JP6685601B2 - 汚泥処理方法及び汚泥処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、汚泥処理方法及び汚泥処理装置に係り、特に、脱水汚泥を汚泥乾燥機で乾燥させてから焼却炉で焼却する汚泥処理方法及び汚泥処理装置に関する。

従来、下水汚泥を焼却する場合は、一般に、遠心分離機等の脱水機で予め所定の含水率以下（例えば７８％以下）に脱水して脱水汚泥（脱水ケーキとも呼ばれる。）とし、この脱水汚泥を焼却炉に投入するが、焼却時の補助燃料使用量削減等を意図して、脱水汚泥を汚泥乾燥機に投入して所定の含有率以下の乾燥汚泥にしてから焼却炉に投入される場合がある。また、焼却炉には流動層炉や火格子を備えるストーカ炉があるが、乾燥汚泥の焼却に用いられるストーカ炉は、一般に、炉と一体構造の廃熱ボイラを備えており、汚泥乾燥機は、この廃熱ボイラで発生する高温蒸気を熱媒として利用する間接加熱型の汚泥乾燥機が多用されている（特許文献１、非特許文献１等）。

この種の汚泥乾燥機は、伝熱により脱水汚泥の乾燥を行うが、汚泥質によっては伝熱面に汚泥が付着してはがれなくなり、乾燥できなくなることがある。

そのため、従来では、良好な乾燥が得られない場合には、何らかの助剤を投入することが行われている。助剤としては、消石灰や乾燥汚泥が多く用いられ、焼却灰を助剤として用いることも提案されている（特許文献２〜４等）。

特公平４−７６７６０号公報 特開昭５６−１１５３１１号公報 特開平６−２５７７３１号公報 特開２００７−１２７３８６号公報

タクマ技報Vol.22 No.1（通巻第４２号）、２０１４年６月発行、中西譲、株丹直樹、「京都市鳥羽水環境保全センター 階段炉乾燥・焼却設備長寿命化工事」

しかしながら、助剤として消石灰を用いる場合は、消石灰の費用が嵩み、ランニングコストが高価となる。また、乾燥汚泥を助剤として用いる場合は、汚泥乾燥機に投入する汚泥量が助剤としての乾燥汚泥を合算した量となり、汚泥量が増える結果、大型の汚泥乾燥機が必要となる。

一方、焼却灰を助剤として用いる提案では、何れも集塵灰等の粉体状の焼却灰を用いることで効果が発揮されると説明されているが、粉体状であるため乾燥前に汚泥と混合する必要があり、混合用の設備が別途必要となる。また、ストーカ炉で発生する焼却灰は、その大部分を占める主灰が１〜５０ｍｍ前後の塊状であり、さらに通常、主灰は焼却炉からの排出時に水冷するため多量の水分を含み、そのままでは助剤として使用できず、乾燥・粉砕する必要があった。さらに、飛灰は粉体状であるが、発生量が微量であり、助剤として利用するには不足している。

そこで、本発明は、乾燥機で脱水汚泥が乾燥できなくなる事象を解決し、低コストで良好な乾燥が得られる、汚泥処理方法及び汚泥処理装置を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る汚泥処理方法は、脱水汚泥を汚泥乾燥機に投入するステップと、ストーカ炉から排出される主灰の少なくとも一部を、水冷処理及び破砕処理を施さない状態で且つ前記汚泥乾燥機投入前に脱水汚泥と混合することなく、前記汚泥乾燥機に投入するステップと、前記汚泥乾燥機内で前記脱水汚泥を前記主灰と混合し乾燥させることにより乾燥汚泥を得るステップと、前記乾燥汚泥を前記ストーカ炉で焼却するステップと、を含む。

本発明に係る上記汚泥処理方法において、前記ストーカ炉から排出される主灰を、前記汚泥乾燥機に搬送する主灰と、灰ピット又は灰バンカに搬出する主灰とに振り分けるステップを更に含むことが好ましい。

本発明に係る汚泥処理装置は、汚泥乾燥機と、該汚泥乾燥機で乾燥された汚泥を焼却するストーカ炉と、該ストーカ炉から排出される主灰の少なくとも一部を前記汚泥乾燥機に搬送して投入する主灰返送手段と、を備える。

本発明に係る上記汚泥処理装置において、前記ストーカ炉から排出される主灰を灰ピット又は灰バンカに搬出する灰出しコンベアを更に有し、前記ストーカ炉から排出される主灰を、前記主灰返送手段又は前記灰出しコンベアに振分ける振分け手段を備えることが好ましい。

