JP2003236594A

JP2003236594A - 汚泥の処理装置

Info

Publication number: JP2003236594A
Application number: JP2002037735A
Authority: JP
Inventors: Hironori Kako; 啓憲加来
Original assignee: Komatsu Ltd; Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd; Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2003-08-26

Abstract

(57)【要約】【課題】汚泥の流動性および付着性を改善し、これに
より予熱する際の伝熱効率の低下を防止するとともに、
配管の閉塞を防止することができ、しかも汚泥を水熱反
応装置に供給する高圧ポンプの耐圧性能をより簡便にす
ることができ、かつ流動性が低く付着しやすい汚泥を処
理する場合でも安定して効率よく水熱反応により酸化分
解することができる汚泥の処理装置を提供する。【解決手段】下水汚泥１３をオゾン処理槽３に導入
し、オゾンをオゾン供給路１５から吹き込んで汚泥と接
触させ、汚泥中の粘質物を分解して流動性および付着性
を改善する。この汚泥は高圧ポンプ２１により熱交換器
４に導入して予熱したのち、水熱反応装置５の供給装置
２３に送り、酸化剤７と混合し、この混合流を水熱反応
装置５に下向流で供給し、水の超臨界または亜臨界状態
に保って水熱反応を行い、汚泥を分解する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は汚泥を水の超臨界ま
たは亜臨界状態で水熱反応により酸化分解する汚泥の処
理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】下水汚泥等の有機性汚泥の処理方法とし
て、水の超臨界状態で水熱反応により酸化分解する処理
方法が提案されている。水熱反応は水の超臨界または亜
臨界状態で、被反応物を酸化反応や加水分解反応させて
廃棄物を分解したり、エネルギーを生成したり、化学物
質を製造したりする方法である。下水汚泥等の有機性汚
泥の場合、水の超臨界または亜臨界状態で有機物を含む
被反応物と、酸化剤を反応させることにより酸化反応を
生じさせ、被反応物中の有機物を短時間で、ほぼ完全に
分解することができる。

【０００３】このように水熱反応により被反応物中の有
機物を酸化分解する場合、被反応物、酸化剤および水を
加熱装置で加熱するとともに、高圧ポンプで加圧して反
応器へ供給し、酸化反応させる。この場合、被反応物が
予め適正量の水を含む場合は、水を供給する必要はな
い。

【０００４】反応の結果、有機物は酸化分解され、水と
二酸化炭素からなる高温高圧の液体と、乾燥またはスラ
リー状態の灰分や塩類などの固体を含む反応生成物が得
られる。反応生成物のうち固体は固液分離装置によって
分離される。固体を分離した流体はエネルギー回収され
るか、冷却、減圧され、ガス分と液分とに分離される。

【０００５】下水汚泥中には粘質物といわれているタン
パク質、酸性多糖類、中性多糖類、核酸などが多く含ま
れており、このため粘性が高くて流動性が低く、かつ装
置壁面などに付着しやすい。このような汚泥を反応器に
供給して処理する場合、熱交換器などの加熱装置の伝熱
面や配管に付着残留しやすく、このため伝熱効率を低下
させたり、配管の閉塞を引き起こすなどの問題点があ
る。また反応器に供給する際の圧力損失が大きいので、
臨界圧力以上に連続的に昇圧し、安定して反応器に供給
するためには、高い圧力で吐出できる能力が高い高圧ポ
ンプが必要である。さらに高圧ポンプにより高い圧力で
吐出して反応器に供給する場合でも、高濃度の汚泥ほど
流動性が低い傾向があるため、高濃度の汚泥を水熱反応
装置に供給することは難しく、このため有機物の供給量
が少なくなり、補助燃料が必要になる。

【０００６】流動性の低い汚泥を水の超臨界状態で水熱
反応により処理する方法として、特開平１１−９０４９
４号には、汚泥濃度を５〜１５重量％に調整し、２５０
〜４５０℃に予熱する方法が記載されている。また特開
平１１−３３５６８号には、５〜１５ＭＰａ、２００℃
以上の高温高圧条件で汚泥を前処理することで流動性を
改善し、高圧ポンプでの水の臨界圧力以上への昇圧操作
を容易にし、反応器への汚泥の供給を安定して行う方法
が記載されている。

