JP5390879B2 - 廃棄材料を処理するための装置、システム、および方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して都市廃棄材料などのプロセス材料の処理に関する。特に本発明は、蒸気オートクレーブの中で既に予備処理を受けたプロセス材料を処理するための装置、システム、および方法に関する。

通例、多くの異なる形式の廃棄材料を処分するために埋立てが使用されている。これらの廃棄材料には、紙製品、食品屑、庭の廃棄物、金属、ガラス、プラスチック、および多数のその他の材料が含まれることが可能である。埋立てにおいて堆積される廃棄材料の量を減らすという企てにおいて、リサイクル計画の形として源泉（source）仕分けの努力が始められた。これらの計画が使用される限りでは、このようなリサイクル計画は埋立てへの依存度を減らす助けになる。しかし、このようなリサイクル計画は、結果的に廃棄材料全体の比較的小さな比率を除去するだけであることがわかった。紙製品およびその他の材料などの、少なくともいくつかの材料の場合には、比較的小さな回収率は少なくとも部分的に、製品の大きな割合が食品汚染物であり、したがって分別してリサイクルすることがかなり困難であるという事実に帰することができる。

本明細書に参照によって組み込まれている本出願人に譲渡された米国特許第５４４５３２９号および同第５６５５７１８号は、処理された材料を処理するために開示された装置、システム、および方法が、都市固体廃棄物を含めて多くの異なる形式の材料を効果的かつ効率的に処理するためにうまく適している。有機材料および無機材料を、処理パラメータを変えることによって状態調節することができ、これによってその主要構成部分への寸法および密度仕分けによる分類を容易にする。上に言及した特許に開示された要旨は、金属、ガラス、および紙などの、多数の基礎材料から食品廃棄物、インク、油、グリース、およびその他の関連製品を分離することを可能にする。例えば食品を可溶性にして、それから廃棄物流から抽出することができる。この他に、廃棄物流から比較的清浄な高品質の形のセルロースを回収することができる。様々な業界のための供給原料としてさらに容易に受入れ可能である清浄な金属製品を得ることも可能である。同様に、紙製品を処理して、様々な業界で使用するために分離することができる高品質のリサイクル可能な製品を作ることができる。例えば、分留塔を使用して、長繊維材料を短繊維材料から分割することができ、前者の材料はリサイクル紙として製紙工業における使用に可能性があり、後者の材料は燃料に変換されて発電業界における使用に可能性がある。

上に述べた特許に開示された方法、装置、およびシステムは、結果的に得られる都市廃棄物から作られる供給原料の品質を向上するために、水分の変化と制御された通気および混転と組み合わせて熱と圧力を使用する。上に述べた特許に開示された蒸気オートクレーブには、オートクレーブ内の廃棄材料に蒸気を加えて直接接触させることによって、ならびに蒸気オートクレーブの中に置かれた材料を加熱および／または乾燥するために、容器の内部を通じて導管内に搬送される加熱された流体を導入することによって、熱を加える。蒸気オートクレーブ内の熱と圧力を、蒸気が飽和状態に達するように増加し、所定の時間が経った後に、容器内の圧力を高圧から負圧に急速に低下させるために蒸気を急速に抜き、こうして沸点以上の状態（superheated）にし、容器内の状態調節された廃棄材料からエンタルピーを放出させる。次に、上に述べた特許に開示された方法から得られるバイオマスをふるい（screen）に通すことができ、蒸気オートクレーブからの篩い分けされた廃棄材料は、ふるいが約１／２インチ（約１．３ｃｍ）の開口部を備えている場合には、入って来る廃棄物流全体の約７０％を構成する。入って来る廃棄物流全体のこの部分はさらに、都市廃棄物の中に存在する有機物質全体の約９５％を含む。

米国特許第５４４５３２９号 米国特許第５６５５７１８号

本発明は、様々な処理から結果として生ずる材料を処理するための有用な適用も有するが、上に述べた特許に開示された蒸気オートクレーブの内部における処理から結果的に生ずる分離されたバイオマスを処理するための装置、システム、および方法を提供する。本発明はさらに、多くのリサイクル産業および二次産業のために供給原料としてのバイオマスの使用を最適化するために、上記の蒸気オートクレーブによって生成した分離されたバイオマスの品質を向上させる。本発明による方法、装置、およびシステムによって生成された最終生成物は、製紙工業のために容易にリサイクル可能な、および／またはセルロース絶縁のために有用なセルロース繊維、土壌改良剤として堆肥の中で使用可能な、または直接燃料として使用可能な残留微細繊維部分、および燃料としても有用なバイオガスを含む。

