JP5731733B2 - 汚泥の処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、汚泥の処理方法に関し、詳しくは、高含水率の汚泥を効率よく脱水しかつ脱臭処理することができ、火力発電用燃料などの燃料としての再利用を促進することのできる処理方法を提供する。

排水処理設備から発生する汚泥の処理方法としては、機械的脱水処理の後、これを焼却して焼却灰を埋立処分場にて埋立て処分するのが一般的である。しかし、焼却に当たっては汚泥中の多量の水分を濃縮処理、脱水処理、乾燥処理を適宜組み合わせた前処理を行う必要があり、処理に多大なエネルギーを要することが課題であった。また、このうち下水汚泥は大量に排出されるものであるのに対し、埋立地の確保には限界があることから、燃料化などの再利用のための技術も望まれていた。

基本的な汚泥の処理プロセスは、沈降、遠沈などの操作で濃縮したものを、濾過機、遠心分離機、ベルトプレスなどで機械的脱水を行い、約８０％前後の水分濃度の汚泥ケーキとする。これを最終処分場に埋め立てるか、焼却設備にて焼却処分し、残った焼却灰を最終処分場にて埋め立てる。

この一連のプロセスにおいて、効率や達成度が最も要求されるのは、機械的脱水工程である。脱水された汚泥ケーキが出来るだけ減容化されて処理しやすくなり、また、焼却に当たっては、助燃剤などの添加量減少や、エネルギー的に有利な後処理が出来るようになるからである。

しかし、汚泥はその性状から、機械による脱水では７５〜８５％の含水率が一般的である。汚泥中の水は粒子に密着しており、その形態については一般的には、（１）間隙水（汚泥粒子に囲まれた空間を満たしている水、（２）毛管結合水（汚泥粒子の割れ目などに存在する水）、（３）表面付着水（汚泥粒子表面に付着する水）、（４）内部水（汚泥粒子を形成している細胞の細胞液）に区分され、このうち、機械的脱水で分離可能なのは間隙水、毛管結合水（合わせて間隙水）であり、表面付着水及び内部水であるいわゆる束縛水は機械的脱水では分離が非常に困難であるといわれている。

一方、脱水技術の一つとして、油中改質法（例えば特開２０００−２９０６７３号公報（特許文献１）参照）では、水分含有固体として石炭を想定し、油中スラリー化した水分含有固体を１５０℃以上で加熱処理することで水分含有固体水分を蒸発させる。操作温度では殆ど蒸発しない液体状の油を加熱媒体とすることで、水だけが選択的に蒸発するため、水蒸気が希釈されることはなく、水蒸気が有する蒸発潜熱の密度は低下しない。このため、油中改質法では、水蒸気が有する蒸発潜熱を効率的に回収可能だと思われる。とりわけ、石炭の脱水に関しては、既存の手法のうち、油中改質法の所要エネルギーが最も小さいと考えられている。しかしながら、油中改質法では、水よりも沸点が高い油を石炭と分離（脱油）するために、遠心分離や１５０℃を上回る温度での加熱操作が必要であるので、脱油工程での消費エネルギーが脱水工程での消費エネルギーを上回り、省エネルギー化が課題となっている。

特開２０００−２９０６７３号公報

本発明の目的は、汚泥、特に高含水率汚泥を、省エネルギーを達成しつつ効率よく処理することができ、かつ、処理後資源として再利用を可能とするための手段を提供することにある。

本発明者らは上述の目的に鑑みて検討を重ねた結果、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）が、その性質上、過酷な条件を設定せずとも容易に気化して液体（液化物）から気体へと変換させることができることに着目した。しかし、ジメチルエーテルを汚泥に作用させるとある程度の抽出脱水操作が達成できるものの、まだ大量の水が残存していた。この大量の水を抽出脱水するに当たり、汚泥の脱水ケーキ（塊状のもの）中に、過大な圧力を加えてもジメチルエーテルを通過（浸透）させることは困難であった。そこで本発明者らは試行錯誤を重ねた結果、汚泥の厚みを一定にした後にジメチルエーテルを流すことにより、物理化学的に相互拡散させて脱水できることを見出した。このように抽出脱水操作をするに当って、前処理として成形処理を行うことで、汚泥を効率よく脱水でき、更に分離された物質は燃料等の資源として利用可能な程度まで脱水されていることを見出し、本発明に至った。

