JPH0525276B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

＜産業上の利用分野＞ 本発明は活性汚泥装置などの微生物処理装置か
ら発生する余剰汚泥等の有機性汚泥を高温高圧の
条件下で熱化学的に反応させ、可燃性液体を得る
とともに、当該可燃性液体を前記熱化学的反応の
熱エネルギー源や電気エネルギー源として用い
る、いわゆる汚泥油化技術に関するものである。 ＜従来の技術＞ 各種の微生物処理装置から発生する余剰汚泥等
の有機性汚泥を処理する方法のひとつとして、汚
泥油化技術が提案されている。 すなわち有機性汚泥を高温高圧の条件下で熱化
学的に反応せしめ、バイオマスから燃料油を得る
技術である。 従来からこの種の技術として下水汚泥から、ア
スフアルトと燃料油を得る方法が提案（EPA
Project Summary EPA−600／S2−81−242
Dec，1981）されている。 この方法は第４図に示すフローに基づくもの
で、有機性汚泥Ａを遠心分離機Ｂである程度に脱
水し、当該汚泥Ｃを高圧スラリー供給機Ｄにより
加圧し、まず後述する反応器Ｆにより反応させた
直後の高温の混合物スラリーＧを熱源として予熱
器Ｅで予熱し、当該予熱した脱水汚泥Ｃを反応器
Ｆに供給するものである。当該反応器Ｆはバイオ
マスを高温高圧の条件下で反応させてアスフアル
トと燃料油に変換するもので、通常脱水汚泥を
250℃〜350℃の温度および当該温度の水蒸気圧に
相当する圧力あるいはそれ以上の圧力で反応させ
るものである。このような反応により得られる固
形物と燃料油との混合物スラリーＧを加圧下の条
件のまま前述した予熱器Ｅに循環してここで間接
的に熱交換した後、気液分離器Ｈに供給して大気
圧下に開放する。当該気液分離器Ｈにおいて混合
物スラリーＧを大気圧下に開放すると、当該混合
物スラリーＧが高温のため沸騰し、一部の水分と
燃料油が蒸発する。次いで当該蒸気を冷却器Ｉに
より冷却して液化し、当該液体を遠心分離機Ｊで
処理し、排水Ｋと燃料油Ｌとに機械的に比重分離
を行う。一方気液分離器Ｈにおいて蒸発せずに残
留した混合物スラリーＧを遠心分離機Ｍにより処
理し、排水Ｎと固形物Ｏとに分離する。次いで当
該固形物Ｏを抽出器Ｐに供給するとともに、後述
する蒸溜器Ｓと蒸発器Ｖとから回収される有機溶
媒Ｑを加えて、ここで固形物Ｏ中のアスフアルト
成分を抽出し、当該抽出物Ｒを蒸溜器Ｓに供給し
て有機溶媒Ｑを回収するとともにアスフアルトＴ
を得る。一方抽出器Ｐの残渣Ｕを蒸発器Ｖに供給
して、残渣Ｕに付着している有機溶媒を回収する
とともに反応残渣Ｗを得る。 提案されているアスフアルトと燃料油を得る方
法のフローは大略すると以上と通りであり、反応
残渣Ｗを前記反応器Ｆにおける熱源として用いる
ものである。 なお得られるアスフアルトはアスフアルトとし
ての本来の用途として用いるとされているが、当
該アスフアルトと同時に得られる燃料油は前記反
応器Ｆにおける熱源として用いることもできる。 ＜発明が解決しようとする問題点＞ 従来から提案されている第４図に示した汚泥油
化技術においては、反応器Ｆから得られる反応物
スラリーＧ中に含まれる可燃性液体は比較的低温
度で気化しやすく、また次いで液化したものは比
重差で分離が可能な、いわゆる油状物質のみしか
存在していないと考えており、したがつて冷却器
Ｉで液化した液体中の油状物質を遠心分離機Ｊで
比重分離し、残留する排水Ｋを系外に除いてい
る。さらに生産されたアスフアルト成分は気液分
離器Ｈで蒸発しなかつた反応物スラリーＧ中の固
形物に付着していると考えており、遠心分離機Ｍ
で固形物とともにアスフアルト成分を回収し、同
じように排水Ｎを系外に除いている。しかしなが
ら、本発明者等の実験（実施例参照）によれば反
