JP2004337653A - 下水汚泥の処理方法および処理生成物 - Google Patents

Abstract

【目的】生成物が環境へ与える負荷が小さく、また生成物を資源として再利用もできる下水汚泥の処理方法を提供すること。
【構成】下水汚泥を処理して得られる下水汚泥ケーキに、ゼオライトと乾燥モルトフィードおよび／またはモミ殻を混合して加圧成型を行った後に焼成処理することで焼成タブレットを得る。ゼオライトを加えて焼成するため含有重金属の環境への溶出率が小さく、埋め立て処理の場合にも環境に与える安全性が高い。また焼成タブレットは土壌改良材として優れているほか、固形燃料としての用途もあり、資源としての再利用も可能である。さらに乾燥モルトフィードやモミ殻は産業廃棄物であり、これらも同時に処理できる利点がある。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水処理場から発生する高含水率の下水汚泥の処理を図る技術に関するもので、特に下水汚泥にゼオライトおよびモルトフィードおよび／またはモミ殻を混合して加圧成型すると共に、得られた成型物を焼成処理する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
下水道の普及に伴い、国内で発生する下水汚泥の量は年々増加する傾向にある。下水汚泥の処分に関しては、従来は一部が資源として再利用されていたものの、残りはそのまま、もしくは焼却処理を行った上で主に埋め立て処分がなされていた。しかしながらこの場合の下水汚泥の処理費用は数千円〜数万円／トンにのぼるため、処分に関する国や地方自治体の経済的負担が大きく、またその廃棄による環境に対する負荷の影響も問題となっている。このため、環境への影響の少ない下水汚泥の処理方法、もしくは処理生成物を有効利用することにより、埋め立て処分量の低減化を図りうる技術の開発が社会的急務となっている。
【０００３】
従来の下水汚泥の処分方法としては、特開平１０−２９１８７７に記載された汚泥にゼオライト、追加肥料成分、ｐＨ調整成分、脱臭剤、および／または土質改良材を投入し、６０℃ないし８０℃の範囲で乾燥、造粒することで有機汚泥肥料を製造する方法や、特開２０００−７３０５８に記載された水分含有量４０〜５０重量％の有機性汚泥にゼオライトを２５〜５０重量％添加し、５００℃前後で炭化処理することで緑農地における土壌改良材、園芸用土等として利用できる、ゼオライト入り炭化土を製造する方法が知られている。
【０００４】
ただし前記特開平１０−２９１８７７に記載の処理方法は、加熱温度が６０℃ないし８０℃と低いことが原因で、生成された有機汚泥肥料が施肥後に土壌と混合一体化してしまうために下水汚泥に含まれている重金属成分が環境中に溶出する危険がある。一方特開２０００−７３０５８に記載の処理方法ではそのような危険は小さいが、一般に初期の下水汚泥の含水率が後記の通り平均８３重量％であるため、使用する有機性汚泥の含水率を予め４０〜５０重量％に減少させなければならない。特開２０００−７３０５８には有機性汚泥を天日乾燥させることで含水率を減少させる方法が記載されている。この方法は乾燥機による強制乾燥に比べると低コストであるが、天候に左右されるために毎日連続的に発生する下水汚泥の処理方法としては不向きであり、また臭気の発生により処理施設の周辺の環境に影響を与える懸念がある。またこの方法では資源であるゼオライトを多く消費するため、処理コストが高くなるという欠点がある。これらの処理方法は主に下水汚泥の再利用を図るための技術であるので、再利用されずに埋め立て処理される下水汚泥を大量処理する場合にはふさわしい方法ではなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上の問題を解決する方法として、発明者らは先に下水汚泥の環境リスクを低減できる処理技術に関しての報告（「下水汚泥ケーキの環境リスク低減型処理に関する基礎的研究」社団法人資源・素材学会２００２年春期大会講演集（Ｉ）２５０〜２５１ページ）を行った。即ち、下水汚泥を処理して得られる含水率が平均８３％の下水汚泥ケーキに対し、含水率の調整材および固化材を混合した後にタブレット状に加圧成型し、特開２０００−７３０５８に記載の従来の処理方法に比べて低い３００℃程度で加熱し、焼成タブレットとするものである。含水率の調整材としては産業廃棄物であるモルトフィードもしくはモミ殻が使用でき、また固化材としてはゼオライトが好適である。下水汚泥ケーキにこれらを混合して含水率をほぼ５０％とした混合物を、７３．９ＭＰａの押圧で加圧してタブレット状に加工し、その後に焼成を行った。この結果、得られた焼成タブレットでは当初の下水汚泥ケーキに比較して含有重金属成分の溶出量が減少することや、処理生成物が固形燃料として利用可能であることが判明し、下水汚泥ケーキの処理方法としての有効性が確認されている。
