JP2005152838A

JP2005152838A - 有機性廃棄物の複合処理方法及び設備

Info

Publication number: JP2005152838A
Application number: JP2003397442A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Omura; 友章大村; Takeshi Amari; 猛甘利; Kiyoshi Sugata; 清菅田; Ryohei Ueda; 良平植田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】下水廃水、生ごみ家畜糞尿などの有機性廃棄物と木質系バイオマスを複合処理することにより、有機性廃棄物の処理に伴い必然的に発生するアンモニア分を、そのシステム内で自律的に処理できて、しかも効率のよいエネルギ及び資源回収が可能な方法及び設備の提供。
【解決手段】有機性廃棄物を処理する工程中に、少なくともメタン発酵工程を有する有機性廃棄物の処理方法において、前記メタン発酵後の処理液を脱アンモニアする工程と、木質系バイオマスを燃焼して、熱保有ガスを発生する燃焼工程を有し、該熱保有ガスを使用して前記脱アンモニア工程の補助熱源とすることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、下水廃水、生ごみ家畜糞尿などの有機性廃棄物と木質系バイオマスを複合処理して、有利なエネルギ回収及び資源回収を行うとともに、処理水中のアンモニアの有効な処理を可能にした方法及び設備に関する。

図１の（ａ）は、従来の下水排水の工程若しくは設備フロー図である。図において、その流れを説明すると、受け入れた下水排水はスクリ−ンによって大型の固形物が篩別され、沈砂池で無機系の固形物を沈殿分離する。最初沈殿池では有機固形物沈殿と上澄み排水に分離され、上澄み排水は、通常活性汚泥による好気性生物処理法で生物処理され、最終沈殿池で生成汚泥が沈殿されて、上澄みの処理水は殺菌処理後、放流前の最終処理として砂ろ過・活性炭処理が行われ放流される。一方、最初沈殿池の有機固形物沈殿及び最終沈殿池の生成汚泥中の余剰汚泥は固液分離され、固形分はメタン発酵工程へ、液分は最初沈殿池へ戻入される、メタン発酵で発生するメタンガスなどの可燃性ガスはＧ／Ｅ発電へ送り発電してエネルギ回収される。メタン発酵工程での処理物は固液分離で液分と固形分に分離され、固形分は一部メタン発酵工程に戻入され、他は堆肥化もしくは焼却する。その際の熱エネルギには、発生したメタン含可燃性ガスを利用する。

ところが、下水排水の場合、前記メタン発酵工程での発酵液はアンモニア性のＮ濃度が高く、前記生物処理工程に返送すると、水処理負荷が高くなり水質が悪化する問題があった。

一方、有機性廃棄物、特に生ごみのメタン発酵の発酵液はアンモニア濃度が高く、従ってＢＯＤ／Ｎ比が低いので、これを調節するために、アンモニアストリッピング（脱アンモニア）処理し、ＢＯＤ／Ｎ比を調整後、生物処理することが行われている（例えば、特許文献１参照）。これを図１（ｂ）のフロー図で説明すると、次のようになる。生ごみ家畜糞尿などを受け入れて、分別・破砕などの前処理を行い、必要に応じて可溶化処理後、メタン発酵工程に投入する。メタン発酵工程で発生する可燃性ガスはＧ／Ｅ発電で使用し、その廃熱で蒸気を製造、後述のアンモニアストリッピングの熱源に使用する。メタン発酵工程の発酵液は一部固液分離して固形分を堆肥化等工程で資源化する。一部は膜分離（ろ過）し前記固液分離工程の液分と併せ、アンモニアストリッピング工程に送る。該工程では、前記蒸気で脱アンモニアし、アンモニア性Ｎ濃度を低下させる。ＢＯＤ／Ｎ比を調整したストリップ後処理液は生物処理工程に送り、ＢＯＤ及び薄くなった残余のアンモニア分などを活性汚泥で処理する。処理液は凝沈工程で生成汚泥と上澄み液とに分離し、上澄み液は放流前にＣＯＤなどを吸着させる活性炭処理工程を通して、放流する。アンモニアストリッピング工程で発生するアンモニアガスは触媒酸化工程を設け、ここで酸化処理するか、回収工程を設け、液体アンモニアとして回収する。

