JP2005218898A - メタン発酵システム - Google Patents

Abstract

【課題】高速処理が可能で、装置のコンパクト化、ランニングコストの低減が図れるメタン発酵システムを提供する。
【解決手段】有機性廃棄物１を可溶化した後にメタン発酵菌固定型発酵槽に供給してメタン発酵して、メタンを含むバイオガスを発生させるシステムにおいて、メタン発酵菌固定型発酵槽を２槽以上直列に接続し、第１槽目の前記メタン発酵菌固定型発酵槽４１に有機性廃棄物１の可溶化液を供給して、可溶化液中の有機酸を分解してバイオガス化し、第１槽目以降のメタン発酵菌固定型発酵槽４８は、各発酵槽の消化廃液４５を次段の発酵槽４８へ順送りに供給し、残存未分解有機物を分解してバイオガス化することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機性廃棄物の処理方法に係り、特に固形分の多い厨芥類を中心とした有機性廃棄物からのメタン発酵システムに関するものである。

メタン発酵は、下水・し尿処理の分野では、最終沈殿池汚泥及び余剰活性汚泥の処理に適用されてきた。近年、ごみ焼却炉からのダイオキシン類の排出，埋立地の不足，CO₂問題が大きな技術的課題となり、これらの環境負荷を低減する方法の一つとして、有機性廃棄物（厨芥，汚泥，バイオマス等）を発酵させてメタンガスとしてエネルギーを回収できるメタン発酵が注目されている。

メタン発酵は、大きく分けると加水分解菌，酸生成菌による可溶化過程と、メタン生成菌によるメタン発酵過程の二段階の生化学反応から成っている。タンパク質，炭水化物，脂肪等の高分子有機化合物は、まず加水分解菌などによって低分子化されて高級脂肪酸，アミノ酸，糖類となる。次に酸生成菌等によってH₂，CO₂，有機酸（酢酸，酪酸，プロピオン酸，ギ酸，乳酸等）に分解され、最後にメタン発酵過程でメタン生成菌によってメタンが生成する。

このように可溶化過程とメタン発酵過程では、活躍する微生物の種類が異なり、最適ｐＨ値も可溶化過程は４〜５程度，メタン生成過程は６．８〜７．５程度と異なることから、最近は可溶化槽とメタン発酵槽を分離して発酵効率を高める二相式と呼ばれる方法が採用される場合が多い。特に有機物が始めから溶解している有機性廃水に比べ、厨芥類は固形分が多いため、直接メタン発酵するのは困難であり、可溶化を行う場合が多い。

なお、本明細書において「可溶化」とは、微生物の働きによる有機物の低分子化，有機酸への変換のみでなく、各種の物理，化学的方法により固形物粒子を細かくすることをも含んでいる。

メタン発酵槽の形式は、汚泥(菌)を槽内液中に懸濁した状態で運転する完全混合型と、槽内に微生物付着の担体を充填した固定床型，汚泥自身の顆粒形成作用を利用して菌を高濃度に保持する菌固定型に大別される。厨芥等の固形分を多く含む原料においては閉塞の問題があるため、完全混合型が適用される場合が多かったが、最近は効率を上げるため、原料を高度に可溶化した上で菌固定型である固定床を適用する例も出てきている。

図５に、従来技術による厨芥類を主に対象とした固定床型発酵槽を有するメタン発酵システムの系統図を示す。

厨芥類を中心とした有機性廃棄物１は破砕機２で破砕された後、調整水３と共に可溶化槽４に投入され、主に廃棄物中に存在する不特定の微生物の働きと攪拌程度の比較的穏やかな条件により可溶化され、メタン発酵の原料となる有機酸や低分子有機物が生成し、スラリ状となる。

しかし、汚泥や廃水と比較して固形分の多い厨芥等の有機性廃棄物を対象とする場合、可溶化液中には浮遊粒子（ＳＳ：Suspended solid）が多量に含まれるため、後流の固定床メタン発酵槽の閉塞が問題となる。そのため可溶化を高度に行うか、可溶化後に固液分離を行って粗大なＳＳを除去しておく必要がある。可溶化促進の手段としては，酵素添加，アルカリ添加，機械的微破砕，オゾン，超音波処理，高温高圧処理などの手段が用いられる。

