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JP4223419B2 - Bioreactor and organic waste energy recovery system using the same - Google Patents

Bioreactor and organic waste energy recovery system using the same Download PDF

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JP4223419B2
JP4223419B2 JP2004058510A JP2004058510A JP4223419B2 JP 4223419 B2 JP4223419 B2 JP 4223419B2 JP 2004058510 A JP2004058510 A JP 2004058510A JP 2004058510 A JP2004058510 A JP 2004058510A JP 4223419 B2 JP4223419 B2 JP 4223419B2
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Description

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。   The present invention relates to a bioreactor and an organic waste energy recovery system using the bioreactor. More specifically, the present invention relates to a bioreactor that is energy-saving and excellent in fermentation ability, and an organic waste energy recovery system using the bioreactor.

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/m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。 A bioreactor using an anaerobic digestion method is known as a method for treating organic waste (for example, human waste, septic tank sludge, and garbage). A typical anaerobic digestion method includes a methane fermentation treatment method. According to the methane fermentation treatment method, biogas (methane is about 65% to 70% and carbon dioxide is about 35% to 30%) is finally generated, and the biogas has a calorific value of about 6,000 kcal / m 3 . Therefore, there is an advantage that it can be recovered as energy.

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。   Specific examples of the methane fermentation treatment method include a UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) method, a fixed bed method, and a floating bed method. For example, when processing garbage using the methane fermentation treatment method, methane fermentation treatment is usually performed after pulverizing and solubilizing the garbage to prepare a stock solution. However, there is a problem with any of the above specific methane fermentation treatment methods because raw garbage contains a high concentration of organic substances and contains a large amount of suspended substances (solid content: SS). There is. Specifically, in the UASB method, when SS enters the bioreactor (methane fermentation tank), the granulated microorganisms flow out of the tank. In the fixed bed method, SS clogs the carrier. In the floating bed method, it takes a long time to decompose high-concentration organic substances, and the bioreactor becomes very large.

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。   Furthermore, a methane fermenter of a non-powered stirring type has been developed due to the recent increase in awareness of environmental problems. For example, as shown in FIGS. 6A to 6D, a methane fermenter is known in which a stock solution is stirred using the pressure of generated biogas. Specifically, as follows: First, as shown in FIG. 6A, the liquid level A of the main fermentation unit 601 and the upper chamber 602 is constant, and the pressure equalizing valve 603 is closed. . When digestion gas (biogas) is generated in the main fermentation unit 601, as shown in FIG. 6 (b), the liquid level A is lowered by the gas pressure, the stock solution is pushed up from the mixing shaft 604, and the liquid level B is raised. To do. When the digestion gas is sufficiently generated, the liquid level B reaches the highest level C as shown in FIG. Along with this, a certain amount of stock solution is supplied to the center tube 605. Finally, as shown in FIG. 6 (d), when the pressure equalizing valve 603 is opened, the gas pressures of the high pressure phase and the low pressure phase become the same, and the liquid in the upper chamber 602 passes through the center tube 605 to the main fermentation unit 601. It flows in vigorously and mixing and stirring are performed. However, such a fermenter has insufficient stirring efficiency, and as a result, fermentation capacity (biogas generation capacity) is insufficient.

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。   As described above, there is a strong demand for a bioreactor that is energy-saving and excellent in fermentation ability.

特開2000−167523号公報JP 2000-167523 A 特開2001−998号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-998

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。 The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is a bioreactor that is energy-saving and excellent in fermentation capacity and energy recovery of organic waste using the bioreactor. To provide a system.

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。   The bioreactor of the present invention comprises a fermenter that forms an anaerobic state by forming a closed space, ferments raw water containing organic waste, and generates biogas by methane fermentation; a main heating unit extending vertically; A heating means for heating the raw water disposed in the fermenter, and having a connecting part arranged to alternately connect the upper end parts and the lower end parts of the main heating part; And a stirring means having a cylindrical shape and disposed so as to pass the main heating part of the heating means through the hollow part.

