(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状有機性汚泥から、固形分濃度が高い濃縮液と、固形分濃度が低い又は固形分を実質的に含まない希薄液を得る濃縮工程と、該濃縮工程で得られた希薄液中に含まれる油状物質と水とを分離する油水分離工程と、該濃縮工程で得られた濃縮液と該油水分離工程で得られた油状物質とを燃焼炉内で燃焼させる燃焼工程と、該油水分離工程で得られた分離水を燃焼炉内に噴出させ、該分離水中に含まれる有機物を酸化分解させる酸化分解工程からなることを特徴とする液状有機性汚泥の処理方法。
【請求項２】
該液状有機性汚泥が、有機性汚泥を脱水処理し、当該脱水汚泥を高温高圧処理して得られたものである請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水に代表される有機廃水の生物処理装置から発生する余剰汚泥等の有機性汚泥の処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
代表的な有機性汚泥である下水汚泥は、全国で年間約５０００万ｍ3（濃縮汚泥基準：含水率９８％）という莫大な量であり、年々増加の傾向にある。一般に下水汚泥等の有機性汚泥は、水分とともに蛋白質、脂肪及び炭水化物等の有機物を多量に含むため、腐敗しやすく、悪臭防止及び公衆衛生の観点より、安定化・無害化・減容化が必要とされている。大都市の多くの下水処理場においては、埋立地確保の困難性などの観点より、汚泥を燃焼処理することが行われている。
特開平５−３３７４９７号公報によれば、有機性汚泥の燃焼処理に際し、有機性汚泥をあらかじめ高温高圧処理して液状化物となした後、この液状化物を燃焼処理する方法が提案されている。この方法によれば、有機性汚泥は流動性の良い液状化物として燃焼炉に供給されることから、その燃焼処理に際しては、燃焼効率の良い噴霧燃焼法を採用することができ、燃焼炉が小型化できるとともに運転判断が容易になるという利点がある。
また本出願人等は、先に液状有機性汚泥をバーナで噴霧燃焼させ、火炎の少なくとも一部を無機物の溶融温度以上に維持して無機物を溶融させる方法を提案（特開平７−３５３１８号）した。
【０００３】
しかし、液状有機性汚泥の含水率が高い場合には、含水率基準の低位発熱量が低く、燃焼時の火災温度が低くなるために、火災の形成が困難になるとともに、汚泥中に含まれている無機物の溶融が起らないか又は不十分であるという問題がある。
有機性汚泥中に含まれている無機物の溶融が不十分なときには、得られる灰分は、嵩高いものとなる上、その中に含まれている重金属分が溶出しやすくなり、その灰分を埋立て処理したときに、その重金属分が溶出し、環境汚染を生じるおそれがある。
【０００４】
本発明者らは、先に、液状有機性汚泥を燃焼処理するに際し、火炎温度を高めて無機質を安定溶融させるために、液状有機性汚泥を濃縮し、この濃縮物を燃焼する方法を提案した（特開平７−３０５８２２号）。
この方法の濃縮工程においては、固形分濃度が低い又は固形分を実質的に含まない希薄液が得られるが、この希薄液も、それに含まれる有機物を酸化分解させるために、燃焼炉内に噴霧される。
しかしながら、このような希薄液中の有機物の酸化分解においては、希薄液中に含まれる油状物質が酸化分解を生じにくいものであるため、不完全酸化分解して一酸化炭素を多く生成し、排ガス中の一酸化炭素濃度が増加し、排ガス性状が悪化するという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は液状有機性汚泥を濃縮処理する際に得られる固形分濃度が低い又は固形分を実質的に含まない希薄液を、燃焼炉内に噴出させる方法において、その希薄液中に含まれる油状物質の不完全酸化分解による排ガス性状の悪化の問題を解決することをその課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明によれば、液状有機性汚泥から、固形分濃度が高い濃縮液と、固形分濃度が低い又は固形分を実質的に含まない希薄液を得る濃縮工程と、該濃縮工程で得られた希薄液中に含まれる油状物質と水とを分離する油水分離工程と、該濃縮工程で得られた濃縮液と該油水分離工程で得られた油状物質とを燃焼炉内で燃焼させる燃焼工程と、該油水分離工程で得られた分離水を燃焼炉内に噴出させ、該分離水中に含まれる有機物を酸化分解させる酸化分解工程からなることを特徴とする液状有機性汚泥の処理方法が提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明において被処理原料として用いる有機性汚泥としては、通常の下水処理場から排出される下水汚泥や各種の有機性廃水の生物処理装置から排出される余剰汚泥等が包含される。
