JP5489317B2 - 水熱反応利用の汚泥メタン発酵処理方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は水熱反応利用の汚泥メタン発酵処理方法及びシステムに関し、とくに下水処理場や廃水処理場等から排出される汚泥を水熱反応により低分子化したうえでメタン発酵処理する方法及びシステムに関する。

下水処理場や化学工場、食品工場等の廃水処理場では、下水・廃水中の有機物を微生物分解する活性汚泥法が広く行われており、未分解有機物や増殖した微生物等の固形分を含む大量の生汚泥及び余剰汚泥（以下、両者をまとめて単に汚泥という）が発生する。汚泥は産業廃棄物として処分する必要があり、従来多くの汚泥は脱水又は焼却後に埋立処分されているが、最近は温暖化防止等の観点から焼却処分等を避けて減容化・減量化することが求められており、その一手法として汚泥を減容・減量すると同時にエネルギー資源となるメタンガスを回収できるメタン発酵処理技術の研究開発が進められている。従来のメタン発酵処理技術で汚泥をメタンガスに分解することも可能であるが、汚泥中には微生物由来の難分解固形分が多量に含まれているため分解処理効率が低く、メタンガスに分解されるまで非常に長い時間（例えば１５〜３０日以上の消化日数）を要し、そのために設備の規模が大きくなってしまう等の問題点がある。

メタン発酵処理による汚泥の分解処理効率を高めるため、アルカリ処理、オゾン処理、超音波処理等の前処理により汚泥を低分子化したうえでメタン発酵処理することが提案されている（例えば特許文献１参照）。しかし、これらの前処理は消費エネルギー等の観点から経済収支が成り立つまでには至っていない。これに対し、比較的小さな消費エネルギーで汚泥を低分子化できる前処理技術として水熱反応（高温高圧水による加水分解反応）が注目されている。水熱反応は、水の臨界点（３７４℃、２２ＭＰａ）より温度・圧力は低いが常温水の３００倍近いイオン積を有する高温高圧水（以下、熱水ということがある）を用いた加水分解反応であり、熱水の加水分解作用により固形分を含む汚泥を短時間でメタン発酵容易な低分子にまで分解することができる一方で、超臨界水反応に比して分解力が弱く有機物を無機物にまで分解される前に取り出すことができるので、汚泥の前処理に適しているといわれている（特許文献２、３参照）。

例えば特許文献２は、図５に示すように供給タンク６に蓄えた汚泥スラリーを、供給装置（高圧ポンプ等）７により所定温度の加熱器１１ａを介して水熱反応装置１０ａに供給して低分子化したのち、その低分子化処理物から分離した水相を定量ポンプ１９ａによりメタン発酵槽２０へ導入してメタン発酵処理するメタンガス製造方法を開示している。例えば、水熱反応後の低分子化処理物を原料タンク１９に一時蓄えて遠心分離器（図示せず）により油相−水相−固形相の３層に分離し、分離した水相をメタン発酵槽２０に導入する。メタン発酵槽２０で発生したメタンガスは、パイプを介してガスタンク２３に回収する。図示例は汚泥スラリーを連続的に低分子化処理する連続式の水熱反応装置１０ａを示しているが、バッチ式の水熱反応装置を用いることもできる。

また特許文献３は、図６に示すように粉砕タンク８ａと供給タンク６と循環型水熱反応装置１０とを用いた汚泥の前処理方法を開示している。図示例の粉砕タンク８ａに蓄えた汚泥は、粉砕ポンプ８ｂ及び三方弁８ｃ（粉砕タンク８ａ側に切り替えられている）を介して循環しながらスラリー状に粉砕されたのち、三方弁８ｃ（供給タンク６側に切り替えられている）を介して供給タンク６に送られ、更に供給装置（モーノポンプ等）７及び送入路９を介して水熱反応装置１０の循環ポンプ１４のサクション側へ供給される。図示例の循環型水熱反応装置１０は、熱交換器を含む水熱反応器１１と気液分離器１２と循環ポンプ１４とにより構成されており、供給された汚泥スラリーを水熱反応器１１と気液分離器１２と循環ポンプ１４とを結ぶ循環路に循環させながら低分子化する。

図６において送入路９から水熱反応装置１０に連続的に送入された汚泥スラリーは、循環ポンプ１４により水熱反応器１１内の細管群（熱交換器）の内部を上昇しながら加熱媒体Ｈとの熱交換により水熱反応の反応温度（以下、熱水温度ということがある）となって低分子化され、上部連通管１１ａを介して気液分離器１２に送られる。水熱反応器１１と気液分離器１２との圧力差は均圧管１１ｂにより消去されており、気液分離器１２の液面は制御装置１５により一定に維持されている。従って、水熱反応器１１からの汚泥の連続的送入に応じて、気液分離器１２内の分解水溶液（低分子化された汚泥）の一部が自圧で液面コントロール弁１５ａ及び溢出路１５ｂを介して反応装置１０の外部へ出力され、残りの分解水溶液が循環ポンプ１４によって再び水熱反応器１１内に戻されて循環する。循環路の内容積を汚泥スラリーの送入量ｘと分解水溶液の循環時間ｙとの積（ｘｙ）に一致させることにより、水熱反応装置１０内の汚泥スラリーの循環時間ｙを一定に維持し、外部へ出力された分解水溶液を均一な濃度とすることができる。図中の符合１６は気液分離器１２の温度計、符合１７は圧力逃がし弁１７ａ付き圧力計、符合１８は安全弁を示す。

