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技術 リンが含まれる消化汚泥またはその焼却灰を原料とする肥効性スラグの製造方法、溶融炉の運転方法及び溶融設備

出願人 株式会社クボタ
発明者 岡田正治倉田雅人上林史朗
出願日 2018年10月23日 (1年9ヶ月経過) 出願番号 2018-198979
公開日 2020年4月30日 (3ヶ月経過) 公開番号 2020-066541
状態 未査定
技術分野 固体廃棄物の処理 肥料 汚泥処理
主要キーワード 溶融ステップ 流れ具合 溶融処理温度 貯留ピット 底質調査 リン含有物質 酸性スラグ 汚泥灰
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年4月30日)のものです。
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図面 (9)

課題

リン含有率が低い消化汚泥またはその焼却灰に好適な肥効スラグの製造方法を提供する。

解決手段

リンが含まれる消化汚泥またはその焼却灰を原料とする肥効性スラグの製造方法であって、前記消化汚泥またはその焼却灰にマグネシウム系助剤を添加するマグネシウム系助剤添加ステップと、前記マグネシウム系助剤添加ステップの後に前記消化汚泥またはその焼却灰を前記マグネシウム系助剤の存在下で溶融処理する溶融ステップと、前記溶融ステップで溶融されたスラグを冷却する冷却ステップと、を含む。

概要

背景

農業食品に関わるリン資源として56万t・P/年を輸入に頼っており、そのうち5.5万t‐P/年ものリンが農耕・家畜食糧を経由して下水道に流入している。下水道に流入したリンはその1割程度しか農業利用されておらず、下水中のリンの再資源化が早急に求められている。

下水道処理で発生する下水汚泥にはリンが高濃度濃縮され、特に汚泥処理方法のひとつである溶融処理で得られるスラグには、溶融処理過程カドミウムや鉛などの有害金属がほとんど揮散し、かつ、リン鉱石に近い濃度まで濃縮されるため、肥料原料としてリンを回収する方法の一つとして期待されている。

特許文献1には、前処理した溶融対象物溶融炉において強還元雰囲気中で溶融スラグ化して、溶融対象物に含まれたリンをスラグ中もしくは溶融時に還元生成する金属中に固定化するリン固定化方法であって、前処理において、溶融処理温度で揮散するリンをリン化物として固定化する金属元素の濃度と、酸性酸化物を生成する酸性酸化物形成元素の濃度との比を調整指標比Rとし、調整指標比Rが所定の下限値以上となるように溶融対象物の成分調整を行なうことを特徴とするリン固定化方法が提案されている。

しかし、特許文献1に記載されたリン固定化方法は、リンを金属中に固定化する技術であり、得られたスラグをく溶性肥料などにそのまま用いることができなかった。

特許文献2には、く溶性の肥料などに用いることを可能にすべく、リン含有汚泥を溶融炉に投入して溶融する溶融ステップと、溶融ステップで溶融生成されたスラグを冷却して固化する冷却ステップと、を含み、リン成分をスラグ中に捕捉するリン含有汚泥の溶融処理方法が提案されている。

当該リン含有汚泥の溶融処理方法は、主に活性汚泥法膜分離活性汚泥法により生物処理された下水汚泥を対象とする方法であり、リン含有物質に2価または3価の鉄化合物を添加する鉄化合物添加ステップを、汚泥含水量を調整する前処理ステップまたはその前後に実行することにより、溶融ステップで、リン含有汚泥に含まれるリン成分の揮散を防止するとともに、リン成分のリン化鉄を含む金属リン化合物への移行を抑制しながらスラグに捕捉するように構成されている。

そして、鉄化合物添加ステップでは、鉄(Fe)量が乾燥物質換算量DS(Dry Solid)に対して1〜8wt%の範囲に入るように2価または3価の鉄化合物が添加されるとともに、鉄(Fe)リン(P)シリカ(Si)比(=Fe/(P+Si)[mol/mol])が0.2〜0.8の範囲に入るように鉄化合物が添加され、さらに、リン含有汚泥に塩基度調整剤を添加してリン含有汚泥の塩基度が0.2から1.0、好ましくは0.7±0.1の範囲に入るように調整する塩基度調整ステップが実行される。

概要

リン含有率が低い消化汚泥またはその焼却灰に好適な肥効性スラグの製造方法を提供する。リンが含まれる消化汚泥またはその焼却灰を原料とする肥効性スラグの製造方法であって、前記消化汚泥またはその焼却灰にマグネシウム系助剤を添加するマグネシウム系助剤添加ステップと、前記マグネシウム系助剤添加ステップの後に前記消化汚泥またはその焼却灰を前記マグネシウム系助剤の存在下で溶融処理する溶融ステップと、前記溶融ステップで溶融されたスラグを冷却する冷却ステップと、を含む。

