JP2004050143A - 有機性廃棄物の処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】有機性廃棄物からメタンガスを効率的に回収でき、特に、生物分解しにくいセルロースを含有する有機性廃棄物の処理に適した方法として、有機性廃棄物を嫌気性微生物による分解がしやすい性状とし、嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができ、メタンガスとしての再資源化を促進する有機性廃棄物の処理方法を提供する。
【解決手段】有機性廃棄物を処理する方法において、廃棄物を機械的に微細破砕する廃棄物破砕工程と、破砕された廃棄物を可溶化する可溶化処理工程と、可溶化された可溶化液を嫌気性消化処理してメタンガスを回収する嫌気性消化工程と消化処理された消化液を固液分離する固液分離工程を設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
【選択図】図1
【解決手段】有機性廃棄物を処理する方法において、廃棄物を機械的に微細破砕する廃棄物破砕工程と、破砕された廃棄物を可溶化する可溶化処理工程と、可溶化された可溶化液を嫌気性消化処理してメタンガスを回収する嫌気性消化工程と消化処理された消化液を固液分離する固液分離工程を設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
【選択図】図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機性廃棄物を処理する方法に関し、更に詳しくは、有機性廃棄物を可溶化し、嫌気性消化処理してメタンガスを回収する方法であり、特に、有機性廃棄物としてのセルロース含有廃棄物を処理するのに効果的な有機性廃棄物の処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、食品製造業、食品流通業又は外食産業の厨房などから排出される有機性廃棄物は、コンポスト化処理方法や飼料化処理方法により有効利用されているものもあるが、多くは焼却して埋立処分されている。
【0003】
前記有機性廃棄物の処理方法にあって、コンポスト化処理や飼料化処理する方法においては、大都市圏で廃棄物量が多いにもかかわらず、製造されたコンポストや飼料の消費量が極めて少なく、多量に処理しても流通を確保するのが容易ではない問題がある。そのため有機性廃棄物を処理する方法として、廃棄物を破砕し、破砕物をメタン菌等の嫌気性微生物が浮遊する嫌気性処理槽により、嫌気性微生物の生物学的作用で有機物を生物学的に分解し、メタンを主成分とする消化ガスを生成させ、消化ガスを燃料等に有効活用する嫌気性消化処理方法が開示されている(特開平11−28445号公報、特開11−300323号公報参照)。
【0004】
また、有機性排水を生物処理し、発生した有機性廃棄物としての余剰汚泥を嫌気性消化処理する方法として、特開平2−211299号公報に、汚泥を適宜な可溶化処理工程で可溶化したのち、所定のpH範囲と処理日数で嫌気性消化処理する方法が開示されており、また、特開2000−246280号公報には、汚泥を嫌気性で消化処理し、処理後の嫌気消化液を好気性消化処理し、更に、好気消化液を固液分離して汚泥を濃縮し、濃縮汚泥をオゾンによる可溶化処理で可溶化して嫌気性処理工程に返送する方法が開示されている。更に、特開2001−157900号公報には、汚泥を嫌気性で消化処理し、処理後の嫌気消化汚泥を固液分離して汚泥を濃縮し、濃縮汚泥を適宜な改質処理工程(可溶化処理工程)で可溶化処理して嫌気性処理工程に返送する方法が開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前記各公報に記載された、有機性廃棄物を破砕して破砕物を嫌気性消化処理する方法や有機性廃棄物を可溶化処理した可溶化液を嫌気性消化処理する方法などにおいては、食品製造業、食品流通業又は外食産業の厨房などから排出される食品廃棄物など、セルロースを比較的多く含有する有機性廃棄物では、セルロースが極めて生物による分解がしにくい性質をもっているため、破砕処理単独や可溶化処理単独による前処理では、メタン菌等の嫌気性微生物による分解がしやすい性状とするには不十分であるため、嫌気性消化処理により効率的にメタンガスを回収することができにくい問題がある。
【0006】
本発明は、有機性廃棄物からメタンガスを効率的に回収でき、特に、生物分解しにくいセルロースを含有する有機性廃棄物の処理に適した方法として、有機性廃棄物を嫌気性微生物による分解がしやすい性状とし、嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができることにより、メタンガスとしての再資源化を促進する有機性廃棄物の処理方法を提供する目的で成されたものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の要旨は、請求項1に記載した発明においては、有機性廃棄物を処理する方法において、前記廃棄物を機械的に微細破砕する廃棄物破砕工程と、破砕された廃棄物を可溶化する可溶化処理工程と、可溶化された可溶化液を嫌気性消化処理してメタンガスを回収する嫌気性消化工程と消化処理された消化液を固液分離する固液分離工程を設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法である。
【0008】
前記請求項1に記載の方法では、有機性廃棄物を機械的に微細破砕することにより、セルロースの裁断による表面積の増加や細胞壁の破壊などにより、後段の可溶化処理においての可溶化処理における効率を高めることができ、可溶化処理により、高分子状物質が低分子化されるため、嫌気性消化工程における嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができる。
