段階的炭化方法と該方法を用いた炭化肥料の製造方法及び段階的炭化システム
【課題】
植物に利用される肥料有効成分が確実に残存しており、かつタール成分が除去された炭化物を得ることができる技術を提供すること。
【解決手段】 炭化原料Ｒを二段階に分けて炭化処理する段階的炭化方法を提供する。例えば、炭化原料Ｒを乾燥する前処理工程Ｐ０と、この工程Ｐ０から得られる乾燥物Ｘを４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第一炭化工程Ｐ１と、該工程Ｐ１から得られる一次炭化物Ｙ１を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第二炭化工程Ｐ２と、該工程Ｐ２から得られる二次炭化物Ｙ２を冷却する工程と、を行う。
植物に利用される肥料有効成分が確実に残存しており、かつタール成分が除去された炭化物を得ることができる技術を提供すること。
【解決手段】 炭化原料Ｒを二段階に分けて炭化処理する段階的炭化方法を提供する。例えば、炭化原料Ｒを乾燥する前処理工程Ｐ０と、この工程Ｐ０から得られる乾燥物Ｘを４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第一炭化工程Ｐ１と、該工程Ｐ１から得られる一次炭化物Ｙ１を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第二炭化工程Ｐ２と、該工程Ｐ２から得られる二次炭化物Ｙ２を冷却する工程と、を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機質原料の炭化及び再利用技術に関する。より詳しくは、有機質原料の段階的炭化方法と該方法を用いた炭化肥料の製造方法及び段階的炭化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の有機質原料を炭化処理することによって、該有機質原料を肥料などとして再利用する技術が普及しつつある。この有機質原料の候補となり得るものとして、一例を挙げれば、下水や産業排水などの水処理工程から排出される汚泥を挙げることができる。この汚泥の炭化処理技術を代表例として、以下に、本発明の背景技術を説明する。
【０００３】
水処理技術として普及している活性汚泥法などは、排水中の有機物や該排水中の窒素やリン（リン化合物）などの無機物を栄養源に、溶存酸素の存在下で微生物集団を連続的に培養することによって、汚濁物質を凝集、酸化分解、沈殿などの工程を経て除去する方法である。この活性汚泥法などによって発生する汚泥（例えば、最終汚泥）、または、畜産廃棄物（糞尿含む。）や食品産業廃棄物等の有機性汚泥は、脱水処理された後、あるいは脱水処理に続いて焼却灰とされた後に、埋め立て処分等をされることが多かった。しかし、近年では、汚泥の減量化、環境負荷の軽減の要請が高まっていることから、この有機性汚泥を有効利用しようとする動きが活発化している。
【０００４】
例えば、前記有機性汚泥は、コンポスト処理後、土壌改良材や肥料として、農地あるいは緑地に利用されたり、焼却灰は、セメント原料などに利用されたりするようになっている。汚泥の再利用技術の一つとして、汚泥を炭化処理して得られる汚泥炭化物を再利用する技術が提案されている。
【０００５】
特許文献１には、有機性汚泥から農産物育成に必要なリンを含むように炭化あるいは灰化処理して、この処理物を肥料や土壌改良剤に利用する技術が開示されている。この技術では、炭化炉の温度条件を２００〜６００℃に設定して一工程で加熱するか、あるいは灰化炉の温度条件を７００〜９００℃に設定して一工程で加熱する方法が採用されている。
【０００６】
次に、特許文献２には、有機性の汚泥脱水ケーキに炭化物を添加して水分を調整した後にこれを造粒物とし、この造粒物を一工程で炭化処理する技術が開示されている。この技術における炭化容器内の温度条件は、７００℃程度が採用されている。
【０００７】
特許文献３には、消臭処理後の汚泥を焼成して炭化粉砕片とし、又はこれをペレット状とした汚泥炭化肥料が開示されている。この汚泥炭化を担う焼成工程は、一工程であり、しかも温度条件は８００℃程度まで想定されている。
【０００８】
特許文献４には、水処理汚泥から活性炭を製造する方法が開示されている。具体的には、脱水汚泥を造粒乾燥した後、加熱温度５００〜１０００℃で炭化処理して汚泥炭を得て、その後、汚泥炭に温度条件７００〜１２００℃で水蒸気を吹き込む活性化処理を行う技術が開示されている。この技術の炭化処理工程は、６００℃を超える高温域まで採用可能とされている。
【特許文献１】特開２００２−１３９５号公報（特に、請求項１、段落００４９などを参照）。
【特許文献２】特開平１０−２９０９９８号公報（特に、請求項１、段落００２２、図３参照）。
【特許文献３】特開平６−１４４９７７号公報（特に、請求項１、段落００１６参照）。
【特許文献４】特開平７−２４２４０８号公報（特に、請求項１参照）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の炭化技術では、６００℃を超える高温域で汚泥を炭化処理することから（例えば、特許文献２〜４参照）、この処理により得られる炭化汚泥中の窒素やリンは不溶化し易く、有効な肥料成分として利用することが難しかった。これは、汚泥以外の有機質原料を炭化する場合における技術的課題でもある。
【００１０】
また、特許文献１に開示された技術では、炭化炉の温度条件として低温域の２００〜６００℃が採用されているが、炭化工程は一工程であり、また、この工程から得られる炭化物には、汚泥中の有機化合物が熱分解されて発生するタールが残留すると予想される。
【００１１】
そこで、本発明は、植物に利用される肥料有効成分が確実に残存しており、かつ植物に有害なタール成分が除去された炭化物を確実に得ることができる技術を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、まず、炭化原料を複数段階に分けて炭化処理する段階的汚泥炭化方法を提供する。炭化処理の段階数は、目的や得られる効果に照らして、適宜決定する。
【００１３】
炭化原料は、有機質原料が広く含まれ、狭く限定されない。例えば、下水処理などの排水処理工程から生ずる汚泥を脱水処理することによって得られる汚泥（特に汚泥脱水ケーキ）、産業排水（又は廃水）由来の汚泥、鳥・豚・牛・羊などの家畜糞尿などの畜産廃棄物、食品産業その他の産業廃棄物（脱水処理したもの、脱水処理しないものの両方を含む。）、種々の食品残渣、植物残渣、動物原料（例えば、ウイルス感染等の動物死骸や非食品部位）、微生物原料、石油やその分解物その他の有機天然材料、医療廃棄物（例えば、ガーゼ等）、介護廃棄物（オムツ、シーツなど）、家庭ごみなどの一般廃棄物、紙、繊維、プラスチック・ゴムなどの高分子材料などを挙げることができる。これらの中でも、炭化原料として特に好ましいものは、植物の肥料成分、特にリン又はリン化合物を含むものである。
【００１４】
この方法は、高温条件に設定された一工程内又は一炭化装置内において、炭化原料を高温に曝して最終炭化物を得る従来一般の炭化方法とは異なって、より緩和な低温域の温度条件の下で、炭化工程を数工程に分けて行うことを特徴とする。即ち、本方法は、低温条件に設定された複数の炭化装置を順次経る炭化工程を採用する。
【００１５】
本発明において、低温条件の炭化処理を採用するのは、高温条件での高度な炭化を積極的に避けることで、最終的に得られる炭化物を、植物の根が定着し易いできるだけ多孔質な（ポーラスな）状態に留め、かつ該炭化物中に肥料有効成分を植物が利用可能な状態で残留させるためである。
