(57)【要約】【課題】簡単な方法で効率良く減量が図れる有機性汚泥の処理方法の提供を目的とする。【解決手段】下水処理場で発生（排出）した下水汚泥等の有機性汚泥を遠心脱水機や加圧フィルター脱水機等を用いて機械的に含水率６０〜８０％まで簡易脱水した有機性汚泥を酸素富化条件下で燃焼させる。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性汚泥を酸素富化条件下で燃焼させることを特徴とする有機性汚泥の減量処理方法。
【請求項２】
有機性汚泥が含水率６０〜８０％の高含水汚泥であることを特徴とする請求項１記載の有機性汚泥の減量処理方法。
【請求項３】
有機性汚泥が産業廃棄物であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の有機性汚泥の減量処理方法。
【請求項４】
有機性汚泥が下水処理場から排出されたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の有機性汚泥の減量処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば下水処理場で発生する有機性汚泥の処理方法に関し、特に無臭にて効率良く燃焼減量出来る処理方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
近年、下水道普及率の増加に伴い汚泥発生量が増加する傾向にあるが、最終処分場等の不足のため、下水汚泥の溶融処理による減量化処理技術が注目されている。
脱水汚泥などの有機性汚泥は含水率が７０〜８０％程度あり、固体中に含まれる水分の蒸発潜熱が大きいため、空気中ではこのまま燃焼させることは困難である。
【０００３】
そこで、例えば特開２００２−１９２１９６号公報（特許文献１）には、脱水汚泥を低圧下で乾燥させた後に燃焼処理する技術が開示されている。
【０００４】
しかし、乾燥工程を経ることはエネルギー的に無駄が多く、場合によっては臭気も発生する恐れが高い。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１９２１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記技術的背景に鑑みて、簡単な方法で効率良く減量が図れる有機性汚泥の処理方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは下水処理場にて発生した有機性汚泥を機械的に脱水した、含水率が６０〜８０％の脱水汚泥を用いて予備分析、予備実験後に各種雰囲気で燃焼実験調査した結果本発明に至った。
実験方法及び解析結果については後述するとして、まず結論を先に述べると下水処理場で発生（排出）した下水汚泥等の有機性汚泥を遠心脱水機や加圧フィルター脱水機等を用いて機械的に含水率６０〜８０％まで簡易脱水した有機性汚泥を酸素富化条件下で燃焼させるものである。
ここで、酸素富化条件下とは高含水の有機性汚泥を加熱すると水性ガスが発生することが明らかになり、この発生した水性ガスが燃焼するのに必要な量以上の酸素が供給される条件下をいう。
【０００８】
本発明は下水処理場から採取した脱水汚泥の調査に基づきなされたが、燃焼における反応モデルの解析から含水率が高い多くの有機性汚泥に適用出来ることが明らかになった。
従って、各種工場や施設から排出される、比較的含水率の高い有機性の産業廃棄物の減量処理にも適用できる。
【０００９】
（予備調査）
石川県にあるＡ下水処理場から採取した脱水汚泥を実験に使用した。
汚泥の含水率は７４％であった。
乾燥させた脱水汚泥の工業および元素分析値を図１（表１）に示す。
汚泥中の固定炭素は５．６％と少なく、殆どが揮発分である。
また、灰の分析結果を図２（表２）に示すが、灰中には鉄、リン、亜鉛（腐敗防止剤）が多く含まれている。
【００１０】
脱水汚泥の燃焼実験は、次のように行った。
脱水汚泥を直径約１５ｍｍの球にしグラファイト製皿にのせ、９００℃および１３００℃に設定した電気炉に瞬時に入れて燃焼させ、そのときの重量および形状変化を測定した。
雰囲気は窒素、空気及び酸素雰囲気である。
また、反応途中で試料を採取し、灰および溶融スラグのＳＥＭ−ＥＤＳ分析、ＸＲＤおよびＸＲＦ分析などを行った。
【００１１】
（予備調査の実験結果および考察）
図３には窒素雰囲気下、１０℃／ｍｉｎの昇温速度で８００℃まで脱水汚泥を加熱したときの熱分析結果を示す。
１２０℃でほぼ脱水が終わり、窒素雰囲気では４００℃で揮発分の放出がほぼ終了した。
一方、図４に示す空気雰囲気では、３００℃以上から燃焼反応が始まり、４５０℃で燃焼がほぼ終了し、このように乾燥した汚泥の燃焼性は非常に良いことがわかる。
【００１２】
図５には９００℃酸素雰囲気下で半乾燥させた脱水汚泥（含水率１０％）の燃焼時の概観写真を示す。
写真からわかるように、燃焼は表面から徐々におこり、２４０秒付近から溶融した灰が表面に粒状溶融物を形成しながら燃焼が進行した。
反応は未反応核モデルに近く、反応初期では汚泥の中心部分は湿潤固体のままであるが、反応の進行とともに内部も徐々に乾燥した。
脱水汚泥表面に粒状溶融物を形成したのは、９００℃では酸素燃焼条件のみで、１３００℃では窒素、空気および酸素の全条件で認められた。
【００１３】
図７には含水率７４％脱水汚泥を燃焼させたときの反応率変化を示す。
９００℃では、酸素、空気、窒素雰囲気の順に燃焼速度が遅くなり、窒素雰囲気では、未反応の炭素が残留した。
しかしながら、図８に示すように、１３００℃では窒素雰囲気における分解速度も大きく、しかも未反応炭素がほとんど残らなかった。
この理由として、下水汚泥は揮発分が多いことに加え、粒子内部からの水蒸気の発生による水蒸気ガス化反応（Ｈ２Ｏ＋Ｃ＝Ｈ２＋ＣＯ）がおこったためと考えられる。
