(57)【要約】【課題】本発明の課題は、有機性廃棄物をメタン発酵処理した残渣である発酵残液を効率よく処理する有機性廃棄物の処理方法、およびバイオガスシステムを提供することにある。【解決手段】有機性廃棄物をメタン発酵するメタン発酵装置１０と、前記メタン発酵による発酵残液を、固形分と液分とに分離する固液分離装置２０と、前記液分を濃縮して濃縮物とする濃縮装置３０と、前記固形分と前記濃縮物とを炭化させて炭化物とする炭化装置５０と、を備えていることを特徴とするものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物をメタン発酵するメタン発酵工程と、
前記メタン発酵工程の発酵残液を、固形分と液分とに分離する固液分離工程と、
前記液分を濃縮して濃縮物とする濃縮工程と、
前記固形分と前記濃縮物とを炭化させて炭化物とする炭化工程と、を含むことを特徴とする、有機性廃棄物の処理方法。
【請求項２】
請求項１において、さらに、前記メタン発酵工程で得られるバイオガスを燃料として熱と電力を回収するコージェネレーション工程を含み、
前記濃縮工程および／または前記炭化工程における熱源として、前記コージェネレーション工程において回収された熱を利用するようにしたことを特徴とする、有機性廃棄物の処理方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記濃縮工程が、多重効用方式の濃縮装置を使用して濃縮を行うものであることを特徴とする、有機性廃棄物の処理方法。
【請求項４】
有機性廃棄物をメタン発酵するメタン発酵装置と、
前記メタン発酵による発酵残液を、固形分と液分とに分離する固液分離装置と、
前記液分を濃縮して濃縮物とする濃縮装置と、
前記固形分と前記濃縮物とを炭化させて炭化物とする炭化装置と、を備えていることを特徴とする、バイオガスシステム。
【請求項５】
請求項４において、さらに、前記メタン発酵で得られるバイオガスから熱と電力を回収するコージェネレーション装置を備え、
前記コージェネレーション装置により回収した熱を前記濃縮装置および／または前記炭化装置に供給する熱供給手段を備えていることを特徴とする、バイオガスシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機性廃棄物の処理方法、およびバイオガスシステムに関し、より詳しくは、有機性廃棄物のメタン発酵処理で生成する発酵残液から土壌改良材などとして利用可能な炭化物を回収する、有機性廃棄物の処理方法、およびこの処理方法に適したバイオガスシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
畜産廃棄物や生ごみなどの有機性廃棄物のメタン発酵処理（嫌気性消化）は、バイオガス（嫌気性微生物の代謝により産生されるメタンを主成分とするガス。）を回収し、リサイクルエネルギーとして活用できることから、風力発電、太陽光発電などと並び、再生可能なエネルギー資源の一つに位置付けられ今後の普及が期待されている。
【０００３】
メタン発酵とそれによって生成するバイオガスを利用するシステム（本明細書において「バイオガスシステム」という。）については、システムの全体的なエネルギーの利用効率を改善する目的で燃料電池などの発電装置によって生成する熱量をメタン発酵の加温に利用する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、特許文献１に記載のシステムでは、発電装置で発生する熱量の一部しか有効に活用することができず、その他の多くの熱は放出されてしまうため、熱利用効率の向上はあまり期待できない。
【０００４】
一方、メタン発酵処理において生成するメタン発酵残液は、多量の植物栄養成分を含むことから、堆肥化（好気性コンポスト化）して肥料として活用されている。しかし、発酵残液を堆肥化する場合には、含水率や炭素／窒素比の調整のために比較的多量の副資材を必要とし、また堆肥ヤードも例えばメタン発酵部分の１０倍以上という大きな面積を要するため、メタン発酵処理による利点の多くが減殺されてしまっていた。
【０００５】
また、発酵残液は沈降性が小さいため、固液分離を行うためには多量の凝集剤を必要とする場合がある。固液分離後の液分は一般的にＢＯＤ（生物化学的酸素要求量）が低いために、生物学的な処理のみでは放流することが困難であり、そのため、生物処理後に、さらに窒素処理（硝化脱窒）、脱色処理、凝集剤の投入、膜濾過などの追加処理が必要である。窒素処理ではメタノールなどの薬剤を用い、脱色処理ではオゾン、活性炭、過酸化水素などを用い、凝集剤の投入ではその分離処理が必要となることから、消費エネルギー、処理コストが大きくなってしまっていた。
【０００６】
また、特開平１１−３３３４１６号公報には、有機性廃棄物の発酵により発生した消化汚泥を鉄系凝集剤により凝集させて脱水した後に炭化させた炭化物を回収する有機性廃棄物の処理方法が記載されている。しかし、発酵残液の脱水ろ液の処理については充分に考慮されていない。
【０００７】
