Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
Fig. 24 Terzaghi-一般化 Voigt モデル

段階的に発生するクリープ挙動は、式(10)に基づき Fig. 25 左図のように $ (1 - U_{\mathrm{c}}) $ 対 $ \theta_{c} $ の片対数プロットの直線性から決定でき、下水余剰汚泥の場合、三段階で近似できることから、四次圧密までを考慮する必要があることがわかった。Fig. 25 右図は、下水余剰汚泥の圧密挙動を平均圧密比 $ U_{c} $ の経時変化として示した。実線は、式(10)で四次圧密 $ (k = 3) $ まで考慮し、フィッティングにより得た修正圧密係数や各クリープ定数を用いて求めた計算値であり、プロットの実験値と精度良く一致していることから、脱水過程をモデル化できたと判断される。また、一次から四次までの各圧密量の割合 $ A, B_{1}, B_{2}, B_{3} $ を図中に示した。A の値が最も
大きく、一次圧密が全圧密量の60％を占めることがわかった。このような生物スラッジの特徴的な圧密挙動は、その物質のレオロジー特性と密接に関係していると考えられ、今後圧密特性とレオロジー特性との関係について詳細な検討が必要となる。超高圧圧搾におけるケーク脱水挙動のモデル化ができたことにより、今後予定している種々の操作条件における脱水性能の推算に寄与するものと期待される。

Fig. 26 には、ケークの空隙率 $ \varepsilon_{av} $ と含水率 R の経時変化について、代表的な実験データをプロットで、また新規圧搾モデルに基づく計算値を実線で示した。ケークの空隙率 $ \varepsilon_{av} $ と含水率 R はそれぞれ式(11), (12)で表され、式 (10)の $ U_{c} $ の経時変化を用いると、それぞれの経時変化が推算できる。図に示すように実験値と推算値は良好に一致しており、式 (10)の $ \omega_{0} $ が単位断面積当たりの汚泥体積になることから、汚泥の処理量が変化した場合にも適用可能で、本提案モデルにより脱水時間を予測することができる。

$$ \varepsilon_{\mathrm{av}}=1-\frac{\omega_{0}}{L_{1}-U_{\mathrm{c}}\left(L_{1}-L_{\infty}\right)} $$

$$ R=\frac{100\varepsilon_{av}\rho}{\varepsilon_{av}\rho+(1-\varepsilon_{av})\rho_{s}} $$

ここに、$\omega_{0}$ は単位断面積毎の固体体積、$L_{1}$、$L_{\infty}$ はそれぞれ圧密初期、圧密平衡時のケーク厚さ、$\rho$ は搾出液の密度、$\rho_{\mathrm{s}}$ は固体の真密度である。

次に、モデル式による解析を進め、汚泥の圧密脱水特性を評価する。破砕処理した凝結汚泥を、種々の圧搾圧 $ p_{2} $ で超高圧圧搾した際の平均圧密比 $ U_{c} $ の経時変化を Fig. 27 に示した。超高圧を作用させた瞬間に汚泥ケークは著しく圧密され、その傾向は、圧力が大きいほど顕著なことがわかる。
Fig. 28 には、モデル式による解析で求めた全圧密量に対する一次圧密の割合 A と二次から四次までの各クリープ圧密の割合 $ B_{k} $ （k = 1, 2, 3）の値と圧力の関係を示した。破砕処理した凝結污泥では、一次圧密の割合 A が最も大きく、その傾向は圧力の増加とともに顕著となり、一方、それに対応して二次圧密の割合 $ B_{1} $ は圧力の増加とともに小さくなった。なお、三次および四次圧密の割合は極めて小さかった。

Fig. 29 には、比較のために、未処理の汚泥および凝集剤としてポリ塩化アルミニウム(PACl)を用いて凝集処理した汚泥を10 MPaで圧搾した場合の各圧密量の割合を、破砕・凝結処理した汚泥の結果と併せて示した。汚泥原液との相違は明確で、破砕処理した汚泥は三次圧密の割合 $ B_{2} $ が小さく、一次圧密の割合Aが大きくなっていることがわかる。これは超音波処理によって汚泥が圧密脱水されやすくなっているためと推察される。なお、凝集剤を添加した場合には、二次圧密の割合 $ B_{1} $ が小さく、三次圧密の割合 $ B_{2} $ が大きくなっており、自由水まで取り込んだ強固なフロックを形成するために圧密が進行しにくくなっているものと考えられる。
圧搾のモデル化による解析