【0009】
また、請求項2に記載の装置においては、請求項1に記載の有機性廃棄物がセルロース含有廃棄物であり、可溶化処理工程が、少なくともセルロース分解酵素を含む酵素により可溶化する酵素反応工程である。
【0010】
前記請求項2に記載の方法では、酵素反応工程を設けたことにより、セルロースなどの生物により分解しにくい物質を効率的に低分子化させ、水に可溶な物質に可溶化処理することができ、嫌気性消化工程における嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができる。
【0011】
また、請求項3に記載した発明においては、請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載の有機性廃棄物の処理方法における有機性廃棄物がセルロース含有廃棄物であり、可溶化処理工程が、好熱性微生物が生成する酵素により可溶化する好熱性菌可溶化工程と少なくともセルロース分解酵素を含む酵素により可溶化する酵素反応工程からなる。
【0012】
前記請求項3に記載の方法では、好熱性微生物が生成する酵素により可溶化する好熱性菌可溶化工程を設けることにより、有機性廃棄物の蛋白質、炭水化物及び脂肪などを好熱性菌が産生するプロテアーゼ、アミラーゼ及びリパーゼなどの酵素により分解し、更に、酵素反応工程により、セルロースなどの生物により分解しにくい物質を効率的に低分子化させ、水に可溶な物質に可溶化処理することができることにより、嫌気性消化工程における嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができる。
【0013】
また、請求項4に記載の方法においては、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の有機性廃棄物の処理方法における、嫌気性消化工程が酸発酵工程とメタン発酵工程からなる有機性廃棄物の処理方法である。
【0014】
前記請求項4に記載の方法では、嫌気性消化工程を酸発酵工程とメタン発酵工程の2工程とすることにより、酸発酵工程において、可溶化液中の有機物が有機酸に転換され、メタン発酵工程におけるメタン菌によるメタン発酵を効率的におこなうことができ、メタン回収率が向上すると共にメタン発酵時間の短縮を図ることができる。
【0015】
また、請求項5に記載の方法においては、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の有機性廃棄物の処理方法における、嫌気性消化工程における消化液及び/又は固液分離工程で分離された固形物の少なくとも一部を可溶化処理工程に返送する有機性廃棄物の処理方法である。
【0016】
前記請求項5に記載の方法では、嫌気性消化液及び/又は固液分離工程で分離された固形物の少なくとも一部を可溶化処理工程に返送することにより、可溶化工程において、酵素反応と酸発酵が併行して行われるため、可溶化効率を向上させることができると共に、嫌気性消化処理に伴って発生する汚泥の発生量の低減化とメタン回収率の向上を図ることができる。
【0017】
また、前記において、嫌気性消化工程においては、機械攪拌手段やガス攪拌手段などが付設されたメタン発酵槽などを用いることができ、更に、酸発酵槽とメタン発酵槽とを区画分離して設けた槽であってもよい。なお、嫌気性消化工程における処理温度は、25〜75℃、好ましくは45〜60℃、滞留時間は、24時間〜2週間であり、処理温度が25℃よりも低いと、生物学的嫌気性消化処理が進みにくいなどの問題があり、また、75℃よりも高いと、嫌気性微生物が生存しにくいなどの問題がある。なお、生成したメタンガスを汚泥の加温に利用することで、運転経費や設備費などが低廉化できる。
【0018】
また、酵素反応工程における少なくともセルロース分解酵素を含む酵素としては、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ又はペクチナーゼから選ばれた少なくとも一つの酵素を単独又は混合した酵素を用いることができる。また、酵素反応工程における反応温度は45〜65℃、好ましくは50〜55℃であり、反応温度が45℃よりも低い場合や65℃よりも高い場合には、酵素の活性が低下して反応が進みにくく、処理効率が低くなり過ぎる。また、滞留時間は1〜48時間が好ましく、更に好ましくは、6〜24時間であり、滞留時間が1時間よりも短いと反応が不足し、可溶化処理が充分に行われず、48時間よりも長いと、反応槽が過大となるわりには、可溶化効果の増加が望めない。また、酵素添加量は、有機性廃棄物中の固形分の0.01〜1.0wt%が好ましく、更に好ましくは0.05〜0.4wt%であり、0.01wt%よりも低いと、可溶化効果が少なく、1.0wt%よりも高いと必要以上に酵素費用が嵩む問題がある。
【0019】
また、有機性廃棄物を機械的に微細破砕する廃棄物破砕工程に用いられる破砕装置としては、被処理物を固定刃に高速で衝突させて破砕、又は高速回転刃で破砕する機械式破砕機や摩砕する石臼などが用いられ、また、水を混合して破砕する湿式破砕装置なども用いることができる。
【0020】
また、固液分離工程に用いられる固液分離装置としては、沈殿槽、加圧浮上装置、分離膜装置及び遠心分離装置などを適宜に用いることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施の形態の処理装置の系統図、図2は本発明の他の実施の形態の処理装置の系統図、図3は本発明の他の実施の形態の処理装置の可溶化工程を2段に設けた要部系統図、図4は本発明の他の実施の形態の処理装置の嫌気性消化工程を2段に設けた要部系統図である。なお、全図において、相当する作用を有する部材には同一の番号を付した。