【００１６】
ここで、従来一般の一段階からなる炭化工程によって低温炭化を実施すると、該炭化工程の過程を通じて、タール成分を含んだガスが炭化物に長時間接触し続ける結果、最終炭化物には多量のタール成分が含有してしまうことになる。このため、このような炭化物は、肥料や緑化材料等には使用することができない。また、一段階からなる低温炭化技術を採用すると、炭化装置の壁面等に多量のタールが付着又は蓄積するので、当該炭化装置のメンテナンスに手間がかかるという問題等も発生する。
【００１７】
一方、本発明では、炭化工程を数段階に分離又は分断した構成を採用したので、炭化工程毎に都度、タール成分を炭化装置内から除去して、後続の炭化工程へ炭化物を順次受け渡して行くことが可能となる。その結果、肥料有効成分が植物に利用可能な状態で残留されており、かつ植物に有害なタールを含まない汚泥炭化物を得ることが可能となる。
【００１８】
本発明では、例えば、炭化原料を乾燥する前処理工程と、この前処理工程から得られる乾燥物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第一炭化工程と、この第一炭化工程から得られる一次炭化物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第二炭化工程と、この第二炭化工程から得られる二次炭化物を冷却する工程と、を行う段階的炭化方法を好適に採用できる。また、植物に害のない低タール分の炭化物を確実に得るためには、前記前処理工程において、炭化原料の水分を１０重量％以下に乾燥しておくことが望ましい。
【００１９】
各炭化工程でのタール除去は、例えば、各炭化装置内に発生するタール成分を含有する乾留ガスを炭化装置外に抜き取る方法によって行う。好ましくは、各炭化工程を構成する各炭化装置の入口側から前記乾留ガスを抜き取ることにより、炭化物と乾留ガスの接触量ができるだけ少なくなるように工夫する。
【００２０】
次に、本発明では、上記した段階的炭化方法を用いて、肥料有効成分が熱分解されていない炭化肥料を製造する方法を提供する。
【００２１】
前記肥料有効成分は、植物の栄養成分となり得るものであって、加熱によって肥料有効成分として機能し得なくなる状態に変化するものを広く含み、とりわけ、前記肥料有効成分には、可溶性のリン又はリン化合物が含まれる。
【００２２】
次に、本発明では、炭化原料の乾燥手段と、該手段によって得られる乾燥物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第一炭化手段と、該手段によって得られる一次炭化物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第二炭化手段と、該手段によって得られる二次炭化物の冷却手段と、を少なくとも備える段階的炭化システムを提供する。
【００２３】
このシステムは、炭化とタール成分除去の両方を段階的に行うシステムである。このシステムを採用すると、炭化の温度が緩和な条件であるので、肥料有効成分が植物に利用され得る状態で残留し、かつ植物に有害なタールを含まない炭化物を得ることができる。この炭化物は、炭化肥料や緑化材料などの製造システムとして利用することができる。
【００２４】
また、このシステムは、低温条件の下で炭化を行う構成であるから、省エネルギーに寄与し、さらには、タール除去するために炭化装置から抜き取られた乾留ガスを、炭化装置の熱源として再利用することも可能となるという利点を有する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、炭化工程を複数段階に分離又は分断することによって、タール成分を段階的に除去しながらより緩和な低温条件で汚泥を炭化することが可能となるので、多孔質で植物の根が定着し易く、植物に利用される肥料有効成分が確実に残存しており、かつ植物に有害なタールが除去された炭化物を得ることができる。
【００２６】
本発明によって得られる炭化物は、炭化工程において段階的にタール成分の除去を行なうように工夫したことによって、炭化工程中にタール成分を含んだガスが炭化物に接触するのを極力回避したので、最終炭化物のタール成分量を、植物の生育に害のない程度にまで確実に低減できる。また、本発明は、炭化の対象となる有機質原料の減容化を有効に達成でき、さらには、炭化処理によって、環境ホルモン物質等の有害物質や病原菌、ウイルス、害虫その他の有害生物等を無害化できる。さらに、本発明によって得られる炭化物は、高温（例えば、８００℃）で炭化処理された炭化物に比べて柔らかく、肥料や他の製品製造時に行う粉砕作業工程を容易に実施できる。
【００２７】
本発明に係る段階的炭化システムでは、高温条件での一度の炭化処理を行う従来の炭化システムに比べて、より緩和な低温条件で炭化処理を実施できるシステム構成であるので、熱供給システムのコストダウン、熱エネルギーの低減、装置システムの維持管理負担の軽減などを達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図１に示すフロー図に基づいて、本発明に係る段階的炭化方法、炭化肥料の製造方法、並びに段階的炭化システムの好適な実施形態について説明する。なお、添付図面に示された各実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。
【００２９】
まず、図１中の符号Ｒは、炭化原料の一例である「脱水汚泥ケーキ」を示している。この脱水汚泥ケーキＲは、有機性汚泥を脱水処理したものが広く含まれる。
【００３０】
例えば、下水などの排水や廃水を活性汚泥法によって処理したときに生ずる最終汚泥や余剰汚泥などの汚泥を脱水処理したもの、あるいは食品産業廃棄物、畜産廃棄物、製紙工場から排出される廃棄物、植物性産業廃棄物などからなる有機性汚泥を脱水処理したものが含まれる。汚泥の脱水処理の手段そのものは、狭く限定されない。
【００３１】
なお、炭化原料としては、既述したように、汚泥や脱水処理された汚泥に限定されず、家畜糞尿などの畜産廃棄物、食品産業その他の産業廃棄物、種々の食品残渣、植物残渣、動物原料（例えば、ウイルス感染等の動物死骸や非食品部位）、微生物原料、石油やその分解物その他の有機天然材料、医療廃棄物（例えば、ガーゼ等）、介護廃棄物（オムツ、シーツなど）、家庭ごみなどの一般廃棄物、紙、繊維、プラスチック・ゴムなどの高分子材料などの有機質原料を広く含む。
【００３２】
一般に、含水率が、例えば７０〜８０％程度とされた脱水汚泥ケーキＲは、搬送コンベアなどによって前処理工程Ｐ０へ移される。この前処理工程Ｐ０は、脱水汚泥ケーキＲを水分１５重量％程度、望ましくは水分１０重量％以下、より望ましくは水分７重量％以下に乾燥する工程である。
【００３３】
とくに、水分が１５重量％を超えると、後続の低温条件での炭化処理において、タール成分が水分を介して炭化物表面に付着したり、装置壁面への付着が発生したりするという問題が起こり易くなるが、炭化処理前に予め脱水汚泥ケーキＲの水分を１５重量％以下、より好適には１０重量％以下、さらに好適には７重量％以下に前処理しておくと、このような問題を回避することができる。
【００３４】
なお、乾燥方法の具体的方法や使用する装置は、気流破砕式乾燥機などを利用できるが、これに特に限定されず、また、前処理工程Ｐ０での水分含量の制御については、炭化原料の種類に拘わらず、脱水汚泥ケーキ以外の炭化原料についても同様である。
【００３５】
