｃｍ２））による残圧を利用する場合は、通常、上水の場合は貯留槽、排水処理の場合は、反応槽（有効水深５ｍ＝０．５ｋｇ／ｃｍ２）への気相の送給を行うため、解放圧力は、１ｋｇ／ｃｍ２程度（＞０．５ｋｇ／ｃｍ２）であり、ラインアトマイザーでの圧力損失は、１〜５ｋｇ／ｃｍ２程度であり、したがって、発電利用圧力は、「（ラインアトマイザーの出口圧力）５０（ｋｇ／ｃｍ２）−（解放圧力）１（ｋｇ／ｃｍ２）＝４９ｋｇ／ｃｍ２となり、発電エネルギーは、落差換算４９０ｍ相当となり、さらに、排水発電の場合は、処理済み放流水の低落差（３ｍ程度）発電が加わる。
【００１６】
加圧式反応槽からの放流水による残圧発電の場合は、反応槽の加圧圧力は、最大３０ｋｇ／ｃｍ２程度であり、解放圧力は、１ｋｇ／ｃｍ２程度と設定すると、発電利用圧力は、３０（ｋｇ／ｃｍ２）−１（ｋｇ／ｃｍ２）＝２９ｋｇ／ｃｍ２となり、発電エネルギーは、落差換算２９０ｍ相当分となり、さらに、排水発電の場合は、処理済み放流水の低落差（３ｍ程度）発電が加わる。
【００１７】
ラインアトマイザーを用いて、日量４０，０００ｍ３規模の上水のオゾン処理を行う場合は、ラインアトマイザーの操作圧力を、６ｋｇ／ｃｍ２、出口圧５ｋｇ／ｃｍ２、開放圧１ｋｇ／ｃｍ２とすると以下の計算が成り立つ。
発電量（Ｗ）
＝９．８×Ｈ（ｍ）×Ｖ（ｍ３／秒）×０．８（水車効率）×０．９（発電効率）
≒７ＨＶ＝７×４０×０．４６≒１２８ｋｗ
ここで、Ｈ＝５（ｋｇ／ｃｍ２−１（ｋｇ／ｃｍ２）＝４ｋｇ／ｃｍ２＝４０ｍ
Ｖ＝４０，０００ｍ３／日＝４０，０００ｍ３÷２４ｈ÷６０ｍｉｎ÷６０ｓｅｃ
＝０．４６ｍ３／ｓｅｃ
したがって、１２８ｋｗの発電能力となり、年間発電量（ｋｗｈ）≒１１２万ｋｗｈの電力を回収できる。
【００１８】
同様に、日量２００，０００ｍ３規模の下水処理場に設置した場合は、以下のようになる。
第一段発電：ラインアトマイザー又は加圧式反応槽の残圧を利用
発電量ｗ≒７ＨＶ＝４６４ｋｗ
ここで、Ｈ＝５（ｋｇ／ｃｍ２）−１（ｋｇ／ｃｍ２）＝４ｋｇ／ｃｍ２＝４０ｍ
Ｖ＝２００，０００ｍ３／日＝２００，０００ｍ３÷２４ｈ÷６０ｍｉｎ÷６０ｓｅｃ
＝２．３１ｍ３／ｓｅｃ
第二段発電：放流水の落差３ｍを利用
発電量ｗ≒７ＨＶ＝４８ｋｗ
Ｈ＝３ｍ
Ｖ＝２００，０００ｍ３／日＝２００，０００ｍ３÷２４ｈ÷６０ｍｉｎ÷６０ｓｅｃ
＝２．３１ｍ３／ｓｅｃ
したがって、合計［ｗ］＝５１２ｋｗとなり、年間総発電量＝５１２ｋｗ×２４ｈ×３６５日＝４４８万ｋｗｈの電力を回収できる。
【００１９】
日常生活に不可欠な上水道、下水道と言う大容量の水を取り扱う浄水場及び下水処理場に於いて用いられる高性能のライン・アトマイジング・プロセスには、加圧は、必要不可欠であり、この圧力は、そのまま開放する場合と、更に加圧式反応槽の加圧に利用する場合があるが、共に、気液を開放する際の残圧を利用し、インライン水力発電を行い、エネルギー回収を行い、ラインアトマイザー及び加圧式反応槽のエネルギー効率を著しく高めることが出来る。
前記計算例に記載した通り、加圧６ｋｇ／ｃｍ２に対し、廃圧４ｋｇ／ｃｍ２を回収する。したがって、水車効率（０．８）および発電効率（０．９）を考慮し、回収率＝０．８×０．９＝７２％、回収圧力＝（０．８×０．９×４＝）２．９ｋｇ／ｃｍ２、即ち、作動圧＝６ｋｇ／ｃｍ２の内４．９ｋｇ／ｃｍ２（２＋２．９）を有効利用したことになり、利用効率８２％（４．９÷６）となる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、加圧が不可欠な、ラインアトマイザー及び加圧式反応槽は、それら自体が、在来法の性能・能力を著しく凌駕する高結果（アウトプット）を齎す装置であり、加圧のための「投加エネルギー」の数倍の経済効果を既に得ている上に、残圧及び放流落差利用の水力発電であることから、追加の環境負荷なしに、クリーンな発電が出来ることと、発電した電気は、発電した場所内で再使用されるため、送電コストが不要である。従って、他の小水力発電より経済的、環境的効果が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアトマイザーとして好適に使用され得る気液ミキサーの一例を示す説明図である。
【図２】本発明に最適に使用され得る気液圧送ポンプの一例を示す説明図である。
【図３】本発明に利用できる発電機の一例としての、（株）クボタの「インライン型発電水車「ラインパワー」を示す図である。
【符号の説明】
１：チューブ
２：翼盤
３：（翼盤の）弦側側縁
４：仕切板
６：（チューブの）内周壁
７：半球状の頭部
８：脚部
９：突起物
１０：ステーター
１１：ローター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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