JP2003010895A - 有機性物質の嫌気性処理方法および嫌気性処理装置 - Google Patents

有機性物質の嫌気性処理方法および嫌気性処理装置

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JP2003010895A
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ammonia
acid
tank
gas
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Shigeki Fujiwara
茂樹 藤原
Takeshi Tsuji
猛志 辻
Toshiaki Tsubone
俊明 局
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Nkk Corp
日本鋼管株式会社
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い固形物濃度での有機性物質の処理並びに
高い有機性物質の分解率を低コストで実現することがで
きる有機性物質の嫌気性処理方法および嫌気性処理装置
を提供すること。 【解決手段】 有機性物質中の固形有機物をアルカリ処
理を用いて可溶化することにより可溶性有機物を得る可
溶化工程、前記可溶化工程より得られた可溶性有機物を
含む前記有機性物質を嫌気性微生物によって酸発酵する
工程、前記酸発酵工程より得られた物質を固体成分と液
体成分とに分離する工程、前記分離工程より得られた液
体成分を用いてメタン発酵を行うことにより消化ガスを
得るメタン発酵工程、前記メタン発酵工程より得られた
消化ガスを前記酸発酵工程に導入し、酸発酵工程で生成
されるアンモニアを該消化ガス中に取り込み、これを酸
発酵系外に取り出すことによりアンモニアを除去する工
程、および前記分離工程より得られた固体成分を前記可
溶化工程に返送する工程を具備する有機性物質の嫌気性
処理方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、下水汚泥やその脱
水ケーキ、し尿、し尿汚泥、浄化槽汚泥、厨芥等、有機
性物質の嫌気性消化技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、下水汚泥やその脱水ケーキ、し
尿、し尿汚泥、浄化槽汚泥、厨芥等の被処理物の嫌気性
消化における反応タンクは単相完全混合(1段)法、単
相プラグフロー法、2相法などが用いられてきた。
【0003】嫌気性消化技術は、被処理物からのエネル
ギー回収(メタンガスの回収)が可能な技術であり、ま
た、発生固形物量の低減や、発生固形物の安定化といっ
た効果が得られる技術であり、今日の資源循環型社会を
構成する技術として注目されているものである。しかし
ながら、嫌気性消化に関しては反応速度が小さく、装置
の大型化が避けられず、さらに装置の加温エネルギーも
必要であるといった問題が指摘されていた。
【0004】嫌気性消化技術において、メタン発酵にお
ける反応タンク内の固形物濃度を上昇させることは、反
応装置の小型化と加温エネルギー低減の両面で効果が大
きいが、反応タンク内の固形物濃度を上昇させるとそれ
に伴い反応タンク内のアンモニア濃度も上昇し、このた
め嫌気性消化の効率、特にガス発生量が低下するという
問題があった。
【0005】嫌気性消化技術においてアンモニアによる
阻害は嫌気性消化の効率を図る上での最大の問題点であ
り、アンモニアによる阻害があるためにアンモニア分を
多く含む原料のメタン発酵は困難であり、またアンモニ
アを発生する成分を多く含む原料(蛋白質など)のメタ
ン発酵も困難であったというのが実情である。
【0006】反応タンクにおいてアンモニアを除去する
ことによりアンモニアによる阻害を抑制し、これにより
反応タンクにおける固形物濃度を上昇させようとした試
みに特開平7−185595号公報に開示された技術が
あるが、ここでは高温処理後の脱水操作によってアンモ
ニアを除去しているため、アンモニア除去に関わる費用