本発明によれば、ストーカ炉から落下排出される主灰は、塊状である程度の体積を持っているため破砕した粉末状物に比べて燃焼時の熱を長時間保有することができる。そのため、水冷処理及び破砕処理を施さない状態の主灰は、常温より高い温度状態で汚泥乾燥機に投入することが可能であり、この状態で汚泥乾燥機に投入された主灰が保有する熱は、汚泥乾燥機内のスクリューコンベア等で、主灰とともに投入される脱水汚泥と攪拌混合される過程で、脱水汚泥に伝熱し、脱水汚泥の乾燥を促進することができる。また、主灰は、事前に脱水汚泥と混合することなく汚泥乾燥機に投入することで、別途混合装置を設ける必要が無いためコストを抑えることができる。さらに、主灰は、最大径１〜５０ｍｍ前後の大きさを持ち、表面に凹凸があるため、乾燥機の伝熱面に付着しかけた汚泥をクリーニングする（掻き取る）効果も発揮し得る。

本発明に係る汚泥処理装置の第１実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る汚泥処理装置の第２実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る汚泥処理装置の第３実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る汚泥処理装置の第４実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る汚泥処理装置の第５実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る汚泥処理装置の第６実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る汚泥処理装置の第７実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る汚泥処理装置の第８実施形態を示す概略構成図である。

本発明の実施形態について、以下に図面を参照して説明する。なお、全実施形態を通じて同一又は類似の構成部分に同符号を付した。

図１は、本発明に係る汚泥処理装置の第１実施形態を示す概略構成図である。図１を参照すれば、汚泥処理装置１は、汚泥乾燥機２と、汚泥乾燥機２で乾燥された汚泥を焼却するストーカ炉３と、ストーカ炉３から落下排出される主灰を受け取って汚泥乾燥機２に搬送する主灰返送手段４と、を備えている。

汚泥乾燥機２は、脱水汚泥の乾燥に用いられる乾燥機、特に、間接加熱型の汚泥乾燥機とすることができ、例えば、図１に概略構造を示すように、脱水汚泥の供給口２ａと排出口２ｂとを備えるとともに熱媒体Ｖが流通するジャケットが形成されたケーシング２ｃと、ケーシング２ｃ内に回転可能に設けられて汚泥を攪拌搬送するとともに熱媒体Ｖが流通する中空回転体２ｄとを備えることができる。汚泥乾燥機２に供給される熱媒体Ｖとしては、ストーカ炉３と一体構造の廃熱ボイラ５で発生させた高温蒸気が用いられ得る。なお、廃熱ボイラ５は公知であるので、詳細な説明を省略する。

ストーカ炉３において、汚泥乾燥機２で乾燥させられた乾燥汚泥は、ホッパ３ａからプッシャー３ｂによって炉内の火格子３ｃ、３ｄの最上段に一定供給され、固定火格子３ｃと交互に配置された可動火格子３ｄの前後動により、上段から下段に火格子上を搬送される過程で火格子下方から送られる燃焼空気と接触し、燃焼室３ｒ内の輻射熱によって乾燥、着火、燃焼する。燃焼は、火格子下段の一定レベルで燃え切り点となり、焼却灰は火格子最下段の主灰シュート３ｅから落下、排出される。火格子３ｃ、３ｄの隙間から落下する主灰（落下灰）は落下灰シュート３ｆを通じて落下灰コンベア６によって集められて搬出される。燃焼排ガスは、ストーカ炉３と一体構造の廃熱ボイラ５により蒸気として熱回収され、汚泥乾燥機２の熱媒体Ｖとして利用される。なお、一般に、「主灰」とは焼却炉の炉底から落下排出される焼却残渣であって落下灰コンベアからの灰も含み、本明細書においても「主灰」の語は、上述したように、主灰シュート３ｅから落下する焼却灰の他、落下灰シュート３ｆから落下する落下灰を含む用語として用いられる。

火格子末端部に設けられた主灰シュート３ｅから排出される主灰は、水冷・破砕されることなく、そのまま主灰返送手段４により搬送されて汚泥乾燥機２に投入される。図１に示す例では、火格子３ｃ、３ｄの隙間から落下灰シュート３ｆを通じて落下排出される主灰（落下灰）は、落下灰コンベア６で搬送されて、主灰シュート３ｅから排出された主灰と混合され、主灰返送手段４によって汚泥乾燥機２に搬送され、主灰投入口２ｅを通じて汚泥乾燥機２に投入される。なお、落下灰の一部は、ストーカ炉のホッパ３ａに返送する場合もある。主灰返送手段４は、ベルトコンベア、振動コンベア、スクリューコンベア、その他の公知の搬送手段により構成され得る。