また、特開２００１−１２９５９９号公報には、機械撹拌式のコンポスト化装置に、余剰汚泥、メタン発酵汚泥を脱水ケーキとして投入し、水分調整剤として炭化物を投入し、熱量補給として易分解性有機物を投入して、脱水ケーキのコンポスト化と減容化を行う発酵汚泥の処理方法が記載されている。
【０００８】
また、特開２００２−１２７０号公報には、畜糞尿を高濃度廃水と固形分とに分離する脱水工程と、前記高濃度廃水に生ごみを混合してバイオガスを発生させる発酵工程と、前記畜糞尿の固形分と前記バイオガス発生後の残渣とを混合して乾燥、炭化する工程を含む廃棄物の処理方法が記載されている。しかし、発酵残液の脱水ろ液の処理については充分に考慮されていない。
【０００９】
また、特開２００３−１０３２９９号公報には、メタン発酵工程の発酵残液を脱水機により脱水し、脱水汚泥を炭化手段により炭化して炭化物を得る処理方法が記載されている。しかし、発酵残液の脱水ろ液の処理については充分に考慮されていない。
【００１０】
このように、メタン発酵処理において生成する発酵残液の処理負担が大きいことがバイオガスシステムの普及を妨げる大きな要因の一つとなっている。
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−３３１７０１号公報
【特許文献２】特開平１１−３３３４１６号公報
【特許文献３】特開２００１−１２９５９９号公報
【特許文献４】特開２００２−１２７０号公報
【特許文献５】特開２００３−１０３２９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このように、有機性廃棄物のメタン発酵により生成するバイオガスを利用するバイオガスシステムは、有効なエネルギーの供給源となり得るが、メタン発酵は発酵残液の処理を要するため、システム全体でのエネルギー効率が大きく低下してしまう。従って、有機性廃棄物をメタン発酵処理した残渣である発酵残液を効率よく処理する技術が求められている。この技術を提供することが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様に係る有機性廃棄物の処理方法の発明は、有機性廃棄物をメタン発酵するメタン発酵工程と、前記メタン発酵工程の発酵残液を、固形分と液分とに分離する固液分離工程と、前記液分を濃縮して濃縮物とする濃縮工程と、前記固形分と前記濃縮物とを炭化させて炭化物とする炭化工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
メタン発酵残液の処理コストを低減するには、その体積を減容させることが最も有効である。本態様では、発酵残液を固液分離工程において固形分と液分とに分離し、前記液分を濃縮工程において濃縮させることで濃縮物とする。固液分離工程により、後段の濃縮工程でのエネルギー消費を少なくすることができる。また、炭化工程において固形分と濃縮物とを処理するため、発酵残液の全て（すなわち、濃縮工程における水などの凝縮成分を除く成分）を炭化処理することができる。また、発酵残液を炭化物とすることによって、体積を著しく低減することができるとともに、炭化物を土壌改良材や吸着剤などとして利用できる。また、少ないエネルギーで発酵残液から炭化物を得ることができる。
【００１５】
また、本発明の第２の態様に係る有機性廃棄物の処理方法の発明は、前記第１の態様において、さらに、前記メタン発酵工程で得られるバイオガスを燃料として熱と電力を回収するコージェネレーション工程を含み、前記濃縮工程および／または前記炭化工程における熱源として、前記コージェネレーション工程において回収された熱を利用するようにしたことを特徴とする。
【００１６】
バイオガスを燃料とするコージェネレーション工程は、熱と電力を回収できるが、熱分についてはこれまで充分に利用されていなかった。しかし、本態様では濃縮工程および／または炭化工程における熱源として、コージェネレーション工程において回収された熱を利用するようにしたので、有機性廃棄物の処理に係るプロセス全体でのエネルギー資源の効率的な活用を図ることができる。
【００１７】
また、本発明の第３の態様に係る有機性廃棄物の処理方法の発明は、前記第１の態様または前記第２の態様において、前記濃縮工程が、多重効用方式の濃縮装置を使用して濃縮を行うものであることを特徴とする。
【００１８】
多重効用方式の濃縮装置では、少ない熱量で高度の濃縮が可能になるため、エネルギー消費量を最小限に抑えつつ、充分な濃縮を行うことができる。また、減圧多重効用方式では低温での濃縮が可能になるため、有価物の変性や分解が起こりにくく、これらの回収効率を高めることができる。
【００１９】
また、本発明の第４の態様に係るバイオガスシステムの発明は、有機性廃棄物をメタン発酵するメタン発酵装置と、前記メタン発酵による発酵残液を、固形分と液分とに分離する固液分離装置と、前記液分を濃縮して濃縮物とする濃縮装置と、前記固形分と前記濃縮物とを炭化させて炭化物とする炭化装置と、を備えていることを特徴とする。
【００２０】
