JP4259184B2 - メタン発酵処理方法及び装置 - Google Patents
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Landscapes
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法及び装置に関する。
【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ともに、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。表１には、このようなメタン発酵処理における一般的な運転条件の一例が示されている。
【０００４】
【表１】
【０００５】
上記のメタン発酵における処理効率を向上させるための方法として、メタン発酵槽内に微生物を担体に担持したろ床を設けることが知られており、例えば、特開２００２−１０２８８１号公報には、浮上性微生物固定化担体と沈降性微生物固定化粒状担体とを反応槽内に充填して、浮上性微生物固定化粒状担体による好気反応と、沈降性微生物固定化粒状担体による無酸素反応によって排水の処理を行なうことが開示されている。
【０００６】
また、特開２０００−１５２７８号公報には、排水の生物処理に用いられ、かつ直径０.０５〜２mmの繊維状耐水・耐食材料及び／又は幅０.５〜５mm、厚さ０.０１〜１mmの箔状耐水・耐食材料の集合体と、それを一体的に固定した線状の耐水・耐食部材とからなり、比重が０.９〜１.５であることを特徴とする微生物担持用担体が開示されている。
【０００７】
一方、メタン発酵槽内に、メタン菌等の微生物の流出を防止するための分離膜を設けることも知られている。例えば、特開２００１−１７０６３１号公報には、反応槽の外部循環流路内に配置した散気装置において作動気体を散気し、外部循環流路の一端開口から反応槽に駆動流を吐出して反応槽内を攪拌するとともに、反応槽と外部循環流路とにわたって槽内液を循環させ、外部循環流路に配置した膜分離装置で槽内液を固液分離し、駆動流を掃流として膜分離装置の膜面に作用させて洗浄することが開示されている。
【０００８】
また、特開２０００−９４０００号公報には、メタン発酵槽と、分解処理中の発酵液内に浸漬されて残留固形分及び発酵菌を分離しながら発酵液をろ過して処理水とする精密ろ過膜、前記分解時に生じるバイオガスを貯えるガスホルダー、並びに前記ガスホルダーに結合し且つ前記精密ろ過膜の下方に配置した散気管を備え、該散気管から発酵液内へ放散したバイオガスの気泡の上昇流により前記精密ろ過膜の閉塞を防止してなる浸漬型膜利用メタン発酵システムが開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１０２８８１号公報
【特許文献２】
特開２０００−１５２７８号公報
【特許文献３】
特開２００１−１７０６３１号公報
【特許文献４】
特開２０００−９４０００号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来のメタン発酵処理方法のうち、特開２００２−１０２８８１号公報、特開２０００−１５２７８号公報の方法においては、担体を用いることが開示されているものの、ろ床に通過した後の処理液や、ろ床の下部に溜まる余剰汚泥の処理方法については開示されておらず、発酵後の消化液の効率的な処理ができないという問題があった。また、消化液の取出しに伴ってメタン菌等が流出してしまうという問題があった。
【００１１】
また、特開２００１−１７０６３１号公報、特開２０００−９４０００号公報に記載されている方法においては、膜を用いてメタン菌の透過を防ぐことが開示されているが、膜のみを単独で配置しているために、膜が閉塞しやすく、却って処理効率が低下するという問題があった。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、メタン発酵槽外へのメタン菌の流出を抑えて効率的な発酵を行ないつつ、発酵処理後の消化液についても容易に処理可能である、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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のメタン発酵処理方法は、有機性廃棄物をスラリー化してメタン発酵槽内に投入し、このメタン発酵槽内でメタン発酵させた後、消化液として取出すメタン発酵処理方法において、前記メタン発酵槽内に、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させた板状又は中空円筒状のろ床と、前記ろ床の上部に配置された分離膜とを設け、前記ろ床を垂直方向に並列して配置し、前記有機性廃棄物を含むスラリーを前記メタン発酵槽内に投入し、前記ろ床に通過させてメタン発酵させた後、前記分離膜を通過した処理液と、前記ろ床の下部に溜まる余剰汚泥とを、消化液として取出すことを特徴とする。
【００１４】
本発明の処理方法によれば、スラリーをろ床に通過させ、ろ床の上部に溜まる液状の処理液として消化液を取出すので、ろ床によるフィルタリング効果によってメタン菌が液状の処理液中に流出することを抑制できる。また、やはりろ床によるフィルタリング効果によって、メタン発酵槽の上部には、ＳＳ（浮遊粒子）分の多い消化液が到達しないので、液状の処理液を安定して引き抜くことができる。その結果、メタン発酵槽内のメタン菌濃度を高濃度に保持することができ、処理効率を向上できる。更に、ろ床を通過した消化液は、固形分の少ない液状の処理液として排出可能であるので、その廃液処理も容易である。また、ろ床と分離膜とを組み合わせることによって、ろ床が予備的なフィルタリング効果となるので、分離膜が閉塞するのを防止でき、分離膜の洗浄頻度を大幅に低下させることができる。
【００１５】
本発明の処理方法においては、前記ろ床は、多孔質状の合成樹脂素材又は繊維素材からなる担体を含むことも好ましく行なわれる。
【００１７】
また、本発明の処理方法においては、前記メタン発酵槽として、第１発酵槽と第２発酵槽とを設置し、前記第２発酵槽内にメタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させた板状又は中空円筒状のろ床と、前記ろ床の上部に配置された分離膜とを設け、前記ろ床を垂直方向に並列して配置し、前記有機廃棄物を含むスラリーを前記第１発酵槽に通過させた後、更に前記第２発酵槽に通過させて、前記第２発酵槽の前記分離膜を通過した処理液と、前記第１発酵槽の下部及び前記第２発酵槽の前記ろ床の下部に溜まる余剰汚泥とを、消化液として取出すことも好ましく行なわれる。これによれば、第１発酵槽と第２発酵槽とで別の攪拌方法や温度制御が可能であり、例えば第１発酵槽で中温メタン発酵を行ない、第２発酵槽で高温メタン発酵を行なう等、処理の自由度が高くなる。また、第２発酵槽でろ床が閉塞して処理効率が低下した場合でも、第１発酵槽を停止することなく、第２発酵槽内のろ床交換や除去操作が可能になる。
【００１８】
更に、本発明の処理方法においては、前記ろ床が配置された前記メタン発酵槽内におけるメタン発酵を５０〜６０℃で行なうことが好ましい。これによれば、５０〜６０℃で大きな活性を示す高温メタン菌で処理することができ、発酵処理能力を向上させることができる。
【００１９】
更にまた、本発明の処理方法においては、前記メタン発酵槽内の前記スラリーを循環させながら、及び／又は前記メタン発酵槽内の前記スラリー中に前記メタン発酵により生成したガスを吹き込んで撹拌しながらメタン発酵を行なうことが好ましい。これによれば、攪拌によってスラリーとメタン菌との接触効率を向上できるので、発酵処理能力を向上させることができる。また、スラリーの固形物濃度を高くしても固形物の分離が起こることがなく、スラリーを安定して供給することができるので、メタン発酵を安定して行なうことができる。
