JP2009223386A - バイオマス有効利用支援システム - Google Patents
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Abstract
【課題】バイオマスを最も効率的に処理することができるバイオマス有効利用支援システムを提供する。
【解決手段】下水汚泥、畜産糞尿、廃木材、生ごみ及びその他の廃棄物からなる群より選択される投入バイオマスの種類と投入量をそれぞれ入力するバイオマス入力部と、前処理装置、嫌気性消化槽、脱水機、熱交換器、焼却炉、発電機を含む機器類が有する固有の特性データを予め登録しておく機器登録部と、前記機器登録部に登録された機器類のうちから少なくとも１つを選択し、バイオマスの処理フローを構築する処理フロー構築部と、前記処理フロー構築部に設定された機器構成、処理フローでバイオマスを処理した際に生じる廃水の水質と発生する廃棄物量、バイオガスの発生量、およびそのバイオガスから回収できるエネルギー量または発電できる発電エネルギー量、処理施設を運転する際に必要なランニングコストのうちの少なくとも１つを演算する演算部とを有する。
【選択図】図１
【解決手段】下水汚泥、畜産糞尿、廃木材、生ごみ及びその他の廃棄物からなる群より選択される投入バイオマスの種類と投入量をそれぞれ入力するバイオマス入力部と、前処理装置、嫌気性消化槽、脱水機、熱交換器、焼却炉、発電機を含む機器類が有する固有の特性データを予め登録しておく機器登録部と、前記機器登録部に登録された機器類のうちから少なくとも１つを選択し、バイオマスの処理フローを構築する処理フロー構築部と、前記処理フロー構築部に設定された機器構成、処理フローでバイオマスを処理した際に生じる廃水の水質と発生する廃棄物量、バイオガスの発生量、およびそのバイオガスから回収できるエネルギー量または発電できる発電エネルギー量、処理施設を運転する際に必要なランニングコストのうちの少なくとも１つを演算する演算部とを有する。
【選択図】図１
Description
本発明は、バイオマスの有効利用を図るために用いられるバイオマス有効利用支援システムに関する。
二酸化炭素ガスをはじめとする地球温暖化ガスの排出削減が全地球的規模で国際的な課題となっており、その二酸化炭素ガス排出量削減のための国家施策として、下水汚泥や廃木材、生ごみなどの未利用バイオマスからエネルギーを取り出して、熱または電気として利用する方針が農水省を中心とした「バイオマス・ニッポン総合戦略」が打ち出されている。古くからわが国に導入されており、バイオマスからのエネルギー回収技術として、数多くの導入実績がある公知の技術として、嫌気性消化処理により、バイオマス中の有機分をメタンガスまで分解し、メタンガスをボイラーの燃料源、発電機の動力源として回収する嫌気性消化プロセスへの注目が集まりつつある。
未利用バイオマスは特にわが国のように化石燃料などのエネルギー資源が乏しい国にとっては、貴重なエネルギー源ではあるが、たとえば下水処理場などのように下水汚泥として大量のバイオマスが集まっている場所もあるものの、多くのバイオマスに関しては少量で広い地域に分布しているという特徴がある。このため、同種類のバイオマスを一箇所の処理施設に収集した後に、嫌気性消化処理を行ったり、複数種類のバイオマスを混合して一括で嫌気性消化処理するなど様々な方法で効率的に処理することが求められている。
このような複数種類のバイオマスを嫌気性消化により一括処理する際に課題となるのは、バイオマスが嫌気性菌により分解されやすくするための前処理の必要性の検討、それぞれのバイオマスの性状の違いによって、pHの低下、アルカリ度の不足、生物増殖に必要な窒素源の不足などにより、処理が非効率にならないかの検討、また、複数処理施設がある場合、どの処理施設で処理するのが効率的（エネルギー収支の観点、廃水処理の観点、発生廃棄物量の観点、コストの観点）であるかなどを検討する必要があり、バイオマスを有効利用するためには事前計画の立案が重要である。
このような背景から特許文献１および特許文献２においてバイオマス利用計画の支援システムがそれぞれ提案されている。
特開２００６−９９２８５号公報
特開２００５−３４８２８号公報
しかしながら、特許文献１に記載されたシステムは、バイオマスの収集ルートを最適化するものではあるが、集めたバイオマスをどのような方法で処理するのかを支援するシステムではないため、その利用先で処理効率の評価を行っていない。
また、特許文献２に記載されたシステムは、消化槽を備えた汚水処理施設に他のバイオマスを受け入れることの事業採算性を支援するものではあるが、この従来システムにおいても複数の処理システムがある場合に、どの処理システムが効率的であるのか、また、複数のバイオマス発生源と複数の処理施設がある場合どの組合せが最適な組合せであるのかを支援するものではない。
