(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥に含まれる微生物の細胞壁を破壊して汚泥を可溶化する生物汚泥の処理装置であって、
汚泥が流通する管路内に複数の抵抗体が配設され、汚泥と撹拌用気体とを攪拌して微生物の細胞壁に物理的に損傷を加える撹拌手段と、
管路内を流通する汚泥を加熱して微生物の細胞壁破壊を促進する加熱手段とを備え、
前記撹拌手段が、円筒状のケーシングの内部の流路中に複数の抵抗体が配設され、該複数の抵抗体が、共に内周面側から中心部に向けて板状に突出され、下流側に傾斜した状態で互いに接触しないように軸線方向に所定の間隔をおき、かつ周方向に順次所定角度ずつずらして設けられたことを特徴とする生物汚泥の処理装置。
【請求項２】
前記撹拌用気体が空気であることを特徴とする請求項１に記載の生物汚泥の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、汚泥に含まれる微生物の細胞壁を破壊して汚泥を可溶化する処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
有機性排水の生物処理方法として多用されている活性汚泥法では、大量の余剰汚泥が発生し、その余剰汚泥は脱水及び焼却などの中間処理の後に埋立処分されるが、その処分量を削減するために汚泥を減容化する技術が種々提案されている。例えば超音波法、酸化還元反応法、水熱法、ミル粉砕法、高速回転ディスク法などがあり、これらの方法では、化学的あるいは物理的なプロセスで汚泥に含まれる微生物の細胞壁を破壊して細胞中の有機物を放出させるようにしており、この汚泥の可溶化により改質された汚泥を生物処理工程に返送して処理することで、最終的に焼却・埋立処分される汚泥量を削減することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような汚泥の可溶化処理はいずれも効率が良いとは言い難く、処理能力を高めるために大規模な設備を必要としたり、設備構成が煩雑化したりするなどして、イニシャルコスト及びランニングコストが嵩む難点を有しており、汚泥の可溶化処理の効率を簡易な構成で向上させることが可能な生物汚泥の処理装置が望まれる。
【０００４】
また、液状物質を加熱する加熱装置が多様な分野で利用されているが、例えば空気などの気体を注入する処理が併せて行われる場合、注入気体の影響で比較的低い温度でも液状物質が沸騰状態となることがあり、高い温度で安定した運転を行うことができないといった制限がある。さらに単に液状物質を加熱する場合でも、液状物質の一部が気化して生成した蒸気が管路内に停滞してガス溜まりが生じることがあり、これは効率の低下や過熱の原因となることから設計段階で配慮する必要があり、装置の小型化・高効率化を図る上での制約となっている。このような観点から、注入気体によって加熱温度が低く制限されることがなく、また生成蒸気によって円滑な流れが阻害されることがない液状物質の加熱装置が望まれる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明においては、請求項１に示すとおり、汚泥に含まれる微生物の細胞壁を破壊して汚泥を可溶化する生物汚泥の処理装置の構成を、汚泥が流通する管路内に複数の抵抗体が配設され、汚泥と撹拌用気体とを攪拌して微生物の細胞壁に物理的に損傷を加える撹拌手段と、管路内を流通する汚泥を加熱して微生物の細胞壁破壊を促進する加熱手段とを備え、前記撹拌手段が、円筒状のケーシングの内部の流路中に複数の抵抗体が配設され、該複数の抵抗体が、共に内周面側から中心部に向けて板状に突出され、下流側に傾斜した状態で互いに接触しないように軸線方向に所定の間隔をおき、かつ周方向に順次所定角度ずつずらして設けられたものとした。特に前記撹拌用気体が空気であると良い。
【０００６】
これによると、撹拌手段による衝撃作用により物理的に微生物の細胞壁に損傷を加えると共に、加熱手段による熱により微生物の細胞壁破壊を促進することで、簡易な構成で可溶化処理の効率を飛躍的に高めることができる。この場合、静止型混合器内で適切な攪拌処理が行われるように、所要の流速及び圧力を確保することが必要で、これにはポンプ圧送する構成とすれば良い。
【０００７】
特に撹拌用気体に空気などの酸素含有ガスを用いると、汚泥が好気状態に保持され、高温でも生息可能な嫌気性菌の繁殖を抑制し、悪臭を防止することができる。この他、本発明における撹拌用気体として、オゾンガスなどの細胞破壊作用を有する酸化性気体なども可能である。
【０００９】
