(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定化されたスラッジを濃縮してパーセント固形分含量を少なくとも１．５倍増加させる工程、
前記スラッジを破壊するに必要なエネルギーに基づく、５０〜４００バールの均質化圧力を選択する工程、
濃縮されたスラッジ内の細胞質物質の少なくとも１部を前記均質化圧力で破壊する工程、
破壊されたスラッジを蒸解してメタンガスを生成する工程、および
メタンを、廃液処理システムに入力される利用可能なエネルギー源に変換する−入力エネルギーは入力エネルギー必要量と実質的に同一かまたはそれより大きい−工程
を具備する廃液処理システムで発生した安定化されたスラッジを処理する方法。
【請求項２】
不純物を除去するためにスラッジを分級する工程を更に具備し、前記分級工程は前記破壊工程前に行われる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記分級工程は、回転運動及び重力沈降を利用して粗粒を分離する渦流分離装置を用いて行われる請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記蒸解工程は、前記破壊されたスラッジを少なくとも部分的に蒸解するために第１の嫌気性蒸解槽を通し、次いで前記部分的に蒸解されたスラッジの少なくとも一部を第２の嫌気性蒸解槽を通すことからなる請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記スラッジは、一連の嫌気性蒸解槽内で蒸解される請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記破壊は、幾つかまたはすべての嫌気性蒸解槽内で行われる請求項５に記載の方法。
【請求項７】
一次および生物学的に活性化したスラッジの破壊が、両者の混合前に生ずる請求項６に記載の方法。
【請求項８】
多段破壊が、嫌気性蒸解槽間で生ずる請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記スラッジの破壊工程は、連続工程として行われる請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記スラッジの破壊工程は、不連続工程として行われる請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記スラッジは、安定化されたスラッジと、生物学的に活性化したスラッジと、一次スラッジの混合物である請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記濃縮工程および破壊工程は、スラッジ流の一部分について行われる請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記濃縮工程は、デカンターまたは他の遠心分離デバイスを用いて行われる請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記濃縮工程は、沈降分離により行われる請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
蒸解前の破壊前または後に、スラッジから重金属および／または腐食質を除去する工程を更に具備する請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法を実施するためのシステムであって、
廃水を収容するように配置され、第１の濃度を有する二次スラッジを生成する沈降槽、
前記二次スラッジを収容するように配置され、前記第１の濃度を１．５倍増加した固形分含量を有するように濃縮されたスラッジを提供するデカンター部、
前記濃縮されたスラッジを収容するように配置され、前記濃縮されたスラッジ中に存在する細胞物質を破壊するホモジナイザーであって、破壊されたスラッジを提供するように選択された入力エネルギーに基づく５０〜４００バールの均質化圧力で動作するホモジナイザー、および
前記入力エネルギーと実質的に同一またはそれよりも大きい出力エネルギーに変換され得るメタンガスを生成し得るように、前記破壊されたスラッジを蒸解するように配置された嫌気性蒸解部
を具備する、請求項１に記載の方法を実施し、廃水の処理に関連するエネルギーバランスを最適化するシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、廃液処理の技術および科学、特に、エネルギー収率よりも、廃液からのスラッジの下流処理中に消費されたエネルギーと結びついたエネルギーバランス、およびそのような処理と結びついた固形分質量の減少を最適化するプロセスおよびシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地域標準水および飲料水の汚濁および汚染を防止するために、産業団体および地方公共団体は、廃水を処理する。そのような処理施設は、様々な生物学的好気性および嫌気性プロセスを用いて、廃水から無機および有機汚染物質を除去するように設計されている。
【０００３】
