Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
## 第2-(3)-7図

## 我が国における非正規雇用労働者の推移

○ 1995 年以降、我が国の非正規雇用労働者数及び割合は大きく上昇している。

☐ 低スキル職種は非正規雇用労働者の割合が大きく上昇し、高くなっている。

スキル別非正規雇用労働者の割合

資料出所 総務省統計局「労働力調査」「就業構造基本調査」をもとに厚生労働省労働政策担当参事官室にて作成

（注）1）左図について、1995年は「労働力調査特別調査」（2月調査）の数値、2005年及び2016年は「労働力調査（詳細集計）」の数値。

2）右図について、期間中に職業分類が改訂されており、また、データの制約のため、1997年の低スキルについては「技能工，採掘・製造・建設作業者及び労務作業者」の値から割合を算出しており、推移をみるにあたって留意が必要。

## 第2-(3)-8図

## 我が国におけるスキル別賃金の状況

○ スキル別に賃金の動向をみると、高スキル職種では水準が高く伸びも大きい一方、低スキル職種は、水準が低く伸びも小さい。

資料出所 厚生労働省「賃金構造基本統計調査」をもとに厚生労働省労働政策担当参事官室にて作成

(注) 1) 賃金は1か月の所定内給与額。

2）1995年と2015年では調査職種が異なっているため、両調査で一致している職種のみ抽出している。

なお、スキル別の賃金の状況について第2-(3)-8図をみると、高スキル職種だけが賃金の伸び、金額ともに高くなっており、前述したとおり低スキル職種における就業者の増加自体が賃金の伸び悩みにつながった可能性も考えられる。賃金の伸び悩みについては、このような要因に加え、サービス業化の進展などにより、卸売業、小売業、医療、福祉など相対的に賃金が低い産業が近年増加していることも一因として考えられる $ ^{25} $ 。
## 第2-(3)-13 図

## AI による代替と基礎的能力の関係

○ 仕事における話す能力と AI による雇用の代替の可能性の高さには、弱い負の相関がみられ、話す能力を仕事で使う人材が多い国ほど、AI により職を失う確率が低い。

(仕事における話す能力の使用機会)

資料出所 PIACC、OECD(2016) “The Risk of Automation for Jobs in OECD Countries” をもとに厚生労働省労働政策担当参事官室にて作成

(注) 1）仕事における書く能力の使用、仕事における動く能力の使用、仕事における話す能力の使用はそれぞれ PIACC において「Job-task measures of skill use at work; writingwork」「Job-task measures of skill use at work; physical work」「Job-task measures of skill use at work; communicating」を指す。

2）雇用が AI に代替される可能性は、OECD(2016) “The Risk of Automation for Jobs in OECD Countries” の「Share of Workers with High Automatibility by OECD Countries」を指す。

## 第2-(3)-14 図

## 調査結果からみた AI の進展に伴い必要とされる能力

☐ 企業や有識者に対するアンケートの結果をみると、今後、コミュニケーション能力が重要になっていくことが示唆される。

☐ サービスを受ける側の立場からしても、コミュニケーションに関する仕事は人間にやってもらいたいと感じている傾向にある。

資料出所 厚生労働省「今後の雇用政策の実施に向けた現状分析に関する調査研究事業(IoT・ビッグデーター・AI等が雇用・労働に与える影響に関する研究会）」（2016年度）、総務省「ICTの進化が雇用と働き方に及ぼす影響に関する調査研究」（2016年）、森川（2016）「人工知能・ロボットと雇用：個人サーベイによる分析」をもとに厚生労働省労働政策担当参事官室にて作成

(注) 1）右図について、コミュニケーション能力が必要とされにくい仕事については、家事（料理、掃除、洗濯など）及び自動車の運転の値を、コミュニケーション能力が必要とされる仕事については、育児、保育サービスの値をとっている。

2）複数回答

育サービスなどコミュニケーション能力が必要とされる仕事では、約6割の者が人にやってほしいと回答している。このようなことからもAIの進展に伴い、「コミュニケーション能力」は仕事をしていく上で今以上に必要不可欠なものになっていくことが推測される。
## その他必要な能力としては「AI を使いこなせる能力」があげられる

その他必要とされる能力についても前述したアンケート結果も用いながら確認する。AIは森川（2016）「人口知能・ロボットと企業経営」に「AI・ロボットは現時点では想像できない新しい仕事を生み出す可能性が高く、既存企業以外に今後新しく誕生する企業がそれら新しい仕事の受け皿となる可能性があることを念頭に置く必要がある」とあるように、AIの進展に対応するためには、今まで以上に様々な能力を求められることが多くなると思われる。本節ではその代表例としてよく指摘される「理系的な能力」「コミュニケーション能力」を取り上げた。ここではその他どのような能力がAIに対応するのに必要な能力となるのかアンケート調査を基に考える。第2-(3)-15図左図により、前出「イノベーションへの対応に向けた働き方のあり方等に関する調査」をみると、求められるスキルとしては「AIの価値や可能性を正しく理解するための基礎的知識」「AIの価値や可能性を正しく理解するための技術力」「AIの活用方法を考えるための創造性やデザイン力」など「AIを使いこなす能力」があげられている。この傾向については、企業、労働者ともに差はない。右図により将来ホワイトカラーが活躍し続けるために必要な取組を確認しても、「AI等を取り入れた新しいツールやシステムを使いこなす力」が上位に位置づけられ、この点からも「AIを使いこなす能力」が重要であることが分かる。これらの能力については、企業、労働者ともにその必要性を意識しながらAIが一般化する時代に備えることが求められる。そこで、第2-(3)-16図において、AIに対する企業

## 第2-(3)-15図 AIの代替に備えて必要な能力

○ AIが一般化した時代には、AIの価値や可能性を正しく理解するための基礎的知識が重要になると考えられている。

○ 将来、ホワイトカラーが活躍し続けるためには AI 等を取り入れた新しいツール等を使いこなす力を身につけることが重要になると考えられている。

資料出所 厚生労働省「今後の雇用政策の実施に向けた現状分析に関する調査研究事業 (IoI・ビッグデータ・AI等が雇用・労働に与える影響に関する研究会)」(2016年度)、(独)労働政研究・研修機構「イノベーションへの対応状況調査」(2017年)「イノベーションへの対応に向けた働き方のあり方等に関する調査」(2017年)の調査票情報をもとに厚生労働省労働政策担当参事官室にて作成

（注）1）左図について、企業調査では「AIの活用が一般化する時代において、AIの活用のスキルのうち、今後、貴社が求めるスキルにはどのようなものがあると思いますか。」という問い、正社員調査では「AIの活用が一般化する時代において、AIの活用のスキルのうち、今後、あなた自身が取得したいスキル、または自分の子どもに習得させたいスキルをお知らせください。」という問いに対する回答をそれぞれ集計したもの。

