JP4461209B2 - 有機性廃棄物による発電方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、有機性廃棄物から生物反応と化学反応を利用して発電する技術に関する。
近年、バイオマスから生産されるエネルギーは、ＣＯ２排出量に算入されないカーボンニュートラルなエネルギーとして注目されている。バイオマスには、間伐材や建設廃材のような木質系バイオマスや農作物残渣のほかに、生ごみや下水汚泥などの廃棄物系バイオマスがあるが、特に廃棄物系バイオマスは、本来的に環境負荷の面から処理・処分が必要なものである。
メタン発酵は、生ごみや畜産廃棄物、下水汚泥等の有機性廃棄物の減量・安定化方法として古くから適用されてきたが、近年は未利用バイオマス資源からのエネルギー回収方法として位置付けられるようになってきた。回収されるエネルギーの形態としては、燃料としてのメタンガスそのもの、熱、及び電気エネルギーなどがあるが、汎用性の面では電気エネルギーとすることが最もよい。発電装置としては、従来からガスエンジンやガスタービンなどのような熱機関を利用して発電する装置が用いられてきたが、近年は比較的小規模な設備にも適応できる高効率の発電装置として、燃料電池が注目されている。
しかしながら、有機性廃棄物のメタン発酵においては、発生ガスの主要成分はメタン（６０〜７０％）およびＣＯ２（３０〜４０％）であるが、そのほかに微量成分として硫化水素、アンモニア、メチルメルカプタン、塩化水素、ＳＯｘ、ＮＯｘ、ＣＯ、シロキサンなどが含まれる。ガスエンジンやガスタービンなどでは、硫化水素などの酸性ガスは装置内の腐食を引き起こし、また、シロキサンはガスの流れを阻害したり堆積物の原因となるため、それらの有害成分を除去するための様々なガス精製装置が開発されている（特許文献１など参照）。
一方、現在実用レベルにある固体高分子型燃料電池又はリン酸型燃料電池においては、燃料となる物質は水素であるため、メタンを水素に変換するガス改質工程が必須であり、且つ、硫化水素などの酸性ガスの制限が、ガスエンジンやガスタービンなどに比べて非常に厳しい（３００〜５０００倍）ほか、アンモニアやＣＯ、シロキサン濃度にも制限があるため、より一層の高度なガス精製工程が必要であった（特許文献２など参照）。
以上に述べたように、有機性廃棄物から生物反応を利用してメタンのような気体燃料を生産し、これを利用して発電する装置においては、発電装置に有害な成分を除去するためのガス精製装置が必要であり、特に燃料電池を利用する場合は、メタンを水素に変換するガス改質工程と高度のガス精製工程を必要としていた。
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、有機性廃棄物から生物反応と化学反応を利用して電気エネルギーを生産する経済的、且つ環境負荷が極めて低い技術を提供することを課題とするものである。
上記課題を解決するために、本発明者らは、有機性廃棄物から生物反応を用いて気体燃料を生産した後の残渣を含む廃液の全量又は一部を、１００℃以上前記廃液の臨界温度未満の温度において、前記廃液が液相を維持する圧力の下、直流電流を供給する水熱電気分解した後に、有機物から微生物作用（例：エタノール発酵、乳酸発酵、水素発酵、メタン発酵）によるアルコール類や気体燃料などの有価物を生産する有価物生産工程へ戻すことにより、有価物生産量を増加させると共に、廃液の有機物濃度、窒素濃度を大幅に削減できること、同時に水熱電気分解工程において水素ガスを回収できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、下記の手段により上記の課題を解決した。
（１）有機性廃棄物から生物反応によって気体燃料を生産する工程と、気体燃料を生産する工程から得られたガスを精製するガス精製工程と、精製したガスを供給して発電する発電工程とを有する有機性廃棄物による発電方法において、生物反応によって気体燃料を生産する工程から排出される残渣を含む廃液の全量又は一部を、１００℃以上前記廃液の臨界温度未満の温度において、前記廃液が液相を維持する圧力の下、直流電流を供給する水熱電気分解工程に供給され、該水熱電気分解工程において回収される水素ガスを、気体燃料を生産する工程から得られたガスと併せて、又はそれぞれのガスを単独に両者とも利用することを特徴とする有機性廃棄物による発電方法。