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。   In a preferred embodiment, the heating means includes hot water prepared by a solar heater, hot water prepared by a hot water boiler using the biogas as a heat source, or surplus of power generation means that generates electric power using the biogas. It is a hot water pipe using hot water prepared by heat.

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。   In a preferred embodiment, the inner diameter of the stirring means is 350 to 800% of the inner diameter of the hot water pipe.

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。   In preferable embodiment, the said stirring means is arrange | positioned at the peripheral part vicinity at least of the said fermenter.

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。   In a preferred embodiment, the stirring means stirs the raw water without consuming electric power and power by using the biogas and the convection of the raw water as driving sources.

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。   According to another aspect of the present invention, an organic waste energy recovery system is provided. This system comprises a slurrying means for making organic waste into a slurry; the bioreactor for methane fermentation of the slurry to digest it into biogas and digestive fluid; and a power generation means for generating electric power and heat from the biogas. And a secondary treatment facility for purifying residual organic matter contained in the digested liquid and precipitating surplus sludge as compost material, and heating the bioreactor to an appropriate temperature by heat from the power generation means, A portion of the power from the means drives the slurrying means and the secondary treatment facility to produce power and compost material.

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。   In a preferred embodiment, the power generation means is a fuel cell.

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。   In a preferred embodiment, the system further comprises a methane purification facility between the bioreactor and the power generation means.

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。   According to the present invention, by using a cylindrical stirring means having a heating means in the hollow portion, the generated biogas and convection are used as a driving source, and raw water containing organic waste is efficiently and power-free. Can be stirred. Therefore, it is possible to obtain a bioreactor that is energy saving and excellent in fermentation ability. Furthermore, according to the energy recovery system of the present invention, the bioreactor and the equipment in the system are operated using a part of the electric power and heat obtained by using the generated biogas, so that the electric power and the electric power can be substantially reduced with zero emission. Compost material can be obtained. In addition, according to the present invention, problems such as generation of dioxins and land subsidence in the conventional organic waste processing method do not occur.

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。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these embodiments.

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。   FIG. 1 is a flowchart illustrating an organic waste recovery system according to a preferred embodiment of the present invention. Organic waste (for example, human waste, septic tank sludge, raw garbage) is put into the receiving tank 1 and diluted with dilution water. In the receiving tank 1, foreign matters (typically sand) not related to methane fermentation are removed by precipitation, and therefore the receiving tank 1 is also referred to as a sand settling tank. The organic waste from which the foreign matter has been removed by precipitation is crushed into a slurry by the crusher 2. Any appropriate means can be adopted as the crusher 2. For example, it may be a high-pressure pulverizer that pulverizes organic waste to a predetermined size with a screw cutter or the like and then finely pulverizes it by applying high pressure. It may be a pulverizer that grinds waste into a paste, or a combination thereof. The obtained slurry is temporarily stored in the raw water tank 3. The slurry (raw water) is sent to the bioreactor 4 by a predetermined amount by a slurry pump (not shown).

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。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an essential part for explaining a bioreactor according to a preferred embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic plan view of the bioreactor of FIG. It should be noted that in FIGS. 2 and 3, a scale different from the actual scale is used for easy understanding. The bioreactor 4 includes a fermenter 41, a heating unit 42, and a stirring unit 43. The fermentation layer 41 forms an anaerobic state by forming a closed space, and methane fermentations the raw water in the tank. The heating means 42 includes a main heating part 44 extending in the vertical direction, and a connecting part 45 arranged so as to alternately connect upper end parts and lower end parts of the main heating part 44. The raw water in the fermentation layer 41 is heated to 35 ° C. to 45 ° C. by the heating means 42. Furthermore, the heating means 42 has a function of preventing the excessive movement of the stirring means 43 in the vertical direction by the connecting portion 45 and keeping it at a predetermined position. The heating means 42 is typically a hot water pipe. The hot water supplied to the pipe is preferably prepared by a solar heater or a hot water boiler. Preferably, the hot water boiler uses biogas generated in the bioreactor as a heat source, as will be described later. Alternatively, the hot water is used by collecting the reaction heat of the power generation means (fuel cell) 7 using biogas with cooling water, as will be described later. By using such hot water, the bioreactor can be operated completely with no power and no power consumption. The hot water pipe can be made of, for example, vinyl chloride resin or stainless steel. In the case of being composed of vinyl chloride resin, the main heating part 44 and the connecting part 45 are bonded with any appropriate adhesive. In the case of stainless steel, the main heating part 44 and the connecting part 45 are welded. The size of the heating means 42 (particularly the length of the main heating unit 44) can be changed according to the size of the fermenter 41. Typically, the length of the main heating unit 44 is 60 to 70% of the depth of the fermenter 41. Furthermore, the internal diameter of the heating means 42 is typically 1 to 2 cm.

