JP3716817B2 - 有機性廃棄物のメタン発酵処理方法及び処理装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、嫌気性生物を用いて、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理等の余剰汚泥等の有機性廃棄物を処理する、有機性廃棄物のメタン発酵処理方法及び処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
生ゴミ等の有機性廃棄物のほとんどは、焼却や埋立処分されているが、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。これらの問題を解決するために有機性廃棄物をメタン発酵処理し、発生したメタンガスを燃料電池やガスエンジンを用いて発電するシステムが研究、開発されている。
【0003】
メタン発酵処理は、有機性廃棄物を粉砕・スラリー化した後、このスラリーを発酵槽に投入し、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方法であり、有機性廃棄物を大幅に減量することができると共に、副産物として生成す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。また、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。
【0004】
上記の嫌気性生物を用いた発酵槽においては、細菌と有機性廃棄物の接触をよくし、バイオガスの発生を促進させるために発酵槽内を攪拌する必要がある。また、この攪拌によって、発酵槽内の温度やpHが均一になるので発酵条件が一定となり、安定したバイオガスの発生が可能となる。
【0005】
従来、発酵槽を攪拌する方法としては、機械攪拌法、ポンプ循環法、ガス攪拌法等が用いられている。機械攪拌方法は、羽根式攪拌機やスクリュー式攪拌機を発酵槽内に設置し、強制的に有機性廃棄物を攪拌する方法であり、ポンプ循環法は、発酵槽の外部にあるポンプで有機性廃棄物自身を発酵槽底部から上部へ循環させる方法である。
【0006】
また、ガス攪拌法は、バイオガスをガス圧縮機で圧縮し、発酵槽下部より圧入する方法であり、例えば、特開2001−46997号公報には、閉鎖空間を形成するメタン発酵槽と、このメタン発酵槽内に浸漬されて膜分離装置と散気装置を配置した膜分離槽と、発酵槽と膜分離槽とを連通する循環系と、一端が発酵槽の気相部に連通するとともに、他端が散気装置に連通し、途中にブロアを介装したバイオガス循環系とを有する発酵槽の攪拌装置が記載されており、発酵槽内で発生するバイオガスのエアリフト作用を利用して、発酵汚泥を攪拌することが開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術のうち、機械攪拌法においては、発酵槽内に攪拌機が必要となるので装置構造が複雑となり、また、大きな攪拌動源が必要となるという問題があった。また、ポンプ循環法においても、循環ポンプ等の駆動源があり、大きな動力を必要とするという問題点があった。
【0008】
更に、特開2001−46997号公報の方法のようなガス攪拌法においても、ガスを発酵槽に送り込むための、ブロアやガス圧縮機が必要になるとういう問題点があった。
【0009】
したがって、本発明の目的は、メタン発酵槽の攪拌動力を低減でき、これによって処理装置のランニングコストを低減できる、有機性廃棄物のメタン発酵処理方法及び処理装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明者等は鋭意検討した結果、メタン発酵槽内部を密閉系にするとバイオガスの発生に伴い発酵槽内の圧力は上昇するので、この圧力を発酵槽内の原料スラリーの攪拌に利用すれば、攪拌動力が大幅に低減できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0011】
すなわち、本発明の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法は、嫌気性微生物によって分解可能な有機性廃棄物をメタン発酵によって処理する方法において、前記有機性廃棄物を複数の発酵槽に導入して発酵させ、前記複数の発酵槽内の圧力を検出して、前記圧力の高い方の発酵槽から、前記圧力の低い方の発酵槽へと、前記メタン発酵によって生成したガスを供給することによって、前記圧力の低い方の発酵槽の攪拌を行ない、この攪拌を前記複数の発酵槽間で交互に行なうことを特徴とする。
【0012】
本発明の方法によれば、複数の発酵槽内の圧力差を利用して、圧力の低い方の発酵槽へ生成ガスを供給することによって有機性廃棄物の攪拌を行なうことができる。したがって、加圧されたガスを発酵槽内に送り込むことができるので、ブロアやガス圧縮機が不要であり、攪拌に必要な動力を低減してランニングコストを低減することができる。また、複数の発酵槽間で交互に攪拌を行うことにより、処理装置の連続運転が可能となり、処理効率を向上させることができる。
