バイオマスの処理システム
【課題】 バイオマスを、コンポスト化することなく有効利用可能に処理する方法を提供すること。
【解決手段】 バイオマスを水素発酵させる水素発酵槽；該水素発酵槽と連結し、生成する水素発酵ガスを回収する水素発酵ガス回収装置；該水素発酵の残渣を受け入れメタン発酵させるメタン発酵槽；該メタン発酵槽と連結し、生成するメタン発酵ガスを回収するメタン発酵ガス回収装置；該メタン発酵の残渣を固液分離し、脱水残渣を回収するための固液分離装置；および、該脱水残渣を可燃性ガス化する可燃性ガス化装置を備える、バイオマス処理システムが提供される。
【解決手段】 バイオマスを水素発酵させる水素発酵槽；該水素発酵槽と連結し、生成する水素発酵ガスを回収する水素発酵ガス回収装置；該水素発酵の残渣を受け入れメタン発酵させるメタン発酵槽；該メタン発酵槽と連結し、生成するメタン発酵ガスを回収するメタン発酵ガス回収装置；該メタン発酵の残渣を固液分離し、脱水残渣を回収するための固液分離装置；および、該脱水残渣を可燃性ガス化する可燃性ガス化装置を備える、バイオマス処理システムが提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
バイオマスの処理方法に関する。より詳細には、バイオマスを、コンポスト化することなく有効利用可能に処理する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生ごみ、家畜糞尿、下水汚泥などの有機性廃棄物、または資源作物あるいはその廃棄物などの処理システムとして、微生物利用技術が行われており、好気発酵によりコンポストを得るシステム、嫌気発酵によりメタンガスを発生させてそれを燃料として用いるシステムなどがある。
【０００３】
好気発酵によりコンポストを得る場合、常に酸素（空気）を送給する必要があるため、送風時に臭気が飛散するという問題があり、環境上好ましいものではなく、改良の要請が強い。
【０００４】
一方、密閉したシステムで処理が可能な嫌気発酵では、そのような問題がないため、近年注目を集めており、このシステムによる処理が増大している。そして、嫌気発酵システムから得られたメタンガスは、発電装置などに送給されて有効に利用されている。さらに、メタン発酵残渣は、脱水処理された後、コンポストなどとして有効利用されるようになっている。しかし、現在、コンポストは供給過剰になっているため、このような発酵残渣は廃棄・埋立処分される場合が多く、そのための処理コストが必要であるなど、発酵残渣の処理方法についてさらなる改善が望まれている。
【０００５】
そこで、有機性廃棄物を発酵槽でコンポスト化した後、得られたコンポストを炭化装置で炭化処理し、発酵工程で発生する臭気ガスを炭化処理工程で発生する乾留ガスと混合して燃焼させる方法が提案されている（特許文献１）。また、有機性廃棄物のメタン発酵残渣をガス化して、発電に供する方法も考案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２０００−１０７７３１号公報
【特許文献２】特開２００２−１５１１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、バイオマスを、コンポスト化することなく有効利用可能に処理する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、バイオマスを水素発酵処理し、次いでメタン発酵処理した残渣をガス化することにより、嫌気発酵残渣の有効利用が可能となることを見出したことに基づく。
【０００８】
本発明は、バイオマスを水素発酵させる水素発酵槽；該水素発酵槽と連結し、生成する水素発酵ガスを回収する水素発酵ガス回収装置；該水素発酵の残渣を受け入れメタン発酵させるメタン発酵槽；該メタン発酵槽と連結し、生成するメタン発酵ガスを回収するメタン発酵ガス回収装置；該メタン発酵の残渣を固液分離し、脱水残渣を回収するための固液分離装置；および、該脱水残渣を可燃性ガス化する可燃性ガス化装置を備える、バイオマス処理システムを提供する。
【０００９】
一つの実施態様において、本発明のバイオマス処理装置は、前記脱水残渣を乾燥し、乾燥した脱水残渣を可燃性ガス化装置に供給する乾燥装置をさらに備えている。
【００１０】
さらに、別の実施態様において、本発明のバイオマス処理装置は、前記可燃性ガス送給装置からの可燃性ガスにより発電を行う発電装置を備えている。
【００１１】
また、別の実施態様において、本発明のバイオマス処理装置は、メタン発酵ガス回収装置からのメタンガスを発電装置に導入するメタンガス送給装置をさらに備える。
【００１２】
本発明は、さらに、バイオマスを水素発酵させて、水素発酵ガスおよび水素発酵残渣を得る工程；該水素発酵残渣をメタン発酵させて、メタン発酵ガスおよびメタン発酵残渣を得る工程；該メタン発酵残渣を固液分離して、脱水濾液および脱水残渣を得る工程；および該脱水残渣を可燃性ガス化する工程；を含む、バイオマスの処理方法を提供する。
【００１３】
一つの実施態様において、本発明の方法は、該可燃性ガスを発電装置に送給し、発電を行う工程を含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ガス化処理前に、水素発酵処理とメタン発酵処理とを組み合わせることにより、水素ガスが回収され、さらにメタンガスの単位時間あたりの発生量が増加するため、バイオマスからのエネルギー回収量が増加する。また、発酵残渣（固形分）の量および含水率が、メタン発酵単独の場合に比べて、低下する。そのため、脱水残渣（固形分）を可燃性ガス化する過程における必要な乾燥エネルギーが大きく削減でき、可燃性ガス化装置の小型化が可能となる。得られた可燃性ガスは、発電用の燃料として利用できるので、発酵残渣を近年過剰気味のコンポスト以外の用途として使用できる。
【００１５】
