JP4016474B2 - メタン発酵における負荷推定装置及び負荷推定方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタン生成速度とメタン発酵タンク内の汚泥濃度を測定して、計算式によりCOD・VSS負荷およびCOD容積負荷を推定するメタン発酵における負荷推定装置及び負荷推定方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
メタン発酵における負荷の表現方法の代表的なものとして有機物容積負荷と有機物負荷率があり、これらは次の(1)式および(2)式により計算される。
【0003】
【数1】
【0004】
【数2】
【0005】
有機物容積負荷は、単位容積当り1日当りの負荷量であり、基質有機物濃度の表現方法としてVS(強熱減量)の代わりにTOC(総有機炭素量),COD(化学的酸素要求量),BOD(生物化学的酸素要求量)などが用いられた場合、有機物容積負荷に相当する負荷の表現方式は、TOC容積負荷、COD容積負荷、BOD容積負荷などとなる。また、有機物負荷率は、F/M比に相当し、基質有機物濃度の表現方法としてVS(強熱減量)の代わりにTOC,COD,BODなどが用いられた場合、有機物負荷率に相当する負荷の表現方式は、TOC・VSS(揮発性浮遊物質)負荷、COD・VSS負荷、BOD・VSS負荷などとなる。
【0006】
負荷を計算するためには、基質投入速度、基質有機物濃度および発酵タンク内汚泥VSS濃度などを測定する必要がある。しかし、従来は、基質有機物濃度や発酵タンク内汚泥VSS濃度などの自動測定が困難であったり、自動測定器が高価である。これらの理由により、基質投入速度を測定してHRT(水理学的滞留時間)を制御することは行なわれていたが、連続自動測定により負荷を測定して負荷を制御することは、ほとんど行なわれていなかった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
従来より行なわれているメタン発酵のHRT制御においては、例えば、下水汚泥を対象として発酵温度を35℃とした場合、HRTを30日程度にする。ところが、実際には、HRTを30日以下に短縮しても支障を生じないことが多い。しかし、HRTを30日以下にして運転した場合に投入基質の有機物濃度が上昇した場合に有機物過負荷となりシステムフェイリュアー(異常発酵)を生じる可能性があるので、安全性を考慮して低負荷運転を行っているのが現状である。したがって、汚泥発生量の増加や汚泥の有機物含有比の上昇などにより汚泥処理効率を高める必要が生じた場合、汚泥処理の増設以外の手段での対応は困難であった。
【0008】
また、溶解性有機物濃度が高く、SS(浮遊物)濃度が低い産業廃水のような基質を対象とした場合には、UASB法が適用される。このUASB法においては、汚泥消化の場合よりHRTを短縮でき、有機物容積負荷も高くなる。しかし、何らかの原因によりグラニュール汚泥が浮上してタンクから流出すると、F/M比が高くなり、システムフェイリュアーを生じる可能性があるので、F/M比を制御することが望ましい。しかし、F/M比の連続自動測定は困難であり、実際には行なわれていないのが現状である。
【0009】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、比メタン生成活性を用いてF/M比および負荷の推定精度の向上を図るとともに、その推定による負荷が最適であるかどうかを判断することができるメタン発酵における負荷推定装置及び負荷推定方法を提供することを課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を達成するために、第1発明は、有機基質が供給されるメタン発酵タンクを有し、このタンクで発酵されたメタンガスを貯留部で貯留し、貯留部とメタン発酵タンクとを連結するガス通路にガス流量計およびメタン濃度計を設置し、ガス流量計で測定されたガス流量とメタン濃度計で測定されたメタン濃度の積からメタン生成速度を得るメタン生成速度計算手段と、