目的

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、リン含有率が低い消化汚泥またはその焼却灰に好適な肥効性スラグの製造方法、溶融炉の運転方法及び溶融設備を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

リンが含まれる消化汚泥またはその焼却灰原料とする肥効スラグの製造方法であって、前記消化汚泥またはその焼却灰にマグネシウム系助剤を添加するマグネシウム系助剤添加ステップと、前記マグネシウム系助剤添加ステップの後に前記消化汚泥またはその焼却灰を前記マグネシウム系助剤の存在下で溶融処理する溶融ステップと、前記溶融ステップで溶融されたスラグを冷却する冷却ステップと、を含む肥効性スラグの製造方法。

請求項2

前記マグネシウム系助剤添加ステップで添加されるマグネシウム系助剤の添加量は、前記焼却灰に対して5〜20wt%の範囲に設定されている請求項1記載の肥効性スラグの製造方法。

請求項3

前記下水汚泥またはその焼却灰にカルシウム系助剤を添加するカルシウム系助剤添加ステップをさらに含み、前記カルシウム系助剤添加ステップで添加されるカルシウム系助剤の添加量は、前記焼却灰に対して5〜20wt%の範囲に設定されている請求項2記載の肥効性スラグの製造方法。

請求項4

リンが含まれる消化汚泥またはその焼却灰を溶融する溶融炉運転方法であって、予め前記消化汚泥またはその焼却灰にマグネシウム系助剤を前記焼却灰に対して5〜20wt%の範囲に入るように添加し、撹拌した後に前記溶融炉に投入して溶融する溶融炉の運転方法。

請求項5

請求項4記載の溶融炉の運転方法が用いられる溶融設備であって、リンが含まれる消化汚泥またはその焼却灰を集積する集積装置と、燃焼器が配置された天井部の周囲に立設された内筒と、底部中央に出滓口が形成された有底の外筒とを共通軸周りに配置し、前記外筒と前記内筒との間に形成された環状の蓄積部に投入された前記消化汚泥またはその焼却灰を、前記外筒と前記内筒の相対回転により前記内筒の下縁部から前記天井部の下部空間の主燃焼室に移動させて、その露出面を前記燃焼器の燃焼火炎により溶融し、前記出滓口から滴下排出された溶融スラグを冷却する水槽を備えて構成される回転式表面溶融炉と、前記集積装置から前記蓄積部に前記消化汚泥またはその焼却灰を搬送する搬送装置と、前記搬送装置により搬送される前記消化汚泥またはその焼却灰にマグネシウム系助剤を添加する助剤添加装置と、を備えている溶融設備。

技術分野

0001

本発明は、リンが含まれる消化汚泥またはその焼却灰原料とする肥効スラグの製造方法、溶融炉運転方法及び溶融設備に関する。

背景技術

0002

農業食品に関わるリン資源として56万t・P/年を輸入に頼っており、そのうち5.5万t‐P/年ものリンが農耕・家畜食糧を経由して下水道に流入している。下水道に流入したリンはその1割程度しか農業利用されておらず、下水中のリンの再資源化が早急に求められている。

0003

下水道処理で発生する下水汚泥にはリンが高濃度濃縮され、特に汚泥処理方法のひとつである溶融処理で得られるスラグには、溶融処理過程カドミウムや鉛などの有害金属がほとんど揮散し、かつ、リン鉱石に近い濃度まで濃縮されるため、肥料原料としてリンを回収する方法の一つとして期待されている。

0004

特許文献1には、前処理した溶融対象物を溶融炉において強還元雰囲気中で溶融スラグ化して、溶融対象物に含まれたリンをスラグ中もしくは溶融時に還元生成する金属中に固定化するリン固定化方法であって、前処理において、溶融処理温度で揮散するリンをリン化物として固定化する金属元素の濃度と、酸性酸化物を生成する酸性酸化物形成元素の濃度との比を調整指標比Rとし、調整指標比Rが所定の下限値以上となるように溶融対象物の成分調整を行なうことを特徴とするリン固定化方法が提案されている。

0005

しかし、特許文献1に記載されたリン固定化方法は、リンを金属中に固定化する技術であり、得られたスラグをく溶性肥料などにそのまま用いることができなかった。

0006

特許文献2には、く溶性の肥料などに用いることを可能にすべく、リン含有汚泥を溶融炉に投入して溶融する溶融ステップと、溶融ステップで溶融生成されたスラグを冷却して固化する冷却ステップと、を含み、リン成分をスラグ中に捕捉するリン含有汚泥の溶融処理方法が提案されている。

