JP2006082074A - バイオマスの処理システム - Google Patents

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静夫 片岡
Katsushi Wada
克士 和田
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健一 宍田
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株式会社タクマ
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    • Y02W30/20Waste processing or separation

Abstract

【課題】 バイオマスを、コンポスト化することなく有効利用可能に処理する方法を提供すること。
【解決手段】 バイオマスを水素発酵させる水素発酵槽;該水素発酵槽と連結し、生成する水素発酵ガスを回収する水素発酵ガス回収装置;該水素発酵の残渣を受け入れメタン発酵させるメタン発酵槽;該メタン発酵槽と連結し、生成するメタン発酵ガスを回収するメタン発酵ガス回収装置;該メタン発酵の残渣を固液分離し、脱水残渣を回収するための固液分離装置;および、該脱水残渣を炭化するための乾燥炉および炭化炉を備える加熱装置を有するバイオマス処理システムが提供される。
【選択図】 図1

Description

バイオマスの処理方法に関する。より詳細には、バイオマスを、コンポスト化することなく有効利用可能に処理する方法に関する。
生ごみ、家畜糞尿、下水汚泥などの有機性廃棄物、または資源作物あるいはその廃棄物などの処理システムとして、微生物利用技術が行われており、好気発酵によりコンポストを得るシステム、嫌気発酵によりメタンガスを発生させてそれを燃料として用いるシステムなどがある。
好気発酵によりコンポストを得る場合、常に酸素(空気)を送給する必要があるため、送風時に臭気が飛散するという問題があり、環境上好ましいものではなく、改良の要請が強い。
一方、密閉したシステムで処理が可能な嫌気発酵では、そのような問題がないため、近年注目を集めており、このシステムによる処理が増大している。そして、嫌気発酵システムから得られたメタンガスは、発電装置などに送給されて有効に利用されている。さらに、メタン発酵残渣は、脱水処理された後、コンポストなどとして有効利用されるようになっている。しかし、現在、コンポストは供給過剰になっているため、このような発酵残渣は廃棄・埋立処分される場合が多く、そのための処理コストが必要であるなど、発酵残渣の処理方法についてさらなる改善が望まれている。
そこで、バイオマスを発酵槽でコンポスト化した後、得られたコンポストを炭化装置で炭化処理し、土壌改良剤として有効利用可能な炭化物を製造する方法も提供されている(特許文献1〜3)。また、バイオマスの発酵残渣を鉄系凝集剤で処理した後に炭化し、得られた炭化物を発酵で発生するメタンガスの脱硫に用いる方法も提供されている(特許文献4)。
特開2000−107731号公報 特開2002−1270号公報 特開平9−13033号公報 特開平11−333416号公報
本発明は、バイオマスを、コンポスト化することなく有効利用できるように処理する方法を提供することを目的とする。
本発明は、バイオマスを水素発酵処理し、ついでメタン発酵処理して得られる残渣を炭化(活性炭化)処理することにより、嫌気発酵残渣の有効利用が可能となることを見出したことに基づく。
本発明は、バイオマスを水素発酵させる水素発酵槽;該水素発酵槽と連結し、生成する水素発酵ガスを回収する水素発酵ガス回収装置;該水素発酵の残渣を受け入れメタン発酵させるメタン発酵槽;該メタン発酵槽と連結し、生成するメタン発酵ガスを回収するメタン発酵ガス回収装置;該メタン発酵の残渣を固液分離し、脱水残渣を回収するための固液分離装置;および、該脱水残渣を炭化するための乾燥炉および炭化炉を備える加熱装置を有するバイオマス処理システムを提供する。
