(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥中に含有される水分を凍結分離する汚泥の凍結乾燥処理方法において、
第１の閉鎖空間内に冷却空気を噴射して該空間内に投入した汚泥中の水分を凍結させながら、前記冷却空気にて発生させた旋回流により該汚泥を粉砕して微細化する工程と、前記第１の閉鎖空間から負圧状態に保持された第２の閉鎖空間に前記汚泥を導くとともに、該第２の閉鎖空間にて前記汚泥から凍結により生成した細粒氷を昇華させて水分を分離する工程と、からなることを特徴とする汚泥の凍結乾燥処理方法。
【請求項２】
前記第２の閉鎖空間にて水分を分離した汚泥を前記第１の閉鎖空間に戻入し、必要に応じて汚泥を追加投入しながら含水率が所定値に達するまで該汚泥を循環させることを特徴とする請求項１記載の汚泥の凍結乾燥処理方法。
【請求項３】
前記第２の閉鎖空間にて汚泥から分離した水分を含む空気を冷却して、該空気中の水分を凝縮させて分離させる工程を具え、水分が除去された冷却空気を前記第１の閉鎖空間に返送して前記汚泥の凍結及び旋回流の発生に利用することを特徴とする請求項１若しくは２記載の汚泥の凍結乾燥処理方法。
【請求項４】
前記水分を分離した汚泥の含水率が所定値に達したときに、前記第１の閉鎖空間に昇温空気を導入して前記汚泥を回収することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の汚泥の凍結乾燥処理方法。
【請求項５】
冷却空気の導入により旋回流を生じせしめて、該旋回流により投入汚泥中の水分を凍結しながら該汚泥を粉砕して微細化する凍結粉砕装置と、該凍結粉砕装置から負圧吸引により細粒汚泥を吸引する手段と、該吸引された汚泥から前記凍結により生成した細粒氷を分離する汚泥分離器とからなり、
前記汚泥分離器での汚泥からの細粒氷分離が、前記負圧を利用して主として細粒氷の水蒸気への相変化により行われることを特徴とする汚泥の凍結乾燥処理システム。
【請求項６】
前記汚泥分離器から排出される汚泥を、前記凍結粉砕装置に戻入する汚泥返送路を設け、該汚泥の含水率が所定値に達するまで循環させることを特徴とする請求項５記載の汚泥の凍結乾燥処理システム。
【請求項７】
前記汚泥分離器にて分離された水蒸気を冷凍サイクルからの冷熱により凝縮させて回収する水回収手段を設け、該水回収手段により水分除去された冷却空気を前記凍結粉砕装置に導入する冷却空気返送路を設けたことを特徴とする請求項５若しくは６記載の汚泥の凍結乾燥処理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水処理設備から排出される下水汚泥、又は工場排水処理設備等から排出される余剰汚泥等の汚泥を凍結させ、該汚泥中の水分を分離除去する汚泥の凍結乾燥処理方法及びそのシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
下水処理設備等から排出される汚泥は含水率が非常に高いため嵩高く、産業廃棄物の排出量の半分近くを占めると言われている。排出される汚泥の殆どは脱水・焼却処理されて埋立てにより処分されているが、近年汚泥中の有効成分が着眼されつつあり、燃料やレンガ等のリサイクル商品として有効利用することが推進されている。
何れにしても、汚泥の処理に最も不可欠な処理工程として汚泥の濃縮、脱水及び乾燥処理が挙げられ、汚泥中の水分を抜き取り減容化して出来る限り乾燥物に近い形で排出されることが望まれており、かかる処理において種々の方法が開発、実用化されている。
【０００３】
一般的に、汚泥の水分分離方法としては、まず重力による沈降分離、加圧浮上、若しくは遠心分離等により含水率９８％程度の汚泥を約９５％の含水率まで濃縮した後、遠心分離機、フィルタプレス、ベルトプレス等の機械的手段により約７０〜８０％まで脱水し、次に加熱乾燥、天日乾燥等により乾燥させる方法が採られている。
しかしながら、従来の方法では濃縮・脱水効率の低さ、薬剤投入による環境汚染・高コスト化、焼却による煤塵の発生、汚泥成分の変質等の問題点が指摘されている。
【０００４】
そこで、近年汚泥の濃縮、脱水及び乾燥における水分分離方法として凍結融解法が開発され、実用化されつつある。これは、水を凍結させる際に水以外の不純物を排除して結晶化する性質を利用したもので、汚泥を緩慢冷却して該汚泥中に含有される水分を氷の結晶として成長させることにより、汚泥成分が濃縮されて水分と分離することが可能となる。かかる方法を用いて汚泥の脱水を行う排水処理装置が特開２０００−２４６４１公報に開示されている。
