JP4736391B2 - 有機性汚泥の処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、石炭灰を利用して有機性汚泥を発酵処理する有機性汚泥の処理方法に関するものである。

火力発電所、化学コンビナートなどにおける石炭を燃焼させる装置では、石炭の燃焼残留物としての石炭灰が発生する。このような石炭灰は多くの場合、重金属やホウ素，フッ素、セレンなどの有害物質を含有しているので、無害化処理して廃棄または有効利用される。火力発電所等で発生する石炭灰は多くの場合、微粒子状の飛灰として排出されるので、その処理は困難である。

一方、火力発電所、化学コンビナート、製鉄所等のプラントでは、工業用水として海水が用いられるが、海水の導入路には貝その他の水棲生物が付着し、あるいはスクリーン等に捕捉される。これらの生物は、ヘドロ、砂などとともに海水路から脱離して処理される。その処理は、貝等の付着生物、ヘドロ、砂などを含む脱離物を粉砕し、粉砕により生成したスラリーを脱水機で脱水処理し、分離水は水処理装置で処理し、ケーキ状の固形物を含む有機性汚泥は発酵させた後、投棄するかまたは肥料等として利用される。

このような従来の有機性汚泥の処理方法では、有機性汚泥を放置して発酵させるだけでは嫌気性発酵（腐敗）となり、悪臭が発生するとともに、発酵汚泥も肥料等として利用できない。このような処理における悪臭対策としては、消臭剤の散布、脱臭装置の設置、密閉容器内での発酵など、薬剤や大規模な設備が必要であり、処理コストも高くなる。悪臭が発生しない好気性発酵とするためには、連続撹拌、空気の吹込などにより通気性を良くする必要があり、このためには複雑な装置が必要であり、処理コストも高くなる。また有機性汚泥の含水率が高くて通気性が悪い場合は、撹拌していても一部で嫌気性発酵が起こり、有害物質である硫化水素が発生する。この硫化水素は処理汚泥中に残存していると、肥料として散布する場合、植生に悪影響を与えるなどの問題点がある。このような汚泥を含め有機汚泥は一般にＣ／Ｎ比が高く、Ｃ／Ｎ比４０以上では肥料とした場合に土壌を窒素飢餓状態にするため、Ｃ／Ｎ比が低下するまで熟成期間を長期間とる必要がある。

特許文献１および２には、特定のｐＨ、水硬率、比表面積等を有する特殊な石炭灰を有機性汚泥に混入して発酵させることにより、腐敗および悪臭の発生を防止して、好気性発酵させる方法が示されている。しかし石炭灰は、石炭の種類、産地、ならびに燃焼条件等により変わるので、上記の条件に適合するものを選択し、継続して使用することは極めて困難である。特許文献１および２に示された以外の一般的な石炭灰は微粒子状の飛灰であり、これをそのまま有機性汚泥に混入しても通気性を確保することは困難であり、好気性発酵させることはできない。また有害物質の量は石炭種により変わるため、有害物質が基準値以下の石炭灰しか利用できない。
特開平９−９９２７９号公報 特開平９−２６２２７６号公報

本発明の課題は、石炭灰を無害化するとともに、石炭灰の特性、性状等に制限されず、任意の石炭灰を使用して、悪臭を発生させることなく、また大規模な設備を用いることなく、有機性汚泥を好気性発酵させることができ、これにより防臭コストおよび処理コストを削減し、肥料価値の高い発酵物を得ることができる有機性汚泥の処理方法を提案することである。

本発明は、次の有機性汚泥の処理方法である。
（１） 石炭灰に対して１〜２０重量％のリン酸類および１〜２０重量％の消石灰を、Ｃａ／Ｐ比が１〜３となるように反応させたアパタイト化石炭灰を、有機性汚泥に対して汚泥固形分の１〜５０重量％混合して好気性発酵させ、発酵物を生成させる有機性汚泥の処理方法。
（２） アパタイト化石炭灰が過剰のリン酸類を含む上記（１）記載の方法。
（３） 有機性汚泥が海水路付着生物またはその処理物を含む上記（１）または（２）記載の方法。
（４） 上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の方法から得られる発酵物。

