汚泥脱水: 廃水処理の方法、技術およびシステム

脱水とは何か — そしてそれが汚泥管理にとって重要である理由

脱水とは、固液混合物から機械的または物理的に水を除去して、その体積を減らし、固形分含有量を増やすことです。廃水処理の文脈において、脱水とは、特に、汚泥（一次、二次、三次処理段階で生成される半固体の副産物）から水を分離し、廃棄、土地利用、またはさらなる処理に適した取り扱い可能で輸送可能なケーキを生成するプロセスを指します。

脱水の経済的および運用上のケースは単純です。生の下水汚泥には通常、次のものが含まれています。 95 ～ 99 重量％の水 。機械的脱水によって水分含有量を 97% から 75% に下げると、汚泥の体積が約 88% 縮小し、輸送コスト、埋立地廃棄料金、および下流の熱処理でのエネルギー消費が大幅に削減されます。 1 日あたり 50,000 m3 を処理する中規模の都市下水処理施設の場合、この量の削減は汚泥処理コストだけで年間数十万ドルの節約につながります。

脱水は体積の削減だけでなく、スラッジの取り扱いを安定化させます。20 ～ 25% の総固形分 (TS) を含む十分に脱水されたケーキは、ポンプを使用せずにベルトまたはスクリューで搬送し、一時保管用に積み重ねて、特殊な機器を使用せずにトラックに積み込むことができます。

汚泥の濃縮と脱水: 違いを理解する

汚泥の濃縮と脱水は、完全な汚泥管理トレインにおいて連続的ではあるが個別の操作です。この 2 つを混同すると、機器の選択を誤ったり、プロセスの非効率が生じたりします。

増粘 希釈汚泥を 0.5 ～ 2% TS から約 3 ～ 8% TS まで濃縮する重力または低せん断機械プロセスです。これは最終的な脱水ステップではありません。濃縮されたスラッジはポンプで汲み上げて流動可能なままです。主な目的は、下流の蒸解釜または脱水装置に供給される量を減らし、そのサイジングと運用コストを削減することです。一般的な濃縮技術には、重力濃縮装置、溶解空気浮選 (DAF) 濃縮装置、回転ドラム濃縮装置、重力ベルト濃縮装置などがあります。

脱水 濃縮に続いて、機械的圧力、真空、または遠心力を使用してスラッジ固形分含有量を TS 3 ～ 8% の範囲から TS 15 ～ 35% まで押し上げ、半固体ケーキを生成します。この固形分含有量では、材料はポンプで送らなければならない流体から、従来の手段で搬送、積み重ね、輸送できる固体に移行します。

汚泥の濃縮と脱水の組み合わせは、現代のバイオソリッド管理の根幹です。濃縮を省略して、希釈スラッジを脱水装置に直接供給すると、機械が大型で過負荷となり、ケーキの乾燥が悪く、ポリマーの消費量が多くなります。

汚泥脱水技術の比較概要

複数の汚泥脱水技術が商業的に使用されています。それぞれが異なる物理原理に基づいて動作し、異なるケーキ乾燥度、ポリマー需要、設置面積、エネルギー消費を実現します。選択は、汚泥の種類、プラントの規模、最終処分ルート、資本と運営コストの優先順位によって決まります。

ベルトフィルタープレス

ベルト フィルター プレス (BFP) は、世界中で、特に都市廃水用途で最も広く導入されている脱水技術の 1 つです。調整されたスラッジは、連続的に移動する 2 つの多孔質ベルトの間に供給され、まず重力によって排出され、次に徐々に圧力を高めながら一連のローラーを通してスラッジを圧縮します。ケーキ固形分の含有量は通常、次の範囲です。 TS 18 ～ 25% 混合都市汚泥用。 BFP はエネルギー消費量が低い (乾燥固形物 1 トンあたり 1 ～ 2 kWh) ものの、大量の洗浄水 (ベルト幅 1 メートルあたり 3 ～ 10 m3/時間) を必要とし、供給スラッジの変動の影響を受けやすいです。

遠心デカンタ

デカンタ遠心分離機は、遠心力 (通常 1,500 ～ 4,000 × g) を使用して、汚泥固体を液相から高速で分離します。彼らは配達します TS ケーキ乾燥度 20 ～ 30% 消化された都市汚泥用で、大量の連続運転に適しています。遠心分離機はコンパクトで、完全に密閉されており (臭気制御に重要)、大部分が自動化されています。しかし、そのエネルギー消費量は BFP よりも大幅に高く、通常は乾燥固形物 1 トンあたり 15 ～ 30 kWh であり、研磨スラッジによる磨耗によりメンテナンス コストが高くなります。