Fig. 25 多段クリープモデルによる下水余剰汚泥の超高压圧搾挙動の解析
## 圧搾のモデル化による解析

Fig. 26 多段クリープモデルによる脱水挙動の推算
## 平均圧密比 $ U_{c} $ の経時変化

## 圧搾圧力による影響

Fig. 27 多段クリープモデルによる解析（圧搾圧力の影響）
## 各圧密量と圧搾圧力の関係

## 圧密脱水特性の評価

Fig. 28 圧密量と圧搾圧力の関係
## 圧密脱水特性の評価

前処理の影響

Fig. 29 圧密脱水特性の評価
### 3.5 実用化への検討

本研究で提案する難脱水性生物スラッジの高速減量化技術が実用化されれば、産業廃棄物の中で最も大きな排出量割合を占め、水分含量が高い污泥を、現存技術では想定できないほどの極めて低い含水率に、最も省エネルギー的な機械的脱水操作によって高速で処理できるようになり、後段の熱的操作による負荷を小さくし、污泥処理システム全体のエネルギー削減に繋がる。

Fig. 30 では、一連の研究成果に基づき、本開発技術を導入した污泥処理プロセスを廃水処理も含めた一連のプロセスとして提案する。排水の流量・水質、余剩污泥の発生量・污泥濃度、濃縮污泥の污泥濃度および処理水質については、本研究での実験試料（余剩污泥）を採取した植田水処理センターおよび柴田污泥処理場のデータを用いた。脱水ケークの含水率、搾出液の水質および濃縮槽における上澄液の水質は、実験データに基づいており、処理場のデータと併せて污泥量等を計算した。課題である自己凝結フロックに取り込まれない微細粒子についても、濃縮槽を設置することで、圧搾操作で排出される搾出液とともに排水と混合し、負荷を上げることなく曝気槽での処理が可能となる。

次に、エネルギーの観点からの評価を行った。本手法は、凝集剤を用いることなく、破砕・凝結操作により自己凝結フロックを形成させ、ステップ超高压により下水余剰汚泥の含水率を極めて小さくすることが可能である。脱水汚泥の含水率は27～47％となり、コンポスト化、焼却、炭化、溶融など以後の汚泥処理法に合わせて適切な条件設定を行うことで効率的な脱水が実現できる。仮に、汚泥の含水率を40％にすることを想定すると、超音波照射式破砕を導入し、10 MPaでの超高圧圧搾を行う本手法での所要エネルギーは、Fig. 31に示すように脱水・乾燥を行う現状プロセスの8%程度であり、省エネルギーでの操作が可能である。また、凝集剤を用いないため再資源化への用途が拡がり、実用化のメリットは大きい。
Fig. 32 には、近年注目されている汚泥の燃料化を想定した場合の本手法導入による優位性を示した。炭化された下水汚泥は、石炭火力発電所における石炭代替燃料としての利用が期待されており、有価物になることから汚泥処理コストが低減でき、導入が進められている。本提案プロセスでは、脱水後の汚泥の含水率が極めて小さいため、一般的に行われている乾燥の工程を経ることなく炭化を行うことが想定でき、熱エネルギーが不要という点において優位性がある。また、凝集剤を用いないという点から、その分についてもコスト削減が可能で、現状プロセスはもちろんのこと、固形燃料化プロセスと比較しても、その有用性は明らかである。

以上より、本手法導入のメリットは大きく、脱水法の操作条件を適切に設定するとともに、汚泥の再利用用途に合わせて脱水をどの程度まで行うかといった設定についても適切にすることで、処理時間も考慮した省エネルギー的で効率的な廃棄汚泥処理が可能となるものと考える。なお、超高压下での使用が可能で汚泥の漏れの小さい濾布の選定は済ませており、今後の課題として、超高压脱水機の大型化と余剰汚泥の連続的な破砕・凝結を行うための装置のライン化があげられるが、本研究成果の実現可能性は充分に期待できる。
Fig. 30 本手法を導入したプロセス
エネルギー的観点での優位性

Fig. 31 エネルギー的観点での評価
実用化への検討

Fig. 32 汚泥の燃料化を想定した場合の提案プロセスの優位性
### 4. 結論

破砕・凝結プロセスとステップ超高压圧搾とを融合した脱水法を提案し、脱水時間と脱水度の両面から、現存技術に比べ格段に優れていることを実証した。難脱水性生物スラッジとして下水余剰污泥を例にとり、種々の方法で破砕・凝結効果を確認したところ、超音波照射と緩速攪拌の組み合わせが最適であることを示した。さらに、低压圧搾およびその後の超高压圧搾における脱水速度と脱水度への影響を総合的に考慮すると、超音波照射時間の適切な設定による破砕程度の制御が必要不可欠であることがわかった。採取した污泥の性状が脱水効果に影響を及ぼすものの、超音波照射と緩速攪拌による破砕・凝結操作と10～50 MPaの超高圧圧搾とを組み合わせた脱水操作により、含水率が27～47%と、既存技術と比較して極めて小さい脱水污泥を得ることができた。本成果は、機械的脱水では不可能であった污泥細胞内水分が脱水されたことを示している。圧密脱水速度も著しく向上し、含水率が最も小さくなった条件では、ケーク含水率は脱水時間1分で約40%、1時間で約30%、24時間で27%まで低減された。污泥原液を基準とすると、99.3%もの減量化を実現した。コンポスト化、焼却、炭化、溶融など以後の污泥処理法に合わせて適切な条件設定を行うことで効率的な脱水が実現できるものと考える。

