JP4050976B2 - バイオガス変換におけるアンモニア濃度自動管理方法および該方法を用いた有機系廃棄物の処理装置 - Google Patents
バイオガス変換におけるアンモニア濃度自動管理方法および該方法を用いた有機系廃棄物の処理装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオガス変換におけるアンモニア濃度自動管理方法および該方法を用いた有機系廃棄物の処理装置に関し、詳しくは、有機系廃棄物を嫌気性微生物で生分解してバイオガスに変換する際の反応を阻害するアンモニアの濃度を自動管理するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有機系廃棄物の再資源化技術の分野において、特に、嫌気性微生物を用いて有機系廃棄物をメタン発酵させて生成されるバイオガス（メタンと二酸化炭素を含むガス）が、石油等の化石燃料に代替する再生資源として着目されている。
従来より、し尿の中温嫌気性消化処理、洗毛廃液、製薬廃液等の高濃度廃液の高温嫌気性消化処理が実用化されている。
【０００３】
有機系廃棄物の処理方法は、家畜糞し尿の処分に関する法律、食料品リサイクル法等々の諸法律の施行に伴ない、３年程前から有機系廃棄物を嫌気性微生物により発酵させてバイオガスに変換させる再資源化の方向に発展している。
特に、養豚糞尿、酪農牛糞し尿、養鶏鶏糞、食品製造廃棄物、家庭生ゴミ等々の有機系廃棄物の嫌気性微生物によるバイオガスへの変換法の確立化はバイオガスのエネルギー利用のため強く要望されている。
【０００４】
最近の学術論文、”有機系廃棄物の嫌気消化”−実際における反応因子と平衡（共著：Ｍ．Ｋｒａｎｅｒｔ，Ｋ．Ｈｉｌｌｅｂｒｅｃｈｔ。出典：国連、高級研究所（日本）：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉａｓ．ｕｎｕ．ｅｄｕ／ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ／ｉｃｉｂｓ／ｉｃ〜ｍｆａ／ｈｉｌｌｅｂｒｅｃｈｔ／ｐａｐｅｒ．ｈｔｍｌ）によると、多種類のバイオガスの高濃度微生物による短時間の変換、高成分のバイオガス生産のための微生物反応に関する種々な因子、種々な反応物質の平衡状態について詳述されている。
【０００５】
嫌気性微生物による有機物の分解過程は、初めに、腐敗菌により有機物質が分解され、種々な有機酸、水素、アルコール、アミノ酸、種々な窒素化合物に変化する第一段階の「酸生成相」と、多種類の酵素や微生物によりさらに分解され、最終的には酢酸、水素とメタン菌とによりメタンガスを含むバイオガスを生産する第二段階の「メタン生成相」とがあり、難分解物質（例えば鶏糞のような廃棄物）は「酸生成相」と「メタン生成相」を分離した二相式中温嫌気性消化法（あるいは二槽式中温嫌気性消化法）が採用されている。
【０００６】
なお、種々の有機系廃棄物の嫌気性微生物によるバイオガスへの変換技術の区分として、難分解物質は「酸生成相」と「メタン生成相」より構成されている二相式中温嫌気性消化法が採用され、易分解物質は高温嫌気性消化法が採用されている。前者は、分解消化時間が２０日から３０日と長期間であり、後者は５日から１０日の短期間である。さらにバイオガス排出速度は後者が前者よりも１．５倍くらい迅速であり、廃棄物の分解率は後者のほうが前者よりも多い。
【０００７】
【非特許文献１】
“有機系廃棄物の嫌気消化”−実際における反応因子と平衡
（共著：Ｍ．Ｋｒａｎｅｒｔ，Ｋ．Ｈｉｌｌｅｂｒｅｃｈｔ。出典：国連、高級研究所（日本）；ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉａｓ．ｕｎｕ．ｅｄｕ／ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ／ｉｃｉｂｓ／ｉｃ〜ｍｆａ／ｈｉｌｌｅｂｒｅｃｈｔ／ｐａｐｅｒ．ｈｔｍｌ）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高成分のバイオガスを安定して生産するためには、発酵槽内の酢酸濃度が一定以下であると、酢酸分子とメタン菌との微生物反応が安定していると判断されるが、有機系廃棄物を構成する窒素化合物が腐敗工程やメタン生成工程でアンモニア分子となり消化槽内のアンモニア濃度が５０００ｐｐｍ以上に増加すると、該アンモニア分子が酢酸分子と結合してしまい、消化液のｐＨが９くらいに上昇してバイオガス生成の障害となる本質的な問題が発生している。
この現象に対して、水による希釈やアルカリ液による中和などの対策が取られてきたが、何れも本質的な対策には至っておらず、従来法では、上記問題点を未解決のまま操業しているのが現状である。
【０００９】
特に、豚糞尿、牛糞尿、鶏糞の中には多くの窒素化合物を含有しており、これらは嫌気性微生物の嫌気性消化反応において高濃度のアンモニアが発生し、バイオガスの生成を抑制することとなる。
図２は、鶏糞の実験室規模の中温嫌気性消化反応の研究で得られた結果のうち、アンモニア濃度とバイオガス発生率との関係を示すグラフであり、該グラフより明らかなように、時間経過により次第にアンモニア濃度が上昇すると共に、バイオガス発生率が減少していることが確認される。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、嫌気性微生物による有機系廃棄物の生分解過程において発生するアンモニアがバイオガスの安定生成を阻害しないようにすることを課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、有機系廃棄物が空気を遮断した状態で撹拌される発酵槽内で嫌気性微生物により生分解され、メタンと二酸化炭素ガスを含むバイオガスの変換において、上記有機系廃棄物の分解により発生するアンモニア濃度を自動管理する方法であって、