【０００６】
本発明は、前記下水汚泥ケーキの処理方法に関し、含水率の調整材および固化材の最適な調整条件、および最適条件にて調整された加圧成型物の含有重金属成分が環境へ溶出する危険が低く、また資源として利用可能となる焼成条件を提供するとともに、得られた焼成タブレットの資源としての用途の提案を行うものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、環境安全性が高く、また処理生成物を資源として利用可能な下水汚泥の処理システムを得ることができる。
【０００８】
即ち、本発明は下水汚泥を処理して得られる下水汚泥ケーキに、ゼオライトと、乾燥モルトフィードおよび／またはモミ殻とを混合し、前記混合物を加圧成型すると共に、得られた成型物を焼成処理する下水汚泥の処理方法において、前記モルトフィードについては６メッシュ（３．３ｍｍ）以下、前記モミ殻については粒径を６５メッシュ（０．２１ｍｍ）以下とすると共に、前記下水汚泥ケーキ、前記ゼオライト、前記モルトフィードおよび／または前記モミ殻の混合物における焼成前の含水率を重量比で４５％〜５５％としたことを特徴とする下水汚泥の処理方法である。
【０００９】
また、本発明は下水汚泥の処理方法において、前記ゼオライトの粒径を０．１ｍｍ以下とすることを特徴とする下水汚泥の処理方法である。
【００１０】
また、本発明は下水汚泥の処理方法において、前記ゼオライトに対する前記モルトフィードおよび／または前記モミ殻の混合割合を、重量比でほぼ３倍とすることを特徴とする下水汚泥の処理方法である。
【００１１】
また、本発明は下水汚泥の処理方法において、前記下水汚泥ケーキ、前記モルトフィードおよび／または前記モミ殻、前記ゼオライトの３者の混合割合を、重量比でほぼ６：３：１とすることを特徴とする下水汚泥の処理方法である。
【００１２】
また、本発明は下水汚泥の処理方法において、前記成型物の焼成温度を３００〜３５０℃としたことを特徴とする下水汚泥の処理方法である。
【００１３】
また、本発明は下水汚泥の処理方法において、前記成型物の焼成時間を２５分以上としたことを特徴とする下水汚泥の処理方法である。
【００１４】
また、本発明は下水汚泥の処理方法において、前記焼成処理による処理生成物に含有される重金属の溶出を低減させたことを特徴とする下水汚泥の処理方法である。
【００１５】
また、本発明は下水汚泥の処理方法において、焼成処理された前記処理生成物を用いたことを特徴とする固形燃料である。
【００１６】
また、本発明は下水汚泥の処理方法において、焼成処理された前記処理生成物を用いたことを特徴とする土壌改良材である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
本発明における処理生成物である焼成タブレットは、埋め立て処分や土壌改良材としての使用により自然界に長く放置される環境であっても長くその形状を保つと共に、含有する重金属成分が環境中に溶出する危険が小さい。また有機成分を多く含有するために固形燃料として使用したり、土壌改良材とすることが可能であるとの特長を有する。
【００２０】
本発明においては、下水汚泥を処理して得られる下水汚泥ケーキにまず含水率の調整材および固化材を混合して加圧成型し、その後に焼成処理を行うことにより、下水汚泥からタブレット状の処理生成物である焼成タブレットを得る。下水汚泥ケーキは一般に重量比で平均８３％の水分を含んでいるが、加圧成型により固化するためには、固化材の混合と共に下水汚泥ケーキの含水率を５０％程度とする必要がある。このために含水率の調整材を加える。固化材および含水率の調整材の含水率は０％に近いので、下水汚泥ケーキに対して固化材および含水率の調整材を重量比で約４０％混合すれば、含水率を５０％程度に低下させることができる。固化材としては入手容易性および形状安定性の効果の大きさの点でゼオライトが好適である。また含水率の調整材としては、有機系の産業廃棄物であるモミ殻、ビール類の絞りかすのモルトフィード、もしくは両者の混合物が入手容易性の点で好適である。下水汚泥の処理コストの点では固化が妨げられない範囲において資源であるゼオライトの使用量が少ないほど有利であるため、加圧成型による固化が可能な限界まで固化材の含有量を減少させた、固化材：含水率の調整材＝ほぼ１：３の場合が最も好適である。従って、３者の割合は下水汚泥ケーキ：含水率の調整材：固化材＝ほぼ６：３：１の場合に最も好適である。
