JP4724032B2 - 有機性廃棄物処理システム - Google Patents

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Description

本発明は、メタン発酵装置と炭化装置とを組み合わせた有機性廃棄物処理システムに関する。
従来、廃棄物系バイオマス処理システムとしてメタン発酵処理が用いられ、メタン発酵処理で生成したメタン発酵ガスを利用して発電し、エネルギーを回収する方法が数多く提案されている。このシステムは微生物を利用した、比較的低コストで廃棄物の処理とエネルギーが回収できる優れたシステムである。しかし、このシステムでは、メタン発酵後の廃液に問題があった。廃液中には高濃度の難分解性有機物を含むためそのまま放流することができない。そのため好気性微生物による処理、生物的な酸化、脱窒処理等の種々の廃液処理方法が提案されている(例えば、特許文献1,2,3参照)。
特許第3064272号公報 特許第3406535号公報 特許第3533064号公報
このように、メタン発酵処理では、廃液を排水規制値以下まで処理するのが困難であることに加え、排水処理から発生する汚泥の処分問題や、メタン発酵ガスの脱硫にコストがかかる問題、処理の過程で発生する悪臭等の問題がある。また処理対象である廃棄物系バイオマスは、家畜糞尿など液状の水分が多い廃棄物であるため、回収できるエネルギーが小さいと言う欠点もある。
本発明の目的は、メタン発酵装置、炭化装置、及び必要に応じて発電装置を適正に組合わせてシステム化することによって、上述した各種の問題点を解決することができる有機性廃棄物処理システムを提供することにある。
本発明の有機性廃棄物処理システムは、液状有機物、固液混合有機物、固体状有機物に区分される有機性廃棄物の処理システムであって、前記液状有機物をメタン発酵処理してメタン発酵ガスを生成し、この生成したメタン発酵ガスを発電用燃料等として供給するメタン発酵装置と、前記固体状有機物を加熱して炭化処理し、炭化物と乾留ガスとを生成する炭化装置と、前記固液混合有機物を液状有機物と固体状有機物とに分離し、液状有機物はメタン発酵装置に、固体状有機物は炭化装置にそれぞれ供給する固液分離装置とを備え、前記メタン発酵装置は、メタン発酵後の廃液に対する廃液処理装置を有し、この廃液処理装置により汚泥と分離された処理水中の有機物の吸着処理装置には、炭化装置により生成された炭化物が吸着剤として用いられ、前記固液分離装置は、前記有機物吸着により破過した炭化物の固液分離に用いられ、分離された固体状廃棄物を前記炭化装置に供給して再び炭化し、再使用可能に再生する破過炭化物の再生設備としても用いられることを特徴とする。
また、本発明では、有機物を吸着処理する炭化物は、炭化温度500℃以上で炭化した炭化物である。
また、本発明では、メタン発酵装置は、生成したメタン発酵ガスの脱硫を行う脱硫装置を有し、この脱硫装置の脱硫剤として、炭化装置により生成された炭化物が用いられている。
また、本発明では、脱硫処理により脱硫能力の低下した炭化物を水洗して、生成付着した硫酸を除去する水洗装置を有し、固液分離装置は水洗された炭化物を固液分離し、分離された固体状廃棄物を炭化装置に供給して再び炭化し、再使用可能に再生する廃脱硫剤の再生設備としても用いられる。
また、本発明では、炭化装置により生成された炭化物を、悪臭ガスの脱臭装置における吸着剤に用いた。
また、本発明では、悪臭ガスを吸着する脱臭装置は、吸着により破過した炭化物を肥料として供給する肥料供給装置としても用いられる。
また、本発明では、メタン発酵装置は、メタン発酵槽加熱用のボイラーを有し、炭化装置により生成された炭化物を前記ボイラーの燃料として用いる。
また、本発明では、炭化装置により生成された炭化物とメタン発酵装置におけるメタン発酵後の廃液とを混合して肥料を生成する混合装置を有することを特徴とする請求項1に記載の有機性廃棄物処理システム。
また、本発明では、炭化装置から得られる乾留ガスを、炭化装置を構成する炭化炉の加熱用燃料として用いると共に、メタン発酵ガスと混合し、発電用の燃料ガスとして供給する。
また、本発明では、炭化装置から得られる乾留ガスを、炭化装置を構成する炭化炉の加熱用燃料として用いると共に、メタン発酵装置におけるメタン発酵槽加熱用のボイラーの燃料として用いる。
また、本発明では、炭化装置を構成する炭化炉の加熱に用いた排ガスを、メタン発酵装置におけるメタン発酵槽の加温に用いる。
また、本発明では、固液分離装置は、固液混合有機物を固液分離して得られる固形分を乾燥する乾燥装置を有し、炭化装置を構成する炭化炉の加熱に用いた排ガスを、前記乾燥装置の熱源に用いる。
