JP5686675B2 - バイオマスのメタン発酵装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のバイオマス処理するメタン発酵装置に関するものである。

下水汚泥（初沈汚泥、余剰汚泥）、工場排水処理汚泥、し尿、浄化槽汚泥、食品廃棄物（生ごみ、おからなど）、家畜糞尿などのバイオマスが、消化タンクに投入され嫌気性消化されることにより減容化、衛生化され、その有機物が最終的にメタンや二酸化炭素を主成分とする消化ガスに転換されることが知られている。

この場合、固形物が微生物作用を受けやすい形態に変化する加水分解速度と、メタン生成菌（加水分解物の酸発酵で生成した有機酸をメタンに変換する）の増殖速度が消化工程の律速段階（化学反応などの動的過程がいくつかの過程により構成されているとき、これらの中で全過程の進行速度に最も大きい影響を持つ過程）と考えられている。

中温消化（３５〜３８℃）の場合、加水分解速度が比較的遅い下水汚泥では、消化率５０％（消化タンクに投入された有機物の５０％が消化ガスに変換された状態）を得るために消化日数（投入汚泥の空間滞在時間）２０〜３０日、 加水分解速度が比較的速い食品廃棄物の場合は５〜１０日が要求されることが知られている。

しかるに、処理する消化タンクは所定の容積を有するため、前記の要求消化日数を満たし、かつ、処理量を増大させるためには、投入スラリーの固形物濃度を向上させる（固形物を濃縮する）手法が有効である。

バイオマスを安定して処理するために、消化汚泥の固形物濃度を監視し投入スラリー中の水分量を制御する手法（特許文献１：特開２００６−１５０２５３）、乾式メタン発酵を指向して、固形物濃度１５％以上の固形状の有機性廃棄物と固形物濃度１５％以下の消化汚泥を混合して消化タンクへ投入する手法（特許文献２：特開２００７−９８２２８）などが知られている。

しかしながら、特許文献１（特開２００６−１５０２５３）記載の生ごみに水を加えてから消化タンクに投入する手法では、消化タンク投入前に混合槽において生ごみと水、および消化汚泥のｐＨを制御するためのアルカリを混合してスラリーを製造する必要がある。また、易分解性有機物の割合が高い生ごみを投入する場合は、消化汚泥中の固形物濃度を維持するために大量の生ごみを投入する必要がある。そのため、混合槽内において供給可能な流動性を有するスラリーを大量に製造しなければならず、混合槽や前段に必要な生ごみ貯留設備の必要容積が大きくなってしまう問題があった。

ところで汚泥等有機物の高濃度スラリーは、固形物濃度が４〜６％程度（ただし、性状に依存する）の領域を超えると流動性が失われることが知られている。また、消化工程においてはメタン生成菌等との接触頻度が処理能力を左右するため、消化タンク内の消化汚泥についても流動性が得られる程度の固形物濃度であることが望ましい。

従来より下水処理設備では、初沈汚泥を重力濃縮、余剰汚泥を機械濃縮（遠心分離やベルト濃縮など）し、濃縮汚泥を得た後、消化タンクへ投入するケースが多いが、従来技術では固形物濃度が４〜６％程度を超えると濃縮汚泥が流動性を失い消化タンクへ投入することが困難であった。消化タンクの必要な容量は、消化日数と投入汚泥量で決定されるため、投入汚泥側の濃度上限が消化タンク処理能力の上限を決定していた。また、投入汚泥中の易分解性有機物量が増加すると消化汚泥中の固形物量が減少するなど、分解性の変動に適合した投入汚泥固形物濃度の調整ができないため、消化汚泥中の固形物濃度が自然に変動していた。さらに、消化ガス発生に寄与しない水分を固形物の代わりに投入し、熱エネルギーを消費してこの水分を加温するという非効率な状態となっていた。

特開２００６−１５０２５３ 特開２００７−９８２２８

したがって、本発明が解決しようとする主たる課題は、消化タンク中の消化汚泥固形物濃度を高め、より詳しくは、非流動性バイオマスと流動性バイオマスを、基本的にポンプおよび配管内で混合し消化タンクへ投入することにより、過大な設備を有することなく効率よく消化汚泥固形物濃度を高め、消化工程の汚泥処理能力を高めることにある。