が大きく、固形物を高濃度化した嫌気性消化はある程度
可能となるものの、実用上の効果はアンモニア除去費用
によってほとんどなくなってしまう。
【0007】また、鉄塩、コバルト塩、ニッケル塩等を
投入し、メタン発酵の阻害因子であるアンモニアの発生
を抑制し、メタン生成能を有する微生物の活性を向上さ
せる技術も公知であるが、この技術においても鉄塩、コ
バルト塩、ニッケル塩等の薬剤費が大きく、該技術によ
りもたらされるメリットは少なく、また該技術による固
形物濃度の上昇は9%程度が限度であり、大きな固形物
濃度の上昇は期待できない。
【0008】従って、メタン発酵において反応タンクに
おける固形物の高濃度化は実用化レベルにおいて未だ実
現されていないのが現状である。
【0009】さらに、投入する有機物質が下水汚泥やそ
の脱水ケーキ、浄化槽汚泥等の場合、処理対象物たる有
機物質が酸発酵やメタン発酵を行う微生物にとって充分
小さな大きさでない場合が多く、投入する有機物質を完
全に分解することは困難であった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
問題点を解決するため、高い固形物濃度での有機性物質
の処理並びに高い有機性物質の分解率を低コストで実現
することにより、低コストかつ高効率の有機性物質の処
理方法および処理装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、以下の構成か
らなる処理方法および処理装置である。
【0012】(1) 有機性物質中の固形有機物をアル
カリ処理を用いて可溶化することにより可溶性有機物を
得る可溶化工程、前記可溶化工程より得られた可溶性有
機物を含む前記有機性物質を嫌気性微生物によって酸発
酵する工程、前記酸発酵工程より得られた物質を固体成
分と液体成分とに分離する工程、前記分離工程より得ら
れた液体成分を用いてメタン発酵を行うことにより消化
ガスを得るメタン発酵工程、前記メタン発酵工程より得
られた消化ガスを前記酸発酵工程に導入し、酸発酵工程
で生成されるアンモニアを該消化ガス中に取り込み、こ
れを酸発酵系外に取り出すことによりアンモニアを除去
する工程、および前記分離工程より得られた固体成分を
前記可溶化工程に返送する工程を具備する有機性物質の
嫌気性処理方法。
【0013】(2) アンモニア除去工程で酸発酵系外
に取り出されたアンモニアを含む前記消化ガスをアルカ
リに通し、消化ガス中の二酸化炭素および揮発性有機物
を吸収させる工程をさらに具備する(1)に記載の有機
性物質の嫌気性処理方法。
【0014】(3) 二酸化炭素および揮発性有機物の
吸収工程を経たアンモニアを含む前記消化ガスを酸に通
し、アンモニアを吸収させる工程をさらに具備する
(2)に記載の有機性物質の嫌気性処理方法。
【0015】(4) 二酸化炭素および揮発性有機物の
吸収に使用した前記アルカリを前記可溶化工程における
アルカリ処理用のアルカリとして使用する工程をさらに
具備する(2)又は(3)に記載の有機性物質の嫌気性
処理方法。
【0016】(5) 被処理物中の固形有機物をアルカ
リ処理を用いて可溶化することにより可溶性有機物を得
る可溶化槽と、前記可溶性有機物を含む前記有機性物質
を嫌気性微生物によって酸発酵する酸発酵槽と、前記酸
発酵により得られた物質を固体成分と液体成分とに分離
する固液分離装置と、前記固液分離で得られた液体成分
を用いてメタン発酵を行うことにより消化ガスを得るメ
タン発酵槽と、前記メタン発酵で得られた消化ガスを前
記酸発酵槽に導入することにより酸発酵槽で生成される
アンモニアを該消化ガス中に取り込み、これを酸発酵槽
から取り出すアンモニア除去手段と、前記固液分離で得
られた固体成分を前記可溶化槽に返送する経路と、を具
備する有機性物質の嫌気性処理装置。
【0017】(6) アンモニア除去手段により酸発酵
槽内から取り出されたアンモニアを含む前記消化ガス
を、アルカリに通すことにより該消化ガス中の二酸化炭
素および揮発性有機物を吸収する二酸化炭素・揮発性有
