JP2007105566A - 凍結融解処理システムと凍結融解処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凍結融解処理に要する処理時間を短縮可能にする凍結融解処理システムと凍結融解処理方法を提供する。
【解決手段】吸収冷凍機１０と接続されている冷ブラインタンク１１との間で冷ブライン回路Ｂ１を形成していると共に、吸収冷凍機１０の冷却水ラインと接続されている温ブラインタンク１２との間で温ブライン回路Ｂ２を形成していて、冷ブラインと温ブラインの通流を切り換え可能に冷・温両ブラインタンク１１，１２と接続されていて、投入された未処理スラッジを交互に凍結、融解することにより凍結融解スラッジを固液分離する凍結融解槽３を備える。冷ブラインが、冷ブライン回路Ｂ１に配置されている冷ブライン用蓄熱剤Ｃと間接接触して、この冷ブライン用蓄熱剤Ｃの有する蓄熱潜熱（冷熱）により冷ブラインを所定温度に保持可能になっている凍結融解処理システム。
【選択図】図１

Description

本発明は凍結融解処理システムと凍結融解処理方法に関し、詳しくは、吸収冷凍機と接続されている冷ブラインタンクとの間で冷ブライン回路を形成していると共に、前記吸収冷凍機の冷却水ラインと接続されている温ブラインタンクとの間で温ブライン回路を形成していて、冷ブラインと温ブラインの通流を切り換え可能に前記冷・温両ブラインタンクと接続されていて、投入された未処理スラッジを交互に凍結、融解することにより凍結融解スラッジを固液分離する凍結融解槽を備えた凍結融解処理システムと凍結融解処理方法に関する。

凍結融解槽を用いて生スラッジを凍結融解処理して脱水する凍結融解処理システムは、脱水処理時に凝集剤などの薬品の注入を行う必要がなく、固液分離効率がよいという利点があり、多量の水分を含んだ生スラッジなどの処理方法に採用されている（例えば、特許文献１）。

この凍結融解処理法は、処理を行うに際して、かなりの量のエネルギーを消費するため、冷凍機としては、従来の冷凍機よりも低環境負荷のアンモニア吸収冷凍機を用いることが好ましいとされ、これにより、環境負荷の低い排水処理を実施することが提案されている。

凍結融解処理システムでの操業は、通常、凍結に約１．５時間、融解に約１．５時間の計約３時間程度を１行程としており、１日数行程行う場合、８〜１２時間／日のＤＳＳ（ｄａｙ―ｓｔａｒｔ―ｓｔｏｐ）運転が行われる。そのため、冷ブラインタンク内の冷ブライン（不凍液）は、夜間の停止中に、冷ブラインタンクからの放熱に起因して、−１０〜−２０℃から０〜１０℃程度にまで上昇している。凍結融解槽の運転時には、冷ブラインタンク内の冷ブラインを−２０℃程度にまで冷却する必要があるが、冷ブラインの温度が上昇しているため、冷凍機の起動時に大きな負荷がかかる。特に夏季では、冷ブラインタンクからの放熱も大きく、処理される汚泥の温度も２５〜３５℃程度にまで上昇しており、凍結融解槽の運転開始時における負荷は一層大きくなり、当然のことながら、凍結に要する時間も２時間以上と長くならざるを得ない。

特開２００１−２５２７００号公報

これに対して、冷ブラインタンクを大容量にして蓄熱量を大きくすることが考えられるが、設備コストの上昇が避けられないだけでなく、場所的な制約などから冷ブラインタンクの容量を大きくできない場合もある。

同様の問題は、温ブラインタンクについても発生し、冬季には温ブラインの温度を高めるのに大きな熱量を消費し、操業コストの上昇をもたらすという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑みて、少なくとも冷ブラインタンクを大容量にすることなく、吸収冷凍機に対する起動時および融解処理に続いて凍結処理に切り替えた直後の負荷を小さくすることで、吸収冷凍機を小型化でき、所定温度の冷ブラインを送給し易くして、凍結融解処理に要する処理時間を短縮可能にする凍結融解処理システムと凍結融解処理方法を提供することにある。

