(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排水の生物処理法において、汚泥の一部を導入し、超音波処理した汚泥を生物処理法による生物処理槽に移送する超音波処理槽であって、
第１の槽と第２の槽を堰によって区分し、前記第１の槽に汚泥の流入口と超音波振動子を備え、前記第２の槽に汚泥の流出口を備え、前記超音波振動子を前記堰の下方に、その放射面が鉛直方向と平行に向くように取り付け、前記超音波振動子の取り付けられた面と対向する反射壁に前記流入口を設けたことを特徴とする超音波処理槽。
【請求項２】
前記堰を、前記第１の槽又は前記第２の槽の内壁全幅に渡って設けたことを特徴とする請求項１に記載の超音波処理槽。
【請求項３】
前記流入口を、前記第１の槽の底面から前記堰までの高さの１／３以下の位置に設けたことを特徴とする請求項１に記載の超音波処理槽。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排水処理により発生する汚泥中の有機物の大幅な減量を可能とする超音波処理槽に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の汚泥減量化技術には、生物・化学的汚泥処理と、物理的汚泥処理があり、生物・化学的汚泥処理は化学薬品等を使用し短時間（８時間程度）で処理するもので大容量の汚泥処理に向いており、物理的汚泥処理は超音波等を利用して長時間（２４時間程度）を掛けて処理するもので小容量の汚泥処理に向いている（特許文献１、特許文献２参照）。そして例えば特許文献２の処理技術では、有機性汚水を好気性生物処理槽で処理し、沈殿槽で固液分離して処理水と汚泥とを得る。この汚泥を返送汚泥として好気性生物処理槽に循環するとともに、一部を余剰汚泥として貯留槽に導入する。貯留槽ではその汚泥を超音波発振子から発振される超音波を用いて可溶化処理を行い、可溶化汚泥として好気性生物処理槽に返して生物分解を行うことにより、汚泥を減容する方法が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−３４５１９２号公報
【特許文献２】
特開平１１−１２８９７５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の超音波発振装置は、生物処理槽への負荷を考慮した運転を提案するものではなく、超音波振動子の長寿命化、低消費電力でコンパクトな装置を図ることは提案されていない。
【０００５】
そこで、本発明は、超音波照射の適正化を図り、処理効率がよく超音波振動子の長寿命化を図ることのできる超音波処理槽を提供することを目的とする。
特に、本発明は、生物処理槽への負荷を考慮した運転を実現することで省エネルギーと超音波振動子の長寿命化を実現することを目的とする。
また、本発明は、低消費電力でコンパクトな超音波処理槽を実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の超音波処理槽は、排水の生物処理法において、汚泥の一部を導入し、超音波処理した汚泥を生物処理法による生物処理槽に移送する超音波処理槽であって、第１の槽と第２の槽を堰によって区分し、前記第１の槽に汚泥の流入口と超音波振動子を備え、前記第２の槽に汚泥の流出口を備え、前記超音波振動子を前記堰の下方に、その放射面が鉛直方向と平行に向くように取り付け、前記超音波振動子の取り付けられた面と対向する反射壁に前記流入口を設けたことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の超音波処理槽において、前記堰を、前記第１の槽又は前記第２の槽の内壁全幅に渡って設けたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の超音波処理槽において、前記流入口を、前記第１の槽の底面から前記堰までの高さの１／３以下の位置に設けたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態による超音波処理槽は、第１の槽と第２の槽を堰によって区分し、第１の槽に汚泥の流入口と超音波振動子を備え、第２の槽に汚泥の流出口を備え、超音波振動子を堰の下方に、その放射面が鉛直方向と平行に向くように取り付け、超音波振動子の取り付けられた面と対向する反射壁に流入口を設けたものである。