JP2006297213A

JP2006297213A - ２相式嫌気性消化装置

Info

Publication number: JP2006297213A
Application number: JP2005119361A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Terui; 茂樹照井
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2005-04-18
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】酸醗酵槽において発生した硫化水素や悪臭を低減して、脱硫・悪臭処理設備への負荷を軽減する
【解決手段】下水汚泥などの液状原料１６中の有機物を分解して有機酸などに低分子化する酸醗酵槽１２と、この酸醗酵槽１２を経た中間原料１８中の低分子化された有機物をメタンガスなどにガス化させるメタン醗酵槽１４とを備えた２相式嫌気性消化装置１０において、酸醗酵槽１２で発生した酸醗酵ガスをメタン醗酵槽１４の液相中に導く導管３８を設けたことを特徴とする。導管３８のガス排出口４０は下向きに開口した広口の開口部であり、当該開口部の周囲に複数のノッチを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は２相式嫌気性消化装置に係り、特に酸醗酵槽とメタン醗酵槽とを備えた２相式嫌気性消化装置に関する。

有機性汚泥や有機性廃棄物などの有機物の減量化手段として嫌気性消化処理法が実用化されている。この方法では、有機物を消化槽内で嫌気的な環境下で３６℃前後又は５５℃前後に加温し、３０日程度の滞留日数をかけて消化処理する。消化処理の結果、有機物の一部がメタンガスを主成分とした消化ガスとして回収され、有機物が減量する。

この嫌気性消化処理を一つの消化槽内で行う方法が主流を占めている。しかしながら、この方法は設備の維持管理が難しいという欠点がある。すなわち、嫌気性消化処理による有機物の分解過程は酸醗酵過程とメタン醗酵過程に大別される。酸醗酵過程では酸醗酵菌の作用によって高分子有機物を加水分解して低分子化し、酢酸，プロピオン酸，酪酸などの有機酸を生成する。メタン醗酵過程では酸醗酵過程で生成した有機酸などをメタン醗酵菌の作用によってさらに分解し、メタンガスを主成分とした消化ガスを生成する。従来の方法では、これらの二つの過程を担う酸醗酵菌とメタン醗酵菌が一つの消化槽内で均衡を保って共存しているが、その均衡関係が崩れると運転が不安定になり性能低下を招く。

このような問題点を改善する方法として２相式嫌気性消化処理法が知られている。この方法は図３に示したように酸醗酵過程とメタン醗酵過程をそれぞれ別の槽で行わせる。酸醗酵菌はｐＨが５．５前後、メタン醗酵菌はｐＨが７〜７．５で最も活性が高い。そこで、前段の酸醗酵槽１ではｐＨを５．５前後に維持して酸醗酵菌を優先的に繁殖させ効率のよい酸醗酵を、後段のメタン醗酵槽２ではｐＨを７〜７．５に維持してメタン醗酵菌を優先的に繁殖させ効率のよいメタン醗酵を行わせる。この２相式嫌気性消化処理法は運転が安定しており、設備の維持管理が容易であるという利点がある（例えば、特許文献１参照）。
特開昭５７−５９６９７号公報

しかしながら、上記２相式嫌気性消化処理法を採用した装置においては、酸醗酵槽１でも酸醗酵ガス３が発生し、この酸醗酵ガス３中には通例、高濃度の硫化水素が発生するという欠点がある。発明者の実験によれば後段のメタン醗酵槽２で発生するメタン醗酵ガス４中の硫化水素濃度が１０００〜１５００ｐｐｍであるのに対して、酸醗酵ガス３中の硫化水素濃度は約１００００ｐｐｍに達した。したがって、両槽から発生したガスを合わせて収集すると、収集した消化ガス５の硫化水素濃度が１４００〜３０００ｐｐｍ程度となり、従来の一槽式の消化槽を用いた消化ガスに比べて硫化水素濃度が１．３〜２倍程度に高くなることが判明した。

