JP2009056463A

JP2009056463A - 有機性廃棄物の処理方法で生産された水素の利用方法

Info

Publication number: JP2009056463A
Application number: JP2008265440A
Authority: JP
Inventors: Tadayuki Imanaka; 忠行今中
Original assignee: IIB KK
Current assignee: IIB KK
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2009-03-19

Abstract

【課題】余剰汚泥等の有機性廃棄物からの水素生産、および有機性廃棄物の分解処理を効率的かつ安定的に行える有機性廃棄物の処理方法で生産された水素の利用方法を提供すること。
【解決手段】有機性廃棄物が希釈されてなる調整液を栄養として、６０〜１０５℃および嫌気性雰囲気下で水素生産超好熱菌を増殖させることで、該菌体から水素を生産させる発酵工程と、前記発酵工程で形成された発酵残渣を栄養として、常温および酸素供給手段を用いた好気性雰囲気下で活性汚泥を増殖させることで、前記発酵残渣を炭酸ガスと水に分解させつつ、該発酵残渣を固液分離手段３２に通し、該固液分離手段３２を通過した液体成分を排水として排出させる発酵残渣分解工程と、を有する有機性廃棄物の処理方法において、前記発酵工程で生産された水素を定置用燃料電池の燃料として用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば余剰汚泥等の有機性廃棄物を有効利用するために用いられる処理方法で生産された水素の利用方法に関するものである。

活性汚泥法は、都市下水や産業排水等の汚水の処理方法として従来から広く用いられている。この活性汚泥法が行われる活性汚泥槽では、余剰汚泥が年間約２億トン発生しているともいわれている。これらの余剰汚泥は、現在焼却等の処分に付されてるが、余剰汚泥をただ処分するだけでなく、例えば、メタン発酵を行わせる等、余剰汚泥を有効活用する技術開発も進められている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１２９９号公報

ところで、水素は、クリーンエネルギーとして注目されており、余剰汚泥から水素を効率的に生産する技術開発が要望されている。しかしながら、現状では、実用化し得る有望なシステムはない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、余剰汚泥等の有機性廃棄物からの水素生産、および有機性廃棄物の分解処理を効率的かつ安定的に行える有機性廃棄物の処理方法で生産された水素の利用方法を提供することにある。

すなわち、本発明の要旨は以下のとおりである。
〔１〕有機性廃棄物が希釈されてなる調整液を栄養として、６０〜１０５℃および嫌気性雰囲気下で水素生産超好熱菌を増殖させることで、該菌体から水素を生産させる発酵工程と、前記発酵工程で形成された発酵残渣を栄養として、常温および酸素供給手段を用いた好気性雰囲気下で活性汚泥を増殖させることで、前記発酵残渣を炭酸ガスと水に分解させつつ、該発酵残渣を固液分離手段に通し、該固液分離手段を通過した液体成分を排水として排出させる発酵残渣分解工程と、を有する有機性廃棄物の処理方法において、前記発酵工程で生産された水素を定置用燃料電池の燃料として用いることを特徴とする、有機性廃棄物の処理方法で生産された水素の利用方法、
〔２〕前記水素生産超好熱菌が、サーモコッカス・コダカラエンシス（Thermococcus kodakaraensis）ＫＯＤ１（ＦＥＲＭＰ−１５００７）である、前記〔１〕記載の水素の利用方法。

本発明の処理方法によれば、発酵工程では、供給された調整液中に含まれる微生物を殺菌して、該微生物を構成する細胞内の各種有機物を漏出させたものを栄養として用いることができるので、水素を長時間安定して生産することができる。また、発酵残渣分解工程では、発酵残渣中に水素生産超好熱菌が含まれる場合でも、該超好熱菌の影響を受けることなく、発酵残渣の分解処理を長時間安定して行うことができる。そして、生産された水素は定置用燃料電池の燃料として用いられる。

図１は、本発明の実施形態の一例を示す概略構成図である。有機性廃棄物の処理装置Ａは、調整槽１、発酵槽２およびノンスラッジ排水処理槽３（以下、「排水処理槽３」という）を備えており、調整槽１と発酵槽２ならびに発酵槽２と排水処理槽３とは、それぞれ調整液移送管４と発酵残渣移送管５とで連結されている。

