JP2006035126A

JP2006035126A - 有機性廃棄物の消化処理方法

Info

Publication number: JP2006035126A
Application number: JP2004220092A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Sawayama; 茂樹澤山; Kenichiro Tsukahara; 建一郎塚原; Chika Tada; 千佳多田; Yoichi Utatsu; 洋一歌津; Shigeru Hayashibara; 茂林原
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Maeda Corp
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Maeda Corp
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】有機性廃棄物中の有機物を迅速に高い分解率で分解・消化処理することができると共にメタンや肥料を効率的に製造することができる、工業的に有利な有機性廃棄物の消化処理技術を提供する。
【解決手段】嫌気性微生物のメタン発酵作用を利用して有機性廃棄物を嫌気性消化する消化処理方法であって、鉄型ゼオライトの存在下で有機性廃棄物を嫌気性消化処理する方法である。また、前記嫌気性消化処理は、前記有機性廃棄物と前記鉄型ゼオライトを嫌気性消化槽に供給する供給工程と、供給された前記有機性廃棄物と前記鉄型ゼオライトとを前記嫌気性消化槽内で混合し、混合により生じた嫌気性消化汚泥の存在下で嫌気性消化する消化処理工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、有機性廃棄物、例えば家庭、スーパーマーケット、コンビニエンスストアーや食品工場等から排出される食品廃棄物、家庭の浄化槽・工場等の廃水処理設備・下水処理場等から排出される有機性汚泥、し尿、家畜排泄物、有機性排水等の有機性廃棄物の消化処理する技術に関する。

従来より、有機性廃棄物を消化処理するに当たり、粒子状あるいはスラッジ状の有機性廃棄物にウッドチップ、小枝、乾燥鶏糞ペレットなどの固形の副資材を混合し、水分含量80%程度で嫌気性消化を進める方法（特許文献１参照）が知られているが、この消化方法では有機物濃度が高くなるため、嫌気性消化工程で発生するアンモニアにより消化反応が阻害を受け、メタンが効率よく生産できないという難点があった。

また、下水などのアンモニア含有汚水を高度に浄化する技術として、アンモニア吸着ゼオライト系鉱物の利用（特許文献２参照）が提案されているが、本提案は汚水の窒素除去に関するものであり、嫌気性消化に関するものでない。

また、家畜などの糞尿から固形肥料を作成する方法としては、嫌気性消化した糞尿の消化液に水分吸収剤としてゼオライトを混合し、ペースト状となった混合物を乾燥・造粒することにより固形肥料とすること（特許文献３参照）が提案されているが、本提案も嫌気性消化の効率化効果を教示するものではない。
特開平１１−３０９４９３号公報特開平９−３１４１８３号公報特開２００２−２９８７１号公報

本発明は、上記従来技術の実情に鑑みなされたものであって、有機性廃棄物の消化処理方法において、有機性廃棄物中の有機物を迅速に高い分解率で分解・消化処理することができると共にメタンや肥料を効率的に製造することができる、工業的に有利な有機性廃棄物の消化処理技術を提供することを技術的課題とする。

前述の技術的課題を解決すべく本発明者らは鋭意研究を重ねた。例えば、本発明者らは、先に、有機性廃棄物を嫌気性消化する消化処理方法であって、モルデナイト系ゼオライトの存在下で嫌気性消化処理することを特徴とする有機性廃棄物の消化処理方法を提案している。

この有機性廃棄物の消化処理方法は、カルシウム型ゼオライトを用い嫌気性消化を行う方法であり、天然ゼオライトを用いることも可能で経済性に優れた方法であるが、その後の本発明者らの研究により、人工的な鉄型ゼオライトはカルシウム型とは異なる効果があることが判明した。

そこで、本発明の有機性廃棄物の消化処理方法は、以下のような構成とされている。
すなわち、本発明の有機性廃棄物の消化処理方法は、嫌気性微生物のメタン発酵作用を利用して有機性廃棄物を嫌気性消化する消化処理方法であって、
鉄型ゼオライトの存在下で有機性廃棄物を嫌気性消化処理する
ことを特徴とする。

この構成によれば、有機性廃棄物が嫌気性消化される際に、メタン発酵に係わる嫌気性微生物の栄養となる鉄が鉄型ゼオライトから供給され、メタン発酵が促進される。

また、本発明の有機性廃棄物の消化処理方法において、前記嫌気性消化処理は、
前記有機性廃棄物と前記鉄型ゼオライトを嫌気性消化槽に供給する供給工程と、
供給された前記有機性廃棄物と前記鉄型ゼオライトとを前記嫌気性消化槽内で混合し、混合により生じた嫌気性消化汚泥の存在下で嫌気性消化する嫌気性消化工程と、
を有することを特徴とする。

