JP2007246361A - 下水汚泥焼却灰を原料とする肥料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 リン酸成分の含有率が大きく変動する下水汚泥焼却灰から、リン酸肥料を安定的に製造することができる方法を提供する。
【解決手段】 下水汚泥焼却灰を５０℃以上のアルカリ性溶液（ＮａＯＨまたはＫＯＨ）と接触させてリン酸を抽出する。接触時間を、１〜５分とし、リン酸抽出工程における液固比を１０ｍＬ/ｇ以上とする。これを固液分離して脱リン灰とリン酸溶液とし、このリン酸溶液中のリン酸成分１モルに対して１.５モル未満のカルシウム源（生石灰、消石灰、ドロマイト）を添加し、生成されたリン酸カルシウムを回収して肥料を得る。回収した固形物中に未反応の消石灰が残存しないので、リン酸成分の含有率が安定した肥料となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、下水処理場などから発生する下水汚泥焼却灰を原料としてリン酸肥料を製造する方法に関するものである。

下水処理場などから発生する下水汚泥焼却灰は、これまで価値のない廃棄物としてほとんどが埋設処分されてきたのであるが、近年においては埋設処分場を確保することが次第に困難となってきたため、溶融スラグとして減容化したうえ路盤材などとして再利用する試みがなされている。しかし、下水汚泥焼却灰は１０〜３０％程度の多量のリンを含有しているため、最近では下水汚泥焼却灰を有益なリン資源として位置付け、リンを回収する技術も検討されている。

例えば特許文献１には、下水汚泥焼却灰からリン酸カルシウム及びアルミン酸ナトリウムを回収する方法が記載されている。この方法は、下水汚泥焼却灰からカセイソーダによりリン酸成分とアルミニウム成分とを抽出し、抽出液に水酸化カルシウムを添加してリン酸カルシウムとアルミン酸ナトリウムを生成させ、リン酸カルシウムの結晶を水洗して付着しているアルミン酸ナトリウムを洗浄液側に分離する方法である。

この特許文献１の発明は、下水汚泥焼却灰からリン酸成分とアルミニウム成分とを回収することを目的としている。このため特許文献１の発明では、その請求項１に記載のように、抽出液中のリン酸カルシウム濃度が常に１００ｇ/Ｌ以上となるように、過剰量の水酸化カルシウムを添加することによって、アルミニウム濃度の低いリン酸カルシウム結晶を生成させている。

ところが、回収されたリン酸カルシウムをリン酸肥料として活用しようとした場合には、リン酸カルシウムの含有率が安定していることが強く求められるのであるが、特許文献１の方法を採用した場合には、この要求に応えられない場合があることが分かった。すなわち、実際には下水汚泥の性状が雨量や気温などによって大きく変動することから、下水汚泥焼却灰中のリン酸含有率も大きく変動する。このため過剰量の水酸化カルシウムを添加していると、下水汚泥焼却灰中のリン酸濃度が低下したときには、未反応の水酸化カルシウムが多量に残存し、これをリン酸カルシウムと分別することは容易でないので、回収された固形分は水酸化カルシウムを多く含み、肥料として不適当なものとなる。従って特許文献１の方法は、リン酸成分の含有率が大きく変動する実際の下水汚泥焼却灰から、リン酸肥料を製造するには不向きであった。
特開２００４−２０３６４１号公報

本発明は上記した従来の問題点を解決し、リン酸成分の含有率が大きく変動する実際の下水汚泥焼却灰から、リン酸肥料を安定的に製造することができる下水汚泥焼却灰を原料とする肥料の製造方法を提供するためになされたものである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、下水汚泥焼却灰を５０℃以上のアルカリ性溶液と接触させてリン酸を抽出し、これを固液分離して脱リン灰とリン酸溶液とし、このリン酸溶液中のリン酸成分１モルに対して１.５モル未満のカルシウム源を添加し、生成されたリン酸カルシウムを回収して肥料を得ることを特徴とするものである。

