JP2008149304A - 汚泥の乾燥方法及び乾燥後得られる汚泥乾燥物 - Google Patents

Abstract

【課題】 下水処理過程で発生する下水汚泥や食品工場の排水処理工程で発生する汚泥（以下汚泥という）の乾燥工程で、蒸発ではない化学反応による乾燥法により、低い熱エネルギーの供給で汚泥を乾燥する乾燥方法とシステム及び乾燥物を得ることを課題とした。
【解決手段】 汚泥を乾燥する工程において、汚泥を高圧、高温下におくことにより、汚泥が含有する水分を高圧水蒸気化し、その水蒸気を用い、汚泥を加水分解し、かつ加温空気を用い、酸化分解する事により、加水分解反応熱及び酸化分解反応熱を用いて汚泥を乾燥する方法及び、汚泥を本工程で乾燥することにより加水分解または酸化分解汚泥乾燥物得る。また、本乾燥工程において、乾燥工程終了後減圧する際に発生する大量の廃液及び排気を浄化設備導入後、本乾燥工程内に再利用する方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、浄水場や食品工場で排水処理時に発生する汚泥を効率的かつ低エネルギー供給で乾燥させる乾燥方法及び乾燥後得られる汚泥乾燥物に関するものである。

従来、浄水場で発生する下水汚泥に代表される汚泥（主成分の８０％以上が有機物である汚泥）の乾燥方法としては、乾燥熱源として、天日を使用する方法が提案されている。この方法は、乾燥槽の底部に濾過材または敷砂を敷き、水分と汚泥を分離しながら、天日で乾燥させるものである。（例えば特許文献１）しかし、この方法は広大な敷地と排気対策が必要である。

また、汚泥の乾燥に必要な供給エネルギーを低減させる方法として、遠心薄膜乾燥機（例えば特許文献２）が挙げられる。この方法は、汚泥と水分を遠心薄膜機で分離する。この遠心分離時に熱風を用いて遠心後の汚泥を乾燥させると同時に、遠心分離で発生した汚泥含有汚水の乾燥も行う方法である。本法は伝熱効率が高く、汚泥の乾燥効率が良い方法である。しかし、構造が複雑で、システムが大規模である。更に、処理時間がかかり、処理能力が低いという欠点を持つ。

更に、真空蒸留釜を用いた減圧汚泥乾燥方法が提案されている。本法は減圧することによる沸点降下作用を用い、低い供給エネルギーで汚泥を乾燥させる方法である。（例えば特許文献３）このため、速やかな乾燥が可能であり、臭気を防ぐこともできる。しかし、処理時間がかかるため、処理能力が低くなるという欠点があった。

特開２００６−２３９６３４号（第６頁、図１） 特開平８−３１８３００号（第６頁、図１） 特開２００４−３１３９１８号（第６頁、図１）

上記方法に代表される従来の汚泥乾燥方法は、すべて、含有水分を蒸発させる方法であった。水分を蒸発させるためには、蒸発潜熱に見合う膨大な熱エネルギーの供給が必要となる。供給エネルギーを効率良く利用するためには、遠心薄膜乾燥機や減圧乾燥機のような大規模な装置やシステムが必要となっている。
そこで我々は、蒸発ではない化学反応による乾燥法により、低い熱エネルギーの供給で汚泥を乾燥する乾燥方法とシステム及び乾燥物を得ることを課題とした。

本発明は上記課題を解決するために、下水処理過程で発生する下水汚泥や食品工場の排水処理工程で発生する汚泥（以下汚泥という）を乾燥する工程において、該汚泥を高圧、高温下におくことにより、該汚泥が含有する水分を高圧蒸気化し、該蒸気を用い、該汚泥を加水分解し、かつ酸素を用い、酸化分解する事により、該加水分解反応熱及び酸化分解反応熱を用いて該汚泥を乾燥する方法及び、該汚泥を該工程で乾燥することにより得られる乾燥物である。

また、該乾燥工程において、乾燥工程終了後減圧する際に発生する大量の廃液及び排気を浄化設備導入後、該乾燥工程内に再利用する方法である。

本発明における汚泥は、その乾燥成分の５０％以上が有機物であり、脱水→乾燥→焼却の工程を経て、処分されている汚泥が対象である。該汚泥は水分含量７０％以上であり、親水有機物を多く含むため、結合水として含水している場合が多い。このため、乾燥に蒸発潜熱以上のエネルギー供給が必要となる傾向がある。

本発明で用いる高圧条件とは、５Ｍｐａ以上１００Ｍｐａ以下である。これは、５Ｍｐａ以上で加水分解反応性を有する水蒸気が得られるためである。また、１００Ｍｐａ以上では、水蒸気が亜臨界に達し、加水分解性よりも強力な溶媒性を示すため適さない。

本発明で用いる高温度とは、１５０℃以上３００℃以下である。これは、１５０℃以上で、加水分解反応を開始するため及び、汚泥中の水分が蒸発し、必要な圧力に達するためである。３００℃以上では、水の臨界条件となり、溶媒性のみとなるため適さない。