また、本発明では、メタン発酵後の廃液に対する廃液処理装置は、廃液処理により生じる濃縮汚泥の加温装置を有し、炭化装置を構成する炭化炉の加熱に用いた排ガスを、前記濃縮汚泥の加温用熱源に用いる。
さらに、本発明では、炭化装置は、炭化炉加熱用の燃焼炉を有し、廃棄物などから生じる高濃度悪臭ガスをダクトを経由して吸引ブロワで吸引し、前記燃焼炉に導入して燃焼用空気源とし、その燃焼熱により悪臭成分を酸化分解させる。
本発明によれば、メタン発酵装置、炭化装置、及び必要に応じて発電装置を組み合わせ、それぞれの特徴を利用し、また欠点を相互に補うことで、環境に配慮した効率の良い有機性廃棄物の処理が可能となる。すなわち、メタン発酵処理の課題であるメタン発酵後の廃液の処理や発生する汚泥の処分、悪臭、回収できるエネルギーが小さいこと等を解決できる。つまり、有機性廃棄物を液状と固体状に分離し、液状廃棄物をメタン発酵装置にて処理して、メタン発酵後の廃液処理から発生する汚泥は炭化処理する。一方、固体状廃棄物を炭化装置にて処理して炭化物として有価物を回収し、得られた炭化物を用いて、メタン発酵後の廃液の処理、悪臭の脱臭などを行う。回収できるエネルギーが小さい点に対しては、固体状の有機廃棄物を炭化処理することにより、システム全体としての回収エネルギーを増大させる。このようにメタン発酵装置、炭化装置を適正に組合わせてシステム化することによって、エネルギーの回収量を増大すると共に、廃棄物の炭化による減容化、安定化、長期保管、悪臭の除去が可能な優れた有機性廃棄物処理システムが得られる。
以下、本発明による有機性廃棄物処理システムの一実施の形態について図面を用いて説明する。
図1は、この実施の形態による有機性廃棄物処理システムの概略を示している。この有機性廃棄物処理システムは、主に炭化装置1、メタン発酵装置2、発電装置3から構成されている。各種の有機性廃棄物4は、受入れ時に液状廃棄物(有機物)5、固液混合廃棄物(有機物)6、固体状廃棄物(有機物)7に分類され、各貯留槽に一時貯留される。液状廃棄物5は、例えば、家畜排泄糞尿、廃食油、アルコール製造廃液等の液状物質である。固液混合物質6は、汚泥、生ゴミ、食品加工残渣、水産廃棄物などで比較的含水率の高い物質である。固体状廃棄物7は、建築廃材、製材残材、剪定材、間伐材、廃棄紙、バカス、稲わら、籾殻、プラスチック等の含水率の低い固体状の物質である。
固液混合廃棄物6は、固液分離装置8で液状物質と固体状物質に分離され、液状物質は液状廃棄物5、固体状物質は固体状廃棄物7と混合される。固液分離装置8としては、スクリーンによるろ過分離、ローラープレス、ベルトプレス、スクリュープレスなどによる圧搾分離、遠心分離機による遠心分離などがある。このうち、スクリュープレスによる圧搾分離が、構造が比較的簡単で固形分と液状分を精度良く分離できる。あるいは、これらを組合わせた固液分離も可能である。
固体状廃棄物7を処理する炭化装置1は、主に炭化炉9と燃焼炉10、排ガス処理装置11から構成されている。有価物として炭化物12、エネルギーとして乾留ガス13と炭化炉排ガス14が得られる。一方、液状廃棄物5を処理するメタン発酵装置2は、メタン発酵槽15、廃液処理装置16、凝集処理装置17、ガスホルダー18、脱硫処理装置19で構成されている。有価物としてメタン発酵ガス20が得られ、廃液処理装置16などから、処理水21、汚泥22、悪臭ガス23などが発生する。このメタン発酵処理によって発生したメタン発酵ガス20を燃料ガスとした発電装置3は、通常、前処理装置24、改質器25、発電装置本体26、インバーター27から構成され、エネルギーとして電気28、温水29が得られる。
液状廃棄物5は、これを固形化して固体状物質として処理する方法も考えられるが、大部分が含水率90%以上であり、固体状にするには多くのエネルギーを消費するため液状のままの処理が好ましい。したがって、液状の処理方法としては、微生物による処理でかつエネルギーが回収できる上述したメタン発酵処理が好ましい。メタン発酵装置2は、比較的簡単な施設であるため管理も容易で、発生したメタン発酵ガスは発電に利用できる。発電によって得られた電力は、有機性廃棄物処理システム施設内外に供給される。
一方固体状廃棄物7は、粉砕して液に混合してメタン発酵処理する方法も考えられるが、メタン発酵において嫌気性微生物が消化できるのは、液体状の物質であり、粉砕したものが液状まで消化されるのに時間がかかり得策でない。このため、固体状廃棄物7は、上述した炭化装置1によりそのまま炭化し、有価物あるいはエネルギーとして回収する。