図３に示されるようにかかる排水処理装置０１では、一次貯留槽０２に貯められた厨芥及び汚水からなる排水に、排水処理槽０４の浄化処理部０２２にて凝集及び分解処理を施した後、沈降部０２３にて汚泥固形分を沈降させる。そして、該沈降汚泥０２４を氷蓄熱槽０３に導き、ここで熱交換器０３０を介して熱併給装置０６から供給される冷熱により該汚泥を凍結融解する。
【０００５】
前記氷蓄熱槽０３で汚泥中の固形分と分離された水分は前記排水処理槽０４に返送され、一方水分が分離されて濃縮された固形分は乾燥装置０５に導かれ、加熱乾燥されて容器０７に回収される。前記氷蓄熱槽０３で汚泥の解凍時に回収された冷熱は、前記乾燥装置０５での水蒸気回収や外部へ冷熱を供給する空間ユニット０８に使用することができる。
このように、凍結融解処理による汚泥濃縮方法によれば、汚泥水からの固形物の分離と水の再利用と蓄熱によるエネルギ有効利用を同時に行うことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開２０００−２４６４１公報を代表とする凍結融解方法は、凍結時に汚泥の内部まで冷熱を伝達するのにかなりの時間を要し、大容量の汚泥水を処理することが困難である上に、凍結した水分に不純物が付着、混入しやすく、得られる水の純度が低くなり再利用できる範囲が限られてしまう。
また、脱水効果に限界があるため凍結融解処理の後段に乾燥手段を設けなければならず、装置の大型化、高コスト化が避けられない。
したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、短時間での凍結乾燥処理が可能であるとともに汚泥の含水率を容易に調製可能な汚泥の凍結乾燥処理方法及びそのシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明はかかる課題を解決するために、請求項１記載の発明は、
汚泥中に含有される水分を凍結分離する汚泥の凍結乾燥処理方法において、
第１の閉鎖空間内に冷却空気を噴射して該空間内に投入した汚泥中の水分を凍結させながら、前記冷却空気にて発生させた旋回流により該汚泥を粉砕して微細化する工程と、前記第１の閉鎖空間から負圧状態に保持された第２の閉鎖空間に前記汚泥を導くとともに、該第２の閉鎖空間にて前記汚泥から凍結により生成した細粒氷を昇華させて水分を分離する工程と、からなることを特徴とする。
【０００８】
かかる発明は、冷却空気により旋回流を発生させて汚泥を微細な粒子に破砕しながら凍結しているため急速な凍結が実現でき、汚泥処理の短縮化が図れるとともに、汚泥と水分とを容易に分離することができるため高効率で以って汚泥を処理できる。また、汚泥中に含有される水分及び空気中の水分を氷結、粉砕させた後に昇華させているため確実な水分分離が可能となり、省エネルギ化も期待できる。
さらに、汚泥凍結乾燥処理の全工程が密閉空間内で行われているため悪臭の発生を抑制することができ、また凝集剤等の薬剤投入の必要がないため環境に与える影響を最小限に抑えることができる。
【０００９】
また、請求項２記載のように、前記第２の閉鎖空間にて水分を分離した汚泥を前記第１の閉鎖空間に戻入し、必要に応じて汚泥を追加投入しながら含水率が所定値に達するまで該汚泥を循環させることが好ましい。
このように、汚泥中からの水分回収率が必要量に達するまで汚泥を循環させることにより、汚泥の水分含有量を必要値に設定することが容易にでき、回収汚泥の再利用が簡単に行えるようになる。
【００１０】
請求項３記載の発明は、前記第２の閉鎖空間にて汚泥から分離した水分を含む空気を冷却して、該空気中の水分を凝縮させて分離させる工程を具え、水分が除去された冷却空気を前記第１の閉鎖空間に返送して前記汚泥の凍結及び旋回流の発生に利用することを特徴とする。
かかる発明によれば、前記冷却空気を排出することなく閉鎖空間内で循環させることにより外部への悪臭の漏出を防止できるとともに、冷熱の供給を最小限に抑えることができるため省エネルギ化に貢献する。
【００１１】
さらに、請求項４記載の発明は、前記水分を分離した汚泥の含水率が所定値に達したときに、前記第１の閉鎖空間に昇温空気を導入して前記汚泥を回収することを特徴とする。