さらにこの生物汚泥の処理装置によると、所要の圧力及び流速で汚泥と撹拌用気体とを撹拌手段（静止型混合器）に導入することで、汚泥と撹拌用気体との混合物に激しい乱流を発生させ、これに伴って生じる圧力変動による衝撃作用により物理的に微生物の細胞壁に損傷を加える現象が顕著に生起する。この場合、汚泥を撹拌手段とタンクとの間で循環させながら撹拌手段の上流側で汚泥中に撹拌用気体を注入して撹拌する構成とすると良い。
【００１０】
前記の撹拌手段においては特に、一対の抵抗体が概ねハ字形状をなすように筒状体の互いに対向する内周面から舌状に突出され、かつその一方の抵抗体が筒状体の中心線と交差するように他方より長尺に形成された抵抗体エレメントを有し、この抵抗体エレメントは、複数のものが周方向に順次所定角度ずつずらしながら軸線方向に列べて内部に挿設された構成とすると良い。
【００１１】
これによると、抵抗体が舌状をなすことから、抵抗体に衝突した流れは抵抗体の周囲に多方向に分散され、抵抗体の背面側で巻き込みによる渦流（伴流）が生じ、この抵抗体による流通流体の衝突、分散並びに巻き込みが次々と繰り返されることで、強力な乱流が発生して流通流体が激しく撹拌される。さらに、抵抗体エレメントを流れ方向に沿って周方向に所定角度ずつずらしながら配置することで、筒状体の中心線と交差するように長尺に形成された抵抗体が全体として螺旋状に配置され、その作用によって流通流体に筒状体の中心線を中心とした旋回流が発生し、下流部で継続して撹拌が行われる。
【００１２】
その上、抵抗体を流れに逆らわないように下流側に傾斜した状態で筒状体の内周面から突出させた単純な構成であるため、繊維状あるいは粒子状の固形物が引っかかったり堆積したりするところがなく、固形物を大量に含む汚泥でも目詰まりを起こすことなく安定して撹拌処理を行うことができる。
【００１７】
なお、本発明における加熱手段は、電熱ヒータが簡易であるが、この他に、スチームを用いた構成でも良く、例えば内部にスチームが導入されるジャケットを筒状体の外周側に設ければ良い。また、誘導加熱を利用した加熱手段も可能であり、この場合には、誘導コイルを筒状体の外周側に設けて導電性材料からなる筒状体を誘導電流により発熱させる構成とすれば良い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明の構成を詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明による生物汚泥の処理装置の概略構成を示す模式図である。この処理装置には、汚泥と撹拌用気体とを撹拌しつつ加熱して汚泥に含まれる微生物の細胞壁を破壊して汚泥を可溶化する可溶化処理部１が設けられている。この可溶化処理部１では空気が撹拌用気体として用いられている。
【００２０】
可溶化処理部１は、処理すべき汚泥が送り込まれるタンク２と、汚泥と空気とを撹拌する静止型混合器３と、タンク２から汚泥を引き抜いて静止型混合器３に送り込むポンプ４とを有し、静止型混合器３から送り出された汚泥がタンク２に戻され、タンク２と静止型混合器３との間で汚泥を循環させながら、静止型混合器３で所要の時間に渡って連続的に汚泥と空気とが撹拌される。これにより、汚泥中の微生物の細胞壁に物理的に損傷を加えることができる。ここでは、加圧された空気が静止型混合器３の上流側で汚泥中に注入される。
【００２１】
この可溶化処理部１の静止型混合器３にはヒータを備えたものが用いられており、内部を流通する汚泥を加熱して微生物の細胞壁破壊を促進する。静止型混合器３の上流側にはサーモスタット５が設けられており、汚泥が設定温度（例えば６０℃）を超えると静止型混合器３のヒータへの給電を停止するようになっており、これにより汚泥が所定の温度域に保持される。
【００２２】
さらにこの処理装置では、可溶化処理部１の後段に、可溶化処理部１のタンク２から引き抜いた汚泥が導入されるタンク７と、汚泥と空気とを撹拌する静止型混合器８と、タンク７から汚泥を引き抜いて静止型混合器８に送り込むポンプ９とを有している。タンク７では、所要の時間に渡って汚泥が滞留し、微生物の細胞破壊で放出された有機物を含む改質汚泥が引き抜かれて原水槽または調整槽に返送され、再度生物処理される。他方、微生物の細胞破壊で分離された細胞壁などの沈降性固形物がタンク７の底部に沈殿し、この沈殿物は可溶化処理部１に返送するか、あるいは脱水機に送って脱水処理された後、焼却処理される。静止型混合器８での空気との撹拌処理は、前処理部２に返送した後の再処理の効率を高め、また脱水機に送った際の脱水効率を高める他、好気性状態に保持して悪臭を抑制するのに有効である。
【００２３】