【0013】
本発明の方法においては、前記有機性廃棄物を、前記複数の発酵槽間で交互に圧力差が生じるように、前記複数の発酵槽に交互に導入することが好ましい。これによれば、それぞれの発酵槽への有機性廃棄物の導入のタイミングを順次切替えるだけで、発酵槽間の圧力差を容易に発生させることができる。
【0014】
一方、本発明の有機性廃棄物のメタン発酵処理装置は、嫌気性微生物によって分解可能な有機性廃棄物を発酵槽に導入するための有機性廃棄物供給手段と、前記有機性廃棄物をメタン発酵させるための複数の発酵槽と、前記発酵槽内の圧力を検出するための圧力検出手段と、前記メタン発酵によって生成したガスを貯留するためのガス貯留槽と、
前記複数の発酵槽内の前記生成ガスが占める上部空間と前記ガス貯留槽とを連結する第1配管と、前記発酵槽内の上部空間と他の発酵槽内の前記有機性廃棄物が占める下部空間とを連結する第2配管とを備え、
前記圧力検出手段によって前記複数の発酵槽間の圧力差を検出した場合に、前記圧力の高い方の発酵槽から前記圧力の低い方の発酵槽へ、前記第2配管を通じて前記生成ガスを供給する切替え手段が設けられていることを特徴とする。
【0015】
本発明の装置によれば、圧力検出手段と第1配管、第2配管によって、複数の発酵槽内の圧力差を利用して、圧力の低い方の発酵槽へ生成ガスを供給することによって攪拌ができる。したがって、生成ガスを発酵槽内に送り込むためのブロアやガス圧縮機が不要となり、攪拌に必要な動力が低減できるのでランニングコストが低減する。
【0016】
また、発酵槽内の攪拌装置が不要であり、装置の構造を単純にできる。更に、複数の発酵槽間で交互に攪拌を行うことにより、処理装置の連続運転が可能となるので、処理効率を向上させることができる。
【0017】
本発明の装置においては、前記有機性廃棄物供給手段が、前記有機性廃棄物を前記複数の発酵槽に交互に供給するための切替え手段を備えることが好ましい。
【0018】
これによれば、切替え手段によって、有機性廃棄物の導入を、複数の発酵槽で交互に行なうことができるので、複数の発酵槽における圧力差の発生を容易に行なうことができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を用いて更に詳細に説明する。
【0020】
図1、2には、本発明の有機性廃棄物のメタン発酵処理装置の一実施形態が示されている。図1はメタン発酵処理装置の概略構成図、図2は発酵槽内の圧力制御の状態を示すタイムチャートである。
【0021】
まず、本発明のメタン発酵装置について説明すると、図1に示すように、この処理装置は、有機性廃棄物を粉砕する前処理装置10と、これをスラリー化する混合槽20と、供給ポンプ30a、30bとからなる有機性廃棄物供給手段と、2つの発酵槽40a、40bと、圧力センサ50a、50bからなる圧力検出手段と、生成したガスを貯留するためのガスタンク60とで主に構成されている。
【0022】
有機性廃棄物供給手段は、有機性廃棄物を投入、粉砕するための前処理装置10が、供給配管81によって、次工程の混合槽20に供給されるように構成されている。そして、混合槽20からは、供給配管82a、82bが、それぞれ発酵槽40a、40bへ連結されるように接続されている。
【0023】
供給配管82a、82bの途中には、供給ポンプ、30a、30bが設けられており、これによって、発酵槽40a又は40bへの有機性廃棄物の供給が切替え可能となっている。
【0024】
本発明においては、複数の発酵槽を用いる点が特徴となっており、この実施形態においては、2つの発酵槽40a、40bを有している。発酵槽としては特に限定されないが、本発明においては、複数の発酵槽の圧力差を利用して攪拌を行なうため、それぞれの発酵槽の体積が等しいことが好ましい。また、発酵槽の数は、2つに限定されず、3つ以上であってもよい。
【0025】
メタン発酵を行なうための2つの発酵槽40a、40bの上部には、それぞれ圧力センサ50a、50bが設けられており、発酵槽上部のガス圧力をモニターできるようになっている。圧力センサ50a、50bとしては従来公知の圧力センサが使用可能であり特に限定されない。
【0026】
発酵槽40a、40bの上部空間からは、ガスタンク60に連結される第1配管83a、83bがそれぞれ接続されており、第1配管83a、83bの途中には、第1バルブ90a、90bがそれぞれ設けられている。これによって、メタン発酵を行なうための2つの発酵槽40a、40bにおいて発生したバイオガスが、ガスタンク60に貯蔵されるように構成されており、このガスタンク60に貯蔵されたバイオガスが、燃料電池発電装置、ガスエンジン等の発電機やボイラーの燃料として有効利用されるようになっている。
【0027】
一方、上記の第1配管とは別に、発酵槽40a、40bからは、圧力の高い方の発酵槽から圧力の低い方の発酵槽へ生成ガスを供給して攪拌を行なうために、発酵槽40aの上部空間と発酵槽40bの下部空間を連結する第2配管84、及び、発酵槽40aの下部空間と発酵槽40bの上部空間を連結する第2配管85が連結されており、第2配管84、85の途中には、それぞれバルブ91a、91bが設けられている。
