JP3556101B2

JP3556101B2 - 有機性廃棄物の嫌気性消化方法

Info

Publication number: JP3556101B2
Application number: JP24422298A
Authority: JP
Inventors: 慎一郎若原; 敏宏小松; 秀樹岩部
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1998-08-31
Filing date: 1998-08-31
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2018-08-31
Also published as: JP2000070908A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浄化槽汚泥や下水汚泥等の有機性汚泥、高濃度有機性廃液、厨芥、食品廃棄物などの有機性廃棄物の嫌気性消化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
浄化槽汚泥や下水汚泥等の有機性汚泥、高濃度有機性廃液、厨芥、食品廃棄物などの高濃度の有機性廃棄物を嫌気性消化してメタンガスを回収する処理方法が行われている。
【０００３】
従来の発酵槽では汚泥濃度は成りゆきまかせであったが、汚泥の一部を引き抜いて濃縮し、返送することによって、嫌気性消化に関わる微生物群を高濃度に保持するようにした例も見られ（特開平６−６３５９８号）、高濃度であればあるほど分解率や分解速度の面で有利であるとされていた。
【０００４】
その他、分解率を向上させる手段として、投入基質をアルカリ剤や加温によって前もって可溶化させる方法や、消化ガスよりＣＯ_２を分離して酸発酵槽内に吹き込むことでセルロースの可溶化を促進する方法などが採られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、有機性廃棄物を嫌気性消化する時には、常に酸敗に気を配る必要がある。易分解性の有機物の発酵過程では、酸生成速度が酸消費速度（メタン生成速度）よりも卓越し、その差によって蓄積する酢酸、プロピオン酸などの有機酸の濃度が高くなると、基質濃度阻害としてメタン生成段階に阻害を及ぼすことが知られている。
【０００６】
加えて、タンパク質あるいは脂質を高濃度で含有する有機性廃棄物の嫌気性消化では、生成するアンモニアや硫化水素、あるいは脂質による吸着阻害などによって嫌気性消化活性が低下、あるいは停止してしまう。
【０００７】
これらの問題は、発酵槽内の固形物濃度が高いほど、すなわち含水率が低いほど顕著に現れる。つまり、分解率や分解速度の面で有利であると思われていた高濃度嫌気性消化が、低濃度嫌気性消化に比較して、投入基質あるいは分解生成物による濃度阻害を受け易いと言える。
【０００８】
しかるに、このような発酵阻害に対しては、ｐＨの管理、あるいは発酵槽への基質投入を控えるしか対処方法はなく、タンパク質あるいは脂質を多量に含んだ有機性廃棄物の処理は容易ではなかった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、投入基質あるいは生成物による発酵阻害を低減すべく鋭意研究した結果、有機性廃棄物の嫌気性消化においては、発酵槽内のＴＳ濃度、つまりは汚泥含水率を制御することによって、阻害物質の影響を低減し、有機性廃棄物の分解率および分解速度を増大できることを見出し、本発明を完成したものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の有機性廃棄物の嫌気性消化方法は、発酵槽の内部に有機性廃棄物を投入して嫌気性条件下で消化し、メタンガスを回収するに際し、発酵槽内における嫌気性消化によって生じる分解生成物を含む発酵阻害物質の濃度を発酵槽内の消化汚泥を実測して求め、この発酵阻害物質の濃度が上限濃度を越えない値となるように、嫌気性消化しつつある発酵槽内の消化汚泥の含水率を増減調整して制御することを特徴する。
【００１１】
発酵阻害物質としては、脂質、アンモニア、有機酸、硫化水素、重金属類など、投入基質成分、およびその分解生成物が挙げられる。
図３〜図５を用いて説明すると、
１）発酵槽内汚泥のＴＳ濃度（固形物濃度）の増大に伴って発酵槽容積当たりのメタン生成速度が増加したが、ＴＳ濃度が１０％を越えるとメタン生成速度の増加が緩やかになった（図３参照）、
２）ＴＳ濃度の増大に伴って投入ＣＯＤの分解率並びにメタン生成速度が低下した（図４参照）、
ことから、この場合、ＴＳ濃度１０％程度に管理するのが最適であることがわかる。つまり、メタン生成速度はＴＳ濃度を管理することで制御できる。
【００１２】
３）厨芥を基質として嫌気性発酵を行ったところ、投入ＣＯＤの８０％分解に要する日数はＴＳ濃度の増大に伴って低下したが、ＴＳ濃度６％を境にして増大に転じた（図５参照）、
ことから、最適なＴＳ濃度が存在することがわかる。つまり、分解速度も、ＴＳ濃度を管理することで制御できる。
【００１３】
以上から、嫌気性消化における有機性廃棄物の分解率および分解速度は、含水率を管理することによって制御できると言える。
よって、上記したような実験結果に基づいて、消化汚泥の含水率を、高い分解率および分解速度を確保できる適当な値に制御することによって、槽内における発酵阻害物質の影響をできるだけ低く、すなわち発酵阻害物質が上限濃度を越えないように制御できる。
【００１４】
上記したような実験を行わない場合は、槽内における発酵阻害物質の濃度を、槽内に投入する有機性廃棄物の組成から経験則として求めるか、あるいは槽内の消化汚泥を実測して求める。そして、求めた濃度値と所定の上限濃度値との比較に基いて、消化汚泥の含水率を制御する。
【００１５】
上限濃度は、前実験で決めてもよいし、文献等で周知の値を採用してもよい。発酵阻害物質の濃度は、タンパク質あるいは脂質の有機性廃棄物中含有量に基いて求めるのが好都合である。
【００１６】
ただし、含水率の制御値は、消化汚泥の攪拌操作を容易に行えるという条件（ＴＳ濃度１０％程度）も満たす必要がある。また、微生物の馴養等によって発酵条件が次第に変化してくるので、適宜に制御値を再設定する必要がある。さらに、運転コスト等の条件も加味する必要がある。
【００１７】
発酵槽内の阻害物質濃度範囲と槽内ＴＳ濃度との間には概ね、以下の表１のような関係がある。
【００１８】
【表１】