調整槽１は、内部空間を有する密閉構造からなり、槽外から槽内へと通ずる廃棄物移送管６を備えている。調整槽１では、廃棄物移送管６を通じて有機性廃棄物が移送され、濃度，ｐＨ等が、次の発酵槽２による発酵工程に適した状態になるように調整され、これを調整液として貯留している。本発明において「有機性廃棄物」とは、生物由来の有機性資源のうち、廃棄されたものをいい、例えば、余剰汚泥、生ゴミ、し尿等を例示することができる。

発酵槽２は、内部空間を有する密閉構造からなり、槽内に水素生産超好熱菌を備えるとともに、槽外から槽内へと通ずる窒素ガス供給管２１および槽内から槽外へと通じるガス導出管２２を備えている。また、胴部から底部にかけて発酵槽２を加熱および保温するための加温部（図示せず）が設けられている。

水素生産超好熱菌としては、６０℃〜１０５℃および嫌気性雰囲気下で増殖可能で、上記調整液を栄養として水素を生産する能力を有するものであれば特に限定されず、例えば、サーモコッカス・コダカラエンシス（Thermococcus kodakaraensis）、ピロコッカス・フリオサス（Pyricoccus furiosus）、テルモトガ・マリチマ（Thermotoga maritima）等を例示することができる。これらの中では、上記調整液を栄養としたときの水素生産能に優れる点で、サーモコッカス・コダカラエンシス（Thermococcus kodakaraensis）が好ましい。サーモコッカス・コダカラエンシス（Thermococcus kodakaraensis）としては、サーモコッカス・コダカラエンシス（Thermococcus kodakaraensis）ＫＯＤ１が入手可能である。この菌株は工業技術院生命工学工業研究所（現在：独立行政法人産業技術総合研究所特許生物寄託センター）に、受託番号：ＦＥＲＭＰ−１５００７として寄託されている（なお、「ピロコッカススピーシーズ（Pyrococcus sp.）ＫＯＤ１」として登録されているが、正確には「サーモコッカス・コダカラエンシス（Thermococcus kodakaraensis）ＫＯＤ１」である。）。

発酵槽２の運転は次のように行われる。すなわち、加温部にて、発酵槽２内が６０〜１０５℃、更に好ましくは７０〜９５℃、特に好ましくは８０〜９０℃になるように温度制御するとともに、窒素ガス供給管２１から窒素ガスを適宜供給することで、発酵槽２内を高温の嫌気性雰囲気とする。そして、調整槽１内にある調整液が調整液移送管４を通じて発酵槽２内へ移送され、これを栄養として、水素生産超好熱菌を増殖させることで、この菌体からガス（水素および二酸化炭素）を生産させる。続いて、生産されたガスは、ガス導出管２２を通じて発酵槽２の外部へ導出される。槽外へ導出されたガスは、その後水素と二酸化炭素に分離される。分離された水素は、例えば、燃料電池自動車、水素ステーション、定置用燃料電池等種々の用途に使用される。

発酵槽２で行われる発酵工程によれば、供給された調整液中に含まれる微生物を６０〜１０５℃という高温で殺菌して、該微生物を構成する細胞内の各種有機物を漏出させたものを栄養として用いることができるので、水素生産超好熱菌の発酵による水素生産が効率よく進むとともに、発酵槽２の運転も長時間安定して行うことができる。

排水処理槽３は、内部空間を有する開放構造からなり、槽内に活性汚泥、酸素供給手段３１および固液分離手段３２を備えるとともに、該固液分離手段３２と連通して槽外へ導出される排水管３３を備えている。

「活性汚泥」は、常温の好気性雰囲気下で増殖可能で、発酵槽２で形成された発酵残渣を分解できるものであれば特に限定されず、通常の活性汚泥の他、発酵残渣の分解効率を高めるため、発酵残渣の種類、すなわち有機性廃棄物および水素生産超好熱菌の種類、性状等に応じて適宜適したものを用いることができる。

例えば、油脂分の多い有機性廃棄物を処理する場合、公知の油脂分解菌を用いることができる。これらの中でも、油脂分の分解効率を高めたい場合は、本発明者による特開２００１−６１４６８号公報に記載される油脂分解性桿菌が好適である。また、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を含有する有機性廃棄物を処理する場合、公知のＰＶＡ分解菌を用いることができる。これらの中でも、ＰＶＡの分解効率を高めたい場合は、本発明者による特開２００６−１８０７０６号に記載されているＰＶＡ分解菌が好適である。