このことから、脱水汚泥においても外部から熱が供給されるのであれば、十分に速い速度で燃焼・ガス化反応がおこることが明らかになった。
この反応モデルを図６に示す。
【００１４】
図９には粒子の収縮率と反応率との関係を示すが、脱水汚泥の燃焼の特徴としては、粒子内部に水分を含むため粒子内部での揮発分の揮発化がおこりにくく、粒子表面のみで燃焼がおこっている。
そのため、反応率が高くなってもあまり粒子径が小さくならない傾向にある。
比較のため、未反応核モデルの表面反応律速より粒子径が変化する場合の粒子径と反応率との関係を併示する。
【００１５】
（反応モデルの解析）
気固反応は一般に、Ａ（ｇ）＋ｂＢ（ｓ）→ｃＣ（ｇ）＋ｄＤ（ｓ）       （１）
と表され、固体成分Ｂが消費されてガス状生成物Ｃあるいは固体状生成物Ｄが生成する。
反応過程をモデル化すると、粒子の全域で反応が進行する全域反応モデル、粒子内の界面において反応が起こり、その反応界面が内部に向かって移動する未反応核モデルに大別できる。
未反応核モデルにおいても、粒子内部に未反応の部分が（未反応核、unreacted core）存在し、本ケースのように粒子外表面でのみ反応が起こり、しかも生成物層を形成せずに粒子径が反応に伴い減少する場合がある。
反応の進行に伴い粒子径が減少するため、ガス境膜の物質移動抵抗が変化することを考慮する必要がある。
単一粒子の物質移動係数ｋｃは、次のＲａｎｚ−Ｍａｒｓｈａｌｌの式によって算出される。
Ｓｈ＝２．０＋０．６Ｓｃ１／３・Ｒｅｐ１／２                          （２）
ここで、ＳｈはＳｈｅｒｗｏｏｄ数、ＲｅｐはＲｅｙｎｏｌｄｓ数、ＳｃはＳｃｈｍｉｔ数と呼ばれる無次元数である。
ｋｃ ∝１／ｒ                                                         （３）
ここで、ｋｃとｒとの関係は近似的に
ｋｃ＝ｋｃｏ／ξｎ                                                    （４）
のように表現する。
ここで、ξ＝ｒ／Ｒであり、ｋｃｏは反応開始時の粒径Ｒに対する物質移動係数である。
低Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数領域ではｎ＝１、高Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数領域ではｎ＝１／２となる。
ここで、粒子径が小さくｎ＝１が成立し、表面反応がガス成分Ａに対して１次反応として解析した結果、燃焼完結時間は粒子密度や粒子半径に比例し、反応する気体の濃度に反比例することになる。
【００１６】
図１０には、酸素雰囲気下で、脱水汚泥を順次溶融し、その溶融液の中に汚泥を投入した外観変化を示す。
投入後、１分後には、表面に粒状物が発生し、表面に粒状物を生成しながら小さくなり、
４分あまりで消滅した。
このように、溶融液の中に、次々と汚泥を投入するだけで、爆裂等を起こさずに穏やかに燃焼減量し、融液になることが分かる。
また、燃焼時の炎には殆ど色が無く、無臭であった。
図１１には、灰の未溶融部分と溶融した部分の断面のＳＥＭ写真を示す。
粒状溶融物は汚泥粒子の燃焼部分で形成されている。
同図にはＥＤＳで分析した結果を示すが、溶融した灰に鉄元素が濃縮される傾向が認められる。
一方、リン濃度は粒子全体で概ね均一であった。
化合物としては、図１２に示すように、Ｃａ９Ｆｅ（ＰＯ４）７，Ｃａ１９Ｆｅ２（ＰＯ４）７，Ｆｅ２Ｏ３，Ｋ−Ａｌ−Ｆｅ−ＰＯ４などがＸＲＤより検出され、汚泥燃焼中にカルシウムの一部が鉄と置換したリン酸カルシウムに変化することが明らかになった。
【００１７】
このように、脱水汚泥を各種雰囲気で燃焼させたところ、汚泥粒子は粒子内部から水分が蒸発しながら表面から徐々に燃焼することが明らかになった。
酸素富化条件では粒子表面温度が高くなるため、灰粒子が溶融して球形に変化した。    溶融粒子の組成は、バルクの灰組成とほぼ同じであったが、カルシウムの一部が鉄と置換したリン酸カルシウムに変化した。
【発明の効果】
【００１８】
本発明においては脱水汚泥を酸素富化条件下で燃焼させると、粒子表面温度が高くなり灰粒子が溶融して球形に変化し、粒子内部から水分が蒸発しながら表面から徐々に燃焼する。
これは、粒内炭素分と水蒸気が反応し、一酸化炭素と水素との混合ガス（水性ガス）になり、それが酸素下で燃焼するためと推定される。
従って、有機性汚泥の燃焼が効率良く進行し、減量率が高い。
また、省エネルギー化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】乾燥汚泥の分析値を示す。
【図２】灰の化学分析値を示す。
【図３】窒素雰囲気下でのＴＧ−ＤＴＡ分析結果を示す。
【図４】空気雰囲気下でのＴＧ−ＤＴＡ分析結果を示す。
【図５】酸素雰囲気下での脱水汚泥の燃焼外観の変化を示す。
【図６】脱水汚泥の燃焼モデル例を示す。
【図７】９００℃における反応率の経時変化を示す。
【図８】１３００℃における反応率の経時変化を示す。
【図９】粒子の収縮率と反応率との関係を示す。
【図１０】含水率７４％の脱水汚泥の溶融経過を示す。
【図１１】灰の未溶融部分と溶融部分のＳＥＭ−ＥＤＳ分析結果を示す。
【図１２】燃焼灰のＸ線回析結果を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図９】
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【図１２】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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