本発明において処理対象となる有機性汚泥は、有機物を含み好気性発酵が可能な汚泥であれば、特に制限されないが、石炭灰が発生する現場と同じ場所で発生する有機性汚泥は、石炭灰の処理と有機性汚泥の処理が同時に行えるため好ましい。このような有機性汚泥として、前記のような火力発電所、化学コンビナート、製鉄所等のプラントにおける海水路付着生物またはその処理物を含む有機性汚泥が挙げられるが、この他にも排水処理装置の余剰汚泥、その他の有機性汚泥が対象となる。海水路付着生物は、海水路から脱離した脱離汚泥をそのまま発酵処理してもよいが、脱水処理、その他の処理を行った処理物を発酵処理してもよい。

本発明において好気性発酵させる有機性汚泥は、アパタイト化石炭灰を混合した状態で流動性が小さく、山積み状等の堆積状態で好気性発酵させることができる程度の非流動性を有するものがよい。このような有機性汚泥は、汚泥の成分、性状等によって異なるが、含水率が４０〜８５重量％、好ましくは６０〜７５重量％ものが挙げられ、特に有機物濃度が５〜２５重量％、好ましくは１０〜２０重量％のものが好ましい。有機性汚泥のＣ／Ｎ比は低くても、石炭灰から窒素分が供給されるため処理が可能であり、Ｃ／Ｎ比は特に制限されない。

有機性汚泥の含水率が高く、あるいは他の原因により流動性が大きい場合には、凝集剤、脱水助剤、固化剤等の薬剤を用い、または用いることなく静置、沈降分離、遠心分離、濾過、機械脱水等により固化または脱水などの流動性低下処理を行うことができる。凝集剤、脱水助剤、固化剤等の薬剤としては、アルミニウム塩、鉄塩等の無機塩、ポリアクリル酸塩、ポリアクリルアミド等の高分子化合物、その他の有機物など、水処理用、土木用、農業用等の公知の薬剤を使用することができる。固化または脱水用の装置も公知の装置を使用することができる。遊離の水が存在する場合は、固化剤を用いて遊離の水分を吸収することにより同様の効果を得ることができる。

本発明において用いる石炭灰は、石炭の種類、産地、燃焼条件、成分、粒径、特性、性状等により特に制限されることなく、任意の石炭灰が使用可能であり、重金属やホウ素、フッ素、セレンなどの有害物質を含有していてもよい。本発明ではこのような石炭灰を、リン酸類および消石灰と反応させてアパタイト化石炭灰とすることにより、石炭灰を無害化することができ、このように無害化したアパタイト化石炭灰を有機性汚泥と混合して好気性発酵させても、有害物質が脱離して発酵物を有害化することがない。本発明において用いるリン酸類は、正リン酸、リン酸ナトリウム等の易溶性リン酸塩など、リン酸イオンを溶離するものであればよい。また消石灰は水酸化カルシウムを主成分とするものであればよく、生石灰、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム等を含んでいてもよい。

本発明において有機性汚泥と混合して好気性発酵させるアパタイト化石炭灰は、石炭灰をリン酸類および消石灰と反応させたものである。石炭灰に対して１〜２０重量％のリン酸類および１〜２０重量％の消石灰と反応させる。この場合、リン酸類および消石灰の量比は反応によりアパタイトが生成する量比であって、アパタイト化石炭灰が過剰のリン酸類を含むように、リン酸類を過剰に反応させるのが好ましい。このような量比として、Ｃａ／Ｐ比が１〜３、好ましくは１．５〜２とする。
アパタイト化反応はリン酸類と消石灰の混合により起こり、混合と同時にアパタイトが生成するが、アパタイトの結晶が成長するためには時間がかかる。本発明では、石炭灰中でアパタイト化反応が起こることにより、団粒化したアパタイト化石炭灰が生成するが、団粒化は徐々に進行する。しかし団粒化はアパタイト化石炭灰を有機性汚泥と混合して好気性発酵させる段階で進行してもよい。従ってアパタイト化反応が始まってからアパタイト化石炭灰を有機性汚泥と混合するまでの時間は任意に決めることができるが、一般的には１〜１００時間、好ましくは２４〜７２時間とするのが好ましい。