これらの従来システムでは、各種のバイオマスを前処理することなく嫌気性処理するのか、あるいは前処理を施した後に嫌気性処理をするのか、いずれが効率的であるかを事前に予測することができない。また、複数種類のバイオマスを一箇所に集めて処理するのか、別々に処理するのがよいのか、一箇所に集めた場合に処理が非効率とならないかなどを事前検討することもできない。さらに、複数種類のバイオマスが複数箇所の発生源から発生し、複数のバイオマス処理施設がある場合に、どの処理施設にどれだけの量のバイオマスを振り分けて処理するのが最も効率的かを検討することもできない。
これらを事前に検討するためには時間をかけて各種の実験を行う必要がある。このため、実際のバイオマス処理までを含めて簡易的に事前検討することができるバイオマスの有効利用支援システムの開発が要望されている。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、多種多様なバイオマス源から発生するバイオマスを最も効率的に処理することができるバイオマス有効利用支援システムを提供することを目的とする。
本発明に係るバイオマス有効利用支援システムは、下水汚泥、畜産糞尿、廃木材、生ごみ及びその他の廃棄物からなる群より選択される１種又は２種以上の投入バイオマスの種類と投入量をそれぞれ入力するバイオマス入力部と、前処理装置、嫌気性消化槽、脱水機、熱交換器、焼却炉、発電機を含む機器類が有する固有の特性データを予め登録しておく機器登録部と、前記機器登録部に登録された機器類のうちから少なくとも１つを選択し、バイオマスの処理フローを構築する処理フロー構築部と、前記処理フロー構築部に設定された機器構成、処理フローでバイオマスを処理した際に生じる廃水の水質と発生する廃棄物量、メタン、二酸化炭素、水素、硫化水素のようなバイオガスの発生量、およびそのバイオガスから回収できるエネルギー量または発電できる発電エネルギー量、処理施設を運転する際に必要なランニングコストのうちの少なくとも１つを演算する演算部と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、多種多様なバイオマス源から発生するバイオマスを最も効率的に処理することができるバイオマス有効利用支援システムが提供される。
本発明のバイオマス有効利用支援システムは、投入バイオマスの種類と投入量をそれぞれ入力するバイオマス入力部と、機器類が有する固有の特性データを予め登録しておく機器登録部と、バイオマスの処理フローを構築する処理フロー構築部と、処理フロー構築部に設定された機器構成、処理フローでバイオマスを処理した際に生じる廃水の水質と発生する廃棄物量、メタン、二酸化炭素、水素、硫化水素のようなバイオガスの発生量、およびそのバイオガスから回収できるエネルギー量または発電できる発電エネルギー量、処理施設を運転する際に必要なランニングコストのうちの少なくとも１つを演算する演算部と、を有している。
本発明のシステムは、バイオマスの輸送に関わるコストおよびエネルギーのうちの少なくとも一方を計算する輸送コスト/エネルギー演算部をさらに有することが好ましい。輸送コスト/エネルギー演算部で求めた輸送コスト等の結果を上記の演算部において利用することにより、エネルギー収支、汚泥処分コスト、ランニングコストなどをデータ出力部に出力することができ、さらにきめ細かなコスト計算やエネルギー収支計算をすることができる。
本発明のシステムにおいて、嫌気性消化槽での反応は、固形物が炭水化物、脂質、たんぱく質、非分解性有機物に分解されるまでの微細化反応および加水分解反応、酸生成菌による酸生成反応、メタン生成菌によるメタン生成反応および硫酸還元菌による硫酸還元反応からなる生物反応モデルを基本とすることができる。例えばたんぱく質は硫黄分を含むため、硫酸還元菌による硫酸還元反応からなる生物反応モデルを用いることが望ましい。
また、本発明のシステムにおいて、バイオマス入力部に入力するバイオマスの種類は、各バイオマスの分解速度定数と炭水化物、脂質、たんぱく質、非生物分解性有機物の比率が予め登録されており、また、その登録値は実際のバイオマスの性状に応じて再登録できることができる。分解速度定数はバイオマス毎に異なり、バイオマスの種類が異なると、分解し終わるまでにはかなりの時間差を生じる。難分解成分と易分解成分とが混在する場合、種類に応じてバイオマスの比率を変える、例えば難分解成分の比率を小さくし、易分解成分の比率を大きくすることにより、システム全体としてはバイオマスを効率良く処理することができる。
