(57)【要約】【課題】活性汚泥の利用方法を提供する。【解決手段】排水の生物学的処理において発生する活性汚泥を、熱処理後に石炭と共に高炉内に気流搬送により吹き込み、また製鉄所から発生する排熱を利用して、熱処理を行う。本発明によれば、排水の生物学的処理施設から発生する余剰の活性汚泥を燃料および高炉原料として有効に利用することが可能となる。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排水の生物学的処理において発生する活性汚泥を、乾燥または熱分解した後、粒径３ｍｍ以下に破砕し、該破砕物を粒径２ｍｍ以下の石炭と共に高炉内へ気流搬送により吹き込むことを特徴とする活性汚泥の利用方法。
【請求項２】
高炉内へ吹き込む活性汚泥中の水分含有量を５０質量％未満とすることを特徴とする請求項１記載の活性汚泥の利用方法。
【請求項３】
活性汚泥を、製鉄所から発生する排熱を利用して乾燥することを特徴とする請求項１または２記載の活性汚泥の利用方法。
【請求項４】
活性汚泥を、酸素含有率１０体積％以下の雰囲気で３００〜１０００℃で熱分解することことを特徴とする請求項１または２記載の活性汚泥の利用方法。
【請求項５】
排水の生物学的処理において発生する活性汚泥を、高炉吹き込み用石炭乾燥粉砕設備へ投入、乾燥し、粒径３ｍｍ以下に粉砕し、石炭との混合を行い、高炉内へ気流搬送によって吹き込むことを特徴とする活性汚泥の利用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排水の生物学的処理施設から発生する余剰の活性汚泥を、製鉄所内の高炉において有効利用するための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排水を生物学的処理によって浄化する際に発生する余剰の活性汚泥（以下余剰汚泥と略す）は、下水道の普及、また排水処理場における窒素、リンの除去等を行う高度処理プロセスの導入等に伴って益々増加する傾向にある。これら余剰汚泥は、現状ではその多くが減容化処理の後、単純に埋め立て処分されている。その際の汚泥の形態としては、脱水処理後、水分含有量８０質量％程度のいわゆる脱水ケーキ、あるいは焼却後の焼却灰として埋め立てられる場合が大半を占めている。
【０００３】
その一方で、埋め立て地の逼迫等の理由によって、余剰汚泥、特に下水処理場から発生する下水汚泥を資源として利用するための検討も近年盛んに行われている。下水汚泥の利用技術としては、脱水、乾燥、あるいはコンポスト化した汚泥を緑農地還元し、肥料として利用する方法、また、汚泥を焼却した後の焼却灰あるいは溶融した後の溶融スラグを建設資材として利用する方法が一般的である。
【０００４】
図４に一般的な下水の生物学的処理フローを示す。余剰汚泥として最終沈殿池１３から抜き出された活性汚泥は、汚泥濃縮機１４によって汚泥濃度を高められた後、凝集剤と共に汚泥脱水機１５へ導入され、水分濃度８０質量％程度の脱水汚泥、すなわち脱水ケーキとして排出される。脱水ケーキは、そのままの状態で埋め立て処分あるいは肥料として緑農地還元などにより有効利用される場合もあるが、その多くは更に補助燃料と共に汚泥乾燥機１６によって乾燥され、汚泥焼却炉１７あるいは汚泥溶融炉１８において石油等の補助燃料と共に燃焼処理され、焼却灰あるいは溶融スラグとして埋め立て処分または有効利用されている。
【０００５】
また、一部のセメント工場においては、水分濃度８０質量％程度の脱水ケーキを直接セメント焼成炉へ投入し、汚泥中の無機成分をセメント原料として利用する方法が報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。更に、特開平５−１１７７２８号公報では、高炉内の溶銑温度の制御等のため水吹込みを行う高炉操業方法において、水吹き込みに伴うコークス使用量を低減することを目的として、製鉄所副産物である活性汚泥スラッジを含有する燃料水を高炉吹き込み水の代替として高炉内に吹き込む方法も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【非特許文献１】
