JP2006348191A - バイオマス循環システム - Google Patents

Abstract

【課題】 廃食油、なたね油・ヒマワリ油等の植物油からバイオディーゼル燃料を生成するとともに、バイオディーゼル燃料を生成する際に発生するグリセリンや洗浄廃濁液を効率よく処理することができるシステムや方法を提供すること。
【解決手段】 植物油から固体物質を除去し、前記固体物質を除去した植物油を加熱し、加熱した前記植物油に第一級アルコールと苛性アルカリとを加えてエステル交換反応を行い、前記反応により得られる反応生成物をディーゼル燃料とグリセリンとに分離し、前記グリセリンを回収し、前記ディーゼル燃料を洗浄水で洗浄することにより得られる洗浄廃濁液を回収し、洗浄された前記ディーゼル燃料を回収し、回収された前記洗浄廃濁液及び前記グリセリンと、生ごみ、畜糞尿等とを混合した混合液をメタン発酵し、メタンガスを含むバイオガスを回収する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、生ごみ、畜糞尿、植物油等のバイオマスからメタンガスやバイオディーゼル燃料を生産するバイオマス循環システム及びバイオマスの処理方法に関する。

従来、廃食油、なたね油・ヒマワリ油等の植物油からバイオディーゼル燃料（ＢＤＦ：Bio Diesel Fuel）を生成する方法や装置（特許文献１〜３参照）の開発が行われている。

しかしながら、植物油をバイオディーゼル燃料化する際に発生するグリセリンは、その濃度が低く、工業的に使用できる高純度のグリセリンを精製するには困難であり、グリセリンの処理が問題となっている。また、植物油をバイオディーゼル燃料化する装置を洗浄する際に発生する洗浄廃濁液には油等の環境汚染物質が含まれているため、その洗浄廃濁液の処理も問題となっている。
特開平９−２３５５７３号公報 特開平１０−２４５５８６号公報 特開平１０−２３１４９７号公報

そこで、本発明は、廃食油、なたね油・ヒマワリ油等の植物油からバイオディーゼル燃料を生成するとともに、上述のグリセリンや洗浄廃濁液を効率よく処理することができるシステムや方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、グリセリン及び洗浄廃濁液を生ゴミ、畜糞尿等に混合してメタン発酵することができるかどうかを調べた。その結果、グリセリン及び洗浄廃濁液を生ゴミや畜糞尿等とともにメタン発酵することにより、グリセリン及び洗浄廃濁液を消化することができることが明らかになった。また、生ゴミや畜糞尿等にグリセリン及び洗浄廃濁液を添加してメタン発酵することにより、メタンガスの生成量が増加することが明らかになった。このようにして、本発明者らは本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係るバイオマス循環システムは、植物油から固体物質を除去し、前記固体物質を除去した植物油を加熱し、加熱した前記植物油に第一級アルコールと苛性アルカリとを加えてエステル交換反応を行い、前記反応により得られる反応生成物をディーゼル燃料とグリセリンとに分離し、前記グリセリンを回収し、前記ディーゼル燃料を洗浄水で洗浄することにより得られる洗浄廃濁液を回収し、洗浄された前記ディーゼル燃料を回収するバイオディーゼル燃料化装置と、前記バイオディーゼル燃料化装置から回収された前記洗浄廃濁液及び前記グリセリンと、生ごみとを含む混合液をメタン発酵し、メタンガスを含むバイオガスを回収するバイオマス燃料化装置と、を含む。本発明に係るバイオマス循環システムは、前記生ごみを前記洗浄廃濁液及び前記グリセリンと混合して前記混合液を調製する前に前記生ごみを予め破砕する破砕機をさらに含んでいてもよい。また、本発明に係るバイオマス循環システムは、前記破砕機により破砕した前記生ごみから異物を除去する生ごみ圧縮分別機をさらに含んでいてもよい。

また、本発明に係るバイオマス循環システムは、植物油から固体物質を除去し、前記固体物質を除去した植物油を加熱し、加熱した前記植物油に第一級アルコールと苛性アルカリとを加えてエステル交換反応を行い、前記反応により得られる反応生成物をディーゼル燃料とグリセリンとに分離し、前記グリセリンを回収し、前記ディーゼル燃料を洗浄水で洗浄することにより得られる洗浄廃濁液を回収し、洗浄された前記ディーゼル燃料を回収するバイオディーゼル燃料化装置と、前記バイオディーゼル燃料化装置から回収された前記洗浄廃濁液及び前記グリセリンと、畜糞尿とを含む混合液をメタン発酵し、メタンガスを含むバイオガスを回収するバイオマス燃料化装置と、を含む。本発明に係るバイオマス循環システムは、前記畜糞尿を前記洗浄廃濁液及び前記グリセリンと混合して前記混合液を調製する前に、前記畜糞尿を水で希釈し、前記畜糞尿に含まれる固形物を除去する固液分離装置をさらに含んでいてもよい。本発明に係るバイオマス循環システムは、前記畜糞尿に含まれる固形物をコンポスト化するコンポスト化装置をさらに含んでいてもよい。

本発明に係るバイオマス循環システムは、前記ディーゼル燃料と前記メタンガスとを燃焼して電気エネルギー又は熱エネルギーを生成するディーゼルエンジンコージェネレーション装置をさらに含んでいてもよい。

