JP2014213268A - 有機性廃棄物の処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、有機性廃棄物の処理量の増加と有機成分の再資源化が可能な手段を提供する。【解決手段】本発明は、少なくとも下記（Ａ）〜（Ｄ）の装置からなる有機性廃棄物の処理システムである。（Ａ）有機性廃棄物を下記メタン発酵装置に供給するための廃棄物供給装置（Ｂ）メタン菌担持中空糸膜モジュール、ろ過膜、散気装置、および超音波発生器を含むメタン発酵装置（Ｃ）脱硫および脱二酸化炭素装置、および水分除去装置を含むメタン分離装置（Ｄ）発酵により生成した余剰汚泥および膜ろ液を原料の一部に用いてセメントクリンカーを焼成するためのセメントクリンカー焼成装置【選択図】図１

Description

本発明は、下水汚泥、畜糞、生ごみ等の有機性廃棄物をメタン発酵により処理する処理システムに関する。

平成２１年版の「環境循環社会白書」（環境省編）によれば、有機性廃棄物は年間約３．２億トンも発生している。従来、その多くは焼却により減容化され、焼却灰は埋め立て処分されていた。しかし、現在、埋立て処分場が逼迫し、埋め立てが困難になりつつある。したがって、廃棄物のリサイクルが高度に進んだ環境循環社会を早期に構築することが、社会的な課題になっている。

ところで、セメント協会の資料によれば、平成２１年度の汚泥とスラッジの使用量は、セメント業界全体で約２６０万トンであり、これは前記の年間発生量のたかだか１％程度に過ぎない。したがって、セメント分野において、廃棄物の処理量をさらに増やすことができれば、環境循環社会の進展に大きく貢献できると期待される。
かかる状況を受けて、有機性廃棄物の一つである含水汚泥を、直接、セメントキルンに導入して焼却する方法（特許文献１）等のリサイクル技術が提案されている。
しかし、該方法は、有機性廃棄物の焼却により生じた残渣を、セメントクリンカー原料として再資源化するに止まり、有機性廃棄物中の有機成分は再資源化していない。

特開平０８−２７６１９９号公報

そこで、本発明の課題は、有機性廃棄物の処理量の増加と、有機成分の再資源化が可能な手段を提供することにある。

本発明者らは、前記手段を検討した結果、下記の有機性廃棄物の処理システムは前記課題を達成できることを見い出し、本発明を完成させた。
［１］少なくとも下記（Ａ）〜（Ｄ）の装置からなる、有機性廃棄物の処理システム。
（Ａ）有機性廃棄物を下記メタン発酵装置に供給するための、廃棄物供給装置
（Ｂ）下記(i)〜(iv)の部材等を含む、メタン発酵装置
(i)メタンを含むバイオガスを生成させるためのメタン菌担持中空糸膜モジュール
(ii)有機性廃棄物と、バイオガスおよび膜ろ液とを固−気液分離するためのろ過膜
(iii)バイオガスの一部を循環させてメタン発酵装置内に散気するための散気装置
(iv)前記中空糸膜モジュールとろ過膜の目詰まりを防止するための超音波発生器
（Ｃ）下記（v）および（vi）の装置を含む、メタン分離装置
（v）前記固−気液分離して得たバイオガスおよび膜ろ液から、メタン（水分を含む。）を分離するための、脱硫および脱二酸化炭素装置
（vi）前記脱硫および脱二酸化炭素装置の後に、メタンから水分を除去するための水分除去装置
（Ｄ）発酵により生成した余剰汚泥および膜ろ液を原料の一部に用いてセメントクリンカーを焼成するための、セメントクリンカー焼成装置

［２］さらに、前記メタン分離装置の後に、メタンを貯蔵するためのメタン貯蔵タンクを含む、前記［１］に記載の有機性廃棄物の処理システム。
［３］さらに、前記セメントクリンカー焼成装置において発生した排ガスと熱交換するための熱交換装置を含む、前記［１］または［２］に記載の有機性廃棄物の処理システム。
［４］さらに、前記ろ過膜がメタン菌を担持してなる、前記［１］〜［３］のいずれかに記載の有機性廃棄物の処理システム。
［５］前記ろ過膜の耐圧強度が２００ｋＰａ以上である、前記［１］〜［４］のいずれかに記載の有機性廃棄物の処理システム。