【００２０】
一方、本発明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スラリー化してメタン発酵槽に導入するための有機性廃棄物供給手段と、前記スラリーをメタン発酵させるためのメタン発酵槽と、前記メタン発酵後の消化液を取出すための消化液取出し手段とを備え、前記メタン発酵槽内には、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させた板状又は中空円筒状のろ床と、前記ろ床の上部に配置された分離膜とが設けられ、前記ろ床は、垂直方向に並列して配置されており、前記消化液取出し手段は、前記分離膜を通過した処理液と、前記ろ床の下部に溜まる余剰汚泥とをそれぞれ取出す手段を有していることを特徴とする。
【００２１】
本発明のメタン発酵処理装置によれば、ろ床によるフィルタリング効果によって、メタン菌が液状の処理液中に流出することを抑制でき、更に、メタン発酵槽の上部には、ＳＳ（浮遊粒子）分の多い消化液が到達しないので、液状の処理液を安定して引き抜くことができる。したがって長期間の安定した運転ができ、ランニングコストを低下することができる。また、ろ床と分離膜とを組み合わせることによって、ろ床が予備的なフィルタリング効果となるので、分離膜が閉塞するのを防止でき、分離膜の洗浄頻度を低下させることができ、装置のメンテナンスが簡略化でき運転効率が向上する。また、単一の発酵槽内にろ床と分離膜とを配置するので装置をコンパクトにできる。
【００２２】
本発明の処理装置においては、前記ろ床は、多孔質状の合成樹脂素材又は繊維素材からなる担体を含むことが好ましい。
【００２４】
また、本発明の処理装置においては、前記メタン発酵槽は、第１発酵槽と、第２発酵槽と、前記有機廃棄物を含むスラリーを前記第１発酵槽に通過させた後、更に前記第２発酵槽に通過させる手段とを有し、前記第２発酵槽内には、垂直方向に並列して配置された前記ろ床と、前記ろ床の上部に配置された分離膜とが設けられ、前記消化液取出し手段は、前記第２発酵槽の前記分離膜を通過した液状の処理液と、前記第１発酵槽の下部及び前記第２発酵槽の前記ろ床の下部に溜まる余剰汚泥とを、それぞれ取出す手段を有していることも好ましい。これによれば、第１発酵槽と第２発酵槽とで別の攪拌方法や温度制御が可能であり、例えば第１発酵槽で中温メタン発酵を行ない、第２発酵槽で高温メタン発酵を行なう等、処理の自由度が高くなる。
【００２５】
更に、本発明の処理装置においては、前記メタン発酵槽内の前記スラリーを循環させて撹拌する手段、及び／又は前記スラリーの中にメタン発酵により生成したガスを吹き込んで撹拌する手段とを備えていることが好ましい。これによれば、攪拌によってスラリーとメタン菌との接触効率を向上できるので、発酵処理能力を向上させることができる。また、スラリーの固形物濃度を高くしても固形物の分離が起こることがなく、固定化微生物に有機性廃棄物を安定して供給することができるので、メタン発酵を安定して行なうことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて更に詳細に説明する。
【００２７】
図１〜３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はメタン発酵槽の一部切欠き図、図３はメタン発酵槽の概略構成を示す断面図である。
【００２８】
まず、図１の処理装置について説明すると、この処理装置は、有機性廃棄物を粗砕する粉砕機１１と、粗砕した有機性廃棄物を更に微粉砕する微粉砕機１２と、微粉砕した有機性廃棄物を貯留してスラリー調製するためのスラリー調整槽１３と、有機性廃棄物のメタン発酵を行なうメタン発酵槽１４と、発酵により生成したガスを貯留するためのガスホルダー１５とから主に構成されている。
【００２９】
有機性廃棄物を投入、粉砕するための粉砕機１１は、供給配管によって微粉砕機１２に連結され、更に、有機性廃棄物をスラリー化するスラリー調整槽１３に連結されるように構成されている。そして、スラリー調整槽１３からの供給配管が、スラリー循環ポンプ１６を介してメタン発酵槽１４の底部に接続されている。
【００３０】
なお、メタン発酵槽１４の上部からの配管が、スラリー調整槽１３とスラリー循環ポンプ１６との間の配管に合流しており、スラリー循環ポンプ１６によって、メタン発酵槽１４内をスラリーが循環できるように構成されている。
【００３１】
メタン発酵槽１４の上部空間からは、ガスホルダー１５に連結される配管が接続されており、メタン発酵槽１４において発生したバイオガスが、ガスホルダー１５に貯蔵されるように構成されている。これによって、このガスホルダー１５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。
【００３２】
図２、３を併せて参照すると、メタン発酵槽１４内には、メタン菌を主体とした嫌気性微生物が付着・担持されたろ床２０が設置され、更にその上部には分離膜２１が配置されている。そして、分離膜２１の上方からは、引き抜きポンプ１７を介して膜ろ過液を取出すための配管が接続されている。
【００３３】
一方、メタン発酵槽１４の底部からは、ろ床２０の下部から余剰汚泥を取出すための配管が接続されている。
【００３４】
ろ床２０としては特に限定されないが、例えば合成樹脂素材又は繊維素材からなる担体にメタン菌等を付着・担持したものからなる。この場合、担体は、接触面積を増加させるために各種形態とすることができ、例えば、図２に示すような中空円筒状でもよく、板状であってもよい。
【００３５】
そして、ろ床２０は、上記担体を互いに平行になるように規則的に配置して構成することが好ましい。例えば、図２に示すように、メタン発酵槽１４内に、複数本の中空円筒状の担体を垂直方向に並列に配置・充填したものでもよく、複数枚の板状の担体を垂直方向に並列させて配置・充填したものでもよい。また、塊状の担体を分散させて配置してもよい。これにより、限られた容積内に固定化微生物をより多く充填することができるとともに、スラリーと微生物との接触面積を大きくすることができる。
【００３６】
なお、スラリーを循環させる場合には、上記担体の配列方向を、循環経路に沿った方向とすることが好ましく、それによって循環抵抗を少なくすると共に、固定化微生物表面にスラリーが均一に接触するようにすることができる。
【００３７】
担体を構成する材質としては、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ビニロン樹脂、塩化ビニリデン樹脂、ピリジウムポリマーなどの合成樹脂素材や、炭素繊維などの繊維素材を用いることができる。本発明においては、上記合成樹脂素材を多孔質状に成形したもの、例えば不織布や発泡体などが好ましく用いられる。また、繊維素材を紐状に編み込んだものも好ましく用いられ、このような多孔質状の担体を用いることにより、担体の表面積を増大することができるので、担体に付着・担持できるメタン菌等の数を大幅に増やすことができる。また、担体内部にまでメタン菌等を付着・担持できるので、撹拌等によって担体に付着したメタン菌等が剥がれ落ちるのを防止できる。
【００３８】
また、担体は、酸化剤で親水化処理したものを用いることが好ましい。酸化剤としては、オゾン、酸素プラズマ、過酸化水素等が例示できるが、簡便性の点からオゾンガスを用いることが好ましい。オゾンガスによる担体の親水化処理は、担体を所定濃度のオゾンガスに所定時間暴露することにより行なうことができる。オゾンガスの濃度や暴露時間は、担体の大きさや合成樹脂素材の種類などによって適宜設定すればよく、例えば、ポリスチレン樹脂からなる担体の場合、常温下で、１，０００〜１００，０００ｐｐｍのオゾンガスに０．５〜２時間暴露すればよい。これにより、担体表面に酸素を含む親水性の官能基、例えば水酸基（−ＯＨ）やカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）等が形成されるので、担体表面へのメタン菌等の付着性を大幅に向上することができる。