特開２０００−２８８５９４号公報 国際公開第２００４／０３７７３１号パンフレット 特開２００８−２９６１９２号公報 特開２０００−１６７５２３号公報

しかし、図５に示す連続式（又はバッチ式）の水熱反応装置１０ａは、比較的低濃度の汚泥スラリーを低分子化処理することは可能であるものの、固形分が高濃度に含まれる汚泥スラリーを低分子化処理するには適していない問題点がある。すなわち、図５のように１パス（スルー）方式の水熱反応装置１０ａに高濃度の汚泥スラリーを供給すると、装置内部で固液分離が発生して液分が優先的に排出されると共に固形分が装置内部に滞留してしまうので、装置から排出される汚泥（低分子化された汚泥）に濃度のバラツキが生じやすい。また、装置内部に滞留した固形分が高温の内面に接触して固着又は焦げ付くおそれがある。従って、図５の水熱反応装置１０ａを用いた前処理は、汚泥を多量の水分が含まれる低濃度のまま加熱しなければならないので、低分子化処理に比較的大きな加熱エネルギーを必要とする課題が残る。

これに対し図６のような循環型の水熱反応装置１０は、固形分を含む高濃度汚泥スラリー（例えば固形分率３０〜７０重量％の汚泥スラリー）を低分子化処理することも可能である。すなわち、図６の水熱反応装置１０では、水熱反応器１１と気液分離器１２とを結ぶ循環路の内容積をｘｙ（＝汚泥スラリーの送入量ｘと分解水溶液の循環時間ｙとの積）とすることにより、スラリーを繰り返し系内循環させても循環路でのスラリー滞留時間を一定に維持することができ、しかも循環路にスラリー中の固形分の終末沈降速度より速い流れ（例えば終末沈降速度の数倍程度の速さの流れ）を生じさせて上述した装置内部での固形分の沈降・滞留を避けることができる。図６の循環型の水熱反応装置１０を前処理として図５のメタン発酵槽２０と組み合わせれば、汚泥を比較的小さな消費エネルギーで低分子化し、汚泥のメタン発酵処理効率を経済的に高めることが期待できる。

ただし、本発明者らの試験的実験によれば、図６のような循環型の水熱反応装置１０では、たしかに高濃度の汚泥スラリーをエネルギー効率よく低分子化できるが、汚泥スラリー中の固形分がスケールとして循環路の内面に徐々に堆積することが経験された。すなわち、上述したように循環路内の汚泥スラリーを固形分の終末沈降速度より速い流速で循環させたとしても固形分の沈降・固着を完全に防ぐことは難しく、循環路内面にスケールが徐々に沈降・固着し、スケールが大きく成長すると剥離脱落して循環路の閉塞その他の故障原因となりうる。従って、循環型の水熱反応装置１０は定期的に運転を停止して循環路内に固着したスケールを洗浄しなければならないが、できるだけ長い運転継続時間を確保すると共に不所望の閉塞等を避けて運転を安定的に維持するためには、循環路内のスケールの成長を小さく抑えて運転中に剥離脱落するのを防止することが求められる。

そこで本発明の目的は、循環型の水熱反応を利用して汚泥をエネルギー効率よく且つ長時間安定的にメタン発酵処理できる方法及びシステムを提供することにある。

図１及び図２に示す実施例を参照するに、本発明による水熱反応利用の汚泥メタン発酵処理方法は、汚泥Ｓを所定含水率に調整したのち、含水率調整後の汚泥Ｓａを水熱反応器１１と気液分離器１２とを結ぶ循環路１４ａ、１４ｂへ送入し且つ所定温度・圧力で所定時間循環させて低分子化し、循環路１４ａ、１４ｂから出力された低分子化汚泥Ｓｃを発酵槽２０に滞留させてメタン発酵処理する方法において、汚泥Ｓの含水率を所定含水率（例えば９０〜９２％程度）に設定したのち、循環路１４ａ、１４ｂ内のスケールの厚み又は成長速度を継続的に検出し、その厚み又は成長速度が所定許容値を超えたときに循環路１４ａ、１４ｂへ送入する汚泥Ｓａの含水率を所定含水率より高い含水率（例えば９３〜９５％程度）に切り替えてなるものである。

また、図１のブロック図及び図２の実施例を参照するに、本発明による水熱反応利用の汚泥メタン発酵処理システムは、汚泥Ｓを所定含水率に調整する含水率調整装置４、含水率調整後の汚泥Ｓａを水熱反応器１１と気液分離器１２とを結ぶ循環路１４ａ、１４ｂへ送入し且つ所定温度・圧力で所定時間循環させて低分子化する循環型水熱反応装置１０、循環路１４ａ、１４ｂから出力された低分子化汚泥Ｓｃを滞留させてメタン発酵処理する発酵槽２０、及び水熱反応装置１０の循環路１４ａ、１４ｂ内のスケールの厚み又は成長速度を継続的に検出する検出装置３０を備え、調整装置４により汚泥Ｓの含水率を所定含水率（例えば９０〜９２％程度）に設定したのち、検出装置３０で検出されたスケールの厚み又は成長速度が所定許容値を超えたときに調整装置４により汚泥Ｓａの含水率を所定含水率より高い含水率（例えば９３〜９５％程度）に切り替えてなるものである。

