JP2024002180A - 有機物処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】メタン発酵液のｐＨを一定の値よりも低く保ち、従来よりも安定的且つ効率的な運転が可能となる有機物処理システムを提供する。【解決手段】有機物が供給されるメタン発酵槽１０と、メタン発酵槽１０内に水素を供給する水素供給手段２０とを備え、メタン発酵槽１０内でのメタネーションが実行可能に構成された有機物処理システム１であって、メタン発酵槽１０内のメタン発酵液のｐＨを測定するｐＨ測定手段３０を備え、水素供給手段２０は、ｐＨ測定手段３０で測定された測定ｐＨに応じて水素の供給流量を調整するように構成され、測定ｐＨが予め定めた閾値未満である場合に水素を標準流量で供給し、測定ｐＨが閾値以上である場合に水素を標準流量よりも減らして供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、メタン発酵を利用して有機物を処理する有機物処理システムに関する。

汚泥や生ごみに含まれる有機物をメタン発酵を利用してバイオガス化する技術が知られている。有機物のメタン発酵により得られるバイオガスには、主にメタンと二酸化炭素が含まれている。近年、二酸化炭素排出量の削減やバイオガスの都市ガスとしての利用を目的に、バイオガス中の二酸化炭素を微生物によってメタンに変換する、所謂バイオメタネーション技術の開発が進められている。

バイオメタネーション技術としては、例えば、特許文献１記載の手法が提案されている。特許文献１記載の手法は、所謂ｉｎ ｓｉｔｕバイオメタネーションであって、メタン発酵工程に水素ガスを加えることで、生成するバイオガス中のメタン／二酸化炭素比を増加させている。

特表２０１９－５２５８８８公報

ところで、ｉｎ ｓｉｔｕバイオメタネーションにおいては、メタネーションによる二酸化炭素からメタンへの変換が進むことで、発酵液中の二酸化炭素濃度が減少し、当該発酵液のｐＨが上昇する。そして、発酵液のｐＨが上昇することにより、発酵液中の遊離アンモニア濃度が増加する。その結果、メタン細菌の活性が低下し、メタネーションによる二酸化炭素からメタンへの変換が進み難くなる。即ち、ｉｎ ｓｉｔｕバイオメタネーションを利用する処理システムにおいては、メタネーションが進んでメタン発酵液のｐＨが上昇すると、システムの運転効率が低下し、最終的にはシステム自体が機能しなくなる虞がある。

本発明は以上の実情に鑑みなされたものであり、メタン発酵液のｐＨを一定の値よりも低く保ち、従来よりも安定的且つ効率的な運転が可能となる有機物処理システムの提供を、その目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る有機物処理システムの特徴構成は、
有機物が供給されるメタン発酵槽と、
前記メタン発酵槽内に水素を供給する水素供給手段とを備え、
前記メタン発酵槽内でのメタネーションが実行可能に構成された有機物処理システムであって、
前記メタン発酵槽内のメタン発酵液のｐＨを測定するｐＨ測定手段を備え、
前記水素供給手段は、前記ｐＨ測定手段で測定された測定ｐＨに応じて前記水素の供給流量を調整するように構成され、前記測定ｐＨが予め定めた閾値未満である場合に前記水素を標準流量で供給し、前記測定ｐＨが前記閾値以上である場合に前記水素を前記標準流量よりも減らして供給する点にある。

上記特徴構成によれば、測定ｐＨが閾値未満である場合には、水素供給手段によってメタン発酵槽内に水素を標準流量で供給する。そのため、メタン発酵槽内において、メタン発酵液中でメタン発酵を行いつつ、当該メタン発酵によって発生したバイオガス中の二酸化炭素をメタン細菌によってメタン化できる。
一方、メタン細菌による二酸化炭素のメタン化（メタネーション）が進行すると、メタン発酵槽内の二酸化炭素が減少し、メタン発酵液のｐＨが上昇する。上記特徴構成によれば、測定ｐＨが閾値以上となった場合には、水素供給手段によってメタン発酵槽内に水素を標準流量よりも減らして供給する。そのため、メタン発酵槽内において、メタン発酵液中でメタン発酵によって二酸化炭素を発生させつつ、メタン細菌による二酸化炭素のメタン化を意図的に進み難くして（メタネーションによる二酸化炭素の減少量を意図的に少なくして）、メタン発酵槽内の二酸化炭素を増加させて、メタン発酵液のｐＨを低下させられる。
即ち、上記特徴構成によれば、メタネーションの進行によってメタン発酵液のｐＨが上昇して閾値以上となった場合に、メタン発酵槽内への水素の供給流量を減らし、メタン発酵液のｐＨを閾値未満となるまで低下させられる。そのため、メタン発酵液のｐＨを一定の値よりも低く保つことができ、メタン発酵液のｐＨ上昇によってメタン細菌の活性が低下し、運転効率が低下し、システム自体が機能しなくなるといった事態の発生を抑えられる。
したがって、上記特徴構成によれば、メタン発酵液のｐＨを一定の値よりも低く保ち、従来よりも安定的且つ効率的な運転が可能となる。

また、本発明に係る有機物処理システムの更なる特徴構成は、
前記メタン発酵槽内で発生したバイオガスを回収する回収手段と、
前記回収手段で回収するバイオガスの少なくとも一部を前記メタン発酵槽内へ供給するバイオガス循環手段とを備え、
前記バイオガス循環手段は、前記測定ｐＨが前記閾値以上である場合に前記バイオガスを所定流量で前記メタン発酵槽内へ供給し、前記測定ｐＨが前記閾値未満である場合に前記バイオガスの供給を停止する点にある。