このように、本発明によれば、バイオマスから発酵によってエネルギーを回収し、さらに発酵残渣を可燃性ガス化して、熱エネルギーを回収できる。しかも、最終廃棄物の量が大きく減少するので、バイオマスの著しい減量が達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明のバイオマス処理システムを、添付の図面を参照しつつ、説明する。
【００１７】
図１は、本発明のバイオマス処理システムの一実施態様を示す系統図である。本発明のバイオマス処理システムは、バイオマス１を水素発酵させる水素発酵槽２；該水素発酵槽２と連結し、生成する水素発酵ガス３を回収する水素発酵ガス回収装置３１；該水素発酵の残渣４を受け入れメタン発酵させるメタン発酵槽５；該メタン発酵槽５と連結し、生成するメタン発酵ガス６を回収するメタン発酵ガス回収装置６１；該メタン発酵の残渣７を固液分離し、脱水残渣９を回収するための固液分離装置８；および、該脱水残渣９を可燃性ガス化する可燃性ガス化装置１３を備えている。
【００１８】
可燃性ガス化装置１３で生成した可燃性ガス１４は、燃料として利用される。例えば、後述の発電装置において、発電のために利用され、生じた電力は、本発明のバイオマス処理システムを構成する各装置における消費電力として利用される他、売電される。
【００１９】
図２は、図１のシステムに加えて、バイオマス１を前処理し、水素発酵槽２に供給するための前処理槽２０、メタン発酵の脱水残渣９を乾燥し、乾燥物１２を得て、これを可燃性ガス化装置１３に供給するための乾燥装置１１、および可燃性ガス１４を燃焼させて発電するための発電装置１５を備え、それにより電力１６を得るように構成されている。また、必要に応じて、メタン発酵ガス６からのメタンガスを貯蔵するガス貯蔵装置１７を備えている。
【００２０】
図２における前処理槽２０は、必ずしも必要ないが、後述するように、難分解性のバイオマスを水素発酵する場合に、備えることが好ましい。さらに、乾燥装置１１は、可燃性ガス化装置１３に乾燥手段が組み込まれている場合は、特に必要とされないが、可燃性ガス化装置とは別に設けることが好ましい。
【００２１】
以下、本発明のバイオマス処理システムを用いて、バイオマスを処理する方法について図１および図２に基づいて、説明する。本発明のバイオマス処理方法は、バイオマス１を必要に応じて前処理する工程（図２参照）、バイオマス１あるいは前処理された前処理後バイオマス２１（図２参照）を水素発酵させて、水素発酵ガス３および水素発酵残渣４を得る工程；該水素発酵残渣４をメタン発酵させて、メタン発酵ガス６およびメタン発酵残渣７を得る工程；該メタン発酵残渣７を固液分離して、脱水濾液１０および脱水残渣９を得る工程；必要に応じて、該脱水残渣９を乾燥する工程；該脱水残渣９あるいは脱水残渣９の乾燥物１２を可燃性ガス化する工程；を含む。好ましくは、さらに、可燃性ガス１４を発電装置１５で燃焼させて発電する工程をさらに含む（図２参照）。このように、本発明の方法は、バイオマスから、水素およびメタンをエネルギーとして回収し、さらに、その発酵残渣をガス化し、そのガスを発電などの用途に利用することに特徴がある。
【００２２】
（バイオマス）
本明細書で、バイオマスとは、生物由来の有機資源を意味する。好ましくは、有機性廃棄物、資源作物あるいはその廃棄物などの有機性物質が用いられる。有機性廃棄物としては、例えば、食品工業、製紙工業、畜産業などにおける有機性廃水、有機廃棄物、あるいは糞尿、または都市下水の汚泥などが例示されるが、有機物を含む廃棄物であれば、これらに制限されない。資源作物としては、例えば、とうもろこし、さとうきびなどが挙げられ、さらにこれらの処理工程で発生する廃棄物なども、本発明に使用される。
【００２３】
まず、バイオマス１を、図１に示すようにそのまま水素発酵に供するか、もしくは図２に示すようにバイオマス１を前処理槽２０で前処理する。
【００２４】
（前処理）
バイオマス１の前処理手段に特に制限はなく、例えば、加熱処理、超音波処理、破砕処理、酸処理、アルカリ処理などの物理化学的処理が挙げられる。これらの処理は、単独で、あるいは組み合わせて行われる。これらの前処理によって、バイオマス１を発酵されやすい形態に変化させる。
【００２５】
バイオマス１が、有機汚泥などの難分解性物質を含む場合には、これらの難分解性物質を可溶化するために、アルカリ処理をすることが好ましい。アルカリ前処理を行うことにより、前処理後バイオマス２１が水素発酵微生物によって利用され易くなり、水素発生効率が向上する。さらに、水素発酵工程中にｐＨが低下することから、アルカリ性の前処理後バイオマス２１を水素発酵槽２に投入することが好ましい。すなわち、アルカリ処理した前処理後バイオマス２１が、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ剤の代わりに、水素発酵槽２に投入される。
【００２６】
アルカリ処理に特に制限はなく、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ剤を用いて、バイオマス１のｐＨは１０以上、好ましくはｐＨ１０〜１２に調整される。アルカリ処理は、通常０．５〜２４時間、好ましくは２〜１２時間攪拌することにより行われる。連続的にアルカリ前処理を行う場合、滞留時間が０．５〜２４時間、好ましくは２〜１２時間となるように処理を行う。このような処理により、バイオマス１中に含まれる水素消費型細菌、あるいは水素発酵に悪影響を与える微生物（例えば、乳酸菌、メタン生成菌など）の活動を低下させ、あるいはこれらの微生物を死滅させることができる。
【００２７】
アルカリ前処理は、加熱下で行ってもよい。加熱温度に特に制限はないが、３０℃〜９０℃で、あるいは３５〜８０℃で行われる。さらに、アルカリ処理の効率を高めるために超音波処理、破砕処理などを組合せてもよい。超音波処理の条件に特に制限はなく、処理温度、処理量を考慮して、周波数、処理時間を適宜決定すればよい。
【００２８】
