JP2005224772A

JP2005224772A - 殺菌装置を備えた発酵装置

Info

Publication number: JP2005224772A
Application number: JP2004038700A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Yamada; 淳山田; Yui Ogawa; ゆい小川; Kazuaki Mizukami; 和明水上; Yasuto Kondo; 康人近藤
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】嫌気性発酵槽内への雑菌の混入を防止すると共に、水素発酵、及びメタン発酵に好適な温度を得ることができる発酵装置を提供することを目的とする。
【解決手段】発酵装置１は、有機性廃棄物の前処理を行う前処理装置２と、水素生成菌によって水素を生成する水素発生装置３と、メタン生成菌によってメタンを生成するメタン発生装置４と、殺菌手段１００、２００、３００と、排水処理装置６と、により構成される。殺菌手段１００、２００、３００では有機性廃棄物の加熱殺菌、及び冷却が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、殺菌装置を備えた水素発酵及びメタン発酵に用いられる発酵装置に関する。

近年の世界的な産業経済活動規模の拡大にともない、地球レベルでの環境破壊が重要な問題となっている。なかでも、地球温暖化問題は人類のみならず、地球そのものにも著しい悪影響を与えることが懸念されている。地球温暖化の直接的な原因は、近年の大量の化石燃料の燃焼に伴う二酸化炭素排出量の増加とされているため、二酸化炭素排出量を地球規模で継続的に削減することが急務である。また、近年の有機性廃棄物の増加に伴い、その焼却処理に伴う二酸化炭素やダイオキシン等の有害物質の発生の問題も深刻化しており、早急な対策が望まれている。

しかし二酸化炭素排出量の増加は多年にわたる経済活動の結果であるため、受け入れられるべき二酸化炭素排出量の削減方法は現行の経済活動を阻害しない方法でなければならない。

そこで、二酸化炭素の放出を抑制する新たな技術の探索、生物機能を利用した水素等のエネルギー源創生、二酸化炭素の固定・分解等の研究が必要となってきた。なかでも、水素は燃料電池として高い効率で電気エネルギーへ変換できること、発熱量が石油の３〜４倍であること、燃焼後は水のみが生じるため、環境に何ら悪影響を及ぼさないことなど多くの利点を有している。

生物機能を利用した水素の生産はこれまでに種々試みられてきた。例えば、特許文献１には、光合成能と水素生産能を有する緑藻を明好気条件下培養し、光合成で蓄積した物質を暗微好気条件下分解して、水素を発生させる方法が開示されている。しかしながら、係る生物を用いた水素発酵方法では、外部からの雑菌が水素生成槽内に混入すると水素生成菌が駆逐され、水素発生効率が悪化するという問題がある。

また、特許文献２には、生物機能を利用した水素及びメタンを発生させる装置において、嫌気性発酵槽内の混合液の一部を引き抜き、その引き抜いた混合液を加熱、殺菌してから前記嫌気性発酵槽に循環、返送させることが開示されている。しかしながら、このような加熱殺菌方法では、前記嫌気性発酵槽内の混合液を引き抜き、循環させる循環設備が必要でコスト高となり、また、加熱装置しか備えていないため、過加熱等の問題があり、嫌気性発酵における好適な温度を得ることが困難であり、温度調整を行うためには、加熱装置の他に冷却装置も必要となる問題があった。尚、微生物によって水素やメタンを発生させる嫌気性発酵における好適な温度とは、水素発酵においては＋３７℃、メタン発酵においては＋３５℃（中温）、＋５５℃（高温）である。
特開昭５８−６０９９２号公報特開平１０−８５７８４号公報

本発明は、コストを抑制しつつ、嫌気性発酵槽内への雑菌の混入を防止すると共に、水素発酵、及びメタン発酵に好適な温度を得ることができる発酵装置を提供することを目的とする。

本発明は、係る従来の問題を踏まえ、より効率的且つ低コストで水素発酵及びメタン発酵を行うことができる発酵装置を開発したものである。

本発明の発酵装置は、該有機物を分解して気体を発生させる発酵槽と、前記有機物を含む被処理液を殺菌する殺菌手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２の発明の発酵装置は、上記において殺菌手段は、発酵槽の前段及び／又は後段に配設したことを特徴とする。

請求項３の発明の発酵装置は、請求項１又は請求項２の発明の前記有機物を分解して気体を発生させる発酵槽は、有機物を分解して水素を発生させる水素生成菌が収容される水素発酵槽、又は有機物を分解してメタンを発生させるメタン生成菌が収容されるメタン発酵槽であることを特徴とする。

請求項４の発明の発酵装置は、有機物を分解して水素を発生させる水素生成菌が収容される水素発酵槽と、前記有機物を分解してメタンを発生させるメタン生成菌が収容されるメタン発酵槽と、前記有機物を含む被処理液を殺菌する殺菌手段と、を備え、前記水素発酵槽の後段にメタン発酵槽を設けたことを特徴とする。

請求項５の発明の発酵装置は、上記において殺菌手段は、水素発酵槽の前段及び／又は後段と、前記メタン発酵槽の前段及び／又は後段と、に配設されたことを特徴とする。

請求項６の発明の発酵装置は、請求項１乃至５の発明の殺菌手段は、有機物を含む被処理液を加熱する手段を備えたことを特徴とする。

請求項７の発明の発酵装置は、請求項１乃至６の発明の殺菌手段は、記被処理液を加熱した後、冷却する手段を備えたことを特徴とする。

請求項８の発明の発酵装置は、請求項６又は請求項７の発明の殺菌手段は、圧縮機、放熱部、減圧装置及び吸熱部等から構成される冷媒回路を備え、前記吸熱部にて前記被処理液から吸熱し、前記放熱部にて前記被処理液に放熱するヒートポンプ装置であることを特徴とする。