メタン発酵槽内への水素の供給流量を減少させるだけでは、メタン発酵槽内でのメタン発酵によるバイオガスの発生量が少ないと、メタン発酵槽内の二酸化炭素の増加に長時間を要する。
しかしながら、上記特徴構成によれば、測定ｐＨが閾値以上である場合には、バイオガス循環手段によって、メタン発酵槽から回収したバイオガスの少なくとも一部をメタン発酵槽内へ所定流量で供給する。バイオガスには二酸化炭素が含まれるため、バイオガスの少なくとも一部をメタン発酵槽内へ供給することで、二酸化炭素がメタン発酵槽内へ供給されることになる。そのため、上記特徴構成によれば、メタン発酵槽への水素の供給流量を減少させるだけの場合と比較して、メタン発酵槽内の二酸化炭素の増加速度を速めて、メタン発酵液のｐＨを速く低下させられる。そして、メタン発酵液のｐＨが低下して、測定ｐＨが閾値未満となった場合には、バイオガス循環手段によるバイオガスの供給を停止する。
即ち、上記特徴構成によれば、メタネーションの進行によってメタン発酵液のｐＨが上昇して閾値以上となった場合に、メタン発酵槽から回収したバイオガス（二酸化炭素）をメタン発酵槽に供給し、メタン発酵槽への水素の供給流量を減少させるだけの場合よりもメタン発酵液のｐＨを閾値未満となるまで速く低下させられる。そのため、メタン発酵液のｐＨを一定の値よりも低く保ちやすく、メタン発酵液のｐＨ上昇によってメタン細菌の活性が低下し、運転効率が低下し、システム自体が機能しなくなるといった事態の発生をより抑えられる。また、メタン発酵槽への水素の供給流量を減少させるだけの場合よりもメタネーションを停止している時間を短縮できる。
したがって、上記特徴構成によれば、メタン発酵液のｐＨを一定の値よりも低く保ち、従来よりも安定的且つ効率的な運転が可能となる。

本発明に係る有機物処理システムの更なる特徴構成は、
貯蔵手段に貯蔵されたバイオガスを前記メタン発酵槽内に供給するバイオガス供給手段を備え、
前記バイオガス供給手段は、前記測定ｐＨが前記閾値以上である場合に前記バイオガスを所定流量で前記メタン発酵槽内へ供給し、前記測定ｐＨが前記閾値未満である場合に前記バイオガスの供給を停止する点にある。

上記のように、メタン発酵槽内への水素の供給流量を減少させるだけでは、メタン発酵槽内でのメタン発酵によるバイオガスの発生量が少ないと、メタン発酵槽内の二酸化炭素の増加に長時間を要する。
しかしながら、上記特徴構成によれば、測定ｐＨが閾値以上である場合には、バイオガス供給手段によって、貯蔵手段で貯蔵されたバイオガスをメタン発酵槽内へ所定流量で供給する。上記のように、バイオガスには二酸化炭素が含まれるため、バイオガスをメタン発酵槽内へ供給することで、二酸化炭素がメタン発酵槽内へ供給されることになる。そのため、上記特徴構成によれば、メタン発酵槽への水素の供給流量を減少させるだけの場合と比較して、メタン発酵槽内の二酸化炭素の増加速度を速めて、メタン発酵液のｐＨを速く低下させられる。そして、メタン発酵液のｐＨが低下して、測定ｐＨが閾値未満となった場合には、バイオガス供給手段によるバイオガスの供給を停止する。
即ち、上記特徴構成によれば、メタネーションの進行によってメタン発酵液のｐＨが上昇して閾値以上となった場合に、貯蔵手段で貯蔵されたバイオガス（二酸化炭素）をメタン発酵槽に供給し、メタン発酵槽への水素の供給流量を減少させるだけの場合よりもメタン発酵液のｐＨを閾値未満となるまで速く低下させられる。そのため、メタン発酵液のｐＨを一定の値よりも低く保ちやすく、メタン発酵液のｐＨ上昇によってメタン細菌の活性が低下し、運転効率が低下し、システム自体が機能しなくなるといった事態の発生をより抑えられる。また、メタン発酵槽への水素の供給流量を減少させるだけの場合よりもメタネーションを停止している時間を短縮できる。
したがって、上記特徴構成によれば、メタン発酵液のｐＨを一定の値よりも低く保ち、従来よりも安定的且つ効率的な運転が可能となる。

本発明に係る有機物処理システムの更なる特徴構成は、
前記バイオガス供給手段は、前記水素供給手段における水素供給用ラインを介して前記メタン発酵槽内に前記バイオガスを供給する点にある。

上記特徴構成によれば、メタン発酵槽内にバイオガスを供給するために、バイオガス供給用ラインを別途設ける必要がない。そのため、コストの増大やシステムの複雑化が避けられる。

本発明に係る有機物処理システムの更なる特徴構成は、
前記有機物は、汚泥に含まれる点にある。

本願発明者は、汚泥の処理において、メタン発酵液のｐＨを一定の値よりも低く保ち、従来よりも安定的且つ効率的な運転が可能となることを確認している。

本発明に係る有機物処理システムの更なる特徴構成は、
前記閾値は、ｐＨ８～ｐＨ１０の範囲内で設定される点にある。

上記特徴構成によれば、メタン発酵液のｐＨがメタン細菌の活性が低下し易くなるｐＨ９付近である場合にメタン発酵液のｐＨを低下させられる。

本発明に係る有機物処理システムの更なる特徴構成は、
前記水素供給手段は、前記測定ｐＨが前記閾値以上である場合に前記水素の供給を停止する点にある。

上記特徴構成によれば、メタン発酵槽内への水素の供給流量を減少させる場合と比較して、メタン細菌による二酸化炭素のメタン化がより進み難くなる。そのため、メタン発酵槽内における二酸化炭素の増加速度が速まり、メタン発酵槽内のｐＨをより早く低下させられる。