しかし、これには以下のような解決すべき問題点を抱えている。即ち、ストリッピングのために必要な蒸気を確保すると、メタン発酵工程で得た可燃性ガスがその分消費され、発電によるエネルギ回収量が少なくなる。除去したアンモニアガスを処理するため、高価な触媒酸化装置が必要で、加えて触媒などのランニングコストがかかる。アンモニアが高濃度（１０％以上）なら回収も可能だが、回収装置が必要で、しかも炭酸ガスが含まれているので、装置内でアンモニア塩が析出して閉塞トラブルが発生し、円滑な回収運転ができない。

また、特許文献２では、総合的有機性廃棄物処理方法及び装置として、次の技術を開示している。この技術は、メタン発酵処理後の湿潤性有機廃棄物を乾燥させる場合のように、湿潤性の廃棄物を乾燥させるためには、乾燥させる水分の蒸発熱に相当するエネルギ量の化石燃料が必要になりランニングコストが非常に大きくなるという問題意識から発して、前記メタンガスを発電機用燃料としてガスタービンに導入するとともに、廃プラスチックス類などの固形性廃棄物を熱分解して得た熱分解ガス発電機用燃料としてガスタービンに導入してエネルギを回収し、併せて該タービンの廃熱で前記メタン発酵処理後の湿潤性有機廃棄物を乾燥させるというものである。

しかし、メタン発酵で生成する固形分を処理する熱源の確保はできるものの、その際に排出する乾燥機からの排ガスには、アンモニアを含んでいるので、それを処理しなければならい問題が依然として内在している。

特開２００１−７０９１５号公報特開２００１−２７６７７２号公報

従って、本発明は上記従来の技術の問題点に鑑みなされたもので、下水廃水、生ごみ家畜糞尿などの有機性廃棄物と木質系バイオマスを複合処理することにより、有機性廃棄物の処理に伴い必然的に発生するアンモニア分を、そのシステム内で自律的に処理できて、しかも効率のよいエネルギ及び資源回収が可能な方法及び設備の提供を目標とする。

そこで本発明はメタン発酵液の高Ｎ負荷対策として行うアンモニアストリッピング（脱アンモニア）用熱エネルギ不足に対し、木質系バイオマスの焼却やガス化エネルギを活用し、Ｎ負荷を低減して水処理システムに返送する有機性廃棄物の複合処理方法を提案する。

本発明の有機性廃棄物の複合処理方法は、有機性廃棄物を処理する工程中に、少なくともメタン発酵工程を有する有機性廃棄物の処理方法において、前記メタン発酵後の処理液を脱アンモニアする工程と、木質系バイオマスを燃焼して、熱保有ガスを発生する燃焼工程を有し、該熱保有ガスを使用して前記脱アンモニア工程の補助熱源とすることを特徴とする。

ここで木質系バイオマスに着眼したのは、高い固形分で、熱が有効に採れるからである。熱保有ガスを発生する燃焼工程とは、例えば流動床燃焼炉であり、木質系バイオマスは破砕・粉砕などの前処理をして流動床で燃焼させ、その熱保有ガスでボイラを加熱して蒸気を発生させる。そして、その蒸気はスチームタービン発電機経由で脱アンモニア工程へ送られ、使用される。

本発明の有機性廃棄物の複合処理方法は、有機性廃棄物を処理する工程中に、少なくともメタン発酵工程を有する有機性廃棄物の処理方法において、前記メタン発酵後の処理液を脱アンモニアする工程と、木質系バイオマスを熱分解して、炭化物及び熱分解ガスを発生する熱分解工程を有し、該熱分解ガスを使用して前記脱アンモニア工程の補助熱源とすることを特徴とする。

前記の直接燃焼に代え、一旦熱分解して、分解ガスと炭化物を取得し、分解ガスを脱アンモニア熱源とする方法であり、分解ガスであると利用の仕方に、複数の選択が可能であるし、後述するように炭化物のシステム内利用が可能となる。

