(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機廃棄物と有機廃水を混合して、スラリー状物質に変換する破砕機と、
スラリー状の有機物を高温高圧で酸化分解し、水溶液と炭酸ガスに変換する分解炉と、
前記水溶液を触媒により無機化する触媒炉と、
無機化した水溶液に含まれる金属成分あるいは無機栄養塩類を除去又は低減する不純物吸着装置と、
金属成分あるいは無機栄養塩類が除去あるいは低減された水溶液に残存する不純物をさらに除去して高度浄水化する高度浄水装置と、
発生した炭酸ガスを選択的に分離濃縮する炭酸ガス濃縮装置と、
濃縮した炭酸ガスを水素ガスと混合し、加熱した触媒に接触させることによってメタンガスと水を生成する炭酸ガス還元装置とを備えていることを特徴とする有機廃棄物及び有機廃水の再資源化システム。
【請求項２】
分解炉が、半月板状のバッフル板を備えていることを特徴とする請求項１の有機廃棄物有機廃棄物及び有機廃水の再資源化システム。
【請求項３】
触媒炉が、高圧圧送ポンプと空気添加装置を用いて水溶液を触媒に循環接触させることを特徴とする請求項１に記載の有機廃棄物及び有機廃水の再資源化システム。
【請求項４】
不純物吸着装置が、ゼオライトが封入された吸着塔を備えていることを特徴とする請求項１に記載の有機廃棄物及び有機廃水の再資源化システム。
【請求項５】
高度浄水装置が、高分子フィルタからなる逆浸透膜を備えていることを特徴とする請求項１に記載の有機廃棄物及び有機廃水の再資源化システム。
【請求項６】
分解炉、触媒炉及び炭酸ガス還元装置で生じた廃熱を回収・再利用する熱再利用システムを備えていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の有機廃棄物及び有機廃水の再資源化システム。
【請求項７】
メタンガスを燃料として発電する発電装置を備えていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の有機廃棄物及び有機廃水の再資源化システム。
【請求項８】
前記不純物吸着装置によって除去され回収された無機栄養塩類を肥料として利用して植物を栽培する植物栽培装置を備えていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかの項に記載の有機廃棄物及び有機廃水の再資源化システム。
【請求項９】
前記高度浄水装置によって生産される高度浄水を利用して魚介類を養殖する水産物養殖装置を備えていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかの項に記載の有機廃棄物及び有機廃水の再資源化システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、有機廃棄物及び有機廃水を分解して無害処理化するとともに、分解生成物を水資源あるいはエネルギー源として利用することができる有機廃棄物及び有機廃水の再資源化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
食品廃棄物、し尿などの有機廃棄物及び有機廃水は、現在、脱水したのち微生物により分解する、分別・脱水ののち焼却炉によって焼却し、生じた焼却灰を埋め立てる、又は分別・脱水ののち後埋め立てる等の方法によって処理されている。
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの処理方法にはそれぞれ以下に掲げるような問題点がある。
【０００３】
まず、微生物による分解処理には、余剰の活性汚泥が発生する、悪臭を生じる、分解処理に先だって有機廃棄物を脱水する必要があるため、処理を完了するまでに、多大な時間と費用を必要とする等の問題点がある。
【０００４】
また、焼却による処理には、炭酸ガス、煤煙、ダイオキシン、窒素酸化物等の有害物質を発生する、脱水のため多大な時間と費用とを必要とする、焼却灰を埋め立てるため広大な埋立地を必要とするなどの問題点がある。
【０００５】
さらに、埋め立て処理には、広大な埋立地を必要とする、埋立地から悪臭や汚水汚染が生じるなどの問題点がある。
【０００６】
このように、従来からある有機廃棄物及び有機廃水の処理方法には、処理に多大な費用と時間を必要とする、環境に大きな負荷を与えるなどの問題点があった。
【０００７】