次に、本発明では、前処理工程Ｐ０を担う乾燥炉等の乾燥装置から排出された乾燥物Ｘを、続いて、第一炭化工程Ｐ１へ移行させる。この第一炭化工程Ｐ１を担う炭化装置としては、バッチ式又は連続式の外熱式回転炉などの炭化炉を適宜採用することができる。炭化の温度条件は、４００〜６００℃、より好適には４００〜５００℃、特に好適には５００℃程度に設定し、例えば、約１〜２時間かけて炭化処理を行う。
【００３６】
この温度条件は、一般的な汚泥の炭化温度である８００〜１０００℃よりもかなり低温域であるので、多孔質な炭化物を得ることができ、かつ汚泥中に含まれているリン又はリン化合物、カリウムなどの無機成分を可溶性の状態に確実に維持することができる。即ち、これらの無機成分を、植物が利用可能な肥料有効成分として機能する状態に保持することができる。
【００３７】
しかし、上記第一炭化工程Ｐ１における温度条件は、従来、いわゆる「燻炭」を製造するときに採用される程度の低温条件に相当又は近似するものであるから、第一炭化工程Ｐ１から得られる一次炭化物Ｙ１には、植物に有害なタール成分が含まれている。このため、この段階での一次炭化物Ｙ１は、まだ、肥料や緑化材料などへの使用には適さない。
【００３８】
本発明では、目的の最終製造物である汚泥炭化物中のタール成分をできるだけ少なくするために、この第一炭化工程Ｐ１の過程において、該工程Ｐ１を担う一次炭化装置（図示せず。）内からタール成分を含む乾留ガスＧ１を抜き取り（図１参照）、該工程Ｐ１の過程で、炭化物に対する乾留ガスＧ１の接触量をできるだけ低減しておくようにする。
【００３９】
なお、この第一炭化工程Ｐ１における乾留ガスＧ１の抜き取りだけでは、炭化物中のタール成分を、植物の生育に害がない程度にまで一気に除去するのは難しいため、本発明では、第一炭化工程Ｐ１をタール成分除去の前段工程として位置付ける。
【００４０】
第一炭化工程Ｐ１での乾留ガスＧ１の抜き取り位置は、一次炭化装置の入り口側が望ましい（この点、後述の第二炭化工程Ｐ２でも同様）。この一次炭化装置内で発生した乾留ガスＧ１を、該装置の入り口側に吸引等して集め、除去することによって（即ち、向流式）、炭化がより進行する前記装置内の後半側における乾留ガスＧ１量を有効に減少させる。この結果、後続の炭化工程（ここでは、第二炭化工程Ｐ２）へ持ち込まれる、第一炭化工程Ｐ１で発生したタール成分の量を、有効に減少させることができる。
【００４１】
その上で、本発明では、前記第一炭化工程Ｐ１から得られる一次炭化物Ｙ１を、例えばスクリューコンベアなどの手段を介して、この第一炭化工程Ｐ１を担う炭化装置とは別個独立に配置された二次炭化装置（図示せず。）へ移送し、第二炭化工程Ｐ２を行うようにする。
【００４２】
この第二炭化工程Ｐ２を担う二次炭化装置についても、前記一次炭化装置同様に、バッチ式又は連続式の外熱式回転炉などの炭化炉を適宜採用することができる。また、炭化の温度条件についても、第一炭化工程Ｐ１と同様に、４００〜６００℃、より好適には４００〜５００℃を採用し、特に好適には５００℃程度を採用する。また、炭化時間についても、上記第一炭化工程Ｐ１と同様に、例えば、約１〜２時間かけて行うようにする。
【００４３】
第二炭化工程Ｐ２の炭化温度条件は、上記第一炭化工程Ｐ１の炭化温度条件と同一でもよいが、これよりも低い温度条件を採用することによって、省エネルギーを達成することも可能である。また、第二炭化工程Ｐ２では、極微量の酸素ガスを供給しながら実施すると、第一炭化工程Ｐ１から送り込まれてきた一次炭化物Ｙ１に付着したタールの熱分解を促進させることができる。
【００４４】
この第二炭化工程Ｐ２も上記第一炭化工程Ｐ１と同等の低温の条件を採用したため、汚泥中に含まれているリン又はリン化合物、更にはカリウムなどの無機成分を可溶性の状態に維持することができる。即ち、これらの無機成分を、植物が利用可能な肥料有効成分として機能する状態に保持することができる。
【００４５】
また、この第二炭化工程Ｐ２は、二回目の炭化処理を行う工程であるとともに、該工程Ｐ２を担う二次炭化装置内へ一次炭化物Ｙ１とともに持ち込まれたタール及び該工程Ｐ２の過程で新たに発生したタールを、乾留ガスＧ２（図１参照）として除去するための工程としても機能する。
【００４６】
即ち、この第二炭化工程Ｐ２は、前段の第一炭化工程Ｐ１に続いて、炭化の程度をさらに進行させるための最終炭化工程として機能するとともに、第一炭化工程Ｐ１では除去しきれなかった残留タール成分を、植物の生育に影響がない程度にまで確実に低減するための最終タール成分除去工程として機能する。
【００４７】
本発明のように、タール成分の除去を複数段階に分けて行うと、工程段階を経るごとに、乾留ガス濃度がより低い環境下で、タール成分の除去を実施できるので、後段の工程程、除去効率が著しく向上する。二段階の除去工程を経ても、目的のタール成分含量に至らない場合は、三段階、あるいはそれ以上の工程段階を経て、タール成分を除去すればよい。
【００４８】
第二炭化工程Ｐ２から得られる二次炭化物Ｙ２は、炭化がより進行した状態にあり、かつタールが除去されている。この二次炭化物Ｙ２を搬送コンベア等によって冷却工程Ｐ３に移送する。なお、この冷却工程Ｐ３を担う冷却装置は、水冷ジャケット方式の装置を含めて、適宜採用することができ、狭く限定されない。
【００４９】
次に、この冷却工程Ｐ３を経て、ハンドリングし易い温度まで冷却された冷却物、即ち汚泥炭化物Ｚを最終の袋詰め工程Ｐ４へ移送し、所定容量ずつ袋詰めした後に、出荷する。
【００５０】
ここで、図１中に示された符号Ｐ５は、第一炭化工程Ｐ１とから発生する乾留ガスＧ１と第二炭化工程Ｐ２から発生する乾留ガスＧ２を回収してこれを熱源Ｈとして再生し、第一炭化工程Ｐ１と第二炭化工程Ｐ２において再利用するための熱源発生工程を示している。この熱源発生工程Ｐ５を採用することによって、省エネルギーを達成することができる。
【００５１】
なお、図１に示された熱源発生工程Ｐ５には、乾留ガスＧ１並びに乾留ガスＧ２に含まれる有機性汚泥の臭気を脱臭するための装置を付設し、あるいは、熱分解したタール成分などの有害物質をバグフィルターなどの図示しない集塵器によって回収する装置を付設するようにする。
【実施例】
【００５２】
本発明者は、まず、本発明で利用可能な炭化原料の一例である汚泥脱水ケーキ中のリン成分と炭化処理温度との関係を検証するための「試験１」を行なった。
【００５３】
試験１。使用した汚泥脱水ケーキは、前橋市六供町下水処理場から採取した汚泥脱水ケーキを１ｋｇ単位でそれぞれ、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃の各温度条件で炭化処理したサンプル、並びに汚泥自然乾燥サンプル（対照区）における、全リン（Ｔ-Ｐ２Ｏ５）、クエン酸可溶性リン（Ｃ−Ｐ２Ｏ５）、可溶性リン（Ｓ−Ｐ２Ｏ５）、水溶性リン（Ｗ−Ｐ２Ｏ５）を、肥料分析法に基づいて測定した。その測定結果を次の「表１」に示す。なお、表１中の数値の単位は、ｍｇ／（汚泥脱水ケーキ）１ｋｇである。
【００５４】
【表１】
【００５５】
この「表１」に示すように、７００℃、８００℃の高温条件では、汚泥乾燥物と比較して、クエン酸可溶性リンは２３％前後まで低下し、可溶性リンも５５％以下に低下している。温度６００℃は、可溶性リンは、７２％程度の低下に留まっており良好であるが、クエン酸可溶性リンは３０％程度まで低下している。
【００５６】
従って、炭化効率も併せて考えれば、４００〜６００℃、特に、４００〜５００℃の範囲の温度設定により炭化処理を行うのが好適と考えられる。
【００５７】