本発明は、下記の〔１〕〜〔４〕を提供するものである。
〔１〕下記の工程（Ａ）および（Ｂ）を有することを特徴とする汚泥の処理方法。
（Ａ）汚泥を、表面間距離が２〜２０ｍｍの成形体となるように成形する工程
（Ｂ）該成形体をジメチルエーテルの液化物と接触させ該成形体中の水分を抽出する工程
〔２〕前記汚泥の成形は、送泥管の先に取り付けた成形装置による押出成形により行い、前記成形装置は成形後の成形体を連続して容器に圧入可能な装置である〔１〕に記載の汚泥の処理方法。
〔３〕汚泥を脱水処理するに当たって、下記の工程（Ａ）および（Ｂ）を有することを特徴とする燃料の製造方法。
（Ａ）汚泥を、表面間距離が２〜２０ｍｍの成形体となるように成形する工程
（Ｂ）前記成形体をジメチルエーテルと接触させる工程
〔４〕汚泥を、表面間距離が２〜２０ｍｍの成形体となるように成形する成形機、およびジメチルエーテルの液化物を前記成形体に接触させ該成形体中の水分を抽出する抽出槽を備えることを特徴とする、汚泥の処理システム。

本発明によれば、ジメチルエーテルの汚泥に対する接触面積を増加させ、相互拡散が可能な厚みに制限することで処理効率を向上させることができるので、省エネルギー条件下で効率よく脱水を進めることができ、かつ、成形することによりジメチルエーテルによる処理条件を一定として連続的に処理することができる。

本発明が対象とする汚泥とは、家庭排水や工業排水等の排水を処理する設備（排水処理設備）から排出される汚泥を意味し、機械的に脱水された脱水ケーキも含むものとする。汚泥から脱水ケーキを得るための方法は、例えばフィルター、スクリュー、遠心機、ロール等を備えた装置による濾過濃縮、固液分離、圧搾があるが、本発明で用いられる脱水ケーキは、これらの方法を適宜選択して得ることができ、濾過濃縮および圧搾を組み合わせて得られるものが好ましい。脱水ケーキを製造するための装置としては、ベルトプレス、遠心脱水機、スクリュープレスなどが挙げられる。汚泥中（脱水ケーキを含む。）の水分比率は、一般に７５〜８５重量％（７８重量％程度）とされる。

本発明の脱水システムは、汚泥を、ジメチルエーテルを利用して脱水するシステムに関する。

ジメチルエーテルは、１気圧における沸点が−２４．８℃であり、−１０℃〜５０℃の大気圧において気体である。高効率なジメチルエーテルの製造方法および製造装置は、例えば特開平１１−１３０７１４号公報、特開平１０−１９５００９号公報、特開平１０−１９５００８号公報、特開平１０−１８２５２７号〜特開平１０−１８２５３５号の各公報、特開平０９−３０９８５０号〜特開平０９−３０９８５２号の各公報、特開平０９−２８６７５４号公報、特開平０９−１７３８６３号公報、特開平０９−１７３８４８号公報、特開平０９−１７３８４５号公報などに開示されており、これらに開示された技術に従い容易に得ることができる。

また、ジメチルエーテルは他の常温常圧の条件下で気体である物質と組み合わせて用いることもできる。常温常圧の条件下で気体である物質とは、２５℃および１気圧の条件下で気体である物質であり、０℃および１気圧の条件下で気体である物質が好ましく、特に、２５℃および１気圧の条件下で気体状態であり、かつ０℃および１気圧の条件下でも気体である物質がもっとも好ましい。例えば、エチルメチルエーテル、ホルムアルデヒド、ケテン、アセトアルデヒド、ブタン、プロパンなどが挙げられ、これらは１種で用いても、または２種以上混合して用いてもよい。