メタン発酵残液の処理コストを低減するには、その体積を減容させることが最も有効である。本態様では、発酵残液を固液分離装置において固形分と液分とに分離し、前記液分を濃縮装置において濃縮させることで濃縮物を得る。固液分離装置により、後段の濃縮装置でのエネルギー消費を少なくすることができる。また、炭化装置において固形分と濃縮物とを処理するため、発酵残液の全て（すなわち、濃縮装置における水などの凝縮成分を除く成分）を炭化処理することができる。また、発酵残液を炭化物とすることによって、体積を著しく低減することができるとともに、炭化物を土壌改良材や吸着剤などとして利用できる。また、システム全体でのエネルギー効率が高く、少ないエネルギーで発酵残液から炭化物を得ることができる。
【００２１】
また、本発明の第５の態様に係るバイオガスシステムの発明は、前記第４の態様において、さらに、前記メタン発酵で得られるバイオガスから熱と電力を回収するコージェネレーション装置を備え、前記コージェネレーション装置により回収した熱を前記濃縮装置および／または前記炭化装置に供給する熱供給手段を備えていることを特徴とする。
【００２２】
このバイオガスシステムは、コージェネレーション装置により発生した熱を濃縮装置および／または炭化装置に供給する熱供給手段を備えているので、熱を有効利用することができ、システム全体でのエネルギー効率を高めることができる。従って、本形態のバイオガスシステムは、有機性廃棄物の処理に適したシステムである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の有機性廃棄物の処理方法およびバイオガスシステムによれば、メタン発酵によって生成する発酵残液の体積を著しく減容することができ、処理コストを低減することができる。また、発酵残液のうち、水などの凝縮成分を除いた全てを炭化処理することができるので、固液分離後の液分を処理するための設備を別途設ける必要がなく、システム全体の構成を簡易にすることができるとともに、消費エネルギーを低減できる。また、メタン発酵残液の処理によって得られる炭化物は、土壌改良材や吸着剤として利用可能であり、有用である。
【００２４】
また、コージェネレーション工程によってシステム全体のエネルギー効率を高めることができ、エネルギー資源の効率的な活用を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明に係る有機性廃棄物の処理方法、およびバイオガスシステムについて説明する。  
本発明に係る有機性廃棄物の処理方法は、有機性廃棄物をメタン発酵するメタン発酵工程と、前記メタン発酵工程の発酵残液を、固形分と液分とに分離する固液分離工程と、前記液分を濃縮して濃縮物とする濃縮工程と、前記固形分と前記濃縮物とを炭化させて炭化物とする炭化工程と、を含むことを特徴とするものである。
【００２６】
有機性廃棄物（バイオマス）としては、例えば、畜産廃棄物や緑農廃棄物、廃水処理汚泥などを挙げることができる。ここで、畜産廃棄物としては、家畜の糞尿や、屠体、その加工品が挙げられ、より具体的には牛、羊、山羊、ニワトリなどの家畜の屠体、そこから分離された骨、肉、脂肪、内臓、血液、脳、眼球、皮、蹄、角などのほか、例えば肉骨粉、肉粉、骨粉、血粉などに代表される家畜屠体の骨、肉等を破砕した破砕物や、血液などを乾燥した乾燥物も含まれる。また、緑農廃棄物としては、家庭の生ごみのほか、産業廃棄物生ごみとして農水産業廃棄物、食品加工廃棄物等が含まれる。
【００２７】
また、有機性廃棄物の状態により、必要に応じて、前処理として破砕・分別工程を実施することができる。破砕・分別工程は、例えば、以下に示すような分別破砕、全量破砕により行うことができる。
【００２８】
分別破砕の場合は、破砕分別機を用い、有機性廃棄物のなかで比較的容易に破砕可能な部位を液と共にスラリーとして回収する。一方、破砕しにくい部位は塊状物として別途回収する。スラリーの含水率は７０〜９８重量％程度、塊状物の含水率は４０〜６０重量％程度である。破砕分別機は、有機性の固形物をせん断力、引っ張り力によって破砕するもので、カッター部分は２軸式または３軸式のものが利用できる。牛などの動物屠体を原料とする場合には、３軸式の破砕分別機で破砕処理する方が破砕の細かさや均一性の観点から好ましい。選別除去すべき混入プラスティック類、シート類などは、メッシュによる選別、風選などで除去することが好ましい。
【００２９】
また、全量破砕の場合は、例えばディスポーザー等の破砕機を使用して全対象物を破砕する。含水率は、一例として６０〜７０重量％程度であるが、加工品の場合にはより広い範囲を取り得る。
【００３０】
＜メタン発酵＞
メタン発酵（嫌気性消化）は、いわゆる中温型、高温型、またはスラリー（湿式）型、ドライ（乾式）型のいずれのタイプのものであっても適用できる。
【００３１】
発酵槽は、絶対嫌気性であるメタン発酵菌による活動を妨げることがないように、二槽方式をとる発酵プロセスの場合でも後段において空気を完全に遮断したタンクにより構成される。発酵槽は、固形分濃度（通常、７〜４０重量％の範囲）と発酵温度（通常、中温発酵では３７℃、高温発酵では５５℃）によって、形状や運転条件を設定する。特に本発明においては、高含水率の原料（固形分濃度１０重量％まで）の場合は湿式型の完全混合方式の発酵槽、低含水率の原料（固形分濃度３０〜４０重量％）の場合は乾式型のプラグフロー式（押し出し式）の発酵槽を用いることが好ましい。
