(57)【要約】【課題】  省エネルギーで、かつ、発酵能力に優れたバイオリアクターおよびそれを用いた有機性廃棄物のエネルギー回収システムを提供すること。【解決手段】  本発明のバイオリアクターは、閉鎖空間を形成して嫌気性状態を作り上げ、有機性廃棄物を含む原水をメタン発酵させてバイオガスを発生させる発酵槽と；垂直方向に延びる主加熱部と、該主加熱部の上端部同士および下端部同士を交互に連結するよう配置された連結部とを有し、該発酵槽内に配設されて該原水を加熱する加熱手段と；中空部を規定する円筒形状を有し、該中空部に該加熱手段の主加熱部を通すようにして配設された撹拌手段とを備える。【選択図】  図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉鎖空間を形成して嫌気性状態を作り上げ、有機性廃棄物を含む原水をメタン発酵させてバイオガスを発生させる発酵槽と、
垂直方向に延びる主加熱部と、該主加熱部の上端部同士および下端部同士を交互に連結するよう配置された連結部とを有し、該発酵槽内に配設されて該原水を加熱する加熱手段と、
中空部を規定する円筒形状を有し、該中空部に該加熱手段の主加熱部を通すようにして配設された撹拌手段と
を備える、バイオリアクター。
【請求項２】
前記加熱手段が、太陽光ヒーターにより調製された温水、前記バイオガスを熱源とする温水ボイラーにより調製された温水、または該バイオガスを用いて電力を発生する発電手段の余剰熱で調製された温水を用いる温水パイプである、請求項１に記載のバイオリアクター。
【請求項３】
前記撹拌手段の内径が、前記温水パイプの内径の３５０〜８００％である、請求項２に記載のバイオリアクター。
【請求項４】
前記撹拌手段が、前記発酵槽の少なくとも周縁部近傍に配置されている、請求項１から３のいずれかに記載のバイオリアクター。
【請求項５】
前記撹拌手段が、前記バイオガスと前記原水の対流とを駆動源とすることにより、電力および動力を消費することなく該原水を撹拌する、請求項１から４のいずれかに記載のバイオリアクター。
【請求項６】
有機性廃棄物をスラリーとするスラリー化手段と、
該スラリーをメタン発酵してバイオガスと消化液とに消化する、請求項１から５のいずれかに記載のバイオリアクターと、
該バイオガスにより電力および熱を発生する発電手段と、
該消化液に含まれる残留有機物を浄化し、余剰汚泥をコンポスト材料として沈殿させる二次処理施設とを備え、
該発電手段からの熱により該バイオリアクターを適切な温度に加熱し、該発電手段からの電力の一部により該スラリー化手段と該二次処理施設とを駆動し、電力とコンポスト材料とを生成する、
有機廃棄物のエネルギー回収システム。
【請求項７】
前記発電手段が燃料電池である、請求項６に記載のエネルギー回収システム。
【請求項８】
前記バイオリアクターと前記発電手段との間に、メタン精製設備をさらに備える、請求項６または７に記載のエネルギー回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオリアクターおよびそれを用いた有機性廃棄物のエネルギー回収システムに関する。より詳細には、本発明は、省エネルギーで、かつ、発酵能力に優れたバイオリアクターおよびそれを用いた有機性廃棄物のエネルギー回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
有機性廃棄物（例えば、し尿、浄化槽汚泥、生ゴミ）を処理する方法として、嫌気性消化法を用いたバイオリアクターが知られている。代表的な嫌気性消化法としてはメタン発酵処理法が挙げられる。メタン発酵処理法によれば、最終的にバイオガス（メタンが約６５％〜７０％、二酸化炭素が約３５％〜３０％）が発生し、当該バイオガスは約６，０００ｋｃａｌ／ｍ３の熱量を有しているので、エネルギーとして回収できるという利点がある。
【０００３】
具体的なメタン発酵処理法としては、ＵＡＳＢ（Upflow Anaerobic Sludge Blanket）法、固定床法、または浮遊床法などが挙げられる。例えば、メタン発酵処理法を用いて生ゴミを処理する場合には、通常、生ゴミを粉砕し、可溶化して原液を調製した後にメタン発酵処理が行われる。しかし、生ゴミが高濃度の有機物質を含み、かつ、多量の懸濁物質（固形分：ＳＳ）を含んでいることに起因して、上記のいずれの具体的なメタン発酵処理法においても問題がある。具体的には、ＵＡＳＢ法では、ＳＳがバイオリアクター（メタン発酵槽）内に入ると顆粒状となった微生物が槽外に流出してしまう。固定床法では、ＳＳが担体を閉塞してしまう。浮遊床法では、高濃度の有機物質の分解に長時間を要し、バイオリアクターが非常に大型になってしまう。