上記課題は、各請求項記載の発明により達成される。すなわち、本発明に係る凍結融解処理システムの特徴構成は、吸収冷凍機と接続されている冷ブラインタンクとの間で冷ブライン回路を形成していると共に、前記吸収冷凍機の冷却水ラインと接続されている温ブラインタンクとの間で温ブライン回路を形成していて、冷ブラインと温ブラインの通流を切り換え可能に前記冷・温両ブラインタンクと接続されていて、投入された未処理スラッジを交互に凍結、融解することにより凍結融解スラッジを固液分離する凍結融解槽を備えていて、前記冷ブラインが、前記冷ブライン回路に配置されている冷ブライン用蓄熱剤と間接接触して、この冷ブライン用蓄熱剤の有する蓄熱潜熱（冷熱）により冷ブラインを所定温度に保持可能になっていることにある。

この構成によれば、冷ブライン用蓄熱剤に接触する冷ブラインの周囲環境温度が上昇したとしても、冷ブライン用蓄熱剤の有する蓄熱潜熱を利用することにより、冷ブラインを低温に長く保持することができ、運転休止から開始に切り替わる場合にも、起動時の吸収冷凍機に過大な負荷をかけることがなく、しかも省エネルギーを達成できて、吸収冷凍機を小型化でき、もしくは凍結処理時間を短縮できる。

その結果、少なくとも冷ブラインタンクを大容量にすることなく、吸収冷凍機に対する起動時および融解処理に続いて凍結処理に切り替えた直後の負荷を小さくすることで、吸収冷凍機を小型化でき、所定温度の冷ブラインを送給し易くして、凍結融解処理に要する処理時間を短縮可能にする凍結融解処理システムを提供することができた。

前記冷ブライン用蓄熱剤がカプセル状に封入・形成されていて、前記冷ブラインタンク内に投入されていることが好ましい。

この構成によれば、冷ブラインタンク内にカプセル状の冷ブライン用蓄熱剤が投入されていることにより、夜間などの運転休止している間、冷熱を蓄熱することができる。しかも、冷ブライン用蓄熱剤がカプセル状であることから、使用上扱い易く、冷ブラインの温度保持制御がし易い。

前記温ブラインタンクに、カプセル状に封入・形成されている温ブライン用蓄熱剤が投入されていることが好ましい。

この構成によれば、凍結処理に続いて融解処理に切り替えた直後、および起動時に大きな熱量を消費して、温ブラインの温度を極端に低下させることなく、所定温度の温ブラインを送給し易くして、凍結融解処理に要する融解処理時間を短縮可能にできる。しかも、温ブライン用蓄熱剤がカプセル状であることから、使用上扱い易く、温ブラインの温度保持制御がし易い。

前記吸収冷凍機がアンモニア吸収冷凍機であり、ガス・コージェネレーションシステムからの排ガスから得られる蒸気を利用して駆動されることが好ましい。

この構成よれば、アンモニア吸収冷凍機の動力源として、他のシステムからの排熱を有効活用できるので、電動圧縮式冷凍機と比較して省エネルギーシステムとなる。

又、本発明に係る凍結融解処理方法の特徴構成は、吸収冷凍機と接続されている冷ブラインタンクとの間で冷ブライン回路を形成していると共に、前記吸収冷凍機の冷却水ラインと接続されている温ブラインタンクとの間で温ブライン回路を形成していて、冷ブラインと温ブラインの通流を切り換え可能に前記冷・温両ブラインタンクと接続されている凍結融解槽に、未処理スラッジを投入し、凍結と融解とを交互に行うことにより凍結融解スラッジを固液分離する方法において、前記冷ブラインに、前記冷ブライン回路に配置されている冷ブライン用蓄熱剤を間接接触させて、この冷ブライン用蓄熱剤の有する蓄熱潜熱により冷ブラインを所定温度に保持することにある。

