富士時報 Vol.77 No.3 2004 サイフォン式ろ過濃縮装置を用いた上下水汚泥処理 特 山口 幹昌（やまぐち みきまさ） 数井 宏信（かずい ひろのぶ） 集 田中 義郎（たなか よしお） まえがき 図１ ろ過濃縮装置の基本構造 汚泥供給管 上下水道の発生汚泥は，通常，重力濃縮槽で濃縮された 排気 レベル計 あとで脱水あるいは消化処理されている。濃縮は，処理効 率を高めるために行われるが，発生汚泥の有機質分増加， エア 抜き用 給水 変質，供給濃度低下などの理由により，重力濃縮槽からの ろ過板 引抜汚泥濃度が低下する傾向にある。 濃縮汚泥 はく離用 圧縮空気 この結果，後段設備の処理量不足が生じ，脱水不足によ る処分費の増大，稼動時間の延長による電力消費の増大や， 未濃縮 汚泥返送 ポンプ 返流水質の悪化による水処理の不安定化などの問題が生じ ている。 本稿では，上下水汚泥処理施設における汚泥濃縮不足の 問題を解消し，施設運転の効率化・合理化に高い効果が得 られる自然ろ過を利用したサイフォン式ろ過濃縮装置の原 圧縮空気槽 スクリュー コンベヤ 理，性能，特長および上下水汚泥処理への適用について紹 サイフォン管 ろ液 濃縮汚泥 引抜ポンプ 介する。 サイフォン式ろ過濃縮装置の基本構造と特長 図２ ろ過板外形図 ２.１ 基本構造 ろ液排出管 図１に示すように，ろ過槽内に平行･垂直にろ過板が設 置され，ろ過板上端に取り付けたろ液排出管が槽外部の ヘッドタンクを経由してサイフォン管に接続されている。 また，ヘッドタンクには，サイフォン形成のための排気弁 ろ布 排水 ネット と，ろ布から濃縮汚泥をはく離するためのブロー用の圧縮 空気槽が接続されている。 図２に示すように，ろ過板は排水ネットの両表面に，ろ 布を当て，周縁を閉じるように，そして内側の領域では垂 直等間隔に両面のろ布が縫合された板材である。上端部に は水平にろ液排出管が内蔵され，サイフォン管との接続に よりろ液が外部に排出されるようになっている。また，ろ 過板は，枠にばねを介して固定され，ろ過槽側板のガイド にカセット式に装着されるので，装着を容易に行うことが できる。 山口 幹昌 数井 宏信 汚泥処理装置の開発，汚泥処理装 凍結融解処理，ろ過濃縮装置など 上下水道の水処理プロセスにおけ 置のエンジニアリング業務に従事。 の上下水汚泥処理設備のエンジニ る機械設備・電気計装設備のシス 現在，富士電機システムズ （株） 環 アリング業務に従事。現在，富士 テムエンジニアリング業務に従事。 境システム本部新事業統括部水環 電機システムズ （株） 環境システム 現在，富士電機システムズ （株） 環 境技術部副参与。 本部新事業統括部水環境技術部。 境システム本部新事業統括部水環 田中 義郎 境技術部長。 227（55） 富士時報 サイフォン式ろ過濃縮装置を用いた上下水汚泥処理 Vol.77 No.3 2004 去される。 ２.２ 運転方法 図３に運転原理を示す。浄水汚泥は無薬注で，下水汚泥 ２.３ 特 長 特 は凝集剤を添加し凝集汚泥とし，ろ過槽に供給される。運 （1） 各種の上下水汚泥を，高濃度に濃縮できる。 集 転は，①汚泥充てん・サイフォン形成，②ろ過・汚泥補給， （2 ） 供給濃度が変化しても濃縮濃度が安定している。 ③未濃縮汚泥排出，④濃縮汚泥はく離・排出，の順に進め （3） ろ液が清澄なため返流水の影響が少ない。 られる。 （4 ） サイフォンろ過のため，電力消費が少なく静粛性が高 浄水汚泥と下水汚泥では，同じ操作でろ過濃縮されるが， い。 濃縮汚泥の取出し方だけが異なる。浄水汚泥では，汚泥粒 （5） ろ過面積あたりの設置面積が少ない。 子が層状にろ過板表面に付着し，流動性がない濃縮汚泥層 （6 ） 目開きの大きいろ布を用いるため，ろ布の目づまりが が形成する。この濃縮汚泥層は，周辺の未濃縮汚泥を排出 したあと，圧縮空気をろ過板内部に供給し，ろ布からはく 少なく性能が安定している。 （7） ろ過板の寿命が 10 年以上で長い。 離することにより，ろ過槽から濃縮汚泥を排出する。一方， ろ過濃縮を用いた浄水汚泥処理 下水汚泥では，槽全体に汚泥の濃度が上昇する。このため， 濃縮汚泥はろ過が終了した時点で，ポンプにより引き抜く ３.１ 浄水汚泥処理への適用と効果 方式としている。 図４に浄水汚泥処理への適用フローを示す。ろ過濃縮装 なお，運転工程の詳細は次のとおりである。 置は凍結融解脱設備，加圧脱水機あるいは天日乾燥設備の （1） 汚泥充てん・サイフォン形成 ヘッドタンク上部の排気バルブを開き，ろ過槽に汚泥を 前濃縮装置として適用することにより設備容量の削減，運 充てんすると，ろ過板内およびサイフォン管内にろ液が充 転効率化，省エネルギー化，運転安定化を図ることができ 満する。 る。 （2 ） ろ過・汚泥補給 具体的な適用例は次のとおりである。 排気弁を閉じ，下部のろ液排出弁を開くとサイフォンろ 過が開始する。ろ液の排出が進み，汚泥水位が低下するの （1） 凍結融解脱水の前濃縮装置とし凍結電力削減 凍結槽に供給する汚泥容積が 1/2 ∼ 1/7 に削減されるた め，凍結の電力消費および凍結槽容量が濃縮倍率に逆比例 で，汚泥を補給しろ過を継続する。 して削減される。また，既設の遠心濃縮との置換えにより （3） 未濃縮汚泥排出 ろ液の排出が少なくなった時点で底部のバルブを開くと， 浄水汚泥では濃縮汚泥層の周囲に残っている流動性がある 未濃縮汚泥が排出される。下水汚泥では，濃縮汚泥が排出 される。 遠心濃縮機の電力消費の 95 ％程度が削減される。この結 果，電力，ろ布交換など消耗品を含む運転費は，加圧脱水 方式より凍結融解脱水方式が少なくなる。 （2 ） 加圧脱水機の前濃縮装置とし処理量増大 重力濃縮の 2 倍以上に濃縮された高濃度汚泥が，ろ室内 （4 ） 濃縮汚泥はく離・排出 浄水汚泥の場合に濃縮汚泥をろ布からはく離し取り出す に短時間で充てんされ，直ちに圧搾脱水が開始できる。こ 工程であり，ろ液排出弁と排気弁を閉じ，サイフォン管内 のため，脱水時間が短縮でき，ケーキが厚くなるため， に圧縮空気を供給することにより，ろ過板に付着している ケーキ排出が容易になる。図５に，短時間型加圧圧搾脱水 濃縮汚泥をはく離・落下し，ろ過槽から排出する。一方， 機に供給する汚泥濃度を変化させた場合のろ過速度の変動 （3） 下水汚泥の場合，工程 で，濃縮汚泥の排出が終了するの を示す。ろ過速度は供給濃度にほぼ正比例して増大する。 