上記油脂分解性桿菌の代表例として、バチルス・ズブチリス（Bacillus subtilis）ＦＥＲＭＢＰ−７２７０、バチルス・ズブチリス（Bacillus subtilis）ＦＥＲＭＢＰ−７２７１が挙げられる（それぞれ１９９９年８月１１日に、工業技術院生命工学工業研究所（現在：産業技術総合研究所特許生物寄託センター）に寄託され、そして２０００年８月１０日に、原寄託よりブダペスト条約に基づく寄託へ移管されている）。

上記ＰＶＡ分解菌の代表例として、シュードモナス（Pseudomonas）ＦＥＲＭＰ−１９２０４株、アシネトバクター（Acinetobacter）ＩＡＭ−３株、ＩＡＭ−４株が挙げられる。シュードモナス（Pseudomonas）ＦＥＲＭＰ−１９２０４株は、２００３年２月７日付けで産業技術総合研究所特許生物寄託センターに寄託されている。また、アシネトバクター（Acinetobacter）ＩＡＭ−３株およびＩＡＭ−４株は、京都大学工学研究科（京都市左京区吉田本町）に保存され、請求により分譲される。

水素生産超好熱菌として上述したサーモコッカス・コダカラエンシス（Thermococcus kodakaraensis）ＫＯＤ１を用いる場合は、活性汚泥として、例えば、醤油工場や海水産物処理場の排水処理施設内に形成される、好塩菌を含む活性汚泥を用いることができる。また、排水処理槽３内に水を供給する水供給管路を別途設け、排水処理槽３に移送された発酵残渣を約３〜５倍に希釈するようにすれば、通常の活性汚泥を用いることもできる。

酸素供給手段３１は、空気導入管３１ａおよび酸素供給部３１ｂからなり、槽外から取り込んだ酸素を槽内へ送り込むように構成されている。酸素供給手段３１としては、槽内へ酸素を送りこむことができるものであれば特に限定されず、例えば、エアーポンプ等を例示することができる。

固液分離手段３２は、固液分離によって約１３，０００ｐｐｍを超える高濃度の微生物による排水処理を可能にする。固液分離手段３２としては、例えば、精密濾過膜、限外濾過膜、逆浸透膜等を使用し得る。代表的には、固液分離手段として金属膜が用いられ、例えば、ステンレス製の金網にステンレスの金属粒子を吹きつけ、焼結して作製される。この固液分離金属膜は、樹脂膜にはない物理的強度を有し、過酷な条件下においても使用可能である。要約すれば、（１）耐熱性が高く、１２１℃での蒸気滅菌が可能；（２）耐薬品性が高く、強アルカリ、強酸を用いた洗浄か可能；（３）有機溶媒の取り扱いが可能；（４）機械的強度が大きく、高粘性の流体も取り扱いが可能；（５）膜そのものが微生物に資化されることがなく、保管の際に静菌剤に浸しておく必要がない、等である。膜のファウリング（ｆｏｕｌｉｎｇ）が起これば、アルカリによる有機成分の分解と、酸による無機質スケールの溶解を行えばよい。劣化による機能の低下はほとんど無視できる。上記金属膜は、多孔性膜であって、代表的には、直径約０．２μｍのポアサイズを有する。

排水処理槽３の運転は次のように行われる。すなわち、酸素供給手段３１から槽内に酸素を供給することで、排水処理槽３内を常温の好気性雰囲気とし、発酵槽２内にある発酵残渣が発酵残渣移送管５を通じて排水処理槽３内へ移送される。そして、排水処理槽３内へ移送された発酵残渣を栄養として活性汚泥を増殖させることで、発酵残渣を炭酸ガスと水に分解させつつ、該発酵残渣を固液分離手段３２に通し、該固液分離手段３２を通過した液体成分を排水として排出させる。

排水処理槽３で行われる発酵残渣分解工程によれば、常温かつ好気性雰囲気下で行われるので、仮に発酵残渣と一緒に水素生産超好熱菌が排水処理槽３に移送された場合でも、該超好熱菌は増殖できず、活性汚泥のみが増殖可能なので、発酵残渣のみならず、水素生産超好熱菌も分解することができるとともに、排水処理槽３の運転も長時間安定して行うことができる。