また、本発明に係るバイオマス循環システムは、前記バイオガスに含まれる硫化水素を前記バイオガスから除去する脱硫装置をさらに含んでいてもよい。

さらに、本発明に係るバイオマス循環システムは、前記混合液をメタン発酵することにより得られた消化液を脱水する脱水装置をさらに含んでいてもよい。この場合において、前記混合液を調製する混合部と、前記脱水装置において消化液を脱水することにより回収された脱水ろ液を前記混合部に供給する手段と、をさらに含ませてもよいし、前記脱水ろ液に含まれる水質汚濁物質を分離回収する排水処理装置と、分離回収された前記水質汚濁物質を前記脱水装置に供給する手段と、前記水質汚濁物質が除去された前記脱水ろ液を前記混合部に供給する手段と、をさらに含ませてもよい。また、前記消化液を前記脱水装置により脱水する前に、前記消化液に含まれる窒素化合物を予め除去する硝化脱窒処理装置をさらに含ませてもよいし、前記脱水装置によって前記消化液を脱水することにより得られる脱水ケーキをコンポスト化するコンポスト化装置をさらに含ませてもよい。

本発明に係るバイオマス循環システムは、前記混合液をメタン発酵する前に、前記混合液に含まれる固形物を予め除去する固液分離装置をさらに含んでいてもよい。この場合において、前記固液分離装置により除去された固形物をコンポスト化するコンポスト化装置をさらに含ませてもよい。

なお、前記バイオマス燃料化装置は、前記混合液を酸発酵することにより酸を生成する酸生成部と、生成した前記酸をメタン発酵することによりメタンガスを生成するメタン生成部と、を含んでいてもよい。

本発明に係るバイオマスの処理方法は、固体物質を除去した植物油を加熱し、加熱した前記植物油に第一級アルコールと苛性アルカリとを加えてエステル交換反応を行い、前記反応により得られる反応生成物をディーゼル燃料とグリセリンとに分離し、前記グリセリンを回収し、前記ディーゼル燃料を洗浄水で洗浄することにより得られる洗浄廃濁液を回収し、洗浄された前記ディーゼル燃料を回収する第一の工程と、前記第一の工程によって回収された洗浄廃濁液及び前記グリセリンと、生ごみとを混合して混合液を調製し、前記混合液をメタン発酵して、メタンガスを含むバイオガスを回収する第二の工程と、を含む。本発明に係るバイオマスの処理方法は、前記生ごみを前記洗浄廃濁液及び前記グリセリンと混合して混合液を調製する前に、前記生ごみを予め破砕する工程をさらに含んでいてもよい。この場合において、破砕した前記生ごみに含まれる異物を除去する工程をさらに含ませてもよい。

また、本発明に係るバイオマスの処理方法は、固体物質を除去した植物油を加熱し、加熱した前記植物油に第一級アルコールと苛性アルカリとを加えてエステル交換反応を行い、前記反応により得られる反応生成物をディーゼル燃料とグリセリンとに分離し、前記グリセリンを回収し、前記ディーゼル燃料を洗浄水で洗浄することにより得られる洗浄廃濁液を回収し、洗浄された前記ディーゼル燃料を回収する第一の工程と、前記第一の工程によって回収された洗浄廃濁液及び前記グリセリンと、畜糞尿とを混合して混合液を調製し、前記混合液をメタン発酵して、メタンガスを含むバイオガスを回収する第二の工程と、を含む。本発明に係るバイオマスの処理方法は、前記畜糞尿を前記洗浄廃濁液及び前記グリセリンと混合して混合液を調製する前に、前記畜糞尿を水で希釈して前記畜糞尿に含まれる固形物を除去する工程をさらに含んでいてもよい。この場合において、前記畜糞尿から除去した前記固形物をコンポスト化する工程をさらに含ませてもよい。

本発明に係るバイオマスの処理方法は、前記ディーゼル燃料と、前記メタンガスとを燃焼して電気エネルギー又は熱エネルギーを生成する工程をさらに含んでいてもよい。また、本発明に係るバイオマスの処理方法は、前記バイオガスに含まれる硫化水素を、前記バイオガスから除去する工程をさらに含んでいてもよい。

さらに、本発明に係るバイオマスの処理方法は、前記混合液をメタン発酵することにより得られる消化液を脱水して脱水ろ液と脱水ケーキとに分離する工程をさらに含んでいてもよい。この場合において、前記脱水ろ液に含まれる水質汚濁物質を分離回収し、前記水質汚濁物質を再度脱水して脱水ろ液と脱水ケーキとに分離する工程、前記消化液を脱水する前に、予め硝化脱窒処理して前記消化液に含まれる窒素化合物を除去する工程、前記脱水ケーキをコンポスト化する工程等をさらに含ませてもよい。

また、本発明に係るバイオマスの処理方法は、前記混合液をメタン発酵する前に、前記混合液に含まれる固形物を予め除去する工程をさらに含んでいてもよい。この場合において、前記混合液から除去された固形物をコンポスト化する工程をさらに含ませてもよい。

ここで、上述の混合液は、炭素成分と窒素成分との比が３０以上であることが好ましい。また、前記混合液のメタン発酵は、前記混合液を酸生成菌で処理し、酸生成菌で処理した前記混合液をメタン生成菌で処理する工程からなることが好ましい。

なお、本発明において「バイオマス循環システム」とは、畜糞尿、生ごみ、植物油等のバイオマスから電気、熱、堆肥等を生産し、これらを循環利用することができるシステムを意味する。

本発明によれば、植物油等の植物油からバイオディーゼル燃料を生成するとともに、上述のグリセリンや洗浄廃濁液を効率よく処理することができるシステムや方法を提供することができる。

上記知見に基づき完成した本発明を実施するための形態を、実施例を挙げながら詳細に説明する。

＝＝バイオマス循環システムの構成＝＝
図１に本発明の一実施形態として説明するバイオマス循環システム（以下、「本発明に係るシステム」と称する。）の構成図を示す。図１に示すように、本発明に係るシステム１００は、バイオディーゼル燃料（ＢＤＦ）化装置１０、メタン発酵槽２０などを備えている。

