(57)【要約】【課題】  円筒バイオリアクターで懸濁液を生物学的に処理する際に、浮遊物に起因する諸問題点を回避できるようにする。【解決手段】  バイオリアクター（２）内で懸濁液を生物学的に処理する際に懸濁液の少なくとも一部を垂直に整列配置された流路案内部（５）内に導き、懸濁液の垂直ループ流を生成させてリアクター内を循環させる。スカム浮遊物に対処するため、懸濁液表面高さレベルでノズル（１３）から駆動流体、特に液体自由噴流を導入することによってリアクター（２）内の懸濁液表面及び／又は懸濁液表面に浮遊するスカムを回転流にする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒バイオリアクター内で懸濁液を生物学的に処理するに際し、懸濁液を循環させるために懸濁液の少なくとも一部を垂直に整列配置された流体案内部に導くことにより、懸濁液表面高さレベル近傍まで達する懸濁液の垂直流又は懸濁液表面高さレベルから出発する垂直流を生成させる懸濁液の生物学的処理方法において、懸濁液の表面及び／又は懸濁液表面に浮遊するスカムを回転流とするように懸濁液表面高さレベルの領域に駆動流体の噴流を導入することを特徴とするバイオリアクターによる懸濁液の生物学的処理方法。
【請求項２】
駆動流体をノズルからバイオリアクター周壁の接線方向に導入することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
バイオリアクターからポンプで吸引した懸濁液を駆動流体として用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
複数のノズルから時間的にずらして駆動流体を導入することを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
複数のノズルに対して１つの共通のポンプから周期的に切り換えながら駆動流体を順次供給することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
懸濁液の表面に回転流として浮遊するスカムの少なくとも一部を懸濁液表面高さレベルの領域でバイオリアクターの内壁面に設けられた少なくとも１つのスカム取出部を介して取り出すことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
スカム取出部の近傍に導入される駆動流体を利用してスカムをスカム取出部内に押し流すことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
スカム取出部に向けて駆動流体を導入し、この駆動流体によってスカムを回転運動状態に保つと共にスカムを加湿することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
スカム取出部の近傍に設けたノズルから、スカムをスカム取出部内に移送するような衝撃力で駆動流体を導入することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
駆動流体を１０〜１５ｍ／ｓの流速で導入することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
駆動流体を３００〜６００ｍ３／ｈの体積流量で導入することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
懸濁液を収容するための円筒バイオリアクターと、バイオリアクターの内部で懸濁液を循環させるために懸濁液表面高さレベル近傍まで達するようにバイオリアクター内に垂直に整列配置された流体案内手段とを備えた懸濁液の生物学的処理装置において、懸濁液の表面及び／又は懸濁液表面に浮遊するスカムを回転流とするように駆動流体の噴流をバイオリアクター内に導入する少なくとも１つのノズルがバイオリアクターの懸濁液表面高さレベルの領域に配置されていることを特徴とするバイオリアクターによる懸濁液の生物学的処理装置。
【請求項１３】