スクリュープレス

スクリュープレスはスラッジを円筒形のスクリーンに供給し、ピッチが徐々に減少する回転スクリューでスラッジを前進させ、スクリーンを通して自由水を絞り出し、ケーキが出口で排出されます。最新のマルチディスク スクリュー プレスは、次のような利点により急速に市場シェアを獲得しています。 非常に低いエネルギー消費 (DS トンあたり 2 ～ 5 kWh)、オペレーターの注意が最小限で済み、洗浄水の要件が低く、小規模から中規模のプラントに適しています。ケーキの乾燥度は通常 15 ～ 22% TS であり、遠心分離機よりも低いですが、廃棄コストの節約によってケーキが少し湿っていることが正当化される用途では、運用コストの利点は説得力があります。

フィルタープレス（プレート＆フレーム）

高圧プレートアンドフレームフィルタープレスは、あらゆる機械的脱水技術の中で最も乾燥したケーキを提供します。 TS 35 ～ 45% - 汚泥が焼却または混焼される予定の場合、または埋め立てコストが非常に高い場合に、これらが好ましい選択肢となります。バッチ操作、設置面積が大きく、資本コストが高いため、その使用は産業汚泥、石灰処理された都市汚泥、および非常に高い乾燥度が厳しい要件となる用途に限定されます。充填後に柔軟なダイヤフラムを膨張させるメンブレン フィルター プレスは、一部の産業スラッジ用途においてケーキ乾燥度を 50% TS 以上に押し上げる可能性があります。

ロータリー真空フィルター

かつては下水汚泥脱水の主流技術であったロータリー真空フィルターは、比較的乾燥度が低く (TS 12 ～ 18%)、高いエネルギーとメンテナンス要件、およびオープン設計のため、新しい設備ではベルト プレスや遠心分離機に大きく取って代わられています。これらは、古い自治体のプラントや、穏やかな連続運転が壊れやすいまたは繊維状のスラッジタイプに適した一部の産業用途で引き続き使用されています。

DAF 汚泥脱水: 浮選装置の副産物の処理

溶解空気浮上分離 (DAF) ユニットは、微細な気泡を粒子に付着させ、スキムフロートとして表面に浮かせることにより、浮遊固体、脂肪、油、およびグリースを除去するために、工業用および都市排水処理の両方で広く使用されています。結果として生じるDAF汚泥は、沈降した一次または二次生物汚泥とは大きく異なる、独特の脱水の課題を抱えています。

DAF フロートは通常、次の時点で脱水段階に到着します。 1 ～ 5% TS — 濃縮された生物学的汚泥に匹敵します — しかし、その物理的性質は根本的に異なります。食品加工、レンダリング、または製紙工場からの DAF スラッジは、多くの場合、圧縮性が高く、ゼラチン状で、排水に抵抗する脂肪とタンパク質が豊富です。活性汚泥にはうまく機能する標準的なポリマーコンディショニングは、DAF フロートではうまく機能しない可能性があります。カチオン性ポリマーとアニオン性ポリマーを組み合わせたデュアルポリマー プログラムや、ポリマーのコンディショニングの前に塩化第二鉄や硫酸アルミニウムなどの凝集剤の添加が必要になることがよくあります。

DAF 汚泥脱水では、デカンタ遠心分離機とベルト フィルター プレスが最も一般的に適用される技術です。遠心分離機は高脂肪含有量をより確実に処理します。ベルト プレス生地への脂肪の蓄積は、食品産業の DAF 用途における慢性的な運用上の問題です。スクリュープレスは、脂質含量が低い都市プラントからの DAF フロートでも良好な結果を示しています。 ケーキ乾燥度 12 ～ 20% TS 食品産業の DAF スラッジでは典型的な値であり、固体の圧縮性と親水性の性質により、生物学的スラッジよりも大幅に低くなります。

DAF が塗料廃水処理に使用される工業環境では、結果として生じる塗料スラッジがさらなる問題を引き起こします。塗料固形物、特に樹脂や顔料を含む水性ベースコートからの固形物は、粘着性の粘着ケーキを形成し、フィルター媒体を目詰まりさせたり、遠心分離機のボウルを急速に汚したりする可能性があります。専用の脱水ペイントスラッジシステムでは、多くの場合、溶剤洗浄サイクル向けに評価された合成濾布を備えたフィルタープレスや、機械的脱水と熱乾燥を単一ユニットで組み合わせて非有害固形廃棄物として分類するための 80 ～ 90% TS に達する目的に設計されたスラッジ乾燥機を使用します。

