JP3810063B2

JP3810063B2 - 有機性固形物の可溶化処理方法及び装置

Info

Publication number: JP3810063B2
Application number: JP2002053199A
Authority: JP
Inventors: 弘一佐藤; 周作濱田; 達也西村; ロベルト正浩芹川; 高史臼井
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: JP2003251299A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機性固形物の可溶化処理に係り、特に、下水汚泥、初沈汚泥、余剰汚泥、食品残さ、動物の糞尿、動物の死骸、動植物性残さ、厨芥などの有機性固形物の可溶化処理方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、廃棄物による環境負荷の増大、最終処分場の残余容量の逼迫、焼却処理に伴うダイオキシン類などの有害化学物質生成といった問題が深刻化する中、資源の有効利用が強く求められており、廃棄物のリサイクルが必要となってきている。そのような中で、下水汚泥を始めとする各種有機性固形物の資源化が大きな課題となっている。
有機性固形物を資源化する方法の一つとして、メタン発酵処理がある。メタン発酵処理は、嫌気性消化菌を用いることで、有機性固形物からメタンガスとしてエネルギーを回収することが可能となり、生物処理のため消費エネルギーも少ない等の利点を持っている。
【０００３】
メタン発酵は、次の３つの過程を経て進行するとされている。
１）微生物の体外酵素によって、基質中の炭水化物、脂質、タンパク質がそれぞれ糖分、脂肪酸、アミノ酸に分解・可溶化される加水分解過程、
２）加水分解過程で生成された低分子有機物質が、プロピオン酸、酪酸及び低級アルコールへと分解される酸生成過程、
３）酸生成過程で生成された有機酸やアルコールから、メタンと二酸化炭素を生成するメタン生成過程。
前記各過程の反応速度は、酸生成＞メタン生成＞加水分解の関係を持ち、加水分解過程が律速段階となる（松川康夫、環境技術、Ｖｏｌ．１３（１１）、７７２、１９８４）。
したがって、有機性固形物のように不溶性固形物を基質としてメタン発酵を行う場合には、有機性固形物に可溶化処理（破砕、粉砕、加水分解、熱分解等の物理的もしくは化学的、あるいは物理化学的処理を施し、不溶性有機性固形物を可溶性の有機化合物に変換する処理）を施すことで、消化速度の増大や消化率及びメタン転換率の向上といった効果を期待することができる。
【０００４】
このような背景から、有機性固形物の各種可溶化処理方法が提案されており、例えば、有機性汚泥をアルカリ性にすると共に、有機性汚泥の温度を５０℃〜１００℃に維持する方法、余剰汚泥に湿式媒体撹拌式ミル処理を施す方法、汚泥を超音波で処理する方法等が提案されている。
一方、密閉容器内において、水の存在下で高温、高圧に保持することで、有機性固形物の可溶化処理（以下、水熱可溶化処理と呼ぶ）を行い、メタンガス発生量の増大や消化率の向上を図る方法が提案されている（王偉ら、衛生工学研究論文集、Ｖｏｌ．２４、４１、１９８８）。水熱可溶化処理は、短時間で高効率に可溶化可能であり、酸やアルカリを少量加えて適切な条件を選定することで、有機性固形物を有機酸にまで変換することが可能である。
【０００５】
しかしながら、従来の水熱可溶化処理においては、有機性固形物を十分に可溶化するためには、超臨界状態近傍の高温・高圧条件にまで温度及び圧力を上げる必要があり、低い温度、圧力条件では十分な可溶化効率を得ることは困難であった。また、可溶化が進行すると処理液が著しく着色するため、処理液を最終的に環境中に放出する際には、高度な脱色工程が必要となる問題や、着色成分により後段の発酵工程において、発酵が阻害される可能性があった。さらには、酸やアルカリを加えて高温高圧処理する場合には、金属に対する腐食性が極めて厳しいために、反応器材料に高価な耐食性材料が必要となり、設備の製造コストが高価にならざるを得ない等の問題も生じる。