前記メタン発酵タンク内の汚泥の揮発性浮遊物質(VSS)を測定するVSS濃度測定手段と、
前記メタン生成速度計算手段で得られたメタン生成速度をCOD換算してVSS濃度測定手段で得られた汚泥VSS濃度で除して比メタン生成活性を得る比メタン生成活性計算手段と、
この比メタン生成活性計算手段で得られた比メタン生成活性に第1の定数を乗算し、得られた値に第2の定数を加算してCOD・VSS負荷を得るF/M比計算手段と、
このF/M比計算手段で得られたCOD・VSS負荷と前記VSS濃度測定手段で得られたメタン発酵タンク内VSS濃度とを乗算してCOD容積負荷を得る負荷計算手段とを備えたことを特徴とするものである。
【0011】
第2発明は、メタン発酵タンクに代えてUASBタンクを使用して、メタン生成速度を得るメタン生成速度計算手段と、
前記UASBタンク内の汚泥の揮発性浮遊物質(VSS)を測定するVSS濃度測定手段と、
このVSS濃度測定手段により得られた値とUASBタンク有効容積との積から換算VSS濃度を得る換算VSS濃度測定手段と、
前記メタン生成速度計算手段で得られたメタン生成速度をCOD換算して換算VSS濃度測定手段で得られた換算VSS濃度で除して比メタン生成活性を得る比メタン生成活性計算手段と、
この比メタン生成活性計算手段で得られた比メタン生成活性に第1の定数を乗算し、得られた値に第2の定数を加算してCOD・VSS負荷を得るF/M比計算手段と、
このF/M比計算手段で得られたCOD・VSS負荷と前記換算VSS濃度測定手段で得られたUASBタンク換算VSS濃度とを、乗算してCOD容積負荷を得る負荷計算手段とを備えたことを特徴とするものである。
【0012】
第3発明は、タンク内で発生したメタンガス流量とメタン濃度の積からメタン生成速度を得た後、そのメタン生成速度とタンク内の汚泥VSS濃度もしくは汚泥換算VSS濃度を用いて比メタン生成活性を測定した後、比メタン生成活性とCOD・VSS負荷との相関関係を利用して比メタン生成活性からF/M比を推定し、その後、推定したF/M比に汚泥VSS濃度を乗じて負荷を推定するものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の実施の第1形態を示す完全混合型メタン発酵(嫌気性消化の)負荷推定処理装置で、この完全混合型メタン発酵における負荷の推定装置として、メタン生成速度とメタン発酵タンク内の汚泥VSS濃度を測定して、装置の比メタン生成活性を計算し、この比メタン生成活性とF/M比の相関関係を利用してF/M比と負荷を推定するものである。
【0014】
図1において、1は完全混合型メタン発酵タンクであり、基質流入口2から下水汚泥のような通常の有機性基質が供給される。タンク1内の嫌気性菌の作用により、基質の一部はメタンに変換される。メタン生成速度は、次の(3)式のようにメタン発酵タンク1とガスホルダー3の間に設置されたガス流量計4およびメタン濃度計5により測定したガス流量とメタン濃度の積として計算される。
【0015】
【数3】
メタン発酵タンク1の汚泥VSS濃度は、VSS濃度測定手段7により測定される。実際には、センサ6aにより採取して手分析あるいは汚泥濃度計6により測定されたSS濃度に、次の(4)式のようにVSS/SSの比率を乗じるなどの手段が用いられる。
【0016】
【数4】
タンク1内汚泥のVSS/SSの比率は、投入汚泥に比較して変動が少ないことから、このようなVSS濃度測定が可能である。次に、比メタン生成活性計算手段8により次の(5)式を用いてメタン生成速度をCOD換算して汚泥VSS濃度で除することにより、システムの比メタン生成活性を算出する。この比メタン生成活性は、汚泥を採取して酢酸などを基質として測定した通常の意味で用いられる比メタン生成活性とは異なる。
【0017】
【数5】
【0018】
次に、比メタン生成活性計算手段8により得られた比メタン生成活性をF/M比計算手段9に供給し、このF/M比計算手段9に得られた比メタン生成活性とCOD・VSS負荷との相関解析により導いた次の(6)式に、比メタン生成活性を代入することによりCOD・VSS負荷を計算する。