本発明は、リサイクル業界での使用のためにバイオマスを向上させた結果として、上記の特許に開示された方法とシステムによって生成されたバイオマスを共同作用的に取り扱うものである。上記の特許による方法とシステムによって生成されたバイオマスに対する重要な向上の一部は、蒸気オートクレーブ内で発生する有機物質の加圧煮沸と可溶化から結果として得られる有機物質に対する向上である。蒸気オートクレーブを通じて処理された食品廃棄物およびその他の有機物質は、十分に可溶化され、蒸気オートクレーブを通じて処理されなかった繊維と比較すると、高くなった生分解性を有する。蒸気オートクレーブの混転作用はまた、故紙をパルプにするために現在使用されている慣用のハイドロパルプ化工程における同じエネルギー消費の後に結果として得られるものよりも微細な粒子を結果として提供する。蒸気オートクレーブによって生成されるバイオマスに対するその他の向上策としては、油の分散、ラッカおよびインクの懸濁、コーティングの可溶化、およびいくつかの連続的な重力および密度分離とサイズ選別ならびに希釈水洗の後の、屑が非常に少なくて製紙に使用される二次繊維パルプ内への組み込みに適した清浄なリグノセルロース繊維の生成がある。

蒸気オートクレーブによって生成されたバイオマスから分離されたセルロース繊維はさらに、リサイクルされた古い段ボール容器および砕木繊維などの慣用の繊維源と比較すると、かなり高いろ水度（feeness）すなわち速い排水能力を有するとして示されている。本発明による方法と装置によって分離された繊維のより高いろ水度ならびに改善された強度特性は、エネルギーの必要量は少なくて製紙機械はより速く稼動することができるので、製紙工業に対するこれらの処理されたセルロース繊維の価値を著しく高める。

蒸気オートクレーブの内部で達成される２６０°Ｆ〜２７０°Ｆ（１２７℃〜１３２℃）の温度はまた、オートクレーブによって生成されたバイオマスから分離されたセルロース繊維の特性を強化することがわかっている。紙繊維は一般に、セルロース繊維に結合するリグニン、セルロースの可溶性部分であるヘミセルロース、および酸などによって処理されない限り基本的に可溶化が非常に困難なセルロースを含む。リグニンの軟化点は約２６２°Ｆ（約１２８℃）であるから、蒸気オートクレーブの中で到達する温度は、セルロース繊維に結合したリグニンを軟化させるが、リグニンは結晶化に十分なほど加熱されない。バイオマス内の低融点プラスチックは小さなビーズになり、これらのビーズは、製紙工業によって使用されるセルロース繊維と共に含まれないように、連続する密度およびサイズ分離中に容易に分離される。

本発明の一実施形態による廃棄材料を処理する方法では、廃棄材料はまず蒸気オートクレーブの中で高い温度、圧力、および機械的せん断作用を受けて、バイオマスの様々な分離された部分を使用するリサイクル産業において望ましい一群の特性から選択された少なくとも１つの特性を有するバイオマスが生成されている。バイオマスの分離された部分の強化された特性は、紙リサイクル産業に提供される高いろ水度すなわちセルロース繊維の水を急速に排水する能力、リサイクルされた古い段ボール容器および砕木繊維と比較してすぐれた強度特性、同量のエネルギー消費について廃棄材料の慣用のハイドロパルプ化によって達成されるものより微細な粒子サイズ、高温と高圧に上げられて次に急速に負圧に下げられた蒸気オートクレーブにおいて材料から結果的に得られる無菌性、バイオマスにおける有機物質の大部分が可溶化されること、およびオートクレーブで処理されなかった繊維と比較してセルロース繊維の生分解性が高いことを含む。

本発明の一実施形態による方法、装置、およびシステムでは、これらの強化された特性を有するバイオマスを分離工程にかけることができ、バイオマスの成分は篩い分けなどの密度および／またはサイズ分離工程によって分離され、成分はサイズによって分離される。本発明の一実施形態による方法はまた、バイオマスをプロセス水（process water）で希釈して、この希釈された混合物を緩やかな混合作用にかける工程を含んでもよく、選択された温度と混合の作用は、蒸気オートクレーブ工程中にねじられて絡み合ったセルロース繊維をほぐしてまっすぐにするために有効である。この潜在物除去工程は、結果的に得られたセルロース繊維をリサイクル製紙工業によって使用するために処理しようとするときに使用される。

本発明の別の実施形態による方法では、蒸気オートクレーブから得られたバイオマスを、固体および流体を生物学的に処理するための個別のゾーンを含むハイブリッド嫌気性消化装置（hybrid anaerobic digester）から得られた流体と共に、サンプまたはリザーバに加えて、液体サイクロンにおけるなどの重力分離工程にポンプ輸送および導入するための適正な固液比を有する溶液を生成することができる。ハイブリッド嫌気性消化装置は、固体と流体の独立した処理を可能にし、したがって液体サイクロンの動作に必要な流体のすべてを提供することができ、こうして液体サイクロンと共に本質的に閉じたループで働く。

本発明によるバイオマス材料および／または微細繊維部分の追加的処理を、ハイブリッド嫌気性消化装置の中で起こすことができ、このハイブリッド嫌気性消化装置は、固体材料と流体材料の生物学的処理のための個別ゾーンを有する容器であり、流体材料の処理は固体材料の処理とは独立している。ハイブリッド嫌気性消化装置を形成する容器は、円錐形の底を有する円筒形であることが好ましい。この容器は外壁を有し、この外壁は、容器の高さの一部分にわたって円筒形を成し、容器の底部分では円錐形を成す。円筒形の中間壁が外壁から内側に離隔しており、水力リザーバが中間壁と外壁との間に画定されている（defined）。内部の円筒状壁が中間壁から内側に離隔し、付属の成長媒体ゾーンが内壁と中間壁との間に画定された成長媒体を含む。内壁の下部分は孔あけされて、内壁の中に画定された内側ゾーンと付属の成長媒体ゾーンとの間の流体連絡をもたらす。