好ましくは図１（Ａ）に示すように、検出装置３０を循環路１４ａ、１４ｂ内の汚泥Ｓａの循環流量を所定流量に制御する流量計３１及び流量制御弁３２とし、その流量制御弁３２の開度から循環路１４ａ、１４ｂ内のスケール固着状況を検出する。或いは図１（Ｂ）に示すように、検出装置３０を、循環路１４ａ、１４ｂの表面温度を計測する温度計３５とし、その循環路１４ｂの表面温度から循環路１４ａ、１４ｂ内のスケール固着状況を検出してもよい。

更に好ましくは、図示例のように水熱反応装置１０の循環路１４ａ、１４ｂの内部を水置換洗浄又は薬品洗浄する洗浄装置４０を設け、循環路１４ａ、１４ｂ内のスケールの厚み又は成長速度が所定許容値を超えた場合において、所定限界値未満のときに汚泥Ｓａの含水率の切り替えを行い、所定限界値以上であるが所定異常値未満のときに洗浄装置４０により循環路１４ａ、１４ｂの内部を水置換洗浄し、所定異常値以上のときに洗浄装置４０により循環路１４ａ、１４ｂの内部を薬品洗浄する。

本発明による水熱反応利用の汚泥メタン発酵処理方法及びシステムは、汚泥Ｓを発酵槽２０に滞留させてメタン発酵処理する前に、処理対象の汚泥Ｓを含水率調整装置４により所定含水率に調整し、含水率調整後の汚泥Ｓａを水熱反応器１１と気液分離器１２とを結ぶ循環路１４ａ、１４ｂへ送入し且つ所定温度・圧力で所定時間循環させて低分子化する方法及びシステムにおいて、汚泥Ｓの含水率を所定含水率に設定したのち、循環路１４ａ、１４ｂ内のスケールの厚み又は成長速度を継続的に検出し、その厚み又は成長速度が所定許容値を超えたときに調整装置４により汚泥Ｓａの含水率を所定含水率より高い含水率に切り替えるので、次の効果を奏する。

（イ）水熱反応装置１０内のスケール固着状況の変動に応じて、スケールの成長を防止しつつ加熱エネルギーをできるだけ小さく抑えるように含水率を切り替えることにより、汚泥を最適のエネルギー効率で長時間安定的に低分子化することができる。
（ロ）また、水熱反応装置１０内のスケール固着状況は汚泥Ｓの粘性その他の種類によって変化しうるが、スケール固着状況の変動に応じて汚泥Ｓの含水率を切り替えることにより、様々な汚泥Ｓをそれぞれエネルギー効率よく低分子化することができる。
（ハ）水熱反応装置１０の循環路１４ａ、１４ｂに流量制御弁３２又は温度計３５を設けておけば、反応装置１０を停止・開放することなく流量制御弁３２の開度又は温度計３５の計測値からスケール固着状況を精度よく推察することができる。
（ニ）また、循環路１４ａ、１４ｂの内部を水置換洗浄又は薬品洗浄する洗浄装置４０を設けておけば、スケール固着状況に応じて洗浄装置４０を適宜駆動することにより、最適な時期に反応装置１０の洗浄を実施することが可能となる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態及び実施例を説明する。
は、本発明の汚泥メタン発酵処理方法の一実施例のブロック図である。 は、本発明の汚泥メタン発酵処理方法の他の実施例のブロック図である。 は、水熱反応装置の循環路の表面温度から循環路内のスケール固着状況を検出する方法の原理を示す説明図である。 は、本発明による水熱反応装置の洗浄制御方法の流れ図の一例である。 は、従来の水熱反応を用いたメタン発酵処理方法の一例の説明図である。 は、従来の水熱反応を用いたメタン発酵処理方法の他の一例の説明図である。

図２は、例えば下水処理場１で発生する下水汚泥Ｓの減容・減量化に本発明のメタン発酵処理システムを適用した実施例を示す。図示例のシステムは、汚泥Ｓの含水率を調整する含水率調整装置４と循環型の水熱反応装置１０とメタン発酵槽２０とを有する。下水処理場１で発生した生汚泥及び余剰汚泥Ｓ（例えば含水率約９７％）を混合汚泥槽２に一旦蓄え、含水率調整装置４により水熱反応装置１０に適した所定含水率に調整したのち、含水率調整後の汚泥Ｓａ（以下、濃度調整汚泥Ｓａということがある）を供給タンク６経由で反応装置１０へ供給する。含水率調整装置４において汚泥Ｓからの分離液（濾液）が発生する場合は、その濾液は水熱反応を介さず、原料タンク１９経由でメタン発酵槽２０へ直接導入する。好ましくは、図示例のように含水率調整装置４に凝縮剤添加装置５を含めて汚泥Ｓ中の小粒径の固形分をもできるだけ凝縮して水熱反応装置１０へ送り、固形分が濾液と共にメタン発酵槽２０へ直接導入されることを防止する。