【００３２】
発酵槽には、生成するバイオガスを回収するための回収手段のほか、必要に応じて保温のための加熱手段を設けておくことが好ましい。また、バイオガスの回収手段には、必要に応じて脱硫装置を設けることができる。この脱硫装置によりバイオガスから腐食性の高い硫黄化合物（例えば、硫化水素）を取り除くことができる。これらの装置は既知の構成のものを利用できる。
【００３３】
一般のメタン発酵においては、中温発酵で２０〜３０日間程度、高温発酵で１５日間程度の滞留時間をとっているが、本発明においては、高含水率の原料（固形分濃度を１０重量％程度まで）の場合は、完全混合方式の発酵槽を用い、中温メタン発酵菌（至適温度３７℃）では滞留時間を１５〜２０日間程度、高温メタン発酵菌（至適温度５５℃）では滞留時間を１０日間程度と、通常のメタン発酵の所要時間よりも短くすることが可能である。低含水率の原料（固形分濃度３０〜４０重量％）の場合は、被処理物の固形分濃度を３０〜４０重量％にして押し出し式の発酵槽を使用できる程度の固さに調整する。滞留時間については、高含水率の場合と同様に設定することができる。また、必要な場合は、炭素／窒素比の調整のために、若干の有機成分を導入することもできる。
【００３４】
メタン発酵後の発酵残液は、有機性廃棄物の種類により異なるが、水分含有率９０〜９７重量％程度、固形分３〜１０重量％程度を含む液状であり、嫌気性微生物の菌体およびその代謝産物に由来する各種アミノ酸や有機酸などの有価物を多量に含んでいる。
【００３５】
メタン発酵後に、発酵残液のｐＨ調整工程を設けることができる。後段の固液分離工程における固液分離性を向上させる点、気泡の発生を低減する点および飛沫の発生を抑制する点から、ｐＨ調整を行い、固液分離性を向上させるとともに、溶存二酸化炭素を放散させておくことが好ましい。ｐＨ調整は、例えば硫酸や塩酸などの無機酸を添加することにより、発酵残液のｐＨ値を４．５〜５．５に調整する。
【００３６】
＜固液分離工程＞
固液分離工程では、発酵残液を固形分と液分とに分離する。後段の濃縮工程でのエネルギー消費を抑制するため、固液分離を行い、発酵残液から固形分を分離する。固液分離は、例えば遠心分離機、スクリュープレス、デカンター、凝集沈殿槽、膜分離器など、スラリー濃度を高めることが可能な装置を利用可能であり、発酵残液の性質に応じて選択できる。固液分離工程によって発酵残液を、例えば固形分濃度７〜２０重量％程度の固形分と、固形分濃度１〜４重量％程度の液分とに分離する。
【００３７】
＜コージェネレーション工程＞
コージェネレーション工程では、メタン発酵で得られるバイオガスを燃料として熱と電力を発生させる。バイオガスは、有機性廃棄物の種類により異なるが、通例メタンを６０体積％程度、二酸化炭素を４０体積％程度、その他に微量成分（硫化水素等）を含んだガスであり、コージェネレーションにおけるエネルギー源として充分に利用できる。
【００３８】
コージェネレーション工程で使用する装置としては、例えば、固体高分子型、リン酸塩型、溶融塩型、固体電解質型などの燃料電池、マイクロガスタービン、ガスエンジン、スチームボイラー発電機、またはこれらの組合せなどが挙げられる。このコージェネレーション工程では、バイオガスを燃料として熱と電力を回収することができる。この段階で回収された熱は、濃縮工程における濃縮装置および／または炭化工程における炭化装置の熱源として利用できる。
【００３９】
また、コージェネレーション工程で得られる電力も、濃縮工程における濃縮装置および／または炭化工程における炭化装置において利用することが可能である。なお、余剰の熱と電力は他の用途に転用でき、システム全体のエネルギー効率の向上を図ることができる。
【００４０】
＜濃縮工程＞
濃縮工程では、上記固液分離工程における液分を濃縮することにより、固形分濃度２０〜３０重量％程度の濃縮物を生成し、全体量を２０〜３０％程度にまで減容することができる。
【００４１】
濃縮は、既知の濃縮装置を使用して行うことができるが、多重効用方式の濃縮装置を用いて減圧下で行うことが好ましい。多重効用方式の濃縮装置としては、二重効用缶、三重効用缶、四重効用缶、五重効用缶など既知の構成の装置を使用可能である。これらによって比較的低い温度での濃縮が可能となり、濃縮工程におけるエネルギー効率を著しく高めることができる。多重効用缶では、単一の蒸発缶による濃縮装置と比較して、所要熱量をおよそ１／３（三重から四重効用缶の場合）〜１／４（四重から五重効用缶の場合）まで低減できる。
【００４２】
多重効用方式においては、各缶を接続する蒸気導入経路上にスチームコンプレッサーを備えたものも好ましい。スチームコンプレッサーにより強制的に蒸気を導入することにより、缶内の発酵残液が強制的に循環させられ、さらに熱効率が改善されて濃縮効率が向上する。濃縮工程の過程で生じる凝縮液には窒素成分などが含まれている場合があるが、これらの成分は少量であるため簡易な生物処理などによって処理することが可能である。
【００４３】