各種廃棄物の含水率と低位発熱量の代表例を表1に示す。一般的には含水率が高くなるほど低位発熱量が低くなる。すなわち、従来の液状廃棄物、固液廃棄物からメタン発酵させ、生成されたメタン発酵ガスを利用した発電システムでは、水分が多く有機物の含有率が低いため、規模の大きさに対して得られるエネルギーの割合が小さいと言う欠点があった。しかし、この有機性廃棄物処理システムでは、含水率が少なく有機物の割合の高い固体状廃棄物を炭化処理することにより、得られるエネルギーが増大すると共に、得られた炭化物をシステム内で有効に利用できる。
次に、上記各装置1,2,3の一般的な構成を説明する。
炭化装置1は、内燃式(直接加熱)、外燃式(間接加熱)、連続式、バッチ式などの炭化方法に分類されるが、優れた均質な炭化物を得るには、外燃式(間接加熱)の連続式が用いられる。すなわち、炭化に当たっては、炭化温度、炭化時間管理が重要であるが、外燃式(間接加熱)の連続式ではその条件をコントロールしやすく、優れた炭化物を得ることができる。外燃式は、例えば、ロータリーキルン方式で構成される。
図2は、このロータリーキルン方式連続炭化装置の一例を示している。図2において、炭化装置1は、主に炭化炉9と燃焼炉10から構成されている。ロータリーキルン方式の連続炭化炉9は、内筒、外筒の二重筒構造になっており、内筒と外筒の間に、燃焼炉10から加熱ガス(燃焼ガス)を供給し、炭化温度をコントロールしている。炭化温度は500℃以上とする。
固体状廃棄物7は、投入ホッパー30に供給された後、投入スクリューコンベア31などによりロータリーキルンの内筒(回転筒)32の内部に供給される。内筒32の内面には複数の掻き上げ桟33が設置されている。このため内筒32が回転すると、固体状廃棄物7は掻き上げ桟33により持ち上げられた後、頂部側から底部に落下する。このように、固体状廃棄物7は内筒32内で常に撹拌されながら徐々に排出側に移動し、その間に外部から加えられた熱によって熱交換が行われ、均一に炭化される。炭化時間は、15〜60分である。
均一に炭化された炭化物12は排出スクリューコンベア34によって排出される。一方、内筒32の内部で固体状廃棄物7の熱分解により発生した乾留ガス13は、燃焼炉10に設けられたバーナ36に、燃焼空気35と共に供給され、燃焼炉10内で燃焼される。このように乾留ガス13は、燃焼炉10内で燃焼され、約850℃以上で2秒間以上滞留する。このため、乾留ガスに含まれていたダイオキシンも分解される。そして、炭化炉9に対する加熱ガスとして内筒32と外筒の空間に供給される。この加熱ガスは内筒32を外面から均一に加熱した後、排ガス処理装置11にて粉塵などを除去した後、300〜500℃程度の炭化炉排ガス14として排出される。
外燃式のロータリーキルン式連続炭化炉9では、外燃式(間接加熱)であるため、固体状廃棄物7(例えば、乾燥汚泥)と加熱部が直接接触することは無く、内筒32の外面全体を間接的に加熱しているため、全体を均一に加熱でき、温度コントロールも容易である。固体状廃棄物7は常に撹拌されながら内筒32の内面の、伝熱部に接触することにより、均一に加熱される。このため、炭化物の炭化状態にムラが無く、均質な炭化物を得ることができる。
このように炭化装置1から有価物として炭化物、500℃以上の乾留ガス、300〜500℃程度の炭化炉排ガスの熱エネルギーが得られる。
次に、メタン発酵装置2について図3を用いて説明する。メタン発酵装置2は、主にメタン発酵槽15、廃液処理装置16、凝集沈殿装置17、ガスホルダー18、脱硫装置19から構成されている。
このように構成されたメタン発酵装置2において、高濃度有機物を含む液状廃棄物5は、まず、図示しないバースクリーン等で比較的大きな挟雑物を除いた後、一時的に図示しない原液滞留槽に貯留される。この後、連続、あるいは間欠的にメタン発酵槽15に投入される。ここで、原液滞留槽から高濃度悪臭ガスが発生するので、脱臭処理装置が必要となる。
メタン発酵槽15では、温水29によって30〜60℃に加温される。温水には、後述するように発電装置3から得られる温水などを用いるとよい。メタン発酵槽15では、処理時間20〜30日の間に嫌気性菌の働きにより、有機物はメタンガスと炭酸ガスに分解される。メタン発酵処理としては、低温発酵、中温発酵、高温発酵があるが37℃程度に加温する中温発酵方式が好ましい。メタン発酵ガスの生成量は高温発酵より少ないが、加温のためのエネルギーが少なく、比較的安定に効率良く処理できる。
メタン発酵処理によって発生したメタンガスと炭酸ガスを主成分とするメタン発酵ガス20は、ガスホルダー18に一時貯留された後、脱硫装置19に送られ、ここで有害な硫化水素などが除去され、燃料ガスとして発電装置3等に送られる。
