JP2005095770A

JP2005095770A - 有機性廃棄物の処理方法

Info

Publication number: JP2005095770A
Application number: JP2003332810A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Sawayama; 茂樹澤山; Chika Tada; 千佳多田; Tatsuo Yagishita; 立夫柳下; Kenichiro Tsukahara; 建一郎塚原
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】有機性廃棄物を対象とした湿式嫌気性消化法において、よりガス化効率を向上させる方法を提供する。
【解決手段】有機性廃棄物を、光照射条件下、好ましくは酸発酵性微生物やメタン発酵性微生物を若干含有した嫌気性消化汚泥を用い、高温湿式嫌気性消化処理する。また、得られた気相部を回収し燃料とし、得られた固相部を回収し有機性肥料とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、家庭・レストラン・工場・下水処理場等から排出される有機性廃棄物を、直接、嫌気性消化槽を用い光照射条件下で高温で嫌気的に湿式発酵させることにより、廃棄物中の有機物を迅速に分解・消化処理する方法に関する。

生ごみ等有機性廃棄物の処理方法として、嫌気性消化が注目されるようになっている。しかし、従来の嫌気性消化法では、有機物分解速度、消化ガス生成速度は十分に高くないという問題点があり、そのため、ある程度大きな消化槽を用意する必要があった。分解速度が速くなれば、消化槽がよりコンパクトにでき、経済性・エネルギー収支等の向上が期待できる。

これらの問題点を解消するために、活性汚泥方式で発生する汚泥の余剰部分を、高温嫌気性消化処理し、該処理液を固液分離膜を通して循環させ、該分離膜を通して水分を抜き取ることを特徴とする有機性汚泥の処理方法が提案されているが（特許文献１）、この方法は、従来の高温型嫌気性消化法であり、十分に消化効率が上がらないという問題があった。

また、消化汚泥を主体とする混合液を嫌気性消化リアクターから引き抜き循環・返送する過程で熱処理する方法が提案されているが（特許文献２）、この方法は、消化汚泥を高温で処理して物理化学的に消化汚泥の構造を破壊しようとしたものであり、嫌気性消化槽そのものの性能を向上させる方法ではなく、消化効率が十分に上がらないという問題はのこる。

また、セラミック担体を用いた光照射条件嫌気性消化法が報告されているが（特許文献３〜４）、本法は廃水を対象とする湿式嫌気性消化法であり、メタンガス生成速度を向上させる方法ではなく、消化効率が十分に上がらないという問題はのこる。

一方、光合成細菌のみを用いた廃水浄化も検討されているが、光合成細菌は分解できる有機物が限られており固形状の有機性廃棄物の分解は難しく、処理範囲が極めて限定されていた。光合成細菌は、水素生産、化学品原材料、飼料、肥料として利用できることが知られているが、その培養には有機酸等が必要であり、安価に生産することは難しかった。

このような事情に鑑み、本発明者らは、先に、有機性廃水／又は有機性廃棄物を（ｉ）酸発酵性微生物及び／又はメタン発酵性微生物及び（ｉｉ）光合成細菌を含有する嫌気性粒状汚泥の存在下、光照射条件下で嫌気的に消化する方法（特許文献５）提案している。この方法は、光照射条件で嫌気性消化を行う方法であり、中温条件で光合成細菌の増殖を促進し、アンモニア除去が向上するといった利点を有するものであるが、その後の本発明者らの検討によれば、メタンガスの生成速度の向上を図ることが困難であることが判明した。
なお、本発明者らは、有機性固形廃棄物を乾式嫌気性消化する際に、光照射下で分解する方法を提案しているが（特許文献６）、この方法は、本発明のように、有機性廃棄物を湿式消化するものではなかった。

特開平０７−１４８５００号公報特開平１０−０８５７８４号公報特公平７−９６１１８号公報特公平７−９６１１９号公報特開平２０００−１５３２９２号公報特開２００３−５３３０９号公報

本発明は、前記のような従来法とは異なり、有機性廃棄物を嫌気性消化により効率よく分解・ガス化し、光合成細菌の増殖を抑制しながら有機性廃棄物中の有機物を迅速に分解・消化処理しガス化率を向上し、メタンの生成効率を高めると共にアンモニアやリン酸を含有した有機性肥料を効率的に提供することにある。

