(57)【要約】【課題】本発明は汚泥処理装置およびそれを用いた汚泥処理システムに関し、ランニングコストを低減し、小型化、省メンテナンス化することを目的とする。【解決手段】汚泥が流入する汚泥流入口２８と、処理した前記汚泥を流出する汚泥流出口３０を設けた超音波処理槽１７内に、直流電源３９のプラス側に接続した陽極３５と、前記直流電源３９のマイナス側に接続した陰極３２と、超音波発振器２９に接続した振動面４２を有する超音波振動子２７を備え、前記陰極３２及び陽極３５を前記超音波振動子２７によって形成される音場空間の外に配置する構成とした汚泥処理装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥を流入する流入口と、処理した前記汚泥を流出する流出口を設けた処理槽内に、直流電源のプラス側に接続した陽極と、前記直流電源のマイナス側に接続した陰極と、前記処理槽内を陽極近傍の酸性領域と陰極近傍のアルカリ性領域を区分する隔膜と、超音波発振器に接続し振動面を有した超音波振動子を備え、前記陽極と前記陰極を超音波振動子により形成される音場空間の外に配置する構成とした汚泥処理装置。
【請求項２】
陰極近傍のアルカリ性化した汚泥を音場に送り込む汚泥移送手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の汚泥処理装置。
【請求項３】
汚泥移送手段として、空気を送る散気孔を陽極と陰極又は隔膜の下方に配置したことを特徴とした請求項２記載の汚泥処理装置。
【請求項４】
汚泥移送手段として、陽極と陰極及び隔膜の面に沿って水流を生じさせる水流発生部を配置することを特徴とした請求項２記載の汚泥処理装置。
【請求項５】
陰極と陽極を超音波振動子の振動面に対し平行に配置することを特徴とした請求項１記載の汚泥処理装置。
【請求項６】
陰極と陽極を超音波振動子の振動面に対し垂直に配置することを特徴とした請求項１記載の汚泥処理装置。
【請求項７】
陰極と陽極を超音波振動子によって形成される音場の境界面に沿って配置することを特徴とした請求項６記載の汚泥処理装置。
【請求項８】
陰極と陽極を複数枚配置することを特徴とした請求項５又は６記載の汚泥処理装置。
【請求項９】
陰極と陽極を平行に交互に配置することを特徴とした請求項８記載の汚泥処理装置。
【請求項１０】
超音波振動子の振動面を陰極とすることを特徴とした請求項１記載の汚泥処理装置。
【請求項１１】
処理槽の内壁面を陰極とすることを特徴とした請求項１記載の汚泥処理装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一つに記載の汚泥処理装置を用いた汚泥処理システムにおいて、排水が流入する調整部と、この調整部の下流に設けた曝気部と、この曝気部の下流に設けた沈殿部と、この沈殿部に堆積した汚泥を貯留する汚泥貯留部とを備え、前記沈殿部または前記汚泥貯留部内の汚泥を前記汚泥処理装置に導き、前記汚泥処理装置で処理された汚泥を前記調整部又は曝気部に戻すことを特徴とする汚泥処理システム。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれか一つに記載の汚泥処理装置を用いた汚泥処理システムにおいて、排水が流入する調整部と、この調整部の下流に設けた曝気部と、この曝気部の下流に設けた沈殿部と、この沈殿部に堆積した汚泥を生物処理するとともに分離膜によって縣濁成分と処理水に分離する汚泥貯留部を備え、前記汚泥貯留部内の汚泥を前記汚泥処理装置に導き、前記汚泥処理装置で処理された汚泥を前記汚泥貯留部に戻すことを特徴とする汚泥処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排水処理で生じる汚泥を処理する装置とそれを用いた汚泥処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
下水処理場や事業場等での有機物排水処理は活性汚泥等の微生物による酸化分解処理によりなされている。この工程において、微生物（細菌、原生動物など）は水中の有機物を生物活動に必要なエネルギー源として消費し、主に二酸化炭素と水に分解するが、一部は微生物の増殖にも利用される。すなわち基本的に水中の有機物は分解されて処理系外へ放出されるが、一部は微生物の増殖分として系内に保持される。排水処理では通常このような過剰に増殖した微生物を余剰汚泥として系外へ引き抜き、処理系内を運転に適正な濃度に維持するわけであるが、引き抜かれた余剰汚泥は産業廃棄物として濃縮、脱水した後、埋め立て処分や焼却処理されている。しかし、近年では埋め立て処分場の受け入れ容量が不足している問題や、焼却の費用の問題、焼却場周辺に与える環境的な問題もあり、余剰汚泥自体の発生量を削減する技術が要望されている。余剰汚泥の発生量を削減するには、生物処理の有機物分解効率を改善して汚泥発生量を低減する方法（例えば膜分離活性汚泥法）や、発生した余剰汚泥を分解、可溶化して再び有機物として生物処理槽に戻して処理する方法が知られており、最近では余剰汚泥を可溶化する様々な技術が開発されてきている。