図５の例では、高度可溶化の例として微破砕を行っている。破砕ポンプ５は、固形物を含む液体を細かく破砕しながら移送する装置であり、可溶化槽４から可溶化液抜出ライン６で可溶化液を抜き出し、破砕ポンプ５に通過させて、切替弁７，可溶化液返送ライン８で可溶化槽４に戻して微細化する。また、可溶化液排出ライン９を介して貯槽１０に一旦溜められた後、ポンプ１１，可溶化液供給ライン１２を介して固定床型メタン発酵槽１３へ供給される。

メタン発酵槽１３内では、充填された担体１４に保持されたメタン生成菌の働きにより、メタンガスを約５０〜６０％，炭酸ガスを約３５〜５０％含むバイオガスが生成される。生成したバイオガスはガスライン１５を経由してガスホルダ１６に貯留された後、主に燃料として利用される。

メタン発酵槽１３内には、メタン生成菌以外にも可溶化，酸生成を行う菌が各種共存しているため、有機酸以外の有機物も徐々に分解されて有機酸に変換され、メタン発酵の原料となる。

固定床型メタン発酵槽１３では多くの場合、循環ライン１７，循環ポンプ１８によって液を循環させて槽内で上向流を形成しており、消化廃液１９がオーバーフローとして消化廃液ライン２０から流出する。消化廃液１９は排水処理装置２１において好気活性汚泥法などにより処理され、膜等の固液分離手段２２でＳＳ分を分離除去後、処理水ライン２３から放流される。処理水の一部は、可溶化槽４や貯槽１０等に戻して、調整水として再利用が可能である。分離除去されたＳＳ分は余剰汚泥２４となり、可溶化槽４へ返送して再発酵したり、コンポスト化あるいは焼却処理される場合が多い。

排水処理に関しては図６に示すように、消化廃液１９に高分子凝集剤３１を添加して汚泥濃縮装置３２により余剰汚泥３３と脱離水３４に分け、脱離水３４は排水処理装置３５へ送られ、好気活性汚泥法などにより最終処理された後、処理水ライン２３から放流され、一部は再利用される。この排水処理装置３５においても少量の余剰汚泥３６が発生する。

図５に示したメタン発酵処理の従来技術を示す非特許文献１として下記のものを挙げることができる。
東郷：「生ごみのメタン発酵処理システム」Vol.13，No.1，1998

前述した従来の厨芥を中心としたメタン発酵システムには、以下のような問題点がある。

元々ＳＳ分の少ない有機性廃水に比べて、可溶化を高度に行ったといっても厨芥可溶化液はＳＳ分が多いため、固定床に充填する担体は閉塞防止のため粗目のものを用いることになる。すると、相対的に微生物保持量が少なくなり、かつ生分解可能なＳＳ分が固定床をすり抜けて流出するため、細目の担体に比べて分解率が低く、処理液の有機物濃度及びＳＳ濃度が高くなる。

これを回避するためには、固定床での滞留時間を長くする方法があるが、それでは槽が大きくなって、固定床採用によるコンパクト化のメリットが少なくなる。一方、徹底的に高度可溶化を行い、可溶化液のＳＳの大部分を溶解しておく方法も考えられるが、高度可溶化には薬剤や特殊な装置が必要となるため、コスト，設備サイズ，労力の面で不利となる。

また、可溶化後に固液分離して可溶化残渣を分離除去し、液状分だけをメタン発酵する方法もあるが、圧搾機などの固液分離装置が必要なため、コストがかかるだけでなく、可溶化残渣が除去される分、メタン発酵槽へ導入可能な有機物量が減り、ガス発生量が減少することになる。

排水処理の面では、図５のように活性汚泥法等で消化廃液を直接処理する場合は、消化廃液の有機物，ＳＳ濃度が高いため、排水処理設備が大掛かりになる。一方、図６のように一旦消化廃液を濃縮し、分離水を処理する場合は、排水処理設備は簡略化可能であるが、汚泥分離濃縮作業は非常に煩雑であり、有機物が多いＳＳ分に対しては高価な高分子系凝集剤が必要となるので、ランニングコストが高くなる。またいずれの場合も、余剰汚泥がかなり発生することになる。