試験２。次に、群馬県・県央水質浄化センターで採取した汚泥脱水ケーキを、図１に示す工程に準拠する方法に基づいて炭化処理して、汚泥炭化物（試料１及び試料２）を得て、この汚泥炭化物の肥料成分組成を分析する「試験２」を行なった。なお、炭化処理の温度条件は５００℃に設定した。この汚泥炭化物の肥料成分組成を分析した結果を、次の「表２」に示す。なお、表２中のＩＬは、強熱減量（ignition loss）、ＥＣは、電気伝導度（electric conductivity）をそれぞれ示す。
【００５８】
【表２】
【００５９】
試験３。前掲の「表２」に示された汚泥炭化物を用いて、植害発生の有無を検証するための「試験３」を行った。
【００６０】
具体的には、腐植質黒ボク土壌を土壌酸度が小松菜の生育に影響がない状態に矯正し、窒素、リン、カリ等の肥料成分が小松菜の正常な生育が保てる量、より詳しくは、試験容器の土壌に対して窒素成分とリン酸成分及びカリ成分をそれぞれ１００ミリグラム添加し、更に本発明によって得られた汚泥炭化物を全リン酸として試験容器の土壌に対して１０００ミリグラムまでの範囲で添加して、内径１１．３ｃｍ、高さ６．５ｃｍのプラスチック製有底ポットに収容し、小松菜の種子を播いて、発芽障害を含む生育障害の有無を検証した。
【００６１】
本試験３の結果を以下の「表３」、「表４」に示す。なお、「表３」は発芽率を示し、「表４」は２１日間栽培した小松菜の乾燥重量と異常生育の有無を示している。
【００６２】
【表３】
【００６３】
【表４】
【００６４】
前掲の「表３」並びに「表４」に示したとおり、本発明によって得られた汚泥炭化物を大量に施用した場合でも、全く植害は観察されなかった。従って、本発明によって得られた汚泥炭化物は、植物に有害なタールや重金属の量が少ないことが明らかになったことから、この汚泥炭化物は、肥料や緑化材料などに利用することができる。
【００６５】
試験４。次に、汚泥炭化物の施用量と小松菜のリン酸含有率の関係を調べるための「試験４」を行なった。
【００６６】
具体的には、資材無施用においてリン酸欠乏のために生育が阻害される条件の土壌において、本発明によって得られる汚泥炭化物の施用量を増加させて、増施した場合に起こる植物に対する生育改善効果を検証すると同時に小松菜のリン酸含有率に対する影響を調べた。
【００６７】
より詳しくは、具体的には有効態リン酸が乾燥土壌１００グラム当たり１ｍｇ以下しか存在しない栽培履歴のない淡色黒ボク土壌（赤土）に対して、窒素成分とカリ成分を試験容器当たり１００ｍｇ添加し、リン酸成分以外の因子が小松菜の生育に何らの影響も与えない状態に調整した上で、内径１１．３ｃｍ、高さ６．５ｃｍのプラスチック製有底ポットに収容し、小松菜の種子を播いて３週間栽培した。この時、本発明によって得られる汚泥炭化物の施用量を、試験容器に収容する乾燥土壌１００ｇ当たりリン酸成分で１０ｍｇ、２０ｍｇ、４０ｍｇ，８０ｍｇ、１６０ｍｇに設定した。
【００６８】
本試験４の結果を、以下の「表５」に示す。この「表５」は３週間栽培した小松菜の乾物重量を示している。また、地上部のリン酸含有率と汚泥炭化物の施用量の関係を調べた結果を「表６」に示す。図２は、この「表６」に示す結果を示す図面代用グラフである。
【００６９】
【表５】
【００７０】
【表６】
【００７１】
この「試験４」の結果からわかるように、汚泥炭化物の施用量が増加するにつれて、試験栽培した小松菜の乾燥重量やリン酸含有率が増加していることが明らかであるから、この汚泥炭化物に含まれるリン又はリン化合物は、植物に利用される可溶性の状態であることが確認できた。また、汚泥炭化物中のタール成分も植物の生育を阻害しない程度にまで低減されていることも確認できた。
【００７２】
即ち、炭化処理の過程を経ても、肥料有効成分としてリン又はリン化合物が残留しているので、これを汚泥炭化肥料や緑化材料などに利用することができることがわかった。
【００７３】
本発明における炭化温度は低いので、ダイオキシン類の発生が懸念されるが、追試実験の結果、最終炭化物中に含まれるダイオキシン類含有量は、０．００１〜０．０３２ｐｇ-ＴＥＱ/ｇ程度の極少量に抑制でき、さらに、炭化物中の水銀、カドミウム、クロム、ヒ素、ニッケルなどの重金属の濃度についても、肥料取締法や土壌汚染防止法等の法的規制基準を下回ることが明らかになった。なお、重金属については、下水汚泥を炭化原料に用いる場合、過剰な重金属が混入していることも想定されるので、本発明で得られる炭化物を緑農地利用する場合では、重金属測定試験を必要に応じて適宜行なう等の注意が必要である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、有機性汚泥中の窒素、リンなどの有効循環に利用できる。例えば、肥料、培土、土壌改良材、自然環境復元資材、融雪材、法面緑化材等の製造技術として利用することができる。特に、有効肥料成分としての可溶性のリン又はリン化合物を高効率で残量させることができると同時に、植物が利用可能な範囲にまでタール分を低減した炭化物を提供できる。
【００７５】
また、本発明は、汚泥の減量化技術として利用できる。環境負荷の軽減、汚泥中の炭素分の固定化等の技術として利用できる。例えば、汚泥脱水ケーキを炭化原料として想定した場合、炭化処理によっておよそ１／１０〜１／１５にまで減容できる。
【００７６】
また、本発明によれば、そのまま放置したり、埋め立てしたりしておくと、病原菌やウイルスの発生又は蔓延源となるおそれのある不衛生な物、例えば、ウイルス感染した動物の死骸等を炭化過程において無害化できるため、本発明は、これらの処分技術として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明に係る段階的炭化方法、炭化肥料の製造方法、並びに段階的炭化システムの好適な実施形態を説明するためのフロー図である。
【図２】試験４の「表６」に示す結果を示す図（図面代用グラフ）。
【符号の説明】
【００７８】
Ｇ１，Ｇ２ 乾留ガス
Ｐ０ 前処理工程（乾燥工程）
Ｐ１ 第一炭化工程
Ｐ２ 第二炭化工程
Ｐ３ 冷却工程
Ｐ４ 袋詰め工程
Ｒ 炭化原料（例えば、汚泥脱水ケーキ）
Ｘ 乾燥物
Ｙ１ 一次炭化物
Ｙ２ 二次炭化物
Ｚ 炭化物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機質原料の炭化及び再利用技術に関する。より詳しくは、有機質原料の段階的炭化方法と該方法を用いた炭化肥料の製造方法及び段階的炭化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の有機質原料を炭化処理することによって、該有機質原料を肥料などとして再利用する技術が普及しつつある。この有機質原料の候補となり得るものとして、一例を挙げれば、下水や産業排水などの水処理工程から排出される汚泥を挙げることができる。この汚泥の炭化処理技術を代表例として、以下に、本発明の背景技術を説明する。
【０００３】
水処理技術として普及している活性汚泥法などは、排水中の有機物や該排水中の窒素やリン（リン化合物）などの無機物を栄養源に、溶存酸素の存在下で微生物集団を連続的に培養することによって、汚濁物質を凝集、酸化分解、沈殿などの工程を経て除去する方法である。この活性汚泥法などによって発生する汚泥（例えば、最終汚泥）、または、畜産廃棄物（糞尿含む。）や食品産業廃棄物等の有機性汚泥は、脱水処理された後、あるいは脱水処理に続いて焼却灰とされた後に、埋め立て処分等をされることが多かった。しかし、近年では、汚泥の減量化、環境負荷の軽減の要請が高まっていることから、この有機性汚泥を有効利用しようとする動きが活発化している。
【０００４】