更に、本発明の有機性廃棄物の複合処理方法は、前記有機性廃棄物の複合処理方法において、前記メタン発酵工程で発生する可燃性ガスを使用して発電するガスエンジン発電工程を更に有し、生ごみ及び家畜糞尿処理工程の附加によって発電量を増加したことを特徴とする。

メタン発酵工程で発生する可燃性ガスは、ガスエンジン発電工程を付帯させてエネルギ回収を行うが、下水処理系のみではエネルギ量が小さいので、高エネルギ源の生ごみ及び家畜糞尿処理を加えて、発電量を増し、発電装置の有効利用を図る。この場合、生ごみ及び家畜糞尿は高Ｎ源であるが、本発明の対策により心配ない。

下水系の余剰汚泥と生ごみ家畜糞尿系の有機性廃棄物をメタン発酵し、固液分離して得られるような処理液は通常そのＢＯＤ／Ｎ比がおよそ１程度若しくはそれを下回るくらい低い。前記したように廃水処理設備中の生物処理ではこのような廃水は処理不可能である。しかし本発明においては、脱アンモニア工程を経て、好気性生物処理可能な程度、即ちＢＯＤ／Ｎ比がおよそ３以上に高まっている。よって、脱アンモニア後の処理水は、生物処理工程に戻入しても、首尾良く活性汚泥で脱窒素可能である。

従って、本発明の有機性廃棄物の複合処理方法は、前記メタン発酵工程前に好気性生物処理工程を有し、前記脱アンモニア工程で脱アンモニア後の処理水を当該好気性生物処理工程に戻入するを特徴とする。

更に、本発明の有機性廃棄物の複合処理方法は、前記有機性廃棄物処理方法が処理水放流直前の活性炭処理工程を有し、前記熱分解工程で得られる炭化物を該活性炭処理工程で利用することを特徴とする。

最終的に処理水はこれまでに処理しきれなかった、ＣＯＤやＳＳの除去を行う砂ろ過とともに活性炭処理を行う工程を必要とし、この工程に先で得られた炭化物が（賦活工程を経て）利用可能である。

更に、本発明の別の側面としての有機性廃棄物の複合処理設備は、有機性廃棄物を処理する設備中に、少なくともメタン発酵装置を有する有機性廃棄物の処理設備において、前記メタン発酵後の処理液を脱アンモニアする脱アンモニア装置と、木質系バイオマスを燃焼して熱保有ガスを発生する燃焼装置を有し、該熱保有ガスを使用して前記脱アンモニア装置の補助熱源とすることを特徴とする。

更に、本発明の有機性廃棄物の複合処理設備は、有機性廃棄物を処理する設備中に、少なくともメタン発酵装置を有する有機性廃棄物の処理設備において、前記メタン発酵後の処理液を脱アンモニアする脱アンモニア装置と、木質系バイオマスを熱分解して炭化物及び熱分解ガスを発生する熱分解装置を有し、該熱分解ガスを使用して前記脱アンモニア工程の補助熱源とすることを特徴とする。

更に、本発明の別の側面としての有機性廃棄物の複合処理設備は、前記メタン発酵装置で発生する可燃性ガスを使用して発電するガスエンジン発電装置を更に備え、生ごみ及び家畜糞尿処理装置の附加によって発電量を増加したことを特徴とする。

更に、本発明の別の側面としての有機性廃棄物の複合処理設備は、前記メタン発酵装置前段に好気性生物処理装置を有し、前記脱アンモニア装置で脱アンモニア後の処理水を当該好気性生物処理装置に戻入する戻入手段を有することを特徴とする。

更に、本発明の別の側面としての有機性廃棄物の複合処理設備は、前記有機性廃棄物の処理設備が処理水放流直前の活性炭処理装置を有し、前記熱分解装置で得られる炭化物を該活性炭処理装置で利用することを特徴とする。