また、本発明のシステムにおいて、複数のバイオマス処理施設が存在する場合に、所定のある地域で発生する１日当たりのバイオマス発生量を入力すると、その入力したバイオマス発生量に基づいてどの処理施設でどれだけの量のバイオマスを処理するのがコストおよびエネルギーの面から最適であるかを演算する最適化部と、前記最適化部により演算された結果に基づいてバイオマス日処理計画を作成するバイオマス日処理計画部と、をさらに有することが好ましい。最適化部によりコストおよびエネルギーの面から最適な処理条件を求め、求めた最適処理条件に従ってバイオマス日処理計画部によりバイオマス日処理計画を作成し、コストおよびエネルギーの両面から最も理想的な処理を計画的に進めることができる。
以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１の実施形態）
本実施形態のバイオマス有効利用支援システム１０は、図１に示すように、投入バイオマス入力部１、機器登録部２、処理フロー構築部３、演算部４、データ出力部５を備えている。投入バイオマス入力部１には、下水汚泥１１、畜産糞尿１２、廃木材、生ごみ、その他の雑ごみ１５などの各種バイオマスの処理量がシステム利用者により入力されるようになっている。これらの入力データからバイオマス受入費用１６が算出される。
本実施形態のバイオマス有効利用支援システム１０は、図１に示すように、投入バイオマス入力部１、機器登録部２、処理フロー構築部３、演算部４、データ出力部５を備えている。投入バイオマス入力部１には、下水汚泥１１、畜産糞尿１２、廃木材、生ごみ、その他の雑ごみ１５などの各種バイオマスの処理量がシステム利用者により入力されるようになっている。これらの入力データからバイオマス受入費用１６が算出される。
また、機器登録部２には、前処理装置２１、嫌気性消化槽２２、脱水機２３、熱交換器２４、発電機２５、焼却炉２６などの基本機器類が予め登録されており、システム利用者はこれらの基本緒元を入力する。ここで基本緒元とは、例えば図１に示す処理槽容積や熱交換効率などが該当する。これらの入力データから汚泥処分費２７が算出される。
これら機器登録部２に設定された情報を元に処理フローを処理フロー構築部３に構築する。処理フロー構築部３に構築された処理フローが図２のフローとした場合に関して、以下で説明する。
前処理装置２１としては、後段の嫌気性処理槽２２の負荷が低くなるように固形物を物理的に破砕する装置、超音波により破砕を行う装置、オゾンなどを加えて酸化分解する装置、熱をかけて有機物を低分子化させる装置、酸、アルカリなどを加えて化学的に分解する装置などさまざまな可溶化装置がある。これらの装置の基本緒元はあらかじめデータベース化されている。前処理装置２１の基本緒元は、たとえば図１に示すような処理槽容積（V_pre [ｍ3]）、定格処理量(Qc_pre[kgVSS/日])、VSS可溶化率（Cs_pre[％]）、所要電力量（Pw_pre[kwh/kgVSS]）、所要重油量（Pz_pre[kg/kgVSS]）、所要薬品量（Qp_pre[kg/日]）である。ここでVSSとは、揮発性浮遊性物質（Volatile Suspended Solidの略）で有機性固形物の総量の目安となる指標をいう。VSSは、前処理装置２１により、より生物が分解しやすい状態である溶解性の有機物に変換されることにより減少する。
これらの基本緒元と投入バイオマス入力部１に入力された情報とに基づいて前処理可能なバイオマス量を算定する。例えば処理槽容積および定格処理量の情報が受け入れ可能なバイオマス量の算定に使われる。また、VSS可溶化率のデータにより、前処理装置２１の出口における固形バイオマスのVSS濃度を次の（１）式により算出する。
VSSpre_out＝VSSin・（１−Cs_pre／１００） …（１）式
但し、VSSpre_out：前処理装置による処理後バイオマスのVSS濃度[kg/m3]
VSSin：投入バイオマスのVSS濃度[kg/m3]
である。
但し、VSSpre_out：前処理装置による処理後バイオマスのVSS濃度[kg/m3]
VSSin：投入バイオマスのVSS濃度[kg/m3]
である。
なお、投入バイオマスのVSS濃度は、次の（２）式により計算する。
VSSin＝（Qsl・Vsl+Qd・Vd+Qg・Vg+Qw・Vw+Qo・Vo）/（Qsl+Qd+Qg+Qw+Qo）…（２）式
但し、Qsl：下水汚泥の投入量[m3/日]
Vsl：下水汚泥のVSS濃度[kgVSS/m3]
Qd：畜産糞尿の投入量[m3/日]
Vd：畜産糞尿のVSS濃度[kgVSS/m3]
Qg：生ごみの投入量[m3/日]
Vg：生ごみのVSS濃度[kgVSS/m3]
Qw：廃木材の投入量[m3/日]
Vw：廃木材のVSS濃度[kgVSS/m3]
Qo：その他バイオマスの投入量[m3/日]
Vo：その他バイオマスのVSS濃度[kgVSS/m3]
である。
但し、Qsl：下水汚泥の投入量[m3/日]
Vsl：下水汚泥のVSS濃度[kgVSS/m3]
Qd：畜産糞尿の投入量[m3/日]
Vd：畜産糞尿のVSS濃度[kgVSS/m3]
Qg：生ごみの投入量[m3/日]
Vg：生ごみのVSS濃度[kgVSS/m3]
