下水汚泥処理における温室効果ガス排出削減技術の検討
環境システムコース
１．はじめに環境経済システム学

佐藤哲(#26645)

ジン(以降、GE：400kW 規模)に投入してメタン発電した場合を考えることにし、エンジン排熱も回収して消下水処理の現状について消費エネルギーの観点から化槽加温に利用することとした (従来法：System1)。

見ると、そこでの電力使用量は全国の電力使用量の約

さらに固液分離設備とオゾン処理を加えた場合を0.6%を占めている。また汚泥焼却等において重油等のSystem2(図 1)、乾燥機と熱分解炉を付加したものを化石燃料が使用されていることなどと併せ、処理シスSystem3 とし(図 2)、3 つのシステムを設定した。
表 1 システム設定

テム自体が大きな温室効果ガスの排出源のひとつとなっているといえる。他方、年々増加する下水汚泥発生量は平成 12 年度には 198 万 DS-t(乾燥重量)に達し、内 37%は埋立処理されており、廃棄物問題としての課題も大きい。さらには費用の面でも、汚泥埋立にかか

System1
従来法嫌気性消化発電
System2 オゾン処理法 System1 + オゾン処理
System3
熱分解法 System1 + 熱分解処理

焼却あり焼却あり焼却なし

2.2 オゾン処理システムについてる費用は活性汚泥法における曝気槽処理費用(浄水部下水汚泥からのエネルギー回収と汚泥減量化の促進分)と薬品費を考慮した全体の処理費の 60%を越え、自が期待されるオゾン処理技術に注目する。オゾン処理

治体財政に大きな負担を与えている。

では、消化汚泥の一部を生物酸化して生物分解性を高

本研究では下水処理の過程で発生する汚泥をエネルめ、再び消化槽に返送することで、槽内の汚泥濃度がギー源として再利用することで、廃棄物発生量および高く、汚泥滞留時間が長くなるため、VSS(揮発性浮遊消費エネルギーの削減を図る。また、回収エネルギー物質)の消化率が向上し、消化ガス回収量が増加する 1)。の利用方法や、システム全体の稼動運用方法について、 さらに消化汚泥の VSS/SS 比(浮遊物質中に占める揮時間帯を考慮した商用電力利用の最適化を図る。

発性=有機性物質の割合)の低下に伴い、脱水ケーキの含水率が低下し、量の減少も見られる。その影響で、２．評価システムの設計

脱水ケーキの焼却時に必要となる重油の使用量も減少

2.1 嫌気性消化発電システム（従来法）する。一方で、オゾン処理法の問題点として、電力多N 浄化センター(処理人口 12 万人、処理能力 96,800

消費型プロセスであり、1kg のオゾンを製造するのに、㎥/日)内に設置した嫌気性消化試験装置を用いて様々14.9kWh(オゾン 9kg 製造時)消費する。トータルなエな条件下で連続試験をおこない、施設の運転条件を変ネルギーの収支を見る上で、これらのトレードオフのえた場合の消化率を予測できる嫌気性消化のプロセス関係に注目して分析を進めた。

モデルを作成した。それを利用し、オゾン処理設備付設による消化率向上や、熱分解処理付設による発電量の増加、稼動施設の運用時間帯を最適化することによ

水処理プロセス(評価対象外)

流入下水
最初沈殿池

曝気槽
遠心濃縮機

重力濃縮槽

る効果等を検証する。
モデル作成にあたり、水処理部分については除外し、汚泥貯留槽

下水汚泥処理部分を対象とした。以下、下水汚泥処理モデルのフローについて解説する。水処理プロセスより排出された最初沈澱汚泥、余剰汚泥はそれぞれ、重力濃縮槽、遠心濃縮処理を経由して嫌気性消化槽に導入されると、ガス攪拌によって混合される。汚泥は槽最終沈殿池

最初沈殿汚泥オゾン処理
消化ガス発電返送汚泥

余剰汚泥

固液分離設備
：処理水

汚泥消化槽
遠心脱水機

消化ガス

汚泥焼却炉

焼却灰

電力･熱

図 1 オゾン処理システム(System2)

内で 52 日間滞留した後に排出され、脱水機によって脱水される。搬出される脱水ケーキの内 2/3 は処分業者

2.3 熱分解システムについてに受け渡され、他の下水処理設備から搬出された脱水

従来の嫌気性消化では回収しきれない残留有機分をケーキとともに焼却される。残りの 1/3 は、隣接する取り出す方法として、排出される消化汚泥に熱処理をゴミ焼却施設において混合焼却されることとした。

