特開 2023-111869 水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法、および水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理設備

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023111869

(43)【公開日】2023-08-10

(54)【発明の名称】水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法、および水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理設備

(51)【国際特許分類】

   C02F 11/04 20060101AFI20230803BHJP

【ＦＩ】

C02F11/04 A ZAB

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023005598

(22)【出願日】2023-01-18

(31)【優先権主張番号】P 2022013488

(32)【優先日】2022-01-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000192590

【氏名又は名称】株式会社神鋼環境ソリューション

(71)【出願人】

【識別番号】522043552

【氏名又は名称】テラノバ エナジー ゲー エム ベー ハー

【氏名又は名称原語表記】ＴｅｒｒａＮｏｖａ Ｅｎｅｒｇｙ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｓｃｈｉｒｍｅｒｓｔｒａｓｓｅ ６１， ４０２１１ Ｄｕｅｓｓｅｌｄｏｒｆ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110001841

【氏名又は名称】弁理士法人ＡＴＥＮ

(72)【発明者】

【氏名】隅 晃彦

(72)【発明者】

【氏名】竹田 尚弘

(72)【発明者】

【氏名】田中 裕大

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 朋弘

(72)【発明者】

【氏名】宮本 博司

(72)【発明者】

【氏名】マーク・バットマン

【テーマコード（参考）】

4D059

【Ｆターム（参考）】

4D059AA01

4D059AA03

4D059BA12

4D059BB03

4D059BE10

4D059BE15

4D059BE16

4D059BE26

4D059BE37

4D059BE46

4D059BE49

4D059BE55

4D059BE56

4D059BE57

4D059BE58

4D059BE59

4D059CA01

4D059CC03

4D059DA23

4D059DA24

4D059DB11

4D059EB01

4D059EB20

(57)【要約】

【課題】脱水性に優れる脱水対象物を得ることができる有機性廃棄物の処理方法および処理設備を提供すること。
【解決手段】有機性廃棄物の処理方法は、有機性廃棄物を消化槽１（メタン発酵槽）の中で嫌気性発酵処理するメタン発酵工程と、メタン発酵工程後の発酵処理汚泥を第１脱水機２で脱水する第１脱水工程と、第１脱水工程で得られた脱水汚泥を水熱炭化装置３で水熱炭化処理する汚泥炭化工程と、汚泥炭化工程で得られた炭化汚泥スラリーを第２脱水機４（機械式脱水機）により脱水する第２脱水工程と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

有機性廃棄物をメタン発酵槽の中で嫌気性発酵処理するメタン発酵工程と、
前記メタン発酵工程後の発酵処理汚泥を脱水する第１脱水工程と、
前記第１脱水工程で得られた脱水汚泥を水熱炭化処理する汚泥炭化工程と、
前記汚泥炭化工程で得られた炭化汚泥スラリーを機械式脱水機により脱水する第２脱水工程と、
を備える、
水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法。

【請求項2】

請求項１に記載の水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法において、
前記第２脱水工程において、ゲージ圧０．７ＭＰａ以上、且つゲージ圧２．０ＭＰａ以下の圧力で前記炭化汚泥スラリーを圧搾することで脱水する、
水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載の水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法において、
前記第２脱水工程において、前記炭化汚泥スラリーに凝集剤を添加することなく前記炭化汚泥スラリーを脱水する、
水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法。

【請求項4】

請求項１または２に記載の水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法において、
前記第２脱水工程により、含水率が４０質量％以下の炭化汚泥を得る、
水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法。

【請求項5】

請求項１または２に記載の水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法において、
前記第１脱水工程において、得られる脱水汚泥の含水率が７５質量％以上、且つ９０質量％以下となるように、前記発酵処理汚泥を脱水する、
水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法。

【請求項6】

請求項１または２に記載の水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法において、
前記第２脱水工程で前記炭化汚泥スラリーから分離した水熱炭化脱水ろ液を、前記メタン発酵槽に戻すろ液返送工程をさらに備える、
水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法。

【請求項7】

請求項１または２に記載の水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法において、
前記汚泥炭化工程で得られた６０℃以上の温度の前記炭化汚泥スラリーを前記第２脱水工程に供給する、
水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法。

【請求項8】

請求項７に記載の水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法において、
前記第２脱水工程で前記炭化汚泥スラリーから分離した水熱炭化脱水ろ液を、前記メタン発酵槽に戻すろ液返送工程をさらに備え、
前記水熱炭化脱水ろ液を前記メタン発酵槽に戻す途中で、前記水熱炭化脱水ろ液に対して窒素ストリッピングを行うことで、前記水熱炭化脱水ろ液に含まれているアンモニア性窒素をアンモニアガスとして放出させて除去する、
水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法。

【請求項9】

有機性廃棄物を嫌気性発酵処理するメタン発酵槽と、
前記メタン発酵槽から排出された発酵処理汚泥を脱水する第１脱水機と、
前記第１脱水機で得られた脱水汚泥を水熱炭化処理する水熱炭化装置と、
前記水熱炭化装置で得られた炭化汚泥スラリーを機械脱水する第２脱水機と、
を備える、
水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理設備。

【請求項10】

請求項９に記載の水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理設備において、
前記第２脱水機が、フィルタープレス脱水機である、
水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理設備。

【請求項11】

請求項９または１０に記載の水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理設備において、
前記水熱炭化装置は、
前記脱水汚泥を予熱する加熱熱交換器と、
前記加熱熱交換器で予熱された前記脱水汚泥を、酸素を含有しない又は酸素濃度が低いガス雰囲気下にて又は酸素を遮断した状態にて高温高圧処理するリアクターと、
前記リアクターで得られた前記炭化汚泥スラリーを冷却する冷却熱交換器と、
を備え、
前記冷却熱交換器において、前記炭化汚泥スラリーの温度が調整される、
水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理設備。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法、および水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理設備に関する。