一般に、産業団体および地方公共団体は、これらの廃水処理施設の操作に、かなりのコストを支払う。必要な装置および機械システムを操作するためのコストに加えて、施設はまた、典型的には、様々な処理プロセスにより発生した廃スラッジの廃棄のためのかなりのコストを支払う。廃水処理中に生じたスラッジは、予備精製段階からの一次スラッジと、好気性蒸解からの生物学的に活性化されたスラッジを含んでいる。安定化したスラッジは、一次スラッジの添加とともに又はそれ無しに、生物学的に活性化されたスラッジの嫌気性蒸解のその後の適用を通して生成され得る。或る廃水処理施設では、これらのスラッジは、焼却、埋め立て、又は肥料としての農場への散布により処理される。これらのすべての処理方法は、施設に対する高価なコストを生ずる。これらの実質的操作および処理コストに基づき、廃水の排出の改良された品質及び／又はスラッジの処理コストの減少を達成するために、廃水およびスラッジを処理するためのエネルギーの消費を最適化することが望まれるであろう。
【０００４】
嫌気性蒸解は、酸素の不存在下で微生物の作用により有機物質が破壊される微生物プロセスである。嫌気性微生物は、生物学的に活性化されたスラッジに存在する有機物質の量を減少し、それによって比較的高いメタンガス含量を有するバイオガスを発生する。安定化されたスラッジは、典型的には、脱水および処理のための蒸解タンクから除去される。メタンガスは、燃焼されるか、または蒸解器を加熱するためのエネルギーを供給するために、および処理施設で使用するためのエネルギーを供給するために回収され得る。
【０００５】
脱水プロセスでは、スラッジ流から水が機械的に絞り出されるか、又は分離される。廃棄されるスラッジの体積を減少させてスラッジを処理する上で消費されるエネルギーを最適化するために、この技術分野における多くの進歩が求められた。更に、廃棄されるスラッジの質量の減少を最適化するために、破壊技術が求められた。
【０００６】
通常の破壊方法の概括は、「Desintegration von Klarschlamn − ein aktueller Uberblick in Korrespondenz Abswasser, (44)No.10, pp.1726-1738(1997)」、N. Dichtl, J. Muller, E. Engelmann, F. Gunthert, M. Osswaldに見ることが出来る。この刊行物は、（１）攪拌ボールミル、（２）高圧ホモジナイザー、および（３）超音波ホモジナイザーの３つの機械的破壊技術について記載している。これらの破壊方法の助けにより、スラッジ中の微生物および粒状固形物は、基本的に粉砕され、切断される。例えば、スラッジ中に存在する微生物および粒状固形物の細胞壁は、ホモジナイザーにより外的圧力が内的圧力を超えるときに破壊される。細胞壁により外側から分離される細胞の内容物は、それによって開放され、その後の蒸解に利用可能となる。
【０００７】
スラッジに適用されるときの破壊プロセスの利点は、微生物が少なくとも部分的に破壊プロセスを生き延びる他の方法とは異なり、嫌気性微生物もまた、好気性微生物とともに破壊されることである。それらは有機残渣として廃棄スラッジ内に残留する。破壊の第２の利点は、スラッジ内の細胞内容物内に含まれる有機物質が、破壊プロセス中に微生物に放出されることである。このようにして、蒸解プロセスにおける脱硝を保持するために、それらは炭素の内部源として役立つ。
【０００８】
超音波ホモジナイザーを用いた一次スラッジの破壊に関する他の刊行物は、「The Influence Of The Energy Consumption On the Sewage Sludge Disruption, Technical University Hamburg − Hamburg Report On Sanitary Engineering, No. pp.205-215(1999)」、G. Lehne, J. Muller著に記載されている。Lehneらの刊行物は、超音波プローブ付近におけるキャビテーションバブルの量がより高い時に、細胞の破壊がより大きいことを記載している。キャビテーションバブルの量は、超音波プローブの強度に比例する。更に、超音波プローブの強度の最適化の研究は、エネルギーバランスを最適化するために必要であった。超音波ホモジナイザーと、高圧ホモジナイザーおよび攪拌ボールミルとの比較は、このプロセスにおいて匹敵し得る結果を提供した。しかし、粗い物質による機械的問題が、高圧ホモジナイザーおよび攪拌ボールミルにおいて生じた。
【０００９】
安定化した下水スラッジ中の有機含有物の破壊もまた、「Einfluss des Aufschlusses von Fau schlammen auf das Restgaspotential」、H. Gruning著に記載されている。この文献は、嫌気性の安定化した下水スラッジの処理において、超音波を用いた従来の破壊により、ガスの生成がかなり増加することを記載している。