Qw：廃木材の投入量[m3/日]
Vw：廃木材のVSS濃度[kgVSS/m3]
Qo：その他バイオマスの投入量[m3/日]
Vo：その他バイオマスのVSS濃度[kgVSS/m3]
である。
ここで、Qsl、Qd、Qg、Qw、Qoは、支援システム利用者により入力される情報である。VSS濃度に関してはあらかじめデータベース化してあるものであるが、もし、実際のVSSの分析値があるのであれば、その情報を上書きできる構成となっている。
嫌気性消化槽２２の基本情報としては、消化槽容積がシステム利用者により入力される。また、消化槽２２の温度が運転パラメータとしてシステム利用者により入力される。
処理水質、バイオガス発生量、バイオガス濃度、発生固形物量はADM1（Anaerobic Digestion Model No.1（＊１：IWA scientific and technical report No.13））に代表されるような生物反応を含む反応モデルにより計算される。ADM1で計算させるためには、図３に示すように、下水汚泥などの各種のバイオマスがたんぱく質Pr、炭水化物Ch、脂質Li、非分解性有機物（浮遊性）Xi、非分解性有機物（溶解性）Siに分解される比率とその分解速度定数をあらかじめ与える必要がある。これらの比率はシステムのデータベースに予め登録されているものとする。これらの値をより正確に知りたい場合は、実際のバイオマスの性状分析及び分解速度試験を行えばよく、システムとしてはこれらの比率や分解速度定数を上書きできる構成であってもよい。
例えば畜産糞尿や下水汚泥では比較的たんぱく質の比率が高い。これに対して、廃木材やじゃがいも、にんじんなどの野菜類を多く含む生ごみでは炭水化物の比率が高くなる。一方、同じ生ごみであっても、肉魚などの残飯を多く含むたとえばコンビニから排出される賞味期限切れのコンビニ弁当廃棄物であれば、たんぱく質・脂質の割合が高くなる。
これらの比率は、実際は水質分析により確かめることが望ましいが、本発明のシステムではおおよその値がバイオマス種類ごとにあらかじめ設定されている。例えば下水汚泥（余剰汚泥）であれば、たんぱく質４０％、炭水化物２０％、脂質１０％、非生物分解物３０％、畜産糞尿であれば、たんぱく質５０％、炭水化物２０％、脂質２０％、非生物分解物１０％、のようにバイオマス毎に設定されている。図１に示すシステムの例では、生ごみは１種類のみであるが、上述のように野菜系、動物系などさらに細かい分類であらかじめ設定されるものであってもよい。
これらの情報から、次の（３.１）式〜（３．１０）式を用いて、反応モデルの入力となる固形バイオマス（Xc）、炭水化物（Xch）、たんぱく質（Xpr）、脂質（Xli）、非生物分解性有機物（Xi、Si）の濃度がそれぞれ演算により求まる。
Xc_sl_modelinput＝VSSin_sl・fvs_cod_sl・(1-Cs_pre_sl/100) …（３．１）式
Xc_d_modelinput＝VSSin_d・fvs_cod_d・(1-Cs_pre_d/100) …（３．２）式
Xc_g_modelinput＝VSSin_g・fvs_cod_g・(1-Cs_pre_g/100) …（３．３）式
Xc_w_modelinput＝VSSin_w・fvs_cod_w・（(1-Cs_pre_w/100) …（３．４）式
Xc_o_modelinput＝VSSin_o・fvs_cod_o・(1-Cs_pre_o/100) …（３．５）式
Ch_modelinput＝（fsl_ch・VSSin_sl・Qsl・fvs_cod_sl・Cs_pre_sl／１００
＋fd_ch・VSSin_d・Qd・fvs_cod_d・Cs_pre_d／１００
＋fg_ch・VSSin_g・Qg・fvs_cod_g・Cs_pre_g／１００
＋fw_ch・VSSin_w・Qw・fvs_cod_w・Cs_pre_w／１００
＋fo_ch・VSSin_o・Qo・fvs_cod_o・Cs_pre_o／１００）
/（Qsl+Qd+Qg+Qw+Qo） …（３．６）式
Pr_modelinput＝（fsl_pr・VSSin_sl・Qsl・fvs_cod_sl・Cs_pre_sl／１００
＋fd_pr・VSSin_d・Qd・fvs_cod_d・Cs_pre_d／１００
＋fg_pr・VSSin_g・Qg・fvs_cod_g・Cs_pre_g／１００
＋fw_pr・VSSin_w・Qw・fvs_cod_w・Cs_pre_w／１００
＋fo_pr・VSSin_o・Qo・fvs_cod_o・Cs_pre_o／１００）
/（Qsl+Qd+Qg+Qw+Qo） …（３．７）式
Li_modelinput＝（fsl_li・VSSin_sl・Qsl・fvs_cod_sl・Cs_pre_sl／１００
＋fd_li・VSSin_d・Qd・fvs_cod_d・Cs_pre_d／１００