【背景技術】

【0002】

有機性廃棄物の処理方法に関する技術として、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１には、メタン回収工程後の消化処理スラリーを可溶化処理し、可溶化処理した処理物を脱水機で脱水するという工程を含む有機性廃棄物の処理方法が記載されている。

【0003】

具体的には、特許文献１に記載の有機性廃棄物の処理方法は、有機性廃棄物スラリーを嫌気性消化槽で嫌気性消化処理してメタンガスを回収するメタン回収工程と、メタン回収工程後の消化処理スラリーを、温度が１５０～２００℃で、かつ該消化処理スラリーの液相を保持する圧力で、処理時間を１５～６０分とする条件で、酸素供給量が該消化処理スラリーのＣＯＤCr値の５～２５質量％に相当する酸素含有ガスを供給して部分分解する可溶化工程と、可溶化工程からの処理物の少なくとも一部を脱水機で脱水して含水率７０質量％以下とする脱水工程と、脱水工程後の脱水物を好気性発酵して堆肥とする堆肥化工程と、を備えている。

【0004】

特許文献１の明細書の段落００５７には、「従って、可溶化工程からの酸化処理スラリーは脱水機で容易に含水率７０質量％以下に脱水できる。」と記載されている。また、特許文献１の明細書の段落００６３には、「前記可溶化工程で得られた酸化処理スラリーの脱水をヌッチェテスト機にて行なった。その結果、水分調整剤等を添加せずとも含水率が約６３質量％の脱水汚泥が得られ、」と記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３６５１８３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１の記載から、特許文献１に記載の有機性廃棄物の処理方法において、その脱水工程で到達できる処理物（脱水汚泥）の含水率は、せいぜい６０質量％程度である。

【0007】

対象物（脱水対象物）の含水率を下げる手段として、脱水と乾燥の両方が適用可能であれば、脱水の方が、同じ含水率を得るための投入エネルギーが少なくて済む。そのため、脱水性に優れる対象物が得られる処理をすることが好ましい。特許文献１に記載の技術では、得られる対象物（酸化処理スラリー）は、脱水後の含水率がせいぜい６０質量％程度と、脱水性に劣るものである。

【0008】

本発明の目的は、脱水性に優れる脱水対象物を得ることができる有機性廃棄物の処理方法および処理設備を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本願で開示する有機性廃棄物の処理方法は、水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理方法であって、有機性廃棄物をメタン発酵槽の中で嫌気性発酵処理するメタン発酵工程と、前記メタン発酵工程後の発酵処理汚泥を脱水する第１脱水工程と、前記第１脱水工程で得られた脱水汚泥を水熱炭化処理する汚泥炭化工程と、前記汚泥炭化工程で得られた炭化汚泥スラリーを機械式脱水機により脱水する第２脱水工程と、を備える。

【0010】

第１脱水工程で得られた脱水汚泥を水熱炭化処理することで、脱水汚泥中の微生物の細胞が破壊されるとともに、前記細胞内の成分の分解・重合が起こる。その結果、脱水性に優れる炭化汚泥スラリー（脱水対象物）が生成する。この脱水性に優れる炭化汚泥スラリーを機械式脱水機により脱水することで、低含水率の炭化汚泥（処理物）とすることができる。

【0011】

前記第２脱水工程において、ゲージ圧０．７ＭＰａ以上、且つゲージ圧２．０ＭＰａ以下の圧力で前記炭化汚泥スラリーを圧搾することで脱水してもよい。

【0012】

この構成によると、含水率が２５質量％以上、且つ５５質量％以下の炭化汚泥（処理物）を得ることができる。また、汚泥炭化工程で得られた炭化汚泥スラリー中の水分には、溶解性のＮａ、Ｋ、Ｃｌが溶出している。これらの成分は、第２脱水工程で脱水ろ液とともに除去されるので、炭化汚泥の含水率を低くできるほど、炭化汚泥中のＮａ、Ｋ、Ｃｌの含有割合を低くできる。そのため、含水率が２５質量％以上、且つ５５質量％以下の炭化汚泥を得ることができることで、炭化汚泥中のＮａ、Ｋ、Ｃｌの含有割合を低くできる。その結果、不純物含有量が少ない炭化汚泥（処理物）を得ることができる。

【0013】

また、前記第２脱水工程において、前記炭化汚泥スラリーに凝集剤を添加することなく前記炭化汚泥スラリーを脱水してもよい。

【0014】

この構成によると、炭化汚泥スラリーの脱水に凝集剤を使用しないため、その分、有機性廃棄物の処理コストを抑えることができる。また、凝集剤を使用しない分、不純物含有量が少ない炭化汚泥（処理物）を得ることができる。

【0015】

また、前記第２脱水工程により、含水率が４０質量％以下の炭化汚泥を得る。

【0016】

この構成によると、低含水率の炭化汚泥（処理物）を得ることができる。

【0017】

また、前記第１脱水工程において、得られる脱水汚泥の含水率が７５質量％以上、且つ９０質量％以下となるように、前記発酵処理汚泥を脱水してもよい。

【0018】

この構成によると、前記水熱炭化処理を安定的に行うことができ、また、前記水熱炭化処理のための供給熱量や前記水熱炭化処理を行うリアクターの容量が、過大になることを抑制できる。