【0019】
【数6】
COD・VSS負荷(kg/kg・日)=a×比メタン生成活性+b …(6)
この(6)式において、下水汚泥を基質とした場合、第1の定数a=4.00、第2の定数b=-0.012である。これらは下水汚泥消化HRT制御室内実験において、重力濃縮混合生汚泥を用いた高温(54℃)および中温(38℃)消化(HRT;20〜3.3日)および遠心濃縮混合生汚泥を用いた中温(36℃)消化(HRT;30〜5日)を行った結果を相関解析して算出したものを図2に示す。下水汚泥ではCOD/VS(強熱減量)の比率の平均値は1.6であったので、有機物負荷率は、次の(7)式のようにCOD/VSS負荷を1.6で除して計算される。
【0020】
【数7】
有機物負荷率(kg/kg・日)=COD・VSS負荷/1.6 …(7)
また、F/M比計算手段9により得られたCOD・VSS負荷を負荷計算手段10に供給し、この負荷計算手段10により、次の(8)式を用いてCOD容積負荷と(9)式を用いて有機物容積負荷が計算される。
【0021】
【数8】
COD容積負荷(kg/m3・日)=COD・VSS負荷(kg/kg・日)×メタン発酵タンク内VSS濃度(kg/m3) …(8)
【0022】
【数9】
有機物容積負荷(kg/m3・日)=COD容積負荷/1.6 …(9)
豚糞搾汁液を基質とした場合、前記(6)式において、第1の定数a=4.95,第2の定数b=-0.074である。これらは,豚糞搾汁液の低温(27〜24℃)二相メタン発酵プラントおよび低温(23〜15℃)単相メタン発酵ベンチスケールブラントの検証を行った結果を相関解析して算出したものを図3に示す。
【0023】
図4は本発明の実施の第2形態を示すUASB法における負荷推定装置で、このUASB法における負荷推定装置としては、メタン生成速度とUASBタンク内の汚泥の換算VSS濃度を測定して、システムの比メタン生成活性を計算し、この比メタン生成活性とF/M比の相関関係を利用してF/M比と負荷を推定するものである。
【0024】
ここで、換算VSS濃度とは、UASBタンク内の汚泥の分布状態が不均一であることを考慮して、タンク内総汚泥VSS量を測定してタンク容積で除することにより、汚泥が均一に分布すると仮定した場合のVSS濃度に換算したものである。
【0025】
図4において、41はUASBタンクであり、基質流入口42から基質が供給される。タンク41内の嫌気性菌の作用により、基質の一部はメタンに変換される。メタン生成速度は、前記(3)式のようにタンク41とガスホルダー43の間に設置されたガス流量計44およびメタン濃度計45により測定したガス流量とメタン濃度の積として計算される。
【0026】
UASBタンク41の汚泥VSS濃度は,VSS濃度測定手段47により測定される。実際には、タンク底部のスラッジベッドから採取したグラニュール汚泥を対象として手分析あるいは汚泥濃度計46により測定されたSS濃度に、次の(10)式のようにVSS/SSの比率を乗じるなどの手段によりスラッジベッド部分の汚泥VSS濃度が計算される。
【0027】
【数10】
スラッジベッド部分の汚泥VSS濃度(kg/m3)=スラッジベッド部分の汚泥SS濃度×VSS/SS …(10)
さらに、スラッジベッド容積とUASBタンク容積の比を目視あるいは汚泥界面を検出する装置を用いて測定する。あるいは、垂直方向に汚泥SS濃度を測定できるような汚泥濃度分布計48のような計測器を用いる。換算VSS濃度は、次の(11)式により計算される。
【0028】
【数11】
UASBタンク換算VSS濃度(kg/m3)=スラッジベッド部分の汚泥VSS濃度×スラッジベッド容積/UASBタンク容積 …(11)
次に、前記(3)式で得られたメタン生成速度と(11)式で得られたUASBタンク換算VSS濃度が比メタン生成活性計算手段9に供給され、(12)式を用いてメタン生成速度をCOD換算して汚泥VSS濃度で除することにより、装置の比メタン生成活性を算出する。
【0029】
【数12】
【0030】
