权利要求

本発明は、アルミ系若しくは鉄系の凝集剤を用いて凝集沈澱を行う水処理操作において発生する沈澱汚泥の処理方法に関する。

アルミ系、もしくは鉄系を用い凝集沈澱処理する水処理方法は広く一般産業及び上水道及び下水道等において広く用いられている。 この処理は水中の挾雑物の除拠においては非常に優れた方法ではあるが、凝集剤として一般的にアルミ系もしくは鉄系のものが使用されることから、処理の結果発生する凝集沈澱汚泥にはアルミ又は鉄との水酸化金属化合物が多量に含まれるため、これらは膨潤して非常に沈降濃縮性が悪く、含水率が高くて脱水処理しにくい汚泥になっている。

このような汚泥に対しては、特許第３７０９８２５号公報の段落０００２〜０００６に記載されるように、高分子凝集剤を使用し濃縮脱水する方法が知られている。 また、無薬注では、重力沈降により濃縮を行い、加圧脱水等で脱水し固形化処理を行っていた。 図１を用いて従来技術による重力沈降式の汚泥処理施設１００の概略を示す。 汚泥処理施設１００は、水処理施設からの凝集沈殿汚泥を濃縮調整する重力沈降濃縮槽２と、重力沈降濃縮槽２から引き抜いた汚泥を脱水処理する汚泥脱水設備２２、及び汚泥を汚泥脱水設備２２へ移送する汚泥配管２１とを備える。 図１に描かれるように、重力沈降濃縮槽２から引き抜かれた汚泥は、直接汚泥脱水設備２２へと移送され、脱水処理を受ける。

しかし重力沈降では濃縮濃度が低いため、加圧脱水で固形化まで脱水するのに時間を要し、大型の加圧脱水機を必要としていた。 また含水率も低下させることが困難で産業廃棄物の投棄量も非常に多いものとなっていた。

また消石灰を直接汚泥に添加し、脱水操作をする方法も行われているが、アルカリ排水が発生し、アルカリ溶解するものが排水に含まれる為、中和処理とその共雑物の除去が必要となっていた（水道施設設計指針 ２０００年 日本水道協会，ｐ３７７）。 また消石灰と空気中の炭酸ガスが反応し炭酸カルシウムが脱水操作の際の濾布に析出し濾布の重篤な目詰まりを発生さるという障害が発生し、濾布の頻繁な洗浄と、塩酸等による化学洗浄を必要としていた。

特許第３７０９８２５号公報

水道施設設計指針 ２０００年 日本水道協会，ｐ３７７

本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであって、汚泥の沈降濃縮性を改善することにより、汚泥の減容化を達成することのできる技術を創出しようとしてなされたものである。

本発明は、その一実施態様に次のような方法を含む。 この方法は、アルミ系及び鉄系凝集剤を使用して凝集沈澱処理を行う際に発生する沈澱汚泥の濃縮方法において、前記汚泥の濃度を上げるべく、該汚泥に硫酸を添加した後、カルシウムイオンの存在下でアルカリ剤の添加を行うことを特徴とする。

上記の方法によれば、汚泥に含まれる水酸化アルミニウムや水酸化鉄が硫酸によって一旦溶解する。 しかし、カルシウム塩及びアルカリ剤を投入することにより、又は直接消石灰（水酸化カルシウム）を投入することによって、カルシウムイオンと硫酸イオンとの反応により硫酸カルシウムが生成し、またアルミニウムイオンや鉄イオンが水酸化アルミニウムや水酸化鉄として再び析出（再凝集）する。 硫酸カルシウムの生成とアルミニウムイオン又は／及び鉄イオンの生成が並行して進行することにより、共沈現象により硫酸カルシウムが水酸化アルミニウムの凝集フロックに取り込まれながら沈降をする。 硫酸カルシウムは一般に密度が２.９程度と大きいため、汚泥の沈降濃縮性が大幅に改善される。 さらに、汚泥の濃縮減容化は、後段での脱水処理の効率を飛躍的に高め、濃縮減容化の程度に応じて後段の脱水処理の能力を大幅に向上させることができる。

