JP2020195953A - バイオマス材料の処理方法及び処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオマス材料を発酵させてメタン等のバイオガスを生成させてエネルギー利用するバイオマスの処理方法において、発酵効率を高めバイオガスの回収量を増加させて、環境負荷を軽減し、有機質資源の循環を向上させる。【解決手段】バイオマス材料を第一の発酵槽において約３８〜４０℃の温度域で発酵させ、バイオガスを生成する第一段発酵工程と、前記第一段発酵工程において発酵処理され、生成した前記バイオガスより分離された発酵消化液を、第二の発酵槽へと導入し、約４５〜５５℃の温度域で発酵させて、さらにバイオガスを生成する第二段発酵工程とを有するバイオマス材料の処理方法によって上記課題を解決する。【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマス材料の処理方法及び処理装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、食品廃棄物、家畜排泄物、農産廃棄物、水産廃棄物、廃棄物等のバイオマス材料から、メタン等のバイオガスを生成させてエネルギー利用することで環境負荷を軽減し、有機質資源の循環及び発酵後の消化液の機能性を向上させるバイオマス材料の処理方法及び処理装置に関する。

生物資源の循環利用への意識の高まりやカーボンニュートラルといった観点から、近年、食品廃棄物、家畜排泄物、農産廃棄物、水産廃棄物、林産廃棄物等の廃棄系バイオマス材料の多くが堆肥化され、資源として土壌還元されるようになった。併せて廃棄系バイオマス材料を原料とし、メタン発酵することでバイオガスを得て、エネルギー利用しようという提案がされている。

メタン発酵は、メタン菌によって原料を分解し、メタンガスを発生する工程である。バイオマス材料には、糖質、タンパク質、脂肪等が含まれており、これらを液化したり加水分解したりすること等によって低分子化し、酸生成し、低級脂肪酸及びアルコールを生成させる。そして、水素生成と酢酸生成によって、水素及び二酸化炭素、又は酢酸を、細菌（メタン菌）を用いて発酵させることでメタンを含むバイオガスが生成される。このようにして生成されたバイオガス（メタン）と熱を回収する。

従来、家畜排泄物等を原料とした標準的なメタン発酵システムでは、中温発酵（３０〜４０℃）の場合で３５日〜４０日間、高温発酵（５０〜５５℃）で１０日〜１５日間の滞留日数をかけて原料の処理が行われている（例えば非特許文献１）。しかし、メタン発酵を導入する酪農現場においては、原料となるふん尿や搾乳関連排水が常に同じ条件で排出するとは限らない。そのため、原料の量や性状等の条件が安定しないことが多い（例えば非特許文献１）。

また、一般に、３０〜４０℃程度の中温で発酵させると、発酵中の安定性が維持されるとともに、細菌の管理がしやすく、発酵反応が安定的に進むという利点がある。一方で、分解速度が遅い、ガス発生速度が遅い、未発酵の残渣が残る、滞留時間が長い等の問題が生じる。また、５０〜５５℃程度の高温で発酵させると、反応速度が速いという利点がある。一方、５０〜５５℃程度まで加温するためのエネルギー損失が大きく、また、発酵中の安定性が悪いという問題が生じる。

なお、原料条件は、発酵槽をはじめとするメタン発酵主要設備の規模やシステムを決定する設計値であり、滞留日数に直接影響する重要な要素である。ふん尿のプロピオン酸等の揮発性脂肪酸は、少量でも臭気に与える影響が大きい（閾値が低い）ことから、滞留日数が短縮したメタン発酵では揮発性脂肪酸が低下せず、悪臭発生の原因になり得る。このように、現状のメタン発酵システムは、原料条件や設備容量における安全裕度が低いため、安定運転を継続させることが困難になっている。

さらに、従来、このようなメタン発酵によって発生したバイオガスを発電装置に供給して電力を発電するように構成したメタン発酵処理システムも提案されている（例えば特許文献１，２）。しかし、このような発電システムにおいては、発酵槽におけるバイオガスの発生量の変動や組成変動が、発電装置を安定的に稼働させる上でより大きな問題となってくる。

例えば特許文献１では、バイオマス材料を易発酵分解物とするための１２０〜２２０℃での亜臨界水処理を経て、５０〜６０℃の温度でメタン発酵処理するシステムが提案されている。しかし、このシステムでは、亜臨界水処理には外部からの熱源によってその処理温度を高温にする必要があり、処理コストが高いという問題がある。

