(57)【要約】【課題】従来の凍結融解処理装置では、予め原汚泥を濃縮して凍結融解処理を行うが、高濃度の汚泥は流動性が低いため、濃縮汚泥の移送や凍結融解処理槽中の熱交換器間への均一充填が困難になる。このため実用上は流動性がある状態までしか汚泥を濃縮できず、消費電力の削減が十分できない。また融解処理後の汚泥の脱水機も含め複数装置を組合せた凍結融解処理装置は高価になる。本発明の目的は上記の問題点を解決し実用性が高い処理装置を提供することにある。【解決手段】原汚泥の供給手段、凍結融解処理を行う汚泥の貯蔵手段、伝熱手段、汚泥濃縮手段、ろ過処理水の排出手段、脱水汚泥の排出手段を凍結融解処理槽に一体化して設けることで、消費電力量を少なく設備コストを安くできる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
浄水汚泥や産業排水汚泥の脱水処理を凍結融解の原理を用いて行う凍結融解処理装置において、原汚泥の供給手段と、供給された原汚泥を貯蔵する貯蔵手段と、貯蔵された原汚泥の冷却・加熱を行う伝熱手段と、貯蔵された原汚泥の水分をろ過する汚泥濃縮手段と、ろ過された処理水の排出手段と、ろ過後の脱水汚泥の排出手段とを凍結融解処理槽に設けることを特徴とする凍結融解処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の凍結融解処理装置において、脱水汚泥の排出手段を、可動部を備えた排出手段として凍結融解処理槽の壁面の一部に構成し、この凍結融解処理槽の壁面側にはろ過体を、外側にはろ過処理水の排出口を設け、ろ過濃縮時にはこの排出口からろ水を排出し、脱水汚泥の排出時にはこの排出手段の可動部を移動することによって汚泥排出を行うことを特徴とする凍結融解処理装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の凍結融解処理装置において、凍結融解処理槽を密閉して加圧可能な容器とすると共に、原汚泥の供給手段に加圧用ポンプを設け、原汚泥の供給時とろ過濃縮時には原汚泥を加圧してろ液の排出を促進することを特徴とする凍結融解処理装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載の凍結融解処理装置において、凍結融解処理槽を密閉して加圧可能な容器とすると共に、原汚泥の濃縮促進用の圧縮空気槽と空気圧縮機とを設け、原汚泥のろ過濃縮時には圧縮空気により原汚泥を加圧してろ液の排出を促進することを特徴とする凍結融解処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は浄水場の排水汚泥、産業排水汚泥の脱水処理において、凍結処理と融解処理とを用いて汚泥の脱水性を改善した、汚泥の脱水装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上下水処理場汚泥や産業排水汚泥の発生量は年々増加する傾向にあり、脱水汚泥の処分地不足が大きな問題となっている。また最近では、環境保全あるいは循環型社会の構築に向けて脱水汚泥の有効利用化が促進されている。この処分や有効利用に際しては、原汚泥に薬品を添加することなく効率よく濃縮して低含水状態に脱水することが重要である。
この汚泥脱水装置の一つとして凍結融解処理装置がある。凍結融解処理装置は無薬注方式であり、浄水汚泥などの難ろ過性の原汚泥を凍結融解処理により粗大粒子に改質し、高いろ過速度で低含水状態に脱水する際に使用される。
【０００３】