文献「Klaschlammdesintegration − Forschung und Anwendung, Publication of the Institute for Settlement Water Economy of the Technical University Braunschweig, No.61, Conference on the 10th and 11 th of March 1998 in Braunschweig, pp. 180-191 (1998年３月)」、J. Muller, N. Dichtl, J. Schwedes著は、５００ないし１０００バールの範囲の圧力の安定化した下水スラッジを破壊するために、高圧ホモジナイザーを使用することを開示している。従って、それらは通常の知識を記載しており、それは増加したホモジナイザーの圧力を、スラッジの微生物細胞の破壊の程度を増加させるために採用すべきであることを指示している。この仮定の下では、細胞の破壊量はエネルギーの入力程度に比例して増加する。従って、そのような試みは、一般に、廃棄しなければならないスラッジの体積を減少させるために、未濃縮の生物学的に活性化されたスラッジの破壊および／または嫌気性蒸解の適用に向けられてきた。
【００１０】
安定化されたスラッジ濃縮および破壊の効果の一般的記載は、「Vervesserung der Engergiebilanz durch Festoffseparation bei einen kombinieeten Verfahren aus Klarschlammdesigntegration und Vergarung, Dechema. Jahrestagungen 19998, Volume II, pp.117-118(1998)」、T. Onyeche,O.Schlafe, H. Klotzbucher, M. Sievers, A. Vogelpohl著に見ることが出来る。この文献は、スラッジの固形物含量がデカンタを用いて濃縮され、その後、均質化され得る。しかし、この文献に用いられた高圧ホモジナイザーは、少なくとも５００バールの圧力で作動される。いずれにしても、この文献は、システムのエネルギーバランスを最適化する問題を充分に解決することに失敗している。
【００１１】
２０００年１月１１日に発行された米国特許第６,０１３,１８３号は、生物学的に活性化されたスラッジに高圧均質化を適用することを開示している。このスラッジは、液化された生物学的に活性化されたスラッジが好気性ダイジェスタに戻されるときに、揮発性全固形物の減少率を改善する手段としての均質化ノズルにより、５０００PSI（３５０バール）の過剰の圧力損失で均質化される。この特許はまた、嫌気性蒸解の前に、生物学的に活性化されたスラッジの高圧均質化を適用することを開示しているが、処理が一次スラッジに又は安定化されたスラッジの更なる処理に適用されるべきことを示すことに失敗している。
【００１２】
１９８６年１２月１６日に発行された米国特許第４,６２９,７８５号は、生物学的に活性化されたスラッジおよび安定化されたスラッジの両方に高圧均質化を適用することを開示している。この特許は、同様に一次スラッジの処理を排除しており、液化されたスラッジの嫌気性蒸解中のメタンガスの生成によるエネルギーの回収を示していない。
【００１３】
上述のスラッジ処理方法にもかかわらず、エネルギーコストの最小化するために、破壊プロセスのエネルギーバランスを最適化する必要性が存在する。均質化の前にスラッジを濃縮することによる可能性ある利点は、これまで開示されていなかった。エネルギーバランスを最適化する上で、一次及び／又は二次スラッジを破壊および前処理するに必要なエネルギーが追加のメタンガス収量により得られたエネルギーとほぼ同一化か又はそれよりもかなり低いときを決定することが望ましいであろう。この点において、スラッジ蒸解プロセス中に生成されたメタンガスが、破壊プロセスおよび他の処理プロセスを自己保持するためにエネルギー源として使用され得るように、破壊プロセスを最適化することも望ましいであろう。従って、スラッジを破壊するのに必要なエネルギーを、（電気エネルギーに変換され得る）メタンガスの増加した生成によるエネルギー収率と積極的にバランスをとる廃液処理システムに対する必要性が存在する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、本発明の一般的な目的は、廃液処理技術における欠点を解決することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、スラッジの嫌気性蒸解中のメタンガスの増加した生成により得られたスラッジの処理のために消費したエネルギーと関連したエネルギーバランスを最適化することにある。
【００１６】
本発明の更に他の目的は、スラッジ蒸解プロセスを促進させるための栄養剤を放出するように、安定化されたスラッジ中に存在する微生物の細胞壁を破壊し、廃棄しなければならない安定化されたスラッジの質量を減少させるシステムおよび方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
これら及び他の目的並びに利点は、本発明による廃水処理施設において発生したスラッジを処理する方法およびシステムの新規な組み合せにおいて達成される。この方法は、生物学的に活性化され、かつ安定化された一次スラッジまたは嫌気性蒸解を受ける混合物における固形分の濃度を増加させることを含む。好ましい態様では、経済的に価値ある低圧範囲で動作するホモジナイザーは、濃縮されたスラッジ中の様々な微生物の細胞壁を破壊し、それによって細胞内から栄養物を放出する。破壊は、連続的に又は不連続的に生じ得る。破壊されたスラッジは、その後、蒸解タンクに供給され、メタンガスの生成を促進する追加の栄養剤が提供される。このようにして、本発明は、蒸解プロセス中に発生したメタンガスの増加した生成からのエネルギー収率に比較して、スラッジを濃縮し、均質化する際のエネルギーの要求量を最適化する。