本発明における液状有機性汚泥としては、脱水前の比較的水分含有量の多い有機性汚泥も処理の対象物となるが、当該水分含有量の多い有機性汚泥を一旦脱水して得られる脱水汚泥を、１５０℃以上の温度及びその温度の飽和水蒸気圧以上の圧力の条件下に保持することにより得られる液状有機性汚泥が好ましい対象物となる。上述した有機性汚泥の脱水は、通常、機械脱水（真空脱水、加圧脱水、ベルトプレス脱水及び遠心脱水）が用いられるが、特に制約されない。ただし、脱水前の有機性汚泥には汚泥調質薬品の添加が望ましく、特に、高分子凝集剤の添加が有利である。従って、脱水方式に関しても、高分子凝集剤の添加に適しているベルトプレス脱水か遠心脱水が望ましい。この有機性汚泥の脱水は、得られる脱水汚泥の含水率が６０〜９０重量％、好ましくは７０〜８０重量％の範囲になるように行うのがよい。
【０００８】
脱水汚泥を液状化物に転換させるには、脱水汚泥を１５０℃以上、好ましくは２００〜２５０℃の反応温度と、その反応温度における飽和水蒸気圧以上の圧力、例えば、反応温度が２００℃の場合、１６ｋｇ／ｃｍ2（絶対圧）以上の反応圧力の条件下に保持すればよい。脱水汚泥の液状化は、必要に応じ、液状化促進剤としてのアルカリ性物質の存在下で行うことができる。このアルカリ性物質は、脱水汚泥中の固形分に対して、０〜２０重量％、好ましくは０〜５重量％の割合で添加するのがよい。アルカリ性物質としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、ギ酸ナトリウム、ギ酸カリウム等のアルカリ金属化合物や、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム等のアルカリ土類金属化合物等があげられる。脱水汚泥を反応条件下に保持する時間は、対象となる汚泥の種類により異なるが、一般には１２０分以内、通常、０〜６０分である。液状化装置は、間接加熱方式の熱交換器であればよいが、固形状態を呈する汚泥を扱うことから、内部にスクレーパを有する掻面式熱交換器やヘリカル翼を有するスクリュウ型熱交換器の使用が望ましい。また、液状化反応における圧力は、下水汚泥からの水蒸気による自己発生圧を利用することができるが、必要に応じ、例えば、窒素ガス、炭酸ガス、アルゴンガス等を用いて加圧することもできる。
このようにして得られる汚泥液状化物は、非常にすぐれた流動性を有し、ポンプ圧送が充分に可能なものである。
【０００９】
本発明は、前記のようにして得られる液状有機性汚泥を濃縮して、固形分濃度が高い濃縮液と、固形分濃度が低い又は実質的に含まない希薄液を得る濃縮工程と、該濃縮工程で得られた希薄液中に含まれる油状物質と水とを分離する油水分離工程と、該濃縮工程で得られた濃縮液と該油水分離工程で得られた油状物質とを燃焼炉内で燃焼させる燃焼工程と、該油水分離工程で得られた分離水を燃焼炉内に噴出させ、該分離水中に含まれる有機物を酸化分解させる酸化分解工程を含む。
図１に本発明方法のフローシートの１例を示す。図１において、１０３は濃縮装置、１０４は希薄液タンク、１０５は濃縮液タンク、１０６は油水分離装置、１０７は希薄液供給ポンプ、１０８は濃縮液供給ポンプ、１０９は分離水供給ポンプ、１１３は燃焼用バーナ、１１４は燃焼炉、１１５は燃焼火炎、１１６は分離水の噴霧装置を各示す。
図１に示したフローシートに従って本発明を実施するには、液状有機性汚泥はライン１０１を通って濃縮装置１０３に供給され、ここで濃縮液と希薄液とに分離される。濃縮液はタンク１０５に回収され、希薄液はタンク１０４に回収される。
