JP4133213B2 - 汚泥の凍結・融解処理方法とその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
浄水場排泥、下水汚泥、浄化槽汚泥、し尿、あるいは産業排水や埋立地排水処理する際に排出される汚泥の処理において、汚泥をろ過・脱水する前に凍結・融解処理を施すことの効果が注目されるようになっている。本発明は、前記汚泥の凍結・融解処理方法及びそれに使用する装置に関し、とくに活性汚泥処理法との併用が効果的である。
【０００２】
【従来の技術】
通常、前記汚泥類には大量の水が含まれているので、沈降、ろ過、脱水などの固液分離手段を用いて汚泥を濃縮し脱水して、最終的に得られた固体分をコンポスト化し、あるいは埋立、焼却などの最終処分を行っている。ところが、これらの汚泥はろ過・脱水性が極めて悪く、ろ布の交換や洗浄に労力を要し、ろ過・脱水処理に長時間を要するという問題があった。従来は消石灰などのろ過助剤を汚泥に添加して脱水処理していたが、薬剤添加による汚泥量の増大、薬剤による二次汚染などの欠点があった。
【０００３】
最近になって、前記の問題を解決する１つの手段として、汚泥を凍結し融解してからろ過、脱水する凍結・融解処理法が提案され、その効果が認められるようになってきた。これは、凍結・融解処理法が薬剤を使用しない無薬剤処理法であることの他に、次の理由による。汚泥には汚泥粒子中の内部水分と汚泥粒表面に付着する水分とが含まれている。凍結・融解処理を施すことによってこの付着水分が氷の結晶となって成長し、汚泥は未凍結部分に濃縮されて汚泥粒は粗大化する。さらに汚泥の凍結過程においては、凍結による体積膨張のため汚泥に圧縮力が作用する結果、汚泥組織の一部が破壊され内部水分が流出して、ろ過・脱水操作が容易になることによる。
【０００４】
参考までに、凍結・融解処理を利用した汚泥の脱水システムの一例を図２にフローシートで示した。本例によると、汚泥を含む被処理水（配管２１）を沈殿池２２に導いて汚泥を沈降分離し、ついで沈降した汚泥（配管２３）を濃縮槽２４に送入し分離・濃縮する。そして濃縮された汚泥（配管２５）を凍結・融解槽２６に送入し、槽２６内に設けられた伝熱管２７に冷媒を流して汚泥を凍結させ、ついで冷媒を熱媒に切り替えて汚泥を融解させる。融解汚泥の上澄水（配管２８）を分離し、残る脱水性が向上した汚泥（配管２９）を脱水器３０（例えば加圧ろ過器）に送り脱水する。冷媒、熱媒を交互に伝熱管２７に流して汚泥を凍結、融解させ、一般に１サイクルのバッチ処理によって実施されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
薬剤を使用しないにもかかわらず、汚泥のろ過・脱水操作における処理前の凍結・融解処理効果は大きいが、有機物を含有する下水汚泥は無機系の浄水汚泥に比べて凍結融解による凝集効果が低く、凍結・融解処理に要する時間が長く、設備費用、運転費用がかさむという問題を生じていた。本発明は、凍結・融解処理を効果的に実行するために、操作が短時間で終了し、かつ設備コスト及び運転コストを低減する手段を課題に鋭意研究した結果、完成されたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するための手段として、外側からの冷却、加熱手段を備えた管状の汚泥処理容器を用い、前記処理容器内に被処理汚泥を充填し、処理容器内から外部に通ずる開口部近傍の汚泥を冷却し凍結させて被処理汚泥を処理容器内に封入し、ついで封入された汚泥を冷却し凍結させて充填汚泥の凍結処理を行い、凍結処理を終えた汚泥を融解して処理容器外に取り出すことを特徴とする汚泥の凍結・融解処理方法を提供する。
【０００７】
また、本発明は、被処理汚泥を充填して凍結・融解処理するための汚泥処理容器と、充填された汚泥処理容器の外側から充填された汚泥を冷却して凍結し、及び加熱して融解するために熱媒体を流通させるジャケットとを含んでなり、かつ、前記ジャケットには、汚泥処理容器から外部に通じる開口部近傍に充填された汚泥を選択的に凍結するための熱媒体の流路が設けられていることを特徴とする汚泥の凍結・融解装置を提供する。
【０００８】