（１）有機性廃棄物から生物反応によって気体燃料を生産する工程と、気体燃料を生産する工程から得られたガスを精製するガス精製工程と、精製したガスを供給して発電する発電工程とを有する有機性廃棄物による発電方法において、生物反応によって気体燃料を生産する工程から排出される残渣を含む廃液の全量又は一部を、１００℃以上前記廃液の臨界温度未満の温度において、前記廃液が液相を維持する圧力の下、直流電流を供給する水熱電気分解工程に供給され、該水熱電気分解工程において回収される水素ガスを、気体燃料を生産する工程から得られたガスと併せて、又はそれぞれのガスを単独に両者とも利用することを特徴とする有機性廃棄物による発電方法。
（２）精製したガスを供給して発電する発電工程が、燃料電池を含むことを特徴とする前記（１）に記載の有機性廃棄物による発電方法。
（３）ガス精製工程がメタンを水素ガスに改質する工程を含むことを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の有機性廃棄物による発電方法。
（４）精製したガスを供給して発電する発電工程が熱機関を利用して発電する工程であり、且つ前記水熱電気分解工程において回収される水素ガスを供給して発電する発電工程が、燃料電池を利用して発電する工程であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の有機性廃棄物による発電方法。
（３）ガス精製工程がメタンを水素ガスに改質する工程を含むことを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の有機性廃棄物による発電方法。
（４）精製したガスを供給して発電する発電工程が熱機関を利用して発電する工程であり、且つ前記水熱電気分解工程において回収される水素ガスを供給して発電する発電工程が、燃料電池を利用して発電する工程であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の有機性廃棄物による発電方法。
（５）有機性廃棄物から生物反応によって気体燃料を生産する装置と、気体燃料を生産する工程から得られたガスを精製するガス精製装置と、気体燃料を生産する工程から排出される残渣を含む廃液の全量又は一部が供給される、１００℃以上前記廃液の臨界温度未満の温度において、前記廃液が液相を維持する圧力の下、直流電流を供給する水熱電気分解装置と、前記精製したガス及び前記水熱電気分解装置において回収される水素ガスを供給して発電する発電装置とを有することを特徴とする有機性廃棄物による発電装置。
本発明においては、有価物を生産する工程から排出される残渣を大幅に低減し、環境負荷が極めて低い、有機性廃棄物からの発電方法を提供することができる。特に、固体性あるいは高濃度の有機性廃棄物から、生物反応を利用して水素やメタンなどの気体燃料を生産する工程は、大量の残渣を含む廃液を排出するため、残渣あるいは環境負荷低減の効果がより発揮される。また、規模に適正な発電システムを選択できるため、ＣＯ２排出量削減に大きく貢献することができる。さらに、前記廃液を水熱電気分解することにより水素ガスが得られるので、それを用いて発電量を増加させることができる。
本発明において、有機性廃棄物から生物反応によって生産される気体燃料は、メタン及び／又は水素を含む気体であることが望ましいが、メタンが主体である場合、メタン濃度が６０％以上であることが好ましく、さらにメタン濃度が７０％以上であることが好ましい。
有機性廃棄物からメタン及び／又は水素を含む気体燃料を生物学的方法を用いて生産する好ましい態様としては、酸発酵法や水素発酵法、メタン発酵法などが挙げられる。これらはいずれもが嫌気性処理法と称される発酵法であり、温度30〜70℃、pH5〜8.5、酸化還元電位−100〜−600mVでの嫌気性雰囲気下で有価物であるメタン及び／又は水素を含む気体燃料を生産する。なお、これらの嫌気性発酵系では微生物菌体（余剰汚泥）、アンモニア態窒素も生成され、さらには難分解性の固形物が未分解残渣として残存する。