濃縮装置１０３としては、静置分離や遠心分離等の比重差分離を利用した分離装置や、蒸発装置、特に高温高圧の液状有機性汚泥を大気圧のフラッシュタンクに放出して水分を蒸発させるフラッシュ蒸発装置等の従来公知の各種の装置を使用することができる。濃縮液中の固形分濃度は、５〜５０重量％、特に、１０〜３０重量％である。一方、希薄液中の固形分濃度は、１０重量％未満であり、特に、０〜５重量％である。
濃縮液タンク１０５に回収された濃縮液は、濃縮液供給ポンプ１０８、ライン１１０を通ってバーナ１１３に導入される。また、このバーナ１１３には、支燃ガスとしての酸素又は酸素含有ガスがライン１２０を通って導入される。バーナ１１３に導入された濃縮液及び酸素又は酸素含有ガスは、バーナ先端から燃焼炉１１４内に噴霧燃焼され、炉内には燃焼火炎１１５が形成される。
【００１０】
一方、希薄液タンク１０４に回収された希薄液は、希薄液ポンプ１０７によって油水分離装置１０６に送られ、ここで油状物質が分離され、油状物質はライン２１２を通って濃縮液に混合される。一方、油状物質が分離された後の分離水は、分離水供給ポンプ１０９、ライン１１１を通って、噴霧装置１１６に導入され、ここから炉内に噴霧される。炉内に噴霧された分離水は、炉内温度にまで瞬時に加熱され、分離水中に含まれていた有機物は酸化分解される。
【００１１】
油水分離装置は、希薄液を油相（油状物質）と水相（分離水）とに分離し得るものであればどのようなものでも使用可能である。このような装置としては、比重差分離装置や、抽出装置、コアレス樹脂を使用した油水分離装置等を用いることができる。また、希薄液タンクで静置分離を行うだけでも液面に油状物質が浮上するので、油水分離は可能である。
希薄液中には、油状物質が含まれ、その含有量は０．１〜５重量％、特に、０．５〜２重量％であるが、前記油水分離工程においては、この油状物質は分離される。この場合の油状物質の分離度は、分離水中に含まれる油状物質の濃度が１重量％以下、好ましくは０．１重量％以下となるような分離度である。
【００１２】
噴霧装置１１６の数は１個に限らず複数個であってもよい。また、分離水は、噴霧装置により、燃焼炉内の中央部に向けて噴霧させることもできるが、好ましくは炉壁面に向けて噴霧させることができる。炉壁面に向けて噴霧させる場合には、炉壁の温度を下げ、炉壁の耐久性を向上させることができるとともに、炉の中央から噴霧された汚泥の無機物が炉壁に付着することを防止できる。
【００１３】
本発明においては、前記のように、濃縮装置１０３で得られた濃縮液は、油水分離装置１０６で得られた油状物質とともに、バーナ１１３を介して燃焼炉１１４内に噴出され、燃焼される。この場合、ライン１２０を通って支燃ガスとしては、空気、酸素富化空気又は酸素ガスが用いられる。バーナ型式は特に制約されないが、外部あるいは内部混合式２流体噴霧式バーナや低圧空気噴霧式バーナなどの使用が好ましい。
炉内において濃縮液と油状物質の燃焼により生成した燃焼ガスと、分離水中の有機物の酸化分解により生成した分解ガスは、ライン１１７を通って炉外へ排出される。炉外へ排出された高温の排ガスは、熱交換器を通してその排ガスから熱回収を行った後、後段の排ガス処理設備に送り、ここで排ガスに含まれている有害ガスを除去した後、大気へ放出される。
【００１４】
濃縮液の含水率は、濃縮液の発熱量と関係し、濃縮液を噴霧燃焼させた場合の火炎温度とも関係する。濃縮液の含水率を低めることにより、濃縮液の発熱量は増加し、火炎温度も高くなる。例えば、濃縮液を空気燃焼させる場合、濃縮液の低位発熱量が、１２６０ｋｃａｌ／ｋｇ、２１５０ｋｃａｌ／ｋｇ、及び３０５０ｋｃａｌ／ｋｇのときには、その燃焼火炎の最高温度は、それぞれ、１１７０℃、１５２０℃及び１７４０℃となる。また、濃縮液の低位発熱量は、その濃縮液の含水率によって変化し、例えば、無水状態のときの低位発熱量が３９７０ｋｃａｌ／ｋｇである濃縮液は、その含水率が２０重量％、４０重量％及び６０重量％のときには、その低位発熱量は、それぞれ、３０５０ｋｃａｌ／ｋｇ、２１５０ｋｃａｌ／ｋｇ及び１２６０ｋｃａｌ／ｋｇとなる。
なお、濃縮液の低位発熱量は、次式で表わされる。
Ｈ（Ｌ）＝Ｈ（Ｕ）−６００×Ｗ
