都市下水汚泥の乾燥特性に関する研究

2024年2月28日

取っていく汚泥の脱水青浦区市 下水処理 本論文では、植物を原料として、工業分析、微細形態、基本組成、発熱量といった観点から、乾燥前後の汚泥の特性の違いを研究し、汚泥の乾燥および焼却を実現するための基礎データを提供する。

スラッジは、下水処理プロセス汚泥は、含水率が高く（一般的に約98％）、体積が大きく、処理が困難であるという特徴を持ち、また、有機物、重金属、塩類、難分解性物質、病原性微生物、寄生虫卵などを多数含む複雑な組成を持つ。下水処理の深化に伴い、汚泥の適切な処理と処分はますます重要になっており、未処理の汚泥は環境にとって大きな脅威となっている。

E20研究所のデータによると、下水処理場で発生する汚泥の半分以上が衛生埋立処分されており、18%以上の汚泥が失われている。脱水汚泥の80%の50%以上の水分が単純な埋立処分されている。この処分方法は深刻な環境二次汚染を引き起こすだけでなく、広大な土地を占有し、長期的には埋め立て地がなくなってしまう。 汚泥処理 「水十カ年計画」および「第13次五カ年計画」における汚泥処理要件は、有利な政策の下で汚泥処理市場の成長を促進し、関連する処理技術および設備も急速に発展した。

「下水処理場における汚泥処理・処分に関する最適な技術指針」では、汚泥の乾燥・焼却が我が国が将来的に推進する方向性であると確信している。高効率かつ低エネルギー消費で汚泥の乾燥・焼却を実現するためには、乾燥前後の汚泥の特性を多角的に体系的に研究する必要がある。

本論文では、乾燥前後の脱水汚泥の特性を、基礎分析、微細形態、基本組成、発熱量といった観点から研究し、汚泥の乾燥および焼却を実現するための基礎データを提供した。

実験装置

市営汚泥の脱水薄膜乾燥機を用いて乾燥させる。薄膜乾燥機の構造図を図に示す。薄膜乾燥機は、シェル、ローター、駆動装置から構成される。ローターは脱水された汚泥をシェルジャケットの内壁に薄い層状に広げ、ジャケット内の高温蒸気または熱伝導油によって汚泥を乾燥させる。

汚泥乾燥前後における基本的な分析と比較

160℃、0.6MPaの過熱蒸気を薄膜乾燥機に通し、水分含有量約80%の脱水汚泥を水分含有量30%未満まで乾燥させた。乾燥前後の汚泥を複数回サンプリングして分析した結果、乾燥後に汚泥の揮発性成分が減少し、乾燥基質の揮発性成分が4.53%～8.66%減少したことがわかった。同時に、汚泥の灰分が増加し、乾燥基質の高発熱量が0.335～1.15MJ/kg減少した。これは主に、熱乾燥の過程で、汚泥中の揮発性有機化合物と一部の微細な汚泥粒子が乾燥水蒸気とともに乾燥排ガスとなり、後続の排ガス処理セクションに入るためである。

乾燥前後の汚泥の微細構造比較

下図は、乾燥前後の汚泥の微細構造を示しています。図からわかるように、乾燥前の汚泥構造は比較的緩く、多数の細胞外ポリマーがコロイドの外側に巻き付いて集まり、明瞭な凝集構造を形成しています。このようにして、汚泥中の結合水、間隙水、細胞内水が汚泥フロックに包まれるため、物理的および化学的作用によるさらなる脱水は困難になります。乾燥後の汚泥と比較すると、乾燥前の汚泥は多孔性が高く、比表面積が大きく、圧縮性が高く、より弱い機械的力を加えたり、熱を加えたりすることで汚泥フロックを破壊できます。汚泥中の水分が蒸発すると、汚泥フロック構造は徐々に崩壊し、右図のように表面構造が密で空隙が徐々に縮小する凝集構造を形成します。しかし、汚泥の空隙率が低下すると、水分の蒸発効率も低下します。