【0022】
図において、1は、固形の有機性廃棄物(以下単に廃棄物という。)であるセルロース含有廃棄物を機械的に微細破砕する廃棄物破砕工程の機械式破砕装置であり、2は、破砕された廃棄物を可溶化する可溶化処理工程の少なくともセルロース分解酵素を含む酵素により可溶化する酵素反応工程である酵素反応槽であり、パドル型攪拌機、スクリュウ型攪拌機などの機械式攪拌混合装置やニーダーなどの混練混合装置などの攪拌混合手段7及び図示しないスチームや熱交換器などの加熱手段が付設されている。
【0023】
3は、可溶化された可溶化液を嫌気性消化処理してメタンガスを回収する嫌気性消化工程の嫌気性消化槽であり、図示しないガス攪拌手段及び図示しないスチームや熱交換器などの加熱手段などが付設されている。また、4は、嫌気性消化された消化液を処理水と汚泥に固液分離する固液分離工程の沈殿槽である。
【0024】
5は、沈殿槽4で沈降分離された分離消化汚泥をコンポスト化するコンポスト化工程のコンポスト化装置であり、縦型発酵槽、横型切り替えし手段付設装置などを用いることができる。なお、コンポスト化装置の前段に分離汚泥を更に濃縮する分離膜装置や遠心分離装置などを配置することができる。6は、酵素反応槽2及び嫌気性消化装置3で生成したメタンを主成分とする消化ガスを貯留するガスホルダであり、本ガスホルダの前段に、消化ガス中の硫黄化合物を除去する脱硫装置を配置するのが好ましい。
【0025】
また、図2においては、嫌気性消化工程の嫌気性消化槽3からの消化液を可溶化工程の酵素反応槽に返送する経路や沈殿槽4で固液分離された分離汚泥を更に濃縮装置8で濃縮し、濃縮汚泥を可溶化工程の酵素反応槽に返送する経路を設けたものであり、また、分離汚泥をコンポスト化せずに、公知の可溶化装置で再可溶化して嫌気性消化槽3や好気性消化槽などに供給する構成としてもよい。
【0026】
また、図3においては、可溶化工程を好熱性菌可溶化工程の好熱好気生物可溶化槽2aと酵素反応工程の酵素反応槽2bの2段に設けたものであり、好熱好気生物可溶化槽2aの後に酵素反応槽2bを配置しているが、酵素反応槽2bの後に好熱好気生物可溶化槽2aを配置した構成であってもよい。また、図4においては、嫌気性消化工程を酸発酵工程の酸発酵槽3aとメタン発酵工程のメタン発酵槽3bの2段に設けたものである。
【0027】
なお、可溶化処理工程における酵素反応槽2,2b、好熱性微生物が生成する酵素により可溶化する好熱性菌可溶化工程を設けた装置における好熱好気生物可溶化槽2a、嫌気性消化工程における嫌気性消化槽3及び酸発酵工程とメタン発酵工程を設けた装置における酸発酵槽3aやメタン発酵槽3bなどにおいては、それぞれの内容液の循環経路30a,30b,31a,31bを設けてもよい。
【0028】
次に有機性廃棄物の処理装置によりセルロース含有の食品廃棄物を処理する処理方法について以下詳述する。図1において、セルロース含有の食品廃棄物を廃棄物供給経路11から機械式破砕装置1に供給し、廃棄物破砕工程で0.2mm以下まで微細破砕してスラリー状とする。
【0029】
破砕されたスラリー状の破砕物を破砕物供給経路12から酵素反応槽2に供給し、酵素反応工程で少なくともセルロース分解酵素を含む酵素を酵素供給経路13から供給して、攪拌混合手段7で攪拌混合し、図示しない加熱手段により反応温度45〜65℃、好ましくは50〜55℃で、滞留時間1〜48時間、好ましくは、6〜24時間で廃棄物と酵素を反応させることにより、廃棄物中の生物分解されにくいセルロースなどを低分子化して可溶化する。なお、混合する少なくともセルロース分解酵素を含む酵素としては、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ又はペクチナーゼから選ばれた少なくとも一つの酵素を単独又は混合した酵素である。なお、酵素反応においては、必要により更に水を添加してもよい。また、酵素添加量は、廃棄物中の固形分の0.01〜1.0wt%、好ましくは0.05〜0.4wt%である。
【0030】
酵素反応槽2により可溶化された可溶化液を可溶化液供給経路14から嫌気性消化槽3に供給し、嫌気性消化工程で、図示しない攪拌手段により攪拌し、また、加熱手段により温度25〜75℃、好ましくは45〜60℃に加熱し、滞留時間24時間〜2週間で消化処理してメタンを主成分とする消化ガスを得る。生成した消化ガスは消化ガス抜き出し経路17からガスホルダ6に供給して貯留し、貯留された消化ガスは、燃料などとして適宜に使用される。なお、廃棄物によっては、硫黄化合物を含有し、嫌気性消化処理工程での生物処理で硫化水素ガスが発生するため、ガスホルダ6の前段に脱硫装置が配置され、脱硫処理される。
【0031】
嫌気性消化槽3で消化処理された消化液を消化液供給経路14から沈殿槽4に供給し、固液分離工程により処理水と汚泥に固液分離し、処理水は系外に排出されて、図示しない活性汚泥処理装置などで更に浄化されて放流される。
【0032】
また、沈殿槽4で沈降分離された分離汚泥は、分離汚泥抜き出し経路20から抜き出され、コンポスト化装置5に供給され、コンポスト化工程でコンポスト化され、図示しない貯留槽で貯留されたのち、土壌改良材や肥料などとして系外に搬出される。なお、分離汚泥をコンポスト化せずに、公知の可溶化装置で再可溶化処理し、可溶化液を嫌気性消化槽3や好気性消化槽などに供給してもよい。
【0033】