バイオリアクターの内部空間に連通する吸引管路と、該吸引管路を介して吸引した懸濁液を駆動流体として前記ノズルに供給するポンプとを備えたことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記ノズルが、バイオリアクターの懸濁液表面高さレベル近傍の周壁に分散配置された複数のノズルを含むことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の装置。
【請求項１５】
懸濁液表面高さレベルの領域でバイオリアクターの内壁面に径方向内方へ張り出して固定されたスカム取出部を備えたことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
駆動流体を導入するためのノズルがスカム取出部の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
駆動流体を導入するためのノズルがバイオリアクターのスカム取出部に向き合う側に配置されていることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の装置。
【請求項１８】
ノズルのノズル開口径が５０〜１２０ｍｍであることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒バイオリアクター内で懸濁液を生物学的に処理するに際し、懸濁液を循環させるために懸濁液の少なくとも一部を垂直に整列配置された流体案内部に導くことにより、懸濁液表面高さレベル近傍まで達する懸濁液の垂直流又は懸濁液表面高さレベルから出発する垂直流を生成させる懸濁液の生物学的処理方法、及びこの方法を実施するための装置に関する。
【０００２】
本発明で言う懸濁液の生物学的処理方法とは、主に例えば懸濁液に含まれる生物学的に分解可能な物質を微生物によって分解処理する下水や下水汚泥或いは生ごみ等の好気性又は嫌気性の生物学的処理方法を意味する。
【背景技術】
【０００３】
バイオガスの生産法としては、生物学的に分解可能な物質を含有した懸濁液の嫌気性処理、特にごみの発酵、又は下水汚泥処理時の汚泥消化がある。この場合、発酵媒体と称される生物学的に分解可能な物質は、発酵リアクターとも呼ばれるバイオリアクターの内部で空気遮断下に発酵され、バイオガスを生成する。発酵リアクター内で発酵媒体を混合するためには、機械式攪拌システム又は液圧式ポンプ移送システムを利用することが多く、また発酵リアクターの底部近傍に配置されるガス圧入部もさまざまに利用される。
【０００４】
いわゆるループリアクターでは、発酵リアクターの内部に配置された中央案内管にガスを注入して発酵媒体を案内管に引き込み、これによって発酵媒体を例えば発酵リアクターの底部近傍から発酵リアクター内の発酵媒体表面に至るまで案内管内を介して移動させることが可能である。この移動に伴って、発酵媒体の少なくとも大部分を発酵リアクター内で循環させることができる。このようなシステムの例は、例えば下記の特許文献１に述べられている。この公知のシステムは、発酵リアクター内に可動部材が存在しないという主な利点の他にも幾つかの利点を備えている。例えば、勾配の少ない良好な混合が垂直ループ流を介して達成され、しかも熱水貫流式二重殻案内管の形態で熱交換器を発酵リアクター内に組み込むことができる。また、ループ流へのガス吹込みと、それに関連して生成される径方向外向き表面流の表面波及び乱流による予備的混合とによって発酵媒体表面上の浮揚物の形成も防止することができる。更に、底部中央領域へ向けて沈下物を輸送するための流れの条件が底部近傍部に整っているので、沈殿堆積物の形成も防止される。
【特許文献１】独国特許出願公開第１９７２５８２３号明細書
【０００５】
しかしながら、この公知のシステムでも、或る特定の稼働施設では発酵リアクターに供給される汚泥や生ごみの品質性状に関連して付加的な措置を要する浮遊層／沈殿物の停滞という問題を生じる虞のあることが実際の運転で明らかとなった。
【０００６】
これは、公共下水処理施設や特に工場からの有機残渣など、洗剤や微細な繊維状物質或いはプラスチックやセルロースの粒子等を多く含有する汚泥、更には発生由来によって微細なガラス破片やその他の不規則形状の不活性粒子質量分を多く含有する高粘性汚泥などを処理する場合に遭遇する課題である。