で，この工程では，ろ布表面にわずかに残る付着汚泥が除 例え ば ，B 浄 水 汚 泥の場 合，重 力 濃 縮 汚 泥は ，濃 度が 2.0 ％であり，脱水汚泥の含水率を 60 ％とする場合，加圧 脱水ろ過速度は 0.87 kg-ds/（m2・h）であったが，ろ過濃 図３ ろ過濃縮装置の運転原理図 ①汚泥充てん・ ②ろ過・ サイフォン形成 汚泥補給 ③未濃縮 汚泥排出 ④濃縮汚泥 はく離・排出 図４ ろ過濃縮装置を用いた浄水汚泥処理フロー ろ過板 沈殿池 圧 縮 空 気 ろ 液 凍結融解脱水設備 容積減少による 電力消費の削減 排泥池 ろ 過 濃 縮 装 置 重力沈降濃縮槽 ろ過槽 サイフォン管 濃縮汚泥 ろ液 228（56） 着水井へ返送 未濃縮 汚泥 濃縮 汚泥 液 加圧脱水機 供給濃度上昇による処理量の 増大とケーキ厚さの確保 天日乾燥床 処理期間の短縮，ろ過床の ヤード化 富士時報 サイフォン式ろ過濃縮装置を用いた上下水汚泥処理 Vol.77 No.3 2004 縮装置により濃縮した 4.1 ％汚泥（濃縮倍率 2.0）および 表１ の濃縮処理例では濃縮倍率は 2.1 ∼ 5.0 倍であった。 6.5 ％汚泥（濃縮倍率 3.0）を加圧圧搾脱水した場合，ろ過 後段の処理効率を高める効果は，濃縮倍率が高いほど大き 速 度 は そ れ ぞ れ 1.6 kg- ds/（ m2・h） お よ び kg- ds/ い。例えば，A 浄水汚泥は，原水濁度が低く，ポリ塩化 （m2・h）となり，重力濃縮汚泥を直接，加圧脱水する場合 アルミニウムの注入により発生した水酸化アルミニウムを 特 のろ過速度に対する比率は，それぞれ 1.8 倍，2.9 倍であ 多く含む汚泥である。この重力濃縮濃度は 0.95 ％であっ 集 り，濃縮倍率に比例したろ過速度の向上が認められた。 たが，ろ過濃縮汚泥濃度は 3.2 ％であり，濃縮倍率は 3.4 2.49 したがって，ろ過濃縮装置を前濃縮機として適用するこ とにより，濃度を高めた分だけ脱水機の処理量が増加でき， 脱水機の小型化が図れる。 倍であった。濃縮濃度の上昇による処理効率の増加効果は 処理方式により異なるが，後段が凍結融解脱水の場合では， 電力量は 70 ％程度削減され，後段が加圧脱水機の場合で はろ過速度が 2 倍程度に上昇する。 （3） 天日乾燥の前濃縮装置と処理期間短縮 図６に重力濃縮汚泥，ろ過濃縮装置により濃縮されたろ （2 ） 供給濃度変化の影響 過濃縮汚泥の天日乾燥実験結果を示す。重力濃縮汚泥は， 沈殿池の排泥量が普段より増加すると，十分な滞留時間 沈降とろ過により濃縮が進んだあとで，初めて乾燥が開始 が取られずに，重力濃縮汚泥の引抜濃度が低下することが するが，ろ過濃縮汚泥は，濃度が高いため，短期間で乾燥 多い。このような場合でも，ろ過濃縮装置により重力濃縮 が開始する。このため，ろ過濃縮汚泥は，重力濃縮汚泥の 汚泥は必要な濃度まで濃縮でき，十分な濃度の濃縮汚泥を 場合の 1/2 程度の期間で乾燥が終了した。 後段設備に供給することができる。 このように，ろ過濃縮装置により汚泥を濃縮したのち天 この検証として，72 時間後の重力沈降濃度が 3 ％の浄 日乾燥する方式とすると，乾燥期間が短縮できるので天日 水汚泥を原試料とし，この試料汚泥に水を加え濃度を 1.0， 乾燥床の使用効率が高まり面積が縮小できる。また，ろ過 1.5，2.0，3.0 ％に調整した 4 種の試料汚泥のろ過濃縮試験 濃縮汚泥では沈降，ろ過の工程が省略されるため，ろ過砂 を実施した。表２に実験結果を示す。供給汚泥濃度によら 層のないコンクリートヤードでの乾燥が可能となる。 ず濃縮汚泥濃度は，ほぼ一定であり 8.7 ∼ 8.9 ％であった。 ただし，ろ過濃縮のろ過速度は供給濃度の低下に伴い小さ ３.