JP2004344876A - スラッジ−石炭−油共同凝集法による下水スラッジ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スラッジ−石炭−油の共同凝集法による下水スラッジ処理方法を提供する。
【解決手段】脱水のためのスラッジが、疎水性及び親油性を持つように、物理的、化学的、生物学的にコンディショニングするコンディショニング段階；コンディショニングされたスラッジに油及び石炭を供給、攪拌してスラッジ−石炭−油の凝集物を形成する凝集段階；凝集されたスラッジ−石炭−油の凝集物の粒径を拡大する粒径拡大段階；粒径拡大段階を経たスラッジ−石炭−油の凝集物を選別、分離するスクリーニング段階を含むことにより、スラッジの脱水処理がより迅速かつ容易に、効率よく行われることは勿論、関連施設を著しく簡略化かつ効率化でき、悪臭及び公害の発生が減少し、処理されたスラッジを高級燃料として活用することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、炭化水素の疎水性特性を用いて、親水性無機物質と混合された懸濁液のうち、有機物質のみを選別、精製して回収する技術を用いる下水スラッジ処理方法に関し、特にスラッジの表面を、親油性にコンディショニング(Conditioning)した後に、油を微粒子化して混合すると、疎水性かつ親油性に変わったスラッジの表面が、油で覆われてこれらがお互いに凝集され、小さい球形を形成するようになることを利用して、スラッジをより効率的に脱水処理できるようにした、スラッジ−石炭−油の共同凝集法による下水スラッジ処理方法に関する。

本発明の理解を助けるために、下水スラッジ処理に関する一般的な技術内容及び現在の技術状況を紹介すると次の通りである。

現在下水スラッジ処理または処分に使用されている単位工程は、処理目的と機能に応じて次のように区分できる。
濃縮⇒嫌気性消化⇒脱水⇒乾燥 →埋立、土壌改良剤
堆肥化→土壌改良剤、有害性の検討後に緑農地肥料
蚯蚓飼料→蚯蚓飼育、土壌改良剤
固化→埋立、覆土剤
焼却→埋立、焼却材の建設資材化(レンガ、セメント原料)
溶融→建設資材(炉盤材、軽量骨材、ブロック)、埋立
熱分解→ガス、オイル、チャーなどの燃料化
陸上埋立
海面埋立
海洋投棄

前記のようにスラッジ処理工程は、前処理プロセス及び中間処理プロセス、最終処分プロセスに区分できる。前処理プロセスとは、濃縮、消化、機械脱水のように減量化を主要目的としている。中間処理プロセスは、最終処分のために脱水ケーキを減量または安定化させる工程であって、堆肥化、焼却、溶融、固化などがこれに当たる。一方、最終処分処理工程で発生する最終産物を埋立または再利用する場合もあるが、殆どの埋立は乾燥前に行われ、これによる浸出水の問題などが発生し、最近では陸上／海面及び海洋投棄が、禁止される傾向があり、大量処理の方法として焼却が脚光を浴びている。

焼却は、空気中の酸素を用いて可燃性物質を燃焼させる方法であって、最近の埋立地不足を解消するための廃棄物の減量化、有機物の無機物化のための腐敗性物質処理のための安定化などの廃棄物の処理方法としても多用されている。かつ、燃焼時に発生する廃熱を用いて発電や暖房などに再利用することができ、昔から都市廃棄物処理などに広く活用されつつあり、有害廃棄物の場合には、スラッジの特性上、安定化及び安全化効果よりは埋立地の限界を克服するための減量化問題が優先されて、大都市を中心として推進されてきた。大部分の工業国では大都市を中心として、既存の埋立方法から焼却の方に転換する趨勢にある。

焼却処理の長所としては、衛生的な処理が可能で、腐敗性がなく、脱水ケーキに比べて嫌悪性がなく、スラッジの容積が最小容積の１０〜２０％に減少されるなどの長所がある。

ところが、下水終末処理場で発生する濃縮スラッジは、殆ど水分が９８％以上でこれを脱水しなければならないが、図１に示したような、一般的な機械的脱水工程を通じて水分を７５〜８５％程度まで脱水できる。