そこで、この発明は、短時間、低コストかつ環境に負荷を与えることなく、有機廃棄物及び有機廃水を処理し、資源として活用できる有機廃棄物及び有機廃水処理システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、この発明に係る有機廃棄物及び有機廃水の再資源化システムは、有機廃棄物と有機廃水を混合して、スラリー状物質に変換する破砕機と、スラリー状の有機物を高温高圧で酸化分解し、水溶液と炭酸ガスに変換する分解炉と、水溶液を触媒により無機化する触媒炉と、無機化した水溶液に含まれる金属成分あるいは無機栄養塩類を除去又は低減する不純物吸着装置と、金属成分あるいは無機栄養塩類が除去あるいは低減された水溶液に残存する不純物をさらに除去して高度浄水化する高度浄水装置と、発生した炭酸ガスを選択的に分離濃縮する炭酸ガス濃縮装置と、濃縮した炭酸ガスを水素ガスと混合し、加熱した触媒に接触させることによってメタンガスと水を生成する炭酸ガス還元装置とを備えていることを特徴とする。なお、ここでいう有機廃棄物及び有機廃水としては、生ゴミ、し尿、家畜の糞尿、紙、木材、布、有機性産業廃棄物及び医療廃棄物、生活排水、工場廃水、畜産廃水、養殖廃水等、固形状及び液状のものである。
【０００９】
このように、生物的な方法ではなく、物理化学的に有機物を分解することにより、有機廃棄物及び有機廃水を環境に優しく、短時間で処理でき、さらに分解生成物を資源として再利用することができる。
【００１０】
また、分解炉が、半月板状のバッフル板を備えていてもよく、触媒炉が、高圧圧送ポンプと空気添加装置を用いて水溶液を触媒に循環接触させるものであってもよく、不純物吸着装置が、ゼオライトが封入された吸着塔を備えていてもよく、高度浄水装置が高分子フィルタからなる逆浸透膜を備えていてもよい。
【００１１】
分解炉、触媒炉などがこのような構成を取ることによって、有機廃棄物及び有機廃水を効率良く分解することができる。
【００１２】
さらに、この発明に係る有機廃棄物及び有機廃水の再資源化システムは、分解炉、触媒炉及び炭酸ガス還元装置で生じた廃熱を回収・再利用する熱再利用システムを備えていてもよく、メタンガスを燃料として発電する発電装置を備えていてもよく、植物を栽培する植物栽培装置を備えていてもよく、魚介類を養殖する水産物養殖装置を備えていてもよい。
【００１３】
これらを備えることによって、有機廃棄物及び有機廃水の再資源化システムは、システムの外部から加えられるエネルギーを減らすことができるとともに、システムの運用によって生じる炭酸ガスの量を減らすことができ、環境に与える負荷を減らすことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、この発明の一つの実施の形態について説明する。
【００１５】
図１は、本発明にかかる有機廃棄物及び有機廃水の再資源化システム（以下システムと略す。）の全体構成を示す図である。この図に示すように、システムは、有機廃棄物及び有機廃水を分解して資源を再利用するための各種装置、配管及び電力線などから構成されている。そこで、まず、以下に主な装置の構成について説明する。
【００１６】
破砕機１は、その上部に有機廃棄物及び有機廃水を投入するための投入口が形成されるとともに、スラリー状物質を排出する排出口を備えた略箱状の容器である。また、破砕機１は、投入口の下に、高速で回転し、有機廃棄物を裁断するカッター（刃）が設けられており、その底部には比較的穏やかに回転する回転翼を有し、有機廃棄物と有機廃水を混合してスラリー状物質を作る攪拌機を備えている。
【００１７】
分解炉４は、筒状の密閉式高圧容器であり、その透視図である図２に示すように、その底部にはスラリー状物質が流入する流入口４ａ、及び空気添加装置６から空気が流入する空気孔（図示しない。）が設けられており、その上面には外部に水溶液を排出するための排出口４ｂが設けられている。また、その底部には、流入した空気を細かい泡にし、有機物と接触しやすくする散気板４ｃが取り付けられている。さらに、筒状部の内部には、複数枚の半月状の板（バッフル板）４ｄが、９０度ずつずらして、かつ、それぞれの板を数度の上向き角度（約２〜３度）をつけて取り付けられおり、これにより、有機物と空気の細かい泡が長時間接触しするとともに、分解炉の内部に渦状の流れができ、撹拌効果を生じさせることができる。加えて、分解炉４の外殻には、電気ヒーターを利用した加熱手段（図示しない。）が設けられており、この加熱手段は、主としてシステムの立ち上げ時と運転の途中で有機物濃度が変化（上昇）したときに利用される。
【００１８】
触媒炉５は、分解炉４と同様の筒状の密閉式高圧容器であり、分解炉と同様、その底面に流入口及び空気孔が設けられているとともに、その上面には外部に水溶液を排出するための排出口が設けられている。また、分解炉４と同様に、散気板と加熱手段が設けられており、その筒状部には触媒が充填されている。なお、触媒としては、粒状あるいはペレット状のチタニア及びアルミナに、ルテニウム、パラジウムなどの貴金属を担持したものを使用することができる。しかし、これらに限定されるわけではなく、例えば白金、ゼオライトのような触媒も使用することができる。