廣田洋二、山崎正康、橋本光一著「セメント・コンクリート」（社）セメント協会、１９９８年、Ｎｏ．６２１，Ｐ．２４
【特許文献１】
特開平５−１１７７２８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図４に示す下水の生物学的処理フローや脱水ケーキを直接セメント焼成炉へ投入するような従来の方法は、いずれも多くの処理設備を伴った工程を必要とするため、設備コスト等のイニシャルコストが莫大なものとなるのは無論のこと、運転の際にも、凝集性が悪い、水分含有量が非常に多い等の汚泥特有の性質をカバーするため、凝集剤および場合によっては凝集助剤などの薬品、補助燃料、電力の使用等に伴う多くのランニングコストが必要不可欠となるという欠点がある。また、補助燃料や電力を消費するということは、省エネルギーの観点からも大いに問題があった。
【０００８】
また、特開平５−１１７７２８号公報に開示された発明は、活性汚泥と水との混合物からなる燃料水を高炉内に吹き込むことが目的であるため、活性汚泥等の燃料比を高くするためには界面活性剤が必要であり、活性汚泥の有効利用という点では実用的ではなかった。
【０００９】
本発明の目的は、余剰活性汚泥を燃料および高炉原料として有効利用する方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は活性汚泥の有効利用方法であって、本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
【００１１】
（１）排水の生物学的処理において発生する活性汚泥を、乾燥または熱分解した後、粒径３ｍｍ以下に破砕し、該破砕物を粒径２ｍｍ以下の石炭と共に高炉内へ気流搬送により吹き込むことを特徴とする活性汚泥の利用方法。
【００１２】
（２）高炉内へ吹き込む活性汚泥中の水分含有量を５０質量％未満とすることを特徴とする前記（１）の活性汚泥の利用方法。
【００１３】
（３）活性汚泥を、製鉄所から発生する排熱を利用して乾燥することを特徴とする前記（１）または（２）記載の活性汚泥の利用方法。
【００１４】
（４）活性汚泥を、酸素含有率１０体積％以下の雰囲気で３００〜１０００℃で熱分解することことを特徴とする前記（１）または（２）記載の活性汚泥の利用方法。
【００１５】
（５）排水の生物学的処理において発生する活性汚泥を、高炉吹き込み用石炭乾燥粉砕設備へ投入、乾燥し、粒径３ｍｍ以下に粉砕し、石炭との混合を行い、高炉内へ気流搬送によって吹き込むことを特徴とする活性汚泥の利用方法。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１７】
製鉄所内の高炉においては、炉頂から焼結鉱およびコークスを投入し、羽口から吹き込まれた高温の酸素富化空気によってコークスが燃焼して発生した還元性ガスを用い、銑鉄を製造している。現在、高価な主燃料であるコークスの使用量を削減するため、羽口から安価な石炭、いわゆる一般炭を微粉状態で補助燃料として吹き込む運転が行われている。一般的な微粉炭の粒径は平均で４０μｍ程度であり、発熱量は６０００〜８０００ｋｃａｌ／ｋｇ程度である。羽口から炉内へ吹き込まれた微粉炭は、まず最初に熱分解反応によって揮発分が放出され、ガス、タール、チャーが生成する。生成したガス、タール、チャーはその後燃焼し、還元性ガスとなり、焼結鉱の還元反応に寄与する。
【００１８】
一方、余剰汚泥は主として微細な微生物や細菌類の集合体であり、乾燥状態においては２０００〜５０００ｋｃａｌ／ｋｇ程度の発熱量を有するため、燃料として利用可能である。しかし、通常の余剰汚泥は脱水後の脱水ケーキの状態であっても、依然として８０質量％程度もの水分を含有しているため、この状態ではたとえ汚泥を高炉内へ吹き込んでも、水分の蒸発潜熱に汚泥自身の持つ発熱量をほとんど消費されるだけであり、実質的に汚泥を補助燃料として用いることは不可能である。従って、汚泥を補助燃料として用いるためには、事前に汚泥を乾燥させることが必要不可欠である。
【００１９】
