專利名稱：有機(jī)性廢棄物的資源化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使有機(jī)性廢棄物資源化的方法，特別是涉及通過將城市垃圾、屎尿、下水污泥或產(chǎn)業(yè)廢棄物等固體狀、污泥狀、或液體狀有機(jī)性廢棄物進(jìn)行水熱反應(yīng)處理，進(jìn)行資源化的方法。
作為通過水熱反應(yīng)處理，使廢棄物資源化的方法，以下的方法還處于研究開發(fā)階段。將廢棄物，若含有固形物，則將其破碎至數(shù)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(jìn)行水熱反應(yīng)后，作成碳漿。進(jìn)而，利用碳漿容易與水分離的特點(diǎn)，除去水，得到發(fā)熱量在4000-5000Kcal/kg以上的濃縮碳漿，制成燃料。
在此，所說的碳漿，是指含的有機(jī)成分，進(jìn)行脫鹵化和脫二氧化碳化，變化成稱作炭(Char)的碳化物、油分和水溶性成分的物質(zhì)和水的混合物。另外，所說的油分是指利用二氯甲烷等有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取的物質(zhì)，所說的水相是指過濾有機(jī)溶劑萃取殘?jiān)玫降臑V液，所說的固相，是指除去油分和水相后剩下的物質(zhì)。另外，所說的水熱反應(yīng)處理，是指加壓到反應(yīng)溫度的飽和蒸汽壓以上后，升溫到反應(yīng)溫度，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在處理城市垃圾等的廢棄物時(shí)，該反應(yīng)溫度在300-350℃左右、壓力在150個(gè)大氣壓左右。
可是，上述方法有如下問題。
水熱反應(yīng)的原料漿液，由于廢棄物引起的流動(dòng)性差、粘度高，所以含水率必須高到85-90％左右，造成設(shè)備的可處理廢棄物量減少和在升溫和冷卻時(shí)需要大的熱負(fù)荷和冷卻負(fù)荷。
在廢棄物處理設(shè)施中，一般接受貯存的設(shè)備，為了容納接受量的變動(dòng)，使供給后段的處理設(shè)備的廢棄物均質(zhì)化，需要作成較大容量。例如，在厚生省的垃圾處理設(shè)施結(jié)構(gòu)指南中，規(guī)定將焚燒設(shè)備的垃圾槽作成每天計(jì)劃貯存最大量的2天以上的容量。因而，在垃圾槽中實(shí)際上貯存大量的廢棄物。在水熱反應(yīng)處理設(shè)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(yīng)的原料漿液形態(tài)，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(fā)生腐敗，有在水相中的COD升高、產(chǎn)生惡臭、影響衛(wèi)生的問題。
另外，在水熱反應(yīng)后，從碳漿分離的水相中的含有有機(jī)物的濃度，與原料漿液的水相相比較，有相當(dāng)?shù)販p少，但有機(jī)物量通常仍具有2萬-3萬ppm的濃度，為了進(jìn)行生物處理，需要用大量水稀釋，在含有重金屬時(shí)，絕對(duì)不能進(jìn)行生物處理，不得不使用燃料燃燒即進(jìn)行蒸發(fā)、氧化處理。
進(jìn)而，從水熱反應(yīng)后的漿液，除去水相，在得到濃縮碳漿的濃縮工序中進(jìn)行過濾脫水時(shí)，由于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(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)水熱反應(yīng)設(shè)備，所以需要備用設(shè)備，而且在運(yùn)轉(zhuǎn)上加大了負(fù)擔(dān)。
這樣，雖然對(duì)于水熱反應(yīng)本身進(jìn)行了相當(dāng)?shù)匮芯?，但在通過水熱反應(yīng)將廢棄物作成發(fā)熱量高的濃縮碳漿進(jìn)行資源化的技術(shù)在實(shí)用方面還存在問題。
本發(fā)明的目的在于提供可將含水率低的漿液進(jìn)行水熱反應(yīng)處理、在漿液貯存期間不腐敗、而且可有效地處理水熱反應(yīng)后的漿液的水相的有機(jī)性廢棄物的資源化方法。
為了解決上述課題，本發(fā)明提供了一種方法，其特征是包括以下工序通過將有機(jī)性廢棄物的漿液貯存在厭氣性消化槽使其發(fā)酵，由此生成含有甲烷的氣體和發(fā)酵漿液的甲烷發(fā)酵工序；和將上述發(fā)酵漿液供給到水熱反應(yīng)中由此生成碳漿的水熱反應(yīng)處理工序；和通過從上述碳漿分離上述水相得到具有高發(fā)熱量的濃縮碳漿的濃縮工序。
以下，參照附圖，詳細(xì)地說明本發(fā)明方法。