本発明の汚泥の処理方法は、下記の工程（Ａ）および（Ｂ）を有することを特徴とする。
（Ａ）汚泥を、表面間距離が２〜２０ｍｍの成形体となるように成形する工程
（Ｂ）該成形体をジメチルエーテルの液化物と接触させ、該成形体中の水分を抽出する工程

本発明の処理方法は、上記工程（Ａ）と（Ｂ）とを備えることにより、汚泥を脱水処理するに当たって、ジメチルエーテルがその性質上、過酷な条件を設定せずとも容易に気化して液体（液化物）から気体へと変換させることができることに着目し、これを抽出媒体として汚泥に流すことにより物理化学的に相互拡散させ、汚泥を脱水することができる。

工程（Ａ）においては、汚泥を、表面間距離が２〜２０ｍｍ、好ましくは４〜１０ｍｍの成形体となるように成形する。これにより、汚泥を充分に脱水することができるほか、汚泥中の水分に左右されず、工程（Ｂ）における常温常圧で液体である物質との接触条件を一定とすることができる。ここで、「表面間距離」とは、成形体のある表面と反対側の表面（略垂直方向の対面）との間の距離（差し渡しの長さ）の平均のうち、最も短い距離を意味する。「成形体のある表面」および「反対側の表面」は、次の工程（Ｂ）においてジメチルエーテルとの接触面を意味する。「最も短い距離」とは、例えば柱状（ひも状）の成形体の場合（断面は円でも多角形でもいずれでもよい）には、柱状の底面および上面の距離（高さ）と、柱部分の間の距離（断面が円の場合には直径を意味する）とのうち、短い方が「表面間距離」となる。「距離の平均」とは、例えば不定形の成形体の場合、最も短い距離と長い距離との平均が距離の平均となる。

成形体の形状は特に問わないが、直方体、多角形等の角型、円筒型、ひも状、棒状などを挙げることができる。

成形の様式は特に限定されず、押出成形、圧縮成形などを挙げることができるが、中でも押出成形により行うことが好ましい。成形を押出成形により行う場合には、送泥管の先に取り付けた成形装置（押出成形装置）により行うことが好ましい。かかる成形装置は、連続して容器に圧入可能な装置であることが好ましい。

工程（Ｂ）においては、該成形体をジメチルエーテルと接触させ、該成形体中の水分を抽出する。

接触の方法は特に限定されず、常温常圧の条件下で気体である物質および汚泥の成形体を容器に収容して実施することができる。成形体と液体の量の比率は、適宜定めることができるが、例えば汚泥中の水分（通常７８重量％前後）を溶解させて水分高含有の液化物を得るのに少なくとも必要とされる量以上であることが好ましい。すなわち、常温常圧の条件下で気体である物質の液体と含水物質とを重量比２３３：１〜２３３：５０で接触させることが好ましい。また、２０℃におけるジメチルエーテル液化物に対する水の飽和溶解度は７．２ｗｔ％であるから、上述の汚泥中の水分量で換算すると、ジメチルエーテルに対する汚泥の濃度が９重量％以上となる量で適宜定めることができる。また、ジメチルエーテルに対する成形体の濃度の上限については特に規定はないが、成形体の量が少なすぎてもジメチルエーテルの接触が困難となることがあるので、例えば２０重量％以下とすることができる。

ここで、ジメチルエーテルを成形体に接触させるには、ジメチルエーテルを液体状態のまま維持する必要がある。液化状態のまま維持するための方法は、特に限定されないが、液化物を飽和蒸気圧で維持することが望ましい。特に、接触の際の温度条件は、−１０℃〜５０℃、中でも０〜４０℃の範囲で適宜設定することが望ましい。接触時間（脱水時間）は、含水物質や液化物の種類や量、接触方式等の条件に左右され、一義的に規定することは困難であるが、含水物質中の水分が液化物に十分に溶解する時間を適宜設定することができる。

