JP4469683B2 - 炭化脱臭材の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、農業集落排水処理汚泥などを処理対象とし、その利用のために用いられる炭化脱臭材の製造方法に関する。
近年、ごみや建築廃材、廃プラスチック等の廃棄物をリサイクルして有効利用する試みがなされており、ごみなどを固形燃料として利用することが開始されている。また、下水処理場や食品工業等の有機性汚泥を炭化して吸着材、土壌改良材等に使用することも考えられている。このような炭化物を製造する方法及び装置に関して、汚泥をそのままの状態で炭化する方法が既に提案されており（例えば、特許文献１参照）、また、乾燥処理を行なった後に炭化する方法も提案されており（例えば、特許文献２参照）、さらに、汚泥におが屑や粘土等を混合して成形した後、炭化する方法も提案されている（例えば、特許文献３又は４参照）。
また、農業集落で生じる排水の処理汚泥は、重金属物質があまり含まれていないので、遠心脱水機で濃縮・脱水後、遠心薄膜乾燥機等により乾燥して、農地施肥や、コンポスト堆肥として農地還元等に利用されている。しかし、農地施肥やコンポスト堆肥は使用時期が偏っている為に、貯蔵中に汚泥の変質が生じたり、臭気が発生する等の問題が発生する。
そこで、農業集落排水処理汚泥については、その乾燥汚泥の新たな利用法として、乾燥汚泥を炭化して炭化物を活性炭のような脱臭・吸着材として使用することが考えられている。
ところで、汚泥の炭化方法として提案された上記特許文献１や特許文献２の技術では、汚泥の形状や大きさの大小により、炭化が不均一（形状が大きいものは内部が未炭化など）になり、炭化物の性状が安定しない欠点がある。また、特許文献３や特許文献４のように，おが屑や粘土を混合して成形を行なうと、成形された汚泥に他の物質が混入するので、汚泥量が増加して、処理量の増加や炭化物の物性低下を起こす。
また、炭化物に対する脱臭性能の実験を行なったところ、汚泥を炭化して得られる炭化物はアンモニア吸着性能が低く、このままでは脱臭剤としての適用が難しいことが明らかになった。これは、通常の汚泥炭化物の物性は、臭気ガス等の吸着に寄与する被表面積が１０〜５０(ｃｍ２／g)で、木材を原料に炭化した木炭や、賦活を行なった活性炭などに比較して小さく（木炭や活性炭の１／１０〜１／２０程度）、吸着材としての性能が低いためである。
特開２００１−２３２３９７号公報
特開２００１−４７０９７号公報
特開平６−６３５３８号公報
特開平８−７１５９６号公報
このように、通常の汚泥炭化物は、活性炭や木炭のような吸着比表面積がないため、アンモニア脱臭等の吸着材としての性能が低かった。
本発明の目的は、アンモニア吸着性能を大幅に向上させて活性炭と同程度の脱臭性能を有する炭化脱臭材の製造方法を提供することにある。
本発明による炭化脱臭材の製造方法は、乾燥汚泥を、水分を２０重量パーセントから７０重量パーセントに調整して、押し出し式にて直径５ミリメートルから１０ミリメートルで、長さは１０ミリメートルから１８ミリメートルに造粒した後、この造粒物を、炭化温度４００℃から６００℃で炭化し、この炭化物に対し、希薄りん酸液を充填した真空式多用途含浸装置によって、減圧下で２．５から１０重量パーセントのリン酸を添着させることを特徴とする。
本発明によれば、所定形状に乾燥汚泥を造粒して炭化を行い、この炭化物にリン酸を添着させたことにより、アンモニアの吸着性能が大幅に向上し、汚泥炭化物の脱臭剤への適用が可能になり、さらに、アンモニア吸着後は、土壌改良材として再利用可能となる。