2）複数回答
を使いこなす能力」などを身につけることが必要であり、これらの能力の向上に対し、行政としても積極的に関与していくことが求められる。

## コラム2-3

専門家による AI（人工知能）の定義

研究者	所属	定義
中島秀之	公立はこだて未来大学学長	人工的につくられた、知能を持つ実態。あるいはそれをつくろうとすることによって知能自体を研究する分野である
武田英明	国立情報学研究所教授
西田豊明	京都大学大学院情報学研究科教授	「知能を持つメカ」ないしは「心を持つメカ」である
溝口理一郎	北陸先端科学技術大学院大学教授	人工的につくった知的な振る舞いをするもの（システム）である
長尾真	京都大学名誉教授前国立国会図書館長	人間の頭脳活動を極限までシミュレートするシステムである
堀浩一	東京大学大学院工学系研究科教授	人工的に作る新しい知能の世界である
浅田稔	大阪大学大学院工学研究科教授	知能の定義が明確でないので、人工知能を明確に定義できない
松原仁	公立はこだて未来大学教授	究極には人間と区別が付かない人工的な知能のこと
池上高志	東京大学大学院総合文化研究科教授	自然にわれわれがペットや人に接触するような、情動と冗談に満ちた相互作用を、物理法則に関係なく、あるいは逆らって、人工的につくり出せるシステム。
山口高平	慶應義塾大学理工学部教授	人の知的な振る舞いを模倣・支援・超越するための構成的システム
栗原聡	電気通信大学大学院情報システム学研究科教授	工学的につくられる知能であるが、その知能のレベルは人を超えているものを想像している
山川宏	ドワンゴ人工知能研究所所長	計算機知能のうちで、人間が直接・間接に設計する場合を人工知能と呼んで良いのではないかと思う
松尾豊	東京大学大学院工学系研究科准教授	人工的につくられた人間のような知能、ないしはそれをつくる技術。人間のように知的であるとは、「気づくことのできる」コンピュータ、つまり、データの中から特徴量を生成し現象をモデル化することのできるコンピュータという意味である

資料出所 松尾豊（2015年）「人工知能は人間を超えるか」(KADOKAWA)

(注) 各研究者の所属は上記著書出版当時のもの。

## コラム2－4

## AI の雇用への影響に関する参考文献

## 【職業の観点】

## [日本]

経済産業省（2016）「新産業構造ビジョン～第4次産業革命をリードする日本の戦略～中間整理」

(株)野村総合研究所（2015）「日本の労働人口の49％が人工知能やロボット等で代替可能に」（野村総合研究所ニュースリリース2015年12月2日）

(株)三菱総合研究所（2017）「AI・ロボット・IoEが変える2030年の日本」（MRIマンスリーレビュー2017年2月）

Benjamin David (2015) "Computer technology and probable job destructions in Japan: an evaluation" [諸外国]

Economix Research & Consulting (2013) "The German Labour Market in the Year 2030-A Strategic View on Demography, Employment and Education-"（ドイツ）

Frey and Osborne (2013) "THE FUTURE OF EMPLOYMENT: HOW SUSCEPTIBLE ARE JOBS TO COMPUTERISATION?" (米国)

## 【産業の観点】

## [日本]

経済産業省（2016）「新産業構造ビジョン～第4次産業革命をリードする日本の戦略～中間整理」（再掲）

(株)三菱総合研究所（2017）「AI・ロボット・IoEが変える2030年の日本」（MRIマンスリーレビュー2017年2月）（再掲）

[諸外国]

Economix Research & Consulting (2013) “The German Labour Market in the Year 2030 – A Strategic View on Demography, Employment and Education–”（ドイツ）（再掲）

pwc UK (2017)"Will robots steal our jobs? The potential impact of automation on the UK 30 and other major economies" (UK Economic Outlook March 2017) (英国)

## 【業務の観点】

OECD (2016) "The Risk of Automation for Jobs in OECD Countries: A Comparative Analysis" (OECD Social, Employment and Migration Working Papers No.189) (OECD 諸国)
平成 26 年度

# 環境研究総合推進費補助金 研究事業 総合研究報告書

# 破砕・凝結プロセスを伴う生物スラッジの 超高圧圧搾脫水法の開発 (3K123005)

平成27年3月

名古屋大学 入谷 英司
補助事業名 環境研究総合推進費補助金研究事業（平成24年度～平成26年度）

所管 ___ 環境省

国庫補助金 33,332,000 円

研究課題名　破砕・凝結プロセスを伴う生物スラッジの超高圧圧搾脱水法の開発

研究期間 平成24年6月8日～平成27年3月31日

研究代表者名 ___ 入谷英司（名古屋大学）

研究分担者 片桐誠之（名古屋大学）
総合研究報告書概要 …… 1

本文

1．研究背景と目的 …… 6
1.1 研究背景 …… 6
1.2 研究目的 …… 13

2．研究方法 …… 15
2.1 実験試料 …… 16
2.2 破砕・凝結プロセスの確立 …… 17
2.3 低圧圧搾（濾過）脱水法の確立 …… 19
2.4 超高压圧搾脱水法の確立 …… 22

3．結果と考察 …… 24
3.1 下水余剰污泥の破砕・凝結処理 …… 24
3.2 低圧圧搾（濾過） …… 30
3.3 超高压圧搾 …… 32
3.4 新規圧搾モデルの提案 …… 38
3.5 実用化への検討 …… 51

4．結論 …… 56

5．参考文献 …… 57

6．研究発表 …… 58

論文発表

学会等発表

※「国民との科学・技術対話」の実施

7．知的財産権の取得状況 …… 96

研究概要図 …… 97
英文概要 …… 98
研究課題名：破砕・凝結プロセスを伴う生物スラッジの超高圧圧搾脱水法の開発

研究番号 : 3K123005

国庫補助金清算所要額：33,332,000 円

研究期間：平成24年6月8日～平成27年3月31日

研究代表者名：入谷英司（名古屋大学）

研究分担者：片桐誠之（名古屋大学）

## 研究目的

産業廃棄物の中で最大の排出量割合を占める汚泥を減量化するための高効率な脱水法の開発が切望されている。濾過や圧搾等の省エネルギー的な機械的分離操作は、有望な手法であり、下水余剩汚泥や消化汚泥等の難脱水性生物スラッジを対象として、強固で粗大なフロックを形成する高性能な高分子凝集剤の開発による脱水速度の向上、あるいは圧搾における操作圧の増大による脱水度の向上（ケーク含水率の低減化）が取り組まれてきた。しかしながら、高分子凝集剤を使用すると高圧を作用させても強固なフロック内の水分の除去は困難で低含水率ケークは得られないという致命的な欠点をもつ。一方、凝集剤を使用せずに高压を作用させると、ケークの高い圧縮性のため脱水速度は低压下より減少することもあり、現在の技術では難脱水性生物スラッジの高効率な脱水は困難な状況にある。

