JP2014185307A - 高含水有機汚泥を使用した固形燃料製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】含水率が高く臭気を伴うため取り扱いが困難であった各種高含水有機汚泥を、簡便な製造システムで固形燃料としてリサイクルすることを特徴とする固形燃料製造方法、及びその製造方法を使用したリサイクル循環システムに関するものである。
【解決手段】高含水有機汚泥にコーヒーかす等の食品廃棄物、さらに必要に応じて各種エマルジョン及びラテックスを含有した排水を処理した時に発生する凝集沈殿汚泥を添加し攪拌混合したものに、予め同一配合物を乾燥により粒状乾燥物としたものを攪拌混合することで、含水率を低下させると同時に、配合物の形態を汚泥状から粒状に変化させることによりハンドリング性を改善すると共に乾燥表面積を増大させることにより、取り扱い及び乾燥性を改善して自然乾燥でも製造可能な固形燃料を提供する。
また、別の高含水有機汚泥に上記固形燃料を添加剤として使用することにより、含水率を低下させると同時に、配合物の形態を汚泥状から粒状に変化させることにより、さまざまな場所で発生している高含水有機汚泥のハンドリングを改善し、自然乾燥でも製造可能な方法により燃料化できるシステムを提案する。さらに、上記固形燃料を製造する方法を使用することにより、高含水有機汚泥の発生する場所（工場等）に攪拌装置等の設備を設置し、その場所で上記方法により固形燃料を製造し、製造した燃料をその場所（工場等）でボイラー等の燃料として使用することにより、取り扱いが困難な高含水有機汚泥を運搬及び廃棄物処理することなく、燃料として使用できる画期的なリサイクル循環システムを提供する。
【選択図】なし

Description

本発明は、様々な分野で大量に発生している高含水率で取り扱いが困難な有機汚泥を粒状乾燥物と混合することで、配合物の形態を汚泥状から粒状に変化させることにより、取り扱い及び乾燥性を改善して自然乾燥でも可能な固形燃料製造方法に関するものである。

高含水有機汚泥は様々な分野で大量に発生している。高含水有機汚泥としては下水汚泥、家畜糞尿処理汚泥、各種工場から発生する食品汚泥や凝集沈殿汚泥、飲食関係の厨房等で発生するグリストラップ汚泥、ペーパースラッジなどがある。これらは、その特徴である含水率が非常に高いこと、臭気が発生するものが多いことなどから取り扱いが困難なものが多い。

しかしながら、高含水有機汚泥は可燃成分を含有していることから、燃料としての特性を有している。例えば下水汚泥の場合、生汚泥などは乾物発熱量が５０００ｋｃａｌ／ｋｇ程度を有しており、現在各所で下水汚泥燃料化の大型プラントが検討されている。

これらの高含水有機汚泥を燃料として使用するためには、含水率を低下させることが前提となる。そのために一般的に伝導加熱乾燥方式の設備が使用されることが多いが、この場合、伝熱面への汚泥の付着による乾燥効率の低下等の問題がある。この欠点を改善した様々な乾燥方式が提案されているが、汚泥の特性（高含水率及び粘性）から効率的な乾燥方式は確立されていないのが現状である。また、各種生産工場においては工場内で発生した高含水有機汚泥を、工場内に設置されたボイラー等で焼却又は一部エネルギー転換目的での燃料として利用しているところもある。しかしながら、高含水物であるため直接投入した場合は、燃焼効率の低下等の問題が生じる。そのために、木質チップ等と混合して燃焼させる方法で実施しているところもあるが、ある程度ハンドリング性を改善するためには相当量の木質チップを添加する必要があり、混合物の容量が非常に多くなってしまう。また、木質チップが有価であること、及び木質チップに吸湿性があり含水率等から発熱量が安定しないため燃料としての有効性にも問題がある。

高含水有機汚泥を乾燥する場合には大型の乾燥装置を使用し、その乾燥装置を運転するために多大なエネルギー消費を伴うものが多く、コスト面でも問題点を含んでいる。また、これらの強制乾燥方式では下水汚泥や食品汚泥の様に臭気の強い汚泥の場合、乾燥物自体に臭気が残留するという問題点もある。

本発明は、燃料化の過程において最もエネルギー消費を伴わない自然乾燥方式でも製造可能であり、且つ廃棄物を原料として使用することによりコストパフォーマンスに優れた特徴を有する固形燃料の製造方法に関するものである。