本実施の形態によれば、超音波放射面の対面から汚泥を流入することで、流入した汚泥は超音波放射面に平行で１／４波長の整数倍の間隔でできる定在波によるキャビテーションの中を通過するため均一で効率の良い超音波処理ができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による超音波処理槽において、堰を、第１の槽又は第２の槽の内壁全幅に渡って設けたものである。本実施の形態によれば、堰による汚泥の対流を防止でき、スムーズな流れを実現するとともに、紫外線照射を効率的に行うことができる。
また、本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による超音波処理槽において、流入口を、第１の槽の底面から堰までの高さの１／３以下の位置に設けたものである。
これらの実施の形態によれば、槽の下層では流入する汚泥の勢いで撹拌が行われ、槽の中・上層では超音波振動子から発生する直進流及び超音波の進行方向に発生する音響放射圧によって、槽の中層に振動子から反射壁へ向かう流れが生じ、この反射壁へ向かう流れが反射することで、槽内が撹拌され、反射壁から堰へと向かって汚泥を押し流す強い水面の流れが発生する。また、槽内に撹拌装置などを取り付けることなく、良好な流動状態を実現できる。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明による実施例の汚泥処理装置について、図面を参照して説明する。図１と図２は、本発明による一実施例の汚泥処理装置を示すブロック構成図である。
図１に示すように排水処理施設は、排水を溜める調整槽１と、有機物を微生物によって処理する生物処理槽２と、生物処理槽２で処理した汚水を重力によって汚泥と水に分離する沈殿槽３と、沈殿槽３で分離させた汚泥を導入する汚泥貯留槽４と、超音波処理を施す超音波処理装置５から構成されている。
排水は、下水管を通って排水処理施設に流入する。流入した排水は、調整槽１に一旦滞留し、一定量が生物処理槽２へ流入し、生物処理槽２で繁殖した微生物（以下、一例として活性汚泥と呼ぶ）によって浄化される。生物処理槽２への流入量に応じて、活性汚泥は沈殿槽３へ流入し、重力によって余剰汚泥と処理水に分離される。分離された汚泥の一部は返送汚泥として生物処理槽２へ返送され、他は超音波処理装置５にて超音波処理を行った上で、再度生物処理槽２へ流入し、残りは余剰汚泥として汚泥貯留槽に移される。
【０００９】
図２は図１における生物処理槽２を第一生物処理槽２Ａとし、同様に図１における汚泥貯留槽４を第二生物処理槽４Ａとして構成されている。
排水は、下水管を通って排水処理施設に流入する。流入した排水は、調整槽１に一旦滞留し、一定量が第一生物処理槽２Ａへ流入し、第一生物処理槽２Ａで繁殖した活性汚泥によって浄化される。第一生物処理槽２Ａへの流入量に応じて、活性汚泥は沈殿槽３へ流入し、重力によって余剰汚泥と処理水に分離される。余剰汚泥の一部は返送汚泥として第一生物処理槽２Ａへ返送され、残りは第二生物処理槽４Ａへ移され、超音波処理装置５にて超音波処理を行った上で、再度第二生物処理槽へ流入する。第二生物処理槽には必要に応じて、汚泥中の水分を除去するために、例えば膜分離装置を設置し、膜透過水は調整槽に流入する。なお、膜透過水は曝気槽に流入させてもよいし、そのまま放流することも可能である。また、膜分離装置は第二生物処理槽の外部に設置してもよい。