【０００７】
有機残渣高含有汚泥の場合、リアクター内の発酵物表面の外縁領域に浮遊クリームが集まることがあり、この場合、径方向の外縁部では乱流が既に減衰してしまうので予備的混合が不充分となる。また、沈殿物が砂とは類似しない粒子（角の丸くなった石英粒子）の場合は、粒子がその不規則な粗稜形状により挟まり合って動かなくなることがあり、リアクター底部中央領域の沈下物取出部への液圧輸送に対する抵抗が増加することになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、円筒バイオリアクター内で懸濁液を生物学的に処理する際に、特に以上に指摘した浮遊スカムに起因する問題点を確実に回避することのできる方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は本発明によれば、懸濁液を循環させるために懸濁液の少なくとも一部を垂直に整列配置された流体案内部に導くことにより、懸濁液表面高さレベル近傍まで達する懸濁液の垂直流又は懸濁液表面高さレベルから出発する垂直流を生成させる懸濁液の生物学的処理方法において、懸濁液の表面及び／又は懸濁液表面に浮遊するスカムを回転流とするように懸濁液表面高さレベルの領域に駆動流体の噴流を導入することによって解決される。この場合、駆動流体は好ましくは液体自由噴流としてノズルを介してバイオリアクターに導入される。
【００１０】
即ち、本発明の基本理念は、ガス注入ループリアクターの原理に液圧噴流注入システムを重ねたことにある。これにより、案内管とガス圧入部とを有するループリアクターにおけるプロセス技術面の利点を有効利用し、同時に処理対象の発酵媒体に現れる特有の浮遊スカムによる諸問題を、液圧噴流注入システムによりバイオリアクターシステムへのエネルギー投入を著しく高めることなく回避することが可能である。
【００１１】
本発明において、懸濁液表面高さレベルの領域でバイオリアクターに注入される駆動流体の液体自由噴流によって表面レベル近傍の液体質量に回転を誘起させる条件は通常のプロセス技術的計算によって定めることができる。リアクター内で垂直整列流体案内部により生じる垂直ループ流の表面近傍に現れる径方向外方へ放射状に向かう流れと駆動流体の液体自由噴流によって誘起される接線方向の流れとの重なりから、懸濁液表面及び／又は懸濁液表面に浮遊するスカムにリアクター垂直軸心周りの回転流が生じる。
【００１２】
本発明によれば、バイオリアクター内の懸濁液表面近傍でリアクター内周壁のノズルからの噴流による集中的なスカム処理が行われる。この場合、好ましくはバイオリアクターから吸引された懸濁液が複数のノズルから同時又は時間的に前後して、バイオリアクター内の懸濁液表面及び／又は懸濁液表面上に浮遊するスカムを回転流とするようにバイオリアクター内の懸濁液表面下に付加的に導入される。
【００１３】
駆動流体は、１つ以上のノズルからリアクター周壁の接線方向に指向してバイオリアクターに導入することが好ましい。駆動流体としては、望ましくはバイオリアクターから吸引された懸濁液の一部を利用する。複数のノズルからは、互いに時間をずらして流体を噴射させるとよい。特に好ましくは複数のノズルを１つの共通のポンプで駆動し、この単一のポンプから各ノズルに対して周期的に切り換えながら駆動流体を順次供給する。
【００１４】
リアクター内周面近傍で富化されるスカム粒子や泡粒子は長期間の稼働のうちには内周面に付着して固化する傾向がある。従ってこれらの浮遊物は絶えず加湿してリアクター内周面に対して滑りやすい状態に保つ必要があり、スカム類の浮上を減らすためにも付着物をばらばらに破砕し、内周面に粘着的に付着する気泡を除去しなければならない。場合によっては懸濁液表面近傍での浮遊物の外部排出を可能としておく必要もある。
【００１５】