このような脱水工程を終えたスラッジは再び乾燥過程を経た後に焼却するが、これらスラッジの発熱量は次の通りである。

一方、スラッジのうち重金属の含有量は都市毎に、季節毎に異なるが、大部分の工業国の場合に下水スラッジに含まれた金属成分の分析資料の一例は次の通りである。

実際に商業的に使用されている下水スラッジ脱水には、遠心力を用いる方法と、相の分圧差を用いる真空脱水の方法と、圧着して脱水する方法があり、すべて濾材を使用する濾過方式である。その外に、濃縮槽のスラッジを砂の濾材層を用いて固−液分離した後に自然乾燥させるラグーン(lagoon)法などがあるが、これらの長短所は次の通りである。

一方、スラッジや固体微生物の脱水工程においては、脱水特性を改善するために、化学的なコンディショニング(conditioning)や安定化措置を行う。化学的なコンディショニングの他にも物理的な加熱方法及び冷凍利用法(Freeze-thaw methods)などがあるが、これらの操作は非常に非経済的で制限的な目的のために小規模工程で用いられている。

化学的コンディショニング方法は、他の方法に比べて回収率も高く、他工程との適用が容易なので、スラッジを脱水する際において一番経済的な方法として評価されている。この方法は、処理対象のスラッジによって異なるが、一般的に、流入スラッジの水分濃度が、９０−９９％であるものを６５−８５％程度までに下げられる。化学的コンディショニングは、スラッジとスラッジ固体物質間に単純な凝集(coagulation)を形成させることにより、吸収された水を放出して脱水させる。前記方法はより精巧な脱水を要するところに用いられるが、遠心脱水、ベルト−フィルタープレス(Belt−Filter press)、加圧フィルター(Pressure Filter)などに使用される。

化学薬品としては塩化鉄、石灰石、ミョウバン(Alum)及び高分子物質が用いられる。ここで、高分子化学薬品を用いる場合には、追加的な非可燃性無機物スラッジの発生がないが、塩化鉄や石灰石を用いる場合には、乾燥スラッジ基準で２０−３０％のスラッジが追加に発生されている。化学物質の選定においては、流入スラッジの濃度及び反応特性に応じて溶液のｐＨやアルカリ度及び反応時間の保持を異にする。

例えば、高脱水のためには、多量の石灰石を投入してｐＨとアルカリ度を高めるが、これによりスラッジ脱水過程で、多量のアンモニアガスが発生し追加スラッジ量が増加するようになる。化学薬品の選定は、脱水方法により左右されるが、高分子物質は、遠心脱水やベルト−フィルタープレス工程でも多用されているが、加圧フィルターには好適ではない。一般的に添加されるスラッジ量は、スラッジ特性により異なるが、脱水しにくいほど添加量は増加し、乾燥ケーキの生成が難しく、濾過効率も劣るようになる。一般的に未処理の１次スラッジが一番脱水しやすく、次は未処理スラッジの含まれた混合スラッジ、嫌気性処理スラッジ及び好気性スラッジの順である。

その他のコンディショニング技術としては、熱処理法(Heat treatment)、予熱処理法(Preheating)、冷凍法(Freeze−thaw method)などがあるが、熱処理法は、スラッジのコンディショニングと安定化を図るために行われ、加圧下で短時間に加熱してスラッジのゲル−構造を破壊し、スラッジ親水性を減少させて微生物の内部水分までも取り除けて、脱水ケーキの水分濃度を、３０−５０％まで低減でき、他のコンディショニングを追加する必要がなく、約３０ｋＪ／ｇのスラッジを形成できる。ところが、熱処理過程でアンモニアなどの悪臭ガスが大量発生し、ＢＯＤの高い上澄液が発生して廃水及び大気の２次処理を必要とし、施設費が非常に高価となるので部分的に小規模で使用される。

かつ、予熱処理法は、スラッジを６０℃まで予熱した状態で脱水すると、脱水効果を６％程度高められる点を利用するものである。ところが、前記方法は濾過処理水中のＢＯＤが上昇してこれを再循環処理しなければならない問題があって、これは廃熱を利用可能なところでは効果的な方法である。