本研究では、両者の欠点を克服する革新的な技術として、破砕・凝結プロセスを伴う超高圧圧搾脱水法を提案し、その有効性を明らかにする。本手法は、提案する破砕・凝結プロセ
スにより、フロックを一端崩壊させてフロック内の束縛水を放出させると共に、スラッジ表面の特性をコントロールし、凝集剤フリーで緩く凝結したフロックを形成させて高速脱水を行い、ステップ超高压圧搾で凝結フロックを崩壊しつつ高度脱水するものであり、汚泥による環境負荷を低減させることを目指す。破砕・凝結プロセスによる脱水速度の向上とステップ超高压圧搾による脱水度の向上が生じるそれぞれの機構を解明し、得られた成果に立脚して、両者を融合することによって初めて達成される最も効率的な脱水性能を得るための設計指針を提示することを目的とする。

## 研究方法

代表的な難脱水性生物スラッジである下水余剰污泥を対象に、高压搾速度と高脱水度を達成するために適した破砕・凝結プロセス及びステップ超高压圧搾の手法と操作条件を明らかにし、より高効率の高速脱水法の設計指針を提示する。破砕・凝結プロセスについては、超音波照射、ビーズミル、ホモジナイザー、エレクトロポレーションを用いる手法について検討を行い、その作用効果を比較し、より優れた破砕・凝結の手法と操作条件を探求する。破砕操作により一端フロックを崩壊させ、フロック内の束縛水を放出させるとともに、スラッジ表面の特性を変化させ、スラリー中のイオン、ポリマー等を利用して凝集剤を添加することなく形成する緩い自己凝結フロックに関する基礎特性を把握して低压圧搾での脱水速度の増大への寄与を明らかにし、破砕・凝結プロセスの指針を得る。また、破砕・凝結プロセスが超高圧圧搾操作でのフロックの崩壊や達成される脱水ケークの最終脱水度に及ぼす影響について検討し、ステップ超高圧圧搾に適した破砕・凝結の手法と操作条件を見出すとともに、圧搾圧力とケーク脱水度との関係を明らかにし、超高圧圧搾操作の指針を得る。現象をより科学的に解明するため、実際の污泥と併せてモデル污泥を用いた検討も行い、破砕・凝結プロセスや超高圧圧搾の機構解明に挑み、最適操作法の確立のための指針を得る。
## 結果と考察

代表的な難脱水性生物スラッジである下水余剩污泥を対象に、本研究で提案する破砕・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の適用の可能性を検討した。提案するプロセスのコンセプトは、スラッジを破砕して、一端フロックを崩壊させることによりフロック内の束縛水を放出させると共に、破砕方法によりスラッジ表面の特性をコントロールし、スラリー中のイオン、ポリマー等を利用して凝集剤を添加することなく緩く自己凝結した粗大フロックを形成させ、低压圧搾操作で迅速に污泥中の多量の水分を除去した後、引き続いて行う超高压圧搾操作による圧縮作用によって、生成濾過ケーク内の凝集フロックが崩壊し、直ちにケークの低含水率化が行われるというものである。

## ＜下水余剩污泥の破碎・凝結処理＞

超音波照射、ビーズミル、ホモジナイザー、エレクトロポレーションによる下水余剩污泥の破砕・凝結操作を試みたところ、特に超音波を照射した場合に顕著な効果が見られた。超音波照射により污泥フロックが破砕されるため、フロック径は一旦減少するが、その後に緩速攪拌を行うと増大するようになり、自己凝結フロックが形成されることを粒度分布測定と顕微鏡観察により確認した。

## <低压压搾（濾過）>

破砕・凝結プロセスを経た汚泥懸濁液の低压圧搾を窒素ガスにて加圧する形式の定圧濾過にて行った。汚泥原液と比較して破砕・凝結プロセス後の汚泥では濾過抵抗が増大したが、これは自己凝結フロックに取り込まれない微細粒子が僅かではあるがスラリー中に存在するためである。遠心分離により上澄液中の微細粒子を除去することで、濾過抵抗を著しく小さくすることができた。低压圧搾の前工程として濃縮槽を設置し、微細粒子を含む上澄液については水処理工程における曝気槽に戻して生分解処理することにより、低压圧搾速度の向上と破砕汚泥の減量化が図れる。
## <超高压压搾>

低压圧搾した汚泥ケークを 10 ～ 50 MPa の超高圧で圧搾したところ、含水率が 27 ～ 47%と、既存技術と比較して極めて小さい脱水汚泥を得ることができた。含水率が最も小さくなった条件では、脱水時間 1 分で含水率は約 40%、1 時間で約 30%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。微生物細胞内の水分が 70 ～ 80 %であることを考えると、単にフロックの崩壊による汚泥粒子間の自由水や粒子表面の付着水だけでなく、細胞内に含まれる束縛水も除去されていると考えられる。なお、下水余剩汚泥の脱水特性は採取する時期によって変化したが、破砕・凝結プロセスを経ること、また圧力を大きくすることによる含水率の減少は明確であり、本手法の有用性が確認できた。また、汚泥の圧搾脱水挙動のモデル化を行い、修正 Terzaghi-一般化 Voigt モデルにて脱水挙動の推算が可能であることを明らかにした。

## 環境政策への貢献

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確立されれば、産業廃棄物の中で最も大きな排出量割合を占め、水分含量が高い汚泥を、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固液分離操作によって高速で処理でき、「スラッジによる環境負荷の低減」に繋がる。また、以後の焼却等の操作の負荷低減にも結び付くことから、「地球温暖化に関する取り組み」への貢献も期待できる。脱水汚泥は、凝集剤フリーで処理されるため、薬品が含まれず、「再資源化」への用途も大きく拡がり、「物質循環の確保と循環型社会構築のための取組」への貢献が極めて大きい。また、本技術は、エネルギー利用の観点から注目される消化スラッジや食品廃棄物スラッジ等にも適用でき、その再資源化のキーテクノロジーであることから、環境問題と資源・エネルギー問題との密接な関係を念頭においた環境経済の政策研究の趣旨とも一致している。さらに、「水環境の保全」とともに「水の循環再利用」を促進するために行われる、様々な廃水を対象とした高度処理においても、大量の生物スラッジが発生し、その適切な処理が必要とされることから、水循環の確保においても本技術の果たす役割は大きい。
## 研究成果の実現可能性