好ましい実施態様においては、前記システムは、前記水素発酵ガスおよび前記メタン発酵ガスの全部または一部が導入される燃焼炉をさらに備え、そして該燃焼炉で発生する発熱ガスが前記加熱装置に送給されるように構成されている。
また、本発明は、バイオマスを水素発酵させて、水素発酵ガスおよび水素発酵残渣を得る工程;該水素発酵残渣をメタン発酵させて、メタン発酵ガスおよびメタン発酵残渣を得る工程;該メタン発酵残渣を固液分離して、脱水濾液および脱水残渣を得る工程;および、該脱水残渣を加熱して炭化物を得る工程を含む、バイオマス処理方法を提供する。
好ましい実施態様では、前記方法は、前記水素発酵ガスおよび前記メタン発酵ガスの全部または一部を燃焼させる工程;および、該燃焼工程において発生した発熱ガスを前記加熱工程における加熱に使用する工程をさらに含む。
本発明によれば、炭化(活性炭化)処理前に、メタン発酵だけではなく水素発酵も行うことにより、バイオマスからのエネルギー回収量が増加するだけでなく、嫌気発酵残渣の含水率が低下し、有機物含有量が減少する。すなわち、水素発酵処理とメタン発酵処理とを組合わせることにより、水素ガスが回収され、さらにメタンガスの単位時間あたりの発生量が増加する。また、発酵残渣(固形分)の量および含水率が、メタン発酵のみを行う場合よりも低下する。そのため、炭化に必要な乾燥エネルギーおよび炭化エネルギーが大きく削減でき、炭化装置も小型化できる。
さらに、得られる炭化物は燃焼可能であり、燃料として有効利用できる。特に、本発明のシステムにおいて、炭化物の燃焼により生じる熱量を発酵時の加温や、残渣の乾燥に有効利用することにより、バイオマス処理システム全体としての熱効率を高くすることができる。
本発明のバイオマス処理システムを、添付の図面を参照しつつ、説明する。
図1は、本発明のバイオマス処理システムの一実施態様を示す系統図である。本発明のバイオマス処理システムは、バイオマスを水素発酵させる水素発酵槽2;該水素発酵槽2と連結し、生成する水素発酵ガス3を回収する水素発酵ガス回収装置21;該水素発酵の残渣4を受け入れメタン発酵させるメタン発酵槽5;該メタン発酵槽5と連結し、生成するメタン発酵ガス6を回収するメタン発酵ガス回収装置22;該メタン発酵の残渣7を固液分離し、脱水残渣9を回収し、脱水濾液10を分離するための固液分離装置8;および、該脱水残渣9を炭化するための乾燥炉および炭化炉を備える加熱装置11から構成されている。
図2は、図1のシステムに加えて、バイオマス1を前処理し、水素発酵槽2に供給するための前処理槽13を供えている。前処理槽13で処理された前処理後バイオマス14は、水素発酵に利用され易くなっている。
以下、本発明のバイオマス処理システムを用いて、バイオマスを処理する方法について、図1および図2に基づいて説明する。本発明のバイオマス処理方法は、バイオマス1を必要に応じて前処理(図2参照)し、水素発酵させて、水素発酵ガスおよび水素発酵残渣を得る工程;該水素発酵残渣をメタン発酵させて、メタン発酵ガスおよびメタン発酵残渣を得る工程;該メタン発酵残渣を固液分離して、脱水濾液および脱水残渣を得る工程;および該脱水残渣を加熱して炭化物を得る工程を含む。すなわち、バイオマスを水素発酵し、その残渣をメタン発酵し、その残渣の脱水物を炭化および/または活性炭化処理する方法である。以下、詳細に説明する。
(バイオマス)
本明細書で、バイオマスとは、生物由来の有機資源を意味する。好ましくは、有機性廃棄物、資源作物あるいはその廃棄物などの有機性物質が用いられる。有機性廃棄物としては、例えば、食品工業、製紙工業、畜産業などにおける有機性廃水、有機廃棄物、あるいは糞尿、または都市下水の汚泥などが例示されるが、有機物を含む廃棄物であれば、これらに制限されない。資源作物としては、例えば、とうもろこし、さとうきびなどが挙げられ、さらにこれらの処理工程で発生する廃棄物なども、本発明に使用される。