【００１０】
次に、超音波処理装置の制御方法について図３から図６を用いて説明する。
図３は、本発明の一実施例による超音波処理装置の一部の構成を示す概略図である。
余剰汚泥の一部は、流量制御弁１１を通って超音波処理槽５０に導入される。この導入される汚泥の量は流量計１２によって計測される。制御部１３は、流量計１２によって計測された流量が入力され、流量制御弁１１と超音波振動子１４を制御する。なお、これは一例であって、定量ポンプを用いてもよい。
【００１１】
図４は、本発明の一実施例による超音波処理装置の制御方法を示すフローチャートである。
まず、余剰汚泥発生量（Ａ［Ｌ／ｄａｙ］）を入力する（Ｓ１）。また、超音波照射レベル（Ｃ［％］  定格比）を入力する（Ｓ２）。
入力された余剰汚泥発生量に基づいて処理流量（Ｑ［Ｌ／ｍｉｎ］＝Ｋ×Ａ÷（２４×６０））が制御部１３において計算される（Ｓ３）。ここで、Ｋは処理倍数であり、１〜１０、好ましくは２〜５倍とする。
流量計１２によって流量が計測され（Ｓ４）、Ｓ３で算出された処理流量となるように、制御部１３は流量制御弁１１を調整する（Ｓ５）。
そして制御部１３は、流量（Ｑ）、超音波振動子１４の定格出力（Ｐ［Ｗ］）、及び超音波照射レベル（Ｃ［％］）から超音波照射量（Ｐｃ＝０．０１・Ｃ・（Ｐ・Ｖ）／（６０・Ｑ）［Ｗｈ］）を算出する（Ｓ６）。なお、Ｖ［Ｌ］は超音波照射槽の体積、Ｖ／Ｑ（［ｍｉｎ］）は汚泥の超音波照射槽への滞留時間、（Ｐ・Ｖ）／（６０・Ｑ）（［Ｗｈ］）は定格超音波照射量である。
超音波振動子１４の運転モードとして、強運転モードと弱運転モードとを備える場合には、弱運転モードでの超音波処理の時間を、強運転の１０％〜５０％として、生物処理槽２の余力で汚泥を分解し、超音波振動子の長寿命化を図ることが好ましい。
制御部１３は、指示された超音波照射量となるように超音波振動子１４の運転時間を決定する（Ｓ７）。
【００１２】
図５は、本発明の一実施例による超音波処理装置の制御パターンを示すタイムチャートである。
生物処理槽２へ流入する排水の量は家庭の生活サイクルによって増減するため、生物処理槽２への負荷も家庭の生活サイクルに応じて変化する。図４に生物処理槽２への排水流入量の時間変化を示す。同図に示すように、早朝〜深夜と深夜〜早朝とに大別することができる。
従って本実施例では、生物処理槽２への負荷が大きくなる早朝〜深夜は超音波振動子１４を「強運転モード」で運転し、生物処理槽２への負荷が小さくなる深夜〜早朝は超音波振動子１４を「弱運転モード」で運転することで、省エネルギーと超音波振動子１４の長寿命化を実現することができる。
例えば、超音波振動子の定格出力（Ｐ［Ｗ］）と超音波照射量（Ｐｃ［Ｗｈ］）より決定される超音波照射時間（Ｔ［ｍｉｎ］）は、強運転モード（早朝〜深夜の場合）ではＴ＝（Ｐｃ／Ｐ）・６０［ｍｉｎ］とし、弱運転モード（深夜〜早朝の場合）では０．１Ｔ〜０．５Ｔとする。
ここで、１時間以内のサイクルで超音波振動子１４の運転をＯＮ−ＯＦＦすることが好ましい。例えば数時間に１回、流量やその他濁度を計測し、超音波振動子１４の運転時間をＯＮ−ＯＦＦするようにした場合、超音波振動子１４の放射面に汚泥が付着し、超音波振動子１４の故障の原因となる。また、超音波処理槽５０の底面に汚泥が沈殿してしまうことがある。
【００１３】
図６は、本発明の一実施例による超音波処理装置の操作方法を示すフローチャートである。本操作は主にユーザが操作するが、汚泥の発生量のデータを施設側から受信して、自動で処理することもできる。
まず、排水処理施設の運転管理データから汚泥の発生量（Ｌ／ｄａｙ）を確認（受信）する（Ｓ１１）。
そして、超音波処理装置５に汚泥の発生量と超音波照射レベルを指示（出力）（最初は５０％）する（Ｓ１２）。
