(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固形物を含む排水から汚泥を分離して汚泥ケーキ状として処理する排水処理方法において、
前記排水を沈殿槽に送って濃縮汚泥を生成する工程と、この濃縮汚泥を凍結乾燥して水分と固形物とを分離する工程と、該凍結脱水工程で生成された乾燥ケーキ状物を脱水して脱水ケーキを生成する工程と、前記脱水ケーキを固形化して固形燃料化物を生成する工程とからなり、前記沈殿槽で分離された上澄み排水を排水凍結分離装置の製氷機に送って清澄な氷と濃縮された排水とに分離し、その氷を蓄熱槽で溶解して得られた水を中水として利用することを特徴とする排水処理方法。
【請求項２】
前記濃縮汚泥を凍結乾燥して水分と固形物とを分離する凍結脱水工程は、凍結・解凍を繰り返し行い、前記濃縮汚泥よりの脱水を十分に行なうようにしたことを特徴とする請求項１記載の排水処理方法。
【請求項３】
初期沈殿槽と最終沈殿槽からなる排水の沈殿槽と、該初期沈殿槽で得られた濃縮汚泥を貯留する濃縮汚泥タンクと、該濃縮汚泥タンクからの濃縮汚泥を凍結脱水して水分と固形物とを分離して乾燥ケーキ状物を生成する凍結脱水装置と、該乾燥ケーキ状物を脱水して脱水ケーキを生成する遠心分離機と、該脱水ケーキを固形燃料化するペレット化装置と、前記最終沈殿槽で得られた上澄み排水を中水化処理する排水凍結分離装置と、を具え、前記排水凍結分離装置は、冷凍機、製氷機及び蓄熱槽を有し、最終沈殿槽よりの上澄み排水を前記製氷機に送られて凍結することにより、清澄な水分（氷）と濃縮された排水に分離され、その氷は前記蓄熱槽に送られると共に、濃縮排水は熱交換機を通して初期沈殿槽に返送されるように構成したことを特徴とする排水処理装置。
【請求項４】
前記凍結脱水装置は、ヒートポンプに接続された蒸発器が設置された冷凍室と、前記ヒートポンプに接続された凝縮器が設置された融解室と、前記濃縮汚泥を載せて前記冷凍室から融解室に移送するターンテーブルと、からなることを特徴とする請求項３記載の排水処理装置。
【請求項５】
前記凍結脱水装置は、微細な生ゴミを含む前記濃縮汚泥を前記ターンテーブルの間歇運転により凍結・解凍の繰り返し操作を可能にする構成としたことを特徴とする請求項４記載の排水処理装置。
【請求項６】
生ゴミ粉砕機と、粉砕した生ゴミを穴明き受け板上に散布する可動式散布機と、前記穴明け受け板とその上に散布した粉砕生ゴミに凍結・解凍・冷風乾燥の熱処理をして脱水させる押圧ローラとを内蔵する凍結乾燥室と、凍結・解凍・冷風用の熱源を形成する冷凍サイクルと、前記受け板の下部に設けた脱水タンクと、より構成したことを特徴とする生ゴミの排水処理装置。
【請求項７】
前記凍結乾燥室は少なくとも二つ以上設ける構成とし、冷凍サイクルよりの熱の切り替え供給により、凍結・解凍・脱水の操作を交互に複数回行なう構成としたことを特徴とする請求項６記載の生ゴミの排水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生ゴミ等を含む生活排水の処理方法および装置に関し、詳しくは、排水を濃縮した濃縮汚泥を凍結脱水して脱水ケーキ状とした後固形燃料とする新規な排水処理方法および排水処理装置、および生ゴミの凍結乾燥により資源化を図る省エネ、無公害の生ゴミの排水処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、下水汚泥処理の前処理として、脱水と予備乾燥が行われている。脱水は、真空脱水機、スクリュープレス脱水機、遠心脱水機等の機械的脱水機が用いられる。このような、機械的脱水で得られた脱水ケーキの含水率には限度があるため、含水率の低減をはかるために乾燥機を持つ乾燥工程を施して乾燥ケーキとしている。従来の乾燥機は、脱水ケーキを加熱して水分を蒸発させる加熱方式のものである。乾燥工程を経て得られた乾燥ケーキを焼却炉に送り、焼却処理を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の加熱方式による乾燥法は、多量のエネルギーを消費すると共に、乾燥ケーキを焼却炉で焼却処理するため、ダイオキシンや臭い等の公害発生の要因となっている。
