有機性廢棄物的資源化方法
2023-05-03 13:35:51 2
專利名稱：有機性廢棄物的資源化方法
技術領域：
本發明涉及使有機性廢棄物資源化的方法，特別是涉及通過將城市垃圾、屎尿、下水汙泥或產業廢棄物等固體狀、汙泥狀、或液體狀有機性廢棄物進行水熱反應處理，進行資源化的方法。
作為通過水熱反應處理，使廢棄物資源化的方法，以下的方法還處於研究開發階段。將廢棄物，若含有固形物，則將其破碎至數mm以下的粒徑，作成具有可用泵輸送程度的含水率的原料漿液，進行水熱反應後，作成碳漿。進而，利用碳漿容易與水分離的特點，除去水，得到發熱量在4000-5000Kcal/kg以上的濃縮碳漿，製成燃料。
在此，所說的碳漿，是指含的有機成分，進行脫滷化和脫二氧化碳化，變化成稱作炭(Char)的碳化物、油分和水溶性成分的物質和水的混合物。另外，所說的油分是指利用二氯甲烷等有機溶劑進行萃取的物質，所說的水相是指過濾有機溶劑萃取殘渣得到的濾液，所說的固相，是指除去油分和水相後剩下的物質。另外，所說的水熱反應處理，是指加壓到反應溫度的飽和蒸汽壓以上後，升溫到反應溫度，發生化學反應。在處理城市垃圾等的廢棄物時，該反應溫度在300-350℃左右、壓力在150個大氣壓左右。
可是，上述方法有如下問題。
水熱反應的原料漿液，由於廢棄物引起的流動性差、粘度高，所以含水率必須高到85-90％左右，造成設備的可處理廢棄物量減少和在升溫和冷卻時需要大的熱負荷和冷卻負荷。
在廢棄物處理設施中，一般接受貯存的設備，為了容納接受量的變動，使供給後段的處理設備的廢棄物均質化，需要作成較大容量。例如，在厚生省的垃圾處理設施結構指南中，規定將焚燒設備的垃圾槽作成每天計劃貯存最大量的2天以上的容量。因而，在垃圾槽中實際上貯存大量的廢棄物。在水熱反應處理設備中，為了使原料漿液混合、均一化，希望將廢棄物作成供給水熱反應的原料漿液形態，一邊混合，一邊貯存在槽中。但是，若如上所述貯存大量的廢棄物，則漿液發生腐敗，有在水相中的COD升高、產生惡臭、影響衛生的問題。
另外，在水熱反應後，從碳漿分離的水相中的含有有機物的濃度，與原料漿液的水相相比較，有相當地減少，但有機物量通常仍具有2萬-3萬ppm的濃度，為了進行生物處理，需要用大量水稀釋，在含有重金屬時，絕對不能進行生物處理，不得不使用燃料燃燒即進行蒸發、氧化處理。
進而，從水熱反應後的漿液，除去水相，在得到濃縮碳漿的濃縮工序中進行過濾脫水時，由於油分引起固著和堵塞，所以必須頻繁清洗過濾器。因此，為了連續運轉水熱反應設備，所以需要備用設備，而且在運轉上加大了負擔。
這樣，雖然對於水熱反應本身進行了相當地研究，但在通過水熱反應將廢棄物作成發熱量高的濃縮碳漿進行資源化的技術在實用方面還存在問題。
本發明的目的在於提供可將含水率低的漿液進行水熱反應處理、在漿液貯存期間不腐敗、而且可有效地處理水熱反應後的漿液的水相的有機性廢棄物的資源化方法。
為了解決上述課題，本發明提供了一種方法，其特徵是包括以下工序通過將有機性廢棄物的漿液貯存在厭氣性消化槽使其發酵，由此生成含有甲烷的氣體和發酵漿液的甲烷發酵工序；和將上述發酵漿液供給到水熱反應中由此生成碳漿的水熱反應處理工序；和通過從上述碳漿分離上述水相得到具有高發熱量的濃縮碳漿的濃縮工序。
以下，參照附圖，詳細地說明本發明方法。