凍結融解の原理は、霜柱の成長や凍み豆腐の製造に見られるように凍結により固体と液体との分離現象を脱水に応用したものであり、凍結融解の原理を説明するための汚泥の顕微鏡写真例を示す図を図５に示す。浄水場などの水処理設備で発生した原汚泥（浄水汚泥）は、図５（ａ）に示すように、アルミ系凝集剤より発生した綿状の水酸化アルミニウムと微細な土粒子、植物質、藻類など濁質の凝集フロックの沈降濃縮液である。凍結融解処理では、まずこの原汚泥を冷却凍結させると、凍結状態で汚泥は図５（ｂ）に示すように、水分が氷の結晶となって針状に成長し、汚泥粒子は氷と氷の間に移動して圧縮され、強力に結合して粗大粒子が形成される。次にこの凍結汚泥を加温して融解すると、融解状態で汚泥は図５（ｃ）に示すように、氷が溶けても汚泥粒子の結合が保たれているために、高密度の粗大粒子の固形物が沈降し、水は上澄水として分離する。
【０００４】
この原理のために、遠心分離などの汚泥を加圧して脱水する装置では脱水が非常に困難であるが、凍結融解処理装置では容易に低含水状態に脱水できる多種類の汚泥に適用が可能である。特に適用効果が大きい汚泥としては、下記のようなものがある。
１）有機質を含む原水から発生した凝集沈殿汚泥、２）富栄養化したダム水、湖沼水など藻類を多く含む原水から発生した汚泥、３）渇水期、積雪時の河川の表流水やダム水などの抱く土が低い減水の凝集沈殿から発生する水酸化アルミニウムを多く含む汚泥、４）クリプトスポリジウム除去のため、原水にアルミ系凝集剤が多量に注入されて発生した凝集沈殿汚泥、５）井水（地下水）の酸化処理により発生した水酸化鉄や二酸化マンガンを多く含む汚泥、など。
【０００５】
凍結融解処理を用いた汚泥処理の基本方式を図６に示す。この図において、水処理設備で発生した原汚泥（浄水汚泥）は、重力濃縮槽とろ過濃縮装置とで濃縮されて濃縮汚泥となり、凍結融解処理装置で上記の原理によって粗大粒子に改質され、脱水機で脱水汚泥と処理水に分離されて汚泥処理がなされる。
上記のろ過濃縮装置、凍結融解処理装置、脱水機を含む従来の凍結融解方式汚泥処理システムの例を図７に示す。この図において、まず原汚泥は、原汚泥槽５からサイホン式のろ過濃縮装置３１に入り、ここでろ過濃縮装置３１中のろ布３１ａと切換弁３７ｂを開けて生じるサイホン作用や、ろ布３１ａとろ液排水用ポンプ３６による吸引作用を利用して、ろ液が排出される。このろ液排出により濃縮された濃縮汚泥は、移送用ポンプ３５ａを使って濃縮汚泥貯槽３２で貯留される。濃縮汚泥はその後に移送用ポンプ３５ｂにより凍結融解処理槽３３ａ、３３ｂに送られ、ここでの凍結融解処理によって粗大粒子の凍結融解汚泥に改質される。この凍結融解汚泥は凍結融解処理槽３３ａ、３３ｂの下方に排出され、真空脱水などを使った脱水機３４により脱水汚泥と処理水とに分離されて汚泥処理が完了する。
【０００６】
ここで上記の凍結融解処理槽は、図７に示すように２基の槽３３ａ、３３ｂを一組とし、各槽の内部には蛇管形の熱交換器３３ｈが設置され、原汚泥は冷却加熱装置２２とこの熱交換器３３ｈを使って、一方の槽（この図では３３ａ）で凍結、他方の槽（この図で３３ｂ）で融解の処理が行われる。
冷却と加熱を行う冷却加熱装置２２によって、凍結融解処理槽３３ａ、３３ｂの熱交換器（伝熱体）３３ｈには冷ブラインと温ブラインが循環する系統がある。冷却側の系統は、冷ブライン槽１１ａ、ブライン冷却用ポンプ１２ａ、ブライン冷却用熱交換器１３ａ、凍結融解処理槽３３ａの熱交換器等を循環する冷却回路が、加熱側の系統は、温ブライン槽１１ｂ、ブライン加熱用ポンプ１２ｂ、ブライン加熱用熱交換器１３ｂ、凍結融解処理槽３３ｂの熱交換器等を循環する加熱回路が、それぞれ構成されている。また、凍結融解処理槽３３ａ、３３ｂの熱交換器の冷却と加熱とを切り換えるためには冷熱切換器３８ａ、３８ｂが設けられている。
【０００７】
この構成で、一方の凍結融解処理槽３３ａの冷却は、冷凍機の冷熱で冷却された冷ブラインを熱交換器３３ｈに供給して濃縮汚泥を冷却・凍結し、槽の凍結条件で定まる所定保持時間（例えば１．５時間）保持し、この後に凍結融解処理槽３３ａの加熱は冷熱切換器３８ａ、３８ｂを切換えて、冷凍機の排熱により加熱された温ブラインを熱交換器３３ｈに供給して汚泥を加熱・融解し、槽の融解条件で定まる所定保持時間（例えば１．２時間）保持する。この汚泥の凍結保持時間と融解保持時間の差分の時間（ここでは０．３時間）内に粗大粒子に改質された脱水汚泥が、凍結融解処理槽３３ａの底部の図示しない排出ゲートを開いて脱水機３４に排出され、次の濃縮汚泥が濃縮汚泥貯槽３２から充填される。他方の凍結融解処理槽３３ｂでは、上記の冷却と加熱処理が凍結融解処理槽３３ａとは半サイクル遅れて実行される。