ここで水素発酵法とは、有機性廃棄物の固形物が加水分解された後、酸発酵、エタノール発酵、乳酸発酵などの嫌気性発酵過程で水素生成を行わせる生物反応プロセスである。水素発酵工程では、反応温度30〜70℃、pH4.5〜7より好ましくはpH5〜6、水理学的滞留時間（HRT）1〜5日で行うことが好ましい。特に、有機性廃棄物の種類によっては可溶化段階が反応律速となりやすいことから、温度45〜70℃の高温反応でHRT 2〜5日で行うことが好ましい。酸発酵、乳酸発酵、エタノール発酵、水素発酵などの工程では、水素、二酸化炭素、硫化水素の他に、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、乳酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸などの有機酸、エタノール、プロパノール、2、3-ブタンジオール、アセトン、ブタノールなどのアルコール類が主に生成される。
メタン発酵ではメタン、二酸化炭素、硫化水素、アンモニアなどのバイオガスが主に生産される。メタン発酵では、分解された有機物1kgあたり0.35m3（標準状態）のメタンが生産される。メタン発酵法については、発酵温度30〜70℃、好ましくは35〜40℃の中温性メタン発酵領域又は50〜65℃の高温性メタン発酵領域で行う。これは、多くの中温性又は高温性メタン生成細菌群やその他の嫌気性細菌群の生育至適温度がこれらの範囲内にあるためである。pH条件はpH6〜9より好ましくはpH7〜8、HRTは5〜30日より好ましくは10〜25日の操作条件で運転することが好ましい。
本発明に係わる有機性廃棄物処理のメタン発酵工程では、反応処理形式として、浮遊床型、固定床型、流動床型、ＵＡＳＢ（上向流式嫌気性スラッジブランケット）型のいずれにおいても適用可能である。この選択に際しては、特にSS（Suspended Solids）濃度、油脂濃度に注意を払う必要がある。具体的には、SS濃度2,000mg/Ｌ以上の場合には浮遊床型メタン発酵を適用することが好ましい。また、油脂濃度としては、1,000mg/Ｌ以上の場合には浮遊床型メタン発酵を適用することが好ましい。メタン発酵槽内においては中性脂肪や高級脂肪酸は温度が高いほうが分散性が増すため、油脂成分の多く含まれる廃棄物原料を適用する場合には、50〜65℃の高温メタン発酵方法を選択することが好ましい。
本発明において、気体燃料を生産する工程から得られたガスを精製するガス精製工程は、発電装置に供給するガスを精製する装置であれば、どのような型の装置でも用いることができるが、ガスエンジン、ガスタービンなどの熱機関を利用して発電する発電装置に供給する場合には、それに適した装置を使用することが好ましい。一般にはガス中の硫化水素を除去するための脱硫装置を用いる。脱硫装置としては、水酸化鉄もしくはマグネシウム類を主成分とするペレット状又は粉末状脱硫剤による乾式脱硫装置、微生物反応を利用して湿式脱硫する微生物脱硫装置などを用いる。脱硫装置によって、気体燃料中の硫化水素濃度を10mg/L以下、好ましくは1mg/L以下、より好ましくは0.1mg/L以下に脱硫する。
本発明において、有機性廃棄物から微生物によって気体燃料を生産する工程から排出される残渣を含む廃液の全量又は一部を経由させる水熱電気分解方法においては、水熱反応と電気分解とを同時に行うことにより、有機物、アンモニア等の還元性物質を効果的に酸化分解することができるが、酸化剤の添加を極めて少量あるいは酸化剤無添加で水熱電気分解反応を行った場合の反応は、有機性汚泥が対象であるとき、例えば式（１）のように表すことができる。
Ｃ５Ｈ７ＮＯ２＋８Ｈ２Ｏ → １１．５Ｈ２＋５ＣＯ２＋０．５Ｎ２・・・（１）
また、アンモニアが対象であると、式（２）に示すように、
２ＮＨ３ → Ｎ２＋３Ｈ２・・・（２）
となり、水素ガスが発生する。すなわち、還元的な雰囲気で水熱反応と電気分解を同時に行った場合、常温常圧下とは異なり、酸素と水素が同時に発生する反応は起こらず、アンモニアから水素を安全に発生させることができる。
また、アンモニアが対象であると、式（２）に示すように、
２ＮＨ３ → Ｎ２＋３Ｈ２・・・（２）