加えて可燃性ガスの回収を図る熱分解処理がある。得

また嫌気性消化槽から発生する消化ガスはガスエンられたガスは消化ガスと混合してガス発電に利用する。

オゾン処理法と比較すると電力消費は少なくて済むが、 必要熱量は、最大となる 3 月の実設備運用データより、水分を多く含む汚泥を乾燥させ、ガス化するまで温度1 日 6618Mcal となり、これは GE 排熱で十分賄うことを上げていく必要があるため、必要熱量が大きくなる。 ができるため、利用しきれなかった余剰分は損失分とただし一方で、従来法、およびオゾン法においては消して考える。

化槽加温にしか利用されておらず余剰分として捨ててSystem3 は多熱量消費型システムであり、GE からいる GE 排熱を汚泥の乾燥に有効利用できるとした。の排熱を最大限利用することを目的にして排熱利用の乾燥機および熱分解炉の設計については文献

2)

を参照

ット冷却水からの回収とに分離し、それぞれ投入熱量されたい。
流入下水
最初沈殿池

水処理プロセス(評価対象外)の 20%、30%が回収可能であるとした。ここで排熱温

曝気槽

度の問題から、冷却水由来の熱量は消化槽加温のみに最終沈殿池

最初沈殿汚泥しか使用できないという制約を設けた。また消化槽加遠心濃縮機

重力濃縮槽

温を冷却水由来の回収熱量のみで賄うことはできない

余剰汚泥：処理水

汚泥貯留槽
汚泥消化槽

汚泥脱水機

ため、一部をボイラによる加温(図表中①)としている。
GE からの排ガスは、重油で稼動する熱分解炉からの排ガスと共に、汚泥乾燥プロセスの補助熱量に利用す乾燥機る(図表中④⑤)。

ガス発電
電力･熱フローを設定した。GE からの排熱を排ガスとジャケ

乾留汚泥

熱分解炉混合ガス

また、GE の日中運転における排熱利用について、乾燥機、消化槽加温への利用の双方ともその影響を受

図 2 熱分解システム(System3)けないものとした。
2.4 排熱利用について各システムにおける排熱利用について図 3 に、熱交換器等の効率を表 2 にまとめて示す。図中破線は燃料ガスの流れを、実線は熱の流れを表す。GE の発電効率は 34%としている。

３．下水処理システムの総合評価
3.1 エネルギーの収支、CO2 排出量に関する評価
汚泥処理設備の運転記録から抽出した各設備の動力原単位をもとに、投入・排出される下水汚泥量、生②交換器

産・消費・回収されるエネルギー(電力、消化ガス、重消化ガス①油、排熱、軽油)、凝集剤投入量を算出した。また、オガスホルダ

混合ガス

ボイラ
消化槽
冷却水

ゾン処理システムでオゾンの副産物として発生する酸素ガスを、下水処理の曝気に利用可能な資源と位置付③交換器GEけた(未反応酸素の利用：図 7、8 参照)。
以下はSystem3のみ

排ガス
④交換器

熱分解ガス

乾燥機

CO２排出量の算出には、環境省発表資料や電力会社へのヒアリングにより得られた原単位を用いた。凝集熱分解炉⑤交換器

剤の原単位には、産業連関表を用いて波及効果を考慮

図 3 ガスおよび排熱利用のフローして算出した CO２負荷原単位を用いている 3)。

表 2 熱交換器等の効率

3.1.1 オゾン発生量変化の影響と熱分解法

各種機器熱源
機器効率 採用システム①消化槽加温ボイラ 消化ガス直接焚き
81%
System3②蒸気加温システム 冷却水+排ガス
34%
System1、2③温水熱交換器
エンジン冷却水
85%
System3④排ガス熱交換器 エンジン排ガス
85%
System3⑤排ガス熱交換器 熱分解炉排ガス
85%
System3

表 1 に示す System1(従来法)、System2(オゾン処理法)、System3(熱分解)について比較する。まずオゾン処理については、オゾンの製造量を、毎時
2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 [kg-O3/hr]と変化させたときのSystem1 および System2 においては、熱の需要が影響を見た。オゾン処理法、熱分解法ともに、導入の消化槽加温のみであり、得られた消化ガスは全量 GE