この課題を解決した本発明は、次の通りである。
［請求項１記載の発明］
流動性バイオマスを供給する流動性バイオマス供給ポンプと、
流動性バイオマス供給ポンプから供給された流動性バイオマスと非流動性バイオマスとを内部において合流させその合流液を一方向に移送するスクリュー移送部と、このスクリュー移送部に連なり前記合流液を定量的に移送しかつ送出する移送ポンプ部とを有する合流投入ポンプと、
消化タンクから引き抜いた消化汚泥を循環返送する消化汚泥の循環路と、
前記循環路及び消化タンクを含む循環経路内に、前記合流投入ポンプから前記合流液を送出する混合投入手段と、を有する
ことを特徴とするバイオマスのメタン発酵装置。

（作用効果）
合流投入ポンプのスクリュー移送部において、流動性バイオマスと非流動性バイオマスとを合流させる。この場合、非流動性バイオマスの固まりが流動性バイオマスによっていわば濡れた状態になり、これがスクリュー移送部による移送力により、スクリュー移送部に連なる移送ポンプ部に円滑に送られる。移送ポンプ部では定量的に合流液を移送し、循環路及び消化タンクを含む循環経路内に送出する。
その結果、たとえば、消化タンクとは別に設けた調整タンク内において、非流動性バイオマスに対して流動性バイオマスを大量に添加し、低濃度スラリー液を消化タンク内に投入する場合に比較して、高濃度の合流液を循環経路内に投入できるので、消化汚泥固形物濃度を高めることができ、消化工程での汚泥処理能力を最大限に高めることができる。
もっとも、非流動性バイオマスをポンプ輸送できないわけではないが、通常は、圧力損失が過大であり、ポンプ吐出圧や消費動力も非常に大きくなり、また、配管内の輸送速度を十分に低下させるため配管径を非常に大きくする必要がある。これに対し、本発明によると、前述のように、非流動性バイオマスの固まりと各装置や配管との接触面に流動性バイオマスに入り込むことによっていわば濡れた状態になり、これがスクリュー移送部による移送力により、スクリュー移送部に連なる移送ポンプ部に円滑に送られるので、圧力損失分がきわめて小さく、円滑な輸送を行なうことができ、消費動力や配管材料のコスト低減を達成できる。
他方、たとえば調整槽内において、非流動性バイオマスと流動性バイオマスとを混合して、定量ポンプに移行させ、循環路に投入することも考えられるが、調整槽出口や定量ポンプ入り口などでの閉塞防止のため、撹拌装置などを設け十分な混合を行い、混合液中の固形物の粒径を小さくするとともに均一に拡散させる必要がある。これに対し、本発明の形態では、非流動性バイオマスの固まりと各装置や配管との接触面に流動性バイオマスが入り込むことによっていわば濡れた状態としながら、スクリュー移送部により順次移送するので、別途撹拌装置などを設けなくともスクリュー移送部などでの閉塞を防止することができ、調整槽の設置も基本的に不要となる。

［請求項２記載の発明］
流動性バイオマスを供給する流動性バイオマス供給ポンプと、
流動性バイオマス供給ポンプから供給された流動性バイオマスと非流動性バイオマスとを内部において合流させその合流液を一方向に移送するスクリュー移送部と、このスクリュー移送部に連なり前記合流液を定量的に移送しかつ送出する移送ポンプ部とを有する合流投入ポンプと、
消化タンクから引き抜いた消化汚泥を循環返送する消化汚泥の循環路と、
前記循環路に設けた消化汚泥の温度制御手段と、
前記循環路及び消化タンクを含む循環経路内に、前記合流投入ポンプから前記合流液を送出する混合投入手段と、
前記循環路内に設けられ前記循環路を循環する投入液を破砕処理する汚泥破砕機と、を有する
ことを特徴とするバイオマスのメタン発酵装置。