となり、水素ガスが発生する。すなわち、還元的な雰囲気で水熱反応と電気分解を同時に行った場合、常温常圧下とは異なり、酸素と水素が同時に発生する反応は起こらず、アンモニアから水素を安全に発生させることができる。
水熱電気分解反応では、有機物あるいはアンモニアの濃度、反応温度、圧力、反応液のｐＨや酸化剤添加の有無などにより除去率が異なるので、本発明において、微生物を用いて有価物を生産する工程から排出される残渣を含む廃液中に含まれる有機物、あるいはアンモニアの水熱電気分解反応工程での除去率は、水熱電気分解反応工程へ移送する廃液の割合と、水熱電気分解反応の条件によって調整することができる。
水熱電気分解の基本反応を説明する。常温常圧で水溶液の電気分解を行うと、陽極で酸素または塩素イオン等のハロゲンが含まれると次亜ハロゲン酸が発生する。アンモニアまたは有機物が含まれていてもこの場合酸化反応の効率が悪くほとんど進行しないかまたは非常に遅い反応となるため基本的には酸素が陽極で多く発生する。この場合陰極では水素が多く発生する。
水熱条件で同じ電気分解反応を行うと酸素、次亜ハロゲン酸が発生せず（または発生してもすぐ消費され）有機物、アンモニアが酸化分解され、CO2、N2と水になる。この場合も陰極で水素が発生する。
水熱条件で同じ電気分解反応を行うと酸素、次亜ハロゲン酸が発生せず（または発生してもすぐ消費され）有機物、アンモニアが酸化分解され、CO2、N2と水になる。この場合も陰極で水素が発生する。
アンモニア、有機物が含まれている水溶液を水熱電気分解している反応場に外部から酸素等の酸化剤を積極的に挿入すると陰極では水素が発生せず、酸素が活性酸素に変換される。この活性酸素はアンモニア、有機物を酸化させる。陽極では同じくこれらのアンモニア、有機物を酸化させる反応が進行するので水溶液の汚染物質がすべて炭酸ガス、窒素ガスに無機化される。しかし、水素ガスはこの場合発生しないため、酸素を積極的に添加した水熱電気分解の反応はあくまでも浄化反応であり有価物回収反応にはならない。
さらに、アンモニア、有機物等の酸化可能な物質が含まれていないただのNaCl水溶液を水熱電気分解すると、今度は水素、酸素及び次亜塩素酸が発生しない。この条件においては「水素と酸素の発生しない水の電気分解」現象が起こる。より正確には陽極、陰極で酸素及び水素が発生している可能性があるが、陽極で発生した酸化剤が陰極で還元されるまたは陰極で発生した水素が陽極で還元されるなど何らかの中和反応が起り（メカニズムはまだ不明）結果的に反応器の中に爆発性の水素と酸素の混合ガス蓄積が起こらない。このような中和反応が進行する、または水素と酸素が同時に発生しないため、水熱電気分解は安全なプロセスとなる。
水熱電気分解では隔膜は基本的に使用しない。その理由のひとつとしてこの水熱の条件に耐える（耐熱性、耐食性、耐圧性の観点から）膜が世の中に存在しない点にある。Nafion（DuPont社、登録商標）のようなフッ素樹脂系の隔膜は１５０、１６０℃が使用可能限界である。固体電解質燃料電池で使用されるセラミックス固体電解質、たとえばイットリウム安定化ジルコニアのようなセラミックス系固体電解質は、温度ショックあるいは圧力バランスがくずれた時に割れるあるいは水熱雰囲気で腐食するなどの問題があり、実質的に隔膜は使えない。もうひとつの理由は前記したように隔膜を入れなくとも爆発性のガスが発生しないため、隔膜が必要無い点にある。酸化剤を入れないでアンモニア、有機物を水熱電気分解させる場合は陰極で水素が発生するが陽極ではCO2とN２しか発生せず、酸素が発生しないので安全である。隔膜を使わなくとも反応を進行させることが水熱電気分解の長所でもある。
なお、陰極で還元を受けた液と陽極で酸化を受けた液が混合して対極で逆の反応は起こらない。水熱電気分解では水熱の反応雰囲気が基本的には酸化性であるので、有機物、アンモニアを処理対象とする場合、反応全般としては酸化分解反応となる。
なお、陰極で還元を受けた液と陽極で酸化を受けた液が混合して対極で逆の反応は起こらない。水熱電気分解では水熱の反応雰囲気が基本的には酸化性であるので、有機物、アンモニアを処理対象とする場合、反応全般としては酸化分解反応となる。