濃縮工程後に必要に応じて乾燥工程を設けることができる。乾燥工程では、上記固液分離工程の固形分と上記濃縮工程の濃縮物との混合物を、固形分濃度６０〜９５重量％程度まで乾燥することができる。
【００４４】
乾燥は、既知の乾燥装置を使用して行うことができるが、多重効用方式の乾燥装置を用いて行うことが好ましい。多重効用方式の乾燥装置としては、二重効用缶、三重効用缶など既知の構成の装置やドラムドライヤー方式のものを使用可能である。これらによって比較的低い温度での乾燥が可能となり、乾燥工程におけるエネルギー効率を著しく高めることができる。多重効用缶では、単一の乾燥缶による乾燥装置と比較して、所要熱量をおよそ１／３〜１／４まで低減できる。
【００４５】
＜炭化工程＞
炭化工程では、上記固液分離工程の固形分と上記濃縮工程の濃縮物、または乾燥後の乾燥物を、各種炭化度の炭化物とすることができる。炭化条件を設定して炭化を行うことによって炭化物の生産量（歩留まり）を調整し、全体量を〜数％程度（例えば０．１〜２％程度）にまで減容することができる。
【００４６】
固液分離工程の固形分と濃縮工程の濃縮物とは、混合工程により混合して水分調整を行い、固形分濃度１５〜２５重量％程度とした後に炭化することが好ましい。これにより、無理のない、適度の伝熱面積でよく、安定した条件で炭化を行うことができる。混合工程における混合装置としては、例えばラインミキサーを用いることができる。
【００４７】
炭化工程では固形分と濃縮物とを炭化するため、濃縮工程における水などの凝縮成分を除く発酵残液の全てを炭化処理することができる。すなわち、従来技術では固液分離後の液分を処理するための処理手段が別途必要であったが、本発明では固液分離工程における固形分と共に液分をも炭化するため、液分の処理手段が不要である。もって、システム全体の構成を簡略化することができるとともに、消費エネルギーを低減できる。
【００４８】
炭化は、既知の炭化装置としての炭化炉を使用して行うことができ、例えば、たて型炭化炉、よこ型炭化炉、連続炭化炉、バッチ炭化炉などで炉内の酸化雰囲気を調整できる炭化炉が好ましい。炭化炉内の酸化雰囲気を調整することによって炭化物の生産量を調整することができ、具体的には炭化炉内の酸素濃度を低くすることにより炭化物の生産量を高めることができる。
【００４９】
また、この炭化工程において炭化物の他に生成される熱分解ガスやタール状物質についても有効利用することができる。熱分解ガスは、炭化条件によるが、水素、一酸化炭素、メタンなどを含むガスであり、例えば炭化炉の燃料として利用できるほか、余剰分については濃縮工程における濃縮装置の燃料としても利用でき、システム全体でのエネルギー効率の向上を図ることができる。なお、エネルギー的な自立を図るためには炭化炉内の酸化雰囲気を調整して炭化物の生産量を調整することが重要である。
【００５０】
また、炭化工程にあたり、おがこ、麦わら、製材廃棄物、家畜屠体などの低含水物、高カロリー物を補助燃料（副資材）として適宜添加することができる。これらは通常廃棄物として処理されるものであるが濃縮物に添加することにより、水分や炭化条件を調整することができる。家畜屠体を添加した場合には、油脂を熱源とすることができることから炭化炉でのエネルギー回収が容易となる。
【００５１】
＜炭化物＞
炭化工程で生成した炭化物は、例えば、そのまま土壌改良材や吸着剤として利用できる。さらに、水蒸気などで処理することにより活性炭を得ることができる。
【００５２】
スタンドアローン型にもなり得るバイオガスシステムには、燃料が容易に得られることが重要である。つまり、濃縮および炭化には、加熱源としてスチームボイラの設置と、その燃料を確実に入手できることが重要となる。そこで、本発明に係るバイオガスシステムは、前記コージェネレーション工程で生成した熱分を、例えば蒸気の形態で濃縮装置および炭化装置に供給し、これらの装置の熱源として利用することが可能である。
【００５３】
以下、図面に基づき本発明の第１の実施形態について説明する。
【００５４】
図１は本発明の第１の実施形態に係るバイオガスシステム１０１の概要を示すブロック図である。このバイオガスシステム１０１は、主要な構成として、メタン発酵装置としてのメタン発酵槽１０と、固液分離装置２０と、濃縮装置３０と、炭化装置としての炭化炉５０を備えている。各装置の構成および機能は上述したとおりである。
【００５５】
有機性廃棄物は、図１に示すように、発酵槽１０に投入され、嫌気的条件の下で所定期間、メタン発酵が行われる。このメタン発酵により、発酵槽１０から、固形分濃度５重量％程度の発酵残液が４ｔ／日で生成する。なお、この発酵残液を例に挙げて各装置での処理量（ｔ／日）と、固形分濃度（重量％）を記載する。
【００５６】
メタン発酵後の残渣である発酵残液は、固形分濃度５重量％の液状であり、ｐＨ調整槽１５に移送され、ｐＨ値４．５〜５．５に調整される。ｐＨ調整は、ｐＨ調整槽１５に導入した発酵残液に硫酸や塩酸などを加え、撹拌手段（図示せず）によって充分に混合撹拌することによって行われる。ｐＨ調整によって、発酵残液の固液分離性を向上することができるとともに、発酵残液に溶存する二酸化炭素を放散させて後段での気泡発生や飛沫発生を低減することができる。