硫化水素は配管類を腐食させるので、実際の処理場では消化ガスを早い時点で脱硫処理し、硫化水素濃度を１０ｐｐｍ未満にすることが一般に行われている。したがって、消化ガス５の硫化水素濃度が高いと脱硫処理に使用する脱硫剤が多くなるという問題点がある。また、硫化水素は人体に有毒であり、処理装置におけるメンテナンス作業時の中毒の原因となるので、高濃度の硫化水素は災害ポテンシャルを高くする。さらに、酸醗酵槽１では前記したように酢酸，プロピオン酸，酪酸などの有機酸を生成するが、これらの有機酸の一部が揮発して強烈な刺激臭を発する。このような有機酸が酸醗酵ガス３として消化ガス５に混入すると悪臭の問題を引き起こすので、脱臭処理する必要が生じる。
このため、従来の２相式嫌気性消化処理装置では消化ガス５を脱硫・脱臭するための脱硫・悪臭処理設備６の負荷が大きいという問題点があった。

本発明の目的は上記２相式嫌気性消化処理装置の問題点を解消し、酸醗酵槽において発生した硫化水素や悪臭を低減して、脱硫・悪臭処理設備への負荷を軽減することができる２相式嫌気性消化処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る２相式嫌気性消化処理装置は、液状原料中の有機物を分解して有機酸などに低分子化する酸醗酵槽と、この酸醗酵槽を経た原料中の低分子化された有機物をメタンガスなどにガス化させるメタン醗酵槽とを備えた２相式嫌気性消化装置において、前記酸醗酵槽で発生した酸醗酵ガスを前記メタン醗酵槽の液相中に導く導管を設けたことを特徴とする。
また、本発明は前記導管のガス排出口は下向きに開口した広口の開口部であり、当該開口部の周囲に複数のノッチを有していることを特徴とする。

本発明によれば、硫化水素を高濃度に含む酸醗酵ガスを導管によってメタン醗酵槽の液相中に導くようにした。すると、酸醗酵ガス中の硫化水素（Ｈ_２Ｓ）がメタン醗酵槽の液相に溶解し、溶解した硫化水素の大部分が解離しＨＳ⁻として液相側に移行し、気相中に発散されるＨ_２Ｓの量が低減する。酸醗酵ガス中の悪臭成分も相当量がメタン醗酵槽の液相側に移行する。したがって、メタン醗酵槽から排出される混合ガス、すなわち消化ガス中の硫化水素や悪臭成分が低減し、脱硫・悪臭処理設備への負荷を軽減する。

また、導管のガス排出口を下向きに開口した広口の開口部とし、当該開口部の周囲に複数のノッチを設ける。すると、導管から導入された酸醗酵ガスは各ノッチの上部から微細な気泡として排出される。その結果、排出された酸醗酵ガスの比表面積が大きくなり、かつ、微細な気泡は浮力が小さく液相での気泡上昇速度が遅いので、気泡が液相中を上昇して液面に到達するまでの液相との接触時間が長くなる。このため、酸醗酵ガスと液相との接触効率が向上し、酸醗酵ガスに含まれる硫化水素や悪臭成分をメタン醗酵槽の液相に十分に溶解させることができる。

図１は本発明に係る２相式嫌気性消化処理装置の実施形態を示す系統図である。当該２相式嫌気性消化処理装置１０は主に前段の酸醗酵槽１２と後段のメタン醗酵槽１４とによって構成される。酸醗酵槽１２には有機物を含む液状原料１６が供給される。液状原料１６は例えば下水を活性汚泥法によって処理した際に発生する下水汚泥や有機物を高濃度に含む廃水である。この液状原料１６が酸醗酵槽１２で所定日数、滞留する間に液状原料１６中の有機物が酸醗酵槽１２内に繁殖した酸醗酵菌の作用によって酸醗酵処理を受け、有機物は分解して有機酸などに低分子化される。