本発明の一実施形態による廃棄材料を処理するためのシステムと方法の概略図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド嫌気性消化装置を示す図である。 本発明の一実施形態による廃棄材料を処理するためのシステムと方法の概略図である。 、 、 、 、 、 本発明の一実施形態によるハイブリッド嫌気性消化装置内の様々なゾーンの相対容量の一例を示す図である。

まず図１を参照すると、本発明の好ましい実施形態によるシステムは、開示内容が参照によって本明細書に組み込まれている米国特許第５４４５３２９号および同第５６５５７１８号に詳細に記載されているものなどの、蒸気オートクレーブ工程から得られる分離されたバイオマスの処理における屑の除去に必要な様々なデバイスを含む。本発明には様々な源泉（source）からの廃棄材料を処理するための有用な用途があるが、以下は、上述の２つの特許に記載された蒸気オートクレーブから結果的に得られる分離されたバイオマスの処理に関して、本発明を説明する。蒸気オートクレーブに供給された都市廃棄物は、一般に約６０％の有機材料と約４０％の無機材料とから成る。蒸気オートクレーブによって生成されるバイオマスのリサイクル可能成分の向上は、本発明の実施形態によって実施されるさらなる処理と共同作用的に働く。

蒸気オートクレーブ工程の後に、都市廃棄物からの６０％有機物質の約９５％は、半インチ（１．３ｃｍ）ふるいを通過することになる。半インチ（１．３ｃｍ）ふるい（screen）を通過するバイオマスは一般的には、最初に蒸気オートクレーブ工程に投入された材料全量の約６５重量％を占める。６０％有機物質の約９５％の他に、全量の６５％はあるガラスとその他の屑を含むことがある。蒸気オートクレーブで最初に処理された都市廃棄物の全量の６５重量％は水のほとんどを含み、水は可溶性の有機物質の大部分を含む。蒸気オートクレーブで処理された後に半インチ（１．３ｃｍ）ふるいを通過しない全都市廃棄物の３５重量％は一般に、スズ、プラスチック、ガラス、およびぼろなどの、通常のリサイクル法を使用してリサイクル可能な要素を含む。

蒸気オートクレーブから出た後に半インチ（１．３ｃｍ）ふるいを通過するバイオマスの６５重量％は、一般に５０％の水と５０％の固体である。水は、２つの主要成分に分けることができる可溶化された有機物を含む。可溶化された有機物の１つは、蒸気オートクレーブの中で起こる圧力煮沸の結果として可溶化された廃棄物、食品、およびその他の澱粉類に由来する。有機物のもう１つの主要成分は、セルロース材料とセルロースに結合するリグニンである。有機物のセルロース部分は一般に紙に由来し、さらに主として炭水化物でもあり、食品澱粉類との相違は、セルロース材料の大部分の炭水化物が容易に可溶化されず、したがってバイオマスの固体部分として残ることである。

図１に示すように、セルロース材料が紙リサイクル産業による使用のために処理される実施形態では、約５０％の固体稠度（solid consistency）を有するオートクレーブ処理されたバイオマス２０（例えば、上述の特許に記載された蒸気オートクレーブの動作から結果として得られたバイオマス）を、ほぼ４％の固体と９６％の水へ稠度（consistency）をもたらすために、十分な量の希釈水２１を有する希釈タンク３０に加えることができる。希釈タンク３０の温度は、約１３０°Ｆ（約５４℃）に保たれることが好ましく、蒸気オートクレーブ工程中でねじられて絡み合ったセルロース繊維をほぐしてまっすぐにすることになる緩やかな混合作用を与える。希釈タンク３０において温度を約１３０°Ｆ（約５４℃）に保ちながらバイオマスを希釈および混合した結果として生ずるセルロース繊維をほぐしまっすぐにすることは、セルロース繊維をリサイクル製紙工程において下流側で使用するときにセルロース繊維の挙動を改善することがわかっている。

希釈タンク３０において起こる希釈およびほぐしまたは潜在物の除去工程の後に、バイオマスをポンプ４０によって液体サイクロン５０にポンプ輸送することができ、液体サイクロン５０は重力分離工程を実施し、液体サイクロン５０はバイオマスをその成分の密度によって分離する。液体サイクロン５０は、ガラスおよび砂などのより重い材料５２を回転して飛ばし、これらのより重い一般に無機の材料を有機材料の残りから除去されるようにする。液体サイクロン５０の中で起こる密度分離工程の結果、分離された材料の第１部分５２は、密度がより重い砂屑を含み、残りの材料５４を、汚染物除去のために粗い圧力選別機（pressure screen）６０に供給することができる。圧力選別機６０は、液体サイクロン５０において分離されないプラスチックおよびその他の浮遊可能な屑６２を分離する助けになる。