このように、昇華により前記汚泥と分離した水を回収することにより純度の高い水を回収することができ、該回収水の再利用の幅が広がる。また、前記冷却空気の生成に冷凍サイクルの凝縮器側を利用し、汚泥回収時の高温空気の生成には該冷凍サイクルの蒸発器側を利用することが好ましく、これにより冷却と昇温とを同一装置で行うことができ省スペース化が可能となる。尚、前記冷却手段とは別に加熱ヒータを設けても良いことは勿論である。
【００１２】
請求項５乃至７記載の発明は、前記した発明とほぼ同様の効果、作用を得ることができる汚泥凍結乾燥処理システムに関する発明で、請求項５記載の発明は、冷却空気の導入により旋回流を生じせしめて、該旋回流により投入汚泥中の水分を凍結しながら該汚泥を粉砕して微細化する凍結粉砕装置と、該凍結粉砕装置から負圧吸引により細粒汚泥を吸引する手段と、該吸引された汚泥から前記凍結により生成した細粒氷を分離する汚泥分離器とからなり、
前記汚泥分離器での汚泥からの細粒氷分離が、前記負圧を利用して主として細粒氷の水蒸気への相変化により行われることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６記載の発明は、前記汚泥分離器から排出される汚泥を、前記凍結粉砕装置に戻入する汚泥返送路を設け、該汚泥の含水率が所定値に達するまで循環させることを特徴とする。
請求項７記載の発明は、前記汚泥分離器にて分離された水蒸気を冷凍サイクルからの冷熱により凝縮させて回収する水回収手段を設け、該水回収手段により水分除去された冷却空気を前記凍結粉砕装置に導入する冷却空気返送路を設けたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等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は本発明の第１実施形態にかかる汚泥の凍結乾燥処理システムの全体概略構成図、図２は本発明の第２実施形態にかかる汚泥の凍結乾燥処理システムの全体概略構成図である。
【００１５】
本実施形態における凍結乾燥処理システムは下水処理設備等から排出される下水汚泥の処理に適しているが、汚泥の含水率、種類に関らず何れの汚泥にも適用可能である。
図１において、１０は最初沈殿池にて沈降分離処理を施された汚泥を一時的に貯留する汚泥タンクで、不図示の汚泥投入手段と汚泥投入量制御手段とを具備している。１１は冷却空気噴射口を具えたチャンバ、１２は供給される汚泥を凍結しながら粉砕する凍結粉砕装置、１３は汚泥中の固形物を分離回収する汚泥分離器、１４は真空ポンプ、１５はブロワ、１６は熱交換器１８を具えた冷凍機、１７は汚泥から分離された水を回収して乾燥冷却空気を生成する水回収装置、１９は水タンク、２０は前記汚泥分離器１３で回収された汚泥を冷却空気とともに前記凍結粉砕装置１２内に供給するホッパエジェクタである。
【００１６】
前記凍結粉砕装置１２は、前記チャンバ１１と冷却空気噴射口を介して連結されるとともに汚泥投入口及び細粒汚泥含有空気排出口を具え、開閉弁によって密閉系閉鎖空間が形成されるように構成されている。かかる凍結粉砕装置１２内では、前記冷却空気噴射口から供給される冷却空気により旋回流が発生し、該閉鎖空間内に存在する粒子は凍結粉砕装置１２の側壁若しくは粒子同士衝突しながら粉砕、微細化される。このとき、前記旋回流は、例えば前記凍結粉砕装置１２に斜角に取り付けられた冷却空気噴射口から所定風速にて噴射される冷却空気によって形成されることが好ましい。
【００１７】
前記汚泥分離器１３は直径数μｍ程度の粒子まで分離可能な機能を有し、例えば重力、遠心力、慣性力、電気力等を利用した固気分離手段を具えた装置であれば何れでも良いが、特に遠心力サイクロン型分離器が好適である。
前記冷凍機１６は冷凍サイクルを具備し、前記水回収装置１７に延設される熱交換器１８に冷熱若しくは温熱を供給することで該水回収装置１７を通過する空気の温度調製を行っている。つまり、冷却空気を生成する場合には熱交換器１８を前記冷凍サイクルの蒸発器側に接続し、高温空気生成の場合には凝縮器側に接続することで、適宜必要な熱エネルギを供給している。
尚、前記冷凍機１６には、前記したように冷熱と温熱を発生、利用できる冷凍サイクル若しくはヒートポンプ等の熱サイクル装置が好ましいが、ダクトヒータ等の温熱源を別に設ける構成でもよい。
【００１８】
