JP2006116528A - バイオマス資源処理方法とその処理設備 - Google Patents

Abstract

【課題】難脱水性のメタン発酵残渣に対しても、脱水効率を高めて効率良く脱水処理でき、処理コストの低減を図れるバイオマス資源処理方法とその処理設備を提供する。
【解決手段】有機性廃棄物１を水素発酵し、ついで水素発酵して生じた水素発酵残渣４をメタン発酵し、メタン発酵により生じたメタン発酵残渣７を脱水する処理方法において、脱水処理前にメタン発酵残渣７を凍結融解法にて処理する工程を有する。
【選択図】図１

Description

本発明はバイオマス資源処理方法とその処理設備に関し、詳しくは、バイオマス資源を水素発酵し、ついで水素発酵して生じた水素発酵残渣をメタン発酵し、メタン発酵により生じたメタン発酵残渣を脱水するバイオマス資源処理方法とその処理設備に関する。

生ゴミ、家畜糞尿、下水汚泥などの有機性廃棄物、林地残材などの未利用有機性廃棄物、あるいは飼料作物などの資源作物のようなバイオマス資源を処理するため、微生物を利用する技術が利用されている。この処理方法として、酸素雰囲気下で好気発酵により処理してコンポスト等を得る方法や、酸素を遮断した雰囲気下で嫌気発酵することにより発生したメタン等を燃料に利用する方法などがある。

好気発酵してコンポストを得る処理方法は、常に酸素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、臭気対策が必要となる。

嫌気発酵での処理は、密閉したシステム内で行うため、好気発酵により生じる上記の問題はなく、そのため、近年嫌気発酵による処理システムが多用されるようになっている。嫌気発酵により生じるメタンは、燃料して発電装置などに有効利用され、メタン発酵後の残渣は、凝集剤などを添加して脱水機などにより脱水処理される（例えば、特許文献１）。

特開２００３−１３５０８９号公報

しかしながら、上記従来技術は、難脱水性のメタン発酵残渣を、そのまま脱水機によって脱水処理しているため、脱水効率は必ずしも良好ではないという問題があり、改良の要請が強い。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて、難脱水性のメタン発酵残渣に対しても、脱水効率を高めて効率良く脱水処理でき、処理コストの低減を図れるバイオマス資源処理方法とその処理設備を提供することにある。

上記課題は、請求項記載の各発明により達成される。すなわち、本発明に係るバイオマス資源処理方法の特徴構成は、バイオマス資源を水素発酵し、ついで水素発酵して生じた水素発酵残渣をメタン発酵し、メタン発酵により生じたメタン発酵残渣を脱水する処理方法において、脱水処理前に前記メタン発酵残渣を凍結融解法にて処理する工程を有することにある。

この構成によれば、メタン発酵残渣をそのまま脱水装置によって脱水する場合に比べて、バイオマス資源の有する水分を効果的に排出させることができ、以後の脱水処理を効果的なものにできる。したがって、後工程の脱水処理を確実かつ円滑に行え、バイオマス資源の処理能力を向上できて、全体の処理コストの低減をはかることができる。

その結果、難脱水性のメタン発酵残渣に対しても、脱水効率を高めて効率良く脱水処理でき、処理コストの低減を図れるバイオマス資源処理方法を提供することができた。

前記メタン発酵残渣を凍結融解法にて処理する前に、酸処理することが好ましい。

この構成によれば、難脱水性のメタン発酵残渣を一層効率よく脱水できる。

前記凍結融解法として吸収式冷凍機付き凍結融解装置を用いると共に、前記メタン発酵により生じたメタン発酵ガスを燃焼利用した後、その廃熱を前記吸収式冷凍機付き凍結融解装置の冷凍機の駆動源として利用することが好ましい。

この構成によれば、凍結融解装置の冷凍機の駆動源に要するエネルギーコストを低減でき、バイオマス資源の処理コスト全体を一層低減できる。

また、本発明に係るバイオマス資源処理設備の特徴構成は、バイオマス資源を水素発酵する水素発酵槽と、この水素発酵槽により生じた水素発酵残渣をメタン発酵するメタン発酵槽と、このメタン発酵槽により生じたメタン発酵残渣を脱水する脱水装置とを有する処理設備において、脱水処理前に前記メタン発酵残渣を凍結融解法にて処理する凍結融解装置を有することにある。

この構成によれば、難脱水性のメタン発酵残渣に対しても、脱水効率を高めて効率良く脱水処理でき、処理コストの低減を図れるバイオマス資源処理設備を提供することができる。

前記メタン発酵残渣を凍結融解装置にて処理する前に、酸処理する酸処理機構を有することが好ましい。

この構成によれば、難脱水性のメタン発酵残渣を一層効率よく脱水できる。

前記凍結融解装置が吸収式冷凍機付き凍結融解装置であると共に、前記メタン発酵により生じたメタン発酵ガスを燃焼利用した後、その廃熱を前記吸収式冷凍機付き凍結融解装置の冷凍機の駆動源として利用するようになっていることが好ましい。