液体サイクロン５０において起こる密度分離と粗い圧力選別機６０において起こる屑分離の後に、全屑の約９８％が除去される。粗い圧力選別機６０を出るスクリーンにかけられたバイオマスからプラスチックおよび浮遊可能な屑６２を分離した後に、セルロース繊維を、製紙工業に有用な長繊維と、固体燃料または堆肥の製造用に嫌気性消化装置に供給する短繊維と、に分離または細分するために、バイオマスの残り部分をさらに篩い工程、加圧工程および希釈工程にかけることができる。

粗い圧力選別機６０によって分離されて図１に示す流れ６６に到る長いセルロース繊維は、製紙工業によるリサイクルに適しており、上述の２つの特許に記載されている蒸気オートクレーブ装置および工程から得られるバイオマス２０から導き出された結果として、向上した特性を示す。バイオマスの改善された挙動は、蒸気処理および続く湿式処理によってのみ生じる様々な形式の有機物の改質に関係する多くの分野において、明白に実証されている。実施されたある調査では、市場品質の紙パルプの製造において改善されたろ水度と強度の特性を示した。次いでこれらの向上した特性は、製紙機をより急速に稼動させるので、エネルギー必要量を低減することによって製紙を改善し、同時に必要とされる精製工程の数を減らす。蒸気オートクレーブの内部で使用される温度域は、リグニンの融点に達するように選択され、これは、飽和蒸気条件に達した後に制御された多様な脱気または高速の圧力軽減と組み合わせたときに、パルプ回収用の好ましい向上を生み出す助けになる。

処理可能性の調査が蒸気オートクレーブ装置と工程から結果的に得られたバイオマスの向上した特性を立証した第２区域は、可溶化されたときに、腐敗しやすい有機物の改善された生分解性を必然的に伴う。これらの改善された特性は、可溶化された有機物の完全な消化（digester）が非常に短い時間で達成された高速度の嫌気性消化装置において実証された。

残留するセルロース微細片を分別して水洗するためにベルトプレス・デバイス６１に蒸気を通過させることによって、図１において６６で示すように、製紙工業で好ましい長い繊維を除去した後に、バイオマスの固体部分６４と流体部分６８は浄化器デバイス（clarifier device）６３に導かれる。浄化器デバイス６３は、固体部分６４と流体部分６８を移送する（decant）ことによってさらなる分離を可能にする。バイオマスの残りの固体部分６４を、本発明の一実施形態によるハイブリッド嫌気性消化装置１００に供給することができる。長い繊維の水洗の後に分離されて出たバイオマスの流体部分６８はプロセス水（process water）を含み、このプロセス水はここでは可溶化された有機物を含んでおり、これを、電気コジェネレーションに適するバイオガスを生成するために嫌気性蒸解用の高速嫌気性消化装置に利用可能にすることができる。バイオマスの固体部分６４は、主として製紙工業によるリサイクルには従わない短いセルロース繊維または微細片を含み、したがってハイブリッド嫌気性消化装置、特にバイオガス燃料、ならびに堆肥および土壌改良剤に適した残留スラッジの両方を生成する、本発明によるハイブリッド嫌気性消化装置に向けられる。

本発明のさらなる実施形態では、図３に示すように、残留スラッジを、ハイ・ソリッド・ポンプ１１３を使用して本発明によるハイブリッド嫌気性消化装置１００の出口１１２からポンプ輸送することができ、必要な場合にはプレス１１４における押圧動作にかけて、残留スラッジからあらゆる残りの流体をさらに分離することができる。次にプレス１１４からのプレス液１１５、１１５ａをポンプによってサンプまたはリザーバ３１に送るか、または代わりに好気性水処理のために経路指定することができる。サンプ３１に供給されたプレス液１１５を、オートクレーブ処理されたバイオマス２０、セルロース微細片６４、および望むならば、ハイブリッド嫌気性消化装置１００の中でさらに処理するためにハイブリッド嫌気性消化装置から再循環される流体の一部分１２５’と組み合わせることができる。この部分１２５’は、サンプ３１内の混合物に微生物を植え付ける働きをすることができ、これらの微生物はバイオマスの分解を助け、ならびに必要な量の流体を供給してオートクレーブ処理されたバイオマスをポンプ輸送できるように希釈する。次にサンプ３１からの希釈された混合物を、液体サイクロン５０におけるさらなる密度分離にかけることができ、次いで入口１０８を通じてハイブリッド嫌気性消化装置１００に再導入することができる。

製紙工業のためには短すぎる微細片として知られるセルロース繊維のある一定の部分は、図１に示すように分離されて個別の流れ６４に集められる。この流れをハイブリッド嫌気性消化装置に向けることができ、さらに好ましくは図３におけるサンプ３１へ導くなどの本発明によるハイブリッド嫌気性消化装置に供給することができる。ハイブリッド嫌気性消化装置の最終生成物はバイオガスを含み、このバイオガスを、燃料、および堆肥または土壌改良剤としての使用のために適した高品質残留材料のために使用することができる。

図２に示す本発明の好ましい実施形態によれば、ハイブリッド嫌気性消化装置は、ハイソリッド嫌気性消化装置と高速嫌気性消化装置の両方を組み合わせている。処理されたバイオマス２０を、希釈した後に入口１０８を通じてハイブリッド嫌気性消化装置１００に供給することができ、また望む場合には図３に示すように重力分離工程にかけて屑を除去する。製紙工業によって直接使用されるべき長いセルロース繊維から分離された微細片を含む処理されたバイオマス２０の固体部分６４を、特に、処理されたバイオマス２０と混合して望む場合には屑を除去するためにさらなる重力分離工程にかけた後に、入口１０８を通じてハイブリッド嫌気性消化装置１００に提供することもできる。