【０００７】上記従来の方法では、反応器に導入する汚
泥の流動性は向上しているが、汚泥を予熱する際の粘質
物の付着による伝熱効率の低下や、配管の閉塞の問題は
依然残されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、汚泥
の流動性および付着性を改善し、これにより予熱する際
の伝熱効率の低下を防止するとともに、配管の閉塞を防
止することができ、しかも汚泥を水熱反応装置に供給す
る高圧ポンプの耐圧性能をより簡便にすることができ、
かつ流動性が低く付着しやすい汚泥を処理する場合でも
安定して効率よく水熱反応により酸化分解することがで
きる汚泥の処理装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は次の汚泥の処理
装置である。（１）汚泥中の粘質物を分解する分解装置と、分解装
置で粘質物を分解した汚泥を水の超臨界または亜臨界状
態で水熱反応により酸化分解する水熱反応装置とを有す
る汚泥の処理装置。（２）分解装置が汚泥にオゾンを接触させて粘質物を
分解するオゾン処理装置である上記（１）記載の汚泥の
処理装置。（３）分解装置の後段に汚泥を予熱する加熱装置を有
する上記（１）または（２）記載の汚泥の処理装置。

【００１０】本発明において処理の対象となる汚泥は、
有機性の汚泥であれば制限されないが、流動性が低い汚
泥、特に下水処理から発生する下水汚泥が適している。
下水汚泥は微生物の作用により粘質物といわれているタ
ンパク質、酸性多糖類、中性多糖類、核酸などが増加
し、通常粘性が高くて流動性が低く、装置壁面などに付
着しやすい場合が多いが、本発明ではこのような下水汚
泥でも効率よく処理することができる。下水汚泥には初
沈汚泥や生物処理の余剰汚泥などが含まれ、脱水前のス
ラリー状のものでも、脱水したケーキ状のものでもよ
い。

【００１１】下水汚泥は予め破砕しておくのが好まし
い。破砕の手段は限定されない。例えば、下水汚泥が脱
水ケーキと呼ばれる固形の状態（通常、濃度が１５重量
％〜２０重量％以上）の場合には、破砕機を使用し、さ
らに必要であればポンプで循環させて破砕機に複数回通
すことにより、あるいはミルですりつぶすことにより、
１ｍｍ程度に破砕することが好ましい。下水汚泥の濃度
がそれほど高くなくいわゆるスラリー状の場合は、同様
に破砕機やミルを使用してもよいし、攪拌機による攪拌
やポンプへの循環通液によって破砕できれば破砕機を使
用しなくてもよい。

【００１２】汚泥濃度は５〜２０重量％、好ましくは１
０〜２０重量％、またはＣＯＤ濃度で２００，０００〜
５００，０００ｍｇ／Ｌ、好ましくは３００，０００〜
４００，０００ｍｇ／Ｌであるのが望ましい。このよう
な濃度の汚泥を本発明の装置で処理すると、汚泥中の有
機分の熱量で水熱反応の温度を維持できる。汚泥濃度が
上記範囲外の場合は、分解装置の前段または後段におい
て濃縮、希釈または他の汚泥との混合などの手段によ
り、濃度調整することができる。

【００１３】本発明における分解装置は汚泥中の粘質物
を分解する装置であり、分解手段または分解方法は制限
されないが、オゾン処理装置が好ましい。オゾン処理装
置としては、汚泥にオゾンを接触させて粘質物を分解す
ることができる装置であればどのような構成の装置でも
使用することができる。この場合の接触方法としては、
オゾン処理槽に汚泥を導入してオゾンを吹込む方法、機
械攪拌による方法、充填層を利用する方法などが採用で
きる。

【００１４】オゾンとしてはオゾンガスの他、オゾン含
有空気、オゾン化空気などのオゾン含有ガスが使用でき
る。オゾンの使用量は０．０２ｇ−Ｏ₃／ｇ−ＳＳ以
上、好ましくは０．０５ｇ−Ｏ₃／ｇ−ＳＳ以上とする
のが望ましい。これらオゾン含有ガスは、汚泥の粘質物
を分解するために消費されるが、オゾンや酸素が残存し
た場合は、酸化剤として機能するので、トータルの酸化
剤使用量を少なくすることも可能である。

【００１５】オゾン処理などの分解処理により、汚泥中
の粘質物が分解され、汚泥の流動性および／または付着
性が改善するが、どの程度まで汚泥の粘度を低く処理す
るかは、使用する高圧ポンプの性能によって適宜設定す
ればよい。具体的には、あるポンプ流量における使用す
る高圧ポンプの最大許容粘度は、使用する高圧ポンプの
性能により決まるので、設定流量での高圧ポンプ最大許
容粘度を下回るまで、オゾン処理などの分解処理を行
う。

