JP4382856B2 - 有機性廃棄物の処理方法及び熱エネルギー利用方法 - Google Patents
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Description
本発明の有機性廃棄物の処理方法は、3つの態様に大別できる。第1は、図1に示す生化学反応領域での現象を利用した処理方法であり、第2は、図1に示す生化学反応領域での現象と化学反応領域での現象とを利用した処理方法であり、第3は、図1に示す化学反応領域での現象を利用した処理方法である。
先ず、第1の処理方法について説明する。第1の処理方法は、静置した状態では酸素が内部に浸透しにくく微生物による生化学反応が起きにくい有機性廃棄物に対し、その生化学反応を促進させるように処理する方法であって、特に泥濘状の有機性廃棄物等の堆肥化・資源化を効率的に実現するものである。詳しくは、その有機性廃棄物の内部に酸素を強制的に供給し、酸素が供給された有機性廃棄物の内部温度を前記生化学反応によって上昇させ、上昇した温度を維持して前記生化学反応を継続し、有機性廃棄物を堆肥化させる方法である。
次に、第2の処理方法について説明する。第2の処理方法は、上記した第1の処理方法と同様、静置した状態では酸素が内部に浸透しにくく微生物による生化学反応が起きにくい有機性廃棄物(特に泥濘状のもの)に対し、その生化学反応を促進させて堆肥化・資源化させる第1反応段階と、さらにその有機性廃棄物を減量化し又は炭化する第2反応段階とを備える処理方法である。詳しくは、その有機性廃棄物の内部に酸素を強制的に供給し、酸素が供給された前記有機性廃棄物の内部温度を前記生化学反応によって上昇させ、上昇した温度を維持して前記生化学反応を継続する第1反応段階と、この第1反応段階後の有機性廃棄物を、酸素と一酸化炭素の存在下に保持して発熱反応を生じさせ、その有機性廃棄物を減量化又は炭化させる第2反応段階とを有する方法である。
次に、第3の処理方法について説明する。第3の処理方法は、上記した第2の処理方法と同じ第2反応段階に係るものであるが、上記した第1及び第2の処理方法とは異なり、泥濘状に限らない有機性廃棄物の減量化・廃棄化を実現するものである。詳しくは、第2の処理方法における第2反応段階と同様、酸素と一酸化炭素の存在下に保持することにより発熱反応が生じる有機性廃棄物を、その有機性廃棄物の温度を少なくとも55℃以上とし、前記一酸化炭素の濃度を50ppm以上とした環境下に置いて発熱反応を生じさせ、前記有機性廃棄物を減量化又は炭化させる方法である。
次に、有機性廃棄物の処理装置について説明する。図2は、本発明の有機性廃棄物の処理装置の一例を示す構成図である。図2に示す処理装置は、有機性廃棄物を密閉環境下に置き、その環境を微加圧状態にして上記本発明の処理方法を適用する装置である。詳しくは、図2に示すように、有機性廃棄物を出し入れ可能に収容する密閉可能な容器2と、その容器2内の圧力を大気圧を超え15気圧以下に制御できる圧力制御装置と、を備えている。
次に、上記本発明の処理方法時の発熱原理を活用した熱エネルギーの利用方法について説明する。本発明の熱エネルギーの利用方法は、上記本発明の第2の観点に係る有機性廃棄物の処理方法を構成する第2反応段階を実施することにより生じた熱、又は、上記本発明の第3の観点に係る有機性廃棄物の処理方法を実施することにより生じた熱、を熱源として利用する方法である。
実験1として、微高圧下での反応実験を行った。実験試料として、宇都宮大学農学部附属農場から採取した乳牛ふんを用い、これを約50〜60%w.b.の含水率に調整し、約15時間30℃で静置した後に実験に供した。実験装置は、図2に示したのと同様の構造形態からなる微高圧反応装置を用い、1Lの反応槽に試料220g(含水率:51.6w.b.%)を入れた。反応槽の排気口を閉じ、空気ボンベから反応槽内に空気を送り、槽内の圧力を1MPaに維持した。この実験は、用いた実験装置の特性を考慮し、温度が約110℃から120℃に達した時点で終了した。
