JP5523168B2 - 固形バイオマスの処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、固形バイオマスを含む廃棄物を、効率的且つ簡便に処理するための方法に関する。
従来、有機性廃棄物の処理方法として、廃棄物を可溶化し、その後、可溶化物をメタン発酵させる手法が知られている(例えば、特許文献1参照)。このような処理方法は、廃棄物からのエネルギー(メタンガス)の回収および廃棄物量の軽減が可能となるため、地球環境保全の重要性や省エネルギーの観点から今日注目されている技術である。
しかしながら、有機性廃棄物の中でも固形バイオマス、特にバガス等のセルロース系廃棄物は、これまでに知られているような通常の可溶化・メタン発酵方法では分解が難しい。
このようなセルロース系廃棄物を分解する方法として、セルロース系廃棄物を粉砕してからメタン発酵する方法(例えば、特許文献2)やアルカリ可溶化法等があるが(例えば、特許文献3)、これらの方法は粉砕するための装置が必要であったり、あるいは、アルカリを常に添加する必要があったりするため、いずれもコストや経済上の問題がある。
したがって、低コストでかつ効率よく固形物含有バイオマスを処理できる方法が望まれており、特にアルカリ可溶化法は固形物を多く含むバイオマスの処理に有用であるため、そのコスト面および効率面の改善が強く期待されているのが実情である。
特開2008−229550号公報 特開2004−82040号公報 特開2006−43649号公報
本発明は、固形バイオマスを含む廃棄物を、低コストで、効率的かつ簡便に処理することができる処理方法を提供することを目的とする。
本発明者は、上記課題を解決すべく、鋭意検討を行ったところ、アルカリ性条件下で固形バイオマスを含む廃棄物を可溶化し、得られた可溶化処理物を二酸化炭素によって中和することにより、効率よく低コストで固形バイオマスを含む廃棄物を処理できることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて更に検討を重ねることによって完成したものである。
即ち、本発明は、下記に掲げる処理方法である:
項1.固形バイオマスを含む廃棄物を処理する方法であって、
前記廃棄物をアルカリ性条件下で可溶化する可溶化工程、
前記可溶化工程により得られた可溶化処理物を、二酸化炭素を加えることにより中和する中和工程、および
前記中和工程で得られた処理物をメタン発酵するメタン発酵工程
を含む処理方法。
項2.さらに、メタン発酵工程の前に、前記中和工程によって得られた処理物を固液分離する固液分離工程を含み、
前記メタン発酵工程が、前記固液分離工程で固液分離した後の液体画分を上向流嫌気性汚泥床法により処理する工程である、項1に記載の処理方法。
項3.さらに、前記メタン発酵工程で上向流嫌気性汚泥床法処理によって得られた排水を空気曝気して二酸化炭素を除去し、アルカリ性溶液を得るアルカリ再生工程を含み、
前記アルカリ再生工程により得られたアルカリ性溶液を前記可溶化工程に利用し、除去した二酸化炭素を前記中和工程に利用する、
項2に記載の処理方法。
項4.さらに、固液分離した後の固体画分をメタン発酵処理に供する、項2または3に記載の処理方法。
項5.固形バイオマスを含む廃棄物がセルロース系廃棄物である、項1〜4のいずれかに記載の処理方法。
項6.可溶化工程における可溶化処理が、pH9〜11および温度60℃以上の条件下で加熱する処理である、項1〜5のいずれかに記載の処理方法。
本発明の処理方法によれば、固形バイオマスを含む廃棄物を処理する際の従来の問題点を解決し、特に処理が困難であったセルロース系廃棄物でも、低コストで効率よく処理することが可能である。
また本発明の処理方法においては、二酸化炭素を加えて中和してメタン発酵を行い、さらに、その後二酸化炭素を回収する工程を備えることにより、アルカリ可溶化のためのアルカリとして、固液分離した液体画分から再生したアルカリが利用できる点も、処理効率の向上およびコストの抑制につながり、非常に有用である。