また、図2において、嫌気性消化処理工程の嫌気性消化槽3で消化処理された消化液の少なくとも一部を消化液返送経路23から可溶化処理工程の酵素反応槽に返送する。又は、固液分離工程の沈殿槽4で分離された分離汚泥の少なくとも一部を分離汚泥返送経路24から可溶化処理工程の酵素反応槽2に返送することにより、酵素反応槽2において、酵素反応と酸発酵が併行して行われるため、可溶化効率を向上させることができると共に、嫌気性消化処理に伴って発生する汚泥の発生量の低減化とメタン回収率の向上を図る。なお、前記工程における処理は、それぞれ単独に行なってもよく、又は、併行して行なってもよい。また、分離汚泥の返送においては、返送経路24に濃縮装置8を配置して濃縮し、濃縮汚泥として濃縮汚泥返送経路24aから返送する構成としてもよい。
【0034】
また、図3において、可溶化工程が好熱性菌可溶化工程の好熱好気生物可溶化槽2aと酵素反応工程の酵素反応槽2bの2段に設けてあり、好熱好気生物可溶化槽2aにおいて、有機性廃棄物の蛋白質、炭水化物及び脂肪などを好熱性菌が産生するプロテアーゼ、アミラーゼ及びリパーゼなどの酵素により分解して可溶化され、第1可溶化液は第1可溶化液供給経路14aから酵素反応槽2bに供給され、酵素反応槽2bにおいてセルロースなどの生物により分解しにくい物質が、前記酵素反応により可溶化され、廃棄物全体としての可溶化を効率的に行なうことができ、可溶化液は第2可溶化液供給経路14bから後段の嫌気性消化工程に供給される。なお、前記においては、好熱性菌可溶化工程の後に酵素反応工程を行なう構成であるが、酵素反応工程の後に好熱性菌可溶化工程を行なう構成であってもよい。
【0035】
また、図4においては、嫌気性消化工程が酸発酵工程の酸発酵槽3aとメタン発酵工程のメタン発酵槽3bの2段に設けてあり、酸発酵槽3aの酸発酵工程において可溶化液中の有機物が有機酸に転換され、酸発酵処理された第1消化液は第1消化液供給経路15aからメタン発酵槽3bに供給され、メタン発酵槽3bのメタン発酵工程によりメタン菌によるメタン発酵が効率的に行われ、メタン回収率が向上すると共にメタン発酵時間の短縮が図られる。メタン発酵処理された第2消化液は第2消化液供給経路15bから後段の固液分離工程に供給される。
【0036】
また、可溶化工程及び嫌気性消化工程におけるそれぞれの槽に、内容液の循環経路30a,30b,31a,31bを設け、内容液の循環を行なうことにより、それぞれの反応を確実に促進することができ、メタン回収率が向上する。
【0037】
【実施例】
(実施例1)
製餡工場からの小豆餡粕(固形物濃度(SS)15〜20wt%、水分80〜85wt%、固形物中の有機性固形物(VSS)96wt%以上)を、機械式破砕機(アーシェルジャパン株式会社製の商標「コミトロール」)で、0.2mm以下に破砕し、水を加えて固形物濃度10wt%に調製し、酵素の相違による影響(表1)、複数酵素のブレンドによる影響(表2)、反応温度の影響(表3)、反応時間の影響(表4)、酵素添加量の影響(表5)及び酸発酵併用による可溶化効果の影響(表5)について調査した。なお、添加する酵素としては、固体培養(こうじ菌培養)を行なって得た、酵素A:セルラーゼ、酵素B:セルラーゼ+ヘミセルラーゼ、酵素C:ペクチナーゼ、酵素D:ペクチナーゼ+ヘミセルラーゼを用いた。
【0038】
【表1】
表1から、酵素A>酵素B>酵素D>酵素Cの順序で可溶化効果があることが判明した。
【0039】
【表2】
表2から、単独の酵素による可溶化処理よりも複数の酵素をフ゛レント゛した方が可溶化効果があることが判明した。
【0040】
【表3】
表3から、反応温度が50℃と55℃で最も可溶化効果があることが判明したが、その他の温度においても酵素の添加効果が極めて大きいことが判明した。
【0041】
【表4】
表4から、反応時間としては、6時間までは急激に可溶化効果が上昇し、その後は次第に低下することが判明した。
【0042】
【表5】
表5から、酵素添加量が増加するに従って可溶化効果が上昇することが判明した。
【0043】
【表6】
表6から、酸発酵した後に酵素可溶化すると可溶化効果が上昇することが判明した。
【0044】
(実施例2)
酸発酵工程と酵素可溶化工程を併用して処理した試料、酸発酵工程のみで処理した試料、原料そのものを試料としたものについて、上向流嫌気性処理槽から採取したグラニュール汚泥を用いて嫌気性消化処理を行ない、累積メタン発生量を調査した結果を図5にグラフで示す。
図5から、酸発酵工程と酵素可溶化工程を併用することにより、メタン発酵時間の短縮やメタンガスの回収率が約20%増加することが判明した。
【0045】
【発明の効果】
本発明は、有機性廃棄物からメタンガスを効率的に回収でき、特に、生物分解しにくいセルロースを含有する有機性廃棄物の処理に適した方法として、有機性廃棄物を嫌気性微生物による分解がしやすい性状とし、嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができることにより、メタンガスとしての再資源化を促進する有機性廃棄物の処理方法である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態の処理装置の系統図
【図2】本発明の他の実施の形態の処理装置の系統図
【図3】本発明の他の実施の形態の処理装置の可溶化工程を2段に設けた要部系統図
【図4】本発明の他の実施の形態の処理装置の嫌気性消化工程を2段に設けた要部系統図
【図5】本発明の一実施の形態の処理方法における酸発酵工程と酵素可溶化工程を併用した効果を示すグラフ
【符号の説明】
1:機械式破砕装置(廃棄物破砕工程)
2:酵素反応槽(可溶化処理工程)
3:嫌気性消化槽(嫌気性消化処理工程)
4:沈殿槽(固液分離工程)
5:コンポスト化装置(コンポスト化工程)
6:ガスホルダ