次に第1形態の場合と同様に、比メタン生成活性計算手段9により得られた比メタン生成活性をF/M比計算手段10に供給し、このF/M比計算手段10により比メタン生成活性とCOD・VSS負荷との相関解析により導いた前記(6)式に、比メタン生成活性を代入することによりCOD・VSS負荷を計算する。 前記(6)式において、酢酸を主成分とした人工基質を基質とした場合、第1の定数a=1.51、第2の定数b=0.27である。これらは、人工基質を用いた高温(48〜51℃)および中温(34〜36℃)UASB法室内実験の結果を相関解析して算出したもので図5に示す。
【0031】
F/M比計算手段10により得られたCOD・VSS負荷は負荷計算手段11に供給され、この負荷計算手段11により、次の(13)式を用いてCOD容積負荷が計算される。
【0032】
【数13】
COD容積負荷(kg/m3・日)=COD・VSS負荷(kg/kg・日)×UASBタンク換算VSS濃度(kg/m3) …(13)
図6は第1形態と第2形態のすべてを合わせた場合におけるCOD・VSS負荷と比メタン生成活性の関係を示す特性図である。この図6の特性図において、鎖線内の例は、過負荷により非電離揮発性有機酸濃度が上昇して比メタン生成活性が急激に低下した例である。従って、図6において、この2例を除いた場合の相関係数は0.972(N:80)であり、COD・VSS負荷と比メタン生成活性の関係は、ほぼ比例関係にあり、直線性も高い。
【0033】
また、図7は第1形態と第2形態のすべてを合わせた場合におけるCOD容積負荷とメタン生成速度の関係を示す特性図である。この図7は、図6と同様に鎖線内の例は過負荷により非電離揮発性有機酸濃度が上昇して比メタン生成活性が急激に低下して、システムフェイリュアーに陥った例であり、これらの例を除いた場合の相関係数は0.909(N=80)であった。これらの結果から、メタン発酵においてメタン生成が順調であれば、COD・VSS負荷と比メタン生成活性の関係およびCOD容積負荷とメタン生成速度の関係などにおいて負荷の広い変動範囲において比例関係が成立する。
【0034】
COD容積負荷とメタン生成速度の相関は以前から知られているが、COD・VSS負荷と比メタン生成活性の方が相関係数が高いことから、メタン生成速度よりも比メタン生成活性を用いた方がF/M比および負荷の推定の精度が高くなる効果が認められる。近年、高濃度の汚泥SS濃度を連続自動計測する計測器が市販されるようになり、比メタン生成活性の連続自動計測が可能な状況になっていることから、比メタン生成活性からF/M比と負荷を推定して現在の負荷が最適であるかどうかを判断することができる。
【0035】
図7における相関回帰式の勾配から、平均投入COD当たりメタン発生量は、0.204m3/kgとなり、投入COD当たり理論メタン発生量は、0.35m3/kgであるので、投入CODの平均分解率は58%となった。投入CODの50%が分解されるのを目安としてCOD当たりメタン発生量が、0.175m3/kg以上になることが望ましいと考えられる。これは図7において任意のCOD容積負荷に対応するメタン生成速度が直線で示す鎖線よりも上の領域に入ることが望ましく、その鎖線よりも下になるほどシステムフェイリュアーが起き易い状態となることを示す。
【0036】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、メタン生成速度と汚泥VSS濃度を測定して比メタン生成活性を得るようにするとともに、比メタン生成活性とCOD・VSS負荷との相関回帰式を利用して比メタン生成活性からF/M比を推定し、F/M比に汚泥VSS濃度を乗算して負荷を推定するようにしたので、F/M比および負荷の連続自動測定が可能となり、F/M比および負荷の推定精度の向上を図ることができるとともに、その推定による負荷が最適であるかどうかも判断することができる利点が得られる。また、本発明によれば、完全混合型メタン発酵(嫌気性消化)とUASB法では同じメタン発酵ではあるが、タンクの構造や処理対象基質の性状などが異なるけれども、F/M比や負荷の推定手段がこれらのメタン発酵様式において共通して使用できるので、有用性が高くなる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の第1形態を示す完全混合型メタン発酵における負荷推定装置の構成図。