応物スラリーＧ中には低温度では気化しにくく、
アスフアルト成分などと相違して水に溶解しやす
く、かつ燃料として充分使用できる可燃性液体が
多量に存在すること、および気化したものであつ
てもそれを液化後比重差分離が困難な可燃性液体
が存在することを知見した。したがつて第４図に
示したごとき従来のフローにおいてはこのような
気化しにくく、かつ水に溶解しやすい可燃性液体
は遠心分離機Ｍによつて分離が不可能であり、排
水Ｎ中に移行して系外に排出されることとなり、
またたとえ気化したものであつても液化後比重分
離が困難な可燃性液体は遠心分離機Ｊでは分離で
きず、排水Ｋ中に移行して系外に排出されること
となる。さらに水と比重分離しやすい油状物質と
言えども、それが水中で乳化状態で存在している
場合は遠心分離機Ｊで分離が不可能であり、やは
りこれらの乳化状態となつている一部の油状物質
も排水Ｋ中に移行して排出されよう。 このような従来から提案されているフローの主
目的は有機性汚泥からアスフアルトを生産すると
ころにあり、燃料油を得ることについては副次的
目的と考えており、かつ排水ＫあるいはＮ中に燃
料として回収し得る可燃性液体が多量に存在する
ことに関しては全く看過されているのである。 また第４図に示した従来のフローにおいては反
応器Ｆの熱源として反応残渣Ｗのみを充当してい
るが、たとえこれを自燃するまで充分に脱水して
燃料としても熱バランス的には全く不足してお
り、有機性汚泥の処理という見地から考えると採
算が取れないものである。さらに生産されたアス
フアルトＴおよび燃料油Ｌを熱源として回収した
としても熱バランス的にはまだなお不足するもの
である。すなわち有機性汚泥を汚泥油化技術によ
つて経済的に処理するためには、前述した排水Ｋ
およびＮ中に存在する可燃性液体を回収し、これ
を積極的に熱源として用いることが必須の要件で
ある。さらに従来のフローでは混合物スラリーＧ
を沸騰させるので、ここで余分な蒸発潜熱を消費
せざるを得ないという欠点がある。 本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは有機性汚泥を高温高圧の
条件下で反応させて得られる反応物から可燃性
物、特に可燃性液体を可及的に回収し、これをエ
ネルギー源として再使用するところにある。さら
に発生する熱エネルギーを効率よく用いて最も経
済的に有機性汚泥を処理するところにある。 ＜問題点を解決する手段＞ 本発明の第１発明は有機性汚泥を高温高圧の条
件下で反応させることにより得られる固形物と可
燃性液体と水との混合物スラリーから、必要に応
じて水に浮く一部の可燃性液体を機械的に比重分
離して回収する前工程を行い、次いで当該前工程
後の混合スラリーあるいは当該前工程を経ていな
い混合スラリーに有機溶媒を加えて、水に溶解し
ているもの、油状物質あるいは乳化状態等のあら
ゆる形態の可燃性液体を可及的に抽出回収するも
のであり、また本発明の第２発明は有機性汚泥を
高温高圧の条件下で反応させることにより得られ
る固形物と可燃性液体と水との混合物スラリーか
ら、必要に応じて水に浮く一部の可燃性液体を機
械的に比重分離して回収する前工程を行い、次い
で当該前工程後の混合物スラリーあるいは当該前
工程を経ていない混合物スラリーからまず固形物
を分離し、次いで当該分離によつて得られる可燃
性液体と水との混合物スラリーに有機溶媒を加え
て、水に溶解しているもの、油状物質、あるいは
乳化状態等のあらゆる形態の可燃性液体を可及的
に抽出回収するものである。 ＜作用＞ 以下に本発明について図面を参照して詳細に説
明する。 第１図は本発明の第１発明のフローを示す説明
図であり、有機性汚泥１をまず脱水装置２たとえ
ばベルトプレス式脱水機などによりあらかじめ脱