好ましい実施形態においては、下水汚泥焼却灰とアルカリ性溶液との接触時間を、１〜５分とし、リン酸抽出工程における液固比を１０ｍＬ/ｇ以上とする。カルシウム源としては、生石灰、消石灰、ドロマイトのいずれかを使用することができ、リン酸カルシウム生成工程における反応液中のリン酸カルシウム濃度を、６０ｇ／Ｌ未満とすることが好ましい。

本発明の下水汚泥焼却灰を原料とする肥料の製造方法においては、下水汚泥焼却灰をアルカリ性溶液と接触させてリン酸を抽出し、この抽出液中のリン酸溶液中のリン酸成分１モルに対して、１.５モル未満のカルシウム源を添加してリン酸カルシウムを生成させる。リン酸成分１モルに対するカルシウム源（水酸化カルシウム、酸化カルシウム）の反応当量は１.６７モルであるから、本発明では常にカルシウム源を不足状態としてリン酸カルシウムを生成させることとなる。この結果、リン酸成分の含有率が大きく変動しても未反応の水酸化カルシウムが残らず、リン酸成分の含有率が安定したリン酸肥料を製造することができる。

以下に図１を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態を説明する。
本発明では先ず抽出槽において、下水汚泥焼却灰１をアルカリ性溶液と接触させてリン酸を抽出する。アルカリ性溶液としてはＮａＯＨまたはＫＯＨが用いられる。ＮａＯＨやＫＯＨ等のアルカリ２は初回のみ添加されるが、後述するように理論上は系外に持ち出されることなく循環使用できるので、初回以降は減少分のみを補充すればよい。この実施形態ではＮａＯＨを使用したが、その濃度は０.５Ｎ〜４Ｎの範囲が好ましい。０.５Ｎ未満ではリン酸抽出能力が不足し、４Ｎを越えると却ってリン酸抽出量が減少するからである。より好ましくは２Ｎ〜４Ｎの濃度とする。

好ましい実施形態では、下水汚泥焼却灰とアルカリ性溶液との接触は、５０〜９０℃の温度域で、１〜５分程度行われる。図２に示すように、この温度範囲ではリン酸の溶出率は高いレベルに維持されるが、これより低温では半減する。また反応時間を１〜４２０分とした抽出実験の結果、抽出開始後５分以上を経過してもリン酸濃度は増加しないことが確認できたので、接触時間は１〜５分で十分である。このように高温で短時間の抽出は、抽出装置を小型化するうえで有利である。

このリン酸抽出工程における液固比は１０ｍＬ/ｇ以上とすることが好ましい。ここで液固比とは、アルカリ性溶液の容積ｍＬ／下水汚泥焼却灰ｇを意味する。図３は液固比を横軸とし、原料焼却灰からのリン酸回収率を縦軸としたグラフであり、２ＮのＮａＯＨを使用し、温度を７０℃とした場合を示している。この図３から明らかなように、液固比が１０ｍＬ/ｇより低い領域ではリン酸回収率が急激に低下する。これは後述する固液分離工程で脱リン灰に反応液が付着して持ち出されるため、低液固比ではリン酸回収率が低下するためである。なお、液固比が２０ｍＬ/ｇを越えるとリン酸回収率が低下するため、１０ｍＬ/ｇ〜２０ｍＬ/ｇの範囲が好ましい。

上記のようにしてリン酸を抽出させた後、固液分離して脱リン灰３を取り出す。この脱リン灰３はリンの含有率が低いのみならず重金属の溶出も少ないため、セメント、土質改良材、建設資材等の原料として安全に使用することができ、埋設する場合にも環境を汚染することがないことはもちろんである。

脱リン灰３が取出された液体分（リン酸溶液）は反応槽に送られ、カルシウム源４が添加される。カルシウム源４としては生石灰、消石灰、ドロマイトのいずれかを使用できるが、この実施形態では消石灰を使用した。添加された消石灰はリン酸と反応してリン酸カルシウムを生成する。本発明では、このリン酸溶液中のリン酸成分１モルに対して１.５モル未満のカルシウム源を添加する。リン酸と消石灰との化学反応においては、リン酸１モルに対して１.６７モルの消石灰が必要となるため、本発明では量論比の１.０倍未満の消石灰が添加されるのみである。