【００１９】
消化汚泥の含水率の低下は、有機性廃棄物を濃縮してあるいは無希釈で投入することと、消化汚泥の一部を固液分離手段により固液分離し、濾液を系外へ引き抜くこととの少なくとも一方によって行うことができる。
【００２０】
消化汚泥の含水率の増大は、消化汚泥の一部を固液分離手段により固液分離し、濾液を系外へ引き抜くとともに、当該発酵阻害物質を不含の希釈水を補給することによって行うことができる。
【００２１】
固液分離手段としては、遠心分離機などを使用してもよいし、発酵槽内に膜分離装置を設置してもよいし、膜分離装置を設置した膜分離槽を発酵槽に併設してもよい。膜分離槽内で固液分離する場合には、濾液の引き抜きによって濃縮された消化汚泥の一部または全量を発酵槽へ返送する。
【００２２】
希釈水としては、排出した濾液を生物処理、アンモニアストリッピング法、アンモニア吸着剤などによって処理したもの、あるいは他の処理工程で発生したプロセス水、あるいは清水などを使用できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
（実施例１）
図１に示したような装置構成において、易分解性有機物である厨芥１（低タンパク質：全有機物重量中５％、低脂質：全有機物重量中１％）を発酵槽２の内部に投入し、約５５℃に加温する状態において嫌気性消化しつつ、バイオガス３の発生量を測定した。厨芥１の含水率は９０％程度であり、これを無希釈で嫌気性消化したため、発酵槽２内の消化汚泥４の含水率は９９％程度に収束した。
【００２４】
同様にして、厨芥１を発酵槽２の内部に投入し、約５５℃に加温する状態において嫌気性消化しつつ、バイオガス３の発生量を測定した。ただし、発酵槽２内の消化汚泥４を膜分離槽５に送り、浸漬型膜分離装置６により固液分離して濾液７を導出し、それにより濃縮された消化汚泥４’を発酵槽２内に返送することにより、発酵槽２内の消化汚泥４の含水率を低下させた。含水率を低下させるにあたっては、発酵槽２内の消化汚泥４のＮＨ_４−Ｎ濃度が３０００ｍｇ／Ｌ以下になるように濾液７を引き抜いた。
【００２５】
結果は表１に示した通りであり、含水率制御時には非制御時と比較して、最大負荷、容積あたりのガス発生量が４倍に増加した。（槽内滞留時間：ＨＲＴ１０日、ＳＲＴ３０日）
【００２６】
【表２】