バイオマス１が酸処理に適したものである場合は、酸処理を行った後、そのまま前処理後バイオマス２１として用いてもよい。しかし、次の水素発酵工程においてアルカリ性に調整しておくことが有利である場合は、酸処理後のバイオマスをさらにアルカリ側にｐＨ調整し、アルカリ性の前処理後バイオマス２１としてもよい。この場合も、ｐＨは、好ましくは１０以上、より好ましくはｐＨ１０〜１２に調整され得る。
【００２９】
（水素発酵）
上記バイオマス１あるいは前処理後バイオマス２１は、水素発酵槽２に導入され、水素発酵が行われる。
【００３０】
水素発酵槽２は、バイオマス１の投入口、水素発酵ガス３を回収する水素発酵ガス回収装置２１、および水素発酵残渣４の取出口が備えられている。水素発酵槽２内は、嫌気性雰囲気に保たれている。この水素発酵槽２内で、バイオマス１を水素発酵させることにより、水素および二酸化炭素を主成分とする水素発酵ガス３が生成する。
【００３１】
水素発酵に使用される微生物は、嫌気性非光合成微生物群あるいは純粋菌であり、水素生成能を有する微生物群または純粋菌であれば、どのような由来のものでもよい。好適には、水素生成能を有する微生物群が用いられ、例えば、下水汚泥や生ごみのメタン発酵後の汚泥、あるいはその培養物が用いられる。水素発酵は、一般的には２０〜６０℃、好ましくは３０〜３７℃で行われる。
【００３２】
本発明においては、水素発酵は、酸性条件下あるいはアルカリ条件下で行われる。酸性条件下で行われる場合、ｐＨは、好ましくは４〜７．５であり、より好ましくはｐＨ５．５〜７である。水素発酵中に有機酸が生成して水素発酵液のｐＨが低下するので、アルカリ前処理した前処理後バイオマス２１をｐＨ調整のために水素発酵槽２に添加しても良い。アルカリ条件下で行われる場合、ｐＨは１０〜１２で行うことが好ましい。
【００３３】
生成した水素発酵ガス３は、水素発酵ガス回収装置２１に回収された後、適宜精製（炭酸ガスなどの除去）され、燃料電池用燃料として使用されたり、あるいは水素ガスステーションへ供給され得る。あるいは、以下に詳述する乾燥工程に使用する乾燥装置１１の燃料として、または水素発酵槽２もしくはメタン発酵槽５を所定の温度に維持するための熱源として、利用することもできる。
【００３４】
水素発酵残渣４は、水素発酵槽２で生成した有機酸、分解されなかった有機物などを含有するので、これをメタン発酵させることにより、バイオマス１からの更なるエネルギー回収が可能となるのみならず、廃棄物の量が減少する。
【００３５】
（メタン発酵）
この水素発酵残渣４は、次いで、メタン発酵槽５へ移送され、嫌気的にメタン発酵される。水素発酵残渣４のメタン発酵によって、水素発酵の副生物である有機酸（酢酸、ギ酸、乳酸、酪酸、プロピオン酸など）、あるいは水素発酵では利用されなかった炭水化物、タンパク質、脂質などから、メタン発酵ガス６が生成される。したがって、上記のように、バイオマス１から、さらなるエネルギーが回収される。
【００３６】
メタン発酵細菌は、活性汚泥や消化汚泥を嫌気条件下で馴養することにより、集積される。メタン発酵は、一般的に２５〜６５℃、好ましくは３０〜４０℃、高温菌の場合は５０〜６０℃で行われる。メタン発酵は、一般的にｐＨ５〜１０、好ましくは７〜９のアルカリ側で行われる。メタンガスの発生量（有機物の分解率）は、一般に、高温発酵の方が中温発酵よりも高い。
【００３７】
このメタン発酵においては、水素発酵残渣４がアルカリ性である場合は、そのままメタン発酵に使用してもよく、あるいはｐＨ調整剤の添加によってｐＨ調整を行ってもよい。
【００３８】
メタン発酵槽５は、メタン発酵ガス６を回収するメタン発酵ガス回収装置２２を備えている。メタン発酵で生じたメタン発酵ガス８は、通常、メタンガスと二酸化炭素との混合ガスである。この発生ガスは、そのまま、あるいは二酸化炭素除去を行った後、メタン発酵ガス回収装置２２に貯留してもよい。
【００３９】
生成したメタン発酵ガス６は、メタン発酵ガス回収装置２２に回収された後、適宜精製（炭酸ガスなどの除去）され、必要に応じてガス貯蔵装置１７に貯蔵され（図２参照）、メタンガスとしてガス発電に供され得る。あるいは、メタンガスは、さらに水素へ改質され、上記と同様に水素として別途使用され得る。
【００４０】
本発明においては、バイオマス１を水素発酵させた後にメタン発酵に供しているため、バイオマス１を直接メタン発酵させる従来のシステムに比べて、メタン発酵後の有機物の分解率が１０〜２０％程度向上している。そのため、メタンガスの発生量が多くなるとともに、生成するメタン発酵残渣７は、従来システムのメタン発酵残渣に比べて有機物含有量が少ない。しかし、メタン発酵残渣７は有機物を含有するので、さらに水素発酵槽２あるいは前処理槽２０に返送することができ、廃棄されるバイオマス１の量が減少する。さらに、メタン発酵残渣はアルカリ性であるため、バイオマス１の処理に使用するアルカリ量を減少することができる。
【００４１】
次に、このメタン発酵残渣７を、脱水残渣９を回収するための固液分離装置８に投入する。この固液分離装置８により、メタン発酵残渣７は脱水濾液１０と脱水残渣９とに分離される。固液分離装置８としては、通常、汚泥などの分離に用いる脱水機で、十分な固液分離能を有するものであれは特に制限はなく用いられる。このような固液分離機としては、例えば、遠心脱水機、スクリュープレス脱水機、ロータリープレス脱水機などが挙げられる。この固液分離装置８によりメタン発酵残渣７が固液分離され、脱水残渣（固形分）９と脱水濾液１０とに分離される。脱水残渣（固形分）９中の水分含量は、８５質量％以下であることが好ましく、８０質量％以下であることがより好ましい。脱水濾液１０は、当該技術分野で通常行われる水処理に供される。
【００４２】
脱水残渣（固形分）９は、次いで、必要に応じて、乾燥装置１１に移送され、好ましくは水分含量が２０〜４０％となるように乾燥され、乾燥物１２が得られる。
【００４３】