0007

当該リン含有汚泥の溶融処理方法は、主に活性汚泥法膜分離活性汚泥法により生物処理された下水汚泥を対象とする方法であり、リン含有物質に2価または3価の鉄化合物を添加する鉄化合物添加ステップを、汚泥含水量を調整する前処理ステップまたはその前後に実行することにより、溶融ステップで、リン含有汚泥に含まれるリン成分の揮散を防止するとともに、リン成分のリン化鉄を含む金属リン化合物への移行を抑制しながらスラグに捕捉するように構成されている。

0008

そして、鉄化合物添加ステップでは、鉄(Fe)量が乾燥物質換算量DS(Dry Solid)に対して1〜8wt%の範囲に入るように2価または3価の鉄化合物が添加されるとともに、鉄(Fe)リン(P)シリカ(Si)比(=Fe/(P+Si)[mol/mol])が0.2〜0.8の範囲に入るように鉄化合物が添加され、さらに、リン含有汚泥に塩基度調整剤を添加してリン含有汚泥の塩基度が0.2から1.0、好ましくは0.7±0.1の範囲に入るように調整する塩基度調整ステップが実行される。

先行技術

0009

特開2001−29998号公報
特開2015−33691号公報

発明が解決しようとする課題

0010

しかし、上述した特許文献2に記載された従来技術は、主に活性汚泥法や膜分離活性汚泥法で生物処理されたリン含有量の高い下水汚泥を対象とするものであり、近年のエネルギー回収気運の高まりによって導入されつつある消化処理設備嫌気性消化処理された消化汚泥は、活性汚泥法で処理された下水汚泥よりもシリカ成分含有量が高く、かつ、リン含有量がそれほど高くはない消化汚泥に対して、そのまま従来技術を適用してもリンのく溶率が低く、スラグの溶流性が高まらないため、効率よく肥効性スラグを得ることができないという問題があった。

0011

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、リン含有率が低い消化汚泥またはその焼却灰に好適な肥効性スラグの製造方法、溶融炉の運転方法及び溶融設備を提供する点にある。

課題を解決するための手段

0012

上述の目的を達成するため、本発明による肥効性スラグの製造方法の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の請求項1に記載した通り、リンが含まれる消化汚泥またはその焼却灰を原料とする肥効性スラグの製造方法であって、前記消化汚泥またはその焼却灰にマグネシウム系助剤を添加するマグネシウム系助剤添加ステップと、前記マグネシウム系助剤添加ステップの後に前記消化汚泥またはその焼却灰を前記マグネシウム系助剤の存在下で溶融処理する溶融ステップと、前記溶融ステップで溶融されたスラグを冷却する冷却ステップと、を含む点にある。

0013

本願発明者らによる鋭意研究の結果、マグネシウム系助剤添加ステップで消化汚泥またはその焼却灰にマグネシウム系助剤を添加することにより、溶融ステップで溶融されたスラグにリンの高いく溶性が発現するという新知見が得られた。このようにして得られたスラグはリン成分のみならずマグネシウム成分も含まれるので、く溶率の高い肥効性スラグとして有効に活用できるようになる。

0014

同第二の特徴構成は、同請求項2に記載した通り、上述した第一の特徴構成に加えて、前記マグネシウム系助剤添加ステップで添加されるマグネシウム系助剤の添加量は、前記焼却灰に対して5〜20wt%の範囲に設定されている点にある。

0015

マグネシウム系助剤の添加量は前記焼却灰に対して5〜20wt%の範囲であることにより、高いく溶率の肥効性スラグが得られるようになる。

0016

同第三の特徴構成は、同請求項3に記載した通り、上述の第二の特徴構成に加えて、前記消化汚泥またはその焼却灰にカルシウム系助剤を添加するカルシウム系助剤添加ステップをさらに含み、前記カルシウム系助剤添加ステップで添加されるカルシウム系助剤の添加量は、前記焼却灰に対して5〜20wt%の範囲に設定されている点にある。

0017

前記焼却灰に対して5〜20wt%の範囲になるようにてカルシウム系助剤を塩基度調整助剤として添加することにより、シリカ成分の含有量が高い消化汚泥であっても効率的に溶融処理できるようになる。

0018

本発明による溶融炉の運転方法の特徴構成は、同請求項4に記載した通り、リンが含まれる消化汚泥またはその焼却灰を溶融する溶融炉の運転方法であって、予め前記消化汚泥またはその焼却灰にマグネシウム系助剤を前記焼却灰に対して5〜20wt%の範囲に入るように添加し、撹拌した後に前記溶融炉に投入して溶融する点にある。