請求項９の発明の発酵装置は、請求項８において殺菌手段は、冷媒回路の放熱部で前記被処理液を加熱して殺菌し、冷媒回路の吸熱部で前記被処理液を冷却することを特徴とする。

本発明によれば、コストを抑制しつつ、嫌気性発酵槽内への雑菌の混入を防止すると共に、水素発酵、及びメタン発酵に好適な温度を得ることができる発酵装置が提供される。また、本発明によれば、水素及びメタンの発生効率を高めることができる。

本発明は、係る従来技術を解決するために、嫌気性発酵槽内への雑菌の混入を防止しながら、水素発酵、及びメタン発酵に好適な温度を得ることができる発酵装置を提供することを目的とする。以下に図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。

図１は本発明を適用した発酵装置の一実施例としての殺菌装置を備えた発酵装置の概略構成図を示している。本実施例の発酵装置１は、有機性廃棄物や有機性排水から嫌気性微生物又は通性嫌気性微生物のはたらきにより水素やメタンを発生させ、この水素やメタンを図示しない回収装置により回収可能な様に構成される。発酵装置１は、食品廃棄物（生ゴミ）若しくは家畜し尿等の有機性廃棄物や有機性排水（以下、有機性被処理液とする）の前処理を行う前処理装置２と、該前処理装置２の後段に配置され、前処理装置２から排出された有機性被処理液を、ヒートポンプを用いて加熱、殺菌及び冷却する殺菌装置１００と、該殺菌装置１００の後段に配置され、殺菌装置１００から排出された有機性被処理液が供給され、該有機性被処理液中の有機物を微生物によって分解し水素を発生させる水素発生装置３と、該水素発生装置３の後段に配置され、水素発生装置３から排出された有機性被処理液を、加熱、殺菌及び冷却するヒートポンプを用いた殺菌装置２００と、該殺菌装置２００の後段に配置され、殺菌装置２００から排出された有機性被処理液が供給され、該有機性被処理液中の有機物を微生物によって分解しメタンを発生させるメタン発生装置４と、該メタン発生装置４の後段に配置され、メタン発生装置４から排出された有機性被処理液を、加熱、殺菌及び冷却するヒートポンプを用いた殺菌装置３００と、該殺菌装置３００の後段に配置され、殺菌装置３００から排出された有機性被処理液中の窒素化合物やリン等を除去する排水処理装置６と、水素発生装置３及びメタン発生装置４の補助加熱装置であるヒータ５と、により構成される。

前処理装置２は、有機性被処理液中の固形分を粉砕又はスラリー状にするなどして、その後段に配設される殺菌装置１００、水素発生装置３、殺菌装置２００、メタン発生装置４、殺菌装置３００、及び排水処理装置６における配管や熱交換器等での前記固形分による詰まりを防止すると共に、有機性被処理液中の有機物を微細化及び変成させるなどにより、水素発生装置３、又はメタン発生装置４での微生物による有機物の分解効率を向上させ、水素及びメタンの発生効率を向上させるために設置され、例えば図２の２Ａに示されるようにディスポーザ１０、沈殿分離槽２０、固液分離装置３０及びコンポスト装置４０により構成されるものや、図３の２Ｂのようにスラリー生成機を用いたものが使用される。

水素発生装置３内には、図示しない水素生成能を有する微生物である嫌気性の水素生成菌、又は通性嫌気性の水素生成菌が導入されている。嫌気性の水素生成菌としては、クロストリジウム属(Clostridium)に属する菌が使用される。また、通性嫌気性の水素生成菌としては、通性嫌気性細菌であるセルロール分解菌（Paenibacillus(Bacillus) polymyxa）、ペニバチルス・マセランス(P. macerans)、エンテロバクター・エロゲネス(Enterobacter aerogenes)やエンテロバクター・クロアカエ(Enterobacter cloacae)等のエンテロバクター属細菌、大腸菌(Escherichia coli)、クレブシエラ・ニューモニア(Klebsiella pneumoniae)、シュードモナス・スツッツェリ(Pseudomonas stutzeri)等が使用可能である。

尚、水素発生装置３で発生した水素ガスは、所定のボンベ、水素吸蔵合金などに収容されるか、又は図示しない水素導入管により搬送され、例えば燃料電池の燃料として用いられる。

メタン発生装置４内には、図示しないメタン生成能を有するメタン生成菌が導入されている。メタン生成菌としては、メタノバクテリウム（Methanobacterium）属、メタノコッカス（Methanococcus）属、メタノザルチナ（Methanosarcina）属、メタノシータ（Methanosaeta）属、メタノハロフィルス（Methanohalophillus）属に属する菌が使用される。

尚、メタン発生装置４で発生したメタンガスは、所定のボンベなどに収容されるか、又は図示しないメタン導入管により搬送され、図示しない改質器で改質され、例えば燃料電池の燃料として用いられる。

図４は、殺菌装置１００の概略構成図である。殺菌装置１００は、前処理装置２から排出された有機性被処理液が供給され流通される部分である流路部１００Ａと、圧縮機１０１等により構成される閉鎖的な回路であり、その回路内部には冷媒が封入された冷媒回路１００Ｂと、により構成される。