例えば、前記有機性汚泥は、コンポスト処理後、土壌改良材や肥料として、農地あるいは緑地に利用されたり、焼却灰は、セメント原料などに利用されたりするようになっている。汚泥の再利用技術の一つとして、汚泥を炭化処理して得られる汚泥炭化物を再利用する技術が提案されている。
【０００５】
特許文献１には、有機性汚泥から農産物育成に必要なリンを含むように炭化あるいは灰化処理して、この処理物を肥料や土壌改良剤に利用する技術が開示されている。この技術では、炭化炉の温度条件を２００〜６００℃に設定して一工程で加熱するか、あるいは灰化炉の温度条件を７００〜９００℃に設定して一工程で加熱する方法が採用されている。
【０００６】
次に、特許文献２には、有機性の汚泥脱水ケーキに炭化物を添加して水分を調整した後にこれを造粒物とし、この造粒物を一工程で炭化処理する技術が開示されている。この技術における炭化容器内の温度条件は、７００℃程度が採用されている。
【０００７】
特許文献３には、消臭処理後の汚泥を焼成して炭化粉砕片とし、又はこれをペレット状とした汚泥炭化肥料が開示されている。この汚泥炭化を担う焼成工程は、一工程であり、しかも温度条件は８００℃程度まで想定されている。
【０００８】
特許文献４には、水処理汚泥から活性炭を製造する方法が開示されている。具体的には、脱水汚泥を造粒乾燥した後、加熱温度５００〜１０００℃で炭化処理して汚泥炭を得て、その後、汚泥炭に温度条件７００〜１２００℃で水蒸気を吹き込む活性化処理を行う技術が開示されている。この技術の炭化処理工程は、６００℃を超える高温域まで採用可能とされている。
【特許文献１】特開２００２−１３９５号公報（特に、請求項１、段落００４９などを参照）。
【特許文献２】特開平１０−２９０９９８号公報（特に、請求項１、段落００２２、図３参照）。
【特許文献３】特開平６−１４４９７７号公報（特に、請求項１、段落００１６参照）。
【特許文献４】特開平７−２４２４０８号公報（特に、請求項１参照）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の炭化技術では、６００℃を超える高温域で汚泥を炭化処理することから（例えば、特許文献２〜４参照）、この処理により得られる炭化汚泥中の窒素やリンは不溶化し易く、有効な肥料成分として利用することが難しかった。これは、汚泥以外の有機質原料を炭化する場合における技術的課題でもある。
【００１０】
また、特許文献１に開示された技術では、炭化炉の温度条件として低温域の２００〜６００℃が採用されているが、炭化工程は一工程であり、また、この工程から得られる炭化物には、汚泥中の有機化合物が熱分解されて発生するタールが残留すると予想される。
【００１１】
そこで、本発明は、植物に利用される肥料有効成分が確実に残存しており、かつ植物に有害なタール成分が除去された炭化物を確実に得ることができる技術を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、まず、炭化原料を複数段階に分けて炭化処理する段階的汚泥炭化方法を提供する。炭化処理の段階数は、目的や得られる効果に照らして、適宜決定する。
【００１３】
炭化原料は、有機質原料が広く含まれ、狭く限定されない。例えば、下水処理などの排水処理工程から生ずる汚泥を脱水処理することによって得られる汚泥（特に汚泥脱水ケーキ）、産業排水（又は廃水）由来の汚泥、鳥・豚・牛・羊などの家畜糞尿などの畜産廃棄物、食品産業その他の産業廃棄物（脱水処理したもの、脱水処理しないものの両方を含む。）、種々の食品残渣、植物残渣、動物原料（例えば、ウイルス感染等の動物死骸や非食品部位）、微生物原料、石油やその分解物その他の有機天然材料、医療廃棄物（例えば、ガーゼ等）、介護廃棄物（オムツ、シーツなど）、家庭ごみなどの一般廃棄物、紙、繊維、プラスチック・ゴムなどの高分子材料などを挙げることができる。これらの中でも、炭化原料として特に好ましいものは、植物の肥料成分、特にリン又はリン化合物を含むものである。
【００１４】
この方法は、高温条件に設定された一工程内又は一炭化装置内において、炭化原料を高温に曝して最終炭化物を得る従来一般の炭化方法とは異なって、より緩和な低温域の温度条件の下で、炭化工程を数工程に分けて行うことを特徴とする。即ち、本方法は、低温条件に設定された複数の炭化装置を順次経る炭化工程を採用する。
【００１５】
本発明において、低温条件の炭化処理を採用するのは、高温条件での高度な炭化を積極的に避けることで、最終的に得られる炭化物を、植物の根が定着し易いできるだけ多孔質な（ポーラスな）状態に留め、かつ該炭化物中に肥料有効成分を植物が利用可能な状態で残留させるためである。
【００１６】
ここで、従来一般の一段階からなる炭化工程によって低温炭化を実施すると、該炭化工程の過程を通じて、タール成分を含んだガスが炭化物に長時間接触し続ける結果、最終炭化物には多量のタール成分が含有してしまうことになる。このため、このような炭化物は、肥料や緑化材料等には使用することができない。また、一段階からなる低温炭化技術を採用すると、炭化装置の壁面等に多量のタールが付着又は蓄積するので、当該炭化装置のメンテナンスに手間がかかるという問題等も発生する。
【００１７】
一方、本発明では、炭化工程を数段階に分離又は分断した構成を採用したので、炭化工程毎に都度、タール成分を炭化装置内から除去して、後続の炭化工程へ炭化物を順次受け渡して行くことが可能となる。その結果、肥料有効成分が植物に利用可能な状態で残留されており、かつ植物に有害なタールを含まない汚泥炭化物を得ることが可能となる。
【００１８】
本発明では、例えば、炭化原料を乾燥する前処理工程と、この前処理工程から得られる乾燥物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第一炭化工程と、この第一炭化工程から得られる一次炭化物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第二炭化工程と、この第二炭化工程から得られる二次炭化物を冷却する工程と、を行う段階的炭化方法を好適に採用できる。また、植物に害のない低タール分の炭化物を確実に得るためには、前記前処理工程において、炭化原料の水分を１０重量％以下に乾燥しておくことが望ましい。
【００１９】
各炭化工程でのタール除去は、例えば、各炭化装置内に発生するタール成分を含有する乾留ガスを炭化装置外に抜き取る方法によって行う。好ましくは、各炭化工程を構成する各炭化装置の入口側から前記乾留ガスを抜き取ることにより、炭化物と乾留ガスの接触量ができるだけ少なくなるように工夫する。
【００２０】
次に、本発明では、上記した段階的炭化方法を用いて、肥料有効成分が熱分解されていない炭化肥料を製造する方法を提供する。
【００２１】
前記肥料有効成分は、植物の栄養成分となり得るものであって、加熱によって肥料有効成分として機能し得なくなる状態に変化するものを広く含み、とりわけ、前記肥料有効成分には、可溶性のリン又はリン化合物が含まれる。
【００２２】
次に、本発明では、炭化原料の乾燥手段と、該手段によって得られる乾燥物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第一炭化手段と、該手段によって得られる一次炭化物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第二炭化手段と、該手段によって得られる二次炭化物の冷却手段と、を少なくとも備える段階的炭化システムを提供する。
【００２３】