＋fg_li・VSSin_g・Qg・fvs_cod_g・Cs_pre_g／１００
＋fw_li・VSSin_w・Qw・fvs_cod_w・Cs_pre_w／１００
＋fo_li・VSSin_o・Qo・fvs_cod_o・Cs_pre_o／１００）
/（Qsl+Qd+Qg+Qw+Qo） …（３．８）式
Xi_modelinput＝（fsl_xi・VSSin_sl・Qsl・fvs_cod_sl・Cs_pre_sl／１００
＋fd_xi・VSSin_d・Qd・fvs_cod_d・Cs_pre_d／１００
＋fg_xi・VSSin_g・Qg・fvs_cod_g・Cs_pre_g／１００
＋fw_xi・VSSin_w・Qw・fvs_cod_w・Cs_pre_w／１００
＋fo_xi・VSSin_o・Qo・fvs_cod_o・Cs_pre_o／１００）
/（Qsl+Qd+Qg+Qw+Qo） …（３．９）式
Si_modelinput＝（fsl_si・VSSin_sl・Qsl・fvs_cod_sl・Cs_pre_sl／１００
＋fd_si・VSSin_d・Qd・fvs_cod_d・Cs_pre_d／１００
＋fg_si・VSSin_g・Qg・fvs_cod_g・Cs_pre_g／１００
＋fw_si・VSSin_w・Qw・fvs_cod_w・Cs_pre_w／１００
＋fo_si・VSSin_o・Qo・fvs_cod_o・Cs_pre_o／１００）
/（Qsl+Qd+Qg+Qw+Qo） …（３．１０）式
但し、Xc_i_modelinput:バイオマスiの嫌気性消化モデル入力値[kgCOD/m3]
Ch_modelinput：炭水化物濃度の嫌気性消化モデル入力値[kgCOD/m3]
Pr_modelinput：たんぱく質濃度の嫌気性消化モデル入力値[kgCOD/m3]
Li_modelinput：脂質濃度の嫌気性消化モデル入力値[kgCOD/m3]
Xi_modelinput：非生物分解性有機物（浮遊性）濃度の嫌気性消化モデル入力値[kgCOD/m3]
Si_modelinput：非生物分解性有機物（溶解性）濃度の嫌気性消化モデル入力値[kgCOD/m3]
VSSin_i：バイオマスiの投入VSS濃度[kgVSS/m3]
fvs_cod_sl：バイオマスiのVSS→COD変換係数[kgCOD/kgVSS]
Cs_pre_sl：バイオマスiの前処理装置での可溶化率[％]
fi_j：バイオマスiが分解されたときにｊになる比率[−]
である。
Xc_d_modelinput＝VSSin_d・fvs_cod_d・(1-Cs_pre_d/100) …（３．２）式
Xc_g_modelinput＝VSSin_g・fvs_cod_g・(1-Cs_pre_g/100) …（３．３）式
Xc_w_modelinput＝VSSin_w・fvs_cod_w・（(1-Cs_pre_w/100) …（３．４）式
Xc_o_modelinput＝VSSin_o・fvs_cod_o・(1-Cs_pre_o/100) …（３．５）式
Ch_modelinput＝（fsl_ch・VSSin_sl・Qsl・fvs_cod_sl・Cs_pre_sl／１００
＋fd_ch・VSSin_d・Qd・fvs_cod_d・Cs_pre_d／１００
＋fg_ch・VSSin_g・Qg・fvs_cod_g・Cs_pre_g／１００
＋fw_ch・VSSin_w・Qw・fvs_cod_w・Cs_pre_w／１００
＋fo_ch・VSSin_o・Qo・fvs_cod_o・Cs_pre_o／１００）
/（Qsl+Qd+Qg+Qw+Qo） …（３．６）式
Pr_modelinput＝（fsl_pr・VSSin_sl・Qsl・fvs_cod_sl・Cs_pre_sl／１００
＋fd_pr・VSSin_d・Qd・fvs_cod_d・Cs_pre_d／１００
＋fg_pr・VSSin_g・Qg・fvs_cod_g・Cs_pre_g／１００
＋fw_pr・VSSin_w・Qw・fvs_cod_w・Cs_pre_w／１００
＋fo_pr・VSSin_o・Qo・fvs_cod_o・Cs_pre_o／１００）
/（Qsl+Qd+Qg+Qw+Qo） …（３．７）式
Li_modelinput＝（fsl_li・VSSin_sl・Qsl・fvs_cod_sl・Cs_pre_sl／１００
＋fd_li・VSSin_d・Qd・fvs_cod_d・Cs_pre_d／１００
＋fg_li・VSSin_g・Qg・fvs_cod_g・Cs_pre_g／１００
＋fw_li・VSSin_w・Qw・fvs_cod_w・Cs_pre_w／１００
＋fo_li・VSSin_o・Qo・fvs_cod_o・Cs_pre_o／１００）
/（Qsl+Qd+Qg+Qw+Qo） …（３．８）式
Xi_modelinput＝（fsl_xi・VSSin_sl・Qsl・fvs_cod_sl・Cs_pre_sl／１００