前記の汚泥の凍結・融解装置の好ましい具体化例として、被処理汚泥を上端の送入口２から充填し、処理済の汚泥を下端の排出口３から取り出す複数の汚泥処理管１の束を汚泥処理容器とし、内部に前記汚泥処理管束が縦方向に取り付けられ、前記汚泥処理管上部の送入口２近傍を冷却しあるいは加熱する上部区画４、中央部を冷却しあるいは加熱する中央部区画５、および排出口近傍を冷却しあるいは加熱する下部区画６の少なくとも３区画に分割されて、それぞれに独立して冷却あるいは加熱のための熱媒体を流通させる筒状の胴７をジャケットとして、ジャケット７の上端に、汚泥の供給口８を設けた鏡板１０、下端に、取出口９を設けた鏡板１１が取り付けられていることを特徴とする汚泥の凍結・融解装置を好ましく使用することができる。汚泥処理管１には、内面にリング状、またはらせん状の溝加工が施されている溝付管が好適である。
【０００９】
そして本発明は、前記した好ましい具体化例の汚泥の凍結・融解装置を用いることによって、まず、各汚泥処理管内に被処理汚泥を充填し、ついでジャケットの上部、下部の２区画に冷媒を流して送入口および排出口近傍の汚泥を凍結させ中央部区画の汚泥を封入した後、中央部区画に冷媒を流して封入した汚泥を凍結させて凍結処理を終え、ジャケットに流されている冷媒を熱媒に切り替え汚泥を融解して融解させた汚泥を排出口から排出させて、容易に実施することができるのである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
さらに、本発明を実施形態例をあげながら具体的に説明する。従来の凍結・融解手段は、汚泥を凍結・融解槽に投入して内部に取り付けられた伝熱管に冷媒を流し大気開放下において汚泥を凍結させ、所定の凍結処理後に冷媒を熱媒に切り替えて凍結汚泥を融解させ、汚泥の凍結・融解処理を実施していた。これに対し、本発明では、外側からの冷却、加熱手段を備えた管状の汚泥処理容器を用いて前記処理容器内に被処理汚泥を充填し凍結・融解処理を施す。本発明における汚泥処理容器にはかなりの内圧がかかるので、通常は円管を使用する。また、外部加熱方式を採り冷却、加熱時間を短縮するために、好ましくは比較的小径の汚泥処理管を束ねて汚泥処理容器として用いる。
【００１１】
そして、本発明の凍結・融解処理では、まず汚泥処理容器から容器外部に通ずる開口部近傍の汚泥を冷却して凍結させ、この凍結汚泥により充填された汚泥を処理容器内に封入する。ついで、封入された汚泥を冷却し凍結させて凍結処理を実施する。凍結処理が終了すれば冷媒を熱媒に切り替え、汚泥を融解して容器外に排出する。前記操作によって封入された未凍結の汚泥は凍結と共に体積膨張するが、容器外部に連通する開口部の汚泥が凍結されているので、開放系下において凍結させる従来手段よりも高圧下に凍結される。その結果、とくに活性汚泥法と併用すれば、汚泥中の菌体の細胞膜が破壊されやすく内部水の流出が容易になって、脱水処理時間が短縮され、残留水分を低下させることができる。
【００１２】
本発明の凍結・融解処理には、被処理汚泥を充填して処理する汚泥処理容器と、充填された汚泥を処理容器の外側から冷却して凍結し、あるいは加熱して凍結汚泥を融解する目的で、冷、熱の両熱媒体を切り替えて流通させる冷却・加熱ジャケットとを含んで構成された凍結・融解装置を用いる。かつ、開口部近傍の汚泥を冷却して凍結させ、充填された未凍結汚泥を処理容器内に封入するため、処理容器の開口部近傍に充填されている汚泥を選択的に凍結することを目的とする流路を、ジャケットに設けた凍結・融解装置が好適である。
【００１３】
つぎに前記の本発明について、具体的に好ましい実施形態例をあげて図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係る汚泥の凍結・融解装置の好ましい実施形態例を示す説明図である。図１に示される凍結・融解装置は構造上竪型多管式熱交換器に類似している。
【００１４】
本実施形態例の凍結・融解装置には、汚泥処理容器として円管状容器１の束を用いる。汚泥処理管１の上端を被処理汚泥の送入口２とし、下端を処理済汚泥の排出口３とする。複数の汚泥処理管が、一般的には所定の間隔で規則的に配列されて上下の両端部が管板１４に取り付けられ、管板１４を介して筒状のジャケット７（胴ともいう）内、縦軸方向に取り付けられている。汚泥処理管１側は、冷却され、加熱される汚泥を充填する上下１方向１パスに構成される。好ましくは、汚泥処理管１として、内面にリング状、またはらせん状の凹凸溝加工が施されている溝付管を用いる。管１の内面と凍結汚泥との間の滑りを防止し凍結汚泥に負荷される圧力を増加させる作用がある。汚泥処理管１には伝熱管が好ましく用いられる。