以下、本発明による炭化脱臭材の製造方法の一実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
図１はこの実施の形態による炭化脱臭材の製造方法を表している。すなわち、有機性汚泥の乾燥汚泥１１を造粒機１２で造粒した後、この造粒汚泥１３を炭化炉１４で炭化し、この炭化汚泥１５に対して添着装置１６によりリン酸を添着し、添着炭化物１７を製造している。
乾燥汚泥１１としては、例えば、農業集落排水処理汚泥を脱水処理して含水率８５％程度に濃縮し、この濃縮汚泥を、例えば、遠心薄膜式乾燥機の加熱筒の内壁に薄膜状に引き伸ばして乾燥させた、含水率１０〜７０％程度の乾燥汚泥を用いる。造粒機１２としては、例えば、スクリュー押し出し方式のものを用い、乾燥汚泥に圧力を加え、所定形状の粒状に造粒する。炭化炉１４としては、例えば、連続式の間接加熱ロ−タリキルン方式のものを用いる。この方式の炭化炉１４は、外周部分に加熱ジャケットが設けられたロータリキルンを有し、このロータリキルン内に供給された被炭化物（この場合、造粒汚泥１３）を、加熱ジャケットからの熱により低酸素状態で加熱し、炭化させる。添着装置１６としては、真空式多用途含浸装置を用い、減圧下において炭化物にリン酸を添加させている。
次に、農業集落排水処理汚泥（以下農集汚泥と記す）を炭化して脱臭材を製造する実施例を詳細に説明する。
−実施例−
この実施例において、炭化脱臭材の製造工程は、（１）造粒工程、（２）炭化工程、（３）添着工程の主要な３工程で構成されており、以下、これらを工程毎に説明する。
この実施例において、炭化脱臭材の製造工程は、（１）造粒工程、（２）炭化工程、（３）添着工程の主要な３工程で構成されており、以下、これらを工程毎に説明する。
（１）造粒工程
遠心薄膜乾燥機で乾燥した農集乾燥汚泥(含水率５０％)４５kgを、スクリュ−押し出し方式の造粒機を用いて造粒した。造粒径を３mm、５mm、７mm、９mmに変えて、良好な造粒状態を検証した。なお、造粒物の長さは直径の２倍、すなわち、直径３mmでは６mm、直径５mmでは１０mm、直径７mmでは１４mm、直径９mmでは１８mmにした。また、造粒後に炭化を行うのでバインダーの添加は行なわなかった。
遠心薄膜乾燥機で乾燥した農集乾燥汚泥(含水率５０％)４５kgを、スクリュ−押し出し方式の造粒機を用いて造粒した。造粒径を３mm、５mm、７mm、９mmに変えて、良好な造粒状態を検証した。なお、造粒物の長さは直径の２倍、すなわち、直径３mmでは６mm、直径５mmでは１０mm、直径７mmでは１４mm、直径９mmでは１８mmにした。また、造粒後に炭化を行うのでバインダーの添加は行なわなかった。
造粒結果を以下に記す。
・ 造粒に当っては、被造粒材である乾燥汚泥の含水率を２０%〜７０%とした。これは含水率が２０%未満の場合と７０%を越える場合とでは、乾燥汚泥を造粒物として形成することが困難であったためである。すなわち、乾燥汚泥の含水率が２０%未満では、造粒時にスクリュー押し出しの抵抗が大きすぎて押し出しが困難であった。また、含水率が７０%を越えると、粘性が低く柔らかいため、押し出し時に汚泥相互の結合力が弱く、造粒出来なかった。
・ 造粒径は、前述のように変化させて検証したところ、５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲に設定した。これは５mm未満では押し出し時の抵抗が大きくて押し出しが困難になり、造粒できず、また、造粒径が１０mmを越えると、造粒物が崩れてしまったためである。
以上の検証結果から、乾燥汚泥の造粒直径は５mm〜１０mmに設定した。
（２）炭化工程