【0019】

また、前記第２脱水工程で前記炭化汚泥スラリーから分離した水熱炭化脱水ろ液を、前記メタン発酵槽に戻すろ液返送工程をさらに備えてもよい。

【0020】

この構成によると、水熱炭化脱水ろ液に含まれる有機物がメタン発酵の原料となることからエネルギー回収量が増える。また、有機物はその分、処理系から減少するので、処理水のＣＯＤ上昇が抑制され、放流水質の悪化を抑制することができる。詳しくは、次のとおりである。水熱炭化脱水ろ液をそのまま水処理系に送って処理すると、水処理系のＣＯＤ負荷が上昇し、放流水質が悪化する可能性があるが、メタン発酵によって有機物が分解されることで、水処理系のＣＯＤ負荷上昇が抑制され、放流水質の悪化を抑制することができる。

【0021】

また、前記汚泥炭化工程で得られた６０℃以上の温度の前記炭化汚泥スラリーを前記第２脱水工程に供給してもよい。

【0022】

この構成によると、炭化汚泥スラリーの粘性を低く保つことができ、炭化汚泥スラリーの移送を行い易く、且つ、炭化汚泥スラリーの脱水性が向上する。

【0023】

また、前記第２脱水工程で前記炭化汚泥スラリーから分離した水熱炭化脱水ろ液を、前記メタン発酵槽に戻すろ液返送工程をさらに備え、前記水熱炭化脱水ろ液を前記メタン発酵槽に戻す途中で、前記水熱炭化脱水ろ液に対して窒素ストリッピングを行うことで、前記水熱炭化脱水ろ液に含まれているアンモニア性窒素をアンモニアガスとして放出させて除去してもよい。

【0024】

この構成によると、水熱炭化脱水ろ液の性状によってはメタン発酵槽内の窒素濃度が高くなって、微生物活性を阻害することがあるところ、当該微生物活性の阻害を抑制することができる。また、除去したアンモニアガスを、例えば肥料として利用することができる。

【0025】

本願で開示する有機性廃棄物の処理設備は、水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理設備であって、有機性廃棄物を嫌気性発酵処理するメタン発酵槽と、前記メタン発酵槽から排出された発酵処理汚泥を脱水する第１脱水機と、前記第１脱水機で得られた脱水汚泥を水熱炭化処理する水熱炭化装置と、前記水熱炭化装置で得られた炭化汚泥スラリーを機械脱水する第２脱水機と、を備える。

【0026】

第１脱水機で得られた脱水汚泥を水熱炭化処理することで、脱水汚泥中の微生物の細胞が破壊されるとともに、前記細胞内の成分の分解・重合が起こる。その結果、脱水性に優れる炭化汚泥スラリー（脱水対象物）が生成する。この脱水性に優れる炭化汚泥スラリーを第２脱水機により脱水することで、低含水率の炭化汚泥（処理物）とすることができる。

【0027】

前記第２脱水機が、フィルタープレス脱水機であってもよい。

【0028】

この構成によると、低含水率の炭化汚泥（処理物）を得ることができる。

【0029】

また、前記水熱炭化装置は、前記脱水汚泥を予熱する加熱熱交換器と、前記加熱熱交換器で予熱された前記脱水汚泥を、酸素を含有しない又は酸素濃度が低いガス雰囲気下にて又は酸素を遮断した状態にて高温高圧処理するリアクターと、前記リアクターで得られた前記炭化汚泥スラリーを冷却する冷却熱交換器と、を備え、前記冷却熱交換器において、前記炭化汚泥スラリーの温度が調整されてもよい。

【0030】

この構成によると、炭化汚泥スラリーの粘性を調整することができ、炭化汚泥スラリーの移送を行い易くすることができるとともに、炭化汚泥スラリーの脱水性を向上させることができる。また、炭化汚泥スラリーの引抜量の安定化を図ることができる。

【発明の効果】

【0031】

前記構成の有機性廃棄物の処理方法、または有機性廃棄物の処理設備によれば、脱水性に優れる脱水対象物を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】水熱炭化処理を用いた有機性廃棄物の処理設備の一例を示すブロック図である。

【図2】図１中に示す水熱炭化装置の具体的構成の一例を示す図である。

【図3】水熱炭化装置で得られた炭化汚泥スラリーを、機械式脱水機により脱水した試験結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

【0034】

本発明の処理方法における処理対象の有機性廃棄物は、下水汚泥、生ごみなどの食品廃棄物（食品系バイオマス）、古紙・廃紙などのリグノセルロース系廃棄物、農業残渣、および家畜糞尿などである。これらの有機性廃棄物は、それぞれ単独で処理されてもよいし、混合処理されてもよい。以下では、処理対象として下水汚泥を例にとって、その処理について説明する。

【0035】

図１に示すように、有機性廃棄物の処理設備は、メタン発酵槽としての消化槽１と、第１脱水機２と、水熱炭化装置３と、第２脱水機４と、養生容器５と、分離液処理装置６と、を備える。消化槽１、第１脱水機２、水熱炭化装置３、第２脱水機４、および養生容器５は、処理工程の上流側から順に、この順で設けられる。分離液処理装置６は、処理工程において、第１脱水機２の下流側に設けられる。

【0036】

（消化槽、およびメタン発酵工程）
消化槽１は、下水汚泥を嫌気性発酵処理するタンクである。メタン発酵工程は、下水汚泥を消化槽１の中で嫌気性発酵処理する工程である。消化槽１に投入される下水汚泥の固形物濃度は、例えば３～９質量％である。消化槽１は、中温発酵処理においては温度約３０～４２℃で滞留時間１５～３０日程度、高温発酵処理においては温度約５０～６０℃で滞留時間７～２０日程度で運転される。

【0037】

下水汚泥の嫌気性発酵により消化槽１の中で消化ガスが発生する。消化ガスは、メタンが約６０容量％、二酸化炭素が約４０容量％のガス（バイオガス）である。発生した消化ガスは、消化槽１の中から取り出され、消化槽１や水熱炭化装置３の加温のための燃料として利用されたり、発電設備（不図示）の燃料として利用されたりする。すなわち、下水汚泥を嫌気性発酵処理することで、下水汚泥が有するエネルギーを消化ガス（ガスエネルギー）として回収することができる。