（作用効果）
本発明において、好適には、流動性バイオマスが非流動性バイオマスの３倍以上の流量を有し、合流投入ポンプ内で特段の破砕処理を行わないことが望ましい。そのため、循環路に投入される合流液は、非流動性バイオマスのいくつもの固まりが流動性バイオマスに浮かんでいる状態となって循環路内まで輸送される。
合流液が消化汚泥と合流すると、非流動性バイオマスの固まりと流動性バイオマス消化汚泥とが混合された状態で循環路内を流れる。
この発明においては、循環路に消化汚泥の温度制御手段を設けた。これによって、合流液と消化汚泥が混合した投入液を予め加温してから消化タンクへ投入することにより、消化汚泥の温度低下（一般に合流液温度は消化汚泥温度より低い）に伴う菌群の能力低下を防止することができる。
さらに、循環路内に汚泥破砕機を設けることで、非流動性バイオマスの固まり、および消化汚泥が細かく破砕されると同時に、非流動性バイオマス、流動性バイオマス、消化汚泥を循環路内で効果的に混合できる。さらに消化汚泥により合流液が希釈された状態で破砕機に供給されるため、合流液や非流動性バイオマスを直接汚泥破砕機に投入する場合と比較して破砕羽根など破砕機構の摩耗や目詰まりを減少させることができる。

［請求項３記載の発明］
流動性バイオマスと非流動性バイオマスとを合流させる合流貯槽と、この合流貯槽の下部開口に連通して、合流液を受入れその合流液を一方向に移送するスクリュー移送部と、このスクリュー移送部に連なり前記合流液を定量的に移送しかつ送出する移送ポンプ部とを有する合流投入ポンプと、
消化タンクから引き抜いた消化汚泥を循環返送する消化汚泥の循環路と、
前記循環路及び消化タンクを含む循環経路内に、前記合流投入ポンプから前記合流液を送出する混合投入手段と、を有する
ことを特徴とするバイオマスのメタン発酵装置。

（作用効果）
本発明は、流動性バイオマスと非流動性バイオマスとの合流を、合流投入ポンプのスクリュー移送部において実施する請求項１及び２の形態のほか、スクリュー移送部の前段に、流動性バイオマスと非流動性バイオマスとの合流させる合流貯槽を設け、この合流貯槽の下部開口をスクリュー移送部に直接的に連通させる形態でもよい。本形態によれば、スクリュー移送部によって合流液を連続的に移送するので、合流貯槽において流動性バイオマスと非流動性バイオマスとを合流させた場合に貯槽内でブリッジ等が生じることなく混合液を移送することができる。

［請求項４記載の発明］
前記循環路には熱媒を用いて前記投入液を加温する間接熱交換器を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイオマスのメタン発酵装置。

［請求項５記載の発明］
前記循環路及び消化タンクを含む循環経路内の消化汚泥の固形物濃度測定値に基づき、その固形物濃度が所定の範囲内に維持されるように前記合流投入ポンプからの前記合流液の固形物濃度を調整する手段を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイオマスのメタン発酵装置。

［請求項６記載の発明］
前記合流液の固形物濃度を調整する手段が、前記流動性バイオマスの流量を調節することにより行なうものである請求項５記載のバイオマスのメタン発酵装置。

［請求項７記載の発明］
前記流動性バイオマス供給ポンプが定量ポンプであり、回転数制御が可能なものである請求項１または２項に記載のバイオマスのメタン発酵装置。

（作用効果）
請求項５〜７に関連して濃度制御を説明する。
本発明の形態として、合流投入ポンプおよび循環路に設ける循環ポンプの流量を固定することができる。そして、合流投入ポンプおよび循環路に設ける循環ポンプの流量を固定した状態で流動性バイオマス供給ポンプの流量を増加させると合流投入ポンプ内を通過する流動性バイオマス量が増加し、ホッパから投下されるなどして供給される非流動性バイオマスの合流投入ポンプから送出される量が減少する。逆に流動性バイオマス供給ポンプ流量を低下させれば非流動性バイオマスの流量が増加する。非流動性バイオマス送出量の増減により投入液の固形物濃度が上下する。
流動性バイオマス供給ポンプ流量は、消化汚泥の固形物濃度の測定結果で判断する。このように、合流投入ポンプおよび循環路に設ける循環ポンプの流量を固定し、流動性バイオマス供給ポンプ流量のみを操作することで合流液の固形物濃度を簡易的、実用的に制御することが可能となる。
消化汚泥中の固形物濃度が変動し、投入液中の固形物濃度を調整する場合でも、合流投入ポンプ流量が固定されているため、消化日数を一定に保ち、消化タンク内のメタン生成菌数が維持される。
ここで、消化汚泥固形物濃度の減少は、消化タンクに対する有機物負荷が低いためであり、逆に消化汚泥固形物濃度の増加は有機物負荷が高いことを意味する。
よって、消化汚泥固形物濃度を所定のレベルに制御することにより、投入液の有機物負荷に適応した最大処理能力で運転する状況を常に作ることができる。

