JP2008194602A - 有機性廃棄物のメタン発酵処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランニングコストを抑制できると共に、発酵に寄与しない発酵不適物の除去を効率的に行うこと。
【解決手段】有機性廃棄物をメタン発酵処理してバイオガス等の資源回収を行うメタン発酵処理装置において、有機性廃棄物スラリー１０をスラリー調整槽１２に投入し、有機性廃棄物スラリー１０の固形物濃度が５％〜１５％の場合、スラリー調整槽１２内の撹拌強度Ｇ値が、３０ｓ^−１〜１０００ｓ^−１となるように撹拌機１３に設定して撹拌翼１３ａの回転速度を制御する。またスラリー調整槽１２の下部構造をコーン状にすることで、卵の殻などの堆積しやすい無機物は下部に堆積し、その他の有機物は上述の撹拌強度Ｇ値の範囲で有効に撹拌運転するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、生ごみ等の有機性廃棄物をメタン発酵処理する有機性廃棄物のメタン発酵処理方法及び装置に関する。

生ごみ、汚泥等の有機性廃棄物のほとんどは、焼却や埋立て処分されているが、焼却に伴うダイオキシンの発生や埋立て処分地の逼迫、悪臭などの問題から、環境負荷の少ない処理方法が求められている。これらの要請に応えるべく、有機性廃棄物のメタン発酵処理技術が開発されている。

メタン発酵処理では、有機性廃棄物を粉砕し、粉砕物をスラリー化した後、このスラリーを発酵槽へ投入する。発酵槽において嫌気性下でメタン菌により発酵処理し、有機性廃棄物をメタンガスに転換する。投入原料の性状や運転条件などにより様々な処理方法、発酵槽が提案されている。

以上のようなメタン発酵法は、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、嫌気性のため曝気動力が不要であるため省エネルギーな処理法である。しかも、副産物として生成されるメタンガスをエネルギーとして回収できるメリットがある。

従来、生ごみ等の有機性廃棄物をメタン発酵法で効率的に処理するシステムとして、有機性廃棄物をペースト状に粉砕して、５０〜６０℃で大きな活性を示す高温メタン菌で処理するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。高温菌は３６〜３８℃の中温で活性が大きくなる中温菌に比べ２〜３倍の活性を持っており、高温菌でメタン発酵を行うことで分解速度の向上と消化率の向上を図ることができるとしている。また、発酵槽内に固定ろ床を設置し、メタン菌を固定ろ床に付着保持させるメタン発酵処理装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１０−１３７７３０号公報 特開平１３−４６９９７号公報

ところで、メタン発酵槽により、固形物（ＴＳ）濃度１０％程度で、ＣＯＤ負荷１５ｋｇ-ＣＯＤ/ｍ^３・日、発酵槽内滞留時間が約１０日間といった高容積の有機物負荷で運転されるようになってきた。

しかしながら、有機性廃棄物と水もしくは処理水と撹拌混合し、酸発酵などの生物反応で低分子化する手法の効果的な撹拌条件は明確ではなく、経験的に行われているのが現状であった。このため、過大な撹拌を行えば撹拌動力も大きくなって運転管理コストが高くなるという問題がある一方で、撹拌が不十分であればメタン発酵が促進されずに運転期間が長期化して効率が低下するという問題がある。

一方、有機性廃棄物に混入する卵の殻や骨などは、後段のメタン発酵では分解しないため、発酵槽に投入前に分離し、除去するのが好ましい。

このように、有機性廃棄物を好ましい条件で撹拌し、かつ発酵に寄与しない発酵不適物を除去するという特徴を併せ持つ調整槽は、得られていない上に、撹拌の仕様や方法を決める具体的な判断基準がなく経験を元に実施しているのが現状であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、スラリーの固形物濃度との関係で最適な撹拌強度を実現でき、従来方式より処理能力が高く、しかもランニングコストの低減を図ることができ、発酵に寄与しない発酵不適物を沈降させて除去可能な有機性廃棄物のメタン発酵処理装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明は、有機性廃棄物スラリーをメタン発酵させてバイオガスを回収するメタン発酵処理方法において、有機性廃棄物と水又は処理水とを混合したスラリーを貯留槽へ投入し、前記貯留槽へ投入したスラリーの固形物濃度が３％〜１５％の場合、前記貯留槽内の撹拌強度が、３０ｓ^−１〜１０００ｓ^−１となるように前記貯留槽内のスラリーを撹拌することを特徴とする。

