JP4686163B2 - 有機性廃棄物の処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、有機性廃棄物の湿式メタン発酵処理をベースとし、改良された有機性廃棄物の処理方法に関する。

従来、有機性廃棄物を処理する方法には、メタン発酵処理方法が知られている。（特許文献１を参照のこと）
図３にその装置の概要を示すと、熱交換器１１、メタン発酵槽１２、脱水機１４、炭化炉１５の順のフローからなり、熱交換器１１において、厨芥、食品廃材、畜糞、下水汚泥など有機性廃棄物ａを所定温度に加熱し、メタン発酵槽１２に投入し、適度な保温状態で微生物によるメタン発酵が行なわれる。

かくして、メタンガスを主としたバイオガスｂが発生し、有用資源としてガスホルダ１３に取り出される。一方、発酵後の発酵消化液ｅは脱水機１４で脱水、濃縮し、５０〜８０％の水分とした後、残渣は炭化炉１５で炭化して、固形燃料ｆなどとして利用される。この炭化炉１５の熱源としては、ガスホルダ１３に貯留し、利用されるバイオガスｂの一部を燃料とした燃焼炉１６の高温排ガスｄを利用している。

このような有機性廃棄物の処理方法では、発酵消化液ｅの脱水処理および脱水消化液ｇの生物処理において化学薬剤が多量に消費され、また脱水残渣の炭化処理には多量の燃料が必要となり、ＣＯ_２ガスが多量に排出されるので、それら薬剤や燃料の節減、省資源が期待されていた。
特開２００３−２９０７５０号公報：段落〔特許請求の範囲〕、図１を参照のこと。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、湿式メタン発酵法の特徴を生かしながら、化学薬剤、燃料の使用量の削減を図り、全用役費のコストダウンが可能となり、ＣＯ_２ガス排出量を低減する有機性廃棄物の処理方法を提供する。

上記の問題は、有機性廃棄物を湿式メタン発酵処理し、この処理により得た消化液の水分を蒸発させて濃縮した後、含有する有機物を水熱反応処理によって酸化分解することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法であって、該消化液を５０ｋＰａ以下に減圧された減圧蒸発缶を通して加熱缶に導入、加熱した後、高速旋回流としてこの減圧蒸発缶に送給して溶存ガスを減圧作用と遠心分離作用とによって遊離させ分離ガスとして取り出すとともに、発酵消化液中の水分も減圧作用によって蒸発を促進して水蒸気として取り出し、有機成分濃度が高まった濃縮液を減圧蒸発缶の下部から取り出して再び加熱缶に導入して再加熱し、減圧蒸発缶に循環して蒸発、濃縮することを繰り返すことにより、温度２５０〜６００℃、圧力４〜１０ＭＰａの水熱反応条件下で酸化分解を行う水熱反応処理に適した、５０〜８５％の水分とすることによって、解決することができる。また、本発明は、湿式メタン発酵処理の前処理として、有機性廃棄物をアルカリ処理するのが好ましい。

さらに、前記湿式メタン発酵処理で得た発酵消化液を減圧下において水分を蒸発させ濃縮する形態に具体化され、この場合、前記湿式メタン発酵処理で得た消化液を、５０ｋＰａ以下に減圧された蒸発缶における水蒸気の蒸発、ガスの遠心分離および加熱缶への送給と、加熱缶における加熱および前段の蒸発缶への送給とを行う循環経路に導入して、消化液を濃縮するのがより好ましい。