上記の方法において、カルシウムイオンは、硫酸の添加前に、或いは、硫酸の添加とともに、或いは、硫酸を添加した後、汚泥にカルシウム塩を添加することで、供給することができる。 また、汚泥に添加するアルカリ剤として、水酸化カルシウムなど、カルシウムを含むアルカリ剤を用いることにより、カルシウムイオンを供給してもよい。 処理対象となる汚泥中に既に十分なカルシウムイオンが含まれている場合には、あえて汚泥にカルシウムイオンを追加供給しないという実施態様も可能である。

上記の方法において、硫酸の添加に際して汚泥を攪拌することが好ましい。 攪拌強度が強ければ強いほど早く酸が全体に拡散し溶解が早く進行するため、撹拌強度は強い方が好ましく、Ｇ値（撹拌の強さを示す指標）を１００ｓ ^−１以上とすることが好ましい。 また上記の方法において、アルカリ剤の添加においても、被反応液を撹拌することが好ましい。 この場合、アルカリ剤の添加によって再凝集した水酸化物のフロックを破壊しないように、硫酸の添加時の攪拌速度より遅い速度で汚泥を攪拌することとしてもよい。 被処理対象が汚泥スラリーである場合には、通常よりも攪拌強度を大きくし、Ｇ値が５０〜１２０ｓ ^−１程度にすることが好適である。

上記の方法のより具体的な実施態様において、前記汚泥がアルミ系の凝集剤を使用した凝集沈澱処理によって発生した沈殿汚泥である場合は、前記硫酸の添加によりｐＨを５未満に調整した後、カルシウムイオンの存在下でアルカリ剤を添加してｐＨを４.５〜９に調整してもよい。

また、前記汚泥がアルミ系の凝集剤を使用した凝集沈澱処理によって発生した沈殿汚泥である場合は、該汚泥にアルカリ剤を添加した後に、カルシウムイオンの存在下で硫酸の添加を行うこととしてもよい。 この方法のより具体的な実施態様においては、前記アルカリ剤の添加によりｐＨが８を超えるように調整した後、カルシウムイオンの存在下で硫酸を添加してｐＨを５〜８に調整してもよい。

さらに、前記硫酸の添加に際して前記汚泥を撹拌すると共に、前記アルカリ剤の添加に際して前記汚泥を前記硫酸の添加時の撹拌速度より遅い速度で撹拌することとしてもよい。

本発明は、その別の実施態様に次のような装置を含む。 この装置は、アルミ系及び鉄系凝集剤を使用して凝集沈澱処理を行う際に発生する沈澱汚泥の濃縮処理装置であって、前記汚泥に硫酸を反応させる第１の反応槽と、前記汚泥にカルシウムイオンの存在下でアルカリ剤を反応させるための、第２の反応槽とを備えることを特徴とする。

本発明は、その更に別の実施態様に次のような装置を含む。 この装置は、アルミ系及び鉄系凝集剤を使用して凝集沈澱処理を行う際に発生する沈澱汚泥の濃縮処理装置であって、
・ 前記沈殿汚泥を重力沈降により濃縮する重力沈降濃縮槽と、
・ 前記重力沈降濃縮槽により濃縮された濃縮汚泥の脱水を行なう汚泥脱水装置と、
・ 前記重力沈降濃縮槽から前記汚泥脱水装置へ前記濃縮汚泥を移送する第１の汚泥配管と、
・ 前記第１の汚泥配管の中途に設けられ、前記第１の汚泥配管中の前記濃縮汚泥の流れを分岐させる分岐管と、
・ 前記分岐管を介して供給される前記濃縮汚泥に硫酸を反応させる第１の反応槽と、
・ 前記分岐管を介して供給される前記濃縮汚泥にカルシウムイオンの存在下でアルカリ剤を反応させるための、第２の反応槽と、
・ 前記第１の反応槽及び前記第２の反応槽によって処理された処理済み濃縮汚泥を前記重力沈降濃縮槽へ移送する第２の汚泥配管と、
を備えることを特徴とする。

この装置は、重力沈降濃縮槽から汚泥脱水装置へ濃縮汚泥を移送する配管に分岐管を設けることによって、汚泥脱水装置へ移送される汚泥の一部を抜き取り、それを本発明による方法を用いて濃縮して再び重力沈降濃縮槽へ戻すという構成を採用しているため、重力沈降濃縮槽と汚泥脱水装置を有する従来の汚泥改質装置に本発明を容易に組み込むことができるという利点を有する。

