JP2007111673A - 生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】生ゴミ又は食品残渣を、エネルギー源として回収しつつ低コストで効率良く処理することのできる生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法を提供する。
【解決手段】生ゴミ又は食品残渣をメタン発酵によって処理する生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法において、生ゴミ又は食品残渣をメタン発酵設備に供給するのに先立ち、好ましくは１２０〜１４０℃の亜臨界水処理温度帯域で２．５〜１０分間、生ゴミ又は食品残渣を処理する。また１２０〜１４０℃の亜臨界水処理温度帯域での圧力は０．２〜０．５ＭＰａであり、生ゴミ又は食品残渣の含水率は、好ましくは８０〜９０％である。
【選択図】図１
【解決手段】生ゴミ又は食品残渣をメタン発酵によって処理する生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法において、生ゴミ又は食品残渣をメタン発酵設備に供給するのに先立ち、好ましくは１２０〜１４０℃の亜臨界水処理温度帯域で２．５〜１０分間、生ゴミ又は食品残渣を処理する。また１２０〜１４０℃の亜臨界水処理温度帯域での圧力は０．２〜０．５ＭＰａであり、生ゴミ又は食品残渣の含水率は、好ましくは８０〜９０％である。
【選択図】図１
Description
本発明は、生ゴミ又は食品残渣をメタン発酵によって処理する生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法に関する。
生ごみ、汚泥等の有機性廃棄物の処理方法として、焼却処分や埋立処分が行われてきたが、近年、焼却に伴う大量の重油の消費、ダイオキシンの発生や埋立処分地の不足等を鑑みて、環境への負荷の少ない処理方法が要望されている。環境への負荷の少ない処理方法として、有機性廃棄物をメタン発酵処理する方法が開発されており（例えば、特許文献１、特許文献２参照）、このようなメタン発酵処理方法は、例えば有機性廃棄物を粉砕してペースト状或いはスラリー状にした後に、これらをメタン発酵設備に供給し、嫌気性条件下でメタン菌により発酵処理することで、有機性廃棄物をメタンガスに転換するものである。メタン発酵処理方法は、有機性廃棄物をバイオガスと水とに分解して大幅に減量することができ、嫌気性条件下での発酵であるため曝気動力が不要であり、また副産物として生成するバイオガス中のメタンガスをエネルギーとして回収できる等の利点がある。
メタン発酵処理方法では、メタン発酵設備おけるメタン発酵を効率良く行なって処理能力を向上させるべく、有機性廃棄物をメタン発酵設備に供給するのに先立って種々の前処理が行われる。また前処理の一例として、亜臨界水処理が検討されており（例えば、特許文献３、特許文献４参照）、例えば特許文献３には、農業や林業で排出する籾殻、芝生、剪定枝、枯草等のセルロース・リグニン系高Ｃ／Ｎ比低水分廃棄物と屎尿・厨芥系高Ｃ／Ｎ比低水分廃棄物とを一体としてメタン発酵処理するのに先立って、セルロース・リグニン系高Ｃ／Ｎ比低水分廃棄物を、水の臨界点（３７４．１℃、２２．０４ＭＰａ）に近いか又は臨界点以下の条件で水熱処理する亜臨界水処理として、圧力（ゲーシ圧力）０．２〜５ＭＰａ、温度１３０〜３００℃、処理時間１分〜１時間の条件で処理することが記載されている。また特許文献４には、食品の廃棄処理方法として、特にパン及びパン生地等を含む焼き菓子や乳製品等について、１５０〜３００℃、及びその温度に応じた飽和蒸気圧程度の亜臨界水条件下で処理することが記載されている（例えば、特許文献４参照）。
特開２００２−１１９９３７号公報
特開２００４−１３０２０６号公報
特開２００３−９４０２２号公報
特開２００３−２５１３０６号公報
一方、有機性廃棄物のうち、一般家庭から生じる生ゴミや、飲食店、ホテル、旅館、スーパーマーケット、コンビニエンスストア、食品製造業、食品販売業、食品流通業等から生じる事業用の生ゴミや食品残渣については、これらの生ゴミや食品残渣は本来その分解性が他の有機性廃棄物と比較して高いものであり、また亜臨界水処理を行うには、相当の加熱エネルギーを必要とすることから、費用対効果を考慮した場合、却ってコスト高になるといった考えにより、亜臨界水処理による前処理は不用とされてきたのが現状である。