Ｓ１２の指示（出力）後、運転を開始してから所定期間（例えば２〜４週間）後に汚泥の発生量を確認する（Ｓ１３）。確認の結果、汚泥の発生量が減少していれば超音波照射レベルを維持し（Ｓ１４）、汚泥の発生量に変化がないか、又は汚泥の発生量が増加している場合には超音波照射レベルを上げる（Ｓ１５）。このように汚泥の発生量や生物処理槽２の負荷に応じて照射量を制御する。例えば生物処理槽２への負荷が大きくなる早朝〜深夜は超音波振動子１４を「強運転モード」で運転し、生物処理槽２への負荷が小さくなる深夜〜早朝は超音波振動子１４を「弱運転モード」で運転することで、省エネルギーと超音波振動子の長寿命化を実現することができる。
【００１４】
次に、超音波処理装置の全体構成について図７を用いて説明する。
図７は、本発明の一実施例による超音波処理装置の全体構成を示す概略図である。
本実施例の超音波処理装置５は、小流量でも流れが安定するように、装置本体の下方に汚泥取入口６が配置され、汚泥はこの汚泥取入口６から一旦装置本体の上部に移動され、上部から下方に移動するにしたがって汚泥は処理され、装置本体下部に設けた汚泥返送口７から排出される。汚泥を汚泥取入口６から装置本体の上部に移動させる配管には、流量制御弁１１、流量計１２、濁度計１５を配置している。一方、汚泥を装置本体上部から汚泥返送口７に移動させる配管には、２つの超音波処理槽５０Ａ、５０Ｂを配置している。そして汚泥は、上部に配置された超音波処理槽５０Ａで処理された後に、超音波処理槽５０Ａよりも下方に配置された超音波処理槽５０Ｂで処理され汚泥返送口７に導かれる。
超音波処理装置５は、超音波処理槽５０にあわせて超音波発信器１６Ａ、１６Ｂが設けられ、超音波発信器１６Ａは超音波処理槽５０Ａに設置された超音波振動子１４Ａを発信させ、超音波発信器１６Ｂは超音波処理槽５０Ｂに設置された超音波振動子１４Ｂを発信させる。超音波処理槽５０Ａと超音波処理槽５０Ｂとの間の連絡管には脱気パイプ１８を用いる。開閉弁１７は、装置本体内の汚泥を排出する場合に用いられる。
【００１５】
本実施例の超音波処理装置５では、最上段の超音波処理槽５０Ａへ取り込まれた汚泥は、ポンプなどの動力源を使わずに重力で装置内を流れ、排水処理施設へ返送することができる。超音波処理槽５０が２槽以上の場合には、超音波処理槽５０を上下方向に高低差を持たせて配置することが好ましい。
本実施例の超音波処理装置５は、上記のような超音波処理槽５０の配置や配管構成とすることで、低消費電力でコンパクトな装置を実現でき、既設の排水処理施設に取り付ける場合にも適するものである。
【００１６】
次に、超音波処理装置の処理槽について図８から図１２を用いて説明する。
図８は本発明の一実施例による超音波処理装置の処理槽の構成を示す側面図、図９は同処理槽の上面図である。
超音波処理槽５０は、その内部に第１の槽５１と第２の槽５２とを備え、第１の槽５１と第２の槽５２とは、堰５３によって区画され、第１の槽５１内の汚泥は、この堰５３を越えて第２の槽５２に導かれる構成となっている。堰５３の幅は第１の槽５１又は第２の槽５２の内壁間に設け、内壁全幅に設けることが好ましい。
第１の槽５１の、堰５３側の面には超音波振動子１４がその放射面が鉛直方向と平行に向くように取り付けられ、この超音波振動子１４の取り付けられた面と対向する面（反射壁）に汚泥の流入口５４が設けられている。一方第２の槽５２の下部には汚泥を排出する流出口５５が設けられている。また第１の槽５１の底面には、第１の槽５１の底面に沈殿した汚泥を排出するドレイン口５６を設けている。汚泥は、超音波振動子１４の取り付け面の上方の堰５３によって、超音波振動子１４の上方から、堰５３によって一定の水位を保って溢れさせる。
ここで、流入口５４は、超音波振動子１４の高さ方向に、下部から１／３以下の位置に設ける。また流入口５４は、第１の槽５１の底面から堰５３までの高さの１／３以下の位置に設ける。そしてこの流入口５４は、第１の槽５１内に波長λ以下の長さの突出部を形成して取り付けることが好ましい。なお、超音波の発振周波数をｆ［Ｈｚ］、水中の音速をａ［ｍ／ｓ］とした時の超音波の波長λ［ｍ］は、λ＝ａ／ｆ［ｍ］である。