本発明によれば汚泥の沈降濃縮性が劇的に改善される。 このため汚泥の大幅な減容化が可能となると共に、汚泥の脱水固化における脱水性・含水率をも改善することができ、従って処理の最終段階で発生する産業廃棄物の量を大幅に削減することができる。

本発明の最も好適な実施形態では、アルミ系又は／及び鉄系凝集剤を使用して凝集沈澱処理を行う際に発生する沈澱汚泥を処理するために、硫酸により汚泥の一部を溶解させたのち、続いて消石灰を添加して中和処理をすることを特徴とする。

汚泥に最初に酸を添加することにより、汚泥中の水酸化アルミニウムを溶解させる。 この溶解に際しては硫酸を使用することが好ましく、硫酸アルミニウムとしてアルミイオンと硫酸イオンの形で溶解していることが好ましい。 このとき、ｐＨが５未満になるように調整することが好ましく、ｐＨが４以下になるように調整することがより好ましく、ｐＨが３以下になるように調整することが更に好ましい。 ランニングコストの観点からは、ｐＨが２.５〜３になるように調整することが好ましいが、ｐＨが１.５〜２.５になるように調整することで反応時間を短縮することができ、装置を小型化することができる。

硫酸添加により水酸化アルミニウムの溶解操作を行った後、消石灰を添加する。 アルミ系の凝集剤を使用した場合には、ｐＨが４以上になるように調整することが好ましく、ｐＨが４.５〜９になるように調整することがより好ましく、更に好ましくは、ｐＨが５.６〜８になるように調整することが望ましい。 鉄系の凝集剤を使用した場合には、ｐＨが４以上になるように調整することが好ましく、ｐＨが４.５〜９になるように調整することがより好ましく、更に好ましくは、ｐＨが５〜６になるように調整することが望ましい。

この操作おいて、消石灰の注入により、アルミニウムイオンが水酸化アルミニウムとして不溶化し、同時にカルシウムイオンと硫酸イオンとの反応により硫酸カルシウムが生成する。 この反応が並行して進行することにより、硫酸カルシウムと水酸化アルミニウムが並行的に生成すると同時に、共沈現象によって、硫酸カルシウムが、汚泥中の濁質成分と共に水酸化アルミニウムの凝集フロックに取り込まれながら沈降する。 これにより汚泥の沈降濃縮性が大幅に改善される。 さらに、汚泥の濃縮減容化は、後段での脱水処理の効率を飛躍的に高め、濃縮減容化の程度に応じて後段の脱水処理の能力を大幅に向上させることができる。

本発明によると汚泥の比重が大きくなることから高分子凝集剤を添加しなくても十分な沈降性を得ることができるが、高分子凝集剤を添加することでさらに沈降性を向上させることもできる。

なお、上記の説明において、初めに用いられる凝集剤が鉄系凝集剤の場合は、上記の説明における水酸化アルミニウムやアルミニウムイオンは、水酸化鉄や鉄イオンと読み替えられることは言うまでもない。

汚泥の沈降濃縮性及び汚泥の脱水性が改善されれば、高価な脱水処理設備の設備容量の削減や、産業廃棄物の投棄量の低減が可能となる。 特に、上水道で行われているような、アルミ系の凝集剤としてポリ塩化アルミニウムや硫酸バンドを用いる凝集沈澱処理から発生する汚泥に対しては、非常に顕著な濃縮減容効果があり、発生汚泥の処理で苦しんでいる浄水場等において大変に有用な技術となりうる。 天日乾燥床を用いる場合においても、濃度が上昇すれば張り込み深さを浅くすることが可能となり、いままで以上に乾燥の進行が早くなり、運用が容易となり、乾燥床の面積も削減する事ができる等の効果につながる。

ここで、カルシウム塩としては、塩化カルシウムや炭酸カルシウム、生石灰、消石灰など任意のカルシウム塩を使用することができるが、生石灰や消石灰を用いることが好ましい。