【００３９】
ろ床２０は、例えば、上記のようにして親水化処理した担体をメタン菌等の培養液に浸漬して、そのまま所定時間培養することにより得ることができる。すなわち、メタン菌等の培養液に、親水化処理した担体を１〜２時間、より好ましくは２４時間以上浸漬することにより、担体の表面にメタン菌等を付着・担持させることができる。なお、本発明で用いられるメタン菌等は、通常、メタン発酵処理に用いることができる微生物であれば特に制限なく用いることができる。
【００４０】
分離膜２１としては、メタン発酵後の消化液を固液分離できるろ過性能を有するものであれば特に限定されず、例えば、平均孔径が０．１〜０．５μｍのメンブラン膜等が好ましく使用できる。
【００４１】
なお、メタン発酵槽１４には、発酵槽内を一定温度に保ち、発酵を促進するためにヒーター等の加熱手段を備えていることが好ましい。
【００４２】
また、必要に応じて、発酵によって生成したガスを回収するとともに、そのガスの一部を図示しないガスポンプによりメタン発酵槽１４の下部に吹き込んでバブリングする攪拌手段を備えていてもよい。更に、メタン発酵槽１４内に、モーターによって回転する撹拌羽根を取り付けて、発酵槽内のスラリーを機械的に混合・撹拌する手段を設けてもよい。
【００４３】
次に、上記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について説明する。
【００４４】
図１に示すように、飲食店や一般家庭等から排出される生ゴミや、食品工場などから排出される食品加工残渣、屎尿、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の有機性廃棄物は、粉砕機１１により粗砕された後、更に微粉砕機１２により微粉砕されてスラリー調整槽１３に投入される。このスラリー調整槽１３では、必要に応じて加水し、固形物濃度１０〜２０質量％となるように調整される。このようにメタン発酵処理に供する有機性廃棄物を粉砕、スラリー化することにより、分解速度及び消化率を向上することができる。
【００４５】
このスラリーはメタン発酵槽１４に送られ、該発酵槽内でメタン発酵が行なわれる。なお、この実施形態においては、メタン発酵槽１４内の下方から入ったスラリーは、ろ床２０を通過して上方に向かう上向流となり、スラリー循環ポンプ１６によって、図３の矢印の方向に沿ってメタン発酵槽１４内を循環する。これにより、スラリーの固形分の分散や発酵温度の均一化が行なわれる。
【００４６】
本発明において、メタン発酵の条件は、有機性廃棄物の性状等によって適宜設定できるが、例えば、固形物濃度２０質量％の有機性廃棄物を処理する場合は、ＣＯＤ負荷１０〜４０ｋｇ-CODCr/m3・d、発酵槽内滞留時間１０日以下で行なうことができる。また、発酵槽温度は高温メタン菌による発酵が可能な５０〜６０℃で行なうことが好ましい。
【００４７】
そして、発酵により生成したガスはガスホルダー１５に回収されて、エネルギー等として使用される。なお、上記のように、回収されたガスの一部を、メタン発酵槽１４内に戻して攪拌に利用してもよい。
【００４８】
ここで、この実施形態においては、前記ろ床に通過させてメタン発酵させた後の消化液を、ろ床２０の上部に溜まる液状の処理液を分離膜２１を通して取出し、一方、ろ床２１の下部に溜まる余剰汚泥をメタン発酵槽１４の下部から取出すことを特徴としている。
【００４９】
すなわち、一定時間毎に、分離膜２１を通過した液状の処理液が引き抜きポンプ１７によってメタン発酵槽１４から引き抜かれる。また、ろ床２０の下方に溜まる余剰汚泥は、メタン発酵槽１４の下部より定期的に抜き取られ、コンポスト化されるか、図示しない活性汚泥処理工程等に送られる。
【００５０】
このとき、分離膜２１の下方に配置したろ床２０によるフィルタリング効果によって、メタン発酵槽の上部には、ＳＳ（浮遊粒子）分の多い消化液が到達せず、分離膜１１への固形分の付着を防止する。したがって、従来、約２ヶ月毎程度に必要であった、逆洗や、バブリングを利用した膜の洗浄頻度を大幅に低下でき、分離膜の閉塞や破損を防止して、必要な液状の処理液を安定して引き抜くことができる。
【００５１】
また、メタン発酵槽１４内のメタン菌濃度を、担体による固定化効果と膜による菌返送効果で、高濃度に保持することができ、発酵効率を向上できる。更に、消化液は、ＳＳ分の少ない膜ろ過液と、ＳＳ分の多い余剰汚泥とに分けて取出されるので後処理が容易である。
【００５２】
なお、分離膜２１からの液状の処理液の引き抜きは、図１のように引き抜きポンプ１７を用いて吸引してもよく、メタン発酵槽１４内の水位を利用する重力ろ過でもよいが、エネルギー収支的には重力ろ過が好ましい。
【００５３】
図４には、メタン発酵処理装置の参考実施形態を示す概略構成図が示されている。以下の説明においては、上記の実施形態と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５４】
この参考実施形態においては、メタン発酵槽１４とは別の膜分離槽３０が並設され、この膜分離槽３０内に分離膜３１が配置されており、一定時間毎に、分離膜３１を通過した液状の処理液が引き抜きポンプ１７によって膜分離槽３０から引き抜かれる点が、主に上記の実施形態と異なっている。
【００５５】
なお、スラリー調整槽１３からのスラリーは、ポンプ１８によってメタン発酵槽１４の底部に投入されてメタン発酵槽１４内のろ床２０を上方に向かって通過することによってメタン発酵が行なわれる。そして、スラリーはメタン発酵槽の上部からスラリー循環ポンプ１６を介して膜分離槽３０に送られ、ここから再度メタン発酵槽１４の底部に返送されてスラリーの循環が行なわれる。
【００５６】
なお、発生したバイオガスは、メタン発酵槽１４及び膜分離槽３０の上部空間からガスホルダー１５に送られる。また、図中１９は余剰汚泥を引き抜くためのポンプである。
【００５７】
このように、本発明においては、メタン発酵槽１４と分離膜３１は別の処理槽に配置されていてもよく、これによっても、メタン発酵槽１４内の担体２０でＳＳ成分を閉じ込めることが可能になり、膜分離槽３０に設置した分離膜３１へのＳＳ分の付着を抑制することが可能となる。
【００５８】
図５〜８には、メタン発酵処理装置の他の参考実施形態が示されている。図５はメタン発酵処理装置の概略構成図、図６は第２メタン発酵槽の一部切欠き図、図７は第２メタン発酵槽の他の参考実施形態を示す一部切欠き図、図８は第２メタン発酵槽の更に他の参考実施形態を示す一部切欠き図である。
【００５９】
この参考実施形態においては、メタン発酵槽は、第１発酵槽４１と第２発酵槽４２とを有し、第２発酵槽４２内にメタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させたろ床５０が配置されている。
【００６０】
スラリー調整槽１３からのスラリーは、ポンプ１８によって、まず第１発酵槽４１に投入される。そして、スラリーは第１発酵槽４１からスラリー循環ポンプ１６を介して第２発酵槽４２の下部に送られ、第２発酵槽４２内に配置されたろ床５０を上方に向かって通過した後、第２発酵槽４２の上部から第１発酵槽４１に返送されてスラリーの循環が行なわれるように構成されている。
【００６１】
そして、発酵後の消化液は、第１発酵槽４１と第２発酵槽４２とを連結する配管の途中から引き抜かれ、第１発酵槽４１の下部、及び第２発酵槽４２のろ床５０の下部に溜まる余剰汚泥は、ポンプ１９によって引き抜かれる。なお、６０は活性汚泥槽、６１は活性汚泥処理後の固形分をスラリー調整槽１３に返送するためのポンプである。
【００６２】
なお、発生したバイオガスは、第１発酵槽４１及び第２発酵槽４２の上部空間からガスホルダー１５に送られる。
【００６３】