【００１８】
本発明の１つの態様によると、正のエネルギーバランスが、減少したホモジナイザー圧力の下で処理される高い固形物含量を有する濃縮されたスラッジの使用により達成される。このスラッジは、ホモジナイザーにより処理される前に、好ましくは約１．５倍またはそれ以上に濃縮される。また、ホモジナイザーは、好ましくは４００バール以下の低圧範囲で動作される。この範囲では、破壊工程は自給自足で動作し、過剰のエネルギーを提供しさえする。本発明は、高圧ホモジナイザーが５０ないし４００バールの圧力で有利に動作されるべきであることを確認する。最適な圧力範囲は１００ないし２００バールである。以下に説明するように、より低い圧力でさえ、ホモジナイザーバルブのＡＰＶ Micro-GapまたはSuper Micro-Gapのような特定の装置を用いて達成される。
【００１９】
本発明の短の特徴によると、スラッジは破壊前に分級プロセスに供される。このようにして、固体物質粒子は、ホモジナイザーに達する前に沈降スラッジから除去される。均質化の効率は、このようにして改善される。例えば、スラッジの分級は、湿式篩デバイスまたは篩により生じ得る。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明は、一般に、嫌気性蒸解前の廃水スラッジの処理のために消費されたエネルギー及びメタンガス生成の形の処理から生じたエネルギーに関連するエネルギーバランスを最適化する方法およびシステムを提供する。本発明によると、活性化されたスラッジは機械的に分解または破壊され、蒸解プロセスを促進させる栄養剤を放出する。このようにして、破壊されたスラッジの嫌気性蒸解が改善され、その結果、蒸解時間の減少、固形物濃度の減少、メタン生成の増加となる。生じたメタンガスは、好ましくは、破壊プロセスの自給自足動作のためのエネルギー、及び他の目的並びに廃水処理施設におけるサブシステムのためのエネルギーに変換される。
【００２１】
背景技術では、廃水処理システムは、廃水を収容流に排気する前に、廃水を浄化する。図１は、地方自治体等により使用される廃水処理システム１０のブロックダイヤグラムである。定型的には、産業または地方自治体の廃水は、最初にバースクリーン１２および他の粗粒除去装置１４を通る流路に沿って通過する。粗粒除去装置１４は、廃水のその後の処理に採用される装置に有害な粗粒を除去する。次に、ろ過された廃水は、典型的には無機物質である重い沈降物を沈降分離する一次沈降槽に移される。この廃棄物質は、時には当業者によりスラッジと呼ばれる。多くの装置では、一次スラッジは、流路２０により示される、分解のためのダシジェスターに通される。
【００２２】
一次流出流は、一次沈降槽１８から流路１９に沿ってエアレーションタンクまたは槽２４に流れ、エアレーションタンク２４では、粗廃水は、溶解酸素の存在下で微生物により処理される。一般に、好気性微生物は、廃水中に懸濁する有機粒状物質を消費する。このようにして、処理用微生物は廃水中に存在する汚染物質および生物学的酸素要求量を減少させる。
【００２３】
微生物を含有する固体スラッジを沈降分離するため、混合液はエアレーションタンク２４から最終清澄器２８へ流れる。プロセスのこの段階では、凝集および重力沈降は、生物学的に活性化された（または二次）スラッジとして知られている懸濁した粒子および固形物から水を分離する。
【００２４】
沈降分離されたスラッジは、最終清澄器２８から取出され、典型的には様々な流路を流れる。例えば、スラッジのある部分は育成システムに種を送るために流路３４に沿ってエアレーションタンク２４にポンプで戻される。最終清澄器２８に存在する過剰のスラッジの少なくとも所定量はまた、流路３２に沿って蒸解のための嫌気性ダイジェスターを通る。
【００２５】
本発明の一態様によると、破壊および蒸解の前に、スラッジ中のより高濃度の固形分を提供する嫌気性蒸解装置に入るスラッジに対し、処理工程が適用される。図１に示すように、スラッジが破壊され、蒸解のためのダイジェスター５０に送られる前に、少なくとも部分的な流れが、デカンタ３８および分級器４２において処理を施される。デカンタ３８は、典型的には、供給されるスラッジ流の固相から液相を急速に分離する遠心分離または他の円形運動装置である。好ましい態様では、デカンタ３８は、スラッジ中の固体を少なくとも１．５倍に濃縮する。活性化された廃スラッジから分離された水は、更に処理されるため、冒頭または入口廃水処理流に戻される。
【００２６】
デカンターでの沈降分離工程の後、濃縮されたスラッジは、流路４０に沿って分級器４２を通される。分級器４２は、引き続く高圧ホモジナイザー４６に有害な、および／または農場への散布に有害な物質（例えば粗粒）を除去する。それによって、高圧ホモジナイザー４６の動作の信頼性が改善され、スラッジの破壊効率が増加する。分級器４２の例としては、スラッジ流中の軽量物質から重量物質を分離するために、回転運動および重力沈降を利用して粗粒を分離する渦流分離装置(grit voltex device)である。このプロセスにおける沈降分離および分級の工程の順序は逆でもよい。