ＢＤＦ化装置１０は、固体物質（例えば、夾雑物、不純物など）を除去した植物油を加熱し、加熱した植物油に第一級アルコールと苛性アルカリとを加えてエステル交換反応を行い、反応により得られる反応生成物をディーゼル燃料とグリセリンとに分離し、グリセリンを回収した後、ディーゼル燃料を洗浄水で洗浄し、洗浄水で洗浄することにより得られる洗浄廃濁液を回収し、洗浄された前記ディーゼル燃料を回収する装置である。

メタン発酵槽２０は、ＢＤＦ化装置１０において回収された洗浄廃濁液及びグリセリンと、生ごみ、畜糞尿等とを混合した混合液をメタン発酵し、メタンガスを含むバイオガス（気体成分）を回収するバイオマス燃料化装置である。

以上のように、ＢＤＦ化装置１０を備えるシステム１００に、メタン発酵槽２０を設けることにより、植物油からバイオディーゼル燃料を生成できるだけではなく、上述のグリセリン及び洗浄廃濁液を、生ごみ、畜糞尿等と一緒にメタン発酵することにより、上述のグリセリンや洗浄廃濁液を効率よく処理することができ、その結果、メタンガスの生成量を増大させることが可能になる。

なお、上述のメタン発酵槽２０としては、例えば、単相式メタン発酵槽、二相式メタン発酵槽、上向流嫌気性汚泥床（ＵＡＳＢ：Upflow Anaerobic Sludge Blanket Process）型メタン発酵槽、嫌気性固定床型メタン発酵槽、嫌気性流動床型メタン発酵槽、乾式メタン発酵槽などを用いることができるが、酸生成とメタン生成とに適した菌をそれぞれ用いることができ、さらに、有機物や浮遊物質（ＳＳ）の含有量が多い生ごみや畜糞尿を効率的にメタン発酵処理することができる点で、図１に示すような、酸生成部２１とメタン生成部２２とを含む二相式メタン発酵槽２０を用いることが好ましい。なお、前記酸生成部２１は、混合液に含まれる生ごみや畜糞尿における有機物や浮遊物質（ＳＳ）、その他上述のグリセリンや洗浄廃濁液を、酢酸、ギ酸等の有機酸や水素に分解（酸発酵）する酸生成菌を含む槽である。また、前記メタン生成部２２は、前記酸生成部２１によって生成された有機酸をメタンや炭酸ガス等に変換（メタン発酵）するメタン生成菌を含む槽である。

本発明の好適な一実施態様によれば、図１に示すように、本発明に係るシステム１００に、ＢＤＦ化装置１０により回収されたディーゼル燃料と、メタン発酵槽２０により回収されたメタンガスとを燃焼して電気・熱等のエネルギーを生成するディーゼルエンジンコージェネレーション装置３０をさらに備えることとしてもよい。このように、本発明に係るシステム１００にディーゼルエンジンコージェネレーション装置３０を設置することにより、化石燃料を使用しない発電システムを構築することができるようになる。

なお、他の態様によれば、図１に示すように、本発明に係るシステム１００に、メタン発酵槽２０により回収されたメタンガスを燃焼し、メタンガスを電気・蒸気熱等のエネルギーに変換するメタンガス焚き蒸気ボイラー３１をさらに備えてもよい。このように、本発明に係るシステム１００にメタンガス焚き蒸気ボイラー３１をさらに設置することにより、上述のグリセリン、洗浄廃濁液、生ごみ、畜糞尿等から得られたメタンガスを用いた発電システムを構築することができるようになる。また、ディーゼルエンジンコージェネレーション装置３０の代わりにディーゼル燃料によって電気・熱等のエネルギーを生成する一般的な装置（例えば、ディーゼル燃料を使用する発電機など）を用いることができるようになる。

また、本発明の好適な一実施態様によれば、メタン発酵槽２０において回収された、メタンガスを含むバイオガスに硫化水素が含まれている場合には、図１に示すように、本発明に係るシステム１００に、メタン発酵槽２０において回収されたバイオガスから硫化水素を除去する脱硫装置４０をさらに設けることとしてもよい。これにより、ディーゼルエンジンコージェネレーション装置３０やメタンガス焚き蒸気ボイラー３１等に供給するバイオガスから硫化水素を除去することができるので、バイオガス中のメタンガスの純度を高めることができ、有害物質である硫黄化合物の発生を未然に防止することができるようになる。

本実施の形態においては、グリセリン、洗浄廃濁液、生ごみ、畜糞尿等を含む混合液は、メタン発酵槽２０において調製することとしてもよいが、図１に示すように、本発明に係るシステム１００に混合槽５０を設けて、メタン発酵槽２０に供給する混合液を調製することとしてもよい。この場合においては、図１に示すように、本発明に係るシステム１００に、混合槽５０において調製した混合液を固体成分（固形物）と液体成分とに固液分離する固液分離機６０をさらに設けることが好ましい。これにより、メタン発酵が困難な固形物を予め除去して、液体成分をメタン発酵槽２０に供給することが可能となる。なお、前記固液分離機としては、例えば、沈殿分離機、浮上分離器、遠心分離機、遠心沈降分離機、遠心濾過分離機、遠心脱水機、濾過機、圧搾脱水分離機などを用いることができる。

また、本発明の好適な一実施態様によれば、図１に示すように、本発明に係るシステム１００に、前記固液分離機６０において固液分離された固形物を乾燥してコンポスト化するコンポスト化装置８０をさらに設けることとしてもよい。これにより、前記固液分離機６０において固液分離された固形物を堆肥肥料（有機肥料）として用いることができ、資源の循環利用を図ることができるようになる。

さらに、本発明の好適な一実施態様によれば、図１に示すように、メタン発酵槽２０において上述の混合液をメタン発酵することにより得られた消化液を脱水する脱水機７０をさらに設けることとしてもよい。これにより、消化液を脱水ケーキと脱水ろ液に分離することが可能となる。この脱水機７０により回収された脱水ケーキは、コンポスト化装置８０によってコンポスト化されることとしてもよいし、別に設置されたコンポスト化装置によってコンポスト化されることとしてもよい。また、脱水機７０によって回収された脱水ろ液は、図１に示すように、ポンプ等によって上述の混合槽５０に供給され、混合液の調製に使用されることとしてもよいし、液肥としてそのまま使用されることとしてもよい。これにより、水の使用量を削減したり、資源を循環して利用したりすることができるようになる。