7:攪拌混合手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機性廃棄物を処理する方法に関し、更に詳しくは、有機性廃棄物を可溶化し、嫌気性消化処理してメタンガスを回収する方法であり、特に、有機性廃棄物としてのセルロース含有廃棄物を処理するのに効果的な有機性廃棄物の処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、食品製造業、食品流通業又は外食産業の厨房などから排出される有機性廃棄物は、コンポスト化処理方法や飼料化処理方法により有効利用されているものもあるが、多くは焼却して埋立処分されている。
【0003】
前記有機性廃棄物の処理方法にあって、コンポスト化処理や飼料化処理する方法においては、大都市圏で廃棄物量が多いにもかかわらず、製造されたコンポストや飼料の消費量が極めて少なく、多量に処理しても流通を確保するのが容易ではない問題がある。そのため有機性廃棄物を処理する方法として、廃棄物を破砕し、破砕物をメタン菌等の嫌気性微生物が浮遊する嫌気性処理槽により、嫌気性微生物の生物学的作用で有機物を生物学的に分解し、メタンを主成分とする消化ガスを生成させ、消化ガスを燃料等に有効活用する嫌気性消化処理方法が開示されている(特開平11−28445号公報、特開11−300323号公報参照)。
【0004】
また、有機性排水を生物処理し、発生した有機性廃棄物としての余剰汚泥を嫌気性消化処理する方法として、特開平2−211299号公報に、汚泥を適宜な可溶化処理工程で可溶化したのち、所定のpH範囲と処理日数で嫌気性消化処理する方法が開示されており、また、特開2000−246280号公報には、汚泥を嫌気性で消化処理し、処理後の嫌気消化液を好気性消化処理し、更に、好気消化液を固液分離して汚泥を濃縮し、濃縮汚泥をオゾンによる可溶化処理で可溶化して嫌気性処理工程に返送する方法が開示されている。更に、特開2001−157900号公報には、汚泥を嫌気性で消化処理し、処理後の嫌気消化汚泥を固液分離して汚泥を濃縮し、濃縮汚泥を適宜な改質処理工程(可溶化処理工程)で可溶化処理して嫌気性処理工程に返送する方法が開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前記各公報に記載された、有機性廃棄物を破砕して破砕物を嫌気性消化処理する方法や有機性廃棄物を可溶化処理した可溶化液を嫌気性消化処理する方法などにおいては、食品製造業、食品流通業又は外食産業の厨房などから排出される食品廃棄物など、セルロースを比較的多く含有する有機性廃棄物では、セルロースが極めて生物による分解がしにくい性質をもっているため、破砕処理単独や可溶化処理単独による前処理では、メタン菌等の嫌気性微生物による分解がしやすい性状とするには不十分であるため、嫌気性消化処理により効率的にメタンガスを回収することができにくい問題がある。
【0006】
本発明は、有機性廃棄物からメタンガスを効率的に回収でき、特に、生物分解しにくいセルロースを含有する有機性廃棄物の処理に適した方法として、有機性廃棄物を嫌気性微生物による分解がしやすい性状とし、嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができることにより、メタンガスとしての再資源化を促進する有機性廃棄物の処理方法を提供する目的で成されたものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の要旨は、請求項1に記載した発明においては、有機性廃棄物を処理する方法において、前記廃棄物を機械的に微細破砕する廃棄物破砕工程と、破砕された廃棄物を可溶化する可溶化処理工程と、可溶化された可溶化液を嫌気性消化処理してメタンガスを回収する嫌気性消化工程と消化処理された消化液を固液分離する固液分離工程を設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法である。
【0008】
前記請求項1に記載の方法では、有機性廃棄物を機械的に微細破砕することにより、セルロースの裁断による表面積の増加や細胞壁の破壊などにより、後段の可溶化処理においての可溶化処理における効率を高めることができ、可溶化処理により、高分子状物質が低分子化されるため、嫌気性消化工程における嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができる。
【0009】
また、請求項2に記載の装置においては、請求項1に記載の有機性廃棄物がセルロース含有廃棄物であり、可溶化処理工程が、少なくともセルロース分解酵素を含む酵素により可溶化する酵素反応工程である。
【0010】
前記請求項2に記載の方法では、酵素反応工程を設けたことにより、セルロースなどの生物により分解しにくい物質を効率的に低分子化させ、水に可溶な物質に可溶化処理することができ、嫌気性消化工程における嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができる。
【0011】
また、請求項3に記載した発明においては、請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載の有機性廃棄物の処理方法における有機性廃棄物がセルロース含有廃棄物であり、可溶化処理工程が、好熱性微生物が生成する酵素により可溶化する好熱性菌可溶化工程と少なくともセルロース分解酵素を含む酵素により可溶化する酵素反応工程からなる。
【0012】
前記請求項3に記載の方法では、好熱性微生物が生成する酵素により可溶化する好熱性菌可溶化工程を設けることにより、有機性廃棄物の蛋白質、炭水化物及び脂肪などを好熱性菌が産生するプロテアーゼ、アミラーゼ及びリパーゼなどの酵素により分解し、更に、酵素反応工程により、セルロースなどの生物により分解しにくい物質を効率的に低分子化させ、水に可溶な物質に可溶化処理することができることにより、嫌気性消化工程における嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができる。