【０００３】
ここで、余剰汚泥を可溶化する技術としては、物理的方法や化学的方法、生物的方法が知られており、物理的方法としては、超音波処理、高速噴流処理、ミル破砕処理等があり、化学的方法として、オゾン酸化処理、フェントン反応処理、熱アルカリ処理、強酸性電解水処理、水熱処理（高温高圧処理）等が、生物的方法としては好熱細菌処理等があり、この中でも特に超音波処理は他の方法に比較して、小型化、省電力化が可能であり、薬剤や熱源、高温高圧容器等を用いないためメンテナンスが容易でランニングコストが低いという特徴があり、主に小型かつ省メンテナンス性が要求される農業集落排水処理施設等での小規模排水処理施設での応用が進められている。
【０００４】
超音波処理は水中に超音波を照射して水中で発生する圧力の粗密波によりキャビテーションを生じさせ、その衝撃波により余剰汚泥を破砕、可溶化する技術であるが、他の高エネルギーを付加する方式と比較すると破砕、可溶化能力が低い課題がある。このため、超音波処理の特徴を活かしつつ汚泥の破砕、可溶化能力を高める方法として、超音波処理とアルカリ処理を組み合わせた処理方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
この方法は、超音波の破砕、分解作用とアルカリによる加水分解作用の複合を基本とし、超音波の攪拌、加熱作用によりアルカリの加水分解作用を高める相乗効果により、超音波単独処理と比較して余剰汚泥の分解、可溶化効果を高めることができる。
【０００６】
また、同様の処理方法として、余剰汚泥へのアルカリ水の供給を食塩水の電気分解により行う方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
この方法では、食塩水の電気分解による陰極（カソード）側に発生したアルカリ水を汚泥と接触させてアルカリ処理を行った後、超音波処理を行うものである。
【特許文献１】特開２００１−３８３９７号公報
【特許文献２】特開平１１−１４７１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１のような従来の汚泥処理方法においては、アルカリ処理するのに水酸化ナトリウム溶液を汚泥に滴下する方法を用いており、水酸化ナトリウム溶液のような強アルカリは取り扱いに十分注意する必要がありメンテナンス性において大きな課題があった。
【０００９】
同様に、上記特許文献２のような従来の汚泥処理装置においても、電気分解を行うためには食塩が必要であり、超音波処理の最大の特徴であるメンテナンス性や低ランニングコストを最大限に活かしていないという課題があった。
【００１０】
また、水の電気分解処理とアルカリ処理と超音波処理を専用槽でそれぞれ単独に行うため設置スペースが大きくなり小型化できないという課題があった。
【００１１】
そこで本発明は、このような従来の超音波処理とアルカリ処理を組み合わせた汚泥処理装置の課題を解決するものであり、汚泥処理装置を小型かつ低ランニングコスト化、省メンテナンス化することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の排水処理装置は上記目的を達成するために、汚泥を流入する流入口と、処理した前記汚泥を流出する流出口を設けた処理槽内に、直流電源のプラス側に接続した陽極と、前記直流電源のマイナス側に接続した陰極と、前記処理槽内を陽極近傍の酸性領域と陰極近傍のアルカリ性領域を区分する隔膜と、超音波発振器に接続し振動面を有した超音波振動子を備え、前記陽極と陰極を超音波振動子により形成される音場の外に配置する構成としたものである。
【００１３】
また、他の手段は、陰極近傍のアルカリ性化した汚泥を音場に送り込む汚泥移送手段を備えたものである。
【００１４】
また、汚泥移送手段として、空気を送る散気部を陽極と陰極又は隔膜の下方に配置するものである。
【００１５】
また、汚泥移送手段として、陽極と陰極及び隔膜の面に沿って水流を生じさせる水流発生部を配置するものである。
【００１６】
また、陰極と陽極を超音波振動子の振動面に対し平行に配置するものである。
【００１７】
また、陰極と陽極を超音波振動子の振動面に対し垂直に配置するものである。
【００１８】
また、陰極と陽極を超音波振動子によって形成される音場の境界面に沿って配置するものである。
【００１９】
また、陰極と陽極を複数枚配置するものである。
【００２０】
また、陰極と陽極を平行に交互に配置するものである。
【００２１】
また、超音波振動子の振動面を陰極とするものである。
【００２２】
また、処理槽の内壁面を陰極とするものである。
【００２３】
また、排水が流入する調整部と、この調整部の下流に設けた曝気部と、この曝気部の下流に設けた沈殿部と、この沈殿部に堆積した汚泥を貯留する汚泥貯留部とを備え、前記沈殿部または前記汚泥貯留部内の汚泥を前記汚泥処理装置に導き、前記汚泥処理装置で処理された汚泥を前記調整部又は曝気部に戻すものである。
【００２４】