成形体に対するジメチルエーテルの液化物の接触方式、液化物の接触量、接触時間等の温度及び圧力以外の条件は、含水物質中の水分が該液化物に溶解するような条件を適宜設定することができる。接触方式は、成形体を液化物に浸漬する、成形体に液化物を流通させるなど通常の脱水法で採られるどのような方法でもよい。また、複数の容器に成形体を充填しておき、液化物を向流接触させることで、液化物の含水量を飽和にしてから回収、蒸発させ、水分を除去するために使用するエネルギー量を低減することが可能である。

ジメチルエーテルの液化物と汚泥の成形体を接触させると、ジメチルエーテルの液化物と成形体中の水分の混合物と、脱水された汚泥（脱水後汚泥）とが分離する。これらの分離は固液分離などの常法によることができる。固液分離の手段としては静置による二層化、膜処理による分画等が挙げられる。固液分離の方法は特に限定されず、液層を容器に取り付けてある、或いは容器とは別のポンプなどで吸引して除くことができる。こうして得られる脱水後汚泥は、脱水され悪臭が低減されており、他の用途、例えば火力発電用やボイラーなどの燃料、セメント材料等として利用することができる。

ジメチルエーテルの液化物と成形体中の水分の混合物については、必要に応じてジメチルエーテルのみを抽出することもできる。ジメチルエーテルの抽出は、ジメチルエーテルの気化現象を利用して行うことができる。

気化とは、液体（液化物）を気体に変化させることを意味する。水分高含有の液化物中の常温常圧の条件下で気体である物質の気化は、工程（Ｂ）よりも温度条件の上昇または圧力条件の低下により行うことができる。

温度条件を上げる場合は、常温常圧の条件下で気体である物質の沸点を超える温度まで上昇させることが好ましいが、本発明では、常温常圧の条件下で気体である物質を利用するので、通常は、常温付近、すなわち外気温に近い温度条件で気化することができる。つまり、加熱よりむしろ工程（Ｂ）の冷却状態から常温状態に戻すだけで気化することが可能である。気化の温度条件としては、使用する液化物や圧力条件にもよるが、常温状態、−５０℃〜２５℃、特に−２５℃〜１０℃とすることが好ましい。圧力条件を低下させる場合、その条件は飽和蒸気圧未満であり、温度条件に応じて適宜定めることができる。

ジメチルエーテルの液化物と成形体中の水分の混合物からジメチルエーテルを抽出した後の処理物は、通常は悪臭のする液体である。この液体を、必要に応じて処理することにより水として再利用することも可能である。

さらに、このジメチルエーテル気化物を再度液化して系内に戻し再利用することもできる。液化は、気化よりも温度条件の低下または圧力条件の上昇により達成することができる。

本発明の汚泥の処理システムは、成形機および抽出槽を少なくとも備えることを特徴とする。成形機は上記本発明の汚泥の処理方法の工程（Ａ）を、抽出槽は工程（Ｂ）を実施するためのものである。

成形機は、汚泥を、表面間距離が２〜２０ｍｍの成形体となるように成形するものである。成形条件については上記本発明の処理方法の工程（Ａ）について説明したとおりである。成形機の例としては、押出成形機をあげることができる。押出成形機としては、例えば、汚泥を押出成形機に輸送する送泥管を備えるものが挙げられる。送泥管を通じて送られた汚泥を連続的に押出成形し、得られる成形体を連続して圧入可能な装置であることが好ましい。

抽出槽は、ジメチルエーテルの液化物を前記成形体に接触させ成形体中の水分を抽出する槽である。抽出の条件については上記本発明の処理方法の工程（Ｂ）について説明したとおりである。抽出槽は、通常、槽に常温常圧の条件下で気体である物質を液体の状態で保持するための温度や圧力の調整手段、例えば熱交換器を適宜備えるものとして実現できる。また、２以上の独立した槽からなってもよいし、これらを共通の槽として設けてもよい。また、ジメチルエーテルの接触方式についても既に説明したように、成形体のジメチルエーテルへの浸漬、流通などが考えられるが、流通が好ましく、中でも向流接触が好ましい。