0019

本発明による溶融設備の特徴構成は、同請求項5に記載した通り、上述した特徴構成を備えた溶融炉の運転方法が用いられる溶融設備であって、リンが含まれる消化汚泥またはその焼却灰を集積する集積装置と、燃焼器が配置された天井部の周囲に立設された内筒と、底部中央に出滓口が形成された有底の外筒とを共通軸周りに配置し、前記外筒と前記内筒との間に形成された環状の蓄積部に投入された前記消化汚泥またはその焼却灰を、前記外筒と前記内筒の相対回転により前記内筒の下縁部から前記天井部の下部空間の主燃焼室に移動させて、その露出面を前記燃焼器の燃焼火炎により溶融し、前記出滓口から滴下排出された溶融スラグを冷却する水槽を備えて構成される回転式表面溶融炉と、前記集積装置から前記蓄積部に前記消化汚泥またはその焼却灰を搬送する搬送装置と、前記搬送装置により搬送される前記消化汚泥またはその焼却灰にマグネシウム系助剤を添加する助剤添加装置と、を備えている点にある。

発明の効果

0020

以上説明した通り、本発明によれば、リン含有率が低い消化汚泥またはその焼却灰に好適な肥効性スラグの製造方法、溶融炉の運転方法及び溶融設備を提供することができるようになった。

図面の簡単な説明

0021

本発明によるリン含有物質の溶融処理方法の説明図
(a),(b)溶融炉の説明図
(a)〜(c)は溶流度試験方法の説明図
実験で用いた試料A及び資料Bの各汚泥焼却灰組成説明図
(a)は成分調整された試料Aを基準に試料Bに対する汚泥スラグのく溶率の特性値を比較する説明図、(b)は汚泥の溶流性を表す写真
(a)は2%クエン酸溶液並びに蒸留水で処理した試料A汚泥のスラグ残渣を表す写真、(b)は蒸留水で処理した試料A汚泥のスラグ残渣の電子顕微鏡写真、(c)は2%クエン酸溶液で処理した試料A汚泥のスラグ残渣の電子顕微鏡写真
(a)から(f)は2%クエン酸溶液並びに蒸留水で処理したスラグのEDS測定結果の説明図
(a)は成分未調整の試料Bを基準に成分調整した試料Bに対する汚泥スラグのく溶率の特性値を比較する説明図、(b)は試料Bの汚泥焼却灰にMgOを加えた汚泥の溶流性を表す写真

0022

以下、本発明によるリンが含まれる消化汚泥またはその焼却灰を原料とする肥効性スラグの製造方法、溶融炉の運転方法及び溶融設備の実施形態を説明する。

0023

図1には、リンが含まれる消化汚泥を原料とする肥効性スラグの製造方法が示されている。当該消化汚泥は、消化槽に投入された下水汚泥(初沈汚泥余剰汚泥、またはそれらの混合物)中の有機物嫌気条件下微生物により消化処理して、汚泥を減量すると共にメタンガスを含む消化ガスに変換する消化処理設備から消化汚泥として取り出され、必要に応じて凝集剤が添加されて濃縮され、その後にスクリュープレスフィルタプレス等の脱水機1で脱水処理されて貯留ピット2に貯留される。尚、この脱水処理で脱水汚泥含水率は約70〜85%となる。

0024

貯留ピット2に貯留された脱水汚泥は、蒸気式の乾燥機3に投入されて撹拌されながら乾燥処理されて乾燥汚泥となり、集積装置としてのホッパー4に貯留される。尚、この乾燥処理で乾燥汚泥の含水率は約20〜30%となる。

0025

ホッパー4に貯留された乾燥汚泥は、助剤添加装置によりく溶性発現助剤として酸化マグネシウム(MgO)が添加されるとともに、必要に応じて塩基度調整剤として消石灰(Ca(OH)2)が添加された後に、スクリューコンベアなどの搬送装置によって溶融炉5に投入される。

0026

酸化マグネシウム(MgO)を添加するステップが、マグネシウム系助剤を添加するマグネシウム系助剤添加ステップとなり、消石灰(Ca(OH)2)を添加するステップが、カルシウム系助剤添加ステップとなる。

0027

マグネシウム系助剤添加ステップは、マグネシウム系助剤をく溶性発現助剤として機能させてく溶率を調整するく溶率調整ステップであり、カルシウム系助剤添加ステップは、カルシウム系助剤を塩基度調整助剤として機能させて塩基度を調整する塩基度調整ステップである。

0028

酸化マグネシウム(MgO)及び必要に応じて消石灰(Ca(OH)2)が添加された乾燥汚泥は、搬送装置を介して順次溶融炉5に投入されて溶融処理され、溶融炉5で溶融生成されたスラグは、その後冷却して固化される。溶融炉として表面式溶融炉、電気式溶融炉旋回式溶融炉コークスベッド炉等を用いることができ、特に旋回式溶融炉、表面式溶融炉を好適に用いることができる。本実施形態では表面式溶融炉に属する回転式表面溶融炉が用いられている。