図示例の含水率調整装置４は、通常は高含水率の汚泥Ｓを脱水して濃縮する真空脱水機、遠心分離機、フィルタープレス（過圧脱水機）等の濃縮装置であるが、必要に応じて低含水率の汚泥Ｓに水を加えて希釈する給水装置としてもよく、濃縮装置・給水装置の両装置を含めることもできる。調整装置４で含水率を調整した濃度調整汚泥Ｓａは、供給タンク６に一旦蓄えたのち、モーノポンプ等の供給装置７により後述する水熱反応装置１０へ一定量ずつ連続的に送入する。必要に応じて供給装置７に粉砕装置８又は撹拌装置６ａ（図６参照）を設け、反応装置１０へ供給する前に濃度調整汚泥Ｓａ中の固形分を適宜粉砕し又は撹拌してもよい。また、図６を参照して上述したように粉砕タンク８ａ及び粉砕ポンプ８ｂを含め、調整装置４からの濃度調整汚泥Ｓａを粉砕タンク８ａ及び粉砕ポンプ８ｂで粉砕したうえで供給タンク６に蓄えてもよい。濃度調整汚泥Ｓａを粉砕して固形分の粒子径Ｄ_ｐを小さくすることにより、以下に述べる固形分の終末沈降速度ｕを小さくし、反応装置１０の内部での固形分の沈降・固着を生じにくくすることができる。

図１は、図２の循環型水熱反応装置１０を拡大表示したメタン発酵処理システムの説明図を示す。図示例の反応装置１０は、図６の場合と同様に、濃度調整汚泥Ｓａを所定圧力下で所定温度（水熱反応の熱水温度）に加熱する水熱反応器１１と気液分離器１２と循環ポンプ１４とそれらを結ぶ循環路１４ａ、１４ｂとを有し、その循環ポンプ１４の入口側（サクション側）の循環路１４ａに送入路９から送入量ｘで送入された濃度調整汚泥Ｓａを水熱反応器１１と気液分離器１２との間に所定時間ｙだけ循環させることにより低分子化する。

例えば、水熱反応器１１を反応圧力０．７２〜８．７ＭＰａ、熱水温度１６０〜３００℃の範囲に設定し、循環時間ｙが１５〜１２０分となるように循環路１４ａ、１４ｂ内（接液部）の有効内容積Ｖ（＝ｘｙ）に対する供給装置７の送入量ｘを設定することにより濃度調整汚泥Ｓａを効率よく低分子化できるが（特許文献３参照）、循環路内の温度・圧力を高くすると水熱反応の消費エネルギーも大きくなる。本発明者らは、水熱反応装置１０のエネルギー効率向上のためには、循環路１４ａ、１４ｂ内の熱水温度を比較的低い１６０〜２００℃の範囲内に抑え、圧力も比較的低い１ＭＰａ程度に抑え、汚泥Ｓａを３０〜９０分程度の十分な時間をかけて低分子化することが有利であることを見出した。

図示例の水熱反応装置１０は、水熱反応器１１をエネルギー変換装置２５（例えばボイラー等）と接続し、エネルギー変換装置２５において後述するメタン発酵槽２０で回収されるメタンガスＧを加熱媒体（例えば蒸気、熱媒油等）Ｈの加熱エネルギーに変換して水熱反応器１１に供給し、その加熱媒体Ｈとの熱交換により循環路１４ａ、１４ｂ内の濃度調整汚泥Ｓａを１６０〜２００℃（例えば１８０℃程度）の熱水温度に加熱している。また、循環路１４ａ、１４ｂ内を１ＭＰａ程度に維持する圧力弁１７ａ付き圧力計１７（図６参照）を気液分離器１２に設け、循環路１４ａ、１４ｂ内の循環時間ｙを供給装置７からの汚泥Ｓａの送入量ｘによって３０〜９０分程度に維持している。

また、水熱反応装置１０内で濃度調整汚泥Ｓａ中の固形分が沈降・固着するのを避けるため、循環路１４ａ、１４ｂ内の濃度調整汚泥Ｓａの循環速度ｖは汚泥中の固形分の終末沈降速度ｕより大きくなる（ｖ＞ｕ）ように設定する。一般に固形分の終末沈降速度ｕは、重力加速度ｇ、熱水の密度ρ_ｆ及び粘度μ_ｆ、及びその中に懸濁浮遊している固形分の粒子径Ｄ_ｐ及び密度ρ_ｐを用いて、ストークスの式に基づく（１）式により算出することができる。本発明者らは、反応装置１０の内部での固形分の沈降・固着を防ぐためには、反応装置１０の循環速度ｖを固形分の終末沈降速度ｕの１．３倍以上とすることが有効であることを実験的に見出した。
ｕ＝ｇ・Ｄ_ｐ ^２・（ρ_ｐ−ρ_ｆ）／１８μ_ｆ ………………………………（１）