水し、当該脱水汚泥３を圧入装置４により予熱器
５に供給する。なお有機性汚泥にあまり多量の水
分が含まれていると後述する熱化学的反応におい
て多量の熱量を消費するので、当該脱水装置２で
水分含有率80％以下に脱水することが望ましい。
さらに後述する熱化学的反応において有機性汚泥
にアルカリ成分を共存させた方が反応が効率よく
進むので、有機性汚泥にあらかじめ炭酸ナトリウ
ム、石灰などのアルカリ成分を添加することが好
ましい。前述の圧入装置４としては高圧スラリー
ポンプあるいはシリンダー内に脱水汚泥３を流入
し、油圧等で駆動するピストンで脱水汚泥３を押
し出すものなどが用いられる。また予熱器５は後
述する冷却器７によつて熱を与えられた熱媒体８
を用いて脱水汚泥３を間接的に予熱するもので、
掻面式熱交換器の内部に脱水汚泥３を通流させそ
の外部から前記熱媒体８により熱を与えたり、あ
るいはいわゆる多管式熱交換器等を用い管の内部
に脱水汚泥３を通流させ、管の外部から熱媒体８
により熱を与えるものなどを用いるとよい。 予熱器５により予熱した脱水汚泥３を次いで反
応器６に供給し、ここで有機性汚泥３を高温高圧
の条件下に熱化学的に反応させる。当該反応器６
は前述した予熱器５と同じ掻面式熱交換器あるい
は多管式熱交換器を用い、後述する第１熱交換器
２４により加熱された熱媒体８により間接的に脱
水汚泥３を加熱するもので、通常250℃〜350℃の
温度および当該温度の水蒸気圧に相当する圧力あ
るいはそれ以上の圧力で反応させるものである。
なお図面では予熱器５と反応器６を別々に設置し
ているが、予熱器５と反応器６を一体物としても
差し支えなく、脱水汚泥の流入側前半部を予熱部
とし流出側後半部を反応部とすることもできる。 このように有機性汚泥を高温高圧で処理すると
バイオマスが熱化学的に変成し、種々の可燃性液
体が生成する。次いで反応器６を経た固形物と可
燃性液体と水との混合物スラリー９を加圧状態の
まま冷却器７に供給し、熱媒体８により間接的に
冷却する。なお冷却することにより熱が与えられ
た熱媒体８を前記予熱器５の熱源として用いるこ
とにより、反応器６により与えた熱を効果的に回
収する。なお冷却器７としては薄膜流下式熱交換
器、満管熱交換器、掻面式熱交換器等を用いるこ
とができる。 このようにして冷却した混合物スラリー９を大
気圧に開放し、これを撹拌槽１０に供給して混合
物スラリー９を充分に撹拌する。当該操作は後述
する浮上分離槽１１で浮上する一部の可燃性液体
を選択的に回収する場合に必要なもので、撹拌に
より固形物に付着している前記可燃性液体を取り
除くためのものである。 このような撹拌処理を行つた混合物スラリー９
を続いて浮上分離槽１１に送給し、混合物スラリ
ー９中の可燃性液体から特に水に浮く一部の可燃
性液体である油状物質１２を選択的に回収する。
なお浮上分離槽１１としては槽内に単に混合物ス
ラリー９をある時間滞留させ、浮上する油状物質
１２をスキマー等で掻き取るもの、あるいはいわ
ゆる簡単な構造のオイルセパレータ等を用いるこ
とができる。浮上分離槽１１によつて油状物質１
２を除いた混合物スラリー９を次いで抽出槽１３
に送り、後述する溶剤回収装置２０で回収した溶
剤１４を加え充分に撹拌し、混合物スラリー９中
の可燃性液体を抽出する。当該抽出槽１３として
は混合物スラリー９と溶剤１４とを必要かつ充分
に接触できるものであればどのような型式のもの
でもよく、混合物スラリー９と溶剤１４との混合
物を槽内で撹拌機で撹拌する簡単なものでも差し
支えない。 なお用いる溶剤１４としては混合物スラリー９
中の全ての可燃性液体を可及的に抽出可能で、か
つ蒸発回収しやすいものが好ましく、通常はベン
ゼン、トルエン、アセトン、塩化メチレン等を用
いる。 抽出槽１３からバツチ式にあるいは連続的に得