【０００８】
従来の凍結融解処理装置では、上記の装置の他に、過冷却が生じ難く均一な凍結を可能にして脱水効果を高めるために凍結融解処理槽に汚泥を振動させる振動手段を備えた装置（特許文献１参照）や、凍結融解処理装置で凍結融解された汚泥と未処理の原水とを混合する混合槽を設けてこの混合槽の汚泥を脱水する装置（特許文献２参照）などが提案されているが、何れも濃縮槽と凍結融解処理槽との間は配管で接続され、濃縮汚泥が移送されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−３３４３００
【特許文献２】
特開２００２−２０５１００
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
これら無薬注で処理が可能で、通常の加圧脱水装置では脱水が難しい汚泥でも処理ができるという特徴のある従来の凍結融解処理装置では、汚泥中の水分の凍結に多くの消費電力量が必要であるという問題点がある。
消費電力量を少なくするために、従来は上記のように予め遠心分離機やろ過濃縮装置により原汚泥から水分を除去して汚泥の容積（重量）を減少した濃縮汚泥を凍結融解処理装置に供給する方式が利用されている。この方式では汚泥の容積が減るために凍結が必要な水分量が減少して消費電力量はかなり削減されるが、濃縮汚泥の濃度が高くなると流動性が低下して、濃縮汚泥の凍結融解処理槽への移送や凍結融解処理槽中の熱交換器間の空間に均一に充填するのが困難になる。このために実用上は流動性がまだ十分ある状態までしか汚泥を濃縮できないので消費電力の削減が十分できないことになる。また、融解処理後の汚泥は外部の脱水機に送って脱水する必要がある。
【００１１】
そのために凍結融解処理装置では、凍結融解処理槽の他に、原汚泥の濃縮装置と融解処理汚泥の脱水機が必要で、凍結融解処理設備コストが高価になるという問題点が生じる。
本発明の目的は、  上記の問題点を解決し消費電力量が少なく、  設備コストが少ない実用性が高い凍結融解処理装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、浄水汚泥や産業排水汚泥の脱水処理を凍結融解の原理を用いて行う凍結融解処理装置において、原汚泥の供給手段と、供給された原汚泥を貯蔵する貯蔵手段と、貯蔵された原汚泥の冷却・加熱を行う伝熱手段と、貯蔵された原汚泥の水分をろ過する汚泥濃縮手段と、ろ過された処理水の排出手段と、ろ過後の脱水汚泥の排出手段とを凍結融解処理槽に設けることとする（請求項１）。従来の凍結融解処理装置では、濃縮手段と凍結融解処理手段と脱水手段とが別々の装置で構成され、汚泥をそれらの装置ごとに輸送することが必要であったが、この装置では、全て汚泥処理に必要な手段を凍結融解処理槽に一体化して構成したことに特徴がある。
【００１３】
また、上記の凍結融解処理装置において、脱水汚泥の排出手段を、可動部を備えた排出手段として凍結融解処理槽の壁面の一部に構成し、この凍結融解処理槽の壁面側にはろ過体を、外側にはろ過処理水の排出口を設け、ろ過濃縮時にはこの排出口からろ水を排出し、脱水汚泥の排出時にはこの排出手段の可動部を移動することによって汚泥排出を行うこととする（請求項２）。
さらに、請求項１または２に記載の凍結融解処理装置において、凍結融解処理槽を密閉して加圧可能な容器とすると共に、原汚泥の供給手段に加圧用ポンプを設け、原汚泥の供給時とろ過濃縮時には原汚泥を加圧してろ液の排出を促進することとする（請求項３）。
【００１４】