また、排水から分離した汚泥ケーキ状物を海洋、陸上等で埋め立てに利用して廃棄する方法も採用されているが、この方法も汚泥ケーキの生成に多量のエネルギーを消費するばかりでなく、埋め立て地まで輸送するのに莫大なエネルギーを消費するという問題がある。
【０００４】
また、生ゴミの処理においても、従来は水分を多量に含んだ状態で焼却場で処理するか、そのまま埋め立て廃棄されていた。そのため、多量の水分を含んだままで所定処理地域までの輸送には多大の輸送エネルギとＣＯ2 の発生を余儀なくさせられ、また搬送生ゴミの乾燥には含有水分の蒸発に多大のエネルギの消費と異臭等を含む環境汚染ガスを発生する問題がある。
【０００５】
本発明は上述の点に着目してなされたもので、凍結脱水法により汚泥の水分を効率良く除去すると共に、最後に固形燃料化してエネルギー資源として再利用を可能にした排水処理方法および排水処理装置の提供と、低エネルギで水の相変化を起こさせて分離できる省エネ、無公害型の生ゴミの排水処理装置の提供を目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、請求項１記載の発明は、固形物を含む排水から汚泥を分離して汚泥ケーキ状として処理する排水処理方法において、
前記排水を沈殿槽に送って濃縮汚泥を生成する工程と、この濃縮汚泥を凍結乾燥して水分と固形物とを分離する工程と、該凍結脱水工程で生成された乾燥ケーキ状物を脱水して脱水ケーキを生成する工程と、前記脱水ケーキを固形化して固形燃料化物を生成する工程とからなり、前記沈殿槽で分離された上澄み排水を排水凍結分離装置の製氷機に送って清澄な氷と濃縮された排水とに分離し、その氷を蓄熱槽で溶解して得られた水を中水として利用することを特徴とする。
【０００７】
排水から得られた濃縮汚泥を、その保有水が氷柱結晶化し、繊維層を破壊するような結晶成長をするように凍結し、その後融解解凍して濃縮汚泥中の生ゴミ等の保有水をドリップ除去した後乾燥させる。
上記操作により、含水率が極めて低い乾燥ケーキ状物が得られる。この乾燥ケーキ状物を脱水して脱水ケーキとし、これを固形燃料化物としてエネルギー資源として再利用が可能となる。
【０００８】
【０００９】
前記濃縮汚泥を凍結乾燥して水分と固形物とを分離する凍結脱水工程は、凍結・解凍を繰り返し行い、前記濃縮汚よりの脱水を十分に行なうようにしても良い。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、初期沈殿槽と最終沈殿槽からなる排水の沈殿槽と、該初期沈殿槽で得られた濃縮汚泥を貯留する濃縮汚泥タンクと、該濃縮汚泥タンクからの濃縮汚泥を凍結脱水して水分と固形物とを分離して乾燥ケーキ状物を生成する凍結脱水装置と、該乾燥ケーキ状物を脱水して脱水ケーキを生成する遠心分離機と、該脱水ケーキを固形燃料化するペレット化装置と、前記最終沈殿槽で得られた上澄み排水を中水化処理する排水凍結分離装置と、を具え、前記排水凍結分離装置は、冷凍機、製氷機及び蓄熱槽を有し、最終沈殿槽よりの上澄み排水を前記製氷機に送られて凍結することにより、清澄な水分（氷）と濃縮された排水に分離され、その氷は前記蓄熱槽に送られると共に、濃縮排水は熱交換機を通して初期沈殿槽に返送されるように構成したことを特徴とする。
【００１１】
前記凍結脱水装置は、ヒートポンプに接続された蒸発器が設置された冷凍室と、前記ヒートポンプに接続された凝縮器が設置された融解室と、前記濃縮汚泥を載せて前記冷凍室から融解室に移送するターンテーブルと、からなる構成のものが使用される。
【００１２】
そして、上記凍結脱水装置は、微細な生ゴミを含む前記濃縮汚泥を前記ターンテーブルの間歇運転により凍結・解凍の繰り返し操作を可能にする構成としても良い。
【００１３】
また、粉砕した生ゴミを低温緩慢凍結することにより、生成氷結晶により細胞の組織構造にメカニカル破壊を直接与え、その結果細胞膜の破壊、細胞内保有水の細胞外移行を惹起させ、ついで行なう解凍操作と機械的脱水の組合せにより、より効率的に脱水させ、生ゴミの排水乾燥が行なわれる。
【００１４】