一方、メタン発酵槽15から排出されるメタン発酵廃液は、まだ多量の有機物を含んでおり、このままでは放流することは出来ない。このため、さらに廃液処理装置16による処理が行われる。すなわち、図示しない固液分離スクリーンで固形分を除いた後、廃液処理される。廃液処理には、微生物処理、物理処理、化学的処理等、各種の処理方法がある。このうち、微生物処理が、コストが安く、維持管理が容易である。
処理対象のメタン発酵廃液は、前段のメタン発酵処理により嫌気性微生物による有機物の分解が終了しており、嫌気性微生物では分解できない有機物が残存している。このことから、次の微生物処理は、好気性微生物による処理が望ましい。一般的には活性汚泥処理が採用され、残存する有機物は、好気性微生物の働きにより炭酸ガスと水に分解されるとともに、微生物の増殖に使われる。
廃液処理装置16の最終工程の図示しない沈殿槽では、汚泥と上澄水に分離され、上澄水は次の凝集処理装置17に送られる。また、汚泥は廃液処理装置16の曝気槽に返送され、さらに、微生物の増殖によって余剰になった汚泥は余剰汚泥として系外に排出される。余剰の汚泥は図示しない汚泥濃縮槽にて濃縮後、上澄水と汚泥とに分離し、汚泥は固液分離装置へ送られる。上澄水は、前段の廃液処理装置の原水槽に戻される。
好気性処理方式としては曝気槽に汚泥を導入し、散気管から空気を吹き込む散気方式、あるいは撹拌して空気と接触させる機械曝気方式のいずれでもよい。また、連続活性汚泥処理方式、回分式活性汚泥処理方式のいずれでもよく、特に制限は無いが、できるだけ酸素溶解効率が高く電力消費量の少ない方式が望ましい。
廃液処理装置16によって有機物の分解を行った後、さらに、水中に残存する懸濁物質を凝集沈殿装置17にて除去する。凝集剤としては、ポリ塩化アルミニウム、ポリ塩化鉄、硫酸アルミニウム等を数10〜数100ppm注入し、凝集フロックを形成させて懸濁物質を凝集除去する。この中ではポリ塩化アルミニウムが、適応できるPH範囲が広く、かつPHの低下も少ないため好ましい。
このように、凝集処理により、懸濁物が除去されるが、着色成分、難分解性の有機物が残存し、排水規制値以下に処理するのは困難であった。活性炭を使用すればこれらを吸着除去できることは技術的に可能である。しかし、廃液中の有機物濃度が高いため、短時間で活性炭が破過する。このため、多量の活性炭が必要で、交換頻度も高く、活性炭の価格も高いことから活性炭処理の適用は、事実上不可能であった。したがって、これまでは廃液を排水規制値以下に処理するのは困難であった。
このようにメタン発酵装置2からはメタン発酵ガス20が有価物として回収されるが、汚泥22、処理水21、悪臭ガス23が系外へ排出されるので、それらへの対策が必要である。
次に、メタン発酵ガス20を燃料とする発電装置3について、図4により説明する。発電装置3としては、ジーゼルエンジン、ガスエンジンと発電機の組合せ、あるいは燃料電池などが考えられる。このうち燃料電池が、騒音、排気ガス等、環境への影響、発電効率を考えると好ましい。したがって、ここでは燃料電池による発電について説明する。
燃料電池による発電装置3は、前処理装置24、改質器25、発電装置本体26、インバーター27から構成される。前処理装置24は、活性炭などの吸着剤を充填したもので、脱硫した後のメタン発酵ガスから、発電に影響する微量有害成分を除去する。次に、改質器25によりメタンガスは水素ガスに変換され、燃料ガスとして発電装置本体25に送られる。そして、空気中の酸素と反応させることによって発電する。発電された直流はインバーター27によって交流に変換され、廃棄物処理システム内の設備等の電力に使用され、余った電力は系統連携により外部に供給される。
また、上記発電作用に伴って60℃程度の温水29を得られる。この温水は、前述のようにメタン発酵槽15の加温などに利用される。メタン発酵処理によって生成するメタン発酵ガスは有機物乾燥重量1kg当たり200〜400リットル程度である。燃料電池発電の場合、メタン発酵ガス10mで約1kWの発電が可能である。このように発電設備3から電力28、温水29がエネルギーとして得られ、システム内で有効に利用される。
次に、炭化装置1、メタン発酵装置2、発電装置3のそれぞれの特性を利用し、図1のようにシステム化した場合の具体的構成を図5により説明する。
図5に示す有機性廃棄物処理システムのフロー図において、固液分離装置8は、固液混合廃棄物6を固液分離した固形物を乾燥する乾燥装置37を有する。固体廃棄物7は、乾燥装置37で乾燥した固体物質と混合した後、破砕装置38(例えば、専断式破砕機、圧縮式破砕機、衝撃式破砕機等)により、数十mm以下に破砕される。破砕後、図示しないフィーダなどにより炭化装置1に送られ、炭化炉9に定量供給される。そして、500℃以上で約15〜60分炭化され、炭化物12として搬出される。