さらに、アルカリ可溶化の効率を上げるために高濃度のアルカリを用いると、アルカリ可溶化後の中和において、通常は高濃度の酸が必要となり、その分塩濃度も高くなるという問題がある。塩濃度が高くなるとメタン発酵効率が低下し、更には発酵残渣の塩濃度が上がり、堆肥としての利用が困難となる。本発明の処理方法では、二酸化炭素を用いて中和しているため、そのような問題が生じることもない。よって、アルカリ可溶化に高濃度のアルカリを用いることも可能となり、より処理の効率を上げることができる。
本発明は、固形バイオマスを含む廃棄物を処理する方法であって、前記廃棄物をアルカリ性条件下で可溶化する可溶化工程、前記可溶化工程により得られた可溶化処理物を、二酸化炭素を加えることにより中和する中和工程、および前記中和工程で得られた処理物をメタン発酵するメタン発酵工程を含むことを特徴とする。
好ましくは、本発明の処理方法は、さらに、メタン発酵工程の前に、前記中和工程によって得られた処理物を固液分離する固液分離工程を含み、前記メタン発酵工程が、前記固液分離工程で固液分離した後の液体画分を上向流嫌気性汚泥床法により処理する工程であることを特徴とする。
固形バイオマスを含む廃棄物
本発明において処理に供される廃棄物とは固形バイオマスを含むものであれば特に制限されないが、例えば、動物又は植物由来のものが挙げられる。具体的な例としては、木質系バイオマス、セルロース系廃棄物、厨芥、生ゴミ、生ゴミの乾燥物、食品工場廃棄物、家畜糞尿・下水汚泥・し尿汚泥等のバイオマス、畜産廃棄物(家畜のし尿と、わら、おがくず等との混合物)等、固形バイオマスを多く含む廃棄物である。なかでも本発明の処理方法は、特に、バガス、キャッサバ、トウモロコシ等の作物から食糧、飼料、もしくはバイオ燃料として炭水化物を利用した後のセルロース系廃棄物を含むバイオマスを処理する場合に有効である。
なお、本発明の方法で処理される廃棄物には、固形バイオマス以外に、可溶性の有機物や水分が含まれていてもよいが、本発明の処理方法は、特に固形バイオマスを含む廃棄物に対して効率的な処理を行うことができるので、これら廃棄物中の固形物の割合は、30〜90重量%程度であることが好ましい。
以下、本発明の処理方法について、工程毎に詳説する。
可溶化工程
本発明の処理方法では、まず、本発明のバイオマスをアルカリ性条件下で可溶化する工程に供する。アルカリ性条件下で可溶化する方法については、廃棄物処理において通常用いられている処理条件を採用すればよいが、その具体的条件の一例としては、例えば、pH9〜11、好ましくは10〜10.5のアルカリ性条件下で、60℃以上、好ましくは70〜95℃程度、更に好ましくは70〜80℃程度の温度条件下にて、1日程度以下、例えば、0.5〜2時間程度、より好ましくは1時間程度処理する方法が挙げられる。
本工程にて用いられるアルカリは、固形バイオマスを可溶化できるものであれば特に限定はされないが、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、消石灰、アンモニア等を用いることができる。また、コスト低減の観点から、本工程で用いられるアルカリは、後述するアルカリ再生工程にて回収したアルカリを用いることが好ましい。
本工程における可溶化処理は、回分式(可溶化処理槽内へ廃棄物を1回投入して、可溶化処理を完了させる方式)、連続式(可溶化処理槽内へ廃棄物を供給しつつ、可溶化処理槽内の可溶化処理物を抜き出す方式)、流加式(可溶化処理槽内の可溶化処理物を抜き出さずに、可溶化処理槽内へ廃棄物を逐次投入する方式)、及び半連続式(可溶化処理槽内の可溶化処理物を所定時間毎に抜き出して、新たに可溶化処理槽内へ廃棄物を投入する方式)のいずれであってもよい。なお、連続式、流加式又は半連続式の場合、上記処理時間は、可溶化処理槽内に投入された廃棄物の平均滞留時間を指す。