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。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。なお、検討課題となった自己凝結フロックに取り込まれない微細粒子については、濃縮槽を設置することで、圧搾操作で排出される搾液とともに廃水に混合させ、曝気槽での処理が可能である。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充分に期待できる。

## 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剩污泥を例にとり、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。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、コンポスト化を想定した場合の含水率60%は超高圧圧搾脱水時間1秒、焼却や炭化の場合の含水率40%は1分、溶融の場合の含水率30%は1時間で達成した。下水余剩污泥の脱水特性は採取する時期によって変化したが、破砕・凝結プロセスを経ること、また圧力を大きくすることによる含水率の減少は明確であり、本手法の有用性を示すことができた。
### 1. 研究背景と目的

### 1.1 研究背景

本研究の開始前年にあたる平成 23 年度における産業廃棄物の排出量に関するデータによると、Fig. 1 に示すようにほぼ半数にあたる 43.6％を汚泥が占めている $ ^{1)} $ 。したがって、難脱水性生物スラッジの高効率な脱水法の開発は、汚泥の減量化や脱水汚泥の資源としての有効利用の見地から現在急務とされている課題である。

代表研究者が長年にわたり研究を続けている濾過、圧搾等の機械的固液分離が最も省エネルギー的であることから、現在も国の内外で機械的分離に関して多くの研究や技術開発が行われている $ ^{2} $ 。これらのほとんどは、Fig. 2に示すように強固で粗大なフロックを形成する高性能な高分子凝集剤の開発による脱水速度の向上、あるいは圧搾における操作圧の増大による脱水度の向上（ケーク含水率の低減化）を目指すものである。しかし、高分子凝集剤を使用すると高圧を作用させても強固なフロック内の水分の除去は困難で低含水率ケークは得られないという致命的な欠点をもつ。一方、凝集剤を使用せずに高圧を作用させると、ケークの高い圧縮性のため脱水速度は低压下より減少することもあり、現在の技術では難脱水性有機污泥の高効率な脱水は困難な状況にある。

本研究では、両者の欠点を克服する革新的な技術として、Fig. 3 に示す破砕・凝結プロセスを伴う超高圧圧搾脱水法を提案して、その有効性を検証し、脱水機構の解明に基づき最適な操作法を提示する。Fig. 4 に示すように、破砕・凝結プロセスにより、汚泥フロックを一端崩壊させてフロック内の束縛水を放出させると共に、スラッジ表面の特性をコントロールし、スラリー中のイオン、ポリマー等を利用して凝集剤フリーで緩く凝結したフロックを形成させて高速脱水を行い、次いで圧力をステップ状に増加させて超高圧を作用させ、ケーク内に残存する束縛水を機械的压力で可能な限界まで除去する。高い脱水速度と高い脱水度の両者を同時に満足する省エネルギー的な脱水プロセスの確立が期待できる。
## 研究の背景 効率的な高度脱水技術の必要性

Fig. 1 研究背景說明図
Fig. 2 機械的脱水法における現状技術の限界
## 提案する技術

## 破碎・凝結プロセスを伴う超高圧圧搾脱水法

Fig. 3 本研究で提案する高効率高速脱水法
## 破碎・凝結操作の意図

Fig. 4 破砕・凝結プロセス導入の意図
## <現存脱水技術>

汚泥の減量化において、最も省エネルギー的な操作である機械的固液分離には、種々のタイプの脱水機が使用されている。また、脱水機による汚泥の高度な脱水は、圧搾操作によってもたらされる。現存技術である主な脱水機を以下に示す。

## ○脱水機

有機污泥に対して用いられている脱水機として、真空脱水機、加圧脱水機（フィルタープレス）、ベルトプレス、遠心脱水機、圧入式スクリープレスなどがある。各脱水機の長所と短所を以下に示す。

## · 真空脱水機

真空圧により脱水を行う装置。

長所：連続運転でメンテナンスが容易。

短所：脱水ケークの含水率が大きい。消費電力が大きい。濾布の交換が必要。

## ・加圧脱水機（フィルタープレス）

加圧により脱水を行う装置で、真空圧よりも大きな圧力を作用させることができる。

長所：脱水ケークの含水率が小さい。

短所：バッチ運転。補機が多く、機器設置面積が大きい。濾布の交換が必要。

## ・ベルトプレス

2 枚のベルト間にスラリーを挟んで、多数のロールの間をベルトにより屈曲移送させて脱水を行う装置。

長所：脱水ケークの含水率が小さい。連続運転でメンテナンスが容易。

短所：多量の濾布洗浄水が必要。濾布の交換が必要。
## · 遠心脱水機

高速回転による遠心力により脱水を行う装置。

長所：脱水ケークの含水率が小さい。連続運転でメンテナンスが容易。

短所：消費電力が大きい。高速回転のため振動・騒音対策が必要。

## ・圧入式スクリュープレス

固定された外筒のバレルとその中で回転するスクリュー軸からなり、スクリュー軸の回転によってスラリーを出口方向へ送って次第に狭げき部へ押し込み、その際に受ける高压によって脱水を行う装置。

長所：脱水ケークの含水率が小さい。連続運転でメンテナンスが容易。

短所：スクリーンの交換が必要。回収率が小さい。

最近では、3.9 MPa の高圧フィルタープレスが開発され、更なる高圧化への取り組みがなされつつあり、実用スケールにおける超高圧圧搾操作に利用できる。なお、現存技術における下水汚泥脱水ケークの含水率の最高水準は60～70％である。
### 1.2 研究目的

本研究では、現在の機械的固液分離技術では高効率な脱水が困難な下水スラッジ、消化スラッジ、食品廃棄物スラッジ、畜産スラッジなどの難脱水性生物スラッジを対象に、高速減量化を実現できる手法の提案を行い、その有効性を明らかにするとともに、操作の設計指針を得ることを目的とする。

本手法は、提案する破砕・凝結プロセスにより、凝集剤フリーで緩く凝結したフロックを形成させて高速脱水を行い、ステップ超高压圧搾で凝結フロックを崩壊しつつ高度脱水するものであり、従来の技術では不可能な脱水度の低含水率ケークを高速度で得て、スラッジによる環境負荷を低減させることを目指す。破砕・凝結プロセスと超高圧圧搾による脱水速度および脱水度の向上が生じる機構を解明し、得られた成果に立脚して、最も効率的な脱水性能を得るための設計指針を提示することを最終目的とする。

