JP6357364B2 - 消化液処理システムおよび消化液処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマスを発酵槽においてメタン発酵させるバイオマスプラントで発生する消化液を処理する消化液処理システムおよび消化液処理方法に関する。

従来、水分および固形成分の分離装置としては、下記特許文献１に示すように、回転体の内面にろ過膜を有する内かごを設けると共に、回転体の内側面を下方から上方に向かって拡径させることで、固形成分を内かごで除去し、内かごを通過した処理液が回転体の内側面を上方へ上り、回転体の上方開放端部から排出される。

特開２００６−５５７６３号公報

しかしながら、従来の分離装置では、固形成分が内かごの内面全体に付着してしまい、固形成分をまとめて回収することが困難である。

特に、バイオマスを発酵槽においてメタン発酵させるバイオマスプラントにおいては、発生する消化液の固形成分を積極的に回収して活用することが望まれているが、従来の分離装置では、内かごの内面全体に付着した固形成分を別途かき集める必要が生じてしまい、現実的でない。

以上の事情に鑑みて、本発明は、バイオマスプラントにおいて発生する消化液から固形成分を再利用可能な形態で分離回収することができ、分離した水分と固形成分とを再利用することができる消化液処理システムおよび消化液処理方法を提供することを目的とする。

第１発明の消化液処理システムは、バイオマスを発酵槽においてメタン発酵させるバイオマスプラントで発生する消化液を処理する消化液処理システムであって、
前記消化液に少なくともリン酸イオンを吸着させる吸着物を添加した混合液を水分と固形成分とに分離する分離装置と、
前記分離装置で分離された前記固形成分をペレット化するペレット装置と
を備え、
前記分離装置で分離された水分が前記発酵槽に供給されて再利用され、
前記吸着物は、米ぬかとおがくずと油粕と酒粕と活性炭との全部または一部から選択され、
前記分離装置は遠心分離による脱水装置であり、
前記脱水装置は、
下方から上方に向かって拡径した内側面を有する有底筒状の回転体と、
前記回転体の開口部に配置された網状のフィルタ部と、
前記回転体を閉蓋すると共に、前記フィルタ部を介してろ過された水分を受ける水分受け部を有する蓋部とを備えることを特徴とする。

第１発明の消化液処理システムによれば、消化液にリン酸イオンを吸着させる吸着物を添加し、消化液中にもともと存在する固形成分に加えて、吸着物を介してリン酸イオンを固形成分として積極的に回収することができる。

そして、分離された固形成分は、ペレット化して再利用することができる。

このとき、ペレット装置でペレット化された固形成分には、消化液中にもともと存在する固形成分中のリンに加えて、吸着物を介して回収されたリン酸イオンが含まれる。そのため、農業用の肥料として再利用することができる。

一方、分離された水分は、再び発酵槽に供給されて再利用される。

このように、第1発明の消化液処理システムによれば、バイオマスプラントにおいて発生する消化液から固形成分を再利用可能な形態で分離回収することができ、分離した水分と固形成分とを再利用することができる。

また、吸着物を米ぬかとおがくずと油粕と酒粕と活性炭との全部または一部から選択し、これを遠心分離による脱水装置で固形成分として分離回収することで、吸着物自体を有機肥料とすることができる。これにより、ペレット装置でペレット化された固形成分をリン成分に加えて、有機成分を含むバランスの良い農業用の肥料として再利用することができる。

また、米ぬかとおがくずと油粕と酒粕と活性炭との全部または一部から選択される吸着物は、粒子が大きく目詰まりを起こすことなく水分を分離するフィルタとして機能させることができる。

このように、バイオマスプラントにおいて発生する消化液から固形成分を、効率よく且つ有機成分を含むバランスの良い農業用肥料として再利用可能な形態で分離回収することができる。

また、分離装置としての脱水装置を、下方から上方に向かって拡径した内側面を有する有底筒状の回転体の開口部にフィルタ部を設けた構成とすることで、混合液が回転体の遠心力により内側面を上方に這い上がり、フィルタ部で固形成分が濾される。

これにより、固形成分がフィルタ部一カ所にまとまった形で分離され、固形成分を別途かき集める必要がない。すなわち、消化液の固形成分を再利用し易い形でまとめて回収することができる。