この構成によれば、スラリーの固形物濃度が３％〜１５％の場合の貯留槽内の撹拌強度を３０ｓ^−１〜１０００ｓ^−１としたので、貯留槽内において有機性廃棄物を均一に撹拌できると共に発酵不適物を沈降させて分離することができ、過大な撹拌を行わないことによりランニングコストの低減を図ることもできる。

上記メタン発酵処理方法において、前記スラリーの固形物濃度が５％〜１５％の場合は、前記貯留槽内の撹拌強度が、１００ｓ^−１〜１０００ｓ^−１となるように前記貯留槽内のスラリーを撹拌することが望ましい。

この構成により、過剰なエネルギーを投入することなく有機性廃棄物を均一に撹拌できると共に発酵不適物の沈降をさせて分離することもできる。

本発明は、有機性廃棄物スラリーをメタン発酵させてバイオガスを回収するメタン発酵処理装置において、有機性廃棄物と水又は処理水とを混合したスラリーを貯留する貯留槽と、前記貯留槽内のスラリーを撹拌する撹拌手段とを備え、前記スラリーの固形物濃度が３％〜１５％の場合、前記撹拌手段による貯留槽内の撹拌強度が、３０ｓ^−１〜１０００ｓ^−１となるようにしたことを特徴とする。

上記メタン発酵処理装置において、前記スラリーの固形物濃度が５％〜１５％の場合は、前記貯留槽内の撹拌強度が、１００ｓ^−１〜１０００ｓ^−１となるように前記貯留槽内のスラリーを撹拌することが望ましい。

上記メタン発酵処理装置において、前記貯留槽の下部を底部に近づくのに従って径が徐々に細くなるコーン形状としたことを特徴とする。

この構成により、発酵不適物は下部に堆積させて除去し易くする共に、上記撹拌強度による撹拌では分散しづらい構造を実現できる。

上記メタン発酵処理装置において、前記貯留槽の下部は、底面の直径をＬ、コーン形状部の深さをＤとして、Ｌ／Ｄが２．１よりも大きいことが望ましい。

本発明によれば、スラリーの固形物濃度との関係で最適な撹拌強度を実現でき、従来方式より処理能力が高く、しかもランニングコストの低減を図ることができ、発酵に寄与しない発酵不適物を沈降させて除去可能である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１に本発明の一実施の形態に係るメタン発酵処理装置の概略的な構成を示す。本実施の形態のメタン発酵処理装置は、有機性廃棄物スラリーを嫌気性下でメタン菌により発酵処理して有機性廃棄物をバイオガスと水とに分解するメタン発酵槽１１と、メタン発酵槽１１の前段に設けられ微粉砕した有機性廃棄物を貯留してスラリー調製するためのスラリー調整槽１２と、スラリー調整槽１２内を後述する撹拌強度で撹拌する撹拌機１３とを主な構成要素としている。本実施の形態では、上記スラリー調整槽１２がスラリー貯留槽として機能する。

スラリー調整槽１２は、調整槽本体を構成する円筒部１２ａと、円筒部１２ａの下端から調整槽底部に掛けての下部構造を構成するコーン部１２ｂとで構成される。コーン部１２ｂは調整槽底部に向けて直径が徐々に小さくなる逆円錐台形状をなしており、沈降する発酵不適物を調整槽外へ除去可能な構造となっている。スラリー調整槽１２には、図示していない粉砕機で粗砕された有機性廃棄物が槽内に導かれると共に、有機性廃棄物と混合される水道水又は処理水が図示していない供給ポンプにより供給されるように構成されている。