圖1概略地表示本發明方法的工序。首先，將廢棄物1，供給到為除去粗大固形物等的前處理工序2。在該工序中，將廢棄物中的固形物破碎成數mm以下，並儘可能除去玻璃、瓦礫和金屬類等的無機成分。汙泥和廢液等原本很細不需要破碎的或幾乎不含固形物的，根據需要，通過濾網，將超過10mm左右的粗大固形物作為異物3排除。在使廢棄物浮遊在液體中的狀態下，通過破碎、分離，容易地得到廢棄物漿液。或者在破碎、分離後，將廢棄物與液體混合，得到廢棄物漿液。或者，在下述的甲烷發酵工序中，通過將水添加在廢棄物中，也可進行漿液化。
在以下的甲烷發酵工序4中，首先，從厭氣性消化槽底的一端供給前處理得到的廢棄物或廢棄物漿液，隔絕空氣，貯存在消化槽中，將pH保持在6-8中性範圍，將溫度控制在30-60℃左右，消化槽中-上部的液體的水溶性有機成分的COD達到5000-100000mg/l左右。該調節是通過加入補充水5來進行的。在消化槽中，生成二氧化碳氣和甲烷氣體，附著在生成泡上的甲烷發酵菌體上浮，脫去氣體後沉降，中-上部被適當地攪拌。消化槽作成密閉容器，液面高度大致保持一定，排出聚集在頂部的含高濃度甲烷的發酵氣體6。
補充水5是為了將廢棄物漿液的含水量調整到適於甲烷發酵的量而使用的。另一方面，前處理工序2中破碎廢棄物是使用碎漿機等水中破碎機，在為分離異物而使用比重分離機和液體旋流器時，廢棄物中的固形物的濃度越低越容易破碎和分離。為此，也可將補充水5供給到前處理工序2，或供給到前處理工序2前面的貯存階段的廢棄物1中。在前處理工序2中，將廢棄物漿液的含水量作成與甲烷發酵工序4的含水量相同，或者比其含水量多，進行前處理，在前處理後進行脫水，將由此產生的水再返回到前處理工序2中再使用。
不使用補充水5，或者與補充水5同時，將甲烷發酵後的脫水工序8產生的循環水9和，或者後述的濃縮工序14中產生的循環水16返回到前處理工序2和甲烷發酵工序4。由此，可節約補充水5，降低排水15向系統外的排水量。
由於甲烷發酵菌體主要在消化槽中的中-上部循環，所以若將發酵漿液7從消化槽底部進口的對面端取出，則增殖速度慢的甲烷發酵菌體的流出減少。另外，根據廢棄物的種類，比充滿在消化槽的液體的比重輕的上浮。在有可能進入這樣的廢棄物時，在液體的水面上緩慢進行攪拌，一邊沉降附著在泡上的甲烷發酵菌體，一邊使用淘出機將上浮的廢棄物，從消化槽排出，也可與從消化槽底部排出的發酵漿液一起排出。另外，在消化槽中，毒性物質的濃度一定不要超過阻礙甲烷發酵的濃度以上，例如，氨態的氮在200mg/l以下、硫化氫態的硫在100mg/l以下是大概的指標，這也是調節補充水量的根據。
在該甲烷發酵中，由於選擇性地消耗水溶性有機成分，所以粘性物質消失，粘度通常低到接近水的程度。在這一點上，對於富含澱粉、蛋白質和微生物菌的廢棄物，其改質效果大。另外，對於不溶於水的廢棄物細粒，幾乎不進行甲烷發酵，但食品廚房垃圾等易分解性有機物產生腐敗，在下一個工序的水熱反應處理時崩解，容易起到作為漿液的潤滑劑的作用。
從消化槽取出的發酵漿液7，送到水熱反應處理工序11中，但優選的是在這之前，供給到脫水工序8，作成原料漿液10。如上所述，分解液可作為發酵循環水9，回到甲烷發酵工序4的消化槽中。只要通過該脫水，使原料漿液10的含水率降到極低，就可使水熱反應裝置的泵、熱交換器和水熱反應器的容積變小，另外，使升溫和冷卻所需的熱負荷變小。當然，作為流體，為了通過泵和配管，其漿液必須具有流動性。
根據原料廢棄物不同，其適宜的含水率不同，但對於富含食物殘渣的廢棄物，未消化的殘存固形物，由於成為給與漿液流動性的潤滑劑，所以可以大大地減少游離水量，可作成約40％含水率的漿液。