圖1概略地表示本發(fā)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(shù)mm以下，并盡可能除去玻璃、瓦礫和金屬類等的無機(jī)成分。污泥和廢液等原本很細(xì)不需要破碎的或幾乎不含固形物的，根據(jù)需要，通過濾網(wǎng)，將超過10mm左右的粗大固形物作為異物3排除。在使廢棄物浮游在液體中的狀態(tài)下，通過破碎、分離，容易地得到廢棄物漿液?；蛘咴谄扑椤⒎蛛x后，將廢棄物與液體混合，得到廢棄物漿液?；蛘撸谙率龅募淄榘l(fā)酵工序中，通過將水添加在廢棄物中，也可進(jìn)行漿液化。
在以下的甲烷發(fā)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中性范圍，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(jī)成分的COD達(dá)到5000-100000mg/l左右。該調(diào)節(jié)是通過加入補(bǔ)充水5來進(jìn)行的。在消化槽中，生成二氧化碳?xì)夂图淄闅怏w，附著在生成泡上的甲烷發(fā)酵菌體上浮，脫去氣體后沉降，中-上部被適當(dāng)?shù)財(cái)嚢?。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(fā)酵氣體6。
補(bǔ)充水5是為了將廢棄物漿液的含水量調(diào)整到適于甲烷發(fā)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(jī)等水中破碎機(jī)，在為分離異物而使用比重分離機(jī)和液體旋流器時(shí)，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(bǔ)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(fā)酵工序4的含水量相同，或者比其含水量多，進(jìn)行前處理，在前處理后進(jìn)行脫水，將由此產(chǎn)生的水再返回到前處理工序2中再使用。
不使用補(bǔ)充水5，或者與補(bǔ)充水5同時(shí)，將甲烷發(fā)酵后的脫水工序8產(chǎn)生的循環(huán)水9和，或者后述的濃縮工序14中產(chǎn)生的循環(huán)水16返回到前處理工序2和甲烷發(fā)酵工序4。由此，可節(jié)約補(bǔ)充水5，降低排水15向系統(tǒng)外的排水量。
由于甲烷發(fā)酵菌體主要在消化槽中的中-上部循環(huán)，所以若將發(fā)酵漿液7從消化槽底部進(jìn)口的對(duì)面端取出，則增殖速度慢的甲烷發(fā)酵菌體的流出減少。另外，根據(jù)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(jìn)入這樣的廢棄物時(shí)，在液體的水面上緩慢進(jìn)行攪拌，一邊沉降附著在泡上的甲烷發(fā)酵菌體，一邊使用淘出機(jī)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(fā)酵漿液一起排出。另外，在消化槽中，毒性物質(zhì)的濃度一定不要超過阻礙甲烷發(fā)酵的濃度以上，例如，氨態(tài)的氮在200mg/l以下、硫化氫態(tài)的硫在100mg/l以下是大概的指標(biāo)，這也是調(diào)節(jié)補(bǔ)充水量的根據(jù)。
在該甲烷發(fā)酵中，由于選擇性地消耗水溶性有機(jī)成分，所以粘性物質(zhì)消失，粘度通常低到接近水的程度。在這一點(diǎn)上，對(duì)于富含淀粉、蛋白質(zhì)和微生物菌的廢棄物，其改質(zhì)效果大。另外，對(duì)于不溶于水的廢棄物細(xì)粒，幾乎不進(jìn)行甲烷發(fā)酵，但食品廚房垃圾等易分解性有機(jī)物產(chǎn)生腐敗，在下一個(gè)工序的水熱反應(yīng)處理時(shí)崩解，容易起到作為漿液的潤(rùn)滑劑的作用。
從消化槽取出的發(fā)酵漿液7，送到水熱反應(yīng)處理工序11中，但優(yōu)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(fā)酵循環(huán)水9，回到甲烷發(fā)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(yīng)裝置的泵、熱交換器和水熱反應(yīng)器的容積變小，另外，使升溫和冷卻所需的熱負(fù)荷變小。當(dāng)然，作為流體，為了通過泵和配管，其漿液必須具有流動(dòng)性。
根據(jù)原料廢棄物不同，其適宜的含水率不同，但對(duì)于富含食物殘?jiān)膹U棄物，未消化的殘存固形物，由于成為給與漿液流動(dòng)性的潤(rùn)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。