また、高温・高圧下で有機性被処理液を酸化反応により分解する方法で、超音波を当てる工程を含む方法が提案されているが、この方法では、被処理液中の有機物は、ほぼ完全に酸化分解される可能性があり、被処理液中で有機性固形物を可溶化することは困難と考えられる。また、好適に用いられる温度・圧力が、４００℃〜６５０℃で２０ＭＰａ〜３０ＭＰａと非常に高温高圧処理であり、経済性、安全性の観点からも好ましくない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、低温の水熱可溶化処理条件下において、低コストで有機性固形物を効率よく可溶化することができ、また、処理液の着色を抑制可能とした有機性固形物の可溶化処理方法と装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、有機性固形物を含有する水媒体を、密閉容器内において、１２０℃〜２００℃の温度と前記水媒体が液相を維持する圧力との下に保持して、前記有機性固形物を可溶化処理する方法であって、前記水媒体中に酸又はアルカリを添加し、さらに、前記温度・圧力の下で前記水媒体に超音波を照射することを特徴とする有機性固形物の可溶化処理方法としたものである。
また、本発明では、有機性固形物を含有する水媒体を可溶化処理する密閉容器と、該密閉容器内を、１２０℃〜２００℃の温度と前記水媒体を液相に維持する圧力とに保持する手段と、該密閉容器内の水媒体に酸又はアルカリを添加する添加手段と、該密閉容器内の水媒体に超音波を照射する超音波照射装置とを有することを特徴とする有機性固形物の可溶化処理装置としたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明においては、可溶化処理容器内で超音波を照射することで、可溶化反応が促進される。超音波の照射により、可溶化反応が促進される理由としては、
１）超音波照射により発生するキャビテーションバブル及び圧力波に、有機性固形物の破砕作用があること、
２）キャビテーションバブルの近傍に生成する・Ｈや・ＯＨ等のラジカルが、可溶化反応を促進する作用があること、
３）キャビテーションバブルの圧縮崩壊時に、局所的な超高温高圧雰囲気（数千℃、数百気圧）が生じ、可溶化反応を促進する作用があること、
４）超音波により高温高圧部分と、低温低圧部分が生成し、これが短時間で反転することにより分子の移動速度が大きくなり、分子同士の衝突、分裂が連続的に発生し可溶化反応を促進する作用があること、などが考えられる。
【０００９】
超音波照射により可溶化が促進されることから、水熱可溶化処理を行うに際し、超臨界状態に近い高温高圧状態を必要とせず、可溶化処理の温度・圧力条件を低く設定することができる。したがって、加熱に要するエネルギーを大幅に削減することが可能となり、また、高価な装置材料を必要としないことから、可溶化処理を低コストで安全に行うことが可能となる。さらには、水熱条件下で可溶化処理を行う際には、処理液が着色されることが知られており、反応条件が高温の場合に顕著であるが、本発明では、可溶化処理温度を低く設定できることから、着色を抑制して可溶化処理を行うことが可能となる。
また、前記水媒体に酸又はアルカリを加えることができ、酸又はアルカリの触媒効果で可溶化効率を向上することができる。
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態を示す有機性固形物の可溶化処理装置の概略構成図である。図１に示した有機性固形物の可溶化装置は、有機性固形物供給ライン１、水供給ライン２、酸供給ライン３、アルカリ供給ライン４、水媒体調整タンク５、水媒体供給ライン６、高圧ポンプ７、高圧水媒体供給ライン８、温度調節部９、高温・高圧水媒体供給ライン１０、可溶化反応器１１、超音波発振装置１２及び排出手段１３を主要構成要素とする。
有機性固形物を含有する水媒体を調整する水媒体調整部は、有機性固形物供給ライン１と、水供給ライン２と、酸供給ライン３ａ及びアルカリ供給ライン４ａと、これらの供給ラインと接続されており、これらの供給ラインから供給された有機性固形物や水等を撹拌混合する水媒体調整タンク５を有し、有機性固形物を含有する水媒体を調整することができる。
【００１１】
有機性固形物が、特に下水汚泥、初沈汚泥、余剰汚泥、食品残さ、動物の糞尿、動物の死骸、動植物性残さ、厨芥の少なくとも一つを成分として含む有機性固形物である場合に好適に用いられる。