アパタイトは一般的には式〔Ｃａ₅ＰＯ₃（ＯＨ、Ｆなど）〕で表され、Ｃａ₅とＰＯ₃にＯＨ、Ｆなどが結合した構造である。消石灰のＯＨが結合したヒドロキシアパタイトが一般的であるが、石炭灰に含まれるＦが結合したフルオロアパタイトや、石炭灰に含まれる重金属その他の有害物質が結合したアパタイトも形成され、石炭灰は無害化される。これらのアパタイトは中性ないしアルカリ性では難溶性であり、アパタイトに結合した有害物質は溶出することなく、好気性発酵ならびにその後の肥料として使用する段階を通して無害化状態が継続する。

有機性汚泥の好気性発酵は、上記のように石炭灰をリン酸類および消石灰と反応させたアパタイト化石炭灰を、有機性汚泥と混合して好気状態で発酵させ、発酵物を生成させる。有機性汚泥に対して汚泥固形分の１〜５０重量％のアパタイト化石炭灰を混合して好気性発酵させる。有機性汚泥の含水率が高く、あるいは他の原因により流動性が大きい場合には、有機性汚泥に対するアパタイト化石炭灰の混合割合を多くして流動性を低下させることができる。好気性発酵に際しては、自然発酵させることもできるが、種発酵物を混合して発酵を促進するのが好ましい。種発酵物の混合割合は限定されず、既発酵物の堆積上にアパタイト化石炭灰と有機性汚泥の混合物を堆積させて、すき返す程度でもよい。

アパタイト化石炭灰はアパタイト結晶の成長により団粒構造を形成するので、これを有機性汚泥と混合して発酵させると、混合物内に空間が形成されて多量の空気および菌が保持され、容易に好気性発酵状態を維持することが可能となる。好気性状態を維持するためには、攪拌により混合物を空気と接触させる必要があるが、空気の保持性が良好であるため、間欠的例えば数日ないし数十日に１回程度のすき返しを行うことにより、好気性発酵状態を維持し、腐敗を防止することができる。好気性発酵に要する時間は、有機性汚泥、アパタイト化石炭灰等の性状、組成、混合割合、発酵温度、その他の条件により異なるが、一般的には２０〜６０日程度で、肥料として有用な発酵物が得られる。

飛灰等の石炭灰には窒素成分が含まれており、処理対象の有機汚泥に混合することにより、発酵物のＣ／Ｎ比が改善して肥料価値を高めるとともに、熟成期間を短縮することが可能になる。また石炭灰のアパタイト化に用いたリン酸類の余剰分は発酵後の有機汚泥を肥料として用いた場合にリン源としても機能し、より発酵物の肥料価値を高めることができる。さらに、アパタイト化石炭灰は多孔質の団粒状であるため、その消臭効果により発酵中に発生する臭気成分を吸着することにより、発酵場所近辺の悪臭による環境問題を低減できるうえ、発酵物を肥料として用いた場合に土壌改良効果も得られる。発酵物は肥料として用いるのに適しているが、他の用途に用いてもよく、また廃棄してもよい。