この他に、請求項１から３の何れかに記載の凍結融解処理装置において、凍結融解処理槽を密閉して加圧可能な容器とすると共に、原汚泥の濃縮促進用の圧縮空気槽と空気圧縮機とを設け、原汚泥のろ過濃縮時には圧縮空気により原汚泥を加圧してろ液の排出を促進することとする（請求項４）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の２つの実施例について、図に基づき説明する。
〔実施例１〕
本発明の請求項１、２、３を含む凍結融解処理装置の実施例を図１に示す。この図から判るように、凍結融解処理装置は、原汚泥槽５、凍結融解処理槽２１、冷却加熱装置２２とで構成される。この中の凍結融解処理槽２１は、原汚泥の供給および加圧手段（汚泥供給用ポンプ６と汚泥供給弁６ａ）と、処理を行うための原汚泥の貯蔵手段（汚泥処理槽１）と、冷却加熱装置２２の冷・温ブラインを流して原汚泥との冷却・加熱の熱交換を行う伝熱手段（伝熱体２）と、原汚泥の水分をろ過する汚泥濃縮手段とろ過処理水の排出手段（ろ布３と排水ネット４とろ液排水管９ａ）と、可動部を備えた脱水汚泥の排出手段（脱水汚泥排水装置９）とを一体化して設けている。
【００１６】
また、冷却加熱装置２２は、従来装置と同じく、圧縮冷凍機１０、冷（温）ブライン槽１１ａ、１１ｂ、ブライン冷却（加熱）用ポンプ１２ａ、１２ｂ、ブライン冷却（加熱）用熱交換器１３ａ、１３ｂ、冷媒容器１４、膨脹弁１５、切換弁１６ａ，１６ｂ、１７ａ，１７ｂで構成されている。
伝熱体（熱交換器）２とろ布３と排水ネット４との凍結融解処理槽２１内での実際の配置例を示す断面図を図３に示す。図１では凍結融解処理槽２１中の汚泥処理槽１、伝熱体２、ろ布３と排水ネット４を、説明を簡単にするためにそれぞれ図の中央、右側、左側に表示してあるが、原汚泥の水分除去と冷却・加熱の効果を上げるためには、原汚泥との接触面積を増やす必要があり、実際には、図３のように複数の蛇管や平型管を交互に配置する構造などが利用可能である。ただし、この配置については、種々の変形構造が可能であり、汚泥処理槽内に原汚泥の伝熱手段と濃縮手段とを設けたものであれば良く、この例に限定されるものでは無い。またその際の伝熱体２の材質としては、ステンレススチールや亜鉛メッキをした鉄などが、排水ネット４は金属やプラスチックの目の粗いネットなどが利用可能である。
【００１７】
この装置での運転は、次の順序で進められる。１）原汚泥槽５内の原汚泥を汚泥供給用ポンプ６と汚泥供給弁６ａを使って汚泥処理槽１に供給する。２）汚泥供給用ポンプ６の加圧などにより原汚泥に含まれる水はろ布３の目を通り金属製の排水ネット４の空隙を経由してろ液排出管９ａより排出される。３）ステンレス容器などで作られた伝熱体２内に冷却加熱装置２２の冷却側の切換弁１６ａ、１７ａを開けて冷ブラインをブライン冷却用ポンプ１２ａにより供給し、原汚泥の水分を減らした濃縮汚泥を冷却する。４）濃縮汚泥を冷却して凍結が完了した後に冷ブラインの供給を停止する。５）冷却側の切換弁１６ａ、１７ａを閉じて加熱側の切換弁１６ｂ、１７ｂを開くことで冷ブラインから温ブラインに切換えて伝熱体２に温ブラインを供給し、凍結汚泥を加熱して融解状態にする。６）融解汚泥の水分はろ布３と排水ネット４の空隙を通りろ液排出管９ａより排出される。７）脱水汚泥は脱水汚泥排出装置９の可動部（昇降装置）により蓋を下降して取り出す。
〔実施例２〕
上記の実施例１に本発明の請求項４を追加した凍結融解処理装置の実施例を図２に示す。この図と実施例１との差は、原汚泥の濃縮促進用の圧縮空気槽８と空気圧縮機７と加圧空気仕切弁７ａとを、実施例１の凍結融解処理装置に追加したことである。
【００１８】