【００１５】
ジャケット側は、汚泥処理管１の送入口２近傍を冷却しあるいは加熱する上部区画４、中央部を冷却しあるいは加熱する中央部区画５、および排出口近傍を冷却しあるいは加熱する下部区画６の少なくとも３区画に仕切られている。そして、前記の区画では、それぞれに独立して冷却あるいは加熱のための熱媒体を通すことができる。１５、１６、１７は、各上部、中央部、下部各区画の熱媒体流路を示す。
【００１６】
区画数は必要があれば増やしてもよい。ジャケット７の上端には、汚泥の供給口８を設けた鏡板１０、下端には、取出口９を設けた鏡板１１が取り付けられ、汚泥の流路あるいは汚泥を一時的に貯留する区域を形成している。ジャケット７は、通常、熱媒体による圧力以外の負荷をを受ける可能性は少なく、安全確保を前提に円筒であっても角筒であってもよい。
【００１７】
本実施形態例の汚泥凍結・融解装置を用いる場合、まず、各汚泥処理管内に汚泥を充填する。汚泥の充填は、たとえば、汚泥の供給口８側配管に取り付けた仕切弁１２、取出口９側配管に取り付けた仕切弁１３を操作して、汚泥処理容器１バッチ分ずつの汚泥を押出流れとして間欠供給、あるいは処理終了後の汚泥取出レベルを汚泥処理管１の下端近傍に保って１バッチ処理量を間欠供給、充填してもよい。汚泥の計量ホッパーを汚泥取入側に接続しておいて１バッチの処理量分を供給するようにしておくと便利である。
【００１８】
汚泥を充填した後、汚泥送入口２近傍及び排出口３近傍を冷却するために上部、下部の両区画４，６のジャケット側に冷媒を流し、充填汚泥の両端の汚泥を凍結させ中央部の汚泥を封入する。ついで中央部区画５に冷媒を流通させて封入汚泥を凍結する。未凍結の封入汚泥は、凍結と共に体積膨張して開放系下において凍結されるよりも高圧下において凍結処理される。未凍結の中間汚泥は、凍結と共に体積膨張するが両端部が凍結しているので、開放系下において凍結させるよりも高圧下に凍結し汚泥中の菌体の細胞膜が破壊されて内部水が流出する。充填汚泥を所定の凍結温度に降下させ所要の保持時間を経た後、ジャケット側に流れる冷媒を熱媒に切り替え、汚泥を融解させ排出させる。使用する冷媒の温度は、条件にもよるが一般的に−１０〜−２０℃程度である。
【００１９】
【実施例】
本発明を具体的に理解するため、従来の凍結・融解槽を、本発明に係る凍結・融解槽に改造した実施例をあげながら具体的に説明するが、本実施例は本発明の範囲を限定するものではない。
【００２０】
従来例
従来の凍結・融解槽の上部形状は角筒で、凍結・融解槽汚泥を排出しやすいように底部を谷状にしていた。槽内には、汚泥を凍結ならびに融解するために冷媒と熱媒を流す、通常外径２５．４ｍｍのＳＢ３４０材の伝熱管をピッチ５０ｍｍに縦に碁盤配列で取り付けている。槽本体の構成には炭素鋼を用い表面に腐食防止ならびに保冷断熱、汚泥が凍結する際の体積膨張による槽の破損防止のクッション材として独立気泡のスポンジゴムなどを槽内面に貼付ける構造になっている。
【００２１】
そして、伝熱管近傍より水分のみが凍結進行し、固形分の汚泥は氷より排除されて未凍結部分へ移動、最終的には固形分の汚泥が伝熱管の中心近くに濃縮され集合凝集体となるが、開放系のために凍結による氷の体積膨張力による圧力はクッション材や上部水面上昇で逃げるために汚泥の凝集体は加圧されないので柔らかい状態で処理と終えていた。
【００２２】
実施例
本発明に係る凍結・融解槽は、外径４２．７ｍｍのＳＢ４１０材の伝熱管をピッチ５０ｍｍに縦に三角配列で取り付け、前記従来法とは逆に管内に汚泥を、槽内に凍結ならびに融解するための冷媒と熱媒を流す構造になっている。管内に投入した汚泥の内、伝熱管両端部をまず凍結し、その後投入汚泥全体を凍結することにより、凍結による氷の体積膨張力による圧力は逃げることが出来ず、汚泥全体を昇圧することになり、伝熱管中心近くに濃縮した汚泥の集合凝集体を加圧し、集合体の結合力が強くなり、また下水余剰汚泥のような菌体物の細胞膜を破壊して体液を排出することにより、後工程の脱水ろ過が非常に容易になるものである。