【０００４】
さらに、近年の環境問題への意識の高まりから、無動力撹拌方式のメタン発酵槽が開発されている。例えば、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、発生するバイオガスの圧力を利用して原液を撹拌するメタン発酵槽が知られている。具体的には、以下の通りである：まず、図６（ａ）に示すように、主発酵部６０１と上部室６０２の液面Ａは一定になっており、均圧弁６０３は閉じられている。主発酵部６０１内で消化ガス（バイオガス）が発生すると、図６（ｂ）に示すように、ガス圧により液面Ａが下降し、ミキシングシャフト６０４より原液が押し上げられ、液面Ｂが上昇する。十分に消化ガスが発生すると、図６（ｃ）に示すように、液面Ｂが最高位Ｃとなる。それに伴い、一定量の原液がセンターチューブ６０５に供給される。最後に、図６（ｄ）に示すように、均圧弁６０３を開くと高圧相と低圧相とのガス圧が同圧となり、上部室６０２の液はセンターチューブ６０５を通って主発酵部６０１に勢いよく流れ込み、混合・撹拌が行われる。しかし、このような発酵槽は撹拌効率が不十分であり、結果として、発酵能力（バイオガス生成能力）が不十分である。
【０００５】
以上のように、省エネルギーで、かつ、発酵能力に優れたバイオリアクターが強く望まれている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１６７５２３号公報
【特許文献２】特開２００１−９９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、省エネルギーで、かつ、発酵能力に優れたバイオリアクターおよびそれを用いた有機性廃棄物のエネルギー回収システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のバイオリアクターは、閉鎖空間を形成して嫌気性状態を作り上げ、有機性廃棄物を含む原水をメタン発酵させてバイオガスを発生させる発酵槽と；垂直方向に延びる主加熱部と、該主加熱部の上端部同士および下端部同士を交互に連結するよう配置された連結部とを有し、該発酵槽内に配設されて該原水を加熱する加熱手段と；中空部を規定する円筒形状を有し、該中空部に該加熱手段の主加熱部を通すようにして配設された撹拌手段とを備える。
【０００９】
好ましい実施形態においては、上記加熱手段は、太陽光ヒーターにより調製された温水、上記バイオガスを熱源とする温水ボイラーにより調製された温水、または該バイオガスを用いて電力を発生する発電手段の余剰熱で調製された温水を用いる温水パイプである。
【００１０】
好ましい実施形態においては、上記撹拌手段の内径は、上記温水パイプの内径の３５０〜８００％である。
【００１１】
好ましい実施形態においては、上記撹拌手段は、上記発酵槽の少なくとも周縁部近傍に配置されている。
【００１２】
好ましい実施形態においては、上記撹拌手段は、上記バイオガスと上記原水の対流とを駆動源とすることにより、電力および動力を消費することなく該原水を撹拌する。
【００１３】
本発明の別の局面によれば、有機廃棄物のエネルギー回収システムが提供される。このシステムは、有機性廃棄物をスラリーとするスラリー化手段と；該スラリーをメタン発酵してバイオガスと消化液とに消化する上記バイオリアクターと；該バイオガスにより電力および熱を発生する発電手段と；該消化液に含まれる残留有機物を浄化し、余剰汚泥をコンポスト材料として沈殿させる二次処理施設とを備え、該発電手段からの熱により該バイオリアクターを適切な温度に加熱し、該発電手段からの電力の一部により該スラリー化手段と該二次処理施設とを駆動し、電力とコンポスト材料とを生成する。
【００１４】
好ましい実施形態においては、上記発電手段は燃料電池である。
【００１５】