なお、冷凍法は、冷凍と解凍を繰り返すとスラッジのゼリー(Jelly)のような構造が小さい粒状に変わって濾過抵抗が低下し、脱水が円滑に行われることを利用するものである。前記方法は比較的脱水しにくい物質に効果的で、結合水(Bound water)は難しいが、他の水分に対しては脱水操作が比較的容易なので残有ケーキ中の水分を２５-４０％まで減らし得る。

本発明は、上述の従来技術の問題点を解決するために案出されたものであり、スラッジの表面に付着されている水を油にて置換付着させて、これをスクリーン方式により分離して脱水効果を得て、既存工程に比べてスラッジ脱水及び精製処理が、遥かに迅速かつ容易に、効率よく行われてスラッジの処理にかかる諸費用を大幅に節減できることは勿論、関連施設を簡略化かつ効率化できて、悪臭発生及び大気汚染の恐れがなく、脱水スラッジを高級燃料として活用できるさらに改善された下水スラッジ処理方法を提供することにその目的がある。

前記目的を達成するために、本発明によるスラッジ−石炭−油の共同凝集法による下水スラッジ処理方法は、脱水のためのスラッジが疎水性及び親油性を持つように物理的、化学的、生物学的にコンディショニングするコンディショニング段階；コンディショニングされたスラッジに油及び石炭を供給、攪拌してスラッジ−石炭−油の凝集物を形成する凝集段階；凝集されたスラッジ−石炭−油の凝集物の粒径を拡大する粒径拡大段階；粒径拡大段階を経たスラッジ−石炭−油の凝集物を選別、分離するスクリーニング段階を含む。

本発明は、スラッジ表面の水を油成分で置換凝集させてスクリーニングしてスラッジを脱水、精製処理させる新たな概念の下水スラッジ処理方法であって、濾過脱水等による既存のスラッジ処理技術に比べてスラッジの脱水処理がより迅速かつ容易に、効率よく行われることは勿論、関連施設を著しく簡略化かつ効率化でき、悪臭及び公害の発生が減少し、処理されたスラッジを高級燃料として活用できるなどの新たな効果がある。

上記の目的を達成するための本発明を添付図面及び実施例を参照してさらに具体的に説明する。

本発明は、炭化水素の疎水性特性を用いて、親水性無機物質と混合された懸濁液中で有機物質のみを選別、精製及び回収する技術を用いることであって、スラッジ表面を親油性にコンディショニングした後に油を微粒状にして混合すると、疎水性かつ親油性に変わったスラッジの表面が、油で覆われながらこれらがお互いに凝集されて小さい球形を形成するようになる。この際、小さくて固い凝集物が形成されるとスラッジ表面の結合水が減少し、金属や灰成分などの未凝集物との選別分離及び脱水も容易になる。ところが、スラッジと油だけでは固い凝集物を形成しにくい場合には、親油性の凝集補助剤を混合するが、例えば石炭を混合して凝集と脱水効果を高め燃料としての使用効果を向上させられる。

図２は本発明による下水スラッジ処理の全体的な工程を概念的に示した工程図である。

図２を参照して説明すると、下水終末処理場に流入される汚水、生活廃水及び畜産廃水とこれを好気性または嫌気性消化処理したスラッジ、及び沈殿池濾過を終えた１次スラッジなどが濃縮槽で脱水槽に送られたり搬送されるが、脱水のためのスラッジが疎水性を持つように化学的または物理的コンディショニングを行う。コンディショニングはスラッジ状態により異なるが、場合によっては省略できる。

油凝集は固体粒子と固体粒子とを固める架橋(Bridging)の役割をする油の親和力が一番大事であり、油の濃度によりペンジュラー(Pendular)、ファニキュラー(Funicular)、キャピラリー(Capillary)、サスペンディド(Suspended)などの状態に区分されるが、一般的にファニキュラー状態での凝集強度が良好でサスペンディド状態では凝集強度が極めて低下する。

凝集強度は一般的に(１−隙間率)／(凝集物直径^２)の関係がある。従って、凝集物の直径と隙間率をできるだけ小さく保持すべきである。そのためには小さい粒径の油滴を形成することが大事で、凝集物の隙間率を減らし得る方案が必要になるが、これは機械的攪拌により容易に達成できる。特に、攪拌速度を速めるほど固くて粒径の小さい凝集物が形成できるが、攪拌速度が高すぎると凝集が形成されなくなる。