なお、本実施の形態において、脱水ろ液に水質汚濁物質が含まれている場合には、脱水ろ液から水質汚濁物質を分離することができる排水処理装置９０を、本発明に係るシステム１００にさらに設けることが好ましい。これにより、脱水ろ液から水質汚濁物質が除去された処理水をポンプ等によって上述の混合槽５０に供給して混合液の調製に使用したり、直接下水道に放流したりすることが可能となる。これに対して、排水処理装置９０において脱水ろ液から回収された余剰の活性汚泥（水質汚濁物質に含まれている。）は、図１に示すように、再度脱水機７０等に戻すことが好ましい。これにより、余剰の活性汚泥がほとんど発生しないシステムを構築することができるようになる。なお、前記排水処理装置としては、例えば、重力式沈殿槽、膜分離式活性汚泥処理装置などを用いることができる。

また、本発明の好適な一実施態様によれば、図２に示すように、本発明に係るシステム１００に、畜糞尿を受け入れて希釈するための糞尿受け入れ槽４１と、畜糞尿に含まれる固形物と液体成分とを分離する固液分離機４２と、をさらに備えることとしてもよい。これにより、希釈した畜糞尿に含まれる敷藁等の固形物を除去するとともに、畜糞尿の搾汁液を回収して混合層５０に供給することができるようになる。なお、固液分離機４２によって回収された固形物は、コンポスト化装置８０によって処理されてもよいし、別のコンポスト化装置によって処理されてもよい。また、畜糞尿を希釈する水は、水道水の水を用いてもよいが、上述の脱水機７０によって回収された脱水ろ液や、上述の排水処理装置９０によって処理された処理水等を用いることとしてもよい。これにより、水道水の使用量を削減することが可能になる。

さらに、本発明の好適な一実施態様によれば、図３に示すように、本発明に係るシステム１００に、生ごみを破砕する破砕機４３をさらに備えることとしてもよい。これにより、微生物による分解・発酵の促進を図ることができるようになる。また、図３に示すように、本発明に係るシステム１００は、破砕した生ごみを圧縮して異物（発泡スチロール、プラスチックなど）を除去する生ごみ圧縮分別機４４をさらに含んでいてもよい。これにより、生ごみに含まれる異物が除去されるとともに、異物が除去された生ごみがペースト状になるので、微生物による分解・発酵の促進を図ることができるようになる。

本実施の形態において、上述の混合液をメタン発酵槽２０でメタン発酵することにより得られた消化液に窒素化合物（例えば、有機物（ＢＯＤ）やアンモニア等）が含まれている場合には、消化液に含まれる窒素化合物を除去する硝化脱窒処理装置を、本発明に係るシステム１００にさらに備えることが好ましい。これにより、メタン発酵槽２０における微生物に悪影響を及ぼす窒素化合物を除去することができるので、消化液から窒素化合物が除去された処理水を糞尿受け入れ槽４１、混合槽５０で使用することができ、また、消化液から窒素化合物が除去された処理水をそのまま下水道に放流することができるようになる。なお、図４に本実施形態の一例として説明する硝化脱窒処理装置６５の構成図を示す。図４に示すように、硝化脱窒処理装置６５は、脱窒槽６１、硝化槽６２、沈殿槽６３などを備えている。脱窒槽６１は、供給された消化液に第一級アルコール（例えば、メタノール、エタノールなど）又は植物油を添加して、消化液中の硝酸性窒素（NO₃ ^--N）、亜硝酸性窒素（NO₂ ^--N）を脱窒菌で窒素と炭酸ガスに変換して脱気する槽である。硝化槽６２は、供給された消化液を曝気することにより、消化液中のアンモニア性窒素（NH₄ ⁺-N）を硝化菌で硝化（例えば、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素など）する槽である。沈殿槽６３は、窒素化合物が除去された硝化液中の汚泥を高分子アニオン凝集剤で凝集させてフロックを形成させ、その後、高分子カチオン凝集剤でフロックを拡大させて凝集沈殿させる槽である。なお、本実施の形態においては、硝化槽で処理された硝化液の一部を脱窒槽に循環することとし、また、沈殿槽６３により凝集沈殿させた汚泥を脱窒槽に循環することとしている。このように硝化液や汚泥を循環することにより、窒素除去の処理効率を高めることが可能となる。なお、沈殿槽６３により沈殿させた汚泥は、脱水機７０により脱水ろ液と脱水ケーキに分離してもよい。

＝＝バイオマスの処理方法＝＝
次に、本実施の一形態として、バイオマスの処理方法について説明する。
まず、ＢＤＦ化装置１０において、固形物質が除去された植物油を加熱し、第一級アルコールと苛性アルカリとを加えてエステル交換反応を行う。反応後、反応生成物をディーゼル燃料とグリセリンとに分離し、グリセリンを回収する。その後、ディーゼル燃料を洗浄水で洗浄し、洗浄廃濁液を回収するとともに、洗浄したディーゼル燃料を回収する。次に、回収したグリセリン及び洗浄廃濁液と生ごみ、畜糞尿等とを混合した混合液をメタン発酵槽２０でメタン発酵して、メタンガスを含むバイオガスを生成し、バイオガスを回収する。

このように、ＢＤＦ化装置１０から回収したグリセリン及び洗浄廃濁液を、生ごみ、畜糞尿等と混合して調製した混合液をメタン発酵することにより、グリセリンや洗浄廃濁液を効率よく処理することができ、また、メタンガスの生成量を増大させることができるようになる。また、ＢＤＦ化装置１０により得られたディーゼル燃料は、軽油に比べて黒煙の発生量が少なく、Ｈ_２Ｓの含有量が少ないので、環境面において優れているといえる。