難脱水性生物スラッジである下水余剰污泥を対象に、Fig. 5 に示す研究計画に沿って、破砕・凝結プロセスとステップ超高压圧搾とを融合した高効率の高速脱水法の適用の可能性を脱水速度と脱水度の両面から探求する。破砕・凝結プロセスでは、超音波照射、ビーズミル、ホモジナイザー等による破砕法を検討し、一端フロックを崩壊させることによりフロック内の束縛水を放出させるとともに、破砕によりスラッジ表面の特性を変化させ、スラリー中のイオン、ポリマー等を利用して凝集剤を添加することなく緩い凝結フロックを形成させる。フロック内の束縛水の放出量、表面特性の変化、凝結の程度等、それらの優劣を検討して第一段階の低压圧搾で脱水速度を最大にするために最も効果的な操作法と操作条件を見出す。ステップ超高压圧搾では、フロックの崩壊が容易な破砕・凝結プロセスの操作指針を得るとともに、超高压作用下で達成できる脱水ケークの含水率の限界値を汚泥性状と関連付けて明らかにし、超高压圧搾の最適操作条件を見出す。
研究計画

破碎・凝結	低压圧搾	超高圧圧搾
H24年度	破碎・凝結プロセスの確立(超音波照射法, ビーズミル, せん断ホモジナイザー)担当:片桐, 入谷	破砕・凝結操作による低压圧搾の高性能化担当:片桐	超高圧圧搾の高性能化担当:入谷
H25年度	破砕・凝結プロセスの確立(超音波照射法, ビーズミル, せん断ホモジナイザー,エレクトロポーレーション法, ジェット噴流法)担当:片桐, 入谷	破砕・凝結の手法に応じた超高圧圧搾の手法の開発担当:入谷	超高圧脱水法の確立担当:入谷
H26年度	破砕・凝結プロセスの確立担当:片桐, 入谷	破砕・凝結とステップ超高圧圧搾の融合によるプロセスの最適化担当:入谷, 片桐

Fig. 5 研究目的達成のための研究計画と実施担当者
## 2 ．研究方法

代表的な難脱水性生物スラッジである下水余剰污泥を対象に、破砕・凝結プロセスとステップ超高压圧搾とを融合した高効率の高速脱水法の適用の可能性を、脱水速度と脱水度の両面から探求する。

破砕・凝結プロセスでは、Fig.6に示す超音波照射、ビーズミル、ホモジナイザー等による破砕法を検討し、一端フロックを崩壊させることによりフロック内の束縛水を放出させると共に、破砕によりスラッジ表面の特性を変化させ、スラリー中のイオン、ポリマー等を利用して凝集剤を添加することなく形成する緩い自己凝結フロックに関する基礎特性を把握して低压圧搾での脱水速度の増大への寄与を明らかにし、破砕・凝結プロセスの指針を得る。また、汚泥粒子やその凝結・崩壊フロックへの水の様々な結合状態を調べるとともに、圧搾圧力とケーク脱水度との関係を明らかにし、破砕・凝結プロセスを伴う脱水法における超高圧圧搾操作のための指針を得る。現象をより科学的に解明するため、実際の汚泥と併せてモデル汚泥を用いた検討も行い、破砕・凝結プロセスや超高圧圧搾の機構解明に挑み、最適操作法の確立のための指針を得る。

Fig. 6 種々の破碎法
### 2.1 実験試料

生物スラッジ（活性污泥）

活性污泥とは、種々の細菌を含有したゼラチン状（高分子有機体）を主体とした「フロック（flocs）」とその周りに棲息している原生動物をいう。净化を行う細菌類が粘性物質を分泌して無生物のフロックを形成し、その中に細菌類は棲息する。そのフロックの主成分は多糖類、タンパク質、核酸であるといわれている。活性污泥では、このフロック形成能（floc forming）をもつ細菌集団のみが活性污泥に定着することができる。なぜなら、フロックは重力をもつので、フロックの中に棲んでいれば、沈殿槽で上澄液と沈降分離して、曝気槽へ返送され、その菌数を一定に保つことができるからである。フロック形成能のない細菌群は曝気槽から沈殿槽へ行ったとき、上澄液中に懸濁し、処理水と一緒に流される。正常な活性污泥は1 mL中 $ 10^{7}\sim10^{8} $ の細菌密度で棲息している $ ^{3)} $ 。

本実験では、名古屋市上下水道局植田水処理センターから採取した活性污泥（余剩污泥）を用いた。乾燥濃度測定の結果、污泥濃度は4000～5000 mg/Lで、ピクノメーターを用いた密度測定の結果、污泥密度 $ \rho_{s}=1.451\ g/cm^{3} $ であった。4℃の冷蔵庫内における20時間のデカンテーションで濃縮し、質量濃度 s=0.005 に調整したものを実験試料とした。
## 2 ．2 破砕・凝結プロセスの確立

超音波ホモジナイザー（UP-200S, Dr. Hielscher 製）、ビーズミル（ビーズビーター11079-S, Hamilton Beach 製；ビーズクラッシャーμT-12, タイテック製；サンプルクラッシャーTK-AM5, タイテック製）、せん断式ホモジナイザー（T-25, IKA 製）、エレクトロポレータ（Gene Pulser Xcell, BIO-RAD 製）による下水余剰污泥の破砕と攪拌機（BL600, 新東科学製）を用いた緩速攪拌による凝結の操作方法を検討した。

Fig. 7 には、破砕・凝結効果が顕著であった超音波照射による破砕と攪拌による凝結の操作方法を示した。汚泥懸濁液を100 mL ビーカーに80 mL 取り出し、超音波ホモジナイザーのホーンの先端を試料の上端から約3分の1まで入れ、0.5 s 周期で断続照射した。装置の最大出力は200 W で、その20～100%、すなわち40～200 W の出力で照射が可能である。照射条件としては、出力 P=40, 80, 120 W、実照射時間 t=5, 15, 35, 60 s で実験を行った。なお実照射時間は、0.5 s 周期の断続照射のため、実際の操作時間の半分となる。超音波照射後、50 rpm で緩速攪拌を行い、活性汚泥フロックの自己凝結を促した。

破砕および凝結効果の評価は、レーザー回折式粒度分布測定（SALD2200, 島津製作所製）、頭微鏡観察（デジタルマイクロスコープ BA210E, 島津理化製）、また内径 2.9 cm のアクリル製沈降管を用いた重力沈降試験により行った。
Fig. 7 超音波照射と緩速攪拌による汚泥フロックの破砕・凝結
## 2 ．3 低圧圧搾（濾過）脱水法の確立