上記発酵槽内の嫌気性消化液を抽出しアンモニア分子を通過させる精密膜で濾過し、濾液中のアンモニア濃度が２０００〜５５００ｍｇ／ｌの範囲内の一定の閾値以上の場合はアンモニア発散槽に送液してアンモニアを除去する一方、濾液中のアンモニア濃度が上記閾値より低い場合は上記濾液を上記発酵槽に戻し、かつ、上記精密膜を通過しなかった嫌気性消化液も上記発酵槽に戻し、上記発酵槽内のアンモニア濃度を所定以下に管理することを特徴とするバイオガス変換におけるアンモニア濃度自動管理方法を提供している。
【００１２】
上記方法によると、有機系物質を嫌気性微生物により生分解してバイオガスに変換する際に、その変換反応を阻害する嫌気性消化液に含有されるアンモニアが高濃度となった場合に適宜除去して、発酵槽内のアンモニア濃度が一定以上にならないように管理することができる。
しかも、嫌気性消化液を濾過槽の精密膜で濾過された濾液のアンモニア濃度が、バイオガス発生率を低下させない閾値より低い場合には、そのまま発酵槽へ戻しているので、嫌気性微生物の活動に必要なアンモニア窒素成分が確保できる。かつ、上記精密膜を通過しなかった嫌気性微生物を含む消化液も発酵槽へ戻しているので、発酵槽における嫌気性微生物の濃度低下も防止できる。
したがって、有機系物質と嫌気性微生物との反応を安定保持して、変動の少ないバイオガスの生産を確保することが可能になる。
【００１３】
上記濾液を発酵槽へ戻すか、アンモニア発散槽に送液するかを判断するアンモニア濃度の閾値は、上記したように２０００〜５５００ｍｇ／ｌの範囲内の値としている。
上記閾値を５５００ｍｇ／ｌ以上とすると、バイオガス変換反応を阻害する程にアンモニア濃度が高いにも関わらず発酵槽へと上記濾液が戻されてしまうからである。一方、閾値を２０００ｍｇ／ｌ以下とすると、バイオガス変換反応を大幅には低下させないアンモニア濃度であるにも関わらずアンモニア発散槽に送液されて発酵槽に戻されないので、発酵槽において有機系物質のバイオガス変換に必要な窒素成分を減少させてしまうからである。
よって、上記２０００〜５５００ｍｇ／ｌの範囲内の値を閾値として用いることで、発酵槽におけるアンモニア濃度の上昇防止とバイオ変換に必要な因子の確保とを両立させた自動運転が可能になる。
【００１４】
また、本発明は、有機系廃棄物が分解してメタンと二酸化炭素を含むバイオガスに変換する有機系廃棄物の処理装置において、上記アンモニア濃度管理方法を用いた装置を提供している。該処理装置は、
有機系廃棄物が空気を遮断した状態で嫌気性微生物と撹拌される発酵槽と、
上記発酵槽より抽出された嫌気性消化液が流入する精密膜を有する濾過槽と、
上記濾過槽で濾過された濾液が送液されるアンモニア濃度自動計測器と、
上記濾過槽で上記精密膜を通過しなかった嫌気性消化液が上記発酵槽へ戻される第一返送管と、
上記アンモニア濃度自動計測器で測定される濾液のアンモニア濃度が所定の閾値以上であると、該濾液が送給されるアンモニア発散槽と、
上記アンモニア濃度自動計測器で測定される濾液のアンモニア濃度が上記閾値より低いと上記発酵槽へ濾液を還流する第二返送管を備え、
上記アンモニア濃度自動計測器より濾液を導出する管を二股に分岐して、該分岐管の一方を上記アンモニア発散槽に接続する送液管とすると共に、分岐管の他方を発酵槽に接続する上記第二返送管とし、
上記分岐させた送液管に、濾液のアンモニア濃度により開閉する第１開閉弁を介設すると共に、上記第二返送管に第２開閉弁を介設していることを特徴とする。
【００１５】
上記のように、アンモニア濃度自動計測器より濾液を導出する管を二股に分岐して、該分岐管の一方を上記アンモニア発散槽に接続する送液管とすると共に、分岐管の他方を発酵槽に接続する上記第二返送管とし、
上記分岐させた送液管に第１開閉弁を介設すると共に、上記第二返送管に第２開閉弁を介設している。上記アンモニア濃度自動計測器からの計測信号により上記第１、２開閉弁を開閉作動させ、上記アンモニア濃度が２０００〜５５００ｍｇ／ｌの範囲内の一定の閾値以上の場合は第１開閉弁を開、第２開閉弁は閉とする一方、アンモニア濃度が上記閾値より低い場合は第１開閉弁を閉、第２開閉弁は開としている。
【００１６】
上記の構成とすると、嫌気性消化液を濾過槽で濾過した濾液のアンモニア濃度が、アンモニア濃度自動計測器により閾値より低いと判断された場合には、開閉信号により上記第１、第２開閉弁が作動して上記第二返送管で発酵槽へ戻し、かつ、上記精密膜を通過しなかった嫌気性微生物を含む嫌気性消化液も第一返送管により発酵槽へ戻しているので、発酵槽における嫌気性微生物の濃度低下の防止ができると共に、嫌気性微生物の活動に必要な窒素成分の低下が防止できる。
【００１７】
また、上記アンモニア発散槽はアンモニア分解槽と接続し、アンモニア発散槽では濾液をｐＨ１０〜１４と調整した後に充填材でアンモニアを気化させ、該アンモニア発散槽から上記アンモニア分解槽に送給されたアンモニアガスを触媒により窒素ガスまで分解して大気に放出する構成としている。
【００１８】
上記のように、アンモニア濃度自動計測器により濾液のアンモニア濃度が閾値以上と判断された場合には、上記アンモニア発散槽へと送られ、ｐＨを１０〜１４とし、充填材を通して濾液中のアンモニアがアンモニアガスに気化している。詳しくは、アンモニア分子は、濾液中では溶解して次のような化学式（１）でアンモニウムイオンとなっている。
（式１）
濾液をアルカリ性にすると、既知の如く、化学平衡によりアンモニウムイオンＮＨ４ ＋がアンモニア分子ＮＨ３となり、飽和濃度以上になるとアンモニアガスとなって濾液より発散する。
上記アンモニア発散槽で気化されたアンモニアガスは、上記アンモニア分解槽に送風され、触媒により窒素ガスまで還元されて安全に大気に放出できる。