【0013】
また、請求項4に記載の方法においては、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の有機性廃棄物の処理方法における、嫌気性消化工程が酸発酵工程とメタン発酵工程からなる有機性廃棄物の処理方法である。
【0014】
前記請求項4に記載の方法では、嫌気性消化工程を酸発酵工程とメタン発酵工程の2工程とすることにより、酸発酵工程において、可溶化液中の有機物が有機酸に転換され、メタン発酵工程におけるメタン菌によるメタン発酵を効率的におこなうことができ、メタン回収率が向上すると共にメタン発酵時間の短縮を図ることができる。
【0015】
また、請求項5に記載の方法においては、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の有機性廃棄物の処理方法における、嫌気性消化工程における消化液及び/又は固液分離工程で分離された固形物の少なくとも一部を可溶化処理工程に返送する有機性廃棄物の処理方法である。
【0016】
前記請求項5に記載の方法では、嫌気性消化液及び/又は固液分離工程で分離された固形物の少なくとも一部を可溶化処理工程に返送することにより、可溶化工程において、酵素反応と酸発酵が併行して行われるため、可溶化効率を向上させることができると共に、嫌気性消化処理に伴って発生する汚泥の発生量の低減化とメタン回収率の向上を図ることができる。
【0017】
また、前記において、嫌気性消化工程においては、機械攪拌手段やガス攪拌手段などが付設されたメタン発酵槽などを用いることができ、更に、酸発酵槽とメタン発酵槽とを区画分離して設けた槽であってもよい。なお、嫌気性消化工程における処理温度は、25〜75℃、好ましくは45〜60℃、滞留時間は、24時間〜2週間であり、処理温度が25℃よりも低いと、生物学的嫌気性消化処理が進みにくいなどの問題があり、また、75℃よりも高いと、嫌気性微生物が生存しにくいなどの問題がある。なお、生成したメタンガスを汚泥の加温に利用することで、運転経費や設備費などが低廉化できる。
【0018】
また、酵素反応工程における少なくともセルロース分解酵素を含む酵素としては、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ又はペクチナーゼから選ばれた少なくとも一つの酵素を単独又は混合した酵素を用いることができる。また、酵素反応工程における反応温度は45〜65℃、好ましくは50〜55℃であり、反応温度が45℃よりも低い場合や65℃よりも高い場合には、酵素の活性が低下して反応が進みにくく、処理効率が低くなり過ぎる。また、滞留時間は1〜48時間が好ましく、更に好ましくは、6〜24時間であり、滞留時間が1時間よりも短いと反応が不足し、可溶化処理が充分に行われず、48時間よりも長いと、反応槽が過大となるわりには、可溶化効果の増加が望めない。また、酵素添加量は、有機性廃棄物中の固形分の0.01〜1.0wt%が好ましく、更に好ましくは0.05〜0.4wt%であり、0.01wt%よりも低いと、可溶化効果が少なく、1.0wt%よりも高いと必要以上に酵素費用が嵩む問題がある。
【0019】
また、有機性廃棄物を機械的に微細破砕する廃棄物破砕工程に用いられる破砕装置としては、被処理物を固定刃に高速で衝突させて破砕、又は高速回転刃で破砕する機械式破砕機や摩砕する石臼などが用いられ、また、水を混合して破砕する湿式破砕装置なども用いることができる。
【0020】
また、固液分離工程に用いられる固液分離装置としては、沈殿槽、加圧浮上装置、分離膜装置及び遠心分離装置などを適宜に用いることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施の形態の処理装置の系統図、図2は本発明の他の実施の形態の処理装置の系統図、図3は本発明の他の実施の形態の処理装置の可溶化工程を2段に設けた要部系統図、図4は本発明の他の実施の形態の処理装置の嫌気性消化工程を2段に設けた要部系統図である。なお、全図において、相当する作用を有する部材には同一の番号を付した。
【0022】
図において、1は、固形の有機性廃棄物(以下単に廃棄物という。)であるセルロース含有廃棄物を機械的に微細破砕する廃棄物破砕工程の機械式破砕装置であり、2は、破砕された廃棄物を可溶化する可溶化処理工程の少なくともセルロース分解酵素を含む酵素により可溶化する酵素反応工程である酵素反応槽であり、パドル型攪拌機、スクリュウ型攪拌機などの機械式攪拌混合装置やニーダーなどの混練混合装置などの攪拌混合手段7及び図示しないスチームや熱交換器などの加熱手段が付設されている。
【0023】
3は、可溶化された可溶化液を嫌気性消化処理してメタンガスを回収する嫌気性消化工程の嫌気性消化槽であり、図示しないガス攪拌手段及び図示しないスチームや熱交換器などの加熱手段などが付設されている。また、4は、嫌気性消化された消化液を処理水と汚泥に固液分離する固液分離工程の沈殿槽である。
【0024】
5は、沈殿槽4で沈降分離された分離消化汚泥をコンポスト化するコンポスト化工程のコンポスト化装置であり、縦型発酵槽、横型切り替えし手段付設装置などを用いることができる。なお、コンポスト化装置の前段に分離汚泥を更に濃縮する分離膜装置や遠心分離装置などを配置することができる。6は、酵素反応槽2及び嫌気性消化装置3で生成したメタンを主成分とする消化ガスを貯留するガスホルダであり、本ガスホルダの前段に、消化ガス中の硫黄化合物を除去する脱硫装置を配置するのが好ましい。