この構成によれば、少なくとも冷ブラインタンクを大容量にすることなく、冷ブラインタンクに対する起動時および融解処理に続いて凍結処理に切り替えた直後の負荷を小さくでき、所定温度の冷ブラインを送給し易くして、凍結融解処理に要する処理時間を短縮可能、もしくは吸収式冷凍機を小型化できる省エネルギーな凍結融解処理方法を提供することができる。

前記冷ブライン用蓄熱剤をカプセル状に封入・形成していて、前記冷ブラインタンク内に投入していることが好ましい。

この構成によれば、夜間などの運転休止している間、冷熱を蓄熱することができる。しかも、冷ブライン用蓄熱剤がカプセル状であることから、使用上扱い易く、冷ブラインの温度保持制御がし易い。

前記温ブラインタンクに、カプセル状に封入・形成されている温ブライン用蓄熱剤を投入していることが好ましい。

凍結処理に続いて融解処理に切り替えた直後、および起動時に大きな熱量を消費して、温ブラインの温度を極端に低下させることなく、凍結融解処理に要する融解処理時間を短縮可能にでき、しかも、温ブライン用蓄熱剤がカプセル状であることから、使用上扱い易く、温ブラインの温度保持制御がし易い。

前記吸収冷凍機がアンモニア吸収冷凍機であり、このアンモニア吸収冷凍機を、ガス・コージェネレーションシステムからの排ガスから得られる蒸気を利用して駆動することが好ましい。

この構成によれば、アンモニア吸収冷凍機は電動圧縮式冷凍機と比較して省エネルギーなシステムとなり、操業コストを低減できる。

本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る凍結融解処理システムの概略全体構成を示す。

この凍結融解処理システムでは、まず、未処理生スラッジ１が給泥槽２に搬送され、ここで凍結融解槽３に送給されるまでの間、電動機Ｍにより撹拌・混合されつつ一旦貯留される。生スラッジ１は、有機質、無機質を問わない。すなわち、下水汚泥、浄化槽汚泥、し尿、更には産業排水や埋立地排水などの処理課程で発生する汚泥などであってもよい。

給泥槽２の下流側には、一対の凍結融解槽３が配置されており、所定濃度に達した濃縮スラッジを、ポンプＰを介して導入されるようになっていて、凍結融解処理する。凍結融解槽３の内部では、吸収冷凍機であるアンモニア吸収冷凍機１０に接続され、冷ブライン（約−１０〜−３０℃程度に冷却されている不凍液）が通流される伝熱管４が前後上下左右に稠密に配置されており、この伝熱管を通して生スラッジを凍結する。凍結終了後、切換バルブ１３〜１７を切り換えて加温された温ブラインを伝熱管４に通流させ融解を行い、沈殿分離により凍結融解スラッジの固液分離を行う。

この場合、一方の凍結融解槽３ａで生スラッジの凍結処理を終了すると、他方の凍結融解槽３ｂに生スラッジが送給され、温・冷ブラインのバルブを切り替えて、一方の凍結融解槽３ａを加温して融解を始めると略同時に、他方の凍結融解槽３ｂの生スラッジの凍結処理が開始される。そして、これら一対の凍結融解槽３ａ，３ｂを用いて、以後、同様に温・冷ブラインのバルブを交互に切り替えて、一方の凍結融解槽３ａで生スラッジの凍結処理を行いながら、他方の凍結融解槽３ｂで凍結された生スラッジを融解処理して、処理効率を高くする。もとより、単一の凍結融解槽を用いて、凍結・融解を逐次処理してもよく、更に凍結融解槽の台数を増やして処理してもよい。

凍結融解槽３による処理では、凍結融解後のスラッジは固液分離性が高く、短時間（例えば、３０分程度）で界面が形成される。そこで、融解処理後、上澄液と濃縮された凍結融解スラッジとに容易に分離できる。上澄液を分離・除去することによる濃縮は、凍結融解槽３にて行ってもよいし、凍結融解スラッジを一旦貯留する凍結融解汚泥貯槽７にて分離・除去して行ってもよい。各凍結融解槽３ａ，３ｂから発生した上澄液は、浄水場の原水へ返送される。