まず、バイオマス1を、図1に示すようにそのまま水素発酵に供するか、もしくは図2に示すようにバイオマス1を前処理槽13で前処理する。
(前処理)
バイオマス1の前処理手段に特に制限はなく、例えば、加熱処理、超音波処理、破砕処理、酸処理、アルカリ処理などの物理化学的処理が挙げられる。これらの処理は、単独で、あるいは組み合わせて行われる。これらの前処理によって、バイオマス1を発酵されやすい形態に変化させる。
バイオマス1が、有機汚泥などの難分解性物質を含む場合には、これらの難分解性物質を可溶化するために、アルカリ処理をすることが好ましい。アルカリ前処理を行うことにより、前処理後バイオマス14が水素発酵微生物によって利用され易くなり、水素発生効率が向上する。さらに、水素発酵工程中にpHが低下することから、アルカリ性の前処理後バイオマス14を水素発酵槽2に投入することが好ましい。すなわち、アルカリ処理した前処理後バイオマス14が、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ剤の代わりに、水素発酵槽2に投入される。
アルカリ処理に特に制限はなく、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ剤を用いて、バイオマス1のpHは10以上、好ましくはpH10〜12に調整される。アルカリ処理は、通常0.5〜24時間、好ましくは2〜12時間攪拌することにより行われる。連続的にアルカリ前処理を行う場合、滞留時間が0.5〜24時間、好ましくは2〜12時間となるように処理を行う。このような処理により、バイオマス1中に含まれる水素消費型細菌、あるいは水素発酵に悪影響を与える微生物(例えば、乳酸菌、メタン生成菌など)の活動を低下させ、あるいはこれらの微生物を死滅させることができる。
アルカリ前処理は、加熱下で行ってもよい。加熱温度に特に制限はないが、30℃〜90℃で、あるいは35〜80℃で行われる。さらに、アルカリ処理の効率を高めるために超音波処理、破砕処理などを組合せてもよい。超音波処理の条件に特に制限はなく、処理温度、処理量を考慮して、周波数、処理時間を適宜決定すればよい。
バイオマス1が酸処理に適したものである場合は、酸処理を行った後、そのまま前処理後バイオマス14として用いてもよい。しかし、次の水素発酵工程においてアルカリ性に調整しておくことが有利である場合は、酸処理後のバイオマスをさらにアルカリ側にpH調整し、アルカリ性の前処理後バイオマス14としてもよい。この場合も、pHは、好ましくは10以上、より好ましくはpH10〜12に調整され得る。
(水素発酵)
上記バイオマス1あるいは前処理後バイオマス14は、水素発酵槽2に導入され、水素発酵が行われる。
水素発酵槽2は、バイオマス1の投入口、水素発酵ガス3を回収する水素発酵ガス回収装置21、および水素発酵残渣4の取出口が備えられている。水素発酵槽2内は、嫌気性雰囲気に保たれている。この水素発酵槽2内で、バイオマス1を水素発酵させることにより、水素および二酸化炭素を主成分とする水素発酵ガス3が生成する。
水素発酵に使用される微生物は、嫌気性非光合成微生物群あるいは純粋菌であり、水素生成能を有する微生物群または純粋菌であれば、どのような由来のものでもよい。好適には、水素生成能を有する微生物群が用いられ、例えば、下水汚泥や生ごみのメタン発酵後の汚泥、あるいはその培養物が用いられる。水素発酵は、一般的には20〜60℃、好ましくは30〜37℃で行われる。
本発明においては、水素発酵は、酸性条件下あるいはアルカリ条件下で行われる。酸性条件下で行われる場合、pHは、好ましくは4〜7.5であり、より好ましくはpH5.5〜7である。水素発酵中に有機酸が生成して水素発酵液のpHが低下するので、アルカリ前処理した前処理後バイオマス14をpH調整のために水素発酵槽2に添加しても良い。アルカリ条件下で行われる場合、pHは10〜12で行うことが好ましい。