【0028】
更に、発酵槽40a、40bの底部からは、固液分離槽70に接続される供給配管86a、86bがそれぞれ設けられており、発酵処理後の残渣が固液分離槽70に送られるように構成されている。この固液分離槽70からは、分離された液体残渣が再度、混合槽20に送られるように供給配管87が接続されており、それ以外の残渣は廃液処理装置へ送られるように構成されている。
【0029】
次に、このメタン発酵処理装置を用いた、有機性廃棄物のメタン発酵処理方法処理方法について説明する。
【0030】
まず、有機性廃棄物は前処理装置10に投入される。処理原料となる有機性廃棄物としては、飲食店や一般家庭等から排出される生ゴミや、食品工場等から排出される食品加工残渣、屎尿、活性汚泥処理等の余剰汚泥等が使用できる。
【0031】
前処理装置10では、発酵に適さない異物を取り除くと同時に、発酵を促進させるために有機性廃棄物を細かく粉砕する。このように、メタン発酵処理に供する有機性廃棄物を微粉砕することにより、分解速度及び消化率を向上することができる。この段階での有機性廃棄物のTS濃度(固形分濃度)は20〜25%であることが好ましい。
【0032】
そして、上記の粉砕後の有機性廃棄物は混合槽20に送られる。混合槽20において、有機性廃棄物は、固液分離槽70から返送される汚泥と混合される。これによって、有機性廃棄物はTS濃度等が調整されて原料スラリーとなる。このとき、混合槽20における原料スラリーのTS濃度としては10〜15%となるように調整することが好ましい。
【0033】
次に、原料スラリーは、発酵槽に送られてメタン発酵が行なわれる。以下、更に、図2のタイムチャートを参照しながら、原料スラリーの供給方法、及び発酵槽40a、40b内の圧力制御の方法について説明する。
【0034】
この実施形態では、まず、図2cに示すように、一方の供給ポンプ30aのみを、所定の時間t0からt1まで作動させ、原料スラリーを発酵槽40aに供給する。このとき、図2bに示すように、各バルブ90a、90b、91a、91bは閉じられている。
【0035】
その結果、メタン発酵が発酵槽40a内で起こり、メタンガスを主としたバイオガスが発生する。発酵槽40a内は、汚泥等の有機性廃棄物が含有される原料スラリー層と、上部に生成したバイオガスが充満するガス層から構成され、原料スラリー中の有機物1gより約1.9Lのバイオガスが発生する。そのため、発酵槽を密閉系にするとバイオガスの発生に伴い発酵槽内の圧力は上昇する。
【0036】
発酵温度としては、高温メタン菌を用いて効率的に処理できる50〜60℃が好ましく、55〜57℃が特に好ましい。
【0037】
そして、この実施形態においては、発酵槽40bに比べて、有機性廃棄物を供給した発酵槽40aで上記のバイオガスの発生が活発に起こるので、発酵槽40a内の圧力Paと、発酵槽40b内の圧力Pbは、図2aに示すように上昇し、発酵槽40aと発酵槽Bに圧力差P(Pa−Pb)が生じる。なお、各発酵槽40a、40b内の圧力は圧力センサ50a、50bによって常時モニタされている。
【0038】
次に、この圧力差Pが所定の数値に達した時点で(図2aのt2)、バルブ91aとバルブ90bを開く。これによって、発酵槽40aのバイオガスが、第2配管84によって、発酵槽40bの下部空間から導入されるので、これによって、発酵槽40bの攪拌が行なわれる。
【0039】
このとき、高圧側の発酵槽40a内と圧力としては10〜20kPaなっていることが好ましく、低圧側の発酵槽40b内と圧力としては0〜5kPaなっていることが好ましい。また、発酵槽40bの攪拌に必要な上記の圧力差Pとしては、10〜20kPaであることが好ましい。
【0040】
そして、攪拌に利用されたバイオガスは、発酵槽40bの有機性廃棄物を攪拌した後、発酵槽40b内の上部空間に達する。ここで、発酵槽40b内で発生した圧力Pbのガイオガスと混合された後、第1配管83bを通じてガスタンク60へ供給される。
【0041】
これによって、発酵槽40a内で発生したガスを発酵槽40bの攪拌動力として利用でき、攪拌動力として利用できる。しかも、攪拌に利用されたバイオガスは、発酵槽40bのバイオガスとともに回収することもできるので、バイオガスの回収効率が低下することもない。
【0042】
そして、発酵槽40a内の発酵後の残渣は、供給配管86aを経て固液分離槽70へ送られる。この残渣のTS濃度は、通常2〜3%となっていることが好ましい。固液分離槽70では残渣を固液分離し、分離された廃液の一部は混合槽20へ返送されて原料スラリーのTSの濃度の調整に用いられ、残りは廃液処理装置にて処理される。
【0043】
次に、上記の操作によって、発酵槽内の圧力が低下した時点で(図2aのt3)、図2bに示すようにバルブ91aとバルブ90bを閉じた後、今度は図2cに示すように供給ポンプ30bのみを、所定の時間t3からt4まで作動させ、原料スラリーを発酵槽40bに供給する。