本発明の汚泥の処理システムにおいては、更に蒸留塔（蒸留器）を備えるものであってもよい。これにより、ジメチルエーテル液化物と汚泥由来の水分の混合物からジメチルエーテルを気化物として分離することができる。蒸留器は、ジメチルエーテルを気化するための温度や圧力の調整手段、例えば熱交換器を適宜備えるものとして実現できる。

本発明の処理システムはさらに圧縮機および冷却器を備えることが好ましい。これにより、蒸留塔で分離されたジメチルエーテルを再び液化することができ、ジメチルエーテル液化物をリサイクルすることができる。圧縮機は、前記蒸留塔で気化抽出されたジメチルエーテル気化物を加圧等により圧縮するものである。圧縮機は、ジメチルエーテルを気化するための温度や圧力の調整手段、例えば熱交換器を適宜備えるものとして実現できる。

冷却器は、圧縮機で圧縮されたジメチルエーテルを冷却するものである。ジメチルエーテル気化物は冷却により凝縮され、液化される。冷却器は、通常は槽に、常温常圧の条件下で気体である物質を液化するための温度や圧力の調整手段を適宜備えるものとして実現できる。

本発明の処理システムにおいて、抽出槽、並びに、必要に応じて設けられる蒸留器、圧縮機および冷却器は、この順序で、必要に応じてポンプを備える配管にて直列に連結されることができる。

また、必要に応じて、常温常圧の条件下で気体である物質を系内に供給可能に格納する貯留槽（バッファタンク）、温度調節のための熱交換器（２７）、抽出槽における処理物を蒸留器に送液する前に圧搾するための圧搾機、前記圧搾機における処理物中の常温常圧の条件下で気体である物質を除去する除去器、系内の液体や気体を送出するための送液ポンプ（２８）等を備えることができる。

本発明の処理システムの構成、及び該装置を用いた処理のプロセスを、図１〜図３を参照して説明する。まず図１の処理システムＡについて説明した後、図２の処理システムＢについて処理システムＡと異なる箇所のみ説明し、同様に、図３の処理装システムＣは処理システムＢと異なる部分のみ説明する。

図１の処理システムＡでは、汚泥１１が送泥管１８を介して成形機１２に投入されると、成形体１３が得られる。この成形体１３が抽出槽１４に送られ、常温常圧の条件下で気体である物質の一例であるジメチルエーテル（液体）１５と接触する。抽出槽１４では、ジメチルエーテル中に成形体中の水分が溶出する。このジメチルエーテル（液体）１５は、貯留槽１６から供給される。抽出槽１４における抽出が終了すると、脱水後汚泥１７が得られ、汚泥中の水分を含有するジメチルエーテル１９が排出される。この脱水後汚泥１７は、充分に脱臭され、悪臭が低減されている。

図２の処理システムＢでは、汚泥中の水分を含有するジメチルエーテル１９が蒸留塔２０に送液される。蒸留塔２０では、汚泥中の水分を含有するジメチルエーテル１９中の大部分のジメチルエーテル（液体）が気化し、液化ジメチルエーテル中に溶存していた成形体由来の水分が処理物２１として分離される。この処理物２１は、汚泥由来の悪臭が低減されると共に、脱水されている。

図３の処理システムＣにおいては、蒸留塔２０で分離されたジメチルエーテル（気体）２２が、圧縮機２３を通って圧縮され、圧縮後の気体２４が冷却器２５で冷却され液化し、冷却器２５を出たジメチルエーテル（液体）２６は再び貯留槽１６へと送られ、システム内を循環する。

上述した本発明の処理システムは、汚泥の処理装置として有用である。本発明の処理システムにおいて処理された汚泥は、火力発電用燃料などの燃料として利用することができる。