好ましい実施形態においては、上記システムは、上記バイオリアクターと上記発電手段との間に、メタン精製設備をさらに備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、中空部に加熱手段を通した円筒状の撹拌手段を用いることにより、生成バイオガスと対流とを駆動源として、有機性廃棄物を含む原水を無動力・無電力で効率的に撹拌することができる。したがって、省エネルギーで、かつ、発酵能力に優れたバイオリアクターが得られる。さらに、本発明のエネルギー回収システムによれば、生成バイオガスを用いて得られる電力および熱の一部を用いて、バイオリアクターやシステム内の設備を稼動させるので、実質的にゼロエミッションで電力およびコンポスト材料を得ることができる。加えて、本発明によれば、従来の有機性廃棄物の処理方法におけるダイオキシンの発生、地盤沈下等の問題が生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明するが、本発明は、これらの実施形態には限定されない。
【００１８】
図１は、本発明の好ましい実施形態による有機性廃棄物の回収システムを説明するフロー図である。有機性廃棄物（例えば、し尿、浄化槽汚泥、生ゴミ）が受入槽１に投入され、希釈水によって希釈される。受入槽１においては、メタン発酵に関係しない異物（代表的には、砂）を沈殿により除去するので、受入槽１を沈砂槽とも称する。異物が沈殿により除去された有機性廃棄物は、破砕機２によってスラリー状に破砕される。破砕機２としては任意の適切な手段が採用され得る。例えば、スクリューカッター等で有機性廃棄物を所定の大きさに砕いた後、高圧を印加して微粉砕する高圧粉砕機であってもよく、例えば一対の無気孔砥石の対向面間で有機性廃棄物をペースト状にすり潰す微粉砕機であってもよく、あるいは、これらを組み合わせて備えるものであってもよい。得られたスラリーは、原水槽３に一旦貯蔵される。スラリー（原水）は、スラリーポンプ（図示せず）によって、所定量ずつバイオリアクター４に送られる。
【００１９】
図２は、本発明の好ましい実施形態によるバイオリアクターを説明する要部模式断面図である。図３は、図２のバイオリアクターの模式平面図である。なお、図２および図３においては、理解を容易にするために実際とは異なる縮尺を用いていることに留意されたい。バイオリアクター４は、発酵槽４１と、加熱手段４２と、撹拌手段４３とを備える。発酵層４１は、閉鎖空間を形成して嫌気性状態を作り上げ、当該槽内で上記原水をメタン発酵する。加熱手段４２は、垂直方向に延びる主加熱部４４と、主加熱部４４の上端部同士および下端部同士を交互に連結するよう配置された連結部４５とを有する。加熱手段４２により、発酵層４１内の原水が３５℃〜４５℃に加熱される。さらに、加熱手段４２は、連結部４５により撹拌手段４３の上下方向の過大な動きを抑止して、所定の位置にとどめる機能を有する。加熱手段４２は、代表的には温水パイプである。パイプに供給される温水は、好ましくは、太陽光ヒーターまたは温水ボイラーにより調製される。好ましくは、温水ボイラーは、後述するように、バイオリアクターで発生するバイオガスを熱源とする。あるいは、温水は、これも後述するように、バイオガスを用いる発電手段（燃料電池）７の反応熱を冷却水で回収して用いられる。このような温水を用いることにより、完全に無動力・無消費電力でバイオリアクターを運転することができる。温水パイプは、例えば、塩化ビニル樹脂またはステンレスで構成され得る。塩化ビニル樹脂で構成される場合には、主加熱部４４と連結部４５とは、任意の適切な接着剤で接着される。ステンレスで構成される場合には、主加熱部４４と連結部４５とは溶接される。加熱手段４２のサイズ（特に、主加熱部４４の長さ）は、発酵槽４１の大きさに応じて変化し得る。代表的には、主加熱部４４の長さは、発酵槽４１の深さの６０〜７０％である。さらに、加熱手段４２の内径は、代表的には、１〜２ｃｍである。
【００２０】
撹拌手段４３は、代表的には中空部４６を規定する円筒であり、当該中空部４６に加熱手段４２の主加熱部４４を通すようにして配置されている。したがって、撹拌手段４３は、主加熱部４４に沿って上下動可能であるが、上記のように、その動きは上下の連結部の間に制限される。中空部４６を規定する筒壁４７は、代表的には、塩化ビニル樹脂またはステンレスで構成され得る。撹拌手段の長さは、代表的には、加熱手段４２の主加熱部４４の長さの９０〜９８％、好ましくは９０〜９５％である。このような比率を採用することにより、撹拌手段が適度に上下動可能となるので、結果として、撹拌効率が向上する。さらに、撹拌手段４３の内径は、代表的には、７〜８ｃｍである。加熱手段４２の内径に対する比率で表すと、撹拌手段４３の内径は、好ましくは、加熱手段４２の内径の３５０〜８００％である。このような比率を採用することにより、加熱手段による原水の対流が中空部において起こりやすくなるので、結果として、撹拌効率が向上する。