このように、この参考実施形態によれば、分離膜を用いることなく、第２発酵槽４２のろ床５０の上部に溜まる液状の処理液を引き抜くことができ、これによっても、ろ床５０のフィルタリング効果によって、メタン菌等の微生物やＳＳ分の少ない液状の処理液として引き抜くことができる。なお、ろ床５０の上に更に分離膜を配置することができる。
【００６４】
また、発酵槽を二つに分けることにより、第１発酵槽４１と第２発酵槽４２とで別の攪拌方法や温度制御が可能である等、処理の自由度が高くなる。この場合、例えば第１発酵槽４１では３０〜４０℃の中温メタン発酵を行ない、第２発酵槽で５０〜６０℃の高温メタン発酵を行なうことが好ましい。また、第２発酵槽４２でろ床５０が閉塞して処理効率が低下した場合でも、第１発酵槽４１を停止することなく、第２発酵槽４２内のろ床交換や除去操作が可能になる。
【００６５】
なお、図６〜８には、第２発酵槽４２として用いることができる構成の一例が示されている。
【００６６】
すなわち、図６に示されるように、ろ床５１として、第２発酵槽４２内に、複数本の中空円筒状の担体を垂直方向に周状に配置して、中央には攪拌羽根等を有する機械的な攪拌装置７０を配置したものでもよい。また、図７に示されるように、ろ床５２として、複数枚の板状の担体を垂直方向に並列させて配置・充填したものを用いてもよい。また、図８に示されるように、ろ床５３として、塊状の担体を分散させて配置したものを用いてもよい。
【００６７】
更に、図６、８に示すように、バイオガスの一部をガスポンプ８０によって第２発酵槽４２の底部に戻して吹き込み、このガスのバブリングによる攪拌を併用するようにしてもよい。
【００６８】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００６９】
実施例
図１に示すような処理装置を用い、本発明のメタン発酵処理方法を用いて連続運転を行なった。
【００７０】
有機性廃棄物としては、表２に示す組成の、果物、野菜、肉、魚、卵、米、パンなどの配合比を決めた生ごみに、水道水を加えてカッターミキサー（ＡＩＣＯＨ製）で調整し、これを１．５倍の水道水で希釈し、更にカッターミキサーで調整して得た模擬生ごみスラリーを用いた。生ゴミスラリーの性状を表３に示す。生ゴミの組成は、年間を通じて入手可能な食材を中心に選定した。
【００７１】
【表２】
【００７２】
【表３】
【００７３】
メタン発酵槽１４としては、容量５リットルの発酵槽を使用し、メタン発酵槽１４内の上部空間に、分離膜２１として、旭化成製の中空糸膜（材質：ポリフッ化ビニリデン、公称孔径０．１μｍ、外径１．３ｍｍ、内径０．７ｍｍ、長さ２５０ｍｍ）を９０本束ねて結束部にシリコンシール剤（ＧＥ東芝シリコーン製）を用いて作成した膜モジュール（膜面積０．０９ｍ３）を配置した。
【００７４】
また、分離膜２１の下方に、目開き５ｍｍのＳＵＳ製ふるいを上下に２枚設置し、その間に、不織布でできた固定化担体（バイコムＢａｆｉキューブ：株式会社日本バイリーン製）を６０ｇ充填したろ床２０を配置した。
【００７５】
メタン発酵槽１４の全体を、５４〜５６℃に温度制御した恒温水槽に入れ、メタン発酵槽１４の上部から引き抜いた消化汚泥をスラリー循環ポンプ１６（ヘイシン製）にて、メタン発酵槽１４の下部に循環させた。
【００７６】
膜モジュールからは、引き抜きポンプ１７(アズワン株式会社製)により定出力吸引ろ過を行なった。なお、スラリー投入前には膜モジュール下部に設置した循環ガスラインから３Ｌ／分のガスバブリングを行なうようにタイマーで制御して、膜モジュールのろ過を行なった。
【００７７】
比較例
上記のろ床２０から、固定化担体を除去した以外は、実施例と同様にメタン発酵を行なった。
【００７８】
試験例
上記の実施例の運転状況及び運転結果を表４に示す。
【００７９】
【表４】
【００８０】
この結果、実施例においては、滞留時間３日、容積負荷４０kg・ＣＯＤcr／ｍ３・dという高負荷の場合においても、２ヶ月以上安定にメタン発酵が可能であった。
【００８１】
また、実施例及び比較例について、膜モジュールの、累積ろ過水量とろ過圧力上昇との関係を測定した。その結果を図９に示す。
【００８２】
図９より、実施例においては圧力上昇は認められないことがわかる。一方、担体を下方に配置しない比較例においては、膜の目詰まりのため、吸引圧力が増大しているのがわかる。比較例では、最終的に時間あたりの引きぬき量が微量になり運転を停止した。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、メタン発酵槽外へのメタン菌の流出を抑えて効率的な発酵を行ないつつ、長期間の安定した運転が可能であり、更に、発酵処理後の消化液についても容易に処理可能である、メタン発酵処理方法及び処理装置を提供できる。したがって、本発明は、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の有機性廃棄物のメタン発酵処理に好適に用いられる。
【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】 同処理装置におけるメタン発酵槽の一例を示す一部切欠き斜視図である。
【図３】 同処理装置におけるメタン発酵槽の一例を示す断面図である。
【図４】 メタン発酵処理装置の参考実施形態を示す概略構成図である。
【図５】 メタン発酵処理装置の他の参考実施形態を示す概略構成図である。
【図６】 同処理装置における第２発酵槽の一例を示す一部切欠き斜視図である。
【図７】 同処理装置における第２発酵槽の他の一例を示す一部切欠き斜視図である。
【図８】 同処理装置における第２発酵槽の更に他の一例を示す一部切欠き斜視図である。
【図９】 実施例における累積ろ過水量とろ過圧力上昇との関係を示す図表である。
【符号の説明】
１１ 粉砕機
１２ 微粉砕機
１３ スラリー調整槽
１４ メタン発酵槽
１５ ガスホルダー
１６ スラリー循環ポンプ
１７ 引き抜きポンプ
１８、１９、６１ ポンプ
２０、５０、５１、５２、５３ ろ床
２１、３１ 分離膜
３０ 膜分離槽
４１ 第１発酵槽
４２ 第２発酵槽
６０ 活性汚泥槽
７０ 攪拌装置
８０ ガスポンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法及び装置に関する。
【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ともに、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。表１には、このようなメタン発酵処理における一般的な運転条件の一例が示されている。
【０００４】
【表１】
上記のメタン発酵における処理効率を向上させるための方法として、メタン発酵槽内に微生物を担体に担持したろ床を設けることが知られており、例えば、特開２００２−１０２８８１号公報には、浮上性微生物固定化担体と沈降性微生物固定化粒状担体とを反応槽内に充填して、浮上性微生物固定化粒状担体による好気反応と、沈降性微生物固定化粒状担体による無酸素反応によって排水の処理を行なうことが開示されている。
【０００６】
また、特開２０００−１５２７８号公報には、排水の生物処理に用いられ、かつ直径０.０５〜２mmの繊維状耐水・耐食材料及び／又は幅０.５〜５mm、厚さ０.０１〜１mmの箔状耐水・耐食材料の集合体と、それを一体的に固定した線状の耐水・耐食部材とからなり、比重が０.９〜１.５であることを特徴とする微生物担持用担体が開示されている。
【０００７】
一方、メタン発酵槽内に、メタン菌等の微生物の流出を防止するための分離膜を設けることも知られている。例えば、特開２００１−１７０６３１号公報には、反応槽の外部循環流路内に配置した散気装置において作動気体を散気し、外部循環流路の一端開口から反応槽に駆動流を吐出して反応槽内を攪拌するとともに、反応槽と外部循環流路とにわたって槽内液を循環させ、外部循環流路に配置した膜分離装置で槽内液を固液分離し、駆動流を掃流として膜分離装置の膜面に作用させて洗浄することが開示されている。
