(57)【要約】【課題】  液圧式沈下物取出部を底部中央領域に有する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、沈殿物の停滞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。沈殿物の滞留を回避するため、ノズル（１１）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バイオリアクター（２）内の底部領域の垂直流に水平流を重ねてバイオリアクター（２）の底部中央領域へ向かう旋回流を生成させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液圧式沈下物取出部を底部中央領域に有する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、バイオリアクターの底部近傍にまで達する懸濁液の垂直流又はバイオリアクターの底部近傍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、バイオリアクター内の底部近傍の垂直流に向かって水平流体運動成分を含む駆動流体を導入し、該駆動流体を前記垂直流と重ねることによりバイオリアクター内の底部中央領域へ向かう旋回流を生成させ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１０〜１５ｍ／ｓの流速でバイオリアクター内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】
駆動流体を３００〜６００ｍ３／ｈの体積流量でバイオリアクター内に導入す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】
バイオリアクター内の底部近傍の内壁面における旋回流の流速を０．５ｍ／ｓとすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
バイオリアクターの垂直軸心へ向かう半径方向に対して４０〜６０°の角度で駆動流体をバイオリアクター内に導入することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
水平方向から１０°以下の傾斜角で下方に傾けて駆動流体をバイオリアクター内に導入する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】
駆動流体としてバイオリアクター内の懸濁液を利用し、この懸濁液をバイオリアクターから吸引して再びノズルを介してバイオリアクター内に導入することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
底部近傍のバイオリアクター周壁に分散配置された複数のノズルから駆動流体をバイオリアクター内に導入することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
各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８に記載の方法。
【請求項１０】
各ノズルに対して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８に記載の方法。
【請求項１１】
駆動流体としての懸濁液をバイオリアクター内の底部中央領域から吸引することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
バイオリアクターから吸引した懸濁液を前記駆動流体としてバイオリアクター内に導入するのと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別のノズルから付加的駆動流体をバイオリアクター内の懸濁液表面下に導入することを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
付加的駆動流体を前記別の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１２に記載の方法。
【請求項１４】
バイオリアクターからポンプを介して吸引した懸濁液を前記駆動流体としてノズルからバイオリアクター内に導入すると共に、同じポンプからの懸濁液の少なくとも一部を前記付加的駆動流体として前記別のノズルからバイオリアクター内に導入することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
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底部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、バイオリアクター内で底部中央領域へ向かう旋回流を生成させるための駆動流体をバイオリアクターに導入するための少なくとも１つのノズルがバイオリアクターの底部近傍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１６】
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１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記ノズルが、バイオリアクターの底部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１５又は１６に記載の装置。
【請求項１８】
各ノズルが１つの共通するポンプに接続されていることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
各ノズルが水平方向に対して０〜１０°の傾斜角度で下方に傾けて配置されていることを特徴とする請求項１７又は１８に記載の装置。
【請求項２０】
バイオリアクターの内底面が周縁部から中心部へ向かって１０〜２０°の傾斜角で下降する傾斜面を形成していることを特徴とする請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
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付加的駆動流体をバイオリアクター内の懸濁液表面下に導入する別のノズルを更に備えていることを特徴とする請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
