JP2006167705A - 下水処理場におけるバイオマス処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コーヒー粕、茶粕、果汁残さ、ビール粕を容易に処理する。
【解決手段】下水処理場における消化槽にコーヒー粕、茶粕、果汁残さ、ビール粕、おから、焼酎かすを供給して消化槽内の下水汚泥と混合し、この混合物をメタン発酵処理することにより解決される。
【選択図】なし

Description

本発明は、下水処理場におけるバイオマスの処理方法に関する。

従来、飲料工場等から排出される大量のコーヒー粕、茶粕、果汁残さ、ビール粕、おから、焼酎かす等のバイオマス廃棄物の大部分はコンポスト処理あるいは焼却処理されている。

コンポスト処理においては、毎日大量に発生するバイオマス廃棄物をコンポスト処理するための広大な敷地と安定的な受け入れ先の確保が難しく、焼却処理においては、バイオマス廃棄物が水分を含有するため多量の焼却用エネルギーが必要であり、さらにその他の廃棄物との混合焼却にともなうダイオキシン発生のおそれがあるため、経済的ではなくまた環境保護の点から好ましくない。このためバイオマス廃棄物の処理には改善が求められている。

そこで、これらバイオマスは工場から安定した量が排出されること、他の一般廃棄物と別個に排出されることから異物混入がなく品質が安定していること、さらに臭気が少ないといった特徴が着目され、近年のゼロエミッション等の廃棄物の複合有効処理思想の高まりをも受けて、より効率のよい処理方法が模索されてはじめている。例えば、コーヒー粕を生ゴミと混合して堆肥化する処理方法や、炭化処理して活性炭として利用する再利用処理方法などの再利用化が研究されている。
特開平２００３−３２５０４４

しかしながら、コーヒー粕を例に取ると、堆肥化する処理方法では混合する対象物によっては、作物の成長を阻害するなど混合する対象物の選定が難しく、また、コーヒー粕・茶粕の年間十万トンにもおよぶバイオマスを堆肥化して受け入れる農地が少なく需給バランスに欠ける問題がある。他方、焼却処理する方法は、焼却に必要なエネルギーが大きく、排ガスとして二酸化炭素等を大量に発生するため、これらバイオマス廃棄物処理の根本的な解決策ではない。

そこで、本発明の主たる課題は、上記コーヒー粕、茶粕、果汁残さ、ビール粕、おから、焼酎かす等のバイオマスの性状に鑑みて、簡易かつ容易に処理可能とならしめ、さらに、エネルギー回収をも可能とするこれらバイオマス廃棄物の処理方法を提供することにある。

上記課題に鑑みて、本発明者らは生物処理方法に着目し、特に、下水処理場においてコーヒー粕、茶粕、果汁残さ、ビール粕、おから、焼酎かす等の性状の安定したバイオマスを活用し、下水汚泥とともに処理する方法の構築について鋭意研究を重ね、以下の本発明に至った。

＜請求項１記載の発明＞
下水処理場における消化槽にバイオマスを供給して、消化槽内の下水汚泥と混合するとともにメタン発酵処理することを特徴とするバイオマス処理方法。

＜請求項２記載の発明＞
消化槽内のＣ／Ｎ比が１０〜１８となるようにバイオマスを消化槽内に供給する請求項１記載のバイオマス処理方法。

＜請求項３記載の発明＞
上記消化槽に供給するバイオマスのＣ／Ｎ比が１０〜９０である請求項１または２記載のバイオマス処理方法。

＜請求項４記載の発明＞
上記バイオマスがコーヒー粕、茶粕、果汁残さ、ビール粕、おから、焼酎かすのうちいずれか一種または二種以上の組み合わせである請求項１〜３記載のバイオマス処理方法。