メタン発酵汚泥中には鉄は比較的多く含まれるが、その存在形態は嫌気性微生物が利用しにくいものである。しかし、鉄型ゼオライトから供給される鉄は、嫌気性微生物の栄養となるので、この構成によれば、メタン発酵が促進される。

更に、本発明の有機性廃棄物の消化処理方法において、前記嫌気性消化工程で得られる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。更にまた、本発明の有機性廃棄物の消化処理方法において、前記嫌気性消化工程で得られる消化処理残渣を直接又は固液分離し、肥料及び／又は肥料の原料として利用することを特徴とする。

この構成によれば、最終的に発生する残滓（処理された固相部）には鉄型ゼオライトに吸着されたアンモニアが含有され、土壌改良剤や有機肥料の原料として質が高く、また処理液相部のアンモニア濃度が低く、廃液のアンモニア除去処理が容易になるといった、数多くの利点を有するものである。

更にまた、本発明の有機性廃棄物の消化処理方法において、前記消化処理残渣にアンモニアが吸着された前記鉄型ゼオライトが含有されていることを特徴とする。

鉄型ゼオライトの場合、イオン交換により溶出した鉄が容易に嫌気性微生物に利用される。この構成によれば、メタン生成の阻害物質であるアンモニアが鉄型ゼオライトに吸着除去され、そのことにより嫌気性消化がスムーズに進み、また、ゼオライト表面の特性がメタン生成微生物にとって繁殖しやすい環境となり、メタン生成微生物にとって最適な条件が作り出されるので、嫌気性消化工程における有機性廃棄物からのメタン及び二酸化炭素への変換反応が効率よく進む。

また、本発明の有機性廃棄物の消化処理装置は、嫌気性微生物のメタン発酵作用を利用して有機性廃棄物を嫌気性消化処理する装置であって、
嫌気性消化槽と、
前記嫌気性消化槽に前記有機性廃棄物と鉄型ゼオライトとを供給する供給装置と、
を備えたことを特徴とする。

更に、本発明の有機性廃棄物の消化処理装置において、前記嫌気性消化槽は、
前記供給装置により供給された前記有機性廃棄物と前記鉄型ゼオライトとを混合し、嫌気性消化汚泥の存在下で嫌気性消化することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、有機性廃棄物中の有機物を迅速に高い分解率で分解・消化処理することができると共にメタンや肥料を効率的に製造することができる、工業的に有利な有機性廃棄物の消化処理技術を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図１を参照しながら詳述する。
なお、本発明の処理対象となる有機性廃棄物とは、一般家庭、レストラン、ホテル、食品工場、スーパーマーケットおよびコンビニエンスストアー等からの食品廃棄物。食品工場・浄化槽・下水処理場等で廃水処理時に発生する、初沈汚泥と呼ばれるタンパク質、炭水化物、脂質、繊維などの有機物と水の混合物、余剰汚泥と呼ばれる廃水浄化の際に増殖した微生物そのもの、食品工場・浄化槽・下水処理場等で廃水処理後排出される初沈汚泥と余剰汚泥の混合物である廃水処理汚泥一般。し尿、畜産排泄物、古紙類、剪定枝等植物性廃棄物や農産廃棄物が含まれる他、嫌気性消化した後に排出される消化汚泥など有機性廃棄物一般が包含される。

［有機性廃棄物の消化処理装置の説明］
まず、本発明を実施する有機性廃棄物の消化処理装置を説明する。
有機性廃棄物の消化処理装置は、図１に示すように、有機性廃棄物貯留タンク１と、メタンを生じさせる嫌気性消化槽３と、鉄型ゼオライト貯留タンク４と、消化ガス貯留タンク７と、固液分離装置９と、処理液相部貯留タンク１１と、処理固相部貯留タンク１３とを備えている。なお、有機性廃棄物貯留タンク１と嫌気性消化槽３は、有機性廃棄物配管２を介して連結している。また、嫌気性消化槽３と鉄型ゼオライト貯留タンク４は、鉄型ゼオライト配管５及び有機性廃棄物配管２を介して連結している。また、嫌気性消化槽３と消化ガス貯留タンク７は、消化ガス配管６を介して連結している。また、嫌気性消化槽３と固液分離装置９は、嫌気性処理物配管８を介して連結している。また、固液分離装置９と処理液相部貯留タンク１１は、処理液相部配管１０を介して連結している。また、固液分離装置９と処理固相部貯留タンク１３は、処理固相部配管１２を介して連結している。