一方、フィルタ部を通過した水分は、水分受け部を有する蓋部を介して回収される。

このように、バイオマスプラントにおいて発生する消化液から固形成分をまとめて分離回収することができ、分離した水分と固形成分とを再利用することができる。

第２発明の消化液処理システムは、第１発明において、
前記回転体は、前記内側面の内側に、上方から下方に向かって拡径した第２内側面を有することを特徴とする。

第２発明の消化液処理システムによれば、回転体の内側面を下方から上方に向かって拡径した内側面のみとした場合には、フィルタ部で分離された固形成分が回転体の上部に集まり、回転体の回転バランスが乱れる可能性があるところ、かかる内側面と逆向きに、上方から下方に向かって拡径した第２内側面を設けることで、消化液がフィルタ部に到達するまでの工程を長くすることができると共に、第２内側面の下端部に一時的に固形成分を貯留することができ、回転体の回転バランスを維持することができる。

このように、第２発明の消化液処理システムによれば、回転体の回転バランスを維持しながら、消化液から固形成分をまとめて分離回収することができ、分離した水分と固形成分とを再利用することができる。

バイオマス処理システムの全体構成を示すシステム構成図。 図１の分離装置の具体的構成を示す説明図。 本実施形態の消化液処理方法による処理内容を示すフローチャート。 図２の分離装置の変更例を示す説明図。

図１に示すように、本実施形態のバイオマス処理システムは、バイオマスをメタン発酵させることによりメタンを含む発生ガスを発生させるシステムであって、前処理ユニット１０と、第１ユニット１１と、第２ユニット１２と、第３ユニット１３と、第４ユニット１４（本発明の消化液処理システムに相当する）とを備える。

前処理ユニット１０は、例えば、残飯や生ゴミなどの食品残渣を破砕する破砕装置１００を備え、破砕装置１００により残飯や生ゴミなどの食品残渣を破砕することによりバイオマスの原料を生成する。

第１ユニット１１は、筐体内に収容された雨水タンク１１１と原水タンク１１２と加水分解槽１１３と、その筐体の屋上に設置された太陽光温水パネル１１４と太陽光発電パネルとを備える。なお、太陽光発電パネルは、その一部が第２ユニット１２の筐体の屋上に設置されている（図１においては、太陽光発電パネルの図示を省略している。）。

雨水タンク１１１は、第１ユニット１１および第２ユニット１２の屋上に降った雨水を回収したタンクであって、雨水タンク１１１の雨水は太陽光温水パネル１１４に送水されて加熱された上で、原水タンク１１２に供給される。

原水タンク１１２では、前処理ユニット１０により生成されたバイオマスと、太陽光温水パネル１１４で加熱した温水とを混合調整した原水を貯留する。

加水分解槽１１３は、原水タンク１１２で予め混合調整された原水がポンプＰにより槽内に供給される。

なお、原水タンク１１２および加水分解槽１１３では、太陽光温水パネル１１４で加熱された温水および加熱ヒータ（図示省略）等により、原水が適温に温度調整される。また、原水タンク１１２および加水分解槽１１３には、電動モータＭにより駆動する攪拌機Ｎが設けられており、攪拌機Ｎにより原水が適宜攪拌混合される。

第２ユニット１２は、筐体内に収容された発酵槽１２１と脱硫装置１２２とを備える。

ここで、第１ユニット１１の筐体と第２ユニット１２の筐体とは、例えば、バイオマスの処理工程が連続するように、直線上に隣接して連結配列されている。このように、第１ユニット１１と第２ユニット１２とは一対で一体を成し、第１ユニット１１および第２ユニット１２とは一体または各々分割してトレーラに積載可能に構成される。さらに、一体を成す第１ユニット１１および第２ユニット１２は、バイオマスの発酵処理量に応じて適宜複数併設することができ、システム全体の大型化が対応可能となっている。