可溶化残渣や余剰汚泥は、コンポスト化あるいは焼却処理される場合が多い。しかし、現状ではコンポストの需要は少ない上、季節変動が大きく、流通ルートも確立していないため、大量に製造しても消費しきることができない。また、これらの排出物は水分含有率が高いため、焼却処理するためには大量の燃料が必要となる。可燃ごみと共に焼却炉で燃やすこともあるが、熱回収などの面では不利である。これらのことから、可溶化残渣及び余剰汚泥の排出量をできるだけ低減することが望まれている。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、高速処理が可能で、装置のコンパクト化、ランニングコストの低減が図れるメタン発酵システムを提供する。

前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、有機性廃棄物を可溶化した後にメタン発酵菌固定型発酵槽に供給してメタン発酵して、メタンを含むバイオガスを発生させるメタン発酵システムにおいて、前記メタン発酵菌固定型発酵槽を２槽以上直列に接続し、第１槽目の前記メタン発酵菌固定型発酵槽に前記有機性廃棄物の可溶化液を供給して、可溶化液中の有機酸を分解してバイオガス化し、第２槽目以降のメタン発酵菌固定型発酵槽に、前段の発酵槽の消化廃液を導入し、残存未分解有機物を分解してバイオガス化することを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記第２槽目以降のメタン発酵菌固定型発酵槽に供給する消化廃液を、発酵槽に供給する前に再度可溶化処理を行うことを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第１の手段または第２の手段において、前記有機性廃棄物の可溶化液の一部から粗大粒子を除去した粗大粒子除去液を、前記第２槽目以降のメタン発酵菌固定型発酵槽へ供給する消化廃液に添加して再度可溶化処理を行うことを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第３の手段において、前記再度可溶化に使用するための有機性廃棄物の可溶化液は、その可溶化液のｐＨ値が低下しきる前に採取することを特徴とするものである。

本発明の第５の手段は前記第２の手段において、前記第２槽目以降の廃液中の浮遊物質の濃度を測定し、その結果が所定値よりも高い場合にのみ、再度可溶化処理を行うことを特徴とするものである。

本発明の第６の手段は前記第１の手段において、前記菌固定型メタン発酵槽として、槽内に微生物を保持する担体を充填した固定床型発酵槽を用いることを特徴とするものである。

本発明の第７の手段は前記第６の手段において、前記菌固定型メタン発酵槽として、より下流の発酵槽ほど前記担体の目を細かくすることを特徴とするものである。

本発明の第８の手段は前記第１の手段または第６の手段において、前記菌固定型メタン発酵槽内で液が不均質にならないよう攪拌することを特徴とするものである。

本発明の第９の手段は前記第８の手段において、前記菌固定型メタン発酵槽内での液の攪拌が、その菌固定型メタン発酵槽の可溶化液流入部と消化廃液排出部分の間で行う液の循環であることを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、第１槽目では可溶化液中の分解されやすい有機酸が速やかに分解されてバイオガスが発生する。消化廃液中の未分解有機物は、第２槽目以降の発酵槽において担体に捕捉されることにより、担体に保持された微生物により分解が進み、有機酸を経てバイオガス化する。

最終発酵槽の廃液では、固形物は無機物中心の微細粒子と、担体から剥がれて流れ出した少量の微生物体となる。担体層の下部から上部へと微生物の種類が変化して最適化し、各々の分解生成物をリレーしながら分解を進めて行く。

また、途中で消化廃液の再可溶化を行うことにより、さらに分解率が上昇し、分解反応も高速化する。このとき可溶化槽から抜き出した可溶化液から粗大粒子を除去して消化廃液に添加することにより、可溶化液中に含まれている可溶化菌、酸生成菌により消化廃液の可溶化・酸生成を促進することができる。