鉄型ゼオライト貯留タンク４に貯蔵される鉄型ゼオライトとは、ゼオライトの一種で結晶中に空洞を数多くもつ多孔質物質であり、その化学組成は、ケイ酸塩のケイ素の一部がアルミニウムに置換された縮合酸塩の形をとり、通常下記一般式（１）及び、結晶構造MORで示される。
［化学式］
(Fe, Ca, K₂, Na₂)[AlSi₅O₁₂]₂・7H₂O …一般式（１）

この鉄型ゼオライトは、他のソーダライト系、ホーランダイト系、フィリプサイト系、チャバザイト系のゼオライトや鉄型ではない人工及び／又は合成ゼオライトとは異なり、アンモニア吸着性を示すと共に、鉄供給源としてメタン生成微生物等嫌気性微生物の活動を著しく促進し、メタン生産性に優れたものである。

このような鉄型ゼオライトとしては、例えばギスモンディン、モルデナイト、ユガワライト、エリオナイトなどを鉄型に変換したゼオライトや、鉄型の人工及び／又は合成ゼオライトを使用することができる。

次に、有機性廃棄物の消化処理装置の動作を説明する。
有機性廃棄物は、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、嫌気性消化槽３に供給される。また、鉄型ゼオライトは、鉄型ゼオライト貯留タンク４から鉄型ゼオライト配管５を通って、嫌気性消化槽３に供給される。従って、有機性廃棄物貯留タンク１、有機性廃棄物配管２、鉄型ゼオライト貯留タンク４、及び鉄型ゼオライト配管５は、嫌気性消化槽３に有機性廃棄物と鉄型ゼオライトとを供給する供給装置といえる。そして、嫌気性消化槽３では、有機性廃棄物と鉄型ゼオライトと嫌気性微生物を含む嫌気性消化汚泥が混合・撹拌され、嫌気性消化が促進される。

また、嫌気性消化槽３では、嫌気性微生物（酸生成微生物やメタン生成微生物）の働きで、有機性廃棄物がメタン、二酸化炭素、アンモニアなどに分解処理される。この時、嫌気性消化槽３には鉄型ゼオライトが添加されているので、遊離のアンモニア濃度が低く保たれ、メタン生成反応が阻害されない。さらに、鉄型ゼオライトから鉄が溶出し、槽内の嫌気性微生物に供給される。

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。

嫌気性消化が進んだ処理物（有機性廃棄物）は、嫌気性処理物配管８を通って固液分離装置９に移送される。固液分離装置９は、濾過器や遠心分離機、沈降槽等から構成される。固液分離装置９では、嫌気性消化処理物が固液分離され、液相部は処理液相部配管１０を通って処理液相部貯留タンク１１に蓄えられる。一方、固相部は、処理固相部配管１２を通って、処理固相部貯留タンク１３に蓄えられる。

固相部は、肥料成分であるアンモニアが鉄型ゼオライトに吸着されているので、土壌改良剤や有機肥料の原料として質が高い。液相部は、アンモニアが鉄型ゼオライトに吸着されて固相部に多く移行しているので、アンモニア濃度が低く廃液のアンモニア除去処理が容易となる。

有機性廃棄物の消化処理装置は、前記構成からなるので、有機性廃棄物が嫌気性消化される際に、メタン発酵に係わる嫌気性微生物の栄養となる鉄が鉄型ゼオライトから供給され、メタン発酵が促進される。メタン発酵汚泥中には鉄は比較的多く含まれるが、その存在形態は微生物が利用しにくいものである。鉄型ゼオライトの場合、イオン交換により溶出した鉄が容易に嫌気性微生物に利用される。さらに、メタン生成の阻害物質であるアンモニアが鉄型ゼオライトに吸着除去され、そのことにより嫌気性消化がスムーズに進み、またゼオライト表面の特性がメタン生成微生物にとって繁殖しやすい環境となり、メタン生成微生物にとって最適な条件が作り出されるので、嫌気性消化工程における有機性廃棄物からのメタン及び二酸化炭素への変換反応が効率よく進む。

また、前記構成によれば、最終的に発生する残滓（処理された固相部）には鉄型ゼオライトに吸着されたアンモニアが含有され、土壌改良剤や有機肥料の原料として質が高く、また処理液相部のアンモニア濃度が低く、廃液のアンモニア除去処理が容易になるといった、数多くの利点を有するものである。