【００１９】
上記濾過槽内の上記精密膜の孔径は０．１〜０．５μｍとし、アンモニア分子を通すが、嫌気性微生物は通さない大きさとしている。
即ち、上記精密膜で濾過されなかった嫌気性微生物の濃縮された消化液を発酵槽へ戻すことで、発酵槽の嫌気性微生物濃度を維持し、安定、且つ、迅速な微生物反応を可能にする。
【００２０】
また、上記嫌気性微生物により有機系廃棄物を生分解する発酵槽は、中温嫌気性微生物に適した３５〜３７℃または高温嫌気性微生物に適した５３〜５６℃の加熱雰囲気とし、嫌気性微生物の活性化を図り生分解作用を促進させている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、有機系廃薬物を安定してバイオガスに変換するためのアンモニア濃度自動管理装置の概略図を示す。
【００２２】
上記装置は有機系廃棄物が排出される工場等に設置されるもので、該有機系廃棄物が供給される供給路１２と、供給路１２に接続され有機系廃棄物を空気を遮断した状態で嫌気性微生物と撹拌する発酵槽１と、発酵槽１の嫌気性消化液がポンプ１４を介して抽出・送液されると共に内部に精密膜濾過筒３を収納している濾過槽２と、精密膜濾過筒３を通過しなかった消化液を発酵槽１へ戻す第一返送管１６と、精密膜濾過筒３を通過した濾液がポンプ１５を介して抽出・送液されるアンモニア濃度自動計測器４と、アンモニア濃度自動計測器４より流出された濾液を二方向に振り分ける弁別部１８と、アンモニア濃度自動計測器４によりアンモニア濃度が一定の閾値を超えたかどうかを弁別部１８に知らせる開閉信号５と、弁別部１８によりアンモニア濃度が閾値以上の場合に送液されるアンモニア発散槽８と、弁別部１８によりアンモニア濃度が閾値より低い場合に濾液を発酵槽１へ戻す第二返送管１７と、アンモニア発散槽８で発散されたアンモニアガスを触媒により窒素ガス１０まで分解して大気に放出するアンモニア分解槽９とを備えている。
【００２３】
発酵槽１は、雰囲気温度を３５℃〜３７℃として中温嫌気性微生物と撹拌して有機系廃棄物をメタン発酵させているか、或いは、雰囲気温度を５３℃〜６６℃として高温嫌気性微生物と撹拌して有機系廃棄物をメタン発酵させている。
メタン発酵は、第一段階の「酸生成相」で、有機系廃棄物が嫌気性微生物により分解され、種々な有機酸、水素、アルコール、アミノ酸、種々な窒素化合物に変化され、第二段階の「メタン生成相」で、多種類の酵素や微生物により更に分解されて酢酸、水素とメタン菌とによりメタンガスを含むバイオガス１１が生成される。この際、有機系廃棄物を構成する窒素化合物の一部はアンモニアとなり、嫌気性消化液の中にアンモニア分子とアンモニウムイオンになって溶解している。
【００２４】
濾過槽２は、槽内に円筒形状の精密膜濾過筒３を配置した所謂クロスフロー濾過方式であり、精密膜濾過筒３は、濾液を容易に通過できる高分子系基材の表面にポリスルフォンのような有機物を塗布して形成されており、その有孔径は０．３〜０．６μｍの細孔としてアンモニア分子を通し、かつ、嫌気性微生物を通さない大きさとしている。本実施形態では０．４５μｍの細孔を設けている。
【００２５】
発酵槽１より濾過槽２に送られる嫌気性消化液は精密膜濾過筒３の外部に流入し、精密膜濾過筒３で濾過されて円筒内部に入った濾液はポンプ１５でアンモ二ア濃度自動計測器４に送液される。また、精密膜濾過筒３を通過しなかった円筒外部の嫌気性消化液は第一返送管１６で発酵槽１に戻される。
【００２６】
アンモニア濃度自動計測器４は、濾液を少量採取計量し、そのｐＨを１０〜１４に調節し発生するアンモニアガスをガス透過膜を透過させて０．１モルの塩化アンモニウムに吸収させ、この吸収液のｐＨを、複合型ガラス電極と変換器でｐＨを測定し、学術的に既知であるｐＨとアンモニア濃度との間の関係式からアンモニア濃度を計測している。
【００２７】
上記計測した濾液を発酵槽１へ戻すか、アンモニア発散槽８に送液するかを判断するアンモニア濃度の閾値は２０００〜５５００ｍｇ／ｌの範囲内の値とし、本実施形態では３０００ｍｇ／ｌとしている。
【００２８】
弁別部１８の構成は、アンモニア濃度自動計測器４より濾液を導出する管２０を二股に分岐して、一方の分岐管をアンモニア発散槽８に接続する送液管２１とすると共に、分岐管の他方を発酵槽１に接続する第二返送管１７としている。
上記送液管２１に第１開閉弁７を介設すると共に、第二返送管１７に第２開閉弁６を介設し、アンモニア濃度自動計測器４からの計測に基づく開閉信号５により第１、第２開閉弁７、６を開閉作動させている。
上記第１、第２開閉弁７、６は電磁弁とし、第２開閉弁６はノーマルオープンとし、第１開閉弁７はノーマルクローズとしている。
【００２９】
アンモニア発散槽８では、空気送風部１３と小型円筒型充填材（図示せず）と、ｐＨ調節部（図示せず）とを備え、ｐＨ調節部より濾液に水酸化ナトリウム１０％水溶液が添加されてｐＨを１０〜１４に調整している。本実施形態では、ｐＨを１２に自動調整している。
そして、ｐＨを１２とすることにより濾液中のアンモニアがアンモニアガスに気化される。詳しくは、アンモニア分子は、濾液中では溶解して次のような化学式（１）でアンモニウムイオンとなっている。
（式１）
この濾液をｐＨを１２としてアルカリ性にすることで、化学平衡によりアンモニウムイオンＮＨ４ ＋がアンモニア分子ＮＨ３となり、飽和濃度以上になるとアンモニア分子ＮＨ３が気化され、上記小型円筒型充填材を乱流通液することで益々アンモニア分子ＮＨ３が気化されアンモニアガスが発散する。そのアンモニアガスは空気送風１３と共にアンモニア分解槽９へと運ばれる構成としている。
【００３０】
アンモニア分解槽９では、アンモニア発散槽８から送られたアンモニアガスを加熱し、第一段階として３００〜４５０℃で触媒により窒素酸化物にして、第二段階として６００〜７００℃でチタン系触媒により窒素ガス１０まで還元させて大気に放出している。