ここで、メタン発酵させる混合液中の炭素成分と窒素成分との比（Ｃ／Ｎ）は、３０以上であることが好ましい。窒素成分の割合が多いとメタン発酵の際に用いる微生物に悪影響を及ぼすからである。

上述の第一級アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノールなどを用いることができる。また、上述の苛性アルカリとしては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどを用いることができる。上述の洗浄水としては、例えば、水道水、地下水、工業用水などの水を用いることができる。

また、上述のメタン発酵は、上述の混合液を酸生成菌で処理した後、メタン生成菌で処理することが好ましい。このように２段階で処理することにより、メタン生成の処理効率を高めることができるようになる。なお、酸生成菌やメタン生成菌としては、公知の菌を用いることができる。また、酸生成菌での処理は、酸生成菌の生存に適した温度及びｐＨで行うことができ、メタン生成菌での処理は、メタン生成菌の生存に適した温度及びｐＨで行うことができる。

なお、本実施の形態においては、混合液をそのままメタン発酵することとしているが、混合液をメタン発酵する前に、メタン発酵が困難な混合液中の固形物を予め除去することが望ましい。これにより、混合液のメタン発酵を効率的に行うことができ、固形物を回収することができるようになる。なお、回収された固形物は、窒素、燐、カリウム等を含んでいることから、コンポスト化装置８０によって堆肥化することとしてもよい。これにより、排水処理負担を削減することが可能となる。また、混合液の全て有効に利用することができ、資源の循環利用を図ることができるようになる。

また、上述の畜糞尿に敷藁等の固形物が含まれている場合には、メタン発酵槽２０でメタン発酵する前に、水等で希釈した畜糞尿を固液分離器４２，６０によって固形物と液体成分（搾汁液）とに分離し、固形物を除去することが望ましい。これにより、固形物を回収するとともに、メタン発酵されやすい畜糞尿の搾汁液をメタン発酵槽２０に供給することができるようになる。その結果、メタン発酵の処理効率を高めることが可能となる。なお、回収された固形物は、窒素、燐、カリウム等を含んでいることから、コンポスト化装置８０によって堆肥化することとしてもよい。これにより、排水処理負担を削減することが可能になる。また、畜糞尿の全てを有効に利用することができるようになる。

一方、上述の生ごみはメタン発酵される前に、破砕機４３等によって予め破砕することが好ましい。これにより、微生物による分解・発酵の促進を図ることができ、効率的にメタンガスの生成を行うことが可能となる。なお、破砕した生ごみに、発泡スチロール、プラスチック等の異物が含まれている場合には、メタン発酵槽２０でメタン発酵する前に、生ごみ圧縮分別機４４によって異物を除去することが望ましい。これにより、生ごみのメタン発酵を効率的に行うことができるようになる。

以上のようにして得られたディーゼル燃料とメタンガスとを、ディーゼルエンジンコージェネレーション装置３０によって燃焼することにより電気エネルギーや熱エネルギーを生成することとしてもよい。また、ディーゼル燃料を発電機等によって燃焼したり、メタンガスをメタンガス焚き蒸気ボイラー３１等のボイラーによって燃焼したりすることにより電気エネルギーや熱エネルギーを生成することとしてもよい。これにより、化石燃料を使用しないで発電することが可能となる。

なお、上述のバイオガスに硫化水素が含まれている場合には、脱硫装置４０によってバイオガスから硫化水素を除去することが望ましい。これにより、バイオガス中のメタンガスの純度を高めることができ、さらには、バイオガスを燃焼させた際に有害物質である硫黄化合物の発生を未然に防止することができるようになる。

また、混合液をメタン発酵することにより得られた消化液を、脱水機７０等によって脱水し、脱水ケーキと脱水ろ液とに分離することとしてもよい。これにより、窒素、燐、カリウム等を含んでいる脱水ケーキや脱水ろ液を回収することができ、脱水ケーキは堆肥肥料として、脱水ろ液は液肥としてそれぞれ利用することができる。また、このように脱水ろ液を利用することにより、排水処理負担を削減することができるようになる。なお、脱水ケーキを堆肥肥料として利用する場合には、脱水ケーキをコンポスト化することとしてもよい。脱水ろ液は、上述のように、液肥として利用してもよいし、グリセリン、洗浄廃濁液、生ごみ、畜糞尿等を含む混合液を調製する水又は畜糞尿を希釈する水として使用してもよい。脱水ろ液を水として使用する場合には、水の使用量を削減することができる。

上述の脱水ろ液に水質汚濁物質が含まれている場合には、排水処理装置９０によって水質汚濁物質を脱水ろ液から分離することが望ましい。これにより、脱水ろ液を下水道に放流したり、上述のように混合液を調製する水や畜糞尿を希釈する水として使用したりすることができるようになる。

さらに、混合液をメタン発酵することにより得られた消化液に窒素化合物が含まれている場合には、硝化脱窒処理装置６５によって消化液に含まれる窒素化合物を除去することが好ましい。これにより、メタン発酵槽２０における微生物に悪影響を及ぼす窒素化合物を除去できるので、上述のように混合液を調製する水や畜糞尿を希釈する水として使用することができる。なお、消化液から窒素化合物が除去された処理水はそのまま下水道に放流してもよい。硝化脱窒処理装置６５で用いられる脱窒菌や硝化菌としては、公知の菌であれば特に制限されるものではない。また、脱窒菌での処理は、脱窒菌の生存に適した温度及びｐＨで行うことができ、硝化菌での処理は、硝化菌の生存に適した温度及びｐＨで行うことができる。

以下に本発明を実施例によって具体的に説明する。なお、これらの実施例は本発明を説明するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