ここで、かかる第１実施形態におけるフローを説明すると、まずホッパエジェクタ２０の後方バルブ３５、汚泥分離器１３の下方バルブ３６及びブロワ１５の後方バルブ３７を開とし、真空ポンプ１４の下方のバルブ３８を閉とし、さらにホッパエジェクタ２０の後方に位置する三方バルブ３９を循環方向とし、凍結粉砕装置１２−汚泥分離器１３−ホッパエジェクタ２０の循環径路、及び凍結粉砕装置１２−汚泥分離器１３−水回収装置１７−ホッパエジェクタ２０の循環径路を開放状態とする。
そして、前記ブロワ１５及び冷凍機１６の運転を開始するとともに、前記凍結粉砕装置１２の汚泥投入口を開いて前記汚泥タンク１０から汚泥を所定量投入する。
【００１９】
汚泥を投入した後、インバータで風速を調節しながら前記チャンバ１１より冷却空気噴射口を介して前記凍結粉砕装置１２内へ冷却空気を導入する。
前記凍結粉砕装置１２内へ導入された冷却空気は旋回流２６を形成し、該旋回流２６により予め投入された汚泥は飛散しながら凍結する。このとき、前記冷却空気旋回流２６によって汚泥に冷熱が均一に伝達され急速に凍結が進行する。ここで汚泥の凍結とは該汚泥内部に含まれる水分の凍結のことであり、汚泥は粒氷を含有した状態で存在することとなる。
【００２０】
また、前記凍結とともに、前記粒氷を含有する汚泥は前記旋回流２６によって凍結粉砕装置１２の内壁若しくは汚泥同士で激しく衝突し、次第に細粒子に粉砕されていく。そして、微細化された汚泥の一部は前記旋回流から脱して細粒汚泥含有空気３０として汚泥分離器１３に移送され、ここで該汚泥中の細粒氷若しくは粉砕により汚泥と分離されて、空気中に存在する細粒氷が相変化により昇華されて水蒸気として汚泥と分離され、該水蒸気を含む水分含有空気３２は冷凍機１６側へ排出される。
一方、前記水分含有空気３２と分離された汚泥は前記汚泥分離器１３の底部から排出され、前記ホッパエジェクタ２０にて前記水回収装置１７を経て乾燥した冷却空気３３と混合されて前記凍結粉砕装置１２に返送される。
【００２１】
さて、前記水回収装置１７に導入された水分含有空気３２は、前記冷凍機１６から熱交換器１８を介して供給される冷熱により凝縮して水に相変化し、適宜水タンク１９へ回収される。そして、水分が分離除去されるとともに熱交換器１８により冷却された冷却空気３３は再び前記ホッパエジェクタ２０を経て汚泥とともに前記凍結粉砕装置１２に導入される。
以上のように、汚泥の含水率が所定値に達するまで汚泥及び冷却空気を循環させる。
【００２２】
そして、汚泥の含水率が所定値に達したら前記汚泥分離器１３の下方バルブ３６を閉とし、前記冷凍機１６の冷凍サイクルを凝縮器側に接続して高温空気を生成するとともにブロワ１５のインバータ周波数を上げて凍結粉砕装置１２の乾燥汚泥回収部４０から乾燥汚泥を回収する。
尚、汚泥の含水率が必要値に達しないときには、ブロワ１５の後方バルブ３７及びホッパエジェクタ２０の後方バルブ３５を閉とするとともに、真空ポンプ１４の下方バルブ３８を開放して該真空ポンプ１４を起動させる。このように、より一層減圧することで相変化が低温で起こり、粒氷を容易に水蒸気とすることができる。
【００２３】
このようにして、冷却空気及び汚泥を循環させることにより初期の含水率とは無関係に、必要に応じて汚泥の乾燥度を高くすることができる。さらにかかる凍結乾燥処理は密閉空間で行われるため臭気が外部に漏出することがなく、また凝集剤等の薬剤投入が必要ないため環境へ与える影響が少ない。また、得られた汚泥は乾燥固形物として再利用し易くなる。
【００２４】
図２に示される第２実施形態は、前記第１実施形態と同様に凍結粉砕装置１２と、汚泥分離器１３と、真空ポンプ１４と、ブロワ１５と、冷凍機１６と、水回収装置１７と、ホッパエジェクタ２０とから構成される。尚、かかる実施形態において、前記第１実施形態とほぼ同様の構成部分は説明を省略する。
前記凍結粉砕装置１２は、汚泥投入口と細粒汚泥含有空気排出口と冷却空気噴射口とを具え、該冷却空気噴射口から導入される冷却空気によって旋回流が発生する構成となっている。かかる凍結粉砕装置１２は略円環形状で環内部に空洞を有する密閉構造をしており、該凍結粉砕装置１２に導入された冷却空気は該空洞の側壁に沿って旋回しながら環部を循環するように構成されている。
【００２５】