２ 濃縮性能 図６ 浄水汚泥の天日乾燥実験結果 （1） 各種浄水汚泥の濃縮 供給濃度に対する濃縮倍率は汚泥の種類により異なり， 100 5 A浄水場 B浄水場 C浄水場 D浄水場 4 3 重力濃縮汚泥： 負荷量20 kg-ds/m2 ろ過濃縮汚泥： 負荷量20 kg-ds/m2 95 汚泥含水率（％） ろ過速度〔kg-ds/（m2・h）〕 図５ 加圧圧搾脱水機に供給する汚泥濃度の影響 90 85 80 2 75 1 0 70 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 20 40 60 80 100 経過日数（日） 供給濃度（％） 表１ 各種浄水汚泥のろ過濃縮処理例 浄 水 場 固形物組成（wt％） 採取時期 ろ過濃縮処理 原水 Ig.loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 MnO 初期濃度 （％） ろ過時間 （min） 濃縮汚泥厚さ （mm） 濃縮汚泥濃度 （％） 濃縮倍率 ろ過速度 〔kg-ds/（m2・h）〕 A 2月 ダム水 29.5 28.2 34.5 1.8 0.2 0.95 120 17 3.2 3.4 0.29 B 8月 ダム水 17.8 40.2 26.3 6.3 0.3 2.0 120 13 10.2 5.0 0.54 C 11月 表流水 21.4 38.5 25.1 5.7 0.2 2.2 120 18 7.6 3.4 0.65 D 9月 沼水 39.9 30.6 18.0 4.3 0.4 2.9 120 20 7.7 2.7 0.78 E 1月 表流水 26.7 32.3 27.1 5.1 0.2 2.0 120 12 7.5 3.8 0.64 E 9月 表流水 17.0 40.7 25.0 7.5 0.3 4.9 120 16 16.6 3.4 1.29 F 12月 表流水 19.7 38.5 32.1 3.6 0.2 1.9 90 15 6.1 3.2 0.59 G 8月 地下水 12.8 10.5 1.0 43.6 23.5 2.5 20 20 5.3 2.1 2.22 229（57） 富士時報 サイフォン式ろ過濃縮装置を用いた上下水汚泥処理 Vol.77 No.3 2004 表２ 浄水汚泥ろ過濃縮装置供給汚泥濃度変化の影響実験結果 供給汚泥濃度 （％） ろ過速度 〔kg-ds/（m2・h）〕 濃縮汚泥濃度 （％） 図７ ろ過濃縮装置を用いた下水汚泥処理フロー 処理汚泥量 〔m3/（m2・h）〕 特 1.0 0.37 8.85 0.037 集 1.53 0.44 8.90 0.029 2.0 0.48 8.75 0.024 3.04 0.66 8.88 0.022 最初沈殿池 脱水機 最終沈殿池 余剰汚泥 重力濃縮槽 混合汚泥 くなったが，汚泥の処理量（容積）は濃度が低いほど増加 した。 濃縮汚泥 3∼7 ％ （凝集剤注入率 0.3∼0.8 ％） 初沈汚泥 消化槽 分離水 ろ 過 濃 縮 装 置 消化槽 濃縮汚泥 高濃度，高温消化に 3∼7 ％ よる効率向上 （凝集剤注入率 0.3∼0.8 ％） ベルトプレス ろ過濃縮を用いた下水汚泥処理 ばっ気槽 ろ液 返流水SS低減 により水処理安定化 分離水 ４.１ 下水汚泥処理への適用と効果 図７に下水汚泥および排水への適用フローを示す。ろ過 遠心濃縮機 分離水 濃縮装置を用いることにより，汚泥処理効率の向上が図れ， 従来の汚泥処理施設の返流水の悪影響が削減できる。 （1） 各種引抜汚泥のろ過濃縮 最初沈殿地，最終沈殿池，消化槽の引抜汚泥を重力濃縮 せずに直接，ろ過濃縮装置により濃縮し，数倍に濃縮した ろ過濃縮汚泥を後段の脱水機や消化槽に供給する方式によ り汚泥処理効率の向上を図る。 この方式により次の効果が得られる。 ① 表３ 下水汚泥のろ過濃縮処理例 ろ過速度 〔kg-ds/ 供給 凝集剤 （m2・h）〕 濃度 添加率 種類 （％） （％対ds）（ろ過 30分 120分時） ろ過 余剰 汚泥 0.8 混合 汚泥 1.2∼ 2.2 高濃度汚泥が供給されるので，処理速度が濃縮倍率 に比例して高まる。 ② 濃縮汚泥濃度 （％） 60分 ろ過 90分 ろ過 180分 ろ過 0.5 2 1.8 2.4 3.0 4.2 0.8 3 2.4 3.5 4.4 5.8 0.8 6 4.3 6.0 6.8 ー 重力濃縮槽が不要になり，供給汚泥濃度の影響がな い安定した汚泥処理が可能になる。 脱水機の場合，汚泥の発生から脱水までの時間が短 凝集剤の添加率が高い条件ほど濃縮濃度が高く，例えば添 縮し，汚泥の変質が進む前に汚泥の脱水ができる。こ 加率 0.8 ％の場合，3 時間ろ過により濃縮濃度は 5.8 ％に のため，凝集不良，脱水不良，ケーキのはく離不良の 達した。凝集剤の添加率は 0.5 ％では 3 時間ろ過により濃 ③ 発生がなくなり凝集剤使用量が削減される。 ④ 返流水の SS（懸濁物質）の減少により水処理が安 定する。 縮濃度は 4.2 ％となった。また，いずれの条件でもろ液の SS は 10 ∼ 30 mg/L 程度で，回収率は 99.7 ％であった。 （2 ） 最初沈殿池引抜混合汚泥のろ過濃縮 消化処理の供給汚泥濃度が上昇することにより汚泥 余剰汚泥が返送される方式の最初沈殿池から引き抜いた 容積が減少し，有機物含有率が高まる。このため，高 混合汚泥（濃度 1.6 ％）に高分子凝集剤を添加し，ろ過面 温消化が可能になり消化効率が高まる，また，汚泥濃 積が 60 m2 のろ過濃縮装置によりろ過濃縮する長期実験を 度が高いので，濃縮せずに脱水ができるため，従来の 実施した。凝集剤添加率 0.8 ％の場合，ろ過時間に比例し 消化汚泥の沈降濃縮が不要になるなどの効果が得られ て高濃度になった。例えば，1.5 時間のろ過では濃度は る。 6.8 ％に達した。また，いずれの条件でも，ろ液の SS は ⑤ （2 ） ろ過濃縮装置を用いた分離水の SS 除去 10 ∼ 60 mg/L 程度で，回収率は 99.9 ％であった。 遠心分離機，重力濃縮槽，消化槽，脱水機などからの SS が高い返流水をろ過し濃縮汚泥と清澄水に分離する。 経済性 この方式により水処理系への SS 返送が削減され，水処 理への返流水の悪影響が解消でき，処理水質の向上が図れ る。 （1） 電力消費 浄水汚泥では，電力量は遠心分離機の 1/20 程度で済む。 例えば，固形物量 1 t-ds/日の浄水汚泥濃縮処理の場合， ４.２ 濃縮処理例 （1） 余剰汚泥のろ過濃縮装置運転例 消費電力は 20 kWh 程度である。 下水汚泥のろ過濃縮に必要な電力量は 0.14 kWh/m3 で 最終沈殿池から引き抜いた余剰汚泥は，高分子凝集剤が ある。例えば，下水量 5 万 m3/日の処理場における余剰汚 添加され，ろ過濃縮装置で濃縮される。 表 ３ にろ過面積 泥 の 分 離 濃 縮 で は 56 kWh/日 ， 混 合 汚 泥 濃 縮 で は 100 2 55 m のろ過濃縮装置の運転結果を示す。