堰５３よりも上方位置の第２の槽５２には、紫外線照射手段であるＵＶ灯２０を取り付けている。このＵＶ灯２０は直管型又はＵ字管型であり、その中心軸が堰５３と平行になるように取り付ける。
ＵＶ灯２０を第２の槽５２に設けることで、汚泥は超音波照射が行われた後にＵＶ灯２０によって照射される。また汚泥へのＵＶ照射は、堰５３を流下する際と、排出口へ滞留した際に行われる。
【００１７】
本実施例は上記構成によって、汚泥に対してまず超音波照射が行われ、超音波によって汚泥のフロックが分散・破砕し、汚泥粒子に光のあたる表面積が増加する。また汚泥は、堰５３によって薄く伸ばされ、堰５３を越えた後も堰５３の表面をつたって薄く伸ばされながら流下する。更に流下した流れは薄く伸ばされた状態で流出口へ向けて流れる。ＵＶ灯２０は、薄く伸ばされた汚泥に対して紫外線があたるように取り付けられているため、濁度が大きい汚泥であっても全量に対して均一に紫外線を照射することができる。このように汚泥は均一にＵＶを吸収するため、汚泥細胞が十分に破壊する。
なお、ＵＶ灯２０の点灯時間を積算し、定格の寿命時間に達するとＵＶ灯２０の交換をユーザに促す表示機構を備えていることが好ましい。ＵＶ灯２０は点灯の積算時間によって劣化が進み、殺菌能力が定格に対してある割合よりも低くなった場合を寿命と呼ぶ。したがって、ＵＶ灯２０の点灯時間を積算し、ユーザに対してＵＶ灯２０の交換を促す機構がついていることで、ＵＶ灯２０の劣化による汚泥処理能力の低下を防ぐことができる。
【００１８】
本実施例によれば、特別にポンプや撹拌機を使用することなく、超音波処理槽５０へ重力で流入する汚泥の勢いと超音波発振による直進流を組み合わせることで超音波処理槽５０内での流動性を確保し、超音波の音場を安定させ汚泥処理の効率を向上し、安定した汚泥処理を低消費電力で行い、同時に超音波振動子１４の長寿命化も達成することができる。
また本実施例によれば、汚泥に対して超音波処理とＵＶ処理を組み合わせることで、汚泥の処理効率を高めることができる。つまり、ＵＶ灯２０を活用して超音波振動子１４の運転時間や出力をできるだけ低いレベルで運転し、低消費電力と超音波振動子１４の長寿命化を達成することができる。
【００１９】
図１０は同処理槽内の撹拌の状態を示す説明図である。
同図に示すように、第１の槽５１の下層では流入する流れの勢いで撹拌が行われ、第１の槽５１の中・上層では超音波振動子１４から発生する直進流によって、第１の槽５１の中層に振動子から反射壁へ向かう流れが生じ、この直進流が反射することで、第１の槽５１内が撹拌され、反射壁から堰５３へと向かって汚泥を押し流す強い水面の流れが発生する。このように第１の槽５１内に撹拌装置などを取り付けることなく、良好な流動状態を実現できる。
超音波放射面の対面から汚泥を流入することで、流入した汚泥は超音波放射面に平行で１／４波長の整数倍の間隔でできる定在波によるキャビテーションの中を通過する。仮に側面から汚泥を流入させると、汚泥はある一面のキャビテーションしか通過できず、超音波処理の効率は低下するが、本実施例では、キャビテーションの中を通過するため均一で効率の良い超音波処理ができる。
【００２０】
次に、ＵＶ灯を使用した場合の影響について以下に説明する。
図１１は同処理槽内でのＵＶ灯を使用した場合の影響を示すグラフ、図１２は溶存有機炭素（ＤＯＣ）と超音波照射出力との関係、及びＵＶ照射の影響を示すグラフである。
図１１では流量２Ｌ／ｍｉｎにおいて、無処理の場合、ＵＶ処理のみを行った場合、超音波処理のみを行った場合、超音波処理を行った後にＵＶ処理を行った場合についてのそれぞれのＤＯＣ（溶存有機炭素）を示している。同図に示すように、ＵＶ灯のみの処理の場合には無処理の場合と比べてＤＯＣに大きな変化は見られないが、超音波処理を施したものでは、ＵＶ処理を行う場合と行わない場合でＤＯＣに大きな変化が見られる。このことから、ＵＶ処理を超音波と併用することで、より相乗効果が高まることが分かる。