第１実施形態に係る有機物処理システムの概略構成を示す図である。 第１実施形態に係る有機物処理システムにおけるｐＨに応じた水素の供給・停止の切換を説明するための図である。 第２実施形態に係る有機物処理システムの概略構成を示す図である。 第２実施形態に係る有機物処理システムにおけるｐＨに応じた水素及びバイオガスの供給・停止の切換を説明するための図である。 第３実施形態に係る有機物処理システムの概略構成を示す図である。 第３実施形態に係る有機物処理システムにおけるｐＨに応じた水素及びバイオガスの供給・停止の切換を説明するための図である。 バイオガス吹込み量とｐＨとの関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る有機物処理システムについて説明する。尚、以下においては、処理対象である有機物が汚泥に含まれるものである場合を例にとって説明する。

〔第１実施形態に係る有機物処理システムの構成〕
まず、第１実施形態に係る有機物処理システム１の構成について説明する。図１は、第１実施形態に係る有機物処理システム１の概略構成を示す図である。図１に示すように、有機物処理システム１は、汚泥が供給されるメタン発酵槽１０と、メタン発酵槽１０内に水素を供給する水素供給部２０（水素供給手段の例）と、メタン発酵槽１０内のメタン発酵液のｐＨを測定するｐＨ測定器３０（ｐＨ測定手段の例）とを備えている。

また、有機物処理システム１は、メタン発酵槽１０内で発生したバイオガスを回収するバイオガス回収部４０（回収手段の例）や、各部の動作を制御する制御装置（図示せず）を備えている。

図１に示すように、メタン発酵槽１０は、筐体で構成される。また、メタン発酵槽１０は、筐体の外部から供給される汚泥をメタン細菌によるメタン発酵により生物分解するメタン発酵空間１１を形成して構成してある。このメタン発酵空間１１には、熱交換器（図示せず）を設けてあり、メタン発酵空間１１内のメタン発酵液は、熱交換器によって、メタン発酵を良好に行う上で良好な温度（例えば、３０～３７℃、又は５０～６０℃）に保持される。尚、本実施形態において、筐体の対向する２つの内壁のうちの一方には、汚泥を供給するための汚泥供給口１５がメタン発酵空間１１に臨ませて設けてある。また、上記２つの内壁のうちの他方には、処理水を外部に排出するための処理水排出口１６がメタン発酵空間１１に臨ませて設けてある。

メタン発酵空間１１の上方空間（メタン発酵槽１０内のメタン発酵液の液面よりも上方の空間）は、メタン発酵空間１１で生成したメタンや二酸化炭素などのバイオガスを収集するバイオガス収集空間１２を構成している。

本実施形態において、筐体の底部には、水素供給部２０から水素を供給するための水素供給口２３がメタン発酵空間１１に臨ませて設けてある。また、筐体の内壁のうち、処理水排出口１６を設けた内壁には、バイオガス回収部４０にバイオガスを取り出すためのバイオガス取出口４３がバイオガス収集空間１２に臨ませて設けてある。

本実施形態では、水素が貯蔵された水素ボンベ２１や水素供給口２３、水素ボンベ２１と水素供給口２３との間で水素が通流する水素供給路２２（水素供給用ライン）などで水素供給部２０が構成される。水素供給部２０は、水素ボンベ２１内の水素を水素供給路２２及び水素供給口２３を介してメタン発酵空間１１内に供給する。尚、本実施形態においては、水素ボンベ２１に設けられる開閉弁（図示せず）の作動を制御装置によって制御可能な構成にしている。したがって、水素供給部２０によれば、任意の供給量や任意のタイミングでメタン発酵空間１１へ水素を供給できる。尚、水素供給部２０は、メタン発酵空間１１内への水素の供給が可能な構成であれば、特に限定されるものではなく、例えば、水素ボンベ２１に代えて水素製造装置を採用してもよい。

本実施形態では、ポンプ（図示せず）が接続したタンク４１やバイオガス取出口４３、タンク４１とバイオガス取出口４３との間でバイオガスが通流するバイオガス取出路４２などでバイオガス回収部４０が構成される。バイオガス回収部４０は、バイオガス収集空間１２内からバイオガス取出口４３及びバイオガス取出路４２を介してバイオガスを吸引してタンク４１にバイオガスを貯留する。本実施形態では、バイオガス取出路４２に、制御装置によって作動制御可能な開閉弁や流量調整弁を設けている。したがって、バイオガス回収部４０によれば、バイオガス収集空間１２内から任意の取出量や任意のタイミングでバイオガスを回収できる。尚、バイオガス回収部４０は、バイオガス収集空間１２からバイオガスを回収可能な構成であれば、特に限定されるものではない。

ｐＨ測定器３０は、メタン発酵槽１０内のメタン発酵液のｐＨを一定間隔で測定し、測定結果（測定ｐＨ）を制御装置に送信可能に構成してある。

以上の構成を備えたメタン発酵槽１０においては、メタン発酵空間１１内でメタン発酵を行うことで、バイオガスが発生し、メタン発酵空間１１内に供給された水素を利用して、バイオガス中の二酸化炭素がメタン発酵液中のメタン細菌によってメタン化される（メタネーション）。

〔第１実施形態に係る有機物処理システムの処理フロー〕
続いて、上記構成を備えた有機物処理システム１によって、汚泥を処理する過程について説明する。まず、メタン発酵槽１０内でのメタネーションによる二酸化炭素からメタンへの変換がシステムの運転に与える影響について説明する。