メタン発酵装置2は、前述のようにメタン発酵後の廃液に対する廃液処理装置16及び吸着処理装置39を有する。廃液処理装置16は、メタン発酵装置15から排出されるメタン発酵後の廃液を活性汚泥処理などで処理し、その最終工程である沈殿槽で汚泥と処理水とに分離する。吸着処理装置39は、この処理水中に含まれる有機物を吸着処理するもので、炭化装置1により生成された炭化物12が吸着剤として使用される。すなわち、炭化装置1から得られた炭化物12は、吸着処理装置39の吸着塔に充填され、図3で示したように、廃液処理装置16での好気性の活性汚泥処理、凝集沈殿装置17での凝集処理を経た処理水21の中の有機物の吸着剤として使用される。
図6に炭化物の、有機物および着色成分に対する吸着特性の一例を示す。この例は、家畜糞尿排水を35℃で20日間メタン発酵処理した廃液を、先ず、活性汚泥法により処理を行い、処理水に凝集剤としてPAC100mg/lを注入した。凝集後の上澄み水100mlに、汚泥炭化物(500℃、炭化時間20分)50gを加え、撹拌後、一晩放置し、上澄みをろ紙でろ過後、10mmセルに分取し、紫外部(260nm)と可視部(420nm)の吸光度を測定した。紫外部(260nm)は溶存している有機物量に相当し、可視部(420nm)は、茶褐色の着色成分量に相当する。紫外部(260nm)は2倍に希釈して測定したので、実際の吸光度は表示値の2倍である。
ここで、炭化温度400℃で炭化した炭化物を用いた場合では、炭化物に未炭化の部分が存在し、かえって紫外部の吸光度は増加する。すなわち、未炭化の部分から有機物が溶出していることを示す。これに対し、炭化温度500℃以上で炭化した炭化物は、炭化が完全に行われたと判断され、有機物を吸着していることが分かる。同様に可視部でも炭化温度400℃では、着色がわずかに低下する程度であるが、炭化温度500℃以上では、大きく減少し、わずかに着色が見られる程度である。
このように、炭化温度500℃以上で炭化した炭化物12を用いれば、凝集処理水中の有機物、着色成分を有効に吸着できることが明らかになった。炭化物12を充填した実際の吸着塔において、接触時間30〜60分で吸着処理を行った結果の一例を表2に示す。
表2から、従来、処理困難であったCOD(化学的酸素要求量)についてみると、活性汚泥処理水で270mg/l、凝集処理水で170mg/lであったCODが、炭化物12による吸着で40mg/lまで減少するので、排水規制値120mg/l(日間平均値)を下回る値に処理できる。同様に着色成分を示す色度の値も20まで低下し、清澄な処理水が得られる。
このように、従来は、排水規制値以下まで処理するのは困難であったが、炭化物12を利用することにより排水規制値以下まで処理可能となった。
上記吸着処理は上向流、下向流のどちらでもよいが、上向流の方がショートパスが起こりにくいため好ましい。長期間吸着処理を行うと炭化物12への吸着が飽和に近づき、やがて破過する。破過した廃吸着剤40である炭化物は、吸着処理装置39の吸着塔から取り出し、固液分離装置8で固液分離後、脱水・乾燥を経て再び炭化する。吸着した着色成分や難分解性有機物は炭化炉9中でガス化あるいは炭化されるため、得られた炭化物12は再使用が可能となる。この場合、固液分離装置8は有機物吸着により破過した廃吸着剤40の固液分離に用いられ、分離された固形分を乾燥装置37で乾燥後、炭化装置1に供給して再び炭化させ、再使用可能に再生する再生設備としても機能する。
一般に、炭化装置1により有機性廃棄物を炭化した場合、炭化物12の製造コストは、活性炭購入価格の数十分の一となることが試験により明らかとなっている。したがって、廃棄物から得られた炭化物を有効利用することにより、従来処理が困難であったメタン発酵処理液の排水を低コストで規制値以下抑えることが可能となる。
また、メタン発酵装置2は、液状廃棄物5をメタン発酵槽15でメタン発酵処理することによりメタン発酵ガスを生成するので、得られたメタン発酵ガス20は、有害な硫化水素を多量に含んでいる。このため、メタン発酵ガス20を脱硫処理するために脱硫装置19が設けられている。従来は脱硫剤として酸化鉄が用いられていたが、脱硫剤の廃棄処理に問題があった。つまり、脱硫塔から排出された脱硫剤は空気に触れることにより発火する。また産業廃棄物として処分するにはコストが高いという問題があった。
そこで、この脱硫装置19の脱硫剤として、炭化装置1で生成された炭化物12を用いる。すなわち、炭化装置1において500℃以上で約15〜60分炭化することによって得られた炭化物12を、メタン発酵ガスの脱硫剤として利用する。炭化物12は、脱硫装置19の脱硫剤として使用すると、硫化水素は炭化物表面で触媒的に硫酸まで酸化され、有効に脱硫される。