生成した水素発酵ガス3は、水素発酵ガス回収装置21に回収された後、適宜精製(炭酸ガスなどの除去)され、燃料電池用燃料として使用されたり、あるいは水素ガスステーションへ供給され得る。あるいは、以下に詳述する加熱工程に使用する加熱装置11の燃料として、または水素発酵槽2もしくはメタン発酵槽5を所定の温度に維持するための熱源として、利用することもできる。
水素発酵残渣4は、水素発酵槽2で生成した有機酸、分解されなかった有機物などを含有するので、これをメタン発酵させることにより、バイオマス1からの更なるエネルギー回収が可能となるのみならず、廃棄物の量が減少する。
(メタン発酵)
この水素発酵残渣4は、次いで、メタン発酵槽5へ移送され、嫌気的にメタン発酵される。水素発酵残渣4のメタン発酵によって、水素発酵の副生物である有機酸(酢酸、ギ酸、乳酸、酪酸、プロピオン酸など)、あるいは水素発酵では利用されなかった炭水化物、タンパク質、脂質などから、メタン発酵ガス6が生成される。したがって、上記のようにバイオマス1から、さらなるエネルギーが回収される。
メタン発酵細菌は、活性汚泥や消化汚泥を嫌気条件下で馴養することにより、集積される。メタン発酵は、一般的に25〜65℃、好ましくは30〜40℃、高温菌の場合は50〜60℃で行われる。メタン発酵は、一般的にpH5〜10、好ましくは7〜9のアルカリ側で行われる。メタンガスの発生量(有機物の分解率)は、一般に、高温発酵の方が中温発酵よりも高い。
このメタン発酵においては、水素発酵残渣4がアルカリ性である場合は、そのままメタン発酵に使用してもよく、あるいはpH調整剤の添加によってpH調整を行ってもよい。
メタン発酵槽5は、メタン発酵ガス6を回収するメタン発酵ガス回収装置22を備えている。メタン発酵で生じたメタン発酵ガス8は、通常、メタンガスと二酸化炭素との混合ガスである。この発生ガスは、そのまま、あるいは二酸化炭素除去を行った後、メタン発酵ガス回収装置22に貯留してもよい。
生成したメタン発酵ガス6は、メタン発酵ガス回収装置22に回収された後、適宜精製(炭酸ガスなどの除去)され、メタンガスとしてガス発電に供され得る。あるいは、メタンガスは、さらに水素へ改質され、上記と同様に水素として別途使用され得る。
本発明においては、バイオマス1を水素発酵させた後にメタン発酵に供しているため、バイオマス1を直接メタン発酵させる従来のシステムに比べて、メタン発酵後の有機物の分解率が10〜20%程度向上している。そのため、メタンガスの発生量が多くなるとともに、生成するメタン発酵残渣7は、従来システムのメタン発酵残渣に比べて有機物含有量が少ない。しかし、メタン発酵残渣7は有機物を含有するので、さらに水素発酵槽2あるいは前処理槽13に返送することができ、廃棄されるバイオマス1の量が減少する。さらに、メタン発酵残渣はアルカリ性であるため、バイオマス1の処理に使用するアルカリ量を減少することができる。
(固液分離)
次に、このメタン発酵残渣7を、脱水残渣9を回収するための固液分離装置8に投入する。この固液分離装置8により、脱水濾液10と脱水残渣9とに分離される。固液分離装置8としては、通常、汚泥などの分離に用いる脱水機で、十分な固液分離能を有するものであれは特に制限はなく用いられる。このような固液分離機としては、例えば、遠心脱水機、スクリュープレス脱水機、ロータリープレス脱水機などが挙げられる。この固液分離装置8によりメタン発酵残渣7が固液分離され、脱水残渣(固形分)9と脱水濾液10とに分離される。脱水残渣(固形分)9中の水分含量は、85質量%以下であることが好ましく、80質量%以下であることがより好ましい。脱水濾液10は、当該技術分野で通常行われる水処理に供される。
