JP2005246151A - 汚泥の熱分解加工方法及びその施設 - Google Patents

Abstract

【課題】汚泥中の回収固形分量の低減、設備とその用地の縮小化、及びイニシャルコスト並びにランニングコストの低減。
【解決手段】生物細胞を破壊する可溶化手段によって汚泥中の生物細胞を破壊して汚泥を可溶化する工程（Ｓ１０１）と、この汚泥を液体成分と固体成分とに固液分離する工程（Ｓ１０２）と、前記液体成分に可燃成分を混合してエマルジョン燃料化する工程（Ｓ１０３）と、前記固体成分を熱分解工程に供する工程（Ｓ１０４）とを有する。また、この熱分解処理により固体成分から発生したガスを燃焼処理する工程（Ｓ１０５）を有し、前記エマルジョン燃料を前記熱分解処理または燃料処理の燃料として利用するとよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は有機物を含む各種汚泥の熱分解加工方法とその施設に関するものである。有機物を含む各種汚泥は、通常、脱水ケーキに加工されて、焼却処理または一部には乾燥、炭化加工して再利用に供されている。脱水ケーキは生物などの有機成分を多量に含んでいるので、特に、本発明は、この有機成分を燃料として有効利用するための技術に関する。

工場や下水処理場等の各種施設で発生する汚泥は、通常脱水ケーキに加工されて、焼却処理または一部には乾燥、炭化加工して再利用に供されている。脱水ケーキの含水率は高く８０〜８５％の水分を含む。これは汚泥に含まれる生物の細胞内の水分に起因するものであり、高含水率の汚泥を乾燥、炭化物に加熱加工するには大量のエネルギーが必要である。

脱水効率を向上するために汚泥中の細胞を破壊するための可溶化手段として各種の技術が知られている。例えば、特許文献１（特開２０００−１１７２９９号公報）記載の処理法は、オゾンの注入または超音波の照射によって可溶化している。特許文献２（特開２０００−２０２４８４号公報）記載の処理法は、超音波の照射によって可溶化している。特許文献３（特開２００１−２０５２９８号公報）記載の処理法は、凍結法を採用している。特許文献４（特開２００２−６６５９５号公報）記載の処理装置は減圧法を採用している。特許文献５（特開２００３−１０３２９８号公報）記載の汚泥処法は加熱処理によって可溶化している。特許文献６（特開２００３−１０８９０号公報）記載の汚泥可溶化処理方法は加圧法とキャビテーション法とを採用している。特許文献７（特開平８−５７４７５号公報）記載の固液分離法はレーザ照射により汚泥の細胞壁を破砕している。

また、油と水を混合したエマルジョン燃料として各種の技術としては、例えば、特許文献８（特開２００３−１６１４０５号公報）記載の有機物炭化法や特許文献９（特開２００１−３４８５８２号公報）記載の液状炭素燃料製造方法がある。
特開２０００−１１７２９９号公報 特開２０００−２０２４８４号公報 特開２００１−２０５２９８号公報 特開２００２−６６５９５号公報 特開２００３−１０３２９８号公報 特開２００３−１０８９０号公報 特開平８−５７４７５号公報 特開２００３−１６１４０５号公報 特開２００１−３４８５８２号公報

汚泥中の細胞を破壊する可溶化手段の適用は限られており、既設の大半の施設には未適用であり、汚泥の脱水ケーキの含水率は８０〜８５％と高含水率である。これは汚泥中の生物細胞が生息しており、この細胞内の水分が除去されていないことに起因している。したがって、この種の脱水ケーキを原料として乾燥物及び炭化物を得るために必要なエネルギーは相当な量であり、加工費用がかかる。

本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、その目的は、汚泥中の生物細胞を破壊することで、回収固形分量を低減し、処理量を少なくすることで、設備及びその用地を縮小化及びイニシャルコストを低減できること、さらには汚泥を燃料化することでランニングコストの低減を実現させた汚泥の熱分解加工方法とその施設の提供にある。