【００２７】
濃縮されたスラッジ中の微生物を所望の印加剪断力により破砕するためには、濃縮された（かつ好ましくは分級された）スラッジは、好ましくは、流路４４に沿って高圧ホモジナイザー４６に供給される。高圧ホモジナイザー４６は、当業者により理解されているように、高圧ポンプとホモジナイザーバルブとからなる。一般に、そのようなホモジナイザーは、縮流された流れ領域を有するバルブまたはノズルにより、液、この場合、濃縮されたスラッジに力を作用する高圧ポンプを採用する。流体が縮流部を流れるときに、高圧ポテンシャルエネルギーは運動エネルギーに変換されるので、速度は増加し、圧力は減少する。一つの好ましい態様では、ホモジナイザーバルブは、Micro-GapまたはSuper Micro-Gapの商標で市販されているＡＰＶホモジナイザーバルブとして提供される。Super Micro-Gapホモジナイザーバルブは、１９９８年５月１２日に発行された米国特許第５,７４９,６５０号、および１９９９年５月４日に発行された米国特許第５,８９９,５６４号に一般に記載されている。これらの特許の主題は、本明細書の一部をなす。この装置の組み込みにより、本発明は、より大きな動作効率をさえ達成する。即ち、Super Micro-Gapホモジナイザーバルブは、他のホモジナイザーバルブに比較して、約２０％の圧力の減少（および付随するより低いエネルギー入力）において動作し、同一の量の破壊を達成する。
【００２８】
ホモジナイザー４６における高圧ポンプは、受けたスラッジ流を加圧し、圧縮する。スラッジ流に加わる圧力は、その後、ホモジナイザーバルブ（図示せず）の調節可能なバルブ本体のギャップにより常圧まで減少する。圧力が減少すると、スラッジ流の液体速度は、かなり増加する。好ましい態様では、圧力は、スラッジ流中に残留する液体の蒸気圧に到達し、蒸気バブルまたはキャビテーションバブルを形成する点まで減少する。蒸気バブルは、超音波流のキャビテーションスラストに導く点まで、スラッジ流の液速を増加させる。究極的には、キャビテーションバブルは潰れ、エネルギーに富む摩擦速度場が形成され、スラッジ中の微生物の細胞分を破壊する。ホモジナイザーバルブから出ると、スラッジ流は衝撃環を通過し、懸濁液の流速は減少する。
【００２９】
その分解のために、破壊されたスラッジ流は、流路４８に沿ってダイジェスター５０に提供される。特に嫌気性蒸解の場合、蒸解プロセスの副生成物の１つはメタンガスである。メタンガスは、（例えば流路５２に沿って）回収され、エネルギー、特に電気エネルギーに変換される。このようにして回収されたエネルギーは、様々な電気デバイス、および廃水処理システムに用いられるサブシステムを動作させるために使用される。安定化され、蒸解されたスラッジは、典型的には、更に脱水処理を施され、その後、廃棄される。図１に示すように、安定化され、蒸解されたスラッジは、任意に、流路５４に沿って嫌気性ダシジェスター５０からデカンターに戻される。究極的には、スラッジは、高圧ホモジナイザー４６により破壊される。
【００３０】
様々な操作圧力が利用されるが、高圧ホモジナイザー４６は、好ましくは約５０〜４００バールで操作される。本発明では、公知の装置、ほぼ１００〜２００バールの圧力範囲よりも低い圧力範囲で、細胞の破壊が生ずる。幾つかの態様では、ホモジナイザーの圧力範囲は、微生物に加わる剪断力が細胞壁を破壊するに充分に大きいものである限り、より低い範囲で操作される。
【００３１】
本発明の正のエネルギーバランスは、デカンター３８によるスラッジの高濃縮への影響に的をあてることにより、および分級装置４２を用いて分級することにより、達成され得る。このようにして、発生したメタンガスからのエネルギー収量は、本プロセスにおける破壊工程により使い切る量よりも大きいエネルギーを提供する。
【００３２】
正のエネルギーバランスは、廃棄スラッジを少なくとも１．５倍に濃縮することにより、かつ細胞破壊のため、公知の破壊圧力よりも比較的低い圧力で高圧ホモジナイザー４６を用いることにより、達成することが出来る。この方法は、濃縮および破壊工程前に、生物学的に活性化されたスラッジを一次スラッジと混合するならば、更に最適化することが出来る。それによって、スラッジの蒸解および得られたガス収量は増加する。
【００３３】
図２は、図１に示すプロセスおよびシステムと或る程度類似するが、本発明の他の態様に係る廃水処理施設１１０を示す。この態様では、粗廃水は、予備精製または一次沈降分離槽１１８に送られる前に、最初にバースクリーン１１２および砂回収デバイスまたは粗粒分級器１１４を通過する。予備精製槽１１８は、廃水から重量沈降物（一次スラッジ）を除去するために、重力沈降分離を利用する。このように、約２１５万ガロン／日（ｍｇｄ）の平均粗廃水流の処理プラントに対し、一次スラッジは、約３，０００ポンド／日（ｌｂｓ／ｄ）の固形分の速度で発生する。
【００３４】