【０００８】
また、特開２０００−９４０００号公報には、メタン発酵槽と、分解処理中の発酵液内に浸漬されて残留固形分及び発酵菌を分離しながら発酵液をろ過して処理水とする精密ろ過膜、前記分解時に生じるバイオガスを貯えるガスホルダー、並びに前記ガスホルダーに結合し且つ前記精密ろ過膜の下方に配置した散気管を備え、該散気管から発酵液内へ放散したバイオガスの気泡の上昇流により前記精密ろ過膜の閉塞を防止してなる浸漬型膜利用メタン発酵システムが開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１０２８８１号公報
【特許文献２】
特開２０００−１５２７８号公報
【特許文献３】
特開２００１−１７０６３１号公報
【特許文献４】
特開２０００−９４０００号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来のメタン発酵処理方法のうち、特開２００２−１０２８８１号公報、特開２０００−１５２７８号公報の方法においては、担体を用いることが開示されているものの、ろ床に通過した後の処理液や、ろ床の下部に溜まる余剰汚泥の処理方法については開示されておらず、発酵後の消化液の効率的な処理ができないという問題があった。また、消化液の取出しに伴ってメタン菌等が流出してしまうという問題があった。
【００１１】
また、特開２００１−１７０６３１号公報、特開２０００−９４０００号公報に記載されている方法においては、膜を用いてメタン菌の透過を防ぐことが開示されているが、膜のみを単独で配置しているために、膜が閉塞しやすく、却って処理効率が低下するという問題があった。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、メタン発酵槽外へのメタン菌の流出を抑えて効率的な発酵を行ないつつ、発酵処理後の消化液についても容易に処理可能である、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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のメタン発酵処理方法は、有機性廃棄物をスラリー化してメタン発酵槽内に投入し、このメタン発酵槽内でメタン発酵させた後、消化液として取出すメタン発酵処理方法において、前記メタン発酵槽内に、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させた板状又は中空円筒状のろ床と、前記ろ床の上部に配置された分離膜とを設け、前記ろ床を垂直方向に並列して配置し、前記有機性廃棄物を含むスラリーを前記メタン発酵槽内に投入し、前記ろ床に通過させてメタン発酵させた後、前記分離膜を通過した処理液と、前記ろ床の下部に溜まる余剰汚泥とを、消化液として取出すことを特徴とする。
【００１４】
本発明の処理方法によれば、スラリーをろ床に通過させ、ろ床の上部に溜まる液状の処理液として消化液を取出すので、ろ床によるフィルタリング効果によってメタン菌が液状の処理液中に流出することを抑制できる。また、やはりろ床によるフィルタリング効果によって、メタン発酵槽の上部には、ＳＳ（浮遊粒子）分の多い消化液が到達しないので、液状の処理液を安定して引き抜くことができる。その結果、メタン発酵槽内のメタン菌濃度を高濃度に保持することができ、処理効率を向上できる。更に、ろ床を通過した消化液は、固形分の少ない液状の処理液として排出可能であるので、その廃液処理も容易である。また、ろ床と分離膜とを組み合わせることによって、ろ床が予備的なフィルタリング効果となるので、分離膜が閉塞するのを防止でき、分離膜の洗浄頻度を大幅に低下させることができる。
【００１５】
本発明の処理方法においては、前記ろ床は、多孔質状の合成樹脂素材又は繊維素材からなる担体を含むことも好ましく行なわれる。
【００１７】
また、本発明の処理方法においては、前記メタン発酵槽として、第１発酵槽と第２発酵槽とを設置し、前記第２発酵槽内にメタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させた板状又は中空円筒状のろ床と、前記ろ床の上部に配置された分離膜とを設け、前記ろ床を垂直方向に並列して配置し、前記有機廃棄物を含むスラリーを前記第１発酵槽に通過させた後、更に前記第２発酵槽に通過させて、前記第２発酵槽の前記分離膜を通過した処理液と、前記第１発酵槽の下部及び前記第２発酵槽の前記ろ床の下部に溜まる余剰汚泥とを、消化液として取出すことも好ましく行なわれる。これによれば、第１発酵槽と第２発酵槽とで別の攪拌方法や温度制御が可能であり、例えば第１発酵槽で中温メタン発酵を行ない、第２発酵槽で高温メタン発酵を行なう等、処理の自由度が高くなる。また、第２発酵槽でろ床が閉塞して処理効率が低下した場合でも、第１発酵槽を停止することなく、第２発酵槽内のろ床交換や除去操作が可能になる。
【００１８】
更に、本発明の処理方法においては、前記ろ床が配置された前記メタン発酵槽内におけるメタン発酵を５０〜６０℃で行なうことが好ましい。これによれば、５０〜６０℃で大きな活性を示す高温メタン菌で処理することができ、発酵処理能力を向上させることができる。
【００１９】
更にまた、本発明の処理方法においては、前記メタン発酵槽内の前記スラリーを循環させながら、及び／又は前記メタン発酵槽内の前記スラリー中に前記メタン発酵により生成したガスを吹き込んで撹拌しながらメタン発酵を行なうことが好ましい。これによれば、攪拌によってスラリーとメタン菌との接触効率を向上できるので、発酵処理能力を向上させることができる。また、スラリーの固形物濃度を高くしても固形物の分離が起こることがなく、スラリーを安定して供給することができるので、メタン発酵を安定して行なうことができる。
【００２０】
一方、本発明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スラリー化してメタン発酵槽に導入するための有機性廃棄物供給手段と、前記スラリーをメタン発酵させるためのメタン発酵槽と、前記メタン発酵後の消化液を取出すための消化液取出し手段とを備え、前記メタン発酵槽内には、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させた板状又は中空円筒状のろ床と、前記ろ床の上部に配置された分離膜とが設けられ、前記ろ床は、垂直方向に並列して配置されており、前記消化液取出し手段は、前記分離膜を通過した処理液と、前記ろ床の下部に溜まる余剰汚泥とをそれぞれ取出す手段を有していることを特徴とする。
【００２１】
本発明のメタン発酵処理装置によれば、ろ床によるフィルタリング効果によって、メタン菌が液状の処理液中に流出することを抑制でき、更に、メタン発酵槽の上部には、ＳＳ（浮遊粒子）分の多い消化液が到達しないので、液状の処理液を安定して引き抜くことができる。したがって長期間の安定した運転ができ、ランニングコストを低下することができる。また、ろ床と分離膜とを組み合わせることによって、ろ床が予備的なフィルタリング効果となるので、分離膜が閉塞するのを防止でき、分離膜の洗浄頻度を低下させることができ、装置のメンテナンスが簡略化でき運転効率が向上する。また、単一の発酵槽内にろ床と分離膜とを配置するので装置をコンパクトにできる。
【００２２】
本発明の処理装置においては、前記ろ床は、多孔質状の合成樹脂素材又は繊維素材からなる担体を含むことが好ましい。
【００２４】