流路部１００Ａには、ポンプ１１１と、流路１１０と、熱回収用熱交換器１１２と、加熱用熱交換器１１５と、冷却用熱交換器１１６と、温度センサ１２０、１２１、１２３とが備えられる。

流路部１００Ａにおいて、前処理装置２から排出された有機性被処理液は、供給口から供給され、流路１１０を介して熱回収用熱交換器１１２の吸熱側１１２Ａ、加熱用熱交換器１１５の加熱部１１３、熱回収用熱交換器１１２の放熱側１１２Ｂ、冷却用熱交換器１１６の冷却部１１４とに順次搬送され、排出口から排出された後、後段の水素発生装置３に供給される。尚、熱回収用熱交換器１１２は、吸熱側１１２Ａを通る殺菌処理前の有機性被処理液と、加熱部１１３で殺菌された放熱側１１２Ｂを通る殺菌処理後の有機性被処理液との間で熱交換を行うものである。また、温度センサ１２０は冷却用熱交換器１１６の冷却部１１４と排出口との間に、温度センサ１２１は加熱用熱交換器１１５の加熱部１１３と熱回収用熱交換器１１２の放熱部１１２Ｂとの間に、温度センサ１２３は、熱回収用熱交換器１１２の吸熱部１１２Ａと加熱用熱交換器１１５の加熱部１１３との間に夫々設置され、流路部１００Ａの各所における有機性被処理液の温度を検出するものである。

また、冷媒回路１００Ｂには、圧縮機１０１と、加熱用熱交換器１１５と、空気放熱器１０５と、減圧手段としての膨張弁１０３と、冷却用熱交換器１１６と、空気熱交換器１０６と、冷媒配管１０９と、温度センサ１２２とが備えられる。

冷媒回路１００Ｂは、冷媒配管１０９を介して圧縮機１０１と、加熱用熱交換器１１５の放熱部１０２と、空気熱交換器１０５と、膨張弁１０３及び冷却用熱交換器１１６の吸熱部１０４等が順次接続されて環状の冷媒回路が形成される。また、吸熱部１０４の出口から圧縮機１０１の吸込側に至る冷媒回路中には冷媒と空気とを熱交換させるための空気熱交換器１０６が設けられており、この空気熱交換器１０６の近傍には、この空気熱交換器１０６に空気を通風するための熱交換用の送風機１０６Ｆが設置されている。尚、空気放熱器１０５は放熱部１０２の出口側で、膨張弁１０３との間に設けられ、放熱部１０２からの冷媒と空気とを熱交換させるための補助放熱部であり、近傍には冷却用送風機１０５Ｆが設置されている。また、温度センサ１２２は、圧縮機１０１の吐出側で放熱部１０２との間に設置され、圧縮機１０１の冷媒吐出温度を検出するものである。

更に、１０７は冷却用熱交換器１１６の吸熱部１０４をバイパスして冷媒を空気熱交換器１０６に流すバイパス回路である。このバイパス回路１０７への冷媒流通は流路制御装置としての電磁弁１０８にて制御さている。即ち、この電磁弁１０８は膨張弁１０３にて減圧された冷媒を前記吸熱部１０４に流すか、バイパス回路１０７に流すかを制御している。そして、温度センサ１２０にて検出される温度が、水素発生の至適温度＋３７℃よりも低い温度となった場合に、電磁弁１０８が開放されバイパス回路１０７に冷媒が流され、これにより冷却部１１４で有機性被処理液が過剰に冷却されることを防止できる。

ここで、放熱部１０２は、冷媒回路１００Ｂを流れる冷媒が、加熱部１１３を流れる有機性被処理液と対向流となるように設けられる。同様に、吸熱部１０４は有機性被処理液が循環する冷却部１１４と交熱的に設けられている。尚、圧縮機１０１は密閉容器内に電動要素（モータ）とそれにより駆動される回転圧縮要素とを収納して成るロータリコンプレッサである。尚、本実施例において冷媒回路内には、冷媒として可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ₂）が充填されている。また、二酸化炭素を冷媒として用いた場合には、従来のフロン等の冷媒に比べてより高温が得られ、特に、前記加熱部１０２において有機性被処理液の殺菌に必要な高温、例えば＋９０℃程度を容易に得ることができる。

また、１２１は加熱部１１３から流出した有機性被処理液の温度を検出する温度センサであり、ここで検出される有機性被処理液の温度に基づき、ポンプ１１１が制御されている。１２０は冷却部１１４から流出した有機性被処理液の温度を検出する温度センサであり、この検出温度に基づき、空気放熱器１０５の送風機１０５Ｆの運転制御が行われている。

また、１２３は加熱部１１３に流入する有機性被処理液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ１２３に基づき、圧縮機１０１の運転が制御されている。１２２は圧縮機１０１から出た冷媒の温度を検出する冷媒温度センサで、当該冷媒温度センサ１２２の出力に基づき膨張弁１０３の開度制御が行われている。

また、水素発生装置３とメタン発生装置４との間に設置される殺菌装置２００は、上記した殺菌装置１００と同じ構成であるが、この殺菌装置２００においては、図４で示す温度センサ１２０にて検出される有機性被処理液の温度が、メタン発生の至適温度である＋３５℃（中温時）若しくは＋５５℃（高温時）よりも低くなった場合に、電磁弁１０８が開放されバイパス回路１０７に冷媒が流れる。これにより冷却部１１４で有機性被処理液が過剰に冷却されることを防止できる。