本工程により、固形バイオマスがメタン発酵可能な状態に分解されて可溶化されるので、後述のメタン発酵を効率よく行うことができる。本工程でいう「分解」とは、固形バイオマスの全てが可溶化している程度に低分子化されていることに限らず、可溶化処理前の廃棄物に含まれる固形バイオマス100重量%当たり、好ましくは5重量%以上程度、より好ましくは、10重量%以上程度の固形バイオマスが水に溶ける程度まで低分子化されることを意味する。
中和工程
次いで、前記可溶化工程により得られた可溶化処理物を、二酸化炭素を加えることによって中和する(中和工程)。具体的には、可溶化処理物をバイオガスまたはガスエンジンの排ガスなど二酸化炭素濃度の高いガスで曝気することによって中和する。本工程において曝気に用いられるガスの二酸化炭素濃度は、通常、5〜100容量%、好ましくは40〜60容量%程度である。本中和工程により、以下のメタン発酵などの工程を安定に行うことができ、また、後述するようにアルカリを再生して前記可溶化処理に再利用することが可能となる。
なお、本工程で用いられる二酸化炭素としては、後述するアルカリ再生工程で回収した二酸化炭素を用いることができるので、2回目以降の中和処理のために新たに必要な二酸化炭素量は大幅に軽減され得る。
さらに、通常、高濃度アルカリを用いて可溶化を行うと、処理物の塩濃度が高くなるという問題があるが、本発明ではこの中和工程によってそれが起きないため、前記可溶化工程において高濃度アルカリを用いることが可能となり、より効率よく可溶化を行うことができるという利点もある。
本中和工程において、二酸化炭素としてメタン発酵によって生成したバイオガスを用いれば、バイオガス中の二酸化炭素が利用されることにより、メタン濃度の高いバイオガスを得ることができ、都市ガス代替として利用する際に好都合である。本中和工程において、メタン発酵によって生成したバイオガス精製(二酸化炭素除去)機能を期待する場合には、バイオガス中の二酸化炭素濃度が十分に低下するまで、ガスを循環利用すればよい。
メタン発酵工程
次いで、前記中和工程で得られた処理物をメタン発酵に供する(メタン発酵工程)。本工程のメタン発酵処理によって、上記中和工程で得られた処理物中の有機物の内、メタン発酵菌により利用可能な有機物が、メタンと二酸化炭素に分解される。なお、本工程におけるメタン発酵は、従来公知のメタン発酵菌及びメタン発酵槽を用いて嫌気性雰囲気で行うことができる。
また、本工程に先立って、前記中和工程で得られた処理物を固液分離に供してもよい。固液分離方法としては、廃棄物の固液分離に従来使用されている方法を使用でき、例えばスクリーン分離、沈殿分離、膜分離、遠心分離等が挙げられる。固液分離された液体画分および固体画分は、いずれか一方、あるいは好ましくは両方をメタン発酵工程に処すればよい。なお、ここでいう固体画分は、上記固液分離方法により固形分が回収された状態であればよく、必ずしも水分が完全に除去されておらず液状を呈するものであってもよい。
前記中和工程で得られた処理物をそのまま、または固液分離された固体画分をメタン発酵に供する場合、メタン発酵は、湿式または乾式のいずれで行ってもよく、また、浮遊床方式または固定床方式のいずれであってもよい。湿式または乾式によるメタン発酵の温度条件は、用いるメタン発酵菌の種類に応じて広い温度範囲から適宜設定することができ、特に限定されるものではないが、一般には20〜60℃程度であればよく、例えば、35℃程度のいわゆる中温でも、55℃程度のいわゆる高温でもよい。湿式または乾式によるメタン発酵の処理時間としては、処理対象物の量、使用するメタン発酵菌の種類、発酵温度、発酵形態等によって異なり、一律に規定することはできないが、通常10〜30日、好ましくは10〜20日を挙げることができる。湿式または乾式によるメタン発酵で得られたメタン発酵処理物は、そのまま、或いは固液分離をした後の液体分を、活性汚泥処理などの水処理に供してもよい。また、湿式または乾式によるメタン発酵で得られたメタン発酵処理物を固液分離した固形画分(汚泥)は、一部又は全部を、メタン発酵に再度供することもできる。この操作により、固形分が更に徹底的に分解されるので、廃棄固形分量が更に低減でき、メタンガス発生量も増大するというメリットが得られると共に、メタン細菌が系内に返送されるので、メタン発酵の安定度が向上するというメリットも得られる。但し、返送比を大とすると、メタン発酵槽内の固形分濃度が上昇するため、メタン発酵槽内の攪拌やポンプ輸送の面では不利となる面もあるので、これらを総合的に判断した上で、返送量を決めるとよい。