メタン発酵槽１０内において、メタネーションによる二酸化炭素からメタンへの変換が進むと、メタン発酵液中の二酸化炭素濃度が減少して、メタン発酵液のｐＨが上昇し、メタン発酵液中の遊離アンモニア濃度が増加する。遊離アンモニアは、メタン細菌の活性を低下させるため、メタネーションによる二酸化炭素からメタンの変換が進行すると、メタン細菌の活性が低下し、メタネーションが進み難くなる。そのため、メタネーションの進行によってメタン発酵液のｐＨが上昇すると、システムの運転効率が低下し、最終的にはシステム自体が機能しなくなる可能性がある。

有機物処理システムの安定的且つ効率的な運転を可能にするためには、メタン細菌の活性が大きく低下するほどの遊離アンモニアが発生しないように、メタン発酵液のｐＨを調整する措置をとることが有効である。具体的には、メタン発酵液のｐＨが上昇した際に、メタン発酵槽１０内への水素の供給量を減らしてメタネーションによる二酸化炭素の減少を抑える、或いは、メタン発酵槽１０内へ二酸化炭素を供給する措置をとることが有効である。このようにすれば、上昇したメタン発酵液のｐＨを低下させ、メタン細菌の活性の低下を抑制できる。

そこで、本実施形態に係る有機物処理システム１では、ｐＨ測定器３０によってメタン発酵液のｐＨを測定し、測定されたｐＨ（測定ｐＨ）に応じて、水素供給部２０による水素の供給流量を調整する。具体的には、図２に示すように、測定ｐＨが閾値（本例ではｐＨ９）未満である場合には、二酸化炭素からメタンへの変換に必要十分な流量（標準流量）で水素をメタン発酵槽１０内へ供給する。一方、測定ｐＨが閾値以上である場合には、メタン発酵槽１０内への水素の供給を停止する。また、本実施形態では、水素の供給を停止した場合、その後に測定ｐＨが８．５以下となった時点で標準流量での水素の供給を再開する。尚、図２において、水素やバイオガスが通流している箇所は太線、通流していない箇所は二点鎖線で示した。

したがって、本実施形態に係る有機物処理システム１においては、まず、汚泥をメタン発酵槽１０に供給するとともに、水素供給部２０によってメタン発酵槽１０内に標準流量で水素を供給する。これにより、メタン発酵槽１０に供給した汚泥がメタン発酵槽１０にてメタン発酵され、バイオガスが発生する。

続いて、発生したバイオガスはメタン発酵空間１１内において、水素供給部２０から水素が供給される水素を利用して、メタン発酵液中のメタン細菌がバイオガス中の二酸化炭素の一部をメタン化（メタネーション）する。二酸化炭素の一部がメタン化されたバイオガスは、バイオガス取出口４３を介してタンク４１に回収される。一方、メタン発酵により生成した処理水は、処理水排出口１６から外部に排出される。

メタン発酵空間１１内でメタネーションが進行して、バイオガス中に含まれる二酸化炭素の量が減少すると、メタン発酵槽１０内のメタン発酵液のｐＨが上昇する。そして、ｐＨ測定器３０により測定されるｐＨが９以上となった時点で、水素供給部２０による水素の供給を停止する。

これにより、メタネーションによる二酸化炭素の減少が止まるとともに、メタン発酵によって二酸化炭素を含むバイオガスが発生するため、メタン発酵槽１０内の二酸化炭素の量が徐々に増加し、メタン発酵液のｐＨが徐々に低下する。

しかる後、ｐＨ測定器３０により測定されるｐＨが８．５以下となった時点で、水素供給部２０によるメタン発酵槽１０内への標準流量での水素の供給を開始する。これにより、メタン発酵空間１１内において、バイオガス中の二酸化炭素のメタン化が再度行われるようになる。

このように、本実施形態に係る有機物処理システム１によれば、メタネーションの進行によってメタン発酵液のｐＨが上昇して閾値以上となった場合に、メタン発酵槽１０内への水素の供給を停止し、メタン発酵液のｐＨを閾値未満となるまで低下させられる。そのため、メタン発酵液のｐＨを一定の値（本例ではｐＨ９）よりも低く保つことができ、メタン発酵液のｐＨ上昇によってメタン細菌の活性が低下して、運転効率が低下し、システム自体が機能しなくなるといった事態の発生を抑えられる。したがって、有機物処理システム１においては、安定的且つ効率的な運転が可能である。

〔第２実施形態に係る有機物処理システムの構成〕
次に、第２実施形態に係る有機物処理システム５０の構成について説明する。図３は、第２実施形態に係る有機物処理システム５０の概略構成を示す図である。図３に示すように、第２実施形態に係る有機物処理システム５０は、主として、バイオガス循環部６０（バイオガス循環手段）を備える点が第１実施形態と異なっている。以下、第２実施形態に係る有機物処理システム５０について説明するが、第１実施形態に係る有機物処理システム１と同様の構成については説明を省略する。

図３に示すように、第２実施形態に係る有機物処理システム５０は、バイオガス回収部４０で回収するバイオガスの少なくとも一部をメタン発酵槽１０内へ供給するバイオガス循環部６０を備えている。

本実施形態において、バイオガス循環部６０は、バイオガス供給口６２やバイオガス循環路６１などから構成される。バイオガス循環路６１は、一端がバイオガス取出路４２におけるタンク４１とバイオガス取出口４３との間に接続され、他端がバイオガス供給口６２に接続されている。また、バイオガス供給口６２は、筐体の底部にメタン発酵空間１１に臨ませて設けられている。バイオガス循環部６０は、バイオガス取出路４２を通流するバイオガスの一部をバイオガス循環路６１及びバイオガス供給口６２を介してメタン発酵空間１１内に供給する。尚、本実施形態においては、バイオガス循環路６１に設けられる開閉弁（図示せず）や流量調整弁（図示せず）の作動を制御装置によって制御可能な構成にしている。したがって、バイオガス循環部６０によれば、任意の供給量や任意のタイミングで、メタン発酵槽１０内で発生したバイオガスの少なくとも一部をメタン発酵空間１１内へ供給できる。