この構成によれば、凍結融解装置の冷凍機の駆動源に要するエネルギーコストを低減でき、バイオマス資源の処理コストを一層低減できる。

本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るバイオマス資源処理方法の概略全体構成を示す。

このバイオマス資源処理方法は、まず生ゴミ、家畜糞尿、下水汚泥などの有機性廃棄物（バイオマス資源の１例）１を水素発酵槽２に送給し、嫌気性条件下で水素発酵させる。その際、有機性廃棄物１を効率よく水素発酵させる等のために、加熱処理などの前処理を適宜行ってもよい。

水素発酵槽２では、水素生成菌の存在下で適度なｐＨ、温度条件の下で水素発酵させ、主として水素と二酸化炭素などからなる水素発酵ガス３を発生させる。この水素発酵ガス３は、分離膜を使用するなどして適宜精製され、ガスエンジン用燃料、燃料電池用燃料などに利用されたり、水素ステーション等に送給されて利用されたりする。なお、水素を効率的に生成させるため、減圧下で水素発酵を行うようにしてもよい。

水素発酵槽２で生成した有機酸や分解されなかった有機物などからなる水素発酵残渣４は、更にメタン発酵槽５に送給されて、嫌気性雰囲気中においてメタン発酵菌の存在下でメタン、二酸化炭素を主成分とするメタン発酵ガス６を生じさせる。メタン発酵においても、メタン発酵能を有する各種バクテリアを活性化するため、好適なｐＨ、温度条件が選択される。発生したメタン発酵ガス６は、必要に応じてアルカリ剤を加えられたり、膜分離される等して適宜精製され、高カロリーの燃料ガスとして発電装置に利用されたり、水素に改質されて水素として利用されたりする。メタン発酵ガス６中に硫化水素が多い場合には、脱硫塔に送給して脱硫処理してもよい。

メタン発酵ガス６は、ガスタービン用燃料、ガスエンジン用燃料、燃料電池用燃料などに利用されて発電されたり、種々の熱利用に供されたりする。

本実施形態では、メタン発酵残渣７をそのまま通常の脱水装置による脱水をする前に、凍結融解装置８に送給して、効果的にメタン発酵残渣７中の水分を除去するようにしている。このようにすることにより、難脱水性のメタン発酵残渣の脱水を高い効率で行うことができる。

凍結融解装置８は、図示はしないが、凍結融解槽と冷凍機などとからなり、凍結融解槽中に投入されたメタン発酵残渣は、冷凍機から配管を介して送給される間接冷媒（冷ブライン）と間接接触することにより凍結した後、冷凍機から排出される冷却水の排熱により、加温された間接冷媒（温ブライン）で融解する凍結融解処理により、メタン発酵残渣の脱水性が改善され、低含水率に脱水される。冷凍機は、特に限定されるものではないが、アンモニア吸収冷凍機を使用することが好ましい。冷媒としてアンモニアを使用すると、環境に有害なフロンを用いることなく、安価で熱力学的に優れた物性を有する冷媒として機能するので都合がよい。アンモニア吸収冷凍機は、冷媒であるアンモニアを放熱液化する凝縮器と、アンモニアを蒸発させる蒸発器と、この蒸発器で蒸発したアンモニア蒸気を吸収剤である水に吸収させる吸収器とを備えて構成されている。そして、吸収器により冷媒を十分に含んだアンモニア水溶液を溶液ポンプで加圧して送給される発生器と、アンモニア濃度を高めてこれを凝縮器に送る精留器とを備えさせてもよい。アンモニア吸収冷凍機を使用する場合は、メタン発酵残渣を−２０℃程度にまで十分に冷却して完全に凍結することが好ましい。また、凍結融解槽での処理は、凍結と融解とを比較的時間をかけて行うことが有利であるが、処理量や被処理物の特性などに応じて、凍結融解装置の操業を適宜選択することができる。

凍結融解装置８により脱水処理する前に、メタン発酵残渣７に酸を加える（酸処理）、あるいは超音波処理などの前処理をして、脱水効率を高めるようにしてもよい。たとえば、メタン発酵残渣７に硫酸などの強酸を適量加えることにより、メタン発酵残渣７中に取り込まれている水分を分離させ易くし、次の凍結融解装置での効率を高めることができる。また、メタン発酵残渣７に超音波を付与することより、メタン発酵残渣７中に取り込まれている水分を機械的に分離し易くすることも可能である。もとより、酸処理と超音波処理とを組み合わせて行ってもよい。

凍結融解装置８により処理された凍結融解処理物９は、脱水装置１０に送給されて脱水される。この脱水装置１０により、凍結融解処理物９は固形分である脱水残渣１１と脱水ろ液１２とに固液分離される。脱水装置１０としては、特に限定されるものではなく、遠心脱水機、ベルトプレス脱水機、スクリュープレス脱水機など種々のものを使用できる。

