JP2009072719A - 生ゴミ等の有機性廃棄物からメタンガスを生成するメタンガス生成システム - Google Patents

Abstract

【課題】 油分及び菌体の有効活用を図ったメタンガス発酵システムを提供することを課題とする。
【解決手段】 有機性廃棄物から有機物の溶解液を生成する溶解物抽出機と、前記有機物溶解液から有機酸溶解液を生成する有機酸生成槽と、前記有機酸溶解液中の菌体による固形分を沈殿させ、油分を水と分離し、沈殿もしくは浮上させる沈殿槽と、前記菌体による固形分と油分を除去した有機酸溶解液からメタンガスを生成するメタン発酵層と具備するメタンガス生成システムにおいて、前記沈殿槽からの菌体による固形分と油分にアルカリ剤を添加して固形分に含まれている菌体を可溶化するアルカリ反応槽と、可溶化された菌体を含む溶液を前記溶解物抽出機又は前記有機酸生成槽に還流するリサイクル管路を設けたことを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、生ゴミ等の有機性廃棄物からメタンガスを生成する技術分野に属する。

従来から、し尿や下水汚泥の減容やアルコール廃液などの高濃度廃水を対象としてメタンガス発酵技術が開発されてきた。近年、メタンガス発酵技術は食品廃棄物や畜産廃棄物などにも幅広く実用化されるに至った。メタンガス発酵は創エネルギーの技術であり、資源の枯渇や地球温暖化防止に貢献できる技術として有用であり、また、食品廃棄物の排出量が高水準であるために現在の重要な技術の１つとなっている。食品廃棄物やその他の生ゴミ等の有機性廃棄物からメタンガスを生成するメタンガス生成システムに関する従来技術として本出願人による発明が特許文献１に公開されている。以下、この装置を従来装置１という。
公開特許公報、特開２００３−３３７８１「メタンガス生成システム」

図２はこの従来装置１のフローチャートを示す。図２において、５１は生ゴミ溶解物抽出機、５２は酸生成槽、５７はメタン発酵槽、６８は処理水タンクである。一般の生ゴミから異物（例：ガラス、金属、プラスチック、木片、紙等）を除去した生ゴミ（例：厨房残滓、残飯等の食品廃棄物）が生ゴミ溶解物抽出機５１に投入され、籾殻、おがくず等の木質系材料と共に散水しながら撹拌装置５１ａにより攪拌される。木質系材料に付着している好気性微生物により投入された生ゴミは有機物の溶解物に分解され、有機物の溶解液と炭酸ガスが生成される。生成された炭酸ガスは外部へ排出され、有機物溶解液が酸生成槽５２に送給される。酸生成槽５２内では有機物溶解液が撹拌装置５２ａによって攪拌され、嫌気性微生物により分解されて有機酸（例：酢酸、プロピオン酸、酪酸、乳酸等）の溶液となる。有機酸溶液は給管５６によってメタン発酵槽５７に送給される。なお、酸生成槽５２内は加熱手段５３により、メタン生成菌群が活発に活動することのできる温度に制御されている。

メタン発酵槽５７内において、有機酸溶液中に溶けている有機酸がメタン生成細菌群により発酵され、メタンガスが生成される。生成されたメタンガスは硫化水素除去塔６６で硫化水素が除去され、ガスホルダ６７で貯留される。また、有機酸を含む溶液の一部は循環管路５８に送給され、溶液の温度が所定温度よりも低い場合は加熱器６０で加熱され、管路５６を経て再びメタン発酵槽５７に還流される。この環流は、酸生成槽５２からの有機酸濃度の濃い溶液を有機酸濃度の低い還流水により希釈すると共に、メタン発酵槽５７の底部に固形物が沈殿して溜まるのを防止するためである。また、還流管路５８にはＰＨ調節計６２が接続されており、溶液のＰＨ値が所定値よりも低い場合はアルカリ溶液槽６３からアルカリ溶液（例：苛性ソーダ液）がメタン発酵槽５７に送給され、ＰＨ値を所定値に調整する。メタンガスの発酵を良好に行うにはＰＨ値は６．４〜７．２が好ましい。

また、メタン発酵槽５７からオーバーフローした溶液は処理水タンク６８に送給される。処理水タンク６８内では固形物が沈殿し、沈殿した固形物は図示されていない手段により除去される。処理水タンク６８の処理水は肥料的効果、水耕効果を期待できるので農業用潅水として利用できる。また、この処理水の一部は管路７０を介して生ゴミ溶解物抽出機５１に還流されて散水として利用される。図中、Ｗは散水の供給量を補足する補給水である。