破砕・凝結プロセスや超高压脱水機で必要となるエネルギーは、現状プロセスにおける汚泥の乾燥工程よりも著しく小さく、汚泥の含水率を40%にすることを想定すると、超音波照射式破砕を導入した場合の所要エネルギーは、脱水・乾燥を行う現状プロセスの8%程度であり、省エネルギーでの操作が可能である。また、凝集剤を用いないため再資源化への用途が拡がり、実用化のメリットは大きい。超高压下での使用が可能で汚泥の漏れの小さい濾布の選定は済ませており、超高压脱水機の大型化と余剰汚泥の連続的な破砕・凝結を行うための装置のライン化が今後の課題となるが、本研究成果の実現可能性は大きく、現在の汚泥処理問題への貢献が期待できる。
### 5 \. 参考文献

1) 環境省廃棄物・リサイクル対策；産業廃棄物の排出及び処理状況等(平成23年度実績)，http://www.env.go.jp/recycle/waste/sangyo.html

2) 条辺大策，内山茂幸，瓜正俊次，下田雅夫，末松伸平；高压フィルタープレスの開発と商品化，新日鉄技報，372, 67-72 (1999)

3) 中塩真喜夫; 廃水の活性污泥処理, 恒星社厚生閣, 164-165 (1996)

4) Iritani, E., N. Katagiri, T. Washizu and K.J. Hwang; High-Level Deliquoring of Activated Sludge by Ultrahigh-Pressure Expression Combined with Flocculation, Chem. Eng. Sci., 112, 1-9 (2014)

5) Iritani, E., N. Katagiri, Y. Wakamatsu and J.H. Cho; Influence of Ultrasonic Pretreatment on Deliquoring Properties in Expression of Carrots, J. Chem. Eng. Japan, 47(12), 869-875 (2014)

6) Iritani, E., M. Nishikawa, N. Katagiri and K. Kawasaki; Synergy Effect of Ultrasonication and Salt Addition on Settling Behaviors of Activated Sludge, Sep. Purif. Technol., 144, 177-185 (2015)

7) Mohammadi, A.R., N. Mehrdadi, G.N. Bidhendi and A. Torabian; Excess Sludge Reduction Using Ultrasonic Waves in Biological Wastewater Treatment, Desalination, 275, 67-73 (2011)

8) 片桐誠之, 河原広隆, 入谷英司; 微生物ケークの圧密特性の評価, 化学工学会第 79 年会講演要旨集, 岐阜大学 (岐阜県), H118 (2014)

9) Shirato, M., T. Murase, H. Kato and S. Fukaya; Studies on Expression of Slurries under Constant Pressure, Kagaku Kogaku, 31(11), 1125-1131 (1967)

10) Shirato, M., T. Murase, A. Tokunaga and O. Yamada; Calculations of Consolidation Period in Expression Operations, J. Chem. Eng. Japan, 7(3), 229-231 (1974)
## 6 ．研究発表

## <論文発表>

1) Iritani, E., N. Katagiri, and S. Kanetake; Determination of Cake Filtration Characteristics of Dilute Suspension of Bentonite from Various Filtration Tests, Sep. Purif. Technol., 92, 143-151 (2012)

2) Iritani, E., N. Katagiri, Y. Murakami and D. Nakano; Measurements of Growth Rate of Filter Cake in Vertical Single-Pass Ultrafiltration Using Hollow Fiber Membrane Module, Sep. Sci. Technol., 47(16), 2281-2289 (2012)

3) 入谷英司, 片桐誠之, 新庄加苗; BSA およびデキストラン溶液の限外濾過における濾過ケークの成長と溶質の膜透過の動的挙動, 化学工学論文集, 38(4), 250-254 (2012)

4) 曹達啓, 入谷英司, 片桐誠之; 上向流デッドエンド定圧濾過による O/W エマルションの膜濾過特性の評価, 化学工学論文集, 38(6), 378-383 (2012)

5) Hwang, K.J., P.C. Tsai, E. Iritani and N. Katagiri; Effect of Polysaccharide Concentration on the Membrane Filtration of Microbial Cells, J. Appl. Sci. Eng., 15(4), 323-332 (2012)

6) Cao, D.Q., E. Iritani and N. Katagiri; Properties of Filter Cake Formed during Dead-End Microfiltration of O/W Emulsion, J. Chem. Eng. Japan, 46(9), 593-600 (2013)

7) Iritani, E., N. Katagiri, M. Tsukamoto and K.J. Hwang; Determination of Cake Properties in Ultrafiltration of Nano-Colloids Based on Single Step-up Pressure Filtration Test, AIChE J., 60(1), 289-299 (2014)