本発明の特定の装置によると、破壊または蒸解前に、スラッジは更に予備処理され、スラッジから重金属の除去が促進される。図２では、分級器１１４は、植物油又は他の適切な物質の添加のような方法により、そのような重金属の除去の促進を達成する。そのような除去は、重金属は一般にスラッジ中の微生物に毒性を有するので、メタンガスの生成を改善する。しかし、重金属の除去に用いられる方法は、それ自体、スラッジ中の微生物に実質的に影響を与えない。この特徴は、有利なことに、システムを出る脱水スラッジを、経済的な損害なしに、有機肥料として、または他の農業の用途に用いることを可能とする。
【００３５】
一次流出物と呼ばれる、槽１１８から排出された水は、流路１２２に沿って好気性蒸解部１２４に送られる。この態様では、好気性部１２４は、脱硝槽１２４Ａと刺激性（または好気性）槽１２４Ｂとからなる。脱硝槽１２４Ａは、無酸素の、または酸素−還元条件で動作し、それは廃水からの硝酸塩の除去において、バクテリアの脱硝を促進させる。そうでなければ、環境への硝酸塩の放出は、湖や河川の高エントロピー化および飲料水の汚染に導く。脱硝の後、廃水は好気性ゾーン１２４Ｂに入り、そこでは酸素が放出され、廃水中の有機物の除去において好気性微生物の成長を促進させる。廃水と好気性微生物の種との混合物は、混合液と呼ばれる。
【００３６】
エアレーションタンク１２４での処理の後、混合液は、流路１２６を介して清澄化のための沈降槽１２８に送られる。清澄化は、懸濁した固形物および粒子から水相を分離するために、凝集および重力沈降を利用する。この水相は、当業者に理解されるように、放出前に、流路１３０に沿って消毒プロセスに向けられる。
【００３７】
図２に示す態様では、沈降槽１２８を出る活性化されたスラッジ流の一部は、スステムに再播種するため、戻り流路１３２に沿って好気性蒸解部１２４に戻される。残りのスラッジ流は、流路１３４に沿ってスラッジ濃縮器１３６に向けられる。一つの態様では、約２１４ミリグラム／リットル（ｍｇ／ｌ）の生物学的酸素要求量を必要とする２．１５ｍｇｄの平均流量で供給された粗廃水に対し、処理は、約１，０００ｌｂｓ／ｄ固形分の量の生物学的に活性化されたスラッジを廃棄する。スラッジ濃縮器または篩１３６は、典型的には、スラッジの凝固を促進し、過剰の水の除去を助けるために、活性化されたスラッジをポリマーと混合する。一つの態様では、篩１３６は、活性化されたスラッジの固形分濃度を約８〜１５倍に増加させる。図２に示すように、回収された水は、流路１３７に沿って施設の先頭に戻される。
【００３８】
スラッジの濃縮の後、濃縮され、活性化されたスラッジは、流路１４０に沿って熱交換器１４３および一対のダイジェスター槽１４４及び１４５に向けられる。このように、図２に示す態様に組み込まれたダイジェスター槽１５０は、嫌気性蒸解およびメタンガスの回収を最適化するために、一次および二次ダイジェスター槽の形で、二相蒸解プロセスを用いる。しかし、当業者は、この態様は単一相嫌気性蒸解に対し類似の利点を提供することを認識するであろう。濃縮され、活性化されたスラッジは、熱交換器１４３により、ダイジェスター１４４における嫌気性蒸解を保持するであろう高温に、予備加熱される。
【００３９】
蒸解プロセスが完了すると、蒸解されたスラッジは、流路１５４に沿って貯蔵槽１５２に移される。貯蔵され、蒸解されたスラッジは、好ましくは、スラッジ貯蔵槽１５２を出るときに、沈降分離、破壊及び／又は蒸解の循環プロセスが施される。この循環プロセスは、スラッジからのバイオガスの発生を最適化する。この循環プロセスは、連続でも不連続でもよい。一つの好ましい態様では、貯蔵され、蒸解されたスラッジは、最初に貯蔵槽１５２から流路１５６に沿ってデカンター１３８に移される。その後、デカンター１３８は、上述した態様と同様、スラッジを更に充分な固形分濃度に濃縮する。この濃縮されたスラッジは、流路１５９に沿って貯蔵槽に循環して戻される。このようにして、貯蔵槽内のスラッジの所望の濃度が達成される。或は、デカンターを出る固体流は、直接、分級器１４２に送られてもよい。
【００４０】
デカンター１３８で得られた沈降分離された水は、廃水処理システムの入口に戻される。蒸解されたスラッジが十分に濃縮された後、濃縮され、蒸解されたスラッジは、微生物の破壊のため、流路１５７に沿って貯蔵槽１５２から引き出される。例えば、濃縮され、蒸解されたスラッジは、破壊のため、ダイジェスター１５０に供給された一次スラッジおよび生物学的に活性化されたスラッジの合計流量の約０．２％の流量で、スラッジ貯蔵槽１５２から引き出される。図２に示すように、濃縮され、蒸解されたスラッジは、図１との関連で説明したのと同様に、清澄器１４２および高圧ホモジナイザー１４６を通る。
【００４１】
ホモジナイザー１４６を出る破壊されたスラッジは、流路１５８に沿って移動し、そこでスラッジは熱交換器１４３により再加熱される。破壊されたスラッジは、前精製槽１１８からの一次スラッジ及び／又は篩１３６から提供された生物学的に活性化されたスラッジと混合される。図２には示されていないが、このスラッジの混合は、高圧ホモジナイザー１４６を用いた均質化の前にも生ずる。その後、スラッジは嫌気性蒸解システム１５０に戻される。
【００４２】
