汚泥処理ヘの起臨界水酸化技術の適用
Excesstest

activatedtheuslng(SCWO)

decomposition

sludgesupercriticalwaterdemonstration

test

oxidation
plant(技)第1研究開発部第中

3研究室

井寛

Nakai

Hiroshi

田英Nishida夫

上1ideo佐伯丸

西ーー

Kazumaru

Saeki

超臨界水酸化(scwo)実証実験プラントを用いて,下水処理場で発生する余剰汚泥の分解処理実験を行った｡処理量1.1m3〃l,処理圧力23‑25MPa,反応器内温度500‑620℃,の条件において99.9I̲

%以上のTOC成分分解率を安定して達成し,連続分解処理が可能であることを確認した｡

この結果をもとに,SCWO技術を下水処理場に適用したプロセスの経済性を検討したところ,既存のプロセスと比較して競合しうるものと認められた｡

Decomposition
using

theThewasof

supercriticalwater

decompositionrate

23‑25MPa,

Based

on

realistic･ AndSCWO

test

wasandexcess

reaction

物WoT,ds

withdemonstrationover

99.9%,

wheretemperature

was500‑620℃

it wasotherthis results concluded
existlng

test
ロow

that continuous

confirmedonin wastewater

generated

was

TOC

the feasibility study
competitive

sludge(SCWO)

oxidationofresults,aboveactivatedtreatIⅥent

processWas

heldplant.
ratewasdecomposition

that the wastewater

1.1 m3/h,reactionpressure

operationof SCWO

wastreatment

process

uslng

processes.

:

超臨界水酸化
実

証実

汚分

解実

Supercriticalwater験Demonstration

泥Municlpal

sewage験Destruction

test

ま えがき

test

也‑

oxidation
plantsludge

ガス処理技術が進歩しているとはいえ,焼却設備近下水処理場で発生する汚泥は,通常,脱水処理された後,コンポストなどに有効利用されているもの

隣への健康被害の不安は拭いきれない｡
近年,汚泥の焼却処理に代わる無害化処理技術ともあるが,大部分は埋立処分されるか,特に都市部して,汚泥の湿式酸化処理法と超臨界水酸化処理法

では減容化のために焼却処理されているものが多い｡

が検討されてきた｡これらは高温･高圧水の中で,最終処分場の余地がひっ迫している現在,一般廃酸素または空気を酸化剤として,汚泥を水および二棄物や下水汚泥の減容化が求められており,その減酸化炭素にまで酸化分解するものである｡

容手段として焼却処理法は効果的で便利な方法と言当社は後者の超臨界水酸化技術に着目し,実用化える｡しかしながら焼却処理法は,ダイオキシン,への研究開発を推し進めており,前報1)2)3)までに,超臨界水の特長,当社実証実験プラントの紹介と処SO夫,26NOxや煤塵などの有害ガスを発生させる｡排

神鋼パンテツク技報

Vol.

45No.

1(2001/8)

理実験結果の一部を紹介した｡本報では,余剰濃縮

理フローを第2図に示す｡

汚泥の超臨界水酸化分解処理実験の結果を報告し,フィード液タンクで汚泥を均一に撹拝する｡この汚1.超臨界水酸化法

泥は高圧フィードポンプで加圧され熱交換器‑送ら

超臨界水酸化法(scwo)とは,水の臨界点(374℃,

J処理フローの概要を説明する｡撹拝翼を設置した超臨界水酸化処理の経済性についても簡単に述べる｡

れる｡熱交換器で汚泥は反応処理液の熱を回収後,22.1MPa)以上の温度および圧力の超臨

ト1)ムヒ一夕ヘ送られ反応に必要な温度に調整され界水中で,有機物を酸化,分解する方法である｡第る｡汚泥はチューブラ式反応器へ送られ反応器入口

1図に水の状態図を示す｡

部で吹き込まれた酸素と反応し,含有する有機物が超臨界水は,気体並みの小さな粘性率と液体並み酸化分解される｡その後反応器を出た高温の処理液の分子密度を兼ね備え,低い誘電率を示して有機物は前述の熱交換器によって熟回収され,さらにエアーを溶解するが,無機物は溶解しなくなる性質を示す｡

クーラで冷却された後減圧される｡その後,気液混

また,超臨界水は高い運動エネルギーを持ち,ガ合流体となった処理水は気液分離器にてガスと液にス状分子のように激しい熟達動を行っており,極め分離される｡て反応性に富む状態である｡有機物を含む超臨界水