0029

く溶性発現助剤として酸化マグネシウム(MgO)以外に、ドロマイト(CaMg(CO3)2)、塩化マグネシウム(MgCl2)などのマグネシウム系助剤を用いることができる。塩化マグネシウム(MgCl2)を用いる場合には、塩素成分により低沸点重金属が効果的に気化されるので、スラグへの重金属の混入率を効果的に低減させることができる。

0030

マグネシウム系助剤添加ステップで乾燥汚泥に添加されるマグネシウム系助剤の添加量は、汚泥の含水率による影響を排除して正確に調整するため、汚泥の乾燥物質換算量DS(Dry Solid)に対する添加量として規定されることが好ましい。さらに、汚泥の乾燥物質換算量DS(Dry Solid)には有機物が含まれるが、目的物であるスラグは無機物のみで構成されるため、無機物である焼却灰の重量にチャイする添加量として規定することがより好ましい。従って、以下、本実施形態では汚泥を焼却した際の焼却灰に対する添加量として説明する。

高いく溶率の肥効性スラグを得るため、マグネシウム系助剤添加ステップで添加されるマグネシウム系助剤の添加量は、汚泥を焼却した際の焼却灰に対して3〜20wt%の範囲に設定されることが好ましい。

0031

塩基度調整助剤として機能するカルシウム系助剤として、消石灰(Ca(OH)2)以外に生石灰(CaO)や炭酸カルシウム(CaCO3)などを用いることができる。
塩基度とは、(全塩基スラグ成分の重量%の和)/(全酸性スラグ成分の重量%の和)で表され、簡易的に酸化カルシウム二酸化珪素の比[CaO(%)/SiO2(%)]で表される。塩基度が1に近づくと相対的に融点が低くなりスラグの流動性が高まる。塩基度調整助剤を添加することによって融点を降下させ、流動性を上昇させることができるようになる。

0032

消化汚泥は、活性汚泥法で得られる下水汚泥と比較してSiO2成分が多く、塩基度が1よりも小さな値となる。そこで、カルシウム系助剤を添加して塩基度を1に近づけることで融点を降下させることができる。

0033

カルシウム系助剤添加ステップで添加されるカルシウム系助剤の添加量は、汚泥を焼却した際の焼却灰に対して5〜20wt%の範囲に設定されていることが好ましく、シリカ成分の含有量が高い消化汚泥であっても効率的に溶融処理できるようになる。

0034

図2(a),(b)に示すように、回転式表面溶融炉5は、燃焼器51が配置された天井部52の周囲に立設された内筒53と、底部中央に出滓口54が形成された有底の外筒55とが共通軸心周りに配置され、外筒55を軸心周りに回転させる回転機構を備え、外筒55が内筒53に対して回転可能に構成されている。

0035

燃焼器51は、燃料タンクから供給される燃料ブロワから供給される空気を混合して燃焼させるバーナで構成され、燃料の供給量を調整することによって溶融スラグの温度が1300℃前後になるように主燃焼室56の温度が調整される。

0036

内筒53と外筒55の間に形成された環状の蓄積部57に投入された乾燥汚泥は、内筒53と外筒55の相対回転により内筒53の下縁部から主燃焼室56に供給される。汚泥の露出面が燃焼器51の燃焼火炎により溶融して、主燃焼室56の底面の中央部に形成された出滓口54から溶融スラグとして滴下排出される。出滓口24から滴下した溶融スラグは、下方に配置された水槽で急冷され水砕スラグとなる。

0037

溶融炉5から排出された排ガスは、廃熱ボイラ6、乾式電気集塵機7、排煙処理塔8、湿式電気集塵機9を通して処理され、湿式電気集塵機9の返流水水処理設備浄化処理される。

0038

つまり、回転式表面溶融炉5で溶融ステップが実行され、溶融ステップで溶融されたスラグを冷却して水砕スラグとして固化する冷却ステップが出滓口54の下方に配置された水槽で実行される。

0039

上述の説明では、ホッパー4に貯留された乾燥汚泥に、助剤添加装置を介してく溶性発現助剤として酸化マグネシウム(MgO)が添加されるとともに、必要に応じて塩基度調整剤として消石灰(Ca(OH)2)が添加された後に、スクリューコンベアなどの搬送装置によって溶融炉5に投入される例を説明したが、貯留ピット2からホッパー4に到る経路の何れかに助剤添加装置を備えてく溶性発現助剤及び塩基度調整剤を添加するように構成してもよい。