【００２７】
この結果から、上記したような本発明の方法を実施することにより、含水率を制御しない従来の方法に比べて、発酵槽を小型化できるとともに、余分な水分を加熱する必要がない分、発酵槽の加温に使用するメタンガス量を低減することができ、系外で回収可能なエネルギーが飛躍的に増加することがわかる。
（実施例２）
実施例１と同様にして、タンパク質含有量が多い厨芥１（タンパク質：全有機物重量中３０％）を制御状態と非制御状態とにおいてそれぞれ、嫌気性消化した。ただし、制御状態では、希釈水８としての無ＮＨ_４−Ｎ水を加えて濾液７を引き抜くことで、消化汚泥４のＮＨ_４−Ｎ濃度を３０００ｍｇ／Ｌ以下に低下させた。
【００２８】
結果は表２に示した通りであり、制御時には非制御時と比較して、分解率、ガス発生量とも上昇しており、高タンパクな厨芥をも効率よく分解できた。（制御状態では、槽内滞留時間：ＨＲＴ６．５日、ＳＲＴ３０日）
【００２９】
【表３】

【００３０】
この結果から、膜分離槽５（すなわち膜分離装置６）を併用することにより、阻害物質濃度を低下させながら、有機物負荷を高く維持することができ、高タンパクな厨芥をも、負荷を落とすことなく処理できることがわかる。このような高タンパクな厨芥は、基質を希釈して投入し引き抜くだけの従来の方法では、処理できるものの、処理量が大幅に減少する。
【００３１】
なお、上記した各実施例では、ＮＨ_４−Ｎが所定の上限濃度以下になるように含水率を制御したが、発酵対象物の組成に応じて、ＮＨ_４−Ｎ、脂質、有機酸などの阻害物質を指標として含水率を制御する。ただし、たとえば有機酸の場合には、蓄積による阻害に加え、易分解性物質の即時分解による瞬間的なＶＦＡ濃度が阻害を及ぼさないように、発酵槽内の含水率を制御する必要がある。
【００３２】
図２に示したように、発酵槽２の内部に設置した膜分離装置６によって、消化汚泥４の固液分離および濾液７の引き抜きを行ってもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、発酵槽内の消化汚泥の含水率を、槽内における発酵阻害物質が上限濃度を越えない値に制御することにより、投入基質の分解効率を向上できるとともに、安定した運転を行うことができ、エネルギー回収を重視した運転、分解率（安定性）を重視した運転のいずれかの選択も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有機性廃棄物の嫌気性消化方法を実施する装置であって、発酵槽に、膜分離装置を内設した膜分離槽を併設したものを示した説明図である。
【図２】本発明の有機性廃棄物の嫌気性消化方法を実施する装置であって、発酵槽の内部に膜分離装置を設置したものを示した説明図である。
【図３】消化汚泥の含水率を制御する根拠としての、発酵槽容積当たりのメタン生成速度に及ぼすＴＳ濃度の影響を示したグラフである。
【図４】消化汚泥の含水率を制御する根拠としての、メタン生成速度およびＣＯＤ分解率に及ぼすＴＳ濃度の影響を示したグラフである。
【図５】消化汚泥の含水率を制御する根拠としての、有機性廃棄物の８０％分解に要する日数とＴＳ濃度との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１厨芥（有機性廃棄物）
２発酵槽
３バイオガス（メタンガス）
４，４’消化汚泥
６膜分離装置
７濾液
８希釈水

Claims

発酵槽の内部に有機性廃棄物を投入して嫌気性条件下で消化し、メタンガスを回収するに際し、発酵槽内における嫌気性消化によって生じる分解生成物を含む発酵阻害物質の濃度を発酵槽内の消化汚泥を実測して求め、この発酵阻害物質の濃度が上限濃度を越えない値となるように、嫌気性消化しつつある発酵槽内の消化汚泥の含水率を増減調整して制御することを特徴とする有機性廃棄物の嫌気性消化方法。
消化汚泥の含水率の低下は、有機性廃棄物を濃縮してあるいは無希釈で投入することと、消化汚泥の一部を固液分離手段により固液分離し、濾液を系外へ引き抜くこととの少なくとも一方によって行うことを特徴とする請求項１に記載の有機性廃棄物の嫌気性消化方法。
消化汚泥の含水率の増大は、消化汚泥の一部を固液分離手段により固液分離し、濾液を系外へ引き抜くとともに、当該発酵阻害物質を不含の希釈水を補給することによって行うことを特徴とする請求項１に記載の有機性廃棄物の嫌気性消化方法。