長期間の使用により脱硫処理能力の低下した廃脱硫剤は、水洗装置42にて水洗され、表面に付着した硫酸は洗い落とされて、硫酸含有溶液として回収される。回収された硫酸含有溶液は、廃液処理のPH調整剤等に利用する。一方、水洗後の廃脱硫剤43となった炭化物は、固液分離装置8で固液分離後、乾燥装置37を経て、炭化装置1で再び炭化する。この再炭化処理により表面および気孔が再生され、炭化物として再使用できる。
すなわち、メタン発酵装置2は、脱硫処理により脱硫能力の低下した炭化物を水洗して、生成付着した硫酸を除去する水洗装置42を有し、固液分離装置8は、水洗された炭化物を固液分離し、分離された固体状廃棄物を炭化装置1に供給して再び炭化し、再使用可能に再生する廃脱硫剤の再生設備としても用いられる。
このように、廃棄物4から得られた炭化物12で脱硫を行い、水洗により硫酸を含む溶液を回収し、再び炭化することにより再利用が可能となるため、コストが安く廃棄物が出ない利点がある。
次に、炭化物12を用いた脱臭処理の一例について説明する。炭化装置1で得られた炭化物12を、脱臭装置44における脱臭剤として使用し、有機性廃棄物処理システムの施設内で発生する悪臭ガスを脱臭する。図7に炭化物12による各種ガスの吸着特性を示す。酸性ガスとしてメチルメルカプタン、塩基性ガスとしてアンモニア、中性ガスとしてアセトアルデヒドを用いて実験を行った。その結果、炭化物12はいずれのガスも吸着できることが明らかになった。
このように、炭化物12は多種類の悪臭ガスを完全に吸着除去することができるので、通常の脱臭方法では困難な、施設内の低濃度の混合悪臭ガスを有効に脱臭できる。すなわち、低濃度悪臭ガス発生源の近くに吸着塔を設置したり、あるいは低濃度悪臭ガスをダクトで集めたりして脱臭処理できる。
悪臭ガス吸着により破過した炭化物は窒素分を多量に含むため、肥料45として利用することができる。特に、炭化物12にリン酸を重量パーセントで2%程度もしくはそれ以上添着すると、アンモニア吸着量は添着なしに比べて10倍程度増加する。破過した炭化物は、リン分、窒素分を豊富に含むため、肥料45として利用することができる。したがって、炭化物12により悪臭ガスを吸着する脱臭装置44は、吸着により破過した炭化物を肥料として供給する肥料供給装置としても用いられる。
次に、炭化物12を、メタン発酵槽15を加温する温水ボイラー46の燃料に使用した例を説明する。メタン発酵装置2は、メタン発酵槽加15に対する加熱手段として、前述のように、発電装置3である燃料電池から排出される温水29が用いているが、その不足分を補うためボイラー46を設けている。そこで、このボイラー46の燃料として、炭化装置1により生成された炭化物12を用い、これを燃焼させる。
すなわち、発電装置3が故障した場合、あるいはメタン発酵槽15のトラブルにより十分な量のメタン発酵ガス20が得られない場合、発電装置3から定格量の温水29が得られず、メタン発酵槽15の温度が低下し発酵が低下する。それを防止するため温水ボイラー46が付設されている。
ここで、炭化物12を分析したところ8000kJ/kg程度の低位発熱量を持っていることが確認された。そこで、この炭化物12を化石燃料の代替燃料として温水ボイラー46に供給し、燃焼させて温水29を得るようにした。すなわち、廃棄物4から得られた炭化物12を化石燃料の代替としボイラー46で温水を得ることができ、燃料費を低減することができる。
次に、炭化物12を、メタン発酵槽15から排出される廃液の全量もしくは一部と混合させ、そのまま肥料とし、あるいは天日乾燥で乾燥、発酵させた後、肥料として使用する例を説明する。すなわち、炭化物12とメタン発酵槽15から排出される廃液との混合装置47を設ける。この混合装置47における廃液と炭化物12の混合重量比は、廃液1に対して炭化物1以上である。廃液全量を炭化物と混合する場合は、後段の廃液処理装置16が不要となる。廃液の一部を炭化物と混合する場合は、後段の廃液処理装置16の規模を縮小することができる。
ここで、メタン発酵後の廃液は、かなりの悪臭を発するが、炭化物12と混合することにより、臭いは問題がない程度まで低下する。なお、メタン発酵後の廃液をそのまま液肥として畑、圃場などに直接散布することも考えられるが、液肥のままであると、肥料成分が土に十分吸収、吸着されないまま、地下水に混入したり、散布時に悪臭が発生するなどの問題が生じる。
これに対し、上述のように、炭化物12と混合することによって、廃液中の肥料成分は、炭化物12に吸着されたり、あるいは気孔に保持されたりするため、徐々に土壌中に拡散し、肥料成分が有効に利用される。また悪臭の問題もない。したがって、炭化物12とメタン発酵後の廃液との混合物は肥料として効果的なものとなる。