將脫水後得到的原料漿液10供給到在高壓、高溫下進行水熱反應處理工序11中。在水熱反應中，通常溫度是250-350℃，壓力是根據溫度，調節成比在該溫度下的飽和蒸汽壓高的50-200個大氣壓，溫度越高，反應時間越短，但通常為10幾分鐘乃至1-2小時。從原料漿液中的化合物脫去滷元素和氧的反應在250℃左右發生。該反應在氧化性氛圍中難以進行，但由於沒有特別吹入氧，所以成為強還原狀態，進行脫氧·脫滷化反應。
其結果是分子鏈狀結構斷開，排出以二氧化碳為主體的含硫化氫、硫醇、氨等的氣體12，變成碳含有率高的脆性炭固相、油分及低級有機酸和醇、醛、酮等的水溶性有機化合物和溶入鹽類的水相組成的混合物的碳漿13。在此，對於由甲烷發酵得到的原料漿液10，已經以甲烷的形式從原料廢棄物中減少了氫，所以碳漿液中的油分很少。另外，由於通過甲烷發酵，原料漿液10中的水溶性有機物選擇性地減少，碳漿13的水相中的有機化合物量減少。油分在常溫下一般是焦油狀或瀝青狀的重質油，流動點通常超過50℃。
通過脫氧反應，水相的粘度幾乎與水相同，固相和油分也不成為膠體，沉降性好，碳漿13具有易於脫水的性狀。
得到的碳漿13，在濃縮工序14中分離水相，成為含水率低、發熱量高的濃縮碳漿17。在該濃縮工序14中，由於廢棄物的種類不同，比水相的比重輕的炭和油分也存在於漿液中，所以通常是使用經過過濾的脫水。因此，有必要將碳漿13冷卻到50℃以下極低的溫度，將油分形成固形物後進行脫水濃縮。在濃縮過程中冷卻，油分從液體變成固體狀的條件下運轉時，油分固著在裝置上，引起通路堵塞、過濾面堵塞和高速旋轉體失去平衡等問題。濃縮工序14中分離的水相，儘管相對於未進行甲烷發酵的原料漿液的數萬mg/l的COD有大幅度的降低，但仍具有高濃度的COD。因此，若將該水相作為水熱反應循環水16返回到甲烷發酵的消化槽，則可降低向消化槽補加的補充水量和產生的排水15的量。但是，該循環水量，有必要調整到使氨態氮和硫化氫態硫等甲烷發酵的毒性物質的濃度不超過阻礙濃度以上的範圍的量。
實施例以下，用實施例，具體說明本發明。
對於將城市垃圾漿液化後供給到甲烷發酵和水熱反應，和不進行甲烷發酵而直接供給到水熱反應進行比較實驗。
作為原料的城市垃圾的組成如下。
三成分水分40％、可燃成分52％、灰分8％。
可燃成分中的元素組成碳48％、氫8％、氧42％、氯1.0％、氮0.6％、硫0.4％。
將城市垃圾儘量去除灰分，加入水後用混合機破碎到數毫米以下，加入甲烷發酵菌體，在pH7-8、溫度34-38℃下放置10天。發生的氣體量是甲烷氣體89g/kg垃圾、二氧化碳氣體105g/kg垃圾。此時，相對於甲烷氣體和二氧化碳氣體的總量的甲烷氣體濃度是70容積％。
將得到的漿液放置在濾紙上，在此狀態下進行過濾時，漿液的組成如下。
三成分水分54％、可燃成分44％、灰分2％。
可燃成分的元素組成碳47％、氫5％、氧44％、氯1.5％、氮0.9％、硫0.6％。
將供給到上述甲烷發酵的原料漿液和不供給到甲烷發酵的原料漿液，在高壓釜中進行水熱反應處理。處理條件是溫度為325℃、壓力為150個大氣壓、反應時間為10分鐘。
其結果，將未供給到甲烷發酵的原料漿液進行水熱反應處理後的碳漿中的組成比率如下。
油分28％、氣體13％、固相47％、水相溶解成分12％。另一方面，將供給到甲烷發酵的原料漿液進行水熱反應處理後的碳漿中的組成比率如下。