8) Iritani, E., N. Katagiri, R. Nakajima, K.J. Hwang and T.W. Cheng; Cake Properties of Nanocolloid Evaluated by Variable Pressure Filtration Associated with Reduction in Cake Surface Area, AIChE J., 60(11), 3869-3877 (2014)

9) Iritani, E., N. Katagiri, T. Washizu and K.J. Hwang; High-Level Deliquoring of Activated Sludge by Ultrahigh-Pressure Expression Combined with Flocculation, Chem. Eng. Sci., 112, 1-9 (2014)

10) Iritani, E., N. Katagiri, Y. Wakamatsu and J.H. Cho; Influence of Ultrasonic Pretreatment on Deliquoring Properties in Expression of Carrots, J. Chem. Eng. Japan, 47(12), 869-875 (2014)
11) 入谷英司，片桐誠之，鷲津拓也，黃國楨，鄭東文；活性污泥の圧搾による高度脱水における可逆凝集と超高压の複合効果，化学工学論文集，40(5), 396-403 (2014)

12) Iritani, E., M. Nishikawa, N. Katagiri and K. Kawasaki; Synergy Effect of Ultrasonication and Salt Addition on Settling Behaviors of Activated Sludge, Sep. Purif. Technol., 144, 177-185 (2015)

## <学会発表>

· 国際学会

1) Iritani, E., N. Katagiri and T. Washizu; High-Level Deliquoring of Activated Sludge by Step-Up Ultrahigh-Pressure Expression Combined with Reversible Flocculation, Proceedings of the 11th World Filtration Congress (WFC11), Graz (Austria), CD-ROM (2012)

2) Iritani, E., N. Katagiri and M. Tsukamoto; Determination of Pressure Dependence of Average Specific Cake Resistance Based on Single Step-Up Pressure Filtration Test, Proceedings of the 11th World Filtration Congress (WFC11), Graz (Austria), CD-ROM (2012)

3) Katagiri, N., D. Nakano and E. Iritani; Analysis of Mechanism of Inclined Dead-End Ultrafiltration of Protein Solution, Proceedings of the 11th World Filtration Congress (WFC11), Graz (Austria), CD-ROM (2012)

4) Katagiri, N., H. Kawahara and E. Iritani; Evaluation of Filter Cake Properties in Microfiltration of Microbial Suspensions, Proceedings of Filtech 2013, Wiesbaden (Germany), CD-ROM (2013)

5) Katagiri, N., T. Washizu and E. Iritani; High-Level Sludge Dewatering by Step-up Ultrahigh-Pressure Expression Combined with Reversible Flocculation, Proceedings of the 1st International IWA Conference on Holistic Sludge Management (HSM2013), Västerås (Sweden), CD-ROM (2013)

6) Iritani, E., N. Katagiri, R. Nakajima and M. Tsukamoto; Evaluation of Filtration Characteristics Based on a Variety of Filtration Tests, Proceedings of Filtration and Separation Symposium 2013, Tokyo (Japan), 72-77 (2013)

7) Katagiri, N., H. Kawahara and E. Iritani; Effect of Cell Morphology on Microfiltration Properties of Microbial Suspensions, Proceedings of Filtration and Separation Symposium 2013, Tokyo (Japan), 151-156 (2013)
8) Cao. D.Q., E. Iritani and N. Katagiri; Determination of Cake Properties in Membrane Filtration of O/W Emulsion, Proceedings of the 9th World Congress of Chemical Engineering (WCCE9), Seoul (Korea), CD-ROM (2013)

9) Katagiri, N., H. Kawahara and E. Iritani; Evaluation of Compression-Permeability Characteristics of Microbial Cake Based on Microfiltration Data, Proceedings of European Conference on Fluid-Particle Separation (FPS) 2014, Lyon (France), 11-12 (2014)

10) Iritani, E., N. Katagiri, R. Nakajima and M. Tsukamoto; Cake Properties of Nano-Colloids in Variable Pressure Filtration, Proceedings of European Conference on Fluid-Particle Separation (FPS) 2014, Lyon (France), 13-14 (2014)

11) Katagiri, N., R. Nakajima and E. Iritani; Evaluation of Cake Properties Based on Variable Pressure Ultrafiltration Associated with Reduction in Cake Surface Area, Proceedings of the 10th International Conference on Separation Science and Technology (ICSST14), Nara (Japan), USB-Memory (2014)

12) Yamada, M., N. Katagiri and E. Iritani; Ultrahigh-Pressure Expression Assisted with Self-Coagulation of Sewage Sludge Arising from Disruption Operation, Proceedings of the 10th International Conference on Separation Science and Technology (ICSST14), Nara (Japan), USB-Memory (2014)