間接加熱連続方式の炭化炉１４の炭化温度を５００℃に設定し、造粒した農集汚泥４５kgを３０kg／時間で供給し炭化を行った。
間接加熱連続方式の炭化炉１４の炭化温度を５００℃に設定し、造粒した農集汚泥４５kgを３０kg／時間で供給し炭化を行った。
この他、炭化温度を３００℃、４００℃、６００℃、７００℃に変化させ、それぞれの温度で炭化を行い、炭化物の物性を測定した。この測定結果については後述する。
（３） 添着工程
・ 炭化温度５００℃で炭化した炭化物８kgを真空式多用途含浸装置に充填し、含浸装置内を減圧した。
・ 炭化温度５００℃で炭化した炭化物８kgを真空式多用途含浸装置に充填し、含浸装置内を減圧した。
・ りん酸（８５％）４７０グラムを水に希釈して５％希薄りん酸液にし、８リットル調製した。この希薄りん酸液を、上述した真空式多用途含浸装置に充填し、造粒炭化物にシャワ−状に噴霧し、造粒した炭化物にりん酸を添着させした（添着量は５重量%）。
・ 添着時間３０分が終了後、真空式多用途含浸装置を大気開放して、りん酸添着汚泥炭化物を回収した。
・ 次に、添着量を２．５%と１０%に変えて、上述と同様の操作により炭化物へ添着させた。
次に、上記実施例で製造した各リン酸添着炭化物の脱臭試験を以下に説明する。
−りん酸添着炭化物による脱臭試験−
（１） コック付きの真空デシケ−タ−（容積１０リットル）にりん酸添着農集汚泥炭化物１グラムをシャレ−に薄層状に入れて設置した。
（１） コック付きの真空デシケ−タ−（容積１０リットル）にりん酸添着農集汚泥炭化物１グラムをシャレ−に薄層状に入れて設置した。
（２）コック付きの真空デシケ−タ−を真空ポンプで真空にした後、コックを開き、ボンベより空気希釈したアンモニア濃度１００ppmガスを充填した。このアンモニアガス充填後コックを閉にした。
（３）真空デシケ−タ−内のアンモニアガス濃度を１時間毎にガス検知管で測定し、りん酸添着農集汚泥炭化物に吸着したアンモニアガス量を算出した。
（４）上記脱臭試験をりん酸添着量２．５%、５%、１０%の炭化物について行なった。
次に、上記実施例で製造したリン酸添着炭化物の性能を示すために、リン酸添着は行なわず、他は同様の製法で製造した炭化物を、比較例として示す。
−比較例−
（１）造粒工程
遠心薄膜乾燥機で乾燥した農集乾燥汚泥(含水率５０％)４５kgを、押し出し造粒機により、造粒直径５mm長さ１０mmに造粒した。
（１）造粒工程
遠心薄膜乾燥機で乾燥した農集乾燥汚泥(含水率５０％)４５kgを、押し出し造粒機により、造粒直径５mm長さ１０mmに造粒した。
（２）炭化工程
間接加熱連続方式炭化装置の炭化温度を５００℃に設定し、造粒した農集汚泥４５kgを３０kg／時間で供給し炭化を行った。このようにして１．５時間で造粒農集汚泥の炭化が終了し、炭化物８．３kgを製造した。
間接加熱連続方式炭化装置の炭化温度を５００℃に設定し、造粒した農集汚泥４５kgを３０kg／時間で供給し炭化を行った。このようにして１．５時間で造粒農集汚泥の炭化が終了し、炭化物８．３kgを製造した。
−りん酸を添着しない炭化物の脱臭試験−
（１） コック付きの真空デシケ−タ−（容積１０リットル）に農集汚泥炭化物１グラムをシャレ−に薄層状に入れて設置した。
（１） コック付きの真空デシケ−タ−（容積１０リットル）に農集汚泥炭化物１グラムをシャレ−に薄層状に入れて設置した。
（２） コック付きの真空デシケ−タ−を真空ポンプで真空にした後、コックを開き、ボンベより空気希釈したアンモニア濃度１００ppmのガスを充填した。アンモニアガス充填後コックを閉にした。
（３） 真空デシケ−タ−内のアンモニアガス濃度を１時間毎にガス検知管で測定を行い、農集汚泥炭化物に吸着したアンモニアガス量を算出した。