將脫水后得到的原料漿液10供給到在高壓、高溫下進(jìn)行水熱反應(yīng)處理工序11中。在水熱反應(yīng)中，通常溫度是250-350℃，壓力是根據(jù)溫度，調(diào)節(jié)成比在該溫度下的飽和蒸汽壓高的50-200個(gè)大氣壓，溫度越高，反應(yīng)時(shí)間越短，但通常為10幾分鐘乃至1-2小時(shí)。從原料漿液中的化合物脫去鹵元素和氧的反應(yīng)在250℃左右發(fā)生。該反應(yīng)在氧化性氛圍中難以進(jìn)行，但由于沒有特別吹入氧，所以成為強(qiáng)還原狀態(tài)，進(jìn)行脫氧·脫鹵化反應(yīng)。
其結(jié)果是分子鏈狀結(jié)構(gòu)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(jí)有機(jī)酸和醇、醛、酮等的水溶性有機(jī)化合物和溶入鹽類的水相組成的混合物的碳漿13。在此，對(duì)于由甲烷發(fā)酵得到的原料漿液10，已經(jīng)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，由于通過甲烷發(fā)酵，原料漿液10中的水溶性有機(jī)物選擇性地減少，碳漿13的水相中的有機(jī)化合物量減少。油分在常溫下一般是焦油狀或?yàn)r青狀的重質(zhì)油，流動(dòng)點(diǎn)通常超過50℃。
通過脫氧反應(yīng)，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具有易于脫水的性狀。
得到的碳漿13，在濃縮工序14中分離水相，成為含水率低、發(fā)熱量高的濃縮碳漿17。在該濃縮工序14中，由于廢棄物的種類不同，比水相的比重輕的炭和油分也存在于漿液中，所以通常是使用經(jīng)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，將油分形成固形物后進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油分固著在裝置上，引起通路堵塞、過濾面堵塞和高速旋轉(zhuǎn)體失去平衡等問題。濃縮工序14中分離的水相，盡管相對(duì)于未進(jìn)行甲烷發(fā)酵的原料漿液的數(shù)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(yīng)循環(huán)水16返回到甲烷發(fā)酵的消化槽，則可降低向消化槽補(bǔ)加的補(bǔ)充水量和產(chǎn)生的排水15的量。但是，該循環(huán)水量，有必要調(diào)整到使氨態(tài)氮和硫化氫態(tài)硫等甲烷發(fā)酵的毒性物質(zhì)的濃度不超過阻礙濃度以上的范圍的量。
實(shí)施例以下，用實(shí)施例，具體說明本發(fā)明。
對(duì)于將城市垃圾漿液化后供給到甲烷發(fā)酵和水熱反應(yīng)，和不進(jìn)行甲烷發(fā)酵而直接供給到水熱反應(yīng)進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)。
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％。
將城市垃圾盡量去除灰分，加入水后用混合機(jī)破碎到數(shù)毫米以下，加入甲烷發(fā)酵菌體，在pH7-8、溫度34-38℃下放置10天。發(fā)生的氣體量是甲烷氣體89g/kg垃圾、二氧化碳?xì)怏w105g/kg垃圾。此時(shí)，相對(duì)于甲烷氣體和二氧化碳?xì)怏w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(tài)下進(jìn)行過濾時(shí)，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(fā)酵的原料漿液和不供給到甲烷發(fā)酵的原料漿液，在高壓釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)處理。處理?xiàng)l件是溫度為325℃、壓力為150個(gè)大氣壓、反應(yīng)時(shí)間為10分鐘。
其結(jié)果，將未供給到甲烷發(fā)酵的原料漿液進(jìn)行水熱反應(yīng)處理后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(fā)酵的原料漿液進(jìn)行水熱反應(yīng)處理后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(yīng)處理，有機(jī)性廢棄物從城市垃圾到屎尿、產(chǎn)業(yè)廢棄物，應(yīng)用范圍廣，不論是固形物、污泥、廢液等任何狀態(tài)都可以，不必進(jìn)行特別細(xì)致的區(qū)分，可得到發(fā)熱量高的濃縮碳漿。濃縮碳漿可直接作為流動(dòng)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(fā)明，可將有機(jī)性廢棄物轉(zhuǎn)變成具有廣泛用途的資源。