処理されたバイオマスおよび短いセルロース繊維または繊維微細片の組合せ流は、ポンプによって入口１０８を通じてハイブリッド嫌気性消化装置１００の中に送られ、この材料は約９８°Ｆ（約３７℃）から１２０°Ｆ（約４９℃）までの温度範囲で消化装置１００の中で処理され、この温度範囲は消化装置１００の様々なゾーンにおいて使用される特定の中等温度好性のおよび／または好熱性生物学的培養物に対応する。

図２に示すように、本発明の好ましい一実施形態によるハイブリッド嫌気性消化装置１００は、実質的に円筒状の外壁１０２を有する容器であって、容器の下部分において内側に細くなって円錐形の底部分１０４となり、底部分は容器の底から残留材料を除去するために開口部１１２を有する。中間壁１２０が径方向に内側に形成され、実質的に外壁１０２と同心であり、中間壁１２０と外側円筒壁１０２との間に環状液圧リザーバ１２４を画定する。内壁１３０が径方向に内側に形成され、実質的に中間壁１２０と同心であり、環状のバイオガスが付着成長する媒体ゾーン（attached growth media zone）１２２が内壁１３０と中間壁１２０との間に形成されている。

容器の内部は５つの主要ゾーンに区分されている。バイオガス・ヘッド空間１３５が、内壁１３０内に画定された少なくとも内部ゾーンまたはハイ・ソリッド・ゾーン１３４の上部分に画定されている。内壁１３０内に画定されたハイ・ソリッド・ゾーン１３４は、容器１００の頂部において入口１０８を通じてハイブリッド嫌気性消化装置の中に給送されるバイオマス材料を受け入れる。浸出ゾーン１３６がハイ・ソリッド・ゾーン１３４の下端部に形成されて、内壁１３０の孔あき部分１３２によってその外側周辺に画定されている。ハイ・ソリッド・ゾーン１３４からの液体は、孔あき部分１３２を通過して、内壁１３０と中間壁１２０との間に画定された付着成長媒体ゾーン（attached growth media zone）１２２に入る。ハイ・ソリッド・ゾーン１３４からの固体は、容器の直径にわたって置くことができるバーを通って落下し、これらのバーは、容器１００の下円錐部分１０４によって画定された円錐状圧密ゾーン（conical compaction zone）１３８に固体が移るときに破砕する助けになる。

中間壁１２０の頂端部（top edge）１２１はせき（weir）を画定し、このせきを越えて、付着成長媒体ゾーン１２２内からの液体が、容器１００の中間壁１２０と外壁１０２との間に画定された液圧リザーバ・ゾーン１２４に流入することができる。リサイクル管路１２５が液圧リザーバ１２４から出ており、液圧リザーバからの液体の一部分をハイ・ソリッド・ゾーン１３４の頂部に戻してリサイクルすることができる。リサイクル・ループ１２５は、容器１００内部に、廃棄材料を破壊する微生物の成長に重大な所望の温度を維持するときの助けにするために、図２および３に示す熱交換器１２７を含むことができる。

付着成長媒体ゾーン１２２に備えられた特定の付着成長媒体１２３の選択は、所望の処理特性を得るために容器の全容積のある割合として必要である付着成長媒体ゾーン１２２の容積に影響する。粗い岩石などの安価な媒体では、他のより高価な付着成長媒体の場合よりも小さな容積当り全表面積を提供するので、より高い付着成長媒体ゾーンを必要とすることになる。費用／利益の分析によって、より大きなタンク・サイズを必要とするより安価な成長媒体を使用すべきか、またはより小さなタンク・サイズの使用ができるより高価な成長媒体を使用すべきかを決定することができる。

ヘッド空間１３５、１３５ａが、ハイ・ソリッド・ゾーン１３４と付着成長媒体ゾーン１２２と液圧リザーバ１２４の上方に残っている。ヘッド空間１３５はヘッド空間１３５ａと隣接し、またはこれらの２つは分離されて、個別のバイオガス出口１１０を備えることができる。ハイ・ソリッド・ゾーン１３４における固体の嫌気性蒸解と付着成長媒体ゾーン１２２における流体の嫌気性蒸解によって生成されたバイオガスは、ヘッド空間１３５、１３５ａに集まり、燃料として使用するために出口１１０から除去される。バイオガスは一般的には二酸化炭素とメタンとの混合物であり、通常は６０％〜６５％のメタンを有し、残りは二酸化炭素である。

液圧リザーバ１２４から出されて、リサイクル管路１２５を通じて入口１０８を経てハイ・ソリッド・ゾーンに戻される液体は、流体内に含有される微生物の一部分を戻すことによって媒体を再植え付けする（re-innoculating）こと、および熱分布を提供することの２つの目的を果す。リサイクル管路１２５中に設けられた熱交換器１２７は、所望の範囲内で反応器内部の温度を維持する助けをする。

