JP3745978B2 - 食品系及び木質系廃棄物の混合再資源化方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は食品系及び木質系廃棄物の混合再資源化方法及び装置に関し、とくに食品系廃棄物と木質系廃棄物とからエネルギー及びコンポスト材料を有価資源として回収する再資源化方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般家庭の台所から排出される生ごみやホテル・レストラン等の事業系生ごみ、食品工場等から排出される産業系食品残さ、産業系有機廃液等（以下、これらを纏めて食品系廃棄物という。）は、ほとんど焼却又は埋め立て処分されている。しかし、焼却処分には化石燃料の消費やダイオキシンの発生の問題があり、埋め立て処分には処分地の不足や悪臭の発生という問題があるため、焼却や埋め立て処分に代わる技術として、食品系廃棄物から肥料、飼料、バイオガス、電力エネルギー、熱エネルギー等の有価資源を回収（以下、再資源化ということがある。）する技術の開発が進められている。
【０００３】
食品系廃棄物の再資源化技術の一例として、本発明者等は、メタン発酵処理と燃料電池とを組み合わせた生ごみのエネルギー回収システムを開発し、特許第3064272号公報に開示した。図４を参照するに、同公報のエネルギー回収システムは、生ごみを粉砕して生ごみスラリーとする粉砕手段としての高圧処理機41、微粉砕機42、生ごみスラリーを高温メタン生成菌によりバイオガスと発酵液とに分解するバイオリアクター５、バイオリアクター５からのバイオガスにより電力と高温水を発生する燃料電池10、及びバイオリアクター５の発酵液中の残留有機物を更に浄化し余剰汚泥をコンポスト材料として沈殿させる二次処理施設11を備えたものである。バイオリアクター５は、粉砕手段である高圧処理機41、微粉砕機42に連通する反応室（図示せず）と、反応室を高温メタン生成菌（以下、高温菌という。）の活性温度に保つ保温手段６とを有する。
【０００４】
他方、庭園、公園や街路樹、農地等から発生する刈草や剪定枝、流木、間伐材、農業廃棄物（稲わら・もみがら・収穫後の残さ）など（以下、これらを纏めて木質系廃棄物という。）についても、ダイオキシンの発生のおそれがある従来の焼却処分に代えて、再資源化技術が求められている。
【０００５】
木質系廃棄物の再資源化技術の一例として、特開平8-026869号公報は、図３に示すように、ビール搾り滓等の飲食品製造工程残さ32と草木廃棄物33とを混合して混合物の水分を40〜70％に調製し、この混合物に１kg当たり0.1〜1.8リットル／分の通気を行いながら一日に１〜３回混合物を攪拌して好気性発酵させ、有機質肥料（コンポスト）を製造する方法を開示する。同図の例では、貯蔵槽22に蓄えた草木廃棄物33を圧搾式の破砕手段23により押し潰した後、水分含有量が約55〜70％となるように投入量を調整しながら、貯蔵槽21に蓄えた飲食品製造工程残さ32と共に発酵槽25内に投入する。発酵槽25内において、送気ブロア28による通気とスクープ式攪拌機27による攪拌とを２〜４週間継続し、投入された飲食品製造工程残さ32及び草木廃棄物33の混合物を一次発酵物34にまで発酵させる。給気ブロア28の給気管28bを飲食品製造工程残さ32の貯蔵槽21と接続することにより、貯蔵槽21内の発酵により加温された空気を発酵槽25へ送り込む。発酵槽25から排出した一次発酵物34を養生槽31に投入し、更に４〜８週間をかけて難分解性成分を発酵分解してコンポストとする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図３に示す従来の再資源化方法は、破砕手段23による圧搾、発酵槽25における通気・攪拌のために、燃料資源や電力等の多くの外部エネルギーを供給しなければならない問題点がある。また、木質系廃棄物は含水率が低く、リグニン質、セルロース、ヘミセルロース等の微生物分解が難しい成分を多く含むので、発酵温度が上昇せず、コンポストの十分な腐熟が得難い問題点もある。腐熟とは、作物に成育障害を起こさない程度にまで有機質材を腐朽させることである。このため、特に寒冷地等においては、コンポストを腐熟させるためにヒータ等で発酵槽25を加熱する必要があり、腐熟のために更にエネルギーの消費量が多くなる問題点が経験された。再資源化のためには可能な限り化石燃料等の外部エネルギーの使用を抑えることが望ましく、腐熟が得難い木質系廃棄物についても省資源・省エネルギーの対策が要望されている。