すなわち、生石灰や消石灰は水に対する溶解度が小さいことから、バルクでの局部的な反応を制限しながら、生石灰粒子や消石灰粒子の周辺を中心に凝集反応と結晶生成反応が進行すると考えられる。 そのため、当該粒子を核としてアルミニウムイオン又は／及び鉄イオンの再凝集がおこり、前記再凝集の際に硫酸カルシウムの取り込みを円滑に行うことができ、脱水性のよい汚泥を得ることができる。

消石灰は粉体もしくはスラリーのどちらでも効果は発現するので都合の良いものを採用すれば良い。 取り扱い易さの点ではスラリー状の消石灰が優れることが多い。 また、生石灰を利用した場合には、生石灰が溶解する際の発熱反応による加温効果により、反応の促進と汚泥の沈降促進効果も期待できる。 硫酸カルシウムは石膏とも呼ばれるが石膏には３種の形があり、どの形であるか不明であるが、一般に密度が２.９程度と大きく、硫酸カルシウムを抱き込むことにより、従来過剰な水酸化アルミニウムで膨潤していた汚泥の沈降濃縮性が大幅に改善されるものと考えられる。

硫酸及び消石灰との反応式を以下に示しておく。
（１）最初の反応硫酸による水酸化アルミニウムの溶解
3H ₂ SO ₄ ＋ 2Al(OH) ₃ →6H ₂ O ＋ 2Al ³⁺ ＋ 3SO ₄ ^2‐
（２）２段階目の反応消石灰による中和反応
3Ca(OH) ₂ →3Ca ²⁺
＋ 6OH ^ー
2Al ³⁺ ＋ 6OH ⁻ →2Al(OH) ₃ ↓
3Ca ²⁺ ＋ 3SO ₄ ²⁻
→3CaSO ₄ ↓

試験例１

以下、ある浄水場の汚泥を本発明の一実施態様を用いて改善した例を示す。 この浄水場は、河川水を水源とし、濁度が低く、しかもフミン質系の色度を有しているため、凝集剤としてＰＡＣ（ポリ塩化アルミニウム）を使用し、約５０ｍｇ／Ｌの注入により、凝集フロックを生成させ、凝集沈澱処理と濾過処理により、上水道としての水質に適合した処理を行っている。 凝集フロックは沈殿池において凝集沈澱汚泥となる。 その汚泥については固形化処理を行い、産業廃棄物として廃棄している。 固形化処理の過程では、まず汚泥の重力沈降濃縮により汚泥の濃縮を行い、その濃縮汚泥を加圧脱水機により脱水処理することにより固形化（脱水ケーキ）する。 脱水ケーキは産業廃棄物として処分される。

この浄水場において発生する凝集沈澱汚泥は、原水水質として高色度、低濁、高ＰＡＣ注入率のために、水酸化アルミニウムの含有率が高く、非常に沈降濃縮性が悪く、汚泥濃度が４８時間沈降濃縮を行っても０.５９％にしか達しない汚泥性状となっている。 汚泥濃度が低いと言うことは薄い大量の汚泥を処理することになり、汚泥処理施設が非常に大きな施設となり、同時に脱水固化するにも大型の設備を必要としている。

そこで本試験においては、当該浄水場において発生する汚泥に表１に示す如く濃度６５％の硫酸を何例か量を変えて添加し、添加後１５分経過後に消石灰を投入し、さらに３０分経過後及び２４時間経過後の汚泥濃度及びｐＨを調べた。 結果は表１の通りである。

表１に示す如く、３０分沈降後の汚泥濃度は初期汚泥濃度の４〜４.５倍に達し、２４時間沈降後の汚泥濃度は初期濃度のおよそ５倍に達する。 また全ての硫酸添加範囲で濃縮効果が確認される。 硫酸添加量を多くすると初期の３０分沈降が良い為沈降濃縮槽の容量を小さく出来るメリットが見られる。 また硫酸の添加量の低い方が消石灰による中和量が少なくて済むというメリットがある。 そこで硫酸及び消石灰の添加量を変化させ、汚泥の濃縮濃度を調査し、硫酸、消石灰の少ない添加量を選択すれば良い。 表１に示すごとく、最も少ない硫酸添加量でも作用は殆ど変わらず２４時間沈降後約５倍濃縮に達し、大幅な濃度の向上を達成している。 最終ｐＨは鉄及びＡｌ濃度に影響を与えるため、返送先もしくは放流先の必要とする値により、消石灰の量を増減し調整すれば良い。 ｐＨを中性とすれば、鉄及びアルミの濃度を減少させることができる。 試験例で見る如く溶解に際しては溶解後のｐＨが３.７程度おいても効果があり、このｐＨでは水酸化アルミニウム必ずしも全量溶解しているわけではなく、一部が溶解しアルミイオンと硫酸イオンが存在していると推察される。 従って、原汚泥中の水酸化アルミニウムが全量溶解される必要はないと考えられる。