周期的に、廃棄のため流路１６０に沿って貯蔵槽１５２から除去される。典型的には、スラッジは、焼却による、又は農場への配置または埋め立てによる廃棄の準備をされる前に、組み合せスラッジ調整器１６２およびフィルター１６４により更に脱水される。一つの好ましい態様では、組み合せスラッジ調整器１６２およびフィルター１６４は、スラッジの固形分濃度を少なくとも３倍に増加する。
【００４３】
図２はまた、流路１６８および１７０に沿ってダイジェスター槽１５０により提供されたメタンガスを回収するために配置された電力変換ユニット１６６を示す。３．４％の固形分の５３立方メートル／日（ｍ３／ｄ）の組み合わされた一次、二次スラッジおよび破壊されたスラッジ流を嫌気性ダイジェスター１５０へ供給する処理プラントの場合、嫌気性ダイジェスター１５０は、６４容量％のメタンを有する８００立方メートル／日のバイオガスを回収することが予定されている。もちろん、メタンの発生は、当業者が理解しているように、蒸解されたスラッジ中の揮発性有機固形物のパーセントに依存して変化するであろう。電力変換ユニット１６６により行われた変換プロセスにより、追加のエネルギー源が、破壊システムおよび廃水処理施設の他の部分による使用のため利用可能である。
【００４４】
図３は、本発明により得られるエネルギーバランスのフローダイヤグラムを示す。以下に説明するように、従来のスラッジ処理方法に比べて、処理されたスラッジ固形物あたり、より大きいエネルギーを達成することが出来る。
【００４５】
図３では、キロワット／キログラム全固形分（ｋＷｈ／ｋｇＴＳ）により測定された、本発明による処理システム２１０の様々な部分のエネルギーの流れを示す。図１および２に示す態様におけるダイジェスター塔５０，１５０により生成された生物ガスまたはメタンガスのエネルギー含量は、矢印２１２に示すように、このシステムのための複合電力変換プラントに提供される。一つの好ましい態様では、このエネルギーは、公知のシステムにおける２ｋＷｈ／ｋｇＴＳに対し、２．５ｋＷｈ／ｋｇＴＳである。
【００４６】
電力プラント２６６は、ダイジェスター塔から供給されたバイオガスを使用可能なエネルギーの形に変換する。この変換プロセスでは、矢印２１４により表わされるように、所定量のエネルギーが失われることが予想される。一つの好ましい態様では、このエネルギー損失は０．３ｋＷｈ／ｋｇＴＳである。変換されたエネルギーの残りは、処理システムの自給自足動作をに利用され得る。
【００４７】
蒸解装置の動作の様々なエネルギーの要求がある。例えば、蒸解プロセスの一部として蒸解されたスラッジを加熱するための熱交換器２４３の適正な温度を維持するために必要なエネルギーが、図３において矢印２１６として示されており、好ましい態様では、それは約１．２ｋＷｈ／ｋｇＴＳの予想エネルギーである。このことは、ダイジェスター部が９８〜１０２°Ｆの範囲の温度で動作することを可能とし、スラッジの嫌気性蒸解を最適化するときに望ましい。もちろん、熱は、熱交換器からダイジェスター部に移動される。このエネルギーの移動は、図３において矢印２１８として示され、約０．８ｋＷｈ／ｋｇＴＳである。同様に、移動による等のエネルギー損失は、ダイジェスター部において生ずるであろう。これらの損失は、矢印２２０で示され、約０．２ｋＷｈ／ｋｇＴＳである。熱交換器のスラッジの排出に基づく熱損失は、矢印２２２で示され、約０．６ｋＷｈ／ｋｇＴＳのオーダーである。最終的に、システムにおける過剰の熱損失は、矢印２２４で示され、約０．１ｋＷｈ／ｋｇＴＳのオーダーである。
【００４８】
上で説明したように、複合電力変換プラントは、矢印２２６で示すように、電気エネルギーを発生する。好ましい態様では、発生した電気エネルギーは、約０．８ｋＷｈ／ｋｇＴＳである。
【００４９】
スラッジを破壊するため、発生した電気エネルギーの一部が、即ちホモジナイザーポンプ２４６を動作させるために必要である。一つの態様では、このエネルギーの要求量は、矢印２２８で示されている（例えば、１００バールで０．２ｋＷｈ／ｋｇＴＳ）。即ち、このシステムは、図３に示す高圧ホモジナイザー２４６を動作させるために、このエネルギーを必要とする。もちろん、過剰の発生エネルギーが、処理システムの他の態様において利用されてもよい。
【００５０】
本発明によると、従来の方法に比較して、エネルギー含量の２５％の増加が達成される。即ち、本発明により発生したバイオガスのエネルギー含量は、従来の破壊方法を用いた２ｋＷｈ／ｋｇＴＳに対し、２．５ｋＷｈ／ｋｇＴＳである。その結果、本発明は、従来のスラッジ処理方法に比較し、スラッジの自給自足破壊のための充分なエネルギーを許容し、それ以外の用途のための過剰のエネルギーを提供する。
【００５１】
図４は、０〜５００バールの圧力で動作する高圧ホモジナイザーを用いた破壊に対するエネルギーバランスがプロットされているダイヤグラムを示す。このダイヤグラムは、種々の濃度を有するスラッジのための、適用エネルギーおよび発生エネルギーを示している。図からわかるように、本発明のホモジナイザーが約２００バールの圧力で操作されるとき、加えられたエネルギーは発生したエネルギーよりも低い。このように、この範囲では、エネルギーバランスは正である。白の三角または白の点で表わされた曲線は、２倍に濃縮された高濃縮スラッジに適用する。このダイヤグラムは、濃縮されたスラッジのための適用エネルギーが、非濃縮スラッジのための適用エネルギーの下にあることをも示している。一方、エネルギーの発生量、即ち、２００バールのホモジナイザー圧力までのメタンガスの発生量は、濃縮されたスラッジの場合には、非濃縮スラッジからの発生エエンルギーに比較して大きい。濃縮されたスラッジのエネルギーバランスは、０〜４００バールのホモジナイザー圧力では正である。最大のエネルギーの余剰は、１００バールのホモジナイザー圧力で生ずる。