しかしながら、近年の豊かな食生活から、大量の生ゴミや食品残渣が廃棄物として発生するようになってきており、また廃棄物の再利用や環境問題への関心も向上し、廃棄物の分別回収も定着してきていることから、生ゴミや食品残渣をさらに効率良く低コストで処理することができると共に、資源としても有効利用できるようにする処理方法の開発が望まれている。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたものであり、生ゴミ又は食品残渣を、エネルギー源として回収しつつ低コストで効率良く処理することのできる生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法を提供することを目的とする。
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、生ゴミ又は食品残渣は、特定の低温の温度帯域及び短時間での亜臨界水処理を行った後に、メタン発酵設備に供給した場合に、生ゴミ又は食品残渣を高い効率で発酵させることが可能であり、これによって低コストで迅速に生ゴミ又は食品残渣を処理できることを実験的に見出した。
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、生ゴミ又は食品残渣をメタン発酵によって処理する生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法において、前記生ゴミ又は食品残渣をメタン発酵設備に供給するのに先立ち、１１０〜１６０℃の亜臨界水処理温度で２．５〜１０分間、該生ゴミ又は食品残渣を処理する生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法を提供することにより、上記目的を達成したものである。
また、本発明の生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法は、前記亜臨界水処理温度が１２０〜１４０℃であることが好ましい。
さらに、本発明の生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法は、前記亜臨界水処理温度での圧力が０．２〜０．８ＭＰａであることが好ましく、０．２〜０．５ＭＰａであることが特に好ましい。
さらにまた、本発明の生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法は、前記生ゴミ又は食品残渣の含水率が８０〜９０％であることが好ましい。
本発明の生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法によれば、生ゴミ又は食品残渣を、エネルギー源として回収しつつ低コストで効率良く処理することができる。
本発明の好ましい一実施形態に係る生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法は、有機性廃棄物として好ましくは８０〜９０％の含水率の生ゴミ又は食品残渣を、例えば図１に示すような、前処理設備１０、メタン発酵設備１１、エネルギー回収設備１２等を備えるメタン発酵処理施設において処理する際の処理方法として採用されたものである。
すなわち、本実施形態の生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法は、生ゴミ又は食品残渣をメタン発酵によって処理するメタン発酵処理方法において、生ゴミ又は食品残渣をメタン発酵設備１１に供給するのに先立ち、前処理設備１０において１１０〜１６０℃の亜臨界水処理温度で２．５〜１０分間、生ゴミ又は食品残渣を前処理するようになっている。