上記生ゴミの排水に際しては、生ゴミを粉砕した状態で低温緩慢凍結するため、生ゴミは細胞外凍結状態におかれ、組織内の細胞間隙には氷結晶を生成成長させ、細胞の組織構造にメカニカル破壊を直接与えることになり、細胞膜は破壊され細胞内の保有水は細胞外へ移行させる。
そのため、解凍融解して旧状態に復帰させても細胞膜は破壊されているため、前記保有水も細胞内に復帰されないため、ついで行なわれる機械的脱水により効率的に脱水することができる。
【００１５】
また、上記低温緩慢凍結は略５℃以下の低温で行なうようにし、細胞外に大きな氷晶形成を可能にして、細胞が修復不可能な機械的破壊を受けるようにしたものである。
【００１６】
また、凍結・解凍は繰り返し複数回行うことにより、より完全な脱水を行なうようにしても良い。
また、凍結解凍の後段に冷風乾燥により乾燥効果を上げるようにしても良い。
【００１７】
そこで生ゴミの排水処理装置は、生ゴミ粉砕機と、粉砕した生ゴミを穴明き受け板上に散布する可動式散布機と、前記穴明け受け板とその上に散布した粉砕生ゴミに凍結・解凍・冷風乾燥の熱処理をして脱水させる押圧ローラとを内蔵する凍結乾燥室と、凍結・解凍・冷風用の熱源を形成する冷凍サイクルと、前記受け板の下部に設けた脱水タンクと、より構成したことを特徴とする。
【００１８】
上記生ゴミの排水処理装置の凍結乾燥室は、少なくとも二つ以上設ける構成とし、冷凍サイクルよりの熱の切り替え供給により、凍結・解凍・脱水の操作を交互に複数回行なう構成としても良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を例示的に説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構造部品の寸法、材質、形状、相対位置などは特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、
単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の排水処理装置の一実施の形態を示す系統図であり、図２は図１の要部模式図であり、図３は図１の凍結脱水装置の一例を示す説明図であり、図４は本発明の生ゴミの排水処理装置の概略の構成を示す模式図である。
【００２０】
図１および図２において、住宅地区１から出る生活排水２は管路３を介して廃棄物資源化装置４に送られる。廃棄物資源化装置４は、初期沈殿槽５、最終沈殿槽６、ばっ気槽７、濃縮汚泥タンク８、凍結脱水装置９、遠心分離機１０、およびペレット化装置１１を備えている。
排水２は初期沈殿槽５に送られ、ここで沈殿した濃縮汚泥は濃縮汚泥タンク８に送られると共に、上澄み排水はばっ気槽７に送られてばっ気されてその上澄み排水が最終沈殿槽６に送られる。最終沈殿槽６で沈殿した濃縮汚泥も濃縮汚泥タンク８に送られると共に、その上澄み排水は排水凍結分離装置２５に送られて中水化される（後述する）。
【００２１】
濃縮汚泥タンク８で濃縮された濃縮汚泥は凍結脱水装置９に送られて凍結脱水される。
凍結脱水法は種々の方式が知られているが、本発明においては、濃縮汚泥を冷凍機で凍結（濃縮汚泥の保有水が氷柱結晶化し、繊維層を破壊するような結晶成長をする凍結方法）し、その後融解して濃縮汚泥中の生ゴミ等の保有水をドリップ除去した後乾燥させる装置を使用する。必要に応じて上記操作を数回繰り返す。
【００２２】
凍結脱水装置９で凍結脱水されて水分が５０％以下、好ましくは含水率２０％程度にまで除去された乾燥ケーキ状の被乾燥物は遠心分離機１０に送られる。遠心分離機１０に凝集剤３７を送り込み、乾燥ケーキ状物と共に攪拌することにより、脱水された固形の脱水ケーキが生成される。この脱水ケーキがペレット化装置１１に送られる。ペレット化装置１１には、石灰供給タンク３６からの石灰が供給され、ピット３５からの可燃ゴミ、ゴム、プラスチック等の廃棄物と共に脱水ケーキが固形化されて固形燃料化物（ＲＤＦ）１２が生成される。
【００２３】
なお、遠心分離機１０で分離された分離排水は、管路３８を介して再び初期沈殿槽５に送られて上記動作を繰り返す。
なお、凍結脱水法は、一般には被乾燥物を凍結した状態で水分を昇華させて除去し乾燥する方式であって、種々の方式が開発されており、本発明においては周知の凍結脱水法を使用してよい。