（１）有機性廃棄物の化学組成及び熱量
それぞれ別の日に回収した生ごみ及び牛糞について有機性廃棄物の化学組成及び熱量の測定を表１に示す測定方法に準じて行った。なお、牛糞はそのまま分析用サンプルとして用い、生ごみは等量の水（重量比）を加えて粉砕することにより均質化したものを分析用サンプルとして用いた。その結果を表２（生ごみ）及び表３（牛糞）に示す。

（２）廃食油からバイオディーゼル燃料を生成した際に発生する廃棄物の回収、並びに、その廃棄物の化学組成及び熱量測定
次に、植物由来廃食用油（１００Ｌ）中の夾雑物及び不純物除去を自然沈殿させ、上澄み液を回収した。その後、バイオディーゼル燃料化装置（Ａ２型番；エルフ社製）の反応槽に上澄み液とメタノール（１８Ｌ）と触媒（水酸化カリウム；５ｋｇ）とを加えて、メチルエステル交換反応を２時間行った。反応後、反応生成物を２４時間静置分離させ、グリセリン（３０Ｌ）を回収した。次に、グリセリンが取り除かれた反応生成物に洗浄水（水２０Ｌ）を加えて洗浄した後、２４時間静置分離させ、減圧蒸留することにより洗浄廃濁液を回収するという操作を２回行った。洗浄後、静置分離させて上澄み液を回収することにより、バイオディーゼル燃料（７０Ｌ）を得た。

上述のようにして得られたグリセリン、並びに、１回目の洗浄により得られた洗浄廃濁液及び２回目の洗浄により得られた洗浄廃濁液の化学組成及び熱量の分析を表１に示す測定方法に準じて行った。その分析結果を表４に示す。なお、グリセリン及び各洗浄廃濁液の比重は比重計を用いて測定した。

（３）メタン発酵
発酵槽内温度が３８℃に設定された二相式メタン発酵槽（ＴＰＨＦ２０型番；豊国工業株式会社製：容量２０Ｌ）に各原料（牛糞、生ごみ、ＢＤＦグリセリン、ＢＤＦ洗浄廃濁液等）を投入し、メタン発酵を行った。なお、１〜２０日目（順養期間）においては、豆腐の製造工程により得られた残渣を生ごみとして使用し、生ごみ１００ｇと水道水１００ｇとをジューサーミキサーで撹拌混合した生ごみ粉砕液を発酵槽内に投入した。また、１日目には植種として清涼飲料消化液２０Ｌを発酵槽内に投入し、７，１０，１５日目には清涼飲料消化液２Ｌを発酵槽内に追加投入した。

また、２１日目においては、サンプルＡの牛糞と水道水とを１：２の割合で撹拌混合して牛糞に含まれる敷藁を除去し、搾汁することにより得られた搾汁液２Ｌ（搾汁前の牛糞由来の成分含有率は４１６ｇ）を発酵槽内に投入した。

２２〜３５日目においては、２１日目と同様に調製した搾汁液２Ｌ（搾汁前の牛糞由来の成分含有率：１９８ｇ）と、サンプルＡの生ごみを用いて上述のようにジューサーミキサーで調製した生ごみ粉砕液５０ｇ（希釈・粉砕前の生ごみ由来の成分含有率：２５ｇ）とを発酵槽内に投入した。なお、２２〜２４日目においてはサンプルＡの牛糞を用い、２５〜３５日目においてはサンプルＢの牛糞を用いた。

３６〜５１日目においては、サンプルＢの牛糞と水道水と消化液（メタン発酵槽内で微生物により処理された溶液）とを２：３：１の割合で撹拌混合した後、２１日目と同様に調製した搾汁液２Ｌ（搾汁前の牛糞由来の成分含有率は１９８ｇ）と、上述のように調製した生ごみ粉砕液５０ｇとを発酵槽内に投入した。なお、３６日目においてはサンプルＡの生ごみを用い、３７〜５１日目においてはサンプルＢの生ごみを用いた。

５２〜７２日目においては、サンプルＢの牛糞と水道水と消化液とを１：１：１の割合で撹拌混合した後、２１日目と同様に調製した搾汁液１Ｌ（搾汁前の牛糞由来の成分含有率は１９８ｇ）と、サンプルＢの生ごみを用いて上述のように調製した生ごみ粉砕液５０ｇとを発酵槽内に投入した。なお、５６〜７２日目においては、ＢＤＦグリセリン２０ｍｌとＢＤＦ洗浄廃濁液２５ｍｌとをさらに発酵槽内に投入した。

７３〜１２９日目においては、牛糞と水処理水（消化液を上述の硝化脱窒処理装置６５で処理した溶液）とを１：２の割合で撹拌混合した後、２１日目と同様に調製した搾汁液１Ｌ（搾汁前の牛糞由来の成分含有率は１９８ｇ）と、上述のように調製した生ごみ粉砕液５０ｇ（７９〜１２９日目においては水道水の代わりに上記水処理水を使用）とを発酵槽内に投入した。なお、７３〜１０７日目においてはサンプルＣの牛糞を用い、１０８〜１２９日目においてはサンプルＤの牛糞を用いた。また、７３〜１１６日目においてはサンプルＣの生ごみを用い、１１９〜１２９日目においてはサンプルＤの生ごみを用いた。さらに、７３〜８５日目、及び１２０〜１２９日目においては、ＢＤＦグリセリン２０ｍｌとＢＤＦ洗浄廃濁液２５ｍｌとをさらに発酵槽内に投入し、９３〜１１９日目においては、ＢＤＦグリセリン２ｍｌとＢＤＦ洗浄廃濁液２．５ｍｌとをさらに発酵槽内に投入した。