更に、メタン発生装置４と排水処理装置５との間に設置される殺菌装置３００も、上記殺菌装置１００や殺菌装置２００と同じ構成であるが、この殺菌装置３００においては、温度センサ１２０にて検出される有機性被処理液の温度が、所定の凍結危惧温度、例えば＋５℃以下となった場合に、電磁弁１０８が開放されバイパス回路１０７に冷媒が流れる。これにより、有機性被処理液が凍結し、経路が破損するのを防ぐことができる。

排水処理装置６は、殺菌装置３００の後段に設置されるもので、有機性被処理液中の窒素化合物やリンなどが環境中に排出されることを防ぐ目的で使用される。尚、排水処理装置６としては、図７に示す電解装置６Ａ若しくは図８に示す生物装置６Ｂの２つの方式による処理装置を採用することが可能である。

以上の構成により、この場合の発酵装置１の動作について図１乃至図８を用いて説明する。

まず、前処理装置２に、食品廃棄物（生ゴミ）若しくは家畜し尿等の有機性被処理液が供給される。

次に前処理工程を説明する。前処理装置２Ａにおいて、有機性被処理液は、固形分と液体分とに分離されるか、又はスラリー状される。

ディスポーザ１０には、有機性被処理液が供給される。有機性被処理液中の固形分はディスポーザ１０により粉砕、微細化され、沈殿分離槽２０および固液分離装置３０により固形分と液体分とに分離される。液体分（ＢＯＤ（生物化学的酸素要求量）５５００ｍｇ／Ｌ程度）は、後段の殺菌装置１００に供給される。一方、固形分はコンポスト装置４０によりコンポスト化され、たとえば堆肥として利用される。

上記ディスポーザ１０による処理の代わりに、粉砕処理や低分子化処理（熱、酸化分解等）等を採用してもよい。また、図３の前処理装置２Ｂのようにスラリー生成機を用いて、有機性被処理液をスラリー状にした後、それを後段の殺菌手段１００等に供給しても良い。

これにより、有機性被処理液は、固形分と液体分とに分離、又はスラリー状とされることから、その後段に配置された殺菌装置１００、水素発生装置３、殺菌装置２００、メタン発生装置４、殺菌装置３００、及び排水処理装置６での配管や熱交換器部分等で発生する食品かすなどの固形分による詰まりを防止することができ、更に、水素発生装置３、又はメタン発生装置４での微生物による有機物の分解効率が向上し、水素及びメタンの発生効率が向上する。

前処理装置２から排出された有機性被処理液は、殺菌装置１００に供給される。この殺菌装置１００では、有機性被処理液を加熱により殺菌すると共に、該有機性被処理液中の有機物が加熱され分解されるため、後段に設置される水素発生装置３やメタン発生装置４での水素及びメタン発生効率が向上する。

殺菌装置１００に供給された有機性被処理水は、前述の如く温度センサ１２１にて検出される液の温度（温度Ｂ）が＋９０℃となるように、経路内を例えば２Ｌ／ｍｉｎの割合で流れるようにポンプ１１１が運転されている。即ち、有機性被処理液の温度（温度Ｂ）が＋９０℃より高い場合には経路内を流れる冷媒の流速（割合）が２Ｌ／ｍｉｎより速くなるようにポンプ１１１の回転数を上昇させる。また、該液の温度（温度Ｂ）が＋９０℃より低い場合には経路内を流れる冷媒の流速（割合）が２Ｌ／ｍｉｎより遅くなるようにポンプ１１１の回転数を低下させる。このように、温度センサ１２１の出力に基づき、ポンプ１１１の運転を制御することで、有機性被処理液の温度（温度Ｂ）を予め設定した所定の温度（本実施例では、＋９０℃）に維持することができ、これにより、加熱部１１３における有機性被処理液の加熱殺菌を確実に行うことが可能となる。

そして、有機性被処理液は、ポンプ１１１により、熱回収用熱交換器１１２の吸熱側１１２Ａに流入し、ここで該有機性被処理液は加熱処理された後の当該有機性被処理液から熱を奪い、加熱作用を受ける。そして、熱回収用熱交換器１１２の吸熱部１１２Ａから流出した有機性被処理液は、加熱部１１３に搬送される。加熱部１１３では、上述した如く冷媒回路の放熱部１０２と熱交換することにより、有機性被処理液は＋９０℃まで昇温される。

尚、放熱部１０２から加熱部１１３に与えられる熱は超臨界圧力にまで圧縮され、凝縮することのない高温冷媒によるものであるため、加熱部１１３の入口から出口まで略均一の割合で有機性被処理液を昇温させることができる。そのため、冷媒と当該液との温度差が加熱部１１３の入口から出口に渡って略均一化され、熱交換時のエネルギーロスが少なくなり、効率的な加熱殺菌を実現することができるようになる。

そして、加熱部１１３にて加熱された有機性被処理液は、熱回収用熱交換器１１２の放熱側１１２Ｂを通り、ここで前記加熱殺菌処理前の有機性被処理液と熱交換することにより熱を奪われて、冷却される。その後、該液は冷却部１１４内に流入し、上述した如く冷媒回路の吸熱部１０４の冷媒と熱交換することにより、更に冷却され、所定の温度、例えば上述した如く水素発酵至適温度＋３７℃にまで冷却される。