特別是，按照本發(fā)明，在調(diào)制原料漿液階段中，通過甲烷發(fā)酵分解，可得到如下效果。
(1)可得到作為燃料和化學(xué)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(yīng)裝置和反應(yīng)生成物的水相分離裝置作成緊湊型，大幅度降低設(shè)備費(fèi)用和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。
(3)在該種廢棄物處理設(shè)備中，必需要接受廢棄物貯槽和廢棄物的均質(zhì)化，但本發(fā)明中，作為甲烷發(fā)酵裝置的厭氣性消化槽兼有此功能。
(4)水熱反應(yīng)后，可大幅度降低從碳漿分離的水相中含有的有機(jī)物濃度，容易進(jìn)行排水處理。
(5)通過水熱反應(yīng)在漿液中生成的油分，是造成在除去水相得到濃縮碳漿時(shí)進(jìn)行過濾脫水等操作時(shí)引起固著和堵塞的原因，但通過將原料漿液進(jìn)行甲烷發(fā)酵分解，可減少該油分。
本發(fā)明提供了適用于有機(jī)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(fā)酵得到的甲烷氣體和通過水熱反應(yīng)的碳漿，因此本發(fā)明對(duì)于廢棄物的資源化作出了很大的貢獻(xiàn)。
附圖的簡(jiǎn)單說明圖1是本發(fā)明廢棄物的資源化方法的概略工序圖。
符號(hào)說明1廢棄物、2前處理工序、3雜質(zhì)、4甲烷發(fā)酵工序、5補(bǔ)充水、6發(fā)酵氣體、7發(fā)酵漿液、8脫水工序、9發(fā)酵循環(huán)水、10原料漿液、11水熱反應(yīng)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(yīng)循環(huán)水、17濃縮碳漿。
權(quán)利要求
1.有機(jī)性廢棄物的資源化方法，包括以下工序通過將有機(jī)性廢棄物的漿液貯存在厭氣性消化槽中使其發(fā)酵，由此生成含甲烷氣體和發(fā)酵漿液的甲烷發(fā)酵工序；和將上述發(fā)酵漿液供給到水熱反應(yīng)中由此生成碳漿的水熱反應(yīng)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(fā)熱量的濃縮碳漿而進(jìn)行的濃縮工序。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在供給到上述甲烷發(fā)酵工序之前，予先除去上述有機(jī)性廢棄物的漿液中的粗大固形物。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在上述甲烷發(fā)酵工序中在上述有機(jī)性廢棄物中添加水，由此在使廢棄物漿液化的同時(shí)維持發(fā)酵條件。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在供給到上述水熱反應(yīng)之前，先將上述發(fā)酵漿液供給到為降低含水率的脫水工序中。
5.權(quán)利要求4所述的方法，其特征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(quán)利要求1所述的方法，其特征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(fā)明提供可將含水率低的漿液進(jìn)行水熱反應(yīng)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(yīng)后的漿液的水相的有機(jī)性廢棄物資源化方法。該方法的特征是包括以下工序?qū)⒂袡C(jī)性廢棄物的漿液貯存在厭氣性消化槽中進(jìn)行發(fā)酵，由此生成含甲烷氣體和發(fā)酵漿液的甲烷發(fā)酵工序(4)；和將上述發(fā)酵漿液供給到水熱反應(yīng)，由此生成碳漿的水熱反應(yīng)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(fā)熱量的濃縮碳漿而進(jìn)行的濃縮工序(14)。
文檔編號(hào)C10L9/00GK1166519SQ9711083
公開日1997年12月3日 申請(qǐng)日期1997年4月30日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月1日
發(fā)明者永松定祐, 肥后勉, 福田俊男 申請(qǐng)人:株式會(huì)社荏原制作所