【００２１】
下水汚泥ケーキは一般に粘土状であるが、モミ殻やモルトフィード、およびゼオライトは混合前に細粒化しておかなければ加圧成型により固化することができない。これらの粒径を変えて加圧成型を行う作業を重ねた結果、好適な粒径は、モルトフィードが６メッシュ（３．３ｍｍ）以下、モミ殻が６５メッシュ（０．２１ｍｍ）以下、ゼオライトが０．１ｍｍ以下であることを見いだした。なお含水率の調整材であるモミ殻およびモルトフィードが水分を含有する場合には、予め乾燥処理する必要があるが、これらは下水汚泥とは異なり乾燥時に強い臭気を発することはないので、周辺の環境に影響を与える懸念は低い。またモルトフィードは含水時には粥状であるが、一般に乾燥させると塊状となることが多く、その場合は上記粒径以下となるよう破砕処理が必要である。
【００２２】
作成された下水汚泥ケーキ、含水率の調整材、固化材の３者の混合物は、プレス機を用いてタブレット状に加圧成型される。この混合物の含水率が５０％を大きく越えていたり、含水率の調整材や固化材の粒径が所定の数値を上回る場合には、この加圧成型時にタブレット形状とすることが困難であったり、また次の焼成工程中で破損する可能性がある。加圧成型時の押圧を７３．９ＭＰａとして、生成物を直径１３ｍｍ、高さ４ｍｍのタブレット状としたときに良好な結果を得たが、この押圧の条件は、成型されるタブレット状の加工物の外形寸法によっては変更してもよい。
【００２３】
加圧成型されたタブレット状の加工物に常圧にて加熱処理を行う。これによる処理生成物の焼成タブレットは炭化により黒色となり、また多孔質に変化する。この処理生成物は含有水分が減少しているものの有機物を多量に含有しているため、固形燃料や土壌改良材としての使用が可能である。また固化材としてゼオライトを加えて加熱処理を行っているため、含有する重金属成分の溶出は抑制されることとなる。図１に代表的な昇温条件である３００℃、２５分間の加熱処理を行った焼成タブレットに関し、室温から８００℃の温度範囲において示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を行った結果の温度チャートをグラフとして示す。図１において、室温〜２２０℃の範囲では弱い吸熱反応が生じているが、２２０〜５８０℃付近の範囲では明瞭な発熱反応が、それ以上になると再び弱い吸熱反応が生じている。当初は残留する揮発成分（多くは水分）の蒸発などに伴う吸熱反応が生じるが、２２０℃付近からは含有有機物の分解（燃焼）による発熱が起こり、それが５８０℃付近まで続く。このことは、この焼成タブレットが固形燃料として使用可能であることを示している。
【００２４】
また得られる焼成タブレットが多孔質で保水性を有し、さらに有機物を含有していることから土壌改良材として使用しても優れた特性を有している。発明者らは以下の植栽実験を行い、その効果を確認した。まず川砂のみ、および川砂に焼成タブレットを混合したものの２種類の培地にそれぞれ西洋芝を植生し、５０日間栽培を行って結果を比較した。川砂に焼成タブレットを混合した培地で栽培した西洋芝は、川砂のみの西洋芝に比べてよく繁茂し、生育量が数倍となり、土壌改良材として有効であることが実証された。なお、植栽実験を経ても焼成タブレットの外形は当初のまま保たれており、培地と一体化することはなかった。このことは焼成タブレットの保水性が長期間持続することを示しているほか、次に記す含有重金属成分の環境への溶出防止の効果が長期に渡り保たれることにも関係している。
【００２５】
