JP4409928B2 - 有機性廃棄物の処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、有機性廃棄物を嫌気性処理してメタンガスを回収する方法であり、更に詳しくは、嫌気性処理に伴って発生する余剰汚泥の系外排出量を減容化するとともにメタンガス回収量の向上を図る有機性廃棄物の処理方法に関する。
従来、下水、し尿及び各種産業排水を処理する水処理設備から発生する有機性汚泥を処理する方法として、有機性汚泥中の有機物を嫌気性処理工程によりメタン菌などの嫌気性微生物の生物学的作用で分解し、主にメタンや炭酸ガスなどを含有する消化ガス（以下単にメタンガスという。）を生成させ、メタンガスを燃料等に有効利用する嫌気性処理方法が一般的に行われており、また、前記嫌気性処理方法において、嫌気性処理により発生する余剰汚泥の系外排出量の減容化を図る方法も行われている。
従来の汚泥を減容化して嫌気性処理する方法としては、図３において、有機性汚泥を汚泥供給経路５４から嫌気性槽５０に供給し、供給汚泥を嫌気性槽５０で嫌気性にして易分解性有機分の反応をほぼ終了させる第１の嫌気性処理工程と、この第１の嫌気性処理工程において分解（嫌気性処理）された消化汚泥を消化汚泥循環経路５５から固液分離機（濃縮装置５２）に供給して固液分離機によって濃縮し、濃縮汚泥を濃縮汚泥循環経路５７から可溶化装置５１に供給して１００〜１８０℃で可溶化処理する可溶化工程と、この可溶化工程で可溶化処理された可溶化汚泥を可溶化汚泥供給経路５８から嫌気性槽５０又は別置の嫌気性槽に循環供給して分解（嫌気性処理）させる第２の嫌気性処理工程とからなる有機性汚泥の処理方法が開示されている（特許文献１参照）。
また、有機性排水を生物学的に処理する有機物除去槽（嫌気性槽５０）から汚泥混合液を汚泥加熱槽（可溶化槽５１）に導いて、ここで汚泥混合液を加熱温度５０℃〜１２０℃で加熱して汚泥を生物学的に分解容易な形態に変化させ、その後同混合液を有機物除去槽５０へ返送して、ここで汚泥を生物学的に処理して減容化するにあたり、図３に一点鎖線で記載した有機物除去槽５０と汚泥加熱槽５１の間の消化汚泥循環経路５９に熱交換器５３を設けた方法が開示されている（特許文献２参照）。
特開平１−２２４１００号公報
特開２００２−２４８５００号公報
解決しようとする問題点は、従来の技術において、嫌気性汚泥を可溶化して再度嫌気性処理する方法にあっては、排出される余剰汚泥の減容化を図ることはできるが、１段の可溶化工程で処理しようとすると、処理効率が低く、処理に時間がかかるため、可溶化処理槽が大きくなるとともに加熱に必要な熱量も多くなる点や、難分解性有機物の分解条件で可溶化すると分解性のよい有機物を必要以上に分解し、メタンガス回収率が低くなる点である。特に、性質の相違する有機性廃棄物を同一の温度条件により、１段の可溶化工程で処理しようとすると、処理効率が更に低くなり、可溶化処理槽が過大となり、加熱に必要な熱量も多くなる点である。
本発明は、下水、し尿及び各種産業排水を処理する水処理設備から発生する各種有機性汚泥や家畜糞尿などの汚泥状有機性廃棄物（以下、前記有機性汚泥や有機性廃棄物を総称して有機性汚泥という。）、又は、生ごみ、剪定枝葉や水産・農業系廃棄物（以下、総称して固形有機性廃棄物という。）などの各種有機性廃棄物を嫌気性処理するにあたり、メタンガス回収量の向上と嫌気性処理により発生する余剰汚泥の系外排出量の減容化を図るとともに、処理効率の向上や可溶化工程における加熱に必要な熱量の低減化を図る方法を提供する目的で成されたものである。
前記目的を達成するための本発明の要旨は、請求項１に記載の発明においては、有機性廃棄物を嫌気性処理する方法において、（イ）汚泥状の有機性廃棄物を温度１００〜１５０℃の範囲で可溶化処理する第一可溶化工程と、（ロ）前記第一可溶化工程で可溶化された可溶化汚泥を固液分離する第一固液分離工程と、（ハ）前記第一固液分離工程で分離された分離汚泥を温度１６０〜２３０℃の範囲で可溶化処理する第二可溶化工程と、（ニ）前記第二可溶化工程で可溶化された可溶化汚泥を固液分離する第二固液分離工程と、（ホ）前記第一固液分離工程および前記第二固液分離工程で分離された分離液を嫌気性処理する嫌気性処理工程を少なくとも設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法である。