このシステムは、炭化とタール成分除去の両方を段階的に行うシステムである。このシステムを採用すると、炭化の温度が緩和な条件であるので、肥料有効成分が植物に利用され得る状態で残留し、かつ植物に有害なタールを含まない炭化物を得ることができる。この炭化物は、炭化肥料や緑化材料などの製造システムとして利用することができる。
【００２４】
また、このシステムは、低温条件の下で炭化を行う構成であるから、省エネルギーに寄与し、さらには、タール除去するために炭化装置から抜き取られた乾留ガスを、炭化装置の熱源として再利用することも可能となるという利点を有する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、炭化工程を複数段階に分離又は分断することによって、タール成分を段階的に除去しながらより緩和な低温条件で汚泥を炭化することが可能となるので、多孔質で植物の根が定着し易く、植物に利用される肥料有効成分が確実に残存しており、かつ植物に有害なタールが除去された炭化物を得ることができる。
【００２６】
本発明によって得られる炭化物は、炭化工程において段階的にタール成分の除去を行なうように工夫したことによって、炭化工程中にタール成分を含んだガスが炭化物に接触するのを極力回避したので、最終炭化物のタール成分量を、植物の生育に害のない程度にまで確実に低減できる。また、本発明は、炭化の対象となる有機質原料の減容化を有効に達成でき、さらには、炭化処理によって、環境ホルモン物質等の有害物質や病原菌、ウイルス、害虫その他の有害生物等を無害化できる。さらに、本発明によって得られる炭化物は、高温（例えば、８００℃）で炭化処理された炭化物に比べて柔らかく、肥料や他の製品製造時に行う粉砕作業工程を容易に実施できる。
【００２７】
本発明に係る段階的炭化システムでは、高温条件での一度の炭化処理を行う従来の炭化システムに比べて、より緩和な低温条件で炭化処理を実施できるシステム構成であるので、熱供給システムのコストダウン、熱エネルギーの低減、装置システムの維持管理負担の軽減などを達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図１に示すフロー図に基づいて、本発明に係る段階的炭化方法、炭化肥料の製造方法、並びに段階的炭化システムの好適な実施形態について説明する。なお、添付図面に示された各実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。
【００２９】
まず、図１中の符号Ｒは、炭化原料の一例である「脱水汚泥ケーキ」を示している。この脱水汚泥ケーキＲは、有機性汚泥を脱水処理したものが広く含まれる。
【００３０】
例えば、下水などの排水や廃水を活性汚泥法によって処理したときに生ずる最終汚泥や余剰汚泥などの汚泥を脱水処理したもの、あるいは食品産業廃棄物、畜産廃棄物、製紙工場から排出される廃棄物、植物性産業廃棄物などからなる有機性汚泥を脱水処理したものが含まれる。汚泥の脱水処理の手段そのものは、狭く限定されない。
【００３１】
なお、炭化原料としては、既述したように、汚泥や脱水処理された汚泥に限定されず、家畜糞尿などの畜産廃棄物、食品産業その他の産業廃棄物、種々の食品残渣、植物残渣、動物原料（例えば、ウイルス感染等の動物死骸や非食品部位）、微生物原料、石油やその分解物その他の有機天然材料、医療廃棄物（例えば、ガーゼ等）、介護廃棄物（オムツ、シーツなど）、家庭ごみなどの一般廃棄物、紙、繊維、プラスチック・ゴムなどの高分子材料などの有機質原料を広く含む。
【００３２】
一般に、含水率が、例えば７０〜８０％程度とされた脱水汚泥ケーキＲは、搬送コンベアなどによって前処理工程Ｐ０へ移される。この前処理工程Ｐ０は、脱水汚泥ケーキＲを水分１５重量％程度、望ましくは水分１０重量％以下、より望ましくは水分７重量％以下に乾燥する工程である。
【００３３】
とくに、水分が１５重量％を超えると、後続の低温条件での炭化処理において、タール成分が水分を介して炭化物表面に付着したり、装置壁面への付着が発生したりするという問題が起こり易くなるが、炭化処理前に予め脱水汚泥ケーキＲの水分を１５重量％以下、より好適には１０重量％以下、さらに好適には７重量％以下に前処理しておくと、このような問題を回避することができる。
【００３４】
なお、乾燥方法の具体的方法や使用する装置は、気流破砕式乾燥機などを利用できるが、これに特に限定されず、また、前処理工程Ｐ０での水分含量の制御については、炭化原料の種類に拘わらず、脱水汚泥ケーキ以外の炭化原料についても同様である。
【００３５】
次に、本発明では、前処理工程Ｐ０を担う乾燥炉等の乾燥装置から排出された乾燥物Ｘを、続いて、第一炭化工程Ｐ１へ移行させる。この第一炭化工程Ｐ１を担う炭化装置としては、バッチ式又は連続式の外熱式回転炉などの炭化炉を適宜採用することができる。炭化の温度条件は、４００〜６００℃、より好適には４００〜５００℃、特に好適には５００℃程度に設定し、例えば、約１〜２時間かけて炭化処理を行う。
【００３６】
この温度条件は、一般的な汚泥の炭化温度である８００〜１０００℃よりもかなり低温域であるので、多孔質な炭化物を得ることができ、かつ汚泥中に含まれているリン又はリン化合物、カリウムなどの無機成分を可溶性の状態に確実に維持することができる。即ち、これらの無機成分を、植物が利用可能な肥料有効成分として機能する状態に保持することができる。
【００３７】
しかし、上記第一炭化工程Ｐ１における温度条件は、従来、いわゆる「燻炭」を製造するときに採用される程度の低温条件に相当又は近似するものであるから、第一炭化工程Ｐ１から得られる一次炭化物Ｙ１には、植物に有害なタール成分が含まれている。このため、この段階での一次炭化物Ｙ１は、まだ、肥料や緑化材料などへの使用には適さない。
【００３８】
本発明では、目的の最終製造物である汚泥炭化物中のタール成分をできるだけ少なくするために、この第一炭化工程Ｐ１の過程において、該工程Ｐ１を担う一次炭化装置（図示せず。）内からタール成分を含む乾留ガスＧ１を抜き取り（図１参照）、該工程Ｐ１の過程で、炭化物に対する乾留ガスＧ１の接触量をできるだけ低減しておくようにする。
【００３９】
なお、この第一炭化工程Ｐ１における乾留ガスＧ１の抜き取りだけでは、炭化物中のタール成分を、植物の生育に害がない程度にまで一気に除去するのは難しいため、本発明では、第一炭化工程Ｐ１をタール成分除去の前段工程として位置付ける。
【００４０】
第一炭化工程Ｐ１での乾留ガスＧ１の抜き取り位置は、一次炭化装置の入り口側が望ましい（この点、後述の第二炭化工程Ｐ２でも同様）。この一次炭化装置内で発生した乾留ガスＧ１を、該装置の入り口側に吸引等して集め、除去することによって（即ち、向流式）、炭化がより進行する前記装置内の後半側における乾留ガスＧ１量を有効に減少させる。この結果、後続の炭化工程（ここでは、第二炭化工程Ｐ２）へ持ち込まれる、第一炭化工程Ｐ１で発生したタール成分の量を、有効に減少させることができる。
【００４１】
その上で、本発明では、前記第一炭化工程Ｐ１から得られる一次炭化物Ｙ１を、例えばスクリューコンベアなどの手段を介して、この第一炭化工程Ｐ１を担う炭化装置とは別個独立に配置された二次炭化装置（図示せず。）へ移送し、第二炭化工程Ｐ２を行うようにする。
【００４２】
この第二炭化工程Ｐ２を担う二次炭化装置についても、前記一次炭化装置同様に、バッチ式又は連続式の外熱式回転炉などの炭化炉を適宜採用することができる。また、炭化の温度条件についても、第一炭化工程Ｐ１と同様に、４００〜６００℃、より好適には４００〜５００℃を採用し、特に好適には５００℃程度を採用する。また、炭化時間についても、上記第一炭化工程Ｐ１と同様に、例えば、約１〜２時間かけて行うようにする。