［請求項８記載の発明］
前記合流投入ポンプの構造が、
ケーシングの上方が開口し、落下する非流動性バイオマスを受入れ、ケーシングの一部に前記流動性バイオマスの投入口を有し、内部にスクリュー回転軸を有するスクリュー移送部と、
二条雌ネジ空間内を有するステータ内に、一条雄ネジであるローターを回動自在に嵌挿した一軸ねじ式ポンプである移送ポンプ部とを有する請求項１または２項に記載のバイオマスのメタン発酵装置。

本発明によると、消化タンク中の消化汚泥固形物濃度を高め、より詳しくは、非流動性バイオマスと流動性バイオマスを、基本的にポンプおよび配管内で混合し消化タンクへ投入することにより、過大な設備を設けることなく、効率よく消化汚泥固形物濃度を高め、消化工程の汚泥処理能力を高めることができる。

次に、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下に示す実施の形態の説明は、本質的な例示に過ぎず、本発明、その適用あるいはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は第１の実施の形態を示したもので、流動性バイオマス１と非流動性バイオマス２とを、合流投入ポンプ１０において合流させ、合流液を定量的に移送しかつ循環路２０に送出するものである。
ここで、流動性バイオマス１には、たとえば重力濃縮汚泥や生ゴミを破砕機などによる粉砕また可溶化処理などによりスラリー状に処理した生ゴミスラリーなどがあり、固形物濃度が４％程度以下のものを言う。非流動性バイオマス２は、たとえば超高濃度濃縮汚泥や脱水汚泥、固形食品残渣などであり、固形物濃度が２０％程度以下のものを言う。その下限は好適には１０％、より望ましくは８％である。
流動性バイオマス１は貯留槽３から流動性バイオマス供給ポンプ４により、合流投入ポンプ１０のスクリュー移送部１１にポンプ移送され、投入される。
ここで流動性バイオマス供給ポンプ４は、定量ポンプ、特に容易に定量性が得られる一軸ねじ式ポンプの採用が望ましい。
また、流動性バイオマスが下水処理場における濃縮汚泥である場合、重力濃縮槽を貯留槽３とすることができる。
他方、非流動性バイオマス２は、たとえばホッパ５から重力落下され、スクリュー移送部１１に投入される。
なお、ホッパ５としては、車両搬入する場外脱水汚泥等の受入ホッパと兼用することができる。合流投入ポンプ１０へ円滑に非流動性バイオマスを投下するためにホッパ下部には、排出用スクリューを内蔵することが望ましい

合流投入ポンプ１０としては、定量ポンプ、特に容易に定量性が得られる一軸ねじ式ポンプ採用が望ましい。合流投入ポンプ１０は、たとえば非流動性バイオマスをポンプ部上面から受け入れ、同時に流動性バイオマスをポンプ部側面から受け入れ、特段の破砕混合を行うことなく合流液として送出し、消化汚泥系内に投入する。流動性バイオマス供給ポンプ４が停止する際は必ず合流投入ポンプ１０を停止するように連動させることが望ましい。合流投入ポンプ１０の構造例を図２〜図４に示す。合流投入ポンプ１０は、駆動モータ１３によって駆動回転される、スクリュー移送部１１と、このスクリュー移送部１１に連なり合流液を定量的に移送しかつ送出する移送ポンプ部１２を有している。
より具体的には、スクリュー移送部１１は、ケーシング１１Ａの上方が開口し、落下する非流動性バイオマス２を受入れ、ケーシング１１Ａの一部に流動性バイオマス２の投入口１１Ｂを有し、内部にスクリュー回転軸１１Ｃを有する。
移送ポンプ部１２は、ステータ１２Ａに形成された二条雌ネジ空間１２Ｂ内に、ロータとしての一条雄ネジ１２Ｃが設けられた一軸偏心ポンプ構造を有する。
合流投入ポンプにおける流動性バイオマスと非流動性バイオマスの合流割合は、３：１〜１０：１程度とし、合流後の固形物濃度が４〜６％程度とすることが良い。