また、特許文献２では、バイオガス以外の他の燃料を使用することなく、バイオガスの組成変動による発電出力の制約を受けないバイオガス発電設備を提供する上で、発酵槽から発電機にバイオガスを供給する主経路から分岐する副経路に濃縮装置が設けられており、濃縮されたバイオガスを副経路から主経路に返送する構成が提案されている。この技術は、発酵槽で生成するバイオガスの量や組成変動を、一旦、保持濃縮したバイオガスとし、発電機に至る前に混合することで調整して均一化しようとするものである。しかし、この技術は、発酵槽における発酵の安定化及び高効率化自体を図るものではなく、抜本的な解決策とはならない。

上記課題を解決する上で、メタン発酵システムとして、２つの発酵槽を設け、有機性廃棄物を温度の異なる発酵槽で発酵させる二段階発酵システムが提案されている（例えば特許文献３，４）。

特許文献３に記載のメタン発酵システムでは、易分解性有機性廃棄物を、第一メタン発酵槽で中温（３８℃）又は高温（５５℃）でメタン発酵する一方で、難分解性有機性廃棄物を、第二メタン発酵槽で高温（５５℃±２℃）でメタン発酵し、各々のメタン発酵槽を、メタン発酵に最適な設計とするのを可能とするようにしている。しかし、このメタン発酵システムでは、発酵槽で発酵させるに先立ち、バイオマス材料を可溶化処理に付し、さらに易分解性有機性廃棄物と難分解性有機性廃棄物とに分離する操作を経た上で、発酵処理を行っている。この発酵システムは、処理操作が煩雑なだけでなく、難分解性有機性廃棄物の発酵処理は高温処理で発酵されるものの、易分解性有機性廃棄物の発酵処理とは実質並列して行われるのみであり、難分解性有機性廃棄物の分解の高効率化や発酵の安定性といった問題は残るものとなる。

また、特許文献３に記載のメタン発酵システムでは、前記有機性廃棄物を３０〜４０℃の温度で発酵させるための第１の発酵槽と、前記第１の発酵槽中の残渣をさらに前記第１の発酵槽内の前記温度より高い温度から４５℃までの範囲で発酵させるための第２の発酵槽とを備えた構成が提案されている。これにより、第１の発酵槽と第２の発酵槽とで、発酵におけるエネルギー条件を変えることなく、中温発酵の異なる温度域で、それぞれの温度域において活躍できる細菌によって、有機性廃棄物を二段階で発酵させる。こうすることにより、有機性廃棄物を発酵させてメタンを含むバイオガスを効率的に生成することができるとしている。しかし、若干の温度差はあれ、中温発酵を繰り返すことになるものであって、単一の発酵槽での発酵処理時間を延長した形のものとあまり相違のないものとなり、高効率化という面では改良の余地があるものであった。

特開２０１４−１２４６１４号公報 特開２０１６−１８６２８６号公報 特開２００６‐２２４０９０号公報 特開２０１８−１０３０７９号公報

K.Haga, H.Tanaka, S.Higaki: Methane production from animal wastes and its prospects in Japan, Agricultural Wastes. 1(1), pp.45-55(1979). IShikawa, S., Iwabuchi, K., Takahashi, K., Hara, R., Kita, H.：Performance evaluation based on long-term operation results of biogas plant for livestock manure management，Engineering in Agriculture, Environment and Food, in press.

本発明は、上記した従来技術での問題を解決するためになされたものであって、その目的は、バイオマス材料を発酵させてメタン等のバイオガスを生成させてエネルギー利用する場合において、発酵効率を高めてバイオガスの回収量を増加させ、環境負荷を軽減し、有機質資源の循環を向上させる、バイオマス材料の処理方法及び処理装置を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するために、ふん尿スラリー等のバイオマス材料の発酵処理システムについて検討し、発生バイオガスの量の最大化を図る上で、一段階目の発酵槽で原料の中温発酵を行い、二段階目の発酵槽において（中温発酵後の）発酵消化液の高温発酵を行う、直列式のメタン発酵（二段発酵）によって、バイオガス量の発生が大幅に改善されることを見出した。そして、このシステムは、従来、個別型メタン発酵施設への高温発酵の導入を敬遠させてきた（１）発酵槽の立ち上げの難しさ、ならびに（２）運転制御の難しさを、中温発酵過程を一次処理に設定したことで解消するものであった。さらに二段発酵とすることで、バイオマス材料の滞留日数の確実な確保が可能となり、最大限のバイオガス回収と有機物分解の促進が図られ、ふん尿臭気も低減できることが明らかとなり、本発明に到達したものである。