また、請求項２に記載の発明は、有機性廃棄物を嫌気性処理する方法において、（イ）汚泥状の有機性廃棄物を温度１００〜１５０℃の範囲で可溶化処理する第一可溶化工程と、（ロ）前記第一可溶化工程で可溶化された可溶化汚泥を固液分離する第一固液分離工程と、（ハ）固形状の有機性廃棄物を破砕処理して泥状化する廃棄物破砕工程と、（ニ）前記第一固液分離工程で分離された分離汚泥及び前記廃棄物破砕工程で破砕された破砕廃棄物とを温度１６０〜２３０℃の範囲で可溶化処理する第二可溶化工程と、（ホ）前記第二可溶化工程で可溶化された可溶化汚泥を固液分離する第二固液分離工程と、（ヘ）前記第一固液分離工程および前記第二固液分離工程で分離された分離液を嫌気性処理する嫌気性処理工程を少なくとも設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法である。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の有機性廃棄物の処理方法に、第一可溶化工程に供給する汚泥状の有機性廃棄物と第一可溶化工程で生成された可溶化汚泥とを熱交換する第一熱交換工程及び第二可溶化工程に供給する分離汚泥或いは廃棄物破砕工程で破砕された破砕廃棄物と第二可溶化工程で生成された可溶化汚泥とを熱交換する第二熱交換工程をそれぞれ設けた有機性廃棄物の処理方法である。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の有機性廃棄物の処理方法における嫌気性処理工程が、嫌気性処理工程が、嫌気性処理槽内に形成された微生物の自己造粒汚泥床に被処理液を上向流通させ、被処理液中の有機物を微生物の生物学的作用で分解処理する上向流嫌気性処理工程である有機性廃棄物の処理方法である。
前記構成において、嫌気性処理工程は、嫌気性処理槽内に形成された微生物の自己造粒汚泥床に被処理液を上向流通させ、被処理液中の有機物を微生物の生物学的作用で分解処理し、上部で生成ガス−処理液−固形分の三相に分離する上向流嫌気性処理装置が、高濃度汚泥負荷で処理が可能で、処理時間を短くすることができるため好ましいが、通常の嫌気性槽、酸発酵槽を配置した二槽嫌気性処理装置、又は、微生物担体を充填し固定床や流動床を形成した生物担体処理装置などいずれの処理装置でもよい。
また、可溶化工程における汚泥可溶化条件は、第一可溶化工程においては、処理温度１００〜１５０℃、好ましくは１２０〜１４０℃、飽和水蒸気圧以上に５〜６０分保持して行われる。また、第二可溶化工程においては、処理温度１６０〜２３０℃、好ましくは１８０〜２３０℃、飽和水蒸気圧以上に５〜６０分保持して行われる。供給される汚泥の固形物濃度は２〜１０ｗｔ％が好ましく、また、可溶化工程前に、アルカリによりｐＨを前調整する場合には、ｐＨ８以上、好ましくはｐＨ９．５以上に調整する。更に、前記可溶化工程における加熱は、嫌気性処理工程で発生するメタンガスの燃焼熱で、水蒸気噴き込みや燃焼炉循環などによる直接加熱方法、又は、熱交換器などによる間接加熱方法により行われる。
また、第一固液分離工程や第二固液分離工程などの可溶化汚泥の固液分離装置としては、主に、遠心分離機、各種フィルタ、膜分離装置又は沈殿槽などを用いることができる。なお、分離汚泥の含水率は９８ｗｔ％以下、好ましくは９６〜９０ｗｔ％に調整される。
また、有機性廃棄物が汚泥状ではない固形の有機性廃棄物を破砕する廃棄物破砕装置としては、被処理物を固定刃に高速で衝突させて破砕、又は高速回転刃で破砕する機械式破砕機や摩砕する石臼などが用いられ、また、有機性廃棄物中の水分が少ない場合には、水を混合して破砕する湿式破砕装置などが用いられる。なお、有機性廃棄物は１ｍｍ以下に破砕し汚泥化するのが好ましい。