撹拌機１３は、スラリー調整槽１２の内部に撹拌翼１３ａが配置され、撹拌翼１３ａに先端が結合された回転軸１３ｂの基端部がスラリー調整槽１２の外部に設置した駆動源としてのモータ１３ｃに連結されている。撹拌機１３に設定される撹拌翼１３ａの回転速度については後述する。

メタン発酵槽１１は、スラリー調整槽１２に連結されている。スラリー調整槽１２において撹拌混合された有機性廃棄物スラリーがメタン発酵槽１１へ供給される。メタン発酵槽１１には、図示していないがメタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させたろ床が配置される。本実施の形態では、メタン発酵槽１１を５０〜６０℃に加温して高効率発酵が行われるように制御する。メタン発酵槽１１の温度は不図示のヒータを制御することによって所望温度に維持される。メタン発酵槽１１において、有機性廃棄物スラリーはろ床を通過してメタン発酵され、発酵後の消化液は、ろ床の上部に溜まる液状の処理液として取り出され、ろ床の下部に溜まる余剰汚泥は発酵槽底部から取り出される。また、発生したメタンガスはメタン発酵槽１１の上部から取り出して、図示していないガスホルダーに貯留する。

以上のように構成されたメタン発酵処理装置を用いてスラリー調整槽１２内の最適な撹拌強度を求めるための実験を行った。

食堂厨芥を材料にして、水道水で希釈し、食堂用カッターミキサーで調整したものを有機性廃棄物スラリー１０とした。有機性廃棄物スラリー１０のＴＳ濃度を、希釈倍率を変えて３％から１５％に調製し、コーン部１２ｂを除く容積が５Ｌ（リットル）のスラリー調整槽１２に投入して実験を行った。また、スラリー調整槽１２は円筒部１２ａの直径が２１ｃｍで円筒部１２ａの下端からコーン部１２ｂの先端までの深さは１０ｃｍのものを用い、撹拌機１３は直径８ｃｍ,幅１．２ｃｍの撹拌翼１３ａ（撹拌翼１３ａの運動方向に直角な面積0.00096ｍ^２）を用いた。

そして、撹拌機１３の回転数を変えて撹拌強度を変化させた場合に、有機性廃棄物スラリー１０が均一に撹拌される撹拌強度と、発酵不適物の卵の殻がコーン部１２ｂから巻き上げられる撹拌強度とを求めた。

上記撹拌翼１３ａによる撹拌強度は、水道施設設計指針2000（p190 日本水道協会）の計算式を用いて算出するものとする。撹拌強度を示す指標としてＧ値が用いられるが、撹拌翼を用いた場合のＧ値は、フラッシュミキサー方式を用いて計算できる。撹拌翼の運動方向に直角な面積を用いて計算したフラッシュミキサー方式のＧ値は以下の式（１）で表せられる。

ρ：処理液（有機性廃棄物スラリー）の密度（例えば、1.0×10³kg/m³、20℃）
Ｃ：撹拌翼の抵抗係数（＝1.5）
ａ：撹拌翼の運動方向に直角な面積(m²)
v：撹拌翼の平均速度(m/s)
μ：処理液（有機性廃棄物スラリー）の粘性係数（例えば、1.0×10^-3kg/m・s、20℃）
Ｖ：調整槽の容量(m³)

その実験結果を表１に示す。表１中に示す「○」は均一に撹拌され始める条件を示し、「◎」は充分に撹拌されている状態を示す。「×」は逆に均一に撹拌されていない状態を示している。

実験結果より、有機性廃棄物スラリー１０のＴＳ濃度が３％付近では、撹拌強度＝３０ｓ^−１以上の撹拌条件で均一に撹拌されることが判る。有機性廃棄物スラリー１０のＴＳ濃度が５％程度では、撹拌強度＝１００ｓ^−１以上の撹拌条件で均一に撹拌されることが判る。有機性廃棄物スラリー１０のＴＳ濃度が７．５％の場合は撹拌強度＝２２０ｓ^−１の撹拌条件で均一に撹拌され、ＴＳ濃度が１０％程度の場合は撹拌強度＝５００ｓ^−１の撹拌条件で均一に撹拌されることが判る。ＴＳ濃度が１５％付近の場合は、およそ撹拌強度＝１０００ｓ^−１の撹拌条件で均一に撹拌されることが判る。