13) Nakajima, R., N. Katagiri and E. Iritani; Measurement of Cake Properties Based on Variable Pressure Ultrafiltration, Proceedings of Particle Separation 2014, Sapporo (Japan), USB-Memory (2014)

## · 国内学会

1) 曹達啓, 入谷英司; O/W エマルションの膜濾過におけるケーク特性新規評価法の開発, 化学工学会第44回秋季大会講演要旨集, 東北大学 (宮城県), W118 (2012)

2) 高橋宏紀, 片桐誠之, 入谷英司; 微生物代謝多糖類の膜分離特性の評価, 化学工学会第44回秋季大会講演要旨集, 東北大学 (宮城県), W119 (2012)

3) 塚本昌利, 入谷英司; シングル・圧力ステップ状濾過によるナノコロイドの濾過特性の迅速決定法の提案, 化学工学会第 44 回秋季大会講演要旨集, 東北大学 (宮城県), W120 (2012)

4) 河原広隆, 片桐誠之, 入谷英司; 微生物懸濁液の精密濾過で形成されるケーク特性の解析, 化学工学会第44回秋季大会講演要旨集, 東北大学 (宮城県), W122 (2012)
5) 山内一也, 片桐誠之, 入谷英司; 嫌気廃水処理における活性汚泥の有機酸産生と膜分離特性の評価, 化学工学会第44回秋季大会講演要旨集, 東北大学 (宮城県), W125 (2012)

6) 片桐誠之，鷲津拓也，入谷英司；下水污泥のステップ超高压圧搾における無機・有機系凝集剤の作用効果，化学工学会第78年会講演要旨集，大阪大学 (大阪府), R308 (2013)

7) 若松祐太, 入谷英司; 野菜試料の圧搾脱液特性に及ぼす前処理効果, 化学工学会第78年会講演要旨集, 大阪大学 (大阪府), R313 (2013)

8) 山内一也，片桐誠之，入谷英司；嫌気活性污泥の膜濾過特性に及ぼす廃水組成の影響，化学工学会第45回秋季大会講演要旨集，岡山大学 (岡山県), O106 (2013)

9) 河原広隆, 片桐誠之, 入谷英司; 精密濾過試験に基づく微生物ケークの圧縮透過特性の評価, 化学工学会第45回秋季大会講演要旨集, 岡山大学 (岡山県), O107 (2013)

10) 中嶋亮太, 入谷英司; 濾過面積急縮小と変圧変速濾過を融合させた限外濾過ケークの特性評価, 化学工学会第 45 回秋季大会講演要旨集, 岡山大学 (岡山県), O120 (2013)

11) 山田将大, 入谷英司; 破砕・凝結プロセスを導入した下水余剩汚泥の超高圧圧搾脱水, 化学工学会第45回秋季大会講演要旨集, 岡山大学 (岡山県), O206 (2013)

12) 片桐誠之, 河原広隆, 入谷英司; 微生物ケークの圧密特性の評価, 化学工学会第 79 年会講演要旨集, 岐阜大学 (岐阜県), H118 (2014)

13) 山田将大, 入谷英司; 破碎操作による下水污泥の自己凝集を利用した超高压圧搾脱水, 化学工学会第 46 回秋季大会講演要旨集, 九州大学 (福岡県), F104 (2014)

14) 笹川崇光, 片桐誠之, 入谷英司; 微生物代謝多糖およびタンパク質の精密濾過特性の評価, 化学工学会第46回秋季大会講演要旨集, 九州大学 (福岡県), F204 (2014)

15) 藤井岳, 入谷英司; 破碎処理した酵母スラリーの精密濾過特性, 化学工学会第46回秋季大会講演要旨集, 九州大学 (福岡県), F205 (2014)

16) 片桐誠之，山内一也，入谷英司；嫌気活性污泥の有機酸産生と膜濾過特性に及ぼす廃水処理条件の影響，化学工学会第80年会講演要旨集，芝浦工業大学 (東京都), A224 (2015)

17) 片桐誠之，西川匡子，入谷英司；活性污泥の沈降特性に及ぼす超音波照射と塩添加の相乗効果，化学工学会第80年会講演要旨集，芝浦工業大学 (東京都), A225 (2015)
## <図書>

1) 入谷英司；濾過・圧搾，「製造プロセスのスケールアップ 正しい進め方とトラブル対策事例集」，第4章 分離操作設備のスケールアップファクターとその活用ノウハウ,5節,技術情報協会,166-173(2012)

2) 入谷英司；ろ過・圧搾，粉体工学会編「粉体工学ハンドブック」，3.9，朝倉書店，417-427 (2014)

3) 入谷英司；高吸水性ゲル粒子充填層の圧密・膨張特性，「ゲルテクノロジーハンドブック」，第3章環境浄化，3節，エヌ・ティー・エス，614-619(2014)

