JP2004122004A

JP2004122004A - 有機性廃棄物の処理方法とその装置

Info

Publication number: JP2004122004A
Application number: JP2002290685A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Sato; 佐藤　朋弘; Kenji Katsura; 桂　健治; Susumu Hasegawa; 長谷川　進
Original assignee: Kobelco Eco Solutions Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】食品廃棄物、畜産廃棄物、下水汚泥等の有機性廃棄物、その他の有機性廃液等を処理する方法及び装置に関し、従来の膜分離手段や固定床等のコストがかかり維持管理の必要な手段を要することなくメタン発酵菌の濃度を高めることができ、またストリッピング法や吸着法等の設備コストや運転コストがかかる手段を採用せずにアンモニアを除去することができ、しかもメタン発酵液の濃縮とアンモニアの除去とを１つの装置で同時に行うことができる有機性廃棄物の処理方法と装置を提供することを課題とする。
【解決手段】有機性廃棄物のメタン発酵処理において、メタン発酵液が沸騰状態になるような圧力まで発酵槽を減圧し、メタン発酵を行うことを特徴とする。
【選択図】　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機性廃棄物の処理方法とその装置、さらに詳しくは、食品廃棄物、畜産廃棄物、下水汚泥等の有機性廃棄物、その他の有機性廃液等を処理する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
一般に、食品廃棄物、畜産廃棄物、下水汚泥等の有機性廃棄物は、メタン発酵により生物処理され、メタン発酵槽での処理後の処理水が、活性汚泥法等でさらに生物処理される。
【０００３】
このようなメタン発酵槽は、一般には攪拌機を備えただけのものであり菌体保持手段を備えていないので、菌体濃度が低く、高い負荷運転が困難となっていた。このため、菌体を槽内で極力保持するために処理液を槽内で一定時間滞留させなければならず、結果として、発酵槽の大きさが増大することとなっていた。いずれにしても、このような発酵槽では、菌体の濃度を制御することができなかった。
【０００４】
これを解決するために、メタン発酵槽の後段に膜分離手段を備えた装置も使用されている。この装置は、膜分離によって分離された濃縮液を発酵槽に返送し、発酵槽内の液を濃縮することによって菌体濃度を高めるものである。
しかし、このような装置においては、膜分離手段を用いるので、膜に目詰まりが生ずるおそれがあり、薬品洗浄等が必要となり、場合によっては膜の交換が必要となるので、そのためのコストがかかるという問題点があった。また維持管理も手間なものとなっていた。
【０００５】
また、膜分離手段に代えて発酵槽内に固定床を設けた装置も用いられているが、このような装置もコストは高くつき、また固定床が設けられているので攪拌することができない等の理由により、発酵液中の固形物による担体の詰まりが生ずる場合もあり、その分、維持管理も手間がかかるものとなっていた。
【０００６】
一方、食品廃棄物等においては、タンパク質が分解されてアミノ酸となり、アンモニアが生成されるので、そのアンモニアがメタン発酵液に含有されることとなる。また、畜産廃棄物にも高濃度のアンモニアや有機性窒素化合物が含まれている。そして、メタン発酵液中のＮＨ_４・Ｎ濃度が約３０００ｍｇ／Ｌを超えると、メタン発酵に阻害を及ぼすこととなる。
【０００７】
そこで、このようなアンモニアを除去するために、発酵槽から発酵液を引き抜いて、その発酵液のｐＨを１１〜１２に調整した後、窒素等のガスを供給してアンモニアガスを放出させてアンモニアを除去するストリッピング法（たとえば特許文献１参照）や、ゼオライトを充填した充填槽を発酵槽の後段に設けて、その充填槽でアンモニアを吸着する吸着法（たとえば特許文献２参照）等が採用されている。これらの方法でアンモニアが除去された発酵液は、発酵槽へ返送される。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−１５２３０　号公報
【特許文献２】
特開２０００−１５２３１　号公報
【０００９】
しかし、このようなアンモニア除去手段を備えた装置は、装置が複雑になるとともに運転も複雑になり、設備コストや運転コストが増大することとなっていた。
【００１０】