【００１９】
炭酸ガス濃縮装置８は、炭酸ガスを選択的に吸着するゼオライトを封入した吸着塔等から構成されている。炭酸ガスの吸着は常温で行い、吸着した炭酸ガスの分離は、ゼオライトを加熱あるいは減圧あるいは加熱と減圧状態にすることにより行うことができ、これによって、炭酸ガスの濃縮とゼオライトの再生を繰り返し行うことができる。また、吸着塔を２個以上の複数個設けることにより、連続的に炭酸ガスの分離濃縮を行うこともできる。なお、ここで使用するゼオライトは、炭酸ガスを選択的に吸着する天然、合成又は人工ゼオライトである。
【００２０】
炭酸ガス還元装置９は、触媒（ルテニウム触媒）を封入した反応管、ヒーター等から構成されており、炭酸ガス１モルに対して水素ガス４モルの割合で炭酸ガスと水素ガスを混合し、約３００℃に加熱した反応管に通すことによって、メタンガスと水を生成（サバチエ反応）する。なお、水素ガスの割合を若干多くすることにより還元効率が高めることができる。また、サバチエ反応は発熱反応のため、最初に反応管をヒーターで加熱するだけで反応が自発的に進み、反応熱は回収して熱源として利用することもできる。
【００２１】
不純物吸着装置１０は、金属イオン成分（陽イオン成分）と無機栄養塩類（陰イオン成分）を除去あるいはその濃度を低減するためのゼオライトが封入された吸着塔などから構成されている。ここで使用するゼオライトは、正電荷又は負電荷に帯電した天然、合成又は人工ゼオライトである。また、前記ゼオライトは再生機能を有しており、ゼオライトを加熱することにより、吸着した金属成分や無機栄養塩類を放出する。なお、回収した金属イオン成分や無機栄養塩類は、金属資源や肥料として再利用することが可能であり、無機栄養塩類を吸着したゼオライトは、土壌改良材として利用することもできる。
【００２２】
高度浄水装置１１は、筒状ケースの上面に流入口が設けられているともに、底面には排出口が設けられ、当該排出口には外周に多数の小孔４７を備えた排出管が接続されている。また、排出管の回りに例えば孔径が０．０００１μｍのポリアミド重合膜とポリスルホンの膜からなるフィルタ（逆浸透膜）が巻回されている。なお、フィルタは逆洗することができ、筒状ケースの底面には逆洗により生じた濃縮廃水を廃棄するための廃水口も設けられている。
【００２３】
発電装置１４は、メタンガスを燃料に発電するものであり、具体的には、メタンガスを改質して発電する燃料電池、メタンガスをボイラーで燃焼させて蒸気を作り、蒸気により発電機を回転して発電するボイラー発電装置、メタンガスを燃焼しタービンをまわして発電するガスタービン発電機などである。
【００２４】
植物栽培装置１５は、例えば、水耕栽培により野菜や果樹などを生産する植物工場的なものであり、この他にも、分解炉４などから生じる排熱を利用した熱帯植物園、水族館などであってもよい。また、完全なクローズドサイクルではなく、必要に応じて、肥料成分や炭酸ガスは、温室あるいは露地栽培の栽培施設に供給してもよい。
【００２５】
なお、図示しなかったが、分解炉４、触媒炉５、炭酸ガス還元装置８はヒートポンプなどからなる廃熱回収システムに接続されており、回収された熱は熱交換器３において再利用される。また、システムは、この他にも高圧圧送ポンプ２や、熱交換器３、空気添加装置６、気液分離装置７なども備えているが、これらについては従来からあるものと同様のものであるためその説明を省略する。
【００２６】
つぎに、このようにして構成されたシステムによって、有機廃棄物及び有機廃水を分解・再利用する際の処理手順について以下に説明する。
【００２７】
（１）破砕工程
まず、有機廃棄物及び有機廃水は、破砕機１の投入口から投入され、破砕・混合されたのち、スラリー状物質として排出口から排出される。そして、排出されたスラリー状物質は、高圧圧送ポンプ２を用いてバルブ１２を経て熱交換器３に送り込まれ、熱交換器３によって予熱されたのち、分解炉４に送り込まれる。
【００２８】
（２）酸化分解工程
送り込まれたスラリー状物質は、分解炉４で酸化効率を高めるために空気添加装置６により所定量の空気が添加されるとともに、高温（２５０〜３００℃）に加熱され、含有する有機物が酸化分解されて、炭酸ガスと分解できなかった少量の有機物とを含有する水溶液とに変換される。そして、炭酸ガスと分解できなかった少量の有機物を含む水溶液は、互いに交じり合った混合溶液として、高圧圧送ポンプ２の圧力により連続的に触媒炉５に流入される。なお、分解炉４で生じた廃熱は熱交換器３により回収される。
【００２９】
（３）無機化工程