本発明の有機性廃棄物の処理システムは、有機性廃棄物の処理量を増やすことができるほか、有機性廃棄物中の有機成分からメタンを、無機成分からセメントクリンカーを製造することができる。

本発明の有機性廃棄物の処理システムの一例を示す図である。 本発明で用いるメタン菌担持中空糸膜の一例を示す図である。

本発明の有機性廃棄物の処理システムは、前記のとおり、（Ａ）廃棄物供給装置、（Ｂ）メタン発酵装置、（Ｃ）メタン分離装置、および（Ｄ）セメントクリンカー焼成装置を必須の装置として含み、さらにメタン貯蔵タンクと熱交換装置を任意の装置等として含む。
以下、本発明について、前記（Ａ）〜（Ｄ）の装置に分け、図１と図２を参照しながら説明する。

（Ａ）廃棄物供給装置
該装置１１は、有機性廃棄物スラリーをメタン発酵装置に供給するための装置であり、例えば、ギヤポンプ、スラリーポンプ、スクリューフィーダ、スクリューコンベア、定量供給ホッパ等が挙げられる。前記廃棄物スラリーの固形分濃度は、固形分濃度が高いほどメタンの発生量が高いが、固形分濃度が高すぎると有機物負荷量当たりのメタンの発生効率が低下し、また膜ろ過による有機性廃棄物の固−気液分離が困難になるおそれがある。したがって、メタン発酵効率と膜ろ過効率のバランスを勘案して、前記固形分濃度の下限は、好ましくは５０００ｍｇ／Ｌ、より好ましくは１００００ｍｇ／Ｌであり、前記固形分濃度の上限は、好ましくは５００００ｍｇ／Ｌ、より好ましくは４００００ｍｇ／Ｌである。なお、前記有機性廃棄物の固形分濃度とは、下水試験法に従って測定されるＳＳ濃度（浮遊物質濃度）をいう。

本発明が対象とする有機性廃棄物は、下水汚泥、し尿汚泥、浄化槽汚泥、食品残渣、食品工場等から発生する工場排水の処理汚泥、畜糞、生ごみ、および草木等から選ばれる１種以上が挙げられる。
前記下水汚泥は、下水処理場において下水や排水などの汚水を処理する過程で得た有機物や無機物を含む泥状物である。下水汚泥には、該泥状物を嫌気性条件下で微生物処理（消化）して得られる消化汚泥や、下水汚泥を遠心分離等により脱水して得られる含水率が７０〜９０質量％程度の脱水汚泥も含む。また、前記畜糞は、産卵鶏、育成鶏、ブロイラー等の家禽や、豚、牛、馬、羊、ヤギ等の家畜の糞で、その含水率は、通常、６０〜８５質量％程度である。

前記廃棄物はスラリーとして供給され、スラリー中の水と有機性廃棄物の混合比率は、廃棄物の粒度や含水率等に応じて、適宜、決定する。また、スラリーの調製に用いる水は廃棄物中の水分や工業用水に限られず、メタン発酵に悪影響を及ぼさないものなら用いることができ、セメント工場で発生する廃水やセメント工場で受け入れている廃水等を用いてもよい。
また、メタン発酵を促進するため、前記スラリーに、鉄、銅、セレン、コバルト、マンガン、タングステン、ニッケル、モリブデン、ホウ素、および亜鉛等から選ばれる１種以上の化合物を添加してもよい。

（Ｂ）メタン発酵装置
該装置１２は、メタン菌担持中空糸膜モジュール１７、ろ過膜１８、散気装置２５、および超音波発生器２７を含む。また、発酵効率を上げるために、さらに該装置１２内に撹拌翼２８を設置してもよい。
前記メタン菌担持中空糸膜モジュール１７は、メタン菌４１（図２中、球で示す。）を担持した中空糸膜４の集束体である。前記メタン菌は、MethanosaetaやMethanosarcina等が挙げられる。

中空糸膜４の内部を負圧にすることにより、廃棄物スラリーから分離して中空糸膜４の内側へ透過したろ液およびバイオガス（主成分はメタンと二酸化炭素）は、下流に設置されたメタン分離装置１３に送られる。また、廃棄物スラリー中の水分やメタンが中空糸膜４の外側から内側へ透過することにより、中空糸膜４の外面に有機性廃棄物が濃縮してメタン発酵効率が向上する。