【0025】
また、図2においては、嫌気性消化工程の嫌気性消化槽3からの消化液を可溶化工程の酵素反応槽に返送する経路や沈殿槽4で固液分離された分離汚泥を更に濃縮装置8で濃縮し、濃縮汚泥を可溶化工程の酵素反応槽に返送する経路を設けたものであり、また、分離汚泥をコンポスト化せずに、公知の可溶化装置で再可溶化して嫌気性消化槽3や好気性消化槽などに供給する構成としてもよい。
【0026】
また、図3においては、可溶化工程を好熱性菌可溶化工程の好熱好気生物可溶化槽2aと酵素反応工程の酵素反応槽2bの2段に設けたものであり、好熱好気生物可溶化槽2aの後に酵素反応槽2bを配置しているが、酵素反応槽2bの後に好熱好気生物可溶化槽2aを配置した構成であってもよい。また、図4においては、嫌気性消化工程を酸発酵工程の酸発酵槽3aとメタン発酵工程のメタン発酵槽3bの2段に設けたものである。
【0027】
なお、可溶化処理工程における酵素反応槽2,2b、好熱性微生物が生成する酵素により可溶化する好熱性菌可溶化工程を設けた装置における好熱好気生物可溶化槽2a、嫌気性消化工程における嫌気性消化槽3及び酸発酵工程とメタン発酵工程を設けた装置における酸発酵槽3aやメタン発酵槽3bなどにおいては、それぞれの内容液の循環経路30a,30b,31a,31bを設けてもよい。
【0028】
次に有機性廃棄物の処理装置によりセルロース含有の食品廃棄物を処理する処理方法について以下詳述する。図1において、セルロース含有の食品廃棄物を廃棄物供給経路11から機械式破砕装置1に供給し、廃棄物破砕工程で0.2mm以下まで微細破砕してスラリー状とする。
【0029】
破砕されたスラリー状の破砕物を破砕物供給経路12から酵素反応槽2に供給し、酵素反応工程で少なくともセルロース分解酵素を含む酵素を酵素供給経路13から供給して、攪拌混合手段7で攪拌混合し、図示しない加熱手段により反応温度45〜65℃、好ましくは50〜55℃で、滞留時間1〜48時間、好ましくは、6〜24時間で廃棄物と酵素を反応させることにより、廃棄物中の生物分解されにくいセルロースなどを低分子化して可溶化する。なお、混合する少なくともセルロース分解酵素を含む酵素としては、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ又はペクチナーゼから選ばれた少なくとも一つの酵素を単独又は混合した酵素である。なお、酵素反応においては、必要により更に水を添加してもよい。また、酵素添加量は、廃棄物中の固形分の0.01〜1.0wt%、好ましくは0.05〜0.4wt%である。
【0030】
酵素反応槽2により可溶化された可溶化液を可溶化液供給経路14から嫌気性消化槽3に供給し、嫌気性消化工程で、図示しない攪拌手段により攪拌し、また、加熱手段により温度25〜75℃、好ましくは45〜60℃に加熱し、滞留時間24時間〜2週間で消化処理してメタンを主成分とする消化ガスを得る。生成した消化ガスは消化ガス抜き出し経路17からガスホルダ6に供給して貯留し、貯留された消化ガスは、燃料などとして適宜に使用される。なお、廃棄物によっては、硫黄化合物を含有し、嫌気性消化処理工程での生物処理で硫化水素ガスが発生するため、ガスホルダ6の前段に脱硫装置が配置され、脱硫処理される。
【0031】
嫌気性消化槽3で消化処理された消化液を消化液供給経路14から沈殿槽4に供給し、固液分離工程により処理水と汚泥に固液分離し、処理水は系外に排出されて、図示しない活性汚泥処理装置などで更に浄化されて放流される。
【0032】
また、沈殿槽4で沈降分離された分離汚泥は、分離汚泥抜き出し経路20から抜き出され、コンポスト化装置5に供給され、コンポスト化工程でコンポスト化され、図示しない貯留槽で貯留されたのち、土壌改良材や肥料などとして系外に搬出される。なお、分離汚泥をコンポスト化せずに、公知の可溶化装置で再可溶化処理し、可溶化液を嫌気性消化槽3や好気性消化槽などに供給してもよい。
【0033】
また、図2において、嫌気性消化処理工程の嫌気性消化槽3で消化処理された消化液の少なくとも一部を消化液返送経路23から可溶化処理工程の酵素反応槽に返送する。又は、固液分離工程の沈殿槽4で分離された分離汚泥の少なくとも一部を分離汚泥返送経路24から可溶化処理工程の酵素反応槽2に返送することにより、酵素反応槽2において、酵素反応と酸発酵が併行して行われるため、可溶化効率を向上させることができると共に、嫌気性消化処理に伴って発生する汚泥の発生量の低減化とメタン回収率の向上を図る。なお、前記工程における処理は、それぞれ単独に行なってもよく、又は、併行して行なってもよい。また、分離汚泥の返送においては、返送経路24に濃縮装置8を配置して濃縮し、濃縮汚泥として濃縮汚泥返送経路24aから返送する構成としてもよい。
【0034】
また、図3において、可溶化工程が好熱性菌可溶化工程の好熱好気生物可溶化槽2aと酵素反応工程の酵素反応槽2bの2段に設けてあり、好熱好気生物可溶化槽2aにおいて、有機性廃棄物の蛋白質、炭水化物及び脂肪などを好熱性菌が産生するプロテアーゼ、アミラーゼ及びリパーゼなどの酵素により分解して可溶化され、第1可溶化液は第1可溶化液供給経路14aから酵素反応槽2bに供給され、酵素反応槽2bにおいてセルロースなどの生物により分解しにくい物質が、前記酵素反応により可溶化され、廃棄物全体としての可溶化を効率的に行なうことができ、可溶化液は第2可溶化液供給経路14bから後段の嫌気性消化工程に供給される。なお、前記においては、好熱性菌可溶化工程の後に酵素反応工程を行なう構成であるが、酵素反応工程の後に好熱性菌可溶化工程を行なう構成であってもよい。
【0035】