アンモニア吸収冷凍機１０は、図示はしないが、高圧アンモニア蒸気を冷却水によって間接的に冷却して凝縮液化させる凝縮器と、低圧の液化しているアンモニアを蒸発気化させて冷ブラインを冷却する蒸発器と、この蒸発器で蒸発したアンモニア蒸気を吸収剤である水に吸収させる吸収器、この吸収器により冷媒を十分に含んだアンモニア水溶液が溶液ポンプ（図示略）で送給されて、蒸気により加温されてアンモニア蒸気を発生させる発生器などを備えて構成されている。また、アンモニア濃度を高めて凝縮器に送る精留器を備えさせてもよい。高圧、高濃度アンモニア蒸気は凝縮器に送られ、ここでクーリングタワーＴから配管１９により送給される冷却水と熱交換されて凝縮液化される。蒸発器と凝縮器冷却水ラインには、それぞれ冷ブライン回路と温ブライン回路とが接続されている。

これらブライン回路は、冷ブラインタンク１１と冷ブラインを送給する冷ブラインポンプＰ１とからなる冷ブライン回路Ｂ１と、温ブラインタンク１２と温ブラインを送給する温ブラインポンプＰ２と温ブラインヒーター９とを有する温ブライン回路Ｂ２とを備えていると共に、凍結・融解処理における温ブライン回路Ｂ２と冷ブライン回路Ｂ１との切り換えは、上記した一対の冷・温切換バルブ１４〜１７により行う。

冷ブラインタンク１１と温ブラインタンク１２には、カプセル状の蓄熱剤Ｃが投入されブラインと混入されていて、冷ブラインタンク１１の蓄熱剤は長く冷気（冷熱）を蓄熱し、温ブラインタンク１２の蓄熱剤は温熱を蓄熱する機能を有する。そのような冷ブラインタンク用蓄熱剤として、例えば、塩化カリウム水溶液と空気とを薄いポリエチレン又はポリプロピレン樹脂の皮材で包み込んでカプセル状に構成したものを使用できる。この蓄熱剤の融点は−１０℃であり、−１０℃を境として固液両状態を遷移することができ、その際の蓄熱潜熱を利用することにより、冷ブラインタンク内の蓄熱剤に接触した冷ブラインは、夏季のような高温環境にあっても、温ブラインから冷ブラインに切り替え直後および起動時においても極端に温度上昇せず、所定温度に長く維持されるようになる。つまり、−１０℃になれば、カプセル内の塩化カリウム水溶液凝固し、潜熱として大きな熱量を蓄熱する。このため、温・冷ブライン切り替え時や起動時に、冷ブラインの温度が上昇しても蓄熱剤の冷熱で冷ブラインが冷却される。その結果、冷ブラインの温度上昇が防止でき、冷ブラインの温度変化を平滑化できると共に、冷凍機を運転開始する際の大きな負荷を回避できる。なお、カプセル内の空気は、固液両状態に遷移する場合の体積膨張を緩和して、カプセルの破壊を防止するように機能する。

また、温ブラインタンク用蓄熱剤として、例えば、塩化カルシウム六水塩と空気とを薄いポリエチレン又はポリプロピレン樹脂の皮材で包み込んでカプセル状に構成したものを使用できる。この蓄熱剤の融点は２７℃であり、２７℃を境として固液両状態を遷移することができ、その際の蓄熱潜熱を利用することにより、温ブラインタンク内の蓄熱剤に接触した温ブラインは、冬季のような低温環境においても低温にならず、所定温度に長く維持されるようになる。

このような冷・温ブラインタンクに入れた蓄熱剤と冷・温ブラインを間接的に接触させることにより、起動時の負荷を小さくすることができ、ＤＳＳ運転において複数サイクルを実施する場合の負荷を平滑化する機能を有する。特に、アンモニア吸収冷凍機の起動時の負荷を確実に小さくできるので、気温の高い夏季には省エネルギーを顕著に発揮できると共に、処理サイクル時間を効果的に短くできる。