他方、消化タンク３０から引き抜いた消化汚泥を循環返送する消化汚泥の循環路２０が設けられており、この循環路２０には消化汚泥の温度制御手段２１としての、外部熱媒を受けて投入液を加温する間接熱交換器が設けられている。なお、外部熱媒としては温水や蒸気などを採用することができるが、好ましくは、消化タンクから発生した消化ガスの利用設備から得られる熱源を用いると良い。例えば、マイクロガスタービンやガスエンジンから生じる排ガスなどから熱回収を行い、温水を得ることができる。合流液が含まれ、固形物濃度が高い状態にある投入液を加熱することにより、消化タンク内でのメタン発酵の効率が向上することが期待される。
なお、本実施形態では、循環路に温度制御手段を設けたが、消化タンク内に設けることもできる。

循環路２０は、循環ポンプ２２により、固形物濃度がたとえば３．５％程度の消化汚泥が循環され、その循環経路内に、合流投入ポンプ１０から合流液が送出され、投入液として消化タンクに投入されるようになっている。本実施の形態においては、移送ポンプ部１２と循環路２０との合流点が混合投入手段２３となっている。

循環路２０には、望ましくは、駆動モータによって回転駆動される回転刃と、回転刃と同心軸状に円盤状の固定スクリーンとを有し、回転刃は、固定スクリーンに接触しながら回転可能であり、循環路２０を循環する投入液が固定スクリーンを通過する際に固形物を破砕処理する汚泥破砕機２４が設けられている。汚泥破砕機２４としては、たとえばＨｕｇｏ Ｖｏｇｅｌｓａｎｇ Ｍａｓｃｈｉｎｅｎｂａｕ ＧｍｂＨ社製「Ｒｏｔａ Ｃｕｔ」を使用できる。循環路２０内に汚泥破砕機２４を設けることで、非流動性バイオマスの固まりが細かく破砕されると同時に、非流動性バイオマス、流動性バイオマス、消化汚泥を循環路内で効果的に混合できる。なお、２軸式破砕機なども採用することができる。

循環ポンプ２２としては、定量ポンプ、特に容易に定量性が得られる一軸ねじ式ポンプ、の採用が望ましい。前記混合液の消化タンクへの投入や消化汚泥の循環および加温に使用され、配管を切り替えれば消化汚泥の系外への送出にも使用可能である。
混合投入手段２３の前段には、投入液の固形物濃度を測定する濃度計２５が備えられている。
この濃度計で測定された固形物濃度は、図示しない制御手段に伝送され、制御手段で設定された固形物濃度設定値と比較される。目標値と測定値の差異に基づいて、例えば流動性バイオマス供給ポンプの回転数を制御し、流動性バイオマスの供給量を制御する。その結果、合流液の固形物濃度が変動することで投入液の固形物濃度が調整される。
消化タンク３０としては、消化日数２０日以上の容積を有するのが好適である。消化タンク内の消化汚泥の固形物濃度を３．５％程度に調整することが望ましい。
消化タンク以降は公知の機器を採用できる。たとえば消化ガスは、マイクロガスタービン、ガスエンジンなどの利用設備に供給したり、脱硫後、都市ガスラインに供給することもできる。

本発明では、流動性バイオマスと非流動性バイオマスとの合流を、合流投入ポンプ１０のスクリュー移送部１１において初めて実施する形態のほか、図５に示すように、スクリュー移送部１１の前段に、流動性バイオマスと非流動性バイオマスとの合流させる合流貯槽４０を設け、この合流貯槽４０の下部開口をスクリュー移送部１１に直接的に連通させる形態でもよい。合流貯槽４０には、混合羽根４１を設けて回転混合させることができる。