このようなことから、
（ａ）廃液の濃縮に際し、安価な無機系凝集剤を用いることができるため、ランニングコストを大幅に下げることができる。

（ｂ）発酵槽を多段として各々最適条件で運転することにより、高速処理が可能となり、全体として装置をコンパクト化できる。

（ｃ）余剰汚泥排出量を低減でき、コンポスト化，焼却処理するべき最終処理物の量が減る。

（ｄ）汚泥が低減された分、バイオガス生成量を増大させることができる。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るメタン発酵システムの系統図である。

厨芥を中心とした有機性廃棄物１を破砕機２により破砕し、調整水供給ライン３から調整水を加え、可溶化槽４において可溶化する。可溶化物は粉砕ポンプ５により微細化され、高濃度の有機酸とＳＳ分からなる可溶化液として貯槽１０に溜められる。貯槽１０内の可溶化液は、ポンプ１１，可溶化液供給ライン１２により第１固定床型メタン発酵槽４１（以後、第１槽と略記する）へ供給する。

第１槽４１には、微生物を保持する多孔質の担体４２が充填されているが、可溶化液中のＳＳによる閉塞を避けるため、粗目のものとなっている（本実施形態では、例えば直径が２０〜３０ｍｍの短い円筒形の担体４２を使用）。第１槽４１内の液を循環ライン４３，循環ポンプ４４により循環させることにより混合し、可溶化液が直接供給される固定床底部から槽全体に可溶化液を行き渡らせる。

可溶化液に含まれる有機酸はメタン発酵の基質であるが、高濃度ではｐＨ値を低下させて発酵を阻害するため、循環によって固定床底部への集中を避ける意味もある。そして可溶化液中の分解されやすい有機酸は、メタン菌の働きにより速やかに分解され、バイオガスが発生する。

また共存する他の微生物の働きによって有機酸以外の有機物も分解が進み、有機酸を経てバイオガス化される。さらにＳＳも部分的に分解され、微細化，低分子化するが、難分解性のＳＳは分解しきらずに液中に残存する。

第１槽４１の固定床上部に溜まった消化廃液４５は、ライン４６，ポンプ４７により抜出され、第２固定床型メタン発酵槽４８（以後、第２槽と略記する）へ導入され、ゆっくりと槽内を上昇する。第１槽４１の消化廃液４５は、有機酸濃度は低くなっているが、ＳＳは可溶化液に比べれば微細化しているものの、濃度は高めの状態である。第２槽４８に充填されている担体４９は、第１槽４１の担体４２に比べると目が細かく、それによってＳＳを捕捉するようになっている（本実施形態では、例えば直径が５〜１０ｍｍの短い円筒形の担体４９を使用）。

担体４９に捕捉されたＳＳ中の有機物は、その場で担体４９に保持された微生物によって分解され、徐々に微細化，低分子化が進むに従い担体層内を通過して槽内を上昇していく。その過程でさらに微生物によって低分子有機物の分解が進み、有機酸を経てバイオガス化され、最上部の廃液５０に含まれる固形物は無機物中心の微細なＳＳと、担体４９から剥がれて流れ出した少量の微生物体となる。

このように担体層の下部から上部へと微生物の種類が変化しており、各々の分解生成物をリレーしながら分解が進行する。このとき第２槽４８へ導入される消化廃液４５中の有機物は、第１槽４１では分解しきれなかったもの、すなわち比較的分解されにくいものであるため、必要に応じて第１槽４１よりも第２槽４８の方の担体のサイズを大きめとし、第２槽４８内での滞留時間を長めにする場合もある。

第２槽４８の消化廃液５０は、廃液ライン５１により濃縮装置３２へ送られ、無機系凝集剤５２を添加して固液分離する。濃縮分離水３４は排水処理設備３５で処理し、処理水２３として放流する。処理水２３は、調整水等としてプロセス内での再利用も可能である。濃縮装置３２と排水処理装置３５からは少量の余剰汚泥３３，３６が排出される。

第２槽４８の廃液５０は、ＳＳ濃度が低く、ＳＳ中の有機物濃度も下がっているため、濃縮装置３２において安価な無機系の凝集剤を使用することができ、ランニングコストを大幅に下げることができる。