ろ過時間が長く， 230（58） kWh/日程度である。遠心分離機と比較すると電力消費は 富士時報 サイフォン式ろ過濃縮装置を用いた上下水汚泥処理 Vol.77 No.3 2004 1/5 程度である。 汚泥を高濃度汚泥と清澄な水に分離できる特長がある。汚 泥の性状と濃度の影響を受けず濃縮ができるので各種の上 （2 ） 運転要員 全自動運転のため，管理は巡回程度で済み専任者の配置 の必要がない。 （3） ろ過板交換費 下水汚泥の濃縮ができ，汚泥処理施設において多くの適用 が期待される。今後も，この装置の一層の改良，適用を推 特 進する所存である。 集 高強度ろ布を使用しているため 10 年以上の耐久寿命が あり，交換費は 3,000 円/m2/年程度で済む。 （4 ） 高分子凝集剤 下水汚泥の場合，ろ過濃縮で添加する高分子凝集剤は 0.2 ∼ 0.8 ％である。ろ過濃縮汚泥をベルトプレスなどで 参考文献 （1） 山口幹昌ほか．汚泥のろ過濃縮装置．富士時報．vol.54, no.6, 1981, p.382- 387. （2 ） 株式会社富士電機総合研究所，社団法人産業公害防止協会． 脱水する場合，高分子凝集剤が追添加されるが，ろ過濃縮 下水汚泥の省エネ型重力式 と脱水での合計添加量は従来と同等である。 公害．vol.21, no.8, 1985, p.67- 78. 過濃縮装置に関する研究．産業 （3） 日本下水道事業団，民間開発技術審査証明報告書 サイ あとがき フォン式ろ過濃縮装置．no.407, 1993. （4 ） 山口幹昌ほか．省エネルギー型汚泥処理システム．富士時 ろ過濃縮装置を用いた上下水汚泥処理について述べた。 報．vol.76, no.2, 2003, p.137- 141. 本装置はサイフォンろ過方式のため省エネルギー性が高く， 解 説 膜ろ過 従来の凝集沈殿ろ過システムが，どうしてもある割 精密ろ過（MF） 合でしか不純物を除去できなかったのに対して，膜ろ 過は，膜の孔径よりも寸法の大きなものを膜表面で阻 止し，小さなものが通過するという分離の明確な限界 限外ろ過（UF） 膜 の 種 類 浄水用富士膜ろ過システム（UF） ナノろ過 （NF） 逆浸透 がある処理方法である。 活性炭 使用される膜の種類とその除去物質の関係は右図の とおりで，水道に広く用いられている MF（精密ろ過） サイズ 10−4 （ m） µm 以下であり，細菌類や濁質を確実に除去できる利 国内では厚生労働省により「水道におけるクリプト スポリジウム暫定対策指針」が策定され，その対策が 10 溶解性物質 および UF（限外ろ過）においても，その孔径は 0.2 点がある。 −3 水 中 の 不 純 物 塩 素 イ オ ン ナ ト リ ウ ム イ オ ン カ 農 陰 フ ル 薬 イ ル シ オ ボ ウ ン 酸 ム 界 イ 面 オ 活 ン 性 剤 急速ろ過 −2 10 −1 10 1 フミン酸 粗懸濁質 粘土 ウイルス シルト 細菌 ク ポリ リプ ジト ウス ム ワ 線 ム 虫 シ 類 類 アオコ 進められているが，膜ろ過はその利点から非常に注目 されている処理方法である。 10 コロイド懸濁質 プランクトン 水中の主な不純物と各膜の分離領域 231（59） ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。