また、コーン部１２ｂに堆積した発酵不適物である卵の殻が巻き上げられ、コーン部１２ｂから上部に分散されるには、撹拌強度＝１１００ｓ^−１程度の撹拌条件であることが判った。

以上の実験結果より、有機性廃棄物スラリー１０のＴＳ濃度が３％〜１５％程度である場合は、撹拌強度範囲が３０ｓ^−１〜１０００ｓ^−１であれば、調整槽１２内において有機性廃棄物が均一に撹拌され、撹拌強度を１０００ｓ^−１以上にしても均一に撹拌する効果は変わらないことが判明した。

一方、発酵不適物として投入した卵の殻の排出される割合は、撹拌強度が１０００ｓ^−１以上になると、コーン部１２ｂから巻き上げられて有機性廃棄物スラリー１０中に混入する比率が高くなることが判った。

したがって、有機性廃棄物スラリー１０のＴＳ濃度が３％〜１５％以下の場合は、調整槽１２の撹拌強度が３０ｓ^−１〜１０００ｓ^−１となる撹拌条件では、有機物は均一に撹拌されかつ、卵の殻を分離できる条件であることがわかった。

ＴＳ濃度が５％〜１５％となる高濃度の有機性廃棄物スラリー１０の場合は、調整槽１２の撹拌強度を、１００ｓ^−１〜１０００ｓ^−１に設定すれば、過剰なエネルギーを投入することなく、かつ、卵殻を分離する条件となることも判明した。

なお、コーン部１２ｂの深さを今回用いたものよりも深くすれば、さらに分離能力が増すと考えられる。スラリー調整槽１２は、コーン部１２ｂの底面の直径をＬ、コーン形状部の深さをＤとして、Ｌ／Ｄを２．１よりも大きくすることで、卵の殻などの堆積しやすい無機物は底部に堆積させて除去し易くし、その他の有機物は上述の撹拌強度Ｇ値の範囲で有効に撹拌されるものとなる。

以上の実験結果を踏まえて、本実施の形態のメタン発酵処理装置では、有機性廃棄物スラリー１０のＴＳ濃度が３％〜１５％以下の場合は、調整槽１２の撹拌強度の範囲が３０ｓ^−１〜１０００ｓ^−１となる撹拌条件を撹拌機１３に設定して運転することとしたので、過剰なエネルギーを投入することなく、調整槽１２内の有機物を均一に撹拌できると共に発酵不適物をコーン部１２ｂに沈降させることができる。

また、本実施の形態のメタン発酵処理装置では、高濃度の有機性廃棄物スラリー１０（ＴＳ濃度が５％〜１５％）の場合は、調整槽１２の撹拌強度が１００ｓ^−１〜１０００ｓ^−１となる撹拌条件を撹拌機１３に設定して運転することとしたので、発酵不適物の分散を抑制すると共に撹拌不足を防止することができる。

なお、以上の説明では、撹拌翼１３ａを用いて調整槽１２内を撹拌する場合について説明したが、液返送ポンプ拡散方式による撹拌であっても同様に適用可能である。

図２は液返送ポンプ拡散方式を適用したメタン発酵処理装置の変形例を示す図であり、スラリー調整槽１２部分を抜き出して示している。なお、図１に示すメタン発酵処理装置と同一部分には同一符号を付している。