本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたもので、従来の膜分離手段や固定床等のコストがかかり維持管理の必要な手段を要することなくメタン発酵菌の濃度を高めることができ、またストリッピング法や吸着法等の設備コストや運転コストがかかる手段を採用せずにアンモニアを除去することができ、しかもメタン発酵液の濃縮とアンモニアの除去とを１つの装置で同時に行うことができる有機性廃棄物の処理方法と装置を提供することを課題とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題を解決するために、有機性廃棄物の処理方法とその装置としてなされたもので、有機性廃棄物の処理方法としての特徴は、有機性廃棄物のメタン発酵処理において、メタン発酵液が沸騰状態になるような圧力まで発酵槽を減圧し、メタン発酵を行うことである。
これにより、従来の膜分離手段や固定床等のコストがかかり、維持管理の必要な手段を要することなくメタン発酵菌の濃度を高めることができ、またストリッピング法や吸着法等の設備コストや運転コストがかかる手段を採用せずにアンモニアを除去することができるので、高負荷でかつアンモニアによるメタン発酵の阻害もなく、メタン発酵の効率が向上することとなる。
【００１２】
メタン発酵液を減圧して沸騰状態とする温度は、３２〜４２℃又は５０〜６０℃であることが望ましい。メタン発酵菌の至適温度範囲、すなわち中温性メタン発酵菌の至適温度範囲である３２〜４２℃或いは高温性メタン発酵菌の至適温度範囲である５０〜６０℃で運転するので、メタン発酵菌の活性を低下させることがなく、安定したメタン発酵が可能となる。
【００１３】
また、有機性廃棄物の処理装置としての特徴は、有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵槽１と、該メタン発酵槽１内のメタン発酵液が沸騰状態となるまで前記メタン発酵槽１内を減圧する減圧手段とからなること
である。
【００１４】
さらに他の有機性廃棄物の処理装置としての特徴は、有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵槽１と、該メタン発酵槽１から供給されるメタン発酵液を貯留する減圧槽６と、該減圧槽６内のメタン発酵液が沸騰状態となるまで前記減圧槽６内を減圧する減圧手段とからなることである。
このような構成とすることで、減圧槽６のみ減圧に耐えうる構造にすればよいので、製造コストが低減できることとなる。
減圧手段としては、たとえば真空ポンプ２や蒸気圧縮機５等が用いられる。蒸気圧縮機を用いて加圧昇温された蒸気をメタン発酵菌の加温エネルギーとして再利用する場合は、エネルギーコストを低減できることとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面に従って説明する。
【００１６】
（実施形態１）
図１は、一実施形態としての有機性廃棄物の処理装置の概略ブロック図を示す。
【００１７】
本実施形態の有機性固形廃棄物の処理装置は、同図に示すように、メタン発酵槽１と、真空ポンプ２と、凝縮器３と、気液分離器４とからなる。
図示しないが、メタン発酵槽１には圧力センサーが設けられている。
【００１８】
メタン発酵槽１は、たとえば食品工場から排出される有機性廃棄物（生ゴミ）が供給され、その有機性廃棄物をメタン発酵により生物処理するためのものである。
また、真空ポンプ２は、前記メタン発酵槽１内を減圧するためのものであり、真空ポンプ２による減圧によりメタン発酵液から蒸発した水やアンモニア等を凝縮させるための凝縮器３が、前記メタン発酵槽１と真空ポンプ２との間に配設されているのである。
【００１９】
さらに、気液分離器４は凝縮器３と真空ポンプ２との間に配設され、凝縮器３で凝縮された水及びアンモニア等の液相と、メタン及び二酸化炭素等の気相とに分離するためのものである。
【００２０】
次に、上記のような構成からなる有機性廃棄物の処理装置によって、食品工場から排出される有機性廃棄物を処理する処理方法の実施形態について説明する。
【００２１】
先ず、食品工場から排出される有機性廃棄物（生ゴミ）は、メタン発酵槽１へ供給される前に前処理される。具体的には、固形物を破砕するとともに金属やプラスチック等の夾雑物を除去し、たとえば固形物濃度が５〜１２重量％（つまり水分が８８〜９５重量％である）となるように濃度調整する。
このような前処理を行うことで、有機性廃棄物は一定の流動性を有し、次工程の供給が可能となるのである。
【００２２】