本発明によれば、石炭灰に対して１〜２０重量％のリン酸類および１〜２０重量％の消石灰を、Ｃａ／Ｐ比が１〜３となるように反応させたアパタイト化石炭灰を、有機性汚泥に対して汚泥固形分の１〜５０重量％混合して好気性発酵させ、発酵物を生成させることにより、石炭灰を無害化するとともに、石炭灰の特性、性状等に制限されず、任意の石炭灰を使用して、悪臭を発生させることなく、また大規模な設備を用いることなく、有機性汚泥を好気性発酵させることができ、これにより防臭コストおよび処理コストを削減し、肥料価値の高い発酵物を得ることができる。

以下、本発明の実施例および比較例について説明する。各例中、特に言及しない限り、％は重量％を示す。

火力発電所の海水路から脱離した貝殻、砂等を含むスラリーを脱水機で脱水処理したケーキ状の有機性汚泥（含水率７０％）に、アパタイト化石炭灰をそれぞれ０％、５％、１０％、２０％混合して好気性発酵させた。アパタイト化石炭灰は同火力発電所の石炭燃焼炉から発生する飛灰に対し、正リン酸４％および消石灰２０％を混合してコンクリートミキサーにより３０分撹拌して反応させた。好気性発酵は、この反応物を所定量上記有機性汚泥に添加し、１ヶ月間屋外で山積み状態として自然発酵させた。発酵開始後９日目と２４日にすき返しを行って熟成させた。

次に熟成１０日後および熟成２５日後にサンプリングした所定量の発酵物（サンプル）を、ポリエチレンビン中に保管して２分間放置し、その後ビン内の空気を集めて空気中のアンモニア濃度を測定した。また熟成２５日後の発酵物中のＣ、ＮおよびＣ／Ｎ比を測定した。空気中のアンモニア濃度を表１に示し、発酵物のＣ、ＮおよびＣ／Ｎ比を表２に示す。

熟成２５日後の発酵物の外観は以下の通りであった。
（１）アパタイト化石炭灰混合割合０％の場合の発酵物は大きな塊で、粘土様の状態であり、塊の内部は黒く、嫌気状態であることを示していた。また、撹拌時に発酵物がシャベルに付着し作業性が悪かった。
（２）アパタイト化石炭灰混合割合５％の場合の発酵物は、一部に塊があるが、大部分は直径５〜１０ｃｍ程度の塊であり、中心部はやや黒く一部嫌気発酵を起こしていた。撹拌時に発酵物のシャベルへの付着は少なく、作業性は問題なかった。
（３）アパタイト化石炭灰混合割合１０％の場合の発酵物は、塊は５ｃｍ以下であり，容易に壊れ、黒い部分はほとんどなく、大部分が好気状態で熟成は進行していた。撹拌の作業性はまったく問題なかった。
（４）アパタイト化石炭灰混合割合２０％の場合の発酵物は、塊はほとんどなく、黒い嫌気状態の部分はまったくなかった。撹拌時もその作業性にはまったく問題がなかった。

実施例１で得られた発酵物（熟成物）を用いて植生試験を実施した。
植生試験は夏季（８月８日）に、発電所構内の過去に施肥したことがない芝生植生地に６００ｍ²の試験区画を４区画作り、各区画の芝生を刈り込んだ後その上面に、実施例１で得られたアパタイト化石炭灰混合割合が０％、５％、１０％、および２０％の熟成物の破砕物を、約１ｃｍの厚さに散布して表面を軽く填圧した。このとき、２０％配合区画において、大気中のアンモニア、メチルメルカプタン、硫化水素について、環境庁告示第１７号に従って計量したところ、いずれも規制基準未満であり、実際に臭いは感じられなかった。