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。   The stirring means 43 is typically a cylinder that defines the hollow portion 46, and is disposed so that the main heating portion 44 of the heating means 42 passes through the hollow portion 46. Therefore, although the stirring means 43 can move up and down along the main heating part 44, the movement is restricted between the upper and lower connecting parts as described above. The cylindrical wall 47 that defines the hollow portion 46 can typically be made of vinyl chloride resin or stainless steel. The length of the stirring means is typically 90 to 98%, preferably 90 to 95% of the length of the main heating unit 44 of the heating means 42. By adopting such a ratio, the stirring means can be moved up and down appropriately, and as a result, the stirring efficiency is improved. Furthermore, the internal diameter of the stirring means 43 is typically 7 to 8 cm. Expressed as a ratio to the inner diameter of the heating means 42, the inner diameter of the stirring means 43 is preferably 350 to 800% of the inner diameter of the heating means 42. By adopting such a ratio, convection of the raw water by the heating means is likely to occur in the hollow portion, and as a result, the stirring efficiency is improved.

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。   Arbitrary appropriate arrangement | positioning may be employ | adopted for arrangement | positioning of the stirring means 43 in the fermentation layer 41 according to the objective. Typically, as shown in FIG. 3, the agitation means 43 is provided in the vicinity of the peripheral portion of the fermentation layer 41 and the vicinity of the intermediate portion of the fermentation layer (that is, a straight line connecting the center and the outer periphery of the fermenter (with a radius). It can be placed near the midpoint of the straight line). This is because the heating efficiency by the heating means 42 and the stirring efficiency by the stirring means 43 are both excellent. Specific examples of other arrangement methods include a method of evenly arranging the entire fermentation layer when viewed in plan, a method of arranging in a matrix, a method of arranging radially, and a method of arranging in an X shape. .

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。   Next, the mechanism of stirring by the stirring means 43 will be described. When raw water methane fermentation proceeds in the fermentation layer 41, a large amount of digestion gas (biogas) is generated. The biogas moves upward, but the movement in the lateral direction is restricted by the cylindrical wall 47 of the stirring means 43. Therefore, most of the generated biogas moves upward in the hollow portion 46 of the stirring means 43 exclusively. As a result, the biogas serves as a driving source, and causes the raw water to flow upward in the hollow portion 46. At the same time, since the raw water in the vicinity of the heating means 42 is hotter than the raw water in other places, the raw water in the vicinity of the heating means 42 moves upward and convection occurs. This convection is also restricted from moving in the lateral direction by the cylindrical wall 47 of the stirring means 43, and moves exclusively upward in the hollow portion 46 of the stirring means 43. The raw water moves vigorously in the hollow portion 46 of the stirring means 43 by the synergistic effect of the flow using biogas as the driving source and the flow by convection. The raw water that has moved to the upper part of the fermenter pushes down the raw water that was originally in the upper part of the fermentation layer. The pushed-down raw water moves downward outside the stirring means 43 exclusively. By repeating this, the raw water in the fermenter circulates and agitation is promoted. The produced biogas is sent from the upper transfer pipe (not shown) to the methane purification facility 5, and the digested liquid is discharged from the discharge pipe (not shown) and sent to the secondary treatment facility 8.