【００４３】
第二炭化工程Ｐ２の炭化温度条件は、上記第一炭化工程Ｐ１の炭化温度条件と同一でもよいが、これよりも低い温度条件を採用することによって、省エネルギーを達成することも可能である。また、第二炭化工程Ｐ２では、極微量の酸素ガスを供給しながら実施すると、第一炭化工程Ｐ１から送り込まれてきた一次炭化物Ｙ１に付着したタールの熱分解を促進させることができる。
【００４４】
この第二炭化工程Ｐ２も上記第一炭化工程Ｐ１と同等の低温の条件を採用したため、汚泥中に含まれているリン又はリン化合物、更にはカリウムなどの無機成分を可溶性の状態に維持することができる。即ち、これらの無機成分を、植物が利用可能な肥料有効成分として機能する状態に保持することができる。
【００４５】
また、この第二炭化工程Ｐ２は、二回目の炭化処理を行う工程であるとともに、該工程Ｐ２を担う二次炭化装置内へ一次炭化物Ｙ１とともに持ち込まれたタール及び該工程Ｐ２の過程で新たに発生したタールを、乾留ガスＧ２（図１参照）として除去するための工程としても機能する。
【００４６】
即ち、この第二炭化工程Ｐ２は、前段の第一炭化工程Ｐ１に続いて、炭化の程度をさらに進行させるための最終炭化工程として機能するとともに、第一炭化工程Ｐ１では除去しきれなかった残留タール成分を、植物の生育に影響がない程度にまで確実に低減するための最終タール成分除去工程として機能する。
【００４７】
本発明のように、タール成分の除去を複数段階に分けて行うと、工程段階を経るごとに、乾留ガス濃度がより低い環境下で、タール成分の除去を実施できるので、後段の工程程、除去効率が著しく向上する。二段階の除去工程を経ても、目的のタール成分含量に至らない場合は、三段階、あるいはそれ以上の工程段階を経て、タール成分を除去すればよい。
【００４８】
第二炭化工程Ｐ２から得られる二次炭化物Ｙ２は、炭化がより進行した状態にあり、かつタールが除去されている。この二次炭化物Ｙ２を搬送コンベア等によって冷却工程Ｐ３に移送する。なお、この冷却工程Ｐ３を担う冷却装置は、水冷ジャケット方式の装置を含めて、適宜採用することができ、狭く限定されない。
【００４９】
次に、この冷却工程Ｐ３を経て、ハンドリングし易い温度まで冷却された冷却物、即ち汚泥炭化物Ｚを最終の袋詰め工程Ｐ４へ移送し、所定容量ずつ袋詰めした後に、出荷する。
【００５０】
ここで、図１中に示された符号Ｐ５は、第一炭化工程Ｐ１とから発生する乾留ガスＧ１と第二炭化工程Ｐ２から発生する乾留ガスＧ２を回収してこれを熱源Ｈとして再生し、第一炭化工程Ｐ１と第二炭化工程Ｐ２において再利用するための熱源発生工程を示している。この熱源発生工程Ｐ５を採用することによって、省エネルギーを達成することができる。
【００５１】
なお、図１に示された熱源発生工程Ｐ５には、乾留ガスＧ１並びに乾留ガスＧ２に含まれる有機性汚泥の臭気を脱臭するための装置を付設し、あるいは、熱分解したタール成分などの有害物質をバグフィルターなどの図示しない集塵器によって回収する装置を付設するようにする。
【実施例】
【００５２】
本発明者は、まず、本発明で利用可能な炭化原料の一例である汚泥脱水ケーキ中のリン成分と炭化処理温度との関係を検証するための「試験１」を行なった。
【００５３】
試験１。使用した汚泥脱水ケーキは、前橋市六供町下水処理場から採取した汚泥脱水ケーキを１ｋｇ単位でそれぞれ、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃の各温度条件で炭化処理したサンプル、並びに汚泥自然乾燥サンプル（対照区）における、全リン（Ｔ-Ｐ２Ｏ５）、クエン酸可溶性リン（Ｃ−Ｐ２Ｏ５）、可溶性リン（Ｓ−Ｐ２Ｏ５）、水溶性リン（Ｗ−Ｐ２Ｏ５）を、肥料分析法に基づいて測定した。その測定結果を次の「表１」に示す。なお、表１中の数値の単位は、ｍｇ／（汚泥脱水ケーキ）１ｋｇである。
【００５４】
【表１】
【００５５】
この「表１」に示すように、７００℃、８００℃の高温条件では、汚泥乾燥物と比較して、クエン酸可溶性リンは２３％前後まで低下し、可溶性リンも５５％以下に低下している。温度６００℃は、可溶性リンは、７２％程度の低下に留まっており良好であるが、クエン酸可溶性リンは３０％程度まで低下している。
【００５６】
従って、炭化効率も併せて考えれば、４００〜６００℃、特に、４００〜５００℃の範囲の温度設定により炭化処理を行うのが好適と考えられる。
【００５７】
試験２。次に、群馬県・県央水質浄化センターで採取した汚泥脱水ケーキを、図１に示す工程に準拠する方法に基づいて炭化処理して、汚泥炭化物（試料１及び試料２）を得て、この汚泥炭化物の肥料成分組成を分析する「試験２」を行なった。なお、炭化処理の温度条件は５００℃に設定した。この汚泥炭化物の肥料成分組成を分析した結果を、次の「表２」に示す。なお、表２中のＩＬは、強熱減量（ignition loss）、ＥＣは、電気伝導度（electric conductivity）をそれぞれ示す。
【００５８】
【表２】
【００５９】
試験３。前掲の「表２」に示された汚泥炭化物を用いて、植害発生の有無を検証するための「試験３」を行った。
【００６０】
具体的には、腐植質黒ボク土壌を土壌酸度が小松菜の生育に影響がない状態に矯正し、窒素、リン、カリ等の肥料成分が小松菜の正常な生育が保てる量、より詳しくは、試験容器の土壌に対して窒素成分とリン酸成分及びカリ成分をそれぞれ１００ミリグラム添加し、更に本発明によって得られた汚泥炭化物を全リン酸として試験容器の土壌に対して１０００ミリグラムまでの範囲で添加して、内径１１．３ｃｍ、高さ６．５ｃｍのプラスチック製有底ポットに収容し、小松菜の種子を播いて、発芽障害を含む生育障害の有無を検証した。
【００６１】
本試験３の結果を以下の「表３」、「表４」に示す。なお、「表３」は発芽率を示し、「表４」は２１日間栽培した小松菜の乾燥重量と異常生育の有無を示している。
【００６２】
【表３】
【００６３】
【表４】
【００６４】
前掲の「表３」並びに「表４」に示したとおり、本発明によって得られた汚泥炭化物を大量に施用した場合でも、全く植害は観察されなかった。従って、本発明によって得られた汚泥炭化物は、植物に有害なタールや重金属の量が少ないことが明らかになったことから、この汚泥炭化物は、肥料や緑化材料などに利用することができる。
【００６５】
試験４。次に、汚泥炭化物の施用量と小松菜のリン酸含有率の関係を調べるための「試験４」を行なった。
【００６６】
具体的には、資材無施用においてリン酸欠乏のために生育が阻害される条件の土壌において、本発明によって得られる汚泥炭化物の施用量を増加させて、増施した場合に起こる植物に対する生育改善効果を検証すると同時に小松菜のリン酸含有率に対する影響を調べた。
【００６７】
より詳しくは、具体的には有効態リン酸が乾燥土壌１００グラム当たり１ｍｇ以下しか存在しない栽培履歴のない淡色黒ボク土壌（赤土）に対して、窒素成分とカリ成分を試験容器当たり１００ｍｇ添加し、リン酸成分以外の因子が小松菜の生育に何らの影響も与えない状態に調整した上で、内径１１．３ｃｍ、高さ６．５ｃｍのプラスチック製有底ポットに収容し、小松菜の種子を播いて３週間栽培した。この時、本発明によって得られる汚泥炭化物の施用量を、試験容器に収容する乾燥土壌１００ｇ当たりリン酸成分で１０ｍｇ、２０ｍｇ、４０ｍｇ，８０ｍｇ、１６０ｍｇに設定した。
【００６８】
本試験４の結果を、以下の「表５」に示す。この「表５」は３週間栽培した小松菜の乾物重量を示している。また、地上部のリン酸含有率と汚泥炭化物の施用量の関係を調べた結果を「表６」に示す。図２は、この「表６」に示す結果を示す図面代用グラフである。