## ※「国民との科学・技術対話」の実施

1) 高校生を対象とした実験講習会「テクノサイエンスセミナー」にて成果紹介（主催：名古屋大学工学部、平成24年8月9日、入谷研究室、参加者12名）

2) 高校生を対象とした実験講習会「名古屋大学化学・生物実験講習会」にて成果紹介（主催：名古屋大学工学部、平成25年8月6日、入谷研究室、参加者12名）
# High-level deliquoring of activated sludge by ultrahigh-pressure expression combined with flocculation

Eiji Iritani $ ^{a,*} $ , Nobuyuki Katagiri $ ^{a} $ , Takuya Washizu $ ^{a} $ , Kuo-Jen Hwang $ ^{b} $

$ ^{a} $ Department of Chemical Engineering, Nagoya University, Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya 464-8603, Japan

$ ^{b} $ Department of Chemical and Materials Engineering, Tamkang University, 151, Yingzhuan Rd., Tamsui, New Taipei City 25137, Taiwan

## HIGHLIGHTS

• Efficient deliquoring process of municipal activated sludge was proposed.

• Low-pressure filtration combined with flocculation led to high-rate deliquoring.

• Expression combined with water permeation resulted in high-degree deliquoring.

• Relation between porosity and compressive pressure was described by a power function.

• Cake moisture content was reduced to 31 wt% at expression pressure of 15 MPa.

## GRAPHICAL ABSTRACT

## ARTICLE INFO

Article history:

Received 16 January 2014

Received in revised form

4 March 2014

Accepted 8 March 2014

Available online 15 March 2014

Keywords:

Expression

Ultrahigh pressure

Activated sludge

Moisture content

Deliquoring

Consolidation

## A B S T R A C T

The efficient deliquoring process has been developed for achieving high-rate and high-degree deliquoring of municipal excess activated sludge, which exhibits relatively low dewaterability. In the method developed, low-pressure filtration combined with flocculation led to high-rate deliquoring of sludge due to the formation of large flocs. Subsequently, ultrahigh-pressure expression combined with water permeation through the filter cake which promoted the re-dispersion of flocs in the cake resulted in high-degree deliquoring of the cake. It should be noted that the moisture content in the compressed cake was finally reduced to 31 wt% by expression operation under action of an ultrahigh pressure of 15 MPa. This extremely low value of the cake moisture content implies that the liquid contained within the microorganism cells was partially removed by the mechanical pressure when the ultrahigh pressure is applied to the cake in the course of expression. The relation between the equilibrium porosity in the compressed cake and solid compressive pressure was empirically represented by a power function. The kinetics of ultrahigh-pressure expression such as the time variation of the moisture content in the compressed cake was accurately described by combining the multi-stage creep model with the modified Terzaghi model describing the primary consolidation.

© 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

### 1. Introduction

Sludge accounts for over 40% of industrial waste in Japan, and thus it is of the utmost importance to reduce the waste volume as much as possible from the viewpoint of increased transport costs,
Fig. 6. Variation of aluminum concentration in permeate obtained during filtration and water permeation with permeate volume per unit cross-sectional area.

Fig. 7. Size distributions of flocs in cake prepared by different operations.

Fig. 7 compares the size distributions of flocs in the cake produced by different operations, where f is the frequency, and $ d_{f} $ is the diameter. Whilst the floc size in the flocculated filter cake is much larger than that in the non-flocculated cake, it pronouncedly decreases by permeating water through the cake and approach the floc size in the non-flocculated cake. It is shown from other experiments that the size distributions of flocs in the flocculated and non-flocculated cakes are nearly identical to those of flocs in the non-flocculated and flocculated sludge, respectively. Moreover, as for the effect of the osmotic pressure on the particle size, preliminary data obtained in our laboratory indicates that the particle size distribution of flocs in the sludge is nearly identical to that of flocs in the sludge in which the solvent is replaced by water through centrifugal decantation. Fig. 8 compares the photomicrographs of flocs in the cake before and after water permeation through the flocculated cake. It is obvious that large flocs produced by PACl addition are re-dispersed by permeating water through the flocculated cake.

#### 4.4. Cake moisture content attained by ultrahigh-pressure expression

In Fig. 9, the final moisture content $ R_{e} $ of the compressed cake on the mass basis obtained by ultrahigh-pressure expression is logarithmically plotted against the expression pressure $ p_{c} $ during

a

b

Fig. 8. Photomicrograph of flocs in cake: (a) before and (b) after water permeation.