（１）式は、固形分の密度ρ_ｐが高く又は粒子径Ｄ_ｐが大きいほど終末沈降速度ｕが大きくなることを示している。通常の濃度調整汚泥Ｓａ中の固形分は密度ρ_ｐ＝３５００〜１０００（ｋｇ／ｍ^３）、粒子径Ｄ_ｐ＝０．５〜０．１（ｍｍ）程度であると想定できるので、例えば１８０℃の熱水の物性により密度ρ_ｆ＝８８６．９（ｋｇ／ｍ^３）、粘度μ_ｆ＝１．５４×１０^−４（ｋｇ／ｍ・ｓｅｃ）として計算すると、終末沈降速度ｕは最低０．００４〜最高２．３２（ｍ／ｓｅｃ）の範囲となる。従って、例えば１８０℃程度に設定した水熱反応装置１０では、上述した本発明者らの実験的知見に基づき循環速度ｖを２．３２×１．３≒３（ｍ／ｓｅｃ）以上とすれば、循環路１４ａ、１４ｂ内部での固形分の沈降・固着を小さく抑えることができる。

図示例の水熱反応装置１０は、循環ポンプ１４の吐出側（デリバリー側）の循環路１４ｂに流量計３１及び流量制御弁３２を設け、その流量計３１及び流量制御弁３２に接続された流量制御装置３３により、循環路１４ａ、１４ｂ内の濃度調整汚泥Ｓａの循環速度ｖを固形分の終末沈降速度ｕの１．３倍以上、或いは最低でも３（ｍ／ｓｅｃ）以上の設定速度に制御している。すなわち、循環路１４ｂ内の循環速度ｖを流量計３１で測定し、その速度ｖが設定速度となるように流量制御弁３２の開度（例えば絞り弁による循環路１４ｂの断面積）を制御している。

循環型水熱反応装置１０における更なるエネルギー効率の向上を図るためには、含水率調整装置４により濃度調整汚泥Ｓａの含水率を調整することが望ましい。例えば反応装置１０において含水率８５〜９５％の範囲に含水率を調整した汚泥Ｓａを低分子化処理することが可能であるが、濃度調整汚泥Ｓａの含水率を低くするほど反応装置１０における加熱エネルギーを小さく抑えることができる。ただし、上述したように循環型の反応装置１０でも循環路１４ａ、１４ｂの内面にスケールが徐々に沈降・固着することが避けられず、本発明者らの試験的実験によれば、水熱反応の熱水温度Ｔによっても相違するが、濃度調整汚泥Ｓａの含水率を低くするほど粘性（及び摩擦力）が大きくなるので循環路１４ａ、１４ｂの内面にスケールが固着しやすくなる。

図示例の水熱反応装置１０は、循環路１４ａ、１４ｂの内面のスケール固着状況を継続的に検出し、そのスケール固着状況に応じて含水率調整装置４による濃度調整汚泥Ｓａの含水率を調整又は切り替えることにより、循環路１４ａ、１４ｂ内面のスケールの厚み（又は成長速度）を制御している。循環路１４ａ、１４ｂ内に固着したスケール固着状況を検知するため、原始的な方法としては循環路１４ａ、１４ｂに検測窓を設け、その検測窓を適宜開閉して目視等により確認することもできるが、好ましくは適当な検出装置３０を循環路１４ａ、１４ｂ上に設ける。例えば、図１（Ａ）に示すように循環路１４ｂに設けた流量計３１及び流量制御弁３２を検出装置３０とし、その流量制御弁３２の開度から循環路１４ａ、１４ｂ内の圧力損失の増加分を求め、その増加分から反応器１０を停止・開放することなく演算によりスケール厚み（又は成長速度）を検出することができる。

また図１（Ｂ）は、循環路１４ａ、１４ｂの表面温度（鉄皮温度）を計測する温度計３５をスケール固着状況の検出装置３０とした本発明の他の実施例を示す。図３（Ａ）に示すように循環路１４ａ、１４ｂの内面にスケールが固着していないクリーンな状態のときは、循環路１４ａ、１４ｂの内部温度（例えば１８０℃）が配管内側の境膜の伝熱係数ｈと配管の熱伝導度とによって降温し、循環路１４ａ、１４ｂの表面温度は（内部温度−α）℃となる。これに対して図３（Ｂ）のように循環路１４ａ、１４ｂの内面にスケールが固着したときは、内部温度（例えば１８０℃）が配管内側の境膜の伝熱係数ｈとスケールの熱伝導度λ´と配管の熱伝導度λとによって降温し、表面温度は（内部温度−β）℃となる。すなわち、循環路１４ａ、１４ｂの表面温度は内部温度より低く、その降温差はスケールの固着により必ず大きくなる（β＞α）。配管内側の境膜伝熱係数ｈ、スケール及び配管の熱伝導度λ´、λは反応装置１０の運転条件、濃度調整汚泥Ｓａの性状等から演算や分析により求めることができるので、その演算時や分析値を用いれば表面温度（鉄皮温度）と内部温度との降温差βから演算により反応器１０を停止・開放することなくスケール厚み（又は成長速度）を検出することができる。