次に、このようにして前処理された有機性廃棄物をメタン発酵槽１へ供給し、メタン発酵を行う。この場合、メタン発酵槽１の外側にはジャケット等を設け、そのジャケットに温水を供給する等して、たとえば高温性メタン発酵によるメタン発酵を行うためには、メタン発酵槽１内の温度が約５５度になるように加温する。
【００２３】
そして、真空ポンプ２を作動させ、メタン発酵槽１内を減圧する。上記のようにメタン発酵槽１内の温度が約５５度に維持された状態で減圧状態を続行することで、メタン発酵槽１内の液相部分が沸騰し、その液相部分の水やアンモニア等が蒸発する。
気相部の圧力は、圧力センサーからの信号により真空ポンプが制御されることで一定に維持される。
【００２４】
蒸発した水やアンモニア等は真空ポンプ２によって吸引されるが、真空ポンプ２とメタン発酵槽１との間には凝縮器３が配設されているため、その凝縮器３によって水やアンモニア等が凝縮されることとなる。
そして、凝縮された液相部分である水及びアンモニア等と、気相部分であるメタン及び二酸化炭素等とが、気液分離器４で分離されることとなる。分離されたメタン及び二酸化炭素等は、別途回収されてボイラー燃料や発電等に利用されることとなる。
【００２５】
このように、本実施形態においては、真空ポンプ２でメタン発酵槽１内を吸引することで、メタン発酵槽１を減圧し液相部分を沸騰させることができるので、液相部分の水を蒸発させることでメタン発酵液を濃縮することができるとともに、液相部分のアンモニアを蒸発させることでアンモニアをメタン発酵液から除去することができる。
すなわち、本実施形態ではメタン発酵液の濃縮とアンモニアの除去とを１つの装置で同時に行うことができるのである。よって、高負荷運転が可能になるとともに、アンモニアによるメタン発酵の阻害もなくなり、効率良くメタン発酵ができることとなる。
尚、減圧操作は、連続的に行っても間欠的に行ってもよい。
【００２６】
（実施形態２）
本実施形態においては、図２に示すように、メタン発酵槽１の後段に蒸気圧縮機５が配設されており、この点で真空ポンプ２が配設されていた実施形態１の場合と相違する。
【００２７】
また、本実施形態では前記蒸気圧縮機５からの蒸気をメタン発酵槽１に供給し、発酵液の加熱に用いており、蒸気のもつ潜熱を回収する点で、発酵液の加熱をすべて温水に用いて行っている実施形態１の場合と相違する。　さらに、この蒸気供給部分の後段側に気液分離器４が配設されている。
【００２８】
本実施形態においても、先ず夾雑物除去、濃度調整等の前処理がなされた後、有機性廃棄物がメタン発酵槽１へ供給されてメタン発酵がなされるが、その後は蒸気圧縮機５を作動させて、メタン発酵槽１内の気相部分を減圧する。これによって、実施形態１と同様にメタン発酵槽１内の液相部分が沸騰し、その液相部分の水やアンモニア等が蒸発する。
【００２９】
蒸発した蒸気は蒸気圧縮機５によって加圧され、昇温される。蒸気圧縮機５によって加圧昇温された蒸気は、メタン発酵槽１に設けられたジャケット等に供給される。
従って、本実施形態では、この昇温された蒸気がメタン発酵槽１の温度を約５５度に維持するためのエネルギーとして利用されるので、加温のための温水等の外部エネルギーを低減することができる。
【００３０】
メタン発酵槽１を加温した後に、蒸気中の水とアンモニア等が凝縮されて水とアンモニア等になり、気相部分であるメタン及び二酸化炭素等と気液分離器４で分離される。分離後の気体及び液体は、それぞれ真空ポンプ２及びポンプ７を用いて送出される。
【００３１】
本実施形態においても、メタン発酵槽１を減圧し液相部分を沸騰させ、液相部分の水を蒸発させることでメタン発酵液を濃縮することができるとともに、液相部分のアンモニアを蒸発させることでアンモニアをメタン発酵液から除去することができるので、メタン発酵液の濃縮とアンモニアの除去とが１つの装置で同時に行われることとなる。よって、高負荷運転が可能になるとともに、アンモニアによるメタン発酵の阻害もなくなり、効率良くメタン発酵ができることとなる。
尚、減圧操作は、連続的に行っても間欠的に行ってもよい。
【００３２】
（実施形態３）
本実施形態においては、図３に示すように、真空ポンプ２で減圧すべき減圧槽６がメタン発酵槽１とは別に設けられており、その点でメタン発酵槽１自体が減圧される実施形態１の場合と相違する。この減圧槽６は、メタン発酵槽１と凝縮器３との間に配設されている。
【００３３】
本実施形態においても、有機性廃棄物は前処理された後にメタン発酵槽１へ供給されるが、本実施形態ではメタン発酵槽１自体は減圧されず、常圧で運転されることとなる。そして、メタン発酵槽１でメタン発酵された有機性廃棄物を減圧槽６へ供給する。
【００３４】