なお、本実施形態では、上記第一段階の温度は約３８０℃とし、上記第二段階の温度は約６５０℃としている。
【００３１】
次に、上記装置の作用を説明する。
有機系廃棄物１２を発酵槽１へ供給し、嫌気性微生物と共に空気を遮断した状態で撹拌してメタン発酵によりメタンと二酸化炭素を含むバイオガス１１へと変換する。
この有機系廃棄物の嫌気性微生物による生分解過程で発生しバイオガス生成を阻害するアンモニアは嫌気性消化液の中に溶解しており、該嫌気性消化液を発酵槽１の底部からポンプ１４により抽出して濾過槽２へと送液する。
【００３２】
濾過槽２内に流入した嫌気性消化液は精密膜濾過筒３の外表面を流動し、該精密膜濾過筒３内が低減圧状態となることで、外表面から垂直方向に精密膜濾過筒３の内部へと嫌気性消化液が通過して濾液が得られる。この際、嫌気性消化液に存在する嫌気性微生物は既に凝集しており、精密膜濾過筒３の細孔より大きいので通過できなく、嫌気性微生物が除かれアンモニアを含む嫌気性消化液が通過して濾液となる。
なお、このクロスフロー濾過法は、嫌気性消化液の主流は精密膜濾過筒３の外表面を滑るように下から上へ流れるので、精密膜濾過筒３の目詰まりを起こし難い利点がある。
【００３３】
上記精密膜濾過筒３を通過しなかった嫌気性微生物を含む嫌気性消化液は第一返送管１６を通して発酵槽１へと戻される。一方、濾過された精密膜濾過筒３内部の濾液はポンプ１５でアンモニア濃度自動計測器４へ送液され、アンモニア濃度が計測される。
【００３４】
アンモニア濃度自動計測器４では、アンモニア濃度が閾値３０００ｍｇ／ｌより低い時は、通常状態である第２開閉弁６が開状態で、第１開閉弁７が閉状態のままで、第二返送管１７により発酵槽１へと濾液が戻される。一方、閾値３０００ｍｇ／ｌ以上の場合は、アンモニア濃度計からの開閉信号５が弁別部１８に送信され、第２開閉弁６が閉状態とされると同時に第１開閉弁７が開状態とされ、アンモニア発散槽８へ濾液が送液される。
【００３５】
アンモニア発散槽８では、濾液に水酸化ナトリウム１０％水溶液が添加されてｐＨを１２に自動的調節し、小型円筒型充填材を乱流通水するときに自然にアンモニアガスに気化される。アンモニア発散槽８で気化されたアンモニアガスは外部からの空気送風１３に伴なってアンモニア分解槽９に導入される。
このアンモニアガスを含む混合ガスは約３８０℃に加熱され触媒により窒素酸化物に酸化され、次にチタン系触媒により約６５０℃の条件下で窒素ガス１０にまで還元して安全な状態として大気に放出している。
【００３６】
上記装置によると、従来法では発酵槽内からアンモニアを系外に取り出さないままの方法でバイオガスの生成が不安定であったが、本発明によれば発酵槽１内からアンモニアを取り出して適正なアンモニア濃度に自動管理することができるので、メタン発酵反応を安定化させて、バイオガスを安定的に生産することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、有機系廃棄物を嫌気性微生物により生分解してバイオガスに変換する際に、その変換反応を阻害するアンモニア濃度が一定以上にならないように自動管理することができる。
また、嫌気性消化液を濾過槽の精密膜で濾過した濾液のアンモニア濃度が、バイオガス発生率を低下させない閾値以下である場合には発酵槽へ戻し、かつ、精密膜を通過しなかった嫌気性微生物を含む嫌気性消化液も発酵槽へ戻しているので、発酵槽における嫌気性微生物の活動に必要な窒素成分および嫌気性微生物の濃度低下も防止することができる。
よって、有機系物質の嫌気性微生物による分解反応が安定化され、変動の少ないバイオガス生産を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 バイオガス変換におけるアンモニア濃度自動管理方法を用いた有機系廃棄物の処理装置の概略図である。
【図２】 嫌気性発酵日数の経過におけるアンモニア濃度の変動およびバイオガス発生率の変動を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 嫌気性発酵槽
２ 濾過槽
３ 精密膜濾過筒
４ アンモニア濃度自動計測器
５ 開閉信号
６ 第２開閉弁
７ 第１開閉弁
８ アンモニア発散槽
９ アンモニア分解槽
１０ 窒素ガス
１１ バイオガス
１２ 有機系廃棄物
１３ 空気送風
１４、１５ ポンプ
１６ 第一返送管
１７ 第二返送管
１８ 弁別部
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオガス変換におけるアンモニア濃度自動管理方法および該方法を用いた有機系廃棄物の処理装置に関し、詳しくは、有機系廃棄物を嫌気性微生物で生分解してバイオガスに変換する際の反応を阻害するアンモニアの濃度を自動管理するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有機系廃棄物の再資源化技術の分野において、特に、嫌気性微生物を用いて有機系廃棄物をメタン発酵させて生成されるバイオガス（メタンと二酸化炭素を含むガス）が、石油等の化石燃料に代替する再生資源として着目されている。
従来より、し尿の中温嫌気性消化処理、洗毛廃液、製薬廃液等の高濃度廃液の高温嫌気性消化処理が実用化されている。
【０００３】
有機系廃棄物の処理方法は、家畜糞し尿の処分に関する法律、食料品リサイクル法等々の諸法律の施行に伴ない、３年程前から有機系廃棄物を嫌気性微生物により発酵させてバイオガスに変換させる再資源化の方向に発展している。
特に、養豚糞尿、酪農牛糞し尿、養鶏鶏糞、食品製造廃棄物、家庭生ゴミ等々の有機系廃棄物の嫌気性微生物によるバイオガスへの変換法の確立化はバイオガスのエネルギー利用のため強く要望されている。