次に、上記試験例によって濃縮された汚泥と、本実施例を適用しない従来の汚泥との、汚泥脱水能力の違いを調べた実験結果を表２に示す。

脱水機の能力は濾過速度とケーキ含水率により評価される。 本実験例によれば、上記試験例によって濃縮された汚泥は、従来汚泥に対して濾過速度は約３倍、脱水ケーキで８〜９％程度改善され、特に脱水速度は顕著な効果があることが示されている。 本発明では汚泥中に硫酸カルシウムが増加するが、乾燥固形分としての増加量は汚泥の２０％程度であり、濾過速度を補正しても脱水機能力の増加は２倍以上になり汚泥の脱水性を大幅に改善されている。 このため、本試験例によって濃縮された汚泥に対しては、脱水設備を約５０％以上削減することが可能であり、設備の大幅なコスト削減もしくは運転時間の削減ができる。

このように、本試験によって、硫酸反応後のｐＨが３.７でも、十分な汚泥濃縮効果及び汚泥脱水能力の向上が見られ、中和後の処理液についても良好な結果で問題がないことが判明した。 このため、本出願時において、当該浄水場において、この条件で実際に本試験例を適用する方向で検討が進められている。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。 図２は、本発明の一実施例に係る汚泥処理施設２００の装置構成の概略及び動作フローを説明するための図である。

汚泥処理施設２００は、アルミ系又は鉄系の凝集剤を用いて凝集沈澱を行う水処理施設からの凝集沈殿汚泥を濃縮調整する重力沈降濃縮槽２，汚泥と硫酸を反応させる硫酸反応槽４，硫酸を貯蔵する硫酸貯層１０，消石灰と反応させる消石灰反応槽１２，消石灰スラリーを貯蔵する消石灰スラリー槽１６，消石灰により中和された汚泥を沈降分離する中和汚泥沈降槽１９，汚泥脱水設備２２等を備える。

水処理施設からの汚泥は、汚泥配管１から重力沈降濃縮槽２へと移送され、そこで重力沈降によって濃縮される。 濃縮調整によって減容化した硫酸反応対象汚泥は、汚泥移送ポンプ３にて重力沈降濃縮槽２から引き抜かれて硫酸反応槽４に移送され、硫酸貯層１０から送られる硫酸と混合させられる。 硫酸反応槽４での反応前に、汚泥配管６と硫酸配管７を槽４への流入前に混合管８に接続をし、硫酸との混合を予め行っておくと反応を円滑に進めることができる。 硫酸反応槽４には硫酸反応槽攪拌機５を設置し反応の促進を図る。 硫酸により水酸化アルミニウム、及び水酸化鉄が溶解しイオン化する。 このイオン化は一部に留めても効果があり、予め反応試験を行い、出来るだけ経済的な添加量に設定しておく。

続いて硫酸反応槽４から被反応液を硫酸汚泥移送ポンプ１１により消石灰反応槽１２に移送し、さらに、消石灰スラリー注入ポンプ１５及び消石灰スラリー配管１４を用いて槽１６から消石灰スラリーを消石灰反応槽１２に注入する。 反応槽１２では硫酸カルシウムが生成するため、注入点は注意が必要である。 すなわち、硫酸カルシウム生成に際して槽内の壁もしくは攪拌機等のインペラ、及び軸等に硫酸カルシウム等のスケールが蓄積するため、生成した濃度の高い硫酸カルシウムとの接触を出来るだけ最少となるような注入点とすることが望ましい。 例えば、硫酸反応槽４から移送された被処理液の流入点と消石灰の注入点を、消石灰反応槽１２の中心部を中心として対称の位置に配置することが望ましい。