すなわち、本発明に係るバイオマス材料の処理方法は、バイオマス材料を第一の発酵槽において約３８〜４０℃の温度域で発酵させ、バイオガスを生成する第一段発酵工程と、前記第一段発酵工程において発酵処理され、生成した前記バイオガスより分離された発酵消化液を、第二の発酵槽へと導入し、約４５〜５５℃の温度域で発酵させて、さらにバイオガスを生成する第二段発酵工程とを有する、ことを特徴とする。

本発明に係るバイオマス材料の処理方法において、前記第一の発酵槽におけるバイオマス材料の平均滞留日数が３０〜４５日間であり、前記第一の発酵槽における発酵消化液の平均滞留日数が１０〜２０日間である、ことが好ましい。

本発明に係るバイオマス材料の処理方法において、前記バイオマス材料が、含水率９２〜９５％の家畜ふん尿スラリーを用いるものである、ことが好ましい。

本発明に係るバイオマス材料の処理装置は、バイオマス材料を発酵させる第一の発酵槽と、前記第一の発酵槽と液体流路を介して直列的に接続され、前記第一の発酵槽より導出される発酵消化液を発酵させる第二の発酵槽とを有し、前記第一の発酵槽内の発酵温度は約３８〜４０℃の温度域に保持され、前記第二の発酵槽内の発酵温度は約４５〜５５℃の温度域に保持される、ことを特徴とする。

本発明に係るバイオマス材料の処理装置において、前記第一の発酵槽及び前記第二の発酵槽には、これらより導出されるバイオガスを貯留するガス貯留槽がそれぞれ設けられていてもよい。

本発明に係るバイオマス材料の処理装置において、前記第一の発酵槽及び前記第二の発酵槽には、これらより導出されるバイオガスを燃料とする第一バイオガスエンジン発電機及び第二バイオガスエンジン発電機がそれぞれ接続されていてもよい。

本発明に係るバイオマス材料の処理装置において、前記第一バイオガスエンジン発電機の発電時の熱エネルギーが回収されて、前記第一の発酵槽の加熱源として利用され、前記第一バイオガスエンジン発電機の発電時の熱エネルギーが回収されて、前記第一の発酵槽の加熱源として利用されるものであることが望ましい。

本発明に係るバイオマス材料の処理装置において、前記第二の発酵槽より導出される発酵消化液を貯留する消化液貯留槽をさらに備えていてもよい。

本発明によれば、バイオマス材料を発酵させてメタン等のバイオガスを生成させてエネルギー利用する場合において、発酵効率を高めてバイオガスの回収量を増加させ、環境負荷を軽減し、有機質資源の循環、そして発酵後の消化液の機能性を向上させる、バイオマス材料の処理方法及び処理装置を提供することができる。特に、操作の制御性が良く、最大限のバイオガス回収と有機物分解の促進が図られ、ふん尿臭気も低減できる。

本発明に係るバイオマス材料の処理方法を実施する装置の一例を示す構成図である。 実施例において行ったふん尿スラリー及び消化液の中温（４０℃）処理でのバイオガス生成量の変動を示す図である。 実施例において行ったふん尿スラリー及び消化液の高温（５５℃）処理でのバイオガス生成量の変動を示す図である。 実施例において行ったふん尿スラリー及び消化液の中温（４０℃）処理での処理槽内のｐＨの変動を示す図である。 実施例において行ったふん尿スラリー及び消化液の高温（５５℃）処理での処理槽内のｐＨの変動を示す図である。 実施例において行ったふん尿スラリー及び消化液の中温（４０℃）処理及び高温（５５℃）処理での有機物分解（固形物に占める有機物量）の程度を示す図である。

本発明に係るバイオマス材料の処理方法及び処理装置について、その実施形態に基づき詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の好ましい例であって、その実施形態に限定解釈されるものではない。

［バイオマス材料の処理方法］
本発明に係るバイオマス材料の処理方法は、バイオマス材料を第一の発酵槽において約３８〜４０℃の温度域で発酵させ、バイオガスを生成する第一段発酵工程と、前記第一段発酵工程において発酵処理され、生成した前記バイオガスより分離された発酵消化液を、第二の発酵槽へと導入し、約４５〜５５℃の温度域で発酵させて、さらにバイオガスを生成する第二段発酵工程とを有することを特徴とする。