また、本発明の処理装置においては、前記メタン発酵槽は、第１発酵槽と、第２発酵槽と、前記有機廃棄物を含むスラリーを前記第１発酵槽に通過させた後、更に前記第２発酵槽に通過させる手段とを有し、前記第２発酵槽内には、垂直方向に並列して配置された前記ろ床と、前記ろ床の上部に配置された分離膜とが設けられ、前記消化液取出し手段は、前記第２発酵槽の前記分離膜を通過した液状の処理液と、前記第１発酵槽の下部及び前記第２発酵槽の前記ろ床の下部に溜まる余剰汚泥とを、それぞれ取出す手段を有していることも好ましい。これによれば、第１発酵槽と第２発酵槽とで別の攪拌方法や温度制御が可能であり、例えば第１発酵槽で中温メタン発酵を行ない、第２発酵槽で高温メタン発酵を行なう等、処理の自由度が高くなる。
【００２５】
更に、本発明の処理装置においては、前記メタン発酵槽内の前記スラリーを循環させて撹拌する手段、及び／又は前記スラリーの中にメタン発酵により生成したガスを吹き込んで撹拌する手段とを備えていることが好ましい。これによれば、攪拌によってスラリーとメタン菌との接触効率を向上できるので、発酵処理能力を向上させることができる。また、スラリーの固形物濃度を高くしても固形物の分離が起こることがなく、固定化微生物に有機性廃棄物を安定して供給することができるので、メタン発酵を安定して行なうことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて更に詳細に説明する。
【００２７】
図１〜３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はメタン発酵槽の一部切欠き図、図３はメタン発酵槽の概略構成を示す断面図である。
【００２８】
まず、図１の処理装置について説明すると、この処理装置は、有機性廃棄物を粗砕する粉砕機１１と、粗砕した有機性廃棄物を更に微粉砕する微粉砕機１２と、微粉砕した有機性廃棄物を貯留してスラリー調製するためのスラリー調整槽１３と、有機性廃棄物のメタン発酵を行なうメタン発酵槽１４と、発酵により生成したガスを貯留するためのガスホルダー１５とから主に構成されている。
【００２９】
有機性廃棄物を投入、粉砕するための粉砕機１１は、供給配管によって微粉砕機１２に連結され、更に、有機性廃棄物をスラリー化するスラリー調整槽１３に連結されるように構成されている。そして、スラリー調整槽１３からの供給配管が、スラリー循環ポンプ１６を介してメタン発酵槽１４の底部に接続されている。
【００３０】
なお、メタン発酵槽１４の上部からの配管が、スラリー調整槽１３とスラリー循環ポンプ１６との間の配管に合流しており、スラリー循環ポンプ１６によって、メタン発酵槽１４内をスラリーが循環できるように構成されている。
【００３１】
メタン発酵槽１４の上部空間からは、ガスホルダー１５に連結される配管が接続されており、メタン発酵槽１４において発生したバイオガスが、ガスホルダー１５に貯蔵されるように構成されている。これによって、このガスホルダー１５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。
【００３２】
図２、３を併せて参照すると、メタン発酵槽１４内には、メタン菌を主体とした嫌気性微生物が付着・担持されたろ床２０が設置され、更にその上部には分離膜２１が配置されている。そして、分離膜２１の上方からは、引き抜きポンプ１７を介して膜ろ過液を取出すための配管が接続されている。
【００３３】
一方、メタン発酵槽１４の底部からは、ろ床２０の下部から余剰汚泥を取出すための配管が接続されている。
【００３４】
ろ床２０としては特に限定されないが、例えば合成樹脂素材又は繊維素材からなる担体にメタン菌等を付着・担持したものからなる。この場合、担体は、接触面積を増加させるために各種形態とすることができ、例えば、図２に示すような中空円筒状でもよく、板状であってもよい。
【００３５】
そして、ろ床２０は、上記担体を互いに平行になるように規則的に配置して構成することが好ましい。例えば、図２に示すように、メタン発酵槽１４内に、複数本の中空円筒状の担体を垂直方向に並列に配置・充填したものでもよく、複数枚の板状の担体を垂直方向に並列させて配置・充填したものでもよい。また、塊状の担体を分散させて配置してもよい。これにより、限られた容積内に固定化微生物をより多く充填することができるとともに、スラリーと微生物との接触面積を大きくすることができる。
【００３６】
なお、スラリーを循環させる場合には、上記担体の配列方向を、循環経路に沿った方向とすることが好ましく、それによって循環抵抗を少なくすると共に、固定化微生物表面にスラリーが均一に接触するようにすることができる。
【００３７】
担体を構成する材質としては、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ビニロン樹脂、塩化ビニリデン樹脂、ピリジウムポリマーなどの合成樹脂素材や、炭素繊維などの繊維素材を用いることができる。本発明においては、上記合成樹脂素材を多孔質状に成形したもの、例えば不織布や発泡体などが好ましく用いられる。また、繊維素材を紐状に編み込んだものも好ましく用いられ、このような多孔質状の担体を用いることにより、担体の表面積を増大することができるので、担体に付着・担持できるメタン菌等の数を大幅に増やすことができる。また、担体内部にまでメタン菌等を付着・担持できるので、撹拌等によって担体に付着したメタン菌等が剥がれ落ちるのを防止できる。
【００３８】
また、担体は、酸化剤で親水化処理したものを用いることが好ましい。酸化剤としては、オゾン、酸素プラズマ、過酸化水素等が例示できるが、簡便性の点からオゾンガスを用いることが好ましい。オゾンガスによる担体の親水化処理は、担体を所定濃度のオゾンガスに所定時間暴露することにより行なうことができる。オゾンガスの濃度や暴露時間は、担体の大きさや合成樹脂素材の種類などによって適宜設定すればよく、例えば、ポリスチレン樹脂からなる担体の場合、常温下で、１，０００〜１００，０００ｐｐｍのオゾンガスに０．５〜２時間暴露すればよい。これにより、担体表面に酸素を含む親水性の官能基、例えば水酸基（−ＯＨ）やカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）等が形成されるので、担体表面へのメタン菌等の付着性を大幅に向上することができる。
【００３９】
ろ床２０は、例えば、上記のようにして親水化処理した担体をメタン菌等の培養液に浸漬して、そのまま所定時間培養することにより得ることができる。すなわち、メタン菌等の培養液に、親水化処理した担体を１〜２時間、より好ましくは２４時間以上浸漬することにより、担体の表面にメタン菌等を付着・担持させることができる。なお、本発明で用いられるメタン菌等は、通常、メタン発酵処理に用いることができる微生物であれば特に制限なく用いることができる。
【００４０】
分離膜２１としては、メタン発酵後の消化液を固液分離できるろ過性能を有するものであれば特に限定されず、例えば、平均孔径が０．１〜０．５μｍのメンブラン膜等が好ましく使用できる。
【００４１】
なお、メタン発酵槽１４には、発酵槽内を一定温度に保ち、発酵を促進するためにヒーター等の加熱手段を備えていることが好ましい。
【００４２】
また、必要に応じて、発酵によって生成したガスを回収するとともに、そのガスの一部を図示しないガスポンプによりメタン発酵槽１４の下部に吹き込んでバブリングする攪拌手段を備えていてもよい。更に、メタン発酵槽１４内に、モーターによって回転する撹拌羽根を取り付けて、発酵槽内のスラリーを機械的に混合・撹拌する手段を設けてもよい。
【００４３】
次に、上記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について説明する。
【００４４】
図１に示すように、飲食店や一般家庭等から排出される生ゴミや、食品工場などから排出される食品加工残渣、屎尿、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の有機性廃棄物は、粉砕機１１により粗砕された後、更に微粉砕機１２により微粉砕されてスラリー調整槽１３に投入される。このスラリー調整槽１３では、必要に応じて加水し、固形物濃度１０〜２０質量％となるように調整される。このようにメタン発酵処理に供する有機性廃棄物を粉砕、スラリー化することにより、分解速度及び消化率を向上することができる。