【０００４】
最近の学術論文、”有機系廃棄物の嫌気消化”−実際における反応因子と平衡（共著：Ｍ．Ｋｒａｎｅｒｔ，Ｋ．Ｈｉｌｌｅｂｒｅｃｈｔ。出典：国連、高級研究所（日本）：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉａｓ．ｕｎｕ．ｅｄｕ／ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ／ｉｃｉｂｓ／ｉｃ〜ｍｆａ／ｈｉｌｌｅｂｒｅｃｈｔ／ｐａｐｅｒ．ｈｔｍｌ）によると、多種類のバイオガスの高濃度微生物による短時間の変換、高成分のバイオガス生産のための微生物反応に関する種々な因子、種々な反応物質の平衡状態について詳述されている。
【０００５】
嫌気性微生物による有機物の分解過程は、初めに、腐敗菌により有機物質が分解され、種々な有機酸、水素、アルコール、アミノ酸、種々な窒素化合物に変化する第一段階の「酸生成相」と、多種類の酵素や微生物によりさらに分解され、最終的には酢酸、水素とメタン菌とによりメタンガスを含むバイオガスを生産する第二段階の「メタン生成相」とがあり、難分解物質（例えば鶏糞のような廃棄物）は「酸生成相」と「メタン生成相」を分離した二相式中温嫌気性消化法（あるいは二槽式中温嫌気性消化法）が採用されている。
【０００６】
なお、種々の有機系廃棄物の嫌気性微生物によるバイオガスへの変換技術の区分として、難分解物質は「酸生成相」と「メタン生成相」より構成されている二相式中温嫌気性消化法が採用され、易分解物質は高温嫌気性消化法が採用されている。前者は、分解消化時間が２０日から３０日と長期間であり、後者は５日から１０日の短期間である。さらにバイオガス排出速度は後者が前者よりも１．５倍くらい迅速であり、廃棄物の分解率は後者のほうが前者よりも多い。
【０００７】
【非特許文献１】
“有機系廃棄物の嫌気消化”−実際における反応因子と平衡
（共著：Ｍ．Ｋｒａｎｅｒｔ，Ｋ．Ｈｉｌｌｅｂｒｅｃｈｔ。出典：国連、高級研究所（日本）；ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉａｓ．ｕｎｕ．ｅｄｕ／ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ／ｉｃｉｂｓ／ｉｃ〜ｍｆａ／ｈｉｌｌｅｂｒｅｃｈｔ／ｐａｐｅｒ．ｈｔｍｌ）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高成分のバイオガスを安定して生産するためには、発酵槽内の酢酸濃度が一定以下であると、酢酸分子とメタン菌との微生物反応が安定していると判断されるが、有機系廃棄物を構成する窒素化合物が腐敗工程やメタン生成工程でアンモニア分子となり消化槽内のアンモニア濃度が５０００ｐｐｍ以上に増加すると、該アンモニア分子が酢酸分子と結合してしまい、消化液のｐＨが９くらいに上昇してバイオガス生成の障害となる本質的な問題が発生している。
この現象に対して、水による希釈やアルカリ液による中和などの対策が取られてきたが、何れも本質的な対策には至っておらず、従来法では、上記問題点を未解決のまま操業しているのが現状である。
【０００９】
特に、豚糞尿、牛糞尿、鶏糞の中には多くの窒素化合物を含有しており、これらは嫌気性微生物の嫌気性消化反応において高濃度のアンモニアが発生し、バイオガスの生成を抑制することとなる。
図２は、鶏糞の実験室規模の中温嫌気性消化反応の研究で得られた結果のうち、アンモニア濃度とバイオガス発生率との関係を示すグラフであり、該グラフより明らかなように、時間経過により次第にアンモニア濃度が上昇すると共に、バイオガス発生率が減少していることが確認される。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、嫌気性微生物による有機系廃棄物の生分解過程において発生するアンモニアがバイオガスの安定生成を阻害しないようにすることを課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、有機系廃棄物が空気を遮断した状態で撹拌される発酵槽内で嫌気性微生物により生分解され、メタンと二酸化炭素ガスを含むバイオガスの変換において、上記有機系廃棄物の分解により発生するアンモニア濃度を自動管理する方法であって、
上記発酵槽内の嫌気性消化液を抽出しアンモニア分子を通過させる精密膜で濾過し、濾液中のアンモニア濃度が２０００〜５５００ｍｇ／ｌの範囲内の一定の閾値以上の場合はアンモニア発散槽に送液してアンモニアを除去する一方、濾液中のアンモニア濃度が上記閾値より低い場合は上記濾液を上記発酵槽に戻し、かつ、上記精密膜を通過しなかった嫌気性消化液も上記発酵槽に戻し、上記発酵槽内のアンモニア濃度を所定以下に管理することを特徴とするバイオガス変換におけるアンモニア濃度自動管理方法を提供している。
【００１２】
上記方法によると、有機系物質を嫌気性微生物により生分解してバイオガスに変換する際に、その変換反応を阻害する嫌気性消化液に含有されるアンモニアが高濃度となった場合に適宜除去して、発酵槽内のアンモニア濃度が一定以上にならないように管理することができる。
しかも、嫌気性消化液を濾過槽の精密膜で濾過された濾液のアンモニア濃度が、バイオガス発生率を低下させない閾値より低い場合には、そのまま発酵槽へ戻しているので、嫌気性微生物の活動に必要なアンモニア窒素成分が確保できる。かつ、上記精密膜を通過しなかった嫌気性微生物を含む消化液も発酵槽へ戻しているので、発酵槽における嫌気性微生物の濃度低下も防止できる。
したがって、有機系物質と嫌気性微生物との反応を安定保持して、変動の少ないバイオガスの生産を確保することが可能になる。
【００１３】