本発明者は、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明によれば、以下の発明が提供される。
（１）有機性廃棄物からなる被処理物を嫌気的に湿式消化する方法において、該被処理物の少なくとも一部を光照射条件下で高温消化処理することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
（２）高温消化処理が、50〜60℃で行われることを特徴とする上記（１）に記載の有機性廃棄物の処理方法。
（３）有機性廃棄物からなる被処理物を嫌気的に湿式消化する方法において、（Ｉ）酸発酵性微生物及び／又はメタン発酵性微生物を含有する嫌気性消化汚泥の存在下、該処理物の一部を光照射条件下で嫌気的に高温消化する工程、（ＩＩ）該消化工程で得られた消化生成物を液相部と固相部とに分離する工程、（ＩＩＩ）該分離工程で得られた固相部を回収する工程、を含むことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
（４）（Ｉ）の工程で発生したメタンを含有する気相部を燃料とすることを特徴とする上記（３）に記載の有機性廃棄物の処理方法。
（５）（ＩＩＩ）の回収工程で回収された固相部を有機性肥料とすることを特徴とする上記（３）に記載の有機性廃棄物の処理方法。
（６）一部もしくは全部を光透過性とした嫌気性消化槽を備えたことを特徴とする上記（１）乃至（５）何れかに記載の有機性廃棄物の処理方法に用いられる高温嫌気性消化装置。
（７）嫌気性消化槽外に光照射手段を具備することを特徴とする上記（１）乃至（５）何れかに記載の有機性廃棄物の処理方法に用いられる高温嫌気性消化法装置。
（８）嫌気性消化槽内に光照射手段を具備することを特徴とする上記（１）乃至（５）何れかに記載の有機性廃棄物の処理方法に用いられる高温嫌気性消化法装置。

本発明は前記のような構成であり、有機性廃棄物は光の照射を受けながら高温嫌気的消化処理を受ける。この消化処理により、廃棄物中の有機物は従来の暗条件の嫌気性消化に比べ、メタン発酵性微生物の持つメタン化活性が光照射によって活性化されるので、メタンガスがより迅速に発生する。

本発明でいう、嫌気性消化とは、酸素のない嫌気的な条件で嫌気性微生物の働きにより、有機物からメタンと二酸化炭素を生成させる方法をいう。また、高温消化処理とは、上記嫌気性消化処理を45℃以上の高温、好ましくは45〜70℃更に好ましくは50〜60℃で行う消化法を意味する。湿式嫌気性消化とは原料の水分含量を80%以上に調整して消化を行う方法で、原料の水分含量を80%以下に調整して消化を行う乾式嫌気性消化とは明確に区別される方法である。

また、本明細書で言う酸発酵性微生物とは、嫌気性消化において有機酸等を生成する微生物を意味し、Bacteroides sp.、Clostridium sp.、Bacillus sp.、Lactobacillus sp.等があげられる。メタン発酵性微生物とは、嫌気性消化においてメタンを生成する微生物を意味し、Methanothermobacter sp., Methanosarcina sp.、Methanosaeta sp.等があげられる。両者とも従来よく知られているものである。

本発明の処理対象となる有機性液状廃棄物には、家庭・レストラン・食品工場等から排出される食品残滓や排水および発酵工場等で排出される発酵残滓や排水、下水処理場・食品工場・浄化槽等で廃水処理後排出される有機性汚泥一般、落ち葉や剪定枝なその植物性バイオマス、古紙類などを意味する。

本発明の方法を実施するには、消化槽内で高温性嫌気性消化汚泥と原料の有機性廃棄物を混合し、好ましくは含水率80〜99.9%、望ましくは85〜98%に調整し、45℃以上望ましくは45〜70℃更に好ましくは50〜60℃で湿式嫌気性消化処理させる。湿式嫌気性消化の方法は、固定化担体を用いても用いなくても、膜分離等の消化汚泥濃縮装置を付けても付けなくても構わない

この場合、本発明においては、この消化槽の一部を光が透過可能な材質で作成し光が消化槽に到達できるようにし、太陽光または人工光を1〜2000μE/m2/s望ましくは50〜200μE/m2/sの強度で照射する。
また、光照射手段の光源は、消化槽外部光源、消化槽内部光源の何れでも良く、太陽光、人工光源などが使用される。内部光源の場合は、消化槽の一部を光が透過可能な材質で作成する必要はない。光照射する時間は、連続でも明暗サイクルでもかまわない。
この場合、高温条件で光照射型嫌気性消化を行うと、中温条件下のように光合成細菌の増殖はほとんどなく、光合成細菌の増殖量が著しく抑制されるため、中温条件下にみられる光合成細菌増殖による有機物の還元等に起因するバイオガス生成量の減少が起きない。さらに、光照射によりメタン発酵性微生物の活性が上昇し、暗条件に比べバイオガスの発生量が増加する。