高含水有機汚泥を自然乾燥方式でも燃料化を可能とするためには 次の［１］から［４］の条件を満たすことが前提となる。
［１］配合系の初期含水率をできるだけ低下させること。
［２］乾燥速度を向上させるためには、配合物の表面積をできるだけ大きくすること。
［３］乾燥により粒状化した際に適度な凝集力を有し、粉化物を発生させないこと。
［４］高含水有機汚泥と混合した際に水分の影響を受けず粒状形態を保持すること

本発明は、予め適度な粒度を有する乾燥して低含水率とした粒状物を作成し、これを核材として高含水有機汚泥に添加することにより、汚泥状から粒状に変化させ、ハンドリングの向上及び初期含水率の低下、さらには表面積の大幅な増大を実現して自然乾燥方式でも製造可能な方法を提案するものである。

すなわち請求項１記載の発明は、予め高含水有機汚泥と食品廃棄物を混合したものを乾燥して核材となる粒状乾燥物を作成し、これを同種の高含水有機汚泥と食品廃棄物の同一配合物に添加して攪拌混合することにより、配合物全体の含水率を低下させ、且つ配合物の形態を汚泥状から粒状に変化させることにより乾燥表面積を増大させて、自然乾燥で均一な性能を有する固形燃料を製造する方法に関するものである。

請求項２記載の発明は、高含水有機汚泥や食品廃棄物の種類によっては粒状化の段階で凝集力が弱く十分な粒状化が困難な場合がある。また、製造後の固形燃料としての性能において発熱量の向上、耐水性及び耐湿性の付与、粉化防止等の品質特性を付加する必要のある場合は、エマルジョン又はラテックスを含有した排水を処理した時に発生する凝集沈殿汚泥を請求項１記載の高含水有機汚泥と食品廃棄物の配合物に混合することを特徴とする固形燃料を製造する方法に関するものである。

請求項３記載の発明は、最初だけ粒状乾燥物を作成しておけば、その後の製造は最初に製造された粒状固形燃料の一部を粒状乾燥物としてリターン使用することで、連続して自然乾燥で固形燃料を製造できる方法に関するものである。

請求項４記載の発明は、添加する原料として使用する食品廃棄物に関するものである。

請求項５記載の発明は、製造した粒状固形燃料を添加剤として使用することに関するものである。本粒状固形燃料を、高含水有機汚泥が発生している場所に持ち込み、攪拌混合して乾燥することにより、粒状固形燃料を製造し、そこでボイラー等の燃料として使用する方法に関するものである。

請求項６記載の発明は、高含水有機汚泥が発生する場所において、請求項１乃至４記載の製造方法により固形燃料を製造し、その場所でボイラー等の燃料として利用することにより、取り扱いが困難な高含水有機汚泥を無駄な輸送や廃棄物としての処理をすることなく、効率よくその場で有効に利用できると同時に、新たなエネルギー源として使用できることから、環境への負荷を低減することが可能となるシステムに関するものである。

本発明のポイントは、高含水有機汚泥を自然乾燥でも乾燥できることにある。通常高含水有機汚泥は、６０〜９０％程度の含水率を有し、且つその形態が汚泥状となっているため乾燥表面積が非常に小さいことから自然乾燥で乾燥することは困難である。通常、乾燥速度は初期含水率と乾燥表面積の大きさに影響される。含水率を低下させ、且つ乾燥表面積を増大させるためにはできるだけ細かな粉末状の乾燥物を添加することであるが、あまり細粒である場合、高含水率有機汚泥との攪拌混合段階で練り状態となってしまい、適度な粒状にすることは困難であった。

これらを解決する方法として発明者らは、適度な凝集力を有した５ｍｍ以下の粒状乾燥物を高含水有機汚泥と混合攪拌した時、前記粒状乾燥物が核材となって練り状態とはならず、分散状態をキープしてほぼ粒状乾燥物と同等の粒子径を有する粒状になることを見出した。

粒状乾燥物の配合としては、高含水有機汚泥にコーヒーかすを添加して攪拌混合したものを乾燥して粒状乾燥物とした。コーヒーかすはそれ自体が３ｍｍ程度以下の粒状物であり、適度な凝集力と耐水性を有することから良好な５ｍｍ以下の粒状乾燥物となった。ふすま、米糠、乾燥おからを高含水有機汚泥と攪拌混合し乾燥した粒状乾燥物は凝集力がやや弱く、且つ吸水性もあることから高含水有機汚泥と混合して作成した粒状乾燥物に粉化物が発生した。