上記濾液を発酵槽へ戻すか、アンモニア発散槽に送液するかを判断するアンモニア濃度の閾値は、上記したように２０００〜５５００ｍｇ／ｌの範囲内の値としている。
上記閾値を５５００ｍｇ／ｌ以上とすると、バイオガス変換反応を阻害する程にアンモニア濃度が高いにも関わらず発酵槽へと上記濾液が戻されてしまうからである。一方、閾値を２０００ｍｇ／ｌ以下とすると、バイオガス変換反応を大幅には低下させないアンモニア濃度であるにも関わらずアンモニア発散槽に送液されて発酵槽に戻されないので、発酵槽において有機系物質のバイオガス変換に必要な窒素成分を減少させてしまうからである。
よって、上記２０００〜５５００ｍｇ／ｌの範囲内の値を閾値として用いることで、発酵槽におけるアンモニア濃度の上昇防止とバイオ変換に必要な因子の確保とを両立させた自動運転が可能になる。
【００１４】
また、本発明は、有機系廃棄物が分解してメタンと二酸化炭素を含むバイオガスに変換する有機系廃棄物の処理装置において、上記アンモニア濃度管理方法を用いた装置を提供している。該処理装置は、
有機系廃棄物が空気を遮断した状態で嫌気性微生物と撹拌される発酵槽と、
上記発酵槽より抽出された嫌気性消化液が流入する精密膜を有する濾過槽と、
上記濾過槽で濾過された濾液が送液されるアンモニア濃度自動計測器と、
上記濾過槽で上記精密膜を通過しなかった嫌気性消化液が上記発酵槽へ戻される第一返送管と、
上記アンモニア濃度自動計測器で測定される濾液のアンモニア濃度が所定の閾値以上であると、該濾液が送給されるアンモニア発散槽と、
上記アンモニア濃度自動計測器で測定される濾液のアンモニア濃度が上記閾値より低いと上記発酵槽へ濾液を還流する第二返送管を備え、
上記アンモニア濃度自動計測器より濾液を導出する管を二股に分岐して、該分岐管の一方を上記アンモニア発散槽に接続する送液管とすると共に、分岐管の他方を発酵槽に接続する上記第二返送管とし、
上記分岐させた送液管に、濾液のアンモニア濃度により開閉する第１開閉弁を介設すると共に、上記第二返送管に第２開閉弁を介設していることを特徴とする。
【００１５】
上記のように、アンモニア濃度自動計測器より濾液を導出する管を二股に分岐して、該分岐管の一方を上記アンモニア発散槽に接続する送液管とすると共に、分岐管の他方を発酵槽に接続する上記第二返送管とし、
上記分岐させた送液管に第１開閉弁を介設すると共に、上記第二返送管に第２開閉弁を介設している。上記アンモニア濃度自動計測器からの計測信号により上記第１、２開閉弁を開閉作動させ、上記アンモニア濃度が２０００〜５５００ｍｇ／ｌの範囲内の一定の閾値以上の場合は第１開閉弁を開、第２開閉弁は閉とする一方、アンモニア濃度が上記閾値より低い場合は第１開閉弁を閉、第２開閉弁は開としている。
【００１６】
上記の構成とすると、嫌気性消化液を濾過槽で濾過した濾液のアンモニア濃度が、アンモニア濃度自動計測器により閾値より低いと判断された場合には、開閉信号により上記第１、第２開閉弁が作動して上記第二返送管で発酵槽へ戻し、かつ、上記精密膜を通過しなかった嫌気性微生物を含む嫌気性消化液も第一返送管により発酵槽へ戻しているので、発酵槽における嫌気性微生物の濃度低下の防止ができると共に、嫌気性微生物の活動に必要な窒素成分の低下が防止できる。
【００１７】
また、上記アンモニア発散槽はアンモニア分解槽と接続し、アンモニア発散槽では濾液をｐＨ１０〜１４と調整した後に充填材でアンモニアを気化させ、該アンモニア発散槽から上記アンモニア分解槽に送給されたアンモニアガスを触媒により窒素ガスまで分解して大気に放出する構成としている。
【００１８】
上記のように、アンモニア濃度自動計測器により濾液のアンモニア濃度が閾値以上と判断された場合には、上記アンモニア発散槽へと送られ、ｐＨを１０〜１４とし、充填材を通して濾液中のアンモニアがアンモニアガスに気化している。詳しくは、アンモニア分子は、濾液中では溶解して次のような化学式（１）でアンモニウムイオンとなっている。
（式１）
上記アンモニア発散槽で気化されたアンモニアガスは、上記アンモニア分解槽に送風され、触媒により窒素ガスまで還元されて安全に大気に放出できる。
【００１９】
上記濾過槽内の上記精密膜の孔径は０．１〜０．５μｍとし、アンモニア分子を通すが、嫌気性微生物は通さない大きさとしている。
即ち、上記精密膜で濾過されなかった嫌気性微生物の濃縮された消化液を発酵槽へ戻すことで、発酵槽の嫌気性微生物濃度を維持し、安定、且つ、迅速な微生物反応を可能にする。
【００２０】
また、上記嫌気性微生物により有機系廃棄物を生分解する発酵槽は、中温嫌気性微生物に適した３５〜３７℃または高温嫌気性微生物に適した５３〜５６℃の加熱雰囲気とし、嫌気性微生物の活性化を図り生分解作用を促進させている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、有機系廃薬物を安定してバイオガスに変換するためのアンモニア濃度自動管理装置の概略図を示す。
【００２２】
上記装置は有機系廃棄物が排出される工場等に設置されるもので、該有機系廃棄物が供給される供給路１２と、供給路１２に接続され有機系廃棄物を空気を遮断した状態で嫌気性微生物と撹拌する発酵槽１と、発酵槽１の嫌気性消化液がポンプ１４を介して抽出・送液されると共に内部に精密膜濾過筒３を収納している濾過槽２と、精密膜濾過筒３を通過しなかった消化液を発酵槽１へ戻す第一返送管１６と、精密膜濾過筒３を通過した濾液がポンプ１５を介して抽出・送液されるアンモニア濃度自動計測器４と、アンモニア濃度自動計測器４より流出された濾液を二方向に振り分ける弁別部１８と、アンモニア濃度自動計測器４によりアンモニア濃度が一定の閾値を超えたかどうかを弁別部１８に知らせる開閉信号５と、弁別部１８によりアンモニア濃度が閾値以上の場合に送液されるアンモニア発散槽８と、弁別部１８によりアンモニア濃度が閾値より低い場合に濾液を発酵槽１へ戻す第二返送管１７と、アンモニア発散槽８で発散されたアンモニアガスを触媒により窒素ガス１０まで分解して大気に放出するアンモニア分解槽９とを備えている。