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、130Nm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。 As described above, 80 to 90% of the organic substances are decomposed in the bioreactor 4 to become biogas and digestive fluid. For example, when 1 ton of garbage having a CODcr value of about 300 g / L is decomposed in the bioreactor 4, biogas of about 130 Nm 3 is generated. The composition of the generated biogas is typically about 65% to 70% for methane, about 35% to 30% for carbon dioxide, and about 1500 ppm for hydrogen sulfide. When converted to calorific value, it becomes 800,000 kcal. According to the present invention, such energy can be obtained with absolutely no power and no power consumption.

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。   Referring to FIG. 1 again, the digestive juice is sent to the secondary treatment facility 8 to be purified (details of the secondary treatment of digestive juice will be described later). On the other hand, the biogas is supplied to the methane purification facility 5. Biogas is substantially a mixed gas of methane and carbon dioxide, but the concentration of methane in the biogas can vary greatly depending on the concentration of organic matter in the organic waste. Then, since stable power generation by the power generation means 7 is often difficult, it is necessary to maintain the methane concentration in the biogas supplied to the power generation means 7 preferably at 80% or more (more preferably 90% or more). Because there is. Furthermore, since hydrogen sulfide in the biogas becomes a catalyst poison of the power generation means 7, it is preferable to remove even a trace amount.

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。   Any appropriate configuration (for example, dry type or wet type) can be adopted as the methane purification facility 5. For example, as shown in FIG. 4, in the wet methane refining facility 50, the biogas is first washed with water in the washing tower 51, and carbon dioxide is absorbed and removed by water. The absorbed carbon dioxide is diffused in the diffusion tower 52 and only water is circulated to the flush tower 51 again. Next, the biogas is passed through the desulfurization tower 53, and desulfurized by washing with an alkaline aqueous solution containing sodium hydroxide. The alkaline wastewater after the desulfurization treatment can be neutralized with hydrochloric acid, for example, and then sent to the secondary treatment facility 8 to be treated together with the digested liquid from the methane fermentation tank 4. The hydrogen sulfide is finally discharged as waste water from the secondary treatment facility 8 as salts (for example, sodium sulfate).

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。   On the other hand, as shown in FIG. 5, in the dry methane purification facility 55, biogas is first desulfurized through the dry desulfurization tower 56, and then carbon dioxide is absorbed by water in the water washing tower 51. The dry desulfurization tower 56 is typically filled with a desulfurizing agent (for example, iron oxide). The desulfurizing agent is periodically replaced. The operation of the water washing tower 51 is as described in FIG. Carbon dioxide may be adsorbed and removed by a PSA (Pressure swing adsorption) type adsorption tower instead of the water washing tower 57.

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。   After removing carbon dioxide and hydrogen sulfide from the biogas, other trace impurities (for example, ammonia) may be further removed through an activated carbon adsorption tower (not shown) as necessary.

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。   The purified biogas is once stored in the gas holder 6 and then supplied to the power generation means 7 as fuel. By passing through the gas holder 6, it is possible to quantitatively supply the biogas to the power generation means 7. Note that the gas holder 6 can be reduced in size or omitted by supplementarily supplying city gas or the like to the power generation means 7 when the biogas is insufficient. City gas can also be used as a backup for biogas shortages.

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。   The power generation means 7 is preferably a fuel cell. Unlike a conventional gas engine, a fuel cell reacts electrochemically without burning biogas, so that power generation efficiency is as high as 40 to 50%. Moreover, NOx, SOx and soot are hardly contained in the exhaust gas, and it is clean. Furthermore, the amount of carbon dioxide emission is reduced by the amount of power generation efficiency. In addition, there is little noise and vibration.

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。   Preferably, a hot water boiler 9 is provided as auxiliary equipment. The hot water boiler 9 supplies high temperature water using the biogas as a heat source when the fuel cell 7 is stopped or when the biogas is excessive, and serves as a heating means 42 of the bioreactor 4, a heating heat source, a heat source of an absorption refrigeration machine, or the like. Further, the reaction heat of the fuel cell 7 can be recovered with cooling water and used for such a heat source.