石炭と油の供給は、分炭、石炭／水スラリー、石炭／水／油などを供給することもでき、油の供給は、スラッジと油の架橋特性により順番を変更でき、攪拌速度も特性により高速と低速に段階的に変化させられ、攪拌時間もこれにより変わる。

例えば、前記油凝集段階はコンディショニングしたスラッジに、石炭と油を注入しながら高速攪拌して直径５００μｍ以上のスラッジ−石炭−油の凝集物を形成する作業からなり、前記作業の後に凝集物の凝集強度を高める操作が施される。

かつ、前記油凝集段階はコンディショニングしたスラッジにコンディショニングした石炭と油を同時に投入して共に油凝集を行うこともできる。

かつ、前記油凝集段階はコンディショニングしたスラッジとコンディショニングした石炭に対してそれぞれ１次油凝集をさせた後に、再び合わせて２次凝集操作を行うこともできる。

かつ、前記油凝集段階はコンディショニングしたスラッジに対して、１次油凝集した後にコンディショニングした石炭と油を入れて２次凝集操作を行うこともできる。

かつ、前記油凝集段階は、コンディショニングした石炭に対して１次油凝集した後にコンディショニングしたスラッジを入れて２次凝集操作を行うこともできる。

ここで用いる油としては、重油、軽油、灯油、食用油、廃食用油、蓖麻子油、大豆油、***油、廃潤滑油またはこれらを混合した合成油のうち何れか一つあるいは一つ以上を選択することができる。

粒径拡大(Size enlargement)は、スラッジと補助凝集物との結合強度を高めることであって、本発明では攪拌(Agitation)型、回転(Tumbling)型、ディスク(Disk)型、ドラム(Drum)型などの方法が可能で、油凝集工程における凝集状態により省略することもでき、油または第３の有機凝集剤を追加することもできる。

粒径拡大段階を経たスラッジ／石炭凝集物の粒径は、一般的に０.５−３ｍｍ程度に形成されて、４８メッシュ以下の篩を用いると選別的に分離できる。かつ、凝集物中の一部微粒の無機浮遊物が入れるので、純水で噴霧させると著しく向上された精製スラッジ／石炭凝集物を得られる。

スラッジ脱水及びコンディショニングにおいて、本発明と従来の技術は次表４のような相違点をもたらす。

前記のような本発明は、スラッジの表面に付着されている水を、油で置換付着させ、これをスクリーニング方式により分離して、脱水効果を得ることにより、既存工程に比べて脱水に所要される装置費、運転費、人件費及び装備交替保持費などを大幅に節減できる。

既存の工程で発生したスラッジは、含水率が高くて焼却や他地域への移送のためには乾燥工程が必要で、発熱量が低くて補助燃料が必要な場合がある。ところが、本発明により処理されたスラッジは可燃性の石炭及び燃料油を使用しスラッジ中の無機成分は取り除いて、発熱量の非常に高い高級燃料として使用することができる。これを下水終末処理場の付近で処理すると輸送費などを節減でき、熱併合発電または地域冷暖房用燃料に転換することができる。かつ、既存のスラッジには重金属成分と灰成分が多量に含まれ、乾燥時に悪臭の発生がひどく、焼却時に灰が溶融したり飛散して高度の大気汚染防止施設が必要になるが、本発明はこれらの施設を極めて簡略化でき、作業環境も非常に清潔に保持できる長所がある。

一方、従来の脱水スラッジは、肥料及び飼料に転換可能であるが、本工程のスラッジは燃料油が含まれており、肥料や飼料として使用することが不可能である。ところが、油を食用油などに取り替えるとさらに精製された飼料に転換可能になる見込みである。

実施例
１．脱水率及び回収率増大効果
スラッジ脱水は、有機物質凝集の架橋の役割をする油により支配的な影響を受けるが、同一石炭とスラッジ及び他の因子を固定した状態で、油の添加量を変更した時、凝集物の水分濃度及び石炭とスラッジの有機物質回収濃度の変化は図３のような特性を示す。油の濃度が低い場合、有機物質が油に浸された状態が、ペンジュラー(Pendular)状態になり凝集力が弱まって緩んでいるので、有機物粒子間に残存する水分のために、水分濃度が高くなり凝集が十分に形成できずに回収率が低下する。ところが、油の濃度を高めるとファニキュラー(Funicular)状態になり水分濃度も下がり回収率が大幅に向上され、それ以上に油の濃度を高め続けるとキャピラリー(Capillary)状態になるが、水分濃度や回収率の変化は殆どない状態になる。