られる混合物１５を次いで三相分離機１６に送給
し、ここで廃水１７と固形物１８と抽出物１９と
に分離する。当該三相分離機１６はいわゆる遠心
分離機であつて、比重の異なる廃水１７と固形物
１８と抽出物１９とをそれぞれ遠心作用によつて
分離するもので公知のものを用いることができ
る。当該三相分離機１６によつて得られる抽出物
１９を次いで溶剤回収装置２０に送給し、ここで
後述する第２熱交換器２５で加熱した熱媒体８で
間接的に加熱し、溶剤１４を蒸発させ、蒸発残渣
である可燃性液体２１を回収する。なお図面では
溶剤回収装置２０から回収した溶剤１４を直接抽
出槽１３に供給しているが、実際は溶剤回収装置
２０から得られる気体状の溶剤を冷却器（図示せ
ず）で冷却液化し、液状の溶剤１４として回収す
るものである。 ２２は加熱炉であつて、溶剤回収装置２０から
回収した可燃性液体２１、あるいは浮上分離槽１
１から回収した油状物質１２を燃料として用いる
もので、これらの燃料を燃焼させることにより得
られる熱風２３を第１熱交換器２４に供給して、
前記反応器６に用いる熱媒体８を加熱し、次いで
当該熱風２３を続いて第２熱交換器２５に供給し
て前記溶剤回収装置２０で用いる熱媒体８を加熱
する。なお２６は排ガスであり、２７は燃焼用空
気、２８は燃焼灰を示す。 なお第１図に示したフローにおいて冷却器７か
ら得られる混合物スラリー９を撹拌槽１０を介し
て浮上分離槽１１に供給し、あらかじめ油状物質
１２を選択的に回収しているが、本工程を省略
し、冷却器７から得られる混合物スラリー９を直
接抽出槽１３に供給し、存在する可燃性液体の全
てを抽出しても差し支えない。なおこのように油
状物質１２の回収工程を省略すると溶剤１４の使
用量が若干増加するとともに、溶剤回収装置２０
から得られる可燃性液体２１中には前述の油状物
質１２も含まれることとなる。 第２図は本発明の第２発明のフローを示す説明
図であり、浮上分離槽１１によつて油状物質１２
を回収する工程までは第１発明と全く同様なので
説明を省略する。当該浮上分離槽１１によつて油
状物質１２を除いた混合物スラリー９を次いで遠
心分離機などのような固液分離機２９に送り、こ
こで混合物スラリー９中の固形物１８を除く。固
形物を除いた混合溶液３０を続いて抽出装置３１
に供給し、溶剤回収装置２０で回収した溶剤１４
を加え、混合溶液３０中の可燃性液体を抽出す
る。第２発明に用いる抽出装置３１としては固形
物１８をあらかじめ除去しているので、溶剤１４
と混合溶液３０とを向流接触させるもを用いた方
が効率よく、混合溶液３０より比重の大きい溶剤
を用いる時は、図に示したごとく溶剤１４を上方
から下降流で流すとともに、混合溶液３０を下方
から上昇流で流し、また混合溶液３０より比重の
小さい溶剤を用いる時は上下方向を逆として、い
ずれも向流接触させるとよい。このようにして得
られる抽出物１９を溶剤回収装置２０に供給する
もので、他は第１発明と同様なので説明を省略す
る。なお第２発明におけるフローでは固液分離機
２９で得られる固形物１８に多少の可燃性液体が
付着するので、当該固形物１８も加熱炉２２の燃
料として用いた方が好ましい。また第１発明と同
じように撹拌槽１０および浮上分離槽１１を省略
することもできる。 ＜効果＞ 以上説明したごとく本発明においては有機性汚
泥を高温高圧の条件下で熱化学的に反応させて得
られる固形物と可燃性液体と水との混合物スラリ
ーあるいは当該混合物スラリーから固形物をあら
かじめ除いた混合溶液に有機溶剤を加え、混合物
スラリーあるいは混合溶液中に含まれる全ての可
燃性液体を抽出するので、混合物スラリーあるい
は混合溶液中に気化しにくく、かつ水に溶解しや
すい可燃性液体が多量に含有していてもこれを可