また、排水が流入する調整部と、この調整部の下流に設けた曝気部と、この曝気部の下流に設けた沈殿部と、この沈殿部に堆積した汚泥を生物処理するとともに分離膜によって縣濁成分と処理水に分離する汚泥貯留部を備え、前記汚泥貯留部内の汚泥を前記汚泥処理装置に導き、前記汚泥処理装置で処理された汚泥を前記汚泥貯留部に戻すものである。
【発明の効果】
【００２５】
以上のような構成とすることにより、小型かつ低ランニングコスト、省メンテナンス性を両立した汚泥処理装置が実現できる。
【００２６】
また、曝気槽の能力によらず、広く汚泥削減を適用できる汚泥処理システムを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明による実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
以下、本発明による実施の形態の汚泥処理装置について、図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態における汚泥処理装置を示す構成図、図２は超音波処理槽を上面からみた概略図、図３は超音波処理槽を正面から見た断面の概略図、図４は超音波処理槽を側面から見た断面の概略図、図５は汚泥処理ステムを示すブロック図である。
【００２９】
図５において本実施の形態の汚泥処理装置を含む汚泥処理システムは排水を溜める調整部１と、有機物を活性汚泥によって酸化・分解する曝気部２と、曝気部２で処理した排水を重力によって汚泥と処理水とに分離する沈殿部３と、沈殿部３で分離させた汚泥を貯留する汚泥貯留部４と汚泥貯留部４の汚泥を処理する本発明の汚泥処理装置５から構成されている。
【００３０】
汚泥処理装置５は流入口６と処理水流入口７と流出口８および汚泥返送口９を有し、流入口６は汚泥貯留部４の内部に配置した吸引ポンプ１０と接続され、流出口８は調整部１又は調整部１と曝気部２の間に接続され、汚泥返送口９は汚泥貯留部４と接続されている。
【００３１】
また、処理水流入口７は沈殿部３と処理水ポンプ１１を介して接続されている。
【００３２】
また、曝気部２の底部には排水中に有酸素気泡を供給する曝気ブロア１２と接続された曝気管１３が設けられている。ここで、本実施の形態の汚泥処理装置５で処理対象となる汚泥は汚泥貯留部４に貯留されている。
【００３３】
次に、本実施の形態による汚泥処理装置５の構成について詳細に説明する。
【００３４】
図１において本体ケース１４内に、高速旋回分離槽１５と低速旋回分離槽１６と超音波処理槽１７とを備えている。ここで高速旋回分離槽１５と低速旋回分離槽１６とによって異物分離装置が構成される。
【００３５】
高速旋回分離槽１５は上部が円筒状で、下部が円錐状のケーシングから構成されており、流入口６から汚泥取込み管Ａを通じて取り込んだ汚泥を遠心分離により少量の中間処理汚泥と残りの汚泥に分岐させるとともに、汚泥に含まれる比較的大きく、重い異物を汚泥とともに汚泥返送管Ｃを通り汚泥返送口９から汚泥貯留部４へ還流させるものである。
【００３６】
低速旋回分離槽１６は円筒状の胴部分１８とおわん状の底部分１９とで構成されており，低速旋回分離槽１６の胴部分１８には、中間処理汚泥を低速旋回分離槽１６に導入する槽間接続管Ｂと、処理汚泥を流出する処理汚泥流出管Ｄとを低速旋回分離槽１６内に突き出して設けている。汚泥を導入する槽間接続管Ｂは、処理汚泥流出管Ｄより下方側で、底部分１９よりも上方側に配置されており、槽間接続管Ｂの低速旋回分離槽流入口２０にはエルボが形成されている。
【００３７】
上記の構成において、低速旋回分離槽１６内で胴部分１８の接線方向へ中間処理汚泥を流出させ、流出させた中間処理汚泥の流速を使って低速旋回分離槽１６内に緩やかな旋回液流を形成し、低速旋回分離槽１６内の流れを整流すると共に、低速旋回液流によって発生する弱い遠心力で中間処理汚泥よりも重い質量の異物、例えばトイレットペーパーや毛髪等、を低速旋回分離槽１６の内周部へ緩やかに移動させつつ凝集させ、重力によって沈降分離することができる。
【００３８】
一方、必要な処理汚泥のみを低速旋回分離槽１６から取り出し、分離した異物は低速旋回分離槽１６の底部の汚泥返送接続管Ｈから汚泥貯留部４へ還流させている。
【００３９】
処理汚泥流出管Ｄの導入口２１は低速旋回分離槽１６内の水面より下で上側に開口しており、低速旋回分離槽１６の水面に浮上した浮遊性の異物、底部分１９に沈降した沈降性の異物、及び旋回流による慣性力で旋回流分離槽１６の内周へ分離された異物を導入することなく、処理液の排出が可能となっている。
【００４０】
このように、超音波処理槽１７へ流入させる汚泥に含まれる異物を極力少なくすることで、超音波処理を効率よく行うことができる。
【００４１】
次に超音波処理槽１７についてさらに詳しく説明する。
【００４２】
堰２４Ａ、２４Ｂは、第一の処理槽２２又は第二の処理槽２３Ａ、２３Ｂの内壁間に、内壁全幅に渡って上端面が水平となっている。
【００４３】
また、堰２４Ａ、２４Ｂの上端面は全幅に渡って凸曲面２５とし、凸曲面２５の第二の処理槽側から堰２４Ａ、２４Ｂと約１０度の角度で汚泥案内板２６を設けている。
【００４４】