さらに、得られた乾燥物１２を、可燃性ガス化装置１３に投入して、可燃性ガス化する。この可燃性ガス化装置１３では、約９００℃の高温水蒸気と有機性物質とを接触させ、一酸化炭素、水素、メタンなどの可燃性ガス１４を発生させるとともに、有機性物質が低分子化される。有機物をガス化することにより、バイオマス１の量は、最初に投入された量の１／２００〜１／１０まで減らすことができる。
【００４４】
なお、図２においては、乾燥装置１１と可燃性ガス化装置１３とが別々の装置として構成されているが、図１に示すように、乾燥および可燃性ガス化の機能を１つの装置内に備えるように構成されたガス化装置１３を用いてもよい。
【００４５】
可燃性ガス化装置１３から取り出された可燃性ガス１４は、例えば図２に示すように、発電用エネルギーとして発電装置１５に送給される。発電装置１５は、例えば、燃料電池が備えられており、送給されたガス１４を原料として発電が行われる。また、上述のように、メタン発酵ガス回収装置６１に回収されたメタン発酵ガス６あるいは精製されたメタンガスは、ガス貯蔵装置１７に貯蔵される。このメタンガスを発電装置１５に送給し、発電に利用してもよい。
【００４６】
発電された電力１６は、本発明のバイオマス処理システムを構成する各装置における消費電力として利用され得る。あるいは、余剰の電力１６は、売電され得る。一方、ガス化装置１３、発電装置１５などの運転によって生じる排熱（図２において破線の矢印で示す）は、水素発酵槽２およびメタン発酵槽５の保温、乾燥装置１１における乾燥などにおける熱源として利用することも可能である。
【００４７】
以下に実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。
【実施例】
【００４８】
（実施例１）
汚泥（水分９６％）２０ｋｇを水素発酵およびメタン発酵に供した。汚泥を８０℃まで加熱して前処理をした後、水素発酵を温度３５℃で行った。水素の発生が止まった時点で、水素発酵残渣をメタン発酵に供した。メタン発酵は、高温（温度５５℃）で行い、メタンガスの発生が止まったところで発酵を終了した。発酵残渣を３０００ｒｐｍで遠心分離して、脱水し、脱水後の固形分量および水分量を測定し、ついで、水分４０％以下まで乾燥し、９００℃の高熱蒸気で可燃性ガス化した。結果を表１に示す。
【００４９】
（比較例１）
実施例１と同じ汚泥（水分９６％）２０ｋｇを、水素発酵することなく、そのままメタン発酵に供した。実施例１と同様にメタン発酵を行い、脱水残渣を可燃性ガス化した。結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
表１の結果が示すように、水素発酵とメタン発酵とを組合わせた実施例１のメタン発酵の効率が、メタン発酵を単独で行った場合（比較例１）よりも大きかった。さらに、水素発酵とメタン発酵とを組合わせた実施例１の脱水残渣の量および水分量が、メタン発酵のみの場合（比較例１）に比べて、低下した。実施例１で生じる可燃性ガスは、比較例１で生じる可燃性ガスとほぼ同量回収された。このように、水素発酵とメタン発酵とを組み合わせることにより、エネルギーの回収量が増加し、そのうえ、脱水残渣（固形分）の量および含水率が低下することから、脱水残渣の乾燥に必要なエネルギーが大幅に削減できる。そのため、可燃性ガス化装置の小型化を図ることができ、さらに、発酵によるエネルギー回収も加えると、トータルのエネルギー回収量が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明によれば、水素発酵とメタン発酵とを組合せることにより、バイオマスからのエネルギー回収量が増加し、メタン発酵後の脱水残渣から可燃性ガスを生じさせるので、近年過剰気味のコンポストの代わりに、バイオマスを発電用の燃料などの用途に利用できるようになる。さらに、可燃性ガス化対象物質の量および水分量が減少することから、可燃性ガス化装置の小型化を図ることができる。発酵によるエネルギー回収を考慮すると、トータルのエネルギー回収量が向上するので、バイオマスの処理において、極めて有用な装置として利用される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明のバイオマス処理方法の一実施態様を示す系統図である。
【図２】本発明のバイオマス処理方法の別の実施態様を示す系統図である。
【符号の説明】
【００５４】
１ バイオマス
２ 水素発酵槽
３ 水素発酵ガス
４ 水素発酵残渣
５ メタン発酵槽
６ メタン発酵ガス
７ メタン発酵残渣
８ 脱水装置
９ 脱水残渣（固形分）
１０ 脱水濾液
１１ 乾燥装置
１２ 乾燥物
１３ ガス化装置
１４ 可燃性ガス
１５ 発電装置
１６ 電力
１７ ガス貯蔵装置
２０ 前処理槽
２１ 前処理後バイオマス
３１ 水素発酵ガス回収装置
６１ メタン発酵ガス回収装置
【技術分野】
【０００１】
バイオマスの処理方法に関する。より詳細には、バイオマスを、コンポスト化することなく有効利用可能に処理する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生ごみ、家畜糞尿、下水汚泥などの有機性廃棄物、または資源作物あるいはその廃棄物などの処理システムとして、微生物利用技術が行われており、好気発酵によりコンポストを得るシステム、嫌気発酵によりメタンガスを発生させてそれを燃料として用いるシステムなどがある。
【０００３】
好気発酵によりコンポストを得る場合、常に酸素（空気）を送給する必要があるため、送風時に臭気が飛散するという問題があり、環境上好ましいものではなく、改良の要請が強い。
【０００４】
一方、密閉したシステムで処理が可能な嫌気発酵では、そのような問題がないため、近年注目を集めており、このシステムによる処理が増大している。そして、嫌気発酵システムから得られたメタンガスは、発電装置などに送給されて有効に利用されている。さらに、メタン発酵残渣は、脱水処理された後、コンポストなどとして有効利用されるようになっている。しかし、現在、コンポストは供給過剰になっているため、このような発酵残渣は廃棄・埋立処分される場合が多く、そのための処理コストが必要であるなど、発酵残渣の処理方法についてさらなる改善が望まれている。