この結果、添加された消石灰は全てリン酸と反応してリン酸カルシウムとなり、未反応の消石灰が残存することがない。従って原料となる下水汚泥焼却灰中のリン酸成分の含有率が大きく減少した場合でも未反応の水酸化カルシウムが残らず、リン酸成分の含有率が安定したリン酸肥料を製造することができる。上記のようにカルシウム源４の添加量を抑制した結果、このリン酸カルシウム生成工程における反応液中のリン酸カルシウム濃度は６０ｇ／Ｌ未満となる。なお、反応槽における反応温度は室温で十分であり、好ましい反応時間は２〜２４時間程度である。

リン酸を生成させた後、反応槽の槽内液は固液分離されてリン酸カルシウム５が取出される。前記したように、未反応の消石灰はリン酸カルシウムとの分別が困難であるが、本発明では未反応の消石灰が残存しないのでリン酸成分の含有率が安定し、リン酸肥料あるいはその原料として適したリン酸カルシウム５を得ることができる。

またリン酸カルシウム５が取出された回収反応液６には最初に添加したＮａＯＨやＫＯＨがそのまま残存しているので、抽出槽に返送してアルカリ性溶液として再使用することができる。よって前記したように、初回以降は減少分のみのアルカリ２を補充すればよい。このようにして、本発明によれば下水汚泥焼却灰を原料として、リン酸成分の含有率が安定したリン酸肥料を安定的に製造することができる。

リン酸リンの含有量がＰ_２Ｏ_５として２７．７％の下水汚泥焼却灰１ｋｇを、１０Ｌのアルカリ性溶液と混合した。このリン酸抽出工程における液固比は１０ｍＬ/ｇとなる。アルカリ性溶液は２ＮのＮａＯＨであり、その液温は６０℃とした。５分間撹拌したのち、フィルタを用いて固液分離し、脱リン灰を取出した。

脱リン灰を取出した後のリン酸溶液に、消石灰の水溶液を添加し、常温でリン酸カルシウムを生成させた。その添加量は、リン酸成分１モルに対して消石灰１.３モルである。この反応液を固液分離したところ、３８０ｇのリン酸塩を回収することができた。このリン酸塩の分析結果、リン酸三カルシウムとして純度８０％以上であり、リン酸肥料としてそのまま使用可能な品質であった。

本発明の工程説明図である。 抽出工程における温度とリン抽出率との関係を示すグラフである。 抽出工程における液固比とリン酸回収率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 下水汚泥焼却灰
２ アルカリ
３ 脱リン灰
４ カルシウム
５ リン酸カルシウム
６ 回収反応液

Claims (5)

1. 下水汚泥焼却灰を５０℃以上のアルカリ性溶液と接触させてリン酸を抽出し、これを固液分離して脱リン灰とリン酸溶液とし、このリン酸溶液中のリン酸成分１モルに対して１.５モル未満のカルシウム源を添加し、生成されたリン酸カルシウムを回収して肥料を得ることを特徴とする下水汚泥焼却灰を原料とする肥料の製造方法。
2. 下水汚泥焼却灰とアルカリ性溶液との接触時間を、１〜５分とすることを特徴とする請求項１記載の下水汚泥焼却灰を原料とする肥料の製造方法。
3. リン酸抽出工程における液固比を１０ｍＬ/ｇ以上とすることを特徴とする請求項１または２記載の下水汚泥焼却灰を原料とする肥料の製造方法。
4. カルシウム源が生石灰、消石灰、ドロマイトのいずれかであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の下水汚泥焼却灰を原料とする肥料の製造方法。
5. リン酸カルシウム生成工程における反応液中のリン酸カルシウム濃度を、６０ｇ／Ｌ未満とすることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の下水汚泥焼却灰を原料とする肥料の製造方法。

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