【００６９】
【表５】
【００７０】
【表６】
【００７１】
この「試験４」の結果からわかるように、汚泥炭化物の施用量が増加するにつれて、試験栽培した小松菜の乾燥重量やリン酸含有率が増加していることが明らかであるから、この汚泥炭化物に含まれるリン又はリン化合物は、植物に利用される可溶性の状態であることが確認できた。また、汚泥炭化物中のタール成分も植物の生育を阻害しない程度にまで低減されていることも確認できた。
【００７２】
即ち、炭化処理の過程を経ても、肥料有効成分としてリン又はリン化合物が残留しているので、これを汚泥炭化肥料や緑化材料などに利用することができることがわかった。
【００７３】
本発明における炭化温度は低いので、ダイオキシン類の発生が懸念されるが、追試実験の結果、最終炭化物中に含まれるダイオキシン類含有量は、０．００１〜０．０３２ｐｇ-ＴＥＱ/ｇ程度の極少量に抑制でき、さらに、炭化物中の水銀、カドミウム、クロム、ヒ素、ニッケルなどの重金属の濃度についても、肥料取締法や土壌汚染防止法等の法的規制基準を下回ることが明らかになった。なお、重金属については、下水汚泥を炭化原料に用いる場合、過剰な重金属が混入していることも想定されるので、本発明で得られる炭化物を緑農地利用する場合では、重金属測定試験を必要に応じて適宜行なう等の注意が必要である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、有機性汚泥中の窒素、リンなどの有効循環に利用できる。例えば、肥料、培土、土壌改良材、自然環境復元資材、融雪材、法面緑化材等の製造技術として利用することができる。特に、有効肥料成分としての可溶性のリン又はリン化合物を高効率で残量させることができると同時に、植物が利用可能な範囲にまでタール分を低減した炭化物を提供できる。
【００７５】
また、本発明は、汚泥の減量化技術として利用できる。環境負荷の軽減、汚泥中の炭素分の固定化等の技術として利用できる。例えば、汚泥脱水ケーキを炭化原料として想定した場合、炭化処理によっておよそ１／１０〜１／１５にまで減容できる。
【００７６】
また、本発明によれば、そのまま放置したり、埋め立てしたりしておくと、病原菌やウイルスの発生又は蔓延源となるおそれのある不衛生な物、例えば、ウイルス感染した動物の死骸等を炭化過程において無害化できるため、本発明は、これらの処分技術として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明に係る段階的炭化方法、炭化肥料の製造方法、並びに段階的炭化システムの好適な実施形態を説明するためのフロー図である。
【図２】試験４の「表６」に示す結果を示す図（図面代用グラフ）。
【符号の説明】
【００７８】
Ｇ１，Ｇ２ 乾留ガス
Ｐ０ 前処理工程（乾燥工程）
Ｐ１ 第一炭化工程
Ｐ２ 第二炭化工程
Ｐ３ 冷却工程
Ｐ４ 袋詰め工程
Ｒ 炭化原料（例えば、汚泥脱水ケーキ）
Ｘ 乾燥物
Ｙ１ 一次炭化物
Ｙ２ 二次炭化物
Ｚ 炭化物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化原料を複数段階に分けて炭化処理する段階的炭化方法。
【請求項２】
前記炭化原料は、汚泥脱水ケーキであることを特徴とする請求項１記載の段階的炭化方法。
【請求項３】
前記炭化原料を乾燥する前処理工程と、
該工程から得られる乾燥物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第一炭化工程と、
該工程から得られる一次炭化物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第二炭化工程と、
該工程から得られる二次炭化物を冷却する工程と、
を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の段階的炭化方法。
【請求項４】
前記前処理工程では、炭化原料の水分を１０重量％以下に乾燥することを特徴とする請求項３記載の段階的炭化方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載された段階的炭化方法を用いて、肥料有効成分が可溶性状態で残留する炭化肥料を得ることを特徴とする炭化肥料の製造方法。
【請求項６】
前記肥料有効成分は、可溶性のリン又はリン化合物であることを特徴とする請求項５記載の炭化肥料の製造方法。
【請求項７】
炭化原料の乾燥手段と、
該手段によって得られる乾燥物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第一炭化手段と、
該手段によって得られる一次炭化物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第二炭化手段と、
該手段によって得られる二次炭化物の冷却手段と、
を少なくとも備える段階的炭化システム。
【請求項１】
炭化原料を複数段階に分けて炭化処理する段階的炭化方法。
【請求項２】
前記炭化原料は、汚泥脱水ケーキであることを特徴とする請求項１記載の段階的炭化方法。
【請求項３】
前記炭化原料を乾燥する前処理工程と、
該工程から得られる乾燥物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第一炭化工程と、
該工程から得られる一次炭化物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第二炭化工程と、
該工程から得られる二次炭化物を冷却する工程と、
を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の段階的炭化方法。
【請求項４】
前記前処理工程では、炭化原料の水分を１０重量％以下に乾燥することを特徴とする請求項３記載の段階的炭化方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載された段階的炭化方法を用いて、肥料有効成分が可溶性状態で残留する炭化肥料を得ることを特徴とする炭化肥料の製造方法。
【請求項６】
前記肥料有効成分は、可溶性のリン又はリン化合物であることを特徴とする請求項５記載の炭化肥料の製造方法。
【請求項７】
炭化原料の乾燥手段と、
該手段によって得られる乾燥物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第一炭化手段と、
該手段によって得られる一次炭化物を４００〜６００℃の低温度域で炭化及びタール除去する第二炭化手段と、
該手段によって得られる二次炭化物の冷却手段と、
を少なくとも備える段階的炭化システム。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００６−９６９７９（Ｐ２００６−９６９７９Ａ）
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１６６０３７（Ｐ２００５−１６６０３７）
【出願日】平成１７年６月６日（２００５．６．６）
【出願人】（３９８０３７２０６）協同組合ぐんま環境技術コンソーシアム (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月６日（２００５．６．６）
【出願人】（３９８０３７２０６）協同組合ぐんま環境技術コンソーシアム (2)
【Ｆターム（参考）】
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