粒状乾燥物を製造する場合において、使用する高含水有機汚泥や食品廃棄物の種類によっては、乾燥物の凝集力が弱く、高含水有機汚泥と食品廃棄物の配合物に粒状乾燥物として添加した時に、粒状の状態を保つことができず、乾燥した段階で粉化物が発生しやすいものがあった。この様な場合は、エマルジョン又はラテックス含有排水の凝集沈殿汚泥を併用添加することにより凝集力が向上し、且つ耐水性も付与されることから５ｍｍ以下の粒状化が可能となった。

これはエマルジョン又はラテックス含有排水の凝集沈殿汚泥が持つ数々の特性に起因する。一つはバインダー特性である。この特性は、凝集沈殿汚泥内に存在する有機系ポリマーに起因する。有機系ポリマーは接着剤や塗料として使用されているポリマーであり、それ自体が接着性や密着性に優れた性質を有していることから、凝集沈殿汚泥にはバインダーとしての機能が具備されている。
二つには自己凝集力である。汚泥単独で一定の形状で成型して放置しておくと、経過時間と共に急激な収縮を伴い非常に強い凝集力で固化し、弾性体ではあるが強力な強さを有する成型体となる。それは凝集沈殿汚泥に内在するポリマーが疎水性であり、ポリマー微粒子が凝集した系であることから、時間経過に伴う乾燥による急激な収縮が起こる。この段階で水分の解離が促進され、それに伴って凝集力が発現する。しかも一旦凝集固化したものは吸湿しない性質を有することから、製造された粒状固形燃料に耐水性及び耐湿性を付与することも可能となる。

さらに、凝集沈殿汚泥の成分は熱可塑性ポリマーが主体であることから、それ自体の発熱量が高く、単体では６０００〜７０００ｋｃａｌ／ｋｇ程度の非常に高い発熱量を有するものである。したがって、配合により発熱量の調整が可能となる。

さらに、この発明の一つのポイントは、最初に粒状乾燥物を作成しておけば、その後の生産は、一回目の生産により製造した粒状固形燃料の一部を粒状乾燥物としてリターンして使用することにより、連続的に自然乾燥方式での固形燃料の製造が可能となる点である。

本発明で製造される粒状固形燃料を製造する場合、乾燥段階でできるだけエネルギー消費をともなわない自然乾燥方式で実施できる。例えば屋外にて厚さ５ｃｍ程度に放置し、一日３回程度切り替えしをおこなうことで、夏場２４時間以内、冬場４８時間程度で２０％以下の含水率を有する５ｍｍ以下の固形燃料となる。さらに乾燥速度を上げたい場合は、風力等を使用することも効果がある。

また、５ｍｍ以下の粒状固形燃料では燃焼が難しいペレットボイラー等のボイラーに適応するために、粒状乾燥物（１２〜２０％）をリングダイ方式及びフラットダイ方式のペレタイザーで容易にペレット化も可能である。

現在、高含水有機汚泥を排出しているメーカーは、汚泥を廃棄物処理メーカーに委託して処理してもらっている。しかしながら、その特性である高含水、悪臭、腐敗などから取り扱いが非常に難しいものとなっている。これらの汚泥を運搬及び廃棄物処理をする場合、その過程で環境に与える影響は計り知れない。

本発明を利用することにより、これら高含水有機汚泥を排出しているメーカーに、本発明の粒状固形燃料を粒状乾燥物として持ち込み、高含水有機汚泥に添加することにより、その場で自然乾燥により粒状固形燃料を製造することも可能となる。

また、本発明を利用することにより、高含水有機汚泥の発生場所で、本発明のシステムで固形燃料を製造し、その製造した固形燃料をその場所で燃料として使用することにより、いままでにない画期的なリサイクル循環システムの構築が可能となる。

本発明で使用される高含水有機汚泥としては、下水汚泥、家畜糞尿処理汚泥、食品工場より排出される活性汚泥、各種工場より排出される排水処理汚泥、製紙工場より排出されるペーパースラッシなどがある。また、本発明で使用するものはほぼ６０〜９０％程度の含水率を有するものである。