そこで、本発明は、汚泥中の生物細胞を破壊することに着目し、生物細胞を破壊した後に固液分離して有機物成分を含む液状物質を得、これを石油、重油さらには微炭を混合して発熱量改質を行なってエマルジョン燃料を得ている。前記エマルジョン燃料は細胞破壊手段として加熱法を採用する場合の燃料、また乾燥・炭化施設を具備する場合その加熱源の燃料として利用できる。さらに、液状化した汚泥を固液分離して減量化した固体を回収し、この固体を乾燥、炭化することで、施設のコンパクト化、必要エネルギーの省力化を実現している。

すなわち、本発明の汚泥の熱分解加工方法は、生物細胞を破壊する可溶化手段によって汚泥中の生物細胞を破壊して汚泥を可溶化する工程と、この汚泥を液体成分と固体成分とに固液分離する工程と、前記液体成分に可燃成分を混合してエマルジョン燃料化する工程と、前記固体成分を熱分解工程に供する工程とを有する。前記液体成分と混合する可燃成分としては石油または重油が例示される。前記可燃成分には汚泥由来の炭化物を混合してもよい。

本発明の汚泥の熱分解加工方法は、生物細胞を破壊する可溶化手段によって汚泥中の生物細胞を破壊して汚泥を可溶化する工程と、この可溶化汚泥を液体成分と固体成分とに固液分離する工程と、前記液体成分に可燃成分と混合してエマルジョン燃料化する工程と、前記固体成分を熱分解処理する工程と、この熱分解処理により固体成分から発生したガスを燃焼処理する工程を有し、前記エマルジョン燃料を前記熱分解処理または燃料処理の燃料として利用している。

また、汚泥の熱分解加工施設は、原料の搬送攪拌と加熱とを行なって原料を乾燥または熱分解加工する回転炉を備えた間接加熱手段と、前記回転炉を加熱するための熱を発生する加熱源と、前記加熱により原料から発生したガスを燃焼するガス燃焼手段とを備えた熱分解加工施設において、汚泥中の生物細胞を破壊して汚泥を可溶化する可溶化手段と、前記可溶化した汚泥を固体成分と液体成分に分離する固液分離手段と、前記液体成分と可燃成分と混合してエマルジョン燃料を生成する燃料化手段とを備え、前記固体成分を原料として前記間接加熱手段に供給している。

また、他の熱分解加工施設としては、原料の搬送攪拌と加熱とを行なって原料を乾燥または熱分解加工する回転炉を備えた間接加熱手段と、前記乾燥または熱分解加工によって原料から発生したガスを燃焼するガス燃焼手段とを備えた熱分解加工施設において、汚泥中の生物細胞を破壊して汚泥を可溶化する可溶化手段と、前記可溶化した汚泥を固体成分と液体成分に分離する固液分離手段と、前記液体を可燃成分と混合してエマルジョン燃料を生成する燃料化手段とを備え、前記固体成分を原料として前記間接加熱手段に供給すること、前記エマルジョン燃料を前記ガス燃焼手段の燃料として利用すること、及び前記ガス燃焼手段で得た熱ガスを前記回転炉の加熱に供している。

尚、前記可溶化手段としたは加熱または超音波によって生物細胞を破壊するものがある。前記加熱法においては、施設の排ガスやこのガスと熱交換した熱風または水蒸気等を熱源として利用するとよい。

本発明によれば、汚泥中の生物細胞を破壊して固液分離しているので、回収する固体成分の量は脱水ケーキ量に比例して著しく減量化でき、必要とするプラント、用地は従来（脱水ケーキを直接加工する場合）に比例して著しく縮小したもので対応できる。

また、乾燥及び炭化の加工に必要なエネルギーも少なくてすむので、ランニングコストが低減する。

さらに、汚泥中の生物細胞を破壊することで、汚泥を液状化でき、固液分離して液体成分を回収し、これに発熱量調整のための油分（石油、重油）更には粉炭を混合してエマルジョン燃料を生成することができる。よって、被処理物の乾燥、炭化を行なう場合の燃料とすることが可能であり、加工費用の低減化（小ランニングコスト）が図れる。

したがって、小規模、省エネの汚泥の熱分解加工施設を提供できる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明に係る汚泥の燃料化及び熱分解工程の概略説明図である。