本発明で汚泥を高温、高圧にするための熱の供給方法は、加熱空気である。バーナーもしくは蒸気によって加熱された空気を汚泥が封入された耐圧容器内に導入することにより、汚泥を所定の温度及び圧力まで上昇させることが好ましい。加熱空気を用いることにより、汚泥の水分が有効に加水分解反応に利用される。また、未反応の水分蒸発にも有効である。

本発明における乾燥時間は、加水分解反応時間として、３０分以上１２０分以下、加水分解物乾燥時間として、３０分以上が好ましい。加水分解反応時間、乾燥時間ともに、汚泥の含水率に依存する。含水率が高ければ、反応時間、乾燥時間ともに長くなる傾向がある。

本発明では、汚泥の加水分解反応終了後、耐圧容器を減圧する過程において、大量の水蒸気が放出される。放出された水蒸気を冷却し、排水として、処理し、処理水を冷却水として再利用する。

本発明で発生する乾燥汚泥は、水蒸気による加水分解及び酸化反応による熱分解を受けているため、初期の汚泥に比較して、低分子化されている。また、分子末端が水酸基あるいはカルボン酸基であるため、高い燃焼性が期待できる。含水分量が低く、且つ燃焼性が高いため、助燃材としての用途が可能である。

本発明において、汚泥中の水分は加水分解反応により、汚泥分子中に組み込まれる。即ち、水分が水としての性状ではなく、水素分子と水酸分子に分解し、汚泥分子中に取り込まれることになる。この状態では、蒸発潜熱も発生せず、少量の外部供給エネルギーで汚泥を乾燥することが可能となる。

本発明における汚泥乾燥の熱源は、外部から供給された加熱空気である。と同時に、被乾燥物が化学反応（汚泥と水分とが反応して起こる加水分解反応及び汚泥と酸素と反応して起こる酸化分解反応）から発生する化学反応熱も乾燥熱源となっている。これらの反応は基本的に発熱反応であり、供給熱源以上の熱量を発生する場合もある。これらの反応熱を乾燥に利用することによって、汚泥自らが発する熱で汚泥を乾燥することが可能となる。このため、外部から汚泥乾燥のために供給するエネルギーは大幅に節約できる。

以上述べてきたように本発明は、従来行われてきた水分を蒸発させて乾燥させるという概念とは全く異なる概念、即ち、化学反応を行わせ、その反応熱を利用した汚泥の乾燥方法である。このため、汚泥の水分を蒸発させるために必要な大量の供給エネルギー（蒸発潜熱）を軽減し、得られた汚泥乾燥物の燃焼性も向上する乾燥方法である。更に、本発明で得られた汚泥乾燥物は、エネルギー燃料源を海外に依存する日本に於いて、代替燃料として重要な役割を果たすものと考えられる。

以下本発明の実施形態を図に基づいて詳しく説明する。図１は本発明の実施におけるフローを示したものである。

脱水処理された汚泥は汚泥貯蔵サイロ１に貯蔵する。サイロより加水分解乾燥機２にスクリュープンプで所定量（加水分解乾燥機２の処理容量分）注入する。汚泥注入の際、汚泥攪拌機２−２を回転させ、汚泥が加水分解乾燥機２全体に均等に注入されるようにする。

汚泥注入終了後、汚泥投入口２−１上部の耐圧蓋を閉める。ボイラー４より供給される蒸気を、空気加熱器５及び加水分解乾燥機２のジャケット部に導入し、所定温度（２５０℃）に加温する。

コンプレッサー３より所定の加圧空気（０．７８ＭＰａ）を空気加熱器５に導入する。加熱された（２５０℃）の空気を加水分解乾燥機２に導入する。

加水分解乾燥機２内温度が２５０℃に達したら、調圧弁１１の圧力を３Ｍｐａに調整する。次いで、調圧弁１２の圧力を調整し、加水分解乾燥機２の内部圧力を２Ｍｐａ、２５０℃になるようにする。

加水分解乾燥機２に注入された汚泥は、２５０℃に加温され、水分蒸発が開始する。水蒸気により、加水分解乾燥機２内部の圧力は上昇し、所定の圧力、温度（２Ｍｐａ、２５０℃）となる。所定圧力以上に上昇した余剰の水蒸気は、調圧弁１２から蒸気冷却器６に放出される。

汚泥攪拌機２−２を回転させながら、所定の圧力、温度（２Ｍｐａ、２５０℃）を３０分間から１時間保持する。この間に、水蒸気は汚泥と加水分解反応を起こし、化学反応乾燥が開始する。