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。   Part of the electric power obtained by the power generation means 7 can be used to operate the crusher 2 and the secondary treatment facility 8.

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。   Finally, the secondary processing facility 8 will be described. The digested liquid from the bioreactor 4 is once stored in the digested liquid tank 81 and then dehydrated by the dehydrator 82. The obtained dehydrated cake is subjected to any appropriate treatment (for example, fermentation treatment) as necessary, and finally composted. The dehydrated desorbed liquid is sent to the wastewater treatment facility 83 and purified. In the wastewater treatment facility 83, typically, activated sludge coal treatment using aerobic microorganisms is performed. The purified water is used as dilution water when preparing the slurry (raw water), and the excess purified water is discharged.

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。   As described above, electric power and compost material can be generated from organic waste with little use of external electric power and power.

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。   The bioreactor and energy recovery system of the present invention can be used very suitably for the treatment of organic waste (for example, human waste, septic tank sludge, raw garbage). Ultimately, it may form part of a highly preferred biological resource circulation system.

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。It is a flowchart explaining the collection system of the organic waste by preferable embodiment of this invention. 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。It is a principal part schematic sectional drawing explaining the bioreactor by preferable embodiment of this invention. 図2のバイオリアクターの模式平面図である。FIG. 3 is a schematic plan view of the bioreactor of FIG. 2. 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。It is a schematic diagram explaining the methane refinement | purification equipment used for this invention. 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。It is a schematic diagram explaining another methane refinement | purification equipment used for this invention. 従来のメタン発酵槽を説明する模式断面図である。It is a schematic cross section explaining the conventional methane fermentation tank.

符号の説明Explanation of symbols

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

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Receiving tank 2 Crusher 3 Raw water tank 4 Bioreactor 5 Methane refining equipment 6 Gas holder 7 Power generation means 8 Secondary treatment facility 41 Fermenter 42 Heating means 43 Stirring means

Claims (8)

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。
A fermenter that creates a closed space to create an anaerobic state, methane ferment raw water containing organic waste, and generate biogas;
It has a main heating part extending in the vertical direction and a connecting part arranged so as to alternately connect the upper end parts and the lower end parts of the main heating part, and is arranged in the fermenter to heat the raw water Heating means to
A bioreactor comprising: a cylindrical shape defining a hollow portion; and stirring means disposed so as to pass the main heating portion of the heating means through the hollow portion.
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。 The heating means is hot water prepared by a solar heater, hot water prepared by a hot water boiler using the biogas as a heat source, or hot water prepared by surplus heat of a power generation means that generates electric power using the biogas. The bioreactor according to claim 1, wherein the bioreactor is a hot water pipe. 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。 The bioreactor according to claim 2, wherein an inner diameter of the stirring means is 350 to 800% of an inner diameter of the hot water pipe. 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。 The bioreactor according to any one of claims 1 to 3, wherein the stirring means is disposed at least in the vicinity of a peripheral portion of the fermenter. 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。 The bioreactor according to any one of claims 1 to 4, wherein the stirring unit stirs the raw water without consuming electric power and power by using the biogas and the convection of the raw water as a driving source. 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。
A slurrying means for slurrying organic waste;
The bioreactor according to any one of claims 1 to 5, wherein the slurry is subjected to methane fermentation and digested into biogas and digestive fluid.
Power generation means for generating electric power and heat by the biogas;
A secondary treatment facility for purifying residual organic matter contained in the digestive juice and precipitating excess sludge as compost material;
The bioreactor is heated to an appropriate temperature by heat from the power generation means, and the slurrying means and the secondary treatment facility are driven by a part of the power from the power generation means to generate power and compost material. To
Organic waste energy recovery system.
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。 The energy recovery system according to claim 6, wherein the power generation means is a fuel cell. 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。

The energy recovery system according to claim 6 or 7, further comprising a methane purification facility between the bioreactor and the power generation means.

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