しかも、蓄熱剤を投入する方法であると、既存の冷・温ブラインタンクを利用することができるので、設備コストの増加をもたらさず、都合がよい。この場合、冷・温ブラインとカプセル状蓄熱剤との存在割合は、タンクの容量その他を考慮して適宜選定することができる。カプセルの形状、サイズなども適宜選択できるが、５０〜１００ｍｍ程度の略球状であることが好ましい。各ブラインタンクから排出しないようにすることが容易であり、各ブラインと均等に接触できるからである。また、蓄熱剤が冷・温ブラインタンクから冷・温ブラインの通流に伴い容易に排出しないように、冷・温ブラインタンクの排出口には、カプセル状の蓄熱剤の排出を阻止するため、金網状をした遮蔽装置を設けることが好ましい。

アンモニア吸収冷凍機１０は、近接するガス・コージェネレーションシステムを構成するガスタービン５より、その廃熱を送給された廃熱ボイラー６の排ガスから得られる蒸気を利用して駆動することができ、このようにすると、省エネルギーを確実に促進できる。

凍結融解槽３にて処理されたスラッジは、上記したように、スラッジの固液分離性が高いため、次工程の加圧ろ過式の脱水処理装置８における脱水処理時のろ過速度は高くなる。従って、従来の脱水処理装置に比べて、より小型の脱水処理装置で済み、脱水処理によるエネルギー負荷も少なくて済む。この場合、脱水処理装置８に、凍結融解処理されたスラッジのみを供給するシステムでは、脱水処理量が凍結融解処理回数に依存するため好ましくない。そこで、脱水処理装置８には凍結融解処理されたスラッジに加えて、未処理の生スラッジを供給する。生スラッジは、凍結融解汚泥貯槽７に供給し、濃縮後の凍結融解処理したスラッジと混合して、更にポンプＰにより脱水処理装置８に送給する。なお、生スラッジを凍結融解汚泥貯槽７に供給せず、直接脱水処理装置８にポンプＰにより送給するようにしてもよい。このようにすることにより、凍結融解処理の回数を減らしつつ、脱水処理量を増やすことができる。

脱水処理された脱水ケーキは、必要に応じて破砕機（図示略）により所定以下の大きさに破砕されて、再度、給泥槽２に送給されてスラッジの濃度を高めるために利用できるが、余剰の脱水ケーキは、園芸用培養土や建築資材などとして利用したり、廃棄物処理したりすることができる。ろ過水は、一旦ろ過水貯槽１８に貯留した後、浄水場の原水に返送したりすることができる。

〔別実施の形態〕
（１）上記実施形態において、冷ブラインタンク用蓄熱剤として、塩化カリウム水溶液と空気とを薄いポリエチレン又はポリプロピレン樹脂の皮材で包み込んでカプセル状に構成した例を挙げて説明したが、冷ブラインタンク用蓄熱剤としてはこれに限定されるものではなく、塩化カリウム水溶液に代えて、塩化ナトリウム水溶液（融点：−２１℃）、塩化アンモニウム水溶液（融点：−１６℃）、炭酸水素カリウム水溶液（融点：−６℃）、炭酸ナトリウム水溶液（融点：−３℃）、あるいは水（融点：０℃）を用いてもよい。
（２）上記実施形態において、温ブラインタンク用蓄熱剤として、塩化カルシウム六水塩と空気とを薄いポリエチレン又はポリプロピレン樹脂の皮材で包み込んでカプセル状に構成した例を挙げて説明したが、温ブラインタンク用蓄熱剤としてはこれに限定されるものではなく、酢酸ナトリウム（融点：５５℃）、酢酸ナトリウム化合物（融点：４７℃）、あるいは水（融点：０℃）を用いてもよい。
（３）上記実施形態において、蓄熱剤をカプセル状態としこれを冷・温ブラインタンク中に混在させるようにしたが、これに代えて、冷・温ブラインタンク中に凍結融解槽中に配置した伝熱管の如き構造を配置し、その中に蓄熱剤を収容してもよい。
（４）上記実施形態において、蓄熱剤を冷・温ブラインタンク中に投入して、冷・温ブラインと混在させるようにした例を挙げて説明したが、冷・温ブラインタンクとは別に、蓄熱剤のみを別の槽に投入した蓄熱槽を設けて両者を接続する構成としてもよい。
（５）上記実施形態において、脱水処理装置としては、ろ布上にスラッジを載置して加圧しながらろ過する加圧ろ過式の他、多数のロールに２枚のろ布を組み込み、ろ布を走行させて脱水するベルトプレス法式や遠心脱水方式、更には、スクリュープレス方式、多重円板形脱水機など各種方式の脱水処理装置を使用することができる。