化学反応乾燥が終了後、調圧弁１２の圧力を３０分間かけて下げ、余剰の水蒸気を蒸気冷却器６に開放する。開放中、調圧弁１１を開放し、加熱空気を加水分解乾燥機２に送り込む。これにより、汚泥の酸化熱分解反応を起こさせる。と同時に、汚泥中の水分を蒸発、乾燥させる。この間、加水分解乾燥機２内部では、汚泥が化学反応熱を発生するため、所定温度維持に必要な外部エネルギーの供給は極めて低い。このため、ボイラー４やコンプレッサー３の稼働率は通常の乾燥に比べ、はるかに低くなる。

調圧弁１２の開放により、加水分解乾燥機２内の圧力を常圧にする。さらに、余剰の水分を常圧化で加熱空気により乾燥させ、化学反応乾燥工程は終了する。工程終了後、加水分解乾燥機２の汚泥乾燥物搬出口２−３を開け、汚泥攪拌機２−２を回転させる。汚泥乾燥物は、汚泥攪拌機２−２に押し出され、汚泥乾燥物搬出口２−３より加水分解乾燥機２外へ放出される。

蒸気冷却器６に導入された水蒸気は、冷却水により冷却される。冷却された水蒸気は、凝集し、水に戻る。この際発生した水には、汚泥の加水分解によって生じた水可溶性低分子や高圧を開放したことで共に放出された汚泥微粉が混入している。このため、冷却によって生じた水は、不純物の混入した廃液である。この廃液は凝集直後であるため、高温であり、且つ乾燥前の汚泥の性状に依存して、様々な物質を混入している。

発生した廃液は、廃液沈殿槽７に導入される。廃液沈殿槽７内で凝集剤を用い、固液分離及び廃液の２次冷却を行う。この際、沈殿した汚泥については、微量オゾンを廃液中に溶解し、オゾンにより活性化された微生物含有活性汚泥を用いて、汚泥の減容化を行っている。また、固液分離した廃液については、廃液浄化槽８に導入される。

廃液浄化槽８の導入された廃液は、廃液が溶解している成分に従い、最適の方法で処理される。ＭＯ膜、凝集沈殿等の方法を組合せ、冷却水、ボイラー水として使用可能な中水レベルに浄化された処理水は、処理水貯水槽９の蓄えられる。

処理水貯水槽９に蓄えられた処理水は、ポンプで蒸気冷却器６に送られ、水蒸気の冷却水として再利用される。また、ボイラー４の熱交換用水としても再利用される。余剰の処理水については、オーバーフローとして、排水基準まで浄化し、外部に放出される。

汚泥の加水分解や酸化分解反応によって発生した低分子化合物は加水分解乾燥機２から排出される水蒸気に溶解し、臭気の原因となる。また、汚泥サイロには汚泥が本来含有している低分子化合物があり、臭気の原因となっている。これら臭気原因物質は、それぞれの発生源から配管により集められ、排気脱臭器１０を通して屋外に排気される。

汚泥乾燥工程において、最も臭気原因物質を発生する場所は、汚泥貯蔵サイロ１、廃液沈殿槽７、廃液浄化槽８である。そこで、これらの場所を排気配管でつなぎ、排気脱臭器１０を通してファンで吸引し、屋外に排気する。

以上の汚泥乾燥工程で得られた汚泥乾燥物は、水分含量２０％前後であった。また、燃焼カロリーは約８，０００ｋｃａｌ／ｋｇと高く、補助燃料として好適であると考えられる。

本発明における汚泥乾燥実施例のフロー図

符号の説明

１、汚泥貯蔵サイロ
２、加水分解乾燥機
２−１、汚泥投入口
２−２、汚泥攪拌機
２−３、汚泥乾燥物搬出口
３、コンプレッサー
４、ボイラー
５、空気加熱器
６、蒸気冷却器
７、廃液沈殿槽
８、廃液浄化槽
９、処理水貯水槽
１０、排気脱臭器
１１、調圧弁
１２、調圧弁

Claims (5)

1. 下水処理過程で発生する下水汚泥や食品工場の排水処理工程で発生する汚泥（以下汚泥という）を乾燥する工程において、該汚泥を高圧、高温下におくことにより、該汚泥が含有する水分を高圧蒸気化し、該蒸気を用い、該汚泥を加水分解し、かつ酸素を用い、酸化分解する事により、該加水分解反応熱及び酸化分解反応熱を用いて該汚泥を乾燥する方法及び、該汚泥を該工程で乾燥することにより得られる乾燥物。
2. 該乾燥工程において、乾燥工程終了後減圧する際に発生する大量の排液及び排気を浄化設備導入後、該乾燥工程内に再利用することを特徴とする請求項１の方法。
3. 該加水分解における圧力が５Ｍｐａ以上１００Ｍｐａ以下であり、温度が１５０℃以上３００℃以下である請求項１の方法。
4. 該汚泥を加熱する方法が加熱乾燥空気を用いることを特徴とする請求項１の方法。
5. 該乾燥物の水分含有量が２５％以下であり、該汚泥に比較して加水分解及び酸化分解されることにより、低分子化していることを特徴とする請求項１の乾燥物。

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