従来、個別型のメタン発酵施設では単一のメタン発酵槽による中温発酵方式が多く採用されてきた。これは、加温熱量と発酵槽からの熱放射が高温発酵に比べて少なく、発酵温度の変動に対しても緩衝性が高いことが主な理由であった。しかし、現在ではメタン発酵に関わる断熱技術、熱交換技術の進歩、さらにはメタンガスのエネルギー利用技術の飛躍的進歩等によって、北海道のような寒冷地でも熱の余剰が発生しており、高温発酵の併用は熱的に自立可能である。とりわけ、本発明では、二段階目での高温発酵の設定を行うものであって、加温熱量はΔTemperatureで常時およそ１５℃程度で済むため、十分に熱的に自立可能である。

以下、本発明の構成について詳しく説明する。なお、以下において、特に断らない限り「％」は「重量％（質量％）」である。

（バイオマス材料）
バイオマス材料は、食品廃棄物、家畜排泄物、農産廃棄物、水産廃棄物及び林産廃棄物から選ばれる１種又は２種以上の廃棄物である。具体的には、生ゴミ等の食品廃棄物（食品残滓）、牛、豚、馬等の家畜排泄物（糞尿）、余剰生産品、選別排除品、加工副産物（米ぬか等）等の農産廃棄物、過剰水揚品、加工ゴミ等の水産廃棄物、木くず、木材チップ、加工ゴミ等の林産廃棄物等を挙げることができる。これらは、それぞれ単独であってもよいし、複数の種類を混合したものであってもよい。

バイオマス材料の含水率が家畜排泄物（糞尿）や農産廃棄物等のように全体として８０％以上であるか、全体では多くないが局部的に８０％以上であるものは、泥濘状になっているが、本発明に係る処理方法では寧泥状のバイオマス材料でも問題なく使用できる。

バイオマス材料が生ゴミ等の食品廃棄物である場合は、その含水率は、そのバイオマス材料全体として４０％以上であるか、全体では多くないが局部的に４０％以上である。上記した家畜排泄物（糞尿）や農産廃棄物等のように繊維質を多く含むものである場合は、全体又は局部的な含水率が８０％以上で泥濘化する。一方、繊維質をそれほど多く含まない生ゴミ等では、８０％未満でも泥濘化し、通常４０％以上で泥濘化する傾向がある。こうした食品廃棄物でも、上記同様、本発明に係る処理方法では問題なく使用できる。含水率が「全体として」とは、バイオマス材料に水分が均等に又は比較的均等に含まれている場合における割合を指している。一方、含水率が「局部的に」とは、バイオマス材料全体としては８０％未満（例えば畜産排泄物等の場合）又は４０％未満（例えば生ゴミ等の食品廃棄物の場合）であっても、部分的に見れば８０％以上又は４０％以上の泥濘状になっている部分がある場合を指している。バイオマス材料全体の含水率の測定は、ある程度の量のバイオマス材料を試料として採取し、その試料の乾燥前後の質量測定で評価できる。一方、バイオマス材料の局部的な含水率は、局部的に少量の試料を採取し、その乾燥前後の質量測定により評価できる。

特に限定されるわけではないが、本発明に係るバイオマス材料の処理方法における、被処理体としては、含水率８７％以上の家畜ふん尿スラリーが望ましい。

（第一段発酵工程）
第一段発酵工程は、上記したようなバイオマス材料を第一の発酵槽において約３８〜４０℃、より好ましくは約４０〜４１℃の中温温度域でメタン発酵処理を施し、バイオガスであるメタンガスを生成させる工程である。

このような温度範囲内での発酵処理であると、後述する実施例において示すように、乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ）等のバイオマス材料の有機物分解は、この範囲外におけるものより処理効果が高く、反応系のｐＨも安定しており、発酵微生物に対する影響も少なく、さらには概ね安定したバイオガスを得ることができる。メタン発酵微生物群によるメタン発酵は嫌気性条件において進行するものであるため、反応系は略密閉状態に保つことが好ましい。このような中温温度域において活性なメタン発酵微生物群は比較的多く存在し、十分に反応は進行する。なお、反応系にはメタン発酵微生物群以外の有機物を可溶化する可溶化微生物群等が存在していてもよい。

第一の発酵槽におけるバイオマス材料の平均滞留日数は、バイオマス材料の種類、メタン発酵微生物の活性度等によっても左右されるものであるため、特に限定されるものではないが、第一の発酵槽におけるバイオマス材料の平均滞留日数としては、３０〜４５日間程度とすることが好ましい。この程度の滞留日数とすることで、有機物の可溶化が十分に促進され、発生するバイオガスの量、組成が良好なものとなる。また、第一段発酵工程においては、系内のｐＨ条件が７．３〜７．５程度に保たれることが、メタン発酵微生物による安定した発酵を得る上で望ましい。