【０００５】
そこで、有機性廃棄物を発酵槽でコンポスト化した後、得られたコンポストを炭化装置で炭化処理し、発酵工程で発生する臭気ガスを炭化処理工程で発生する乾留ガスと混合して燃焼させる方法が提案されている（特許文献１）。また、有機性廃棄物のメタン発酵残渣をガス化して、発電に供する方法も考案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２０００−１０７７３１号公報
【特許文献２】特開２００２−１５１１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、バイオマスを、コンポスト化することなく有効利用可能に処理する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、バイオマスを水素発酵処理し、次いでメタン発酵処理した残渣をガス化することにより、嫌気発酵残渣の有効利用が可能となることを見出したことに基づく。
【０００８】
本発明は、バイオマスを水素発酵させる水素発酵槽；該水素発酵槽と連結し、生成する水素発酵ガスを回収する水素発酵ガス回収装置；該水素発酵の残渣を受け入れメタン発酵させるメタン発酵槽；該メタン発酵槽と連結し、生成するメタン発酵ガスを回収するメタン発酵ガス回収装置；該メタン発酵の残渣を固液分離し、脱水残渣を回収するための固液分離装置；および、該脱水残渣を可燃性ガス化する可燃性ガス化装置を備える、バイオマス処理システムを提供する。
【０００９】
一つの実施態様において、本発明のバイオマス処理装置は、前記脱水残渣を乾燥し、乾燥した脱水残渣を可燃性ガス化装置に供給する乾燥装置をさらに備えている。
【００１０】
さらに、別の実施態様において、本発明のバイオマス処理装置は、前記可燃性ガス送給装置からの可燃性ガスにより発電を行う発電装置を備えている。
【００１１】
また、別の実施態様において、本発明のバイオマス処理装置は、メタン発酵ガス回収装置からのメタンガスを発電装置に導入するメタンガス送給装置をさらに備える。
【００１２】
本発明は、さらに、バイオマスを水素発酵させて、水素発酵ガスおよび水素発酵残渣を得る工程；該水素発酵残渣をメタン発酵させて、メタン発酵ガスおよびメタン発酵残渣を得る工程；該メタン発酵残渣を固液分離して、脱水濾液および脱水残渣を得る工程；および該脱水残渣を可燃性ガス化する工程；を含む、バイオマスの処理方法を提供する。
【００１３】
一つの実施態様において、本発明の方法は、該可燃性ガスを発電装置に送給し、発電を行う工程を含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ガス化処理前に、水素発酵処理とメタン発酵処理とを組み合わせることにより、水素ガスが回収され、さらにメタンガスの単位時間あたりの発生量が増加するため、バイオマスからのエネルギー回収量が増加する。また、発酵残渣（固形分）の量および含水率が、メタン発酵単独の場合に比べて、低下する。そのため、脱水残渣（固形分）を可燃性ガス化する過程における必要な乾燥エネルギーが大きく削減でき、可燃性ガス化装置の小型化が可能となる。得られた可燃性ガスは、発電用の燃料として利用できるので、発酵残渣を近年過剰気味のコンポスト以外の用途として使用できる。
【００１５】
このように、本発明によれば、バイオマスから発酵によってエネルギーを回収し、さらに発酵残渣を可燃性ガス化して、熱エネルギーを回収できる。しかも、最終廃棄物の量が大きく減少するので、バイオマスの著しい減量が達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明のバイオマス処理システムを、添付の図面を参照しつつ、説明する。
【００１７】
図１は、本発明のバイオマス処理システムの一実施態様を示す系統図である。本発明のバイオマス処理システムは、バイオマス１を水素発酵させる水素発酵槽２；該水素発酵槽２と連結し、生成する水素発酵ガス３を回収する水素発酵ガス回収装置３１；該水素発酵の残渣４を受け入れメタン発酵させるメタン発酵槽５；該メタン発酵槽５と連結し、生成するメタン発酵ガス６を回収するメタン発酵ガス回収装置６１；該メタン発酵の残渣７を固液分離し、脱水残渣９を回収するための固液分離装置８；および、該脱水残渣９を可燃性ガス化する可燃性ガス化装置１３を備えている。
【００１８】
可燃性ガス化装置１３で生成した可燃性ガス１４は、燃料として利用される。例えば、後述の発電装置において、発電のために利用され、生じた電力は、本発明のバイオマス処理システムを構成する各装置における消費電力として利用される他、売電される。
【００１９】
図２は、図１のシステムに加えて、バイオマス１を前処理し、水素発酵槽２に供給するための前処理槽２０、メタン発酵の脱水残渣９を乾燥し、乾燥物１２を得て、これを可燃性ガス化装置１３に供給するための乾燥装置１１、および可燃性ガス１４を燃焼させて発電するための発電装置１５を備え、それにより電力１６を得るように構成されている。また、必要に応じて、メタン発酵ガス６からのメタンガスを貯蔵するガス貯蔵装置１７を備えている。
【００２０】
図２における前処理槽２０は、必ずしも必要ないが、後述するように、難分解性のバイオマスを水素発酵する場合に、備えることが好ましい。さらに、乾燥装置１１は、可燃性ガス化装置１３に乾燥手段が組み込まれている場合は、特に必要とされないが、可燃性ガス化装置とは別に設けることが好ましい。
【００２１】