ハイ・ソリッド・ゾーン１３４からの固体は、孔あき部１３２を通じて付着成長媒体ゾーン１２２の中に浸出していないあらゆる流体と共に、破壊バー（breaker bar）を通じて落下し、反応器の下部円錐状部分１０４内の圧密ゾーン１３８に入る。圧密ゾーンは生物学的には活性ではなく、したがって、固体の沈殿を抑えようとするガス泡の形成はない。これは静止したゾーンであり、下部出口１１２からポンプで出される残留物はガラス、プラスチック、および未反応セルロース繊維を高濃度で含んでいる。下部出口１１２からポンプで出される残留物に、加圧を含む図３に示すなどのさらなる処理にかけることができ、固体部分はさらにスクリーンを通じてサイズ別に分離され、ガラス、プラスチック、およびその他の屑を除去し、次いで燃料または特に土壌改良形成するために堆肥として直接使用される。

本発明の好ましい一実施形態では、ハイ・ソリッド・ゾーン１３４内の固体は、バイオマスが頂部入口１０８に加えられるときから、残留材料が下部出口１１２からポンプで出されるときまで、約１５日のサイクル時間を有する。入口１０８を通じて反応容器１００に加えられたバイオマスの約５０％は、ハイブリッド嫌気性ゾーン１３４の中で微生物によって消化され、メタンと二酸化炭素を含むバイオガスに変換され、残りの５０％は出口１１２から抽出される部分であり、固体燃料として使用されるか、またはスクリーンにかけられ、さらに処理され、および／または追加期間だけ堆肥にされる。

可溶化された有機物を含む流体は、浸出ゾーン１３６から付着成長媒体ゾーン１２２の中に送られる。流体はハイブリッド嫌気性消化装置１００から分離されているので、流体と固体の処理もまた互いに独立させることができる。この構成は慣用のハイ・ソリッド消化装置に勝る重要な利点をもたらし、ハイ・ソリッド消化装置に加えられたバイオマスの流体部分は、固有に固体の処理と結ばれている。本発明の一実施形態による組み合わせたシステムの利点の１つは、流体部分における可溶化された有機物のバイオガスへの変換が、ハイ・ソリッド・ゾーン１３４内の固体有機物の変換よりもはるかに効率的であることである。実際に、流体部分内の可溶化された有機物のほぼ１００％が消化されるが、固体部分はその５０％だけが消化される。

図２に示すようなハイブリッド嫌気性消化装置の構成における別の利点は、液圧リザーバ１２４からの流体の一部分をリサイクルしてハイ・ソリッド・ゾーン１３４に戻し、ハイ・ソリッド・ゾーン内におけるバイオマスの再植え付け、ならびに容器内に維持される温度の制御のための手段を提供できることである。付着成長媒体ゾーン１２２に含まれる付着成長媒体、ならびに液圧リザーバ・ゾーン１２４内の流体は、容器１００を実質的に自己遮断させる。さらにまた、リサイクル管路１２５によって、容器に戻される流体の部分に熱を加えることができる。

図２および４Ａ〜４Ｆに示すような個別のハイ・ソリッド・ゾーンおよび液圧または流体ゾーンを有するハイブリッド嫌気性消化装置の配置におけるもう１つの重要な利点は、流体が容器の中に保持される時間量を、固体が容器の中に保持される時間量とは関係なく制御できることである。入口１０８を通って容器に加えられるバイオマスの流体部分は、ハイ・ソリッド・ゾーン１３４から浸出され、浸出ゾーン１３６から内壁１３０の孔あき部分１３２を経て付着成長媒体ゾーン１２２の中に移る。

付着成長媒体ゾーン１２２の中で、可溶化された有機物を含む流体は、ハイ・ソリッド・ゾーン１３４からの固体が圧密ゾーン１３８の中に沈殿して容器１００の出口１１２から除去されるにつれて、媒体に付加された微生物によって消化され続ける。この結果、固体は容器の中で処理され、消化され、１５日サイクルなどの比較的短い期間内に容器から除去されるが、流体は付着成長媒体ゾーン１２２と液圧リザーバ１２４からハイ・ソリッド・ゾーン１３４へ再循環され続けて戻される。通常は固体保持時間（ＳＲＴ）と呼ばれる固体が容器内に保持される時間量の、通常は液圧保持時間（ＨＲＴ）と呼ばれる流体が容器内に保持される時間量からの分離は、少なくとも下記の理由からはるかに大きな工程の柔軟性（flexibility）をもたらす。

容器１００の中に導入されたバイオマスの中に植え付けられた微生物は、一般には、廃棄材料の処理において様々な機能を実施する様々な有機物の分類を含む混合培養媒体である。一例として、これらの微生物によるセルロース材料の処理中に、セルロースをまず、酸形成体と呼ばれる一群の有機物によって加水分解しなければならない。酸形成微生物（acid forming organism）はセルロース内の炭水化物を分解し、これを長鎖揮発性脂肪酸に変換する。水素還元微生物（hydrogen reducing organism）である他の群の微生物が揮発性脂肪酸に作用して、水素分子を剥ぎ取り、揮発性脂肪酸を酢酸に還元する。最後に、すべての微生物の中で成長が最も遅いメタン形成体（methan forming organism）として知られる微生物の群は、酢酸を二酸化炭素、メタン、および水に変換する。