水熱電気分解の温度条件としては１００℃以上の高温高圧の液体の水、好ましくは１５０℃以上、さらに好ましくは200℃以上、臨界温度３７４℃未満が好ましい。圧力条件としては該反応温度の飽和蒸気圧以上、好ましくは飽和蒸気圧〜飽和蒸気圧＋１０MPa、さらに好ましくは飽和蒸気圧〜飽和蒸気圧＋３MPaが好ましい。電気分解条件の電圧は１．０V以上〜５００V以下、好ましくは1.5V以上、１００V以下、さらに好ましくは２V以上、50V以下が好ましい。電気分解の電流密度条件としては0.1mA/cm2以上2000mA/cm2以下、好ましくは1mA/cm2以上1000mA/cm2以下、さらに好ましくは10mA/cm2以上1000mA/cm2以下が好ましい。
水熱電気分解の反応は処理する水溶液に与えた電気量が大きく影響する。電気量は電流と通電時間の積であり、その単位はC(１クーロン＝１As)またはAhである。１Lの水溶液に10Aを１時間通電させると溶液に与えた電気量は１０Ah/Lとなる。溶液に含まれる有機物またはアンモニアの分解率はその溶液の初期COD濃度（化学的酸素消費量）によって異なる。本発明では基本的には酸化剤を添加しないまたは少量の酸化剤のみを添加する。この場合、ファラデー則からは１グラムのCODを完全分解するのには３．３Ah与える必要性があることが算出できる。たとえばCODが１ｇ/Lの残渣廃液１Lに３．３Ahの電気量を与えるとその溶液に含まれている有機物及びアンモニアは完全にCO2及び窒素に無機化可能である。残渣廃液のCOD濃度が１０g/Lの場合、33Ah/Lを与えると同じく完全無機化することが可能となる。このように水熱電気分解では有機物分解率を電気量で制御することが可能である。
なお、本発明は上記理論的電気量の何倍を廃液に与えるか制限するものではない。有価物生産工程の残渣廃液の一部のみを水熱電気分解する場合には、この理論電気量の１０倍以下を与えて完全分解を行ってもよい。なお、余分に与えると電力の無駄になるので好ましくは理論量の４倍以下である。さらに好ましくは２倍以下である。生物的有価物生産工程から出てくる残渣の全量を水熱電気分解工程に送る場合においては理論的電気量、またはそれ以下を与えてもよい。また後述するが水熱電気分解の後工程にある活性汚泥工程の余剰汚泥を水熱電気分解に工程に戻す場合においては、有価物生産工程から流入する残渣とこの返送した汚泥を合算したCOD量から理論的電気量を計算すればよい。本発明においては、有価物を生産する工程から排出する残渣のCODを全量分解する必要性はない。後工程の生物的水処理またはリン回収工程の有機物、アンモニア負荷を低下させて効率化することができればよい。
水熱電気分解では、水素を生成する反応より、酸化剤が還元される式（１０）、式（１１）等の反応が、優先的に進行する。これに伴って、水熱電気分解では、水素の発生が抑制され、酸素ガスと水素ガスが反応器内に同時に混存する可能性が低くなり、爆発の危険が低減する。また、次亜ハロゲン酸等の酸化剤が陰極で分解するので、処理水中の酸化剤を無害化する二次処理が不要となる。例えば、室温での電気分解では、次亜ハロゲン酸イオンが高濃度に発生する。これに対して、高温での電気分解では、次亜ハロゲン酸イオンの発生がほとんど検出されなかった。
反応機構はともかく、本発明により、有機物、アンモニア等の還元性物質は酸化分解され、水素ガス又は酸素ガスの発生は抑制することができる。
反応機構はともかく、本発明により、有機物、アンモニア等の還元性物質は酸化分解され、水素ガス又は酸素ガスの発生は抑制することができる。
本発明において、気体燃料を生産する工程から得られたメタンを主体とするガスは、硫化水素などの酸性ガスをガス精製工程で除去し、さらに水素を主体とするガスに改質するガス改質工程を経た後、水熱電気分解工程で発生した水素ガスと併せて、燃料電池に供給することができる。ガス改質方法としては、天然ガスなどの燃料ガスから固体高分子型燃料電池、またはリン酸型燃料電池へ供給するガスを製造するために用いる改質方法であれば、いずれの方法でも用いることができるが、改質後ガス中のＣＯを除去する工程を含む方法（例えば特開２００１−２３６７７号公報など参照）が好ましい。水熱電気分解工程で発生した水素ガスは、硫化水素やアンモニアなどの酸性ガスの濃度が極めて低いだけでなく、ＣＯ濃度も極めて低いため、ガス精製工程を経ずに直接燃料電池に供給することができる。