ろ過膜１８は、廃棄物スラリー中に存在するバイオガスとろ液を廃棄物スラリーから分離する機能を有する。
また、ろ過膜１８は、前記メタン菌担持中空糸膜４と同様に、メタン菌を担持させることができる。ここで、中空糸膜およびろ過膜の材質は、メタン菌の担持能力が高いことから、好ましくは、セルロース、デキストラン、アガロース等の多糖類の誘導体、アミノ酸共重合物、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、エチレン−ビニルアルコール重合体、ポリ塩化ビニリデン樹脂、架橋ポリアクリルアミドゲル等から選ばれる１種以上である。これらの中でも、長期間にわたり親水性を維持する点で、より好ましくは、エチレン−ビニルアルコール重合体、または親水性がより高いポリビニルアルコールを表面に塗布した樹脂である。

また、メタン菌を担持したろ過膜１８は、図１に示すように、メタン発酵装置１２内の廃棄物スラリー面に蓋状に設置すると、廃棄物スラリーから自然に分離して、廃棄物スラリー上面に貯留している廃棄物からの水分やメタンガスがろ過膜１８の下から上へ透過するため、該ろ過膜１８の下面に有機性廃棄物が濃縮しメタン発酵効率が向上する。また、ろ過膜１８の上面にあるヘッドスペース３１には、バイオガスと膜ろ液が貯留する。さらに、該ろ過膜１８に対して加重（加圧）すると、有機性廃棄物の濃縮度やバイオガスと膜ろ液の貯留量が増加する。前記加重する場合、該ろ過膜１８の耐圧強度は２００ｋＰａ以上が好ましい。

メタン菌担持中空糸膜４およびメタン菌担持ろ過膜１８におけるメタン発酵の効率を高めるためは、これらの孔径は、好ましくはＭＦ（精密ろ過：２０〜２０００ｎｍ）〜ＵＲ（限外ろ過：１〜１００ｎｍ）であり、より好ましくは、ろ過速度が低いためメタン菌との接触時間がより長いＵＲである。

メタン発酵装置１２中の廃棄物スラリー温度は、下限が好ましくは２５℃、より好ましくは３０℃であり、上限は好ましくは６５℃、より好ましくは６０℃である。該温度範囲であればメタン発酵の効率は高い。

廃棄物スラリーの加温は、ヒーターを用いて廃棄物スラリーを加温するほかに、ヘッドスペース３１に貯留したバイオガスの一部を散気装置２５に循環する途中で、熱交換装置２１によりセメントクリンカー焼成装置１６で生じた排ガスと熱交換してバイオガスを加熱し、該バイオガスを散気装置２５でバブリングして、廃棄物スラリーを加温してもよい。さらに、メタン分離装置１３で回収した水をメタン発酵装置１２に循環する途中で、前記排ガスと熱交換して回収水を加熱し、該回収水をメタン発酵装置１２に注入して、廃棄物スラリーを加温することもできる。これらの排ガス中の廃熱を利用した加温方法を採用することにより、エネルギーを有効利用できる。

また、メタン発酵装置１２内の廃棄物スラリーの温度をモニタリングして、該装置内の温度が前記範囲になるように前記排ガスの流量を調節すれば、発酵プロセスの効率が安定し、かつ高く維持できる。さらに、寒冷期における保温材等の使用や、温暖期における天板面への散水等も、廃棄物スラリー温度の変動抑制に有効な手段である。

また、中空糸膜やろ過膜の目詰まりを防止する手段として、ヘッドスペース３１に貯留したバイオガスを散気装置２５に循環してバブリングする方法、撹拌翼２８を設置して機械的に撹拌する方法、超音波発生器２７をメタン発酵装置１２の内部に設置して超音波を発生する方法、およびメタン分離装置１３に貯留した水を用いて定期的に中空糸膜やろ過膜を逆洗する方法等が挙げられる。