【００２３】
発酵槽１は、雰囲気温度を３５℃〜３７℃として中温嫌気性微生物と撹拌して有機系廃棄物をメタン発酵させているか、或いは、雰囲気温度を５３℃〜６６℃として高温嫌気性微生物と撹拌して有機系廃棄物をメタン発酵させている。
メタン発酵は、第一段階の「酸生成相」で、有機系廃棄物が嫌気性微生物により分解され、種々な有機酸、水素、アルコール、アミノ酸、種々な窒素化合物に変化され、第二段階の「メタン生成相」で、多種類の酵素や微生物により更に分解されて酢酸、水素とメタン菌とによりメタンガスを含むバイオガス１１が生成される。この際、有機系廃棄物を構成する窒素化合物の一部はアンモニアとなり、嫌気性消化液の中にアンモニア分子とアンモニウムイオンになって溶解している。
【００２４】
濾過槽２は、槽内に円筒形状の精密膜濾過筒３を配置した所謂クロスフロー濾過方式であり、精密膜濾過筒３は、濾液を容易に通過できる高分子系基材の表面にポリスルフォンのような有機物を塗布して形成されており、その有孔径は０．３〜０．６μｍの細孔としてアンモニア分子を通し、かつ、嫌気性微生物を通さない大きさとしている。本実施形態では０．４５μｍの細孔を設けている。
【００２５】
発酵槽１より濾過槽２に送られる嫌気性消化液は精密膜濾過筒３の外部に流入し、精密膜濾過筒３で濾過されて円筒内部に入った濾液はポンプ１５でアンモ二ア濃度自動計測器４に送液される。また、精密膜濾過筒３を通過しなかった円筒外部の嫌気性消化液は第一返送管１６で発酵槽１に戻される。
【００２６】
アンモニア濃度自動計測器４は、濾液を少量採取計量し、そのｐＨを１０〜１４に調節し発生するアンモニアガスをガス透過膜を透過させて０．１モルの塩化アンモニウムに吸収させ、この吸収液のｐＨを、複合型ガラス電極と変換器でｐＨを測定し、学術的に既知であるｐＨとアンモニア濃度との間の関係式からアンモニア濃度を計測している。
【００２７】
上記計測した濾液を発酵槽１へ戻すか、アンモニア発散槽８に送液するかを判断するアンモニア濃度の閾値は２０００〜５５００ｍｇ／ｌの範囲内の値とし、本実施形態では３０００ｍｇ／ｌとしている。
【００２８】
弁別部１８の構成は、アンモニア濃度自動計測器４より濾液を導出する管２０を二股に分岐して、一方の分岐管をアンモニア発散槽８に接続する送液管２１とすると共に、分岐管の他方を発酵槽１に接続する第二返送管１７としている。
上記送液管２１に第１開閉弁７を介設すると共に、第二返送管１７に第２開閉弁６を介設し、アンモニア濃度自動計測器４からの計測に基づく開閉信号５により第１、第２開閉弁７、６を開閉作動させている。
上記第１、第２開閉弁７、６は電磁弁とし、第２開閉弁６はノーマルオープンとし、第１開閉弁７はノーマルクローズとしている。
【００２９】
アンモニア発散槽８では、空気送風部１３と小型円筒型充填材（図示せず）と、ｐＨ調節部（図示せず）とを備え、ｐＨ調節部より濾液に水酸化ナトリウム１０％水溶液が添加されてｐＨを１０〜１４に調整している。本実施形態では、ｐＨを１２に自動調整している。
そして、ｐＨを１２とすることにより濾液中のアンモニアがアンモニアガスに気化される。詳しくは、アンモニア分子は、濾液中では溶解して次のような化学式（１）でアンモニウムイオンとなっている。
（式１）
【００３０】
アンモニア分解槽９では、アンモニア発散槽８から送られたアンモニアガスを加熱し、第一段階として３００〜４５０℃で触媒により窒素酸化物にして、第二段階として６００〜７００℃でチタン系触媒により窒素ガス１０まで還元させて大気に放出している。
なお、本実施形態では、上記第一段階の温度は約３８０℃とし、上記第二段階の温度は約６５０℃としている。
【００３１】
次に、上記装置の作用を説明する。
有機系廃棄物１２を発酵槽１へ供給し、嫌気性微生物と共に空気を遮断した状態で撹拌してメタン発酵によりメタンと二酸化炭素を含むバイオガス１１へと変換する。
この有機系廃棄物の嫌気性微生物による生分解過程で発生しバイオガス生成を阻害するアンモニアは嫌気性消化液の中に溶解しており、該嫌気性消化液を発酵槽１の底部からポンプ１４により抽出して濾過槽２へと送液する。
【００３２】
濾過槽２内に流入した嫌気性消化液は精密膜濾過筒３の外表面を流動し、該精密膜濾過筒３内が低減圧状態となることで、外表面から垂直方向に精密膜濾過筒３の内部へと嫌気性消化液が通過して濾液が得られる。この際、嫌気性消化液に存在する嫌気性微生物は既に凝集しており、精密膜濾過筒３の細孔より大きいので通過できなく、嫌気性微生物が除かれアンモニアを含む嫌気性消化液が通過して濾液となる。
なお、このクロスフロー濾過法は、嫌気性消化液の主流は精密膜濾過筒３の外表面を滑るように下から上へ流れるので、精密膜濾過筒３の目詰まりを起こし難い利点がある。
【００３３】
上記精密膜濾過筒３を通過しなかった嫌気性微生物を含む嫌気性消化液は第一返送管１６を通して発酵槽１へと戻される。一方、濾過された精密膜濾過筒３内部の濾液はポンプ１５でアンモニア濃度自動計測器４へ送液され、アンモニア濃度が計測される。
【００３４】
アンモニア濃度自動計測器４では、アンモニア濃度が閾値３０００ｍｇ／ｌより低い時は、通常状態である第２開閉弁６が開状態で、第１開閉弁７が閉状態のままで、第二返送管１７により発酵槽１へと濾液が戻される。一方、閾値３０００ｍｇ／ｌ以上の場合は、アンモニア濃度計からの開閉信号５が弁別部１８に送信され、第２開閉弁６が閉状態とされると同時に第１開閉弁７が開状態とされ、アンモニア発散槽８へ濾液が送液される。
【００３５】