発酵槽１２１は、加水分解槽１１３で加水分解処理されたバイオマスが、加水分解槽１１３からポンプＰにより供給され、供給されたバイオマスをメタン発酵させる。

発酵槽１２１は、ＰＨセンサＰＨと、温度センサtと、側壁に取り付けられたヒータＨとを備え、メタン発酵に適したＰＨ、温度となるように管理される。また、電動モータＭにより駆動する攪拌機Ｎが設けられており、攪拌機ＮによりＰＨおよび温度が均一となるように攪拌混合される。

脱硫装置１２２は、複数の脱硫塔からなり硫化水素を除去処理する。脱硫装置１２２は、発酵槽１２１の上部に設けられた排気バルブに接続されており、発酵槽１２１におけるバイオマスのメタン発酵の進行に伴って生成されるメタンを含む発生ガスが供給される。さらに、発生ガスの供給量に応じて、脱硫塔の手前に設けられた複数のバルブを操作することで、発生ガスの供給路が変更可能となっており、複数の脱硫塔を発生ガスの供給量に適した形で使用することができる。

第３ユニット１３は、筐体内に収容されたガス分解装置１３１と、ガス分解装置１３１に隣接して設けられた再生装置１３２と、ガス分解装置１３１と第２ユニット１２の脱硫装置１２２との間に設けられた発生ガスタンク１３３とを備える。

ガス分解装置１３１は、例えば、放電電極間にメタンガスを供給することで、メタンを分解してカーボンと水素とを含む分解ガスを連続的に生成する。

再生装置１３２は、分解ガスを再生資源にする各種装置であって、例えば、分解ガス中の水素を吸蔵する吸蔵装置１３２ａ並びにこれを用いた燃料電池１３２ｂ、分解ガスを燃焼させるエンジン１３２ｃ並びにこれにより発電を行う発電機１３２ｄ、および分解ガス中の炭素成分を圧縮する圧縮機１３２ｅ並びにこれにより炭素充填を行なった充填物質１３２ｆが該当する。

発生ガスタンク１３３は、第２ユニット１２の発酵槽１２１におけるバイオマスのメタン発酵の進行に伴って生成されるメタンを含む発生ガスが脱硫装置１２２を介して供給され、かかる発生ガスが一時的に貯留される。そのため、第１ユニット１１および第２ユニット１２を複数並列に併設した場合でも、これらから供給される発生ガスが直接ガス分解装置１３１に供給されることなく、発生ガスタンク１３３がバッファとして機能するため、簡易な構成で、複数の第１ユニット１１および第２ユニット１２に対応可能に構成することができる。

ここで、発生ガスタンク１３３をその筐体内に設けないことで、第１ユニット１１および第２ユニット１２を後日さらに複数併設した場合でも、発生ガスタンク１３３の容量をそれに合せて大きくすることで、第３ユニット１３全体の設備の変更を不要として、これに対応することが可能となっている。

第４ユニット１４は、筐体内に収容された脱水装置１４１（本発明の分離装置に相当する）と、脱水装置１４１に隣接して設けられたペレット装置１４２と、脱水装置１４１と第２ユニット１２の発酵槽１２１との間に設けられた消化液タンク１４３とを備える。

脱水装置１４１は、発酵槽１２１のメタン発酵後の残渣である消化液を脱水する。なお、脱水装置１４１の詳細は、図２を参照して後述する。

さらに、消化液を脱水することにより得られた水分はろ過された後、第１ユニット１１の雨水タンク１１１へと戻され、再び発酵槽１２１等に供給される。

ペレット装置１４２は、脱水装置１４１により脱水された消化液の固形成分をペレット化（固化）させる。ペレット化の手法としては、圧縮および乾燥の種々の手法が採用され得る。

消化液タンク１４３は、第２ユニット１２の発酵槽１２１におけるメタン発酵後の残渣である消化液が発酵槽１２１のポンプＰを介して供給され、かかる消化液が一時的に貯留される。そのため、第１ユニット１１および第２ユニット１２を複数並列に併設した場合でも、これらから供給される消化液が脱水装置１４１に供給されることなく、消化液タンク１４３がバッファとして機能するため、簡易な構成で、複数の第１ユニット１１および第２ユニット１２に対応可能に構成することができる。