次に、前記実施例で製造したリン酸添着炭化物の脱臭効果について説明する。
１．リン酸添着の効果：
実施例で製造したリン酸添着農集炭化物の物性と、比較例で示すリン酸を添着していない炭化物との性状分析結果とアンモニア吸着試験結果を表１に示す。
実施例で製造したリン酸添着農集炭化物の物性と、比較例で示すリン酸を添着していない炭化物との性状分析結果とアンモニア吸着試験結果を表１に示す。
上記表１の数値から、造粒汚泥炭化物は、比表面積や細孔容積は、りん酸を添着しても変化はないが、アンモニア吸着性能は、りん酸を添着することにより１２．５倍になり、脱臭材としての能力が大きくなる。
２．りん酸添着量の相違によるアンモニア吸着性能の比較：
実施例では、炭化物に対するリン酸の添着量を２．５%、５%、１０%と変化させたが、それらのアンモニア吸着性能の比較を表２に示す。
実施例では、炭化物に対するリン酸の添着量を２．５%、５%、１０%と変化させたが、それらのアンモニア吸着性能の比較を表２に示す。
表２の数値から明らかなように、りん酸添着量は、２．５%ではアンモニア吸着性能は低く、脱臭剤として使用可能な下限である。反対に添着量１０%としても、添着量５％の場合とほぼ同等であり、これ以上増加させても経済的に不利である。したがって、りん酸添着量は２．５％〜１０％の範囲であり、５%が最適である。
３．炭化温度による効果：
実施例では、乾燥汚泥の短温度を変化させて炭化を行ったが、それらによる炭化物の物性を表３に示す。
実施例では、乾燥汚泥の短温度を変化させて炭化を行ったが、それらによる炭化物の物性を表３に示す。
炭化温度は、比表面積が大きくて細孔容積の大きい炭化物が得られる炭化温度が望ましい。表３の数値から明らかなように、炭化温度が４００℃未満では比表面積及び細孔容積共に小さく、炭化温度が６００℃を超えると比表面積は増大せず（かえって減少し）、多くの加熱エネルギーを要する。このため炭化温度は４００℃から６００℃の範囲で、５００℃が最も適している。
このように、所定形状に乾燥汚泥を造粒して炭化を行い、この炭化物にリン酸を添着させたことにより、アンモニアの吸着性能が大幅に向上し、汚泥炭化物を脱臭材として利用することができる。
また、汚泥炭化物は、添着剤としてリン酸を用いているので、脱臭材として利用された後、肥料などの土壌改良材として再利用できる。
すなわち、アンモニアを吸着するためには酸を必要とするが、リン酸以外の酸を用いると、脱臭材として吸着使用後に土壌改良材として用いることができない。これに対し、リン酸を用いたので、肥料成分であるリンを含み、さらにアンモニアを吸着することにより、同じく肥料成分である窒素を含むことになる。したがって、脱臭材として再利用後に、土壌改良材としても再利用することができる。
１１ 乾燥汚泥
１２ 造粒機
１３ 造流汚泥
１４ 炭化炉
１５ 炭化汚泥
１６ 添着装置
１２ 造粒機
１３ 造流汚泥
１４ 炭化炉
１５ 炭化汚泥
１６ 添着装置
Claims (1)
- 乾燥汚泥を、水分を２０重量パーセントから７０重量パーセントに調整して、押し出し式にて直径５ミリメートルから１０ミリメートルで、長さは１０ミリメートルから１８ミリメートルに造粒した後、この造粒物を、炭化温度４００℃から６００℃で炭化し、この炭化物に対し、希薄りん酸液を充填した真空式多用途含浸装置によって、減圧下で２．５から１０重量パーセントのリン酸を添着させることを特徴とする炭化脱臭材の製造方法。
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