汚泥処理により発生する汚泥または脱水ケーキ中の生物細胞を破壊して可溶化して液状化した後に（Ｓ１０１）、これを固液分離して液体成分と固体成分に分離している（Ｓ１０２）。液体成分Ａは石油や重油等の可燃成分（液体燃料Ｂ）と混合（Ａ＋Ｂ）してエマルジョン燃料化している（Ｓ１０３）。このとき、微炭等の固体燃料Ｃを混合（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）してもよい。一方、固体成分は熱分解加工により炭化物を生成して多目的利用に供している（Ｓ１０４）。Ｓ１０３で得た燃料は熱分解加工の工程で生成した分解ガスの燃料処理（Ｓ１０５）や前記熱分解加工に必要な燃料として利用している。

図２は汚泥の可溶化及び固液分離工程の概略説明図である。

下水処理場から排出された脱水ケーキ（１）の含水率は８０〜８５％である。脱水ケーキの主な成分である生物（細菌類、真菌類、藻類、原生動物、微少後生動物）の細胞内に含めまれる水分の除去は困難であり、含水率は高いものとなっている。

前記生物細胞を可溶化するための可溶化工程（Ｓ１０１）に係る可溶化手段としては加熱法や超音波照射法が例示される。加熱法は１３０〜２５０℃の加熱によって生物細胞を破壊している。熱源は施設内で発生した熱風や蒸気を利用すればよい。超音波法としては例えば特開２０００−２０２４８４に示されたものが挙げられる。超音波法を採用する場合、活性汚泥の細胞膜を破壊、粉砕するに十分な周波数のもの、例えば約１０ｋＨｚから数ＭＨｚ程度のものを用いるとよい。

可溶化した汚泥を液体成分と固定成分に分離するための固液分離工程（Ｓ１０２）に係る固液分離手段としては汚泥処理技術で採用されている例えばフィルタープレス方式や遠心分離方式のものを採用すればよい。

分離した液体成分は有機成分を含むので燃料として利用するために燃料化している（Ｓ１０３）。ここでは、液体成分を可燃成分とを混合してエマルジョン燃料を得ている。可燃成分は液体可燃成分として石油や重油が、また固体可燃成分は粉炭が例示される。エマルジョン燃料を得るための手段としては、例えば特開２００３−１６１４０５号公報に開示された混合装置が挙げられる。

一方、固体成分（脱水ケーキ（２））は固液分離処理によって液体成分を除去しているので、その量は脱水ケーキ（１）の２０〜３０％までに減溶化している。ケーキ中の生物細胞は破壊されているので、固液分離を効率的に行なうことができ、前記固体成分の含水率は３０〜６０％までに低減されていることが確認されている。

以上のような可溶化処理によって、処理対象物の量低減と含水率低減を実現でき、炭化処理などの加工処理に費やされるエネルギーの低減が可能となり、ランニングコスト低減が実現する。

図３は可溶化手段の実施形態例を示した概略構成図である。

可溶化手段１は、被処理対象物（脱水ケーキ（１））が供給される反応槽１０と、外部から熱ガスを導入し反応槽１０内に滞留する被処理対象物を間接加熱する加熱ジャケット１１と備える。

反応槽１０はバッフル１００を備え、これによって仕切られて形成された一方の反応室には、被処理対象物を攪拌するための攪拌手段１０１と、被処理対象物を搬送して反応槽１０に供給するための搬送手段１２とが設けられている。この反応室には図示省略された温度測定手段を設けて、被処理対象物の温度を一定に制御できるようにするとなおよい。また、他方の反応室には可溶化した被処理対象物を反応槽１０外に移送するための配管１３が接続されている。尚、この被処理対象物はさらにポンプ等の移送手段１４によって固液分離手段２に移送される形態となっている。

加熱ジャケット１１は反応槽１０の有効反応容積分を加熱できる程度に反応槽１０の側面を覆うように設けられる。このとき、効率よく加熱できように反応槽１０の側面にはフィン１０２を複数設けるとなおよい。また、加熱ジャケット１１に供される熱ガスは、施設内の排ガスまたはこれを熱交換設備で熱交換して生成したものを利用すればよい。尚、熱ガス温度は１３０〜２５０℃が好ましい。