機物吸収槽をさらに具備する(5)に記載の有機性物質
の嫌気性処理装置。
【0018】(7) 前記二酸化炭素・揮発性有機物吸
収槽において二酸化炭素および揮発性有機物を除去され
た消化ガスを、酸に通すことにより該消化ガス中のアン
モニアを吸収するアンモニア吸収槽をさらに具備する
(6)に記載の有機性物質の嫌気性処理装置。
【0019】(8) 前記二酸化炭素・揮発性有機物吸
収槽から前記可溶化槽に、消化ガス中の二酸化炭素およ
び揮発性有機物を吸収した前記アルカリを移送する経路
をさらに具備する(6)又は(7)に記載の有機性物質
の嫌気性処理装置。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明をより詳細に説明す
る。本発明における処理対象物たる有機性物質は、固形
有機物を含有する有機性物質であって、下水汚泥又はそ
の脱水ケーキ、し尿、し尿汚泥、浄化槽汚泥、厨芥、食
品廃棄物等の有機性物質である。本発明の処理方法は、
かかる有機性物質中の固形有機物をアルカリ処理を用い
て可溶化することにより可溶性有機物を得る可溶化工程
を有する。被処理有機性物質中の固形有機物を可溶化す
ることにより、後述する酸発酵工程での加水分解、酸生
成を促進することができる。
【0021】可溶化工程においては、アルカリ処理とと
もに必要に応じて熱処理および/または超音波処理を併
用することができる。アルカリ処理と熱処理および/ま
たは超音波処理を併用することにより、反応時間の短縮
化や高い可溶化率が得られる場合がある。反応時間、反
応温度、反応pHについては目標とする有機性物質の分
解率によって任意に設定することができるが、可溶化槽
における反応pHは8〜12が好ましく、加熱処理を行
う場合の反応温度については50〜85℃が好ましい。
また、アルカリ処理に使用するアルカリは特に規定する
ものではないが、取り扱いの容易性やコストの観点から
水酸化ナトリウムが好ましい。
【0022】本発明の処理方法は可溶化工程に次いで酸
発酵工程を有する。酸発酵工程は、被処理物たる有機性
物質を嫌気性微生物の存在下、酸発酵させることにより
有機酸を生成させる工程であり、メタン生成菌によって
分解されやすい有機酸に転換する。本発明では、既述の
如く前記可溶化工程において有機性物質中の固形有機物
が可溶化されているため、酸発酵工程における加水分
解、酸生成が促進され、嫌気性消化の効率を向上させる
ことができる。
【0023】酸発酵工程を経た有機性物質は、固液分離
工程において液体成分と固体成分とに固液分離され、次
いで液体成分はメタン発酵工程に導入され、固体成分は
前記可溶化工程に返送される。液体成分をメタン発酵工
程に導入することによりメタン発酵の高速化が図られ、
一方固体成分を可溶化工程に返送することにより投入有
機性物質の高い分解率が得られる。
【0024】メタン発酵工程においては、前記固液分離
工程で分離された液体成分がメタン発酵槽においてメタ
ン生成菌の作用により嫌気的に分解され、メタンと二酸
化炭素を含有する消化ガスに転換される。滞留時間、温
度は特に規定するものではなく、投入する有機性物質の
性状によって選択することができる。
【0025】本発明の処理方法は、前記メタン発酵工程
で生成した消化ガスを前記酸発酵工程に導入し、酸発酵
工程における加水分解、酸生成で発生するアンモニアを
該消化ガス中に取り込み、これを酸発酵系外に取り出す
ことによりアンモニアを除去する工程を有する。アンモ
ニアは酸発酵工程において加水分解および酸生成を担う
嫌気性微生物にとって有害であり、アンモニアの高濃度
化による阻害が嫌気性消化の効率化をはかる上での最大
の問題点となっていることは既述の通りであるが、本発
明の本工程により酸発酵槽内のアンモニアの高濃度化が
抑制され、高い固形物濃度での有機性物質の嫌気性処理
が低コストで可能となった。
【0026】前記酸発酵工程においては、アルカリのほ
かに酢酸、プロピオン酸等の揮発性脂肪酸を含む有機物
(以下、「揮発性有機物」と言う。)が発生しており、
前記アルカリ除去工程において消化ガス中にアンモニア