産業用途におけるスラリー脱水システム

都市下水処理を超えて、スラリー脱水システムは幅広い工業プロセス操作の中心となっています。 「スラリー」という用語は、通常、下水汚泥よりも固体濃度が高く、より均一である混合物を指します (多くの場合、重量で固体が 10 ～ 40%)。生物材料ではなく、無機粒子 (鉱物、セラミック、金属) が含まれる場合があります。

主な工業用スラリー脱水用途には次のものがあります。

• 採掘および鉱物加工 — 増粘剤、フィルタープレス、または真空ベルトフィルターを使用した尾鉱の脱水。水不足地域でのリサイクルのためにプロセス水を回収することが主な推進力です
• 建設とトンネル工事 — トンネル掘削作業で発生するベントナイトスラリーと掘削泥水は、回収した水を排出または再利用する前に、移動式フィルタープレスまたは遠心分離システムを使用して作業現場で迅速に脱水する必要があります。
• セラミックとガラスの製造 — 湿式研削および研磨作業からの微粒子スラリーは、真空ディスクフィルターまたは圧力フィルターによって脱水され、貴重な材料が回収され、廃水の排出量が削減されます。
• 発電 — 石炭燃焼からの飛灰とボトムアッシュのスラリーは、環境規制で義務付けられている乾式または半乾式灰処理システムの一部として、真空ベルトフィルターまたはフィルタープレスを使用して脱水されます。
• 食品および飲料の加工 — 果物の搾りかす、穀物の蒸留残渣、およびでんぷんのスラリーは、乾燥または動物飼料の加工前に脱水されます。スクリュープレスとデカンター遠心分離機が主な機器の選択肢です。

工業用スラリー脱水システムの設計では、摩耗性 (遠心分離機やポンプの耐摩耗性材料に影響します)、粒度分布 (5 μm 未満の微粒子は排水に抵抗するため、濾過助剤が必要な場合があります)、およびスラリーと脱水装置の濡れた表面の間の化学的適合性を考慮する必要があります。

ポリマーコンディショニング: 脱水性能を制御する変数

事実上すべての汚泥脱水方法において、ポリマーコンディショニングは上流のステップであり、機械脱水装置が設計範囲内で動作するか、許容可能なケーキ乾燥度を生成するのに苦労するかを決定します。適切なコンディショニングを行うことは、多くの場合、機器の選択よりも大きな影響を与えます。

高分子電解質（最も一般的にはカチオン性ポリアクリルアミド）は、スラッジ粒子の負の表面電荷を中和し、粒子を橋渡ししてより大きな水を放出するフロックにすることによって機能します。最適化するための重要なパラメータ 汚泥脱水装置 は:

• ポリマーの投与量 — 都市二次汚泥の場合、乾燥固体 1 トンあたり通常 3 ～ 10 kg の活性ポリマー。過剰投与は化学コストを無駄にし、逆充電してパフォーマンスを低下させる可能性があります。
• 希釈とメイクダウン — エマルションポリマーは、注入前に 0.1 ～ 0.5% 溶液に希釈する必要があります。希釈が不十分な場合、活性化されていないポリマーが生成し、スラッジを調整せずに脱水段階を通過します。
• 混合エネルギーと接触時間 - スラッジ全体にポリマーを分散させるには十分なせん断が必要ですが、フロック形成後の過度のせん断はフロックを破壊し、元に戻すことができません。インラインスタティックミキサーまたは低せん断ダイナミックミキサーは、高速インペラよりも推奨されます。
• 汚泥の変動 - 飼料汚泥の組成の変化（例えば、一次汚泥を希釈する嵐の後、または生物学的処理の変更後）により、最適なポリマーの種類と用量が変化します。濁度または毛細管吸引時間（CST）フィードバック制御を備えた自動ポリマー注入システムにより、一貫性が大幅に向上します

自治体の工場の下水汚泥の脱水では、ポリマーのコストは通常、脱水の総運営コストの 30 ～ 50% を占めます。コンディショニングの最適化を改善することで特定のポリマー消費量を 10% 削減できる場合が多く、設備投資なしで大幅な予算削減が実現します。