前記別のノズルがタンク周壁に接線方向の指向方向で配置されていることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記別のノズルが、前記吸引管路から吸引された懸濁液の少なくとも一部を前記付加的駆動流体としてバイオリアクター内に導入するように前記ポンプに付加的に接続されていることを特徴とする請求項２１又は２２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液圧式沈下物取出部を底部中央領域に有する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、バイオリアクターの底部近傍にまで達する懸濁液の垂直流又はバイオリアクターの底部近傍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、液圧式沈下物取出部を底部中央領域に有する円筒バイオリアクターを用いて懸濁液を生物学的に処理する際に、特に以上に述べたような沈殿物の停滞の問題を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バイオリアクターの底部近傍にまで達する懸濁液の垂直流又はバイオリアクターの底部近傍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、バイオリアクター内の底部近傍の垂直流に向かって水平流体運動成分を含む駆動流体を導入し、該駆動流体を前記垂直流と重ねることによりバイオリアクター内の底部中央領域へ向かう旋回流を生成させることによって解決される。
【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流れの滞留による諸問題を、液圧噴流注入システムの周期的運転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、底部近傍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底部領域における内部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例えば下降流に向かって底部近傍で周囲から接線方向の水平流体運動成分を駆動流体の液体自由噴流によって与えると、垂直下降流と駆動流体との重なりによってリアクター内底部領域に中央へ求心的に向かう旋回流が生じる。本来、リアクター内壁近傍領域では垂直ループ流が最少となるので沈下物の沈殿が起きやすいが、本発明によればこの内壁近傍領域において噴流として注入される駆動流体がリアクター中心部の垂直上昇流領域への粒子輸送を支援する補助流としても寄与する。これはいわゆる「ティーカップ効果」によって達成され、というのも、ベルヌーイの方程式によれば局所圧力勾配がこの方向で生じるからである。
【００１２】
例えば、反応部有効容積が８０００ｍ３以下、内径が２２ｍ以下のバイオリアクターの場合、駆動流体は１０〜１５ｍ／ｓの流速で好ましくは液体自由噴流としてバイオリアクターに導入すれば充分である。また、駆動流体は好ましくは３００〜６００ｍ３／ｈの体積流量でバイオリアクターに導入するとよい。これにより、底部近傍の液体質量の回転流速を内壁近傍領域で約０．５ｍ／ｓとするのに必要な衝撃流を生成することができる。
【００１３】
旋回流の発生に必要なトルクを誘起するためには、バイオリアクターの垂直軸心へ向かう半径方向に対して４０〜６０°の角度で駆動流体をバイオリアクター内に導入することが特に好ましい。また、底部中央領域で注入ガスの浮上によって垂直ループ流の上昇流を発生させている場合、駆動流体の導入方向は、注入ガスによる浮力を相殺するために水平方向から１０°以下の傾斜角で下向きとなるように調整することが好ましい。駆動流体としてはリアクター内の懸濁液の一部を利用することが望ましく、この場合、バイオリアクターの中間高さ位置から外部へ懸濁液を吸引してノズルを介して好ましくは液体自由噴流として再びバイオリアクター内の底部領域に導入するとよい。
【００１４】
不規則な粗稜形状の固体粒子を多く含有する懸濁液の場合、リアクター内で懸濁液が全体的運動をするだけでは沈殿した粒子を再び持ち上げるのに充分ではない。ここで、意外なことに、中央領域における懸濁液の流速よりも高速の局所流速を有する活性な液体自由噴流部分では、その以外の固形分沈積領域に比べて底部沈殿物が著しく減少していることが判明した。このような領域ではベッドロード運動の法則性が働き、底部領域で転動する粒子自体にいわゆるマグヌス効果に従って垂直方向への浮力が誘起され、この浮力が粒子を局所的に持ち上げる結果、中央領域へ向かう旋回流に粒子が乗るのである。
【００１５】
この運動の総合的な結果として、周縁近傍の底部沈殿物がリアクター底部中央領域へと移動する。これらの効果は、通常のリアクター底部構造の工作技術を利用して、バイオリアクターの内底面を周縁部から中心部へ向かって１０〜２０°の傾斜角で下降する傾斜面として形成しておくことによって更に助長される。
【００１６】
駆動流体の液体自由噴流は、リアクター外部に設置したポンプを介して発生させることが好ましい。即ち、ポンプによってリアクター内から所要量の懸濁液を吸引し、該ポンプから吐出される懸濁液をノズルを介して再びリアクター内に送り戻す。
【００１７】
ノズルの設置個数は１つでも良いが、タンク内周全域に亘り前記マグヌス効果を確実にするためには、駆動流体を底部近傍のリアクター周壁に周方向で分散配置された複数のノズルからバイオリアクター内に導入することが好ましい。この場合、リアクターの直径寸法に応じて２〜５個、或いはそれ以上のノズルが適宜な周方向間隔をあけてバイオリアクター周壁に設けられる。
【００１８】
複数のノズルを同時に使用して運転すると、駆動流体を供給するための補助液圧システムではエネルギー消費量が単一ノズル運転時に比べて２倍〜５倍となる。ところで、本発明者らによる確認試験によれば、周縁近傍の底部沈殿物に対するマグヌス効果による移動は、意外にも底部周壁の複数のノズルを時間的にずらして運転する場合でも良好に生じることが判明した。これは、或るノズルから別のノズルへと駆動流体の噴射を順次切り換える間に沈降する粒子も後続のノズルからの噴射が開始されると再び効果的に移動され、切り換え間隔を極端に長時間としない限り、通常の電磁弁切換制御装置で周期的ノズルを切り換えれば、周縁近傍の底部沈殿物を継続的に底部中央領域へ輸送できるからである。従って本発明の特に好適な実施形態においては、設置された複数のノズルの全てを共通の１つのポンプと接続し、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。これにより効率的で殆ど整備の不要な運転様式が可能となる。
【００１９】
沈殿する可能性をもつ粒子をバイオリアクターから限定的に旋回流に乗せて排出させる必要がある場合は、駆動流体を自由噴流として吐出するポンプ管路に所要の粒子分離条件に合せて寸法設計された液体サイクロンを接続することが可能である。この場合、望ましくはポンプの吸引管路はバイオリアクター内の沈殿物富化媒体留分が存在する底部中央領域に達するように配置される。
【００２０】