また、酸生成菌及びメタン生成菌としては，広島市の下水処理場の嫌気消化槽（単一槽：酸生成菌とメタン生成菌とが混在）から分菌したものを用いた。発酵槽内の撹拌は、ポンプを２時間運転又は停止させる間欠運転により行った。ｐＨが８．０を超える時は、３９％ FeCl₃を用いてｐＨ７〜８に調整した。

以上のようにしてメタン発酵させることにより発生したバイオガスの量を湿式ガスメーターにより測定した。なお、バイオガスの発生量は原料を投入する前に測定し、測定した日の欄にバイオガスの発生量を記録した。その結果を表５に示す。

また、発酵槽内に投入した原料及び発酵槽から得られた消化液（基準として、２３，３７，４４，４６，５９，６５，７２，７８，９６，１０７，１１４，１２１，１２８日目の投入原料を用いた。）の化学組成及び熱量の測定を表１に示す測定方法に準じて行った（表６参照）。

さらに、各期間において、発酵槽内に投入した原料及び発酵槽から得られた消化液の全蒸発残留物（ＴＳ）、強熱減量（ＶＳ）、灰分、日あたりＶＳ投入量（１日あたりに投入したＶＳ量）、及びＶＳ除去率を表７にまとめた。なお、灰分は全蒸発残留物より強熱減量を差し引くことにより求めた。また、ＶＳ除去率は以下の式により算出した。
ＶＳ除去率＝（原料中のＶＳ量−消化液中のＶＳ量）／原料中のＶＳ量

また、各期間において、発酵槽内に投入した原料の全蒸発残留物（ＴＳ）及び強熱減量（ＶＳ）、並びに、ガス化率、運転期間平均ガス化率、日あたりＶＳ投入量、及び日あたりバイオガス量を表８にまとめた。なお、ガス化率、運転期間平均ガス化率、及び日あたりバイオガス量は以下の式により算出した。
日あたりバイオガス量＝投入期間に投入した原料に対して発生したバイオガスの総量／投入期間の日数
ガス化率＝日あたりバイオガス量／日あたりＶＳ投入量
運転期間平均ガス化率＝運転期間（投入期間の合計）に投入した原料に対して発生したバイオガスの総量／運転期間の日数

表５〜表８に示すように、グリセリンや洗浄廃濁液もメタン発酵により消化されることが示された。このことは、その後の消化液等の分析結果により明らかになった。このことから、グリセリン及び洗浄廃濁液をメタン発酵槽に投入しても微生物に対して障害がないことが明らかになった。また、生ゴミや畜糞尿等にグリセリン及び洗浄廃濁液を添加してメタン発酵することにより、バイオガスの生成量（なお、メタンガスはバイオガス中に６０％含まれていた。）が増加することが明らかになった。

さらに、牛糞搾汁時の希釈液の一部又は全部を消化液又は水処理水に代えても窒素含有量の大きな変化は認められず、消化液又は水処理水の再利用による発酵槽へのアンモニア性窒素の蓄積がないことも示された。

以上より、ＢＤＦ化装置が普及する中、メタン発酵槽にＢＤＦ化装置を併設することにより、ＢＤＦ化で問題となっている、グリセリン・洗浄廃濁液を、特別な装置を付加することなしに資源として回収することができ、エネルギーの有効利用、地球環境問題への対応に資すると考えられる。

本発明の一実施形態として説明するバイオマス循環システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態において、畜糞尿の前処理に使用される各装置の配置を示す図である。 本発明の一実施形態において、生ごみの前処理に使用される各装置の配置を示す図である。 本発明の一実施形態として説明する硝化脱窒処理装置６５の構成を示す図である。

符号の説明

１０ ＢＤＦ化装置
２０ メタン発酵槽
３０ ディーゼルエンジンコージェネレーション装置
４０ 脱硫装置
５０ 混合槽
６０ 固液分離機
７０ 脱水機
８０ コンポスト化装置
９０ 排水処理装置
１００ バイオマス循環システム

Claims (32)