＜請求項５記載の発明＞
メタン発酵処理後の残渣中に繊維状物が残存するようにバイオマスを消化槽内に供給することを特徴とする請求項４記載のバイオマス処理方法。

＜請求項６記載の発明＞
メタン発酵処理により得られるメタンガスを回収する請求項１〜５記載のバイオマス処理方法。

コーヒー粕、茶粕、果汁残さ、ビール粕、おから、焼酎かす等の性状の安定したバイオマスを下水汚泥とともに混合処理することで、焼却用エネルギーが必要ではなく、また、ダイオキシン類の発生もなく処理が可能となる。さらに、下水処理場において被必須処理物である下水汚泥とともに処理するので、新たにこれらバイオマス専用の発酵用の処理設備は必要なく経済的負荷も少ない。さらに、消化槽内のＣ／Ｎ比をメタン発酵に最適な１０〜１８となるように供給し、下水汚泥の消化促進にもなる。

また、このメタン発酵処理にて得られた増量メタンガスを回収すれば、このメタンガスを燃料などとして別途利用することが可能となる。

他方、繊維状物を含むバイオマスを消化槽へ供給すると、バイオマス消化後に汚泥中に繊維状物が残存し、消化汚泥中の繊維状物濃度が向上する。この繊維状物濃度の向上にともなって消化汚泥の脱水性が向上する効果が得られる。

次いで、本発明の実施の形態を図面を参照しながら以下に詳述する。
本発明は、下水処理場における消化槽にコーヒー粕、茶粕、果汁残さ、ビール粕等の性状の安定したバイオマスを供給して消化槽内の下水汚泥と混合して、この混合物を湿式でメタン発酵処理する。

消化槽は下水処理場に既設の一般的な消化槽を用いることができる。なお、下水汚泥処理を行う嫌気性菌を用いて下水汚泥とともにこれらバイオマスの処理を行う場合、異物除去、アルカリ処理、酸処理等の前処理する必要はなく、そのまま消化槽に供給することができる。このような処理を施さずに分解可能であることは経済的に優れる。定かではないが、このようにバイオマスを前処理なく分解できるのは、消化槽内における下水汚泥およびその分解に用いる嫌気性菌の素性に起因すると思われる。消化槽における菌類としては下水汚泥のメタン発酵処理に用いられている従来既知の嫌気性菌類を用いることが可能である。

ここで、消化槽に供給するコーヒー粕、茶粕、果汁残さ、ビール粕、おから、焼酎かすの量としては、消化槽の大きさによって適宜変更することになるが、消化槽内のＣ／Ｎ比がメタン発酵に適した１０〜１８の間に維持されるように供給するのが好適である。なお、コーヒー粕のＣ／Ｎ比は、概ね３５前後である。消化槽の容量や滞留時間を考慮して適宜変更すれば、これらを混合してＣ／Ｎ比を１０〜１８に調整することができる。

ここで、特に、繊維状物を含むバイオマスを消化槽に供給した場合には、バイオマス由来の繊維状物により消化槽内汚泥（消化汚泥）中の繊維状物濃度が高まる。これにより消化汚泥の脱水性が向上する効果が得られる。この場合，消化槽へのバイオマスの供給割合は、供給されるバイオマスの種類により含まれる繊維状物量が異なるため、予め試験により決定することが望ましい。消化槽におけるメタン発酵処理においては、メタンガスが発生するので、これを回収して別途再利用に供するのが好適である。メタンガス発生量に着目すると、これまで大部分の下水処理場において下水汚泥のメタン発酵処理では、再利用可能な量のメタンガスを得ることは困難であったが、バイオマスを供給した場合には、下水汚泥のみをメタン発酵処理する場合と比較して、メタンガス発生量が増加する。これは、これらバイオマスが無機成分をほとんど含まず有機物で形成されていることに起因すると思われる。これを回収すれば、新たなエネルギーとして十分な量が得られ有効利用が期待される。