【０００７】
そこで本発明の目的は、エネルギーの自足性を高めた食品系及び木質系廃棄物の混合再資源化方法及び装置を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
図１の実施例を参照するに、本発明の食品系及び木質系廃棄物の混合再資源化方法は、食品系廃棄物ＦをスラリーＳとした上でバイオリアクター５によりバイオガスＧと発酵液Ｍとに分解し、木質系廃棄物Ｗを破砕した上で腐熟に適した割合の発酵液Ｍと混合して混合物とし、前記混合物を通気下で腐熟させてコンポスト材料Ｃとし、バイオガスＧにより前記分解・通気・混合及び腐熟のエネルギーを供給してなるものである。
【０００９】
好ましくは、前記混合物をバイオガスＧのエネルギーにより腐熟に適した温度に維持する。更に好ましくは、バイオガスＧから燃料電池10により電力と高温水とを回収し、高温水の一部分により前記混合物を腐熟に適した温度に維持する。
【００１０】
また、図１のブロック図を参照するに、本発明の食品系及び木質系廃棄物の混合再資源化装置は、食品系廃棄物Ｆを粉砕してスラリーＳとする粉砕手段１、スラリーＳをバイオガスＧと発酵液Ｍとに分解するバイオリアクター５、木質系廃棄物Ｗを破砕する破砕手段23、破砕した木質系廃棄物Ｗとバイオリアクター５からの発酵液Ｍとを腐熟に適した割合で混合し通気下で腐熟させてコンポスト材料Ｃとするコンポスト化装置25、及びバイオガスＧからエネルギーを回収するエネルギー回収装置10を備え、回収したエネルギーを粉砕手段１、バイオリアクター５、破砕手段23及びコンポスト化装置25に供給してなるものである。
【００１１】
好ましくは、エネルギー回収装置10をバイオガスＧから電力と高温水とを発生する燃料電池とし、バイオリアクター５にメタン生成菌の活性温度に保つ保温手段６を設け、コンポスト化装置25に前記木質系廃棄物Ｗと発酵液Ｍとの混合物を腐熟に適した温度に加熱する加熱手段12を設け、前記高温水の一部分を保温手段６及び加熱手段12に供給し、前記電力の一部分により粉砕手段１及び破砕手段23を駆動する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、エネルギー回収装置10として燃料電池を用いた実施例のブロック図を示す。燃料電池は原理的には水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電するものであるが、メタンが70％程度含まれるバイオガスを改質器に通して水素を発生させることにより、バイオガスを燃料電池の水素源として利用できる。また、例えばリン酸型燃料電池の発電効率は35〜45％程度であるが、温熱（又は温熱水）が排出されるので、この温熱を有効に利用すれば約80％の総合エネルギー効率が得られる（広瀬研吉「燃料電池のおはなし」日本規格協会、1992年7月、p.56）。但し、本発明のエネルギー回収装置10は燃料電池に限定されず、例えばガスタービンやマイクロガスタービンを用いることができる。
【００１３】
図１に示す再資源化システムは、前処理施設13、バイオガス回収施設14、バイオガス利用施設15及びコンポスト化施設16を有する。前処理施設13は、食品系廃棄物Ｆを粉砕してスラリーＳとする粉砕手段１、スラリーＳを一時蓄えるスラリータンク３、及びスラリーＳを更に微粉砕する微粉砕機４を有する。粉砕手段１は、ホッパー２に蓄えた食品系廃棄物Ｆを定量フィーダ2a経由で取り込み、廃棄物Ｆ中に混入した異物Ｂを分別すると共に廃棄物Ｆを再資源化に適する粒度及び濃度にスラリー化する。微粉砕機４は、スラリーＳを更に平均１mm以下、好ましくは数百ミクロン程度の大きさにまで微粉砕してバイオガス回収施設14に送出する。なお本発明は、後述する二次処理施設11等で発生した有機汚泥Ｏを再資源化する際にも使用することができ、その場合は異物分離の必要がないので有機汚泥Ｏを直接スラリータンク３に投入することができる。