さらに、この焼成タブレットをバイオマスとして使用した際に発生する焼却灰が環境に及ぼす影響を確認するため、含有重金属成分等の環境への溶出量について検討した。すなわち下水汚泥ケーキの焼却灰と，その焼却灰に重量比２０％の割合で粒度０．１ｍｍ以下のゼオライトを混入して加圧成型し、焼成して得られた同量の焼成タブレットを用意し、日本工業規格のＪＩＳＫ０１０２に基づく１２日間の浸出試験をそれぞれ行った。その結果を図２に示す。図２はＰ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄの７種類の元素に関し、下水汚泥ケーキ焼却灰の状態での溶出量に比較して、焼成タブレットからの溶出量の減少率を示したものであり、７種類全ての元素で溶出量減少の効果が認められる。この中でＰ、Ｍｎ、Ｚｎの３種類は下水汚泥への含有量がとくに多い元素であるが、焼成タブレットではこれら元素の溶出量の減少率が特に高く、従って環境リスクの低減化を図る観点から焼成タブレット化が非常に有効であると判断される。焼成タブレットのこの特性は成分中のゼオライトが加熱によってこれら元素を包み込んだ形で保持するように変化し、外部への溶出を防ぐためと推察される。
【００２６】
焼成条件を変えて焼成タブレットを作成して評価し、最適な加熱条件を求めた。以下、本発明の実施例および比較例に関し、図を用いて具体的に説明する。
【００２７】
［実施例］含水率が平均８３％である下水汚泥ケーキに対し、含水率の調整材として乾燥モルトフィードもしくはモミ殻と、固化材としてゼオライトを３者の重量比がほぼ６：３：１となるように混合した。このうち乾燥モルトフィードは粒径を６メッシュ以下に、モミ殻は粒径を６５メッシュ（０．２１ｍｍ）以下に破砕している。またゼオライトは粒径を０．１ｍｍ以下となるよう破砕している。３者を混合した後にハンドプレス機によって７３．９ＭＰａの圧力を加えて加圧成型し、直径１３ｍｍ、厚さ４ｍｍのタブレット状の混合物を得た。次に、前記混合物をそれぞれるつぼに複数個ずつ入れて蓋をし、図３に示すうちの６種類の条件Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｈ、Ｉ、Ｊに従って電気炉内で別々に加熱して炭化処理を行い、含水率の調整材がモルトフィードもしくはモミ殻である計６種類の焼成タブレットを得た。これら焼成タブレットについて８５０℃までの温度範囲で示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を行い、発生した総熱量を測定すると共に、条件Ｃ、Ｄ、Ｅの３種類の試料に関しては温度チャートを作成した。３種類の試料に関する温度チャートを図４に、各試料における発生総熱量を図５に示す。
【００２８】
［比較例］含水率が平均８３％である下水汚泥ケーキに対し、実施例と同様に破砕した乾燥モルトフィードもしくはモミ殻と、破砕したゼオライトとを３者の重量比がほぼ６：３：１となるように混合し、前記と同様に加圧成型して直径１３ｍｍ、厚さ４ｍｍのタブレット状の混合物を得た。次に、前記混合物をそれぞれるつぼに複数個ずつ入れて蓋をし、図３に示すうちの６種類の条件Ａ、Ｂ、Ｆ、Ｇ、Ｋ、Ｌに従って電気炉内で別々に加熱して炭化処理を行い、含水率の調整材がモルトフィードもしくはモミ殻である計６種類の焼成タブレットを得た。これら焼成タブレットならびに比較例として同じ重量の備長炭について、８５０℃までの温度範囲で示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を行い、発生した総熱量を測定し、条件Ｆ、Ｇおよび備長炭の３種類の試料に関しては温度チャートを作成した。３種類の試料に関する温度チャートを図４に、備長炭を除く各試料における発生総熱量を図５に示す。
【００２９】
これら１３種類の試料に関して示差走査熱量測定結果を検討した。図４は含水率の調整材としてモルトフィードを用いた条件Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇおよび備長炭の６種類の試料に関する温度チャートであるが、焼成温度が同じ３００℃の３種類に関してはグラフの形はほぼ似通っており、焼成時間の差による影響はほとんど見られないことが分かる。一方焼成温度が異なる場合にはグラフの形に相違が現れる。
【００３０】
一方図５は備長炭を除く１２種類の試料の発生総熱量を示すものであるが、モルトフィードを使用した場合は３００℃における発生熱量は約３５００Ｃａｌでほぼ同一であり、２５分以上であれば焼成時間の差による違いはほとんど見られない。逆に焼成温度を３００℃より上昇させた場合、下降させた場合のいずれの場合でも発生熱量は減少してしまう。この傾向はモミ殻を用いた場合でもほぼ同様である。しかし下水汚泥の処理効率の面では焼成時間が短い方が有利であるので、この場合は３００℃、２５分の焼成条件が最も好適であることとなる。なお焼成時間が２５分未満の場合は、木炭化が十分に進まないために発生総熱量が減少することが確認されている。