＋fd_xi・VSSin_d・Qd・fvs_cod_d・Cs_pre_d／１００
＋fg_xi・VSSin_g・Qg・fvs_cod_g・Cs_pre_g／１００
＋fw_xi・VSSin_w・Qw・fvs_cod_w・Cs_pre_w／１００
＋fo_xi・VSSin_o・Qo・fvs_cod_o・Cs_pre_o／１００）
/（Qsl+Qd+Qg+Qw+Qo） …（３．９）式
Si_modelinput＝（fsl_si・VSSin_sl・Qsl・fvs_cod_sl・Cs_pre_sl／１００
＋fd_si・VSSin_d・Qd・fvs_cod_d・Cs_pre_d／１００
＋fg_si・VSSin_g・Qg・fvs_cod_g・Cs_pre_g／１００
＋fw_si・VSSin_w・Qw・fvs_cod_w・Cs_pre_w／１００
＋fo_si・VSSin_o・Qo・fvs_cod_o・Cs_pre_o／１００）
/（Qsl+Qd+Qg+Qw+Qo） …（３．１０）式
但し、Xc_i_modelinput:バイオマスiの嫌気性消化モデル入力値[kgCOD/m3]
Ch_modelinput：炭水化物濃度の嫌気性消化モデル入力値[kgCOD/m3]
Pr_modelinput：たんぱく質濃度の嫌気性消化モデル入力値[kgCOD/m3]
Li_modelinput：脂質濃度の嫌気性消化モデル入力値[kgCOD/m3]
Xi_modelinput：非生物分解性有機物（浮遊性）濃度の嫌気性消化モデル入力値[kgCOD/m3]
Si_modelinput：非生物分解性有機物（溶解性）濃度の嫌気性消化モデル入力値[kgCOD/m3]
VSSin_i：バイオマスiの投入VSS濃度[kgVSS/m3]
fvs_cod_sl：バイオマスiのVSS→COD変換係数[kgCOD/kgVSS]
Cs_pre_sl：バイオマスiの前処理装置での可溶化率[％]
fi_j：バイオマスiが分解されたときにｊになる比率[−]
である。
但し、i＝sl（下水汚泥）、d（畜産糞尿）、g（生ごみ）、w（廃木材）、o（その他バイオマス）
j＝ch（炭水化物）、pr（たんぱく質）、li（脂質）、Xi（非生物分解性有機物（浮遊性））、Si（非生物分解性有機物（溶解性））
である。
j＝ch（炭水化物）、pr（たんぱく質）、li（脂質）、Xi（非生物分解性有機物（浮遊性））、Si（非生物分解性有機物（溶解性））
である。
嫌気性消化モデル（例えば、ADM1）ではこれらの入力値をもとに、ガス発生量、ガス濃度、処理水質、発生固形物量を計算する。嫌気性消化モデルでは、消化槽内でのpＨ低下や窒素濃度過多または不足によるメタン生成菌の活性阻害が計算でき、また、設定した消化槽の大きさにおいて、どの程度まで分解が起こるか（メタン生成まで行くか、酸発酵までしか進まないかなど）を計算できるため、検討した処理フローで処理可能かまた処理が効率的か否かを検討することができる。
モデルによりガス発生量、メタンガス濃度が計算できるため、発生ガスの持つエネルギー量が計算でき、発電効率を掛け合わせることにより発電量が計算でき、また、ガスのもつエネルギー量からボイラーで燃やす場合に得られる熱量も計算することができる。
なお、嫌気性消化モデルはADM1に限定されず、たとえばADM1で表現されている微細化反応および加水分解反応、酸生成菌による酸生成反応、メタン生成菌によるメタン生成反応に加えて、硫酸還元菌による硫酸還元菌反応を加えたモデルにより、バイオガス中の硫化水素濃度を予測できるモデルにより、バイオガス中の硫化水素濃度を予測し、その予測値をもとに硫化水素ガスを除去するための脱硫設備の設計を行うようにしたものであってもよい。また、生物反応モデルとすることによって、そのプロセスの負荷量評価（どの負荷までなら、ｐＨの低下などの阻害がないか、硫化水素によるメタン活性阻害がないか）を評価することができる。
次に脱水機、焼却炉の基本情報としては、脱水機の処理容量と定格処理能力、脱水後汚泥の脱水汚泥の想定含水率、所要電力量、所要重油量、所要薬品量がシステム利用者により、入力され、最終的にでてくる廃棄汚泥量（焼却灰）の量が計算される。
ここから、汚泥処分費（円/トン）（現在の価格でおおよそ15000円/トン）で処分費が計算される。
これら演算結果より、図１に示すような項目を演算する。図１中の「エネルギー収支」とは、バイオガスにより生成する発電量、熱量から消費したエネルギー量を差し引いたものである。
本実施形態のバイオマス有効利用支援システム１０を利用することにより以下の効果を奏することができる。
１）投入バイオマスの性状から回収できるエネルギー量、ランニングコスト、廃水の水質、廃棄物量をあらかじめ知ることができる。
２）複数の処理フローを登録し、比較評価することにより、どの処理フローが回収エネルギー、事業性の観点から有利な方法であるか比較評価をすることができる。