【００５７】
ｐＨ調整後の発酵残液は固液分離装置２０に送られ、固形分濃度１５重量％程度の固形分（０．５ｔ／日）と、固形分濃度３．５重量％程度の液分（３．５ｔ／日）とに分離される。なお、固形分と液分との重量比は、２：８〜４：６程度である。
【００５８】
液分は濃縮装置３０に送られ、ここで固形分濃度２０〜３０重量％まで濃縮されて濃縮物となる。燃料電池８０（後述する）から濃縮装置３０への熱供給手段としての経路８１は、通常の流体流路を構成するもの（例えば、断熱性配管）であればよいが、燃料電池８０からの熱分は蒸気の形態で供給されるため、経路８１にスチームコンプレッサーを配備することも可能である。
【００５９】
ここで、図２に本発明に好適に使用できる濃縮装置３０の構成を示す。この濃縮装置３０は、多重効用方式の濃縮装置であり、第一缶３１、第二缶３２、第三缶３３により構成され、各缶（３１、３２、３３）内で流体を強制循環させる強制循環方式の三重効用缶である。強制循環方式とは、加熱部（図示せず）での蒸発は避け、飽和温度の液として濃縮缶内を強制循環させる方式である。発酵残液の液分は濃縮度が進むに従い液の粘性が増加してくるため、強制循環方式を採用することにより高濃度となった濃縮物の流動性を確保し、かつ装置内でのスケーリング発生を最小限に抑えることができる。
【００６０】
第一缶３１には、燃料電池８０（後述する）で発生した熱分が蒸気として経路８１ａにより導入されるとともに、固液分離装置２０からの液分が経路２１ａによって導入される。発酵残液の液分は、加熱部（図示せず）において燃料電池８０で発生した蒸気により予加熱してから第一缶３１に導入される。
【００６１】
第一缶３１の内部は減圧装置（図示せず）により負圧状態に維持されているため、発酵残液の液分は低温で濃縮される。このため濃縮物に含まれる成分が熱によって変性したり、分解したりすることがほとんどない。
【００６２】
第一缶３１で所定濃度まで濃縮された濃縮物は、経路２１ｂを介して第二缶３２に移送され、そこで第一缶３１の場合と同様に濃縮された後、経路２１ｃを通って第三缶３３に送られて、同様にさらに濃縮される。また、第一缶３１から排出された蒸気は、経路８１ｂを通って第二缶３２へ送られ、第二缶３２から排出された蒸気は、経路８１ｃを介して第三缶３３へ送られる。蒸気が通過する経路（８１ｂ、８１ｃ）には、スチームコンプレッサー（３８、３９）が配備されている。このように、燃料電池８０（後述する）で発生した熱分（蒸気）を第一缶３１、第二缶３２、第三缶３３で繰り返し蒸発熱源として利用することができるため、単効用方式に比し数分の一の熱量での濃縮が可能となり、エネルギー効率が著しく高い。各缶における圧力、温度は、例えば、第一缶３１が２０〜３０ｋＰａ、６０〜７０℃、第二缶３２が４７〜７０ｋＰａ、８０〜９０℃、第三缶３３が約１００ｋＰａ、１００℃以上が目安となる。
【００６３】
図１に戻り、濃縮装置３０によって固形分濃度２０〜３０重量％まで濃縮された濃縮物は、経路３５を介して炭化炉５０に移送される。濃縮物が通る経路３５には、固液分離装置２０によって分離された固形分が導入され、濃縮物と固形分とを混合して固形分濃度１５〜２５重量％程度の混合物を調整する。なお、濃縮物と固形分とを充分に混合するために、経路３５には混合装置としてのラインミキサー（図示せず）を配備することが好ましい。
【００６４】
なお、濃縮物（固形分との混合物を含む）は、そのまま液肥として利用可能であり、また必要に応じて図示しない有価物回収装置（精密濾過膜など）で処理することにより有価物を回収することもできる。
【００６５】
濃縮装置３０の濃縮過程で生じる凝縮液は、脱窒装置で窒素分を除去した後、再利用することができる。脱窒装置としては、活性汚泥法によって簡易生物処理により硝化および脱窒を行う装置を例示できる。
【００６６】
炭化炉５０に導入された濃縮物は、水分約０重量％の炭化物（０．０５〜０．１ｔ／日）となる。燃料電池８０（後述する）から炭化炉５０への熱供給手段としての経路８３は、通常の流体流路を構成するもの（例えば、断熱性配管）であればよいが、燃料電池８０からの熱分は蒸気の形態で供給されるため、経路８３にスチームコンプレッサーを配備することも可能である。
【００６７】
炭化炉５０での炭化条件を調整することにより、炭化物の生産量（歩留まり）を調整することができる。この炭化物は、土壌改良材や吸着剤として利用可能である。なお、炭化の過程で生じる熱分解ガスやタール状物質は、燃料として濃縮装置３０および炭化炉５０において利用可能である。
【００６８】
なお、本実施形態では燃料電池８０（後述する）で回収された熱分を濃縮装置３０および炭化炉５０にそれぞれ供給して熱源として利用しているが、これに限定されるものではなく、濃縮装置３０または炭化炉５０に供給する構成とすることもできる。また、燃料電池８０で回収された熱分のみでは熱を充分に供給することが困難である場合などには、外部熱源から供給する構成や、炭化炉５０で回収された熱分解ガス、タール状物質を燃料として回収した熱を利用する構成とすることもできる。
【００６９】