また、前記中和工程で得られた処理物から固液分離された液体画分をメタン発酵に供する場合、メタン発酵の方式については特に制限されず、例えば、上向流式嫌気性汚泥床法(UASB)、嫌気性流動床法(AFBR)、上向流式嫌気性濾床法(UAFP)、下向流式嫌気性嫌気性濾床法(AFFP)等の液体画分のメタン発酵処理に適用される方式のいずれであってもよいが、好ましくは上向流嫌気性汚泥床法が挙げられる。液体画分のメタン発酵処理における温度条件については、使用するメタン発酵菌の種類に応じて広い温度範囲から適宜設定することができ、特に限定されるものではないが、一般には20〜60℃程度であればよく、例えば、30〜35℃程度のいわゆる中温でも、50〜55℃程度のいわゆる高温でもよい。また、液体画分のメタン発酵処理における処理時間についても、処理対象物の量、使用するメタン発酵菌の種類、発酵温度、発酵形態等によって異なり、一律に規定することはできないが、滞留時間が通常1〜24時間、好ましくは4〜8時間となる範囲が例示される。このようにしてメタン発酵処理された後に排出される排水は、活性汚泥処理などの水処理に供してもよいが、アルカリの回収・再利用の観点から、後述のアルカリ再生工程に供することが望ましい。
本工程で実施されるメタン発酵処理において、嫌気性雰囲気の調製・維持は、二酸化炭素、窒素、アルゴン、水素、天然ガス、メタン、都市ガス等を用いて行うことができる。また、必要に応じて、硫化ナトリウムなどの酸素除去剤を使用してもよい。
本工程で発生するメタンガスをバイオガスとして回収することにより、発電して排熱エネルギーとして利用できる。
また、前述するように、本発明の処理方法において、前記中和工程で得られた処理物から固液分離された液体画分をメタン発酵に供した場合、メタン発酵後の排水は以下のアルカリ再生工程に供することが望ましい。
アルカリ再生工程
次に、前記液体画分のメタン発酵処理によって得られる排水を空気曝気すれば、排水中の二酸化炭素が除去され、その結果、アルカリ性溶液を得ることができる(アルカリ再生工程)。
具体的には、前記液体画分のメタン発酵処理によって得られる排水を90℃〜100℃程度に加温し、さらに必要に応じて空気を吹き込むことで、排水中の二酸化炭素を除去でき、該排水をアルカリ性溶液に変換することができる。この際、蒸気等により前記排水の温度を95℃程度に設定すれば30分程度の短時間でpH10程度のアルカリ溶液を得ることができる。また、加温した排水中への空気の吹き込み量や吹き込み回数を増加させることにより、pHを10.5程度のアルカリ性溶液を得ることも可能である。
なお、本工程において回収されたアルカリ性溶液は、前述する可溶化工程において使用できるが、前述する可溶化工程において添加されるアルカリを上記アルカリ性溶液で十分に補えない場合には、別途、他のアルカリを添加してもよい。
本工程によって除去された二酸化炭素は、回収して前記中和工程の中和処理に利用することもできる。
このように、本発明の処理方法によれば、アルカリ・二酸化炭素共に再生利用が可能であり、コストの面でも効率の面でも有意に改善される。
以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。
実施例1
サトウキビの葉および皮を、破砕機(チッパー)で10mm程度まで粉砕して、固形バイオマスサンプルを得た。なお、本サンプルの固形物の割合は、約30%程度であった。当該固形バイオマスサンプルを使用して、下記工程を連続的に実施することにより処理に供した。
1.アルカリ可溶化