さらに、前記の形態において、有機性廃棄物の処理方法に要する電力エネルギを前記湿式メタン発酵処理で得た可燃性ガスによる発電エネルギで充当するのがより好ましい。

本発明の有機性廃棄物の処理方法は、固形物濃度が低い対象まで適用可能で、発酵分解率が８０％以上となる湿式メタン発酵の特徴を生かしながら、発酵消化液を減圧下で蒸発させ濃縮させ、次いで水熱反応処理して有機物を分解することにより、次のような効果が発揮できるのである。
１）化学薬剤、燃料の使用量を大幅に削減でき、電力を含む全用役費においてもコストダウンできる。
２）ＣＯ_２ガス排出量を大幅に低減できる。
３）バイオガスの発生量が向上し、エネルギの回収量が多くなる。なた、排水処理で廃熱が有効利用できる、残渣処理では排ガスが少ないなどの利点も得られる。
よって本発明は、従来の問題点を解消した有機性廃棄物の処理方法として、技術的価値はきわめて大なるものがある。

次に、本発明の有機性廃棄物の処理方法に係る実施形態について、図１、２、４を参照しながら説明する。
本発明の有機性廃棄物の処理方法は、下水汚泥ａ１、畜糞ａ２、生ごみａ３などの有機性廃棄物を湿式メタン発酵処理してメタンガスを含むバイオガスｂを得るメタン発酵工程２、この発酵工程により得た発酵消化液ｅの水分を蒸発させて濃縮して有機質分の含有量を高める蒸発・濃縮工程３、前工程で得た濃縮処理液ｈが含有する有機物を水熱反応処理によって酸化分解する水熱反応工程４から構成されるのである。
次に、メタン発酵工程２、蒸発・濃縮工程３、水熱反応工程４の順に詳細に説明する。

（メタン発酵工程２）
メタン発酵工程２は、下水汚泥ａ１、畜糞ａ２、生ごみａ３などの有機性廃棄物の湿式スラリを、発酵菌、酢酸化菌、メタン化菌などを作用させ、有機成分を主としてメタンガスを含むバイオガスｂに分解する工程であり、発生したバイオガスｂは、エネルギ源として回収し、未分解残渣は発酵消化液ｅとともに、後段に送給する。
なお、このメタン発酵工程２自体は、先に提示した特許文献１、または本件出願人の出願に係る特開２００２−２７３３９７号公報に開示したメタン発酵方法が応用可能である。

また、生ごみａ３は破砕工程２１ａで適宜なサイズに破砕しスラリ化するのがよい。また、これら有機性廃棄物は予め、アルカリ処理２１を行なうのがよい。このアルカリ処理は、ｐＨ８〜１０、温度：常温〜７０℃において含有有機物を可溶化させるもので、次段のメタン発酵工程２に発酵効率を高め、メタン発生量の増加、処理時間の短縮を図るための工程である。

（蒸発・濃縮工程３）
この蒸発・濃縮工程３は、前記工程から送給された発酵消化液ｅの水分を蒸発させ、後段の水熱反応工程４に適合する濃縮処理液ｈにまで濃縮する工程であり、好ましい実施形態を図２を参照して説明する。
前記発酵消化液ｅを、先ず、円筒形状の減圧蒸発缶３１を通して加熱缶３２に導入、加熱した後、前記減圧蒸発缶３１に導入、循環させるのであるが、減圧蒸発缶３１は５０ｋＰａ以下、さらに好ましくは１５ｋＰａ以下に減圧しておき、加熱缶３２により加熱された発酵消化液は１０００ｒｐｍ程度の高速旋回流としてこの減圧蒸発缶３１に送給する。かくして、発酵消化液中の溶存ガスを減圧作用と遠心分離作用とによって遊離させ、分離ガスｉ０として取り出すとともに、発酵消化液中の水分も減圧作用によって蒸発が促進される。かくして、蒸発した水蒸気は同じく分離ガスｉ０として取り出され、また有機成分濃度が高まった濃縮液ｈ０は、下部から取り出される。