〔第２実施形態に係る有機物処理システムの処理フロー〕
続いて、上記構成を備えた有機物処理システム５０によって、汚泥を処理する過程について説明する。

上述したように、メタネーションの進行によってメタン発酵液のｐＨが上昇すると、システムの運転効率が低下し、最終的にはシステム自体が機能しなくなる可能性がある。有機物処理システムの安定的且つ効率的な運転を可能にするためには、メタン発酵槽１０内へ二酸化炭素を供給する措置をとることも有効である。

そこで、本実施形態においては、ｐＨ測定器３０によって測定されたメタン発酵液のｐＨ（測定ｐＨ）に応じて、水素供給部２０による水素の供給・停止だけでなく、バイオガス循環部６０によるバイオガスの供給・停止を切り替える。具体的には、図４に示すように、測定ｐＨが閾値（ｐＨ９）未満である場合には、水素供給部２０によって標準流量で水素をメタン発酵槽１０内へ供給するとともに、バイオガス循環部６０によるメタン発酵槽１０内へのバイオガスの供給は停止する。一方、測定ｐＨが閾値以上である場合には、水素供給部２０によるメタン発酵槽１０内への水素の供給を停止するとともに、バイオガス循環部６０によって、バイオガス回収部４０により回収するバイオガスの一部をメタン発酵槽１０内へ供給する。尚、図４において、水素やバイオガスが通流している箇所は太線、通流していない箇所は二点鎖線で示した。

したがって、本実施形態に係る有機物処理システム５０においては、バイオガス循環部６０によるメタン発酵槽１０内へのバイオガスの供給を停止した状態で、第１実施形態に係る有機物処理システム１と同様に、メタン発酵槽１０内へ汚泥及び水素を供給して処理を開始する。

そして、ｐＨ測定器３０により測定されるｐＨが９以上となった時点で、水素供給部２０による水素の供給を停止するとともに、バイオガス循環部６０によるメタン発酵槽１０内へのバイオガスの供給を開始する。

これにより、メタネーションによる二酸化炭素の減少が止まるとともに、メタン発酵によって二酸化炭素を含むバイオガスが発生する。更に、本実施形態においては、バイオガス循環部６０によって、バイオガス回収部４０で回収されたバイオガス（二酸化炭素を含む）がメタン発酵槽１０内に供給される。そのため、水素の供給を停止するだけの場合と比較して、メタン発酵槽１０内の二酸化炭素の増加速度が速く、メタン発酵液のｐＨがより早く低下する。

しかる後、ｐＨ測定器３０により測定されるｐＨが８．５以下となった時点で、水素供給部２０によるメタン発酵槽１０内への標準流量での水素の供給を開始するとともに、バイオガス循環部６０によるメタン発酵槽１０内へのバイオガスの供給を停止する。これにより、メタン発酵空間１１内において、バイオガス中の二酸化炭素のメタン化が再度行われるようになる。

このように、本実施形態に係る有機物処理システム５０によれば、メタネーションの進行によってメタン発酵液のｐＨが上昇して閾値以上となった場合に、メタン発酵槽１０内への水素の供給を停止するだけでなく、メタン発酵槽１０内へバイオガスを供給する。そのため、有機物処理システム５０によれば、メタン発酵液のｐＨを閾値未満となるまでより早く低下させられる。したがって、有機物処理システム５０では、メタン発酵槽１０内への水素の供給の停止のみを行う場合よりも、メタン発酵液のｐＨを一定の値よりも低く保ちやすく、メタン細菌の活性の低下に起因する問題（運転効率の低下やシステム自体の機能の停止）といった事態の発生をより抑えられる。また、メタン発酵槽１０内への水素の供給の停止のみを行う場合よりも、メタネーションを停止している時間を短縮できる。よって、有機物処理システム５０では、より安定的且つ効率的な運転が可能である。

〔第３実施形態に係る有機物処理システムの構成〕
次に、第３実施形態に係る有機物処理システム７０の構成について説明する。図５は、第３実施形態に係る有機物処理システム７０の概略構成を示す図である。図５に示すように、第３実施形態に係る有機物処理システム７０は、主として、バイオガス供給部８０（バイオガス供給手段）を備える点が第１実施形態及び第２実施形態と異なっている。以下、第３実施形態に係る有機物処理システム７０について説明するが、第１実施形態及び第２実施形態に係る各有機物処理システム１，５０と同様の構成については説明を省略する。

図５に示すように、第３実施形態に係る有機物処理システム７０は、タンク８１に貯蔵されたバイオガスをメタン発酵槽１０内に供給するバイオガス供給部８０を備えている。

本実施形態において、バイオガス供給部８０は、タンク８１（貯蔵手段）やバイオガス供給路８２などから構成される。バイオガス供給路８２は、一端がタンク８１に接続され、他端が水素供給路２２における水素ボンベ２１と水素供給口２３との間に接続されている。バイオガス供給部８０は、タンク８１に貯蔵されたバイオガスをバイオガス供給路８２、水素供給路２２及び水素供給口２３を介してメタン発酵空間１１内に供給する。尚、本実施形態においては、バイオガス供給路８２に設けられる開閉弁（図示せず）や流量調整弁（図示せず）の作動を制御装置によって制御可能に構成している。したがって、バイオガス供給部８０によれば、任意の供給量や任意のタイミングで、タンク８１に貯蔵されたバイオガスをメタン発酵空間１１内へ供給できる。