以上説明したように、本発明の効果は、以下のようにまとめることができる。
（１）下水処理のメタン発酵に生ごみや家畜糞尿などの有機性廃棄物を受け入れ、発電量を増加させることができる。
（２）メタン発酵処理液を脱アンモニア（アンモニアストリッピング）して、Ｎ負荷を低減して、もともと存在する水処理システムに戻入することができる。
（３）木質系バイオマスを燃焼、ガス化して得られるエネルギを利用してアンモニアストリッピングが他のエネルギ回収、資源回収をむしろプラスの影響を与えながら可能となる。
（４）木質系バイオマス処理で発生する炭化物や活性炭は、水処理システムで有効利用できる。
（５）木質系バイオマスの新たな利用方法であるとともに、各種の廃棄物を総合的にバランスさせて処理可能である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図２は本発明の第一の実施例の工程若しくは装置を示すフロー図である。図２において、

〈下水排水系〉下水排水は５０，０００ｍ^３／ｄ（人口１０万人分）の規模で受け入れ、スクリーンにより大型の固形物質を除去し、沈砂池で無機質系の固形物を沈降させ、最初沈殿池に送る。ここで、有機系の固形物を沈殿させ、生物処理工程に送る。生物処理工程は通常活性汚泥による好気性生物処理で、曝気をしながら行い、汚泥を生成する。生成汚泥は次の最終沈殿池で沈殿し、一部は生物処理工程に返送するが（図示せず）、大部分は余剰汚泥として、固液分離して取得した汚泥固形分３００ｍ^３／ｄをメタン発酵工程に送る。固形分離工程での上澄み液は最初沈殿池へ返送する。前記最終沈殿池の上澄み液は殺菌等工程を経て、未だ残存する微量のＣＯＤやＳＳを砂ろ過活性炭処理工程にかけて後、河川などに放流する。

〈生ごみ家畜糞尿系〉一方、生ごみ家畜糞尿などは、５０ｔ／ｄ（ＣＯＤｃｒ２５％）の規模で受け入れ、破砕分別などの前処理後、必要により可溶化工程で、次工程の発酵を促進・完結させる準備をし、メタン発酵工程に送る。これは前記生物処理の汚泥と併せて、充分な量の発酵工程の原料となり、これにより得られる可燃性ガスによるエネルギを後述のアンモニアストリッピング（脱アンモニア）に使用する。メタン発酵工程で発生する可燃性ガスは、Ｇ／Ｅ発電工程で６００ｋＷの発電をし、更に１２，８００ｋｇ／ｄの蒸気を発生する。メタン発酵工程での発酵液は固液分離し、固形分は堆肥化若しくは焼却する。アンモニアを１，２７１ｍｇＮ／ｌの濃度で含む液分３５０ｍ^３／ｄはストリップ工程でストリップし、アンモニア濃度２５４ｍｇＮ／ｌに低減して、前記最初沈殿池に戻入して、生物処理する。

〈木質系バイオマス系〉更に、木質系バイオマス、１００ｔ／ｄ（含水率２６．８％）を受け入れて、粉砕などの前処理をし、流動床燃焼炉で燃焼し、８５０℃の熱保有ガスを得る。該流動床燃焼炉には、前記ストリッピング工程でストリップしたアンモニアガス３５６ｋｇＮ／ｄを送入して、燃焼処理する。流動床燃焼炉後段のボイラにより蒸気を製造し、その一部で２，１９８ｋＷのＳ／Ｔ発電をし、残余の蒸気５７，２００ｋｇ／ｄは前記アンモニアストリッピング工程に、前記メタン発酵ガスから得られた蒸気１２，８００ｋｇ／ｄと併せて使用する。３００℃の余熱を有するボイラ排ガスは、前記メタン発酵液固形分の堆肥化燃焼工程の乾燥熱源若しく燃焼空気余熱用熱源として利用する。

図３は本発明の第二の実施例の工程若しくは装置を示すフロー図である。図３において、

〈下水排水系〉下水排水系は実施例１と同様である。

〈生ごみ家畜糞尿系〉生ごみ家畜糞尿系は実施例１と同様である。

〈木質系バイオマス系〉受け入れ木質系バイオマス１００ｔ／ｄ（含水率２６．８％）は、前処理して、炭化ガス炉中５００℃で炭化ガス化する。ここで発生する熱分解ガスを後段のボイラで空気とともに燃焼して、１０００℃の熱保有ガスを得、蒸気を製造する。該蒸気の一部を使用してＳ／Ｔ発電を行い、１２２５ｋＷの発電をする。残余の蒸気５７，２００ｋｇ／ｄは、メタン発酵工程の可燃性ガスによるＧ／Ｅ発電副生蒸気１２，８００ｋｇ／ｄと併せアンモニアストリッピングに使用する。ストリッピングで発生するアンモニアガスは炭化ガス炉に送入して、分解・燃焼する。炭化ガス工程からは炭化物１４．６ｔ／ｄが得られる。更に、ボイラ排ガスは実施例1同様、メタン発酵液固形分の堆肥化・燃焼工程の乾燥熱源若しく燃焼空気余熱用熱源として利用する。