この酸醗酵槽１２を経た中間原料１８は後段のメタン醗酵槽１４に供給される。メタン醗酵槽１４で所定日数、滞留する間に中間原料１８中の有機酸などの有機物がメタン醗酵槽１４内に繁殖したメタン醗酵菌の作用によってメタン醗酵処理を受け、有機物はメタンガスなどになる。メタン醗酵後の原料は消化汚泥２０として装置外に排出される。

酸醗酵槽１２には攪拌機２２が配設され、槽内の液相を攪拌する。また、酸醗酵槽１２は液相のｐＨが５．５前後に維持される。メタン醗酵槽１４にも攪拌機２６が配設され、槽内の液相を攪拌する。また、メタン醗酵槽１４は液相のｐＨが７〜７．５に維持される。

酸醗酵槽１２では酸醗酵処理の過程で少量の酸醗酵ガスが発生し、発生したガスは酸醗酵槽１２上部のガス溜め部３０に一時的に貯えられる。メタン醗酵槽１４でもメタン醗酵処理によって多量のメタン醗酵ガスが発生し、発生したガスはメタン醗酵槽１４上部のガス溜め部３２に一時的に貯えられた後に、消化ガス３４としてメタン醗酵槽１４外に排出される。この消化ガス３４は脱硫・悪臭処理設備３６で処理を受けた後に燃料用ガスとして回収される。

以上に説明した内容は従来の２相式嫌気性消化処理装置でも同様である。本実施形態における特徴的な構成は、酸醗酵槽１２で発生した酸醗酵ガスをメタン醗酵槽１４の液相中に導く導管３８を設けた点である。すなわち、酸醗酵槽１２上部のガス溜め部３０には導管３８のガス吸込口が接続しており、導管３８のガス排出口４０がメタン醗酵槽１４の液相中に開口している。したがって、酸醗酵槽１２で発生した酸醗酵ガスはこの導管３８を介してメタン醗酵槽１４内の液相中に導入される。なお、導管３８にはメタン醗酵槽１４内の液が逆流しないように逆流防止弁３９が取り付けられている。

上記の構成において、メタン醗酵槽１４内の液相中に導入された酸醗酵ガス中の高濃度の硫化水素は液相と接触することによって、その大部分が液相中に溶解する。溶解した硫化水素は液相中で化１に示した（１）式で解離する。この時の解離定数Ｋは化２に示した（２）式で表わされ、液相におけるＨ_２Ｓ分率は化３に示した（３）式で表わされる。

（２）式の解離定数Ｋは液相の温度が定まると一定値を示し、例えば３５℃の時には解離定数Ｋ＝１４．９^−８である。したがって、液相の温度とｐＨが定まると、（３）式からＨ_２Ｓの分率が決まる。前記した酸醗酵槽１２の液相のｐＨが５．８、メタン醗酵槽１４の液相のｐＨが７．２で両槽の液相の温度が３５℃の時には、Ｈ_２Ｓ分率は酸醗酵槽１２ではＨ_２Ｓ分率が０.９１、メタン醗酵槽１４では０.３０と計算される。すなわち、メタン醗酵槽１４では解離せずに溶解しているＨ_２Ｓの割合が酸醗酵槽１２に比べて３分の１程度と著しく低減する。気相中のガス濃度はヘンリーの法則によって、溶質の濃度に比例する。したがって、上記のように液相中で解離せずに溶解しているＨ_２Ｓの割合が少ないメタン醗酵槽１４では、これと平衡にある気相中のＨ_２Ｓ濃度が減少することになる。

以上の理由から、Ｈ_２Ｓを高濃度に含む酸醗酵ガスを導管３８を介してメタン醗酵槽１４の液相中に導くと、酸醗酵ガス中のＨ_２Ｓが液相に溶解し、溶解したＨ_２Ｓの大部分が解離しＨＳ⁻として液相側に移行し、気相中に発散されるＨ_２Ｓの量が低減することが判る。