更に、一方の第二の処理槽２３Ａにおける堰２４Ａの上端面と、他方の第二の処理槽２３Ｂにおける堰２４Ｂの上端面との高さを異ならせており、第二の処理槽２３Ａ、２３Ｂ及び汚泥案内板２６の内壁はフッ素樹脂によるコーティングが施してある。
【００４５】
また、第一の処理槽２２の、堰２４Ａ側の面には、直方体形状の超音波振動子２７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２７の取り付けられた面と対向する面（反射壁）に、汚泥流入口２８が設けられている。超音波振動子２７は超音波処理槽１７の外部に設置された超音波発振器２９と接続されており、汚泥流入口２８は処理汚泥流出管Ｄに接続されている。
【００４６】
一方第二の処理槽２３Ａ、２３Ｂの下部には、汚泥を排出する汚泥流出口３０が設けられている。この汚泥流出口３０は、流出口８と接続した流出管Ｆに接続されている。
【００４７】
また第一の処理槽２２の底面には、第一の処理槽２２の底面に沈殿した汚泥を排出するドレン口３１を設けている。
【００４８】
汚泥は、超音波振動子２７の取り付け面の上方の堰２４Ａによって、超音波振動子２７の上方から、堰２４Ａによって一定の水位を保って溢れさせる。
【００４９】
ここで、汚泥流入口２８は、超音波振動子２７の高さ方向に、下部から１／３以下の位置に設けるか、または、第一の処理槽２２の底面から堰２４Ａまでの高さの１／３以下の位置に設ける。
【００５０】
そしてこの汚泥流入口２８は、第一の処理槽２２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、波長λとは超音波の発振周波数をｆ［Ｈｚ］、水中の音速をａ［ｍ／ｓ］とした時にλ＝ａ／ｆ［ｍ］で表される。
【００５１】
上記の構成において、堰２４Ａ、２４Ｂの上端面が水平で凸曲面となっているので、堰２４Ａ、２４Ｂの上端面における表面張力の影響を小さくすることができ、第一の処理槽２２から流出する超音波処理汚泥を、堰２４Ａ、２４Ｂの全面に渡って均一に流出させることができる。
【００５２】
この結果、第一の処理槽２２内の汚泥の流れが整流されて偏りのない流れとなり、超音波処理を均一に行うことができ、第一の処理槽２２の液面に浮上した異物や泡沫が第一の処理槽２２の堰部分２４Ａ、２４Ｂに滞留しないようにすることができる。
【００５３】
また、堰２４Ａ、２４Ｂの上端面を越流した超音波処理汚泥が汚泥案内板２６を流下することで、堰２４Ａ、２４Ｂを垂直に流下する場合に比べ、第一の処理槽２２から越流する超音波処理汚泥の流れが滑らかに転向することとなり、堰２４Ａ、２４Ｂの上端面に異物が付着することを防ぐことができ、特に、髪の毛やトイレットペーパーなどのように細長い形状の異物の付着を防ぐ場合に有効である。
【００５４】
なお、第二の処理槽２３Ａ、２３Ｂ及び汚泥案内板２６の内壁はフッ素樹脂コーティングにより、汚泥や異物が付着し難くなっている。
【００５５】
また、汚泥案内板２６の表面を超音波処理汚泥が流下する際に、汚泥案内板２６に垂直な方向に汚泥の重さの分力が加わることとなり、汚泥と汚泥案内板間に摩擦力が生じ、汚泥案内板２６の表面に異物が付着することを防ぐことができる。
【００５６】
また、一方の第二の処理槽２３Ａにおける堰２４Ａの上端面と、他方の第二の処理槽２３Ｂにおける堰２４Ｂの上端面との高さを異ならせることで、高さの低い堰２４Ａのみへ処理汚泥を越流させることとなり、堰２４Ａを越流する超音波処理汚泥の流量を２倍にすることができるので、汚泥中の固形分が第二の処理槽２３Ａの内壁に付着し、悪臭の原因や汚泥流出口３０の閉塞の原因となることを防ぐことができる。
【００５７】
何らかの原因で、第二の処理槽２３Ａの汚泥流出口３０が汚泥などによって詰まった場合であっても、超音波処理汚泥を堰２４Ａよりも高い２４Ｂより越流させ、他方の第二の処理槽２３Ｂの汚泥流出口３０より流出させることができるので、汚泥の連続処理を確実に行うことができるとともに、超音波処理槽１７のオーバーフローを回避することができる。
【００５８】
さらに、第一の処理槽２２には陰極３２と陽極ボックス３３が、超音波振動子２７の正面の直方体形状に形成される音場空間の外側にある二つの領域に、超音波振動子２７の振動面４２に対し互いに平行に、かつ、交互に複数配置されている。
【００５９】
陰極３２はメッシュ状の孔が複数開いた金属平板であり、材質としてはステンレスやアルミニウム、炭素電極などを用いる。
【００６０】
陽極ボックス３３は、樹脂等の絶縁性材料で成型された直方体形状の容器３４の中心に金属平板で形成された陽極３５を配置し、陽極３５の二つの面の正面には２枚の隔膜３６が互いに陽極３５と平行に配置されており、隔膜３６の内外の液体が混合しないようになっている。
【００６１】
隔膜３６は一般的には多孔性のセラミック材料や有機膜が用いられるが、活性汚泥が透過しない５μｍ以下の孔径を用いることが望ましい。
【００６２】
尚、陽極３５としては不溶性のコーティングが施された金属平板が用いられ、例えば白金をコーティングしたチタンなどが使用される。
【００６３】