図４は本発明の第三の実施例の工程若しくは装置を示すフロー図である。図４において、

〈下水排水系〉下水排水系は実施例１と同様である。

〈生ごみ家畜糞尿系〉生ごみ家畜糞尿系は発生アンモニアガスの処理経路とＧ／Ｅ発電の発電量を除いては実施例１と同様であるが、木質バイオマス系の熱分解ガスを改質精製して前記Ｇ／Ｅ発電に廻すので、発電量３，０９８ｋＷとが大きくなりエネルギ回収率が向上する。但し、後述するように木質バイオマス系にアンモニアガスの処理可能工程がないので、触媒酸化工程若しくはアンモニア回収工程を設けて、ストリッピングにより発生する３５６ｋｇＮ／ｄのアンモニアガスを処理する。

〈木質系バイオマス系〉受け入れ木質系バイオマス１００ｔ／ｄ（含水率２６．８％）は、前処理して、炭化ガス炉中５００℃で炭化ガス化する。ここで発生する熱分解ガスは後段の改質炉中１０００℃の温度で、酸素を加えて改質する。得られる粗改質ガスは熱回収し、温度を２００℃に下げて精製し、主成分（Ｈ_２，ＣＯ）の改質ガスとしてＧ／Ｅ発電に向ける。

図５は本発明の第四の実施例の部分的な工程若しくは装置を示すフロー図である。〈下水排水系〉〈生ごみ家畜糞尿系〉〈木質系バイオマス系〉ともに、実施例２（図３）若しくは実施例３（図４）に同じであるが、図５において、炭化ガス化工程で取得した炭化物を、賦活化工程を設けて、活性炭を製造する。

図６は本発明の第五の実施例の部分的な工程若しくは装置を示すフロー図である。〈下水排水系〉は実施例１と同様であるが、図６において、〈生ごみ家畜糞尿系〉に関るメタン発酵液の固液分離後の固形分を実施例２の〈木質バイオ系〉の流動床燃焼炉（ａ）若しくは実施例3の〈木質バイオ系〉の炭化ガス化炉（ｂ）へ投入する経路を設け、該固形分を戻入しエネルギ回収率を向上させる。

図７は本発明の第六の実施例の部分的な工程若しくは装置を示すフロー図である。

〈下水排水系〉は実施例１と同様であるが、図７において、〈生ごみ家畜糞尿系〉に関るメタン発酵液の固液分離後の固形分を実施例４の〈木質バイオ系〉〈木質バイオ系〉の炭化ガス化炉へ投入する経路を設け、該固形分を戻入しエネルギ回収率を向上させる。

図８は本発明の第七の実施例の部分的な工程若しくは装置を示すフロー図である。図８において、前記実施例４で製造した活性炭を〈下水排水系〉の最終工程の砂ろ過・活性炭処理工程に用いるようにし、自給自足的に資源を賄うようにする。

図９は本発明の第八の実施例の部分的な工程若しくは装置を示すフロー図である。図９において、前記実施例４で製造した活性炭を〈生ごみ・家畜糞尿系〉の堆肥化工程に投入して、堆肥の改質を図った。

本発明は、木質系バイオマスに着眼し、有機性廃棄物を総合して処理するシステムを構築し、その中で最適なマテリアルバランスを実現することで、自律的にエネルギバランスを保ち、エネルギ及び資源回収の効率向上を可能とした。従って特定産業分野（林業、農水産業、食品業、建設業など）の産業廃棄物と生活廃棄物を複合して処理する有望なシステムである。