【００５２】
図５は、未処理スラッジ、通常の濃度で破壊されたスラッジ、および濃縮されたスラッジ（２および３倍）のサンプルからの特定のガス生成が、時間に対しプロットされているダシヤグラムを示す。この場合、観察期間は２３日である。図から明らかなように、未処理のスラッジは、破壊されたスラッジよりもかなり少ないメタンガスを生成する。ガス生成の曲線プロットは、指数曲線をたどる。２倍に濃縮されたスラッジは、濃縮されていないスラッジよりもかなり多くのガスを生成する。ガス曲線は、ほとんど平行である。３倍に濃縮されたスラッジは、低く濃縮されたスラッジよりも、最初の４日で少ないガスを生成する。しかし、３倍に濃縮されたスラッジは、その後、微生物安定性に達し、低く濃縮されたスラッジの分解におけるよりも、多くのガスを生成する。これらの性能分析に使用された破壊プロセスは、１００バールで動作する高圧ホモジナイザーを用いて実施された。
【００５３】
図６は、２００バールのホモジナイザー圧力で実施されたテスト結果を示す。図から明らかなように、非濃縮の非破壊のスラッジは、非濃縮の破壊されたスラッジとほぼ等しい。このように、単なる破壊により、より高いガス収量は一般に達成できない。図５に示すガス生成との比較は、２００バールで高圧ホモジナイザーを用いたとき、ガス収量は、１００バールのホモジナイザー圧力におけるよりも高くはない。
【００５４】
図７は、高圧ホモジナイザーを４００バールで操作することを除いて、図５および６と同等のダイヤグラムである。４００バールの圧力で破壊が生ずるとき、ガス収量は、１００バールのホモジナイザー圧力と比較して、少なくとも３倍に濃縮することにより増加するに過ぎない。図４に示す２００バールでのテスト結果との比較は、ガス収量が、増加したホモジナイザー圧力により更には改善され得ないことを示している。
【００５５】
様々な利点が本発明から得られる。廃棄物処理施設は、改善されたコストの節約を得るように常には調整されていないので、本発明の方法およびシステムは、そのような期待に応えるビジネスモデルを提供する。即ち、廃棄物処理施設は、そこから発生したエネルギーに対する付加エネルギーの注意深い最適化により達成されるエネルギーバランスを提供する。
【００５６】
本発明の例示的態様およびその所定の変形例が、図面およびそれらの対応する説明において提供された。しかし、当業者は、開示された発明の範囲から逸脱することなく、開示されたシステムおよび方法に対する多くの変形例が可能であることは、当業者は容易に認識するであろう。これら変形例は、これらに限定されるものではないが、ホモジナイザーバルブに匹敵する微生物の細胞壁を破壊する類似の（または同一の）程度を達成する、適当な混合手段、超音波均質化手段等の使用により、スラッジ中の微生物の部分的または実質的に完全な破壊を含む。同様に、本発明による最適化方法を実施するために一連の工程が概括されたが、本発明の範囲を逸脱することなく、工程を追加または削除または修正してもよい。そのため、本発明は、開示された態様に限定されるものではない。これに対し、本発明は、開示された態様、および本明細書における開示および特許請求の範囲により定義された発明を考慮して、法律の許す最大範囲に、本発明の範囲および精神内の事項をカバーするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一態様による廃水処理システムの単純化されたボロックダイヤグラム図。
【図２】  本発明の第２の態様による廃水処理システムの単純化されたボロックダイヤグラム図。
【図３】  図１および２に示す態様と関連するエネルギーの流れを示すフローダイヤグラム図。
【図４】  非濃縮のスラッジについて、および様々な圧力で動作する高圧ホモジナイザーを用いて破壊され、濃縮されたスラッジについてのエネルギーバランスを示すグラフ図。
【図５】  非破壊のスラッジについて、および第１の操作圧力で様々な濃度の破壊されたスラッジについての、時間に対するガス生成を示すグラフ図。
【図６】  非破壊のスラッジについて、および第２の操作圧力で様々な濃度の破壊されたスラッジについての、時間に対するガス生成を示すグラフ図。
【図７】  非破壊のスラッジについて、および第３の操作圧力で様々な濃度の破壊されたスラッジについての、時間に対するガス生成を示すグラフ図。
【符号の説明】
１０・・・廃水処理システム
１２・・・バースクリーン
１４・・・粗粒除去装置
１８・・・一次沈降槽
１９，２０，３２，３４，４０，４４・・・流路
２４・・・エアレーション槽
２８・・・最終清澄器
３８・・・デカンター
４２・・・分級器
４６・・・高圧ホモジナイザー
５０・・・ダイジェスター
【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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