一方、同一条件で攪拌速度は凝集物形成と凝集物破壊及び油の微粒子形成に影響を及ぼす。図４はスラッジのコンディショニング後に一定量の石炭と油を入れて攪拌速度を変更した場合における水分濃度と有機物質回収率の変化を示したものである。攪拌速度が低すぎる場合には、油の分散が全然行われなくて凝集物が形成されず、一部油に浸された石炭及びスラッジ有機物は、油の懸濁(Suspended)状態になって、篩の網目が小さい場合にはエマルジョンのようになり網目が詰まってしまう。攪拌速度がある程度強くなると、回収率が急激に上昇されながら含水率も下がるようになる。ところが、攪拌速度が高すぎると凝集物の直径も小さくなり、含水率は下がるが凝集物の回収率が低下される。攪拌速度は有機物質との接触角によって異なるが、燃料油の粘度が高いと攪拌速度を高く保持しなければならなく、装置形状によって必要なせん断力が異なるが、回分式装置と連続式装置では殆ど同じ水準に保持される。特に、攪拌速度が一定水準では含水率や回収率に大きな影響を及ぼさない。

有機物質の物性と油との親和力(Affinity)が、お互いに異なる石炭と下水スラッジを油凝集させる時に単一油凝集だけでは効率が低下される。これを補うために、攪拌を２段またはタンブリング(Tumbling)に分けて施すとさらに効率的であるが、石炭とスラッジを３０００ｒｐｍ速度で１０分間攪拌した後に石炭は再び別途のタンブラー(Tumbler)で実験し、スラッジ／石炭は同一反応器で同じせん断力で低速攪拌した実験結果は図５に示した通りである。

２段攪拌及びタンブリングによる効果は、石炭の場合にはあまり差がないが、スラッジの場合には非常に有効で、特にスラッジ／石炭凝集物の同時回収には好適な方案である。石炭の場合はタンブリング時間による影響が殆どないが、スラッジ／石炭の場合には少なくとも５分以上延長することが望ましい。

２．重金属精製及び発熱量改善効果
実験に使用した石炭のうち灰分は、９.０９％、発熱量は６,６９０ｋｃａｌ／ｋｇであり、使用したスラッジのうち非揮発性物質含有量は、混合スラッジの場合に約３０％、好気処理スラッジの場合には、１２.５％程度、嫌気消化スラッジの場合には、３８％であり、これらの発熱量は約1,２００〜１,８００ｋｃａｌ／ｋｇであった。ここに発熱量が１０,４５０ｋｃａｌ／ｋｇである重油Ａを使用してスラッジ−石炭−油凝集を行った結果次の表５に示した通りである。

石炭とスラッジの適正配合割合は、スラッジと石炭の物性関係により決められるが、表５は混合濃縮スラッジと好気処理及び嫌気消化スラッジを、重さの割合で１を基準として石炭混合比を１５程度に調整したものであり、この時に油の投入量は、スラッジ基準０.４〜２.０程度投入した結果、凝集物の発熱量は、７,１４０〜７,４００ｋｃａｌ／ｋｇ程度に上がり、凝集物のうち灰分の濃度は、３〜５.２％で流入石炭やスラッジの無機物含有量より低く精製されたスラッジを回収できる。

一方、油凝集による無機物分離のうち硫黄成分に対する適用例は表６に示した通りである。表６は前処理操作のない単純な油凝集操作によるもので、硫黄成分のうち親水性の硫酸塩(Sulfate)は比較的容易に分離され、黄鉄鉱(Pyrite)も石炭組織と遊離したものは分離されるが、有機硫酸塩(Organic sulfate)は凝集物中に存在する。

流入スラッジのうちＮａ含有量は４７６５ｐｐｍ程度であるが、精製スラッジのうちＮａ含有量は１０ｐｐｍ未満程度に下がって、特に精製／分離に優れた効果があることが分かった。