ここで、消化液タンク１４３をその筐体内に設けないことで、第１ユニット１１および第２ユニット１２を後日さらに複数併設した場合でも、消化液タンク１４３の容量をそれに合せて大きくすることで、第４ユニット全体の設備の変更を不要として、これに対応することが可能となっている。

以上が、本実施形態のバイオマス処理システムの構成である。

次に、説明を後回しにした脱水装置１４１の構成について図２を用いて説明する。

脱水装置１４１は、遠心分離による脱水装置であって、フレーム１４１ａに支持された有底筒状の回転体１４１ｂが連結部１４１ｃを介して回転体１４１ｂの底面に連絡された駆動モータ１４１ｄにより回動する。

回転体１４１ｂの上部には、米ぬかとおがくずと油粕と酒粕と活性炭との全部または一部から選択される吸着物を投入する投入サイロ１４１ｅと、投入サイロ１４１ｅの投入経路１４１ｆに連結され、消化液を供給する消化液供給部１４１ｇとが設けられている。投入サイロ１４１ｅには、図示しないダンパが設けられており、吸着物の投入および投入量が調整可能となっている。これにより、投入サイロ１４１ｅからの吸着物と、消化液供給部１４１ｇからの消化液とが、回転体１４１ｂの内部１４１ｈに投入可能となっている。

回転体１４１ｂは、下方から上方に向かって拡径した内側面１４１ｉと、回転体の開口部を覆う網状のフィルタ部１４１ｊと、回転体１４１ｂの上部を閉蓋する蓋部１４１ｋとを備える。

かかる回転体１４１ｂによれば、下方から上方に向かって拡径した内側面１４１ｉにより、内部１４１ｈに投入された消化液等の材料が回転体１４１ｂの遠心力により内側面１４１ｉを上方に這い上がり、フィルタ部１４１ｊで固形成分が濾される。

一方、フィルタ部１４１ｊを通過した水分は、フィルタ部１４１ｊと蓋部１４１ｋの間に形成された間隙１４１ｍに連通する水分受け部１４１ｎを介して回収される。

なお、本実施形態では、回転体１４１ｂとフィルタ部１４１ｊとが一体に回転し、蓋部１４１ｋ（蓋部１４１ｋと一体の投入サイロ１４１ｅおよび消化液供給部１４１ｇ）がフレーム１４１ａに固定されるが、これに限定されるものではない。例えば、フィルタ部１４１ｊも蓋部１４１ｋと共に固定されるなど種々の形態が採用され得る。

次に、脱水装置１４１による消化液処理方法について図３を参照して説明する。

まず、消化液タンク１４３に貯留されたメタン発酵後の残渣である消化液は、消化液タンク１４３内のポンプにより消化液供給部１４１ｇを介して投入サイロ１４１ｅの投入経路１４１ｆに送られる。

このとき、投入サイロ１４１ｅの図示しないダンパを操作することにより、吸着物が投入経路１４１ｆに落下し、投入経路１４１ｆ内の消化液に添加される（図３／ＳＴＥＰ１０ 吸着物添加工程）。

消化液に吸着物が添加混合された消化液は、投入経路１４１ｆから回転体１４１ｂの内部１４１ｈに投入される。

次に、駆動モータ１４１ｄを作動させ、回転体１４１ｂを回転させることにより、回転体１４１ｂの内部１４１ｈに投入された消化液を固形成分と水分とに分離する（図３／ＳＴＥＰ２０ 分離工程）。

具体的には、駆動モータ１４１ｄを作動させ、回転体１４１ｂを回転させることにより、消化液に吸着物が添加された混合液が、回転体１４１ｂの遠心力により内側面１４１ｉを上方に這い上がり、フィルタ部１４１ｊに達する。

このとき、網状のフィルタ部１４１ｊに、米ぬかとおがくずと油粕と酒粕と活性炭との全部または一部から選択される吸着物が付着してフィルタとして機能し、固形成分が濾される。

そのため、通常のフィルタとは異なり、吸着物をフィルタ部１４１ｊから取り除くことで、網状のフィルタ部自体が目詰まりすることがない。

次に、分離工程で分離された固形成分は、ペレット装置１４２でペレット化される（図３／ＳＴＥＰ３０ ペレット化工程）。

このとき、固形成分がフィルタ部１４１ｊの外側下端に一カ所にまとまった形で分離されるため、固形成分を内側面全体からかき集めるような作業も必要がない。すなわち、消化液の固形成分を再利用し易い形でまとめて回収することができる。