遠心分離機等の脱水機８で予め所定の含水率以下に脱水した脱水汚泥が、汚泥乾燥機２への主灰の投入と同時に又は主灰の投入に前後して、供給口２ａを通じて汚泥乾燥機２に投入される。汚泥乾燥機２で乾燥された乾燥汚泥は、排出口２ｂから排出され、乾燥汚泥コンベア１０により搬送され、ホッパ３ａへ投入される。

本発明の第２実施形態においては、図２に示すように、主灰シュート３ｅから落下する主灰のみが、主灰返送手段４によって汚泥乾燥機２に搬送され、主灰投入口２ｅを通じて汚泥乾燥機２に投入される。落下灰シュート３ｆから落下する主灰（落下灰）は、主灰シュート３ｅから落下する主灰と混合されずに、落下灰コンベア６によって灰ピット７（又は灰バンカ）に搬送され、灰ピット７（又は灰バンカ）に貯留され、従来同様、トラック等で埋立処分地等に搬出され得る。前記第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。図示省略しているが、落下灰コンベア６によって搬送される落下灰は、灰ピット７に投入される前に、水冷され得る。

更に本発明の第３実施形態においては、図３に示すように、汚泥乾燥機２が主灰投入口を汚泥の供給口２ａと別個に備えない場合、主灰返送手段４によって搬送される主灰は、汚泥の供給口２ａを通じて汚泥乾燥機２に投入される。前記第３実施形態のその他の構成は上記第１実施形態と同様である。

本発明の第４実施形態においては、図４に示すように、落下灰シュート３ｆから落下した主灰（落下灰）のみが、主灰返送手段４によって汚泥乾燥機２に搬送され、主灰投入口２ｅを通じて汚泥乾燥機２に投入される。主灰シュート３ｅから落下する主灰は、灰出しコンベア１１により灰ピット７（又は灰バンカ）に搬送されて貯留され、従来同様、トラック等で埋立処分地等に搬出することができる。前記第４実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。図示省略しているが、主灰シュート３ｅから落下する主灰は、灰冷却装置等で冷却された後、灰ピット７に供給され得る。

主灰シュート３ｅから落下する主灰の平均粒径は、落下灰シュート３ｆから落下する主灰の平均粒径より大きいため、主灰シュート３ｅから落下する主灰と落下灰シュート３ｆから落下する主灰とを選択的に汚泥乾燥機に返送することにより、乾燥助剤としての効果が異なり、汚泥の性状に応じて、より適したシステムの選択が可能となる。

汚泥処理装置は、後述する第５〜第７実施形態に示すように、ストーカ炉から排出される主灰を、主灰返送手段又は灰出しコンベアに振分ける振分け手段を備えることができる。

本発明の第５実施形態は、図５に示すように、主灰シュート３ｅの排出口付近に制御ダンパ１２が設けられるとともに、主灰シュート３ｅの側面に開口３ｇが形成され、開口３ｇに灰出しコンベア１１の一端が接続されている。制御ダンパ１２は上端部を支点に揺動制御可能であり、図示例では、制御ダンパ１２を主灰シュート３ｅの内壁面に沿わせて鉛直方向に向けることにより、主灰シュート３ｅを落下する主灰は主灰返送手段４上にそのまま落下し、制御ダンパ１２を傾斜させて制御ダンパ１２の自由端を灰出しコンベア１１の一端に向けることにより、制御ダンパ１２によって主灰シュート３ｅの主灰返送手段４への通路が閉じられ、主灰シュート３ｅを落下する主灰は、制御ダンパ１２をその傾斜に沿って滑り落ち、開口３ｇを通じて灰出しコンベア１１へ誘導され、灰ピット７に排出される。制御ダンパ１２を揺動させるタイミング、即ち、制御ダンパ１２の開閉時間を制御することにより、汚泥乾燥機２に投入される主灰の量を制御することができる。