以下、本発明のバイオマス処理システムを用いて、バイオマスを処理する方法について図１および図２に基づいて、説明する。本発明のバイオマス処理方法は、バイオマス１を必要に応じて前処理する工程（図２参照）、バイオマス１あるいは前処理された前処理後バイオマス２１（図２参照）を水素発酵させて、水素発酵ガス３および水素発酵残渣４を得る工程；該水素発酵残渣４をメタン発酵させて、メタン発酵ガス６およびメタン発酵残渣７を得る工程；該メタン発酵残渣７を固液分離して、脱水濾液１０および脱水残渣９を得る工程；必要に応じて、該脱水残渣９を乾燥する工程；該脱水残渣９あるいは脱水残渣９の乾燥物１２を可燃性ガス化する工程；を含む。好ましくは、さらに、可燃性ガス１４を発電装置１５で燃焼させて発電する工程をさらに含む（図２参照）。このように、本発明の方法は、バイオマスから、水素およびメタンをエネルギーとして回収し、さらに、その発酵残渣をガス化し、そのガスを発電などの用途に利用することに特徴がある。
【００２２】
（バイオマス）
本明細書で、バイオマスとは、生物由来の有機資源を意味する。好ましくは、有機性廃棄物、資源作物あるいはその廃棄物などの有機性物質が用いられる。有機性廃棄物としては、例えば、食品工業、製紙工業、畜産業などにおける有機性廃水、有機廃棄物、あるいは糞尿、または都市下水の汚泥などが例示されるが、有機物を含む廃棄物であれば、これらに制限されない。資源作物としては、例えば、とうもろこし、さとうきびなどが挙げられ、さらにこれらの処理工程で発生する廃棄物なども、本発明に使用される。
【００２３】
まず、バイオマス１を、図１に示すようにそのまま水素発酵に供するか、もしくは図２に示すようにバイオマス１を前処理槽２０で前処理する。
【００２４】
（前処理）
バイオマス１の前処理手段に特に制限はなく、例えば、加熱処理、超音波処理、破砕処理、酸処理、アルカリ処理などの物理化学的処理が挙げられる。これらの処理は、単独で、あるいは組み合わせて行われる。これらの前処理によって、バイオマス１を発酵されやすい形態に変化させる。
【００２５】
バイオマス１が、有機汚泥などの難分解性物質を含む場合には、これらの難分解性物質を可溶化するために、アルカリ処理をすることが好ましい。アルカリ前処理を行うことにより、前処理後バイオマス２１が水素発酵微生物によって利用され易くなり、水素発生効率が向上する。さらに、水素発酵工程中にｐＨが低下することから、アルカリ性の前処理後バイオマス２１を水素発酵槽２に投入することが好ましい。すなわち、アルカリ処理した前処理後バイオマス２１が、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ剤の代わりに、水素発酵槽２に投入される。
【００２６】
アルカリ処理に特に制限はなく、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ剤を用いて、バイオマス１のｐＨは１０以上、好ましくはｐＨ１０〜１２に調整される。アルカリ処理は、通常０．５〜２４時間、好ましくは２〜１２時間攪拌することにより行われる。連続的にアルカリ前処理を行う場合、滞留時間が０．５〜２４時間、好ましくは２〜１２時間となるように処理を行う。このような処理により、バイオマス１中に含まれる水素消費型細菌、あるいは水素発酵に悪影響を与える微生物（例えば、乳酸菌、メタン生成菌など）の活動を低下させ、あるいはこれらの微生物を死滅させることができる。
【００２７】
アルカリ前処理は、加熱下で行ってもよい。加熱温度に特に制限はないが、３０℃〜９０℃で、あるいは３５〜８０℃で行われる。さらに、アルカリ処理の効率を高めるために超音波処理、破砕処理などを組合せてもよい。超音波処理の条件に特に制限はなく、処理温度、処理量を考慮して、周波数、処理時間を適宜決定すればよい。
【００２８】
バイオマス１が酸処理に適したものである場合は、酸処理を行った後、そのまま前処理後バイオマス２１として用いてもよい。しかし、次の水素発酵工程においてアルカリ性に調整しておくことが有利である場合は、酸処理後のバイオマスをさらにアルカリ側にｐＨ調整し、アルカリ性の前処理後バイオマス２１としてもよい。この場合も、ｐＨは、好ましくは１０以上、より好ましくはｐＨ１０〜１２に調整され得る。
【００２９】
（水素発酵）
上記バイオマス１あるいは前処理後バイオマス２１は、水素発酵槽２に導入され、水素発酵が行われる。
【００３０】
水素発酵槽２は、バイオマス１の投入口、水素発酵ガス３を回収する水素発酵ガス回収装置２１、および水素発酵残渣４の取出口が備えられている。水素発酵槽２内は、嫌気性雰囲気に保たれている。この水素発酵槽２内で、バイオマス１を水素発酵させることにより、水素および二酸化炭素を主成分とする水素発酵ガス３が生成する。
【００３１】
水素発酵に使用される微生物は、嫌気性非光合成微生物群あるいは純粋菌であり、水素生成能を有する微生物群または純粋菌であれば、どのような由来のものでもよい。好適には、水素生成能を有する微生物群が用いられ、例えば、下水汚泥や生ごみのメタン発酵後の汚泥、あるいはその培養物が用いられる。水素発酵は、一般的には２０〜６０℃、好ましくは３０〜３７℃で行われる。
【００３２】
本発明においては、水素発酵は、酸性条件下あるいはアルカリ条件下で行われる。酸性条件下で行われる場合、ｐＨは、好ましくは４〜７．５であり、より好ましくはｐＨ５．５〜７である。水素発酵中に有機酸が生成して水素発酵液のｐＨが低下するので、アルカリ前処理した前処理後バイオマス２１をｐＨ調整のために水素発酵槽２に添加しても良い。アルカリ条件下で行われる場合、ｐＨは１０〜１２で行うことが好ましい。
【００３３】
生成した水素発酵ガス３は、水素発酵ガス回収装置２１に回収された後、適宜精製（炭酸ガスなどの除去）され、燃料電池用燃料として使用されたり、あるいは水素ガスステーションへ供給され得る。あるいは、以下に詳述する乾燥工程に使用する乾燥装置１１の燃料として、または水素発酵槽２もしくはメタン発酵槽５を所定の温度に維持するための熱源として、利用することもできる。
【００３４】
水素発酵残渣４は、水素発酵槽２で生成した有機酸、分解されなかった有機物などを含有するので、これをメタン発酵させることにより、バイオマス１からの更なるエネルギー回収が可能となるのみならず、廃棄物の量が減少する。
【００３５】
（メタン発酵）