メタン発酵槽１０でのメタン発酵によって生成するバイオガスは、捕集手段（図示せず）によって集められて脱硫装置６０へ送られる。脱硫装置６０では、バイオガスに含まれる硫黄化合物（例えば、硫化水素）が取り除かれる。硫黄化合物、特に硫化水素は、後段の改質器７０および燃料電池８０に使用される金属触媒に対して触媒毒として作用するが、脱硫操作によって除去されることによりバイオガスが精製された状態となり、そのまま改質器７０に導入することができる。
【００７０】
改質器７０では、脱硫装置６０を通過したバイオガス（メタンガス）が、例えば白金触媒などの貴金属系触媒の作用により水素と一酸化炭素（または二酸化炭素）に改質される。改質器７０としては、リン酸塩型燃料電池や固体高分子型燃料電池等において広く使用されているものとして、例えば、水蒸気改質方式、部分酸化方式、オートサーマル方式等の改質器を使用できる。
【００７１】
また、バイオガスを改質した改質ガスには水素の他に、一酸化炭素が高濃度で含まれており、この一酸化炭素は後段の燃料電池８０の触媒を被毒させて性能を低下させ得るため、燃料電池８０に導入する前に一酸化炭素変成器（図示せず）により低減させる。燃料電池８０が固体高分子型である場合には約１０ｐｐｍ程度となるまで、リン酸型である場合には約１％以下となるまで一酸化炭素を低減することが好ましい。
【００７２】
燃料電池８０は、公知のように、燃料極と空気極との間に電解質を挟み込んだ基本構造をしており、燃料極では水素が反応して電子を放出して水素イオンを生成する。この水素イオンは電解質を通過して空気極へ移動し、そこで酸素と反応して水を生じる。この反応の過程で燃料極から空気極へ向かって電子が流れて発電する。
【００７３】
改質器７０から供給された水素によって反応が進行し、発生した熱と電力が回収される。発生した熱分は、上述したように蒸気の形態として濃縮装置３０および炭化炉５０に供給される。
【００７４】
本実施形態で利用可能な燃料電池８０としては、例えば、固体高分子型、リン酸塩型、溶融塩型、固体電解質型の燃料電池８０を挙げることができる。固体高分子型、リン酸塩型の燃料電池８０は、運転温度が２００℃以下と比較的低温であり、反応性を向上させるために使用される白金などの貴金属触媒が硫化水素や一酸化炭素による被毒を受けやすいが、この問題は上述した脱硫装置や一酸化炭素変成器での処理によって回避することができる。溶融塩型、固体電解質型の燃料電池８０は、運転温度が６００℃を超える高温であり、触媒が存在せずとも反応が十分に進行するため、触媒被毒の問題を生じることがほとんどない。なお、溶融塩型、固体電解質型の燃料電池８０では、脱硫や改質などの処理を行うことなく、バイオガスをそのまま燃料電池８０に供給することができる場合がある。
【００７５】
次に、図３は本発明の第２の実施形態に係るバイオガスシステム１０２の概要を示すブロック図である。図１と同じ構成については同一の符合を付して説明を省略する。
【００７６】
このバイオガスシステム１０２は、コージェネレーション装置として、図１に示した実施形態での燃料電池８０に代えてマイクロガスタービン８０ａを備えている。マイクロガスタービン８０ａは、バイオガスの改質が不要であるため、本実施形態のバイオガスシステム１０２では改質器が配備されていない。
【００７７】
本実施形態に係るバイオガスシステム１０２では、マイクロガスタービン８０ａによりバイオガスを燃料として発電を行うとともに、発電の過程で生成する蒸気（熱分）を、濃縮装置３０および／または炭化炉５０の熱源として利用できる（図４は濃縮装置３０および炭化炉５０での熱源として利用したものを示す）。なお、図３においてマイクロガスタービン８０ａに代え、ガスエンジンや、スチームボイラーと発電機の組合せなどを利用することが可能である。
【００７８】
次に、図４は本発明の第３の実施形態に係るバイオガスシステム１０３の概要を示すブロック図である。このバイオガスシステム１０３は、濃縮装置３０の後段に乾燥装置４０を備えており、この乾燥装置４０において濃縮物を乾燥して乾燥物とし、この乾燥物を炭化炉５０に投入する実施形態である。なお、図１と同じ構成については同一の符合を付して説明を省略する。
【００７９】
なおここでは、固形分濃度１０重量％程度の有機性廃棄物を発酵原料とし、８０ｔ／日で発酵槽１０に投入した場合を例に挙げて各装置での処理量（ｔ／日）および固形分濃度（重量％）を記載する。
【００８０】
有機性廃棄物は、図４に示すように、発酵槽１０に投入され、嫌気的条件の下で所定期間、メタン発酵が行われる。このメタン発酵により、発酵槽１０から、発酵残液が７５ｔ／日、バイオガスが３５００ｍ３／日で発生する。
【００８１】
メタン発酵後の残渣である発酵残液は、固形分濃度５重量％程度の液状であり、固液分離装置２０に送られ、固形分濃度１５重量％程度の固形分（１０ｔ／日）と、固形分濃度３．５重量％程度の液分（６５ｔ／日）とに分離される。なお、発酵残液は、固液分離装置２０に導入する前に、ｐＨ値４．５〜５．５となるようにｐＨ調整することができる。ｐＨ調整によって、発酵残液の固液分離性を向上させて後段の固液分離装置２０での固液分離を容易にするとともに、発酵残液に溶存する二酸化炭素を放散させて後段での気泡発生や飛沫発生を低減することができる。