アンモニア発散槽８では、濾液に水酸化ナトリウム１０％水溶液が添加されてｐＨを１２に自動的調節し、小型円筒型充填材を乱流通水するときに自然にアンモニアガスに気化される。アンモニア発散槽８で気化されたアンモニアガスは外部からの空気送風１３に伴なってアンモニア分解槽９に導入される。
このアンモニアガスを含む混合ガスは約３８０℃に加熱され触媒により窒素酸化物に酸化され、次にチタン系触媒により約６５０℃の条件下で窒素ガス１０にまで還元して安全な状態として大気に放出している。
【００３６】
上記装置によると、従来法では発酵槽内からアンモニアを系外に取り出さないままの方法でバイオガスの生成が不安定であったが、本発明によれば発酵槽１内からアンモニアを取り出して適正なアンモニア濃度に自動管理することができるので、メタン発酵反応を安定化させて、バイオガスを安定的に生産することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、有機系廃棄物を嫌気性微生物により生分解してバイオガスに変換する際に、その変換反応を阻害するアンモニア濃度が一定以上にならないように自動管理することができる。
また、嫌気性消化液を濾過槽の精密膜で濾過した濾液のアンモニア濃度が、バイオガス発生率を低下させない閾値以下である場合には発酵槽へ戻し、かつ、精密膜を通過しなかった嫌気性微生物を含む嫌気性消化液も発酵槽へ戻しているので、発酵槽における嫌気性微生物の活動に必要な窒素成分および嫌気性微生物の濃度低下も防止することができる。
よって、有機系物質の嫌気性微生物による分解反応が安定化され、変動の少ないバイオガス生産を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 バイオガス変換におけるアンモニア濃度自動管理方法を用いた有機系廃棄物の処理装置の概略図である。
【図２】 嫌気性発酵日数の経過におけるアンモニア濃度の変動およびバイオガス発生率の変動を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 嫌気性発酵槽
２ 濾過槽
３ 精密膜濾過筒
４ アンモニア濃度自動計測器
５ 開閉信号
６ 第２開閉弁
７ 第１開閉弁
８ アンモニア発散槽
９ アンモニア分解槽
１０ 窒素ガス
１１ バイオガス
１２ 有機系廃棄物
１３ 空気送風
１４、１５ ポンプ
１６ 第一返送管
１７ 第二返送管
１８ 弁別部
Claims (6)
- 有機系廃棄物が空気を遮断した状態で撹拌される発酵槽内で嫌気性微生物により生分解され、メタンと二酸化炭素ガスを含むバイオガスの変換において、上記有機系廃棄物の分解により発生するアンモニア濃度を自動管理する方法であって、
上記発酵槽内の嫌気性消化液を抽出しアンモニア分子を通過させる精密膜で濾過し、濾液中のアンモニア濃度が２０００〜５５００ｍｇ／ｌの範囲内の一定の閾値以上の場合はアンモニア発散槽に送液してアンモニアを除去する一方、濾液中のアンモニア濃度が上記閾値より低い場合は上記濾液を上記発酵槽に戻し、かつ、上記精密膜を通過しなかった嫌気性消化液も上記発酵槽に戻し、上記発酵槽内のアンモニア濃度を所定以下に管理することを特徴とするバイオガス変換におけるアンモニア濃度自動管理方法。 - 有機系廃棄物が分解してメタンと二酸化炭素を含むバイオガスに変換する有機系廃棄物の処理装置であって、
有機系廃棄物が空気を遮断した状態で嫌気性微生物と撹拌される発酵槽と、
上記発酵槽より抽出された嫌気性消化液が流入する精密膜を有する濾過槽と、
上記濾過槽で濾過された濾液が送液されるアンモニア濃度自動計測器と、
上記濾過槽で上記精密膜を通過しなかった嫌気性消化液が上記発酵槽へ戻される第一返送管と、
上記アンモニア濃度自動計測器で測定される濾液のアンモニア濃度が所定の閾値以上であると、該濾液が送給されるアンモニア発散槽と、
上記アンモニア濃度自動計測器で測定される濾液のアンモニア濃度が上記閾値より低いと上記発酵槽へ濾液を還流する第二返送管を備え、
上記アンモニア濃度自動計測器より濾液を導出する管を二股に分岐して、該分岐管の一方を上記アンモニア発散槽に接続する送液管とすると共に、分岐管の他方を発酵槽に接続する上記第二返送管とし、
上記分岐させた送液管に、濾液のアンモニア濃度により開閉する第１開閉弁を介設すると共に、上記第二返送管に第２開閉弁を介設していることを特徴とする有機系廃棄物の処理装置。 - 上記アンモニア濃度自動計測器からの計測信号により上記第１、第２開閉弁を開閉作動させ、上記アンモニア濃度が２０００〜５５００ｍｇ／ｌの範囲内の一定の閾値以上の場合は第１開閉弁を開、第２開閉弁は閉とする一方、アンモニア濃度が上記閾値より低い場合は第１開閉弁を閉、第２開閉弁は開としている請求項２に記載の有機系廃棄物の処理装置。
- 上記アンモニア発散槽はアンモニア分解槽と接続し、
上記アンモニア発散槽では濾液をｐＨｌ０〜１４に調整した後に充填材でアンモニアを気化させ、該アンモニア発散槽からアンモニア分解槽に送給されたアンモニアガスを触媒により窒素ガスまで分解して大気に放出する構成としている請求項２または請求項３に記載の有機系廃棄物の処理装置。 - 上記濾過槽内の上記精密膜の孔径は０．１〜０．５μｍとし、アンモニア分子を通すが、嫌気性微生物は通さない大きさとしている請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の有機系廃棄物の処理装置。
- 上記嫌気性微生物により有機系廃棄物を生分解する発酵槽は、３５〜３７℃または５３〜５６℃の加熱雰囲気としている請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の有機系廃棄物の処理装置。
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