以上、発酵残渣分解工程について説明したが、発酵残渣の分解効率をさらに高める場合には、上記酸素供給手段３１に加えて、微細気泡発生手段を備えてもよい。

代表的には、上記微細気泡発生手段は、直径（φ）が約３μｍより小さい微細気泡（超微細気泡）を発生し得る。微細気泡発生手段としては、例えば、超微細気泡発生装置（鈴木産業株式会社、京都市西京区山田中吉見町５番地６）、特開平２００１−３１４８８８号公報に記載の散気装置等を用いることができる。例えば、特開平２００１−３１４８８８号公報に記載の散気装置は、ベル型の気液混合筒を持ち、超高速のスパイラル流を発生させ、上部（上半球）に配置した突起部に衝突させて微細泡を放出する。これによって、大量の溶存酸素を含む散気効率の高い渦流を排水処理槽３内に対流させることができる。

超微細気泡は、直径が０．１μｍから３μｍの径の気泡であり、微細気泡（直径が１０〜１００μｍ）より小さいものをいう。超微細気泡は、直径が小さいためにその浮力が小さく、旋回する水流に載り、排水処理槽３内の下方に向かう流れに巻き込まれ易く、それによって処理処理槽３内に滞留し、排水処理槽３内に均一に拡散される。これにより、微細気泡は、水に溶解しているのではなく、むしろ水に分散して浮遊し、１８０〜２００ｐｐｍに相当する濃度で水中に存在し得る。

微細気泡発生手段は、酸素供給装置に連結してもよく、それによって、さらに高濃度酸素環境を提供し得る。微細気泡発生手段および酸素供給装置を備えた高濃度酸素供給手段は、純度約９３％の酸素を１８０ｐｐｍの濃度で溶存させることができ、直径約３μｍの気泡の中に酸素を投入し、それによって、従来の活性汚泥法に比べ約１０倍のＢＯＤ処理能力を可能にする。例えば、標準活性汚泥ＢＯＤ容積負荷０．５〜１．５ｋｇ／ｍ２・日を、約５ｋｇ／ｍ２・日に増加し得る。

なお、図１では、回分式の処理装置Ａを用いて本発明を説明したが、本発明は回分式だけではなく連続式とすることもできる。すなわち、連続式の処理装置を構成する場合には、例えば、図１に示す処理装置Ａにおいて、排水処理槽３と調整槽１とを管路で連結して、排水処理槽３内にある発酵残渣を調整槽１等に返送しつつ、発酵工程と発酵残渣分解工程を行わせるようにすればよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明者は、図１に記載の装置において、有機性廃棄物として余剰汚泥を用い、水素生産超好熱菌および活性汚泥として、それぞれサーモコッカス・コダカラエンシス（Thermococcus kodakaraensis）ＫＯＤ１（ＦＥＲＭＰ−１５００７）および醤油工場の排水処理施設内に形成された活性汚泥を用いるとともに、発酵槽２を８５℃、排水処理槽３を常温に制御して処理装置Ａを運転したところ、発酵槽２において、水素を長時間安定して生産することができること、および排水処理槽３において、発酵残渣の分解処理を長時間安定して行えることが確認された。

本発明は、水素生産能を備えた、有機性廃棄物の処理方法で生産された水素の利用方法として広く利用することができる。

本発明の実施形態の一例を示す概略構成図である。

符号の説明

Ａ処理装置
１調整槽
２発酵槽
３排水処理槽
２１窒素供給手段
２２ガス導出管
３１酸素供給手段
３２固液分離手段

Claims

有機性廃棄物が希釈されてなる調整液を栄養として、６０〜１０５℃および嫌気性雰囲気下で水素生産超好熱菌を増殖させることで、該菌体から水素を生産させる発酵工程と、
前記発酵工程で形成された発酵残渣を栄養として、常温および酸素供給手段を用いた好気性雰囲気下で活性汚泥を増殖させることで、前記発酵残渣を炭酸ガスと水に分解させつつ、該発酵残渣を固液分離手段に通し、該固液分離手段を通過した液体成分を排水として排出させる発酵残渣分解工程と、
を有する有機性廃棄物の処理方法において、
前記発酵工程で生産された水素を定置用燃料電池の燃料として用いることを特徴とする、有機性廃棄物の処理方法で生産された水素の利用方法。
前記水素生産超好熱菌が、サーモコッカス・コダカラエンシス（Thermococcus kodakaraensis）ＫＯＤ１（ＦＥＲＭＰ−１５００７）である、請求項１記載の水素の利用方法。