本発明の第６実施形態は、図６に示すように、主灰返送手段４は、スクリューコンベアやベルトコンベア等を収容するケーシング４ｂの底面に灰落下口４ｃが形成され、灰落下口４ｃを開閉するために水平方向に往復動制御されるスライドゲート１３が設けられている。灰落下口４ｃの下方に、灰落下口４ｃから落下する主灰を受けるように灰出しコンベア１１が配置されている。スライドゲート１３が開いている時は主灰シュート３ｅから落下する主灰は、灰落下口４ｃから灰出しコンベア１１上に落下し、灰ピット７に搬送される。スライドゲート１３が閉じているときは、主灰シュート３ｅから落下する主灰は、主灰返送手段４によって汚泥乾燥機２に搬送される。スライドゲート１３の開閉時間を制御することにより、汚泥乾燥機２に投入される主灰の量が制御される。

上記第６実施形態では主灰返送手段４に灰落下口４ｃ及びスライドゲート１３を設ける例を示したが、図７に示す第７実施形態のように、灰出しコンベア１１に灰落下口１１ａ及び灰落下口１１ａを開閉するスライドゲート１３を設けることもできる。

本発明の第８実施形態は、図８に示すように、落下灰シュート３ｆ及び主灰シュート３ｅから落下する主灰を搬送する灰出しコンベア１５の下流にバッファタンク１６を接続し、バッファタンク１６の下部排出口の下方に計量コンベア１７を設け、計量コンベア１７の下流側に計量コンベア１７によって搬送された主灰を受けるように主灰返送手段４が配置されている。バッファタンク１６の底部排出路に設けられた制御ダンパ１６ａは、制御部１８により制御される。制御部１８は、計量コンベア１７で計量された主灰の重量信号を受けとり、バッファタンク１６から排出される主灰の切出量が所望量となるように制御ダンパ１６ａをフィードバック制御する。バッファタンク１６に余剰の主灰が溜まった場合は、灰クレーン（図示せず。）等によりバッファタンク１６から取り出し、トラック等で埋立処分地等に搬出され得る。

上記のような構成を有する汚泥処理装置によれば、ストーカ炉３から落下排出される主灰は、最大径１〜５０ｍｍの塊状であるため、破砕された粉末状物に比べて燃焼時の熱を長時間保有することができる。その結果、水冷処理及び破砕処理を施さない状態の主灰は、常温より高い温度状態で汚泥乾燥機２に投入され、この状態で汚泥乾燥機に投入された主灰が保有する熱は、汚泥乾燥機２内で主灰とともに投入される脱水汚泥と攪拌混合される過程で、脱水汚泥に伝熱し、脱水汚泥の温度上昇を早めて乾燥を促進することができる。

また、主灰は、事前に脱水汚泥と混合することなく汚泥乾燥機２に投入することで、別途混合装置を設ける必要が無いためコストを抑えることができる。

以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明する。但し、本発明は、各例によって、限定されるものではない。

各例において、下水汚泥を予め脱水機で含水率７８％に脱水した脱水汚泥を単独又は助剤とともに汚泥乾燥機に投入し、乾燥実験を行った。具体的には、汚泥乾燥機に投入された脱水汚泥又は脱水汚泥と助剤の混合物が含水率４０％になるまでの水分蒸発速度を測定した。

水分蒸発速度及び含水率は、下記計算式により算出した。
＜水分蒸発速度＞
水分蒸発速度（ｋｇ−Ｈ_２Ｏ／ｍ^２・ｈｒ）
＝水分蒸発量Ｗ（ｋｇ-Ｈ_２Ｏ/ｈｒ）／伝熱面積（ｍ^２）・・・（１）
水分蒸発量Wは、下記計算式により算出した。

ｘ ：脱水汚泥供給量（ｋｇ／ｈｒ） ・・・ 既知
ｙ ：脱水汚泥含水率（％） ・・・ 既知
ｘ´：乾燥汚泥作成量（ｋｇ／ｈｒ） ・・・ 未知
ｙ´：乾燥汚泥含水率（％） ・・・ 既知
Ｗ＝ｘ−ｘ´ ・・・（２）
ｘ×（１−（ｙ／１００））＝ｘ´×（１−（ｙ’／１００））・・・（３）
上式（２）、（３）の連立方程式を解くことによりＷが算出される。伝熱面積は既知であるため式（１）から水分蒸発速度が算出される。
＜含水率＞
含水率は、恒温槽を用いて測定した。