【0038】

嫌気性発酵処理後の下水汚泥の発酵残渣、すなわち発酵処理汚泥は、消化槽１の中から外部へ排出される。

【0039】

（第１脱水機、および第１脱水工程）
消化槽１の中から外部へ排出された発酵処理汚泥は、第１脱水機２に供給される。第１脱水機２は、消化槽１から排出された発酵処理汚泥を脱水する機械である。第１脱水工程は、メタン発酵工程後の発酵処理汚泥を脱水する工程である。発酵処理汚泥の固形物濃度は、例えば１．５～５質量％である。第１脱水機２は、ベルトプレス脱水機、フィルタープレス脱水機、遠心脱水機、スクリュープレス脱水機、ベルト濃縮機、または遠心濃縮機などである。

【0040】

第１脱水機２（第１脱水工程）では、脱水汚泥の含水率が７５質量％以上、且つ９０質量％以下となるように、発酵処理汚泥を脱水することが好ましい。第１脱水機２（第１脱水工程）により、発酵処理汚泥は、例えば含水率が８０質量％程度の脱水汚泥となる。

【0041】

第１脱水機２（第１脱水工程）では、鉄系無機凝集剤を用いて脱水してもよく、鉄系無機凝集剤と高分子凝集剤とを併用して脱水してもよい。鉄系無機凝集剤として、例えば、ポリ硫酸第二鉄、塩化第二鉄、硫酸第一鉄などの無機凝集剤を使用することができる。また、高分子凝集剤としては、例えば、カチオン系高分子凝集剤、アニオン系高分子凝集剤などの他、ノニオン系高分子凝集剤や両性高分子凝集剤などを用いることができるが、ここではカチオン系高分子凝集剤を用いることが好ましい。第１脱水機２（第１脱水工程）では、発酵処理汚泥の固形物量当たり０．５～２．５質量％の高分子凝集剤を添加して脱水することが好ましい。発酵処理汚泥を上記好ましい条件下で脱水する第１脱水機２（第１脱水工程）により、発酵処理汚泥は、含水率が７５～９０質量％程度の脱水汚泥となる。なお、より好ましくは、脱水汚泥の含水率が７５質量％以上、且つ８５質量％以下となるように、発酵処理汚泥を脱水することである。

【0042】

含水率が７５質量％未満であると、脱水汚泥の流動性が低下し、その内部を脱水汚泥が移送される配管や後述する加熱熱交換器８の圧力損失が増大して、脱水汚泥の移送に支障が生じ、後述するリアクター７における水熱炭化処理を安定的に行えない虞がある。

【0043】

含水率が９０質量％を超えると、脱水汚泥の含水率が高いので、後段の水熱炭化処理において、より多くの熱量を供給する必要が生じる虞や、後述するリアクター７の容量をより大きくする必要が生じる虞がある。

【0044】

第１脱水機２（第１脱水工程）で上記の好ましい含水率範囲となるように発酵処理汚泥に凝集剤を添加して脱水し脱水汚泥と成してから水熱炭化処理することにより、後述するリアクター７における水熱炭化処理を安定的に行うことができ、また、リアクター７への供給熱量やリアクター７の容量が、過大になることを抑制できる。なお、第１脱水機２（第１脱水工程）による発酵処理汚泥の脱水は、上記の好ましい含水率範囲となるように発酵処理汚泥を脱水することに限定されるものではない。

【0045】

第１脱水機２によって発酵処理汚泥から分離した脱水ろ液（消化脱水ろ液）は、分離液処理装置６に送られる。

【0046】

（分離液処理装置、および分離液処理工程）
発酵処理汚泥から分離した脱水ろ液（消化脱水ろ液）は、分離液処理装置６に供給される。分離液処理装置６は、第１脱水機２で発酵処理汚泥から分離した脱水ろ液（消化脱水ろ液）を処理する装置である。分離液処理工程は、第１脱水工程で発酵処理汚泥から分離した脱水ろ液（消化脱水ろ液）を処理する工程である。分離液処理装置６で得られた処理水は、水処理設備（不図示）へ返送される。

【0047】

分離液処理装置６は、例えば、上記脱水ろ液（消化脱水ろ液）を凝集沈殿処理する装置である。分離液処理工程は、例えば、上記脱水ろ液（消化脱水ろ液）を凝集沈殿処理する工程である。なお、上記脱水ろ液（消化脱水ろ液）の処理は、凝集沈殿処理に限られず、凝集浮上分離処理、または凝集ろ過処理などであってもよい。

【0048】

（水熱炭化装置、および汚泥炭化工程）
脱水汚泥は、水熱炭化装置３に供給される。水熱炭化装置３は、第１脱水機２で得られた脱水汚泥を水熱炭化処理する装置である。汚泥炭化工程は、第１脱水工程で得られた脱水汚泥を水熱炭化処理する工程である。水熱炭化処理とは、水を含む処理対象物を、酸素を含有しない又は酸素濃度が低いガス雰囲気下にて又は酸素を遮断した状態にて高温高圧処理することで、炭化させる処理のことをいう。

【0049】

図２に示すように、水熱炭化装置３は、例えば、加熱熱交換器８と、リアクター７と、冷却熱交換器９と、を備える。なお、水熱炭化装置３の構成は、これに限定されるものではない。

【0050】

加熱熱交換器８は、第１脱水機２で得られた脱水汚泥をリアクター７に供給する前に、脱水汚泥を予熱する加熱器である。加熱熱交換器８には、例えば含水率が８０質量％程度の脱水汚泥が第１脱水機２から供給される。