ここで濾される固形成分は、消化液に固有の固形成分（主成分はリン）のほか、少なくともリン酸イオンを吸着した吸着物である。

そのため、分離回収される固形成分には、消化液中にもともと存在する固形成分中のリンに加えて、吸着物を介して回収されたリン酸イオンが含まれ、ペレット化した際に、農業用の肥料として再利用することができる。

さらに、吸着物を米ぬかとおがくずと油粕と酒粕と活性炭との全部または一部から選択し、これを固形成分として分離回収することで、吸着物自体を有機肥料とすることができる。すなわち、固形成分をペレット化した際に、リン成分に加えて、有機成分を含むバランスの良い農業用の肥料として再利用することができる。

特に、吸着物として、活性炭を含ませた場合には、リン酸イオンの吸着性に加えて、消臭効果を発揮し、ペレット化した肥料の匂いを抑えることができる。

一方、分離工程で分離された水分は、第１ユニット１１の雨水タンク１１１へと戻され、再び発酵槽１２１等に供給される（図３／ＳＴＥP４０ 水処理工程）。

なお、分離工程で分離された水分を、第１ユニット１１の雨水タンク１１１へと戻す際に、予め、塩化ナトリウム成分を吸着等により除去することにより、水分が循環することによる塩化ナトリウム成分の濃縮を防止することが好ましい。

以上詳しく説明したように、本実施形態のバイオマス処理システムによれば、バイオマスプラントにおいて発生する消化液から固形成分を再利用可能な形態で分離回収することができ、分離した水分と固形成分とを再利用することができる。

次に、図４を参照して、脱水装置１４１の変更例について説明する。なお、図４において、図２と同一構成については、同一符号を付して説明を省略する。

図４に示す脱水装置１４１´は、その内側面が入れ子状の第１内側面１４１ｉ１と、第２内側面１４１ｉ２と、第３内側面１４１ｉ３と備える。

第１内側面１４１ｉ１は、（図２の内側面１４１ｉと同様で）最外方で下方から上方に向かって拡径した内面である。

第２内側面１４１ｉ２は、下端部で第１内側面１４１ｉ１に連結すると共に、第１内側面１４１ｉ１の内側で上方から下方に向かって拡径した内側である。

第３内側面１４１ｉ３は、上端部で第２内側面１４１ｉ２に連結すると共に、第２内側面１４１ｉ２の内側で下方から上方に向かって拡径した内面である。

なお、第１内側面１４１ｉ１と第２内側面１４１ｉ２との連結部は、放射状に一部分が切り欠かれており、かかる切欠部を介して投入物が移動可能となっている。

同様に、第２内側面１４１ｉ２と第３内側面１４１ｉ３との連結部は、放射状に一部分が切り欠かれており、かかる切欠部を介して投入物が移動可能となっている。

次に、脱水装置１４１´の使用方法について説明する。

投入サイロ１４１ｅおよび消化液供給部１４１ｇから回転体１４１ｂ内に投入された消化液と吸着部との混合液は、第３内側面１４１ｉ３の内側に投入される。

この状態で、駆動モータ１４１ｄを作動させると、回転体１４１ｂの遠心力により、混合液は、第３内側面１４１ｉ３に沿って上方に這い上がる。

そして、第２内側面１４１ｉ２との連結部分に一時的に留まり、連結部分に形成された切欠部から徐々に第２内側面１４１ｉ２の上端内面に流れ込む。

このとき、切欠部の大きさをフィルタ部１４１ｊと同様か若干大きくしておくことで、第３内側面１４１ｉ３と第２内側面１４１ｉ２との間で一時的に固形成分を分離することもできる。

次いで、第２内側面１４１ｉ２の上端内面に流れ込んだ混合液は、回転体１４１ｂの遠心力により、第２内側面１４１ｉ２の内面を上方から下方に這い下がる。

そして、第１内側面１４１ｉ１との連結部分に一時的に留まり、連結部分に形成された切欠部から徐々に第１内側面１４１ｉ１の下端内面に流れ込む。

このとき、切欠部の大きさをフィルタ部１４１ｊと同様か若干大きくしておくことで、第２内側面１４１ｉ２と第１内側面１４１ｉ１との間で一時的に固形成分を分離することもできる。