ここで、冷却部１１４における有機性被処理液の冷却温度は、冷却部１１４から流出した当該有機性被処理液の温度を検出する温度センサ１２０に基づき空気放熱器１０５の送風機１０５Ｆの運転を制御することにより、精度良く制御される。即ち、温度センサ１２０にて検出される有機性被処理液の温度（温度Ａ）が例えば＋３７℃となるように送風機１０５Ｆの運転が制御される。そして、有機性被処理液の温度（温度Ａ）が＋３７℃より高い場合には送風機１０５Ｆの回転数を上昇させて、空気放熱器１０５において冷媒をより放熱させると共に、＋３７℃より低い場合には送風機１０５Ｆの回転数を下げて空気放熱器１０５における冷媒の放熱が少なくなるように制御される。

これにより、有機性被処理液の温度（温度Ａ）を＋３７℃に維持することができる。このような構成の殺菌装置１００を用いることにより、水素発生装置３への雑菌の混入が防止でき、水素生成菌が、雑菌により駆逐されることがなくなるので、効率良く、また長期間に渡って水素発生を維持できる。また、殺菌装置１００における加熱により、有機性被処理液に含まれる有機物の分解も促進されるため、水素発生装置３における水素生成菌による水素発酵反応が促進される。更に、殺菌装置１００にヒートポンプ装置を用いたことにより、加熱殺菌後の液の冷却も同時に可能であり、水素発生装置３での水素発生に好適な温度に有機性被処理液の温度を制御できることから、低コストで、しかも装置の小型化も実現できる。

そして殺菌装置１００から排出された有機性被処理液は、水素発生装置３に供給される。

水素発生装置３では、上記した水素生成菌、例えば通性嫌気性の水素生成菌の一種であるエンテロバクター・エロゲネス（Enterobactor aerogenes）が、有機性被処理液中の有機物を分解し、水素とメタン原料有機物となる有機酸やアルコールを生成される。この場合の分解対象となる有機物をグルコース（Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆）とすると、グルコースは水素生成菌の作用により、反応式（１）にて示す化学反応に基づいて主として酢酸（ＣＨ₃ＣＯＯＨ）と二酸化炭素（ＣＯ₂）と水素（Ｈ₂）に分解される。
Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆＋２Ｈ₂Ｏ→２ＣＨ₃ＣＯＯＨ＋２ＣＯ₂＋４Ｈ₂↑ ・・・（１）

そして、これら水素発生装置３で発生した水素ガスは、所定のボンベ、水素吸蔵合金などに収容されるか、又は図示しない水素導入管により搬送され、例えば燃料電池の燃料として用いられることになる。

一方、前記水素発生装置３で生成された酢酸を含むメタン原料有機物（有機酸）は殺菌装置２００を経て、メタン発生装置４に供給される。

この殺菌装置２００では、前記殺菌装置１００の場合と同様な動作が行われる。即ち、水素発生装置３から導入された有機性被処理液が、加熱、殺菌及び冷却される。尚、殺菌装置２００では、冷却部１１４にて、後段のメタン発生装置４におけるメタン発生の至適温度、＋３５℃（中温）若しくは＋５５℃（高温）に制御される。

このようにして、水素発酵からメタン発酵への２相式システムの各発酵槽の中間に、殺菌装置２００を設けたことにより、後段側のメタン発生装置４内に前記水素生成菌が混入することが防止でき、効率的且つ安定したメタン発酵を行うことができるようになる。

そして殺菌装置２００から排出された有機性被処理液は、メタン発生装置４に供給される。

メタン発生装置４に供給された有機性被処理液や前記有機酸はメタン生成菌を用いて分解され、メタンと二酸化炭素が発生する。この微生物によるメタン発生の原料となる有機酸を反応式（１）で生成した２ｍｏｌの酢酸とすると、酢酸はメタン生成菌の作用により、以下に示す反応式（２）に基づいてメタン（ＣＨ₄）と二酸化炭素（ＣＯ₂）に分解される。
２ＣＨ₃ＣＯＯＨ→２ＣＨ₄＋２ＣＯ₂ ・・・（２）

そして、これらメタン発生装置４で発生したメタンガスは、所定のボンベなどに収容されるか、又は図示しないメタン導入管により搬送され、図示しない改質器で改質され、例えば燃料電池の燃料として用いられることになる。

このようにして水素発生装置３で水素を発生させると共に、メタン原料有機物を生成し、メタン発生装置４でメタン原料有機物を分解してメタンを発生させると共に有機性被処理液中のＢＯＤを低減できる。

尚、水素発生装置３やメタン発生装置４に供給される有機性被処理液は、殺菌装置１００や殺菌装置２００により、水素発生やメタン発生に好適な温度となっており、水素発生装置３やメタン発生装置４では温度制御等は必要ないが、冬季等には補助的な加熱源として、ヒータ５を用いてもよい。

その後、メタン発生装置４から排出された有機性被処理液は、殺菌装置３００に供給される。

この殺菌装置３００では、前記殺菌装置１００や殺菌装置２００の場合と同様な動作が行われる。即ち、水素発生装置３から導入された有機性被処理液が、加熱、殺菌及び冷却される。これにより、メタン発生装置４の廃液中に含まれる有害な微生物、例えば遺伝子操作菌等が、環境中に放出される危険が回避でき、より安全な発酵装置をなすことができる。

尚、有機性被処理液中に、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素、アンモニア性窒素又は有機性窒素等の所謂窒素化合物やリン等が含まれている場合には、有機性被処理液の河川や湖沼への排出による川や湖等の富栄養化が危惧されることは周知である。そこで、殺菌装置３００の後段には、有機性被処理液中の窒素化合物等を除去できる排水処理装置６が設置される。また、排水処理装置６では、有機性被処理液中のＢＯＤが高い場合には、該ＢＯＤを減少させることも可能である。