実験2として、常圧下での反応実験を行った。実験試料は、上記実験1のものと同じものを実験に供した。実験装置も実験1と同じ装置を用い、1Lの反応槽に試料250g(含水率:61.0w.b.%)を入れた。反応槽には約0.6L・min−1・kg-vm−1の空気を通気した。約70℃前後の堆肥化温度に到達した後、反応槽の入気口と排気口とを閉じ、常圧下で反応槽を密閉した。この実験も、用いた実験装置の特性を考慮し、温度が約110℃から120℃に達した時点で終了した。なお、実験2においても、実験1と同様のガス分析を行った。
図3は、実験1(微高圧反応実験)と実験2(常圧反応実験)による温度変化を示すグラフである。実験1の微高圧反応実験では、約70℃から約90℃付近まではほぼ直線的に温度が上昇し、その後指数関数的に温度が上昇している。また、実験2の常圧反応実験では、温度は反応槽を密閉した約75℃から実験が終了するまで直線的に上昇した。いずれにおいても、双方とも、通常の堆肥化では起こりえない約120℃もの高温に達した。なお、高温に耐える容器を用いて確認したところ、双方の温度は到達日数の違いはあったが、いずれも200℃まで至ったことを確認している。
実験1と実験2において、得られた温度プロファイルを解析して熱発生速度を算出し、その結果を図4に示した。双方とも常温から約70℃までは、約40℃と約60℃に熱発生速度のピークが観察され、明らかに通常の堆肥化でも観察される中温微生物と高温微生物による活性のピークであると理解される。但し、常圧反応実験のほうが、約70℃までの微生物活性は高いことがうかがえる。
図5は、実験1の微高圧反応実験における温度とガス濃度の変化を示すグラフである。反応開始直後は、微生物の活動により酸素が消費され、酸素濃度が低下し二酸化炭素濃度が上昇した。温度が約80℃付近までは酸素濃度、二酸化炭素濃度ともにほぼ横ばいに推移していたが、約80℃以上で酸素濃度は低下し、二酸化炭素濃度は上昇に転じた。
図6は、実験2の常圧反応実験における温度とガス濃度の変化を示すグラフである。反応開始直後は、微高圧反応と同様に、微生物活動の結果、酸素濃度が低下し二酸化炭素濃度が上昇した。但し、約75℃まで常圧反応実験は通気を行っており、通常の堆肥化反応と変わりないので、一旦低下した酸素濃度は再び上昇し、同様に二酸化炭素濃度も低下した。一方、一酸化炭素濃度は、通常の堆肥化反応でも10〜50ppm程度の一酸化炭素が排出されていた。また、アンモニアは、温度が約70℃以上で高い排出濃度を示した。
図7は、空気と一酸化炭素のみの気体反応実験の温度変化の結果を示すグラフである。PhaseBの反応が、一酸化炭素を中心としたガスのみに因る反応であるならば、空の反応槽に空気と一酸化炭素のみを充填するだけで温度は上昇するはずである。反応槽に空気と一酸化炭素を充填し、温度を約60℃から約80℃に強制的に加温した結果、常圧でも微高圧でも空気と一酸化炭素のみで温度が上昇することが確認された。無論、対照区として空気のみで微高圧反応を行った場合、温度は上昇しなかった。但し、反応槽に空気と「乳牛ふんの微高圧反応後のガス」を混合し、実験を行った結果、一酸化炭素濃度が100ppmのときは温度が上昇したが、一酸化炭素濃度が25ppm以下の時は温度が低下した。温度を上昇させるには最低限の一酸化炭素濃度が必要であると推察された。
図8は、乾燥させた乳牛ふんを約50℃〜約70℃に加温した後、微高圧反応を行った時の温度変化を示したグラフである。70℃から微高圧反応を開始させた場合、含水率が0%w.b.の場合でさえも温度は上昇した。よって、試料の含水率はPhaseBの気体反応には関与しないことが確認された。一方、常圧で開始した対象区(含水率69.5%w.b.)のときは、温度が低下した。これは、温度上昇反応に必要な一酸化炭素濃度が常圧下では十分に排出されなかったためと思われる。それゆえ、圧力は、基質である試料から一酸化炭素を発生させやすい効果を持つと推察される。