【００２１】
図１２は、超音波の照射出力を変化させた場合で、ＵＶ灯をＯＮした場合とＵＶ灯をＯＦＦした場合のＤＯＣの分析結果を示している。同図より超音波照射出力を大きくするほど効果は高くなるが、超音波出力が２８０Ｗを越えると、その効果の増加度合いが大きくなっていることが分かる。また超音波出力が大きいほど、すなわち超音波による分散・破砕作用を大きくするほどＵＶ灯の効果も大きくなっていることが分かる。
以上のことからも超音波照射の後に、ＵＶ灯を作用させることが重要であることが分かる。
このように超音波とＵＶ灯を併用することで、超音波振動子の運転時間を減少し、振動子の寿命を長くすることができる。
【００２２】
なお、本実施例では、超音波振動子を備えた超音波処理槽５０を２つの場合で説明したが、３つ以上の超音波処理槽５０を、高低差を持たせて配置し、汚泥を上方に位置する処理槽から順に下方に位置する処理槽に流出するように構成してもよい。
また、濁度計や酸素濃度計を用いることで、汚泥の状態を検出して超音波照射時間を制御してもよい。
また、本実施例における汚泥処理装置は、その他の汚泥処理に利用できる他、水の浄化や土壌の浄化としても利用することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、超音波照射の適正化を図り、処理効率がよく超音波振動子の長寿命化を図ることができる。特に、生物処理槽への負荷を考慮した運転を実現することで省エネルギーと超音波振動子の長寿命化を実現することができる。
また、本発明は、紫外線照射を併用し、紫外線照射を効率よく照射することで、更に低消費電力でコンパクトな装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による一実施例の汚泥処理装置を示すブロック構成図
【図２】  本発明による一実施例の汚泥処理装置を示すブロック構成図
【図３】  本発明の一実施例による超音波処理装置の一部の構成を示す概略図
【図４】  本発明の一実施例による超音波処理装置の制御方法を示すフローチャート
【図５】  本発明の一実施例による超音波処理装置の制御パターンを示すタイムチャート
【図６】  本発明の一実施例による超音波処理装置の操作方法を示すフローチャート
【図７】  本発明の一実施例による超音波処理装置の全体構成を示す概略図
【図８】  本発明の一実施例による超音波処理装置の処理槽の構成を示す側面図
【図９】  同処理槽の上面図
【図１０】  同処理槽内の撹拌の状態を示す説明図
【図１１】  同処理槽内でのＵＶ灯を使用した場合の影響を示すグラフ
【図１２】  溶存有機炭素（ＤＯＣ）と超音波照射出力との関係、及びＵＶ照射の影響を示すグラフ
【符号の説明】
１    調整槽
２    生物処理槽
２Ａ  第一生物処理槽
３    沈殿槽
４    汚泥貯留槽
４Ａ  第二生物処理槽
５    超音波処理装置
６    汚泥取入口
７    汚泥返送口
１４    超音波振動子
２０    ＵＶ灯（紫外線照射手段）
５０    超音波処理槽
５１    第１の槽
５２    第２の槽
５３    堰
５４    流入口
５５    流出口
【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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【図１１】
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【図１２】
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