及的に回収することができ、かつ当該回収した可
燃性液体を熱エネルギー源や電気エネルギー源と
して用いることにより、経済的に有機性汚泥を処
理することができる。 また本発明においては反応器６の後段に冷却器
７を設置し、反応器６から得られる混合物スラリ
ー９を沸騰させることなく熱媒体８で間接的に冷
却し、当該冷却によつて熱を与えられた熱媒体８
を反応器６の前段で用いる予熱器５の熱源として
用いているので、従来のフローのように混合物ス
ラリーを沸騰させるときに消費する蒸発潜熱の分
だけ確実に熱エネルギーコストを低下せしめるこ
とができる。 以下に本発明の効果をより明確とするために実
施例を示す。 実施例 １ 有機性汚泥として標準活性汚泥法の下水処理場
から排出された混合生汚泥を選定し、これに高分
子凝集剤を添加した後ベルトプレスにて脱水し、
以下の実験に用いた。 すなわち上記脱水汚泥にアルカリ成分として乾
燥固形物当り５重量％の炭酸ソーダを添加し、当
該汚泥200ｇを内容量300mlのオートクレーブに充
填し、320℃の反応温度で１時間密閉反応させた。 反応後、反応物を室温まで冷却し、これを分液
ロートに採取して１昼夜静置した。静置後反応物
の表面に浮上している油状物質（オイルＡ）をあ
らかじめ分離し、残りの反応物に塩化メチレンを
加え、残留する可燃性液体（オイルＢ）を抽出し
た。実験に用いた脱水汚泥の性状を第１表に、ま
た生成した可燃性液体を第２表に示す。

【表】

【表】 第２表に見られる通り固形物の30％が重油相当
の発熱量を有する可燃性液体に変換したが、比重
差で分離できるオイルＡの割合は、全オイルの17
％にすぎず、変換した可燃性液体中には乳化状態
で存在し水と比重分離できないものあるいは、水
に溶解しやすいものが多量に含有されていること
が示されている。 なおオートクレーブで反応させる前の汚泥に塩
化メチレンを加え、汚泥にもともと存在する可燃
性液体をブランクとして抽出したところ、その量
は１ｇであつた。 実施例 ２ 実施例１で用いたと同様の混合生汚泥に乾燥固
形物当たり30重量％の消石灰を添加し、フイルタ
ープレスで脱水し、実施例１と全く同じ条件で反
応させ、その後同じように反応物の表面に浮上し
ている油状物質（オイルＡ）と、当該油状物質を
採取した後の反応物に塩化メチレンを加えて抽出
される可燃性液体（オイルＢ）とを採取した。 脱水汚泥の組成と、生成した可燃性液体をそれ
ぞれ第３表、第４表に示す。

【表】

【表】 第４表に示した通り、脱水助剤として消石灰を
添加した場合は他にアルカリ成分を添加すること
なく固形物の21％が可燃性液体に変換した。この
場合も比重差で分離できるオイルＡの割合は12％
にすぎない。 実施例 ３ 実施例１で用いたと同じ混合生汚泥を、実施例
１と全く同じ条件でオートクレーブで反応させ、
反応後の反応物を室温まで冷却し、これを実験室
用遠心分離機を用いて液相と固形物相に分離し
た。次いで当該液相と固形物相それぞれについて
塩化メチレンを加え、両者に含まれる可燃性液体
を抽出した。その結果を第５表に示す。

【表】 第５表に示したごとく、反応物を直接遠心分離
機で液相と固形物相に分離すると、生成した可燃
性液体の80％強が液相に残留する。 実施例 ４ 実施例１で用いたと同じ混合生汚泥を、実施例
１と全く同じ条件でオートクレーブで反応させ、
反応後の反応物を室温まで冷却し、反応物全量に
塩化メチレンを加え、全可燃性液体を抽出した。 当該抽出した可燃性液体について、熱重量分析
を行つた。 その結果を第３図に示す。 第３図に示したごとく反応温度すなわち320℃
以下の温度では生成した可燃性液体の半分も気化
しない事が明らかである。 したがつて第４図に示す従来のフローのごとく
反応後の混合物スラリーＧを予熱器Ｅで熱交換し