３）バイオマスを前処理して投入するか、前処理しないで投入するかを比較評価することにより、前処理を行ったほうがよいか行わないほうがよいかを比較評価することができる。
４）複数種類のバイオマスを混合処理する処理フローがよいか、それぞれ個別に処理する処理フローがよいかを比較評価できる。
５）嫌気性消化の評価部分を一般的に行われているようなVSS濃度からガス発生量を予測する手法ではなく、生物反応モデルであるADM1を利用することによって、消化槽内でのpH低下や窒素濃度過多または不足によるメタン生成菌の活性阻害が計算でき、また、設定した消化槽の大きさにおいて、どの程度まで分解が起こるか（メタン生成まで行くか、酸発酵までしか進まないかなど）を計算できるため、検討した処理フローで処理可能かまた処理が効率的か否かを検討することができる。
これらの効果により、あらかじめどのような処理フローをとるのがよいかの意思決定を支援することができる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るバイオマス有効利用支援システムについて図４を参照して説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
次に、本発明の第２の実施形態に係るバイオマス有効利用支援システムについて図４を参照して説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
図４に示すように、本実施形態のバイオマス有効利用支援システム１０Ａは、投入バイオマス入力部１、機器登録部２、処理フロー構築部３、演算部４、データ出力部５の他に、発生地点・処理施設地点登録部６および輸送コスト・輸送エネルギー演算部７をさらに備えている。
発生地点・処理施設地点登録部６は、地図上でバイオマスの発生源と処理施設の位置を少なくとも１つ以上登録し、かつバイオマス発生源から処理施設までの輸送手段を登録するためのいくつものメモリを備えている。例えば、登録メモリ６１には発生地点Ａの位置情報、発生バイオマス種類、バイオマス発生量、輸送手段が登録され、登録メモリ６２には発生地点Ｂの位置情報、発生バイオマス種類、バイオマス発生量、輸送手段が登録され、登録メモリ６３には処理施設ａの位置情報と処理フローが登録され、登録メモリ６４には処理施設ｂの位置情報と処理フローが登録されている。
輸送コスト・輸送エネルギー演算部７は、発生地点・処理施設地点登録部６から所望の登録データを呼び出し、呼び出したデータに基づいてバイオマスの輸送コストを演算するとともに、その輸送に関わるエネルギーを演算し、求めた輸送コスト・輸送エネルギーを演算部４に出力するものである。
本実施形態のシステム１０Ａにおいては、複数のバイオマス発生地点Ａ，Ｂ，…と複数のバイオマス処理施設ａ，ｂ，…とが存在する場合に、所定のある地域で発生する１日当たりのバイオマス発生量を入力すると、その入力したバイオマス発生量に基づいてどの処理施設でどれだけの量のバイオマスを処理するのがコストおよびエネルギーの面から最適であるかを輸送コスト・輸送エネルギー演算部７により輸送コスト及び／又は輸送エネルギーが最小になるように演算し、その結果が演算部４に送られる。演算部４は、輸送コスト・輸送エネルギー演算部７から受け取った演算データと投入バイオマス入力部１からの入力データと処理フロー構築部３からのデータとに基づいて演算をおこない、水質５１、バイオガス５２、固形物量５３、エネルギー収支５４、汚泥処分コスト５５、ランニングコスト５６に関するデータ信号をデータ出力部５に出力する。これにより、輸送を含めた事業性評価・エネルギー回収率の評価が可能となる。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るバイオマス有効利用支援システムについて図５を参照して説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
次に、本発明の第３の実施形態に係るバイオマス有効利用支援システムについて図５を参照して説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
図５に示すように、本実施形態のバイオマス有効利用支援システム１０Ｂは、投入バイオマス入力部１、機器登録部２、処理フロー構築部３、演算部４、データ出力部５、発生地点・処理施設地点登録部６、輸送コスト・輸送エネルギー演算部７の他に最適化部８をさらに備えている。
最適化部８は、複数のバイオマス発生源Ａ，Ｂ，…と複数の処理施設ａ，ｂ，…がある場合に各バイオマスをどの処理施設に振り分けるのが最適かを繰り返し計算により計算する機能を有するものである。最適化部８の計算は、いくつかのあらかじめ設定された振り分け方法を総当りで計算する総当り法でもよいし、ＧＡ（遺伝的アルゴリズム）などの一般的な数学的アルゴリズムを用いるものであってもよい。この場合最適化の評価関数はコストまたはエネルギー回収量（熱・発電）のみであってもよいし、水質をコストに換算する重み付け係数により水質・コストを一元評価する評価関数としてもよく、適宜利用者がその目的に応じて設定するものであってよい。