【００２１】
発酵層４１内における撹拌手段４３の配置は、目的に応じて任意の適切な配置が採用され得る。代表的には、撹拌手段４３は、図３に示すように、発酵層４１の周縁部分近傍、ならびに、発酵層の中間部分付近（すなわち、発酵槽の中心と外周部とを結ぶ直線（半径を表す直線）の中点近傍）に配置され得る。加熱手段４２による加熱効率ならびに撹拌手段４３による撹拌効率が共に優れているからである。他の配置方法の具体例としては、平面視したときに発酵層一面に均等に配置する方法、マトリックス状に配置する方法、放射状に配置する方法、Ｘ字を描くように配置する方法が挙げられる。
【００２２】
次に、撹拌手段４３による撹拌のメカニズムについて説明する。発酵層４１において原水のメタン発酵が進むと大量の消化ガス（バイオガス）が発生する。バイオガスは上方に移動するが、撹拌手段４３の筒壁４７によって横方向への移動が制限される。したがって、発生するバイオガスの大半は、もっぱら撹拌手段４３の中空部４６内を上方に移動する。その結果、バイオガスが駆動源となって、中空部４６内で原水の上方への流れを生じさせる。同時に、加熱手段４２近傍の原水は他の場所の原水よりも高温であるので、加熱手段４２近傍の原水は上方に移動し、対流が発生する。この対流も、撹拌手段４３の筒壁４７によって横方向の移動が制限され、もっぱら撹拌手段４３の中空部４６内を上方に移動する。バイオガスを駆動源とする流れと対流による流れとの相乗効果により、原水は撹拌手段４３の中空部４６内を勢いよく移動することになる。発酵槽上部に移動した原水は、もともと発酵層上部にあった原水を押し下げる。押し下げられた原水は、もっぱら撹拌手段４３の外側を下方に移動する。この繰り返しにより、発酵槽内の原水が循環し、撹拌が促進される。生成したバイオガスは、上部の移送管（図示せず）からメタン精製設備５に送られ、消化液は、排出管（図示せず）から排出され、二次処理施設８へ送られる。
【００２３】
以上のようにして、バイオリアクター４内で有機物質の８０〜９０％が分解され、バイオガスおよび消化液となる。例えば、ＣＯＤｃｒ値が３００ｇ／Ｌ程度の生ゴミ１トンをバイオリアクター４で分解すると、１３０Ｎｍ３程度のバイオガスが発生する。発生するバイオガスの組成は、代表的には、メタンが約６５％〜７０％、二酸化炭素が約３５％〜３０％、硫化水素が約１５００ｐｐｍである。熱量に換算すると、８０万ｋｃａｌとなる。本発明によれば、これだけのエネルギーが、全くの無動力・無消費電力で得られる。
【００２４】
再び図１を参照すると、消化液は、二次処理施設８へ送られて浄化される（消化液の二次処理の詳細については後述する）。一方、バイオガスは、メタン精製設備５に供される。バイオガスは実質的にはメタンと二酸化炭素との混合ガスであるが、有機性廃棄物中の有機物濃度によってバイオガス中のメタン濃度が大きく変動し得る。そうすると、発電手段７での安定的な発電が困難となる場合が多いので、発電手段７に供給するバイオガス中のメタン濃度を好ましくは８０％以上（さらに好ましくは９０％以上）に維持する必要があるからである。さらに、バイオガス中の硫化水素が発電手段７の触媒毒となるので、微量であっても除去するのが好ましいからである。
【００２５】
メタン精製設備５としては、任意の適切な構成（例えば、乾式または湿式）が採用され得る。例えば、図４に示すように、湿式メタン精製設備５０では、まず水洗塔５１でバイオガスを水で洗浄し、二酸化炭素を水に吸収させて除去する。吸収された二酸化炭素は放散塔５２で放散され、水だけが再び水洗塔５１に循環される。次いで、バイオガスを脱硫塔５３に通し、水酸化ナトリウムを含むアルカリ水溶液で洗浄することにより脱硫する。脱硫処理後のアルカリ排水は、例えば塩酸で中和した後二次処理施設８へ送り、メタン発酵槽４からの消化液と共に処理することができる。硫化水素は、最終的には、塩類（例えば、硫酸ナトリウム）として、二次処理施設８から排水として放流される。