脱水残渣１１は、直接埋め立て処理されるか、コンポスト、土壌改良剤などとして利用されるが、脱水ろ液１２は、必要に応じて水処理され河川などに放流されるか、希釈水として水素発酵槽１に投入され再利用されたり、液肥として利用されたりする。

有機性廃棄物を処理して脱水装置１０で脱水する前に、凍結融解処理を行った場合（実施例１）と、行わなかった場合（比較例１）、更に凍結融解処理する前に酸処理（実施例２）した場合、超音波処理した場合（実施例３）の脱水性能を比較した。脱水処理する有機性廃棄物としては、水素発酵槽にて水素発酵した後、メタン発酵槽にてメタン発酵させた発酵残渣（消化汚泥）を用い、その蒸発残留物（ＴＳ）は４．０％であり、強熱減量（ＶＳ）は２．３％であった。凍結融解処理は、凍結融解槽に消化汚泥を投入した後、１〜２時間で約−２０℃に冷却した後、約１時間保持し、その後、４０〜５０℃の温水で融解した。また、脱水性能は、下水試験法に規定されるヌッチェテストを行い、ろ過比抵抗（ケーク固定分１ｋｇが加わることにより生じるろ過抵抗）を測定することにより判定した。

その結果を表１に示す。
［表１］

表１の結果から、比較例１が高いろ過比抵抗を有するのに対して、凍結融解処理した場合（実施例１）はろ過比抵抗が低下しており、超音波処理した（実施例３）場合は更にろ過比抵抗が低下し、酸処理したもの（実施例２）が最も顕著にろ過比抵抗を低下させており、本実施例によると、消化汚泥の脱水性能が顕著に改質されることが明らかである。
〔別実施の形態〕
（１）上記実施形態において、メタン発酵槽５から生じたメタン発酵ガス６をガス燃焼装置（ガスエンジン、バイオガスタービン等）１３に送給して、その燃料として利用し、ガス燃焼装置１３に設けられた発電機（図示略）により電力１５を取り出した後、図２に示すように、その廃熱１４を凍結融解装置の１種である吸収式冷凍機付き凍結融解装置１６の吸収式冷凍機の駆動源として利用してもよい。このようにすると、凍結融解装置１６のエネルギーコストを低減でき、総処理コストの低減を図ることができて好ましい。
（２）上記実施形態では、バイオマス資源として、生ゴミ、家畜糞尿、下水汚泥などの有機性廃棄物を例に挙げたが、本発明が適用されるバイオマス資源は、これに限定されるものではなく、各種化学工業、食品工業、製紙工業、薬品工業などから排出される有機性廃棄物であってもよく、更には稲わら、麦わら、もみ殻、林地残材（間伐材や被害木材など）のような未利用バイオマス資源、又、飼料作物やでんぷん系作物のような資源作物であってもよい。

本発明の一実施形態に係るバイオマス資源処理方法を説明する概略フロー図 本発明の別実施形態に係るバイオマス資源処理方法を説明する概略フロー図

符号の説明

１ バイオマス資源
２ 水素発酵槽
４ 水素発酵残渣
５ メタン発酵槽
７ メタン発酵残渣
８ 凍結融解装置
１０ 脱水装置
１６ 吸収式冷凍機付き凍結融解装置

Claims (6)

1. バイオマス資源を水素発酵し、ついで水素発酵して生じた水素発酵残渣をメタン発酵し、メタン発酵により生じたメタン発酵残渣を脱水するバイオマス資源処理方法において、脱水処理前に前記メタン発酵残渣を凍結融解法にて処理する工程を有することを特徴とするバイオマス資源処理方法。
2. 前記メタン発酵残渣を凍結融解法にて処理する前に、酸処理する請求項１のバイオマス資源処理方法。
3. 前記凍結融解法として吸収式冷凍機付き凍結融解装置を用いると共に、前記メタン発酵により生じたメタン発酵ガスを燃焼利用した後、その廃熱を前記吸収式冷凍機付き凍結融解装置の冷凍機の駆動源として利用する請求項１又は２のバイオマス資源処理方法。
4. バイオマス資源を水素発酵する水素発酵槽と、この水素発酵槽により生じた水素発酵残渣をメタン発酵するメタン発酵槽と、このメタン発酵槽により生じたメタン発酵残渣を脱水する脱水装置とを有するバイオマス資源処理設備において、脱水処理前に前記メタン発酵残渣を凍結融解法にて処理する凍結融解装置を有することを特徴とするバイオマス資源処理設備。
5. 前記メタン発酵残渣を凍結融解装置にて処理する前に、酸処理する酸処理機構を有する請求項４のバイオマス資源処理設備。
6. 前記凍結融解装置が吸収式冷凍機付き凍結融解装置であると共に、前記メタン発酵により生じたメタン発酵ガスを燃焼利用した後、その廃熱を前記吸収式冷凍機付き凍結融解装置の冷凍機の駆動源として利用するようになっている請求項４又は５のバイオマス資源処理設備。

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