Fig. 9. Relation between final moisture content of compressed cake and expression pressure.

ultrahigh-pressure expression, where $ \omega_{0} $ is the total solid volume per unit cross-sectional area. It is found that the increase in the expression pressure results in the substantial decrease in the moisture content of the compressed cake. Of particular importance is the surprising result that the moisture content of the compressed cake is finally reduced to 31 wt% by expression under action of an ultrahigh pressure of 15 MPa. This finding leads to the surprising conclusion that the liquid contained within the microorganism cells is partially removed by the mechanical pressure when the ultrahigh pressure is applied to the compressed cake in the course of expression. The experimental data shown in
# 活性汚泥の圧搾による高度脱水における可逆凝集と超高压の複合効果 $ ^{†} $

入谷 英司 $ ^{1} $ ·片桐 誠之 $ ^{1} $ ·鷺津 拓也 $ ^{1} $ ·黃 國楨 $ ^{2} $ ·鄭 東文 $ ^{2} $

$ ^{1} $ 名古屋大学大学院工学研究科 化学·生物工学専攻，7464-8603 愛知県名古屋市千種区不老町

$ ^{2} $ 淡江大学 化学工程与材料工程学系，台湾25137新北市淡水区英専路151號

キーワード：超高压压搾，可逆凝集，脱水，活性污泥，ケーク含水率

無機凝集剤のポリ塩化アルミニウム（PACl）と有機高分子凝集剤のクリフィックスを用いて，余剰活性污泥の高度脱水を行った．脱水は，凝集スラリーの濾過，濾過ケークへの透水によるケーク内の凝集フロックの再分散化，超高压圧搾の一連のプロセスから構成される．クリフィックスの使用は，PAClの場合に比べ濾過速度を著しく増加させたが，逆に圧搾速度は減少し，特に低压搾圧力の場合に，その傾向は顕著であった．圧搾圧力の増加によるケーク含水率の低下は，クリフィックスよりPAClの場合の方がより顕著であった．注目すべきは，50MPaの超高压を作用させると，ケーク含水率は圧搾終了時に23.7wt%まで減じたことである．Terzaghi型の一次圧密とそれに続く主に二段階のクリーブ現象を考えることにより，平均圧密比や圧縮ケークの平均含水率の経時変化などの超高压圧搾過程の動特性を良好に記述できた．その結果，クリフィックスの場合に，特に低い圧搾圧力においてクリーブ効果が著しいことがわかった．また，修正圧密係数は圧搾圧力の増加とともに増大したが，ある限界圧搾圧以上では圧搾圧によらず一定値を示し，その値は，PACl，クリフィックスの場合にそれぞれ5,10MPa程度であった．

## 緒言

現在，我が国で年間4億tを超える膨大な排出量の産業廃棄物の中で，污泥は4割を超える排出量割合を占め，その減量化が大きな課題となっている．機械的脱水法は，乾燥などの熱的操作と比べ，固液混合物の最も省エネルギー的な減量化法であり，機械的脱水でできる限りの減容化を図り，次段階のプロセスに繋げることが肝要である．しかしながら，污泥の種類や性状にもよるが，たとえば下水污泥の機械的操作で得られる脱水ケークの含水率は，通常80wt%前後であり，更なる低含水率化は，乾燥などの熱的操作に頼らさるを得ないのが現状である（Raynaud et al., 2010）.

近年，粗大で強固な凝集フロックを形成できる高分子凝集剤の高性能化が進みつつあり，脱水速度の著しい向上が実現している一方，こうした強固な凝集フロック内に取り込まれた水分は，その分離除去が困難となり，最終的に得られる脱水ケークの含水率は比較的高くなってしまうという問題点がある（Qi et al., 2011）。したがって，凝集剤を使川せずに汚泥粒子が比較的分散した状態のままで機械的脱水操作を行った方が，最終的に得られる脱水ケークの含水率は低減されるものと予測されるが，その場合には，汚泥スラリーが非常に難適過性で，高圧縮性の濾過ケークが形成され，特に濾材近傍に生成する濾過比抵抗が歩度に大きな，いわゆるスキン層が脱水速度の律速となり，脱水の進行を著しく阻害することが知られている．より高い圧力を作用させればさせるほど，特に濾過の初期段階でこのようなスキン層が形成されるため，操作圧力の増加がケーク合水率の低減化には直接撃がらない（Tiller and Green, 1973; Sorensen and Hansen, 1993; Tiller and Kwon, 1998）。したがって，現状の技術では，下水汚泥のような難脱水性有機汚泥の高効率な脱水は極めて困難な状況にあり，汚泥の減量化や脱水汚泥の資源としての有効利用の観点から，高速で低含水率の脱水ケークを得る手法の開発が，現在急務とされている。

そこで、無機凝集剤による凝集スラリーを高速で減過した後に、生成ケーク層に純水を透過し、無機凝集剤を洗い流してフロックを崩壊させ、15 MPaにおよぶ超高压を作用させてケークの低含水率化を行う手法を開発した（Iritani et al., 2014b）。本研究では、この手法の有効性や適用範囲をより明確にするため、凝集剤に無機凝集剤のポリ塩化アルミニウム（PACl（polyaluminum chloride））と有機高分子凝集剤でポリアクリル酸系、カチオン性のクリフィックスを用いて、下水余剩污泥を対象に一連の脱水実験を行い、滅過、純水透過、圧密の各操作におけるそれぞれの凝集剤の作用効果を比較、考察した。特に超高压を作用させた時の圧密速度や脱水度については、これまでまったく不明であり、而者の凝集剤の作用効果の違いを比較することにより、下水污泥の機械的脱水操作のための堪砥的指針を得る。