【００１４】
バイオガス回収施設14は、微粉砕スラリーＳを高温メタン生成菌によりバイオガスＧと発酵液Ｍとに分解するバイオリアクター５と、バイオリアクター５内の反応室を高温メタン生成菌の活性温度に保つ保温手段６とを有する。微粉砕スラリーＳ中の有機物は、バイオリアクター５内で高温菌により分解され、バイオガスＧ及び発酵液Ｍとなる。保温手段６は例えば燃料電池10からの高温水との熱交換器とすることができ、バイオリアクター５の反応室を高温菌の活動に最も適する条件、例えば温度50〜60℃に保持する。
【００１５】
バイオガス利用施設15に燃料電池10を設け、バイオリアクタ５で発生したバイオガスＧを電気エネルギー及び熱エネルギーに変換する。図示例では、バイオガスＧを水素に改質したのち燃料電池10へ導き、燃料電池10で大気中の酸素と改質水素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを得、さらに燃料電池10の排熱を回収して高温水を得る。
【００１６】
コンポスト化施設16に、木質系廃棄物Ｗを破砕する破砕手段23と、破砕した木質系廃棄物Ｗとバイオリアクター５からの発酵液Ｍとを腐熟に適した割合で混合し通気下で腐熟させてコンポスト材料Ｃとするコンポスト化装置25とを設ける。一般的な木質系廃棄物Ｗの炭素率（C/N比）は枝部又は針葉樹葉で60前後であるのに対し、コンポストの腐熟に適する炭素率は40程度と考えられている。また、木質系廃棄物Ｗは含水率が低いのに対し、コンポストの腐熟には40〜70％、好ましくは60〜65％の含水率が必要とされる。他方、バイオリアクター５からの発酵液Ｍは含有窒素量が高く含水率も高い。破砕した木質系廃棄物Ｗと発酵液Ｍとを混合することにより、混合廃棄物の炭素率及び含水率を腐熟に適した割合とすることができる。
【００１７】
例えば、木質系廃棄物Ｗと発酵液Ｍとを腐熟に適した割合で混合したのち、コンポスト化装置25へ投入する。また、コンポスト化装置25を図３に示すようなスクープ式攪拌機27付き発酵槽25とした場合は、スクープ式攪拌機27の攪拌位置に発酵液Ｍを散布することにより、木質系廃棄物Ｗと発酵液Ｍとを混合してもよい。混合した木質系廃棄物Ｗ及び発酵液Ｍを通気下で腐熟させ、コンポスト化する。通気のために必要な送気ブロア28（図３参照）の駆動、及びスクープ式攪拌機27等の攪拌手段の駆動には、バイオガス利用施設15で回収したバイオガスＧのエネルギーの一部分を利用することができる。
【００１８】
木質系廃棄物Ｗのコンポスト化は次のステップで進行すると考えられる。
（１）糖質、蛋白質、脂肪類等の易分解性有機物を好気性細菌類により分解して昇温（60℃以上）させ、有機酸を生成する。
（２）生成した有機酸の機能、及び昇温により増殖した高温細菌、放線菌類の働きにより、木質系廃棄物Ｗのセルロースを包み込んでいるヘミセルロースを分解する。
（３）主として高温嫌気性セルロース分解菌がセルロースを分解する。
（４）主として担子菌類、白色木材腐朽菌がリグニン類を分解する。
【００１９】
木質系廃棄物Ｗを腐熟させるためには多くの高温細菌を活性化することが不可欠であり、十分な昇温が必要である。しかし、木質系廃棄物Ｗは発酵温度の立ち上がりが遅く、寒冷地や冬季において腐熟に必要な昇温が得られない場合が経験されている。このため、図１に示すようにコンポスト化装置25に加熱手段12を設け、混合した木質系廃棄物Ｗ及び発酵液Ｍを腐熟に適した温度に加熱することが望ましい。本発明者は、加熱手段12を燃料電池10からの高温水との熱交換器とすることができ、燃料電池10からの高温水により木質系廃棄物Ｗ及び発酵液Ｍの混合物を腐熟に適した温度に維持して腐熟を促進し、コンポスト材料Ｃの品質の安定を図ると共に発酵期間が短縮できることを実験的に確認できた。
【００２０】