【0044】
その結果、今度はメタン発酵が発酵槽40b内で活発に起こり、発酵槽40a内の圧力Paと、発酵槽40b内の圧力Pbは、図2aのt4からt5に示すように上昇し、発酵槽40aと発酵槽40bに圧力差がP(Pb−Pa)が生じる。そして、この圧力差Pが所定の数値に達した時点で(図2aのt5)、今度はバルブ91bとバルブ90aをt5からt6まで開く。これによって、発酵槽40bのバイオガスが、第2配管85によって、発酵槽40aの下部空間から導入されて発酵槽40bの攪拌が行なわれる。
【0045】
そして、バイオガスは、発酵槽40aの原料スラリーを攪拌した後、発酵槽40a内の上部空間に達して、発酵槽40a内で発生した圧力Paのガイオガスと混合された後、第1配管83aを通じてガスタンク60へ供給される。
【0046】
上記のように、t0からt6までの工程を1サイクルとして、これを繰り返して運転することで、発酵槽40a、40b内の攪拌が交互に行なわれ、しかも、攪拌を外部からの大きな動力なしに行なうことが可能となる。また、このように、複数の発酵槽を切替えるので、処理装置の連続運転を行なうことが可能となり、処理効率を向上させることができる。
【0047】
なお、上記の圧力制御による攪拌操作は、必ずしも処理装置の運転中常時行なう必要はなく、所定の間隔で間欠的に行なってもよい。この場合には、バルブ91a、91bを共に閉じて第2配管84、85を使用せず、バルブ90a、90bを開いて発酵槽40a、40bから発生したバイオガスを、それぞれ第1配管の83a、83bから直接取出すようにすればよい。これにより、発酵槽40a、40bを同時に使用することもできる。
【0048】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、メタン発酵槽の攪拌動力を低減でき、これによって、処理装置のランニングコストを低減できる、有機性廃棄物のメタン発酵処理方法及び処理装置を提供することができるので、嫌気性生物を用いた、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理等の余剰汚泥等の有機性廃棄物の処理に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のメタン発酵処理装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図2】 発酵槽内の圧力制御の状態を示す図であって、(a)各発酵槽内の圧力状態、(b)各バルブの開閉状態、(c)各供給ポンプの運転状態、を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
10 前処理装置
20 混合槽
30a、30b 供給ポンプ
40a、40b 発酵槽
50a、50b 圧力センサ
60 ガスタンク
70 固液分離槽
81、82a、82b、86a、86b、87 供給配管
83a、83b 第1配管
84、85 第2配管
90a、90b、91a、91b バルブ
Claims (4)
- 嫌気性微生物によって分解可能な有機性廃棄物をメタン発酵によって処理する方法において、前記有機性廃棄物を複数の発酵槽に導入して発酵させ、前記複数の発酵槽内の圧力を検出して、前記圧力の高い方の発酵槽から、前記圧力の低い方の発酵槽へと、前記メタン発酵によって生成したガスを供給することによって、前記圧力の低い方の発酵槽の攪拌を行ない、この攪拌を前記複数の発酵槽間で交互に行なうことを特徴とする有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
- 前記有機性廃棄物を、前記複数の発酵槽間で交互に圧力差が生じるように、前記複数の発酵槽に交互に導入する請求項1記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
- 嫌気性微生物によって分解可能な有機性廃棄物を発酵槽に導入するための有機性廃棄物供給手段と、前記有機性廃棄物をメタン発酵させるための複数の発酵槽と、前記発酵槽内の圧力を検出するための圧力検出手段と、前記メタン発酵によって生成したガスを貯留するためのガス貯留槽と、
前記複数の発酵槽内の前記生成ガスが占める上部空間と前記ガス貯留槽とを連結する第1配管と、前記発酵槽内の上部空間と他の発酵槽内の前記有機性廃棄物が占める下部空間とを連結する第2配管とを備え、
前記圧力検出手段によって前記複数の発酵槽間の圧力差を検出した場合に、前記圧力の高い方の発酵槽から前記圧力の低い方の発酵槽へ、前記第2配管を通じて前記生成ガスを供給する切替え手段が設けられていることを特徴とする有機性廃棄物のメタン発酵処理装置。 - 前記有機性廃棄物供給手段が、前記有機性廃棄物を前記複数の発酵槽に交互に供給するための切替え手段を備える請求項3記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理装置。
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