このような浮遊物による課題に関して、リアクター上部領域における内周面を頂部に至るまで全体的に浮遊物の付着回避策の対象にすることは技術的に有意義なことではない。というのも、一般的に鋼製の発酵リアクターでは、強度上の理由で頂部傾斜領域に液面が定位するようには設計されていないからである。従って、一般には内部液体の自由表面積は円筒リアクター胴体部分の横断面積に一致する。
【００１６】
本発明の特に好適な実施形態によれば、リアクター内の中心部に垂直に整列配置された流体案内部から周縁領域へと径方向外向きに拡がって流れる表面流によって周縁領域へ環状に寄せ集められる浮遊物は、リアクター内の上部領域で内周面の接線方向に指向して配置された少なくとも２つのノズルから液体自由噴流として噴射される駆動流体によって液面下レベルで液圧負荷され、伝達される衝撃力によって乱されながら周縁部における下降流と共に垂直ループ流となって循環する。周縁領域に達した環状のスカム浮遊層はこれらのノズルによる噴流ゾーンを通過し、その際に駆動流体によって適正に破砕されて加湿されながら下降流に混合されると共に、リアクター内周面も液面レベル近傍領域で駆動流体により滑りやすい状態に維持される。
【００１７】
この場合、リアクター内壁の液面高さレベルにスカム取出箱を固定配置し、この取出箱に昇降可能な吸引管路を配置してスカム取出部を構成すれば、懸濁液に攪拌で混入できないような浮遊物を必要に応じて外部へ排出することが可能である。バイオリアクター内の液面上で回転流となっている浮遊物をその浮遊体積層の厚さ変化に応じて取出箱の上に流入させたり、或いは浮遊物を定期的に取出箱内に押し込むようにしたり、種々のスカム取出条件に応じてスカム取出部の構造設計を選ぶことができる。
【００１８】
この目的で少なくとも１つのノズルは充分な衝撃力でスカムを取出箱へ押し流すような距離を置いてスカム取出部の内方端よりもリアクター中心部寄りにノズル開口端が位置するように配置することが望ましい。このノズルは単一ノズルでも良いが、好ましくは第２のノズルを向かい合わせに配置して、互いの噴流による浮遊物への衝撃力付与及び加湿動作を補い合うようにする。これら両方のノズルによる噴射は好ましくは交互に周期的に行われる。
【００１９】
駆動流体は、好ましくは１０〜１５ｍ／ｓの流速、３００〜６００ｍ３／ｈの体積流量でバイオリアクターに導入される。
【００２０】
本発明は更に、以上に述べた懸濁液の生物学的処理方法を実施するための生物学的処理装置も提供し、この装置は、懸濁液を収容するための円筒バイオリアクターと、バイオリアクターの内部で懸濁液を循環させるためにバイオリアクター内の懸濁液表面高さレベル近傍まで達するようにバイオリアクター内に垂直に整列配置された流体案内手段とを備えている。
【００２１】
本発明による懸濁液の生物学的処理装置によれば、前述の課題を解決するために、懸濁液の表面及び／又は懸濁液表面に浮遊するスカムを回転流とするように駆動流体の噴流をバイオリアクター内に導入する少なくとも１つのノズルがバイオリアクターの懸濁液表面高さレベルの領域に配置されている。
【００２２】
本発明の好適な実施形態による装置では、バイオリアクターの内部空間に連通する吸引管路と、該吸引管路を介して吸引した懸濁液を駆動流体として前記ノズルに供給するポンプとを備えている。このノズルは、バイオリアクターの懸濁液表面高さレベル近傍の周壁にそれぞれ接線方向に指向して分散配置された複数のノズルを含むことが望ましい。これらのノズルは好ましくは１つの共通のポンプに接続される。ノズルのノズル開口径は望ましくは５０〜１２０ｍｍとする。更に本発明による装置は懸濁液表面高さレベルの領域でバイオリアクターの内壁面に径方向内方へ張り出して固定されたスカム取出部を備えていることが好ましい。駆動流体を導入するためのノズルはスカム取出部の近傍に配置されていてもよく、或いはバイオリアクター内のスカム取出部に向き合う側に配置されていてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図１に模式的に示した実施形態に基づいて本発明を更に詳述する。
【００２４】