（ａ）従来の下水排水処理の工程若しくは装置を示すフロー図である。（ｂ）従来の生ごみ家畜糞尿などの有機性廃棄物をメタン発酵で処理する工程若しくは装置を示すフロー図である。本発明の第一の実施例の工程若しくは装置を示すフロー図である。本発明の第二の実施例の工程若しくは装置を示すフロー図である。本発明の第三の実施例の工程若しくは装置を示すフロー図である。本発明の第四の実施例の部分的な工程若しくは装置を示すフロー図である。本発明の第五の実施例の部分的な工程若しくは装置を示すフロー図である。本発明の第六の実施例の部分的な工程若しくは装置を示すフロー図である。本発明の第七の実施例の部分的な工程若しくは装置を示すフロー図である。本発明の第八の実施例の部分的な工程若しくは装置を示すフロー図である。

Claims

有機性廃棄物を処理する工程中に、少なくともメタン発酵工程を有する有機性廃棄物の処理方法において、前記メタン発酵後の処理液を脱アンモニアする工程と、木質系バイオマスを燃焼して、熱保有ガスを発生する燃焼工程を有し、該熱保有ガスを使用して前記脱アンモニア工程の補助熱源とすることを特徴とする有機性廃棄物の複合処理方法。
有機性廃棄物を処理する工程中に、少なくともメタン発酵工程を有する有機性廃棄物の処理方法において、前記メタン発酵後の処理液を脱アンモニアする工程と、木質系バイオマスを熱分解して、炭化物及び熱分解ガスを発生する熱分解工程を有し、該熱分解ガスを使用して前記脱アンモニア工程の補助熱源とすることを特徴とする有機性廃棄物の複合処理方法。
請求項１若しくは２記載の有機性廃棄物の複合処理方法において、前記メタン発酵工程で発生する可燃性ガスを使用して発電するガスエンジン発電工程を更に有し、生ごみ及び家畜糞尿処理工程の附加によって発電量を増加したことを特徴とする有機性廃棄物の複合処理方法。
前記メタン発酵工程前に生物処理工程を有し、前記脱アンモニア工程で脱アンモニア後の処理水を当該生物処理工程に戻入することを特徴とする請求項１若しくは２記載の有機性廃棄物の複合処理方法。
前記有機性廃棄物処理方法が処理水放流直前の活性炭処理工程を有し、前記熱分解工程で得られる炭化物を該活性炭処理工程で利用することを特徴とする請求項２記載の有機性廃棄物の複合処理方法。
有機性廃棄物を処理する設備中に、少なくともメタン発酵装置を有する有機性廃棄物の処理設備において、前記メタン発酵後の処理液を脱アンモニアする脱アンモニア装置と、木質系バイオマスを燃焼して熱保有ガスを発生する燃焼装置を有し、該熱保有ガスを使用して前記脱アンモニア装置の補助熱源とすることを特徴とする有機性廃棄物の複合処理設備。
有機性廃棄物を処理する設備中に、少なくともメタン発酵装置を有する有機性廃棄物の処理設備において、前記メタン発酵後の処理液を脱アンモニアする脱アンモニア装置と、木質系バイオマスを熱分解して炭化物及び熱分解ガスを発生する熱分解装置を有し、該熱分解ガスを使用して前記脱アンモニア工程の補助熱源とすることを特徴とする有機性廃棄物の複合処理設備。
請求項１若しくは２記載の有機性廃棄物の複合処理設備において、前記メタン発酵装置で発生する可燃性ガスを使用して発電するガスエンジン発電装置を更に備え、生ごみ及び家畜糞尿処理装置の附加によって発電量を増加したことを特徴とする有機性廃棄物の複合処理設備。
前記メタン発酵装置前段に生物処理装置を有し、前記脱アンモニア装置で脱アンモニア後の処理水を当該生物処理装置に戻入する戻入手段を有することを特徴とする請求項６若しくは７記載の有機性廃棄物の複合処理設備。
前記有機性廃棄物の処理設備が処理水放流直前の活性炭処理装置を有し、前記熱分解装置で得られる炭化物を該活性炭処理装置で利用することを特徴とする請求項７記載の有機性廃棄物の複合処理設備。