また、陽極ボックス３３の上方には陽極水流入口３７と陽極水流出口３８が配置され、それぞれ陽極水流入管Ｉ、陽極水流出管Ｊと接続されている。
【００６４】
また図示していないが各陽極３５、陰極３２は、それぞれ超音波処理槽１７の外部に設置した直流電源３９のプラス側、マイナス側に電気的に接続されている。
【００６５】
また、特に図示していないが、陰極３２及び陽極ボックス３３は第一の処理槽２２の内面のいかなる面にも接触しないように外部より支持固定されている。
【００６６】
ところで、超音波処理槽１７の材料をステンレスのような導電性の金属とした場合、電荷の蓄積を防ぐため、超音波処理槽１７を直流電源３９のマイナス極側に電気的に接続させてグランドに落とすが、この場合、第一の処理槽２２の内壁面も陰極３２として作用することになる。
【００６７】
その結果、二つの各電極の列の両端を陽極ボックス３３となるように配置すれば陰極３２の役割を第一の処理槽２２の内壁面が担い、陰極３２を４枚減らすことができ、電極間の隙間をより広く取れる。
【００６８】
さらに、汚泥移送手段として第一の処理槽２２の底部において、陰極３２の直下に散気孔４０が形成されており、超音波処理槽１７の外部に配置された散気ブロア４１と空気配管Ｈで接続されている。
【００６９】
上記の構成において、まず、有機物を含んだ生活排水などは、調整部１へと供給され、ここで一旦滞留し、一定流量となって曝気部２に流入する。
【００７０】
曝気部２の内部は活性汚泥が多量に存在する状態となっており、ここで曝気ブロア１２から曝気管１３を通して有酸素気泡を発生させ水中に酸素を供給するとともに曝気部２内を攪拌し、微生物による有機物の酸化・分解が行われ、その後、活性汚泥を含んだ処理水は沈殿部３へと流れ込む。
【００７１】
沈殿部３では、流れを緩やかにすることにより、処理水の中の活性汚泥を自然沈降により、上方の上澄みと下方の沈殿物とに固液分離し、この上澄みが河川または下水に処理水として排出される。
【００７２】
一方、沈殿物の一部は返送汚泥として曝気部２の上流側に戻され、再び生物処理に利用される。また、残りの沈殿物は余剰汚泥として汚泥貯留部４で一時的に貯留される。
【００７３】
汚泥貯留部４に貯留された汚泥は吸引ポンプ１０により、汚泥処理装置５の流入口６へと供給され、高速旋回分離槽１５、低速旋回分離槽１６で異物が除去され、汚泥流入口２８から第一の処理槽２２内に汚泥が所定の流量で投入され超音波振動子２７により超音波処理される。
【００７４】
一方、沈殿部３から排出される処理水の一部は処理水ポンプ１１により処理水流入口７から陽極水流入口３７を経て陽極ボックス３３へと送り込まれる。また、第一の処理槽２２内に配置された陰極３２と陽極ボックス３３内に配置された陽極３５には直流電源３９により直流電圧が印加されており、各電極では下記の反応により水が電気分解される。
【００７５】
陽極：２Ｈ2Ｏ→４Ｈ+＋Ｏ2↑＋４ｅ-
陰極：２Ｈ2Ｏ＋２ｅ-→Ｈ2↑＋２ＯＨ-
ここで、陽極ボックス３３内の陽極３５近傍は電気分解により発生した水素イオンにより酸性に、陰極３２近傍では水酸化物イオンによりアルカリ性となっている。陽極３５と陰極３２は多孔性の隔膜３６によって隔てられているため導電性を維持しながら陽極３５で発生した酸と、陰極３２で発生したアルカリが交じり合うことを防いでいる。
【００７６】
また、電気分解により陽極３５の表面からは純酸素気泡が、陰極３２の表面からは純水素気泡が発生する。
【００７７】
また、電気分解反応を連続的に行わせるには、陽極３５と陰極３２の間を電荷が移動する担い手が必要である。通常水中にはＮａ+、Ｃａ2+などの金属陽イオンやＣｌ-、ＮＯ3-、などの陰イオンが溶存しており、これらの溶存イオン成分が隔膜３６の微細孔を透過して自己が持つ電荷と反対の極性の極に引き寄せられる、いわゆる電気泳動によって電荷が第一の処理槽２２内を移動し電気分解反応を持続することができる。
【００７８】
ここで、第一の処理槽２２内の陰極３２側と接している汚泥は電気分解によって生じたＮａＯＨやＫＯＨなどから形成されるアルカリ領域に接触することによりアルカリ処理され可溶化する。アルカリによる汚泥の可溶化メカニズムは明確になっていないが、水酸化物イオンが汚泥を構成している有機物中のエステル結合の炭素原子に配位結合してアルコールとカルボキシラートイオンに加水分解すると考えられる。
【００７９】
また、第一の処理槽２２には超音波振動子２７が配置されており、超音波発振器２９により２０〜５０ｋＨｚの周波数で駆動されている。超音波振動子２７は発振素子（図示せず）と振動面４２で構成され発振素子としては主として圧電素子が用いられ、第一の処理槽２２内の、処理対象の汚泥を含んだ水と直接接触している振動面４２を介して第一の処理槽２２内を超音波振動させる。
【００８０】
ここで、汚泥は超音波振動により発生するキャビテーションが圧壊するときの衝撃波により破砕され可溶化する。このとき、汚泥を構成する難分解性の有機物は先のアルカリによる加水分解の作用により、ある程度可溶化しており、アルカリ処理をしない場合と比較して、汚泥の可溶化効果を大幅に促進することができる。
【００８１】