本発明で使用される食品廃棄物としてはコーヒーかす、乾燥おから、ふすま、米糠などがあり、さらに、茶滓、紅茶かす、酒かすなどの食品廃棄物も使用できる。

次に本発明で使用される凝集沈殿汚泥について説明する。エマルジョンやラテックスは様々な分野で使用されている。特に近年は有機溶剤毒性の問題から、安全性の高いエマルジョンタイプへの移行が進んでいる。使用分野は接着剤、塗料、粘着剤、コーティング剤等がある。その種類は多く酢酸ビニルエマルジョン、酢酸ビニル共重合エマルジョン、アクリルエマルジョン、アクリル系共重合エマルジョン、ＳＢＲラテックス、ＭＢＲラテックス、ＮＢＲラテックス、ＮＲラテックスなどである。これらのエマルジョンやラテックスの製造並びに使用工程では、使用した反応釜や各種保存容器、配管等の装置の洗浄による排水が発生する。

前記の排水は、必ず工場内の一定の処理槽に集められてから凝集沈殿処理を実施する。凝集沈殿処理の方法としては、様々な方法があるが、一例を挙げれば、硫酸バンドや苛性ソーダによりｐＨ調整を実施後、高分子凝集剤を添加して大きなフロックを形成させる。

上澄み液を取り除いた後、上記フロック沈殿物を真空脱水機などで脱水処理を実施する。この処理により、含水率を６０〜８０％に調整する。

脱水後の凝集沈殿汚泥の成分は、一例を挙げればアクリル樹脂８、酢酸ビニル樹脂１０、エチレン酢酸ビニル樹脂５、ＳＢＲラテックス３、水分７４（重量％）となっている。

ここからは、製造手順に従い具体的に説明する。まず始めに粒状乾燥物を作成する。
高含水有機汚泥と食品廃棄物を所定比率で混合する。コーヒーかすの場合、含水物（６０％含水率）であれば、高含水有機汚泥：コーヒーかす＝１：０．４〜１．０（重量比）が好ましく、乾燥物であれば１：０．２〜０．５（重量比）が好ましい。米糠、乾燥おから、ふすまについては、含水率が７〜１４％程度のものを使用し、配合比率については高含水有機汚泥１に対し、重量比で０．２〜０．８（重量比）が好ましい。
なおコーヒーかすの場合は自体が凝集力を有した粒状であるため、粒状乾燥物となった時に十分な凝集力を有しているが、それ以外のものは粒状乾燥物となった場合やや凝集力が弱く、エマルジョン又はラテックス含有排水の凝集沈殿汚泥を添加することが望ましい。

エマルジョン又はラテックス含有排水の凝集沈殿汚泥を添加する場合は、高含水有機汚泥と食品廃棄物の配合物１に対し、好ましくは０．１〜０．８（重量比）を添加する。

配合順序については、高含水有機汚泥に食品廃棄物を添加して攪拌混合し、その後凝集沈殿汚泥を添加して攪拌混合をおこなう。凝集沈殿汚泥の添加を最後に実施することにより、凝集沈殿汚泥のバインダー効果を明確に発現することができる。

配合物は自然乾燥により乾燥され、具体的には含水率を２０％以下とする。含水率が下がった段階で、ふるいにより７ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以下の乾燥品に分級する。残った塊状物は粉砕により５ｍｍ以下として粒状乾燥物として使用する。

次に高含水有機汚泥と食品廃棄物を、前記粒状配合物作成時と同等配合率で攪拌混合する。エマルジョン又はラテックス含有排水の凝集沈殿汚泥を添加する場合は、前記粒状配合物を作成する時と同配合率で実施する。この配合物に予め作成した粒状乾燥物を添加して攪拌混合を実施する。その場合の配合比率は、配合物：粒状乾燥物＝１：０．１〜１．５（重量比）、好ましくは配合物：粒状乾燥物＝１：０．２〜１．０（重量比）である。

次いでこの発明の製造工程について説明する。まず攪拌混合は混練機によって各原料を均一な状態になるようにおこなう。混練機としては一般的なモルタルミキサー方式でも可能であるが、均一な粒状化にはらいかい方式の攪拌機が望ましい。攪拌時間は５〜１０分で実施する。５分より短い場合、原料の混合が不均一となる。

十分に混合された混合物は、混練機より取り出して常温で屋外乾燥する。乾燥時間は外気の温度や湿度の影響により変化するが、含水率が２０％以下となるまでに要する時間は、厚み５ｃｍで１日３回切り替えし実施により、夏場で１日／平均２５℃程度、冬場で２〜３日／平均５℃程度である。ただし、乾燥段階では雨等直接水分が懸からないことが前提である。また、必要に応じて風力乾燥や強制乾燥をすることも可能である。