【0051】

リアクター７は、酸素を含有しない又は酸素濃度が低いガス雰囲気下にて又は酸素を遮断した状態にて脱水汚泥を高温高圧処理する容器である。一例としてリアクター７は酸素濃度５体積％以下のガス雰囲気下にて脱水汚泥を高温高圧処理する。不活性ガスによって置換した状態で前記高温高圧処理をスタートするか、若しくはスタート時が空気（酸素濃度２１体積％）であったとしても被処理物中の易分解性の有機物の酸化にて速やかに酸素が消費されてその後に空気が供給されることがないため、スタート直後を除いて、反応中のリアクター７内気相の酸素濃度は略０体積％に保たれる。リアクター７は、撹拌機７ａを有する。リアクター７の中の炭化汚泥スラリーと、リアクター７に供給された脱水汚泥とは、撹拌機７ａによって混合・撹拌される。リアクター７の外周に筒状のジャケット７ｂが設けられる。熱媒油ボイラ１０で加熱された熱媒油は、熱媒油循環ポンプ１１によって、ジャケット７ｂに循環供給される。リアクター７の中の炭化汚泥スラリーは、循環供給される熱媒油によって間接加熱される。なお、前記熱媒油に替えて他の熱媒が使用されてもよい。

【0052】

リアクター７内の炭化汚泥スラリーは、熱媒油によって間接加熱されて、例えば、２００℃の温度にされる。リアクター７内の圧力は、リアクター７内温度に対応する亜臨界水相当の圧力に、被処理物の成分の分解によって生じたガスによる圧力が加わった圧力とされる。リアクター７内の炭化汚泥スラリーの温度は、２００℃に限定されるものではない。リアクター７内の炭化汚泥スラリーの温度は、１６０℃から２２０℃の範囲のうちの任意の温度にされてもよい。リアクター７内の圧力は、ゲージ圧０．６ＭＰａからゲージ圧３ＭＰａ程度の圧力とされる。脱水汚泥を高温高圧処理するとは、脱水汚泥の温度が１６０℃以上２２０℃以下、且つ、リアクター７内の圧力がゲージ圧０．６ＭＰａ以上ゲージ圧３ＭＰａ以下で脱水汚泥を処理することをいう。

【0053】

脱水汚泥の処理時間、すなわち、リアクター７内の炭化汚泥スラリーの滞留時間は、例えば、３時間とされる。リアクター７内の炭化汚泥スラリーの滞留時間は、３時間に限定されるものではない。リアクター７内の炭化汚泥スラリーの滞留時間は、２時間から５時間の範囲内であればよい。

【0054】

リアクター７内に供給された脱水汚泥は、上記圧力および温度で、上記処理時間、処理されることで炭化汚泥スラリーとなる。水熱炭化処理により、脱水汚泥中の微生物の細胞が破壊されるとともに、細胞内の成分の分解・重合が起こる。その結果、脱水性に優れる炭化汚泥スラリーが生成する。

【0055】

冷却熱交換器９は、リアクター７の中で水熱炭化処理により得られた炭化汚泥スラリーを冷却する冷却器である。冷却熱交換器９において、炭化汚泥スラリーの温度が取扱いに適した領域に調整される。炭化汚泥スラリーの温度が調整されることで、炭化汚泥スラリーの粘性を調整することができ、炭化汚泥スラリーの移送を行い易くすることができるとともに、炭化汚泥スラリーの脱水性を向上させることができる。

【0056】

炭化汚泥スラリーは、冷却熱交換器９で冷却されてから第２脱水機４に供給される。第２脱水機４に供給される際に、炭化汚泥スラリーの温度が６０℃未満であると、炭化汚泥スラリーの粘性が大きくなり、その結果、炭化汚泥スラリーの移送のし易さ、および炭化汚泥スラリーの脱水性が低下する懸念がある。そのため、冷却熱交換器９において、炭化汚泥スラリーの温度を６０℃以上に調整し、この汚泥炭化工程で得られた６０℃以上の温度の炭化汚泥スラリーを第２脱水工程に供給することが好ましい。これにより、炭化汚泥スラリーの粘性を低く保つことができ、炭化汚泥スラリーの移送を行い易く、且つ、炭化汚泥スラリーの脱水性が向上する。また、炭化汚泥スラリーを略一定の温度に冷却してから引抜装置（炭化汚泥スラリーを第２脱水機４に供給する装置）を通過させることによって、引抜量の安定化を図ることができる。例えば、引抜装置として一軸ねじポンプを使用した場合、炭化汚泥スラリーの温度が高温で安定しなければ、一軸ねじポンプのロータおよびステータの膨張により流量が変動する虞があるところ、これを防止することができる。なお、第２脱水機４としてフィルタープレス脱水機を用いることが好ましいところ、フィルタープレス脱水機の耐久性の観点から、第２脱水工程に供給する炭化汚泥スラリーの温度は８０℃以下であることが好ましい。すなわち、冷却熱交換器９において、炭化汚泥スラリーの温度を６０℃以上８０℃以下に調整し、６０℃以上８０℃以下の温度の炭化汚泥スラリーを第２脱水工程に供給することが好ましい。なお、冷却熱交換器９で回収した熱エネルギーは、後述のように、炭化汚泥の養生に使用する酸素含有ガスを予め加熱するために使用されてもよいし、その他の用途の加熱の熱源として使用するようにされてもよい。その他の用途の加熱の熱源として、例えば、リアクター７に投入する脱水汚泥を予め加熱するための熱源が挙げられる。