【００２３】
なお、内部の圧力を保持するためには伝熱管両端部にバルブ等閉鎖機構を有するが、伝熱管の内面にリング状、またはらせん状と凹凸溝加工を設けることにより、伝熱管と氷との滑りを抑えることにより管内の凍結汚泥の圧力を保持するものでコストダウンならびにメンテナンスが非常に容易なる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明を利用することによって、汚泥の凍結・融解処理に要する時間が短縮され、あるいは脱水後における汚泥中の水分率の低減がはかられ、設備費用、運転費用を節減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る汚泥の凍結・融解装置の実施形態例を示す説明図
【図２】凍結・融解処理法を利用した従来の汚泥処理を例示する概略フローシート
【符号の説明】
１：汚泥処理管 ２：被処理汚泥送入口
３：処理済汚泥排出口 ４：ジャケット上部区画
５：ジャケット中央部区画 ６：ジャケット下部区画
７：ジャケット胴 ８：被処理汚泥供給口
９：処理済汚泥取出口 １０：上端鏡板
１１：下端鏡板 １２：供給口側仕切弁
１３：取出口側仕切弁 １４：管板
１５：上部区画熱媒体流路 １６：中央部区画熱媒体流路
１７：下部区画熱媒体流路
２１：被処理水（配管） ２２：沈殿池
２３：沈降汚泥（配管） ２４：濃縮槽
２５：濃縮汚泥（配管） ２６：凍結・融解槽
２７：伝熱管 ２８：上澄水（配管）
２９：処理済汚泥（配管） ３０：脱水器（加圧ろ過器）

Claims (5)

1. 外側からの冷却、加熱手段を備えた管状の汚泥処理容器を用い、前記処理容器内に被処理汚泥を充填し、処理容器内から外部に通ずる開口部近傍の汚泥を冷却し凍結させて被処理汚泥を処理容器内に封入し、ついで封入された汚泥を冷却し凍結させて充填汚泥の凍結処理を行い、凍結処理を終えた汚泥を融解して処理容器外に取り出すことを特徴とする汚泥の凍結・融解処理方法。
2. 被処理汚泥を充填して凍結・融解処理するための汚泥処理容器と、
   充填された汚泥処理容器の外側から充填された汚泥を冷却して凍結し、及び加熱して融解するために熱媒体を流通させるジャケットとを含んでなり、
   かつ、前記ジャケットには、汚泥処理容器から外部に通じる開口部近傍に充填された汚泥を選択的に凍結するための熱媒体の流路が設けられている
   ことを特徴とする汚泥の凍結・融解装置。
3. 被処理汚泥を上端の送入口（２）から充填し、処理済の汚泥を下端の排出口（３）から取り出す複数の汚泥処理管（１）の束を汚泥処理容器とし、
   内部に前記汚泥処理管束が縦方向に取り付けられ、前記汚泥処理管上部の送入口近傍を冷却しあるいは加熱する上部区画（４）、中央部を冷却しあるいは加熱する中央部区画（５）、および排出口近傍を冷却しあるいは加熱する下部区画（６）の少なくとも３区画に分割されて、それぞれに独立して冷却あるいは加熱のための熱媒体を流通させる筒状の胴（７）をジャケットとして、
   前記ジャケット胴の上端に、汚泥の供給口（８）を設けた鏡板（１０）、下端に、取出口（９）を設けた鏡板（１１）が取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載の汚泥の凍結・融解装置。
4. 前記の汚泥処理管が、内面にリング状、またはらせん状の溝加工が施されている溝付管であることを特徴とする請求項２又は３に記載の汚泥の凍結・融解装置。
5. 請求項３又は４に記載の汚泥の凍結・融解装置を用い、
   まず、各汚泥処理管内に被処理汚泥を充填し、
   ついでジャケットの上部、下部の２区画に冷媒を流して送入口および排出口近傍の汚泥を凍結させ中央部区画の汚泥を封入した後、
   中央部区画に冷媒を流して封入した汚泥を凍結させて凍結処理を終え、
   ジャケットに流されている冷媒を熱媒に切り替え汚泥を融解して融解させた汚泥を排出口から排出させる
   ことを特徴とする汚泥の凍結・融解処理方法。

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