ここで、本実施形態では、メタン発酵処理施設において、処理対象物である生ゴミ又は食品残渣（以下、「含水食品残渣」とする。）は、前処理設備１０の受入装置１０ａに投入された後に、前処理装置１０ｂによって所定量ずつ粉砕されると共に発酵不適物が除去され、スラリー状となって保管される。スラリー状となった含水食品残渣は、必要に応じてメタン発酵設備１１のメタン発酵槽１１ａに供給され、メタン発酵処理が行われる。メタン発酵は、有機物が種々の微生物に資化されてメタン（ＣＨ４）に変換される一連の過程であり、例えば固形有機物が炭水化物、アミノ酸、脂肪酸などの水溶性低分子物質に分解される過程（可溶化過程）、さらに分解されて酢酸、プロピオン酸、酪酸などの低級脂肪酸を生成する過程、酢酸や水素ガスなどに分解される過程、酢酸や水素ガスからメタンが生成される過程等からなるものであり、嫌気性雰囲気下でメタン菌の作用によって、これらの過程を経て含水食品残渣が発酵処理されることになる。
また、メタン発酵によって発生するメタンガスを主成分とするバイオガスは、ガスホルダー１１ｂ、脱硫装置１１ｃ等を介して例えばエネルギー回収設備１２の発電装置１２ａなどに供給され、電気の発電や、熱の供給等に有効に活用されることになる。一方、メタン発酵槽１１ａからの残渣である消化液や消化汚泥は、例えば消化液処理設備１３の消化液処理システム１３ａや液肥貯留設備１４の液肥貯留槽１４ａ等に送られた後に、液肥や堆肥として農地還元されたり、河川放流や下水処理場への搬送がなされることになる。
そして、本実施形態では、含水食品残渣の亜臨界水処理による前処理は、前処理設備１０の前処理装置１０ｂにおいて、例えば粉砕されてスラリー状となった含水食品残渣に対して、１１０〜１６０℃の亜臨界水処理温度で２．５〜１０分間、水熱反応処理を施すことによって行われる。
ここで、含水食品残渣の亜臨界水処理による前処理は、１１０〜１６０℃の亜臨界水処理温度で行う必要があり、また１２０〜１４０℃の亜臨界水処理温度で行うことが好ましい。亜臨界水処理温度が１１０℃よりも低いと、メタン生成の前駆物質への分解が不十分になり、１６０℃よりも高いと、分解が過剰になる。また亜臨界水処理温度を１２０〜１４０℃とすることにより、メタン生成の前駆物質としてより適した分解状態が実現されることになる。
なお、亜臨界水処理は、前処理設備１０の前処理装置１０ｂに設けられた閉鎖空間内において行われ、閉鎖空間内の圧力（ゲージ圧力）は、０．２〜０．８ＭＰａであることが好ましく、亜臨界水処理温度を１２０〜１４０℃とした場合には、閉鎖空間内の圧力（ゲージ圧力）は、０．２〜０．５ＭＰａとすることが特に好ましくい。
また、本実施形態では、含水食品残渣の１１０〜１６０℃の亜臨界水処理温度での前処理は、２．５〜１０分間行う必要があり、また５〜７．５分間行うことが好ましい。亜臨界水処理の時間が２．５分よりも短いと、メタン生成の前駆物質への分解が不十分になり、１０分よりも長いと、分解が過剰になる。また亜臨界水処理の時間を５〜７．５分とすることにより、メタン生成の前駆物質としてより適した分解状態が実現されることになる。
また、含水食品残渣は、含水率を８０〜９０％とした状態で亜臨界水処理を行うことが好ましい。含水食品残渣の含水率を８０〜９０％とした状態で亜臨界水処理を行うことにより、メタン生成の前駆物質としてより適した分解状態が実現されることになる。なお、生ゴミ又は食品残渣は、本来７０〜９５％程度の相当の含水率を備えるものであるが、粉砕されてスラリー状となった含水食品残渣の含水率が８０％に満たない場合には、適量の水を適宜加え、含水食品残渣の含水率を８０〜９０％に保持して亜臨界水処理を行うことが好ましい。
そして、本実施形態の生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法によれば、生ゴミ又は食品残渣を、エネルギー源として回収しつつ低コストで効率良く処理することが可能になる。すなわち、本実施形態では、含水食品残渣をメタン発酵設備に供給するのに先立ち、前処理設備１０内の閉鎖空間において、上述の特定の低温の温度帯域及び短時間での亜臨界水処理を前処理として行うので、亜臨界水処理を行うことなくメタン発酵を行った場合と比較して、例えば１．８倍〜２．０倍程度のメタン発酵による処理速度と、例えば１．２倍〜１．５倍程度のメタン発酵によるガスの発生量を得ることができ、費用対効果を考慮した場合でも、充分に採算に見合う安価な処理システムを構築することが可能になる共に、多量の生ゴミ又は食品残渣を効率良く速やかに処理することが可能になる。