水媒体中の有機性固形物濃度は１〜１０％が望ましい。前記範囲以下の濃度では、可溶化効率が悪く、前記範囲以上の濃度では、調製した水媒体を可溶化反応器１１に供給することが困難になる。また、水媒体中の有機物濃度は４から１０％がさらに望ましい。
酸供給ライン３（ａ,ｂ,ｃ）及びアルカリ供給ライン４（ａ,ｂ,ｃ）からは、可溶化効率を向上するための酸又はアルカリが便宜に供給される。酸の投入は、上記有機性固形物の性状が、初沈汚泥やセルロース系バイオマス等のようにセルロース質成分が多い場合に、好適に用いられる。一方、アルカリの投入は、上記有機性固形物の性状が、余剰汚泥や食品残さのようにタンパク質、脂質成分を多く含んでいる場合に有効である。
【００１２】
酸の投入によって調整される水媒体のｐＨは、１．０〜６．５が好ましく、特に、１．０〜４．０が好ましい。一方、アルカリの投入によって調整される水媒体のｐＨは、７．５〜１３．０が好ましく、特に、９．０〜１３．０が好ましい。
酸供給ライン３ｂ及びアルカリ供給ライン４ｂは、酸又はアルカリの投入を高圧ポンプ７の下流側で行うものであり、酸又はアルカリによる高圧ポンプ７の劣化を抑制する効果がある。同様に、酸供給ライン３ｃ及びアルカリ供給ライン４ｃは、酸又はアルカリの供給を温度調節部９の下流側で行うものであり、酸又はアルカリによる高圧ポンプ７及び温度調節工程９の劣化を抑制する効果がある。
【００１３】
前記水媒体を水媒体調整部から可溶化反応器１１へ供給する水媒体供給手段は、水媒体調整タンク５に接続された水媒体供給ライン６と高圧ポンプ７を有する。上記高圧ポンプ７には、一般的な高圧ポンプであるプランジャ型ポンプ、ダイヤフラム型ポンプ等が使用可能である。
高圧ポンプ７により圧送された水媒体は、高圧水媒体供給ライン８を経て温度調節部９に導入され、所定の温度に昇温する。この温度調製部９は、一般的な熱交換器及び／又はヒーターを使用することが可能であり、熱交換器の場合には熱源として、排出部１３を経て排出されてくる可溶化処理液を利用することができる。また、周辺に存在する焼却炉や燃料電池等の高温廃熱源を利用することも可能であり、運転経費を大幅に削減することが可能である。
【００１４】
前記可溶化反応器１１は、有機性固形物を含有する水媒体が１２０℃〜３５０℃の温度において、前記水媒体が液相を維持する圧力の下に保持することにより前記有機性固形物に加水分解反応や熱分解反応等を生じさせ、可溶化させるものである。
前記温度・圧力は、１２０℃〜３５０℃、０．５ＭＰａ〜２０ＭＰａの範囲に維持されることが好ましい。前記温度・圧力範囲より低い温度・圧力範囲では、可溶化反応があまり進まず、また、前記温度・圧力より高い温度・圧力範囲では、有機性固形物や可溶化成分が無機化されてしまうため、可溶化効率が悪くなってしまう。可溶化させる温度・圧力範囲は、１２０℃〜２００℃、０．５ＭＰａ〜２０ＭＰａが更に好ましい。
【００１５】
超音波照射は、可溶化処理と同時に行い、超音波発振装置１２は、可溶化反応器１１内に具備される。実施形態例としては、図２の様な形態が考えられる。図２において、反応器１１１及び撹拌機１１４は可溶化反応器１１の主要構成要素である。また、超音波発振子１１２及び超音波発振器１１３は、超音波発振装置１２の主要構成要素である。
超音波発振子１１２は、所定の周波数と出力を有する超音波を可溶化反応器１１内に照射するものであり、その発振は、超音波発振器１１３により制御されている。超音波発振子１１２は、超音波振動子と振動子ケース等から構成され、高温・高圧の水媒体中への超音波照射を可能としている。超音波発振子１１２は、振動子ケースの一部分が水媒体中に投入されるように具備することが好ましく、振動子ケース全体を水媒体中に投入する場合には、振動子ケースを耐圧構造とする必要があり、技術的困難が予想される。また、振動子ケースの材質としては、一般的な構造材料を用いることができ、例えば、炭素鋼、ニッケル基合金、チタン基合金、ステンレス鋼等の鋼を用いることができる。
【００１６】
超音波発振子１１２に用いられる超音波振動子の形状は、板状、棒状、円筒管状、ドーナツ状等のものがあり、板状のものが好適に用いられる。また、超音波振動子の材料には、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電材料が好適に用いられる。照射する超音波の周波数は、５ｋＨｚ〜５ＭＨｚが好ましく、特に５００ｋＨｚ〜２ＭＨｚが好ましい。