ここで同量の備長炭の発生熱量は約６０００Ｃａｌであるので、特にモルトフィードを用いた場合には、焼成タブレットは高カロリーの固形燃料である備長炭の６割の熱量を発生させることになる。このことから焼成タブレットは固形燃料として有望であると考えられる。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、下水汚泥を処理して得られる下水汚泥ケーキに、ゼオライトと乾燥モルトフィードおよび／またはモミ殻を混合して加圧成型後に焼成処理して焼成タブレットを得る下水汚泥の処理方法は、焼成タブレットおよびその焼却灰からの含有重金属等の環境への溶出率が小さく、埋め立て処理などを行う場合でも環境への影響が低い。また焼成タブレットが多孔質で有機物を多く含むために土壌改良材として優れているほか、固形燃料としての用途もあり、資源として再利用する用途も有望である。さらに乾燥モルトフィードやモミ殻は産業廃棄物であり、下水汚泥と同時にこれらの産業廃棄物も処理できる利点がある。これらのことから、本発明における下水汚泥の処理方法は、環境への負荷が小さく、同時に有意な資源も生み出しうることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の焼成条件において生成される焼成タブレットの実施例における、示差走査熱量測定結果の温度チャートである。
【図２】本発明において生成される焼成タブレットをバイオマスとして使用した際に発生する焼却灰の重金属浸出試験において、出発材料である下水汚泥ケーキのみの焼却灰に比較した溶出量の減衰率を示すグラフである。
【図３】本発明の実施例と比較例における含水率の調整材の種類と、タブレット焼成時の焼成条件の相違をまとめた、比較対照実験の比較条件の一覧表である。対照条件として備長炭の場合を含む。
【図４】本発明の実施例と比較例に関する、図３に示す一覧表中の一部の条件における示差走査熱量測定結果の温度チャートである。対照条件として備長炭の場合を含み、それ以外の条件は全て含水率の調整材としてモルトフィードを用いる。
【図５】本発明の実施例と比較例に関する、図３に示す一覧表中の一部の条件における示差走査熱量測定での発生総熱量を示すグラフである。

Claims (9)

1. 下水汚泥を処理して得られる下水汚泥ケーキに、ゼオライトと、乾燥モルトフィードおよび／またはモミ殻とを混合し、前記混合物を加圧成型すると共に、得られた成型物を焼成処理する下水汚泥の処理方法において、前記モルトフィードについては６メッシュ（３．３ｍｍ）以下、前記モミ殻については粒径を６５メッシュ（０．２１ｍｍ）以下とすると共に、前記下水汚泥ケーキ、前記ゼオライト、前記モルトフィードおよび／または前記モミ殻の混合物における焼成前の含水率を重量比で４５％〜５５％としたことを特徴とする下水汚泥の処理方法。
2. 請求項１に記載の下水汚泥の処理方法において、前記ゼオライトの粒径を０．１ｍｍ以下とすることを特徴とする下水汚泥の処理方法。
3. 請求項１および２に記載の下水汚泥の処理方法において、前記ゼオライトに対する前記モルトフィードおよび／または前記モミ殻の混合割合を、重量比でほぼ３倍とすることを特徴とする下水汚泥の処理方法。
4. 請求項３に記載の下水汚泥の処理方法において、成型物（下水汚泥炭化タブレット）の成型性、環境リスクを低減させる機能ならびにバイオマス機能を確保するため、前記下水汚泥ケーキ、前記モルトフィードおよび／または前記モミ殻、前記ゼオライトの３者の混合割合を、重量比でほぼ６：３：１とすることを特徴とする下水汚泥の処理方法。
5. 請求項１および４に記載の下水汚泥の処理方法において、前記成型物の焼成温度を３００〜３５０℃としたことを特徴とする下水汚泥の処理方法。
6. 請求項５に記載の下水汚泥の処理方法において、前記成型物の焼成時間を２５分以上としたことを特徴とする下水汚泥の処理方法。
7. 請求項１および６に記載の下水汚泥の処理方法において、前記焼成処理による処理生成物に含有される重金属の溶出を低減したことを特徴とする下水汚泥の処理方法。
8. 請求項１および６に記載の下水汚泥の処理方法において、焼成処理された前記処理生成物を用いたことを特徴とする固形燃料。
9. 請求項１および７に記載の下水汚泥の処理方法において、焼成処理された前記処理生成物を用いたことを特徴とする土壌改良材。

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