（第二段発酵工程）
第二段発酵工程は、前記第一段発酵工程において発酵処理され、生成した前記バイオガスより分離された発酵消化液を、第二の発酵槽へと導入し、約４５〜５５℃、より好ましくは約５０〜５１℃の高温温度域でメタン発酵処理を施し、バイオガスであるメタンガスを生成させる工程である。

このような温度範囲内での発酵処理であると、後述する実施例において示すように、発酵処理液の有機物分解は、この範囲外における、例えば中温温度範囲でのものより処理効果が高く、反応系のｐＨも安定しており、発酵微生物に対する影響も少なく、また、安定した発酵量で反応を進めることができる。なお、第二段発酵工程におけるメタン発酵微生物群によるメタン発酵も第一段発酵工程と同様に嫌気性条件において進行するものであるため、反応系は略密閉状態に保つことが好ましい。このような高温温度域において活性なメタン発酵微生物群は中温温度域において活性なものよりも少ないと思われるが、被処理物が第一段発酵工程での消化液であり、高温条件下で溶解度が上昇した有機物が、低分子量化されていると思われ、十分に反応は進行する。なお、反応系にはメタン発酵微生物群以外の有機物を可溶化する可溶化微生物群等が存在していてもよい。

導入される発酵消化液の含水量や有機固形物量、また高温条件におけるメタン発酵微生物の活性度等によっても左右されるものであるため、特に限定されるものではないが、第二の発酵槽における発酵消化液の平均滞留日数としては、１０〜２５日間程度とすることが好ましい。この程度の滞留日数とすることで、発酵消化液からの十分な量のバイオガスの生産・回収が可能となり、かつ残存する揮発性脂肪酸の低下、臭気低減における効果も良好なものとなる。また、第二段発酵工程においては、系内のｐＨ条件が７．６〜７．８程度に保たれることが、メタン発酵微生物による安定した発酵を得る上で望ましい。

なお、本明細書において、第一段発酵で得られる「発酵消化液」の組成は特に限定されるものではないが、例えば、バイオマス材料が含水率９２〜９５％の家畜ふん尿スラリーであった場合であっては、代表的には、含水率９５〜９６％、有機固形分含有量４．１０〜４．５８％であるような組成物を挙げることができる。

（処理装置）
図１は、本発明に係るバイオマス材料の処理方法で用いられ得る処理装置の一実施形態を示す構成図である。図１に示す本発明の一実施形態における処理装置は、例えば、個々の酪農圃場等に設置され得るバイオマス材料としてのふん尿スラリーの発酵処理システムの一例である。

この処理システムは、酪農圃場より生じるふん尿を貯蓄する原料槽１０、原料槽１０より供給されるふん尿スラリー（ＣＭＳ）を発酵処理する一段目発酵槽２０、この一段目発酵槽２０に直列的に接続された二段目発酵槽３０を少なくとも有している。

一段目発酵槽２０及び二段目発酵槽３０のそれぞれには、各発酵槽において生成しこれらより導出されるバイオガスを一時的に貯留するガス貯留槽としてのガスバッグ２１、３１がそれぞれ設けられていてもよい。各発酵槽で発生したバイオガスは、発電機５０，６０に直接供給する。

そして、一段目発酵槽２０及び二段目発酵槽３０は、ガスバッグ２１及び３１をそれぞれ介してガス配管等により、それぞれ第一バイオガスエンジン発電機５０及び第二バイオガスエンジン発電機６０の燃料供給系にそれぞれ接続されており、生成したバイオガスによって第一バイオガスエンジン発電機５０及び第二バイオガスエンジン発電機６０を駆動させることで、電力を発電する構成とされている。

第一バイオガスエンジン発電機５０及び第二バイオガスエンジン発電機６０で発電された電力は、受電点から外部へと供給、売電したり、構内需要のために使用することができるように構成されている。

また、第一バイオガスエンジン発電機５０及び第二バイオガスエンジン発電機６０には、それぞれ燃焼熱を回収する、例えば、熱交換器等で構成される熱回収ラインが設けられており、回収された熱を、それぞれ前記一段目発酵槽２０及び二段目発酵槽３０へと戻すことで、各発酵槽の加熱源として利用され、所定温度での発酵処理を行う上での加熱に必要な熱エネルギーを自己供給できるないしは軽減できるようにされている。