また、本実施形態によれば、含水食品残渣を効率良くメタン発酵させて、より多くのバイオガスをエネルギー源として回収することが可能になると共に、メタン発酵後の発酵残渣を低減して、発酵残渣の処理の負担を低減することも可能になり、これらによって、さらに安価且つ効率良く生ゴミ又は食品残渣を処理してゆくことが可能になる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々の変更が可能である。例えば、本発明の生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法は、図１に示す構成のメタン発酵施設の他、その他の種々の公知のメタン発酵処理施設やメタン発酵処理システムにおいて採用することができる。
以下、本発明を、室内実験で行った実施例及び比較例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
〔亜臨界水処理温度とガス発生量との関係〕
生ゴミ又は食品残渣として、表１に示す配合及び含水率の模擬食品残渣を用い、比較例１として、亜臨界水処理による前処理を行うことなくメタン発酵させてガスの発生量を測定した。また、実施例１〜４として、表２に示す処理温度で表２に示す時間、亜臨界水処理による前処理を行った後に、メタン発酵させてガスの発生量を測定した。測定結果を比較例１によるガスの発生量との比として表２に示す。さらに、比較例２，３として、表２に示す処理温度で表２に示す時間、亜臨界水処理による前処理を行った後に、メタン発酵させてガスの発生量を測定した。測定結果を比較例１によるガスの発生量との比として表２に示す。さらにまた、表２におけるガスの発生量の測定結果をチャートとして図２に示す。
生ゴミ又は食品残渣として、表１に示す配合及び含水率の模擬食品残渣を用い、比較例１として、亜臨界水処理による前処理を行うことなくメタン発酵させてガスの発生量を測定した。また、実施例１〜４として、表２に示す処理温度で表２に示す時間、亜臨界水処理による前処理を行った後に、メタン発酵させてガスの発生量を測定した。測定結果を比較例１によるガスの発生量との比として表２に示す。さらに、比較例２，３として、表２に示す処理温度で表２に示す時間、亜臨界水処理による前処理を行った後に、メタン発酵させてガスの発生量を測定した。測定結果を比較例１によるガスの発生量との比として表２に示す。さらにまた、表２におけるガスの発生量の測定結果をチャートとして図２に示す。
表２及び図２に示すガスの発生量比によれば、本発明に係る実施例１〜４では、ガスの発生量が顕著に増加していることが判明する。
〔亜臨界水処理温度とメタン生成の前駆物質である有機酸の量との関係〕
生ゴミ又は食品残渣として、表１に示す配合及び含水率の模擬食品残渣を用い、実施例５として、表３に示す処理温度で表３に示す時間、亜臨界水処理による前処理を行った後に、有機酸の量（ｍｇ／リッタ）を測定した。測定結果を表３に示す。また、比較例４〜６として、表３に示す処理温度で表３に示す時間、亜臨界水処理による前処理を行った後に、有機酸の量（ｍｇ／リッタ）を測定した。測定結果を表３に示す。さらに、表３における有機酸の量の測定結果をチャートとして図３に示す。
生ゴミ又は食品残渣として、表１に示す配合及び含水率の模擬食品残渣を用い、実施例５として、表３に示す処理温度で表３に示す時間、亜臨界水処理による前処理を行った後に、有機酸の量（ｍｇ／リッタ）を測定した。測定結果を表３に示す。また、比較例４〜６として、表３に示す処理温度で表３に示す時間、亜臨界水処理による前処理を行った後に、有機酸の量（ｍｇ／リッタ）を測定した。測定結果を表３に示す。さらに、表３における有機酸の量の測定結果をチャートとして図３に示す。
表３及び図３に示す有機酸の量の測定結果によれば、本発明に係る実施例５では、メタン生成の前駆物質である有機酸の量が顕著に増加していることが判明する。
〔発酵時間とガス発生量との関係〕
生ゴミ又は食品残渣として、表１に示す配合及び含水率の模擬食品残渣を用い、比較例７として、亜臨界水処理による前処理を行うことなくメタン発酵させ、発酵時間とガス発生量との関係を測定した。また、比較例８として、２００℃の処理温度で５分間、亜臨界水処理による前処理を行った後にメタン発酵させ、発酵時間とガス発生量との関係を測定した。測定結果をチャートとして図４に示す。