本発明は、高温状態で可溶化処理する可溶化工程を設けたことにより、蛋白質、脂質及びセルロースが低分子化でき、低分子化した可溶化汚泥を嫌気性処理することにより発生する廃棄汚泥量を大幅に削減でき、廃棄汚泥処分費の大幅削減や環境への負荷低減化を図ることができる。また、嫌気性処理工程で短時間に多くの有機物を分解し、メタンガス化できるため、単位有機性廃棄物量あたりのメタンガスの発生量を高めることができる。
また、高温可溶化工程を処理温度の相違する２段に設けたことにより、分解性のよい有機物を必要以上に分解してガス化することが防止され、また、動力費が嵩む高温・高圧処理における動力費の削減化と装置の小型化を図ることができる。
また、高温で熱処理された汚泥は、固液分離しやすいため固液分離も効率良く行うことができ、分離された液相のみを嫌気性工程に戻すことにより、消化汚泥中の灰分を減らすことができ、また、２段で可溶化処理することにより、第二固液分離工程から排出される残渣の汚泥も、殆どが灰分や生物分解し難い有機物となるため、より効率的に灰分や難分解有機物を分離・廃棄することができ、排出される汚泥も極めて少ない量とすることができる。
また、２項に記載の発明においては、有機性汚泥と嫌気性処理しにくいセルロース繊維の多く含まれる固形有機性廃棄物を、廃棄物の性状に適した工程で可溶化処理することにより、可溶化工程におけるより効率的且つ装置の小型化を図ることができる効果も奏する。
また、３項に記載の発明においては、熱交換工程により熱回収が図られるため、高温状態での可溶化工程における加熱熱量を削減でき、また、熱交換により回収できない熱量も嫌気性槽の加温用などに利用され、運転経費の低廉化を図ることができる効果も奏する。
また、４項に記載の発明においては、嫌気性処理工程として上向流嫌気性処理工程を用いることにより、高濃度汚泥負荷で処理が可能で、処理時間を短くすることができるため、高効率な嫌気性処理ができる。
メタンガス回収量の向上と嫌気性処理により発生する余剰汚泥の系外排出量の減容化を図るとともに、処理効率の向上と可溶化工程における加熱に必要な熱量の低減化を図る方法を提供する目的を、高温可溶化工程を２段に設けたことにより達成した。
図１は本発明の１実施形態の有機性廃棄物の嫌気性処理方法の系統図であり、図において、１は、処理する汚泥状有機性廃棄物を高温状態で可溶化処理する第一可溶化工程である第一可溶化槽であり、２は、第一可溶化槽１で可溶化された可溶化汚泥を固液分離して得られた分離汚泥を第一可溶化槽１よりも高温の状態で可溶化処理する第二可溶化工程である第二可溶化槽である。
３は、嫌気性処理槽内に微生物の自己造粒汚泥床を形成し、第一可溶化槽１で可溶化された可溶化汚泥を固液分離して得られた分離液及び第二可溶化槽２で可溶化された可溶化汚泥を固液分離して得られた分離液を上向流通させ、分離液中の有機物を自己造粒汚泥を形成する微生物の生物学的作用で分解してメタンガスに変換し、嫌気性処理槽上部に設けられた三相分離部材で、生成ガス−処理液−固形分に分離して処理する嫌気性処理工程の上向流嫌気性処理装置（以下ＵＡＳＢ装置という）である。
また、４は、汚泥状有機性廃棄物と第一可溶化槽１で可溶化された可溶化汚泥とを熱交換して可溶化汚泥の熱量を回収する第一熱交換工程の第一熱交換器であり、５は、第一可溶化槽１で可溶化された可溶化汚泥を固液分離して得られた分離汚泥と第二可溶化槽２で可溶化された可溶化汚泥とを熱交換して可溶化汚泥の熱量を回収する第二熱交換工程の第二熱交換器である。なお、前記第一及び第二熱交換器４，５は、熱回収を図ることにより、高温状態での可溶化工程における加熱熱量を削減できるため、配置するのが好ましいが、それらの装置は必ずしも必要ではない。
また、６は、第一可溶化槽１で可溶化された可溶化汚泥を固液分離する第一固液分離工程の第一固液分離装置であり、７は、第二可溶化槽２で可溶化された可溶化汚泥を固液分離する第二固液分離工程の第二固液分離装置である。