た後、気液分離器Ｈで気化させた場合、当該気化
温度は200℃前後と想定され、このような低温度
では第３図から20〜25％程度しか気化しない。 ＜計算例＞ 有機性汚泥を熱化学的に反応させた後、本発明
の方法により可燃性液体を抽出した場合の熱収支
を以下に計算した。 計算条件を下記に示す。 ●反応温度 320℃ ●予熱温度 140℃ ●脱水汚泥含水率 80％ ●水の比熱 1Kcal／Kg℃ 固形物の比熱 0.3Kcal／Kg℃ 反応温度まで加熱するのに必要な単位脱水汚泥
量当たりの熱量は、 0.8×１×（320−140）＋0.2×0.3× （320−140）≒155Kcal／Kg−脱水汚泥 一方、単位脱水汚泥量から生産される可燃性液
体は、収率を20％と仮定するならば 0.2×0.2＝0.04Kg である。可燃性液体の発熱量を8500Kcal／Kg、
熱利用率を65％とするならば、反応温度まで加熱
するのに、 155／8500×0.65＝0.03Kg必要 となり、全可燃性液体の75％となる。 したがつて、可燃性液体の多くの割合を排水と
して失つてしまうと、プロセス外からのエネルギ
ーが必要となるのは明らかである。 換言すると、本発明により可及的に可燃性液体
を回収し、これを燃料とするならばプロセス外か
らのエネルギーの補給は全く必要ない。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図はそれぞれ本発明の実
施態様を示す図面であり、第１図は本発明の第１
発明のフローを示す説明図であり、第２図は本発
明の第２発明のフローを示す説明図であり、第３
図は実施例４における熱重量分析の結果を示すグ
ラフで、横軸に温度を示し、縦軸に気化しないで
残留する液体の重量％を示す。また第４図は従来
の下水汚泥からアスフアルトと燃料油を得る方法
におけるフローを示す。 １……有機性汚泥、２……脱水装置、３……脱
水汚泥、４……圧入装置、５……予熱器、６……
反応器、７……冷却器、８……熱媒体、９……混
合物スラリー、１０……撹拌槽、１１……浮上分
離槽、１２……油状物質、１３……抽出槽、１４
……溶剤、１５……混合物、１６……三相分離
機、１７……廃水、１８……固形物、１９……抽
出物、２０……溶剤回収装置、２１……加熱性液
体、２２……加熱炉、２３……熱風、２４……第
１熱交換器、２５……第２熱交換器、２６……排
ガス、２７……燃焼用空気、２８……燃焼灰、２
９……固液分離機、３０……混合溶液、３１……
抽出装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 有機性汚泥を高温高圧の条件下で熱化学的に
   反応させ、当該反応物から可燃性液体を得る方法
   において、熱化学的に反応させることによつて生
   成する固形物と可燃性液体と水との混合物スラリ
   ーに有機溶媒を加え、当該有機溶媒により可燃性
   液体を抽出することを特徴とする可燃性液体の抽
   出方法。 ２ 混合物スラリー中の水に浮く一部の可燃性液
   体をあらかじめ機械的に分離する特許請求の範囲
   第１項記載の可燃性液体の抽出方法。 ３ 有機性汚泥を高温高圧の条件下で熱化学的に
   反応させ、当該反応物から可燃性液体を得る方法
   において、熱化学的に反応させることによつて生
   成する固形物と可燃性液体と水との混合物スラリ
   ーから、まず固形物を分離し、次いで当該分離に
   よつて得られる可燃性液体と水との混合溶液に有
   機溶媒を加え、当該有機溶媒により可燃性液体を
   抽出することを特徴とする可燃性液体の抽出方
   法。 ４ 混合物スラリー中の水に浮く一部の可燃性液
   体をあらかじめ機械的に分離する特許請求の範囲
   第３項記載の可燃性液体の抽出方法。