一般的に汚泥中の水分は、汚泥を形成する微生物や細菌類の細胞中に含有される内部水と、その外部に存在する外部水あるいは自由水に大別されるが、汚泥脱水機によって水分含有量８０質量％程度にまで脱水された脱水ケーキは、既に外部水をほとんど取り去られた状態である。この汚泥中の内部水は、強固な細胞壁で囲まれた状態で存在しているため、外部水と比較して蒸発潜熱を多く必要とするので蒸発しにくいことが知られている。特に内部水を大量に含む汚泥を羽口に吹き込んだ場合、吹き込まれた汚泥の周辺で局所的かつ顕著に温度が低下し、高炉の操業に悪影響を及ぼす羽口付近の炉温の低下が発生する恐れがあるため、高炉内に吹き込む補助燃料として使用する活性汚泥中の水分は、５０質量％未満、より好ましくは１０〜０質量％とすることが望ましい。
【００２０】
現状の高炉吹き込みの補助燃料として用いられている石炭の消費量と余剰汚泥の発生量とを比較した場合、石炭消費量の方が圧倒的に大量であるため、また、低発熱量の汚泥を吹き込むことによる炉内温度の低下を回避し、余剰汚泥と石炭との間の発熱量の差を補う観点からも、余剰汚泥を補助燃料として用いる際には、石炭の一部を余剰汚泥で代替して使用するのが適当である。
【００２１】
先に述べたように汚泥は元来が微細な微生物の集合体であるため、乾燥後の汚泥は粗粉砕を行うだけで容易に微粉化することが可能である。特に、水分含有量を１５質量％以下にまで乾燥させた汚泥は、例えばロールミルのような比較的動力消費量の少ない破砕機を用いただけでも容易に３ｍｍ以下、平均粒径が２００μｍ〜７００μｍ程度の微粉汚泥とすることが可能である。このような微粉汚泥は、現状の微粉炭と同様の搬送設備によって気流搬送により高炉内へ吹き込むことが可能である。
【００２２】
微粉状態となった汚泥が羽口から高炉内へ吹き込まれた場合、同時に吹き込まれた微粉炭と同様に、まず最初に吸熱反応である熱分解反応によってガス、タール、チャーへと分解した後に、それらの燃焼反応が起きる。しかし、微粉炭の熱分解開始温度は、５００〜６００℃、微粉汚泥の場合は、３００〜４００℃であるため、微粉汚泥の熱分解反応は微粉炭よりも低温においても進行し、また熱分解反応が完了するまでに要する時間、微粉炭の場合は２〜５秒、微粉汚泥の場合は２秒以下と短い。従って、微粉汚泥は羽口へ吹き込まれた瞬間に、炉温低下の原因となる吸熱反応である熱分解反応が、同時に吹き込まれた微粉炭とは異なる場所、すなわち羽口直近付近で進行してしまう。それに加え、ある程度含有される微粉汚泥中の水分の蒸発も同じ場所で起きてしまうため、特に大量の微粉汚泥の吹き込みは、通常でも比較的炉温の低い羽口直近付近の更なる温度低下を招く結果となり、高炉の安定操業のためには望ましくない。
【００２３】
この羽口直近付近の炉温低下を防ぐ手段として、本発明者らは微粉汚泥の粒径を制御する方法を見出した。すなわち、高炉内へ吹き込まれる石炭は一般的に粒径２００μｍ以下、平均粒径４０μｍ程度であるため、高炉内へ吹き込まれる微粉汚泥の粒径をこれよりも大きくし、微粉汚泥の熱分解反応速度が遅くなるように制御を行い、微粉炭とほぼ同様の場所において熱分解挙動を起こすように工夫すれば、大量の微粉汚泥吹き込みに付随する羽口直近付近における温度低下を防止することが可能である。本発明においては、乾燥または熱分解した後の活性汚泥の粒径は３ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、１．５〜０．１ｍｍである。
【００２４】
このように粒径制御を行った場合であっても、石炭に混入する汚泥の割合としては、乾燥質量ベースで３０質量％以下とすることが、高炉の操業安定、たとえば生産性の維持、燃料比の維持等の面からは望ましい。
【００２５】
汚泥を乾燥させるための乾燥機としては、熱風乾燥機、気流乾燥機、伝導伝熱乾燥機等様々な形式なものが使用できる。この際、乾燥のための熱源として、石油、重油、灯油等、ＬＮＧ、ＬＰＧ、コークス炉ガス、高炉ガス、転炉ガス等の燃料を使用しても良いが、製鉄所から発生する排熱、すなわち排ガスの顕熱あるいは未利用の低圧スチーム等、現在、有効に利用されていない熱源を利用すれば、エネルギー有効利用の観点から効果的である。なお、排ガスの種類としては、焼結機排ガス、熱風炉排ガス、加熱炉排ガス等が挙げられる。これらの未利用排熱は温度レベルが１００〜４００℃程度のいわゆる中低温排熱である場合が多いため、特に温度レベルが１００〜２００℃程度の低温排熱の場合には、真空乾燥機を汚泥乾燥機として用いるのが望ましい。