図４は本発明の熱分解加工施設の実施形態例を示した概略構成図である。

本実施形態の加熱加工施設は、原料を間接加熱によって乾燥さらに熱分解処理し炭化物を得る加熱加工施設において、図１〜図３を参照しながら説明した可溶化手段１と固液分離手段２と燃料化手段３とを備えている。

第一加熱炉４は、原料である固液分離手段２で分離した固体成分（脱水ケーキ（２））を導入し（ライン（Ａ））、これを一定の滞留時間のもと３５０〜４５０℃で間接加熱して乾燥するための間接加熱手段である。第一加熱炉４は、回転キルン方式を採用し、原料が導入される回転炉４１に、回転炉４１の外周に熱風ガスを流通させて回転炉４１を外部から加熱する外部加熱手段（加熱ジャケット４２）を付帯させている。尚、熱風ガスは、熱風炉６から導入している。

回転炉４１は、円筒状を成し、複数の支持ローラによって支承され、回転駆動源を備えた回転手段によって回転する。このとき、回転炉４１内部には導入した原料を攪拌搬送する図省略した送り羽根が複数枚設けられる場合がある。回転炉４１の一端側には、ダクト４０がシール部材を介して回転炉４１が回転自在且つ気密に接続されている。ダクト４０には原料を搬入するためにホッパー設備等の原料供給手段４０１が接続される。このとき、原料供給手段の前段部には原料をする計量装置が具備されて、原料をより定量に供給することで加熱処理の安定化を図っている。

第二加熱炉５は、乾燥処理した原料を一定の滞留時間のもと４５０〜６００℃で間接加熱して炭化するための間接加熱手段である。第二加熱炉５は、第一加熱炉４と同様に回転キルン方式を採用し、乾燥処理した原料を導入し攪拌搬送する回転炉５１に加熱ジャケット５２を付帯させている。回転炉５１は、円筒状を成し、複数の支持ローラによって支承され、回転駆動源を備えた回転手段によって回転する。回転炉５１の一端には、第一加熱炉４から排出された乾燥物を導入するためのダクト５０がシール部材を介して回転炉５１が回転自在且つ気密に接続されている。ダクト５０には、第一加熱炉４及び第二加熱炉５内で発生した水蒸気及び熱分解ガスを吸引しガス燃焼炉７に供する配管が接続されている。また、ダクト５０には、乾燥処理した原料を第二加熱炉５に誘導するための案内板５０１が設置されている。さらに、ダクト５０にも原料をする計量装置が具備されて、原料を定量に供給することで加熱処理の一層の安定化を図っている。一方、回転炉５１の他端には、第二加熱炉５で生成した炭化物を排出するためのダクト５５がシール部材を介して回転炉５１が回転自在且つ気密に接続されている。尚、炭化物は回収されると、燃料、吸着剤、土壌改良剤等の各種利用に供される。

熱風炉６は、熱風ガスを供給する間接加熱源であり、熱風ガスを発生させるための燃焼バーナーを備えている。熱風ガスは、ブロアによって第二加熱炉５の加熱ジャケット５２に供され、回転炉５１を加熱した後に、第一加熱炉４の加熱ジャケット４２内に供給され、回転炉４１を加熱する。このとき、熱風ガスには温度調整用の空気が適宜注入され、そのガス温度が調整される。加熱ジャケット４２から排出された加熱媒体（熱風ガス）は排気される。また、一部の加熱媒体はブロアによってガス燃焼炉７におけるエゼクタ駆動ガスとしての利用または加熱ジャケット４２，５２に供する熱風ガスとしての再利用に供される。

ガス燃焼炉７は、燃料化手段３で生成したエマルジョン燃料を利用して（ライン（Ｂ））、第一加熱炉４及び第二加熱炉５から導入した水蒸気及び熱分解ガスを一定の雰囲気及び滞留時間のもとで（例えば、８００℃以上の雰囲気、より具体的には、例えば約８５０℃の雰囲気で２秒以上の滞留時間）燃焼して無害化処理する。被処理ガスには、系外から燃焼補助のために空気が適宜導入される。ガス燃焼炉７は、被処理ガスが供給されるガス燃焼室を備え、これには燃焼バーナーが具備されている。燃焼バーナーによる燃焼は燃料の供給量を調節することによって適宜制御される。ガス燃焼炉７にて燃焼処理したガスはブロア８２に吸引されて熱交換器８及びバグフィルタ８１を経由した後に煙突８３から排気される。