【0057】

（第２脱水機、および第２脱水工程）
第２脱水機４は、水熱炭化装置３で得られた炭化汚泥スラリーを機械脱水する機械である。なお、機械脱水とは、機械式脱水機により脱水することをいう。第２脱水工程は、汚泥炭化工程で得られた炭化汚泥スラリーを第２脱水機４により脱水する工程である。第２脱水機４は、フィルタープレス脱水機、遠心脱水機、またはスクリュープレス脱水機などの機械式脱水機である。

【0058】

第２脱水機４は、特に限定されるものではないが、フィルタープレス脱水機であることが好ましい。炭化汚泥スラリーは微粒子となった炭化物が水中に分散した状態である。そのため、フィルターの目開きが細かく、高圧で圧搾しても高い固形分回収率が得られるフィルタープレス脱水機が第２脱水機４として適している。

【0059】

第２脱水機４としてフィルタープレス脱水機を用い、ゲージ圧０．７ＭＰａ以上、且つゲージ圧２．０ＭＰａ以下の圧力（圧搾圧力）で、炭化汚泥スラリーを圧搾して脱水することが好ましい。炭化汚泥スラリーを上記圧力で圧搾して脱水することで、含水率が２５質量％以上、且つ５５質量％以下の炭化汚泥を得ることができる。また、前記汚泥炭化工程で得られた炭化汚泥スラリー中の水分には、溶解性のＮａ、Ｋ、Ｃｌが溶出している。これらの成分は、第２脱水工程で脱水ろ液とともに除去されるので、炭化汚泥の含水率を低くできるほど、炭化汚泥中のＮａ、Ｋ、Ｃｌの含有割合を低くできる。そのため、含水率が２５質量％以上、且つ５５質量％以下の炭化汚泥を得ることができることで、炭化汚泥中のＮａ、Ｋ、Ｃｌの含有割合を低くできる。その結果、不純物含有量が少ない炭化汚泥（処理物）を得ることができる。

【0060】

さらには、第２脱水機４としてフィルタープレス脱水機を用い、ゲージ圧１．５ＭＰａ以上、且つゲージ圧２．０ＭＰａ以下の圧力（圧搾圧力）で、炭化汚泥スラリーを圧搾して脱水することが好ましい。炭化汚泥スラリーを上記圧力で圧搾して脱水することで、含水率が２５質量％以上、且つ３５質量％以下の炭化汚泥を得ることができる。なお、フィルタープレス脱水機による炭化汚泥スラリーの圧搾圧力は、上記圧力に限定されるものではない。また、フィルタープレス脱水機以外の第２脱水機４を用いて、炭化汚泥スラリーを脱水してもよい。

【0061】

さらには、この第２脱水工程において、炭化汚泥スラリーに凝集剤を添加することなく炭化汚泥スラリーを脱水するとよい。炭化汚泥スラリーの脱水に凝集剤を使用しないことで、その分、有機性廃棄物の処理コストを抑えることができる。また、凝集剤を使用しない分、不純物含有量が少ない炭化汚泥（処理物）を得ることができるので、後述するように炭化汚泥を固形燃料などの用途で利用する場合に好適である。特に、凝集剤として無機凝集剤を使用した場合には炭化汚泥（処理物）中の灰分含有量が増加するが、凝集剤を使用しない分、灰分含有量が少ない炭化汚泥（処理物）を得ることができるので、炭化汚泥を固形燃料などの用途で利用する場合に好適である。水熱炭化処理を経た脱水汚泥、すなわち炭化汚泥スラリーは脱水性に優れるため、当該炭化汚泥スラリーを機械脱水する場合、炭化汚泥スラリーに凝集剤を添加しなくても、炭化汚泥スラリーを、含水率が２５質量％以上、且つ５５質量％以下の炭化汚泥にすることが可能である。なお、炭化汚泥スラリーに凝集剤を添加して、炭化汚泥スラリーを機械脱水してもよい。

【0062】

第２脱水機４（第２脱水工程）により、炭化汚泥スラリーは、含水率が低い炭化汚泥となる。上記のとおり、含水率が２５質量％以上、且つ５５質量％以下の炭化汚泥を炭化汚泥スラリーから得ることができるが、炭化汚泥の含水率は、これに限られない。

【0063】

図３は、水熱炭化装置３で得られた炭化汚泥スラリーを、第２脱水機４により脱水した試験結果を示すグラフである。第２脱水機４として、フィルタープレス脱水機を用いた。なお、少なくともゲージ圧２．０ＭＰａの圧力を炭化汚泥スラリーに作用させることができる第２脱水機４であれば、フィルタープレス脱水機以外の第２脱水機４を用いてもよい。この脱水試験において、炭化汚泥スラリーへの凝集剤の添加は行わなかった。

【0064】

図３に示すグラフの横軸は、圧力（圧搾圧力、ＭＰａ（ゲージ圧））であり、縦軸は、機械脱水により得られた炭化汚泥の含水率（質量％）である。

【0065】

図３からわかるように、水熱炭化装置３で得られた炭化汚泥スラリーを、ゲージ圧０．７ＭＰａ以上、且つゲージ圧２．０ＭＰａ以下の圧力で機械脱水することで、含水率が２５質量％以上、且つ５５質量％以下の炭化汚泥を得ることができる。また、ゲージ圧１．５ＭＰａ以上、且つゲージ圧２．０ＭＰａ以下の圧力で機械脱水することで、含水率が２５質量％以上、且つ３５質量％以下の炭化汚泥を得ることができる。また、含水率が４０質量％以下の炭化汚泥を得るには、ゲージ圧１．３ＭＰａ程度以上の圧力で脱水するとよい。圧力がゲージ圧２．０ＭＰａを超えると、含水率の低下はほとんど見られなかった。ゲージ圧０．７ＭＰａの圧力では、５５質量％程度の炭化汚泥を得ることができることがわかる。すなわち、ゲージ圧０．７ＭＰａの圧力で、含水率６０質量％程度という従来の脱水汚泥よりは、十分に低い含水率の炭化汚泥（処理物）を得ることができる。