尚、タンク８１は、バイオガス回収部４０を構成するタンク４１とは別個に設けられる。本実施形態において、タンク８１には、メタン発酵装置等を用いて別途製造したバイオガスであって、二酸化炭素のメタン化を行っていない（メタネーションを行っていない）ものが予め貯蔵されている。

〔第３実施形態に係る有機物処理システムの処理フロー〕
続いて、上記構成を備えた有機物処理システム７０によって、汚泥を処理する過程について説明する。

上述したように、有機物処理システムの安定的且つ効率的な運転を可能にするためには、メタン発酵槽１０内へ二酸化炭素を供給する措置をとることも有効である。

そこで、本実施形態においては、測定ｐＨに応じて、水素供給部２０による水素の供給・停止だけでなく、バイオガス供給部８０によるバイオガスの供給・停止を切り替える。具体的には、図６に示すように、測定ｐＨが閾値（ｐＨ９）未満である場合には、水素供給部２０によって標準流量で水素をメタン発酵槽１０内へ供給するとともに、バイオガス供給部８０によるメタン発酵槽１０内へのバイオガスの供給は停止する。一方、測定ｐＨが閾値以上である場合には、水素供給部２０によるメタン発酵槽１０内への水素の供給を停止するとともに、バイオガス供給部８０によって、タンク８１に貯蔵されたバイオガスを所定流量（例えば、メタン発酵槽１０内で発生するバイオガスの４倍に相当する量）でメタン発酵槽１０内へ供給する。尚、図６において、水素やバイオガスが通流している箇所は太線、通流していない箇所は二点鎖線で示した。

したがって、本実施形態に係る有機物処理システム７０においては、バイオガス供給部８０によるメタン発酵槽１０内へのバイオガスの供給を停止した状態で、第１実施形態に係る有機物処理システム１と同様に、メタン発酵槽１０内へ汚泥及び水素を供給して処理を開始する。

そして、測定ｐＨが９以上となった時点で、水素供給部２０による水素の供給を停止するとともに、バイオガス供給部８０によるメタン発酵槽１０内へのバイオガスの供給を開始する。

これにより、第２実施形態の場合と同様に、水素の供給を停止するだけの場合と比較して、メタン発酵槽１０内の二酸化炭素の増加速度が速くなり、メタン発酵液のｐＨがより早く低下する。また、第２実施形態の場合には、バイオガス回収部４０で回収されるバイオガスを使用するため、バイオガス循環部６０により供給可能なバイオガスの量は、メタン発酵槽１０内でのバイオガスの発生量に依存する。これに対して、本実施形態では、タンク８１に予め貯蔵されたものを使用するため、メタン発酵槽１０内でのバイオガスの発生量よりも多くのバイオガスを供給すること（即ち、より多くの二酸化炭素を供給すること）が可能である。したがって、本実施形態の有機物処理システム７０においては、第２実施形態の有機物処理システム５０と比較して、メタン発酵液のｐＨがより早く低下する。

しかる後、測定ｐＨが８．５以下となった時点で、水素供給部２０によるメタン発酵槽１０内への標準流量での水素の供給を開始するとともに、バイオガス供給部８０によるメタン発酵槽１０内へのバイオガスの供給を停止する。これにより、メタン発酵空間１１内において、バイオガス中の二酸化炭素のメタン化が再度行われるようになる。

このように、本実施形態に係る有機物処理システム７０においても、メタネーションの進行によってメタン発酵液のｐＨが上昇して閾値以上となった場合に、メタン発酵槽１０内への水素の供給を停止するだけでなく、メタン発酵槽１０内へバイオガスを供給する。そのため、有機物処理システム７０によれば、メタン発酵液のｐＨを閾値未満となるまでより早く低下させられる。したがって、有機物処理システム７０では、メタン発酵槽１０内への水素の供給の停止のみを行う場合やメタン発酵槽１０内で発生したバイオガスを循環させる場合よりも、メタン発酵液のｐＨを一定の値よりも低く保ちやすく、メタン細菌の活性の低下に起因する問題（運転効率の低下やシステム自体の機能の停止）といった事態の発生をより抑えられる。また、メタン発酵槽１０内への水素の供給の停止のみを行う場合やメタン発酵槽１０内で発生したバイオガスを循環させる場合よりも、メタネーションを停止している時間を短縮できる。よって、有機物処理システム７０では、より安定的且つ効率的な運転が可能である。

〔ｐＨ低下に関する検証〕
以下、汚泥を対象として、バイオガス供給によるｐＨ低下に関する検証を行った。

〔バイオガス吹込みによるｐＨ変化〕
まず、汚泥に対してバイオガスを吹込んだ際に、汚泥のｐＨがどのように変化するかを確認した。

具体的には、１６０ｍｌの汚泥に対して、バイオガス（メタン６０ｖｏｌ％、二酸化炭素４０ｖｏｌ％の模擬ガス）を１０ｍｌ／ｍｉｎの吹込み速度で吹込み、吹込み開始から５分、１５分、３５分、６５分経過した時点での汚泥のｐＨを測定した。結果を表１にまとめた。また、図７には、単位汚泥量当たりのバイオガスの吹込み量とｐＨの変化との関係を表すグラフを示した。尚、図７中の点線は近似曲線である。

表１及び図７から明らかなように、バイオガスの吹込み量が増加するにつれて、汚泥のｐＨが低下している。そして、図７中の近似曲線から、汚泥のｐＨを初期値の９．０から８．５まで低下させるためには、単位汚泥量当たりのバイオガスの吹込み量がおよそ２．４ｍ^３／ｍ^３汚泥になればよいことがわかる。尚、この検証は、１時間程度の短時間のものであり、汚泥自身がメタン発酵により発生するバイオガスは無視できるほど少ないと考えられる。そのため、ｐＨの低下は、吹き込んだバイオガスのみに依存しているものとする。