0040

上述の説明では、消化汚泥を原料とする肥効性スラグの製造方法について説明したが、当該肥効性スラグの製造方法に用いる原料は、消化汚泥以外に消化汚泥を焼却処理して得られる焼却灰を用いることも可能である。

0041

マグネシウム系助剤添加ステップで消化汚泥またはその焼却灰にマグネシウム系助剤をく溶性発現助剤として添加することにより、溶融ステップで溶融されたスラグにリンの高いく溶性が発現し、このようにして得られたスラグはリン成分のみならずマグネシウム成分も含まれるので、く溶率の高い肥効性スラグとして有効に活用できるようになる。

0042

以上説明したように、リンが含まれる消化汚泥またはその焼却灰を溶融する溶融炉の運転方法は、予め消化汚泥またはその焼却灰にく溶性発現助剤としてマグネシウム系助剤を前記焼却灰に対して5〜20wt%の範囲に入るように添加し、撹拌した後に前記溶融炉に投入して溶融するように構成されている。

0043

また、上述した溶融炉の運転方法が用いられる溶融設備は、リンが含まれる消化汚泥またはその焼却灰を集積する集積装置4と、回転式表面溶融炉5と、集積装置5から回転式表面溶融炉5の蓄積部に消化汚泥またはその焼却灰を搬送する搬送装置と、搬送装置により搬送される消化汚泥またはその焼却灰にく溶性発現助剤としてマグネシウム系助剤を添加する助剤添加装置とを備えている。

0044

そして、回転式表面溶融炉5は、燃焼器51が配置された天井部52の周囲に立設された内筒53と、底部中央に出滓口54が形成された有底の外筒55とを共通軸心周りに配置し、外筒55と内筒53との間に形成された環状の蓄積部57に投入された消化汚泥またはその焼却灰を、外筒55と内筒53の相対回転により内筒53の下縁部から天井部52の下部空間の主燃焼室56に移動させて、その露出面を燃焼器51の燃焼火炎により溶融し、出滓口54から滴下排出された溶融スラグを冷却する水槽を備えて構成されている。

0045

スラグ中に捕捉したリンに関して、有効な肥料成分として評価可能なく溶性リンの割合(以下、く溶率=く溶性リン(C−P)濃度/全リン(T−P)濃度)に着目し、特許文献1に開示されているように、く溶率向上には消石灰、鉄系薬剤による成分調整が有効との知見を得ている。

0046

具体的に、リン含有汚泥に2価または3価の鉄化合物を添加する鉄化合物添加ステップを実行した後に溶融炉に投入して溶融する溶融ステップを実行することにより、リン含有汚泥に含まれるリン成分の揮散を防止するとともに、リン成分のリン化鉄を含む金属リン化合物への移行を抑制しながらスラグに捕捉するリン含有汚泥の溶融処理方法である。

0047

2%のクエン酸溶液に溶けリン酸分をく溶性リンという。く溶性リンは作物の根から出る根酸程度の弱い酸の下で、直ぐには溶けず徐々に溶けて吸収されるため、施肥所期には大きな効果はないが、肥効に持続性を有するという特徴がある。またく溶性リンは、雨水による流失土壌中のアルミニウムや鉄と結合して不可給形態になることもない。従って、肥料中に含まれるリン酸分をく溶化することは、作物に長期にわたってエネルギー代謝物質合成を行なわせ、リン欠乏症を起こさせないために重要である。

0048

当該鉄化合物添加ステップでは、鉄(Fe)量が乾燥物質換算量DS(Dry Solid)に対して1〜8wt%の範囲に入るように2価または3価の鉄化合物が添加されるとともに、鉄(Fe)リン(P)シリカ(Si)比(=Fe/(P+Si)[mol/mol])が0.2〜0.8の範囲に入るように鉄化合物が添加される鉄リンシリカ比調整ステップが実行される。

0049

さらに、溶融処理前にリン含有物質に塩基度調整剤を添加してリン含有物質の塩基度が0.2から1.0の範囲、好ましくは0.7±0.1の範囲に入るように調整する塩基度調整ステップが実行される。以下では、このような成分調整方法を「鉄化合物添加による成分調整方法」と記す。

0050

下水汚泥に含まれる無機成分は合流式/分流式により異なり、それらに対する水処理で使用される薬剤種などの影響を受ける。特に下水汚泥を消化処理した消化汚泥のように相対的にSiO2濃度が高く、P2O5濃度が低いような組成範囲の汚泥スラグは、消石灰や鉄系薬剤による上述した汚泥の成分調整法を用いてく溶率の向上を目指すのは困難であることが判明した。