この分離ガスｉ０は、必要に応じてミストセパセータ３３でミストが除去され、ヒートポンプ圧縮機３４で加熱され、加熱缶３２の熱源として利用される。この加熱缶３２は、熱交換装置であり、前記した濃縮液ｈ０は、この加熱缶３２で再加熱され減圧蒸発缶３１に返送され循環して、この間に減圧蒸発缶３１において繰り返して蒸発、濃縮が行なわれるのである。この場合、１３０℃程度の廃熱を利用した加熱スチームｋを加熱缶３２に補給して熱源としてもよい。

かくして、加熱缶で温度低下した分離ガスｉ０は凝縮して、凝縮液ｉとして取り出され、図１に示すように脱アンモニア処理３５されて、放流水ｊとして放出される。
一方、濃縮処理液ｈは、後段の水熱反応工程４に好適な水分５０〜８５％程度まで濃縮されて取り出されるのである。通常、発酵消化液の残留固形分は１０％未満であり水分が多いため、水熱反応に要する所定温度まで加温できない場合があるが、この蒸発・濃縮工程によって濃縮することにより後段の水熱反応に適した温度まで加温することが可能となるのである。

この図２に例示した蒸発・濃縮工程では、発酵消化液ｅを減圧蒸発缶３１を通して加熱缶３２に導入しているが、本発明の実施形態では、要は、消化液ｅを、水分蒸発を行う減圧蒸発缶３１と加熱する加熱缶とを循環する循環経路に導入して蒸発・濃縮するのであるから、図４に例示するように、消化液ｅは直接に加熱缶３２に導入するようにしてもよいのはいうまでもない。

この蒸発・濃縮工程の利点はつぎの通りである。
１）凝集沈殿、ろ過法に比較して、薬剤を使用しないため用役コストが削減できる。
２）装置類に可動箇所が少ないので、故障が少なくメンテナンス性に優れている。
３）廃熱利用やヒートポンプにより省エネ運転ができる。

（水熱反応工程４）
前工程から得た濃縮処理液ｈ中の有機成分を酸化分解して、炭酸ガスを主とする処理ガスｎと分解できない無機残渣ｍとして排出する工程である。ここで採用されている分解反応形式は、前記濃縮処理液ｈを密閉耐圧容器内において、高温高圧の水熱反応条件下で酸化分解する方法であり、例えばその温度は２５０〜６００℃、圧力は４〜１０ＭＰａの水熱反応条件が適当である。
なお、本発明では、有機性廃棄物が酸化分解した際に発する熱を回収し、水熱反応の予熱に用い反応温度を維持できる。さらに熱が余る場合は他での熱利用が可能になるというメリットが得られる。

また、本発明の水熱反応工程４としては、本件出願人が先に提案した特開２００２−１９２１９４号公報記載の有機性廃棄物の処理方法も適用可能である。すなわち、大気圧における水の沸点（１００℃）以上、好ましくは２５０℃以上でかつ臨界温度（３７４℃）未満の処理温度で、処理時の水蒸気圧が該処理温度における飽和蒸気圧よりも低い処理条件にて、酸化剤として酸素ガスまた空気を用いて酸化分解する処理方法である。

このような条件下では、濃縮処理液ｈ中の有機成分は、低分子化して水への可溶化、またはガス化を促進する液相反応と、低分子化した有機分の炭素は酸化物（酸素）と反応し易くなり、炭酸ガスに移行する気相反応が同時進行して、有機分はダイオキシンなどの有害成分を含まない処理ガスｎとなり放出され、また、無機成分は無機残渣ｍとして排出され、再利用または処分される。

この水熱反応工程による特徴は次の通りである。
１）構造やシステムが複雑になりやすい焼却・燃焼方式を利用しないから、シンプルなシステムが構築できる。
２）焼却・燃焼方式に比較して排ガスが大幅に減少するので、排ガスに不可避なダイオキシン、ＮＯｘ、ＳＯｘが発生しない。
３）有機性廃棄物の持っているエネルギーにより反応温度が維持できるので、外部からの燃料を必要としない。