なお、このシステムの炭化装置1で得られた炭化物12は、上述の各用途のほか、土壌改良材、融雪材、調湿材など、炭化物としての一般的な使用に適用できることは言うまでもない。
次に、炭化によって生成する乾留ガスの利用例を説明する。炭化炉9に導入された固体状廃棄物7は、炭化されて炭化物12と500℃以上の乾留ガス13として得られる。乾留ガス13は、メタン、水素、一酸化炭素などを多量に含んでいるため、燃焼炉10で燃焼することにより850℃以上の高温ガスとなり、炭化炉9の加熱に使用される。燃焼炉10での燃焼に供されなかった余剰の乾留ガスは、前述した温水ボイラー46の燃料として、化石燃料代替として使用することができる。
また、余剰の乾留ガスは、脱硫処理したメタン発酵ガスと図示しない熱交換器を通して熱交換し、メタン発酵ガスを予熱することもできる。この場合、乾留ガス自身は冷却される。さらに、乾留ガスは硫化水素などを含むため、図示のように、脱硫装置41の前段においてメタン発酵ガスと混合し、共に脱硫した後、発電用の燃料として利用することもできる。このように、乾留ガスの熱エネルギー、燃焼エネルギーを有効に利用できる。
次に、炭化炉9を加熱後に排出される200〜500℃の炭化炉排ガスの利用例について説明する。炭化炉排ガス14は、メタン発酵槽15に設けられた図示しない加温配管に供給され、メタン発酵槽15を加温した後、大気中に放出される。あるいは温水ボイラー46に付設された図示しない温水槽の加温配管に接続され、温水槽の加温に用いることもできる。いずれも化石燃料の代替となる。
次に、上記炭化炉排ガスを、乾燥装置37の乾燥用熱源として用いた例を説明する。固液分離装置8の固形成分出口側には、固液分離された固形成分を乾燥させる乾燥装置37が設けられているが、炭化炉排ガス14をこの乾燥装置37に供給し、固液分離装置8で固液分離された固形分の乾燥に使用する。乾燥装置37としては、例えば、間接加熱方式のロータリーキルンを用い、図示しない内筒と外筒の間に炭化炉排ガス14を導入して内筒を加熱する。この場合、内筒内部に投入された固形分は、内筒内で撹拌されながら加熱され、乾燥した固形分が内筒出口から排出される。一方、内筒を加熱した炭化炉排ガス14は、排気口から大気中に放出される。
このような乾燥装置37では、従来は化石燃料を熱源として使用していたが、炭化炉9を加熱後の排ガスを化石燃料の代替として利用することにより、化石燃料の消費を低減することができる。
次に、炭化炉から排出される200〜500℃の排ガスを汚泥濃縮に使用した例を説明する。廃液処理装置16の活性汚泥処理から排出される余剰汚泥48は、汚泥濃縮装置49の図示しない汚泥濃縮槽で重力沈降により濃縮される。この濃縮槽の底部には加熱用配管が設けられており、炭化炉排ガス14は、加熱用配管に接続された導入配管を通して供給され、汚泥を30〜50℃程度まで加温する。汚泥は加温されることにより液の粘性が低下し、汚泥の沈降性が改善される。このため、濃縮された汚泥濃度が増加するとともに、後段の固液分離を容易にする効果がある。これにより固液分離装置8の台数を削減でき、汚泥濃縮槽を小型化できる。
次に、高濃度悪臭ガスを効率よく脱臭する脱臭方法の例を説明する。有機性廃棄物処理システムにおいて、液状廃棄物5、固液混合廃棄物6の貯留槽、液状廃棄物の原液滞留槽、メタン発酵液受槽、メタン発酵後の固液分離装置などから高濃度悪臭ガス50が発生する。これらの高濃度悪臭ガス50は、図示しないダクトを経由して吸引ブロワーで吸引し、炭化装置1の燃焼炉10に導入する。このため悪臭ガスは、燃焼用空気源として使用される。また、その悪臭成分は、燃焼炉10内において850℃以上の高温で確実に酸化分解する。分解後は、炭化炉燃焼ガス14として排出される。これによって、別途、高濃度悪臭ガス用の脱臭装置を設置する必要はなく効率の良い脱臭が可能となる。
このように本発明の有機性廃棄物処理システムでは、メタン発酵装置、炭化装置、及び必要に応じて発電装置を、それぞれの特徴を利用し、また欠点を相互に補うことで、環境に配慮した効率の良い有機性廃棄物の処理が可能となる。
本発明による有機性廃棄物処理システムの一実施の形態を説明する概念図である。 同上一実施の形態に用いる炭化装置の構成例を示す図である。 同上一実施の形態に用いるメタン発酵装置の構成例を示す図である。 同上一実施の形態に用いる発電装置の構成例を示す図である。 同上一実施の形態の具体的なシステム構成を説明する図である。 同上一実施の形態における炭化物による有機物及び着色成分の吸着特性を示すグラフである。 同上一実施の形態における炭化物によるガス吸着特性を示すグラフである。
符号の説明
1 炭化装置