Fig. 8 には、本研究において設計・製作した超高圧圧搾セルを示す。ステンレス製、セル内径 3.50 cm、セル断面積 9.62 cm²で、窒素加圧による低圧圧搾（濾過）と材料試験機による超高圧圧搾の両操作が可能である。この超高圧圧搾セルを用いて Fig. 9 に示すシステム $ ^{4)} $ により、圧力 $ p_{f} = 98 kPa $ で汚泥の低圧圧搾（濾過）を行い、脱水量 v の経時変化を測定した。濾材には、濾布 TRG803K（岡山中尾フィルター製）を用いた。Table 1 に濾布の物性値を示す。

Table 1 濾布の物性値

型番	TRG803K
厚み [mm]	0.34
質量 [g/m²]	324
通気性 [cm³/cm²/s]	0.3 以下
糸の形態	スパン
Fig. 8 超高压压搾セル
## ～低压压搾(濾過)～

## 濾過裝置

$$ p_{\mathrm{f}}=98\ kPa $$

$$ A=9.62\ cm^{2} $$

Fig. 9 脱水（低压压搾）装置の概略図
### 2.4 超高压压搾脱水法の確立

低压圧搾（濾過）終了後、圧搾セルの上部フランジを外してピストンと付け替え、また下部フランジに接続されたステンレス製の管とネジを付け替えて、Figs. 10, 11 に示すように材料試験機（SC-50H，東京試験機製）にて定圧圧搾 $ ^{5)} $ を行った。はじめに、圧力 $ p_{1}=98\ kPa\sim2\ MPa $ で予圧密した後、圧力を上げて圧搾圧力 $ p_{2}=10\sim50\ MPa $ で両面排水にて圧搾を行い、超高圧圧搾セルに取り付けたダイヤルゲージにてケーク厚さ L の経時変化を測定した。

## ～超高压压搾～

$$ p_{1}=2\ MPa $$

Fig. 10 脱水（超高压压搾）装置の概略図
圧搾終了後、ケーク含水率を乾燥機（DS610, ヤマト科学製）あるいは赤外線式水分計（FD-720, Kett 製）にて測定した。また、走査電子顕微鏡（JCM-5000, 日本電子製）にて圧搾脱水後のケーク表面の電顕写真を撮影した。

## 超高压压搾装置

Fig. 11 脱水（超高压压搾）装置の写真
### 3. 結果と考察

## 3 ．1 下水余剩污泥の破碎・凝結処理

超音波ホモジナイザー、ビーズミル、せん断式ホモジナイザー、エレクトロポレーションによる下水余剰污泥の破砕・凝結操作を試みたところ、Fig. 12 に示す代表的な結果からわかるように、いずれの方法においても条件を適切に設定することにより、フロック破砕後の自己凝結現象が観察されたが、特に超音波を照射した場合に顕著な効果が見られた。そこで超音波照射と緩速攪拌による破砕・凝結効果の検討を詳細に行った。

超音波の出力を 40 W、実照射時間を 15 s として破砕・凝結操作を行った場合の汚泥フロックの顕微鏡写真を Fig. 13 に、また照射時間を変化させた時のフロックの面積平均径 $ d_{s} $ の変化を Fig. 14 に示した。超音波照射によりフロック径が減少し、その後緩速攪拌を行うことでフロック径が増大することがわかる。照射時間を大きくすると、破砕が進行するが、いずれの条件でも自己凝結フロックが形成された。破砕・凝結操作後のフロックは、汚泥原液よりも大きなフロックも認められるが、面積平均径の値に大きな差はなかった。しかしながら、一旦、フロックを破砕し、その後に緩く凝結しているため、圧搾時に崩壊しやすいことが期待される。

なお、破砕が進行するとフロックに取り込まれない微細粒子が増加する様子が観察された。重力沈降試験を行うと上澄液が若干濁っており、低压圧搾の際の抵抗増大の要因となることが考えられる。スラリーに NaCl を添加したところ、一価のイオンであるため汚泥原液にはほとんど影響を及ぼさなかったが、破砕後の凝結に及ぼす影響は顕著で、Fig. 15 に示すように沈降速度が著しく増大した $ ^{6} $ 。Fig. 16 の顕微鏡写真から、フロックの凝結に及ぼす超音波照射と塩添加の相乗効果は明確である。
破碎・凝結効果の評価 （破碎法の比較）

Fig. 12 破砕・凝結効果の評価（破砕法の比較）
## 破碎・凝結効果の評価

## 顕微鏡写真

Fig. 13 顕微鏡写真による破砕・凝結効果の評価
## 破碎・凝結効果の評価

## 粒度分布

Fig. 14 粒度分布による破砕・凝結効果の評価
## 沈降試験による評価

Fig. 15 重力沈降試験による破砕・凝結効果の評価
## 超音波照射と塩添加の相乗効果

Fig. 16 超音波照射と塩添加の相乗評価
### 3.2 低压压搾（濾過）

超音波照射後に緩速攪拌を行う破砕・凝結プロセスを経た汚泥懸濁液の低压圧搾を窒素ガスで加圧する形式の定圧濾過にて行った。Fig. 17 に示すように、濾過抵抗の指標となる濾過速度の逆数 $ d\theta/dv $ と単位濾過面積あたりの濾液量 v との関係は、超音波を照射することで変化し、破砕・凝結プロセス後の汚泥では未照射の汚泥原液と比較して濾過抵抗が増大した。顕微鏡観察や重力沈降試験によりフロックに取り込まれない微細粒子が僅かではあるが存在することが明らかであり、濾過抵抗増大の要因となることが考えられた。そこで、遠心分離により上澄液中の微細粒子を除去したところ、Fig. 17 に示すように濾過抵抗が著しく小さくなった。このことから、破砕・凝結操作において微細粒子を発生させない試みが必要であること、また発生が防げない場合には、除去して水処理工程における曝気槽に戻すなどの対策が必要であることがわかった。なお、余剩汚泥を超音波処理することで生分解性が向上することが知られており $ ^{7} $ 、曝気槽に戻す汚泥量が小さければ負荷増大による影響も小さいものと考えられる。また、Fig. 17 では、遠心分離を導入した結果を示したが、重力沈降により同様な効果が期待できることを確認しており、破砕・凝結プロセス後に一般的な汚泥処理場で導入されている濃縮槽を設けることで対策が可能である。
低压压搾(濾過)