【００２６】
以上述べてきたように、汚泥を高炉の補助燃料として用いるためには、出来る限り汚泥中の水分含有量が少なくなるまで乾燥を行うことが望ましい。しかし、汚泥の乾燥過程において、汚泥含水量が約７０質量％以下になった場合、乾燥の進行につれて乾燥速度が低下し、次第に乾燥させにくくなることが知られている。特に、前述したような製鉄所から発生する中低温排熱の乾燥機熱源としての有効利用を想定した場合、汚泥含水量を５質量％未満とするためには、極めて伝熱面積の大きな乾燥機が必要となるため、一般的ではない。
【００２７】
そこで、汚泥を乾燥する代わりに、汚泥を３００〜１０００℃の間の温度で空気を制限した状態で熱分解して生成した汚泥チャーを、乾燥汚泥の代わりに使用しても良い。この場合の汚泥チャーは、水分がほとんど含有されていないのは無論のこと、高炉内へ吹き込まれた場合、羽口付近における炉温低下の原因の一つとなる、熱分解反応に伴う吸熱反応を伴わない。従って、前述した乾燥微粉汚泥の粒径制御を行う必要もなく、大量の汚泥を高炉へ吹き込んだ場合においても操業へ悪影響を及ぼしにくい。この場合の汚泥チャーの製造方法としては、脱水ケーキを、例えば外熱キルンのような緩速昇温タイプの間接熱分解装置において、空気をほぼ遮断した状態で、例えば酸素含有率１０体積％以下、より好ましくは５体積％以下、温度３００〜１０００℃、より好ましくは４００〜８００℃、熱分解時間５〜６０分の条件下で、乾燥と同時に熱分解することによって製造することが望ましい。また、気流層型の熱分解設備を用いて、乾燥粉砕した後の乾燥微粉汚泥を、空気をほぼ遮断した状態、例えば酸素含有率１０体積％以下、より好ましくは１体積％以下で、温度３００〜１０００℃、より好ましくは６００〜９００℃、熱分解時間１０秒以下の条件下で、急速熱分解することによって製造しても良い。いずれの場合であっても、汚泥チャーを製造する際に副生する可燃性の熱分解ガスは、系内において燃料として有効に活用できる。
【００２８】
また、特に、石炭に対して混合する乾燥汚泥の割合が相対的に少なく、より具体的には乾燥質量ベースで１０質量％以下であり、厳密な乾燥汚泥の粒径制御を行う必要がない場合には、既存の高炉吹込み用石炭乾燥粉砕設備中へ直接、活性汚泥やその脱水ケーキを投入する方法が好適である。
【００２９】
この方法を採用すれば、活性汚泥の脱水ケーキを、既存の石炭乾燥粉砕設備へ単に投入するだけで、容易に、乾燥、粉砕、石炭との混合が行われ、新たな汚泥専用の乾燥破砕機等を設置することなく、余剰汚泥を高炉吹き込み用の補助燃料として使用することが可能となる。なお破砕機の活性汚泥は粒径が３ｍｍ以下であり、より好ましくは１．５〜０．１ｍｍである。
【００３０】
本発明で使用する汚泥としては、下水汚泥、産業排水の生物学的処理施設から発生する余剰の活性汚泥、例えばコークス炉排水（安水）処理設備、ステンレス酸洗排水の処理設備、各種食品工場の排水処理設備から排出される余剰汚泥等を用いるものとする。
【００３１】
一般的にこれらの汚泥は極めて不快な臭気を有し、しかも腐敗し易いため、汚泥を脱水ケーキの状態で製鉄所内において長期間保管することは困難である。しかし、乾燥または熱分解した後の乾燥汚泥または汚泥チャーにおいては臭気が低減され、かつ腐敗もしにくい状態となるため、製鉄所内において汚泥を長期間保管することが容易となる効果もある。
【００３２】
なお、高炉内へ吹き込まれる汚泥中には、主として排水処理工程において添加される凝集剤等の無機系添加剤に由来する灰分が乾燥重量ベースで１０〜４０質量％程度含まれる。この灰分中のＦｅ２Ｏ３およびＣａＯは、高炉原料たる焼結鉱中の主要成分であるため、これらの成分を高炉原料として使用することも可能となる。
【００３３】
【実施例】
実施例１
図１に示したフローに従って、本発明を実施した。今回使用した下水汚泥の分析値を表１に示す。なお、この汚泥は下水処理場の脱水機から排出されたものである。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