次に、有機性廃棄物の消化処理方法の実施例を説明する。
［実施例１］
250 ml容量のガラス瓶に、消化汚泥を50 ml、有機物としてグルコースを2 g/l、アンモニアを3000 mg N/l、Fe型人工ゼオライトを5%重量加えた。ゴム栓で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。シリンジで消化ガスの発生量を測定しながら、35℃で２ヶ月培養した。消化ガス中のメタン濃度は、ガスクロで測定した。嫌気性消化液中のアンモニア濃度は、イオンクロマトで測定した。

［比較例１］
Fe型ゼオライトを添加しない以外は実施例１に同様な処理を行い、消化ガス中のメタン濃度は、ガスクロで測定した。

次に、実施例１と比較例１の実験結果およびその考察を説明する。
［実施例１と比較例１の実験結果およびその考察］
消化ガスの発生量は、Fe型人工ゼオライトを添加しない比較例１では、116 mlであったが、実施例１のFe型人工ゼオライトを5%重量加えたガラス瓶からは396 ml発生した。

また、消化ガス中のメタン濃度は、Fe型人工ゼオライトを添加しない比較例１では16 %であったが、実施例１のFe型人工ゼオライトを5%重量加えたガラス瓶の方は 61 %であった。

また、消化液中のアンモニア濃度は、Fe型人工ゼオライトを添加しない比較例１では、1581 mg N/lであったが、実施例１のFe型人工ゼオライトを5%重量加えたガラス瓶からは1067 mg N/lであった。

これらの実験結果から、有機性廃棄物の消化処理方法で用いるFe型ゼオライトにはアンモニアを吸着し、アンモニアのメタン発酵への阻害を抑制する働きがあることがわかる。

［有機性廃棄物の消化処理方法の説明］
次に、本発明の有機性廃棄物の消化処理方法を説明する。
有機性廃棄物の消化処理方法は、嫌気性微生物のメタン発酵作用を利用して有機性廃棄物を嫌気性消化する消化処理方法であって、鉄型ゼオライトの存在下で有機性廃棄物を嫌気性消化処理する方法である。

また、前記嫌気性消化処理は、前記有機性廃棄物と前記鉄型ゼオライトを嫌気性消化槽に供給する供給工程と、供給された前記有機性廃棄物と前記鉄型ゼオライトとを前記嫌気性消化槽内で混合し、混合により生じた嫌気性消化汚泥の存在下で嫌気性消化する嫌気性消化工程と、を有する。

そして、有機性廃棄物の消化処理方法は、アンモニアによる微生物の消化反応の阻害、メタン生成効率の低下を克服し、かつ更なる処理残渣の肥料への有効利用化を促進するために、有機性廃棄物に鉄型ゼオライトを添加混合し嫌気性消化処理を効率化した点にある。

すなわち、従来の嫌気性消化処理において、有機性廃棄物中の窒素成分含量が高いとアンモニア濃度が高くなり、メタン生成阻害、メタン生成反応の停止やメタン生成速度の低下などの運転の不安定さの主な原因となっていたが、本発明の消化処理方法では、予め有機性廃棄物を消化処理するに当たり、嫌気性消化種汚泥と共に鉄型ゼオライトを混合させたことから、鉄型ゼオライトにより余剰のアンモニアが吸着され無害化され、鉄イオンが消化槽内に供給されるため、嫌気性消化処理工程での有機性廃棄物からのメタン及び二酸化炭素への変換反応が効率よく行われる。さらに、嫌気性消化槽内で不足する栄養素である鉄を、イオン交換により消化槽内に効率よく供給することができる。

有機性廃棄物の消化処理方法においては、上記のように、嫌気性消化工程での有機性廃棄物からのメタン及び二酸化炭素への変換反応が効率よく進行する理由は、鉄型ゼオライトを混合し嫌気性消化処理すると、嫌気性消化の過程で原料有機性廃棄物中から生成するアンモニアを鉄型ゼオライトが吸着し、アンモニアによるメタン生成反応への阻害が抑制されること。さらに、嫌気性微生物の栄養素として不足している鉄が鉄型ゼオライトから溶出して供給され、微生物の活動が盛んになり消化処理活性が向上するので、嫌気性消化工程における有機性廃棄物からのメタン及び二酸化炭素への変換反応が効率よく進むものと推定される。