前記式中、Ｈ（Ｌ）は低位発熱量（ｋｃａｌ／ｋｇ）を示す。Ｈ（Ｕ）は高位発熱量（ｋｃａｌ／ｋｇ）を示し、熱量計で測定される発熱量で、水蒸気が凝縮するときの潜熱を含んだ発熱量である。Ｗは燃焼に際して生じる水蒸気量（ｋｇ）を示す。
燃焼炉内で濃縮液を燃焼させる場合、その燃焼に際して発生する水蒸気は凝縮せずに燃焼ガスとともに外部へ流出するため、水蒸気の潜熱は濃縮液中の固形分（汚泥）の加熱に利用されない。従って、濃縮液の燃焼性の検討に用いる発熱量としては、前記低位発熱量が採用される。
【００１５】
本発明においては、前記したように、濃縮液の含水率は、濃縮工程における有機性汚泥の濃縮率を調節することにより、即ち、濃縮装置１０３の操作条件を調節することにより、コントロールされるが、その場合、濃縮液の含水率は、通常、９０重量％以下、好ましくは７０重量％以下にコントロールするのがよい。
一方、濃縮液は、その含水率が低くなるに従ってその粘度は高くなり、粘度が高くなりすぎると、バーナからの濃縮液の円滑な噴霧ができなくなる。従って、この観点からは、濃縮液の粘度は、回転二重円筒型粘度計で２０℃で測定したズリ速度１０ｓ~1における見掛け粘度で、２０００ｃｐ以下、好ましくは５０ｃｐ以下にコントロールするのがよい。
【００１６】
濃縮液の含水率と粘度とは、相関関係を有することから、濃縮液の含水率を調節することによって、濃縮液の発熱量と粘度の両方をコントロールすることができる。この観点からは、濃縮液の含水率を５０〜９０重量％、好ましくは５０〜７０重量％の範囲にコントロールすることにより、バーナからの噴霧を円滑に行うことができ、しかも汚泥中の無機物の溶融に必要な１２００℃以上、好ましくは１４００〜１５００℃の火炎を形成させることができる。また、逆に、濃縮液の粘度を１０〜２０００ｃｐ、好ましくは１０〜５００ｃｐの範囲にコントロールすることにより、バーナからの濃縮液の噴霧を円滑に行うことができ、しかも汚泥中の無機物の溶融に必要な１２００℃以上、好ましくは１４００〜１５００℃の火炎を形成させることができる。
【００１７】
本発明においては、濃縮液はバーナで燃焼され、その燃焼火炎の少なくとも一部は、汚泥中に含まれる無機物の溶融温度以上の温度に保持される。従って、汚泥中の無機物はその火炎中で溶融され、溶融パウダーとなる。この溶融パウダーは、非常に微細なもので、粒径１０μｍ以下のものが５０％以上を示す。また、その溶融パウダーは無機物の溶融に際しての表面張力の作用により、球形を示す。この溶融パウダーは、燃焼ガスとともに炉外に流出するが、炉外に設置したフィルターや電気集塵機で燃焼ガスから分離回収される。
【００１８】
本発明においては、燃焼火炎の少なくとも一部の温度は前記したように高温に保持する必要があるが、炉全体の温度はそのような高温にする必要がない。本発明の場合、炉壁内表面の温度は５００〜１０００℃であり、炉壁材料として特別のものを使用する必要はなく、また、炉壁内表面温度をこのような低温度に保持することにより、炉内から炉外へ逃散する熱の損失も抑制される。
【００１９】
本発明の場合、火炎１１５は、その少なくとも一部が汚泥中に含まれる無機物の溶融温度以上に保持され、濃縮液の燃焼に際しては、その無機物は溶融される。無機物は、通常、１２００℃以上の温度で溶融することから、１２００℃以上、好ましくは１４００〜１５００℃の温度を有する火炎を形成させればよい。また、このような濃縮液の燃焼においては、炉全体としては７００〜９００℃の温度域となっている。
【００２０】
【実施例】
次に本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
【００２１】
実施例１
有機性汚泥として下水汚泥を選択し、標準活性汚泥法の処理場から排出された混合生汚泥の脱水ケーキを試験に用いた。この汚泥は高分子凝集剤を添加した後、ベルトプレスにて脱水したものである。その代表的な性状は、含水率７８重量％、有機物比７８重量％及び低位発熱量３９４０ｋｃａｌ／ｋｇである。
【００２２】
上記脱水汚泥を連続汚泥液状化装置（処理能力：２５０ｋｇ／ｈｒ）を用いて液状化した。この装置は、圧入装置、反応器（掻面式熱交換器）、減圧バルブ、フラッシュタンク、濃縮液タンク、コンデンサ、希薄液タンク及び熱媒ボイラより構成されており、反応器への熱量は熱媒ボイラにより供給した。