2 メタン発酵装置
3 発電装置
4 有機性廃棄物
5 液状廃棄物(有機物)
6 個液混合廃棄物(有機物)
7 固体状廃棄物(有機物)
8 固液分離装置
9 炭化炉
10 燃焼炉
15 メタン発酵槽
16 廃液処理装置
19 脱硫装置
37 乾燥装置
39 吸着装置
44 脱臭装置
46 ボイラー
47 混合装置

Claims (14)

  1. 液状有機物、固液混合有機物、固体状有機物に区分される有機性廃棄物の処理システムであって、
    前記液状有機物をメタン発酵処理してメタン発酵ガスを生成し、この生成したメタン発酵ガスを発電用燃料等として供給するメタン発酵装置と、
    前記固体状有機物を加熱して炭化処理し、炭化物と乾留ガスとを生成する炭化装置と、
    前記固液混合有機物を液状有機物と固体状有機物とに分離し、液状有機物はメタン発酵装置に、固体状有機物は炭化装置にそれぞれ供給する固液分離装置とを備え、
    前記メタン発酵装置は、メタン発酵後の廃液に対する廃液処理装置を有し、この廃液処理装置により汚泥と分離された処理水中の有機物の吸着処理装置には、炭化装置により生成された炭化物が吸着剤として用いられ、
    前記固液分離装置は、前記有機物吸着により破過した炭化物の固液分離に用いられ、分離された固体状廃棄物を前記炭化装置に供給して再び炭化し、再使用可能に再生する破過炭化物の再生設備としても用いられる
    ことを特徴とする有機性廃棄物処理システム。
  2. 有機物を吸着処理する炭化物は、炭化温度500℃以上で炭化した炭化物であることを特徴とする請求項1に記載の有機性廃棄物処理システム。
  3. メタン発酵装置は、生成したメタン発酵ガスの脱硫を行う脱硫装置を有し、この脱硫装置の脱硫剤として、炭化装置により生成された炭化物が用いられていることを特徴とする請求項1に記載の有機性廃棄物処理システム。
  4. 脱硫処理により脱硫能力の低下した炭化物を水洗して、生成付着した硫酸を除去する水洗装置を有し、固液分離装置は水洗された炭化物を固液分離し、分離された固体状廃棄物を炭化装置に供給して再び炭化し、再使用可能に再生する廃脱硫剤の再生設備としても用いられることを特徴とする請求項3に記載の有機性廃棄物処理システム。
  5. 炭化装置により生成された炭化物を、悪臭ガスの脱臭装置における吸着剤に用いたことを特徴とする請求項1に記載の有機性廃棄物処理システム。
  6. 悪臭ガスを吸着する脱臭装置は、吸着により破過した炭化物を肥料として供給する肥料供給装置としても用いられることを特徴とする請求項5に記載の有機性廃棄物処理システム。
  7. メタン発酵装置は、メタン発酵槽加熱用のボイラーを有し、炭化装置により生成された炭化物を前記ボイラーの燃料として用いることを特徴とする請求項1に記載の有機性廃棄物処理システム。
  8. 炭化装置により生成された炭化物とメタン発酵装置におけるメタン発酵後の廃液とを混合して肥料を生成する混合装置を有することを特徴とする請求項1に記載の有機性廃棄物処理システム。
  9. 炭化装置から得られる乾留ガスを、炭化装置を構成する炭化炉の加熱用燃料として用いると共に、メタン発酵ガスと混合し、発電用の燃料ガスとして供給することを特徴とする請求項1に記載の有機性廃棄物処理システム。
  10. 炭化装置から得られる乾留ガスを、炭化装置を構成する炭化炉の加熱用燃料として用いると共に、メタン発酵装置におけるメタン発酵槽加熱用のボイラーの燃料として用いることを特徴とする請求項1に記載の有機性廃棄物処理システム。
  11. 炭化装置を構成する炭化炉の加熱に用いた排ガスを、メタン発酵装置におけるメタン発酵槽の加温に用いることを特徴とする請求項1に記載の有機性廃棄物処理システム。
  12. 固液分離装置は、固液混合有機物を固液分離して得られる固形分を乾燥する乾燥装置を有し、炭化装置を構成する炭化炉の加熱に用いた排ガスを、前記乾燥装置の熱源に用いることを特徴とする請求項1に記載の有機性廃棄物処理システム。
  13. メタン発酵後の廃液に対する廃液処理装置は、廃液処理により生じる濃縮汚泥の加温装置を有し、炭化装置を構成する炭化炉の加熱に用いた排ガスを、前記濃縮汚泥の加温用熱源に用いることを特徴とする請求項1に記載の有機性廃棄物処理システム。
  14. 炭化装置は、炭化炉加熱用の燃焼炉を有し、廃棄物などから生じる高濃度悪臭ガスをダクトを経由して吸引ブロワで吸引し、前記燃焼炉に導入して燃焼用空気源とし、その燃焼熱により悪臭成分を酸化分解させることを特徴とする請求項1に記載の有機性廃棄物処理システム。
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