下水汚泥６２３ｔ／ｄａｙを、焼結機排ガスを熱源とする伝導伝熱式の汚泥乾燥機１において乾燥後、汚泥破砕機２によって粉砕し、１４５ｔ／ｄａｙ、水分含有量５．２質量％、平均粒径３５０μｍの微粉汚泥を得た。
【００３６】
この微粉汚泥はエアヒーター３で加熱された石炭乾燥破砕機４で粒径３ｍｍ以下に破砕された７５６ｔ−ｄｒｙ／ｄａｙの微粉炭と共にフィードタンク５へ送られ、供給装置６によって一定量ずつ切り出し、羽口８より出銑量７０００ｔ／ｄａｙの高炉７内へ導入した。その結果、高炉７の操業に何の悪影響を及ぼすことなく、コークス比５００ｋｇ／ｔで、汚泥を補助燃料として使用可能であった。
【００３７】
実施例２
図２に示したフローに従って、本発明を実施した。今回使用した下水汚泥の分析値を表２に示す。なお、この汚泥は下水処理場の脱水機から排出された脱水ケーキである。
【００３８】
【表２】
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【００３９】
下水汚泥２６５４ｔ／ｄａｙを、汚泥熱分解設備９内で、空気を遮断した酸素：１体積％における還元性雰囲気下、７００℃、３０分間熱分解し、１８１ｔ／ｄａｙの汚泥チャーを得た。汚泥チャーの分析値を表３に示す。
【００４０】
【表３】
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【００４１】
既存の石炭乾燥破砕機４へ石炭８２１ｔ／ｄａｙ、乾燥重量ベースで７３９ｔ−ｄｒｙ／ｄａｙ、および上記の汚泥チャーを１８１ｔ／ｄａｙ投入し、乾燥および粉砕を行った。乾燥、粉砕後の平均粒径４５μｍの汚泥チャーはエアヒーター３で加熱された石炭乾燥破砕機４で粒径３ｍｍ以下に破砕された微粉炭と共にフィードタンク５へ送られ、供給装置６によって一定量ずつ切り出し、羽口８より出銑量７０００ｔ／ｄａｙの高炉７内へ導入した。その結果、コークス比５００ｋｇ／ｔで高炉７の操業に何の悪影響を及ぼすことなく、余剰汚泥を補助燃料として使用可能であった。
【００４２】
実施例３
図３に示したフローに従って、本発明を実施した。今回使用した下水汚泥の分析値を表４に示す。なお、この汚泥は下水処理場の脱水機から排出された脱水ケーキである。
【００４３】
【表４】
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【００４４】
エアヒーター３で加熱された既存の石炭乾燥破砕機４へ８９６ｔ／ｄａｙ、乾燥重量ベース８０６ｔ／ｄａｙの石炭、および２５０ｔ／ｄａｙ、乾燥重量ベース５５ｔ／ｄａｙの下水汚泥を直接投入し、乾燥および粉砕を行い、粒径３ｍｍ以下に破砕した。乾燥、粉砕後、水分含有量６．５質量％の汚泥は微粉炭と共にフィードタンク５へ送られ、供給装置６によって一定量ずつ切り出し、羽口８より出銑量７０００ｔ／ｄａｙの高炉７内へ導入した。その結果、コークス比５００ｋｇ／ｔで高炉７の操業に何の悪影響を及ぼすことなく、余剰汚泥を補助燃料として使用可能であった。
【００４５】
【発明の効果】
本発明により、排水の生物学的処理施設から発生する余剰の活性汚泥を燃料および高炉原料として有効に利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明の活性汚泥の利用方法の一例を示す。
【図２】は、本発明の活性汚泥の利用方法の一例を示す。
【図３】は、本発明の活性汚泥の利用方法の一例を示す。
【図４】は、一般的な下水の生物学的処理に関するフローシートである。
【符号の説明】
１…汚泥乾燥機
２…汚泥破砕機
３…エアヒーター
４…石炭乾燥破砕機
５…フィードタンク
６…供給装置
７…高炉
８…羽口
９…汚泥熱分解設備
１０…沈砂池
１１…最初沈澱地
１２…曝気槽（活性汚泥処理槽）
１３…最終沈澱地
１４…汚泥濃縮機
１５…汚泥脱水機
１６…汚泥乾燥機
１７…汚泥焼却炉
１８…汚泥溶融炉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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