【0066】

表１は、第２脱水工程で炭化汚泥スラリーから分離した脱水ろ液（水熱炭化脱水ろ液）中のＮａ、Ｋ、Ｃｌ濃度を示す表である。なお、各濃度は、脱水ろ液を希釈処理した際の実測濃度を、無希釈で行った場合に換算した値である。

【0067】

【表1】

【0068】

表２は、ゲージ圧０．７ＭＰａ、１．５ＭＰａ、２．０ＭＰａの各圧力（圧搾圧力）条件で炭化汚泥スラリーを圧搾して脱水して得られる炭化汚泥中のＮａ、Ｋ、Ｃｌ濃度の計算値を示す表である。表２からわかるように、圧搾圧力を高くして炭化汚泥の含水率を低下させると、炭化汚泥の水分減少に伴い、溶解しているＮａ、Ｋ、Ｃｌの各成分が脱水ろ液中に流出する。その結果、炭化汚泥中のＮａ、Ｋ、Ｃｌ濃度が低くなる。例えば、Ｎａについては、ゲージ圧０．７ＭＰａのときは７３３ｍｇ/ｋｇＤＳであり、ゲージ圧２．０ＭＰａのときは２５７ｍｇ/ｋｇＤＳである。Ｋ、Ｃｌの濃度についても同様である。

【0069】

【表2】

【0070】

（ろ液返送工程）
ろ液返送工程は、第２脱水工程で炭化汚泥スラリーから分離した脱水ろ液（水熱炭化脱水ろ液）を消化槽１に送る（戻す）工程である。水熱炭化処理によって、脱水汚泥中の微生物の細胞が破壊されて、脱水汚泥中の有機物がろ液（水熱炭化脱水ろ液）中に溶出する。水熱炭化脱水ろ液に含まれる有機物が消化ガスの原料となるので、水熱炭化脱水ろ液を消化槽１に投入すると、消化ガスの発生量はその分増加する。消化ガスは燃料として利用することが可能な、下水汚泥から回収されるエネルギー（ガスエネルギー）である。すなわち、第２脱水工程で炭化汚泥スラリーから分離した脱水ろ液（水熱炭化脱水ろ液）を消化槽１に戻すことで、消化ガスの発生量を増加させることができ、エネルギー回収量を増加させることができる。

【0071】

また、水熱炭化脱水ろ液に含まれる有機物の一部が消化ガスとなるので、有機物はその分、処理系から減少する。その結果、ＣＯＤなどの下水処理場からの放流水質の悪化を抑制することができる。詳しくは、次のとおりである。水熱炭化脱水ろ液をそのまま水処理系に送って処理すると、水処理系のＣＯＤ負荷が上昇し、放流水質が悪化する可能性があるが、メタン発酵によって有機物が分解されることで、水処理系のＣＯＤ負荷上昇が抑制され、放流水質の悪化を抑制することができる。

【0072】

水熱炭化脱水ろ液を消化槽１に戻す途中で、水熱炭化脱水ろ液に対して窒素ストリッピングを行うことで、水熱炭化脱水ろ液に含まれているアンモニア性窒素をアンモニアガスとして放出させて除去するとよい。窒素ストリッピングとは、ストリッピング対象物から窒素を除去することをいう。水熱炭化脱水ろ液にＮａＯＨ等のアルカリを添加することでｐＨを８程度以上のアルカリ性とし、水熱炭化脱水ろ液に含まれているアンモニア性窒素（ＮＨ₄－Ｎ）をアンモニアガスとして放出させて除去する。窒素ストリッピングを行うには、ストリッピング対象物の温度が比較的高温であることが望ましいので、汚泥炭化工程において、炭化汚泥スラリーの温度を６０℃以上に調整し、この汚泥炭化工程で得られた６０℃以上の温度の炭化汚泥スラリーを第２脱水工程に供給することで、第２脱水工程で炭化汚泥スラリーから分離した水熱炭化脱水ろ液を比較的高温にしておくとよい。

【0073】

水熱炭化脱水ろ液の性状によっては消化槽１内の窒素濃度が高くなって、微生物活性を阻害することがある。消化槽１内に入る前にアンモニア性窒素（ＮＨ₄－Ｎ）を除去することで、微生物活性の阻害を抑制することができる。また、除去したアンモニアガスは、希硫酸で捕捉して硫酸アンモニウムを生成させて肥料として利用することができる。

【0074】

（養生容器、および養生工程）
養生容器５は、第２脱水機４で得られた炭化汚泥の乾燥、および炭化汚泥の発熱発火性の低減を行う容器である。養生工程は、第２脱水工程で得られた炭化汚泥の乾燥、および炭化汚泥の発熱発火性の低減を行う工程である。養生容器５は、一般にホッパと呼ばれる容器である。

【0075】

第２脱水機４からの炭化汚泥は養生容器５に投入される。養生容器５には、例えば、その下部の側面から養生容器５の中に空気（酸素含有ガス）が吹き込まれる。養生容器５内の炭化汚泥は、吹き込まれた空気と接触することで、乾燥するとともに、部分的に酸化する。部分的に酸化することで、炭化汚泥の発熱発火性は低減する。

【0076】

なお、養生工程は、養生容器５（ホッパ）を用いた工程に限られることはない。例えば、その周囲を囲ったコンベヤ（養生部）の上に、第２脱水機４で得られた炭化汚泥を投下し、空気などの酸素含有ガスを通すことで養生工程を実施してもよい。また、酸素含有ガスは、乾燥をより促進するために予め加熱されていてもよいし、その加熱の熱源として冷却熱交換器９で回収した熱エネルギーを使用するようにしてもよい。