メタンを形成する微生物（organism）はすべての微生物の中で最も成長が遅いので、バイオマス内の流体が、１５日だけのサイクル時間またはこれより短い期間に固体と共に除去された場合には、メタンを形成する微生物は、再生の機会を有する前に容器から洗い流される。本発明の一実施形態によるハイブリッド嫌気性蒸解容器１００は、１２〜１５日サイクル時間などの比較的低いＳＲＴを可能にするが、付着成長ゾーンにおいて緩やかに成長するメタン生成微生物をなおも保持する。次に、付着成長媒体ゾーン１２２は、これはメタンを生成する微生物を消化工程中にバイオガスの有効な生成を可能にするために十分な時間だけ保持するので、有機コンデンサのような作用をする。

本発明の一実施形態によるハイブリッド嫌気性蒸解容器の一例を図４Ａ〜４Ｆに示すが、ここでは容器の実施形態の概略寸法と、容器内の各ゾーンの各々に割り当てられた容器の全容量の比率が図示されている。これらの寸法は決して限定しようとするものではなく、本発明による利点をもたらすハイブリッド反応容器の一実施形態を単に例示するものであることは、当業者には理解されよう。

図４Ａ〜４Ｆに示す例では、ハイブリッド嫌気性蒸解容器は、約６５フィート（約２０ｍ）の直径と７０フィート（約２１ｍ）の高さとを有し、高さのうち下部の円錐状部分は約２５フィート（約７．４ｍ）であり、上部の円筒状部分は約４５フィート（１３．６ｍ）の高さを有する。反応器の全容量は約１８８，０３４立方フィート（約５３２５ｍ^３）である。全液圧または流体の容積（容器に加えられたバイオマスは約５０％固体および５０％流体であるからハイ・ソリッド・ゾーンの容積、付着成長媒体ゾーンの容積、および円筒状ハイ・ソリッド・ゾーンの下方における円錐状圧密ゾーンの容積を含む）は全反応器容積の約７４％、すなわち１３８，６１７立方フィート（３９２３ｍ^３）である。本発明の一実施形態によるハイブリッド嫌気性消化装置のこの特定の例については、図４Ｂに示すように直径は約５０フィート（約１５．２ｍ）であり高さは約４５フィート（１３．７ｍ）である。

付着成長媒体ゾーン１２２は、選択される成長媒体１２３の特定の形式に応じて容積が変化する。容積比に対して大きな表面積を有する高度に専門化された成長媒体は、付着成長媒体ゾーン１２２の容積がハイ・ソリッド・ゾーン１３４の容積の約４０％であることを必要とするだけである。粗い岩石などの低コストの媒体は、ハイ・ソリッド・ゾーンの容積の約６０％である付着成長媒体ゾーンの容積を必要とする場合がある。高度に専門化された媒体を含む付着成長媒体ゾーンは、ハイ・ソリッド・ゾーンの容積の約４２％である容積を達成するために、約５０フィート（約１５．２ｍ）の内径と約６０フィート（約１８．３ｍ）の外径を有する。

図４Ｄに示す事例における圧密ゾーン１３８は、容器の下部円錐状部分１０４において約２０フィート（６．１ｍ）の深さを有し、この最大直径は約５０フィート（約１５．２ｍ）である。

図４Ｅに示すように、ハイ・ソリッド・ゾーン１３４の底部における浸出ゾーン１３６は、内壁１３０の透過性区分１３２すなわちスクリーンを含み、この開口部は、ろ過ゾーンの全周囲区域の約６０％を構成する。

外側液圧リザーバ・ゾーン１２４は，中間壁１２０と外側容器壁１２０との間に画定され、図４Ａ〜４Ｆに示す例によって表されるサイズの容器については、一般的に３０，０００〜４０，０００ガロン（１１３，０００〜１５１，０００リットル）の容量を備えることができる。流体は、内壁１３０の内側におけるハイ・ソリッド・ゾーン１３４の中に発達した液圧ヘッドの関数として、中間壁１２０の頂端部によって形成されたせき１２１を越えて移送する。液圧リザーバ１２４に集められた流体の一部分は、管路１２５を通じてリサイクルされて、入口１０８を通じてハイ・ソリッド・ゾーン１３４の頂部に再導入されることが可能である。容器内の温度を、含まれる微生物の成長に最適の特定範囲に維持しようとする場合には、（図２および３における１２７などの）熱交換器をリサイクル管路１２５に備えることもできる。図３に示す実施形態の本質的に閉じたループでは、リサイクル管路１２５を通じてリサイクルされる流体の一部分１２５’を、プレス液１１５、処理されたバイオマス２０、およびセルロース繊維微細片６４と組み合わせて、ハイブリッド消化装置１００の中に再導入する前に、液体サイクロン５０におけるさらなる密度分離のための正しい流体割合を有する混合物を得ることができる。付着成長媒体１２２は、十分な量の流体を除去して液体サイクロン５０の動作のために必要な希釈が、ハイブリッド消化装置１００の中における流体の効率的な処理とバイオガスの変換を阻害することなく可能であるように、メタン生成微生物を保持する。