【００２４】
図３に、本発明で使用する凍結脱水装置の一例を示している。冷凍室１４と融解室１５とを備えた容器１６内に、駆動装置１７により間欠回転するターンテーブル１８を設けている。冷凍室１４にはヒートポンプ１９に接続された蒸発器２０を、融解室１５にはヒートポンプ１９に接続された凝縮器２１を各々設置している。
【００２５】
ターンテーブル１８には前記濃縮汚泥タンク８からの濃縮汚泥１３が送られ、蒸発器２０が熱を吸収して濃縮汚泥１３を冷凍した後、ターンテーブル１８の回転で融解室１５に移送する。ヒートポンプ１９は冷凍室１４における熱源から熱を得て凝縮器２１により融解室１５で熱放散し、送られてきた冷凍濃縮汚泥を融解することにより、水分がドリップ除去される。このドリップは分離排水として初期沈殿槽５に送られる。
【００２６】
凍結脱水された乾燥ケーキ物は管路２２から遠心分離機１０に送られ、前述のようにここで完全に脱水されて脱水ケーキとした後、ペレット化装置１１に送られ、ペレット化装置１１において固形化されて固形燃料化物（ＲＤＦ）１２を得る。
【００２７】
最終沈殿槽６で得られた上澄み排水は排水凍結分離装置２５に送られて中水化処理される。すなわち、排水凍結分離装置２５は、冷凍機２６および製氷機２７を有し、上澄み排水（微小な固形成分を含む）はこの製氷機２７に送られて凍結することにより、清澄な水分（氷）と濃縮された排水に分離され、その氷は蓄熱槽２８に送られると共に、濃縮排水は熱交換機３２を通して初期沈殿槽５に返送される。
【００２８】
蓄熱槽２８で溶解された氷は中水２９となって貯水され、この中水２９は住宅地区１に送られてそのまま中水として利用され、あるいは公園３０に送られて植物用散水等に利用された後河川に放流される。また、浄水化装置３１を通すことで浄水として住宅地区１で利用することもできる。
【００２９】
蓄熱槽２８の氷水は熱交換機３３に送られる。熱交換機３２、３３で冷却されたエアは住宅地区１や工場、ショッピングモール３４等の冷房に利用される。
一般に固形物の水分の含水率を５０％以下に減じるには、その固形物がもつ細胞内で保有するような水分をも取り出す必要がある。凍結脱水法でこの水分除去を行う場合、細胞内に内在する水分を凍結により大きな単結晶化された氷とし、これを融解することにより上記５０％以下の含水率を得ることができる。
【００３０】
〔実験例〕
１４．３４０ｍ3（含水率９９％＝１４．１９７ｍ3）の濃縮汚泥を凍結脱水装置９に入れて凍結脱水することにより、上記水分を凍結させた後融解し、この融解した水分１４．１６１ｍ3を返送水として前記初期沈殿槽５に返送した。得られた乾燥ケーキ状物は、０．１７９ｍ3（含水率２０％＝０．０３６ｍ3）であった。これに要した消費電力量は４７ｋｗ×１０時間であった。したがって、ランニングコストは、４７ｋｗ×１０時間×５円＝２，３７０〔円／１日〕であった。
【００３１】
〔比較例〕
同じく、１４．３４０ｍ3（含水率９９％＝１４．１９７ｍ3）の濃縮汚泥を加熱蒸発乾燥装置に入れて加熱乾燥した。乾燥を行う熱源は蒸気を用い、燃料は都市ガス（料金＝４０円／Ｎｍ3）を使用した。同じく分離水は１４．１６１ｍ3で、０．１７９ｍ3（含水率２０％＝０．０３６ｍ3）の乾燥ケーキ状物を得た。これに要したガス消費量は８７８Ｎｍ3であった。したがって、ランニングコストは、８７８Ｎｍ3×４０円＝３５，１２０〔円／１日〕であった。
【００３２】
上記の実験例および比較例で明らかなように、本発明の凍結脱水法は、従来の加熱蒸発乾燥法に比して乾燥に要するエネルギーが少なく、ランニングコストが大幅に安くなっている。また、臭いがドリップに閉じ込められ、従来の加熱方式のように生ゴミの臭いが出ないため衛生的である。
【００３３】
図４には、本発明の生ゴミの排水処理装置の概略の構成を示してある。図において、３０ａ、３０ｂは生ゴミの凍結処理、解凍処理を交互に行なう熱処理室で、内部にはそれぞれ粉砕機３８により粉砕生ゴミ３９をパンチプレート３２、３２上に散布する左右横行可能のフィーダ３１、３１と、散布された粉砕生ゴミに対し凍結ないし解凍ないし冷風熱源を形成する熱交換器３５ａ、３５ｂと、該熱交換器に蒸発潜熱ないし凝縮熱を送るヒートポンプ等の冷凍サイクル３６と、解凍した粉砕生ゴミを前記パンチプレート上に押圧して脱水させる上下動及び左右横行可能の押圧ローラ３４、３４と、脱水した粉砕ゴミをパンチプレートより外部に取り出す掻き出し機３３、３３と、脱水タンク３７、３７等を含む構成とする。