嫌気性消化汚泥としては、酸発酵性微生物やメタン発酵性微生物を含有する下水汚泥の嫌気性消化に使用される通常の嫌気性消化汚泥や、既存の嫌気性消化汚泥に別途培養したものを使用することができる。

前記のようにして、有機性廃棄物を酸発酵性微生物やメタン発酵性微生物を若干含有した嫌気性消化汚泥を用い、光照射条件下で嫌気的に湿式消化処理すると、有機物が分解されてガス化し、嫌気性消化残滓が得られる。その時発生する嫌気性消化残滓は、窒素やリンなどの肥料成分を多く含み、発酵が進んでいるので有機性肥料として利用することが可能である。
また、好気的なコンポスト法によって生産された有機性肥料中の塩分が問題となる場合があるが、本法では発酵残滓は固液分離後固相部が有機性肥料となり、塩分は液相部中に多く含まれるため、本法により得られる有機性肥料はコンポスト法による有機性肥料に比べ塩分濃度が低いという利点を有する。

また、消化時に発生するメタンは、ボイラー燃料、消化ガス発電、マイクロガスタービンや水素への改質後燃料電池の燃料として利用することが出来る。

次に、本発明について図面を参照しながら詳述する。
図１は本発明を実施する場合のフローシートを示す。
図１において、１は有機性廃棄物貯留タンク、２は有機性廃棄物配管、３は嫌気性消化槽（消化槽の一部または全部が光透過性）、４は太陽光または人工光源、５は撹拌装置、６は消化ガス配管、７は消化ガス貯留タンク、８は処理物配管、９は固液分離装置、１０は処理汚泥返送配管、１１は処理固形物配管、１２は処理固形物貯留タンク、１３は処理液相配管、１４は処理液相貯留タンクを各示す。

図１に従って本発明を実施するには、有機性廃棄物貯留タンク１より有機性廃棄物配管２を通って、メタン発酵を生じさせる微生物を含有する嫌気性汚泥を入れた嫌気性消化槽３に有機性廃棄物と嫌気性汚泥たとえば返送した処理汚泥を供給・混合する。
メタン発酵を生じさせる微生物を含有する嫌気性汚泥としては、前記したように、下水処理場の下水汚泥の嫌気性消化汚泥等を使用すればよい。この場合、この嫌気性消化槽３は、その一部が光透過性を有し、槽内の廃棄物は外部の光原４（太陽光や電灯光）の照射を受けるような構造となっている。また、嫌気性消化槽３内に、人工内部光源を設置してもよい。

この嫌気性消化槽３において、廃棄物は光の照射を受けながら高温湿式嫌気性消化処理を受ける。この消化処理により、廃棄物中の有機物は従来の暗条件の高温嫌気性消化に比べ、より迅速に安定的に分解消化されメタンを発生する。本発明の場合、光照射によりメタン発酵性微生物が活性化され、従来の暗条件に比べ有機物分解速度及び消化ガス化速度の向上が達成される。

本発明に係る嫌気性消化槽は、槽内の汚泥を撹拌し発酵反応を促進させるために、撹拌装置を具備させることが望ましい。また、光照射手段として外部光源を利用する場合は消化槽の透明な部分の内壁に微生物等が付着し槽内の光透過性が低下する恐れがあるので、この内壁付着物を除くために、掻落手段を設けておくことが望ましい。例えば撹拌装置５にゴムラバーなどの掻落手段を付属させ透明な消化槽壁面内側に付着した汚泥を適時除去することにより、槽内への光の透過性を維持することができる。

また、嫌気性消化槽３内で発生したメタンを含む消化ガスは消化ガス配管６を通って消化ガス貯留タンク７に貯留される。この場合の消化ガスは、通常CH4:50〜100モル％、CO2:0〜50モル％、H2:0〜10モル％を含有する。

一方、嫌気性消化槽３で得られた消化物は処理物配管８を通って固液分離装置９に導入される。消化物の一部は処理汚泥返送配管１０を通って嫌気性消化槽３の入り口に消化の種汚泥として返送される。固液分離装置９において、液相部（廃水）と固相部（処理物）とに分離され、固相部は処理固形物配管１１を通って固相部貯留タンク１２に貯留され、液相部は処理液相配管１３を通って処理液相貯留タンク１４に貯留される。

前記固液分離装置９は、濾過器や遠心分離機、沈降槽等からなる。この固液分離装置により、消化物は液相部と固相部とに分離される。この固相部は窒素やリンなどの肥料成分を多く含み、発酵が進んでいるので有機性肥料として利用することができる。また、前記液相部（廃水）は、通常溶存有機物や溶存無機物の濃度の低いものであり、必要に応じ廃水処理後放流される。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。