また、固定床メタン発酵槽を多段にすることにより、各々に導入される処理対象液に最適な菌が優勢に繁殖するから分解速度が向上し、処理量が同じであれば、トータルの発酵槽サイズは従来技術の１槽よりも小さくでき、装置コストも下げることができ、発酵槽の加温に必要なエネルギーも減らせる。さらに廃液中のＳＳ分が少ない分、余剰汚泥の排出量も少なくなり、コンポスト化，焼却処理するべき最終処理物の量が減り、その分バイオガスの発生量を増加させることができる。

図２は、本発明の第２実施形態に係るメタン発酵システムの系統図である。同図に示すように、第１槽４１と第２槽４８の間に、再可溶化装置５３を設けることにより、より粒子の大きいＳＳや、ＳＳ濃度の高い液を高度に分解することが可能となる。高度な可溶化処理を第１槽４１よりも上流に行う場合に比べて、第１槽４１よりも下流で行った方が、可溶化対象となる有機物量が減少して、可溶化効率が良い。

また，第２槽４８の廃液ライン５１に自動ＳＳ測定装置５４を設置し，廃液５０のＳＳ濃度が目標値を超える場合にのみ、再可溶化装置５３を作動させる方法を採れば、再可溶化装置５３を常時運転するよりも低コストでの運用が可能である。

図３は、本発明の第３実施形態に係るメタン発酵システムの系統図である。同図に示すように、可溶化槽４から可溶化液排出ライン６より抜き出した可溶化液の一部を切替弁７,ライン５５により分級装置５６へ移送する。分級装置５６で粗大粒子を除去した微粒子を含む可溶化液をライン５７により再可溶装置５３へ導入する。

可溶化液には、可溶化，酸生成を行う様々な菌が含まれているため、再可溶化装置５３において消化廃液４５の可溶化が促進される。このとき再可溶化装置５３において３５℃程度に加温し、若干の空気を吹き込むことにより、可溶化をさらに促進することができる。分級装置５６で除去された粗大粒子は、ライン５８を経由して可溶化槽４へ戻される。

なお、可溶化槽４がバッチ運転の場合、可溶化による有機酸生成により可溶化液のｐＨ値が徐々に低下し、一般にｐＨ値３．５程度で止まる。これはｐＨ値が低下しきると、可溶化、有機酸生成を行う菌が死んだり、活性が低下するためである。このため再可溶化装置５３で再可溶化に使用する可溶化槽４からの可溶化液の抜き出しは、再可溶化装置５３ヘ有機性廃棄物１を投入した後、有機酸生成により可溶化液のｐＨ値が例えば４．５〜５．５に低下している途中に行うことが望ましい。

本実施形態は、特別な微生物,薬品,装置を使用しないため、低コストで簡便に可溶化を促進し、後流のメタン発酵槽における分解率を向上させることができる。

図４は、本発明の第４実施形態に係るメタン発酵システムの系統図である。同図に示すように、第２槽４８に循環ライン５９，循環ポンプ６０を設置し、第１槽４１と同じように液循環を行う。滞留時間は消化廃液供給量と発酵槽サイズによって決まるが、循環を行うことにより充填層における流速を変えることができるため、担体からの菌体やＳＳの剥離量を調節できる。よってより好適な条件での運転が可能であり、発酵の効率を向上させることができる。

本発明の第５実施形態では、前記第２〜４実施形態を組み合わせ、第１槽４１の後で再可溶化を行い、かつ第２槽４８で循環を行う。

本発明の第６実施形態として、固定床型メタン発酵槽は２段とは限らず、処理対象物の性状に応じて３段以上の多段としても構わない。槽によって循環の有無，温度，雰囲気を変えるなどして、各槽に最適な微生物を優勢に繁殖させることによリ全体として分解率が向上し、最終的な余剰汚泥量を減らすことができる。また適宜、槽の間に高度可溶化装置を設置することにより、さらに効率を向上できる。

本発明の第１実施形態に係るメタン発酵システムの系統図である。 本発明の第２実施形態に係るメタン発酵システムの系統図である。 本発明の第３実施形態に係るメタン発酵システムの系統図である。 本発明の第４実施形態に係るメタン発酵システムの系統図である。 従来技術に係るメタン発酵システムの系統図である。 他の従来技術に係るメタン発酵システムの系統図である。