【００２６】
一方、図５に示すように、乾式メタン精製設備５５では、まず乾式脱硫塔５６にバイオガスを通して脱硫し、次いで水洗塔５１で二酸化炭素を水に吸収させる。乾式脱硫塔５６は、代表的には、脱硫剤（例えば、酸化鉄）が充填されてなる。脱硫剤は定期的に交換される。水洗塔５１の作用は図４で説明したとおりである。水洗塔５７の代わりにＰＳＡ（Pressure swing adsorption）式の吸着塔で二酸化炭素を吸着除去してもよい。
【００２７】
バイオガスから二酸化炭素と硫化水素とを除去した後、必要に応じて、活性炭吸着塔（図示せず）を通して他の微量不純物（例えば、アンモニア）をさらに除去してもよい。
【００２８】
精製したバイオガスは、一旦ガスホルダー６に貯留された後、燃料として発電手段７に供給される。ガスホルダー６を経由することにより、発電手段７へのバイオガスの定量的供給が可能となる。なお、バイオガスの不足時に都市ガス等を補足的に発電手段７へ供給することにより、ガスホルダー６を小型化または省略することもできる。また、バイオガス不足時のバックアップ用として都市ガスを使用することもできる。
【００２９】
発電手段７は、好ましくは燃料電池である。燃料電池は、従来のガスエンジンと異なり、バイオガスを燃焼させることなく電気化学的に反応させるので発電効率が４０〜５０％と高い。また、排ガス中にＮＯｘ、ＳＯｘや煤塵がほとんど含まれずクリーンである。さらに、発電効率が高い分だけ二酸化炭素の排出量が少なくなる。加えて、騒音、振動も少ない。
【００３０】
好ましくは、補助的設備として温水ボイラー９が設けられる。温水ボイラー９は、燃料電池７の停止時またはバイオガスの過剰時にバイオガスを熱源として高温水を供給し、バイオリアクター４の加熱手段４２、暖房熱源または吸収式冷凍機の熱源等となる。また、燃料電池７の反応熱を冷却水で回収し、このような熱源に使用することもできる。
【００３１】
発電手段７により得られた電力の一部は、破砕機２や二次処理施設８を稼動させるために用いることができる。
【００３２】
最後に、二次処理施設８について説明する。バイオリアクター４からの消化液は、一旦消化液槽８１に貯留された後、脱水機８２により脱水される。得られた脱水ケーキは、必要に応じて任意の適切な処理（例えば、発酵処理）に供され、最終的にコンポスト化される。脱水脱離液は、排水処理施設８３に送られ浄化される。排水処理施設８３では、代表的には、好気性微生物を用いた活性汚泥炭処理が行われる。浄化された水は、スラリー（原水）を調製する際の希釈水として用いられ、余剰の浄化水は放水される。
【００３３】
以上のようにして、外部からの電力や動力をほとんど用いることなく、有機性廃棄物から電力とコンポスト材料を生成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明のバイオリアクターおよびエネルギー回収システムは、有機性廃棄物（例えば、し尿、浄化槽汚泥、生ゴミ）の処理にきわめて好適に用いられ得る。究極的には、非常に好ましい生物資源循環システムの一部を構成し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の好ましい実施形態による有機性廃棄物の回収システムを説明するフロー図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態によるバイオリアクターを説明する要部模式断面図である。
【図３】図２のバイオリアクターの模式平面図である。
【図４】本発明に用いられるメタン精製設備を説明する模式図である。
【図５】本発明に用いられる別のメタン精製設備を説明する模式図である。
【図６】従来のメタン発酵槽を説明する模式断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  受入槽
２  破砕機
３  原水槽
４  バイオリアクター
５  メタン精製設備
６  ガスホルダー
７  発電手段
８  二次処理施設
４１  発酵槽
４２  加熱手段
４３  撹拌手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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