３．色度、濁度及びＣＯＤの改善効果
凝集反応器に流入される好気性処理スラッジのＴＣＯＤは、１０７００ｐｐｍ程度で、紫外線光透過度は２７５ｎｍ波長で約７４％であったが、スラッジ−石炭−油凝集後の透過度は９２％以上に高まり、少し濁った状態であるが、これも殆ど灰残留物のためであり、ＣＯＤが２９０ｐｐｍ程度に著しく改善された。嫌気消化スラッジの場合には、２７５ｎｍ波長で３３％程度であったが、凝集操作後の透過度は８２％程度に大幅に改善され、混合スラッジの場合は、同一波長で５９％から７４％程度にやや低調であった。これは混合スラッジ中に沈殿槽を通った１次スラッジに起因したものであり、一般的にスラッジに対する油凝集操作により色度、濁度及びＣＯＤを著しく改善することができる。

一般的な機械的脱水工程によるスラッジ処理工程図。 本発明によるスラッジ処理工程図。 オイル添加量の変化によるスラッジ−石炭凝集物の脱水及び回収率の変化を示したグラフ。 攪拌速度の変化によるスラッジ−石炭凝集物の脱水及び回収率の変化を示したグラフ。 攪拌及びタンブリングによる石炭及びスラッジ−石炭凝集物の回収率の変化を示したグラフ。

Claims (9)

1. 脱水のためのスラッジが疎水性及び親油性を持つように物理的、化学的、生物学的にコンディショニングするコンディショニング段階；
   コンディショニングされたスラッジに油及び石炭を供給、攪拌してスラッジ−石炭−油の凝集物を形成する凝集段階；
   凝集されたスラッジ−石炭−油の凝集物の粒径を拡大する粒径拡大段階；
   粒径拡大段階を経たスラッジ−石炭−油の凝集物を篩で選別、分離するスクリーニング段階を含むことを特徴とするスラッジ−石炭−油の共同凝集法による下水スラッジ処理方法。
2. 前記凝集段階ではコンディショニングしたスラッジに石炭と油を注入しながら高速攪拌して直径５００μｍ以上のスラッジ−石炭−油の凝集物を形成する作業が行われ、前記作業の後に凝集物の凝集強度を向上させる操作が加えられることを特徴とする請求項１記載のスラッジ−石炭−油の共同凝集法による下水スラッジ処理方法。
3. 前記凝集段階ではコンディショニングしたスラッジにコンディショニングした石炭と油を同時に投入して共にオイル凝集することを特徴とする請求項１記載のスラッジ−石炭−油の共同凝集法による下水スラッジ処理方法。
4. 前記凝集段階ではコンディショニングしたスラッジとコンディショニングした石炭に対してそれぞれ１次油凝集させた後に再び合わせて２次凝集操作することを特徴とする請求項１記載のスラッジ−石炭−油の共同凝集法による下水スラッジ処理方法。
5. 前記凝集段階ではコンディショニングしたスラッジに対して１次油凝集した後にコンディショニングした石炭と油を入れて２次凝集操作することを特徴とする請求項１記載のスラッジ−石炭−油の共同凝集法による下水スラッジ処理方法。
6. 前記凝集段階ではコンディショニングした石炭に対して１次油凝集した後にコンディショニングしたスラッジを入れて２次凝集操作することを特徴とする請求項１記載のスラッジ−石炭−油の共同凝集法による下水スラッジ処理方法。
7. 前記凝集段階が行われた後に凝集物をアジテーター、ファンディスク、タンブラーなどにより低速攪拌して凝集強度を向上させる操作が行われることを特徴とする請求項１記載のスラッジ−石炭−油の共同凝集法による下水スラッジ処理方法。
8. 前記凝集段階で用いられる油は重油、軽油、灯油、食用油、廃食用油、蓖麻子油、大豆油、***油、廃潤滑油またはこれらを混合した合成油のうちいずれかであることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項記載のスラッジ−石炭−油の共同凝集法による下水スラッジ処理方法。
9. 前記凝集段階を経て得られた凝集物と非凝集物を選別、分離しながら凝集物に対して噴霧洗浄した後に脱水を行うことを特徴とする請求項１〜７いずれか１項記載のスラッジ−石炭−油の共同凝集法による下水スラッジ処理方法。
   

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