【００１６】オゾン処理などの分解処理により、汚泥中
の粘質物が分解され、汚泥の流動性および／または付着
性が改善する。このため、熱交換器などの加熱装置の伝
熱面や配管への汚泥の付着は防止され、伝熱効率の低下
や配管の閉塞は生じない。また汚泥を水熱反応装置に供
給するために使用する高圧ポンプの耐圧性能をより簡便
にすることができる。さらに、高濃度の汚泥を処理する
ことが可能となるので、補助燃料が不要になるか、使用
する場合でも使用量を少なくすることができる。

【００１７】本発明では分解装置の後段に汚泥を予熱す
る加熱装置を設けるのが好ましい。加熱装置としては熱
交換器などが使用できる。熱交換器は、加熱媒体として
水熱反応装置から排出される反応物を使用するように構
成することもできる。加熱装置では、汚泥中の粘質物は
前段の分解装置で分解されているので、伝熱面などへの
付着が防止され、効率よく加熱することができる。

【００１８】本発明における水熱反応装置は前記分解装
置で処理された汚泥、または加熱装置で予熱された汚泥
を水熱反応させ、有機物の酸化分解を行う装置である。
水熱反応装置は汚泥を酸化剤の存在下に水の超臨界また
は亜臨界状態で水熱反応により酸化分解するように構成
される。

【００１９】ここで水熱反応は、超臨界または亜臨界状
態の高温高圧の水および酸化剤の存在下に汚泥を酸化反
応により酸化分解する反応である。超臨界状態とは３７
４℃以上、２２ＭＰａ以上の状態である。また亜臨界状
態とは例えば３７４℃以上、２．５ＭＰａ以上２２ＭＰ
ａ未満あるいは３７４℃未満、２２ＭＰａ以上の状態、
あるいは３７４℃以下、２２ＭＰａ未満であっても臨界
点に近い高温高圧の状態をいう。

【００２０】このような水熱反応は被反応物である汚泥
が酸化剤と混合した状態で水熱反応装置において行わ
れ、これらの混合物が水熱反応装置の反応器内部で水熱
反応を受ける。酸化剤としては、空気、酸素、液体酸
素、過酸化水素水、オゾン、硝酸、亜硝酸、硝酸塩、亜
硝酸塩等を用いることができる。酸化剤は汚泥と混合さ
れて供給されてもよいし、供給口を二重管ノズルにして
複層流として供給してもよい。また必要により触媒や中
和剤等が添加される場合があるが、これらも汚泥と混合
して、あるいは別々に反応器に供給することができる。

【００２１】本発明で用いられる水熱反応装置は超臨界
または亜臨界状態で水熱反応を行うように、耐熱、耐圧
材料により、実質的に垂直方向に配置した筒状反応器で
形成される。反応熱だけでは超臨界または亜臨界状態に
達しない場合には外部加熱手段を設けることができる。
反応器の形状は円筒、だ円筒、多角筒のものを用いるこ
とができ、下端部はコーン状とすることができる。この
ような水熱反応装置により超臨界または亜臨界状態で水
熱反応を行うと、被反応物の有機物は酸化剤により酸化
されて最終的に水と二酸化炭素に分解され、あるいは加
水分解により低分子化し、無機物は固体あるいは溶融状
態で分離する。反応生成物は固形物を分離後、冷却、減
圧され、ガス分と液分に分離される。

【００２２】上記の水熱反応装置は従来より水熱反応に
用いられているものをそのまま用いることができるが、
特開平１１−１５６１８６号に示されているように、上
部に逆流を伴う混合反応域、下部に栓状流反応域を形成
する実質的に垂直な反応器に、さらに上部に設けられた
噴射装置から被反応物と酸化剤の混合流を下向流で噴射
して上部の混合反応域で逆流を伴う混合流を形成して水
熱反応を行い、下部の栓状流反応域で平行な下向栓流を
形成して追加の水熱反応を行う構造のものが好ましい。

【００２３】水熱反応装置の材質は制限されないが、ハ
ステロイ、インコネル、ステンレス等の耐食性の材質が
好ましい。水熱反応装置には耐腐食性ライナーを設ける
のが好ましい。耐腐食性ライナーは特に限定されず、特
開平１１−１５６１８６号に開示されたような耐腐食性
ライナーと圧力負荷壁との間に間隙が存在するような耐
腐食性ライナーを用いることができる。