なお、上記冷凍サイクル３６に内蔵する蒸発器と凝縮器は前記熱交換器３５ａ、３５ｂに交互に切り替え接続させ、例えば熱処理室３０ａを凍結に使用し熱処理室３０ｂを解凍に使用するときは熱交換器３５ａを蒸発器に接続させ熱交換器３５ｂには凝縮器に接続させるようにしてある。
なお、上記熱処理室３５ａ、３５ｂを凍結処理に使用する場合は室温を略５℃以下の低温に保持して低温下の緩慢凍結を起こすようにしてある。
【００３４】
上記構成であるので、粉砕状の生ゴミ３９はフィーダ３１を介して例えば熱処理室３０ａ内のパンチプレート３２上に散布後、熱交換器３５ａにより冷凍サイクル３６より冷熱を供給すれば、室内温度は略５℃以下の低温に保持され、その結果パンチプレート３２上に散布された粉砕状生ゴミ３９は緩慢凍結の状態に置かれる。即ち、粉砕生ゴミは細胞外凍結を起こし、細胞間隙には大きな氷結晶を生成成長させ、その結果細胞組織は修復不可能の機械的破壊を直接受け細胞膜は破壊され、細胞内の保有水は細胞外に移行する。
ついで前記熱交換器３５ａに冷凍サイクル３６より凝縮熱を供給すれば、前記凍結生ゴミは解凍されるが、前記細胞外に移行した保有水は細胞膜が破壊されているため、機械的絞り機構である押圧ローラ３４の加圧力と相俟って、パンチプレート３２のパンチング穴３２ａを介して脱水タンクに貯留される。
斯くして、低エネルギで水の相変化を起こさせ、無公害型の脱水を可能とし、多目的の資源化を可能にしている。
【００３５】
なお、凍結・解凍のみでは十分な脱水が期待出来ない場合は凍結・解凍脱水の回数を複数回繰り返し行なうようにし、必要があれば最後の仕上げに冷風乾燥をさせる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の記載のように、本発明によれば、排水から得られた濃縮汚泥の固形物を凍結脱水することにより、固形物がもつ細胞内で保有するような水分を凍結により単結晶化された氷とし、これを融解することで含水率が極めて低い乾燥ケーキが得られる。凍結脱水に要する電気料は、従来の加熱蒸発方式の熱源に要する燃料費に比してはるかに少なくてすみ、ランニングコストを低減できる。
【００３７】
また、乾燥ケーキを脱水して脱水ケーキとし、これを固形燃料化することにより、エネルギー資源として再利用が可能となるばかりでなく、焼却処理しないため、ダイオキシンや臭い等の公害発生を抑制できる。
【００３８】
上記本発明の生ゴミの排水処理により、低エネルギのもとに、無公害型の効率的脱水を可能とするとともに多目的の資源化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の排水処理装置の一実施の形態を示す系統図である。
【図２】  図１の要部を模式図である。
【図３】  図１の凍結脱水装置の一例を示す説明図である。
【図４】  本発明における生ゴミ排水処理装置の概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
２  排水
５  沈殿槽（初期沈殿槽）
６  沈殿槽（最終沈殿槽）
８  濃縮汚泥タンク
９  凍結脱水装置
１１  ペレット化装置
１２  固形燃料化物
１４  冷凍室
１５  融解室
１８  ターンテーブル
１９  ヒートポンプ
２０  蒸発器
２１  凝縮器
２５  排水凍結分離装置
２７  製氷機
２８  蓄熱槽
３０ａ、３０ｂ  熱処理室
３１  フィーダ
３２  パンチプレート
３３  掻き出し機
３４  押圧ローラ
３５ａ、３５ｂ  熱交換器
３６  冷凍サイクル
３７  脱水タンク
３８  粉砕機
３９  粉砕生ゴミ
【図１】
0004180722.tif 000002
【図２】
0004180722.tif 000003
【図３】
0004180722.tif 000004
【図４】
0004180722.tif 000005