次に前記有機性廃棄物である余剰汚泥、初沈汚泥、浄化槽汚泥、し尿処理汚泥、家畜糞尿、破砕された生ゴミ（ディスポーザ汚泥）などの汚泥状有機性廃棄物（以下汚泥という）を処理する処理方法について以下詳述する。図１において、汚泥は汚泥供給経路２０から第一熱交換器４に供給され、第一可溶化槽１からの可溶化汚泥と熱交換して所定の温度に加熱されて第一可溶化槽１に供給される。なお、固形有機性廃棄物を系外の処理装置で泥状化した汚泥を一緒に処理することも可能である。
第一可溶化槽１に供給された汚泥は、処理温度１００〜１５０℃、好ましくは１２０〜１４０℃、飽和水蒸気圧以上に５〜６０分保持されることにより、汚泥中の蛋白質や脂質，セルロースなどの難分解性物質が効率的に低分子化されて可溶化される。また、供給される汚泥の固形物濃度は２〜１０ｗｔ％が好ましい。また、可溶化処理前に、アルカリによりｐＨを前調整する場合には、ｐＨ８以上、好ましくはｐＨ９．５以上に調整する。更に、第一可溶化槽１における汚泥の加熱は、ＵＡＳＢ装置３で発生するメタンガスを図示しない燃焼装置に供給し、その燃焼熱を利用して、汚泥を水蒸気噴き込みや燃焼炉循環などによる直接加熱方法、又は、熱媒体を使用して熱交換により加熱する間接加熱方法などの適宜方法により行われる。
第一可溶化槽１で可溶化された可溶化汚泥は第一固液分離装置６に供給され、固形分である汚泥と液分とに分離される。分離された分離汚泥は分離汚泥供給経路２２から第二熱交換器５に供給され、第二可溶化槽２からの可溶化汚泥と熱交換して所定の温度に加熱されて第二可溶化槽２に供給される。また、分離液は分離液供給経路２４からＵＡＳＢ装置３に供給される。
第二可溶化槽２に供給された汚泥は、処理温度１６０〜２３０℃、好ましくは１８０〜２３０℃、飽和水蒸気圧以上に５〜６０分保持されることにより、第一可溶化槽で可溶化されなかったセルロース繊維などの難分解性物質が、より高温の可溶化処理条件で処理されることにより可溶化される。なお、第二可溶化槽２における汚泥の加熱は、第一可溶化槽１と同様な方法で行われる。また、分離汚泥は、含水率９８ｗｔ％以下、好ましくは９６〜９０ｗｔ％に調整される。
第二可溶化槽２で可溶化された可溶化汚泥は第二固液分離装置７に供給され、固形分である汚泥と液分とに分離される。分離された分離汚泥は分離汚泥排出経路２６から余剰汚泥として系外に排出され、図示しないコンポスト化処理装置などの汚泥処理装置や埋め立てなどにより処分される。また、分離液は分離液供給経路２５からＵＡＳＢ装置３に供給される。
ＵＡＳＢ装置３に供給された分離液を上向流通させることにより、分離液中の有機物が自己造粒汚泥を形成する微生物の生物学的作用で分解してメタンガスに変換され、ＵＡＳＢ装置３の嫌気性処理槽上部に設けられた三相分離部材で、生成ガス−処理液−固形分の三相に分離され、生成したメタンガスはメタンガス排出経路２８から図示しないガスホルダなどに供給されたのち、必要により脱硫処理して加熱燃料、発電用燃料や燃料電池用燃料などとして利用される。
前記ＵＡＳＢ装置３で処理された処理液は処理液抜き出し経路２７から抜き出され、必要により図示しない活性汚泥処理装置や脱燐装置などの排水処理装置で処理され、処理水は下水や河川などに排出され、発生した汚泥は沈殿槽などで濃縮し、有機性廃棄物として循環処理される。
可溶化工程におけるより効率的且つ装置の小型化を図る方法を提供する目的を、有機性汚泥と嫌気性処理しにくいセルロース繊維などの多く含まれる固形有機性廃棄物とを廃棄物の性状に適した工程で可溶化処理することにより達成した。
図２は本発明の他の実施形態の系統図であり、図１と同様の作用を有する部材については同一の番号を付した。また、それらについての詳細な説明は省略し、図１と相違する部材について説明する。
８は、生ごみ、剪定枝葉や水産・農業系廃棄物などの固形有機性廃棄物を破砕処理して汚泥状化する廃棄物破砕工程の破砕装置であり、水分が少ない場合には、水を混合して破砕する湿式破砕装置などが用いられる。