0051

そこで、リンのく溶率の高い下水汚泥のスラグをクエン酸溶液で処理して酸処理後のスラグの表面の元素組成エネルギー分散X線分光器(以下、「EDS」と記す。)で測定することでリンのく溶性に寄与する元素を予測し、その元素を含む化合物をく溶性の低い消化汚泥に添加してスラグ化したところ、く溶率を改善することができるという新知見を得た。以下に詳述する。

0052

[実験の概要
[水砕スラグの作成]
組成の異なる2種類の汚泥を電気炉(800℃)でそれぞれ灰化し、遊星ミルフリュッチュ製P−6)で粉砕して均質化した汚泥焼却灰を作成した。汚泥焼却灰に溶融助剤を添加して所定の成分調整を行ったのち、アルミナボードに成分調整灰を充填後、1350℃に昇温した電気炉(27kW)に装填した。成分調整灰を1350℃で30分間加熱後、ボードを取り出し、溶融状態のスラグをすばやく水槽に流し込むことで水砕スラグを得た。

0053

[溶流度試験によるスラグの溶流性の確認]
スラグの溶流性については溶流度試験方法を用いた。所定の温度に昇温した電気炉に汚泥焼却灰を充填したアルミナボードを所定角度傾けて装填後、所定時間定温で加熱したのちに取り出し、焼却灰の溶け具合やスラグの流れ具合により汚泥に対する溶融処理のし易さを溶流度として評価する方法である。

0054

具体的に、溶流度とは、図3(a),(b),(c)に示すように、船形形状の磁性ボードの一端部側に試験片を充填し、充填部が上方になるように磁性ボードを所定角度(5°)傾斜させた状態で、所定温度に保持された電気炉内に所定時間(15分)静置し、その後取り出して室温で冷却したときの試験片の状態を計測して、以下の式に基づいて算出される値である。
溶流度(M値)=(L−L0)/L0×100

0055

通常、溶流度が60%となる温度が溶流点として評価され、溶流度40%で溶融炉は運転可能で、溶流度が60%以上であれば溶融性が高いと判断される。尚、磁性ボードは長さ150mm、幅20mm、高さ12mmで、所定容量に形成され、磁性ボードに充填される試験片の長さは70mmに設定される。

0056

薬液漬処理したスラグの作成]
く溶性を示すスラグは酸によって、リンがどのような成分とともに溶出するのかを確認するため、試料Aのスラグを肥料のく溶性リン酸分析方法肥料分析法(農林水産農業環境技術研究所法))を参考にして、クエン酸溶液で浸漬処理を行った。

0057

即ち、浸漬処理には2%クエン酸液とそのコントロールとして蒸留水を用い、ビーカ内でスラグを200rpmで2時間浸漬・撹拌操作を行った。浸漬操作後、薬液から引きあげたスラグを蒸留水で軽く洗い流し、スラグを105℃で乾燥して電子顕微鏡の観察用試料とした。なお、浸漬操作に用いたスラグは、電子顕微鏡で表面状態が観察しやすいように5mm前後のサイズを用いた。

0058

[電子顕微鏡による表面観察と組成分析
薬液処理後のスラグは電子顕微鏡(日立ハイテク製TM3000)で表面状態の観察と表面組成を測定した。なお、試料の観察は研磨蒸着を行うとその表面状態が変化するため、有姿の状態で行った。また、スラグの表面組成はTM3000付属のEDS(OXFORD製SwiftED)で測定した。

0059

[スラグのく溶率の測定]
スラグのく溶率は、上述した農林水産省の肥料分析方法を用いてく溶性リン濃度を測定し、底質調査法を用いて全リン含有量を測定し、スラグのく溶性リン濃度を全リン濃度で除することで算出した。

0060

[実験の結果]
下水汚泥焼却灰性状
図4には実験で用いた汚泥焼却灰の組成が示されている。試料Aは従来の活性汚泥法を用いた下水の水処理で生じた下水汚泥の焼却灰であり、試料Bは下水汚泥の嫌気性消化処理で生じた消化汚泥の焼却灰である。

0061

試料Aは既に上述した「鉄化合物添加による成分調整方法」を用いて消石灰と鉄系助剤でく溶性が最も発現する調整(目標塩基度:0.7、目標鉄リンシリカmol比(Fe/(Si+P):0.45)が施されている。

0062

試料AはSiO2が18.5wt%、CaOが13.5wt%、T−P2O5が24.6wt%、Fe2O3が25.5wt%であるのに対して、試料BはSiO2が38.7wt%、CaOが9.9wt%、T−P2O5が11.6wt%、Fe2O3が13.8wt%であり、両者の汚泥組成は特にSiO2とP2O5、Fe2O3濃度で大きく異なる。