測定条件：１０５℃×２４時間の条件で乾燥し、乾燥前後の重量より、以下の計算式（４）により算出した。

含水率（％）＝［（ａ−ｂ）／ａ］×１００ ・・・（４）
ここで、ａは乾燥前の重量（ｇ）、ｂは乾燥後の重量（ｇ）である。

実施例１
汚泥Ａ：脱水汚泥（下水汚泥を脱水機で脱水した汚泥。以下同じ。） 含水率７８％、灰分１９％−ＤＳ
（ＤＳ：汚泥中の固形分の重量（Dry Solid））
助剤（添加剤）Ｂ：汚泥Ａの階段式ストーカ炉の焼却灰 汚泥Ａ中の灰分と同量
汚泥Ａ及び助剤Ｂを、予め混合することなく、且つ、助剤Ｂを冷却・粉砕することなく、汚泥乾燥機に投入したところ、汚泥Ａと助剤Ｂの混合物の含水率が４０％になるまでの水分蒸発速度は、１２ｋｇ−Ｈ_２Ｏ／ｍ^２・ｈｒであった。

実施例２
汚泥Ａ：脱水汚泥 含水率７８％、灰分１９％−ＤＳ
助剤（添加剤）Ｃ：汚泥Ａの階段式ストーカ炉の焼却灰 汚泥Ａ中の灰分の倍量
汚泥Ａ及び助剤Ｃを、予め混合することなく、且つ、助剤Ｃを冷却・粉砕することなく、汚泥乾燥機に投入したところ、汚泥Ａと助剤Ｂの混合物の含水率が４０％になるまでの水分蒸発速度は、１４ｋｇ−Ｈ_２Ｏ／ｍ^２・ｈｒであった。

比較例１
汚泥Ａ：脱水汚泥 含水率７８％、灰分１９％−ＤＳ
助剤： 無し
試験中に汚泥が汚泥乾燥機の伝熱面に付着し、連続運転の継続が不可能であった。

比較例２
汚泥Ａ：脱水汚泥 含水率７８％、灰分１９％−ＤＳ
助剤（添加剤）Ｄ：汚泥Ａの階段式ストーカ炉の焼却灰の破砕物（粒径の中央値５０μｍ） 汚泥Ａ中の灰分と同量
汚泥Ａと水冷せずに粉砕した助剤Ｄとを予め混合機で混合してから汚泥乾燥機に投入したところ、汚泥Ａと助剤Ｄの混合物の含水率が４０％になるまでの水分蒸発速度は、９ｋｇ−Ｈ_２Ｏ／ｍ^２・ｈｒであった。

上記実験により実施例１，２が比較例１，２より良好な乾燥が得られていることが分かる。従って、脱水汚泥を汚泥乾燥機に投入するとともに、階段式ストーカ炉から落下排出される主灰を、水冷処理及び破砕処理を施さない状態で且つ汚泥乾燥機へ投入する前に脱水汚泥と混合することなく、汚泥乾燥機に投入することにより、助剤を投入しない場合（比較例１）、焼却灰を破砕した助剤を脱水汚泥と予め混合してから脱水乾燥機に投入した場合（比較例２）に比べて、脱水汚泥の良好な乾燥が得られることが確認された。

１ 汚泥処理装置
２ 汚泥乾燥機
３ ストーカ炉
４ 主灰返送手段
５ 廃熱ボイラ
６ 落下灰コンベア

Claims (4)

1. 脱水汚泥を汚泥乾燥機に投入するステップと、
   ストーカ炉から排出される主灰の少なくとも一部を、水冷処理及び破砕処理を施さない状態で且つ前記汚泥乾燥機投入前に脱水汚泥と混合することなく、前記汚泥乾燥機に投入するステップと、
   前記汚泥乾燥機内で前記脱水汚泥を前記主灰と混合し乾燥させることにより乾燥汚泥を得るステップと、
   前記乾燥汚泥を前記ストーカ炉で焼却するステップと、
   を含むことを特徴とする汚泥処理方法。
2. 前記ストーカ炉から排出される主灰を、前記汚泥乾燥機に搬送する主灰と、灰ピット又は灰バンカに搬出する主灰とに振り分けるステップを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の汚泥処理方法。
3. 汚泥乾燥機と、該汚泥乾燥機で乾燥された汚泥を焼却するストーカ炉と、該ストーカ炉から排出される主灰の少なくとも一部を前記汚泥乾燥機に搬送して投入する主灰返送手段と、を備えることを特徴とする汚泥処理装置。
4. 前記ストーカ炉から排出される主灰を灰ピット又は灰バンカに搬出する灰出しコンベアを更に有し、
   前記ストーカ炉から排出される主灰を、前記主灰返送手段又は前記灰出しコンベアに振分ける振分け手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の汚泥処理装置。