次いで、本発明にかかるバイオマス処理方法について、バッチ式での実験を行ったので以下に結果を示す。バイオマスとしては、コーヒー粕を選定した。

実験は、図１に示す装置Ｘを用い、以下（１）〜（１１）の手順で行った。（１）まず、３０００ｍＬ三角フラスコ１に下水処理場の消化槽から採取した消化汚泥Ｂ（種菌）２３００ｍＬを投入する。（２）気相部Ａを窒素ガスにてパージする。（３）３５℃の高温水槽にて２４時間放置する。（４）三角フラスコ１内の消化汚泥を１００ｍＬを採取する（この採取した消化汚泥を初期消化汚泥という。）。（５）コーヒー粕を所定負荷量となるように三角フラスコ１内に投入する。（６）再度、三角フラスコの気相部を窒素ガスにてパージする。（７）三角フラスコ１内の反応液１００ｍＬを採取する（この採取した液を実験開始時の反応液とする。）。（８）ガス捕集袋４内の気体を廃棄する（このときを実験開始時：０時間とする。）。（９）２４時間（所定時間）ごとにガス発生量を測定する。なお、ガス量の測定時にはフラスコを十分攪拌し、３０分放置しガスを気相Ａに追い出すようにした。（１０）試験時間を１８日間とし、４３２時間後（１８日後）の三角フラスコ中の反応液（１００ｍＬ）を採取する（この採取した液を実験終了時の反応液とする。）とともに、発生ガスを採取する。（１１）最後に三角フラスコ１内の沈殿物の有無を観察する。

試料は３種類用意し、各試料におけるコーヒー粕量を、菌体負荷がそれぞれ０．０７，０．１５，０．２２ｋｇ／ｋｇとなる量とした。また、実験に使用したコーヒー粕の性状は、水分：６４．７６％、強熱減量：９９．０３ｄｒｙ％、全炭素：５３．１ｄｒｙ％、全窒素：１．４８ｄｒｙ％、全リン：１０６０ｍｇ／ｋｇ-ｄｒｙ、粗タンパク：１２．９ｄｒｙ％、粗脂肪：６．４７ｄｒｙ％、粗繊維：２４．４ｄｒｙ％、硫酸イオン：１．１８ｍｇ／Ｌ、アンモニア性窒素：０．３６ｍｇ／Ｌ、Ｔ−ＣＯＤｃｒ：１８６８５ｍｇ−ＣＯＤ／ｇ−ｄｒｙ、ｐＨ：５．９３であった。

以上の仕様で実験を行ったところ、消化汚泥にコーヒー粕を混合してメタン発酵させたさいのガス発生の経時変化についての結果は、各試料（各負荷）ともにガス発生量が、実験開始後約１００時間程度から緩やかに増加し、４３０時間程度で終了する傾向を見せた。最終測定時である４２６時間後における累積ガス発生量は、負荷０．０７ｋｇ／ｋｇの条件で１．２Ｌ，０．１５（ｋｇ／ｋｇ）の条件で２．８Ｌ，０．２２（ｋｇ／ｋｇ）の条件で４．３Ｌで、ほぼ負荷に比例したガス発生量が得られた。なお、各負荷におけるバイオガス発生量は、対照（無負荷）からのガス発生量を差し引いている。

また、コーヒー粕のＶＴＳ当たりのバイオガス発生量は、およ０．６（ｍ³-ｇａｓ／ｋｇ-コーヒー粕ＶＴＳ）で、下水汚泥（０．５ｍ³-ｇａｓ／ｋｇ-汚泥ＶＴＳ）のみよりも多量のガス発生量が得られることが知見された。

ここで、実験開始時液と実験終了時液のＶＳＳ濃度の差を、分解されたコーヒー粕由来の固形有機物量の指標としてコーヒー粕の分解率を計算すると、菌体負荷０．０７ｋｇ／ｋｇで７０．３％、０．２２ｋｇ／ｋｇで７５．６％であった。また実験終了時の反応液中のアンモニア性窒素濃度は、菌体負荷０．０７ｋｇ／ｋｇで１０９０ｍｇ／Ｌ，０．２２ｋｇ／ｋｇで１１９０ｍｇ／Ｌと、高温メタン菌群への活性阻害が生じはじめるといわれる濃度２５００ｍＬより十分低い結果であることが知見された。また、本実験に供した消化汚泥中にもともと含まれるアンモニア性窒素濃度は、約１０００ｍｇ／Ｌであった。このことから、コーヒー粕をメタン発酵処理した消化液の脱離液を、水処理系に返流しても大きな問題は生じないものと予想される。すなわち、環境に影響を与えることなく既存の下水処理場の消化槽にて十分に処理可能であり、また発生メタンガス量を増加させることが可能であることが知見された。