図２は、図１に示した加熱型の静止型混合器を示す断面図である。この静止型混合器３は、円筒状のケーシング２０内に多数の抵抗体エレメント２１を挿設してなっている。この抵抗体エレメント２１は、円形断面をなす筒状体２２の互いに対向する内周面から第１・第２の一対の抵抗体２３・２４がそれぞれ中心部に向けて舌状に突出されたものであり、筒状体２２が連続して流路を形成する。
【００２４】
ケーシング２０の外周面には電熱ヒータ２６が配置されている。この電熱ヒータ２６は、発熱線（ニクロム線）を絶縁材（マグネシア粉末）が充填されたさや管（シースパイプ）内に収容したシーズヒータであり、ケーシング２０の外径に合わせて螺旋を描くように曲成され、ケーシング２０に対して巻き付けるように外装されている。この電熱ヒータ２６は、外周側からケーシング２０及び抵抗体エレメント２１を加熱し、これからの伝熱で内部を流通する汚泥（液状物質）が加熱される。ケーシング２０の周囲には、電熱ヒータ２６を包囲して大気中への放熱を抑制するためにラギングジャケット２７が設けられている。
【００２５】
抵抗体２３・２４は、共に下流側に向けて傾斜した状態でハ字形状に配置されており、両抵抗体２３・２４間に所要の間隔が確保されるように軸線方向にずらして設けられている。上流側の第１の抵抗体２３は筒状体２２の中心線と交差しないように短尺に、下流側の第２の抵抗体２４は筒状体２２の中心線と交差するように長尺に形成されている。
【００２６】
筒状体２２の軸線方向の端部には、図３及び図４に示すように、凹凸が形成され、隣接するものに対して４５度ずつずらして結合されるようになっている。また、軸線方向に沿った分割線により一対の抵抗体２３・２４がそれぞれ形成された２つの分割体２２ａ・２２ｂに分割可能になっている。これにより製造を容易にすると共に、表面に付着した障害物を簡単に除去することができる。
【００２７】
このようにしてなる抵抗体エレメント２１は、ケーシング２０内に挿設するにあたり、図５中に想像線で示す直前の抵抗体エレメント２１に対して周方向に４５度ずらして配置される。以下、後続の抵抗体エレメント２１もそれぞれ、直前のものに対して４５度ずつ同一方向にずらして配置され、最初の抵抗体エレメント２１に対してはそれぞれ、周方向に４５度、９０度、１３５度、１８０度といった角度位置となる。したがって、全体として見ると、ハ字形状に対をなす抵抗体２３・２４がそれぞれ、抵抗体エレメント２１のずらし角度に応じたリード角をもって螺旋を描くように配置される。
【００２８】
このため、流体が内部に導入されると、最初の抵抗体エレメント２１の抵抗体２３・２４に相対する流れはこれらの抵抗体２３・２４に衝突して周囲に分散され、これらの抵抗体２３・２４に相対しない流れもショートパスすることなく下流側の抵抗体エレメント２１の抵抗体２３・２４のいずれかに衝突して多方向に分散され、内部に強力な乱流が発生する。
【００２９】
このようにして、所要の圧力及び流速で汚泥と撹拌用気体（空気など）とを静止型混合器に導入することで、汚泥と撹拌用気体との混合物に激しい乱流を発生させ、これに伴って生じる圧力変動による衝撃作用により物理的・機械的に微生物の細胞壁に損傷を加える現象が顕著に生起する。
【００３０】
さらに、静止型混合器内では、強力な乱流による撹拌作用で空気の微細気泡が高密度で生成して接触効率が大幅に高められる。しかもその微細気泡が粗大化することなく持続するため、静止型混合器から送り出された後にタンク内で継続して汚泥の液層中への酸素の溶解が進行し、気液接触反応が促進される。
【００３１】
図６は、本発明による液状物質の加熱装置が適用された油分除去装置の概略構成を示す模式図である。この油分除去装置は、魚肉の加工において油脂分の除去を行うものであり、被処理物（液状物質）が送り込まれるタンク３１と、被処理物と空気とを撹拌・加熱する、図２に示したものと同様の加熱型の静止型混合器３２と、タンク３１から被処理物を引き抜いて静止型混合器３２に送り込むポンプ３３とを有し、静止型混合器３２から送り出された被処理物がタンク３１に戻され、タンク３１と静止型混合器３２との間で被処理物を循環させながら、静止型混合器３２で所要の時間に渡って連続的に被処理物と空気とが撹拌されつつ加熱される。これにより、被処理物内に分散する油分が空気の微細気泡の作用で集合して分離除去される。このような水を主成分とする被処理物に対して空気を注入して油分を分離する処理では、従来は８０℃が限界であるが、この構成によれば生成気泡の径が小さいために９４℃まで加熱が可能であり、９４．５℃で沸騰状態となり安定した運転が困難になる。なお、タンク３１には、保温のためにラギングジャケット３４が設けられている。
【００３２】