また、図4においては、嫌気性消化工程が酸発酵工程の酸発酵槽3aとメタン発酵工程のメタン発酵槽3bの2段に設けてあり、酸発酵槽3aの酸発酵工程において可溶化液中の有機物が有機酸に転換され、酸発酵処理された第1消化液は第1消化液供給経路15aからメタン発酵槽3bに供給され、メタン発酵槽3bのメタン発酵工程によりメタン菌によるメタン発酵が効率的に行われ、メタン回収率が向上すると共にメタン発酵時間の短縮が図られる。メタン発酵処理された第2消化液は第2消化液供給経路15bから後段の固液分離工程に供給される。
【0036】
また、可溶化工程及び嫌気性消化工程におけるそれぞれの槽に、内容液の循環経路30a,30b,31a,31bを設け、内容液の循環を行なうことにより、それぞれの反応を確実に促進することができ、メタン回収率が向上する。
【0037】
【実施例】
(実施例1)
製餡工場からの小豆餡粕(固形物濃度(SS)15〜20wt%、水分80〜85wt%、固形物中の有機性固形物(VSS)96wt%以上)を、機械式破砕機(アーシェルジャパン株式会社製の商標「コミトロール」)で、0.2mm以下に破砕し、水を加えて固形物濃度10wt%に調製し、酵素の相違による影響(表1)、複数酵素のブレンドによる影響(表2)、反応温度の影響(表3)、反応時間の影響(表4)、酵素添加量の影響(表5)及び酸発酵併用による可溶化効果の影響(表5)について調査した。なお、添加する酵素としては、固体培養(こうじ菌培養)を行なって得た、酵素A:セルラーゼ、酵素B:セルラーゼ+ヘミセルラーゼ、酵素C:ペクチナーゼ、酵素D:ペクチナーゼ+ヘミセルラーゼを用いた。
【0038】
【表1】
表1から、酵素A>酵素B>酵素D>酵素Cの順序で可溶化効果があることが判明した。
【0039】
【表2】
表2から、単独の酵素による可溶化処理よりも複数の酵素をフ゛レント゛した方が可溶化効果があることが判明した。
【0040】
【表3】
表3から、反応温度が50℃と55℃で最も可溶化効果があることが判明したが、その他の温度においても酵素の添加効果が極めて大きいことが判明した。
【0041】
【表4】
表4から、反応時間としては、6時間までは急激に可溶化効果が上昇し、その後は次第に低下することが判明した。
【0042】
【表5】
表5から、酵素添加量が増加するに従って可溶化効果が上昇することが判明した。
【0043】
【表6】
表6から、酸発酵した後に酵素可溶化すると可溶化効果が上昇することが判明した。
【0044】
(実施例2)
酸発酵工程と酵素可溶化工程を併用して処理した試料、酸発酵工程のみで処理した試料、原料そのものを試料としたものについて、上向流嫌気性処理槽から採取したグラニュール汚泥を用いて嫌気性消化処理を行ない、累積メタン発生量を調査した結果を図5にグラフで示す。
図5から、酸発酵工程と酵素可溶化工程を併用することにより、メタン発酵時間の短縮やメタンガスの回収率が約20%増加することが判明した。
【0045】
【発明の効果】
本発明は、有機性廃棄物からメタンガスを効率的に回収でき、特に、生物分解しにくいセルロースを含有する有機性廃棄物の処理に適した方法として、有機性廃棄物を嫌気性微生物による分解がしやすい性状とし、嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができることにより、メタンガスとしての再資源化を促進する有機性廃棄物の処理方法である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態の処理装置の系統図
【図2】本発明の他の実施の形態の処理装置の系統図
【図3】本発明の他の実施の形態の処理装置の可溶化工程を2段に設けた要部系統図
【図4】本発明の他の実施の形態の処理装置の嫌気性消化工程を2段に設けた要部系統図
【図5】本発明の一実施の形態の処理方法における酸発酵工程と酵素可溶化工程を併用した効果を示すグラフ
【符号の説明】
1:機械式破砕装置(廃棄物破砕工程)
2:酵素反応槽(可溶化処理工程)
3:嫌気性消化槽(嫌気性消化処理工程)
4:沈殿槽(固液分離工程)
5:コンポスト化装置(コンポスト化工程)
6:ガスホルダ
7:攪拌混合手段
Claims (5)
- 有機性廃棄物を処理する方法において、前記廃棄物を機械的に微細破砕する廃棄物破砕工程と、破砕された廃棄物を可溶化する可溶化処理工程と、可溶化された可溶化液を嫌気性消化処理してメタンガスを回収する嫌気性消化工程と消化処理された消化液を固液分離する固液分離工程を設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
- 前記有機性廃棄物がセルロース含有廃棄物であり、前記可溶化処理工程が、少なくともセルロース分解酵素を含む酵素により可溶化する酵素反応工程であることを特徴とする請求項1に記載の有機性廃棄物の処理方法
- 前記有機性廃棄物がセルロース含有廃棄物であり、前記可溶化処理工程が、好熱性微生物が生成する酵素により可溶化する好熱性菌可溶化工程と少なくともセルロース分解酵素を含む酵素により可溶化する酵素反応工程からなることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載の有機性廃棄物の処理方法。
- 前記嫌気性消化工程が酸発酵工程とメタン発酵工程からなることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の有機性廃棄物の処理方法。
- 前記嫌気性消化工程における消化液及び/又は固液分離工程で分離された固形物の少なくとも一部を可溶化処理工程に返送することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の有機性廃棄物の処理方法。
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