Fig. 17 下水余剰污泥の濾過挙動
### 3.3 超高压压搾

Fig. 18 には、低压圧搾後の污泥ケークを 10 MPa で超高压圧搾した場合のケーク含水率 R の経時変化を示した。破砕・凝結プロセスを経た污泥では、処理時間 1 分でケーク含水率は約 40%、1 時間で約 30%、24 時間で 27% となった。この結果は、現存技術の最高水準である 60～70% を遙かに凌いでおり、併せて脱水速度の観点からも満足のいくものであった。減量化の程度で数値化すると、99.3% の減量化が達成されている。微生物細胞内の水分が 70～80% であることを考えると、この 27% という極めて低い含水率は、単にフロックの崩壊による污泥粒子間の自由水や粒子表面の付着水だけでなく、細胞内に含まれる束縛水も除去されていることを示している。未処理の污泥については、24 時間の処理で含水率は 41.4% まで低下した。モデル試料の圧搾実験により、代表的なバクテリアの大腸菌は 1 MPa 程度、パン酵母は 5 MPa 程度で菌体が破裂することが明らかとなり $ ^{8)} $ 、超高压による脱水効果が大きいことがわかった。しかしながら、本手法を用いることで、より短時間で、より含水率の小さい污泥ケークが得られることから、破砕・凝結プロセスを経ることの重要性が確認された。なお、図中の実線は、後述する本研究での提案圧搾モデルである修正 Terzaghi-一般化 Voigt モデルを用いて求めた計算値であり、プロットの実験値と良好に一致していることから脱水挙動の推算が可能である。

Fig. 19 は、Fig. 18（活性污泥 A）とは異なる時期に採取した余剰污泥（活性污泥 B）を用いて行った実験結果であり、超音波の照射時間と出力を変化させた場合の含水率の経時変化である。超音波破砕条件による影響はわずかであるが、いずれの条件においても未処理の污泥原液と比較して顕著な含水率低下が観察された。破砕操作を行うと、超高压作用下でフロックが容易に崩壊し、含水率が著しく減少することがわかる。既述したように、破砕が進行すると自己凝結時にフロックに取り込まれない微細粒子が増えるため、超音波出力を小さめに設定して、わずかな時間、照射する方法がエネルギー的な観点も含め、有用であると判断される。
Fig. 20 には、圧搾圧 $ p_{2} $ が脱水ケークの最終含水率 $ R_{e} $ に及ぼす影響を示した。圧力の増加とともに最終含水率は顕著に減少し、いずれの圧力においても破砕処理した汚泥ケークの方が汚泥原液から得たケークより含水率が大きく低減した。なお、未処理汚泥の場合でも、含水率の低下が認められ、超高压の作用効果が確認された。圧搾圧力を大きくすることで、更なる含水率の低下が見込めることも明らかである。

以上のように、試料となる汚泥の状態によって脱水効果が異なるが、いずれの条件においても未処理の場合よりも著しく含水率が小さくなることは確実であり、本手法の有用性が確認された。

Fig. 21 には、超音波照射法による破砕・凝結操作後の自己凝結フロックと超高圧圧搾後の下水余剩汚泥の電顕（走査電子顕微鏡 JCM-500, 日本電子製）写真を示した。自己凝結フロックを見ると微生物の形状は保たれており、様々な微生物が集まってフロックを形成していることがわかる。一方、超高圧圧搾後の電顕写真では、微生物の形状が確認できない。このことから、超高圧圧搾により微生物細胞が破壊されることが推察され、またモデル試料の圧搾実験からも超高圧により微生物菌体が破裂することが確認されていることから、細胞内の束縛水も除去され含水率の著しい低下に繋がったものと考えられる。
## 超高压压搾

Fig. 18 超高压圧搾による下水余剰汚泥の脱水挙動
超高压压搾

破碎条件の影響

Fig. 19 脱水污泥ケークの含水率に及ぼす超音波照射時間・出力の影響
超高压压搾

圧搾圧力の影響

Fig. 20 脱水污泥ケークの含水率に及ぼす圧搾圧力の影響
## 脱水操作前後の電顕写真

Fig. 21 下水余剰污泥の電顕写真
### 3.4 新規圧搾モデルの提案

## ＜新規圧搾モデル圧搾理論＞

本研究では、圧搾操作により生物スラッジの減量化を試みた。圧搾および圧搾操作による脱水挙動の解析方法について以下に示す。

一般に、圧搾によるスラリーの固液分離過程は濾過期間とそれに続く圧密期間とに分けることができ、前者は濾過理論、後者は土質力学における Terzaghi の圧密理論を修正した、修正 Terzaghi モデルにより解析される。なお、圧密期間において、粒子のクリープ的塑性変形による二次圧密が存在する場合には、これを考慮した理論解析が行われる。

## <修正 Terzaghi モデル> $ ^{9)} $

圧密進行中のケーク内部では、液体だけではなく固体粒子も濾材方向に移動し、圧密によって搾出される液体の流速は、液体の真の移動速度と固体の移動速度との速度差で表される。このような系においては、位置を表す座標として固定座標を用いると、内部の液体および固体粒子の移動を記述する運動方程式と物質収支式との関係、および境界条件などが複雑となり、基礎式の解を得るのが困難となる。

時間によって変化しない量、例えば Fig. 22 に示すように固定された濾材面上から測った単位断面積当たりの固体体積 $ \omega $ を位置座標として採用することにより、基礎方程式が簡単化され、また境界面を固定することができる。

圧縮ケーク内のある位置 $ \omega $ (Fig. 22 (b)) におけるケーク部分比抵抗を $ \alpha $ とおけば、位置 $ \omega $ における微小薄層を過ぎる液体の固体粒子に対する見掛け相対速度 u は、式(1)で表すことができる。

$$ u=\frac{1}{\mu\alpha\rho_{\mathrm{s}}}\cdot\frac{\partial p_{\mathrm{L}}}{\partial\omega}=-\frac{1}{\mu\alpha\rho_{\mathrm{s}}}\cdot\frac{\partial p_{\mathrm{s}}}{\partial\omega} $$
ここに、 $ p_{s} $ は固体圧縮圧力、 $ p_{L} $ は液圧である。

Fig. 22 (a) x 座標と (b) $ \omega $ 座標

ケーク微小薄層 dωにおける液体の物質収支式は式(2)で与えられる。

$$ \frac{\partial e}{\partial\theta_{\mathrm{c}}}=\frac{\partial u}{\partial\omega} $$