【図2】下水汚泥消化室内実験におけるCOD・VSS負荷と比メタン生成活性の関係を示す特性図。
【図3】豚糞搾汁液の低温二相メタン発酵プラントおよび単相メタン発酵ベンチスケールブラントの検証におけるCOD・VSS負荷と比メタン生成活性の関係を示す特性図。
【図4】本発明の実施の第2形態を示すUASB法における負荷推定装置の構成図。
【図5】人工基質を用いた高温および中温UASB法室内実験におけるCOD・VSS負荷と比メタン生成活性の関係を示す特性図。
【図6】メタン発酵実験におけるCOD・VSS負荷と比メタン生成活性の関係を示す特性図。
【図7】メタン発酵実験におけるCOD容積負荷とメタン生成速度の関係を示す特性図。
【符号の説明】
1…完全混合型メタン発酵タンク
2…基質流入口
3…ガスホルダー
4…ガス流量計
5…メタン濃度計
6…汚泥濃度計
6a…センサ
7…VSS濃度測定手段
8…比メタン生成活性計算手段
9…F/M比計算手段
10…負荷計算手段
Claims (3)
- 有機基質が供給されるメタン発酵タンクを有し、このタンクで発酵されたメタンガスを貯留部で貯留し、貯留部とメタン発酵タンクとを連結するガス通路にガス流量計およびメタン濃度計を設置し、ガス流量計で測定されたガス流量とメタン濃度計で測定されたメタン濃度の積からメタン生成速度を得るメタン生成速度計算手段と、
前記メタン発酵タンク内の汚泥の揮発性浮遊物質(VSS)を測定するVSS濃度測定手段と、
前記メタン生成速度計算手段で得られたメタン生成速度をCOD換算してVSS濃度測定手段で得られた汚泥VSS濃度で除して比メタン生成活性を得る比メタン生成活性計算手段と、
この比メタン生成活性計算手段で得られた比メタン生成活性に第1の定数を乗算し、得られた値に第2の定数を加算してCOD・VSS負荷を得るF/M比計算手段と、
このF/M比計算手段で得られたCOD・VSS負荷と前記VSS濃度測定手段で得られたメタン発酵タンク内VSS濃度とを乗算してCOD容積負荷を得る負荷計算手段とを備えたことを特徴とするメタン発酵における負荷推定装置。 - 有機基質が供給されるUASBタンクを有し、このタンクで発酵されたメタンガスを貯留部で貯留し、貯留部とUASBタンクとを連結するガス通路にガス流量計およびメタン濃度計を設置し、ガス流量計で測定されたガス流量とメタン濃度計で測定されたメタン濃度の積からメタン生成速度を得るメタン生成速度計算手段と、
前記UASBタンク内の汚泥の揮発性浮遊物質(VSS)を測定するVSS濃度測定手段と、
このVSS濃度測定手段により得られた値とUASBタンク有効容積との積から換算VSS濃度を得る換算VSS濃度測定手段と、
前記メタン生成速度計算手段で得られたメタン生成速度をCOD換算して換算VSS濃度測定手段で得られた換算VSS濃度で除して比メタン生成活性を得る比メタン生成活性計算手段と、
この比メタン生成活性計算手段で得られた比メタン生成活性に第1の定数を乗算し、得られた値に第2の定数を加算してCOD・VSS負荷を得るF/M比計算手段と、
このF/M比計算手段で得られたCOD・VSS負荷と前記換算VSS濃度測定手段で得られたUASBタンク換算VSS濃度とを、乗算してCOD容積負荷を得る負荷計算手段とを備えたことを特徴とするメタン発酵における負荷推定装置。 - タンク内で発生したメタンガス流量とメタン濃度の積からメタン生成速度を得た後、そのメタン生成速度とタンク内の汚泥VSS濃度もしくは汚泥換算VSS濃度を用いて比メタン生成活性を測定した後、比メタン生成活性とCOD・VSS負荷との相関関係を利用して比メタン生成活性からF/M比を推定し、その後、推定したF/M比に汚泥VSS濃度を乗じて負荷を推定するメタン発酵における負荷推定方法。
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