実施例１
汚泥を、押出成形機としてミンチ製造器を用いて連続的に成形し、表面間距離４ｍｍ（直径４ｍｍ長さ数ｃｍ程度）の円柱形の成形体（脱水汚泥）を得た。

図４の装置を用いて脱水・脱臭処理を行った。内径１５ｃｍ、長さ５７ｃｍ（容積１０Ｌ）の円筒状である抽出槽に、直径４ｍｍ長さ数ｃｍ程度に成形した脱水汚泥３．２ｋｇを投入し、密閉状態とした。

液化ＤＭＥは最大１５０Ｌ貯留可能なＤＭＥ貯留槽から、送液ポンプ（最大送液量は０．４ｍ³／ｈ）で抽出槽へ送られ、汚泥中の水分を吸収したのち、蒸留塔へと送られた。蒸留塔と凝縮器の内部は常温の水で満たされており、内径１５ｍｍのらせん状の管が浸っている。ここを水分を含んだ液化ＤＭＥが通過する際に熱交換され、液化ＤＭＥが蒸発した。抽出槽から排出された処理物（脱水後汚泥）の含水率、ならびに、硫化水素、メチルメルカプタン、硫化メチルおよび二硫化メチルの濃度を、脱水前の測定値とともに表１に示す。

なお、蒸留後気化したＤＭＥは圧縮機２３（最大送ガス量は３０Ｎｍ³／ｈ）で加圧された後、冷却器２５で常温の水によって液化してＤＭＥ貯留槽１６に充填され、再利用される。

比較例１
汚泥を成形せずにそのまま利用した他は実施例１と同様に抽出槽に投入して脱水処理を行った。

汚泥を成形しない状態で脱水実験した比較例１においては、脱水前汚泥含水率が７９％であったのがＤＭＥ脱水後３８%となったのに対し、実施例１においては、表１の結果から明らかなように、汚泥含水率７９％が８%にまで減少した。

また、臭気については、前回同様にメチルメルカプタンや二硫化メチルの臭気を大幅に抑えることが確認出来た。

本発明の処理システムの一例を示す説明図である。 本発明の処理システムの一例を示す説明図である。 本発明の処理システムの一例を示す説明図である。 本発明の処理システムの一例を示す説明図である。

符号の説明

Ａ〜Ｃ 脱水システム
１１ 汚泥
１２ 成形機
１３ 成形体
１４ 抽出槽
１５，２６ ジメチルエーテル（液体）
１６ 貯留槽
１７ 脱水後の汚泥
１８ 送泥管
１９ 汚泥中の水分を含有するジメチルエーテル
２０ 蒸留塔
２１ 処理物
２２，２４ ジメチルエーテル（気体）
２３ 圧縮機
２５ 冷却器
２７ 熱交換器
２８ 送液ポンプ

Claims (4)

1. 下記の工程（Ａ）および（Ｂ）を有することを特徴とする汚泥の処理方法。
   （Ａ）汚泥を、表面間距離が４〜１０ｍｍの成形体となるように成形する工程
   （Ｂ）該成形体をジメチルエーテルの液化物と接触させ該成形体中の水分を抽出する工程
2. 前記汚泥の成形は、送泥管の先に取り付けた成形装置による押出成形により行い、前記成形装置は成形後の成形体を連続して圧入可能な装置である請求項１に記載の汚泥の処理方法。
3. 汚泥を脱水処理するに当たって、下記の工程（Ａ）および（Ｂ）を有することを特徴とする燃料の製造方法。
   （Ａ）汚泥を、表面間距離が４〜１０ｍｍの成形体となるように成形する工程
   （Ｂ）前記成形体をジメチルエーテルの液化物と接触させる工程
4. 汚泥を、表面間距離が４〜１０ｍｍの成形体となるように成形する成形機、およびジメチルエーテルの液化物を前記成形体に接触させ該成形体中の水分を抽出する抽出槽を備えることを特徴とする、汚泥の処理システム。

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