【００４５】
このスラリーはメタン発酵槽１４に送られ、該発酵槽内でメタン発酵が行なわれる。なお、この実施形態においては、メタン発酵槽１４内の下方から入ったスラリーは、ろ床２０を通過して上方に向かう上向流となり、スラリー循環ポンプ１６によって、図３の矢印の方向に沿ってメタン発酵槽１４内を循環する。これにより、スラリーの固形分の分散や発酵温度の均一化が行なわれる。
【００４６】
本発明において、メタン発酵の条件は、有機性廃棄物の性状等によって適宜設定できるが、例えば、固形物濃度２０質量％の有機性廃棄物を処理する場合は、ＣＯＤ負荷１０〜４０ｋｇ-CODCr/m3・d、発酵槽内滞留時間１０日以下で行なうことができる。また、発酵槽温度は高温メタン菌による発酵が可能な５０〜６０℃で行なうことが好ましい。
【００４７】
そして、発酵により生成したガスはガスホルダー１５に回収されて、エネルギー等として使用される。なお、上記のように、回収されたガスの一部を、メタン発酵槽１４内に戻して攪拌に利用してもよい。
【００４８】
ここで、この実施形態においては、前記ろ床に通過させてメタン発酵させた後の消化液を、ろ床２０の上部に溜まる液状の処理液を分離膜２１を通して取出し、一方、ろ床２１の下部に溜まる余剰汚泥をメタン発酵槽１４の下部から取出すことを特徴としている。
【００４９】
すなわち、一定時間毎に、分離膜２１を通過した液状の処理液が引き抜きポンプ１７によってメタン発酵槽１４から引き抜かれる。また、ろ床２０の下方に溜まる余剰汚泥は、メタン発酵槽１４の下部より定期的に抜き取られ、コンポスト化されるか、図示しない活性汚泥処理工程等に送られる。
【００５０】
このとき、分離膜２１の下方に配置したろ床２０によるフィルタリング効果によって、メタン発酵槽の上部には、ＳＳ（浮遊粒子）分の多い消化液が到達せず、分離膜１１への固形分の付着を防止する。したがって、従来、約２ヶ月毎程度に必要であった、逆洗や、バブリングを利用した膜の洗浄頻度を大幅に低下でき、分離膜の閉塞や破損を防止して、必要な液状の処理液を安定して引き抜くことができる。
【００５１】
また、メタン発酵槽１４内のメタン菌濃度を、担体による固定化効果と膜による菌返送効果で、高濃度に保持することができ、発酵効率を向上できる。更に、消化液は、ＳＳ分の少ない膜ろ過液と、ＳＳ分の多い余剰汚泥とに分けて取出されるので後処理が容易である。
【００５２】
なお、分離膜２１からの液状の処理液の引き抜きは、図１のように引き抜きポンプ１７を用いて吸引してもよく、メタン発酵槽１４内の水位を利用する重力ろ過でもよいが、エネルギー収支的には重力ろ過が好ましい。
【００５３】
図４には、メタン発酵処理装置の参考実施形態を示す概略構成図が示されている。以下の説明においては、上記の実施形態と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５４】
この参考実施形態においては、メタン発酵槽１４とは別の膜分離槽３０が並設され、この膜分離槽３０内に分離膜３１が配置されており、一定時間毎に、分離膜３１を通過した液状の処理液が引き抜きポンプ１７によって膜分離槽３０から引き抜かれる点が、主に上記の実施形態と異なっている。
【００５５】
なお、スラリー調整槽１３からのスラリーは、ポンプ１８によってメタン発酵槽１４の底部に投入されてメタン発酵槽１４内のろ床２０を上方に向かって通過することによってメタン発酵が行なわれる。そして、スラリーはメタン発酵槽の上部からスラリー循環ポンプ１６を介して膜分離槽３０に送られ、ここから再度メタン発酵槽１４の底部に返送されてスラリーの循環が行なわれる。
【００５６】
なお、発生したバイオガスは、メタン発酵槽１４及び膜分離槽３０の上部空間からガスホルダー１５に送られる。また、図中１９は余剰汚泥を引き抜くためのポンプである。
【００５７】
このように、本発明においては、メタン発酵槽１４と分離膜３１は別の処理槽に配置されていてもよく、これによっても、メタン発酵槽１４内の担体２０でＳＳ成分を閉じ込めることが可能になり、膜分離槽３０に設置した分離膜３１へのＳＳ分の付着を抑制することが可能となる。
【００５８】
図５〜８には、メタン発酵処理装置の他の参考実施形態が示されている。図５はメタン発酵処理装置の概略構成図、図６は第２メタン発酵槽の一部切欠き図、図７は第２メタン発酵槽の他の参考実施形態を示す一部切欠き図、図８は第２メタン発酵槽の更に他の参考実施形態を示す一部切欠き図である。
【００５９】
この参考実施形態においては、メタン発酵槽は、第１発酵槽４１と第２発酵槽４２とを有し、第２発酵槽４２内にメタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させたろ床５０が配置されている。
【００６０】
スラリー調整槽１３からのスラリーは、ポンプ１８によって、まず第１発酵槽４１に投入される。そして、スラリーは第１発酵槽４１からスラリー循環ポンプ１６を介して第２発酵槽４２の下部に送られ、第２発酵槽４２内に配置されたろ床５０を上方に向かって通過した後、第２発酵槽４２の上部から第１発酵槽４１に返送されてスラリーの循環が行なわれるように構成されている。
【００６１】
そして、発酵後の消化液は、第１発酵槽４１と第２発酵槽４２とを連結する配管の途中から引き抜かれ、第１発酵槽４１の下部、及び第２発酵槽４２のろ床５０の下部に溜まる余剰汚泥は、ポンプ１９によって引き抜かれる。なお、６０は活性汚泥槽、６１は活性汚泥処理後の固形分をスラリー調整槽１３に返送するためのポンプである。
【００６２】
なお、発生したバイオガスは、第１発酵槽４１及び第２発酵槽４２の上部空間からガスホルダー１５に送られる。
【００６３】
このように、この参考実施形態によれば、分離膜を用いることなく、第２発酵槽４２のろ床５０の上部に溜まる液状の処理液を引き抜くことができ、これによっても、ろ床５０のフィルタリング効果によって、メタン菌等の微生物やＳＳ分の少ない液状の処理液として引き抜くことができる。なお、ろ床５０の上に更に分離膜を配置することができる。
【００６４】
また、発酵槽を二つに分けることにより、第１発酵槽４１と第２発酵槽４２とで別の攪拌方法や温度制御が可能である等、処理の自由度が高くなる。この場合、例えば第１発酵槽４１では３０〜４０℃の中温メタン発酵を行ない、第２発酵槽で５０〜６０℃の高温メタン発酵を行なうことが好ましい。また、第２発酵槽４２でろ床５０が閉塞して処理効率が低下した場合でも、第１発酵槽４１を停止することなく、第２発酵槽４２内のろ床交換や除去操作が可能になる。
【００６５】
なお、図６〜８には、第２発酵槽４２として用いることができる構成の一例が示されている。
【００６６】
すなわち、図６に示されるように、ろ床５１として、第２発酵槽４２内に、複数本の中空円筒状の担体を垂直方向に周状に配置して、中央には攪拌羽根等を有する機械的な攪拌装置７０を配置したものでもよい。また、図７に示されるように、ろ床５２として、複数枚の板状の担体を垂直方向に並列させて配置・充填したものを用いてもよい。また、図８に示されるように、ろ床５３として、塊状の担体を分散させて配置したものを用いてもよい。
【００６７】
更に、図６、８に示すように、バイオガスの一部をガスポンプ８０によって第２発酵槽４２の底部に戻して吹き込み、このガスのバブリングによる攪拌を併用するようにしてもよい。
【００６８】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００６９】
実施例
図１に示すような処理装置を用い、本発明のメタン発酵処理方法を用いて連続運転を行なった。
【００７０】