2. 2

被処理汚泥と実験条件中に酸素を入れると,これら水,有機物および酸素実験に使用する汚泥量は1回当たり約5m3であが均一に混合され,有機物は加水分解を受けながらる｡汚泥試料は,下水処理場から当社技術研究所ま酸素によって速やかに酸化され,炭酸ガス,窒素,でタンクローリで輸送した｡

水へと完全に分解される｡

2.汚泥分解実験
2.1実験装置
実験装置が小型の場合,簡便で使い易い利点があLiquidる反面,わずかな実験手順の違いが大きな結果の差異を生み出し易く,特に汚泥処理を行う場合には機器や配管内の閉塞などを生じやすい面がある｡当社の超臨界水酸化実験装置は,実験装置としては世界Ed

巴邑貞sj;⊃∽▼･･･{＼ critical pointS olid

最大規模であるが,これは小型装置の短所を取り除き,確実にエンジニアリングデータを取れるようにGasしたものである｡
処理量としては1.1 m3nl,運転圧力は23‑25MPa,反応器内温度は500‑620℃,処理する有機物濃度

374[℃]

Temperature

第1図
Fig･

水の状態図
1

Phase

diagramofwater)は芸歪三笠諾芸雷i;トの主要部を写真1に,処

写真1
Photo

Vol.

45

No.

1(2001/8)

神鋼パンテツク技報

超臨界水酸化実証実験プラント
1SCWO

pilotplant27

ー【]トィ〜畠邑

表書◆一i∈]音量∈]q)
j

貞召

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B毒(DI{h4)bJ)

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嫌=28

神鋼パンテツク技報

Vol.

45

No.

1bL

(2001/8)

汚泥は浮上分離した余剰濃縮汚泥で,第1表に汚処理直後の処理液を示し,浮遊する無機物のため白泥の元素分析値を示す｡
汚泥のSS濃度は3.0濁している｡右端は処理液を約2時間静置して,浮%‑4.8%の範囲にあったが,遊していた無機物を沈降させたもので,完全に透明季節変動や下水処理場の操作条件に従い,変動を生である｡

じた｡汚泥は若干の砂を含んでいたがストレーナで第3表に汚泥および処理水の水質分析結果を示す｡

事前に除去した｡

本表に示すとおりTOC成分は,実験条件を第2表に示す｡

99.9%以上分解している｡しかしながら,アンモニアイオンが処理水

2. 3

実験結果と考察中に残った｡

2.3.

1汚泥と処理液

2. 3. 2

窒素成分除去法

写真2に,処理前の汚泥と処理水を示す｡左端は第3図は有機物を超臨界水酸化分解する場合の反実験の被処理液とした余剰濃縮汚泥である｡中央は応式を示す｡窒素成分の一部はいったんアンモニアになった後,窒素ガスにまで酸化分解される｡

第1表

余剰濃縮汚泥の元素分析値
1

Table

Ultimateanalysts

OfJ

sludge

第2表Composition

Element

実験条件

Table

2

Feed

rate

4.5

CH

41.10
5.47

024.00

Max.

7.81
0.65
1.22
1.82

ExcessSCl
P
A1203,SiO2&etc.

第3表

%

SSN

Table

w.t.

Reaction

Test

conditions
1.1

temp.

of

reactorOxygenfeed

stoichiometric
Residence

ratio

5%‑15%

amountin reactor

time

Approx.

60sらc.

余剰濃縮汚泥と処理液の分析結果
Composition

3ofsludgeandeffluent
Decompos
Feed

Effluent
rate

COD‑CrmgnJ

COD

mgnJ

‑Mn

52 50022ition(%)

99.960.7

TOCmg/L

18450

T‑N

mg/L

3515

2 080

40.83

T‑Pmgn.

619

1298.06

1.0

6.5

pⅢ

Untreated

Eff1uentrightsludge写真2

余剰濃縮汚泥および処理液

Photo

2SludgeVol.

580 ℃‑620℃
to17.93

Species}ma仙23 MPapressure

45

No.