表1は、PhaseBの気体反応前後におけるVM率(有機物含有率)の変化を示したものである。PhaseBでは、反応前後でVM率はほとんど変化せず、有機物の分解は期待できない。常温から始まる微高圧反応・常圧反応での有機物分解は、PhaseAでの微生物による有機物分解が大部分を占めると理解される。
(1)微高圧反応、常圧反応(堆肥化十反応槽密閉)の双方とも、120℃以上(約200℃程度まで確認済み)の高温を発生させることができる。
(2)微高圧反応、常圧反応双方とも以下の2種類の反応によって温度が上昇する。
反応2(PhaseB:約70℃〜):有機物から発生した一酸化炭素が関与する以下の気体化学反応、
C+O2=CO2+94.1kcal(394.3kJ)
C+1/2O2=CO+26.4kcal(110.6kJ)
CO+1/2O2=CO2+67.6kcal(283.7kJ)
(3)PhaseBの気体化学反応は、一酸化炭素(50ppm以上)、温度55℃以上で反応が開始されると推測される。但し、微生物による発熱が期待できる場合は、70℃までの温度上昇には発熱量が大きい微生物の生化学反応を利用した方が効果的である。
(4)PhaseBの気体化学反応は、含水率に依存しない、また、炭素を基質に持つ物であれば、どのようなものでも温度を上昇させることができる可能性がある。
(5)通常の堆肥化反応でも一酸化炭素は排出される。
2 容器
3 入気管
4 第1弁
5 排気管
6 第2弁
7 断熱チャンバー
Claims (3)
- 家畜排泄物若しくは農産廃棄物であって該廃棄物の含水率が全体として80%以上であり、又は、食品廃棄物であって該廃棄物の含水率が全体として40%以上である有機性廃棄物を処理する方法であって、
前記有機性廃棄物を配管及び弁を有する加圧可能な密閉容器内に入れ、大気圧を超え15気圧以下の加圧環境下で前記有機性廃棄物の内部に酸素を強制的に供給し、酸素が供給された前記有機性廃棄物の内部温度を該有機性廃棄物内に存在する微生物の有機物分解反応によって少なくとも55℃まで上昇させる第1反応段階と、
第1反応段階により少なくとも55℃以上となった有機性廃棄物を密閉した前記容器内で、酸素と、前記第1反応段階後の有機性廃棄物を発生源とする100ppm以上の一酸化炭素の存在下に保持して100℃以上の温度にまで上昇させる第2反応段階と、
を有することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。 - 家畜排泄物若しくは農産廃棄物であって該廃棄物の含水率が全体として80%以上であり、又は、食品廃棄物であって該廃棄物の含水率が全体として40%以上である有機性廃棄物を処理する方法であって、
前記有機性廃棄物を配管及び弁を有する密閉可能な容器内に入れ、前記有機性廃棄物の内部にチューブを用いて酸素を直接注入して供給し、酸素が供給された前記有機性廃棄物の内部温度を該有機性廃棄物内に存在する微生物の有機物分解反応によって少なくとも55℃まで上昇させる第1反応段階と、
第1反応段階により少なくとも55℃以上となった有機性廃棄物を密閉した前記容器内で、酸素と、前記第1反応段階後の有機性廃棄物を発生源とする100ppm以上の一酸化炭素の存在下に保持して100℃以上の温度にまで上昇させる第2反応段階と、
を有することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。 - 請求項1又は2に記載の有機性廃棄物の処理方法を実施することにより生じた熱を熱源として利用することを特徴とする熱エネルギー利用方法。
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