生ゴミ又は食品残渣として、表１に示す配合及び含水率の模擬食品残渣を用い、比較例７として、亜臨界水処理による前処理を行うことなくメタン発酵させ、発酵時間とガス発生量との関係を測定した。また、比較例８として、２００℃の処理温度で５分間、亜臨界水処理による前処理を行った後にメタン発酵させ、発酵時間とガス発生量との関係を測定した。測定結果をチャートとして図４に示す。
図４に示す発酵時間とガス発生量との関係の測定結果によれば、２００℃の処理温度で５分間、亜臨界水処理による前処理を行った比較例８では、前処理を行うことなくメタン発酵させた比較例７と比較して、ガスの発生量は幾分しか増えておらず、含水食品残渣の過剰分解が推測される。
生ゴミ又は食品残渣として、表１に示す配合及び含水率の模擬食品残渣を用い、比較例９として、亜臨界水処理による前処理を行うことなくメタン発酵させ、発酵時間とガス発生量との関係を測定した。実施例６として、１２０℃の処理温度で５分間、亜臨界水処理による前処理を行った後にメタン発酵させ、発酵時間とガス発生量との関係を測定した。実施例７として、１２０℃の処理温度で１０分間、亜臨界水処理による前処理を行った後にメタン発酵させ、発酵時間とガス発生量との関係を測定した。実施例８として、１４０℃の処理温度で１０分間、亜臨界水処理による前処理を行った後にメタン発酵させ、発酵時間とガス発生量との関係を測定した。実施例９として、１６０℃の処理温度で５分間、亜臨界水処理による前処理を行った後にメタン発酵させ、発酵時間とガス発生量との関係を測定した。比較例１０として、１８０℃の処理温度で１０分間、亜臨界水処理による前処理を行った後にメタン発酵させ、発酵時間とガス発生量との関係を測定した。測定結果をチャートとして図５に示す。
図５に示す発酵時間とガス発生量との関係の測定結果によれば、本発明に係る実施例６〜８では、ガスの発生速度及び発生量について良好な結果が得られ、前処理を行っていない比較例９と比較して、概ね例えば１．８倍〜２．０倍程度のメタン発酵によるガスの発生速度と、例えば１．２倍〜１．５倍程度のメタン発酵によるガスの発生量とが得られることが判明する。一方、実施例９では、実施例６〜８と比較して、ガスの発生速度とガスの発生量がいずれも減少しており、含水食品残渣の前処理による部分的な過剰分解が推測される。また、比較例１０では、前処理を行っていない比較例１１と同様のガスの発生速度とガスの発生量しか得られず、含水食品残渣の前処理による過剰分解が推測される。
１０ 前処理設備
１０ａ 受入装置
１０ｂ 前処理装置
１１ メタン発酵設備
１１ａ メタン発酵槽
１１ｂ ガスホルダー
１１ｃ 脱硫装置
１２ エネルギー回収設備
１２ａ 発電装置
１３ 消化液処理設備
１３ａ 消化液処理システム
１４ 液肥貯留設備
１４ａ 液肥貯留槽
１０ａ 受入装置
１０ｂ 前処理装置
１１ メタン発酵設備
１１ａ メタン発酵槽
１１ｂ ガスホルダー
１１ｃ 脱硫装置
１２ エネルギー回収設備
１２ａ 発電装置
１３ 消化液処理設備
１３ａ 消化液処理システム
１４ 液肥貯留設備
１４ａ 液肥貯留槽
Claims (4)
- 生ゴミ又は食品残渣をメタン発酵によって処理する生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法において、
前記生ゴミ又は食品残渣をメタン発酵設備に供給するのに先立ち、１１０〜１６０℃の亜臨界水処理温度で２．５〜１０分間、該生ゴミ又は食品残渣を処理する生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法。 - 前記亜臨界水処理温度が１２０〜１４０℃である請求項１記載の生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法。
- 前記亜臨界水処理温度での圧力が０．２〜０．８ＭＰａである請求項１又は２に記載の生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法。
- 前記生ゴミ又は食品残渣の含水率が８０〜９０％である請求項１〜３のいずれかに記載の生ゴミ又は食品残渣のメタン発酵処理方法。
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