尚、各極板間に印加する電圧は第一の処理槽２２内の目標ｐＨにより設定されるものであり、ｐＨはできるだけ高い方がアルカリ処理効果は高いが、現実的にはｐＨを１４まで上げるのは困難で水の電気分解による目標ｐＨとしては９〜１２程度である。
【００８２】
印加する電圧は第一の処理槽２２に流入する汚泥の流量、水の導電率、極板の材質、面積、極板間隔、槽内の攪拌状況等に依存して一概に定義できるものではないが、最低でも水温や極板の材質で計算される理論電解電圧以上が必要であり、通常１０〜１００Ｖ程度に設定するが、あまり低すぎると電流が流れず反応が遅くなってｐＨの上昇が低くなり、高すぎると反応が早く進行する反面、印加した電力に対し熱に変わる分が増加して効率が低下する。
【００８３】
また、陽極３５が配置されている陽極ボックス３３では酸素の他に下記の反応で水中のＣｌ−イオンが酸化され塩素が発生する。
【００８４】
２Ｃｌ-→Ｃｌ2↑＋２ｅ-
さらに発生した塩素は下記反応で水に溶解し次亜塩素酸と塩酸に解離する。
【００８５】
Ｃｌ2＋Ｈ2Ｏ→ＨＣｌＯ＋ＨＣｌ
この反応で生じる次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）は高い酸化力を持っており、汚泥を構成する微生物を殺菌する効果もあるが、我々の実験では、次亜塩素酸は殺菌力はあるものの汚泥を可溶化する効果は殆ど無く、ここでは汚泥をアルカリ処理のみ行い陽極ボックス３３で発生した次亜塩素酸については特に利用せず曝気部２へ戻している。
【００８６】
さて、超音波処理とアルカリ処理により可溶化した汚泥は一定時間第一の処理槽２２内を滞留し、汚泥流出口３０から流出管Ｆへと排出される。また次亜塩素酸を含む酸性化した処理水は陽極水流出口３８から排出された後、陽極水流出管Ｊを通って流出管Ｆと混合し、超音波、アルカリ処理された汚泥と混合して中和され流出口８から排出されて曝気部２へ戻される。
【００８７】
ここで可溶化処理された汚泥は曝気部２で生物処理により酸化分解され、処理系内から発生する余剰汚泥を大幅に削減することができる。
【００８８】
また、電気分解を効率よく進行させるためには食塩（ＮａＣｌ）を投入する場合があるが、これは水の導電率を上げるのが目的であり、導電率が高い方が溶液抵抗が下がり電気分解の効率が高い為である。
【００８９】
本実施の形態においては外部から食塩水を投入していないため、その導電率は処理対象の水質に依存し、処理対象によっては導電率が低く電気分解の効率が低い恐れがあるが、本実施の形態では１槽同時処理による超音波処理とアルカリ処理の相乗効果により、電気分解効率の低下をカバーし可溶化を促進できる。
【００９０】
ところで、汚泥は負に帯電していることが知られており、攪拌しない状態で電気分解を長時間行うと、汚泥が陽極３５に引き寄せられるが、隔膜３６によって遮られる為、汚泥は隔膜３６に堆積して固着し、最終的には陰極３２と陽極ボックス３３の間に閉塞を生じさせる。陰極３２と陽極ボックス３３の間の空間が汚泥によって閉塞してしまうと、電気分解の効率が大幅に低下してしまううえ、閉塞した汚泥が長期間嫌気状態に曝され、嫌気性の泡沫が発生したり、悪臭を発生するなどの問題があった。特にＭＬＳＳが１０，０００ｍｇ／Ｌを超えるような高濃度の汚泥を処理する場合は、汚泥の流動性が悪いために上記のような問題が発生していた。
【００９１】
また、攪拌が無い状態で電気分解処理を行うとアルカリ化した汚泥が陰極３２の近傍に停滞し音場空間に送出されず、同様に超音波処理された汚泥がアルカリ処理されず、全体的な汚泥の処理効率が低下する。
【００９２】
これを防ぐため本発明では、汚泥を陰極３２の近傍から音場空間へ、また、音場空間から陰極３２の近傍へと移送する汚泥移送手段を設けている。
【００９３】
本実施の形態では散気孔４０が汚泥移送手段であり、散気ブロア４１によって散気孔４０から気泡を陰極３２と陽極ボックス３３の隙間に送り込むことにより、陰極３２と隔膜３６の間に気液混相の上昇流を発生させ、陰極３２や隔膜３６に堆積付着した汚泥を気泡および水流によるせん断力によって分離除去する。
【００９４】
さらに上昇した気液混相流は第一の処理槽２２内の水面上部で気泡のみが空気中に放出されるが、液流は転回し、ここで液流は下降流となって音場空間へと流入する。このようにすれば、音場空間に気泡が侵入してキャビテーションの発生を阻害することを防ぐことができ、効率よく汚泥を超音波処理することができる。
【００９５】
また、音場空間内で超音波処理された汚泥は陰極３２の下端と第一の処理槽２２の底部との間の隙間より引き込まれ、陰極３２の近傍に送出されることとなり、結果的に汚泥移送手段により陰極３２および隔膜３６の洗浄と第一の処理槽２２内の攪拌を同時に行うことができ、汚泥のアルカリ処理と超音波処理を同時に効率よく行うことができる。
【００９６】
また、汚泥を電気分解する過程において、陽極３５、陰極３２の表面には電気分解で生じた微細な純酸素気泡や純水素気泡が大量に発生する。汚泥は清浄な水に比べ有機物が多い分粘性が高く、陽極３５、陰極３２の表面に発生したこれら微細気泡は浮力によって上昇せず各極板表面に停滞し、電荷の受け渡しが気泡により阻害されるため、電気分解が進むに従い、電気分解の効率が次第に減少してくる。