次に、得られたバイオガスの組成を分析した。結果は、負荷０．０７ｋｇ／ｋｇでメタン：７４．１％，二酸化炭素２５．９％、負荷０．１５ｋｇ／ｋｇでメタン６７．２％，二酸化炭素３２．８％であった。バイオガス中にしめるメタンの割合は６７〜７４％あり、下水汚泥並のメタンガスが得られることが知見された。

また、実験終了時に反応液を０．７ｍｍの網でこし、沈殿物の有無を調べたところ、コーヒー粕を加えたどのフラスコも粒上のコーヒー粕の沈殿を確認することはできなかった。分解がなされていることが知見された。

さらに、コーヒー粕の分解速度について検討した。余剰汚泥では一般に２４時間でピークを迎え（もしくは過ぎている）るが、コーヒー粕からのバイオガス発生速度は実験開始後およそ１７０時間でそのピークを迎えた。これは、コーヒー粕のＣ／Ｎ比が、下水汚泥と比較して３〜４倍程度も大きいことから分解の遅れが生じたと考えられる。また、コーヒー粕は、その有機物の８０％がセルロースとリグニンで占められている。セルロースは、微生物分解が難しいバイオマスの代表である。そのため、コーヒー粕は、余剰汚泥に比べて分解速度の遅れたものと考えられる。

ここで、コーヒー粕の消化に要する日数と消化槽の滞留時間とについて検討するに、コーヒー粕からのガス発生がほぼ終息するのは発酵開始４３０時間後（約１８日）である。すなわち、コーヒー粕が消化槽に投入されてから、分解がほぼ終了するまでに約１８日要することになるが、消化槽での下水汚泥処理である一般的な３５℃の中温消化処理であれば、その滞留時間は３０日を持つ。従って、コーヒー粕の消化日数が１８日であっても、十分に処理が可能である。

なお、上記実施例ではコーヒー粕について詳細に述べたが，本発明の効果はコーヒー粕のみに限定されるものではなく、茶粕、果汁残さ、ビール粕、おから、焼酎かす等においても同様の効果が期待できる．また、これらバイオマスを組み合わせて消化槽に供給する場合においても同様の効果が期待できるが、その供給比率は予め実験等により決定することが望ましい。

１）消化槽内汚泥（消化汚泥）中の繊維状物濃度と脱水ケーキ中の含水率との関係について試験した。試験は、繊維状物濃度の異なる消化汚泥をベルトプレス脱水機および高効率型遠心脱水機により脱水し、得られた脱水ケーキ中の含水率を測定することにより行なった。図２に、消化汚泥をベルトプレス型脱水機（Ｎ−ＳＢＰシリーズ）により脱水したさいの結果を示す。また、図３に、消化汚泥を遠心脱水機（ＣＡシリーズ）により脱水したさいの結果を示す。

図示例のごとく、消化汚泥中の繊維状物濃度が高まるにつれて脱水ケーキの含水率が低くなる傾向にある。なお、当然のことであるが、繊維物濃度の相違する各消化汚泥に対する脱水機の運転条件等の他の試験条件はすべて同様である。

２）次いで、消化槽内に、下水汚泥（下記表１中Ｎｏ．１および２）、生ごみ（下記表１中Ｎｏ．３および４）、下水汚泥と生ごみを１：１の割合で混合したもの（下記表１中Ｎｏ．５〜８）、茶粕（下記表１中Ｎｏ．９〜１１）を供給してメタン発酵処理した後に得られる各消化汚泥中の繊維状物濃度を測定した。下水汚泥、生ごみ、下水汚泥と生ごみを１：１の割合で混合したものについては２つの試料について測定したのでその測定平均値を下記表１中の最右欄に示す。