### 1. 実験装置および方法

試料には，植田水処理センター（名古屋市）から採取した下水余剩污泥を用い，278Kに保たれた冷蔵庫内に静置して，20hのデカンテーションで約2倍に濃縮し，固形分の質量分率sを0.01
Fig. 1 Schematic diagram of deliquoring process developed in this research

の一定値に保って，実験に供した，この汚泥スラリーに，凝集剤として，無機凝集剤のPACl（250A，多木化学），または有機高分子凝集剤でポリアクリル酸系，カチオン性のクリフィックス（CP-805，栗田工業）を用いて凝集処理を行った後に，脱水実験に用いた，凝集処理前後のスラリー中の粒子の粒度分布を，レーザ回折式粒度分布測定装置（SALD-2200，島津製作所）で測定した，なお，ケークへの透水に用いた純水には，超純水製造システム（Elix-UV20およびMilli-Q Advantage，ミリボア）で得た超純水を使用した。

ケーク脱水のための一連のプロセスの流れをFigure 1にまとめた。凝集操作では，汚泥スラリーに所定量の凝集剤を添加し，ジャーテスター（入江尚会）を用いて120rpmで3minの急速揺抨の後，50rpmで10minの緩速揺抨を行って凝集フロックを形成させた(Iritani et al., 2011)。凝集処理した汚泥スラリーを用いて，窒素加圧による濾過と材料試験機（SC-50H，東京試験機）による圧密の両操作が可能なセル断而積9.6cm²の超高圧用圧搾セルを用いて，一連の濾過および圧密実験を行った(Iritani et al., 2014b)。まず98kPaの濾過圧力$p_{f}$で定圧濾過実験を行い，濾液質量の経時変化を電子天秤で測定し，濾液密度ρの値を用いて，单位濾過面积あたりの濾減量νの経時変化に換算した。濾過終了後，直ちに濾過と同一圧力の98kPaの透水圧力$p_{p}$で，ケークの空隙体積に相当する量の钝水を透過させた。次いで，セル上部のフランジを取り外して，下部に濾材を設けたビストンをセルシリンダに挿入し，材料試験機を用いて，0.5-50MPaの圧挤圧力の範囲で，種々の荷重圧$p_{c}$を作川させ，両面排水で定圧圧密を行った。圧縮ケーク厚さLの経時変化を，セルシリンダに取り付けたダイヤルゲージで測定した。圧密終了後のケーク含水率$R_{c}$は，乾燥法に比べ簡便で精度の点でも遜色のない赤外線式水分計（FD-720，Kett）で測定した。なお，ケーク厚さの測定に用いたダイヤル

Fig. 2 Determination of optimum dosage of flocculants based on mean specific surface area size of flocs: (a) PACl and (b) Kurifix

ゲージの最小裕（0.01mm）が5hの間変化しなくなった時点を圧密終了点と判断した。濾材には、保留粒子径が1μmの濾紙（4A, ADVANTEC）を用いたが、圧捗圧が20MPa以上では、濾紙が破扱したため、JIS L1096に準拠して求めた通気性が0.3cm/s以下の濾布（TRG803K、岡山中尾フィルター）を使用した。また、圧捗圧が20MPa以上では、圧捗圧を作用させると、シリンダとビストン間から汚泥の漏れが生じたため、段階的に圧捗圧を増加させて設定圧捗圧での圧密終了時のケーク含水率を測定した。なお、比較のため、凝集処理を施していない汚泥スラッジの濾渋および圧密実験、凝集濾過を行った後にケークへの透水は行わず、透水圧力と同一の圧捗圧での圧密実験も行った。

### 2. 実験結果および考察

### 2.1 濾過性能に対する凝集効果

活性污泥スラリーに無機凝集剤のPACl，または有機高分子凝集剤のクリフィックスを，種々に添加量を変化させて加え，スラリー中の粒子の粒度分布を測定した結果を，Figure 2に示した。図中の横軸の添加量 $ R_{f} $ は，PACl，クリフィックスの場合に，それぞれ，スラリー中の固形分質量に対するアルミニウム質量，凝集剤質量として示した。いずれの凝集剤の場合も，添加量 $ R_{f} $ の増加とともに生成フロックの面积平均径 $ d_{s} $ は増大するが，PAClの場合には0.15の濃度比で，またクリフィックスの場合には0.01の濃度比で，それぞれ最大値を示し，過剰量添加すると，面積平均径はかえって減少し始める。この最適凝集域でPAClでは100μm程度，クリフィックスでは，400μm程度の凝集フロックが得られ，