更に好ましくは、図１（Ａ）に示す流量制御弁３２の開度と図１（Ｂ）に示す循環路１４ａ、１４ｂの表面温度との両者からスケール固着状況を検出することにより、反応装置１０内のスケール固着状況の変動を早期に精度よく検出する。図示例の水熱反応装置１０は、固着状況検出装置３０で検出されたスケール固着状況（例えばスケール厚み又は成長速度）の信号を入力して含水率調整装置４を制御する制御装置３８を設けている。例えば調整装置４により濃度調整汚泥Ｓａの初期含水率を９０〜９２％程度に設定したうえで水熱反応装置１０の運転を開始し、スケール厚み（又は成長速度）が所定許容値以下のときは初期含水率を維持し、スケール厚み（又は成長速度）が所定許容値を超えたときは制御装置３８を介して含水率調整装置４による濃度調整汚泥Ｓａの含水率を９３〜９５％程度に切り替える。ただし、制御装置３８は本発明に必須のものではなく、例えば検出装置３０の検出結果に基づき含水率調整装置４を手動で切り替えることも可能である。

図示例の循環型水熱反応装置１０において、１ＭＰａの圧力下で濃度調整汚泥Ｓａを１６０〜２００℃に加熱しながら３（ｍ／ｓｅｃ）以上の流速で３０〜９０分程度循環させれば、気液分離器１２の液面コントロール弁１５ａ（図６参照）から溢出路１５ｂを介して反応装置１０の外部へ出力される分解水溶液（低分子化された濃度調整汚泥）Ｓｂをメタン発酵処理に適した分解性の高い低分子有機物とすることができる。水熱反応装置１０により低分子化された汚泥Ｓｂ（以下、低分子化汚泥Ｓｂということがある）は、原料タンク１９を介して含水率調整装置４の濾液と共にメタン発酵槽２０（図２参照）へ導入する。

図２のメタン発酵槽２０は、メタン発酵微生物群を高濃度に保持する微生物固定床２１を有し、導入された低分子化汚泥Ｓｂを所要時間滞留させてメタン発酵微生物群と接触させることによりメタンガスＧにまで分解する。例えば発酵槽２０内にガラス繊維又は炭素繊維製の微生物担体を充填して固定床２１とすることができる（特許文献４参照）。上述したように低分子化前の汚泥Ｓをメタン発酵処理するためには１５〜３０日以上発酵槽２０内に滞留させることが必要であるが、低分子化汚泥Ｓｂは３〜５日の滞留時間でも固形分の分解率をほぼ最大値（５０％）とすることができる。また、メタン発酵槽２０には低分子化汚泥Ｓｂをメタン発酵微生物群の活性温度に保持する保温装置（図示せず）を設けることができ、その保温装置により発酵槽２０内の低分子化汚泥Ｓｂをメタン発酵微生物に適する発酵温度、例えば中温（３７℃程度）又は高温（５５℃程度）に維持する（特許文献４参照）。ただし本発明で用いるメタン発酵槽２０は図示例に限定されるものではなく、固定床に代えて浮遊床方式とすることも可能である。

図２に示すように、メタン発酵槽２０で発生したメタンガスＧはガスライン経由で取り出し、必要に応じて脱硫器で脱硫したのちガスタンク２３に蓄える。ガスタンク２３に蓄えたメタンガスＧは、上述したエネルギー変換装置２５（例えばボイラー等）により加熱媒体（例えば蒸気、熱媒油等）Ｈの加熱エネルギーに変換して水熱反応装置１０の加熱に利用することができる。また、メタンガスＧの回収後にメタン発酵槽２０に残る消化汚泥は、返送タンク２７を介して脱水機２８へ送り、濾液は返流水Ｄとして下水処理場１に戻し、残った脱水汚泥Ｓｄを従来の汚泥Ｓと同様の方法で処分する。例えば図１の実施例により下水処理場１から排出された下水汚泥Ｓを本発明のシステムでメタン発酵処理することにより、脱水機２８により脱水汚泥Ｓｄを下水汚泥Ｓの１／３〜１／５に減容・減量することができる。

本発明は、水熱反応装置１０内のスケール固着状況の変動に応じて汚泥Ｓの含水率を調整するので、スケールの成長を防止しつつ水熱反応の必要エネルギーをできるだけ小さく抑えることができ、汚泥を高いエネルギー効率で長時間安定的に低分子化することができる。また、水熱反応装置１０のエネルギー効率を高めることにより、水熱反応装置１０の必要エネルギーをメタン発酵槽２０から回収されるメタンガスのエネルギーによって賄い、エネルギー自足的に汚泥Ｓを減容・減量できるシステムとすることが期待できる。さらに、水熱反応装置１０内のスケール固着状況は汚泥Ｓの粘性その他の種類によって変化しうるが、スケール固着状況に応じて汚泥Ｓの含水率を調整することにより、様々な汚泥Ｓを種類に拘らずそれぞれ高いエネルギー効率で低分子化することができる。