自然乾燥により２０％以下の含水率になった段階で、一部は粒状乾燥物としてリターンして利用し、残りが粒状固形燃料となる。粒状固形燃料の発熱量は高含水有機汚泥の種類によりかなりの幅はあるが、高位発熱量で３７００〜５５００ｋｃａｌ／ｋｇの性能を有する。
以下本発明の実施例、比較例をあげて詳しく説明する。

実施例１〜６

食品工場より排出された活性汚泥とコーヒーかす、乾燥おから、米糠及び凝集沈殿汚泥で実施した実施例を報告する。配合組成を表１に示す。

上記配合において、コーヒーかすは含水率６０％、乾燥おからの含水率は１１％、米糠の含水率は１３％、活性汚泥の含水率は７５％、凝集沈殿汚泥の含水率は７２％、粒状乾燥物は１０．２％のものを使用した。粒状乾燥物は各同一配合のものを予め乾燥して粒状乾燥物としたものを使用した。上記配合物を、室外屋根付ヤードにて、５ｃｍの厚みで自然放置により乾燥を実施した時の含水率の推移を比較例（活性汚泥単独）と共に以下表２に示す。乾燥環境の温度は、０〜１２℃であった。なお、切り替えしを３回／１日実施した。

表１記載の配合による５ｍｍ以下の粒状固形燃料の性能等を表３に記す。

試験方法は以下の通りとした。
（１）含水率：ＪＩＳＺ７３０２−３：１９９９の水分試験方法に準拠
（２）発熱量：ＪＩＳＺ７３０２−２：１９９９の発熱量試験方法に準拠。
（３）凝集力：手では容易につぶせない状態を良、簡単につぶせる状態を悪いと表現
（４）臭気：製造直後においの有無確認

実施例７〜１０

食品活性汚泥、下水汚泥各２０ｋｇに、実施例５の配合による粒状乾燥物（９％）を１０ｋｇ及び２０ｋｇ配合して攪拌混合したものを室外屋根付ヤードにて、５ｃｍの厚みで自然放置により乾燥を実施した時の含水率の推移を比較例２，３（各汚泥単独）と共に以下表４に示す。実施例７は食品汚泥／乾燥物＝２０／１０、実施例８は食品汚泥／乾燥物＝２０／２０、実施例９は下水汚泥／乾燥物＝２０／１０、実施例１０は下水汚泥／乾燥物＝２０／２０、比較例２は食品汚泥単独、比較例３は下水汚泥単独である。

上記実施例７〜１０の配合物より、５ｍｍ以下の粒状固形燃料を得た。その燃料の性能等を表５に記す。

Claims (6)

1. 高含水有機汚泥と食品廃棄物を攪拌混合した配合物に、予め同一配合で高含水有機汚泥と食品廃棄物を混合後、乾燥により含水率を２０％以下で５ｍｍ以下の粒状乾燥物としたものを添加して攪拌混合することにより、自然乾燥でも製造が可能であることを特徴とする固形燃料製造方法
2. 請求項１記載の粒状乾燥物の凝集力向上による粉化防止、及び製造された固形燃料の発熱量の向上や耐水性及び耐湿性等の品質特性を付加する目的で、エマルジョン又はラテックスを含有した排水を処理した時に発生する凝集沈殿汚泥を、請求項１記載の高含水有機汚泥と食品廃棄物の配合物に混合することを特徴とする固形燃料製造方法
3. 請求項１及び２記載の高含水有機汚泥と食品廃棄物の配合物又は高含水有機汚泥と食品廃棄物及びエマルジョン又はラテックスを含有した排水を処理した時に発生する凝集沈殿汚泥の配合物と粒状乾燥物を攪拌混合後、乾燥して得られた粒状固形燃料の一部を粒状乾燥物としてリターンして使用することにより、最初に使用する粒状乾燥物のみ作成するだけで、後は連続的に自然乾燥でも生産が可能であることを特徴とする固形燃料製造方法
4. 請求項１記載の食品廃棄物にコーヒーかす、ふすま、米糠、乾燥おから等を使用することを特徴とする固形燃料製造方法
5. 請求項１記載の粒状固形燃料を、別の高含水有機汚泥を固形燃料化する際の添加剤として使用することを特徴とする固形燃料製造方法
6. 高含水有機汚泥が発生する場所において、請求項１乃至４記載の固形燃料製造方法により燃料を製造し、その場所でボイラー等の燃料として利用することにより、ハンドリングの問題を有する高含水有機汚泥の運搬及び廃棄物処理をおこなう必要がなく、且つ有効なリサイクルにより環境への負荷を低減することが可能なリサイクルシステム