以上説明したようなメタン発酵工程２、蒸発・濃縮工程３、水熱反応工程４において、各工程に要する電力エネルギを前記湿式メタン発酵処理で得た可燃性ガスによる発電エネルギで充当するのがより好ましい。なお、本発明によれば、メタン発酵処理で得た可燃性ガスによる発電エネルギ量は、数トン／日以下の小規模設備に於いて使用全電力エネルギ量の少なくとも２０％以上を賄うことが可能なことが分かった。

本発明では、以上説明したようなメタン発酵工程２、蒸発・濃縮工程３、水熱反応工程４から構成されるので、以下の総合的な作用効果が得られた。
１）化学薬剤、燃料の使用量を従来比１／３に削減できる。使用電力が増加するものの、電力を含めた用役費合計では約２５％コストダウンできた。
２）ＣＯ_２ガス排出量を１／２に低減することができ、ダイオキシンなど有害成分を含む排ガスを排出しない。
３）バイオガスの発生量が向上し、エネルギの回収量が多くなる。また、排水処理で廃熱が有効利用できる、残渣処理では排ガスが少なくなるなど。

本発明の実施形態を説明するためのフローチャート。 本発明の蒸発・濃縮工程を示すフローチャート。 従来の発酵処理方法を示すフローチャート。 本発明の他の形態の蒸発・濃縮工程を示すフローチャート。

符号の説明

２：メタン発酵工程、２１：アルカリ処理、２１ａ：破砕工程
３：蒸発・濃縮工程、３１：減圧蒸発缶、３２：加熱缶、３３：ミストセパセータ、３４：ヒートポンプ圧縮機、３５：脱アンモニア処理
４：水熱反応工程
ａ１：下水汚泥、ａ２：畜糞、ａ３：生ごみ、ｂ：バイオガス、ｅ：発酵消化液、ｈ：濃縮処理液、ｈ０：濃縮液、ｉ：凝縮液、ｉ０：分離ガス、ｊ：放流水、ｋ：加熱スチーム、ｎ：処理ガス、ｍ：無機残渣

Claims (5)

1. 有機性廃棄物を湿式メタン発酵処理し、この処理により得た消化液の水分を蒸発させて濃縮した後、含有する有機物を水熱反応処理によって酸化分解することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法であって、該消化液を５０ｋＰａ以下に減圧された減圧蒸発缶を通して加熱缶に導入、加熱した後、高速旋回流としてこの減圧蒸発缶に送給して溶存ガスを減圧作用と遠心分離作用とによって遊離させ分離ガスとして取り出すとともに、発酵消化液中の水分も減圧作用によって蒸発を促進して水蒸気として取り出し、有機成分濃度が高まった濃縮液を減圧蒸発缶の下部から取り出して再び加熱缶に導入して再加熱し、減圧蒸発缶に循環して蒸発、濃縮することを繰り返すことにより、温度２５０〜６００℃、圧力４〜１０ＭＰａの水熱反応条件下で酸化分解を行う水熱反応処理に適した、５０〜８５％の水分とすることを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
2. 湿式メタン発酵処理の前処理として、有機性廃棄物をアルカリ処理するようにした請求項１に記載の有機性廃棄物の処理方法。
3. 前記湿式メタン発酵処理で得た消化液を減圧下において水分を蒸発させ濃縮する請求項１または２に記載の有機性廃棄物の処理方法。
4. 前記湿式メタン発酵処理で得た消化液を、５０ｋＰａ以下に減圧された蒸発缶における水蒸気の蒸発、ガスの遠心分離および加熱缶への送給と、加熱缶における加熱および前段の蒸発缶への送給とを行う循環経路に導入して、消化液を濃縮するようにした請求項３に記載の有機性廃棄物の処理方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の有機性廃棄物の処理方法に要する電力エネルギを前記湿式メタン発酵処理で得た可燃性ガスによる発電エネルギで充当するようにした有機性廃棄物の処理方法。

Images