表１において、Ｒｅｆ．１およびＲｅｆ．２は、未供給物状態における消化汚泥中の繊維状物濃度である。

また、表１中における供給量とは、各供給物の供給量であり、未供給物状態の消化槽内汚泥中の有機物量に対する供給物（例えばＮｏ．１であれば下水汚泥）中の有機物量の割合で表している。

ここで、繊維状物とは、下水試験方法 第５章 第１１節「粗浮遊物」測定時の強熱灰化前のふるい上の残留物を乾燥させたものを称し、繊維状物濃度は以下の算出式で求められる。

＜測定方法＞
１）汚泥１００ｍＬを１００メッシュのふるい上に流し込み水洗いする。
２）ふるい上に残った残留物を重量既知のろ紙上でろ過する。
３）１０５〜１１０℃で２時間乾燥後、重量を測定する。
繊維状物濃度［ｄｒｙ％／ＳＳ］＝｛（ｂ−ａ）／ＳＳ｝×１００
ａ：ろ紙の重量［ｇ］
ｂ：ろ紙＋ろ紙上残留物の重量（乾燥後）［ｇ］
ＳＳ：浮遊物［％］…＜下水試験法 第５章 第１０節による＞

表１の結果を検討してみると、下水汚泥、生ごみ、生ごみと下水汚泥の混合物を消化槽に供給した場合には消化汚泥中の繊維物濃度の向上はほとんど確認されないが、茶粕を供給した場合には消化汚泥中の繊維物濃度の向上が確認される。

さらには、下水汚泥と生ごみとの混合物については供給量にかかわらず繊維状物濃度の変化はほとんど見られないが、茶粕の供給量を増加させた場合には消化汚泥中の繊維状物濃度が上昇する傾向にある。

以上より、茶粕を消化汚泥中に供給すると、供給量に応じて消化汚泥中の繊維状物濃度が増加する傾向にある。そして、消化汚泥中の繊維状物濃度が高まると脱水ケーキ中の含水率が低下する傾向にある。してみると、消化槽内に茶粕を供給することにより、消化汚泥の脱水性が向上することが示されたといえる。

本発明は、コーヒー粕、茶粕、果汁残さ、ビール粕、おから、焼酎かす等の性状の安定したバイオマス廃棄物の処理に利用することができる。

メタン発酵処理実験の実験装置を示す図である。 ベルトプレス型脱水機による脱水効果を示す図である。 高効率遠心脱水機による脱水効果を示す図である。

符号の説明

１…三角フラスコ、２…恒温水槽、３…ゴム栓、４…ガス捕集袋、Ａ…気相部、Ｂ…消化汚泥。

Claims (6)

1. 下水処理場における消化槽にバイオマスを供給して、消化槽内の下水汚泥と混合するとともにメタン発酵処理することを特徴とする下水処理場におけるバイオマス処理方法。
2. 消化槽内のＣ／Ｎ比が１０〜１８となるようにバイオマスを消化槽内に供給する請求項１記載の下水処理場におけるバイオマス処理方法。
3. 上記消化槽に供給するバイオマスのＣ／Ｎ比が１０〜９０である請求項１または２記載の下水処理場におけるバイオマス処理方法。
4. 上記バイオマスがコーヒー粕、茶粕、果汁残さ、ビール粕、おから、焼酎かすのうちいずれか一種または二種以上の組み合わせである請求項１〜３記載の下水処理場におけるバイオマス処理方法。
5. メタン発酵処理後の残渣中に繊維状物が残存するようにバイオマスを消化槽内に供給することを特徴とする請求項４記載のバイオマス処理方法．
6. メタン発酵処理により得られるメタンガスを回収する請求項１〜５記載の下水処理場におけるバイオマス処理方法。

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