排水処理装置６としては、電解装置６Ａ若しくは生物装置６Ｂの２つの方式による処理装置を採用することが可能である。

電解装置６Ａは、電気化学反応を用いて、有機性被処理液中の窒素化合物を処理する装置である。この処理方法によれば、カソードにおいて有機性被処理液中の硝酸性窒素を亜硝酸性窒素を経てアンモニアへと還元させ、この生成されたアンモニアを、アノードで生じる次亜塩素酸と脱窒反応させることができる。

図７を用いて電解装置６Ａの実施形態を説明する。図７は電解装置６Ａの概要を示す説明図である。この電解装置６Ａは、処理槽６３と、該処理室６３内の被処理液中に少なくとも一部が浸漬するように対向して配置された一対の電極６１、６２と、該電極６１、６２に通電するための電源６４及び該電源を制御するための図示しない制御装置などから構成されている。尚、処理槽６３内には内部を撹拌するための撹拌手段を設けても良い。

前記電極６２は周期表の第VIII族、又は第VIII族を含む導電体、若しくは、同族、又は同族を含む導電体を導電体に被覆したものとして例えば、鉄（Ｆｅ）、若しくは、鉄を被覆した導電体により構成されており、前記電極６１は、例えば白金（Ｐｔ）又は白金とイリジウム（Ｉｒ）の混合物などの貴金属電極、又は、これらを被覆した不溶性の導電体から構成されている。尚、電極６２は本実施例では、周期表の第VIII族、又は第VIII族を含む導電体、若しくは、同族、又は同族を含む導電体を導電体に被覆したものとして、鉄（Ｆｅ）を用いているが、これ以外に、周期表第VIII族を含む導電体であれば、コバルト（Ｃｏ）やニッケル（Ｎｉ）等であってもよいものとする。また、電極６１は、貴金属電極又はこれらを被覆した不溶性の導電体により構成されているが、これ以外に、フェライトなどのセラミクス系導電体や炭素系導電体若しくはステンレス鋼などであってもよいものとする。尚、この実施例では白金とイリジウム（白金・イリジウム）の混合物を用いる。

以上の構成により、処理槽６３内に硝酸性窒素等の窒素化合物を含む有機性被処理液が貯留され、前記制御装置により電源６４をＯＮとし、電極６１に正電位を、電極６２に負電位を印加する（窒素処理ステップ。図７の左側）。これにより、電極６１はアノードとなり、電極６２はカソードとなる。

係る電位の印加により、カソードを構成する電極６２側では、アノードを構成する電極６１側において生成された電子が供給され、被処理液中に含まれる硝酸性窒素としての硝酸イオンが亜硝酸イオンに還元される（反応式（３））。更に、亜硝酸イオンに還元された硝酸性窒素は、カソードを構成する電極６２側において、電子が供給され、アンモニア（アンモニウムイオン）まで還元される（反応式（４））。以下に、反応式（３）、（４）を示す。
ＮＯ₃ ^-＋Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→ＮＯ₂ ^-＋２ＯＨ^-・・・（３）
ＮＯ₂ ^-＋５Ｈ₂Ｏ＋６ｅ^-→ＮＨ₃（ａｑ）＋７ＯＨ^-・・・（４）

一方、アノードを構成する白金・イリジウム電極６１側では、被処理液中に含有されるハロゲン化物イオンとしての塩化物イオンが電子を放出して塩素を生成する。そして、この塩素は水に溶解して次亜塩素酸を生成する。このとき、同時にオゾン、若しくは、活性酸素も生成される。尚、本実施例では、被処理水中に塩化物イオンが含有されているため、次亜塩素酸が生成されているが、これ以外に他のハロゲン化物イオンが被処理水中に含有されている場合には、次亜フッ素酸や次亜臭素酸などの他の次亜ハロゲン酸が生成されても同様の効果を奏するものとする。

ここで、被処理液中に含まれる塩化物イオン濃度が低い場合には、被処理水中に、例えば塩化物イオンや、ヨウ化物イオンや、臭化物イオンなどのハロゲンイオンや、これらハロゲンイオンを含む化合物、例えば、塩化ナトリウムや塩化カリウムなどを添加してもよい。即ち、被処理水の塩化ナトリウムの塩化物イオンを例えば１０ｐｐｍ以上４００００ｐｐｍ以下とする。

このような被処理液中に本来含まれる塩化物イオンや上述の如く添加した塩化ナトリウムは、アノードを構成する電極６１において酸化され、塩素を生成し（反応式（５）、（６）。塩化ナトリウムの場合で示す）、生成された塩素は、被処理水中で水と反応し、次亜塩素酸を生成する（反応式（７））。そして、生成された次亜塩素酸は、上述の反応式（４）で被処理水中に生成されたアンモニア（アンモニウムイオン）と反応し、複数の化学変化を経た後、窒素ガスに変換される（反応式（７）乃至（１０））。以下に、反応式（５）乃至反応式（１０）を示す。
ＮａＣｌ→Ｎａ⁺＋Ｃｌ^-・・・（５）
２Ｃｌ^-→Ｃｌ₂＋２ｅ^-・・・（６）
Ｃｌ₂＋Ｈ₂Ｏ→ＨＣｌＯ＋ＨＣｌ・・・（７）
ＮＨ₃＋ＨＣｌＯ→ＮＨ₂Ｃｌ＋Ｈ₂Ｏ・・・（８）
ＮＨ₂Ｃｌ＋ＨＣｌＯ→ＮＨＣｌ₂＋Ｈ₂Ｏ・・・（９）
ＮＨ₂Ｃｌ＋ＮＨＣｌ₂→Ｎ₂↑＋３ＨＣｌ・・・（１０）