脱水汚泥を圧入装置を用いて８５ｋｇ／ｃｍ2の圧力で反応器に導入し、閉塞防止や伝熱促進のためにスクレーピングを実施しながら約２６０℃まで加熱した。反応温度における滞留時間は、約１０分とした。反応器出口で脱水汚泥は充分に液状となっており、高温高圧状態の液状汚泥を減圧バルブを介して大気圧のフラッシュタンクに放出した。フラッシュタンクでは汚泥中の水分が蒸発し、汚泥の温度は１００℃まで冷却された。有機酸や油状物質等の低沸点成分が水蒸気とともにフラッシュタンクの上部から排出され、コンデンサで常温まで冷却した後、希薄液タンクに貯留した。一方、フラッシュタンクの下部に残った濃縮液はバルブ操作により自動的に排出し、濃縮液タンクに貯留した。
前記の操作により、含水率７８重量％（固形分濃度２２重量％）の脱水汚泥から固形分濃度２５重量％の濃縮液と、固形分濃度２重量％の悪臭を生じる希薄液を得た。
【００２３】
前記のようにして得られた希薄液には、油状物質が１重量％含まれていた。この油状物質は、重質の油状物質であった。
この希薄液は、タンク内で２時間静置して油状物質を液面に浮上させることにより油状物質と分離水とに分離した。浮上した油状物質は回収して濃縮液に混合した。
次に、前記濃縮液１００重量部と油状物質０．４重量部との混合液をスネークポンプを用いて流速１８８リットル／ｈで外部混合型の高圧２流体噴霧バーナへ送り、燃焼炉内に噴霧するとともに、同時に火炎温度保持のために１６リットル／ｈの助燃用の灯油を使用しこれを燃焼させた。この時、燃焼用含酸素ガスとしては３０ｖｏｌ％の酸素を含有する酸素富化空気を使用した。この条件下において混合液は火炎を形成して燃焼し、その燃焼を継続した。火炎燃焼を１時間以上継続したが、この時の燃焼火炎温度は約１５００℃であった。次に、燃焼が安定した時点で、前記で得られた分離水を希薄液タンクの下部から抜き出し、ポンプで流速７５リットル／ｈで燃焼炉内に噴霧し、分離水中の有機物を分解させた。また、排ガスダクト出口にサンプリングプローブを挿入し、溶融パウダーを採取した。この溶融パウダーを顕微鏡で検査した結果、このものは非常に小さな球形を示していた。これは、燃焼火炎中で無機成分が溶融し表面張力で球形になったことを意味している。
また、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を調べたところ、その濃度は０．１ｐｐｍであった。
【００２４】
比較例１
実施例１において、希薄液を分離水の代わりに用いた以外は同様にして実験を行った。
この場合の燃焼排ガスの一酸化炭素濃度を調べたところ、その濃度は１ｐｐｍと高いものであった。
【００２５】
【発明の効果】
本発明においては、液状有機汚泥を濃縮する際に得られる希薄液を油水分離するとともに、その油水分離に際して得られた油状物質はこれを濃縮液との混合物として燃焼炉に噴霧し、燃焼させ、一方、油状物質を除去した後の分離水はこれを燃焼炉内に噴出させ、分離水中に含まれる有機物を酸化分解させる。
このような方法によれば、燃焼炉内に噴出される分離水中には、酸化分解しにくい油状物質が実質的に含まれず、酸化分解の容易な有機物のみが含まれるため、燃焼炉内に噴出された分離水中の有機物の酸化分解は円滑に起こり、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度は低く、放出される排ガスは性状の良好なものである。
また、油状物質を濃縮液に混合することにより、濃縮液の発熱量を高め、補助燃料の使用量を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法のフローシートの１例を示す。
【符号の説明】
１０３  濃縮装置
１０４  希薄液タンク
１０５  濃縮液タンク
１０６  油水分離装置
１０７  希薄液供給ポンプ
１０８  濃縮液供給ポンプ
１０９  分離水供給ポンプ
１１３  バーナ
１１４  燃焼炉
１１５  燃焼火炎
１１６  噴霧装置
【図１】
0003672410.tif 000002