本発明においては、気体燃料を生産する工程から得られたメタンを主体とするガスを、硫化水素などの酸性ガスをガス精製工程で除去した後、ガスエンジン、ガスタービンなどの熱機関を利用して発電する発電装置に供給し、水熱電気分解工程で発生した水素ガスを、ガス精製工程を経ずに直接燃料電池に供給することができる。ガスエンジンやガスタービンなどにおいては、硫化水素などの酸性ガスの許容濃度は燃料電池のそれよりも高いため、ガス精製にスクラバ及び／又は乾式脱硫器などの装置を用いることもできる。
一般に、ガスエンジン、ガスタービンなどの熱機関を利用して発電する発電装置は、維持管理にコストがかかるため、大容量の有機性廃棄物を処理する施設が必要である。しかしながら、生ごみなどのような含水率の高い有機性廃棄物を広域で収集することは、輸送エネルギーを多大に消費するので、好ましくない。そのため、生ごみなどのような有機性廃棄物を利用して気体燃料を生産する施設は、比較的中小規模であることが多いが、特に小規模の施設においては、熱機関を利用して発電する発電装置としては、マイクロガスタービンの利用が好ましい。
一方、燃料電池は近年小型化が進み、小規模の施設にも十分対応可能であるため、本発明においては小規模施設の場合、（１）気体燃料を生産する工程から得られたメタンを主体とするガスは、硫化水素などの酸性ガスをガス精製工程で除去し、さらに水素を主体とするガスに改質するガス改質工程を経た後、水熱電気分解工程で発生した水素ガスと併せて、燃料電池に供給する方法、あるいは（２）気体燃料を生産する工程から得られたメタンを主体とするガスを、硫化水素などの酸性ガスをガス精製工程で除去した後、マイクロガスタービンに供給し、水熱電気分解工程で発生した水素ガスを、ガス精製工程を経ずに直接燃料電池に供給する方法とともに、（３）気体燃料を生産する工程から得られたメタンを主体とするガスは、スクラバのような簡易なガス精製工程で除去した後、ボイラーに供給して熱回収に利用し、水熱電気分解工程で発生した水素ガスは、ガス精製工程を経ずに直接燃料電池に供給して発電する方法も採用することができる。
上記の工程（１）の装置を図１に、工程（２）及び（３）の装置を図２にブロック図として示す。
図１では、有機性廃棄物（以下「原料」ともいう）５は、気体燃料生産反応槽１に供給され、この場合嫌気性反応によりメタン１３を発生させる。発生したメタン１３はガス精製装置１４で例えば硫化水素などが除去されて精製され、その後、ガス改質装置１５に入って水素１６を主としたガスとされる。気体燃料生産反応槽１から出る残渣廃液６の一部は、水熱電気分解反応槽３に入り、水熱電気分解反応が行われ、生成した水素１１は水素貯留槽１２で貯留され、前記したガス改質装置１５からの水素と合わせられて燃料電池１７に供給されて電力を発生させる。
図１では、有機性廃棄物（以下「原料」ともいう）５は、気体燃料生産反応槽１に供給され、この場合嫌気性反応によりメタン１３を発生させる。発生したメタン１３はガス精製装置１４で例えば硫化水素などが除去されて精製され、その後、ガス改質装置１５に入って水素１６を主としたガスとされる。気体燃料生産反応槽１から出る残渣廃液６の一部は、水熱電気分解反応槽３に入り、水熱電気分解反応が行われ、生成した水素１１は水素貯留槽１２で貯留され、前記したガス改質装置１５からの水素と合わせられて燃料電池１７に供給されて電力を発生させる。
水熱電気分解反応槽３から出る水熱電気分解反応処理液７は、残渣廃液６の残部と併せられて曝気槽２に送られ、そこで好気性処理を行い、処理液は固液分離槽４で汚泥を沈降分離して放流水８として水域に放流する。固液分離槽４での沈降汚泥の大部分は返送汚泥９として曝気槽２に戻し、余分な分を水熱電気分解反応槽３に送って処理する。あるいは余剰汚泥１０として取り出し、常法により処理する。
図１は、気体燃料生産反応槽１から生成したメタン１３を改質することにより得た水素と、水熱電気分解反応槽３から出る水素を一緒にして使用した場合を示したが、別々の用途に使用してもよく、図２は、その１例として、メタン１３をマイクロガスタービン１８又はボイラー１９に使用し、水熱電気分解反応槽３から出る水素１１を燃料電池１７に使用した場合を示したものである。