乾燥前後の汚泥の組成比較

図は、汚泥乾燥前後の赤外分光スキャン分析の結果を示しています。乾燥汚泥群の代表的な官能基は、主に遊離H2O、-OH、-CH2、-CH3、芳香環、C=C、CO、ハロゲン化炭化水素などです。これは、汚泥中の有機物含有量が高いことを示しており、有機物の種類はタンパク質、脂質、デンプン、セルロースである可能性があります。研究によると、汚泥有機物のタンパク質含有量は60%以上、脂質は約20%、デンプンとセルロースは約15%であり、これらの有機物の分解によりNH3、H2S、VOCなどの臭気ガスが発生します。

EPSは、タンパク質、多糖類、および少量の脂質、核酸、腐植からなる高分子です。EPS特性化合物の検出は、汚泥中に多量のEPSが存在することを示しています。汚泥の重要な有機成分として、EPS含有量は、汚泥特性官能基の赤外線吸収強度を決定します。乾燥前後の汚泥の赤外線スペクトルを比較し、分析プロセス中の汚泥中の不純物の微妙な干渉を除外すると、乾燥前の汚泥の赤外線吸収強度は、乾燥後の汚泥の赤外線吸収強度よりも有意に高いことがわかります。乾燥前の汚泥と比較すると、乾燥後の汚泥のスペクトルでは、1654および1543cm-1（C=C）、2924cm-1（CH）、および1076cm-1（CO）のショルダーピークが小さくなっており、これは汚泥乾燥プロセス中にタンパク質様物質が分解したことを示しています。これは、汚泥乾燥後に有機物含有量と揮発性物質含有量が減少する理由も説明している。

乾燥前後の汚泥の水分含有量、有機物含有量、発熱量の比較

汚泥中の有機物は、汚泥の発熱量の主な供給源であり、同時に汚泥の水分含有量も発熱量に大きな影響を与える。汚泥の水分含有量が高いと発熱量が低くなり、必然的に汚泥焼却に影響を与える。さらに、汚泥乾燥工程におけるシステムエネルギー消費は、主に汚泥中の水分を蒸発させるために用いられる。

乾燥後の汚泥の有機物含有量はわずかに減少し、それに伴い乾燥基準の高カロリー値もわずかに減少した。汚泥の水分含有量とカロリー値の相関、および汚泥の有機物含有量とカロリー値の相関をそれぞれ調べ、線形回帰によって変数間の相関係数を求め、相関分析を行った。

乾燥汚泥の水分含有量とその低カロリー値の間には負の相関関係があり、水分含有量が増加するにつれて低カロリー値は減少します。しかし、乾燥汚泥の水分含有量と低カロリー値の相関係数は0.882であり、95%信頼区間におけるF検定のP値は0.061です。F検定のP値が0.05より大きいため、乾燥汚泥の水分含有量と低カロリー値の間には有意な線形相関関係は認められません。

生汚泥の有機物含有量と乾燥基準の高カロリー値との相関係数は0.997であり、95%信頼水準におけるF検定のP値は0.0033であった。F検定のP値は0.05未満であるため、生汚泥の有機物含有量は乾燥基準の高カロリー値と有意な相関関係にある。

乾燥汚泥の有機物含有量は乾燥基質の高カロリー値と正の相関があり、有機物含有量の増加に伴い乾燥基質の高カロリー値も増加した。さらに、乾燥汚泥の有機物含有量と乾燥基質の高カロリー値との相関係数は0.973であり、95%信頼水準でのF検定のp値は0.014であった。F検定のp値が0.05未満であることから、乾燥汚泥の有機物含有量と乾燥基質の高カロリー値との間には有意な相関があることがわかる。

上記の分析から、汚泥の発熱量は水分含有量と有機物含有量に密接に関係しており、汚泥の有機物含有量と乾燥基準の汚泥発熱量の間には有意な正の相関関係があることがわかります。これはまた、下水処理場からの汚泥の調整と脱水に大量の無機添加剤を使用した場合、大きな脱水効果を発揮するものの、大量の無機物質の導入は汚泥乾燥プロセスのシステム負荷を増加させるだけでなく、汚泥の有機物含有量を大幅に減少させ、その後の汚泥の乾燥と焼却に悪影響を及ぼすことを示しています。