油分19％、氣體9％、固相68％、水相溶解成分4％。
若按照水熱反應處理，有機性廢棄物從城市垃圾到屎尿、產業廢棄物，應用範圍廣，不論是固形物、汙泥、廢液等任何狀態都可以，不必進行特別細緻的區分，可得到發熱量高的濃縮碳漿。濃縮碳漿可直接作為流動床鍋爐的燃料，或作成CWM作為燃燒爐的燃料，也可作為用德士古法得到的氨原料。這樣，按照本發明，可將有機性廢棄物轉變成具有廣泛用途的資源。
特別是，按照本發明，在調製原料漿液階段中，通過甲烷發酵分解，可得到如下效果。
(1)可得到作為燃料和化學原料有用的高濃度甲烷。
(2)可使原料漿液的粘性降低、原料漿液的含水率降低，可將水熱反應裝置和反應生成物的水相分離裝置作成緊湊型，大幅度降低設備費用和運轉費用。
(3)在該種廢棄物處理設備中，必需要接受廢棄物貯槽和廢棄物的均質化，但本發明中，作為甲烷發酵裝置的厭氣性消化槽兼有此功能。
(4)水熱反應後，可大幅度降低從碳漿分離的水相中含有的有機物濃度，容易進行排水處理。
(5)通過水熱反應在漿液中生成的油分，是造成在除去水相得到濃縮碳漿時進行過濾脫水等操作時引起固著和堵塞的原因，但通過將原料漿液進行甲烷發酵分解，可減少該油分。
本發明提供了適用於有機性廢棄物處理的新的廢棄物資源化方法，利用該方法可高效回收通過甲烷發酵得到的甲烷氣體和通過水熱反應的碳漿，因此本發明對於廢棄物的資源化作出了很大的貢獻。
附圖的簡單說明圖1是本發明廢棄物的資源化方法的概略工序圖。
符號說明1廢棄物、2前處理工序、3雜質、4甲烷發酵工序、5補充水、6發酵氣體、7發酵漿液、8脫水工序、9發酵循環水、10原料漿液、11水熱反應處理工序、12排出氣體、13碳漿、14濃縮工序、15排水、16水熱反應循環水、17濃縮碳漿。
權利要求
1.有機性廢棄物的資源化方法，包括以下工序通過將有機性廢棄物的漿液貯存在厭氣性消化槽中使其發酵，由此生成含甲烷氣體和發酵漿液的甲烷發酵工序；和將上述發酵漿液供給到水熱反應中由此生成碳漿的水熱反應處理工序；和通過從上述碳漿分離上述水相，為得到具有高發熱量的濃縮碳漿而進行的濃縮工序。
2.權利要求1所述的方法，其特徵是在供給到上述甲烷發酵工序之前，予先除去上述有機性廢棄物的漿液中的粗大固形物。
3.權利要求1所述的方法，其特徵是在上述甲烷發酵工序中在上述有機性廢棄物中添加水，由此在使廢棄物漿液化的同時維持發酵條件。
4.權利要求1所述的方法，其特徵是在供給到上述水熱反應之前，先將上述發酵漿液供給到為降低含水率的脫水工序中。
5.權利要求4所述的方法，其特徵是將在上述脫水工序中分離的液體返回到上述厭氣性消化槽中。
6.權利要求1所述的方法，其特徵是將在上述濃縮工序中分離的水相返回到上述厭氣性消化槽中。
全文摘要
本發明提供可將含水率低的漿液進行水熱反應處理的、漿液在貯存期間不腐敗、而且可有效地處理水熱反應後的漿液的水相的有機性廢棄物資源化方法。該方法的特徵是包括以下工序將有機性廢棄物的漿液貯存在厭氣性消化槽中進行發酵，由此生成含甲烷氣體和發酵漿液的甲烷發酵工序(4)；和將上述發酵漿液供給到水熱反應，由此生成碳漿的水熱反應處理工序(11)；和通過從上述碳漿分離上述水相，為得到具有高發熱量的濃縮碳漿而進行的濃縮工序(14)。
文檔編號C10L9/00GK1166519SQ9711083
公開日1997年12月3日 申請日期1997年4月30日 優先權日1996年5月1日
發明者永松定祐, 肥後勉, 福田俊男 申請人:株式會社荏原製作所