本発明の一実施形態に係る凍結融解処理システムを説明するフロー図

符号の説明

３ 凍結融解槽
５，６ ガス・コージェネレーションシステム
１０ アンモニア吸収冷凍機
１１ 冷ブラインタンク
１２ 温ブラインタンク
Ｂ１ 冷ブライン回路
Ｂ２ 温ブライン回路
Ｃ 蓄熱剤

Claims (8)

1. 吸収冷凍機と接続されている冷ブラインタンクとの間で冷ブライン回路を形成していると共に、前記吸収冷凍機の冷却水ラインと接続されている温ブラインタンクとの間で温ブライン回路を形成していて、冷ブラインと温ブラインの通流を切り換え可能に前記冷・温両ブラインタンクと接続されていて、投入された未処理スラッジを交互に凍結、融解することにより凍結融解スラッジを固液分離する凍結融解槽を備えた凍結融解処理システムにおいて、
   前記冷ブラインが、前記冷ブライン回路に配置されている冷ブライン用蓄熱剤と間接接触して、この冷ブライン用蓄熱剤の有する蓄熱潜熱（冷熱）により冷ブラインを所定温度に保持可能になっていることを特徴とする凍結融解処理システム。
2. 前記冷ブライン用蓄熱剤がカプセル状に封入・形成されていて、前記冷ブラインタンク内に投入されている請求項１記載の凍結融解処理システム。
3. 前記温ブラインタンクに、カプセル状に封入・形成されている温ブライン用蓄熱剤が投入されている請求項１又は２記載の凍結融解処理システム。
4. 前記吸収冷凍機がアンモニア吸収冷凍機であり、ガス・コージェネレーションシステムからの排ガスから得られる蒸気を利用して駆動される請求項１〜３のいずれか１項記載の凍結融解処理システム。
5. 吸収冷凍機と接続されている冷ブラインタンクとの間で冷ブライン回路を形成していると共に、前記吸収冷凍機の冷却水ラインと接続されている温ブラインタンクとの間で温ブライン回路を形成していて、冷ブラインと温ブラインの通流を切り換え可能に前記冷・温両ブラインタンクと接続されている凍結融解槽に、未処理スラッジを投入し、凍結と融解とを交互に行うことにより凍結融解スラッジを固液分離する凍結融解処理方法において、
   前記冷ブラインに、前記冷ブライン回路に配置されている冷ブライン用蓄熱剤を間接接触させて、この冷ブライン用蓄熱剤の有する蓄熱潜熱により冷ブラインを所定温度に保持することを特徴とする凍結融解処理方法。
6. 前記冷ブライン用蓄熱剤をカプセル状に封入・形成していて、前記冷ブラインタンク内に投入している請求項５記載の凍結融解処理方法。
7. 前記温ブラインタンクに、カプセル状に封入・形成されている温ブライン用蓄熱剤を投入している請求項５又は６記載凍結融解処理方法。
8. 前記吸収冷凍機がアンモニア吸収冷凍機であり、このアンモニア吸収冷凍機を、ガス・コージェネレーションシステムからの排ガスから得られる蒸気を利用して駆動する請求項５〜７のいずれか１項記載の凍凍結融解処理方法。

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