排出部１３は、可溶化反応器１１を経て有機性固形物が可溶化された可溶化処理液を外部に排出するためのものであり、ここには図示していない冷却器、減圧弁、気液分離器などを構成要素とする。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
実施例１
有機性固形物モデル物質（トイレットペーパー）１．５ｇを、純水に分散させ１５０ｇとしたものを試料とした。該試料に１Ｎの塩酸を５ｍＬ加え、雰囲気ガスにアルゴン（Ａｒ）ガスを選び、反応温度１５０℃、反応圧力１ＭＰａ、反応時間３０分にて密閉容器内で可溶化処理を行い、可溶化処理開始から終了するまで、超音波を反応容器内に照射した。超音波照射には、チタン酸ジルコン酸鉛製で発振周波数５００ｋＨｚ、出力３０Ｗの超音波振動子〔本多電子（株）〕を用いた。可溶化処理後の処理液は、ほぼ透明の溶液と沈殿物で構成されていた。また、腐食は確認されなかった。結果を表１に示す。
【００１８】
比較例１
超音波を照射せずに、実施例１と同条件で有機性固形物モデル物質の可溶化処理を行った。処理液は、ほぼ透明の溶液と沈殿物で構成されていた。また、腐食は確認されなかった。結果を実施例１と併せて表１に示す。表１に示したように処理液の色度は、実施例１と同程度であったが、溶解性ＣＯＤｃｒ濃度は実施例１に比べて低いものとなった。
【００１９】
比較例２
試料に塩酸を加えていないこと、反応温度が２３０℃であること、反応圧力が３ＭＰａであること以外は比較例１と同条件で、有機性固形物モデル物質の可溶化処理を行った。処理液は茶色を呈した溶液と沈殿物で構成されていた。また、オートクレーブ内には、ところどころ腐食が進行している傾向が観測された。結果を実施例１及び比較例１と併せて表１に示す。表１に示したように、比較例２では実施例１と同程度の溶解性ＣＯＤｃｒを得るために、反応温度２３０℃を必要とした。また、処理液の色度は、実施例１と比較して著しく高いものとなった。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【発明の効果】
本発明の有機性固形物の可溶化処理方法によれば、有機性固形物を含有する水媒体を密閉容器内において１２０℃〜３５０℃の温度に加熱し、前記水媒体が液相を維持する圧力の下に保持して、前記有機性固形物を可溶化する方法において、前記温度・圧力の下で超音波を照射することで、低温域で高効率な水熱可溶化処理が可能となる。したがって、超臨界条件の様な高温・高圧の処理を必要とせず、腐食も抑制されることから、可溶化処理を安全に行うことができ、また、装置材料に安価なものを用いることが可能であること、可溶化処理に必要なエネルギーを大幅に低減可能であることから、低コストで可溶化処理を行うことができる。さらには、処理液の着色を抑制することができ、脱色にかかるコストを大幅に低減可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有機性固形物の可溶化処理装置の一例を示す概略構成図。
【図２】図１の可溶化反応器の一例を示す断面の概略構成図。
【符号の説明】
１：有機性固形物供給ライン、２：水供給ライン、３：酸供給ライン、４：アルカリ供給ライン、５：水媒体調整タンク、６：水媒体供給ライン、７：高圧ポンプ、８：高圧水媒体供給ライン、９：温度調節部、１０：高温・高圧水媒体供給ライン、１１：可溶化反応器、１２：超音波発振装置、１３：排出部、１１１：反応器、１１２：超音波発振子、１１３：超音波発振器、１１４：撹拌機

Claims

有機性固形物を含有する水媒体を、密閉容器内において、１２０℃〜２００℃の温度と前記水媒体が液相を維持する圧力との下に保持して、前記有機性固形物を可溶化処理する方法であって、前記水媒体中に酸又はアルカリを添加し、さらに、前記温度・圧力の下で前記水媒体に超音波を照射することを特徴とする有機性固形物の可溶化処理方法。
有機性固形物を含有する水媒体を可溶化処理する密閉容器と、該密閉容器内を、１２０℃〜２００℃の温度と前記水媒体を液相に維持する圧力とに保持する手段と、該密閉容器内の水媒体に酸又はアルカリを添加する添加手段と、該密閉容器内の水媒体に超音波を照射する超音波照射装置とを有することを特徴とする有機性固形物の可溶化処理装置。