さらに、この処理システムにおいては、前記二段目発酵槽３０より導出される発酵消化液を貯留する消化液貯留槽４０が備えられている。

原料槽１０は、一段目発酵槽２０の前段に設けられ、例えば、酪農圃場より生じるバイオマス材料としての乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ）を貯留する。なお、バイオマス材料としてはふん尿スラリーに何ら限定されるものではなく、固形有機物を含む上述したような各種バイオマス材料であり得る。例えば、原料槽１０は、バイオマス材料の収容量や種類等に応じて、各種のタンク等により構成することができる。

原料槽１０は、配管等により一段目発酵槽２０に接続されており、例えばポンプ等の公知の供液手段により供給量を調節しながら、一段目発酵槽２０に乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ）を供給する。なお、一段目発酵槽２０の固形有機物を含む有機廃水の供給は、連続的に行ってもよく、一定の供給量毎に断続的に行ってもよい。

一段目発酵槽２０は、原料槽１０から供給された乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ）に対して、約３８〜４０℃、より好ましくは約４０〜４１℃の中温温度域でメタン発酵処理を施し、メタンガスを生成させる反応場である。

発酵槽内を所定の中温温度域に維持する上で、発酵槽２０には、従来公知の温度制御用ユニット、例えば、温度計ないしはサーモスタット、加熱及び冷却のためのジャケット、熱源ないし熱交換器、温度制御用プログラムを実行するための自動演算機（ＣＰＵ）あるいはプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）等を備えてなるユニットが設けられている。上記したように、第一バイオガスエンジン発電機５０の燃焼熱を回収したものを熱源として利用するものであることが望ましい。

この一段目発酵槽２０においては、特に限定されるものではないが、例えば、機械撹拌機による撹拌、ポンプによる液撹拌、ガスブロワ又はガスコンプレッサによるガス撹拌等が行われ得る。このうち、機械撹拌機による撹拌が好ましい。

この一段目発酵槽２０においては、原料槽１０から供給された乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ）量に応じてメタン発酵後の発酵消化液（ＡＤＳ）が適宜底部から排出（図示せず）されるようになっており、配管等により直列的に接続された二段目発酵槽３０へ発酵消化液を供給する。

二段目発酵槽３０は、一段目発酵槽２０から供給された発酵消化液（ＡＤＳ）に対して、約４５〜５５℃、より好ましくは約５０〜５１℃の高温温度域でメタン発酵処理を施し、メタンガスを生成させる反応場である。

二段目発酵槽３０においても、前記一段目発酵槽２０と同様の温度制御用ユニットが設けられており、また上記したように、第二バイオガスエンジン発電機６０の燃焼熱を回収したものを熱源として利用するものであることが望ましい。なお、二段目発酵槽３０は、上記のような高温温度域に維持する必要があるが、二段目発酵槽３０は前記一段目発酵槽２０よりも容積的に小さなものとすることができるため、第二バイオガスエンジン発電機６０の燃焼熱を回収したものを熱源として、十分に自己供給可能である、

この二段目発酵槽３０においても、特に限定されるものではないが、例えば、機械撹拌機による撹拌、ポンプによる液撹拌、ガスブロワ又はガスコンプレッサによるガス撹拌等が行われ得る。

この一段目発酵槽２０においては、原料槽１０から供給された乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ）量に応じてメタン発酵後の発酵消化液（ＡＤＳ）が適宜底部から排出（図示せず）されるようになっており、配管等により直列的に接続された二段目発酵槽３０へ発酵消化液を供給する。

消化液貯留槽４０は、前記二段目発酵槽３０より導出される発酵消化液を一時的に貯留することで、さらに有機分解を進行させ、発酵消化液を圃場土壌へ散布等する場合の無害化を高める。

なお、図１に示す一実施態様では、個々の酪農圃場等に設置され得る発酵処理システムの例を示したが、例えば、複数の酪農圃場から回収されるふん尿スラリーに対応した共同システムとしたり、あるいは、バイオマス材料として、ふん尿スラリー以外のものを用いるシステムとしたりすることは、バイオマス材料の供給経路や、二段目発酵槽での発酵処理後の発酵消化液の送出経路等を変更する等行うのみで、本発明に係るバイオマス材料の処理装置の必須構成を変えることなく設計可能である。