上記した従来装置１（図２）では、有機酸の濃度を希釈する他に、メタン発酵槽５７の底部に固形物が沈殿して溜まるのを防止するために有機酸を含む溶液の一部が還流管路５８から管路５６に送給されている。従って、固形物が沈殿していないか又は沈殿量が少ない場合には必要以上に溶液を循環しなければならないという無駄があり問題であった。更に、処理水タンク６８内では沈殿した固形物を除去する作業が必要であり、問題であった。

本出願人は、上記問題を解決した装置を開発し、非特許文献に開示している。以下、この従来装置を従来装置２という。図３は従来装置２の概要を示した図である。従来装置２（図３）を従来装置１（図２）と対比して簡単に説明する。なお、括弧内は従来装置１の対応する要素を示す。図３において、有機溶解物抽出機７１（生ゴミ溶解物抽出機５１）には有機性廃棄物（生ゴミ等）と補給水Ｗが供給され、好気性微生物下において溶解され、有機物溶解液が生成される。生成された有機物溶解液は下方の酸生成槽７２（酸生成槽５２）に送給される。酸生成槽７２内では有機物溶解液が嫌気性微生物により分解されて有機酸が生成され、生成された有機酸溶液は沈殿槽７３に送給される。沈殿槽７３では油分が水と分離し、沈殿もしくは浮上する。菌体による固形分は沈殿する。沈殿した油分と菌体は下方からポンプにより外部に排出され、廃棄される。また、沈殿した菌体による固形分と油分を除去した有機酸溶液はオーバーフローして貯留部７３ａに溜まり、そこからメタン発酵槽７５（メタン発酵槽５７）の底部に送給される。又、同時にアルカリ溶液槽７６（アルカリ槽６３）内の濃度の高いアルカリ液がメタン発酵槽７５の同じ底部の管路に送給され、ＰＨ値を所定値に調整する。メタン発酵槽７５で発生したメタンガスは、頂部の排出口から脱硫器７７（硫化水素除去塔６６）を介して排出され、排出されたメタンガスは燃料として利用される。更に、メタン発酵槽７５の上部においてオーバーフローした処理水は外部に排出されて農業用灌水等に利用される。
廃棄物学会論文誌、Ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．５、ｐｐ３６９−３７７「好気性可溶化プロセスを適用した生ゴミの２相式メタン発酵特性」

上記に示した従来装置２では、固形分である菌体と、水と分離し、沈殿もしくは浮上した油分を系外へ排出し、廃棄処理作業をする必要があり、処理作業の点で問題であった。また、菌体はメタン発酵の原料として利用可能であり、油分は助燃料剤等の燃料として利用可能であるにも拘わらず廃棄されており、資源の有効活用の点で問題があった。さらに、有機物の酸生成槽においてＰＨが４．５以下になり、主に乳酸菌しか有機物を分解できなくなってしまうことから、分解できる物質が糖、炭水化物に限られ、有機物の分解率が低下するという問題があった。なお、従来装置１及び２においてはアルカリ槽（６３，７６）のアルカリ剤はメタン発酵槽のＰＨ調整のためにのみ使用されおり、アルカリ剤が十分に活用されていないという問題があった。本願発明はこれらの諸問題を解決するためになされたものである。

なお、上記文献の他に本願発明に関連すると思われる従来技術文献としては以下のような特許文献がある。例えば、特許文献３に開示されているもの（以下、従来装置３という）がある。この文献の記載されている第２発明の装置は、有機廃棄物を酸発酵槽において酸発酵し、排出した酸発酵汚泥をメタン発酵工程でメタン発酵させ消化ガスを取り出すようにし、同時に酸発酵汚泥の一部をアルカリ処理工程、アンモニア除去行程、炭酸ガス吸収行程で処理した後に酸発酵槽にリサイクルさせた装置である。従来装置３のリサイクル行程では、アルカリ処理工程でＰＨを上げることによりアンモニアを液中から分離しやすくしている。一方、本願発明のリサイクル行程では、アンモニアが嫌気性処理に影響を及ぼすほどの高濃度にならないため、このようなアンモニア除去装置を不要としている点で相違している。
公開特許公報、特開２００３−２２５６９７、「有機廃棄物の嫌気性発酵システム」