【００８２】
液分は濃縮装置３０に送られ、ここで固形分濃度２５重量％程度まで濃縮されて濃縮物（９ｔ／日）となる。なお、濃縮装置３０は、図２に沿って上述した多重効用方式の濃縮装置を使用することが好ましい。
【００８３】
濃縮装置３０によって固形分濃度２５重量％程度まで濃縮された濃縮物は、経路３５を介して乾燥装置４０に移送される。濃縮物が通る経路３５には、固液分離装置２０によって分離された固形分が導入され、濃縮物と固形分とが混合して固形分濃度２０重量％程度の混合物（１９ｔ／日）となる。なお、濃縮物と固形分とを充分に混合させるために、経路３５には混合装置としてのラインミキサー（図示せず）を配備することが好ましい。
【００８４】
乾燥装置４０に導入された濃縮物と固形分との混合物（以下、「濃縮物」と記す。）は、固形分濃度９０重量％程度まで乾燥されて乾燥物（４．２ｔ／日）となる。燃料電池８０から乾燥装置４０への熱供給手段としての経路８２は、通常の流体流路を構成するもの（例えば、断熱性配管）であればよいが、燃料電池８０からの熱分は蒸気の形態で供給されるため、経路８２にスチームコンプレッサーを配備することも可能である。乾燥装置４０の乾燥過程で生じる凝縮液は、脱窒装置で窒素分を除去した後、再利用することができる。
【００８５】
ここで、図５に本発明に好適に使用できる乾燥装置４０の構成を示す。この乾燥装置４０は、多重効用方式の乾燥装置であり、第一缶４１、第二缶４２、第三缶４３により構成され、各缶（４１、４２、４３）内に回転体としてのドラムが設けられたドラムドライヤー方式である。濃縮物は乾燥度が進むに従い粘性が増加して装置内で固着し易くなるが、ドラムが回転することによりこれを抑えることができる。
【００８６】
第一缶４１には、燃料電池８０で発生した熱分が蒸気として経路８２ａにより導入されるとともに、濃縮物が経路３５ａによって導入される。濃縮物は、必要に応じて加熱部（図示せず）において燃料電池８０で発生した蒸気により予加熱してから第一缶４１に導入することができる。
【００８７】
第一缶４１で所定程度まで乾燥された乾燥物は、第二缶４２に移送され、そこで第一缶４１の場合と同様に乾燥された後、第三缶４３に送られて、同様にさらに乾燥される。また、第一缶４１から排出された蒸気は、経路８２ｂを通って第二缶４２へ送られ、第二缶４２から排出された蒸気は、経路８２ｃを介して第三缶４３へ送られる。このように、燃料電池８０で発生した熱分（蒸気）を第一缶４１、第二缶４２、第三缶４３で繰り返し蒸発熱源として利用することができるため、単効用方式に比し数分の一の熱量での乾燥が可能となり、エネルギー効率が著しく高い。
【００８８】
図４に戻り、乾燥装置４０によって固形分濃度９０重量％程度まで乾燥された乾燥物は、特殊肥料や肥料原料として利用することができる。なお、乾燥装置４０の乾燥過程で生じる凝縮液は、脱窒装置で窒素分を除去した後、再利用することができる。
【００８９】
乾燥物は、炭化炉５０に移送され、ここで炭化されて水分約０重量％の炭化物（０．１〜１．０ｔ／日）となる。炭化炉５０での炭化条件を調整することにより、炭化物の生産量（歩留まり）を調整することができる。この炭化物は、土壌改良材や吸着剤として利用可能である。なお、炭化の過程で生じる熱分解ガスやタール状物質は、燃料として濃縮装置３０、乾燥装置４０および炭化炉５０において利用可能である。
【００９０】
以上、本発明について種々の実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、他の実施形態についても適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、有機性廃棄物をメタン発酵して生成する発酵残液を効率よく処理し、かつ、有価物を回収することに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第１実施形態に係るバイオガスシステムの概略構成を示す図面。
【図２】本発明のバイオガスシステムに利用可能な三重効用式濃縮装置の模式図。
【図３】本発明の第２実施形態に係るバイオガスシステムの概略構成を示す図面。
【図４】本発明の第３実施形態に係るバイオガスシステムの概略構成を示す図面。
【図５】本発明のバイオガスシステムに利用可能な三重効用式乾燥装置の模式図。
【符号の説明】
【００９３】
１０  メタン発酵槽
１５  ｐＨ調整槽
２０  固液分離装置
３０  濃縮装置
３１  第一缶
３２  第二缶
３３  第三缶
４０  乾燥装置
４１  第一缶
４２  第二缶
４３  第三缶
５０  炭化炉
６０  脱硫装置
７０  改質器
８０  燃料装置
８０ａ  マイクロガスタービン
【図１】
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【図２】
2005087978.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005087978.tif 000007