有機性廃棄物としては、表２に示す組成の、果物、野菜、肉、魚、卵、米、パンなどの配合比を決めた生ごみに、水道水を加えてカッターミキサー（ＡＩＣＯＨ製）で調整し、これを１．５倍の水道水で希釈し、更にカッターミキサーで調整して得た模擬生ごみスラリーを用いた。生ゴミスラリーの性状を表３に示す。生ゴミの組成は、年間を通じて入手可能な食材を中心に選定した。
【００７１】
【表２】
【表３】
メタン発酵槽１４としては、容量５リットルの発酵槽を使用し、メタン発酵槽１４内の上部空間に、分離膜２１として、旭化成製の中空糸膜（材質：ポリフッ化ビニリデン、公称孔径０．１μｍ、外径１．３ｍｍ、内径０．７ｍｍ、長さ２５０ｍｍ）を９０本束ねて結束部にシリコンシール剤（ＧＥ東芝シリコーン製）を用いて作成した膜モジュール（膜面積０．０９ｍ３）を配置した。
【００７４】
また、分離膜２１の下方に、目開き５ｍｍのＳＵＳ製ふるいを上下に２枚設置し、その間に、不織布でできた固定化担体（バイコムＢａｆｉキューブ：株式会社日本バイリーン製）を６０ｇ充填したろ床２０を配置した。
【００７５】
メタン発酵槽１４の全体を、５４〜５６℃に温度制御した恒温水槽に入れ、メタン発酵槽１４の上部から引き抜いた消化汚泥をスラリー循環ポンプ１６（ヘイシン製）にて、メタン発酵槽１４の下部に循環させた。
【００７６】
膜モジュールからは、引き抜きポンプ１７(アズワン株式会社製)により定出力吸引ろ過を行なった。なお、スラリー投入前には膜モジュール下部に設置した循環ガスラインから３Ｌ／分のガスバブリングを行なうようにタイマーで制御して、膜モジュールのろ過を行なった。
【００７７】
比較例
上記のろ床２０から、固定化担体を除去した以外は、実施例と同様にメタン発酵を行なった。
【００７８】
試験例
上記の実施例の運転状況及び運転結果を表４に示す。
【００７９】
【表４】
この結果、実施例においては、滞留時間３日、容積負荷４０kg・ＣＯＤcr／ｍ３・dという高負荷の場合においても、２ヶ月以上安定にメタン発酵が可能であった。
【００８１】
また、実施例及び比較例について、膜モジュールの、累積ろ過水量とろ過圧力上昇との関係を測定した。その結果を図９に示す。
【００８２】
図９より、実施例においては圧力上昇は認められないことがわかる。一方、担体を下方に配置しない比較例においては、膜の目詰まりのため、吸引圧力が増大しているのがわかる。比較例では、最終的に時間あたりの引きぬき量が微量になり運転を停止した。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、メタン発酵槽外へのメタン菌の流出を抑えて効率的な発酵を行ないつつ、長期間の安定した運転が可能であり、更に、発酵処理後の消化液についても容易に処理可能である、メタン発酵処理方法及び処理装置を提供できる。したがって、本発明は、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の有機性廃棄物のメタン発酵処理に好適に用いられる。
【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】 同処理装置におけるメタン発酵槽の一例を示す一部切欠き斜視図である。
【図３】 同処理装置におけるメタン発酵槽の一例を示す断面図である。
【図４】 メタン発酵処理装置の参考実施形態を示す概略構成図である。
【図５】 メタン発酵処理装置の他の参考実施形態を示す概略構成図である。
【図６】 同処理装置における第２発酵槽の一例を示す一部切欠き斜視図である。
【図７】 同処理装置における第２発酵槽の他の一例を示す一部切欠き斜視図である。
【図８】 同処理装置における第２発酵槽の更に他の一例を示す一部切欠き斜視図である。
【図９】 実施例における累積ろ過水量とろ過圧力上昇との関係を示す図表である。
【符号の説明】
１１ 粉砕機
１２ 微粉砕機
１３ スラリー調整槽
１４ メタン発酵槽
１５ ガスホルダー
１６ スラリー循環ポンプ
１７ 引き抜きポンプ
１８、１９、６１ ポンプ
２０、５０、５１、５２、５３ ろ床
２１、３１ 分離膜
３０ 膜分離槽
４１ 第１発酵槽
４２ 第２発酵槽
６０ 活性汚泥槽
７０ 攪拌装置
８０ ガスポンプ
Claims (9)
- 有機性廃棄物をスラリー化してメタン発酵槽内に投入し、このメタン発酵槽内でメタン発酵させた後、消化液として取出すメタン発酵処理方法において、
前記メタン発酵槽内に、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させた板状又は中空円筒状のろ床と、前記ろ床の上部に配置された分離膜とを設け、前記ろ床を垂直方向に並列して配置し、
前記有機性廃棄物を含むスラリーを前記メタン発酵槽内に投入し、前記ろ床に通過させてメタン発酵させた後、前記分離膜を通過した処理液と、前記ろ床の下部に溜まる余剰汚泥とを、消化液として取出すことを特徴とするメタン発酵処理方法。 - 前記ろ床は、多孔質状の合成樹脂素材又は繊維素材からなる担体を含む請求項１記載のメタン発酵処理方法。
- 前記メタン発酵槽として、第１発酵槽と第２発酵槽とを設置し、
前記第２発酵槽内にメタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させた板状又は中空円筒状のろ床と、前記ろ床の上部に配置された分離膜とを設け、前記ろ床を垂直方向に並列して配置し、
前記有機廃棄物を含むスラリーを前記第１発酵槽に通過させた後、更に前記第２発酵槽に通過させて、前記第２発酵槽の前記分離膜を通過した処理液と、前記第１発酵槽の下部及び前記第２発酵槽の前記ろ床の下部に溜まる余剰汚泥とを、消化液として取出す請求項１又は２記載のメタン発酵処理方法。 - 前記ろ床が配置された前記メタン発酵槽内におけるメタン発酵を５０〜６０℃で行なう、請求項１〜３のいずれか１つに記載のメタン発酵処理方法。
- 前記メタン発酵槽内の前記スラリーを循環させながら、及び／又は前記メタン発酵槽内の前記スラリー中に前記メタン発酵により生成したガスを吹き込んで撹拌しながらメタン発酵を行なう、請求項１〜４のいずれか１つに記載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スラリー化してメタン発酵槽に導入するための有機性廃棄物供給手段と、
前記スラリーをメタン発酵させるためのメタン発酵槽と、
前記メタン発酵後の消化液を取出すための消化液取出し手段とを備え、
前記メタン発酵槽内には、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させた板状又は中空円筒状のろ床と、前記ろ床の上部に配置された分離膜とが設けられ、前記ろ床は、垂直方向に並列して配置されており、
前記消化液取出し手段は、前記分離膜を通過した処理液と、前記ろ床の下部に溜まる余剰汚泥とをそれぞれ取出す手段を有していることを特徴とするメタン発酵処理装置。 - 前記ろ床は、多孔質状の合成樹脂素材又は繊維素材からなる担体を含む請求項６記載のメタン発酵処理装置。
- 前記メタン発酵槽は、第１発酵槽と、第２発酵槽と、前記有機廃棄物を含むスラリーを前記第１発酵槽に通過させた後、更に前記第２発酵槽に通過させる手段とを有し、
前記第２発酵槽内には、垂直方向に並列して配置された前記ろ床と、前記ろ床の上部に配置された分離膜とが設けられ、
前記消化液取出し手段は、前記第２発酵槽の前記分離膜を通過した液状の処理液と、前記第１発酵槽の下部及び前記第２発酵槽の前記ろ床の下部に溜まる余剰汚泥とを、それぞれ取出す手段を有している請求項６又は７記載のメタン発酵処理装置。 - 前記メタン発酵槽内の前記スラリーを循環させて撹拌する手段、及び／又は前記スラリーの中にメタン発酵により生成したガスを吹き込んで撹拌する手段とを備えている、請求項６〜８のいずれか一つに記載のメタン発酵処理装置。
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