触媒炉５に流入した混合水溶液に含まれる有機物は、空気添加装置６を用いて触媒に循環接触されてさらに酸化分解され、混合溶液は完全に無機化される。そして、無機化された水溶液は、熱交換器３を経て背圧バルブ１３から高圧圧送ポンプ２の圧力により気液分離器７に導入され、水溶液と炭酸ガスに分離され、それぞれ、不純物吸着装置１０、炭酸ガス濃縮装置８に送り込まれる。なお、触媒炉５で生じた廃熱は熱交換器３により回収される。
【００３０】
ちなみに、（２）酸化分解工程及び（３）無機化工程において、有機物の濃度が高い場合には、空気添加装置６に換えて、純粋酸素を添加する酸素添加装置を使用してもよい。
【００３１】
（４）浄水工程
無機化された水溶液は、不純物吸着装置１０によって、陰電荷に帯電したゼオライトによって金属成分（陽イオン）が一定量除去されるとともに、陽電荷に帯電したゼオライトによって無機栄養塩類（陰イオン）が一定量取り除かれ、浄水として高度浄水装置１１に送り込まれる。高度浄水装置１１に送り込まれた浄水には、少量ではあるがゼオライトによって完全に除去されない不純物が含まれているが、これを高度浄水装置１１によって除去することによって、要求レベルにあった高度浄水が作られる。なお、高度浄水装置１１で生じた濃縮廃水は、破砕機１に投入される。
【００３２】
（５）炭酸ガス再利用工程
気液分離器７で水溶液と分離された炭酸ガスは、炭酸ガス濃縮装置８による吸着と分離によって分離濃縮され、炭酸ガス還元装置９に送り込まれて水素ガスを加えられたのち、還元されてメタンガスと水に転換される。そして、メタンガスは発電装置１４に送り込まれ、メタンガスとともに生じた水は不純物吸着装置１０に合流する。なお、炭酸ガス還元装置９で生じた廃熱は熱交換器３により回収される。また、炭酸ガス濃縮装置によって炭酸ガスを除かれたあとの気体（主に酸素と窒素からなる気体）は、システムの外部に放出される。
【００３３】
（６）発電工程及び炭酸ガス再利用工程
炭酸ガス還元装置９から送り込まれたメタンガスは、発電装置１４の燃料として使用され、発生した電力はシステムの各工程で利用される。また、発電装置１４から生じた炭酸ガスは、植物工場に送り込まれ、光合成によって植物の成長に利用される。さらに、植物栽培装置で生じた植物性の廃棄物や排水は、破砕機１に投入されて再利用される。
【００３４】
上記のように、このシステムによって、有機廃棄物及び有機廃水から、高度浄水、金属成分、農業用肥料又は土壌改良材（無機栄養塩類が吸着したゼオライト）、及び電力を素早く、かつ、環境に負荷を与えることなく生成することができた。
【００３５】
この発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲の範囲内で様々な変更を加えることができる。
【００３６】
例えば、上記実施の形態においては、発生したメタンガスを発電の燃料として利用したが、この他にも化学品の原料として利用してもよい。そして、上記システムでは、システムによって生じた農業用肥料又は土壌改良材（無機栄養塩類が吸着したゼオライト）をシステム中の植物栽培装置で利用したが、これをシステム外の植物栽培装置や田畑で利用するようにしてもよい。
【００３７】
また、高度浄水装置としては、上記の実施の形態に記載されているもののほか、活性炭や他の高分子膜からなるフィルタを組合せて使用してもよく、これによってより高度な浄水を得ることができる。
【００３８】
さらに、高度浄水装置によって生産される高度浄水を利用する魚介類養殖装置を付け加え、魚介類を養殖するようにしてもよい。
【００３９】
加えて、このシステムは、上記実施の形態のように、地上に設置して利用するほか、潜水艦、宇宙船、月面基地、火星基地などの閉鎖系においても利用できる。
【００４０】
【発明の効果】
上記説明から明らかなように、この発明によれば、生物的な方法ではなく、物理化学的に有機物を分解することができるので、有機廃棄物及び有機廃水を環境に優しく、短時間で処理することができ、さらに分解生成物を資源として再利用することもできるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】システムの一つの実施の形態の概要を示すフローシートである。
【図２】分解炉の一実施例の概要を示す切り欠き図である。
【符号の説明】
１  粉砕機
２  高圧圧送ポンプ
３  熱交換器
４  分解炉
５  触媒炉
６  空気添加装置
７  気液分離器
８  炭酸ガス濃縮装置
９  炭酸ガス還元装置
１０  不純物吸着装置
１１  高度浄水装置
１２  バルブ
１３  背圧バルブ
１４  発電装置
１５  植物栽培装置
【図１】
0003716286.tif 000002
【図２】
0003716286.tif 000003