ここに、e は空隙比、 $ \theta_{c} $ は圧密時間である。なお、固定座標 x を用いると、液体および固体についての物質収支式が必要となる。式(1)を(2)に代入し次式を得る。

$$ \frac{\partial e}{\partial\theta_{\mathrm{c}}}=\frac{\partial}{\partial\omega}\left(-\frac{1}{\mu\alpha\rho_{\mathrm{s}}}\cdot\frac{\partial p_{\mathrm{s}}}{\partial\omega}\right) $$
ここに、μは溶液の粘度、 $ \rho_{s} $ は固体の真密度である。圧密期間中のαの平均値をとり、一定とし、また、空隙比eが固体圧縮圧力 $ p_{s} $ に対して直線関係にあると仮定すると、式(3)は修正圧密方程式(4)となる。

$$ \frac{\partial p_{\mathrm{s}}}{\partial\theta_{\mathrm{c}}}=C_{\mathrm{e}}\cdot\frac{\partial^{2}p_{\mathrm{s}}}{\partial\omega^{2}}\mathrm{~ または ~}\frac{\partial e}{\partial\theta_{\mathrm{c}}}=C_{\mathrm{e}}\cdot\frac{\partial^{2}e}{\partial\omega^{2}} $$

$$ C_{\mathrm{e}}\equiv-\frac{1}{\mu\alpha\rho_{\mathrm{s}}\left(-\mathrm{d}e/\mathrm{d}p_{\mathrm{s}}\right)} $$

Terzaghi が導いた圧密方程式は固体粒子の移動を無視し固定座標 x を用いているが、式(4)では Terzaghi 式のこの欠点が修正されている。また、式(5)で与えられる $ C_{e} $ は修正圧密係数である。

修正压密係数 $ C_{e} $ の値に圧密開始時と終了時の平均値を用いることとし、式(4)を圧搾圧力 p が一定（定圧圧搾）の下で解くと、圧密の進行状態を表す平均圧密比 $ U_{c} $ が以下のように得られる。

スラリー原料の圧密

$$ U_{\mathrm{c}}=\frac{L_{\mathrm{1}}-L}{L_{\mathrm{1}}-L_{\infty}}=1-\exp\left(-\frac{\pi^{2}}{4}\cdot\frac{i^{2}C_{\mathrm{e}}\theta_{\mathrm{c}}}{\omega_{0}^{2}}\right) $$

均質な半固体状原料の圧密

$$ U_{\mathrm{c}}=\frac{L_{1}-L}{L_{1}-L_{\infty}}=1-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{8}{\left(2n-1\right)^{2}\pi^{2}}\exp\left\{-\frac{\left(2n-1\right)^{2}\pi^{2}}{4}\cdot\frac{i^{2}C_{\mathrm{e}}\theta_{\mathrm{c}}}{\omega_{0}^{2}}\right\} $$

ここに、 $ L_{1} $ 、L、 $ L_{\infty} $ はそれぞれ圧密初期、時間 $ \theta_{c} $ 、圧密平衡時のケーク厚さ、i は排水面数、 $ \omega_{0} $ は単位断面積毎の固体体積である。平均圧密比 $ U_{c} $ は、圧密開始時に 0、終了時に 1 となる。
<二次压密を考慮した Terzaghi-Voigt モデル $ ^{10)} $

Terzaghi モデルでは、粒子構造の力学的挙動をスプリングで表しており、固体圧縮圧力 $ p_{s} $ が増加すると粒子構造が $ p_{s} $ に対応した状態まで瞬間的に圧縮されると仮定している。しかし、実際に粒子構造が圧縮される場合は、変形にある程度の時間経過が必要である。材料中の微小要素における粒子構造のこのようなレオロジーの性質を考慮するため、空隙容積の減少が圧力 $ p_{s} $ の増加に即応して変化する部分（一次圧密）と時間的に遅れて変化する部分（二次圧密またはクリープ変形）の二つから成り立っていると仮定し、Fig. 23 に示すように、後者のクリープ特性をスプリングとダッシュポットを並列結合した Voigt 要素で近似し、これをスプリング 1 個からなる Terzaghi 要素とを直列結合したのが Terzaghi-Voigt モデルである。

Fig. 23 圧密に対するレオロジーモデル
Terzaghi-Voigt モデルでは、平均圧密比 $ U_{c} $ は次のように表される。

スラリー原料の圧密

$$ U_{\mathrm{c}}=\left(1-B\right)\left\{1-\exp\left(-\frac{\pi^{2}}{4}\cdot\frac{i^{2}C_{\mathrm{e}}\theta_{\mathrm{c}}}{\omega_{0}^{2}}\right)\right\}+B\left\{1-\exp\left(-\eta\theta_{\mathrm{c}}\right)\right\} $$

均質な半固体状原料の圧密

$$ U_{\mathrm{c}}=\left(1-B\right)\left[1-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{8}{\left(2n-1\right)^{2}\pi^{2}}\exp\left\{-\frac{\left(2n-1\right)^{2}\pi^{2}}{4}\cdot\frac{i^{2}C_{\mathrm{e}}\theta_{\mathrm{c}}}{\omega_{0}^{2}}\right\}\right]+B\left\{1-\exp\left(-\eta\theta_{\mathrm{c}}\right)\right\} $$

ここに、B は全圧密量に対する二次圧密の割合， $ \eta $ はクリープの進行速度を表す定数（遅延時間の逆数）である。

## ＜新規圧搾モデル＞

一般に圧搾挙動は、上述した従来モデルである修正 Terzaghi モデルあるいは修正 Terzaghi-Voigt モデルで記述できる。しかしながら、下水余剰汚泥、その他にもバクテリアや酵母といった微生物の破裂を伴う圧搾や豆腐、おから、ニンジンなどの有機質モデル試料では、特徴的な圧搾挙動を示し、従来モデルでの解析が不可能であった。そこで、Fig. 24に示す修正 Terzaghi モデルに Voigt モデルを複数個直列に接続した修正 Terzaghi-一般化 Voigt モデルを提案し、本圧搾解析に適用した。平均圧密比 $ U_{c} $ は、次式のように表される。

$$ U_{\mathrm{c}}=(1-\sum_{k=1}^{K}B_{\mathrm{k}})\left[1-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{8}{\left(2n-1\right)^{2}\pi^{2}}\cdot\exp\left\{-\frac{\left(2n-1\right)^{2}\pi^{2}}{4}\cdot\frac{i^{2}C_{\mathrm{e}}\theta_{\mathrm{c}}}{\omega_{0}^{2}}\right\}\right]+\sum_{k=1}^{K}B_{\mathrm{k}}\left\{1-\exp(-\eta_{\mathrm{k}}\theta_{\mathrm{c}})\right\} $$

ここに、i は排水面数、 $ C_{e} $ は修正圧密係数、 $ \theta_{c} $ は圧密時間、 $ \omega_{0} $ は単位断面積毎の固体体積、 $ B_{k} $ は全圧密量に対する各クリープ圧密の割合、 $ \eta_{k} $ は各クリープの進行速度を表す定数（遅延時間の逆数）である。