約３ヶ月間の生育状況の目視観察結果を次に示す。
（１）散布２９日後（９月６日）の目視観察結果は、アパタイト化石炭灰混合割合０％発酵物を添加した散布区画（ブランク）では不均一に芝が生育していた。一方、ブランクに比べると、アパタイト化石炭灰混合発酵物を添加した散布区画では一様に散布区画全体を芝が覆っており、肥料効果が明らかに確認できた。
（２）散布５６日後（１０月３日）の目視観察結果は、アパタイト化石炭灰混合発酵物を添加した散布区画はますます生育良好であり、特にアパタイト化石炭灰混合割合２０％試験区では生育旺盛であった。
（３）散布８３日後（１０月３０日）の目視観察結果は、枯芝の状態ではあるが、アパタイト化石炭灰混合発酵物を添加した散布区画内ではすべてで芝密度が濃い状態であった。
（４）以上の結果から、アパタイト化石炭灰混合発酵物を散布した区画では、アパタイト化石炭灰混合割合が０％の区画に比べて育成状況および芝密度とも良好であり、十分肥料効果を発揮していることが分かる。

実施例１で得られた発酵物（熟成物）を用いてスポット散布試験を実施した。
夏季（８月８日）に、実施例２とは別の発電所構内の過去に施肥したことがない芝生植生区画に４ｍ²の試験区画を４区画作り、各区画の芝生を刈り込んだ後その上面に、実施例１で得られたアパタイト化石炭灰混合割合が０％、５％、１０％、および２０％の熟成物の破砕物を、約１ｃｍの厚さに散布して表面を軽く填圧した。
約２月間の発芽率〔各試験区画を１０ｃｍ四方の単位区画に分け、（発芽のある単位区画）／（全単位区画）×１００で算出〕、および葉色の目視観察結果を表３示す。

表３の注：
ランク１； 発芽率８０％以上、葉色は明るい緑である。
ランク２； 発芽率８０％未満、葉色は緑である。

上記の結果より、アパタイト化石炭灰混合割合０％の発酵物を添加した場合（ブランク）に比べ、アパタイト化石炭灰混合発酵物を添加すると、発芽率、葉色とも改善されることが明らかとなった。
次に芝生の約３月間の育成状況を目視観察した結果を表４に示す。

表４の注：
ランク１； 芝の状態は非常に美しい。茎葉の状態は緻密、均一で、葉色もよく、障害性は全く観察されない。
ランク２； 芝の状態は比較的美しい。茎葉の状態は比較的緻密、均一で、葉色も悪くなく、目立つような障害性は観察されない。
ランク３； 芝の状態はやや荒廃している。茎葉の状態は比較的粗で、やや不均一であり、葉色もやや濃く、なにがしかの障害性がある程度観察される。

表４の結果から、散布前の評価がランク３の区画でも、散布後の評価はランク１となっており、施肥効果が顕著に表れている。また、肥料障害による芝の黄ばみ、根の発育不良、病害虫の異常発生なども観察されず、極めて良好な結果が得られたことが分かる。
次に芝生の伸長度を測定した結果を表５に示す。伸長度は４ｍ²区画の四方及び中央部について、芝生高を測定し、その平均値を算出した。結果を次に示す。

表５の結果から、アパタイト化石炭灰混合発酵物を添加した散布区画では、ブランクと比べて顕著な生育が観察されたことがわかる。特にアパタイト化石炭灰混合割合２０％の散布区画では著しく生育していることがわかる。
次に植生試験実施前後の試験区画地下水質の測定結果（ｍｇ／Ｌ）を表６に示す。

表６の結果から、試験前後において、地下水質に何ら変化が見られず、持ち込んだ石炭灰由来の重金属が無害化されていることがわかる。

Claims (4)

1. 石炭灰に対して１〜２０重量％のリン酸類および１〜２０重量％の消石灰を、Ｃａ／Ｐ比が１〜３となるように反応させたアパタイト化石炭灰を、有機性汚泥に対して汚泥固形分の１〜５０重量％混合して好気性発酵させ、発酵物を生成させる有機性汚泥の処理方法。
2. アパタイト化石炭灰が過剰のリン酸類を含む請求項１記載の方法。
3. 有機性汚泥が海水路付着生物またはその処理物を含む請求項１または２記載の方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の方法から得られる発酵物。