具体的な実験例を示して本発明に係るバイオマス材料の処理方法についてさらに詳しく説明する。

［実験１：中温発酵］
ステンレス製密閉タンク（２０Ｌ）をバッチ式発酵槽とし、有効容積１５Ｌでバイオガス生成の程度を検証した。発酵温度は、中温発酵（ＭＦ）：約４０℃に設定した実験条件で行った。発酵槽への投入試料は、酪農学園大学フィールド教育センター内にある畜舎で排出された乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ：固形物量約７〜８％）、及び同センター内のバイオガスプラントにおいて、中温発酵（ＭＦ）処理して得られた発酵消化液（ＡＤＳ固形物量約４〜５％）を毎日採取して使用した。投与量は、開始日以降４２日日まで５００ｍｌ／日、４２日以降５２日目まで１００ｍｌ／日とした。実験開始から３０日間を馴養期間として、バイオガス生成量（ＢＰ）、処理槽内のｐＨ、及び固形物に占める有機物割合を調べた。得られた結果を図２、図４、及び図６に示す。

図２に示すように、３０日馴養後におけるバイオガス生成量（ＢＰ）は、投入量１Ｌ換算で、乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ）で２２．８５Ｌ／日、発酵消化液（ＡＤＳ）で１．８２Ｌ／日であった。また、馴養後におけるバイオガスの日毎の生成量は、乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ）及び発酵消化液（ＡＤＳ）のいずれにおいても安定していた。

図４に示すように、３０日馴養後におけるｐＨは、乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ）及び発酵消化液（ＡＤＳ）のいずれも特に大きな変動はなく、平均で前者がｐＨ７．４、後者がｐＨ７．５でありいずれも中性のｐＨに保たれていた。

図６に示すように、３０日馴養後における固形物に占める有機物割合は、後述する高温処理の場合と比べると、乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ）の有機物分解については、中温処理の方が効果が高いことが示された。一方、発酵消化液（ＡＤＳ）の有機物分解について中温処理では比較的効果が低いことが示された。

［実験２：高温発酵］
上記実験１と同様にステンレス製密閉タンク（２０Ｌ）をバッチ式発酵槽とし、有効容積１５Ｌでバイオガス生成の程度を検証した。発酵温度は、高温発酵（ＴＦ）：約５５℃に設定した実験条件で行った。発酵槽への投入試料は、上記実験１と同じ乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ：固形物量約７〜８％）、及び発酵消化液（ＡＤＳ固形物量約４〜５％）を毎日採取して使用した。投与量は、試験期間中１０００ｍｌ／日とした。実験開始から３０日間を馴養期間として、バイオガス生成量（ＢＰ）、処理槽内のｐＨ、及び固形物に占める有機物割合を調べた。得られた結果を図３、図５、及び図６に示す。

図３に示すように、３０日馴養後におけるバイオガス生成量（ＢＰ）は、投入量１Ｌ換算で、乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ）で２２．５９Ｌ／日、発酵消化液（ＡＤＳ）で２．０９Ｌ／日であり、発酵消化液に関しては、試験１の中温発酵条件におけるものよりバイオガス生成量の増加がみられた。一方で、乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ）に関しては、馴養後におけるバイオガスの日毎の生成量が非常に不安定なものとなることが判った。

図５に示すように、３０日馴養後におけるｐＨは、乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ）及び発酵消化液（ＡＤＳ）のいずれも大きな変動がなく、平均で前者がｐＨ７．８、後者がｐＨ７．７であった。いずれも前記した中温発酵の場合と比較するとややアルカリ性側に傾いた値となっており，有機物分解が進み発酵状態が安定していることが示された。

図６に示すように、３０日馴養後における固形物に占める有機物割合は、前述した中温処理の場合と比べると、乳牛ふん尿スラリー（ＣＭＳ）の有機物分解については、高温処理の方が効果が低下することが示された。一方、発酵消化液（ＡＤＳ）の有機物分解については、高温処理の方が効果が高いことが示された。

原料投入回数はバイオガス生成量（ＢＰ）に大きな影響を与えなかったが、メタンガス濃度及び硫化水素濃度等のガス組成に影響した。

以上の結果より、バイオガス発酵システムにおけるバイオガス生成量（ＢＰ）の最大化において、二段階発酵の後段における発酵消化液（ＡＤＳ）の分解については高温発酵（ＴＦ）のが有効であり、ガス回収で最低でも１０％程度増加することが示された。また、二段発酵では、ふん尿滞留日数の確実な確保が可能となるので、可溶化が促進し、有機物の分解率が高くなった。ふん尿中のプロピオン酸等の揮発性脂肪酸は、少量でも臭気に与える影響が大きい（閾値が低い）ので、二段発酵とすることで全体の滞留日数を長くしたメタン発酵過程によって揮発性脂肪酸が低下し、臭気低減にも繋がることが期待された。さらに二段発酵では、消化液が５５℃の高温領域で最終処理されるため、農地還元に際し、衛生面の向上にも大きく貢献することが期待された。