この装置での運転は、実施例１の工程の一部を変更、追加したもので、この実施例２の運転順序を図４に示す。なお、この図において図２と同じ構成要件は同じ符号で示されている。すなわち、図４の工程で、１）原汚泥槽５内の原汚泥を汚泥供給用ポンプ６と汚泥供給弁６ａを使って汚泥処理槽１に供給する。その際、実施例２では、汚泥供給用ポンプ６の加圧と共に、加圧空気仕切弁７ａ開けて圧縮空気槽８の空気加圧を追加することにより、原汚泥に含まれる水はろ布３の目を通り、金属製の排水ネット４の空隙を経由してろ液排出管９ａより排出が促進される。２）ステンレス容器などで作られた伝熱体２内に冷ブライン供給し、原汚泥の水分を減らした濃縮汚泥を冷却する。濃縮汚泥を冷却して凍結が完了した後に、冷ブラインの供給を停止する。３）冷ブラインから温ブラインに切換えて伝熱体２に温ブラインを供給し、凍結汚泥を加熱して融解状態にする。４）融解汚泥の水分はろ布３と排水ネット４の空隙を通りろ液排出管９ａより排出される。その際、実施例２では、加圧空気仕切弁７ａ開き、圧縮空気槽８の空気加圧を追加することにより、ろ液の排出を促進することができる。５）脱水汚泥は脱水汚泥排出装置９の可動部（昇降装置）により蓋を下降して取り出す。
【００１９】
【発明の効果】
本発明では、凍結融解処理装置を原汚泥槽５、凍結融解処理槽２１、冷却加熱装置２２とで構成し、この中の凍結融解処理槽２１を、原汚泥の供給および加圧が可能な汚泥供給用ポンプ６と、原汚泥の汚泥処理槽１と、原汚泥の冷却・加熱を行う伝熱体２と、原汚泥の水分をろ過して濃縮するろ布３と排水ネット４とろ液排水管９ａと、可動部を持つ脱水汚泥排水装置９とを一体化して構成している。また原汚泥の濃縮促進用と融解汚泥の脱水用には圧縮空気槽８と空気圧縮機７を設けている。
【００２０】
そのために、原汚泥の濃縮装置と凍結融解処理槽と脱水機と冷却加熱装置とが別々に構成されていた従来の凍結融解処理装置では、濃縮装置での汚泥濃度が高いと流動性が低下して汚泥の凍結融解処理槽への移送や凍結融解処理槽中の熱交換器間の空間に均一に充填するのが困難になり濃縮の度合いが制限されて消費電力量の低減が十分できないという問題点と、個別の装置を組み合わせて構成されるために凍結融解処理装置のコストが高価になるという問題点の２つが、本発明の凍結融解処理槽の一体化により一挙に解決できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の請求項１、２、３を含む凍結融解処理装置の実施例を示す図
【図２】実施例１に本発明の請求項４を追加した凍結融解処理装置の実施例を示す図
【図３】伝熱体とろ布と排水ネットとの汚泥処理槽での実際の配置例を示す断面図
【図４】実施例２の運転順序を示す図
【図５】凍結融解の原理を説明するための汚泥の顕微鏡写真例を示す図
【図６】凍結融解処理装置を用いた汚泥処理の基本方式を示す図
【図７】従来の凍結融解方式汚泥処理システムの例を示す図
【符号の説明】
１：  汚泥処理槽
２：  伝熱体（熱交換器）
３：  ろ布
４：  排水ネット
５：  原汚泥槽
６：  汚泥供給用ポンプ
６ａ：  汚泥供給弁
７：  空気圧縮機
７ａ：  加圧空気仕切弁
８：  圧縮空気槽
９：  脱水汚泥排出装置
９ａ：  ろ液排水管
１０：  圧縮冷凍機
１１ａ：  冷ブライン槽
１１ｂ：  温ブライン槽
１２ａ：  ブライン冷却用ポンプ
１２ｂ：  ブライン加熱用ポンプ
１３ａ：  ブライン冷却用熱交換器
１３ｂ：  ブライン加熱用熱交換器
１４：  冷媒容器
１５：  膨脹弁
１６ａ，ｂ：  切換弁
１７ａ，ｂ：  切換弁
２１：  凍結融解処理槽
２２：  冷却加熱装置
３１：  ろ過濃縮装置
３１ａ：  ろ布
３２：  濃縮汚泥貯槽
３３ａ，ｂ：  凍結融解処理槽
３３ｈ：  熱交換器（伝熱体）
３４：  脱水機
３５ａ，ｂ：  濃縮汚泥移送用ポンプ
３６：  ろ液排出用ポンプ
３７ａ，ｂ：  切換弁
３８ａ，ｂ：  冷熱切換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005021802.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005021802.tif 000007
【図６】
2005021802.tif 000008
【図７】
2005021802.tif 000009