熱交換器８は、空気を冷却媒体とする気体−気体熱交換方式によって前記ガスを２００〜１５０℃程度までに冷却処理する。このとき、被冷却ガス（燃焼処理したガス）には少なくとも硫黄成分を含んでいない新鮮な空気が適宜供給され、ガス温度が適切に調整される。冷却処理されたガスはさらにバグフィルタ８１に供されて除塵処理されてから系外排出される。一方、熱交換により加熱された空気は可溶化手段１の加熱源に利用される（ライン（Ｃ））。尚、この加熱空気は熱風炉６における熱風ガスの生成に供してもよい。

本発明に係る汚泥の燃料化及び熱分解工程の概略説明図。 汚泥の可溶化及び固液分離工程の概略説明図。 可溶化手段の実施形態例を示した概略構成図。 本発明の熱分解加工施設の実施形態例を示した概略構成図。

符号の説明

１…可溶化手段
２…固液分離手段
３…燃料化手段
４…乾燥炉
５…炭化炉
６…熱風炉
７…ガス燃焼炉
８…熱交換器

Claims (7)

1. 生物細胞を破壊する可溶化手段によって汚泥中の生物細胞を破壊して汚泥を可溶化する工程と、この汚泥を液体成分と固体成分とに固液分離する工程と、前記液体成分に可燃成分を混合してエマルジョン燃料化する工程と、前記固体成分を熱分解工程に供する工程とを有することを特徴とする汚泥の熱分解加工方法。
2. 前記液体成分と混合する可燃成分としては石油または重油であることを特徴とする請求項１記載の汚泥の熱分解加工方法。
3. 前記可燃成分に汚泥由来の炭化物を混合することを特徴とする請求項１または２記載の汚泥の熱分解加工方法。
4. 生物細胞を破壊する可溶化手段によって汚泥中の生物細胞を破壊して汚泥を可溶化する工程と、この可溶化汚泥を液体成分と固体成分とに固液分離する工程と、前記液体成分に可燃成分と混合してエマルジョン燃料化する工程と、前記固体成分を熱分解処理する工程と、この熱分解処理により固体成分から発生したガスを燃焼処理する工程を有し、前記エマルジョン燃料を前記熱分解処理または燃料処理の燃料として利用することを特徴とする汚泥の熱分解加工方法。
5. 原料の搬送攪拌と加熱とを行なって原料を乾燥または熱分解加工する回転炉を備えた間接加熱手段と、前記回転炉を加熱するための熱を発生する加熱源と、前記加熱により原料から発生したガスを燃焼するガス燃焼手段とを備えた熱分解加工施設において、
   汚泥中の生物細胞を破壊して汚泥を可溶化する可溶化手段と、前記可溶化した汚泥を固体成分と液体成分に分離する固液分離手段と、前記液体成分と可燃成分と混合してエマルジョン燃料を生成する燃料化手段とを備え、
   前記固体成分を原料として前記間接加熱手段に供給すること
   を特徴とする汚泥の熱分解加工施設。
6. 原料の搬送攪拌と加熱とを行なって原料を乾燥または熱分解加工する回転炉を備えた間接加熱手段と、前記乾燥または熱分解加工によって原料から発生したガスを燃焼するガス燃焼手段とを備えた熱分解加工施設において、
   汚泥中の生物細胞を破壊して汚泥を可溶化する可溶化手段と、前記可溶化した汚泥を固体成分と液体成分に分離する固液分離手段と、前記液体を可燃成分と混合してエマルジョン燃料を生成する燃料化手段とを備え、
   汚泥を原料として前記間接加熱手段に供給すること
   前記エマルジョン燃料を前記ガス燃焼手段の燃料として利用すること
   前記ガス燃焼手段で得た熱ガスを前記回転炉の加熱に供すること
   を特徴とする汚泥の熱分解加工施設。
7. 請求項１から４のいずれか１項に記載の汚泥の減量化方法、または請求項５若しくは６記載の汚泥の熱分解加工施設において、前記可溶化手段は加熱または超音波によって生物細胞を破壊することを特徴とする汚泥の減量化方法及び減量化施設。
   

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