符号の説明

１：有機性廃棄物、２：破砕機、３：調整水、４：可溶化槽、５：破砕ポンプ、６：可溶化液排出ライン、７：切替弁、８：可溶化液循環ライン、９：可溶化液移送ライン、１０：貯槽、１１：ポンプ、１２：可溶化液供給ライン、１３：固定床型メタン発酵槽、１４：担体、１５：バイオガスライン、１６：ガスホルダ、１７：循環ライン、１８：ポンプ、１９：消化廃液、２０：消化廃液排出ライン、２１：排水処理装置、２２：分離膜、２３：排水ライン、２４：余剰汚泥、３１：高分子系凝集剤供給ライン、３２：凝縮装置、３３：余剰汚泥、３４：濃縮分離液、３５：排水処理装置、３６：余剰汚泥、４１：第１固定床型メタン発酵槽、４２：担体（粗目）、４３：循環ライン、４４：ポンプ、４５：消化廃液、４６：消化廃液ライン、４７：ポンプ、４８：第２固定床型メタン発酵槽、４９：担体（細目）、５０：廃液、５１：廃液ライン、５２：無機高系凝集剤供給ライン、５３：再可溶化装置、５４：ＳＳ測定器、５５：ライン、５６：分級装置、５７：ライン、５８：ライン、５９：循環ライン、６０：ポンプ。

Claims (9)

1. 有機性廃棄物を可溶化した後にメタン発酵菌固定型発酵槽に供給してメタン発酵して、メタンを含むバイオガスを発生させるメタン発酵システムにおいて、
   前記メタン発酵菌固定型発酵槽を２槽以上直列に接続し、
   第１槽目の前記メタン発酵菌固定型発酵槽に前記有機性廃棄物の可溶化液を供給して、可溶化液中の有機酸を分解してバイオガス化し、
   第２槽目以降のメタン発酵菌固定型発酵槽に、前段の発酵槽の消化廃液を導入し、残存未分解有機物を分解してバイオガス化することを特徴とするメタン発酵システム。
2. 請求項１記載のメタン発酵システムにおいて、前記第２槽目以降のメタン発酵菌固定型発酵槽に供給する消化廃液を、発酵槽に供給する前に再度可溶化処理を行うことを特徴とするメタン発酵システム。
3. 請求項１または請求項２記載のメタン発酵システムにおいて、前記有機性廃棄物の可溶化液の一部から粗大粒子を除去した粗大粒子除去液を、前記第２槽目以降のメタン発酵菌固定型発酵槽へ供給する消化廃液に添加して再度可溶化処理を行うことを特徴とするメタン発酵システム。
4. 請求項３記載のメタン発酵システムにおいて、前記再度可溶化に使用するための有機性廃棄物の可溶化液は、その可溶化液のｐＨ値が低下しきる前に採取することを特徴とするメタン発酵システム。
5. 請求項２記載のメタン発酵システムにおいて、前記第２槽目以降の廃液中の浮遊物質の濃度を測定し、その結果が所定値よりも高い場合にのみ、再度可溶化処理を行うことを特徴とするメタン発酵システム。
6. 請求項１記載のメタン発酵システムにおいて、前記菌固定型メタン発酵槽として、槽内に微生物を保持する担体を充填した固定床型発酵槽を用いることを特徴とするメタン発酵システム。
7. 請求項６記載のメタン発酵システムにおいて、前記菌固定型メタン発酵槽として、より下流の発酵槽ほど前記担体の目開きを細かくすることを特徴とするメタン発酵システム。
8. 請求項１または６記載のメタン発酵システムにおいて、前記菌固定型メタン発酵槽内で液が不均質にならないよう攪拌することを特徴とするメタン発酵システム。
9. 請求項８記載のメタン発酵システムにおいて、前記菌固定型メタン発酵槽内での液の攪拌が、その菌固定型メタン発酵槽の可溶化液流入部と消化廃液排出部分の間で行う液の循環であることを特徴とするメタン発酵システム。
   
   

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