1

and

99.99

6.8

after treatment

Effluent

after

settling

efnuent(2001/8)

神鋼パンテツク技報29

しかしながら,本実験では全窒素の分解率は40

酸化剤である硝酸を注入する方法で,RUN4に実験95%以上の窒素成分を分解除去して%に止まった｡これは汚泥に含まれる窒素成分が,結果を示す｡

アンモニアまでの分解に止まり,処理水中にアンモいる｡この場合,過剰に加えた硝酸が若干残っていニウムイオンが残留したためである｡
超臨界水酸化で窒素成分を窒素ガスヘ完全に分解るため見かけの分解率は低くなっているが,処理水するには,反応温度を600℃以上に保持する必要がの窒素は99,9 %以上分解された｡

中のアンモニウムイオンは2.3mg凡となり,汚泥中あると言われている4)｡第4図に反応器温度プロファ

処理水中の無機固形分

2. 3. 3イルを示すとおり,保温処置を行っているにもかか

次に,処理液中の無機固形物は白色粉末であった

わらず,ヒートロスのため反応器全域を600℃以上が,分析結果によればリン酸塩の他,硫酸カルシウに保つことができなかった｡このためアンモニウムム等の無機塩やシリカであった｡

が残留したものと推定される｡
反応器温度が600℃以下の条件で窒素成分を分解処理する方法に,高c/N(炭素/窒素)比率法および硝酸注入法などがあるが,これらの実験では窒素の分解率も高かったので,第4表に結果を示す｡/℃でのRUNlは反応器最高温度が比較的低い510
分解結果を示し,この温度が高い620pc℃の分解結果をRUN2に示す｡

CmNoHnOr

RUN3は,アンモニウムを含む処理水にIPAを加えてC/N比を約10に高くした被処理液を処理した＋ qO2＼例を示す｡この方法では600℃以下の反応器温度でも約85 %程度の窒素成分の除去が可能であった｡

第3図
Fig･

硝酸注入法は,分解反応後期に酸素よりも強力な

3COOⅢ＋uO2＼/＋ mCO2

yN2‑sNE3.t｡2lt＋ xH20

scwoにおける反応経路
3

Simplified

reactionin SCWO

pathways

650
U

ov

600

33 550日

Sludgea
己500

FlowU

Pressure

鳶.50

Excessd

Eiq1

Appro且.

collC.

rate

024%

I.1

m3/h

23

MPa

lO%

ratio

也

400
050

100150

LeIlgth

第4図
Fig･200of reactor

250300(m)

汚泥分解実験に於ける反応器温度プロファイル
4

Reactor

第4表
Table

tempt

profilein sludge

decomposition

窒素成分の分解実験結果
4

Decomposition

resultsofnitrogencompoundRUNlMethod

RUN2

RUN3

RUN4

C/Nratio

HNO3in)ection

Lowreactiontemp･Highreactiontemp･(c/N‑ApprojL4)(c/N‑Approx.4)(c仰‑Approx.10)(c/N‑Approx.4)℃

Approx.510

Approx.620

Approx.600

Approx.600

Feed(T‑N)mgnJ

2950

2730

1789

2950

Efnuent(T‑N)mgnJ

2489

1602

280

82

84.35

97.22

Max･reactiontemp･Decompositionrate

SO(o/o)

15.63

41.32

神鋼パンテツク技報Vol.

45

No.

1(2001/8)

排2.3.4

ガ法や硝酸注入法があるが,ランニングコストを考慮

ス

第5表に気液分離器から出る排ガス成分を示す｡
二酸化炭素と酸素が主体であり,すると,これらは必ずしも良い方法とはいえず,超SOx等の有害ガスは認められなかった｡焼却炉の排ガスは,臨界水酸化汚泥分解処理の後に,処理水を生物処理NOx,社製品である硝化脱窒プロセス(PABIO

No又,Sox,煤塵およびダイオキシンなど有害物質する方法が経済的である可能性が高い｡たとえば当への対策を必要とするが超臨界水酸化装置の排ガスDENI)を組み合わせて処理する方法の他,下水処理場の硝化にはこれらのものが含まれず,排ガス処理装置を必脱窒処理能力に余裕がある場合は下水処理場原水に要としないことが分かる｡

返送する方法がある｡この場合,原水量が10万m3/日

3.超臨界水酸化汚泥処理システムの位置づけの既存の下水処理設備に当てはめて試算すると,超臨界水酸化システムから返送されるアンモニウムが汚泥処理フローの中で,超臨界水酸化処理するた最大2000ppmと仮定すると,原水の窒素負荷は約めの被処理汚泥として,濃縮汚泥と脱水汚泥が考え10%増加するに過ぎない｡これは原水の窒素変動られる｡ここでは経済試算の結果,最も有利と考え幅の設計値を考慮すると,その中に吸収されうる｡