また、特許文献４（以下、従来装置４という）には、アルカリ性排水に生物学的処理を施した溶液を分離槽に送給して、分離槽からの汚泥にアルカリ性排水の一部を加えて汚泥を可溶化し、可溶化した汚泥を元の生物学的に処理する処理槽に戻す発明を開示している。従来装置４では、アルカリ性排水中に含まれている汚泥の処理量を減量することを目的としているが、本願発明は資源の有効活用を図ることを目的としており、発明の目的が異なる。また、従来装置４では高アルカリ性の産業排水を対象とする処理装置であり、本願発明の対象とは相違している。
公開特許公報、特開２００２−３６１２８０、「有機汚泥を減量化するアルカリ性排水処理装置及び有機汚泥減量化方法」

以上に説明したように、従来装置１、従来装置２では、油分、菌体の一部が活用されずに廃棄されていた。このために、油分の廃棄処理が必要になるばかりでなく、資源の有効活用を図っていない点で課題があった。本願発明では、油分及び菌体の有効活用を図ったメタンガス生成システムを提供することを課題としている。

上記課題を解決するために本発明は以下の手段を採用している。即ち、
請求項１に記載の発明は、有機性廃棄物から有機物の溶解液を生成する溶解物抽出機と、有機物溶解液から有機酸の溶解液を生成する有機酸生成槽と、有機酸溶解液中の菌体による固形分を沈殿させ、又油分を水と分離させて沈殿もしくは浮上させる沈殿槽と、油分や菌体による固形分を除去した有機酸溶解液からメタンガスを生成するメタン発酵層と具備するメタンガス生成システムにおいて、前記沈殿槽から引き抜いた油分や菌体による固形分にアルカリ剤を添加して菌体を含んだ固形分を可溶化するアルカリ反応槽と、可溶化された菌体を含む溶液を前記溶解物抽出機又は前記有機酸生成槽に送給するリサイクルシステムを具備したことを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、前記アルカリ添加剤は重量比成分で５〜５０パーセントの溶液としたことを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記アルカリ反応槽から油分を不溶性固形物として回収することを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１〜請求項３に記載の発明において、前記アルカリ添加剤は、前記可溶化された菌体を含む溶液のＰＨ値を７〜１４未満にすることを特徴としている。

本願発明によれば、菌体が添加されたアルカリと反応する。即ち、菌体を構成するタンパク質が加水分解され、可溶化されてメタン発酵槽への溶液中に有機酸をより多く供給できるようになる。このために、菌体の有効活用が図られ、生成するメタンガス量が増加するという効果が得られる。また、油分がアルカリと反応し、含水率の低い不溶性固形分に変化する。同時に、菌体の可溶化により油分のみが固体として分離できる。このために、その固形分を助燃剤等として利用が可能になるという効果が得られる。さらに、酸生成過程でアルカリを加えてＰＨを調節しているので、乳酸菌以外の微生物も利用でき、糖や炭水化物以外の有機物も分解できるため、有機物の有機酸への転換率が増加し、メタン発酵の効率化、メタン発酵槽の安定化が図れるという効果も得られる。

本願発明の実施形態を図１に基づいて説明する。なお、図１において、従来装置２（図３参照）と同じ構成要素については同一の参照番号を付して説明を簡単にする。図１はメタンガス生成システムの構成図を示す。厨房残滓、残飯等の食品廃棄物からなる生ゴミ（有機性廃棄物）が溶解物抽出機７１の上側の開口から投入される。同時に補助水が一部は散水として上部から供給され、他の一部は洗浄水として下部から供給される。溶解物抽出機７１の内部には予め籾殻、おがくず等の木質系材料が投入されている。撹拌装置７１ａは散水のもとで、生ゴミと木質系材料とを混合攪拌する。この攪拌によって、生ゴミは有機物の溶解物に変換されると共に、木質系材料に付着している好気性の微生物により分解されて炭酸ガスが発生し、同時に溶解物は液化して溶解液になる。発生した炭酸ガスは上側の開口から外部に排出され、溶解液は底部に設けられたホッパー７１ｂにより酸生成槽７２に送給される。

酸生成槽７２内において有機物溶解液が撹拌装置７２ａで攪拌され、有機物溶解液中に含まれている嫌気性微生物により分解されて有機酸溶液に変換される。オーバーフローした有機酸溶液は沈殿槽７３に送給される。沈殿槽７３内において油分は水と分離し、沈殿もしくは浮上する。菌体の固形分は沈殿する。油分や菌体の固形分７４ａ〜７４ｃが除去された上澄み（有機酸溶液）はオーバーフローして貯留部７３ａに溜まり、貯留部７３ａからメタン発酵槽７５の底部に送給される。一方、沈殿した菌体の固形分７４ａ及び水と分離して沈殿もしくは浮上した油分７４ｂ、７４ｃはアルカリ反応槽１１に送給される。