図１は、生ごみを発酵処理するための本発明の一実施形態による生物学的処理装置の主な構成を模式的に示す系統図である。処理対象の生ごみは、図示しない前処理工程において予め泥漿状加水分解物に調製されている。この泥漿状加水分解物は発酵媒体となる懸濁液として管路１を介して発酵リアクター２、即ちバイオリアクターの内部に供給される。発酵リアクター２内で泥漿状加水分解物のメタン化処理が行われる。このために発酵リアクター２内は嫌気性条件下に保持され、発酵リアクター内部では内容物である発酵媒体が常に循環させられる。発酵する泥漿状加水分解物に含まれる嫌気性バイオマスが有機物を部分的に二酸化炭素とメタンに変える。発生するバイオガスは発酵リアクター２の頂部から気液分離凝縮器を経由して管路３を介して外部の設備又は貯槽へ送られる。凝縮器の底部からは凝縮物（液）が取り出される。発酵リアクター２内の底部中央領域は液圧式沈下物取出部を構成しており、ここから発酵処理済みの沈下物懸濁液がポンプで吸引されて取出管路４を介して外部へ取り出される。
【００２５】
泥漿状加水分解物は硫黄化合物も含んでおり、従って別段の措置をせずともＨ２Ｓが生成され、最終的にはバイオガス中にもＨ２Ｓが含有されることになって望ましくない。バイオガス中の不所望のＨ２Ｓ成分を最少にするため、発酵リアクター内の内容物である発酵媒体は全体が空気などの酸素含有ガスと充分な時間で接触するように流路案内部５内の領域を通過する。この目的で、本実施形態による発酵リアクター２は、リアクター内の軸心に沿って垂直に整列配置された案内管の形態の流路案内部５を内部に有するループリアクターとして構成されており、流路案内部５が空気との接触ゾーンを形成している。流路案内部の内部には、中程の高さ位置よりも下方位置からバイオガスが圧入されており、このバイオガスは、管路３から分岐したバイオガス分岐管路６を介してポンプにより圧送され、流路案内部５内における発酵媒体の上昇流の推進ガスとしての機能をもつ。流路案内部５内での媒体の混合攪拌作用と圧入ガスの浮力との相互作用で発酵媒体は流路案内部５内を下から上へと移送される。この場合の液圧条件は、流路案内部を構成する案内管の幾何学的形状と圧入バイオガス流の圧力及び流量を適宜選択することによって、発酵リアクター内の全内容物が例えば１時間に少なくとも２回に亘って流路案内部５内を通過するように調整することができる。また、流路案内部５の内部には、外部の空気供給源から空気供給管路７を解してバイオガスの圧入位置よりも下方の位置に空気が送り込まれており、この空気は、流路案内部５内を通過中に発酵媒体が酸素と充分に接触してその物質代謝過程でＨ２Ｓの形成が所要の如くに制限されるような量比で流路案内部５内の上昇流に配量されている。この場合の酸素量は、予測される種々の用途のプロセスを損なう酸素成分がバイオガス中にもはや存在しなくなるまで生物化学的に分解される量とすることが好ましい。本実施形態においては、バイオガス中の窒素が他の熱的利用のためのガスの著しい品質低下を招くことがないように、必要な空気導入量は最少にすることができる。発酵媒体の生物学的処理にとって最適な運転パラメータを維持するために流路案内部５を構成する案内管は加熱可能に構成されている。即ち、この案内管は熱水供給流路８と熱水排出流路９とに接続される加熱流路を内部に形成した二重壁外殻を備えている。付加的に又は選択的に発酵リアクター内の底部からポンプで取り出した内容物を外部循環系内に配置された熱交換器１０により加温調節してリアクター内に循環させることもできる。流路案内部５の加熱流路と外部熱交換器１０への加熱媒体としては、例えば施設内に設けられているブロック形火力発電設備（ＢＨＫＷ）からの熱水を利用することができる。
【００２６】
図示の実施形態においては、発酵媒体の固有の性質に起因して生じる別の問題点、特に特殊な品質の汚泥／生ごみの処理に際して発生する沈殿物の滞留に対処するためにもガス注入ループリアクターの原理に液圧噴流注入システムが重ねられている。これにより、案内管による流路案内部５とガス圧入部７とを有するループリアクターのプロセス技術面の諸利点を有効利用しながら、同時に発酵媒体の固有の性質に起因して発生する諸問題を発酵系へのエネルギー投入を著しく高めることなく解決することができる。この目的で、発酵リアクター２の胴部の中程の高さ位置から管路１５とポンプ１６を介して発酵媒体の一部が吸引され、ポンプ１６から吐出される加圧された発酵媒体流が管路１２を介して底部ノズル１１に供給されている。