〔ｐＨ低下に要する時間シミュレーション〕
ついで、メタン発酵液のｐＨを９．０から８．５まで低下させるのに要する時間をシミュレーションした。

上記〔バイオガス吹込みによるｐＨ変化〕で得られた結果を考慮すると、汚泥のｐＨを９．０から８．５まで低下させるには、汚泥１ｍ^３あたり２．５ｍ^３のバイオガスを吹込めば十分である。したがって、バイオガス吹込み量が汚泥１ｍ^３あたり２．５ｍ^３となるのに要する時間が、汚泥のｐＨを９．０から８．５まで低下させるのに要する時間であるとみなせる。

そこで、メタン発酵槽内において、メタン発酵を行うとともに、メタン発酵によって発生したバイオガス中の二酸化炭素を水素を利用してメタン化する場合において、以下に示す前提条件１～３の下で、ｐＨが９．０になった際に以下の対応１～３をそれぞれ講じた場合に、汚泥のｐＨが９．０から８．５まで低下するのに要する時間をシミュレーションした。
前提条件１：ｐＨの変化は、汚泥自身がメタン発酵により発生するバイオガス、又は吹き込んだバイオガス量にのみ依存するものとする。
前提条件２：バイオガスの発生量は、汚泥１ｍ^３あたり０．５ｍ^３／日とする。
前提条件３：水素の供給量は、汚泥１ｍ^３あたり２．０ｍ^３／日とする。

〔対応１〕
対応１では、水素の供給を停止する。この場合、水素の供給を停止することによって、メタン発酵槽内には、汚泥１ｍ^３あたり０．５ｍ^３／日のバイオガスが発生する。よって、ｐＨが９．０から８．５まで低下するのに要する時間は、５日（＝２．５［ｍ^３］／０．５［ｍ^３／日］）である。

〔対応２〕
対応２では、水素の供給を停止し、発生したバイオガスの全量を循環させる。この場合、対応１と同様に汚泥１ｍ^３あたり０．５ｍ^３／日のバイオガスが発生するとともに、バイオガスの全量（０．５ｍ^３／日）を循環させるから、メタン発酵槽内には、汚泥１ｍ^３あたり１．０ｍ^３／日のバイオガスが供給されることになる。よって、ｐＨが９．０から８．５まで低下するのに要する時間は、２．５日（＝２．５［ｍ^３］／１．０［ｍ^３／日］）である。

〔対応３〕
対応３では、水素の供給を停止し、予め貯蔵しておいたバイオガスを水素供給ラインを通じて供給する。この場合も対応１と同様に汚泥１ｍ^３あたり０．５ｍ^３／日のバイオガスが発生する。また、本対応３の場合、バイオガスの供給量がメタン発酵槽１０内でのバイオガスの発生量に依存せず、バイオガスの吹込み量を任意に設定できる。そこで、バイオガス吹込み量を水素の供給量と同等の、汚泥１ｍ^３あたり２．０ｍ^３／日とする。そうすると、メタン発酵槽内には、汚泥１ｍ^３あたり２．５ｍ^３／日のバイオガスが供給されることになる。よって、ｐＨが９．０から８．５まで低下するのに要する時間は、１．０日（＝２．５［ｍ^３］／２．５［ｍ^３／日］）となる。

このように、対応１のように、水素の供給を停止してもメタン発酵液のｐＨを低下させることができるが、水素の供給停止に加え、メタン発酵槽内へのバイオガスの供給を行うことにより、ｐＨを低下させるのに要する時間を短縮できる。そのため、メタネーションを停止している時間を短くでき、ｐＨを所定値よりも低く保ちやすい。更に、対応３のように、予め貯蔵しておいたバイオガスを使用するようにすれば、メタン発酵槽内でのバイオガスの発生量とは無関係に、バイオガスの供給量を設定できる。そのため、バイオガスの供給量を多くして、ｐＨを低下させるのに要する時間を大幅に短縮することも可能である。例えば、上記対応３では、バイオガス吹込み量を汚泥１ｍ^３あたり２．０ｍ^３／日としているが、これより大きくしてもよく、その場合、ｐＨを低下させるのに要する時間が１．０日よりも短くなる。

〔別実施形態〕
〔１〕上記実施形態では、測定ｐＨが閾値以上である場合に、水素供給部２０が水素の供給を停止する態様としたが、これに限られるものではなく、水素供給部２０が水素を標準流量よりも減らして供給する態様であってもよい。このようにしても、標準流量で水素を供給する場合と比較すれば、メタネーションによる二酸化炭素の減少量が少なくなる。そのため、メタン発酵槽内の二酸化炭素を増加させ、メタン発酵液のｐＨを低下させられる。

〔２〕上記各実施形態では、汚泥を処理する態様としたが、これに限られるものではなく、生ごみ等を処理する態様であってもよい。

〔３〕上記各実施形態では、閾値としてｐＨ９を採用したが、これに限られるものではなく、任意の値を採用すればよいが、ｐＨ８～ｐＨ１０の範囲内の任意の値を設定することが好ましい。尚、閾値を高くし過ぎると、水素の供給を停止した時点で、メタン細菌の活性が低くすぎて、メタン発酵槽内でのバイオガスの発生量が非常に少ない場合がある。その結果、メタン発酵槽内での二酸化炭素の増加速度も遅くなり、メタン発酵液のｐＨを低下させるのに要する時間が長くなる。