（Ｃ）メタン分離装置
該装置１３は、脱硫および脱二酸化炭素装置２９および水分除去装置３０からなる、バイオガスおよび膜ろ液からメタンを分離するための装置であり、おもに脱硫、二酸化炭素および水分の除去を行うことによりメタンを分離する。該脱硫および脱二酸化炭素装置２９で行う脱硫は、乾式脱硫法（酸化鉄脱硫法）、湿式脱硫法、および生物脱硫法等が挙げられる。これらの中でも、維持管理のし易さやランニングコストの観点から、生物脱硫法が好ましい。また、二酸化炭素は水溶性、メタンは難溶性である性質を利用して、バイオガスを水に通すことにより水に難溶性であるメタンを精製できる。
水分除去装置３０は、該脱硫および脱二酸化炭素装置２９の後に設置され、シリカゲル等の乾燥剤、モレキュラーシーブス等の吸着剤、およびデミスタ等による慣性衝突法等から選ばれる１種以上を用いる。
メタンの精製に用いた水は、前記のとおり、加熱してメタン発酵装置１２に戻すか、または中空糸膜やろ過膜の逆洗等に用いることができる。
前記分離したメタンは貯蔵タンク２６に貯蔵する。

（Ｄ）セメントクリンカー焼成装置
該装置１６は、発酵により生成した余剰汚泥および膜ろ液を原料の一部に用いてセメントクリンカーを焼成するための装置であり、好ましくはロータリーキルンである。
前記余剰汚泥は、メタン発酵により有機成分が減少しているため、発酵前の有機性廃棄物の処理と比べ、処理に必要な量が少なくて済む。したがって、その分、本発明を用いれば、セメント工場における有機性廃棄物の受け入れ量を増やすことができる。また、膜ろ液は、余剰汚泥のハンドリング性を向上させるための滑剤としての機能も有する。

以上述べたように、本発明の有機性廃棄物の処理システムは、（i）有機性廃棄物の処理量を増やすことができ、（ii）有機性廃棄物中の有機成分からメタンを製造することができ、（iii）有機性廃棄物中の無機成分はセメントクリンカー原料の一部として利用することができるため、環境循環社会の構築に貢献し得る技術といえる。

１ 有機性廃棄物の処理システム
１１ 廃棄物供給装置
１２ メタン発酵装置
１３ メタン分離装置
１４ 余剰汚泥排出装置
１５ 膜ろ液排出装置
１６ セメントクリンカー焼成装置
１７ メタン菌担持中空糸膜モジュール
１８ ろ過膜
２１、２２ 熱交換装置
２５ 散気装置
２６ 貯蔵タンク
２７ 超音波発生器
２８ 撹拌翼
２９ 脱硫および脱二酸化炭素装置
３０ 水分除去装置
３１ ヘッドスペース
３２ バルブ
４ メタン菌担持中空糸膜
４１ メタン菌（球で示す。）

Claims (5)

1. 少なくとも下記（Ａ）〜（Ｄ）の装置からなる、有機性廃棄物の処理システム。
   （Ａ）有機性廃棄物を下記メタン発酵装置に供給するための、廃棄物供給装置
   （Ｂ）下記(i)〜(iv)の部材等を含む、メタン発酵装置
   (i)メタンを含むバイオガスを生成させるためのメタン菌担持中空糸膜モジュール
   (ii)有機性廃棄物と、バイオガスおよび膜ろ液とを固−気液分離するためのろ過膜
   (iii)バイオガスの一部を循環させてメタン発酵装置内に散気するための散気装置
   (iv)前記中空糸膜モジュールとろ過膜の目詰まりを防止するための超音波発生器
   （Ｃ）下記（v）および（vi）の装置を含む、メタン分離装置
   （v）前記固−気液分離して得たバイオガスおよび膜ろ液から、メタン（水分を含む。）を分離するための、脱硫および脱二酸化炭素装置
   （vi）前記脱硫および脱二酸化炭素装置の後に、メタンから水分を除去するための水分除去装置
   （Ｄ）発酵により生成した余剰汚泥および膜ろ液を原料の一部に用いてセメントクリンカーを焼成するための、セメントクリンカー焼成装置
2. さらに、前記メタン分離装置の後に、メタンを貯蔵するためのメタン貯蔵タンクを含む、請求項１に記載の有機性廃棄物の処理システム。
3. さらに、前記セメントクリンカー焼成装置において発生した排ガスと熱交換するための熱交換装置を含む、請求項１または２に記載の有機性廃棄物の処理システム。
4. さらに、前記ろ過膜がメタン菌を担持してなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の有機性廃棄物の処理システム。
5. 前記ろ過膜の耐圧強度が２００ｋＰａ以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機性廃棄物の処理システム。

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