すなわち本発明によれば、バイオガス回収施設14における食品系廃棄物Ｆの分解適温保持、木質系廃棄物Ｗと発酵液Ｍとの混合、及びコンポスト化施設16における通気及び腐熟のエネルギーとして、バイオガス利用施設15で回収したバイオガスＧのエネルギーを用いることができるので、システム外から供給するエネルギー量を最小限とし、再資源化のための化石燃料等の使用を最小に抑えることができる。燃料電池10を使用した場合は、燃料電池10の排熱を前記分解及び腐熟のために有効に利用することができ、燃料電池10の総合エネルギー効率を高めることができる。また、燃料電池10からの電力の一部分により食品系廃棄物Ｆの粉砕手段１、木質系廃棄物Ｗの破砕手段23、コンポスト化施設16の送気ブロア28等を駆動することができ、システムの駆動に必要なエネルギーをシステム内で発生するバイオガスＧで賄うことができるだけでなく、余剰の電力・高温水をシステム外へ供給することが可能となり、発電施設として一層の効率向上が得られる。
【００２１】
こうして、本発明の目的である「エネルギーの自足性を高めた食品系及び木質系廃棄物の混合再資源化方法及び装置」の提供が達成できる。
【００２２】
【実施例】
図１では、コンポスト化施設16で使用しきれない発酵液Ｍを処理するための二次処理施設11を設けている。過剰の発酵液Ｍを二次処理施設11へ送り、排水は高度処理した後に処理水として下水道や河川に放流し、残留有機物を再資源化の材料として回収する。例えば、木質系廃棄物Ｗの排出量の季節による変動等に応じて、コンポスト化施設16又は二次処理施設11で処理する量を調節することができる。コンポスト化施設16に発酵液Ｍのバッファー槽18を設け、木質系廃棄物Ｗの排出量の季節変動等に対応することも可能である。
【００２３】
また、図１のコンポスト化施設16では、発酵液Ｍから含塩水を分離して塩分濃度を下げる脱水装置17を設け、脱水後の発酵液Ｍを破砕した木質系廃棄物Ｗと混合している。コンポスト材料Ｃ中の塩分濃度が高すぎると、土壌に施用した場合に、出芽率が低下する場合がある。また、発酵液Ｍ中の塩分濃度は脱水により下げることができる。従って、発酵液Ｍ中の塩分濃度が高い場合は、木質系廃棄物Ｗの量に応じて適宜発酵液Ｍを脱水した後に混合することにより、コンポスト材料Ｃ中の塩分濃度を適切な範囲とすることができる。
【００２４】
図２は、本発明の再資源化システムにより、１日当たり10トンの食品系廃棄物Ｆと１日当たり15トンの有機汚泥Ｏと１日当たり19トンの木質系廃棄物Ｗとを処理する場合のエネルギー収支を示す。前処理施設13において、10トンの食品系廃棄物Ｆと15トンの有機汚泥Ｏとから、有機物濃度（T-CODcr）30〜45万mg／リットルのスラリーが１日当たり25トン得られる。バイオガス回収施設14において、このスラリーを例えば容量250トンのバイオリアクター５で処理することにより、試算によれば、1日当たり1,500m³のバイオガス（メタン70％、二酸化炭素30％）が回収できる。
【００２５】
更に、本発明者の試算によれば、バイオガス利用施設15においてバイオガスを精製し、燃料電池10に送ることにより、１時間当たり120kWh（１日当たり2,880kWh）の電力エネルギーが得られる。得られた電力エネルギーの一部分により食品系廃棄物Ｆの粉砕手段１、木質系廃棄物Ｗの破砕手段23、コンポスト化施設16の送気ブロア28等を駆動し、余剰の電力として１日当たり580kWhをシステム外部へ供給できる。また燃料電池から１時間当たり172,000kcalの高温水（又は蒸気）が回収できる。この高温水の一部分をバイオリアクター５の保温手段６とコンポスト化装置25の加熱手段12とに供給し、過剰の熱エネルギー（１時間当たり100,000kcal）をシステム外部に供給できる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の食品系及び木質系廃棄物の混合再資源化方法及び装置は、食品系廃棄物をバイオガスと発酵液とに分解し、木質系廃棄物を腐熟に適した割合の発酵液と混合した上で通気下で腐熟させてコンポストとし、バイオガスにより前記分解・混合・通気及び腐熟のエネルギーを供給するので、次の顕著な効果を奏する。
【００２７】
（イ）食品系及び木質系廃棄物をエネルギー自足過程によって有価資源に再資源化できる。
（ロ）バイオガスのエネルギーにより発酵液と木質系廃棄物との混合物を腐熟に適した温度に維持して腐熟を促進することにより、コンポスト材料の品質の安定を図ることができる。
（ハ）また、バイオガスのエネルギーで腐熟に適した温度を維持することにより、コンポスト材料の発酵期間が短縮できる。