また、被処理水中のアンモニア（アンモニウムイオン）は、アノードを構成する電極６１側で発生するオゾン、若しくは、活性酸素と反応Ｆに示す如く反応し、これによっても窒素ガスに脱窒処理される（（反応式（１１））。
２ＮＨ₃（ａｑ）＋３（Ｏ）→Ｎ₂↑＋３Ｈ₂Ｏ・・・（１１）

これにより、前記有機性被処理液内の硝酸性窒素、亜硝酸性窒素及びアンモニア性窒素などの窒素化合物を同一の処理槽２内において処理可能となる。

更に、前記有機性被処理液中にリンが含まれる場合には、電解装置６Ａを用いることで、リンの除去も可能となる。リンの除去は、前記窒素化合物の処理（窒素処理ステップ）の終了後、前記制御装置は各電極６１、６２に印加する電位の極性を切り換える（図７の右側。リン処理ステップ。尚、極性切り換え後も被処理水中では上記窒素処理反応が継続している）。これにより、電極６１はカソード、電極６２はアノードを構成することになる。これにより、被処理液は電気化学的手法としての電解処理が行われ、アノードを構成する電極６２は、上述の如き導電体にて構成されていることから、電極６２より鉄（II）イオンが被処理水中に溶出して、被処理液中において鉄（III）イオンにまで酸化される。

生成された鉄（III）イオンは、反応式（１２）に示す如く脱リン反応により、被処理水中のリン酸イオンと凝集沈殿し、水に難溶性のリン酸鉄を生成する。
Ｆｅ₃ ⁺＋ＰＯ₄ ^3-→ＦｅＰＯ₄↓・・・（１２）

これにより、被処理水中に含有されたリン化合物としてのリン酸イオンをリン酸鉄として沈殿処理することができる。

また、電子の供給のために被処理水中に鉄（II）イオンの状態で溶出し、電極上或いは被処理水中で酸化された鉄（III）イオンの一部は、この場合にカソードを構成する電極６１側において、再度電子が供給され、鉄（II）イオンに還元されて再びアノードを構成する電極６２側において酸化される。

また、前記窒素処理ステップにおいてカソードを構成する電極６２の表面に成長するスケール（ＣａＣＯ₃、Ｍｇ（ＯＨ）₂等）は、このリン処理ステップで電極６２がアノードとなることにより表面から落とされる。これにより、電極６２の電解性能を高く維持できるようになる。

更に、電解装置６Ａによれば、有機性被処理液中のＢＯＤを、電解により生成される次亜塩素酸による反応、又は電極表面での反応等により分解することが可能であり、有機性被処理液中のＢＯＤを減少させることができる。

また、図８は、排水処理装置６としての生物装置６Ｂの概略構造図である。生物装置６Ｂは、第１の処理槽としての硝化槽６５と、第２の処理槽としての脱窒槽６８と、により構成される。また、硝化槽６５内には、被処理液の曝気を行うための曝気装置６７が設置され、脱窒槽６６内には、被処理液の攪拌を行うための攪拌装置６８が設けられている。尚、本実施例では、攪拌装置６８は脱窒槽６６のみに設けられているが、硝化槽６５内に、曝気装置６８と共に設置されても良いものである。

生物装置６Ｂは、有機性またはアンモニア性窒素を含む有機性被処理液を、好気または嫌気処理により有機物を分解したのち、消化槽６５での硝化工程において曝気を行って硝化菌の作用により有機性またはアンモニア性窒素を亜硝酸性または硝酸性窒素に酸化し、脱窒槽６６での脱窒工程において被処理液を嫌気状態に保って脱窒菌の作用により亜硝酸性または硝酸性窒素を窒素ガスに還元して脱窒する方法である。

更に、生物装置６Ｂによれば、有機性被処理液中のＢＯＤを分解することが可能であり、有機性被処理液中のＢＯＤを減少させることができる。

このように、排水処理装置６として電解装置６Ａ若しくは生物装置６Ｂを前記第３の殺菌装置３００の後段に設けることにより、有機性被処理液中に、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素、アンモニア性窒素又は有機性窒素等の所謂窒素化合物やリン等が含まれている場合にも、有機性被処理液の河川や湖沼への排出によるが抑制され、更に、ＢＯＤも低減させることができることから、本発明の発酵装置の環境負荷を低減することが可能となる。

上記実施例１においては、水素発生装置３及びメタン発生装置４を同時に用いた２相式の発酵装置について実行するものとしたが、これに限らず、図５に示す如くメタン発生装置４を持たず、前処理装置２、水素発生装置３、殺菌装置１００及び殺菌装置２００、水素発生装置３の補助加熱装置であるヒータ５とで構成されるシステムとしても良いものとする。

この場合は、殺菌装置２００が、上記実施例１の殺菌装置３００の如き役割を果たすことにより、本実施例においても水素発生装置３の廃液中に含まれる有害な微生物、例えば遺伝子操作菌等が、系外に放出される危険が回避でき、より安全な発酵装置をなすことができる。また、上記実施例１の如く排水処理装置６を前記殺菌装置２００の後段に設けた場合には、環境中への窒素化合物等の排出を抑制され、更に、ＢＯＤも低減させることができることから、本発明の発酵装置の環境負荷を低減することが可能となり、より環境負荷の少ない発酵装置が提供される。