脱水残渣(固形分)9は、次いで、加熱装置11に投入され、炭化処理あるいは活性炭化処理される。加熱装置11は、脱水残渣9を加熱する乾燥炉および炭化炉(いずれも図示せず)を備える。乾燥炉においては、脱水残渣9の水分を、通常、好ましくは40%以下まで減少させる。炭化炉においては、乾燥炉で乾燥させた脱水残渣9を炭化させる。炭化は、一般に約350〜450℃にて加熱することによって行う。さらに、炭化物12を活性炭とするための活性炭化装置を含んでいてもよい。ここで、上述のように、回収した上記水素発酵ガス3およびメタン発酵ガス6の全部または一部を燃焼炉に導入して燃焼させ、そして、高温のガスを、この加熱装置(特に、乾燥および炭化炉)に送給することが好ましい。
生成した炭化物(あるいは活性炭化物)12は、種々の用途に利用され得る。例えば、炭化物12は土壌改良剤として、活性炭化物は脱臭剤として利用され得る。
得られた炭化物は無臭であるため、長期保存や貯蔵が可能である。例えば、小塊状に形成すれば可搬性に優れた固形燃料として利用できる。また、炭化物を燃焼させることにより生じる熱量を燃焼装置の燃料として有効利用できるのみならず、発酵時の加温や、脱水あるいは乾燥に有効利用すると、バイオマス処理システム全体としての熱効率を高くすることができる。メタン発酵残渣中の炭素分が所定の量になるようにメタン発酵を行うことにより、あるいはメタン発酵残渣中の炭素分が所定の濃度となったときに連続的にあるいは半バッチ方式でメタン発酵液を抜き出すなどの方法でメタン発酵をコントロールすることにより、用途に応じた炭化物を製造することも可能である。
以下に実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。
(実施例1)
汚泥(水分96%)10kgを水素発酵およびメタン発酵に供した。汚泥を80℃まで加熱して前処理をした後、水素発酵を温度35℃で行い、水素の発生が止まった時点で、メタン発酵を55℃で行った。メタンガスの発生が止まったところで、発酵を終了した。水素発酵−メタン発酵残渣を3000rpmで遠心分離して、脱水し、脱水後の固形分量および水分量を測定し、ついで400℃、2時間炭化処理を行った。結果を表1に示す。
(比較例1)
実施例1と同じ汚泥(水分96%)20kgを、55℃の高温メタン発酵に供した。メタンガスの発生が止まった時点で発酵を終了し、実施例1と同様に処理した。結果を表1に示す。
(比較例2)
実施例1と同じ汚泥(水分96%)20kgを採取し、冷却後、3000rpmで遠心分離して、脱水し、実施例1と同様、脱水後の固形分量および水分量を測定し、炭化処理を行った。結果を表1に示す。
水素発酵とメタン発酵とを組み合わせた実施例1では、比較例1および比較例2と比べ、スムーズに遠心分離できた。また、表1の結果が示すように、実施例1の脱水残渣の含水率および炭化物の量が、メタン発酵のみの場合(比較例1)あるいは単に遠心分離する場合に比べて、低下した。このことから、水素発酵とメタン発酵とを組み合わせることにより、分離効率が上がること、および脱水残渣(固形分)の量および含水率が低下することから、乾燥に必要なエネルギーが大幅に削減できること、従って、装置の小型化が可能となることがわかる。
(実施例2)
汚泥(水分96%)を、水素発酵およびメタン発酵に供した。水素発酵は温度35℃、滞留時間1日で行った。水素の発生量は10m/t−vs(t−vsは総固形量分)であった。ついで、この水素発酵残渣をメタン発酵した。メタン発酵は高温メタン発酵(温度55℃)で行い、滞留時間は15日であった。メタンガスの発生量は600m/t−vsであった。メタン発酵残渣を遠心分離して固形分(脱水残渣)を回収した。固形分(脱水残渣)の含水率は、約75%であった。固形分の水分量を乾燥炉で減少させ、ついで、400℃で炭化した。1tの汚泥から7.6kgの炭化物が得られた。
(比較例3)