次いで、第１内側面１４１ｉ１の下端内面に流れ込んだ混合液は、（図２の内側面１４１ｉと同様で）回転体１４１ｂの遠心力により、第１内側面１４１ｉ１の内面を下方から上方に這い上がり、フィルタ部１４１ｊにより固形成分と水分が分離される。

このように、脱水装置１４１´によれば、回転体１４１ｂの内側面を下方から上方に向かって拡径した内側面１４１ｉのみとした場合には、フィルタ部１４１ｊで分離された固形成分が回転体１４１ｂの上部に集まり、回転体１４１ｂの回転バランスが乱れる可能性があるところ、かかる内側面と逆向きに、上方から下方に向かって拡径した第２内側面１４１ｉ２、さらには第３内側面１４１ｉ３を設けることで、消化液がフィルタ部に到達するまでの工程を長くすることができると共に、第２内側面１４１ｉ２の下端部に一時的に固形成分を貯留することができ、回転体の回転バランスを維持することができる。

このように、本実施形態の消化液処理システムによれば、回転体１４１ｂの回転バランスを維持しながら、消化液から固形成分をまとめて分離回収することができ、分離した水分と固形成分とを再利用することができる。

なお、本実施形態では、第２内側面１４１ｉ２に加えて、第３内側面１４１ｉ３を備える構成について説明したが、これに限定されるものではなく、第３内側面１４１ｉ３を省略してもよい。

また、本実施形態では、第１内側面１４１ｉ１〜第３内側面１４１ｉ３は、一体である場合について説明したが、第１内側面１４１ｉ１と第２内側面１４１ｉ２との間の連結部分、第２内側面１４１ｉ２と第３内側面１４１ｉ３との間の連結部分で、それぞれ分割されてもよい。この場合には、分離工程により各連結部分に集まった固形成分を容易に回収することができる。

１０…前処理ユニット、１１…第１ユニット、１２…第２ユニット、１３…第３ユニット、１４…第４ユニット（消化液処理システム）、１００…破砕装置、１１１…雨水タンク、１１２…原水タンク、１１３…加水分解槽、１２１…発酵槽、１２２…脱硫装置、１３１…ガス分解装置、１３２…再生装置、１３３…発生ガスタンク、１４１…脱水装置（分離装置）、１４１ｂ…回転体、１４１ｄ…駆動モータ、１４１ｅ…投入サイロ、１４１ｇ…消化液供給部、１４１ｉ…内側面、１４１ｉ１…第１内側面、１４１ｉ２…第２内側面、１４１ｉ３…第３内側面、１４１ｊ…フィルタ部、１４１ｋ…蓋部、１４１ｎ…水分受け部、１４２…ペレット装置、１４３…消化液タンク。

Claims (2)

1. バイオマスを発酵槽においてメタン発酵させるバイオマスプラントで発生する消化液を処理する消化液処理システムであって、
   前記消化液に少なくともリン酸イオンを吸着させる吸着物を添加した混合液を水分と固形成分とに分離する分離装置と、
   前記分離装置で分離された前記固形成分をペレット化するペレット装置とを備え、
   前記分離装置で分離された水分が前記発酵槽に供給されて再利用され、
   前記吸着物は、米ぬかとおがくずと油粕と酒粕と活性炭との全部または一部から選択され、
   前記分離装置は遠心分離による脱水装置であり、
   前記脱水装置は、
   下方から上方に向かって拡径した内側面を有する有底筒状の回転体と、
   前記回転体の開口部に配置された網状のフィルタ部と、
   前記回転体を閉蓋すると共に、前記フィルタ部を介してろ過された水分を受ける水分受け部を有する蓋部とを備えることを特徴とする消化液処理システム。
2. 請求項１記載の消化液処理システムにおいて、
   前記回転体は、前記内側面の内側に、上方から下方に向かって拡径した第２内側面を有することを特徴とする消化液処理システム。