が取り込まれる際、これら揮発性有機物も消化ガス中に
取り込まれ酸発酵系外に取り出される。本発明の処理方
法は、好ましくは、アンモニア除去工程により酸発酵系
外に取り出された消化ガスをアルカリに通すことによ
り、消化ガス中の二酸化炭素および揮発性有機物を吸収
する工程をさらに有し、この二酸化炭素および揮発性有
機物を吸収したアルカリを前記可溶化工程におけるアル
カリ処理用のアルカリとして使用することが好ましい。
揮発性有機物はすべて分解されメタン生成菌にて利用さ
れるため、酸発酵工程で低分子化された有機性物質を無
駄なくメタン発酵に利用することが可能となる。
【0027】本発明の処理方法はさらに、前記二酸化炭
素・揮発性有機物の吸収工程を経たアンモニアを含む消
化ガスを酸に通すことにより、酸発酵工程で発生したア
ンモニアを吸収する工程を有することが好ましく、これ
によりアンモニアの有効利用を図ることができる。但
し、かかるアンモニア吸収工程は前記二酸化炭素・揮発
性有機物の吸収工程を経て行われることを要するもので
はなく、両吸収工程の順序が逆であっても、またアンモ
ニア吸収工程のみ行われる場合であっても意図するアン
モニアの有効利用を充分に達成することができる。
【0028】また、本発明の処理方法は、酸発酵工程に
導入する前記消化ガスに酸素を含まないガス(例えば窒
素、二酸化炭素、水素等)を加える工程をさらに有する
ことが好ましい。
【0029】以下、本発明を図面を参照しながら説明す
る。図1は本発明の有機性物質の嫌気性処理装置の一例
を表す概略図である。図示された有機性物質の処理装置
において、被処理物である有機性物質1を可溶化槽2に
投入し、アルカリ処理を加えて有機性物質中の固形有機
物を可溶化し、得られた可溶性有機物を含む有機性物質
を酸発酵槽3に導く。可溶化槽2で行うアルカリ処理
は、必要に応じて熱処理および/または超音波処理と併
用して行うこともできる。ここで行われる可溶化工程に
より酸発酵槽3内で行われる加水分解、酸生成が促進さ
れる。
【0030】酸発酵槽3では、可溶化槽2において可溶
化された可溶性有機物を含む有機性物質を嫌気処理する
ことにより、メタン生成菌によって分解されやすい有機
酸を得る。
【0031】固液分離装置4は、酸発酵槽3から得られ
た発酵液を液体成分と固体成分とに固液分離する。分離
装置4としては遠心分離装置、ろ布分離装置、膜分離装
置、重力濃縮装置などを用いることができるが、特に規
定するものではない。
【0032】前記分離装置4により分離された液体成分
はメタン発酵槽7内でメタン生成菌の作用により嫌気的
に分解され、メタンと二酸化炭素を含有する消化ガスを
得る。メタン発酵槽7の形状は特に規定されるものでは
なく、投入する有機性物質の性状によって選択すること
ができるが、反応効率の面から上昇流嫌気性ブランケッ
ト(UASB)や膨張床式グラニュールベッド(EGS
B)方式などを好ましく使用することができる。一方前
記分離装置4により分離された固体成分は、固体成分返
送路6を介して前記可溶化槽2へ返送し、再度可溶化処
理に供する。
【0033】前記メタン発酵槽7で生成した消化ガス8
は前記酸発酵槽3に導入され、該酸発酵槽3内で生成さ
れるアンモニアを取り込んだ状態で酸発酵槽3外へ排出
されることにより、生成したアンモニアを酸発酵系外に
取り出すように構成されている。このアンモニア除去工
程により高い固形物濃度での有機性物質の嫌気性処理が
低コストで可能となった。なお、酸発酵槽3内では、ア
ルカリの他に酢酸、プロピオン酸等の揮発性有機物が発
生しており、かかる揮発性有機物もアンモニアと共に消
化ガス中に取り込まれて酸発酵槽3外へ排出される。
【0034】図1に示された処理装置は、本発明におい
て任意構成要素である二酸化炭素・揮発性有機物吸収槽
9、(二酸化炭素・揮発性有機物吸収後の)アルカリ移
送路12、およびアンモニア吸収槽11を具備する。酸
発酵槽3内から取り出された消化ガスは二酸化炭素・揮
発性有機物吸収槽9に送られ、ここでアルカリ10によ
り消化ガスに含まれている二酸化炭素および揮発性有機