こうして本発明の目的である「循環型の水熱反応を利用して汚泥をエネルギー効率よく且つ長時間安定的にメタン発酵処理できる方法及びシステム」の提供が達成できる。

図１及び図２の実施例は、水熱反応装置１０の循環路１４ａ、１４ｂの内部を水置換洗浄又は薬品洗浄する洗浄装置４０を設け、上述した固着状況検出装置３０によるスケール固着状況の検出に応じて洗浄装置４０を駆動可能としている。上述したように、循環型の水熱反応装置１０では定期的に循環路内に固着したスケールを洗浄する必要があるが、検出装置３０によるスケール固着状況の検出に応じて洗浄装置４０を駆動することにより、反応装置１０を停止・開放することなく洗浄の要否を判断し、最適な時期に反応装置１０の洗浄を実施することができる。

図示例の洗浄装置４０は、水熱反応装置１０の送入路９に切替弁４１を介して接続された注入路と、水熱反応装置１０の溢出路１５ｂに切替弁４２を介して接続された抜出路とを有している。循環路１４ａ、１４ｂを水洗浄するときは、水熱反応装置１０の運転を継続しながら切替弁４１を切替えて送入路９へ洗浄水Ｗを所定時間連続的に注入し、切替弁４２を切替えて洗浄水Ｗを水熱状態のまま１パス（スルー）方式で溢出路１５ｂから系外排出（ダウンブロー）することにより、循環路１４ａ、１４ｂ内を水置換する。循環路１４ａ、１４ｂを薬品洗浄するときは、水熱反応装置１０の運転を停止したうえで切替弁４１、４２を切替えて送入路９及び溢出路１５ｂをそれぞれ洗浄装置４０と接続し、洗浄装置４０から循環路１４ａ、１４ｂ内に薬品Ｗを注入して所定時間循環させる。

本発明者らの試験的実験によれば、装置内部の水置換（洗浄水Ｗの連続的注入）を２時間ほど実施することで、循環路１４ａ、１４ｂに固着した通常のスケールはほぼ剥離することができる（図４の流れ図のステップＳ１０５参照）。従って、水置換後に切替弁４１、４２を戻して送入路９及び溢出路１５ｂを供給タンク６及び原料タンク１９と再接続することにより上述した初期含水率（９０〜９２％程度）の濃度調整汚泥Ｓａの水熱反応を再開することができる。循環路１４ａ、１４ｂ内にスケールが比較的強固に積層している場合でも、例えば過酸化水素系の薬品洗浄（薬品Ｗの循環）を２時間ほど実施することでほとんど剥離することができる（ステップＳ１０６参照）。

また、図示例の洗浄装置４０（及び切替弁４１、４２）は上述した含水率調整装置４の制御装置３８に接続されており、制御装置３８により水置換洗浄又は薬品洗浄のタイミングが制御されている。図４は、制御装置３８による含水率調整装置４及び洗浄装置４０の制御の流れ図の一例を示す。同流れ図では、含水率調整装置４を初期含水率（９０〜９２％程度）に設定したうえで水熱反応装置１０の運転を開始し（ステップＳ１０１参照）、制御装置３８が固着状況検出装置３０の検出値（スケール厚み又は成長速度）に基づき循環路１４ａ、１４ｂ内の異常傾向（洗浄の要否）を判断する（ステップＳ１０２参照）。例えば、上述したようにスケール厚み（又は成長速度）が所定許容値以下のときは異常なしと判断して初期含水率の通常運転を継続し、所定許容値を超えたときに異常の程度（スケール厚み又は成長速度の検出値）に応じて含水率調整装置４又は洗浄装置４０の駆動の要否を判断する（ステップＳ１０３参照）。

図４の流れ図のステップＳ１０３は、固着状況検出装置３０の検出値（スケール厚み又は成長速度）に基づいて異常レベルを３段階に区分けしている。例えば、検出値が所定許容値を超えたが所定限界値未満（レベル１）のときは、制御装置３８により含水率調整装置４を制御して濃度調整汚泥Ｓａの含水率を９３〜９５％程度に切り替えながら水熱反応装置１０の運転を継続する（ステップＳ１０４）。また、検出値が所定限界値以上であるが所定異常値未満（レベル２）のときは、水熱反応装置１０の運転を継続しながら切替弁４１、４２を切替えて洗浄水Ｗを注入し、反応装置１０の循環路１４ａ、１４ｂの内部を水置換により洗浄する（ステップＳ１０５）。所定異常値以上のスケール厚み（又は成長速度）が検出されたときに（レベル３）、水熱反応装置１０の運転を停止して洗浄装置４０により循環路１４ａ、１４ｂの内部を薬品洗浄する（ステップＳ１０６）。

通常のスケール固着であれば循環路１４ａ、１４ｂの２時間程度の水置換で水熱反応装置１０の回復が可能であり、水置換後に切替弁４１、４２を戻すことで直ちに初期含水率の正常運転（ステップＳ１０１）に復帰できるので、水熱反応装置１０の運転を停止する必要はない。従って、含水率調整装置４による汚泥Ｓａの含水率調整（ステップＳ１０４）を適宜行いながら、循環路１４ａ、１４ｂの水置換洗浄（ステップＳ１０５）を１０日〜１月に１回程度の頻度で行うことにより、水熱反応装置１０を長時間安定的に稼動（連続運転）させることができ、循環路１４ａ、１４ｂの薬品洗浄（ステップＳ１０６）は半年から１年に１回程度の頻度で又は想定されない異常なスケール固着の発生時に行えば足りる。