【００２４】水熱反応装置には反応混合物を排出口から
排出する前に冷却するための冷却手段を設けることがで
きる。冷却手段は特に限定されないが、反応器内に水を
導入して冷却し、無機塩を溶解してその排出を促進する
ことができる。また、反応器内に酸やアルカリを含む水
を導入して冷却し、アルカリや酸の中和を行うことがで
きる。固体の付着性が著しい場合には、反応器の内壁に
付着した固体を除去するための機械的除去装置を設ける
ことができる。固体除去のための機械的除去装置は特に
限定されないが、特開平１１−１５６１８６号で開示さ
れた切欠窓部分を含む実質的に円筒状のスクレーパが好
適である。

【００２５】水熱反応装置から排出される反応流体中の
固形物を分離する分離手段を設けることができる。特
に、超臨界状態の反応流体中では無機塩類が溶解せずに
固体として含まれているため、不溶化している無機物を
分離することにより、処理水の再利用が容易になる。固
形物分離手段は特に限定されず、水熱反応装置から反応
流体を導入する流入口および固体を除去した流体を排出
する流出口を備えた容器と、容器内に配設されて前記反
応流体に含まれている前記固体を除去し、排出する手段
とを備えたものが使用できる。なお、冷却、減圧の工程
で、固体分離や気液分離の手段を含むこともできる。

【００２６】水熱反応装置による反応開始の手段は特に
制限されない。通常、反応器は反応開始にあたって所定
の反応温度付近に予熱される。予熱は加熱装置を反応器
に設けるか、あるいは汚泥および／または酸化剤供給路
に設けて加熱された水や空気を導入して実施することが
できる。また、通常、反応器に水や酸化剤を供給し、通
常設けられる圧力調整弁によって所定の圧力に加圧され
る。所定の温度、圧力に調整された後、被反応物である
汚泥を含む流体を供給して水熱反応を開始する。反応に
よって有機物が分解され、反応熱が発生する。水熱反応
装置上部（反応器上部）に逆流を伴う混合反応域を設け
た場合、ここで逆流を伴う混合作用で被反応物、酸化剤
および反応器内容物などが十分に混合されるため、流体
の温度が上昇する。これにより供給される被反応物は速
やかに水熱反応を開始し、安定した反応が継続されるこ
とになる。反応流体は反応器内を下向きに移動し、栓状
流反応域で継続反応した後、排出口から排出される。反
応器の長さ：直径の比は１：１〜１００：１が好まし
い。

【００２７】水熱反応装置を出た反応流体は、固体を分
離した後、冷却して減圧され気液分離される。反応器内
で冷却して液体が生成している場合は反応装置を出た段
階で固体とともに液体と分離し、必要によりさらに冷却
および気液分離を行う。最終的に生成した水、気体、固
体は、そのまま、エネルギー回収されたり、物質として
再利用されたり、そのままあるいは追加処理されて廃棄
される。また水熱反応装置を出た反応流体は、汚泥を予
熱する加熱装置の加熱媒体として使用することもでき
る。

【００２８】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、分解装置
および水熱反応装置を設け、汚泥中の粘質物を分解装置
で分解したのち、水熱反応装置において超臨界または亜
臨界状態で水熱反応により酸化分解するので、分解装置
において汚泥の流動性および付着性が改善され、これに
より予熱する際の伝熱効率の低下を防止するとともに、
配管の閉塞を防止することができ、しかも汚泥を水熱反
応装置に供給する高圧ポンプの耐圧性能をより簡便にす
ることができ、かつ流動性が低く付着しやすい汚泥を処
理する場合でも安定して効率よく処理することができ
る。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
により説明する。図１は実施形態の汚泥の処理装置の系
統図である。図１において、１は汚泥貯槽、２は汚泥破
砕装置、３は分解装置としてのオゾン処理槽、４は熱交
換器、５は水熱反応装置、６は固体分離器、７は酸化剤
槽、８は気液分離器である。

【００３０】汚泥貯槽１には下水汚泥を導入する汚泥供
給路１０が連絡し、汚泥貯槽１から汚泥破砕装置２にポ
ンプ１１を有する系路１２が連絡している。オゾン処理
槽３には汚泥破砕装置２から連絡する系路１３、オゾン
発生器１４で発生させたオゾンを導入するオゾン供給路
１５、および排オゾンを排出するオゾン排出路１６が連
絡している。オゾン処理槽３は汚泥破砕装置２で破砕し
た下水汚泥を導入し、オゾン発生器１４で発生させたオ
ゾン化空気をオゾン供給路１５から吹き込んで下水汚泥
と接触させ、下水汚泥中の粘質物を分解するように構成
されている。

【００３１】粘質物を分解した下水汚泥を供給する高圧
ポンプ２１を有する系路２２が、オゾン処理槽３から熱
交換器４を介して水熱反応装置５の上部に設けられた供
給装置２３に連絡している。供給装置２３には酸化剤を
供給する酸化剤槽７から高圧ポンプ２４を有する系路２
５が連絡している。この供給装置２３は酸化剤と下水汚
泥の混合流を水熱反応装置５に下向流として供給するよ
うに取付けられている。