ここでは水酸化アルミニウムや水酸化鉄及び硫酸カルシウムの生成反応が行われ、凝集反応も同時に進行しながら沈降性の改善された汚泥に改質がなされる。 消石灰反応槽１２にも攪拌機１３を設置して反応の促進を図る。 なお、消石灰スラリー槽１６にも攪拌機１７を設置してスラリーが沈降しないようにする。

このとき、消石灰反応槽１２の攪拌機１７は、フロックを破壊しないように選定する必要があり、硫酸反応槽攪拌機５の攪拌速度より遅い速度で攪拌することが好ましい。 具体的には、所謂Ｇ値が１０〜１５０ｓ ^−１となるように選定することが好ましく、Ｇ値が５０〜１２０ｓ ^−１となるように選定することが更に好ましい。

消石灰反応槽１２で改質された汚泥は、中和汚泥移送ポンプ１８により中和汚泥沈降槽１９へと移送され、重力沈降により沈降濃縮される。 濃縮減容化された汚泥は濃縮汚泥ポンプ２０及び濃縮汚泥配管２１を介して汚泥脱水設備２２に送られ、脱水処理を経て廃棄物として搬出される。

本実施態様においては、被処理液を硫酸反応槽、消石灰反応槽、中和汚泥沈降槽へポンプで移送しているが、ポンプを使用せず配管やトラフで移送してもよい。

図３は、本発明の別の実施例に係る汚泥処理施設３００の装置構成の概略及び動作フローを説明するための図である。 図２において、上述の実施例１に係る汚泥処理施設２００と同じ構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

汚泥処理施設３００は、重力沈降濃縮槽２から汚泥脱水設備２２に向かう汚泥配管２１の途中に分岐管２３を設け、実施例１に係る汚泥処理施設２００と同様の硫酸及び消石灰の反応槽を設けて改質反応を行い、改質された汚泥を中和汚泥移送ポンプ１８及び汚泥循環配管２４を用いて重力沈降濃縮槽２に返送するという、循環ループ構造を有する。 改質汚泥を循環させることにより、汚泥の濃縮減容化が達成される。 この循環法では、汚泥の減容化濃縮が平衡状態になり濃度が安定するまで時間を要し、最終的な汚泥濃度も汚泥処理装置２００よりも若干低下することが多い。 しかし鉄系等の凝集剤では循環により結晶が成長し、汚泥濃度の上昇が見られる場合もある。

汚泥処理施設３００は、重力沈降濃縮槽２から汚泥脱水設備２２に向かう汚泥配管２１の途中に分岐管を設け、その先に本発明による汚泥改質設備を設置するという構造を有するため、図１に描かれる従来技術による既存の汚泥処理施設に本発明による汚泥改質設備を容易に組み込むことができるという利点がある。

以上、本発明の理解を助けるために本発明を実施例を用いて説明したが、本発明は、上記の実施例によって制限されるものではなく、本発明の範囲を逸脱せずに様々な実施態様を取り得ることは言うまでもない。

従来技術による汚泥処理施設１００の概略を説明するための図である。

本発明の一実施例に係る汚泥処理施設２００の概略を説明するための図である。

本発明の別の実施例に係る汚泥処理施設３００の概略を説明するための図である。

符号の説明

１ 汚泥配管２ 重力沈降濃縮槽４ 硫酸反応槽５ 硫酸反応槽攪拌機６ 汚泥配管７ 硫酸配管１０ 硫酸貯層１１ 硫酸汚泥移送ポンプ１２ 消石灰反応槽１４ 消石灰スラリー配管１５ 消石灰スラリー注入ポンプ１６ 消石灰スラリー槽１７ 攪拌機１８ 中和汚泥移送ポンプ１９ 中和汚泥沈降槽２０ 濃縮汚泥ポンプ２１ 濃縮汚泥配管２２ 汚泥脱水設備２３ 分岐管２４ 汚泥循環配管１００ 従来技術による汚泥処理施設２００ 本発明の実施例１による汚泥処理施設３００ 本発明の実施例２による汚泥処理施設