物が吸収される。二酸化炭素・揮発性有機物吸収槽9で
使用したアルカリはアルカリ移送路12を介して前記可
溶化槽2に送られ、アルカリ処理用のアルカリとして使
用される。これにより酸発酵工程で低分子化された有機
性物質を無駄なくメタン発酵に利用することが可能とな
る。
【0035】二酸化炭素や揮発性有機物質を除去した消
化ガスは、最後にアンモニア吸収槽11にてアンモニア
を吸収させた後、ガスホルダ(図示せず)に導き、発電
やボイラー等の燃料として使用することができる。ここ
で、アンモニア吸収槽11におけるアンモニア吸収には
酸を使用するが、使用する酸は限定されるものではな
く、例えば硫酸を使用することができる。また、ガスホ
ルダに貯留された消化ガスは必要に応じて前記酸発酵槽
3の撹拌およびアンモニア除去用ガスとして循環利用す
ることができる。
【0036】
【実施例】以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に
説明する。
【0037】まず、図1に示した構成を備える廃水処理
装置を準備した。また、比較例として現在広く行われて
いる単槽の中温(35℃)メタン発酵を考え、比較実験
を行った(以下対称系と言う)。実験に供した有機性物
質として下水汚泥の脱水ケーキを固形物濃度10質量%
となるように調製したものを使用した。比較例の対称系
についてはアンモニアによる阻害が出ないように5質量
%に調整して実験を行った。
【0038】供試汚泥を酸発酵槽において80℃で30
分間アルカリ処理した結果、可溶化の効果は、溶解性C
ODcr/全CODcrを指標とすると70%に達し
た。
【0039】この可溶化汚泥を55℃に加温した酸発酵
槽に投入し、固形物滞留時間(SRT:Solid R
etention Time)3日で酸発酵を行った。
後段のUASB槽で満足な消化ガスが出るまでは1時間
当たり100L/L反応槽の窒素ガスを酸発酵槽に吹き
込み、生成するアンモニアのストリッピングを行った。
【0040】酸発酵後の汚泥は遠心分離器で液体成分と
固体成分とに分離し、液体成分を35℃に加温した有効
容積6LのUASB槽に導入してメタン発酵を行った。
UASB槽は水理学的滞留時間(HRT:Hydrau
ric RetentionTIme)6日、容積負荷
10kgCODcr/m3/日で運転した。
【0041】対称系については35℃に加温して20L
の反応槽を用いSRT20日で運転を行った。
【0042】実験結果を表1に示す
【表1】
【0043】表1から明らかなように、本発明を用いる
ことによって投入有機性物質当たりのメタン生成量が従
来技術の1.8倍となったばかりでなく、投入固形物濃
度の高濃度化、反応日数の短縮化が可能となることが判
明した。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高い固形物濃度での有機性物質の処理が可能となり、ま
た、高い有機性物質の分解率が得られるので、装置の小
型化とそれに伴う加熱費用の削減および高い消化ガス回
収率の達成という効果が得られる有機性物質の処理方法
および装置が提供される。加えて、従来焼却処分や埋め
立て処分されていた有機性物質を高効率に減容化するこ
とができるため、埋め立て処分場の延命化や焼却時の省
エネルギー化が図れるなど、廃棄物処理の面でも効果が
あり、その工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の嫌気性処理装置の一例の構成を表す
概略図。
【符号の説明】
1・・・有機性物質、2・・・可溶化槽、3・・・酸発酵槽、4・
・・固液分離装置、5・・・液体成分移送路、6・・・固体成分
移送路、7・・・メタン発酵槽、8・・・消化ガス、9・・・二
酸化炭素・揮発性有機物吸収槽、10・・・アルカリ、1
1・・・アンモニア吸収槽、12・・・アルカリ移送路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 局 俊明 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日 本鋼管株式会社内 Fターム(参考) 4D004 AA03 BA03 CA18 CA50 CC12 4D059 AA01 AA05 AA07 BA13 BA16 BA17 BK12 CA07