メタン発酵槽１は、実施形態１と同様に、たとえば高温でメタン発酵を行う場合は約５５度になるように加温される。その場合、減圧槽６も約５５度になるように温水で加温される。
そして、真空ポンプ２を作動させ、減圧槽６が約５５度に維持された状態で減圧槽６内を減圧すると、該減圧槽６内の液相部分が沸騰し、その液相部分の水やアンモニア等が蒸発する。
【００３５】
その後に、水やアンモニア等が凝縮器３によって凝縮される点、凝縮された水，アンモニア等と、メタン，二酸化炭素等とが、気液分離器４で分離される点、分離されたメタン及び二酸化炭素等がボイラー燃料や発電等に利用される点は、実施形態１と同様である。
【００３６】
本実施形態では減圧槽６内の液相部分を沸騰させることで減圧槽６内のメタン発酵液を濃縮させるとともにアンモニアを除去し、その濃縮され且つアンモニア除去されたメタン発酵液をメタン発酵槽１へ返送するので、結果的にメタン発酵槽１内のメタン発酵液も濃縮されるとともにアンモニア濃度が低減されることとなるのである。
【００３７】
尚、本実施形態ではメタン発酵槽１が常圧で運転されるため、そのメタン発酵槽１からもメタンや二酸化炭素が発生し、ボイラー燃料や発電等に利用されることとなる。
【００３８】
本実施形態においても、メタン発酵液の濃縮とアンモニアの除去とを１つの装置で同時に行うことができるが、このメタン発酵液の濃縮とアンモニアの除去とを行う減圧槽６がメタン発酵槽１とは別に設けられたものであるため、減圧槽６自体の容積は小さくすることができる。
【００３９】
従って、実施形態１ではメタン発酵槽１自体を減圧に耐えうる構造に改良する必要があるが、本実施形態ではメタン発酵槽１は常圧仕様のものを用いることができ、既設のものがあればそれを流用することができる。従って、小型にした減圧槽６のみ減圧に耐えうる構造にすればたりるので、製造コストを低減することができるという効果を有する。
【００４０】
（実施形態４）
本実施形態においては、上記実施形態３と同様に減圧槽６をメタン発酵槽１とは別に設けたが、その減圧槽６を減圧する手段が図４に示すように蒸気圧縮機５である点で、真空ポンプ２で減圧槽６を減圧する実施形態３の場合と相違する。蒸気圧縮機５からの蒸気は減圧槽６に供給して発酵液の加熱に用いており、蒸気のもつ潜熱を回収している。この点で実施形態２と共通する。蒸気供給部分の後段側に気液分離器４、真空ポンプ２、ポンプ７等が設けられている点も実施形態２と共通している。
【００４１】
本実施形態においても、有機性廃棄物がメタン発酵槽１へ供給されてメタン発酵がなされるが、その後は蒸気圧縮機５を作動させて、減圧槽６内が減圧される。そして、減圧槽６がメタン発酵槽１とは別に設けられているので、実施形態３と同様に減圧槽６自体の容積は小さくすることができ、メタン発酵槽１は常圧仕様のものを用いることができる。
【００４２】
（その他の実施形態）
尚、上記実施形態では、約５５度でメタン発酵槽１や減圧槽６を加温したが、加温する温度は該実施形態に限定されるものではない。
ただし、メタン発酵菌がある程度の活性を有し、しかも減圧下で沸騰するのに適した温度として、高温性メタン発酵菌を用いる場合は５０〜６０℃、或いは中温性メタン発酵菌を用いる場合は３２〜４２℃に維持するのが好ましい。
【００４３】
また、上記実施形態では真空ポンプ２や蒸気圧縮機５でメタン発酵槽１や減圧槽６内の減圧を行ったが、減圧のための手段は該実施形態の真空ポンプ２や蒸気圧縮機５に限定されるものではない。
さらに、上記実施形態１や実施形態３では凝縮器３を設け、その凝縮器３で水やアンモニア等を凝縮させたが、このような凝縮器３を設けることは本発明に必須の条件ではない。ただし、実施形態１や実施形態３のように真空ポンプ２で減圧する場合には、真空ポンプ２へ液が供給されないようにその真空ポンプ２に凝縮器３を設けて凝縮させるのが好ましい。
【００４４】
さらに、上記実施形態では、気液分離器４を設けて、凝縮された液相部分の水及びアンモニア等と、気相部分であるメタン及び二酸化炭素等とを好適に回収することができるという好ましい効果が得られたが、このような気液分離器４を設けることは本発明に必須の条件ではない。
【００４５】
さらに、上記実施形態では、食品工場からの有機性廃棄物に適用する場合について説明したが、適用する有機性廃棄物の種類も該実施形態の食品工場からのものに限定されるものではなく、たとえば畜産廃棄物、下水汚泥等の有機性廃棄物に適用することも可能である。尚、本発明にいう有機性廃棄物とは、有機性廃水のようなものも含む広い概念である。
【００４６】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００４７】