【００２７】
底部ノズル１１からは、発酵媒体が液体自由噴流として例えばノズル出口流速１０〜１５ｍ／ｓ及び体積流量３００〜６００ｍ３／ｈで発酵リアクター２内の底部領域に導入される。これにより、例えば発酵リアクターの有効反応容積が８０００ｍ３以下、直径が２４ｍ以下の場合、底部領域の液体質量を約０．５ｍ／ｓの内周面近傍流速で回転させるのに必要な衝撃流が生成される。この場合のノズル１１の好ましいノズル開口径は５０〜１２０ｍｍであり、またノズル１１の噴流主軸方向はリアクター寸法とプロセスパラメータとに応じて必要な流体トルクを発生させるためにリアクターの垂直軸心へ向かう半径方向に対して４０〜６０°の角度をなすように傾けられている。同時に、水平方向に対してノズル１１の噴射主軸方向を１０°以下の角度範囲で下向きに傾斜させてあり、これにより噴流域内での発酵媒体の上昇流による浮力を相殺している。図１には簡略化のためにノズル１１は１つしか示していないが、実際には発酵リアクター２の下部領域の周壁全周に亘ってリアクター寸法に応じて２〜５つのノズルが周方向に適宜な間隔を空けて分散配置されている。これらの分散配置された全てノズル１１は１つの共通のポンプ、即ちポンプ１６に接続されており、この単一のポンプから図示しない電磁弁装置によって周期的に切り換えながら各ノズルを順次動作させている。これにより効率的で実質的に整備が不要な運転様式が可能となる。
【００２８】
図１に示す装置では、本発明に従って、スカム、即ち浮遊物による問題に対処するためにポンプ１６の吐出側に分岐管路１４が接続され、この分岐管路１４を介して発酵リアクター２内の懸濁液表面直下に指向してリアクター周壁に配置された上部ノズル１３に加圧された発酵媒体流が供給されるようになっている。上部ノズル１３は下部ノズルと同等のノズル開口径のものであり、その噴射条件、即ち、ノズル出口流速及び体積流量も下部ノズル１３と同じである。但し、噴射方向はリアクタ内周壁の接線方向で水平方向からは２０°以下の角度で下向きに傾斜させてあり、リアクターの径方向外方へ拡がって流れる懸濁液表面流が外縁部で回転しながらリアクター内周面に沿って下降流として沈み込むのを助長している。この上部ノズル１３に対する加圧発酵媒体流の供給は投入サイクルが比較的僅かであると判断され、従って底部ノズル１１に対する電磁弁装置の切換サイクルに挿入可能な１つ又は２つの短時間の付加的サイクル期間中にポンプ１６により行われる。勿論、上部ノズル１３の運転を発酵媒体の品質等に応じて頻繁に行う必要がある場合は、別に独立した個別ポンプを用いて優先的に媒体の供給を行えばよい。底部ノズル１１の場合と同様に、上部ノズル１３も複数のノズル配置とすることは好ましいことであり、但し図１では簡略化のために１つのノズル１３のみを示してある。また、このノズル１３のノズル開口端よりもリアクター内周面寄りに図示しないスカム取出箱が配置されており、このスカム取出箱は懸濁液表面より直ぐ上部のリアクター内上部空間においてリアクター内周面から径方向内方に張り出すように固定設置され、外部からリアクター上部周壁の開閉窓を介して昇降アクセス可能なスカム吸引用バキューム管がスカム取出箱内に集められたスカムを随時吸引できるようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】生ごみを発酵処理するための本発明の一実施形態による生物学的処理装置の主な構成を模式的に示す系統図である。
【符号の説明】
【００３０】
１：懸濁液導入管路
２：バイオリアクター（発酵リアクター）
３：バイオガス取出管路
４：発酵物取出管路
５：流路案内部
６：バイオガス分岐管路
７：空気供給管路
８：熱水供給流路
９：熱水排出流路
１０：外部熱交換器
１１：底部ノズル
１２：駆動流体供給管路
１３：上部ノズル
１４：付加的駆動流体供給管路
１５：吸引管路
１６：ポンプ
【図１】
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