〔４〕上記各実施形態では、水素供給部２０による水素の供給を停止した後やバイオガス循環部６０及びバイオガス供給部８０によるバイオガスの供給を開始した後に、水素の供給再開やバイオガスの供給停止を行うタイミングを、測定ｐＨが８．５以下となった時点としたが、これに限られるものではない。水素の供給再開やバイオガスの供給停止を行うタイミングは任意に設定できるが、水素の供給再開やバイオガスの供給停止を行うタイミングが遅くなるほど、メタネーションを停止している時間が長くなる。そのため、水素の供給再開やバイオガスの供給停止を行うタイミングは、例えば、測定ｐＨが７．５以上閾値未満の範囲内で任意に設定した値以下となった時点であることが好ましい。

〔５〕上記各実施形態では、水素供給口２３やバイオガス供給口６２をメタン発酵槽１０を構成する筐体の底部にメタン発酵空間１１に臨ませて設ける態様としたが、これに限られるものではない。例えば、水素供給口２３やバイオガス供給口６２を筐体の天井にバイオガス収集空間１２に臨ませて設ける態様であってもよい。

〔６〕上記第２実施形態では、バイオガス循環部６０によって、バイオガス回収部４０により回収するバイオガスの一部をメタン発酵槽１０内へ供給する態様としたが、これに限られるものではない。バイオガス回収部４０により回収するバイオガスの全量をメタン発酵槽１０内へ供給する態様であってもよい。

〔７〕上記第２実施形態では、バイオガス回収部４０により回収するバイオガスをタンク４１に回収する前にバイオガス取出路４２から分岐させる形でメタン発酵槽１０内へ供給する態様としたが、これに限られるものではない。一旦タンク４１に回収したバイオガスをメタン発酵槽１０内へ供給する態様であってもよい。

〔８〕上記第２実施形態では、バイオガス循環路６１の他端をバイオガス供給口６２に接続する態様としたが、これに限られるものではない。バイオガス循環路６１の他端を水素供給路２２における水素ボンベ２１と水素供給口２３との間に接続し、水素供給口２３からバイオガスを供給するようにしてもよい。

〔９〕上記第３実施形態では、バイオガス供給路８２の他端を水素供給路２２における水素ボンベ２１と水素供給口２３との間に接続し、水素供給口２３を通してメタン発酵槽１０内へバイオガスを供給する態様としたが、これに限られるものではない。例えば、第２実施形態のように、メタン発酵槽１０を構成する筐体にバイオガス供給口を設け、バイオガス供給路８２の他端をバイオガス供給口に接続し、当該バイオガス供給口を通してメタン発酵槽１０内へバイオガスを供給する態様であってもよい。

〔１０〕上記第３実施形態では、バイオガス供給部８０によって、メタン発酵槽１０内で発生するバイオガスの４倍に相当する量のバイオガスをメタン発酵槽１０内に供給する態様としたが、これに限られるものではない。バイオガス供給部８０によって供給するバイオガスの量は任意に設定できる。

尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

１，５０，７０：有機物処理システム
１０ ：メタン発酵槽
２０ ：水素供給部（水素供給手段）
２２ ：水素供給路（水素供給用ライン）
３０ ：ｐＨ測定器（ｐＨ測定手段）
４０ ：バイオガス回収部（回収手段）
６０ ：バイオガス循環部（バイオガス循環手段）
８０ ：バイオガス供給部（バイオガス供給手段）
８１ ：タンク（貯蔵手段）

Claims (7)

1. 有機物が供給されるメタン発酵槽と、
   前記メタン発酵槽内に水素を供給する水素供給手段とを備え、
   前記メタン発酵槽内でのメタネーションが実行可能に構成された有機物処理システムであって、
   前記メタン発酵槽内のメタン発酵液のｐＨを測定するｐＨ測定手段を備え、
   前記水素供給手段は、前記ｐＨ測定手段で測定された測定ｐＨに応じて前記水素の供給流量を調整するように構成され、前記測定ｐＨが予め定めた閾値未満である場合に前記水素を標準流量で供給し、前記測定ｐＨが前記閾値以上である場合に前記水素を前記標準流量よりも減らして供給する、有機物処理システム。
2. 前記メタン発酵槽内で発生したバイオガスを回収する回収手段と、
   前記回収手段で回収するバイオガスの少なくとも一部を前記メタン発酵槽内へ供給するバイオガス循環手段とを備え、
   前記バイオガス循環手段は、前記測定ｐＨが前記閾値以上である場合に前記バイオガスを所定流量で前記メタン発酵槽内へ供給し、前記測定ｐＨが前記閾値未満である場合に前記バイオガスの供給を停止する、請求項１に記載の有機物処理システム。
3. 貯蔵手段に貯蔵されたバイオガスを前記メタン発酵槽内に供給するバイオガス供給手段を備え、
   前記バイオガス供給手段は、前記測定ｐＨが前記閾値以上である場合に前記バイオガスを所定流量で前記メタン発酵槽内へ供給し、前記測定ｐＨが前記閾値未満である場合に前記バイオガスの供給を停止する、請求項１に記載の有機物処理システム。
4. 前記バイオガス供給手段は、前記水素供給手段における水素供給用ラインを介して前記メタン発酵槽内に前記バイオガスを供給する、請求項３に記載の有機物処理システム。
5. 前記有機物は、汚泥に含まれる請求項１に記載の有機物処理システム。
6. 前記閾値は、ｐＨ８～ｐＨ１０の範囲内で設定される請求項１に記載の有機物処理システム。
7. 前記水素供給手段は、前記測定ｐＨが前記閾値以上である場合に前記水素の供給を停止する、請求項１～６のいずれか一項に記載の有機物処理システム。

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