本発明例を示す概要図である。 合流投入ポンプの概要図である。 合流投入ポンプの詳細縦断面図である。 合流投入ポンプの詳細平断面図である。 他の例の概要図である。

１…流動性バイオマス、２…非流動性バイオマス、１０…合流投入ポンプ、１１…スクリュー移送部、１２…移送ポンプ部１２、２０…循環路、２１…温度制御手段、２３…混合投入手段、２４…汚泥破砕機、３０…消化タンク。

Claims (8)

1. 流動性バイオマスを供給する流動性バイオマス供給ポンプと、
   流動性バイオマス供給ポンプから供給された流動性バイオマスと非流動性バイオマスとを内部において合流させその合流液を一方向に移送するスクリュー移送部と、このスクリュー移送部に連なり前記合流液を定量的に移送しかつ送出する移送ポンプ部とを有する合流投入ポンプと、
   消化タンクから引き抜いた消化汚泥を循環返送する消化汚泥の循環路と、
   前記循環路及び消化タンクを含む循環経路内に、前記合流投入ポンプから前記合流液を送出する混合投入手段と、を有する
   ことを特徴とするバイオマスのメタン発酵装置。
2. 流動性バイオマスを供給する流動性バイオマス供給ポンプと、
   流動性バイオマス供給ポンプから供給された流動性バイオマスと非流動性バイオマスとを内部において合流させその合流液を一方向に移送するスクリュー移送部と、このスクリュー移送部に連なり前記合流液を定量的に移送しかつ送出する移送ポンプ部とを有する合流投入ポンプと、
   消化タンクから引き抜いた消化汚泥を循環返送する消化汚泥の循環路と、
   前記循環路に設けた消化汚泥の温度制御手段と、
   前記循環路及び消化タンクを含む循環経路内に、前記合流投入ポンプから前記合流液を送出する混合投入手段と、
   前記循環路内に設けられ前記循環路を循環する投入液を破砕処理する汚泥破砕機と、を有する
   ことを特徴とするバイオマスのメタン発酵装置。
3. 流動性バイオマスと非流動性バイオマスとを合流させる合流貯槽と、この合流貯槽の下部開口に連通して、合流液を受入れその合流液を一方向に移送するスクリュー移送部と、このスクリュー移送部に連なり前記合流液を定量的に移送しかつ送出する移送ポンプ部とを有する合流投入ポンプと、
   消化タンクから引き抜いた消化汚泥を循環返送する消化汚泥の循環路と、
   前記循環路及び消化タンクを含む循環経路内に、前記合流投入ポンプから前記合流液を送出する混合投入手段と、を有する
   ことを特徴とするバイオマスのメタン発酵装置。
4. 前記循環路には熱媒を用いて前記投入液を加温する間接熱交換器を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイオマスのメタン発酵装置。
5. 前記循環路及び消化タンクを含む循環経路内の消化汚泥の固形物濃度測定値に基づき、その固形物濃度が所定の範囲内に維持されるように前記合流投入ポンプからの前記合流液の固形物濃度を調整する手段を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイオマスのメタン発酵装置。
6. 前記合流液の固形物濃度を調整する手段が、前記流動性バイオマスの流量を調節することにより行なうものである請求項５記載のバイオマスのメタン発酵装置。
7. 前記流動性バイオマス供給ポンプが定量ポンプであり、回転数制御が可能なものである請求項１または２項に記載のバイオマスのメタン発酵装置。
8. 前記合流投入ポンプの構造が、
   ケーシングの上方が開口し、落下する非流動性バイオマスを受入れ、ケーシングの一部に前記流動性バイオマスの投入口を有し、内部にスクリュー回転軸を有するスクリュー移送部と、
   二条雌ネジ空間内を有するステータ内に、一条雄ネジであるローターを回動自在に嵌挿した一軸ねじ式ポンプである移送ポンプ部とを有する請求項１または２項に記載のバイオマスのメタン発酵装置。

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