この水素発酵残渣４は、次いで、メタン発酵槽５へ移送され、嫌気的にメタン発酵される。水素発酵残渣４のメタン発酵によって、水素発酵の副生物である有機酸（酢酸、ギ酸、乳酸、酪酸、プロピオン酸など）、あるいは水素発酵では利用されなかった炭水化物、タンパク質、脂質などから、メタン発酵ガス６が生成される。したがって、上記のように、バイオマス１から、さらなるエネルギーが回収される。
【００３６】
メタン発酵細菌は、活性汚泥や消化汚泥を嫌気条件下で馴養することにより、集積される。メタン発酵は、一般的に２５〜６５℃、好ましくは３０〜４０℃、高温菌の場合は５０〜６０℃で行われる。メタン発酵は、一般的にｐＨ５〜１０、好ましくは７〜９のアルカリ側で行われる。メタンガスの発生量（有機物の分解率）は、一般に、高温発酵の方が中温発酵よりも高い。
【００３７】
このメタン発酵においては、水素発酵残渣４がアルカリ性である場合は、そのままメタン発酵に使用してもよく、あるいはｐＨ調整剤の添加によってｐＨ調整を行ってもよい。
【００３８】
メタン発酵槽５は、メタン発酵ガス６を回収するメタン発酵ガス回収装置２２を備えている。メタン発酵で生じたメタン発酵ガス８は、通常、メタンガスと二酸化炭素との混合ガスである。この発生ガスは、そのまま、あるいは二酸化炭素除去を行った後、メタン発酵ガス回収装置２２に貯留してもよい。
【００３９】
生成したメタン発酵ガス６は、メタン発酵ガス回収装置２２に回収された後、適宜精製（炭酸ガスなどの除去）され、必要に応じてガス貯蔵装置１７に貯蔵され（図２参照）、メタンガスとしてガス発電に供され得る。あるいは、メタンガスは、さらに水素へ改質され、上記と同様に水素として別途使用され得る。
【００４０】
本発明においては、バイオマス１を水素発酵させた後にメタン発酵に供しているため、バイオマス１を直接メタン発酵させる従来のシステムに比べて、メタン発酵後の有機物の分解率が１０〜２０％程度向上している。そのため、メタンガスの発生量が多くなるとともに、生成するメタン発酵残渣７は、従来システムのメタン発酵残渣に比べて有機物含有量が少ない。しかし、メタン発酵残渣７は有機物を含有するので、さらに水素発酵槽２あるいは前処理槽２０に返送することができ、廃棄されるバイオマス１の量が減少する。さらに、メタン発酵残渣はアルカリ性であるため、バイオマス１の処理に使用するアルカリ量を減少することができる。
【００４１】
次に、このメタン発酵残渣７を、脱水残渣９を回収するための固液分離装置８に投入する。この固液分離装置８により、メタン発酵残渣７は脱水濾液１０と脱水残渣９とに分離される。固液分離装置８としては、通常、汚泥などの分離に用いる脱水機で、十分な固液分離能を有するものであれは特に制限はなく用いられる。このような固液分離機としては、例えば、遠心脱水機、スクリュープレス脱水機、ロータリープレス脱水機などが挙げられる。この固液分離装置８によりメタン発酵残渣７が固液分離され、脱水残渣（固形分）９と脱水濾液１０とに分離される。脱水残渣（固形分）９中の水分含量は、８５質量％以下であることが好ましく、８０質量％以下であることがより好ましい。脱水濾液１０は、当該技術分野で通常行われる水処理に供される。
【００４２】
脱水残渣（固形分）９は、次いで、必要に応じて、乾燥装置１１に移送され、好ましくは水分含量が２０〜４０％となるように乾燥され、乾燥物１２が得られる。
【００４３】
さらに、得られた乾燥物１２を、可燃性ガス化装置１３に投入して、可燃性ガス化する。この可燃性ガス化装置１３では、約９００℃の高温水蒸気と有機性物質とを接触させ、一酸化炭素、水素、メタンなどの可燃性ガス１４を発生させるとともに、有機性物質が低分子化される。有機物をガス化することにより、バイオマス１の量は、最初に投入された量の１／２００〜１／１０まで減らすことができる。
【００４４】
なお、図２においては、乾燥装置１１と可燃性ガス化装置１３とが別々の装置として構成されているが、図１に示すように、乾燥および可燃性ガス化の機能を１つの装置内に備えるように構成されたガス化装置１３を用いてもよい。
【００４５】
可燃性ガス化装置１３から取り出された可燃性ガス１４は、例えば図２に示すように、発電用エネルギーとして発電装置１５に送給される。発電装置１５は、例えば、燃料電池が備えられており、送給されたガス１４を原料として発電が行われる。また、上述のように、メタン発酵ガス回収装置６１に回収されたメタン発酵ガス６あるいは精製されたメタンガスは、ガス貯蔵装置１７に貯蔵される。このメタンガスを発電装置１５に送給し、発電に利用してもよい。
【００４６】
発電された電力１６は、本発明のバイオマス処理システムを構成する各装置における消費電力として利用され得る。あるいは、余剰の電力１６は、売電され得る。一方、ガス化装置１３、発電装置１５などの運転によって生じる排熱（図２において破線の矢印で示す）は、水素発酵槽２およびメタン発酵槽５の保温、乾燥装置１１における乾燥などにおける熱源として利用することも可能である。
【００４７】
以下に実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。
【実施例】
【００４８】
（実施例１）
汚泥（水分９６％）２０ｋｇを水素発酵およびメタン発酵に供した。汚泥を８０℃まで加熱して前処理をした後、水素発酵を温度３５℃で行った。水素の発生が止まった時点で、水素発酵残渣をメタン発酵に供した。メタン発酵は、高温（温度５５℃）で行い、メタンガスの発生が止まったところで発酵を終了した。発酵残渣を３０００ｒｐｍで遠心分離して、脱水し、脱水後の固形分量および水分量を測定し、ついで、水分４０％以下まで乾燥し、９００℃の高熱蒸気で可燃性ガス化した。結果を表１に示す。
【００４９】
（比較例１）
実施例１と同じ汚泥（水分９６％）２０ｋｇを、水素発酵することなく、そのままメタン発酵に供した。実施例１と同様にメタン発酵を行い、脱水残渣を可燃性ガス化した。結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