図２に示すように、調整槽本体を構成する円筒部１２ａの中腹又は調整槽下部に一端が連通し、他端が円筒部１２ａの上部に連通した循環経路２１が設けられている。循環経路２１には液循環ポンプ２２が設けられている。液循環ポンプ２２を動作させることで、円筒部１２ａの中腹又は調整槽下部より取り出された処理液が循環経路２１を通って調整槽上部より供給される。液循環ポンプ２２を用いて処理液をスラリー調整槽１２内で循環させることにより、スラリー調整槽１２内の有機物を撹拌することができる。

このような、液返送ポンプ拡散方式による撹拌強度であるＧ値は下記（２）式により求めることができる。

ρ：処理液（有機性廃棄物スラリー）の密度（例えば、1.0×10³kg/m³、20℃）
μ：処理液（有機性廃棄物スラリー）の粘性係数（1.0×10^-3kg/m・s、20℃）
Ｖ：調整槽の容量(m³)
Ｑ：ノズル噴出水量（m³/s）
ｖ：ノズル噴出水の初速度（m/s）

本変形例では、有機性廃棄物スラリー１０のＴＳ濃度が３％〜１５％以下の場合は、調整槽１２の撹拌強度の範囲が３０ｓ^−１〜１０００ｓ^−１となる撹拌条件を液循環ポンプ２２に設定して運転することとする。

また、高濃度の有機性廃棄物スラリー１０（ＴＳ濃度が５％〜１５％）の場合は、調整槽１２の撹拌強度が１００ｓ^−１〜１０００ｓ^−１となる撹拌条件を液循環ポンプ２２に設定して運転することとする。

本発明は、有機性廃棄物をメタン発酵処理によりバイオガスと水とに分解して資源回収するシステムに適用可能である。

本発明の一実施の形態に係るメタン発酵処理装置の概略的な構成図 上記一実施の形態の変形例に係るメタン発酵処理装置におけるスラリー調整槽の構成図

符号の説明

１０…有機性廃棄物スラリー
１１…メタン発酵槽
１２…スラリー調整槽
１２ａ…円筒部
１２ｂ…コーン部
１３…撹拌機
１３ａ…撹拌翼
１３ｂ…回転軸
１３ｃ…モータ
２１…循環経路
２２…液循環ポンプ

Claims (6)

1. 有機性廃棄物スラリーをメタン発酵させてバイオガスを回収するメタン発酵処理方法において、有機性廃棄物と水又は処理水とを混合したスラリーを貯留槽へ投入し、前記貯留槽へ投入したスラリーの固形物濃度が３％〜１５％の場合、前記貯留槽内の撹拌強度が、３０ｓ^−１〜１０００ｓ^−１となるように前記貯留槽内のスラリーを撹拌することを特徴とするメタン発酵処理方法。
2. 前記スラリーの固形物濃度が５％〜１５％の場合、前記貯留槽内の撹拌強度が、１００ｓ^−１〜１０００ｓ^−１となるように前記貯留槽内のスラリーを撹拌することを特徴とする請求項１記載のメタン発酵処理方法。
3. 有機性廃棄物スラリーをメタン発酵させてバイオガスを回収するメタン発酵処理装置において、有機性廃棄物と水又は処理水とを混合したスラリーを貯留する貯留槽と、前記貯留槽内のスラリーを撹拌する撹拌手段とを備え、前記スラリーの固形物濃度が３％〜１５％の場合、前記撹拌手段による貯留槽内の撹拌強度が、３０ｓ^−１〜１０００ｓ^−１となるようにしたことを特徴とするメタン発酵処理装置。
4. 前記スラリーの固形物濃度が５％〜１５％の場合、前記撹拌手段による貯留槽内の撹拌強度が、１００ｓ^−１〜１０００ｓ^−１となるようにしたことを特徴とする請求項１記載のメタン発酵処理装置。
5. 前記貯留槽の下部を底部に近づくのに従って径が徐々に細くなるコーン形状としたことを特徴とする請求項３又は請求項４記載のメタン発酵処理装置。
6. 前記貯留槽の下部は、底面の直径をＬ、コーン形状部の深さをＤとして、Ｌ／Ｄが２．１よりも大きいことを特徴とする請求項５記載のメタン発酵処理装置。
   

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