本実施形態のシステム１０Ｂにおいては、複数のバイオマス処理施設ａ，ｂ，…が存在する場合に、所定のある地域で発生する１日当たりのバイオマス発生量を入力すると、その入力したバイオマス発生量に基づいてどの処理施設でどれだけの量のバイオマスを処理するのがコストおよびエネルギーの面から最適であるかを最適化部により演算し、演算した結果に基づいてバイオマス日処理計画部で１日単位ごとにバイオマス処理計画を作成する。これによりバイオマス発生源でのバイオマス種類と発生量を利用者が登録するのみで、評価値が最も高くなる発生源と処理施設の振り分けを計算することができ、最適なバイオマス日処理計画を策定できる。
１…投入バイオマス入力部、１１…下水汚泥、１２…畜産糞尿、１３…廃木材、１４…生ごみ、１５…その他、
２…機器登録部、２１…前処理装置、２２…嫌気性消化槽、２３…脱水機、２４…熱交換器、２５…発電機、２６…焼却炉、２７…汚泥処分費、
３…処理フロー構築部、４…演算部、
５…データ出力部、５１…水質、５２…バイオガス、５３…固形物量、５４…エネルギー収支、５５…汚泥処分コスト、５６…ランニングコスト、
６…発生地点・処理施設地点登録部、７…輸送コスト・輸送エネルギー演算部、
８…最適化部、９…バイオマス日処理計画策定部、
１０，１０Ａ，１０Ｂ…バイオマス有効利用支援システム。
２…機器登録部、２１…前処理装置、２２…嫌気性消化槽、２３…脱水機、２４…熱交換器、２５…発電機、２６…焼却炉、２７…汚泥処分費、
３…処理フロー構築部、４…演算部、
５…データ出力部、５１…水質、５２…バイオガス、５３…固形物量、５４…エネルギー収支、５５…汚泥処分コスト、５６…ランニングコスト、
６…発生地点・処理施設地点登録部、７…輸送コスト・輸送エネルギー演算部、
８…最適化部、９…バイオマス日処理計画策定部、
１０，１０Ａ，１０Ｂ…バイオマス有効利用支援システム。
Claims (5)
- 下水汚泥、畜産糞尿、廃木材、生ごみ及びその他の廃棄物からなる群より選択される１種又は２種以上の投入バイオマスの種類と投入量をそれぞれ入力するバイオマス入力部と、
前処理装置、嫌気性消化槽、脱水機、熱交換器、焼却炉、発電機を含む機器類が有する固有の特性データを予め登録しておく機器登録部と、
前記機器登録部に登録された機器類のうちから少なくとも１つを選択し、バイオマスの処理フローを構築する処理フロー構築部と、
前記処理フロー構築部に設定された機器構成、処理フローでバイオマスを処理した際に生じる廃水の水質と発生する廃棄物量、メタン、二酸化炭素、水素、硫化水素等を含むバイオガスの発生量、ガス濃度およびそのバイオガスから回収できるエネルギー量または発電できる発電エネルギー量、処理施設を運転する際に必要なランニングコストのうちの少なくとも１つを演算する演算部と、
を有することを特徴とするバイオマス有効利用支援システム。 - バイオマスの輸送に関わるコストおよびエネルギーのうちの少なくとも一方を計算する輸送コスト/エネルギー演算部をさらに有することを特徴とする請求項１記載のバイオマス有効利用支援システム。
- 前記嫌気性消化槽での反応は、固形物が炭水化物、脂質、たんぱく質、非分解性有機物に分解されるまでの微細化反応および加水分解反応、酸生成菌による酸生成反応、メタン生成菌によるメタン生成反応および硫酸還元菌による硫酸還元反応からなる生物反応モデルを基本とすることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載のバイオマス有効利用支援システム。
- 前記バイオマス入力部に入力するバイオマス種類は、各バイオマスの分解速度定数と炭水化物、脂質、たんぱく質、非生物分解性有機物の比率が予め登録されており、また、その登録値は実際のバイオマスの性状に応じて再登録できることを特徴とする請求項１記載のバイオマス有効利用支援システム。
- 複数のバイオマス処理施設が存在する場合に、所定のある地域で発生する１日当たりのバイオマス発生量を入力すると、その入力したバイオマス発生量に基づいてどの処理施設でどれだけの量のバイオマスを処理するのがコストおよびエネルギーの面から最適であるかを演算する最適化部と、前記最適化部により演算された結果に基づいてバイオマス日処理計画を作成するバイオマス日処理計画部と、をさらに有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のバイオマス有効利用支援システム。
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