られる濃縮汚泥を処理する場合について述べる｡
第5図の上段に現在の一般的な下水処理および汚第5表

排ガスの成分分析結果

J霊芝芸芸芸L7=DIUt芸是孟';o三ok買6t=tILS誓竿警芸
5

Table

界水酸化システムを組み込んだ場合の処理フローをCompositionof

gas

phase

Compound

付け加えた｡

ExhaustCO2

超臨界水酸化システムを汚泥分解処理設備に採用

02
N2すると,既存の下水処理場設備の内,嫌気性処理,efnuent

COgas

VOl %

83.3

VOl%
VOl %

14.2

102.4

脱水処理および焼却処理(排ガス処理および廃水処S Ox

mg凡
mg凡

<0.1

理を含む)までの一連の設備が不要になる｡

NOxmgnJ<0.1

窒素成分の分解処理には,前述した高c/N比率[IncinerationProcess]
Aeration

Facilities

Activated
S ludge)ExhaustLiquidS ludgeThickening

Anaerobic
Digestion

Devatemg

Needofexhaust gas treatment

AslleS

Incineration

LiquidNeed

LiquidDecomposition

rate>99.

CO2･N2

No

Inorganic
Salt

Landfill orof water

Landfill

treatment[SCWO]

Aeration

Activated

S ludge

S ludgeThickening

第5図Fig･

Facilities

SCWO

need of exhaust99%

gas treatment

re‑usescwoプロセスを組み込んだ下水処理フロー
5Flow

Diagram∇bl. 45No.

1of(2001/8)

wastewater

processlng

WithSCWO神鋼パンテツク技報

31

する上に,制御性も十分であることが確認できた｡

4.超臨界水酸化汚泥分解処理の経済性
超臨界水酸化システムを下水の汚泥分解処理に適スケーリング対策は,酸洗浄でほぼ初期状態に戻用するとすれば,焼却法との経済性比較で,優位性る目途を付けることはできたが,スケール抑制法はを示す処理費にならねばならない｡

なお今後の実験を積み重ね,検討していく必要がある｡

下水処理場の濃縮汚泥(3‑4%)をそのまま超臨界水酸化処理する場合の経済性試算では,必ずしも焼却処理方式(脱水＋焼却＋灰分処分)と比較しすむび

超臨界水酸化システムを下水の汚泥分解処理に適て優位になるとは言えないケースもあった｡その理用すると,ダイオキシン,由の一つは,汚泥濃度が低いため発熱量が小さく,どが全く出ない点で大きく注目される｡社会の環境

熟回収を行ってもなお加熱ヒータで加熱する燃料を意識が更に高まってくると,処理コストが同等の場必要とすることである｡

令,環境に優しい処理設備,健康に害を及ぼさない

しかしながら汚泥濃度が高濃度(ss約6%以上)

SO玉,NOxおよび煤塵な設備がより強く求められるようになろう｡になると,汚泥濃縮に伴う処理量の減少による設備

現在,超臨界水酸化システムの実用化に必要なエ費の低減,および高濃度汚泥の高い発熱量による熱ンジニアリングデータを一つ一つ積み重ねている｡

交換器における熱回収からトリムヒータの燃料費のまだ解決しなければならない課題が幾つか残ってい削減による,ランニングコストの低減が期待できる｡

るが,早期の実用化を目指したい｡

t

これらの試算結果から,焼却方式に十分競合できるプロセスと考えられる｡さらに高濃度の汚泥を安定[参考文献]して処理できれば,より経済性は向上する｡

1)村岡薫ほか:神鋼パンテツク技報,(2000), p.26

vol.44,No.2

2)空利之ほか:神鋼パンテツク技報,

vol.43,No.2(1999), p.106
3)三輪和也ほか:神鋼パンテツク技報,

γol.43,■No.1

5.今後の課題
今後の課題として,前述の高濃度汚泥を処理することの他に,減圧システムの耐久性の向上と連続運転のためのスケーリング対策が上げられる｡(1999), p.16

減圧システムについては,キヤピラリに高圧水を注入して圧力を制御する方式で耐久性が格段に向上

4)大場泰久:汚泥処理の先端技術｢超臨界水酸化法+86, pp.52‑58(1996)
について:水すまし,連絡先
西田英夫

E‑mailS2

才支術部開発本部
第1研究開発部
第3研究室
主任研究員
TEL

078‑992‑6525

FAX

078‑992‑6504

也

h.nishida@antec.co.jp

神鋼パンテツク技報vol.

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