１０ 原料槽
２０ 一段目発酵槽
２１ ガスバッグ
３０ 二段目発酵槽
３１ ガスバッグ
４０ 消化液貯留槽
５０ 第一ガスエンジン発電機
６０ 第二ガスエンジン発電機

また、特許文献４に記載のメタン発酵システムでは、前記有機性廃棄物を３０〜４０℃の温度で発酵させるための第１の発酵槽と、前記第１の発酵槽中の残渣をさらに前記第１の発酵槽内の前記温度より高い温度から４５℃までの範囲で発酵させるための第２の発酵槽とを備えた構成が提案されている。これにより、第１の発酵槽と第２の発酵槽とで、発酵におけるエネルギー条件を変えることなく、中温発酵の異なる温度域で、それぞれの温度域において活躍できる細菌によって、有機性廃棄物を二段階で発酵させる。こうすることにより、有機性廃棄物を発酵させてメタンを含むバイオガスを効率的に生成することができるとしている。しかし、若干の温度差はあれ、中温発酵を繰り返すことになるものであって、単一の発酵槽での発酵処理時間を延長した形のものとあまり相違のないものとなり、高効率化という面では改良の余地があるものであった。

本発明に係るバイオマス材料の処理方法において、前記第一の発酵槽におけるバイオマス材料の平均滞留日数が３０〜４５日間であり、前記第二の発酵槽における発酵消化液の平均滞留日数が１０〜２５日間である、ことが好ましい。

本発明に係るバイオマス材料の処理装置において、前記第一バイオガスエンジン発電機の発電時の熱エネルギーが回収されて、前記第一の発酵槽の加熱源として利用され、前記第二バイオガスエンジン発電機の発電時の熱エネルギーが回収されて、前記第二の発酵槽の加熱源として利用されるものであることが望ましい。

Claims (8)

1. バイオマス材料を発酵させてバイオガスを生成するバイオマス材料の処理方法であって、
   バイオマス材料を第一の発酵槽において約３８〜４０℃の温度域で発酵させ、バイオガスを生成する第一段発酵工程と、
   前記第一段発酵工程において発酵処理され、生成した前記バイオガスより分離された発酵消化液を、第二の発酵槽へと導入し、約４５〜５５℃の温度域で発酵させて、さらにバイオガスを生成する第二段発酵工程とを有する、ことを特徴とするバイオマス材料の処理方法。
2. 前記第一の発酵槽におけるバイオマス材料の平均滞留日数が３０〜４５日間であり、前記第一の発酵槽における発酵消化液の平均滞留日数が１０〜１２日間である、請求項１に記載のバイオマス材料の処理方法。
3. 前記バイオマス材料が、含水率８７％以上の家畜ふん尿スラリーを用いる、請求項１又は２に記載のバイオマス材料の処理方法。
4. バイオマス材料を発酵させてバイオガスを生成するバイオマス材料の処理装置であって、
   前記バイオマス材料を発酵させる第一の発酵槽と、前記第一の発酵槽と液体流路を介して直列的に接続され、前記第一の発酵槽より導出される発酵消化液を発酵させる第二の発酵槽とを有し、
   前記第一の発酵槽内の発酵温度は約３８〜４０℃の温度域に保持され、前記第二の発酵槽内の発酵温度は、約４５〜５５℃の温度域に保持される、ことを特徴とするバイオマス材料の処理装置。
5. 前記第一の発酵槽及び前記第二の発酵槽には、これらより導出されるバイオガスを貯留するガス貯留槽がそれぞれ設けられている、請求項４に記載のバイオマス材料の処理装置。
6. 前記第一の発酵槽及び前記第二の発酵槽には、これらより導出されるバイオガスを燃料とする第一バイオガスエンジン発電機及び第二バイオガスエンジン発電機がそれぞれ接続されている、請求項４又は５に記載のバイオマス材料の処理装置。
7. 前記第一バイオガスエンジン発電機の発電時の熱エネルギーが回収されて、前記第一の発酵槽の加熱源として利用され、前記第一バイオガスエンジン発電機の発電時の熱エネルギーが回収されて、前記第一の発酵槽の加熱源として利用される、請求項６に記載のバイオマス材料の処理装置。
8. 前記第二の発酵槽より導出される発酵消化液を貯留する消化液貯留槽をさらに備える、請求項４〜７のいずれか１項に記載のバイオマス材料の処理装置。
   
   
   

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