固形有機性廃棄物を固形廃棄物供給経路２０ｂから破砕装置８に供給し、有機性廃棄物を１ｍｍ以下に破砕し、破砕汚泥として破砕汚泥供給経路２９から高温の第二可溶化槽２に供給されて可溶化処理される。また、廃棄物破砕工程で破砕された破砕廃棄物は、第二可溶化槽に直接供給せず、図２に二点鎖線で記載した工程の通り、第二熱交換器５を介して第二可溶化槽２で可溶化処理された可溶化汚泥と熱交換させ、所定の温度に加熱した後に第二可溶化槽２に供給してもよい。また、汚泥状有機性廃棄物は汚泥供給経路２０aから第一熱交換器４に供給され、第一可溶化槽１からの可溶化汚泥と熱交換して所定の温度に加熱されて第一可溶化槽１に供給され、可溶化処理される。なお、第二可溶化槽２における処理条件や後段装置における処理工程及び第一可溶化槽１に供給される汚泥の処理は、前記図１に基づいて説明した方法と同一の操作で行われる。
下水、し尿及び各種産業排水を処理する水処理設備から発生する各種有機性汚泥、家畜糞尿などの泥状有機性廃棄物、又は、生ごみ、剪定枝葉や水産・農業系廃棄物などの各種有機性廃棄物を嫌気性処理するにあたり、メタンガス回収量の向上と嫌気性処理により発生する余剰汚泥の系外排出量の減容化を図るとともに、処理効率の向上と可溶化工程における加熱に必要な熱量の低減化を図り、有機性廃棄物からメタンガスを効率的に回収して燃料ガスなどとして有効利用することができる。
１：第一可溶化槽（第一可溶化工程）
２：第二可溶化槽（第二可溶化工程）
３：ＵＡＳＢ装置（嫌気性処理工程）
４：第一熱交換器（第一熱交換工程）
５：第二熱交換器（第二熱交換工程）
６：第一固液分離装置（第一固液分離工程）
７：第二固液分離装置（第二固液分離工程）
８：破砕装置（廃棄物破砕工程）
２：第二可溶化槽（第二可溶化工程）
３：ＵＡＳＢ装置（嫌気性処理工程）
４：第一熱交換器（第一熱交換工程）
５：第二熱交換器（第二熱交換工程）
６：第一固液分離装置（第一固液分離工程）
７：第二固液分離装置（第二固液分離工程）
８：破砕装置（廃棄物破砕工程）
Claims (4)
- 有機性廃棄物を嫌気性処理する方法において、少なくとも下記工程を設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
（イ）汚泥状の有機性廃棄物を温度１００〜１５０℃の範囲で可溶化処理する第一可溶化工程と、
（ロ）前記第一可溶化工程で可溶化された可溶化汚泥を固液分離する第一固液分離工程と、
（ハ）前記第一固液分離工程で分離された分離汚泥を温度１６０〜２３０℃の範囲で可溶化処理する第二可溶化工程と、
（ニ）前記第二可溶化工程で可溶化された可溶化汚泥を固液分離する第二固液分離工程と、
（ホ）前記第一固液分離工程および前記第二固液分離工程で分離された分離液を嫌気性処理する嫌気性処理工程 - 有機性廃棄物を嫌気性処理する方法において、少なくとも下記工程を設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
（イ）汚泥状の有機性廃棄物を温度１００〜１５０℃の範囲で可溶化処理する第一可溶化工程と、
（ロ）前記第一可溶化工程で可溶化された可溶化汚泥を固液分離する第一固液分離工程と、
（ハ）固形状の有機性廃棄物を破砕処理して泥状化する廃棄物破砕工程と、
（ニ）前記第一固液分離工程で分離された分離汚泥及び前記廃棄物破砕工程で破砕された破砕廃棄物とを温度１６０〜２３０℃の範囲で可溶化処理する第二可溶化工程と、
（ホ）前記第二可溶化工程で可溶化された可溶化汚泥を固液分離する第二固液分離工程と、
（ヘ）前記第一固液分離工程および前記第二固液分離工程で分離された分離液を嫌気性処理する嫌気性処理工程 - 第一可溶化工程に供給する汚泥状の有機性廃棄物と第一可溶化工程で生成された可溶化汚泥とを熱交換する第一熱交換工程及び第二可溶化工程に供給する分離汚泥或いは廃棄物破砕工程で破砕された破砕廃棄物と第二可溶化工程で生成された可溶化汚泥とを熱交換する第二熱交換工程をそれぞれ設けた請求項１又は請求項２記載の有機性廃棄物の処理方法。
- 嫌気性処理工程が、嫌気性処理槽内に形成された微生物の自己造粒汚泥床に被処理液を上向流通させ、被処理液中の有機物を微生物の生物学的作用で分解処理する上向流嫌気性処理工程である請求項１、請求項２又は請求項３記載の有機性廃棄物の処理方法。
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