図１は、気体燃料生産反応槽１から生成したメタン１３を改質することにより得た水素と、水熱電気分解反応槽３から出る水素を一緒にして使用した場合を示したが、別々の用途に使用してもよく、図２は、その１例として、メタン１３をマイクロガスタービン１８又はボイラー１９に使用し、水熱電気分解反応槽３から出る水素１１を燃料電池１７に使用した場合を示したものである。
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の記述に限定されるものではない。
実施例１
し尿、生ごみ、浄化槽汚泥、余剰汚泥の混合原料（ＶＳ10％、CODCr140,000mg/Lにプロセス処理水で濃度調整）を連続発酵型の高温メタン発酵（55℃）で有価物生産を行った。有価物生産装置として、完全混合型の高温メタン発酵槽を用いた（円筒型、ポリ塩化ビニル製、総容積30L、有効容積25L、ジャケット温水循環式、55℃、攪拌速度30/min）。原水投入量は1.2〜1.5L/日、HRTは17〜20日で行った。水質およびバイオガスの分析方法は下記の方法で行った。
し尿、生ごみ、浄化槽汚泥、余剰汚泥の混合原料（ＶＳ10％、CODCr140,000mg/Lにプロセス処理水で濃度調整）を連続発酵型の高温メタン発酵（55℃）で有価物生産を行った。有価物生産装置として、完全混合型の高温メタン発酵槽を用いた（円筒型、ポリ塩化ビニル製、総容積30L、有効容積25L、ジャケット温水循環式、55℃、攪拌速度30/min）。原水投入量は1.2〜1.5L/日、HRTは17〜20日で行った。水質およびバイオガスの分析方法は下記の方法で行った。
（分析方法）
・ TS（Total Solids、全蒸発残留物）；105℃蒸発残留物重量（JIS K 0102）
・ VS（Volatile Solids、強熱減量）；600℃強熱減量（JIS K 0102）
・ CODCr（化学的酸素消費量）；重クロム酸カリウム法（JIS K 0102）
・ メタンガス・炭酸ガス；ガスクロマトグラフ（GLサイエンスGC-322、検出器TCD、TCD電流値120mA、分離カラム Active Carbon 30/60、カラム温度 95℃、キャリアガス ヘリウム）
・ 水素ガス；ガスクロマトグラフ（GLサイエンスGC-322、検出器TCD、TCD電流値50mA、分離カラム Unibeads C 60/80、カラム温度 140℃、キャリアガス アルゴン）
・ 硫化水素及びアンモニア；検知管法
・ TS（Total Solids、全蒸発残留物）；105℃蒸発残留物重量（JIS K 0102）
・ VS（Volatile Solids、強熱減量）；600℃強熱減量（JIS K 0102）
・ CODCr（化学的酸素消費量）；重クロム酸カリウム法（JIS K 0102）
・ メタンガス・炭酸ガス；ガスクロマトグラフ（GLサイエンスGC-322、検出器TCD、TCD電流値120mA、分離カラム Active Carbon 30/60、カラム温度 95℃、キャリアガス ヘリウム）
・ 水素ガス；ガスクロマトグラフ（GLサイエンスGC-322、検出器TCD、TCD電流値50mA、分離カラム Unibeads C 60/80、カラム温度 140℃、キャリアガス アルゴン）
・ 硫化水素及びアンモニア；検知管法
この嫌気性微生物処理を用いた有価物生産工程からはCH4６２ vol％、 CO2３８ vol ％の組成を有する原燃料ガス（バイオガス）を原料1kg（湿重量）あたり110〜140Ｌ回収できた。また、その他のガス成分としてH2S 400〜700 mg/L が含まれたが、乾式脱硫剤（ペレット状の水酸化鉄）による脱硫装置で常時１mg/L 以下に精製した。このガスを湿式アルカリ吸着塔と活性炭式吸着塔を通した結果、CO、NH3、Cl2、HClのガス成分は検出されず、CH4濃度92％に濃縮でき、メタンガスタンク1m3に貯留後、燃料電池の発電機に供給した。この燃料ガスをS/CH4（Steam/CH4 ratio）条件＝3.0、改質器出口温度700℃、変成器出口温度200℃の燃料電池1.2kWによって発電した。改質器出口CO2濃度13％、改質器出口CO濃度10％、改質器メタン転換率85％であった。また、変成器出口CO濃度0.5％以下、変成器CO転換率100％であった。