表１の結果が示すように、水素発酵とメタン発酵とを組合わせた実施例１のメタン発酵の効率が、メタン発酵を単独で行った場合（比較例１）よりも大きかった。さらに、水素発酵とメタン発酵とを組合わせた実施例１の脱水残渣の量および水分量が、メタン発酵のみの場合（比較例１）に比べて、低下した。実施例１で生じる可燃性ガスは、比較例１で生じる可燃性ガスとほぼ同量回収された。このように、水素発酵とメタン発酵とを組み合わせることにより、エネルギーの回収量が増加し、そのうえ、脱水残渣（固形分）の量および含水率が低下することから、脱水残渣の乾燥に必要なエネルギーが大幅に削減できる。そのため、可燃性ガス化装置の小型化を図ることができ、さらに、発酵によるエネルギー回収も加えると、トータルのエネルギー回収量が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明によれば、水素発酵とメタン発酵とを組合せることにより、バイオマスからのエネルギー回収量が増加し、メタン発酵後の脱水残渣から可燃性ガスを生じさせるので、近年過剰気味のコンポストの代わりに、バイオマスを発電用の燃料などの用途に利用できるようになる。さらに、可燃性ガス化対象物質の量および水分量が減少することから、可燃性ガス化装置の小型化を図ることができる。発酵によるエネルギー回収を考慮すると、トータルのエネルギー回収量が向上するので、バイオマスの処理において、極めて有用な装置として利用される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明のバイオマス処理方法の一実施態様を示す系統図である。
【図２】本発明のバイオマス処理方法の別の実施態様を示す系統図である。
【符号の説明】
【００５４】
１ バイオマス
２ 水素発酵槽
３ 水素発酵ガス
４ 水素発酵残渣
５ メタン発酵槽
６ メタン発酵ガス
７ メタン発酵残渣
８ 脱水装置
９ 脱水残渣（固形分）
１０ 脱水濾液
１１ 乾燥装置
１２ 乾燥物
１３ ガス化装置
１４ 可燃性ガス
１５ 発電装置
１６ 電力
１７ ガス貯蔵装置
２０ 前処理槽
２１ 前処理後バイオマス
３１ 水素発酵ガス回収装置
６１ メタン発酵ガス回収装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスを水素発酵させる水素発酵槽；該水素発酵槽と連結し、生成する水素発酵ガスを回収する水素発酵ガス回収装置；該水素発酵の残渣を受け入れメタン発酵させるメタン発酵槽；該メタン発酵槽と連結し、生成するメタン発酵ガスを回収するメタン発酵ガス回収装置；該メタン発酵の残渣を固液分離し、脱水残渣を回収するための固液分離装置；および、該脱水残渣を可燃性ガス化する可燃性ガス化装置を備える、バイオマス処理システム。
【請求項２】
前記脱水残渣を乾燥し、乾燥した脱水残渣を可燃性ガス化装置に供給する乾燥装置をさらに備える、請求項１に記載のバイオマス処理システム。
【請求項３】
さらに、前記可燃性ガス送給装置からの可燃性ガスにより発電を行う発電装置を備える、請求項１または２に記載のバイオマス処理システム。
【請求項４】
メタン発酵ガス回収装置からのメタンガスを発電装置に導入するメタンガス送給装置をさらに備える、請求項３に記載のバイオマス処理システム。
【請求項５】
バイオマスを水素発酵させて、水素発酵ガスおよび水素発酵残渣を得る工程；
該水素発酵残渣をメタン発酵させて、メタン発酵ガスおよびメタン発酵残渣を得る工程；
該メタン発酵残渣を固液分離して、脱水濾液および脱水残渣を得る工程；および
該脱水残渣を可燃性ガス化する工程；を含む、バイオマスの処理方法。
【請求項６】
さらに、該可燃性ガスを発電装置に送給し、発電を行う工程を含む、請求項５に記載のバイオマスの処理方法。
【請求項１】
バイオマスを水素発酵させる水素発酵槽；該水素発酵槽と連結し、生成する水素発酵ガスを回収する水素発酵ガス回収装置；該水素発酵の残渣を受け入れメタン発酵させるメタン発酵槽；該メタン発酵槽と連結し、生成するメタン発酵ガスを回収するメタン発酵ガス回収装置；該メタン発酵の残渣を固液分離し、脱水残渣を回収するための固液分離装置；および、該脱水残渣を可燃性ガス化する可燃性ガス化装置を備える、バイオマス処理システム。
【請求項２】
前記脱水残渣を乾燥し、乾燥した脱水残渣を可燃性ガス化装置に供給する乾燥装置をさらに備える、請求項１に記載のバイオマス処理システム。
【請求項３】
さらに、前記可燃性ガス送給装置からの可燃性ガスにより発電を行う発電装置を備える、請求項１または２に記載のバイオマス処理システム。
【請求項４】
メタン発酵ガス回収装置からのメタンガスを発電装置に導入するメタンガス送給装置をさらに備える、請求項３に記載のバイオマス処理システム。
【請求項５】
バイオマスを水素発酵させて、水素発酵ガスおよび水素発酵残渣を得る工程；
該水素発酵残渣をメタン発酵させて、メタン発酵ガスおよびメタン発酵残渣を得る工程；
該メタン発酵残渣を固液分離して、脱水濾液および脱水残渣を得る工程；および
該脱水残渣を可燃性ガス化する工程；を含む、バイオマスの処理方法。
【請求項６】
さらに、該可燃性ガスを発電装置に送給し、発電を行う工程を含む、請求項５に記載のバイオマスの処理方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００６−８２０７５（Ｐ２００６−８２０７５Ａ）
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３０９８５（Ｐ２００５−２３０９８５）
【出願日】平成１７年８月９日（２００５．８．９）
【出願人】（０００１３３０３２）株式会社タクマ (308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月９日（２００５．８．９）
【出願人】（０００１３３０３２）株式会社タクマ (308)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]