【0077】

日本産業規格ＪＩＳ Ｚ７３１２において、下水汚泥固形燃料の製品仕様は、その含水率が２０質量％以下であることが定められている。第２脱水機４で得られた炭化汚泥の含水率は、上記養生工程を行うことで、例えば２０質量％以下に調整される。２０質量％以下に含水率を調整することで、炭化汚泥を固形燃料として利用することができる。なお、炭化汚泥の用途は、固形燃料に限られない。養生工程において、炭化汚泥の含水率は、２０質量％以下に調整されることに限られない。

【0078】

（効果）
本実施形態の有機性廃棄物の処理方法は、下水汚泥（有機性廃棄物）を消化槽１（メタン発酵槽）の中で嫌気性発酵処理するメタン発酵工程、メタン発酵工程後の発酵処理汚泥を脱水する第１脱水工程、第１脱水工程で得られた脱水汚泥を水熱炭化処理する汚泥炭化工程、および、汚泥炭化工程で得られた炭化汚泥スラリーを第２脱水機４（機械式脱水機）により脱水する第２脱水工程を備えている。

【0079】

上記処理方法によると、次のような効果が得られる。

【0080】

上記第１脱水工程で得られた脱水汚泥を水熱炭化処理することで、脱水汚泥中の微生物の細胞が破壊されるとともに、細胞内の成分の分解・重合が起こる。その結果、脱水性に優れる炭化汚泥スラリーが生成する。この脱水性に優れる炭化汚泥スラリーを機械式脱水機により脱水することで、低含水率の炭化汚泥（処理物）とすることができる。

【0081】

また、低含水率の炭化汚泥（処理物）が得られるので、前記養生工程において、炭化汚泥の乾燥に要するエネルギー消費量を少なくすることができる。換言すれば、その後の工程において少ない投入エネルギーで目標の含水率まで処理物の水分を蒸発させることができる。炭化汚泥を固形燃料として利用する場合には、その含水率を２０質量％以下に調整することになるため、乾燥に要するエネルギー消費量を少なくすることができるという効果は非常に重要である。

【0082】

上記第２脱水工程において、ゲージ圧０．７ＭＰａ以上、且つゲージ圧２．０ＭＰａ以下の圧力で炭化汚泥スラリーを圧搾することで脱水することが好ましい。これにより、含水率が２５質量％以上、且つ５５質量％以下の炭化汚泥を得ることができる。また、汚泥炭化工程で得られた炭化汚泥スラリー中の水分には、溶解性のＮａ、Ｋ、Ｃｌが溶出している。これらの成分は、第２脱水工程で脱水ろ液とともに除去されるので、炭化汚泥の含水率を低くできるほど、炭化汚泥中のＮａ、Ｋ、Ｃｌの含有割合を低くできる。そのため、含水率が２５質量％以上、且つ５５質量％以下の炭化汚泥を得ることができることで、炭化汚泥中のＮａ、Ｋ、Ｃｌの含有割合を低くできる。その結果、不純物含有量が少ない炭化汚泥（処理物）を得ることができる。なお、より好ましくは、ゲージ圧１．５ＭＰａ以上、且つゲージ圧２．０ＭＰａ以下の圧力で炭化汚泥スラリーを圧搾することで脱水することである。

【0083】

また、上記第２脱水工程において、炭化汚泥スラリーに凝集剤を添加することなく炭化汚泥スラリーを脱水することが好ましい。これによれば、炭化汚泥スラリーの脱水に凝集剤を使用しないため、その分、下水汚泥（有機性廃棄物）の処理コストを抑えることができる。

【0084】

また、上記第２脱水工程により、含水率が４０質量％以下の炭化汚泥を得ることで、前記養生工程において、炭化汚泥の乾燥に要するエネルギー消費量を少なく抑えることができる。なお、より好ましくは、含水率が３５質量％以下の炭化汚泥を得ることである。

【0085】

さらには、本実施形態の有機性廃棄物の処理方法は、上記第２脱水工程で炭化汚泥スラリーから分離した水熱炭化脱水ろ液を、消化槽１（メタン発酵槽）に戻すろ液返送工程を備えている。これによれば、消化ガスの発生量を増加させることができ、エネルギー回収量を増加させることができる。また、ＣＯＤなどの下水処理場からの放流水質の悪化を抑制することができる。

【0086】

上記の実施形態は次のように変更可能である。

【0087】

上記の実施形態は、分離液処理装置６、および分離液処理工程を備える。本発明において、分離液処理装置６、および分離液処理工程は、必須ではない。

【0088】

上記の実施形態は、ろ液返送工程を備える。本発明において、ろ液返送工程は、必須ではない。

【0089】

上記の実施形態は、養生容器５、および養生工程を備える。本発明において、養生容器５、および養生工程は、必須ではない。

【0090】

処理対象の有機性廃棄物は、下水汚泥に限られるものではない。本発明は、下水汚泥、生ごみなどの食品廃棄物（食品系バイオマス）、古紙・廃紙などのリグノセルロース系廃棄物、農業残渣、および家畜糞尿などの様々な有機性廃棄物を処理対象とすることができる。前記のとおり、これらの有機性廃棄物は、それぞれ単独で処理されてもよいし、混合処理されてもよい。

【符号の説明】

【0091】

１：消化槽（メタン発酵槽）
２：第１脱水機
３：水熱炭化装置
４：第２脱水機
５：養生容器
６：分離液処理装置
７：リアクター
８：加熱熱交換器
９：冷却熱交換器

【図1】

【図2】

【図3】