（ニ）バイオガスのエネルギーを燃料電池で効率良く回収することができ、その分、二酸化炭素の発生が少なくなる。
（ホ）システムの駆動に必要なエネルギーの自足化を図るだけでなく、余剰の電力・高温水をシステム外へ供給し、発電施設としての利用も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明の一実施例の図式的流れ図である。
【図２】は、本発明の物質収支、エネルギー収支の一例を示す図である。
【図３】は、従来の飲食品製造工程残さと草木廃棄物とからのコンポスト製造方法の説明図である。
【図４】は、従来の生ごみ再資源化システムの説明図である。
【符号の説明】
１…粉砕手段 ２…ホッパー
2a…定量フィーダ ３…スラリータンク
４…微粉砕機 ５…バイオリアクター
６…保温手段 ７…ポンプ
８…メタン精製施設 8a…湿式メタン精製施設
8b…乾式メタン精製施設 ９…ガスホルダー
10…エネルギー回収装置（燃料電池）
11…二次処理施設 12…加熱手段
13…前処理施設 14…バイオガス回収施設
15…バイオガス利用施設 16…コンポスト化施設
17…脱水装置 18…バッファー槽
21…貯蔵槽 22…貯蔵槽
23…破砕手段
25…コンポスト化装置（発酵槽）
25a…投入口 25b…排出口
26…フード 27…攪拌機
27a…スクープ装置 28…送気ブロア
28a…送気管 28b…給気管
29…脱臭ブロア 30…脱臭装置
31…養生槽 32…飲食品製造工程残さ
33…草木廃棄物 34…一次発酵物
41…高圧処理機 42…微粉砕機
44…スラリーポンプ 46…活性炭吸着塔
47…温水ボイラー 48…pH調整設備
Ｂ…異物 Ｃ…コンポスト材料
Ｆ…食品系廃棄物 Ｇ…バイオガス
Ｍ…発酵液 Ｏ…有機汚泥
Ｓ…スラリー Ｗ…木質系廃棄物

Claims (7)

1. 食品系廃棄物をスラリーとした上でバイオリアクターによりバイオガスと発酵液とに分解し、木質系廃棄物を破砕した上で腐熟に適した割合の前記発酵液と混合して混合物とし、前記混合物を通気下で腐熟させてコンポスト材料とし、前記バイオガスにより前記分解・混合・通気及び腐熟のエネルギーを供給してなる食品系及び木質系廃棄物の混合再資源化方法。
2. 請求項１の再資源化方法において、前記混合物を前記バイオガスのエネルギーにより腐熟に適した温度に維持してなる食品系及び木質系廃棄物の混合再資源化方法。
3. 請求項１又は２の再資源化方法において、前記バイオガスから燃料電池により電力と高温水とを回収し、前記高温水の一部分により前記混合物を腐熟に適した温度に維持してなる食品系及び木質系廃棄物の混合再資源化方法。
4. 請求項１から３の何れかの再資源化方法において、前記発酵液から含塩水を分離して塩分濃度を下げたのち前記破砕した木質系廃棄物と混合してなる食品系及び木質系廃棄物の混合再資源化方法。
5. 食品系廃棄物を粉砕してスラリーとする粉砕手段、前記スラリーをバイオガスと発酵液とに分解するバイオリアクター、木質系廃棄物を破砕する破砕手段、前記破砕した木質系廃棄物と前記バイオリアクターからの発酵液とを腐熟に適した割合で混合し通気下で腐熟させてコンポスト材料とするコンポスト化装置、及び前記バイオガスからエネルギーを回収するエネルギー回収装置を備え、前記回収したエネルギーを前記粉砕手段、バイオリアクター、破砕手段及びコンポスト化装置に供給してなる食品系及び木質系廃棄物の混合再資源化装置。
6. 請求項５の再資源化装置において、前記エネルギー回収装置をバイオガスから電力と高温水とを発生する燃料電池とし、前記バイオリアクターにメタン生成菌の活性温度に保つ保温手段を設け、前記コンポスト化装置に前記木質系廃棄物と発酵液との混合物を腐熟に適した温度に加熱する加熱手段を設け、前記高温水の一部分を前記保温手段及び加熱手段に供給し、前記電力の一部分により前記粉砕手段及び破砕手段を駆動してなる食品系及び木質系廃棄物の混合再資源化装置。
7. 請求項５又は６の再資源化装置において、前記コンポスト化装置に、前記発酵液から含塩水を分離して塩分濃度を下げる脱水装置を設けてなる食品系及び木質系廃棄物の混合再資源化装置。

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