図７は、本発明による液状物質の加熱装置が適用された水管ボイラの概略構成を示す模式図である。ここでは、水管４１内に、図３に示したものと同様の抵抗体エレメント４２が挿設されている。水管４１にはポンプ４３から水が送入され、バーナ（加熱手段）４４の発する火炎並びに燃焼ガスによる外部からの伝熱により水管４１を流通する水を加熱して水蒸気が得られる。この場合、抵抗体エレメント４２の抵抗体によって生じる乱流により水が攪拌されて生成蒸気の気泡が粗大化するのを抑えると同時に気泡を細かく粉砕するため、生成蒸気によるガス溜まりを抑制することができる。なお、抵抗体エレメント４２は水管４１の全長に渡って配設する必要はなく、ガス溜まりが生じるおそれのある部分あるいはその上流側に所要の個数設ければ良い。
【００３３】
図８は、本発明による液状物質の加熱装置の他の態様を示している。ここでは、図２示したものと同様の静止型混合器５１のケーシング５２の周囲に、電熱ヒータに代わって誘導加熱装置（加熱手段）５３が設けられている。この誘導加熱装置５３は、ケーシング５２の外周に誘導コイル５４が配置され、図３に示したものと同様の抵抗体エレメント５５並びにケーシング５２に誘導電流が発生してこれらが発熱する。この場合、ケーシング５２並びに抵抗体エレメント５５が所要の導電性並びに電気抵抗特性を有する材料で形成される。なお、ケーシング５２並びに抵抗体エレメント５５の一方にのみ誘導発熱を発生させる構成も可能である。
【００３４】
図９は、本発明による液状物質の加熱装置の他の態様を示している。ここでは、図２示したものと同様の静止型混合器６１のケーシング６２の周囲に、電熱ヒータに代わってスチームジャケット６３が設けられている。このスチームジャケット６３は、ケーシング６２の外周に内部にスチームが導入される外筒部６４が配置され、スチームから伝熱で抵抗体エレメント６５並びにケーシング６２が加熱される。この構成では、熱交換特性を向上させるために内部にフィンを設けたり、大気中への放熱を抑制するために外側に保温材を配置するようにしても良い。
【００３５】
【発明の効果】
このように本発明によれば、撹拌手段による衝撃作用により物理的に微生物の細胞壁に損傷を加えると共に、加熱手段による熱により微生物の細胞壁破壊を促進することで、可溶化処理の効率を飛躍的に高めることができ、汚泥の減容化処理のイニシャルコスト及びランニングコストを削減する上で大きな効果が得られる。
【００３６】
また、撹拌手段により注入気体が微細気泡化されるため、高い温度でも沸騰状態になることなく加熱することができ、液状物質の高温加熱処理を安定して行う上で顕著な効果が得られる。さらに、撹拌手段により生成蒸気の気泡の粗大化が抑制され、ガス溜まりが形成される不都合を回避することができるため、加熱装置の効率を高めると共に、ガス溜まり防止のために配管の形状や配置が制約される不都合が解消され、装置の設計自由度が高まる。またガス溜まりによる制約がなくなるため、運転制御が容易になる利点も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による生物汚泥の処理装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図１に示した加熱型の静止型混合器を示す断面図である。
【図３】図１に示した静止型混合器の要部を示す斜視図である。
【図４】図２に示した抵抗体エレメントを上流側から見た正面図である。
【図５】図２に示した抵抗体エレメント相互の配置状況を説明するための図４と同様な正面図である。
【図６】本発明による液状物質の加熱装置が適用された油分除去装置の概略構成を示す模式図である。
【図７】本発明による液状物質の加熱装置が適用された水管ボイラの概略構成を示す模式図である。
【図８】本発明による液状物質の加熱装置の他の態様を示す側面図である。
【図９】本発明による液状物質の加熱装置の他の態様を示す側面図である。
【符号の説明】
１  可溶化処理部
２・７  タンク
３・８  加熱型静止型混合器
４・９  ポンプ
５  サーモスタット
２０  ケーシング
２１  抵抗体エレメント
２２  筒状体
２３・２４  抵抗体
２６  電熱ヒータ
３１  タンク
３２  静止型混合器
３３  ポンプ
３４  ラギングジャケット
４１  水管
４２  抵抗体エレメント
４３  ポンプ
４４  バーナ
５１  静止型混合器
５２  ケーシング
５３  誘導加熱装置
５４  誘導コイル
５５  抵抗体エレメント
６１  静止型混合器
６２  ケーシング
６３  スチームジャケット
６４  外筒部
６５  抵抗体エレメント
【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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