酸醗酵ガスとメタン醗酵ガスの発生量比率はほぼ５：９５であり、酸醗酵ガスのＨ_２Ｓ濃度が９０００ｐｐｍ、メタン醗酵ガスのＨ_２Ｓ濃度が１０００ｐｐｍと仮定する。従来の方法によりこれらのガスを単純に混合した場合には、混合ガス（消化ガス）のＨ_２Ｓ濃度は１４００ｐｐｍと試算される。一方、本実施形態の方法では酸醗酵ガスをメタン醗酵槽１４内の液相中に導くことによって、酸醗酵ガス中のＨ_２Ｓの３分の２程度がＨＳ⁻として液相側に移行すると考えられる。したがって、メタン醗酵槽１４から排出される混合ガス、すなわち消化ガス３４のＨ_２Ｓ濃度は１１００ｐｐｍとなり、本実施形態によれば従来方法に比べて消化ガス３４のＨ_２Ｓ濃度を２０％以上削減できる。また、酸醗酵ガスに含まれる悪臭成分もメタン醗酵槽１４内の液相と接触することによって、その一部が溶解し液相側に移行する。したがって、本実施形態によれば消化ガス３４中の硫化水素や悪臭成分を容易に低減して、脱硫・悪臭処理設備３６への負荷を軽減することができる。

なお、上述のように酸醗酵ガス中の硫化水素や悪臭成分をなるべく多く液相側に移行させるためには、メタン醗酵槽１４内に導いた酸醗酵ガスを液相と効率よく、かつ長い時間をかけて接触させ、含まれる硫化水素や悪臭成分を液相に十分に溶解させる必要がある。
図２は導管３８のガス排出口４０の好ましい構造を示す側面図である。ガス排出口４０は下向きに開口した広口の開口部であり、当該開口部の周囲に多数のＶ字状のノッチ４２を有している。

上記構造のガス排出口４０によれば、導管３８から導入された酸醗酵ガスは各ノッチ４２の上部から微細な気泡として排出される。その結果、排出された酸醗酵ガスの比表面積が大きくなり、かつ、微細な気泡は浮力が小さく液相での気泡上昇速度が遅いので、気泡が液相中を上昇して液面に到達するまでの液相との接触時間が長くなる。このため、酸醗酵ガスと液相との接触効率が向上し、酸醗酵ガスに含まれる硫化水素や悪臭成分をメタン醗酵槽の液相に十分に溶解させることができる。なお、気泡と液相との接触時間を長くするためにはガス排出口４０の開口深さｈは深い方がよく、メタン醗酵槽の液相の深さＨに対し、開口深さｈはＨ／２以上であることが望ましい。

本発明に係る２相式嫌気性消化処理装置の実施形態を示す系統図である。導管３８のガス排出口４０の好ましい構造を示す側面図である。従来方法に係る２相式嫌気性消化処理装置の系統図である。

符号の説明

１０………２相式嫌気性消化処理装置、１２………酸醗酵槽、１４………メタン醗酵槽、１６………液状原料、１８………中間原料、２０………消化汚泥、２２，２６………攪拌機、３０，３２………ガス溜め部、３４………消化ガス、３６………脱硫・悪臭処理設備、３８………導管、４０………ガス排出口、４２………ノッチ。

Claims

液状原料中の有機物を分解して有機酸などに低分子化する酸醗酵槽と、この酸醗酵槽を経た原料中の低分子化された有機物をメタンガスなどにガス化させるメタン醗酵槽とを備えた２相式嫌気性消化装置において、前記酸醗酵槽で発生した酸醗酵ガスを前記メタン醗酵槽の液相中に導く導管を設けたことを特徴とする２相式嫌気性消化装置。
前記導管のガス排出口は下向きに開口した広口の開口部であり、当該開口部の周囲に複数のノッチを有していることを特徴とする請求項１に記載の２相式嫌気性消化装置。