【００３２】水熱反応装置５は中空の反応器の上部に逆
流を伴う混合反応域、下部に栓状流反応域が形成される
ようになっている。水熱反応装置５には必要により加熱
装置が設けられる。水熱反応装置５の下部から系路２６
が固体分離器６を介して熱交換器４に連絡し、熱交換器
４から系路２７が気液分離器８に連絡している。気液分
離器８から減圧弁３１を有する気体排出路３２および減
圧弁３３を有する液体排出路３４が系外に連絡してい
る。なお上記の装置においてポンプ、弁等が必要である
が、省略して図示されている。

【００３３】上記の装置における処理は以下のように行
われる。まず汚泥貯槽１からポンプ１１により系路１２
を通して下水汚泥を汚泥破砕装置２に導入し、下水汚泥
を破砕する。この破砕された下水汚泥を系路１３からオ
ゾン処理槽３に導入し、オゾン発生器１４で発生させた
オゾン化空気をオゾン供給路１５から吹き込んで下水汚
泥と接触させ、下水汚泥中の粘質物を分解する。これに
より、下水汚泥の流動性および／または付着性が改善す
る。このため、熱交換器４の伝熱面や系路２２などへの
下水汚泥の付着は防止され、伝熱効率の低下や配管の閉
塞は生じない。また下水汚泥を水熱反応装置５に供給す
るために使用する高圧ポンプ２１の耐圧性能をより簡便
にすることができるほか、安定供給が可能になる。さら
に、高濃度の下水汚泥を処理することが可能となるの
で、補助燃料が不要になるか、使用する場合でも使用量
を少なくすることができる。排オゾンはオゾン排出路１
６から系外に排出する。

【００３４】粘質物を分解した下水汚泥は高圧ポンプ２
１により系路２２から熱交換器４に導入して予熱したの
ち、水熱反応装置５の供給装置２３に送る。ここで酸化
剤槽７から高圧ポンプ２４により系路２５を通して送ら
れる酸化剤（例えば空気、過酸化水素水）と混合し、混
合流を水熱反応装置５に下向流で供給して水熱反応を行
う。水熱反応装置５では水の超臨界または亜臨界状態に
保って水熱反応を行う。

【００３５】供給装置２３から供給される混合流は水熱
反応装置５の上部では逆流を伴う混合反応域を形成して
酸化分解が行われ、下部では乱流は解消して栓状流反応
域を形成して追加反応が行われる。水熱反応装置５には
高濃度の下水汚泥を供給することができるので、下水汚
泥中の有機分の熱量だけで、あるいは少ない量の補助燃
料で水熱反応の温度を維持できる。例えば反応温度を６
００℃以上に維持することができ、このため高温で反応
を行って高分解率でアンモニアを分解することもでき
る。

【００３６】水熱反応装置５の反応物は系路２６から固
体分離器６に導入して固体を分離し、分離した固体を固
体排出路３５から排出する。分離した反応物は熱交換器
４に導入して下水汚泥を加熱することにより自身は冷却
され、続いて気液分離器８で気液分離し、気体排出路３
２から気体を排出し、液体排出路３４から処理水を排出
する。

【００３７】水熱反応装置５としては特開平１１−１５
６１８６号に示す装置が好ましいが、他の装置でもよ
い。また高圧ポンプ２４の代わりコンプレッサを使用す
ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の汚泥の処理装置の系統図である。

【符号の説明】

１汚泥貯槽２汚泥破砕装置３オゾン処理槽４熱交換器５水熱反応装置６固体分離器７酸化剤槽８気液分離器１０汚泥供給路１１ポンプ１２，１３、２２、２５、２６、２７系路１４オゾン発生器１５オゾン供給路１６オゾン排出路２１、２４高圧ポンプ２３供給装置３１、３３減圧弁３２気体排出路３４液体排出路３５固体排出路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】汚泥中の粘質物を分解する分解装置と、分解装置で粘質物を分解した汚泥を水の超臨界または亜
臨界状態で水熱反応により酸化分解する水熱反応装置と
を有する汚泥の処理装置。
【請求項２】分解装置が汚泥にオゾンを接触させて粘
質物を分解するオゾン処理装置である請求項１記載の汚
泥の処理装置。
【請求項３】分解装置の後段に汚泥を予熱する加熱装
置を有する請求項１または２記載の汚泥の処理装置。