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 有機性物質中の固形有機物をアルカリ処
    理を用いて可溶化することにより可溶性有機物を得る可
    溶化工程、前記可溶化工程より得られた可溶性有機物を
    含む前記有機性物質を嫌気性微生物によって酸発酵する
    工程、前記酸発酵工程より得られた物質を固体成分と液
    体成分とに分離する工程、前記分離工程より得られた液
    体成分を用いてメタン発酵を行うことにより消化ガスを
    得るメタン発酵工程、前記メタン発酵工程より得られた
    消化ガスを前記酸発酵工程に導入し、酸発酵工程で生成
    されるアンモニアを該消化ガス中に取り込み、これを酸
    発酵系外に取り出すことによりアンモニアを除去する工
    程、および前記分離工程より得られた固体成分を前記可
    溶化工程に返送する工程を具備する有機性物質の嫌気性
    処理方法。
  2. 【請求項2】 アンモニア除去工程で酸発酵系外に取り
    出されたアンモニアを含む前記消化ガスをアルカリに通
    し、消化ガス中の二酸化炭素および揮発性有機物を吸収
    させる工程をさらに具備する請求項1に記載の有機性物
    質の嫌気性処理方法。
  3. 【請求項3】 二酸化炭素および揮発性有機物の吸収工
    程を経たアンモニアを含む前記消化ガスを酸に通し、ア
    ンモニアを吸収させる工程をさらに具備する請求項2に
    記載の有機性物質の嫌気性処理方法。
  4. 【請求項4】 二酸化炭素および揮発性有機物の吸収に
    使用した前記アルカリを前記可溶化工程におけるアルカ
    リ処理用のアルカリとして使用する工程をさらに具備す
    る請求項2又は3に記載の有機性物質の嫌気性処理方
    法。
  5. 【請求項5】 被処理物中の固形有機物をアルカリ処理
    を用いて可溶化することにより可溶性有機物を得る可溶
    化槽と、前記可溶性有機物を含む前記有機性物質を嫌気
    性微生物によって酸発酵する酸発酵槽と、前記酸発酵に
    より得られた物質を固体成分と液体成分とに分離する固
    液分離装置と、前記固液分離で得られた液体成分を用い
    てメタン発酵を行うことにより消化ガスを得るメタン発
    酵槽と、前記メタン発酵で得られた消化ガスを前記酸発
    酵槽に導入することにより酸発酵槽で生成されるアンモ
    ニアを該消化ガス中に取り込み、これを酸発酵槽から取
    り出すアンモニア除去手段と、前記固液分離で得られた
    固体成分を前記可溶化槽に返送する経路と、を具備する
    有機性物質の嫌気性処理装置。
  6. 【請求項6】 アンモニア除去手段により酸発酵槽内か
    ら取り出されたアンモニアを含む前記消化ガスを、アル
    カリに通すことにより該消化ガス中の二酸化炭素および
    揮発性有機物を吸収する二酸化炭素・揮発性有機物吸収
    槽をさらに具備する請求項5に記載の有機性物質の嫌気
    性処理装置。
  7. 【請求項7】 前記二酸化炭素・揮発性有機物吸収槽に
    おいて二酸化炭素および揮発性有機物を除去された消化
    ガスを、酸に通すことにより該消化ガス中のアンモニア
    を吸収するアンモニア吸収槽をさらに具備する請求項6
    に記載の有機性物質の嫌気性処理装置。
  8. 【請求項8】 前記二酸化炭素・揮発性有機物吸収槽か
    ら前記可溶化槽に、消化ガス中の二酸化炭素および揮発
    性有機物を吸収した前記アルカリを移送する経路をさら
    に具備する請求項6又は7に記載の有機性物質の嫌気性
    処理装置。
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