メリットとして想定していた発生汚泥の削減と、発生に投入し、冷却水と排ガスから 34%の熱量(対投入ガスガス量の増加について図 4 で確認することができる。

熱量)を回収し、加温に利用することとした(図表中②)。 オゾン発生量の増加に比例して消化汚泥の生分解性も向上し、汚泥中の有機分がガス化され、ガス量増加とる重油量の方が、従来法において焼却プロセスで必要汚泥量の減少に影響している。熱分解の場合は最終発とする重油量より多くなっており、含水量の多い脱水生汚泥の含水率がゼロまで落ちるため、ガス回収から汚泥の乾燥に大量のエネルギーを必要とすることがわ得られる発生熱量についてはオゾン 12kg-O3/hr の場合かる。ただし、GE 排ガスから回収した排熱を有効利と同程度であっても、最終発生汚泥の重量は激減して用することで、従来法よりも実質重油投入量が少なくいる。

抑えられている。
電力合計
未反応酸素の利用エネルギーの収支として、電力と重油の消費量を図5、6 に示す。多電力消費型のオゾン処理法では、オゾオゾン製造に消費する電力の増加が上回り、全体としても増加傾向にあることがわかる。重油消費量を見ると、オゾン処理法について、脱水汚泥が減少するに従って焼却場での重油投入量削減の効果が大きく見られる。熱分解については、乾燥機と熱分解に投入す
最終発生汚泥量

混合ガス総発熱量

25,00015,00020,00010,00015,00010,0005,000

5,0000混合ガス総発熱量 [Mcal/day]

最終発生汚泥量 [kg/day]

30,00020,0000
熱分解 オゾン3kg オゾン6kg オゾン9kg オゾン12kg

熱分解発電

焼却

合計

消費電力量(定常運転) [kWh/day]

15,000-500-1,000
840

350

777

724

従来法

熱分解

オゾン3kg

オゾン6kg638768オゾン9kg オゾン12kg

さらに凝集剤の投入量と未反応酸素の有効利用を評価して CO２排出量を総合してみると、従来法で 840tCO２/year となり、熱分解の 350t-CO２/year の場合が最も少なく、オゾン処理法の中では発生量が毎時 9kgの場合が最も少なく、638t- CO２/year となった(図 7)。
オゾン発生量増加に伴う効果を最大限に発揮するのが毎時 9kg の時であること、また凝集剤の投入量の、オゾン処理における CO２排出量に与える影響も大きい

10,000

ことが分かった。

5,000

3.1.2 時間帯を考慮した最適運転の評価

0

次に、時間帯によって CO２排出原単位、および買電-5,000単価が変化する商用電力の特徴に注目する。電力を大-10,000-3,532-5,829-1,445-593-509773

量に消費するオゾン処理プロセスを CO２排出原単位

従来法

熱分解

オゾン3kg

オゾン6kg

オゾン9kg

オゾン12kg

および買電単価がともに低下する夜間に運転すること-15,000

図 5 消費電力量の比較

重油消費量(定常運転) [Mcal/day換算]

0

オゾン処理法についてのトレードオフが存在する中で、

図 4 発生汚泥量と発生ガス発熱量の比較
オゾン500

図 7. CO2 排出量の比較

35,000

嫌気性消化1,000-1,50025,000

従来法

凝集剤

1,500
CO2排出量(定常運転) [t-CO 2/year]

ン発生量が増加するに従って発電量が増加する一方で、重油合計総計25,000とした。また GE による発電に関しては、商用電力購

消化槽加温

乾燥機

熱分解焼却

発電排熱→消化槽発電排熱→乾燥機

熱分解排熱→乾燥機

重油投入量入の代替として捉え、その分は買電費用および CO２排出量の削減とみなすため、逆に 24 時間発生する燃料ガ20,000

スをガスホルダに貯留しておき、日中に集中して発電15,000する日中運転した。一方で、汚泥を運ぶポンプや消化10,000槽の攪拌など基本的なシステムについては 24 時間定5,000常運転するとした。電力多消費型のシステムであるオ0ゾン処理システムへの効果が期待できる。ここではオ-5,000-10,000

11,608

10,387

従来法

熱分解6,756

5,566

5,145

4,982

オゾン3kg

オゾン6kg

オゾン9kg

オゾン12kg-15,000

図 6 消費重油量の比較

ゾン処理法で最も結果の優れていたオゾン 9kg 製造時の結果と熱分解処理とを比較する。(図 8)