また、前記凍結粉砕装置１２の冷却空気噴射口側、細粒汚泥含有空気排出口側及び該凍結粉砕装置１２内部には温度検出器２２、２３、２４が設置されており、該温度検出器により測定された温度に基づきコントローラ２１で以って前記冷凍機１６での冷熱供給量及び前記汚泥タンク１０からの汚泥投入量を制御している。
さらに、前記真空ポンプ１４に具備された圧力計２５により前記汚泥分離器１３内の圧力を所定圧力に保持するように構成されている。
このように、前記凍結粉砕装置１２内での汚泥凍結温度及び前記汚泥分離器１３内の気圧をコントローラで制御して最も効率良くかつ確実に汚泥の凍結促進及び水分分離が行われるようにするとよい。
【００２６】
【実施例】
本実施例では図２に示した第２実施形態の凍結乾燥処理システムに基づき、下水処理設備の最終沈殿池から採取した初沈汚泥（ＭＬＳＳ濃度：１０，９００ｍｇ／Ｌ）を予め約９０〜９５％の含水率に調製した汚泥を用いて処理を行った際の測定結果を示す。
汚泥の凍結粉砕時には前記ブロワ１５のインバータ周波数（ＩＮＶ）を５５Ｈｚ、凍結粉砕装置１２の冷却空気噴射口付近での冷却空気温度（温度検出器２２で検出される温度）を−１５℃、汚泥投入量を６０ｍＬ／分、処理時間を夫々３０分間に設定した。
【００２７】
また、乾燥（昇華）処理では、前記温度検出器２２の温度を４℃に設定し、ＩＮＶを５５Ｈｚで６時間運転した。尚、汚泥投入には含水率９０％でモーノポンプを、９５〜９９％でローラポンプを夫々使用した。
また、かかるシステムに設置された温度検出器２３、２４、及び圧力計２５等により汚泥の凍結乾燥処理における装置内部の温度、及びブロワ風量を計測し、さらに回収処理後の乾燥汚泥及び分離水の回収率を求めた。
【００２８】
その結果、含水率９０〜９５％に調製した汚泥は、昇華現象による汚泥と水分の分離が確認でき、さらに含水率が低くなる程凍結乾燥に要する時間が短縮され、効率的に処理が行われた。
分離水の回収率は約１５０％〜２７０％であり、空気中の水分も同時に回収されたことが判る。ここから、本装置は汚泥の凍結乾燥処理だけでなく汚泥から効率的に水分を除去、回収し、その分離水を再利用できる可能性が示唆された。
【００２９】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、冷却空気により旋回流を発生させて汚泥を微細な粒子に破砕しながら凍結しているため、急速な凍結が実現でき汚泥処理時間の短縮化が図れるとともに、汚泥と水分とを容易に分離することができるため高効率で以って汚泥を処理できる。また、汚泥中に含有される水分及び空気中の水分を氷結、粉砕させた後に昇華させているため確実な水分分離が可能となり、省エネルギ化も期待できる。
さらに、汚泥凍結乾燥処理の全工程が密閉空間内で行われているため悪臭の発生を抑制することができ、また凝集剤等の薬剤投入の必要がないため環境に与える影響を最小限に抑えることができる。
【００３０】
また、汚泥中の含水率が必要値に達するまで汚泥を循環させることにより、汚泥の水分含有量を必要値に設定することが容易にでき、回収汚泥の再利用が簡単に行えるようになる。
また、前記冷却空気を排出することなく閉鎖空間内で循環させることにより外部への悪臭の漏出を防止できるとともに、冷熱の供給を最小限に抑えることができるため省エネルギ化に貢献する。
さらにまた、昇華により前記汚泥と分離した水を回収することにより、純度の高い水を回収することができ、該回収水の再利用の幅が広がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態にかかる汚泥濃縮装置の全体概略構成図である。
【図２】  本発明の第２実施形態にかかる汚泥濃縮装置の全体概略構成図である。
【図３】  従来の汚泥濃縮装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１０    汚泥タンク
１１    チャンバ
１２    凍結粉砕装置
１３    汚泥分離器
１４    真空ポンプ
１５    ブロワ
１６    冷凍機
１７    水回収装置
１８    熱交換器
１９    水タンク
２０    ホッパエジェクタ
２１    コントローラ
２２、２３、２４  温度検出器
２５    圧力計
３０    細粒汚泥含有空気
３２    水分含有空気
３３    冷却空気
【図１】
0003755031.tif 000002
【図２】
0003755031.tif 000003
【図３】
0003755031.tif 000004