1. 植物油から固体物質を除去し、前記固体物質を除去した植物油を加熱し、加熱した前記植物油に第一級アルコールと苛性アルカリとを加えてエステル交換反応を行い、前記反応により得られる反応生成物をディーゼル燃料とグリセリンとに分離し、前記グリセリンを回収し、前記ディーゼル燃料を洗浄水で洗浄することにより得られる洗浄廃濁液を回収し、洗浄された前記ディーゼル燃料を回収するバイオディーゼル燃料化装置と、
   前記バイオディーゼル燃料化装置から回収された前記洗浄廃濁液及び前記グリセリンと、生ごみとを含む混合液をメタン発酵し、メタンガスを含むバイオガスを回収するバイオマス燃料化装置と、
   を含むことを特徴とするバイオマス循環システム。
2. 前記生ごみを前記洗浄廃濁液及び前記グリセリンと混合して前記混合液を調製する前に、前記生ごみを予め破砕する破砕機をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のバイオマス循環システム。
3. 前記破砕機により破砕した前記生ごみから異物を除去する生ごみ圧縮分別機をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のバイオマス循環システム。
4. 植物油から固体物質を除去し、前記固体物質を除去した植物油を加熱し、加熱した前記植物油に第一級アルコールと苛性アルカリとを加えてエステル交換反応を行い、前記反応により得られる反応生成物をディーゼル燃料とグリセリンとに分離し、前記グリセリンを回収し、前記ディーゼル燃料を洗浄水で洗浄することにより得られる洗浄廃濁液を回収し、洗浄された前記ディーゼル燃料を回収するバイオディーゼル燃料化装置と、
   前記バイオディーゼル燃料化装置から回収された前記洗浄廃濁液及び前記グリセリンと、畜糞尿とを含む混合液をメタン発酵し、メタンガスを含むバイオガスを回収するバイオマス燃料化装置と、
   を含むことを特徴とするバイオマス循環システム。
5. 前記畜糞尿を前記洗浄廃濁液及び前記グリセリンと混合して前記混合液を調製する前に、前記畜糞尿を水で希釈し、前記畜糞尿に含まれる固形物を除去する固液分離装置をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のバイオマス循環システム。
6. 前記畜糞尿に含まれる固形物をコンポスト化するコンポスト化装置をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のバイオマス循環システム。
7. 前記ディーゼル燃料と前記メタンガスとを燃焼して電気エネルギー又は熱エネルギーを生成するディーゼルエンジンコージェネレーション装置をさらに含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のバイオマス循環システム。
8. 前記バイオマス燃料化装置は、前記混合液を酸発酵することにより酸を生成する酸生成部と、生成した前記酸をメタン発酵することによりメタンガスを生成するメタン生成部と、を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のバイオマス循環システム。
9. 前記バイオガスに含まれる硫化水素を前記バイオガスから除去する脱硫装置をさらに含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のバイオマス循環システム。
10. 前記混合液をメタン発酵することにより得られた消化液を脱水する脱水装置をさらに含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のバイオマス循環システム。
11. 前記混合液を調製する混合部と、前記脱水装置において消化液を脱水することにより回収された脱水ろ液を前記混合部に供給する手段と、をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載のバイオマス循環システム。
12. 前記脱水ろ液に含まれる水質汚濁物質を分離回収する排水処理装置と、分離回収された前記水質汚濁物質を前記脱水装置に供給する手段と、前記水質汚濁物質が除去された前記脱水ろ液を前記混合部に供給する手段と、をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載のバイオマス循環システム。
13. 前記消化液に含まれる窒素化合物を予め除去する硝化脱窒処理装置をさらに含むことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載のバイオマス循環システム。
14. 前記脱水装置によって前記消化液を脱水することにより得られる脱水ケーキをコンポスト化するコンポスト化装置をさらに含むことを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載のバイオマス循環システム。
15. 前記混合液をメタン発酵する前に、前記混合液に含まれる固形物を予め除去する固液分離装置をさらに含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のバイオマス循環システム。
16. 前記固液分離装置により除去された固形物をコンポスト化するコンポスト化装置をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載のバイオマス循環システム。
17. 固体物質を除去した植物油を加熱し、加熱した前記植物油に第一級アルコールと苛性アルカリとを加えてエステル交換反応を行い、前記反応により得られる反応生成物をディーゼル燃料とグリセリンとに分離し、前記グリセリンを回収し、前記ディーゼル燃料を洗浄水で洗浄することにより得られる洗浄廃濁液を回収し、洗浄された前記ディーゼル燃料を回収する第一の工程と、
    前記第一の工程によって回収された洗浄廃濁液及び前記グリセリンと、生ごみとを混合して混合液を調製し、前記混合液をメタン発酵して、メタンガスを含むバイオガスを回収する第二の工程と、
    を含むことを特徴とするバイオマスの処理方法。
18. 前記生ごみを前記洗浄廃濁液及び前記グリセリンと混合して混合液を調製する前に、前記生ごみを予め破砕する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載のバイオマスの処理方法。
19. 破砕した前記生ごみに含まれる異物を除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載のバイオマスの処理方法。
20. 固体物質を除去した植物油を加熱し、加熱した前記植物油に第一級アルコールと苛性アルカリとを加えてエステル交換反応を行い、前記反応により得られる反応生成物をディーゼル燃料とグリセリンとに分離し、前記グリセリンを回収し、前記ディーゼル燃料を洗浄水で洗浄することにより得られる洗浄廃濁液を回収し、洗浄された前記ディーゼル燃料を回収する第一の工程と、
    前記第一の工程によって回収された洗浄廃濁液及び前記グリセリンと、畜糞尿とを混合して混合液を調製し、前記混合液をメタン発酵して、メタンガスを含むバイオガスを回収する第二の工程と、
    を含むことを特徴とするバイオマスの処理方法。
21. 前記畜糞尿を前記洗浄廃濁液及び前記グリセリンと混合して混合液を調製する前に、前記畜糞尿を水で希釈して前記畜糞尿に含まれる固形物を除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載のバイオマスの処理方法。
22. 前記畜糞尿から除去した前記固形物をコンポスト化する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載のバイオマスの処理方法。
23. 前記ディーゼル燃料と、前記メタンガスとを燃焼して電気エネルギー又は熱エネルギーを生成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１７〜２２のいずれかに記載のバイオマスの処理方法。
24. 前記混合液は、炭素成分と窒素成分との比が３０以上であることを特徴とする請求項１７〜２３のいずれかに記載のバイオマスの処理方法。
25. 前記混合液のメタン発酵は、前記混合液を酸生成菌で処理し、酸生成菌で処理した前記混合液をメタン生成菌で処理することを特徴とする請求項１７〜２４のいずれかに記載のバイオマスの処理方法。
26. 前記バイオガスに含まれる硫化水素を、前記バイオガスから除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１７〜２５のいずれかに記載のバイオマスの処理方法。
27. 前記混合液をメタン発酵することにより得られる消化液を脱水して脱水ろ液と脱水ケーキとに分離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１７〜２６のいずれかに記載のバイオマスの処理方法。
28. 前記脱水ろ液に含まれる水質汚濁物質を分離回収し、前記水質汚濁物質を再度脱水して脱水ろ液と脱水ケーキとに分離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２７に記載のバイオマスの処理方法。
29. 前記消化液を脱水する前に、予め硝化脱窒処理して前記消化液に含まれる窒素化合物を除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２７又は２８に記載のバイオマスの処理方法。
30. 前記脱水ケーキをコンポスト化する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２７〜２９のいずれかに記載のバイオマスの処理方法。
31. 前記混合液をメタン発酵する前に、前記混合液に含まれる固形物を予め除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１７〜３０のいずれかに記載のバイオマスの処理方法。
32. 前記混合液から除去された固形物をコンポスト化する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載のバイオマスの処理方法。
    
    

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