本発明の思想の一つの展開によれば、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別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、バイオリアクターから吸引した懸濁液を底部領域における旋回流駆動流体としてバイオリアクター内に導入するのと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別のノズルから付加的駆動流体がバイオリアクター内の懸濁液表面下に導入される。この付加的駆動流体は、上記別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。付加的な駆動流体としては、底部領域における旋回流駆動流体として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ことが望ましく、この場合、前記別のノズルには、底部領域において旋回流駆動流体としての懸濁液を噴射する底部領域のノズルと同じポンプで駆動することができる。底部領域のノズルと同じポンプによるこのような上部領域の別のノズルの駆動は実質的な投入サイクルが僅かであると判断され、底部領域のノズル系に対する切換サイクルに１つ又は２つの付加的サイクルを組み合わせることができる場合には特に好適である。勿論、処理対象懸濁液の性質に応じてスカム処理用の別のノズルの運転を頻繁に行う必要がある場合は、スカム処理用の別のノズルを独立した個別ポンプで優先的に駆動するようにしても良い。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
この浮遊物に起因する課題を解決するために、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１つの別のノズルから液体自由噴流として噴射される付加的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の別のノズルによる噴流ゾーンを通過し、その際に付加的な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付加的駆動流体により滑りやすい状態に維持される。
【００２４】
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。
【００２５】
この目的で前記別のノズルは底部領域のノズルと同様の寸法設計のものとするのが好ましく、また更に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箱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。この別のノズルは単一ノズルでも良いが、好ましくは第２の別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。これら両方の別のノズルによる噴射も交互に周期的に行ってよい。
【００２６】
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底部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。
【００２７】
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、バイオリアクター内で底部中央領域へ向かう旋回流を生成させるための駆動流体をバイオリアクターに導入するための少なくとも１つのノズルがバイオリアクターの底部近傍に配置されている。
【００２８】
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ノズルに供給するポンプとを備えている。またノズルは、バイオリアクターの底部近傍の周壁に分散配置された複数のノズルを含むことが好ましい。この場合、各ノズルを１つの共通するポンプに接続して周期的な噴射を行うようにしても良い。各ノズルの配置向きは、バイオリアクター内の底部中央領域で注入ガスの浮上によって垂直ループ流の上昇流を発生させて処理を実行する場合に駆動流体の導入方向が注入ガスによる浮力を相殺する目的で水平方向から１０°以下の傾斜角で下向きとなるように定めておくことが好ましい。またバイオリアクターの内底面は、周縁部から中心部へ向かって１０〜２０°の傾斜角で下降する傾斜面を形成していることが望ましい。
【００２９】
本発明に係る装置の一つの展開によれば、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付加的駆動流体をバイオリアクター内の懸濁液表面下に導入する別のノズルが更に設けられている。この別のノズルは、タンク周壁に接線方向の指向方向で配置されていることが好ましく、また、底部領域において旋回流駆動流体としての懸濁液を噴射する底部領域のノズルと同じポンプに接続して、このポンプによって吸引管路を介してリアクター内から吸引された懸濁液の少なくとも一部を前記付加的駆動流体としてバイオリアクター内の上部領域に導入するようにすることが望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
本発明によれば、発酵媒体の固有の性質に起因して生じる問題点、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、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。この目的のため、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。
【００３４】
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。
【００３５】
図１に示す装置では、スカム、即ち浮遊物による問題にも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別のノズル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。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、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においてポンプ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に関しても複数のノズルを配置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壁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】
【００３６】
【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】
【００３７】
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：ノズル（底部ノズル）
１２：駆動流体供給管路
１３：別のノズル（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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