【００９７】
ここで、陰極３２の下部から発生した気液混相の上昇流により、陰極表面に発生した微細気泡が除去され、電気分解の効率が低下するのを防いでいる。また、陽極３５については清浄な処理水が陽極ボックス３３を流れることにより、陽極３５における微細気泡の付着による電気分解効率の低下を防ぐことができる。
【００９８】
また、汚泥に超音波を照射して処理する場合、汚泥に超音波を照射することで、汚泥中の溶存気体がキャビテーションによって脱気され、第一の処理槽２２内の汚泥が嫌気状態となり、嫌気性の泡沫が発生し、槽内に蓄積して超音波の音場を乱すことにより、超音波による汚泥処理の効率が低下したり、超音波処理槽１７の汚泥流出口３０を嫌気性の泡沫が閉塞したり、悪臭を発生するなどの問題があったが、これも散気孔４０から発生する気液混相流による攪拌効果、酸素供給効果により防止することができる。
【００９９】
特に本実施の形態では超音波によって形成される音場空間を乱さないように電極や汚泥移送手段を配置しているのが特徴であり、これにより超音波処理による汚泥の破砕効果と電気分解により生じたアルカリ処理による可溶化効果を両立しながら大幅な小型化、低コスト化を実現できる。
【０１００】
上記のように、本発明によれば、汚泥を直接電気分解することにより、食塩を用いることなくアルカリ処理することができるため、強アルカリや食塩を管理、備蓄、投入する為のコストを低減できる。
【０１０１】
また、一つの処理槽内で水の電気分解と汚泥のアルカリ処理、超音波処理を行うことにより処理対象の導電率によらず可溶化の効果を高めることができる。さらに電極と汚泥移送手段を超音波の音場空間の外に配置することにより超音波の減衰を発生させること無く構成部品の集積度を高め、装置を大幅に小型化できる。
【０１０２】
（実施の形態２）
図６〜図８は本発明の他の実施形態を示している。図６は超音波処理槽を上面からみた概略図、図７は超音波処理槽を正面からみた断面の概略図、図８は超音波処理槽を側面からみた断面の概略図である。
【０１０３】
なお、実施の形態１と同様の構成や作用を有するものについては同一符号を付し、その説明を省略する。
【０１０４】
本実施の形態は実施の形態１のうち、陰極３２と陽極ボックス３３を超音波振動子２７に対し垂直に配置した時のものである。ここで、第一の処理槽２２には陰極３２と陽極ボックス３３が超音波振動子２７の前面の直方体形状に形成される音場空間の外側にある二つの領域において、超音波振動子２７の振動面４２に対し１組ずつ垂直に配置されている。陰極３２は第一の処理槽２２の中央よりに、陽極ボックス３３は内壁面よりに配置されている。
【０１０５】
なお、図７において、陰極３２の断面で見た図となっているため陽極ボックス３３及びこれに接続している配管等は図示していない。
【０１０６】
また、汚泥移送手段として散気孔４０の替わりに、第一の処理槽２２の底部において、陰極３２の直下に水流発生部４３を配置してある。
【０１０７】
水流発生部４３としては羽が回転するファンタイプのものや、水を吸引し吐出する投げ込みポンプタイプのものなど様々なものが考えられるが、第一の処理槽２２の底面から水流を発生させるものであればよく、特に限定されるものではない。
【０１０８】
上記のように、本発明によれば、汚泥を直接電気分解することにより、食塩を用いることなくアルカリ処理することができるため、強アルカリや食塩を管理、備蓄、投入する為のコストを低減できる。
【０１０９】
また、一つの処理槽内で水の電気分解と汚泥のアルカリ処理、超音波処理を行うことにより処理対象の導電率によらず可溶化の効果を高めることができる。
【０１１０】
さらに電極と汚泥移送手段を超音波の音場空間の外に配置することにより超音波の減衰を発生させること無く構成部品の集積度を高め、装置を大幅に小型化できる。
【０１１１】
なお、本実施の形態においても第一の処理槽２２の内面は陰極３２としての役割も担うが、実施の形態１の配置に比べ有効な電極の面積が少ない。そこで、なるべく電極の面積を増やし、電気分解の効率を上げるのが重要となるが、その一つとして、超音波振動子２７の振動面４２を直流電源３９のマイナス極と接続し、陰極３２とする方法もある。
【０１１２】
さらに、電極面積を増やす方法としては、音場空間の境界面に沿って多くの電極を配置するのがよく、本実施の形態のように底面に対しての垂直方向に対する配置だけでなく、底面に対し平行となる方向にも電極を配置すればさらに電極の面積を増やすことができ、電気分解の効率を上げることができる。
【０１１３】
（実施の形態３）
図９は、本発明の汚泥処理システムにおける他の実施形態を示している。
【０１１４】
図９において本実施の形態は、汚泥処理装置５において可溶化処理した汚泥を曝気部２に戻さず汚泥貯留部４に戻し、ここで可溶化処理された汚泥を膜分離活性汚泥法により生物処理して分解し、分離膜４４を透過した処理後の清浄な水を曝気部２と処理水流入口７へと戻す構成としたものである。