更に、上記実施例１においては、水素発生装置３及びメタン発生装置４を同時に用いた２相式の発酵装置について実行するものとしたが、これに限らず、図６に示す如く水素発生装置３を持たず、前処理装置２、メタン発生装置４、殺菌装置１００及び殺菌装置２００、メタン発生装置４の補助加熱装置であるヒータ５とで構成されるシステムとしても良いものとする。

この場合でも、上記実施例２の如く殺菌装置２００が、上記実施例１の殺菌装置３００の如き役割を果たすことにより、本実施例においてもメタン発生装置４の廃液中に含まれる有害な微生物、例えば遺伝子操作菌等が、系外に放出される危険が回避でき、より安全な発酵装置をなすことができる。また、上記実施例１の如く排水処理装置６を前記殺菌装置２００の後段に設けた場合には、環境中への窒素化合物等の排出を抑制され、更に、ＢＯＤも低減させることができることから、本発明の発酵装置の環境負荷を低減することが可能となり、より環境負荷の少ない発酵装置が提供される。

尚、実施例ではいずれも殺菌装置１００、殺菌装置２００、及び殺菌装置３００は同一の構造を有しているが、夫々の殺菌装置の処理容量や構成等は、必要により変更してもよいものである。

また、実施例はいずれも排水処理装置６として、電解装置６Ａ又は生物装置６Ｂを用いる構成であるが、これに限らず、電解装置６Ａと生物装置６Ｂとを組み合わせた装置、所謂電解装置６Ａと生物装置６Ｂを同時に設けたハイブリッド型として用いることもできる。尚、この場合の電解装置６Ａと生物装置６Ｂの設置順序であるが、どちらが前段であっても良いものである。

また、排水処理装置６は、有機性被処理液の状態や、発酵装置１の設置条件によっては設けなくても良い。

本発明の殺菌装置を備えた発酵装置の一実施形態を示した構成概略図である。本発明の前処理装置にディスポーザを用いた場合の概略図である。本発明の前処理装置にスラリー生成機を用いた場合の概略図である。本発明の殺菌装置としてのヒートポンプ式の加熱殺菌及び冷却装置の概略構成図である。本発明の殺菌装置を備えた発酵装置の他の実施形態を示した構成概略図である。本発明の殺菌装置を備えた発酵装置のさらに他の実施形態を示した構成概略図である。本発明の排水処理装置としての電解装置の概略図である。本発明の排水処理装置としての生物装置の概略図である。

符号の説明

１発酵装置
２、２Ａ、２Ｂ前処理装置
３水素発生装置
４メタン発生装置
５ヒータ
６排水処理装置
６Ａ電解装置
６Ｂ生物装置
１０ディスポーザ
２０沈殿分離槽
３０固液分離装置
４０コンポスト装置
５０スラリー生成機
６１、６２電極
６３処理槽
６４電源
６５硝化槽
６６脱窒槽
６７曝気装置
６８攪拌装置
１００、２００、３００殺菌装置
１００Ａ流路部
１００Ｂ冷媒回路
１０１圧縮機
１０２放熱部
１０３膨張弁
１０４吸熱部
１０５空気放熱器
１０５Ｆ冷却用送風機
１０６空気熱交換器
１０６Ｆ送風機
１０７バイパス回路
１０８電磁弁
１０９冷媒配管
１１０流路
１１１ポンプ
１１２熱回収用熱交換器
１１３加熱部
１１４冷却部
１１５加熱用熱交換器
１１６冷却用熱交換器
１２０、１２１、１２２、１２３温度センサ

Claims

有機物を分解して気体を発生させる発酵槽と、
前記有機物を含む被処理液を殺菌する殺菌手段と、を備えたことを特徴とする発酵装置。
前記殺菌手段を前記発酵槽の前段及び／又は後段に配設したことを特徴とする請求項１に記載の発酵装置。
前記有機物を分解して気体を発生させる発酵槽は、
有機物を分解して水素を発生させる水素生成菌が収容される水素発酵槽、又は有機物を分解してメタンを発生させるメタン生成菌が収容されるメタン発酵槽であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発酵装置。
有機物を分解して水素を発生させる水素生成菌が収容される水素発酵槽と、
前記有機物を分解してメタンを発生させるメタン生成菌が収容されるメタン発酵槽と、
前記有機物を含む被処理液を殺菌する殺菌手段と、を備え、
前記水素発酵槽の後段にメタン発酵槽を設けたことを特徴とする発酵装置。
前記殺菌手段は、前記水素発酵槽の前段及び／又は後段と、
前記メタン発酵槽の前段及び／又は後段と、に配設されたことを特徴とする請求項４に記載の発酵装置。
前記殺菌手段は、前記被処理液を加熱する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至５に記載の発酵装置。
前記殺菌手段は、前記被処理液を加熱した後、冷却する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至６に記載の発酵装置。
前記殺菌手段は、圧縮機、放熱部、減圧装置及び吸熱部等から構成される冷媒回路を備え、前記吸熱部にて前記被処理液から吸熱し、前記放熱部にて当該被処理液に放熱するヒートポンプ装置であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の発酵装置。
前記殺菌手段は、前記放熱部で前記被処理液を加熱して殺菌し、
前記吸熱部で前記被処理液を冷却することを特徴とする請求項８に記載の発酵装置。