１…下水処理装置 ２…混合汚泥槽
４…含水率調整装置 ５…凝縮剤添加装置
６…供給タンク ６ａ…撹拌装置
６ｂ…圧力計 ６ｃ…リリーフ弁
７…供給装置 ８…粉砕装置
８ａ…粉砕タンク ８ｂ…粉砕ポンプ
８ｃ…三方弁 ９…送入路
１０…水熱反応装置 １１…水熱反応器
１１ａ…連通管 １１ｂ…均圧管
１１ｃ…細管 １２…気液分離装置
１４…循環ポンプ １５…液面制御装置
１５ａ…液面コントロール弁 １５ｂ…溢出路
１６…温度計 １７…圧力計
１７ａ…圧力逃がし弁 １８…安全弁
１９…原料タンク １９ａ…定量ポンプ
２０…メタン発酵槽 ２１…微生物固定床
２３…ガスタンク ２５…エネルギー変換装置
２５ａ、２５ｂ…熱媒流路 ２５ｃ…トラップ
２７…返送タンク ２８…脱水機
３０…固着状況検出装置 ３１…流量計
３２…流量制御弁 ３３…流量制御装置
３４…温度センサ ３５…温度計（計測器）
３８…制御装置
４０…洗浄装置 ４１、４２…切替弁
Ｇ…メタンガス Ｓ…汚泥
Ｓａ…濃度調整汚泥 Ｓｂ…低分子化汚泥
Ｓｃ…減容・減量汚泥 Ｓｄ…脱水汚泥
Ｄ…返流水 Ｗ…洗浄水又は薬品

Claims (8)

1. 汚泥を所定含水率に調整したのち、含水率調整後の汚泥を水熱反応器と気液分離器とを結ぶ循環路へ送入し且つ所定温度・圧力で所定時間循環させて低分子化し、前記循環路から出力された低分子化汚泥を発酵槽に滞留させてメタン発酵処理する方法において、汚泥の含水率を所定含水率に設定したのち、前記循環路内のスケールの厚み又は成長速度を継続的に検出し、その厚み又は成長速度が所定許容値を超えたときに前記循環路へ送入する汚泥の含水率を所定含水率より高い含水率に切り替えてなる水熱反応利用の汚泥メタン発酵処理方法。
2. 請求項１の処理方法において、前記循環路内の汚泥循環流量を所定流量に制御する流量計及び流量制御弁を設け、前記流量制御弁の開度から循環路内のスケールの厚み又は成長速度を検出してなる水熱反応利用の汚泥メタン発酵処理方法。
3. 請求項１の処理方法において、前記循環路の表面温度を計測し、前記循環路の表面温度から循環路のスケールの厚み又は成長速度を検出してなる水熱反応利用の汚泥メタン発酵処理方法。
4. 請求項１から３の何れかの処理方法において、前記循環路内のスケールの厚み又は成長速度が所定許容値を超えた場合において、所定限界値未満のときに前記汚泥の含水率の切り替えを行い、所定限界値以上であるが所定異常値未満のときに前記循環路の内部を水置換洗浄し、所定異常値以上のときに前記循環路の内部を薬品洗浄してなる水熱反応利用の汚泥メタン発酵処理方法。
5. 汚泥を所定含水率に調整する含水率調整装置、前記含水率調整後の汚泥を水熱反応器と気液分離器とを結ぶ循環路へ送入し且つ所定温度・圧力で所定時間循環させて低分子化する循環型水熱反応装置、前記循環路から出力された低分子化汚泥を滞留させてメタン発酵処理する発酵槽、及び前記水熱反応装置の循環路内のスケールの厚み又は成長速度を継続的に検出する検出装置を備え、前記調整装置により汚泥の含水率を所定含水率に設定したのち、前記検出装置で検出されたスケールの厚み又は成長速度が所定許容値を超えたときに前記調整装置により汚泥の含水率を所定含水率より高い含水率に切り替えてなる水熱反応利用の汚泥メタン発酵処理システム。
6. 請求項５の処理システムにおいて、前記検出装置を前記循環路内の汚泥循環流量を所定流量に制御する流量計及び流量制御弁とし、前記流量制御弁の開度から循環路内のスケールの厚み又は成長速度を検出してなる水熱反応利用の汚泥メタン発酵処理システム。
7. 請求項５の処理システムにおいて、前記検出装置を前記循環路の表面温度を計測する温度計とし、前記循環路の表面温度から循環路内のスケールの厚み又は成長速度を検出してなる水熱反応利用の汚泥メタン発酵処理システム。
8. 請求項５から７の何れかの処理システムにおいて、前記水熱反応装置の循環路内部を水置換洗浄又は薬品洗浄する洗浄装置を設け、前記循環路内のスケールの厚み又は成長速度が所定許容値を超えた場合において、所定限界値未満のときに前記汚泥の含水率の切り替えを行い、所定限界値以上であるが所定異常値未満のときに前記洗浄装置により循環路の内部を水置換洗浄し、所定異常値以上のときに前記洗浄装置により循環路の内部を薬品洗浄してなる水熱反応利用の汚泥メタン発酵処理システム。