実施例2と同じ汚泥(水分96%)を、実施例2と同じ装置で高温メタン発酵(温度55℃)させた。メタン発酵における汚泥の滞留時間は20日であった。メタンガスの発生量は550m/t−vsであった。メタン発酵残渣を遠心分離して固形分(脱水残渣)を回収した。回収した固形分の水分は約78%であった。固形分の水分量を乾燥炉で減少させ、ついで、400℃で炭化した。1tの汚泥から9kgの炭化物が得られた。
水素発酵とメタン発酵とを組み合わせた実施例2のメタン発酵の効率が、メタン発酵を単独で行った場合(比較例3)よりも大きかった。すなわち、より短い発酵時間で、より効率よくメタンガスが発生した。さらに、実施例2の水素発酵−メタン発酵処理残渣は、比較例3のメタン発酵単独の残渣より、分離がスムーズに行うことができた。また、表1の結果と同様、実施例2の脱水残渣の含水率は、比較例3の脱水残渣の含水率よりも低く、炭化物の量も低下した。
以上の実験結果から、水素発酵とメタン発酵とを組合わせることにより、エネルギーの回収効率が向上すること、発酵残渣の分離効率も向上すること、並びに脱水残渣(固形分)の量とおよび含水率が低下することから、乾燥に必要なエネルギーが大幅に削減できることがわかる。このように、水素発酵とメタン発酵とを組み合わせることにより、乾燥および炭化対象物質の量および水分量が減少することから、装置の小型化を図ることができ、さらに、発酵によるエネルギー回収も加えると、トータルのエネルギー回収量が向上する。
本発明によれば、水素発酵とメタン発酵とを組み合わせることにより、バイオマスからのエネルギー回収量が増加し、メタン発酵後の脱水残渣から炭化物を生じさせるので、近年過剰気味のコンポストの代わりに、バイオマスを発電用の燃料などの用途に利用できるようになる。さらに、炭化処理対象物質の量および水分量が減少することから、炭化処理装置の小型化を図ることができる。発酵によるエネルギー回収を考慮すると、トータルのエネルギー回収量が向上するので、バイオマスの処理において、極めて有用な装置として利用される。
本発明のバイオマス処理方法の一実施態様を示す系統図である。 本発明のバイオマス処理方法の別の実施態様を示す系統図である。
符号の説明
1 バイオマス
2 水素発酵槽
3 水素発酵ガス
4 水素発酵残渣
5 メタン発酵槽
6 メタン発酵ガス
7 メタン発酵残渣
8 固液分離装置
9 脱水残渣(固形分)
10 脱水濾液
11 加熱装置
12 炭化(活性炭化)物
13 前処理槽
14 前処理後バイオマス
21 水素発酵ガス回収装置
22 メタン発酵ガス回収装置

Claims (4)

  1. バイオマスを水素発酵させる水素発酵槽;該水素発酵槽と連結し、生成する水素発酵ガスを回収する水素発酵ガス回収装置;該水素発酵の残渣を受け入れメタン発酵させるメタン発酵槽;該メタン発酵槽と連結し、生成するメタン発酵ガスを回収するメタン発酵ガス回収装置;該メタン発酵の残渣を固液分離し、脱水残渣を回収するための固液分離装置;および、該脱水残渣を炭化するための乾燥炉および炭化炉を備える加熱装置を有する、バイオマス処理システム。
  2. 前記水素発酵ガスおよび前記メタン発酵ガスの全部または一部が導入される燃焼炉をさらに備え、そして該燃焼炉で発生する発熱ガスが前記加熱装置に送給されるように構成されている、請求項1に記載のバイオマス処理システム。
  3. バイオマスを水素発酵させて、水素発酵ガスおよび水素発酵残渣を得る工程;
    該水素発酵残渣をメタン発酵させて、メタン発酵ガスおよびメタン発酵残渣を得る工程;
    該メタン発酵残渣を固液分離して、脱水濾液および脱水残渣を得る工程;および
    該脱水残渣を加熱して炭化物を得る工程:
    を含む、バイオマス処理方法。
  4. 前記水素発酵ガスおよび前記メタン発酵ガスの全部または一部を燃焼させる工程;および
    該燃焼工程において発生した発熱ガスを前記加熱工程における加熱に使用する工程
    をさらに含む、請求項3に記載の方法。
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