電力合計

重油合計

凝集剤

未反応酸素の利用総計2000った(図 10)。
4,000
3,543

3,176

3,500

1000

3,000
建設費 [百万円]

500
0-500

2,500638443

オゾン9kg(定常) オゾン9kg(夜間)熱分解

オゾン9kg

熱分解炉
乾燥機
オゾン処理
遠心脱水機
遠心濃縮機
ガスエンジン
ガスホルダ
共通電気設備嫌気消化槽
遠心濃縮設備
重力濃縮設備

2,137

1,000

350

201

熱分解(定常)熱分解(夜間)

-1500
従来法

2,887

1,500-1000
840

2,924

2,000500

図 8. 運転方法の違いによる CO２排出量の比較

0
従来法

熱分解(夜間)オゾン9kg(夜間)図 9 建設費比較

オゾン法 9kg は夜間運転をすることにより約200t-CO2 削減され、443 t-CO2 となった。
下水処理1㎥あたりにかかる年間費用 [円]CO2 排出量 [t-CO2 /year]

1500

これは夜間電力の CO２排出原単位(0.395kg-CO２)が昼間のそれ(0.441kg-CO２)より 10%程小さいことが影響している。さらに単位時間あたりの稼動量が 24/10 倍となり、設備が大規模化することにより、オゾン発生器の動力効率も向上するとした。
一方熱分解法の場合も、電力消費量の占める割合の大きいオゾン処理ほどではないが、夜間運転によって建設費年価補修費計

5.48

5.01

運転費用計

86.80

77.08

4.95

熱分解(夜間)オゾン9kg(夜間)6543

776.65670.90

69.10

56.82

2
10
従来法(定常)熱分解

オゾン9kg

図 10. 下水処理 1 ㎥あたりの年間費用(年価化)削減量は増加している。また排熱回収の効果によって既に定常運転時より削減量が大きかったため、夜間運転を行なった場合のオゾン処理法を上回り、最も削減

４．まとめ
汚泥エネルギーの有効利用促進技術として、オゾン効果が大きい結果(201t-CO２/年)となった。

処理と熱分解の導入を比較検討した。双方ともにエネ3.2 コストに関する評価

ルギーの回収量は増加し、電力多消費型、熱量多消費今回比較したシステムの経済性について、建設費を型といった各特徴が結果に顕著に表れている。オゾン考慮に入れたコスト評価を行なった。事業初年度に必処理法では夜間電力の有効活用によるメリットが大き要となる建設費を、各設備の償却期間をもとに利子をく表れ、熱分解法では排熱利用を行なうことで重油投含めて年間費用として換算(平均化)して比較する「年価入量を抑制し、最も高い排出削減効果を示した。

法」を用いた。年価化した建設費に補修費、運転費用コスト面をみると、建設費では熱分解(定常)よりも等を足し合わせることで、毎年発生する費用を明示す高額となるが、建設費を年価化して年間費用として比る。ここで利子率は公営企業債の平均値 1.4%を用いた。 較した時、運転費用等の差によりオゾン(夜間)が最も小
なお各プロセスの建設費及び運転経費は(社)日本下さく、下水処理 1 ㎥あたり 4.95 円となった。
オゾン(夜間)と熱分解(定常)の CO2 排出量の差は水道協会において作成された費用回帰式と、メーカーへのヒアリングデータを元に算出した。
建設費を見ると(図 9)、熱分解の方がオゾン処理より93t-CO2/年で前者が大きく、年間コストの差は約 17百万円/年で前者の方が小さいという結果となった。

も高額となっているが、オゾン(夜間)の場合だと設備規模の増大に伴い熱分解(定常)よりも高くなる。
一方、毎年発生する費用として、電力、重油、凝集

参考文献
1)剤等の消費量より算出される運転費用と、費用関数かperformance, (2002), Proceedings of 3rd international conference
on Anaerobic digestion of solid wastes 2002

ら算出した補修費、運転経費等がある。これらを年価2)化した建設費に足し合わせた総年間費用を見ると、オゾン 9kg 時の夜間運転が最も経済的であることが分か

Goel.R. et al.; Closed loop anaerobic digestion using pre/post
sludge ozonation and effect of low temperature on process

今田努; 熱分解プロセス導入による下水処理システムの設計および総合評価, 東京大学大学院修士論文, (2002), 54-603)

南斎規介,森口祐一,東野達;産業連関表による環境負荷原単位データブック(3EID),(2002),国立環境研究所