本発明の原理、好ましい実施形態、および動作様式を上記の明細書に説明した。しかしながら、保護しようとする本発明は、開示された特定の実施形態または実施例に限定されるものと解釈すべきではない。さらにまた、本明細書に説明した実施形態または実施例を限定的ではなくて例示的なものであるとすべきである。本発明の精神から逸脱することなく、使用されるその他の形態および均等物によって変更と変化を行うことができる。したがって、特許請求の範囲に定められるようにすべてのこのような変更、変化、および均等物もすべて本発明の範囲と精神の中に含まれることが、明白に意図されている。

Claims (14)

1. 廃棄材料を処理する方法であって、
   装置の中で廃棄材料を、前記装置内での蒸気が飽和状態に達するような高温、高圧および機械的せん断作用にさらして、次に、前記装置内の蒸気を急速に抜いて前記装置内の圧力を前記高圧から負圧に急速に低下して沸点以上の状態にし、前記廃棄材料からエンタルピーを放出させることにより、慣用のリサイクル可能な粉砕木材パルプよりも高いろ水度（freeness）すなわち急速に排水するより大きな能力と、同じエネルギー消費量で廃棄材料の慣用のハイドロパルプ化によって達成されるものより微細な粒子サイズと、無菌性と、バイオマス中の有機材料の大部分が可溶化されることと、同様な処理にさらされなかったセルロース繊維と比較してセルロース繊維の向上した生物分解性とからなる特性群から選択される少なくとも１つの特性を有するバイオマスを生成する工程と、
   前記バイオマスを重力分離工程にさらして、前記バイオマスの構成部分を密度により分離する工程と、
   前記バイオマスをプロセス水で希釈する工程と、結果として得られる前記希釈した混合物をパルプ化または混合作用にさらす工程と、
   前記希釈された混合物を濃縮する工程と、
   前記濃縮された混合物を嫌気性消化装置に加える工程と、
   前記嫌気性消化装置中で流体を固体から分離する工程と、
   メタン生成微生物の生物学的作用によるＣＯ_２およびメタンを含むバイオガスと、固体燃料および／または堆肥として適した残留材料とを生成する工程と、を含み、
   前記嫌気性消化装置は、
   外壁を有する容器と、
   前記外壁から内側に一定間隔で配置された中間壁と、前記中間壁と前記外壁との間に画定された液圧リザーバと、
   前記中間壁から内側に一定間隔で配置された内壁と、前記内壁と前記中間壁との間に画定された付着成長媒体ゾーンと、
   前記内壁中に画定された内側ゾーンと前記付着成長媒体ゾーンとの間を流体連絡させるために透過性のある前記内壁の下部分と、を含み、
   前記流体が、前記嫌気性消化装置の中央ゾーン内に収容された固体から浸出され、前記中央ゾーンをとり囲んでいる付着成長媒体ゾーンに入り、前記メタン生成微生物は、前記付着成長媒体ゾーン内に含まれる媒体に付着したままであることを特徴とする方法。
2. 前記バイオマスが４％の固体含有量に希釈されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記希釈された混合物が１３０°Ｆ（５４℃）で３０分間維持されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記濃縮する工程では、前記希釈された混合物を５０％の固体と５０％の流体の稠度に濃縮することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記付着成長媒体ゾーン内の流体が、前記付着成長媒体ゾーンの外周辺を画定する中間壁の頂端部によって形成されたせきを越えて移送され、前記嫌気性消化装置の中間壁と外壁との間に画定された液圧リザーバの中に入ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記重力分離工程中に分離された前記バイオマスの一部分を、前記バイオマスの固体部分と前記バイオマスの流体部分とを生物学的に処理するために個別のゾーンを有する前記嫌気性消化装置に加える工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記バイオマスの流体部分が、前記嫌気性消化装置の中央ゾーン内に収容された前記バイオマスの固体部分から浸出され、前記流体部分が前記中央ゾーンを囲む付着成長媒体ゾーンに入り、前記メタン生成微生物は前記付着成長媒体ゾーン内に含まれる媒体に付着したままであることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記付着成長媒体ゾーン内の流体が、前記付着成長媒体ゾーンの外周辺を画定する中間壁の頂端部によって形成されたせきを越えて移送され、前記嫌気性消化装置の中間壁と外壁との間に画定された液圧リザーバの中に入ることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記液圧リザーバからの流体が前記装置からバイオマスに加えられ、前記混合物は、前記嫌気性消化装置に加えられる前に前記重力分離工程にさらされることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. バーが前記内側ゾーンの下部分を横切って配置され、前記バーは前記内側ゾーンから前記バーを通って落ちる材料を破壊するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記容器がその下端部において先細になり、前記内側ゾーンの下方で円錐状圧密ゾーンを形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 出口が前記外壁を通って前記液圧リザーバと流体連絡して設けられており、リサイクル管路を通じて前記内側ゾーンの頂部に連結していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 温度が前記リサイクル管路の中で制御され、前記容器内の温度を所望の範囲内に維持することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記容器内で生成されたガスを集めるためのヘッド空間が、少なくとも前記内側ゾーン上の前記容器の頂部に画定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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