（実施例１）
食品工場からの有機性廃棄物のスラリー８ｋｇ／ｄａｙ（ＣＯＤ１７ｇ／ｋｇ）を、容積４０Ｌ　のメタン発酵槽へ供給した。メタン発酵槽内の温度は５５℃とし、メタン発酵槽内の気相部分はスクリュー型蒸気圧縮機によって０．１６ａｔｍ　に減圧した。この温度及び圧力でメタン発酵槽内の液が沸騰した。
沸騰によって蒸発した蒸気は、蒸気圧縮機によって加圧するとともに、昇温した。
【００４８】
発生した蒸気は、メタン、二酸化炭素、水、アンモニア等の混合ガスであるが、５．７Ｎｍ^３／ｄａｙ（４．９４ｋｇ／ｄａｙ）発生し、この混合ガスである蒸気をメタン発酵槽の加熱のために用いた。これにより外部からの温水によるエネルギー供給を大きく削減することができた。
【００４９】
このようにメタン発酵槽の加温に利用された結果、水蒸気は凝縮し、アンモニア等がその水に溶解することとなり、気液分離装置で気相部分と分離した。分離後の気相部分であるメタン及び二酸化炭素の量は０．７７Ｎｍ^３／ｄａｙ（０．９４ｋｇ／ｄａｙ）であり、アンモニア水は４ｋｇ／ｄａｙであった。
【００５０】
このアンモニア水４ｋｇ／ｄａｙと、メタン発酵槽からの消化液３ｋｇ／ｄａｙについて次工程で排水処理を行った。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、メタン発酵液が沸騰状態になるような圧力まで発酵槽を減圧して有機性廃棄物のメタン発酵を行うものであるため、メタン発酵液中の水分が蒸発し、メタン発酵液を濃縮することができる。この結果、従来の膜分離手段や固定床等等の維持管理の必要な手段を要することなくメタン発酵菌の濃度を高めることができるので、高負荷運転が可能となり、また設備を簡易化できるとともにコストを著しく低減することができるという効果がある。
【００５２】
また発酵液中のアンモニアも揮発させることができ、発酵液中のアンモニア濃度を低下させ、アンモニアによるメタン発酵の阻害を回避することができる。この結果、従来のストリッピング法や吸着法等の設備コストや運転コストがかかる手段を採用せずにアンモニアを除去することができるので、この面からもメタン発酵を効率良く行うことができ、また設備の簡易化やコストの低減を図ることができるという効果がある。
【００５３】
よって、メタン発酵液の濃縮とアンモニアの除去とを１つの装置で同時に行うことが可能となった。
【００５４】
さらに、メタン発酵液を濃縮できるので、その分メタン発酵槽の体積を小さくすることができるという効果がある。
【００５５】
さらに、発酵液を沸騰状態にすることができるので、液中に気泡が発生し、みかけの粘度が下がり、その結果、発酵液の攪拌所要動力を減少させることもできる。
【００５６】
また引抜汚泥のアンモニア濃度が低下し、後段の排水処理への窒素負荷を低くすることもできる。
【００５７】
さらに、アンモニア等を含む凝縮水は、肥料として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態としての有機性廃棄物の処理装置の概略ブロック図。
【図２】他の実施形態の有機性廃棄物の処理装置の概略ブロック図。
【図３】他の実施形態の有機性廃棄物の処理装置の概略ブロック図。
【図４】他の実施形態の有機性廃棄物の処理装置の概略ブロック図。
【符号の説明】
１…メタン発酵槽　　　　２…真空ポンプ
３…凝縮器　　　　　　　４…気液分離器
５…蒸気圧縮機　　　　　６…減圧槽

Claims

有機性廃棄物のメタン発酵処理において、メタン発酵液が沸騰状態になるような圧力まで発酵槽を減圧し、メタン発酵を行うことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
３２〜４２℃又は５０〜６０℃で減圧を行う請求項１記載の有機性廃棄物の処理方法。
有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵槽（１）　と、該メタン発酵槽（１）　内のメタン発酵液が沸騰状態となるまで前記メタン発酵槽（１）　内を減圧する減圧手段とからなることを特徴とする有機性廃棄物の処理装置。
有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵槽（１）　と、該メタン発酵槽（１）　から供給されるメタン発酵液を貯留する減圧槽（６）　と、該減圧槽（６）　内のメタン発酵液が沸騰状態となるまで前記減圧槽（６）　内を減圧する減圧手段とからなることを特徴とする有機性廃棄物の処理装置。
減圧手段が真空ポンプ（２）　又は蒸気圧縮機（５）　である請求項３又は４記載の有機性廃棄物の処理装置。