【０１１５】
ここで、汚泥貯留部４内には分離膜４４と、分離膜４４の下方には散気ブロア４５に接続した散気管４６が設けられている。また、分離膜４４は２枚の平膜を、スペーサーを介して張り合わせた構造となっており、その中空部分が処理ろ過ポンプ４７の吸い込み側と接続されており、ろ過ポンプ４７の吐出側は２分岐され、一方は調整部１と曝気部２の間と、もう一方は処理水流入口７と接続されている。また、汚泥処理装置５の流出口８は汚泥貯留部４と接続されている。
【０１１６】
上記構成において、沈殿部３より送り込まれた汚泥は汚泥貯留部４に溜められ、吸引ポンプ１０により汚泥処理装置５へ供給され、可溶化され再び流出口８より汚泥貯留部４に戻される。
【０１１７】
一方、散気管４６には散気ブロア４１から空気が供給され、空気は散気管４６に複数個設けた開口部から上方の分離膜４４へと勢い良く流出され、この結果として有酸素気泡が分離膜４４の外表面を撫でるように上昇していくとともに分離膜４４面を上昇する水流を生じる。
【０１１８】
散気管４６から流出された有酸素気泡が水面まで上昇する間に水中には酸素が溶解し、活性汚泥内部の微生物に酸素を供給する。汚泥処理装置５で可溶化された汚泥は有機物として汚泥貯留部４内を水流に乗って循環しながら活性汚泥により酸化・分解される。汚泥貯留部４内の活性汚泥は分離膜４４により分離されるので、系外への流出が防止されるとともに、汚泥貯留部４内の活性汚泥が高濃度に保持される。
【０１１９】
このように分離膜４４を用いることにより汚泥貯留部４という限られた空間の中で、高濃度の活性汚泥により高効率に生物処理を行うと同時に汚泥の固液分離も行うことができる。
【０１２０】
次に汚泥貯留部４内の水はろ過ポンプ４７により分離膜４４を介して吸引ろ過され、分離膜４４を透過した清浄な処理水は調整部１又は曝気部２へと戻され、そのうち一部は処理水流入口７へと供給され電気分解の陽極水として使用される。この時、分離膜４４の近傍では水とともに浮遊している活性汚泥も吸引され分離膜４４の表面に付着し堆積するが、有酸素気泡と分離膜４４の表面を流れる水流によるせん断力によって剥離される。
【０１２１】
なお、汚泥処理装置５で可溶化処理される汚泥の量は汚泥貯留部４内の汚泥の一部であるため、生物処理に必要な活性汚泥まで可溶化されることはない。
【０１２２】
現在、一般に用いられている汚泥削減システムは実施の形態１で説明したように可溶化した余剰汚泥をそのまま曝気部２へと戻して分解処理するため、その系としての汚泥削減能力は曝気部２の処理性能に依存し、曝気部２の能力に余裕がないと処理水質が悪化するため適用できる処理場が限定されるという課題があった。
【０１２３】
上記課題に対し、本実施の形態の汚泥処理システムでは汚泥貯留部４を、分離膜４４を用いた汚泥処理専用の生物分解処理槽とすることにより、曝気部２の能力によらず、既存の排水処理システムを流用しつつ広く汚泥削減技術を適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
以上のように本発明における汚泥処理装置とそれを用いた汚泥処理システムは低ランニングコストと優れたメンテナンス性を有し、既存の排水処理施設の性能によらず広く適用可能なため、今後の環境事業に大きく貢献するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】本発明の一実施形態における汚泥処理装置を示す構成図
【図２】超音波処理槽を上面からみた概略図
【図３】超音波処理槽を正面からみた断面の概略図
【図４】超音波処理槽を側面からみた断面の概略図
【図５】本発明の汚泥処理システムの実施形態を示すブロック図
【図６】本発明の他の実施形態における超音波処理槽を上面からみた概略図
【図７】本発明の他の実施形態における超音波処理槽を正面からみた断面の概略図
【図８】本発明の他の実施形態における超音波処理槽を側面からみた断面の概略図
【図９】本発明の汚泥処理システムの他の実施形態を示すブロック図
【符号の説明】
【０１２６】
１    調整部
２    曝気部
３    沈殿部
４    汚泥貯留部
５    汚泥処理装置
６    流入口
８    流出口
２２  第一の処理槽
２７  超音波振動子
２８  汚泥流入口
２９  超音波発振器
３０  汚泥流出口
３２  陰極
３５  陽極
３６  隔膜
３９  直流電源
４０  散気孔
４１  散気ブロア
４２  振動面
４３  水流発生部
４４  分離膜
【図１】
2007245015.tif 000003
【図２】
2007245015.tif 000004
【図３】
2007245015.tif 000005
【図４】
2007245015.tif 000006
【図５】
2007245015.tif 000007
【図６】
2007245015.tif 000008
【図７】
2007245015.tif 000009
【図８】
2007245015.tif 000010
【図９】
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