0063

「鉄化合物添加による成分調整方法」によるスラグのリンの肥効性
試料Bの汚泥焼却灰の組成を、「鉄化合物添加による成分調整方法」で指標としている汚泥の塩基度と鉄リンシリカ比となるように、消石灰と鉄系薬剤を用いて調整した後、1350℃でスラグ化し、く溶性リン濃度並びにく溶率を確認した。

0064

なお、試料Bの成分調整は試料Aの肥効性が発現する目標塩基度及び目標鉄リンシリカ比に近づける方向で行った。図5(a)に成分調整した汚泥スラグのく溶率が示され、図5(b)に汚泥の溶流性を表す写真が示されている。
試料Aのスラグに対して試料Bのスラグは、汚泥灰分に対して消石灰を10wt%、またFeを5wt%添加することで溶流性は100%に向上するが、試料Bスラグのリンのく溶率は試料Aスラグの99.5%に対して、最大でも42.0%であり、試料Aスラグで確認された高いく溶率に改善することができなかった。

0065

薬液処理したスラグの表面状態と組成]
図6(a)には2%クエン酸溶液並びに蒸留水で処理した試料A汚泥のスラグ残渣、並びに図6(b),(c)にはその電子顕微鏡写真による表面状態が示されている。水で処理したスラグは表面がほぼ平滑に対してクエン酸溶液で処理したスラグ表面スポンジ状となっているように、クエン酸溶液によってなんらかの物質が溶けた痕跡がみられた。
図7(a)〜(f)に2%クエン酸溶液並びに蒸留水で処理したスラグのEDS測定結果が示されている。実線で示されるW1〜W7が蒸留水による処理結果、破線で示されるC1〜C7が2%クエン酸溶液による処理結果である。EDS分析の結果、クエン酸溶液で処理したスラグの組成は蒸留水処理のスラグに比べて相対的にPやCa、Mgが低く、SiやFeが高いことが判明した。

0066

[試料Bスラグの改質
改質後の試料Bスラグのく溶率
EDS測定結果より高いく溶率を示した試料Aの汚泥に対してく溶率の低い試料Bの汚泥はマグネシウム(Mg)が不足していると考えられる。そこで、試料BにMgを含む薬剤を加えてスラグ化して、そのスラグのく溶率を測定した。
その結果、図8(a)に示すように、試料Bの汚泥は、「鉄化合物添加による成分調整方法」つまり消石灰とFe系助剤で成分調整したスラグに対して、MgOを5〜20wt%添加することでく溶率を68.9〜95.8%に向上させることができた。なお、MgOの5〜20wt%添加は試料B中のT−P2O5の11.6wt%に対して0.43〜1.72倍である。なお、本実施例においては焼却灰にマグネシウム系助剤を添加することについて説明したが、焼却灰ではなく消化汚泥に添加する場合には、添加量を適宜調整すればよい。

0067

改質後の試料Bの汚泥スラグの溶流性
試料Bの汚泥焼却灰にMgOを加えた汚泥の溶流性が図8(b)に示されている。従来の調整方法では溶流度が高く溶融しにくい汚泥であったが、MgOを5wt%添加することでく溶率の向上に加え、溶流性も改善された。

0068

[考察]
試料A汚泥のスラグは塩基度と鉄添加による調整で高いく溶率が発現したのに対して、試料B汚泥のスラグはそのような成分調整だけでは高いく溶率が発現しなかったため、リンを含む酸に溶解する組成を積極的に生成するように試料B汚泥にMgOを添加することで高いく溶率を発現させることができた。

0069

スラグからのリンの溶出は、電子顕微鏡によるスラグの表面観察結果により、スラグの均質ガラス構造クエン酸によって壊れる程度の違いでリンが溶出するのではなく、汚泥を高温で溶融することで汚泥組成が水や酸に溶けにくいガラス成分と水には溶けないが酸には可溶なリン酸に富むガラス成分が生成し、リン酸に富んだガラス相がクエン酸によって溶解していると考えられる。

0070

試料Bのように相対的にSiO2に富みP2O5が低い汚泥でも、適切な薬剤を選定して添加することによって、リンに富み、酸に可溶なガラス組成を生成でき、く溶率のコントロールが可能になることが判明した。

実施例

0071

一般的にMg系薬剤はCa系薬剤に比べて高価であるが、安価なドロマイトなどの天然鉱物を採用することができる。またマグネシウムMgも肥料成分であるため、得られたスラグはマグネシウム含有リン酸肥料原料として利用できる可能性も期待できる。

0072

1:脱水機
2:貯留ピット
3:乾燥機
4:ホッパー
5:溶融炉

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