さらに、このメタン発酵残渣液（CODCr46,4000mg/L）を連続式の水熱電気分解反応器で10L/hの流量で処理して水素ガスを回収後、その水熱電気分解反応処理液は好気性処理法によって浄化した。発酵残渣の水熱電気分解にはチタン製オートクレーブ（反応器容積300ml、HC276型、最高使用温度320℃、最高使用圧力13MPa）を用い、水熱電気分解反応は２５０℃、７MPaで運転し、汚泥１Lに対して20Ahの電気量を与えた。定常運転において発生したガス流量は１１２L/hであり、その組成は水素73.3vol%、炭酸ガス24.0vol%及びN2ガス2.7vol%であった。O2、CO、H2Sは検出されず、燃料電池等に用いる良好な燃料ガスが得られた。これを水洗浄によってH2濃度約90％に濃縮して水素ガスタンクに貯留後、燃料電池用の燃料ガスとして用いて発電した。この場合の燃料電池発電では、メタン発酵で回収したバイオガス利用時と比較して、ガス精製工程及びガス改質工程での薬剤費・動力費を35〜45％削減できた。
本発明は、有価物を生産する工程から排出される残渣量を大幅に低減し、環境負荷低減効果も大きく、環境汚染が特に問題となる地域での、公害防止及び環境保全に有効な火力発電代替技術として有用なものである。
１ 気体燃料生産反応槽
２ 曝気槽
３ 水熱電気分解反応槽
４ 固液分離槽
５ 原料
６ 残渣廃液
７ 水熱電気分解反応処理液
８ 放流水
９ 返送汚泥
１０ 余剰汚泥
１１ 水素ガス
１２ 水素貯留槽
１３ メタン主体ガス
１４ ガス精製装置
１５ ガス改質装置
１６ 水素主体ガス
１７ 燃料電池
１８ マイクロガスタービン
１９ ボイラー
２ 曝気槽
３ 水熱電気分解反応槽
４ 固液分離槽
５ 原料
６ 残渣廃液
７ 水熱電気分解反応処理液
８ 放流水
９ 返送汚泥
１０ 余剰汚泥
１１ 水素ガス
１２ 水素貯留槽
１３ メタン主体ガス
１４ ガス精製装置
１５ ガス改質装置
１６ 水素主体ガス
１７ 燃料電池
１８ マイクロガスタービン
１９ ボイラー
Claims (5)
- 有機性廃棄物から生物反応によって気体燃料を生産する工程と、気体燃料を生産する工程から得られたガスを精製するガス精製工程と、精製したガスを供給して発電する発電工程とを有する有機性廃棄物による発電方法において、生物反応によって気体燃料を生産する工程から排出される残渣を含む廃液の全量又は一部を、１００℃以上前記廃液の臨界温度未満の温度において、前記廃液が液相を維持する圧力の下、直流電流を供給する水熱電気分解工程に供給され、該水熱電気分解工程において回収される水素ガスを、気体燃料を生産する工程から得られたガスと併せて、又はそれぞれのガスを単独に両者とも利用することを特徴とする有機性廃棄物による発電方法。
- 精製したガスを供給して発電する発電工程が、燃料電池を含むことを特徴とする請求項１に記載の有機性廃棄物による発電方法。
- ガス精製工程がメタンを水素ガスに改質する工程を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の有機性廃棄物による発電方法。
- 精製したガスを供給して発電する発電工程が熱機関を利用して発電する工程であり、且つ前記水熱電気分解工程において回収される水素ガスを供給して発電する発電工程が、燃料電池を利用して発電する工程であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の有機性廃棄物による発電方法。
- 有機性廃棄物から生物反応によって気体燃料を生産する装置と、気体燃料を生産する工程から得られたガスを精製するガス精製装置と、気体燃料を生産する工程から排出される残渣を含む廃液の全量又は一部が供給される、１００℃以上前記廃液の臨界温度未満の温度において、前記廃液が液相を維持する圧力の下、直流電流を供給する水熱電気分解装置と、前記精製したガス及び前記水熱電気分解装置において回収される水素ガスを供給して発電する発電装置とを有することを特徴とする有機性廃棄物による発電装置。
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