1日当たり1kgの固形バイオマスサンプル(前記)を約41g/hrの速度で、アルカリ可溶化槽(pH10.5、容積0.88L、処理温度80℃)に投入し、滞留時間1時間となるように、アルカリ可溶化槽内の可溶化処理物を抜き取ることによって可溶化処理に供した。アルカリ可溶化槽には水20Lに加え、アルカリ性条件を維持するために1日当たり20gの水酸化ナトリウムを連続的に適宜投与した。なお、運転開始後は後述のアルカリ再生によって回収した発酵廃液をアルカリ源として用いたため、アルカリの添加必要量は、メタン発酵槽側へ持ち出される分のみであり1/10程度に削減できた。
2.中和
可溶化槽から抜き取られた可溶化処理物880g/hrの速度で中和槽(pH8、0.88L、処理温度30℃、通気量20L/hr)へ連続的に搬送し、二酸化炭素濃度60容量%のガスを中和槽へ1日当たり204Lを連続的に通気させることにより、中和槽内の可溶化処理物を二酸化炭素で中和してpHを常に8程度とした。中和槽内の可溶化処理物は、滞留時間1時間となるように、中和槽内の可溶化処理物を抜き取った。
3.固液分離
上記中和後の可溶化処理物をフィルタープレスで固液分離を行うことにより、固体画分3.48kg/日、液体画分17.5kg/日が得られた。
4.メタン発酵
次に、上記で得られた固体画分を、70Lの容積をもつ高温メタン発酵槽(メタン発酵汚泥66.5kgが含まれる)に1日当たり3.5kg投入して、メタン発酵を行うことにより、1日当たり150Lのメタンガスを得、1日当たり3.2kgのメタン発酵処理物を抜き取った。
また、上記で得られた液体画分を、槽体積4.38LのUASB(上向流式嫌気性汚泥床法)装置(30℃)に1日当たり17.5kg投入して、上向流嫌気性汚泥床法によるメタン発酵処理を行った。その結果、1日当たり6Lのメタンガス及び20Lの排水を得た。
5.アルカリ再生
5Lの容積のアルカリ再生槽にUASB処理後の排水を0.8L/hrの速度で送入し、アルカリ再生槽内の温度を95℃に保った上で5L/分の割合で空気を6時間吹き込み二酸化炭素の除去を行った。その結果、pH10.5のアルカリ性溶液を1日当たり20L回収することができた。回収したアルカリ性溶液は、上記アルカリ可溶化処理に再利用した。
比較例1
実施例1と同じ固形バイオマスサンプルを、70Lの容積をもつ高温メタン発酵槽(メタン発酵汚泥66.5kgが含まれる)に1日当たり3.5kg投入して、メタン発酵を行うことにより、1日当たり50Lのメタンガスを得、1日当たり3.3kgのメタン発酵処理物を抜き取った。

Claims (5)

  1. 固形バイオマスを含む廃棄物を処理する方法であって、
    前記廃棄物をアルカリ性条件下で可溶化する可溶化工程、
    前記可溶化工程により得られた可溶化処理物を、二酸化炭素を加えることにより中和する中和工程、
    前記中和工程によって得られた処理物を固液分離する固液分離工程、
    前記固液分離工程で固液分離した後の液体画分をメタン発酵するメタン発酵工程、および
    前記メタン発酵工程で得られた排水を空気曝気して二酸化炭素を除去し、アルカリ性溶液を得るアルカリ再生工程
    を含み、
    前記アルカリ再生工程により得られたアルカリ性溶液を前記可溶化工程に利用し、除去した二酸化炭素を前記中和工程に利用する、
    処理方法。
  2. 前記メタン発酵工程におけるメタン発酵の方式が上向流嫌気性汚泥床法である、請求項1に記載の処理方法。
  3. さらに、固液分離した後の固体画分をメタン発酵処理に供する、請求項またはに記載の処理方法。
  4. 固形バイオマスを含む廃棄物がセルロース系廃棄物である、請求項1〜のいずれかに記載の処理方法。
  5. 可溶化工程における可溶化処理が、pH9〜11および温度60℃以上の条件下で加熱する処理である、請求項1〜のいずれかに記載の処理方法。
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