実施例１
500 ml容量のガラス瓶に、消化汚泥と酵母エキス培地の混合物を400 ml加えた。密閉後内部のガスを窒素で置換してガラス瓶内を嫌気性にした。ガラス瓶の下半部をアルミホイルで遮光しながら、上部に1200 luxの強度で光照射した。ガラス瓶を、55℃で50日間培養した。ガラス瓶から発生しガスバックにためた消化ガス生成量をシリンジで測定し、メタン濃度はガスクロで測定した。

比較例１
光照射を行わない以外は実施例１に同様な処理を行い、メタンガス生成量を測定しながら培養した。

比較例２
培養温度を35℃で、光照射した場合としない場合で嫌気消化処理を行い、メタンガス生成量を測定しながら培養した。

［実施例１と比較例１の実験結果およびその考察］
リアクターに光を照射しない比較例１では、培養５０日後のメタンガス生成量は268 mlであったのに対し、実施例１のリアクター上部のみを光照射しながら嫌気性消化したガラス瓶からは601 ml発生した。また同様の実験条件で畜産排泄物の汚泥を用いた場合でも、リアクターに光を照射しない比較例１では285 mlのメタン生成量であったのに対し、実施例１のリアクター下部を遮光したものは890 mlのメタン生成量であった。光照射した実施例ではメタン化の活性が活性化され、暗条件より消化ガス生成量が向上したと考えられる。高温嫌気性条件では光合成細菌の増殖が抑えられ、消化槽への光照射の自由度が増し、メタンガス生成量が増大する。

［実施例１と比較例２の実験結果およびその考察］
比較例２の培養温度35℃でのメタンガスの発生量は、光照射条件では85 mlで、暗条件で89 mlであり、培養温度35℃では、光照射によってメタンガス発生量は、暗条件に比較して高くはならなかった。比較例２の光照射条件では、ガラス瓶内が赤色を呈し、光合成細菌が増殖していた。これより、中温の光照射条件の嫌気消化では、光合成細菌が増殖し、還元力が光合成細菌に利用されたため、暗条件よりもメタンガス発生量が低下したと考えられる。これに対し、高温条件下で光照射した実施例１では、光合成細菌の増殖はほとんどなく、メタン化の酵素が活性化され、暗条件や遮光しない明条件よりメタンガス生成量が向上したと考えられる。

これらの実験結果から、湿式嫌気性消化槽の一部に高温下にて光照射すると、メタン化が活性化され、有機性廃棄物の分解速度やガス化速度が向上することがわかる。

本発明に係る有機性廃物の光嫌気性消化装置の説明図である。

符号の説明

１．廃棄物貯留タンク
２．原料廃棄物配管
３．光嫌気性消化槽（消化槽の一部が光透過性）
４．太陽光または人工光源
５．撹拌装置
６．消化ガス配管
７．消化ガス貯留タンク
８．処理物配管
９．固液分離装置
１０．処理汚泥返送配管
１１．処理固形物配管、
１２．処理固形物貯留タンク
１３．処理液相配管
１４．処理液相貯留タンク

Claims

有機性廃棄物からなる被処理物を嫌気的に湿式消化する方法において、該被処理物の少なくとも一部を光照射条件下で高温消化処理することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
高温消化処理が、50〜60℃で行われ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。
有機性廃棄物からなる被処理物を嫌気的に湿式消化する方法において、（Ｉ）酸発酵性微生物及び／又はメタン発酵性微生物を含有する嫌気性消化汚泥の存在下、該処理物の一部を光照射条件下で嫌気的に高温消化する工程、（ＩＩ）該消化工程で得られた消化生成物を液相部と固相部とに分離する工程、（ＩＩＩ）該分離工程で得られた固相部を回収する工程、を含むことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
（Ｉ）の工程で発生したメタンを含有する気相部を燃料とすることを特徴とする請求項３記載の有機性廃棄物の処理方法。
（ＩＩＩ）の回収工程で回収された固相部を有機性肥料とすることを特徴とする請求項３記載の有機性廃棄物の処理方法。
一部もしくは全部を光透過性とした嫌気性消化槽を備えたことを特徴とする上記請求項１乃至５何れかに記載の有機性廃棄物の処理方法に用いられる高温嫌気性消化装置。
嫌気性消化槽外に光照射手段を具備することを特徴とする上記請求項１乃至５何れかに記載の有機性廃棄物の処理方法に用いられる高温嫌気性消化法装置。
嫌気性消化槽内に光照射手段を具備することを特徴とする上記請求項１乃至５何れかに記載の有機性廃棄物の処理方法に用いられる高温嫌気性消化法装置。