次に、有機性廃棄物の消化処理方法の一例を以下に示す。
まず、処理対象となる有機性廃棄物を破砕し、嫌気性消化種汚泥と鉄型ゼオライトと混
合する。この混合物の水分含量が60〜99.9%、好ましくは75〜90%の乾式、または90〜95%の湿式に調整し、10〜100℃好ましくは30〜35℃の中温発酵かまたは50〜70℃の高温発酵で嫌気性消化処理させ、メタンを発生させる。鉄型ゼオライトの添加量は、0.1〜50重量%好ましくは1〜10重量%である。

有機性廃棄物の消化処理方法において、処理対象有機性廃棄物、鉄型ゼオライトおよび嫌気性消化種汚泥を混合させる方法は特に制限されず、処理対象有機性廃棄物を破砕後鉄型ゼオライトおよび嫌気性消化種汚泥と混合しても、処理対象有機物と嫌気性消化種汚泥が嫌気性消化槽内で混合された後、鉄型ゼオライトを添加混合しても構わない。何れの方法においても、鉄型ゼオライトが処理対象有機性廃棄物および嫌気性消化種汚泥と均一に混合されれば、嫌気性消化槽内に於いて鉄型ゼオライトによりアンモニアが吸着されて、効率よく嫌気性消化反応が進む。

嫌気性消化種汚泥としては、例えば、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を好気性分解産物に馴致培養したもの使用することができる。

なお、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。また、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、Methanosarcina sp.、Methanosaeta sp.、Methanogeum sp.等があげられる。両者とも従来からよく知られているものである。

前記のようにして、有機性廃棄物を鉄型ゼオライトと共に嫌気性条件で微生物分解処理すると、嫌気性消化過程において生成する余剰のアンモニアが鉄型ゼオライトによって吸着除去され、従来のアンモニアによるメタン生成阻害が防止される。さらに、嫌気性微生物にとって不足している鉄が供給され、嫌気性微生物の活動が活性化する。従って、本発明方法では、嫌気性消化処理が効率よく進む。

嫌気性消化処理時に発生するメタンは、例えば、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。

有機性廃棄物の消化処理方法では、嫌気性消化後の消化残渣はゼオライトを含み、このゼオライトはアンモニアを吸着しているので、コンポスト等の肥料や土壌改良材の原料として利用した場合、アンモニアが直ちに流出しないことや水分含量が低いという利点がある。従って、この残渣は、そのまま及び／又は固液分離後そのまま液体肥料や固形肥料として利用及び／又は肥料・土壌改良材の原料として利用すること可能である。

本発明に係る有機性廃棄物の嫌気性消化処理装置の説明図である。

符号の説明

１有機性廃棄物貯留タンク
２有機性廃棄物配管
３嫌気性消化槽
４鉄型ゼオライト貯留タンク
５鉄型ゼオライト配管
６消化ガス配管
７消化ガス貯留タンク
８嫌気性処理物配管
９固液分離装置
１０処理液相部配管
１１処理液相部貯留タンク
１２処理固相部配管
１３処理固相部貯留タンク

Claims

嫌気性微生物のメタン発酵作用を利用して有機性廃棄物を嫌気性消化する消化処理方法であって、
鉄型ゼオライトの存在下で有機性廃棄物を嫌気性消化処理する
ことを特徴とする有機性廃棄物の消化処理方法。
前記嫌気性消化処理は、
前記有機性廃棄物と前記鉄型ゼオライトを嫌気性消化槽に供給する供給工程と、
供給された前記有機性廃棄物と前記鉄型ゼオライトとを前記嫌気性消化槽内で混合し、混合により生じた嫌気性消化汚泥の存在下で嫌気性消化する嫌気性消化工程と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の有機性廃棄物の消化処理方法。
前記嫌気性消化工程で得られる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２に記載の有機性廃棄物の消化処理方法。
前記嫌気性消化工程で得られる消化処理残渣を直接又は固液分離し、肥料及び／又は肥料の原料として利用することを特徴とする請求項２又は３に記載の有機性廃棄物の消化処理方法。
前記消化処理残渣にアンモニアが吸着された前記鉄型ゼオライトが含有されていることを特徴とする請求項４に記載の有機性廃棄物の消化処理方法。
嫌気性微生物のメタン発酵作用を利用して有機性廃棄物を嫌気性消化処理する装置であって、
嫌気性消化槽と、
前記嫌気性消化槽に前記有機性廃棄物と鉄型ゼオライトとを供給する供給装置と、
を備えたことを特徴とする有機性廃棄物の消化処理装置。
前記嫌気性消化槽は、
前記供給装置により供給された前記有機性廃棄物と前記鉄型ゼオライトとを混合し、嫌気性消化汚泥の存在下で嫌気性消化する
ことを特徴とする請求項６に記載の有機性廃棄物の消化処理装置。