アルカリ反応槽１１では、アルカリ槽７６から重量比で５〜５０％の濃度のアルカリ液がアルカリ添加剤としてポンプＰによって送給され、撹拌装置１１ａによって攪拌される。これによって沈殿槽７３から引き抜かれて沈殿もしくは浮上した油分はアルカリ液と反応して、例えばアルカリによる油脂（エステル）の加水分解である鹸化が生じ、含水率の低い不溶性固形分として沈殿し、底部の排出口から排出される。排出された油分の固形分に含まれている菌体の量は微少量になっており、助燃剤などに活用できる。又、沈殿した固形分に含まれていた菌体は、それを構成するタンパク質が分解してアミノ酸などとなって可溶化され、溶液中に溶けて混合液槽１２に送給される。なお、アルカリ槽７６からアルカリ反応槽１１に送給されるアルカリ液量は、混合液層１２中の溶液のＰＨ値が７〜１４未満の範囲内に入るように調節する。混合液槽１２中の溶液はポンプＰに依って溶解物抽出機７１の上側開口に帰還されるか、又はホッパー７１ｂの上部に設けられた送給口から酸生成槽７２に帰還される。これによって、沈殿した固形分に含まれていた菌体の再利用が図られる。また、混合液槽１２の溶液のＰＨ値は７〜１４未満の範囲に調整されているので、有機酸生成槽７２のＰＨ値は上昇し、乳酸菌以外の微生物の増殖が促進され、糖や炭水化物以外の有機物も分解できる。このため、有機物の有機酸への転換率が増加する。

メタン発酵槽７５内では、下部７５ａに溜まった有機酸溶液はメタン菌によって発酵し、メタンガスを発生する。発生したメタンガスは排出口７５ｃから排出され、脱硫器７７を介して外部に排出され、貯留される。貯留されたメタンガスは燃料として使用できる。また、メタン発酵槽７５の中間部７５ｂに溜まった処理水は、一部が管路７８によって環流され、残りの処理水でオーバーフローした部分は外部に排出され、農業用灌水等に利用される。

以上の説明から明らかになったように、この実施形態によれば、沈殿した固形分に含まれていた菌体は可溶化され、溶液として溶解物抽出機７１の上側開口から帰還されるか、または酸生成槽７２に帰還される。これによって、菌体の有効利用が図られるという効果が得られる。また、混合液層１２の溶液のＰＨ値は７〜１４未満の範囲に調整されているので、有機酸生成槽７２内の乳酸菌以外の微生物の増殖が促進され、糖や炭水化物以外の有機物も分解できる。このため、有機物の有機酸への転換率が増加するという効果も得られる。さらに、アルカリ反応槽１１の底部から排出された固形油分は助燃剤に利用できるという効果も得られる。

以上、この発明の実施形態、実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。

本発明を実施した実施形態の概略図を示す。 従来装置１の全体の流れ図を示す。 従来装置２の全体の流れ図を示す。

符号の説明

１１ アルカリ反応槽
１２ 混合液槽
７１ 有機物溶解抽出機
７２ 有機酸生成槽
７３ 沈殿槽
７５ メタン発酵槽
７６ アルカリ液槽

Claims (4)

1. 有機性廃棄物から有機物の溶解液を生成する溶解物抽出機と、前記有機物溶解液から有機酸溶解液を生成する有機酸生成槽と、前記有機酸溶解液中の菌体による固形分を沈殿させ、又油分を水と分離させて沈殿もしくは浮上させる沈殿槽と、前記固形分と油分を除去した有機酸溶解液からメタンガスを生成するメタン発酵槽とを具備するメタンガス生成システムにおいて、前記沈殿槽から引き抜いた菌体と油分にアルカリ剤を添加して菌体を含んだ固形分を可溶化するアルカリ反応槽と、可溶化された菌体を含む溶液を前記溶解物抽出機又は前記有機酸生成槽に還流するリサイクルシステムを具備したことを特徴とするメタンガス生成システム。
2. 前記アルカリ添加剤は重量比成分で５〜５０パーセントの溶液としたことを特徴とする請求項１に記載のメタンガス生成システム。
3. 前記アルカリ反応槽から油分を不溶性固形物として回収することを特徴とする請求項１又は請求項２の何れか１に記載のメタンガス生成システム。
4. 前記アルカリ添加剤は、前記可溶化された菌体を含む溶液のＰＨ値を７〜１４未満にすることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１に記載のメタンガス生成システム。
   

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